JP4027338B2 - 内燃機関の排ガス系における排ガス後処理装置／消音装置コンビネーション - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関、たとえばトラックまたはバスなどの商用車のディーゼルエンジンの排ガス系における排ガス後処理装置／消音装置コンビネーションであって、消音器が設けられており、該消音器が、空間的に前方の端壁と後方の端壁と外周壁とによって制限されており、該消音器の内室に、通流する排ガスのＮＯ_２−成分を大幅に高める少なくとも１つの予備酸化触媒と、たとえば触媒式の少なくとも１つの粒子分離器とが組み込まれており、後処理される排ガスが、流入管を通って消音器に導入可能で、予備酸化触媒ならびに単数または複数の粒子分離器とを通流して浄化され、直接的に消音されて再び消音器から導出可能である形式のものに関する。

以下にＰＭ−ＫＡＴ−システムについて説明する。ＰＭ−ＫＡＴ^（Ｒ）は、出願人ＭＡＮ Ｎｕｔｚｆａｈｒｚｅｕｇｅ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔの商標である。ＰＭ−ＫＡＴ−システムは、ディーゼルエンジンの排ガス中のパティキュレートを低減するための非遮断式の手段と理解される。そのようなＰＭ−ＫＡＴ−システムは、少なくとも１つの予備酸化触媒（以下にＶ−Ｋａｔとも記載する）と、この予備酸化触媒に後置された、特に触媒式の少なくとも１つの粒子分離器（以下に省略してＰＭ−分離器と記載する）とから成っており、予備酸化触媒の支持体は活性化成分として白金でコーティングされている。そのようなＰＭ−分離器は、たとえばドイツ連邦共和国特許第１００２０１７０号明細書に基づく配置構造／構成を備えることができる。

トラックの場合、従来、内燃機関の近くに配置された予備消音器のできるだけ近くにＶ−Ｋａｔを配置すること、また単数または複数のＰＭ−分離器を主消音器に配置することが公知であり、これについてはドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１２３３５８号明細書を参照されたい。

さらに商用車−消音器におけるＰＭ−ＫＡＴ−システムの取付は、第２３回Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｅｓ Ｗｉｅｎｅｒ Ｍｏｔｏｒｅｎｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、２００２年４月２５、２６日で公開され、Ｆｏｒｔｓｃｈｒｉｔｔｓｂｅｒｉｃｈｔｅｎ，ＶＤＩ−Ｒｅｉｈｅ １２ Ｎｒ．４９０，Ｂａｎｄ２ Ｄｕｅｓｓｅｌｄｏｒｆ，ＶＤＩ−Ｖｅｒｌａｇ ２００２，１９６−２１６頁に記載されている。図１０および図１１には、この文献のＰＭ−ＫＡＴ−システムを示した。これらの図面から判るように、消音器１に、平行な通流を形成するための４つの排ガス後処理モジュール２が配置されており、この場合各排ガス後処理モジュール２は、外套管５に挿入された円筒形のＶ−Ｋａｔ３と、このＶ−Ｋａｔ３に対して共軸的でこの直後に続く直径の同じ円筒形のＰＭ−分離器４とを備えている。消音器１におけるこのようなＰＭ−ＫＡＴ−システムの組付は、トラックまたはバスの場合にエンジン近くの予備消音器を取り付けるためのスペースがない場合に提供される。このような組付手段の欠点として、Ｖ−Ｋａｔの容積だけＰＭ−分離器の容積が低減されることが挙げられる。なぜならば消音器１の外寸は車両の制限下で存在していて、したがって拡張不可能である、という理由による。このことによって５０％を大きく下回る不十分な分離率が生じることになる。Ｖ−Ｋａｔにおける白金濃度の増加、また単数または複数のＰＭ−分離器の内部構造の追加的なコーティングは、ＥＴＣ（european transient cycle）の分離率／転換率の増加に関して目的にかなっていない。白金は極めて高価であり、したがってシステム全体のコストの大部分を占める。
ドイツ連邦共和国特許第１００２０１７０号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１２３３５８号明細書 Ｆｏｒｔｓｃｈｒｉｔｔｓｂｅｒｉｃｈｔｅｎ，ＶＤＩ−Ｒｅｉｈｅ １２ Ｎｒ．４９０，Ｂａｎｄ２ Ｄｕｅｓｓｅｌｄｏｒｆ，ＶＤＩ−Ｖｅｒｌａｇ ２００２，１９６−２１６頁

