JP2012503730A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

内燃機関２の排気システム３において排ガスを浄化するための装置１１である。前記装置は、ジャケットパイプ６の内部に配置された少なくとも１つの排ガス浄化コンポーネント７を備える。排ガスは、前記コンポーネントを通して流通できる。少なくとも１つのジャケットパイプ６は、チタンまたはチタン合金でできている。装置１１の構造コンポーネントの全てがチタンまたはチタン合金を使用して設計されることが、特に提案される。
【選択図】図２

Description

排気システムにおける、特に、自動車（ｍｏｔｏｒ ｖｅｈｉｃｌｅ）の内燃機関の排気システムにとっての排ガス浄化装置は、外管の内部に配置されて、排ガスが流通することのできる少なくとも１つの排ガス浄化コンポーネントを含む。

移動可能な内燃機関（火花点火機関、ディーゼルエンジンなど）の排ガスを浄化するために、内燃機関において生成される排ガスは、排気ライン、排気部などを含む排気システムを介して、最終的には大気に放出される。ここで、排ガスは、排ガス中の汚染物質を変換するかまたは保持するために、少なくとも１つの排ガス浄化コンポーネントと接触するようにもたらされる。この種の排ガス浄化コンポーネントは、例えば、触媒コンバータ基質本体、吸着器、粒子トラップ、煤煙フィルタ、フロー分配器、フローミキサ、ヒーターなどである。この種の排ガス浄化コンポーネントの、排気部または排気ライン自体への統合は、排気システムにおいて直面する熱的および動的負荷のために、特定の要求を提起する。排気システムにとって、全体として、そして特に排ガス浄化コンポーネントにおいて、高温でさえ高い機械的強度を有すること、排ガスに関して高い耐食性を有すること、および耐熱であること、は必要である。

自動車における既知の排気システムは、少なくとも主に排ガス浄化コンポーネントの効果に関して設計される。この目的のために、一般に、多様な構成の多数の別々の排ガス浄化コンポーネントが提案される。これは、しかしながら、排気システムの効果と重量との間に矛盾がある結果を有する。

これを出発点として、従来技術に関して強調される課題を少なくとも部分的に解決することは、本発明の目的である。したがって、本発明は、上述した要求条件を満たして、従って、高い機械的強度を有し、防食性および耐熱性であり、かつ小さい質量を有する、排気システムを提案する目的に特に基づく。

前記目的は、請求項１の特徴に従う装置によって達成される。本発明のさらに有利な実施形態は、従属請求項において特定される。従属請求項において個々に特定される特徴は、任意の所望の技術的に意味がある方法で互いに組み合わされてもよく、そして、本発明の別の実施形態を定義してもよいと指摘される。さらにまた、請求項において特定される特徴は、より正確に言うと描画されて、そして、説明において記述される。そこにおいて、本発明のさらに好適な例示的実施形態は、提示される。

この場合に、前記目的は、内燃機関の排気システムにおける排ガス浄化装置によって達成される。この装置は、外管の内部に配置されて、そして排ガスが流通することのできる、少なくとも１つの排ガス浄化コンポーネントを含む。そこにおいて、少なくとも外管は、チタンまたはチタン合金から成る。

「排ガス浄化コンポーネント」という表現は、排ガスに含まれる汚染物質を変換するかまたは除去するためのすべての既知のコンポーネントにとっての総称として選ばれた。これらは、特に、触媒コンバータ基質本体、吸着器、粒子トラップ、煤煙フィルタ、ヒーター、フローミキサなどである。前記排ガス浄化コンポーネントは、従来は、後者（機能的本体）を永続的な外形とともに提供するか、または外管の内部に配置される要素の固定を許容するために、機能的本体を少なくとも部分的に囲む外管を有する。外管の形状は、他の形状（例えば楕円、多角形など）を有してよいけれども、従来は、円筒状である。外管は、外管の内部に配置されて、そして、特に構造のおよび／または滑らかな箔によって造られるハニカムボディに対して、一般に、少なくとも部分的に直接におよび／または物質的に（ドイツ語の「ｓｔｏｆｆｓｃｈｌｕｓｓｉｇ」（材料決定的な））接続される。ここで、外管はまた、円周の有意な範囲を越えて、熱い排ガスによって影響を与えられる内部表面を形成して、そして、ハニカムボディとそれぞれ熱伝導接触をする。排ガス浄化コンポーネントが、外管によって、排気システムまたは排ガス伝導パイプラインに接続されるかまたは固定されることも、特別の場合にある。ここで、外管は、２つのパイプラインの接続ピース（端部側を固定する）間に直接固定されてもよく、および／またはこの種のパイプラインにおいて、少なくとも部分的に収容（周面を介して固定する）されてもよい。パイプラインに対するおよび／またはパイプライン内での外管の固定は、物質的に結合された接続（例えば溶接接続）によって、好ましくは行われる。

