JPH10500191A - 内燃エンジンの排気ガス放出量を削減するための組立体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 排気ガス触媒コンバータを含む自動車の内燃エンジンの排気ガス放出量を削減するために、排気ガスを、異なる熱的特性を有する分枝導管を通して、エンジンと触媒コンバータとの間に流れるようにする。この分枝導管は、全負荷管と部分負荷管とを含み、全負荷管は部分負荷管を包囲して、全負荷管と部分負荷管との間に環状空隙を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】 内燃エンジンの排気ガス放出量を削減するための組立体 本発明は、内燃エンジン、より詳細には触媒コンバータを備える自動車内燃エ ンジンの排気ガス放出量を削減するための組立体に関する。 先行技術において提案されているように、触媒コンバータが適切に機能するた めに必要な操作温度に未だ達していないために生じるコールドスタート時の排気 ガスの高い放出量を削減するために、内燃エンジンの触媒コンバータは、コール ドスタート時に触媒コンバータを加熱するための電気的加熱手段、並びにエンジ ンと触媒コンバータとの間の断熱された排ガス管を備えている。 触媒コンバータを電気的に加熱するためにかかる費用を最小限とし、排ガス管 中の熱損失を低減するために、触媒コンバータはエンジンの出来る限り近くに配 置しなければならない。しかしながら、これは非常に高温の排気ガスが触媒コン バータに悪影響を及ぼす過剰な熱状態と相反するものである。 このような相反する要求に答えるために、ドイツ特許出願第２３０３７７３号 では、エンジンと触媒コンバータとの間の排ガス管を、実質的に長さの異なる一 対の分枝管に分割し、触媒コンバータをエンジンの比較的近くに配置しても、全 負荷時に排気ガスを充分に冷却することができるように、長い 方の分枝をループ状に延長させることを提案している。この設計では、ループ状 の分枝管のために相当の空間が必要であるという問題がある。 そのため、ドイツ特許出願第４２１８８３４号では、コールドスタート時の過 剰な加熱を防ぐために、触媒コンバータをエンジンから離れた位置に配置するこ と、並びにエンジンと触媒コンバータとの間の排ガス管を、同じ長さで直径が異 なる一対の分枝管に分割し、触媒コンバータが低温の場合は、全ての排気ガスを 小径分枝管に受容させることを提案している。この設計の目的は、排気ガスが顕 著に冷却されないうちに、未だ低温の触媒コンバータへ供給することにある。こ れは、排気ガスが、排ガス管の両方の分枝管の総断面積を通して流れる場合より も、使用される小径分枝管中ではより高速で流れるためである。しかしながら、 この先行技術の設計では、どちらの分枝導管も、周囲空気と熱交換関係にあるた め、排気ガスの熱エネルギーは導管壁を介して直接周囲空気に伝達される。 本発明の目的は、熱不足の操作条件では、触媒コンバータが排気ガスを最高温 度で受理し、熱過剰の操作条件では、触媒コンバータが排気ガスを最低温度で受 理する、触媒コンバータを備える内燃エンジンの排気ガス放出量を削減するため の組立体を提供することにある。本発明のさらなる目的は、低コスト、最小スペ ース、最小重量、且つ最小燃料消費要求でこのような組立体を提供することにあ る。さらに、熱不足の操作条件において、キャビンの暖房効率を低下させること なく、触媒コンバータを加熱するための電気エネルギーの消費量を最小限とする ことができる。コールドスタート時のみならず、エンジン操作を僅かに中断した 場合、又はアイドリング中にエンジンが冷えた場合にも、エンジンを迅速に暖め ることが可能である。 本発明は請求の範囲第１項に規定される。本発明のさらなる発展及び好ましい 実施態様は、従属請求項に規定される。 関連する操作条件を規定する目的で、部分負荷管及び全負荷管という術語が選 択されている。全負荷とは、排気ガス温度が少くとも触媒コンバータの操作温度 に対応する操作条件であると理解され、部分負荷とは、排気ガス温度及び触媒コ ンバータ温度が、触媒コンバータの操作温度よりも低い操作条件であると理解さ れる。