JP2021510406A - 排ガス後処理のためのデバイスを加熱するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、駆動源として内燃機関の他に電気モータを有している車両における排ガス後処理ユニットを加熱するための装置であって、少なくとも１つの電気式の加熱エレメント（１，７）が設けられており、加熱エレメント（１，７）は、排ガスによって貫流可能なハニカムボディ（５）を加熱するために、ハニカムボディ（５）内に形成された中空室（６）内に配置されており、ハニカムボディ（５）は、互いに上下に積層された複数の金属シートから形成されており、金属シートは互いの間に、軸方向に沿って貫流可能な複数の流路を形成している、装置に関し、ハニカムボディ（５）は、内部に１つの加熱エレメント（１，７）が収容されていて半径方向に延びている空洞（６）を有している。さらに本発明は、加熱するための方法に関する。

Description

本発明は、駆動源として内燃機関の他に電気モータを有している車両における排ガス後処理ユニットを加熱するための装置であって、少なくとも１つの電気式の加熱エレメント（１，７）が設けられており、加熱エレメント（１，７）は、排ガスによって貫流可能なハニカムボディ（５）を加熱するために、ハニカムボディ（５）内に形成された中空室（６）内に配置されており、ハニカムボディ（５）は、互いに上下に積層された複数の金属シートから形成されており、金属シートは互いの間に、軸方向に沿って貫流可能な複数の流路を形成している、装置に関する。

内燃機関による有害物質汚染の大部分は、排ガス後処理のために設けられているコンポーネントが、なおその本来設定されている作動温度を有していない場合に、いわゆる冷間始動段階で生じることが知られている。計画された処理、および比較的無害な最終生成物への排ガスの化学的な変換は、これらの段階においては単に制限されてしか行われない。

したがって、従来技術では、作動のために必要な温度を早期に得るために、例えばオーム抵抗の使用下で電気式に加熱される加熱式触媒が知られている。そのために例えば、加熱導体によって貫通されている加熱ディスクが存在しており、これらの加熱ディスクは、排ガスによって貫流されることができ、ひいては排ガス流を加熱し、これによって本来化学的な変換のために設けられている触媒を同様に、追加的な加熱が行われない場合よりも早期にその設定された作動温度にすることができる。

排ガス後処理のためのコンポーネントを加熱するための、今まで従来技術において既知の装置は、主として、純粋に内燃機関によって駆動される車両における使用のために設けられている。しかしながら、冷間始動に関連した、排ガスエミッション増加の問題は、内燃機関による駆動装置の他に電気式の駆動装置をも有しているハイブリッド車両においても、かつまさにこのようなハイブリッド車両において発生する。特に、純粋に電気式に走行することができる車両では、内燃機関の停止時間がより長くなるので、したがって全作動時間に対する冷間始動段階の割合は、純粋に内燃機関によって作動する車両に比べて大きくなる。今まで従来技術において、このような問題を適宜に改善する装置および方法は知られていない。

発明の説明、課題、解決策、利点
ゆえに、本発明の課題は、特にハイブリッド車両において冷間始動段階で増加するエミッション値を確実に低減することができる、排ガス後処理のためのデバイスを加熱するための装置および方法を提供することである。

加熱するための装置に関する課題は、請求項１記載の特徴を備えた装置によって解決される。

本発明の一実施例は、駆動源として内燃機関の他に電気モータを有している車両における排ガス後処理ユニットを加熱するための装置であって、少なくとも１つの電気式の加熱エレメントが設けられており、加熱エレメントは、排ガスによって貫流可能なハニカムボディを加熱するために、ハニカムボディ内に形成された中空室内に配置されており、ハニカムボディは、互いに上下に積層された複数の金属シートから形成されており、金属シートは互いの間に、軸方向に沿って貫流可能な複数の流路を形成している、装置に関し、ハニカムボディは、内部に１つの加熱エレメントが収容されていて半径方向に延びている空洞を有している。

