JP2002514707A - 触媒コンバータ、特にディーゼルエンジンまたは希薄燃焼エンジン用触媒コンバータ - Google Patents

触媒コンバータ、特にディーゼルエンジンまたは希薄燃焼エンジン用触媒コンバータ

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Abstract

(57)【要約】 この発明は、内燃機関、特にディーゼルエンジンまたは希薄燃焼エンジンからの排気ガスを浄化する触媒コンバータに関し、このコンバータは、触媒活性材料で被覆され、かつ排気ガスがそこを流れる互いに壁（４、５）で分離される通路（３）を有する、少なくとも１つのハニカム体（６）を含み、コンバータは流れの方向（Ｓ）に連続して第１のゾーン（１）および第２のゾーン（２）を有し、第１のゾーン（１）は第２のゾーン（２）よりもハニカム体（６）の単位体積当りの熱容量が低く、前記触媒コンバータは、第２のゾーン（２）がリットルケルビン当り少なくとも８００ジュール（Ｊ／ｌｋ）、好ましくは少なくとも９００ジュールの熱容量を有することを特徴とする。好ましくは第１のゾーン（１）のシート状金属層（４、５）は被覆なしで平均して０．０６ｍｍ未満、好ましくは０．０４ｍｍ未満の厚みであり、第２のゾーンは被覆なしで平均して０．０６ｍｍより多く、好ましくは０．０８ｍｍより多く、特に０．１１ｍｍの厚みである。このように第１のゾーン（１）は高温の排気ガスで急速に動作温度に達することが可能であるが、第２のゾーン（２）は低温の排気ガスを含む動作状況に備え蓄熱する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 この発明は、請求項１の特徴の部分で述べられたように、触媒コンバータに関
する。多くの国で環境に関する法律が厳しさを増していることに照らして、排気
ガスを浄化する触媒コンバータは、自動車の内燃機関およびその動作モードに、
より正確に適合されなければならない。
【０００２】 オットーサイクルエンジンの排気ガス浄化という点においては、先行技術では
コールドスタート段階での汚染物質排出レベルを下げるために、以下のような触
媒コンバータを用いることが知られている。すなわちこの触媒コンバータは単位
体積当り最低限レベルの熱容量しか有していない第１のゾーンを有し、このため
このゾーンは急速に加熱し、触媒反応を引起こし、かつその状況で発生する熱エ
ネルギのために、さらに下流に配置される触媒コンバータの部分を加熱する。そ
のような触媒コンバータの例はＷＯ ９２／０２７１６に記載されている。
【０００３】 前部分で熱容量が減じられるハニカム体は、米国特許第５５４９８７３号およ
びＥＰ ０ ７０５９６２ Ａ１にも記載されている。３つの明細書すべてに共
通するのは、第１のゾーンは第２のゾーンよりも表面積が小さく、それにより実
質的に熱容量の減少が達成されていることである。
【０００４】 上に記載された減少した熱容量の第１のゾーンを有するモノリシックハニカム
体だけでなく、多くの排気システムは２つのハニカム体を有し、うち一方は断面
積当りの通路の数が少なく、そのため熱容量レベルが低い、という構造を含んで
いる。
【０００５】 すべてのハニカム体の壁をより薄くし、および全体の熱容量を最小限にすると
いうのが近年の開発の一般的な傾向である。この理由は重量を減らすことの他に
、単位体積当り最大限の表面積を得るとともに、排気システム内で望ましい最小
限の圧力降下を特に達成するためである。
【０００６】 この認識は本来オットーサイクルエンジンに関連して得られ、かつそれに対し
適用されたものであるが、排気ガスと燃料の混合が化学量論的に可能な限り正確
に規制される従来のエンジン設計に関する。
【０００７】 しかしながら、この設計構想は、ディーゼルエンジンまたはいわゆる希薄燃焼
エンジン、すなわちかなり多量の空気で、特に直接ガソリン噴射で動作するエン
ジンに安易に移すことはできない。この場合、排気ガス中の大量の空気のために
、化学量論的動作を含む際よりも、動作において実質的に低温となってしまう。
したがって、内燃機関のコールドスタート後は、触媒変換効果に必要な動作温度
が可能な限り速く達成されるのが望ましいが、その後の動作および特にアイドル
段階で、状況によっては触媒コンバータが触媒変換効果に必要な動作温度以下に
冷却されてしまうような低温排気ガスが発生し、その後の負荷段階では、汚染物
