JP2017521596A - 触媒ユニットおよび排気ガス触媒コンバータ - Google Patents

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Abstract

本発明は、排気ガスが通って流れ、略矩形の流入側(13)および略矩形の流出側(14)を有する略立方形とされた輪郭を有するセラミック製触媒本体(11)と、触媒本体(11)を一部の区画で包囲する金属製筐体(12)と、触媒本体(11)と筐体(12)との間に形成される隙間(18)に位置決めされる少なくとも1つの支承マットとを備える、触媒ユニット(10)、特に海洋用ディーゼル内燃エンジンのSCR排気ガス触媒のためのSCR触媒ユニットに関する。本発明によれば、流入側(13)と流出側(14)とを画定する触媒本体(11)の周辺または縁(19)は、各々の場合で210mmから280mmまでの間の寸法を各々有し、触媒本体(11)の通過流れ方向(15)に対して垂直に見たとき、触媒本体(11)と金属製筐体(12)との間の隙間(18)が、s≦p*5の関係に従って決定される寸法を有し、sはmmでの隙間の寸法であり、pはkg/m2で表される各々の支承マットの密度の無次元量である。

Description

本発明は、請求項1の前提部による触媒ユニットに関する。さらに、本発明は、排気ガス触媒コンバータに関する。
例えば、発電所における内燃エンジンまたは海洋用ディーゼルエンジンなど、大形のエンジンのための排気ガス触媒コンバータは、一般に複数の触媒ユニットを備えており、各々の触媒ユニットは、排気ガスが触媒本体を通って流れる繊維マットから構築される非金属製の触媒本体、具体的にはセラミック製の触媒本体と、触媒本体を一部で包囲する金属製筐体とを備えている。それぞれの触媒ユニットの金属製筐体は、例えば排気ガスを案内する配管に連結するようにといった、それぞれの触媒ユニットを内燃エンジンの排気ガスシステムの他の組立体に所定のやり方で連結するように機能する。大形エンジンのための排気ガス触媒コンバータの場合に、略矩形の流入側と略矩形の流出側とを有する略立方形の輪郭を備える触媒ユニットのセラミック製触媒本体は、ハニカムとも称され、触媒ユニットの筐体はキャニングとも記述される。触媒ユニットのためのセラミック製触媒本体は、触媒本体とそれぞれの触媒ユニットの筐体との間の隙間に位置決めされる少なくとも1つの支承マットを用いて、触媒ユニットの金属筐体内で固定される。静置した発電所の用途については、触媒本体は、1つまたは複数の支承マットを用いるさらなる特別な対策なしで、触媒ユニットの筐体に適切に固定され得る。しかしながら、具体的には、例えば船舶用途または海洋用途についてといった、非静置の用途については、触媒本体がそれぞれの触媒ユニット内で動かされることになり得る揺れまたは振動に触媒ユニットが曝されるという問題、または、触媒本体が触媒ユニットの筐体から外れることさえあるという問題がある。そのため、具体的には船舶用途または海洋用途について、振動または揺れを通じた負荷に曝されるにも拘らず、触媒ユニットの触媒本体が、触媒本体を、変位するまたは外れる危険性なく、触媒ユニットの筐体内でしっかりと保持され得る触媒ユニットが求められている。
これを起点として、本発明は、排気ガス触媒コンバータのための新しいタイプの触媒ユニットと、このような触媒ユニットを有する排気ガス触媒コンバータとを作り出すという目的に基づく。
この目的は、図1による触媒ユニットを通じて解決される。本発明によれば、流入側と流出側とを画定する触媒本体の周辺または縁は、210mmから280mmまでの間の寸法を各々有し、触媒本体の通過流れ方向に対して垂直に見た触媒本体と金属製筐体との間の隙間が、s≦p*5の関係に従って決定される寸法を有し、ここで、sはmmでの隙間の寸法であり、pはkg/mで表される各々の支承マットの密度の無次元量である。本発明の見出したことは、触媒本体の流入側および流出側の定められた寸法を通じて、ならびに、各々の支承マットの密度に依存する、触媒本体と金属製筐体との間の隙間の定められた寸法決定を通じて、触媒本体が、運転の間に起こる振動負荷および揺れ負荷の結果として、触媒本体が筐体内で動かされる、またはそれぞれの触媒ユニットの筐体から外れる危険性なく、触媒ユニットを形成することになっている筐体に、特に有利に受け入れられ得ることである。ここでは、単一の触媒本体がそれぞれの触媒ユニットの筐体に配置される。
有利なさらなる発展によれば、触媒本体の周辺と金属製筐体との間の隙間の寸法は、s≦p*4の使用に従って決定され、ここで、各々の支承マットの密度は0.9kg/mから2.2kg/mまでの間である。それによって、触媒ユニットの筐体内で触媒ユニットの触媒本体を固定することがさらに改善され得る。
