JP2003516499A - 内燃機関の排ガスを処理するための排ガス処理装置 - Google Patents

内燃機関の排ガスを処理するための排ガス処理装置

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Abstract

(57)【要約】 内燃機関の排ガスを処理するための排ガス処理装置であって、１つまたは複数の触媒チャンバ（１３）が設けられていて、少なくとも１つの触媒チャンバ（１３）が、１つまたは複数のシース形グロープラグ（３０）を有しており、各シース形グロープラグ（３０）がグローシース管（４４）を有しており、排ガスがまず１つまたは複数の前記グローシース管（４４）の傍らを通って流れて、その後に触媒（２０）を通過するように前記グローシース管（４４）が配置されており、前記グローシース管（４４）の加熱により、可燃性の成分を含有する排ガスの着火が確実に行われるようになっている形式のものにおいて、前記グローシース管（４４）が、触媒チャンバ（１３）に面した外側のセラミック層を有していることを特徴とする、内燃機関の排ガスを処理するための排ガス処理装置が提案される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 背景技術 本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式の排ガス処理装置から出発する
。このような形式の排ガス処理装置は、有利には内燃機関において使用される。
このような装置は、既にドイツ連邦共和国特許第３９３９０６８号明細書に基づ
き公知である。この公知の装置は触媒を有しており、この触媒は、触媒内に突入
した１つまたは複数のシース形グロープラグによって加熱される。国際公開第９
７／２５５２５号パンフレットには、同じく、触媒の（排ガスの経路に関して）
手前に取り付けられたシース形グロープラグが触媒前室を加熱し、そして触媒前
室で可燃性の混合気に着火するために使用されることが記載されている。
【０００２】 排気路内で可燃性の混合気が着火される（混合気のこのような着火は「排ガス
後燃焼」とも呼ばれる）際に放出される熱量を、排ガス処理装置の触媒を加熱す
るために利用するという原理は、ドイツ連邦共和国特許第４４００２６０号明細
書に記載されている。このときに放出された熱量に基づき、作動温度への触媒の
迅速な加熱が達成される。触媒のこのような加熱は、特に内燃機関の新たなスタ
ート後に短い時間にわたって実施される。なぜならば、その場合、触媒はたいて
いまだ最低作動温度にまで到達していないからである。約３００℃の最低作動温
度が達成された後でしか、排ガスの空気汚染成分の有効な低減を保証することが
できない。
【０００３】 公知先行技術において排ガス処理装置で使用される、排ガス後燃焼のためのシ
ース形グロープラグは、外側に位置する、触媒前室に対して閉じられた金属製の
スリーブを備えた加熱エレメントを有している。この場合、グローシース管の加
熱は、内側に位置する加熱コイルによって行われる。さらに、金属製のスリーブ
の内部には、セラミック粉末が存在している。このセラミック粉末は、第１に加
熱コイルから金属製のスリーブへの熱伝達を生ぜしめ、第２に加熱コイルを位置
固定している。触媒前室から離れる方向へ開いた金属製のスリーブをシールする
ためには、有利にはエラストマから成るシール部材が使用される。このシール部
材はセラミック粉末を、ひいては加熱コイルをも、空気密にシールする。公知先
行技術により使用されるシール部材は、約２２０℃よりも上の温度では耐性を有
しておらず、この温度領域ではそのシール機能を発揮することができない。内燃
機関の運転時に排気路の取付け個所が有する温度、つまりグローシース管がシー
ル部材の個所で有する温度は、５００〜６００℃の範囲にある。したがって、公
知先行技術により使用される、グローシース管のシール部材は、排ガス処理装置
のためには適していない。
【０００４】 発明の利点 請求項１の特徴部に記載の特徴を有する本発明による排ガス処理装置には、グ
ローシース管のシールがもはや必要とならないという利点がある。さらに、本発
明による排ガス処理装置の加熱エレメントは、従来のものに比べて高い耐熱性な
らびに反応ガスに対する高い耐性を有していることも有利である。
【０００５】 請求項２以下に記載の手段により、請求項１に記載の対象の有利な改良が可能
となる。加熱エレメントが、セラミック製の２つの導電性の層と、セラミック製
の１つの電気的に絶縁性の層とから形成されていて、しかもセラミック製の両導
電性の層が互いに結合されていると有利である。なぜならば、これにより単純な
