JP5608665B2 - 排気ガスを処理する触媒ユニットの製造方法 - Google Patents

Description

（関連出願への相互参照）
本出願は、参照により全体を本明細書に組み込むものとする、２００８年１１月１１日出願の米国仮特許出願第６１／１１３，５９３号の出願日に対する優先権を主張する。

（連邦政府後援の研究又は開発）
該当なし。

（マイクロフィッシュ／著作権の参照）
該当なし。

本発明は、例えば自動車の圧縮エンジンの触媒コンバータ、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）及び選択接触還元触媒（ＳＣＲ）のような燃焼プロセスからの排気ガスを処理する触媒ユニットに関し、特に、ハウジング又は外殻内で構造を支持するために触媒担持構造の外周表面の周囲に支持体又は装着マットが配置される触媒ユニットに関する。

自動車産業では、排気ガス中の排出物を改良するために、触媒コンバータ、ディーゼル酸化触媒ユニット、又は選択接触還元触媒ユニットのような１つ又は複数の触媒ユニットを使用する排気ガス処理システムを含めることが知られている。このような触媒ユニットでは、一体構造を有するセラミック基材などの支持基材構造上へ触媒ユニットをコーティングとすることにより該基材上へ触媒を担持することが一般的である。通常、このような触媒担体は断面が楕円又は円形であり、ハウジングから担体へ伝達され得る衝撃及び振動力から触媒担体を保護するのを助けるために、多くの場合、触媒担体とユニットの外部ハウジング又は外殻との間に配置された支持体又は装着マットの層を巻き付けられる。通常、支持体又は装着マットは、ガラス繊維又は岩綿などの耐熱性及び緩衝タイプの材料で作成される。これらのマットは、通常、マットを所定のサイズに切断する場合、及びマットを巻き付け、触媒ユニットを組み立てる間に、作業者がマットを取り扱う能力を改善する結合剤で処理されている。このような構造は意図された目的のためにはよく機能するが、常に改善の余地がある。

従来、このような構造は触媒担体の周囲に巻かれた単層のマットを含んでいた。これらの構造のマットは、マット材料のロールから形成され、これは最初にシート状に切断され、次に巻き付けるのに所望の幅及び長さに型抜きされる前に結合剤で処理される。プロセスは、意図された目的は満足するが、マット材料から大量のスクラップ（平均で生産量の３０％まで）を生成し、製造及び組立中にマットを型抜きするために必要な取り扱いにより、結合剤を使用する必要があり、特定の触媒ユニットの構成ごとに必要な型抜きの様々なサイズ及び形状ごとに、様々な部品数の在庫を維持する必要がある。図１はこのプロセスの図である。

このような構造では、通常、触媒担体への保持力を生成するために、支持マットを触媒ユニットの外部ハウジング又は外殻と触媒担体との間で圧縮する。しかし、これを正確に維持することが困難なことがある。何故なら、支持マットはこのようなユニットに組み込む前に提供されるので、その密度が変動するからである。支持マットに所望の組立後密度を提供するために知られている１つの方法は、触媒担体及び支持マットを外殻の内側に配置した後に、ハウジング又は外殻のサイズを小さくすることであり、外殻の最終的外径は支持マットの所望の組立後密度に基づいて決定される。

１つの特徴では、燃焼プロセスからの排気ガスを処理する触媒ユニットが提供される。触媒ユニットは触媒担体、及び触媒担体に巻き付ける少なくとも１層の支持マットを含み、支持マットには結合剤がない。

別の特徴では、外殻に含まれる支持マットを巻き付けた触媒担体を有する触媒ユニット構造の目標の外殻直径は、所望のマット密度を達成するのに必要な触媒担体と外殻の内径との間のマットの実際の環状容積に基づいて計算される。

別の特徴では、所与の触媒ユニットの支持マットの質量／重量は、最初に個々の構成要素として触媒担体及び外部ハウジング又は外殻を計量し、次に触媒担体、支持マット及び外殻の全体の組立重量を計量し、組立重量から外殻及び触媒担体の重量を引くことによって間接的に決定される。

