JP2006505731A - 排気装置およびその動作方法 - Google Patents

Abstract

移動体用内燃機関（２）の排気装置（１）であって、少なくとも１つの排ガスライン（３）を備え、この排ガスライン（３）は、排ガス中に含有される長鎖の炭化水素が中でクラッキングされる少なくとも１つの触媒活性反応室（４）を有する。さらに、上記のような排気装置（１）の動作方法が提案される。

Description

この発明は、移動体用内燃機関の排気装置およびその動作方法に関する。この概念の下には、基本的にあらゆる種類の排気装置、たとえばオットー機関、ディーゼル機関またはその他炭素含有の燃料が燃焼される種類のエンジンにおける排気装置が理解される。

炭化水素混合物は大量に製造および消費されている。炭化水素とは、炭素および水素のみからなる有機化合物の呼称である。最大４個の炭素原子を有する短鎖の炭化水素は室温で気体状である。ペンタン（Ｃ₅）から炭化水素は室温で液体となる。ヘプタデカン（Ｃ₁₇）からの長鎖の炭化水素は固体の蝋状の物質である。一般的に、各種の炭化水素を得るためには、石油または化石燃料を蒸留する。ドイツ国内における全体収量の大部分は自動車用燃料（ガソリンおよびディーゼル）によって占められる。ガソリンの組成はその由来および加工法によって異なる。ガソリンは、しばしば不飽和ナフテンおよび芳香族化合物が混ぜ合わさった、脂肪族の炭化水素（Ｃ₅〜Ｃ₁₂）の混合物である。

自動車分野におけるエンジン用のより良質な燃料を生産することに関し、燃料をより高いオクタン価へ変換することを可能にする手段を設けることが公知である。たとえば、米国特許第３，８５５，９８０号および米国特許第５，３５７，９０８号の文献では、燃料混合物中の長鎖の炭化水素をクラッキングする、すなわち短鎖の炭化水素へと変換するための触媒的に作用するクラッキング反応器について説明されている。このクラッキングを行なう動機は、有害物質の放出を抑えながら燃料を可能な限り効率的に燃焼させるプロセスを実現することである。しかしながら、炭化水素のうち短鎖で引火しやすい種類のものを貯蔵しかつ／または運搬することはあまりに危険であり、これを直接に燃料として提供することはできないという問題があった。

より新しいガソリンあるいはディーゼル燃料で比較的オクタン価あるいはセタン価の高いものが提供されており、かつこれに加えて、有害物質の放出が排気装置内の種々の構成要素によって効率的に削減されているという事実に鑑み、内燃機関に供給される燃料をクラッキングする動機は現在のところ全くない。

流量制御機構（たとえば絞り弁やバルブなど）を備えた排気装置や、または排ガス処理用の構成要素（たとえばミキサや流れ案内板金など）を含む排気装置を動作させる際には、上記の各部品に関してしばしば比較的早期に脱落または使用上の制約が認められる。たとえば、絞り弁が完全に閉じなくなる、バルブ（特に回転するポペット弁）が全体の調節範囲にわたって変位しなくなる、流れ案内面において流れの途切れが認められる、またはミキサが塞がる、といった現象が生じる。これらの変化はいずれも、排ガス管路内の個々の構成要素に対する敏感な調整動作に対して重大な影響を及ぼす。上記の各問題は特に、排気系統のうち温度の比較的低い（特に３００℃未満）区間において発生する。

この発明は、上述の各問題を解決する移動体用内燃機関の排気装置を提示することを課題としてなされたものである。さらに、上記排気装置は簡単な構造でかつ安価なものにされる。さらに、上記排気系統内の各構成要素についての機能面の確実性が保証される排気装置の動作方法が提案される。

上記の各課題は、請求項１に記載の特徴を備えた排気装置および、請求項１１に記載の特徴に従う排気装置の動作方法によって解決される。この排気装置あるいはこの方法についてのその他の有利な形態は、それぞれについての従属請求項に記載される。なお、それぞれについての従属請求項に記載の特徴点は、任意に互いに組合せたり、さらには独立請求項に記載の特徴点と組合せたりしてもよいことに注目されたい。

この発明に従う移動体用内燃機関の排気装置は、排ガス中に含有される長鎖の炭化水素が中でクラッキングされる少なくとも１つの触媒活性反応室を有する少なくとも１つの排ガスラインを備える。

