JPH10141049A - 排ガス浄化コンバータ - Google Patents

排ガス浄化コンバータ

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JPH10141049A
JPH10141049A JP9301792A JP30179297A JPH10141049A JP H10141049 A JPH10141049 A JP H10141049A JP 9301792 A JP9301792 A JP 9301792A JP 30179297 A JP30179297 A JP 30179297A JP H10141049 A JPH10141049 A JP H10141049A
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catalyst
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heat
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ギースホフ ユルゲン
Rainer Dr Domesle
ドメスレ ライナー
Egbert Dr Lox
ロックス エグベルト
Thomas Dr Kreuzer
クロイツァー トーマス
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関の排ガスの浄化のための排ガス浄化
コンバータ。 【解決手段】 本発明による排ガス浄化コンバータは、
入口端面から出口端面に向かって、排ガス用の多数の流
路が貫通している金属性のコンバータケーシング中にモ
ノリスの排ガス浄化触媒を有している。 【効果】 本発明による排ガス浄化コンバータは、高い
熱負荷による触媒の損傷を生じることなく、エンジン付
近の配置でのコンバータの運転を可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明の対象は、内燃機関の
排ガスの浄化のための排ガス浄化コンバータである。内
燃機関から排出される有害物質とは、本質的に炭化水
素、一酸化炭素および酸化窒素のことであり、これら
は、適当な触媒によって二酸化炭素と水のような無害な
生成物に変換されねばならない。
【０００２】
【従来の技術】排ガス浄化コンバータは、本来の排ガス
浄化触媒が配置されているスチールケーシングからな
る。前記排ガス浄化触媒とは、主として、金属箔または
セラミック材料からなるハニカム体の形でのモノリス触
媒のことである。ハニカム体は、入口端面から出口端面
に向かって、排ガス用の並行な流路が貫通している任意
の横断面積の円筒状の形を有している。流路の壁面は、
排ガス中に含有されている有害物質の変換のための触媒
活性被覆が施されている。また、このためには、フォー
ム構造体、網状物、繊維または粘着した構造体も使用さ
れている。以下に、前記触媒構造は、「モノリス触媒」
という上位概念でまとめられている。
【０００３】コンバータケーシングは、排ガス用の供給
管および排出管を備えている。コンバータケーシング中
へのモノリス触媒を気密に組み込むことによって、排ガ
スを、モノリスの流路を通してかもしくは流路に沿って
流動させている。
【０００４】排ガス浄化の際の本質的な問題は、触媒活
性被覆が、一定の温度を上回ってようやく、有害物質を
変換する状態になるということである。触媒調製物の特
性決定のためには、しばしば着火温度が記載されてい
る。この場合、それぞれの有害物質の５０％が変換され
るような排ガスの着火温度のことである。有害物質の早
い段階での変換のために、排ガスコンバータは、できる
だけエンジンのすぐ後ろに配置させることができた。こ
れによって、エンジンとコンバータとの間の長い排ガス
管による排ガスの冷却は回避された。通常、管の長さ１
メートル当たり約１００℃の排ガスの温度損失が見込ま
れなければならない。
【０００５】しかしながら、排ガスコンバータのエンジ
ン付近の設置は、連続運転および全負荷の場合に、熱す
ぎるエンジン排ガスによる触媒被覆の熱損傷をまねくこ
とがある。この場合、損傷は、触媒活性成分の焼結によ
