HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
-
Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgas aus
einem Verbrennungsmotor.
-
Die vorliegende Anmeldung beruht auf der japanischen Patentanmeldung
Nr. Hei.10-61401, die unter Bezugnahme hierin einbezogen wird.
2. Beschreibung der relevanten Technik
-
Stickoxide, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe sind in Abgas
enthalten, das von einem an einem Fahrzeug, etwa einem Automobil,
angebrachten Verbrennungsmotor abgegeben wird, und nachdem diese
durch ein von einem Dreiwegekatalysator bewirkte Oxidation-Reduktion
gereinigt sind, wird das Abgas zur Atmosphäre abgegeben. In diesem
Dreiwegekatalysator wird wertvolles Metall verwendet, wie etwa Platin
(Pt), Rhodium (Rh) und Palladium (Pd), und es zeigt eine effiziente
Abgasreinigungswirkung in einem aktivierten Hochtemperaturzustand von
nicht weniger als etwa 350ºC. Im kalten Zustand des Motors, etwa beim
Starten im Niedertemperaturzustand, wird nämlich der durch den
katalytischen Wandler erzielte Abgasreinigungseffekt extrem
beeinträchtigt. Daher muss die Temperatur des katalytischen Wandlers
schnell auf eine vorbestimmte Temperatur angehoben werden, so dass
der Wandler in einen aktivierten Hochtemperaturzustand gebracht werden
kann. Daher ist ein elektrisch beheizter Heizer bekannt (genannt
"Elektrisch-beheizte-Katalysator"-(EHC)-Einheit), in der der elektrisch
beheizte Heizer stromauf der katalytischen Wandlereinheit vorgesehen
ist, um das Abgas aufzuheizen.
-
Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer Abgasreinigungsvorrichtung, die einen
elektrisch beheizten Heizer enthält. Aufeinander folgend von einer
stromabwärtigen zu einer stromaufwärtigen Seite in Bezug auf die
Strömungsrichtung des Abgases sind in dieser Reihenfolge ein Abgasrohr
101, eine Hauptkatalysatoreinheit 102 und eine Hilfskatalysatoreinheit
103 angeordnet (diese Wandlereinheiten 102 und 103 bilden gemeinsam
einen Abgase reinigenden katalytischen Wandler). Ferner ist die EHC-
Einheit 104, die den elektrisch beheizten Heizer enthält, unmittelbar
stromauf der Hilfskatalysatoreinheit 103 vorgesehen. Wenn bei diesem
katalytischen Wandler dieser Konstruktion ein Verbrennungsmotor im
kalten Zustand ist, etwa unmittelbar nach dem Starten des Motors, wird
ein Schalter SW betätigt, um eine Batteriespannung VB an die EHC-
Einheit 104 anzulegen, um dieselbe zu erhitzen. Im Ergebnis wird der
elektrisch beheizte Heizer der EHC-Einheit erhitzt, um die Oxidation
unverbrannter Komponenten von Kohlenwasserstoffen in dem Abgas zu
begünstigen, und diese Oxidationshitze kooperiert mit der vom elektrisch
beheizten Heizer erzeugten Hitze, um diesen elektrisch beheizten Heizer
schnell zu erhitzen. Im Ergebnis wird das Abgas erhitzt, und es wird auch
die Hilfskatalysatoreinheit 103 der nächsten Stufe erhitzt, und ferner wird
die Hauptkatalysatoreinheit 102 erhitzt, so dass der gesamte katalytische
Wandler schnell aktiviert wird.
-
Beispielsweise offenbart die japanische Patentschrift Nr. Hei. 8-218856
einen elektrisch erhitzten Katalysator (katalytischen Wandler). Ein
Elektrodenpaar ist an einem Katalysatorträger vorgesehen, der einen
Bienenwabenstrukturkörper mit Abgasdurchflusspassagen aufweist, und
in dem Katalysatorträger sind mehrere Schlitze ausgebildet, so dass der
Katalysatorträger, wenn er elektrisch erhitzt wird, über seine
Gesamtfläche gleichmäßig erhitzt werden kann, und in dieser
Konstruktion thermische Spannungen, die an den Schlitzenden
entstehen, entlastet werden.
