JP2013215659A - Catalytic converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排ガスの排気系統を構成する配管内に収容固定される触媒コンバーターに関するものである。 The present invention relates to a catalytic converter that is housed and fixed in a pipe constituting an exhaust gas exhaust system.
各種産業界においては、環境影響負荷低減に向けた様々な取り組みが世界規模でおこなわれており、中でも、自動車産業においては、燃費性能に優れたガソリンエンジン車は勿論のこと、ハイブリッド車や電気自動車等のいわゆるエコカーの普及とそのさらなる性能向上に向けた開発が日々進められている。 Various industries are making various efforts to reduce environmental impact on a global scale. Among them, in the automobile industry, not only gasoline engine cars with excellent fuel efficiency, but also hybrid cars and electric cars. The development of the so-called eco-cars such as the above and the further improvement of its performance is being promoted every day.
ところで、車両エンジンとマフラーを繋ぐ排ガスの排気系統には、排ガスを浄化するための触媒コンバーターが一般に配設されている。 Incidentally, a catalytic converter for purifying exhaust gas is generally disposed in an exhaust system for exhaust gas that connects the vehicle engine and the muffler.
エンジンはCOやNOx、未燃焼のHCやVOCなど、環境に有害な物質を排出することがあり、こうした有害物質を許容可能な物質に変換するべく、パラジウムや白金のような金属触媒で被覆されたセラミックス構造体などが中空の基材内に配設されてなる触媒コンバーターに排ガスを通すことにより、COはCO2に転化され、NOxはN2とO2に転化され、VOCは燃焼してCO2とH2Oが生成されることになる。 Engines may emit environmentally harmful substances such as CO, NOx, unburned HC, and VOCs, and are coated with a metal catalyst such as palladium or platinum to convert these harmful substances into acceptable substances. By passing exhaust gas through a catalytic converter in which a ceramic structure is placed in a hollow substrate, CO is converted to CO 2 , NOx is converted to N 2 and O 2 , and VOC is burned CO 2 and H 2 O will be produced.
ところで、触媒コンバーターを構成する基材には、そのガス流入端からガス流出端に向かう排ガス流れによって温度分布が生じるのが一般的である。たとえば、実際の耐久試験時や実車搭載時においては基材内の温度分布は一定ではなく、基材のフロント側(Fr側、排ガス流入側)がリア側(Rr側、排ガス流出側)よりも温度が高くなっており、また、基材の中心部よりも外側の温度が低くなっているなど、温度に偏り(分布)がある。 By the way, in the base material which comprises a catalytic converter, it is common that temperature distribution arises by the waste gas flow which goes to the gas outflow end from the gas inflow end. For example, the temperature distribution in the base material is not constant during an actual durability test or when mounted on an actual vehicle, and the front side (Fr side, exhaust gas inflow side) of the base material is more than the rear side (Rr side, exhaust gas outflow side). There is a bias (distribution) in temperature, for example, the temperature is high, and the temperature outside the center of the substrate is low.
このように基材に温度分布が生じることによって基材に生じる温度応力(熱応力)は部位ごとに異なってくるし、また、時間ごとにも温度応力が異なってくる。このように基材の部位ごとに発生する温度応力が相違すると、この温度応力の相違に起因して基材にクラックが生じ易くなってしまう。 As described above, the temperature distribution (thermal stress) generated in the base material due to the temperature distribution in the base material varies from site to site, and the temperature stress varies from time to time. Thus, if the temperature stress generated for each part of the substrate is different, cracks are likely to occur in the substrate due to the difference in temperature stress.
ここで、特許文献1には、金属容器内のセル構造体に対する圧縮面圧の変動が小さく、面圧分布を均一としてセル構造体の破損を防止するようにしたセル構造体収納容器とそのアッセンブリが開示されている。具体的には、セル構造体を金属容器内に収納したセル構造体収納容器であり、セル構造体の外周部と金属容器の間に耐熱性とクッション性を有する圧縮弾性材料を圧縮状態で配することによってセル構造体を金属容器内に把持するものであり、この圧縮弾性材料はセラミック繊維もしくはセラミック繊維と耐熱性金属繊維を含む耐熱性低熱膨張性材料であり、実用温度範囲内において大きく増減を生じない圧縮特性を有し、セル構造体の外周部に作用する圧縮力が大きく変動せず、セル構造体の外周部全体に実質的に均一に作用するものである。
Here,
特許文献1で開示の技術思想に基づき、触媒コンバーターを構成する基材の外周全体に実質的に均一に圧縮力(もしくは面圧)を作用させる構成を適用したとしても、既述するように、触媒コンバーターを構成する基材にはそのガス流入端からガス流出端に向かう排ガス流れによって温度分布が生じ、そのために、基材の部位ごとに生じる温度応力が異なってくることから、基材全体に均一な面圧を付与しても温度応力を効果的に低減することはできず、クラックの発生を抑制することは難しい。
Even if a configuration in which a compressive force (or surface pressure) is applied substantially uniformly to the entire outer periphery of the base material constituting the catalytic converter based on the technical idea disclosed in
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、触媒コンバーターを構成する基材においてそのガス流入端からガス流出端に向かう排ガス流れによって温度分布が生じ、この温度分布によって基材の部位ごとに生じる温度応力が異なり、この温度応力の相違に起因して基材にクラックが生じ易いといった課題を効果的に解消することのできる触媒コンバーターを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and a temperature distribution is generated by the exhaust gas flow from the gas inflow end toward the gas outflow end in the base material constituting the catalytic converter. It is an object of the present invention to provide a catalytic converter capable of effectively solving the problem that the temperature stress generated in the substrate is different and cracks are likely to occur in the substrate due to the difference in the temperature stress.
