JP4016176B2 - 排気ガス触媒装置並びにその製造方法並びに排気ガス触媒装置を具えた排気消音ユニット - Google Patents

排気ガス触媒装置並びにその製造方法並びに排気ガス触媒装置を具えた排気消音ユニット Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は種々の内燃機関から排出される燃焼ガスを浄化するための装置に関するものであって、特に種々、異なる取付対象(車種)に適合した、豊富な技術バリエーションを安価に提供し得る新規な排気ガス触媒装置並びにその製造方法並びに排気ガス触媒装置を具えた排気消音ユニットに係るものである。
【0002】
【発明の背景】
一般に石油をシリンダ内で爆発燃焼させて機械的な動力を得るエンジンにあっては、排気ガス中にCO、HC、NOX 等の有害な物質が含まれるため、マフラーやエキゾーストパイプ等の排気ガスの放出経路に、このような有害物質を低減(浄化)する触媒装置が組み込まれている。この触媒装置としては、例えば断面が蜂の巣状に形成されたハニカム構造体(管体)を有する、モノリスタイプのものがあり、排気ガスはハニカム構造体に沿って流れる間に、流路壁面に予め付着形成されている白金やロジウム等の触媒と接触し、浄化されるものである。
【0003】
そして、このような触媒装置1′は、従来、例えば図8に示すように、金属製の平板と波板とを重ね合わせ、渦巻き状に巻回してハニカム構造体11′を構成し、これを外筒体10′に嵌め込んで溶接等により接合して製造されるものが多かった。しかしながら、このような手法では、金属板材の使用量が多く、また波板を形成する工程、平板と波板とを重ねる工程、平板と波板とを適宜接合する工程、これらを渦巻き状に巻く工程(ハニカム構造体11′の形成)、ハニカム構造体11′を外筒体10′に嵌め込む工程、ハニカム構造体11′を外筒体10′に接合する工程等、数多くの工程を経る必要があり、必ずしも効率的な製造手法ではなかった。
【0004】
また上記図8に示した手法は、いずれも取付対象に適応した豊富な技術バリーエションを提供できるものではなかった。すなわち例えば触媒装置1′を二輪車等に搭載した際には、装置そのものの性能はもちろん、省スペース化、操作性、軽量化等の性能が併せて要求されるものであるが、上記従来手法では、これらの性能を併せ持たせることは難しかった。
【0005】
【開発を試みた技術的課題】
本発明はこのような背景を認識してなされたものであって、年々厳しくなる排出ガス規制を正式にクリアすることを前提とし、製造が容易であり、且つまた取付対象に応じた種々の技術的バリエーションを実現できる新規な排気ガス触媒装置並びにその製造方法並びに排気ガス触媒装置を具えた排気消音ユニットの開発を試みたものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
すなわち請求項1記載の排気ガス触媒装置は、前後が開口され、内部にエンジンから排出された排気ガス(G) を流す外筒体(10)と、
この外筒体(10)の内部に収容、保持されるハニカム構造体(11)とを具え、
流路面に付着させたキャタライザ物質によって、排気ガス(G) を浄化するようにした装置において、
前記ハニカム構造体(11)は、プレス加工によってひだ部 (13) が形成されたひだ付管要素(12)を、少なくとも一つ含んで成るとともに、このひだ付管要素(12)は、管状部材(P) を出発素材として形成されることを特徴として成るものである。
【0007】
また請求項2記載の排気ガス触媒装置は、前記請求項1記載の要件に加え、前記ひだ付管要素(12)は、始発状態において、ほぼ円形の断面を有する丸パイプ状部材であることを特徴として成るものである。
【0008】
更にまた請求項3記載の排気ガス触媒装置は、前記請求項1または2記載の要件に加え、前記ハニカム構造体(11)が複数のひだ付管要素(12)を含んでいる場合、この複数のひだ付管要素(12)は、始発状態において、同一の大きさの断面を有する管体であることを特徴として成るものである。
【0009】