構造が得られるからである。加熱エレメントの種々の構成部分の熱膨張率に関し
ても、加熱エレメントが、セラミック製の導電性の層と、セラミック製の電気的
に絶縁性の層とから形成されていることが有利である。なぜならば、層の組成を
変えることによって熱膨張率を最適に調整することができるからである。こうし
て、熱サイクリングの際の加熱エレメントの破壊が阻止される。このような構造
は、セラミック製の導電性の層のＵ字形の構成を用いても、筒状の構成を用いて
も、実現することができる。さらに、加熱エレメントが、内側に位置する金属製
の加熱コイルにより形成されていて、この加熱コイルがセラミック製のマトリッ
クスによって取り囲まれていることが有利である。なぜならば、こうして、加熱
エレメントにおいて外側に位置しているセラミック層を簡単に実現することが可
能となるからである。
【０００６】 以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【０００７】 実施例の説明 図１には、排ガス処理装置が縦断面図として概略的に図示されている。この排
ガス処理装置では、１つまたは複数の燃焼室５から出た排ガスが排気路７内へ流
入する。排ガスの経路は矢印により示されている。排ガスは、まず排気管路１０
を通過し、その後に触媒チャンバ１３に流入する。この触媒チャンバ１３は排気
管路１０に比べて大きな横断面を有している。１つの排気路が複数の触媒チャン
バを有していてもよい。触媒チャンバ１３は触媒前室１５と触媒２０とを有して
いる。触媒前室１５内には、１つまたは複数のシース形ブロープラグ３０が取り
付けられている。このシース形グロープラグ３０は接続コネクタ３５と、供給線
路４０とを有している。シース形グロープラグ３０は、図示されているように触
媒前室１５の、排気管路１０から触媒チャンバ１３へ向かって排気路７の横断面
が拡開されている部分に配置されていてもよいし、あるいはまた触媒前室１５の
、触媒２０の横断面と同じ横断面を有する部分に配置されていてもよい。このよ
うな取付け点は符号４１で示されている。排気管路１０には、さらに二次空気の
ための供給管路４３が設けられている。排気路７において排気管路１０には、二
次空気のための供給管路４３の手前に前置触媒が設けられていてもよい。さらに
、触媒前室１５内でシース形グロープラグ３０の手前に流れ整流器が設けられて
いることも可能である。さらに、排気路７には、１つまたは複数の酸素センサが
取り付けられていてもよい。これらの酸素センサは一般にλセンサとして形成さ
れている。
【０００８】 排ガスは矢印方向で燃焼室５から排気路７を通って流れる。このときに排ガス
は、まず排気管路１０を通過する。排気管路１０では、二次空気のための供給管
路４３を介して排ガスに二次空気が供給される。二次空気と混合された排ガスは
その後に、触媒前室１５を通過する。この触媒前室１５内では、規定された時間
でシース形グロープラグ３０によって所定の熱量が放出される。排ガスは次いで
触媒２０を貫流する。一般に３元触媒として形成されている触媒２０では、排ガ
スの成分であるＣＯ、ＮＯｘおよびＨＣが、触媒担体の、触媒作用を有する被覆
体と反応する。触媒２０は、触媒反応が行われ得るようにするためには、３００
℃の温度を超えていなければならない。この温度は「変換閾値」と呼ばれる。内
燃機関のスタート時では、触媒２０がまだ変換閾値に到達していない。それゆえ
に、触媒を加熱することが必要となる。明細書冒頭で既に説明したような、いわ
ゆる「排ガス後燃焼」による触媒の加熱が、触媒を加熱するための簡単な手段と
なる。この場合、極めて高いエネルギ放出量が達成される。これにより、触媒を
極めて迅速に加熱することが可能となる。この加熱は、内燃機関の新たなスター
ト後の僅か数分間までの時間の間に行われるほか、たとえば触媒の温度が変換閾
値よりも下に低下したことが温度センサにより検知された場合には内燃機関の運
転中にも行われる。
【０００９】 噴射された燃料の量および／または点火進角に影響を与えることにより、リッ
チな排ガスが提供される。この排ガスは二次空気のための供給管路４３を介して
二次空気と混合され、この場合、可燃性の排ガスが発生する。この排ガスへの着
火は触媒前室１５内で、シース形グロープラグ３０により供給された熱量を用い
て確実に行われる。排ガスの燃焼に基づいた発熱反応により生じた熱量は、触媒
２０を加熱するために働く。このような排ガス後燃焼は、内燃機関のスタート直
後に実施されるか、または変換閾値が下回られたことが検知された場合に、数分
間の時間にまで実施される。
