JP4540283B2 - 加熱要素付き排気ガス浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
本発明は、外被管内に配置され排気ガスで貫流されるハニカム構造の少なくとも１つの触媒担体と、電気加熱要素とを有し、該要素が両端に電気接続端子を有し、加熱要素内に電気絶縁用の隙間によって曲がりくねった流路が規定される内燃機関、特にディーゼルエンジンの排気ガスの浄化装置に関する。
【０００２】
そのような装置は、例えばヨーロッパ特許第０７８３６２１号明細書で公知である。またその詳細な内容は、加熱可能なハニカム体およびその構成の開発の歴史に深く携わってきた本件出願人発行の小冊子「電気的に加熱可能な触媒（Elektrisch Heizbarer Katalysator ）Emicat」に記載してある。
【０００３】
公知の装置では、触媒担体を必要時に急速に加熱すべく、加熱可能なハニカム体を排気ガスの流れ方向で、触媒担体の上流に配置することを前提としている。従って公知の装置は、横断面にわたりできるだけ均一な加熱を行えるよう、電気絶縁用の隙間を小さくし、横断面の殆ど大部分を加熱することを前提とする。
【０００４】
ヨーロッパ特許第０５５７３０９号明細書により、加熱可能なハニカム体を触媒担体の下流に配置することも公知である。その構想は、使用中に触媒装置の最初の部分が高温と別の原因とで劣化し、即ち触媒活性が害され、そして初めて、その下流にある部位が加熱されるという考えから出発する。触媒装置における最初の部分の、燃料の或る成分による所謂被毒も、このようにして補償できる。
【０００５】
また、電気加熱可能な金属板層或いは金属構造物を原則的に一様に充填された横断面を、特別な処置により不揃いに、特に所定の高温部位（ホットスポット）を発生させ、加熱するという構想が知られている。そのような構想は、所定の個所が大きな電気抵抗を有し、別の個所が小さな電気抵抗を有する構造物を形成する必要があり、非常に複雑な製造技術を要求する。
【０００６】
内燃機関の排気装置における別の構成要素を加熱する電気的に加熱可能なハニカム体の場合、ハニカム体を均一に或いは不均一に所定温度に加熱することについてだけでなく、特に加熱熱量を後続の構成要素および／又は貫流する排気ガスに与えることを意図している。
【０００７】
例えば単純な電熱線は、その表面積が小さいために、十分な熱を発生しない。後続のハニカム体を所定の最低温度に加熱するため、例えば集めた煤を発火させるために、或いは触媒反応に開始するために、加熱可能なハニカム体は、それ自体で必要な温度に達せねばならないだけでなく、排気ガスや後続の構成要素（ハニカム体）に必要な熱を与えねばならない。
【０００８】
本発明の課題は、後続の構成要素、特に煤フィルタを迅速且つ効果的に加熱する加熱要素を持つ内燃機関の排気ガスの浄化装置を提供することにある。この装置は、機械的に強固であり、自動車に適した流速で運転できねばならない。
【０００９】
この課題は本発明に基づいて、特許請求の範囲請求項１に記載の装置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。
【００１０】
本発明に基づき、排気ガス浄化装置は、ハニカム構造の触媒担体を有し、この触媒担体に、加熱要素としてのハニカム体が電気絶縁支持要素によって固定されている。そのハニカム体は、両端に電気接続端子を有し、曲がりくねった流路を規定すべく形成されている。そのハニカム体は、排気ガスの流れ方向において、触媒担体の下流に配置されている。そのハニカム体は大きな表面積を有し、これによって、貫流する排気ガスへの良好な熱伝達が保障される。発生した熱は、それを通しておよび熱放射によって、排気ガスから後続の構成要素に迅速に伝達される。排気ガスの流れ方向の上流に配置された触媒担体に、場合により熱放射によって与えられる熱は、触媒担体から再び排気ガスに与えられ、この結果、加熱熱量全部が、後続の構成要素で利用される。
【００１１】
好適にはハニカム体は、流路がほぼ蛇行状或いはスパイラル状をなすよう形成される。該ハニカム体は第１横断面積、隙間は第２横断面積を有する。
【００１２】
