JP2003531331A - 内燃機関の排気ガスシステム - Google Patents

内燃機関の排気ガスシステム

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Abstract

(57)【要約】 本願は、排気ガス浄化装置と、内燃機関と排気ガス浄化装置の間の排気通路に配置され熱交換器を備えた温度制御装置とで構成される特に車両に使用する内燃機関の排気システムに関する。この排気システムの構造を簡単にし、定義した冷却能力を達成するために、熱交換器は供給および排出ホッパーを有する外部ケースとケースの方向にエネルギーを輻射する内部輻射シートとを有する輻射冷却器として構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は請求項１の前提部に記載の、特に車両の内燃機関の排気ガスシステム
に関する。
【０００２】 この種の排気ガスシステムは例えばDE 197 42 762 C1に示される。排気ガスの
温度制御装置は制御可能なフラップが配置された第１の排気ガス案内部分と、こ
の排気ガス案内部分の周りに配置された熱交換器とから構成される。この熱交換
器は外側に冷却リブを有するケースと、内側に案内部分からケースまでの熱伝導
シートとが含まれる。下流にある触媒を迅速に加熱するために制御可能なフラッ
プを開口し、排気ガスを内側の案内部分を通して直接に流す。下流にある触媒が
所定の温度に達すると、フラップは閉鎖され、排気ガスは冷却するため外側の熱
交換器に導かれる。
【０００３】 本発明の課題は、製造が基本的により簡単な排気ガスシステムを提供すること
である。 本発明によるとこの課題は請求項１に記載の特徴によって解決される。有利で
目的にかなった本発明のさらなる形態は従属する請求項に記載される。
【０００４】 したがって本発明によると、熱交換器を入口および出口ホッパーを含む外側の
ケースと、内側に位置してケースに輻射する輻射シートとを有する輻射冷却器と
して構成されることが提案される。熱伝導原理と対流原理に従って構築された前
述の熱交換器とは反対に、ここで提案する熱交換器は輻射原理に従って優れた効
果を発揮する。
【０００５】 この構造の有利な点は、第１に、好ましくは肉厚の薄いシートからできた熱交
換器の熱容量は小さいので、下流にある触媒または吸着器は例えば２５０℃の活
性開始温度（ライトオフ温度）に急速に加熱されるが、このとき熱交換器の及ぼ
す冷却効果は比較的小さいことにある。排気ガスおよび熱交換器の温度が上昇し
てくると、輻射シートは強く加熱され、増加してくる輻射エネルギーはケースに
与えられ、ここから外部に放出される。輻射する熱量を算出する公式によれば計
算上、温度の４乗に比例する。このことから、高温時には冷却効果が著しく増加
する結果となり、このため、下流にある排気ガス浄化装置、例えば脱硝触媒や三
元触媒を急速に活性開始温度にまでもっていき、場合によっては過熱することな
しに所望の温度領域に保持することができる。
【０００６】 製造および組立に有利な方法では、熱交換器のケースは少なくとも２つの薄板
形状の部分、すなわち半殻から、例えば深絞りによって製造する。少なくとも１
つの輻射シートは結合フランジ間で技術的に簡単に保持され、ケースまたは半殻
を形成する。
【０００７】 強度上の理由から、また場合によっては騒音輻射の発生を避けるために、ケー
スは互いに隣接するよう配置した管の形で構成される。この構成で半殻として製
造技術的に同様に好ましくでき上がり、互いに結合できる。管自体で外側のケー
スを直接に構成することもでき、または管を囲み、管からほとんど熱伝導を受け
ないで接触するフラットな面をしたケースを余分に設けることができる。後者の
実施例は車両に使用した場合、周囲の流れが層流になるので空気抵抗が少なくな
るという利点がある。
【０００８】 排気ガス処理装置用または下流にある触媒用の温度制御装置は熱交換器または
その自己調節効果のみによって構成されるのが好ましい。つまり前述の制御可能
なフラップやバイパス通路が不用となる。
【０００９】 次に本発明のいくつかの実施例でさらに詳細に説明する。 図１には、排気ガス曲がり部１２と、排気ガス上流管１４と、この間に接続さ
れた三元プレ触媒１８と、温度制御装置としての熱交換器１６と、導管１７の次
に接続された脱硝吸着器２０を有する排気ガス浄化装置とから構成された排気ガ
スシステムを装備した車両の内燃機関１０の概略を示す。
【００１０】 熱交換器１６（図２および３参照）は、薄鋼鈑から深絞りした２つの半殻２４
，２６で組み立てた、排気ガスを案内するケース２４，２６で構成される。半殻
２４，２６の周囲には結合フランジ２４ａ，２６ａを設け、ケース２４，２６を