前記目的を達成すべく、本発明による触媒コンバーターは、ガスが流れる中空を有し、該中空にガスが流れ込むガス流入端から該中空からガスが流れ出すガス流出端までの長さがLの基材と、前記基材内に収容された触媒と、を少なくとも備えた触媒コンバーターであって、前記基材においてガスの流入端から0.04L〜0.06Lの間の流入側範囲では0.8〜1.2MPaの面圧が付与され、前記基材においてその中心である0.5Lからガス流入端側およびガス流出端側へそれぞれ0.2L〜0.25Lの間の中央範囲では0.3〜0.6MPaの面圧が付与されているものである。 In order to achieve the above object, a catalytic converter according to the present invention has a hollow in which a gas flows, and a base having a length L from a gas inflow end where gas flows into the hollow to a gas outflow end where gas flows out from the hollow And a catalyst housed in the base material, and a surface of 0.8 to 1.2 MPa in the inflow side range from 0.04 L to 0.06 L from the gas inflow end in the base material. Pressure is applied, and a surface pressure of 0.3 to 0.6 MPa is applied in the central range between 0.5 L to 0.25 L from 0.5 L, which is the center of the base material, to the gas inflow end side and the gas outflow end side, respectively. Is.
本発明者等はCAE解析をおこなって触媒コンバーターを構成する中空の基材内で生じる温度分布を特定し、この温度分布に起因する温度応力を特定して基材表面に生じ得る温度応力の閾値を規定し、基材の部位ごとで異なる温度応力がこの閾値よりも小さくなるように基材の適所に所望の面圧を付与するようにしたものである。 The present inventors specify the temperature distribution generated in the hollow base material constituting the catalytic converter through CAE analysis, specify the temperature stress resulting from this temperature distribution, and the threshold value of the temperature stress that can be generated on the surface of the base material And a desired surface pressure is applied to an appropriate position of the base material so that the temperature stress that differs depending on the part of the base material is smaller than this threshold value.
そして、解析の結果、ガス流入端からガス流出端までの長さLの基材において、ガスの流入端から0.04L〜0.06Lの間の流入側範囲では0.8〜1.2MPaの面圧が付与され、基材の中心である0.5Lからガス流入端側およびガス流出端側へそれぞれ0.2L〜0.25Lの間の中央範囲では0.3〜0.6MPaの面圧が付与されている触媒コンバーターとすることにより、基材の全範囲に生じ得る温度応力を規定の閾値未満とすることができ、もって基材に生じ得るクラックの発生を効果的に抑制することができる。たとえば長さLが100mmの基材においては、その流入端から4mm〜6mmの間の範囲においては0.8〜1.2MPaの範囲の面圧を付与し、基材の中央50mmからガス流入側へ20mm〜25mmの範囲とガス流出側へ20mm〜25mmの範囲(すなわち、ガス流入端から25mm〜75mmの範囲)においては0.3〜0.6MPaの面圧を付与するものである。
As a result of the analysis, in the base material having a length L from the gas inflow end to the gas outflow end, a surface pressure of 0.8 to 1.2 MPa is applied in the inflow side range from 0.04 L to 0.06 L from the gas inflow end. By using a catalytic converter to which a surface pressure of 0.3 to 0.6 MPa is applied in the center range between 0.2 L to 0.25 L from the center 0.5 L to the gas inflow end side and the gas outflow end side, respectively. The temperature stress that can occur in the entire range of the substrate can be made less than the specified threshold value, and the occurrence of cracks that can occur in the substrate can be effectively suppressed. For example, in a base material having a length L of 100 mm, a surface pressure in the range of 0.8 to 1.2 MPa is applied in a range between 4 mm and 6 mm from the inflow end, and 20 mm to the gas inflow side from the
また、基材においてガスの流出端近傍の流出側範囲においては、流入側範囲と同じ範囲で同程度の面圧が付与される形態であってもよいし、流入側範囲とは異なる範囲(たとえば、流出端から0.02L程度の極めて短い範囲)で0.5MPa程度の相対的に低い面圧が付与される形態であってもよい。基材における流出側範囲では、流入側範囲に比して流通するガスの温度が相対的に低いため、流入側範囲よりも付与する面圧や面圧付与範囲を小さくできることがその理由である。 Further, in the outflow side range in the vicinity of the gas outflow end in the base material, the same surface pressure may be applied in the same range as the inflow side range, or a range different from the inflow side range (for example, Further, a relatively low surface pressure of about 0.5 MPa may be applied in an extremely short range of about 0.02 L from the outflow end. The reason is that in the outflow side range of the base material, the temperature of the circulating gas is relatively lower than that of the inflow side range, and therefore the surface pressure and the surface pressure application range that can be applied can be made smaller than the inflow side range.
ここで、使用される基材としては、大電力バッテリへの対応が可能であるセラミックス素材の基材が望ましいが、メタル素材等のセラミックス素材以外の素材のものが使用されることを排除するものではない。また、セラミックス素材の基材が適用される場合においても、これが本発明の触媒コンバーターに適用されていることにより、懸念される温度応力に起因したクラックの発生は抑制される。 Here, the base material used is preferably a ceramic material base material capable of supporting a high-power battery, but excludes the use of materials other than ceramic materials such as metal materials. is not. In addition, even when a ceramic material base material is applied, the occurrence of cracks due to the concerned temperature stress is suppressed by applying this to the catalytic converter of the present invention.
また、使用される触媒にはハニカム触媒等が適用でき、この触媒は炭化ケイ素やステンレス系金属等の導電性金属からなる四角形もしくは六角形の多数の格子輪郭からなり、各格子内にアルミナやジルコニア、セリア等を主成分とするマトリックス担体内に白金やパラジウム、ロジウムなどの触媒金属が分散して担持され、格子中央には排ガスが通過する通気孔が形成された構造を有するものである。 In addition, a honeycomb catalyst or the like can be applied to the catalyst used, and this catalyst has a large number of square or hexagonal lattice contours made of conductive metal such as silicon carbide or stainless steel metal, and alumina or zirconia is contained in each lattice. In addition, catalytic metals such as platinum, palladium, and rhodium are dispersed and supported in a matrix carrier containing ceria as a main component, and a vent hole through which exhaust gas passes is formed in the center of the lattice.
