(57)【要約】本発明に基づく内燃機関（２）における排気ガス装置（１）は、第１動圧を有する第１排気ガス処理装置（３）と、第２動圧を有する第２排気ガス処理装置（４）とを備え、その第１動圧は第２動圧より小さい。本発明に基づく排気ガス装置（１）は、有利に、排気ガス流れ方向において直列配置された２つの排気ガス処理装置（３、４）を備えた装置の形成を可能にする。流れの均一化によって、第１排気ガス処理装置（３）および／または第２排気ガス処理装置（４）が小形に形成できる。これは例えば、第１排気ガス処理装置（３）として酸化触媒コンバータが利用され、第２排気ガス処理装置（４）として粒子フィルタが利用されるときに適用される。第１排気ガス処理装置（３）に流入する排気ガス流の均一化によって、転換率が高められ、これにより、第１排気ガス処理装置（３）および／または第２排気ガス処理装置（４）が小形に形成できる。これは、装置のそのような設計においてかなりコストを削減する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１動圧を有する第１排気ガス処理装置（３）と、第２動圧を有する第２排気ガス処理装置（４）とを備え、第１動圧が第２動圧より小さい内燃機関（２）の排気ガス装置（１）において、
第１排気ガス処理装置（３）は、排気ガス流れ方向において第２排気ガス処理装置（４）の前に、第１排気ガス処理装置（３）内に流入する排気ガス流（６）が運転中に均一化される第１間隔（５）で配置されていることを特徴とする内燃機関の排気ガス装置。
【請求項２】
第１間隔（５）は第１動圧と第２動圧との効果が累積するように選定されていることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス装置。
【請求項３】
第１排気ガス処理装置（３）の排気ガス入口側端面（８）と第２排気ガス処理装置（４）の排気ガス入口側端面（９）との第２間隔（７）が６０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス装置。
【請求項４】
排気ガス流れ方向における第１排気ガス処理装置（３）のひろがり寸法（１０）が４５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の排気ガス装置。
【請求項５】
第１排気ガス処理装置（３）と第２排気ガス処理装置（４）との第１間隔（５）が１５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の排気ガス装置。
【請求項６】
第１排気ガス処理装置（３）および／または第２排気ガス処理装置（４）が少なくとも１つのハニカム体（１１）を有していることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の排気ガス装置。
【請求項７】
少なくとも第１排気ガス処理装置（３）が触媒活性被覆を有していることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の排気ガス装置。
【請求項８】
第１動圧と第２動圧との比が２より大きいことを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の排気ガス装置。
【請求項９】
第２排気ガス処理装置（４）が次の構成品
（ａ）開放形粒子フィルタ、
（ｂ）閉鎖形粒子フィルタ、
（ｃ）選択触媒還元式（ＳＣＲ）触媒コンバータ
の少なくとも１つを有していることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の排気ガス装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の対象は、内燃機関における２つの排気ガス処理装置を備えた排気ガス装置にある。
【０００２】
