JP2000265830A

JP2000265830A - モノリス触媒コンバータ及びその製造方法

Info

Publication number: JP2000265830A
Application number: JP11070972A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Nobata; 安浩野畑; Akira Takashima; 彰高島; Satoru Takahashi; 哲高橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-03-16
Filing date: 1999-03-16
Publication date: 2000-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】外コーン部及び内コーン部から成る二重コーン
タイプのモノリス触媒コンバータにおける、両端のコー
ン部における断熱作用が大きい利点を享受しつつ、双方
のコーン部の結合が面倒である欠点を解消して、製造コ
ストが低廉で、配置スペースも極力小さくされたモノリ
ス触媒コンバータを提供することである。【解決手段】触媒容器とその中に収容されるモノリス触
媒とから成るモノリス触媒コンバータにおいて、前記触
媒容器を、モノリス触媒を内部に保持する筒状部と、該
筒状部の両端でこれと一体に形成され排ガス管に接続さ
れる一対のロート状の第１のコーン部と、該各第１のコ
ーン部内でその小径部により該各第１のコーン部との小
径部と一体化されたロート状の第２のコーン部と、で構
成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車の排気系中
に配置されて排気ガスを浄化するモノリス触媒コンバー
タ及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車において、エンジンで生ずる排気
ガスを排出する排気系中に、排気ガスを浄化するために
触媒コンバータを配置することがあり、その一種にモノ
リス触媒コンバータがある。このモノリス触媒コンバー
タは、一体成形したハニカム状のモノリス触媒と、これ
を収納する触媒容器とから成り、エンジンに接続される
エギゾーストマニホールド内に配置されることも、エギ
ゾーストマニホールドから延びるフロント又はセンタパ
イプに配置されることもある。そして、何れの場合で
も、従来のモノリス触媒コンバータでは、触媒容器は触
媒を担持する容器形状または筒状の本体部と、その両端
から延びるロート状のコーン（円錐）部とから成るもの
が多い。

【０００３】次に、上記二つのタイプのモノリス触媒コ
ンバータの従来例につき詳述する。エギゾーストマニホ
ールド内に配置される第１のタイプのモノリス触媒コン
バータでは、触媒容器は通常一重構造とされている。即
ち、図１３に示すように、筒状の素材の両端部をスピニ
ング加工することにより又は二枚の板状の素材を皿形状
にプレス加工した後結合することにより、本体部１１２
と二つのコーン部１１４とを有する一重の触媒容器１１
０を製造していた。この触媒コンバータでは、モノリス
触媒１１６自体を保温するとともに、モノリス触媒１１
６の熱が周辺の機器に及んで悪影響を与えるのを防止す
るインシュレータ（断熱部）を内蔵していないので、コ
ーン部１１４の周辺に別途インシュレータ１１８を取り
付ける必要がある。

【０００４】これに対して、フロントパイプ等中に配置
される第２のタイプのモノリス触媒コンバータでは、一
重のコーン部の周辺に断熱部を配置する場合の他、二重
コーン構造の断熱部が採用されていた。即ち、図１４に
示すように、内コーン部１２４と外コーン部１２６とを
別々に作り、所定箇所を溶接Ｗすることにより、双方の
コーン部１２４、１２６を内部にモノリス触媒１２８を
収容した本体部１２２に接合して触媒容器１２０として
いた。いた。この二重コーン構造によればモノリス触媒
１２８の保温及び周辺への熱害の防止がある程度達成で
きる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記第１のタ
イプのモノリス触媒コンバータでは、外部に別途取り付
けるインシュレータ１１８の分だけ製造コストが増加す
るとともに、配置スペースが増大する。また、第２のタ
イプのモノリス触媒コンバータでは、溶接により外コー
ン１２６と内コーン１２４とを接合する作業は非常に面
倒で時間と手間がかかり、その分製造コストが上昇す
る。

【０００６】本発明は上記従来例（特に二重コーン構造
のモノリス触媒コンバータ）における課題を解決するこ
と、即ち製造コストが低廉で、配置スペースも極力小さ
くされた二重コーン構造のモノリス触媒コンバータを提
供することを目的としてなされたものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明にかかるモノリス触媒コンバータでは、排ガ
ス管に接続される触媒容器と、該触媒容器内に保持され
るモノリス触媒と、から成るモノリス触媒コンバータに
おいて、触媒容器を、モノリス触媒を内部に保持する筒
状部と、該筒状部の両端でこれと一体に形成され排ガス
管に接続される一対のロート状の第１のコーン部と、該
各第１のコーン部内でその小径部により該各第１のコー
ン部との小径部と一体化されたロート状の第２のコーン
部と、で構成した。

