JP6117176B2 - 排出ガス清浄化システムのための加熱モジュール - Google Patents

Description

本発明は、内燃エンジンの排気口に接続されている排出ガス清浄化システムのための加熱モジュールに関し、当該加熱モジュールは、排出ガス清浄化システムの排出ガス清浄化ユニットに熱エネルギーを供給するための、ＨＣインジェクタを有し、排出ガスの流れ方向においてＨＣインジェクタの下流に位置付けられている酸化触媒コンバータを有する触媒バーナーを備え、加熱モジュールは主区画と、触媒バーナーを備える二次区画と、二次区画を通じて流れる排出ガス質量流を制御するためのデバイスとを有する。

内燃エンジン、特に今日のディーゼルエンジンは、有害なまたは望ましくない排出物を低減するために排出ガスシステム内に接続されている制御ユニットを備える。そのような制御ユニットは、たとえば、酸化触媒コンバータ、粒子フィルタおよび／またはＳＣＲステージであることができる。粒子フィルタは、内燃エンジンによって放出されたスス粒子を収集するのに使用される。排出ガスに取り込まれたススは粒子フィルタの上流側表面上に蓄積する。連続したスス蓄積の過程の間に排出ガス逆圧が過剰に増大することを防止し、かつ／またはフィルタが目詰りする危険を防止するために、粒子フィルタのススの負荷が十分なレベルに達すると、再生過程が始動される。そのような再生過程において、フィルタ上に蓄積しているススが焼き取られる（酸化される）。そのようなスス酸化が完了した後、粒子フィルタは再生される。不燃性灰残渣のみが残る。スス酸化を行うために、ススは一定の温度になければならない。通例、この温度は約６００℃である。そのようなスス酸化が開始する温度は、たとえば、酸化温度が添加物、またはＮＯ_２を提供することによって低減されている場合には低下されることができる。ススがその酸化温度を下回る温度にある場合、このように再生を積極的に始動することができるようにするために、再生過程を始動するための熱エネルギーが供給される必要がある。排出ガスがより高い温度において放出されるように燃焼過程を変更することによって、エンジン内部の手段を使用して積極的再生が始動されることができる。しかしながら、いくつかの用途において、特にノンロードの分野においては、積極的再生を引き起こすためにエンジン後の手段が好ましい。多くの場合、排気物質制御のコンテキストにおいてエンジンベースの手段に影響を及ぼすことは不可能である。

独国実用新案第２０２００９００５２５１号明細書から、排気物質制御ユニットが既知であり、粒子フィルタの再生を積極的に引き起こす目的で、排出ガスシステムが主排出ガスシステムと二次排出ガスシステムとに分割されている。これらの２つの区画部分が加熱モジュールを形成する。二次システム内に触媒バーナーが接続されており、それによって、二次システムを通じて流れる部分排出ガス流が加熱され、続いて主システムを通じて流れる部分排出ガス流と混合され、それによって、このようにして、混合排出ガス質量流が明確により高い温度になる。排出ガスの温度の増大は、粒子フィルタの上流側に蓄積されたススを、再生過程を始動するのに十分な温度まで加熱する目的に使用される。二次システム内に配置される、上流炭化水素噴射を有する酸化触媒コンバータが、触媒バーナーとして使用される。二次システムを通じて流れる排出ガス質量流を制御するために、排出ガスフラップが設置されることができ、その断面積によって、主システム内の自由流れが可能になる。二次システム内に接続されている酸化触媒コンバータをその点火温度、すなわち、触媒表面上で所望の発熱ＨＣ変換が起こり始める温度まで加熱する目的で、電熱加熱素子が上記コンバータの上流に接続されている。後者の加熱素子は、この酸化触媒コンバータがその点火温度まで加熱される必要があるときに動作される。この特許文献は、このように炭化水素を、流れ方向において粒子フィルタのすぐ上流にある第２の酸化触媒コンバータに供給するために二次システム内に接続されている触媒バーナーが過噴霧されることができることをも記載しており、それによって、これらの炭化水素はこの第２の酸化触媒コンバータの触媒表面上で同じ発熱反応によって反応することができる。このように、この既知の放出制御装置においては排出ガスの２段階加熱が実行されることができる。第２の酸化触媒コンバータを流れ出る排出ガスはそのとき、粒子フィルタの上流側に蓄積されたススが十分に加熱され、それによってススが酸化するために必要とされる温度にある。

同様に、他の排気物質制御ユニット、たとえば、酸化触媒コンバータまたはＳＣＲステージの温度を、後により迅速にそれらの動作温度にするために増大させることが望ましい場合がある。

独国実用新案第２０２００９００５２５１号

本発明の課題は、さらに、冒頭に述べたタイプの加熱モジュールを、よりコンタクトな構造において設計されることができるように開発することである。

この課題は、本発明に従って、冒頭に述べたタイプの加熱モジュールによって解決され、加熱モジュールの吸気口領域内の主区画は、オーバーフロー開口を備えるオーバーフロー管区画を備え、そのオーバーフロー開口によって、主区画と二次区画との間に流路接続が確立される。

