JP4500456B2 - 小さな体積の触媒コンバータを備えた燃焼機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
この発明は、所与の排気量Ｈと、排気ガスを浄化するための下流触媒コンバータとを備えた燃焼機関に関する。大部分の国の法的規定によると、燃焼機関の排気装置に配置された触媒コンバータによって燃焼機関からの排気ガスを浄化することはごく普通のことである。
【０００２】
過去の排気ガス浄化装置の設計は、大抵は経験的な証拠に基づいていた。ＷＯ
９１／０１１７８では、たとえば、複数のハニカム体から構成される排気ガス浄化装置が説明されており、これらのハニカム体のサイズと数とを用いて、所望の触媒コンバータ領域が燃焼機関内のいかなるサイズの排気量にも対応するように選択され得る。このことにおいて重要なことは、最終的には法的規定を満足させるのに十分なくらいに排気ガスを浄化するということである。このことは、今日、大部分の国で、排気ガス中の有害含有物、特に炭化水素物質および／または一酸化二窒素の９８％より多く、好ましくは９９％より多くを、無害成分へと転換することを意味する。特定の予め定められた駆動サイクルを用いて、または特定の動作条件で、有効性Ｅが測定される。
【０００３】
排気ガス浄化装置を設計する際に考慮すべき基準は非常に多い。触媒コンバータは典型的にはハニカム体を含み、それらは、浄化されるべき排気ガスが接触する十分に大きな幾何学面を提供する役割を担う。ハニカム体には一般的には、壁によって互いから分けられる、排気ガスが浸透可能な流路が備えられる。幾何学面Ｏは、触媒コンバータの有効性Ｅにとって重大なものである。原則として、予め定められた体積内で壁の数Ａを増やすことによって、または断面単位当りの予め定められた壁の数Ａを有したままで体積を大きくすることによって、特定の所望の幾何学面Ｏを得ることができる。その設計はまた、有効性Ｅに影響を及ぼす流路内の流速および流れ特性、ならびに触媒コンバータによって引起され燃焼機関の効率の程度に影響する排気ガス流の圧力損失を考慮に入れなければならない。当然のことながら、ハニカム体の断面形状の設計は、触媒活性のあるコーティングの種類、ハニカム体への流れ、および他のパラメータに依存する。
【０００４】
触媒コンバータ内の触媒活性のある材料のための支持体としてのハニカム体がさらに発展した結果として、流路壁の厚みがさらに減じられ、このことは、圧力損失にプラスの効果をもたらす。設計における自由さはなお一層大きい。なぜならば、壁の厚みが減じられるために、なお一層小さな流路と体積単位当りのなお一層大きな幾何学面とを容認できる圧力損失の下で生産できるからである。しかし、経験的に発見されたルールは未だ実質的には維持されており、そのため、典型的には、燃焼機関の場合には、下流触媒コンバータの体積は排気量と同じサイズのオーダである。
【０００５】
この発明の目的は、法的に要求される高い程度の有効性Ｅに到達するように設計され、しかし燃焼機関の排気量Ｈよりもかなり小さな体積Ｖを有し、それゆえにより費用をかけずに製造できる下流触媒コンバータを備えた燃焼機関を提供することである。特に、この触媒コンバータ内のハニカム体は、部分的に構造化された金属箔から製造されるべきである。
【０００６】
この目的を達成するために、請求項１に記載の下流触媒コンバータを備えた燃焼機関が提供される。有利な構成が従属請求項で説明される。
【０００７】
この発明によると、排気量Ｈの燃焼機関は下流触媒コンバータを有し、その触媒コンバータは、幾何学面Ｏと、排気ガス中の少なくとも１つの有害成分を無害成分へと転換する有効性Ｅとを有し、その触媒コンバータには少なくとも１つのハニカム体が設けられ、すべてのハニカム体が合せて全体積Ｖを有し、その体積Ｖは、それが排気量Ｈよりも少なくとも０．６の係数で小さくなるように選択されるが、幾何学面Ｏは、触媒コンバータが９８％より大きな有効性Ｅを有するように寸法決めされる。これらの要件は、公式で示される。
【０００８】
（ａ） Ｅ＞９８％
（ｂ） Ｖ＜０．６Ｈ
このようにパラメータを選択することによって、一方では、触媒コンバータが比較的小さな体積のみを必要とし、そのため機関スペース内および／または自動車のフロアトレー下にそれを収容することが容易になるという有利な点が生じる。当然のことながら、必要な有効性Ｅを得るためには、大きな体積の触媒コンバータと比較して、体積単位当りの幾何学面Ｏは増えなければならない。このことに必要なより薄い流路壁によって、より大きな幾何学面を備えたより小さな体積のハニカム体を製造するためのコストが上がると以前は仮定されていたが、精密な分析は、このことは事実ではないということを意外にも示し、以下で説明されるように、特に金属箔から製造されるハニカム体に関してこのことが当てはまる。
