JP3585064B2

JP3585064B2 - モノリス触媒コンバータ及びその製造方法

Info

Publication number: JP3585064B2
Application number: JP26438395A
Authority: JP
Inventors: 元喜渡辺; 哲高橋; 岩雄二橋; 貴之古畑; 義明門間
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-10-12
Filing date: 1995-10-12
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2015-10-12
Also published as: DE69623556T3; DE69623556D1; EP0768451B2; KR100188451B1; US5953817A; JPH09112259A; DE69623556T2; EP0768451A1; EP0768451B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はモノリス触媒コンバータと、その製造方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
触媒容器が排ガス管に接続され、この触媒容器内にモノリス触媒が保持されたモノリス触媒コンバータは、エンジンから排出される排ガスを排ガス管でモノリス触媒に導くことができるため、このモノリス触媒で排ガス中の有害成分を浄化することが可能である。
【０００３】
このうち、触媒容器がクラムシェル（パンケーキ）型のモノリス触媒コンバータは、ともに器状であり、合せ面の全周にフランジが形成されたアッパー部材及びロウアー部材をプレス成形し、これらアッパー部材及びロウアー部材の内部にモノリス触媒を保持した状態でアッパー部材のフランジとロウアー部材のフランジとを溶接すること等により製造される。こうして得られるモノリス触媒コンバータでは、アッパー部材及びロウアー部材により触媒容器が構成され、触媒容器における筒状の筒部の内部にモノリス触媒が保持され、触媒容器における一対のロート状の両コーン部のうちの各小径開口部が排ガス管に接続されるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記クラムシェル型の触媒容器をもつモノリス触媒コンバータでは、溶接時の熱影響によりアッパー部材及びロウアー部材からなる触媒容器が歪みやすく、排ガス管への組付け性が損なわれる場合があった。
また、このモノリス触媒コンバータでは、触媒容器の筒部において、フランジが溶接されたことによる溶接部を接合部として軸方向に対向して残存し、かつ触媒容器の両コーン部において、同接合部が径方向に対向して残存している。このため、このモノリス触媒コンバータでは、全接合部から排ガスが漏れることを確実に防止すべく、気密に全接合部が形成されているか否かを面倒なリークテストにより検査しなければならない。また、このモノリス触媒コンバータでは、触媒容器内の全接合部により排ガスの流れが乱されやすく、これにより排気抵抗が大きくなり、エンジンの出力低下のおそれもある。特に、両コーン部における径方向に延在する接合部がかかる出力低下をもたらすと考えられる。かといって、当初より筒部を構成する筒部材と、それぞれコーン部を構成する一対のコーン部材とを別部材として用意し、これら３部材を周方向で溶接して触媒容器を構成するとすれば、筒部と各コーン部とは溶接部からなる接合部を周方向に残存させてしまう。この周方向に延在する接合部によっても、軸方向に延在する接合部と同様の不具合が考えられる。
【０００５】
さらに、このモノリス触媒コンバータでは、アッパー部材及びロウアー部材の各合せ面の全周にフランジを形成し、両フランジの長い距離を高価な溶接設備で溶接しなければならないことから、製造するに際し、材料費と溶接費とが高く、製造コストが高騰するという欠点があるとともに、溶接による作業環境の悪化が懸念される。
【０００６】
