JPH02502110A - 整流体を備えた触媒装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、請求項１の前文に記載の特に内燃機関のための触媒装置とその製造 方法とに関する。

この種の触媒装置は１例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第３４３０３９９号 及び同第３４３０４００号公報から知られている。多くの通常用いられる触媒装 置は多数の並列流路を有するはちの巣状触媒体を備え、この触媒体はセラミック 基材から成るか又は板構造体から成ることができる０通常の排気管路は触媒体よ り著しく小さい断面を有するので１通常は各触媒体の前に円錐形に拡大するディ フューザ部分が配置され２これに応じて触媒体の後ろにはコンフユーザ部分が正 常の排気管路への移行部として配置される。

触媒装置における公知の問題は、触媒体の全断面上に排気が均一に流入しないの で、均一な利用のために例えば整流体を用いるということにある。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第３５３８３１５号公報から、触媒体の前で旋回 流を発生させる整流体を用いることも知られている。

ドイツ連邦共和国特許第３４１７５０６号明細書から更に、二分割され里かス断 面か嶺９伽劫施株が翻ち台−でセ番１、−小知濾株にｆｔ１種々の組み込み状態 への適合が可能となる。

二段式触媒体がドイツ連邦共和国特許出願公開第３０１２１８２号公報から知ら れており、それぞれの燃焼排気に最適に適合された状態が得られる。

最後にドイツ連邦共和国特許出願公開第２３１３０４０号公報から、製造技術上 の理由から僅かに円錐の形のケースの中へ圧入されることにより僅かに円錐の形 に形成された触媒体が知られている。

しかしながら相変わらず触媒装置では触媒体の前側の一様な流入の問題が満足に 解決されていない、公知のすべての装置は排気流中で絞りのように働き、従って 不利に排気背圧を高めそれによりエンジンの効率が損なわれる。公知の整流体に よってもやはり触媒体への一様な流入を達成できない、更にはディフューザ又は コンフユーザのために必要となる空間を最善に利用することができない。

この発明の課題は、触媒体への最善の流入をもたらすような触媒装置を提供する ことにある。更にディフューザ及びコンフユーザのために必要な体積の利用を改 善するかこの体積を低減しようとするものである。最後に冷態始動の際の触媒の 一層良好な始動特性を達成しようとするものである。

この課題は請求項１の特徴に記載の触媒装置により解決される。この発明に基づ く整流体はディフューザ内ばかりでなくコンフユーザ内にも同様に組み込むこと ができる。ディフューザ内では整流体の開放断面積を増加しなければならないの に対しコンフユーザ内では開放断面積を減少しなければならないが、この種の整 流体は逆向きに配置するだけでよい、従って以下のすべての説明は多少異なる点 があるとしてもコンフユーザ内での逆配置に対しても同様に成立するので１次に ディフューザ内の整流体だけをとりあげることにする。

多数の少なくとも部分的に円錐形に広がる波路から成る整流体は、流れを公知の 装置よりも著しく均一に触媒体の全端面上へ導くことができる。その際整流体が 引き起こす圧力損失は比較的小さくとどまり、多くの場合整流体の無いディフュ ーザがもたらす圧力損失以下である。従ってこの発明に基づく整流体は、個々の 流路が平行ではなく相互に角度を成して延び全体として流れ方向に増加する断面 を有するはちの集体である。この種のはちの集体はその形において勿論触媒体の 断面形に適合しなければならないので、円錐台形のほかに偏平形とすることも可 能である。

