JP3610720B2 - メタル触媒担体の構造 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排気通路に介装されて排気浄化を行う触媒コンバータ装置等に内蔵されるメタル触媒担体に関し、特に、触媒の早期活性化及び転化率の向上を図る技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、エンジンの排気通路に介装されて排気中のCO,HC,NOx等の物質を浄化する排気浄化用触媒コンバータ装置として、触媒を担持するメタル触媒担体をシェル内に内蔵して備えたものがある。このメタル触媒担体としては、金属箔製の波板と平板とを交互に重ね合わせて積層した構造のものがある。
【0003】
このようなメタル触媒担体において、排気中に晒される触媒担体の表面積を大きく確保して、触媒暖機後における転化率を向上させるため、メタル触媒担体の入口部と出口部との間に、通常の波高さよりも小さい小波が形成される部分を設けて、波板と平板との接触点を減少させたものが本出願人により提案されている(特願平8−138942号参照)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、排気中のCO,HC,NOx等の物質を効率良く浄化するためには、触媒暖機後における転化率を向上する一方で、冷機時に触媒を早期に活性化することが不可欠である。触媒を早期に活性化するためには、触媒の入口部分の熱容量(ヒートマス)を低減することが有効である。これは、触媒の入口部分が早期に活性化すれば、その反応熱により出口部分の活性化が促されるからであるが、触媒を早期活性化するために、触媒の入口部分の熱容量を小さくすれば、逆に、触媒全体の容量が小さくなるので、触媒暖機後における転化率が損なわれるという問題が生じる。つまり、前述のメタル触媒担体構造は、波板と平板との接触点を減らすことで、触媒担体の表面積を大きく確保するものであったが、これによる暖機後における転化率向上には一定の限界があり、さらなる転化率の向上が求められると同時に、併せて触媒の早期活性化に必要なメタル触媒担体の熱容量を低減することが困難であった。
【0005】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、積層する板形状や配置構造等の改善により、触媒の早期活性化、及び、触媒活性後の転化率向上を共に満足させるメタル触媒担体構造を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項1記載の発明は、一方向に波状に屈曲した波板と略平坦形状の平板とを交互に重ね合わせて積層し、前記波板と平板との間の空間を通路部とした構造のメタル触媒担体において、前記通路部の一端に形成される入口部と他端に形成される出口部との間の一部に、前記平板を除去して波板のみが存し、かつ、該波板が1つおきに配置される除去部分を設けると共に、入口部から前記除去部分までの通路部に対して、出口部における通路部を高密度に形成する構成とした。
【0007】
このようにすれば、除去部分では波板のみが存するので、除去部分の熱容量が低減し、入口部から除去部分までの波板と平板(以下「略前半部」という)の熱容量が低減するので、略前半部のメタル触媒担体及びこれにコーティングされる触媒が短時間で活性化温度に昇温し、触媒の早期活性化が促進される。このとき、除去部分では波板が1つおきに配置されるため、除去部分における熱容量が大幅に低減し、触媒の早期活性化の実効を図ることができる。そして、略前半部における触媒の反応熱は除去部分における波板を介して除去部分より下流の波板と平板(以下「略後半部」という)に伝達されるので、略後半部の活性化が促進される。また、略後半部が活性された後は、略後半部の通路部が略前半部に対して高密度に形成されているため、排気が触媒と接触する面積が増え、転化率が向上する。さらに、排気の流れに対して通路部の形状が変化するので、排気の拡散性が向上し、排気が触媒に接触し易くなり、排気の浄化がさらに促進される。
【0008】
請求項2記載の発明は、一方向に波状に屈曲した波板と略平坦形状の平板とを交互に重ね合わせて積層し、前記波板と平板との間の空間を通路部とした構造のメタル触媒担体において、前記通路部の一端に形成される入口部と他端に形成される出口部との間の一部に、前記平板を除去して波板のみが存する除去部分を設ける一方、前記波板は、前記入口部における波高さ及び波ピッチに対して、前記除去部分を含めた下流側の波高さ及び波ピッチが夫々小さく形成されると共に、前記除去部分に隣接する上流側には波高さ及び波ピッチが異なる波が混在する構成とした
【0009】
このようにすれば、除去部分では波板のみが存するので、除去部分の熱容量が低減し、略前半部の熱容量が低減するので、略前半部のメタル触媒担体及びこれにコーティングされる触媒が短時間で活性化温度に昇温し、触媒の早期活性化が促進される。そして、略前半部における触媒の反応熱は除去部分における波板を介して略後半部に伝達されるので、略後半部の活性化が促進される。また、略後半部が活性された後は、略後半部の通路部が略前半部に対して高密度に形成されているため、排気が触媒と接触する面積が増え、転化率が向上する。さらに、除去部分に隣接する上流側には波高さ及び波ピッチが異なる波が混在するので、排気の拡散性が向上し、排気が触媒に接触し易くなり、排気の浄化がさらに促進される。