基材の適所に所望の面圧を付与する形態としては、少なくとも基材の流入側範囲の外周と中央範囲の外周にはそれぞれ環状体が配設されており、環状体と基材の間にスペーサーが嵌め込まれて(キャニングされて)前記面圧が生ぜしめられている形態がある。 As a form for applying a desired surface pressure to an appropriate position of the base material, an annular body is disposed at least on the outer periphery of the inflow side range and the outer periphery of the central range of the base material, and between the annular body and the base material. There is a form in which a spacer is fitted (canned) to generate the surface pressure.
ここで、スペーサーとしては、キャニングの際にたとえばセラミックス素材の基材に対してその温度応力を低減できる程度の面圧を付与できる剛性と弾性を有したものであり、一例としては基材よりも剛性の低いセラミック素材のもの、基材よりも剛性の低い金属素材のものが挙げられる。このようにスペーサーを適所に配設することにより、基材の適所に所望の面圧を付与できることに加えて、この保温効果によって基材の温度低下を抑制することもできる。 Here, the spacer has rigidity and elasticity capable of imparting a surface pressure enough to reduce the temperature stress on the ceramic base material during canning, for example, than the base material. The thing of a ceramic material with low rigidity and the thing of a metal material whose rigidity is lower than a base material are mentioned. In this manner, by arranging the spacers at appropriate positions, a desired surface pressure can be applied to the appropriate positions of the base material, and in addition, the temperature decrease of the base material can be suppressed by this heat retention effect.
スペーサーの厚みを調整したり、スペーサーの素材を変化させることにより、これが環状体と基材の間にキャニングされた際に生じる面圧を所望に変化させることができる。また、スペーサーの素材や厚みを変化させることは、スペーサーの重量を変化させることにも繋がり、このスペーサーの重量の変化が面圧の変化に寄与するとも言える。 By adjusting the thickness of the spacer or changing the material of the spacer, the surface pressure generated when the spacer is canned between the annular body and the substrate can be changed as desired. Moreover, changing the material and thickness of the spacer also leads to changing the weight of the spacer, and it can be said that the change in the weight of the spacer contributes to the change in the surface pressure.
また、基材の適所に所望の面圧を付与する他の形態として、排ガスの排気系統を構成する管路内に前記基材が収容され、少なくとも基材の流入側範囲の外周と前記管路の間、および中央範囲の外周と前記管路の間のそれぞれにスペーサーが嵌め込まれて前記面圧が生ぜしめられている形態であってもよい。 Further, as another form of applying a desired surface pressure to an appropriate position of the base material, the base material is accommodated in a pipe line constituting an exhaust system for exhaust gas, and at least an outer periphery of the inflow side range of the base material and the pipe line The surface pressure may be generated by inserting a spacer between the outer periphery of the central region and between the outer periphery of the central region and the pipe line.
この形態は、排ガスの排気系統を構成する管路内に基材を配し、管路と基材の間にスペーサーをキャニングする際に面圧を生ぜしめるものである。 In this embodiment, a base material is arranged in a pipe line constituting an exhaust gas exhaust system, and a surface pressure is generated when a spacer is canned between the pipe line and the base material.
また、基材の外周のうち、スペーサーが存在しない範囲には環状の保温材が配設されている形態が好ましい。 Moreover, the form with which the cyclic | annular heat insulating material is arrange | positioned in the range in which a spacer does not exist among the outer periphery of a base material is preferable.
この保温材は、基材に面圧を付与するスペーサーとは異なり、基材の表面でスペーサーのない領域における温度低下を抑制することのみを目的としたものである。スペーサーのない領域に保温材が配設されることにより、スペーサーと合わせて基材の全範囲の温度低下を抑制することができるし、基材の表面の中で部分的に温度低下領域が生じることも抑制できる。 Unlike the spacer that applies a surface pressure to the base material, this heat insulating material is intended only to suppress a temperature drop in a region where there is no spacer on the surface of the base material. By arranging the heat insulating material in the region without the spacer, it is possible to suppress the temperature decrease of the entire range of the base material together with the spacer, and the temperature decrease region is partially generated in the surface of the base material. This can also be suppressed.
さらに、本発明による触媒コンバーターの他の実施の形態は、前記基材が導電性を有し、基材の外周のうち、スペーサーが存在しない範囲には該基材に通電するための電極が配設されていて電気加熱式触媒を構成しているものである。 Furthermore, in another embodiment of the catalytic converter according to the present invention, the base material has conductivity, and an electrode for energizing the base material is arranged in a range where the spacer does not exist in the outer periphery of the base material. It is provided and constitutes an electrically heated catalyst.
車両エンジンとマフラーを繋ぐ排ガスの排気系統には、常温時の排ガスを浄化することに加えて、冷間時には電気加熱によって触媒を活性化させて排ガスを浄化する電気加熱式の触媒コンバーターが搭載されることがある。この電気加熱式の触媒コンバーターは、たとえばハニカム触媒に一対の電極を取り付け、電極を通電することでハニカム触媒を加熱し、ハニカム触媒の活性を高めてこれを通過する排ガスを無害化するものであり、電気加熱式触媒コンバーター(EHC: Electrically Heated Converter)と称することができる。 In addition to purifying the exhaust gas at normal temperature, the exhaust system that connects the vehicle engine and the muffler is equipped with an electrically heated catalytic converter that activates the catalyst by electric heating in the cold to purify the exhaust gas. Sometimes. This electric heating type catalytic converter, for example, attaches a pair of electrodes to a honeycomb catalyst and heats the honeycomb catalyst by energizing the electrodes, thereby increasing the activity of the honeycomb catalyst and detoxifying the exhaust gas passing therethrough. It can be referred to as an electrically heated catalytic converter (EHC).
