JPH03207461A - カーボン粒子を濾過する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は内燃機関中の燃焼から、電気的に興なる極性を
有するカーボン粒子を濾過する方法に関する。

［従来の技術］ 自動車におけるカーボン濾過の分野は、世界的に極めて
集中的に取り扱れているにもかかわらず、全ての公知の
提案における必要な要求は常に部分的に満たされている
にすぎない。

ａ）タトエば、ＳＡＥ一紙８　９　０　１　７　０　１
Ｍ．　Ｓｉｇ−ｎｅｔ，　　“Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　
Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎ　ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＴｒａ
ｐ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ″に記載されたようなウォー
ル　７ロー　タイプ（“Ｗａｌｌ　Ｆｌｏｗ−Ｔｙｐｓ
”　）の広く普及したフィルタは著しく高い分離度を達
威し、かつ確実に自動車中で所望の場所に配置すること
ができるが、システム上の原因で再生の際に高い熱応力
が生じ、この運転上の制御ぽ今だに或功していない。

再生のための燃焼は部分的（　ｉｎｓｅｌａｒｔｉｇ）
に生じるにすぎない。周囲の部分は特に隔絶されたまま
である。この高い温度は熱応力を生じ、ひいてはマトリ
ックスの破壊、場合により壁の部分的溶融が生じる。

触媒が大きくなればそれだけこの問題は重大になる（　
ＳＡＥ一紙、８９０１７３、Ｊ．Ｋｉｔａｇａ−ｗａ，
　　“Ｅｆｌｅｃｔｓ　ｏｎ　ＤＰＥ−Ｖｏｌｕｍｅ−
”参照）。

このフィルタは、極端に綿密に制御された再生（燃焼等
を含めた頻雑なシステム）においてようやく使用可能で
あるが、しかし廉価な乗用車の構造では、可能ではない
。

ｂ）たとえばＳＡＥ一紙、８９０１７２、Ｔ．Ｍｉｚｒ
−ａｈ　，　”　Ｏｐｅｎ　Ｐｏｒｅ　Ｃｅｒａａ＋ｉ
ｃ　Ｆｏａｍ　ａｓ　ＤｉｅｓｅｉＰａｒｉｃｕｌａｔ
ｅ　Ｆｉｋｔｅｒ　”において提案されているような、
セラミック材料からなる発泡フィルタは、著しく高い機
械的および熱的安定性を示すが、しかし許容可能な背圧
において実際にわずかな５０％〜６０％の分離度が達或
されるにすぎず、頻繁に“ブローオフ″（ＢｌｏｗＯｆ
ｆ）の問題が生じる。

Ｃ）たとえばＦＩＳＩＴＡ一紙８　４　５　０　８　０
　，　Ｗ．Ｐｏｌ−Ｉａｃｈ，　　Ｅｒｇｅｂｎｉｓｃ
ｅ　ｗｉｔ　ｄｅｍ　ｅｌｅｋｔｒｏｓｔａｔｉ−ｓｃ
ｈｅｎ　　Ｒｕｓｓａｂｓｃｈｅｉｄｅｒ　　ａｎ　　
ｅｉｎｅｍ　　ＰＫＷ−　Ｄｉｅｓ−ｅｌｍｏｔｏｒ”
参照の静電気的カーポンブラック分離機は、確実に高い
分離度およびわずかな背圧を示す。しかしこれは、再生
の問題が解決されていない状態である。さらにその空間
の必要量が大きい。

前記刊行物に記載された通常の構造は、フィルタにおい
てコロナ放電区域が前に配置されており、これがカーボ
ン粒子に単一の極性を与える。

ＳＡＥ紙８６０００９、（Ｋｉｔｔｅｌｓｏｎ，　”Ｅ
ｌｅｃ−ｔｒｏｓｔａｔｉｃ　　Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ
　ｏｆ　Ｄｉｅｓｅｌ　Ｐａｒｔｉｃｌ−ｅｓ”　）で
はこれに対してカーボン粒子がモータを離れる際に高い
程度で両極性に荷電されるため、モータの直後に配置し
た静電気的分離機はコロナ区域なしで間に合わせること
ができ、適当な構造において１つの同心の管から構成さ
れた簡単な分鴫器中で８０％より大の分離度を達威する
ことができる。衝突した粒子は捕捉電極にその荷電を渡
たし、引力を失って、電極面に沿ってこの系から再び離
れる。この粒子は、しかし凝集するため、後に配置した
粗分離機（たとえばサイクロン）が搬出効果を有するよ
うになる。ここでもなおガス流からのカーボンの限定的
分離および再生の問題は解決していない。

