JP2008534835A - 排気帰還路に排気処理装置と熱交換器とを備えた排気装置 - Google Patents

Abstract

吸気系（３）と排気系（４）とを備えた内燃機関（２）の排気装置（１）であって、排気系（４）と吸気系（３）が排気帰還路（５）を介して接続され、排気帰還路（５）に排気処理装置（６）と熱交換器（７）が配置され、熱交換器（７）が第１動圧を有し、排気処理装置（６）が第１動圧より小さい第２動圧を有する本発明に基づく内燃機関（２）の排気装置（１）は、排気処理装置（６）が、排気流れ方向において熱交換器（７）の前に、排気処理装置（６）内に流入する排気流（１４）が運転中に均一化される第１間隔（８）で配置されていることを特徴とする。本発明に基づく排気装置は、有利に、熱交換器（７）と排気処理装置（６）とを排気帰還路（５）に例えばハニカム体のように形成することを可能にし、熱交換器（７）並びに排気処理装置（６）は通常より小形に形成できる。これは、装置のこのような設計においてかなり経費を節減する。

Description

本発明の対象は、排気帰還路（排気ガス再循環路）に排気処理装置と熱交換器とを備えた排気装置にある。

内燃機関の排気装置は、しばしば、排気（排気ガス）を内燃機関の吸気領域に帰還（再循環）する際にその排気を冷却するために利用される熱交換器を装備している。排気内に含まれる有害物質による熱交換器の汚染は、熱交換器の性能を悪化させ、そのために熱交換器が少なくとも設定性能を有することを長期にわたり保証するために、熱交換器を設計する際、熱交換器は基本的に過大設計されねばならない。

熱交換器の汚染を防止するために、熱交換器内に粘着性付着物を生じさせる少なくとも長鎖炭化水素を除去する触媒コンバータを熱交換器の前に配置することが従来知られている。かかる方式は、触媒コンバータの前置にもかかわらず、排気の十分な転換が行われず、従って、熱交換器が汚染され、あるいは、熱交換器の汚染を効果的に防止するために、触媒コンバータが非常に大形に設計されねばならないという欠点を有する。

本発明の課題は、熱交換器の汚染の効果的な低減、およびそれと同時に熱交換器および触媒コンバータのできるだけ小さな構造容積が達成される、排気帰還路に排気処理装置と熱交換器とを有する排気装置を提供することにある。

この課題は、請求項１に記載の特徴を有する排気装置によって解決される。有利な実施態様は従属請求項に記載されている。

吸気系と排気系とを備えた内燃機関の排気装置であって、その排気系と吸気系とが排気帰還路を介して接続され、この排気帰還路に排気処理装置と熱交換器とが配置され、その熱交換器が第１動圧を有し、排気処理装置が第１動圧より小さい第２動圧を有する本発明に基づく内燃機関の排気装置は、排気処理装置が、排気流れ方向において熱交換器の前に、排気処理装置内に流入する排気流が運転中に均一化される第１間隔で配置されていることを特徴とする。これは特に、排気流れ方向において排気処理装置の前の動圧が熱交換器の第１動圧によって影響されることを意味する。

ここで「熱交換器」とは特に、帰還排気流（排気ガス再循環流）を冷却する排気冷却器をも意味する。内燃機関は、特にディーゼルエンジン、例えば自動車（例えば乗用車、トラック、自動２輪、ボートあるいは航空機）のディーゼルエンジン、あるいは定置利用形のディーゼルエンジンである。「均一化」とは発生する速度の確率分布の拡大をも意味する。

熱交換器の構造形状は、排気（排気ガス）処理装置に比べて増大された動圧を可能にする。特に、排気が貫流する複数の排気管を有する熱交換器が有利である。好適には、これらの管の周囲には、内燃機関の冷却回路（図示せず）から取り出された冷却材が流される。排気処理装置として、特にハニカム体、例えばセラミックハニカム体、金属ハニカム体、ワイヤ織物体あるいは発泡金属などから成る物体が適している。金属ハニカム体は特に、少なくとも１つの少なくとも部分的に構造化された金属層と、場合により少なくとも１つの実質的に平形の層とが互いに巻回され、積層され、あるいは捻られて構成されている。互いに捻られたあるいは巻回された層は、これらの層で画成され排気（排気ガス）が貫流できる空洞（通路）を形成している。それらの層は特に、Ａｌ鋼あるいはＣｒ鋼のような耐熱耐食材料で形成されている。これらの層は互いに結合され、特に例えば高温ろう付け法で物質結合される。実質的に平形の層並びに少なくとも部分的に構造化された層は、少なくとも部分区域に、排気流の混合向上のために用いるミクロ構造物、そらせ面、貫通部および／または小穴を有する。