したがって本発明の課題は、冒頭で述べたような形式の、排ガス後処理装置／消音装置コンビネーションを改良して、Ｖ−Ｋａｔにおける白金使用を最小限にして、ＥＴＣにおいて少なくとも５０％、有利には５０％をはるかに上回る粒子転換率を達成できるように、Ｖ−ＫａｔおよびＰＭ−分離器が消音器に内蔵されたものを提供することである。

この課題を解決するための本発明の装置によれば、
−予備酸化触媒の自由排ガス流入面積が、単数または複数の粒子分離器の自由排ガス流入面積よりも極めて小さくなっており、
−予備酸化触媒の横縦比ＡＲ＝Ｉ／Φ_ｅｆｆが、０．４から０．６の間に位置しており、
−単数または複数の粒子分離器の横縦比ＡＲ＝Ｉ／Φ_ｅｆｆが、０．５から１．０の間に位置しており、
−予備酸化触媒の容積が、２．５Ｌｉｔｅｒから４Ｌｉｔｅｒの間に位置しており、単数または複数の粒子分離器の容積が、５．５Ｌｉｔｅｒから２２Ｌｉｔｅｒの間に位置しており、予備触媒容積／単数または複数の粒子分離器容積の比が、０．１５から０．５５の間に位置しており、
−粒子分離器の横縦比／予備酸化触媒の横縦比の関係が、１．０５から２．２の間に位置しており、
−最大排ガス−体積流量［Ｎｍ^３／ｈ］では、排ガス体積流量／自由排ガス流入面積から求められる流路速度が、予備酸化触媒では８ｍ／ｓｅｃを上回り、単数または複数の粒子分離器では５ｍ／ｓｅｃを上回っており、最大排ガス体積流量が、最大許容圧力損失と、排ガスを搬送する内燃機関の機能性に関する最大許容排ガス対抗圧力とによって制限されている。

本発明のように構成されていると、図１０および図１１に示した、４つのＶ−Ｋａｔを備えた公知の構成に対して、単個のＶ−Ｋａｔの容積はファクタ２．５〜３．５だけ小さくなっており、しかもＶ−Ｋａｔのコーティングのための白金使用量が、実施形態に応じてファクタ３．３〜１１．７だけ減少している。これによってコストの大幅な削減が生じる。さらにまた比較的小さな単個のＶ−Ｋａｔを使用することによって、単数または複数のＰＭ−分離器のためにより大きなスペースが提供され、その結果として粒子転換率の大幅な増加が得られる。

有利な実施形態および使用例については従属請求項に記載した。

次に本発明の実施の形態を図示の実施例を用いて詳しく説明する。

図１〜図８には、排ガス後処理装置／消音装置コンビネーションを示しており、この排ガス後処理装置／消音装置コンビネーションは内燃機関、特に商用車たとえばトラックまたはバスのディーゼルエンジンの排ガス系に配置されている。このコンビネーションは、消音器１０を備えており、この消音器１０は空間的に前方の端壁１１と後方の端壁１２と外周壁１３とによって制限されている。外周壁１３は、横断面でほぼ円形、楕円形、正方形または長方形に、また長手方向でみて円筒形または樽形に湾曲して形成することができる。消音器１０の内室に排ガス流入管１４が案内されており、この排ガス流入管１４に、図示していない排ガス管路を介して所属の内燃機関の排ガスが供給される。さらに消音器１０の内室には、通流する排ガスにおけるＮＯ_２−成分を白金コーティングに基づいて顕著に高める１つの予備酸化触媒１５（以下にＶ−Ｋａｔ１５と記載する）と、特に触媒反応式の少なくとも１つの粒子分離器１６（以下にＰＭ−分離器１６と記載する）とが組み込まれている。符号１７で消音作用を及ぼす終端管を示しており、この終端管１７によって、浄化された排ガスは、消音器１０の内室から雰囲気に導出される。したがって後処理しようとする排ガスは、排ガス流入管１４を介して消音器１０に供給され、そこで先ずＶ−Ｋａｔ１５を、次いで単数または複数のＰＭ−分離器１６を通って案内され、浄化され、終端管１７に沿って直接的に消音され、再び消音器１０から導出される。端壁１１，１２は、必要な場合外周壁１３ならびに終端管１７も、消音性材料で被覆されている。消音のために、排ガスの供給および導出領域の特別な構成、ならびに消音器の内側の横壁も寄与しており、これについてはあとで詳しく説明する。

