TW558594B - Pipe-shaped catalyst construction for exhaust gas purification - Google Patents

Description

558594 五、發明說明（1) 發明概述 本發明係-種觸媒式排氣淨化管結構，作為淨化汽機 車所排放之廢氣使用。 發明背景 趣日益增加 形成一趨勢 ，在經過淨 氫（HC)，氮 在已知有許 為觸媒式管 式管結構係 成。雖然， 小而使觸媒 氣。有鑑於 之凹形構件 ’汽機車内燃機所排 。在這方面的例子， 化一些有害物質，包 氧化物（N〇x)等氣體 多種類之排氣淨化觸 結構。 由一金屬管内周圍表 觸媒式管結構之結構 幾乎無法有效地與排 此’觸媒已被設計披 上’以增加觸媒與排 去既有的技術中，一種觸媒式結 報第5 5 - 5 1 6 2 4號和公表公報第 示，前者所發表之觸媒式結構5〇 狀官51中之金屬板54，及披覆在 金屬板54内外表面上之觸媒物質 所構成。金屬板5 4係由多個v形 向延伸所形成之凹面元件53連續 由於對環保問題的興 放廢氣之計量在工業界已 如汽機車等所排放之廢氣 含如一氧化碳（C0)，碳化 後’才會排入空氣中。現 媒轉換為、，而其中一種即 機車等所使用之觸媒 面所披覆之觸媒物質所組 簡單，但由於接觸面積太 放氣體充分反應，淨化排 覆於管内金屬片或金屬板 氣之接觸面積。 像這類型的發明在過 構已經揭露在日本專利公 11 -510842號中。如圖5所 係由柱狀管51，裝設於柱 柱狀管51内周圍表面上與 55(如圖中點狀部份所示） 斷面構件52分別往内外徑 558594 五、發明說明（2) ' ' ------- 環繞而成為星形狀結構。而柱狀管5】 種管形支撐載體。 /、金屬板54即構成一 垃二?6所/，後者所發表之觸媒式結構6〇係由金屬製 柱狀官61，裝設於柱狀管61之金屬 你由金屬裟 屬片62之觸媒物質64(如圖中點狀部严 ，及披覆在金 片6 2係由多個u形斷面構件形成之凹：元二)所構:/金屬 產生，其與柱狀管61共同構成一種管形支牛連體只衣繞而 如圖5所示之觸媒式結構5〇 載體 件52開口端（或者說是凹面元件；義—人個與V形斷面構 圓，因此，開口端係沿著；;件接5 =徑很I、的 伸。由此，一個不包括金屬板 、中心區域延 整個斷面積之比值非常，】、。增積與金屬管Η 排氣之接觸面積可改進排氣‘=;5。4上觸媒物質55與 是排氣在金屬管51中心區域所受阻力J小：J速二卜-： 地，排氣在金屬管51中心迷較慢。類似 上升溫度較高，而在U = S輻f熱傳較小而導致 大而導致上升服度較低。由於ν形斷 得罕乂 近金屬管51中心區域，使复瞧霞 午2的開口鳊接 下。如此-來，部份的ί屬=高壓高溫 高壓高溫之作用而造成缺陷或破壞。θ ·、、、又到排放虱體 相反地鹿，圖6中所示之觸媒式結構 r;:=r6ur表面而不排列在金屬管上二 域。所以金屬片㈣乎不會因為流過金屬管61中心區域： 558594 ’因而希望完成一種具有高排 高溫熱破壞特性的觸媒式排氣 的排氣受到小管壁阻力而高速 管壁而保持高溫之效應，本發 地減小金屬片或金屬板在管中 實現這種觸媒式排氣淨化管結 更付合需求地排列在金屬管内 後’發明人已經發現無金屬片 斷面積最適合的比例。 氣淨化管結構，其組成包 ’包含一金屬管，及一裝設於 延伸之凹面連續圍繞的柱狀金 媒物質至少彼覆在支撐載體中 種觸媒式結構中，金屬片或金 五、發明說明（3) 排氣所造成的熱及壓力而破 中，一個金屬片6 3所在的環 丨個斷面積之比值非常小。如 64與排氣之接觸面積會因變 如前所述，觸媒式排氣 化效率的觸媒效能和耐高溫 然而，目前也並沒有一種觸 能要求。 I發明摘要 | 本發明有鑒於前述狀況 |氣淨化效能的觸媒效能和耐 !淨化管結構。 ί 為考篁中心區域所流經 i |流動與因低熱輻射散熱經過 I明人偶然發現一種能盡可能 |心區域的比例的排列方式以 構。換句話說，金屬片將以 周圍表面。經過努力地研究 排列的中心區域面積與整個 本發明係一種觸媒式排 i括：（1) 一種圓柱狀支撲載體 金屬管中並分別往内外徑向 i屬片或金屬板；和（2) —種觸 的金屬片或金屬板上。在這 壞。