JP3583165B2 - エンジンの排気ガス浄化用触媒装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はエンジンの排気ガス浄化用触媒装置、特に車両等に搭載するエンジンにおいて冷間始動時に触媒の活性化を促進し浄化性能を高めるためにガス温度の高い上記側の排気マニホールド出口部にメタルキャタを直接連結したエンジンの排気ガス浄化用触媒装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用等のエンジンの排気系には排気ガス浄化用触媒を設けるのが普通であり、その排気ガス浄化用触媒としては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）等の貴金属を触媒成分としてセラミック担体に担持させたものが一般的である。
【０００３】
ところが、このような触媒は所定の活性温度に達するまでは十分に機能せず、したがって、エンジン冷間始動時の排気ガス浄化性能に問題が生ずる。
【０００４】
そこで、ガス温度の高い上流側の排気マニホールド出口部にメタルキャタを直接連結し、このメタルキャタに高温の排気ガスを当てることによって触媒活性速度を高め冷間始動時の浄化性能を高めるようにする試みが従来から行われている。特開平２−２５６８１５号公報に記載されたＶ型内燃機関の排気ガス浄化装置はその一例である。
【０００５】
上記特開平２−２５６８１５号公報に記載されたＶ型内燃機関の排ガス浄化装置では、Ｖ型内燃機関が車両前部に車両に対し横置きに搭載され、その後側バンクの排気通路上流部（排気マニホールド）に始動時活性化促進用のサブ触媒としてメタルキャタ等で構成するスタートキャタが設けられ、前側バンクの排気通路と後側バンクの排気通路との合流部位にメイン触媒である触媒コンバータが設けられ、上流側の高温排気ガスによってスタートキャタを早期に活性温度まで上昇させ、その活性温度に達したスタートキャタの反応熱によって排気ガスを加熱し、加熱した排気ガスを触媒コンバータの中央部に導くことで触媒コンバータを加熱し早急に活性温度まで上昇させるようにしている。
【０００６】
メタルキャタは、メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成したハニカム状の担体に触媒成分を担持させたものであって、それ自体よく知られている。このメタルキャタは、ケーシング（キャタケースという。）と担体との熱膨張差が少なく、セラミック担体を用いる場合のようなケーシングと担体との間のマット状詰め物が必要でなくて小型化できるため、スペースをとらず、Ｖ型エンジンのように排気通路が両側に分かれ排気系が複雑になるような場合に有利である。そのため、Ｖ型エンジンの排気マニホールドに触媒を直付けする場合はメタルキャタが用いられることが多い。
【０００７】
また、それとは別に、キャタケース外周にグラスウール等の断熱材を巻くことにより走行風等の外流から遮蔽して触媒活性を向上させるというものが従来から知られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
冷間始動時等の排気ガス浄化性能を向上させるためには、上述のように排気マニホールド直付けでメタルキャタを配設することが有効であると考えられ、そのような試みが従来から行われているが、このように排気マニホールド直付けでメタルキャタを設けた場合、特に、メタルキャタが車両走行時に受ける外風（走行風という。）が当たる位置に配置されたものである場合に、メタル製の平板と波板により形成される担体に疲労破壊が起き易いという問題が発生している。しかし、従来、このようなメタルキャタの疲労破壊がどのようなメカニズムで発生するのかが十分に解明されておらず、有効な対策を施すことができなかった。
【０００９】
本発明は、排気マニホールド直付けのメタルキャタにおける上記問題点を解決するためのものである。
【００１０】
すなわち、本発明は、排気マニホールド直付けのメタルキャタの疲労破壊を防止することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、排気マニホールド直付けのメタルキャタに発生する疲労破壊のメカニズムがつぎのようなものであることを解明した。
【００１２】
まず、メタルキャタの担体を構成する平板と波板の接合部で図１の（ａ）に示すように平板（ｆ）が波板ｃに押されて変形する。この現象は図の（ｂ）にＡで示すように、メタルキャタの周縁側で発生する。
つぎに、図１の（ｃ）に示すように平板ｆは波板ｃとのロー付部分の両側にクラックが入り破損する。
【００１３】
このような現象から、メタルキャタの疲労破壊は担体を構成する平板にクラックが発生することによるものであることが明らかである。そして、そのクラックの発生はメタルキャタの上流部で外周側から中心側へ向けての温度勾配が大きくなり熱膨張差で特定の範囲に応力が集中するためであることが判明した。
【００１４】
排気マニホールド直付きのメタルキャタの場合には、キャタの位置は一般に排気マニホールドの曲がり部に近く、そのために、キャタ担体の上流部に排気ガスがこのように不均一に当たる。そして、排気ガスが不均一に当たることで、キャタ担体の特定部位に高温部が発生し、一方、キャタ外周側は熱逃げが生ずるので、キャタ外周側と上記高温部との間の温度勾配が大きくなって熱膨張差で担体要素が変形し、特定範囲で応力が集中してクラックが発生する。また、メタルキャタが、ケーシング外周の車両走行時に外風すなわち走行風が当たる位置で排気マニホールドに直付けされている場合には、走行風による冷却作用を受けるためにキャタ外周側の熱逃げが大きく、そのために、外周側と上記高温部との間の温度勾配が一層大きくなり、クラックが一層発生し易くなる。また、メタルキャタは、一般に上述のようにメタル製の平板と波板を巻き合わせて形成したハニカム状の担体にＰｔ，Ｒｈ等の触媒成分を担持させるものであり、その担体は、過度に剛性が高いと熱応力が集中して破壊する可能性が大きくなるため、排気流入方向の下流部では平板と波板を接合することはせずに、上流部および周縁側の数巻き分の範囲で平版と波板の接点をろう付するのが普通であるが、その場合には、キャタ上流部で平板と波板がろう付されていることによって内外温度差による熱応力が大きくなり、特に温度勾配の大きい特定部位でのクラック発生の可能性が大きくなる。
【００１５】
図２は、上述のクラック発生のメカニズムを実証的に示す実験例のデータである。また、図３は、この実験例におけるキャタ配設構造を示し、図４はそのキャタ内に流入する排気ガスの流速分布状態を示す。
【００１６】
上記実験例は、Ｖ型エンジンを横置きで車両前部に搭載し、従来構造のメタルキャタを排気マニホールド直付けで配設した場合に関するものであって、キャタ前方には走行風から遮蔽するためのインシュレータが設けられている。また、この例では、図４に示すようにメタルキャタは走行風の中心に対し外側に偏心した位置にあり、しかも、メタルキャタに流入する排気ガスの流れは不均一で、前方内側に偏向したものとなっている。図４では、メタルキャタの軸線に直角な断面を格子状に分割し各領域の流速を相対値で示している。
【００１７】
図２において、（ｅ）は上記メタルキャタの上流部の軸方向段面構造図であって、水平方向の位置はキャタ外周側から中心側にかけての各部位を示している。そして、図２の（ｄ）は、上記（ｅ）に示す部位を横軸にとって外周側から中心部（Ｐｃ）にかけての各部の温度を示すものである。この例では外周に近いＰ１とＰ２の二つの部位の間で温度差ΔＴが２０４℃で、この間で温度勾配が著しく大きい。そして、図２の（ｃ）はやはり上記部位を横軸にとって各部の熱伸びを示すものである。温度勾配の大きいＰ１，Ｐ２間で熱伸び差すなわち熱膨張差が大きくなる。図２の（ａ）に示すように、応力集中はＰ１，Ｐ２間で特に顕著である。また、図２の（ｂ）に示すように温度が高くなると担体の材料強度が低下する。そして、（ｄ）に示す部位Ｐ１（温度５２８℃）と部位Ｐ２（温度７３２℃）とでは材料強度の差が大きく、外側のＰ１での強度が大きいのに対して内側のＰ２での強度が著しく小さい。そのため、その間は応力集中によりクラックが発生し易い状態となる。そして、このように材料強度が著しく変化する偏曲領域に応力が集中することによって、クラックが発生し、繰り返しガス圧を受けることによって疲労破壊が起きる。
【００１８】
本発明者は、排気マニホールド直付けのメタルキャタにおける疲労破壊のメカニズムが上述のようなものであることを踏まえ、この疲労破壊の要因であるクラックの発生を防止するためにはメタルキャタの上流部における外周側から中心側へ向けての温度勾配を緩和することが不可欠であるとの知見を得た。そして、上記課題解決のためのつぎのような手段に想到し、この手段によって所期の目的を達成した。
【００１９】