【０００８】ここで、触媒容器は金属材料から成り、そ
の筒状部（本体部）の断面形状は円筒、楕円などの種々
の形状が採用できる。筒状部と第１のコーン部とは理論
上は別体に作って後に結合しても良いが、製造上は両者
を一つの部材から作ることが望ましい。モノリス触媒と
してはセラミックス、メタル等汎用のものを採用でき
る。モノリス触媒コンバータはエギゾーストマニホール
ド内に配置することも、これから延びるパイプ内に配置
することもできる。

【０００９】上記触媒コンバータによれば、外側の第１
のコーン部と内側の第２のコーン部とが面倒な溶接作業
によることなく簡単に結合一体化できると共に、コーン
部の周りに別途インシュレータを設けることが不要とな
り、製造コストが低減できる。また、別のインシュレー
タが不要になるので、その分モノリス触媒を大きくで
き、これにより排ガス浄化作用が向上する。

【００１０】また、第２のコーン部を第１のコーン部よ
りも薄くすることができ、このようにすれば、保温性が
向上する。さらに、第１のコーン部と第２のコーン部と
の間、またはモノリス触媒と筒状部との間に断熱材を介
装することができ、このようにすれば、断熱効果がさら
に向上する。

【００１１】一方、本発明に係るモノリス触媒コンバー
タの製造方法では、触媒コンバータを、筒状のパイプ素
材内にモノリス触媒を挿入するとともに該パイプ素材の
両端開口内にロート状の第２のコーン部を軸方向外方が
小径部となるように挿入する挿入工程と、パイプ素材の
両端開口をロート状に絞り加工してロート状の第１のコ
ーン部を形成するとともに該第１のコーン部と第２のコ
ーン部とをそれぞれの小径部において一体化する絞り工
程と、で製造した。

【００１２】第２のコーン部は筒状部材のスピニング加
工等により予め形成され、その大径側開口及び小径側開
口の直径や第２のコーン部の長さは、パイプ素材の端部
の直径や長さとの関連で決定する。この状態でパイプ素
材の端部をスピニング加工により絞り、ローラをパイプ
素材の端部に接触させつつ半径方向及び軸方向に移動さ
せ、第２のコーン形状と相似形状に変形させて第１のコ
ーン部を形成する。続いて、第１のコーン部の小径部
（首部）を第２のコーン部の小径部に押し込んで結合す
る。パイプ素材の一方の端部に上記挿入工程及び絞り工
程を施した後、パイプ素材の中空部にモノリス触媒を装
填し、その後パイプ素材を左右反転させて（勿論、パイ
プ素材を反転させた後モノリス触媒を装填しても良
い）、他方の端部にも同様に上記挿入工程及び絞り工程
を施す。

【００１３】本発明の製造方法によれば、第１（外）の
コーン部の形成に引き続く小径部の形成時に、この小径
部が第２（内）のコーン部の小径部に押し込まれて第１
のコーン部が第２のコーン部と結合されるので、双方の
コーン部の結合のための面倒な溶接作業が不要となり、
その分触媒コンバータの製造コストが低減できる。

【００１４】また、第２のコーン部をパイプ素材に挿入
する前に第２のコーン部の外周面に断熱材を充填するこ
とができ、このようにすれば、コーン部における断熱効
果がさらに向上する。さらに、第２のコーン部のパイプ
素材への挿入とパイプ素材の端部の絞りとの間にモノリ
ス触媒の周囲に断熱材を充填することができ、このよう
にすれば、本体部での断熱効果がさらに向上する。

【００１５】

【実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面に基づ
き説明する。＜第１の実施の形態＞これは、本発明がエギゾーストマ
ニホールド内に設置されるモノリス触媒コンバータに適
用されたものである。図１に示すように、モノリス触媒
コンバータは触媒容器３０と、その内部に保持されるモ
ノリス触媒２８とから成り、触媒容器３０は外筒１０と
その内側に取り付けられた内筒２０とから成る。このう
ち外筒１０は、触媒２８を担持する円筒形状の筒状部
（本体部）１２と、その両側にこれに連続してかつ一体
的に形成された、円筒形でかつ先端に向かってい直径が
漸減するロート状の一対の第１のコーン部１４とから成
る。第１のコーン部１４の肉厚は本体部１２の肉厚と同
程度とされ、小径側端部には小径部１６が、さらに先端
には治具挿入部１８が連続して形成されている。