-
Fig. 2 zeigt eine spezifische Konstruktion der EHC-Einheit 104. In diesem
Fall umfasst der elektrisch beheizte Heizer einen flachen, im Querschnitt
kreisförmigen Bienenwabenstrukturkörper 1 mit
Abgasdurchflusspassagen, und dieser Heizer selbst wird durch
Widerstandheizung beim Anlegen eines elektrischen Stroms erhitzt. Der
Bienenwabenstrukturkörper 1 kann die Form eines monolithischen
Katalysators haben, da in diesem Fall der Dreiwegekatalysator an der
Oberfläche des Katalysatorträgers (Bienenwabenstrukturkörpers) verteilt
und abgeschieden ist. Dieser Bienenwabenstrukturkörper 1 ist in einem
Metallgehäuse 3 aufgenommen und ist dort durch Befestigungsmittel
(nicht gezeigt) isoliert befestigt. Ein Elektrodenpaar 2 und 2' erstreckt
sich durch eine Umfangswand des Gehäuses 3 und führt dem
Bienenwabenstrukturkörper von außen her elektrische Energie zu. Wenn
die Elektroden 2 und 2' jeweils mit diametral gegenüberliegenden
Abschnitten des Bienenwabenstrukturkörpers 1 kreisförmigen
Querschnitts verbunden werden, fließt ein großer Anteil des elektrischen
Stroms entlang dem kürzesten Weg, der die Elektroden 2 und 2'
verbindet. Es ändert sich nämlich der Wert des Stroms von einem
Abschnitt zum anderen des Bienenwabenstrukturkörpers 1, so dass die
durch das Heizen bedingte Temperaturverteilung ungleichmäßig wird. Um
dieses Problem zu überwinden, besitzt der Bienenwabenstrukturkörper 1
eine Mehrzahl von Schlitzen 4, die zueinander parallel sind. Mit dieser
Konstruktion fließt der elektrische Strom zwischen den Elektroden 2 und
2' entlang einem Zickzackweg, der sich aus der Anordnung der Schlitze
4 ergibt, und daher wird die Konzentration des elektrischen Stroms
vermieden, und der Bienenwabenstrukturkörper 1 wird über seine
Gesamtfläche gleichmäßig erhitzt.
-
Wie an sich bekannt, enthält das Abgas aus dem Verbrennungsmotor
aufgrund von Motoröl und Abriebstaub von einer Zylinderwand und
einem Kolbenring pyrolitische hochmolekulare Substanzen und freie
Kohlenstoffe. Größere dieser Fremdstoffe in dem Abgas können die EHC-
Einheit 104 körperlich beschädigen, wenn sie auf sie auftreffen. Auch
kleinere oder feine Fremdstoffe haften und lagern sich an dem
Bienenwabenstrukturkörper 1 und den Elektroden 2 und 2' der EHC-
Einheit 104 an, die in der Abgasleitung angeordnet sind und direkt dem
Abgasstrom ausgesetzt sind. Die Fremdstoffe, die sich auf dem
Bienenwabenstrukturkörper 1 anlagern, führen zum Verstopfen der
Abgasdurchflusspassagen und beeinflussen nachteilig die
Abgasreinigungseigenschaften. Insbesondere wenn elektrisch leitfähige
Fremdstoffe an der EHC-Einheit 104 anhaften, werden zuerst die in dem
Bienenwabenstrukturkörper 1 gebildeten Schlitze 4 kurzgeschlossen, so
dass der richtige Zickzackstromweg nicht erhalten bleiben kann, wodurch
verhindert wird, dass der Bienenwabenstrukturkörper 1 über seine
Gesamtfläche gleichmäßig erhitzt wird. Zweitens sinkt die
Isolationsleistung zwischen den Elektroden 2 und 2' und dem
Metallgehäuse 3 sowie die Isolationsleistung zwischen dem
Bienenwabenstrukturkörper 1 und dem Metallgehäuse 3, so dass die
vorbestimmte Spannung nicht an den Bienenwabenstrukturkörper 1
angelegt werden kann. All dieses beeinträchtigt nachteilig den vom
katalytischen Wandler erreichten Abgasreinigungseffekt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Aufgabe dieser Erfindung ist es daher, eine Abgasreinigungsvorrichtung
anzugeben, die einen Mechanismus aufweist, um zu verhindern, dass
Fremdstoffe in dem Abgas die Bauteile der EHC-Einheit erreichen, um
hierdurch das Schlechterwerden der Abgasreinigungseigenschaften zu
verhindern.
