JP2019090348A - 触媒コンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】 触媒コンバータにおいて、筒部及びケースに対する担体の断熱性を高める。【解決手段】 内燃機関の排気流路に設けられる触媒コンバータ１であって、金属製の略筒状のケース３と、ケース内に同軸に受容された筒部１６、筒部の内部に設けられた担体部１０、及び担体に固定された触媒を有する触媒構造体４と、ケースと触媒構造体との間に設けられたシート状の保持材５とを有し、筒部の外周面には、径方向外方に突出した内側突起１８が設けられ、筒部の内周面における内側突起の裏側には、径方向外方に向けて凹んだ内側凹部１９が設けられ、ケースの内周面には、保持材を介して内側突起を受容する外側凹部２１が設けられ、内側凹部と担体部の外周面との間に隙間２２が形成されている。【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の排気を浄化するための触媒コンバータに関する。

内燃機関の排気を浄化する触媒コンバータにおいて、円筒状のケースの内側に保持材を介して排気浄化触媒を含む触媒構造体を保持したものがある（例えば、特許文献１）。触媒構造体は排気浄化触媒を担持する担体、及び担体を収容する円筒状の外筒を有する。外筒の外周面には径方向外方に突出する外筒側ビードが設けられ、ケースの内周面には保持材を介して外筒側ビードを受容する凹部が設けられている。

特公平７−１１６９３３号公報

内燃機関の始動時においては、触媒構造体を早期に、排気浄化触媒の活性化に要する温度以上に昇温する必要がある。そのため、担体は筒部及びケースに対して断熱されていることが好ましい。

本発明は、以上の背景を鑑み、触媒コンバータにおいて、筒部及びケースに対する担体の断熱性を高めることを課題とする。

上記課題を解決するために本発明の一態様は、内燃機関の排気流路に設けられる触媒コンバータ（１、５１、７１）であって、金属製の略筒状のケース（３）と、前記ケース内に同軸に受容された筒部（１６）、前記筒部の内部に設けられた担体部（１０）、及び前記担体部に固定された触媒を有する触媒構造体（４）と、前記ケースと前記触媒構造体との間に設けられたシート状の保持材（５）とを有し、前記筒部の外周面には、径方向外方に突出した内側突起（１８、５８）が設けられ、前記筒部の内周面における前記内側突起の裏側には、径方向外方に向けて凹んだ内側凹部（１９、５９）が設けられ、前記ケースの内周面には、前記保持材を介して前記内側突起を受容する外側凹部（２１、６１）が設けられ、前記内側凹部と前記担体部の外周面との間に隙間（２２、６３）が形成されていることを特徴とする。

この態様によれば、内側凹部と担体部との間に隙間が形成されているため、担体部と筒部との接触面積を減らすことができる。そのため、担体部の熱が筒部を介してケースに逃げ難くなり、担体部の筒部及びケースに対する断熱性を高めることができる。

上記の態様において、前記担体部が金属板（１１、１２）を筒状に巻いて形成されたものであり、前記筒部が前記担体部を構成する金属板と連続した金属板を、前記担体部の外周に筒状に巻いて形成されたものであるとよい。

この態様によれば、筒部と担体部とが一体の部材から形成されているため、筒部及び担体部の結合構造を省略することができる。

上記の態様において、前記担体部が金属板を筒状に巻いて形成されたものであり、前記筒部（７２）は、前記担体部と別部材から形成され、前記筒部は、前記担体部に溶接されているとよい。

この態様によれば、筒部及び担体部が分離することを防止することができる。

上記の態様において、前記筒部は、前記内側突起よりも前記排気流路における下流側において前記担体部に溶接されているとよい。

この態様によれば、溶接部を抵抗として利用することができ、隙間に排気を滞留させ易くすることができる。

上記の態様において、前記筒部の前記排気流路における上流端は、前記保持材の前記排気流路における上流端よりも上流側に延び、径方向外方に向けて拡開しているとよい。

この態様によれば、排気が外筒とケースとの間に流れ難くなる。これにより、排気が保持材に接触し難くすることができ、保持材の劣化を抑制することができる。

上記の態様において、前記内側突起の断面は、三角形に形成され、前記外側凹部の断面は、三角形に形成され、前記内側突起の先端の角度は、前記外側凹部の底部の角度より小さいとよい。

