JP2002276347A - 貯蔵触媒を備えた排ガス処理装置 - Google Patents

貯蔵触媒を備えた排ガス処理装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関の排ガス処理装置であって、該装置
が排ガス流１を加熱するための加熱装置４と貯蔵触媒
６，７とを共通のケーシング１０に備えている形式のも
のを改良して、貯蔵触媒の運転が改善され、しかも供給
されるエネルギもしくは供給される燃料の量が大幅に低
減されるようなものを提供する。 【解決手段】 加熱装置４によって加熱された排ガス流
９の余熱を用いて、加熱しようとする排ガス流１を予備
加熱するための熱交換器２が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排ガス
処理装置であって、該装置が排ガス流を加熱するための
加熱装置と貯蔵触媒とを共通のケーシングに備えている
形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】漸進的な認識状態に応じて、健康と環境
とを守るために、自動車の排ガスを規制する法的な基準
が次第に厳しくなっている。このような基準を満たすた
めに、たとえば適当に変性された燃料を使用する以外
に、ＮＯｘ貯蔵触媒が使用される。このＮＯｘ貯蔵触媒
は希薄燃焼運転で排出される酸化窒素を貯蔵し、ここで
は対応する燃焼過程で排ガス流に過剰空気（λ＞１）が
存在する。この場合一酸化炭素排出および燃料排出は僅
かであるが、しかしながら比較的高いＮＯｘ排出が生じ
る。この場合排ガスは特に一酸化窒素（ＮＯ）を有して
いる。
【０００３】ＮＯｘ貯蔵触媒はその層に基づいて、貯蔵
段階の間に排ガスからＮＯｘ化合物を吸収することがで
きる。吸収率は特に貯蔵触媒処理に影響されるので、適
宜再生を行う必要がある。特に再生は貯蔵触媒に基づい
て測定されたＮＯｘ濃度が法的な要求と比較して高すぎ
る場合に行われる。ＮＯｘ貯蔵触媒の再生のために、一
般的には還元性の排ガス雰囲気（λ＜１）が生ぜしめら
れる。
【０００４】化学量論を下回る空燃比（λ＜１）に基づ
いて燃料の不完全燃焼が生じ、その結果として多量の一
酸化炭素（ＣＯ）と燃料（ＨＣ）とが排出される。特に
このような還元媒体ならびに水素（Ｈ２）は、短時間の
再生段階の間にＮＯｘ貯蔵触媒を再生し、この場合貯蔵
されたＮＯｘ化合物は一酸化炭素（ＣＯ）と燃料（Ｈ
Ｃ）と水素（Ｈ２）とともに、触媒において、とりわけ
窒素（Ｎ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）と水（Ｈ２Ｏ）と
に分解される。
【０００５】一般的にオットー機関では、希薄燃焼運転
も濃厚燃焼運転も比較的簡単に実現することができる。
しかしながら直接噴射式のエンジンの場合、希薄燃焼運
転方式の間の部分負荷運転状態では、多くの場合貯蔵触
媒の最適な作業温度が達成されない。この場合せいぜい
触媒製造者によって設定されたＮＯｘ貯蔵触媒の作業範
囲の下位の温度限界しか達成されない。
【０００６】従来ではたとえばエンジン内部の構成手
段、排ガス流を追加的に加熱するための電気加熱装置ま
たは燃料燃焼器が使用される。しかしながらこの場合、
比較的高い追加的なエネルギコストもしくは比較的高い
燃焼器のための燃料使用が欠点として挙げられる。した
がって追加的なエネルギもしくは追加的な燃料の量が大
きいことは、対応するエンジンの希薄燃焼エンジン構想
に対抗して働く。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の課
題は、冒頭で述べたような形式の内燃機関の排ガス処理
装置を改良して、貯蔵触媒の運転が改善され、しかも供
給されるエネルギもしくは供給される燃料の量が大幅に
低減されるようなものを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
の本発明の装置によれば、加熱装置によって加熱された
排ガス流の余熱を用いて、加熱しようとする排ガス流を
予備加熱するための熱交換器が設けられている。
【０００９】
【発明の効果】本発明のように構成されていると、有利
