JPH04501448A - ディーゼル排気ガスフィルタ - 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】 ディーゼル排気ガスフィルタ 本発明はディーゼル排気ガスからすす粒子を分離し燃焼するための新規な方法及 びこの方法の実施のための装置に関する。

ディーゼル排気ガスに含まれるすす粒子の燃焼のための、先行技術で公知の設計 はすべてフィルタによって行なうこの粒子の分離と、その後の燃焼を扱うもので ある。成る設計では環状電極を備えた在来の電気集塵機を用い、この電極が貫通 孔区域で働き、相応に大きなすす粒子を放出する。これを遠心分離機で分離し、 排気ガスの部分流と共に吸気路に戻す。ところがこのすす粒子は、自動車メーカ ーが容認できないピストン及びシリンダブシュの摩耗の増加を引き起こすことが 判明した。別の設計は互いに隣接する長いフィルタ細胞から成るハニカム又は細 胞形フィルタを設ける。

フィルタ細胞は好ましくは正方形横断面を存し、交互に入口側及び出口側が栓に よ７て閉鎖されている。濾過される排気ガスは２個のこのようなフィルタ細胞に 共通の多孔壁を貫通することができるが、エーロゾルは気孔を通り会けることが できず、入口側が開いた細胞に堆積する。このフィルタは耐高温性のセラミック 材料で作られており、好ましくは触媒作用物質で被覆され又はドープされている から、酸素が過剰ならば７００℃以下で既に分離すす粒子の燃焼が起こる。この 温度はスロットル全開運転のときにしか到達しないから、その間の期間に逆圧の 大幅な上昇が生じ、厄介なことにエンジン出力を低下する。しかもすす粒子の不 燃性金属不純物で気孔が永久的にふさがれるので、長期的には排気ガスフィルタ の逆圧の不可逆的上昇が起こる。また長い使用時間の未フィルタの洩れの増加を 招くような使用時間で出口側ストッパの構造的消耗が生じる。

本発明によればすす粒子を燃焼の前にハニカム状構造の細胞を有する両側が開放 した細胞形フィルタで電界及び／又は磁界により分離する。電気力線又は磁力線 は細胞形フィルタ内の流れ方向に対して垂直であることが好ましい。特に分離さ れたすす粒子の燃焼のためのオーム熱と内部抵抗によりセラミック材料に供給す るために印加電圧を利用する。

燃焼の直後にたいていのすす粒子は帯電しているが、ハニカムフィルタに進入す る前に気中放電によりすす粒子に帯電させれば分離度が大幅に増加する。多くの 場合反復するこの帯電と、狭いハニカム内で激しい流れが優勢であることとによ って、流速にあまり左右されない分離度が生じる。セラミック材料の粗い表面性 状が境界層の厚さと分離したすす粒子の保持力のいずれも増加する。それでもこ の保持力を超過しないように、燃焼を連続的に又は少くとも小さな時間間隔で行 わなければならない。連続燃焼のために必要な高い熱量はフィルタのすこぶるコ ンパクトなハニカム構造によって減少され、すす発生量を故意に増加することに より一層引き下げることができる。それでもとりわけセラミックフィルタの製造 の際に表面粗さを一層高める特別の処置を講じるならば、間隔を著しく延長する ことができる。

分離のために電界を使用するときは、セラミック材料が一般に相応に高い固有抵 抗を持たなければならない。この場合は誘電体の電気分極によりハニカムフィル タの内部に電界が生ずるように配慮しなければならない。その際分離された帯電 二一口ゾル及び外部印加電界により誘電体表面電荷の部分的補償が生じ、及び／ 又は当該の電界を維持又は回復するため及び／又は分離された電荷を補償するた めにエーロゾルの電荷を転極しなければならない。必要な転極回数はずす粒子の 濃度と平均電荷数及び材料の誘電特性によって決まる。

誘電体表面電荷が飽和すれば、外部電界を遮断することもできる。分離された電 荷が該分離によって再び働き、この電荷が原因で生じる電界によりしばらくの間 一層の分離を喚起することができる。

分離板の一方の極性周期の間に気中放電の極性、それと共にエーロゾルの電荷の 符号が変化するならば、この方法は一層効果的である。

これは放電ギャップの電圧の反転によってたやすく行うことができる。特に放電 ギャップが放電線と円筒形対電極から成る場合がそうである。その場合は対電極 を放電電極の上手に配設するのが特に有利である。

帯電すす粒子はガス流中で移動度が小さいためフィルタへ送られるが対電極に到 達することができないからである。放電線が大地電位に、対電極が当該の正又は 負の高電圧にあるならば、放電線を時折清掃のために焼くことができる。

