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JPH0791972B2 - 整流体を備えた触媒装置 - Google Patents
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JPH0791972B2 - 整流体を備えた触媒装置 - Google Patents

整流体を備えた触媒装置

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JPH0791972B2
JPH0791972B2 JP63507051A JP50705188A JPH0791972B2 JP H0791972 B2 JPH0791972 B2 JP H0791972B2 JP 63507051 A JP63507051 A JP 63507051A JP 50705188 A JP50705188 A JP 50705188A JP H0791972 B2 JPH0791972 B2 JP H0791972B2
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、請求項１の前文に記載の特に内燃機関のた
めの触媒装置とその製造方法とに関する。
この種の触媒装置は、例えばドイツ連邦共和国特許出願
公開第3430399号及び同第3430400号公報から知られてい
る。多くの通常用いられる触媒装置は多数の並列流路を
有するはちの巣状触媒体を備え、この触媒体はセラミッ
ク基材から成るか又は板構造体から成ることができる。
通常の排気管路は触媒体より著しく小さい断面を有する
ので、通常は各触媒体の前に円錐形に拡大するディフュ
ーザ部分が配置され、これに応じて触媒体の後ろにはコ
ンフューザ部分が正常の排気管路への移行部として配置
される。
触媒装置における公知の問題は、触媒体の全断面上に排
気が均一に流入しないので、均一な利用のために例えば
整流体を用いるということにある。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第3536315号公報から、
触媒体の前で旋回流を発生させる整流体を用いることも
知られている。
ドイツ連邦共和国特許第3417506号明細書から更に、二
分割され異なる断面を備えた触媒体が知られており、こ
の触媒体により種々の組み込み状態への適合が可能とな
る。
二段式触媒体がドイツ連邦共和国特許出願公開第301218
2号公報から知られており、それぞれの燃焼排気に最適
に適合された状態が得られる。
最後にドイツ連邦共和国特許出願公開第2313040号公報
から、製造技術上の理由から僅かに円錐の形のケースの
中へ圧入されることにより僅かに円錐の形に形成された
触媒体が知られている。
しかしながら相変わらず触媒装置では触媒体の前側の一
様な流入の問題が満足に解決されていない。公知のすべ
ての装置は排気流中で絞りのように働き、従って不利に
排気背圧を高めそれによりエンジンの効率が損なわれ
る。公知の整流体によってもやはり触媒体への一様な流
入を達成できない。更にはディフューザ又はコンフュー
ザのために必要となる空間を最善に利用することができ
ない。
この発明の課題は、触媒体への最善の流入をもたらすよ
うな触媒装置を提供することにある。更にディフューザ
及びコンフューザのために必要な体積の利用を改善する
かこの体積を低減しようとするものである。最後に冷態
始動の際の触媒の一層良好な始動特性を達成しようとす
るものである。
この課題は請求項１の特徴に記載の触媒装置により解決
される。この発明に基づく整流体はディフューザ内ばか
りでなくコンフューザ内にも同様に組み込むことができ
る。ディフューザ内では整流体の開放断面積を増加しな
ければならないのに対しコンフューザ内では開放断面積
を減少しなければならないが、この種の整流体は逆向き
に配置するだけでよい。従って以下のすべての説明は多
少異なる点があるとしてもコンフューザ内での逆配置に
対しても同様に成立するので、次にディフューザ内の整
流体だけをとりあげることにする。
多数の少なくとも部分的に円錐形に広がる流路から成る
整流体は、流れを公知の装置よりも著しく均一に触媒体
の全端面上へ導くことができる。その際整流体が引き起
