JP2004511710A

JP2004511710A - ２つの異なるコーティングを備えた加熱可能なハニカム体

Info

Publication number: JP2004511710A
Application number: JP2002536188A
Authority: JP
Inventors: ブリュック，ロルフ
Original assignee: エミテク・ゲゼルシャフト・フュール・エミシオーンテクノロギー・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング
Priority date: 2000-10-18
Filing date: 2001-10-18
Publication date: 2004-04-15
Also published as: WO2002033229A3; DE10051562A1; MY137326A; US7261865B2; US20030161766A1; DE50102551D1; WO2002033229A2; EP1328711A2; AU2002216972A1; EP1328711B1

Abstract

電気的に加熱可能なハニカム体（１）であって、特に内燃エンジンからの排気ガスを浄化するためのものであり、流れの方向（８）に直列に配置される少なくとも２つのゾーン（７、９）を有し、少なくとも２つのゾーン（７、９）が異なるコーティング（１０、１１）を有することを特徴とする。ハニカム体（１）は、第１のゾーン（７）、および下流（８）に配置された第２のゾーン（９）を有し、第１のゾーン（７）は、吸着コーティング（１０）を有し、第２のゾーン（９）は、触媒活性のコーティング（１１）を有することが好ましい。電気的に加熱可能なハニカム体（１）は、汚染物質、特に、好ましくは、排気ガス中に含まれる炭化水素または窒素酸化物を捉える役目を果たし、吸着を行なう第１のゾーンの構成は、電気的に加熱可能なハニカム体（１）の着火性能に調和する。

Description

【０００１】
この発明は、電気的に加熱可能なハニカム体に関し、特に、請求項１のプリアンブルに記載の、内燃エンジンからの排気ガスを浄化するための電気的に加熱可能なハニカム体に関する。この種の電気的に加熱可能なハニカム体は、特に、内燃エンジン、たとえば自動車のエンジンの、コールドスタート段階中の汚染物質の排出を低下させるために使用される。
【０００２】
電気的に加熱可能なハニカム体の金属による実施例は、たとえばＥＰ　０　５４１　５８５　Ｂ１から公知である。この文献は、特に、シート金属を積み重ねたものを備えた例示的な実施例を示す。シート金属の積み重ねは、Ｓ字型に曲げられ、ここで外側のハーフシェルを介して電気的な接触が行なわれる。この例では、連続的な金属の支持構造がハニカム体の内側へ突出するため、高い動作負荷の下でも機械的な安定が得られる。同時に、支持構造を好適な寸法に決め、それに対応してシート金属を積み重ねたものとの接触を選択することによって、電圧を印加した場合に、ハニカム体に電流を均一に分散させることができる。さらに、この文献から、触媒活性のコーティングを電気的に加熱可能なハニカム体に設けることが公知である。触媒活性のコーティングは、それがコールドスタート段階で使用されるという事実を考慮すると、主に酸化作用を有するコーティング、たとえば蒸着されたプラチナおよび／またはロジウムを有することが好ましい。
【０００３】
電気的に加熱可能なハニカム体のセラミックによる実施例は、たとえばＥＰ　０４８５　１７９　Ｂ１に記載される。加熱されるべきガスは、この文献に記載されるハニカム体を通って流れることができ、ハニカム体は少なくとも２つの電極を含むため、電流が流れて、ハニカム体は加熱される。この文献では、電気的に加熱可能なハニカム体を、吸着材料と触媒活性の材料とを含む組成物で覆うことが提案される。吸着材料は、炭化水素、つまり、コールドスタート段階で生成され、触媒活性のコーティングが電気的に加熱可能なハニカム体とともにある温度、すなわちこれらの炭化水素の化学的転化が可能な温度に達するまで、完全に燃焼しない、炭化水素を捉えるためのものである。