排気系統におけるさまざまな構成要素を大掛かりに調査した結果、上述の各問題の原因はとりわけ、小さな割れ目または楔形部の領域に特に堆積する粘着性の蝋状のコークス化物に求められるべきであるとわかった。特に、絞り弁またはバルブといった可動部材においてこの問題が生じやすい。絞り弁およびバルブにおける揚程あるいは回転行程の領域にコークス化物が堆積すると、絞り弁およびバルブはその運動の自由度において制限を受けることになる。多くの場合、コークス化の原因は、長鎖の炭化水素がこの領域でまず凝塊を形成し、それから可動部材同士をくっつけるなどしてしまうことである。

そこで、長鎖の炭化水素が中でクラッキングされる少なくとも１つの触媒活性反応室を排ガスラインに統合することが提案される。この反応室はそれ自体が上記排ガスラインの一部であってもよく、たとえば排ガスラインの内側表面に適当な触媒活性コーティングが設けられる。しかしながら、上記反応室を構成ユニットとして上記排ガスラインの内部領域に統合することも可能である。上記少なくとも１つの反応室の位置は基本的に自由に選択可能であるが、当該内燃機関のコールドスタート段階中に触媒が既に活性であることが保証されているのがよい。この関連でコールドスタート段階とは、内燃機関の（再）スタートの時点から排気系統内の主触媒の始動温度に達する時点までにわたる時間のことと理解される。一般的に主触媒の始動温度は２６０〜３５０℃の範囲内である。

有利なさらなる一形態に従うと、上記少なくとも１つの反応室は、既に２３０℃未満、特に１００℃未満の温度で長鎖の炭化水素をクラッキングするような高い酸性度を有する触媒を含むことが提案される。数多くの実験の結果、触媒の酸性度を上昇させると、長鎖の炭化水素の分解に関して反応温度が予期されなかったほど顕著に低下することが明らかとなった。特に、上記触媒は、活性化されたケイ酸アルミニウムを含むことが有利である。また、状況によっては、上記触媒が三フッ化ホウ素および／または五フッ化アンチモンを含むことが有利である。上記長鎖の炭化水素を分解しかつ／または酸化させるための触媒としては、たとえばＸ線非晶質ケイ酸アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂）などが採用される。上記触媒の酸の強さ／酸性度を上昇または上記触媒を活性化させるためには、たとえばゼオライト・イオン交換体であって、三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ₃）といった酸性の担体上に、たとえば希土類金属で覆われ、かつ／または、白金のような貴金属に覆われたイオン交換体がさらに加えられる。最後に、ケイ酸アルミニウムを活性化させるために、三フッ化ホウ素（ＢＦ₃）および／または五フッ化アンチモン（ＳｂＦ₅）といった超酸性の触媒を採用してもよい。さらに、ケイ酸アルミニウムの活性化に三塩化アルミニウム上の白金を採用した場合、８０℃から２００℃の反応温度および最長２年間の整備周期が実現される。

この排気装置についてのさらなる一形態に従うと、上記少なくとも１つの反応室が、上記触媒の担体として働く少なくとも１つのハニカム体を含むことが提案される。ハニカム体とは、排ガスが貫流可能な多数のチャネルを含む部品のことと理解される。このようなハニカム体は、高耐熱性の多数の異なる材料から製造され得る。これに関しては、排ガス処理用の公知のハニカム体を参照されたい。基本的には、このようなハニカム体は、金属
またはセラミックから製造され得る。また、ハニカム体に代えて、上記反応室内にその他表面を拡大する部品、たとえば篩や、編んだり織ったりしたものを多数配置してもよいことは言うまでもない。

上記ハニカム体に関して、排ガスが中で貫流可能なチャネルを形成するように積み重ねられかつ／または巻かれた複数の少なくとも部分的に構造化された板金層を含むことが特に有利である。ハニカム体の製造に金属製の板金層を使用することには、ハニカム体を特に薄壁で製造できるという利点がある。たとえば、使用される板金層の厚みは１２〜５０μｍとされ、ハニカム構造体の横断面におけるチャネル密度としては、２００〜８００ｃｐｓｉ（cells per square inch）の範囲内の密度が達成される。上記構造化された板金層は、好ましくは実質的に互いに平行に配置されたチャネルを形成し、状況によっては、乱流を発生させるための微細構造、隣接するチャネルにおけるガス交換用の開口部、およびさまざまに変化させた板金層厚を設けることができる。