さらに有利なさらなる発展によれば、触媒本体の通過流れ方向に対して垂直に延びる断面を有する筐体が、略矩形の断面表面を有し、断面表面を画定する筐体の周辺または縁が、流入側と流出側とを画定する触媒本体の周辺または縁に対して平行に延び、220mmから290mmまでの間の寸法を有し、ここで、触媒本体の通過流れ方向に対して垂直な筐体の側壁が0.9mmから2.2mmまでの間の壁厚を有し、触媒本体の通過流れ方向に対して垂直な隙間の寸法が、最大で8mmとなり、好ましくは6mmとなる。それによって、触媒ユニットの筐体内で触媒ユニットの触媒本体を固定することがさらに改善され得る。
さらに有利なさらなる発展によれば、触媒本体の流入側の領域と流出側の領域とにおける筐体が、突出部を備え、これらの突出部は、触媒本体と筐体との間の隙間を少なくとも部分的に閉じると共に、投影図において流入側および流出側を画定する触媒本体の周辺または縁に隣接して流入側および流出側と重なる。これらの突出部を用いることで、触媒ユニットの筐体内で触媒ユニットの触媒本体を固定することがさらに改善され得る。さらに、これらの突出部は封止の機能を担い、そのため、触媒ユニットの触媒本体を通る排気ガスの流れを改善する。これらの突出部は20mmの最大幅を有し、好ましくは、7mmから17mmまでの幅を有する。
本発明による排気ガス触媒コンバータは請求項11に定義されている。
本発明の好ましいさらなる発展は、従属請求項と、以下の記述とから得られる。本発明の例示の実施形態は、これに限定されることなく、図を用いてより詳細に説明される。
本発明による排気ガス触媒コンバータのための触媒ユニットの斜視図である。 触媒ユニットの流入側の平面図である。 本発明による図1および図2の触媒ユニットの触媒本体の斜視図である。 触媒本体の流入側の平面図である。
本発明は、船舶用途または海洋用途のための内燃エンジンの排気ガス触媒コンバータのための触媒ユニットと、排気ガス触媒コンバータとに関する。
具体的には、本発明による触媒ユニットは、船舶用ディーゼルエンジンのためのSCR排気ガス触媒コンバータのためのSCR触媒ユニットとして設計されている。
図1および図2は、本発明による触媒ユニット10の異なる図を示しており、触媒ユニット10は、金属製筐体12に配置された、排気ガスがセラミック製触媒本体11を通って流れるセラミック製触媒本体11を備えている。触媒ユニット10の金属製筐体12には、単一のセラミック製触媒本体11が配置されている。
図3および図4において単独で示されている触媒本体11は、略矩形の流入側13と、同様に略矩形の流出14とを有する略立方形の輪郭を有している。流入側13と流出側14との間には、排気ガスが通路を通って流れる通路が延びており、触媒本体11の通過流れ方向は、矢印15によって図3に視覚化されている。触媒本体11の閉じられた側壁16が、触媒本体11の流入側13と流出側14との間で延びている。
したがって、略立方形の輪郭を有する触媒本体11は、触媒本体11の流入側13と流出側14との間で延びる4つの閉じられた側壁16を備えており、流入側13と流出側14との両方に加えて長手方向側16が、略矩形の輪郭とされている。流入側13および流出側14は、流入側13と流出側14との間で延びる触媒本体11の通路を通じて、触媒本体11を通って排気ガスを流すことができ、流入側13と流出側14との間で延びる長手方向側16の領域における触媒本体11は、閉じられている。
触媒ユニット10の金属製筐体12は、一部の区域において、つまり、筐体12が触媒本体11を通る排気ガスの流れに悪影響を与えないような形で、触媒本体11を包囲している。
したがって、触媒本体11の筐体12が、触媒本体11の閉じられた側壁16に対して平行に延びる側壁17を備えることは、特に図1から明らかである。触媒本体11の流入側13および流出側14の領域では、筐体は触媒本体11を露出している。
触媒ユニット10の触媒本体11と筐体12との間には、触媒本体11の通過流れ方向に垂直に見られる隙間18が形成され、隙間18が、触媒本体11のすべての4つの側壁16と、触媒ユニット10の筐体12の隣接する側壁17との間で形成されるように、触媒本体11の周りで包囲して延びている。
この隙間18では、図には示されていない少なくとも1つの支承マットが、触媒本体11を触媒ユニット10の筐体12において固定するために位置決めされている。
本発明による触媒ユニット10の場合では、流入側13と流出側14とを画定する触媒本体11の周辺または縁19は、210mmから280mmまでの間の寸法を各々有する。具体的には、すべての4つの周辺または縁19が同一の寸法を有するとき、流入側13および流出側14は略四角い輪郭とされる。
