JP2003269154A - 触媒コンバータの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 触媒担体に対するマットの面圧をマットの面
密度のばらつきに応じて一定化させることができる触媒
コンバータの製造方法を提供する。 【解決手段】 ケーシングを縮径した後の触媒担体に対
するマットの面圧とマットの充填密度との関係を求め、
これにより、目的とする面圧が得られるマットの充填密
度を定める。この充填密度と、マットの面密度および触
媒担体の外径とから、所定の算出式によって縮径後のケ
ーシングの内径を算出し、この内径に至るまでケーシン
グを縮径する。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、自動車用等のエン
ジンから排出される排気ガスを浄化する触媒コンバータ
の製造方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】ガソリンエンジンの排気ガス浄化の手段
としては、排気通路の途中に設ける三元触媒コンバータ
の使用が一般的である。この三元触媒コンバータは、ア
ルミナ等、またはアルミナ等にプラチナ・ロジウム等の
貴金属を担持した触媒によって、排気ガス中の有害成分
とされる一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素
酸化物（ＮＯ_Ｘ）の三つの有害成分を化学反応により一
括して無害な成分に変化させるものである。前記触媒を
担持する触媒担体は、外観が円筒状で、内部にハニカム
状の断面を有する小さなセルが多数形成されており、そ
れらセル壁に触媒がコーティングされている。上記有害
三成分は、排気ガスによって活性化温度（例えば３００
℃）に達している状態の触媒担体を通過することによ
り、コーティングされた触媒上で化学反応が起こって無
害化され、排気ガスは浄化される。 【０００３】この種の触媒コンバータは、排気管に接続
される円筒状の金属製ケーシング内に上記触媒担体が収
納された構成であるが、比較的強度が低い触媒担体をケ
ーシング内に固定的に収納するために、耐熱性およびク
ッション性を有する帯状のマットが触媒担体に巻かれて
いる。マットは、触媒担体とともにケーシング内に収納
されたキャニング状態で、触媒担体とケーシングとの間
において圧縮されており、これによって触媒担体がケー
シング内に保持される。また、マットは、触媒担体とケ
ーシング間の隙間を排気ガスが通過することを防止した
り、触媒担体を保温したりする機能も有している。 【０００４】ところで、このような触媒コンバータを製
造するにあたっては、上記キャニング状態でマットを圧
縮する技術が求められる。そのような製造方法の従来例
としては、ケーシングを構成する一対の半割り体の内側
に、マットを巻いた触媒担体をセットし、半割り体どう
しを接合する方法が挙げられる。しかしながらこの製造
方法では、マットは、半割り体の接合方向には十分圧縮
されるものの、接合方向に直交する方向には十分に圧縮
されにくく、このため、触媒担体の保持作用が安定しな
いといった欠点があった。そこで、マットを巻いた触媒
担体に平板をロール成形したケーシングを装着し、次い
でマットを圧縮させながらケーシングを縮径し、その後
ケーシングの端部を溶接することにより、マットを全周
にわたって均等に圧縮することができる製造方法が提案
された。 【０００５】このような製造方法は、例えば特開２００
０−２９１４２６公報に開示されており、さらに同公報
では、触媒担体の外径に応じてケーシングの縮径量（同
公報ではアウターシェルの締め上げ量と称している）を
調節し、触媒担体に対するマットの面圧の一定化を図る
技術が記載されている。また、ケーシングを縮径する製
