(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１と第２の構成部材（２、３）が、各々２つの端面（６）を持ち、第１の構成部材（２）の端面（６）の少なくとも１つと、第２の構成部材（３）の端面（６）の少なくとも１つが、凸部（８）と凹部（９）とから成る所定のプロファイル（７）を持ち、第１の構成部材（２）の端面（６）の凸部（８）が、第２の構成部材（３）の端面（６）の凹部（９）内に、またその逆に達し、こうして１つの貫通区間（１０）を形成する、ジャケット（４）と排ガス貫流可能な芯部（５）を夫々に持つ、第１の構成部材（２）と第２の構成部材（３）とから成る内燃機関（１）の排ガス浄化装置において、第１の構成部材（２）が第２の構成部材（３）と電気的に絶縁して配置されており、構成部材（２、３）相互間の電位差（１１）により、貫通区間（１０）内にプラズマを生成し、そして
構成部材（２、３）が、電圧を印加するため少なくとも１つの接続端子（１２）を有し、この際
第１及び／又は第２の構成部材（２、３）の芯部（５）が、部分的にハニカム構造（１３）を持つことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
【請求項２】
第１の構成部材（２）の所定のプロファイル（７）を、第２の構成部材（３）のプロファイル（７）の雌型として形成することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
第１及び／又は第２の構成部材（２、３）の芯部（５）が、排ガスの貫流可能な溝（１５）を持つように、少なくとも部分的にパターニングされた金属薄板層（１４）から形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
【請求項４】
芯部（５）が、軸方向長さ（１６）を持ちかつ間隔をあけた複数の金属薄板層（１４）を有し、該金属薄板層（１４）が端面に凸部（８）と凹部（９）を形成することを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項５】
第１の構成部材（２）の凸部（８）が少なくとも部分的にパターニングされた金属薄板層（１４）から形成され、電圧源（１８）の陽極（１７）と接続されたことを特徴とする請求項３又は４記載の装置。
【請求項６】
第２の構成部材（３）の凸部（８）が平滑な金属薄板層（１４）からなり、これらが少なくとも電気絶縁被覆（１９）を有する貫通区間（１０）内に形成され、陰極（２０）で接地されたことを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項７】
構成部材（２、３）の芯部（５）が、少なくとも部分的に触媒活性表面（２１）を持つことを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の装置。
【請求項８】
第１及び／又は第２の構成部材（２、３）が、少なくとも部分的にケーシング（２２）により囲まれたことを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の装置。
【請求項９】
ケーシング（２２）と構成部材（２、３）との間に絶縁マット（２３）が配置され、構成部材（２、３）がケーシング（２２）と電気的に絶縁されたことを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１０】
ケーシング（２２）を貫通し電気的に絶縁した状態で、構成部材（２、３）への給電が行われることを特徴とする請求項８又は９記載の装置。
【請求項１１】
ケーシング（２２）内で、構成部材（２、３）が該部材同士及び／又は少なくとも１つの保持装置（２４）と固定されたことを特徴とする請求項８乃至１０の１つに記載の装置。
【請求項１２】
少なくとも１つの保持装置（２４）が、ケーシング（２２）を貫通して延びることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
