JP4427029B2 - 排気システム - Google Patents

Description

この発明は、少なくとも１つの検知器を備える排気システムに関するものである。

多くの国々において自動車からの排ガスの排出は、とりわけ都市部で空気の質に関する問題となっている。このため、多くの国々では過去数年間において、自動車からの排ガス中の有害物質が超過してはならない限界値が定められるに至っている。これはとりわけ触媒の使用により有害物質を変換することで達成される。限界値は絶えず厳しくなる一方であり、その結果、有害物質の変換率を上昇させるために排ガス変換にさらに大きな手間をかける必要に迫られている。限界値を確実に守るために、排ガスについての特性値を検知器で決定することが一般的となっている。検知器としては、たとえばラムダセンサ、温度センサまたは窒素酸化物（ＮＯ_X）濃度センサなどが挙げられる。

排ガス変換の際には、少なくとも部分的に流体が貫流可能な空所を有するハニカム体を触媒担体として使用することが一般的である。一般に上記ハニカム体は、セラミック材料または金属膜から製造される。金属ハニカム体については、とりわけ２つの典型的な設計が区別される。ＤＥ２９０２７７９Ａ１で典型例が示される初期の設計は、実質的に、平坦な板金層と波状の板金層とを重ね合わせて螺旋状に巻いてなる螺旋設計である。もう１つの設計においては、ハニカム体は、交替して配置された平坦および波状または異なった波状の多数の板金層から構成されており、これら板金層はまず１つまたは複数の積層体を形成し、これらが互いに絡み合わせられる。この設計においては、板金層すべての端部は外側に位置してハウジングまたは被筒と接続可能であり、これによって多数の接続部が生じて当該ハニカム体の耐久性を向上させる。これらの設計の典型的な例がＥＰ０２４５７３７Ｂ１またはＷＯ９０／０３２２０に記載されている。また、流れを制御し、かつ／または個々の流路間でクロスミキシングを達成するために、板金層に追加の構造体を備え付けることが以前から公知である。このような形態についての典型例として、ＷＯ９１／０１１７８、ＷＯ９１／０１８０７およびＷＯ９０／０８２４９がある。さらにまた、円錐状の設計によるハニカム体も存在し、これもまた場合により流れ制御のためのさらなる追加の構造体を備える。このようなハニカム体は、たとえばＷＯ９７／４９９０５に記載されている。これに加え、ハニカム体の中にセンサのための空間、特にラムダセンサを収容するための空間をあけることが公知である。その一例がＤＥ８８１６１５４Ｕ１に記載されている。

多重線路排気装置（排気装置内の少なくとも一部の領域において少なくとも２つの分離された系統内を排ガスが導かれる排気装置）においては、上記排ガス線路の各々の中に上記のようなハニカム体を形成しなければならないか、または複数の流れ領域を有するハニカム体を用意して、個々の各流れ領域が１本の排ガス線路と接続するように排気システム内に装入することになる。この関連で、特にＤＥ１９７５５１２６Ａ１から、内部に設けた管で分離された２つの互いに同心円状の流れ領域を有するハニカム体を形成することが公知となっている。ＥＰ０８３５３６６Ｂ１においては、内部に設けた管で表わされるような追加的な構造上の措置によって各流れ領域同士を分離するのではなく、隔壁がハニカム体の正面側表面（Stirnseite）と協働して流路の空所の壁部と密封部を形成することによって各流れ領域同士の分離を実現することが提案されている。

また、ＯＢＤ２構想（On Board Diagnosis：車載自己診断２）の関連で限界値が厳しくなっていることに伴い、排ガス変換の前後、特にハニカム体の前後における排ガスの特性値を決定することが特に必要となると考えられる。このことは、たとえば２線路排気システムといった多重線路排気システムにおいて特に手間の増加を意味する。というのも、この場合２つだけではなく多数の検知器を使用しなければならず、構造上の複雑さの増加と並んで特に生産および整備コストの増大に至るからである。これに加え、システム内の欠陥の生じる可能性は、検知器の個数とともに上昇する。

上記の事情に鑑み、この発明の課題は、可能な限り小さな構造上の複雑さで、複数の排ガス線路における排ガスについての少なくとも１つの特性値の監視が可能な排気システムを提案することである。