質がまず周囲に排出されてしまうことが認められるであろう。
【０００８】 したがって、この発明の目的は、エンジンがコールドスタートした後、急速に
動作温度に達するが、より低温の排気ガスを含むその後の段階で再びその温度を
失わないような、ディーゼルエンジンおよび希薄燃焼エンジンに特に好適な排気
ガス浄化のための触媒コンバータを提供することである。
【０００９】 この目的は、請求項１に述べられる触媒コンバータにより達成される。有利な
開発は従属の請求項で明らかにされている。
【００１０】 この発明の決定的なステップは、触媒コンバータにおいて、この場合にも求め
られる通常は熱容量の低いゾーンの下流に、ハニカム体の単位体積当り特に高レ
ベルの熱容量を備えた第２のゾーンを提供するステップである。その場合は、か
なり改良された排気ガス浄化の値が達成されることで、開発の傾向に反して、重
量増およびわずかに大きな圧力降下が許容される。
【００１１】 この発明に従うと、排気ガス浄化のための触媒コンバータは、少なくとも１つ
のハニカム体を有し、それは接触活性材料で被覆され、かつ排気ガスがそこを流
れる互いに壁で分離された通路を有する。コンバータは排気ガスの流れる方向に
連続して第１のゾーンおよび第２のゾーンを有し、第１のゾーンはハニカム体の
単位体積ごとの熱容量が第２のゾーンよりも低い。その場合、第２のゾーンは少
なくともリットルケルビン当り８００ジュール（Ｊ／ｌｋ）、好ましくは少なく
とも９００ジュールの特に高い熱容量を有する。第２のゾーンの高い熱容量の効
果は、低温の排気ガスを含むときに、一定の時間、触媒反応を維持できる熱を蓄
えられることにある。
【００１２】 エンジンのコールドスタートの後、先行技術で公知のように、第１のゾーンは
急速に加熱し、有害排気ガス成分、特に炭化水素および一酸化炭素を触媒変換し
始める。この反応は発熱性があり、蓄熱を始める第２のゾーンに対し急速な加熱
効果を支持する。触媒コンバータの第１のゾーンの表面積はコールドスタート段
階での変換効果に対して実質的に十分であり、そのため第２のゾーンでの緩やか
な温度上昇は汚染物質排出に関して何ら不利益にはならない。その代わりに低温
排気ガスを含んで動作するその後の段階では、第２のゾーンは蓄熱によって触媒
反応を維持し続けることができるが、第１のゾーンは熱容量が低いために、必要
な変換温度以下に急速に冷却される。次に続くより高温の排気ガスを含む段階で
は、発熱性反応が非常に急速に再び第１のゾーンに移り、それにより第２のゾー
ンは再び加熱され、新たに蓄熱が可能となる。エンジンの動作モードが変動する
とき、すなわち市街地の運転およびそれに対応するテストサイクルで特に起こる
ようなときでさえ、その手順は全般的に排気ガス浄化活動に均等な効果をもたら
す。
【００１３】 原則的に、特に熱容量の高い第２のゾーンを備えた触媒コンバータの生産には
多くの方法がある。熱容量は坦体構造の壁の厚みを増すことおよび／または被覆
の厚みを増すことにより達成される。さらに第１のゾーンに対して断面積当りの
セルの数を増すことが可能であることが認められるであろう。
【００１４】 好ましい実施例では、触媒コンバータは密に隣接した関係で、または空間的に
やや離れて配置することができる２つの個別のハニカム体を含み、この場合、第
２のハニカム体は第１のハニカム体よりも厚い壁を持つ。この発明に従うと、シ
ート状金属層からねじ曲げ、積み重ね、または巻かれたハニカム体の場合、第１
のゾーンは被覆なしで０．０６ｍｍ未満、好ましくは０．０４ｍｍ未満の平均的
な壁の厚みを有するべきであり、第２のゾーンは被覆なしで平均で０．０６ｍｍ
より厚い、好ましくは０．０８ｍｍより厚い、特に０．１１ｍｍの壁の厚みを有
する。製造手順上および／または機械的な理由のために、異なるシート状金属層
、特に平坦なシート状金属層および波形のシート状金属層が異なる厚さであるこ
とがおそらくは必要となるため、ここではシート状金属層の平均的な厚みが述べ
られている。しかしながら、ゾーン内のシート状金属層はすべて同じ厚みで作ら
れるのが特に好ましい。通常用いられるステンレス鋼の熱容量が高レベルである
ため、金属ハニカム体向けには従来はほとんど考慮されていなかったのだが、０
．０８ｍｍを超えるシート状金属の厚みは、排気ガスの温度が急激に降下しても
