JP2009243417A

JP2009243417A - 触媒装置

Info

Publication number: JP2009243417A
Application number: JP2008093415A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Okubo; 克紀大久保; Makoto Mitsukawa; 誠三ツ川; Kazuhisa Maeda; 和寿前田; Hiroyuki Horimura; 弘幸堀村
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-22
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: JP5162303B2

Abstract

【課題】触媒担体を容器に収容した触媒装置において、高温環境下においても安定して触媒担体を保持することが可能な構成を、製造工数の増加や構成の複雑化を招くことなく実現する。
【解決手段】触媒装置２は、内燃機関の排気ガスを浄化する触媒を担持したセラミックス製の触媒担体１０と、触媒担体１０を収容する外筒１３と、外筒１３と触媒担体１０との間に介設される保持マット１２とを備え、この触媒装置２が有する外筒１３はステンレス材料よりも線膨張係数が低い材料により構成されたものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスを浄化する触媒装置に関する。

従来、ハニカム構造を有する排気ガス浄化触媒の触媒担体を筒状の容器に収容した触媒コンバータが知られている（例えば、特許文献１参照）。この触媒コンバータは、触媒担体に緩衝材としてのセラミックス製のマットを巻き回して、これをステンレス（例えば、ＪＩＳＳＵＳ４３０等）製の容器に収めている。この触媒コンバータは、マットの反発力によって触媒担体を容器内に保持している。ところが、触媒コンバータが高温の排気ガスに晒された場合に、ステンレス製の容器が膨張し、マットと容器との間に作用する力が弱まって触媒担体を保持する力が減衰し、さらにはマットと容器との間にクリアランスが生じることもある。そこで、線膨張係数が異なる複数種類のステンレス材料を接合して構成される保持部材を、触媒担体を収容する容器と触媒担体との間に配設し、この保持部材が変形することによって、容器の膨張により生じるクリアランスを吸収するような構成が提案された（例えば、特許文献２参照）。
特開平２−４３９５５号公報特許第３８４５８７３号公報

上述したように、排気ガスを浄化する触媒は高温の排気ガスに晒されるため、この触媒担体を収容する容器の膨張による影響を考慮しなければならない。このため、上記特許文献２に開示された構成では複雑な形状の保持部材を用いて触媒担体を保持していたが、このような形状の保持部材を触媒担体のサイズに合わせて作成することは容易ではなく、製造工数が増加してしまうという問題があった。
上記の問題に鑑み、本発明は、触媒担体を容器に収容して構成される触媒装置において、高温環境下においても安定して触媒担体を保持することが可能な構成を、製造工数の増加や構成の複雑化を招くことなく実現することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、内燃機関の排気ガスを浄化する触媒を担持したセラミックス製の触媒担体と、前記触媒担体を収容する外筒と、前記外筒と前記触媒担体との間に介設されるマットと、を備え、前記外筒はステンレス材料よりも線膨張係数が低い材料により構成されたこと、を特徴とする。
この構成によれば、セラミックス製の触媒担体とマットとを収容する外筒を、ステンレス材料（例えば、ＪＩＳＳＵＳ４３０等）よりも線膨張係数が低い材料により構成したことにより、触媒装置の使用時に高温の排気ガスに晒されても、膨張による外筒の変形量が小さい。これにより、外筒と、外筒と触媒担体との間に介設されるマットとが離間したりすることがなく、常温時と同様に触媒担体を保持することが可能な触媒装置を実現できる。そして、この触媒装置の外筒に使用する材料をステンレス材料よりも線膨張係数が低い材料とすることで、複雑な構造を用いず、製造工数の増加や機構の複雑化を招くことなく、容易に実現可能である。また、温度上昇に伴う外筒の変形量が小さく抑えられるので、許容され得る精度の範囲が広がり、設計及び製造上の自由度が高まる等の利点がある。

上記構成において、前記外筒を構成する材料は、純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか、若しくは、純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか１以上を含む合金としてもよい。これらの材料は、ＪＩＳＳＵＳ４３０等のステンレス材料に比べて線膨張係数が低いことから、使用時に高温の排気ガスに晒されても膨張による変形量が小さくて済む。このため、製造工数の増加や機構の複雑化を招くことなく製造可能で、高温の環境下においても触媒担体の保持性能が変化しない触媒装置を実現できる。
さらに、純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか、若しくは、純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか１以上を含む合金からなる外筒は、融点が高いという利点を有しており、例えば、排気経路において内燃機関に近い位置に設置でき、また、高温の排気ガスに晒される環境下でも長期にわたって使用できる。上記の材料は軽量であるという利点を有しており、例えば自動二輪車や自動車に設置した場合の車体重量の軽量化、車体の設計上の自由度の向上、取り扱い性・作業性の向上等の有利な効果が得られる。