電気加熱式触媒コンバーター(EHC)は通電加熱機能を有することから、耐久試験時や実車搭載時にクラックが発生すると電気の流れ方(発熱分布)が変わってしまう。そこで、電気加熱式触媒コンバーターとして本発明の触媒コンバーターを適用することにより、基材の部位ごとに異なる温度応力をクラックの発生しない程度の温度応力に制御することができ、初期の発熱分布を保証することができる。 Since the electrically heated catalytic converter (EHC) has a current heating function, the flow of electricity (heat generation distribution) changes when a crack occurs during an endurance test or when mounted on an actual vehicle. Therefore, by applying the catalytic converter of the present invention as an electric heating type catalytic converter, it is possible to control the temperature stress that is different for each part of the base material to a temperature stress that does not cause cracks, and guarantees the initial heat generation distribution. can do.
以上の説明から理解できるように、本発明の触媒コンバーターによれば、ガス流入端からガス流出端までの長さLの基材において、ガスの流入端から0.04L〜0.06Lの間の流入側範囲では0.8〜1.2MPaの面圧が付与され、基材の中心である0.5Lからガス流入端側およびガス流出端側へそれぞれ0.2L〜0.25Lの間の中央範囲では0.3〜0.6MPaの面圧が付与されている触媒コンバーターとすることにより、基材の全範囲に生じ得る温度応力を規定の閾値未満とすることができ、もって基材に生じ得るクラックの発生を効果的に抑制することができる。 As can be understood from the above description, according to the catalytic converter of the present invention, in the base material having a length L from the gas inflow end to the gas outflow end, the inflow side between 0.04L and 0.06L from the gas inflow end. A surface pressure of 0.8 to 1.2 MPa is applied in the range, and a surface of 0.3 to 0.6 MPa in the central range between 0.5 L, which is the center of the base material, and 0.2 L to 0.25 L from the gas inflow end side to the gas outflow end side, respectively. By using a catalytic converter to which pressure is applied, the temperature stress that can occur in the entire range of the base material can be made less than the specified threshold value, thereby effectively suppressing the occurrence of cracks that can occur in the base material. Can do.
以下、図面を参照して本発明の触媒コンバーターの実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the catalytic converter of the present invention will be described with reference to the drawings.
(排ガスの排気系統)
図1は本発明の触媒コンバーターが介在する排ガスの排気系統を説明した模式図である。
(Exhaust gas exhaust system)
FIG. 1 is a schematic view illustrating an exhaust gas exhaust system in which the catalytic converter of the present invention is interposed.
図示する排ガスの排気系統は、エンジン20、触媒コンバーター10、三元触媒コンバーター30、サブマフラー40およびメインマフラー50が配されて相互に系統管60で繋がれ、エンジン20で生成された排ガスは同図のX1方向に排気されるようになっている。図示する排気系統において、触媒コンバーター10が実施の形態4にかかる電気加熱式触媒コンバーター(EHC)の場合には、たとえばエンジン20を始動させた際に、可及的速やかに電気加熱式触媒コンバーターを構成するハニカム触媒を所定温度まで加熱昇温し、エンジンから流通してくる排ガスをこのハニカム触媒にて浄化し、電気加熱式触媒コンバーターで浄化しきれなかった排ガスはその下流に位置する三元触媒浄化装置30にて浄化されることになる。
次に、以下、触媒コンバーターの実施の形態を図2〜8を参照して説明する。
The exhaust gas exhaust system shown in the figure includes an
Next, an embodiment of the catalytic converter will be described below with reference to FIGS.
(触媒コンバーターの実施の形態1)
図2は本発明の触媒コンバーターの実施の形態1を説明した模式図であり、図3は図2のIII−III矢視図である。
(
FIG. 2 is a schematic
配管60内に収容される触媒コンバーター10は、そのガス流入端からガス流出端に亘るガスの流れ方向の長さがLの円筒状の基材1と、基材1の中空1aに搭載されるハニカム触媒4と、基材1の外周において、ガス流入端から長さt1の範囲(流入側範囲)にある環状のスペーサー3a、ガス流出端から長さt3の範囲(流出側範囲)にある環状スペーサー3c、および中央位置から左右それぞれt2の範囲(長さ2×t2の中央範囲)にある環状のスペーサー3bと、それぞれのスペーサー3a、3b、3cを基材1とともに挟み込む環状体2a、2b、2cから大略構成されている。そして、これら環状体2a、2b、2cによってスペーサー3a、3b、3cが基材1の周囲にキャニングされ、このキャニングによってスペーサー3a、3b、3cには圧力が生じ、これがスペーサー3a、3b、3cを介して、基材1の流入側範囲、中央範囲、および流出側範囲に対して所望の面圧となって付与される。
The
ここで、中空1aを具備する基材1は、好適には炭化ケイ素等のセラミックスから形成されるものであるが、ステンレス系金属等の導電性金属から形成されてもよい。
Here, although the
また、基材1の中空内に収容されるハニカム触媒4は、炭化ケイ素やステンレス系金属等の導電性金属からなる四角形もしくは六角形の多数の格子輪郭からなり、各格子内にアルミナやジルコニア、セリア等を主成分とするマトリックス担体内に白金やパラジウム、ロジウムなどの触媒金属が分散して担持され、格子中央には排ガスが通過する通気孔が形成された構造を有するものである。
The
さらに、スペーサー3a、3b、3cは、キャニングの際にたとえばセラミックス素材の基材1に対してその温度応力を低減できる程度の面圧を付与可能な剛性と弾性を有した素材からなるもので、その一例としては、基材1よりも剛性の低いセラミック素材のもの、基材1よりも剛性の低い金属素材のものが挙げられる。
Furthermore, the
ガス流入端からガス流出端までの長さLの基材1において、図示するガスの流入端からの長さt1は0.04L〜0.06Lの間の範囲にあり(流入側範囲という)、この流入側範囲では0.8〜1.2MPaの面圧が付与される。
In the
この面圧の付与に関しては、スペーサー3a、3b、3cの厚みを調整したり、スペーサー3a、3b、3cの素材を変化させることにより、これが環状体2a、2b、2cと基材1の間にキャニングされた際に生じる面圧を所望に変化させることができる。また、スペーサー3a、3b、3cの素材や厚みを変化させることは、スペーサー3a、3b、3cの重量を変化させることにも繋がり、この重量の変化によって面圧が変化することにもなる。
Regarding the application of this surface pressure, the thickness of the
また、図示する基材1の中心からの左右の長さt2は、基材1の中心であるガス流入端から0.5Lの位置からガス流入端側およびガス流出端側へそれぞれ0.2L〜0.25Lの間の範囲にあり(中央範囲という)、この中央範囲では0.3〜0.6MPaの面圧が付与される。
The left and right lengths t2 from the center of the
さらに、図示するガスの流出端からの長さt3は特に限定されるものではなく(この範囲を流出側範囲という)、流入側範囲の長さt1と同じ長さに設定してもよいし、長さt1よりも短い長さに設定してもよく、この流出側範囲に付与される面圧も特に限定されるものでなく、流入側範囲と同じ面圧に設定されてもよいし、流入側範囲よりも小さな面圧が設定されてもよい。 Furthermore, the length t3 from the outflow end of the illustrated gas is not particularly limited (this range is referred to as the outflow side range), and may be set to the same length as the length t1 of the inflow side range, The length may be set shorter than the length t1, and the surface pressure applied to the outflow side range is not particularly limited, and may be set to the same surface pressure as the inflow side range. A surface pressure smaller than the side range may be set.
