JP2004322035A - ハニカム触媒担体 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関自体や周辺部品の設計の自由度を確保しつつ、熱応力による亀裂の発生を阻止する。
【解決手段】排気ガスを浄化する触媒を担持した筒状を成すハニカム触媒担体であって、外周壁２と、この外周壁２に囲まれる中空部分３を軸方向の隔壁４で区分けして形成した多数のセル５を備え、排気ガスが流れる多数のセル５のうちのガス流速が平均ガス流速を上回る複数のセル５が位置する領域に応力緩和部としての切欠き６を設けた。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車エンジン等の内燃機関の排気ガスを浄化する触媒を担持してなるハニカム触媒担体の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上記したようなハニカム触媒担体としては、例えば、外周壁と、この外周壁に囲まれる中空部分を軸方向の隔壁で区分けして形成した多数のセルを備え、全体で筒状を成すものがある（例えば特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−１５５１８９号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したハニカム触媒担体では、流入する排気ガスに流速分布がある関係上、担体内部の部分間に生じる温度差によって担体内部に熱応力が発生してしまい、この熱応力により亀裂が生じて排気性能が著しく低下することがないとは言えないという問題があった。
【０００５】
この場合、担体内部の部分間に生じる温度差をなくすために、例えば、エギゾーストマニホールドの形状を変更して、流入する排気ガスの流速分布を平準化しようとすると、担体内部に亀裂が生じるのを回避することはできるものの、内燃機関自体やその周辺の設計の自由度が狭められてしまうという問題を有しており、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００６】
【発明の目的】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、内燃機関自体や周辺部品の設計の自由度を確保したうえで、熱応力による亀裂の発生を阻止することが可能であるハニカム触媒担体を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ハニカム触媒担体の内部において、排気ガスがその平均ガス流速を上回るガス流速で流れる領域で熱応力が発生する傾向にあることに着目し、この領域に熱応力を緩和する手段を設けることで、熱応力による亀裂の発生を回避し得ることを見出すに至った。
【０００８】
すなわち、本発明は、排気ガスを浄化する触媒を担持した筒状を成すハニカム触媒担体であって、外周壁と、この外周壁に囲まれる中空部分を軸方向の隔壁で区分けして形成した多数のセルを備え、排気ガスが流れる多数のセルのうちのガス流速が平均ガス流速を上回る複数のセルが位置する領域に応力緩和部を設けた構成としたことを特徴としており、このハニカム触媒担体の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【０００９】
本発明のハニカム触媒担体では、排気ガスがその平均ガス流速を上回るガス流速で流れる領域において熱応力が発生したとしても、この領域に設けた応力緩和部が熱膨張を吸収して応力を緩和するので、熱応力による亀裂の発生が阻止されることとなる。
【００１０】
【発明の効果】
本発明のハニカム触媒担体によれば、上記した構成としているので、流入する排気ガスに流速分布が有る無しにかかわらず、すなわち、内燃機関自体や周辺部品の設計自由度を確保しつつ、熱応力による亀裂の発生を防ぐことが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
ハニカム触媒担体において、担体内部に発生する熱応力は、温度条件によって発生場所が異なり、担体の入出口近傍に生じることもあるので、応力緩和部は、軸方向の略全域にわたって連続して設けることが望ましい。
【００１２】
また、ハニカム触媒担体において、熱応力は互いに隣接する複数のセルに跨って生じることから、応力緩和部の軸方向と直交する方向の長さは、外周壁の直径の２５％以上とすることが望ましい。
【００１３】
さらに、ハニカム触媒担体において、熱応力は担体の軸心近傍に多く発生するため、少なくとも応力緩和部の一部が担体軸心を中心とし且つ直径が外周壁の直径の１５％以下の円内に位置するようにして、応力緩和部を配置することが望ましい。
【００１４】