また請求項4記載の排気ガス触媒装置の製造方法は、内部にハニカム構造体(11)を収容し、前後に開口した外筒体(10)に排気ガス(G) を流し、予め流路面に付着させていたキャタライザ物質との接触によって、排気ガス(G) を浄化する装置を製造する方法において、
前記ハニカム構造体(11)は、出発素材である管状部材(P) プレス加工を施して、ひだ部 (13) を有するように形成したひだ付管要素(12)を、少なくとも一つ含んで構成するようにしたことを特徴として成るものである。
【0010】
また請求項5記載の排気ガス触媒装置の製造方法は、前記請求項4記載の要件に加え、前記ひだ付管要素(12)を形成するにあたっては、ほぼ円形の断面を有する丸パイプ状部材を出発素材とし、この部材をプレス加工して目的のひだ付管要素(12)を得るようにしたことを特徴として成るものである。
【0011】
また請求項6記載の排気ガス触媒装置の製造方法は、前記請求項4または5記載の要件に加え、前記ハニカム構造体(11)が複数のひだ付管要素(12)を含む場合、この複数のひだ付管要素(12)を形成するにあたっては、ほぼ同一の大きさの断面を有する管体を出発素材としたことを特徴として成るものである。
【0012】
また請求項7記載の排気ガス触媒装置を具えた排気消音ユニットは、エンジンからの排気ガス(G) を導き、実質的に排気ガス(G) の流路を形成するマフラー本体(2) に対し、その経路中に排気ガス(G) を浄化する触媒装置を組み込み、排気音の消音化を図るようにしたユニットにおいて、前記請求項1、2または3記載の排気ガス触媒装置(1) を具えたことを特徴として成るものである。
【0013】
上記請求項1または4記載の発明によれば、適宜の断面を有する管状部材をプレス加工して、ハニカム構造体の主要構成要素であるひだ付管要素を形成するため、比較的簡単な構造の下にハニカム構造体を製作できる。このため接合等の工程が削減でき、コストを抑えた排気ガス触媒装置が得られる。また管状部材の断面サイズやプレス加工を行う成形型等を複数種用意することで、設計の自由度が増し、取付対象によって要求される異なる要請に適応した技術的バリエーションを安価に提供できる。
【0014】
また請求項2または5記載の発明によれば、ひだ付管要素の出発素材は、ほぼ円形の断面を有する丸パイプ状部材であるため、排気ガス触媒装置の制作費、特に材料費をより安価に抑えることができる。
【0015】
更にまた請求項3または6記載の発明によれば、複数のひだ付管要素を組み合わせてハニカム構造体を形成する場合には、複数のひだ付管要素の出発素材として、同一の断面サイズの管状部材を適用するため、排気ガス触媒装置の制作費、特に材料費の徹底した低減化が達成できる。
【0016】
また請求項7記載の発明によれば、請求項1、2または3記載の排気ガス触媒装置を組み付けた排気消音ユニットであるため、排気ガス触媒装置の車両への搭載を容易なものとし、また低コストでの車両搭載(標準装備として車両に取り付けられているマフラーユニットとの交換)を実現可能なものとする。またこれによって年々厳しくなる排ガス規制を正式にクリアする排気ガス触媒装置の普及を促進させ得、地球に優しい環境に寄与し得る。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。説明にあたっては、まず本発明装置の排気ガス触媒装置1について説明し、次いで本発明方法の排気ガス触媒装置の製造方法について説明し、その後、本発明装置を具えた消音排気ユニットAについて説明する。
本発明装置の排気ガス触媒装置1は、燃焼後エンジンから出された排気ガスGを、大気中に放出する以前に浄化するものであり、装置内部の流路壁面には浄化作用を担う触媒(キャタライザ物質)が予め付着形成されており、排気ガスGが排気ガス触媒装置1の内部を通過する間に、キャタライザ物質と接触し、浄化されるものである。
【0018】