-
Nach der vorliegenden Erfindung wird eine Abgasreinigungsvorrichtung
angegeben, umfassend einen katalytischen Wandler, der in einem
Abgassystem eines Verbrennungsmotors vorgesehen ist; einen elektrisch
beheizten Heizer, der stromauf des katalytischen Wandlers angeordnet
ist; einen Fremdstoff-Beseitigungsfilter, der stromauf des elektrisch
beheizten Heizers vorgesehen ist, und wobei ein Fremdstoff-
Beseitigungsfilter unmittelbar stromauf eines die Querschnittsfläche
vergrößernden Bereichs einer den elektrisch beheizten Heizer
enthaltenden Abgasleitung angeordnet ist.
-
Mit dieser Konstruktion wird verhindert, dass Fremdstoffe in dem Abgas
Bauteile der EHC-Einheit erreichen, um hierdurch das Schlechterwerden
der Abgasreinigungseigenschaften zu verhindern, wobei die Größe des
Fremdstoff-Beseitigungsfilters reduziert werden kann, was erwünscht ist.
Da übrigens der Fremdstoff-Beseitigungsfilter so weit von der
Brennkammer entfernt wie möglich angeordnet ist, werden nachteilige
Effekte durch das Hochtemperatur-Abgas vermindert und der
Auswahlbereich des Materials ist größer.
-
In der Abgasreinigungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist an dem
Fremdstoff-Beseitigungsfilter ein Strömungsratenbegrenzungsmittel derart
vorgesehen, dass die Abgasströmungsrate durch den Fremdstoff-
Beseitigungsfilter an einem Umfangsrandabschnitt des Fremdstoff-
Beseitigungsfilters niedriger ist als an dessen Mittelabschnitt. Mit dieser
Konstruktion wird verhindert, dass sich Fremdstoffe auf dem
Umfangsrandabschnitt des Bienenwabenstrukturkörpers der EHC-Einheit
und jenen Abschnitten des Strukturelements, mit denen die Elektroden
jeweils verbunden sind, ablagern.
-
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungen ersichtlich, die
in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
In den beigefügten Zeichnungen:
-
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines katalytischen Wandlers,
der in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors
vorgesehen ist;
-
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines Beispiels einer EHC-
Einheit, die in dem katalytischer Wandler von Fig. 1
enthalten ist;
-
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht eines katalytischer Wandlers der
vorliegenden Erfindung;
-
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht eines Fremdstoff-
Beseitigungsfilters der Erfindung;
-
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht eines modifizierten Fremdstoff-
Beseitigungsfilters der Erfindung; und
-
Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht eines anderen modifizierten
Fremdstoff-Beseitigungsfilters der Erfindung.
DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
-
Obwohl ein katalytischer Wandler und eine EHC-Einheit 104 einer
Abgasreinigungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung, die in Fig. 3
gezeigt sind, konstruktiv jeweils jenen der Vorrichtung ähnlich sind, in
den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, unterscheidet sich die erstere
Vorrichtung von der letzteren Vorrichtung darin, dass stromauf der EHC-
Einheit 104 ein Fremdstoff-Beseitigungsfilter 5 vorgesehen ist. Dank des
Vorsehens des Fremdstoff-Beseitigungsfilters 5 wird verhindert, dass
Fremdstoffe an der EHC-Einheit 104 anhaften oder auf diese auftreffen.
Der Fremdstoff-Beseitigungsfilter 5 ist nämlich stromauf des elektrisch
beheizten Heizers vorgesehen. Mit dieser Konstruktion wird verhindert,
dass Fremdstoffe in dem Abgas Bauteile der EHC-Einheit 104 erreichen,
um hierdurch das Schlechterwerden der Abgasreinigungseigenschaften
zu verhindern. Wenn der Fremdstoff-Beseitigungsfilter 5 dem
Hochtemperatur-Abgas ausgesetzt ist, begünstigt dies das
Schlechterwerden des Filters 5, und daher ist bevorzugt, dass der in
einer Abgasleitung vorgesehene Filter 5 so nahe an der EHC-Einheit 104
wie möglich angeordnet werden sollte und somit so weit wie möglich
von einer Abgasöffnung in einem Zylinderkopf, der eine Brennkammer
eines Verbrennungsmotors aufweist, entfernt angeordnet werden sollte.