多くの国々で、自動車や定置形内燃機関が遵守しなければならない排気ガス制限値が規定されている。これは、通常、例えば或る量に対する限界値だけでなく、複数の限界値が同時に遵守されねばならない比較的複雑な限界値系となっている。この限界値を遵守するために、通常、組み合わされた複数の排気浄化要素を必要とする排気ガスの比較的複雑な処理過程を必要としている。
【０００３】
例えば粒子フィルタは、そのフィルタで集められたすす（煤）粒子が燃焼される再生を必要とする。これは例えば二酸化窒素（ＮＯ2）による連続再生（ＣＲＴ＝continuous regeneration trap）の形式で行われる。フィルタに流入する排気ガス内にしばしば十分な二酸化窒素が存在しないので、粒子フィルタの上流に、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ2）に酸化する酸化触媒を設けることが知られている。
【０００４】
異なった例は、例えば尿素のような還元剤の導入を必要とする窒素酸化物（ＮＯｘ）の選択触媒還元法（ＳＣＲ＝selective catalytic reduction）である。尿素は、しばしば排気ガス流れ方向においてＳＣＲ触媒コンバータの上流に加水分解触媒コンバータが配置されるようにして、加水分解されねばならない。
【０００５】
そのようにして、相互作用する２つ以上の異なった排気ガス処理装置を必要とする多くの方式が既に存在している。即ち、これらのすべての方式は、排気ガス流れ方向に連続して位置する第１排気ガス処理装置および第２排気ガス処理装置を有している。
【０００６】
これらすべての場合において、一般に、第２排気ガス処理要素におけるできるだけ高い反応率は、排気ガス流れ方向において第２排気ガス処理要素の前に位置する第１排気ガス処理要素のできるだけ効果的な転換を必要とする。
【０００７】
本発明の課題は、第２排気ガス処理要素においてできるだけ高い反応率が得られ、同時に排気ガス処理要素のできるだけ小さな構造容積が可能とされる、第１排気ガス処理装置と第２排気ガス処理装置を備えた排気ガス装置を提供することにある。
【０００８】
この課題は請求項１に記載の特徴を有する排気ガス装置によって解決される。有利な実施態様は従属請求項に記載されている。
【０００９】
第１動圧を有する第１排気ガス処理装置と、第２動圧を有する第２排気ガス処理装置とを備え、第１動圧が第２動圧より小さい本発明に基づく内燃機関の排気ガス装置は、第１排気ガス処理装置が、排気ガス流れ方向において第２排気ガス処理装置の前に、第１排気ガス処理装置内に流入する排気ガス流が運転中に均一化される第１間隔で配置されていることを特徴とする。これは特に、排気ガス流れ方向において排気ガス処理装置の前の動圧が熱交換器の第１動圧によって影響されることを意味する。
【００１０】
内燃機関は特にディーゼルエンジンあるいはガソリンエンジン（オットーサイクルエンジン）、例えば、自動車（例えば乗用車、トラック、自動２輪、ボートあるいは航空機）のディーゼルエンジンあるいはガソリンエンジンあるいは定置利用形のディーゼルエンジンあるいはガソリンエンジンである。
【００１１】
排気ガス処理装置として、特にハニカム体、例えばセラミックハニカム体、金属ハニカム体、もしくは、ワイヤ織物あるいは発泡金属などから成る物体が適している。金属ハニカム体は特に、少なくとも１つの少なくとも部分的に構造化された金属層と、場合により少なくとも１つの実質的に平形の層とが互いに巻回されあるいは積層されそして捻られて構成されている。互いに捻られたあるいは巻回された層は、これらの層によって画成され排気ガスが貫流できる空洞（通路）を形成している。それらの層は特に、Ａｌ鋼あるいはＣｒ鋼のような耐熱耐食材料で形成されている。これらの層は互いに結合され、特に例えば高温ろう付け法で物質結合される。実質的に平形の層並びに少なくとも部分的に構造化された層は、少なくとも部分区域に、排気ガス流の混合向上のために用いるミクロ構造物、そらせ面、貫通部および／または小穴を有する。排気ガス処理装置とはここでは特に熱交換器は意味しない。排気ガス処理装置は排気管にも配置できる。
