JP6817373B2 - 内燃機関の排気システム - Google Patents

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Description

本発明は、粒子フィルタと、粒子フィルタの上流の排気管路とを有する、排気システムの第１の昇温前の状態の内燃機関の排気システムに関する。
そのような排気システムは、実際に使用されている自動車から周知である。一般に排気システムは、排気ガスの処理のための触媒コンバータをさらに有し、触媒コンバータは粒子フィルタの上流または下流に配置される。
消費の削減と、同時にますます厳しくなる粒子限界値（質量および数）とに対する継続的な法的要求は、内燃機関の開発におけるますます大きくなる難題を示している。要求された境界条件の下で将来の粒子制限値を順守することは、将来的には消費の削減に反対するだろう。これは、今日ディーゼルエンジンですでにそうであるように、将来的には、ほとんどすべての内燃機関が粒子フィルタを備えなければならなくなるという効果を有する。
粒子フィルタ中、燃焼に由来する煤が分離され、フィルタの目的とする再生によって再び気体成分に変換される。さらに、エンジンオイルおよび／またはオイル添加剤に由来する灰成分は、フィルタ内に永久に残る。今日では、フィルタの煤負荷は背圧測定によって、そして冗長的に計算モジュールによって取得されている。煤充填レベルに依存するやり方で、煤再生のための積極的な対策が開始される。しかしながら、背圧測定（Δｐ＝ｆ（煤負荷））は強いヒステリシスを示すので、煤を伴う粒子フィルタの負荷を背圧に明確に割り当てることはできない。計算モデルに基づく再生は、特に粒子数／質量が燃料間で５倍に変動する可能性があるため、燃料の強い影響のために、通常ははるかに早すぎる。粒子フィルタの再生のための明確な制御変数を得るためには、背圧のヒステリシスを減少させることが目的でなければならない。同時に、ヒステリシス特性がない場合には、特に高負荷のエッジゾーンを背圧測定によってより良く取得することができるので、より安定した部品保護を確実にすることも可能である。
現行の粒子フィルタは２つのフィルタ機能、第１に深層濾過および第２に表面濾過を有する。煤の堆積は、第１のステップにおいて、大きな圧力上昇を伴う深層濾過をもたらし、そして第２のステップにおいて、比較的小さな圧力上昇を伴う表面濾過をもたらす。
深層濾過の場合、粒子の分離は粒子フィルタの壁で起こる。表面濾過の場合、濾過はフィルタの表面で起こる。耐用年数にわたり、粒子フィルタは深層フィルタから表面フィルタに徐々に変わる。深層濾過は大きな圧力上昇を伴う。それというのも、この場合、排気ガスの透過性が特に悪影響を受けるからである。壁内の空洞が実質的に煤で占められている場合、煤は主に壁に堆積する。この表面濾過は、深層濾過の場合よりも緩やかな圧力上昇をもたらす。フィルタ内の煤が再生されると、圧力はヒステリシス特性により、すなわち第１のステップでの大きな圧力降下、続いて緩やかな圧力降下によりほとんどなくなる。
煤とは対照的に、灰は壁の中ではなく常に壁の上で粒子フィルタに堆積する。このようにして、煤が灰層を貫通することができないように、煤の深層濾過は根本的かつ不可逆的に抑制される。煤の堆積の増加に伴う圧力増加に関して、これは、全範囲にわたって、ヒステリシスのない線形関係があることを意味する。背圧測定による煤負荷の決定の質は、このようにして著しく改善され、それによって煤再生ストラテジは、より的を絞ったそして消費最適化された方法で制御され得る。
上記のこの問題を解決するために、灰層を新しい状態で粒子フィルタの流路壁の表面にフィルタケーキとして的を絞ったやり方で取り付けることが必要であろう。
（特許文献１）はガソリンエンジンの粒子フィルタの煤負荷を決定するための方法を開示している。導入された煤負荷の決定は、標準化駆動サイクルの煤関連イベントの所定の煤成分を考慮に入れることを含む。
国際公開第２０１４／１８３９９８Ａ１号パンフレット
本発明の目的は、単純な構造設計で灰層を粒子フィルタに取り付けることができるように、特にフィルタケーキとして粒子フィルタの流路壁の表面に取り付けることができるように、導入部分に記載した種類の排気システムをさらに開発することである。
この目的は、特許請求項１の特徴を有する排気システムによって達成される。
この排気システムの場合、したがって、灰形成成分または灰を有する支持要素（ａ ｃａｒｒｉｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔ）が、排気管路に面する側で粒子フィルタに取り付けられるか、または、排気システムがさらに粒子フィルタの上流に配置された触媒コンバータを有し、灰形成成分または灰を有する支持要素が触媒コンバータに取り付けられるようになっている。