【００１６】外筒１０の第１コーン部１６の内側に取り
付けられた内筒２０の第２コーン部２２は、上記第１の
コーン部１４と同形状で先端に向かうにつれて直径が漸
減し、先端側端部に小径部２４及び治具挿入部２６が形
成され、第１のコーン部１４と同軸的に配置されてい
る。第２のコーン部２２の肉厚は第１のコーン部１４の
肉厚と同程度とされている。この触媒コンバータをエギ
ゾーストマニホールド中に設置して使用する際には、左
右両側の第１のコーン部１４を排気管（図示せず）に接
続する。

【００１７】この触媒コンバータは以下のようにして製
造されたものである。始めに、図２に示すような断面円
形で先端（右端）に向かって直径が漸減する第２のコー
ン部２２を有し、先端部には小径部２４及び治具挿入部
２６が形成されたロート状の内筒２０を準備しておく。
この内筒２０は左端開口の最大径に等しい直径を持つ円
筒形素材を、右端に向かってスピニング加工、プレス加
工又は液圧成形などすることにより容易に製造できる。
そのためのスピニング加工は、例えば本願出願人が出願
中の特開平９ー１１２２５９号公報の図６に示されてい
る。

【００１８】次に、上記内筒２０の第２のコーン部２２
の外周面に断熱材２８を巻き付け、図３に示すように、
予め外筒固定治具３２内により固定されたパイプ素材４
０内に、第２のコーン部２２を内筒支持治具３４を利用
して位置決め固定する。即ち、コレットチャック等の外
筒固定治具３２により円筒形状のパイプ素材４０の中間
部の外周面を保持し、その右端部４２を治具３２から右
方に突出させる。また、内筒支持治具３４は、素材４０
の中空部内で上記治具３２に対応する位置に設けられ、
その外径は素材４０の中間部の内径と等しくされ、その
右端に短いコーン形状の内筒嵌合部３６が形成されてい
る（治具３４はまた、素材４０の中間部を内側から支持
してその変形を防止している）。この治具３４に内筒２
０の大径側開口を嵌めて、小径側端部を自由端とする。

【００１９】次に、図４に示すように、素材４０の右端
部４２にスピニング加工を施す。詳述すると、支持部２
６内に内筒支持治具５４を挿入して内筒２０の先端を支
持した状態で、スピニング装置のローラ５２を軸線の周
りに公転させつつ自転させ、半径方向及び軸方向におい
て所定の軌跡に沿って右端部４２に接近させて、この右
端部４２を所定のロート形状にスピニング加工にする。
そのためのスピニング加工は、上記特開平９ー１１２２
２５９号公報の図９に示されている。こうして素材４０
の中間部に本体部１２が、その一側に第１のコーン部１
４が形成されて外筒１０の右半分が完成する。この状態
で第１のコーン部１４は内筒２０の第２のコーン部２２
に接触する。一方の第１のコーン部１４の成形が終了し
たら、ローラ５２をさらにわずかに前進させ（軸方向に
は移動させない）小径部１６を形成する。これに伴い、
外筒１０の小径部１６が内筒２０の小径部２４内に嵌入
される。

【００２０】次にローラ５２を一旦後退させ、軸方向外
側に移動させた後再び前進させる。このときの前進位置
は上記小径部１６を形成したときの前進位置よりも若干
後退している。これにより、外筒１０に支持部１８が形
成される。内筒１０と外筒２０とは、双方のコーン部１
４と２２との接触及び外筒１０の小径部１６の内筒２０
の小径部２４への嵌入により一体化される。

【００２１】続いて、内筒支持治具３４を外筒１０の左
端開口から取り除き、外筒固定治具３２を解除して外筒
１０の左右を反転させた後、治具３２を再び締め付け
る。そして、右端開口から円筒形状のモノリス触媒２８
を外筒１０内に挿入して本体部１２内に位置決め固定す
るとともに、外筒１０の右側開口に上述したのと同様の
予めスピニング加工された別の内筒２０を位置決め固定
する。次に、右端部に上述したのと同様のスピニング加
工を施すことにより、他方の第１のコーン部１４を形成
するとともに、その小径部１６を内筒１０の小径部２４
内に嵌入して外筒１０を内筒２０に一体化する。その
後、図６に示すように、外筒１０の左右の支持部１８の
先端部をカッタ５６で切断することにより、所望のモノ
リス触媒コンバータが完成する。