さらに、上記構成において、前記外筒が、純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか、若しくは、純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか１以上を含む合金で構成された排気管に接合されることにより、前記排気管とともに前記内燃機関の排気経路を構成するものとしてもよい。
この場合、純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか、若しくは、純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか１以上を含む合金で構成される外筒を、同様に純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか、若しくは、純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか１以上を含む合金で構成された排気管に接合することによって、内燃機関の排気経路が構成される。このような外筒と排気管とは同種または類似種の金属であるため、溶接等によって容易に接合することができ、高い接合強度が得られる。そして、触媒担体及びマットを収容する外筒を、排気管の一部として使用することが可能となり、この触媒装置自体を収容する外装を用意する必要がなくなるので、コストの低減や軽量化を図ることができる。
ここで、排気管とは、内燃機関に接続される排気マニホールド、集合管、消音器（排気マフラ）、或いは、これらを接続するパイプ等である。

また、前記外筒内において、前記触媒担体及び前記マットは圧迫された状態で収容され、圧入された前記マットの前記触媒担体及び前記外筒に作用する反発力によって前記触媒担体を保持している構成としてもよい。この場合、マット及び触媒担体は、圧入、キャニング又は巻き締めにより外筒の内部に収容される際に、圧縮された状態で収められ、この圧縮されたマットの反発力により、触媒担体及び外筒とマットとの間に摩擦が生じ、この摩擦によって触媒担体が外筒内の所定位置に保持される。この構成において、外筒に線膨張係数が低い材料を用いれば、高温の排気ガスに晒される環境下においても、外筒のサイズが常温のときと殆ど変わらないため、同様に触媒担体をマットの反発力によって外筒内において保持できる。従って、排気ガスの高温に晒されても、触媒担体の保持性能が常温の状態から殆ど変化しない触媒装置を実現できる。

本発明によれば、触媒装置の使用時に高温の排気ガスに晒されても、外筒の膨張が僅かな量に抑えられるので、外筒と、外筒と触媒担体との間に介設されるマットとが離間したりすることがなく、常温時と同様に触媒担体を保持することが可能な触媒装置を実現できる。そして、この触媒装置の外筒に使用する材料をステンレス材料よりも線膨張係数が低い材料とすることで、複雑な構造を用いず、製造工数の増加や機構の複雑化を招くことなく、容易に実現可能である。また、使用時に高温の排気ガスに晒されても膨張による変形量が小さくて済むので、製造工数の増加や機構の複雑化を招くことなく製造可能で、高温の環境下においても触媒担体の保持性能が変化しない触媒装置を実現できる。また、温度上昇に伴う外筒の変形量が小さく抑えられるので、許容され得る精度の範囲が広がり、設計及び製造上の自由度が高まる等の利点がある。
さらに、外筒は融点が高いという利点を有しており、高温の排気ガスに晒される環境下でも長期にわたって使用できる。上記の材料は軽量であるという利点を有しており、例えば自動二輪車や自動車に設置した場合の車体重量の軽量化、車体の設計上の自由度の向上、取り扱い性・作業性の向上等の有利な効果が得られる。
さらにまた、外筒と排気管とが同種または類似種の金属であるため、溶接等によって容易に接合することができ、高い接合強度が得られる、その上、触媒担体及びマットを収容する外筒を排気管の一部として使用することが可能となり、この触媒装置自体を収容する外装を用意する必要がなくなるので、コストの低減や軽量化を図ることができる。
また、マットの反発力により触媒担体が外筒内の所定位置に保持されるので、外筒に線膨張係数が低い材料を用いれば、高温の排気ガスに晒される環境下においても、外筒のサイズが常温のときと殆ど変わらないため、同様に触媒担体をマットの反発力によって外筒内に保持できる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明を適用した第１の実施形態に係る触媒装置１を備えた排気マフラ１００を模式的に示す図である。排気マフラ１００は、自動二輪車に設けられ、自動二輪車のエンジン（不図示）から延びる排気管１１０の後端に接続され、排気管１１０を通った高温・高圧の排気ガスを減圧して外部に排出するサイレンサとして機能する。

排気マフラ１００は、エンジンから延びる単一の排気管１１０が接続される筒状本体１２０を有し、筒状本体１２０内に、セラミックス製の触媒担体１０を備える触媒装置１が支持されている。触媒装置１は、触媒を担持する触媒担体１０と、触媒担体１０を収容する外筒１３と、触媒担体１０と外筒１３との間に狭持される緩衝機能を有する保持マット１２とを備えている。触媒装置１は、保持マット１２が巻き付けられた触媒担体１０を、外筒１３に収容して構成されている。
筒状本体１２０は、複数（本例では２枚）の隔壁１３１、１３２を介して内部空間が複数（本例では３つ）の膨張室Ａ、Ｂ、Ｃに仕切られており、筒状本体１２０の前端部１２１を排気管１１０の端部１１０Ａが貫通して膨張室Ｂ内に固定され、排気管１１０の端部１１０Ａに最も近接する第１隔壁１３１に、触媒装置１が貫通して固定されている。

