JP3671443B2 - 触媒コンバータ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、内燃機関から排出される排気ガス中の有害物質を無害化する触媒コンバータに関し、例えば自動車用の触媒コンバータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車用エンジンから排出されるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等の有害物質を無害な気体または水に変換するため、メタル担体に触媒を担持した触媒コンバータが知られている。ところが、この種の触媒コンバータによると、エンジン始動開始後から一定期間、触媒物質の活性化温度にメタル担体が十分に昇温しないことから、この一定期間、排ガスの有害物質が浄化されないまま排出されるおそれがある。
【０００３】
そこで、実開平５−６９３１６号公報に開示されている電熱触媒担体は、金属製ハニカム担体に電流を流すことにより金属製ハニカム担体自体が発熱する現象を利用し、触媒物質を短時間に昇温させ触媒反応を促進させている。
また、特開平２−９９１４４号公報に開示されている板状触媒およびその製造方法は、菱形状のスリットを有するエキスパンドメタル板を触媒物質を塗布する基板に使用し熱容量を小さくするとともに、波型および凹凸部を有する成形ロールによりエキスパンドメタル板を成形し、触媒物質の表面積を増大させることによって触媒物質の反応率を向上させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実開平５−６９３１６号公報に開示されている電熱触媒担体によると、通電により強制的に金属製ハニカム担体を発熱させることから、電力供給手段等が必要となり、システム構成が複雑になるという問題がある。
また、特開平２−９９１４４号公報に開示されている板状触媒およびその製造方法によると、スリットの開口部を埋めるようにエキスパンドメタル板全面に触媒物質が塗布されることから、必要な触媒物質量が増加しコストの増大を招くという問題がある。
【０００５】
さらに、メタル担体は、板厚が数１０ミクロンの平板および波板より構成されるため比較的小さな外力によって損傷する場合があり、運搬時、排気管への取付時等、メタル担体に損傷を与えることなく取扱うことが困難であるという問題がある。
さらにまた、メタル担体は、高温の排ガスの熱により触媒物質を活性化温度に昇温させるため、排ガス温度の高いエンジンの近傍に取付られる。このため、自動車の走行時、振動および高温の排ガス熱により波板と平板との接合部が損傷する（以下「スコーピング」という）おそれがあるという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、耐久性を向上するとともに、触媒物質の活性化温度まで短時間に電力を用いることなく昇温し、排ガスの浄化能力を十分に発揮させる取付方法により取付けられる触媒コンバータを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するための本発明による請求項１記載の触媒コンバータは、内燃機関の排気経路中に配設され、金属製の平板と波板とが交互に重ね合わせられるとともに径方向に隣接する前記平板と前記波板とが接合され、巻回または積層して構成されるハニカム体を有する触媒コンバータであって、
排ガス流れ方向に直交する方向へ延びる複数個のスリットが前記平板または前記波板の少なくとも一方の排気経路上流側に形成されるハニカム体と、
前記ハニカム体の周囲を覆いかつ前記ハニカム体の下流側外壁に接合される内壁を有する筒形状の保護筒とを備え、
前記排気経路の上流側経路または下流側経路の少なくとも一方に前記保護筒の上流側が固定されることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明による請求項２記載の触媒コンバータは、請求項１記載の触媒コンバータにおいて、前記ハニカム体は、耐熱ステンレスからなることを特徴とする。
また、本発明による請求項３記載の触媒コンバータは、請求項１または２記載の触媒コンバータにおいて、前記保護筒の上流側に形成されるフランジは、前記上流側経路に形成される上流側フランジと前記下流側経路に形成される下流側フランジとの間に挟み込まれ固定されることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による請求項４記載の触媒コンバータは、請求項３記載の触媒コンバータにおいて、前記フランジは、シール部材を介して前記上流側フランジと下流側フランジとの間に挟み込まれ接続部材により固定されることを特徴とする。
また、本発明による請求項５記載の触媒コンバータは、請求項４記載の触媒コンバータにおいて、前記シール部材は、ガスケットであることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による請求項６記載の触媒コンバータは、請求項４記載の触媒コンバータにおいて、前記シール部材は、耐熱Ｏリングであることを特徴とする。また、本発明による請求項７記載の触媒コンバータは、請求項４、５または６記載の触媒コンバータにおいて、前記フランジには、複数個の貫通孔が形成され、この複数個の貫通孔に前記接続部材を挿入することにより前記排気経路中に位置決めされることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による請求項８記載の触媒コンバータは、請求項４、５または６記載の触媒コンバータにおいて、前記フランジには、複数個の切欠部が形成され、この複数個の切欠部に前記接続部材を挿入することにより前記排気経路中に位置決めされることを特徴とする。