図１および図２と、図３および図４と、図５および図６とに示したの３つの実施例では、Ｖ−Ｋａｔは円筒状に形成されていて、かつオーステナイト系またはフェライト系ステンレス鋼から成るケーシング１８に組み込まれていて、それも消音器１０の長手方向軸線１９に対して平行に組み込まれている。前方の端壁１１から出発してホッパ状（ラッパ状）に拡張して延びて、これに続いて円筒状に延びるケーシング１８の流入室２０に、排ガス流入管１４が、ある程度突入して、かつそこで有利にはミシン目（一定間隔の孔）もしくは孔２１を備えているので、供給される排ガスは、排ガス流入管１４から、半径方向でも軸方向でも流入室２０に流出し、次いでＶ−Ｋａｔ１５を通流することができる。Ｖ−Ｋａｔ１５は、ケーシング１８の円筒状の区分に取り囲まれている。

この３つの実施例に設けられた各ＰＭ−分離器１６は、円筒状に形成されていて、かつ同様にオーステナイト系またはフェライト系ステンレス鋼から成るケーシング２２に組み込まれていて、このケーシング２２と共に、消音器１０の長手方向軸線１９に対して平行に消音器に配置されている。この場合図１および図２の実施例では４つの、図３および図４に示した実施例では３つの、図５および図６に示した実施例では１つのＰＭ−分離器１６の組み込まれたそのようなケーシング２２が、Ｖ−Ｋａｔ１５の組み込まれたケーシング１８の上方もしくは側方に配置されている。ケーシング２０およびケーシング２２を消音器内で位置固定するために横壁２３が設けられており、この横壁２３は、有利にはミシン目または孔によってガス透過性に構成されているので、Ｖ−Ｋａｔ１５を通流したあとでこのＶ−Ｋａｔ１５から流出する排ガスは、ＰＭ−分離器１６を通流するまえに、外側でこのＰＭ−分離器１６の周りに分配され、したがって予備加熱するか、もしくは適当な運転温度で保持することができる。図１〜図６に示した３つの全ての実施例では、単数または複数のＰＭ−分離器１６は流出室２４に通じており、この流出室２４は、消音器１０の内側で、壁２５，２６によって消音器１０の別の内室に対してガス密に形成されている。流出室２４には終端管１７も連通している。横壁２３に対して平行な壁２５は、貫通孔で、ＰＭ−分離器ケーシング２２の、流出側の端部領域と終端管１７の流入領域とをそれぞれガス密に取り囲んでおり、そうして消音器１０に対する固定を助成する。