触媒装置１は、触媒担体１０に形成された多数の細孔５を介して排気管１１０の端部１１０Ａ側と膨張室Ａとを連通させ、端部１１０Ａから排出された排気ガスは、端部１３Ａから触媒装置１に入り、触媒担体１０を通過する際に浄化され、端部１３Ｂから排出される。
ここで、触媒装置１を構成する外筒１３の外径は、排気管１１０の外径よりも僅かに大きく形成されており、図１に示すように外筒１３の内部に端部１１０Ａを入り込ませた状態で安定するようになっている。そして、端部１１０Ａを外筒１３に入り込ませた状態で、外筒１３の端部１３Ａは、排気管１１０の外側面に溶接により接合されている。接合部１０５においては、端部１３Ａと排気管１１０とが直接接合されている。

また、第１隔壁１３１には、触媒装置１からずれた位置に、第１連通管１３５と第２連通管１３６とが貫通して固定され、第１連通管１３５は、膨張室Ａと膨張室Ｂとを連通し、第２連通管１３６は、膨張室Ａを横断して第２隔壁１３２を貫通し、膨張室Ｂと膨張室Ｃとを連通させる。筒状本体１２０の後端部１２２には、テールパイプを構成する管部材１３８が貫通して固定され、管部材１３８が膨張室Ｃと排気マフラ１００外の空間とを連通する。

排気マフラ１００では、排気管１１０の端部１１０Ａから排出された排気ガスが、図１に矢印で示すように、触媒装置１を通過して排気マフラ１００内の膨張室Ａに流入し、流れ方向を反転して第１連通管１３５を通って膨張室Ｂに流入し、再び流れ方向を反転して第２連通管１３６を通って膨張室Ｃに流入し、テールパイプを構成する管部材１３８を通って外部へと排出される。
筒状本体１２０の断面積は、筒状本体１２０に挿入される排気管１１０よりも大きく形成されるため、排気ガスが各膨張室Ａ〜Ｃに流入する際に減圧される。また、触媒装置１を排気マフラ１００の筒状本体１２０内に配置したため、触媒装置１のレイアウトスペースが容易に確保される。また、触媒装置１を排気管１１０の端部１１０Ａと略同軸上に配置したため、排気管１１０の端部１１０Ａから排出された排気ガスをその流れ方向を変えることなく触媒装置１に流入させることができる。

図２は、触媒装置１の構成を示した分解斜視図である。
触媒担体１０は、円筒形状に形成され、その円筒形状の外郭の内部に、軸線方向に沿って延びる多数の細孔５を有するハニカム状の多孔構造体である。触媒担体１０の内部には、その多孔質構造に由来して大きな表面積が確保され、各々の細孔５に露出する多孔構造において、排気ガス成分を分解する白金、ロジウム及びパラジウムが触媒として担持されている。ここで、触媒担体１０の断面形状は任意であり、断面形状は円形に限らず、楕円形や多角形等であっても良い。
触媒担体１０の基材としては多孔質のセラミックスが用いられているため、白金やロジウム等の触媒が担持され易い。ここで、セラミックスの材質の好ましい一例としては、コージェライト、ムライト、アルミナ、アルカリ土類金属のアルミネート、炭化ケイ素、窒化ケイ素等、或いはこれらの類似物を含む各種耐熱性セラミックスを用いることが可能である。

保持マット１２は、アルミナ等のセラミックス製の繊維を圧縮又は集積して長尺のマット状に形成したものであり、触媒担体１０の外表面１１に巻き付けられる。そして、保持マット１２の一端には凸形状の合わせ部が形成され、他端には凹形状の合わせ部が形成されているため、保持マット１２を触媒担体１０に巻き付ける際には、２つの合わせ部が噛み合わさることで確実に係合される。また、保持マット１２は、繊維が絡み合った集合体であるため、比較的大きな弾性を有している。ここで、保持マット１２の材質は、耐熱性及び弾性を有するものであれば良く、繊維状の金属を集積したものやグラスウール等を用いることもできる。さらに、保持マット１２は、繊維が絡み合った集合体であって、その表面及び内部に微細な隙間が無数に形成されているので、保持マット１２の表面は、細かい凹凸が無数に形成された状態にあり、面粗度が粗く、摩擦係数が高い。

これに対し、外筒１３は、例えば断面円形の中空の管であり、両端は開口している。外筒１３を構成する材料としては、ステンレス材料（例えば、ＪＩＳＳＵＳ４３０等）に比べて線膨張係数が低い材料である。ステンレス材料の線膨張係数（常温を含む温度範囲における線膨張係数。以下同じ。）は、１０×１０^-6／℃（フェライト系ステンレス鋼）〜１７×１０^-6／℃（オーステナイト系ステンレス鋼）とされ、ステンレス材料の一例として挙げられるＳＵＳ４３０の線膨張係数は、１０．４×１０^-6／℃であり、ＳＵＳ３０４の線膨張係数は１７×１０^-6／℃である。外筒１３を構成する材料はこれより線膨張係数が低いものであり、好ましい例としては、純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか、若しくは、純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか１以上を含む合金が挙げられる。チタン（ＪＩＳ１〜４種純チタン）の線膨張係数は８．４×１０^-6／℃であり、チタン合金の例として挙げられるＴｉ-６Ａｌ−４Ｖ合金では８．８×１０^-6／℃であり、その他のチタン合金のいずれも、その線膨張係数はステンレス材料より低い。