ｄ）気泡または発泡構造のディーゼル粒子フィルターに
おいて通常使用されるセラミックスは電気的に絶縁であ
る（コージライト）。しかし、十分な導電性を有する適
当なセラミック材料を選択することもできる。この技術
は一般に公知で、たとえば“Ｍｏｄｅｒｎ　Ｃｅｒａｍ
ｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　　，　Ｄａｖｉｄ　Ｗ．
　Ｒｉｃｈｅｒｓｏｎ　Ｐｕｂｌ．Ｍａｒｃｅｌ　Ｄｅ
ｋｋｅｒ　Ｉｎｃ．　ｌ　９　８　２　．に専門的に記
載されている。これは半導体として、加熱素子として、
電気ヒューズまたはコンデンサに使用することができる
。たとえば加熱可能な触媒の適用（　ＳＡＥ一紙８９０
７９９、Ｋ．Ｈｅｌｌ−ｍａｎｎ　，　　　Ｒｅｓｉｓ
ｔｉｖ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏｑ
ｕｉｋ　Ｌｉｇｈｔ一〇ｆｆ　Ｃａｔａｌｙｓｔｓ′）
　、ｆ二とえばドープした炭化ケイ素材料の使用である
。

ｅ）数ＫＶの範囲内での高い直流電圧の発生は近代的な
電子的手段を用いて技術上の問題はない。電圧源として
自動車のバッテリーの電圧を使用することができる。電
子回路および後接された整流器を備えた変圧器の使用下
で選択可能な極性を有する、必要な電位は自動車工業に
おいて得ることができる。

セラミックフィルタ中に蓄積されたカーボン量の再生は
、ＳＡＥ紙８　８　０　０　０　８　、Ａ．Ｍａｙｅｒ
／Ｅ．Ｐａｕｌｉ．　　　Ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ　Ｃｏｎ
ｃｅｐｔ　ｆｏｒ　Ｖｅｈ−ｉｃｌｅ　Ｄｉｅｓｅｌ　
Ｅｎｇｉｎｅ　　，により、フィルタがモータの近くに
位置し、その容量が十分に小さく、表面は適当な触媒に
より被覆されており、かつ絞りまたはモータ流量の排気
ガス還流により、任意の負荷点で十分な排気ガス温度が
生じる場合に確実に可能である。

［発明の効果］ 前記した欠点に対して本発明は対策を講じている。本発
明の課題は、高い分離度により特徴づけられる再生可能
な排気ガス粒子フィルタを提供することであり、このフ
ィルタは、分離したカーボンを、蓄積期において、温度
および／または流量が著しく変動した際でも、確実に保
持することができる。

従って本発明の主とした利点は、フィルタがブローオフ
挙動を示さない、つまりカーボン粒子はフィルタの基礎
マトリックスの流動長さに沿って、確実に完全に濾過さ
れる点に見られ、これは約５０ｐｐｉのフィルタの多孔
度の場合で生じるにすぎず、このことは約０．５ｍｍの
孔寸法に相応する。

このことは、根本的に、カーボン粒子の完全な濾過は、
保持力が排気ガス流の引っぱり力に対抗できる限りにお
いて、すでに存在しかつ所定の多孔度に起因する保持力
の利用および／またはこれに関する作用により行なわれ
ることにより達成される。本発明による課題の解決の有
利でかつ合目的な実施態様は請求項の２項以下に記載し
てある。