チタンまたはチタン合金（高力（ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ）を有する）から形成されている少なくとも外管が、膨張および腐食に耐性があり、かつ低密度を有する結果、排気システムの質量が、鋼から成る実施形態に関してさらに減少していることは可能である。その結果、乗物の総重量もまた減少して、より少ない燃料消費量が達成できる。

ここで、「チタン合金」は、外管を形成して、そしてチタンの支配的な（重量）割合を有する、材料であると理解されるべきである。適切な場合に、添加物（例えばアルミニウム、クロム、鉄またはモリブデン）が加えられることは可能である。そこにおいて、チタンの割合は、すべての添加物の割合よりも大きいことが好ましい。これらの特性を有するチタン合金は、既知であり、そして、特に航空機の構造においてこれまで使われてきた。別々の特性を有する別々の合金がある。そのうちの幾つかは、現在の場合に要求される全部の、または、特定の範囲の１つの特性を有する。そうすると、個々の排ガス浄化コンポーネントまたはそれらのパーツにとって、それぞれの状況に最適である別々のチタン合金から造られることが可能である。

本発明で、以下の効果は、特に達成されることができる。すなわち、チタンは、ほぼ４．５ｇ／ｃｍ３の密度を有して、鋼材を越える４０％の比重優位性を有する。すなわち、重量がかなり減少したパーツを形成することができる。エンジンに由来する振動および震えによるパーツおよびコンポーネントの機械的負荷は、パーツのより小さい重量のために減少している。最高１２９０Ｎ／ｍｍ２の引張強度については、チタン材は、鋼材のそれと同様の強度を有する。さらに（詳細に後述するように）、チタン材は、腐食媒体または環境に高い耐性であるように提供されることもできる。最後に、熱膨張の結果としてのコンポーネントの機械的負荷は、チタン材の場合、ハイグレード鋼のそれよりもほぼ５０％小さい熱膨張係数のために、かなり減少していることにも注意すべきである。

本発明の１つの改良において、外管は、多層構造であり、そして、前記層の少なくとも１つは、チタンまたはチタン合金から成ることが提案される。ここで、外管は、複数の層が別々の機能を割り当てられるという設計を有することが特に可能であり、したがって、層の材料の特性は、要求条件にしたがって構成されることができる。例えば、温度耐性および／または、より腐食耐性のチタン／チタン合金材料が、内部で放射状に用いられ、そして、排気システムに対してよりよく接続されることができるチタン／チタン合金材料が、外部で放射状に用いられることは、したがって可能である。ここで、比較的薄い壁厚を維持することは、それでも可能である。そうすると、重量を節約する目的は、それでも達成されることができる。適切な場合に、例えば断熱および／または熱損失のために、支配的な構成要素としてチタンを有しない（薄い）層が、一体化されることも可能である。

したがって、排ガス分野における従来のハイグレード鋼材から成るコンポーネントを、チタン材から成るコンポーネントと組み合わせることも、考えられる。高温耐熱性のハイグレード鋼材要素が、チタン材から造られる外管の内部に取り付けられることは、したがって可能である。この目的のために、不確実にロックするおよび／または確実にロックする結合技術が、そしてまた、対応する方法（例えばろう付け）によって前記物質的組合せの粘着性のある接続が、同様に使用されてもよい。チタンベースのろう付け材料は、特に、この目的のために提案される。

装置の１つの改良において、排ガス浄化コンポーネントは、箔を有することが提案される。そして、その箔は、層状に配置されて、そして、少なくとも部分的な領域において波形のような構造であり、そして、排ガスが流通可能な多数のダクトの壁を形成する。そこにおいて、前記箔は、チタンまたはチタン合金から成る。

