JP2003535254A - 小体積吸着体 - Google Patents

小体積吸着体

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Abstract

(57)【要約】 特に自動車の内燃機関エンジンの排気システムにおいて排気ガスの少なくとも１成分を吸着するための装置。この装置は、或る温度と質量の流量との排気ガスが吸着体を通じ流れることができるような体積の吸着体を有し、この装置は、この体積が以下の式に従うことを特徴とする。 【数１】 ここで、Ｖ＝吸着体の体積［ｌ］、ｔ＝前記排気ガスの平均温度［℃］、ｍ＝前記排気ガスの平均的な質量の流量［ｋｇ／ｈ］である。この体積を有する吸着体は、これを通じて流れる排気ガスの特性に依存して特にコンパクトな設計となり、こうしてたとえば下流の触媒コンバータのコールドスタート性能を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 この発明は、排気ガスが流れることができる吸着体を有する、排気ガスの少な
くとも１成分を吸着するための装置に関する。この種の吸着体は、特に自動車の
内燃機関エンジンの排気システムで用いられる。
【０００２】 世界中でますます厳重なものとなりつつある排気ガス規制を満たすために、排
出物質を制限するさまざまな構想が現在推し進められている。内燃機関エンジン
のコールドスタート後における排気システムの排出物質の挙動がこれらの展開の
中心にある。コールドスタート後の排出物質の挙動は、たとえばＵＳ−ＦＴＰ７
５テストサイクルなどのさまざまな走行サイクルに基づき評価される。ＦＴＰ７
５テストサイクルの走行曲線は、米国ロサンゼルスの朝のラッシュアワー中の道
路上で測定された３つの速度分布からなる。ＦＴＰ７５テストサイクルは、たと
えばローベルト・ボッシュ（Robert Bosch）GmbHによる「自動車工学ハンドブッ
ク（Kraftfahrtechnisches Taschenbuch）」（第２２版、デュッセルドルフ、Ｖ
ＴＩ出版、１９９５年）で説明されている。
【０００３】 排気ガスを浄化するためには触媒コンバータが用いられる。触媒コンバータは
触媒作用で活性化した表面を有し、これは定められた温度（およそ２５０℃）を
上回ると排気ガス中の汚染物質（一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物）を化学的
に転換する。この開始温度に達するまでの時間は、たとえば電気加熱式触媒コン
バータを使用することで短縮され得る。しかしながら、ますます厳重になりつつ
ある排出物質規制は、コールドスタート直後に起こる炭化水素の排出も極めて低
くするよう義務付けている。これを達成するためには、コールドスタート中に発
生する炭化水素分子を蓄える働きをする吸着体を用いることが好適である。
【０００４】 ゼオライトを分子ふるいとする吸着体が公知である。ゼオライトとは、或る分
子を取込むことができる性質を有する微細孔アルミノケイ酸塩（アルミニウム／
ケイ素結晶）である。ゼオライト構造は四面体の枠組みを含み、これはチャネル
および／または空洞を有し、これらの外面的形態がゼオライトを特徴付ける。走
行のコールドスタート段階中、炭化水素は吸着体の多孔質構造内に取込まれる（
吸着段階）。吸着体に対する炭化水素の結合の強さは、炭化水素の種類と貯蔵媒
体の構造とに依存する。動作時間が増加し排気ガス温度が上昇すると、吸着体に
蓄えられた炭化水素は脱着される（脱着段階）。これは１００℃から２００℃の
温度で起こる。
【０００５】 排気システム内に吸着体を配置することも知られており、この場合触媒コンバ
ータが吸着体の下流に配置されている。吸着体は、排気ガスから熱を奪う熱容量
を構成する。従って排気ガスは、下流の触媒コンバータを通じて流れるときには
より低い熱エネルギを有することになり、こうして触媒コンバータの加熱が遅く
なり、これによってまた開始温度に達する時点が遅れることになる。
【０００６】 この発明の目的は、コールドスタート段階での炭化水素排出物質を著しく減少
させ、かつ下流の触媒コンバータの加熱に対する影響が極めて少ない、吸着体を
特定することである。
【０００７】 この発明に従うと、この目的は、請求項１に記載の特徴点に従う排気ガスの少
なくとも１成分を吸着するための装置により達成される。有利な改良点が従属項
