特許 7481359 排出ガス浄化装置、当該排出ガス浄化装置を具備する内燃エンジン、及び排出ガスを規制するための方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-30

(45)【発行日】2024-05-10

(54)【発明の名称】排出ガス浄化装置、当該排出ガス浄化装置を具備する内燃エンジン、及び排出ガスを規制するための方法

(51)【国際特許分類】

   F01N 3/20 20060101AFI20240501BHJP

   F01N 3/24 20060101ALI20240501BHJP

【ＦＩ】

F01N3/20 K

F01N3/24 E

F01N3/24 P

F01N3/24 L

F01N3/20 J

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2021557182

(86)(22)【出願日】2020-03-25

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-05-25

(86)【国際出願番号】 EP2020058261

(87)【国際公開番号】W WO2020193595

(87)【国際公開日】2020-10-01

【審査請求日】2022-10-21

(31)【優先権主張番号】102019204298.8

(32)【優先日】2019-03-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(31)【優先権主張番号】102019218204.6

(32)【優先日】2019-11-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】500242786

【氏名又は名称】フラウンホファー ゲセルシャフト ツール フェールデルンク ダー アンゲヴァンテン フォルシュンク エー．ファオ．

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】ローベルト・スツォラク

(72)【発明者】

【氏名】アレクサンダー・ズスドルフ

【審査官】藤村 聖子

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１０／００３７７６８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００６－１１８４０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／１１１１１８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｎ ３／００，３／０２

Ｆ０１Ｎ ３／０４－３／３８

Ｆ０１Ｎ ９／００－１１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つの排出ガス配管（３）と、前記排出ガス配管（３）に接続されている少なくとも１つの粒子フィルタ（３１）、及び／又は前記排出ガス配管（３）に接続されている少なくとも１つの排出ガス触媒コンバータ（３２，３３）と、を備えている排出ガス浄化装置（１）において、
加熱式触媒（２）が、前記粒子フィルタ（３１）及び／又は前記排出ガス触媒コンバータ（３２）の上流に配置されており、且つ、供給された燃料を排出ガスと反応させるように構成されており、前記加熱式触媒（２）が、入口（２１）及び出口（２２）を具備するハウジング（２５）を有しており、前記ハウジング（２５）が、前記排出ガス配管（３）を流れる排出ガスの部分流れが前記入口（２１）を通じて前記ハウジング（２５）に供給され、前記ハウジング（２５）から前記出口（２２）を通じて前記入口（２１）の下流の前記排出ガス配管（３）に排出されるように、前記排出ガス配管（３）に接続されており、
燃料板（６）が、多孔板（４）の反対側に位置する前記加熱式触媒（２）の側に配置されている
ことを特徴とする排出ガス浄化装置。

【請求項2】

前記排出ガス浄化装置（１）が、排気ガスを前記加熱式触媒（２）に供給するように構成されている多孔板（４）を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の排出ガス浄化装置。

【請求項3】

前記加熱式触媒（２）が、電気的に加熱可能な担体（５）を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の排出ガス浄化装置。

【請求項4】

前記燃料板（６）が、毛管輸送装置を備えていることを特徴とする請求項１に記載の排出ガス浄化装置。

【請求項5】

前記加熱式触媒（２）が、空気供給装置を含んでい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出ガス浄化装置。

【請求項6】

減圧装置（７）が、前記入口（２１）と前記出口（２２）との間において前記排出ガス配管（３）に設けられてい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出ガス浄化装置。

【請求項7】

前記減圧装置（７）が、絞り弁、混合器、又はターボ過給機（８６）のタービン（８６１）とされることを特徴とする請求項６に記載の排出ガス浄化装置。

【請求項8】

前記加熱式触媒（２）の前記ハウジング（２５）の全体が、前記排出ガス配管（３）の内側に配置されてい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出ガス浄化装置。

【請求項9】

請求項１～８のいずれか一項に記載の排出ガス浄化装置（１）を有していることを特徴とする内燃エンジン（８）。

【請求項10】

排出ガスを浄化するための方法であって、排出ガスが、少なくとも１つの排出ガス配管（３）によって、少なくとも１つの粒子フィルタ（３１）及び／又は少なくとも１つの排出ガス触媒コンバータ（３２，３３）に供給される、前記方法において、
加熱式触媒（２）が、前記粒子フィルタ（３１）又は前記排出ガス触媒コンバータ（３２，３３）の上流に配置されており、少なくとも燃料及び排出ガスが、前記加熱式触媒に供給され、燃料の少なくとも一部分が、前記粒子フィルタ（３１）又は前記排出ガス触媒コンバータ（３２）を加熱するように、排出ガスと反応され、前記加熱式触媒（２）が、入口（２１）及び出口（２２）を具備するハウジング（２５）を有しており、前記ハウジング（２５）が、前記排出ガス配管（３）を流れる排出ガスの部分流れが前記入口（２１）を通じて前記ハウジング（２５）に供給され、前記ハウジング（２５）から前記出口（２２）を通じて前記入口（２１）の下流の前記排出ガス配管（３）に排出されるように、前記排出ガス配管（３）に接続されており、
燃料が、多孔板（４）の反対側に位置する前記加熱式触媒（２）の側に配置されている燃料板（６）に供給される
ことを特徴とする方法。

【請求項11】

排出ガスが、少なくとも１つの多孔板（４）を介して前記加熱式触媒（２）に供給されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記加熱式触媒（２）が、少なくとも一時的に電気的に加熱されることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の方法。

【請求項13】

燃料の大部分が、第１の動作状態において排出ガスで酸化され、第２の動作状態において改質油を生成するように反応されることを特徴とする請求項１０～１２のいずれか一項に記載の方法。

【請求項14】

前記部分流れが、減圧装置（７）の上流において前記加熱式触媒（２）に導入され、前記減圧装置（７）の下流において前記排出ガス配管（３）に排出されることを特徴とする請求項１０～１３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項15】

減圧装置（７）が、絞り弁、混合器、又はターボ過給機（８６）のタービン（８６１）とされることを特徴とする請求項１０～１４のいずれか一項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、少なくとも１つの排出ガス配管と、排出ガス配管に接続されている少なくとも１つの粒子フィルタ、及び／又は排出ガス配管に接続されている少なくとも１つの排出ガス触媒コンバータと、を有している排出ガス浄化装置に関する。また、本発明は、このような排出ガス浄化装置を具備する内燃エンジン、及び排出ガスを浄化するための対応する方法に関する。上述のタイプの装置及び方法は、例えば乗用車、トラック、及び建設機械のような自動車両並びに船舶で利用可能とされる。さらに、当該装置及び方法は、例えばケーブルカー又は発電機を駆動するための、定置式で動作する内燃エンジンで利用可能とされる。

【0002】

内燃エンジンの汚染物質の排出を低減するために、一酸化炭素及び未燃焼炭化水素を酸化するための、並びに／又は窒素酸化物を低減するための排出ガス触媒コンバータを内燃エンジンの排出ガスケットで利用することが、実際に知られている。幾つかの場合において、排出ガス流から微視的に小さい煤粒子を除去するための粒子フィルタも利用されており、当該粒子フィルタは、当該粒子フィルタに負荷が作用した場合に、当該粒子フィルタを再生させることができる。

【0003】

当該排出ガス浄化装置及び方法のすべてが、効率的な動作のための予め決定可能な動作温度又は動作温度範囲を要求する点において共通している。例えば、ＳＣＲシステムは、９０％より高い変換率を獲得するために２００℃より高い温度を要求する。三元触媒は、約３００℃より高い動作温度を要求する。また、粒子フィルタを動的に再生するためには、５００℃より高い温度を設定する必要がある。上述の温度より低い温度では、当該粒子フィルタ及び／又は排出ガス触媒コンバータの効率は著しく低下する。しかしながら、現代の内燃エンジンの効率を向上させるためには、排出ガス温度を継続的に降下させることが必要とされる。多くの動作状態において、排出ガス温度を２００℃より低くすることは、例外ではなく標準的なことである。さらに、内燃エンジンのコールドスタートの後に、排出ガス浄化を動作温度に急速に引き上げる必要がある。これにより、コールドスタート段階が短縮され、汚染物質の排出量が削減される。特に駆動系を部分的に電動化すると、内燃エンジンの補助無く走行しなければならない道路区間が必然的に発生するので、場合によっては１回の走行中に数度のコールドスタートを行なう必要がある。

