JP2004301036A

JP2004301036A - 触媒コンバータ

Info

Publication number: JP2004301036A
Application number: JP2003095514A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Nishikawa; 義雄西川
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2023-03-31
Also published as: JP4302419B2

Abstract

【課題】複数の触媒担体を備える触媒コンバータにおいて従来と比べて断熱性を高めることができる。
【解決手段】触媒コンバータ１０は、ケーシング１２の軸方向に沿って間隔を空けて配置された第１及び第２触媒担体１８，２０の外周を覆うように１枚の保持シール部材２４が巻き付けられているため、両触媒担体１８，２０の間には保持シール部材２４が存在しない部分は生じない。この結果、両触媒担体１８，２０を排ガスが通過していく際にその排ガスが直接ケーシング１２と接触することがなく、従来と比べてガス通路の断熱性が高まる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒コンバータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、触媒コンバータとしては、ハニカム型の触媒担体を１つのケーシング内に２個収容したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この触媒コンバータでは、上流側の触媒担体と下流側の触媒担体とはそれぞれ個別のセラミックファイバ製の保持シール部材を介して１つのケーシングに収納されており、上流側の触媒担体は下流側の触媒担体に比べて触媒担持量が多くなるように形成されている。これにより、１つの触媒担体を配置した触媒コンバータに比べて少ない触媒担持量で良好な低温立ち上がり特性を得ている。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６４−７９３５号公報（第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した触媒コンバータでは、上流側の触媒担体と下流側の触媒担体との間には保持シール部材が存在しないため、ここを通過するガスはケーシングと直接接触する。この結果、ケーシングの温度が低いときにはガスはケーシングに熱を奪われるため、ガスにより加熱される触媒担体は触媒活性温度に達しにくくなるおそれがある。また、ガスの温度が高いときには、ケーシングが熱害を受けて変形するおそれもある。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、複数の触媒担体を備える触媒コンバータにおいて従来と比べて断熱性を高めることができるものを提供することを目的の一つとする。また、複数の触媒担体を備える触媒コンバータにおいて従来と比べて熱害によるケーシングの変形を抑えることができるものを提供することを目的の一つとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明は上述の目的の少なくとも一つを達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の触媒コンバータは、
中空筒状のケーシングと、
前記ケーシングの軸方向に沿って間隔を空けて配置された複数の触媒担体と、前記複数の触媒担体の外周を覆うように巻き付けられ前記複数の触媒担体と前記ケーシングとの間に充填された耐熱繊維製の１枚の保持シール部材と
を備えたものである。
【０００８】
この触媒コンバータでは、ケーシングの軸方向に沿って間隔を空けて配置された複数の触媒担体の外周を覆うように１枚の保持シール部材が巻き付けられているため、触媒担体と触媒担体との間には保持シール部材が存在しない部分は生じない。この結果、複数の触媒担体をガスが通過していく際にガスが直接ケーシングと接触することがなく、従来と比べてガス通路の断熱性が高まる。これにより、ケーシングの温度が低いときであっても、ガスがケーシングに熱を奪われることがなく、ガスにより加熱される触媒担体も速やかに触媒活性温度に達することができる。また、ガスの温度が高くても、ケーシングがガスによる熱害を受けて変形するおそれもない。
【０００９】