この加熱モジュールにおいて、二次区画への分岐、および、一実施形態例によれば、二次区画の主区画への開口も、各々オーバーフロー管区画によって形成される。そのようなオーバーフロー管区画は、オーバーフロー管区画を形成する管の中へと導かれるオーバーフロー開口を有する。それゆえ、排出ガス流の全体または部分が二次区画を通じて導かれるべきである場合、半径方向にある、二次区画に関する吸気口側に配置されるオーバーフロー管区画、すなわち加熱モジュールの吸気口の領域内に位置する管区画を介して、二次区画を通じて導かれるべき排出ガス流が主区画を出て、半径方向にある二次区画に入る。そのようなオーバーフロー管区画を使用した二次区画への吸気口の形成の設計によって、同じく排出ガスの主流方向に対して直角に配置される分岐を、二次区画の一部として形成することが可能である。二次区画の主区画への排気口側接続は同じように形成されることができる。追加の実施形態によれば、主区画および二次区画が、軸方向において、従って排出ガスの主流方向において混合チャンバに向かって開いていることが規定される。これらの設計において、触媒バーナーを有する二次区画の長手方向範囲は、実質的に酸化触媒コンバータの必要な長さに制限され得る。加えて、流れ方向において酸化触媒コンバータの上流に位置付けられている電熱加熱素子は触媒バーナーに関連付けられており、二次区画の長さは実際には、酸化触媒コンバータ、および当該触媒コンバータに対して上流に位置付けられている加熱素子の必要とされる長さに制限され得る。上述の設計は、主区画から直角に分岐している二次区画が、排出ガス流を主区画に平行に伸長する二次区画部分内へ導くために９０度の屈折を備えることを含む。問題になっている屈折は、一般に酸化触媒コンバータを有する二次区画部分の長手方向軸の領域内に位置し、それによって、ＨＣインジェクタを屈折の領域内に、特に、その噴霧円錐が酸化触媒コンバータに対して上流正面向きに方向づけられ、または、上記コンバータの上流に電熱加熱素子が位置付けられている場合には、噴霧円錐が当該加熱素子に対して方向づけられるように、配置することが可能である。結果として、ＨＣインジェクタの噴霧円錐を形成するために必要とされる流れ距離のために、加熱モジュールの長手方向範囲内に追加の設置スペースは必要とされない。噴霧円錐を形成するために、この設計において、この目的のために存在する屈折の深さが使用され、これはいずれの場合においても必要とされる。

加熱モジュールが、酸化触媒コンバータの上流に位置付けられている電熱加熱素子を備える設計を使用することは、当該素子がＨＣインジェクタを介して二次区画内に導入される燃料を、当該燃料が酸化触媒コンバータの触媒表面に供給される前に蒸発させるために使用されることができるために、特に有利である。結果として、そのような設計において、ＨＣインジェクタまたはそのインジェクタノズルと酸化触媒コンバータとに間に最小の流れ距離のみが必要となる。ここで、必要とされる流れ距離は、処理区画としてではなく、ほとんど大部分が噴霧円錐を形成する目的のために使用され、それによって、加熱素子の上流面の全体または概して全体が噴霧円錐の領域内に位置する。ここで、噴霧円錐は、一般に、好ましくは加熱素子の上流面のみに供給され、かつ流れ方向において上流に位置付けられる二次区画部分の壁区画には供給されず、またはほとんど補助的にのみ供給されるように調整される。

加熱モジュールの設計に応じて二次区画を包囲するか、または、外方に延在する二次区画によって取り囲まれる、オーバーフロー管区画を通じた吸気口側主区画分岐の設計は、好ましくはオーバーフロー管区画の外周の上に均一に分布するいくつかのオーバーフロー開口の形成を可能にする。オーバーフロー開口の設計およびそれらの配置は、好ましくは、二次区画において、二次区画に流れ込む排出ガス流が可能な限り均一に分散されるように選択されるべきである。その目的は、二次区画内に配置されている酸化触媒コンバータ、または存在する場合には上記コンバータの上流に位置付けられている電熱加熱素子を二次区画の断面積にわたって可能な最も均一な流れにさらすことである。原理上は、オーバーフロー開口がオーバーフロー管区画の被覆表面の一部分にわたってのみ、たとえば、１８０度にわたってのみ延在する設計を使用することも可能である。上述のオーバーフロー管区画の設計とは無関係に、オーバーフロー開口の断面積が全体としてオーバーフロー管区画の面積内の主区画の断面積よりもわずかに大きいことが有利であると考えられる。結果として、必要とされる挿入に起因して二次区画内に発生する排出ガス逆圧が低く維持されることができる。一実施形態例によれば、オーバーフロー管区画のオーバーフロー開口の総断面積がオーバーフロー管区画内の主区画の断面積の１．２〜１．５倍大きいことが規定される。これに関連して、２つの区画、すなわち、主区画および二次区画を通じた流れの挙動に対して過剰に不利な影響を及ばさないために、約１．３の断面積が特に有利な結果になることが分かっている。

記載のような、オーバーフロー管区画を介した二次区画の主区画への接続の設計は、主区画を通じて導かれる排出ガス流が加熱モジュールの主区画を通じて流れるときに、分岐において最小の、従って無視してよい排出ガス逆圧増大のみを受けるように、オーバーフロー管区画、および、従ってオーバーフロー開口の対応する寸法による分岐の設計を、特にそれらの数およびそれらの直径に関して可能にする。

オーバーフロー管区画は、外側または内側に加熱モジュールを設計に応じて、主区画を制限する。第１の設計において、二次区画を通じて導かれるべき排出ガスは、主区画から二次区画へと半径方向外側に導かれる。酸化触媒コンバータ、および任意選択的に上記コンバータの上流に位置付けられる加熱素子は、その場合、二次区画部分として主区画に平行に配置される管の中に位置付けられる。他の設計によれば、二次区画は、主区画の内部で、好ましくは後者の区画に対して同心配置において二次区画部分内に位置する。この設計における主区画から二次区画への移行は、内部に向かって半径方向に生じる。触媒バーナーを有する二次区画部分が外側の主区画を画定する管の内側に位置する設計において、二次区画内での触媒バーナーの動作中、二次区画を通じて流れる排出ガス流だけでなく、主区画を通じて流れる部分排出ガス流も、この後者の部分流が触媒バーナーを収容する二次区画部分の外部被覆面を通過して流れるために、加熱される。従って、さらなる熱損失を許容する必要はない。その上、二次区画を流れ出る排出ガス流と主区画を通じて流れる排出ガス流との間の、これら２つの部分流が混合するときの温度差はより低く、これによって、迅速な混合に対する有利な影響が生じ、結果として二次区画の排気口への接続部内を流れる総排出ガス流において温度の均一性が達成される。