これらの課題は、請求項１に記載の特徴を有する排気システムによって解決される。さらなる有利な形態が各従属請求項の対象である。

この発明に従う排気システムは、少なくとも２つの実質的に互いに分離された排ガス線路と、排ガスについての少なくとも１つの特性値を測定するための少なくとも１つの検知器とを備え、少なくとも１つの検知器が少なくとも２つの排ガス線路と接触可能となっている。さらに、上記排気システムでは、第１の正面側表面と、第２の正面側表面と、正面側表面間に延び少なくとも部分的に流体が貫流可能な空所とを有する少なくとも１つのハニカム体が、少なくとも２つの排ガス線路内に形成される。ハニカム体は、少なくとも２つのほぼ気密に互いに対して隔離された流れ領域を有し、少なくとも１つの第１の流れ領域が第１の排ガス線路と接続されるとともに第２の流れ領域が第２の排ガス線路と接続され、排ガス線路同士が第１の分離手段によって分離されるとともに流れ領域同士が第２の分離手段によって分離される。検知器のための少なくとも１つの開口が第２の分離手段の領域に形成されて、第１の流れ領域内を流れる排ガスおよび第２の流れ領域内を流れる排ガスの両方が、開口内に装入された検知器と接触する。

この発明の排気システムには、１つの検知器を使用して、２つまたはそれ以上の排ガス線路における特性値を決定することが可能であるという利点がある。多重線路排気システムにおいては、或る特定の時点においてその都度１つの排ガス線路が動作中となる、すなわち排ガスを送り込まれる。したがって、２つ以上の排ガス線路に排ガスが流れ込む時点は実質的に存在しない。この事実より、複数の排ガス線路と接続可能な検知器の測定値を時間的に算出することに基づき、検知器によって与えられた測定データをそれぞれの排ガス線路に正確に関連付けることが可能である。これは容易に可能である。というのも、一方では、どの時点においてどの排ガス線路に排ガスが送り込まれるのかはわかっており、他方では、排ガスが内燃機関から測定点（検知器がデータを入手する箇所）に至るまで必要とする所要時間がどれだけなのかは決定可能だからである。したがって、センサについて十分良好に時間的算出することによって、検知器の測定データを或る排ガス線路に関連付けることが可能である。こうして、１測定点にあるただ１つの検知器によって、複数の排ガス線路における特性値、たとえば排ガスの相対的な酸素含有量、ＮＯ_X含有量、炭化水素（ＨＣ）含有量または温度が決定可能となるので、さらなる検知器の形成にかかるコストを費さなくてもよい。これに加え、排気システムの製造は簡単になるが、それは、システムの密封性などの観点から欠陥の原因ともなり得る検知器受入部の形成されなければならない数が少なくなるからである。さらに、信頼性については、システムの密封性の観点からだけでなく、形成しなければならない検知器の数が少なくなったことで、検知器で入手されるデータ量が同じである場合に検知器の故障の危険性が合計で減少することによっても向上する。

さらに、上記排気システムにより、排気システム内の排ガス中の有害物質を、異なる流れ領域を有するただ１つのハニカム体において触媒変換可能であるという利点が得られる。これを行なうために、たとえば、上記ハニカム体全体を軸方向に貫いて上記流れ領域間の分離を確保する追加の構成要素としての第２の分離手段が形成される。たとえば、上記第２の分離手段が円筒形の中間管となる、同心円状の流れ領域を形成してもよい。もう１つの例としては、側部同士が壁部で境界付けられた２つの半円筒形の半殻からなるハニカム体が形成される。また、追加的な構造上の措置なしに流れ領域同士を分離することも可能であり、これはたとえば、ラビリンスシールの形態でハニカム体と好適な継ぎ手段が協働することによってなされる。

さらに、或る種のラビリンスシールが形成されることが対応の継ぎ手段によって確実にされる場合には、上記第２の分離手段を空所の壁部自体から構成することも可能である。これはたとえば、ハニカム体の正面側表面にスリットを形成して対応の継ぎ手段と協働させることによって確実にできる。

本排気システムについての１つの有利な形態に従うと、少なくとも１つの検知器が上記第１の分離手段の中に、好ましくは上記少なくとも１つのハニカム体の正面側表面近くに形成される。

上記第１の分離手段は、たとえば、検知器が中に装入され、上記２つまたはそれ以上の排ガス線路を分離する、共通の壁部とすることができる。複数の排ガス線路についてただ１つのハニカム体が形成される場合、上記少なくとも１つの検知器をハニカム体の正面側表面近くに形成することが有利である。というのもここであれば、複数の排ガス線路からの排ガスが上記検知器と接触可能となることが、大きな構造上の複雑さなしに確実にできるからである。