上記する流入側範囲の長さ範囲やここに付与される面圧範囲、および、中央範囲の長さ範囲やここに付与される面圧範囲はいずれも、本発明者等による解析結果に基づいて基材1にクラックを生じさせない、もしくは生じ難くさせることのできる範囲である。なお、この解析内容やその結果に関しては後述する。
The length range of the inflow side range and the surface pressure range given here, and the length range of the central range and the surface pressure range given here are all based on the analysis results by the present inventors. This is the range in which the
図示する触媒コンバーター10によれば、ガス流入端からガス流出端までの長さLの基材1において、ガスの流入端から0.04L〜0.06Lの間の流入側範囲では0.8〜1.2MPaの面圧が付与され、基材1の中心である0.5Lの位置からガス流入端側およびガス流出端側へそれぞれ0.2L〜0.25Lの間の中央範囲では0.3〜0.6MPaの面圧が付与されていることにより、基材1の全範囲に生じ得る温度応力を規定の閾値未満とすることができ、もって基材1に生じ得るクラックの発生を効果的に抑制することができる。
According to the
(触媒コンバーターの実施の形態2)
図4は本発明の触媒コンバーターの実施の形態2を説明した模式図である。同図で示す触媒コンバーター10Aは、図2,3で示す触媒コンバーター10を構成する基材1の外周面において、スペーサー3a、3b、3cが存在しない領域に環状の保温材5が配設されたものである。
(
FIG. 4 is a schematic
このように保温材5を配設することで、スペーサー3a、3b、3cとともに基材1の外周面は別途の部材で完全に包囲され、基材1の温度低下が効果的に抑制される。また、触媒コンバーター10のように、基材1の外周面において別部材(スペーサー3a、3b、3c)で包囲されている領域と包囲されていない露出領域が混在することで外周からの冷やされ方が相違し、このことによって基材1に温度分布が生じ、これがクラック発生の要因となり得るといった課題も生じ得ない。
By disposing the
(触媒コンバーターの実施の形態3)
図5は本発明の触媒コンバーターの実施の形態3を説明した模式図である。同図で示す触媒コンバーター10Bは環状体を備えておらず、排ガス系統管路60と基材1の間にスペーサー3a’、3b’、3c’が嵌め込まれているものである。触媒コンバーター10,10Aと同様、スペーサー3a’、3b’、3c’の厚みや素材が調整されることで基材1の流入側範囲、中央範囲、および流出側範囲に対してそれぞれ固有の所望面圧が付与される。
(Embodiment 3 of catalytic converter)
FIG. 5 is a schematic view illustrating Embodiment 3 of the catalytic converter of the present invention. The
(触媒コンバーターの実施の形態4)
図6は本発明の触媒コンバーターの実施の形態4を説明した模式図であり、図7は図6のVII−VII矢視図である。
(
FIG. 6 is a schematic
図示する触媒コンバーター10Cは、基材1の外周に一対の電極6,6を有し、これらの電極6,6は電源回路と繋がっている、電気加熱式触媒コンバーター(EHC)である。なお、図示する電源回路は不図示のスイッチング素子を有しているのが好ましく、その通電加熱に当たっては不図示の制御部からのON制御信号を受信してスイッチングされる構成となっているのがよい。
The illustrated
電気加熱式触媒コンバーターでは、図示するように、基材1の外周面においてスペーサーが存在しない領域に電極6が取付けられることになる。
In the electrically heated catalytic converter, as shown in the drawing, the
なお、触媒コンバーター10Cにおいて、スペーサー3a、3b、3cが存在しない領域のうち、さらに電極6が存在しない領域には図4で示すような保温材を配設してもよく、電極6が存在する領域には、電極6の取り付け位置以外の領域に同様に保温材を配設してもよい。
In the catalytic converter 10C, among the regions where the
[基材に付与する面圧の付与範囲と面圧の大きさ範囲を規定するための解析とその結果]
本発明者等は、実機エンジンのエンジンパターンとこれに基づく基材内温度の時刻歴データを使用し、基材に生じ得る温度応力を解析にて求め、温度応力に起因するクラックが生じない温度応力閾値を規定し、基材の各部に生じ得る温度応力がいずれも規定された閾値以下となるように基材の適所に所望の面圧を付与するべく、この面圧の付与範囲と面圧の大きさ範囲を特定する解析をおこなった。
[Analysis and results to define the range of surface pressure applied to the substrate and the size range of surface pressure]
The present inventors use the engine pattern of the actual engine and the time history data of the temperature in the base material based on this, obtain the temperature stress that can occur in the base material by analysis, and the temperature at which cracks due to the temperature stress do not occur The stress threshold value is defined, and the surface pressure application range and surface pressure are applied so that a desired surface pressure is applied to an appropriate position of the base material so that any temperature stress that can occur in each part of the base material is less than the specified threshold value. An analysis was performed to identify the size range.
