(57)【要約】  本発明は、特に自動車における内燃機関（１０）用の排気ガス装置（１２）であって、第１のフィルタ装置（１６）と、該第１のフィルタ装置（１６）の下流側に配置された第２のフィルタ装置（１８）とが設けられており、両フィルタ装置（１６,１８）がそれぞれ煤粒子（３６）を排気ガスから濾過除去し、少なくとも第１のフィルタ装置（１６）が触媒物質（３４）を有していて、該触媒物質（３４）が発熱煤燃焼を促進し、排気ガスの相応な加熱によって第２のフィルタ装置（１８）における煤燃焼を開始するようになっている形式のものに関する。このような形式の排気ガス装置において本発明の構成では、第１及び第２のフィルタ装置（１６,１８）の触媒物質が次のように、すなわち第１のフィルタ装置（１６）における煤燃焼が第２のフィルタ装置（１８）におけるよりも低い温度において開始されかつ／又は、同様な温度では第２のフィルタ装置（１８）におけるよりも強く行われるように、選択されている。
2007518008.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に自動車における内燃機関（１０）用の排気ガス装置（１２）であって、第１のフィルタ装置（１６）と、該第１のフィルタ装置（１６）の下流側に配置された第２のフィルタ装置（１８）とが設けられており、両フィルタ装置（１６,１８）がそれぞれ煤粒子（３６）を排気ガスから濾過除去し、少なくとも第１のフィルタ装置（１６）が触媒物質（３４）を有していて、該触媒物質（３４）が発熱煤燃焼を促進し、排気ガスの相応な加熱によって第２のフィルタ装置（１８）における煤燃焼を開始するようになっている形式のものにおいて、第１及び第２のフィルタ装置（１６,１８）の触媒物質が次のように、すなわち第１のフィルタ装置（１６）における煤燃焼が第２のフィルタ装置（１８）におけるよりも低い温度において開始されかつ／又は、同様な温度では第２のフィルタ装置（１８）におけるよりも強く行われるように、選択されていることを特徴とする、内燃機関（１０）用の排気ガス装置（１２）。
【請求項２】
第２のフィルタ装置（１８）には少なくとも実質的に、煤燃焼を促進する触媒物質が設けられていない、請求項１記載の排気ガス装置（１２）。
【請求項３】
第１のフィルタ装置（１６）が、有利には開放気泡のセラミックフォーム（３２）から成るディープベッド型フィルタ（２６）を有し、第２のフィルタ装置（１８）が、有利には金属、特に有利には高級鋼から成る表面フィルタ（３８）を有している、請求項１又は２記載の排気ガス装置（１２）。
【請求項４】
第２のフィルタ装置（１８）が、ＣＯからＣＯ２への酸化及び／又はＮＯからＮＯ２への酸化を促進する触媒物質（４３）を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の排気ガス装置（１２）。
【請求項５】
第２のフィルタ装置（１８）が、プラチナ及び／又はパラジウムを有する触媒物質（４３）を有している、請求項３又は４記載の排気ガス装置（１２）。
【請求項６】
触媒物質（４３）が、表面の大きな酸化物又は直接的にフィルタ体（３８）に設けられている、請求項５記載の排気ガス装置（１２）。
【請求項７】
第１のフィルタ装置（１６）と第２のフィルタ装置（１８）とが互いに直接的に隣接して配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の排気ガス装置（１２）。
【請求項８】
第１のフィルタ装置（１６）と第２のフィルタ装置（１８）とが１つのフィルタユニット（４４）に組み込まれている、請求項１から７までのいずれか１項記載の排気ガス装置（１２）。
【請求項９】
第１のフィルタ装置（１６）が少なくとも１つの触媒物質（３４）を有していて、該触媒物質（３４）が以下に記載のグループの構成物質であり、すなわち酸化坦体における１〜５０重量％のAg、及び／又は酸化坦体におけるV及び／又はMo及び／又はW及び／又はMn及び／又はCuであり、坦体がAl２O３、TiO２、Ce O２、ZrO２及び／又はSiO２を有しており、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Re、Al及び／又はZrの酸化物と化合されたAg、特にAg２CrO４、AgMn２O５；バナジン酸金属；モリブデン酸塩；タングステン酸塩；金属-V-混合酸化物、特にCs２V２O４；Cr-混合酸化物；Mo-混合酸化物；酸化マンガン；酸化レニウム；マンガン酸金属；レニウム酸金属を有している、請求項１から８までのいずれか１項記載の排気ガス装置（１２）。