図７および図８に示した実施例では、Ｖ−Ｋａｔ１５およびこの実施例で用いられる１つのＰＭ−分離器１６が、それぞれ円筒状に、しかもそれぞれ異なる直径で形成されていて、かつ共通のケーシング２７に軸方向で相前後して、しかしながらＶ−Ｋａｔ１５の流出面からＰＭ−分離器１６の流入面に向かってホッパ状に拡張するオーバーフロー室２８によって分離して、組み込まれている。ここでは排ガス流入管１４は、比較的長い距離で終端管１７の直ぐ手前まで消音器１０の内室に延びていて、かつミシン目もしくは孔２１を備えている。Ｖ−Ｋａｔ１５およびＰＭ−分離器１６の組み込まれたケーシング２７は、排ガス流入管１４の上方で、かつ消音器１０の長手方向軸線１９に対して平行に１０消音器に組み込まれていて、かつその内側で排ガス流入管１４および終端管１７と同様に２つの横壁２９，３０によって保持されている。この場合横壁２９はミシン目または孔によってガス透過性に構成されており、これに対してこの横壁２９に対して平行な別の横壁３０はガス密に形成されていて、かつ前方の端壁１１および外周壁１３を用いて、流出室３１を制限している。この流出室３１にＰＭ−分離器１６が通じており、またこの流出室３１から終端管１７が出発している。ケーシング２７、終端管１７およびガス流入管１４は、横壁３０の貫通孔に、ガス密に取り囲んで収容されている。横壁３０と後方の端壁１２との間で、消音器１０の内室は、横壁２９のガス透過性によって、ガス流入管から半径方向かつ軸方向で流出する排ガスで充填可能であり、その結果この実施例でも、Ｖ−Ｋａｔ１５およびＰＭ−分離器１６を備えたケーシング２７は予備加熱可能であるか、もしくは適当な運転温度で保持可能である。

概して全ての実施例は以下の特徴を有している。
ａ） Ｖ−Ｋａｔ１５の自由排ガス流入面積は、単数または複数のＰＭ−分離器１６の排ガス流入面積よりも極めて小さくなっている。
ｂ） 横縦比ＡＲ＝長さ（ｌ）／直径_ｅｆｆ（Φ_ｅｆｆ）は、Ｖ−Ｋａｔ１５では０．４〜０．６である。
ｃ） 横縦比ＡＲ＝長さ（ｌ）／直径_ｅｆｆ（Φ_ｅｆｆ）は、ＰＭ−分離器１６では０．５〜１．０である。
ｄ） Ｖ−Ｋａｔ１５の容積は、２．５〜４Ｌｉｔｅｒであり、単数または複数のＰＭ−分離器１６の容積は、５．５〜２２Ｌｉｔｅｒであり、Ｖ−Ｋａｔ１５の容積／単数または複数のＰＭ−分離器１６の容積の比は、０．１５〜０．５５である。
ｅ） 単数または複数のＰＭ−分離器１６の横縦比／Ｖ−Ｋａｔ１５の横縦比の関係は、１．０５〜２．２である。
ｆ） 最大排ガス−体積流量［Ｎｍ^３／ｈ］では、流路速度ＫＧ（＝排ガス体積流量／自由排ガス流入面積）は、Ｖ−Ｋａｔ１５では８ｍ／秒よりも大きく、単数または複数のＰＭ−分離器１６では５ｍ／秒よりも大きいのが望ましく、ここでは最大排ガス−体積流量は、最大許容圧力損失と、排ガスを搬送する内燃機関の機能性に関する最大許容排ガス対抗圧力とによって制限されている。

ｂ）およびｃ）に記載した概念Φ_ｅｆｆは、Ｖ−Ｋａｔ１５およびＰＭ−分離器１６（１つしか使用されない場合）の円形の流入面積の有効流入直径を示しており、または複数のＰＭ−分離器１６では、有効全体流入面を円と仮定して、この円から求められる直径を示している。

図９の表には、種々異なるＶ−Ｋａｔ１５とそれぞれ異なる数の種々異なるＰＭ−分離器１６とのコンビネーションの１０のテスト例と、これらのテスト例の結果として生じる、ＥＳＣ（european steady state cycle）およびＥＴＣ（euroean transient cycle）に基づく転換率（粒子分離率）とを示した。繰り返しの説明を省略するために、この図９の表および表の内容については、本明細書で説明した構成が当てはまる。個々のバリエーションのテストは、それぞれ１２００Ｎｍ^３／ｈの最大排ガス−体積流量を用いて、ＥＳＣテストでは約４０ｍｇ／ＫＷｈのオーダー、またＥＴＣテストでは約５０ｍｇ／ＫＷｈのオーダーの粗い粒子エミッションで排ガスを搬送するようなディーゼルエンジンを用いて行われる。この最大排ガス−体積流量を用いると、図９の表に示した流路速度および転換率が得られる。