この発明に従う排気システムについての別の有利な形態に従うと、少なくとも１つの検知器が上記第２の分離手段の中に、好ましくは上記少なくとも１つのハニカム体の正面側表面近くに形成される。

少なくとも１つの検知器を第２の分離手段内に形成することは、こうすれば上記検知器が複数の排ガス線路内の排ガスと容易に接触可能となることから有利である。ハニカム体の正面側表面近くでの形成は、実質的に触媒変換の前および／または後における排ガスの特性値を決定するために利用され得ることから有利である。

本排気システムについての別の有利な形態に従うと、上記少なくとも１つの検知器は、上記ハニカム体の正面側表面から指定可能な最小間隔をあけて形成される。

特に、決定されるべき特性値が、排ガス中のハニカム体に吸蔵させるべき成分たとえば窒素酸化物（ＮＯ_X）の濃度を表わすものである場合には、上記少なくとも１つの検知器と、ハニカム体の正面側表面特にガス流出側の正面側表面との間に指定可能な最小間隔を設けることが有利である。このように、最小間隔を適当に選択することによって、上記検知器が排ガス成分についての指定可能な最小濃度を検出する場合でも、吸蔵材として働くハニカム体の中をこれら成分が通り抜けてしまうことを確実になくすことができる。

この発明に従う排気システムについての別の有利な形態に従うと、少なくとも１つの検
知器はラムダセンサである。

この発明に従う排気システムについての別の有利な形態に従うと、少なくとも１つの検知器は窒素酸化物（ＮＯ_X）濃度センサである。

この発明に従う排気システムについての別の有利な形態に従うと、少なくとも１つの検知器は温度センサである。

また、上述の各種の検知器を組合せることも可能であり、たとえば第１の検知器がラムダセンサとして、そして第２の検知器が温度センサとして形成されるようにしてもよい。また、たとえばラムダセンサとして動作すると同時にＮＯ_X濃度および／または温度を決定する組合せ検知器を形成することも可能であり、かつこの発明に従うものである。また、排ガスの特性値を決定するものであれば、その他どのような検知器を形成することも可能であり、かつこの発明に従うものである。

この発明に従う排気システムについての別の有利な形態に従うと、第１の検知器が、流れ方向において上記少なくとも１つのハニカム体より前方で上記第１の分離手段の中に形成されるか、または上記第２の分離手段の中で上記第１の正面側表面から第１の間隔をあけて形成され、かつ第２の検知器が、流れ方向において上記少なくとも１つのハニカム体より後方で上記第１の分離手段の中に形成されるか、または、上記第２の分離手段の中で上記第２の正面側表面から第２の間隔をあけて形成される。

この発明に従う排気システムについての別の有利な形態に従うと、上記少なくとも１つの検知器は、ラムダ（λ）センサ、窒素酸化物（ＮＯX）濃度センサおよび／または温度センサである

特に、λセンサ、ＮＯ_X濃度センサおよび／または温度センサを組合せたものである１つ以上の検知器を形成することが有利である。好ましくは、検知器はガス流入側近くおよびガス流出側近くで対応の開口内に形成される。

この発明に従う排気システムについて記載した各利点はいずれも、この発明に従うハニカム体およびこの発明に従う方法にも同様に適用可能であり、その逆もまた当てはまる。

以下、図面を用いて、この発明についてのその他の利点および特に好ましい実施の形態について説明する。ただし、この発明はこれに限定されない。

図１は、この発明に従うハニカム体１の正面図を示す。ハニカム体１は、被筒３内に固定されたハニカム構造部２から構成される。ハニカム構造部２は、図２に詳細に示すように、排ガスが貫流可能な流路６を形成する実質的に平坦な板金層４および構造化された板金層５から構成される。図１では、わかりやすくするために構造化された板金層５は図示していない。

ハニカム構造部２は、ここに記載の実施例においては、平坦な板金層４と構造化された板金層５とを交替に積み重ねてから、この積層体２つを同等の様態で捻ることによって形成される。しかしながら、金属製またはセラミック製のハニカム体１についてその他どのような設計も可能であり、かつこの発明に従うものである。