特に有利な実施態様では、隙間を、小冊子「電気的に加熱可能な触媒Emicat」に記載の公知の装置より非常に大きくする。本発明に基づく装置の場合、原理的構成は、確かに小冊子に示された「加熱触媒 シリーズ６」に相当するが、まず第１に、その配置は流れ方向に対し逆にされ、第２に、電気絶縁用の隙間が公知の装置の場合よりも非常に大きくされている。加熱可能なハニカム体の横断面積と、隙間の横断面積との比が２、特に１より小さいと有利である。後者は、隙間の幅が、曲がりくねった流路を形成する加熱可能なハニカム体の幅より広いことを意味する。
【００１３】
それにも係らず、加熱要素の電気的特性は任意に調整できる。加熱要素が流れ方向において５〜２０ｍｍ、特に１０ｍｍの一定した典型的な広がりを有すると、その隙間幅の拡大は、加熱要素内の流路の長さを短縮しおよび／又は流路内で平行な金属板の層数を減少しおよび／又は流路内のセルの寸法を縮小せねばならないことを意味する。正に最後に述べたセル寸法の縮小は、加熱熱量が同じ場合（電気抵抗は、他の残りのパラメータが同じままでセルが縮小するために、大きく変化しない）、加熱要素を貫流する排気ガス部分流（および隙間を通らない排気ガス部分流）に、多量の熱を与えられる。そのように生じた熱流は、後続の構成要素を部分的に加熱する。これは、触媒反応を起こさせ或いは特に煤フィルタに集めた煤を発火させるのに特に有利である。
【００１４】
加熱可能なハニカム体における隙間は、その全経路にわたりほぼ同じ幅を有するか、外被管に向かって幅が増大する。前者の場合、全横断面部位において高温の部分流が発生し、後者の場合、排気装置の内部に外部よりも大きな加熱熱量が与えられるように、排気装置における典型的な流れ分布に合わせる。
【００１５】
本発明に基づく、特に有利な非常に細長い流路の振動を防止すべく、加熱要素と触媒担体の間の支持要素を、電流路にわたりほぼ等間隔に分布させるとよい。
【００１６】
加熱要素の支持体としての触媒担体は、代表的には触媒活性被膜を持つ。該被膜は、排気ガス内の成分、特に一酸化炭素や炭化水素の酸化を助長する。また加熱可能なハニカム体にも、同じ触媒活性層、特に酸化作用層を設けるとよい。
【００１７】
加熱可能なハニカム体が、触媒担体のハニカムより小さなハニカムを有していると特に好ましい。触媒担体に対しては３１〜７７ｃｐｓｃ（１ｃｍ2当たりのセル数）のセルが、加熱可能なハニカム体に対しては６２〜１２４ｃｐｓｃのセルが特に適している。加熱可能なハニカム体は、特に波の低い波形金属板と、波の高い波形金属板とを交互に重ね合わせて構成されている。
【００１８】
本発明の装置は、特にセラミックフィルタでもある後続の煤フィルタと組み合わせて利用される。金属とセラミックは熱膨張係数が異なるので、上述の形式の加熱体はセラミックフィルタで支持する際に問題が生ずる。従って、酸化触媒の下流に配置した加熱要素の上述の構成は、特にこの種の全体的な配置に適する。
【００１９】
以下、図示の実施例を参照して本発明を詳細に説明する。
【００２０】
図１に示す本発明の実施例において、外被管３内に触媒担体１とハニカム体２が配置されている。触媒担体１はハニカム７を有し、ハニカム体２はハニカム８を有する。ハニカム体２は電気加熱要素として使われる。ハニカム体２は両端に電気接続端子４を持ち、絶縁隙間５により曲がりくねった流路を規定している。ハニカム体２は電気絶縁支持要素６を介し触媒担体１に固定されている。ハニカム体２は、図２から判るように、排気ガスの流れ方向で触媒担体１の下流に配置され、支持要素６はハニカム体２の流路にわたりほぼ等間隔に分布して配置されている。図１の実施例では、支持要素６として、電気絶縁（図示せず）付きの金属ピンが設けられている。支持要素６は振動と電気的短絡を防ぐ。触媒担体１から流出する排気ガスは、一部はハニカム体２のそばを通り、残りはハニカム体２を貫流して流れる。ハニカム体２を貫流する排気ガスは加熱要素２の大きな表面で加熱され、これに伴い、後続の構成要素を同様に部分的に加熱する。
【００２１】
図２は、本発明に基づく装置の内燃機関１０の排気装置への原理的な配置構造を示す。内燃機関１０から流出する排気ガスは、まず触媒担体１を貫流し、続いてハニカム体２を、そして後続の構成要素９、特に煤フィルタを貫流する。後続の構成要素は、ここで図示した構成要素と異なり、加熱可能なハニカム体より大径にしてもよい。