る触媒被覆の失活からモノリスの機械的破壊にまでいた
る。まだ焼結された失活が生じていない触媒の最大許容
作業温度は、触媒被覆の調製物に左右されている。
【０００６】オットーエンジンの場合、８００〜１００
０℃の最高排ガス温度が見込まれなければならない。こ
れに、触媒に接しての有害物質変換の際の放出された熱
エネルギーが加わる。従って、前記コンバータは、触媒
の位置での最高排ガス温度の上限を定めるため、通常、
エンジンから１〜２ｍ離されて設置されている。
【０００７】コンバータ用のエンジン付近の配置を実現
しようとする試みは、全排ガス量を変換する状態にはな
い出発触媒に限定されている。前記出発触媒の課題は、
専ら、常温始動段階の間の増強された炭化水素放出を減
少させることである。
【０００８】従って、触媒のエンジン付近の設置に関す
る問題は、エンジン排ガスによっておよび触媒に接して
の発熱反応によってもたらされる熱エネルギーが、触媒
の損傷が起こらない限り放出されることにある。
【０００９】１つのもっともな方法は、熱交換器の形で
の放熱媒体への前記コンバータの接続である。この場
合、熱の伝導は、本質的に熱伝導によって行われる（直
接的熱伝導および対流によって）。この場合、伝導され
る熱量は、熱い触媒と冷たい熱交換器の間の温度差に直
接比例している。伝導された熱量は、前記の場合、本質
的に、温度の差に左右されるのであって、温度の絶対的
な高さに左右されるものではない。これにより、前記の
運転状態では望ましくないにもかかわらず、触媒が始動
段階の間に熱交換器回路に接する多くの熱量を放出する
ことになる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、高い
熱負荷による触媒の損傷を生じることなく、エンジン付
近の配置でのコンバータの運転を実現することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】前記課題は、入口端面か
ら出口端面に向かって、排ガス用の多数の流路が貫通し
ている金属性のコンバータケーシング中にモノリスの排
ガス浄化触媒を有する排ガス浄化コンバータによって解
決される。該排ガス浄化コンバータは、触媒の端面と放
射交換するコンバータの壁面が少なくとも１つのヒート
シンクと接続している。ヒートシンクの例は、空気／排
ガス熱交換器、水／排ガス熱交換器、固体／排ガス熱交
換器あるいはまた熱電コンバータおよび他の熱交換器で
あり、これらは、触媒によって放出された熱を他のプロ
セスに供給している。固体での熱の放出の１つの例は、
潜熱蓄熱器の加熱である。潜伏性材料中に蓄えられた熱
は、次の常温始動の際に、エンジン冷却熱の予熱のため
に使用することができる。
【００１２】また、本発明によれば、触媒の温度は、放
射冷却によって、触媒にとって無害な最大値に制限され
る。放射冷却の場合、伝導された熱量は（冷たい熱交換
媒体の規定の温度で）、触媒温度の４乗、Ｔ4に比例す
るので、高い温度では、低い温度の場合よりも本質的に
多くの熱が伝導される。従って、本発明によるコンバー
タは、低い温度範囲での触媒の冷却を回避し、かつこれ
により、常温始動段階の間の触媒の迅速な加熱を可能に
する。次に、温度の上昇とともに、ますます放射冷却が
作用し、かつ最高触媒温度は、触媒被覆にとって危険で
ない値に制限される。
【００１３】放射による熱交換をできるだけ効果的にす
るために、熱交換が間で行われるような放射面はできる
だけ大きく、かつ高い放射率で導出されている。このこ
とは、殊に触媒の端面に当てはまる。該コンバータの具
体的な配置は、選択された触媒被覆の許容作業温度に左
右され、かつ僅かな費用で当業者によって最適化される
ことができる。
【００１４】一酸化炭素および炭化水素の変換の際に
は、化学結合エネルギーが熱に変換される。これは、前
記の理由から断熱温度を上回る温度になる触媒表面で行
われる。この場合、放射制御された触媒の概念は、触媒
表面から冷たい熱交換器壁面へ放射が伝導されるので、
極めて有利であることが判明した。これと比較して、ガ
ス放射の割合は極めて少ない。
【００１５】モノリス触媒としては、公知技術水準から
