JP2018115660A - 排ガス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ディーゼル内燃機関に用いられる排ガス装置において、特に始動時に効率的な排ガス後処理を保証する温度に早期に昇温する。
【解決手段】排ガス装置において、排ガス流チャネル１２を備え、排ガス流チャネルの排ガス後処理チャネル領域１６には、少なくとも１つの排ガス後処理ユニット２３，２６，２８，３０が設けられており、排ガス流チャネルの排ガス後処理チャネル領域は、少なくとも部分的に、排ガス後処理チャネル領域から流出する排ガスが通流可能な断熱容積２０内で延在している。
【選択図】図１

Description

本発明は、好適には商用車または乗用車内で駆動アッセンブリとして使用されるディーゼル内燃機関において使用することができる内燃機関に用いられる排ガス装置に関する。

この種の排ガス装置では、有害物質排出量を削減するために、たとえば触媒装置または粒子フィルタなどの様々な排ガス後処理ユニットが使用される。特に触媒装置は、燃焼排ガス内で移送される有害物質を効率的に反応させるために、少なくとも２００℃〜２５０℃の範囲の温度を有していなければならない。このような高温は、さらに、選択触媒還元に用いられる反応剤として排ガス流に噴射される尿素溶液の気化を確実に保証する。特に内燃機関の始動時に、それ以前に燃焼排ガスが通流または流過しなかった触媒装置は、このような活性化温度を大幅に下回る温度を有しているので、触媒装置の領域で必要な温度に至るまで、排ガス流は、ほぼ未処理で、高い有害物質含有量をもって放出される。法的要求がますます厳格化されるにつれて、このような高い有害物質含有量が許容される時間長さが短縮される。

本発明の課題は、構造的に簡単な態様で有害物質排出量を削減することができる、内燃機関、特にディーゼル内燃機関に用いられる排ガス装置を提供することである。

本発明によれば、この課題は、内燃機関、特にディーゼル内燃機関に用いられる排ガス装置であって、排ガス流チャネルを備え、排ガス流チャネルの排ガス後処理チャネル領域には、少なくとも１つの排ガス後処理ユニットが設けられており、排ガス流チャネルの排ガス後処理チャネル領域は、少なくとも部分的に、排ガス後処理チャネル領域から流出する排ガスが通流可能な断熱容積内で延在している、排ガス装置によって解決される。

本発明に従って構成された排ガス装置は、排ガス流において、排ガス後処理チャネル領域の通流後でもまだ伝達される熱を、断熱の改善を達成するために利用し、ひいては排ガス後処理が行われるべきシステム領域の素早い加温に利用する。これにより、特に始動段階で、効率的な排ガス後処理を保証する温度に至るまでの時間長さが大幅に短縮される。内燃機関の運転中でも、必要な場合には、排ガス後処理チャネル領域の通流後に排ガスにまだ伝達される残熱を、排ガス装置の、効率的な排ガス処理のために比較的高い温度を必要とするシステム領域を過剰な冷却から防護するために利用することができる。

内燃機関から放出される排ガスにおいて伝達される残熱を効率的に利用するために、排ガス流チャネルの排ガス後処理チャネル領域のほぼ全域が断熱容積内で延在することが提案される。

排ガスにおいて伝達される熱を、選択的に排ガス後処理ユニットを加温するために利用可能にするために、または、必要な場合には、周囲環境へ向けて導出可能にするために、排ガス後処理チャネル領域が、断熱容積の排ガス進入領域と、排ガス流チャネルの排ガス流出チャネル領域へと向けて開いていることが提案される。

この場合、排ガス流の分配は、たとえば、排ガス流出チャネル領域に対応して、排ガス流出チャネル領域を開閉するために位置調整可能な閉鎖ユニットが設けられていることによって実現することができる。閉鎖ユニットは、排ガス流出チャネル領域において排ガス流出チャネル領域を通流不能に実質的に閉鎖する閉鎖位置と、ガス流出チャネル領域を通流可能に開放する開放位置との間で位置調整可能に配置された閉鎖フラップを有してよい。この場合、閉鎖フラップを、好適には閉鎖位置と開放位置との間のあらゆる中間位置に位置決めすることもできる。