排気ガス流の方向に細分する輻射シート２８をフランジ間で、例えば電気抵抗溶
接（管継ぎ目溶接）によって保持する。
【００１１】 半殻２４，２６で、それぞれ半分の入口または出口ホッパー２４ｂ、２６ｂが
形成され、ここに熱交換器１６に続く排気ガス導管１４，１７が接続される。 熱交換器１６のケース２４，２６は断面がほぼ矩形でかつフラットな面に形成
される（図３）。さらに、同様に薄鋼鈑で作られた輻射シート２８は輻射面を増
やすため、排気ガス流れ方向と交差する方向にジグザグ状に形成される。輻射シ
ート２８には、必要ならば、中央付近に振動防止の支持シート３０を設ける。溶
接結合は除いて、必要ならばケース２４，２６に対向した輻射シート２８は支持
シート３０からいうまでもなく空気間隙をあける。
【００１２】 以上の熱交換器１６は比較的薄厚の薄鋼鈑のために熱容量が少ない。すなわち
、第１に高温の排気ガスはほとんど冷却されず、したがって下流にある排気ガス
浄化装置２０の迅速な加熱が可能となる。
【００１３】 そのために図４に排気ガス温度Ｔに対する熱交換器１６の熱流出量Ｑをグラフ
で示す。ほぼ直線状に上昇する対流冷却（直線３２）の場合と比較すると、明ら
かに輻射冷却（曲線３４）の場合は最初のうちは少ない。このことは排気ガス浄
化装置２０の迅速な加熱に有利に働く。
【００１４】 内燃機関の排気ガス温度Ｔおよび運転時間が増加してくると、熱交換器１６の
輻射シート２８およびケース２４，２６がさらに加熱され、輻射冷却量は比例関
係以上に上昇する。これは一般的な下記等式からすでに明らかとなっている。
【００１５】 Ｑ＝ε×σ×Ａ×Ｔ4 この等式で詳しく説明する必要もなく、温度Ｔの４次の関係になっているのは
明らかである。増加する輻射部分を有する輻射シート２８は半殻２４，２６に熱
的に連結されている。これによって、合計すると、排気ガス流の対流による熱排
出のために自由に使用できる熱交換器１６の面が増加する。
【００１６】 この増加する排気ガス冷却によって、内燃機関のコールドスタートのときは放
熱が少なく、排気ガス温度が上昇すると冷却能力が高まることになり、排気ガス
温度の自己調節効果が生じる。それで、場合によってはバイパス導管やこれを制
御する閉止弁が不要となり、熱交換器１６のみで温度制御装置として使用できる
。
【００１７】 図５および６に示す別の熱交換器１６’は同様に薄鋼鈑で形成された複数の部
分を有するケースで構成され、入口ホッパー３６’と、出口ホッパー３８’と、
その間にある半殻４０，４２とで組み立てられる。
【００１８】 半殻４０，４２またはこの外の結合フランジ４０ｂ、４２ｂは例えば管継ぎ目
溶接によって互いに気密に結合され、入口ホッパー３６’および出口ホッパー３
８’も半殻４０，４２の端部に同様に溶接されるので、入口ホッパー３６’と出
口ホッパー３８’の間の領域に実施例５に示す排気ガスの導管４０ａ，４２ａを
有する気密のケースができる。
【００１９】 半殻４０，４２の間に輻射シート２８’が配置され、このシートの断面は図６
に示すように、それぞれ結合フランジ４０ｂ、４２ｂの領域では平坦に、管４０
ａ，４２ａの領域ではジグザグ状に形成される。そのために管４０ａ，４２ａの
ところで熱エネルギーの輻射効果が大きくなる。
【００２０】 輻射シート２８’は外側の結合領域では部分的な結合個所４４（図５および図
１０参照）でのみ、適当に形成された目板２８ａ上で結合フランジ４０ｂ、４２
ｂに溶接される。残りの縁領域では空気間隙ｓを形成するためこれを元に引っ込
めて角２８ｂを設け、ガス流装置の特有の剛性を高める。
【００２１】 さらに輻射シート２８’は多数の結合個所４６で半殻４０，４２内側の結合フ
ランジ４０ｂ、４２ｂに断熱状で結合される。 図７に示すように部分的な結合個所４６を形成し、この個所で結合フランジ４
０ｂ、４２ｂに円形あるいは長円形の突出部４８，５０を刻み、輻射シート２８
’の対応する開口５２からこれを突き出して、例えば溶接または半だによって互
いに結合する。さらに突出部４８には穴５４を設けて、ここから溶接または半だ
が実施できるようにする。薄鋼鈑２８’の開口２８の大きさは、開口５２と突出
部４８，５０間に空気間隙ｓが残る程度とする。結合フランジ４０ｂ、４２ｂと
薄鋼鈑２８’の間も同様とする。
【００２２】 図８で形成される結合個所４６では、結合フランジ４０ｂ、４２ｂに凹部５６
，５８を形成し、そこに編線または溶融金属で形成したキノコ状の突起物６２を
案内する。突起物６２は輻射シート２８’の開口６０に挿入する。その他の領域
では輻射シート２８’は結合フランジ４０ｂ、４２ｂに対向して空気間隙ｓで再
度形成される。したがって、輻射シート２８’は結合個所４６で振動および熱を