触媒本体11と金属製筐体12との間の隙間18、つまり、触媒本体11および筐体12の側壁16と17との間の隙間18は、s≦p*5の関係に従って決定される、触媒本体11の通過流れ方向15に対して垂直に見た寸法を有し、ここでsはmm(ミリメートル)での隙間の寸法であり、pはkg/m(1平方メートルあたりのキログラム)で表される各々の支承マットの密度の無次元量である。好ましくは、触媒本体11の通過流れ方向15に対して垂直に見た触媒本体11と金属製筐体12との間の隙間18が、s≦p*4の関係に従って寸法決定される。触媒本体11を固定するための筐体12に挿入される各々の支承マットの密度は、優先的には、0.9kg/mから2.2kg/mまでの間の大きさとなる。
固定するために挿入される支承マットは、50%から70%までの間の全体繊維比率と、30%から50%までの間の蛭石比率とを優先的に有する。全体繊維比率におけるSiO比率は、少なくとも55%の大きさになる。
排気ガスが通って流れる触媒本体11は、流入側13と流出側14との間の距離によって決定される長さを有し、この長さは、具体的には500mmから690mmまでの間、好ましくは550mmから660mmまでの間、最も好ましくは590mmから630mmまでの間である。したがって、流入側13および流出側14における周辺19に対して垂直に延びる触媒本体11の周辺または縁20の長さは、この範囲にある。
優先的には、通過流れ方向15に対して垂直に定義されている隙間18の寸法は、触媒本体11の全長にわたって同一である。しかしながら、触媒本体11の公差のため、通過流れ方向で見られる通過流れ方向に対して垂直な隙間18の寸法は異なってもよい。
特に好ましいのは、流入側13および流出側14を画定する周辺または縁19が、各々の場合で、210mmから280mmの間の寸法、好ましくは230mmから260mmの間の寸法を有し、周辺または縁が、触媒本体11の長さを、500mmから690mmの間、好ましくは550mmから660mmまで、最も好ましくは590mmから630mmまでの長さで定義する触媒ユニットである。したがって、筐体12は、触媒本体11の流入側13および流出側14の周辺または縁19と平行に実質的に延びており、220mmから290mmまでの間、好ましくは240mmから260mmまでの長さを有する周辺または縁19を備えている。筐体12の周辺または縁21に対して垂直で、触媒本体11の周辺または縁20と略平行に延び、筐体12の長さを決定する筐体12の周辺または縁22は、510mmから710mmまでの間、好ましくは590mmから630mmまでの間の寸法を有する。
触媒ユニット10の通過流れ方向に対して垂直に見られる筐体12の側壁17が0.9mmから2.2mmまでの間の厚さを有する。
触媒本体11および筐体12の側壁16および17によって定義または画定される隙間18は、最大で8mm、好ましくは最大で6mmの、通過流れ方向15に対して垂直に見られる寸法を有する。
少なくとも一部の区域において、少なくとも触媒本体11の側壁16の領域において触媒ユニット10の触媒本体11を包囲する触媒ユニット10の筐体12は、筐体12における触媒本体11の固定を改善するために、触媒本体11の方向に引き込まれることが好ましい。このため、少なくとも1つの支承マットの中間の配置がされる筐体12と本体11との間の定められた圧力が、調節できる。
触媒本体11の長さにわたって見るとき、少なくとも2つのマットが、隙間18に優先的に位置決めされる。
隙間18の区域において触媒本体11の通過流れ方向15において見られるときに支承マットが触媒本体11と筐体12との間に位置決めされない場合、支承マットが位置決めされないこれらの区域において筐体に空間を設けることは、重量低減にとって有利である。
示した好ましい例示的な実施形態では、筐体12は、触媒本体11の流入側13および流出側14の領域において突出部23を備えている。
流入側13および流出側14の領域において、突出部23は、少なくとも一部の区域において、触媒本体11と筐体12との間の隙間18を閉じ、一部の区域において、触媒本体11の流入側13および流出側14と突出部で重なるが、若干だけであり、そのため触媒本体11の流入側13および流出側14の周辺または縁19と直接に隣接する。このため、流入側13および流出側14の領域で、隙間18は封止でき、さらに、触媒ユニット10の筐体12における触媒本体11の固定は改善され得る。これらの突出部23は、側壁17の折り畳みとして形成され得る。さらに、突出部23を提供する金属ウェブを、例えば溶接によって、側壁17に連結することも可能である。これらの突出部は20mmの最大幅を有し、好ましくは、7mmから17mmまでの幅を有する。
