JP2005325756A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストで耐久性の高い排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】 排ガスの流出方向を規定するハウジング３１と、そのハウジング３１の内部に、流出方向３３に積層された複数の多孔性の薄板３２とを有し、薄板３２は、不織多孔性のアルミニウム含有耐熱性合金で、表面にＡｌ₂Ｏ₃を含む酸化層を備え、白金やパラジウムなどの触媒を担持した排ガス浄化装置３０を提供する。不織性の薄板を積層することにより接触面積が大きく、さらに、繊維同士の磨耗がないので、耐振動性が高く、耐久性の高い排ガス浄化装置を提供できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、エンジンの排ガスを浄化する装置に関し、特に、エンジンに直に取り付けるのに適した排ガス浄化装置に関するものである。

特開平５−１５２３号公報には、触媒を担持して薄い耐熱性繊維板を多数積層してフィルタエレメントとし、フィルタエレメント内に生ずる複雑な流路を排ガスが通過する際に、その流路表面に排気微粒子が付着して捕集されるようにすることが記載されている。

実開平３−９２５１７号公報には、刈払機、チェンソーなどの小型作業機に使用される空冷２サイクルガソリンエンジンなどの内燃機関の排気マフラーにおいて、クロス触媒を保持網の間に挟持して筒状部材にしたものを使用し、接触面積を大きく損なうこと無く排気ガスの勢力に強度上耐え得るように支持したことが記載されている。
特開平５−１５２３号公報 実開平３−９２５１７号公報

車両のエンジンの排気を浄化する装置に対し、小型エンジンの排ガスを浄化する装置の開発は遅れている。車両のエンジンの排ガス浄化装置は、浄化効率を高めるために接触面積の高いセラミック触媒を用いたり、繊維状の素材を筒状に巻いたものを用いることが多く、排ガス浄化装置はエンジンから離れた排気管の一部に取り付けられる。これに対し、小型エンジン用の排ガス浄化装置は、エンジンから離れた場所がないので、エンジンにほとんど直に取り付けられる。したがって、エンジンの振動が直に伝達され、さらに、エンジンから出力された直後の高温の排気に晒される。従来の技術では、車両のエンジンと同等の浄化装置をエンジンに直に取り付けるか、または、エンジン用に開発された浄化装置の強度を向上させてエンジンに取り付けるという方法が採用されている。

まず、芝刈機用、あるいは草刈り機用のエンジンといった小型のエンジンは低コストであることが重要であり、現状流通している小型エンジンのほとんどには排ガス浄化装置はついていない。したがって、今後、小型エンジンに取り付ける浄化装置は、低コストでなければ採用されることはなく、自動車用と同じ発想の排ガス浄化装置では、そのような要求を満たすことは難しい。さらに、車両用と同じ構造の排ガス浄化装置の構造強化を図れば製造コストは上がってしまい、ますます小型エンジンに浄化装置が採用されることは難しくなる。また、構造を強化しても、所詮、エンジンに直につけることを考えていない車両の浄化装置では耐久性の向上には限界があり、小型エンジン用に、エンジンと同程度の耐久性のある浄化装置はまだ実用化されていない。

そこで、本発明においては、エンジン、特に小型エンジンに直に取り付けた状態でも耐久性が高く、さらに、排ガスの浄化能力が十分に高い排ガス浄化装置を提供することを目的としている。

本発明においては、排ガスの流出方向を規定するハウジングと、そのハウジングの内部に、流出方向に積層された複数の多孔性の薄板とを有し、薄板は、不織多孔性のアルミニウム含有耐熱性合金で、表面にＡｌ₂Ｏ₃を含む酸化層を備えている排ガス浄化装置を提供する。車両用の排ガス浄化装置として主流であるセラミック触媒は、継続して振動が加えられる環境における耐久性は基本的に小さい。また、繊維板あるいはクロス板といった触媒を担持する媒体は、振動が加わると、いくら周辺の構造を強化しても、板内において繊維が組み合わさっているために繊維同士が振動して磨耗していく。このため、構造を強化して耐久性を向上しようとしても、基本的な構成に無理があり、エンジンに直付けした状態で所望の耐久性能を得ることが難しく、低コストで耐久性を上げることはさらに難しい。