この排気装置についてのさらなる一形態に従うと、少なくとも１つの反応室が排ガスの流れ方向においてバルブの上流に配置される。このように配置することは、上記バルブが、排ガス返還系統の一部であって排ガス返還ラインでの排ガスの貫流を調整する場合に特に有利である。換言すると、上記排ガス返還系統の中を通って案内される部分排ガス流はまず、上記少なくとも１つの反応室を貫流する際に適当な触媒反応を生じさせることによって長鎖の炭化水素を失う。上記排ガス返還系統においては、粘着性のコークス化物の凝塊に関しては上記バルブ付近で特に問題が生じやすいが、それは一般的に排気系統におけるこの部分では比較的低い温度が支配的であるからである。その原因としては一方で、排ガス返還系統は一般的に、排ガス自体がまだ十分高い温度を有していないコールドスタート段階で特に使用状態となることが挙げられ、さらには、中を通って案内される排ガス質量流量が比較的小さいものに過ぎず、このため排ガス返還ラインへの熱の引渡しが急速に生じることも挙げられる。その意味で、上記のような反応室をちょうど排ガス返還系統内あるいはその付近に配置すれば、排ガス返還系統内のバルブの機能に関して極めて効果的である。

反応室が比較的長期間の動作後でも触媒活性であることを保証するために、排ガスの流れ方向において上記少なくとも１つの反応室の上流に排ガス冷却器が配置され、かつ／または上記少なくとも１つの反応室自体が冷却可能であることが提案される。既に冒頭に述べたように、長鎖の炭化水素を低温下でクラッキングすることが特に重要課題として考慮される。一般的には、ここで使用される触媒は、２００℃未満の温度範囲で作用するが、それより明らかに高い温度では十分な触媒活性を呈さなくなるものである。この目的のために、上記反応室内の触媒は、（未冷却の）排ガスが既に明らかにより高い温度を有する場合でも２００℃未満の温度へ保持されることが提案される。排ガス冷却器の形態については、当業者にとって公知の熱交換器が採用できる。その際、一方では上記排ガス冷却器を上記排ガスライン自体に統合することが考えられるが、これに代えて上記排ガスラインの内部またはその周囲に配置された別個の部品としてもよい。反応室自体の冷却は、外側から上記反応室のまわりに取付けられた冷却コイルなどによって生じさせることができる。

この排気装置についてのさらなる一形態に従うと、上記少なくとも１つの反応室は、０．８リットル未満、特に０．５リットル未満、好ましくは０．２リットル未満の体積を有する。この体積の値はとりわけ排ガスの質量流量によって決定される。すなわち、部分排ガス流または主排ガス流における配置に対応して、適当な大きさの体積を設けることとする。さらに、排ガス中の長鎖の炭化水素の割合がどれだけ高いかも重要である。その他体積の設計での基準としては、触媒の種類、コークス化の傾向に関して下流の構成要素の敏感さ、および／または当該部位での排ガス温度などがある。

さらに、この排気装置が、上記少なくとも１つの反応室の上流および／または下流に設けられて排ガス中に含有の有害物質を転化するための構成要素を含むことが提案される。排気装置の構成要素としては特に、公知のフィルタ、粒子トラップ、加熱要素、熱交換器、吸着器、触媒コンバータなどが意図される。ここで、上記反応室は実質的に、長鎖の炭化水素の分解あるいはクラッキングの役割のみを有する一方で、一酸化炭素や窒素酸化物などといった有害物質を実際に変換する役割は上述の各構成要素に割当てられることが特に有利である。

この発明の別の局面に従うと、排気装置の動作方法であって、上述のような移動体用内燃機関の排気装置に関して特に好適な方法が提案される。この方法に関して、排ガス中に含有される長鎖の炭化水素が中でクラッキングされる少なくとも１つの触媒活性反応室の中を排ガスが通されることが提案される。これによって、上記排気系統内の極めてコークス化しやすい構成要素、たとえば絞り弁やバルブなどが、極めて長期間にわたって問題なく機能することが保証される。これによって、上記排気装置において極めて高い整備性および効率性が得られる。

さらに、上記反応室内で少なくとも部分的にクラッキングされた排ガスが排ガス返還系統に供給されてこの排ガス返還系統が部分排ガス流を再び内燃機関に供給することが提案される。こうすれば、上記内燃機関に短鎖の炭化水素のみがもたらされ、上記内燃機関が効率的にかつ有害物質を抑えながら燃焼を実行できるという利点が得られる。

