JP4065023B2 - 内燃機関付き走行車の触媒体 - Google Patents

Description

本発明は、特に高い濃度の炭化水素を含む排気ガスを触媒浄化するための内燃
機関付き走行車の触媒体に関する。
自動車の排気ガス浄化に関する要求が世界的にますます厳しくなっているなかで触媒体の多数の実施形態が開発されている。或る形式の触媒体は、少なくとも部分的に触媒活性材料で被覆されている金属薄膜を有しており、この薄膜は外被管の中に配置されている。この種の触媒体に対して、種々の構造をした金属薄膜の多数の構造形状が知られている。
触媒活性材料が金属薄膜上に施されている触媒体は、熱伝達および熱分布に関して非常に良好な特性を有しているが、所定の用途においては触媒体内における発熱反応によって過熱を生ずるおそれがある。これを防止するために西独特許出願公開第３６３５９９３号明細書において既に、過熱を防止するために排気ガスで貫流される横断面の中央範囲を開けてあるように形成されている触媒体が知られている。そのようなハニカム体は欧州特許出願公開第０２７０８５６号明細書でも知られている。
しかしこれらの公知の触媒体の場合は依然して、排気ガスのできるだけ大部分を浄化し、ごく一部だけを中央範囲を自由に通過させるようにして、排気ガスの貫流横断面を完全に塞いでいるハニカム体において生ずるような中央範囲における過熱を防止するという目的を有している。
勿論用途によっては内燃機関の排気ガスが高い濃度の炭化水素を含んでおり、公知のハニカム体が炭化水素成分を触媒転換するときに過熱してしまうこともある。特に旧式の所定の二サイクルエンジンの排気ガス内の炭化水素の濃度は４容積％ほどになり、完全触媒燃焼の際に非常に多量の熱量を発生する。これは大きな容積の触媒体で克服できるが、そのための十分な空間が得られないことが多い。それにもかかわらずこの高い濃度の有害成分を、有害成分発生に関する少なくとも所定の最低要件を守るために、是認できる費用で減少することが望まれる。
本発明の課題は、例えば２〜４容積％の高い濃度の炭化水素を含む排気ガスを過熱を生ずることなしに少なくとも部分的に触媒転換することのできる触媒体を作ることにある。同時に構造をできるだけ簡単にし、小形走行車にも組み込めるようにすることにある。
この課題は、本発明によれば、少なくとも部分的に触媒活性材料で被覆された金属薄膜が外被管の中において外被管の内周面の近くに配置され、外被管の横断面の大部分が中央範囲に金属薄膜を有していない、特に高い濃度の炭化水素を含む排気ガスを触媒浄化するための内燃機関付き走行車の触媒体において、金属薄膜の少なくとも一部範囲が構造化されて通路を形成し、金属薄膜の構造が、２５〜２００ｃｐｓｉ（セル数／平方インチ）のハニカム体で生ずるような横断面積の通路を形成する大きさおよび形状を有し、中央範囲が金属薄膜の構造化された一部範囲によって規定されていることによって解決される。
本発明の有利な実施態様は従属請求項に記載されている。
実験の結果、排気ガス内の炭化水素のかなりの部分を触媒転換するためには、少なくとも部分的に触媒活性材料で被覆された金属薄膜が内周面の近くに配置されている外被管を通して排気ガスを導くだけで十分であり、その際外被管の横断面の大部分がこのような金属薄膜を有していなくてもよいことが確認された。外被管の全横断面を塞いでいる触媒活性材料で被覆されたハニカム体の場合、流れプロフィルに応じて最も強い発熱反応が、中央範囲でしかも一般にはハニカム体の軸方向において短い領域で生ずる。同時に熱はハニカム構造のためにハニカム体の内部から外側の外被管には放出し難い。これに反して外被管の横断面積の大部分に金属薄膜を備えず、そのような触媒活性材料付きの金属薄膜を外被管の内周面の近くに主として配置させると、発熱反応で生ずる熱はとりあえず容易に放出される。その場合触媒反応は軸方向における短い領域で生ずる代わりに、排気ガス流における拡散過程に基づいて被膜付き金属薄膜の全長にわたって生ずるので、この配置構造の場合も炭化水素の大部分が無害の成分（二酸化炭素および水）に変換される。
さほど厳しくない排気ガス規制を守るためには、完全にあるいは部分的に触媒活性材料で被覆された単層の金属薄膜で十分である。触媒活性表面を増大するために金属薄膜の少なくとも一部範囲が構造化され、特に波形にされている。この構造はより複雑にすること、例えば横リブ付き波形、スリットあるいはマイクロ構造あるいは他の幾何学的形状にすることもできる。
しかし平坦な金属薄膜を外被管の面に合わせて設けることもできる。