また、本発明による請求項９記載の触媒コンバータは、請求項４〜８のいずれか一項記載の触媒コンバータにおいて、前記接続部材は、ボルトまたはピンであることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による請求項１０記載の触媒コンバータは、請求項１〜９のいずれか一項記載の触媒コンバータにおいて、前記排気経路は、排気マニホールド、下流側触媒コンバータ、排気管および消音器で構成され、前記触媒コンバータが前記排気マニホールドの下流側かつ前記下流側触媒コンバータの上流側に位置することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明による請求項１１記載の触媒コンバータは、請求項１０記載の触媒コンバータにおいて、前記触媒コンバータは、前記下流側触媒コンバータを構成する下流側ハニカム体に近接して位置することを特徴とする。
また、本発明による請求項１２記載の触媒コンバータは、請求項１１記載の触媒コンバータにおいて、前記触媒コンバータの下流側外周縁と前記下流側触媒コンバータ上流側外周縁とは、前記触媒コンバータから前記下流側触媒コンバータに向って内径が拡大するコーン部により接続され、前記触媒コンバータの下流端部が前記コーン部内に突出することなく取付けられたことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明による請求項１３記載の触媒コンバータは、請求項１２記載の触媒コンバータにおいて、前記コーン部の広がり角度は９０°以下、または前記下流側触媒コンバータと前記触媒コンバータとの軸方向間隔が４０ｍｍ以上であることを特徴とする。
また、本発明による請求項１４記載の触媒コンバータは、請求項１〜１３のいずれか一項記載の触媒コンバータにおいて、前記ハニカム体の上流側に空隙部が形成され、前記ハニカム体の下流側と前記保護筒の下流側内壁とが接合されることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明による請求項１５記載の触媒コンバータは、請求項１４記載の触媒コンバータにおいて、前記空隙部は、前記保護筒の上流側内径を前記保護筒の下流側内径より大きくすることにより形成されることを特徴とする。
また、本発明による請求項１６記載の触媒コンバータは、請求項１４記載の触媒コンバータにおいて、前記空隙部は、前記平板と前記波板との巻回数または積層数が前記ハニカム体下流側より前記ハニカム体上流側の方が少ないことにより形成されることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明による請求項１７記載の触媒コンバータは、請求項１〜１６のいずれか一項記載の触媒コンバータにおいて、前記保護筒は、排ガス上流側において前記ハニカム体の上流側端部より軸方向に突出することを特徴とする。
また、本発明による請求項１８記載の触媒コンバータは、請求項１〜１７のいずれか一項記載の触媒コンバータにおいて、前記ハニカム体の外径は、前記上流側経路の内径より大きな径であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明による請求項１９記載の触媒コンバータは、請求項１８記載の触媒コンバータにおいて、前記上流側経路に形成される前記上流側フランジと前記上流側経路との間には、排気管要素が介在することを特徴とする。
また、本発明による請求項２０記載の触媒コンバータは、請求項１９記載の触媒コンバータにおいて、前記ハニカム体の外周部の軸方向輪郭線を前記上流側経路方向に延長する延長線上には、前記上流側フランジまたは前記排気管要素が位置することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明による請求項２１記載の触媒コンバータは、請求項２０記載の触媒コンバータにおいて、前記排気管要素は、１つ以上の平面または内径の少なくとも一方が徐々に広がるコーン部により形成されることを特徴とする。
また、本発明による請求項２２記載の触媒コンバータは、請求項２１記載の触媒コンバータにおいて、前記ハニカム体は、前記上流側フランジの端面または前記排気管要素と前記ハニカム体との離隔距離が１ｍｍ以上であって、かつ前記上流側フランジの肉厚以下になるように排ガス流れ方向に取付けられることを特徴とする。
【００１９】
【作用および発明の効果】
本発明の触媒コンバータによると、排気経路の上流側経路または下流側経路の少なくとも一方に前記保護筒の上流側が固定され、ハニカム体の下流側と保護筒の下流側内壁とが接合されるため、ハニカム体の熱が保護筒を経由して排気経路に達する伝熱経路が長く確保できる。これにより、ハニカム体の放熱を抑制し放熱量を少なくする効果がある。
【００２０】
また、本発明の触媒コンバータによると、金属製の平板または波板の少なくとも一方の排気経路上流側に排ガス流れ方向に直交する方向に延びる複数個のスリットが形成されることから、平板または波板の排気経路上流側の熱容量が小さくなる。また複数個のスリットにより排ガスの流れが攪乱されることから、スリットが形成されたハニカム体の上流側では熱伝達効率が高まる。これにより、短時間に触媒物質の活性化温度まで昇温させる効果がある。
【００２１】
