JP3795651B2 - 触媒コンバータ装置およびこれを備えた排気ガスシステム - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の分野】
この発明は、オットーサイクルエンジンなどの内燃機関を備えた自動車の排気ガスシステムのための触媒コンバータ装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
流体が中を流れることのできる複数の流路を有するハニカム状の本体を含む、排気ガスの浄化のための触媒コンバータは、特許明細書ＥＰ−Ｂ−０ ０４９４８９の例から公知である。ハニカム状の本体は好ましくはシートメタル層を含み、少なくともシートメタル層の一部は少なくとも部分的には、シートメタル層の間に流路が形成されるように構造化されている。
【０００３】
さらに、特許明細書ＥＰ ０ ２４５ ７８３ Ｂ１にも自動車の排気ガスシステムのための触媒コンバータ装置が開示されており、排気ガスは少なくとも排気ガスシステムのある部分において少なくとも２本の別個の排気ガスラインの中を導かれ、各排気ガスラインの中には、排気ガスが流れることのできる複数の流路を有する触媒コンバータの少なくとも１本の流路ライン、または流路アレイが配置されている。流路ラインまたは流路アレイは共通のケーシング内に配置され、分離するほぼ平坦な壁によって互いに離されている。
【０００４】
他にも公知なのは２本または３本以上のラインを有する排気ガスシステムであり、それぞれの特定の触媒コンバータが各排気ガスラインに配置されている。特にエンジン近くに配置されている触媒コンバータの場合には、トルク損失を避けるために、排気ガスは多くの場合２組のラインの中を触媒コンバータを超えた位置まで送られる。その点では、放射熱放散による外表面での熱損失が可能な限り低いようにするため、外表面領域が可能な限り小さい触媒コンバータに注意を向けるべきである。また、触媒コンバータは、内燃機関の始動段階において触媒手順が開始する着火温度に可能な限り早く達するようにするため熱容量が可能な限り低くなければならない。さらに、排気ガスの流れによって利用可能な触媒コンバータの断面表面領域を流路ラインまたはアレイの端縁領域においても可能な限り効率よく利用しなければならない。
【０００５】
【発明の概要】
この発明によれば、内燃機関を備えた自動車の排気ガスシステムのための触媒コンバータ装置が提供され、使用中には排気ガスが第１の供給ラインおよび第２の供給ラインの双方を通って触媒コンバータへと案内され、触媒コンバータは第１の流路ラインおよび第２の流路ラインを備えた、ほぼ回転に関して対称であるハニカム状の本体を有し、第１の流路ラインおよび第２の流路ラインは互いに対して少なくともほぼ気密に閉鎖され、その各々はハニカム状の本体の吸気端とハニカム状の本体の排気口とを接続する複数の流路を有し、第１の供給ラインおよび第２の供給ラインはそれぞれ吸気端において第１の流路ラインおよび第２の流路ラインに接続され、第１の流路ラインは第２の流路ラインの内部にほぼ同軸に配置されており、第１の流路ラインおよび第２の流路ラインの流体直径はほぼ等しい。
【０００６】
このような装置では、流路ラインの外表面領域は小さく、流路ラインの熱容量を低くすることができ、排気ガスの流れによって利用可能な流れの断面積を有効に利用することができる。
【０００７】
そのため、内燃機関の排気ガスは第１の供給ラインおよび第２の供給ラインの中を排気ガス触媒コンバータへと案内され、触媒コンバータは第１の流路ラインまたはアレイおよび第２の流路ラインまたはアレイを備えた、回転に関して対称であるハニカム状の本体を有し、第１の流路ラインまたはアレイおよび第２の流路ラインまたはアレイは互いに対して少なくともほぼ気密に密閉されており、その各々はハニカム状の本体の吸気端とハニカム状の本体の排気口とを接続する複数の流路を有する。第１の供給ラインは吸気端において第１の流路ラインに接続され、第１の流路ラインは第２の流路ラインの内部にほぼ同軸に案内されている。第２の供給ラインは吸気端において第２の流路ラインに接続される。第１および第２の流路ラインの流体直径はほぼ等しい。流体直径という術語は、円形断面の流路の直径を意味するように用いられており、これは流路の長さが同じなら、流れに対して同じ圧力損失を生じる。
【０００８】