排ガスにおいて伝達される残熱が利用されたかどうかにかかわらず、排ガス装置を通流する排ガスを、周囲環境へ向けてまたは流れ方向に続くたとえば消音器などのシステム領域ヘと供給するために、断熱容積および排ガス流出チャネル領域が、排ガス流チャネルの排ガス排出チャネル領域に向けて開いていることが提案される。

効率的な排ガス後処理のために、ガス後処理チャネル領域に、酸化触媒装置および／または粒子フィルタ装置および／またはＳＣＲ（選択触媒還元）触媒装置および／またはアンモニア遮断触媒装置が設けられてよい。

排ガス後処理ユニットとして酸化触媒装置およびＳＣＲ触媒装置が設けられている場合にＳＣＲ触媒装置の領域において実施されるべき選択触媒還元を達成可能にするために、ＳＣＲ触媒装置が酸化触媒装置の下流側に配置されており、酸化触媒装置の下流側でＳＣＲ触媒装置の上流側に反応剤投入装置が配置されていることが提案される。

１つまたは複数の排ガス後処理ユニットの追加的な加温が必要ではない運転状態では、排ガス装置の流れ抵抗をできるだけ小さく維持するべきであるので、このような運転状態の存在に関する情報またはこのような運転状態が存在するかどうかの情報を提供するために、少なくとも１つの排ガス後処理ユニットに対応して温度センサが設けられている。

本発明に係る排ガス装置において、好適には、閉鎖ユニットに対応して、駆動制御ユニットの制御下にあるアクチュエータが設けられており、駆動制御ユニットは、アクチュエータを、排ガス後処理ユニットに対応して配置された少なくとも１つの温度センサの出力信号に基づいて制御するように構成されていることにより、このような温度センサから送られる情報を利用することができる。

本発明に係る排ガス装置のコンパクトな構造は、排ガス流チャネルの排ガス後処理チャネル領域が、第１のチャネル区分と、第２のチャネル区分と、第１のチャネル区分を第２のチャネル区分と接続する第３のチャネル区分とを有し、第１のチャネル区分および第２のチャネル区分には、それぞれ少なくとも１つの排ガス後処理ユニットが設けられており、第１のチャネル区分における排ガス主流れ方向は、第２のチャネル区分における排ガス主流れ方向に対してほぼ同一に向けられており、第３のチャネル区分における排ガス主流れ方向は、第１のチャネル区分および第２のチャネル区分における排ガス主流れ方向に対してほぼ逆向きであることにより、達成することができる。この場合、好適には、第１のチャネル区分と、第２のチャネル区分とは、互いに、第１のチャネル区分および第２のチャネル区分における排ガス主流れ方向で、好適にはほぼ完全に重なり合うように配置されている。

次に、本発明を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

排ガス装置を通流する排ガスが排ガス後処理ユニットの断熱を改善するために用いられる運転状態で排ガス装置を示す原理図である。 排ガス装置が、排ガス装置を通流する排ガスが排ガス後処理ユニットを断熱するのに用いられない運転状態にある、図１に相応する図である。

図１において、たとえばディーゼル内燃機関に関して使用されるべき排ガス装置に、全体として符号１０が付されている。図１に原理図で示された排ガス装置１０は、１つまたは複数の管または管部分により形成された排ガス流チャネル１２を有し、排ガス流チャネル１２は、排ガス導入チャネル領域１４において、全体として符号１６が付された排ガス後処理チャネル領域に通じる。排ガス後処理チャネル領域１６は、たとえばハウジング１８内に形成された断熱容積２０内に配置されている。

