JP2024059544A - 内燃機関の排気ガスシステム用の加熱モジュールおよび関連した方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の始動直後に加熱モジュールを効率的に用いる。【解決手段】本発明は、内燃機関の排気ガスシステム用の加熱モジュールに関し、該加熱モジュールは、少なくとも１つの入口開口部および少なくとも１つの出口開口部を有し、入口開口部および出口開口部によって、加熱モジュールは排気ガスシステムに接続されることができ、一次ラインおよび二次ラインが、加熱モジュールを通流する排気ガスを案内するように入口開口部と出口開口部との間に設けられ、両ラインは、分岐セクションによって両ラインの上流端で、および合流チャンバによって両ラインの下流端で互いに関連する。一次ラインには、該一次ラインを通流する排気ガス流れを制御する制御装置がさらに設けられる。加熱モジュールは、加熱モジュールが合流チャンバに少なくとも部分的に配置された酸化触媒を備えることによって特徴づけられている。本発明は、対応する方法にさらに関連する。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスシステム用の加熱モジュールと、該加熱モジュールを作動する方法とに関する。

環境保護の側面での増加する重要性を考慮して、排気の減少はまた、自動車部門において、および特に内燃機関の使用に対して、偏在する題目である。今日の排気ガスシステムは、内燃機関によって生成された排気ガスを取り除く唯一の機能を持たなくなってもう長い。また、排気ガスの浄化は、排気ガスシステムの主な課題である。この目的のために、例えば、粒子フィルタ、酸化触媒および／またはＳＣＲステージが設置される。

例えば、粒子フィルタは、排出すべき排気ガス中のすすを捕捉し、これは、このようにして排気ガスを浄化するためである。すすの堆積に起因するフィルタの詰まりを防止するために、粒子フィルタに堆積されたすすは、再生プロセスにおいて燃焼される。この手法は、酸化と呼ばれている。カーボンブラックの酸化は、６００℃よりも高い温度で生じるのみである。確かに、例えば、付加物を加えることによって、すすの酸化の温度を減少させることは可能であるが、このような場合でさえも、再生プロセスを開始するために、熱エネルギを付加する必要がある。例えば、熱エネルギの付加は、ガス中の炭化水素（ＨＣ）および一酸化水素（ＣＯ）を酸化する上流の酸化触媒を用いることによって生じ、ここで、熱エネルギは、この反応中に解放される。

酸化触媒およびＳＣＲシステムの最適な作動のために、これらは適切な作動温度に到達しなければならず、作動温度の到達は、特に、内燃機関が始動された直後に問題である。

欧州特許第２ ６９１ ６１４ Ｂ１号明細書で知られているように、酸化触媒がこの目的のために用いられ、上記酸化触媒は、排気ガスの一部つまり二次ラインを通流する排気ガスを加熱するために、２つの流路つまり一次ラインおよび二次ラインを有した加熱モジュールに配置されている。この点では、酸化触媒を適切な作動温度に迅速に加熱するために、加熱エレメントが、二次ラインにおいて酸化触媒の前方に接続されている。そして、排気ガス流れの加熱された部分は、一次ラインを通流する排気ガス流れの一部と混合され、このため、排気ガス流れの全体は、増加された温度を有し、この温度は、粒子フィルタの再生プロセスを開始する。また、排気ガス流れが二次ラインを通してほぼ独占的に流れるように、一次ラインを実質的に完全に閉塞することが可能である。

本発明の基本的な目的は、内燃機関の排気ガスシステム用の改良された加熱モジュールと、内燃機関の排気ガスシステムの構成要素を加熱する対応した方法とを提供することである。

この目的は、請求項１に記載の加熱モジュールと、請求項１５に記載の方法とによって満足される。

本発明によれば、内燃機関の排気ガスシステム用の加熱モジュールが、少なくとも１つの入口開口部および少なくとも１つの出口開口部を有し、入口開口部および出口開口部によって、加熱モジュールは排気ガスシステムに接続されることができ、一次ラインおよび二次ラインが、加熱モジュールを通流する排気ガスを案内するように入口開口部と出口開口部との間に設けられ、一次ラインおよび二次ラインは、分岐セクションによって一次ラインおよび二次ラインの上流端で、および合流チャンバによって一次ラインおよび二次ラインの下流端で互いに関連し、一次ラインには、該一次ラインを通流する排気ガス流れを制御する制御装置が設けられている。さらに、酸化触媒が設けられ、この酸化触媒は、合流チャンバに少なくとも部分的に配置されている。

入口開口部を通して、排気ガスは、内燃機関から加熱モジュールおよび特に分岐セクションへと移動する。分岐セクションによって、排気ガスは、一次ラインおよび二次ラインへと案内され、これらのラインは、合流セクションに分岐セクションを接続している。この点では、一次ラインを通流する排気ガスの量および、従って間接的に、二次ラインを通流する排気ガスの量は、一次ラインを通流する排気ガスを制御する制御装置によって決定される。例えば、制御装置は、制御フラップを有しており、該制御フラップの開口部の角度は、一次ラインを通流する排気ガスの量を決定する。

