JP5203446B2 - 自動車の排気ガスの触媒処理のための装置、その製造方法および使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車の排気ガスの触媒処理のための装置、その製造方法および使用方法に関する。

自動車の触媒は通常、いくつかの構成要素から成る。典型的には、セラミックや金属でできた温度安定性のハニカム体、一般的にはいわゆるモノリス（これには、薄い壁で仕切られた複数の通路が貫通している）が担体として役立つ。担体上には、いわゆるウォッシュコートが配置される。このウォッシュコートは、できるだけ大きな触媒表面をもたらすために、多孔質材料、通常は酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）から成る。ウォッシュコート内には、触媒作用をなす貴金属が収容される。しばしば、コーティング組成物の水性懸濁液も「ウォッシュコート」と呼ばれる。今日用いられる排気ガス触媒には通常、貴金属のプラチナ、ロジウム、およびパラジウムがある。セラミック担体が普通は、金属ハウジング、いわゆるキャニングの中に、特殊なマットを用いて取り付けられる。そのキャニングは、自動車の排気ライン内に固定的に組み込まれ、何らかの別の接続の可能性、例えばラムダセンサーや熱電対のための接続の可能性を有している。

自動車の触媒に課せられた仕事は、燃焼汚染物質の炭化水素、一酸化炭素（ＣＯ）、および窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）の、酸化または還元による、二酸化炭素（ＣＯ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）、および窒素（Ｎ_２）への化学的な変換である。課せられた仕事に応じて、異なる型式の触媒が存在する。三元触媒においては、ＣＯおよび炭化水素の酸化と、ＮＯ_Ｘの還元とが互いに並行して行われる。三元触媒は、火花点火機関とラムダ制御を伴った自動車でしか用いることができない。ディーゼル機関においては、排気ガス中の酸素過剰がＮＯ_Ｘの還元を妨げ、それ故に特殊な触媒を必要とする。

ディーゼル機関における排気ガス中のＮＯ_Ｘ分を還元するために、目標とする態様で燃焼に影響を与える機関内の手段を設けることができる。但し、これらの手段の欠点は、煤排出物の増加と機関性能の低下である。火花点火機関に比べて明らかに低い排気ガス温度のため、ディーゼル機関における触媒は、しばしば排気ガスマニホールドに近づけて取り付けられる。ディーゼル機関における触媒の目的は、ＮＯ_Ｘの最少化だけでなく、微粉塵の排出を低減させるための煤粒子の酸化でもある。この型式の触媒が、既知のディーゼル酸化触媒である。これらの触媒には普通、プラチナおよび／またはパラジウムだけを含んだウォッシュコートが設けられる。

別の型式の触媒は、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒である。現代の機関は、機関効率を向上させるために酸素過剰状態で作動するため、従来の触媒を用いることができない。ＣＯおよび炭化水素の酸化は従来の三元触媒に類似して行われるが、窒素酸化物は一時吸蔵部内に置かなければならない。それらの触媒による還元は、リッチな排気ガス混合気との断続的なものである。窒素酸化物によって触媒の吸収容量が使い尽くされてしまった場合、リッチな、即ち還元的な排気ガス混合気が一時的に確立され、その結果、触媒の一時吸蔵部内に置かれた窒素酸化物が窒素に還元される。これにより触媒は、次の吸蔵サイクルに備えさせられる。

窒素酸化物を還元するための、現在市販準備のできている別の方法は、いわゆる選択触媒還元である。この場合、例えば定量供給ポンプによって、尿素水溶液が排気ガス流中に連続的に噴霧される。加水分解によって水とアンモニアが生じるが、アンモニアは排気ガス中の窒素酸化物を窒素に還元することができる。