こす圧力損失は比較的小さくとどまり、多くの場合整流
体の無いディフューザがもたらす圧力損失以下である。
従ってこの発明に基づく整流体は、個々の流路が平行で
はなく相互に角度を成して延び全体として流れ方向に増
加する断面を有するはちの巣体である。この種のはちの
巣体はその形において勿論触媒体の断面形に適合しなけ
ればならないので、円錐台形のほかに偏平形とすること
も可能である。
この発明の有利な構成は請求項２以下に記載され、また
次に図面により詳細に説明される。
この発明の困難な点はまず、円錐形のはちの巣体に対し
て触媒体のために通常用いられる加工技術を簡単には利
用できないということにある。従って円錐形に広がる流
路を備えた円錐体を通常のノズルからセラミック素地に
より作ることもできず、帯板から問題無く螺旋形に巻く
こともできない。従って望ましくは触媒体に対して用い
られるような金属板から製作する場合に、新しい型又は
製造方法を発見しなければならない。この問題は、例え
ば平板と波板との交互の層から成る円錐体を螺旋形に巻
き付けるために、まっすぐな帯板を必要とするのではな
く層ごとに減少する曲率半径を備えた帯板が必要となる
ということにある。確かにこの種の帯板の製造は原理的
には可能であるが、しかし加工技術的には必ずしも有利
ではない。他方では整流体は触媒体自体よりずっと少な
い数の流路を有すればよいので、比較的複雑な製造方法
も少数の流路のゆえになお可能であるということに注目
すべきである。更に個々の流路体の前加工とその後組立
とは所望の整流体の製造のための可能な方法である。
しかしいずれの場合にも円錐形の整流体の製造の際に、
比較的複雑な形及び長さにわたり量的及び質的に異なる
流路断面が生じる。それにより個々の流路の開口角の決
定が実際的に不可能である。しかしそれにもかかわらず
各流路は、入口側で一つの流路が出口側で複数の流路に
分割されない限り、入口側での断面積と出口側での断面
積とから与えられる有効な開口角を有することになり、
このことはこの発明に基づく実施例でも同様にあてはま
る。従って以下に流路の開口角について論じるとき、開
口角はこの流路が画成する立体角を意味するものとす
る。この立体角の尺度としては、中心として頂点を囲む
単位球からこの立体角により切り出される面が用いられ
る。
勿論流体技術的にはこの開口角ばかりでなく個々の流路
の断面形も重要な役割を果たすので、種々の考えられる
形を完全に理論的に論述することはほとんど不可能であ
る。しかしながらこの発明に基づく整流体の決定的な長
所は、個々の流路が常に流れがもはや壁から離れないよ
うな小さい開口角を有することができるということであ
る。例えば円錐形ディフューザの場合には流れは約π/1
7の開口角の際に壁から離れて乱流となる。触媒装置に
おける通常のディフューザは２π/3までの開口角を一般
に有するので、そこでは流れが常に壁から離れ、このこ
とは整流体が無ければまさに流れの不均一な分布を招
く。確かに複雑な流路形状のために離れ角は経験的に決
定しなければならないが、しかしながらこの発明に基づ
く整流体は常に、流れが壁から離れる臨界角を下回るよ
うな多数の流路から製作することができる。従って個々
の流路にディフューザを分割することは、中間壁の組み
込みにもかかわらずディフューザ内の流れ抵抗を低減
し、触媒体の端面上の非常に均一な分布をもたらす。所
望の場合には整流体の内側と外側の流路の異なる開口角
により、場合によってはなおも存在する流れの不均一な
分布を抑制することができるか、又は適宜に整流体の端
面にわたる任意の所望の不均一な分布を達成することさ
えできる。
整流体が触媒体より少ない流路を有することにより、請
求項２によれば流入側の整流体の個々の流路の開放断面
積を例えば触媒体の流路の開放断面積とほぼ同じ大きさ
とすることが可能である。整流体での圧力損失を小さく
するために、流入側の開放断面積を著しく大きく選ぶこ
とさえできる。
請求項５によれば整流体及び触媒体を中間室により分離
すべきであり、この中間室により整流体と触媒体との間
の排気の旋回が可能である。このことは触媒体への流入
の際の乱流従って触媒体の効果が高める。
請求項６によれば個々の流路の開口角を流れが壁から離
れる角度より小さくすべきである。この手段は整流体に
より引き起こされる圧力損失を最適化する。