【００１０】 着火を確実に行うためには、シース形グロープラグ３０がこの時間中でも作動
させられる。シース形グロープラグ３０には、接続コネクタ３５と供給線路４０
とを介して、加熱のために必要となる電気エネルギが供給される。この電気エネ
ルギは内燃機関の電圧供給部（図示しない）から取り出される。
【００１１】 シース形グロープラグ３０はグローシース管４４を有している。このグローシ
ース管４４は本発明による排ガス処理装置では、セラミック材料から成る、触媒
前室１５に面した側の外側の層を有している。グローシース管４４の非耐熱性シ
ール部材を有しないシース形グロープラグ３０を実現することが可能となる。し
たがって、本発明による排ガス処理装置のシース形グロープラグ３０は、冷却の
ための別の手段なしで、排ガス後燃焼を支援するために使用することができる。
さらに、このようなシース形グロープラグ３０は、高い温度および反応性ガスに
対して高い耐性を有している。
【００１２】 図２には、本発明による排ガス処理装置の触媒前室のためのシース形グロープ
ラグの１実施例が縦断面図で概略的に図示されている。シース形グロープラグ３
０は金属製のハウジング４５を有している。このハウジング４５に設けられた中
心の円筒状の孔内には、接続ピン５０が配置されており、この接続ピン５０はシ
ールエレメント５５によって位置固定されている。このシールエレメント５５は
さらに、シース形グロープラグ３０の、触媒前室１５から遠い方の端部をシール
している。有利な実施例では、触媒前室の方向に接続エレメント６０が配置され
ており、この接続エレメント６０は、ばね弾性的なエレメント、有利にはコンタ
クトスプリングとして形成されているか、または粉末パッケージとして形成され
ていてよい。同じく、ハウジング４５に設けられた円筒状の中心の孔内には、触
媒前室１５の方向で見て接続エレメント６０の後方にグローシース管４４が設け
られている。グローシース管４４はハウジング４５の縁部を超えて触媒前室１５
内へ突入している。グローシース管４４に存在する電気的な抵抗に基づき、グロ
ーシース管４４の加熱が行われ、そしてこれにより着火された排ガスによって触
媒２０の加熱が行われる。
【００１３】 グローシース管４４は第１の導電性の層９０と、第２の導電性の層９５とから
構成されている。導電性のセラミックから成る両導電性の層９０，９５は、同じ
くセラミック材料から成る絶縁性の層９７によって分離されている。グローシー
ス管４４の触媒前室側の先端部では、第１の導電性の層９０と第２の導電性の層
９５とが、結合範囲１００において互いに結合されている。この結合範囲１００
も、セラミック材料から成っている。電気的なコンタクトは、接続エレメント６
０と、第１の導電性の層９０と、結合範囲１００と、第２の導電性の層９５とを
介してハウジング４５に対して行われる。それぞれセラミック材料から成る導電
性の層９０，９５，１００の抵抗により、グローシース管４４の加熱が達成され
る。グローシース管４４は、このグローシース管４４がセラミックからのみ成る
ように、つまり触媒前室１５に面した側の層が固形のセラミック材料から成るよ
うに形成されている。したがって、このグローシース管４４の内部には、酸素に
対してシールされなければならない金属材料は存在していない。
【００１４】 したがって、グローシース管４４自体のシールは必要とならず、またエラスト
マシール部材もグローシース管４４のために使用されずに済む。グローシース管
４４のセラミック材料はさらに、高い温度および反応性ガスに対して高い耐性を
有している。
【００１５】 セラミック材料からのみ成るグローシース管４４の構造は有利である。なぜな
らば、このようなグローシース管４４は簡単に製造可能となり、材料の熱膨張率
も、種々のセラミック材料の組成のバリエーションによって互いに適合可能とな
るからである。
【００１６】 図３には、本発明による排ガス処理装置の触媒前室１５内に取り付けられた別
の実施例によるシース形グロープラグ３０が縦断面図で概略的に図示されている
。図３のシース形グロープラグ３０の構造は、グローシース管４４を除いて、図
２に示したシース形グロープラグ３０の構造と類似している。この理由から、シ
ース形グロープラグのこれらの構成部分については、再度の説明を省略する。同
じ符号は同一の構成部分を表している。
【００１７】 図３に示したグローシース管４４は、セラミック製のマトリックス７０内に金
属製のつる巻き状の加熱コイル７５が埋め込まれている。グローシース管４４へ
の電流供給は、供給線路４０と接続コネクタ３５とを介して行われる（両構成部
分は図１に図示されている）。接続コネクタ３５は接続ピン５０と接続エレメン