これに対し、不織多孔性のアルミニウム含有耐熱性合金で表面にＡｌ₂Ｏ₃を含む酸化層を備えている薄板を触媒体あるいは触媒を担持する媒体として用いれば、繊維同士の磨耗は防止できるので耐振動性が高く、耐久性の高い排ガス浄化装置を実現できる。また、排ガスの流出方向を規定するハウジングの内部に、多孔性の複数の薄板を排ガスの流出方向に積層することによりハウジング内に複雑な流路が形成されるので、排ガスと触媒との接触効率が高くなり、十分な浄化性能も得ることができる。したがって、本発明の排ガス浄化装置を採用し、この排ガス浄化装置に燃焼室からの排気ガスが導かれるように排ガス経路をアレンジすることにより、排ガスの浄化装置を備え、耐久性が高く、低コストのエンジンを提供できる。特に、本発明の排ガス浄化装置は、燃焼室を有するエンジン本体に直付けできるので、小型のエンジンに最適である。

薄板は、酸化層の下にアルミリッチの下地層を備えているものが望ましい。薄板が多孔加工された後に形成されている下地層および酸化層を形成することにより、多孔性で不織性の薄板でありながら、多孔加工された部分、たとえば、孔の内面やエッジなどの部分であっても酸化層を形成でき、酸化層の面積を最大にできる。このため、それ自体で触媒反応を期待したり、白金やパラジウムといった触媒反応に適した白金族金属を担持させる酸化層の面積を、不織性の薄板であっても大きくできるので、浄化能力を向上できる。

耐熱性アルミニウム合金である薄板の１つの例は、少量のアルミニウム、例えば、３〜７％のアルミニウムを含有するＦｅ−Ｃｒ基合金の箔体であり、この薄板を多孔加工した後に、低酸素雰囲気中で熱処理することにより多孔加工した部分も含めてアルミリッチの下地層を形成し、その後、空気中で熱処理することにより、多孔加工された内面やエッジも含めてＡｌ₂Ｏ₃を含む酸化層を形成できる。このため、薄板としては、ラス目加工したものを利用できる。ここで、ラス金網とは、ラス網あるいはメタルラスとも称されるものであり、金属板あるいは金属箔に切れ目（ラス目）を入れ、引き伸ばして（エキスパンドして）網目状に加工したものである。さらに、プレス、エッチングおよびレーザ加工のいずれかにより、多孔加工されたものを使用できる。

これらの多孔加工された薄板は不織なので繊維同士の磨耗がなく耐久性が高いだけではなく、それぞれが連続した一枚板なので支持材として十分な圧縮あるいは引張り強度を持たせることが可能である。したがって、ハウジングの断面積よりも大きな部分を少なくとも備えた形状の薄板をハウジングの内部に圧入することにより、ねじ止めや溶接などを用いずに複数の薄板を積層できる。このため、本発明の排ガス浄化装置は低コストで製造できる。また、ハウジングに薄板を圧入した構造は、振動で擦れたり緩んだりする部分がなく、耐振動性が高く、耐久性も高い浄化装置を提供できる。全体が多孔性の薄板でも圧入するのに十分な強度を得ることができるが、多孔性の部分と、対角線または半径方向に延びた支持部分とを備えているデザインは、十分な開口率と十分な強度とを確保するのが容易なデザインの１つである。

また、ハウジングの内部に圧入される支持板と、薄板とを分けて、薄板を支持板にロウ付けまたは溶接により固定するような方法によってもハウジング内に薄板を積層することができる。

このように、本発明では、筒型などの、排ガスの流出方向を規定するハウジング内に、繊維同士の磨耗のない、多孔性の複数の薄板を積層することにより簡易な構成でハウジング内に複雑な流路を形成し、振動に対する耐久性が高く、さらに、排ガスとＡｌ₂Ｏ₃、あるいはそれに担持された白金系の触媒との接触効率を向上することにより浄化性能も高い排ガス浄化装置を提供できる。特に、アルミニウムを含有するＦｅ−Ｃｒ基合金の箔体は、機械加工した後に、低酸素下の雰囲気中で熱処理を行うことで、加工された箔体の表面全体にアルミリッチな層を形成することが可能となり、さらに、空気中で熱処理を行うことにより孔加工された内面であっても安定した酸化アルミニウムを含む酸化層を形成できる。したがって、ハウジング内における排ガスと触媒との接触面積を向上できる。このため、本発明により、芝刈り機用などの小型エンジンに適した、振動による磨耗がなく、耐久性が高く、さらに排ガスの浄化効率も高い排ガス浄化装置を提供できる。