なお排気ガス触媒装置1は、一例として図1に示すように、排気消音ユニットA(いわゆるマフラー)に組み込まれることが多いが、取付部位は必ずしも排気消音ユニットAのみに限定されるものではなく、例えばエンジンから排気消音ユニットAまでの間の排気管路中に組み込むことが可能である。すなわち排気ガス触媒装置1は、排気ガスGがエンジンから大気中に放出されるまでの間であれば、どこに設けても構わないものである。
【0019】
そして排気ガス触媒装置1は、前後に開口された外筒体10と、ハニカム構造体11とを具えた、いわゆるモノリスタイプのものであり、ハニカム構造体11は、一例として図1、2に示すように、少なくとも一つ以上のひだ付管要素12を含んで成るものである。因みに図示した実施の形態では、二種のひだ付管要素12を組み合わせてハニカム構造体11を形成しており、これを外筒体10に対して収容し、保持するものである。ここで二種のひだ付管要素12を区別して示す場合には、外側ひだ付管要素を12A、内側ひだ付管要素を12Bとする。なおひだ付管要素12は、排気ガスGの浄化を効率的に行うべく、排気ガスGとの接触表面積を適宜確保するように外側に突出状態に形成されるものであり、充分な表面積を得るための、この突出部をひだ部13とするものである。
【0020】
このような構造を採ることによって、排気ガスGは排気ガス触媒装置1の内部をひだ付管要素12の表面に沿うように流れながら、その通過中にキャタライザ物質が付着した流路面(ひだ部13等)と接触し、浄化されるものである。もちろんこの際、ひだ部13等との熱交換も同時に行われ、適度に冷却されるものである。
【0021】
ここで図2(a)に示す実施の形態では、ひだ付管要素12の突出先端を、外筒体10や他のひだ付管要素12等の別部材に当接させており、これを当接部14とするものである。またこの当接部14において溶接等の接合を施すものであり、ここを接合部15とする。なおこの接合部15は、排気ガス触媒装置1の使用時に、ハニカム構造体11が崩れてこないないように固定するためのものであるが、加工の簡略化や排気ガスGの安定的な流れ等の観点から言えば、接合部15は少なく且つ短い方が好ましいものである。このため、ひだ付管要素12の突出先端は、必ずしも全てを他部材に当接・接合させる必要はなく、例えば図2(b)に示すように、一部を当接・接合する形態が採り得るものである。また当接部14の全てを接合せずに、例えば図2(a)の拡大図に示すように、外側ひだ付管要素12Aの当接部14に、内側ひだ付管要素12Bの突出先端を受け入れる係止部16を形成し、この部分での接合を省略することも可能である。このような係止部16を設けることで接合を削減しながらも、ひだ付管要素12の位置決めを図り、且つ互いの部材(ひだ付管要素12同士またはひだ付管要素12と外筒体10)を強固に密着保持させることができるものである。
【0022】
更にまた複数のひだ付管要素12(本実施の形態では二つ)を組み合わせてハニカム構造体11を形成するにあたっては、上記図2のような単なる点接合ではなく、例えば図3に示すように、外側ひだ付管要素12Aのひだ部13の内側に、内側ひだ付管要素12Bのひだ部13を挟み込むように組み付ける形態が適宜採り得る。もちろんこの場合においても、ひだ部13の全カ所を当接させたり、接合したりする必要はなく、ハニカム構造体11を確実に保持できれば、当接部14や接合部15を一部とすることが可能である。
またハニカム構造体11は、一例として図4に示すように、各ひだ付管要素12の間に丸パイプを介在させることが可能である。この場合、介在させた丸パイプによって内外のひだ付管要素12の密着力アップが期待でき、その分、接合を削減することができる。なおこの丸パイプを保持管要素17とする。
【0023】
本発明装置の排気ガス触媒装置1は、以上のような構成を基本構造とするものであり、以下、本発明方法である排気ガス触媒装置の製造方法について説明する。
(1)ひだ付管要素の成形
適宜の接触表面積が要求されるひだ付管要素12は、円形、矩形状など適宜の断面形状を有する管状部材Pを出発素材とするものであり、この管状部材Pを成形型3によりプレス加工して目的のひだ付管要素12を得るものである。
【0024】