すなわち、本発明の請求項１に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置は、メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成し少なくとも排気流入方向の上流部で平板と波板との接点をろう付したハニカム状の担体に触媒成分を担持させ該担体の外周全面をキャタケースで覆い該担体の上流部端面から下流部端面へ排気ガスを流す構成としてなるメタルキャタを使用し該メタルキャタを排気ガスの主流が前記担体の上流部に該担体の軸芯に対してオフセットして当たる位置で排気マニホールドに直接連結したエンジンの排気ガス浄化用触媒装置において、前記メタルキャタの上流部における排気ガスの主流が担体の軸芯に対してオフセットして当たる位置の側のケーシング外周側の断熱性を他の位置の側のケーシング外周側の断熱性よりも高めるようメタルキャタ周辺の排気ガスの主流がオフセットして当たる位置の側に断熱材を配設したことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の請求項２に係るエンジンの排気浄化用触媒装置は、メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成したハニカム状の担体に触媒成分を担持させ該担体の外周全面をキャタケースで覆ってなるメタルキャタを使用し該メタルキャタを排気ガスの主流が前記担体の上流部に該担体の軸芯に対してオフセットして当たる位置で排気マニホールドに直接連結したエンジンの排気ガス浄化用触媒装置において、前記メタルキャタの上流部におけるケーシング外周側の断熱性を該メタルキャタの下流部におけるケーシング外周側の断熱性よりも高めるようメタルキャタ周辺の上流側および下流側に断熱材を配設し、上流側の断熱材は下流側の断熱材よりも断熱性の高いものを用いたことを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の請求項３に係るエンジンの排気浄化用触媒装置は、メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成したハニカム状の担体に触媒成分を担持させ該担体の外周全面をキャタケースで覆ってなるメタルキャタを使用し該メタルキャタを排気ガスの主流が前記担体の上流部に該担体の軸芯に対してオフセットして当たる位置で排気マニホールドに直接連結したエンジンの排気ガス浄化用触媒装置において、前記メタルキャタの上流部におけるケーシング外周側の断熱性を該メタルキャタの下流部におけるケーシング外周側の断熱性よりも高めるようメタルキャタ周辺の上流側および下流側に断熱材を配設し、上流側の断熱材は下流側の断熱材よりも厚さが大のものを用いたことを特徴とする
【００２２】
また、本発明の請求項４に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置は、メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成したハニカム状の担体に触媒成分を担持させ該担体の外周全面をキャタケースで覆い該担体の上流部端面から下流部端面へ排気ガスを流す構成としてなるメタルキャタを使用し該メタルキャタをそのケーシング外周に車両走行時の外風が当たる位置で、出力軸を挟んでＶ型をなす左右のバンクにそれぞれシリンダ列を配置したＶ型エンジンの排気マニホールドに直接連結したエンジンの排気ガス浄化用触媒装置において、前記メタルキャタの周辺の前記外風が当たる側にのみ断熱材を配設したことを特徴とする。
【００２３】
これらエンジンの排気ガス浄化用触媒装置において、前記断熱材は前記メタルキャタのケーシング外周面に配設したものとするのが好適である。
【００２４】
【作用】
本発明の請求項１に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置によれば、メタル製の平板および波板を巻き合わせて形成した担体の上流部に排気ガスがオフセットして当たることによって助長される担体上流部の温度勾配が、メタルキャタの上流部における排気ガスの主流が担体の軸芯に対してオフセットして当たる位置の側のケーシング外周側の断熱性を他の位置の側のケーシング外周側の断熱性よりも高めるようメタルキャタ周辺の排気ガスの主流がオフセットして当たる位置の側に配設された断熱材によって緩和され、そのため、内外熱膨張差に起因する応力集中によってクラックが発生し担体の疲労破壊に至るのが防止される。
【００２５】
また、本発明の請求項２、３に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置によれば、メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成した担体の上流部に排気ガスがオフセットして当たることによって助長される担体上流部の温度勾配が、メタルキャタの上流部におけるケーシング外周側の断熱性をメタルキャタの下流部におけるケーシング外周側の断熱性よりも高めるようメタルキャタ周辺に配設された断熱材によって緩和され、そのため、内外熱膨張差に起因する応力集中によってクラックが発生し担体の疲労破壊に至るのが防止される。この場合、メタルキャタ周辺の上流側および下流側に配設されるものについては上流側の断熱材が下流側の断熱材よりも断熱性の高いものとされ（請求項２）、あるいは、上流側の断熱材が下流側の断熱材よりも厚さが大のものとされる（請求項３）ことにより、キャタ全体が過度に断熱され耐熱限界を越えてしまって溶損したり極端に強度が落ちて破損するような事態を招くことなしに熱応力の集中によるクラックの防止が効果的に達成される。また、メタルキャタが、担体を構成する平板と波板との接点が少なくとも上流部でろう付されて、例えば上流部および周縁側の数巻分のみがろう付されたものである場合は、ろう付されたことがキャタ上流部での熱応力を一層増大させる要因になるが、このような場合でも、上記断熱材の作用で温度勾配が緩和されることにより、過度の応力集中が回避され、クラックの発生が防止される。
【００２６】
また、本発明の請求項４に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置によれば、メタルキャタの平板と波板を巻き合わせて形成した担体を囲むケーシング外周に走行風が当たることによって助長される担体の温度勾配が、メタルキャタの周辺に配設された断熱材によって緩和され、そのため、内外熱膨張差に起因する応力集中によってクラックが発生し、それが担体の疲労破壊の要因となるのが防止される。この場合、断熱材が、Ｖ型エンジンにおいて、メタルキャタの周辺の走行風が当たる側にのみ配設されることにより、メタルキャタが過度に断熱され耐熱限界を超えて溶損あるいは破損に至るのを防止しつつ熱応力集中によるクラックの防止が効果的に達成される。
【００２７】
断熱材によるこのような作用は、断熱材がメタルキャタの外周に配設されたことによるもので、特にケーシング外周面に直接断熱材が配設された場合に顕著である。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００２９】
実施例１．
図５は本発明の実施例１のエンジンの平面図である。
【００３０】
実施例１は、横置き配置で車両前部に搭載したＶ型６気筒エンジンに適用したものであって、図５において、１はエンジン本体であり、図の上下方向に延びる図示しない出力軸（すなわち、クランクシャフト）を挟んでＶ型をなすよう左右にバンク２，３を構成し、各バンク２，３にはそれぞれ３気筒直列のシリンダ列が配置されている。また、エンジン本体１には、Ｖバンクの外側に左右バンク２，３のそれぞれの排気マニホールド４，５が接続され、各排気マニホールド４，５の下方に向いた出口部には、直付けで垂直にメタルキャタ６，７がそれぞれ連結されている。これらメタルキャタ６，７は、メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成したハニカム状の担体８，９にＰｔ，Ｒｈ等の触媒成分を担持させたものであって、担体８，９は排気流入方向の上流部および周縁側の数巻き分の範囲で平版と波板の接点がろう付され、下流部は接合しない開放構造である。また、これらメタルキャタ６，７には、担体８，９を囲むキャタケース１０，１１の外側にインシュレータ１２，１３が設けられている。
【００３１】
この実施例１のエンジンは、左バンク（すなわち、図５の水平方向左側のバンク）２を前側とし車両進行方向に対し出力軸を直角にする横置き配置で車両前部に搭載されるもので、図５に矢印で示す方向から走行風を受ける。したがって、車両進行方向前側に位置する左バンク２の排気マニホールド４に直付けされたメタルキャタ６には走行風が直接当たり、その冷却作用を受ける。この前側のメタルキャタ６は走行風の中心に対し外側に偏心した位置にあり、そのため、この前側のメタルキャタ６に対し走行風の冷却作用は前方内側により大きく作用する。この実施例１では、前側のメタルキャタ６の上流部周囲で、インシュレータ１２とキャタケース１０の間に断熱材としてグラスウール１４が配設されている。一方、後側のメタルキャタ７は、インシュレータ１３とキャタケース１１との間が空間１５となっている。
【００３２】
図６はこの実施例１における左バンク２側のメタルキャタ６の配設構造を示す断面図である。このメタルキャタ６は、上述のようにメタル製の平板と波板を巻き合わせて形成したハニカム状の担体８に触媒成分を担持させたものであって、担体８は排気流入方向の上流部および周縁側の数巻き分の範囲で平版と波板の接点がろう付されている。例えば図６における一点鎖線の外側の領域ｓがろう付の範囲である。メタルキャタ６は、担体８を囲む筒状キャタケース１０の上端が排気マニホールド４の出口部に嵌入され電気溶接されている。図６の１６がその溶接部である。キャタケース１０は担体８の外周全面を覆うもので、下端側がろう付により担体８に接合されている。また、キャタケース１０の下端は図示しない排気管に接続される出口コーン１７に嵌入され電気溶接にって接合されている。図６の１８がその溶接部である。また、グラスウール１４は、装着可能に上下に分割されたものがメタルキャタ６の上流部においてキャタケース１０の外周面に配設され、断面コの字状で２分割構造のガイド１９によって保持されている。上記ガイド１９は、グラスウール１４をメタルキャタ６の上流部外周面に保持した状態で図示しないボルトにより一体結合されるもので、各半割部はインシュレータ１２にスポット溶接で固定される。