磁界で分離するときは、気体分子との衝突の間即ち自由行程の間の気中の荷電粒 子のローレンツ力による相対運動で円形軌道セグメントが生じる。衝突の後に別 の方向に飛行が行われるが、軌道はやはりローレンツ力に相当するわん曲を有す る。巨視的にこれらのすべての軌道片の合成として流れるガスの方向が残り、す べての円形の偏りの合成は流れのベクトルと磁界のベクトルのベクトル積として 、即ち流れ方向に垂直かつ磁力線の方向に垂直の方向のローレンツ力に相当する 荷電粒子のドリフトを生じる。すす粒子の大きな質量による効果は小さいから、 少くとも横ドリフト方向に極めて微細なフィルタ細胞が必要である。磁界の強さ はドリフト方向の細胞直径、磁極片直径及び流速に基づいて実験的に決定しなけ ればならない。エーロゾルの帯電度は重要な役割を果たし、気中放電ギャップの 設計及び使用電流によって決まるからである。

電界による分離は効率が高いが決定的な欠点を我慢しなければならない。セラミ ックは高温でも適宜に高い固有抵抗を持たなければならない。さもなければセラ ミックの空胴に電界が形成されないからである。

従って金属触媒被覆を使用してはならない。すすの燃焼のための温度が６５０℃ 以上に上昇する。また触媒被覆フィルタの場合はすすの燃焼のために必要な温度 に到達することができるのは比較的温暖な地方及び長いスロットル全開運転の場 合だけであるから、種々のユーザー側によって補助ヒータが考えられている。

本発明に基づき内部抵抗と印加電界によりセラミック材料にオーム熱を供給する ことによって上記の欠点が取除かれる。また電界で分離する場合に加熱電流の供 給のために電界電極を使用することができる。電気力線に沿った分離方向と加熱 電流の流れ方向とを統合することによって、フィルタ装置の絶縁抵抗がすす粒子 の付着によりあまり増加しないようにすることができる。なぜならすす粒子の分 離が電界方向に対して垂直の表面でだけ行われるからである。

使用温度の制御は電圧電流特性曲線自体により、またセラミック内又はセラミッ クの後方のガス流内の温度センサにより行うことができる。特に電界とオーム電 流を形成する高電圧を制御することにより、分離操作時の排気ガスフィルタの使 用温度を、とりわけ分離操作の続行の際に分離されたすす粒子の燃焼が可能な範 囲にあるようにすることができ、かつこの温度をフィルタへの排気ガス進入温度 より高く保持することができる。

本発明によれば、分離操作時に、広い電界電圧範囲又は高電圧範囲にわたってフ ィルタの分離能力がすこぶる良好となり、この高電圧範囲と当該の温度範囲でフ ィルタ装置の実効抵抗が１０３ｏｈｒ１ないし１１０７ｏｈＩであることによっ て制御そのものが可能になる。

もちろん分離電圧が１ｋＶ以下であるようなフィルタの形状寸法も考えられる。

このフィルタ装置も一般に１０　ｏｈｍないし１０　’　ｏｈｍの範囲の抵抗を 持たなければならない。

６００℃ないし８００℃の温度範囲の比絶縁抵抗がこのような制御を許容するセ ラミック物質は存在するし、しかも全体の寸法のありきたりの選択のほかにハニ カムフィルタのハニカム、特に幅高さ比により又は長方形ハニカムフィルタの場 合に電界方向のハニカム間の仕切りの厚さによりフィルタ装置の抵抗を調整する ことができる。

使用温度が高ければどうしても必要になることであるが、電界方向のハニカムフ ィルタの抵抗を一層高めようとするときは、本発明に基づき電界方向に走る平面 から次のハニカム平面へそれぞれずらせて配列し、ハニカムの幾何学的形状をレ ンガ積みのレンガの幾何学的形状によく似たものにする。

次に添付の図面を参照してディーゼル排気ガスフィルタの本発明に基づく構造を 説明する。

図面の第１ａ図は在来のハニカムフィルタの略図、第１ｂ図は本発明に基づくデ ィーゼル排気ガスフィルタの略図、 第２ａａ図及び第２ａｂ図は磁気分離及び誘導加熱を備えたディーゼル排気ガス フィルタの縦断面図及び横断面図、 第２ｂａ図及び第２ｂｂ図は電気分離及びオーム抵抗加熱を備えたディーゼル排 気ガスフィルタの縦断面図及び横断面図、 第３図は第２ｂ図の配列の加熱電力及び分離挙動と高電圧との関係、 第４図は加熱電力の特性曲線、加熱電力３．６ｋＷで７００℃のときの制御サイ クル及び加熱電力４．ＪｋＷ　。

