(57)【要約】ガス導管部（１）、特に内燃機関用の排気ガス捕集器、及び排気ガス装置内に配置された触媒コンバータを備えた内燃機関について開示されている。発明的導管部（１）は多孔質挿入材（２）を備えており、該挿入材は好ましくは焼結による成型体の形態をとり、少なくとも部分的に導管部の内壁に接し、かつその中が支障なく流通可能な中空体を形成する。発明的内燃機関には、特に、焼結により成型され、かつ、その中が支障なく流通可能な多孔質体を含む導管部が設けられ、該導管部は排気ガス装置内の触媒コンバータの上流に配置される。本発明は特に燃焼機関を備えた自動車に適用される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス導管部（１）、特に内燃機関用の排気マニホールドであって、
前記導管部（１）は、導管の内壁に少なくとも部分的に接し、かつガスがその中を支障なく流通可能な中空体を形成する多孔質充填材（２）を有することを特徴とする導管部。
【請求項２】
前記充填材（２）は、高温に耐え得る焼結形材から形成されることを特徴とする請求項１に記載の導管部（１）。
【請求項３】
前記焼結形材は、繊維状の焼結材料粒子から主に形成されることを特徴とする請求項２に記載の導管部（１）。
【請求項４】
前記焼結形材は、形状が略球体の焼結材料粒子から主に形成されることを特徴とする請求項２に記載の導管部（１）。
【請求項５】
前記焼結形材は、中空球体の形状をした焼結材料粒子から主に形成されることを特徴とする請求項４に記載の導管部（１）。
【請求項６】
前記焼結材料粒子は、０．１〜１０ｍｍの範囲の、特に０．５〜２ｍｍの範囲の外径を有することを特徴とする請求項４あるいは５に記載の導管部（１）。
【請求項７】
前記焼結材料粒子は、前記外径の１〜２０％の範囲の、特に２〜５％の範囲の壁厚を有することを特徴とする請求項５あるいは６に記載の導管部（１）。
【請求項８】
前記焼結材料は、主に金属製であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の導管部（１）。
【請求項９】
前記焼結材料は、１〜３０％の範囲の、特に２〜５％の範囲の気孔率を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の導管部（１）。
【請求項１０】
前記焼結形材は、触媒作用コーティングを有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の導管部（１）。
【請求項１１】
排気ガス触媒コンバータが内部に配置された排気装置を有する内燃機関であって、
前記排気ガス触媒コンバータの上流の前記排気装置が、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の導管部、特に、少なくとも部分的に前記導管部の前記内壁に接し、かつその中をガスが支障なく流通可能な多孔質の焼結形材を有する導管部を備えていることを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文の特徴を有するガス導管及び請求項１１の前文の特徴を有する内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、内燃機関用の特に排気マニホールドとして設計されたガス導管部について記載している。排気マニホールドは、その内壁が、吸収作用のある素材で、例えばゼオライトを基にして、コーティングされている。この素材は、炭化水素（ＨＣ）を吸収することができ、その結果排気ガスに含まれる炭化水素の少なくとも一部は、排気ガスから内燃機関のコールドスタート中に除去可能である。コーティングは他の機能はしない。コーティングされた導管部は、排気マニホールドと触媒コンバータの上流に配置された導管片とによって形成される。しかし、排気マニホールドはしばしば高温かつ急速に変化する温度にさらされる。これにより、内壁に直接塗布されるコーティングに対する、特に剥離を防止されているコーティングに対する、非常に高い需要がある。
【０００３】
【特許文献１】ＤＥ  １００  ４８  ２８６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これに対して、本発明の目的は、改善された吸収力と機械的特性とを備えたガス導管を提供することである。さらに、本発明の目的は、汚染物質排出が抑えられた内燃機関を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によると、この目的は請求項１の特徴を有する導管によって、及び請求項１１の特徴を有する内燃機関によって達成される。