-
Um den durch Katalyse erreichten Abgasreinigungseffekt zu verbessern,
hat jener Abschnitt der Abgasleitung, der stromauf des katalytischen
Wandlers angeordnet ist, eine zunehmende Querschnittsfläche zur
stromabwärtigen Seite hin. Insbesondere ist ein konusförmiger Abschnitt
6 vorgesehen, der sich an einem stromaufwärtigen Abschnitt eines die
Querschnittsfläche vergrößernden Bereichs der Abgasleitung befindet, die
sich stromauf der EHC-Einheit 104 befindet, und dessen
Querschnittsfläche in der stromabwärtigen Richtung zunimmt. Bevorzugt
ist der Fremdstoff-Beseitigungsfilter 5 unmittelbar stromauf des
konusförmigen Abschnitts 6 vorgesehen, d.h. am stromabwärtigen Ende
eines Abschnitts der Abgasleitung, der zwischen der Auslassöffnung des
Zylinderkopfs und dem die Querschnittsfläche vergrößernden Bereich der
Abgasleitung, die den elektrisch beheizten Heizer enthält, angeordnet ist.
Der Fremdstoff-Beseitigungsfilter 5 ist nämlich unmittelbar stromauf des
die Querschnittsfläche vergrößernden Bereichs der Abgasleitung
angeordnet, die den elektrisch beheizten Heizer enthält. Mit dieser
Konstruktion kann die Größe des Fremdstoff-Beseitigungsfilters 5
reduziert werden, was erwünscht ist. Da übrigens der Fremdstoff-
Beseitigungsfilter 5 so weit von der Brennkammer entfernt wie möglich
angeordnet ist, werden nachteilige Effekte durch Hochtemperatur-Abgas
reduziert, und der Auswahlbreich des Materials ist größer.
-
Fig. 4 zeigt einen wichtigen Abschnitt des Fremdstoff-Beseitigungsfilters,
der in der Abgasreinigungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung
enthalten ist. Der Fremdstoff-Beseitigungsfilter 5 kann jegliche
Konstruktion haben, sofern er eins Gruppe feiner Passagen hat, die
Durchflusspassagen für den Durchfluss des Abgases bilden, und die
Querschnittsform der feinen Passagen kann jede geeignete Form haben,
wie etwa eine Siebform, eine polygonale Form und eine fasernetzartige
Form. Die Gruppe feiner Passagen kann durch ein poröses Material
gebildet sein, wie etwa ein anorganisches Keramikmaterial. Wenn die
Querschnittsfläche jeder feinen Passage reduziert ist, d.h. die Dichte der
feinen Passage hoch gemacht wird, erlauben es die feinen Passagen nur,
dass Fremdstoffe kleiner Partikelgröße hindurchtreten. Wenn jedoch diese
Dichte zu hoch ist, nimmt der Strömungswiderstand in der Abgasleitung
zu, was nicht erwünscht ist.
-
Der Abgasstrom wird insbesondere an dem Umfangsrandabschnitt des
Bienenwabenstrukturkörpers 1 der EHC-Einheit 104 und jenen
Abschnitten des Strukturelements 1, mit dem die jeweiligen Elektroden 2
und 2' verbunden sind, gestört, und daher haben Fremdstoffe die
Neigung, sich an diesen Abschnitten anzulagern.
