JP7023039B2 - 触媒担体及び排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動四輪車や自動二輪車の内燃機関で発生した排気の浄化処理に係り、排気中の有害物質を触媒反応で除去する触媒担体及び排気浄化装置に関する。

従来、内燃機関で発生した排気中に含まれる窒素酸化物等の有害物質の除去に、触媒反応によって除去する触媒担体が用いられている。触媒担体には、ステンレス製の金属板で形成されたハニカム構造体に触媒物質を担持させたものが多く用いられており、例えば特許文献１には、フェライト系耐熱ステンレスの帯状の金属薄板と金属波板を重ねて螺旋状に巻き付けて円柱状のハニカム構造体を形成し、ハニカム構造体の表面に触媒物質を担持させ、触媒物質を担持したハニカム構造体を円筒状の外筒内に挿入した状態とし、このハニカム構造体の両側の外端縁をそれぞれ外筒にレーザー溶接して固定する触媒担体が開示されている。

このハニカム構造体による触媒担体では、有害物質の充分な除去に必要な触媒反応を得るために、触媒物質を担持したハニカム構造体の排気が流通する直線流路を長くする必要がある。そのため、この触媒担体は直線的な厚さやサイズが大きいものとなってしまい、排気経路における設置場所がかなり制約される。

また、触媒担体の厚さを小さくできる可能性のあるものとして、特許文献２の金網積層多孔体がある。この金網積層多孔体は、複数枚の金網が積層されて焼結された多孔体であり、例えばその表面に触媒物質を分散担持したアルミナ薄層が形成されて触媒担持フィルターとされる。特許文献２の金網積層多孔体或いは触媒担持フィルターは、排気の通過する流路を三次元にわたる曲線状にして排気と触媒物質の接触性を高められ、触媒物質を担持したハニカム構造体よりも厚さを大幅に薄くすることが可能である。

特開平１１－１９７５１９号公報 特許第５３６３４０６号公報

ところで、特許文献２における触媒担持フィルターを外筒に内装して触媒担体とする場合、複数個の触媒担持フィルターを外筒の軸方向に並べて外筒に内装することにより、浄化性能にある程度優れる触媒担体を得ることは可能である。しかし、例えば同一形状で同一の開口部位を有する複数個の触媒担持フィルターを軸方向で開口部位の位置を揃えて軸方向に並べて配置した場合、複数個の触媒担持フィルターの軸方向に連通する開口部位を排気が気流の衝突なしで短時間で素通りしてしまう可能性が高くなる。そのため、触媒物質との排気の十分な接触を得ることができず、十分な浄化性能を発揮できない触媒担体となる可能性がある。

本発明は上記課題に鑑み提案するものであり、金網積層多孔体に触媒物質を担持させた複数個の触媒担持フィルターを外筒に内装する触媒担体において、触媒物質と排気との接触性を高めることが可能であり、優れた浄化性能をより確実に発揮することができる触媒担体、及びその触媒担体を備える排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の触媒担体は、複数枚の金網が積層されて焼結された金網積層多孔体で構成され、触媒物質を分散担持する触媒担持フィルターと、複数個の前記触媒担持フィルターが軸方向に並べて内装される外筒を備え、一個の前記触媒担持フィルターの軸方向視の開口面積よりも開口面積が小さくなるように前記複数個の前記触媒担持フィルターが設置されていると共に、前記外筒が金属製であり、各々の前記触媒担持フィルターの外周端が前記外筒の内周面に略当接するように形成され、前記触媒担持フィルターの厚さ方向の中間で周回する中間領域にて、前記触媒担持フィルターの外周端に位置する針金の端面が当接する前記外筒の内周面に溶着されていることを特徴とする。
これによれば、一個の触媒担持フィルターの軸方向視の開口面積よりも開口面積が小さくなるように複数個の触媒担持フィルターを設置することにより、排気が気流の衝突なしで短時間で素通りしてしまう可能性を低くし、触媒物質と流通する排気との接触性を高めることができる。従って、金網積層多孔体に触媒物質を担持させた複数個の触媒担持フィルターを外筒に内装する触媒担体の優れた浄化性能をより確実に発揮させることができる。また、排気が触媒担持フィルターに衝突し易くなることから、排気の運動エネルギーを低減して排気の消音効果を得ることができる。また、複数枚の金網が積層されて焼結され、触媒物質を分散担持する触媒担持フィルターを複数個軸方向に並設する触媒担体は、既存のハニカム構造体による触媒担体よりも触媒担体の長さを短尺にすることができ、排気経路における設置場所の自由度、柔軟性を高めることができる。また、触媒担持フィルターの中間領域で溶着することにより、複数枚の金網が積層されて焼結された触媒担持フィルター又は金網積層多孔体の溶接による溶け落ちや熱変形を防止し、触媒担持フィルターの形状が保持された触媒担体とすることができる。また、中間領域にて、針金の端面がランダムに配置された触媒担持フィルターの外周端を外筒の内周面に高強度で溶着された状態にすることができ、排気浄化装置に搭載したときに熱、振動、排圧などで壊れない十分な強度を得ることができる。また、溶着部を全周に亘って設ける場合には、触媒担持フィルターと外筒の固定により高い強度が求められる場合に対応し、針金の端面がランダムに配置された触媒担持フィルターの外周端を外筒の内周面により高い強度で溶着された状態にすることができる。