「管」という術語を使用しているが、これはガスを導く他のいかなる適当 な導管、一つより多くの管からなる導管、並びに円形断面形状以外の断面形状を 有する導管を除外するものではない。 本発明の内燃エンジンの排気ガス放出量を削減するための組立体において、部 分負荷管と全負荷管との間の環状空隙は、部分負荷管から周囲空気へと熱エネル ギーが放散されるのを防ぐ絶縁間隙つまり間の間隙として機能する。 添付図面を参照して、本発明の好ましい実施態様をより詳細に説明する。図面 において、 図１は、本発明の原理を説明するための、内燃エンジンの排ガス装置の概略的 線図である； 図２ａは、触媒コンバータまで延長する慣用の排ガス管を 含む、４気筒エンジンの排ガスマニホールドを示す； 図２ｂは、図２ａの排ガス管と代替する、本発明の排ガス管を示す； 図２ｃは、本発明の別の実施態様を示す、図２ｂと同様の図である； 図３は、部分負荷管の拡大出口を含む、別の実施態様の詳細な図である； 図４は、図３と同様であるが、前置触媒コンバータを含む組立体を示す； 図５は、図４と同様の別の変更例である； 図６は、メイン触媒コンバータを経て流体流を再循環させるための手段を備え る別の実施態様を示す； 図７は、触媒コンバータに続いて熱交換器を備える、図２ｃと同様の排ガス装 置を示す； 図７ａは、全負荷管を閉鎖するためのバルブを拡大スケールで示す図である； そして 図８は、前置触媒コンバータを備える、図１の装置の変更例を示す。 図１において、内燃エンジン１０は、触媒コンバータ１４を含む排ガス管１２ を通して排気ガスを排出する。排ガス管１２は、エンジン１０と触媒コンバータ １４との間のその長さの大半に渡って、一対の分枝管１２ａ及び１２ｂによって 形成される。分枝管１２ａ内には閉鎖バルブ１６が配置される。閉鎖バルブ１６ が閉鎖している時には、排気ガスは、分枝管１２ａ中に延長する分枝管１２ｂの みを経て触媒コンバ ータ１４へと流れる。 以下により詳細に説明するが、分枝管１２ａは、周囲空気への熱伝達を強化す る設計となっており、一方分枝管１２ｂは、内部を流れる排気ガスの熱損失を効 果的に防止するように、選択された材料、貫通流断面領域、及び配置で設計され る。 バルブ１６は、触媒コンバータがその全効率を達成又は維持するために熱エネ ルギーを必要とする場合に閉鎖されるように、図示しない制御手段によって制御 される。図示しない制御手段は、エンジン１０の排気ガス温度及び／又は触媒コ ンバータ１４の領域の温度を示す装置の操作温度に直接的又は間接的に応答する 。熱不足の条件は、コールドスタート後、及び通常は排気ガス温度が操作環境に よって、触媒コンバータの触媒機能に必要な温度以下に低下した場合に生じ、こ の操作条件を簡潔化のために「部分負荷」と称し、他の操作条件を「全負荷」と 称する。熱不足の条件の場合には、触媒コンバータを加熱するために、最小限の 損失で排気ガスの熱エネルギーを使用することができるように、バルブ１６が閉 鎖されて、排気ガスは分枝管１２ｂを通して導かれる。このため、分枝管１２ｂ を「部分負荷管」と称し、分枝管１２ａを「全負荷管」と称する。 図２ａは、排気ガスの熱損失を防ぐための公知の排気ガスマニホールドを示す 。エルボー型排気ガスマニホールド１３、及び触媒コンバータ１４まで延長する 後続導管部分１５は、それぞれ二重壁構造であり、外側管１３ａ、１５ａと内側 管 １３ｂ、１５ｂとをそれぞれ含む。排気ガスは、薄壁内側管１３ｂ及び１５ｂの 内部を流れ、外側管１３ａ、１５ａと内側管１３ｂ、１５ｂとの間の環状空隙は 、流体流を受理せず、絶縁間隙として機能する。 図２ｂに示すように部分負荷管１２ｂを全負荷管１２ａ内に配置することがで きるように、部分負荷管１２ｂは、全負荷管１２ａよりも実質的に小さい断面積 としてもよい。図２ａに示す既知の配置とは異なり、全負荷管１２ａが部分負荷 管１２ｂを取り囲んで、その間に環状間隙を設けるように、部分負荷管１２ｂの 断面積は、全負荷管１２ａの断面積よりも実質的に小さくなる。