【０００４】
このことに基づくと、この発明の目的は、電気的に加熱可能なハニカム体、つまり、電気的に加熱可能なハニカム体の着火性能に調和したコーティングを有し、内燃エンジンのコールドスタート段階中の汚染物質の排出を効果的に低下させるハニカム体を提供することである。
【０００５】
この目的は、請求項１の特徴に従った、電気的に加熱可能なハニカム体によって達成される。有利な実施例および構成は、従属項に記載する。
【０００６】
この発明による電気的に加熱可能なハニカム体は、少なくとも２つのゾーンを有し、これらゾーンは、流れの方向に直列に配置され、特に内燃エンジンからの排気ガスを浄化するために使用される。この電気的に加熱可能なハニカム体は、少なくとも２つのゾーンの各々が異なるコーティングを有するという事実によって特徴付けられる。それらの異なるコーティングは、特に内燃エンジンのコールドスタート段階において、異なる機能を有する。コーティングの機能には、たとえば汚染物質の吸着、汚染物質の触媒転換、または排気ガスの成分の酸化などがある。既知の電気的に加熱可能なハニカム体の場合、常にこれらの異なる機能を１つのコーティング化合物にまとめることが試みられてきたが、この発明によると、複数のコーティングを、それらの機能に従って、互いに空間的に分離させることが提案される。このことは非常に有利である。なぜなら、このように配置されたコーティングは、互いに悪影響を及ぼさないからである。特に、コールドスタート段階では、機能が温度に大きく影響されるコーティングが使用される。コーティングと排気ガスとの相互作用の間に、場合によっては、発熱反応が起こり、これがハニカム体の着火性能または加熱に影響を及ぼし、さらに、当てはまる場合には、他のコーティングの反応性能にも影響を及ぼす。流れの方向に連続して接続されたゾーンに異なるコーティングを配置することにより、このような性質の望ましくない影響が回避される。
【０００７】
電気的に加熱可能なハニカム体のさらなる構成によると、第１のゾーンは、吸着材料を含むコーティングを有し、第２のゾーンは、触媒活性のコーティングを有する。電気的に加熱可能なハニカム体と、吸着材料を含む第１のコーティングおよび触媒活性の第２のコーティングとを組合せたものを使用して、排気ガスを浄化する場合、特にハニカム体の着火段階中に、多数の化学反応が発生し、少なくともそれらのいくつかが、複雑な形で相互に作用する。これらの相互作用については、後に説明し、異なるコーティングを空間的に分離して配置することの利点を明らかにする。
【０００８】
排気ガス中の汚染物質を転換するため、触媒活性の表面またはコーティングであって、ある温度（約２５０℃）を超えると汚染物質（一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物）の化学的転化につながるものが使用される。この着火温度に達するまでの時間は、電気的に加熱可能なハニカム体を使用することで短縮される。こうすれば、触媒活性の表面またはコーティングは、燃焼作用からの熱い排気ガスによってだけでなく、抵抗の熱によっても加熱される。しかしながら、世界中でますます厳しくなる排気ガス規制に対応するには、コールドスタートの直後でも、炭化水素が非常に少量しか排出されないようにすることが必要である。コールドスタート中に作られた炭化水素の分子を保持する働きをする吸着材料を使用することは、この目的に好適である。
【０００９】
