JP3836134B2 - 触媒反応装置 - Google Patents

Description

この発明は、排気ガスの触媒変換、特に内燃機関からの排気ガスの触媒変換のための触媒反応装置に基づくものである。
排出物質制御のための触媒反応装置、特に自動車エンジンのための、排気ガスのためのフローチャネルがその内部に形成されたハニカム状本体を備えた触媒反応装置が、Ｇ ８７ １２ ２６７．７ Ｕ１から公知である。ハニカム状本体はスリーブ状ケーシングの内部に配置されている。ハニカム状本体とケーシングの内部表面の間には熱絶縁が与えられ、そのため、動作中にケーシングが過熱し得ない。Ｇ ８７ １２ ２６７．７ Ｕ１は、さらに熱絶縁のための外部絶縁外皮をケーシングに設けることを提案している。これらの方策によって、ケーシングとハニカム状本体の間の過大な温度勾配が防がれ、周辺構成要素が熱から守られている。
内部熱絶縁および外部熱絶縁を備えた触媒反応装置は、ＥＰ ０ ２２９ ３５２ Ｂ１から公知である。外部への放熱は、これにより減じられている。
排気ガスの触媒変換は、温度が３００℃を超えると生じる。もし触媒反応装置がまだこの温度に達していなければ、排気ガスは、排気ガスから無害な成分への望ましい変換なしに、反応装置中を流れていく。
触媒変換が始まる温度にできるだけ早く達するためのさまざまな提案が既にされてきた。これらの提案の出発点は、触媒コンバータをできるかぎり早く温めるという目的である。このために、その量が中心触媒コンバータに比べると比較的小さい予備触媒の使用が提案されている。一方、また、可熱触媒コンバータの構築も提案されている。Ｐ．ランゲン他（P.Langen et al）「ＬＥＶ排出基準に適合するために技術に挑む加熱式触媒コンバータ」（『ＳＡＥ技術報告』９４０４７０）（“Heating Catalytic Convetor Competing Technologies to Meet LEV Emission Standards”SAE Technical Paper 940470）を参照。
排気の触媒変換のための触媒反応装置、特に、内燃機関の排気のための触媒反応装置は、米国特許第５ ２７８ １２５号で公知である。この反応装置は、多数のチャネルを備えたハニカム状本体を含み、排気はこのチャネルの中を流れることができる。ハニカム状本体にはガス入口側とガス出口側がある。ハニカム状本体はガス入口側からその全長の一部分において、ケーシングのハウジング内の内部ケーシングに関して、熱絶縁されている。この熱絶縁手段により、ハニカム状本体前部において必要とされる温度に素早く達する。
この発明の目的は、さらに触媒反応装置を発展させ、ただコールドスタートの際に前部小領域において触媒変換のために必要な温度に達するだけでなく、また、運転が中断したときもできるだけ長くその運転温度を維持するか、あるいは、再び迅速に運転温度に達するようにすることである。
この目的は、この発明によって、請求項１に示した方策で達成される。さらなる発展が、従属クレームの主題である。
この発明による触媒反応装置は、ハニカム状本体が、ケーシングの内部表面について、ガス入口側から少なくともその全長の一部において熱的に絶縁されていること、ケーシングの外部表面にもまた、少なくともある領域において熱絶縁が施されていること、そして、ケーシングが少なくともある領域では蓄熱器の役割を果たしていること、を特徴とする。
もし、触媒反応装置が冷たければ、内燃機関から出てくる熱い排気によって運転温度に達するまでにある程度の時間が必要となる。この加熱段階の間はハニカム状本体の触媒表面は、全部、あるいは部分的に効果を持たない。ハニカム状本体の加熱反応を向上させるため、ケーシングに関しガス入口側から少なくともその全長の一部分に熱絶縁が施されている。この絶縁によって、ケーシングがコールドスタートの後直接にハニカム状本体の前部から熱を引出すことを防ぎ、結果的に、触媒変換を遅らせている。もし、排気ガスがある期間を超えて触媒反応装置に与えられれば、ケーシングはまた、熱絶縁によって、あるいは、ケーシングに関して熱的に絶縁されていないハニカム状本体のある部分によって熱せられる。ケーシングはこの際、蓄熱器の役割をする。もし、熱い排気ガスがもはや反応装置に与えられなければ、ケーシングは蓄えた熱を保持するか、それを主としてハニカム状本体に放出する。ケーシングの外部熱絶縁により、外部への熱損失が制限されているからである。
もし、排気ガスが再び触媒反応装置に供給されたならば、反応装置は既に少なくともそのある領域においてはその運転温度にあるか、冷却段階の長さによって比較的早く運転温度に達する。
触媒反応装置のこの構成により、反応装置はある冷却段階の後にその運転温度に比較的早く確実に達する。したがって、厳しい排出規制をよりよく満足できる。