部分負荷管１２ ｂは、長手方向中心面及び全負荷管１２ａの内壁から離隔して延長するように、 例えば全負荷管１２ａ内に偏心して配置してもよい。この配置により、制御バル ブ１６が、前記長手方向中心面内に延長する回転軸２０を有し、閉鎖位置にある 場合に全負荷管１２ａの断面を覆うように適合される簡単なロータリーフラップ １８からなるようにすることができる。閉鎖位置にある場合に部分負荷管１２ｂ の流れ断面を覆うバルブフラップ１８の一部は、排気ガスが部分負荷管１２ｂ中 のみを流れることができるように、貫通孔２２を備える。 図２ｂに示す組立体においては、先行技術の二重壁エルボー型マニホールド１ ３が使用され、導管部分１５の代わりに、全負荷管１２ａと部分負荷管１２ｂと を備える本発明の排ガス管がマニホールド１３に続く。バルブフラップ１８の解 放動作を干渉しないように、マニホールド１３の端部及び全負 荷管１２ａの端部はそれぞれ、枢動軸２０によって規定される半径方向面を越え て、バルブフラップ１８の厚さに対応する長さに渡って延長する凹所を備える。 バルブが閉鎖位置にある場合には、バルブフラップ１８は、マニホールド１３及 び部分負荷管１２ｂの非凹部分と係合する。 図２ｃは、全負荷管１２ａがエルボー型マニホールド１３ａの単一壁延長部を 形成し、部分負荷管１２ｂがマニホールド１３ａ内へ延長して、内部に分枝管１ ３ｂを形成する、変更実施態様を示す。この際バルブ１６は、触媒コンバータ１ ４に隣接する管１２ａ及び１２ｂの端部に配置される。 図２ｂ及び図２ｃの実施態様においては、触媒コンバータ１４が部分負荷管１ ２ｂから出る排気ガスによって完全負荷されるように、部分負荷管１２ｂは、全 負荷管１２ａのじょうご状拡張部２５内に開放する。 図３の変更態様では、部分負荷管１２ｂは触媒コンバータ１４の直前で終止し 、バルブ１６の閉鎖時の部分負荷条件時に、触媒コンバータが操作温度までより 迅速に加熱されるように、触媒コンバータ１４の断面積の一部のみが、部分負荷 管１２ｂのみから排出される排気ガスを受理する。前述したように、部分負荷管 １２ｂの断面積は、全負荷管１２ａの断面積に比して非常に小さくしてもよい。 排気ガスを効率的に浄化するために、触媒コンバータの充分な断面積を確実に負 荷するためには、部分負荷管１２ｂの開放領域を傾斜させて、その断面積を所望 値まで拡大する。 図４は同様の配置を示すが、部分負荷管１２ｂの拡大開口 は、全負荷管１２ａ内でメイン触媒コンバータ１４と離隔して前置触媒コンバー タ２４に接続される。 図５の変更実施態様においても、前置触媒コンバータ２４が設けられるが、こ のコンバータ２４は、排ガス管１２から排出される排気ガスを常に全て受理する ように、部分負荷管１２ｂの開口から離隔して、全負荷管１２ａ内に配置される 。 特に好ましい実施態様を図６に示す。前置触媒コンバータ２４は、図４に示し たと同様に、前置触媒コンバータ２４の上流でじょうご状拡大部を形成する部分 負荷管１２ｂの一端と連通し、これを取り囲む全負荷管１２ａよりも小さい断面 を有する。メイン触媒コンバータ１４は、前置触媒コンバータ２４の端部に直接 続き、全負荷管１２ａを完全に満たす。部分負荷管１２ｂのじょうご状拡大部分 より上流の周面には、多数の貫通孔２５が設けられる。その結果、貫通孔２５の 領域ではベンチュリ作用により吸引が生じ、その結果、メイン触媒コンバータ１ ４の周辺区域中でメイン触媒コンバータ１４を出て部分負荷管１２ｂ内へと戻る 、既に部分負荷で予加熱された排気ガスの逆流が起こり、一方、触媒コンバータ １４の内部領域はより強く加熱される。 図７は、図２ｃを参照して既に説明した排ガス装置の概略的線図を示し、さら に装置を迅速に加熱するためのいくつかの追加的手段を示す、つまり、スロット ルバルブ２６、２８、熱交換器３０、及び好ましくは潜熱蓄熱器である蓄熱器３ ２である。 排ガス管１２に平行なバイパス３４中に配置されたバルブ ２６が閉鎖すると、排気ガスは、バイバス３４中に配置された熱交換器３０を通 して導かれ、その結果、未だ存在している排気熱エネルギーを、冷却水回路又は 空気及び混合物予熱手段を経て、エンジン１０に供給することができる。