JP2014519577A - 電気的に加熱可能なハニカム体を有する装置およびハニカム体を作動する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、特に自動車両の内燃機関の排気系統２における排ガスの処理のための、ケーシングチューブ３内に配置されて排ガスが流通できる電気的に加熱可能なハニカム体４を有する装置１、および排ガスが流通できるこの種の電気的に加熱可能なハニカム体４を作動する方法に関する。ハニカム体４は、２４Ｖよりも大きい電圧のために設計される電気絶縁体７を有する少なくとも１つの電流−伝導構造５を有し、電流−伝導構造５には、ハニカム体４を加熱するために電流生成電圧８が適用される。本発明の方法は、電圧８がパルス電圧であることを特徴とする。本発明の教示により、排ガスフローの発熱体が例えば４８Ｖのオンボード電気系統電圧を用いて電力を供給されることができる。２４Ｖよりも大きい動作電圧でさえ、電気的に加熱可能なハニカム体４の熱の発生がパルス電圧８のパルス幅および／または繰返し周波数の調整によって所望範囲に保たれることができる方法は、提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気系統における、特に自動車両の排ガス浄化システムにおける排ガスの触媒的変換、またはなんとかした処理のための装置に関する。前記装置は、ケーシングチューブ内に配置されて、電気的に加熱されることができて、排ガスが流通することのできるハニカム体を有する。本発明はまた、この種の電気的に加熱可能なハニカム体を作動する方法に関する。ハニカム体は、この目的のために電流を生成する電圧が適用されることのできる電流−伝導構造を有する。

内燃機関の排ガスの温度に影響を及ぼすために、そして、一定の環境下で、排ガス浄化構成要素の温度に影響を及ぼすために、加熱装置を用いて排ガスおよび／または排ガス浄化構成要素に影響を及ぼすことは、公知である。この文脈において、排ガスのまたは排ガス浄化構成要素の温度を臨界温度を越えて上昇させるために努力がなされる結果、排ガス浄化構成要素の触媒コーティングを用いた排ガス中の汚染物質の触媒反応は、起こることができる。内燃機関の冷寒時始動プロセスまたは再始動プロセスの場合に、これは特に望ましい。特定の温度範囲もまた、良好な浄化を達成するために、排ガス浄化システムの他のプロセスの間、応じられなければならない。これは、特に、粒子フィルタおよび吸着器の再生に関する。

電圧が適用されるときに、オームの抵抗加熱を通して排ガスおよび／または排ガス浄化構成要素を加熱する、電流−伝導構造を有するハニカム体は、加熱装置としてすでに提案された。この種のハニカム体は、例えば、特許文献１および特許文献２に記載されている。前記文書において、電流−伝導構造は、特定の状況下で構造化されて巻回される金属箔によって形成される。しかしながら、金属箔の低い固有抵抗のせいで、２４Ｖ［ボルト］またはより高い動作電圧（通常、直流電圧）を与えられて極端に高い電力をとらず、次いで電源を溶解または破壊しない電流−伝導構造を製造することは、困難である。したがって、電流−伝導構造の抵抗は、例えば、金属箔の曲りくねった形成によって増加するが、しかし、この目的のために、電気的に絶縁する隙間または絶縁被膜は、箔の間に形成されなければならない。

自動車両のオンボード電気系統電圧（すなわち自動車両の負荷に供給される電圧）が増加するときに電流−伝導構造の特定の加熱電力を得続けるために、電流−伝導構造の抵抗は、増加しなければならない。そしてそれは、通常、隙間および／または電気絶縁被膜によるより微細な境界によって達成されることができる。しかしながら、自動車両のオンボード電気系統電圧を例えば４８Ｖに増やすことは、例えば、アークの発生または類似のメカニズムのせいで、絶縁の失敗の危険性をより大きくする。

国際公開第８９／１０４７１号 国際公開第８９／１０４７２号

したがって、本発明の目的は、従来技術に関して記載された課題を少なくとも部分的に解決すること、そして、排ガスを処理する（特に触媒的に変換する）ための装置、および、電気的に加熱可能なハニカム体を作動する方法を明示することである。そして、ハニカム体は、２４Ｖ以上の供給電圧を用いて内燃機関の排ガスおよび／または排ガス浄化構成要素を加熱させる。

これらの課題は、独立請求項の特徴にしたがう装置および方法によって解決される。有利な実施形態は、それぞれの従属請求項において明示される。請求項において個々に開示される特徴は、いかなる所望の技術的に適切な仕方でも互いに組み合わされることができて、記載からの説明的な内容を用いて補足されることができる。そして、本発明のさらなる実施形態は、示される。

