JP5894179B2 - 煤粒子を含む排気ガスを処理するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、特にいわゆる静電フィルタまたは電気フィルタを有し、凝集装置を有する、煤粒子を含む排気ガスを処理するための装置に関する。本発明は特に、ディーゼル燃料から生じる排気ガスを処理するための自動車分野において可動性内燃エンジンの排気ガスを処理するために特に使用され得る。

可動性内燃エンジンを有する自動車において、特にディーゼルエンジンを有する自動車において、排気ガスは通常、大気中に放出されるべきではない多量の煤粒子を含む。これは、排気ガスの質量単位当たりまたは排気ガスの体積単位当たりおよびまた時々、自動車全体についての煤粒子の数および質量についての制限値を指定する対応する排気ガス規制により規定されている。煤粒子は特に、排気ガス中の不燃性の炭素および炭化水素である。

可動性内燃エンジンの排気ガスから煤粒子を排除するための多くの異なる概念は既に議論されている。交互に閉じた壁流フィルタ、開口分岐流フィルタ、重力により駆動される分離器など以外に、排気ガス中の粒子が荷電され、次いで静電引力により堆積されるシステムもまた既に提案されている。前記システムは、特に「静電フィルタ」または「電気フィルタ」という名称で知られている。

「電気フィルタ」の場合、大きな煤粒子を形成するために小さな煤粒子の凝集および／または煤粒子の荷電が電場および／またはプラズマを提供することにより行われる。荷電された煤粒子および／または比較的大きな煤粒子は通常、フィルタシステムから分離するのが非常に容易である。煤粒子は、それらの比較的多い慣性質量に起因して凝集し、排気ガス流内に、より不活性に輸送され、それにより、排気ガス流の偏向点において、より容易に蓄積する。帯電した煤粒子は、それらの荷電に起因して、それらが蓄積し、それらの荷電を消散する表面の方へ引かれる。これにより、自動車の操作の間、排気ガス流からの煤粒子の除去が非常に促進される。

このような電気フィルタに関して、一般に、排気ラインに配置される複数の放出電極および収集電極が提案されている。ここで、例えば、排気ラインを通してほぼ中心に延びる中心の放出電極、および収集電極としての排気ラインの周囲外側面が、コンデンサを形成するために利用される。放出電極および収集電極の前記構成により、排気ガスの流れ方向に対して横方向に電場が生じ、放出電極が、例えば約１５ｋＶの範囲にある高電圧で作動され得る。このように、特にコロナ放電を生成することが可能となり、それにより、電場を通して排気ガスを流れる粒子は単極電荷に供される。前記電荷のために、静電クーロン力の結果として、粒子は収集電極に移動する。

排気ラインが収集電極として形成されるシステムとは別に、収集電極が例えばワイヤグリッドとして形成されるシステムもまた知られている。ここで、ワイヤグリッドにおける粒子の蓄積は、適切な場合、粒子をさらなる粒子と一緒にもたらす目的を果たし、それにより、凝集が実現する。次いでグリッドを流れる排気ガスは、比較的大きな粒子に再び引っ張られ、それらを古典的なフィルタシステムまで導く。

フィルタシステムの再生のために、簡単な加熱、すなわち煤の燃焼（触媒的に刺激される酸化的変換）による断続的な再生とは別に、煤が二酸化窒素（ＮＯ_２）により変換されることも知られている。ここで、二酸化窒素を用いる連続的な再生の利点は、煤の変換が、既にかなり低い温度（特に２５０℃未満）にて起こり得るということである。この理由のために、多くの用途において連続的な再生が好ましい。しかしながら、これは、排気ガス中の二酸化窒素が蓄積された煤粒子と十分な程度まで接触することを確実にされなければならない問題を導く。

これに関して、また、自動車におけるこのような排気システムの連続的な操作を実現するのに技術的困難性があり、内燃エンジンの様々な荷重により、異なる排気ガス流、排気ガス成分および／または温度が生じる。

さらに、このような煤分離システムのためのこのようなコンポーネントを提供するために、可能な限り簡単なコンポーネント、特にまた、安価に大量生産され得るコンポーネントが使用されなければならないことが考慮されなければならない。さらに、特に電極の設計に関して、特に電極領域における望ましくない高い背圧、または望ましくない排気ガスの乱流が起こらないように、適切な場合、排気ラインに配向された様式で配置されなければならないことが考慮されるべきである。