【0010】
請求項3記載の発明は、前記除去部分より下流において隣接する波板間に、略平坦形状の平板に挟まれた一方向に波状に屈曲した波板を追加する構成とした。
このようにすれば、略後半部の通路部が高密度に形成されるので、触媒活性後の転化率が向上すると共に、メタル触媒担体の剛性が向上する。
【0011】
請求項4記載の発明は、前記除去部分に存する波板を除く波板及び平板の少なくとも一方の板厚を、前記除去部分に存する波板の板厚よりも薄く形成する構成とした。
このようにすれば、略後半部における熱容量がより低減するので、略後半部の活性化がより促進され、排気の浄化が促進される。
【0012】
請求項5記載の発明は、前記除去部分より下流において、該除去部分に存する波板を除く波板の波ピッチを、前記除去部分に存する波板の波ピッチよりも大きく形成する構成とした。
このようにすれば、略後半部における熱容量及び通気抵抗が低減し、排気通路にメタル触媒担体を内蔵した触媒コンバータ装置が介装されるエンジンの出力の低下が防止される。
【0016】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1又は2記載の発明によれば、触媒の早期活性化及び活性後の転化率を向上することができる。
請求項3記載の発明によれば、触媒活性後の転化率の向上を図りつつ、メタル触媒担体の剛性を向上することができる。
【0017】
請求項4記載の発明によれば、略後半部の活性化がより促進され、排気の浄化を促進することができる。
請求項5記載の発明によれば、排気通路にメタル触媒担体を内蔵した触媒コンバータ装置が介装されるエンジンの出力の低下を防止することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図1〜図3は、本発明に係るメタル触媒担体の第1実施形態を示し、詳しくは、図1は、メタル触媒担体の斜視全体図、図2は、メタル触媒担体を構成する波板及び平板の積層状態を示す斜視図、図3(a)〜(d)は、夫々図1及び図2における所定位置の断面図である。
【0020】
メタル触媒担体10は、一方向に波状に屈曲した金属箔等の金属製の波板11と略平坦形状の金属箔等の金属製の平板12とを交互に重ね合わせて巻回し、波板11と平板12との間の空間を通路部13とした円筒形状となっている。但し、図2及び図3では、説明の便宜上、波板11と平板12とを交互に重ね合わせて積層した状態を示している。
【0021】
なお、略平坦形状の平板12は、本実施形態のような完全な平坦形状の他、多少の波を設けたものでもよく、また、波板11と平板12とを巻回さず、単に交互に重ね合わせて積層したものでもよい。
かかるメタル触媒担体10において、図1及び図2に示すように、図示しないエンジンが排出する排気が通過する通路部13を、上流側から下流側に向かってA部〜D部とする。以下、A部〜D部の積層構造について詳説する。
【0022】
A部では、図3(a)に示すように、波板11には、通常の大きい波高さの波(以下「大波」という)11aが形成され、各大波11aの頂部が平板12に接触される。
B部では、図3(b)に示すように、波板11には、大波11aの代わりに波高さが小さな波(以下「小波」という)11bが一部形成され、大波11aの頂部のみが平板12に接触している。ここで形成される小波11bは、大波11aの1つおきに形成されており、大波11aに対してピッチ及び波高さが夫々略1/2に形成されている。
【0023】
C部では、図3(c)に示すように、波板11には、小波11bのみが形成されている。さらに、C部では、平板12が取り除かれており、隣接する波板11の間の空間が通路部13として機能する。
D部では、図3(d)に示すように、波板11に形成された小波11bの頂部に接触するように平板12を追加すると共に、隣接する波板11の間に小波11bのみが形成された別の波板14を追加する。従って、A部の大波11aに対して波高さ及びピッチが略1/2の小波11bによって、通路部13の形成密度(以下「セル密度」という)が略4倍になる。
【0024】
ここで、かかる構成の波板11の形成方法について説明する。
▲1▼平板に対して、大波から小波に変化する箇所に切れ目(スリット)15を形成する(図4(a)参照)。この切れ目15は、平板の一端からA及びA+Bの距離に互い違いに形成する。
▲2▼切れ目15を形成した平板をプレス加工して、平板の一端から切れ目までの箇所に大波11aを、切れ目15以降の箇所に小波11bを形成する(図4(b)参照)。
【0025】
即ち、B部の役割としては、大波11aから小波11bに一気に変化させようとすると、平板全体に亘り切れ目15を形成しなければならず、波板11が分断されてしまうので、大波11aと小波11bが混在する部分を設けることで、一体的な波板11の加工を可能としている。