【００２２】この第１の実施の形態によれば、モノリス
触媒２８の熱の触媒容器の両端部から外部への伝播が、
外筒１０と内筒２０とを溶接により接合することも、特
別のインシュレータを設けることもなく達成できる。こ
れは、第１には各治具３２，３４及び５４を利用するこ
とにより、外筒１０と内筒２０とは第１及び第２のコー
ン部１４と２２との接触及び小径部１６の小径部２４へ
の嵌入により確実に位置決め、固定できること、また第
２には予め内筒２０に断熱材２９を巻き付けておいて外
筒１０と内筒２０と結合時に両者間の隙間に断熱材２９
を介在させたことによる。その結果、外筒１０と内筒２
０との接合のための時間及び手間が削減されて製造コス
トが低減できるとともに、触媒コンバータ全体が小型化
する。

【００２３】この第１の実施の形態によればさらに以下
の効果も得られる。内筒２０の肉厚を薄くしたのでモノ
リス触媒２８の熱損失を小さくできると共に、その分触
媒２８を大きくでき、これにより排ガス浄化作用が向上
する。また、両筒１０、２０間に介在させた断熱材２９
は、排気ガスが触媒コンバータ及び配管を通過する際に
生ずる騒音が外部に伝わるのを防止する上でも有効であ
る。さらに、外筒１０と内筒２０との結合に溶接を用い
ないので触媒コンバータの外観、品質が向上する。

【００２４】＜第２の実施の形態＞次に、本発明の第２
の実施の形態を図９乃至図１２に基づいて説明する。こ
れは、本発明がパイプ中に設置されたモノリス触媒コン
バータに適用された例である。モノリス触媒コンバータ
は図７に示すように、触媒容器１１０とモノリス触媒８
０とから成り、触媒容器１１０は外筒６０の筒状部６２
と、ロート状の第１のコーン部６４及び内筒７０の第２
のコーン７２部と、からなる。詳述すると、外筒６０は
本体部６２もコーン部６４も同じ肉厚とされ、内筒７０
の肉厚はこの外筒６０の肉厚よりも薄くされている。触
媒８０と外筒６０の本体部６２との間に形成された環状
隙間に断熱材８２が注入されている。また、外筒６０の
第１のコーン部６４と内筒７０の第２のコーン部７２と
の間には、環状空間８４が形成され、双方のコーン部の
先端の小径部６６と７４とは互いに密着接合している。

【００２５】このモノリス触媒コンバータは以下のよう
にして製造されたものである。上記第１の実施の形態と
同様、スピニング加工にまたはプレス加工により形成し
たロート状の内筒７０を予め準備しておく。次に、図８
に示すように、円筒形状のパイプ素材９０の一端部９２
にロート状の第１のコーン部６４を形成するとともに、
内筒７０の第２のコーン部７２と一体化する。即ち、チ
ャック等の外筒固定装置１００で、素材９０の中間部を
保持してその一端（左端）９２を突出させる。このと
き、素材９０の中間部の内周面は外筒支持装置１０２よ
り内側から支持してその変形を防止する。また、内筒７
０の小径側端部を内筒支持装置１０４により支持してお
く。

【００２６】この状態でスピニング装置のローラ１０６
を軸線の周りに公転させつつ自転させ、半径方向及び軸
方向において所定の軌跡に沿って移動させて、素材９０
の左端部９２をスピニング加工して本体部６２の一側に
第１のコーン部６４を形成する。その後、ローラ１０６
を半径方向にのみわずかに前進させて絞り込むことによ
り、図１０に示すように、第１のコーン部６４の小径部
６６を第２のコーン部７２の小径部７４にかしめ結合す
る。こうして、図９に示すように、外筒６０の本体部６
２の一側に第１のコーン部６４が形成される。続いて、
外筒固定装置１００を解除し、外周面に断熱材８２を巻
いたモノリス触媒８０を外筒６０内に挿入し、外筒６０
の左右を反転した後再び固定装置１００を締め付け、外
筒６０の他端部を突出させる。そして、他端部内に別の
内筒７０を位置決めして、この他端部を同様にスピニン
グ加工する。

【００２７】この第２の実施の形態によれば、以下の効
果が得られる。まず、外筒６０と内筒７０とが、双方の
コーン部６４、７２の小径部６６，７４により簡単に位
置決め及び結合できる。即ち、双方の端部６６，７４は
スピニング装置を利用したかしめ作業により簡単に結合
でき、これにより面倒な溶接作業が不要となり、二重コ
ーンタイプのモノリス触媒コンバータの製造コストが低
減できる。また、触媒８０と本体部６２との間には断熱
材８２が存在し、第１のコーン部６４と第２のコーン部
７２との間に形成された環状空間８４内には空気が存在
するので、触媒容器全体に亘って触媒８０の熱が外部に
伝わることが有効に防止できる。この空間８４に断熱材
を充填すればさらに断熱作用が向上する。これにより、
専用のインシュレータの取付けが不要となり、取付けの
手間が省略できるとともに、取付けスペースも不要にな
る。さらに、触媒８０の周囲に断熱材８２を充填するた
めの環状空間を形成したので、排ガスがこの空間を流れ
て触媒８０に直接ぶつからず、触媒８０の耐久性が向上
する。