【００１２】
第１排気ガス処理装置内へ流入する前の排気ガス流の均一化は、有利に、第１排気ガス処理装置が第２排気ガス処理装置の前に比較的近くに配置されることによって行われる。これは、第１排気ガス処理装置において既に排気ガス流を均一化させ、従ってここでは、第１排気ガス処理装置の横断面に排気ガスが一様に供給されるので、転換率が向上される。従って、排気ガス内の有害物質の転換率が同じである場合、第１排気ガス処理装置の容積は通常の構造に比べて減少できる。有害物質のかなり効率的な転換率によって、第２排気ガス処理装置の転換率も向上し、これにより、第２排気ガス処理装置は通常の第２排気ガス処理装置に比べて必要に応じて小形に設計できる。
【００１３】
小さな動圧しか有さない排気ガス処理装置を形成するために、比較的小さなセル密度、例えば２００ｃｐｓｉ（cpsi＝cells per square inch＝ 平方インチ当たりのセル個数）以下、好適には１５０ｃｐｓｉ以下、特に好適には１００ｃｐｓｉのセル密度を有するハニカム体を使用することができる。比較的大きな動圧を有する排気ガス処理装置は、例えば約８００ｃｐｓｉ、１０００ｃｐｓｉあるいはそれ以上のセル密度を有する高セル密度のハニカム体で構成される。またハニカム体における空洞（通路）の長さは動圧に影響を与え、これにより比較的小さな動圧を有する排気ガス処理装置は短いハニカム体によって形成され、比較的大きな動圧を有する排気ガス処理装置は長いハニカム体によって形成され得る。
【００１４】
本発明に基づくハニカム体の有利な実施態様において、第１間隔は第１動圧と第２動圧との効果が累積するように選定されている。
【００１５】
ここで「累積」とは特に、第１排気ガス処理装置の前に存在する動圧が、第１排気ガス処理装置自体が有する第１動圧より大きいこと、即ち、第２排気ガス処理装置が配置されておらず、第１排気ガス処理装置だけしか貫流されないときに第１排気ガス処理装置が有する第１動圧より大きいことを意味する。動圧の累積は、排気ガスが第１排気ガス処理装置内に流入する前に、有利に、第１排気ガス処理装置の第１動圧より大きな動圧を克服しなければならない状況にさせる。それどころかその動圧は、第１排気ガス処理装置および第２排気ガス処理装置の設計に応じて、第１動圧よりかなり大きくされる。動圧の増大は、第１排気ガス処理装置における流れを均一化させ、これにより第１排気ガス処理装置と第２排気ガス処理装置とを貫流する排気ガス流を均一化させる。
【００１６】
他の有利な実施態様において、第１排気ガス処理装置の排気ガス入口側端面と第２排気ガス処理装置の排気ガス入口側端面との第２間隔は、６０ｍｍ以下、好適には４５ｍｍ以下、特に好適には３０ｍｍ以下である。
【００１７】
この値が特に有利であることは実証されている。特に、通常の運転条件下において、第１動圧と第２動圧との効果が累積される。
【００１８】
本発明に基づく排気ガス装置の他の有利な実施態様において、排気ガス流れ方向における第１排気ガス処理装置のひろがり寸法は、４５ｍｍ以下、好適には３５ｍｍ以下、特に好適には２５ｍｍ以下である。
【００１９】
排気ガス内の相応の物質の非常に一様で且つ効果的な転換により、比較的小形の第１排気ガス処理装置が利用できる。第２排気ガス処理装置においても同様に小形の容積が選定できる。即ち、例えば第２排気ガス処理装置として粒子フィルタが配置され、第１排気ガス処理装置として酸化触媒コンバータが配置される場合、第１排気ガス処理装置の一様な貫流が、二酸化窒素の供給を向上させ、その結果一様な再生を生じさせ、それにより小さな粒子フィルタ容積で十分になる。
【００２０】
本発明に基づく排気ガス装置の他の有利な実施態様において、第１排気ガス処理装置および／または第２排気ガス処理装置は少なくとも１つのハニカム体を有している。
【００２１】