別の特徴では、従来の型抜きプロセスに伴う無駄をなくし、従来の型抜きプロセスのために必要な多数の部品数が多いことによる大量の在庫を少なくすることによって、支持マットの生産量効率が改善される。これに関して、支持マットのバルクロールは「必要に応じて」又は「ジャストインタイム」ベースで提供されて、複数の最終ユニットに固有のマットロールを生成するためにその幅方向に切り開かれ、最終ユニットに固有のマットロールはそれぞれ、触媒ユニットの特定の構成又は設計に固有の幅を有する。無駄になる分は、バルクロールで提供される支持マットの長さを慎重に選択することによって、又はバルクロールから切り開かれる最終ユニットに固有の支持マットロールに提供される長さを慎重に選択することによって、又は最終ユニットに固有のロールに伴う触媒ユニットを生産する場合に、その最終ユニットに固有の支持マットそれぞれから切断される支持マットの長さを慎重に選択することによって、又は以上の全部のうち１つ又は複数を組み合わせることによってさらに削減することができる。

別の態様では、支持マットの前縁及び後縁は、触媒担体に巻き付ける場合に支持マットの隣接する層がマットの前縁及び後縁の上又は下に重なる従来の構造で通常発生するような材料密度の変動を低減させるために、ある角度をなして切断される。

別の態様では、支持マットの隣接する層が前縁及び後縁の上又は下に重なる区域におけるマット密度の変動は、支持マットを触媒担体に巻き付ける際に層の数を最適化することによって低減する。

他の目的、特徴、及び利点は、添付の特許請求の範囲及び図面を含む明細書全体を検討することから明らかになる。

本発明の他の目的、特徴、及び利点は、添付の特許請求の範囲及び図面を含む明細書全体を検討することから明らかになる。

触媒担体内で使用する支持マットを提供する従来技術のプロセスの図である。 本発明による触媒ユニットを組み込んだ燃焼プロセス及びシステムの図である。 図２の線３−３に沿って切り取った拡大部分断面図である。 本発明による触媒ユニットを組み立てる際に使用する支持マットを提供するプロセスの図である。 本発明により支持マットの質量を決定し、支持マットを含む触媒ユニットを組み立てるプロセスの図である。 触媒ユニットの外殻の例を示す斜視図である。 触媒ユニットの外殻の例を示す端面図である。 触媒ユニットの触媒担体の例を示す斜視図である。 触媒ユニットの触媒担体の例を示す端面図である。 触媒ユニットの単層支持マットの例を示し、平坦にした状態のマットの平面図である。 触媒ユニットの単層支持マットの例を示し、巻き付けた状態のマットの斜視図である。

図２を参照すると、燃焼圧縮エンジン１４などの燃焼プロセスからの排気ガス１２を処理する触媒ユニット１０が示されている。触媒ユニット１０は排気ガス処理システム１６の一部であり、これは触媒ユニット１０の上流又は下流、又はその両方に他の排気ガス処理構成要素１８を含むことができる。構成要素１８は任意の適切なタイプ及び構造でよく、例としては、マフラ、ディーゼルパーティキュレートフィルタ、インジェクタ、及び排気ガス再循環弁などの弁を挙げることができる。

図３に見られるように、触媒ユニット１０は、触媒担体又は基材２０、及び担体２０に巻き付け、担体２０と外部ハウジング又は外殻３０との間に挟まれた１層又は複数層２２の支持マット２４を含む。

触媒担体２０は任意の適切なタイプ及び構造でよく、その多くが知られているが、図２及び図３に示す好ましい実施形態では、担体２０は、例えば適切な酸化触媒又は適切な選択接触還元触媒のように、ユニット１０の意図された機能に適切な触媒コーティングを担持する多孔質セラミックの一体構造である。担体２０は、図１に示すように、ユニット１０を通る排気１２の流れの方向と通常は一致する縦軸３４と平行に延在する外面３２を有する。例えば楕円、長円、三角形、長方形、及び六角形を含む任意の適切な断面を使用することができるが、図２及び図３に示す好ましい実施形態は、軸線３４を中心とし、担体２０、外面３２及び外殻３０の外面３６の円筒形状を画定する円形の断面を有する。

