JP2024033547A - 排気ガス浄化装置の製造方法及び排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒の破損を抑制しつつ、緩衝部材の保持力を高められる排気ガス浄化装置の製造方法を提供する。【解決手段】本開示は、内燃機関の排気ガスが導入される筒状の触媒ケースと、触媒ケースに格納された触媒と、触媒の外面と触媒ケースの内周面との間に圧入されることで触媒を保持する筒状の緩衝部材と、を備える排気ガス浄化装置の製造方法である。排気ガス浄化装置の製造方法は、触媒ケースの内周面に触媒ケースの径方向外側に凹む凹部を形成する工程と、凹部が形成された触媒ケースに、触媒に装着された緩衝部材を圧入する工程と、を備える。【選択図】図４

Description

本開示は、排気ガス浄化装置の製造方法及び排気ガス浄化装置に関する。

自動車の内燃機関の排気ガスを触媒によって浄化する排気ガス浄化装置では、触媒が緩衝部材（つまりマット）を介して触媒ケースに収納される。このような排気ガス浄化装置において、緩衝部材の保持力を向上するために、触媒が圧入された触媒ケースに外側からエンボス加工を行い、凹部を設ける方法が公知である（特許文献１参照）。

特開２００５－３０７７６２号公報

上述の方法では、エンボス加工によって触媒ケースの内側に配置されている緩衝部材の面圧が局所的に高くなり得る。そのため、緩衝部材に保持された触媒が破損するおそれがある。

本開示の一局面は、触媒の破損を抑制しつつ、緩衝部材の保持力を高められる排気ガス浄化装置の製造方法を提供することを目的としている。

本開示の一態様は、内燃機関の排気ガスが導入される筒状の触媒ケースと、触媒ケースに格納された触媒と、触媒の外面と触媒ケースの内周面との間に圧入されることで触媒を保持する筒状の緩衝部材と、を備える排気ガス浄化装置の製造方法である。排気ガス浄化装置の製造方法は、触媒ケースの内周面に触媒ケースの径方向外側に凹む凹部を形成する工程と、凹部が形成された触媒ケースに、触媒に装着された緩衝部材を圧入する工程と、を備える。

このような構成によれば、触媒ケースの内周面に凹部を形成してから緩衝部材の圧入が行われるため、緩衝部材の面圧上昇による触媒の破損が抑制される。また、触媒ケースの内周面に設けられた凹部に緩衝部材の一部が進入することで、緩衝部材と触媒ケースとの間の摩擦力が高くなり、緩衝部材の触媒ケースからの脱落が抑制される。その結果、排気ガス浄化装置の使用時における緩衝部材の保持力が高められる。

本開示の一態様では、凹部は、排気ガスの流れ方向の下流側に位置する壁面を有してもよい。壁面と触媒ケースの中心軸とが成す角度は、４５°以上１３５°以下であってもよい。このような構成によれば、緩衝部材が凹部の壁面に引っ掛かりやすくなるため、緩衝部材の脱落防止効果が促進される。

本開示の一態様では、凹部を形成する工程では、触媒ケース内に配置された金型を径方向外側に移動させることで凹部を形成してもよい。このような構成によれば、触媒ケースの加工設備を小型化できる。

本開示の別の態様は、内燃機関の排気ガスが導入される筒状の触媒ケースと、触媒ケースに格納された触媒と、触媒の外面と触媒ケースの内周面との間に圧入されることで触媒を保持する筒状の緩衝部材と、を備える排気ガス浄化装置である。触媒ケースは、触媒ケースの内周面において触媒ケースの径方向外側に凹む凹部を有する。

このような構成によれば、触媒ケースの内周面に凹部を形成してから緩衝部材の圧入を行うことができるため、緩衝部材の面圧上昇による触媒の破損が抑制される。また、触媒ケースの内周面に設けられた凹部に緩衝部材の一部が進入することで、緩衝部材と触媒ケースとの間の摩擦力が高くなり、緩衝部材の触媒ケースからの脱落が抑制される。その結果、排気ガス浄化装置の使用時における緩衝部材の保持力が高められる。