二次ラインを通流する排気ガス流れ、つまり二次流れは、酸化触媒を通して少なくとも部分的に、特に完全に流れ、酸化触媒は、合流チャンバにおいて少なくとも部分的に特に完全に配置され、ＨＣまたはＣＯ反応をもたらし、この反応では、熱エネルギが解放される。さらに、一次ラインを通流する排気ガス流れ、つまり一次流れは、合流チャンバへと流れ、この合流チャンバでは、該合流チャンバを通流する排気ガスが酸化触媒を少なくとも部分的に取り囲み、このため、酸化触媒は、特にその外側面を介して、合流チャンバに存在する排気ガスによって加熱される。

従って、本発明は、合流チャンバを通流する排気ガスが酸化触媒の周囲に流れ、酸化触媒を部分的に加熱し、この結果、酸化触媒が、より迅速におよび／または外部から付加されるより少ない熱エネルギを介して酸化触媒の作動温度に到達するという考えを利用する。

本発明の利点は、酸化触媒が、追加的な熱源、つまり酸化触媒の周囲を流れる排気ガスのために、従来の加熱モジュールよりも迅速に酸化触媒の作動温度に到達し、このため、加熱モジュールの効率の増加が達成されることである。従って、酸化触媒に関連した加熱エレメントが、より小さい寸法で形成され、または、従来のモジュールよりも小さく活性化されるべきである。従って、酸化触媒の本発明に従う配置のために、費用を節約することができ、または、エネルギの使用を減少させることができる。さらに、非常にコンパクトな加熱モジュールの製造、つまり可能な限り空間を節約した加熱モジュールが、加熱モジュールの本発明に従う設計のために可能となる。

一般に、制御装置は、該制御装置が一次ラインを実質的に完全に閉塞する、または解放するように設計されることができる。同様に、制御装置の中間位置が設けられることができる。制御装置は、加熱モジュールを通流するガス流れに、必要に応じて影響を及ぼすことができるように、特に連続的に調節可能となっている。

制御装置は、加熱モジュールの制御ユニットと関連することができ、該制御ユニットは、センサのデータおよび／または外部信号に基づいて加熱モジュールの作動を制御する。

閉塞された状態では、排気ガスは、二次ラインのみを介して実質的に流れる。一次ラインが完全に解放されている場合には、二次ラインが一般に、より大きな流れ抵抗を有しているので、排気ガスは、一次ラインを通して実質的に完全にまたは少なくとも大部分で流れる。

例えば、内燃機関の冷間始動時に、一次ラインは開かれ、このため、排気ガスは、合流チャンバに少なくとも部分的に配置された酸化触媒の周囲に流れる。この時点では、排気ガスは、実際には比較的冷たいままである。しかし、酸化触媒は、取るべき能動的な加熱手法無しで、既に加熱されている。酸化触媒が望ましい温度（例えば、２７０℃よりも高い温度）に達すると、一次ラインは、二次ラインを通して排気ガスを実質的に完全にまたは部分的に案内するように（部分的に）閉塞されることができる。炭化水素（ＨＣ）は、二次ラインに導かれて、そして、既に予加熱された酸化触媒で発熱酸化し、必要であれば、能動的に加熱される。従って、酸化触媒は、触媒バーナーとして作用する。このプロセスで放出された熱は、排気ガスシステムに供給され、このため、排気ガスシステムの他の構成要素が適切な作動温度に迅速に達する。排気ガスの温度が要求されたレベルに達すると、一次ラインは再び解放される。

本発明の他の実施例が、説明、従属請求項および図面から理解されることができる。

第１実施例によれば、酸化触媒は、二次ラインの出口に配置される。この点では、二次流れは、酸化触媒を通して、少なくとも部分的に、好ましくは完全に流れる。また、酸化触媒が、二次ラインの出口を完全に覆わない、または、二次ラインから所定の距離で配置されることが可能である。このような場合には、例えば、二次流れの一部が酸化触媒を通流し、二次流れの他の部分が、酸化触媒を事前に通流することなく、合流チャンバへと直接に流れる。

他の実施例によれば、酸化触媒は、合流チャンバの壁から離間して少なくとも部分的に配置される。例えば、隙間が、一方では壁および特に合流チャンバの内壁と他方では酸化触媒との間に少なくとも部分的におよび特に隙間の全体に設けられ、このため、合流チャンバにおいて、排気ガスが酸化触媒の周囲に流れ、この酸化触媒が少なくとも部分的におよび特にその全体で加熱される。

他の実施例によれば、二次ラインの端部セクションが、合流チャンバに少なくとも部分的に配置される。これにより、例えば、酸化触媒の可能な限り大きな部分が合流チャンバに配置され、排気ガスが酸化触媒の周囲に流れることが確実となる。例えば、二次ラインの端部セクションは合流チャンバに突出する。この点では、端部セクションは、合流チャンバを通流する排気ガスによって加熱される。例えば、加熱された端部セクションは、熱伝導によって、端部セクションと接触することが可能である二次流れおよび／または酸化触媒の付加的な加熱に影響を及ぼすことができる。

他の実施例によれば、二次ラインの端部セクションが、広げられた部分を有する。これにより、二次ラインの出口の軸方向断面が増加されることができ、このため、より大きな効果的な領域を有した酸化触媒が用いられることができ、ここで、酸化触媒の効果的な領域は、二次流れが酸化触媒の領域に流れることを表している。酸化触媒の増加された効果的な領域のために、その酸化コンダクタンスはさらに増加されることができ、発熱エネルギの増加された量が解放される。逆に、増加された効果的な領域を有した酸化触媒が、同じ性能に対してより短くされることができ、これにより、モジュールのよりコンパクトな設計が可能となる。広げられた部分は、特に煙突状および対称または非対称、つまり二次ラインの端部セクションの半径が、少なくとも、流れの方向において部分的により大きくなる。