上記方法についてのさらなる一形態に従うと、上記反応室内に入ってくる排ガスおよび／または上記反応室自体が、上記反応室内で動作中に２３０℃未満（好ましくは１５０℃未満あるいは１００℃未満）の温度を保証するように冷却されることが提案される。このような方法を用いる場合は特に、上記少なくとも１つの反応室内で、排ガス中に含有される長鎖の炭化水素のうち少なくとも５０％、特に少なくとも８０％がクラッキングされることが有利であり、上記反応室内では好ましくは常圧が支配的である。その結果として、一方では反応室自体が一般的にべたつかないため、反応室を検査しなければならない整備期間は極めて長くなり、さらに他方では下流の構成要素でのコークス化も防止される。

上記方法についてのさらなる一形態に従うと、排ガスが、上記少なくとも１つの反応室を貫流した後には、１０個未満の炭素原子を有する短鎖の炭化水素分子のみを含有することが提案される。

以下、この発明について添付の図面を参照しながらより詳細に説明する。なお、ここに示す各実施例は、この発明についての特に好ましい変形例を示すものに過ぎず、この発明はこれらに限定されない。

図１は、排ガス返還系統１２と内燃機関２とを含む排気装置１の構造の概略図である。排ガス返還系統１２は２本の管路からなる構成となっており、すなわち第１の管路１９および第２の管路２０を含む。第１の管路１９には排ガス冷却器１４が配置される。排ガス冷却器１４は、特に排ガスが高温のときに、中を貫流する部分排ガス流の冷却を引起こす。排ガス返還系統１２内の流れ方向１０の調整は、回転式二重弁として実施されるのが好ましいバルブ１１を介して行なわれ、その駆動部２１を制御ユニット２２と接続することによって、指定可能な部分排ガス流を生じさせることが可能となる。

原理的には、燃料−空気混合物は、空気取入れライン２４および絞り弁２６を介して内燃機関２に供給される。その際、排ガス返還系統１２を伴う内燃機関２のコールドスター
ト段階中に、特にバルブ１１付近において、燃料−空気混合物と返されてきた排ガスとが供給ライン２４にてコークス化する現象が生じる。その他には特に絞り弁２６、燃焼室２５内にあるバルブ、または供給ライン２３におけるその他の領域であって少なくとも一時的に比較的小さい自由な流れ断面積のみを境界付ける領域が該当する。図示する内燃機関２の燃焼室１０にて燃料−空気混合物の燃焼が行なわれて、炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、および窒素酸化物などを含有する排ガスが生じ、これはこの後排ガスライン３を介して導かれる。排ガス中に含有される有害物質は、下流に配置された浄化装置において部分的に触媒変換されてから環境中に排出される。これには、たとえば図示の構成要素であるフィルタ１６、吸着器１８および触媒コンバータ１７が使用される。

図示する装置は、長鎖の炭化水素を触媒酸化させかつ／または分解するための２つの反応室４を含み、反応室４内で触媒５（図示せず）が不活性の担体（図示せず）に塗布される。反応室４は内燃機関２の下流に配置され、そして、反応室４の中を貫流する流体は流れ方向１０で内燃機関２へと案内される。触媒（図示せず）の酸性度は極めて高いため、長鎖の炭化水素は既に１００℃未満の温度で変換される。図示する実施例においては、反応室４は、この２管路で実施される排ガス返還系統１２についての両方の排ガス返還ライン１３の中に配置され、ここを貫流する流体は、内燃機関２に返されるべき部分排ガス流である。

図２は、反応室４の一実施例を概略的に示す斜視図であり、ここではハニカム体７に触媒５が塗布されている。ハニカム体７は反応室４内の別個の部品として実施されており、流体が中を貫流可能なチャネル９を有する金属製のハニカム体７が、少なくとも部分的に構造化された板金層８で形成されている。反応室４はおよそ０．５リットルの体積１５（これは壁構造とチャネル９とを含む外側の全体積を意味する）を有し、排ガス返還系統１２（図示せず）と空気取入れライン２４（図示せず）との接続部付近に配置されるため、返されるべき部分排ガス流全体において長鎖の炭化水素がバルブ１１（図示せず）の任意の状態で常に分解あるいは触媒転化される。

図３は、反応室４のコーティングの構造を示す概略図である。ここでは、ハニカム体７の板金層８の一部の上にコーティングが高耐熱性として形成されているところを詳細に示す。このコーティングの表面は、ゼオライトに特徴的である極めてギザギザなものである。このコーティングは触媒５が添加してあり、ケイ酸アルミニウム６を含む。ここでは触媒５は、ケイ酸アルミニウム６を活性化したものであり、さらに三フッ化ホウ素および／または五フッ化アンチモンの成分を追加的に含む。