優先的には、触媒本体10は、適切な機械的安定性を確保するために、少なくとも0.8mm、好ましくは少なくとも0.9mm、最も好ましくは少なくとも1.0mmの外壁厚を有する。
触媒本体11の周辺または縁は、具体的には6mm未満の半径、好ましくは5mm未満の半径、最も好ましくは4mm未満の半径で、優先的には丸められる。
流れ通路が形成させられる触媒本体11の内壁厚は、好ましくは、以下の関係に従って決定される。
1.75*Y(−0.3)≦dIW≦1.75*Y(−0.4)
ここで、dIWは、mm(ミリメートル)での内壁厚の寸法であり、yがCPSI(1平方インチ当たりのセル)において表される触媒本体11のセル密度の無次元量である。
触媒本体11の密度は、具体的には550kg/m未満であり、好ましくは500kg/m未満であり、最も好ましくは450kg/m未満の密度である。
触媒本体11の熱膨張係数は、優先的には、5.10*10−61/Kから7.0*10−61/Kまでの間である。
触媒本体11の均衡圧縮強度は、具体的には少なくとも6bar、好ましくは少なくとも7bar、最も好ましくは少なくとも8barにある。
排気ガスが通って流れる触媒本体11の通路と、流入側13および流出側14の領域における触媒本体11の全断面とによって定められる流れ断面の割合によって定められる触媒本体11の自由通過流れ断面は、少なくとも68%、好ましくは少なくとも70%、最も好ましくは少なくとも73%である。
触媒本体11、筐体12、および少なくとも1つの支承マットから成る触媒ユニット10の全重量は、40kg未満、好ましくは30kg未満、最も好ましくは26kg未満である。
本発明による触媒ユニット10は、特に、船舶用途または海洋用途のためのディーゼルエンジンのSCR排気ガス触媒コンバータのSCR触媒ユニットとしての使用に特に適しているが、これらに限定されることはなく、つまり、酸化触媒コンバータおよび粒子フィルタでも用いられる。
具体的には触媒ユニット10が振動負荷に曝されるときであっても、触媒本体11は触媒ユニット10の筐体12にしっかりと保持されることになる。触媒本体11が筐体12において動かされる、または、筐体12から外れる危険性がない。
すでに言及したように、本発明による触媒ユニット10は、単一のセラミック製触媒本体11が位置決めされる筐体12を備えている。したがって、本発明による触媒ユニット10の場合では、個々の筐体12は、筐体に受け入れられる複数の触媒本体と言うよりも、各々の触媒本体11に対して準備されたままとなっている。
本発明による排気ガス触媒コンバータは、複数のこのような触媒ユニット10を備える。
10 触媒ユニット
11 触媒本体
12 筐体
13 流入側
14 流出側
15 通過流れ方向
16 側壁
17 側壁
18 隙間
19 周辺/縁
20 周辺/縁
21 周辺/縁
22 周辺/縁
23 突出部

Claims (13)

  1. 触媒ユニット(10)、特に船舶用ディーゼルエンジンのSCR排気ガス触媒コンバータのためのSCR触媒ユニットであって、非金属の触媒本体(11)を有し、具体的には排気ガスが通って流れるセラミックまたは繊維を含む触媒本体(11)を有する触媒ユニット(10)において、
    略矩形の流入側(13)と略矩形の流出側(14)とを有する略立方形の輪郭と、
    いくつかの区域において前記触媒本体(11)を包囲する金属製筐体(12)と、
    前記触媒本体(11)と前記金属製筐体(12)との間の隙間(18)に位置決めされる少なくとも1つの支承マットと
    を有し、
    前記流入側(13)と前記流出側(14)とを画定する前記触媒本体(11)の周辺または縁(19)が、210mmから280mmの間の寸法、好ましくは230mmから260mmの間の寸法を各々有し、
    前記触媒本体(11)の通過流れ方向(15)に対して垂直に見た前記触媒本体(11)と前記金属製筐体(12)との間の前記隙間(18)が、s≦p*5の関係に従って決定される寸法を有し、ここでsはmmでの前記隙間の寸法であり、pは、kg/mで表される前記支承マットの密度の無次元量、または複数の支承マットを用いるときは、前記支承マットの平均密度であることを特徴とする触媒ユニット(10)。
  2. 前記触媒本体(11)の前記通過流れ方向(15)に対して垂直に見た前記触媒本体(11)と前記金属製筐体(12)との間の前記隙間(18)が、s≦p*4の関係に従って決定される寸法を有することを特徴とする請求項1に記載の触媒ユニット(10)。
  3. 前記支承マットまたは各々の支承マットの密度が0.9kg/mから2.2kg/mまでの間であることを特徴とする請求項1または2に記載の触媒ユニット(10)。