上記のシステムは今まで、少なくとも試験において煤粒子を処理するのに適切であると証明されているが、自動車における一連の操作のためのこの概念の実施は主要な課題となる。これは特に、激しい変動に関して、排気ガス内の断続的な非常に多い煤粒子の負荷およびマイクロメートルまたはサブマイクロメートルの範囲の直径を有する極度に小さな粒子の煤粒子の量の減少の場合である。

これらのことを出発点として考慮して、本発明の目的は従来技術に関して明らかとなった問題を少なくとも部分的に解決することである。特に煤粒子を含む排気ガスを処理するための装置を特定することを目的とし、その装置は、煤粒子のための速い分離速度を達成し、特に排気ガスから、数１００ナノメートル以上のみのサイズを有する煤粒子をフィルタにより除去する。

前記目的は請求項１の特徴に係る装置によって達成される。装置のさらなる有益な改良はそれぞれの従属請求項に特定される。請求項に個々に特定される特徴は、任意の所望の技術的に有益な方法に互いに組み合わされてもよく、本発明のさらなる実施形態を形成することは留意されるべきである。特に図面と共に詳細な説明は本発明を説明し、さらなる例示的な実施形態を特定する。

煤粒子を含む排気ガスを処理するための本発明に係る装置は、
煤粒子をイオン化するための少なくとも１つのイオン化要素と、
電位がフィルタ要素の少なくとも一部に印加され得る少なくとも１つのフィルタ要素と、
帯電した煤粒子を少なくとも部分的に凝集させるための少なくとも１つの凝集装置であって、前記凝集装置はイオン化要素とフィルタ要素との間に配置され、少なくとも１つの外側パイプおよび少なくとも１つの内側パイプを有する、凝集装置と、
を少なくとも備える。

本明細書に提案される装置は特に、ディーゼルエンジンを有する自動車の排気システムの一部であってもよく、特に排気システムの排気ラインに配置される。

したがって、煤粒子を含む排気ガスはまず、３ｋＶ［キロボルト］〜５０ｋＶ、好ましくは５ｋＶ〜２５ｋＶの高電圧が印加され得る少なくとも１つの電極を含むイオン化要素を流れる。電圧は特に、コロナ放電が電極と対電極との間に発生するように設定または調節または制御される。イオン化要素は簡単な放出電極またはバー電極として形成されてもよいが、イオン化素子は複数のダクトと共にハニカム体を備えることが好ましく、そのダクトを通して流れが通過でき、そのダクトの流入領域または流出領域に、流れ方向においてまたは流れ方向に対向して方向付けられる少なくとも１つの電極が配置される。ハニカム体は特に、電位がハニカム体および／または電極に印加され得るように、少なくとも部分的に、好ましくは完全に導電性材料から形成されてもよい。

続いて、荷電した煤粒子を含む排気ガスが凝集装置を通って流れる。本明細書において凝集装置の外側パイプは、外側に対して排気ガス流を画定する要素とみなされる。本発明の文脈内で、このように外側パイプは排気ライン、凝集装置に特に配置されるハウジング、および／または外側に対して排気ガス流を画定するさらなる要素（例えば円周方向に画定するスリーブの形態）の一部であってもよい。したがって、外側パイプはその内側でのみ排気ガスの流れが通過する。対照的に、排気ガスは、いくつかの側（特に外側および内側）で少なくとも部分的に内側要素周囲を流れる。特に、内側要素は、固定のために、外側パイプにのみ接続される。内側要素を外側パイプに固定および／または配向するブラケットが設けられることが好ましい。内側要素が、その内側要素に対して間隔を空けて外側パイプ内に配置されることも好ましく、その間隔は、例えば（特に自動車の排気システムにおいて）安定性の理由および／または流れの理由のために、少なくとも１ｃｍ［センチメートル］、好ましくは少なくとも３ｃｍであり、その間隔は有益には、５ｃｍより長くないようにすべきである。排気ガスは、特に全ての側において好ましくは完全に内側要素周囲を流れ、適切な場合、標的とする局所的および／または均一な周囲流れを導く流れを誘導する手段が設けられてもよい。