この発明の有利な構成は請求項２以下に記載され、また次に図面により詳細に説 明される。

この発明の困難な点はまず、円錐形のはちの集体に対して触媒体のために通常用 いられる加工技術を簡単には利用できないということにある。従って円錐形に広 がる流路を備えた円錐体を通常のノズルからセラミック素地により作ることもで きず、帯板から問題無く螺旋形に巻くこともできない、従って望ましくは触媒体 に対して用いられるような金属板から製作する場合に、新しい型又は製造方法を 発見しなければならない、この問題は、例えば平板と波板との交互の層から成る 円錐体を螺旋形に巻き付けるために、まっすぐな帯板を必要とするのではなく暦 ごとに減少する曲率半径を備えた帯板が必要となるということにある。確かにこ の種の帯板の製造は原理的には可能であるが、しかし加工技術的には必ずしも有 利ではない、他方では整流体は触媒体自体よりずっと少ない数の流路を有すれば よいので、比較的複雑な製造方法も少数の流路のゆえになお可能であるというこ とに注目すべきである。更に側々の流路体の前加工とその後組立とは所望の整流 体の製造のための可能な方法である。

しかしいずれの場合にも円錐形の整流体の製造の際に、比較的複雑な形及び長さ にわたり量的及び質的に異なる波路断面が生じる。それにより個々の流路の開口 角の決定が実際的に不可能である。しかしそれにもかかわらず各波路は、入口側 で一つの流路が出口側で複数の流路に分割されない限り、入口側での断面積と出 口側での断面積とから与えられる有効な開口角を有することになり、このことは この発明に基づ〈実施例でも同様にあてはまる。

従って以下に流路の開口角について論じるとき、開口角はこの流路が画成する立 体角を意味するものとする。この立体角の尺度としては、中心として頂点を囲む 単位球からこの立体角により切り出される面が用いられる。

勿論流体技術的にはこの開口角ばかりでなく個々の流路の断面形も重要な役割を 果たすので１種々の考えられる形を完全に理論的に論述することはほとんど不可 能である。しかしながらこの発明に基づく整流体の決定的な長所は、個々の流路 が常に流れがもはや壁から離れないような小さい開口角を宥することができると いうことである０例えば円錐形ディフューザの場合には流れは約π／１７の開口 角の際に壁から離れて乱流となる。触媒装置における通常のディフューザは２π ／３までの開口角を一般に有するので、そこでは流れが常に壁から離れ、このこ とは整流体が無ければまさに流れの不均一な分布を招く、確かに複雑な波路形状 のために離れ角は経験的に決定しなければならないが、しかしながらこの発明に 基づく整流体は常に、流れが壁から離れる臨界角を下回るような多数の流路から 製作することができる。従って個々の流路にディフューザを分割することは、中 間壁の組み込みにもかかわらずディフューザ内の流れ抵抗を低減し、触媒体の端 面上の非常に均一な分布をもたらす、所望の場合には整流体の内側と外側の流路 の異なる開口角により、場合によってはなおも存在する流れの不均一な分布を抑 制することができるか、又は適宜に整流体の端面にわたる任意の所望の不均一な 分布を達成することさえできる。

整流体が触媒体より少ない流路を有することにより、請求項２によれば流入側の 整流体の個々の流路の開放断面積を例えば触媒体の波路の開放断面積とほぼ同じ 大きさとすることが可能である。整流体での圧力損失を小さくするために、流入 側の開放断面積を著しく大きく選ぶことさえできる。

請求項３によれば整流体及び触媒体を中間室により分離すべきであり、この中間 室により整流体と触媒体との間の排気の旋回が可能である。このことは触媒体へ の流入の際の乱流従って触媒体の効果を高める。

請求項４によれば個々の流路の開口角を流れが壁から離れる角度より小さくすべ きである。この手段は整流体により引き起こされる圧力損失を最適化する。

しかしながらこれに対する変形案として請求項５によれば、整流体の個々の流路 の開口角をまさに、例えば流路の終端に乱流が存在しそれにより排気の一層良好 な混合が達成されるように選ぶことができる。この構造は後述するように整流体 が触媒的に活性な材料により被覆されているときに特に有利である。

請求項６〜９ではこの発明に基づく整流体の技術的に実現可能な形が記載されて おり、これについては図面により詳細に説明する。

この発明の極めて重要な長所は請求項１Ｏ及び１１に記載の構造の場合に得られ る。触媒的に活性な材料により整流体を被覆することにより、全体として体積が 不変な場合に利用可能な触媒的に活性な表面が著しく増大される。従ってディフ ューザのためにまた場合によってはコンフユーザのために必要な体積を、触媒的 に活性な表面を装着するために利用することができる。整流体の整流作用はそれ により損なわれることはない、整流体はかえって本来の触媒体に加えて同様に触 媒体となり、それにより補助的な長所が生じる。

