JP4227216B2 - 内燃機関を有する自動車のための補助ヒータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関を有する自動車のための冷間始動または車内の暖房に使用される補助ヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料消費を減少させるために、内燃機関の効率は常に改良される。その結果として、通常車の内部を暖房するために使用されるエンジンの廃熱効率は減少する。このことは特にディーゼル自動車及び電気エンジン及び内燃機関の組合せを有するハイブリッド自動車の場合、廃熱効率自体が持続運転でもはや車の内部の暖房のためには不十分であるという自体を生じる。
【０００３】
冷間始動期あるいはまた部分負荷運転中に補助ヒータとして働くいわゆるスタンドヒータ（Standheizung）が公知である。この場合、熱発生は燃料の燃焼によるフレームバーナにより行われる。この場合の欠点は、高い燃料消費並びに燃焼の際の窒素酸化物の形成である。従って、このようなスタンドヒータの使用は、改良されたエンジン効率の努力を無駄にする。更に、法的排気ガス限界値の維持における問題を生じる。
【０００４】
この限界値を維持するために、最近の自動車は触媒排気ガス浄化装置を装備している。該装置は、自動車の排気管の一部を形成するいわゆるコンバータケーシングからなる。該コンバータケーシング内に、少なくともモノシリックブロックからなり、該ブロックを排気ガスのための平行な流路が貫通している排気ガス浄化触媒が配置されている。このいわゆるハネカム体の流路の壁には、内燃機関の排気ガス中に含有される有害物質の一酸化炭素、未燃焼炭化水素及び窒素酸化物を高い効率で二酸化炭素、水及び窒素に転化する触媒活性被覆が施されている。
【０００５】
触媒での有害物質転化の際には、一酸化炭素及び未燃焼炭化水素の酸化により燃焼熱が放出され、該熱が触媒及び排気ガスを付加的に加熱する。排気ガス中の高い有害物質割合では、付加的発熱が触媒を破壊することがある。
【０００６】
ドイツ国特許出願公開第３９２０１５９（Ａ１）号明細書には、熱交換器を有する触媒による自動車のヒータが記載されている。この場合、反応混合物の触媒反応の際に発生するエネルギを暖房目的のために使用する。触媒は、この目的のために熱交換器として構成されているか又は該熱交換器の前に接続されいる。運転開始前に、触媒は電気的加熱より反応のために必要な温度に加熱され、それにより有害物質排出は最少化されかつ同時に極めて急速に熱が暖房目的のために利用される。触媒の前方での燃料の噴射及び燃焼空気の供給により、該触媒を触媒バーナとして利用することができ、それによりスタンドヒータとしての使用も可能である。
【０００７】
この解決手段における欠点は、極めて大きな技術的費用である。該解決手段は、触媒の電気的加熱を必要とする。触媒が組み入れられた熱交換器を装備している場合には、その熱的質量は極めて大きくなる。このことは相応して加熱速度及びそのために必要な電気エネルギに不利に作用する。熱交換器に基づく冷却により、必要な反応温度が達成されず、ひいては有害物質の完全な反応が不可能であるという危険が生じる。その代わりに熱交換器を触媒の後方に配置すると、触媒が燃料の過剰配量の際に高い発熱に基づき熱的に破壊されるという危険が生じる。
【０００８】