ここで、本発明に係るメタル触媒担体10のポイントを要約すると、A部→B部→C部に移るに従って、波板11における波高さ及びピッチを変化させ、大波11a→小波11bへと変化させる。また、C部においては、平板12を取り除き、メタル触媒担体10の熱容量を低減する。さらに、D部においては、小波11bが形成された別の波板14及び平板12を追加してセル密度を増加させ、排気が接触する触媒の表面積を増加させる。
【0026】
従って、かかる構成のメタル触媒担体10によれば、B部における波板11と平板12との接点数が減り、かつ、C部における平板12が取り除かれているので、略前半部(A部〜C部)の表面積/熱容量及び熱容量自体が改善し、略前半部が短時間で活性化温度に昇温し、触媒の早期活性化を促進することができる。そして、C部における波板11を介して、略前半部の熱量が略後半部(D部)に伝達され、略後半部の活性化が促進される。
【0027】
略後半部が活性された後は、略後半部において排気が接触する触媒の表面積が大となっているので、定常転化率が向上し、排気を効率的に浄化することができる。
さらに、排気の流れに対して通路部13の形状が変化するため、排気の拡散性が向上し、排気が触媒に接触し易くなり、排気の浄化をさらに向上することもできる。また、略後半部のセル密度が増加しているので、メタル触媒担体10の剛性が向上し、使用する波板11及び平板12の板厚を薄くすることができ、メタル触媒担体10の重量及びコストの増加を極力抑制することができる。
【0028】
ここで、早期活性化の効果を図5及び図6を参照しつつ説明する。
図5は、メタル触媒担体10の入口部からのセル長さに対する担体温度の分布の実験データを示した線図で、熱容量が小さい略前半部とセル密度が大きい略後半部とを分断させたものと、本実施形態のように略前半部と略後半部とを波板11で連結したものと、の相違を示している。
【0029】
即ち、略前半部と略後半部とを分断させたものは、分断部の直前で本実施形態よりも若干担体温度が高いが、これは、分断部の断熱効果により分断部直前のメタル触媒担体から略後半部に熱量が伝達しにくく、担体温度が低下しないためである。一方、略後半部においては、略前半部と略後半部とを分断したものは、略前半部から熱量の伝達が少ないために、排気の熱量のみによって担体温度が上昇し、本実施形態に比べて、担体温度が低下している。
【0030】
換言すると、略前半部と略後半部とを分断したものに比べて、本実施形態では、略後半部の担体温度が高く、より短時間で触媒の活性化温度まで昇温し、排気の浄化能力を最大限発揮することができる。
図6は、メタル触媒担体10が冷却した状態で、排気通路にメタル触媒担体を内蔵した触媒コンバータ装置が介装されるエンジンを始動したときに、エンジン始動後の時間と触媒転化率との関係を示した線図である。
【0031】
即ち、▲1▼と▲2▼は、触媒の略前半部と略後半部とを同じセル密度で形成した場合を示すが、略前半部と略後半部とを連結すると、略前半部及び略後半部を分断した▲2▼に比べて、早期活性化に優れている。但し、暖機後における触媒転化率は、本実施形態を示す▲3▼に比べて劣っている。これは、本実施形態と同等の速度で触媒を活性化させるために、触媒全体のセル密度を小さくしたためであり、逆に、暖機後における転化率を向上するために、触媒全体のセル密度を高くすれば、▲4▼に示すように、触媒の活性化が大きく遅れる。
【0032】
要するに、本実施形態によれば、熱容量の小さな略前半部と、セル密度の大きい略後半部と、を波板(平板でもよい)で連結することで、早期活性化及び触媒転化率の向上を共に満足させている。
図7及び図8は、本発明に係るメタル触媒担体の第2実施形態を示し、詳しくは、図7は、メタル触媒担体10を構成する波板及び平板の積層状態を示す斜視図、図8(a)〜(c)は、夫々図7における所定位置の断面図である。
【0033】
本実施形態においては、第1実施形態とは異なり、波板11には小波11bのみが形成されている。そして、A部(図8(a)参照)及びD部(図8(c)参照)においてのみ、波板11の小波11bの頂部に平板12が接触し、隣接する波板11の間に別の波板14が追加されている。一方、B部及びC部(図8(b)参照)では、平板12が取り除かれており、波板11のみの構成となっている。
【0034】
ここで、排気の流れ方向について、A部の長さをD部に比べて短く形成している。これは、D部と同じセル密度で形成されているA部の容積を小さく抑えて、略前半部(A部〜C部)の熱容量を全体として小さくするためである。
かかる構成からなるメタル触媒担体10によれば、第1実施形態と同じように、B部及びC部における平板12が取り除かれているので、A部が短く形成されていることとあいまって、略前半部(A部〜C部)の熱容量が低減し、略前半部の早期活性化を促進することができる。また、B部及びC部の波板11を介して略前半部の熱量が略後半部(D部)に伝達されるので、略後半部の活性化も促進することができる。
