JP2537156B2 - 内燃機関の排気ガス浄化のための加熱可能な触媒装置 - Google Patents

内燃機関の排気ガス浄化のための加熱可能な触媒装置

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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、内燃機関特にオットーエンジンの排気ガ
ス浄化のための加熱可能な触媒装置に関する。
世界的にますます厳しくなる環境立法に従って自動車
はますます多く触媒による排気ガス浄化装置を装備して
いる。その際始動時期中の有害物質低減のために、例え
ば国際特許出願公開第89/10470号明細書から加熱可能な
触媒装置が既に知られている。この種の加熱を速やかに
実施できる適当な導電性ハニカム体は国際特許出願公開
第89/10471号明細書から同様に知られている。
まだ低温の排気ガスは触媒装置の前側部分又は別個の
前置触媒上にまずぶつかるので、触媒反応の開始を促進
すべく触媒装置を有効に予熱するためには、これらの部
分を加熱しなければならないということが従来の出発点
となっていた。しかしながらそれ自体は正しいこの着想
は、具体的なケースでは構造上の諸条件及び別の周囲条
件に応じて種々の欠点を持つおそれがある。例えば触媒
装置の加熱された端面がエンジンの始動前の予熱の際に
注入された電気エネルギーの一部を熱放射の形で配管系
の部品に放射し、そこでは熱が比較的速やかに周囲に放
出され、従って後の排気ガス流の予熱のためにもはや利
用できなくなる。このことは有効な予熱のために電気エ
ネルギーの必要量を高める。更に触媒装置の一番前の板
が時間の経過と共に、排気ガスの衝突及びこの板中で進
行する触媒反応により損傷し触媒活性を損なうことが知
られている。触媒活動を早期に開始させるためにまさに
この板が電気的に加熱されるときに、上記のことは時間
の経過と共に予熱の効果の低下をもたらすおそれがあ
る。なぜならば触媒的にもはや活性でない部分領域が加
熱されるからである。また排気ガス中に微量だけ含まれ
る触媒毒が触媒装置の第１の部分領域中に沈積しそこで
触媒活性を低下させるということも知られている。この
理由からも触媒の第１の部分領域を始動特性の改善のた
めに電気的に加熱することが常に有利であるとは限らな
い。ドイツ連邦共和国特許出願公開第2333092号明細書
から、エンジンを繰り返し運転開始する場合に有害物質
放出を低減するために、小電力で触媒装置の中央部を加
熱することによりこの部分をエンジンの停止後に高い温
度に保つことも既に知られている。提案された装置は特
に、高い抵抗従って少ない電力吸収のゆえに迅速な加熱
には適していない。
この発明の課題は、投入された電気エネルギーが最適
に触媒装置の応答の促進に寄与することができ、またそ
の始動特性の低下が触媒装置の長い寿命機関の経過中に
できるだけ少ないような、内燃機関特にオットーエンジ
ンの排気ガス浄化のための速やかに加熱可能な触媒装置
を提供することにある。
この課題の解決のために少なくとも一つの第１の部分
触媒と、少なくとも一つの第２の部分触媒と、これらの
部分触媒間に配置され一つの共通の容器（１）の中に収
容された加熱装置とを備える触媒装置が用いられる。加
熱装置は直接電気的に加熱可能な金属ハニカム体である
と有利である。この発明による装置の特徴は、第１の部
分触媒が第２の部分触媒より小さい体積及び／又は小さ
い触媒活性表面を有することにある。特に約50ないし20
0cpi（断面積当たりのセル又は流路の数に対し通常国際
的に用いられる単位である１平方インチ当たりのセル）
を有する金属製ハニカム体が特に適している。これを計
量法に規定する単位に換算すると１平方インチは6.452c
m2であるから7.75ないし31cpcm2（1cm2当たりのセル
数）となる。この種のハニカム体は一般に約100cpi（＝
15.5cpcm2）で製造できる。複数の板に分割された触媒