燃料中の炭化水素を分解することにより、これは加えてより燃焼しやすくなり、その化学的なエネルギー容量はより良好に利用可能にされる。また、その結果、比燃料消費の削減がもたらされる。ガソリンの長鎖の炭化水素、たとえばデカンなどは、この方法を用いることで初めて乗物において短鎖のアルカンへ移行させ、さらには脱水を追加的に行なえばアルケンにも移行させることが可能となり、こうしてガソリンのオクタン価が向上する。

この発明に従う排気装置の一形態を示す概略図である。 反応室４の一例を概略的に示す斜視図である。 反応室のコーティングの構造を示す概略図である。

符号の説明

１ 排気装置、２ 内燃機関、３ 排ガスライン、４ 反応室、５ 触媒、６ ケイ酸アルミニウム、７ ハニカム体、８ 板金層、９ チャネル、１０ 流れ方向、１１ バ
ルブ、１２ 排ガス返還系統、１３ 排ガス返還ライン、１４ 排ガス冷却器、１５ 体積、１６ フィルタ、１７ 触媒コンバータ、１８ 吸着器、１９ 第１の管路、２０ 第２の管路、２１ 駆動部、２２ 制御ユニット、２３ 供給ライン、２４ 空気取入れライン、２５ 燃焼室、２６ 絞り弁。

Claims (15)

1. 移動体用内燃機関（２）の排気装置（１）であって、少なくとも１つの排ガスライン（３）を備える排気装置において、
   前記排ガスライン（３）が、排ガス中に含有される長鎖の炭化水素が中でクラッキングされる少なくとも１つの触媒活性反応室（４）を有することを特徴とする、排気装置（１）。
2. 前記少なくとも１つの反応室（４）が、既に摂氏２３０度未満、特に摂氏１００度未満の温度で長鎖の炭化水素をクラッキングするような高い酸性度を有する触媒（５）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の排気装置（１）。
3. 前記触媒（５）が、ケイ酸アルミニウム（６）を活性化したものを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の排気装置（１）。
4. 前記少なくとも１つの反応室（４）が、前記触媒（５）の担体として働く少なくとも１つのハニカム体（７）を含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の排気装置（１）。
5. 前記ハニカム体（７）が、排ガスが中で貫流可能なチャネル（９）を形成するように積み重ねられかつ／または巻かれた複数の少なくとも部分的に構造化された板金層（８）を含むことを特徴とする、請求項４に記載の排気装置（１）。
6. 反応室（４）が排ガスの流れ方向（１０）においてバルブ（１１）の上流に配置されることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の排気装置（１）。
7. 前記バルブ（１１）が、排ガス返還系統（１２）の一部であって排ガス返還ライン（１３）での排ガスの貫流を調節することを特徴とする、請求項６に記載の排気装置（１）。
8. 排ガスの流れ方向（１０）において前記少なくとも１つの反応室（４）の上流に排ガス冷却器（１４）が配置され、かつ／または前記少なくとも１つの反応室（４）自体が冷却可能であることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の排気装置（１）。
9. 前記少なくとも１つの反応室（４）が、０．８リットル未満、特に０．５リットル未満、好ましくは０．２リットル未満の体積（１５）を有することを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の排気装置（１）。
10. 前記排気装置（１）が、前記少なくとも１つの反応室（４）の上流および／または下流に設けられて排ガス中に含有の有害物質を転化するための構成要素（１６，１７，１８）を含むことを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載の排気装置（１）。
11. 排気装置（１）、特に請求項１から１０のいずれかに記載の移動体用内燃機関（２）の排気装置（１）の動作方法であって、排ガス中に含有される長鎖の炭化水素が中でクラッキングされる少なくとも１つの触媒活性反応室（４）の中を排ガスが通される、方法。
12. 前記反応室（４）内で少なくとも部分的にクラッキングされた排ガスが排ガス返還系統（１２）に供給されて前記排ガス返還系統が部分排ガス流を再び内燃機関（２）に供給する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記反応室（４）内に入ってくる排ガスおよび／または前記反応室（４）自体が、前記
    反応室（４）内で動作中に摂氏２３０度未満の温度を保証するように冷却される、請求項１１または１２に記載の方法。
14. 前記少なくとも１つの反応室（４）内において、排ガス中に含有される長鎖の炭化水素のうち少なくとも５０％、特に少なくとも８０％がクラッキングされ、前記反応室（４）内では好ましくは常圧が支配的である、請求項１１から１３のいずれかに記載の方法。
15. 排ガスが、前記少なくとも１つの反応室（４）を貫流した後には、１０個未満の炭素原子を有する短鎖の炭化水素分子のみを含有する、請求項１１から１４のいずれかに記載の方法。

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