に示されている。
【０００８】 排気ガスの少なくとも１成分を吸着するためのこの発明に従う装置は、排気ガ
スが流れることができる吸着体を有する。この装置は、特に自動車の内燃機関エ
ンジンの排気システムに対し好適である。この吸着体はその体積に基づき記述さ
れ得るが、この「体積」という用語は、空洞および／またはチャネルを含む吸着
体の体積を意味するものとして理解される。
【０００９】 この発明に従うと、吸着体の体積を、これを通じて流れる排気ガスの平均温度
と質量の平均流量との関数として定めることが提案され、ここで体積は以下の式
に対応する。
【００１０】
【数２】
【００１１】 係数ａ〜ｋは以下の値を有する。 ａ＝0.1660393， ｂ＝0.0033635701， ｃ＝-1.7023186， ｄ＝6.5277225・10-6， ｅ＝195.657， ｆ＝‐0.1373556， ｇ＝‐9.0343024・10-9， ｈ＝‐1273.9098， ｉ＝1.0172767 ｋ＝‐1.442512・10-5， この式は、さまざまな吸着体の吸着性能についての広範な調査の結果である。
この調査においては、さまざまな内燃機関エンジンからの、これらエンジンがＵ
Ｓ−ＦＴＰ７５走行サイクルの最初の１００秒間で生じさせる粗の排出物質（排
気ガス）がシミュレートされた。この調査の中で、吸着体の吸着性能および脱着
性能は実質的に、排気ガスの温度と質量の流量とに依存することが立証された。
【００１２】 一般に、排気ガスの温度は内燃機関エンジンからの距離が増すにつれて減少す
るが、これは排気ガスが主としてより冷たいパイプシステムに案内されて放熱す
るからである。しかしながら、この種のパイプシステムは汚染物質の触媒転換の
ための構成要素を有することがあり、触媒反応は発熱反応として進行するため、
触媒コンバータの下流の排気ガス温度は、このコンバータの上流におけるよりも
高くなり得る。この調査の中で、吸着体の上流の排気ガスの異なった温度分布に
ついて、ＦＴＰテストの最初の１００秒間にわたる平均がとられた（［ｔ］＝℃
；摂氏度）。
【００１３】 吸着体の適当な体積を求める際におけるさらなる重要な特徴的な変数は、吸着
体を通じて流れる排気ガスの質量の流量である（［ｍ］＝ｋｇ／ｈ；１時間当り
のキログラム）。質量の流量はたとえば、排気ガスの加熱作用もしくは冷却作用
、または汚染物質の量もしくは濃度を特徴付ける。質量の流量自体のサイズおよ
び組成はたとえば、エンジン管理システムを（たとえば着火の角度、またはエン
ジンのアイドル回転により）、または２次空気送りを用いることで、影響され得
る。特にアイドル段階で必要となる質量の流量はエンジンの構造上の設計にも依
存するが、これはたとえば、エンジン内の（たとえば弁、ピストンまたは軸受で
の）摩擦による異なった損失が構造上の設計により引き起こされ得るからである
。排気ガスの質量の流れの助けにより、これらさまざまな要因を吸着体の体積の
設計に際し容易に勘案できる。質量の平均流量はさらに、ＦＴＰテストの最初の
１００秒間における内燃機関エンジンの排出性能にも関連する。
【００１４】 驚くべきことに、この調査の結果により、一般的な考えに反して比較的小さな
体積の吸着体が十分であることが示された。このことは特に、吸着体の体積を定
めるためのこの発明の公式を求めるに際し、吸着体の貯蔵能力だけでなく熱容量
もまた勘案され、したがって下流の触媒コンバータの加熱性能もまた勘案された
ことに起因する。体積の減少は熱容量がより小さいことを表わし、こうして排気
ガスから奪われる熱は減少する。
【００１５】 一実施例に従うと、吸着体はゼオライト構造のコーティングを有し、このコー
ティングは特にアルミノケイ酸塩（アルミニウム／ケイ素結晶）からなる。ゼオ
ライト構造の形態上の特性は、炭化水素分子のサイズおよび性質に対し容易に適
合され得る。ゼオライト構造は、多数のチャネルおよび／または空洞が利用可能
であるという利点を有し、これにより蓄えられるべき炭化水素分子の結合はかな
り強力なものとなる。
【００１６】 さらなる実施例に従うと、吸着体は金属板層を有し、これら金属板層は少なく
とも部分的に、排気ガスがこれらを通じて流れることができるように構成されて
いる。金属板層を有する吸着体は、たとえばセラミックからなる吸着体と比較し