同じことは、好ましくは、波形構造箔の間に配置される滑らかな箔にもあてはまる。その滑らかな箔は、同様にチタン合金から成るものでもよい。

装置のすべての構造コンポーネントが、チタンまたはチタン合金で形成されていることは、非常に特に好ましい。これは、適切な場合に、ワイヤ不織布、補強構造、サポートピン、ミキサー構造なども含む。これは、明らかに、コーティング、ダクト閉鎖接続ピース、センサなどを一般に含まない。

排ガスが流通することのできる排ガス浄化コンポーネントを有する装置の個々の構成パーツ、特に、（多層）外管、波形構造箔および滑らかな箔は、その特定の特性に対応するそれぞれの要素に適している同じかまたは別々のチタン合金から、都合よく成るものでもよい。外管は、波形構造箔および／または滑らかな箔よりも、別々のチタン材から成ることが好ましい。

適切な場合に、外側の保護コーティングとともに提供されることは、チタンコンポーネントにとって有利でもよい。「外側の保護コーティング」は、コンポーネントの（適切な場合は全部の）表面上に提供されて、そして、コンポーネントに（特に直接および近接して）接続される、コーティングを特に意味することが、理解されるべきである。チタン材が、アルミニウム被覆（例えば表面被覆）とともに提供されること、および、金属間層そして同種の酸化アルミニウム層が、その後の熱処理の結果として形成されること、は例えば可能である。チタン材の母材内部への最小限の熱カップリングを得るために、レーザー装置が、熱源として好ましくは用いられる。これに代えて、またはこれに加えて、チタン材は、（別々の）セラミック保護コーティングで被覆されてもよい。このようにして、密結合構成および／または１２００℃までの温度負荷を求める要求に応じることも、特に可能である。高温耐酸化性および高温強度は、したがって、このようにしてかなり改良される。その一方で、低温加工性は維持される。

本発明の１つの改良において、アルミニウム、ニオブ、シリコン、ジルコニウム、の合金元素のうちの少なくとも１つを有するチタン合金が提供されることは、有利であるとみなされもする。合金元素のうちの少なくとも３つが提供されること、特に一斉にさえ提供されることは、好ましい。この文脈における適切なチタン合金のための実施例として、以下の範囲が特定される： アルミニウム：１６から３５重量％、ニオブ：０．３から２２重量％、シリコン：０．０５から１．４重量％、ジルコニウム：０．１から４．７重量％。

ここで、前記チタン合金におけるチタン割合は、４０重量％よりも大きいか、または５０重量％よりさえも大きいことも好ましく、そして、少なくとも８０重量％であることは、非常に特に好ましい。適切な場合、シリコンおよびジルコニウムは、二者択一的に提供されてもよい。

本発明による装置は、ディーゼルエンジンの排気システムにおいて、特に便宜上用いられる。

本発明および技術分野は、図面を参照して以下に説明される。図面は、本発明の特に好適な設計改良型を示すことが指摘される。しかしながら、本発明はそれに限定されない。
図１は、自動車における内燃機関の排気システムを概略的に示す図である。 図２は、本発明による装置の設計改良型を示す概略的断面図である。

図１に破線によって図示される矩形は、自動車１を象徴的に表す。そして、それは内燃機関２（例えばディーゼルエンジンの形態の）とともに提供される。内燃機関２からの排ガスは、排気システム３を通して導かれる。排気システム３は、パイプライン４および、これに隣接して円錐形に広がる部分を有し、この部分は、外管６および排ガス浄化コンポーネント７を含む本発明による装置１１を有する。前記排ガス浄化コンポーネント７は、触媒コンバータ本体、吸着器、粒子トラップ、煤煙フィルタ、ヒーター、フローミキサなどでもよい。さらなるユニットおよび装置は、排ガスを処理するための排気システム３において、明らかに統合されてもよい。

装置１１の外管６は、排ガス浄化コンポーネント７を取り囲む。そして、それは複数のダクト９を有するハニカムボディの様式で形成される。排ガス浄化コンポーネントは、少なくとも部分的な領域において波形様の構造に形成される複数の箔８、および層状に構成される滑らかな箔１０、によって造られる。図２から分かるように、前記箔は、ハニカムボディを形成するために例えばＳ字状に巻かれて、外管６の内部に配置される。