は自動車ではずっと以前から知られており、製造技術上
の別の理由からしばしば使用される。三つ以上の板を備
える触媒も知られており、これらを一つの共通な容器中
へ組み込むことには問題がない。従って製造技術上の難
点がこの発明に対して従来技術に比べて生じることはな
い。それどころか次のような決定的な利点が生じる。第
一に排気ガス流無しに行われることもある予熱の際に加
熱装置から放射される熱が主として触媒装置の隣接する
端面を加熱するので、この放射熱は最初の排気ガス流の
加熱のために同時に利用される。更に第１の部分触媒が
加熱装置を触媒毒から守る。最後に加熱装置中で発生さ
せられた熱が加熱装置自体又は第２の触媒中での触媒プ
ロセスのために利用され、従って触媒装置の部分領域を
活性化し、この部分領域の触媒活性は比較的長い運転機
関の後でも僅かしか損なわれない。特に個々の部分触媒
が完全には相互に分離されておらず部分的につながって
いるか相互に支えられているときには、製造技術上の利
点もこの発明に基づく装置により得ることができる。
すべての部分の特に有効な活用は、もちろん加熱装置
が少なくとも部分的に触媒活性被膜特に排気ガスの酸化
を促進する効果を有する被膜を備えるときに得られる。
加熱装置が初期の排気ガス流を加熱し、それにより排気
ガス流が十分な温度を保って後続する触媒活性表面上に
衝突するようにするだけでも十分であるが、電気的に加
熱可能なハニカム体が同時に触媒活性被膜を支持し、そ
れにより最初に流入する排気ガスの変換を直ちに開始す
るようにすれば特に有利な状態が生じる。
第１の部分触媒が触媒的変換に関与しないということ
は、冷態始動時期の排気ガス中の有害物質の変換にとっ
てはまず問題を生じない。このための前提は特に、加熱
装置及び第２の部分触媒がともに十分な変換のために十
分な触媒活性面を提供するということである。更にまだ
活性でない第１の部分触媒が流入する排気ガスからまず
熱を奪い取るが、この熱は第２の部分触媒では得られな
いので、電気加熱装置による十分な予熱又は場合によっ
ては内燃機関の始動後の追加加熱によって補償しなけれ
ばならない。この理由から第１の部分触媒が第２の部分
触媒より小さい体積及び／又は小さい触媒活性表面を有
するのが特に有利である。第１の部分触媒中での触媒的
変換のために必要な温度に到達後に第１の部分触媒は変
換の大部分を受け持ち、それにより加熱装置及び第２の
部分触媒は劣化が少なく後の冷態始動に対して引続き完
全な触媒活性を供することができる。
この発明に基づく触媒装置は特定の種類の部分触媒及
び加熱装置には制限されない。例えば個々の部分触媒は
触媒活性被膜を有する通常の金属製ハニカム体又は触媒
活性被膜を有する通常のセラミック製ハニカム体とする
ことができ、また両者の組み合わせも原理的には不可能
ではない。
両部分触媒がセラミックス製ハニカム体である場合に
は、加熱装置をこれらのハニカム体の内側端面に接して
保持し、他方ではハニカム体自体は通常の方法で共通な
外被筒中に配置することができる。セラミック製ハニカ
ム体は電気絶縁性であるので、この場合には加熱線、加
熱コイル又は大電流を供給可能な別の金属製構造を簡単
な方法で加熱装置として保持するという比較的有利な可
能性が生じる。
この場合注意すべきことは、できるだけ短時間での有
効な加熱のために加熱装置が0.5ないし8kW特に約３ない
し5kWの熱容量を有すべきことである。このことは例え
ば自動車に通常利用される12Vの電圧の場合に、加熱装
置の相応のリード線及び導体断面にとっては大電流であ
ることを前提とする。このための適当な構造は例えば国
際特許出願公開第89/10471号明細書に記載されている。
この発明の一実施例の概略が図面に示されているが、
従来技術から公知の容器中にハニカム体を保持する多数
の方式の詳細な説明は省略されている。
図面は長手方向断面図で、矢印の方向へ排気ガスによ
り貫流される触媒装置を示す。容器１中には第１の部分
触媒２、加熱装置３及び第２の部分触媒４が配置されて