温度の上昇中、この種の吸着材料は、２つの異なる段階、すなわち吸着段階および脱着段階によって特徴付けられる。内燃エンジンのコールドスタートの直後、一例として、炭化水素は、吸着材料の全体的に裂け目のある表面構造に捕捉される。吸着材料に対する炭化水素の結合の強度は、分子の種類および吸着材料の構造に依存する（吸着段階）。排気ガスおよび／またはハニカム体の温度が上昇するにつれ、吸着材料に保持された炭化水素は脱着される（脱着段階）。これは、特に１００℃から２００℃の間の温度で起こる。さらに、脱着された炭化水素が完全に触媒転換されない温度でも、吸着材料で脱着が見られる。
【００１０】
排気ガスが中を流れる電気的に加熱可能なハニカム体の着火性能に関して調査したところ、実質的に流れの方向に上昇する温度プロファイルが、コールドスタート段階中、ハニカム体の軸方向の長さにわたって確立することがわかった（図２も参照のこと）。結果として、コールドスタート段階中、電気的に加熱可能なハニカム体の第１のゾーンは、下流の第２のゾーンより温度が低い。この発明によると、第１の温度の低いゾーンを吸着材料で覆い、第２の温度の高いゾーンに触媒活性のコーティングを設けることが提案される。この特に好ましい配置には、コールドスタート段階中、２つのコーティングが同時に異なる温度になるという利点がある。つまり、温度の低い第１のゾーンの吸着材料がその脱着段階に達する前に、下流の触媒活性コーティングにおいて、触媒転化に好適な温度が得られるのである。結果として、非常に効率のよい加熱可能なハニカム体となり、特に内燃エンジンのコールドスタート段階中に、環境に汚染物質が排出されるのが防止される。
【００１１】
電気的に加熱可能なハニカム体のさらなる構成によると、吸着材料を含むコーティングは、ゼオライト構造を用いて設計される。ゼオライトは、微孔のあるアルミノシリケート（アルミニウム−シリコン結晶）であり、ある分子を捕捉することができるという特性を有する。ゼオライト構造は、チャネルおよび／または空洞を備えた四面体の枠組みを含み、その幾何学的な構造は、ゼオライトに特有である。その構造のため、ゼオライトは、炭化水素を引寄せるのに特に好適である。
【００１２】
さらなる構成によると、電気的に加熱可能なハニカム体は、シート金属層を有し、シート金属層は、少なくとも部分的にその中を排気ガスが流れることができるような構造である。シート金属層を備えた電気的に加熱可能なハニカム体には、同じ体積につき、汚染物質の吸着または触媒転化のための表面積が大きいこと、および、たとえばセラミックのハニカム体と比較して、圧力の損失が少ないことなどの利点がある。
【００１３】
この場合、厚みが０．０８ｍｍ未満の金属シートを用いて、シート金属層を設計することが特に有利である。このように比較的薄い金属シートによって、熱容量が低くなり、結果として、排気ガスからは非常に少量の熱エネルギしか取出されない。金属シートの厚みは、０．０４ｍｍ未満、特に０．０２ｍｍ未満であることが好ましい。
【００１４】
さらなる構成によると、ハニカム体はチャネルを有し、そこを通って排気ガスが流れることができる。チャネルの数は、４００　ｃｐｓｉ（平方インチ当りのセルの数）より多く、特に６００　ｃｐｓｉよりも多い。多数のチャネルによって、一定の体積に対する表面積が大きくなり、結果として、たとえば、吸着材料を含むコーティングの吸着能力、または汚染物質の触媒転換が向上する。
【００１５】
電気的に加熱可能なハニカム体のさらなる構成によると、第１のゾーンは、軸方向に２０ｍｍ未満の第１の長さを有する。排気ガス中の汚染物質を触媒転換するための着火温度は、第２のゾーンのコーティングによって急速に達成されるため、非常に短い時間の間しか汚染物質を保持しておく必要がなく、結果として、吸着材料を含むコーティングを備えた比較的細いディスクのみが必要とされる。吸着材料を含み、軸方向の長さが２０ｍｍ以下である第１のゾーンによって、汚染物質が環境に排出されるのを確実に防止するために十分な吸着能力が得られる。
【００１６】