さらに、本発明の触媒コンバータによると、触媒コンバータを構成するハニカム体の外径が上流側経路の内径より大きな径に設定されることから、ハニカム体の外周部より軸中心方向に排ガスが効率良く流入する。これにより、上流側経路からハニカム体に流入する排ガスが比較的温度上昇速度の速いハニカム体の軸中心方向に集まる。したがって、排ガスの浄化が促進できるとともに温度上昇速度の遅いハニカム体の外周部に流入する排ガスを少なくでき、ハニカム体の排ガス浄化能力を発揮させる効果がある。またハニカム体の外周部分の温度勾配を緩やかにするとともに、ハニカム体と保護筒との間に生ずる熱応力を減少させることから、ハニカム体と保護筒との熱容量の違いから生ずるスコーピングを防止し、耐久性を向上する効果がある。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
本発明の第１実施例による触媒コンバータを図１〜図９に基づいて説明する。
図２に示すように、触媒コンバータ１０は、平板１１３と波板１１２とからなるハニカム担体１１と、このハニカム担体１１の外周を覆う保護筒１２と、保護筒１２の外周壁に取付けられたフランジ１７とから構成されている。
【００２３】
ハニカム担体１１は、平板１１３と波板１１２とを交互に重ね合わせ渦巻状に巻回した形状に構成されている。ハニカム担体１１を構成する平板１１３と波板１１２とは、双方とも例えばＣｒが１８〜２４ｗｔ％、Ａｌが４．５〜５．５ｗｔ％、希土類元素（ＲＥＭ）が０．１〜０．２ｗｔ％、残部ＦｅであるＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ組成よりなる耐熱ステンレス箔である。
【００２４】
図４に示すように、巻回前の平板１１３および波板１１２は、例えば板幅ｃが６０ｍｍ、板厚が０．０３〜０．２０ｍｍの帯状に形成されている。
図３および図４に示すように、平板１１３および波板１１２には、スリット部１１１が軸方向の略中央部から排ガス上流側端部方向に向って形成されている。ここで、展開した波板１１２と平板１１３とは、同一形状からなるため、図４には平板１１３の展開形状を代表して記載する。平板１１３の一端部には、平板１１３と波板１１２とを接合するための溶接部になる幅ａに非スリット部が設けられている。この幅ａは、例えば３ｍｍである。非スリット部に隣接する位置に幅ｂのスリット部１１１が形成されている。幅ｂは例えば３１．２ｍｍである。
【００２５】
図５に示すように、スリット部１１１に形成される矩形状のスリットは、例えば次に示す各寸法により形成されている。
スリット幅ｗ ＝ ３ｍｍ
スリット高さｈ ＝ １．２ｍｍ
直交方向スリット間隔Ｄ ＝ １ｍｍ
軸方向スリット間隔Ｈ ＝ ０．８ｍｍ
この矩形状のスリットは、ハニカム担体１１の軸方向に対して直交方向に間隔Ｄで連続して形成され、また軸方向に間隔Ｈで連続して形成されている。また軸方向に隣接するスリット同士は、互いに（ｗ＋Ｄ）／２だけずれるように位置している。
【００２６】
波板１１２は、例えば繰返しピッチ４．９ｍｍ、波の振幅に相当する高さ１．７ｍｍの波状に形成されている。
平板１１３と波板１１２とは、巻回後、排ガス上流側に互いのスリット部１１１が位置するように巻回される。平板１１３および波板１１２のスリット部１１１の排ガス上流側および下流側に位置するそれぞれの非スリット部がこの巻回と同時にレーザビーム溶接、抵抗溶接、ろう付等により接合される。これにより、平板１１３と波板１１２とが互いに接合される。
【００２７】
図１〜図３に示すように、巻回された平板１１３と波板１１２とからなるハニカム担体１１は、例えば耐熱性ステンレスＳＵＳ４３０からなるハニカム担体１１より軸方向に長い筒状の保護筒１２により周囲を覆われている。保護筒１２は、保護筒１２の排ガス上流側の内径が保護筒１２の排ガス下流側の内径より大きくなるように形成されていることから、スリット部１１１が形成されるハニカム担体１１の周囲に空隙部１００を確保できる。この空隙部１００の空隙は例えば１．５ｍｍであり、波板１１２の高さと同程度の空隙を保持しており、空隙部１００によって空気断熱部が形成されている。また、保護筒１２とハニカム担体１１とは、排ガス下流側で互いに接続され、排ガス上流側では保護筒１２とハニカム担体１１とが接触することがないため、ハニカム担体１１と保護筒１２との迂回伝熱経路が構成されている。したがって、この空隙部１００と迂回伝熱経路とにより、ハニカム担体１１の熱が保護筒１２を伝わり外部に放熱する経路を長くすることができ、昇温したハニカム担体１１の熱が保護筒１２に逃げるのを抑制する効果がある。
【００２８】
さらに、排ガス上流側において、ハニカム担体１１の排ガス上流側に位置する上流側端部１１ａより保護筒１２の端部が軸方向に突出するようにハニカム担体１１と保護筒１２との位置関係が決められている。これにより、ハニカム担体１１の保管、運搬、排気管への取付等の場合、上流側端部１１ａが保護筒１２より外側に突出することがないため、ハニカム担体１１が傷付き難くなる効果がある。
【００２９】
ハニカム担体１１の排ガス下流側を覆う保護筒１２の一部には、ハニカム担体１１の軸方向に沿って延びる切欠部１２１が８箇所に形成されている。この８箇所の切欠部１２１は、保護筒１２の円周方向に４５°間隔に形成されている。
ハニカム担体１１と保護筒１２とは、８箇所の切欠部１２１を除く保護筒１２の周方向部分に保護筒１２の外部からレーザビームを照射することにより、ハニカム担体１１の波板１１２と保護筒１２の内周壁とが溶接固定されている。このハニカム担体１１と保護筒１２との接合は、レーザビーム溶接に限らず、ろう付により施されても良い。図２および図３には、レーザビーム溶接による溶接痕３２が示されている。このハニカム担体１１と保護筒１２との接合に際し、ハニカム担体１１の最外周に位置する波板１１２と保護筒１２との熱容量差によって波板１１２側に溶接割れが生ずるおそれがある。そのため、レーザビーム溶接により溶接する場合、ハニカム担体１１の最外周には波板１１２を２枚重ねて位置させることにより、波板１１２側の溶接割れを防止することができる。また、ろう付する場合、ろう付面積を十分確保するためハニカム担体１１の最外周には平板１１３を位置させるのが好ましい。