造方法としては、円筒状に成形されたケーシングを縮径
する縮管工法もあり、この方法では縮径後のケーシング
を個々に溶接する手間が省けるといった利点がある。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】ところで、触媒コンバ
ータに用いられるマットは、アルミナ−シリカを主成分
とするセラミック繊維や、アルミナ繊維あるいはムライ
ト繊維といった耐熱性を有する繊維を、紙すきに類する
工程を適用して得られるものである。そして、蛭石の一
種であるバーミキュライトを混ぜ込んで高温時に膨張す
る特性を持たせたものが一般的であるが、このバーミキ
ュライトを含有しないものもある。このような成分およ
び製造工程に由来することから、マットの面密度のばら
つきを小さく抑えることは困難であり、概して、その面
密度は重量比で最大８〜１０％程度のばらつきがあると
されている。このように面密度にばらつきがあるため、
触媒担体の外径に応じてケーシングを縮径したとして
も、触媒担体に対するマットの面圧を一定化させること
は難しい。 【０００７】特に近年の触媒担体にあっては、浄化性能
を向上させるとともに排気ガスの通過断面積を増やして
排気抵抗の低減を図るために、セル壁を薄くしてセルを
増やす傾向にあり、このため、触媒担体の破壊強度は従
来より低くなっている。図１（ａ）は、浄化性能を向上
させた薄壁タイプの触媒担体の端面を示しており、この
ような触媒担体は、通常、押出し成形によって製造され
る。その押出し成形時には、スリット加工された押出し
金型の口金を材料が通過する際の流量の不均一に起因し
て、セル壁に変形が生じやすい。この変形は、特に外壁
付近に生じやすく、図１（ｂ）はその変形が外壁付近に
生じた触媒担体の一例を示している。このように変形し
たセル壁は外圧を受けた際に座屈しやすいので、一層の
強度低下を招くことになる。 【０００８】キャニング状態での触媒担体に対するマッ
トの面圧は、振動や排気ガスの圧力といった外力を受け
ても移動しない圧力と触媒担体の破壊強度を下回る圧力
との間に設定されねばならないが、この設定面圧範囲
は、触媒担体の破壊強度が低いと破壊面圧も低くなるの
で、狭くなる。したがって、上記のようにマットの面密
度のばらつきが大きいと、触媒担体に対するマットの面
圧が設定面圧範囲から逸脱しやすくなる。とりわけ、円
筒状ケーシングを縮径する縮管工法では、縮径荷重を解
放するとスプリングバックによってケーシングが僅かに
拡径するので、これを見越した縮径量が必要となってく
る。しかしながら、スプリングバックを考慮して面圧を
一定化させる縮径量の制御は、触媒担体の強度低下と相
まって極めて困難である。 【０００９】よって本発明は、縮管工法でキャニングし
て触媒コンバータを製造するにあたり、ケーシングと触
媒担体の１組ごとに、触媒担体に対するマットの面圧を
マットの面密度のばらつきに応じて一定に制御すること
ができ、その結果、強度の低い触媒担体でも設定面圧範
囲内にマットの面圧を設定することができる触媒コンバ
ータの製造方法を提供することを目的としている。 【００１０】 【課題を解決するための手段】本発明は、可変要素であ
る触媒担体の外径とマットの面密度をパラメータとし
て、マットの充填密度が一定となるケーシングの内径を
算出し、算出したケーシングの内径が得られるようにケ
ーシングを縮径することにより、縮管方法での最適なケ
ーシングの縮径量を、ケーシングと触媒担体の組み合わ
せごとに設定するものである。すなわち本発明は、円筒
状のケーシング内に、マットが巻かれた円筒状の触媒担
体を装入し、ケーシングを縮径してマットを圧縮させる
ことにより、触媒担体をケーシングに保持する触媒コン
バータの製造方法において、ケーシングの縮径後におけ
るマットの所定充填密度、および対となるマットと触媒