ドイツ国特許出願公開第４３４０４６３（Ａ１）号明細書は、同様に自動車の暖房のために排気ガス装置を利用することを開示している。この場合には、排気ガス浄化触媒の前方に、熱い排気ガスを発生しかつ触媒の作動準備を加熱により保証するフレームバーナが配置されている。自動車の暖房のためにバーナを利用するために、排気ガス流からエネルギを取り出すための熱交換器がバーナと触媒との間に配置されている。触媒の下流にも、熱交換器を設けることができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、触媒バーナとしての排気ガス浄化触媒の利用を可能にしかつその際同時に触媒の熱的破壊を大きな制御費用を必要とせずに確実に回避することができる、内燃機関を有する自動車のための冷間始動または車内の暖房に使用される補助ヒータを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、自動車の内燃機関の排気ガス導管に据え付けられた、排気ガス浄化触媒を有するコンバータケーシングと、触媒の前方及び／又は後方でコンバータケーシング内に組み入れられた熱交換器と、触媒の前方で排気ガス導管内に組み入れられた、混合気（燃料／空気混合物）を噴射するための装置とを有し、その際排気ガス浄化触媒をその排気ガス流入面から流出面に達するまで多数の排気ガスの流路が貫通している形式の内燃機関を有する自動車用の冷間始動または車内の暖房に使用される補助ヒータにより解決される。該補助ヒータは、触媒が少なくとも１つの輻射活性面を有し、かつ単数又は複数の熱交換器が、触媒の輻射活性面で自由輻射交換しかつまた排気ガスと熱交換することができる交換面を有し、かつ、触媒の輻射活性面積と触媒の断熱された面積との比が０．５〜５０、有利には２〜１０であること特徴とする。モノシリック排気ガス浄化触媒を使用するのが有利である。
【００１１】
本明細書において「輻射活性面」とは、熱輻射が保持装置又は絶縁マットにより妨害されない、モノシリック触媒の表面の面部分を意味する。これは一般に排気ガスのための流入及び流出面である。
【００１２】
モノシリック触媒は、種々異なった形状を有することができる。従って、位置表示「触媒の後方」並びに「触媒の前方」とは、常に排気ガスの流動方向を基準としていると解されるべきである。
【００１３】
自動車の冷間始動または車内の暖房に使用される補助ヒータのために、本発明によれば、エンジン排気ガスの余熱並びに有害物質転化の際に触媒から放出される反応熱を利用する。この目的のために、あらゆる新型自動車において存在する排気ガス浄化コンバータが、排気ガスから熱を取り出しかつ該熱を熱媒体に伝達する単数又は複数の間接的熱交換器と組み合わされている。この場合、熱媒体とは、例えば、この形式で暖房される車の内部の新鮮な空気であってもよい。冷却水循環路を有する自動車の場合には、冷間始動または車内の暖房に使用される補助ヒータの熱交換器を冷却水循環路内に組み入れるのが有利である。
【００１４】
触媒の前方に、混合気を排気ガス導管内に噴射するための装置が配設されている。噴射は、排気ガス熱及び触媒から放出される熱が自動車の暖房のために必要な熱量を提供するためにもはや不十分である際に行われる。この場合、付加的に噴射された混合気は触媒で接触的に燃焼される。
【００１５】
触媒バーナとして作動する際の起こり得る触媒の熱的障害の問題は、本発明によれば、触媒の輻射活性面の少なくとも１つが熱交換器との自由輻射交換を行うことができ、ひいては付加的な制御手段を必要とせずに熱的過負荷からの触媒の固有の確実な保護を保証する触媒の輻射冷却装置が提供されることにより解決される。
【００１６】
従って、本発明によれば、触媒の温度は輻射冷却装置により触媒のために無害な最大値に制限される。輻射冷却の場合には、輻射活性面から熱交換器の利用面に伝達される効率ΔＰは、両面からの輻射を考慮して：
ΔＰ＝σ（ε_ａＡ_ａＴ_ａ ⁴−ε_ｗＡ_ｗＴ_ｗ ⁴）
から与えられる。この場合、σ＝５．６７・１０^-8Ｗｍ^-2Ｋ^-4はステファン・ボルツマン定数である。εは吸収度、Ａは面積及びＴは輻射面の絶対温度を表す。指数ａは触媒の輻射活性面積及び指数ｗは熱交換器の交換面積を表す。
【００１７】