断面積出たり少ない数の流路を備えた金属製触媒担体は、断面積出たり多い数の 流路を備えた触媒よりも一層良好な始動特性を示すことが経験的に判明している 。この触媒は冷態始動の際に速やかに高い変換率に到達するが、このことは非常 に重要である。

触媒的に活性な材料により被覆された整流体が本来の触媒体に前置接続されるな らば、この整流体は同様に始動特性を葺しく改善することができる。整流体内の 触媒反応は本来の触媒体内の反応より既に早期に始まる。それにより場合によっ ては本来の触媒体内の反応も一層早く開始させることができる。なぜならば整流 体内の発熱反応が本来の触媒体における冷態始動を加速するからである。この効 果を促進するために請求項１１に記載のように、整流体を本来の触媒体とは異な る触媒的に活性な材料、例えば特に冷態始動特性を改善する材料により被覆する ことができる。勿論この構造は、触媒的に活性な被膜がコンフユーザでも利用可 能な体積を一層良好に利用できるとしても、コンフユーザ内の整流体の触媒的被 膜に対しても同様に当てはまるわけではない。

最後に請求項１２ではこの発明に基づく整流体の特に有利な製造方法が記載され 、これについては図面により詳細に説明する。

この発明の複数の実施例が図面に示されており。

第１図はこの発明に基づく整流体を備えた典型的な触媒装置を、第２図はディフ ューザ内の整流体だけを備えた触媒装置を、第３図はこの発明に基づく整流体の 製造に適するようなスリットを切られた波板を、 ＠４図は整流体の端面での直線上に展開された一つの層を、第５図は整流体の流 出側での直線上に展開された一つの層を、第６図は別の方法で製造された整流体 の端面での直線上に展開された一つの層を。

第７図は中央領域におけるこの発明に基づく整流体の流出側での直線上に展開さ れた一つの層を、 第８図はこの整流体の流出側の外側領域における直線上に展開された一つの層を 、 第９図は個々の前加工された円錐台形流路モジュールから成る整流体の構造を。

第１０図は方形断面を備え個々の前加工された流路から成る整流体の構造を。

第１１図は増大する開口角を備え相互にはまり合い同心に配置された円錐台から 成る整流体の構造を 示す。

第１図は入口管ｌ、出口管２１通常のはちの巣状触媒体３、ディフューザ内の整 流体４及びコンフユーザ内の整流体５を備えた触媒装置を示す、整流体４．５と 触媒体３との間には混合板６．７が設けられている。

第２図は入口管２１、出口管２２．触媒体２３及びディフューザ内の整流体２４ から成る触媒装置を示し、整流体は混合板２６により触媒体２３から分離されて いる０図に示すように触媒体の構造は並列の流路から成り、整流体の構造は立体 開口角αを備え流れ方向へ拡大する流路から成る。基本的には整流体が正確に入 口管２１の端部で始まることが有利であるが、しかしながら製造技術的又は流体 技術的理由から整流体の端面がディフューザの幾分内側に置かれることが必要と なることもある０図示の触媒装置の断面は円筒形又は円錐形、更には偏平形の装 置に対しても成り立つ。

この発明に基づく整流体を金属製触媒担体に対して通常用いられるような板から どのようにして作るかを明らかにするために。

下記の図を用いる。まず第３図、第４図及び第５図に一実施例を示す、基本的な 問題は全体として円錐形の整流体をいわば一端面の圧縮により作るべきでないと いうことにある。なぜならばそのときはこの端面では開放断面積と材料により閉 鎖された断面積との比率が非常に不利となり、このことは圧力損失を著しく高め るからである。従って技術的に有効な解決のためには、増大する断面を備えた所 望の流路形を組み立ての際にもたらすような、特別な形状の板を用いることが必 要である。第３図に示すように流出側１＆３３から炒まるスリット３４を波底及 び／又は波頂の全部又は一部に沿って有する波板３１がこのために適している。