成形型3は、一例として図5に示すように、外側成形型3Aと内側成形型3Bとによって管状部材Pを挟み込み、所望のひだ部13を賦形(成形)するものである。なお図示した実施の形態では、外側成形型3Aは管状部材Pを外側四方(ここでは上下左右)から中心に向かって押圧し得るように、四分割の型要素で構成されるものである。しかしながら、型要素の分割数は、所望のひだ部13の形状等に応じて適宜変更可能であり、例えばひだ部13を一つずつ別々の型要素でプレス成形したい場合には、成形型3はひだ部13の個数で分割した構成(本図の場合には八分割)となる。
また本図では、あたかも一回の押圧作動で所望のひだ部13を成形するかのように示したが、ひだ部13の深さ(高さ)やその膨らみ等に応じて、複数個の成形型3を用い、何回かのプレス作動で所望の形状を実現するようにしても構わない。
【0025】
(2)成形したひだ付管要素の成形型からの取り出し
以上のようにして適宜の管状部材Pから、目的のひだ付管要素12を成形した後、成形型3からひだ付管要素12を取り出すものである。この際、外側成形型3Aは、プレス押圧方向の反対方向、すなわち外側四方に抜いて離反させてもよいし、ひだ部13の形状等によって、このような離反が困難であれば、成形型3を僅かに離反させた後、主に成形したひだ付管要素12を軸方向に抜くことによって、成形型3から取り出すことも可能である。
【0026】
(3)ハニカム構造体の形成(ひだ付管要素の組み合わせと接合)
ひだ付管要素12または保持管要素17を複数組み合わせてハニカム構造体11を形成する場合には、それぞれの管要素をこの段階で組み合わせるものである。この場合、位置決め作用を担う係止部16等の保持力強化部位があれば、これを利用して組み付ける。その後、組み付けた管要素を、溶接やロウ付け等によって適宜接合し、ハニカム構造体11を得るものである。もちろんこの接合部15は、組み付けた管要素(ハニカム構造体11)が排気ガスGの流れや熱等を受けても崩れないようにするためのものであるが、接合部位が多過ぎる場合には工数増によるコスト高や、排気ガスGの流れを乱す要因となり得るため、必要最小限にとどめることが望ましい。
【0027】
(4)外筒体への収容
その後、形成したハニカム構造体11を外筒体10の内部に収容して接合する。ここでも接合部15は、排気ガスGの流れや熱等によってハニカム構造体11が外筒体10から外れないことを考慮しながらも、必要最小限にとどめることが望ましい。
なお本実施の形態では、まずハニカム構造体11を形成した後、これを外筒体10に嵌め込むように説明した。これは主にハニカム構造体11の接合のしやすさを考慮したものであるが、例えば係止部16や保持管要素17等の利用によりハニカム構造体11を接合せずに強固に保持できるような場合にあっては、まず外筒体10に対して最も外側のひだ付管要素12を組み付け、これに対し順次、内側のひだ付管要素12を組み付けて行くことも可能である。
【0028】
(5)流路面の触媒付着形成
以上のようにして外筒体10にハニカム構造体11を嵌め込んだ後、装置の流路面に触媒作用を担う白金やロジウム等のキャタライザ物質を付着形成させる。これには、例えば液体状のキャタライザ物質を入れた容器の液面上に、外筒体10(排気ガス触媒装置1)をセットし、キャタライザ物質を押し上げるようにして流路内に導き、ハニカム構造体11の表面や外筒体10の内面に、キャタライザ物質をほぼ均一に付着させた後、これを乾燥させて、キャタライザ物質の定着を図るものである。
【0029】
本発明方法の排気ガス触媒装置の製造方法は、以上のような製造手法を採るものであり、以下、本発明装置の排気ガス触媒装置1を具えた排気消音ユニットAについて説明する。
本発明ユニットの排気消音ユニットAは、排気音の消音化作用を担うものであり、上記図1に併せて示すように、実質的に排気ガスGの経路を形成するマフラー本体2に、上述した排気ガス触媒装置1を組み込んで成るものである。なお排気音を消音化するにあたっては、音の反射や共鳴現象を利用して主に特定の周波数の音を減衰させたり、適宜の吸音材との摩擦によって音響エネルギを吸収したりして消音化を図るものである。このため排気消音ユニットAは、排気ガス触媒装置1の他、マフラー本体2に膨張室やガラスウール等の吸音材を適宜、具えて成るものである。