ケーシングチューブ内に配置されて排ガスが流通することのできる第１のハニカム体を有する排気系統において排ガスを処理する、特に触媒的に変換する、装置によって、課題は、解決される。そして、ハニカム体は、２４Ｖよりも高い、特に４８Ｖよりも高い電圧のための動作条件でさえ絶縁をもたらす隙間および／または絶縁被膜によって境界づけられる少なくとも１つの電流−伝導構造を有する。

装置は、排ガス後処理システムの排ガスラインを好ましくは形成するケーシングチューブを有して、自動車両の内燃機関、特に火花点火機関またはディーゼル機関、の排ガス後処理システム内に、好ましくは配置される。ハニカム体は、排ガスの流れの方向に延びる多数のチャネルを好ましくは有する。ダクト壁は、流れに影響を及ぼす構造を含んで、有孔率を含んでおよび／または開口を含んで具体化されることができる。全く特に好ましくは、流れが存在することのできるハニカム体は、少なくとも部分的に構造のおよび／または波形の様式で具体化される多数の金属箔から製造される。金属箔は、積み重なることができておよび／または１つを他に巻回するかまたは包むことができて、チャネル壁を形成する。層が構造化箔および平滑箔を交互に配置することから形成されることは、全く特に好ましい。

特に、これらの金属箔の少なくとも１つは、電流−伝導構造として、隣接する金属箔から絶縁をともなって具体化されて、ケーシングチューブの外側に電圧源を接続するための電気接点を有する。電流−伝導構造に充分高い電気抵抗を得るために、電流−伝導構造は、例えば、曲りくねった形状によって達成されるなどのできるだけ長い電流通路を好ましくは有する。しかしながら、これは、比較的微細な絶縁構造に結果としてなる。本発明によれば、これらは、２４Ｖ以上の、特に４８Ｖ以上のまたは６０Ｖでさえの電圧が適用されるときに、電気フラッシュオーバーが発生しえないようなサイズであるか、またはそのような絶縁体を備える。これは、特に、少なくとも１ｍｍ［ミリメートル］の間隙の大きさによって達成される。

原理として、電気的に加熱可能なハニカム体の、特にまた電気的導体から押し出されるハニカム体の多くの周知の設計は、絶縁が増加した要求に対応するというような方法で変化することができる。この文脈において、特に絶縁の面積および材料は、調和されなければならない。しかしながら、運転荷重の間、絶縁が耐久性のあるそして機能的に能力のある状態に保たれることも、確実でなければならない。排気系統において、ハニカム体は、対応する膨張をともなう強い交互の熱負荷を受ける。そして、堆積物は、短絡をもたらすことができる。絶縁は、この種の負荷のために構成されなければならない。

本発明の一実施形態において、装置は、コントロールユニットを有する。コントロールユニットは、パルス電圧を生成するように、そして前記電圧を電流−伝導構造に適用するように構成される。この種のコントロールユニットが電流−伝導構造に対して不連続的に電力を供給することを可能にする結果、パルスによって供給されるエネルギーは、パルス幅および／またはパルス繰返し周波数によって調整されることができる。この種のコントロールユニットが用いられるときに、電流−伝導構造は、例えば４８Ｖのオンボード電気系統電圧によって作動されることもできる。前記電流−伝導構造は、当初、この種の高電圧のために構成されていない。十分に短いパルスおよび適切に低い繰返し周波数を前提として、溶断の危険性は、ない。絶縁への損傷があるときにおそらく発生するアークの発生さえ、電圧のパルス化した印加によって、繰り返し消光される。

装置の他の有利な展開によれば、電流−伝導構造は、０．００１Ω［オーム］と１０Ωとの間の、好ましくは０．０３Ωと０．８Ωとの間の、全く特に好ましくは０．０５Ωと０．３Ωとの間の電気抵抗を有する。４８Ｖの定電圧で電流−伝導構造に１０００Ｗ［ワット］の電力を供給するために、前記電流−伝導構造は、ほぼ２．３Ωの抵抗を有しなければならない。対応して、５００Ｗまたは２０００Ｗの常に送り込まれる電力のために、電流−伝導構造は、４．６Ωのまたは１．２Ωの抵抗を有しなければならない。本発明によれば、しかしながら、例えば、電流−伝導構造の抵抗を０．５Ωと仮定すると、経時的に平均値になるときほぼ１０００Ｗの電力を送り込むために、スイッチオンされない電圧と比べた時間の１／５よりもいくぶん長い時間だけ電圧が適用されるときに、４８Ｖの電圧レベルを有するパルス電圧が存在する場合、それは充分である。これは、例えば、０．１１ｓ［秒］のパルス幅および０．５ｓのパルス間隔（すなわち２Ｈｚ［ヘルツ］の繰返し数）を有するパルス矩形波電圧を用いて達成される。

本発明のさらに別の態様によれば、排ガスが流通することができて、少なくとも１つの電流−伝導構造を有する電気的に加熱可能なハニカム体を作動する方法は、提案される。その方法において、２４Ｖよりも高い電流生成電圧は、ハニカム体を加熱するために電流−伝導構造に適用される。この電圧は、パルス電圧である。