灰形成成分または灰を有する支持要素が粒子フィルタまたは触媒コンバータに取り付けられると、支持要素は排気システムの第１の昇温の際に燃焼し、灰形成成分または灰は解き放たれ、粒子フィルタに堆積する。ここで、支持要素について、排気システムに普及している境界条件のもとで燃焼し得る任意の材料が使用されてよい。唯一の条件は、それが灰形成成分または灰を有さねばならず、これらが、排気システムの昇温の間に解き放たれ、排気ガス流によって粒子フィルタまで運ばれることである。ここで、その位置の選択は、粒子フィルタの上流に限られる。
支持要素が、排気管路に面する側で粒子フィルタに直接取り付けられる場合、特に有利である。このようにして、灰形成成分または灰は、解き放たれると、粒子フィルタにしか作用せず、他のエンジン部品はそれによって影響を受けない。排気システムの第１の完全な昇温の後、粒子フィルタはその完全な濾過率を得ることがさらに有利である。
特に、灰形成成分または灰を有する紙、厚紙またはプラスチックから構成された支持要素が提供される。これらの材料は灰形成成分または灰を保持するのに特に良く適している。
粒子フィルタに取り付けられた灰形成成分または灰層は、特に、その後の工程の間、酸化または一般的な分解の結果として再び除去されることのない要素から構成される。さらに、灰層は壁の上にのみ導入され、壁の中に導入されないことが保証されなければならない。そのような要素は、例えば、灰形成成分に関してＣａ、Ｍｇ、ＰおよびＺｎであり、灰に関してＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３である。
灰形成成分または灰は好ましくは粉状である。
排気システムが触媒コンバータを有する場合、特に、支持要素が、触媒コンバータの粒子フィルタに面する側で、または触媒コンバータの粒子フィルタに背く側で触媒コンバータに取り付けられるようになっている。これらの記載される好ましい構成のそれぞれにおいて、それらは粒子フィルタの下流に設けられ、支持要素が燃焼すると、灰形成成分または灰が排気システムの第１の昇温の間に解き放たれ、粒子フィルタに堆積されることが保証される。
支持要素が粒子フィルタまたは触媒コンバータに接着接合される場合、粒子フィルタまたは触媒コンバータ上の支持要素の特に単純な構成が可能である。
支持要素は特にウェハの態様で円形ディスクとして設計される。そのような支持ディスクは、粒子フィルタの流入領域のリング状フランジに、または触媒コンバータの流入領域または流出領域のリング状フランジに、特に接着接合によって、特に簡単に接続することができる。
内燃機関は特にガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンである。したがって、ガソリン粒子フィルタまたはディーゼル粒子フィルタが使用される。
本発明による排気システムおよびその改良形態は様々な利点を備える：
・このようにして灰を粒子フィルタの表面に正確に適用することが可能である。
・支持要素に灰形成成分または灰を対応して備え付けることにより、灰層を厚さおよび組成に関して正確な方法で設定することができる。
・深層濾過が的を絞ったやり方で抑制され、したがって背圧と蓄積された煤との間の明確な割り当てを作り出すことが可能である。
・その部分の背圧はその耐用年数の間比較的一定のままであり、圧力の増大は線形の挙動を示す。
・現行の粒子フィルタの濾過率は特定の耐用年数の後でのみ所望の値に増大する。本排気システムは、濾過率を非常に正確に設定することができ、排気システムの第１の昇温の直後に早くも要求された値に達する。
・粒子フィルタは、極めて多孔性であるように設計可能であり、したがって、極めて低い背圧を示す。それというのも、本排気システムは、濾過率の正確な設定を可能にするからである。
本発明のさらなる特徴は従属項から、添付の図面から、および図面に描かれる例示的実施形態の記載から、これらに制限されることなく、明らかになるであろう。
内燃機関の排気システムの本発明に関連する領域の第１の例示的実施形態を示す。 内燃機関の排気システムの本発明に関連する領域の第２の例示的実施形態を示す。 内燃機関の排気システムの本発明に関連する領域の第３の例示的実施形態を示す。