-
Fig. 5 zeigt einen modifizierten Fremdstoff-Beseitigungsfilter der
vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel ist ein Strömungsraten-
Begrenzungsmittel vorgesehen, durch das die Strömungsrate des
Abgases durch den Fremdstoff-Beseitigungsfilter 5 am
Umfangsrandabschnitt eines Bienenwabenstrukturkörpers 1 geringer ist
als an dessen Mittelabschnitt. Diese Konstruktion bewirkt, dass das
Abgas durch den Mittelabschnitt der EHC-Einheit 104 in konzentrierter
Weise hindurchströmt, während die Strömung des Abgases durch den
Umfangsrandabschnitt reduziert ist. Insbesondere wird das
Strömungsraten-Begrenzungsmittel beispielsweise durch eine
Konstruktion erreicht, in der ein Filter 5a an dem Mittelabschnitt mit
einem Filter 5b kleinerer Siebgröße am Umfangsrandabschnitt kombiniert
ist. Das Strömungsraten-Begrenzungsmittel ist nämlich an dem
Fremdstoff-Beseitigungsfilter 5 derart vorgesehen, dass die
Strömungsrate des Abgases an dem Umfangsrandabschnitt des
Fremdstoff-Beseitigungsfilters 5 niedriger ist als an dessen
Mittelabschnitt. Mit dieser Konstruktion wird noch effektiver verhindert,
dass sich Fremdstoffe an dem Umfangsrandabschnitt des
Bienenwabenstrukturkörpers 1 der EHC-Einheit 104 und jenen
Abschnitten des Strukturelements, mit denen die Elektroden 2 und 2'
jeweils verbunden sind, ablagern.
-
Fig. 6 zeigt einen anderen modifizierten Fremdstoff-Beseitigungsfilter der
vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel sind feine Passagen am
Umfangsrandabschnitt des Filters in dem Verhältnis von 1 zu einer
vorbestimmten Anzahl verschlossen. In dem Filter von Fig. 5 ist nämlich
ein Strömungsraten-Begrenzungsmittel an dem Fremdstoff-
Beseitigungsfilter 5 derart vorgesehen, dass die Strömungsrate des
Abgases am Umfangsrandabschnitt des Fremdstoff-Beseitigungsfilters 5
niedriger ist als an dessen Mittelabschnitt. Mit dieser Konstruktion wird
noch effektiver verhindert, dass sich Fremdstoffe an dem
Umfangsrandabschnitt des Bienenwabenstrukturkörpers 1 der EHC-
Einheit 104 und jenen Abschnitten des Strukturelements 1, mit denen die
Elektroden 2 und 2' jeweils verbunden sind, ablagern.
-
Wie oben beschrieben, ist in der Abgasreinigungsvorrichtung der
vorliegenden Erfindung der Fremdstoff-Beseitigungsfilter stromauf des
elektrisch beheizten Heizers vorgesehen, und daher wird verhindert, dass
die Abgasreinigungseigenschaften durch die Anlagerung von in dem
Abgas enthaltenen Fremdstoffen auf dem katalytischer Wandler
schlechter werden.
-
Übrigens ist in der vorliegenden Erfindung der Fremdstoff-
Beseitigungsfilter unmittelbar stromauf des die Querschnittsfläche
vergrößernden Bereichs der Abgasleitung angeordnet. Mit dieser
Konstruktion kann die Größe des Fremdstoff-Beseitigungsfilters reduziert
werden, was erwünscht ist. Da übrigens der Fremdstoff-Beseitigungsfilter
so weit von der Brennkammer wie möglich angeordnet ist, werden
nachteilige Effekte durch das Hochtemperatur-Abgas reduziert, und der
Auswahlbereich des Materials ist größer.
-
Ferner ist in der vorliegenden Erfindung das Strömungsraten-
Begrenzungsmittel an dem Fremdstoff-Beseitigungsfilter derart
vorgesehen, dass die Strömungsrate des Abgases an dem
Umfangsrandabschnitt des Fremdstoff-Beseitigungsfilters niedriger ist als
an dessen Mittelabschnitt. Mit dieser Konstruktion wird verhindert, dass
sich Fremdstoffe an dem Umfangsrand abschnitt des
Bienenwabenstrukturkörpers der EHC-Einheit und jenen Abschnitten des
Strukturelements, mit denen die Elektroden jeweils verbunden sind,
ablagern.
-
Obwohl die Erfindung in ihrer bevorzugten Ausführung mit einem
gewissen Grad an Besonderheit beschrieben wurde, versteht es sich,
dass die vorliegende Offenbarung der bevorzugten Ausführung in
konstruktiven Details und in der Kombination und Anordnung von Teilen
geändert werden kann, ohne von der nachfolgend beanspruchten
Erfindung abzuweichen.