ハニカムボディは、好ましくは金属製のシートから形成されており、これらのシートは、互いに積層されて積層体を形成しており、かつハニカムボディのハウジングを形成している周壁内に挿入されている。積層体は、挿入目的に適合されたハニカムボディを形成するために、好ましくは巻成されているかまたは巻かれていてよい。

加熱エレメントを収容するための空洞は、好ましくはハニカムボディの半径方向において形成されており、かつ周壁によって画成されているその外周部から、ハニカムボディの中心軸線によって形成された中心に向かって、またはそれどころか半径方向にさらに延びている。空洞は、好ましくはハニカムボディを形成するために使用される個々の金属シートの孔によって形成されている。例えば金属シートは、ハニカムボディの周方向に延びている長孔状の孔を有していてよく、これらの孔は、積層体が巻成されて、または巻かれてハニカムボディを形成した場合に、個々の層の孔が互いにオーバラップするように配置されている。

金属シート内に孔を予め設けることが好適である。なぜなら、これによって、半径方向に外側から内側に向かって延びている直線的な空洞を形成することができ、既に巻成されたハニカムボディにおいて切削による方法を使用する必要がなくなるからである。切削による方法を用いると、チップがハニカムボディを、またはハニカムボディによって形成された流路を閉塞するおそれがある。

ハニカムボディの空洞内の１つの加熱エレメントは、熱を伝達するために強制的に排ガス流を使用することなしに、ハニカムボディの金属製の構造体を加熱するために直接使用することができる。加熱エレメントは、好ましくは外側から空洞内に導入し、かつハニカムボディを取り囲む周壁に固定することができる。加熱エレメントはその熱を、好ましくはハニカムボディの軸方向に放出することができる。

特に好ましくは、加熱エレメントは、内燃機関によって作動される車両において利用されるバッテリ電圧よりも明らかに高い電源電圧によって作動可能であり、特に２３０ボルトの電源電圧が好適である。

通常、例えば加熱式触媒の加熱ディスクのような、排ガス経路内の加熱エレメントは、車両のバッテリ電圧によって作動される。このバッテリ電圧は、通常、内燃機関によって作動される車両では１２ボルトである。幾つかのハイブリッド車両は、既に４８ボルトで作動するバッテリ回路を有している。ハイブリッド車両では、駆動源としての電気モータを作動させるために、部分的に３００ボルトを超える明らかに比較的高いバッテリ電圧が必要とされる。なぜならば、加熱エレメントもまた、比較的高い電圧で作動させることができるからである。このとき好ましくは、比較的高い電圧では、既に比較的低い電流強さで所望の出力を放出させることができる。

また好ましくは、加熱エレメントは、半径方向において外側から内側に向かって見て、ハニカムボディを取り囲む周壁と接触している領域、断熱領域、および加熱ゾーンを有している。

特に、本来の加熱ゾーンと取付け領域との間に配置されていて加熱エレメントを周壁に固定している断熱領域が必要である。なぜなら、これによって周壁およびハニカムボディの外側に向かう熱伝達を、望みどおりに阻止し、または減らすことができるからである。

これによって、加熱エレメントによって生じた熱の大部分が、作動時に排ガスの化学的な変換が行われる本来のハニカム構造を加熱するために使用される。

断熱領域は、断熱材料製の追加的なエレメントとして形成されていてもよいし、または取付け領域を断熱材料から製造することによって、取付け領域自体の一部として形成されていてもよい。

ハニカムボディ内に加熱エレメントを設けることによって、特に内燃機関が作動されない場合でも、ハニカムボディの継続的な温度調整を達成することができる。これによって、ハニカムボディを、純粋な電気式の走行作動中にも温度調整することができ、この結果、排ガスの効果的な変換のために必要な温度が比較的迅速に得られ、ひいては冷間始動によって生じる排ガスエミッションの増加が、大きく低減される。

また、排ガスの流れ方向においてハニカムボディの上流に、電気式に加熱可能な加熱ディスクが配置されていると好適である。流れ方向においてハニカムボディの上流の追加的な加熱ディスクは、排ガスがハニカムボディ内へ流入する前に既に加熱されるので、内燃機関による作動時に比較的迅速な加熱を得るために好適である。このような二重構造によって、内燃機関による作動時でも、電気モータによる作動時でも、ハニカムボディの比較的迅速な加熱を達成することができ、ひいては比較的迅速な効果的な排ガス変換を達成することができる。