本発明の触媒コンバータは、前記保持シール部材の内周面のうち前記複数の触媒担体同士の間隔が空いた部分に前記保持シール部材よりも耐風蝕性の高い保護部を備えていてもよい。保持シール部材の内周面のうち複数の触媒担体同士の間隔が空いた部分には触媒担体を通過するガスが直接当たるが、この部分に耐風蝕性の高い保護部を備えているため、通過するガスによるこの部分の劣化を防止することができる。
【００１０】
この態様を採用した本発明の触媒コンバータにおいて、前記保護部は、前記保持シール部材の内周面のうち前記複数の触媒担体同士の間隔が空いた部分のほかその部分に隣接する触媒担体側に入り込むように形成されていてもよい。こうすれば、保持シール部材の内周面のうち複数の触媒担体同士の間隔が空いた部分やその周辺がガスにより劣化するのを防止することができる。このとき、触媒担体側に入り込む部分はケーシングの軸方向に２０ｍｍ以内とすることが、保持シール部材が触媒担体を保持する保持力を低下させないようにするうえで好ましい。
【００１１】
このような保護部は、前記保持シール部材を無機バインダで処理することにより形成されていてもよい。こうすれば、無機バインダにより保持シール部材の内表面が固められて耐風蝕性が高まる。この保護部は、保持シール部材の厚さ方向全体ではなく内表面側のみを無機バインダで処理することにより形成されていてもよい。こうすれば、保持シール部材が複数の触媒担体をケーシング内に保持する際に必要となる面圧が大きく損なわれることがない。なお、保持シール部材が耐熱性の短繊維で作られた不織布の場合には、このように無機バインダで処理して保護部を形成することが好ましい。
【００１２】
あるいは、保護部は、保持シール部材とは別体の金属リング又は耐熱クロスであってもよい。こうすれば、保持シール部材の内面は金属リングや耐熱クロスにより保護されるため耐風蝕性が高まる。
【００１３】
本発明の触媒コンバータにおいて、前記複数の触媒担体は、前記ケーシングの軸方向に沿って所定の間隔が空くようにスペーサを介して配置されていてもよい。こうすれば、複数の触媒担体を１枚の保持シール部材で巻き付けたあとケーシングへ圧入して触媒コンバータを作製する場合、複数の触媒担体は所定の間隔を保ったままケーシングに圧入される。このスペーサは、複数の触媒担体をガスが流通するのを妨げないように形成されているのが好ましい。例えば、触媒担体のガス通過面の周縁に沿ったリングであってもよいし、そのリングを複数に分割してその分割体のいくつかを触媒担体のガス通過面の周縁に沿ってとびとびに配置してもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態である触媒コンバータ１０の構成の概略を示す断面図、図２は両触媒担体１８，２０とスペーサ３０との位置関係を表す斜視図、図３は触媒コンバータ１０を組み立てる様子を表す斜視図である。
【００１５】
本実施形態の触媒コンバータ１０は、図１に示すように、車両排気系のうちエンジンに接続されたエキゾーストマニホルドと排ガス音を低減するマフラとの間に配置されるものであり、排ガス中に含まれる有害成分を大気放出前に無害化するための装置である。この触媒コンバータ１０は、ＳＵＳ４０９等に代表される耐熱性の高い金属材料で形成された中空筒状のケーシング１２と、このケーシング１２の上流端に接合されエキゾーストマニホルドと接続するために径を絞った略円錐台状の上流側コーン１４と、ケーシング１２の下流端に接合され排気管と接続するために径を絞った略円錐台状の下流側コーン１６と、ケーシング１２内で排ガス上流側に収容された第１触媒担体１８と、ケーシング１２内で排ガス下流側に収容された第２触媒担体２０と、両触媒担体１８，２０をケーシング１２内で保持すると共にケーシング１２と両触媒担体１８，２０との隙間を排ガスが流通するのを防止する１枚の保持シール部材２４とを備えている。以下にはこれらの構成のうち、第１触媒担体１８、第２触媒担体２０及び保持シール部材２４について更に説明する。
【００１６】
第１触媒担体１８は、コージェライトやアルミナ、ムライト、スピネル等に代表される耐熱性の高いセラミック材料を円柱状のハニカムに成形したものであり、排ガス中のＨＣ及びＣＯの酸化とＮＯｘの還元を同時に行いＨ_２Ｏ，ＣＯ_２及びＮ_２に変換する三元触媒を担持している。この第１触媒担体１８は、その全長がケーシングに一つだけ収容する触媒担体の全長の略半分であり、軸方向に多数の貫通孔１９を有している。また、この第１触媒担体１８は、ケーシング１２内の排ガス上流側に配置されている。
【００１７】