図１および図２に示した実施例では、同一のＶ−Ｋａｔ１５で３つのバリエーション１〜３の中で、それぞれ長さで異なる直径の等しいＰＭ−分離器１６を用いることによって転換率を高めようと試みた。最良形はバリエーション３である。この場合単数または複数のＰＭ−分離器１６が長いほど、比較的小さな直径にもかかわらず、転換率がより高くなる。したがってＰＭ−分離器１６の縦長の構成は極めて有利である。

バリエーション４よびバリエーション５に対応する、図３および図４に示した実施例では、それぞれ３つの同一のＰＭ−分離器１６にそれぞれ異なるＶ−Ｋａｔ１５が対応配置されている。

図５および図６に示した実施例では、バリエーション６において、同じＶ−Ｋａｔ１５に関してバリエーション４およびバリエーション５の３つのＰＭ−分離器１６を用いる場合と類似の全体容積を有するＰＭ−分離器１６が用いられる。ここでは比較的良好な転換率が生じる。

図７および図８に示した実施例では、バリエーション７〜バリエーション１０において、それぞれ異なるセル数（Zelligkeit）を有するそれぞれ１つのＰＭ−分離器１６と、それぞれ異なるセル数またはそれぞれ異なる直径を有するＶ−Ｋａｔ１５とのコンビネーションが示されている。

結果として、全てのバリエーションで少なくとも５０％、バリエーション３では最高で７９％のＥＴＣ−転換比が達成される。

テストバリエーション１〜１０では、白金コーティングを有していないＰＭ−分離器１６を用いた。しかしながらこの結果は、白金コーティングされたＰＭ−分離器１６を使用する必要のある使用例にも当てはまるものである。したがって本発明はコーティングされていないＰＭ−分離器１６も白金コーティングされたＰＭ−分離器１６も含むものとする。また記載のものとは異なるセル数を有するＶ−Ｋａｔ１５およびＰＭ−分離器１６を使用することもできる。さらにもちろん図示の実施例とは異なって、消音器１０にスペースが許容され、かつ／または達成しようとする消音率が許容される場合、１つのＶ−Ｋａｔ１５と２つ、５つまたは６つのＰＭ−分離器１６とのコンビネーションを形成することもできる。

本発明の第１実施例を示す縦断面図である。

本発明の第１実施例を示す正面図である。

本発明の第２実施例を示す縦断面図である。

本発明の第２実施例を示す正面図である。

本発明の第３実施例を示す縦断面図である。

本発明の第３実施例を示す正面図である。

本発明の第４実施例を示す縦断面図である。

本発明の第４実施例を示す正面図である。

単数または複数のＰＭ−分離器とＶ−Ｋａｔとのコンビネーションの、種々異なる１０のバリエーションのデータを示す表である。

従来技術を示す縦断面図である。

従来技術を示す正面図である。

符号の説明

１０ 消音器、 １１，１２ 端壁、 １３ 外周壁、 １４ 排ガス流入管、 １５ 予備酸化触媒、 １６ 粒子分離器、 １７ 終端管、 １８ ケーシング、 １９ 長手軸線、 ２０ 流入室、 ２１ ミシン目または孔、 ２２ ケーシング、 ２３ 横壁、 ２４ 流出室、 ２５，２６ 壁、 ２７ 壁、 ２８ オーバーフロー室、 ２９，３０ 横壁、 ３１ 流出室

Claims (6)