８００℃で同時に分離するときの制御サイクル、第５図は円筒形ハニカムフィル タ装置の縦断面図を示す。

第１ａ図はディーゼル駆動乗用車に関連して既に使用されたハニカムフィルタの 縦断面略図を示す。薄い多孔質セラミック材料１から成る通路は通常正方形横断 面を有し、交互に入口又は出口が栓で閉鎖されているので、流入する燃焼排気ガ ス３は多孔質セラミック壁を通過して隣の、出口側が開放した通路へ到達する。

その際すす粒子は入口側が開放した通路の細孔質セラミック壁に堆積し、すす粒 子を除去したガス４がハニカムフィルタから退出する。

第１ｂ図は本発明に基づくディーゼル排気ガスフィルタの縦断面略図を示す。流 路の両側が開放しており、排気ガスは自由に貫通して流れることができる。

帯電したすす粒子だけが電気力線５の影響のもとで流路の壁体１寄りに運動し、 ここで分離される。磁界では分離する力が流れ方向に垂直かつ磁力線５に垂直即 ち図平面に垂直に働く。電界では力が電気力線５に沿って即ち図平面で働く。い ずれの場合も流れ方向に対して垂直に働く力のもとで、すす粒子はドリフト速度 と局部流速との合成速度で壁体に向かってドリフトする。

第２ａａ図はセラミックスリーブ２の中にあってスペーサリング３で固定される ディーゼル排気ガスフィルタ１を示す。このスペーサリングは同時に、気中は放 電線１２と円筒形対電極１３から成る。一方、セラミックスリーブ２は割ったセ ラミックカラー４と止め輪５に１り排気ガス設備６又は排気ガス曲り管７にフラ ンジ付けされる。ハニカムフィルタをなるべく高い温度に保ち、誘導加熱から得 る熱量を少くするために、排気ガス曲り管７はセラミック又は部分セラミックか ら成るのが好ましい。誘導加熱の巻線８もセラミック９に埋設されている。更に 固定磁石１０が排気ガス側６からセラミックカラー４及び止め輪５を経て誘導巻 線８のセラミックマウント９の上に差し込まれる〇分離したすすの非定常燃焼の 場合は温度センサ１１で誘導加熱電力を制御する。温度センサ１１はハニカムフ ィルタから出る排気ガスの出口温度を測定し、ハニカムフィルタ又は分離された すすを触媒燃焼が進行し得る一定の温度に保つ。連続燃焼の場合は誘導加熱によ り導電性物質だけが加熱されることを前提とすれば、必ずしも制御は必要でない 。この場合導電性物質は専らすすであり、これを燃焼した後は導電性物質がもは やフィルタ内にないからである。

高い分離度のためにハニカムフィルタ１の前に気中放電ギャップを設けた。放電 線１２は相互にかつ円筒形対電極１３と平行に整列されている。気中放電ギャッ プ無しの場合の分離度はフィルタの構造と機能に応じて約５０％ないし７０％、 気中放電ギャップがあれば約９０％ないし９８％である。

ハニカムフィルタ１の高さに於てのこの装置の横断面図（鰯２ａｂ図）には誘導 加熱装置８．９と固定磁石１０が示されている。固定磁石の磁極片は誘導巻線８ のセラミックベッド９の曲面に整合するように形成されている。

第２ｂａ図は電気分離とオーム抵抗加熱を備えたハニカムフィルタの縦断面図、 第２ｂｂ図は横断面図を示す。ハニカムフィルタ１の２つのそれぞれに於て、円 筒の軸線と平行の側部が切り取られ、この側部にそれぞれ電極１４が配設されて いる。切り取った部分は２個のセラミツブ成形品１５によって流れが制止される 。その他のすべての構造の細部は第１図と同じである。

第３図は２５℃でこの配列のセラミック部材を流れる電流（ｉｍ界）、電離線（ ｉ電線）の放電電流、両者が費やす電力消ｇｔＬ及び３種の粒度即ち０．５μｍ 未満、０．５μｍ超過及び１μ謬超過について測定した吸収確率を示す。これら の量はすべて電離線とハニカムフィルタに共通して印加される高電圧Ｕの独立に 変化する値と対比して記載した。

０．５μ厘超過の粒子の吸収確率が４ｋＶで９０％、１２ｋＶで９９％、３４　 ｋＶで９９　、９　％と高いことに注目しなければならない。従ってフィルタの オーム加熱のために約３０ｋＶの制御インターバルが考えられる。

第４図は、温度５００℃ないし８００℃でのフィルタ部材の電力消費と、印加さ れる分離及び制御電圧Ｕとの関係を示す。注目されるのは、すす粒子の静電分離 を完全に維持しつつ８００℃で利用可能な制御インターバルが６ｋＶの３６０Ｗ から３４　ｋＶの１１．５に警に及ぶことである。またフィルタが３．θにシマ イナス排気ガスへの熱損失を組み入れる。７００℃の制御サイクル及びフィルタ が炭素粒子の燃焼により放出される熱のほかに４．１ｋＷマイナス排気ガスへの 熱損失を放出する８００℃の制御サイクルを記載した。８００℃を超える始動サ イクルに対して高圧電源の電力制限を６ｋＷと考えた。

