JP2010533253A - ターボ過給機上流の排出ガス後処理 - Google Patents

Abstract

少なくとも一つの排出ライン（４）と少なくとも一つのターボ過給機（５）と少なくとも一つの排出ガスコンバータ（６）とを有する、車両（３）の内燃機関（２）のための排出ガス後処理システム（１）であって、触媒コンバータ（６）は、内燃機関（２）と少なくとも一つのターボ過給機（５）との間に配設され、少なくとも０．６リットルの第１の容積部分（７）を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両内燃機関の排出ガス後処理システムに関し、特に、少なくとも一つの排出ラインと、少なくとも一つのターボ過給機と、少なくとも一つの排出ガスコンバータとを備えた排出ガス後処理システムであって、特に、乗用車の希薄燃焼エンジンの排出ガスの後処理のためのシステムに関する。

何年にもわたって、火花点火エンジンの排ガス規制法に注目が集まっていたが、この状況は最近変化している。ディーゼルエンジンの環境に与える影響の重大さに対する公共の意識が高まっている。この理由として、第１に、この種のエンジンの排出による健康上のリスクに対する議論があり、第２に、ヨーロッパに登録されているディーゼル車両の数の大幅な増加がある。こような発展の決定的な要因は、経済的な理由のみならず、低いエンジン速度で高いトルクに特徴づけられる最新のディーゼルエンジン車両の運転挙動にもある。汚染物質の排出を可能な限り低く保つため、例えば、改良型噴射システム（比較的高い噴射圧力を有するコモンレールシステム）、高度排出ガスターボ過給機及び排出ガス循環技術、及び制御又は調整のためのモデルベース燃焼工程など、既に様々な異なるシステムが開発され、使用されてきた。さらに、特定の動作範囲において、原則として圧縮点火を維持しているが、最新のディーゼルエンジンは、程度の差はあるが、均質燃焼工程（ＨＣＣＩ：Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）によって特徴付けられる。この種のエンジンは、かかる動作モードにおいて窒素酸化物排出及び煤煙の排出が極めて低い。しかしながら、一酸化炭素及び炭化水素の排出は増加する可能性がある。これらの汚染物質の排除には十分に試行された酸化触媒コンバータの技術を利用することができるが、排出ガス温度が低い通常のディーゼルエンジンでの排出レベルでは、極めて困難であった。

特にこの状況を考慮して、上述の技術的課題と問題を少なくとも部分的に解決する排出ガス後処理システムを提供することを目的とする。ここで、排出ガス後処理システムは、特に、ディーゼルエンジン又は希薄燃焼エンジンの様々な動作状態にわたって、均一な効率性で動作するが、費用対効果も高くなるようにする。

これらの目的は、特許請求項１の特徴を有する排出ガス後処理システム、及び特許請求項７の特徴を有する方法によって達成される。さらに、本発明の有利な実施の形態は、従属の特許請求項に記載する。特許請求項に個別に記載された特徴は、技術的に有効ならば如何なる所望の手法で組み合わせることができ、本発明のさらなる実施の形態を明確にすることに留意されたい。具体的に図面を参照して、本発明のさらなる代表的な実施の形態について説明する。

車両の内燃機関のための本発明に係る排出ガス後処理システムは、少なくとも一つの排出ラインと少なくとも一つのターボ過給機と少なくとも一つの排出ガスコンバータとを有し、触媒コンバータは、内燃機関と少なくとも一つのターボ過給機との間に配設され、少なくとも０．６リットルの第１の容積部分を有する。

排気システムは、例えば、内燃機関からの最初の部分はマルチストランド構造として、例えば、独立した排出ラインを燃焼室の排気口ごとに設けることができる。かかる排出ライン部は、全体としてファン型マニホルドとも呼ばれ、続いて統合されて共通の排出ラインを形成するようにしてもよい。この種の排出ライン（又は複数の排出ライン）は、排出ガスターボ過給機で形成することができる。この種のターボ過給機は、働き行程ごとの空気量スループットと燃料スループットを増加させることによって、内燃機関の出力を増加する働きがある。ターボ過給機は、ここでは、排出ガス圧力によって駆動されるので、ターボ過給機が排出ガス速度をエネルギー源として使用することもできる（ｉｍｐｕｌｓｅ ｓｕｐｅｒｃｈａｒｇｉｎｇ：インパルス過給）。ターボ過給機は、排出ガス流の排出ガスタービンから構成され、排出ガスタービンはシャフトによって内燃機関の吸気トラクトの圧縮機に接続される。タービンは、内燃機関の排出ガス流によって回転して、圧縮機を駆動するように設定されている。圧縮機は、内燃機関の吸気トラクトの圧力を上昇させ、吸気行程時に燃焼室に入る空気の量が増加するようにする。従って、より多くの酸素をより多くの量の燃料の燃焼のために供給できる。従って、内燃機関（特にディーゼルエンジン）の動力を大幅に向上することができる。