【００３０】
ハニカム担体１１の排ガス上流側を覆う保護筒１２の外周壁には、例えば耐熱性ステンレスＳＵＳ４３０からなる鍔状のフランジ１７が溶接固定され、溶接痕３１が形成されている。フランジ１７は、溶接性を考慮し保護筒１２と同質の材料が選択されている。さらに高い溶接性を確保するため、保護筒１２とフランジ１７との溶接面に後述するγ−Ａｌ₂ Ｏ₃ コートおよび触媒担持が施される前にフランジ１７が保護筒１２に溶接される。
【００３１】
次に、触媒物質の担持方法について説明する。
８００〜１２００℃で１〜１０時間、ハニカム担体１１を加熱することにより、ハニカム担体１１を構成する平板１１３、波板１１２の表面にアルミニウムの酸化物が析出する。この加熱処理は、γ−Ａｌ₂ Ｏ₃ コートの剥離抑制を目的として行うものであり、平板１１３、波板１１２の表面にアルミナウィスカを生成させ表面積を増加させるものである。これにより高い信頼性を得ることができるため、この加熱処理を施した方が好ましい。この加熱処理後、Ａｌ₂ Ｏ₃ を含有するスラリー中にこのハニカム担体１１を含浸させ焼成させる。これにより、平板１１３、波板１１２の表面がγ−Ａｌ₂ Ｏ₃ コートされる。γ−Ａｌ₂ Ｏ₃ 層を形成後、触媒担持工程により例えば白金、ロジウム、パラジウム等を溶解した水溶液中にハニカム担体１１を含浸させ再度焼成させる。
【００３２】
以上の工程により組付られたハニカム担体１１は、自動車の排気経路に取付可能な触媒コンバータ１０として機能する。
次に、触媒コンバータ１０を自動車の排気経路に取付けた状態を図６に基づいて説明する。
図６および図７に示すように、Ｖ８、４０００ｃｃのエンジン４０より導出される８本のエキゾーストマニホールドは４本ずつ集合されており、この集合された２本のエキゾーストマニホールド４１、４２がエンジンの排気経路として構成されている。エキゾーストマニホールド４１、４２の途中には、触媒コンバータ１０およびこの触媒コンバータ１０の下流に位置するスタートキャタリスト１３が配置されている。スタートキャタリスト１３は、１３００ｃｃの容量を有するセラミックからなるモノリス触媒であり、スタートキャタリスト用外筒２１内にワイヤネットまたはセラミック繊維マット１４を介して保持されている。
【００３３】
スタートキャタリスト用外筒２１の下流側フランジ２１ｂと排気管２２のフランジ２２ａとは、互いにボルトによって連結されており、さらに排気管２２の排ガス下流側では、排気管２２が１本に集合されたあと図示しない１０００ｃｃのメインキャタリストに接続されている。このように、エキゾーストマニホールド４１、４２とスタートキャタリスト１３との間にスタートキャタリスト１３より低熱容量の触媒コンバータ１０を位置させることによって、短時間に昇温する触媒コンバータ１０によってエンジン始動直後のアイドリング時の排ガスを浄化する効果がある。さらに触媒コンバータ１０とスタートキャタリスト１３とを接近させることにより、排ガス上流側の触媒コンバータ１０の触媒物質の反応熱により排ガス下流側のスタートキャタリスト１３の触媒物質の活性化を促進させる効果がある。
【００３４】
図１および図３に示すように、触媒コンバータ１０のフランジ１７は、シール部材であるガスケット１８を介してエキゾーストマニホールド取付フランジ２０ａとスタートキャタリスト取付フランジ２１ａとの間に挟込まれ、ボルト１９によって排気管経路に固定されている。ここで、シール部材は、ガスケットに限られることはなく、例えば耐熱Ｏリング等でも良い。このシール部材により、排ガスが触媒コンバータ１０を通過することなく、上流側から下流側に流入することを防止している。
【００３５】
また、ハニカム担体１１の外径ｄはエキゾーストマニホールド４１、４２の内径より大きく設定されている。例えばエキゾーストマニホールド４１、４２の内径がハニカム担体１１の外径ｄより大きい場合、エキゾーストマニホールド４１、４２とエキゾーストマニホールド取付フランジ２０ａとの間に排ガス流れ方向に向って径が縮小するコーン形状等からなる排気管要素を設ける。一方、エキゾーストマニホールド４１、４２の内径がハニカム担体１１の外径ｄより小さい場合には、エキゾーストマニホールド４１、４２とエキゾーストマニホールド取付フランジ２０ａとの間に排ガス流れ方向に向って径が拡大するコーン形状等からなる排気管要素を設けても良い。この排気管要素により、エキゾーストマニホールド４１、４２とハニカム担体１１とが最適な接続状態になるように調整する。
【００３６】
さらに、エキゾーストマニホールド用取付フランジ２０ａが有する平面部２０ｂとハニカム担体１１の上流側端部１１ａとの間には後述する１〜１０ｍｍの間隔ｅを確保し触媒コンバータ１０が排気経路に取付けられている。この間隔ｅにより、エキゾーストマニホールド４１、４２からの排気ガスが空隙部１００に直接流入することがない。またハニカム担体１１の外径ｄがエキゾーストマニホールド４１、４２の内径より大きいことから、エキゾーストマニホールド４１、４２からハニカム担体１１に流入する排ガスが比較的温度上昇速度の速いハニカム担体１１の軸中心方向に集まる。したがって、排ガスの浄化が促進できるとともに温度上昇速度の遅いハニカム担体１１の最外周部に流入する排ガスを少なくでき、ハニカム担体１１の排ガス浄化効率を向上させる効果がある。
【００３７】