しかしながらこれに対する変形案として請求項５によれ
ば、整流体の個々の流露の開口角をまさに、例えば流路
の終端に乱流が存在しそれにより排気の一層良好な混合
が達成されるように選ぶことができる。この構造は後述
するように整流体が触媒的に活性な材料により被覆され
ているときに特に有利である。
請求項２、８〜９ではこの発明に基づく整流体の技術的
に実現可能な形が記載されており、これについては図面
により詳細に説明する。
この発明の極めて重要な長所は請求項10及び11に記載の
構造の場合に得られる。触媒的に活性な材料により整流
体を被覆することにより、全体として体積が不変な場合
に利用可能な触媒的に活性な表面が著しく増大される。
従ってディフューザのためにまた場合によってはコンフ
ューザのために必要な体積を、触媒的に活性な表面を装
着するために利用することができる。整流体の整流作用
はそれにより損なわれることはない。整流体はかえって
本来の触媒体に加えて同様に触媒体となり、それにより
補助的な長所が生じる。
断面積当たり少ない数の流路を備えた金属製触媒担体
は、断面積当たり多い数の流路を備えた触媒よりも一層
良好な始動特性を示すことが経験的に判明している。こ
の触媒は冷態始動の際に速やかに高い変換率に到達する
が、このことは非常に重要である。触媒的に活性な材料
により被覆された整流体が本来の触媒体に前置接続され
るならば、この整流体は同様に始動特性を著しく改善す
ることができる。整流体内の触媒反応は本来の触媒体内
の反応より既に早期に始まる。それにより場合によって
は本来の触媒体内の反応も一層早く開始させることがで
きる。なぜならば整流体内の発熱反応が本来の触媒体に
おける冷態始動を加速するからである。この効果を促進
するために請求項11に記載のように、整流体を本来の触
媒体とは異なる触媒的に活性な材料、例えば特に冷態始
動特性を改善する材料により被覆することができる。勿
論この構造は、触媒的に活性な被膜がコンフューザでも
利用可能な体積を一層良好に利用できるとしても、コン
フューザ内の整流体の触媒的被膜に対しても同様に当て
はまるわけではない。
最後に請求項12ではこの発明に基づく整流体の特に有利
な製造方法が記載され、これについては図面により詳細
に説明する。
この発明の複数の実施例が図面に示されており、 第１図はこの発明に基づく整流体を備えた典型的な触媒
装置を、 第２図はディフューザ内の整流体だけを備えた触媒装置
を、 第３図はこの発明に基づく整流体の製造に適するような
スリットを切られた波板を、 第４図は整流体の端面での直線上に展開された一つの層
を、 第５図は整流体の流出側での直線上に展開された一つの
層を、 第６図は別の方法で製造された整流体の端面での直線上
に展開された一つの層を、 第７図は中央領域におけるこの発明に基づく整流体の流
出側での直線上に展開された一つの層を、 第８図はこの整流体の流出側の外側領域における直線上
に展開された一つの層を、 第９図は個々の前加工された円錐台形流路モジュールか
ら成る整流体の構造を、 第10図は方形断面を備え個々の前加工された流路から成
る整流体の構造を、 第11図は増大する開口角を備え相互にはまり合い同心に
配置された円錐台から成る整流体の構造を 示す。
第１図は入口管１、出口管２、通常のはちの巣状触媒体
３、ディフューザ内の整流体４及びコンフューザ内の整
流体５を備えた触媒装置を示す。整流体４、５と触媒体
３との間には混合板６、７が設けられている。
第２図は入口管21、出口管22、触媒体23及びディフュー
ザ内の整流体24から成る触媒装置を示し、整流体は混合
板26により触媒体23から分離されている。図に示すよう
に触媒体の構造は並列の流路から成り、整流体の構造は
立体開口角αを備え流れ方向へ拡大する流路から成る。
基本的には整流体が正確に入口管21の端部で始まること
が有利であるが、しかしながら製造技術的又は流体技術
的理由から整流体の端面がディフューザの幾分内側に置
かれることが必要となることもある。図示の触媒装置の
断面は円筒形又は円錐形、更には偏平形の装置に対して
も成り立つ。
この発明に基づく整流体を金属製触媒担体に対して通常
用いられるような板からどのようにして作るかを明らか
にするために、下記の図を用いる。まず第３図、第４図
及び第５図に一実施例を示す。基本的な問題は全体とし