【００３３】
この実施例１によれば、排気マニホールド直付けのメタルキャタであることにより、メタル製の平板および波板を巻き合わせて形成した担体８の上流部に排気ガスが不均一に当たることによって助長される担体上流部の温度勾配がグラスウール１４によって緩和され、そのため、内外熱膨張差に起因する応力集中によってクラックが発生し疲労破壊に至るのが防止される。そして、断熱材であるグラスウール１４が、直接走行風を受ける前側のメタルキャタ６に対してのみ設けられたことによって、後側のメタルキャタ７を不必要に断熱することがなく、コスト低減も達成される。
【００３４】
実施例２．
図７は本発明の実施例２のエンジンの平面図である。
【００３５】
実施例２は、やはり横置き配置で車両前部に搭載したＶ型６気筒エンジンに適用したものであり、エンジンの基本的な構造は実施例１と同様である。すなわち、図７において、１はエンジン本体であり、図の上下方向に延びる図示しない出力軸を挟んでＶ型をなすよう左右にバンク２，３を構成し、各バンク２，３にはそれぞれ３気筒直列のシリンダ列が配置されている。また、エンジン本体１には、Ｖバンクの外側に左右バンク２，３のそれぞれの排気マニホールド４，５が接続され、各排気マニホールド４，５の下方に向いた出口部には、直付けで垂直にメタルキャタ６，７がそれぞれ連結されている。これらメタルキャタ６，７は、メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成したハニカム状の担体８，９に触媒成分を担持させたものであって、担体８，９は排気流入方向の上流部および周縁側の数巻き分の範囲で平版と波板の接点がろう付けされ、下流部は接合しない開放構造である。また、これらメタルキャタ６，７には、担体８，９を囲むキャタケース１０，１１の外側にインシュレータ１２，１３が設けられている。そして、エンジンは、左バンク（すなわち、図７の水平方向左側のバンク）２を前側とし車両進行方向に対し出力軸を直角にする横置き配置で車両前部に搭載されるもので、図７に矢印で示す方向から走行風を受け、したがって、車両進行方向前側に位置する左バンク２の排気マニホールド４に直付けされたメタルキャタ６には走行風が直接当たり、その冷却作用を受ける。また、この前側のメタルキャタ６は走行風の中心に対し外側に偏心した位置にあり、このメタルキャタ６に対し走行風の冷却作用は前方内側により大きく作用する。
【００３６】
この実施例２では、前側のメタルキャタ６の上流部周囲であって、走行風が直接当たる前面側にのみ、インシュレータ１２とキャタケース１０の間に断熱材としてグラスウール１４が配設されている。後側のメタルキャタ７のインシュレータ１３とキャタケース１１との間は空間１５となっている。
【００３７】
この実施例２の場合の左バンク２の排気マニホールド４に直付けされるメタルキャタ６の配設構造は、基本的には実施例１で説明した図６のものと同様である。そして、この場合のグラスウール１４は、やはり、装着可能なよう上下に分割されたものがメタルキャタ６の上流部においてキャタケース１０の外周面に配設されて、断面コの字状で一体構造のガイドによって保持され、そのガイドはインシュレータ１２にスポット溶接される。
【００３８】
この実施例２によれば、排気マニホールド直付けのメタルキャタであることにより、メタル製の平板および波板を巻き合わせて形成した担体８の上流部に排気ガスが不均一に当たることによって助長される担体上流部の温度勾配がグラスウール１４によって緩和され、そのため、内外熱膨張差に起因する応力集中によってクラックが発生し疲労破壊に至るのが防止される。そして、断熱材であるグラスウール１４が、直接走行風を受ける前側のメタルキャタ６に対してのみ設けられたことによって、後側のメタルキャタ７を不必要に断熱することがなく、コスト低減も達成され、また、断熱材であグラスウール１４が前側のメタルキャタ６の周辺の走行風が当たる側にのみ配設されたことにより、このメタルキャタ６が過度に断熱され耐熱限界を超えて溶損あるいは破損に至るのを防止しつつ熱応力集中によるクラックの防止が効果的に達成される。
【００３９】
実施例３．
図８は本発明の実施例３のエンジンの平面図である。
【００４０】
実施例３は、やはり横置き配置で車両前部に搭載したＶ型６気筒エンジンに適用したものであって、エンジンの基本的な構造は実施例１と同様であり、図３において、１はエンジン本体を示す。また、２は一方のバンク（左バンク）であり、４はそのバンク２に接続された排気マニホールド、６はこの排気マニホールド４の下方に向いた出口部に直付けで垂直に連結されたメタルキャタ６である。図示しないが、もう一方のバンク（右バンク）の排気マニホールドにもメタルキャタが連結されている。
【００４１】
図示した上記メタルキャタ６は、メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成したハニカム状の担体８に触媒成分を担持させたものであって、担体８は排気流入方向の上流部および周縁側の数巻き分の範囲で平版と波板の接点がろう付けされ、下流部は接合しない開放構造である。また、このメタルキャタ６には、担体８を囲むキャタケース１０の外側にインシュレータ１２が設けられている。そして、エンジンは、左バンク（すなわち、図７の水平方向左側のバンク）２を前側とし車両進行方向に対し出力軸を直角にする横置き配置で車両前部に搭載されるもので、図８の右から左に向かう方向に走行風を受け、したがって、車両進行方向前側に位置するバンク２の排気マニホールド４に直付けされたメタルキャタ６には走行風が直接当たり、その冷却作用を受ける。
【００４２】
走行風を受ける前側のメタルキャタ６は、走行風の中心に対し外側に偏心した位置にあり、したがって、このメタルキャタ６に対し走行風の冷却作用は前方内側により大きく作用する。また、このメタルキャタ６は、排気ガスの主流が担体８の上流部に該担体８の軸芯に対してオフセット（偏心）して当たる位置で排気マニホールド４に直接連結されている。図８にはこのメタルキャタ６の上部の軸線に直角な断面を格子状に分割したときの各領域の流速を相対値で示す。
【００４３】
この実施例３では、前側のメタルキャタ６の上流部周囲の、走行風が直接当たる前面側で、かつ、排気ガスの主流が担体８の軸芯に対してオフセットして当たる位置の側にのみ、インシュレータ１２とキャタケース１０の間に断熱材としてグラスウール１４が配設されている。
【００４４】
この実施例３の場合の左バンク２の排気マニホールド４に直付けされるメタルキャタ６の配設構造は、基本的には実施例１で説明した図６のものと同様である。そして、この場合のグラスウール１４は、やはり、装着可能なよう上下に分割されたものがメタルキャタ６の上流部においてキャタケース１０の外周面に配設されて、断面コの字状で一体構造のガイドによって保持され、そのガイドはインシュレータ１２にスポット溶接される。
【００４５】
この実施例３によれば、排気マニホールド直付けのメタルキャタであることにより、メタル製の平板および波板を巻き合わせて形成した担体８の上流部に排気ガスが不均一に当たることによって助長される担体上流部の温度勾配がグラスウール１４によって緩和され、そのため、内外熱膨張差に起因する応力集中によってクラックが発生し疲労破壊に至るのが防止される。そして、断熱材であるグラスウール１４が、直接走行風を受ける前側のメタルキャタ６に対してのみ設けられたことによって、後側のメタルキャタ７を不必要に断熱することがなく、コスト低減も達成され、また、断熱材であグラスウール１４が前側のメタルキャタ６の周辺の走行風が当たる側で、かつ、排気ガスの主流が担体８の軸芯に対してオフセットして当たる位置の側にのみ配設されたことにより、このメタルキャタ６が過度に断熱され耐熱限界を超えて溶損あるいは破損に至るのを防止しつつ熱応力集中によるクラックの防止が効果的に達成される。
【００４６】
実施例４．
図９は本発明の実施例４のエンジンの平面図である。
【００４７】
実施例４は、横置き配置で車両前部に搭載した直列４気筒エンジンに適用したものである。図９において、１０１はエンジン本体であり、図の上下の方向にシリンダ列が配置されている。また、エンジン本体１０１には、図において左側方に排気マニホールド１０４が接続され、この排気マニホールド１０４の下方に向いた出口部には、直付けで垂直にメタルキャタ１０６が連結されている。このメタルキャタ６は、メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成したハニカム状の担体１０８に触媒成分を担持させたものであって、担体１０８は排気流入方向の上流部および周縁側の数巻き分の範囲で平版と波板の接点がろう付され、下流部は接合しない開放構造である。また、メタルキャタ１０６には、担体１０８を囲むキャタケース１１０の外側にインシュレータ１１２が設けられている。このエンジンは、排気マニホールド１０４が配置された側を前側とし車両進行方向に対し出力軸を直角にする横置き配置で車両前部に搭載されるもので、図９に矢印で示す方向から走行風を受け、したがって、排気マニホールド１０４に直付けされたメタルキャタ１０６には走行風が直接当たり、その冷却作用を受ける。また、メタルキャタ１０６は走行風の中心に対し外側に偏心した位置にあり、メタルキャタ１０６に対し走行風の冷却作用は前方内側により大きく作用する。