本開示の一態様では、触媒ケースの外周面のうち、少なくとも触媒と触媒ケースの径方向に重なる領域は、平滑であってもよい。このような構成によれば、緩衝部材の保持力を維持しつつ、触媒ケースの外周面に対しブラケット等の部品を設置しやすくすることができる。

図１は、実施形態の排気ガス浄化装置の模式的な正面図である。 図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線での模式的な断面図である。 図３は、図１の排気ガス浄化装置における触媒ケースの模式的な斜視図である。 図４Ａは、図３の触媒ケースの中心軸を含む面での模式的な切断部端面図の一部であり、図４Ｂは、図２の触媒ケース近傍の部分拡大断面図である。 図５Ａは、図２とは異なる実施形態における凹部の模式的な斜視図であり、図５Ｂは、図５Ａの凹部の模式的な平面図であり、図５Ｃは、図５ＢのＶＣ－ＶＣ線での模式的な切断部端面図であり、図５Ｄは、図２とは異なる実施形態における凹部の模式的な斜視図であり、図５Ｅは、図５Ｄの凹部の模式的な平面図であり、図５Ｆは、図５ＥのＶＦ－ＶＦ線での模式的な切断部端面図であり、図５Ｇは、図２とは異なる実施形態における凹部の模式的な斜視図であり、図５Ｈは、図５Ｇの凹部の模式的な平面図であり、図５Ｉは、図５ＨのＶＩ－ＶＩ線での模式的な切断部端面図であり、図５Ｊは、図２とは異なる実施形態における凹部の模式的な斜視図であり、図５Ｋは、図５Ｊの凹部の模式的な平面図であり、図５Ｌは、図５ＫのＶＬ－ＶＬ線での模式的な切断部端面図である。 図６は、実施形態における排気ガス浄化装置の製造方法のフロー図である。 図７Ａは、図６の排気ガス浄化装置の製造方法における一工程を示す模式図であり、図７Ｂは、図７Ａとは異なる金具の模式図であり、図７Ｃは、図７Ｂの金具による加工を示す模式図である。 図８は、図６の排気ガス浄化装置の製造方法における一工程を示す模式図である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
図１に示す排気ガス浄化装置１は、内燃機関の排気ガス流路内に設けられる。

排気ガス浄化装置１は、排気ガスの浄化を行う。排気ガス浄化装置１が接続される内燃機関としては、例えば、自動車に用いられるガソリンエンジン又はディーゼルエンジンが挙げられる。

排気ガス浄化装置１は、上流コーン２と、触媒コンバータ３と、下流コーン４とを備える。

＜上流コーン＞
上流コーン２は、内燃機関の排気ガスが導入される部材である。上流コーン２は、排気ガス浄化装置１において排気ガスの流れ方向における最も上流側に配置されている。

上流コーン２は、上面と下面とがそれぞれ開口し、上流側から下流側に向かって拡径する円錐台状の筒体である。上流コーン２は、排気ガスを上流コーン２の内部に導入する導入口２１を有する。導入口２１は、上流コーン２の上流側の端部に設けられている。導入口２１には、内燃機関に連結された排気マニホールド等が接続される。

＜触媒コンバータ＞
触媒コンバータ３は、上流コーン２の下流側に配置されている。図２に示すように、触媒コンバータ３は、触媒３１と、触媒ケース３２と、緩衝部材３３とを有する。なお、図２では、上流コーン２の図示を省略している。

（触媒）
触媒３１は、排気ガスＧとの接触によって排気ガスＧ中の環境汚染物質を改質又は捕集し、排気ガスＧを浄化する。

触媒３１は、触媒ケース３２に格納されると共に、排気ガスＧが触媒ケース３２の軸方向に流れる複数の流路を触媒ケース３２内に構成している。つまり、触媒３１は、上流コーン２から下流コーン４に向かって延伸し、かつ互いに連通しない複数の流路を有している。

