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技術 触媒により排気ガス中の汚染物質を分解するための装置

出願人 ズルツァー・ケムテック・アクチェンゲゼルシャフト
発明者 タウシャー、ヴィリー、ドクター
出願日 1998年11月10日 (22年0ヶ月経過) 出願番号 1998-318853
公開日 1999年11月26日 (21年0ヶ月経過) 公開番号 1999-324664
状態 未査定
技術分野 排気の後処理
主要キーワード 交差流路 円錐頂点 ジャケット面 シリンダー部分 遷移位置 流出状態 層流境界層 断熱温度
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この項目の情報は公開日時点(1999年11月26日)のものです。
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図面 (3)

課題

排気ガス触媒を通過する排気ガス流過負荷及び軽負荷を除去する。

解決手段

触媒により排気ガス中の汚染物質を分解するための、特に自動車のため装置1は、ハウジング10内において互いに平行に配置された複数の通路20を有する触媒担体2と、吸気ダクト11と、吸気ダクトとハウジング間の流入ファンネル13とを含む。吸気ダクトは、流入ファンネルの入口113に流入する排気ガス5が、排気ガス流の断面に渡って、ほぼ均一な温度、流体速度及びに対する汚染物質濃度分布を有するように、適切な場所で挿入物6,7を用いて形成される。通路30,31,32を形成する挿入物3は、ガス流の幅を広げて逆流をなくすように流入ファンネル内に配置される。

概要

背景

概要

排気ガス触媒を通過する排気ガス流過負荷及び軽負荷を除去する。

触媒により排気ガス中の汚染物質を分解するための、特に自動車のため装置1は、ハウジング10内において互いに平行に配置された複数の通路20を有する触媒担体2と、吸気ダクト11と、吸気ダクトとハウジング間の流入ファンネル13とを含む。吸気ダクトは、流入ファンネルの入口113に流入する排気ガス5が、排気ガス流の断面に渡って、ほぼ均一な温度、流体速度及びに対する汚染物質濃度分布を有するように、適切な場所で挿入物6,7を用いて形成される。通路30,31,32を形成する挿入物3は、ガス流の幅を広げて逆流をなくすように流入ファンネル内に配置される。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
7件

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請求項1

互いに平行に配置され且つハウジング(10)内に収容された複数の通路(20)を有する触媒担体(2)と、吸気ダクト(11)と、吸気ダクトとハウジング間の流入ファンネル(13)とを含む触媒により排気ガス中の汚染物質を分解するための、特に自動車のため装置(1)において、前記吸気ダクトは、排気ガス流の入口(113)に流入する排気ガス(5)が、排気ガス流の断面に渡って、ほぼ均一な温度、流体速度及び汚染物質濃度分布を有するように、適切な場所で挿入物(6,7)を用いて形成され、通路(30,31,32)を形成する挿入物(3)は流入ファンネル内に配置され、且つ、前記通路は、ガス流の幅を広げて逆流をなくすことを特徴とする前記装置。

請求項2

流入ファンネル(13)内の挿入物(3)の通路(30,31,32)が拡散器として形成されていることを特徴とする請求項1に記載の装置。

請求項3

流入ファンネル(13)及びその挿入物(3)が、同心状の、円錐台形ジャケット面(310,320)から形成され特に、前記挿入物が、少なくとも2つの円錐台形のジャケット面を含み、該ジャケット面に対応した円錐頂点が少なくともほぼ1つの点(33)にあり、且つ、挿入物の入口断面が、各々、該断面の縁部(311,312)により、流れ方向(5”)と逆向きに先細になる形状を有する面を画定することを特徴とする請求項2に記載の装置。

請求項4

流入ファンネル(13)の挿入物(3)が交差した流路構造(3a,3b)を有することを特徴とする請求項1に記載の装置。

請求項5

吸気ダクト(11)が、流入ファンネル(13)への入口(113)より前に、静的構成要素を有する挿入物(6)を含み、該挿入物(6)は、排気ガスを完全に混合し、そして/又は、混合をする挿入物より前にある供給ライン(8)を介して供給される添加物予混合させることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の装置。

請求項6

流れを偏向させるガイド装置を有し且つ直流の排気ガス(5)内に回転を生じさせる挿入物(7)が、吸気ダクト(11)の曲がり部(12)より前に含まれることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の装置。

請求項7

混合器として形成された挿入物(4)が、触媒担体(2)のハウジング(10)と出口ダクト(15)との間の流出ファンネル(14)内に配置されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の装置。