【請求項１０】
特に自動車における内燃機関（１０）用の排気ガス装置（１２）を運転する方法であって、第１のフィルタ装置（１６）と、該第１のフィルタ装置（１６）の下流側に配置された第２のフィルタ装置（１８）とが設けられており、両フィルタ装置（１６,１８）がそれぞれ煤粒子（３６）を排気ガスから濾過除去し、少なくとも第１のフィルタ装置（１６）が触媒物質（３４）を有していて、該触媒物質（３４）が発熱煤燃焼を促進し、排気ガスの相応な加熱によって第２のフィルタ装置（１８）における煤燃焼を開始するようになっている形式の排気ガス装置（１２）を運転する方法において、第１のフィルタ装置（１６）における煤燃焼を、第２のフィルタ装置（１８）におけるよりも低い温度において開始しかつ／又は、同様な温度では第２のフィルタ装置（１８）におけるよりも強く行うようにしたことを特徴とする、内燃機関（１０）用の排気ガス装置（１２）を運転する方法。
【請求項１１】
第１及び第２のフィルタ装置（１６,１８）を再生するために、第１のフィルタ装置（１６）の上流側における排気ガス温度を第１のレベルに高め、該第１のレベルにおいて煤燃焼を開始させ、これによって排気ガス温度を付加的に、第２のフィルタ装置（１８）において同様に煤燃焼が開始されるような第２のレベルに高める、請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はまず、特に自動車における内燃機関用の排気ガス装置であって、第１のフィルタ装置と、該第１のフィルタ装置の下流側に配置された第２のフィルタ装置とが設けられており、両フィルタ装置がそれぞれ煤粒子を排気ガスから濾過除去し、少なくとも第１のフィルタ装置が触媒物質を有していて、該触媒物質が発熱煤燃焼を促進し、排気ガスの相応な加熱によって第２のフィルタ装置における煤燃焼を開始するようになっている形式のものに関する。
【０００２】
本発明はさらに、このような排気ガス装置を運転する方法に関する。
【０００３】
冒頭に述べた形式の排気ガス装置及び方法は、ドイツ連邦共和国特許公開第１０１５６１９１号明細書に基づいて公知である。この公知の排気ガス装置は、主フィルタ装置と、この主フィルタ装置に前置された前フィルタ装置とを有している。前フィルタ装置においては主フィルタ装置におけると同様に、排気ガスから煤が捕集される。再生のために、前フィルタ装置において集められた煤は燃焼させられる。これによって極めて多くの熱が放出され、貫流する排気ガスもまた同様に煤着火温度に加熱され、これは、主フィルタ装置において捕集された煤の燃焼を開始するのに役立つ。また主フィルタ装置及び前フィルタ装置に、煤の着火温度を低下させる触媒層を設けることが、公知である。前フィルタ装置において捕集された煤を加熱するために加熱装置が設けられており、このような加熱装置としては例えば、前フィルタ装置のフィルタ本体に進入する加熱エレメントや、高温ガスを生ぜしめる外部のバーナが挙げられる。
【０００４】
しかしながら公知の排気ガス装置及び方法には、煤燃焼を促進する多くの触媒物質が、該触媒物質の設けられるフィルタ構造体において、腐食の問題を引き起こすという問題がある。これによって、特殊なフィルタ材料を使用することが必要になり、ひいては製造コストの高騰を惹起する。
【０００５】
ゆえに本発明の課題は、冒頭に述べた形式の排気ガス装置及び方法を改良して、排気ガス装置を可能な限り安価に製造できるようにすることである。
【０００６】
この課題を解決するために本発明の構成では、冒頭に述べた形式の排気ガス装置において、第１及び第２のフィルタ装置の触媒物質が次のように、すなわち第１のフィルタ装置における煤燃焼が第２のフィルタ装置におけるよりも低い温度において開始されかつ／又は、同様な温度では第２のフィルタ装置におけるよりも強く行われるように、選択されている。