このように本発明ユニットの排気消音ユニットAは、本発明装置の排気ガス触媒装置1を排気ガスGの経路中に具えたことを大きな特徴とし、このものは標準装備のマフラーユニットに対して容易に交換可能であるため、より種々の車種に適合した排気ガス触媒装置1を市場に幅広く且つ安価に供給できるものである。
【0030】
【他の実施の形態】
本発明は、以上述べた実施の形態を基本的な技術思想とするものであるが、更に次のような改変が考えられる。すなわち先の図1〜5に示した排気ガス触媒装置1は、外筒体10(保持管要素17)がほぼ円形の断面形状を有する円筒状に形成されるものであったが、例えば図6(a)に示すように、断面を三角形状に形成することが可能である。これは、主に二輪車等に排気ガス触媒装置1を搭載する場合に適した形態であり、地面に向いた方を鋭角、すなわち逆三角形状となるように設け、コーナリング走行でのバンク角を確保しやすくした構造である。なおこのような形態を採る場合、排気ガスGとの充分な接触面積を確保すべく、ハニカム構造体11においてひだ部13のピッチや振幅等を適宜変更することが可能である。因みに本図6(a)においては、外筒体10の隅部付近で、外側ひだ付管要素12Aのピッチや振幅を小さくするように形成している。
【0031】
また図6(b)に示す実施の形態は、上記図6(a)の形態と同様に、外筒体10の断面を三角形状に形成したものであるが、複数の管要素(ひだ付管要素12や保持管要素17)を挿入し合ってハニカム構造体11を形成するのではなく、複数のひだ付管要素12同士を対向的に並べてハニカム構造体11を構成した形態である。なお本図において左右対向的に配置されたひだ付管要素12を、他のひだ付管要素12A、12Bと区別して示す場合には、12Cと符号を付すものである。因みにこのひだ付管要素12Cを、本図中の二点鎖線で示すように、更に取り付けて行けば、排気ガス触媒装置1の全体的な断面形状は三角形ではなくなるものの(この場合、ほぼ四角形)、排気ガスGをより多く排出する大型のエンジン等に対応可能となる。もちろんこのように複数のひだ付管要素12Cを並べてハニカム構造体11を形成する場合には、外筒体10は複数のひだ付管要素12Cをまとめて保持するようにしてもよいし、個々のひだ付管要素12C毎を取り巻くように設けても構わない。
なおこのような形態の他にも例えば排気ガス触媒装置1の全体的なコンパクト化や計量化等を図り、車両の操作性、走行安定性等をより一層向上させることが可能である。
【0032】
更にまた図7(a)(b)に示す実施の形態は、ひだ付管要素12を軸方向に旋回するように形成し(ねじり状態)、ひだ部13に沿って流れる排気ガスGがスピン(旋回)しながらハニカム構造体11を通過するようにした形態である。このような形態を採ることで、排気ガスGはキャタライザ物質が施されたひだ部13に対し、より接触しやすくなり、排気効率、熱交換効率の向上に寄与し得るものである。
なお図示した実施の形態を採る場合、ひだ付管要素12を成型した後、成形型3、特に内側成形型3Bは、旋回させながら抜き取るものである。
【0033】
【発明の効果】
本発明によれば、適宜の断面を有する管状部材Pをプレス加工して、ハニカム構造体11の主要構成要素であるひだ付管要素12を形成するため、比較的簡単な構造が採れ、コスト低減化を図ることができる。また管状部材Pの断面サイズやプレスを行う成形型3等を適宜選択することで、設計上の自由度が増し、取付対象(車種)によって要求される、異なる要請に応え得る技術的バリエーション豊かな排気ガス触媒装置1を安価に提供できる。
またひだ付管要素12の出発素材として、円形断面の管状部材Pを適用したり、同一径(同一断面サイズ)の管状部材Pを適用することで、徹底したコスト低減化が達成できる。