外管６および／または波形構造箔８および／または滑らかな箔１０（好ましくはすべてのパーツ）は、１つ以上のチタン材またはチタン合金から成る。すべてのエレメントに対して単一のチタン合金のみが選択される場合、前記チタン合金は、要求条件の相互間に妥当な妥協を表さなければならず、換言すると、十分な寸法の剛性ならびに、耐酸化性および耐食性を有しなければならない。別々のチタン合金が個々のパーツのために選択される場合、これらは別々の使用状況に適していてよい。したがって、より高温度に対する耐性ならびに耐酸化性および耐食性を有するチタン合金が、箔８、１０を有する排ガス浄化コンポーネント７として選択されることは、可能である。その一方で、比較的高い機械的強度を有するチタン合金は、外管６として選択されることができる。

ディーゼルエンジンの排気システムにおいて用いられることは、本発明による装置にとって特に好ましい。ディーゼルエンジンは、所与の出力に対して火花点火機関よりも重いので、この増加した重量は、合金鋼よりも小さい比重を有するチタン合金から成る排気システムによって、少なくとも部分的に補償されることができる。さらにまた、ディーゼルエンジンの排ガスは、全負荷でさえ、火花点火機関の排ガスよりも低い温度を有する。そうすると、耐熱に関する装置への要求は、より小さい。火花点火機関の場合、装置までの距離（図１の両矢印によって示される）が適切な場合、十分に大きく選択されることは必要である。

図２は、触媒コンバータ基質本体の形態で設計されて、そして、２つの層５が形成されている外管６を有する、装置１１を示す。層５は、それらの周囲全体にわたって相互に接触しているが、例えば、別々のチタン材から形成されてもよい。層５が別々の肉厚で形成されることは、これが命令的に必要でないにもかかわらず、同様に可能である。より多数の層５を提供することも可能である。そこにおいて、軽量化の要求に応じるために、一般には３つの層しか使われない。

図２は、外管６または層５の表面上における、外側保護コーティング１２の代わりの提供を、拡大断面（一定の比率でない）で同様に示す。前記外側保護コーティング１２は、特に、アルミニウムを含むコーティングである。外側保護コーティング１２は、けれども、装置１１の他の地点またはすべての地点にも、特に排ガスによって影響を受けるすべての表面にも、提供されてよい。

本発明は、図示された例示的実施形態に限定されない。本発明の多くの変更態様は、請求項に記載の範囲内で実際に可能である。

１…自動車
２…内燃機関
３…排気システム
４…パイプライン
５…層
６…外管
７…排ガス浄化コンポーネント
８…波形の箔
９…ダクト
１０…滑らかな箔
１１…装置
１２…外側保護コーティング

Claims (8)

1. 内燃機関（２）の排気システム（３）における排ガス浄化のための装置（１１）であって、前記装置（１１）は、外管（６）内に配置されて、排ガスが流通することのできる、少なくとも１つの排ガス浄化コンポーネント（７）を含み、少なくとも前記外管（６）は、チタンまたはチタン合金から成る、装置（１１）。
2. 前記外管（６）は多層構造であり、前記層（５）の少なくとも１つは、チタンまたはチタン合金から成る、請求項１に記載の装置（１１）。
3. 前記排ガス浄化コンポーネント（７）は、層内に配置されて、かつ少なくとも部分的な領域において波形様の構造であり、かつ排ガスが流通可能な多数のダクト（９）の壁を形成する、箔（８）を有し、前記箔（８）は、チタンまたはチタン合金から成る、請求項１または２に記載の装置（１１）。
4. 各々の波形構造箔（８）間に、滑らかな箔（１０）が配置され、前記滑らかな箔は、チタンまたはチタン合金から成る、請求項３に記載の装置（１１）。
5. 前記外管（６）は、前記波形構造箔（８）および／または前記滑らかな箔（１０）とは異なるチタン材から成る、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置（１１）。
6. 前記チタンのパーツは、外側保護コーティング（１２）が備わっている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置（１１）。
7. アルミニウム、ニオブ、シリコン、ジルコニウム、の合金元素のうちの少なくとも１つを有するチタン合金が提供される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置（１１）。
8. ディーゼルエンジンの形態の内燃機関（２）を有し、かつ、排気システム（３）を有する自動車（１）であって、請求項１〜７のいずれか１項に記載の少なくとも１つの装置（１１）が前記排気システム（３）内に配置される、自動車（１）。

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