この発明のさらなる局面は、この発明に従った加熱可能なハニカム体を有する支持体を提案する。ハニカム体は、絶縁層を有し、予め規定可能な電流の経路が形成されるように、電気が通るような態様で、少なくとも１つの電極に接続される。ハニカム体は、少なくとも部分的に管状のケーシングに囲まれる。管状のケーシングがハニカム体を囲むため、長期的な安定性、特に排気ガスの流れで発生する圧力の変動に対する長期的な安定性が得られ、さらにハニカム体の排気システムへの統合が保証される。電極に電圧が印加されると、電気絶縁層の助けを借りて電流の経路が形成されるが、この電流の経路によって、その断面にわたってハニカム体が確実に均一に加熱される。
【００１７】
この点において、少なくとも１つの電極を、絶縁されるような態様で、管状のケーシングを通して案内することが提案される。原則として、この発明では、電気が通るように管状のケーシングを電極の１つに接続することが可能であるが、後続の、電気的な供給システムへの統合での自由度を大きくするため、管状のケーシングに電気的な接続がないと非常に有利である。この場合、このケーシングは、単に保護的な外装の役割、および支持接続要素の役割、たとえば自動車の排気システムの残りの部分に対する支持接続要素の役割を果たす。
【００１８】
支持体のさらなる構成によると、絶縁層は、少なくとも場合によっては、空隙である。空隙の寸法は、排気システムの圧力に波がある場合、および自動車の動きによる振動がある場合でも、絶縁が確実に行なわれるように決められる。
【００１９】
この場合、絶縁層は、少なくとも部分的に、支持構造によって境界を定められることが非常に有利である。ハニカム体の内側の主に金属でできた支持構造は、まず隙間によって、ハニカム体を電気的に細分するのを助け、次にハニカム体の機械的な安定性に貢献する。比較的厚みがあり、機械的に安定した支持構造により、電気的な短絡または機械的な過負荷が防止される。この場合、隙間を細く保って、隙間によってハニカム体の動作が損なわれないようにすることができる。隙間は、たとえば、個々の金属シートの構造の高さ、またはシート金属層同士の間隔と同程度の大きさであってもよい。
【００２０】
発明のさらに別の局面によると、電気的に加熱可能なハニカム体を備えた支持体を含む触媒コンバータが提案され、主触媒、特に三元触媒が、支持体の下流に配置される。主触媒は、電気的に加熱可能なハニカム体よりもかなり大きな体積を有することが好ましい。内燃エンジンのコールドスタート段階後、この主触媒は、排気ガス中の汚染物質の触媒転換を引継ぐ。この時点では、電気的に加熱可能なハニカム体は、その役目を終え、電圧源から切り離すことができる。
【００２１】
これに関して、電気的に加熱可能なハニカム体を備えた支持体が主触媒に担持されることが特に有利である。このことによって、電気的に加熱可能なハニカム体自身が、比較的細密な構造でありながら、排気ガスの流れで発生する圧力の変動に耐えることが可能になる。このような性質の支持要素を、電気的に加熱可能なハニカム体の断面にわたって分散させるのが好ましく、これらの要素は、少なくとも部分的にハニカム体のチャネルの中へ延びる。特に、電気的に加熱可能なハニカム体の軸方向の全体の長さが比較的短い実施例の場合は、共通の管状のケーシングの中で、このハニカム体を主触媒と一体化することも可能であり、このとき管状のケーシングは、支持要素の役目をする。
【００２２】
この発明による、電気的に加熱可能なハニカム体のさらなる利点および特に好ましい構成を、図面を参照して説明する。
【００２３】
［詳細な説明］
図１は、この発明による、内燃エンジンからの排気ガスを浄化するための電気的に加熱可能なハニカム体１の一実施例の概略的な斜視図である。電気的に加熱可能なハニカム体１は、２つのゾーン７および９を有し、これらゾーンは、流れの方向８に直列に配置され、２つのゾーン７および９は、異なるコーティング１０および１１（図示せず）を有する。第１のゾーン７は、軸１７の方向の第１の長さ１８を有し、これは、２０ｍｍ未満であることが好ましい。ハニカム体１は、チャネル３も有し、動作中、排気ガスがここを通って、流れの方向８に流れる。