ここで、外筒１３を構成する材料としては、α合金、α−β合金、β合金などのチタン合金あるいは純チタン（JIS １種〜４種）が挙げられ、チタン合金としては、チタン（Ti）とともに、アルミニウム（Al）、ケイ素（Si）、鉄（Fe）、銅（Cu）、スズ（Sn）、バナジウム（V）、ニオブ（Nb）、モリブデン（Mo）、クロム（Cr）、ジルコニウム（Zr）等の他種金属のいずれか１以上を含むものであり、その他の不可避不純物を含んでいてもよく、さらに、酸素（Ｏ）を含むもの等が挙げられる。具体的には、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−６Ｖ−２Ｓｎ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ、Ｔｉ−１．５Ａｌ、Ｔｉ−１０Ｖ−２Ｆｅ−３Ａｌ、Ｔｉ−７Ａｌ−４Ｍｏ、Ｔｉ−５Ａｌ−２．５Ｓｎ、Ｔｉ−６Ａｌ−５Ｚｒ−０．５Ｍｏ−０．２Ｓｉ、Ｔｉ−５．５Ａｌ−３．５Ｓｎ−３Ｚｒ−０．３Ｍｏ−１Ｎｂ−０．３Ｓｉ、Ｔｉ−８Ａｌ−１Ｍｏ−１Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ、Ｔｉ−５Ａｌ−２Ｓｎ−２Ｚｒ−４Ｍｏ−４Ｃｒ、Ｔｉ−１１．５Ｍｏ−６Ｚｒ−４．５Ｓｎ、Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ａｌ−３Ｓｎ、Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ、Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ、Ｔｉ−１３Ｖ−１１Ｃｒ−３Ａｌ等を用いることができる。また、上記純チタン或いはチタン合金からなる材料に炭化ケイ素（ＳｉＣ）、炭化ホウ素（Ｂ₄Ｃ等）、ガラス、酸化鉄等の微粒子を含ませた材料としてもよい。

これらの材料は、共通して、上記のようにステンレス材料よりも線膨張係数が低い。さらに、上記に列挙した材料及びその他のチタンを含む材料は、ステンレス材料よりも軽量である。ステンレス材料の一例としてのＳＵＳ４３０の密度（比重）が７．９８ｇ／ｃｍ³であるのに対し、チタン（ＪＩＳ１〜４種純チタン）の密度は４．５ｇ／ｃｍ³、チタン合金の一例としてのＴｉ-６ＡＩ−４Ｖ合金は４．４ｇ／ｃｍ³である。このため、外筒１３を用いて構成される触媒装置１は軽量であり、この触媒装置１を例えば自動二輪車や自動車に設置した場合には、車体重量の軽量化、車体の設計上の自由度の向上、取り扱い性・作業性の向上等の有利な効果が得られる。

図３は、触媒装置１の断面図である。
図３に示すように触媒装置１は、保持マット１２を介して外表面１１が外筒１３に保持された構成となっている。この触媒装置１を製造する過程においては、触媒担体１０及び保持マット１２を外筒１３に収める工程で、触媒担体１０に保持マット１２を巻き付けた上で、これが予め筒形状に整形された外筒１３に圧入される。従って、外筒１３に収められた保持マット１２は圧縮された状態となっており、保持マット１２を構成する繊維の反発力によって、触媒担体１０と保持マット１２との間、及び、保持マット１２と外筒１３との間には押圧力が作用している。
触媒担体１０は多孔質のセラミックス材料で構成されるため、その外表面１１の面粗度は高く、保持マット１２の表面も粗面である。従って、触媒担体１０と保持マット１２とは摩擦力により相互に移動しないよう保持される。また、保持マット１２と外筒１３も、図中符号Ｄで示す方向の排気ガスの圧に抗して、外筒１３内の所定の位置に摩擦により保持されている。

以下、触媒装置１の製造方法について説明する。なお、以下の説明における温度や時間等の各種条件は、あくまで具体的な例を示すものであって、本発明の内容を限定するものではない。
まず、円筒形状に形成された触媒担体１０の軸線方向の一端の一部を、白金、ロジウム及びパラジウムを含有する溶液（或いは、これらとともにアルミナ等を含むスラリー）に所定の長さ（深さ）だけ浸漬させる。次いで、一端が浸漬した状態の触媒担体１０の他端に、溶液を吸上げ可能なポンプに接続されたチューブを接続する。このチューブは、全ての各細孔５から吸引を行えるように触媒担体１０の他端に接続される。そして、ポンプにより上記チューブを介して吸引を行うことで、全ての細孔５から溶液が吸い上げられ、各細孔５の表面に溶液が接触し、各細孔５の表面に溶質である触媒が付着する。
その後、触媒担体１０を上記溶液から引き上げて１００℃にて１０分間の熱風乾燥した後、４５０℃にて１時間焼成し、触媒担体１０に触媒を担持させる。
焼成の後、触媒担体１０の外表面１１に保持マット１２を巻き付けて、この触媒担体１０を保持マット１２とともに外筒１３に圧入することで、触媒装置１が形成される。