この種の触媒反応装置は、厳しいカリフォルニアの排ガス規制を満たすために特に貢献できる。これらの規制によれば排気ガス出力は３つの検査区間で計測される（ＥＴＰ−７５）。第１検査区間では排気ガスの放出はコールドスタートの間と常温からの移行段階において計測される。この検査区間は５０５秒続く。これに続いて、５０５秒から１３７２秒の間、排気ガス出力を計測する。この高温での運転段階の後、自動車のエンジンは１０分間スイッチをオフにされ、この冷却段階の後、再び作動させられる。ホットスタート後の有害物質の放出は、５０５秒の期間内に計測される。この発明に従った構成では、第１のコールドスタート段階に内部絶縁のために有利な反応が得られ、ホットスタートの間にも、外部絶縁のために、付加的な有利な反応が得られる。
有利なさらなる発展に従い、空隙の構成によって内部絶縁をすることが提案される。
別の提案では、絶縁のために絶縁ジャケットを使用する。この構成には、絶縁ジャケットを、熱応力を補償するために使用できるという利点がある。内部絶縁もまた、低い熱伝導率を持つ層によって、有利に形成できる。それは好ましくはセラミックファイバを含む繊維状の物質であり得る。ハニカム状本体の外側チャネルもまた、排気ガスが、適切なデザインによってこれらのチャネルを通って流れないようにされれば、絶縁としても役立ち得る。
反応装置の外部絶縁のために提案されているのは、ケーシングを絶縁ジャケットで包むこと、これを空隙で分離された第２のハウジングで包むこと、または、外側ハニカムを取付けることである。
有利に、ケーシングはまた、熱絶縁材でコーティングすることもできる。たとえば、ケーシングは耐熱プラスチックなどによって、フォーム加工したりスプレーしたりできる。
ケーシングは少なくとも部分的には蓄熱器として働くので、ケーシングはハニカム状本体に比べて高い蓄熱容量を有する厚みおよび／または物質で製造されるのが有利である。
ケーシングに蓄熱素子が備わっていると有利になり得る。蓄熱素子は有利にハニカム状本体がハウジングケーシングと接続されている部分に配され、よって蓄熱素子からハニカム状本体への熱の急速な解放が生じ得る。蓄熱素子は好ましくは、高い比熱容量を持った物質からなる。これには、反応装置の質量が低く抑えられ、したがって加速により生じる力があまり大きくないために、その中に反応装置が設置されているところの排気ガスシステムの機械的応力が低く抑えられる、という利点がある。蓄熱素子として潜熱室を使用することも、また、可能であり、その際これは好ましくはケーシング中央部に設置されるべきである。
反応装置が、前後に配されかつおそらくは互いに接続された少なくとも２つの小体からなるハニカム状本体を備えていれば有利である。前方の小体はまた、加熱可能で、特に電気で加熱できる。この加熱により、熱をケーシングの加熱で消費することなく、前方小体が運転温度まで加熱されるのを速めることができる。加熱可能な小体の熱絶縁は、また、同時に電気絶縁でもあり得る。
本質的には、この発明の重要な原理は、コールドスタート段階での迅速な応答を得るために、流れの方向から見て、触媒コンバータの第１の小領域からケーシングへの熱損失を低く抑えることである。応答後、中央の小領域の熱は再びケーシングに出され、そこで蓄えられる。行程に中断があった場合、そのとき中央領域は長期間にわたり触媒コンバータのための開始温度より高い温度を維持し、それにより再び作動し始めたときこれはすぐに活性化する。ケーシングチューブに蓄えられた熱はそのとき、ゆっくりとハニカム状本体の中央部分へ解放される。この段階では熱損失は主として、ハニカム状本体の端面を通じて生じるので、ハニカム状本体の後部もまた、ケーシングチューブから熱的に絶縁されていると有利である。そうすれば端面から失われるエネルギはより少ない。前部と後部の小領域は、このようにして、中央領域を端面における熱損失から守る。
この発明のさらなる実施例、有利な構成、応用の可能性がこれから図を参照しつつ述べられるが、この発明はこれらの例に限定されるものではない。図が示しているのは以下のとおりである。
図１は第１の実施例の縦断面図である。
図２は第２の実施例の縦断面図である。
図３は第３の実施例の縦断面図である。
図４は第１の加熱可能小体と第２の小体とを備える反応装置の縦断面図である。
この反応装置は触媒的に働くハニカム状本体２からなり、ハニカム状本体はケーシング１の中に設置されている。ハニカム状本体２にはチャネル３があり、そこを通って排気が流れることができる。ハニカム状本体２はケーシング１と接続されている。第１および第２の実施例では、ハニカム状本体２はケーシング１と接続され、この２つの間に金属のボンディング層１０が接続されている。ボンディング層１０は、好ましくは、良好な熱伝導率を持つ物質からなる。