【０００７】
また前記課題を解決するために本発明の方法では、第１のフィルタ装置における煤燃焼が低温時において開始されかつ／又は、同様な温度では第２のフィルタ装置におけるよりも強く行われるようにした。
【０００８】
発明の利点
煤燃焼を促進する多くの触媒物質では、その攻撃的な腐食作用は触媒特性の強さと共に増大する。本発明によれば、第２のフィルタ装置における触媒活性は第１のフィルタ装置における触媒活性よりも低いもしくは弱いので、第２のフィルタ装置における攻撃的な腐食作用もしくは腐食による攻撃性も減じられ、その結果第２のフィルタ装置では安価な坦体材料もしくはフィルタ材料を使用することが可能である。そしてこれによって排気ガス装置の製造コストが減じられる。
【０００９】
第１のフィルタ装置の触媒活性は第２のフィルタ装置に比べて強いので、第１のフィルタ装置における煤燃焼は、比較的僅かなエネルギ投入によって開始されることができる。煤燃焼つまり発熱反応によって、第１のフィルタ装置を貫流する排気ガスは強く加熱されるので、第２のフィルタ装置においても高い煤着火温度が得られ、そこに集められた煤を酸化させることができる。従って本発明による排気ガス装置及び方法では、低い製造コストにもかかわらず、第１のフィルタ装置及び第２のフィルタ装置の確実な再生が可能である。
【００１０】
本発明による排気ガス装置において、第１のフィルタ装置が最高で９０％の濾過効率を有していると、特に有利である。それというのは、このようになっていると、第２のフィルタ装置において煤粒子を十分に集めかつ燃焼させることができるからである。
【００１１】
本発明の別の有利な構成は従属請求項に記載されている。
【００１２】
例えば本発明の有利な構成では、第２のフィルタ装置には、煤燃焼を促進する触媒物質が設けられていない。このようになっていると、第２のフィルタ装置の構造体のために比較的安価な材料を使用できるのみならず、触媒物質による手間の掛かる被覆工程を省くことができ、これによって付加的にコストを節減することができる。さらに、過剰に強い煤燃焼によるフィルタ構造体の損傷が回避される。第２のフィルタ装置における「着火温度」は比較的高いので、代替可能なエネルギ使用によって排気ガスの必要な加熱を達成するためには、相応にアクティブな触媒物質が第１のフィルタ装置において使用されねばならない。
【００１３】
本発明の特に有利な構成では、第１のフィルタ装置が、有利には開放気泡のセラミックフォームから成るディープベッド型フィルタ（Tiefenfilter）を有し、第２のフィルタ装置が、有利には金属、特に有利には高級鋼から成る表面フィルタ（Oberflaechenfilter）を有している。大きな有効表面に基づいて、ディープベッド型フィルタによって特に良好な触媒作用を得ることができる。このことは特に、観察される運転領域において液状で存在するいわゆる「溶融塩触媒（Molten Salt-Katalysatoren）」の使用時に言えることである。表面フィルタは極めて良好な濾過作用を有しており、金属、特に高級鋼から安価に製造することができ、しかも同時に良好な高温耐性及び熱衝撃耐性を有することができる。
【００１４】
本発明による排気ガス装置の別の有利な構成では、第１のフィルタ装置は次のように、すなわち第２のフィルタ装置が、ＣＯからＣＯ２への酸化及び／又はＮＯからＮＯ２への酸化を促進する触媒物質を有しているように、構成されている。第２のフィルタ装置におけるＣＯからＣＯ２への同様に発熱による酸化反応によって、付加的に熱が解放され、この熱は、第２のフィルタ装置における煤燃焼のために必要な着火温度を得るために役立つ。従って第２のフィルタ装置における着火温度は、排気ガスの加熱だけによって生ぜしめられる必要がない。このような構成には、第２のフィルタ装置内に煤燃焼を促進する触媒物質が存在していない場合に、異なった酸化法を空間的に切り離すという利点がある。このようにすると、不都合な相互作用が阻止される。
【００１５】