さらに好ましくは、ハニカムボディ内の加熱エレメントと、ハニカムボディの上流に配置された加熱ディスクとは、互いに無関係に加熱可能である。このような構成は、その都度選択された作動形式に関連して、適正な加熱を実現するために好適である。また、内燃機関による作動時の加熱をさらに改善するために、加熱ディスクと加熱エレメントとの混合作動も行うことができる。

加熱するための方法に関する課題は、請求項６記載の特徴を備えた方法によって解決される。

本発明の一実施例は、駆動源として少なくとも１つの内燃機関と少なくとも１つの電気モータとを備えた車両における排ガス後処理ユニットを加熱するための方法に関し、このとき少なくとも２つの互いに異なる加熱方法を使用し、それぞれの加熱方法を、駆動を生じさせるためにその都度使用される駆動源に関連して選択する。

純粋に電気モータによる作動時では、内燃機関からは、発生時には熱が加熱ディスクからハニカムボディに伝達されることになる排ガスは発生しない。したがって、加熱ディスクを介したハニカムボディの加熱は、ほとんど効果がない。ゆえに、ハニカムボディをハニカムボディ内に配置された加熱エレメントによって直接加熱することが好適である。内燃機関による作動時では、ハニカムボディの加熱は、汎用の形式で、加熱ディスクを貫流する排ガスの加熱によって行うことができる。

さらに好ましくは、駆動源として内燃機関を使用する場合に、排ガス後処理ユニットの加熱を、ハニカムボディの上流に配置された加熱ディスクを介して行い、このとき加熱ディスクを貫流する排ガス流を、加熱ディスクによって加熱し、かつ加熱された排ガス流は、次いでハニカムボディを加熱する。このようにすると、排ガスは、比較的高い温度レベルになり、これによってハニカムボディも比較的迅速に加熱され、かつ化学的な変換を比較的迅速に行うことができる。

また好ましくは、駆動源として電気モータを使用する場合に、排ガス後処理ユニットの加熱を、ハニカムボディの空洞内に配置された加熱エレメントを介して行う。これは、加熱ディスクによって生じた熱のための搬送媒体としての排ガス流が存在していないので好適である。ハニカムボディ内の加熱手段は、ハニカムボディの継続的な加熱を保証することができる。

さらに好ましくは、加熱エレメントを、約２３０ボルト以上の電圧で加熱し、これによって既に１〜１．５アンペアの低い電流強さで、３００ワットまでの、好ましくは１００ワット〜２００ワットの出力放出を得る。低い電流強さは、例えば短絡のような故障時の、人間に対する危険を低下させるので、好適である。さらに、低い電流強さによって、従来汎用の電圧レベルに比べて、発生する出力損失は明らかに減少する。

さらに好ましくは、ハニカムボディの加熱を加熱エレメントによって、内燃機関が作動されない間は連続的に行う。これは、内燃機関を再び活性化したい場合に、排ガスの迅速な変換を可能にする温度レベルに、ハニカムボディをいつでも保っておくために好適である。ハイブリッド車両の使用、蓄電池の設計、ならびにその都度の走行状況に関連して、内燃機関が急に活性化されることがある。したがって、既に十分に予加熱されたハニカムボディは、好適である。

好ましくはまた、加熱エレメントを駆動制御するためのアクティブ調整を行うことも可能である。アクティブ調整は、例えば、例えば外気温、内燃機関の作動状態、またはハニカムボディの温度のような追加的な入力値の考慮下で行うことができる。加熱エレメントによる加熱を調整するために、代替的にまたは追加的に、ＰＴＣ加熱エレメントが設けられていてもよいし、加熱エレメント自体がＰＴＣ加熱エレメントとして形成されていてもよい。

また好ましくは、車両を監視するための制御ユニットが設けられており、制御ユニットは、その都度アクティブな駆動源および現時点の走行状況に関連して、将来的に選択される駆動形式に関する予測を行い、駆動源として内燃機関の使用が予期される場合には、ハニカムボディの加熱を、加熱エレメントを介して開始する。