【００４８】
この実施例４では、メタルキャタ１０６の上流部周囲であって、走行風が直接当たる前面側にのみ、インシュレータ１１２とキャタケース１１０の間に断熱材としてグラスウール１１４が配設されている。
【００４９】
この実施例４の場合のメタルキャタ６の配設構造は、基本的には実施例１で説明した図５のものと同様である。そして、この場合のグラスウール１１４は、やはり、装着可能に上下に分割されたものがメタルキャタ１０６の上流部においてキャタケース１１０の外周面に配設されて、断面コの字状で一体構造のガイドによって保持され、そのガイドはインシュレータ１１２にスポット溶接される。
【００５０】
この実施例４によれば、排気マニホールド直付けのメタルキャタであることにより、メタル製の平板および波板を巻き合わせて形成した担体１０８の上流部に排気ガスが不均一に当たることによって助長される担体上流部の温度勾配がグラスウール１１４によって緩和され、そのため、内外熱膨張差に起因する応力集中によってクラックが発生し疲労破壊に至るのが防止される。そして、断熱材であるグラスウール１１４がメタルキャタ１０６の周辺の走行風が当たる側にのみ配設されたことにより、メタルキャタ１０６が過度に断熱され耐熱限界を超えて溶損あるいは破損に至るのを防止しつつ熱応力集中によるクラックの防止が効果的に達成される。
【００５１】
（その他の実施例）
上記実施例１〜４では、メタルキャタの温度勾配を緩和するための断熱材としてグラスウールを用いたものを説明したが、グラスウールでなくても、メタルキャタのキャタケースとインシュレータの間が単に空間であるよりも断熱性を高くし得る断熱材であれば使用することが可能である。また、好適な断熱材は、耐熱性および耐熱性の高いものであり、そのような断熱材としては、グラスウール以外にセラミック等がある。
【００５２】
また、上記実施例１〜４では、メタルキャタの上流側にグラスウールを配設したものを説明したが、グラスウールあるいはその他の断熱材をキャタ上流側および下流側に配設し、上流側の断熱材を下流側の断熱材よりも断熱性の高いものとしたり、上流側の断熱材を下流側の断熱材よりも厚さが大であるようにしてもよい。
【００５３】
また、上記実施例１〜４では、グラスウールをキャタケースの外周面に配設したものを説明したが、キャタケース間との吹き抜け防止対策を講じてグラスウール等の断熱材をキャタケース外周面から離した配置とすることも可能であり、断熱材以外の手段でキャタケース外周側の断熱性を高め、あるいはメタルキャタの温度勾配を緩和するようにすることも可能である。
【００５４】
また、上記実施例１〜４では、横置きのＶ型エンジンあるいは横置きの直列エンジンについて説明したが、本発明はその他の横置きあるいは縦置きエンジンにも適用し得る。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置によれば、メタル製の平板および波板を巻き合わせて形成した担体の上流部に排気ガスがオフセットして当たることによって助長される担体上流部の温度勾配を、メタルキャタの上流部における排気ガスの主流が担体の軸芯に対してオフセットして当たる位置の側のケーシング外周側の断熱性を他の位置の側のケーシング外周側の断熱性よりも高めるようメタルキャタ周辺の排気ガスの主流がオフセットして当たる位置の側に配設された断熱材によって緩和することができ、それにより、内外熱膨張差に起因する応力集中によってクラックが発生し担体の疲労破壊に至るのを防止することができる。
【００５６】
また、本発明の請求項２、３に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置によれば、メタル製の平板および波板を巻き合わせて形成した担体の上流部に排気ガスがオフセットして当たることによって助長される担体上流部の温度勾配を、メタルキャタの上流部におけるケーシング外周側の断熱性をメタルキャタの下流部におけるケーシング外周側の断熱性よりも高めるようメタルキャタ周辺に配設する断熱材によって緩和することができ、それにより、内外熱膨張差に起因する応力集中によってメタルキャタ担体にクラックが発生し疲労破壊に至るのを防止することができる。
【００５７】
そして、本発明の請求項２に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置によれば、上流側の断熱材を下流側の断熱材よりも断熱性の高いものとすることにより、キャタ全体が過度に断熱され耐熱限界を越えて溶損したり極端に強度が落ちて破損するのを防止しつつ、熱応力の集中によるクラックの防止を効果的に達成することができる。
【００５８】
また、本発明の請求項３に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置によれば、上流側の断熱材を下流側の断熱材よりも厚さが大のものとすることにより、キャタ全体が過度に断熱され耐熱温度を越えて溶損したり極端に強度が落ちて破損するのを防止しつつ、熱応力の集中によるクラックの防止を効果的に達成することができる。
【００５９】
また、本発明の請求項４に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置によれば、メタルキャタの平板と波板を巻き合わせて形成した担体を囲むケーシング外周に走行風が当たることによって助長される担体の温度勾配を、メタルキャタの周辺に配設された断熱材によって緩和することができ、それにより、内外熱膨張差に起因する応力集中によって排気マニホールド直付けのメタルキャタにクラックが発生し疲労破壊に至るのを防止することができる。
【００６０】
また、本発明の請求項４に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置によれば、断熱材を、メタルキャタの周辺の走行風が当たる側にのみ配設することにより、メタルキャタが過度に断熱され耐熱限界を超えて溶損あるいは破損に至るのを防止しつつ、熱応力集中によるクラックの防止を効果的に達成することができる。
【００６１】
また、本発明の請求項４に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置によれば、Ｖ型エンジンにおいて、断熱材を、メタルキャタの周辺の走行風が当たる側にのみ配設することにより、メタルキャタが過度に断熱され耐熱限界を超えて溶損あるいは破損に至るのを防止しつつ、熱応力集中によるクラックの防止を効果的に達成することができる。
【００６２】
また、本発明の請求項５に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置によれば、断熱材をケーシング外周面に配設することによって、上記効果を一層確実なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】メタルキャタの熱による疲労破壊の現象を説明する図
【図２】メタルキャタのクラック発生のメカニズムを実証する実験例のデータ
【図３】メタルキャタのクラック発生のメカニズムを実証する実験例におけるキャタ配設構造を示す図
【図４】メタルキャタのクラック発生のメカニズムを実証する実験例においてキャタ内に流入する排気ガスの流速分布を示す図
【図５】本発明の実施例１のエンジンの平面図
【図６】本発明の実施例１におけるメタルキャタの配設構造を示す断面図
【図７】本発明の実施例２のエンジンの平面図
【図８】本発明の実施例３のエンジンの平面図
【図９】本発明の実施例４のエンジンの平面図
【符号の説明】
１ エンジン本体
２ バンク
４ 排気マニホールド
６ メタルキャタ
８ 担体
１０ キャタケース（ケーシング）
１２ インシュレータ
１４ グラスウール（断熱材）
１９ ガイド
１０１ エンジン本体
１０４ 排気マニホールド
１０６ メタルキャタ
１０８ 担体
１１０ キャタケース（ケーシング）
１１２ インシュレータ
１１４ グラスウール（断熱材）
【産業上の利用分野】
本発明はエンジンの排気ガス浄化用触媒装置、特に車両等に搭載するエンジンにおいて冷間始動時に触媒の活性化を促進し浄化性能を高めるためにガス温度の高い上記側の排気マニホールド出口部にメタルキャタを直接連結したエンジンの排気ガス浄化用触媒装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用等のエンジンの排気系には排気ガス浄化用触媒を設けるのが普通であり、その排気ガス浄化用触媒としては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）等の貴金属を触媒成分としてセラミック担体に担持させたものが一般的である。
【０００３】
ところが、このような触媒は所定の活性温度に達するまでは十分に機能せず、したがって、エンジン冷間始動時の排気ガス浄化性能に問題が生ずる。
【０００４】
そこで、ガス温度の高い上流側の排気マニホールド出口部にメタルキャタを直接連結し、このメタルキャタに高温の排気ガスを当てることによって触媒活性速度を高め冷間始動時の浄化性能を高めるようにする試みが従来から行われている。特開平２−２５６８１５号公報に記載されたＶ型内燃機関の排気ガス浄化装置はその一例である。
【０００５】