本発明の排気浄化装置は、本発明の触媒担体が内燃機関の排気経路の離間した複数箇所に設けられることを特徴とする。
これによれば、本発明の触媒担体の効果を有する排気浄化装置を得ることができると共に、例えば一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害物質の種類に合わせて各々の触媒担体の触媒物質を調整し、各々の触媒担体をそれぞれの有害物質がより触媒反応を起こしやすい場所に設置し、全体的な浄化性能を高めることも可能となる。

本発明の排気浄化装置は、本発明の触媒担体の１つが、内燃機関の排気経路の上流位置に設けられることを特徴とする。この内燃機関の上流位置は、触媒担体の最も内燃機関寄りの触媒担持フィルターの内燃機関側の端部と内燃機関との距離が０～３００ｍｍである場合を含む。また、この場合、これと別の本発明の触媒担体を、排気経路の上流位置の触媒担体と離間した箇所に設けても好適である。
これによれば、本発明の触媒担体は軸方向の寸法、断面積ともにコンパクト化し、排気経路の所望箇所に設置することが可能であり、内燃機関の上流位置に触媒担体を配置することで、排気のエネルギーを殆ど損失することなく、排気の触媒物質への接触性を高めることができ、排ガス性能を飛躍的に向上することができる。

本発明の排気浄化装置は、自動二輪車の内燃機関の出口から配管されるエギゾーストパイプの上流位置に前記触媒担体が設けられることを特徴とする。
これによれば、自動二輪車の場合、内燃機関の出口から配管されるエギゾーストパイプは、他部品との干渉を避けるため、小径かつ複数の曲げが加わった複雑なレイアウトとなり、ここに軸方向に長い既存のメタル担体等を搭載することは寸法上の制約から困難であるが、本発明の触媒担体による上記排気浄化装置は、そのコンパクト性から、斯様な寸法上の制約がある自動二輪車のエギゾーストパイプでも設置することが可能である。

本発明によれば、金網積層多孔体に触媒物質を担持させた複数個の触媒担持フィルターを外筒に内装する触媒担体において、触媒物質と排気との接触性を高めることができ、優れた浄化性能を確実に発揮させることができる。