【００２２】
本発明は、特にディーゼルエンジンの排気ガスの浄化に適する。その場合、まず酸化可能な気体成分を変換し、続いて粒子を粒子フィルタで除去する。集めた煤の燃焼には、煤フィルタの運転温度が長時間にわたりその燃焼温度に達しないなら、補助加熱装置で点火せねばならない。本発明に基づく装置は、かかる場合に特に適する。一部分で煤に点火すれば隣接範囲も着火するので、完全に均一に加熱する必要はない。従って、流通横断面積の全体を一様に加熱するより、電気エネルギを有効に利用して高温部分流を発生するとよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 Ｓ状に曲がりくねったハニカム体を備えた触媒装置の概略断面図。
【図２】 本発明に基づく装置を備えた排気装置の概略構成図。
【符号の説明】
１ 触媒担体
２ 加熱可能なハニカム体
３ 外被管
４ 電気接続端子
５ 電気絶縁用の隙間
６ 支持要素
７ 触媒担体のハニカム
８ 加熱可能なハニカム体のハニカム
９ 別の構成要素（煤フィルタ）
１０ 内燃機関
本発明は、外被管内に配置され排気ガスで貫流されるハニカム構造の少なくとも１つの触媒担体と、電気加熱要素とを有し、該要素が両端に電気接続端子を有し、加熱要素内に電気絶縁用の隙間によって曲がりくねった流路が規定される内燃機関、特にディーゼルエンジンの排気ガスの浄化装置に関する。
【０００２】
そのような装置は、例えばヨーロッパ特許第０７８３６２１号明細書で公知である。またその詳細な内容は、加熱可能なハニカム体およびその構成の開発の歴史に深く携わってきた本件出願人発行の小冊子「電気的に加熱可能な触媒（Elektrisch Heizbarer Katalysator ）Emicat」に記載してある。
【０００３】
公知の装置では、触媒担体を必要時に急速に加熱すべく、加熱可能なハニカム体を排気ガスの流れ方向で、触媒担体の上流に配置することを前提としている。従って公知の装置は、横断面にわたりできるだけ均一な加熱を行えるよう、電気絶縁用の隙間を小さくし、横断面の殆ど大部分を加熱することを前提とする。
【０００４】
ヨーロッパ特許第０５５７３０９号明細書により、加熱可能なハニカム体を触媒担体の下流に配置することも公知である。その構想は、使用中に触媒装置の最初の部分が高温と別の原因とで劣化し、即ち触媒活性が害され、そして初めて、その下流にある部位が加熱されるという考えから出発する。触媒装置における最初の部分の、燃料の或る成分による所謂被毒も、このようにして補償できる。
【０００５】
また、電気加熱可能な金属板層或いは金属構造物を原則的に一様に充填された横断面を、特別な処置により不揃いに、特に所定の高温部位（ホットスポット）を発生させ、加熱するという構想が知られている。そのような構想は、所定の個所が大きな電気抵抗を有し、別の個所が小さな電気抵抗を有する構造物を形成する必要があり、非常に複雑な製造技術を要求する。
【０００６】
内燃機関の排気装置における別の構成要素を加熱する電気的に加熱可能なハニカム体の場合、ハニカム体を均一に或いは不均一に所定温度に加熱することについてだけでなく、特に加熱熱量を後続の構成要素および／又は貫流する排気ガスに与えることを意図している。
【０００７】
例えば単純な電熱線は、その表面積が小さいために、十分な熱を発生しない。後続のハニカム体を所定の最低温度に加熱するため、例えば集めた煤を発火させるために、或いは触媒反応に開始するために、加熱可能なハニカム体は、それ自体で必要な温度に達せねばならないだけでなく、排気ガスや後続の構成要素（ハニカム体）に必要な熱を与えねばならない。
【０００８】
本発明の課題は、後続の構成要素、特に煤フィルタを迅速且つ効果的に加熱する加熱要素を持つ内燃機関の排気ガスの浄化装置を提供することにある。この装置は、機械的に強固であり、自動車に適した流速で運転できねばならない。
【０００９】
この課題は本発明に基づいて、特許請求の範囲請求項１に記載の装置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。
【００１０】