上記の過程において触媒担体１０にパラジウム、ロジウム、白金を担持させるための溶液は、これら金属を含む化合物を所定溶媒に溶解させたものである。パラジウムを担持させるために用いる材料としては、硝酸塩、塩化物、酢酸塩、錯塩（ジクロロテトラアンミンパラジウム等）等が挙げられる。また、白金を担持させる材料としては、硝酸塩、塩化物、酢酸塩、錯塩（ジニトロジアンミン白金、トリクロロトリアンミン白金等）等が挙げられる。また、触媒担体１０にロジウムを担持させる材料としては、硝酸塩、塩化物、酢酸塩、硫酸塩、錯塩（ペンタアンミンクロロロジウム、ヘキサアンミンロジウム等）等が挙げられる。そして、これらの材料の溶液を調整し、この溶液に上述した触媒担体１０を含浸させることにより、触媒担体１０にパラジウム、白金、ロジウムを担持させることができる。溶媒としては、水や有機溶媒を用いることが可能であるが、溶解度や廃液処理の容易性、入手容易性等を考慮すると水が好ましい。また、上記溶液に触媒担体１０を含浸させた後、触媒担体１０を、例えば２５０度程度に加熱して乾燥させることで、触媒担体１０が有する多孔構造にパラジウム、ロジウム、白金が担持され、排気ガス中の窒素酸化物、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）等を分解浄化することができる。なお、要求される排気ガス浄化性能によっては、パラジウム、ロジウム、白金のいずれか１又は２種のみを触媒担体１０に担持させて触媒を構成してもよい。また、パラジウム、ロジウム、白金の他に、触媒として機能する金属や金属化合物（例えば、セリウムやイリジウム、ジルコニウム又はこれらの酸化物等）等を触媒担体１０に担持させてもよい。

また、外筒１３に保持マット１２及び触媒担体１０を圧入した後で、さらに触媒装置１を加熱して、保持マット１２と外筒１３とを接合することも可能である。この場合、保持マット１２と外筒１３の内面とは、密着した状態で加熱されることで、所定の保持力を発揮する程度に密着、接着あるいは接合される。
なお、本第１の実施形態において外筒１３は予め円筒形に形成されたものを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、キャニング、巻き締めによる方法がある。
キャニングにより触媒担体１０を収容する場合には、保持マット１２が巻き付けられた触媒担体１０に、円筒を軸線方向に沿って複数の片に分割した形状の分割片をあてがって、これらの分割片どうしを溶接、接着及びボルト止め等により接合して外筒１３を形成する。この方法では、複数の分割片を接合する際に、これら分割片が、保持マット１２を圧縮するように押圧される。このため、外筒１３に収容された状態で、触媒担体１０及び保持マット１２は、保持マット１２の反発力により外筒１３内の所定位置に保持される。
また、巻き締めにより触媒担体１０を収容する場合には、保持マット１２が巻き付けられた触媒担体１０に、上述した外筒１３の材料となる金属製の板材を巻き付けることで、この板材の端部どうしが溶接、接着及びボルト止め等により接合されて円筒形の外筒１３が形成される。この方法では、板材を巻き付ける過程で、板材に対し、保持マット１２を圧縮するような張力が加えられる。このため、外筒１３に収容された状態で、触媒担体１０及び保持マット１２は、保持マット１２の反発力により外筒１３内の所定位置に保持される。

このように構成される触媒装置１は、例えば図１に示したように排気マフラ１００内に配設されて使用される場合に、高温の排気ガスが内部を通過することで、触媒担体１０、保持マット１２及び外筒１３が、いずれも高温に晒される。触媒担体１０及び保持マット１２を構成するセラミックスは線膨張係数が非常に小さく、例えばセラミックス製のハニカム触媒担体としては、線膨張係数が１．２×１０^-6／℃程度のものが知られている。このため、触媒装置１が高温となっている状態では、触媒担体１０と外筒１３とが異なる割合で膨張するため、触媒担体１０と外筒１３との間隔が広がって、保持マット１２の反発力による触媒担体１０の保持力が弱まる可能性がある。しかしながら、本第１の実施形態における触媒装置１は、上述したように、ステンレス材料（例えば、ＪＩＳＳＵＳ４３０等）よりも線膨張係数が低い材料により外筒１３を構成しているので、熱による外筒１３の膨張が非常に小さく、線膨張係数の低い触媒担体１０や保持マット１２との間にクリアランスを生じるおそれがなく、保持マット１２の反発力が顕著に低下することもない。このため、排気ガスの高温に晒されても、触媒担体１０の保持性能が常温の状態から殆ど変化しない触媒装置を実現できる。これにより、保持マット１２による保持力が低下した場合の備えとして、例えば触媒担体１０が外筒１３内で移動しないように固定または係止する突起や別の部材などを設ける必要がない。従って、構造を複雑化することなく、排気ガスの熱に晒されても安定して触媒担体１０及び保持マット１２を保持することが可能となる。