全ての既知の触媒型式にあっては、触媒基材の埋め込み、即ち取り付けが、製造の技術的な問題を引き起こす。今までのところ、ハウジング内への取り付けは、弾性中間層を間に挟んだ状態で触媒基材を円筒形ハウジング内に堅固に締め付けるようなやり方で行われてきている。運転中、触媒基材とハウジングは、熱的に引き起こされる膨張と関連付けられる１０００℃を超える温度差に、ダメージを受けずに耐えなければならない。触媒の寿命は、これにより短縮されてしまう。また、触媒の製造において触媒基材が弾性中間層と共に円筒形の触媒ハウジング内に取り付けられる場合、その製造に要する費用は非常に高額なものとなる。

特許文献１（DE 15 94 716 A1）は、担体触媒がセラミック材料と組み合わせて配置されている、自動車排気ガスの触媒アフターバーニングのための構成を開示している。この構成においては、金属繊維材料とセラミック材料とが担体触媒として層をなして配置され、その繊維材料上に触媒が配置されている。金属繊維フリース同士の間にセラミック材料が埋め込まれ、従って、そのセラミック材料を通して排気ガスを流すことができる。

特許文献２（WO 2006/007956 A1）は、モノリスおよびスリット領域を伴った自動車用の排気ガス浄化装置を開示している。そのモノリスは、ハウジング内に配置され、このハウジングの中心縦軸線を横切って延びている。また、スリット領域は、モノリスと、当該スリット領域を含むハウジングの部分との間に配置されている。

スリット領域内には、複数の保持要素が配置されている。それらの保持要素によって、少なくともモノリスの前部をハウジングに固定することができる。また、それらの保持要素は、半径方向内側へ延びて、モノリスの前部で部分的に重なり合っている。これにより、支持マットによって及ぼされる保持力に関係するようなスリット領域内での要求については、支持マットは、より厳しくない要求に適合することしか期待されない、ということが可能となる。その結果、ハウジングを熱的に隔離するためだけに役立つマットを使用することができる。

特許文献３（DE 34 30 398 A1）は、シースが用いられる触媒排気ガス浄化装置を開示している。シースは、そのハウジングに溶接されるべき端部において、軸線方向に担持マトリックスの端面を超えて突出している。また、シース、浄化すべき排気ガスのための入口部分、およびハウジングのジャケットが、円周方向に延びる共通の溶接シームを介して互いに連結され、シースが遊動式に取り付けられている。他の既知の装置においては、触媒基材が円筒形ハウジング内に軸線方向に配置されている（特許文献３，特許文献４（DE 31 07 620 A1）、特許文献５（DE 195 02 844 A1）、または特許文献６（DE 195 09 029 A1）を参照）。これらの装置に伴う問題は、多くの作業工程を含んだ費用の嵩む製造ということである。さらに、これらの公報の教示による触媒基材は、機械的および熱的な応力に対して最適に保護されてはいないのである。

独国特許出願公開第１５９４７１６号明細書 国際公開第２００６／００７９５６号パンフレット 独国特許出願公開第３４３０３９８号明細書 独国特許出願公開第３１０７６２０号明細書 独国特許出願公開第１９５０２８４４号明細書 独国特許出願公開第１９５０９０２９号明細書

従って、本発明の目的は、触媒基材が機械的および熱的な応力に対して安全にハウジング内に配置された触媒を製造することであった。さらに、その触媒は、僅かな作業工程で安価に製造可能であるべきものである。

この目的は、自動車の排気ガスの触媒処理のための装置であって、中空円筒として設計された触媒基材と、入口側ガスバッフルおよび出口側ガスバッフルと、外壁とを備え、前記入口側および出口側ガスバッフルが前記触媒基材を囲むと共に、前記出口側ガスバッフルと前記触媒基材とが第１キャビティを形成しており、この第１キャビティ内へ排気ガス流が送り込まれ、前記触媒基材を通過して第２キャビティに進入することができ、この第２キャビティは前記外壁、前記入口側および出口側ガスバッフルおよび前記触媒基材によって取り囲まれているものにおいて、前記出口側ガスバッフルは複数のガス排出口を有し、前記出口側ガスバッフルに複数の縁曲領域を区画するための切れ込みが形成され、前記縁曲領域を第２キャビティ内に向けて縁曲げすることにより、縁曲げ前において前記縁曲領域があった場所に前記ガス排出口が形成され、かつ、縁曲げされた複数の縁曲領域が前記触媒基材の外周面を拘束するようになる、ことを特徴とする自動車の排気ガスの触媒処理のための装置、により達成される。