他の実施例によれば、酸化触媒は、広げられた部分に差し込まれる、または押し込まれる、および／または、さもなければ、広げられた部分に固定される。酸化触媒の差し込みまたは押し込み固定のために、酸化触媒の特に簡素なアッセンブリが可能となる。

さらに、酸化触媒は、二次ラインに面する側部において、周囲方向において少なくとも部分的に突出部を有しており、該突出部は、二次ラインの端部セクションに嵌め込まれ、従って、二次ラインの構成要素との嵌合接続が形成される。酸化触媒が、他の適切な固定形態または接続形態によって、例えば、他の設計の圧入接続、結合接続または嵌合接続によって、二次ラインに固定されることもできることを理解すべきである。

酸化触媒は、広げられた部分に固定される固定構成要素をさらに有することができる。例えば、酸化触媒は、フランジを有することができ、該フランジは、二次ラインまたは二次ラインの端部セクションの構成要素に固定されることができる。

他の実施例によれば、合流チャンバは、出口開口部を有した少なくとも部分的に煙突状の出口カバーを備える。煙突状の出口カバーは、例えば対称または非対称とすることができる。煙突状の出口カバーは、部分的な排気ガス流れ、つまり、酸化触媒から流れる排気ガス流れおよび一次流れを通して合流チャンバに流入する排気ガス流れの「柔らかい」合流を特に可能とする。出口カバーは、二次流れおよび／または一次流れが、好ましくは９０°よりも小さい、６０°よりも小さい、４５°よりも小さいまたは３０°よりも小さい衝突角度で出口カバーの壁に衝突するように特に設計される。これにより、例えば、部分的な排気ガス流れの可能な限り均一な混合を確実とすることができる。さらに、不利な衝突流れが、技術的な流れの側面において防止されることが多い。

他の実施例によれば、合流チャンバは、一次ラインの一次流れ方向に対して傾斜して配置された奔流壁を有する。傾斜した奔流壁は、一次流れが、過度に険しくない角度、特に、９０°よりも小さい、６０°よりも小さい、４５°よりも小さいまたは３０°よりも小さい角度で合流チャンバの奔流壁に衝突し、これにより、出口カバーの一次流れの「柔らかい」さらなる運搬が可能となるという効果を有している。さらに、不利な衝突流れが、技術的な流れの側面において防止されることが多い。

他の実施例によれば、インジェクタが、分岐セクションに取り付けられており、該分岐セクションのノズルによって分岐セクションおよび／または二次ラインに流体を噴射するように構成されている。インジェクタは、分岐セクションの外側で二次ラインの長手方向軸と平行に、好ましくは同軸に特に配置される。流体は、炭化水素（ＨＣ）を含んでいる。例えば、内燃機関例えばディーゼルを作動するように用いられる燃料が噴射される。噴霧または噴射されたＨＣの量は、内燃機関、排気ガスシステムおよび／または加熱モジュールの作動パラメータに適応されることが好ましい。この目的のために、インジェクタは、上述の制御ユニットに接続されることができる。

他の実施例によれば、渦エレメントが、二次ラインを通流する排気ガス流れに渦成分を与えるために、分岐セクションに配置される。渦エレメントは、ノズルを周囲方向に特に取り囲む。

例えば、渦エレメントは、煙突状または円錐形状を少なくとも部分的に有しており、ここで、煙突状の渦エレメントの開口部側が分岐セクションの内壁に固定されることができ、および／または、開口部側と反対に配置された側が、開口することができ、および分岐セクションに面することができ、または、分岐セクションに突出することができる。渦エレメントは、二次ラインの長手方向軸と同軸に特に配置される。渦成分の生成のために、渦エレメントの円錐ベースボディの開口部と関連する傾斜した案内面が設けられることができる。従って、渦が、開口部を通流する排気ガスに与えられる。渦エレメントを通流した後にのみ、排気ガスが二次ラインに到達することができるように、渦エレメントは配置および構成されることが好ましい。

渦エレメントは、排気ガスが渦エレメントへと横方向に流れるように分岐セクションに配置されることが好ましい。

他の実施例によれば、スリーブ状のスロットルエレメントが、排気ガス流れの流れ場に影響を及ぼすように分岐セクションに配置される。渦エレメントは、周囲方向にスロットルエレメントを特に取り囲む。スロットルエレメントは、円筒形状または円錐形状を特に有し、開口部（例えば、スロットルエレメントの側面における穿孔）を備えている。

ノズル状スリーブエレメントは、渦エレメントおよび／またはスロットルエレメント内に径方向に設けられることができる。

一方で、噴射された流体の噴霧コーンの分散を防止するために、他方で、排気ガス流れの流体の良好な混合に影響を及ぼすために、金属薄板構成要素として設計されることが好ましい渦エレメント、スロットルエレメントおよびスリーブエレメントは、望ましいように互いに結合されることができる。後者は特に重要であり、これは、同種のＨＣ配分による酸化触媒の奔流がより効率的な触媒燃焼を生じさせるからである。