この点、特開平２−２６４１１０号公報は触媒容器が一体型のモノリス触媒コンバータを提案している。この提案では、筒状のパイプ素材の両端にプレス加工を施すことにより、導入口とこの導入口の両側に隣接する上下の合せ面とを形成するとともに、導出口とこの導出口の両側に隣接する上下の合せ面とを形成し、しかる後にそれぞれ上下の合せ面を溶接することにより一体型の触媒容器を製造している。こうして得られるモノリス触媒コンバータは、パイプ素材により触媒容器が一体に形成されるため、製造するに際し、溶接長さが短くなり、製造コストの低廉化と良い作業環境とを実現可能ではある。
【０００７】
しかしながら、このモノリス触媒コンバータでは、上下の合せ面を溶接した溶接部が接合部として径方向に未だ残存している。このため、このモノリス触媒コンバータにおいても、溶接時の熱影響を避けることができないために排ガス管への組付け性が万全ではなく、径方向に延在する接合部による検査の必須及び出力低下の不具合が考えられ、かつ製造コストの低廉化と良い作業環境とを完全には実現不能である。
【０００８】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、排ガス管への良好な組付け性を実現し、面倒な検査を省略可能であり、かつ排ガスの乱流による出力低下を防止可能なモノリス触媒コンバータをより低い製造コストと良い作業環境の下で製造可能とすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）請求項１のモノリス触媒コンバータは、排ガス管に接続される触媒容器と、該触媒容器内に保持されるモノリス触媒と、からなるモノリス触媒コンバータにおいて、
前記触媒容器は、一端側の周面にリング状の保持部材が固定されるとともに中央の周面にシールが巻き付けられた前記モノリス触媒を内部に保持しリング状の凹みがスピニング加工により該保持部材と該シールとの間に形成された筒状の筒部と、該筒部の両端で前記排ガス管に接続される一対のスピニング加工により形成されたロート状のコーン部とが一体に形成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項１のモノリス触媒コンバータでは、筒状の筒部と一対のロート状のコーン部とが一体に形成されて触媒容器を構成しており、溶接部等の接合部を軸方向、径方向及び周方向に有しない。
但し、このモノリス触媒コンバータを製造するに際し、採用され得る筒状のパイプ素材は、継目のないものである場合を除き、板状の素材を筒状に丸めて接合されてもともと軸方向の接合部を残存させている。このため、パイプ素材としては、継目のないものを採用することが好ましいが、一般的に市販されている継目のあるものであっても、その軸方向の接合部が触媒容器に加工後に気密性を損なうことはまずありえない。したがって、請求項１における接合部には、このようにパイプ素材そのものに当初よりある接合部は含めないものとする。
【００１１】
こうして、このモノリス触媒コンバータでは、従来のように溶接を行わないことから、溶接時の熱影響による触媒容器の歪みがない。
また、このモノリス触媒コンバータでは、従来のような接合部を有しないことから、従来のような面倒なリークテストによる検査を必ずしも必要としなくても、排ガスの漏れが確実に防止されている。また、このモノリス触媒コンバータでは、触媒容器内に従来のような接合部がないことから、排ガスがスムーズに流れる。
【００１２】
（２）請求項３のモノリス触媒コンバータの製造方法は、請求項１に記載のモノリス触媒コンバータを製造する方法であって、
筒状のパイプ素材内にモノリス触媒を挿入する挿入工程と、
該パイプ素材の両端開口をスピニング加工でロート状に絞り加工し且つ該パイプ素材の前記筒部を押圧治具によるスピニング加工で塑性変形する絞り工程と、を有することを特徴とする。
挿入工程では筒状のパイプ素材内にモノリス触媒を挿入する。また、絞り工程ではパイプ素材の両端開口をロート状に絞り加工する。
【００１３】
請求項３の製造方法は、挿入工程前に絞り工程としてパイプ素材の一端開口をロート状に絞り加工した後、挿入工程を行い、この後に再度絞り工程としてパイプ素材の他端開口をロート状に絞り加工する手段と、絞り工程前に挿入工程を行い、内部にモノリス触媒が挿入された状態のパイプ素材について両端開口をロート状に絞り加工する絞り工程を行なう手段と、を選択することができる。
【００１４】