制御ユニットは、独立した制御機器であってもよいし、他の目的のために既に存在している制御機器内に実装されてもよい。制御ユニットは主として、どちらの駆動源が現在駆動のために使用され、かつどのような走行状況に車両が今あるのかを監視する。場合によっては、制御ユニットはさらに、車両内に存在する他のシステム、例えばナビゲーションシステムからのデータを参照する。さらに、制御ユニットは、どちらの駆動源が使用されることになるのかという将来のための予測を検出する。内燃機関の使用が推測される限りは、ハニカムボディの十分な加熱を保証するために、ハニカムボディ内のる加熱エレメントを活性化することができる。

加熱すべきハニカムボディの大きさと加熱エレメントの可能な出力放出とに関連して、予加熱時間を適合させることができる。さらに、例えば電気モータによる作動時のハニカムボディの持続的な加熱を保証する、特殊な作動モードを設けることが可能であり、このようにすると、ハニカムボディにおける十分に高い作動温度をいつでも生じさせることができる。

また好ましくは、加熱エレメントのための予加熱機能が設けられており、予加熱機能を、監視ユニットによって検出された値に基づいて、タイマを介して、または外部の制御エレメントを介して開始することができる。特に好ましくは、予加熱機能を、モバイル無線機にインストールされたアプリケーションを介して開始することができる。そのために、アプリケーションによって、例えば使用者の行動プロフィルのようなデータ、つまり例えば朝またはこれに類した時間における出発時間のような、使用者の規則的な習慣を考慮することができ、これによって自動的な加熱を開始することができ、このようにすると、ハニカムボディは、内燃機関の始動時に、排ガス後処理のために十分な温度を既に有することになる。

本発明の好適な発展形態は、従属請求項、および以下の図面を参照しての説明に記載されている。

次に、本発明の実施例について図面を参照して詳説する。

加熱エレメントを概略的に示す断面図である。 加熱エレメントを備えたハニカムボディを概略的に示す断面図である。

図１には、加熱エレメント１が概略的に断面図で示されている。加熱エレメント１は３つの領域に分割されている。いわゆる低温の端部２は、加熱エレメント１の取付け領域である。この領域２によって加熱エレメント１は、ハニカムボディの周壁に固定することができ、かつこのようにしてハニカムボディの空洞内で位置決めすることができる。

その下の領域３によって、断熱領域が示されており、この断熱領域は、その下に示された加熱領域４と取付け領域２との間を断熱する。加熱領域４は、加熱ゾーンとも呼ぶことができる。

加熱エレメント１全体は、ピン形状に形成されており、好ましくは半径方向においてハニカムボディ内に差し込むことができる。断熱領域３によって、取付け領域２に向かっての加熱エレメント１の放熱が減少し、これによって同時に、取付け領域２への熱損失、さらにはハニカムボディの外側への熱損失も減少する。したがって、加熱領域４において生じた熱の全体を、好ましくはハニカムボディのハニカム構造へと放出することができ、これによって全体的に比較的効果的な加熱が達成される。

加熱エレメント１は導電体９を有しており、この導電体９は、加熱エレメント１の内部の通路状の構造体１０によって、取付け領域２と断熱領域３とを貫いて加熱領域４内に案内されている。取付け領域２および断熱領域３とは異なり、導電体６は電気的に絶縁されている。

図２には、積層された金属シートから形成されたハニカムボディ５が断面図で示されている。金属シートは複数の孔を有しており、これらの孔は、最終的に取り付けられた状態で、つまりシート積層体が巻成されてハニカムボディ５を形成しているとき、互いに整合して位置しており、このようにして、半径方向においてハニカムボディを貫いて延びている空洞６を形成している。加熱エレメント７は、外側からこの空洞６内に挿入されている。

既に図１に示したように、加熱エレメント７は３つの領域を有しており、特に、加熱エレメント７をハニカムボディ５の周壁８に固定している取付け領域は、断熱体によって加熱領域から隔てられている。これによって、ハニカムボディ５の目的に合わせた加熱が、可能な限り僅かな熱損失で達成される。