二次区画を通じて導かれる排出ガス流の主流への戻りは、オーバーフロー開口を備える第２のオーバーフロー管区画を介した二次区画の吸気口における状況に類似して発生することができる。吸気口側のオーバーフロー管区画に関する上記の説明は、二次区画に関する排気口側に配置されるオーバーフロー管区画のそのような設計にも等しく適用される。二次区画を流れ出る排出ガス流の主区画への、またはこの後者の主区画を通じて流れる排出ガス流への導入は、非常に短い距離にわたってこの部位において混合される２つの部分排出ガス流の特に効率的な混合を保証する。これは、排気口側オーバーフロー管区画の後ろで、すでに非常に短い流れ距離が排出ガスによってカバーされた後、混合排出ガス流がその断面積に対して非常に均一な温度分布を有することを意味する。

好ましい実施形態例による、主区画と、酸化触媒コンバータを有し、好ましくは当該コンバータの上流に位置付けられる電熱加熱素子をも有する二次区画部分との間の流体連通は、触媒バーナーを有する二次区画部分が主区画と平行に延在する設計にあるオーバーフロー屈折チャンバによって実装される。上記チャンバは、各々の場合においてオーバーフロー管区画を有する主区画を備える。主区画からある距離をおいて、その挿入部を有する二次区画部分が、オーバーフロー屈折チャンバに接続される。オーバーフロー屈折チャンバは、二次区画の一部分を構成する。そのような実施形態は、上記部分の直径が主区画の直径よりも明確に大きい、その挿入部を有する二次区画部分の設計を可能にする。従って、対応して大きい直径を有する酸化触媒コンバータが、そのような二次区画部分内に接続される。ここで、酸化触媒コンバータの断面積が大きくなるほど、等しい体積においてその長手方向範囲に関して上記コンバータはより短く設計されることができることが理解される。これによって、加熱モジュールを、その構造を長手方向範囲において相応により短くなるように設計することが可能になるだけでなく、そのような手段によって逆圧および変換速度、従って、酸化触媒コンバータに対する温度応力も低減される。

原則として、達成される利点は、言及されているオーバーフロー管区画を除いて同じであり、各々の場合における入力側および出力側の二次区画が主区画から半径方向に伸長する屈折チャンバを有する加熱モジュールにおいて、加熱モジュールの主区画に平行な屈折チャンバの間に、酸化触媒コンバータを有する二次区画部分が位置する。それゆえ、そのような設計は本発明の基礎である課題の追加の解決策を構成する。

酸化触媒コンバータおよび好ましくは下流の電熱加熱素子を有する二次区画部分と主区画との間の上述の屈折チャンバによる流体接続の形成の設計は、上記チャンバの金属板成形部品としての一実施形態を可能にし、一般的に、深絞りによって形成される２つのそのような金属板部品が組み立てられて屈折チャンバが形成される。この設計は、少なくとも製造前段階に関して吸気口側屈折チャンバと排気口側屈折チャンバとに同一の部品を使用することを可能にする。事実、屈折チャンバ部品は、たとえば、センサ、またはたとえば、ＨＣインジェクタの接続のためにこの製造段階の後に生成される開口に関しては互いから異なっていることができる。原則として、外部屈折チャンバ部品は同一であることもできる。一般的にＨＣインジェクタを接続するための接続手段が提供されるのは、外部屈折チャンバ部品が吸気口側に位置する場合のみである。一実施形態例によれば、この屈折チャンバ部品は、ＨＣインジェクタが取り付けられる、首部が外側に丸まっているインジェクタ開口を有する。この屈折チャンバ部品は、他の屈折チャンバの外部屈折チャンバ部品と比較して同一の部品として製造されることができ、ＨＣインジェクタ開口は、最初は同一の部品として生成されるこの屈折チャンバ部品において追加の工程段階によって生成される。

本発明の追加の利点および有利な実施形態を、添付の図面を参照する実施形態例の以下の説明において得ることができる。

熱エネルギーを、内燃エンジンの排気口に接続されている排出ガス清浄化システムの排出ガス区画に供給するための第１の実施形態例による加熱モジュールの内部立面図である。 図１の加熱モジュールの第１の正面図（左から見た側面図）である。 図２の側面図の反対に位置する、図１の加熱モジュールの側面の追加の正面図（右から見た側面図）である。 加熱モジュールの動作中の、流れの矢印が図面内に含まれている図１のものと対応する図である。 熱エネルギーを、内燃エンジンの排気口に接続されている排出ガス清浄化システムの排出ガス区画に供給するための追加の実施形態例による加熱モジュールの内部斜視図である。 加熱モジュールの動作中の、図面内に流れの矢印が含まれている図５の加熱モジュールの内部立面図である。 排出ガスフラップの配置領域における図５および図６の加熱モジュールの断面図である。 排出ガスフラップの配置領域における記載の加熱モジュールの長手方向断面の詳細図である。

本発明の第１の実施形態例の加熱モジュール１は、排出ガス清浄化システムのさらに詳細には示されていない排出ガス区画内に接続されている。排出ガス清浄化システムは同様に、内燃エンジンとしてのディーゼルエンジンの排気口に接続されている。加熱モジュール１が接続されている排出ガス区画は、参照符号Ａを用いてマークされている。排出ガスの加熱モジュール１は、排出ガス清浄化ユニット、たとえば、排出ガスの流れ方向にある粒子フィルタの、図１においてブロック矢印によって表されている、流れ方向における上流に位置している。酸化触媒コンバータが、好ましくは粒子フィルタの上流に位置付けられる。