金属薄膜は相互におよび／又は外被管に金属ハニカム体において既に知られているようにろう付けによって固定される。特に金属薄膜を外被管の端面範囲においてろう付けするだけで十分である。更に酸化層を形成するために金属薄膜を前処理すること例えば焼なまし処理することが有利である。また例えば点溶接の形で溶接することもできる。
厳しい排気ガス規制に対しては、複数の層例えば２層から６層の金属薄膜を外被管の内周面の近くに設ける必要があり、それらの金属薄膜は排気ガスが貫通する通路を形成するように構造化されている。特にこれらの層は構造化された金属薄膜特に平板薄膜と波板薄膜とをスパイラル状に巻回することによって形成される。
金属薄膜の構造の形および大きさは特に、２５〜２００ｃｐｓｉ（セル数／平方インチ）のハニカム体で生ずるような横断面積の通路を形成するようにすべきである。これは典型的な波形の場合には、例えば約１．５〜６ｍｍの波形の振幅が生ずることを意味している。しかし波形の精確な形状は本発明にとって従属的なものであり、ここでは多くの変形例が考えられる。
排気ガスの転換を横流および渦流によって改善するために、金属薄膜が例えば２〜６ｍｍの直径を有する穿孔を備えていると有利である。
同様に乱流は、金属薄膜がコイル状に巻回されることによって得られる。これは一方ではこの種の金属薄膜を一部品で作ることを可能にする。他方では適当な巻回によって間隙を形成し、この間隙を通して排気ガスを流すかそばを通過させることにより排気ガスを十分に混合させるようにする。その場合コイルのピッチは、コイルターンが重なり合わず、例えば１〜１０ｍｍの小さな間隔を有するようにすると有利である。これによって湾曲管の内張りも可能となる。
外被管自体は円筒形をしているか、あるいは円錐状に広がっている。ヨーロッパ特許第０３８６０１３Ｂ１号明細書において、触媒体の前あるいは後ろにディフューザないしコンフューザを配置することが知られている。ドイツ特許出願公開第３７１９７７３Ａ１号明細書においても排気ガスを浄化するための触媒反応体用の支持体が知られており、この支持体は円錐状に形成され、それに同様に円錐状の外被ブッシュが付設されている。外被管の横断面形状を楕円形にすることもできる。
与えられた空間を良好に利用するために、触媒体範囲は湾曲した外被管範囲にも延長される。これは特に例えばオートバイの排気ガス管に適している。
金属薄膜の材料としては通常の耐熱・耐食性材料が用いられ、特に材料１．４７６７あるいは類似した特性を持つ耐熱・耐食性材料が用いられる。
本発明の他の特に有利な実施態様では、上述の本発明に基づく触媒体（以下前置触媒体と呼ぶ）は後続の主触媒体と組み合わせて作られる。前置触媒体は特に円筒状あるいは円錐状に流れ方向に見て後続する触媒体に前置接続される。これによって内燃機関を始動するために、主触媒体を急速に始動温度にもたらすことができ、これに伴って燃焼ガスを良好に転換することができる。更に前置触媒体は排気ガス流を周囲に対して絶縁する絶縁体としても作用し、その場合急速に始動温度に到達するので、生じた炭化水素の少なくとも一部が燃焼することにより、後続の触媒体は一気に加熱される。エンジンの始動過程は前置触媒体を電気式に加熱することによって排気ガス状態を一層改善することもできる。その際加熱は特に一気に行うことができる。特に円錐状に形成された前置触媒体を使用すると有利である。なぜならばこの前置触媒体は質量流量の一部を外被管壁の近くにおいて実質的に分割し、後置の触媒体の縁部範囲に導入するからである。従ってこれは特に流れ整流器として用いられる。
以下本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は本発明に基づく触媒体の横断面図、
図２は図１の触媒体の縦断面図、
図３は穿孔付き金属薄膜を備えた本発明に基づく触媒体の概略図、
図４は湾曲外被管内にあるスパイラル状金属薄膜、
図５はスパイラル状金属薄膜、
図６は主触媒体が後置されている前置触媒体としての本発明に基づく触媒体、および
図７は主触媒体が後置されている前置触媒体としての電気接続端子付きの本発明に基づく円錐状触媒体を示す。