夫々少なくとも１つの保持装置（２４）が、第１及び／又は第２の構成部材（２、３）に固定され、これら保持装置（２４）が互いに接合されたことを特徴とする請求項１１又は１２記載の装置。
【請求項１４】
少なくとも１つの保持装置（２４）が電気絶縁材料から成るか、電気絶縁性外面（２５）を有することを特徴とする請求項１１乃至１３の１つに記載の装置。
【請求項１５】
第１の構成部材（２）を第２の構成部材（３）と電気的に絶縁して配置し、両構成部材（２、３）間に電位差（１１）を与えるようにした請求項１乃至１４の１つに記載の内燃機関（１）の排ガスを浄化する装置の作動方法において、
構成部材（２、３）の電位差（１１）を所定の時間的間隔で印加し、それによりプラズマを貫通区間（１０）内で発生させることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置の作動方法。
【請求項１６】
電位差（１１）を５０〜２０００Ｈｚの反復率で生成させることを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
電位差（１１）の反復率及び／又は値を排ガス温度に応じて調整することを特徴とする請求項１５又は１６記載の方法。
【請求項１８】
電位差（１１）の反復率及び／又は値を、所定の排ガス温度に達した後低下させることを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
電位差（１１）の反復率及び／又は値を、燃焼機（１）の作動状態に応じて調整することを特徴とする請求項１６乃至１８の１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文に基づく排ガス浄化装置と、請求項１７記載のその作動方法に関する。この種の装置と方法は、特に自動車の運転中に生ずる排ガスの浄化に使用される。
【０００２】
自動車普及率の高い殆ど全ての国で、自動車の排ガス中の有害物質は極限値に制限されている。その際、特に一酸化炭素と一部不燃焼の炭化水素の排出量が制限される。更に排ガスは、窒素酸化物のＮＯ及びＮＯ2（ＮＯXと総称）と、燃料の不純物又は付加物から生ずる鉛や硫黄化合物等の有害物質とを含む。
【０００３】
一酸化炭素及び炭化水素を変換する効果的な装置及び方法が既に公知であるのに対して、ＮＯXの変換は、現在のところエンジンの低温始動時に問題となる。１つの原因は、現今のエンジンが専ら希薄燃焼範囲で、即ち高濃度の酸素で運転され、それにより窒素酸化物の生成がエンジン内や排ガス系統内に生じる高温との関連で助長されるためである。
【０００４】
公知の触媒を使用してＮＯXの還元は可能である（還元触媒）。それには勿論さほど酸素濃度が十分でない間は、例えば分子状の水素及び一酸化炭素のような還元成分が排ガス中に存在しなければならない。しかし分子状の水素と一酸化炭素の親和力が酸素に比べて大きいので、高濃度の酸素の存在下に窒素酸化物を還元することは不可能である。それ故、エンジンを濃い混合物で作動することが必要な場合でも、これは法令上の理由から長時間にわたっては不可能である。
【０００５】
排ガスを脱窒する公知方法と装置は、専ら窒素酸化物をアンモニアで分子状の窒素と水蒸気に変換することに依存している。触媒を使用しない場合（ＳＮＣＲ法）、これらの反応は過剰なアンモニアで９００℃前後の温度で行われる。触媒を使用した場合、比較的少ないアンモニアで、反応温度を１００〜４５０℃に低下させることができる（ＳＣＲ法）。
【０００６】
ＳＣＲシステムでは、アンモニアを霧状に噴霧し、排ガスシステムの触媒活性構造をぬらす。アンモニアの存在下、触媒活性構造の表面でＮＯXは反応し、分子状の窒素と水に変換される。これら反応は、特に酸素の多い環境で行われる。窒素酸化物の還元は、更にかなりの程度温度に依存する。効果的な還元は、排ガス中の一定の酸素含有量で、±２８℃の温度範囲でのみ行われる。この温度範囲以下では、この構造の触媒活性が低下し、送り込まれたアンモニアは環境に達してしまう。この温度範囲を越えると、アンモニアの付加的な窒素酸化物への変換が優先的に生じてしまう。