上記特開平２−２５６８１５号公報に記載されたＶ型内燃機関の排ガス浄化装置では、Ｖ型内燃機関が車両前部に車両に対し横置きに搭載され、その後側バンクの排気通路上流部（排気マニホールド）に始動時活性化促進用のサブ触媒としてメタルキャタ等で構成するスタートキャタが設けられ、前側バンクの排気通路と後側バンクの排気通路との合流部位にメイン触媒である触媒コンバータが設けられ、上流側の高温排気ガスによってスタートキャタを早期に活性温度まで上昇させ、その活性温度に達したスタートキャタの反応熱によって排気ガスを加熱し、加熱した排気ガスを触媒コンバータの中央部に導くことで触媒コンバータを加熱し早急に活性温度まで上昇させるようにしている。
【０００６】
メタルキャタは、メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成したハニカム状の担体に触媒成分を担持させたものであって、それ自体よく知られている。このメタルキャタは、ケーシング（キャタケースという。）と担体との熱膨張差が少なく、セラミック担体を用いる場合のようなケーシングと担体との間のマット状詰め物が必要でなくて小型化できるため、スペースをとらず、Ｖ型エンジンのように排気通路が両側に分かれ排気系が複雑になるような場合に有利である。そのため、Ｖ型エンジンの排気マニホールドに触媒を直付けする場合はメタルキャタが用いられることが多い。
【０００７】
また、それとは別に、キャタケース外周にグラスウール等の断熱材を巻くことにより走行風等の外流から遮蔽して触媒活性を向上させるというものが従来から知られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
冷間始動時等の排気ガス浄化性能を向上させるためには、上述のように排気マニホールド直付けでメタルキャタを配設することが有効であると考えられ、そのような試みが従来から行われているが、このように排気マニホールド直付けでメタルキャタを設けた場合、特に、メタルキャタが車両走行時に受ける外風（走行風という。）が当たる位置に配置されたものである場合に、メタル製の平板と波板により形成される担体に疲労破壊が起き易いという問題が発生している。しかし、従来、このようなメタルキャタの疲労破壊がどのようなメカニズムで発生するのかが十分に解明されておらず、有効な対策を施すことができなかった。
【０００９】
本発明は、排気マニホールド直付けのメタルキャタにおける上記問題点を解決するためのものである。
【００１０】
すなわち、本発明は、排気マニホールド直付けのメタルキャタの疲労破壊を防止することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、排気マニホールド直付けのメタルキャタに発生する疲労破壊のメカニズムがつぎのようなものであることを解明した。
【００１２】
まず、メタルキャタの担体を構成する平板と波板の接合部で図１の（ａ）に示すように平板（ｆ）が波板ｃに押されて変形する。この現象は図の（ｂ）にＡで示すように、メタルキャタの周縁側で発生する。
つぎに、図１の（ｃ）に示すように平板ｆは波板ｃとのロー付部分の両側にクラックが入り破損する。
【００１３】
このような現象から、メタルキャタの疲労破壊は担体を構成する平板にクラックが発生することによるものであることが明らかである。そして、そのクラックの発生はメタルキャタの上流部で外周側から中心側へ向けての温度勾配が大きくなり熱膨張差で特定の範囲に応力が集中するためであることが判明した。
【００１４】
排気マニホールド直付きのメタルキャタの場合には、キャタの位置は一般に排気マニホールドの曲がり部に近く、そのために、キャタ担体の上流部に排気ガスがこのように不均一に当たる。そして、排気ガスが不均一に当たることで、キャタ担体の特定部位に高温部が発生し、一方、キャタ外周側は熱逃げが生ずるので、キャタ外周側と上記高温部との間の温度勾配が大きくなって熱膨張差で担体要素が変形し、特定範囲で応力が集中してクラックが発生する。また、メタルキャタが、ケーシング外周の車両走行時に外風すなわち走行風が当たる位置で排気マニホールドに直付けされている場合には、走行風による冷却作用を受けるためにキャタ外周側の熱逃げが大きく、そのために、外周側と上記高温部との間の温度勾配が一層大きくなり、クラックが一層発生し易くなる。また、メタルキャタは、一般に上述のようにメタル製の平板と波板を巻き合わせて形成したハニカム状の担体にＰｔ，Ｒｈ等の触媒成分を担持させるものであり、その担体は、過度に剛性が高いと熱応力が集中して破壊する可能性が大きくなるため、排気流入方向の下流部では平板と波板を接合することはせずに、上流部および周縁側の数巻き分の範囲で平版と波板の接点をろう付するのが普通であるが、その場合には、キャタ上流部で平板と波板がろう付されていることによって内外温度差による熱応力が大きくなり、特に温度勾配の大きい特定部位でのクラック発生の可能性が大きくなる。
【００１５】
図２は、上述のクラック発生のメカニズムを実証的に示す実験例のデータである。また、図３は、この実験例におけるキャタ配設構造を示し、図４はそのキャタ内に流入する排気ガスの流速分布状態を示す。
【００１６】
上記実験例は、Ｖ型エンジンを横置きで車両前部に搭載し、従来構造のメタルキャタを排気マニホールド直付けで配設した場合に関するものであって、キャタ前方には走行風から遮蔽するためのインシュレータが設けられている。また、この例では、図４に示すようにメタルキャタは走行風の中心に対し外側に偏心した位置にあり、しかも、メタルキャタに流入する排気ガスの流れは不均一で、前方内側に偏向したものとなっている。図４では、メタルキャタの軸線に直角な断面を格子状に分割し各領域の流速を相対値で示している。
【００１７】
図２において、（ｅ）は上記メタルキャタの上流部の軸方向段面構造図であって、水平方向の位置はキャタ外周側から中心側にかけての各部位を示している。そして、図２の（ｄ）は、上記（ｅ）に示す部位を横軸にとって外周側から中心部（Ｐｃ）にかけての各部の温度を示すものである。この例では外周に近いＰ１とＰ２の二つの部位の間で温度差ΔＴが２０４℃で、この間で温度勾配が著しく大きい。そして、図２の（ｃ）はやはり上記部位を横軸にとって各部の熱伸びを示すものである。温度勾配の大きいＰ１，Ｐ２間で熱伸び差すなわち熱膨張差が大きくなる。図２の（ａ）に示すように、応力集中はＰ１，Ｐ２間で特に顕著である。また、図２の（ｂ）に示すように温度が高くなると担体の材料強度が低下する。そして、（ｄ）に示す部位Ｐ１（温度５２８℃）と部位Ｐ２（温度７３２℃）とでは材料強度の差が大きく、外側のＰ１での強度が大きいのに対して内側のＰ２での強度が著しく小さい。そのため、その間は応力集中によりクラックが発生し易い状態となる。そして、このように材料強度が著しく変化する偏曲領域に応力が集中することによって、クラックが発生し、繰り返しガス圧を受けることによって疲労破壊が起きる。
【００１８】
本発明者は、排気マニホールド直付けのメタルキャタにおける疲労破壊のメカニズムが上述のようなものであることを踏まえ、この疲労破壊の要因であるクラックの発生を防止するためにはメタルキャタの上流部における外周側から中心側へ向けての温度勾配を緩和することが不可欠であるとの知見を得た。そして、上記課題解決のためのつぎのような手段に想到し、この手段によって所期の目的を達成した。
【００１９】
すなわち、本発明の請求項１に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置は、メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成し少なくとも排気流入方向の上流部で平板と波板との接点をろう付したハニカム状の担体に触媒成分を担持させ該担体の外周全面をキャタケースで覆い該担体の上流部端面から下流部端面へ排気ガスを流す構成としてなるメタルキャタを使用し該メタルキャタを排気ガスの主流が前記担体の上流部に該担体の軸芯に対してオフセットして当たる位置で排気マニホールドに直接連結したエンジンの排気ガス浄化用触媒装置において、前記メタルキャタの上流部における排気ガスの主流が担体の軸芯に対してオフセットして当たる位置の側のケーシング外周側の断熱性を他の位置の側のケーシング外周側の断熱性よりも高めるようメタルキャタ周辺の排気ガスの主流がオフセットして当たる位置の側に断熱材を配設したことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の請求項２に係るエンジンの排気浄化用触媒装置は、メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成したハニカム状の担体に触媒成分を担持させ該担体の外周全面をキャタケースで覆ってなるメタルキャタを使用し該メタルキャタを排気ガスの主流が前記担体の上流部に該担体の軸芯に対してオフセットして当たる位置で排気マニホールドに直接連結したエンジンの排気ガス浄化用触媒装置において、前記メタルキャタの上流部におけるケーシング外周側の断熱性を該メタルキャタの下流部におけるケーシング外周側の断熱性よりも高めるようメタルキャタ周辺の上流側および下流側に断熱材を配設し、上流側の断熱材は下流側の断熱材よりも断熱性の高いものを用いたことを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の請求項３に係るエンジンの排気浄化用触媒装置は、メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成したハニカム状の担体に触媒成分を担持させ該担体の外周全面をキャタケースで覆ってなるメタルキャタを使用し該メタルキャタを排気ガスの主流が前記担体の上流部に該担体の軸芯に対してオフセットして当たる位置で排気マニホールドに直接連結したエンジンの排気ガス浄化用触媒装置において、前記メタルキャタの上流部におけるケーシング外周側の断熱性を該メタルキャタの下流部におけるケーシング外周側の断熱性よりも高めるようメタルキャタ周辺の上流側および下流側に断熱材を配設し、上流側の断熱材は下流側の断熱材よりも厚さが大のものを用いたことを特徴とする