ハニカム体を用いると、第１排気ガス処理装置および／または第２排気ガス処理装置は表面や動圧などのような特性を予め非常に正確に決定できる。ハニカム体として特に金属ハニカム体あるいはセラミックハニカム体が適している。粒子フィルタも、少なくとも部分的に多孔質の通路壁と、場合により通路終端あるいは相応のそらせ板と、貫通部を備えたハニカム体として形成できる。
【００２２】
本発明に基づく排気ガス装置の他の有利な実施態様において、第１排気ガス処理装置と第２排気ガス処理装置との第１間隔は、１５ｍｍ以下、好適には１０ｍｍ以下、特に好適には５ｍｍ以下である。
【００２３】
特に、両排気ガス処理装置を１つの共通ハウジング内に設けることも有利である。この場合、排気ガス処理装置は、ハウジングの相応の溝の中にフランジなどで保持される。第２排気ガス処理装置を熱交換器の端面にぴったり当てることもできる。この場合、特に第１排気ガス処理装置の後方部位において排気ガスが横に流れる可能性を排気ガスに与えると有利である。これはハニカム体において、第１排気ガス処理装置の後方部位、例えばその長さの後部２０％あるいは１０％の部位において空洞の壁に小孔を設けることによって達成できる。これは特に、第２排気ガス処理装置が交互に閉じられた通路を備えた粒子フィルタを有しているときに有利である。特に、第１排気ガス処理装置の排気ガス出口側端面あるいは第２排気ガス処理装置の排気ガス入口側端面の領域において通路壁を異なった点で終わらせることもでき、これによって、第１排気ガス処理装置および／または第２排気ガス処理装置に、平滑な端面でなく、特に隣接する通路間の交差流も生じさせる裂け目付き端面が生ずる。
【００２４】
本発明に基づく排気ガス装置の他の有利な実施態様において、少なくとも第１排気ガス処理装置は触媒活性被覆を有している。
【００２５】
その触媒活性被覆は、所望の反応を触媒する材料、即ち、特にその反応の反応温度を、その反応が排気管内の温度で大きく進行するように低下させる材料を含む例えばセラミック・ウォッシュコートを有している。触媒として、白金やロジウムなどのような貴金属が適している。酸化触媒被覆は、特に炭化水素（ＨＣ）あるいは窒素酸化物（ＮＯｘ）の酸化を触媒する。また同様に本発明に基づいて、代替としてあるいは追加として、第２排気ガス処理装置が触媒活性被覆を有することもできる。例えば第１排気ガス処理装置は加水分解触媒コンバータを有し、第２排気ガス処理装置はＳＣＲ触媒コンバータを有する。
【００２６】
本発明に基づく排気ガス装置の他の有利な実施態様において、第１動圧と第２動圧との比は２より大きい、好適には１０より大きい。
【００２７】
特にこの動圧状態において、即ち、第２排気ガス処理装置の動圧が第１排気ガス処理装置の動圧より２倍より大きいあるいは１０倍より大きいとき、特に有利に、１５ｍｍ以下の第１間隔で既に、熱交換器の第１動圧と排気ガス処理装置の第２動圧との効果が累積する。
【００２８】
本発明に基づく排気ガス装置の他の有利な実施態様において、第２排気ガス処理装置は次の構成品の少なくとも１つを有している。
（ａ）開放形粒子フィルタ
（ｂ）閉鎖形粒子フィルタ
（ｃ）選択触媒還元式（ＳＣＲ）触媒コンバータ
【００２９】
これらの考え得るすべての第２排気ガス処理装置（ａ），（ｂ），（ｃ）は比較的高い動圧を有する構成品である。
【００３０】
開放形粒子フィルタは、粒子、特にすす粒子が基本的に通路壁で捕捉されずに粒子フィルタを通り抜けることを特徴としている。これは閉鎖形粒子フィルタでは可能ではない。その理由は、閉鎖形粒子フィルタが規則的に交互に閉鎖された通路を有し、即ち、このために一部通路にしか排気ガスが流入せず、規定の流路開口を通して通路から流れ出ず、排気ガスがフィルタの多孔質壁を通して流れねばならず、これによって排気ガスが残りの通路に到達し、それらの通路が、入口側に自由流れ断面開口を有しておらず、出口側の自由流れ断面開口しか有していないことにある。閉鎖形粒子フィルタの場合、これが故障なく完全であるとき、基本的にはそのフィルタを通して比較的大きな粒子は通り抜けできず、その粒子は多孔質通路壁に堆積する。これは開放形粒子フィルタの場合には基本的に可能である。開放形粒子フィルタは少なくともその壁の一部に多孔質部位を有する。