さまざまな構成の触媒コンバータ装置は異なるハニカム状の本体を用いている可能性がある。流路がほとんどすべてほぼ同じ断面領域を有するハニカム状の本体を用いる際は、第１および第２の流路ラインの断面領域はほぼ等しい。
【０００９】
ハニカム状の本体が回転に関して対称であるおかげで、ハニカム状の本体はその外周縁部に関してその断面領域に対して有利な関係にあり、また、その外表面領域に関してもその容積に対して有利な関係にある。外表面はほぼ円筒形の外表面であることが好ましい。第１の流路ラインが第２の流路ラインの内部に案内されているため、触媒コンバータ装置の動作中の第１の流路ラインの熱損失は非常に低い。特に第２の流路ラインを流れる排気ガスの温度が第１の流路ラインを流れる排気ガスの温度より高い場合、第１の流路ラインがそれを囲んでいる第２の流路ラインから熱を得ることさえ可能である。そのため、かなりの熱損失が起こるのは第２の流路ラインにおいてのみであり、これはその外表面で起こる。
【００１０】
好ましいハニカム状の本体とは、たとえば特許明細書ＤＥ４４ ４５ ５５７Ａ１に説明されるような二重壁ケーシング等によって熱をよく遮断するものである。よい断熱を提供する別の方法は、第２の流路ラインの外周縁部に、たとえば、シートメタル層の構造化されたものおよび構造化されていないものを装着し、そのまわりに巻付けることによって排気ガスが流れることのできない付加的な流路を備えることである。
【００１１】
この発明による触媒コンバータ装置の利点は、触媒コンバータの領域での熱容量を低くできることである。２つの流路ラインのコンパクトな配置のおかげで、ハニカム状の本体を機械的に安定するため、およびハニカム状の本体の流路ラインを排気ガスシステムに接続するため、流路ラインでは必要な材料は少しだけである。材料の節約は同時に熱容量の削減をも意味する。
【００１２】
特に供給ライン内の層流排気ガス流の場合、公知の触媒コンバータ装置の場合では、排気ガスは流路ラインの内部領域を流れるのと比べて外表面の端領域をよりゆっくりと流れる。この発明による触媒コンバータ装置では、第２の供給ラインを流れる排気ガスがハニカム状の本体の外部領域へと流れることを強いられるおかげで利用可能な流れの断面の利用にむらをなくすことができる。
【００１３】
この発明による触媒コンバータ装置の一実施例では、ハニカム状の本体は円筒形の内側管を有し、これは第２の流路ラインの内部に同軸に配置され第１の流路ラインを囲みハニカム状の本体の端縁同士を接続する。円筒形内側管の端縁はハニカム状の本体の吸気端から突出する。たとえば流路ラインを供給ラインに接続する部分を前記端縁に溶接したり、またははんだ付けすることが可能である。設計構成によっては接続部分とともに端縁がほぼ密封性を有する滑り嵌めを形成するものもある。
【００１４】
触媒コンバータ装置のさらなる実施例では、ハニカム状の本体の直接上流側にある第１および第２の供給ラインの少なくとも一部分は、円筒形内側管とこれに対して同軸である円筒形外側管とを備えた同軸の管の中を通り、第１の供給ラインは内側管の中を通る。この実施例の好ましい発展形としては、それぞれ内側管の直径および外側管の直径が第１の流路ラインの直径および第２の流路ラインの直径と等しくなるように構成したものである。ハニカム状の本体は好ましくは、２つの流路ラインを含む管状ケーシングを有する。同軸の管の外側管は管状ケーシングに溶接されるか、はんだ付けされるか、またはフランジで接続される。
【００１５】
触媒コンバータ装置のさらに別の構成では、第１および第２の供給ラインは各々その一部分にそれぞれ第１および第２の管路部分を有し、第１および第２の管路部分はほぼ同じ断面を有し、第２の供給ラインは第２の遷移部分を有し、第２の遷移部分は第２の管路部分を第２の流路ラインに外部に対して気密な関係で接続し、第１の供給ラインは第１の遷移部分を有し、第１の遷移部分は第１の遷移部分の壁を通って第１の管路部分を第１の流路ラインに外部に対して気密な関係で接続し、かつ第２の供給ラインに対して少なくともほぼ気密な関係で接続する。この構成の発展形では第１および第２の管路部分は共通の外側管内に配置される。この発展形の利点は、外側管が２つの管路部分のための断熱部を形成し、外側管が機械的に管路部分を安定させるため２つの管路部分の外壁は薄くてもよいことである。さらなる発展形では、２つの管路部分は各々半円形の断面を有し、外側管の円形内部断面をほぼ埋める。
【００１６】