請求項8

流出ファンネル(14)及びその挿入物(4)が、同心状の円錐台形ジャケット面から形成され、且つ、特に、前記挿入物が、少なくとも2つの円錐台形のジャケット面を含み、該ジャケット面に対応した円錐頂点が少なくともほぼ1つの点にあり、挿入物の入口断面が、各場合に該断面の縁部により、流れ方向に先細になる面を画定することを特徴とする請求項7に記載の装置。

請求項9

挿入物(3,4,6,7)が、耐熱排気ガス(5)性のシート金属単層から製造されることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の装置。

請求項10

挿入物(3,4,6,7)の表面が、少なくとも部分的に触媒活性材料コーティングされていることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の装置。

請求項11

触媒担体(2)が、複数のシリンダー部分から構築され、該シリンダー部分が、隣接する該シリンダー部分間の間隙を無くして交互に配置されていることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の装置。

技術分野

0001

本発明は、触媒を用いて排気ガス中の汚染物質を分解するための、特に自動車のための、請求項1の序文に従う装置に関する。

0002

燃焼エンジンの排気ガスに含まれる汚染物質、すなわち酸化窒素NOx(窒素酸化物)、一酸化炭素CO、炭化水素HCは、処理される排気ガスが、担体構造の、コーティングされて触媒活性な面に、その内部で接触する触媒により分解されることが有利である。自動車では、通常、セラミック材料ハニカム構造触媒担体として用いられる。この種のハニカム触媒は、平行に配列され且つ多数存在する通路を含むため、触媒構造単位体積当たりの面積が大きい。

0003

ハニカム触媒は、該触媒に通じる排気ガスダクトと比較して実質的に大きい直径を有する。吸気ダクトから触媒担体までの遷移部は、空間上の理由から短い流入ファンネルとして自動車内に形成される。この種の流入ファンネルを通って流れるガスに関しては、流体プロフィールが極めて不均一であるために逆流が生じる。それゆえ、排気ガスは、中心の流れが速く、境界部の流れが遅い状態で触媒構造に流入する。その結果、中央部には過負荷が、境界領域には軽負荷が生じる。それゆえ、ハニカム触媒は、中央部にて急速に寿命が早まるが、それに反して十分に利用されない。

0004

これに対して、より優れた開発触媒は、一層小さくすることができる。小さい触媒は、必要とする空間がより小さく、より軽い重量を有し、且つ、必要とする高価な触媒活性物質がより少量である。さらに、小さい排気ガス触媒は、低温始動により急速に暖められ、従って一層早く機能することができる。知られているように、汚染物質のCO及びHCの大部分は、低温始動後の最初の数分間に除去されるため、温度が、汚染物質の化学的転化が開始する270℃〜300℃に急速に達することが望ましい。

0005

本発明の目的は、排気ガス触媒であって、該触媒の触媒担体が、互いに平行に配列された複数の通路と、短い流入ファンネルとを有し、該通路及びファンネルを用いて上記過負荷及び軽負荷に関する不利点を除去することができる排気ガス触媒のための手段を提供することにある。請求項1において特徴づけられる装置は、本発明の目的を満たす。

課題を解決するための手段

0006

本発明の装置は、特に自動車のために、排気ガス中の汚染物質を、触媒により分解するために提供される。装置は、互いに平行に配列された複数の通路を含み且つハウジング内に収容された触媒担体と、吸気ダクトと、吸気ダクトとハウジング間の流入ファンネルとを含む。吸気ダクトは、流入ファンネルの入口に流入する排気ガスが、排気ガス流の断面に渡って、ほぼ均一な温度、流体速度及び汚染物質濃度分布を有するように、適切な場所で挿入物を用いて形成される。通路を形成する挿入物は、ガス流の幅を広げて逆流をなくすように流入ファンネル内に配置される。

0007

従属請求項2〜11は、本発明に従う装置の有利な実施形態に関する。ハニカム触媒が理想的に機能するためには、該触媒の入口にて、処理される排気ガスに均一な状態が存在しなければならない。すなわち、排気ガス温度、流体速度、及び汚染物質の濃度の分布は、流れの断面に対して均一でなければならない。空管の流れの乱流は、流入ファンネル内に十分な均一性をもたらすことができる。本発明に従えば、例えば、拡散器として形成された流入ファンネル内の挿入物は、逆流の発生を防止する。従って、排気ガスの均一性は、排気ガスが流入ファンネルを通過する間維持され、且つ、ガスは、触媒担体の入口面に均一に入射する。それにより、触媒を理想的に機能させるための必要条件が満たされる。