【０００７】
公知の触媒コンバータは、ＮＯXの適切な還元を保証するために、明らかな過 剰酸素の存在下に必要な活性を示すことができず、また水が存在するため十分な寿命を持ち得ない。極めて狭い温度範囲内で公知の触媒コンバータを作動させることは、更に付加的問題を提起する。
【０００８】
更に、排ガス処理をプラズマと選択触媒還元を組合せて行う、酸素に富む自動車排ガス中のＮＯXの還元法が公知である。排ガスは、多数の原子と分子から成り、それらはエネルギー供給が十分なら、プラズマ状態に移行する。その際、これら成分の殻が衝突プロセスで破れ、正に荷電したイオン、電子及び反応し易いラジカルを生じる。誘発されたプラズマは一酸化窒素を二酸化窒素に酸化し、一部燃焼した又は不燃焼の錯体の炭化水素を比較的小さい分子に分解する。これら小さい炭化水素は触媒の活性を著しく高め、一酸化窒素の酸化を助ける。
【０００９】
触媒と関連し、炭化水素は、二酸化窒素の分子状窒素への還元を助成する。このプラズマ補助された触媒反応は図式にして、
１．プラズマ＋ＮＯ＋Ｏ2＋ＨＣ  →  ＮＯ2＋ＨＣ  と、
２．触媒＋ＮＯ2＋ＨＣ  →  Ｎ2＋ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ
の２つの工程に分けられる。式中ＨＣは多数の炭化水素分子を表す。
【００１０】
この種プラズマは、自動車構造内の高電圧で発生する電界により形成される。特にコロナ放電又は誘電体バリア放電でプラズマを生成するとよい。コロナ放電が好ましい場合、不均一な電界の形成が可能になる。従って、例えば極めて強い電界で囲まれた導線を有する装置が公知であるが、プラズマは放射状に明らかに外部へと出ていき、導線を囲む容器には達せず、その結果アークの形成は阻止される。或いはまたアークの形成は、脈動的に電圧を印加することで回避できる。誘電バリア放電の場合、少なくとも１つの電極が誘電体で被覆される。生じるアークは誘電物質の表面下に消滅する。
【００１１】
例えば国際公開第９５／３１２７１号パンフレットから公知のプラズマ反応器は、非常に複雑かつ大型である。一酸化窒素の効果的な変換には、プラズマを一定の反応区間にわたり形成せねばならない。この反応区間は印加電圧が低くなり及び／又は相互の電極間隔が広がる程長くなる。
【００１２】
本発明の課題は、排ガス中のＮＯXの還元を改善し、コンパクトな構造を持つ排ガス浄化装置を提供することにある。更にその作動方法を提供する。
【００１３】
この課題は、本発明の請求項１に記載の特徴を有する装置並びに請求項１７に記載の特徴を有する方法により解決される。本発明の更に有利な改善及び実施形態は従属請求項の対象である。
【００１４】
本発明による内燃機関の排ガス浄化装置は、少なくとも第１と第２の構成部材からなる。各構成部材は、ジャケットと、夫々２つの端面を持ち、排ガスの貫流可能な芯部を有する。第１の構成部材の少なくとも１つの端面と、第２の構成部材の少なくとも１つの端面は、凸部と凹部から成る所定のプロファイルを持つ。これら構成部材は、第１の構成部材の端面の凸部が、第２の構成部材の端面の凹部内に、またその逆に達しており、かくして１つの貫通区間を形成する。
【００１５】
本発明による装置は、第１と第２の構成部材と電気的に絶縁して配置し、これら部材相互間に電位差を与え、貫通区間内にプラズマを生じさせることを特徴とする。構成部材間に電位差を与えると、プラズマ反応器の構造を複雑にする電流の処理は回避できる。貫通区間内で隣接する凸部は極めて接近して並んでおり、電圧を構成部材に印加することで、これら凸部間にプラズマを発生させられる。排ガス設計でのこのような装置の配置では、第１と第２の構成部材を排ガスが貫流し、排ガス中に存在する有害物質の反応性をプラズマにより改善できる。