本発明に基づき、排気ガス浄化装置は、ハニカム構造の触媒担体を有し、この触媒担体に、加熱要素としてのハニカム体が電気絶縁支持要素によって固定されている。そのハニカム体は、両端に電気接続端子を有し、曲がりくねった流路を規定すべく形成されている。そのハニカム体は、排気ガスの流れ方向において、触媒担体の下流に配置されている。そのハニカム体は大きな表面積を有し、これによって、貫流する排気ガスへの良好な熱伝達が保障される。発生した熱は、それを通しておよび熱放射によって、排気ガスから後続の構成要素に迅速に伝達される。排気ガスの流れ方向の上流に配置された触媒担体に、場合により熱放射によって与えられる熱は、触媒担体から再び排気ガスに与えられ、この結果、加熱熱量全部が、後続の構成要素で利用される。
【００１１】
好適にはハニカム体は、流路がほぼ蛇行状或いはスパイラル状をなすよう形成される。該ハニカム体は第１横断面積、隙間は第２横断面積を有する。
【００１２】
特に有利な実施態様では、隙間を、小冊子「電気的に加熱可能な触媒Emicat」に記載の公知の装置より非常に大きくする。本発明に基づく装置の場合、原理的構成は、確かに小冊子に示された「加熱触媒 シリーズ６」に相当するが、まず第１に、その配置は流れ方向に対し逆にされ、第２に、電気絶縁用の隙間が公知の装置の場合よりも非常に大きくされている。加熱可能なハニカム体の横断面積と、隙間の横断面積との比が２、特に１より小さいと有利である。後者は、隙間の幅が、曲がりくねった流路を形成する加熱可能なハニカム体の幅より広いことを意味する。
【００１３】
それにも係らず、加熱要素の電気的特性は任意に調整できる。加熱要素が流れ方向において５〜２０ｍｍ、特に１０ｍｍの一定した典型的な広がりを有すると、その隙間幅の拡大は、加熱要素内の流路の長さを短縮しおよび／又は流路内で平行な金属板の層数を減少しおよび／又は流路内のセルの寸法を縮小せねばならないことを意味する。正に最後に述べたセル寸法の縮小は、加熱熱量が同じ場合（電気抵抗は、他の残りのパラメータが同じままでセルが縮小するために、大きく変化しない）、加熱要素を貫流する排気ガス部分流（および隙間を通らない排気ガス部分流）に、多量の熱を与えられる。そのように生じた熱流は、後続の構成要素を部分的に加熱する。これは、触媒反応を起こさせ或いは特に煤フィルタに集めた煤を発火させるのに特に有利である。
【００１４】
加熱可能なハニカム体における隙間は、その全経路にわたりほぼ同じ幅を有するか、外被管に向かって幅が増大する。前者の場合、全横断面部位において高温の部分流が発生し、後者の場合、排気装置の内部に外部よりも大きな加熱熱量が与えられるように、排気装置における典型的な流れ分布に合わせる。
【００１５】
本発明に基づく、特に有利な非常に細長い流路の振動を防止すべく、加熱要素と触媒担体の間の支持要素を、電流路にわたりほぼ等間隔に分布させるとよい。
【００１６】
加熱要素の支持体としての触媒担体は、代表的には触媒活性被膜を持つ。該被膜は、排気ガス内の成分、特に一酸化炭素や炭化水素の酸化を助長する。また加熱可能なハニカム体にも、同じ触媒活性層、特に酸化作用層を設けるとよい。
【００１７】
加熱可能なハニカム体が、触媒担体のハニカムより小さなハニカムを有していると特に好ましい。触媒担体に対しては３１〜７７ｃｐｓｃ（１ｃｍ2当たりのセル数）のセルが、加熱可能なハニカム体に対しては６２〜１２４ｃｐｓｃのセルが特に適している。加熱可能なハニカム体は、特に波の低い波形金属板と、波の高い波形金属板とを交互に重ね合わせて構成されている。
【００１８】
本発明の装置は、特にセラミックフィルタでもある後続の煤フィルタと組み合わせて利用される。金属とセラミックは熱膨張係数が異なるので、上述の形式の加熱体はセラミックフィルタで支持する際に問題が生ずる。従って、酸化触媒の下流に配置した加熱要素の上述の構成は、特にこの種の全体的な配置に適する。
【００１９】
以下、図示の実施例を参照して本発明を詳細に説明する。
【００２０】