支持マット２４の各層２２は、任意の適切な材料から作成することができ、その多くは周知であり、例えばガラス繊維マット又は岩綿マットを含む。１つの好ましい形態では、マット２４には結合剤がない。この点で、マット２４を自動プロセスで巻き付け、詰め込むことが好ましい。

図４は、１つ又は複数の特定の触媒ユニットの構成１０に支持マットを提供する本発明の方法を示す。図４に示すように、支持マット３７の連続ブランケットがニードリングステーション３８で形成され、スピンドルにコイル巻きされて支持マットのバルクロール４０を形成し、次にこれが包装され、倉庫で保管するために出荷される。バルクロール４０は次に、切り開き作業４１のために「必要に応じて」又はいわゆる「ジャストインタイム」（ＪＩＴ）ベースで最終使用者によって倉庫から引き出され、そこで各バルクロール４０はその幅Ｗに沿って切り開かれ、複数の最終ユニットに固有の支持マットロール４２を形成する。最終ユニットに固有の支持マットロール４２はそれぞれ、触媒ユニット１０の特定の構成／設計に固有の幅Ｗ_Ｒ（Ｘ）を有する。ロール４０及び４２には結合剤を使用しないことが好ましい。何故なら、本発明のプロセスが結合剤の使用を必要としないからである。結合剤なしの材料は、ユニット１０の費用、２次排出、及び低温特性に利点を与える。個々のプログラムに合わせてバルクロール４０が切り開かれると、詰め込みプロセス４４である長さに切断し、支持マット２４を基材に組み付けるために最終ユニットロール４２を提供することができる。

１つの好ましい形態では、バルクロール４０の元の幅Ｗは、バルクロール４０から切り開かれる最終ユニットの支持マットロール４２それぞれの所望の幅Ｗ_Ｒ（Ｘ）に基づいて選択される。この際、切り開きプロセス４１により幅が失われることを考慮しつつ、所望の幅Ｗ_Ｒ（Ｘ）を加える。別の好ましい形態では、バルクロール４０から切り開かれる所望の幅Ｗ_Ｒ（Ｘ）は、切り開きプロセス４１の結果として生じるバルクロール４０からのスクラップを最小限にするために、バルクロール４０の幅Ｗに基づいて選択される。また、１つの形態では、最終ユニットの支持マットロール４２から切断される個々の支持マット２４それぞれの長さは、ロール４２からのスクラップを最小限にするか、又は解消するように、ロール４２内の支持マットの全長の整数除数に基づいて選択することが好ましい。あるいは、元のバルクロール４０の全長は、この場合も無駄を最小限にするために、バルクロール４０を使用する１つ又は複数のユニット１０について個々の支持マット２４の所望の切断長さの乗数に基づいて選択することができる。１つの好ましい形態では、ユニットに固有のロール４２から固定長の支持マット２４が切断されて、組立中の個々のユニット１０ごとに支持マット２４を形成する。別の代替法として、ユニットに固有のロール４２それぞれのマットの全長は、この場合も無駄を最小限にするために、ロール４２の固有ユニット１０についてマット２４の所望の切断長さの乗数に基づいて選択することができる。別の形態では、切断長さを一定にするのではなく、基材２０のサイズの変動を考慮するために、特定の最終ユニット１０についてマット２４及び基材２０が相互に適合するようカスタム化されるように、個々の支持マット２４それぞれの長さは、それが巻き付けられる固有の基材２０の測定直径Ｄ_{ｓｕｂｓｔｒａｔｅ}に基づいて計算される。