【００２２】
また、本発明の請求項４に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置は、メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成したハニカム状の担体に触媒成分を担持させ該担体の外周全面をキャタケースで覆い該担体の上流部端面から下流部端面へ排気ガスを流す構成としてなるメタルキャタを使用し該メタルキャタをそのケーシング外周に車両走行時の外風が当たる位置で、出力軸を挟んでＶ型をなす左右のバンクにそれぞれシリンダ列を配置したＶ型エンジンの排気マニホールドに直接連結したエンジンの排気ガス浄化用触媒装置において、前記メタルキャタの周辺の前記外風が当たる側にのみ断熱材を配設したことを特徴とする。
【００２３】
これらエンジンの排気ガス浄化用触媒装置において、前記断熱材は前記メタルキャタのケーシング外周面に配設したものとするのが好適である。
【００２４】
【作用】
本発明の請求項１に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置によれば、メタル製の平板および波板を巻き合わせて形成した担体の上流部に排気ガスがオフセットして当たることによって助長される担体上流部の温度勾配が、メタルキャタの上流部における排気ガスの主流が担体の軸芯に対してオフセットして当たる位置の側のケーシング外周側の断熱性を他の位置の側のケーシング外周側の断熱性よりも高めるようメタルキャタ周辺の排気ガスの主流がオフセットして当たる位置の側に配設された断熱材によって緩和され、そのため、内外熱膨張差に起因する応力集中によってクラックが発生し担体の疲労破壊に至るのが防止される。
【００２５】
また、本発明の請求項２、３に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置によれば、メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成した担体の上流部に排気ガスがオフセットして当たることによって助長される担体上流部の温度勾配が、メタルキャタの上流部におけるケーシング外周側の断熱性をメタルキャタの下流部におけるケーシング外周側の断熱性よりも高めるようメタルキャタ周辺に配設された断熱材によって緩和され、そのため、内外熱膨張差に起因する応力集中によってクラックが発生し担体の疲労破壊に至るのが防止される。この場合、メタルキャタ周辺の上流側および下流側に配設されるものについては上流側の断熱材が下流側の断熱材よりも断熱性の高いものとされ（請求項２）、あるいは、上流側の断熱材が下流側の断熱材よりも厚さが大のものとされる（請求項３）ことにより、キャタ全体が過度に断熱され耐熱限界を越えてしまって溶損したり極端に強度が落ちて破損するような事態を招くことなしに熱応力の集中によるクラックの防止が効果的に達成される。また、メタルキャタが、担体を構成する平板と波板との接点が少なくとも上流部でろう付されて、例えば上流部および周縁側の数巻分のみがろう付されたものである場合は、ろう付されたことがキャタ上流部での熱応力を一層増大させる要因になるが、このような場合でも、上記断熱材の作用で温度勾配が緩和されることにより、過度の応力集中が回避され、クラックの発生が防止される。
【００２６】
また、本発明の請求項４に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置によれば、メタルキャタの平板と波板を巻き合わせて形成した担体を囲むケーシング外周に走行風が当たることによって助長される担体の温度勾配が、メタルキャタの周辺に配設された断熱材によって緩和され、そのため、内外熱膨張差に起因する応力集中によってクラックが発生し、それが担体の疲労破壊の要因となるのが防止される。この場合、断熱材が、Ｖ型エンジンにおいて、メタルキャタの周辺の走行風が当たる側にのみ配設されることにより、メタルキャタが過度に断熱され耐熱限界を超えて溶損あるいは破損に至るのを防止しつつ熱応力集中によるクラックの防止が効果的に達成される。
【００２７】
断熱材によるこのような作用は、断熱材がメタルキャタの外周に配設されたことによるもので、特にケーシング外周面に直接断熱材が配設された場合に顕著である。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００２９】
実施例１．
図５は本発明の実施例１のエンジンの平面図である。
【００３０】
実施例１は、横置き配置で車両前部に搭載したＶ型６気筒エンジンに適用したものであって、図５において、１はエンジン本体であり、図の上下方向に延びる図示しない出力軸（すなわち、クランクシャフト）を挟んでＶ型をなすよう左右にバンク２，３を構成し、各バンク２，３にはそれぞれ３気筒直列のシリンダ列が配置されている。また、エンジン本体１には、Ｖバンクの外側に左右バンク２，３のそれぞれの排気マニホールド４，５が接続され、各排気マニホールド４，５の下方に向いた出口部には、直付けで垂直にメタルキャタ６，７がそれぞれ連結されている。これらメタルキャタ６，７は、メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成したハニカム状の担体８，９にＰｔ，Ｒｈ等の触媒成分を担持させたものであって、担体８，９は排気流入方向の上流部および周縁側の数巻き分の範囲で平版と波板の接点がろう付され、下流部は接合しない開放構造である。また、これらメタルキャタ６，７には、担体８，９を囲むキャタケース１０，１１の外側にインシュレータ１２，１３が設けられている。
【００３１】
この実施例１のエンジンは、左バンク（すなわち、図５の水平方向左側のバンク）２を前側とし車両進行方向に対し出力軸を直角にする横置き配置で車両前部に搭載されるもので、図５に矢印で示す方向から走行風を受ける。したがって、車両進行方向前側に位置する左バンク２の排気マニホールド４に直付けされたメタルキャタ６には走行風が直接当たり、その冷却作用を受ける。この前側のメタルキャタ６は走行風の中心に対し外側に偏心した位置にあり、そのため、この前側のメタルキャタ６に対し走行風の冷却作用は前方内側により大きく作用する。この実施例１では、前側のメタルキャタ６の上流部周囲で、インシュレータ１２とキャタケース１０の間に断熱材としてグラスウール１４が配設されている。一方、後側のメタルキャタ７は、インシュレータ１３とキャタケース１１との間が空間１５となっている。
【００３２】
図６はこの実施例１における左バンク２側のメタルキャタ６の配設構造を示す断面図である。このメタルキャタ６は、上述のようにメタル製の平板と波板を巻き合わせて形成したハニカム状の担体８に触媒成分を担持させたものであって、担体８は排気流入方向の上流部および周縁側の数巻き分の範囲で平版と波板の接点がろう付されている。例えば図６における一点鎖線の外側の領域ｓがろう付の範囲である。メタルキャタ６は、担体８を囲む筒状キャタケース１０の上端が排気マニホールド４の出口部に嵌入され電気溶接されている。図６の１６がその溶接部である。キャタケース１０は担体８の外周全面を覆うもので、下端側がろう付により担体８に接合されている。また、キャタケース１０の下端は図示しない排気管に接続される出口コーン１７に嵌入され電気溶接にって接合されている。図６の１８がその溶接部である。また、グラスウール１４は、装着可能に上下に分割されたものがメタルキャタ６の上流部においてキャタケース１０の外周面に配設され、断面コの字状で２分割構造のガイド１９によって保持されている。上記ガイド１９は、グラスウール１４をメタルキャタ６の上流部外周面に保持した状態で図示しないボルトにより一体結合されるもので、各半割部はインシュレータ１２にスポット溶接で固定される。
【００３３】
この実施例１によれば、排気マニホールド直付けのメタルキャタであることにより、メタル製の平板および波板を巻き合わせて形成した担体８の上流部に排気ガスが不均一に当たることによって助長される担体上流部の温度勾配がグラスウール１４によって緩和され、そのため、内外熱膨張差に起因する応力集中によってクラックが発生し疲労破壊に至るのが防止される。そして、断熱材であるグラスウール１４が、直接走行風を受ける前側のメタルキャタ６に対してのみ設けられたことによって、後側のメタルキャタ７を不必要に断熱することがなく、コスト低減も達成される。
【００３４】
実施例２．
図７は本発明の実施例２のエンジンの平面図である。
【００３５】