遮断した状態で保持される。
【００２３】 最後に図９に、結合フランジ４０ｂ、４２ｂの対応する穴６６，６８に差し込
んだリベット６４で形成した結合個所４６を示す。結合フランジ４０ｂ、４２ｂ
の間に編線でできた間隔保持物７０を同様に挟み込んで、輻射シート２８’の開
口７４に対応する環状溝７２で保持する。開口７２の大きさは、例えば熱膨張を
調整するため間隔保持物７０と輻射シート２８’の間で相対運動が可能なように
する。結合フランジ４０ｂ、４２ｂと輻射シート２８の間にも空気間隙を形成す
る。
【００２４】 図７から図１０に示して記載してきた結合個所４４，４６は別のものでも、ま
たは組み合わせによっても使用することができる。場合によっては、図５および
６による熱交換器１６’は案内管４２，４４の領域でも別のケース部としてフラ
ットな面をした外側のカバーを使用して実施できる。
【００２５】 さらに熱交換器１６または１６’（図１１，１２参照）の下側に跳ね水に対す
る保護シート８０を配置する。これは例えばフィン８６を押し抜いた開口８４の
ある基板８２で構成される。フィン８６は車両の走行方向の斜め後方に向くよう
に揃えているので、特に跳ね水（矢印８８参照）を跳ね返すが、熱交換器１６の
熱エネルギーの輻射は妨げない。
【００２６】 保護シート８０はその縁領域で、および／または前述の結合個所４４，４６で
熱交換器と結合される。 前述の熱交換器１６はさらに製造および取り付け技術面で簡単で、運転には頑
丈で、また排気ガスシステムの汚染に対して損傷しにくい。特に輻射シート２８
に、そして取り囲むケースにも良好な輻射値εを有する薄板が使用できることは
自明である。
【００２７】 輻射シート２８または場合によっては多数の輻射シートにはさらに三元触媒ま
たは好ましくは脱硝吸着器２０のように触媒効果のある被覆を施すことができる
。それによって吸着器２０のＮＯx蓄積効果はさらに高まり、さらに、導入した
処置（２次的な空気導入）によって熱交換器１６で部分的に化学発熱に変換（過
熱の危険がより少ない）されるので、例えば吸着器２０の脱硫は比較的高い温度
（例えば７００℃）で改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】温度制御装置としての熱交換器と後方に接続された脱硝触媒を有す
る排気ガス浄化装置を備えた車両の内燃機関の排気ガスシステムの部分を示す。
【図２】図１の熱交換器の上面図を示す。
【図３】図２の熱交換器の線III−IIIに沿って切断した断面を示す。
【図４】図１から３の熱交換器において排気ガス温度を対流部分と輻射部分
とに分けて熱流を示したグラフである。
【図５】外側のケースを複数の互いに連なった管で形成した変更熱交換器の
上面図を示す。
【図６】図５の線VI−VIに沿って切断した断面を示す。
【図７】ケース側半殻と輻射シートの間の結合領域を縮尺拡大した実施例を
示す。
【図８】ケース側半殻と輻射シートの間の結合領域を縮尺拡大した実施例を
示す。
【図９】ケース側半殻と輻射シートの間の結合領域を縮尺拡大した実施例を
示す。
【図１０】ケース側半殻と輻射シートの間の結合領域を縮尺拡大した実施例
を示す。
【図１１】熱交換器の下側に固定された保護シートを示す。
【図１２】図１１の保護シートを線XII−XIIに沿って切断した断面を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２８Ｆ 13/18 Ｂ０１Ｄ 53/36 ＺＡＢ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＣＮ，Ｊ Ｐ，ＵＳ Ｆターム(参考） 3G091 AA02 AB03 AB06 BA36 CA08 FB03 HA08 HB01 4D048 AA06 CC32 CC42 CC46 CC51 DA01 DA13 EA04 【要約の続き】

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 排気ガス浄化装置と、内燃機関と排気ガス浄化装置の間の排気ガス通路に配置
    された熱交換器を有する温度制御装置とで構成された、特に車両の内燃機関の排
    気ガスシステムにおいて、 熱交換器（１６，１６’）は、入口および出口ホッパー（３６，３８）を含む
    外側のケース（２４，２６；４０，４２）と内側に位置してケースに輻射する少
    なくとも１つの輻射シート（２８，２８’）とを有する輻射冷却器として構成さ
    れたことを特徴とする。
  2. 【請求項２】 ケースは互いに気密に結合された２つの半殻（２４，２６；４０，４２）で構
    成され、その間に少なくとも１つの輻射シート（２８）が配置されたことを特徴