第５図は円筒形内部高圧電極２を備えたハニカムフィルタ１の円筒形配列を示す 。高圧電極２は同時に挿入式の放電電極ホルダー１２を介して円筒形対電極１１ を担持する。円筒形外部電極３はセラミック製遮蔽円筒１０によってハニカムフ ィルタ１から隔離されている。接地した外被５へ向かつて帯電すす粒子があまり に強く流出することを阻止すると共に成る程度の熱絶縁を保証するために、遮蔽 円筒１０は放電板１１を越えて前方へ張り出している。

竜 Ｆ秒、２ａα Ｆｒｙ、２ｂ　ａ Ｆ’１９．３ 高電圧の関数として示した 種々の温度に於て、高電圧の値の関数として示されたディーゼルフィルタの加熱 電力特性図国際調査報告 −ユ１．−ｍ−一−ｋ　ＰＣＴ／ＡＴ８９１０００８１

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．ディーゼル排気ガスのすす粒子を分離及び燃焼するための方法において、す す粒子を燃焼する前にハニカム構造の細胞を有する両側が開放した細胞形フィル タの中で電界及び／又は磁界によって分離し、その力線が好ましくは細胞形フィ ルタ内の流れ方向に対して垂直であること、を特徴とする方法。
2. ２．好ましくは、セラミック材料製の細胞形フィルタにその内部抵抗及び印加電 界に起因するオーム熱を供給し、その際好ましくは電極自体が分離電界の発生と 加熱電流の供給のために使用されること、を特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ３．分離操作時に供給される加熱電力の制御が、細胞形フィルタの分離方向の温 度依存性の電圧電流特性を同時に測定することにより、又は温度センサの検出結 果に基づいて制御を行うこと、を特徴とする請求項１及び２のいずれか１に記載 の方法。
4. ４．分離方向を横切る方向の電気抵抗の測定又は分離方向とこれを横切る方向の 電気抵抗の比較により、フィルタの負荷度を決定すること、を特徴とする請求項 １ないし３のいずれか１に記載の方法。
5. ５．所定の負荷度及び／又は所定の使用温度に達した時に初めてオーム熱の供給 を行うこと、を特徴とする請求項１ないし４のいずれか１に記載の方法。
6. ６．細胞形フィルタのハニカムの形状が、分離方向を横切る方向及び流れ方向を 横切る方向に幅広く、分離方向に扁平に、好ましくは３：１ないし６：１の割合 に形成され、分離方向に走る仕切りが細幅で好ましくは０．５ｍｍ以下であるこ と、を特徴とする請求項１ないし５のいずれか１に記載の方法の実施のための装 置。
7. ７．ハニカム構造が互いに平行の板電極の間に配設され、これらの板電極の間に 適当に高い電圧があり、電極が好ましくは細胞形フィルタのセラミック材料で被 覆され、又は導電性セラミック材料から成り、又はフィルタの縁端にある数個の 房室に差し込まれて好ましくは両極性に対して交互に片側が閉鎖されている線条 、帯材又はピンから成ること、を特徴とする請求項１ないし６のいずれか１に記 載の装置。
8. ８．高圧電極が円形又はだ円形に閉じており、適当に成形された好ましくは円環 形の細胞形フィルタによって外側を取囲まれ、場合によっては断熱で被覆された 接地外部電極がその周囲に同じく円形又は適当に成形され、不等の高さ幅比を具 備する長方形ハニカムが円形の形状に整合し、従って小さな相互間隔で広幅の、 電極と平行の仕切りがあり、大きな間隔で配列された電界方向の細幅の仕切りに よって連結されていること、を特徴とする請求項１ないし７のいずれか１に記載 の装置。
9. ９．電界方向にある仕切りが上下に重なり合うハニカム平面で互い違いに配列さ れており、流れ方向に垂直の細胞形フィルタの横断面がレンガ積みの構造に似て いること、を特徴とする請求項１ないし８のいずれか１に記載の装置。
10. １０．細胞形フィルタに放電ギャップが前置され、放電ギャップが互いに平行の 針金状放電電極及び上手にある円筒形対電極又は針金と相対する端縁が針金と平 行に整列された対電極から成り、好ましくは電離電流がディーゼル燃料の噴射量 又はこれに近縁の量に比例するように、この放電ギャップの電圧が制御されるこ と、を特徴とする請求項１ないし９のいずれか１に記載の装置。