【０００６】
本発明による導管部は、多孔質の充填材を有し、該充填材は少なくとも部分的に導管部の内壁に接し、かつその中をガスが支障なく流通可能な中空体を形成している、という点によって際立って優れている。充填材は、単一部品又は複数部品の構成でもよく、好ましくは導管部の内壁を完全にあるいは少なくとも大部分を覆っている。充填材は、好ましくは寸法の安定した多孔質充填材として構成される。例としては、多孔質金属発泡体又はセラミック発泡体が好適である。母材は、さらに独立気泡構造であってもよい。このタイプの発泡体は密度が低いため、充填材は、金属で生成された導管部の質量にはほとんど影響しない。しかし充填材は、支持格子を用いて導管部の内壁上に押し付けられるマットとして構成されてもよい。このマットは、この場合、織物又は編み物繊維から形成されてもよい。充填材により形成された中空体は、好ましくは導管部の交差部のほとんどを障害物のない状態にしているので、ガスの通過が妨げられることはない。このように構成された充填材は、吸収作用を備えた導管部を提供し、及び／又は容易に凝縮可能なガス成分を吸収する。
【０００７】
本発明による導管が内燃機関の排気装置に使用される場合、下流の触媒コンバータがその活性動作温度に到達するまで、排気ガス内の炭化水素成分を吸収することが可能である。さらに、水蒸気（すでに霧に凝縮していてもよい）が、一定時間保持されるようにすることも可能である。このことは、内燃機関のコールドスタートの際、本発明による導管部の下流に配置されたセンサが、”water shock”として知られる現象の危険にさらされることなく、速やかに加熱されることが可能である、という利点を有する。
【０００８】
このタイプの充填材の別の利点は、消音作用であり、それによって導管部を流通するガスの音響振動は外部へ浸透しない。
【０００９】
本発明の１つの構成では、充填材は高温に耐え得る焼結形材から形成される。ここで、高温に耐え得るという表現は、約８００℃まで、又はそれより高い温度に対する耐熱性を意味するものとして理解される。この実施形態は、マニホールドは高温にさらされることから、内燃機関の排気マニホールド用に特に適している。焼結形材は２つの部品からなる殻体として構成されると好ましい。組み立てのためには、この焼結形材の部分は、２つの半殻で構成される排気マニホールドの片方ずつに配置されることが可能で、適切な場合、例えばセラミック接着剤によって所定の位置に接着される。半殻が共に接合され、接合継ぎ目が密閉されると、その結果、高い消音作用を備えた排気マニホールドとなる。
【００１０】
本発明の別の構成では、焼結形材は、繊維状の焼結材料粒子から主に形成される。繊維は、例えば金属製の格子に組み込まれてもよく、この結果焼結形材は、弱い力の作用では寸法は安定しているが、導管部に強い力が作用する場合、変形されて導管部の内部輪郭に適合させられることが可能である。母材の繊維性質は、焼結形材に、広い表面積を備えた多孔質構造を与える。これにより、導管部の部分に高い吸収能力と高い消音作用とをもたらす。
【００１１】
本発明の別の構成では、焼結形材は、略球体の形状をした焼結材料粒子から主に形成される。この実施形態では、焼結材料の球体が、焼結作業中には好ましくは僅かしか変形されないが、焼結状態においては多数の相互接続した空洞を形成するため、良好な寸法安定性と多数の通気孔を備えた焼結形材を生成する。焼結材料粒子を形成する母材自体が多孔質であると好ましい。母材は、金属製又はセラミック由来でもよい。母材の球体は、独立気泡と連続気泡の両方で構成される焼結形材を生成する。気孔率は好ましくは双峰性であり、つまり気孔半径分布において２つの最大値がある。その結果、広範囲の炭化水素に対して良好な吸収作用を示す。
【００１２】
本発明の別の構成では、焼結形材は、中空球体の形状をした焼結材料粒子から主に形成される。この実施形態は、特に低い密度と、それに加えて断熱特性を備えた焼結形材を生成する。
【００１３】
本発明の別の構成では、焼結材料粒子は、０．１〜１０ｍｍの範囲の、特に０．５〜２ｍｍの範囲の外径を有する。このタイプの焼結材料球から生成される焼結形材は、高い寸法安定性を有し、さらに高い消音性と吸収作用を有する。
【００１４】