0008

排気ガス触媒の断面に渡って温度及び速度を均一に分布することにより、また、低温始動時の均一な起動作用が生じる。それにより、汚染物質の放出がより少なくなる。

0009

拡散器として形成された挿入物が、US A 5 165 452号より、LAD(「大きい角度の拡散器」)として知られる。このLADは、流入ファンネルと同心状に配置された円錐台形ジャケット面から形成されている。有利な実施形態において、LADは、合同円錐頂点が1つの点に在る、少なくとも2つの円錐台形のジャケット面を含み、さらに、挿入物の入口断面は、断面の縁部により、流れと反対の方向に縮小する形態を有する面を画定する。拡散器において、流れの運動エネルギー位置エネルギーに変換されて圧力増大が生じる(ベルヌーイの定理)が、LADは、均一性を維持する特性に加えて、より小さい圧力降下によって特徴づけられる。圧力降下がより小さいことにより、排気ガスの逆向きの圧力が低減され、原動機の性能が向上する。

0010

ハニカム触媒の後ろに、下流に配置された流出ファンネルが流れの方向と逆向きの、LADの形態で埋め込まれた混合器を含むことが有利である。この種の混合器は、触媒担体の出口での流出状態を向上させる。

0011

LADの円錐台形のジャケット面の、排気ガス触媒の入口及び出口での形状寸法は、排気ガス触媒の断面形状に対応する。排気ガス触媒の断面形を、例えば、円形長円形矩形又は正方形にすることができる。設置及び空間の条件によって、異なる断面形が、排気ガス触媒担体又はLADにさらに好適であり得る。

0012

交差した流路構造を有する排気ガス触媒が、欧州特許出願公開0638711号より公知である。触媒材料のための担体構造は、平行に配列された1以上の通路の層の積み重ねを含む。層は、排気ガスの主流方向とほぼ平行して方向付けられる。隣接する層の通路は、互いに対して開放であり且つ互いに交差している。担体構造の断面は、主流方向に沿って可変の領域を有し、この可変領域は、変化する断面を有するハウジングに対応する。本発明に従う装置においては、この種の交差流路構造に、流入及び/又は流出ファンネルの挿入物を設けることができる。これらの挿入物の面もまた、触媒活性材料によりコーティングされることが有利である。

0013

流入ファンネルへの遷移位置にて、吸気ダクトに十分な均一性がない場合には、挿入物を用いて入口の状態を改良することが必要である。そのために、例えば、欧州特許出願公開第0546989号に記載されているような静的ミキサーを用いることができる。すなわち、少なくとも2つのガイド面を、ガイド面が流れの方向に10度〜45度の角度を形成し且つ内向きに広がる状態で、ミキサー(本発明では吸気ダクト)の壁部に取り付ける。この種の静的ミキサーは、小さい圧力降下で十分良好な混合作用をもたらす。これらの静的ミキサーは、その簡単な形状寸法のために、そして大量に製造されるときに経済的である。簡単な形状寸法を有する別の静的ミキサーが、欧州特許出願公開第0800857号から知られ、これもまた有利に用いることができる。

0014

静的キサーを同時に用いて、ハニカム触媒より前で排気ガスに添加剤を添加することもできる。特に、トラックにおいては、還元剤としてアンモニア水(NH4OH)を熱排気ガス注入し、該排気ガス中でこの添加剤を完全に蒸発させることが有利であろう。

0015

低温始動時に、排気ガス触媒の昇温時間を短縮するために、静的ミキサーを用いて、可燃性物質を排気ガスに添加し、次いでその物質燃焼させることもできる。それにより、排気ガス及び触媒の温度が上昇する。触媒は、直ちに機能するよう準備されて、汚染物質の放出が低減される。

0016

大きい原動機は2つ以上の排気ガスダクトを有することがある。静的ミキサーは、また、異なる排気ガスダクトの排気ガスを、排気ガス触媒より前で合体させた後に均質化するために用いられることができる。