【００３１】
例えば、第２排気ガス処理装置として開放形粒子フィルタあるいは閉鎖形粒子フィルタを利用することができ、その粒子フィルタに、第１排気ガス処理装置として酸化触媒コンバータが前置接続され、従って酸化触媒コンバータにおいて一酸化窒素が二酸化窒素に酸化され、二酸化窒素がすす粒子を燃焼するために利用されることによって、粒子フィルタは連続的に再生される。本発明に基づいて、酸化触媒コンバータは、両排気ガス処理装置間の間隔が本発明に基づいて選定されていないときよりも小形に形成できる。特に、第２排気ガス処理装置として閉鎖形粒子フィルタ、例えば公知の構造のディーゼル粒子フィルタが利用され、第１排気ガス処理装置としてハニカム体が利用され、両者間の間隔ができるだけ小さく選定され、それどころか場合によっては、ハニカム体の端面が粒子フィルタの対応した端面に間隔零で密接されるとき、第１排気ガス処理装置の通路壁の終端部位に、排気ガスの混合を一層助長する小穴および／または場合によってそらせ板を設けると有利である。
【００３２】
他の実施例において、第２排気ガス処理装置としてＳＣＲ被覆を備えた高セル密度のハニカム体が利用され、この第２排気ガス処理装置に、尿素の加水分解を促進する被覆を備えた低セル密度のハニカム体が前置接続されている。
【００３３】
ここでは、高い動圧を有するシステムの例について言及するが、本発明はこれに限定されない。以下において図を参照して本発明を詳細に説明するが、本発明は図示された実施例および利点に限定されない。
【００３４】
図１は、第１排気ガス処理装置３と第２排気ガス処理装置４とを有する本発明に基づく内燃機関２の排気ガス装置１の実施例を概略的に示している。第１排気ガス処理装置３は、交互に閉鎖された複数の通路を備えた閉鎖形粒子フィルタとして形成され、第２排気ガス処理装置４は、一酸化窒素から二酸化窒素への転換を触媒する触媒活性層を備えたハニカム体として形成されているが、本発明はこれに限定されない。粒子フィルタは中実セラミックス押出成形品として、あるいは金属層から相応に形成される。第１排気ガス処理装置３は第１の流体力学的動圧を有し、第２排気ガス処理装置４は第１動圧より大きな第２動圧を有する。
【００３５】
本発明に基づいて第１排気ガス処理装置３は、排気ガス流れ方向において第２排気ガス処理装置４の前に、第１排気ガス処理装置３内に流入する矢印で示された排気ガス流６が運転中に均一化される第１間隔５で配置されている。ここでは第１間隔５は特に１５ｍｍ以下であり、好適には１０ｍｍ以下であり、特に好適には５ｍｍ以下である。第１排気ガス処理装置３と第２排気ガス処理装置４は、その第１間隔５において第１動圧と第２動圧との効果の累積が生ずるように形成され、その結果第１排気ガス処理装置３に流入する排気ガスは、第１排気ガス処理装置３自体の第１動圧より大きな動圧を克服しなければならない。これは上述したように、第１排気ガス処理装置３内に流入する排気ガス流６を均一化させる。
【００３６】
図２は、第１排気ガス処理装置３と第２排気ガス処理装置４とを有する排気ガス装置１の一部を概略的に示している。第１排気ガス処理装置３の排気ガス入口側端面８と第２排気ガス処理装置４の排気ガス入口側端面９との第２間隔７は、本発明に基づいて、第１排気ガス処理装置３内の流れを均一化させるように選定されている。第２間隔７は特に、６０ｍｍ以下、好適には４５ｍｍ以下、特に好適には３０ｍｍ以下である。第１排気ガス処理装置３として、特に排気ガス流れ方向において約２０〜約４０ｍｍのひろがり寸法１０を有する特に短いハニカム体が使用される。第１間隔５は例えば１５ｍｍ以下、同様に５ｍｍ以下あるいはそれ以下でもよい。特に第１間隔５は、第１排気ガス処理装置３の第１動圧と第２排気ガス処理装置４の第２動圧との効果が累積するように選定され、その結果第１排気ガス処理装置３内に流入する排気ガスは、大きな動圧、特に第１排気ガス処理装置３単独の第１動圧よりかなり大きな動圧を克服しなければならない。