実施例２は、やはり横置き配置で車両前部に搭載したＶ型６気筒エンジンに適用したものであり、エンジンの基本的な構造は実施例１と同様である。すなわち、図７において、１はエンジン本体であり、図の上下方向に延びる図示しない出力軸を挟んでＶ型をなすよう左右にバンク２，３を構成し、各バンク２，３にはそれぞれ３気筒直列のシリンダ列が配置されている。また、エンジン本体１には、Ｖバンクの外側に左右バンク２，３のそれぞれの排気マニホールド４，５が接続され、各排気マニホールド４，５の下方に向いた出口部には、直付けで垂直にメタルキャタ６，７がそれぞれ連結されている。これらメタルキャタ６，７は、メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成したハニカム状の担体８，９に触媒成分を担持させたものであって、担体８，９は排気流入方向の上流部および周縁側の数巻き分の範囲で平版と波板の接点がろう付けされ、下流部は接合しない開放構造である。また、これらメタルキャタ６，７には、担体８，９を囲むキャタケース１０，１１の外側にインシュレータ１２，１３が設けられている。そして、エンジンは、左バンク（すなわち、図７の水平方向左側のバンク）２を前側とし車両進行方向に対し出力軸を直角にする横置き配置で車両前部に搭載されるもので、図７に矢印で示す方向から走行風を受け、したがって、車両進行方向前側に位置する左バンク２の排気マニホールド４に直付けされたメタルキャタ６には走行風が直接当たり、その冷却作用を受ける。また、この前側のメタルキャタ６は走行風の中心に対し外側に偏心した位置にあり、このメタルキャタ６に対し走行風の冷却作用は前方内側により大きく作用する。
【００３６】
この実施例２では、前側のメタルキャタ６の上流部周囲であって、走行風が直接当たる前面側にのみ、インシュレータ１２とキャタケース１０の間に断熱材としてグラスウール１４が配設されている。後側のメタルキャタ７のインシュレータ１３とキャタケース１１との間は空間１５となっている。
【００３７】
この実施例２の場合の左バンク２の排気マニホールド４に直付けされるメタルキャタ６の配設構造は、基本的には実施例１で説明した図６のものと同様である。そして、この場合のグラスウール１４は、やはり、装着可能なよう上下に分割されたものがメタルキャタ６の上流部においてキャタケース１０の外周面に配設されて、断面コの字状で一体構造のガイドによって保持され、そのガイドはインシュレータ１２にスポット溶接される。
【００３８】
この実施例２によれば、排気マニホールド直付けのメタルキャタであることにより、メタル製の平板および波板を巻き合わせて形成した担体８の上流部に排気ガスが不均一に当たることによって助長される担体上流部の温度勾配がグラスウール１４によって緩和され、そのため、内外熱膨張差に起因する応力集中によってクラックが発生し疲労破壊に至るのが防止される。そして、断熱材であるグラスウール１４が、直接走行風を受ける前側のメタルキャタ６に対してのみ設けられたことによって、後側のメタルキャタ７を不必要に断熱することがなく、コスト低減も達成され、また、断熱材であグラスウール１４が前側のメタルキャタ６の周辺の走行風が当たる側にのみ配設されたことにより、このメタルキャタ６が過度に断熱され耐熱限界を超えて溶損あるいは破損に至るのを防止しつつ熱応力集中によるクラックの防止が効果的に達成される。
【００３９】
実施例３．
図８は本発明の実施例３のエンジンの平面図である。
【００４０】
実施例３は、やはり横置き配置で車両前部に搭載したＶ型６気筒エンジンに適用したものであって、エンジンの基本的な構造は実施例１と同様であり、図３において、１はエンジン本体を示す。また、２は一方のバンク（左バンク）であり、４はそのバンク２に接続された排気マニホールド、６はこの排気マニホールド４の下方に向いた出口部に直付けで垂直に連結されたメタルキャタ６である。図示しないが、もう一方のバンク（右バンク）の排気マニホールドにもメタルキャタが連結されている。
【００４１】
図示した上記メタルキャタ６は、メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成したハニカム状の担体８に触媒成分を担持させたものであって、担体８は排気流入方向の上流部および周縁側の数巻き分の範囲で平版と波板の接点がろう付けされ、下流部は接合しない開放構造である。また、このメタルキャタ６には、担体８を囲むキャタケース１０の外側にインシュレータ１２が設けられている。そして、エンジンは、左バンク（すなわち、図７の水平方向左側のバンク）２を前側とし車両進行方向に対し出力軸を直角にする横置き配置で車両前部に搭載されるもので、図８の右から左に向かう方向に走行風を受け、したがって、車両進行方向前側に位置するバンク２の排気マニホールド４に直付けされたメタルキャタ６には走行風が直接当たり、その冷却作用を受ける。
【００４２】
走行風を受ける前側のメタルキャタ６は、走行風の中心に対し外側に偏心した位置にあり、したがって、このメタルキャタ６に対し走行風の冷却作用は前方内側により大きく作用する。また、このメタルキャタ６は、排気ガスの主流が担体８の上流部に該担体８の軸芯に対してオフセット（偏心）して当たる位置で排気マニホールド４に直接連結されている。図８にはこのメタルキャタ６の上部の軸線に直角な断面を格子状に分割したときの各領域の流速を相対値で示す。
【００４３】
この実施例３では、前側のメタルキャタ６の上流部周囲の、走行風が直接当たる前面側で、かつ、排気ガスの主流が担体８の軸芯に対してオフセットして当たる位置の側にのみ、インシュレータ１２とキャタケース１０の間に断熱材としてグラスウール１４が配設されている。
【００４４】
この実施例３の場合の左バンク２の排気マニホールド４に直付けされるメタルキャタ６の配設構造は、基本的には実施例１で説明した図６のものと同様である。そして、この場合のグラスウール１４は、やはり、装着可能なよう上下に分割されたものがメタルキャタ６の上流部においてキャタケース１０の外周面に配設されて、断面コの字状で一体構造のガイドによって保持され、そのガイドはインシュレータ１２にスポット溶接される。
【００４５】
この実施例３によれば、排気マニホールド直付けのメタルキャタであることにより、メタル製の平板および波板を巻き合わせて形成した担体８の上流部に排気ガスが不均一に当たることによって助長される担体上流部の温度勾配がグラスウール１４によって緩和され、そのため、内外熱膨張差に起因する応力集中によってクラックが発生し疲労破壊に至るのが防止される。そして、断熱材であるグラスウール１４が、直接走行風を受ける前側のメタルキャタ６に対してのみ設けられたことによって、後側のメタルキャタ７を不必要に断熱することがなく、コスト低減も達成され、また、断熱材であグラスウール１４が前側のメタルキャタ６の周辺の走行風が当たる側で、かつ、排気ガスの主流が担体８の軸芯に対してオフセットして当たる位置の側にのみ配設されたことにより、このメタルキャタ６が過度に断熱され耐熱限界を超えて溶損あるいは破損に至るのを防止しつつ熱応力集中によるクラックの防止が効果的に達成される。
【００４６】
実施例４．
図９は本発明の実施例４のエンジンの平面図である。
【００４７】
実施例４は、横置き配置で車両前部に搭載した直列４気筒エンジンに適用したものである。図９において、１０１はエンジン本体であり、図の上下の方向にシリンダ列が配置されている。また、エンジン本体１０１には、図において左側方に排気マニホールド１０４が接続され、この排気マニホールド１０４の下方に向いた出口部には、直付けで垂直にメタルキャタ１０６が連結されている。このメタルキャタ６は、メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成したハニカム状の担体１０８に触媒成分を担持させたものであって、担体１０８は排気流入方向の上流部および周縁側の数巻き分の範囲で平版と波板の接点がろう付され、下流部は接合しない開放構造である。また、メタルキャタ１０６には、担体１０８を囲むキャタケース１１０の外側にインシュレータ１１２が設けられている。このエンジンは、排気マニホールド１０４が配置された側を前側とし車両進行方向に対し出力軸を直角にする横置き配置で車両前部に搭載されるもので、図９に矢印で示す方向から走行風を受け、したがって、排気マニホールド１０４に直付けされたメタルキャタ１０６には走行風が直接当たり、その冷却作用を受ける。また、メタルキャタ１０６は走行風の中心に対し外側に偏心した位置にあり、メタルキャタ１０６に対し走行風の冷却作用は前方内側により大きく作用する。
【００４８】
この実施例４では、メタルキャタ１０６の上流部周囲であって、走行風が直接当たる前面側にのみ、インシュレータ１１２とキャタケース１１０の間に断熱材としてグラスウール１１４が配設されている。
【００４９】
この実施例４の場合のメタルキャタ６の配設構造は、基本的には実施例１で説明した図５のものと同様である。そして、この場合のグラスウール１１４は、やはり、装着可能に上下に分割されたものがメタルキャタ１０６の上流部においてキャタケース１１０の外周面に配設されて、断面コの字状で一体構造のガイドによって保持され、そのガイドはインシュレータ１１２にスポット溶接される。
【００５０】
この実施例４によれば、排気マニホールド直付けのメタルキャタであることにより、メタル製の平板および波板を巻き合わせて形成した担体１０８の上流部に排気ガスが不均一に当たることによって助長される担体上流部の温度勾配がグラスウール１１４によって緩和され、そのため、内外熱膨張差に起因する応力集中によってクラックが発生し疲労破壊に至るのが防止される。そして、断熱材であるグラスウール１１４がメタルキャタ１０６の周辺の走行風が当たる側にのみ配設されたことにより、メタルキャタ１０６が過度に断熱され耐熱限界を超えて溶損あるいは破損に至るのを防止しつつ熱応力集中によるクラックの防止が効果的に達成される。
【００５１】
（その他の実施例）
上記実施例１〜４では、メタルキャタの温度勾配を緩和するための断熱材としてグラスウールを用いたものを説明したが、グラスウールでなくても、メタルキャタのキャタケースとインシュレータの間が単に空間であるよりも断熱性を高くし得る断熱材であれば使用することが可能である。また、好適な断熱材は、耐熱性および耐熱性の高いものであり、そのような断熱材としては、グラスウール以外にセラミック等がある。