、シート状金属層上の被覆の形で存在するセラミック薄め塗膜を一定の時間、動
作温度に保つことが可能な、かなりの熱量を蓄えることができる。
【００１５】 その代わりにまたは加えて、第１のゾーンおよび第２のゾーンの被覆の厚みを
触媒コンバータ内で異ならせて、第１のゾーンでは、被覆を含めた壁の総厚みを
０．０８ｍｍ未満とし、第２のゾーンの総厚みを０．１ｍｍ、好ましくは０．１
２ｍｍより大きくしてもよいことが認められるであろう。特にずっと同じ厚みの
坦体材料を含むモノリシックハニカム体に対しては、これは熱容量が異なる２つ
のゾーンを提供することが可能となる方法である。
【００１６】 第２のゾーンは緩やかに加熱するにもかかわらず、コールドスタート段階での
触媒コンバータ効果に十分な表面積を有するためには、第１のゾーンは軸方向の
長さが１０から６０ｍｍ、好ましくは２０から５０ｍｍでなければならない。し
かしながら全般的には、第２のゾーンは第１のゾーンの軸方向の長さの少なくと
も２倍なければならない。少なくとも３６０ｃｐｓｉ（平方インチ当りセル）と
いう数字が両方のゾーンに望ましいと判明している。
【００１７】 この発明のさらなる詳細および利点は、図表でこの発明の実施例を示す図面を
参照することにより、以下により詳細に説明される。
【００１８】 図面を参照すると、ハニカム体６を有する触媒コンバータが示される。そのハ
ニカム体は軸方向の長さａの第１の軸ゾーン１と軸方向の長さｂの第２の軸ゾー
ン２を有する。内燃機関、特にディーゼルエンジンまたは希薄燃焼エンジンから
の排気ガスは、流れの方向Ｓにハニカム体６を通って流れる。ハニカム体６は、
ゾーン１、ゾーン２が異なる熱容量を有するモノリシックハニカム体であり得る
が、共通の管状ケーシング７に置かれるゾーン１、ゾーン２の２ゾーンに２つの
別のハニカム体を含むような配列も可能なことが指摘されねばならない。この実
施例に従うと、ハニカム体は各々４および５で示される平坦なシート状金属層お
よび波形のシート状金属層から構成される。金属層は反対方向にともにねじ曲げ
られ、排気ガスが流れることができる通路３を形成する。好ましい実施例では第
１のゾーン１のすべての金属シートの厚みは約０．０３ｍｍであるが、第２のゾ
ーン２では約０．１１ｍｍである。これは被覆された第２のゾーンに９００Ｊ／
ｌｋを超える熱容量を与える。
【００１９】 この発明は、ディーゼルエンジンまたは希薄燃焼エンジンの変動する動作状況
下での効果的な排気ガス浄化を可能にするが、この発明に記載の構成は単純で、
コスト面で有利であり、重量と圧力降下の点でごく軽微な不利益があるのみであ
る。
【００２０】
【符号の説明】
１ 第１の軸ゾーン ２ 第２の軸ゾーン ３ 通路 ４ 平坦なシート状金属層 ５ 波形のシート状金属層 ６ ハニカム体 ７ 管状ケーシング ａ 第１の軸ゾーンの長さ ｂ 第２の軸ゾーンの長さ Ｓ 流れの方向
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，Ｇ Ｈ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ， ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，Ｚ Ｗ Ｆターム(参考） 3G091 AA12 AA18 BA03 FA01 FB02 FC07 GA06 GA17 HA47 【要約の続き】 が、第２のゾーン（２）は低温の排気ガスを含む動作状 況に備え蓄熱する。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内燃機関、特にディーゼルエンジンまたは希薄燃焼エンジン
    からの排気ガスを浄化する触媒コンバータであって、触媒活性材料で被覆されか
    つ、排気ガスがそこを流れることができ互いに壁（４、５）で分離される通路（
    ３）を有する少なくとも１つのハニカム体（６）を含み、コンバータは流れの方
    向（Ｓ）に連続して第１のゾーン（１）および第２のゾーン（２）を有し、第１
    のゾーン（１）は第２のゾーン（２）よりもハニカム体（６）の単位体積当りの
    熱容量が低く、前記触媒コンバータは、 第２のゾーン（２）はリットルケルビン当り少なくとも８００ジュール（Ｊ／
    ｌｋ）、好ましくは少なくとも９００ジュールの熱容量を有することを特徴とす
    る、触媒コンバータ。