この種の波板３１はまずできる限り急傾斜の側面と大きな振幅とを持たせて作ら れる。続いてスリット３４が設けられる。そして波板を流入側縁３２で引き伸ば し、それにより側面傾斜と振幅とが減少する。流出側縁３３上ではスリット３４ を設けられた板が同様に引き伸ばされ、しかも場合によっては流入側縁３２上よ りも一層広く引き伸ばされる。その際スリット３４が広がるが、しかし側面また は振幅は変化しない、このような波板３１を、直線形ではなくだんだんと湾曲度 を増さなければならない平板３５と共に、場合によってはスリット３４の広がり を増しながら螺旋形に巻くと、流れ方向に増加する断面を有する流路３６を備え た所望の整流体ができ上がる。第４図は流入側ｔ＆３２上に生じる断面形状を示 し、第５図は流出側縁３３上に生じる断面形状を示す、簡単化のために一つの波 板３１と二つの平板３５との直線上に展開された各一つの層だけが示されている 。

所望の整流体の製造のための別の実施例が第６図、第７図及び第８図に示されて いる。この実施例では整流体が主として大きい振幅を備えた波板７１及び同様の 波長と小さい振幅とを備えた波板７２から成る。これらの板は螺旋形に巻かれる が、その際流出側では幅の狡い平らな中間層７３が一緒に巻き込まれ、それによ り流出側では両波形が保合できず、それにより巻き込みの際に流入側におけるよ りも非常に速やかにかさを増す端面が生じる。平らな中間層は原理的にはまっす ぐな帯板ではなく増加する曲率を有しなければならないが、しかしこのことは幅 の狭い帯板の場合には一般に凹性変形により達成することができる０作られた整 流体はその端面で第６図に示すようなはまり合った波板の典型的な組み合わせを 示し、流出側では内側領域に第７図のような組み合わせを示し、外側領域に第８ 図のような組み合わせを示す。

第９図及び第１０図は、この発明に基づく整流体が個々に前加工された円錐台形 流路モジュール９１又は方形の流路モジュール１０１からどのようにして構成で きるかを示す、勿論他の流路断面も可能であり、その際更に個々のモジュールが 単一の流路を備えるのではなくそれぞれ多数の流路を備えるようにすることもで きる。最後に第１１図は、増大する開口角を備え相互にはまり合い同心に配置さ れた円錐台面１１１からこの発明に基づく整流体を作る別の可能性を示す、この 種の面は例えば桟、波形中間層などにより所望の間隔に保持することができる。

前記の諸実施例はこの発明に基づく整流体の多数の製造可能性のうちの若干例だ けを示したものににすぎず、勿論他の公知の触媒装置に基づき板構造の著しい変 形案も可能である。一般に板を相互にろう付けすることが有利であるが、しかし 接着、溶接及び焼結のような別の接合方法も考えられる。この発明に基づく整流 体は触媒体で通常行われるように外筒を有することができ、その場合外筒は触媒 装置の組み立ての際にコンフユーザを形成するかコンフユーザの中にはめ込まれ る。

ＦＩＧＩ ＩＧ　２ ＦＩＧ　１０ 国際調査報告 国際調査報告 ＥＰ　８８００７５６ Ｓ＾　２３９９１ 珂１頁の続き Ｘ　　明　者　　スウルス、ヘルムート　　　　　　　ドイツ連邦共和国リート ヴエーク 特表千２−５０２１１０　（７） Ｄ　−５０６０ベルギツシュ　グラ−ドパツバ　１