パルス電圧は、電圧０と最大電圧値との間を周期的に上昇して、再び下降する電圧であると理解される。パルス電圧は、好ましくは矩形波電圧または鋸歯状波電圧である。電流−伝導構造に対する電力のパルス化された適用のせいで、エネルギーは、電流−伝導構造に対して不連続的にだけ供給される結果、低い抵抗値を有する電流−伝導構造においてさえ、高い最大電圧を前提として、電源の入力は、所望の範囲に保たれることができる。

パルス電圧は、０．１Ｈｚ［ヘルツ］〜１０００Ｈｚの、特に好ましくは１Ｈｚ〜１００Ｈｚの繰返し数を用いて好ましくは適用される。用語「繰返し数」は、電圧の１つの増加と次のパルスの電圧の次の増加との間の時間の交互の値を意味する。電流−伝導構造に導入されるエネルギーは、したがって、周波数変調によって一定のパルス幅を有して発生することができる。

矩形波電圧が適用されるときに、各パルスは、０．００１ｓ［秒］〜１ｓの、特に好ましくは０．００５ｓ〜０．５ｓのパルス幅を有することが好ましい。これは、電流−伝導構造に導入されるエネルギーがパルス幅変調によって適合されることを可能にする。

パルス電圧は、全く特に好ましくはほぼ４８Ｖの電圧レベルを有する。これは、周期的な増加の後、最高電圧のパルス電圧が４６Ｖ〜５０Ｖの間の値、特にほぼ４８Ｖの値を有することを意味する。

本発明による方法の１つの有利な実施形態において、パルス幅および／または繰返し数は、排ガスのパラメータの関数として、特に排ガスの温度の関数として、調整される。このようにして、特に、排ガスおよび／またはハニカム体を必要な温度まで上昇させるのに必要な電気エネルギーは、電流−伝導構造に供給されることができる。したがって、効率的な加熱が起こることができる。この文脈において、制御ループは、１つまたは複数の操作量としてパルス幅および／または繰返し数とともに形成されることができる。

本発明による方法のために開示される詳細および利点は、本発明による装置に移転されることができて、適用されることができる。その逆もまた同様である。本発明および発明の技術分野は、図を参照して以下に例として説明される。図は、本発明の特に好ましい実施形態を示すが、しかし本発明はそれに制限されない点に留意する必要がある。

図１は、本発明による装置を有する自動車両を概略的に示す。 図２は、電流−伝導構造の詳細を概略的に示す。 図３は、電流−伝導構造に電圧を供給するための第１の回路を概略的に示す。 図４は、電流−伝導構造に電圧を供給するための第２の回路を概略的に示す。 図５は、電流−伝導構造に電圧を供給するための第３の回路を概略的に示す。 図６は、周波数変調の間の電圧プロファイルを概略的に示す。 図７は、パルス幅変調の間の電圧プロファイルを概略的に示す。

図１は、本発明による装置１が配置される排気系統２が接続される内燃機関１４を有する自動車両１３の概略図である。装置１は、ケーシングチューブ３内に配置されて、電流−伝導構造５が形成される第１のハニカム体４を備える。電流−伝導構造５は、コントロールユニット９に接続される。加えて、第２のハニカム体１５は、ケーシングチューブ３内に配置される。第１のハニカム体４および、第１のハニカム体４の後方に離れて配置される第２のハニカム体１５は、支持要素１６を介して接続される。そしてそれは、電気的絶縁の中間の位置決めを除けば、ハニカム体４、１５の中へ突出し、そして、第１のハニカム体４においてスリーブ内に配置される。

例えば４８Ｖの電圧が印加されるときに、動作中にアークが発生しないというような仕方で、電流−伝導構造５は、隙間６および絶縁体７を有して構成される。加えて、送り込まれた電気エネルギーが電流−伝導構造５に、そして排ガスの所望の温度に調和することができるというような方法で、動作中に、パルス電圧は、電流−伝導構造５に適用されることができる。

図２は、電流−伝導構造５の詳細の概略図である。電流−伝導構造５は、曲りくねった形状を有する。その結果、隙間６は、電流−伝導構造５において存在する。この例示的実施形態では、絶縁体７は、隙間６まで電流−伝導構造５に適用される。例えば４８Ｖの電圧が印加されるときに、短絡が、特にアークにより、形成されることができないというような方法で、隙間６および絶縁体７は、構成される。