排気熱 エネルギーの回収により、部分負荷時のエンジンの燃料消費量を約１０〜２０％ 削減することができ、またキャビン暖房の出力を増加させることができる。スロ ットルバルブ２８を使用することにより、熱交換器３０内の改良された熱伝達の 結果として、また、エンジン１０において効果的な背圧により、さらに効率をあ げることができる。所望であれば、熱交換器３０を使用しない場合には、エンジ ン１０に作用するスロットルバルブとして、バルブ２６を使用してもよい。 エンジン１０の冷却流体装置を概略的に図示し、参照番号３６で示す。熱不足 条件において、エンジン１０に熱を伝達するために、冷却流体装置３６には潜熱 蓄熱器３２、並びに自動車のキャビンを暖房するための通常の熱交換器３８が関 連付けられる。 図８に示す変更例において、部分負荷管１２ｂは全負荷管１２ａの外方に一部 延長し、この部分内に前置触媒コンバータ２４及びこれに続くバルブ２８が受理 される。この配置により、前置触媒コンバータ２４をエンジン１０の非常に近く に配置することができ、その迅速な加熱を促進することができる。熱ガスが内部 を流れるのを防止するために、バルブ２８によって前置触媒コンバータ２４をオ フにすることもできる。 始動及び部分負荷操作時にエンジンを迅速に加熱するために使用する背圧バル ブは、導管通路のどの位置、例えば触媒コンバータ１４の下流に配置してもよく 、バルブ１６が閉鎖される時（図１）には、排気ガスはこの背圧バルブを通して 流れる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｆ０１Ｎ 7/10 9524−3Ｇ Ｆ０１Ｎ 7/10

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．特に自動車の内燃エンジンの排気ガス放出量を削減するための組立体であっ て、該組立体は、内燃エンジン（１０）の排気ガス出口手段に接続するように適 合された排ガス管（１２）と、排ガス管から排気ガスを受理する触媒コンバータ （１４）とを備え、前記排ガス管は、少くともその長手方向に沿った一部に、少 くとも一つの部分負荷管（１２ｂ）と少くとも一つの全負荷管（１２ａ）とを含 む一対の分枝導管を備え、該全負荷管（１２ａ）は、周囲と熱交換関係にあり、 前記分枝導管は、排気ガスに対する熱的影響について異なる設計であり、前記組 立体は、前記内燃エンジンの操作パラメターに応答して、前記分枝導管中の排気 ガス流の分割及び伝導を制御するために、選択的に制御手段（１６）を備える組 立体において、前記全負荷管が、前記部分負荷管（１２ｂ）を熱損失から保護す る環状流れ断面を有するように、前記少くとも一つの部分負荷管（１２ｂ）が、 前記少くとも一つの全負荷管（１２ａ）内に配置されることを特徴とする、内燃 エンジンの排気ガス放出量を削減するための組立体。 ２．前記部分負荷管（１２ｂ）が熱的に絶縁されている、請求の範囲第１項に記 載の組立体。 ３．前記部分負荷管（１２ｂ）が、前記全負荷管（１２ａ）よりも実質的に小さ い断面を有する、請求の範囲第１項又は第２項に記載の組立体。 ４．前記部分負荷管（１２ｂ）の断面積が、前記全負荷管（１２ａ）の断面積の 約１０分の１〜１００分の１である、請求の範囲第３項に記載の組立体。 ５．前記全負荷管（１２ａ）が前記制御手段（１６）によって閉鎖されるように 適合される、請求の範囲第１項から第４項のいずれかに記載の組立体。 ６．前記制御手段（１６）が、前記部分負荷管（１２ｂ）の一端の断面領域内に 配置され、閉鎖位置において前記全負荷管（１２ａ）を閉鎖するバルブフラップ （１８）を備え、該バルブフラップ（１８）は、バルブフラップが閉鎖位置にあ る際に部分負荷管（１２ｂ）の流れ断面領域を被覆しない貫通孔（２２）を有す る、請求の範囲第１項から第５項のいずれかに記載の組立体。 ７．前記部分負荷管（１２ｂ）が、前記内燃エンジンに隣接して、前記全負荷管 （１２ａ）の一部を形成する排気ガスマニホールドの分枝管（１３ａ）中に延長 する分枝端部（１３ｂ）を有し、前記制御手段（１６）が前記部分負荷管（１２ ｂ）の対向端に配置される、請求の範囲第１項から第６項のいずれかに記載の組 立体。 ８．前記部分負荷管（１２ｂ）が、前記触媒コンバータ（１４）の直上流位置ま で延長する、請求の範囲第１項から第７項のいずれかに記載の組立体。 ９．前記部分負荷管（１２ｂ）の開口が、触媒コンバータ（１４）の拡大部上流 にある、請求の範囲第８項に記載の組立体。 10．前記触媒コンバータ（１４）がメイン触媒コンバータとして機能し、前置触 媒コンバータ（２４）が該メイン触媒コンバータの上流に配置される、請求の範 囲第１項から第７項のいずれかに記載の組立体。 11．前記前置触媒コンバータ（２４）が、前記部分負荷管（１２ｂ）中を流れる 排気ガスの流れ通路内に配置される、請求の範囲第９項に記載の組立体。 12．前記前置触媒コンバータ（２４）が、前記部分負荷管（１２ｂ）の下流端と 連通する、請求の範囲第１０項に記載の組立体。 13．前記前置触媒コンバータ（２４）が、前記部分負荷管（１２ｂ）の下流端に 続くように、前記全負荷管（１２ａ）内に配置される、請求の範囲第１１項に記 載の組立体。 14．メイン触媒コンバータ（１４）の断面が全負荷管（１２ａ）の断面に従い、 且つ前置触媒コンバータ（２４）の断面よりも大きく、メイン触媒コンバータ（ １４）が前置触媒コンバータ（２４）に直接続き、全負荷管（１２ａ）内の部分 負荷管（１２ｂ）が、前置触媒コンバータ（２４）の断面に対応するじょうご状 拡大部分を有し、且つ該拡大部分の上流の外周面に沿って貫通孔（２５）を有す る、請求の範囲第１２項に記載の組立体。 15．前記部分負荷管（１２ｂ）の比熱容量が小さい、請求の範囲第１項から第１ ４項のいずれかに記載の組立体。 16．前記部分負荷管（１２ｂ）が、非常に薄い壁を有する、請求の範囲第１項か ら第１５項のいずれかに記載の組立体。 17．前記部分負荷管（１２ｂ）の熱伝導性が非常に低い、請求の範囲第１項から 第１６項のいずれかに記載の組立体。 18．前記部分負荷管（１２ｂ）が、高ニッケル含有量の特殊鋼で作成される、請 求の範囲第１７項に記載の組立体。 19．所定操作条件において前記部分負荷管（１２ｂ）によって生じる背圧が、所 定値を越えないように、該部分負荷管（１２ｂ）の断面が寸法付けられている、 請求の範囲第３項又は第４項に記載の組立体。 20．前記部分負荷管（１２ｂ）によって、回転速度２５００ｒｐｍ、負荷率０． ７において発生する背圧が、０．５バールを越えない、請求の範囲第１９項に記 載の組立体。 21．前記制御手段（１６）を制御するための操作パラメターの一つが、部分負荷 管（１２ｂ）内の背圧であり、該背圧が所定値を越えると、前記バルブフラップ （１６）が開放される、請求の範囲第１９項又は第２０項に記載の組立体。 22．前記制御手段（１６）が、調節可能な開放閾値を有する圧力限定バルブとし ても機能する、請求の範囲第２１項に記載の組立体。 23．前記圧力限定バルブ（１６）の前記調節可能な開放閾値が約０．６バールで ある、請求の範囲第２１項又は第２２項に記載の組立体。 24．前記部分負荷管（１２ｂ）中を流れる排気ガスの流れ通路中に、背圧バルブ （２３、２６、２８）が配置される、請求の範囲第１項から第２３項のいずれか に記載の組立体。 25．前記背圧バルブ（２３）が部分負荷管（１２ｂ）の端部 に配置される、請求の範囲第２４項に記載の組立体。 26．モーター（１０）が、それと関連して加熱目的として潜熱蓄熱器（３２）を 有する、請求の範囲第１項から第２５項のいずれかに記載の組立体。 27．触媒コンバータ（１４）の上流の排ガス管（１２）が、装置を加熱するため に排気ガスエネルギーを使用するための排気ガス熱交換器（３０）を含む、請求 の範囲第１項から第２６項のいずれかに記載の組立体。 28．前記全負荷管（１２ａ）の外部に延長する前記部分負荷管（１２ｂ）の一部 中に、前置触媒コンバータ（２４）及び閉鎖バルブ（２８）が配置される、請求 の範囲第１項に記載の組立体。 29．前記閉鎖バルブ（２８）が、同時にスロットルバルブとなるように設計され る、請求の範囲第１９項に記載の組立体。