［実施例］ 次に本発明を図面の実施例につき詳説する。

本発明の理解に直接必要でない部材は省略した。排気ガ
スの流動方向は矢印で表わした。図面において同一部材
は同一の記号で示した。

第１図は、カーボン粒子の濾過の４つの基本構造（Ｉ〜
■）を示す図である。

カーボン粒子は内燃機関を離れる際にそれ自体多数が荷
電している。内燃機関の後に同様の濾過を行う場合、こ
の粒子は捕捉された後にその電荷を排気ガス粒子フィル
タの導電性表面で、たとえばセラミックス表面で失うと
いう内在的危険性が生じる。それによりこのカーボン粒
子の結合力は失なわれてしまい、所望の効果は消失し、
かつカーボン粒子は排気ガス流により連行されることも
ありえる。この危険を避けるために、あらかじめ導電性
材料からなる発泡フィルタ２．３．４を選択し、次に高
い絶縁性のセラミック材料２ａで全体的に被覆する。こ
れは、たとえば酸化アルミニウム浴に浸漬することによ
り行うことができ、これによりフィルタの連続気泡構造
を良好にとられることができる。それ以上にたとえば“
γ相”を選択するのが好ましく、この相は同時に、もし
もの場合に、被触物をたくわえるための著しく高い内部
表面を形戊することができる。必要な電気的接触位置７
で分離に用いる発泡フィルタ２．３．４は表面の絶縁層
を除去するために容易に加工される。最初の基本構造工
によると、前で説明したような２つの多孔性フィルタ板
２，３が流れ方向に対して相互に前後して接続される。

さらにこれらは異なる電位で存在する：正に荷電した排
気ガス粒子フィルタ２は、排気ガス流から負に荷電した
カーボン粒子ｌを捕捉する。後接された、同様に高度に
負に荷電した排気ガス粒子３は正に荷電したカーボン粒
子１をとらえる。後の工程の場合に言えるのは、正に荷
電したカーボン粒子ｌの一部は最初の正に荷電した排ガ
ス粒子フィルタに機械的に捕えられることから出発して
いる。排気ガス流からの中性カーポン粒子について言え
るのは、排気ガス粒子フィルタ２の正の荷電によるかま
たはそこで生じる機械的効果によって、荷電したカーボ
ン粒子と同程度の分離度で濾過されることである。双方
の排ガス粒子フィルタ２．３はその支持皮形体またはケ
ーシングに対して実体的に絶縁体を備えており、この場
合、荷電するのに用いる導線８は絶縁層を通過して導か
れる。双方のフィルタは、破壊電圧のため、一定の間隔
を有さなければならない：１０ｋＶの場合約ｌｏａｍの
間隔もう１つは、前記の形態に対して、第２の基本構造
田が考えられる。この場合、唯一の排気ガス粒子フィル
タ４が設置されており、これは異なる電位４ａに関して
時間的に急速に後退させている。その際このパルス＋／
一の時間的間隔は、フィルタ領域中でのカーボン粒子ｌ
の滞留時間より短かくあるべきである。正の電圧をかけ
た場合、負に荷電されたカーボン粒子ｌが捕捉され、負
の電圧に交替した場合、正に荷電されｔ；カーボン粒子
が濾過される。中性の電荷のカーボン粒子ｌに関しては
、前記の基本構造Ｉの記載したことがあてはまる。カー
ボン粒子ｌのゆるい構造において、このカーボン粒子の
電荷は失なわれないことが期待される。こうして形成さ
れたカーボン粒子１からなる“ケーク”は、排気ガス粒
子フィルタ４において急速に変化する結合力の場合に全
体的に変化しない。

これについては、もう１つの現象から利点がある：濾過
工程にわたり相互に近づき、すでに十分に予め圧縮され
ているカーボン粒子ｌの相互の引力により著しい凝集が
生じる。それにより生じたカーボンの大きな２次粒子は
粗い孔の絶縁発泡フィルタ内に容易に捕捉されない。

この排気ガス粒子フィルタをモータから遠ざけて配置し
た場合、本来存在するカーボン粒子の電荷は失われてし
まうことは公知である。これに対して、カーボン粒子を
濾過位置の前で新！二に電気的に荷電することにより対
策を講じた基本構造■により、新たに行うべき電気荷電
は最初の荷電した排気ガス粒子フィルタ５中で行なわれ
、その中で全てのカーボン粒子は正の電荷にされ、次い
で次の絶縁された排気ガス粒子フィルタ３，２ａ中で負
の電荷により濾過が行なわれる。この分離に用いるフィ
ルタ３は少なくとも表面上電気的に絶縁されている。

もちろん、この導電性フィルタ５は負に荷電されていて
、それにより、次の濾過のために用いるフィルタ３は正
に荷電されていなければならない。排気ガス粒子フィル
タ５が主としてカーボン粒子１を荷電するｍｉｉを負っ
ているような場合には、その多孔度の寸法は相応してカ
ーボン粒子透過性に選択することができる。