この態様によれば、内側突起が外側凹部の内部に突入し易くなり、内側突起及び外側凹部の重なり代を大きくすることができる。これにより、ケースに対する筒部の移動を確実に規制することができる。

上記の態様において、前記ケースは、前記担体部及び前記筒部のいずれよりも熱膨張率の小さい材料によって形成されているとよい。

この態様によれば、筒部及びケースが熱膨張したときに、突起及び凹部の重なり代を大きくすることができる。これにより、ケースに対する筒部の移動を一層確実に規制することができる。

上記の態様において、前記内側突起（１８、５８）は、前記筒部の周方向に沿って延び、環状をなすとよい。

この態様によれば、ケースに対する筒部の移動を確実に規制することができる。

上記の態様において、前記筒部には、軸線方向に並ぶ複数の前記内側突起（５８）が設けられているとよい。

この態様によれば、ケースに対する筒部の移動を確実に規制することができる。

上記の態様において、前記ケースは、互いに結合した略半筒状の一対の半割シェル部材（２５）によって形成されているとよい。

この態様によれば、ケースの内部に触媒構造体及び保持材を容易に収容することができ、触媒コンバータの組立を容易にすることができる。

以上の構成によれば、触媒コンバータにおいて、筒部及びケースに対する担体の断熱性を高めることができる。

第１実施形態に係る触媒コンバータの斜視図 図１のＩＩ−ＩＩ断面図 第１実施形態に係る触媒構造体の斜視図 第１実施形態に係る触媒コンバータを上流側から見た平面図 第２実施形態に係る触媒コンバータの断面図 第３実施形態に係る触媒コンバータの断面図

以下、図面を参照して、本発明を自動車用の内燃機関の触媒コンバータに適用した実施形態について説明する。

（第１実施形態）
触媒コンバータ１は、触媒を用いて、内燃機関からの排気中の窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び炭化水素（ＨＣ）等の有害物質を還元又は酸化し、排気を浄化するための装置であり、内燃機関の排気流路の一部を構成する。触媒コンバータ１は、内燃機関から延びる排気管２に接続されるケース３と、ケース３に受容された触媒構造体４と、触媒構造体４とケース３との間に配置される保持材５とを有する。

ケース３は、金属製の略円筒状の部材であり、両端に開口を有する。ケース３は、排気管２において排気マニホールドとマフラーとの間に配置される。排気は、図１においてケース３内を上側から下側に流れる。

触媒構造体４は、触媒を保持（担持）する担体部１０を含んでいる。担体部１０は、略円柱状に形成され、ケース３に概ね同軸に受容されている。担体部１０は、軸線方向に貫通する複数の通路を有する。担体部１０は、金属製の平板１１と金属製の波板１２を重ね合わせた積層板１３を筒状に巻き、溶接することによって形成されている。平板１１及び波板は、数百μｍ程度の厚みを有するステンレス製の薄板であってよい。複数の通路は、平板１１及び波板１２の間に形成される。

平板１１及び波板１２の表面にはアルミナを主成分とするコーティング層が設けられている。触媒は白金、パラジウム、ロジウム等の排気浄化用の触媒であり、コーティング層に固定されている。排気中のＮＯ_ｘ、ＣＯ、及びＨＣは通路を通過するときに、触媒と接触して還元又は酸化される。

ケース３は担体部１０を構成する金属よりも、熱膨張率（線膨張係数）の小さい金属から形成されている。ケース３は、例えば、チタン合金等の金属から形成されている。チタン合金を用いることで、触媒コンバータ１の耐食性及び意匠性を高めることができる。