1. 内燃機関、たとえばトラックまたはバスなどの商用車のディーゼルエンジンの排ガス系における排ガス後処理装置／消音装置コンビネーションであって、消音器が設けられており、該消音器が、空間的に前方の端壁と後方の端壁と外周壁とによって制限されており、該消音器の内室に、通流する排ガスのＮＯ_２−成分を大幅に高める少なくとも１つの予備酸化触媒と、たとえば触媒反応性の少なくとも１つの粒子分離器とが組み込まれており、後処理される排ガスが、流入管を通って消音器に導入可能で、予備酸化触媒ならびに単数または複数の粒子分離器とを通流して浄化され、直接的に消音されて再び消音器から導出可能である形式のものにおいて、
   −予備酸化触媒（１５）の自由排ガス流入面積が、単数または複数の粒子分離器（１５）の自由排ガス流入面積よりも極めて小さくなっており、
   −予備酸化触媒（１５）の横縦比ＡＲ＝長さ（ｌ）／直径eff（Φ _ｅｆｆ ）が、０．４から０．６の間に位置しており、
   −単数または複数の粒子分離器（１６）の横縦比ＡＲ＝長さ（ｌ）／直径eff（Φ _ｅｆｆ ）が、０．５から１．０の間に位置しており、
   −予備酸化触媒（１５）の容積が、２．５Ｌｉｔｅｒから４Ｌｉｔｅｒの間に位置しており、単数または複数の粒子分離器（１６）の容積が、５．５Ｌｉｔｅｒから２２Ｌｉｔｅｒの間に位置しており、予備触媒容積／単数または複数の粒子分離器容積の比が、０．１５から０．５５の間に位置しており、
   −粒子分離器（１６）の横縦比／予備酸化触媒（１５）の横縦比の関係が、１．０５から２．２の間に位置しており、
   −最大排ガス−体積流量［Ｎｍ^３／ｈ］では、排ガス体積流量／自由排ガス流入面積から求められる流路速度が、予備酸化触媒（１５）では８ｍ／ｓｅｃを上回り、単数または複数の粒子分離器（１６）では５ｍ／ｓｅｃを上回っており、最大排ガス体積流量が、最大許容圧力損失と、排ガスを搬送する内燃機関の機能性に関する最大許容排ガス対抗圧力とによって制限されていることを特徴とする、内燃機関の排ガス系における排ガス後処理装置／消音装置コンビネーション。
2. 予備酸化触媒（１５）が、寸法＝直径×長さにおいてセル数１６０または２００ｃｐｓｉで２２０×１０１．５ｍｍまたは２００×１０１．５ｍｍの寸法、またはセル数１６０ｃｐｓｉで１８０×１０１．５ｍｍの寸法を有する円筒形状を有していて、かつ５ｇ／１０００Ｎｍ^３／ｈ排ガス体積流量のオーダー、つまりほぼ１．０から１．５ｇ／Ｌｉｔｅｒの容積で白金コーティングを有している、請求項１記載の装置。
3. 消音器（１０）に、平行通流形成のためにそれぞれ円筒形状を有する４つの同一の粒子分離器（１６）が配置されており、各粒子分離器（１６）が、寸法＝直径×長さにおいてセル数２００で１５０×１５０ｍｍまたは１５０×２２５ｍｍまたは１５０×３００ｍｍの寸法を有している、請求項１または２記載の装置。
4. 消音器（１０）に、平行通流形成のためにそれぞれ円筒形状を有する３つの同一の粒子分離器（１６）が配置されており、各粒子分離器（１６）が、寸法＝直径×長さにおいてセル数２００ｃｐｓｉで１５０×１５０ｍｍの寸法を有している、請求項１または２記載の装置。
5. 消音器（１０）に、予備酸化触媒（１５）以外に、円筒形状を有する１つの粒子分離器（１６）が配置されており、該粒子分離器（１６）が、寸法＝直径×長さにおいてセル数２００ｃｐｓｉで２５４×１５０ｍｍもしくは２２０×２２５ｍｍの寸法を有しているか、またはセル数１６０ｃｐｓｉで２２０×１５０ｍｍの寸法を有している、請求項１または２記載の装置。
6. 以下の表に示したバリエーション１から１０までの１特徴を有する、１つのＶ−Ｋａｔ（１５）と単数または複数のＰＭ−分離器（１６）とのコンビネーションを有しており、
   テストに基づく１２００Ｎｍ^３／ｈの最大排ガス体積流量と、ＥＳＣテストでは４０ｍｇ／ＫＷｈ、またＥＴＣテストでは５０ｍｇ／ＫＷｈのオーダーの、ディーゼルエンジンによって生産される排ガスの粗い粒子エミッションとに基づいて得られる、バリエーション１から１０までの１つにおける流路速度ＫＧおよび転換率の値を有している、請求項１記載の装置。
   

   

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