【0004】

このような問題を解決するために、非特許文献１には、排出ガス触媒コンバータの上流において電気抵抗ヒータを排出ガスケットに配置することが開示されている。当該電気抵抗ヒータは、３ｋＷ～４ｋＷの電気的な加熱力で加熱可能とされる。このようにして発生した熱は、効率的な排出ガス後処理を可能にするために、排出ガス触媒コンバータが急速に又は完全に当該排出ガス触媒コンバータの動作温度に到達するように、排出ガス流を介して排出ガス触媒コンバータに導入される。

【0005】

一方、このような公知の方法の欠点は、従来技術に基づく１２ボルトの車載電源システムによっては高い電気的な加熱力が供給することができないことである。さらに、抵抗加熱器は、排出ガス配管の全開流量の中に配置されており、内燃エンジンの全負荷動作状態又は全負荷動作状態に近い動作状態において、増加した排出ガスの背圧を発生させる。当該排出ガス背圧は、内燃エンジンの出力を低下させ、及び／又は燃料消費を増加させる。

【0006】

従って、部分負荷運転時の低い排出ガス温度であっても確実に機能し、コールドスタート後の排出ガス後処理システムを急速に加熱すると同時に、内燃エンジンが全負荷で動作する場合の燃料消費量の望ましくない増加を回避する、排出ガスを浄化するための方法及び装置に対するニーズが変わらず存在する。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【文献】Friedrich Graf, Stefan Lauer, Johannes Hofstetter, Mattia Perugini: Optimales Thermomanagement und Elektrifizierung in 48-V-Hybriden [Optimum thermal management and electrification in 48-V hybrids]; MTZ, 1 October 2018, 42-47

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

当該目的は、本発明において、請求項１に記載の装置、請求項１０に記載の内燃エンジン、及び請求項１１に記載の方法によって達成される。本発明の有利なさらなる発展形態については、従属請求項に記載されている。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の幾つかの実施例は、少なくとも１つの排出ガス配管を有している排出ガス浄化装置を提案するものである。少なくとも１つの粒子フィルタ及び／又は少なくとも１つの排出ガス触媒コンバータが、少なくとも１つの排出ガス配管に接続されている。従って、排出ガス配管は、排出ガスを、例えば内燃エンジンのような当該排出ガスの生成地点から排出ガス浄化装置に移動させ、最終的には排出ガス浄化装置から外部環境に移動させるように構成されている。従って、本発明の目的を達成させるために、排出ガス配管は、例えば排出ガス配管、排出ガスマニホールド、及び／又は排出ガス触媒コンバータ若しくは粒子フィルタのハウジングのような、排出ガス流を案内するための装置を意味することに留意すべきである。

【0010】

本発明の幾つかの実施例では、排出ガス浄化装置は、少なくとも１つの粒子フィルタを含んでいる。本発明の他の実施例では、少なくとも１つの排出ガス触媒コンバータが、代替的又は付加的に設けられている。排気ガス触媒コンバータは、酸化触媒、ＳＣＲ触媒、三元触媒、又は貯蔵触媒とされる。従って、排出ガス触媒コンバータは、未燃焼炭化水素及び／又は一酸化炭素及び／又は一酸化窒素を酸化させるように構成されているので、排出ガスの質量流量に占めるこれらガスの割合を減少させ、ＣＯ_２及びＨ_２Ｏの割合を増加させることができる。代替的又は付加的には、排出ガス触媒コンバータが、例えばＮＨ_３との反応によって例えば尿素から窒素酸化物（ＮＯｘ）の割合を減少させるために設けられている。本発明の幾つかの実施例では、別体の排出ガス触媒コンバータが、このために設けられている。本発明の他の実施例では、単一の排出ガス触媒コンバータによって、窒素酸化物の還元と、一酸化炭素及び炭化水素の酸化との両方が実施可能とされる。

【0011】

例えば、粒子フィルタ及び／又は排出ガス触媒コンバータの以下に示す組み合わせが、排出ガス配管に接続可能とされる。
第１の例示的な実施例：酸化触媒－ＳＣＲ被覆煤粒子フィルタ－ＳＣＲ触媒－アンモニア酸化触媒
第２の例示的な実施例：ＮＯｘ貯蔵触媒－ＳＣＲ被覆煤粒子フィルタ－ＳＣＲ触媒－アンモニア酸化触媒
第３の例示的な実施例：酸化触媒－煤粒子フィルタ－ＳＣＲ触媒
第４の例示的な実施例：三元触媒－煤粒子フィルタ
第５の例示的な実施例：三元触媒
第６の例示的な実施例：酸化触媒－煤粒子フィルタ－ＮＯｘ貯蔵触媒
第７の例示的な実施例：酸化触媒－煤粒子フィルタ－ＳＣＲ触媒

【0012】

粒子フィルタ及び／又は少なくとも１つの排出ガス触媒コンバータを、低負荷且つ低排出ガス温度の動作状態又はコールドスタート後の動作状態における動作温度にするために、本発明は、少なくとも１つの加熱式触媒を排出ガスケットの部分流れに配置させることを提案するものである。以下の説明及び特許請求の範囲を参照する差に、例えば“加熱式触媒”との記載において、その数量は不定であり、“一の（ａ）”を暗黙するものではない。このことは、複数の加熱式触媒の存在を排除することを意味する訳ではない。加熱式触媒は、燃料を排出ガスと反応させるために設けられている。このような反応としては、酸化反応、改質反応、及びクラッキング反応が挙げられる。このために、加熱式触媒における燃料の事前に決定可能な好ましい反応を発生させる排出ガスの組成を実現するように、内燃エンジンは制御可能とされる。さらに、供給される燃料量が、動作状態それぞれにおいて望ましい加熱式触媒と燃料との反応に影響を及ぼす。

【0013】

本発明の幾つかの実施例では、内燃エンジン自体が当該内燃エンジンの負荷要求それぞれに最適に対応するように動作している際には、供給される燃料量のみが、動作状態それぞれにおいて望ましい加熱式触媒と燃料との反応に影響を及ぼす。例えば、内燃エンジンは、結果として生じる排出ガスの組成を考慮する必要なく、最適な燃料消費量、最適な出力、最適な点検間隔、又は最適なトルクで動作可能である。従来技術による要件とは異なるので、排出ガス後処理の要件に起因して必ずしも内燃エンジンの動作制御が損なわれないので、その結果として、消費量の増加、オイルの希釈、熱問題、又は出力の低下を招くことを回避することができる。

【0014】

例えば、改質油は、第１の動作状態において、比較的長鎖の炭化水素を含有するガソリン又はディーゼル燃料から、加熱式触媒で生成される。本明細書を理解するためには、改質油は、主に短鎖のアルケン及び／又は一酸化炭素及び／又は水素の混合物を意味することに留意すべきである。加熱式触媒で生成された改質油は、排出ガス触媒コンバータ及び／又は粒子フィルタにおいて既に低温で発熱反応されているので、これら成分を加熱するために直接利用可能とされる。第１の動作状態では、加熱式触媒は、空気率ｌ＜＜１を条件として動作する。

【0015】

さらに、第２の動作状態においては、ガソリン又はディーゼル燃料の大部分又はすべてが酸化されることによって、発熱反応により排気ガスが加熱され、排出ガス触媒コンバータ及び／又は粒子フィルタを加熱するために利用可能とされる。第２の動作状態では、加熱式触媒は、空気率ｌ＞＝１を条件として動作する。第２の動作状態は、排出ガス触媒コンバータを着火温度まで上昇させるために、コールドスタートの直後に選択される。その後に、第１の動作状態に切替可能となる。これにより、例えば粒子フィルタ又はＳＣＲ触媒のような下流の構成要素も加熱するために、より高い出力を供給することができる。第２の動作状態は、コールドスタート後に、且つ、第１の動作状態に切り替わる前に、約２０秒～約１２０秒の間維持される。このことは、排出ガス後処理システムの酸化触媒が、約１５０℃より高い温度、約１６０℃より高い温度、約１８０℃より高い温度、又は約２００℃より高い温度に到達した場合に実施される。

【0016】

第３の動作状態では、混合動作が可能であり、燃料と加熱式触媒との発熱反応によって熱が発生されると共に、燃料の一部分が改質油を生成するために反応される。

【0017】

さらに、いずれの動作状態であっても、燃料の一部分が、化学反応させることなく、加熱式触媒で単に気化させることができる。また、この燃料蒸気は、排出ガス触媒コンバータ及び／又は粒子フィルタで発熱反応されるので、これら成分を加熱するために直接利用可能とされる。