て、同じ体積でありながら吸着体の表面積が大きくかつ圧力損失が少ないという
利点を有する。
【００１７】 さらなる実施例に従うと、金属板層は０．０２ｍｍから０．０８ｍｍの厚みを
有する金属板で設計される。これら比較的薄い金属板により、吸着体の熱容量は
確実に小さくなり、こうして排気ガスからの熱エネルギは減少しない。
【００１８】 さらに別の実施例に従うと、吸着体は、排気ガスが或る流れの方向に流れるこ
とができるチャネルを有し、流れの方向に対する横断面積当りのチャネル数は少
なくとも６００ｃｐｓｉ（１平方インチ当りのセル数）である。チャネルの数が
多いため大きな表面積が得られ、その結果、たとえばゼオライトのコーティング
で、吸着体の貯蔵容量が確実に大きくなる。
【００１９】 次に図面を詳細に参照し、まず特に図１を参照して、排気ガスの少なくとも１
成分を吸着するためのこの発明に従う装置１が示され、この装置は、自動車（図
示せず）の内燃機関エンジン４の排気システム３で用いられる吸着体２を含む。
触媒コンバータ９は、矢印で示す排気ガスの流れの方向Ｓで吸着体２の下流に接
続される。
【００２０】 図２は、図１に従う吸着体２を拡大斜視図で示す。吸着体２はその体積Ｖによ
り記述され得る。この体積は、ゼオライト構造を有するコーティング５、および
／または、少なくとも部分的に構造化され、排気ガスが流れることができるチャ
ネル８を形成する、平坦な金属板層６、波状の金属板層７などの金属板層６、７
により、規定される。
【００２１】 この発明に従う体積Ｖを有する吸着体２は、これを通じて流れる排気ガスの特
性に依存して特にコンパクトまたはソリッドな態様で形成される。吸着体２は、
下流に配置された触媒コンバータ９のコールドスタート時の挙動を特に改良する
。
【図面の簡単な説明】
【図１】 排気ガスの少なくとも１成分を吸着するためのこの発明に従う装
置であって、自動車の内燃機関エンジンの排気ガスシステム内で用いられる吸着
体を有する装置の立面図である。
【図２】 図１に従う吸着体の拡大した一部破断斜視図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 3G091 AA02 AA17 BA03 BA15 FB02 FC07 GA06 GA17 GB01Y GB09Y

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 特に自動車の内燃機関エンジンの排気システム内で、排気ガ
    スの少なくとも１成分を吸着するための装置であって、或る温度と質量の流量と
    の排気ガスが流れることができる或る体積の吸着体を有し、前記装置は、前記体
    積が以下の式 【数１】 ここで、Ｖ＝前記吸着体の体積［ｌ］、 ｔ＝前記排気ガスの平均温度［℃］、 ｍ＝前記排気ガスの質量の平均流量［ｋｇ／ｈ］、 ａ＝0.1660393， ｂ＝0.0033635701， ｃ＝-1.7023186， ｄ＝6.5277225・10-6， ｅ＝195.657， ｆ＝‐0.1373556， ｇ＝‐9.0343024・10-9， ｈ＝‐1273.9098， ｉ＝1.0172767 ｋ＝‐1.442512・10-5， に対応することを特徴とする、装置。
  2. 【請求項２】 前記吸着体がゼオライト構造のコーティングを有することを
    特徴とする、請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記吸着体が金属板層を有し、前記金属板層が、前記排気ガ
    スが前記金属板層を通じ流れることができるように少なくとも部分的に構成され
    ることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記金属板層は、０．０２ｍｍから０．０８ｍｍの厚みを有
    する金属板で設計されることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記吸着体が、前記排気ガスが或る流れの方向に流れること
    ができるチャネルを有し、前記流れの方向に対する横断面積当りのチャネルの数
    が少なくとも６００ｃｐｓｉであることを特徴とする、請求項１から請求項４ま
    でのいずれかに記載の装置。
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