以上の概念の幾つかを例示するために、１２８０ｍｍの幅を有するバルクロール４０から様々な支持マット２４、及び７４．２ｍ又は８０ｍのバルクロール４０上の支持マットの長さを切り開くことに伴うスクラップを最小限にしようとするサンプル例を以下に示す。表１は、バルクロール４０上のマットの長さ方向の端部からのスクラップを最小限にするために様々な支持マット２４それぞれの長さを最適化する分析を示し、表２は、バルクロール４０から切断できる最終ユニットに固有のロール４２の幅を最適化する分析を示す。

マットのロールの長さに基づくマット切り開きの生産量の分析

ケース又は外殻３０の較正又はサイズ決定された外径Ｄ_ｃａｓｅは、所望の設置後におけるマット密度（ＩＭＤ）に基づいて計算することが好ましく、それはサイズ決定／較正した後に触媒担体２０の外面３２と外殻３０の内面４７との間にある空隙４６内の支持マット２４に望ましい実際の環状容積に基づいて計算される。この方法は、時にはマット装着密度とも呼ばれ、支持マット２４の直線又は平坦な容積に基づいて計算される空隙バルク密度（ＧＢＤ）を使用する従来の方法とは対照的である。より詳細には、ＧＢＤは通常、支持マットの所与の幅及び長さについての質量又は重量である基本重量（ＢＷ）に基づいて計算され、これは例えばｇ／ｍ^２などの基本面積当たりの質量又は重量で提供される。これで、ＧＢＤは基本重量を空隙４６で割ることによって計算される。

ＩＭＤ法では、マット２４の重量ｍ_ｍａｔを所望のＩＭｄ及びマット幅Ｂ_ｍａｔで割り、外殻３０と担体又は基材２０の間の空隙４６の所望の環状断面積Ａ_ｇａｐを決定する。次に基材２０の断面積Ａ_{ｓｕｂｓｔｒａｔｅ}を、基材直径Ｄ_{ｓｕｂｓｔｒａｔｅ}に基づいて計算し、空隙４６の断面積Ａ_ｇａｐに加算して、外殻３０の内径の目標断面積Ａ_ｃａｓｅを決定する。較正していない（変形していない）外殻（ケース）３０の断面積Ａ_{ｕｎｃａｌｉｂｒａｔｅｄ}は、その較正していない（変形していない）内径ＩＤ及び較正していない（変形していない）外径ＯＤに基づいて計算することができ、これは外殻３０の肉厚ｔから計算することができる。あるいは、較正していない外殻３０の断面積Ａ_{ｕｎｃａｌｉｂｒａｔｅｄ}は、外殻３０の重量ｍ_{ｓｈｅｌｌ}、外殻３０の長さ、及び外殻３０の密度に基づいて計算することができる。外殻３０のこの断面積Ａ_{ｕｎｃａｌｉｂｒａｔｅｄ}は較正（変形）状態で維持され、したがって外殻の断面積Ａ_{ｕｎｃａｌｉｂｒａｔｅｄ}は殻の内径の目標の断面積Ａ_ｃａｓｅに加算されると仮定される。次に、較正（変形）外殻３０の目標外径Ｄ_ｃａｓｅは、この総面積をπで割り、それに４を掛けることによって計算される。ＩＭＤ法の式を、サンプル計算とともに以下で詳細に示す。

ＩＭＤ＝設置後におけるマット密度［ｋｇ／ｍ^３］
Ｄ_{ｓｕｂｓｔｒａｔｅ}＝等価基材直径［ｍｍ］
Ａ_{ｓｕｂｓｔｒａｔｅ}＝基材の断面積［ｍｍ^２］
ｍ_ｍａｔ＝結合剤なしの支持マット重量［ｇ］
Ａ_ｇａｐ＝空隙の断面積［ｍｍ^２］
Ｂ_ｍａｔ＝支持マット幅［ｍｍ］
Ａ_{ｓｈｅｌｌ}＝較正される外殻の目標断面表面［ｍｍ^２］
Ｄ_ｃａｓｅ＝外殻の等価目標外径／較正直径［ｍｍ］
ｔ＝外殻の肉厚［ｍｍ］
Ｖ_ｇａｐ＝空隙容積「ｍｍ^２」