排ガス後処理チャネル領域１６は、流れ方向で相次いでディーゼル酸化触媒装置２３とディーゼル粒子フィルタ装置２６とが配置されている第１のチャネル区分２２を有する。第１のチャネル区分２２の下流側に配置された第２のチャネル区分２４は、第３のチャネル区分２７を介して、第１のチャネル区分２２と接続されており、第２のチャネル区分２４には、流れ方向で相次いでＳＣＲ触媒装置２８とアンモニア遮断触媒装置３０とが配置されている。ＳＣＲ触媒装置２８において選択触媒還元を実行できるように、その上流側で、かつ好適にはディーゼル酸化触媒装置２３またはディーゼル粒子フィルタ装置２６に関して下流側に、一般にインジェクタとも称される反応剤投入装置２９が設けられている。この反応剤投入装置２９は、たとえば第３のチャネル区分２７内に配置されてよく、これにより、そこに流れる排ガスに反応剤Ｒ、たとえば尿素水溶液が噴射され、これと混合される。

ディーゼル酸化触媒装置２３とディーゼル粒子フィルタ装置２６とＳＣＲ触媒装置２８とアンモニア遮断触媒装置３０とにより、排ガス後処理ユニットとして構成された排ガス後処理チャネル領域１６は、その３つのチャネル区分２２，２４，２７において、これらのチャネル区分が原則として互いに平行に位置し、第１のチャネル区分２２と第２のチャネル区分２４とにおける排ガス主流れ方向が互いにほぼ平行でかつ同一の向きである一方、第３のチャネル区分２７における排ガス主流れ方向が第１のチャネル区分２２または第２のチャネル区分２４における排ガス主流れ方向に対してほぼ逆に向けられるように、配置されている。したがって、排ガス後処理チャネル領域１６の屈曲状の構成は、特に排ガス後処理ユニットが配置されている領域において実現され、これは極めてコンパクトな構造に役立つ。排ガス後処理ユニットは、特に相応してコンパクトに構成されたハウジング１８内に収容することができ、断熱容積を通流する排ガスが少なくとも部分的に、好適にはほぼ完全に、排ガス後処理チャネル領域１６を流過することができる。そのために、図１に図示されていない流れガイド要素が追加的に設けられてよい。流れガイド要素は、排ガス後処理チャネル領域から離間して、排ガス進入領域３２において断熱容積２０に進入する排ガスが、排ガス排出チャネル領域３４へ向けて断熱容積から離間する前に、排ガス後処理チャネル領域１６の外側表面全体に沿って案内されるように作用する。たとえば、様々な排ガス後処理ユニットを含む複数のチャネル区分の他の空間的な配置が、ほぼ直線的に相前後するように設けられてもよいことも留意すべきである。

排ガス後処理チャネル領域１６を排ガス排出チャネル領域３４と接続する排ガス流出チャネル領域３６に対応して、全体として符号３８が付された閉鎖ユニット３８が設けられている。閉鎖ユニット３８は、排ガス流出チャネル領域３６に配置された閉鎖フラップ４０を有しており、閉鎖フラップ４０は、図１に示された閉鎖位置と図２に示された開放位置との間で位置調整可能である。そのために、閉鎖フラップ４０に対応して、たとえば電気モータで作動するアクチュエータ４２が配置されている。アクチュエータ４２は、駆動制御ユニット４４の制御下で、閉鎖フラップ４０を、図１の閉鎖位置と図２の開放位置との間で位置調整することができ、これら両方の位置の間の中間位置にもたらして保持することもできる。

排ガス装置１０は、さらに複数の温度センサを有している。温度センサは、排ガス流チャネル１２を通流する排ガスの温度を様々な位置で検出することができ、場合により様々な排ガス後処理ユニットの様々な温度を検出することもできる。したがって、たとえばディーゼル酸化触媒装置２３の下流側に、温度センサ４６が設けられる。ＳＣＲ触媒装置の下流側には、温度センサ４８が設けられている。温度センサ４６，４８および場合によりさらに別の他の位置に設けられた温度センサは、これらのセンサによりその都度検出された温度を表す信号を駆動制御ユニット４４に供給し、駆動制御ユニット４４は、これらの信号に基づいて、閉鎖フラップ４０を所定の位置に位置調整するかまたは保持するためにアクチュエータ４２を駆動制御する。動作の特性を表す他の値、たとえば圧力または排ガス成分も、閉鎖フラップ４０の駆動制御時に考慮することができる。