本発明の第１の実施形態例による加熱モジュール１は、主区画２および二次区画３を有する。主区画２は、排出ガス清浄化システムの排出ガス区画Ａの一部分である。加熱モジュール１の主区画２を通じて、ディーゼルエンジンによって放出された排出ガスが、当該ガスが二次区画３を通じて導かれないときに流れる。加熱モジュール１が熱エネルギーを排出ガス区画に供給するために操作される場合、排出ガス流はその全体または部分が二次区画３を通じて導かれる。主区画２および／または二次区画３を通る排出ガス流を制御するために、アクチュエータ４によって作動されることができる排出ガスフラップ５が主区画２内に配置されている。図１において、排出ガスフラップ５は、その主区画２に近い位置に示されている。主区画２内の排出ガスフラップ５の位置に応じて、排出ガス流全体が主区画２を通じてまたは二次区画３を通じて導かれることができ、または、部分流が主区画２を通じて導かれることもでき、補完的な部分流が二次区画３を通じて導かれることができる。

加熱モジュール１の主区画２は、二次区画３に関して吸気口側および排気口側に、各々の場合においてオーバーフロー管区画６、６．１を備える。示されている実施形態例のオーバーフロー管区画６は、この管区画を通じて延在する複数のオーバーフロー開口７によって形成される穿孔によって実装される。示されている実施形態例において、オーバーフロー開口７は円形断面幾何形状を有し、それらは外周にわたって均一な格子を成して分布しており、等しい断面積を有して設計されている。オーバーフロー開口７の配置、それらの断面幾何形状の両方、およびそれらのサイズも可変であること、ならびにまた、それらは一般的には排出ガスの流れ方向においてオーバーフロー区画にわたる異なる配置にあることができることが理解される。示されている実施形態例において、オーバーフロー開口７の断面積の合計は、一般的にはオーバーフロー管区画６の領域内の主区画２の断面積の約１．３倍の大きさである。二次区画３に関して排気口側に位置するオーバーフロー管区画６．１は同一に設計される。しかしながら、排気口側オーバーフロー管区画６．１の設計は、吸気口側オーバーフロー管区画６とは異なって設計されることもできる。

オーバーフロー管区画６はオーバーフロー屈折チャンバ８によって包囲されている。示されている実施形態例において、オーバーフロー開口７はオーバーフロー管区画６の上で外周上に分布しているため、オーバーフロー管区画６は外周の上で包囲されている。結果として、オーバーフロー管区画６のすべてのオーバーフロー開口７はオーバーフロー屈折チャンバ８の内側に位置している。この方策に起因して、排出ガスは主区画２を出てオーバーフロー管区画６の外周全体をわたって二次区画３へと流れることができる。オーバーフロー屈折チャンバ８は、深絞りによって生成される２つの金属板成形部品、すなわち屈折チャンバ部品９、９．１から成る。屈折チャンバ部品９、９．１の端で、上記部品の各々は取り付けフランジ１０、１０．１を有し、それによって、２つの屈折チャンバ部品９、９．１は接着技法によってシールされるようにともに接続される。オーバーフロー管区画６．１はオーバーフロー屈折チャンバ８．１によって同じように包囲されている。

主区画２と平行に、かつ当該区画から距離をおいて、互いの方を向いているオーバーフロー屈折チャンバ８、８．１の屈折チャンバ部品９、９．１の間に二次区画部分１１が伸長し、これは、示されている実施形態例では、円形断面幾何形状を有する管として設計されている。二次区画部分１１内に、酸化触媒コンバータ１２が位置し、上記部分内で、電熱加熱素子１３が流れ方向において上流に位置付けられる。加熱素子１３を動作させるのに必要とされる接続は、簡潔にするために図面内には示されていない。オーバーフロー屈折チャンバ８の外部屈折チャンバ部品９において、ＨＣインジェクタ１４が接続される。ＨＣインジェクタ１４は、このように酸化触媒コンバータ１２とともに形成される触媒バーナーの動作のために炭化水素を提供するために燃料（ここではディーゼル）を噴霧するために使用される。ＨＣインジェクタ１４は、そこからもディーゼルエンジンが燃料供給される燃料供給にさらに詳細には示されていない様式で接続されている。

上述のオーバーフロー屈折チャンバ８、８．１の外殻設計によって、上記チャンバを同一の部品から形成することが可能になる。

ＨＣインジェクタ１４の接続のために、示されている実施形態例において、インジェクタ開口が屈折チャンバ部品９内に設けられ、他方のオーバーフロー屈折チャンバ８の屈折チャンバ部品９．１内に、温度センサ接続を受けるための開口が生成される。後者の開口は二次区画部分１１の長手方向軸と位置整合されている。

加熱モジュール１の図２および図３の側面図は、主区画２から始まって断面積に関して二次区画部分１１に向かう方向においてサイズが増大していくオーバーフロー屈折チャンバ８、８．１を示している。この断面積の増大によって、吸気口側では、二次区画３を通じて導かれる排出ガス流の減速が生じる。ＨＣインジェクタ１４によって形成される噴霧円錐は概して、排出ガス流の流入によって燃料を噴射するときに影響を受けない。ＨＣインジェクタ１４によって噴霧される燃料円錐は、当該円錐が加熱モジュール１３の上流正面側を燃料によって含浸させるように設計され、それによって、噴霧円錐は、流れ方向において加熱モジュール１３の前に位置する二次区画部分１１の壁区画が燃料によって含浸するような角度を有する。二次区画部分１１の断面積は、図１〜図３から分かるように、図２および図３に示す二次区画部分１１の水平方向頂点の領域においてオーバーフロー屈折チャンバ８内の流れ断面戦記よりも再びわずかに小さくなっている（同じことがオーバーフロー屈折チャンバ８．１に当てはまる）。その結果、二次区画部分１１に入ると、二次区画３内に導入される排出ガス流の一定の加速が起こり、その結果として、ＨＣインジェクタ１４の任意の噴霧が二次区画部分１１へと引きこまれ、電熱加熱素子１３へと導かれ、結果として壁への望ましくない堆積を回避することができる。