図２に示すように、担体部１０は、円筒形の筒部１６の内部に設けられている。本実施形態では、筒部１６は、担体部１０を構成する平板１１と一体の金属板から形成されている。担体部１０から延びる金属板を担体部１０の外周に巻き回すことによって、筒部１６が形成されている。すなわち、筒部１６は、担体部１０の外周に沿って巻きつけられた最外周の平板１１から成る。筒部１６を構成する金属板の肉厚は、担体部１０を構成する平板１１の肉厚と等しい。筒部１６には、その軸線Ｘの方向における略中央部に、径方向外方に突出した内側突起１８が設けられている。内側突起１８は、筒部１６を構成する金属板が断面三角形状をなして外向きに曲げ成形された部分として形成されている。図３に示すように、内側突起１８は周方向に延在し、環状をなしている。図２に示すように、軸線Ｘに沿った方向において、内側突起１８の幅は筒部１６の幅に対して０．１〜０．５倍に設定されていることが好ましい。

内側突起１８は、例えば金属板を筒状に形成するときに、絞り加工によって形成されるとよい。筒部１６の内周面において内側突起１８の裏側（径方向内側）には、径方向外方に向けて凹んだ内側凹部１９が形成されている。内側凹部１９の断面は、内側突起１８と同様に略三角形に形成されている。内側凹部１９と担体部１０の外周壁面とによって、環状をなす隙間２２が形成される。

保持材５は、耐熱性及び可撓性を有し、シート状をなしている。保持材５は、例えば、アルミナ繊維、シリカ繊維、アルミナシリカ繊維、カーボン繊維、セラミックガラス繊維等の材料によって形成されている。図２に示すように、保持材５は、内側突起１８の外周に沿って巻き付けられている。保持材５の内面には、内側突起１８の外面（例えば、突起の突端等）に沿った折れ線や溝が設けられているとよい。これによって、保持材５が内側突起１８の外形に追従し易くなり、内側突起１８の外面に密着し易くなる。

図１及び図２に示すように、ケース３には、内側突起１８及び保持材５の径方向外側において、径方向外方に突出する外側突起２０が設けられている。外側突起２０は、ケース３の外周を構成する壁体が断面三角形状をなして外向きに曲げ成形された部分として形成されている。外側突起２０は周方向に沿って連続的に延在し、環状をなしている。外側突起２０の内周壁面には、径方向外側に凹む外側凹部２１が形成されている。内側突起１８は、常温（約２０℃）において、保持材５を介して外側凹部２１に突入している。より詳細には、図４に示すように、軸線Ｘに沿う方向から見て、内側突起１８と外側凹部２１とは重なり代を有する。保持材５は内側突起１８と外側凹部２１とに挟持されている。

図２に示すように、内側突起１８は径方向外方に向かって下流側に傾斜する突起上壁１８Ａと、突起上壁１８Ａの下流端から径方向内方に向かって下流側に傾斜する突起下壁１８Ｂとを有している。外側凹部２１は、径方向外方に向かって下流側に傾斜する凹部上壁２１Ａと、凹部上壁２１Ａの下流端から径方向内方に向かって下流側に傾斜する凹部下壁２１Ｂとを有している。

内側突起１８の突端の角度は、外側凹部２１の底部の角度より小さく形成されている。すなわち、突起上壁１８Ａと突起下壁１８Ｂとのなす角度θ（図２参照）は、凹部上壁２１Ａと凹部下壁２１Ｂとのなす角度φよりも小さい。これにより、角度θが角度φよりも大きい場合に比べて、内側突起１８を外側凹部２１により深く突入させることができ、内側突起１８と外側凹部２１との重なり代を大きくすることができる。

本実施形態では、ケース３の上流端及び下流端はそれぞれ、端部に向かうにつれて縮径している。ケース３の上流端及び下流端の内径のそれぞれは、対応する筒部１６の上流端及び下流端の外径よりも小さい。