また、外筒１３の形状は、触媒担体１０及び保持マット１２を収容するのに必要な要件を満たす単純な円筒形であって、その他の複雑な形状を必要としない。このため、外筒１３の製造に要する工数は、例えばステンレスや鉄系の材料により外筒１３を製造する場合と変わらない。このように、外筒１３の材料を、ステンレス材料よりも線膨張係数が低い材料とすることで、複雑な構造を用いず、製造工数の増加や機構の複雑化を招くことなく、高温時においても触媒担体１０及び保持マット１２を安定して保持することが可能な触媒装置１を、容易に実現可能である。

特に、本第１の実施形態で説明したように、外筒１３の材料を、純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか、若しくは、純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか１以上を含む合金とした場合、外筒１３の線膨張係数がステンレス材料等に比べて大幅に低く、使用時に高温の排気ガスに晒された場合の膨張による変形量が極めて小さくて済む。このため、高温の環境下においても触媒担体１０の保持性能が殆ど変化しないので、触媒担体１０の保持性能を確保するために必要な精度、すなわち許容され得る精度の範囲が広がり、設計及び製造上の自由度が高まる等といった利点がある。
さらに、外筒１３の材料としてあげられる純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか、若しくは、純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか１以上を含む合金は、融点が高いという利点を有しており、例えば、排気経路において内燃機関に近い位置に設置しても何ら問題がなく、また、高温の排気ガスに晒される環境下でも長期にわたって使用できる。上記の材料は軽量であるという利点を有しており、例えば自動二輪車や自動車に設置した場合の車体重量の軽量化、車体の設計上の自由度の向上、取り扱い性・作業性の向上等の有利な効果が得られる。

［第２の実施形態］
図４は、本発明を適用した第２の実施形態に係る排気管構造１４０を示す断面図である。
なお、本第２の実施形態において、上記第１の実施形態と同様に構成される部分については同符号を付して説明を省略する。
図４に示す排気管構造１４０は、触媒装置１のエンジン（図示略）側にチタン製排気管５０を接合し、触媒装置１の排気マフラ（図示略）側にチタン製排気管５５を接合して構成されるものである。排気管構造１４０は、エンジンの排気口と排気マフラとを繋ぐ排気経路の一部を構成する管路であり、具体的には、排気マニホールド、集合管、或いは、これらとエンジンまたは排気マフラとを繋ぐパイプである。符号Ｄで示す排気ガスの流れに対し、チタン製排気管５０は触媒装置１の上流側に位置し、チタン製排気管５５は触媒装置１の下流側に位置する。

チタン製排気管５０は外筒１３よりも細径の中空管により構成され、チタン製排気管５０の端部には次第に径が拡大するテーパー部５１が形成され、テーパー部５１の先端に外筒１３が接合されている。また、チタン製排気管５５は、外筒１３と同径の中空管である。
また、チタン製排気管５０及びチタン製排気管５５は、いずれも、外筒１３と同様のチタン系材料で構成されている。

すなわち、本第２の実施形態において、外筒１３、チタン製排気管５０、及びチタン製排気管５５は、いずれも、α合金、α−β合金、β合金などのチタン合金あるいは純チタン（JIS １種〜４種）であり、チタン合金としては、チタン（Ti）とともに、アルミニウム（Al）、ケイ素（Si）、鉄（Fe）、銅（Cu）、スズ（Sn）、バナジウム（V）、ニオブ（Nb）、モリブデン（Mo）、クロム（Cr）、ジルコニウム（Zr）等の他種金属のいずれか１以上を含むものであり、その他の不可避不純物を含んでいてもよく、さらに、酸素（Ｏ）を含むもの等が挙げられる。具体的には、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−６Ｖ−２Ｓｎ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ、Ｔｉ−１．５Ａｌ、Ｔｉ−１０Ｖ−２Ｆｅ−３Ａｌ、Ｔｉ−７Ａｌ−４Ｍｏ、Ｔｉ−５Ａｌ−２．５Ｓｎ、Ｔｉ−６Ａｌ−５Ｚｒ−０．５Ｍｏ−０．２Ｓｉ、Ｔｉ−５．５Ａｌ−３．５Ｓｎ−３Ｚｒ−０．３Ｍｏ−１Ｎｂ−０．３Ｓｉ、Ｔｉ−８Ａｌ−１Ｍｏ−１Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ、Ｔｉ−５Ａｌ−２Ｓｎ−２Ｚｒ−４Ｍｏ−４Ｃｒ、Ｔｉ−１１．５Ｍｏ−６Ｚｒ−４．５Ｓｎ、Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ａｌ−３Ｓｎ、Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ、Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ、Ｔｉ−１３Ｖ−１１Ｃｒ−３Ａｌ等を用いることができる。また、上記純チタン或いはチタン合金からなる材料に炭化ケイ素（ＳｉＣ）、炭化ホウ素（Ｂ₄Ｃ等）、ガラス、酸化鉄等の微粒子を含ませた材料を用いてもよい。
なお、外筒１３、チタン製排気管５０、５５は、溶接の容易性や材料調達の容易性、製造コスト等を勘案すると、全て同一の材料であることが好ましいが、外筒１３、チタン製排気管５０、５５が同一の材料で構成されていない構造も許容され、上述したチタンを含む材料のうちいずれかであれば、外筒１３、チタン製排気管５０、５５を異なる材料としてもよい。