また、スタートキャタリスト１３の排ガス上流側に位置する導入管２１ｃの内径は、触媒コンバータ１０の保護筒１２の外径より大きく設定されている。導入管２１ｃと導入管２１ｃより内径の大きいスタートキャスタリスト用外筒２１との間には、導入管２１ｃ側からスタートキャスタリスト用外筒２１側方向に向って内径が拡大するテーパ形状のコーン部２１ｅが位置し、導入管２１ｃとスタートキャスタリスト用外筒２１とを接続している。このコーン部２１ｅの広がり角θは、９０°以下であることが望ましく、触媒コンバータ１０とスタートキャスタリスト１３との間隔ｆと、ハニカム担体１１の外径とスタートキャスタリスト１３の外径との比率と、この広がり角θとには相関関係がある。この比率と広がり角θとから間隔ｆが決定されるが、いずれの場合も間隔ｆは４０ｍｍ以上が望ましい。またハニカム担体１１の外径とスタートキャスタリスト１３の外径とが略同径である場合、コーン部２１ｅの広がり角θが０°になる。この場合は、ハニカム担体１１とスタートキャスタリスト１３とが接触していても良い。
【００３８】
さらに、触媒コンバータ１０は、このコーン部２１ｅが形成する空間部１０１に触媒コンバータ１０の下流側端部が飛出ないように導入管２１ｃ内に収容されている。これにより、空間部１０１内で排気ガスが渦流になるのを防止している。この触媒コンバータ１０の収容位置と前述の間隔ｆの設定とにより、ハニカム担体１１によって加熱された高温の排ガスをほぼ均一にスタートキャスタリスト１３のモノリス触媒に流入させることが可能になるとともに、スタートキャタリスト１３の外周部に排ガスを流入し易くする効果がある。
【００３９】
さらにまた、ハニカム担体１１の上流側端部１１ａとエキゾーストマニホールド用取付フランジ２０ａの平面部２０ｂとの間には、１ｍｍ以上の間隔ｅが設けられている。この間隔ｅにより、ハニカム担体１１の軸方向の熱膨張量を吸収しているため、熱膨張時に上流側端部１１ａが平面部２０ｂに当接することがなく、上流側端部１１ａの破損を防止している。またハニカム担体１１を昇温させるためには、高温の排ガスを利用することが有効であり、エキゾーストマニホールド４１の排ガス上流側に触媒コンバータ１０を位置させることが望ましい。ところが、触媒コンバータ１０を配設する排ガス上流側には、熱容量の大きなエキゾーストマニホールド用取付フランジ２０ａが位置するため、エンジン４０から排出された排ガスの温度がこのエキゾーストマニホールド用取付フランジ２０ａの下流側で急激に低下する。そのため、前記間隔ｅとフランジ２０ａの厚さ例えば１０ｍｍとの兼合いから、ハニカム担体１１の上流側端部１１ａとエキゾーストマニホールド用取付フランジ２０ａの平面部２０ｂとの間隔ｅが１〜１０ｍｍになるように触媒コンバータ１０を位置させることが望ましい。
【００４０】
次に、触媒コンバータ１０の作動を図１および図６に基づいて説明する。
エンジン４０の始動後、各気筒の排気行程で各気筒から排気された排ガスは、エキゾーストマニホールド４１、４２を経由して触媒コンバータ１０に達する。触媒コンバータ１０に達した排ガスがハニカム担体１１の上流側に位置するスリット部１１１に衝突し、次に列挙するスリット部１１１の効果▲１▼▲２▼▲３▼▲４▼▲５▼に加え、空隙部１００の空気断熱部によりスリット部１１１と保護筒１２とが断熱されていることからスリット部１１１の温度は最も速く上昇する。
【００４１】
▲１▼スリットの形成によりスリット部１１１の熱容量が小さくなる。
▲２▼スリットの形成によりハニカム担体１１の軸方向に対するハニカム担体１１の断面積が小さくなるため、ハニカム担体１１の下流側への熱伝導を抑制する。
▲３▼スリットの形成位置を互い違いにしたことにより伝熱経路が長くなるため、ハニカム担体１１の下流側への熱伝導を抑制する。
【００４２】
▲４▼スリットの形成により平板２と波板３との接触面積が減少するため、ハニカム担体１１の径方向外側への熱伝導を抑制する。
▲５▼スリットには排ガスの流れを攪乱する働きがあるため、熱伝達効率を高める。
また、ハニカム担体１１と保護筒１２とはハニカム担体１１の下流側の溶接痕３２で接合され、保護筒１２とエキゾーストマニホールド４１、４２とはハニカム担体１１の上流側のフランジ１７により固定されているため、ハニカム担体１１の熱が保護筒１２を経由してエキゾーストマニホールド４１、４２に達する伝熱経路が長く確保できる。これにより、ハニカム担体１１の放熱を抑制し放熱量を極めて少なくしている。
【００４３】
さらに、スリット部１１１が形成されていないハニカム担体１１の排ガス下流側は、スリット部１１１が形成されている排ガス上流側と比較して、径方向および軸方向に熱伝導度が大きいため熱伝導速度が極めて速く、ハニカム担体１１の排ガス下流側全域が短時間で触媒の活性化温度まで昇温する。
次に、第１実施例の触媒コンバータ１０と比較例１の触媒コンバータとの排ガスによる温度上昇特性について調べた実験結果を図８に基づいて説明する。
【００４４】
図７に示すように、エキゾーストマニホールド４１の途中に触媒コンバータ１０または比較例１の触媒コンバータを配設し、この排ガス下流側にスタートキャタリスト１３配設する構成により実験を行った。また比較例１の触媒コンバータには、ハニカム担体１１の平板１１３、波板１１２の双方にスリット部が形成されていない以外は触媒コンバータ１０と同様の構成からなるものを使用した。また、各触媒コンバータ、スタートキャタリスト１３の温度上昇を調べるにあたっては、各触媒コンバータまたはスタートキャタリスト１３の排ガス上流側から軸方向に１９ｍｍ排ガス下流側の位置に対応する触媒コンバータまたはスタートキャタリスト１３の中心部の温度状態を測定した。
【００４５】