凝集装置が、イオン化要素とフィルタ要素との間の距離の半分より長い軸長さを有することが好ましい。

凝集装置は排気ラインと直接接触することにより接地されてもよい。しかしながら、凝集装置は電気端子により規定の電位を設定できることが好ましく、この場合、凝集装置は排気ラインに対して電気的に絶縁されるように配置される。この目的のために、凝集装置は排気ライン内に配置されてもよいか、または排気ラインの他の部分に対して軸方向に絶縁される排気ラインの一部を形成してもよい。したがって凝集装置は、少なくとも部分的にイオン化要素の少なくとも１つの電極に対する対電極を構成する。外側パイプおよび内側要素が互いに独立して異なる電位を設定できることも好ましい。

代替として、凝集装置が排気システムにおいて絶縁形式で配置され、電位が凝集装置に対して外部から印加され得ないことも提案される。したがって、煤粒子に負荷している電荷が消散され得ない。しかしながら、この場合、凝集装置は、例えば排気ガス流の分割および排気ガス流の融合、排気ガス流の偏向、排気ガス流の衝突面などの凝集をさらに促進するためにさらなる機能を実施してもよい。

帯電した煤粒子は、排気ガスにより衝突する凝集装置のそれらの表面に蓄積し、ここで、排気ガスの流れが通過することにより連行される前に他の煤粒子と共に凝集し得る。したがって、それらの平均直径に関して増加した煤粒子は続いて、排気ガス流から煤粒子をフィルタ処理するフィルタ要素を通過する。ここで、煤粒子の凝集はまた、このための適切な流れ条件が生じる凝集装置を通って飛んでいる煤粒子の直接接触により実現され得る。

フィルタ要素は好ましくは、排気ガスが流れることができ、流入領域と流出領域との間に延びる複数のダクトを有する表面型の分離器の形態である。電位がフィルタ要素の少なくとも一部に印加され得るという事実によって、フィルタ要素はイオン化要素の電極に対する対電極として使用され得、さらにフィルタ要素に堆積される煤粒子は中性にされ得る。したがって、イオン化要素、凝集装置およびフィルタ要素は段階的な電場（異なる強度を有する）を形成でき、印加される電圧はそれぞれの排気ガス状態に適応され得る。

フィルタ要素は特に好ましくは、完全に閉鎖した流れダクトが存在しない、いわゆる開口分岐流フィルタである。フィルタ要素はむしろ、開口、誘導構造などが設けられる金属性不織部および金属性波形層により形成される。ここで、ガイド構造は流路において流れ収縮部を形成し、それにより、フィルタ要素の内部の滞留時間または煤粒子の衝突の可能性が増加する。これに関して、フィルタ要素および／またはその再生の詳細な特徴について考慮され得る、参照が出願人の公知の特許文献に対してなされ、これに関して、参照が特に以下の文献からのその全体の説明に対してなされる：ＷＯ−Ａ−０１／８０９７８；ＷＯ−Ａ−０２／００３２６；ＷＯ−Ａ−２００５／０９９８６７；ＷＯ−Ａ−２００５／０６６４６９；ＷＯ−Ａ−２００６／１３６４３１；ＷＯ−Ａ−２００７／１４０９３２。

ここで、前記種類のフィルタ要素の再生は好ましくは、ＣＲＴ（「連続再生捕捉」）法に基づいて二酸化窒素により連続して行われる。この目的のために、例えば（とりわけ）一酸化窒素が酸化されて二酸化窒素を生成し、次いでフィルタ要素内の煤と反応する酸化触媒コンバータが装置の上流に配置されてもよい。さらにまた、このような酸化的コーティングが、フィルタ要素の１つの領域またはフィルタ要素の全ての領域においてフィルタ要素自体で実現されてもよい。