この目的のため、ターボ過給機に十分なエネルギーを供給するため、これまで、高エネルギーの排出ガス流をターボ過給器に導入するコンセプトが使用されてきた。これはまた、極めて小さい排出ガス処理ユニットを内燃機関とターボ過給機との間に導入するだけで、圧力低下を防止し、これによって、排出ガスターボ過給機の低圧縮を防止することも理由にあった。例えば、内燃機関のシリンダーヘッドの排気口バルブの流れ方向に対して直前の排出ライン、あるいは、排出ガスターボ過給機の上流のマニホルド、あるいは、排出ガスターボ過給機の流れ方向に対して直前又は内部に配置する、いわゆるプレターボ過給機触媒コンバータ（ＰＴＣ、ｐｒｅ−ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ ｃａｔａｌｙｓｔ）が知られている。酸化触媒コンバータをエンジンに近いポイントに配置することによって、この（特に、乱流を生成する表面を有する）酸化触媒コンバータが、さらに、発熱反応によって排出ガス温度を向上し、結果として、排出ガス純化部品を「加熱」することができる。

本発明は、初めてこの道から離脱し、ターボ過給機の上流に配置される排出ガスコンバータは、少なくとも０．６リットルの第１の容積部分を有することを提案する。ここで、特に触媒活性排出ガスコンバータは、単に下流の排出ガス処理ユニットの温度を上昇させるだけでなく、排出ガスに含まれる汚染物質、特に炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭層（ＣＯ）、窒素酸化物、粒子などを確実に大幅に変換する働きもする。この種の排出ガスコンバータは、しばしば、ハニカム体の形状で、セラミック、又は（好ましくは）金属製の壁部を有して形成される。この目的のため、かかる壁部は、少なくとも部分的に対応する被膜（酸化触媒、三元触媒、吸着被膜）、を有することができる。さらに、かかる構成は、いわゆる二次流フィルタ、壁流フィルタとして調整することができる。ここで、容積部分は、壁部と管路を併せて形成される。いくつかの環境において、特に、極めて大きな内燃機関では、ターボ過給機の上流により大きな排出ガスコンバータの第１の容積部分、例えば、少なくとも１．０リットル又１．５リットルの第１の容積部分を設けることが有利であることがある。

これは、車両の底面の領域で主な排出ガス処理を行うという数十年にわたって続いたコンセプトからの脱却である。ここでは、車両エンジン室の空間が極めて制限されているにもかかわらず、又、容積部分が増加すると排出ガスの圧力が低下するにもかかわらず、車両のターボ過給機の上流に排出ガスコンバータの容積部分をこのように大きく設けることを提案する。ここで記載する第１の容積部分は、内燃機関と少なくとも一つのターボ過給機との間に位置する基本的に複数の排出ガスコンバータによって形成できるが、ここで記載する第１の容積部分を有する排出ガスコンバータを単独で設けることが好ましい。

排出ガス後処理システムの一つの変形態様によると、少なくとも一つの排出ガスコンバータは、少なくとも一つのターボ過給機に対向して配設される少なくとも一つの排出ガス後処理ユニットの第２の容積部分よりも大きな第１の容積部分を有することを提案する。これは特に、排出ガス後処理システムは、ターボ過給機の上流の（特に触媒活性の）排出ガスコンバータに形成され、排出ガスコンバータと同様の機能も有する排出ガス後処理ユニットは、より大きな反応容積部分を有してターボ過給機の上流に設けられることを意味する。このようにして、例えば、排出ガスコンバータの触媒活性表面がより大きく、エンジンに近接しているため、比較的高い温度であることにより、著しく大きな比率で該当する汚染物質が変換される。従って、排出ガス後処理システムは、特に、ターボ過給機の上流の排出ガスコンバータが乱流生成機構を内部に、あるいは、壁部（穴、流れの狭窄部、流れ偏向部など）に備えると、一層高い費用対効果で構成できる。

ここで、本発明は、極めて特に、少なくとも一つの排出ガスコンバータは酸化触媒コンバータを有することも想定する。これは、特に、排出ガスコンバータが、基質物質（例えば、ウォッシュコート）と貴金属（プラチナ、ロジウムなど）などの対応する触媒が設けられたハニカム体、好ましくは、少なくとも部分的に構造化された金属製の板金箔で構成されることを意味する。ここで提案する酸化触媒コンバータのサイズは、いくつかの状況では、複数の機能を組み合わせることができる。例えば、炭化水素と一酸化炭素とを変換させることに加えて、下流の粒子分離器を連続的に再生できるように、二酸化窒素を生成することもできる。