ＣＯからＣＯ２への酸化を促進する触媒物質であって、簡単に加工することができる触媒物質は、プラスチック及びパラジウムである。このような材料は、表面積の大きな酸化物に又は直接的にフィルタ体に設けられており、これによって製造コストを低く保つことができる。
【００１６】
本発明の特に有利な構成では、第１のフィルタ装置と第２のフィルタ装置とが互いに直接的に隣接して配置されている。このように構成されていると、第１のフィルタ装置における煤燃焼時に加熱された排気ガスが第２のフィルタ装置への途中で急に冷えてしまうことが阻止される。つまり本発明による排気ガス装置のこのような構成では、煤燃焼の効率が極めて高くなる。さらに第１のフィルタ装置と第２のフィルタ装置とが１つのフィルタユニットに組み込まれていて、このフィルタユニットが例えば１つの共通のハウジング内に収容されているような構成も可能である。さらにまた、ただ１つのフィルタをその上流側領域において第１のフィルタ装置に相応して、かつ下流側領域において第２のフィルタ装置に相応して構成することも可能である。このような構成では、特にコンパクトな構造形式が得られる。
【００１７】
第１のフィルタ装置において本発明による特に高い触媒活性を保証するために、本発明の有利な構成では、第１のフィルタ装置において以下に記載のグループの構成物質である触媒物質が使用されており、すなわち酸化坦体における１〜５０重量％のAg、及び／又は酸化坦体におけるV及び／又はMo及び／又はW及び／又はMn及び／又はCuであり、坦体がAl２O３、TiO２、Ce O２、ZrO２及び／又はSiO２を有しており、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Re、Al及び／又はZrの酸化物と化合されたAg、特にAg２CrO４、AgMn２O５；バナジン酸金属；モリブデン酸塩；タングステン酸塩；金属-V-混合酸化物、特にCs２V２O４；Cr-混合酸化物；Mo-混合酸化物；酸化マンガン；酸化レニウム；マンガン酸金属；レニウム酸金属を有している。
本発明による方法の有利な構成では、第１及び第２のフィルタ装置を再生するために、第１のフィルタ装置の上流側における排気ガス温度を第１のレベルに高め、該第１のレベルにおいて煤燃焼を開始させ、これによって排気ガス温度を付加的に、第２のフィルタ装置において同様に煤燃焼が開始されるような第２のレベルに高める。このようにして運転される排気ガス装置は極めて安価に製造することができる。それというのは、煤燃焼のために必要な着火温度へと第１のフィルタ装置を加熱する別体の加熱装置の使用を省略することができるからである。その代わりに煤燃焼はエンジンを利用した処置によって開始される。
【００１８】
図面
次に図面を参照しながら本発明の特に有利な実施例を説明する。
【００１９】
図１は、第１のフィルタ装置と第２のフィルタ装置とを備えた排気ガス装置を有する内燃機関を概略的に示す図であり、
図２は、図１における第１のフィルタ装置及び第２のフィルタ装置を拡大して示す図であり、
図３は、図１に示された第１のフィルタ装置を拡大して示す断面図であり、
図４は、図１に示された第２のフィルタ装置を拡大して示す断面図であり、
図５は、図１に示されたのとは異なった排気ガス装置の別の実施形態を概略的に示す図である。
【００２０】
実施例の記載
図１には、内燃機関１０の排気ガス装置が符号１２で示されている。この排気ガス装置１２は排気管１４を有しており、この排気管１４は燃焼排気ガスをまず初め第１のフィルタ装置１６に供給し、その後で第２のフィルタ装置１８に供給する。内燃機関１０はディーゼル原理に基づいて作動する。燃焼時に発生する煤微粒子は少なくとも一部が両フィルタ装置１６,１８内において排気ガスから除去される。
【００２１】
図２から分かるように第１のフィルタ装置１６はハウジング２０を有しており、このハウジング２０内には、開放気泡のセラミック又は金属フォーム２２の形のフィルタ構造体が配置されている。つまり第１のフィルタ装置１６はディープベッド型フィルタ（Tiefenfilter）である。第２のフィルタ装置１８も同様にハウジング２４を有しており、このハウジング２４内には、交互に閉鎖されたハニカム又は通路２８の形をしたフィルタ構造体２６が配置されている。