（ａ）は本発明による第１実施形態の触媒担体の正面図、（ｂ）はそのＡ－Ａ縦断面図。 図１のＢ部拡大説明図。 （ａ）は第１実施形態の触媒担体の触媒担持フィルターを構成する金網の部分縦断説明図、（ｂ）は第１実施形態の触媒担体の触媒担持フィルターの部分縦断説明図。 （ａ）は第１実施形態の触媒担体の触媒担持フィルターの側面図、（ｂ）はそのＣ部拡大図、（ｃ）はそのＣ部における溶着状態を説明する説明図。 第１実施形態の触媒担体における複数個の触媒担持フィルターの外筒の軸方向視の開口面積を説明する説明図。 第１実施形態の変形例の触媒担体における複数個の触媒担持フィルターの外筒の軸方向視の開口面積を説明する説明図。 第１実施形態の触媒担体を内燃機関の排気経路の離間した複数箇所に設けた構成を説明する説明図。 本発明による第２実施形態の触媒担体のＡ－Ａ縦断面に相当する縦断面図。 （ａ）は本発明による第３実施形態の触媒担体の正面図、（ｂ）はその縦断面説明図。 第３実施形態の触媒担体における複数個の触媒担持フィルターの外筒の軸方向視の開口面積を説明する説明図。 第３実施形態の変形例の触媒担体における複数個の触媒担持フィルターの外筒の軸方向視の開口面積を説明する説明図。 第１実施形態の触媒担体を自動二輪車の排気経路における内燃機関の上流位置に設けた構成を説明する説明図。 本発明による触媒担体のＣＡＥ解析における解析の前提となる金網を示す説明図。 （ａ）～（ｄ）は解析モデルを構成する触媒担持フィルターの例を示す正面図。 （ａ）～（ｄ）は解析モデルを構成する触媒担持フィルターをそれぞれ９０度回転した状態の例を示す正面図。 （ａ）～（ｄ）は２個の触媒担持フィルターを金網の積層方向に重ねて設定した構造体の例を示す正面図。 （ａ）は触媒担持フィルターを隣接配置した構造体による解析モデルを示す説明図、（ｂ）は触媒担持フィルターを離間配置した構造体による解析モデルを示す説明図。 触媒担持フィルターを隣接配置した構造体における開口率と圧力損失の関係を示すグラフ。 触媒担持フィルターを離間配置した構造体における開口率と圧力損失の関係を示すグラフ。

〔第１実施形態の触媒担体〕
本発明による第１実施形態の触媒担体１は、図１及び図２に示すように、触媒物質を分散担持する触媒担持フィルター２と、触媒担持フィルター２が内装される金属製の外筒３を備える。触媒担持フィルター２は、複数枚の金網２０が積層されて焼結された金網積層多孔体で構成されており、図示例では、５枚の金網２０が５層に積層されて焼結されることで金網積層多孔体が形成され、この金網積層多孔体に触媒物質が分散担持されている。そして、複数個の触媒担持フィルター２が軸方向に並べられて外筒３に内装されている。

各々の触媒担持フィルター２の外周端は、外筒３の内周面３１に略当接するように形成されている。図示例における外筒３は、ステンレス等の金属で略円筒形の短筒状に形成され、その板厚はｔ２である。そして、略円形の触媒担持フィルター２の外周端の外径は外筒３の内径と略同一に形成され、外筒３の内周面３１に略当接するようになっている。

触媒担持フィルター２は、例えば針金の周期的な繰り返しパターンの波長λ、最大の厚さに相当する針金の繰り返しパターンの波高ｈの略矩形の金網２０ａ（図３（ａ）参照）を互いの凹凸が入り込むようにして積層層ｎ=５で積層し、積層された略矩形の金網２０ａを円形に切断して形成され、その厚さｔ１は波高ｈ×積層数ｎよりも小さくなっている（図２、図３（ｂ）参照）。金網２０ａを円形に切断して形成された略円形の金網２０で構成される略円形の触媒担持フィルター２では、その外周端の位置で切断面である針金の端面２１が露出しており、この針金の端面２１が外筒３の内周面３１に略当接される。

各々の触媒担持フィルター２は、図４に示すように、その厚さ方向の中間で周回する中間領域４５にて、触媒担持フィルター２の外周端に位置する針金の端面２１が当接する外筒３の内周面３１に溶着部４２で溶着されている。本実施形態では、中間領域４５で、触媒担持フィルター２の外周端に位置する針金の端面２１が当接する外筒３の内周面３１に溶着される溶着部４２が全周に亘って設けられており、外周端で露出し且つ中間領域４５内に位置する部分で、外筒３の内周面３１に当接する針金の端面２１が溶着部４２でランダムに外筒３の内周面３１に溶着されている。尚、中間領域４５で、針金の端面２１以外の金網２０の部分が当接する外筒３の内周面３１に溶着された部分が、針金の端面２１の溶着部４２と併存する構成としてもよい。