図8は実機エンジンのエンジンパターン(エンジン回転数の時刻歴グラフ)を示す図であり、図9は触媒コンバーターの基材の中央レベルにおける温度の時刻歴グラフを示す図である。また、図10は触媒コンバーターの基材解析モデル(長さLの円筒状の基材のL/2の長さ範囲でさらにその1/4の範囲のモデル)と面圧が付与されていることを示す模式図である。さらに、図11は基材に生じる温度応力の閾値を規定するに当たり、図10で示す各温度測定点での温度の時刻歴と、基材の外周面と内周面の間の温度差の時刻歴を示した図であり、図12は温度応力解析結果を示す図であって、基材表面において温度応力が最小となる応力(温度応力の閾値)を特定した図である。 FIG. 8 is a view showing an engine pattern (time history graph of engine speed) of an actual engine, and FIG. 9 is a view showing a time history graph of temperature at the center level of the base material of the catalytic converter. In addition, FIG. 10 shows that a catalytic converter base material analysis model (a model with a length of L / 2 of a cylindrical base material having a length L and a quarter of the model) and surface pressure are applied. It is a schematic diagram which shows. Further, FIG. 11 shows the time history of the temperature at each temperature measurement point shown in FIG. 10 and the time of the temperature difference between the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the base material in defining the threshold value of the temperature stress generated in the base material. FIG. 12 is a diagram showing a result of thermal stress analysis, and is a diagram specifying a stress (temperature stress threshold) at which the thermal stress is minimum on the substrate surface.
図8で示すエンジンパターンでの触媒コンバーターの基材内中央レベルでの温度は、図9で示すように150℃〜900℃程度となっている。 The temperature at the center level in the base material of the catalytic converter in the engine pattern shown in FIG. 8 is about 150 ° C. to 900 ° C. as shown in FIG.
本解析では、基材の仕様として5.3mil/600cpsi、中空径φ93mmで長さL=100mmとしている。 In this analysis, the specifications of the substrate are 5.3 mil / 600 cpsi, the hollow diameter is 93 mm, and the length is L = 100 mm.
また、基材は一重管構造であり、基材(アルミナ72%、シリカ28%のセラミックス素材)とハニカム触媒の物性は以下の表1としている。
コンピュータ内において図10で示す基材の1/4モデル(全長100mmの1/2の長さモデル)を作成し、この基材表面の全面や所望範囲に面圧を付与したものである。 In the computer, a 1/4 model of the base material shown in FIG. 10 (1/2 length model with a total length of 100 mm) is created, and surface pressure is applied to the entire surface of the base material and a desired range.
まず、温度解析によって図10で示す解析モデルにおけるNo2、No5、No8の各位置での温度の時刻歴曲線を求め、これを図11に示している。なお、No5は基材モデルのガス流入端の基材内周面の点であり、No8は基材モデルのガス流入端の基材外周面の点であり、No2は基材モデルのガス流入端の基材中央レベルの点である。 First, the time history curve of the temperature at each position of No. 2, No. 5, and No. 8 in the analysis model shown in FIG. 10 is obtained by temperature analysis, and this is shown in FIG. Note that No5 is a point on the inner peripheral surface of the substrate at the gas inflow end of the base material model, No8 is a point on the outer peripheral surface of the base material at the gas inflow end of the base material model, and No2 is a gas inflow end of the base material model It is the point of the base material center level.
基材の内外表面差が基材のその箇所における温度応力に直結することから、図11においてNo5、No8の差分値の最も大きな時刻3秒位置を温度応力が最大となる位置として特定した。 Since the difference between the inner and outer surfaces of the base material is directly linked to the temperature stress at that part of the base material, the position at which time No. 3 and No. 8 have the largest difference value in FIG.
そして、この時刻3秒において、基材モデルに面圧を変化させながら付与し、基材表面に生じる温度応力解析を実施し、その結果を図12に示している。 Then, at this time of 3 seconds, the surface pressure is applied to the base material model while changing the surface stress, and the temperature stress generated on the surface of the base material is analyzed. The result is shown in FIG.
本解析結果より、基材表面の全面に0.4MPaを付与した際の基材の温度応力が23.9MPaと最小となり、基材全体がこの値をクリアできる場合に基材にクラックが生じないものとしてこの温度応力23.9MPaを目標の閾値に規定した。 From this analysis result, it is assumed that the temperature stress of the substrate when applying 0.4 MPa to the entire surface of the substrate is 23.9 MPa minimum, and if the entire substrate can clear this value, the substrate will not crack This temperature stress of 23.9 MPa was defined as the target threshold value.
なお、図13には基材表面に付与する面圧を変化させた際の温度応力解析結果を示しているが、この解析結果からも、面圧として0.4MPaを付与した際に基材のガス流入端(Fr)から50mmの解析モデル全長において温度応力が閾値である23.9MPaを下回ることが確認される。
Note that FIG. 13 shows the temperature stress analysis result when the surface pressure applied to the substrate surface is changed. From this analysis result, the gas of the substrate when 0.4 MPa is applied as the surface pressure is also shown. It is confirmed that the temperature stress is below the threshold value of 23.9 MPa over the entire length of the
この解析結果を踏まえ、基材の部位ごとに面圧を変化させることで、面圧の大きさを一定の範囲に広げることができ、基材の設計バリエーションを広げることができると考えられる。また、基材の一部に電極を取り付ける必要があるEHCの場合には基材全面に面圧を付与できないことからも、面圧を付与しない領域と付与する領域に分割した際に、基材全体として温度応力が閾値を下回るような面圧付与範囲や面圧の大きさ範囲を規定することができる。 Based on this analysis result, it is considered that by changing the surface pressure for each part of the base material, the size of the surface pressure can be expanded to a certain range, and the design variation of the base material can be expanded. In addition, in the case of EHC where it is necessary to attach an electrode to a part of the base material, since the surface pressure cannot be applied to the entire surface of the base material, the base material is divided into a region where no surface pressure is applied and a region where the surface pressure is applied. It is possible to define a surface pressure application range and a surface pressure magnitude range in which the temperature stress as a whole falls below the threshold value.