て円錐形の整流体をいわば一端面の圧縮により作るべき
でないということにある。なぜならばそのときはこの端
面では開放断面積と材料により閉鎖された断面積との比
率が非常に不利となり、このことは圧力損失を著しく高
めるからである。従って技術的に有効な解決のために
は、増大する断面を備えた所望の流路形を組み立ての際
にもたらすような、特別な形状の板を用いることが必要
である。第３図に示すように流出側縁33から始まるスリ
ット34を波底及び／又は波頂の全部又は一部に沿って有
する波板31がこのために適している。この種の波板31は
まずできる限り急傾斜の側面と大きな振幅とを持たせて
作られる。続いてスリット34が設けられる。そして波板
を流入側縁32で引き伸ばし、それにより側面傾斜と振幅
とが減少する。流出側縁33上ではスリット34を設けられ
た板が同様に引き伸ばされ、しかも場合によっては流入
側縁32上よりも一層広く引き伸ばされる。その際スリッ
ト34が広がるが、しかし側面または振幅は変化しない。
このような波板31を、直線形ではなくだんだんと湾曲度
を増さなければならない平板35と共に、場合によっては
スリット34の広がりを増しながら螺旋形に巻くと、流れ
方向に増加する断面を有する流路36を備えた所望の整流
体ができ上がる。第４図は流入側縁32上に生じる断面形
状を示し、第５図は流出側縁33上に生じる断面形状を示
す。簡単化のために一つの波板31と二つの平板35との直
線上に展開された各一つの層だけが示されている。
所望の整流体の製造のための別の実施例が第６図、第７
図及び第８図に示されている。この実施例では整流体が
主として大きい振幅を備えた波板71及び同様の波長と小
さい振幅とを備えた波板72から成る。これらの板は螺旋
形に巻かれるが、その際流出側では幅の狭い平らな中間
層73が一緒に巻き込まれ、それにより流出側では両波形
が係合できず、それにより巻き込みの際に流入側におけ
るよりも非常に速やかにかさを増す端面が生じる。平ら
な中間層は原理的にはまっすぐな帯板ではなく増加する
曲率を有しなければならないが、しかしこのことは幅の
狭い帯板の場合には一般に塑性変形により達成すること
ができる。作られた整流体はその端面で第６図に示すよ
うなはまり合った波板の典型的な組み合わせを示し、流
出側では内側領域に第７図のような組み合わせを示し、
外側領域に第８図のような組み合わせを示す。
第９図及び第10図は、この発明に基づく整流体が個々に
前加工された円錐台形流路モジュール91又は方形の流路
モジュール101からどのようにして構成できるかを示
す。勿論他の流路断面も可能であり、その際更に個々の
モジュールが単一の流路を備えるのではなくそれぞれ多
数の流路を備えるようにすることもできる。最後に第11
図は、増大する開口角を備え相互にはまり合い同心に配
置された円錐台面111からこの発明に基づく整流体を作
る別の可能性を示す。この種の面は例えば桟、波形中間
層などにより所望の間隔に保持することができる。
前記の諸実施例はこの発明に基づく整流体の多数の製造
可能性のうちの若干例だけを示したものににすぎず、勿
論他の公知の触媒装置に基づき板構造の著しい変形案も
可能である。一般に板を相互にろう付けすることが有利
であるが、しかし接着、溶接及び焼結のような別の接合
方法も考えられる。この発明に基づく整流体は触媒体で
通常行われるように外筒を有することができ、その場合
外筒は触媒装置の組み立ての際にコンフューザを形成す
るかコンフューザの中にはめ込まれる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭50−22118（ＪＰ，Ａ) 実開 昭51−148510（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−40516（ＪＰ，Ｕ)

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】はちの巣状触媒体（3;23）の前の流れ方向
    に広がるディフューザと、触媒体の後ろの流れ方向に狭
    くなるコンフューザと、ディフューザ及び／又はコンフ
    ューザ内に少なくとも一つの整流体とを備え、整流体
    （４、5;24）が並べて及び／又ははめ合わせて配置され