【００１６】
１つの実施形態によれば、構成部材は電圧を印加するため少なくとも１つの接続端子を有する。これら接続端子は、必要な電界の形成に適するように作られている。その際、特に高電圧の保証は、高い反復率と共に重要である。その上これらの接続端子は、排ガス装置内の動力学的要求を満足させる。
【００１７】
第１及び／又は第２の構成部材が、少なくとも部分的にハニカム構造を有すると特に好ましい。ハニカム構造は、大きな表面積を与え、必要に応じて有害物質の反応に使用できる。その上、この構造は芯部に高い強度を保証する。
【００１８】
第１の構成部材の設定プロファイルを、第２の構成部材のプロファイルの雌型として形成すると特に有利である。このようにして一種の雄雌配置が実現し、隣接する凸部間の間隔を極めて狭く保持し、それによりプラズマの発生に僅かなエネルギーしか必要としない。その上、このようなプロファイルの形の場合、排ガス浄化装置の組立時の装着ミスを阻止できる。
【００１９】
もう１つの実施形態によれば、第１と第２の構成部材を、その芯部が排ガスを通すことができる溝を有するよう、少なくとも部分的にパターニングした金属薄板層から形成する。金属薄板層を有する芯部は、熱伝導性が良好なため、内燃機関始動後の装置の始動特性を改善する。
【００２０】
芯部が、端面の凸部と凹部を形成する、軸方向の長さの金属薄板層を間隔をあけて有すると特に有利である。芯部を形成するため、少なくとも複数の金属薄板層を積層し、引続き巻回するか、巻き付ける。その際、軸方向に長さの異なる金属薄板層を使用し、それらを端面において同一平面上で終わらせると、軸方向により大きな長さを持つ金属薄板層は、巻回工程後に対向する端面上に突出する。突出する金属薄板層の末端は凸部、そして間隙は凹部を作る。
【００２１】
もう１つの実施形態では、第１の構成部材の凸部を、少なくとも一部パターニングした金属薄板層から形成し、電圧源の陽極と接続する。パターニングした金属薄板層を電圧源の陽極と接続すると、電界又は放電の形態を、この構造自体により左右できる利点がある。平滑かつ平坦な陰極に比べ、この構造は間隔を低減する効果があり、間隔の狭い箇所の電界強度は他の部分内よりも高い。
【００２２】
これと関連して、第２の構成部材の凸部を平滑な金属薄板層から形成し、これらを少なくとも電気絶縁被覆を有する貫通区間内に形成し、陰極で接地すると特に有利である。第２の構成部材の絶縁した平滑な金属薄板層は、第１の構成部材の一部パターニングした金属薄板層間の凹部内に配置する。この電気絶縁体は誘電体として働く。層厚は、この被覆が一方では誘電作用を示し、他方では排ガス系統内の熱及び動力学的要求も満足させるように選択する。
【００２３】
この装置のもう１つの実施形態では、構成部材の芯部は、少なくとも一部に触媒活性表面を有する。プラズマ反応器を触媒と組合せると、排ガス中の窒素酸化物濃度は著しく低下する。２つの構成部材が触媒活性表面を貫通区間の外側に有すると、プラズマ反応器と酸化触媒との特にコンパクトな装置が得られる。
【００２４】
第１及び／又は第２の構成部材を、少なくとも部分的にケーシングで囲むと特に好ましい。特に本発明による、例えば乗用車等の自動車の排ガス装置内への配置では、このケーシングは外部の天候の影響で装置を汚損しない働きをする。
【００２５】
更にもう１つの実施形態では、特にケーシングと構成部材との間に絶縁マットを配置し、構成部材をケーシングと電気的に絶縁する。構成部材の電気絶縁は、ケーシングを経由する電流を阻止し、もって構成部材間の電位差を保証する。
【００２６】
構成部材への電流供給を、ケーシングを貫通して電気的に絶縁した状態で行うと特に有利である。このこともまた不所望な電流の流れを阻止し、構成部材間の電位差を保持する役目をする。
【００２７】