には、本発明による熱交換器によって貯蔵触媒の運転の
ために排ガス熱の熱回収が行われるので、貯蔵触媒の最
適な作業温度を達成するためのエネルギコストが著しく
低減される。
【００１０】これと同時に熱交換器は、排ガス流の比較
的強い温度変動を補償できるように、形成することがで
き、これによって貯蔵触媒の運転が改善され、ならびに
貯蔵触媒の耐用寿命が延ばされる。
【００１１】本発明の特別な実施形態によれば、熱交換
器が貯蔵触媒と加熱装置との共通のケーシングに配置さ
れている。これによってより良好な熱回収を有する、本
発明の排ガス処理装置の特にコンパクトでスペースの節
減された実施形態が実現される。このことは特に車両で
の使用にとって有利である。なぜならばこれによって本
発明の排ガス処理装置は比較的簡単かつ僅かなスペース
で車両の下側に配置することができるからである。場合
によっては熱交換器は貯蔵触媒における排ガス管路の適
当な配置構成によって実現することもできる。
【００１２】有利には、加熱装置は少なくとも１つの電
気式加熱素子を備えている。これによって加熱装置はた
とえば電池または蓄電池ならびに適当な加熱エネルギを
有する発電機によって給電される。特に有利には、発電
機として内燃機関によって運転されるいわゆる照明用発
電機を使用することができる。
【００１３】有利には、触媒体が電気抵抗および／また
は誘導抵抗および／または容量抵抗を有する加熱エレメ
ントを備えることもでき、場合によっては熱線材または
適当な放射源によって、エネルギを直接触媒体に導入す
ることができる。
【００１４】本発明の有利な実施形態によれば、加熱装
置が少なくとも１つの燃焼器を備えている。これによっ
て有利には、燃焼器を内燃機関などの燃料で運転可能に
することができる。このためにたとえば露出した火炎を
用いる燃焼器および／または触媒燃焼を用いることがで
きる。
【００１５】原則として、たとえば理論空燃比λ＝１を
有する燃焼段階または点火遅れなどのように、排ガス流
の温度を高めるための、追加的なエンジン内部の構成手
段を実施することもでき、この場合たとえばディーゼル
エンジンの燃料噴射時期の遅れでは排ガスの炭化水素成
分が高められるので、このことは場合によっては貯蔵触
媒を空にするための還元媒体として用いることができ
る。
【００１６】本発明の実施形態によれば、少なくとも１
つの冷却装置が、貯蔵触媒を冷却するための冷却媒体を
備えている。これによってたとえば極めて高温の排ガス
を用いる適当な運転段階（特に完全負荷運転時）におい
て、過度の加熱と、これによる貯蔵触媒の損傷たとえば
破壊とが回避可能である、ということが保証される。有
利には、貯蔵触媒の適当な冷却は、本発明による熱交換
器を使用することとは無関係である。
【００１７】本発明の実施形態によれば、熱交換器が、
貯蔵触媒を冷却するための冷却装置を備えている。これ
によって有利には、内燃機関の運転方式に応じて、本発
明による熱交換器の、たとえば内燃機関から到来する排
ガス流を予備加熱するためにも冷却するためにも変換す
ることができる多機能性が得られる。有利には、このた
めに本発明の排ガス処理装置の少なくとも１つの制御装
置を設けることができ、この制御装置はとりわけ適当な
温度センサおよび／またはガスセンサによって、加熱装
置および／または冷却装置を運転状態もしくは停止状態
にし、かつ／または供給された加熱能力を閉ループ制御
する。
【００１８】冷却装置の冷却媒体としてたとえば液状の
金属またはサーモオイル（Thermooel）などを使用する
ことができる。有利には、冷却装置の冷却媒体として、
少なくとも部分的に空気を有する流体が設けられてい
る。これによってたとえば送風機などによって必要な場
合に冷却媒体としての冷気を熱交換器に案内することが
できるので、熱交換器は相応に冷却される。
【００１９】冷却装置の冷却媒体として、少なくとも部
分的に水を有する流体が設けられている。ここでは必要
な場合に冷却媒体として適当な冷水を熱交換器に供給す
ることが可能で、この供給はたとえば水の通流する管路
特に螺旋形の管路によって行われ、このような管路は熱
交換器に突入し、かつ／または少なくとも部分的にこの
熱交換器を取り囲んで配置されている。
【００２０】本発明の特別な実施形態によれば、内燃機