図８に示すように、触媒コンバータ１０においては、エンジン始動後、約１０秒間で３００℃の温度に達している。これに対し比較例１の触媒コンバータにおいては、触媒コンバータ１０の場合より約５秒遅く約１５秒間で３００℃の温度に達している。さらに、各触媒コンバータの排ガス下流側にあるスタートキャタリスト１３においてもスタートキャタリスト１３の排ガス上流側に触媒コンバータ１０が配設されている構成の方が温度上昇が速い。このように、ハニカム担体の排ガス上流側にスリット部を形成することにより、触媒コンバータの急速な温度上昇を得ることができ、またこれに加え触媒コンバータとスタートキャタリストとをコーン部により接続することにより、スタートキャタリストの急速な温度上昇を得ることができることを本実験により確認した。
【００４６】
次に、第１実施例の触媒コンバータ１０、比較例２の触媒コンバータそれぞれのハニカム担体の径方向の温度分布について調べた実験結果を図９に基づいて説明する。
図７に示すように、エキゾーストマニホールド４１の途中に触媒コンバータ１０または比較例２の触媒コンバータを配設し、この排ガス下流側にスタートキャタリスト１３配設する構成により実験を行った。また比較例２の触媒コンバータには、エキゾーストマニホールドのフランジ内径が、ハニカム担体１１の外径よりも大きくエキゾーストマニホールドから流入する排気ガスがハニカム担体１１と保護筒１２との間に形成される空隙部１００に流入するものを使用した。エンジン始動後１７秒間経過後における触媒コンバータの軸方向に排ガス上流側端部から４５ｍｍ排ガス下流側の位置に対応する径方向の温度分布を測定した。
【００４７】
図９に示すように、触媒コンバータ１０においては、エキゾーストマニホールド４１の内径より外側に位置するハニカム担体１１の外周部分で緩やかな温度勾配αになっている。これはハニカム担体１１の内径よりエキゾーストマニホールド４１の内径を小さく設定したことによりハニカム担体１１の外周部に流入する排気ガスを抑制し、ハニカム担体１１の外周部の触媒反応を抑制したことによる。これに対し比較例２の触媒コンバータにおいては、ハニカム担体１１の外周部分の温度勾配βが前記温度勾配αより大きくなっている。これはハニカム担体１１の内径よりエキゾーストマニホールド４１の内径を大きく設定したことによりハニカム担体１１の空隙部１００および外周部に排ガスが多量に流入したためである。このように、ハニカム担体の排ガス上流側にスリット部を形成することにより、ハニカム担体１１の内径をエキゾーストマニホールド４１の内径より大きく設定することにより、ハニカム担体１１の外周部分の温度勾配を緩やかにするとともに、ハニカム担体１１と保護筒１２との間に生ずる熱応力を減少させることができる。これにより、ハニカム担体１１と保護筒１２との熱容量の違いから生ずるスコーピングを防止する効果がある。さらにハニカム担体１１と保護筒１２との熱容量の違いから、自動車走行時のエンジン回転数の増減に伴いハニカム担体１１内部に生ずる繰返し熱応力を減少させ触媒コンバータ１０の耐久性を向上させる効果がある。
【００４８】
また、ハニカム担体１１の内径をエキゾーストマニホールド４１の内径より大きく設定することにより、ハニカム担体１１の軸中心方向に高温の排ガスが効率良く流入することから、比較例２の触媒コンバータより触媒コンバータ１０の方がハニカム担体中心から約２０ｍｍの範囲において高温なっている。これにより、ハニカム担体１１の昇温性能をさらに向上させる効果がある。
【００４９】
（第２実施例）
本発明の第２実施例による触媒コンバータを図１０および図１１に基づいて説明する。第１実施例と実質的に同一の構成部分については、同一符号を付す。
図１０に示すように、第２実施例による触媒コンバータ５０は、フランジ５１にボルト、ピン等の連結要素を差込可能な孔５１ａを設けた点が第１実施例と異なる。
【００５０】
前述の第１実施例に示した触媒コンバータ１０によると、保護筒１２と導入管２１ｃとが位置決めをされることなく固定されるため、導入管２１ｃと保護筒１２とを同軸上に位置させるのが困難であり、保護筒１２の外周壁が導入管２１ｃの内壁と局所的に接触する可能性がある。その結果、この保護筒１２の外周壁と導入管２１ｃとの接触点によりハニカム担体１１から外部への放熱経路が短縮され昇温性能の低下を助長するおそれが生ずることになる。
【００５１】
そこで、第２実施例による触媒コンバータ５０では、第１実施例の触媒コンバータ１０のフランジ１７に代えて、位置決め可能な孔５１ａを有するフランジ５１を保護筒１３の外周壁に設けている。
図１１に示すように、保護筒１３の外周壁には、例えば耐熱性ステンレスＳＵＳ４３０からなる鍔状のフランジ５１が溶接固定されている。このフランジ５１には、ボルト１９が貫通可能な孔５１ａが周方向に例えば６箇所６０°間隔に形成されている。触媒コンバータ５０を導入管２１ｃに取付ける時、この孔５１ａにボルト１９が挿入されエキゾーストマニホールド用取付フランジ２０ａとスタートキャスタリスト用取付フランジ２１ａとともにフランジ５１が共締めされる。このように、フランジ５１に形成された孔５１ａにボルト、ピン等の連結要素を挿入することにより、触媒コンバータ５０の排気管経路への容易な位置決めを可能にしている。ここで、ボルト１９と孔５１ａとのクリアランスは０．５ｍｍ程度が望ましい。
【００５２】
第２実施例の触媒コンバータ５０によると、導入管２１ｃに固定される触媒コンバータ５０のフランジ５１には、周方向に等間隔な孔５１ａが形成されていることから、触媒コンバータ５０を導入管２１ｃに取付ける時、導入管２１ｃと保護筒１２とを同軸上に容易に位置させることができ、触媒コンバータ５０の取付精度を向上することができる。これにより、保護筒１２の外周壁が導入管２１ｃの内壁と局所的に接触することを防止する効果がある。その結果、保護筒１２の外周壁と導入管２１ｃの内壁との接触を防止するため、保護筒１２の外周壁と導入管２１ｃとの接触点からの放熱を防止する効果がある。
【００５３】
なお、第２実施例では、触媒コンバータ５０の位置決めにボルト１９を用いたが、本発明ではこれに限られることはなく、ピン、その他軸状部材を用いて位置決めしても良い。