【００２８】なお、第１のコーン部６４の小径部６６と
第２のコーン部７２の小径部７４とのかしめによる結合
をさらに確実にするためには、図１１に示すように第１
のコーン部６４の端部の小径部６６内周面に複数の突起
又は環状の突条６５を形成し、第２のコーン部７２の端
部の小径部７４の外周面に形成した複数のくぼみ又は環
状溝７５にこの突起６５等を嵌入させておくことができ
るし、また図１２に示すように第１のコーン部６４の端
部の小径部６６の内周面に形成した複数の突起６５を、
これに対応して第２のコーン部７２の端部の小径部７４
に形成した複数の孔７７に嵌入させておくこともでき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す正面断面図で
ある。

【図２】第１の実施の形態の製造工程を示す断面説明図
である。

【図３】第１の実施の形態の製造工程を示す断面説明図
である。

【図４】第１の実施の形態の製造工程を示す断面説明図
である。

【図５】第１の実施の形態の製造工程を示す断面説明図
である。

【図６】第１の実施の形態の製造工程を示す断面説明図
である。

【図７】本発明の第２の実施の形態を示す正面断面図で
ある。

【図８】第２の実施の形態の製造工程を示す正面説明図
（一部断面）である。

【図９】第２の実施の形態の製造工程を示す正面説明図
である。

【図１０】第２の実施の形態の製造工程を示す部分断面
説明図である。

【図１１】図１２の第１の変形例を示す断面説明図であ
る。

【図１２】図１２の第２の変形例を示す断面説明図であ
る。

【図１３】従来の第１の触媒コンバータを示す概略図で
ある。

【図１４】従来の第２の触媒コンバータを示す概略図で
ある。

【符号の説明】

１０，６０：外筒１２，６２：本体部
（筒状部）１４，６４：第１のコーン部１６，２４：小径部２０，７０：内筒２２，７２：第２の
コーン部２８，８０：モノリス触媒６６，７４：小径部３０，１１０：触媒容器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０１Ｎ 7/14 Ｆ０１Ｎ 7/14 (72)発明者高橋哲愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3G004 AA01 BA06 DA14 EA05 FA04 GA01 GA06 3G091 AA02 AB01 BA39 GA06 GB01X GB01Z GB17X HA27 HA28 HA29 HA31

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排ガス管に接続される触媒容器と、該触媒
容器内に保持されるモノリス触媒と、から成るモノリス
触媒コンバータにおいて、前記触媒容器は前記モノリス触媒を内部に保持する筒状
部と、該筒状部の両端でこれと一体に形成され、前記排
ガス管に接続される一対のロート状の第１のコーン部
と、該各第１のコーン部内においてその小径部により該
各第１のコーン部の小径部と一体化されたロート状の第
２のコーン部と、から成ることを特徴とするモノリス触
媒コンバータ。
【請求項２】前記第２のコーン部は前記第１のコーン部
よりも肉厚が薄くされている請求項１記載のモノリス触
媒コンバータ。
【請求項３】前記第１のコーン部と前記第２のコーン部
との間に断熱材が充填されている請求項１記載のモノリ
ス触媒コンバータ。
【請求項４】前記モノリス触媒と前記筒状部との間に断
熱材が充填されている請求項１記載のモノリス触媒コン
バータ。
【請求項５】筒状のパイプ素材内にモノリス触媒を挿入
するとともに、該パイプ素材の両端開口内に、ロート状
の第２のコーン部を軸方向外方が小径部となる向きに挿
入する挿入工程と、該パイプ素材の両端開口をロート状に絞り加工してロー
ト状の第１のコーン部を形成するとともに、該第１のコ
ーン部と第２のコーン部とをそれぞれの小径部において
一体化する絞り工程と、から成ることを特徴とするモノ
リス触媒コンバータの製造方法。
【請求項６】さらに、前記挿入工程と前記絞り工程との
間に、前記モノリス触媒の外周面に断熱材を装着する装
着工程を含む請求項５記載のモノリス触媒コンバータの
製造方法。
【請求項７】さらに、前記挿入工程の前に、前記第２の
コーン部の外周面に断熱材を装着する装着工程を含む請
求項５記載のモノリス触媒コンバータの製造方法。