図２および図３の加熱モジュール１の側面図において、排出ガスフラップ５はその、図１の描画に対して９０度旋回され得る位置に位置している。この位置において、加熱モジュール１に加えられる排出ガスは、その全体が主区画２を通じて流れる。この理由は、二次区画３を通じて加熱モジュール１に加えられると対向する排出ガス逆圧が、主区画２、および加熱モジュール１の下流にある排出ガス清浄化システム１の構成要素を通る場合よりもわずかに大きいことである。

二次区画部分１１内の断面積は、示されている実施形態例では、主区画２の断面積の２倍よりもわずかに大きい。これは、加熱モジュール１を可能な限りコンパクトな構造を有するように形成するために、挿入部、すなわち加熱モジュール１３および酸化触媒コンバータ１２の断面積が主に使用され得るために起こり、特に酸化触媒コンバータ１２は、排出ガスの流れ方向において相対的に短い長さのみを有するようにしなければならない。特に排出ガス区画の長手方向範囲において、設置スペースが制限されていることが多く、一方で上記長手方向範囲に対する横断方向において、特定のユニットを収容できる可能性が存在することがあることが分かっている。上述の設計に起因して、加熱モジュール１はこの要件をある程度まで満たしている。

オーバーフロー屈折チャンバ８．１は温度センサ１５を支持しており、それによって、酸化触媒コンバータ１２に対して排気口側で排出ガス温度を求めることができる。

図１〜図３の描画から、アクチュエータ４を、図面内に示されているように加熱モジュール１の図面の描画の底部側に配置する必要はなく、むしろ、アクチュエータ４は、特定の用途において必要とされる設置スペースが存在するロケーションに応じて、主区画２の長手方向軸を中心として回転された一方または他方の方向に配置されることができることも明らかになる。

下記、加熱モジュール１の動作を簡潔に説明する。加熱モジュール１は、たとえば、加熱モジュール１に対して下流において排出ガス清浄化システム内に接続されている粒子フィルタの再生を始動し、任意選択的に制御するために、ディーゼルエンジンの排出ガス流に熱エネルギーを供給することによって動作される。ディーゼルエンジンによって放出された排出ガスが一定の温度を超えている場合、排出ガス流の一部分または排出ガス流全体が加熱モジュール１の実際の動作の間に二次区画３を通じて導かれる。これは、酸化触媒コンバータ１２を、排出ガス流の熱によって可能な程度まで予熱し、排出ガスの温度が十分に高い場合には上記コンバータをその動作温度にする目的を果たす。酸化触媒コンバータ１２をこの温度によってその点火温度にするのが不可能である場合、電熱加熱素子１３が付加的に電流を供給され、それによって、加熱素子１３によって加熱された排出ガス流によって酸化触媒コンバータが加熱される。

加熱モジュール１が２段触媒バーナー構成の第１の部分である場合、酸化触媒コンバータ１２を、主区画においてこの前者のコンバータに対して下流に位置付けられている酸化触媒コンバータよりも高い酸化触媒負荷を有するように設計することが好ましい。その結果、そのような設計では、この酸化触媒コンバータ１２の点火温度はより低くなる。

加熱モジュール１の実際の動作のために、達成されるべき温度上昇に応じて、加熱モジュール１に供給される排出ガスのすべて、またはその一部分のみのいずれかが、二次区画３を通じて導かれる。従って、主区画内の排出ガスフラップ５がアクチュエータ４によってセットされる。ここで、主区画内の排出ガスフラップ５がその閉位置にあるとき、排出ガス流の主要部分は二次区画３を通じて導かれる。逆に、図２の側面図から分かるように、排出ガスフラップが完全に開いた位置にある場合、排出ガス流全体が加熱モジュール１の主区画２を通じて流れる。加熱モジュール１の動作中、二次区画３を通じて流れる排出ガスは、示されている実施形態例においてはＨＣインジェクタ１４、加熱素子１３、および酸化触媒コンバータ１２によって形成されている、内部に接続されている触媒バーナーの動作に起因して加熱される。この目的のために、電気加熱素子１３は電流を供給され、それによって、ＨＣインジェクタ１４を通じて噴射される燃料が、上記素子上で蒸発する。ＨＣインジェクタ１４の噴霧円錐Ｓが図４の描画において図式的に示されている。加熱素子１３上で蒸発された燃料は酸化触媒コンバータ１２の触媒表面に供給され、所望の発熱反応を引き起こす。このように二次区画３によって加熱された排出ガス流はオーバーフロー屈折チャンバ８．１を介して主区画２に戻され、この熱い排出ガス流がオーバーフロー開口７を通過して、主区画２を通じて流れる明らかにより低温の部分排出ガス流に入るため、短い距離にわたって特に効率的な混合が行われる。

ＨＣインジェクタ１４を通じて、燃料は酸化触媒コンバータ１２がその点火温度を上回る温度にあるときにのみ二次区画３に噴射されることが理解される。

図５は、本発明の追加の実施形態による追加の加熱モジュール１．１を示している。原則的に、加熱モジュール１．１は図１〜図４の加熱モジュール１と同様に構築される。それゆえ、下記に別途説明されない限り、加熱モジュール１に関する説明が加熱モジュール１．１にも当てはまる。