こうして、請求項１のモノリス触媒コンバータが得られる。このモノリス触媒コンバータは、パイプ素材により触媒容器が一体に形成されているため、製造するに際し、材料費が下がり、かつ溶接を省略できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、各請求項１〜４記載の発明を具体化した実施形態１を図面及び参考実施形態１及び２を参照しつつ説明する。
（参考実施形態１）
まず、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ステンレス製の筒状のパイプ素材１と、モノリス触媒２とを用意する。パイプ素材１は、板状の素材を筒状に丸めてなるものであり、軸方向には図示しない溶接部がもともと残存されている。他方、モノリス触媒２は、セラミックス担体を担体基材として用い、このセラミックス担体にセラミックスの触媒担持層を形成し、触媒担持層に白金等の触媒金属を担持させたものである。なお、波板と平板とを巻いたハニカム体が外筒内に保持されたメタル担体をモノリス触媒２の担体基材として用いることもできる。
【００１６】
「絞り工程」
そして、図１（Ｂ）に示すように、パイプ素材１の一端開口１ａをロート状に絞り加工する。ここでは、図６に示すダイス型絞り加工装置を採用する。このダイス型絞り加工装置では、固定台１０の上面に鋼材製のダイスホルダ１１が固定されており、このダイスホルダ１１内には図７にも示す下ダイス１２が固定されている。この下ダイス１２には、パイプ素材１の外径と略等しい円筒状の円筒面１２ａと、この円筒面１２ａと曲率ｒで連続し、垂線に対してθ°傾斜したテーパ面１２ｂと、このテーパ面１２ｂと連続し、円筒面１２ａより小径の円筒状の円筒面１２ｃとが上面から貫設されている。また、図６に示すように、固定台１０の上方には可動台１３が上下動可能に設けられている。可動台１３の下面には、下ダイス１２の円筒面１２ａと略一致する外径をもつポンチ１４が固定されているとともに、下ダイス１２の円筒面１２ａと略一致する内径をもつリング状の上ダイス１５が押圧ばね１６を介して上下動可能に設けられている。
【００１７】
このダイス型絞り加工装置により、図１（Ｂ）に示すように、パイプ素材１の一端開口１ａをロート状に絞り加工する場合、まず図６の左図に示すように、可動台１３が上死点位置にある状態で下ダイス１２の円筒面１２ａ内にパイプ素材１の一端開口１ａを挿入する。次いで、図６の右図に示すように、可動台１３を下死点まで下降させる。このとき、まず上ダイス１５の下面が下ダイス１２の上面に当接し、押圧ばね１６が縮まされる。そして、ポンチ１４の下面がパイプ素材１の他端開口１ｂに当接する。可動台１３の下降により、パイプ素材１の一端開口１ａは曲率ｒの部分を経てテーパ面１２ｂ、円筒面１２ｃ内にポンチ１４に押し込まれる。こうして、パイプ素材１の一端開口１ａの絞り加工が完了し、ロート状のコーン部１ｄとする。
【００１８】
なお、下ダイス１２の代わりに、図８に示す下ダイス１７を採用することもできる。この下ダイス１７には、下ダイス１２と同様の円筒面１７ａ、テーパ面１７ｂ及び円筒面１７ｃが上面から貫設されてとともに、円筒面１７ａ及びテーパ面１７ｂの外方に高周波コイル１８が内蔵されている。この下ダイス１７を採用すれば、高周波コイル１８の誘導加熱によってパイプ素材１の一端開口１ａを局部加熱しつつ絞り加工できるため、良好な成形性を発揮できる。また、一端開口１ａの局部加熱の代わりに局部焼鈍を行っても良好な成形性を発揮できる。
【００１９】
また、図６に示すダイス型絞り加工装置の代わりに、図９に示すスピニング絞り加工装置を採用することもできる。このスピニング絞り加工装置では、チャック２０がパイプ素材１の一端開口１ａを水平に突出させた状態でパイプ素材１を保持可能に設けられており、チャック２０はモータ２１の回転軸に固定され、これによりパイプ素材１は軸心回りに回動可能になされている。また、パイプ素材１の一端開口１ａの上方には油圧シリンダ２２より上下動可能に上下可動台２３が設けられ、上下可動台２３には油圧シリンダ２４より水平動可能に水平可動台２５が設けられている。そして、水平可動台２５にはブラケット２６によりパイプ素材１と軸心が平行なローラ２７が従動可能に設けられている。
【００２０】