図１に示す本発明の実施例において、外被管３内に触媒担体１とハニカム体２が配置されている。触媒担体１はハニカム７を有し、ハニカム体２はハニカム８を有する。ハニカム体２は電気加熱要素として使われる。ハニカム体２は両端に電気接続端子４を持ち、絶縁隙間５により曲がりくねった流路を規定している。ハニカム体２は電気絶縁支持要素６を介し触媒担体１に固定されている。ハニカム体２は、図２から判るように、排気ガスの流れ方向で触媒担体１の下流に配置され、支持要素６はハニカム体２の流路にわたりほぼ等間隔に分布して配置されている。図１の実施例では、支持要素６として、電気絶縁（図示せず）付きの金属ピンが設けられている。支持要素６は振動と電気的短絡を防ぐ。触媒担体１から流出する排気ガスは、一部はハニカム体２のそばを通り、残りはハニカム体２を貫流して流れる。ハニカム体２を貫流する排気ガスは加熱要素２の大きな表面で加熱され、これに伴い、後続の構成要素を同様に部分的に加熱する。
【００２１】
図２は、本発明に基づく装置の内燃機関１０の排気装置への原理的な配置構造を示す。内燃機関１０から流出する排気ガスは、まず触媒担体１を貫流し、続いてハニカム体２を、そして後続の構成要素９、特に煤フィルタを貫流する。後続の構成要素は、ここで図示した構成要素と異なり、加熱可能なハニカム体より大径にしてもよい。
【００２２】
本発明は、特にディーゼルエンジンの排気ガスの浄化に適する。その場合、まず酸化可能な気体成分を変換し、続いて粒子を粒子フィルタで除去する。集めた煤の燃焼には、煤フィルタの運転温度が長時間にわたりその燃焼温度に達しないなら、補助加熱装置で点火せねばならない。本発明に基づく装置は、かかる場合に特に適する。一部分で煤に点火すれば隣接範囲も着火するので、完全に均一に加熱する必要はない。従って、流通横断面積の全体を一様に加熱するより、電気エネルギを有効に利用して高温部分流を発生するとよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 Ｓ状に曲がりくねったハニカム体を備えた触媒装置の概略断面図。
【図２】 本発明に基づく装置を備えた排気装置の概略構成図。
【符号の説明】
１ 触媒担体
２ 加熱可能なハニカム体
３ 外被管
４ 電気接続端子
５ 電気絶縁用の隙間
６ 支持要素
７ 触媒担体のハニカム
８ 加熱可能なハニカム体のハニカム
９ 別の構成要素（煤フィルタ）
１０ 内燃機関
Claims (9)
- 外被管（３）内に配置されて排気ガスで貫流される、ハニカム構造の少なくとも１つの触媒担体（１）と、電気加熱要素とを有し、該加熱要素が両端に電気接続端子（４）を有し、加熱要素内に電気絶縁用の隙間（５）によって曲がりくねった流路が規定された内燃機関（１０）の排気ガスの浄化装置において、加熱要素がハニカム体（２）であり、このハニカム体（２）が電気絶縁支持要素（６）により触媒担体（１）に固定され、ハニカム体（２）が排気ガスの流れ方向において触媒担体（１）の下流に配置され、ハニカム体（２）が、流路がほぼ蛇行状或いはスパイラル状をなすように形成され、ハニカム体（２）が第１横断面積を有し、隙間（５）が第２横断面積を有し、前記第１横断面積と前記第２横断面積の比が２より小さく、排気ガスの流れ方向においてハニカム体（２）の下流に別のハニカム体（９）が存在し、ハニカム体（２）は別のハニカム体（９）に対して間隔を置いて配置されていることを特徴とする排気ガス浄化装置。
- 第１横断面積と第２横断面積の比が１より小さいことを特徴とする請求項１記載の装置。
- 隙間（５）が、その全経路にわたりほぼ同じ幅（Ｂ）を有することを特徴とする請求項１または２記載の装置。
- 外被管（３）に向かって隙間（５）の幅（Ｂ）が増大することを特徴とする請求項１から３の１つに記載の装置。
- 支持要素（６）が、流路にわたりほぼ等間隔に分布することを特徴とする請求項１から４の１つに記載の装置。
- ハニカム体（２）が触媒活性層を備えることを特徴とする請求項１から５の１つに記載の装置。
- ハニカム体（２）のハニカム（８）が、触媒担体（１）のハニカム（７）より小さいことを特徴とする請求項１から６の１つに記載の装置。
- ハニカム体（２）が、触媒担体（１）と同じ寸法のハニカム（８）を有することを特徴とする請求項１から６の１つに記載の装置。
- 別のハニカム体（９）は煤フィルタであることを特徴とする請求項１から８の１つに記載の装置。
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