このように、外筒１３、チタン製排気管５０、５５が、いずれも、純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか、若しくは、純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか１以上を含む合金で構成されているので、チタン製排気管５０と外筒１３、及び、外筒１３とチタン製排気管５５を、例えば溶接によって容易に、かつ確実に接合できる。
すなわち、図４に示すように、テーパー部５１の先端と外筒１３の端部１３Ａとは同径であり。突き合わせ溶接により接合される。また、外筒１３の端部１３Ｂとチタン製排気管５５の先端とは同径であり、同様に突き合わせ溶接により接合される。チタンを含む金属材料どうしの溶接は材料間の相性が良いため、容易に、十分な強度で接合できる。

この第２の実施形態に係る排気管構造１４０においては、上述した第１の実施形態で説明した効果に加え、触媒装置１において触媒担体１０及び保持マット１２を収容するための外筒１３を、排気管構造１４０の一部として利用できるという利点がある。これにより、触媒装置１を収容するための外装等が必要なく、コストの低減及び軽量化を図ることができる。また、外筒１３に接合されるチタン製排気管５０、５５が、外筒１３と同様に、純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか、若しくは、純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか１以上を含む合金で構成されるので、同種または類似種の金属どうしの接合を行うことになり、溶接等によって容易に接合でき、高い接合強度が得られる。

［第３の実施形態］
図５は、本発明を適用した第２の実施形態に係る排気管構造１４０を示す断面図である。
なお、本第３の実施形態において、上記第１及び第２の実施形態と同様に構成される部分については同符号を付して説明を省略する。
図５に示す排気管構造１５０は、触媒装置２のエンジン（図示略）側にステンレス製排気管６０を接合し、触媒装置２の排気マフラ（図示略）側にステンレス製排気管６５を接合して構成されるものである。
排気管構造１５０は、エンジンの排気口と排気マフラとを繋ぐ排気経路の一部を構成する管路であり、具体的には、排気マニホールド、集合管、或いは、これらとエンジンまたは排気マフラとを繋ぐパイプである。符号Ｄで示す排気ガスの流れに対し、ステンレス製排気管６０は触媒装置２の上流側に位置し、ステンレス製排気管６５は触媒装置１の下流側に位置する。

触媒装置２は、上述した触媒装置１において、外筒１３に代えて外筒１４を備えたものである。外筒１４は、外筒１３と同様の材料で構成された円筒形の中空の管である。外筒１３との相違は、排気方向Ｄに対して上流側の端部１４Ａ、及び、下流側の端部１４Ｂに、それぞれ、ステンレス製排気管６０、６５と接合するための加工が施されている点にある。

また、ステンレス製排気管６０、６５は、いずれも、ステンレス材料（ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ３０４等）により構成された中空の管である。ステンレス製排気管６０と外筒１４との接合部、及び、外筒１４とステンレス製排気管６５との接合部において、ステンレス製排気管６０、６５は、いずれも外筒１４より一回り小さい径となっており、外筒１４内部に入り込む。この状態で、接合片６１、６６を溶接することにより、外筒１４とステンレス製排気管６０及び外筒１４とステンレス製排気管６５が接合される。

図６は、排気管構造１４０における接合部の構成を示す拡大図であり、図６Ａはステンレス製排気管６０と外筒１４との接合部を示し、図６Ｂは外筒１４とステンレス製排気管６５との接合部を示す。
図６Ａに示すように、外筒１４の上流側の開口端である端部１４Ａには、孔１４Ｃが形成されている。孔１４Ｃは、外筒１４を貫通する孔であり、外筒１４の開口縁の周方向に沿って、所定の間隔をあけて複数形成されている。
ステンレス製排気管６０の端部６０Ａは、端部１４Ａに対し、孔１４Ｃよりも奥まで入り込んでおり、この状態で、端部６０Ａに対して接合片６１が溶接される。接合片６１は、外筒１４の外側から孔１４Ｃを通って端部６０Ａに接する形状を有する金属片であり、ステンレス製排気管６０と同様のステンレス材料で構成される。

端部６０Ａと接合片６１とはプロジェクション溶接により溶接される。すなわち、接合片６１を孔１４Ｃに差し入れた状態で接合片６１とステンレス製排気管６０との間に通電し、その接触部位の発熱により接合される。この方法により、端部１４Ａに設けられた全ての孔１４Ｃを通して、端部６０Ａに接合片６１が溶接される。ここで、複数の接合片６１が接合されることになるが、これら複数の接合片６１が互いに繋がっていてもよいし、一つ一つが独立した小片となっていてもよい。