ハニカム状本体２はケーシング１の内部表面６から全長の少なくとも一部分において熱的に絶縁されている。内部熱絶縁８はハニカム状本体２のガス入口側４からガス出口側５まで延びている。図５で示された実施例では、内部熱絶縁８は、空隙の構成によって作られている。
図２で示された実施例は、内部熱絶縁８が絶縁ジャケット１８で作られている点で内部熱絶縁８に関し、第１具体例と異なっている。外部熱絶縁９は、ケーシング１の外部表面７に取付けられる。
図３は、この発明に従った触媒反応装置の第３の実施例を示している。ハニカム状本体２は、その中に流動体を流し得るようなチャネルを備える。ハニカム状本体２は、接続チューブ１１でケーシング１と接合している。接続チューブ１１は、３つの小領域に分かれる。つまり、ケーシング１の内部表面６に隣接する第１の小領域１１ａと、内部に向かって円錐形に先細になる第２の小領域１１ｂと、ハニカム体２と隣接する第３の小領域１１ｃとである。
第１の小領域１１ａは、たとえば溶接継手１２によってケーシング１と接合される。第３の小領域１１ｃは、たとえば金属製のハニカム状本体２にブレイズ溶接できる。
接続チューブ１１の構成によって、空隙１３が第１の小領域１１ａとハニカム状本体２との間に形成される。さらに、第２の空隙１４が、ケーシング１と第３の小領域１１ｃとの間に形成される。空隙１３、１４は熱的絶縁として作用し、したがってケーシング１をハニカム状本体２から熱的に分断する。接続チューブ１１の第２小領域１１ｂは熱の橋（thermal bridge）のように作用する。この熱の橋によって、一方では、熱は小領域１１ａを通じてケーシング１へ伝えられ、そしてハニカム状本体とケーシングの間に温度勾配があるときには、小領域１１ａ、１１ｂ、１１ｃによってそこからハニカム状本体２へとそれていく。
ケーシング１は、蓄熱器のように働き、外部熱絶縁９を有する。絶縁物質をまた、空隙１３および／または空隙１４に取付けることもできる。
接続チューブ１１が十分に厚くできているときは、たとえば、０．５ｍｍから２ｍｍの厚さがあるとき、好ましくは約１ｍｍであるとき、チューブはケーシングそのものとして作用する。これは、前方の小領域１１ｃではハニカム状本体２と絶縁しており、後方の小領域１１ａではハニカム状本体に隣接しており、触媒反応装置の初動およびホットスタート反応に有利である。
図４は、２つの小体１５と１６とに分かれたハニカム状本体２を示している。小体１５、１６は流れの方向に前後に配置されている。小体１５、１６は、支持構造１７によって互いに接合されている。第１の小体１５は電気加熱可能であり、内部熱絶縁８が小体１５とケーシング１の内部表面６との間に設けられていて、内部表面６に関して、小体１５を熱的、電気的に絶縁している。内部熱絶縁８はケーシング１内に小体１５を保持するために役に立ち得る。第２の小体１６は、ケーシング１に直接接合されている。外部熱絶縁９はケーシング１の外部表面７の上に設けられる。
コールドスタート間には小体１５はこれ以上詳細には示さないが何らかの加熱手段で熱せられる。小体１５は、電熱によって比較的迅速に運転温度に達する。運転温度に達した後には、加熱手段のスイッチはオフにされる。小体１５は、ケーシング１に関して熱的に絶縁されているのでケーシングへの熱の転送は全く起こらないか、極少しだけである。第２小体１６は、後に運転が長引いて熱くなったとき、ケーシング１に熱を解放する。この熱は、限られた範囲までケーシング１内に外部熱絶縁９により蓄えられ、もし、それがある場合には付加的な蓄熱素子１９に蓄えられる。
もし、ある期間にわたり、触媒反応装置に排気ガスが与えられないと、小体１５、１６内の温度は低下する。ケーシング１に蓄えられた熱エネルギは、小体１６へ放出され、したがって小体１６は、比較的ゆっくりと冷えていくだけであり、よって、排気ガスが再び供給されたとき、小体１６はまだ触媒反応に必要な温度を上回っているか、比較的迅速にその温度に達する。
これらの方法によって、自動車のバッテリに大きな負担となりかねない加熱装置の再使用を避けることができる。
触媒反応装置の熱的に絶縁された前方小領域の寸法、２つの絶縁層の熱伝導能力、および／または適当であれば蓄熱素子を用いていくつかの領域でさらに大きくもできる、ケーシングの熱容量を適切に選択することで、ホットスタート反応と同様にコールドスタート反応も、この２つの特性が実際には相互に影響しあうものであるにもかかわらず、向上させることができる。この発明は、したがって、より厳しい排出物制御規制を満足させるために重大な寄与をするものである。
名称リスト
１ ケーシング
２ ハニカム状本体
３ チャネル
４ ガス入口側
５ ガス出口側