加熱モジュール１．１においては、酸化触媒コンバータ１２．１、および当該コンバータの上流に位置付けられる加熱素子１３．１を有する二次区画部分１１．１が、主区画２．１内に配置されている。この設計において、および加熱モジュール１．１の示されている実施形態例において、主区画２．１および二次区画３．１は互いに対して同心配置にある。示されている実施形態例において、排出ガス区画Ａは主区画２．１へと半径方向に開いている。主区画２．１は、同心配置に起因して、半径方向において二次区画３．１の内側に制限されている。加熱モジュール１．１の吸気口の領域内で、オーバーフロー管区画６．２が二次区画部分１１．１の上流に位置付けられている。オーバーフロー管区画６．２もまた、図１〜図４の実施形態例のオーバーフロー管区画６、６．１と同様に形成されている。それゆえ、これに関する説明が加熱モジュール１．１のオーバーフロー管区画６．２にも当てはまる。オーバーフロー開口７．１は円周方向でオーバーフロー管区画６．２内へ導かれ、好ましい実施形態例では、それらは円形断面幾何形状を有する。従って、オーバーフロー管区画６．２またはそのオーバーフロー開口７．１が吸気口、および従って、主区画２．１と二次区画３．１との間の流路接続を形成する。加熱モジュール１とは対照的に、加熱モジュール１．１においては、二次区画３．１を通じて導かれるべき排出ガス流は内側で半径方向に、従って主区画２．１の内側被覆面から出て二次区画３．１へと入る。ＨＣインジェクタ１４．１は、その噴射ノズルに関して、二次区画３．１に対して軸方向に、すなわち、これも加熱モジュール１のＨＣインジェクタ１４と同様に位置している。排出ガスが主区画内へ流入するための吸気開口は代替的に、加熱モジュール１．１を通る排出ガスの主流方向に対して接線方向または軸方向になるように設計されることもできる。軸方向に配置される吸気開口において、この開口は、所望される場合、環形状に設計されることができる。

同様に加熱モジュール１．１において、加熱素子１３．１のための電気接続は簡潔にする目的で示されていない。

従って、主区画２．１は二次区画３．１を包囲し、従って環チャンバを形成する。この環チャンバ内へ、らせん状構造物１６がガイド要素として挿入され、それによって、主区画２．１内へ半径方向に流れる排出ガス流が回転運動成分を与えられる。それゆえ、この設計に起因して、主区画２．１を通じて流れる排出ガス流が回転運動を与えられる。環チャンバの高さ全体にわたって伸長するらせん状構造物１６に起因して、同時に、二次区画３．１を取り巻く、らせんの形態で伸長する流路が形成される。示されている実施形態例において、この流路は、その中に排出ガスフラップ５．１を配置するために使用される。後者のフラップは、同じく図１〜図４の実施形態例のように、アクチュエータ４．１によって制御される。排出ガスフラップ５．１は、二次区画３．１の長手方向軸に対して半径方向に延在する回転軸を中心として旋回されることができる。図５において、排出ガスフラップ５．１は、その開位置に示されている。その端部において流体技術からの主区画２．１の最も効率的な部分を示している流路である、らせん状構造物１６によって形成される流路の形態に起因して、主区画２．１を通じて導かれる排出ガス流は、二次区画３．１の被覆表面の周りへと導かれる。このより長い貫流路は、動作状態に応じて、流入する排出ガスの温度に起因して、二次区画３．１内に配置されている酸化触媒コンバータ１２．１が加熱され、それゆえ、一般的に少なくともほぼ排出ガスの温度になるという利点を有する。それゆえ、この実施形態例において、原則として、触媒バーナーの動作の前に酸化触媒コンバータ１２．１を予熱するために、排出ガス流またはその一部を二次区画３．１を通じて導く必要はない。触媒バーナーが動作中である場合、二次区画部分１１．１によって放出される熱は環境には伝達されず、主区画２．１を通じて流れる部分排出ガス流に伝達される。一方では酸化触媒コンバータ１２．１を、他方では主区画２．１を通じて流れる部分排出ガス流を加熱する目的で、らせん状構造物１６によって形成されるフローチャンバに起因して、主区画のより長い流れ距離が特に効率的な熱伝達を保証することが理解される。

図６は、原則として加熱モジュール１に関連する図４の描画に対応する加熱モジュール１．１の動作中の描画を示している。この図において、流れ矢印が立面側面図において記録されている。オーバーフロー管区画６．２のオーバーフロー開口７．１を通じて二次区画３．１内へと流れる排出ガス流が、これに関連する排出ガス流は二次区画３．１内に位置するために、破線の枠矢印によって確認される。排出ガス逆圧を増大する目的で、排出ガスフラップ５．１が、図５の描画に対して９０度回転された位置において主区画２．１内に配置されている。この位置において、排出ガスフラップ５．１は、図７ａおよび図７ｂを参照して下記に説明するように流路を完全には閉じておらず、それによって、より小さい部分排出ガス流が主区画２．１を通じて流れる。この部分排出ガス流の二次区画３．１を中心とした回転が、矢印によって図式的に示されている。

排出ガスフラップ５．１の少し前の、その長手方向範囲において加熱モジュール１．１を通る図７ａの断面図から、排出ガスフラップ５．１のその開位置における幾何形状（図５も参照されたい）が分かる。主区画２．１を通じた排出ガス流の回転流がブロック矢印によって示されている。主区画２．１に対する、断面において配置されている酸化触媒コンバータ１２．１を有する二次区画部分１１．１の同心配置も容易に見てとれる。半径方向において外側に向いている排出ガスフラップ５．１は、主区画２．１を包囲するハウジングの湾曲に適合されている湾曲封止部１８を備える。他方、排出ガスフラップ５．１が図７ｂに示すようにその閉位置にある場合、この位置においては封止部１８に起因して、上述のように主区画２．１は排出フラップ４．１によって完全には閉じられず、それによって、この位置において、一定の部分排出ガス流が排出ガスフラップ５．１を通過して主区画２．１を通じて流れることが明らかになる。