当該技術分野の現状より知られた装置と比べたこの装置の利点は、特に単純化された触媒の製造、即ち、より少ない工程を備えた製造ということにある。触媒基材は、熱的ないし機械的な応力によって引き起こされる割れが効果的に回避されるような態様で、触媒ハウジング内に取り付けられる。

用語「縁曲げ（ビーディング）」によって、本発明の枠組み内では、薄板の縁を直角に曲げて起こすことが意味される。賦形の型式に応じて他の機械的な特徴がもたらされる：賦形時に薄板が引き起こされる場合には、用語「縁曲げ」が用いられ；薄板が引き延ばされる（ストレッチ）場合には、当業者はスィーピング処理とも言う。本発明の枠組み内では、「縁曲げ」によって一般的に、薄板の引き起こしと引き延ばしの両方が意味される。

「出口側ガスバッフルの縁曲領域」によって、以下のことが意味される：出口側ガスバッフル内にガス排出口を作り出すために、薄板に切込みが形成される。縁曲げされる薄板の部分は、本出願の枠組み内において「縁曲領域」と呼ばれる。切込みが例えば円周の半分に相当する場合には、形成される半円が「縁曲げされる縁曲領域」である。

縁曲領域は、縁曲げ後に、触媒基材の円筒形の壁に対して強制固定式に押し当たる。従って、触媒基材は、単純な製造工程を用いて固定され、即ち、外壁および両ガスバッフルで形成される本体の内部に保持される。

この装置を用いて排気ガス流を処理することができるが、その排気ガス流は、入口側ガスバッフルを通じて当該装置の第１キャビティ内へと導かれ、そして、そこから触媒基材を通過して、当該装置の第２キャビティ内へと導かれ、ガス排出口を通じて当該装置から（浄化されて）取り出される。

排気ガス流の処理は、随意に、逆の流れ方向で実行することも可能である。そのような処理方法においては、ガス流が出口側のガス排出口を通じて第２キャビティ内へと導かれ、このガス流が、触媒基材を通過して、当該装置の第１キャビティ内へ進入し、入口側ガスバッフルを通じて当該装置から取り出される。すなわち本発明の装置は、排気ガス流が、初めに当該装置の第２キャビティ内へと案内され、それから当該装置の第１キャビティを通じて案内されるように設計することもできる。

当該装置はかくして、上記で詳細に説明した触媒型式のそれぞれについて用いることのできる触媒を提供するものである。本発明によれば、当該装置は、三元触媒、ディーゼル酸化触媒、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒のために、或いは選択触媒還元（ＳＣＲ触媒）のために用いられる。

好適な実施形態において、前記入口側ガスバッフルを屈曲させることによって、前記入口側ガスバッフル内に環状の窪みができており、この窪み内へ前記触媒基材が強制固定式に取り付けられている。

「屈曲部」によって、この発明の枠組み内では、他の部品の縁や突起が内部に係合可能なガスバッフル内の屈曲部が意味される。上述した好適な実施形態において、入口側ガスバッフルは、触媒基材が強制固定式に内部に取り付けられる窪みを生ずるように屈曲されている（図１を参照）。或いは、ガスバッフルを一度だけ屈曲させることも可能であり、その結果として、触媒基材の内側または外側のいずれかが屈曲部に強制固定式に当接する。

別の実施形態において、前記出口側ガスバッフルを屈曲させることによって屈曲部が形成され、中空円筒として設計された前記触媒基材の内側が、当該屈曲部に対して強制固定式に当接している。