  4. 前記支承マットまたは各々の支承マットが、50%から70%までの間の全体繊維比率を有し、前記全体繊維比率においてSiO繊維比率は少なくとも55%であり、30%から50%までの間の蛭石比率を有することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の触媒ユニット(10)。
  5. 前記触媒本体(11)の前記通過流れ方向(15)に対して垂直に延びる断面を有する前記金属製筐体(12)が、略矩形の断面表面を有し、前記断面表面を画定する前記金属製筐体(12)の周辺または縁(21)が、前記流入側(13)と前記流出側(14)とを画定する前記触媒本体(11)の周辺または縁(19)に対して平行に延び、220mmから290mmまでの間の寸法を有し、
    前記触媒本体(11)の前記通過流れ方向(15)に対して垂直な前記金属製筐体(12)の側壁(17)が0.9mmから2.2mmまでの間の壁厚を有し、
    前記触媒本体(11)の前記通過流れ方向(15)に対して垂直な前記隙間(18)の寸法が、最大で8mmであり、好ましくは最大で6mmであることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の触媒ユニット(10)。
  6. 前記金属製筐体(12)と前記触媒本体(11)との間に少なくとも1つの支承マットが位置決めされる前記区域における前記金属製筐体(12)が、前記触媒本体(11)の方向に引き込まれることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の触媒ユニット(10)。
  7. 前記金属製筐体(12)と前記触媒本体(11)との間に支承マットが位置決めされない前記区域における前記金属製筐体(12)が空間を備えることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の触媒ユニット(10)。
  8. 前記触媒本体(11)の前記流入側(13)の領域と前記流出側(14)の領域とにおける前記金属製筐体(12)が、突出部(23)を備え、前記突出部(23)が、前記触媒本体(11)と前記金属製筐体(12)との間の前記隙間(18)を少なくとも部分的に閉じると共に、投影図において前記流入側(13)および前記流出側(14)を画定する前記触媒本体(11)の周辺または縁(19)に隣接して前記流入側(13)および前記流出側(14)と重なることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の触媒ユニット(10)。
  9. 前記触媒本体(11)が、
    少なくとも0.8mm、好ましくは少なくとも0.9mm、最も好ましくは少なくとも1.0mmの外壁厚を有し、
    6mm未満の半径、好ましくは5mm未満の半径、最も好ましくは4mm未満の半径で丸められた周辺または縁(19、20)を有し、
    1.75*Y(−0.3)≦dIW≦1.75*Y(−0.4)の関係に従って決定される内壁厚を有し、ここでdIWはmm(ミリメートル)での内壁厚の寸法であり、yはCPSI(1平方インチ当たりのセル)において表される前記触媒本体(11)のセル密度の無次元量であることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の触媒ユニット(10)。
  10. 前記触媒本体(11)が、
    550kg/m未満、好ましくは500kg/m未満、最も好ましくは450kg/m未満の密度を有し、
    5.1*10−61/Kから7.0*10−61/Kまでの間の熱膨張係数を有し、
    少なくとも6bar、好ましくは少なくとも7bar、最も好ましくは少なくとも8barの均衡圧縮強度を有し、
    少なくとも68%、好ましくは少なくとも70%、最も好ましくは少なくとも73%の自由通過流れ断面を有することを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の触媒ユニット(10)。
  11. 前記突出部(23)が、最大で20mm、好ましくは7mmから17mmまでの幅を有することを特徴とする請求項8に記載の触媒ユニット(10)。
  12. 前記触媒本体の長さが、500mmから690mmまでの間、好ましくは550mmから660mmまでの間、最も好ましくは590mmから630mmまでの間であることを特徴とする請求項1から11のいずれか一項に記載の触媒ユニット(10)。
  13. 請求項1から12のいずれか一項に記載の触媒ユニット(10)を複数有する排気ガス触媒コンバータ(10)。
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