本発明に従って構成された排ガス装置１０により、たとえば内燃機関が始動されて、排ガス装置１０自体が、内燃機関から離間する排ガスと同様に、依然として比較的低い温度であるとき、閉鎖フラップ４０による排ガス流出チャネル領域３６の閉鎖により、内燃機関から離間する燃焼排ガスが、排ガス後処理チャネル領域１６の通流後に、直接に排ガス排出チャネル領域３４に至ることが不可能となる。しかも、排ガス後処理チャネル領域１６から離れ、まだ残熱を伝達する排ガスは、その閉鎖位置に位置決めされた閉鎖フラップ４０により、断熱容積２０へ導かれる。そこで、排ガスは、排ガス後処理チャネル領域１６の外側に沿って流過し、その際、特にそこに設けられた排ガス後処理ユニットの断熱の改善に役立ち、これにより外方への熱損失が回避され、場合によりたとえば当初はまだ排ガスにより加温されない排ガス後処理ユニットにおいて、排ガス処理ユニットが外側からも加温される。断熱容積２０の通流後にはじめて、さらに大幅に冷却された排ガスが、排ガス排出チャネル領域３４へ向けて断熱容積２０から流出する。

この状態は、１つまたは複数の温度センサ４６，４８により、排ガス後処理チャネル領域１６と、特に１つまたは複数の、そこに設けられた排ガス後処理ユニットとが、依然として効率的な排ガス後処理がまだ保証されないような低い温度を有することが検出される限り維持され、その後で調整されてよい。排ガス後処理チャネル領域１６の領域、特に様々な触媒装置の領域における温度が、２００℃〜２５０℃またはそれを上回る範囲の温度レベルに至り、これにより様々な触媒装置における効率的な触媒反応の実行が保証されると、閉鎖フラップ４０を、図２に示されたその開放位置へ向けて位置調整することができ、これにより排ガス流出チャネル領域３６を介する、排ガス後処理チャネル領域１６から離れる排ガスの流出が可能となる。排ガス流出チャネル領域３６を介する流れ経路は断熱容積２０を通る流れ経路よりも極めて小さな流れ抵抗を有しているので、閉鎖フラップ４０をその開放位置に位置決めするとき、排ガス後処理チャネル領域１６のほぼ全域から離間する排ガス流は、排ガス流出チャネル領域３６を介して排ガス排出チャネル領域３４に流れる。排ガス後処理ユニットが十分に加温された後で、断熱容積２０を排ガスが通流しないときには、排ガスは、排ガス後処理ユニットの断熱の改善に役立つ空気容積を形成する。

この種の排ガス装置１０を備える車両の走行運転中に、たとえば低負荷状態での内燃機関の運転が長く続くとき、１つまたは複数の排ガス後処理ユニットの領域における温度が、触媒反応の効率的な実行をもはや保証することができない値へ低下する状態が生じると、閉鎖フラップ４０を再びその閉鎖位置へ向けて位置調整することができ、これにより排ガス後処理チャネル領域１６から離間する排ガス流の少なくとも一部が、再び断熱容積２０を通って導かれ、これにより比較的低温の周囲環境からの排ガス後処理ユニットの熱分離の改善により、排ガス後処理ユニットのさらなる冷却が回避されるようになり、または、この運転状態でも、排ガス後処理チャネル領域１６に配置された排ガス後処理ユニットを、これらを通流する排ガスにより、排ガス後処理ユニットの運転にとって必要な温度で保持することができるようになる。

最後に、もちろん本発明の原理を構造的に他の形に構成された排ガス装置にも適用することができることに留意すべきである。したがって、たとえばチャネル区分２２，２４は、互いに連続するように、つまり排ガス主流れ方向で互いに重なり合わないように配置されてもよい。排ガス後処理チャネル領域に設けられるべき排ガス後処理ユニットを、この種の排ガス装置に関して運転されるべき内燃機関に応じて選択してもよい。

Claims (12)