第２触媒担体２０は、コージェライトやアルミナ、ムライト、スピネル等に代表される耐熱性の高いセラミック材料を円柱状のハニカムに成形したものであり、酸素リッチな領域でＨＣ及びＣＯを酸化すると共にＮＯｘを吸蔵し理論空燃比領域から燃料リッチな領域で放出されたＮＯｘを還元するＮＯｘ吸蔵還元触媒を担持している。この第２触媒担体２０は、その全長がケーシングに一つだけ収容する触媒担体の全長の略半分であり、軸方向に多数の貫通孔２１を有している。また、この第２触媒担体２０は、ケーシング１２内の排ガス下流側で第１触媒担体１８と軸方向に沿って所定の間隔を空けて配置されている。この結果、ケーシング１２内には両触媒担体１８，１９の間にスペースＳが形成されている。このスペースＳにはスペーサ３０が配置されている。スペーサ３０は、ステンレス鋼やセラミックに代表される耐熱性・剛性の高い材料を図２に示すように両触媒担体１８，２０のガス通過面の周縁に沿った円弧状に成形したものであり、その外周に沿ってとびとびに３つ配置されている。
【００１８】
保持シール部材２４は、セラミックファイバ（アルミナファイバ、アルミナシリカファイバ、シリカファイバなど）、ロックウール、ガラスファイバ等に代表される耐熱性の無機短繊維を不織布に成形したベルト状の部材である。この保持シール部材２４は、両触媒担体１８，２０の外周に巻き付けられてケーシング１２に圧入されることにより、両触媒担体１８，２０とケーシング１２との間に充填されている。また、図３に示すように、保持シール部材２４を両触媒担体１８，２０の外周に巻き付けると、互いに突き合わされる一端２５と他端２６との間に周方向に沿った隙間ができるが、一端２５に設けられた凸部分２５ａ，２５ｂと他端２６に設けられた凹部分２６ａ，２６ｂとは軸方向（周方向と直交する方向）に隙間を生じさせることなく密着して嵌り合う。
【００１９】
保持シール部材２４の内部表面のうち第１触媒担体１８と第２触媒担体２０とが離間して間隔の空いている部分（空隙部表面）Ａ０には、保持シール部材２４に無機バインダのスラリーを塗布して乾燥させることにより保護部２７が形成されている。この保護部２７は、保持シール部材２４の無機短繊維を無機バインダで固めることにより空隙部表面Ａ０を保護する。ここで、無機バインダとしては、保持シール部材２４の表面を固められるものであればどのようなものでもよいが、例えばシリカゾルや粘度鉱物（モンモリロナイト等）などを使用すればよい。また、必要に応じて焼結させてもよい。本実施形態では、保護部２７は、空隙部表面Ａ０のほか、保持シール部材２４のうちこの空隙部表面Ａ０に隣接する第１触媒担体側や第２触媒担体側にもケーシング１２の軸方向に２０ｍｍ以下の範囲で入り込むように形成されている。
【００２０】
次に、触媒コンバータ１０を組み立てる手順について、図２及び図３に基づいて説明する。まず、図２に示すように、第２触媒担体２０のガス通過面の周縁に沿ってほぼ等間隔に３つのスペーサ３０を配置し、第１触媒担体１８と第２触媒担体２０とによりこれらのスペーサ３０を挟み込む。続いて、図３に示すように、スペーサ３０を挟み込んだ両触媒担体１８，２０の外周に保持シール部材２４を巻き付け、一端２５の凸部分２５ａ，２５ｂを他端２６の凹部分２６ａ，２６ｂに嵌め込む。すると、一端２５の凸部分２５ａ，２５ｂと他端２６の凹部分２６ａ，２６ｂとは周方向に沿って隙間が生じるものの、軸方向には隙間が生じず密に接触した状態となる。このとき、凸部分２５ａと凹部分２６ａとは第１触媒担体１８の外周に位置し、凸部分２５ｂと凹部分２６ｂとは第２触媒担体２０の外周に位置している。この状態で一端２５と他端２６とを１又は数カ所、テープで止めたあと、ケーシング１２に圧入する。このとき、両触媒担体１８，２０の間にはスペーサ３０が介在しているため両触媒担体１８，２０は所定の間隔（スペーサ３０の厚さ分の間隔）を保ったままケーシングに圧入される。また、保持シール部材２４は径方向に圧縮されてケーシング１２に圧入される。したがって、圧入完了後には、両触媒担体１８，２０とケーシング１２との隙間は保持シール部材２４で密に充填され、しかも保持シール部材２４の凸部分２５ａと凹部分２６ａとは軸方向に隙間が生じずに密に接触する。この結果、両触媒担体１８，２０は保持シール部材２４によってケーシング１２内に確実に保持されると共に、両触媒担体１８，２０とケーシング１２との隙間はシールされてガスの流通が阻止される。また、両触媒担体１８，２０の間隔は、圧入前と同様、スペーサ３０の厚さ分が確保される。その後、ケーシング１２の上流端に上流側コーン１４を接合し、ケーシング１２の下流端に下流側コーン１６を接合することにより、触媒コンバータ１０が完成する。
【００２１】