更にもう１つの実施形態では、構成部材を少なくとも１つの保持装置でケーシング内及び／又は互いに固定する。従ってこの保持装置は、一方でケーシング内の軸方向及び半径方向の構成部材の配置を確立し、他方で貫通区間の寸法を変化させる可能性を与える。更に構成部材相互間に間隔を空けた場合、一方の構成部材の凸部は他方の構成部材の凹部内にそれほど深く達することはなく、その結果場合によってはごく狭く限定したプラズマも生成できる。
【００２８】
その際、少なくとも１つの保持装置を、ケーシングを貫通して延ばすとよい。かくしてケーシングと２つの構成部材を持つ装置の堅牢な接合が可能になる。
【００２９】
もう１つの実施形態では、第１と第２の構成部材に夫々保持装置を固定し、それらの保持装置を互いに接合する。その際、この接合を、特に両方の構成部材を軸方向の間隔を望み通りに互いに調整可能なように形成する。
【００３０】
更にもう１つの実施形態では、少なくとも１つの保持装置を、電気絶縁材、特にセラミックスから作るか、電気絶縁性の外面を設ける。これは作動中に印加する電圧が、排ガス系統の他の範囲内に漏出しないよう保証する。
【００３１】
もう１つの本発明の考え方では、上述した第１の構成部材を第２の構成部材と電気的に絶縁して配置し、構成部材が互いに電位差を持つ、内燃機関の排ガス浄化装置の作動方法を提案する。本方法は、構成部材の電位差を所定の時間的間隔で印加し、それによりプラズマを貫通区間内に生じさせる。プラズマの発生を時間的に制限することで、反応器又は排ガスの局部的過加熱を防止できる。
【００３２】
その上、できるだけ一定したプラズマを貫通区間内に保証するため、５０〜２０００Ｈｚの反復率で電位差を生じさせると有利である。
【００３３】
本発明のもう１つの実施形態によれば、電位差の反復率及び／又は値を排ガス温度に応じて調整する。反復率を高め、印加電圧を高めることで、排ガスを加温することができ、これは、プラズマ反応器に有害物質を変換する触媒活性部材を後置接続した場合、特にエンジンの低温始動時に望ましい。
【００３４】
その際、電位差の反復率及び／又は値を所定の排ガス温度に達した後に低下させると特に好ましい。内燃機関が、例えば触媒反応に適した温度の排ガスを排出するときは、電位差の反復率及び／又は値を低下させる。設定排ガス温度は、触媒コンバータの反応特性に応じて決定する。
【００３５】
本方法のもう１つの実施形態では、電位差の反復率及び／又は値を内燃機関の運転状態に応じ調整する。排ガス中の有害物質濃度は、特に機関の運転状態に依存する。例えば乗用車が加速状態にある際、一定の時間間隔内に、より多くの動力用燃料が燃やされ、単位時間毎の有害物質量を上昇させることになる。従って例えば高回転数の場合に、電位差の反復率及び／又は値を高める。
【００３６】
本発明による排ガス浄化装置の更なる詳細を、特に有利な実施例に基づき以下に詳述する。
【００３７】
図１は、例えば自動車構造中の排ガス系統の概略配置図を示す。内燃機関１内で排ガスが生じ、屈曲管２５と、それに続く排ガス導管２６を経て環境に排出される。図示の排ガス導管２６内に、排ガス中に存在する有害物質を変換する構成部材が組込まれている。本発明による装置のケーシング２２に、更にそれより下流へと触媒２９とマフラー３０が接続されている。本発明の装置は、ケーシング２２を経て電圧源１８と接続されており、この装置の一方の構成部材２は陽極１７と、他方の構成部材３は陰極２０と接続されている。電圧源１８は、センサ２７又はエンジン制御ユニット２８のデータ及び／又は測定値を受信し、印加する電圧の反復率及び高さを受信したデータ及び／又は測定値に合わせる。
【００３８】
図２は本発明による排ガス浄化装置の実施形態を斜視図で示す。この装置は、第１と第２の構成部材２、３からなり、それらは夫々ジャケット４と排ガスの貫流可能な芯部５を有する。両構成部材２、３は、夫々２つの端面６で境界づけられている。構成部材２、３のジャケット４上に、夫々電圧源１８と接続した接続端子１２が配置されている。かくして、第１の構成部材２と第２の構成部材３との間に電位差１１が印加される。第１の構成部材２と第２の構成部材３の位置は、保持装置２４により互いに固定されている。保持装置をこのように形成すると、第１と第２の構成部材２、３の間隔を変えることが可能になる。こうして貫通区間１０が生ずる。第１の構成部材２と第２の構成部材３との間の電位差の低下を防止するため、保持装置２４は電気絶縁性外面２６を有する。