本発明の別の構成では、焼結材料粒子は、外径の１〜２０％の範囲の、特に２〜５％の範囲の壁厚を有する。これにより、一方で他の利点を保持しつつ比較的低い密度の焼結形材を生成する。好ましくは、約０．５ｇ／ｃｍ３の密度が達成される。
【００１５】
本発明の別の構成では、焼結材料は主に金属製である。これにより、比較的低い焼結温度がもたらされる。金属出発原料、好ましくはステンレス鋼は、一定の柔軟性を有し、比較的簡易に生成できる焼結形材を形成する。このようにして形成された焼結形材は、セラミック原料から形成される焼結形材より、さらに機械加工がより容易である。
【００１６】
本発明の別の構成では、焼結材料は、１〜３０％の範囲の、特に２〜５％の範囲の気孔率を有する。これにより、炭化水素及び水蒸気の吸収に関して好適な特性がもたらされる。
【００１７】
これにより、言い換えると、特にコールドスタート中あるいは暖機運転の際に、内燃機関からの汚染物質の排出が結果的に少なくなる。
【００１８】
本発明の別の構成では、焼結形材は触媒作用コーティングを有する。あらゆる標準の触媒コーティングが使用可能である。コーティングは、酸化触媒作用を有すると好ましい。排気マニホールドがこのタイプの導管部として構成される場合、独立した酸化触媒コンバータを用いない、あるいは少なくともこうしたコンバータをより小型化することが可能である。
【００１９】
本発明による内燃機関は、排気ガス触媒コンバータの上流の関連する排気装置が、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の導管部、特に、少なくとも部分的に導管部の内壁に接し、かつその中をガスが支障なく流通可能な多孔質の焼結形材を有する導管部、を備えている、という点によって際立って優れている。焼結形材は、好ましくは、主に連続気泡及び／又は独立気泡素材から生成される。この構造のため、導管部は吸収特性を有し、容易に凝縮可能な排気成分は、内燃機関のコールドスタート中の一定時間、焼結形材によって保持されることが可能である。焼結形材は、例えばその材料厚に関して、さらに下流に配置された排気ガス触媒コンバータが加熱し活性状態になるまで、凝縮可能な炭化水素もしくは水蒸気が排気ガス内に保持されるように、構成されると好ましい。焼結形材から脱着される有害な排気ガス成分は、その後触媒コンバータによって効果的に変換されるようにすることも可能である。これにより、特にコールドスタート中及び内燃機関が暖機運転される際の汚染物質の排出は削減される。
【００２０】
以下の記述において、本発明は、図面及び関連する実施例に基づいてより詳細に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、Ｖ型エンジンとして設計された内燃機関の３列シリンダバンク用の排気マニホールド１を図示している。シリンダバンクの３つのシリンダから出る排気ガスは、排気装置内へ前方に通過するため、排気マニホールドの３つの枝管を経由して、共通の管接続部内で結合される。管接続部を通る断面線はＩＩ−ＩＩで示されており、これに対応する断面図は図２に示される（下記参照）。排気マニホールド１は、この場合、この図には図示されていないが、２つの半殻で生成される。加工前の焼結形材（ここには区別して図示せず）は、排気マニホールド１の各半殻内へ配置される。この焼結形材は、関連する半殻と類似した輪郭を有し、それゆえ排気マニホールドの内壁に少なくとも大部分が接する。固定性を向上させるため、焼結形材は半殻内に、例えば熱に対して安定したセラミック接着剤によって、接着されるようにすることも可能である。焼結形材は、約１５ｍｍの連続的材料厚を有する。焼結形材が所定の位置に置かれた後、排気マニホールド１の半殻同士は、共に接合され、継ぎ目が溶接される。その結果、排気マニホールドには、ガスがその中を支障なく流通可能でありかつ断面部の大部分が障害物のない状態にある、中空体を形成する内張りが設けられる。
【００２２】
図２は、排気管の接続部で終端する排気マニホールドの部分の、図１の断面線ＩＩ−ＩＩに対応する、概略的断面図を示す。挿入された焼結形材２又は焼結形材２の挿入された部分は、排気マニホールド接続部の内壁に接し、完全にあるいは少なくともほぼ完全に、排気マニホールド１の内壁表面を覆う。排気マニホールド１の半殻と挿入された焼結形材２との接合は、この図には図示されていない。ＩＩＩは、排気マニホールド１の接続部の端部領域からの抜粋を示す。
【００２３】