【0018】

本発明の幾つかの実施例では、排出ガスは、酸素及び／又は窒素及び／又は窒素酸化物及び／又は水素及び／又は水及び／又は一酸化炭素及び／又は二酸化炭素及び／又は炭化水素を含むか、又は酸素及び／又は窒素及び／又は窒素酸化物及び／又は水素及び／又は水及び／又は一酸化炭素及び／又は二酸化炭素及び／又は炭化水素から成る。本発明の幾つかの実施例では、排出ガスは、約１４％～約１７％又は約１０％～約１４％の酸素含有量を有している。本発明における加熱式触媒では、上述の成分の一部又はすべてが、供給された燃料と反応可能である。

【0019】

本発明の幾つかの実施例は、少なくとも幾つかの動作状態において、加熱式触媒が、入口及び出口を具備するハウジングを有しており、ハウジングが、排出ガス配管を流れる排出ガスの部分流れが入口を通じてハウジングに供給され、ハウジングから出口を通じて入口の下流の排出ガス配管に排出されるように、排出ガス配管に接続されていることを提案するものである。従って、既知のシステムとは異なり、排出ガス流の部分流れではなく、そのすべてが加熱式触媒を通過する。このことは、排出ガス後処理システムを加熱するのに十分であると同時に、全負荷動作状態又は全負荷動作状態に近い動作状態において排出ガスの背圧を小さくすることができる。加熱式触媒が必要とされない場合には、排出ガス配管の大部分の断面又は全断面が、排出ガスを排出するために継続的に利用可能であるからである。従って、本発明は、特に全負荷領域において排出ガスの低い背圧、ひいては内燃エンジンの燃料効率に優れた動作を実現する一方、コールドスタート後又は低部分負荷領域において低い一般的な排出ガス温度の排出ガス後処理システムの急速加熱を実現することができる。

【0020】

本発明の幾つかの実施例は、少なくとも１つの排出ガス配管と、排出ガス配管に接続されている少なくとも１つの粒子フィルタ、及び／又は排出ガス配管に接続されている少なくとも１つの排出ガス触媒コンバータと、を備えている排出ガス浄化装置であって、加熱式触媒が、粒子フィルタ及び／又は排出ガス触媒コンバータの上流に配置されており、且つ、供給された燃料を排出ガスと反応させるように構成されており、加熱式触媒が、入口及び出口を具備するハウジングを有しており、ハウジングが、排出ガス配管を流れる排出ガスの部分流れが入口を通じてハウジングに供給され、ハウジングから出口を通じて入口の下流の排出ガス配管に排出されるように、排出ガス配管に接続されており、加熱式触媒のハウジングの全体が、排出ガス配管の内部に配置されていることを特徴とする排出ガス浄化装置に関する。

【0021】

本発明の幾つかの実施例では、燃料の反応に影響を与えるために、幾つかの動作状態において、排出ガスに加えて周囲空気が、加熱式触媒に供給される。周囲空気は、排出ガス配管又は別体の空気供給装置を介して、加熱式触媒に供給される。空気供給装置は、開ループ方式又は閉ループ方式で供給される周囲空気の量を制御するように構成されている。このために、空気供給装置は、制御弁及び／又は絞り弁を含んでいる。

【0022】

本発明の幾つかの実施例では、加熱式触媒を通過する部分流れは、約１０％～約９０％の割合、約１５％～約５０％の割合、約１０％～約２０％の割合、又は約１５％～約３０％の割合とされる。本発明の幾つかの実施例では、加熱式触媒を通過する部分流れは、幾つかの動作状態において、約１０％未満、又は約５％未満、又は約１％未満、又は約０％とされる。すなわち、排出ガスのさらなる加熱又は排出ガス浄化装置が望ましくない場合には、排出ガスは加熱式触媒を通じて流れない。

【0023】

本発明の幾つかの実施例では、排出ガス浄化装置は、排出ガスを加熱式触媒に供給するように構成されている多孔板を含んでいる。多孔板は、金属又は合金から作られており、実際の触媒材料又は触媒担体を少なくとも部分的に又は完全に覆っている。本発明の幾つかの実施例では、多孔板は平坦とされる。本発明の他の実施例では、多孔板は、例えば球状の縁無し帽又は円筒形ジャケットの表面の形状を有するように、少なくとも１つの空間方向に湾曲している。

【0024】

多孔板は、排出ガスが加熱式触媒に接触するように流れる際に通過する複数の穴、孔、又は開口部を含んでいる。穴、孔、又は開口部は、規則的なパターン又は不規則なパターンで配置されている。本発明の幾つかの実施例では、穴又は開口部は、約０．５ｍｍ～約１．５ｍｍ、約０．３ｍｍ～約１．０ｍｍ、又は約１．０ｍｍ～約３．５ｍｍの直径を有している。穴、孔、又は開口部の断面は、多角形状、円形状、又は不規則な形状であっても良い。穴又は開口部の数、間隔、大きさ、及び配置は、触媒担体及び／若しくは加熱式触媒に対する排出ガスのアクセスを均一化するように、並びに／又は所望の加熱力を得るように、並びに／又は排出ガスの分岐した部分流れの事前決定可能な大きさ及び／若しくは許容圧力損失を実現するように、コンピュータシミュレーションによって決定される。これにより、燃料と排気ガスとの反応がほとんど若しくは全く関与しないホットスポット又は空間領域を加熱式触媒に発生させることなく、加熱式触媒全体を効率的に利用することができる。本発明の幾つかの実施例では、多孔板は、例えば焼結体、発泡体、織布、編組、又はニットウェアのような多孔質材料を含んでいるか、又はそのような多孔質材料から構成されている。

【0025】

本発明の幾つかの実施例では、加熱式触媒は、電気的に加熱可能な支持体を備えている。本発明の他の実施例では、代替的又は付加的に、ハウジング及び／又はハウジング部品及び／又は燃料板及び／又は多孔板が、電気的に加熱可能とされるか、又は少なくとも一時的に電気的に加熱される。その結果として、加熱式触媒は、車載電源システムからの付加的な電気エネルギによって予熱可能とされる。排出ガス後処理システムの他の構成要素は、加熱式触媒が最初に動作温度に到達した後に、加熱式触媒を利用した化学的及び電気的エネルギによって加熱される。従って、本発明では、排出ガス後処理システム全体を動作温度に至るまで電気的に加熱する必要が無い。逆に、加熱式触媒のみが電気的に加熱可能とされる。加熱式触媒は、内燃エンジンの近傍に据え付けることによって気流から保護することができ、排出ガス触媒コンバータ又は粒子フィルタより小型であるので、必要な電気加熱エネルギを低減することができる。

【0026】

本発明の幾つかの実施例では、加熱式触媒は、直流電流の抵抗熱によって加熱することができる導電性の担体を含んでいる。本発明の他の実施例では、電熱線が、担体並びに／又は加熱式触媒のハウジング及び／若しくは他の部分に埋設されている。付加的又は代替的には、加熱式触媒の担体が、壁面加熱器に熱的に接続されている。

【0027】

本発明の幾つかの実施例では、加熱式触媒は、約５００Ｗ～約１５００Ｗ、又は約７００Ｗ～約１３００Ｗ、又は約８００Ｗ～約１２００Ｗ、又は約５００Ｗ～約４０００Ｗ、又は約７００Ｗ～約３０００Ｗ、又は約８００Ｗ～約２０００Ｗの電力で予熱される。加熱式触媒は、その寸法が比較的小さいことに起因して、排出ガス触媒コンバータと比較して低い熱容量を有しているので、当該加熱式触媒は、短時間でその動作温度に到達することができる。本発明の幾つかの実施例では、電気加熱は、約５秒～約６０秒の間、又は約１０秒～約３０秒の間、又は約５秒～約２０秒の間で実施される。本発明の幾つかの実施例では、電気加熱は、加熱式触媒が約２００℃～約７００℃の温度、約３００℃～約５００℃の温度、又は約２５０℃～約３５０℃の温度に達するまで実施される。