    流体の貫流する多数の流路から成り、これらの流路がす
    べて又は少なくとも部分的にディフューザ内では流れ方
    向に増大する断面を有し、またコンフューザ内では流れ
    方向に減少する断面を有し、整流体の開放断面積が一方
    の側面では他方の側面におけるよりも著しく大きい触媒
    装置において、流路は交互に積層された又は巻き込まれ
    た平板（35）と波板（31）とにより構成され、両板（3
    1、35）は湾曲しており、かつその湾曲度が増加するこ
    とを特徴とする整流体を備えた触媒装置。
  2. 【請求項２】波板（31）は流出側縁（33）からほぼ波底
    又は波頂に沿って流入側縁（32）の近くまでスリットを
    切られ、かつ流れ方向へ向かってスリット幅を広げら
    れ、波形の側面が流入側縁（32）では流出側縁（33）に
    おけるよりもなだらかであることを特徴とする請求項１
    記載の触媒装置。
  3. 【請求項３】整流体の開放断面積が一方の側面では他方
    の側面の２倍以上、特に４〜６倍の大きさであることを
    特徴とする請求項１又は２記載の触媒装置。
  4. 【請求項４】整流体（４、5;24）の個々の流路の開放断
    面積が、小さい方の断面積を備えた側面ではちの巣状触
    媒体（3;23）の流路の開放断面積とほぼ同じ大きさであ
    り、望ましくはそれより著しく大きいことを特徴とする
    請求項１ないし３の一つに記載の触媒装置。
  5. 【請求項５】整流体（４、5;24）と触媒体（3;23）との
    間には排気の旋回に役立つ約５〜30mmの中間室（６、7;
    26）が設けられることを特徴とする請求項１ないし４の
    一つに記載の触媒装置。
  6. 【請求項６】増大する断面を有する整流体（4;24）の流
    路の開口角（α）は、流れが壁から離れる角度より小さ
    く、例えば単一の断面の場合にはπ/17より小さく望ま
    しくはπ/24より小さいことを特徴とする請求項１ない
    し５の一つに記載の触媒装置。
  7. 【請求項７】整流体（4;24）の流路が増大する断面を有
    し、ちょうど乱流が流路内で又は流路の端部で維持され
    るような開口角（α）を有することを特徴とする請求項
    １ないし６の一つに記載の触媒装置。
  8. 【請求項８】整流体がほぼ等しい波長と著しく異なる振
    幅とを備えた少なくとも二つの波板（71、72）から巻か
    れるか又は積層され、その際波形が小さい方の断面を備
    えた側面でははまり合い、他方の側面では幅狭く平らな
    帯板から成る中間層（73）により分離されていることを
    特徴とする請求項１ないし７の一つに記載の触媒装置。
  9. 【請求項９】板（31、35;71、72、73）が接触個所の少
    なくとも一部で相互にろう付けされることを特徴とする
    請求項２又は８記載の触媒装置。
  10. 【請求項１０】整流体（４、5;24）が触媒的に活性な材
    料により被覆されることを特徴とする請求項１ないし９
    の一つに記載の触媒装置。
  11. 【請求項１１】ディフューザ内の整流体（4;24）上の触
    媒的に活性な材料が、特に冷態始動特性すなわち低温で
    の触媒反応の開始を改善するような性質を有することを
    特徴とする請求項10記載の触媒装置。
  12. 【請求項１２】下記の工程すなわち、 ａ） できるだけ急傾斜の側面を備えた波板（31）が一
    側縁（33）から波底又は波頂の全部又は一部に沿って他
    方の側縁（32）の近く例えば10mmの距離までスリット
    （34）を切られ、 ｂ） 板（31）がスリットを切られた側縁（33）上では
    スリットを切られていない側縁（32）におけるよりも強
    く広げられ、 ｃ） 広げられた板（31）が交互に平板（35）と共に多
    数の流路（36）を備えたブロックとなるように巻かれ又
    は積層され、触媒個所の少なくとも一部で接合技術によ
    り望ましくは高温ろう付けにより結合される ことを特徴とする請求項２記載の整流体の製造方法。
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