いる。加熱装置３は排気ガスにより貫流される流路９を
備え、また電気的に絶縁されたブッシング６により容器
１を貫いて導出された少なくとも一つの接続端子５を有
する。容器１自体が第２の接続端子として構成されてい
ない限りは、加熱装置３はここに図示されていない別の
接続端子を有しなければならない。
加熱装置３が排気ガスを装置に供給する前に既に加熱
されていると、若干の熱が隣接する部分触媒２、４の内
側端面７、８へ放射されるが、この熱は内燃機関の始動
後にまだ低温の排気ガスの加熱のために利用され、他の
加熱装置又は主触媒の前に配置された加熱装置の場合の
ように部分的に浪費されることはない。
この発明は、両部分触媒２、４の内側端面７、８の間
での加熱装置３の保持を電気的に絶縁して特に有利に実
施できるようなセラミック製部分触媒と組み合わせて用
いるためばかりでなく、一つの金属製容器中へ一緒に組
み込むことが特に容易である金属製部分触媒と組み合わ
せて用いるためにも適している。どの場合でも効果的か
つ長寿命の電気的に加熱可能な触媒装置が得られ、この
触媒装置は内燃機関の冷態始動時期の有害物質放出を著
しく低減することができる。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−109704（ＪＰ，Ａ) 国際公開89／10471（ＷＯ，Ａ) ***国特許公開2333092（ＤＥ，Ａ)

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも一つの第１の部分触媒（２）
    と、少なくとも一つの第２の部分触媒（４）と、これら
    の部分触媒（２、４）の間に配置され一つの共通の容器
    （１）の中に収容された電気加熱装置（３）とを備え、
    第１の部分触媒（２）が第２の部分触媒（４）より小さ
    い体積及び／又は小さい触媒活性表面を有することを特
    徴とする内燃機関の排気ガス浄化のための触媒装置。
  2. 【請求項２】電気加熱装置（３）が直接電気的に加熱可
    能な金属製ハニカム体であることを特徴とする請求の範
    囲１記載の触媒装置。
  3. 【請求項３】電気加熱装置（３）が50ないし200cpi（＝
    7.75ないし31cpcm2）のセル数を有することを特徴とす
    る請求の範囲１又は２記載の触媒装置。
  4. 【請求項４】電気加熱装置（３）が100cpi（＝15.5cpcm
    2）のセル数を有することを特徴とする請求の範囲１又
    は２記載の触媒装置。
  5. 【請求項５】電気加熱装置（３）が少なくとも部分的に
    触媒活性被膜を備えることを特徴とする請求の範囲１な
    いし４の一つに記載の触媒装置。
  6. 【請求項６】第１の部分触媒（２）及び／又は第２の部
    分触媒（４）が触媒活性被膜を有する金属製ハニカム体
    であることを特徴とする請求の範囲１ないし５の一つに
    記載の触媒装置。
  7. 【請求項７】第１の部分触媒（２）及び／又は第２の部
    分触媒（４）が触媒活性被膜を有するセラミック製ハニ
    カム体であることを特徴とする請求の範囲１ないし５の
    一つに記載の触媒装置。
  8. 【請求項８】第１の部分触媒（２）及び第２の部分触媒
    （４）がセラミック製ハニカム体であり、電気加熱装置
    （３）がこれらのハニカム体の内側端面（７、８）に接
    して保持されていることを特徴とする請求の範囲１ない
    し５の一つに記載の触媒装置。
  9. 【請求項９】電気加熱装置（３）が0.5ないし8kWの加熱
    容量を有することを特徴とする請求の範囲１ないし８の
    一つに記載の触媒装置。
  10. 【請求項１０】電気加熱装置（３）が３ないし5kWの加
    熱容量を有することを特徴とする請求の範囲１ないし８
    の一つに記載の触媒装置。
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