触媒コンバータ装置のさらなる実施例では、ハニカム状の本体は巻付けられたおよび／または積重ねられたシートメタル層を備えた金属のハニカム状の本体であり、シートメタル層のうちの少なくとも一部分は構造化されたシートメタル層であり、そのためシートメタル層の間に流路が形成される。この種類のハニカム状の本体はたとえば特許明細書ＤＥ ４２ ２３ １３４およびＥＰ−Ｂ−００４９ ４８９などから公知である。
【００１７】
さらなる実施例は、供給ラインと流路ラインとの接続のさらなる形に関する。ハニカム状の本体は吸気端において環状構造にスロットがついており、第１の供給ラインによってほぼ密封性を有する滑り嵌めを形成する。別の可能な接続の形によれば、触媒コンバータ装置はその吸気端に第１の流路ラインと直径が同じである円筒リングを有し、これはハニカム状の本体内の流路の中に突出する支持材によってハニカム状の本体に接続されている。
【００１８】
有利には、この発明による触媒コンバータ装置は４シリンダインライン内燃機関とともに用いられ、シリンダは連続的にＩからＩＶとして識別され、シリンダＩおよびＩＶは第１の流路ラインに接続され、シリンダＩＩおよびＩＩＩは第２の流路ラインに接続される。シリンダＩおよびＩＶが端にある状況のおかげで、これらのシリンダの排気ガスはシリンダＩＩおよびＩＩＩの排気ガスよりも温度が高い。双方の流路ラインでの始動段階で可能な限り早く着火温度に到達させるために、より高い温度の排気ガスが第２の流路ラインに送り込まれるが、そこで実質的により高い熱損失が起こる。
【００１９】
この発明による触媒コンバータ装置の実施例は添付の図面に関連して例示によって説明される。
【００２０】
【詳細な説明】
図１に示される触媒コンバータ装置はほぼ回転に関して対称であるハニカム状の本体３を有し、ハニカム状の本体３は円筒管状ケーシング５およびこれに対して同軸である円筒形内側管４を備えている。この構成はすなわち第１の内側流路ラインまたはアレイ１および第２の外側流路ラインまたはアレイ２を形成する。排気ガス供給および排気ガス排出はハニカム状の本体に対して対称である。図１の左側には第１の供給ライン６および第２の供給ライン７を備えた排気ガス供給が示される。図１の左側の第１の供給ライン６および第２の供給ライン７は各々、それぞれの管路部分９を有し、これはほぼ同じ円筒形の断面を有する。第２の供給ライン７の管路部分９は第２の遷移部分１３へと入り、第２の遷移部分１３は管路部分９を第２の流路ライン２に外部に対して気密な関係で接続する。第１の供給ライン６の管路部分９は第１の遷移部分１２へと入り、第１の遷移部分１２は管路部分９を第１の流路ラインに外部に対して気密な関係で接続し、かつ第２の供給ラインに対しても気密な関係で接続する。この装置では第１の遷移部分１２は第２の遷移部分１３の壁を通る。
【００２１】
吸気端１４において円筒形内側管４の端縁８はハニカム状の本体３から突出する。遷移部分１２は端縁８のまわりで端縁８に気密にはんだ付け、または溶接される。しかしながら、遷移部分１２および端縁８がほぼ気密性のある滑り嵌めを形成することも可能である。これはたとえば、端縁８がその端縁部分のまわりに延びるスロットを有し、遷移部分１２が、そのスロットに適合する対応して形作られた管状端を有することによってである。このようにして、温度差の結果生じる第１および第２の排気ガスラインの長さのさまざまな変動のために遊びを持たせてもよい。第２の遷移部分１３は好ましくは管状ケーシング５に溶接される。
【００２２】
排気ガス排出とハニカム状の本体３の排気口１５との接続は触媒コンバータに対して鏡像の関係にあるように設計されるが、それ以外は吸気端１４の排気ガス供給に類似する。
【００２３】
図２の断面図には、巻付けられ、または渦巻き状に巻かれ、および積重ねられたシートメタル層１１を備えたハニカム状の本体３の好ましい構造が示される。シートメタル層１１のうちのほぼ半分は構造化された層であり、そのため流路１０が層１１の間に形成される。
【００２４】
図３に示されるハニカム状の本体３は、円筒形内側管４およびこれに対して同軸である円筒形外側管５とを含む同軸の管４、５に接続される。その流路ライン１および２は４シリンダインラインエンジンのシリンダに接続される。シリンダは連続的にＩからＩＶとして番号がつけられている。内燃機関の動作中、シリンダＩおよびＩＶからの排気ガスは図３の“Ｉ＋ＩＶ”および矢印によって示されるように外側流路ライン２の中を流れる。これに対応してシリンダＩＩおよびＩＩＩからの排気ガスは流路ライン１の中を流れる。