凝集装置の少なくとも１つの内側要素は好ましくは、（例えば外側シェルの形式で）領域側ならびに／または特に排気ガス流に平行に延びるおよび／もしくは排気ガス流を偏向させるために排気ガス流に対して局所的に少なくとも部分的に対向するガイド面を有する。内側要素が、特に領域側において例えば排気ガスが流れるくぼみ部を有することが特に好ましく、煤粒子の凝集は主に内側要素の表面で起こる。ここで、くぼみ部の端部は好ましくは、排気ガス流が偏向されるように成形され、煤粒子の蓄積が内側要素の表面上で起こる。ここで、通常、ほとんどの適用について、実質的に同一に設計され得る複数のくぼみ部が設けられる。しかしながらまた、サイズ、形状および／または排気ガス流に対する配置は、凝集装置の単一の内側要素または複数の内側要素の場合に変更することが有益であり得る。

さらに、少なくとも１つの内側要素は内側パイプの形態であることが好ましい。ここで、（好ましくは円筒形の）内側パイプは好ましくは、（好ましくは円筒形の）外側パイプにおいて同心円状に配置され、内側パイプにおけるくぼみ部の形態および／または配置により、また、大部分の排気ガスが、くぼみ部を通して外側から内側まで内側パイプを流れることが達成される。内側パイプの（内）面上の煤粒子の有益な堆積がこのように達成される。

装置の１つの改良において、少なくとも１つの内側要素が複数のガイドプレートを有することが提案される。煤粒子の堆積が有益には、ガイドプレート自体の表面上および／または内側要素の表面上で起こるように排気ガスが偏向されるようにガイドプレートは配置される。少なくとも数個のガイドプレートがくぼみ部に隣接して配置されてもよい。ガイドプレートはさらに、内側要素の表面に対する高さおよび／または傾斜が互いに異なるように形成されてもよい。さらに、ガイドプレートは、内側要素と共に１つの部材で、すなわち（例えば打ち抜き部または回転押出（ｔｕｒｎｅｄ−ｏｕｔ）部の形態で）同じ材料で形成されることが好ましい。

少なくとも１つの内側要素がラビリンス部型を形成することもまた有益である。ガイドプレートおよび／またはくぼみ部および／または内側パイプ（複数も含む）のラビリンス部の構成の結果として、凝集装置を通って流れる場合、排気ガス内の粒子と接触し得る表面が拡大する。次いでこの結果、表面に堆積する煤粒子の数が増加する。ラビリンス部は特に、流れ方向に対して横方向に配置され、流れ方向において互いに対してオフセットする複数のガイドプレートにより達成され、凝集装置の全体の流れ断面はガイドプレートの全てにより完全に覆われる。このようなラビリンス部の特徴は、排気ガスが少なくとも１つの内側要素を流れる場合、排気ガス流が複数の流れ偏向部に供され得ることであり、適切な場合、複数の部分的な排気ガス流の（繰り返される）分割および融合も生じ得る。

さらに、少なくとも外側パイプまたは少なくとも１つの内側要素が、隆起部および下降部を有する表面を有することが有益である。隆起部および下降部は好ましくは、排気ガスの流れ方向に対して実質的に横方向に延び、表面に近接する流れは乱流を形成するように促される。隆起部および／または下降部は、スタッド、インデント、波形などの形態で形成されてもよく、特に外側パイプおよび／または内側要素の材料厚の少なくとも数倍に対応する寸法を有する。乱流の結果として、凝集装置領域の表面で、煤粒子が主に堆積され、凝集することが生じる。特に流れ状況が変化する事象において、凝集した煤粒子は排気ガス流によりそれらの堆積点から分離される。

隆起部および下降部は、少なくとも流れ方向における振幅または間隔に関して異なることがさらに好ましい。ここで、隆起部および下降部の間隔は流れ方向において測定され、振幅は流れ方向に対して横方向に測定される。このような設計により、特に高い割合の煤粒子が全ての流れ状態において凝集される。

さらなる実施形態において、冷却装置を有する凝集装置が提供される。冷却される凝集装置によって、凝集装置に堆積され、続いて凝集される煤粒子の割合が増加する。冷却装置は好ましくは凝集装置の外側にあり、冷却空気の偏向によりならびに／またはペルチェ要素および／または液体冷却媒体により実現されてもよい。

凝集装置の表面から凝集した煤粒子の分離を促進するために、凝集装置が振動装置を含むこともまた提案される。そのような振動装置は例えば、排気ガス流の外側で、例えば圧電要素などの適切な手段により凝集装置に取り付けられてもよく、振動を行うために前記凝集装置を刺激する。