また、第２実施例では、触媒コンバータ５０のフランジ５１には、６箇所６０°間隔に孔５１ａが形成されたが、本発明ではこれに限られることはなく、４箇所９０°間隔、８箇所４５°間隔等でも良い。
【００５４】
さらに、第２実施例では、触媒コンバータ５０の位置決めに孔５１ａを用いたが、本発明ではこれに限られることはなく、ボルト、ピン、その他軸状部材が係止可能な１箇所以上の切欠部をフランジに形成しても良い。
（第３実施例）
本発明の第３実施例による触媒コンバータを図１２に基づいて説明する。第１実施例と実質的に同一の構成部分については、同一符号を付す。
【００５５】
図１２に示すように、第３実施例による触媒コンバータ６０は、フランジを除去したことから、導入管６１と保護筒１２１の固定を溶接により行う点が第１実施例と異なる。
保護筒１２の外周壁の排ガス上流側には、溶接固定用部材６３が形成されている。この溶接固定用部材６３とスタートキャスタリスト用取付フランジ６１ａとが溶接されることにより、触媒コンバータ６０が導入管６１に固定される。溶接時、保護筒１２とハニカム担体１１との間に形成されている空隙部１００の空気断熱層により断熱されるため、ハニカム担体１１に担持されている触媒が溶接により生じた熱により損傷されることなく接合できる。
【００５６】
また、ハニカム担体１１の上流側端部１１ａとエキゾーストマニホールド用取付フランジ６２ａの平面部６２ｂとの間には、１ｍｍ以上の間隔ｇが設けられている。
第３実施例の触媒コンバータ６０によると、触媒コンバータ６０と導入管６１との固定にはフランジを用いることなく、保護筒１２と導入管６１と溶接することから、部品点数を削減することができる。これにより、触媒コンバータ６０のコストを低減する効果がある。
【００５７】
また、第３実施例の触媒コンバータ６０によると、ハニカム担体１１の上流側端部１１ａとエキゾーストマニホールド用取付フランジ６２ａの平面部６２ｂとの間には、１ｍｍ以上の間隔ｇが設けられていることから、ハニカム担体１１の軸方向の熱膨張量を吸収できる。これにより、ハニカム担体１１が熱膨張時に上流側端部１１ａが平面部６２ｂに当接することがなく、上流側端部１１ａの破損を防止する効果がある。
【００５８】
（第４実施例）
本発明の第４実施例による触媒コンバータを図１３に基づいて説明する。第１実施例と実質的に同一の構成部分については、同一符号を付す。
図１３に示すように、第４実施例による触媒コンバータ７０は、ハニカム担体７１を構成する平板１１３と波板１１２との巻数または積層数を変更した点が第１実施例と異なる。
【００５９】
触媒コンバータ７０は、平板１１３と波板１１２とからなるハニカム担体７１と、このハニカム担体７１の外周を覆う保護筒７２から構成されている。
ハニカム担体７１は、平板１１３と波板１１２とを交互に重ね合わせ渦巻状に巻回した形状に構成されており、排ガス上流側が下流側より巻回数が少なくなるように巻回されている。
【００６０】
ハニカム担体７１の排ガス上流側において巻回数を少なくすることでハニカム担体７１の上流側最外周に空隙部７３を形成することにより、空気断熱層を設けることができる。これにより、第１実施例の触媒コンバータ１０の保護筒１２のように、排ガス上流側の内径を下流側の内径より大きくする必要がなくなり、排ガス上流側から下流側まで同一径の単純な円筒形状からなる保護筒７２を使用することができる。
【００６１】
第４実施例の触媒コンバータ７０によると、ハニカム担体７１を構成する平板１１３と波板１１２との巻回数を排ガス下流側より上流側の方が少なくなるように設定することによって、ハニカム担体７１の排ガス上流側外径を小さくすることができる。したがって、単純な円筒形状からなる保護筒７２を使用してもハニカム担体７１の上流側最外周に空隙部７３を形成することができる。これにより、ハニカム担体７１に保護筒７２を組付ける時、保護筒７２の方向性を考慮する必要がなくなるため、組付時間が減少できコストを低減する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例による触媒コンバータを排気経路に取付けた状態を示す模式的断面図である。
【図２】図３のII方向矢視図である。
【図３】第１実施例による触媒コンバータの半断面図である。
【図４】第１実施例による触媒コンバータのハニカム担体に使用される平板の展開図である。
【図５】第１実施例による触媒コンバータのスリット部の模式的説明図である。
【図６】第１実施例による触媒コンバータをエンジンの排気経路中に搭載した状態を示す全体構成図である。
【図７】図６のVII 方向矢視図である。
【図８】第１実施例による触媒コンバータの実験結果を示す昇温性能特性図である。
【図９】第１実施例による触媒コンバータの実験結果を示すハニカム担体の径方向温度分布特性図である。
【図１０】本発明の第２実施例による触媒コンバータを排気経路に取付けた状態を示す模式的断面図である。
【図１１】第２実施例による触媒コンバータのフランジの平面図である。
【図１２】本発明の第３実施例による触媒コンバータを排気経路に取付けた状態を示す模式的断面図である。
【図１３】本発明の第４実施例による触媒コンバータの模式的断面図である。
【符号の説明】
１０、５０、６０、７０ 触媒コンバータ
１１、７１ ハニカム担体 （ハニカム体）
１１ａ 上流側端部 （ハニカム体の上流側端部）
１２ 保護筒
１３ スタートキャスタリスト（下流側触媒コンバータ）
１７、５１ フランジ
５１ａ 孔 （貫通孔）
１８ ガスケット （シール部材）
１９ ボルト （接続部材）
２０ａ、６２ａ エキゾーストマニホールド用取付フランジ（上流側フランジ）