他の実施例によれば、酸化触媒は、能動的に加熱されることができる。例えば、酸化触媒は、該酸化触媒の温度を増加させるように直接励磁される。

他の実施例によれば、加熱エレメントが、二次ラインを通流する排気ガスを加熱するように設けられており、特に、加熱エレメントは、流れの方向において酸化触媒の前方に配置されている。例えば、加熱エレメントは、励磁される電気抵抗加熱エレメント（例えば、加熱ディスク）である。酸化触媒の前方に加熱エレメントを位置決めすることは、未だ蒸発されていない排気ガス流れの流体が、酸化触媒に衝突する前に、加熱エレメントの増加された温度のために、蒸発することができるという利点を特に有する。しかし、酸化触媒の上流および好ましくは直ぐ前方に加熱ディスクを位置決めすることによって、十分な温度に酸化触媒をもっていく可能性が特にもたらされる。十分な触媒温度でのみ、ＨＣの発熱反応が触媒で生じる。ＨＣが計量されると、非常により高い熱入力が、純粋な電気加熱中よりも生成される。従って、電気加熱は、それ相応に減少され、熱は、触媒化学反応によって主にまたは完全にさえも生成される。

加熱エレメントまたは直接的に励磁可能な酸化触媒に接続された制御部が、必要に応じて励磁をもたらすことができる。

他の実施例によれば、加熱エレメントは、酸化触媒と接触する、または酸化触媒に統合される。例えば、加熱エレメントは、加熱ディスクであり、該加熱ディスクは、二次ラインに面する酸化触媒の端面を介して酸化触媒と接触する。

さらに、本発明は、上述の実施例の少なくとも一つに従う加熱モジュールと、加熱モジュールの下流に配置された排気ガス浄化装置とを有した排気ガスシステムに関する。排気ガス浄化装置は、内燃機関の冷間始動または部分負荷作動後の加熱モジュールの作動によってより迅速に作動温度にもっていかれることができる。また、加熱モジュールの作動により、上記装置の再生が可能となる。

本発明の他の側面は、内燃機関の排気ガスシステム用の加熱モジュール、特に上述の任意の１つの実施例に従う加熱モジュールを作動する方法に関する。この方法では、排気ガス流れは、加熱モジュールの入口開口部によって分岐セクションに案内される。そして、排気ガス流れは、一次ラインにおいて一次流れとして分岐セクションから案内され、および／または二次ラインにおいて二次流れとして分岐セクションから案内される。従って、排気ガス流れは、２つの異なる通路で加熱モジュールを通流することができる。

二次流れは、該二次流れへと導かれる流体の触媒燃焼のための酸化触媒を少なくとも部分的に通して流れる。二次流れは、必要に応じて（例えば、インジェクタによって）導入された流体の触媒燃焼によって加熱される。

そして、排気ガス流れが出口開口部を介して加熱モジュールから出る前に、二次流れおよび一次流れが合流チャンバで結合される。

酸化触媒は、合流セクションに少なくとも部分的に配置され、加熱モジュールの作動時に、一次流れが酸化触媒に流れる。

効率的にモジュールを作動し、必要に応じて排気ガス流れを加熱するために、二次流れの質量流量に対する一次流れの質量流量の割合は、一次ラインに配置された制御装置によって設定される。

例えば、一次流れの質量流量は、酸化触媒および／または加熱モジュールから出る排気ガス流れが第１目標温度に到達するまで最大化される。第１目標温度は、酸化触媒の作動の下限の範囲にあることができる。第１目標温度の代表的な値は、２７０℃である。モジュールの比較的冷たい状態から開始して、酸化触媒は、従って、一次流れによって最初に実質的に加熱される。第１目標温度は、２５０℃～５００℃の範囲、特に、２７０℃±１０℃または２７０℃±５℃とすることができ、酸化触媒の特性に（例えば、触媒的に活性なコーティングの形式および成分に）特に依存している。

むしろ必要ではないことが多いが、酸化触媒の能動的な（特に直接的または間接的な電気）加熱が、上述のステップで一般に既に生じることができる。

そして、一次流れの質量流量は、酸化触媒および／または加熱モジュールから出る排気ガス流れが、第１目標温度よりも高い第２目標温度に到達するまで、または外部信号が受けられるまで減少または最小化される。第２目標温度は、下流の排気構成要素の作動温度の範囲にあることができる。外部信号は、上位の制御の信号とすることができ、この信号は、例えば、十分な温度を有した排気ガスが下流の排気ガス浄化装置に到達し、この装置を加熱するときに、および／または排気ガス浄化装置が望ましい温度に到達したときに、モジュールの制御ユニットによって出力され、受けられる。例えば、このような信号は、２００℃～２５０℃の温度がＳＣＲシステムの後ろで決定されるときに出力される。

上述のステップでは、ＨＣ流体の能動的な加熱および／または計量が任意選択的に生じることができる。このステップでは、２５０℃～５００℃の温度ウインドウが維持されることが好ましく、ここで、質量流量は、二次ラインを通流し、ＨＣの能動的な加熱および計量が互いに調和される。この点では、計測の優先順位づけが生じることができ、つまり、対応する規則が、ＨＣの計量よりも高い優先順位を有した酸化触媒の能動的な加熱に対してよりも、制御装置（つまり、例えば制御装置のフラップ位置）の設定に対してより高い優先順位を割り当てる。