特に内燃エンジンおよび、本発明に係る本明細書に記載した種類の装置が排気システムに一体化されている排気システムを有する自動車も好ましい。特に適切な電圧源、電気接続ライン、制御装置などがこの目的のために設けられる。

本発明および技術分野を図面に基づいて以下の例により説明する。図面は特に本発明の好ましい実施形態の変形例を示すが、本発明はそれらに限定されないことが留意されるべきである。

本発明に係る装置の一実施形態を示す。 凝集装置の一実施形態を示す。 凝集装置のさらなる実施形態を示す。 凝集装置のなおさらなる実施形態を示す。 自動車への装置の一体化の変形例を示す。

図１は、煤粒子２を含有する排気ガスを処理するための本発明に係る装置１の実施形態を概略的に示す。排気ライン２１において、イオン化要素３、凝集装置８およびフィルタ要素４が流れ方向１８に配置される。イオン化要素３は、そこに配置される複数の電極１７を有する導電性ハニカム体２２を備え、電気的イオン化要素端子２４を介して電圧がそれらの電極に印加される。凝集装置８は内側要素１０および外側パイプ９を有し、外側パイプ９は冷却装置２３により囲まれる。さらに、凝集装置８は振動装置１９を有する。フィルタ要素４は複数のダクト５を有し、そのダクト５を通して排気ガスは流れることができ、そのダクト５は内側領域６と外側領域７との間に延びる。電位が電気的フィルタ要素端子１６を介してフィルタ要素４に印加され得る。排気ライン２１は自動車の排気システムに配置される。

作動中、煤粒子２を含む排気ガスはまずイオン化要素３を流れ、そこで排気ガス流はハニカム体２２により均質にされ、イオン化要素３は、流れが通過できるダクトを有する。イオン化要素３と凝集装置８との間の領域において、煤粒子２が、電極１７からのコロナ放電発生においてイオン化される。荷電した煤粒子２は排気ガス流と共に、電極１７と凝集装置８との間に電位を有して、凝集装置８まで通過する。機械的および電気的力の結果として、荷電した煤粒子２は凝集装置８の表面１３に堆積される。凝集装置８における流れの誘導の結果として、蓄積した煤粒子２の数は増加する。凝集した煤粒子２は、続く排気ガスにより分離され、フィルタ要素４内に移動し、そこで分離が振動装置１９により振動を生じることにより引き起こされる。電気的フィルタ要素端子１６を介するフィルタ要素４への電位の印加によりまず、凝集装置８からフィルタ要素４までの粒子塊の流出が促進され、次にフィルタ要素４において荷電した凝集煤粒子２の堆積が増加する。

図２は凝集装置８の実施形態の断面図を概略的に示す。凝集装置８は外側パイプ９および内側要素１０を備える。内側要素１０はラビリンス部２０の形態で配置されるガイドプレート１２により形成される。２次元で延びるガイドプレート１２の表面は、各場合、１つの領域側に形成する。流れ方向１８に流れ、荷電した煤粒子を含む排気ガスはガイドプレート１２により偏向され、比較的重い質量のために、煤粒子は必ずしも前記偏向を流れることができず、したがって、ガイドプレート１２の表面に移動し、そこに前記煤粒子は堆積し、適切な場合、他の煤粒子と凝集する。このように凝集した煤粒子は、それらが特定の全体のサイズに到達し、したがって、特定の全体の流れ抵抗を有する場合、排気ガスの流れが通過することによって蓄積点から再び分離される。このように、ガイドプレート１２のラビリンス部の構成の結果として、煤粒子２の凝集速度は増加する。

図３は、外側パイプ９および内側パイプ１１として形成される内側要素１０を有する凝集装置８のさらなる有益な実施形態を概略的に示す。内側パイプ１１の内側および外側は各場合において、領域側を形成する。内側パイプ１１はくぼみ部２５を有し、そのくぼみ部２５を通して煤粒子を含む排気ガスは流れることができる。排気ガスが内側パイプ１１の外側から内側パイプ１１の内側に優先的に流れるようにくぼみ部２５は成形される。結果として、煤粒子２は内側パイプ１１の表面に優先的に堆積される。