さらにまた、ハニカム触媒担体では、セル間の隔壁に切れ目を入れることで、担体内部に発生する熱応力による熱膨張を吸収し得ることから、製造のし易さを考慮して、隣接するセル間の隔壁を除去して成る切欠きを応力緩和部とすることが好ましい。
【００１５】
ここで、ハニカム触媒担体の多数のセルは、網目状の型を用いた押出し成形により作成するようにしており、型から押出された粘土状を成す担体素材が隔壁となる。つまり、網目状を成す型において、応力緩和部としての切欠きを設けようとする部位に相当する部分のスリットを塞いで担体素材が通過しないようになせば、希望する位置に切欠きが形成されることとなる。そして、このような製造方法を用いれば、切欠きは必然的に軸方向の略全域にわたって連続して形成されることとなる。
【００１６】
本発明のハニカム触媒担体において、隣接するセル間の隔壁を除去して成る切欠きを応力緩和部とした場合には、担体のアイソ強度（締め付け強度；側圧に対する強度）の低下を防ぐために、外周壁から直径の少なくとも５％の長さ分だけ担体軸心側に寄った部位までの範囲内に位置する外周側隔壁の厚みを担体軸心側に位置する内周側隔壁の厚みよりも厚くすることが好ましく、この際、外周側隔壁の厚みを内周側隔壁の厚みの１．５倍以上に設定することがより好ましい。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１〜図３は本発明のハニカム触媒担体の一実施例を示している。
【００１９】
図１に示すように、このハニカム触媒担体１は全体で筒状を成していて、外周壁２と、この外周壁２に囲まれる中空部分３を軸方向の隔壁４で区分けして形成した多数のセル５を備えており、排気ガスが流れる多数のセル５のうちのガス流速が平均ガス流速を上回る複数のセル５が位置する領域には、担体端面において一文字状に露出する応力緩和部が設けてある。
【００２０】
この応力緩和部は、図１の拡大部分に示すように、互いに隣接するセル５間の隔壁４を除去して成る切欠き６としてあり、この切欠き６は、軸方向の略全域にわたって連続して形成してある。
【００２１】
この場合、外周壁２から直径の少なくとも５％の長さ分だけ担体軸心側に寄った部位までの範囲内に位置する外周側隔壁４の厚みを担体軸心側に位置する内周側隔壁４の厚みよりも厚くすれば、アイソ強度（締め付け強度）の低下を防ぐうえで有効であり、加えて、外周側隔壁４の厚みを内周側隔壁４の厚みの１．５倍以上に設定すれば、強度の低下を抑える効果がより一層大きいものとなり、安定した強度を確保し得ることとなる。
【００２２】
上記ハニカム触媒担体１の多数のセル５は、図２に示すように、網目状の型１０を用いた押出し成形により作成するようにしており、この実施例では、網目状を成す型１０において、切欠き６を設けようとする部位に相当する部分のスリットＳを塞ぐことによって、希望する位置に切欠き６を形成するようにしている。
【００２３】
そこで、上記ハニカム触媒担体１において、外周側隔壁４の厚みと内周側隔壁４の厚みとの比、すなわち、隔壁比と担体１のアイソ強度（締め付け強度）との関係を調べたところ、図３に示す結果を得た。
【００２４】
図３のグラフに示すように、外周側隔壁４の厚みを内周側隔壁４の厚みの１．５倍以上にすると、アイソ強度の下限値が大きく上昇し、安定した強度を確保可能であることが実証できた。
【００２５】
上記したハニカム触媒担体１では、排気ガスが流れる多数のセル５のうちのガス流速が平均ガス流速を上回る複数のセル５が位置する領域に、互いに隣接するセル５間の隔壁４を除去して成る切欠き６を応力緩和部として設けているので、上記領域において熱応力が発生したとしても、この領域に設けた切欠き６が熱膨張を吸収して応力を緩和することから、熱応力による亀裂の発生が阻止されることとなる。
【００２６】
この際、エギゾーストマニホールドの形状を変更するなどといった処置を講じる必要がないので、制約を受けることなく、内燃機関自体や周辺部品を自由に設計することが可能となる。
【００２７】
上記した実施例では、応力緩和部としての切欠き６を担体端面において一文字状に露出させた場合を示したが、これに限定されるものではなく、担体端面において、図４に示すように、応力緩和部としての切欠き６を三字状に露出させたり、図５に示すように、十文字状に露出させたり、図６に示すように、Ｚ字状に露出させたりしてもよい。
【００２８】
また、上記した実施例では、応力緩和部としての切欠き６を横方向に並ぶ複数のセル５に連続して設けた場合を示したが、これに限定されるものではなく、図７に示すように、切欠き６を階段状に並ぶ複数のセル５に連続して設ける構成としてもよい。この場合、図８に示すように、網目状を成す型１０において、切欠き６を設けようとする部位に相当する部分のスリットＳを塞ぐことで、階段状の切欠き６を形成することができる。
【００２９】