ト６０とに電気的にコンタクトされている。接続エレメント６０はグローシース
管４４の加熱コイル７５と電気的なコンタクトを有している。加熱コイル７５は
、図３に示したように、グローシース管４４を通ってＵ字形に延びている。加熱
コイル７５は、互いに異なる抵抗および抵抗温度特性を有する、互いに結合され
た複数の加熱コイル区分から成っていてもよい。加熱コイル７５はさらに、アー
スに接続されているハウジング４５と電気的にコンタクトされている。グローシ
ース管４４の、触媒前室１５から遠い方の端部の一部は、金属管に設けられた円
筒状の中心の孔内に配置されていてもよく、その場合、この金属管はハウジング
４５に設けられた中心の孔内に配置されている。さらに、加熱コイル７５と接続
コネクタ３５との電気的なコンタクトは、別の構成では、接続エレメント６０と
接続ピン５０とを介して行う代わりに、ハウジング４５の中心の孔内で側方に延
びる少なくとも１つの供給線路を介して行うこともできる。
【００１８】 本発明による排ガス処理装置の触媒前室１５のためのグローシース管４４のこ
のような構成には、グローシース管４４の、触媒前室１５寄りの外側の層がセラ
ミック材料、つまりセラミックマトリックス７０から成っているという利点があ
る。金属製の加熱コイル７５は、セラミック製の固形のマトリックス７０内にし
っかりと焼結固定されており、したがってグローシース管４４におけるシール部
材の使用は必要とならない。
【００１９】 図４には、本発明による排ガス処理装置の触媒前室１５内に取り付けられた、
図２に示したシース形グロープラグに用いられるグローシース管の種々の実施例
が概略的に図示されている。図４ａには、このようなグローシース管４４が縦断
面図で図示されている。このグローシース管４４は、図２に示したグローシース
管４４と類似して形成されているので、このグローシース管４４に関してもう一
度説明することは省略する。同じ符号は同一の構成部分を示している。図４ｂに
は、本発明による排ガス処理装置の触媒前室に用いられるシース形グロープラグ
のグローシース管が横断面図で図示されている。この横断面図は、グローシース
管４４を、触媒前室１５から離反する方向で結合範囲１００の下方で断面した図
である。図４ｂには、第１の導電性の層９０と、第２の導電性の層９５と、電気
的に絶縁性の層９７とが認められる。横断面は方形に形成されている。図４ｃに
は、グローシース管４４の別の横断面が図示されている。この横断面は図４ｂと
同じ構成部分を含んでいるが、しかし横断面の形状は丸く面取りされている。図
４ｄには、同様の横断面が図示されており、この場合、図４ｄの横断面は、図４
ｃの実施例の場合のように丸く面取りされた角隅を有しているだけではなく、そ
れぞれ側方の辺が全体的に完全に丸められている。図４ｅには、同じく図４ｂと
同じ構成部分を有している本発明によるグローシース管の別の実施例が図示され
ている。この場合、グローシース管の横断面全体が楕円形の形状を有している。
図４ｂ〜図４ｅの各実施例については、それぞれ短い方の辺を、図示の長さより
も大きな長さでまたは等しい長さで形成することも可能である。また、図４ｅに
示した楕円形の形状は、真円形に形成されていてもよい。図４ｂ〜図４ｅに図示
した種々異なる横断面により、グローシース管４４の形状を触媒前室１５の、与
えられた条件に適合させることができる。また、グローシース管４４のさらに別
の横断面形状も考えられる。
【００２０】 図５には、本発明による排ガス処理装置の触媒前室１５のためのグローシース
管４４のさらに別の実施例が示されている。図５ａには、このようなグローシー
ス管４４の縦断面図が概略的に図示されている。２つの導電性の層９０，９５と
、電気的に絶縁性の層９７は、この実施例では筒状もしくは柱状に配置されてい
る。セラミックス製の第１の導電性の層９０は内側の筒体もしくは柱体を形成し
ており、この内側の筒体は、管状に形成されているセラミック製の電気的に絶縁
性の層９７によって取り囲まれている。この電気的に絶縁性の層９７はやはり第
２の導電性の層９５によって管状に取り囲まれている。第１の導電性の層９０と
、同じくセラミック材料から成る第２の導電性の層９５とは、グローシース管４
４の触媒前室側の先端部の結合範囲１００で互いに結合されている。シース形グ
ロープラグのこのような構造は、筒状もしくは柱状であるとみなされる。図５ｂ
には、図５ａに示したグローシース管４４が横断面で図示されている。この横断
面は結合範囲１００の下方に位置している。図面から良く判るように、第１の導
電性の層９０は内部に位置していて、電気的に絶縁性の層９７によって取り囲ま