その後、一次流れの質量流量は、第２目標温度が所定の時間間隔の間および／または加熱モジュールの作動データに基づいておよび／または外部データに基づいて決定された時間間隔の間維持される場合もしくは外部信号が受けられる場合に、再び増加される、または最大化される。時間間隔は、特に、下流の排気ガス浄化装置をその作動温度まで加熱するのに必要な期間である。外部信号は、上位の制御の信号とすることができ、この信号は、下流の排気ガス浄化装置がその作動温度に到達するときにモジュールの制御ユニットによって出力され、受けられる。

例えば下流の粒子フィルタを再生するための、モジュールの通常の作動における排気ガス温度の一時的な増加のために、一次流れの質量流量は、酸化触媒および／または加熱モジュールから出る排気ガス流れが、第２目標温度よりも高い第３目標温度を超えるまで、または外部信号が受けられるまで減少される、もしくは最小化される。第３目標温度は、粒子フィルタの再生のために必要な温度、例えば６００℃とすることができる。外部信号は、上位の制御の信号とすることができ、該信号は、例えば十分な温度を有した排気ガスが下流の排気ガス浄化装置に到達し、この装置を再生するときに、および／または排気ガス浄化装置が望ましい温度に達したときに、モジュールの制御ユニットによって出力され、受けられる。

第３目標温度は、所定の時間間隔の間および／または加熱モジュールの作動データに基づいておよび／または外部データに基づいて決定された時間間隔の間維持されることができる。第３目標温度は、好ましくは、５５０℃～６２０℃の範囲にあり、特に６００℃±１０℃または６００℃±５℃である。

「目標温度」という用語は、広い解釈を有するべきである。実際に、一定の温度変動が排気ガスシステムの作動、安定した作動においてさえも無視されることができないので、上記用語は、個別の温度の値を有するだけでなく、温度ウインドウも有する。

２つのラインを通流する質量流量の割合は、例えば制御ユニットに接続される、既に説明されたような制御装置によって設定されることができる。例えば、制御ユニットは、種々の入力データ、例えば排気ガス温度、排気ガス圧力、排気ガス流れ速度または他のパラメータを計測するセンサのデータに基づいて、一次ラインまたは二次ラインを介して流れる排気ガスの量を設定することができる。さらに、加熱エレメントつまり加熱エレメントの励磁およびインジェクタつまり噴射される流体の量は、取得されたセンサの値に基づいた制御によって制御されることもできる。制御装置、加熱エレメントおよび／またはインジェクタは、互いに基づいて、または互いに独立して特に制御される。また、制御ユニットは、既に述べられたように、上位の制御に接続され、この制御は、例えば、特に内燃機関を制御し、このため、さらなるパラメータが、加熱モジュールを制御するのに考慮されることができる。

二次流れに対する一次流れの上述した質量流量の割合は、モジュールの適切な設計および対応する制御において、１：０と０：１との間で変化可能に設定されることができる。

本発明に従う加熱モジュールについての記述は、本発明に従う方法にそれ相応に適合し、これは、上述の利点および実施例について適合する。

以下に、本発明は、実施例および図面を参照して例示によって純粋に提供される。

加熱モジュールを有した排気ガスシステムである。 加熱モジュールの実施例の横断面図である。 加熱モジュールの他の実施例の横断面図である。 加熱モジュールの斜視図である。 加熱モジュールの側面図である。 加熱モジュールの正面図である。

図１は、排気ガスシステム２を示しており、該排気ガスシステム２は、内燃機関４と、この内燃機関４に接続された加熱モジュール６と、該加熱モジュール６と関連した排気ガス浄化システム８とを備えている。この点において、内燃機関４は、排気ガスを生成し、この排気ガスは、排気ガスシステム２を経由して排出および浄化される。排気ガスの浄化は、特に、例えば粒子フィルタおよび／または触媒を有した排気ガス浄化システム８によって生じる。

排気ガス中に含まれるすすが、再生システムにおいて、粒子フィルタに蓄積し、時々燃焼される。６００℃を超える温度が再生プロセスにとって必要であるので、加熱モジュール６が、内燃機関４と排気ガス浄化システム８との間に取り付けられ、特に、排気ガス流れを一時的に加熱し、粒子フィルタの再生プロセスを可能にするという役割を有している。

次に、触媒は、該触媒が特定の作動温度以降で効率的に作用するのみであるという特性を有している。従って、加熱モジュール６は、下流の触媒を作動温度へ迅速にもっていくために、冷間始動または部分負荷作動、つまり内燃機関から出る排気ガスが比較的冷たいときに必要となるような排気ガスの加熱をもたらすように用いられることができる。

図２は、横断面図で加熱モジュール６の実施例を示している。加熱モジュール６は、入口開口部１０および出口開口部１２を有しており、これらの開口部によって、加熱モジュール６は、排気ガスシステム２に接続されることができる。ここで、一次ライン１４および二次ライン１６が、加熱モジュール６を通流する排気ガスを案内するように入口開口部１０と出口開口部１２との間に設けられており、一次ライン１４および二次ライン１６は、分岐セクション１８によって一次ラインおよび二次ラインの上流端で、および合流チャンバ２０によって一次ラインおよび二次ラインの下流端で互いに関連している。一次ライン１４は、該一次ライン１４を通流する一次流れ２４を制御する制御フラップの形態の制御装置２２をさらに有している。一次流れ２４の変化は、二次ライン１６を通流する二次流れ２６も変化されるという結果を有している。従って、二次流れ２６は、最後に、一次流れ２４の制御によって制御されることができる。