【００２４】
ハニカム体１は、管状のケーシング６によって囲まれるため、ハニカム体１の安定性は大きく向上する。ハニカム体１は、電極４に電気が通るような態様で接続される。ハニカム体１に電圧が印加されると、この電極４および電圧源２３の助けを借りて、予め規定可能な電流の経路５（図示せず）が形成されるが、この電流の経路５によって、ハニカム体１は、確実に均一に加熱される。
【００２５】
図２は、ハニカム体１の軸１７の方向の全体の長さＬ上にわたる、ハニカム体１の内部の温度分布を概略的に示す。この図によると、ハニカム体１の温度は、内燃エンジンのコールドスタート段階中、流れの方向８に上昇する。結果として、第１のゾーン７は、下流８に配置されるゾーン９よりも低い温度Ｔになる。この場合を例に取ると、曲線２４は、ハニカム体１の長さと温度Ｔとの間に、実質的に直線的な関係があることを示す。曲線２４は、コールドスタート段階中の「捕捉時間」によって大きく影響される。
【００２６】
図３は、この発明によるハニカム体１のさらなる例示的な実施例を概略的に示す。ハニカム体１は、絶縁層２および２つの電極４を有し、これらは、予め規定可能な電流の経路５（矢印）が形成されるように、電気が通るような態様で、ハニカム体１に接続される。この例で示される電流の経路５は、Ｓ字型に曲がっている。ハニカム体１は、管状のケーシング６によって包囲され、電極４は、絶縁されるような態様で、管状のケーシング６を通して案内される。絶縁層２は、実質的には空隙１９によって形成される。機械的な安定性を向上させるため、ハニカム体１は、さらに支持構造２０を有する。支持構造２０は、シート金属層１３に電流を均一に導入するためにも使用される。
【００２７】
図４は、排気システム２６を概略的に示し、この中に、第１のゾーン７および第２のゾーン９を備えた電気的に加熱可能なハニカム体１、ならびに付加的な主触媒２１が配置される。排気ガスは、ハニカム体１および主触媒２１の中を通って、流れの方向８に流れる。ハニカム体１は、複数の支持要素２２によって、主触媒２１に担持されるため、ハニカム体１は、排気システム２６の中で永久的に固定される。
【００２８】
図５は、電気的に加熱可能なハニカム体１の、第１のゾーン７における概略的な詳細図である。ハニカム体１は、複数の平滑な金属シート１４および波型の金属シート１５を有し、これらは、少なくとも部分的にその間を排気ガスが流れることができるような構造である。平滑な金属シート１４および波型の金属シート１５を積み重ねることによって、チャネル３が形成され、そこを通って排気ガスが流れる。金属シート１４および１５は、吸着材料１０を含むコーティングを有し、吸着材料１０は、ゼオライト構造１２を有する。
【００２９】
図６は、ハニカム体１の、第２のゾーン９における詳細図を概略的に示す。平滑な金属シート１４および波型の金属シート１５は、チャネル３の境界を定める。金属シート１４および１５は、厚み１６および触媒活性のコーティング１１を有する。触媒活性のコーティング１１は、特に酸化作用を有する貴金属２７を含む。
【００３０】
電気的に加熱可能なハニカム体は、特に、汚染物質、好ましくは排気ガスに含まれる炭化水素または窒素酸化物を捉える役目を果たし、吸着を行なう第１のゾーンの構成は、電気的に加熱可能なハニカム体の着火性能に調和する。したがって、この発明によるハニカム体は、内燃エンジンのコールドスタート段階中でも、環境に汚染物質が排出されるのを防止する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による電気的に加熱可能なハニカム体の一構成を概略的に示す図である。
【図２】この発明によるハニカム体の軸方向の長さにわたる温度分布を概略的に示す図である。
【図３】ハニカム体のさらなる構成の端部側の概略図である。
【図４】排気システム内の、この発明によるハニカム体を概略的に示す図である。