説明した実施形態において、触媒基材の収容は、ガスバッフルを賦形することによって成し遂げられる。これらの実施形態の利点は、当該装置内への触媒基材のより確実な取り付けにある。特に、煤粒子を除去するためのディーゼル酸化触媒にあっては、排気ガスが触媒基材を通り越して流れるのを防止するために、触媒基材の強制固定式の当接が本質的に重要である。これらの実施形態を以てすれば、より容易に密封が成し遂げられる。

好適な実施形態において、前記触媒基材は、金属またはセラミック材料から成ってウォッシュコートの設けられたハニカム体に相当する。そのウォッシュコートの内部には、触媒活性材料が埋め込まれている。

当該技術分野の現状において、広く様々な触媒基材が開示されている。焼結処理によって製造されてスポンジ状の骨格構造を呈するセラミック材料が存在する。金属基材が、基材を巻回することによって製造される。それらのような製造方法が知られている。触媒基材として巻回基材が用いられる場合、当該基材には２つ以上のコーティング材料を設けることができる。それらのコーティングは、互いに異なる孔隙率を有した触媒活性材料から成る。即ち、それらの材料内では、当該触媒活性コーティング材料内の孔が、双峰型ないし多峰型の寸法分布を示す。この実施形態の利点は、一つの同じ触媒基材によって、いくつかの作用を為すことができるということ、例えば、当該触媒基材を以てして、複数の異なる反応に触媒作用を及ぼすことができるということである。

別の好適な実施形態によれば、本発明による装置において、各ガスバッフルと前記触媒基材との間に、それぞれ支持シールが配置される。その支持シールは、ワイヤークロスから成ることが好ましい。このワイヤークロスは、触媒内の高温に耐えなければならない。従って、ワイヤークロスは、ステンレス鋼や、高温での耐腐食性が高い他の金属ないし非金属材料などの材料から成る。

一般的に、排気ガスが、特にディーゼル酸化触媒の場合には、実際に触媒材料やウォッシュコートで被覆された基材を通り抜けてしか流れず、そのような基材の外側を通り越しては流れない、ということに注意を払わなければならない。この排気ガスが通り越して流れるということは、当該技術において知られた問題であり、いわゆるバイパス現象として説明されている。支持シールを採用することで、排気ガスが実際に触媒基材を通り抜け流れることが保証されるのである。

別の好適な実施形態において、前記支持シールは弾性材料から成る。そのような触媒基材の弾性的な収容を通じて機械的応力を減衰させることができ、これにより触媒の寿命が延ばされる。

支持シールが弾性材料でできている場合、触媒材料はプレス嵌めによってホルダ内に締め付けられる。この実施形態では、バイパス現象が完全に防止される。同時に、触媒基材の著しい熱膨張がある場合、ホルダにはより小さい力しか働かない。その結果、熱膨張に起因する張力が緩和される。自動車の運転中の振動も緩和されて、触媒基材には伝達されない。

本発明はさらに、自動車の排気ガスの触媒処理のための上述した装置を製造する方法において、前記入口側ガスバッフルと前記出口側ガスバッフルとの間に前記触媒基材を強制固定式に配置することと、前記入口側および出口側ガスバッフルを前記外壁に連結することと、を備え、前記入口側ガスバッフルと前記出口側ガスバッフルとの間に前記触媒基材を強制固定式に配置することが、前記出口側ガスバッフルに複数の縁曲領域を区画するための切れ込みを形成するとともに、前記縁曲領域を第２キャビティ内に向けて縁曲げすることを含んでおり、この縁曲げにより、縁曲げ前において前記縁曲領域があった場所に前記ガス排出口が形成され、かつ、縁曲げされた複数の縁曲領域により前記触媒基材の外周面が拘束される、ことを特徴とする方法を提供する。すなわち出口側ガスバッフルの縁曲領域は、まず第一に触媒基材を固定するのに役立ち、さらにはガスが触媒を出て行くための通路を空ける。

本発明による一つの実施形態においては、両ガスバッフルを前記外壁に溶接することによって、両ガスバッフルと外壁とが互いに連結される。これは、プロセス工学の見地からして、金属の構成要素同士を互いに接続する最も簡単な方法である。