不過，在這種觸媒式結構 狀區域斷面積與金屬管61内整 此一來，金屬片63上觸媒物質 小而降低排氣之淨化效率。 淨化管結構所要求的高排氣淨 熱破壞的特性是互相抵觸的。 媒式結構能同時滿足這兩種性 558594 五、發明說明（4) 屬板被排列在沿著金屬管中除了斷面中心區域外的内周圍 表面上。其中，沒有金屬片或金屬板排列的金屬管斷面中 心區域面積與整個内表面斷面積之比值被設計為20%至 6 0%。 關於本發明之觸媒式管結構，金屬片不被排列在金屬 |管斷面中心區域（一柱狀空間，其中心距離不超過一預定 值）’金屬片與中心區域並維持一距離。換句話說，金屬 丨片被排列在金屬管内周圍表面區域。因此，金屬片等幾乎 ；不會曝露在流經管斷面中心區域高溫高壓的排氣，如此， 不但預防金屬片被破壞，也可維持其形狀的穩定。 除此之外，環狀區域斷面積與管内整個斷面積之有較 大的比值（4 0 % - 8 0 %)時，以相對較低之速度流過管内環狀 周圍的排氣會被披覆在支撐載體中金屬片或金屬板上的觸 媒物質有效地淨化，因此，觸媒式結構的淨化效能就可以 當金屬管斷面中心區域面積與管内整個斷 降，低於m時，彳能會有被排列在管斷面二區積域之： =金屬片被鬲熱排氣破壞的疑慮。另一方面，當這個比值 高於60%，可能披覆於金屬片等上面的觸媒物質會有 ，尹化政能降低的疑慮。 實施作ίΪ本發明之觸媒式排氣淨化管結構的具體化 廢氣本I明之觸媒式結構，可淨化汽機車内燃機所排放之 ^^8594 五、發明說明（5) 〜 ^數種具有抗高熱性與抗高壓性的金屬可用央你么摄 g形支撐載體的材料。舉例來說，不繡 =作為構成 ”斷面形狀則可以有圓形，橢圓形繪=非常適合。 數種具有非常高抗熱性的金屬可用來二二 ^栽體中金屬片或金屬板的材料❶舉例 成官形支 金就非常適合。這裡金屬片與金屬片需⑷合 迫小間隔並不重要，但本發明已經包、7 =，雖然 種狀況。 匕3 了有無小間隔的兩 在金屬片或金屬板上環繞而連續成形 =被= 係兩個在徑向向外擠出成形二形： 集件被㈣在一起’並由一連結構件將其連結。一樣 ，凹面7L件的組成，也可以係兩個在徑向方成 形斷面構件被鄰接在—起，並由—連結構件將擠其出連成形 中心區域斷面積與管内整個斷面積之比值可以被嗖 圍。2〇:°Γ°% ’甚至更好的方式是將設計範圍定為31% 、° 、思_ Ρ，無金屬片或金屬板排列的金屬管斷面中心 區域之半徑與管内整個斷面之半徑比值被設 !則，甚至更好的方式是將設計範圍定細至二圍。 | f屬片的凹面部份數量係和凹面元件環繞的長度有 丨]★這並不θ直接影響中心區域斷面面積與管内整個斷面 I積斷面積之比值，因此，可隨意地選擇。凹面元件的數量 丨t因凹面元件的尺寸改變而改變。不過，仍然存在一個適 丨當的凹面7L件尺寸可增進排氣之淨化效能。關於這一點， 558594 五、發明說明（6) 稍後會作說明。 金屬片凹面元件係以開口端（徑向向外端）銜接於管内 周圍表面。凹面元件的空六會沿著管軸向形成可讓管内周 圍區域的排氣流通之流道。排氣流經管内周圍表面與凹面 元件的内表面所形成之流道^ 其所披覆之觸媒物質會有 效地淨化排氣。當流道尺寸太小而使凹面元件的高度太小 時，大部份的排氣會流向金屬管中心區域，以致於排氣淨 化效果降低。而另一方面’當流道尺寸太大而使凹面元件 的南度太大時，流道會容易因為排氣的熱與壓力效應而膨 脹。如此一來，凹面元件會有變形現象，甚至凹面元件某 處或凹面元件與金屬管之間會有裂缝產生。 氧化觸媒，還原觸媒及三元觸媒等多種觸媒都可披覆 在支撐載體上。就已知的觸媒而言，氧化觸媒將排氣中有 Ϊ =二化碳（C〇)_與碳化氫（HC)分別氧化而成為無害的二 洛氣(H2°)。還原觸媒將有害的二氧化氮 山2Γ η還原成為無害的氮氣⑷。三元觸媒則能氧化一氧化 石反（C0)與碳化^ ^ 乳化 之選擇係視需;=if广化氮⑽2)。使用的觸媒 _ 饥而淨化之有害物成份而定。 或金=物1:二可披覆於管形支樓載體中的金屬片 可同時或分別披覆二=也可披覆在管内表面。觸媒物質 覆觸媒物質的範圍俞屬片内表面或外表面。支撐載體披 覆觸媒物質的部份二F丄其淨化效能愈高。支撐載體中披 環狀周圍斷面積比信°σ域係考慮管中心區域斷面積與内緣 、 值’以及凹面元件的數量。 558594