図１および図２において外被管１の内周面３に唯一の波形金属薄膜２が配置されている。この波形金属薄膜２は触媒活性材料で被覆される大きな表面積を有している。その際被覆は金属薄膜の内側面にだけ行われるか、内外両側面に行われる。この実施例の場合、触媒反応の際に生ずる熱は外被管１に容易に搬出される。金属薄膜に設けられる図示しない穿孔によって特に金属薄膜の両側の触媒活性被膜によって、装置の効率が高められる。波形金属薄膜２は外被管１と共にそれぞれ所定の横断面積を有する通路４を形成している。そのような通路で完全に塞がれているハニカム体に対して、単位面積当たりのセル数を表す単位ｃｐｓｉ（セル数／平方インチ）が通常用いられているので、一般的に個々の通路の大きさにもこの単位が適用できる。本発明によれば、２５〜２００ｃｐｓｉのハニカム体において生ずるような横断面積の通路が形成されるようにしている。種々に構造化されて交互に積層された複数の金属薄膜をスパイラル状に巻回することによって、大きな面積の触媒活性面が作られるが、なおその場合でも、過熱を防止するために横断面の大部分が空けられるように注意する必要がある。
図３は、触媒転換にとって最も簡単な場合には穿孔５付きの金属薄膜２を外被管１の内周面３に配置するだけで十分であることを示している。
触媒体に対して利用できる場所が狭い場合、もともと存在する外被管の湾曲部分を同様に利用することが有利である。図４において曲がり管の形の外被管１も触媒体を収容するために利用されている。その場合一体に形成された金属薄膜２を使用できるようにすることが有利である。これによって湾曲した外被管１への組立は非常に簡単になる。同時に排気ガスを良好に混合することも考慮する必要がある。そのために例えば製造の際に生ずる間隙６が流れの障害物として作用する。
図５は乱流発生用の間隙６を備えたコイル形状の一部品から作られた金属薄膜７を示している。
図６は主触媒体９が後置されている前置触媒体８としての本発明に基づく触媒体を示しており、その際前置触媒体８は外被管１から幾分離されている。これによって外被管１と前置触媒体８との間に排気ガス流の一部を通すことができる。そこでこの部分流は前置触媒体８の内部を流れる排気ガス流を周囲に対して絶縁する絶縁層として作用する。一つあるいは複数の金属薄膜の個々の波形は有利な実施形態において前置触媒体８を外被管１から離すために外被管１に直接載置し、有利には外被管１と前置触媒体８との間に通路を形成するようにしている。他の実施形態においては前置触媒体８を外被管１から離す働きをする突起のような装置が設けられる。
図７は主触媒体９が後置接続されている前置触媒体８の有利な実施形態を示している。前置触媒体８は円錐形状に形成されていることにより流れ分布を一様にする。この前置触媒体８は排気ガス質量流量を分割する働きをすることにより、後置された主触媒体９に特にその縁部範囲に分割された排気ガス部分流を導入することができる。外被管１と前置触媒体８との間を流れるこの部分流は未燃焼炭化水素の発熱転換に基づいて加熱される。この熱は主触媒体９の縁部範囲に伝えられ、これによって主触媒体９は始動温度に到達するまで全体が非常に急速に且つ一様に加熱される。円錐状の前置触媒体８は好適には仮想中心流線に関して約７°の開き角度を有している。実験の結果、円錐状に広がる流れプロフィルが円錐の縁部範囲に排気ガスの良好な質量搬送流を形成することが判明している。それに応じてもっと小さな約３°〜６°、特に５°の傾斜角度も一様な流れプロフィルを生ずる。レノイルズ数並びに他の特性係数の変化によって前置触媒体８の縁部範囲における流れプロフィル従って質量搬送量に影響を及ぼすことに基づいて、円錐の傾斜角度をもっと大きな約１０°〜１５°にすることもできる。流れ方向において前置触媒体８の前に位置する外被管１の形状も排気ガスの流れ状態に一層の影響を及ぼす。前置触媒体８の近くに曲がりが存在しているとき、前置触媒体８の円錐は部分的に全く異なった傾斜角度にすることもでき、特に前置触媒体８の横断面が楕円形にされるようにすることもできる。前置触媒体８の整列は有利な実施態様においては外被管１に対してほぼ平行に延びている。円錐状に広がっている場合、横断面積が増大することにより中央範囲における圧力および平均速度は、外被管と前置触媒体８との間の範囲における圧力および平均速度とは幾分異なっている。そのようにして後続する主触媒体９の縁部範囲に良好な洗流および貫流が生ずる。前置触媒体８自体はこの現象を強めるように形成される。例えば波形が横断面の一様な通路を生ずるようにすることができる。ノズル効果を得るために、横断面を長さに関して減少することあるいは逆に少なくとも幾つかの範囲で増大することもできる。これによって大きくなった縁部横断面はあたかも一つの通路を通して排気ガスを供給される。通路ないし波形は良好な実施態様において長手方向だけでなく、ほぼコイル状ないしスパイラル状に延びている。これによって前置触媒体８の中ないし前置触媒体８と外被管１との間における排気ガスの経路が延長され、未燃焼炭化水素を良好に転換することができる。主触媒体９は更にその縁部範囲が排気ガス質量流量の大部分を供給されるように前置触媒体８から離されている。