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１に、本発明の排ガス浄化装置を備えたエンジンの概要を示してある。このエンジン１０は、空冷２サイクルの小型エンジンであり、エンジン本体１１と、それに取り付けられた排気マフラー１２とを備えている。エンジン本体１１は、それぞれシリンダーカバー１１ｃに囲われており、内部にシリンダー１３と、クランクケース１４と、ピストン１５と、クランク軸１６と、点火プラグ１７などを備えている。シリンダー１３には、気化器１８において燃料タンク１９から供給された燃料とエアーフィルタ（不図示）から供給された空気が混合された燃焼用の空気が供給される。シリンダー１３において燃焼された排気は、排気口２０から排気マフラー１２に出力される。

排気マフラー１２は、マフラーカバー１２ｃに覆われており、排ガス導入筒としての機能を兼ね備えた排ガス浄化装置３０と、排ガス浄化装置３０から排気が導かれるマフラー室２１と、マフラー室２１から外界に排気する排気管２２とを備えている。このエンジン１０においては、マフラーを含めてエンジンを小型にするためにエンジン本体１１に排気マフラー１２が直付けされており、マフラー室２１に排ガスを導く機能も果たす排ガス浄化装置３０もエンジン本体１１に直付けされている。本明細書において直付けとは、エンジン本体１１と浄化装置３０とがフレキシブルパイプやその他の排気管を介して接続されているのではないことを意味しており、エンジンの熱がマフラーサイドに伝達されるのを抑制する断熱板、エンジンカバー、マフラーカバーなどを介してエンジン本体に取り付けられている場合も直付けに含む。

図２に、排ガス浄化装置３０の概略構成を展開図により示してある。この排ガス浄化装置３０は、排ガスの流出方向３３を規定する円筒状のハウジング３１と、そのハウジング３１の内部に、流出方向３３に積層された複数の多孔性の円盤状の薄板３２とを有している。

図３（ａ）〜（ｄ）に、薄板３２の概略構成を示してある。図３（ａ）および（ｂ）に薄板３２を表面および裏面から見た様子を示している。この薄板３２は全体が円盤状で縁３４が折り返されてハウジング３１の内部に圧入しやすい形状となっている。また、ハウジング３１の内部に圧入すると、折り返された縁３４がハウジング３１の内面と面で接し、振動が加わっても薄板３２とハウジング３１とががたついたり、擦れたりし難い構造となっている。薄板３２は、半径方向に延びた４本の支持部分３５により四分割されたデザインとなっており、支持部分３５と縁３４とに挟まれた領域が多孔性の部分３６となっている。支持部分３５は、図３（ｃ）に示すように半径方向あるいは対角線方向に延びており、縁３４の形状が歪むのを防止している。したがって、この薄板３２は、円形の縁３４により基本的に強度の高い構造となっていると共に、半径方向に延びた支持部分３５によりさらに高い強度が確保されており、ハウジング３１に圧入する際やエンジンの振動などより薄板３２が歪んだり変形することが防止されている。このため、エンジン１１に直付けされた状態で強い振動が常時加わるような環境でもハウジング３１の内部において薄板がずれたり歪んだりすることがなく、耐久性の高い浄化装置３０を提供できる。

図３（ｅ）に薄板３１の多孔性の部分３６を拡大して示してある。この薄板３２は、アルミニウム含有耐熱性合金を基材５１として機械加工により孔などが形成された不織多孔性の薄板であり、基材５１の表面に、孔５２の内面５２ａも含めてアルミリッチの下地層５５と、Ａｌ₂Ｏ₃を含む酸化層５６が形成され、さらに酸化層５６には、白金族触媒（Ｐｂ、Ｐｔなど）５７が担持されている。