【００３９】
図３は、本発明による装置の一構成部材の縦断面図である。芯部５はジャケット４で囲まれ、排ガスの貫流可能な複数の溝１５を持つ。構成部材の一方の端面６が平面であるとき、それと対向する端面は所定のプロファイル７を持つ。即ちこのプロファイルは複数の凸部８と凹部９を持つ。類似のプロファイル７は、例えば芯部５を軸方向の長さ１６が異なる金属薄板３１で形成することで作れる。
【００４０】
図４〜６は、間隔を減少させる部分３２を持ち、パターニングされた金属薄板３１の種々の実施形態を概略的に示す。図４に示す金属薄板３１は、その間隔を減少させる部分３２が一方向だけ、好ましくは別の電極に向いていることから、プラズマを片側だけに生成するのに特に適する。図５は薄板層３１の両側面に対称にプラズマを形成するのに好適な薄板層３１を示す。図６の実施形態は、その構造が芯部５内で必要に応じ排ガスの接触置換に適する利点を持つ。
【００４１】
図７は、電圧源１８の陰極２０と接続する、平滑な金属薄板の概略断面図である。この平滑な金属薄板３１は、両側に電気絶縁被覆１９を持つ。この被覆１９は、特に薄板３１の凸部８の範囲内だけに施されている。
【００４２】
図８は、本発明による装置の実施形態の１端面を示す。ケーシング２２内の排ガス浄化装置は、保持装置２４で固定され、絶縁マット２３でケーシング２２と電気的に絶縁されている。構成部材は、排ガスの貫流可能な芯部５を囲むジャケット４を有する。この芯部５は、多数の金属薄板層１４から組立てられており、これら金属薄板層１４は、排ガスの貫流可能な溝１５を持ちハニカム構造を形成する、パターニングされた層と平滑な金属薄板３１から成る。
【００４３】
図９は、本発明による凸部８と凹部９を持つ構成部材の実施形態を示す。芯部５は、多数の平滑な薄板と波形の薄板から成り、平滑な金属薄板３１の一部（太線で示す）は構成部材の端面から突出し、そのため凸部８を形成する。凸部８間に、短い方の金属薄板から成る凹部９を配置している。装置の組立時、これら凹部９内に、もう１つの構成部材の凸部８を配置する。第１の構成部材と第２の構成部材の凸部８間でプラズマを発生できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による装置の実施形を有する排ガス系統の概略図。
【図２】  本発明の装置の実施形の概略斜視図。
【図３】  本発明の装置の構成部材の実施形の概略縦断面図。
【図４】  パターニングした金属薄板の実施形を示す図。
【図５】  パターニングした金属薄板の別の実施形を示す図。
【図６】  パターニングした金属薄板のもう１つの実施形を示す図。
【図７】  平滑な金属薄板の実施形を示す図。
【図８】  本発明による装置の構成部材の１端面の実施形を示す図。
【図９】  本発明による装置の構成部材もう１つの端面の実施形を示す図。
【符号の説明】
１  内燃機関
２、３  構成部材
４  ジャケット
５  芯部
６  構成部材の端面
７  端面のプロファイル
８  凸部
９  凹部
１０  貫通区間
１１  電位差
１２  接続端子
１３  ハニカム構造
１４  金属薄板層
１５  溝
１６  長さ
１７  陽極
１８  電圧源
１９  被覆
２０  陰極
２１  触媒活性表面
２２  ケーシング
２３  絶縁マット
２４  保持装置
２５  屈曲管
２６  排ガス導管
２７  センサ
２８  エンジン制御ユニット
２９  触媒
３０  マフラー
３１  金属薄板
３２  間隔を減少させる部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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