排気処理装置内へ流入する前の排気流の均一化は、有利に、排気処理装置が熱交換器の前に比較的近くに配置されることによって行われる。これは、排気処理装置において既に排気流を均一化させ、従ってここでは、排気処理装置の横断面に排気が一様に供給されるので、転換率が向上する。従って、排気内の有害物質の転換率が同じである場合、排気処理装置の容積は通常の構造に比べて減少できる。有害物質の明らかに効率的な転換率によって、熱交換器の汚染も低下し、これにより熱交換器は通常の熱交換器に比べて小形に設計できる。

ほんの僅かな動圧を有する排気処理装置を構成するために、例えば４００ｃｐｓｉ以下（cpsi＝cells per square inch＝ 平方インチ当たりのセル数）、好適には３００ｃｐｓｉ以下、特に好適には２００ｃｐｓｉおよびそれ以下、それどころか特に１００ｃｐｓｉの比較的少数のセル数を有するハニカム体を採用することができる。

本発明に基づく排気装置の有利な実施態様において、第１間隔は、第１動圧と第２動圧との効果が累積するように選定されている。

ここで「累積する」とは特に、排気処理装置の前に存在する動圧が、排気処理装置自体が有する第２動圧より大きいことを意味する。排気流れ方向において構成品の前の動圧は、流れに変化を生じさせる圧力クッションのように作用する。極端な場合、本発明によれば、熱交換器の前に圧力クッションを有する領域を形成しかつ排気処理装置の前にも圧力クッションを有する領域を形成する代わりに、排気処理装置の前にのみ圧力クッションを形成するだけでよい。

動圧の累積は、有利に、排気が排気処理装置内に流入する前に排気処理装置の第２動圧より大きな動圧を克服しなければならない状況にさせる。その動圧は、熱交換器および排気処理装置の設計に応じて、第２動圧より明らかに大きくされる。動圧の増大は、排気処理装置における流れを均一化させ、これにより、排気処理装置と熱交換器とを貫流する排気流を均一化させる。

他の有利な実施態様において、排気処理装置の排気入口側端面と熱交換器の排気入口側端面との第２間隔は６０ｍｍ以下、好適には４５ｍｍ以下、特に好適には３０ｍｍ以下である。

この値は特に有利であることが実証されている。特に、通常の運転条件下において、第１動圧と第２動圧との効果が累積される。

本発明に基づく排気装置の他の有利な実施態様において、流れ方向における排気処理装置のひろがり寸法は１００ｍｍ以下、好適には５０ｍｍ以下、特に好適には２５ｍｍあるいはそれ以下である。

排気中の相応の物質、特に炭化水素の非常に一様で且つ効果的な転換により、比較的小形の排気処理装置が利用できる。

本発明に基づく排気装置の他の有利な実施態様において、排気処理装置はハニカム体を有している。

排気処理装置は、表面や動圧などのような特性を非常に正確に設定できるハニカム体で構成される。ハニカム体として特に金属ハニカム体あるいはセラミックハニカム体が適している。ここでは特に有利に、例えば独国特許出願公開第１９７５５７０３号明細書、国際公開第９０／１３７３６号パンフレットおよび国際公開第９９／１１９１１号パンフレットに記載されているようなハニカム体が利用される。ハニカム体の強度について、これらの公開文献の内容全部が関係する。

本発明に基づく排気装置の他の有利な実施態様において、排気処理装置と熱交換器との第１間隔は１５ｍｍ以下、好適には１０ｍｍ以下、特に好適には５ｍｍ以下である。

特に、熱交換器と排気処理装置とを１つの共通ハウジング内に設けることも有利である。この場合、排気処理装置は、ハウジングの相応の溝の中にフランジなどで保持される。排気処理装置を熱交換器の端面にぴったり当てることもできる。