図４は凝集装置８のなおさらなる実施形態を概略的に示す。外側パイプ９および内側要素１０は隆起部１４および下降部１５を有する。隆起部１４および下降部１５の結果として、乱れた排気ガス流が生成され、その結果として煤粒子２が、外側パイプ９および内側要素１０の表面１３の近接に移動し、そこに煤粒子２が蓄積し、適切な場合、凝集し得る。ここでまた、隆起部１４および／または下降部１５の振幅２６および／または間隔２７は特に、振幅２６および／または間隔２７が流れ方向１８において増加するように変化し得ることが示される。内側要素１０の湾曲した表面は各場合において領域側を形成する。

図５は内燃エンジン２９を有する自動車２８を概略的に示す。自動車２８の作動中、内燃エンジン２９において生成される排気ガスが次いで、煤粒子と共に誘導され、排気システム３０に流れる。排気システム３０は排気ライン２１により形成され、本発明に係る装置１は、複数の排気ガス処理装置３２（例えば触媒コンバータ、吸収装置、フローミキサなど）に加えて排気ライン２１に設けられる。装置１は、例えば排気システム３０のセンサ３３も含む、制御装置３４によって調節される電源３５と共に作動される。

本発明を用いて、煤粒子２の凝集速度の増加により内燃エンジンの排気システムのフィルタ性能が増加する。

１ 装置
２ 煤粒子
３ イオン化要素
４ フィルタ要素
５ ダクト
６ 流入領域
７ 流出領域
８ 凝集装置
９ 外側パイプ
１０ 内側要素
１１ 内側パイプ
１２ ガイドプレート
１３ 表面
１４ 隆起部
１５ 下降部
１６ 電気的フィルタ要素端子
１７ 電極
１８ 流れ方向
１９ 振動装置
２０ ラビリンス部
２１ 排気ライン
２２ ハニカム体
２３ 冷却装置
２４ 電気的イオン化要素端子
２５ くぼみ部
２６ 振幅
２７ 間隔
２８ 自動車
２９ 内燃エンジン
３０ 排気システム
３１ 排気ライン
３２ 排気ガス処理装置
３３ センサ
３４ 制御装置
３５ 電源

Claims (10)

1. 煤粒子（２）をイオン化するための少なくとも１つのイオン化要素（３）と、
   電位がフィルタ要素（４）の少なくとも一部に印加され得る少なくとも１つの前記フィルタ要素（４）と、
   帯電した煤粒子（２）を少なくとも部分的に凝集させるための少なくとも１つの凝集装置（８）であって、前記凝集装置（８）は前記イオン化要素（３）と前記フィルタ要素（４）との間に配置され、前記凝集装置（８）は少なくとも１つの外側パイプ（９）および少なくとも１つの内側要素（１０）を有する、凝集装置（８）と、を少なくとも備え、
   前記イオン化要素（３）、前記凝集装置（８）および前記フィルタ要素（４）は、段階的な電場を形成可能である、煤粒子（２）を含む排気ガスを処理するための装置（１）。
2. 前記内側要素（１０）は排気ガスが流れるくぼみ部（２５）を有し、凝集が主に少なくとも１つの前記内側要素（１０）で行われる、請求項１に記載の装置（１）。
3. 少なくとも１つの前記内側要素（１０）は内側パイプ（１１）の形態である、請求項１または２に記載の装置（１）。
4. 少なくとも１つの前記内側要素は複数のガイドプレート（１２）を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置（１）。
5. 少なくとも１つの前記内側要素（１０）はラビリンス部（２０）を形成する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置（１）。
6. 少なくとも前記外側パイプ（９）または少なくとも１つの前記内側要素（１０）は、隆起部（１４）および下降部（１５）を有する表面（１３）を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置（１）。
7. 前記隆起部（１４）および下降部（１５）は、流れ方向（１８）において少なくとも振幅（２６）または間隔（２７）が異なる、請求項６に記載の装置（１）。
8. 前記凝集装置（８）は冷却装置（２３）を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置（１）。
9. 前記凝集装置（８）は振動装置（１９）を備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置（１）。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置（１）が排気システム（３０）に一体化されている、内燃エンジン（２９）および排気システム（３０）を有する自動車。
    

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