本発明による別の実施形態においては、前記出口側ガスバッフル内に半円形の切込みを介して各ガス入口開口を付けることによって、前記出口側ガスバッフル内に複数のガス入口開口が通され、それから、結果として生じる半円が前記触媒基材を固定するために縁曲げされる。この方法において、触媒基材は、極めて僅かな作業工程を用いて触媒ハウジング内の所定位置に固定される。

本発明によれば、出口側ガスバッフル内へ切込みを付けるのに、任意の技術的に知られた方法を用いることができる。これは、打抜き機、フライス盤、または鋸を使用して行われるのが特に好ましい。

別の好適な実施形態においては、両ガスバッフル同士の間に前記触媒基材が配置される前に、前記触媒基材と両ガスバッフルとの間に支持シールが配置される。

本発明の実施形態の例は、限定するものとは見なされることなく、添付図面を参照して、以下でより詳細に説明される。

本発明による装置の一実施形態を、触媒基材が触媒ハウジング内にある状態で示す模式図。 出口側ガスバッフルの平面図。

単純化する目的のために、図１は分割された装置を通る断面だけを示している。この図を見る者は、装置１００が軸線１１３に対して回転対称であると想像しなくてはならない。入り口側ガスバッフル１０２と出口側ガスバッフル１０３との間に触媒基材１０１が配置されている。矢印で表される排気ガス流１０６は、入口側の第１キャビティ１０５に進入し、触媒基材１０１を通過して、第２キャビティ１０７内へと流入する。そこから、排気ガス流１０６は、ガスバッフル１０３内に配置されたガス排出口１０８を通って導かれる。これらのガス排出口１０８は、薄板内へ部分的に切込みを入れて、縁曲領域１０９を縁曲げすることによって、その薄板の中に形成される。その結果、触媒基材１０１が固定される。ガスバッフル１０２および１０３に加えて外壁１０４が、触媒ハウジングを形成する。図１は、薄板内に曲げ込まれた窪み１１１の中に触媒基材１０１が表された実施形態を示している。図１は、支持シール１１０も示している。

図２は、ガス排出口２０１を伴った出口側ガスバッフル２００の平面図を示している。この例において、ガス排出口２０１は、ガスバッフル２００に切込みを入れることによって製作され、その結果として切り口（切断縁）２０２が生じる。残された材料は、平面図では示すことができないが、縁曲げされて、図１で参照符号１０９の与えられた陥凹部を形成する。

Claims (16)