従って、ΔＰは熱媒体の温度Ｔ_ｗを一定に保てばほぼ触媒の輻射活性面の温度Ｔ_ａの４乗で上昇する。従って、高温では低温におけるよりも著しく大量の熱が伝達される。輻射冷却装置は触媒を特に、該触媒を加熱効率を高めるために触媒バーナとして使用する際に保護する。
【００１８】
輻射冷却が触媒を効果的に熱分解から保護することができるように、該触媒はその残余の面積（輻射しないもしくは断熱された面積）に比して可能な限り大きな輻射活性面積Ａ_ａを有するべきである。触媒の輻射活性面積は一般にその排気ガスのための流入面及び流出面にな得るので、このことはモノリシック触媒の形に無関係に、流入面と流出面との間隔がモノリシック触媒の横方向の拡がりに比して比較的に小さいべきであることを意味する。輻射冷却のための良好な前提条件は、触媒の輻射活性面積と触媒の断熱された面積との比が０．５〜１００、有利には２〜１０である場合に与えられる。ネット状触媒を使用する場合には、１００の値を明らかに上回ることができる。
【００１９】
円筒体軸線に対して平行に配向されている流路を有する円筒体の形の触媒成形体の具体的な場合には、両者の端面が輻射活性面を形成する。このような触媒成形体の周面はコンバータ内で断熱マットにより、これらの面からの効果的熱輻射が極く制限されてのみ可能であるように保持されている。このような触媒のためには、０．５の面積比（端面の周面に対する）は、円筒体の長さがその直径に等しいことを意味する。それよりも小さい比のためには、端面を介する輻射冷却は一層無意味になる。従って、２を越える面積比を有する触媒体を使用するのが有利である。好ましい面積比は、上に向かっては輻射冷却の所望の強度により及び面積比が大きくなるに伴い悪くなる、触媒成形体の機械的安定性により制限される。該比が１０を越えれば、セラミック材料からなるディスク状触媒成形体の機械的安定性は別の補助手段を講じなければもはや保証されない。
【００２０】
触媒としては従来の技術から公知のあらゆる実施形が好適である。適当であるのは、不規則なかつ互いに連通された、流入面から流出面への排気ガスのための流路を有する、開放気孔状フィルタ構造、例えばフォーム、ネット又は繊維構造を有するモノリシック触媒、又は、交互に閉塞された流路を有するいわゆる壁流フィルタとして、更にまた両側で開放した流路を有するハネカム体として使用される平行な流路の形の排気ガスのための規則的に配置された流路を有する既に述べたハネカム状触媒である。
【００２１】
開放気孔状モノリシック触媒の輻射率（もしくは吸収度）及びまたハネカム体の平行に配向された流路の輻射率は、触媒被覆の輻射率よりも明らかに大きい。良好な輻射率は、ハネカム体においては殆ど壁材料とは無関係に、流路半径の流路長さの対する比が０．１よりも小さい場合に生じる（このことはほぼ方形の流路に対しても当てはまる）。
【００２２】
触媒を触媒バーナとして使用することにより、燃料消費量も増大する。しかしながら、フレームバーナを基礎とする通常の補助ヒータに比して、なお一層の燃料倹約が生じる。それというのも、必要な熱の一部のみを付加的燃料噴射により発生させる必要があるに過ぎないからである。残りの部分は、排気ガスの熱含量及び有害物質転化の際に放出される反応熱により提供される。
【００２３】
この場合、噴射された燃料は触媒で１３００℃以下の温度で接触的に燃焼せしめられるので、フレームバーナにおいて生じる窒素酸化物の形成が起こらない。従って、窒素酸化物放出は通常のスタンドヒータに比して明らかに減少しかつ十分に燃料内に結合された窒素成分によって決まる。
【００２４】
冷間始動または車内の暖房に使用される補助ヒータの有利な実施態様においては、混合気を噴射するための装置は点火装置を備えているので、該噴射装置は混合気の均一な燃焼を伴うフレームバーナとしても使用することができる。この作業形式は、冷間始動の際に触媒をその作業温度に加熱するために利用される。触媒の作業温度に達した後に、フレームを燃料供給の短時間中断により消す。その後、必要であれば、触媒に接触燃焼のために混合気を供給するために、燃料供給装置を再び開く。