図３〜図５は、電流−伝導構造５の電気配線の概略図である。エネルギー供給は、通常、自動車両１３のバッテリによって提供される。回路は、メインスイッチ１７およびコントロールユニット９を有する。メインスイッチ１７は、主に、内燃機関１４の作動の間、エネルギー供給のスイッチを入れる。その一方で、コントロールユニット９に割り当てられる作動手段は、動作中に電流−伝導構造５に適用される電圧に影響を及ぼすのに役立つ。したがって、パルス電圧がコントロールユニット９によって発生されることができる。そして、前記パルス電圧は、電流−伝導構造５に存在する。

図３に例示される配線の形態では、コントロールユニット９は、電流−伝導構造５とグラウンドとの間の電圧源に影響を及ぼすことができる。

図４に例示される回路図では、コントロールユニット９は、バッテリと電流−伝導構造５との間の電圧源に影響を及ぼすことができる。

図５に例示される回路装置では、コントロールユニット９は、電流−伝導構造５とバッテリとの間、および電流−伝導構造５とグラウンドとの間の両方の印加電圧を変化させることができる。

図６および７は、パルス電圧８によって、電流−伝導構造５に供給されることができるエネルギーの設定可能性を例として示す。この目的のために、電圧８は、時間１８に対してプロットされる。ここでは矩形波パルスとして具体化されるパルス１０は、互いに関してパルス幅１１およびパルス間隔１９を有する最大電圧レベル１２を有する。図６には、周波数変調の原理が例示される。パルス１０は、異なるパルス間隔１９を有する一定のパルス幅１１をともなって繰り返される。このようにして、繰返し周波数（すなわちパルス間隔１９の相互の値）を設定することによって、単位時間当たりの電流−伝導構造５に供給されるエネルギーを調整することができる。

これとは対照的に、図７は、パルス幅変調を示す。パルス１０は、電圧レベル１２およびパルス幅１１、そして同じパルス間隔１９を有して発生される。しかし、パルス幅１１は、変化する。その結果、電流−伝導構造５に供給されるエネルギーは、パルス幅によって調整されることができる。パルス幅１１およびパルス間隔１９の両方が変化することも可能である。

本発明の教示にともなって、４８Ｖのまたは６０Ｖでさえのオンボード電気系統電圧を用いて、排気系統における発熱体を供給することができる。特に、電気抵抗が十分に増加することができない発熱体の使用が高い動作電圧を用いて可能になる方法は、利用可能となる。

１…装置
２…排気系統
３…ケーシングチューブ
４…第１のハニカム体
５…電流−伝導構造
６…隙間
７…絶縁体
８…電圧
９…コントロールユニット
１０…パルス
１１…パルス幅
１２…電圧レベル
１３…自動車両
１４…内燃機関
１５…第２のハニカム体
１６…支持要素
１７…メインスイッチ
１８…時間
１９…パルス間隔

Claims (8)

1. ケーシングチューブ（３）内に配置されて排ガスが流通することのできる第１のハニカム体（４）を有する排気系統（２）において排ガスを処理するための装置（１）であって、前記ハニカム体（４）は、２４Ｖ（ボルト）よりも高い、特に４８Ｖよりも高い電圧（８）のための動作条件でさえ絶縁をもたらす隙間（６）および／または絶縁体（７）によって境界づけられる少なくとも１つの電流−伝導構造（５）を有する、装置（１）。
2. コントロールユニット（９）を備え、前記コントロールユニット（９）は、特に少なくとも２４Ｖの、好ましくは４８Ｖと６０Ｖとの間のパルス電圧（８）を生成して、前記電圧を前記電流−伝導構造（５）に適用するように構成される、請求項１に記載の装置（１）。
3. 前記電流−伝導構造（５）は、０．００１Ω（オーム）と１０Ωとの間の、好ましくは０．０３Ωと０．８Ωとの間の、全く特に好ましくは０．０５Ωと０．３Ωとの間の電気抵抗を有する、請求項１または２に記載の装置（１）。
4. 排ガスが流通することができて、少なくとも１つの電流−伝導構造（５）を有する電気的に加熱可能なハニカム体（４）を作動する方法であって、前記電流−伝導構造（５）には、前記ハニカム体（４）を加熱するために、２４Ｖよりも高くて電流を発生する電圧（８）が適用され、前記電圧（８）は、パルス電圧であることを特徴とする、方法。
5. 前記パルス電圧は、０．１Ｈｚ（ヘルツ）〜１０００Ｈｚの、好ましくは１Ｈｚ〜１００Ｈｚの繰返し数を用いて適用される、請求項４に記載の方法。
6. 各パルス（１０）は、０．００５ｓ（秒）〜０．５ｓのパルス幅（１１）を有する、請求項４または５に記載の方法。
7. 前記パルス電圧（８）は、４８Ｖと６０Ｖとの間の最大電圧レベル（１２）を有する、請求項４〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記パルス幅および／または前記繰返し数は、排ガスのパラメータ、特に排ガスの温度、の関数として調整される、請求項５〜７のいずれか１項に記載の方法。

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