このスピニング絞り加工装置により、図１（Ｂ）に示すように、パイプ素材１の一端開口１ａをロート状に絞り加工する場合、図９に示すように、モータ２１でパイプ素材１を軸心回りに回動しつつ、油圧シリンダ２２、２４を制御することによりパイプ素材１の一端開口１ａにローラ２７をチャック２０側から徐々に強く押し付ける。こうして、パイプ素材１の一端開口１ａの絞り加工が完了する。
【００２１】
「挿入工程」
次いで、図１（Ｂ）に示すように、パイプ素材１の他端開口１ｂから内部にモノリス触媒２を挿入する。
「絞り工程」
この後、上記ダイス型絞り加工装置やスピニング絞り加工装置を用い、図１（Ｃ）に示すように、上記絞り工程と同様、パイプ素材１の他端開口１ｂを絞り加工し、ロート状のコーン部１ｅとする。パイプ素材１のコーン部１ｄ、１ｅを除く部分が筒状の筒部１ｃである。
【００２２】
こうして、図３に示すモノリス触媒コンバータが得られる。このモノリス触媒コンバータでは、パイプ素材１により筒部１ｃと両コーン部１ｄ、１ｅとが一体に形成されて触媒容器１を構成し、筒部１ｃの内部にモノリス触媒２が保持され、両コーン部１ｄ、１ｅの各小径開口部が排ガス管に接続される。
このとき、このモノリス触媒コンバータでは、従来のように溶接を行わないことから、溶接時の熱影響による触媒容器１の歪みがなく、排ガス管への良好な組付け性を実現した。
【００２３】
また、このモノリス触媒コンバータは、溶接部等の接合部を軸方向、径方向及び周方向に有しないため、従来のような面倒なリークテストによる検査を必ずしも必要としなくても、排ガスの漏れが確実に防止されており、高い歩留りで製造し得た。
さらに、このモノリス触媒コンバータは、製造するに際し、従来のフランジをもつアッパー部材及びロウアー部材を採用した場合と比して材料費が下がり、かつ溶接を省略できたため、製造コストの低廉化と良い作業環境とを実現できた。
【００２４】
そして、このモノリス触媒コンバータは、エンジンから排出される排ガスを排ガス管でモノリス触媒２に導き、モノリス触媒２で排ガス中の有害成分を浄化する。このとき、このモノリス触媒コンバータでは、触媒容器１内に従来のような接合部がないことから、排ガスがスムーズに流れ、排気抵抗の増大を防止してエンジンの出力低下を防止可能であった。
（参考実施形態２）
「挿入工程」
図２（Ａ）に示すように、パイプ素材１内に一端開口１ａ又は他端開口１ｂからモノリス触媒２を挿入する。
【００２５】
「絞り工程」
次いで、上記ダイス型絞り加工装置やスピニング絞り加工装置を用い、図２（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、パイプ素材１の両端開口１ａ、１ｂを絞り加工し、ロート状のコーン部１ｄ、１ｅとする。他の構成は参考実施形態１と同様である。
この製造方法では、絞り加工を連続して行なうことができたため、製造時間の短縮化が可能であった。
【００２６】
こうして他の作用及び効果は参考実施形態１と同様の下、図３に示す参考実施形態１と同様のモノリス触媒コンバータが得られた。
（実施形態１）
図５に示すように、モノリス触媒２の一端側の周面にパイプ素材１より大きな熱膨脹係数のステンレス繊維を集積してなるリング状の保持部材３、４を固定するとともに、中央の周面にセラミックスファイバとバーミキュライトとからなるシール５を巻き付ける。これを参考実施形態１及び２のモノリス触媒２の代わりにパイプ素材１内に挿入する。他の構成は参考実施形態１及び２と同様である。
【００２７】
また、シャフト６にシール５の幅よりやや狭い幅広のローラ７と、このローラ７の両脇にシール５と保持部材３、４との間の間隔よりやや狭い幅狭のローラ８、９とを取りつけた押圧治具を用意する。この押圧治具において、ローラ８、９はシール５と保持部材３、４との間に位置するようになっている。
そして、参考実施形態１及び２と同様に挿入工程及び絞り工程を行った後、パイプ素材１及び押圧治具をともに軸方向に回転させつつ互いに押し付ける（スピニング加工）。このとき、筒部１ｃのシール５と保持部材３、４との間が押圧治具のローラ８、９により塑性変形され、ここにリング状の凹み１ｆ、１ｇが形成される。また、筒部１ｃの凹み１ｆ、１ｇ間が押圧治具のローラ７により塑性変形され、ここがやや小径にされる。
【００２８】