【００２５】
車の内部の極めて急速な暖房に加えて、冷間始動または車内の暖房に使用される補助ヒータのこの実施態様は、触媒は冷間始動の際に極めて急速にその完全な作業能力に達するという利点を有する。それにより、なお不十分な触媒温度のために通常冷間始動中に観察される炭化水素放出は、著しく減少せしめられる。混合気を噴射するための装置を冷間始動中にフレームバーナとして使用することにより、この運転期中に付加的な窒素酸化物が形成されるが、該窒素酸化物は触媒が未だ作業温度に達していないために完全に転化することができない。しかしながら、この運転期は短時間に過ぎずかつこのようなバーナの放出は比較的少ないので、それによりコンバータによる有害物質転化の全体的収支は実質的に悪化されない。
【００２６】
エンジン停止状態での車の内部の暖房機能及び冷間始動放出を回避するために触媒予熱の手段を放棄すれば、触媒バーナを作動させるための始動装置は不必要である。その際には、該系は冷間始動または車内の暖房に使用される補助ヒータ及び熱い排気ガスからの熱出力結合のためのエレメントとしてのみ作業する。
【００２７】
触媒燃焼のためにエンジン燃料をコンバータ内に触媒の前方で配量するのが有利である。しかしながら、例えば天然ガス又は水素のような別の燃料を使用することもできる。水素の使用は、均一な燃焼は０℃未満の温度でのみ必要となるという利点を有する。０℃以上では、水素は既に触媒によって触媒燃焼させることができる。
【００２８】
冷間始動または車内の暖房に使用される補助ヒータを作動させるために、該ヒータは、別の部材、例えば温度センサ、空気及び燃料ポンプ並びに冷間始動または車内の暖房に使用される補助ヒータの種々の作動期の精確な時間的シーケンスを保証する電子制御部材を有する。しかしながら、これらの部材は補助ヒータを作動させるために必要であるが、本発明では重要ではない。最近の自動車においては、冷間始動または車内の暖房に使用される補助ヒータの制御装置を自動車の電子制御装置に組み入れることができる。
【００２９】
【実施例】
図１及び２は、本発明による冷間始動または車内の暖房に使用される補助ヒータの実施例を示す。
【００３０】
図１は、ディスクの形のモノリシック触媒を有する冷間始動または車内の暖房に使用される補助ヒータを示す。参照数字１は、排気ガス導管のための接続管片２及び３を有する排気ガス浄化コンバータを示す。４は排気ガスのための平行な流路を有する排気ガス浄化触媒を示す。５は触媒の流入端面及び５’は流出端面である。排気ガスの流動方向で触媒の後方に熱交換器７’が存在し、該熱交換器は排気ガスの残余熱及び触媒から放出される反応熱を車の内部の暖房のための熱媒体に伝達する。排気ガスから効果的熱を取り出すことができるように、熱交換器はその触媒に面した交換面に、排気ガスの流動方向に対して平行に配置されたリップ８’を有する。触媒の流出端面５’と、熱交換器の交換面とは、それらが互いに自由輻射交換を行うことができるように相互に配置されている。
【００３１】
混合気を噴射するために、コンバータは排気ガスの流動方向で触媒の前方にノズル１０を備えた装置９を有する。既に自動車の停止状態で又は冷間始動期に車の内部を暖房することができるように、前記装置は、混合気に点火することができる、図示されていない点火装置を装備している。この場合、混合気は開放フレームで燃焼しかつ触媒をその作業温度約３００〜５００℃に加熱する。触媒の作業温度に達した後に、フレームを消すことができる。その後、ノズル１０で排気ガス浄化コンバータ内に導入された混合気の接触燃焼による更なる熱発生が行われる。参照番号７は、触媒の前方でコンバータケーシング内に組み入れられかつコンバータ内に突入したリップ８を有する第２の熱交換器を示す。
【００３２】