1. 自動車の排気ガスの触媒処理のための装置であって、中空円筒として設計された触媒基材（１０１）と、入口側ガスバッフル（１０２）および出口側ガスバッフル（１０３）と、外壁（１０４）とを備え、前記入口側および出口側ガスバッフル（１０２，１０３）が前記触媒基材（１０１）を囲むと共に、前記出口側ガスバッフル（１０３）と前記触媒基材（１０１）とが第１キャビティ（１０５）を形成しており、この第１キャビティ内へ排気ガス流（１０６）が送り込まれ、前記触媒基材（１０１）を通過して第２キャビティ（１０７）に進入することができ、この第２キャビティは前記外壁（１０４）、前記入口側および出口側ガスバッフル（１０２，１０３）および前記触媒基材（１０１）によって取り囲まれているものにおいて、
   前記出口側ガスバッフル（１０３）は複数のガス排出口（１０８）を有し、前記出口側ガスバッフル（１０３）に複数の縁曲領域（１０９）を区画するための切れ込みが形成され、前記縁曲領域（１０９）を第２キャビティ（１０７）内に向けて縁曲げすることにより、縁曲げ前において前記縁曲領域（１０９）があった場所に前記ガス排出口（１０８）が形成され、かつ、縁曲げされた複数の縁曲領域（１０９）が前記触媒基材（１０１）の外周面を拘束している、ことを特徴とする自動車の排気ガスの触媒処理のための装置。
2. 前記入口側ガスバッフル（１０２）を屈曲させることによって、前記入口側ガスバッフル（１０２）に環状の窪み（１１１）が形成されており、この窪み（１１１）内へ前記触媒基材（１０１）が強制固定式に取り付けられている、請求項１記載の装置。
3. 前記出口側ガスバッフル（１０３）を屈曲させることによって、中空円筒として設計された前記触媒基材（１０１）の内周面が当接する屈曲部（１１２）が前記出口側ガスバッフル（１０３）に形成されており、前記触媒基材（１０１）が前記縁曲領域（１０９）と前記屈曲部（１１２）との間に強制固定式に取り付けられている、請求項１または２記載の装置。
4. 前記触媒基材（１０１）は、ウォッシュコートの設けられた金属製またはセラミック材料製のハニカム体である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記触媒基材（１０１）は巻回触媒基材である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記巻回触媒基材には２つ以上のコーティング材料が設けられ、使用される前記コーティング材料同士が互いに異なる孔隙率を有している、請求項５記載の装置。
7. 前記入口側ガスバッフルおよび前記出口側ガスバッフルと前記触媒基材との間に、それぞれ支持シール（１１０）が配置されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記支持シール（１１０）はワイヤークロスのリングを備えている、請求項７記載の装置。
9. 前記支持シール（１１０）は弾性材料から成る、請求項７記載の装置。
10. 前記触媒基材が、三元触媒、ディーゼル酸化触媒、ＮＯ_Ｘ吸蔵触媒、または選択触媒還元のための触媒を担持している、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載された自動車の排気ガスの触媒処理のための装置を製造する方法において、
    前記入口側ガスバッフル（１０２）と前記出口側ガスバッフル（１０３）との間に前記触媒基材（１０１）を強制固定式に配置することと、
    前記入口側および出口側ガスバッフル（１０２，１０３）を前記外壁（１０４）に連結することと、
    を備え、
    前記入口側ガスバッフル（１０２）と前記出口側ガスバッフル（１０３）との間に前記触媒基材（１０１）を強制固定式に配置することが、前記出口側ガスバッフル（１０３）に複数の縁曲領域（１０９）を区画するための切れ込みを形成するとともに、前記縁曲領域（１０９）を第２キャビティ（１０７）内に向けて縁曲げすることを含んでおり、この縁曲げにより、縁曲げ前において前記縁曲領域（１０９）があった場所に前記ガス排出口（１０８）が形成され、かつ、縁曲げされた複数の縁曲領域（１０９）により前記触媒基材（１０１）の外周面が拘束される、ことを特徴とする方法。
12. 前記入口側および出口側ガスバッフル（１０２，１０３）を前記外壁（１０４）に連結することは、前記入口側および出口側ガスバッフル（１０２，１０３）を前記外壁（１０４）に溶接することによって行われる、請求項１１記載の方法。
13. 打抜き機、フライス盤、または鋸によって前記切れ込みが付けられる、請求項１１または１２記載の方法。
14. 前記入口側および出口側ガスバッフル同士の間に前記触媒基材（１０１）が配置される前に、前記触媒基材（１０１）と前記入口側および出口側ガスバッフル（１０２，１０３）との間に支持シール（１１０）が配置される、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載された自動車の排気ガスの触媒処理のための装置を使用する方法において、
    排気ガス流（１０６）が、前記入口側ガスバッフル（１０２）側から前記第１キャビティ（１０５）内に導入され、そこから当該排気ガス流が前記触媒基材（１０１）を通過して前記第２キャビティ（１０７）内へと導入され、そこから前記ガス排出口（１０８）を通って排出されるように、排気ガス流を流す、方法。
16. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載された自動車の排気ガスの触媒処理のための装置を使用する方法において、
    排気ガス流（１０６）が、前記ガス排出口（１０８）から前記第２キャビティ（１０７）内に導入され、そこから当該排気ガス流が前記触媒基材（１０１）を通過して前記第１キャビティ（１０５）内へと導入され、そこから前記入口側ガスバッフル（１０２）側に排出されるように、排気ガス流を流す、方法。

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