図１および図２の実施例は、特に、制限を加える特性を有しておらず、本発明の思想を明確にするために役立つ。

Claims (13)

1. 駆動源として内燃機関の他に電気モータを有している車両における排ガス後処理ユニットを加熱するための装置であって、少なくとも１つの電気式の加熱エレメント（１，７）が設けられており、該加熱エレメント（１，７）は、排ガスによって貫流可能なハニカムボディ（５）を加熱するために、前記ハニカムボディ（５）内に形成された中空室（６）内に配置されており、前記ハニカムボディ（５）は、互いに上下に積層された複数の金属シートから形成されており、該金属シートは互いの間に、軸方向に沿って貫流可能な複数の流路を形成している、装置において、
   前記ハニカムボディ（５）は、内部に１つの加熱エレメント（１，７）が収容されていて半径方向に延びている空洞（６）を有していることを特徴とする、装置。
2. 前記加熱エレメント（１，７）は、１２ボルト〜最大４８ボルトを上回る電源電圧によって作動可能である、請求項１記載の装置。
3. 前記加熱エレメント（１，７）は、内燃機関によって作動される前記車両において利用されるバッテリ電圧よりも明らかに高い電源電圧によって作動可能であり、特に２３０ボルトの電源電圧が好適である、請求項１または２記載の装置。
4. 前記加熱エレメント（１，７）は、半径方向において外側から内側に向かって見て、前記ハニカムボディ（５）を取り囲む周壁（８）と接触している領域（２）と、断熱領域（３）と、加熱ゾーン（４）とを有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 排ガスの流れ方向において前記ハニカムボディ（５）の上流に、電気式に加熱可能な加熱ディスクが配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 前記ハニカムボディ（５）内の前記加熱エレメント（１，７）と、前記ハニカムボディ（５）の上流に配置された前記加熱ディスクとは、互いに無関係に加熱可能である、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 駆動源として少なくとも１つの内燃機関と少なくとも１つの電気モータとを備えた車両における排ガス後処理ユニットを加熱するための方法であって、
   少なくとも２つの互いに異なる加熱方法を使用し、それぞれの前記加熱方法を、駆動を生じさせるためにその都度使用される駆動源に関連して選択することを特徴とする、方法。
8. 駆動源として前記内燃機関を使用する場合に、前記排ガス後処理ユニットの加熱を、ハニカムボディ（５）の上流に配置された加熱ディスクを介して行い、前記加熱ディスクを貫流する排ガス流を、前記加熱ディスクによって加熱し、加熱された前記排ガス流は、次いで前記ハニカムボディ（５）を加熱する、請求項７記載の方法。
9. 駆動源として前記電気モータを使用する場合に、前記排ガス後処理ユニットの加熱を、前記ハニカムボディ（５）の空洞（６）内に配置された加熱エレメント（１，７）を介して行う、請求項７または８記載の方法。
10. 前記加熱エレメント（１，７）を、約２３０ボルト以上の電圧で加熱し、これによって既に１〜１．５アンペアの低い電流強さにおいて、３００ワットまでの、好ましくは１００ワット〜２００ワットの出力放出を得る、請求項９記載の方法。
11. 前記ハニカムボディ（５）の加熱を前記加熱エレメント（１，７）によって、前記内燃機関が作動されない間は連続的に行う、請求項９記載の方法。
12. 前記車両を監視するための制御ユニットが設けられており、該制御ユニットは、その都度アクティブな駆動源および現時点の走行状況に関連して、将来的に選択される駆動形式に関する予測を行い、駆動源として前記内燃機関の使用が予期される場合には、前記ハニカムボディ（５）の加熱を、前記加熱エレメント（１，７）を介して開始する、請求項７から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. 前記加熱エレメントのための予加熱機能が設けられており、前記予加熱機能を、監視ユニットによって検出された値に基づいて、タイマを介して、または外部の制御エレメントを介して開始することができる、請求項７から１１までのいずれか１項記載の方法。

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