容積１０００ｃｍ³及び厚さ２．５ｃｍを有する円形の触媒ディスクであると仮定すれば、両者の輻射活性端面の周面に対する比は６．３である。この場合には、該ディスクの直径は約２２．５ｃｍの大きさである。
【００３３】
例２
図２は、本発明による冷間始動または車内の暖房に使用される補助ヒータの別の実施例を示す。触媒４は、中空円筒体の形のフォームセラミック担体からなる。該触媒はコンバータケーシング１内に同心的に配置されている。排気ガスは接続管片２を介して内部から触媒に供給されかつ触媒を半径方向で外部に向かって貫流する。排気ガス流入面は中空円筒体の内周面１１であり、流出面は外周面１２により形成される。排気ガスが半径方向で中空円筒体を外部に向かって強制的に流動するように、触媒は端部がプレート１３により閉鎖されている。コンバータケーシングは、熱交換器１４を形成するために二重壁で構成されている。形成された中空室を、熱を導出するために熱媒体が貫流せしめられる。コンバータケーシングの内壁には長手方向リップ１５が、排気ガスから熱を取り出すために取り付けられている。触媒の輻射冷却は、触媒の外周面１２からコンバータケーシングの包囲する内壁面に向かって行われる。実施例１におけると同様に、９及び１０は排気ガス流に燃料を噴射するための装置を示す。
【００３４】
実施例１におけると同じ触媒容量、即ち内径５ｃｍ及び外径１０ｃｍで、該中空円筒体は長さ約１７ｃｍを有する。この場合触媒の厚さは実施例１と同様に２．５ｃｍである。その輻射活性外周面と残りの面積（２つの端面及び内周面）との比は、１．４である。この冷間始動または車内の暖房に使用される補助ヒータにおいても、熱交換は触媒の前方において可能である。これは適当な構造上の手段により中空円筒体内に配置されねばまらない。この場合には、中空円筒体の内周面も輻射活性面となる。中空円筒体は良好な安定性特性を有するので、触媒厚さを簡単なディスクに比して明らかに小さくすることができる。それにより１００までの面積比が容易に達成可能である。ネット状触媒を使用すると、明らかに１００を越える面積比が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による補助ヒータの第１実施例の断面図である。
【図２】本発明による補助ヒータの第２実施例の断面図である。
【符号の説明】
２，３ 接続管片、 ４ 排気ガス浄化触媒、 ５ 流入端面、 ５’ 流出端面、 ７’ 熱交換器、 ７ 第２の熱交換器、 ８，８’ リップ、 ９ 噴射装置、 １０ ノズル、 １１ 内周面、 １２ 外周面、 １４ 熱交換器、 １５ 長手方向リップ

Claims (3)

1. 自動車の排気ガス導管に据え付けられた、排気ガス浄化触媒を有するコンバータケーシングと、触媒の前方及び／又は後方でコンバータケーシング内に組み入れられた熱交換器と、触媒の前方で排気ガス導管内に組み入れられた、混合気を噴射するための装置とを有し、その際排気ガス浄化触媒をその排気ガス流入面から流出面に達するまで多数の排気ガスの流路が貫通している形式の内燃機関を有する自動車用の冷間始動または車内の暖房に使用される補助ヒータにおいて、触媒が少なくとも１つの輻射活性面を有し、かつ単数又は複数の熱交換器が、触媒の輻射活性面で自由輻射交換しかつまた排気ガスと熱交換することができる交換面を有し、かつ、触媒の輻射活性面積と触媒の断熱された面積との比が０．５〜１００であることを特徴とする、内燃機関を有する自動車のための冷間始動または車内の暖房に使用される補助ヒータ。
2. 混合気を噴射する装置が点火装置を有する、請求項１記載の補助ヒータ。
3. 熱交換器として排気ガス／水熱交換器及び／又は排気ガス／空気熱交換器を使用する、請求項１又は２記載の補助ヒータ。

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