【0035】
また、A部のみを見れば熱容量が大きくなるが、大波11a→小波11bへの移行部となるB部が不要となるので、この点においても略前半部の熱容量を低減することに寄与している。また、波板11に切欠きを形成する必要がなく、メタル触媒担体10の剛性が向上する。
図9は、本発明に係るメタル触媒担体の第3実施形態を示している。
【0036】
即ち、第1実施形態及び第2実施形態において、略後半部(D部)で追加する波板14及び平板12の板厚を、メタル触媒担体10の全長に亘って一体的に形成される波板11の板厚よりも薄くする。
かかる構成からなるメタル触媒担体によれば、略前半部(A部〜C部)の剛性を低下せずに、また、略後半部(D部)のセル密度を低下することなく、略後半部(D部)の熱容量を低減することができるので、略後半部の活性化をより促進することができる。従って、より短時間で排気の浄化能力を最大限発揮することができる。
【0037】
なお、略後半部だけではなく、A部において追加される波板14及び平板12の板厚を、メタル触媒担体10の全長に亘って一体的に形成される波板11の板厚よりも薄くするようにしてもよい。この場合、メタル触媒担体10全体としての熱容量が低下して触媒の早期活性化が促進されるが、本実施形態の構成の方が強度的にはより有利である。
【0038】
図10は、本発明に係るメタル触媒担体の第4実施形態を示している。
即ち、第1実施形態及び第2実施形態において、略後半部(D部)で追加する波板14のピッチを、小波11bのピッチより大きくする。このピッチは、エンジンの排気量,出力特性等に基づいて設定する。但し、この略後半部(D部)のセル密度は、略前半部(A部〜C部)に比べると大きくなっている。
【0039】
かかる構成からなるメタル触媒担体10によれば、略後半部におけるセル密度の増加による通気抵抗の増大を緩和でき、排圧の極端な増加が防止され、エンジンの出力低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るメタル触媒担体の第1実施形態を示す斜視全体図
【図2】同上の積載状態を示す斜視図
【図3】同上の断面を示し、(a)はA部断面図、(b)はB部断面図、(c)はC部断面図、(d)はD部断面図
【図4】同上の波板の形成方法を示し、(a)はプレス前の状態図、(b)はプレス後の状態図
【図5】セル長さに対する担体温度を示す線図
【図6】エンジン始動後の時間に対する触媒転化率を示す線図
【図7】本発明に係るメタル触媒担体の第2実施形態の積層状態を示す斜視図
【図8】同上の断面を示し、(a)はA部断面図、(b)はB部及びC部断面図、(c)はD部断面図
【図9】本発明に係るメタル触媒担体の第3実施形態のD部断面図
【図10】本発明に係るメタル触媒担体の第4実施形態のD部断面図
【符号の説明】
10 メタル触媒担体
11 波板
11a 大波
11b 小波
12 平板
13 通路部
14 波板

Claims (5)

  1. 一方向に波状に屈曲した波板と略平坦形状の平板とを交互に重ね合わせて積層し、前記波板と平板との間の空間を通路部とした構造のメタル触媒担体において、
    前記通路部の一端に形成される入口部と他端に形成される出口部との間の一部に、前記平板を除去して波板のみが存し、かつ、該波板が1つおきに配置される除去部分を設けると共に、入口部から前記除去部分までの通路部に対して、出口部における通路部を高密度に形成したことを特徴とするメタル触媒担体の構造。
  2. 一方向に波状に屈曲した波板と略平坦形状の平板とを交互に重ね合わせて積層し、前記波板と平板との間の空間を通路部とした構造のメタル触媒担体において、
    前記通路部の一端に形成される入口部と他端に形成される出口部との間の一部に、前記平板を除去して波板のみが存する除去部分を設ける一方、
    前記波板は、前記入口部における波高さ及び波ピッチに対して、前記除去部分を含めた下流側の波高さ及び波ピッチが夫々小さく形成されると共に、前記除去部分に隣接する上流側には波高さ及び波ピッチが異なる波が混在する構成であることを特徴とするメタル触媒担体の構造。
  3. 前記除去部分より下流において隣接する波板間に、略平坦形状の平板に挟まれた一方向に波状に屈曲した波板を追加したことを特徴とする請求項2記載のメタル触媒担体の構造。
  4. 前記除去部分に存する波板を除く波板及び平板の少なくとも一方の板厚を、前記除去部分に存する波板の板厚よりも薄く形成したことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載のメタル触媒担体の構造。
  5. 前記除去部分より下流において、該除去部分に存する波板を除く波板の波ピッチを、前記除去部分に存する波板の波ピッチよりも大きく形成したことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載のメタル触媒担体の構造。
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