【図５】この発明によるハニカム体の第１のゾーンにおける概略図である。
【図６】この発明によるハニカム体の第２のゾーンにおける概略図である。
【符号の説明】
１　ハニカム体、２　層、３　チャネル、４　電極、５　電流の経路、６　管状のケーシング、７　第１のゾーン、８　流れの方向、９　第２のゾーン、１０　吸着材料、１１　触媒活性のコーティング、１２　ゼオライト構造、１３　シート金属層、１４　平滑な金属シート、１５　波型の金属シート、１６　厚み、１７　軸、１８　第１の長さ、１９　空隙、２０　支持構造、２１　主触媒、２２　支持要素、２３　電圧源、２４　曲線、２５　絶縁、２６　排気システム、２７　貴金属、Ｔ　温度、Ｌ　全体の長さ。

Claims

電気的に加熱可能なハニカム体（１）、特に内燃エンジンからの排気ガスを浄化するための電気的に加熱可能なハニカム体であって、流れの方向（８）に直列に配置される少なくとも２つのゾーン（７、９）を有し、
前記少なくとも２つのゾーン（７、９）が、異なるコーティング（１０、１１）を有することを特徴とする、電気的に加熱可能なハニカム体（１）。
第１のゾーン（７）は、吸着材料（１０）を含むコーティングを有し、第２のゾーン（９）は、触媒活性のコーティング（１１）を有することを特徴とする、請求項１に記載の電気的に加熱可能なハニカム体（１）。
吸着材料（１１）を含む前記コーティングは、ゼオライト構造（１２）を有することを特徴とする、請求項２に記載の電気的に加熱可能なハニカム体（１）。
前記ハニカム体（１）は、少なくとも部分的に排気ガスが中を流れることができるような構造であるシート金属層（１３）を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の電気的に加熱可能なハニカム体（１）。
前記シート金属層（１３）は、０．０８ｍｍ未満の厚み（１６）を有する金属シート（１４、１５）を用いて設計されることを特徴とする、請求項４に記載の電気的に加熱可能なハニカム体（１）。
前記ハニカム体（１）は、排気ガスが中を流れることができるチャネル（３）を有し、前記チャネル（３）の数は、４００　ｃｐｓｉより多く、特に６００　ｃｐｓｉよりも多いことを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の電気的に加熱可能なハニカム体（１）。
前記第１のゾーン（７）は、軸（１７）の方向に２０ｍｍ未満の第１の長さ（１８）を有す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電気的に加熱可能なハニカム体（１）。
請求項１から７のいずれかに記載の電気的に加熱可能なハニカム体（１）を有する支持体であって、前記ハニカム体（１）は、電気絶縁層（２）を有し、予め規定可能な電流の経路（５）が形成されるように、電気が通るような態様で、少なくとも１つの電極（４）に接続され、前記ハニカム体（１）は、少なくとも部分的に管状のケーシング（６）に囲まれることを特徴とする、支持体。
前記少なくとも１つの電極（４）は、絶縁されるような態様（２５）で、前記管状のケーシング（６）を通して案内されることを特徴とする、請求項８に記載の支持体。
前記絶縁層（２）は、少なくとも場合によっては、空隙（１９）であることを特徴とする、請求項８または９に記載の支持体。
前記絶縁層（２）は、少なくとも部分的に、支持構造（２０）によって境界を定められることを特徴とする、請求項８から１０のいずれかに記載の支持体。
請求項１から１１のいずれかに記載の電気的に加熱可能なハニカム体（１）を備えた支持体を含む触媒コンバータであって、主触媒（２１）、特に三元触媒が、前記支持体の下流（８）に配置されることを特徴とする、触媒コンバータ。
電気的に加熱可能なハニカム体（１）を備えた前記支持体は、前記主触媒（２１）に担持される（２２）ことを特徴とする、請求項１２に記載の触媒コンバータ。