【００２５】
この発明による触媒コンバータ装置はコンパクトな構造でありながら、エンジンに近い位置で排気ガスを浄化することを可能にし、放射による熱損失が低く、ハニカム状の本体の断面にわたって排気ガスの流れをほぼ均質に分配する。
【図面の簡単な説明】
【図１】供給ラインの管路部分がその部分に対して互いに空間的に離されている、この発明に従った触媒コンバータ装置を示す図である。
【図２】触媒コンバータの断面図である。
【図３】同軸の接続管を備えた触媒コンバータを示す図である。
【符号の説明】
１ 第１の内側流路ラインまたはアレイ
２ 第２の外側流路ラインまたはアレイ
３ ハニカム状の本体
４ 円筒形内側管
５ 円筒管状ケーシング
６ 第１の供給ライン
７ 第２の供給ライン
８ 端縁
９ 管路部分
１０ 流路
１１ シートメタル層
１２ 第１の遷移部分
１３ 第２の遷移部分
１４ 吸気端
１５ 排気口

Claims (9)

  1. 内燃機関を備えた自動車の排気ガスシステムのための触媒コンバータ装置であって、使用中には排気ガスが第１の供給ラインおよび第２の供給ラインの双方を通って触媒コンバータへと案内され、触媒コンバータは第１の流路ラインおよび第２の流路ラインを備えた、ほぼ回転に関して対称であるハニカム状の本体を有し、第１の流路ラインおよび第２の流路ラインは互いに対して少なくともほぼ気密に閉鎖され、その各々はハニカム状の本体の吸気端とハニカム状の本体の排気口とを接続する複数の流路を有し、第１の供給ラインおよび第２の供給ラインはそれぞれ吸気端において第１の流路ラインおよび第２の流路ラインに接続され、第１の流路ラインは第２の流路ラインの内部にほぼ同軸に配置されており、第１および第２の供給ラインは各々その一部分にそれぞれ第１および第２の管路部分を有し、第１および第２の管路部分はほぼ同じ断面を有し、第２の供給ラインは第２の遷移部分を有し、第２の遷移部分は第２の管路部分を第２の流路ラインに外部に対して気密な関係で接続し、第１の供給ラインは第１の遷移部分を有し、第１の遷移部分は第２の遷移部分の壁を通って第１の管路部分を第１の流路ラインに外部に対して気密な関係で接続し、かつ第２の供給ラインに対して少なくともほぼ気密な関係で接続する、触媒コンバータ装置。
  2. 第１の流路ラインまたは第２の流路ライン内に配置される、ハニカム状の本体のほとんどすべての流路はほぼ同じ断面を有し、流路ラインの断面領域はほぼ等しい、請求項１に記載の触媒コンバータ装置。
  3. ハニカム状の本体は吸気端において環状構造にスロットがついており、第１の供給ラインによってほぼ密封性を有する滑り嵌めを形成する、請求項１または請求項２に記載の触媒コンバータ装置。
  4. ハニカム状の本体は円筒形の内側管を有し、円管形内側管は第２の流路ラインの内部に同軸に配置され第１の流路ラインを囲みハニカム状の本体の端縁同士を接続し吸気端においてハニカム状の本体から突出する端縁を有する、請求項１または請求項２に記載の触媒コンバータ装置。
  5. ハニカム状の本体の直接上流側にある第１および第２の供給ラインの少なくとも一部分は、円筒形内側管とこれに関して同軸である円筒形外側管とを備えた同軸の管の中を通り、第１の供給ラインは内側管の中を通る、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の触媒コンバータ装置。
  6. 第１および第２の管路部分が共通の外側管内に配置される、請求項１に記載の触媒コンバータ装置。
  7. ハニカム状の本体は巻付けられたおよび／または積重ねられたシートメタル層を備えた金属のハニカム状の本体であり、シートメタル層のうちの少なくとも一部分は構造化されたシートメタル層であり、そのためシートメタル層の間に流路が形成される、請求項１から請求項６までのいずれかに記載の触媒コンバータ装置。
  8. 第１の流路ラインおよび第２の流路ラインの流体直径はほぼ等しい、請求項１から請求項７までのいずれかに記載の触媒コンバータ装置。
  9. 内燃機関は４シリンダインライン内燃機関であり、シリンダは連続的にＩからＩＶとして識別され、シリンダＩおよびＩＶは第１の流路ラインに接続され、シリンダＩＩおよびＩＩＩは第２の流路ラインに接続される、請求項１から請求項８までのいずれかに記載の触媒コンバータ装置を備えた排気ガスシステム。
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