【0028】

本発明の幾つかの実施例では、燃料板が、多孔板の反対側に位置する加熱式触媒の側に配置されている。燃料板は、燃料が加熱式触媒又は触媒担体と均一に接触するように、燃料を均一に分布させることができる。このために、燃料は、ポンプによって燃料板に供給され、薄膜を形成するように当該燃料板上を流れる。対流及び放射によって熱が燃料板に伝達されるので、燃料膜の温度が上昇するに従って、燃料膜が蒸発して加熱式触媒の触媒担体に浸透する。上述のように、燃料が排出ガスと共に反応されるので、加熱された排出ガス、改質油、及び／又は燃料蒸気が排出ガス配管に向かって放出される。燃料板を均一に加熱するために、燃料板は、例えばアルミニウムや銅のような良好な熱伝導性を有する金属又は合金から作られている。

【0029】

本発明の幾つかの実施例では、燃料板は、毛細管輸送装置を備えている。このような毛細管輸送装置は、フライス加工、エッチング、又は積層造形されたチャネルの形状とされる。このようなチャネルの形状、数、及び大きさは、燃料が燃料板に均一に分布されるように、コンピュータシミュレーションで最適化される。本発明の他の実施例では、不織布、織布、ニットウェア、発泡体、及び／又はウィックが燃料板に配置されている。その結果として、毛細管力に起因して、燃料板によって形成された平面において燃料が輸送可能となる。

【0030】

本発明の幾つかの実施例では、加熱式触媒のハウジングは、約５５ｍｍ～約１２０ｍｍ又は約６５ｍｍ～約１００ｍｍの直径又は円周を有している。このようなハウジングの高さは、約２０ｍｍ～約５０ｍｍとされる。その結果として、加熱式触媒の設置スペースは非常に小さく、且つ、加熱式触媒の熱質量は小さいので、加熱式触媒の急速な反応を実現することができる。それにも関わらず、加熱式触媒によって提供される化学的及び電気的な加熱力は、一般的な排出ガス後処理システムを動作温度に至るまで急速に加熱するのに十分な大きい。言うまでもなく、より大きな加熱式触媒であれば、例えばトラック、船舶、若しくは建設機械で利用する大型エンジンのために、又は、定置運転のためにも利用可能である。

【0031】

本発明の幾つかの実施例では、減圧装置が、入口と出口との間において排出ガス配管の内部に設けられている。当該減圧装置は、差圧を発生させることができるので、排出ガスの部分流れが入口を通じて加熱式触媒のハウジングに流入し、出口を介して再び加熱式触媒から出るように、加熱式触媒の入口における排出ガスの圧力を加熱式触媒の出口における圧力より大きくすることができるという効果を有している。本発明の幾つかの実施例では、減圧装置によって発生される圧力差は、約５ｍｂａｒ～約５０ｍｂａｒの間、又は約８ｍｂａｒ～約３０ｍｂａｒの間とすることができる。減圧装置によって発生される圧力差は、流体が加熱式触媒を通じて流れる場合に発生される圧力損失より大きい。これにより、加熱式触媒を通過する排出ガスの部分流れを十分に大きくすることができる。

【0032】

本発明の幾つかの実施例では、減圧装置は、第１の動作状態において、より大きい排出ガスの背圧を発生させるように、第２の動作状態において、より低い排出ガスの背圧を発生させるように切り替え可能である。従って、加熱式触媒の動作を必要とする動作状態では、加熱式触媒の入口における排出ガスの背圧は、排出ガスの相当の部分流れが加熱式触媒を通過するように大きくすることができる。加熱式触媒が必要とされない場合には、減圧装置の排出ガスの背圧は、全負荷時における内燃エンジンのガス交換をほとんど損なわないように低減させることができる。

【0033】

本発明の幾つかの実施例では、減圧装置は、加熱式触媒を通過する部分流れが所定の目標値に制御されるように制御可能とされる。

【0034】

本発明の幾つかの実施例では、減圧装置は、絞り弁、混合器、又はターボ過給機のタービンとされる。後者の場合、加熱式触媒の入口は、ターボ過給機のタービンの入口側に位置しており、加熱式触媒の出口は、ターボ過給機の出口側に位置している。従って、いずれにせよ、タービンによって発生される圧力損失が、加熱式触媒を通じた流れを可能にするために同時に利用される。

【0035】

本発明の幾つかの実施例では、遮断弁が、加熱式触媒の入口に設けられている。遮断弁は、電磁弁であるか、電磁弁を含んでいるか、又はアクチュエータによって移動可能とされる。このようにして、加熱式触媒が必要とされない場合には、部分流れが加熱式触媒を通じて流れることなく、完全な排出ガスの流れが排出ガス配管を通じて流れる。従って、排出ガス流からの堆積物が加熱式触媒に付着することを回避することができるので、耐用年数が増大する。

【0036】

本発明の幾つかの実施例では、加熱式触媒のハウジングの全体が、排出ガス配管の内部に配置されている。これにより、小型で機械的体制を有する構成を実現することができるので、動作の信頼性を高めることができる。この目的のために、本発明の幾つかの実施例では、排出ガス配管の断面を、加熱式触媒が配置されている縦断面において拡大することができる。

【0037】

本発明について、本発明の基本的な発明概念を制限することなく、実施例及び図面を用いて詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0038】

【図1】本発明における加熱式触媒の第１の実施例を表わす。

【図2】第１の実施例における加熱式触媒の横断面図である。

【図3】第１の実施例における加熱式触媒の分解図である。

【図4】内燃エンジンを利用した本発明における排出ガス浄化装置を表わす。

【図5】本発明における加熱式触媒の異なる設置例を表わす。

【図6】本発明における加熱式触媒の第２の実施例の縦断面である。

【図7】本発明における加熱式触媒の第２の実施例の横断面図である。

【図8】本発明における加熱式触媒の第３の実施例の縦断面である。

【図9】本発明における加熱式触媒の第３の実施例の横断面図である。

【図10】加熱式触媒に供給される質量流量と、加熱式触媒で生成される改質油の組成とを示す。

【図11】コールドスタート後における酸化触媒及び粒子フィルタの温度対時間の関係を示す。

【図12】排出ガス全体の質量流量、排出ガス後処理システムに供給される熱出力、及びその結果としてのＳＣＲ温度の時間変化を示す。

【図13】ＷＨＴＣに準拠した測定サイクルの最初の４８０秒間における、排出ガス後処理システムに供給される熱出力及びその結果としてのＳＣＲ温度対時間の関係を示す。

【図14】ＷＨＴＣに準拠したサイクルでＳＣＲ触媒を加熱した場合における電気加熱装置の加熱力と本発明における加熱式触媒の加熱力との積算値、並びに加熱に利用した燃料量を示す。

【図15】本発明における加熱式触媒を試験するための試験台を表わす。

【図16】全体の排出ガス質量流量、本発明における加熱式触媒に供給される排出ガス質量流量、及びこれらに含まれる酸素濃度対時間の関係を示す。

【図17】加熱式触媒から供給される電力、供給された排気ガス質量流量に含まれる酸素濃度、及び加熱式触媒の温度の時間変化を示す。

【図18】供給される排出ガスの質量流量及び酸素濃度を変化させた場合における、加熱式触媒の温度の時間変化を示す。

【図19】本発明における加熱式触媒の第４の実施例を表わす。

【発明を実施するための形態】

【0039】

図１、図２、及び図３は、本発明における加熱式触媒の第１の実施例を表わすここで、図１及び図２は、排出ガス配管３の一部分を表わす。排出ガス配管３は、例えば内燃エンジンから発生する排出ガス流３５を受容するように構成されている。

【0040】

図１及び図２からも明らかなように、排出ガス流３５は、排出ガス配管３を略直線的に通過する。部分流れ３５１のみが、入口２１を介して、加熱式触媒２のハウジング２５の内部に進行する。このようにして分岐した部分流れ３５１は、排出ガス配管３の内部を流れる排出ガス流全体のうち約１０％～約５０％、又は約１５％～約３０％を占めている。

【0041】

特に図２に表わすように、入口２１を通じて流入する排出ガス流３５１は、多孔板４を介して触媒担体５に供給される。多孔板４は、セラミック材料、金属、又は合金を含有するか、又はセラミック材料、金属、又は合金から成る。さらに、多孔板４は、排出ガスが流入する際に通過する複数の孔４１を有している。孔４１の数、大きさ、及び分布は、排出ガスを触媒担体５の内部に可能な限り均一に分配するように、コンピュータシミュレーションで決定される。