【００３７】
図３は、第１排気ガス処理装置３および／または第２排気ガス処理装置４として形成されるハニカム体１１の実施例を概略的に横断面図で示している。このハニカム体１１は外被管１３内にハニカム構造物１２を有している。ハニカム構造物１２は、実質的に平形の層１５と、少なくとも部分的に構造化された層１６とにより形成され、流体が貫流できる多数の空洞（通路）１４を有している。少なくとも１つの少なくとも部分的に構造化された層１６と、少なくとも１つの実質的に平形の層１５とは巻回あるいは積層され、１つ又は複数の積層体が同じ方向あるいは逆方向に捻られている。実質的に平形の層１５は、少なくとも部分的に構造化された層１６の構造物の振幅より小さい振幅を持つミクロ構造物を有する。両層１５，１６は、好適には、金属層、特に例えばＡｌ鋼あるいはＣｒ鋼のような特に耐熱耐食材料で形成されている薄板層および／または金属繊維層である。両層１５，１６は、ミクロ構造物、小穴、貫通部および／またはそらせ板を有する。
【００３８】
図４は、速度ｖの第１確率分布曲線１７と、速度ｖの第２確率分布曲線１８を概略的に示している。第１確率分布曲線１７は、第１排気ガス処理装置３しか排気ガスで貫流されないとき、即ち、流れ方向において第１排気ガス処理装置３の後に第２排気ガス処理装置４が配置されていないときに生ずる。その両分布曲線において、排気ガスの特定の速度が存在する確率が記されている。確率並びに速度は相対単位で示されている。第２確率分布曲線１８は本発明に基づく装置における確率分布曲線である。即ち、第２確率分布曲線１８は第１排気ガス処理装置３と第２排気ガス処理装置４とを備えた排気ガス装置１に関係する。第２確率分布曲線１８は幅広く、特に第１確率分布曲線１７より、その最大幅の２分の１だけ大きな幅を有する。これが本発明に基づく流れの均一化に起因する。
【００３９】
本発明に基づく排気ガス装置１は、流れ方向に直列配置された２つの排気ガス処理装置３，４を備えた装置の構成を有利に可能にする。流れの均一化によって、第１排気ガス処理装置３および／または第２排気ガス処理装置４が小形に形成できる。これは例えば、第１排気ガス処理装置３として酸化触媒コンバータが配置され、第２排気ガス処理装置４として粒子フィルタが配置されているときに当てはまる。第１排気ガス処理装置３内への流れの均一化によって転換率が高められ、これにより第１排気ガス処理装置３および／または第２排気ガス処理装置４は小形に形成できる。これは、装置のこのような設計においてかなり経費を節減する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に基づく排気ガス装置の実施例の概略図。
【図２】本発明に基づく排気ガス装置の実施例の部分概略図。
【図３】ハニカム体の概略横断面図。
【図４】流速の確率分布曲線の概略図。
【符号の説明】
【００４１】
１    排気ガス装置
２    内燃機関
３    第１排気ガス処理装置
４    第２排気ガス処理装置
５    第１間隔
６    排気ガス流
７    第２間隔
８    第１排気ガス処理装置の排気ガス入口側端面
９    第２排気ガス処理装置の排気ガス入口側端面
１０    ひろがり寸法
１１    ハニカム体
１２    ハニカム構造物
１３    外被管
１４    空洞（通路）
１５    実質的に平形の層
１６    少なくとも部分的に構造化された層
【図１】
2009530521.tif 000003
【図２】
2009530521.tif 000004
【図３】
2009530521.tif 000005
【図４】
2009530521.tif 000006
【国際調査報告】
2009530521.tif 000007
2009530521.tif 000008
2009530521.tif 000009
2009530521.tif 000010
2009530521.tif 000011
2009530521.tif 000012