図４に、薄板３２の製造プロセスの一例を示してある。先ず、ステップ１で、薄板３２となる基材の組成を調合する。図４には、アルミニウムを含有する耐熱性のＦｅ−Ｃｒ基合金の組成の一例を示してあり、Ｃｒが２０％、Ａｌが６％、Ｌａが０．０５％、残りがＦｅというものである。アルミニウムを含有する耐熱性のＦｅ−Ｃｒ基合金としては、Ｃｒが１５〜２５％、Ａｌが３〜６％含むものが知られている。さらに、Ｌａは、０．０２〜０．０７％含んでいることが望ましく、０．０３〜０．０５程度含んでいることがさらに好ましい。ステップ２で、調合された組成物を溶融し、ステップ３で圧延を繰り返し、ステップ４で所定の厚みに圧延し箔体化する。薄板３２の厚みは、その直径にも依存するが、適当な強度と圧入する際の柔軟性などを考慮すると１ｍｍ前後が望ましい。

ステップ５で適切な厚みに圧延された箔体を機械加工する。ここでは、箔体にラス目を入れ、エキスパンドすることにより多孔状に加工する。浄化装置に適した開口率は、３０％〜８０％程度と考えられており、この程度の開口率であれば、排ガスの流通抵抗（通気抵抗）も高くなり過ぎず、担体としての機械的強度、高温耐久性、多孔加工の歩留まりの視点からも好ましい。排気系の抜けの良さによっては、５％〜８０％程度として膨張を抑えて、背圧や温度をある程度確保するようにしても良い。また、薄板３２を円盤状に加工するのもこのステップで行われる。さらに、以下で説明するように薄板３２をジグザグに折り返したりする場合は、この段階、すなわち、以下で説明する熱処理の前に行うことが好ましい。多孔に加工する方法としては、ラス目加工と称されるエキスパンドを用いた方法に限らず、プレス、エッチングおよびレーザ加工などの公知のさまざまな方法を採用できる。

ステップ６において、機械加工された薄板３２を低酸素状態で熱処理する（第１の熱処理）。炉内を真空ポンプにより１×１０^-3Ｔｏｒｒ以下に減圧し、機械加工された薄板３２を低酸素状態で約９００℃に加熱する。加熱時間は、０．５〜１分（３０〜６０秒）である。このステップ６の第１の熱処理を行うことにより、図３（ｅ）に示したように、薄板３２の表面だけではなく、孔５２の内面を含めた、排ガスが接触する面の全体にわたりアルミリッチ（アルミニウム富裕）層５５が形成される。

ステップ７において、炉内を大気圧にし、機械加工され、ステップ６の熱処理が済んだ薄板３２を空気中で約８５０℃に加熱する（第２の熱処理）。加熱時間は、約４時間である。このステップ７の熱処理を行うことにより、図３（ｅ）に示したように、孔５２の内面を含む薄板３２の接触面の全体にわたり酸化アルミニウム（アルミナ）を含む酸化層５６が形成される。

ステップ８において、酸化層５６に触媒５７を付着させて、図３（ｅ）に示したように、触媒層５７を形成する。排ガス浄化に適した触媒は、白金族触媒であり、白金（Ｐｔ）とパラジウム（Ｐｄ）を４：１に混合したものである。これらの工程により、触媒プレートとして機能する薄板３２を製造することができる。そして、ステップ９で、触媒層５７が形成された薄板３２をハウジング３１に圧入し、浄化装置３０を組み立てる。

このようにして製造された不織多孔性の排ガス浄化装置３０は体積当たりの表面積が多く、耐熱性も高く、さらに耐振動性も高い。例えば、ＳＶ値が高く、体積当たりの処理量はセラミックで成形されたハニカム状の触媒の１０倍程度となり、体積効率も高いので、低コストでコンパクトな小型エンジンに最適の排ガス浄化装置を提供できる。さらに、セラミックは衝撃や振動に対して耐久性が小さいのに対し、本例の排ガス浄化装置３０は、金属性であり、基本的に衝撃や振動に対して耐久性が高い。加えて、金属繊維を編んだ網目状部材と異なり振動により繊維同士が擦れて劣化することもなく、この点でもさらに振動に対する耐久性が高く、マフラーを直付けすることが多い小型のエンジンに最適な排ガス浄化装置である。