したがって、排出ガス後処理システムはまた、少なくとも一つの排出ガスコンバータが、酸化触媒コンバータと粒子分離器とを有することも好ましい。ここで、粒子分離器は、交互に閉じる流路と多孔質の壁部とを有する、いわゆる壁流フィルタとして構成することができるが、特に、流れの閉塞部を有さない、少なくとも板金箔、ワイヤクロス、不織布などを有する金属性の部材で構成された開いた粒子分離器が好ましい。粒子分離については、粒子の静電帯電、粒子の凝集、熱泳動、拡散、変換などの効果のうち少なくとも一つを用いることもできる。

本発明に係わる特に極めて好ましい排出ガス後処理システムでは、少なくとも一つの排出ガスコンバータは、複数の排出ライン部の集合空間に位置する。これは、特に、排出ガスコンバータが、一つの部材として形成され、排出ガスコンバータが、個々のマニホルドチューブが合流して、共通の排出ラインを形成する領域に設けられるてことを意味する。ここで、非円筒形の排出ガスコンバータ（複数）、及び／又は、放射状に貫流する排出ガスコンバータ（複数）を用いることもできる。

本発明は特に、少なくとも一つのターボ過給機が二つのステージで構成される、排出ガス後処理システムに好適である。二段ステージターボ過給機は、特に、各々が一つの圧縮機と一つのタービンを有する、低圧ステージと高圧ステージを備えた二段ステージターボ過給機である。それぞれのタービンと圧縮機は共通のシャフトによって相互に接続される。特に、空気量スループットを高くした、高エンジン速度範囲の大型ターボ過給機と低エンジン速度範囲の小型ターボ過給機との大きさの異なる二つのターボ過給機も用いる。これら二つのターボ過給機は、排出ガス側と吸気側で相互に直列に接続され、それぞれのエンジンの速度と負荷の範囲にバイパスフラップによって調整される。チャージ圧力のレベルに応じて１又は２つの給気冷却器が必要となる場合がある。

本発明のさらなる態様によると、少なくとも一つのターボ過給機が備えられた排出ガス後処理システムを用いて内燃機関の排出ガスを純化する方法であって、排出ガスの全てが、内燃機関とターボ過給機との間でターボ過給機の下流の領域よりも、より大きな度合いで酸化による変換がなされる方法が提案される。

かかる方法は、本書で説明する本発明に係る排出ガス後処理システムを用いて実現することができる。

ここで、「より大きい度合い」の変換とは、例えば、再現可能な標準的な試験において、ターボ過給機の上流で変換された炭化水素（ＨＣ）、及び／又は、一酸化炭素（ＣＯ）の（質量）比率が、後段の排出ガス後処理ユニットによって変換された該（質量）比率より大きいことを意味する。エンジン近傍では温度が上昇するため、これはまた、排出ガス後処理ユニットより小型の排出ガスコンバータの第１の容積部分で達成することもできるが、より大きな度合いは、より大きな第１の容積部分に対応することが好ましい。この方法について、上述の装置の効果を参照されたい。

特に、上述の本発明に係わる排出ガス後処理システムを備えた車両が、上述の本発明に係わる方法で同様に動作することができるので、これらを希薄燃焼エンジンで構成される内燃機関において使用することができる。ここで、「希薄燃焼エンジン」とは、例えば、ディーゼルエンジンなど、過剰な空気で通常の動作を行う内燃機関である。

本発明及び技術分野について、図面に基づいてより詳細に説明する。図面に図示される代表的な実施の形態は、本発明を限定するものではないことに留意されたい。

本発明の第１の実施の形態に係る、車両の発出ガス後処理システムの概略図である。 本発明のさらなる実施の形態に係る、排出ガス後処理システムの概略図である。

図１は、ディーゼルエンジンによる内燃機関２を備え、内燃機関で生成された排出ガスは、排出ガス後処理システム１に導かれる、車両３の概略図である。図示の例では、排出ガスは流れ方向１３に、最初は排出ガスコンバータ６、ターボ過給機５（二つのステージ１６で設計されている）を介して流れ、その後に排出ガスは排出ライン４を介してさらに、例えば、車両３の床下領域に流れ、この場合は、例えば、酸化触媒コンバータ１０、粒子分離器１４、ＳＣＲ触媒コンバータ１５が設けられた排出ガス後処理ユニット９に流れる。