二次区画３．１の排気口に、この図には示されていない穿孔金属板が位置している。主区画２．１、およびまた二次区画３．１の両方が円錐形に狭まっている混合チャンバ１７に向けて開いている。後者のチャンバ内へ、主区画２．１を通じて導かれる部分排出ガス流が回転環状流の形態で流れ、これは二次区画３．１へと流れるときの、混合チャンバ１７内へと向かう排出ガス流を包囲する。混合チャンバ１７が狭まり、主区画２．１を通じて上記混合チャンバ内へと向かう部分排出ガス流が渦巻くことによって生じる圧縮によって、非常に短い距離にわたる２つの部分排出ガス流の特に効率的な混合が行われる。２つの部分排出ガス流が混合されるとき、二次区画３．１を流れ出る部分排出ガス流も、適切な開口の結果として、主区画２．１を出る部分排出ガス流に対する同心環状流の形態で混合チャンバ１７に入ることができる。そのような構成において、加えて１つまたは複数のガイド要素が設けられる場合、旋回流の形態で二次区画３．１を出る部分排出ガス流も混合チャンバ１７内に向かうことができ、集中的な混合を目的として、二次区画３．１を流れ出る部分排出ガス流の旋回は、主区画２．１を通じて流れる部分排出ガス流の旋回と反対の向きに方向づけられる。部分排出ガス流が、対応するガイド要素の結果として、混合チャンバ１７内に流れるときに、互いに対して反対に方向づけられた放射状流成分を備えることも可能である。

図６において、ＨＣインジェクタ１４．１の噴霧円錐Ｓも図式的に示されている。排出ガスが主区画２．１からオーバーフロー開口７．１を通じて二次区画３．１へと放射状に流入することに起因して、ＨＣインジェクタ１４．１の噴霧物がオーバーフロー管区画６．２の内側および二次区画部分１１．１上で前者の区画に当たって堆積することが効率的に防止されることができる。

加熱モジュール１．１が基づく設計によって、加熱モジュールの温度効率的な設計だけでなく、特別なスペース節約設計も補償される。

図５および図６に示す実施形態例において、２つの区画２．１、３．１の排気口に接続されている混合チャンバ１７は、排出ガスの主流方向において円錐形に狭まっている。そのように狭まっていることは原則として必要ではない。むしろ、混合チャンバは円筒形に設計されることもでき、この円筒区画に対して、短い流れ距離のすぐ後ろに、加熱モジュール１．１によって生成される熱が供給されるべき排出ガス清浄化ユニットを接続することが可能である。

本発明を実施形態例を参照して説明した。有効な特許請求項の範囲を逸脱することなく、当業者は、本発明を採用したいくつかの追加の設計を導き出すことが可能であるが、これらは本明細書の文脈においては詳細に説明する必要はない。それにもかかわらず、これらの設計もこれらの説明の開示内容の一部である。

１、 １．１ 加熱モジュール
２、 ２．１ 主区画
３、 ３．１ 二次区画
４、 ４．１ アクチュエータ
５、 ５．１ 排出ガスフラップ
６、 ６．１、 ６．２ オーバーフロー管区画
７、 ７．１ オーバーフロー開口
８、 ８．１ オーバーフロー屈折チャンバ
９、 ９．１ 屈折チャンバ部分
１０、 １０．１ 取り付けフランジ
１１、 １１．１ 二次区画部分
１２、 １２．１ 酸化触媒コンバータ
１３、 １３．１ 加熱素子
１４、 １４．１ ＨＣインジェクタ
１５ 温度センサ
１６ らせん状構造物
１７ 混合チャンバ
１８ 封止部
Ａ 排出ガス区画
Ｓ 噴霧円錐

Claims (21)