触媒３１は、例えば、排気ガスＧの流れ方向と垂直な断面が多角形（例えば四角形、六角形等）の複数のチューブが集合した立体形状を有する。つまり、触媒３１は、触媒ケース３２の軸方向に延伸する複数の仕切り板が格子状に配置された立体形状（例えばハニカム形状）を有する。

触媒３１としては、例えばガソリンパティキュレートフィルター（ＧＰＦ）が使用される。ＧＰＦは、コージライトセラミックを主成分とする。ＧＰＦを用いることで、粒子状物質（ＰＭ）の捕集性能が高められ、近年高まっている排気ガス規制への対応が容易となる。一方で、ＧＰＦは、強度が低いため、組み付け時及び使用時における損傷対策が求められる。

（触媒ケース）
触媒ケース３２は、上流コーン２に連結された筒状の部材である。触媒ケース３２の上流側の端部は、上流コーン２の下流側の開口に溶接等によって固定されている。触媒ケース３２は、例えば、ステンレス鋼で形成される。触媒ケース３２の厚みは、例えば、１．２ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である。

触媒ケース３２内には、上流コーン２から排気ガスＧが導入される。触媒ケース３２には、触媒３１と緩衝部材３３とが格納されている。図３に示すように、触媒ケース３２は、複数の凹部３２１を有する。

複数の凹部３２１は、それぞれ、触媒ケース３２の内周面において触媒ケース３２の径方向外側に凹んだ部位である。本実施形態では、複数の凹部３２１が触媒ケース３２の軸方向及び周方向に沿って一定の間隔で並置されている。

凹部３２１の平面形状（つまり触媒ケース３２の径方向から視た形状）は、四角形状である。なお、凹部３２１は、触媒ケース３２の周方向全体にわたって円環状に形成されていてもよい。

図４Ａに示すように、凹部３２１は、壁面３２１Ａと、底面３２１Ｂと、連結面３２１Ｃとを有する。壁面３２１Ａは、凹部３２１の他の面よりも排気ガスＧの流れ方向の下流側に位置する平坦面である。

壁面３２１Ａは、触媒ケース３２の上流側の端部を向いた面である。図４Ｂに示すように、壁面３２１Ａは、排気ガスＧの流れ方向の下流側から、緩衝部材３３と対向又は接触する。

壁面３２１Ａと触媒ケース３２の中心軸とが成す第１角度θ１は、４５°以上１３５°以下である。第１角度θ１の下限としては、６０°が好ましい。第１角度θ１の上限としては、９０°が好ましい。

第１角度θ１が４５°未満であるか、又は第１角度θ１が１３５°を超えると、壁面３２１Ａと緩衝部材３３との摩擦力のうち、壁面３２１Ａと垂直な方向の成分よりも壁面３２１Ａと平行な方向の成分が大きくなる。その結果、緩衝部材３３が壁面３２１Ａに対し滑るおそれがある。また、第１角度θ１を６０°以上とすることで、壁面３２１Ａに対する滑りの低減効果が促進される。第１角度θ１を９０°以下とすることで、金型を用いた凹部３２１の成形加工がしやすくなる。

底面３２１Ｂは、壁面３２１Ａよりも上流側に配置された面である。底面３２１Ｂは、壁面３２１Ａに向かって（つまり排気ガスＧの流れにおける下流に向かって）拡径するテーパ面を構成している。

底面３２１Ｂと触媒ケース３２の中心軸とが成す第２角度θ２は、第１角度θ１よりも小さい。また、底面３２１Ｂの触媒ケース３２の軸方向に沿った長さは、壁面３２１Ａの触媒ケース３２の軸方向に沿った長さよりも大きい。

連結面３２１Ｃは、触媒ケース３２の軸方向に沿って壁面３２１Ａと底面３２１Ｂとを連結する面である。連結面３２１Ｃは、触媒ケース３２の軸方向と平行な平坦面である。ただし、連結面３２１Ｃは、触媒ケース３２の軸方向と平行でなくてもよい。連結面３２１Ｃの触媒ケース３２の軸方向に沿った長さは、底面３２１Ｂの触媒ケース３２の軸方向に沿った長さよりも小さい。