更にまた、排気ガス触媒装置1を、排気消音ユニットAに組み付けた状態で市場に供給することで、排気ガス触媒装置1の車両への搭載(交換)を安価で実現可能とする。このため年々厳しくなる排ガス規制を正式にクリアする排気ガス触媒装置1を普及させやすくし、地球の環境防止に寄与し得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明装置の排気ガス触媒装置の取付状態(本発明ユニットの排気消音ユニット)を示す斜視図、並びに排気ガス触媒装置を拡大して示す斜視図である。
【図2】 排気ガス触媒装置の内部に組み込まれるハニカム構造体を示す正面断面図である。
【図3】 外側ひだ付管要素のひだ部の内側に、内側ひだ付管要素のひだ部を、挟み込むように設けたハニカム構造体を示す正面断面図である。
【図4】 各ひだ付管要素の間に保持管要素を介在させたハニカム構造体を示す正面断面図である。
【図5】 成形型によってひだ付管要素を成形する前後の様子を比較して示す正面断面図である。
【図6】 外筒体を逆三角形状に形成した排気ガス触媒装置の他の実施の形態を示す正面断面図である。
【図7】 ひだ付管要素を軸方向に旋回させた排気ガス触媒装置の他の実施の形態を示す骨格的斜視図である。
【図8】 従来の排気ガス触媒装置を示す正面断面図である。
【符号の説明】
1 排気ガス触媒装置
2 マフラー本体
3 成形型
3A 外側成形型
3B 内側成形型
10 外筒体
11 ハニカム構造体
12 ひだ付管要素
12A 外側ひだ付管要素
12B 内側ひだ付管要素
12C ひだ付管要素
13 ひだ
17 保持管要素
14 当接部
15 接合部
16 係止部
A 排気消音ユニット
G 排気ガス
P 管状部材(出発素材)

Claims (7)

  1. 前後が開口され、内部にエンジンから排出された排気ガス(G) を流す外筒体(10)と、
    この外筒体(10)の内部に収容、保持されるハニカム構造体(11)とを具え、
    流路面に付着させたキャタライザ物質によって、排気ガス(G) を浄化するようにした装置において、
    前記ハニカム構造体(11)は、プレス加工によってひだ部 (13) が形成されたひだ付管要素(12)を、少なくとも一つ含んで成るとともに、このひだ付管要素(12)は、管状部材(P) を出発素材として形成されることを特徴とする排気ガス触媒装置。
  2. 前記ひだ付管要素(12)は、始発状態において、ほぼ円形の断面を有する丸パイプ状部材であることを特徴とする請求項1記載の排気ガス触媒装置。
  3. 前記ハニカム構造体(11)が複数のひだ付管要素(12)を含んでいる場合、この複数のひだ付管要素(12)は、始発状態において、同一の大きさの断面を有する管体であることを特徴とする請求項1または2記載の排気ガス触媒装置。
  4. 内部にハニカム構造体(11)を収容し、前後に開口した外筒体(10)に排気ガス(G) を流し、予め流路面に付着させていたキャタライザ物質との接触によって、排気ガス(G) を浄化する装置を製造する方法において、
    前記ハニカム構造体(11)は、出発素材である管状部材(P) プレス加工を施して、ひだ部 (13) を有するように形成したひだ付管要素(12)を、少なくとも一つ含んで構成するようにしたことを特徴とする排気ガス触媒装置の製造方法。
  5. 前記ひだ付管要素(12)を形成するにあたっては、ほぼ円形の断面を有する丸パイプ状部材を出発素材とし、この部材をプレス加工して目的のひだ付管要素(12)を得るようにしたことを特徴とする請求項4記載の排気ガス触媒装置の製造方法。
  6. 前記ハニカム構造体(11)が複数のひだ付管要素(12)を含む場合、この複数のひだ付管要素(12)を形成するにあたっては、ほぼ同一の大きさの断面を有する管体を出発素材としたことを特徴とする請求項4または5記載の排気ガス触媒装置の製造方法。
  7. エンジンからの排気ガス(G) を導き、実質的に排気ガス(G) の流路を形成するマフラー本体(2) に対し、その経路中に排気ガス(G) を浄化する触媒装置を組み込み、排気音の消音化を図るようにしたユニットにおいて、前記請求項1、2または3記載の排気ガス触媒装置(1) を具えたことを特徴とする排気消音ユニット。
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