このことを踏まえ、本発明者等は、面圧の付与範囲を基材におけるガス流入側から一定の範囲(流入側範囲)と、基材の中央の一定の範囲(中央範囲)とし、温度応力閾値を満足できるようなそれら2箇所の面圧付与範囲とそれら2箇所の面圧の大きさ範囲を特定する解析をおこなった。 Based on this, the present inventors set the surface pressure application range from a gas inflow side to a constant range (inflow side range) and a constant range at the center of the base material (center range), and temperature stress. An analysis was performed to identify the surface pressure application range at these two locations and the size range of the surface pressure at the two locations that can satisfy the threshold.
解析内容は、基材の中央範囲とその範囲における面圧の大きさ範囲を特定するべく、中央範囲を幅15mm〜25mmで変化させ、面圧の大きさは0.2MPa〜0.6MPaで変化させた。その解析結果を図14〜18に示している。より具体的には、図14〜18はそれぞれ面圧を0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPaおよび0.6MPaに固定し、中央範囲の幅(中心からガス流入端への幅)を15mm、20mm、25mmに変化させた際の温度応力解析結果を示したものである。 The contents of analysis were to change the central range from 15mm to 25mm in width and the surface pressure from 0.2MPa to 0.6MPa in order to identify the central range of the substrate and the range of the surface pressure in that range. . The analysis results are shown in FIGS. More specifically, in FIGS. 14 to 18, the surface pressure is fixed to 0.2 MPa, 0.3 MPa, 0.4 MPa, 0.5 MPa, and 0.6 MPa, respectively, and the width of the central range (width from the center to the gas inflow end) is 15 mm. The results of thermal stress analysis when changed to 20mm and 25mm are shown.
図14より、いずれの面圧範囲であっても面圧が0.2MPaの場合には温度応力閾値未満を満足することができないことが実証されている。 From FIG. 14, it is proved that in any surface pressure range, when the surface pressure is 0.2 MPa, the temperature stress threshold value cannot be satisfied.
一方、図15〜18より、0.3MPa以上の面圧では、幅20mm、25mmでともに温度応力閾値未満を満足できることが実証されている。 On the other hand, FIGS. 15 to 18 demonstrate that the surface pressure of 0.3 MPa or more can satisfy both the width of 20 mm and 25 mm and less than the temperature stress threshold.
本解析結果より、基材の中央範囲における面圧付与範囲は中央位置から少なくとも20mm以上の範囲であること、基材に付与される面圧の大きさ範囲は少なくとも0.3MPa以上であることが望ましいことが確認できる。そして、本解析結果に基づき、基材の中央範囲における面圧付与範囲は中央位置から20mm〜25mmの範囲であること(解析モデルの実質長さが100mmであることより、この長さをLとした際には、中央から0.2L〜0.25Lの範囲となる)、基材に付与される面圧の大きさ範囲は0.3〜0.6MPaであることが望ましいことが確認でき、これらの数値範囲を基材の中央範囲における面圧付与範囲と面圧の大きさ範囲として規定することにする。なお、基材の中央範囲における面圧の大きさが0.6MPaを超える範囲ではキャニングが困難になることが分かっており、このことからも、基材の中央範囲に付与される面圧の大きさの上限値を0.6MPaに規定することができる。 From this analysis result, it is desirable that the surface pressure application range in the central range of the base material is a range of at least 20 mm or more from the central position, and the size range of the surface pressure applied to the base material is at least 0.3 MPa or more. I can confirm that. And based on this analysis result, the surface pressure application range in the center range of the base material is in the range of 20mm to 25mm from the center position (because the actual length of the analysis model is 100mm, this length is L The range of 0.2 to 0.25 L from the center), it can be confirmed that the range of surface pressure applied to the substrate is preferably 0.3 to 0.6 MPa, these numerical ranges The surface pressure application range and the surface pressure size range in the central range of the substrate are defined. In addition, it has been found that canning becomes difficult in the range where the surface pressure in the central range of the substrate exceeds 0.6 MPa, and from this, the size of the surface pressure applied to the central range of the substrate is also known. Can be defined as 0.6 MPa.
一方、本解析において、基材における流入側範囲とその範囲における面圧の大きさ範囲を特定するべく、流入側範囲を幅2mm〜6mmで変化させ、面圧の大きさは0.2MPa〜1.2MPaで変化させた。その解析結果を図19〜21に示している。より具体的には、図19〜21はそれぞれ面圧付与範囲を幅2mm、4mm、6mmに固定し、付与する面圧の大きさを0.2MPa〜1.2MPaに変化させた際の温度応力解析結果を示したものである。 On the other hand, in this analysis, in order to specify the inflow side range in the base material and the range of the surface pressure in that range, the inflow side range was changed from 2 mm to 6 mm in width, and the size of the surface pressure was 0.2 MPa to 1.2 MPa. It was changed with. The analysis results are shown in FIGS. More specifically, FIGS. 19 to 21 show results of thermal stress analysis when the surface pressure application range is fixed to 2 mm, 4 mm, and 6 mm, respectively, and the surface pressure applied is changed from 0.2 MPa to 1.2 MPa. Is shown.
図19より、幅2mmではほとんどの面圧で温度応力閾値未満を満足することができないことが実証されている。 FIG. 19 demonstrates that the width of 2 mm cannot satisfy the temperature stress threshold value less than most of the surface pressure.