凹部３２１の最大深さＤ（つまり壁面３２１Ａの触媒ケース３２の径方向に沿った長さ）は、例えば、触媒ケース３２の厚みの１／３以上１／２以下であり、触媒ケース３２の厚みが２ｍｍの場合、０．６ｍｍ以上１ｍｍ以下である。凹部３２１の最大深さＤがこの範囲であることで、触媒ケース３２の強度を維持しつつ、凹部３２１の機能を奏させることができる。

凹部３２１の触媒ケース３２の軸方向に沿った長さＬは、例えば１０ｍｍである。凹部３２１の長さLを１０ｍｍとすることにより、触媒ケース３２の強度を維持しつつ、触媒ケース３２の摩擦力を高くできる。また、第２角度θ２の増加が抑制されるため、触媒ケース３２への緩衝部材３９の圧入が容易になる。

触媒ケース３２の凹部３２１の形状は、上述のものに限定されない。図５Ａから図５Ｌに示すように、凹部３２１は、必ずしも連結面３２１Ｃを有しなくてもよい。また、図５Ｄ、５Ｅ、５Ｆに示すように、底面３２１Ｂは、湾曲していてもよい。

さらに、図５Ｇ、５Ｈ、５Ｉに示すように、底面３２１Ｂは、中央で屈曲していてもよい。図５Ｇの底面３２１Ｂは、２つの三角形状の平面が連結された形状を有する。また、図５Ｊ、５Ｋ、５Ｌに示すように、底面３２１Ｂは、１つの三角形状の平面で形成されてもよい。

図３に示すように、触媒ケース３２の外周面３２２のうち、少なくとも触媒３１と触媒ケース３２の径方向に重なる重複領域は、平滑である。つまり、触媒ケース３２の外周面３２２の重複領域では、凹凸が設けられていない。本実施形態では、重複領域を含む触媒ケース３２の外周面３２２全体が平滑である。

（緩衝部材）
緩衝部材３３は、触媒３１の外面の周方向全体を覆う筒状の部材である。緩衝部材３３は、触媒３１の外面と触媒ケース３２の内周面との間に圧入されることで、触媒３１を保持している。緩衝部材３３は、触媒３１の外面と触媒ケース３２の内周面とに接触している。

緩衝部材３３は、触媒ケース３２の径方向及び軸方向に弾性変形可能である。つまり、緩衝部材３３は、触媒ケース３２及び触媒３１よりも剛性が低く、柔らかい。緩衝部材３３は、触媒３１と触媒ケース３２に挟まれることによって少なくとも径方向に圧縮されている。

緩衝部材３３は、触媒３１の外面に巻回された状態で触媒ケース３２に圧入されている。緩衝部材３３としては、例えば、アルミファイバーをマット状に編み込んだものが用いられる。

緩衝部材３３の外周面は、触媒ケース３２の複数の凹部３２１と対向している。図４Ｂに示すように、緩衝部材３３の径方向外側の一部は、圧入後の膨張によって凹部３２１の内部に進入している。

＜下流コーン＞
図２に示す下流コーン４は、触媒コンバータ３の触媒ケース３２の下流側に連結された部材である。下流コーン４は、上面と下面とがそれぞれ開口し、上流側から下流側に向かって縮径する円錐台状の筒体である。

下流コーン４の上流側の開口は、触媒ケース３２の下流側の端部に転結されている。下流コーン４の下流側の開口は、排気ガス浄化装置１から排気ガスＧが排出される排出口４１を構成している。

＜製造方法＞
図６に示す排気ガス浄化装置の製造方法は、図１の排気ガス浄化装置１を製造するための方法である。本実施形態の排気ガス浄化装置の製造方法は、凹部形成工程Ｓ１０と、装着工程Ｓ２０と、圧入工程Ｓ３０とを備える。