さらに、上記した実施例では、応力緩和部としての切欠き６を軸方向の略全域にわたって連続して形成した場合を示したが、これに限定されるものではなく、切欠き６を軸方向に部分的に形成したり、軸心に対して傾斜させて（斜めに）形成したりすることも可能である。
【００３０】
次に、図９に示すように、切欠き６を担体端面に一文字状に露出させたタイプのサンプル担体▲１▼を切欠き６の端面上の長さＬ（ｍｍ）を変えて６通り（Ｌ＝１０，３０，５０，７０，９０）試作し、また、切欠き６を担体端面に三字状に露出させたタイプのサンプル担体▲２▼を１通り（Ｌ＝３０）試作し、さらに、切欠き６を担体端面に十文字状に露出させたタイプのサンプル担体▲３▼を切欠き６の端面上の長さＬ（ｍｍ）を変えて３通り（Ｌ＝１０，３０，５０）試作して、これらのサンプル担体▲１▼〜▲３▼及び比較用担体▲４▼（Ｌ＝０）に対して耐久試験を行った。サンプル担体▲１▼〜▲３▼及び比較用担体▲４▼は、いずれも直径が１１０ｍｍであり、２．５ミル９００セルとした。
【００３１】
上記耐久試験は、図１０に示すように、サンプル担体▲１▼〜▲３▼，比較用担体▲４▼のバーナーＢによる加熱及び２次エアＣの供給による急冷却を図１１に示すパターンで繰り返し（５０サイクル）行うもので、上記２次エアＣの供給量を実機における減速時エア流入量（０．２〜０．７ｍ^３ ／ｍｉｎ）に近似する範囲で４段階に変化させて冷却の度合いを変え、各段階毎にサンプル担体▲１▼〜▲３▼，比較用担体▲４▼に亀裂破損（クラック）が生じるか否かを調べたところ、表１に示す結果を得た。なお、この表１において、サンプル担体▲１▼〜▲３▼，比較用担体▲４▼にクラックが生じなかった場合を○で表し、クラックが生じた場合を×で表した。
【００３２】
【表１】

【００３３】
表１に示す結果から、切欠き６の端面上の長さＬが３０ｍｍ以上、すなわち、直径の２５％以上である場合に、熱応力による亀裂の発生を阻止する効果が大きいことが立証できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるハニカム触媒担体を簡略的に示す全体斜視説明図である。
【図２】図１に示したハニカム触媒担体のセルを作成するのに用いる押出し型の部分拡大説明図である。
【図３】図１におけるハニカム触媒担体の隔壁比とアイソ強度との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の他の実施例によるハニカム触媒担体を簡略的に示す全体斜視説明図である。
【図５】本発明のさらに他の実施例によるハニカム触媒担体を簡略的に示す全体斜視説明図である。
【図６】本発明のさらに他の実施例によるハニカム触媒担体を簡略的に示す全体斜視説明図である。
【図７】本発明のさらに他の実施例によるハニカム触媒担体のセル部分の拡大説明図である。
【図８】図７に示したハニカム触媒担体のセルを作成するのに用いる押出し型の部分拡大説明図である。
【図９】耐久試験に供するサンプル担体を示す各サンプル担体の全体斜視説明図である。
【図１０】耐久試験の実施要領の概略説明図である。
【図１１】耐久試験のバーナーによる加熱及び２次エアの供給による急冷却のサイクルパターンを示すグラフである。
【符号の説明】
１ ハニカム触媒担体
２ 外周壁
３ 中空部分
４ 隔壁
５ セル
６ 切欠き（応力緩和部）

Claims (7)

1. 排気ガスを浄化する触媒を担持した筒状を成すハニカム触媒担体であって、外周壁と、この外周壁に囲まれる中空部分を軸方向の隔壁で区分けして形成した多数のセルを備え、排気ガスが流れる多数のセルのうちのガス流速が平均ガス流速を上回る複数のセルが位置する領域に応力緩和部を設けたことを特徴とするハニカム触媒担体。
2. 応力緩和部は、軸方向の略全域にわたって連続して設けてある請求項１に記載のハニカム触媒担体。
3. 応力緩和部の軸方向と直交する方向の長さを外周壁の直径の２５％以上とした請求項１又は２に記載のハニカム触媒担体。
4. 少なくとも応力緩和部の一部が、担体軸心を中心とし且つ直径が外周壁の直径の１５％以下の円内に位置している請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のハニカム触媒担体。
5. 隣接するセル間の隔壁を除去して成る切欠きを応力緩和部とした請求項１〜４のいずれか１つの項に記載のハニカム触媒担体。
6. 外周壁から直径の少なくとも５％の長さ分だけ担体軸心側に寄った部位までの範囲内に位置する外周側隔壁の厚みを担体軸心側に位置する内周側隔壁の厚みよりも厚くした請求項５に記載のハニカム触媒担体。
7. 外周側隔壁の厚みを内周側隔壁の厚みの１．５倍以上に設定した請求項６に記載のハニカム触媒担体。

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