また、本例の薄板３２は、機械加工後に、第１の熱処理により表面にアルミニウムを析出させ、第２の熱処理によりＡｌ₂Ｏ₃を形成し、触媒を担持させている。このため、機械加工された多孔状の部材であるが、繊維を編んだ網状部材に対して勝るとも劣らない触媒の担持能力があり、排気ガスとの接触面積も大きく、浄化能力も高い。さらに、薄板３２を積層する構造を採用することにより、接触面積を大幅に増加できる。

基材の表面に安定してアルミニウムを析出させるには、ステップ６の第１の熱処理工程の処理温度は、７５０℃から９５０℃の範囲にすることが好ましい。また、この温度で前処理することにより、第２の熱処理工程において、６００℃〜８５０℃、望ましくは８５０℃前後で熱処理することにより、ウィスカーと呼ばれる結晶が形成され、触媒の担持能力の高いγ−Ａｌ₂Ｏ₃を効率良く形成できることが本願発明者の実験によりわかっている。

図５は、薄板の異なる例を示してある。この薄板４１は、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、半径方向に延びた支持部３５と、多孔性の部分３６とを備えており、さらに、中心に貫通孔３７を備えている。したがって、図５（ｃ）にハウジング３１に薄板４１が圧入された浄化装置３０の断面を示すように、複数の積層された薄板４１の中心の貫通孔３７にロッド４９を通して複数の薄板４１を一体にすることができ、薄板同士の干渉も防止することができる。このため、さらに耐振動性を強化でき、耐久性を向上できる。

図６（ａ）は、縁３４を除いた全体が多孔性の部分３６になった薄板４２を示している。本発明の薄板４２は、不織性であるので、全体としては一枚の金属板であり、厚みあるいは開口率を適当に設定することにより、支持部を設けなくても圧入に適し、また、耐振動性も十分に高い強度を維持できる。また、図６（ｂ）に示すような、折り返した縁３４と、半径方向に延びた支持部３５とを備え、支持部３５の間が開口となった補助板４３と組み合わせてハウジング３１に圧入することも可能である。この場合は、薄板４２の厚みは、振動により隣接する薄板同士が接触したりしない程度の強度があれば良く、厚さが１ｍｍ以下、さらには０．２ｍｍ程度以下にすることも可能である。

図７（ａ）は、補助板４３の間に、薄板４２を挟みこむようにハウジング３１の内部に圧入した排ガス浄化装置３０の例を示している。図７（ｂ）は、さらに、補助板４３の縁３４に段差を設けて薄板４２の縁３４をハウジング３１と補助板４３とで挟みこむように支持した排ガス浄化装置３０の例を示している。

補助板４３と薄板４２とを組み合わせて利用する場合は、薄板４２の径をハウジング３１の内径より小さくして、補助板４３に溶接やロウ付けにより取り付けた構造を採用することができる。図８（ａ）は、補助板４３の両面にロウ付けにより薄板４２を取り付けたものをハウジング３１に圧入した浄化装置３０の例を示している。図８（ｂ）は、ハウジング３０と補助板４３の縁３４とを凹状に加工し、かみ合わせる、あるいは係合させることにより補助板４３をさらに強固にハウジング３１に取り付けている。図８（ｃ）は、触媒プレートとして機能する薄板４２をジグザグに折り返した後に補助板４３に取り付けた排ガス浄化装置３０の例を示している。

なお、これらの薄板およびそれを組み立てた排ガス浄化装置は例示であり、触媒プレートとして機能する薄板をハウジング３１の内部に積層できる構造であれば良い。また、ハウジング３１は円筒形に限定されることはなく、断面が四角形あるいはその他の多角形であっても良い。

また、本発明の排ガス浄化装置は、振動に対する耐性が高いので、小型のエンジンに適しているが、排気管の途中に取り付けられる車両用の排ガス浄化装置としても適用可能であり、さらに低コストで長寿命の排ガス浄化装置を提供できる。