計算→空隙断面積
→Ａ_ｇａｐ＝１２８１．５３ｍｍ^２
→Ｂ_ｍａｔ＝６４ｍｍ（図面による）
→ＩＭＤ＝４３７．１０ｋｇ／ｍ^３（目標ＩＭＤ；図面による）

計算→較正される外殻の目標断面積

計算＝較正していない外殻の面積

計算→等価目標外殻外径

外殻の厚さを使用した代替計算

別の例として、４７．６４グラムのマット重量、３９．７ｃｍのマット長さ、６．４５ｃｍのマット幅Ｂ_ｍａｔ、０．１８６０ｇ／ｃｍ^２の基本重量（ＢＷ）、０．４２ｃｍの目標空隙、及び１６．１８ｃｍ^２の目標空隙断面積Ａ_ｇａｐを有する構造について、以下のように従来の空隙バルク密度（ＧＢＤ）計算法と本発明の設置後におけるマット密度（ＩＭＤ）計算法との比較計算をすることができる。
空隙バルク密度（線形ベースの計算）＝

設置後におけるマット密度（容積ベースの計算）＝

図５を参照すると、組み立てる前に最初に担体又は基材２０と外殻３０との両方を計量し、次に基材２０、支持マット２４及び外殻３０を組み立てた後に組み立てたユニット２０を計量して、組み立てたユニット１０の重量から外殻３０の重量及び基材２０の重量を引くこと（m_mat = m_assembly - ms_hell - m_substrate）によって支持マット２４の重量を決定することにより、組み立てたユニット１０に使用される支持マット２４の質量／重量ｍ_ｍａｔが、間接的に決定される詰め込みプロセスが示されている。次に、支持マット２４の質量／重量ｍ_ｍａｔを使用して、目標外殻サイズＤ_ｃａｓｅを計算する。この点で、目標外殻サイズＤ_ｃａｓｅは、目標空隙、目標空隙バルク密度（ＧＢＤ）、又は設置後における目標マット密度（ＩＭＤ）に基づいて計算することができる。

図３に示すように、１つの好ましい実施形態では、支持マット２４の前縁及び後縁５０は、縁部５０が支持マットの隣接する層２２の下又は上に重なる区域でさらに緩やかな遷移を生成するために、直角に切断するのではなく、ある角度をなして切断される。より緩やかな遷移を提供することに加え、この構造は、従来の方法による直角の切断によって生成されるような空隙を充填する傾向がある。これは、他の方法ではこのような空隙に伴う密度の変動を低減させる。

さらに、巻き付けた層２２の数は、密度が侵食の問題を防止するのに十分であるようにするために、下／上に重なる区域の密度の低下を最小限にするように選択することが好ましい。概して、巻き付ける層２２の数が多いほど、下／上に重なる区域で密度に与える影響が少なくなることは理解されるであろう。これに関して、巻き付ける層２２の数の上限は、支持マットの材料の脆弱性及びユニットのサイクル時間に左右される。１つの好ましい実施形態では、巻き付ける４つの層２２がある。

支持マット２４の重量ｍ_ｍａｔを決定する別の選択肢として、バルクロール４０の初期生産中に、スピンドル３９の重量を決定し、スピンドル３９とロール４０を組み合わせた総重量から引いて、ロール４０上の支持マットの重量を与える。次に、この重量をロール４０上の支持マットの全長及びロール４０上の支持マットの重量Ｗで割り、ロール４０の平均バルク重量を重量／面積で与える。これで、任意の特定のアセンブリ１０について、個々の支持マット２４それぞれの重量は、この平均バルク重量にマット２４の幅及び長さを掛けることによって決定される。支持マット２４がそれぞれユニット１０の特定の構造のために固定長に切断される状況では、これでロール４２から製造されるこのようなユニット１０全部の初期計算に基づいて、外殻の外径Ｄ_ｃａｓｅを一定にすることができる。