【００５２】
また、上記実施例１〜４では、メタルキャタの上流側にグラスウールを配設したものを説明したが、グラスウールあるいはその他の断熱材をキャタ上流側および下流側に配設し、上流側の断熱材を下流側の断熱材よりも断熱性の高いものとしたり、上流側の断熱材を下流側の断熱材よりも厚さが大であるようにしてもよい。
【００５３】
また、上記実施例１〜４では、グラスウールをキャタケースの外周面に配設したものを説明したが、キャタケース間との吹き抜け防止対策を講じてグラスウール等の断熱材をキャタケース外周面から離した配置とすることも可能であり、断熱材以外の手段でキャタケース外周側の断熱性を高め、あるいはメタルキャタの温度勾配を緩和するようにすることも可能である。
【００５４】
また、上記実施例１〜４では、横置きのＶ型エンジンあるいは横置きの直列エンジンについて説明したが、本発明はその他の横置きあるいは縦置きエンジンにも適用し得る。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置によれば、メタル製の平板および波板を巻き合わせて形成した担体の上流部に排気ガスがオフセットして当たることによって助長される担体上流部の温度勾配を、メタルキャタの上流部における排気ガスの主流が担体の軸芯に対してオフセットして当たる位置の側のケーシング外周側の断熱性を他の位置の側のケーシング外周側の断熱性よりも高めるようメタルキャタ周辺の排気ガスの主流がオフセットして当たる位置の側に配設された断熱材によって緩和することができ、それにより、内外熱膨張差に起因する応力集中によってクラックが発生し担体の疲労破壊に至るのを防止することができる。
【００５６】
また、本発明の請求項２、３に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置によれば、メタル製の平板および波板を巻き合わせて形成した担体の上流部に排気ガスがオフセットして当たることによって助長される担体上流部の温度勾配を、メタルキャタの上流部におけるケーシング外周側の断熱性をメタルキャタの下流部におけるケーシング外周側の断熱性よりも高めるようメタルキャタ周辺に配設する断熱材によって緩和することができ、それにより、内外熱膨張差に起因する応力集中によってメタルキャタ担体にクラックが発生し疲労破壊に至るのを防止することができる。
【００５７】
そして、本発明の請求項２に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置によれば、上流側の断熱材を下流側の断熱材よりも断熱性の高いものとすることにより、キャタ全体が過度に断熱され耐熱限界を越えて溶損したり極端に強度が落ちて破損するのを防止しつつ、熱応力の集中によるクラックの防止を効果的に達成することができる。
【００５８】
また、本発明の請求項３に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置によれば、上流側の断熱材を下流側の断熱材よりも厚さが大のものとすることにより、キャタ全体が過度に断熱され耐熱温度を越えて溶損したり極端に強度が落ちて破損するのを防止しつつ、熱応力の集中によるクラックの防止を効果的に達成することができる。
【００５９】
また、本発明の請求項４に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置によれば、メタルキャタの平板と波板を巻き合わせて形成した担体を囲むケーシング外周に走行風が当たることによって助長される担体の温度勾配を、メタルキャタの周辺に配設された断熱材によって緩和することができ、それにより、内外熱膨張差に起因する応力集中によって排気マニホールド直付けのメタルキャタにクラックが発生し疲労破壊に至るのを防止することができる。
【００６０】
また、本発明の請求項４に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置によれば、断熱材を、メタルキャタの周辺の走行風が当たる側にのみ配設することにより、メタルキャタが過度に断熱され耐熱限界を超えて溶損あるいは破損に至るのを防止しつつ、熱応力集中によるクラックの防止を効果的に達成することができる。
【００６１】
また、本発明の請求項４に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置によれば、Ｖ型エンジンにおいて、断熱材を、メタルキャタの周辺の走行風が当たる側にのみ配設することにより、メタルキャタが過度に断熱され耐熱限界を超えて溶損あるいは破損に至るのを防止しつつ、熱応力集中によるクラックの防止を効果的に達成することができる。
【００６２】
また、本発明の請求項５に係るエンジンの排気ガス浄化用触媒装置によれば、断熱材をケーシング外周面に配設することによって、上記効果を一層確実なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】メタルキャタの熱による疲労破壊の現象を説明する図
【図２】メタルキャタのクラック発生のメカニズムを実証する実験例のデータ
【図３】メタルキャタのクラック発生のメカニズムを実証する実験例におけるキャタ配設構造を示す図
【図４】メタルキャタのクラック発生のメカニズムを実証する実験例においてキャタ内に流入する排気ガスの流速分布を示す図
【図５】本発明の実施例１のエンジンの平面図
【図６】本発明の実施例１におけるメタルキャタの配設構造を示す断面図
【図７】本発明の実施例２のエンジンの平面図
【図８】本発明の実施例３のエンジンの平面図
【図９】本発明の実施例４のエンジンの平面図
【符号の説明】
１ エンジン本体
２ バンク
４ 排気マニホールド
６ メタルキャタ
８ 担体
１０ キャタケース（ケーシング）
１２ インシュレータ
１４ グラスウール（断熱材）
１９ ガイド
１０１ エンジン本体
１０４ 排気マニホールド
１０６ メタルキャタ
１０８ 担体
１１０ キャタケース（ケーシング）
１１２ インシュレータ
１１４ グラスウール（断熱材）
Claims (5)
- メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成し少なくとも排気流入方向の上流部で平板と波板との接点をろう付したハニカム状の担体に触媒成分を担持させ該担体の外周全面をキャタケースで覆い該担体の上流部端面から下流部端面へ排気ガスを流す構成としてなるメタルキャタを使用し該メタルキャタを排気ガスの主流が前記担体の上流部に該担体の軸芯に対してオフセットして当たる位置で排気マニホールドに直接連結したエンジンの排気ガス浄化用触媒装置において、前記メタルキャタの上流部における排気ガスの主流が担体の軸芯に対してオフセットして当たる位置の側のケーシング外周側の断熱性を他の位置の側のケーシング外周側の断熱性よりも高めるようメタルキャタ周辺の排気ガスの主流がオフセットして当たる位置の側に断熱材を配設したことを特徴とするエンジンの排気ガス浄化用触媒装置。
- メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成したハニカム状の担体に触媒成分を担持させ該担体の外周全面をキャタケースで覆ってなるメタルキャタを使用し該メタルキャタを排気ガスの主流が前記担体の上流部に該担体の軸芯に対してオフセットして当たる位置で排気マニホールドに直接連結したエンジンの排気ガス浄化用触媒装置において、前記メタルキャタの上流部におけるケーシング外周側の断熱性を該メタルキャタの下流部におけるケーシング外周側の断熱性よりも高めるようメタルキャタ周辺の上流側および下流側に断熱材を配設し、上流側の断熱材は下流側の断熱材よりも断熱性の高いものを用いたことを特徴とするエンジンの排気ガス浄化用触媒装置。
- メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成したハニカム状の担体に触媒成分を担持させ該担体の外周全面をキャタケースで覆ってなるメタルキャタを使用し該メタルキャタを排気ガスの主流が前記担体の上流部に該担体の軸芯に対してオフセットして当たる位置で排気マニホールドに直接連結したエンジンの排気ガス浄化用触媒装置において、前記メタルキャタの上流部におけるケーシング外周側の断熱性を該メタルキャタの下流部におけるケーシング外周側の断熱性よりも高めるようメタルキャタ周辺の上流側および下流側に断熱材を配設し、上流側の断熱材は下流側の断熱材よりも厚さが大のものを用いたことを特徴とするエンジンの排気ガス浄化用触媒装置。
- メタル製の平板と波板を巻き合わせて形成したハニカム状の担体に触媒成分を担持させ該担体の外周全面をキャタケースで覆い該担体の上流部端面から下流部端面へ排気ガスを流す構成としてなるメタルキャタを使用し該メタルキャタをそのケーシング外周に車両走行時の外風が当たる位置で、出力軸を挟んでＶ型をなす左右のバンクにそれぞれシリンダ列を配置したＶ型エンジンの排気マニホールドに直接連結したエンジンの排気ガス浄化用触媒装置において、前記メタルキャタの周辺の前記外風が当たる側にのみ断熱材を配設したことを特徴とするエンジンの排気ガス浄化用触媒装置。
- 前記断熱材は前記メタルキャタのケーシング外周面に配設したものである請求項１，２，３または４記載のエンジンの排気ガス浄化用触媒装置。
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