本発明に基づく排気装置の他の有利な実施態様において、排気処理装置は、触媒活性被覆、特に酸化触媒被覆を有している。

その触媒活性被覆は、所望の反応を触媒する材料、即ち、その反応が排気帰還路における温度で大きく進行するように特にその反応の反応温度を低下させる材料を含む例えばセラミック・ウォッシュコートを有している。触媒として、特に、白金やロジウムなどのような貴金属が適している。酸化触媒被覆は、特に熱交換器の汚染にとって問題となる炭化水素の酸化を触媒する。炭化水素は熱交換器の低温部位に凝縮する粘性物質を形成し、その粘性物質は排気中に含まれるすす（煤）粒子を熱交換器の壁に粘着させる。即ち、炭化水素の酸化は、特に有利に、熱交換器の汚染をかなり減少させる。特に、ディーゼルエンジンの排気装置において、排気中の比較的高い酸素割合のために、炭化水素の完全酸化まで非常に十分な酸化が行われる。

炭化水素の酸化のできるだけ大きな転換効力を得るために、排気処理装置は特に、できるだけ長い滞在時間と反応に利用可能なできるだけ大きな表面とが得られるように構成されている。

本発明に基づく排気装置の他の有利な実施態様において、第１動圧と第２動圧との比は２より大きい、好適には１０より大きい。

即ち、特にこの動圧比において、熱交換器自体の動圧が排気処理装置自体の動圧の２倍より大きいあるいは１０倍より大きいとき、特に有利に１５ｍｍ以下の第１間隔において既に、熱交換器の第１動圧と排気処理装置の第２動圧との効果が累積する。

以下において図を参照して本発明を詳細に説明するが、本発明は図示された実施例および利点に限定されない。
図１は本発明に基づく排気装置の第１実施例を概略的に示す。
図２は本発明に基づく排気装置の第１実施例の一部分を概略的に示す。
図３は本発明に基づく排気装置の第２実施例の一部分を概略的に示す。
図４は流速の２つの確率分布曲線を概略的に示す。

図１は、本発明に基づく内燃機関２の排気装置１の第１実施例を概略的に示している。内燃機関２は吸気系３と排気系（排気ガス系）４とを有し、吸気系３と排気系４は排気帰還路（排気ガス再循環路）５を介して互いに接続されている。排気帰還路５に排気処理装置６と熱交換器７が配置されている。熱交換器７は第１動圧を有し、排気処理装置６は第１動圧より小さい第２動圧を有する。排気（排気ガス）の通常の流れ方向は矢印で記号的に示されている。排気帰還路５を流れる排気量は例えば相応の弁（図示せず）によって制御できる。排気帰還路５は、排気側において排気駆動過給機（図示せず）の上流でも下流でも分岐することができる。

本発明に基づいて、排気処理装置６は、排気処理装置６内に流入する排気流１４が運転中に均一化される第１間隔８で、流れ方向において熱交換器７の前に配置されている。ここでは第１間隔８は特に１５ｍｍ以下であり、好適には１０ｍｍ以下であり、特に好適には５ｍｍ以下である。熱交換器７と排気処理装置６は、その第１間隔８において第１動圧と第２動圧との効果の累積が生ずるように形成され、それゆえ排気処理装置６内に流入する排気は、排気処理装置６自体の第２動圧より大きな動圧を克服しなければならない。これは上述したように、排気処理装置６内に流入する排気流１４を均一化させる。

図２は、排気処理装置６と熱交換器７とを有する排気帰還路５の一部を概略的に示している。熱交換器７の排気入口側端面１０と排気処理装置６の排気入口側端面１１との第２間隔９は、本発明に基づいて、排気処理装置６における流れが均一化するように選定されている。第２間隔９は特に、６０ｍｍ以下、好適には４５ｍｍ以下、特に好適には３０ｍｍ以下である。排気処理装置６として、特に排気流れ方向において約２０ｍｍ〜約４０ｍｍのひろがり寸法１２を有する特に短いハニカム体が採用される。第１間隔８は例えば１５ｍｍ以下であるか、５ｍｍあるいはそれ以下でもよい。特に第１間隔８は、熱交換器７の第１動圧と排気処理装置６の第２動圧との効果が累積するように選定され、それゆえ排気処理装置６内に流入する排気は、大きな動圧、特に排気処理装置６の第２動圧より明らかに大きな動圧を克服しなければならない。