この排気ガス質量流量は主触媒体９を急速に加熱する。有利な実施態様においては前置触媒体８からの部分流出流と上記の排気ガス流との間に主触媒体９における部分流入流として直接性を有すようにする。このために両部分流は互いに結合される。本発明の発展形態において前置触媒体８はその経過に関しても特に触媒体９の大きな範囲にわたって排気ガスを供給するような開口あるいは別の形状を有している。外被管１および／又は前置触媒体８における小さな壁のようなガイドを設ければ流れる排気ガスを主触媒体９に一層良好に向けさせることができる。電気接続端子１０によって前置触媒体８は電気式に加熱でき、その構造形状に基づいて僅かな電気エネルギーを必要とするだけである。そのために完全に有効な触媒体の始動温度が速やかに得られ、それにより生ずる排気ガスの転換に基づいて、後置接続され同様に電気加熱できる主触媒体９はその発生した熱を吸収して加熱される。後置接続された主触媒体９は特に、外被管１の全横断面にわたって作用するように形成されている。
本発明は特に高い濃度の炭化水素を含む排気ガスにおいて炭化水素分量を部分的に減少するために用いられる。
符号の説明
１ 外被管
２ 金属薄膜
３ 外被管の内周面
４ 通路
５ 穿孔
６ 間隙
７ スパイラル状金属薄膜
８ 前置された触媒体、前置触媒体
９ 後置された触媒体、主触媒体
１０ 電気接続端子

Claims (18)

1. 少なくとも部分的に触媒活性材料で被覆された金属薄膜（２）が外被管（１）の中において外被管（１）の内周面（３）の近くに配置され、外被管（１）の横断面の大部分が中央範囲に金属薄膜（２）を有していない内燃機関付き走行車の触媒体において、金属薄膜（２）の少なくとも一部範囲が構造化されて通路（４）を形成し、金属薄膜（２）の構造が、２５〜２００ｃｐｓｉ（セル数／平方インチ）のハニカム体で生ずるような横断面積の通路を形成する大きさおよび形状を有し、中央範囲が金属薄膜（２）の構造化された一部範囲によって規定されていることを特徴とする内燃機関付き走行車の触媒体。
2. 外被管（１）の内周面（３）に触媒活性材料付きの少なくとも一層の金属薄膜（２）が別個の物体として内周面の少なくとも一部にわたって設けられていることを特徴とする請求項１記載の触媒体。
3. 金属薄膜（２）が少なくとも外被管（１）の端面範囲にろう付けされていることを特徴とする請求項１又は２記載の触媒体。
4. 排気ガスが貫流できる通路を形成するように構造化されている２層から６層の金属薄膜（２）が配置されていることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の触媒体。
5. 金属薄膜がスパイラル状に巻回されていることを特徴とする請求項４記載の触媒体。
6. 金属薄膜がコイル状に巻回されていることを特徴とする請求項４記載の触媒体。
7. 金属薄膜がねじ状に巻回されていることを特徴とする請求項４記載の触媒体。
8. 金属薄膜（２）が穿孔（５）を有していることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の触媒体。
9. 穿孔（５）が２〜６ｍｍの直径を有していることを特徴とする請求項８記載の触媒体。
10. 触媒体薄膜（２）が外被管（１）の内周面（３）に平坦にろう付けされていることを特徴とする請求項８記載の触媒体。
11. 外被管（１）が真っ直ぐ延びていることを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載の触媒体。
12. 外被管（１）が湾曲して延びていることを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載の触媒体。
13. 外被管（１）が円筒形を有していることを特徴とする請求項１乃至１２の１つに記載の触媒体。
14. 外被管（１）が流れ方向に円錐状に広がっていることを特徴とする請求項１乃至１３の１つに記載の触媒体。
15. 外被管（１）の横断面が楕円形を有していることを特徴とする請求項１乃至１２の１つ又は１４に記載の触媒体。
16. 金属薄膜が耐熱・耐食性材料から成っていることを特徴とする請求項１乃至１５の１つに記載の触媒体。
17. 電気式に加熱できることを特徴とする請求項１乃至１６の１つに記載の触媒体。
18. 前置触媒体（８）として利用され、主触媒体（９）が後置接続されていることを特徴とする請求項１乃至１６の１つに記載の触媒体。

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