担体におけるマットの面密度と触媒担体の外径とから、
縮径後のケーシングの内径を算出し、ケーシングの内径
が算出したケーシングの内径に至るまでケーシングを縮
径することを特徴とする。なお、本発明のケーシング
は、予め端部が溶接された管または継ぎ目無し管でもよ
いし、円筒状に成形されていて端部が溶接されていない
ものでもよい。予め端部が溶接されていないケーシング
の場合は、その端部は縮径後に必要に応じて仮止めを行
った上、溶接される。 【００１１】本発明におけるケーシングの内径：Ｄ（ｍ
ｍ）の算出は、次の（１）式で得られる。触媒担体の外
径：Ｘ（ｍｍ）、マットの面密度：Ｙ（ｇ／ｍ^２）、マ
ットの充填密度：ＧＢＤ（ｇ／ｃｍ^３）とすると、 Ｄ＝Ｘ＋２Ｙ／（ＧＢＤ×１０^３）…（１） 【００１２】本発明では、上記のようにして算出したケ
ーシングの内径に至るまでケーシングを縮径するもので
あるが、そのケーシングの縮径量は、縮径前のケーシン
グの板厚のばらつきや、縮径によって生じる板厚の変化
を補正パラメータとすることにより、高い精度でマット
の充填密度を一定化させることができる。 【００１３】板厚を補正パラメータとする場合には、次
の通りである。ケーシングを縮径するには、例えばケー
シングの外周面に当てた治具等を径方向内側に押圧する
方法が採られるので、実際にケーシングの内径を制御す
るには、ケーシングの外周面に当接する治具の内面であ
り、すなわちケーシングの外径である。ケーシングの内
径：Ｄ（ｍｍ）はケーシングの外径Ｄ：Ｄout（ｍｍ）
とケーシングの板厚：Ｔ（ｍｍ）から、 Ｄ＝Ｄout−２Ｔ であり、この式と上記（１）式を連立方程式とし、Ｄou
tについて解けば、以下の（２）式が得られる。 Ｄout＝２Ｔ＋Ｘ＋２Ｙ／（ＧＢＤ×１０^３）…（２） ケーシングを縮径する前に板厚を予め求めておき、
（２）式を適用することによって、上記（１）式を適用
した場合よりも高い精度でマットの充填密度を一定化さ
せることができる。 【００１４】また、板厚の変化を補正パラメータとする
場合には、次の通りである。縮径前に予め端部が溶接さ
れた管または継ぎ目無し管を用いた円筒状ケーシングの
場合、一般に、ケーシングが縮径されると縮径前よりも
板厚は増大するとともに長さも伸びる。これは、縮径し
ても体積は減少しないので、厚く、長くなる塑性変形を
起こして体積保存がなされるからである。したがって、
縮径前に計測した板厚Ｔに対し、縮径後の板厚の予測値
Ｔfrcを補正パラメータとして与えることにより、高い
精度でマットの面密度を一定化させることができる。板
厚の増大は体積保存により起こるので、縮径前のケーシ
ングの径を一定とすればＤまたはＤoutが小さいほど板
厚は増大する。これを式に表すと、 Ｔfrc−Ｔ＝ｆ（Ｄ）またはｆ（Ｄout） である。ＤまたはＤoutを意図的に変化させてＴfrcとＴ
を計測するという実験を行い、Ｔfrc−ＴとＤまたはＤo
utの関係について整理し、その回帰式としてｆを得るこ
とができる。こうして得られたＴfrcとＤまたはＤoutの
関係式と、上記（１）式または（２）式の連立方程式を
ＤまたはＤoutについて解けば、縮径による板厚の増大
が反映され、より高い精度でマットの充填密度を一定化
させることができる。 【００１５】 【実施例】次に、本発明の実施例を説明する。 （Ａ）マットの充填密度とマットの面圧との関係を求め
る実験 まず、触媒コンバータ用のマットの充填密度と、このマ
ットの面圧との関係を予め実験で求めた。図２（ａ），
（ｂ）は、実験に用いた縮管装置を示している。この縮
管装置は、円筒状のハウジング１内の一端側に固定され
た固定リング２と、他端側に軸方向に移動自在に配され
た移動リング３との内部に、周方向に等間隔をおいて配
された多数の駒４を介してケーシング１０を装入し、移
動リング３を固定リング２側にスライドさせて各駒４を