図３は、図２に断面を示した排気マニホールド１の接続部の、図２にＩＩＩで示された端部領域に対応する簡略化した拡大図を示す。この概略的図に見られるように、焼結形材２は、共に焼結された中空球体で形成される。中空球体は、約１．５ｍｍの外径を有し、ステンレス鋼で形成されている。中空球体の壁厚は約０．０２ｍｍで、結果として焼結形材２の構造密度は約０．５ｇ／ｃｍ３となる。従って、焼結形材２の質量は少ない。多孔質構造を形成するように、共に焼結された中空球体同士の間に、空洞が生成される。強焼結の場合、球体の空洞同士の間には接続がほとんどなく、結果的に主に独立気泡構造となる。しかし、球体はより弱く共に焼結されることが好ましく、それによって連続気泡構造が球体により形成される。ここで使用されるステンレス鋼自体が一定の気孔率を有するので、球体内部の空洞は、しかしさらに独立気泡構造も形成する。従って、焼結形材２は、１〜３０％の範囲の気孔率を備えた双峰性気孔構造を有する。
【００２４】
この構造によって、焼結形材は消音作用と、その比較的低い熱伝導性による断熱作用とを有する。
【００２５】
詳しくは、以下の利点は、排気マニホールド１内の焼結形材充填材から形成された焼結形材２の物理的特性によるものである。内燃機関のコールドスタートの際、水分と未燃焼炭化水素とは、焼結形材２によって又はその中に吸収される。その結果、内燃機関のコールドスタート及び暖機運転段階における炭化水素の排出は少ない。内燃機関がさらに暖機運転するにつれ、排気管の排気マニホールド１の下流に配置された触媒コンバータ（図示せず）も加熱される。コールドスタート中排気ガスに含まれる水分は、焼結形材２によって少なくとも部分的に吸収され、従って触媒コンバータによってはそれ以上吸収されないことにより、触媒コンバータの加熱は加速される。その結果、触媒コンバータの加熱は、そこで吸収される水分の蒸発により遅れることがない。さらに、コールドスタート中に炭化水素は触媒コンバータに到達しないか、あるいはごく僅かな量の炭化水素しか到達しないので、触媒コンバータの触媒活性中心点が炭化水素に占められて非活性化することはない。その結果、内燃機関の暖機運転中に、触媒コンバータは着火温度により早く到達し、従って早期の段階での排気ガスの浄化が可能となる。触媒式排気ガス浄化の効率は、焼結形材２がそれ自体触媒活性素材でコーティングされる場合、より一層増加されるようにすることも可能である。
【００２６】
加熱が継続するにつれ、焼結形材２によって吸収される炭化水素及び水分は、再び放出される。しかし、下流の触媒コンバータは、この時活性化しているので、放出された炭化水素は触媒コンバータ内で変換可能である。さらに焼結形材２の比較的低い熱伝導率は、排気ガス中へ伝播される熱エネルギーが、排気ガスを搬送する導管を過剰に加熱するのに使用されるのを防ぐ。その結果、触媒コンバータ上流の排気管装置の加熱と触媒コンバータの加熱とが、焼結形材２によって促進される。
【００２７】
焼結形材の水分を吸収する能力は、排気マニホールド１の下流で水分が凝縮する可能性を防止する。もし凝縮された水滴が加熱された排気ガスセンサと接触すると、凝縮水による衝撃として知られる現象の結果センサを損傷する可能性がある。内燃機関に近接した触媒コンバータの入口側に配置された排気ガスセンサは、”water shock”(凝縮水による衝撃)によって損傷されることなく、結果的に極めて早い段階で加熱され得る。結果、排気ガスセンサは早い時間に、例えば内燃機関内での混合気制御用に、利用可能となる。従って、このようにして本発明に従って構成された排気マニホールドの使用は、さらにコールドスタート中又はエンジンが暖機運転される際の内燃機関からの排出も改善する。
【００２８】
本発明による多孔質充填材は、排気マニホールド内に配置されることに制限されず、内燃機関の別のガス導管部に配置されてもよいことは理解されるであろう。しかし、本発明による多孔質充填材は、内燃機関の排気装置において使用されると好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】内燃機関の排気マニホールドの図。
【図２】排気マニホールドの接続部の断面図。
【図３】排気マニホールドの端部領域の断面の部分拡大図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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