    とする請求項１記載の排気ガスシステム。
  3. 【請求項３】 少なくとも１つの輻射シート（２８’）が数個の部分的結合個所（４４，４６
    ）だけでケース（４０，４２）に保持され、残りの個所は空気間隙をあけてケー
    ス（４０，４２）に保持されたことを特徴とする請求項１または２に記載の排気
    ガスシステム。
  4. 【請求項４】 ケース（例えば２４，２６）内にガスを案内する管（４０，４２）が設けられ
    、管（４０，４２）内に輻射シート（２８’）が配置されたことを特徴とする請
    求項１ないし３のいずれか１項に記載の排気ガスシステム。
  5. 【請求項５】 ケース（１６’）は互いに連なる複数の管（４０，４２）で構成されたことを
    特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の排気ガスシステム。
  6. 【請求項６】 管の間に位置する結合フランジ（４０ｂ、４２ｂ）も含めて管が半殻（４０、
    ４２）として同様に構成されたことを特徴とする請求項５記載の排気ガスシステ
    ム。
  7. 【請求項７】 輻射シート（２８，２８’）は半殻（２４，２６；４０，４２）間で実質的に
    空気間隙をあけて配置されたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項
    に記載の排気ガスシステム。
  8. 【請求項８】 少なくとも１つの輻射シート（２８，２８’）はその輻射面を拡大した形状と
    されたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の排気ガスシス
    テム。
  9. 【請求項９】 少なくとも１つの輻射シート（２８，２８’）は排気ガス流方向に交差する方
    向に波形状またはジグザグ形状に形成されたことを特徴とする請求項８記載の排
    気ガスシステム。
  10. 【請求項１０】 少なくとも１つの輻射シート（２８’）がケース（４０，４２）の結合フラ
    ンジ（４０ｂ、４２ｂ）間および縁フランジ（４０ｂ、４２ｂ）間に保持された
    ことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の排気ガスシステム。
  11. 【請求項１１】 少なくとも１つの輻射シート（２８’）のケース（１６’）との結合（４６）
    は少なくとも部分的にずれ許容案内として作用することを特徴とする請求項１０
    記載の排気ガスシステム。
  12. 【請求項１２】 ずれ許容案内は結合個所（４６）に配置され、輻射シート（２８’）の開口（
    ６０，７４）を通して結合フランジ（４０ｂ、４２ｂ）の対応する凹部（５６，
    ５８）に案内された突起物（６２）および／または間隔保持物（７０）によって
    構成されたことを特徴とする請求項１１記載の排気ガスシステム。
  13. 【請求項１３】 ずれ許容案内は輻射シート（２８’）の長円形開口（５２）によって形成され
    、この開口を通ってケースに固定された突出部（４８，５０）が互いに結合され
    たことを特徴とする請求項１１記載の排気ガスシステム。
  14. 【請求項１４】 温度制御装置が熱交換器（１６，１６’）のみによって構成されたことを特徴
    とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の排気ガスシステム。
  15. 【請求項１５】 少なくとも１つの輻射シート（２８，２８’）および／またはケース（２４，
    ２６；３６，３８，４０，４２）の内面は触媒効果のある被覆が施されたことを
    特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の排気ガスシステム。
  16. 【請求項１６】 熱交換器（１６，１６’）の下側に輻射線を通過する開口（８４）を有する少
    なくとも１つの保護シート（８０）が配置されたことを特徴とする請求項１ない
    し１５のいずれか１項に記載の排気ガスシステム。
  17. 【請求項１７】 輻射シート（８０）には下に突出し跳ね水を避けるフィン（８６）が設けられ
    たことを特徴とする請求項１６記載の排気ガスシステム。
  18. 【請求項１８】 フィン（８６）は開口（８４）から外に形成され、車両の走行方向に関し斜め
    下方に向けられたことを特徴とする請求項１６または１７に記載の排気ガスシス
    テム。
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