0017

排気ガスダクトは、原則として複数の曲がり部を有する。特別な処置を施さなければ、逆流を伴う区画が曲がり部内に生じるため、最初は均一な速度分布が、曲がり部後にはもはや均一でない。逆流を伴う区画は、例えば米国特許第5197509号に開示された、流れ誘導シート金属(CRV回転翼)を用いて防止することができる。この種の流れ誘導シート金属翼を曲がり部より前に直接設置することにより、曲がり部後に均一な速度分布が生み出され、同時に、曲がり部内での圧力降下が25〜50%低減される。より低度の圧力降下は、排気ガスの逆向きの圧力を低減し、それにより原動機の作動が向上する。しかし、この種の挿入物は、しばしば、均一な濃度及び温度の分布を生じることができない。しかし、これらの均一性は、均一な速度分布と全く同様に、ハニカム触媒の理想的な機能のために重要である。例えば、炭化水素の局部濃度が高すぎると、断熱温度の高いピークを生じさせ、それにより触媒が不活性化する。すでに述べた静的ミキサーは、この不利点を取り除くのに好適である。

発明を実施するための最良の形態

0018

本発明を、図面を参照して以下に説明する。図1に示す、排気ガス5のための排気ガス触媒を備える装置1は、以下の部品を含む。部品は、平行に配列された多数の通路(「ハニカム通路」)20を含む触媒担体2を有するハニカム触媒と、触媒担体2をとり囲むハウジング10と、90度未満の角度をしばしば有する曲がり部12を備える吸気ダクト11と、拡散器として形成された挿入物3を備える流入ファンネル13と、静的ミキサー6、添加剤のためのフィードライン8及び流れを偏向させるガイド装置として形成され且つ該装置内を流れる排気ガス5に回転を生じさせる挿入物7(CRV、上記参照)と、そして、出口ダクト15より前の流出ファンネル14内の混合器4とである。

0019

入口断面113を有する流入ファンネル13において、挿入物3は、流入ファンネル13の断面の動作領域において、流入ファンネルの断面を複数の面に細分化し、各複数の面は、流動方向5’において均一に増大する面積を有する。

0020

流入ファンネル13及びその挿入物3は、同心状の円錐台形のジャケット面から形成され、挿入物3は、図示した例において、この種の2つのジャケット面310及び320を含む。円錐台に対応する頂部が、点33に在る。挿入物3の入口断面は、該面の縁部311及び312により、流れ5’と反対の方向に縮小する形状を有する面を画定する。挿入物3は、流入ファンネル13と共に、2つの拡散する環状間隙通路30及び32並びに中央の円錐状通路31を形成する。

0021

混合器4は、拡散器として形成された挿入物3と同一の構造を有する。混合器は、単に、流れ5”に逆向きに配置される。図2は、交差流路構造を有する2つの構成要素3a及び3bから組み立てられた挿入物3を有する流入ファンネル13を示す。第1の構成要素3aにおいて、吸気ダクト11の円形の断面113は、長円形の断面113’へ向かって拡がり、該長円最小直径は、吸気ダクト11の直径にほぼ等しい。第2の構成要素3bは、第1要素3aの(水平な)層を横切る方向に向けられた(垂直な)層から成る。この構成要素3bにおいて、断面113’は、ハニカム触媒が収容されるハウジング10(図1参照)の断面113”へとさらに拡がる。

0022

ハニカム通路20における物質の交換を改善するために、複数の円筒状の部分を交互に配置し、且つ、隣接するシリンダー部分間隙を無くして触媒担体2を構築することが理に適っているといえる。排気ガスの流れは、間隙を通過しようとするときに中断されるため、触媒の物質変換(拡散部を通じての物質変換)を減じることが知られている層流境界層の形成がより小さい範囲になる。それゆえ、汚染物質は、乱流における対流によって、触媒活性表面の一層近くに輸送される。

0023

所定の状況の下では、静的ミキサー6を、挿入物7(CRV)より前に設置することが道理に適う。これは、例えば、静的ミキサーの後ろの、又はハニカム触媒の前にある乱流が望ましくないとき、または、このような配置が空間上の理由により必要とされるときの場合である。

発明の効果

0024

以上詳述したように、この発明によると、触媒の触媒担体が、互いに平行に配列された複数の通路と、短い流入ファンネルとを有し、通路及びファンネルを用いて過負荷及び軽負荷に関する不利点を除去することができるという優れた効果を発揮する。

図面の簡単な説明

0025

図1本発明に従う装置を示す断面図。
図2均一化する挿入物を有する流入ファンネルを示す一部破断斜視図。

--

0026

1…装置、2…触媒担体、3…挿入物、5…排気ガス、6…静的ミキサー、7…挿入物、10…ハウジング、11…吸入ダクト、13…流入ファンネル、20…ハニカム通路、30、31、32…通路、113…ファンネル入口。

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