図３は、本発明に基づく排気装置１の異なった実施例の一部を概略的に示している。ここでは排気帰還路５に円錐体１３が形成され、この円錐体１３は、ここでは円錐状通路１８を備えたハニカム体１７として形成された排気処理装置６を有している。円錐体１３は、排気帰還路５を通して流れる排気流１４を熱交換器７に案内する。熱交換器７はハウジング１６内に複数の排気管１５を有している。排気流１４はこれらの排気管１５を通して流れ、ハウジング１６内でこれらの排気管１５の周囲には、内燃機関２の冷却回路の一部である冷却材が流れる。熱交換器７と排気処理装置６との第１間隔８は、本発明に基づいて、排気処理装置６内に流入する排気流１４が運転中に均一化されるように選定されている。

図４は、速度ｖの第１確率分布曲線１９と、速度ｖの第２確率分布曲線２０を概略的に示している。第１確率分布曲線１９は、排気処理装置６しか排気で貫流されないとき、即ち、流れ方向において排気処理装置６の後に熱交換器７が配置されていないときに生ずる。その両分布曲線において、排気に特定の速度が存在する確率が記されている。確率並びに速度は相対単位で示されている。第２確率分布曲線２０は本発明に基づく装置における確率分布曲線である。即ち、第２確率分布曲線２０は、排気帰還路５に熱交換器７と排気処理装置６とを備えた排気装置１に関係する。第２確率分布曲線２０は幅広く、特に第１確率分布曲線１９より、その最大幅の２分の１だけ大きな幅を有する。これが本発明に基づく流れの均一化に起因する。

本発明に基づく排気装置１は、熱交換器７と排気処理装置６を排気帰還路５に例えばハニカム体のように形成することを有利に可能にする。その場合、熱交換器７並びに排気処理装置６は、通常より小形に形成できる。これは、装置のこのような設計においてかなり経費を節減する。

本発明に基づく排気装置の第１実施例の概略図。 本発明に基づく排気装置の第１実施例の部分概略図。 本発明に基づく排気装置の第２実施例の部分概略図。 流速の２つの確率分布曲線の概略図。

符号の説明

１ 排気装置
２ 内燃機関
３ 吸気系
４ 排気系
５ 排気帰還路
６ 排気処理装置
７ 熱交換器
８ 第１間隔
９ 第２間隔
１０ 熱交換器の排気入口側端面
１１ 排気処理装置の排気入口側端面
１２ 広がり寸法
１３ 円錐体
１４ 排気流
１５ 排気管
１６ ハウジング
１７ ハニカム体
１８ 通路
１９ 第１確率分布曲線
２０ 第２確率分布曲線

Claims (8)

1. 吸気系（３）と排気系（４）とを備えた内燃機関（２）の排気装置（１）であって、排気系（４）と吸気系（３）とが排気帰還路（５）を介して接続され、排気帰還路（５）に排気処理装置（６）と熱交換器（７）とが配置され、熱交換器（７）が第１動圧を有し、排気処理装置（６）が第１動圧より小さい第２動圧を有する内燃機関（２）の排気装置（１）において、
   排気処理装置（６）は、排気流れ方向において熱交換器（７）の前に、排気処理装置（６）内に流入する排気流（１４）が運転中に均一化される第１間隔（８）で配置されていることを特徴とする内燃機関の排気装置。
2. 第１間隔（８）が、第１動圧と第２動圧との効果が累積するように選定されていることを特徴とする請求項１に記載の排気装置。
3. 排気処理装置（６）の排気入口側端面（１１）と熱交換器（７）の排気入口側端面（１０）との第２間隔（９）が６０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気装置。
4. 排気流れ方向における排気処理装置（６）のひろがり寸法（１２）が１００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の排気装置。
5. 排気処理装置（６）と熱交換器（７）との第１間隔（８）が１５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の排気装置）。
6. 排気処理装置（６）がハニカム体（１７）を有していることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の排気装置。
7. 排気処理装置（６）が触媒活性被覆を有していることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の排気装置。
8. 第１動圧と第２動圧との比が２より大きいことを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の排気装置。

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