排ガス浄化装置を備えたエンジンの概要を示す図である。 排ガス浄化装置の概略構成を示す展開図である。 触媒プレートとして機能する薄板の構成を示す図であり、（ａ）は表面、（ｂ）は裏面、（ｃ）は支持部の断面、（ｄ）は多孔性の部分の断面、（ｅ）は多孔性の部分の断面を拡大した図である。 薄板の製造過程を示す図である。 本発明の異なる例を示す図であり、（ａ）は、薄板の表面を示す図であり、（ｂ）は、薄板の断面を示す図であり、（ｃ）は、これらの薄板を積層した排ガス浄化装置の断面を示す図である。 （ａ）は、全面が多孔性の薄板を示す図であり、（ｂ）は補助板を示す図である。 薄板および補助板を積層する例を示す図であり、（ａ）は前後に薄板および保持板を積層した例を示し、（ｂ）は補助板の縁とハウジングとで薄板の縁を挟み込むように支持した例を示す図である。 薄板で補助板を挟み込んだ一例を示しており、（ａ）は補助板の両面に薄板を取り付けた例を示し、（ｂ）は、ハウジングと補助板の縁に凹凸を設けて組み合わせた例を示し、（ｃ）は、薄板を折り曲げた例を示す図である。

符号の説明

１０ エンジン １２ マフラー
３０ 排ガス浄化装置
３２ 薄板、３４ 縁の部分、３５ 支持部
３６ 多孔性の部分

Claims (15)

1. 排ガスの流出方向を規定するハウジングと、
   そのハウジングの内部に、前記流出方向に積層された複数の多孔性の薄板とを有し、
   前記薄板は、不織多孔性のアルミニウム含有耐熱性合金で、表面にＡｌ₂Ｏ₃を含む酸化層を備えている排ガス浄化装置。
2. 請求項１において、前記薄板は、前記酸化層の下にアルミリッチの下地層を備えている、排ガス浄化装置。
3. 請求項２において、前記薄板が多孔加工された後に形成されている前記下地層および前記酸化層を備えている、排ガス浄化装置。
4. 請求項１において、前記薄板は、アルミニウムを含有するＦｅ−Ｃｒ基合金の箔体であり、多孔加工された後に低酸素雰囲気中で熱処理されたアルミリッチの下地層と、その後、空気中で熱処理された前記Ａｌ₂Ｏ₃を含む酸化層とを備えている、排ガス浄化装置。
5. 請求項１において、前記Ａｌ₂Ｏ₃の酸化層の表面に白金族触媒が担持されている、排ガス浄化装置。
6. 請求項１において、前記薄板は、エキスパンド、プレス、エッチングおよびレーザ加工のいずれかにより、多孔加工されている、排ガス浄化装置。
7. 請求項１において、前記薄板は、前記ハウジングの内部に圧入されている、排ガス浄化装置。
8. 請求項１において、前記薄板は、多孔性の部分と、対角線または半径方向に延びた支持部分とを備えている、排ガス浄化装置。
9. 請求項１において、前記ハウジングの内部に圧入された支持板を有し、前記薄板は、前記支持板にロウ付けまたは溶接により固定されている、排ガス浄化装置。
10. 排ガス浄化装置において、排ガスの流出方向を規定するハウジングの内部に圧入することにより取り付け可能な形状の薄板であって、不織多孔性のアルミニウム含有耐熱性合金製で、表面にＡｌ₂Ｏ₃を含む酸化層を備えている浄化装置用の薄板。
11. 請求項１０において、前記酸化層の下にアルミリッチの下地層を備えている、浄化装置用の薄板。
12. 請求項１１において、多孔加工された後に形成されている前記下地層および前記酸化層を備えている、浄化装置用の薄板。
13. 請求項１１において、前記Ａｌ₂Ｏ₃の酸化層の表面に白金族触媒が担持されている、浄化装置用の薄板。
14. 請求項１ないし９のいずれかに記載の排ガス浄化装置と、
    この排ガス浄化装置に燃焼室からの排気ガスが導かれるようにアレンジされた排ガス経路とを有するエンジン。
15. 請求項１４において、前記燃焼室を有するエンジン本体に前記排ガス浄化装置が直付けされているエンジン。
    
    

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