押圧すると、各駒４が径方向内側に移動し、ケーシング
１０が各駒４に押されて縮径する構成である。図２中、
符号１１は触媒担体、１２はマットである。駒４の外面
は、軸方向（長手方向）の中央がもっとも厚くされるこ
とにより、その中央から両端に向かってテーパ状に傾斜
しており、固定リングおよび移動リングの内面は、駒の
外面に当接するようテーパ状に形成されている。ケーシ
ングの縮径量は移動リングのスライド量で制御すること
ができる。この場合、移動リングのテーパの勾配が５：
１であり、したがって移動リングのスライド量は縮径量
の５倍となる。 【００１６】実験にあたっては、目的とするマットの充
填密度を、表１に示すように０．５００ｇ／ｃｍ^３、
０．４５０ｇ／ｃｍ^３、０．４００ｇ／ｃｍ^３、０．３
５０ｇ／ｃｍ^３と定め、各充填密度に対して実験データ
であるマットの面圧を３つずつ、計１２個求めた（実験
Ｎｏ．１〜１２）。表１に示すように、外径の異なる３
種類の触媒担体を各充填密度に該当させ、さらに、各触
媒担体と組み合わせるマットの面密度を求めた。なお、
触媒担体の外径はノギスまたはレーザ寸法測定器で測定
し、マットの面密度はマットの重量を電子天秤で測定し
て測定重量をマットの面積で除算して求めた。 【００１７】 【表１】 【００１８】次に、実験Ｎｏ．１〜１２につき、定めた
マットの充填密度が得られるケーシングの縮径量を、以
下の縮径量算出式（３）によって算出した。その結果を
表１に示す。 Ｚ＝ａ＋ｂＸ＋ｃＹ…（３） （Ｚ：ケーシングの縮径量（ｍｍ）、Ｘ：触媒担体の外
径（ｍｍ）、Ｙ：マットの面密度（ｇ／ｍ^２）、ａ，
ｂ，ｃ：定数） 上記算出式は、以下のようにして導かれる。まず、マッ
トの充填密度と面圧との相関関係を実験によって把握
し、その結果から、次のようにして目標とするマットの
面密度を求める。 ＧＢＤ：目標とするマットの充填密度 Ｙ：マットの面密度（ｇ／ｍ^２） Ｘ：触媒担体の外径（ｍｍ） Ｚ：ケーシングの縮径量（ｍｍ） Ｄｂ：圧縮前のケーシングの内径（ｍｍ） Ｄａ：圧縮後のケーシングの内径（ｍｍ） とすると、 ＧＢＤ＝２Ｙ／（Ｄａ−Ｘ） Ｚ＝Ｄｂ−Ｄａ の２つの式が成り立つ。この２つの式を連立方程式とし
て、定数であるＧＢＤとＤｂに実際の数値を代入して解
くことにより、上記（３）式の定数項ａ，ｂ，ｃを得
る。 【００１９】次に、表１に示すように、実験Ｎｏ．１〜
１２ごとに、算出した縮径量を５倍して縮管装置の移動
リングのスライド量を求めた。次いで、実験Ｎｏ．１〜
１２について、触媒担体に面圧分布測定装置のタクタイ
ルセンサ（株式会社ユニッタ）を巻いてからマットを巻
き、これを別途用意したケーシングに装入して図２に示
した縮管装置にセットした。続いて、移動リングを求め
たスライド量だけ移動させ、これによってケーシングを
縮径してキャニングした。その際に、タクタイルセンサ
から出力される面圧分布のデータを解析し、触媒担体が
マットから受ける面圧としてその平均値を求めた。この
面圧データを表１に示すとともに、図３にマットの充填
密度と面圧との関係をグラフ化した。これによって、マ
ットの充填密度と面圧との関係が判明した。 【００２０】（Ｂ）キャニング試験 次に、目的とするマットの面圧が得られるように、図３
に基づいてその面圧が得られるマットの充填密度を定
め、この充填密度と、求めた触媒担体の外径およびマッ
トの面密度から、縮径すべきケーシングの内径を上述し
た（１）式から求め、これにしたがってケーシングを縮
径するキャニング試験を行った。具体的には、目的とす
るマットの面圧を２．６ｋｇｆ／ｃｍ^２とし、図３か
ら、マットの充填密度を０．４４ｇ／ｃｍ^３と導いた。
キャニング試験は、上記の実験（Ａ）と同様にして触媒
担体に面圧分布測定装置のタクタイルセンサ（株式会社
ユニッタ）を巻いてからマットを巻き、キャニング後に