こうして、モノリス触媒コンバータが得られる。このモノリス触媒コンバータでは、保持部材３、４が使用時に触媒容器１より大きく熱膨脹し、かつ筒部１ｃの凹み１ｆ、１ｇが保持部材３、４とシール５との間に係合していることから、モノリス触媒２が触媒容器１内に強固に保持されている。また、このモノリス触媒コンバータでは、小径にされた筒部１ｃの凹み１ｆ、１ｇ間においてシール５が膨脹・固化されるため、シール５の弾性力が大きくなっている。このため、このモノリス触媒コンバータはより高い保持剛性と気密性とを発揮する。また、排ガスの導入口側である保持部材３は高温の排ガスがシール５を劣化することを防止している。他の作用及び効果は参考実施形態１及び２と同様である。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳述したように、各請求項記載の発明は、各請求項記載の手段を採用しているため、以下のような効果を奏することができる。
請求項１のモノリス触媒コンバータは、従来のような溶接による接合部を有しないことから、排ガス管への良好な組付け性を実現し、面倒な検査を省略可能であり、かつ排ガスの乱流による出力低下を防止可能である。
このモノリス触媒コンバータでは、筒部の凹みが保持部材とシールとの間に係合していることから、モノリス触媒が触媒容器内に強固に保持できる。また、小径にされた筒部の凹み間においてシールが膨脹・固化されるため、シールの弾性力が大きくなっている。このため、このモノリス触媒コンバータはより高い保持剛性と気密性とを発揮する。更に、排ガスの導入口側である保持部材は高温の排ガスがシールを劣化することを防止している。
そして、請求項２のモノリス触媒コンバータでは、保持部材が使用時に触媒容器より大きく熱膨脹し、かつ筒部の凹みが保持部材とシールとの間に係合していることから、モノリス触媒が触媒容器内に強固に保持できる。
【００３０】
請求項３のモノリス触媒コンバータの製造方法は、材料費が下がり、かつ溶接を省略できるため、請求項１のモノリス触媒コンバータをより低い製造コストと良い作業環境の下で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考実施形態１の製造方法を示す斜視図である。
【図２】参考実施形態２の製造方法を示す斜視図である。
【図３】参考実施形態１及び２で得られたモノリス触媒コンバータの断面図である。
【図４】実施形態１の製造方法で用いたモノリス触媒等の斜視図である。
【図５】実施形態１に係るモノリス触媒コンバータ等の断面図である。
【図６】参考実施形態１及び２で用いたダイス型絞り加工装置の断面図である。
【図７】参考実施形態１及び２で用いたダイス型絞り加工装置の一部拡大断面図である。
【図８】参考実施形態１及び２で用いたダイス型絞り加工装置の一部拡大断面図である。
【図９】参考実施形態１及び２で用いたスピニング絞り加工装置の断面図である。

Claims

排ガス管に接続される触媒容器と、該触媒容器内に保持されるモノリス触媒と、からなるモノリス触媒コンバータにおいて、
前記触媒容器は、一端側の周面にリング状の保持部材が固定されるとともに中央の周面にシールが巻き付けられた前記モノリス触媒を内部に保持しリング状の凹みがスピニング加工により該保持部材と該シールとの間に形成された筒状の筒部と、該筒部の両端で前記排ガス管に接続される一対のスピニング加工により形成されたロート状のコーン部とが一体に形成されていることを特徴とするモノリス触媒コンバータ。
前記保持部材は前記触媒容器よりも熱膨張係数が大きい請求項１に記載のモノリス触媒コンバータ。
請求項１に記載のモノリス触媒コンバータを製造する方法であって、
筒状のパイプ素材内に、一端側の周面にリング状の保持部材が固定されるとともに中央の周面にシールが巻き付けられたモノリス触媒を挿入する挿入工程と、
該パイプ素材の両端開口をスピニング加工でロート状に絞り加工し且つ該パイプ素材の前記筒部の該保持部材と該シールとの間を押圧治具によるスピニング加工で塑性変形する絞り工程と、を有することを特徴とするモノリス触媒コンバータの製造方法。
前記モノリス触媒の中央の周面にはシールが巻き付けられており、
前記押圧治具は、シャフトに該シールの幅よりやや狭い幅広のローラと、この該ローラの両脇に幅狭のローラとを取りつけたものである請求項３に記載のモノリス触媒コンバータの製造方法。