この技術は同様に、基本構造■が象徴化しているように
、負に荷電した絶縁排気ガス粒子フィルタ３，２ａの前
に適当なコロナ区域６が接続されている場合、それ自体
で使用可能であるここでもまた、多孔度に関しては、前
記した基本構造■の実施態様で述べたようなことがあて
はまる。

一般に発泡フィルタの利点、つまり粗大な孔を利用する
ことで静電粒子の捕捉電極としての発泡セラミックフィ
ルタの構戊を可能にし、それとともに圧力損失の減少お
よびそれにもかかわらずブローオ７の危険性の回避を可
能にしていると考えられる。特に、流動方向に向ってフ
ィルタの後に位置する過給機を備えた、圧力負荷される
内燃機関の場合のフィルタにおいて、前記したような圧
力損失の減少は極めて有利である。

前記の基本構造Ｉ−ＩＶはただちに、機械的濾過および
／または排気ガス粒子フィルタの再生の改善を目的とし
た手段によってさらに拡大することができる。次に記載
する刊行物ならびに実施例は、本発明の思想を統合する
ことのできる構戊である。

欧州特許出願公開００７２０５９号（Ａ１）明細書にお
いて、圧力波過給機を備えた内燃機関における排気ガス
粒子の排出を制限するために、圧力波過給機の前の排気
ガス系の高圧部中に排気ガス粒子フィルタを配置してい
る。固有燃料供給の強化および／または過給空気フラッ
プもしくは再循環フラッグの短期的閉鎖および／または
排気ガスバイパス弁の短期的開放により、排気ガス粒子
フィルタ中に捕捉されたカーボン粒子を点火しかつ燃焼
させ、排気ガス粒子フィルタが自己再生することができ
るような引火温度に達する。この排気ガス粒子フィルタ
は第１図による基本構造Ｉ−ｒＶにより設計することが
できる。

さらに、欧州特許出願公開第ＤＩ　５２８７０号（Ａ２
）明細書には、一般に、排気ガスの再循環により、排気
ガス粒子の排出を最小にし、同時にここでこの手段とと
もに排気ガス粒子フィルタの再生をほぼ連続的に可能に
している。

この排気ガス再循環において、排気ガス温度が、総合的
な部分負荷領域で上昇する。つまり濾過された排ガス粒
子の引火は、３％〜６％以上の酸素濃度が供給されれば
、５００〜５５０℃の温度で行なわれる。この回路に備
えられた排気ガス粒子フィルタは、ただちに、前記した
第１図の基本構造１−ＩＶにより設計することができる
。

スイス国特許第６６３２５３号明細書には、内燃機関用
の排気ガス粒子フィルタが提案されており、このフィル
タは並列に接統された流路に分割されている。モータの
負荷に依存して制御することができる調節フラップは、
モータの排気ガスを１つ以上の流路に通す。従って完全
に作動している間に、完全な排ガス粒子の濾過を保証し
ている。調節フラッグを介して流路の通過を制御するこ
とは、そこで捕捉された排気ガス粒子の完全な燃焼を可
能にすることができる。多様な流路中に位置するフィル
タは前記した第１図の基本構造により設計することがで
きる。

欧州国特許出願公開第０１８３０６６号（ＡＩ）明細書
において提案された排気ガス粒子フィルタは、その心部
に空所を有し、それが排気ガスを中央フィルタ部に流入
させるようになっている。中央フィルタ部の他に外側フ
ィルタ部が設けられており、中央部は外側部に比べてよ
り大きいフィルタ多孔度および少ない質量および少ない
分離度を有しており、そのため排気ガスは初位相で抵抗
の少ない行路を選択する、つまり中央フィルタ部へ流れ
ることとなる。その大きいフィルタ多孔度と少ない質量
は貫流する排ガスの温度の抵下をわずかに保ち、その結
果ここでも後接する過給機がすばやく応答することがで
きる。カーボン粒子の分離はさしあたりまず中央フィル
タ部で行なわれるため、その分離度は比較的少ないが、
急速に、強力な捕捉が行なわれ、それによりこの抵抗は
促進相の後にそれを取り囲む外側フィルタ部のもので補
償される。従ってこの外側フィルタ部は、再生せずに長
期にわたりカーボン粒子の濾過を保証する容量を有する
。