関を冷却するための冷却ユニットが、冷却装置の冷却媒
体を冷却するために設けられている。これによって本発
明による熱交換器を冷却するためのコストが比較的僅か
に維持される。なぜならばそのような冷却ユニットはあ
らゆる内燃機関では必然的に存在しているからである。
この場合有利には、制御装置が、適当なセンサを用いて
内燃機関の冷却および／または本発明による冷却装置を
制御する。
【００２１】本発明の有利な実施形態によれば、熱交換
器が表面積の大きな構成を有している。これによって熱
交換器の熱回収が追加的に改善される。たとえば複数
の、特に平行に接続形成された本発明による熱交換器に
よって、かつ／または平面的でなく構成されるかまたは
類似の形式で形成された熱交換器の熱伝達壁によって、
本発明による熱伝達は大幅に改善される。
【００２２】原則として、本発明のあらゆる実施形態に
よって加熱エネルギ量の著しい低減がもたらされるの
で、従来技術と比べて著しく経済的で環境に優しい運転
が可能である。
【００２３】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図示の
実施例を用いて詳しく説明する。
【００２４】図１には、本発明の排ガス処理装置が示さ
れており、ここでは流入体１つまり内燃機関から本発明
に基づく熱交換器２に流れる排ガス１が、加熱源４によ
って加熱された流出体９の余熱を用いて予備加熱され
る。流入体１の予備加熱は熱交換器壁３に沿って行われ
る。熱交換器壁３の端部に加熱源４を備えた加熱区域５
が配置されている。このために共通のケーシング１０が
設けられている。
【００２５】図１には、加熱源４としての燃焼器の特に
作動段階が概略的に示されており、この場合電気的な加
熱源も別の化学的な加熱源４も実現可能であり、化学的
な加熱源４はたとえば内燃機関の燃料の触媒反応であ
る。場合によっては個別の加熱源４も触媒６，７に統合
された加熱源４も使用可能である。
【００２６】図１では加熱区域５の領域に、または図２
では加熱区域５と熱交換器２との間に、有利には、２つ
の触媒６，７が示されており、場合によってはこれらの
触媒６，７のうちの１つを省略することもできる。図２
に示された排ガス処理装置は、本発明に基づく、熱交換
器壁３の熱交換器２の１実施例であり、場合によっては
加熱区域５と触媒６とが別個に配置されている。
【００２７】特に触媒６，７を保護するために、図１に
示された排ガス処理装置は冷却装置８ａ，８ｂ，８ｃを
備えている。本発明の排ガス処理装置を冷却するために
は単に１つの冷却装置８ａ、８ｂまたは８ｃでも十分で
ある。冷却装置８ａは流入体１を既に熱交換器２の流入
口領域で冷却するので、有利には、流入体１が触媒６，
７に到達する前に流入体１の強い冷却が行われる。冷却
装置８ｂもしくは８ｃは、有利な形式で、加熱区域５の
特に高温になる領域を冷却するので、場合によっては加
熱区域５もしくは本発明の排ガス処理装置の有利で迅速
な冷却が実現可能で、この場合加熱源４は作動されてい
ない。場合によっては冷却装置８ａ，８ｃの冷却媒体の
ための別個の水タンクを設けることもできる。
【００２８】原則として本発明の熱交換器２によって、
触媒６，７の領域における排ガス温度の大きな変動が回
避され、このことはより良好な作動形式と、場合によっ
ては本発明の排ガス処理装置の耐用寿命の増加とにつな
がる。この場合とりわけ不都合に高い温度のピークが抑
制され、このことは触媒６，７の負荷に特に有利に作用
し得る。さらに本発明の装置はオットー機関でもディー
ゼル機関でも使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置の１実施例を示す概略図である。
【図２】本発明の装置の別の実施例を示す概略図であ
る。
【符号の説明】
１ 流入体、 ２ 熱交換器、 ３ 熱交換器壁、 ４
加熱源、 ５ 加熱区域、 ６，７ 触媒、 ８ 冷
却装置、 ９ 流出体、 １０ ケーシング