  2. 【請求項２】 ハニカム体（６）が、通路（３）の壁を形成する、少なくと
    も部分的に組立てられたシート状金属層（４、５）から巻かれ、重ねられ、また
    はねじ曲げられ、 また第１のゾーン（１）のシート状金属層（４、５）は被覆なしで平均して０
    ．０６ｍｍ未満、好ましくは０．０４ｍｍ未満の厚みであり、第２のゾーンでは
    被覆なしで平均して０．０６ｍｍより多く、好ましくは０．０８ｍｍより多く、
    特に０．１１ｍｍの厚みであることを特徴とする、請求項１に記載の触媒コンバ
    ータ。
  3. 【請求項３】 被覆を含めた壁（３）の厚みが第１のゾーン（１）では０．
    ０８ｍｍより小さく、第２のゾーン（２）では０．１ｍｍ、好ましくは０．１２
    ｍｍより大きいことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の触媒コンバ
    ータ。
  4. 【請求項４】 第１のゾーン（１）と第２のゾーン（２）とが２つの独立し
    たハニカム体によって形成されることを特徴とする、請求項１、２または３に記
    載の触媒コンバータ。
  5. 【請求項５】 第１のゾーン（１）と第２のゾーン（２）とがモノリシック
    ハニカム体（６）の中に形成されることを特徴とする、請求項１、２または３に
    記載の触媒コンバータ。
  6. 【請求項６】 第１のゾーン（１）と第２のゾーン（２）とが異なる厚みの
    被覆によって形成されることを特徴とする、請求項３に記載の触媒コンバータ。
  7. 【請求項７】 第２のゾーン（２）の軸方向の長さ（ｂ）が、第１のゾーン
    （１）の軸方向の長さ（ａ）の少なくとも２倍の長さであることを特徴とする、
    請求項１から６のいずれかに記載の触媒コンバータ。
  8. 【請求項８】 第１のゾーン（１）の軸方向の長さ（ａ）が１０から６０ｍ
    ｍ、好ましくは２０から５０ｍｍであることを特徴とする、請求項１から７のい
    ずれかに記載の触媒コンバータ。
  9. 【請求項９】 ディーゼルエンジン、特に自動車の排気システムに取付けら
    れることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の触媒コンバータ。
  10. 【請求項１０】 希薄燃焼エンジン、特に直接ガソリン噴射を伴う自動車の
    排気システムに取付けられることを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記
    載の触媒コンバータ。
  11. 【請求項１１】 断面積当りの通路の数が、第１のゾーン（１）および第２
    のゾーン（２）でほぼ等しく、特に３６０ｃｐｓｉ（平方インチ当りセル）より
    大きいことを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の触媒コンバータ
    。
  12. 【請求項１２】 単位体積当りの比表面積が、第１のゾーン（１）および第
    ２のゾーン（２）において実質的に等しいことを特徴とする、請求項１から１１
    のいずれかに記載の触媒コンバータ。
JP2000548600A 1998-05-12 1999-05-03 触媒コンバータ、特にディーゼルエンジンまたは希薄燃焼エンジン用触媒コンバータ Pending JP2002514707A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19820971.1 1998-05-12
DE19820971A DE19820971A1 (de) 1998-05-12 1998-05-12 Katalytischer Konverter, insbesondere für einen Dieselmotor oder einen Magermotor
PCT/EP1999/002997 WO1999058827A1 (de) 1998-05-12 1999-05-03 Katalytischer konverter, insbesondere für einen dieselmotor oder einen magermotor

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