【０００９】
ハニカム体の断面の流路の数Ａが少なくとも５００ｃｐｓｉ（セル毎平方インチ）であるときが特に有利である。流路を互いから分ける流路壁の厚みｄは、平均して、厚くて４０マイクロメータ、好ましくは、３５マイクロメータ、特に１８から３２マイクロメータでなければならない。
【００１０】
（ｃ） Ａ≧５００ｃｐｓｉ
（ｄ） ｄ＜４０マイクロメータ
層状の、および／または巻かれた、少なくとも部分的に構造化されたシート金属層の金属ハニカム体に関して、ハニカム体の断面当りの流路の数Ａとシート金属層の厚みｄとの間にはある関係がある。
【００１１】
断面当りに比較的少数の流路がある場合、流路そのものは比較的大きな寸法を有するため、流路壁が脈動排気ガス流で振動して長期的に見て損傷されないように、それは比較的厚くなければならない。流路断面が小さければ小さいほど、流路壁を形成する構造化されたシート金属層の自由に振動するセクションは短い。それゆえ、振動する傾向を増加させることなしに、シート金属層はより薄くなることができる。この効果はこの発明にとって非常に重要である。なぜならば、望ましくない圧力損失を顧慮して、流路壁が非常に薄いとき、断面当り、より多い数Ａの流路がやっと実現可能であるからである。
【００１２】
耐蝕性のために、高クロムおよび高アルミニウム含有量を備えた圧延が比較的困難なスチールシートのみを触媒コンバータに使用するため、当業者は、このようなスチール箔の製造コストは箔が薄くなるにつれて上がると適切に仮定した。しかし、図３に関してより詳細に説明されるように、綿密な調査によると、ハニカム体の断面単位当りの流路の数Ａがより多くなり箔の厚みｄがそれに対応して減るとき、触媒コンバータの有効性Ｅが実質的に依存する幾何学面Ｏの価格は実際にはより低くなるということである。それゆえに、この発明の予期しない発見によると、少なくとも金属ハニカム体に関して、ハニカム体の体積Ｖに対する断面積当りの流路の数Ａの比率が大きければ大きいほど、触媒コンバータに必要な有効性を得るためのコストは下がるということであり、ただし、このことは、各場合において箔の厚みｄが振動する傾向の結果として可能な程度にまで減らされる限りにおいてである。触媒コンバータ体積のリットル当りの価格は、この体積での断面単位当りの流路の数Ａとほぼ線形の様式で上がるため、より多い数Ａの流路は必ずしもコストに効果があるとは当然のことながら見られないが、流路の数Ａの増加とそれと同時の体積Ｖの減少とが特に有利である。
【００１３】
このような観点から、この発明によると、特に少なくとも６００ｃｐｓｉと、厚くて３２マイクロメータの流路壁の平均的な厚みｄとを備えたハニカム体が提案される。
【００１４】
以下で、この発明を、図面を参照してより詳細に説明する。
【００１５】
【詳細な説明】
図１は燃焼機関１を示し、その下流には触媒コンバータ２がある。典型的には、このような触媒コンバータ２は、１つまたは２つ以上のハニカム体から構成され、機関スペースまたは自動車のフロアトレーの下に配置される。
【００１６】
図２はハニカム体３を含む触媒コンバータ２を示す。この発明のこの実施例では、しかし前記発明はこれに限定されてはいないが、このハニカム体３は、流路４を形成する交互する平坦シート金属層６と波形シート金属層７とから構成される。シート金属層６および７は、平均の厚みｄを備えた流路壁５を形成する。シート金属層６および７はともにハニカム体３の幾何学面Ｏを形成する。しかし、シート金属層６および７は、酸化アルミニウム系セラミック、いわゆる薄め塗膜でコーティングされ、そこで、幾何学面Ｏよりも何倍も大きくなり得る非常に大きな多孔質面が生じる。触媒活性のある物質、特に異なる貴金属の混合物が薄め塗膜に適用されるが、このことは図示されていない。
【００１７】