６ ケーシング内部表面
７ ケーシング外部表面
８ 内部熱絶縁
９ 外部熱絶縁
１０ 接続層
１１ 接続チューブ
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 小領域
１２ 溶接接続
１３ 空隙
１４ 空隙
１５ 小体
１６ 小体
１７ 支持構造
１８ 絶縁ジャケット
１９ 蓄熱素子

Claims (19)

1. 排気ガスの触媒変換のための触媒反応装置、特に内燃機関からの排気ガスのための装置であって、ハニカム状本体（２）が金属ケーシング（１）内に配置され、このハニカム状本体には、そこを通って排気が流れることができる多数のチャネル（３）が備えられ、ガス入口側（４）とガス出口側（５）とがあり、ハニカム状本体（２）は、ガス入口側（４）からその長さの一部分にわたり、ケーシング（１）の内部表面（６）に関し内部熱絶縁（８）で熱的に絶縁されており、前記装置はケーシング（１）の外部表面（７）もまた、少なくともある領域では、熱絶縁（９）を備え、かつケーシング（１）が、少なくともある領域で、蓄熱室の働きをし、
   外部の前記熱絶縁（９）により外部への熱損失が制限されており、これによりケーシングは、触媒反応装置に熱い排気ガスがもはや供給されなくなると、主にハニカム状本体に、蓄えた熱を放出することを特徴とする、装置。
2. 内部熱絶縁（８）が空隙（１３）であることを特徴とする、請求項１に記載の反応装置。
3. 内部熱絶縁（８）が絶縁ジャケット（１８）で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の反応装置。
4. 内部熱絶縁（８）が低い熱伝導率を持つ層、特に、排気が流れないハニカム状本体（２）のチャネルで形成されることを特徴とする、請求項１または３に記載の反応装置。
5. 外部熱絶縁（９）が絶縁ジャケット（１８）で形成されることを特徴とする、請求項１から４の１つに記載の反応装置。
6. ケーシング（１）が熱絶縁で被覆されていることを特徴とする、請求項１から４の１つに記載の反応装置。
7. ケーシング（１）が外部ハウジングに囲まれており、その間に絶縁が構成されることを特徴とする、請求項１から４の１つに記載の反応装置。
8. ケーシング（１）が少なくともある領域で高い比熱蓄積容量を持つことを特徴とする、請求項１から６の１つに記載の反応装置。
9. ケーシングが、その厚さおよび／またはその素材のために、少なくともある領域においてハニカム状本体（２）の壁に比べ高い蓄熱容量を有することを特徴とする、請求項７に記載の反応装置。
10. ケーシング（１）が蓄熱素子（１９）を備えることを特徴とする、請求項８または９に記載の反応装置。
11. ケーシング（１）および／または蓄熱素子（１９）が高い比熱容量を持つ物質からなることを特徴とする、請求項８、９または１０に記載の反応装置。
12. ケーシングの少なくともある部分が潜熱蓄積室として構成されることを特徴とする、請求項８、９、１０または１１に記載の反応装置。
13. ハニカム状本体（２）が少なくとも２つの前後に配置され互いに接合した小体（１５、１６）を備え、前方の小体（１５）は加熱可能であることを特徴とする、先行の請求項の１つに記載の反応装置。
14. ハニカム状本体（２）が、前後に配置された少なくとも２つの小領域あるいは小体からなることを特徴とする、請求項１から１２の１つに記載の反応装置。
15. 前方の小体あるいは小領域（１５）のみがケーシング（１）に関して、熱的に絶縁されていることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の反応装置。
16. ケーシング（１）の内部表面（６）から熱的に絶縁されているハニカム状本体（２）の部分が少なくとも十分に大きいため、内燃機関のコールドスタートの間、触媒反応に必要な始動温度に達するまで、最前部の小領域において、ケーシング（１）への熱の転送を通じての後部小領域への熱損失が全くないか、あるいは極少しであることを特徴とする、先行の請求項の１つに記載の反応装置。
17. ケーシング（１）の内部表面（６）から熱的に絶縁されたハニカム状本体（２）の部分が８ｍｍから８０ｍｍの長さ、好ましくは３０ｍｍから６０ｍｍの長さであることを特徴とする、請求項１６に記載の反応装置。
18. 内部熱絶縁（８）の方が外部熱絶縁（９）よりも絶縁抵抗が小さいことを特徴とする、先行の請求項の１つに記載の反応装置。
19. ハニカム状本体の後部の小領域または小体がまた、ケーシング（１）に関して内部熱絶縁を備えることを特徴とする、先行の請求項の１つに記載の反応装置。

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