加熱モジュール６は、酸化触媒２８をさらに有しており、該酸化触媒２８は、合流チャンバ２０に完全に配置されており、二次ライン１６の端部セクション２９に固定されている。ここで、二次ライン１６の端部セクション２９は、図２の合流チャンバ２０に完全に配置されている。本発明によれば、冷間始動または部分負荷作動時に、触媒２８は、合流チャンバ２０において触媒２８の周囲に流れる排気ガスによって、望ましい温度、特に触媒の作動温度に加熱される。

図２に示されるように、加熱ディスク３１が、酸化触媒２８の前方にさらに配置され、酸化触媒２８に流れる炭化水素排気ガス混合物をある程度まで能動的に加熱し、また、触媒燃焼のために必要な温度に迅速に到達するために酸化触媒２８自体を加熱する。加熱ディスク３１は、コネクタ３３によって、加熱ディスクの温度を制御する図示せぬ制御ユニットに接続されている。

加熱モジュール６を介した排気ガス流れのコースは、以下に、より詳細に説明される。

内燃機関４によって生成された排気ガスは、入力排気ガス流れ３０として、入口開口部１０を経由して分岐セクション１８に案内され、該分岐セクション１８において、入口排気ガス流れ３０の一部が、一次ライン１４および／または二次ライン１６に供給される。一次ライン１４および／または二次ライン１６は、例えば、管状セクションを有している。一次ライン１４を通流する排気ガスの量と、二次ライン１６を通流する排気ガスの量とは、制御フラップ２２によって制御される。制御フラップ２２は、図示せぬアクチュエータに接続されており、このアクチュエータは、図示せぬ制御ユニットに接続されている。回転可能に支持された制御フラップ３１の設定角度に基づいて、一次ライン１４を通流する排気ガスの量および、従って間接的に、二次ライン１６を通流する排気ガスの量は決定される。制御フラップ２２が一次流れ２４の流れ方向に対して垂直であるときには、例えば、入力排気ガス流れ３０のほぼ全てが分岐セクション１８を経由して二次ライン１６に流れる。逆に、二次ライン１６の比較的高い流れ抵抗のために、入力排気ガス流れ３０の大部分は、制御フラップ２２が完全に開いているときに一次ライン１４を介して流れる。

合流チャンバ２０では、一次ライン１４を経由して合流チャンバ２０に流入した排気ガス流れは、合流チャンバ２０に配置された酸化触媒２８または酸化触媒２８のセクションの周囲に少なくとも部分的に流れ、このため、酸化触媒２８は、酸化触媒２８または酸化触媒２８のセクションの周囲に流れる排気ガス流れの熱によって加熱される。これは、触媒２８が比較的冷たく、排気ガスが触媒の通常の作動温度に実際に到達していないが触媒２８よりも温かいときに特に重要である。例えば、冷間始動後または部分負荷作動後に、排気ガスのエンタルピは、触媒２８を加熱し、この触媒２８をより迅速にその作動温度にもっていくように用いられる。この状態では、制御フラップ２２は、完全に開いている。

触媒２８が十分に高い温度、例えば触媒の作動温度に到達すると、制御フラップ２２は、二次ライン１６を（部分的に）介して排気ガスを導くように（部分的に）閉じられる。従って、一次流れ２４は、二次流れ２６に味方して、減少される、または実質的に完全に止められさえする。

インジェクタ３４がノズルによって炭化水素流体を分岐チャンバ１８および／または二次ライン１６のセクションに噴射するから（図２の噴射コーン３２参照）、二次ライン１６を介して案内された入力排気ガス流れ３０が、二次ライン１６に流入する前に炭化水素流体（ＨＣ流体）と少なくとも部分的に混合され、上記セクションでは、ＨＣ流体は二次流れ２６と混合する。図２に示されるように、インジェクタ３４は、二次ライン１６の長手方向軸と同軸となるように分岐セクション１８のハウジングに取り付けられている。

ＨＣ流体と混合された二次流れ２６は、二次ライン１６を通流して加熱ディスク３１に衝突し、該加熱ディスク３１は、排気ガス炭化水素混合物を加熱し、そして、上記二次流れ２６は、酸化触媒２８に衝突し、該酸化触媒２８を通流する。二次ライン１６の端部セクション２９は、広げられた部分をさらに有しており、この部分は、二次ライン１６の断面積が二次ライン１６の出口で増加し、これにより、排気ガスが酸化触媒２８のより大きな領域に流れるという結果を有している。噴射された炭化水素流体の発熱性酸化（触媒燃焼）が酸化触媒２８で生じ、これにより、酸化触媒２８を通流する二次流れ２６が加熱され、加熱された二次流れ３６として、酸化触媒２８から出る。

加熱された二次流れ３６は、合流チャンバから流れる排気ガスと共に、出口開口部１２を有した出口カバー３８に案内され、該出口カバー３８において、２つの排気ガス流れは混合し、出口開口部１２を介して下流の排気ガス浄化システム８に供給される。