公知の全ての実施態様が適している。入口面から出口面
への排ガス用の不規則で互いに結合した流路を有するよ
うな開孔フィルタ構造、例えばフォーム、網状物または
繊維構造体を有するモノリスは適している。しかしなが
ら、並行な流路の形で規則的に配置された排ガス用の流
路を有するハニカム状のモノリスは有利に使用されてい
る。前記のモノリスは、交互に閉鎖された流路を有する
いわゆる壁流フィルタとしてあるいはまた両側で開口し
ている流路を有するハニカム体としても使用することが
できる。
【００１６】ハニカム体の並行な流路は、被覆された壁
面材料の放射率よりも明らかに大きな放射率を示してい
る。良好な放射率は、ハニカム体の場合、壁面材料にほ
ぼ無関係に、流路の半径対流路の長さの比が０．１未満
である場合に生じる（同様のことは、正方形の流路にも
当てはまる）。
【００１７】熱伝導に対する放射率の影響とともに、放
射面積は重要である。放射調節されたコンバータの原理
にとっては、大きな放射面積を可能にすることが特に有
利である。従って、有効放射面積（殊に端面）対側面積
の比が０．５〜１０、有利に２〜１０の間の値を示すよ
うな触媒本体は、有用である。この場合、有効面積と
は、形状寸法的に存在する表面積のことである。前記表
面積は、平面上への前記有効面積の垂直投影の値を明ら
かに上回ることがある。円筒の形での触媒本体の場合、
面積比０．５（端面積対側面積）は、円筒の長さがその
直径と等しいことを意味する。より小さな比により、端
面を介する放射冷却は、ますます重要性を失っていく。
従って、２を上回る面積比を有するディスク状の触媒本
体は、有利に使用される。好ましい面積比は、放射冷却
の望ましい強さおよび面積比の増大とともに劣ったもの
になる触媒本体の機械的安定性によって上限が定められ
る。１０を上回る面積比は、ディスク状の触媒本体の機
械的安定性を、他の補助手段がなくては、もはや保証し
ていない。
【００１８】以下の図面は、本発明による排ガス浄化コ
ンバータの若干の可能な実施態様を示している。
【００１９】
【発明の実施の形態】図１は、空気−熱交換器および側
面の排ガス入口を有する本発明によるコンバータの１つ
の可能な構造を示している。モノリス４が組み込まれて
いるコンバータケーシングは１で示されている。排ガス
は、管２により側面からコンバータケーシングの中に侵
入している。側面からの導入によって生じた角運動量
は、排ガスを十分に混和させ、あるいはまた、コンバー
タケーシングの側面との熱交換を増大させることにな
る。前記の理由から、断熱材６が設けられている。更
に、該断熱材は、半径方向でのモノリスの熱損失を減少
させる。また、該断熱材は、劣った熱伝導性を有する公
知の材料（例えばセラミック被覆）とともに、モノリス
および少なくとも排ガスの入口領域を二重ジャケットの
形で包囲する。単純薄板からなる。空気−熱交換器７
は、触媒の流入面５と向かい合っており、かつ前記空気
−熱交換器を用いて、本質的に妨害されていない放射交
換が行われる。
【００２０】図２は、排ガスの軸線方向の侵入を用いる
図１のコンバータを示している。符号は、図１中と同じ
意味である。排ガス乱流の改善のために、コンバータ中
には、更に、並行薄板および流れ誘導面を組み込むこと
ができる。しかしこの場合、触媒の流入面５および熱交
換器７が、なお十分な程度で、放射交換を行うことがで
きることに注意しなければならない。
【００２１】本発明の目的には、熱放射面を触媒の全容
積と比較して最大にするためにできるだけ大きな横断面
積を有するディスク状の触媒モノリスが好ましい。図３
は、ディスク状モノリスの１つの適当なコンバータ構造
を示している。前記の構造は、流入面５並びに排出面
５′の冷却は、２つの熱交換器７および７′によって可
能にされる。
【００２２】本発明による使用すべき熱交換器とは、空
気−熱交換器または水−熱交換器のことであってもよ
い。水−熱交換器の使用は、車輌中に存在する冷却回路
への直接接続を可能にする。この場合、図３中に記載さ
れた空気−熱交換器は、小さな水−熱交換器によって代
替される。
【００２３】エンジン出力約３３ｋＷの小さな車輌から
出発する場合には、冷却器は、同様に３３ｋＷの出力に