1. 内燃エンジンの排気口に接続されている排出ガス清浄化システムのための加熱モジュールであって、ＨＣインジェクタ（１４、１４．１）を有し、排出ガスの流れ方向において該ＨＣインジェクタ（１４、１４．１）の下流に位置付けられている酸化触媒コンバータ（１２、１２．１）を有する、前記排出ガス清浄化システムの排出ガス清浄化ユニットに熱エネルギーを供給するための触媒バーナーを備え、該加熱モジュール（１、１．１）が主区画（２、２．１）と、前記触媒バーナー（１２、１４；１２．１、１４．１）を収容する二次区画（３、３．１）と、該二次区画（３、３．１）を通じて流れる排出ガス質量流を制御するためのデバイス（４、５；４．１、５．１）とを備え、前記主区画（２、２．１）は、前記加熱モジュール（１、１．１）の吸気口領域内にオーバーフロー開口（７、７．１）を備えるオーバーフロー管区画（６、６．２）を備え、該オーバーフロー開口（７、７．１）を通じて前記主区画（２、２．１）と前記二次区画（３、３．１）との間に流路接続が確立され、前記オーバーフロー管区画（６、６．１、６．２）の前記オーバーフロー開口（７、７．１）の断面積の合計が、オーバーフロー管区画（６、６．１、６．２）における前記主区画（２、２．１）の断面積よりも大きいことを特徴とする、加熱モジュール。
2. 前記オーバーフロー開口（７、７．１）が、前記オーバーフロー管区画（６、６．１、６．２）の外周にわたって均等な分布になるように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の加熱モジュール。
3. 前記オーバーフロー管区画（６、６．１、６．２）の前記オーバーフロー開口（７、７．１）の断面積の合計が、オーバーフロー管区画（６、６．１、６．２）における前記主区画（２、２．１）の断面積よりも１．２〜１．５倍、または約１．３倍大きいことを特徴とする、請求項１または２に記載の加熱モジュール。
4. 前記主区画（２．１）および前記二次区画（３．１）が、互いに対して同心に配置されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の加熱モジュール。
5. 少なくともいくつかの区画において螺旋形状である少なくとも１つの金属板（１６）が、前記主区画（２．１）内に挿入されており、該金属板を通じて前記主区画（２．１）を通じて流れる前記排出ガスの流れが回転運動成分を受けることを特徴とする、請求項４に記載の加熱モジュール。
6. 前記主区画（２．１）および前記二次区画（３．１）が、混合チャンバ（１７）に向かって軸方向に開いていることを特徴とする、請求項４または５に記載の加熱モジュール。
7. 前記混合チャンバ（１７）が、前記排出ガスの主流方向において狭まっていることを特徴とする、請求項６に記載の加熱モジュール。
8. 穿孔金属板を介して、前記二次区画（３．１）が、前記混合チャンバ（１７）に通じていることを特徴とする、請求項６または７に記載の加熱モジュール。
9. 前記二次区画が、開口を介して、前記混合チャンバに通じており、前記開口は環状構造を有することを特徴とする、請求項６〜８のいずれか一項に記載の加熱モジュール。
10. 前記二次区画が、該二次区画を通じて流れる前記排出ガスの流れに影響を及ぼす少なくとも１つのガイド要素を有し、該要素に起因して、前記二次区画を通じて前記混合チャンバへと流れる前記排出ガスの流れは回転運動成分を受けることを特徴とする、請求項６〜９のいずれか一項に記載の加熱モジュール。
11. 前記二次区画（３）が、排気口側で、オーバーフロー開口を備える第２のオーバーフロー管区画（６．１）を介して前記主区画（２）と流路接続していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の加熱モジュール。
12. 前記オーバーフロー管区画（６、６．１）が、各々前記主区画（２）から半径方向において外方に伸長する１つの屈折チャンバ（８、８．１）によって包囲されており、該屈折チャンバ（８、８．１）の間に、前記加熱モジュール（１）の前記主区画（２）と平行に前記酸化触媒コンバータ（１２）を有する二次区画部分（１１）が位置していることを特徴とする、請求項１１に記載の加熱モジュール。
13. 内燃エンジンの排気口に接続されている排出ガス清浄化システムのための加熱モジュールであって、ＨＣインジェクタ（１４）を有し、排出ガスの流れ方向において該ＨＣインジェクタ（１４）の下流に位置付けられている酸化触媒コンバータ（１２）を有する、前記排出ガス清浄化システムの排出ガス清浄化ユニットに熱エネルギーを供給するための触媒バーナーを備え、該加熱モジュール（１）が、主区画（２）と、前記触媒バーナー（１２、１４）を収容する二次区画（３）と、該二次区画を通じて流れる排出ガス質量流を制御するためのデバイス（４、５）とを備え、前記二次区画（３）は、吸気口側および排気口側に、前記主区画（２）から半径方向において外方に伸長する屈折チャンバ（８、８．１）を備え、該屈折チャンバ（８、８．１）の間に、該加熱モジュール（１）の前記主区画（２）に平行に、前記酸化触媒コンバータ（１２）を有する前記二次区画部分（１１）が位置しており、前記主区画（２）は、前記加熱モジュール（１）の吸気口領域内及び排気口領域内にオーバーフロー開口（７、７．１）を備えるオーバーフロー管区画（６、６．２）を備え、該オーバーフロー開口（７、７．１）を通じて前記主区画（２）と前記二次区画（３）との間に流路接続が確立され、吸気口側に位置する前記屈折チャンバ（８）の断面積は、前記排気ガスの流れの方向に、広がっており、排気口側に位置する前記屈折チャンバ（８．１）の断面積は、前記排気ガスの流れの方向に、狭まっており、前記屈折チャンバ（８、８．１）は、前記二次区画部分（１１）の断面積より大きな断面積を有することを特徴とする、加熱モジュール。
14. 吸気口側に位置する前記屈折チャンバ（８）の断面積が前記排出ガスの流れ方向において広くなっており、排気口側に位置する前記屈折チャンバ（８．１）の断面積が前記排出ガスの流れ方向において狭まっており、前記酸化触媒コンバータ（１２）を有する前記二次区画部分（１１）は該部分の断面積に対してより大きい前記屈折チャンバ（８、８．１）の前記区画の間に配置されていることを特徴とする、請求項１２または１３のいずれか一項に記載の加熱モジュール。
15. 前記屈折チャンバ（８、８．１）の間に延在する、前記酸化触媒コンバータ（１２）を有する前記二次区画部分（１１）の断面積が前記主区画（２）内の断面積の２倍よりも大きいことを特徴とする、請求項１４に記載の加熱モジュール。
16. 前記屈折チャンバ（８、８．１）が各々、２つの相互に接続されている金属板成形部品から成ることを特徴とする、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の加熱モジュール。
17. 前記屈折チャンバ（８、８．１）が、少なくとも製造前段階において、該チャンバを形成する屈折チャンバ部品に関して少なくとも部分的に同一の部分を備え、前記加熱モジュール（１）内で互いの方を向いている前記屈折チャンバ部品（９．１）は同一の部品であることを特徴とする、請求項１６に記載の加熱モジュール。
18. 吸気口側に位置する前記屈折チャンバ（８）の、排気口側に位置する前記屈折チャンバ部品（９）が、前記ＨＣインジェクタ（１４）を接続するためのＨＣインジェクタ開口を備えることを特徴とする、請求項１６または１７に記載の加熱モジュール。
19. 前記ＨＣインジェクタ（１４、１４．１）が、当該ＨＣインジェクタ（１４、１４．１）の噴霧ノズルとともに、前記酸化触媒コンバータ（１２、１２．１）を収容している前記二次区画部分（１１、１１．１）の長手方向軸と位置整合するように配置されていることを特徴とする、請求項１２から１８のいずれか一項に記載の加熱モジュール。
20. 前記二次区画（３、３．１）内で、電熱加熱素子（１３、１３．１）が前記排出ガスの流れ方向において前記ＨＣインジェクタ（１４、１４．１）の下流に、かつ前記酸化触媒コンバータ（１２、１２．１）の上流に位置付けられていることを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の加熱モジュール。
21. 前記二次区画（３、３．１）を通じて流れる前記排出ガス質量流を制御するための前記デバイス（４、５：４．１、５．１）が、前記加熱モジュール（１、１．１）の前記主区画（２、２．１）内に配置されていることを特徴とする、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の加熱モジュール。

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