被選擇 五、發明說明（7) 以上所述，本發明各元件之具體化實施例可以 性地組合起來。 發明所提之具體化實施例 本發明之一種具體化實施例將參考所附圖例進行說 丨（具體化實施例一） 本文中二種觸媒式管結構具體化實施例（具體者 |例一比較範例一與範例二）已經完成實體以作測試用:也 : 如圖一與圖二中所視，具體化實施例一之觸媒 i構10,其係由一種管形支撐體所構成，其包含一金^二、 i 11 ’金屬片12 ’及披覆於金屬片表面12之觸媒物質 |金屬管11係一種不銹鋼材質，内直徑254公厘， |公厘，長度170公厘之圓柱形管。因此，金屬管u^· I斷面面積S1為506· 5平方公厘。 1固 ! 金屬片12係一種以20以- 5A1合金材質製成，具 丨M0微米，並由多個凹面元件丨3環繞而成為的圓柱形管。又 丨每個凹面元件13包含兩個u形斷面構件14以徑向向外延 伸，再藉由一連結構件銜接而成。所有U形斷面構件丨4都 有相同的的結構，每個都包含一個豎立構件14a與一個頂 |端構件14b。豎立構件ua高度4公厘，其中高度是指其與 |連=構件15之徑向距離。不包含金屬片12之中心區域16其 I直位為公厘。如此一來，中心區域直徑斑金屬營直徑 丨：率為69%。中心區域以約237.7平方公厘，與 :正個斷面積S1比率為47%。周圍環狀區域斷面積S3為268· 8

558594 五、發明說明（8) ~~~' — 平方公厘，與金屬管π之整個斷面積S1比率為53%。 U形斷面構件14之周長較距離鄰近的ϋ形斷面構件14之 長度小。金屬片1 2係銜接於每個凹面元件丨3 (裝置於丨7處） 之内表面，所以金屬管丨丨和凹面元件丨3之間的環形區域 成梯形狀的流道18。三元觸媒物質19(如圖中點狀區域所 示）係彼覆於凹面元件13與連結構件15之内外表面。 (比幸父用的樣品一) 較用的樣品 管結構。其 ，金屬片係 多凹面元件 質19。 個凹面元件 連結構件相 管直徑比率 管11之整個 與整個斷Φ 件數量等， 比 觸媒式 金屬管 片12之 觸媒物 每 向上與 與金屬 與金屬 面積S3 凹面元 似0 一係一種類似具體化實施例一之組成的 中’其金屬管類似具體化實施例一中之 一種尺寸不同於具體化實施例一中金屬 ’而觸媒物質也類似具體化實施例一中 的高度都約為8公厘，並形成在直徑方 距9 · 4公厘。如此一來，中心區域直徑 為37%。中心區域S2約69· 4平方公厘， 斷面積S1比率為14%。周圍環狀區域斷 積S1比率為μ%。另外，金屬片材質， 都與具體化實施例一之觸媒式結構相 (比較用的樣品二） 比較用的樣σ 一总—^ ^ . 觸媒式管結構。：；:、立：”具體化實施例-之組成的 金屬管，金屬片;I 屬管類似具體化實施例一中之 片12之夕叫而_糸一種尺寸不同於具體化實施例一中金屬 夕 疋件’而觸媒物質也類似具體化實施例一中 558594 丨五、發明說明（9) 觸媒物質1 9。 每個凹面元件沾一 / > ^ 徑方向上盥連社槎杜f向尚度都約為2公厘，並形成在直 直徑與金屬管直m目距9.4公厘。如此-來，中心區域 平方公厘，盘金為m。中心區域斷面積以約359.5 環狀區诚部二S 1之整個斷面積S〗比率為71%。周圍 u u 2 S ° 。整個斷面積S1比率為29%。另外，金屬 、=似凹面元件數量等，都與具體化實施例-之觸媒式 藉由具體化實施例一’比較用的樣品一 樣品二，觸媒式管結構所進行的排氣淨化實驗；： 率:Ξΐ:Λ。二中’淨 m [(未經觸媒淨化排氣之H c濃度)-(經觸媒 :排乳之m)]除以（未經觸媒淨化排氣之Hc濃度）、 ^再乘以1〇〇。同樣的，”co(一氧化碳）淨化率,，的計算 方式係（（未經觸媒淨化排氣之⑶濃度）_(經觸媒淨化排氣 之C0〉辰度））除以（未經觸媒淨化排氣之⑶濃度）後，