設計されている。コンバータにより変換されることにな
る出力は、一酸化炭素および炭化水素の酸化のために
は、約３〜６ｋＷである。これは、熱交換面によって伝
導されなければならない最大出力である。必要とされる
熱交換器は、十分な水通過量の場合に、相対的に小さな
構造容積を有していてもよい。熱水回路への放射を介し
て伝導された熱の導入は、冷却水をより迅速に加熱する
ことになる。
【００２４】本発明によるコンバータは、種々の方法で
触媒の放射熱の利用を可能にする。従って、熱交換器中
に組み込むことができる熱電変成器の使用は可能であ
る。この場合、３００〜６００℃の温度環境で熱を電気
エネルギーを変換する状態の半導体素子である。前記半
導体素子の作用方法は、熱電素子の直列接続に相応す
る。熱電素子と同様に、熱電変成器は、熱い接触位置と
ともに冷たい接触位置も必要とする。効率は、２％と見
積もることができるので、最大伝導量４ｋＷから、約５
０〜８０Ｗを電気的に使うことができる。
【００２５】熱は、十分な温度の場合、他のユニットに
も利用できる。１つの方法は、既に工業的に完成されて
いるような熱的に作業される空調装置のための利用であ
る。前記空調装置は、車輌客室のための湿った吸気を乾
燥させる乾燥輪（Trocknungsrad）からなる。吸着剤の
除湿のために、本発明によるコンバータを用いて得られ
た熱いプロセス空気を使用することができる。乾燥させ
られた吸気は、車輌客室の換気のために、水を用いる定
義された加湿によって条件調節される。供給された水の
蒸発は、吸気を冷却させる。前記空調装置と本発明によ
るコンバータとの組合せは、これにより、乾燥輪の除湿
のための高いプロセス温度を得ることができるので、特
に重要である。前記の機械の効率は、１であってもよ
い。１キロワット時のエネルギー量を有する熱いプロセ
ス空気を用いて、１キロワット時だけ少なくされたエネ
ルギー量を有する冷却された吸気を得ることができると
いうことを意味する（必要な電気エネルギー量を考慮し
ない）。
【図面の簡単な説明】
【図１】空気−熱交換器および側面の排ガス入口を有す
るコンバータを示す図。
【図２】空気−熱交換器および軸線上の排ガス入口を有
するコンバータを示す図。
【図３】触媒の大きな横断面積を有するコンバータを示
す図。
【符号の説明】
１ コンバータケーシング、 ２ 管、 ４ モノリス
触媒、 ５、５′ 触媒の流入面、 ６ 断熱材、
７、７′ 空気−熱交換器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エグベルト ロックス ドイツ連邦共和国 ハーナウ グライフェ ンハーゲンシュトラーセ 12ベー (72)発明者 トーマス クロイツァー ドイツ連邦共和国 カルベン フィリップ −ライス−シュトラーセ 13

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 入口端面から出口端面に向かって、排ガ
    ス用の多数の流路が貫通している金属性コンバータケー
    シング中にモノリスの排ガス浄化触媒を有する内燃機関
    の排ガスの浄化のための排ガス浄化コンバータにおい
    て、触媒の端面と放射交換するコンバータの壁面が少な
    くとも１つのヒートシンクと接続していることを特徴と
    する、排ガス浄化コンバータ。
  2. 【請求項２】 ヒートシンクとして、空気／排ガス熱交
    換器、水／排ガス熱交換器および／または潜熱蓄熱器を
    使用する、請求項１に記載の排ガス浄化コンバータ。
  3. 【請求項３】 熱交換器に熱電変成器を接続している、
    請求項２に記載の排ガス浄化コンバータ。
  4. 【請求項４】 有効放射面積対側面積の比が０．５〜１
    ０である、請求項１に記載の排ガス浄化コンバータ。
  5. 【請求項５】 触媒本体として、流路の有効半径対流路
    の長さの比が０．１未満であるモノリスのハニカム体を
    使用する、請求項１から４までのいずれか１項に記載の
    排ガス浄化コンバータ。
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