【0042】

それ自体が既知である方法では、触媒担体５は、例えば、焼結体、ハニカム体、発泡体、又は、排出ガスに透過可能とされる他の多孔質成形体とされる。このために、触媒担体５は、金属、合金、又はセラミック材料から作られている。触媒担体５は、触媒担体５が約５００Ｗ～約１５００Ｗの加熱力で加熱されるように、電気加熱装置を備えている。このために、電気接続部５１が利用される。電気加熱エネルギは、電気接続部５１を介して触媒担体５に導かれる。触媒担体５の温度は、温度センサ５０によって、開ループ方式又は閉ループ方式で検出及び制御可能とされる。

【0043】

最後に、燃料板６が、多孔板と反対側の触媒担体５の側面に配置されている。燃料板６は、金属又は合金を含有しているか、又は金属又は合金から構成されており、任意に毛管輸送装置を備えている。輸送装置として、例えば、チャネルを燃料板６の表面に導入することによって、燃料が触媒担体５に面している燃料板６の表面に亘って可能な限り一様に薄膜状で分布するように、燃料を毛管輸送することができる。燃料の供給は、ポンプ６５によって、開ループ方式又は閉ループ方式で制御可能とされる。本発明の幾つかの実施例では、燃料板６に利用される燃料は、内燃エンジンの主タンクから取り出される。例えば、燃料は、ガソリン又はディーゼル燃料又は天然ガス又はＬＰＧとされる。本発明の他の実施例では、具体的には排出ガス後処理システムを加熱するために供給される燃料、例えばアルコールや揮発油が燃料板６に利用可能とされる。

【0044】

触媒担体５を通じて排出ガスによって、熱が、対流及び輻射を介して燃料板６に導入される。これにより、燃料が気化する。その後に、燃料蒸気は、上昇し触媒担体５の内部に到達する。触媒担体５の内部において、燃料上記は排出ガスと発熱反応する。結果として生じる熱は、排出ガスに部分的に供給されるので、出口２２から排出ガス配管３に流れる排出ガス流３５２は、流入する排出ガス流３５１に対して相対的に加熱される。さらに、排出ガス配管３に導入された排出ガス流３５２は、触媒担体５で反応した燃料の成分、例えば改質油を含有している。

【0045】

本発明の幾つかの実施例では、コールドスタート後に、燃料の大部分が排出ガスで酸化される第１の動作状態を最初に選択することができる。これにより、主に、排出ガス後処理システムを加熱するために利用される熱が発生する。当該第１の動作状態では、任意であるが少なくとも時々、触媒担体５が電気的に加熱される。加熱式触媒の空気率ｌは、約０．７～約１とされるが、幾つかの実施例では１より大きい場合がある。

【0046】

加熱式触媒の第２の動作状態では、燃料の大部分が、主に短鎖アルケン及び／若しくは一酸化炭素及び／若しくは水素から成る、混合物を含有する又は当該混合物から成る改質油に反応する。その後に、当該改質油は、粒子フィルタや排出ガス触媒コンバータで酸化され、結果として生じる熱がこれら成分に直接導入される。この目的のために、加熱式触媒は不足当量的に機能する。すなわち、加熱式触媒の空気率ｌは、約０．０５～約０．７、又は約０．１～約０．４とされる。

【0047】

第１の動作状態と第２の動作状態との切替は、燃料の供給量を調整することによって、及び／又は排出ガスの組成を調整することによって、及び／又は周囲空気を供給することによって行なうことができる。排出ガスの組成は、とりわけ、燃料の噴射量、ブースト圧，絞り弁の位置、噴射回数及び噴射それぞれの持続時間、噴射タイミング若しくは点火タイミング、吸気弁及び排気弁の開弁時間、開弁行程、並びに／又は排出ガス再循環弁の位置の選択によって影響を受ける。必須ではないが好ましくは、第１の動作状態と第２の動作状態との切替は、燃料の供給量を調整することによって行われる。燃料の供給量は、当該切替が実現されるように、排出ガスの組成に基づいて選択される。排出ガスの組成は、例えばラムダプローブによって少なくとも部分的に測定される。代替的又は付加的には、排出ガスの組成は、内燃エンジンの特性マップから外挿することができるので、その結果として、加熱式触媒への燃料供給量は、内燃エンジンの動作状態それぞれについての特性マップ又は特性マップの範囲から決定可能とされる。

【0048】

本発明の幾つかの実施例では、第１の動作状態と第２の動作状態との切替は、熱の入力と改質油の生成との間に複数の変化が存在するように周期的に実施可能とされる。

【0049】

本発明の幾つかの実施例では、第１の動作状態と第２の動作状態との同時適用も可能なように、複数の加熱式触媒が設けられている。

【0050】

本発明の幾つかの実施例では、燃料板６の温度は、任意の温度センサ６０によって検出されるポンプ６５の流量を制御するために利用される。

【0051】

また、図２は、減圧装置７を表わす。図示の例では、当該減圧装置は、絞り弁を含んでおり、当該絞り弁の迎え角は、アクチュエータ７０に影響される。従って、排出ガス流３５の部分流れ３５１が加熱式触媒２のハウジング２５を通じて流れるのに十分に大きい圧力差が入口２１と出口２２との間に確立されるように、コールドスタートの後に減圧装置は閉じられる。また、減圧装置７は、乱流の伴流渦が減圧装置の下流に形成されるという効果を有しており、これにより、加熱式触媒２のハウジング２５から流出する部分流れ３５２と排出ガス配管３を流れる主流れとの効率的な混合が確実になる。排出ガス浄化装置のさらなる加熱が必要とされない程度に排出ガスの温度が高い場合には、絞り弁７を完全に開くことができる。その結果として、入口２１及び出口２２における排出ガスの圧力が略同一となるので、排出ガスは加熱式触媒２を通じて全く流れないか、又は排出ガスが加熱式触媒２を通じてほとんど流れない。従って、本発明における装置は、加熱式触媒を具備しない既知の排出ガスシステムと比較して、顕著に高い排出ガス背圧を有しないので、その結果として、全負荷動作状態又は略全負荷動作状態下の出力及び／又は消費について、優位性を獲得することができる。

【0052】

最後に、図２は、減圧装置７の上流及び下流における排出ガス温度を決定する温度センサ８８を表わす。これにより、加熱式触媒２を破壊する恐れがある過度に高温の排出ガスが触媒担体５に導入されなくなる。さらに、排出ガスの流れが事前決定可能な最大温度を超えるほど多くのエネルギが加熱式触媒に供給されなくなる。

【0053】

減圧装置７、ポンプ６５を介した燃料供給、及び触媒担体５の電気加熱エネルギは、加熱式触媒が動作状態に基づいて開ループ方式又は閉ループ方式で最適に制御されるように、開ループ制御装置又は閉ループ制御装置８７を介して制御される。

【0054】

また、図３は、加熱式触媒２のハウジング２５の分解図である。触媒担体５の下側の燃料板６と、触媒担体５の上側の多孔質プレート４とが図示されている。電気加熱エネルギ及び燃料は、接続部６２，５１を介して供給される。略円筒状のハウジングの上側には、入口２１及び出口２２が配設されており、入口２１及び出口２２を介して、排出ガス流３５１がハウジング２５に流入し、改質された排出ガス流３５２が加熱式触媒２のハウジングから流出する。

【0055】

加熱式触媒２は、小型に構成されており、約３０ｋＷ／ｌ～約６０ｋＷ／ｌの高い出力密度を有している。さらに、熱出力は広範囲に亘って、例えば約１ｋＷ～約１８ｋＷの範囲で調整可能とされるので、調節範囲は、約１：１６～約１：２０となる。

【0056】

図４は、外部取付部品を具備する内燃エンジン８を表わす。図示の典型的な実施例では、内燃エンジン８は、４つのシリンダ８１５を有している。言うまでもなく、本発明の他の実施例では、シリンダの数は、４つより大きくても、４つより小さくても良い。本発明は、すべての既存の型式のエンジン、例えば直列エンジン、水平対向エンジン、又はＶ型エンジンに適合する。従って、図示の４気筒直列エンジンは、単なる一例にすぎないと理解される。さらに、内燃エンジンは、火花点火式内燃エンジンや自己点火式内燃エンジンであっても良い。

【0057】

燃料は、配管８１を介して内燃エンジン８に供給される。配管８１は、例えば、コモンレールシステムの一部であっても、任意の他の既知の混合気調整システムであっても良い。さらに、内燃エンジン８は、新鮮空気を内燃エンジン８に供給するための吸気セクション８１１を有している。また、排出ガスは、排気マニホールド８１２を介して集められ、排出ガス配管３に供給される。