おいて触媒担体がマットから受ける面圧の平均値を求め
た。実施例の試験体の数は１８（試験体Ｎｏ．１〜１
８）で、各データを表２に示す。一方、本発明に対する
比較例として、内径が一定となるようにケーシングを縮
径するキャニング試験を行った。試験体の数は５つ（試
験体Ｎｏ．１９〜２３）で、各データを表２に併記す
る。また、表２を基にして、各実施例および各比較例の
マットの面密度と縮径後のマットの面圧の関係を、図４
に示すようにグラフ化した。 【００２１】 【表２】 【００２２】表２によれば、実施例および比較例ともマ
ットの面圧の平均値は目標に近い値が得られているが、
比較例ではマットの面圧のばらつきが大きく、面圧差異
（目標のマットの面圧）は実施例と比べると約３．６倍
も大きい。よって、本発明の製造方法によると、触媒担
体の外径やマットの面密度のばらつきがあっても、それ
に応じてマットの面圧を一定に制御できることが確かめ
られた。そして、このようにマットの面圧を制御できる
ことから、強度の低い触媒担体でもマットの面圧を設定
範囲内におさめて触媒担体の破壊を防止することができ
る。また、図４で明らかなように、マットの面密度と縮
径後のマットの面圧には相関関係が認められ、したがっ
て、一定の充填密度に圧縮されたマットは、圧縮前のマ
ットの面密度に相関して発生面圧が変化する。そこで、
この相関を指標として圧縮前のマットの面密度に応じて
補正を与えた充填密度を算出してケーシングを縮径する
ことにより、面圧をさらに安定化させることができる。 【００２３】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
触媒担体に対するマットの面圧と相関関係にあるマット
の充填密度を、製造すべき触媒コンバータごとに求め、
これに基づいてケーシングの縮径量を制御するので、触
媒担体に対するマットの面圧が一定の触媒コンバータを
製造することができるといった効果を奏する。

【図面の簡単な説明】 【図１】 （ａ）は薄型タイプの触媒担体の端面を示す
写真、（ｂ）はセル壁が変形した薄型タイプの触媒担体
の端面を示す写真である。 【図２】 実施例で用いた縮管装置の（ａ）は側断面
図、（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図である。 【図３】 実施例で求めたマットの充填密度と面圧との
関係を示すグラフである。 【図４】 実施例で求めたマットの面密度とマットの面
圧との関係を示すグラフである。 【符号の説明】 １０…ケーシング、１１…触媒担体、１２…マット。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G091 AB01 AB03 BA07 BA39 GA06 GB17X HA27 HA28 HA29 HA31 4D048 AA06 AA13 AA18 AB05 BB02 CA01 CA08 CC02 CC04 CC06 4G069 AA01 AA08 CA03 CA09 EA18 EC21X EC21Y FA01 FB66 FB70

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 円筒状のケーシング内に、マットが巻か
   れた円筒状の触媒担体を装入し、ケーシングを縮径して
   マットを圧縮させることにより、触媒担体をケーシング
   に保持する触媒コンバータの製造方法において、 前記ケーシングの縮径後におけるマットの所定充填密
   度、および対となるマットと触媒担体におけるマットの
   面密度と触媒担体の外径とから、縮径後のケーシングの
   内径を算出し、ケーシングの内径が算出したケーシング
   の内径に至るまでケーシングを縮径することを特徴とす
   る触媒コンバータの製造方法。