（凹部形成工程）
本工程では、プレス加工により、触媒ケース３２の内周面に触媒ケース３２の径方向外側に凹む凹部３２１を形成する。

具体的には、図７Ａに示すように、触媒ケース３２内に配置された複数の金型Ｍ１を径方向外側に移動させることで複数の凹部３２１を形成する。複数の金型Ｍ１は、触媒ケース３２内において径方向に移動可能なように、触媒ケース３２の周方向に並んで配置されている。

複数の金型Ｍ１が配置された触媒ケース３２にカムＭ２を軸方向に挿入することで、カムＭ２に押されて複数の金型Ｍ１が径方向外側に拡がる。その結果、複数の金型Ｍ１が触媒ケース３２の内周面に押し当てられ、複数の凹部３２１が形成される。

複数の金型Ｍ１の位置を触媒ケース３２の軸方向にずらしつつ加工を繰り返すことで、軸方向に並んだ複数の凹部３２１を形成することができる。なお、軸方向に複数の金型Ｍ１を並べてプレス加工を行うことで、軸方向に並んだ複数の凹部３２１を同時に形成してもよい。

また、触媒ケース３２の外側に外側金型Ｍ３を配置してもよい。外側金型Ｍ３は、触媒３１と触媒ケース３２の径方向に重なる位置に接触する平滑面を有する。外側金型Ｍ３により、触媒ケース３１の外周面のうち、少なくとも触媒３２と触媒ケース３２の径方向に重なる領域に平滑面が形成される。

また、図７Ｂに示すように、触媒ケース３２の径方向及び軸方向の双方と交差する方向に金型Ｍ１を移動可能とすることで、図７Ｃに示すように、壁面３２１Ａと触媒ケース３２の中心軸とが成す第１角度θ１（図４Ａ参照）が略直角となる凹部３２１を形成することができる。

（装着工程）
本工程では、触媒３１に緩衝部材３３を装着する。具体的には、触媒３１の外面に緩衝部材３３を巻き付ける。なお、本工程は、凹部形成工程Ｓ１０よりも前、又は凹部形成工程Ｓ１０と平行して行われてもよい。

（圧入工程）
本工程では、凹部３２１が形成された触媒ケース３２に、触媒３１に装着された緩衝部材３３を圧入する。

具体的には、図８に示すように、触媒ケース３２における排気ガスＧの流れ方向とは逆向きに（つまり下流側から）緩衝部材３３を触媒ケース３２に圧入する。触媒３１の外面の表面粗さは、触媒ケース３２の内周面の表面粗さよりも大きい。そのため、触媒ケース３２の軸方向において、緩衝部材３３の触媒３１に対する摩擦力は、緩衝部材３３の触媒ケース３２に対する摩擦力よりも大きい。したがって、緩衝部材３３は、触媒３１を保持したまま触媒ケース３２に対して摺動する。

緩衝部材３３の圧入により、触媒コンバータ３が形成される。その後、触媒ケース３２に上流コーン２及び下流コーン４を溶接する。これにより、排気ガス浄化装置１が得られる。なお、上流コーン２及び下流コーン４は、スピニング加工によって触媒ケース３２に接合されてもよい。

この製造方法によれば、触媒ケース３２への圧入時に触媒３１に加わる外力が緩衝部材３３によって低減される。そのため、例えばＧＰＦ等の低強度の触媒３１を用いる場合でも、高強度の触媒３１を用いる場合と同様の設備及び手順で製造することができる。また、部品点数及び溶接個所数も従来と同等とすることができる。

＜作用＞
排気ガス浄化装置１の製造時に排気ガスＧの流れ方向とは逆向きに緩衝部材３３が圧入されることで、緩衝部材３３が凹部３２１の壁面３２１Ａに引っ掛からない。そのため、緩衝部材３３の圧入が凹部３２１によって阻害されない。

一方、排気ガス浄化装置１の使用時には、排気ガス浄化装置１内を流れる排気ガスの圧力（つまり触媒３１の空気抵抗）によって触媒３１が下流側に移動しようとする。これを受けて、触媒３１を保持する緩衝部材３３も触媒３１と共に下流側に移動しようとするが、凹部３２１の内部に進入した緩衝部材３３が壁面３２１Ａに引っ掛かるため、緩衝部材３３が下流に移動することが抑制される。