れており、そしてこの電気的に絶縁性の層９７は第２の導電性の層９５によって
取り囲まれている。したがって、この実施例も、温度影響および反応性ガスの影
響に対して耐性を有する外側のセラミック層により特徴付けられている。また、
この実施例においても、グローシース管４４は、互いに焼結固定されている種々
の固形のセラミック層から成っている。したがって、この実施例の場合でも、グ
ローシース管４４の内部を酸素に対してシール部材によってシールすることは必
要とならない。図５ｃには、セラミックス製のグローシース管４４の、図５ｂに
おける実施例と同様の筒状もしくは柱状の実施例が横断面図で示されている。図
５ｃの実施例はその形状の点で図５ｂの実施例とは異なっている。図５ｃの実施
例では、各層が方形の横断面を有している。しかし原理的には、この構造は図５
ａおよび図５ｂにつき説明した構造に相当している。この構造は相応して、生産
条件および触媒前室内の条件に適合させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 内燃機関の排ガスを処理するための本発明による排ガス処理装置の概略図であ
る。
【図２】 本発明による排ガス処理装置のシース形グロープラグの実施例を示す概略図で
ある。
【図３】 本発明による排ガス処理装置のシース形グロープラグの別の実施例を示す概略
図である。
【図４】 本発明による排ガス処理装置のグローシース管の種々の実施例を縦断面および
横断面で示す図である。
【図５】 本発明による排ガス処理装置のグローシース管の種々の実施例を縦断面および
横断面で示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G091 AB03 BA22 CA03 CB01 HA08 HA45 HB07 4D048 AA06 AA13 AA18 AB03 CC52

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内燃機関の排ガスを処理するための排ガス処理装置であって
    、１つまたは複数の触媒チャンバ（１３）が設けられていて、少なくとも１つの
    触媒チャンバ（１３）が、１つまたは複数のシース形グロープラグ（３０）を有
    しており、各シース形グロープラグ（３０）がグローシース管（４４）を有して
    おり、排ガスがまず１つまたは複数の前記グローシース管（４４）の傍らを通っ
    て流れて、その後に触媒（２０）を通過するように前記グローシース管（４４）
    が配置されており、前記グローシース管（４４）の加熱により、可燃性の成分を
    含有する排ガスの着火が確実に行われるようになっている形式のものにおいて、
    前記グローシース管（４４）が、触媒チャンバ（１３）に面した外側のセラミッ
    ク層を有していることを特徴とする、内燃機関の排ガスを処理するための排ガス
    処理装置。
  2. 【請求項２】 グローシース管（４４）が、内側に位置する金属製の加熱コ
    イル（７５）を有しており、該加熱コイル（７５）が、セラミック製のマトリッ
    クス（７０）によって取り囲まれている、請求項１記載の排ガス処理装置。
  3. 【請求項３】 グローシース管（４４）が、セラミック製の電気的に絶縁性
    の層（９７）と、セラミック製の第１の導電性の層（９０）と、セラミック製の
    第２の導電性の層（９５）とを有しており、両導電性の層（９０，９５）が、前
    記電気的に絶縁性の層（９７）によって分離されており、ただしグローシース管
    （４４）の触媒前室側の端部では、セラミック製の第１の導電性の層（９０）と
    、セラミック製の第２の導電性の層（９５）とが、セラミック製の導電性の結合
    範囲（１００）によって互いに結合されている、請求項１記載の排ガス処理装置
    。
  4. 【請求項４】 セラミック製の第１の導電性の層（９０）と、セラミック製
    の第２の導電性の層（９５）と、両導電性の層（９０，９５）の結合範囲（１０
    ０）とから成る複合体が、Ｕ字形に形成されている、請求項３記載の排ガス処理
    装置。
  5. 【請求項５】 セラミック製の第１の導電性の層（９０）と、セラミック製
    の第２の導電性の層（９５）と、両導電性の層（９０，９５）の結合範囲（１０
    ０）とから成る複合体が、筒状に形成されている、請求項３記載の排ガス処理装
    置。
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