図３には、加熱モジュールの他の実施例が示されている。煙突状の渦エレメント４０および僅かに円錐状のスロットルエレメント４２が分岐セクション１８に付加的に設けられている点で、図３の実施例は図２の実施例とは異なっている。渦エレメント４０は、スロットルエレメント４２を周囲方向に取り囲んでおり、そして、スロットルエレメント４２は、インジェクタ３４のノズルを周囲方向に取り囲んでいる。スロットルエレメント４２は、側面に、円形のスロットル開口部を有しており、このスロットル開口部は、周囲方向において均一に分布しており、一種の穿孔を形成している。トランペット型またはノズル型のスリーブエレメント４３がスロットルエレメント４２の内部に配置されており、ここで、スリーブエレメント４５の形状は、該スリーブエレメント４５がＨＣ流体の噴射方向において短い距離にわたって最初に傾斜し、それから広がるように特徴づけられている。

二次ライン１６に流入する排気ガスの全てが、渦エレメント４０を通過してきた（他の実施例では、バイパスも設けられることができる）。この目的のために、渦エレメント４０は、傾斜した案内面が関連づけられる開口部を有しており、これにより、エレメント４０を通流する排気ガスに渦が与えられる。そして、渦によって影響を受けた排気ガスの一部が二次ライン１６へと直接流れる。排気ガスの小さな部分が、スロットルエレメント４２を通流し、インジェクタ３４のノズルの周囲に流れる。ＨＣ流体のスリーブ噴射コーン３２によって、およびスリーブエレメント４２の形状と協働して運ばれることで、排気ガスの上記部分は、スリーブエレメント４２を通して二次ライン１６へと流れ、この二次ライン１６において、上記部分は、排気ガスの他の部分と混合する。

構成要素４０，４２，４３は、ＨＣ流体が可能な限り効率的に排気ガスに噴射され、排気ガスと混合されることができることを確実とする。

図４は、加熱モジュール６の斜視図、特に、加熱モジュール６のハウジングの斜視図を示している。

入口開口部１０であって、この開口部１０を通して、入力排気ガス流れ３０が内燃機関から加熱モジュール６に案内される、入力開口部１０と、
分岐セクション１８のハウジングに取り付けられたインジェクタ３４を有してなる分岐セクション１８と、
開口部を有した一次ライン１４であって、開口部を介して、制御フラップ２２がアクチュエータと関連する、一次ライン１４と、
二次ライン１６の一部（二次ライン１６の端部セクションがチャンバ２０へと突出する、図２参照）と、
一次ライン１４および二次ライン１６を経由して分岐セクション１８と関連する合流チャンバ２０と、
加熱ディスク３１のコネクタ３３と、
出口開口部１２を有した出口カバー３８であって、出口開口部１２を通して、例えば、加熱モジュール６の排気ガス流れが排気ガス浄化システム８に供給される、出口カバー３８と、
が示されている。

図５は、同様の構成要素を有した加熱モジュール６の側面図を示している。

図６は、加熱モジュール６の正面図を示しており、ここでは、加熱モジュール６の上述の構成要素に加えて、制御フラップのアクチュエータ、この場合にはモータ４４が示されており、モータ４４は、例えば、制御フラップ２２の設定角度を設定するために、制御ユニットによって制御される。

図４～図６から、モジュール６が非常にコンパクトな設計を有していることを明確に理解することができる。

２ 排気ガスシステム
４ 内燃機関
６ 加熱モジュール
８ 排気ガス浄化システム
１０ 入口開口部
１２ 出口開口部
１４ 一次ライン
１６ 二次ライン
１８ 分岐セクション
２０ 合流チャンバ
２２ 制御装置
２４ 一次流れ
２６ 二次流れ
２８ 酸化触媒
２９ 二次ラインの端部セクション
３０ 入力排気ガス流れ
３１ 加熱ディスク
３２ 炭化水素流体
３３ コネクタ
３４ インジェクタ
３６ 加熱された二次流れ
３８ 出口カバー
４０ 渦エレメント
４２ スロットルエレメント
４３ スリーブエレメント
４４ モータ

Claims (18)