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．はちの巣状触媒体（３；２３）の前の流れ方向に広がるディフユーザと、触 媒体の後ろの流れ方向に狭くなるコンフユーザと、ディフユーザ及び／又はコシ フユーザ内に少なくとも一つの整流体とを備えた特に内燃機関のための触媒装置 において、ａ）整流体（４、５；２４）が並べて及び／又はほめ合わせて配置さ れ流体の貫流する多数の流路から成り、これらの流路がすべて又は少なくとも部 分的にディフユーザ内でば流れ方向に増大する断面を有し、またコンフユーザ内 では流れ方向に減少する断面を有し、 ｂ）整流体の開放断面積が一方の側面では他方の側面におけるよりも著しく大き く、例えば２倍を超え望ましくは約４ないし６倍の大ささである ことを特徴とする整流体を備えた触媒装置。
2. ２．整流体（４、５；２４）の個々の流路の開放断面積が、小さい方の断面積を 備えた側面ではちの巣状触媒体（３；２３）の流路の開放断面積とほぼ同じ大さ さであり、望ましくほそれより著しく大きいことを特徴とする請求項１記載の触 媒装置。
3. ３．整流体（４、５；２４）と触媒体（３；２３）との間には排気の旋回に役立 つ約５〜３０ｍｍの中間室（６、７；２６）が設けられることを特徴とする請求 項１又は２記載の触媒装置。
4. ４．増大する断面を有する整流体（４；２４）の流路の開口角（α）は、流れが 壁から離れる角度より小さく、例えば単一の断面の場合にはπ／１７より小さく 望ましくはπ／２４より小さいことを特徴とする請求項１ないし３の一つに記載 の触媒装置。
5. ５．整流体（４；２４）の流路が増大する断面を有し、ちょうど乱流が流路内で 又は流路の端部で維持されるような開口角（α）を有することを特徴とする請求 項１ないし３の一つに記載の触媒装置。
6. ６．増大する断面を有する流路が、交互に積層された又は巻き込まれた平板（３ ５）と波板（３１）とにより構成され、この断面では波板（３１）が流出側縁（ ３３）からほぼ波底又は波頂に沿って流出側縁（３２）の近くまでスリットを切 られ、かつ流れ方向へ向かってスリット幅を広げられ、その際波形の側面が流入 側縁（３２）では流出側縁（３３）におけるよりもなだらかであることを特徴と する請求項１ないし５の一つに記載の触媒装置。
7. ７．整流体がほぼ等しい波長と著しく異なる振幅とを備えた少なくとも二つの波 板（７１、７２）から巻かれるか又は積層され、その際波形が小さい方の断面を 備えた側面でははまり合い、他方の側面では幅狭く平らな帯板から成る中間層（ ７３）により分離されていることを特徴とする請求項１ないし６の一つに記載の 触媒装置。
8. ８．整流体（４、５；２４）が、増大する又は減少する断面を備え個々に前加工 された流路体（９１；１０１；１１１）、望ましくは金属製の板から作られた流 路体から組み立てられることを特徴とする請求項１ないし４の一つに記載の触媒 装置。
9. ９．板（３１、３５；７１、７２、７３）が接触個所の少なくとも一部で相互に ろう付けされることを特徴とする請求項６ないし８の一つに記載の触媒装置。
10. １０．整流体（４、５；２４）が触媒的に活性な材料により被覆されることを特 徴とする請求項１ないし９の一つに記載の触媒装置。
11. １１．デイフューザ内の整流体（４；２４）上の触媒的に活性な材料が、特に冷 態始動特性すなわち低温での触媒反応の開始を改善するような性質を有すること を特徴とする請求項１０記載の触媒装置。
12. １２．下記の工程すなわち、 ａ）でさるだけ急傾斜の側面を備えた波板（３１）が一側縁（３３）から波底又 は波頂の全部又は一部に沿って他方の側縁（３２）の近く例えば１０ｍｍの距離 までスリット（３４）を切られ、 ｂ）板（３１）がスリットを切られた側離（３３）上ではスリットを切られてい ない側縁（３２）におけるよりも強く広げられ、ｃ）広げられた板（３１）が交 互に平板（３５）と共に多数の流路（３６）を備えたブロックとなるように巻か れ又は積層され，接触個所の少なくとも一部で接合技術により望ましくは高温ろ う付けにより結合される ことを特徴とする請求項５記載の整流体の製造方法。