10 0。 M ^表2中，所示為金屬片形狀穩定特性指標，其係以視 覺上的觀察判斷變形大小。而本發明之，，冷卻及加溫測試，， 係以一仃程引擎在十分鐘的時間内加熱觸媒式結構至 9 5 0〇C，再以十分鐘的時間冷卻至室溫，並重複數次。

HC

表1淨化率CO 淨化率

558594 —-__ 五、發明說明（10) 具體化實施例一 比車父用的樣品一 比較用的樣品二 45% 50% 20% 58°/〇 65% 35% 在ηγΪΪ面所示之表1 ’比較用的樣品一之觸媒式管社播 化效能與⑶淨化效能是 某二:；構 差。這些的結果表構則最 環狀區域面積與整個斷面積之比率有金且屬 Γ： Q 0/ , , L m 丁 1關、具體化貫施例_ 比幸父用的樣品-係86%，比較用的樣品二係29%)。 表2 !具體化實施例一 |比較用的樣品一 比較用的樣品二 冷卻及加溫測試後金屬片之變形狀況 無變形 大變形’且部份發生缺陷 無變形 由前面所示之表2 ’具體化實施例—與比

二媒式管結構並未發生變形。但比較用的樣品一之°° 媒式官結構中的金屬片則產生了變形與部份發生 樣的結果可能是由於具體化實施例一與比較用檨=一 ^ 媒式管結構中’其中心區域斷面積比率較大和H ::=二樣品一觸媒式管結構中，其中心區域斷面積t 率权小（1 4 %)所造成。

558594 五、發明說明（11) 本發明係以淨化效能與金屬片形狀穩定性之評估作為 觸媒式管結構品質的判斷依據。具體化實施例一之觸媒式 管結構在這兩方面的表現都很好。但不同地，比較用的樣 品一觸媒式管結構在形狀穩定性之表現較差，而比較用的 樣品二觸媒式管結構則係在淨化效能之表現較差。 之比 金屬 平衡 丨尺寸 !設計 丨 14% ( !化實 面元 丨沒有 丨兩個 丨的觸 丨性。 !管半 積比 淨化 式管 一般來說，當選擇了周圍環狀區域面積與整個斷面積 率較大時，觸媒物質之淨化效能較高，但同時也使得 片之形狀穩定性變差。因此，如何使這兩個特性能 是非常重要的。 ° 在比較用的樣品一觸媒式管結構中，中心區域部份的 係採中心區域半徑與金屬管半徑比率為37%非常小的 ，：Λ是Λ中心區域與金屬管11之整個斷面積比率為 …响/、八有在HC淨化效能與C〇淨化效能方面 施例一之觸媒式管結構之1 1倍。 二、- Α 〜 借判斷故個事實，凹 貢獻11 ΐ 公厘）不但對於提高淨化效能 ?件，若凹面元件之高度為5公厘時 ：考慮， :淨化效能’❿同時也能維持凹面元件之手形:有 :： 二比率為6U，也就是說中心區：與金屬 率為37%。 哎斷面積與整個斷面

率與C0淨化率方幸二：：；二觸媒式管結構中，在HC 結構ίο差。判斷這個事每| 體化貫施例一之觸媒 斷固事只，降低凹以#13< 558594 五、發明說明（12) 度（4公厘）是很不理想的。若將凹面元件1 3的徑向之高度 降至3 · 5公厘時，其淨化效能表現似乎與其徑向高度為4公 厘時之淨化效能相同。在這個狀況中，中心區域半徑與金 屬管半徑比率為72%，也就是說中心區域斷面積與整個斷 面積比率為52%。 能夠控制而影響使得中心區域半徑與金屬管半徑比率 在45%至77%$&圍之間，也就是中心區域斷面積與整個斷面 積比率在20%至60%範圍之間的條件包括了金屬片的形狀與 尺寸’凹面元件的形狀與數量，及支撐載體上披覆觸媒物 質之範圍大小等因素。 在具體化實施例一之觸媒式管結構中，與圖5中所示 ^ f媒式結構之金屬片1 2沒有連結構件1 3的任何部份名 屬二m是不同的。因此’金屬片12不會因為流經金 (具體化實v:二1排氣的高溫及高壓而發生破壞的現象。