【0058】

また、図４は、任意選択の高圧排出ガス再循環システムを表わす。高圧排出ガス再循環システムは、再循環排出ガスの量を開ループ方式又は閉ループ方式で制御する排出ガス再循環弁８３５と、再循環排出ガスから熱エネルギを抽出することによって再循環排出ガスの温度を下げる排出ガスクーラー８３とを含んでいる。高圧排出ガス再循環システムは、排出ガス配管３から排出ガスの部分流れを排出し、排出ガスの部分流れを冷却された状態で再び吸気セクション８１１に戻す。

【0059】

排出ガスの主流れは、任意選択のターボ過給機８６のタービン８６１を介して、排出ガス配管３から渡される。言うまでもなく、本発明の他の実施例では、ターボ過給機８６を設けない場合がある。排出ガスは、タービン８６１の内部で膨張されるので、シャフトを介して圧縮器８６２を駆動する。圧縮器８６２は、汚染粒子を除去するためのエアフィルタ８５５を通過した後に入口８５を介して取り込まれる新鮮な空気を圧縮する。

【0060】

圧縮器８６２を出た圧縮空気が任意選択の給気冷却器８２に到達した後に、圧縮及び冷却された吸気が吸気セクション８１１を介して内燃エンジン８に供給される。

【0061】

図示の典型的な実施形態では、タービン８６１を出た排出ガスは、３つのステージを有している排出ガス後処理システムに到達する。排出ガス後処理システムは、実質的にＣＯ_２及びＨ_２Ｏが酸化触媒３２から排出されるように、未燃焼燃料成分及び一酸化炭素を酸化させるための酸化触媒３２を含んでいる。

【0062】

その後に、排出ガスは粒子フィルタ３１に到達する。粒子フィルタ３１は、例えば既知のディーゼル粒子フィルタ又はガソリン粒子フィルタとされる。内燃エンジン８のシリンダ８１５における不完全燃焼によって生じる煤粒子は、粒子フィルタ３１に滞留する。粒子フィルタ３１に十分な負荷が作用した場合に、煤粒子が酸化し、ＣＯ_２を形成する。このためには、３５０℃～６００℃の排出ガス温度が必要とされる。

【0063】

最後に、図４は、排出ガス流からの窒素酸化物を尿素で還元する任意選択のＳＣＲ触媒３３を表わす。窒素酸化物の反応には、２００℃より高い、好ましくは２５０℃より高い温度が必要とされる。

【0064】

最後に、図４は、任意選択の低圧排出ガス再循環システムも表わす。当該低圧排出ガス再循環システムは、粒子フィルタ３１の下流において排出ガスを分岐し、任意選択の排出ガス冷却器８４を介して排出ガスの温度を低下させ、冷却された排出ガスを圧縮器８６２の低圧側に供給する。また、別の排出ガス再循環弁８４５が、再循環質量流量を制御するために利用される場合がある。

【0065】

図４は、周辺機器を具備する最大構成を表わすことに留意すべきである。本発明の他の実施例では、個々の周辺機器が省略されている場合がある。例えば、ターボ過給機８６、給気冷却器８２、排出ガス再循環システム８３，８４、又は多段式排出ガス浄化装置３１，３２，３３は、常時設ける必要は無い。また、個々の要素を省略しても良い。

【0066】

本発明の目的は、部分負荷運転時及び／又はコールドスタート後であっても、酸化触媒３２及び／又は粒子フィルタ３１及び／又はＳＣＲ触媒３３を必要な動作温度に迅速に到達させることである。当該目的を達成させるために、本発明における加熱式触媒は、参照符号２で示す地点において利用可能とされる。従って、加熱式触媒は、ターボ過給機８６のタービン８６１の上流又は下流において排出ガス配管３に挿入されている。本発明の他の実施例では、加熱式触媒２は、ターボ過給機８６の上流又は下流において排出ガス配管３に組み込まれている。

【0067】

加熱式触媒２の様々な設置状況については、図５を参照してより詳細に説明する。ここで、加熱式触媒の構成は、図１～図３、図６及び図７、並びに図８及び図９に表わす本発明の３つの異なる実施例に実質的に基づいている。

【0068】

図５ａは，ターボ過給機８６のタービン８６１に対して並列に配置された加熱式触媒２を表わす。この場合、タービン８６１で発生する圧力損失によって、加熱式触媒２の入口２１における排出ガスの圧力が出口２２における排出ガスの圧力より高くなる。その結果として、排出ガスの部分流れ３５１が加熱式触媒２を通じて輸送される。また、タービン８６１を出た後の排出ガスの流れの乱れによって、加熱式触媒２で生成された燃料蒸気又は改質油と、タービン８６１を流れる排出ガスの本流との十分に良好な混合が実現される。

【0069】

図５ｂは、排出ガス流の低圧側に、すなわちターボ過給機８６のタービン８６１の下流に配置された加熱式触媒２の変形例を表わす。例えば、図２に部分的に表わす且つ混合器を利用する本発明の実施形態は、当該目的を果たすのに適している。利点は、複数の車両タイプのいずれにも加熱式触媒が利用可能となることである。

【0070】

図５ｃは、排出ガスケットの高圧側に、すなわちターボ過給機８６のタービン８６１の上流に配置された加熱式触媒２を表わす。このことは、ターボ過給機８６１のタービンによって、本流と加熱式触媒２から出てくる且つ燃料蒸気を含む部分流れとの良好な混合が実現されるという利点を有している。

【0071】

最後に、図５ｄは、加熱される排出ガス後処理システムの直接上流の排出ガス配管に組み込まれた加熱式触媒２を表わす。このような組み込みを実現するためには、図６～図９に表わす実施例が特に適している。当該実施例では、加熱式触媒２の全体が排出ガス配管３の内部に配置されており、損傷から保護されているので、車両フロアに配置させることもできる。

【0072】

図６及び図７は、本発明における加熱式触媒の第２の実施例を表わす。本発明の均等な構成要素には同一の参照符号を付したので、本質的な相違点についてのみ説明する。図６は縦断面であり、図７は横断面である。

【0073】

図面から明らかなように、加熱式触媒２は、再び略円筒状のハウジングに配置されている。当該ハウジングは、排出ガス配管３と略同心円状に配置されている。このために、加熱式触媒２の領域における排出ガス配管３の直径は、排出ガス配管３の他の縦断面の直径より大きい。ハウジング２５の入口２１及び出口２２は、円筒状のハウジング２５の互いに対して反対側に位置する端部それぞれに配置されている。従って、排出ガスは、ハウジング２５の前側を通じてハウジング２５に流入し、再びハウジング２５の後側を通じて流出する。その結果として、内燃エンジンが動作している場合には、排出ガスは、常にハウジング２５を通過して流れる。排出ガスの流れが略均一であることに起因して、これら実施形態では、多孔板４を省略することもできる。また、排出管の例として図６及び図７に表わすように、加熱式触媒は、排出ガス触媒コンバータのハウジング又は粒子フィルタに組み込まれている、

【0074】

図８及び図９を参照して、本発明の第３の実施例について詳細に説明する。本発明の均等な構成要素には同一の参照符号を付したので、本質的な相違点についてのみ説明する。また、図８は縦断面であり、図９は横断面である。

【0075】

図示の如く、加熱式触媒２のハウジングは、排出ガス配管３の略中央に略同心円状に配置されている訳ではなく、平坦又は湾曲した仕切り２５１によって排出ガス配管３が排出ガス配管３の残りの自由断面から分離されている排出ガス配管３の縁部に配置されている。当該実施例は、電気加熱装置の接続接点５１と燃料供給装置６２とが高温の排出ガス領域を通過される必要が無いという利点を有している。このような場合であっても、特定の状況下においては多孔板４を省略することができる。触媒担体５が、既に均質な流れを有しているからである。排出ガス配管を例示する図８及び図９に表わすように、加熱式触媒は、排出ガス触媒コンバータのハウジング又は粒子フィルタに組み込まれている。