Claims (6)

1. 触媒担体と外殻の間に挟まれた少なくとも１層の支持マットを有する触媒ユニットの設置後におけるマット密度（ＩＭＤ）を得る方法であって、前記マットが重量ｍ_ｍａｔ及び幅Ｂ_ｍａｔを有し、前記触媒担体が断面積Ａ_{ｓｕｂｓｔｒａｔｅ}を有し、
   下式に基づいて、前記触媒担体と前記外殻の間の空隙の所望の環状断面積Ａ_ｇａｐを計算するステップと、
   
   下式に基づいて前記外殻の内径の目標断面積Ａ_ｃａｓｅを計算するステップと、
   
   前記触媒担体及び支持マットを前記外殻に組み付けた後に、前記計算したＡ_ｃａｓｅを達成するために前記外殻を変形するステップと、
   を含む方法。
2. 前記触媒担体及び前記支持マットと組み立てる前に前記外殻を計量し、前記外殻及び前記支持マットと組み立てる前に前記触媒担体を計量し、前記組み立てた外殻、マット、及び触媒担体を計量し、次に前記外殻の前記重量及び前記触媒担体の前記重量を前記組み立てた外殻、マット、及び触媒担体の前記重量から引いて重量ｍ_ｍａｔを計算することにより、ｍ_ｍａｔが決定される、請求項１に記載の方法。
3. 前記支持マット用のバルクロールから前記触媒ユニットの前記支持マットが切断される、該支持マット用の前記バルクロール上の前記支持マットの総重量を求め、前記バルクロールの幅及び前記支持マットの全長で前記総重量を割って前記バルクロールの前記支持マットの平均バルク重量を重量／面として得、次に前記平均バルク重量に前記支持マットの幅及び長さを掛けることにより、ｍ_ｍａｔが決定される、請求項１に記載の方法。
4. 変形した外径Ｄ_ｃａｓｅが下式を使用して計算され、
   
   ここで、Ａ_{ｕｎｃａｌｉｂｒａｔｅｄ}が、前記外殻の変形していない内径と前記外殻の変形していない外径との間に画定された前記変形されていない環状断面積であり、
   前記変形ステップが、前記外殻の変形していない外径を前記変形した外径Ｄ_ｃａｓｅに低減させることを含む、
   請求項１に記載の方法。
5. 前記マットに結合剤がない、請求項１に記載の方法。
6. 触媒ユニットの組立方法で、各触媒ユニットが外殻、触媒担体、及び前記外殻と前記触媒担体の間に挟まれた多層支持マットを含み、
   自身の中心軸に平行に延在する幅を有する支持マットのバルクロールを提供するステップと、
   最終ユニットに固有のマットロールが触媒ユニットの特定の構成に固有の幅を有する状態で、最終ユニットに固有の複数のマットロールを形成するために、前記バルクロールを切り開くステップと、
   前記最終ユニットに固有のマットロールから支持マットの所望の長さを切断し、前記支持マットを組み立てて、前記支持マットが切断される前記最終ユニットに固有のマットロールに対応する前記触媒ユニットの特定の構成にするステップと、
   以下の計算に基づいて、前記触媒担体と前記外殻の間の空隙の所望の環状断面積Ａ _ｇａｐ を計算するステップと、
   
   ここで、ｍ _ｍａｔ ＝支持マットの重量、
   Ｂ _ｍａｔ ＝支持マットの幅、
   以下の計算に基づいて、前記外殻の内径について目標断面積Ａ _ｃａｓｅ を計算するステップと、
   
   ここで、Ａ _{ｓｕｂｓｔｒａｔｅ} ＝触媒担体の断面積、
   前記触媒担体及び支持マットを前記外殻内に組み付けた後に、前記計算値Ａ _ｃａｓｅ を達成するために前記外殻を変形するステップと、
   を含む方法。