【００２２】
第１のフィルタ装置１６のフィルタ構造体２２の内部領域の断面が図３に示されている。この断面図に示されているように、このフィルタ構造体２２は、フィルタ構造体２２の材料内に設けられている孔３０を有している。フィルタ構造体２２の材料は図３において符号３２で示されており、この場合炭化ケイ素である。基本的には第１のフィルタ装置１６のフィルタ構造体２２のためには、しかしながら排気管１４を通って流れる排気ガスから煤微粒子を濾過除去するのに適した、セラミック材料及び金属材料もしくは両方の材料の組合せから成るすべての開放気泡の物体及びばら荷を使用することができる。
【００２３】
同様に図３から分かるように、第１のフィルタ装置１６のフィルタ構造体２２の炭化ケイ素材料３２は、触媒物質３４を備えている。この触媒物質３４は、比較的低温においても第１のフィルタ装置１６内において集められた煤粒子（図３の符号３６）の酸化もしくは燃焼を促進するように、選択されている。このような煤燃焼によって、第１のフィルタ装置１６が時間の経過と共に閉塞することが阻止される。
【００２４】
第１のフィルタ装置１６において使用される触媒物質３４は、煤燃焼の促進に関して極めてアクティブであり、発熱による煤燃焼が第１のフィルタ装置１６において作動させられる着火温度を、１００〜２５０Ｋ又はそれ以上、低下させる。また触媒物質３４が煤燃料を、下でさらに述べるようにＣＯが形成されるように促進するようになっていると、特に有利である。
【００２５】
図４に示された第２のフィルタ装置１８は表面フィルタであり、この表面フィルタは図示の実施例ではウォールフローフィルタ（Wandflussfilter）として形成されている。この第２のフィルタ装置１８は、流れ方向で見てハニカム状のフィルタ構造体３８を有しており、このフィルタ構造体３８高級鋼から製造されている。幾つかのハニカムは内燃機関１０に向いた側において開放していて、内燃機関１０とは反対の側において閉鎖されている（排気ガス流は図４において矢印４０で示されている）。ハニカムは図４において符号２８ａで示されている。ハニカム２８ａに隣接した他のハニカム２８ｂは、内燃機関１０とは反対に向けられた側において閉鎖されており、内燃機関１０とは反対の側において開放している。
【００２６】
濾過作用は、ハニカム２８ａとハニカム２８ｂとの間におけるフィルタ構造体３８の壁の多孔性によって生ぜしめられる。つまり排気ガス流は図４における矢印４２で示されているように、ハニカム２８ａからハニカム２８ｂへの壁面を貫いて流れる。第２のフィルタ装置１８の濾過効率はほぼ９５％〜９９％である。濾過作用は、有利には小さな煤粒子が排気ガス流から濾過除去されるように選択されている。第１のフィルタ装置１６の濾過効率はほぼ５０％である。この第１のフィルタ装置１６によって、大きな煤粒子が排気ガス流から有利に濾過除去される。全体として９９％を超える効率が得られる。
【００２７】
時間の経過と共に第１のフィルタ装置１６及び第２のフィルタ装置１８においては、より多くの煤粒子が付着する。排気ガス装置１２の閉塞を阻止するために、時々エンジンを利用した処置によって、内燃機関１０から排気管１４に流入する排気ガスの温度が、３５０〜約５５０℃の範囲の温度に高められる。
【００２８】
確かに通常は、煤燃焼は約６００℃を超える温度領域において初めて行われる。しかしながら第２のフィルタ装置１８内に触媒物質３４が存在することに基づいて、排気ガスの前記温度レベルは、第１のフィルタ装置１６において付着した煤粒子３６の燃焼を開始させるのに十分である。そのために必要な最低温度は「着火温度」とも呼ばれる。付着した煤粒子の燃焼というのは、発熱酸化反応である。これによって自由になるエネルギによって、第１のフィルタ装置１６を貫流する排気ガスが加熱される。
【００２９】