一方、図６Ｂに示すように、外筒１４の下流側の開口端である端部１４Ｂには、孔１４Ｄが形成されている。孔１４Ｄは外筒１４を貫通する孔であり、外筒１４の開口縁の周方向に沿って、所定の間隔をあけて複数形成されている。
ステンレス製排気管６５の端部６５Ａは、端部１４Ｂに対し、孔１４Ｄよりも奥まで入り込んでおり、この状態で、端部６５Ａに対して接合片６６が溶接される。接合片６６は、外筒１４の外側から孔１４Ｄを通って端部６５Ａに接する形状を有する金属片であり、ステンレス製排気管６５と同様のステンレス材料で構成される。

そして、端部６５Ａと接合片６６とはプロジェクション溶接により溶接される。すなわち、接合片６６を孔１４Ｄに差し入れた状態で接合片６６とステンレス製排気管６５との間に通電し、その接触部位の発熱により接合される。この方法により、端部１４Ｂに設けられた全ての孔１４Ｄを通して、端部６５Ａに接合片６６が溶接される。ここで、複数の接合片６６が接合されることになるが、これら複数の接合片６６は繋がっていてもよいし独立した小片であってもよい。

排気管構造１５０においては、チタンを含む材料からなる外筒１４と、ステンレス製排気管６０、６５とを接合する必要がある。これら異種金属を接合するにあたって、外筒１４の端部１４Ａ、１４Ｂに孔１４Ｃ、１４Ｄをそれぞれ設け、これら孔１４Ｃ、１４Ｄを利用して接合片６１、６６とステンレス製排気管６０、６５とを接合する。この方法によれば、同種金属を溶接することによって、外筒１４とステンレス製排気管６０、６５を容易に、かつ十分な強度で接合することができる。

触媒装置２は、上述した触媒装置１と同様に、ステンレス材料よりも線膨張係数の低い材料からなる外筒１４に、触媒担体１０及び保持マット１２を収容して構成される。このため、上述した第１及び第２の実施形態で説明したような利点が得られる。
加えて、排気管構造１５０においては、より安価なステンレス製排気管６０、６５を用いることにより、低コストで実現可能な形態となっている。この排気管構造１５０においても、上記第２の実施形態で説明したような利点、すなわち、触媒担体１０及び保持マット１２を収容するための外筒１４を、排気管構造１５０の一部として利用でき、触媒装置２を収容するための外装等が必要なく、コストの低減及び軽量化を図ることができるという利点がある。
また、異種金属の接合となる外筒１４とステンレス製排気管６０、６５との接合は、外筒１４の端部１４Ａ、１４Ｂに孔１４Ｃ、１４Ｄを形成して、外側から接合片６１、６６をあてがってプロジェクション溶接を行う方法により、容易に、かつ確実に行える。

なお、上記実施形態は本発明を適用した一態様を示すものであって、本発明は上記実施形態に限定されない。
例えば、上記実施形態では、外筒１３、１４は円筒形のものとして説明したが、本発明はこれに限定されず、中空の管であれば、楕円や多角形の断面形状を有する形状としてもよい。また、上記実施形態では、白金、ロジウム及びパラジウムを触媒担体１０に担持するものとして説明したが、イリジウムやセリウム酸化物等のその他の触媒物質を担持しても良い。また、また、保持マット１２は触媒担体１０の外表面１１の全てを覆うものに限らず、外表面１１の一部が保持マット１２に覆われずに露出していてもよい。その他の細部構成についても任意に変更可能であることは勿論である。

本発明の第１の実施形態に係る触媒装置を備えた排気マフラを模式的に示す図である。触媒装置の構成を示した分解斜視図である。触媒装置の断面図である。本発明の第２の実施形態に係る触媒装置を備えた排気管構造を示す断面図である。本発明の第３の実施形態に係る触媒装置を備えた排気管構造を示す断面図である。第３の実施形態における接合部の構成を示す拡大図である。

符号の説明

１、２触媒装置
５細孔
１０触媒担体
１１外表面
１２保持マット
１３、１４外筒
５０、５５チタン製排気管
６０、６５ステンレス製排気管
６１、６６接合片
１００排気マフラ
１０５接合部
１４０、１５０排気管構造

Claims

内燃機関の排気ガスを浄化する触媒を担持したセラミックス製の触媒担体と、
前記触媒担体を収容する外筒と、
前記外筒と前記触媒担体との間に介設されるマットと、を備え、
前記外筒はステンレス材料よりも線膨張係数が低い材料により構成されたこと、
を特徴とする触媒装置。
前記外筒を構成する材料は純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか、若しくは、純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか１以上を含む合金であること、を特徴とする請求項１記載の触媒装置。
前記外筒が、純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか、若しくは、純チタン、チタン合金およびチタン化合物のいずれか１以上を含む合金で構成された排気管に接合されることにより、前記排気管とともに前記内燃機関の排気経路を構成すること、を特徴とする請求項２記載の触媒装置。
前記外筒内において、前記触媒担体及び前記マットは圧迫された状態で収容され、圧入された前記マットの前記触媒担体及び前記外筒に作用する反発力によって前記触媒担体を保持していること、を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の触媒装置。