２０ｂ、６２ｂ 平面部 （上流側フランジの端面）
２１ スタートキャスタリスト用外筒
２１ａ、６１ａ スタートキャスタリスト用取付フランジ（下流側フランジ）
２１ｃ、６１ 導入管 （下流側経路）
２１ｅ コーン部
２２ 排気管
４０ エンジン （内燃機関）
４１、４２、６２ エキゾーストマニホールド（上流側経路、排気マニホールド）
７３、１００ 空隙部
１１１ スリット部
１１２ 波板
１１３ 平板

Claims (22)

1. 内燃機関の排気経路中に配設され、金属製の平板と波板とが交互に重ね合わせられるとともに径方向に隣接する前記平板と前記波板とが接合され、巻回または積層して構成されるハニカム体を有する触媒コンバータであって、
   排ガス流れ方向に直交する方向へ延びる複数個のスリットが前記平板または前記波板の少なくとも一方の排気経路上流側に形成されるハニカム体と、
   前記ハニカム体の周囲を覆いかつ前記ハニカム体の下流側外壁に接合される内壁を有する筒形状の保護筒とを備え、
   前記排気経路の上流側経路または下流側経路の少なくとも一方に前記保護筒の上流側が固定されることを特徴とする触媒コンバータ。
2. 前記ハニカム体は、耐熱ステンレスからなることを特徴とする請求項１記載の触媒コンバータ。
3. 前記保護筒の上流側に形成されるフランジは、前記上流側経路に形成される上流側フランジと前記下流側経路に形成される下流側フランジとの間に挟み込まれ固定されることを特徴とする請求項１または２記載の触媒コンバータ。
4. 前記フランジは、シール部材を介して前記上流側フランジと下流側フランジとの間に挟み込まれ接続部材により固定されることを特徴とする請求項３記載の触媒コンバータ。
5. 前記シール部材は、ガスケットであることを特徴とする請求項４記載の触媒コンバータ。
6. 前記シール部材は、耐熱Ｏリングであることを特徴とする請求項４記載の触媒コンバータ。
7. 前記フランジには、複数個の貫通孔が形成され、この複数個の貫通孔に前記接続部材を挿入することにより前記排気経路中に位置決めされることを特徴とする請求項４、５または６記載の触媒コンバータ。
8. 前記フランジには、複数個の切欠部が形成され、この複数個の切欠部に前記接続部材を挿入することにより前記排気経路中に位置決めされることを特徴とする請求項４、５または６記載の触媒コンバータ。
9. 前記接続部材は、ボルトまたはピンであることを特徴とする請求項４〜８のいずれか一項記載の触媒コンバータ。
10. 前記排気経路は、排気マニホールド、下流側触媒コンバータ、排気管および消音器で構成され、前記触媒コンバータが前記排気マニホールドの下流側かつ前記下流側触媒コンバータの上流側に位置することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項記載の触媒コンバータ。
11. 前記触媒コンバータは、前記下流側触媒コンバータを構成する下流側ハニカム体に近接して位置することを特徴とする請求項１０記載の触媒コンバータ。
12. 前記触媒コンバータの下流側外周縁と前記下流側触媒コンバータ上流側外周縁とは、前記触媒コンバータから前記下流側触媒コンバータに向って内径が拡大するコーン部により接続され、前記触媒コンバータの下流端部が前記コーン部内に突出することなく取付けられたことを特徴とする請求項１１記載の触媒コンバータ。
13. 前記コーン部の広がり角度は９０°以下、または前記下流側触媒コンバータと前記触媒コンバータとの軸方向間隔が４０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１２記載の触媒コンバータ。
14. 前記ハニカム体の上流側に空隙部が形成され、前記ハニカム体の下流側と前記保護筒の下流側内壁とが接合されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項記載の触媒コンバータ。
15. 前記空隙部は、前記保護筒の上流側内径を前記保護筒の下流側内径より大きくすることにより形成されることを特徴とする請求項１４記載の触媒コンバータ。
16. 前記空隙部は、前記平板と前記波板との巻回数または積層数が前記ハニカム体下流側より前記ハニカム体上流側の方が少ないことにより形成されることを特徴とする請求項１４記載の触媒コンバータ。
17. 前記保護筒は、排ガス上流側において前記ハニカム体の上流側端部より軸方向に突出することを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項記載の触媒コンバータ。
18. 前記ハニカム体の外径は、前記上流側経路の内径より大きな径であることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項記載の触媒コンバータ。
19. 前記上流側経路に形成される前記上流側フランジと前記上流側経路との間には、排気管要素が介在することを特徴とする請求項１８記載の触媒コンバータ。
20. 前記ハニカム体の外周部の軸方向輪郭線を前記上流側経路方向に延長する延長線上には、前記上流側フランジまたは前記排気管要素が位置することを特徴とする請求項１９記載の触媒コンバータ。
21. 前記排気管要素は、１つ以上の平面または内径の少なくとも一方が徐々に広がるコーン部により形成されることを特徴とする請求項２０記載の触媒コンバータ。
22. 前記ハニカム体は、前記上流側フランジの端面または前記排気管要素と前記ハニカム体との離隔距離が１ｍｍ以上であって、かつ前記上流側フランジの肉厚以下になるように排ガス流れ方向に取付けられることを特徴とする請求項２１記載の触媒コンバータ。

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