1. 内燃機関（４）の排気ガスシステム用の加熱モジュール（６）であって、該加熱モジュール（６）は、少なくとも１つの入口開口部（１０）および少なくとも１つの出口開口部（１２）を有し、前記入口開口部（１０）および前記出口開口部（１２）によって、加熱モジュール（６）は前記排気ガスシステムに接続されることができ、一次ライン（１４）および二次ライン（１６）が、前記加熱モジュール（６）を通流する排気ガスを案内するように前記入口開口部（１０）と前記出口開口部（１２）との間に設けられ、前記一次ライン（１４）および前記二次ライン（１６）は、分岐セクションによって前記一次ライン（１４）および前記二次ライン（１６）の上流端で、および合流チャンバ（２０）によって前記一次ライン（１４）および前記二次ライン（１６）の下流端で互いに関連し、前記一次ライン（１４）には、該一次ライン（１４）を通流する排気ガス流れを制御する制御装置（２２）が設けられ、
   前記加熱モジュール（６）は、前記合流チャンバ（２０）に少なくとも部分的に配置された酸化触媒（２８）を備えることを特徴とする加熱モジュール（６）。
2. 前記酸化触媒（２８）は、前記二次ライン（１６）の出口に配置されることを特徴とする請求項１に記載の加熱モジュール（６）。
3. 前記酸化触媒（２８）は、前記合流チャンバ（２０）の壁から離間して少なくとも部分的に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の加熱モジュール（６）。
4. 前記二次ライン（１６）の端部セクションが、前記合流チャンバ（２０）に少なくとも部分的に配置されることを特徴とする請求項１～３の少なくとも１つに記載の加熱モジュール（６）。
5. 前記二次ライン（１６）の端部セクションが、広げられた部分を有することを特徴とする請求項１～４の少なくとも１つに記載の加熱モジュール（６）。
6. 前記酸化触媒（２８）は、前記広げられた部分に差し込まれる、または押し込まれる、および／または前記広げられた部分に固定されることを特徴とする請求項５に記載の加熱モジュール（６）。
7. 前記合流チャンバ（２０）は、前記出口開口部（１２）を有した少なくとも部分的に煙突状の出口カバー（３８）を備えることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の加熱モジュール（６）。
8. 前記合流チャンバ（２０）は、前記一次ライン（１４）の一次流れ方向に対して傾斜して配置された奔流壁を有することを特徴とする請求項１～７のいずれかに記載の加熱モジュール（６）。
9. インジェクタ（３４）が、前記分岐セクション（１８）に取り付けられており、該分岐セクション（１８）のノズルによって前記分岐セクション（１８）および／または前記二次ライン（１６）に流体を噴射するように構成されていることを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載の加熱モジュール（６）。
10. 渦エレメント（４０）が、前記二次ライン（１６）を通流する排気ガス流れに渦成分を与えるために、前記分岐セクション（１８）に配置され、特に、前記渦エレメント（４０）は、前記ノズルを周囲方向に取り囲むことを特徴とする請求項１～９のいずれかに記載の加熱モジュール（６）。
11. 前記酸化触媒（２８）は、能動的に加熱されることができることを特徴とする請求項１～１０のいずれかに記載の加熱モジュール（６）。
12. 加熱エレメント（３１）が、前記二次ライン（１６）を通流する排気ガスを加熱するように設けられており、特に、前記加熱エレメント（３１）は、流れの方向において前記酸化触媒（２８）の前方に配置されることを特徴とする請求項１１に記載の加熱モジュール（６）。
13. 前記加熱エレメント（３１）は、前記酸化触媒（２８）と接触する、または前記酸化触媒（２８）に統合されることを特徴とする請求項１２に記載の加熱モジュール（６）。
14. 請求項１～１３の少なくとも１つに記載の加熱モジュールと、前記加熱モジュール（６）の下流に配置された排気ガス浄化装置（８）とを備えた排気ガスシステム（２）。
15. 内燃機関（４）の排気ガスシステム用の加熱モジュール（６）、特に、請求項１～１３のいずれかに記載の加熱モジュール（６）を作動する方法であって、
    排気ガス流れが、前記加熱モジュール（６）の入口開口部（１０）によって分岐セクション（１８）に案内され、
    前記排気ガス流れは、一次ライン（１４）において一次流れ（２４）として前記分岐セクション（１８）から案内され、および／または二次ライン（１６）において二次流れ（２６）として前記分岐セクション（１８）から案内され、
    前記二次流れ（２６）は、前記二次流れ（１６）に導かれる流体の触媒燃焼のための酸化触媒（２８）を通して少なくとも部分的に流れ、
    前記二次流れ（２６）および前記一次流れ（２４）は、前記排気ガス流れが出口開口部を介して前記加熱モジュール（６）を出る前に、合流チャンバ（１８）において結合され、
    前記酸化触媒（２８）は、前記合流チャンバ（１８）に少なくとも部分的に配置され、前記一次流れ（２４）が前記酸化触媒（２８）に流がれ、
    前記二次流れ（２６）の質量流量に対する前記一次流れ（２４）の質量流量の割合は、前記一次ライン（１４）に配置された制御装置（２２）によって設定されることを特徴とする方法。
16. 前記一次流れ（２４）の質量流量は、前記酸化触媒（２８）および／または前記加熱モジュールから出る前記排気ガス流れが第１目標温度に到達するまで最大化され、
    前記一次流れ（２４）の質量流量は、前記酸化触媒（２８）および／または前記加熱モジュール（６）から出る前記排気ガス流れが、前記第１目標温度よりも高い第２目標温度に到達するまで、または外部信号が受けられるまで減少される、もしくは最小化され、
    前記一次流れ（２４）の質量流量は、前記第２目標温度が所定の時間間隔の間、および／または前記加熱モジュールの作動データに基づいておよび／または外部データに基づいて決定された時間間隔の間維持された場合、または外部信号が受けられる場合に、再び増加される、もしくは最大化されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記一次流れ（２４）の質量流量は、前記酸化触媒および／または前記加熱モジュールから出る前記排気ガス流れが、前記第２目標温度よりも高い第３目標温度に到達する、もしくは前記第３目標温度を超えるまで、または外部信号が受けられるまで、通常の負荷作動において減少される、もしくは最小化されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記第３目標温度は、所定の時間間隔の間および／または前記加熱モジュールの作動データに基づいておよび／または外部データに基づいて決定された時間間隔の間維持されることを特徴とする請求項１６または１７に記載の方法。

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