【0076】

図１９は、本発明における加熱式触媒の第４の実施例を表わす。本発明の均等な構成要素には同一の参照符号を付したので、本質的な相違点についてのみ説明する。

【0077】

図１９から明らかなように、加熱式触媒は、略円筒状のハウジング２５を有しており、入口２１及び出口２２が、軸線方向に配置されている。また、図１９に表わすように、入口２１を通じて入る排出ガス流３５１は、筒状ジャケット表面の形状をした多孔板４を介して、触媒担体５に供給される。多孔板４は、セラミック材料、金属、又は合金を含んでいるか、又はセラミック材料、金属、又は合金から構成されている。本発明の幾つかの実施例では、多孔板４は、入口２１を形成している配管の縦断面によって形成されている。さらに、多孔板４は、排出ガスを通過させるための複数の穴又は開口部４１を含んでいる。穴４１の数、大きさ、及び分布は、排出ガスが触媒担体の内部に可能な限り均一に分布するように、任意選択のコンピュータシミュレーションで決定される。本発明の幾つかの実施例では、入口２１を形成している配管の端部が、排出ガスが開口部４１を通じてのみ排出されるように閉じられている。

【0078】

既知の方法では、触媒担体５は、例えば焼結体、ハニカム体、発泡体、又は排出ガスを透過可能な他の多孔質形状体とされる。このために、触媒担体５は、金属、合金、又はセラミック材料から構成されている。また、触媒担体５は、筒状ジャケット表面の形状を有しており、円柱状の多孔板４の周りに略同心状に配置されており、及び／又は、ハウジング２５に対して略同心状に配置されている。

【0079】

最後に、触媒担体５の多孔板と反対側の面には、燃料供給部６２を介して燃料が供給される同心状の燃料板が設けられている。

【0080】

本発明の幾つかの実施例では、燃料が触媒担体５に直接供給されることを条件として、燃料板を省略することもできる。燃料を触媒担体５に直接供給する場合には、ガス状の燃料を導入することができる。ガス状の燃料を導入するために、液体燃料が、蒸発器（図示しない）を介して加熱式触媒に導入される。これにより、燃料の気化のエンタルピーに起因する触媒担体５の望ましくない冷却を回避又は低減することができる。

【0081】

幾つかの実施例では、燃料供給部６２は、燃料が円周及び／又は長手方向に沿った複数の位置に導入可能とされるように、複数回利用可能である。単一の燃料供給部６２のみを示す単なる模式的な図解は、例示的なものとして理解すべきである。

【0082】

以下の比較例は、本発明を説明するものであるが、本発明が当該比較例に限定される訳ではないことに留意すべきである。以下の実施例では、排出ガス浄化装置が図１～図４で説明したように利用される。

【0083】

上述したように、本発明における加熱式触媒は、比較的長鎖の炭化水素を含む燃料が加熱式触媒において反応する第１の動作状態を有している。結果物である改質油は、例えば酸化触媒のような排出ガス後処理システムの構成要素において比較的低温で既に反応しているので、排出ガスケット又は排出ガス後処理システムにおいて熱を直接発生させることができる。さらに、本発明における加熱式触媒は、発熱反応によって熱を排出ガスに導入するために燃料の大部分又はすべてが酸化される第２の動作状態で動作可能とされる。

【0084】

図１０は、第１の動作状態において加熱式触媒によって生成された改質油の組成を正の縦軸で表わす。負の縦軸は、加熱式触媒に供給される質量流量の組成を表わす。

【0085】

図１０は、１４％の酸素と８４．７％の窒素とを混合することによって排出ガス流をシミュレートした試験運転の結果を表わす。当該シミュレートされた排出ガス流は、上述の方法で加熱式触媒に供給される。さらに、市販のディーゼル燃料が加熱式触媒に供給されるが、当該ディーゼル燃料は、アルカン、アルケン、芳香族、及び含酸素炭化水素の混合物から基本的に構成されている。室温では、アルカンは、炭素原子数１～５のガス状成分と、炭素原子数６以上の液状成分とから成る。

【0086】

加熱式触媒の内部において、ディーゼル燃料が排出ガスと反応する。これにより、熱と、例えば水素や一酸化炭素のような酸化生成物が生成される。さらに、燃料は、例えばプロパンやエチレンのような短鎖のアルケンに分解される。結果物である改質油は、常温で凝縮可能な液体アルカンをほとんど含んでいない。その結果として、排出ガス後処理システムの酸化触媒の着火温度が低下する。従って、熱は、改質油の酸化によって排出ガス後処理システムにおいて直接発生されるので、排出ガス後処理システムの下流に配置された構成要素、例えば粒子フィルタが加熱される。このようにして生成された加熱力は、約１０ｋＷより大きく、約１５ｋＷより大きく、約２０ｋＷより大きく、約２５ｋＷより大きく、又は約３０ｋＷより大きい。

【0087】

図１１は、ディーゼルエンジンを搭載した乗用車の排出ガス後処理システムについての、曲線Ｂで示す粒子フィルタ３１の温度と，曲線Ａで示す酸化触媒３２の温度を表わす。排出ガス流は、５０ｋｇ／ｈの質量流量に設定し、１４０℃の一定温度とした。図１１は、時間対温度の曲線を表わす。約４０秒後に、図１０に基づいて上述した改質油が排出ガスケットに導入される。その後に、酸化触媒の温度が、約３５秒以内に２００℃を超える値まで上昇する。さらに２分に亘って、酸化触媒は約４５０℃の温度に至るまで加熱を継続する。

【0088】

熱は、酸化触媒３２から下流の粒子フィルタ３１に放出される。図１１に表わすように、粒子フィルタは、コールドスタートから約３分後、且つ、改質油の添加から約１４０秒後には、既に２００℃より高い温度に到達している。本発明における加熱式触媒によってこのように生成された加熱力は、約６ｋＷである。

【0089】

図１２は、曲線１０で示す排出ガスの質量流量を表わす。また、図面の中央部は、排出ガス後処理システムに供給される加熱力を表わす。ここで、曲線Ｄは、本発明における加熱式触媒によって供給される加熱力を示している。比較例として、４ｋＷの電気加熱の加熱力を曲線Ｅに示すと共に、８ｋＷの電気加熱の加熱力を曲線Ｆに示す。最後に、図１２は、時間対ＳＣＲ触媒の温度を表わす。曲線Ｈは、本発明における加熱式触媒による加熱についての温度曲線を表わし、曲線Ｇは、４ｋＷの電気加熱についての温度曲線を表わし、曲線Ｉは、８ｋＷの電気加熱についての温度曲線を表わし、曲線Ｊは、さらなる加熱手段を利用しない場合における温度曲線を表わす。いずれの場合も、ＷＨＴＣに準拠した試験サイクルの際にコールドスタートした後の最初の３０分間の時間曲線が示されている。図１３は、図１２に表わす試験サイクルの最初の４８０秒についての拡大図である。

【0090】

曲線Ｄから明らかなように、本発明における加熱式触媒は、第２の動作状態において、最初から約９ｋＷの加熱力を供給する。数十秒後に、排出ガス後処理システムの酸化触媒は、加熱式触媒が第１の動作状態に切替可能となる程度に加熱される。第１の動作状態では、約３６ｋＷの加熱力が出力される。その後に、加熱力が２分以内に低減される。これにより、結果として、加熱式触媒に供給される排出ガスの質量流量の変動に起因して、変動が生じる場合がある。

【0091】

図Ｈから理解されるように、本発明における加熱式触媒の高い加熱力によって、僅か７０秒後にＳＣＲ触媒の温度が２００℃より高い温度に到達するので、排出ガス中の窒素酸化物を効率的に浄化することができる。

【0092】

対して、８ｋＷの電気的な加熱力の場合には、２分より長く加熱しなければ、同一の温度又は浄化効果が得られない。電気的な加熱力を１２Ｖの車載電源の既に限界である４ｋＷに低下させると、ＳＣＲ触媒は、１８０秒経過しなければ２００°の温度に到達しない。４２０秒経過して初めて２５０°の温度に到達する。対照的に、本発明における加熱式触媒は、約８０秒後には既にＳＣＲ触媒の温度を２５０°より高くすることができる。従って、４ｋＷの電気加熱と比較すると、本発明における加熱式触媒を使用した場合には、ＳＣＲ触媒は、５分以上早く完全な機能を発揮させることができる。

【0093】

図１２が曲線Ｊでさらに表わすように、ＳＣＲ触媒は、加熱装置を利用しない場合には、３０分間の走行後でないと、完全な動作温度である２５０℃には到達しない。言い換えれば、最初の３０分間は排気ガス中の窒素酸化物の還元は、走行の最初の３０分間、ひいては短距離の運転では不可能である。