ハニカム体１の第１の正面側表面７には、２つの排ガス線路１０，１１を互いに分離する第１の分離手段９の第１の部材８が付設される。排ガス線路１０，１１の各々の中で、内燃機関の特定のシリンダからの排ガスが導かれる。この実施例では、第１の部材８は、正面側表面７に隣接する板金として実施されている。ハニカム体１は、１つの排気システムについての異なる排ガス線路１０，１１の一部である第１の流れ領域１２と第２の流れ領域１３とに分かれる。これら２つの流れ領域１２，１３は第２の分離手段１４によって分離される。第２の分離手段１４は、ここに記載の実施例においては、平坦な板金層４および構造化された板金層５で形成された流路６の壁部のうちの、第１の分離手段９の第１の部材８の背後に位置するものによって形成される。第１の部材８は、対応の流路６の壁部と一貫して一致していないため、第１の流れ領域１２と第２の流れ領域１３との間にはわずかに密封されない部分が生じ得るが、これは特に大きな問題ではない。というのも、２つの流れ領域１２，１３において排ガスの変換が行なわれるため、変換されていない排ガスの損失、すなわち望ましくない有害物質の排出は起こらないからである。密封性を向上させるために、第１の正面側表面７にスリットを設けて、これに係合する第１の分離手段９の第１の部材８と協働させて或る種のラビリンスシールとなるようにしてもよい。

図３からわかるように、第１の分離手段９の第１の部材８の内部には、軸方向においてハニカム体１の第１の正面側表面７より前方、したがってハニカム体１の上流に位置する
第１の検知器１５が形成される。したがって、第１の検知器１５は、第１の排ガス線路１０内を流れる排ガスおよび第２の排ガス線路１１内を流れる排ガスの両方と接触することになるため、ハニカム体１内の触媒変換前に複数の排ガス線路１０，１１内でただ１つの検知器１５によって排ガスの特性値を決定することができる。

検知器１５により与えられた測定データを排ガス線路１０，１１に関連付ける作業は、たとえば、どの時点においてどの排ガス線路１０，１１に排ガスが送り込まれるのかがわかっていることによってなされる。さらに、内燃機関の動作データから、排ガスがそれぞれの排ガス線路１０，１１内をどれほどの平均流速で流れるのかが決定可能である。しかし、排ガス線路１０，１１の長さおよび形状はわかっているので、第１の検知器１５がデータを入手する時点を、第１の検知器１５がデータを入手する測定点までの排ガスの所要時間に相関させることは容易に可能であり、このようにしてまた、或る特定の時点において第１の検知器１５からのデータを排ガス線路１０，１１のいずれに関連付け得るかもわかる。

さらに、図３によると、少なくとも１つの第２の検知器１６が形成される。第２の検出器１６は、ここに記載の例では、第２の分離手段１４の内部に形成されている。第２の分離手段１４は点線で表わしてあるが、これはここに記載の実施例において第２の分離手段が特別の追加の構成要素からなるのではなく、第１の分離手段９の第１の部材８の背後あるいは第１の部材８同士の間に位置する流路６の壁部からなることを示すためのものである。しかしながら、第２の分離手段１４を追加の構成要素として形成する、たとえば隔壁として、または流れ領域１２，１３を同心円状に構成する場合には分離管として形成することも同様に可能であり、かつこの発明に従うものである。なお、これに関連して、第２の分離手段を同心円状にした場合には、上記少なくとも１つの検知器１５，１６の断面もまた環状となる。

第２の検知器１６もまた、第１の排ガス線路１０の一部である第１の流れ領域１２に由来するデータと、第２の排ガス線路１１の一部である第２の流れ領域１３に由来するデータとの両方を入手することが可能である。第２の検知器１６からのデータを排ガス線路１０，１１に関連付ける作業は、先に第１の検知器１５について述べた作業と同様に行なうことができるが、２つの検知器１５，１６からのデータを排ガス線路１０，１１に関連付ける際には、その他の構成要素たとえば流れセンサなども参照するようにしてもよい。

この実施例においては、第１の検知器１５が第１の分離手段９内に形成され、第２の検知器１６が第２の分離手段１４内に形成される。しかし、両方の検知器１５，１６を第１の分離手段９または第２の分離手段１４内に形成したり、または第１の検知器１５を第２の分離手段１４内に形成して第２の検知器１６を第１の分離手段９内に形成することも同様に可能であり、かつこの発明に従うものである。検知器１５，１６を第１の分離手段９内に形成する場合、これが第１の部材８の中に形成されるのか、または排ガス線路１０，１１間の隔壁１７の中に形成されるのかは重大な問題ではない。