次に、本実施形態の触媒コンバータ１０の作用について説明する。図１に示すように、エンジンからの排ガスはエキゾーストマニホルドを通ったあと触媒コンバータ１０に流入する。触媒コンバータ１０に流入した排ガスは、まず第１触媒担体１８の貫通孔１９を通過する。このとき、排ガスは、三元触媒の酸化作用と還元作用によって排ガス中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘがＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２に変換されて浄化される。続いて、第１触媒担体１８を通過したガスは、両触媒担体１８，２０の間に形成されているスペースＳを通過する。このスペースＳの周囲も保持シール部材２４によって覆われていることから、スペースＳの周囲が露出している場合と比べてガス通路の断熱性が高められている。このため、排ガスは殆ど温度が変化することなくスペースＳを通過する。その後、排ガスは第２触媒担体２０の貫通孔２１を通過する。このとき、排ガスは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の作用によって、酸素リッチな領域ではＨＣ及びＣＯが酸化されると共にＮＯｘが吸蔵される。また、理論空燃比領域から燃料リッチな領域ではＮＯｘ吸蔵還元触媒はＮＯｘを放出して還元する。
【００２２】
以上詳述した触媒コンバータ１０によれば、両触媒担体１８，２０を排ガスが通過していく際に排ガスが直接ケーシング１２と接触することがなく、従来と比べてガス通路の断熱性が高まる。これにより、エンジン始動時のようにケーシング１２や排ガスの温度が低いときであっても、排ガスがケーシング１２に熱を奪われることがなく、排ガスにより加熱される両触媒担体１８，２０も速やかに触媒活性温度に達することができる。一方、排ガスの温度が高いときであっても、ケーシング１２が排ガスによる熱害を受けて変形するおそれがない。
【００２３】
また、保持シール部材２４の内周面のうち空隙部表面Ａ０には耐風蝕性の高い保護部２７が形成されているため、スペースＳを通過する排ガスが保護部２７に直接当たったとしてもそれによってこの空隙部表面Ａ０が劣化することはない。特に、保護部２７は空隙部表面Ａ０だけでなくこの空隙部表面Ａ０から隣接する第１触媒担体側や第２触媒担体側に入り込んで形成されているため、保持シール部材２４の空隙部表面Ａ０だけでなくその周辺が排ガスにより劣化するのを防止できる。なお、触媒担体側に入り込む部分はケーシング１２の軸方向に２０ｍｍ以内としているため、保持シール部材２４は保護部２７により面圧が大きく損なわれることはなく両触媒担体１８，２０を良好に保持することができる。また、保持シール部材２４の厚さ方向全体に無機バインダを含浸させるのではなく、表面にのみ無機バインダを塗布して保護部２７を形成したため、この点でも保持シール部材２４は面圧が大きく損なわれることはなく両触媒担体１８，２０を良好に保持することができる。
【００２４】
更に、両触媒担体１８，２０の外周を保持シール部材２４で巻き付けたあとケーシング１２へ圧入する際、両触媒担体１８，２０の間にはスペーサ３０が介在しているため、両触媒担体１８，２０は所定の間隔を保ったままケーシングに圧入される。このスペーサ３０は、両触媒担体１８，２０の外縁に沿った円弧状に形成されているため、排ガスが両触媒担体１８，２０を流通するのを妨げることがない。
【００２５】
なお、本発明は上述した実施形態に何等限定されるものではなく、種々の形態で実施し得ることはいうまでもない。
【００２６】
例えば、上述した実施形態では、保持シール部材２４の空隙部表面Ａ０に無機バインダのスラリーを塗布して乾燥させることにより保護部２７を形成したが、図３に示すように保持シール部材２４とは別体の耐熱性金属材料で作製したリングを保護部２８として空隙部表面Ａ０を覆うように配置してもよい。この種のリングとしては、触媒コンバータ１０の使用温度に耐えうる耐熱性を有するものであればどのようなものでもよいが、例えばステンレス鋼等で作製したリングなどが挙げられる。あるいは、リング状に巻いた耐熱クロスを保護部２８として空隙部表面Ａ０を覆うように配置してもよい。この耐熱クロスとしては、同じく触媒コンバータ１０の使用温度に耐えうる耐熱性を有するものであればどのようなものでもよいが、例えばセラミックファイバ（アルミナファイバ、アルミナシリカファイバ、シリカファイバなど）、ロックウール、ガラスファイバに代表される耐熱性の無機繊維の長繊維を織って作製した織布などが挙げられる。いずれにしても、保持シール部材２４の空隙部表面Ａ０は保護部２により保護されるため耐風蝕性が高まり、上述した実施形態と同様の効果が得られる。