フロントページの続き (72)発明者 トーマス ブリンツ ドイツ連邦共和国 ビッシンゲン ウンタ ー デア テック フォルデレ シュトラ ーセ 113 (72)発明者 エッケハルト ラクヴァ ドイツ連邦共和国 オーバーハウゼン ラ インシュトラーセ 15 (72)発明者 ウルリヒ アルケマーデ ドイツ連邦共和国 レオンベルク ローレ ンバッハヴェーク ３ (72)発明者 ノルベルト ブロイアー ドイツ連邦共和国 ディッツィンゲン ヨ ハン−ゼバスティアン−バッハ−シュトラ ーセ 11 Ｆターム(参考） 3G091 AB06 BA02 BA05 BA36 CA01 CA03 CA07 CA08 4D048 AA06 AB02 CC42 CC43 CC52 CC53 EA04

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内燃機関の排ガス処理装置であって、該
    装置が排ガス流（１）を加熱するための加熱装置（４）
    と貯蔵触媒（６，７）とを共通のケーシング（１０）に
    備えている形式のものにおいて、 前記加熱装置（４）によって加熱された排ガス流（９）
    の余熱を用いて加熱しようとする排ガス流（１）を予備
    加熱するための熱交換器（２）が設けられていることを
    特徴とする、内燃機関の排ガス処理装置。
  2. 【請求項２】 前記熱交換器（２）が共通の前記ケーシ
    ング（１０）に配置されている、請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記加熱装置（４）が少なくとも１つの
    電気加熱素子を備えている、請求項１または２記載の装
    置。
  4. 【請求項４】 前記加熱装置（４）が少なくとも１つの
    燃焼器（４）を備えている、請求項１から３までのいず
    れか１項記載の装置。
  5. 【請求項５】 少なくとも１つの冷却装置（８ａ，８
    ｂ，８ｃ）が、前記貯蔵触媒（６，７）を冷却するため
    の冷却媒体を備えている、請求項１から４までのいずれ
    か１項記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記熱交換器（２）が、前記貯蔵触媒
    （６，７）を冷却するための前記冷却装置（８）を備え
    ている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装
    置。
  7. 【請求項７】 前記冷却装置（８）の冷却媒体として、
    少なくとも部分的に空気を有する流体が設けられてい
    る、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記冷却装置（８）の冷却媒体として、
    少なくとも部分的に水を有する流体が設けられている、
    請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
  9. 【請求項９】 内燃機関を冷却するための冷却ユニット
    が、前記冷却装置（８）の冷却媒体を冷却するために設
    けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載
    の装置。
  10. 【請求項１０】 化学センサおよび／または温度センサ
    および／または内燃機関の特性フィールドを用いて、前
    記加熱装置（４）および／または前記冷却装置（８）を
    制御するための制御装置が設けられている、請求項１か
    ら９までのいずれか１項記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記熱交換器（２）が表面積の大きな
    構成を有している、請求項１から１０までのいずれか１
    項記載の装置。
  12. 【請求項１２】 内燃機関の排ガス処理装置を備えた車
    両であって、貯蔵触媒（６，７）が設けられており、排
    ガス流（１）を加熱するための加熱装置（４）が設けら
    れてる形式のものにおいて、 請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置が設け
    られていることを特徴とする、内燃機関の排ガス処理装
    置を備えた車両。
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