図１は、ディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンである内燃機関の排気システム１を示し、排気システム１の第１の昇温の前の状態である。排気システム１は、粒子フィルタ２と、粒子フィルタ２の上流の排気管路３とを有する。粒子フィルタ２のすぐ上流に、排気システム１は触媒コンバータ４（酸化触媒コンバータ）を有する。粒子フィルタ２および触媒コンバータ４は、この例示的実施形態において、共通のハウジング５内に配置されている。ここで当業者はまた、これを粒子フィルタ２および触媒コンバータ４は別々のハウジングに配置されてもよいことを意味するよう自明的に読むであろう。このハウジング５は、上流で排気管路３に、下流で粒子フィルタ２から延びる排気管路６に隣接する。触媒コンバータ４への排気ガスの流入は矢印７で示され、粒子フィルタ２からの排気ガスの流出は矢印８で示されている。触媒コンバータ４の貫流長さは参照符号９で示され、粒子フィルタ２の貫流長さは参照符号１０で示されている。
灰形成成分または灰を有する支持要素１１が、排気管路３に面する側で粒子フィルタ２に取り付けられる。前記支持要素１１は、紙、厚紙またはプラスチックから構成され、灰形成成分を備え付けられる、または灰を直接備え付けられる。灰形成成分は特にＣａ、Ｍｇ、ＰまたはＺｎである。灰は特にＭｇＯである。灰形成成分または灰は、粉状である。支持要素１１は、触媒コンバータ４に面する端面の領域で粒子フィルタ２に接着接合される。支持要素１１はディスクとして形成され、その材料組成のせいで、排気システムの第１の昇温中、排気ガスが通過して流れ、それによって、灰層が粒子フィルタ２に取り付けられ、特にフィルタケーキとして、粒子フィルタ２の流路壁の表面に取り付けられる。
図２の例示的実施形態は、図１の例示的実施形態に対応するが、灰形成成分または灰を有する支持要素１１は、粒子フィルタ２ではなく、粒子フィルタ２に面する側で触媒コンバータ４に取り付けられているという違いがある。排気システムの第１の昇温の間、排気ガスは、触媒コンバータ４に接続された支持要素１１を通過して流れ、灰形成成分または灰は解き放たれ、粒子フィルタ２に堆積される。
図３の例示的実施形態は、図１の例示的実施形態に対応するが、灰形成成分または灰を有する支持要素１１は、粒子フィルタ２ではなく、粒子フィルタ２に背く側で触媒コンバータ４に取り付けられているという違いがある。排気システムの第１の昇温の間、排気ガスは触媒コンバータ４に接続された支持要素１１を通過して流れ、灰形成成分または灰は解き放たれ、粒子フィルタ２に堆積される。
１ 排気システム
２ 粒子フィルタ
３ 排気管路
４ 触媒コンバータ
５ ハウジング
６ 排気管路
７ 矢印
８ 矢印
９ 貫流長さ
１０ 貫流長さ
１１ 支持要素

Claims (7)

  1. 排気システム（１）であって、粒子フィルタ（２）と、前記粒子フィルタ（２）の上流の排気管路（３）とを有する、前記排気システム（１）の第１の昇温前の状態の内燃機関の排気システム（１）において、前記排気システム（１）が、前記粒子フィルタ（２）の上流に配置された触媒コンバータ（４）をさらに有し、灰形成成分または灰を有する支持要素（１１）が前記触媒コンバータ（４）の前記粒子フィルタ（２）に面する側で、または前記触媒コンバータ（４）の前記粒子フィルタ（２）に背く側で、前記触媒コンバータ（４）に取り付けられることを特徴とする排気システム（１）。
  2. 前記支持要素（１１）が紙、厚紙またはプラスチックから構成され、前記支持要素（１１）に前記灰形成成分または前記灰が提供されることを特徴とする、請求項１に記載の排気システム。
  3. 前記灰形成成分がＣａ、Ｍｇ、ＰおよびＺｎであり、および／または前記灰がＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３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. 前記灰形成成分または前記灰が粉状であ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排気システム。
  5. 前記支持要素（１１）が前記触媒コンバータ（４）に接着接合されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気システム。
  6. 前記触媒コンバータ（４）および前記粒子フィルタ（２）が互いに最大でも２０ｍｍ、特に最大でも１０ｍｍ離れて配置されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の排気システム。
  7. 前記内燃機関がガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の排気システム。
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