【００２７】
また、上述した実施形態では、第１触媒担体１８に担持される触媒と第２触媒担体２０に担持される触媒とを別のものとしたが、両触媒は同じものであってもよい。担持される触媒としては、上述した三元触媒やＮＯｘ吸蔵還元触媒のほか、排ガス中のＨＣ及びＣＯの酸化を行いＨ_２Ｏ及びＣＯ_２に変換する酸化触媒や、ＮＯｘをアンモニアにより浄化するアンモニア吸着脱硝触媒などの中から適宜選択してもよい。
【００２８】
更に、上述した実施形態において、第１触媒担体１８及び第２触媒担体２０のいずれか一方は、低温時に有害成分を吸着し高温時にそれを脱離する有害成分吸着体であってもよい。この種の有害成分吸着体としては、例えば三元触媒や酸化触媒の上流側に配置されるゼオライトなどのＨＣ吸着体が知られている。このＨＣ吸着体は、排ガスが低温のときにはＨＣを吸着し排ガスが昇温したあと脱離して下流側の三元触媒や酸化触媒へ導くものである。
【００２９】
更にまた、上述した実施形態では、ケーシング１２に収容する触媒担体の数を２つとしたが、３つ以上であってもよい。触媒担体に担持される触媒としては、既に例示したためここでは説明を省略する。また、どのような触媒を担持した触媒担体をどのように組み合わせるかについては、使用するエンジンや空燃比制御の方法などに応じて適宜決定すればよい。
【００３０】
そしてまた、上述した実施形態では、排ガス浄化用の触媒コンバータ１０に本発明を適用した例について説明したが、燃料電池の改質装置で使用される触媒コンバータに本発明を適用してもよい。水素（燃料ガス）と酸素（酸化ガス）との電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、メタノール、ガソリン、都市ガス等に代表される炭化水素系燃料を水蒸気や酸素と反応させることにより改質して水素を取り出しこれを燃料電池へ供給する改質装置を利用する場合がある。そして、この改質装置で炭化水素系燃料を改質する際、その改質に適した触媒が担持されたハニカム触媒担体を収容する触媒コンバータを用意し、気化した炭化水素系燃料と水蒸気あるいは酸素とをその触媒コンバータに通過させることがある。この種の触媒コンバータについても、本発明を適用することが可能である。即ち、ケーシングの軸方向に沿って間隔を空けて配置される複数のハニカム触媒担体の外周を覆うように１枚の保持シール部材を巻き付けることにより、本発明の一実施形態の触媒コンバータとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】触媒コンバータ１０の構成の概略を示す断面図である。
【図２】両触媒担体１８，２０とスペーサ３０との位置関係を表す斜視図である。
【図３】触媒コンバータ１０を組み立てる様子を表す斜視図である。
【図４】別の触媒コンバータの構成の概略を示す断面図である。
【符号の説明】
１０触媒コンバータ、１２ケーシング、１４上流側コーン、１６下流側コーン、１８第１触媒担体、１９貫通孔、２０第２触媒担体、２１貫通孔、２４保持シール部材、２５一端、２５ａ凸部分、２６他端、２６ａ凹部分、２７保護部、２８保護部、３０スペーサ、Ａ０空隙部表面、Ｓスペース。

Claims

中空筒状のケーシングと、
前記ケーシングの軸方向に沿って間隔を空けて配置された複数の触媒担体と、前記複数の触媒担体の外周を覆うように巻き付けられ前記複数の触媒担体と前記ケーシングとの間に充填された耐熱繊維製の１枚の保持シール部材と
を備えた触媒コンバータ。
請求項１に記載の触媒コンバータであって、
前記保持シール部材の内周面のうち前記複数の触媒担体同士の間隔が空いた部分に形成され前記保持シール部材よりも耐風蝕性の高い保護部
を備えた触媒コンバータ。
前記保護部は、前記保持シール部材の内周面のうち前記複数の触媒担体同士の間隔が空いた部分のほかその部分に隣接する触媒担体側に入り込むように形成されている
請求項２に記載の触媒コンバータ。
前記保護部は、前記保持シール部材を無機バインダで処理することにより形成されている
請求項２又は３に記載の触媒コンバータ。
前記保護部は、前記保持シール部材の厚さ方向全体ではなく内表面側のみを無機バインダで処理することにより形成されている
請求項４に記載の触媒コンバータ。
前記保護部は、前記保持シール部材とは別体の金属リング又は耐熱クロスである
請求項２又は３に記載の触媒コンバータ。
前記複数の触媒担体は、前記ケーシングの軸方向に沿って所定の間隔が空くようにスペーサを介して配置されている
請求項１〜６のいずれかに記載の触媒コンバータ。