図１に示すように、ケース３は、軸線Ｘに沿って半割にされた一対の半割シェル部材２５によって形成されている。半割シェル部材２５はそれぞれ、略半筒状をなす本体部２６と、その本体部２６の周方向の端縁に沿って径方向外方に延びるフランジ部２７とを有する。２つの半割シェル部材２５は、触媒構造体４及び保持材５を間に挟んで、各フランジ部２７が溶接等により結合されることによって、互いに一体化されている。ケース３が半割シェル部材２５によって形成されるため、触媒コンバータ１の組立が容易である。

ケース３の上流端及び下流端の内径のそれぞれは、対応する筒部１６の上流端及び下流端の外径よりも小さい。これにより、ケース３に対して触媒構造体４がずれた場合に、ケース３及び触媒構造体４の上端部又は下端部が互いに当接することによって、ケース３に対する触媒構造体４の移動が規制される。

以上のように構成した触媒コンバータ１の効果について説明する。内側凹部１９と担体部１０との間には、隙間２２が形成されている。担体部１０の外周面と筒部１６の内周面との接触面積は、隙間２２が形成されていない場合に比べて小さくなる。これにより、担体部１０の熱が筒部１６を介してケース３に伝達し難くなり、筒部１６及びケース３に対する担体部１０の断熱性を高めることができる。これにより、筒部１６の昇温を促進することができる。

図２に示すように、内燃機関の停止時等の冷間時においても、内側突起１８は外側凹部２１に突入しているため、ケース３に対して触媒構造体４を安定性良く支持することができる。内側突起１８及び外側突起２０は、断面が三角形であるため、保持材５に噛み込んで、保持材５を安定良く支持することができる。内側突起１８の先端の角度θが外側凹部２１の底部の角度φよりも小さいため、内側突起１８及び外側凹部２１の重なり代を大きくすることができる。

触媒構造体４は、温度上昇時に概ね相似形に熱膨張する。ケース３は触媒構造体４に比べて熱膨張率が小さく、かつ触媒構造体４よりも温度が低くなるため、高温状態では膨張によって筒部１６とケース３との空隙が小さくなり、内側突起１８と外側凹部２１との重なり代が大きくなる。これにより、ケース３に対する触媒構造体４の移動を確実に規制することができる。

（第２実施形態）
図５に示すように、第２実施形態に係る触媒コンバータ５１は、第１実施形態に比べて、内側突起５８及び外側突起６０の数が異なる。内側突起５８は筒部１６の軸線方向に沿って間隔をおいて複数（本実施形態では２つ）設けられている。内側突起５８の裏面にはそれぞれ、径方向外方に凹んだ内側凹部５９が形成されている。外側突起６０は、内側突起５８と対応して、筒部１６の軸線方向に沿って間隔をおいて複数設けられている。外側突起６０の裏面にはそれぞれ、径方向外方に凹んだ外側凹部６１が形成されている。内側突起５８はそれぞれ対応する外側凹部６１に突入している。内側突起５８と外側凹部６１との間にはそれぞれ、保持材６２が設けられている。内側凹部５９と担体部１０の外周面との間にはそれぞれ、隙間６３が形成されている。

（第３実施形態）
図６に示すように、第３実施形態に係る触媒コンバータ７１は、第１実施形態に比べて、触媒構造体４の構造が異なる。触媒構造体４は、触媒を担持する略円柱状の担体部１０と、担体部１０とは別体の略円筒状の筒部７２とを有している。担体部１０は、第１実施形態と同様に、積層板１３が巻き回されることによって形成されている。担体部１０は筒部７２の内部に圧入され、筒部７２に同軸に収容されている。筒部７２は軸線Ｘの方向において担体部１０よりも長く形成されている。担体部１０は、下流側縁部の複数箇所において、筒部７２の内周面に溶接されている。