屬片2體化實施例二之觸媒式管結構2〇，其金 不同。 形狀與具體化貫施例一之觸媒式管結構H 之每個凹面i:;;構20中’裝設於金屬管21内的金屬片 向上連續成；：』係由兩個鄰接V形斷面元件在周圍的 接在金屬C。每個V形斷面元件24的開口端都' 接在金屬管部份25的外表面周圍上，而其頂端則 觸媒4= 表面周圍上。 、、、。構20中’金屬管21尺寸，及金屬片22纪

558594 五、發明說明（13) ~~ " ^ =::都設計為與具體化實施例一之觸媒式結構相 同才^應的，其中心區域半徑與金屬管半徑比率為 6 0 0/0 ο

、二&、、、。構2 0之觸媒物質之淨化效能鱼 =穩定性能有類似具體化實施例一之觸媒式管J (具體化貫施例三） 属片=所：係具體化實施例三之觸媒式管結構30，其金 不同。70之形狀與具體化實施例一之觸媒式管結構1 〇 之每式管結獅中，裝設於金屬管31内的金屬片32 個V护·而-疋件33係由兩個鄰接V形斷面元件所構成。每 Γ:構:二件34都在徑向往外延伸，並由排列在其間的 立二=件35銜接起來。每個ν形斷面元件^都是由一對斜 之私立错1所構成，所以，凹面元件33係由V形斷面元件34 34之软fr ，連結構件35，及臨接的另一v形斷面元件 以說：v 件34a所定A。每個凹面元件33的開口端或可 圍上，/面兀件34之底端都銜接在金屬管的内表面周 32的式管結構3G中，金屬管31内直徑尺寸，及金屬片 之觸媒气徑向高度尺寸都設計為與具體化實施例一 半同。相對應的，“心區域半徑與金屈管 47f 為9%，也就是說中心區域與整個斷面積比率為

第16頁 558594 五、發明說明（14) 觸媒式管結構3 0之觸媒物質之淨化效能與金屬片3 2形 狀穩定性能有類似具體化實施例一之觸媒式管結構的表 現0 558594 :圖式簡單說明 圖例說明 丨第一圖係本發明第一種觸媒式管結構具體化實施例之斷面 I視圖； I第二圖係第一圖中沿著2-2剖面線之斷面視圖 |第三圖係本發明第二種觸媒式管結構具體化實施例之斷面 |視圖； i第四圖係本發明第三種觸媒式管結構具體化實施例之斷面 j |視圖；

I第五圖係過去既有的第一種觸媒式管結構之斷面視圖； !第六圖係過去既有的第二種觸媒式管結構之斷面視圖。 %

第18頁

Claims (1)

1. 558594 _案號89123089_年月曰 修正_ 六、申請專利範圍 構，其金屬片或金屬板上每個凹面元件都有兩個相鄰而在 徑向向外擠出而組成的V形斷面元件。 7.依據申請專利範圍第2項所述之觸媒式排氣淨化管結 構，其每個金屬片或金屬板上凹面元件都有兩個相鄰而在 徑向向外擠出而組成的V形斷面元件，兩V形斷面元件並由 一連結構件連結起來。 8 .依據申請專利範圍第5、6或7項所述之觸媒式排氣淨化 管結構，其觸媒物質彼覆於金屬管的内周圍表面，及金屬 片或金屬板的内外表面上。 9.依據申請專利範圍第5、6或7項所述之觸媒式排氣淨化 管結構，其金屬片或金屬板上每個凹面元件之開口端係銜 接於金屬管的内周圍表面，以致凹面元件之凹陷處在金屬 管内周圍形成許多流道。 1 0 .依據申請專利範圍第8項所述之觸媒式排氣淨化管結 構，其凹面元件之開口端係銜接於金屬管的内周圍表面， 以致凹面元件中與金屬管一起形成之孔穴在金屬管内周圍 變成許多流道。 1 1.依據申請專利範圍第9項所述之觸媒式排氣淨化管結 構，其凹面元件之開口端係銜接於金屬管的内周圍表面， 以致凹面元件中與金屬管一起形成之孔穴在金屬管内周圍 變成許多流道。

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