検知器１５，１６としては、たとえばラムダ（λ）センサ、温度センサおよび／または窒素酸化物（ＮＯ_X）濃度センサを用いることができる。また、検知器１５，１６の各々は、上記および／またはその他のセンサを組合せたものとしてもよい。

用途によっては、ハニカム体１を、排ガス中の１種または複数種の成分のための吸蔵材、たとえば再生可能ＮＯ_X吸蔵材として形成することが必要な場合もある。特にその場合には、第２の検知器１６を、ガス流出側の第２の正面側表面１９から指定可能な最小間隔１８をあけて形成することが有利であると考えられる。その場合、第２の検知器１６において最小濃度を超過すると、ＮＯ_Xがまだハニカム体１の第２の正面側表面１９を通って
流出していなくてもＮＯ_X吸蔵材の再生ステップを開始させることができる。

この発明に従う排気システムは、２つまたはそれ以上の異なる排ガス線路１０，１１における排ガスについての少なくとも１つの特性値を決定するための少なくとも１つの検知器１５，１６を備えているため、排ガス線路１０，１１の各々の中に検知器１５，１６を形成するのに比較して、複数の排ガス線路１０，１１において少なくとも１つの特性値を監視するための構造上の複雑さを大きく減少させることができる。

この発明に従うハニカム体の正面図である。 ハニカム体の部分図である。 この発明に従う排気システムの概略的な断面図である。

符号の説明

１ ハニカム体、２ ハニカム構造部、３ 被筒、４ 実質的に平坦な板金層、５ 構造化された板金層、６ 流路、７ 第１の正面側表面、８ 第１の分離手段の第１の部材、９ 第１の分離手段、１０ 第１の排ガス線路、１１ 第２の排ガス線路、１２ 第１の流れ領域、１３ 第２の流れ領域、１４ 第２の分離手段、１５ 第１の検知器、１６
第２の検知器、１７ 隔壁、１８ 最小間隔、１９ 第２の正面側表面。

Claims (5)

1. 少なくとも２つの実質的に互いに分離された排ガス線路（１０，１１）と、排ガスについての少なくとも１つの特性値を測定するための少なくとも１つの検知器（１５，１６）とを備える排気システムにおいて、
   少なくとも１つの検知器（１５）が少なくとも２つの排ガス線路（１０，１１）と接触可能であり、
   第１の正面側表面（７）と、第２の正面側表面（１９）と、前記正面側表面間に延び少なくとも部分的に流体が貫流可能な空所（６）とを有する少なくとも１つのハニカム体（１）が、前記少なくとも２つの排ガス線路（１０，１１）内に形成され、
   前記ハニカム体は、少なくとも２つのほぼ気密に互いに対して隔離された流れ領域（１２，１３）を有し、少なくとも１つの第１の流れ領域（１２）が第１の排ガス線路（１０）と接続されるとともに第２の流れ領域（１３）が第２の排ガス線路（１１）と接続され、前記排ガス線路（１０，１１）同士が第１の分離手段（９）によって分離されるとともに前記流れ領域（１２，１３）同士が第２の分離手段（１４）によって分離され、
   検知器（１５，１６）のための少なくとも１つの開口が前記第２の分離手段（１４）の領域に形成されて、前記第１の流れ領域（１２）内を流れる排ガスおよび前記第２の流れ領域（１３）内を流れる排ガスの両方が、前記開口内に装入された検知器（１５，１６）と接触し、
   前記少なくとも１つの検知器（１５，１６）は、流れ方向において前記少なくとも１つのハニカム体（１）より上流側で前記第１の分離手段（９）の中に形成されるか、または流れ方向において前記少なくとも１つのハニカム体（１）より下流側で前記第１の分離手段（９）の中に形成され、少なくとも１つの検知器（１６）が前記第２の分離手段（１４）の中に形成される、排気システム。
2. 前記少なくとも１つの検知器（１６）が、前記ハニカム体の前記第２の正面側表面（１９）から指定可能な最小間隔（１８）をあけて形成されることを特徴とする、請求項２に
   記載の排気システム。
3. 少なくとも１つの検知器（１５，１６）がラムダセンサであることを特徴とする、請求項１または２に記載の排気システム。
4. 少なくとも１つの検知器（１５，１６）が窒素酸化物（ＮＯ_X）濃度センサであることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の排気システム。
5. 少なくとも１つの検知器（１５，１６）が温度センサであることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の排気システム。

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