筒部７２は、担体部１０を構成する金属と概ね等しい熱膨張率を有する材料によって構成されることが好ましい。これにより、筒部７２及び担体部１０の熱膨張差によって生じる熱応力を抑制することができる。筒部７２は、平板１１及び波板１２よりも厚肉のステンレスによって形成されているとよい。

筒部７２の排気流路における上流端７４は、担体部１０の上流端よりも上流側に延びている。筒部７２の上流端７４は径方向外方に向けて拡開し、その端部において、ケース３の内周面に近接している。上流端７４は、テーパ状に拡開しているとよい。

筒部７２が担体部１０と別部材によって形成されているため、筒部７２の肉厚を大きくすることができる。これにより、筒部７２の剛性を高めることができる。

筒部７２の上流端７４が径方向外方に向けて拡開し、ケース３の内周面に近接しているため、排気が筒部７２の外周面とケース３の内周面との間に進入し難くなる。これにより、排気と保持材５との接触を避けることができ、保持材５の劣化を抑制することができる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。第３実施形態の担体部１０は、セラミック製にしてもよい。第１実施形態〜第３実施形態の内側突起１８、５８は周方向に一様ではなく、一部欠けていてもよい。

１、５１、７１ ：触媒コンバータ
３ ：ケース
４ ：触媒構造体
５ ：保持材
１０ ：担体
１１ ：平板
１２ ：波板
１６、７２ ：筒部
１８、５８ ：内側突起
１９、５９ ：内側凹部
２０、６０ ：外側突起
２１、６１ ：外側凹部
２２、６３ ：隙間

Claims (10)

1. 内燃機関の排気流路に設けられる触媒コンバータであって、
   金属製の略筒状のケースと、
   前記ケース内に同軸に受容された筒部、前記筒部の内部に設けられた担体部、及び前記担体部に固定された触媒を有する触媒構造体と、
   前記ケースと前記触媒構造体との間に設けられたシート状の保持材とを有し、
   前記筒部の外周面には、径方向外方に突出した内側突起が設けられ、
   前記筒部の内周面における前記内側突起の裏側には、径方向外方に向けて凹んだ内側凹部が設けられ、
   前記ケースの内周面には、前記保持材を介して前記内側突起を受容する外側凹部が設けられ、
   前記内側凹部と前記担体部の外周面との間に隙間が形成されていることを特徴とする触媒コンバータ。
2. 前記担体部が金属板を筒状に巻いて形成されたものであり、
   前記筒部が前記担体部を構成する金属板と連続した金属板を、前記担体部の外周に筒状に巻いて形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の触媒コンバータ。
3. 前記担体部が金属板を筒状に巻いて形成されたものであり、
   前記筒部は、前記担体部と別部材から形成され、
   前記筒部は、前記担体部に溶接されていることを特徴とする請求項１に記載の触媒コンバータ。
4. 前記筒部は、前記内側突起よりも前記排気流路における下流側において前記担体部に溶接されていることを特徴とする請求項３に記載の触媒コンバータ。
5. 前記筒部の前記排気流路における上流端は、前記保持材の前記排気流路における上流端よりも上流側に延び、径方向外方に向けて拡開していることを請求項１〜請求項４のいずれか１つの項に記載の触媒コンバータ。
6. 前記内側突起の断面は、三角形に形成され、
   前記外側凹部の断面は、三角形に形成され、
   前記内側突起の先端の角度は、前記外側凹部の底部の角度より小さいことを特徴する請求項１〜請求項５のいずれか１つの項に記載の触媒コンバータ。
7. 前記ケースは、前記担体部及び前記筒部のいずれよりも熱膨張率の小さい材料によって形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つの項に記載の触媒コンバータ。
8. 前記内側突起は、前記筒部の周方向に沿って延び、環状をなすことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つの項に記載の触媒コンバータ。
9. 前記筒部には、軸線方向に並ぶ複数の前記内側突起が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の触媒コンバータ。
10. 前記ケースは、互いに結合した略半筒状の一対の半割シェル部材によって形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つの項に記載の触媒コンバータ。

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