一方、図20より、幅4mmでは面圧0.8MPa以上で温度応力閾値未満を満足できることが実証されている。また、図21より、幅6mmでは面圧0.6MPa以上で温度応力閾値未満を満足できることが実証されている。 On the other hand, FIG. 20 demonstrates that a width of 4 mm can satisfy a surface pressure of 0.8 MPa or more and less than the temperature stress threshold. Further, FIG. 21 demonstrates that the width of 6 mm can satisfy the surface pressure of 0.6 MPa or more and less than the temperature stress threshold.
この解析結果より、基材の端部である流入側範囲における面圧付与範囲はガス流入端から少なくとも4mm以上の範囲であること、基材に付与される面圧の大きさ範囲は少なくとも0.8MPa以上であることが望ましいことが確認できる。そして、本解析結果に基づき、基材の端部である流入側範囲における面圧付与範囲は4mm〜6mmの範囲であること(解析モデルの実質長さが100mmであることより、この長さをLとした際には、中央から0.04L〜0.06Lの範囲となる)、基材に付与される面圧の大きさ範囲は0.8〜1.2MPaが望ましいことが確認でき、これらの数値範囲を基材の流入側範囲における面圧付与範囲と面圧の大きさ範囲として規定することにする。 From this analysis result, the surface pressure application range in the inflow side range that is the end of the base material is at least 4 mm from the gas inflow end, and the surface pressure applied range to the base material is at least 0.8 MPa. It can be confirmed that the above is desirable. And based on this analysis result, the surface pressure application range in the inflow side range that is the end of the base material is in the range of 4mm to 6mm (because the actual length of the analysis model is 100mm, this length is L is in the range of 0.04L to 0.06L from the center), it can be confirmed that the range of the surface pressure applied to the base material is preferably 0.8 to 1.2 MPa. Based on these numerical ranges The surface pressure application range and the surface pressure size range in the inflow side range of the material are defined.
また、図22,23には他の温度応力解析結果を示している。具体的には、図22,23はそれぞれ、中央範囲の幅(中心からガス流入端側への幅)を25mm、中央範囲の面圧を0.4MPa、0.6MPaとした際に、ガス流入端からのスペーサーの幅6mmにおける流入側範囲に付与する面圧を0.4、0.6、0.8MPaに変化させた際の温度応力解析結果を示す図である。 22 and 23 show other temperature stress analysis results. Specifically, in FIGS. 22 and 23, when the width of the center range (width from the center to the gas inflow end side) is 25 mm and the surface pressure of the center range is 0.4 MPa and 0.6 MPa, respectively, It is a figure which shows the temperature stress analysis result at the time of changing the surface pressure provided to the inflow side range in the width of 6 mm of this spacer to 0.4, 0.6, and 0.8 MPa.
いずれの結果も、流入範囲における面圧が0.8MPaで温度応力閾値を下回ることが実証されている(上記する面圧の大きさ範囲0.8〜1.2MPaを満足する)。 Both results demonstrate that the surface pressure in the inflow range is 0.8 MPa, which is below the temperature stress threshold (satisfying the above-described surface pressure magnitude range of 0.8 to 1.2 MPa).
さらに、図24には、基材の解析モデルにおいて、スペーサーがある場合とない場合において、ガス流入端(Fr)から30mm基材の内側の点(図中の基材表面1)における基材表面の温度、ガス流入端(Fr)から50mm基材の内側の点(図中の基材表面2)における基材表面の温度差、ガス流入端(Fr)から70mm基材の内側の点(図中の基材表面3)における基材表面の温度に関する解析結果を示している。また、表2には、それぞれの点における基材の内外表面の温度差を示している。
Further, FIG. 24 shows the substrate surface at the point (
図24と表2より、基材表面にスペーサーがないモデルに対して、スペーサーを有する基材モデルにおける基材の内外表面温度差は特にガス流入端に近いほど顕著であり、スペーサーのないモデルに比して40%以上も温度差が低下することが実証されている。基材の内外周面の温度差が大きく低減されることによって温度応力も格段に少なくなり、クラックの効果的な抑制に繋がる。 From FIG. 24 and Table 2, the temperature difference between the inner and outer surfaces of the base material in the base material model having the spacer is more prominent as it is closer to the gas inflow end, compared to the model having no spacer on the base material surface. It has been demonstrated that the temperature difference is reduced by more than 40%. By greatly reducing the temperature difference between the inner and outer peripheral surfaces of the base material, the temperature stress is remarkably reduced, leading to effective suppression of cracks.
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。 The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and there are design changes and the like without departing from the gist of the present invention. They are also included in the present invention.
1…基材、1a…中空、2a、2b、2c…環状体、3a、3b、3c、3a’、3b’、3c’…スペーサー、4…ハニカム触媒、5…保温材、6…電極、10,10A,10B…触媒コンバーター、10C…(電気加熱式)触媒コンバーター、20…エンジン、30…三元触媒コンバーター、40…サブマフラー、50…メインマフラー、60…配管(系統管)
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記基材内に収容された触媒と、を少なくとも備えた触媒コンバーターであって、
前記基材においてガスの流入端から0.04L〜0.06Lの間の流入側範囲では0.8〜1.2MPaの面圧が付与され、
前記基材においてその中心である0.5Lからガス流入端側およびガス流出端側へそれぞれ0.2L〜0.25Lの間の中央範囲では0.3〜0.6MPaの面圧が付与されている触媒コンバーター。 A base material having a length L from a gas inflow end through which gas flows into the hollow to a gas outflow end through which gas flows out from the hollow;
A catalytic converter comprising at least a catalyst housed in the substrate,
In the base material, a surface pressure of 0.8 to 1.2 MPa is applied in the inflow side range between 0.04 L and 0.06 L from the gas inflow end,
A catalytic converter in which a surface pressure of 0.3 to 0.6 MPa is applied in a central range between 0.5 L to 0.25 L from 0.5 L, which is the center of the base material, to a gas inflow end side and a gas outflow end side.
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