［１－２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）触媒ケース３２の内周面に凹部３２１を形成してから緩衝部材３３の圧入が行われるため、緩衝部材３３の面圧上昇による触媒３１の破損が抑制される。

また、触媒ケース３２の内周面に設けられた凹部３２１に緩衝部材３３の一部が進入することで、緩衝部材３３と触媒ケース３２との間の摩擦力が高くなり、緩衝部材３３の触媒ケース３２からの脱落が抑制される。その結果、排気ガス浄化装置１の使用時における緩衝部材３３の保持力が高められる。

（１ｂ）凹部３２１の壁面３２１Ａと触媒ケース３２の中心軸とが成す第１角度θ１が４５°以上１３５°以下であることで、緩衝部材３３が凹部３２１の壁面３２１Ａに引っ掛かりやすくなる。そのため、緩衝部材３３の脱落防止効果が促進される。

（１ｃ）触媒ケース３２内での金型の移動によって凹部３２１を形成することで、触媒ケース３２の加工設備を小型化できる。

（１ｄ）触媒ケース３２の外周面３２２が平滑であることで、緩衝部材３３の保持力を維持しつつ、触媒ケース３２の外周面３２２に対しブラケット等の部品を設置しやすくすることができる。

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（２ａ）上記実施形態の排気ガス浄化装置の製造方法において、触媒ケースの凹部は必ずしもプレス加工で形成されなくてもよい。例えば、触媒ケースの内周面の切削によって凹部が形成されてもよい。

（２ｂ）上記実施形態の排気ガス浄化装置において、触媒ケースの外周面は必ずしも平滑でなくてもよい。例えば、触媒ケースの外周面に、凹部に起因する突起、孔等の凹凸が設けられてもよい。

（２ｃ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…排気ガス浄化装置、２…上流コーン、３…触媒コンバータ、４…下流コーン、
２１…導入口、３１…触媒、３２…触媒ケース、３３…緩衝部材、４１…排出口、
３２１…凹部、３２１Ａ…壁面、３２１Ｂ…底面、３２１Ｃ…連結面、
３２２…外周面。

Claims (5)

1. 内燃機関の排気ガスが導入される筒状の触媒ケースと、前記触媒ケースに格納された触媒と、前記触媒の外面と前記触媒ケースの内周面との間に圧入されることで前記触媒を保持する筒状の緩衝部材と、を備える排気ガス浄化装置の製造方法であって、
   前記触媒ケースの内周面に前記触媒ケースの径方向外側に凹む凹部を形成する工程と、
   前記凹部が形成された前記触媒ケースに、前記触媒に装着された前記緩衝部材を圧入する工程と、
   を備える、排気ガス浄化装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の排気ガス浄化装置の製造方法であって、
   前記凹部は、前記排気ガスの流れ方向の下流側に位置する壁面を有し、
   前記壁面と前記触媒ケースの中心軸とが成す角度は、４５°以上１３５°以下である、排気ガス浄化装置の製造方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の排気ガス浄化装置の製造方法であって、
   前記凹部を形成する工程では、前記触媒ケース内に配置された金型を径方向外側に移動させることで前記凹部を形成する、排気ガス浄化装置の製造方法。
4. 内燃機関の排気ガスが導入される筒状の触媒ケースと、
   前記触媒ケースに格納された触媒と、
   前記触媒の外面と前記触媒ケースの内周面との間に圧入されることで前記触媒を保持する筒状の緩衝部材と、
   を備え、
   前記触媒ケースは、前記触媒ケースの内周面において前記触媒ケースの径方向外側に凹む凹部を有する、排気ガス浄化装置。
5. 請求項４に記載の排気ガス浄化装置であって、
   前記触媒ケースの外周面のうち、少なくとも前記触媒と前記触媒ケースの径方向に重なる領域は、平滑である、排気ガス浄化装置。

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