1. 内燃機関、特にディーゼル内燃機関に用いられる排ガス装置であって、
   排ガス流チャネル（１２）を備え、該排ガス流チャネル（１２）の排ガス後処理チャネル領域（１６）には、少なくとも１つの排ガス後処理ユニット（２３，２６，２８，３０）が設けられており、前記排ガス流チャネル（１２）の前記排ガス後処理チャネル領域（１６）は、少なくとも部分的に、該排ガス後処理チャネル領域（１６）から流出する排ガスが通流可能な断熱容積（２０）内で延在している、排ガス装置。
2. 前記排ガス流チャネル（１２）の前記排ガス後処理チャネル領域（１６）のほぼ全域が、前記断熱容積（２０）内で延在していることを特徴とする、請求項１記載の排ガス装置。
3. 前記排ガス後処理チャネル領域（１６）は、前記断熱容積（２０）の排ガス進入領域（３２）と、前記排ガス流チャネル（１２）の排ガス流出チャネル領域（３６）とへ向けて開いていることを特徴とする、請求項１または２記載の排ガス装置。
4. 前記排ガス流出チャネル領域（３６）に対応して、該排ガス流出チャネル領域（３６）を開閉するために位置調整可能な閉鎖ユニット（３８）が設けられていることを特徴とする、請求項３記載の排ガス装置。
5. 前記閉鎖ユニット（３８）は、前記排ガス流出チャネル領域（３６）において該排ガス流出チャネル領域（３６）を通流不能に実質的に閉鎖する閉鎖位置と、前記排ガス流出チャネル領域（３６）を通流可能に開放する開放位置との間で位置調整可能に配置された閉鎖フラップ（４０）を有することを特徴とする、請求項４記載の排ガス装置。
6. 前記断熱容積（２０）および前記排ガス流出チャネル領域（３６）は、前記排ガス流チャネル（１２）の排ガス排出チャネル領域（３４）へ向けて開いていることを特徴とする、請求項３から５までのいずれか１項記載の排ガス装置。
7. 前記排ガス後処理チャネル領域（１６）に、酸化触媒装置（２３）および／または粒子フィルタ装置（２６）および／またはＳＣＲ触媒装置（２８）および／またはアンモニア遮断触媒装置（３０）が設けられていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の排ガス装置。
8. 前記ＳＣＲ触媒装置（２８）は、前記酸化媒装置（２３）の下流側に配置されており、前記酸化触媒装置（２３）の下流側で前記ＳＣＲ触媒装置（２８）上流側に、反応剤投入装置（２９）が配置されていることを特徴とする、請求項７記載の排ガス装置。
9. 少なくとも１つの排ガス後処理ユニット（２３，２８）に対応して、温度センサ（４６，４８）が設けられていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の排ガス装置。
10. 前記閉鎖ユニット（３８）に対応して、駆動制御ユニット（４４）の制御下にあるアクチュエータ（４２）が設けられており、前記駆動制御ユニット（４４）は、前記アクチュエータ（４２）を、前記排ガス後処理ユニット（２３，２８）に対応して配置された少なくとも１つの温度センサ（４６，４８）の出力信号に基づいて制御するように構成されていることを特徴とする、請求項９記載の排ガス装置。
11. 前記排ガス流チャネル（１２）の前記排ガス後処理チャネル領域（１６）は、第１のチャネル区分（２２）と、第２のチャネル区分（２４）と、前記第１のチャネル区分（２２）を前記第２のチャネル区分（２４）と接続する第３のチャネル区分（２７）とを有し、前記第１のチャネル区分（２２）および前記第２のチャネル区分（２４）には、それぞれ少なくとも１つの前記排ガス後処理ユニット（２３，２６，２８，３０）が設けられており、前記第１のチャネル区分（２２）における排ガス主流れ方向は、前記第２のチャネル区分（２４）における排ガス主流れ方向に対してほぼ同一に向けられており、前記第３のチャネル区分（２７）における排ガス主流れ方向は、前記第１のチャネル区分（２２）および前記第２のチャネル区分（２４）における排ガス主流れ方向に対してほぼ逆向きであることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項記載の排ガス装置。
12. 前記第１のチャネル区分（２２）と、前記第２のチャネル区分（２４）とは、互いに、前記第１のチャネル区分（２２）および前記第２のチャネル区分（２４）における排ガス主流れ方向で、好適にはほぼ完全に重なり合うことを特徴とする、請求項１１記載の排ガス装置。

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