フィルタの再生を開始するために、排気ガス粒子フィル
タ戊形体に加熱可能な素子を備えつけ、これを用いて周
期的にまたは間断なく濾過したカーボンを引火させるよ
うな他の有効な手段を選択的にまたは同時に行うことも
可能である。この再生は発泡フィルタの場合、一度始ま
った燃焼がフィルタにわたり拡大することができる限り
において有効である。この排気ガス粒子フィルタ成形体
の構造は、フィルタにより拡散状の流れが生じるように
構成される。

フィルタの再生を最適にするため、排気ガスが貫流する
ケーシングの横断面に１個以上のフィルタ素子を配置す
るようにすることができる。唯一のフィルタ素子の有利
な選択において、その流れ方向の前方のフィルタ領域が
、カーボン粒子の引火点を約３６０℃に低下させるため
に触媒で被覆される。前方のフィルタ領域に後接してい
る残りのフィルタ領域はガス状の有害物質を後酸化する
触媒で被覆されている。従って、低い引火温度での連続
的再生が保証され、同時に、特に発泡フィルタの場合の
燃焼は、連続気泡構造のため、前方のフィルタ領域に後
接４ する残りのフィルタ領域中で分離されたカーボン粒子は
同様に燃焼するように、妨げなく全フィルタにわたり拡
大することが保証される。フィルタのそれぞれの設計に
おいての前記の手段は、ただちに前記の第１図に記載し
た基本構造１−ＩＶにより設計することができる。

一般に言えることは、分離のために用いる唯一のフィル
タ素子の所望でかつ必要な選択において、第１図による
基本構造工は使用することはできないということである
。

このフィルタ構造は、全てのバリエーションおよび形態
において、過給機を備えた内燃機関に制限されるもので
はない。これはオットー機関ならびに過給機を備えたま
たは備えていないディーゼル機関Ｉこ使用することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はカーボン粒子のフィルタの４つの異なる基本構
造（Ｉ−ＩＶ）である。 １・・・カーボン粒子、２，３．４．５・・・フィルタ
、６・・・コロナ帯域、２ａ・・・絶縁層、７・・・触
媒位置、 ８・・・導線 図面の浄書（内容に変更なし） 第１図 手 続 補 正 書 （方式） １． ２６ 事件の表示 平成　２ 発明の名称 年 特許願 第 １５５５８１ ３． 補正をする者 事件との関係 特杵出願人 平或　２年８ 月２８日（発送日） ６． 補正の対象 （１）図面 （２）法人証明書 ７． 補正の内容 ８＋ 但し（１）は図面の浄書（内容に変更なし）１，訂正願
書　２．理屯１（ｅ）人証明書屯図雪ｒ竺Ａヒ乙）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内燃機関中の燃焼から、電気的に異なる極性を有す
   るカーボン粒子を濾過する方法において、カーボン粒子
   （１）を、第１作用区域で、手段（５，６）により同じ
   極性に荷電し、引き続きこのカーボン粒子を、反対の極
   性を有する１個以上のフィルタ（３）中で濾過すること
   を特徴とするカーボン粒子を濾過する方法。 ２、内燃機関中の燃焼から、異なる極性を有するカーボ
   ン粒子を濾過する方法において、カーボン粒子（１）を
   、内燃機関の後で、フィルタ（２，３，４）から形成さ
   れるフィルタ領域に貫流させ、そのフィルタ領域中では
   、領域（２，３）により所定の反対の電気的極性が支配
   する、および／または間欠的に反対の電気的極性（４ａ
   ）が供給されることを特徴とするカーボン粒子を濾過す
   る方法。 ３、手段（５，６）は、第１の作用区域で電気的に通電
   されており、分離に用いるフィルタ（２，３，４）は少
   なくとも表面上は電気的に絶縁されていることを特徴と
   する請求項１または２記載の方法を実施する装置。 ４、フィルタ（２，３，４，５）が発泡セラミックフィ
   ルタである請求項１または２記載による方法を実施する
   装置。 ５、発泡フィルタ（２，３，４，５）が連続気泡構造を
   有する請求項４記載の装置。 ６、発泡フィルタ（２，３，４，５）の多孔度が５０ｐ
   ｐｉである請求項４記載の装置。７、カーボン粒子の分
   離のために用いるフィルタ（２，３，４）は、排気ガス
   貫流ケーシング中に配置され、その際このフィルタがケ
   ーシングに対して実体的に絶縁されている請求項３記載
   の装置。