ここで、内燃機関２とターボ過給機５との間に設けられた排出ガスコンバータ６は、排出ガス後処理ユニット９の中で同様の機能を実行する、第２の容積部分８より大きい第１の容積部分７を有する。ここで排出ガスコンバータ６は、酸化触媒コンバータ１０と酸化被膜された粒子分離器１４との組み合わせで形成される。ここに図示された変形された本実施の形態では、排出ガスコンバータ６は、例えば、酸化被膜を有する酸化触媒コンバータ１０と粒子分離器１４などで構成されている。ＳＣＲ触媒コンバータ（ＳＣＲ＝ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｒｅａｃｔｉｏｎ）は還元被膜を有するため、異なる機能を有する。この結果、第１の容積部分７は、厳密には必須ではないが、酸化触媒コンバータ１０と粒子分離器１４とによって構成される第２の容積部分（中間の空間は無視）より大きくなる。

図２に、一例として、マニホルドとも呼ばれる、排出ライン部１２に続く内燃機関２の一部の平面図を示す。個々の排出ライン部１２は、ここでは第１の触媒コンバータ６として酸化触媒コンバータ１０が配設された共通の集合空間１１に合流している。排出ライン部１２を介して排出ガスコンバータ６に流れる排出ガスは、触媒処理されて、流れ方向１３に排出ガスコンバータ６を（まとまって）離れ、さらに、下流に配設されたターボ過給機５に向かって流れる。

当然のことながら変形も実行することができる。例えば、排出ガス後処理システム１が、複数の排出ガスのターボ過給機５の下流まで分離する排出ライン４を有することもできる。複数の排出ガスコンバータ６を内燃機関２と少なくとも一つのターボ過給機５との間に設けてもよい。さらに、排出ガスコンバータ６が、酸化触媒コンバータ１０に加えて、例えば、粒子分離器などの他の排出ガス後処理ユニット９を有してもよい。さらに、液体、及び／又は、気体の還元剤を導入する機器を、具体的にＳＣＲ触媒コンバータと接続して設けてもよい。さらに、排出ガスコンバータ６を、管路壁の開口部、及び／又は、ガイド羽根、及び／又は、流れの狭窄部、及び／又は、乱流発生ポイントに形成し、内部に乱流が発生するようにして、変換する汚染物質と排出ガスコンバータの触媒活性被膜との間の接触を改善することができる。これは、下流のターボ過給機５に影響を及ぼす圧力損失を考慮することを提案する。必要な場合は、複数のターボ過給機５を排出ガスの流れ方向に直列に配設して、かかる影響を相殺することもできる。

１ 排出ガス後処理システム
２ 内燃機関
３ 車両
４ 排出ライン
５ ターボ過給機
６ 排出ガスコンバータ
７ 第１の容積部分
８ 第２の容積部分
９ 排出ガス後処理ユニット
１０ 酸化触媒コンバータ
１１ 集合空間
１２ 排出ライン部
１３ 流れ方向
１４ 粒子分離器
１５ ＳＣＲ触媒コンバータ
１６ ステージ

Claims (8)

1. 少なくとも一つの排出ライン（４）と少なくとも一つのターボ過給機（５）と少なくとも一つの排出ガスコンバータ（６）とを有する、車両（３）の内燃機関（２）のための排出ガス後処理システム（１）であって、
   触媒コンバータ（６）は、前記内燃機関（２）と前記少なくとも一つのターボ過給機（５）との間に配設され、少なくとも０．６リットルの第１の容積部分（７）を有する、排出ガス後処理システム（１）。
2. 前記少なくとも一つの排出ガスコンバータ（６）は、前記少なくとも一つのターボ過給機（５）に対向して配設される、少なくとも一つの排出ガス後処理ユニット（９）の第２の容積部分（８）よりも大きな第１の容積部分（７）を有する、請求項１記載の排出ガス後処理システム（１）。
3. 前記少なくとも一つの排出ガスコンバータ（６）は酸化触媒コンバータ（１０）を有する、請求項１又は２の何れかに記載の排出ガス後処理システム（１）。
4. 前記少なくとも一つの排出ガスコンバータ（６）は、酸化触媒コンバータ（１０）と粒子分離器（１４）とを有する、請求項３記載の排出ガス後処理システム（１）。
5. 前記少なくとも一つの排出ガスコンバータ（６）は、複数の排出ライン部（１２）の集合空間（１１）に位置する、請求項１から４迄の何れかに記載の排出ガス後処理システム（１）。
6. 少なくとも一つのターボ過給機（５）は二つのステージで構成される、請求項１から５迄の何れかに記載の排出ガス後処理システム（１）。
7. 少なくとも一つのターボ過給機（５）が備えられた排出ガス後処理システム（１）を用いて内燃機関（２）の排出ガスを純化する方法であって、
   前記排出ガスの全てが、前記内燃機関（２）と前記ターボ過給機（５）との間で前記ターボ過給機（５）の下流の領域よりも、より大きな度合いで酸化による変換がなされる、方法。
8. 前記内燃機関（２）が希薄燃焼エンジンである、請求項１から６迄の何れかに記載の排出ガス後処理システム（１）を備えた車両（３）。
   

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