図３は、図中で、断面単位当りの流路４の数Ａ（ｃｐｓｉ）をｘ軸で示し、ｙ軸では、その左側では、ハニカム体体積当りの価格（リットル当りの価格）が示され、その右側では、面積当りの価格（平方メートル当りの価格）が示される。垂直線によって、市場で典型的に入手可能な金属箔の厚みｄを使用できる範囲が示される。５００ｃｐｓｉまでは５０マイクロメータの厚みの金属箔が特に好適であり、５００から６００ｃｐｓｉの間では４０マイクロメータの厚みの金属箔、６００から８００ｃｐｓｉの間では３０マイクロメータの厚みの金属箔が特に好適であり、断面単位当りの流路の数が多くなればなるほど、より薄い箔が使用されるべきであるということが明らかである。図中の線Ｐ１は、どのようにリットル当りの価格が断面単位当りの流路４の数Ａが増加するに従って上がるのかを示す。しかし、曲線Ｐ２が、どのように平方メートル当りの価格が平方メートル当りの流路４の数Ａが増加するに従って下がるのかを示していることが、この発明にとってより重要である。この発明によるハニカム体にとって、このことは、同じ幾何学面Ｏを有するとき、多くの数の流路を備えたより小さな体積のハニカム体のほうが、より大きな体積を備えたハニカム体よりも価格が低いということを意味する。
【００１８】
このようにしてこの発明は、断面当り多くの数Ａの流路４を備えた小さな体積の触媒コンバータのコストに効果がある使用を教示し、特に、平均して約２５マイクロメータの厚みの金属箔の使用、８００ｃｐｓｉより多く１２００ｃｐｓｉまでを備えたハニカム体には２０マイクロメータの厚みの金属箔の使用を教示する。このようなハニカム体の場合、たとえ燃焼機関１の下流に接続される触媒コンバータ２の体積Ｖが燃焼機関１の排気量Ｈの半分のみまたはそれより少なくても、９８％の有効性、好ましくは９９％の有効性さえもが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 下流触媒コンバータを備えた燃焼機関の図である。
【図２】 触媒コンバータの概略斜視図である。
【図３】 断面単位当りの流路の数Ａに依存した体積の価格と、断面単位当りの流路の数Ａに依存した金属ハニカム体の表面の価格とを例示する図である。
【符号の説明】
１ 燃焼機関
２ 触媒コンバータ
３ ハニカム体
４ 流路
５ 流路壁
６ 平坦シート金属層
７ 構造化されたシート金属層
Ａ 流路の数
ｄ 流路壁の厚み
Ｈ 排気量
Ｅ 有効性
Ｏ 幾何学面
Ｖ 体積
Ｐ１ 体積単位当りの価格
Ｐ２ 幾何学面単位当りの価格

Claims (6)

1. 排気量Ｈと、排気ガスを浄化するための触媒コンバータ（２）とを備えた燃焼機関（１）であって、
   触媒コンバータ（２）は幾何学面Ｏを有し、
   触媒コンバータ（２）は、排気ガス中の少なくとも１つの有害成分を無害成分へと転換する浄化率Ｅを有し、
   触媒コンバータ（２）には、７５０ｃｐｓｉ（セル毎平方インチ）（７５０／６．４５１６ｃｍ ² ）よりも多いいくつかの流路（４）を有する、少なくとも１つのハニカム体（３）が設けられ、
   すべてのハニカム体（３）はあわせて全体積Ｖを有し、
   体積Ｖは、それが排気量Ｈよりも少なくとも０．５の係数で小さくなるように、選択され、幾何学面Ｏは、触媒コンバータ（２）が９８％より大きな浄化率Ｅを有するように、寸法決めされることを特徴とする、燃焼機関（１）。
2. ハニカム体（３）には、排気ガスが流れ得る流路（４）が設けられることを特徴とし、ハニカム体（３）の断面の流路（４）の数（Ａ）は少なくとも５００ｃｐｓｉ（セル毎平方インチ）（５００／６．４５１６ｃｍ ² ）である、請求項１に記載の燃焼機関（１）。
3. ハニカム体（３）は、層状の、および／または巻かれた、少なくとも部分的に構造化されたシート金属層（６、７）の金属ハニカム体（３）であることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃焼機関。
4. 流路（４）は互いから流路壁（５）によって分けられ、その平均の厚み（ｄ）は、厚くて４０マイクロメータ、好ましくは、厚くて３５マイクロメータ、より好ましくは、１８から３２マイクロメータの間であることを特徴とする、請求項２または３のいずれかに記載の燃焼機関（１）。
5. 触媒コンバータは３元触媒コンバータであり、通常の動作では、それは排気ガス中の炭化水素および一酸化二窒素の少なくとも９８％、好ましくは、少なくとも９９％を転換することを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の燃焼機関（１）。
6. ハニカム体（３）の流路壁（５）の平均の厚み（ｄ）は、３２マイクロメータよりも少なく、好ましくは、約２５マイクロメータであることを特徴とする、請
   求項１に記載の燃焼機関。

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