第１のフィルタ装置１６における触媒物質３４の高い触媒活性に基づいて、発熱反応は得られた排気ガス温度レベルにおいて極めて強くなり、これにより第１のフィルタ装置１６から第２のフィルタ装置１８に流れる排気ガスの温度は、相応に強く高められる。第１のフィルタ装置１６から第２のフィルタ装置１８に流れる排気ガスの典型的な温度は、第１のフィルタ装置１６における煤燃焼の実行時に約６００〜７００℃である。この温度は、煤燃焼を促進する触媒物質が存在している第２のフィルタ装置１８における煤粒子３６の着火温度を上回っている。従って第２のフィルタ装置１８においても、付着した煤粒子３６の煤燃焼が行われる。
【００３０】
特殊な高活性の触媒物質３４の使用に基づいて着火後に迅速にかつ高いエネルギ放出下で行われる、第１のフィルタ装置１６の煤燃焼によって、排気ガス温度は次のように、すなわち第２のフィルタ装置１８内における煤粒子３６が自然着火するように、高められる。この効果は図４に示された実施例ではさらに次のことによって高められる。すなわちこの場合第２のフィルタ装置１８のフィルタ構造体３８は、第１のフィルタ装置１６の触媒物質３４とはまったく異なった種類の触媒物質４３を備えている。
【００３１】
このように構成されていると、第１のフィルタ装置１６における煤燃焼時にＣＯが自由になり、このＣＯは第２のフィルタ装置１８において、そこに存在する触媒物質４３によってＣＯ２に酸化される。この酸化もまた同様に、熱が発生する発熱反応である。そしてこの熱エネルギは第２のフィルタ装置１８において着火温度を得るために利用することができ、これは、第１のフィルタ装置１６における低活性の触媒物質３４の使用を可能にするか、又は第１のフィルタ装置１６における全体として少量の触媒物質３４の使用を可能にする。第２のフィルタ装置１８における触媒物質４３としては、例えばプラチナ又はパラジウムが挙げられる。このような物質は、表面積の大きな酸化物に設けられていても、又は直接、高級鋼から成るフィルタ構造体３８に設けられていてもよい。
【００３２】
図１から分かるように、第１のフィルタ装置１６と第２のフィルタ装置１８とは互いに直接的に隣接して配置されている。このような配置形式によって、第１のフィルタ装置１６における煤燃焼時に加熱された排気ガスが第２のフィルタ装置１８への途中で極度に冷えることが阻止される。これに関連して図５に示された有利な実施形態では、第１のフィルタ装置１６と第２のフィルタ装置１８とが１つのフィルタユニット４４に組み込まれている。付言すれば、図５において、既に述べた図面におけるエレメント及び領域と同様なもしくは等価の機能を有するエレメント及び領域は、同一符号で示し、詳細な説明の繰り返しは省く。図５から分かるように、第１のフィルタ装置１６のフィルタ構造体２２は第２のフィルタ装置１８のフィルタ構造体３８と一体的である（両フィルタ構造体の分割ラインは破線で示されている）。従って第１のフィルタ装置１６が第２のフィルタ装置１８と異なっているのは単に次のことだけである。すなわちこの場合第１のフィルタ装置１６は第２のフィルタ装置１８とは異なり、特にアクティブでありかつ第１のフィルタ装置１６における煤燃焼を促進する触媒物質（図５には図示せず）を有している。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】第１のフィルタ装置と第２のフィルタ装置とを備えた排気ガス装置を有する内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】図１における第１のフィルタ装置及び第２のフィルタ装置を拡大して示す図である。
【図３】図１に示された第１のフィルタ装置を拡大して示す断面図である。
【図４】図１に示された第２のフィルタ装置を拡大して示す断面図である。
【図５】図１に示されたのとは異なった排気ガス装置の別の実施形態を概略的に示す図である。
【図１】
2007518008.tif 000003
【図２】
2007518008.tif 000004
【図３】
2007518008.tif 000005
【図４】
2007518008.tif 000006
【図５】
2007518008.tif 000007
【国際調査報告】
2007518008.tif 000008
2007518008.tif 000009
2007518008.tif 000010
2007518008.tif 000011