【0094】

図１４は、図１２及び図１３と互いに比較した３つの加熱装置の、ＷＨＴＣに準拠した試験サイクル全体における総合的な加熱力を表わす。ここで、本発明における加熱式触媒は、ＳＣＲ触媒が可能な限り迅速に動作温度に至るまで加熱されるように動作された。図１３の曲線Ｄで説明したように、ＳＣＲ触媒の上流に配置された酸化触媒が約１６０℃の温度に達した後に第１の動作状態に切り替えるまで、加熱式触媒を第２の動作状態で動作させる動作制御の結果として、実現可能な最も速い加熱が可能となった。

【0095】

図１４から理解されるように、本発明における加熱式触媒は、ＷＨＴＣに準拠した試験サイクル全体で２．９ｋＷの平均加熱力を発生させる。このような加熱力を発生させるためには、１２３ｇの燃料がさらに利用される。

【0096】

対して、４ｋＷの公称出力を有する電気加熱装置は、１．８ｋＷの平均熱出力を供給するように動作するために、ＷＨＴＣに準拠した試験サイクル中に３１５ｇの燃料を必要とする。また，電気的な加熱力を２倍にして８ｋＷの公称出力にすると、ＷＨＴＣに準拠した試験サイクル全体において２．５ｋＷの電気的な加熱力が発生するが、このためには４４７ｇの燃料量が必要とされる。従って，本発明における加熱式触媒を利用する場合には、電気ヒータと比較して、放出される加熱力は顕著に大きいが、排出ガス後処理システムを加熱するために必要とされる燃料量は７０％以上又は６０％以上低減される。これは、自動車両の電気的な加熱力が、比較的低い効率の駆動用エンジン及び発電機によって供給されなければならないという事実に起因する。

【0097】

ＳＣＲ触媒に関して上述したように、本発明における加熱式触媒は、すべての動作状態において、特に負荷が低い動作状態においても、粒子フィルタの再生のために必要とされる加熱力を供給するために利用される。

【0098】

図１５を参照して、例えば自動車両の実際の動作で発生するような極めて動的な動作状態下において本発明における加熱式触媒２を試験するための試験台について、より詳細に説明する。

【0099】

本発明の均等な構成要素には同一の参照符号を付したので、本質的な相違点についてのみ説明する。

【0100】

一方、内燃エンジンの排出ガスは、例えば実質的に不活性ガスとみなされるＨ_２ＯやＣＯ_２のような燃焼ガスを含んでいる。シミュレートされた合成排出ガス中において、このような不活性ガスは窒素によって形成されている。さらに、排出ガス流れは、排出ガスケットの酸化のために利用可能とされる様々な割合の酸素を含んでいる。試験モードで排出ガス流をシミュレートするために、試験台は、窒素を含むリザーバ９２ａと、空気を含むリザーバ９２ｂを有している。０％から２１％の間で変化する酸素含有量を有するガス流が、加熱式触媒２の入口２１において合成排出ガスとして利用可能とされるように、両方の成分が、質量流量制御装置９３を介して計量可能とされる。

【0101】

当該ガス流は、加熱式触媒２を通じて流れ、出口２２を介して加熱式触媒２から出る。さらに、加熱式触媒２には、定量ポンプ９１によってタンク９０から供給される市販のディーゼル燃料が、接続部６２を介して供給される。

【0102】

上述のように、加熱式触媒２の動作状態に依存して、出口２２で排出されるガス流は、高温の不活性ガス流又は改質油を基本的に含んでいる。

【0103】

改質油を分析するために、排出ガスの部分流れが、配管９４を介して分析装置に供給される。当該分析装置は、図示の典型的な実施例では、フーリエ変換赤外分光計９４１とガスクロマトグラフ９４２とを含んでいる。残りの排出ガス流は、排出ガス冷却器９５によって冷却され、排出ガス配管３を介して排出される。ここで、排出ガスの熱は、例えば冷却ガス流及び／又は液体冷却剤を含む冷却剤流９６に少なくとも部分的に伝達される。排出ガス流及び冷却剤流の温度及び質量流量を測定することによって、加熱式触媒２によって供給される加熱力が決定される。

【0104】

図１６、図１７、及び図１８は、本発明における加熱式触媒の特性評価の実験結果を示す。これら図面は、曲線Ｃで全排出ガス質量流量を表わし、曲線Ｓで制御されていない減圧装置７によって加熱式触媒に供給される部分流量を表わし、曲線Ｒで制御された減圧装置７によって加熱式触媒に供給される部分流量を表わし、曲線Ｏで排出ガスに占める酸素含有量を表わし、曲線ＨでＳＣＲ触媒の温度を表わし、曲線Ｋで加熱式触媒の温度を表わし、曲線Ｍで加熱式触媒の空気率ｌを表わし、曲線Ｄで加熱式触媒によって伝達される加熱力を表わす。ここで、図１６は、３００秒に亘るこれら変数の進行を表わす。図１７は、最初の２分間の拡大図である。図１８は、３分～１０分に亘る経過を表わす。

【0105】

図１６及び特に図１７から理解されるように、加熱式触媒は、最初の８０秒の間、第２の動作状態で動作する。第２の動作状態は、供給された燃料が大幅に過剰な空気によって完全に酸化され熱変換されることを特徴とする。曲線Ｄに示すように、この場合の加熱力は約１２ｋＷである。排出ガスの供給される部分流量は約４０ｋｇ／ｈである。

【0106】

８０秒経過した後に、供給された排出ガスの質量流量は、約１４ｋｇ／ｈに減少する。その後、加熱式触媒は、加熱式触媒において比較的低い熱出力が直接生成される第１の動作状態に移行される。しかしながら、このような動作状態で加熱式触媒において生成された改質油が、排出ガス後処理システムの酸化触媒で反応した場合には、排出ガス後処理システムに供給される有効熱量が、３６ｋＷに増加する。約１１０秒経過した後に、ＳＣＲ触媒が動作温度に到達するので、窒素酸化物の効率的な排出ガス浄化が可能となる。

【0107】

図１７の曲線Ｋが表わすように、加熱式触媒２の出口２２における出口温度は、動作状態の変化に対して非常に迅速に反応する。さらに、図１６、図１７、及び図１８に表わすように、本発明における加熱式触媒は、排出ガスの質量流量の変動及び酸素濃度の変動の影響を受けにくい。約３０ｋｇ／ｈ～約９０ｋｇ／ｈの供給される質量流量Ｓと、７％～２０．５％の酸素濃度の変動とは、排出ガス後処理システムに供給される加熱力に悪影響を及ぼさない。

【0108】

上述の応用例が示すように、本発明における加熱式触媒は、短期的に高い加熱力を提供可能であり、これにより、排出ガス後処理システムは、短時間で、例えば１２０秒未満、１００秒未満、又は８０秒未満で動作温度に到達することができる。排出ガス後処理システムを加熱するための燃料の必要量が、電気加熱装置と比較して低減される。

【0109】

言うまでも無く、本発明は、図示の実施例に限定される訳ではない。従って、上述の説明は、限定的ではなく説明的なものとみなすべきである。特許請求の範囲に記載の請求項は、述べた特徴が本発明の少なくとも１つの実施例に存在することに留意すべきである。このことは、さらなる特徴の存在を排除する訳ではない。特許請求の範囲及び上述の説明において、「第１」及び「第２」の実施例が定義されている場合には、この指定は、順位を決定することなく、２つの類似した実施形態を区別するために使用されている。

【符号の説明】

【0110】

２ 加熱式触媒
３ 排出ガス配管
４ 多孔板
５ 触媒担体
６ 燃料板
７ 減圧装置
８ 内燃エンジン
２１ 入口
２５ ハウジング
３１ 粒子フィルタ
３２ 酸化触媒
３３ ＳＣＲ触媒
３５ 排出ガス流
４１ 孔（穴、開口部）
５０ 温度センサ
５１ 電気接続部
６２ 燃料供給装置
６５ ポンプ
８２ 吸気冷却器
８３ 排出ガス再循環システム
８４ 排出ガス再循環システム
８６ ターボ過給機
９２ａ （窒素を含む）リザーバ
９２ｂ （空気を含む）リザーバ
９３ 質量流量制御装置
９４ 配管
９５ 排出ガス冷却器
３５１ （排出ガス流３５の）部分流れ
３５２ （排出ガス流３５の）部分流れ
８１５ シリンダ
８３１ 粒子フィルタ
８３２ 圧縮器
８６１ タービン
９４１ フーリエ変換赤外分光計
９４２ ガスクロマトグラフ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5a)】

【図5b)】

【図5c)】

【図5d)】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】