この中間領域４５は、触媒担持フィルター２の３枚以上の複数の金網２０が積層されて構成される金網層のうち、中間層である一層の金網２０の波高ｈと位置、幅を略対応させると好適であり、図示例における中間領域４５は、金網２０が５層に積層された金網層のうち、中央に位置する３層目の金網２０の波高ｈと位置、幅を略対応するように設定され、中間領域４５の幅Ｗは金網２０の波高ｈと略同一になっている。そして、３層目の金網２０と略対応する中間領域４５内で外筒３の内周面３１に当接する触媒担持フィルター２の針金の端面２１、或いは端面２１の一部が、溶着部４２で外筒３の内周面３１に溶着されている。

また、図１、図２中の４１は溶接ビードであり、触媒担持フィルター２の針金の端面２１或いは端面２１の一部と外筒３の内周面３１を溶着部４２で溶着する際に、外筒３の外側からレーザー貫通溶接を施した際に形成されたものである。溶接ビード４１の外筒３の内周面３１の幅は中間領域４５の幅Ｗと略対応しており、外筒３の内周面３１の溶接幅が中間領域４５の幅Ｗになるようにしてレーザー貫通溶接が施されている。

外筒３に内装される複数個の触媒担持フィルター２は、近接若しくは隣接して外筒３の軸方向に並べて設けられている。図示例では、合計５個の触媒担持フィルター２が外筒３の長さ方向における略中間位置に内装して配置されており、各々の触媒担持フィルター２は、近接若しくは隣接して連続するように外筒３の内部に並設され、外筒３の内空断面の全体に拡がるように設けられている。

複数個の触媒担持フィルター２は、一個の触媒担持フィルター２の外筒３の軸方向視における開口面積よりも、外筒３の軸方向視における開口面積が小さくなるように設置されており、第１実施形態では、外筒３の軸方向視における複数個の触媒担持フィルター２の開口面積が０となるようにして、複数個の触媒担持フィルター２が設置されている。

即ち、図５に示すように、外筒３の内部には、複数個の触媒担持フィルター２による構造体によって軸方向に直線状で筒抜けになる部位が無く、この構造体によって外筒３の内部に遮蔽部５が構成されている。そして、遮蔽部５により、外筒３の軸方向視における複数個の触媒担持フィルター２の開口面積が０となっており、外筒３の内部に軸方向に可視光を当てた場合に直線光が通り抜けないようになっている。

尚、第１実施形態の変形例として、図６に示すように、外筒３の軸方向視において複数個の触媒担持フィルター２による構造体が開口部６を有する構成とすることも可能である。この場合、外筒３の軸方向視における複数個の前記触媒担持フィルター２の開口部６による開口面積は、外筒３の内断面積の２０．９％以下とすると良好であり、より好ましくは１０％以下、より一層好ましくは５．１％以下とするとよい。また、外筒３の軸方向視における複数個の触媒担持フィルター２の開口部６は分散配置するように構成することが好ましい。

第１実施形態やその変形例の触媒担体１における触媒担持フィルター２は、複数の金網２０の積層状態における厚さｔ１が例えば３ｍｍ～２０ｍｍ程度、図示例では３ｍｍ～６ｍｍ程度で薄く、この薄い触媒担持フィルター２を複数個、軸方向に並設し、その軸方向の両側に排気管との接合に必要な長さを確保した触媒担体１や外筒３の長さも短くなる。従って、触媒担体１を内燃機関の排気経路に集約して一カ所に設けて排気浄化装置を構成することの他、図７に示すように、触媒担体１を内燃機関１１の排気経路１２の離間した複数箇所に設けて排気浄化装置を構成することも可能であり、これにより、例えば一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害物質の種類に合わせて各々の触媒担体１の触媒物質を調整し、各々の触媒担体１をそれぞれの有害物質がより触媒反応を起こしやすい場所に設置し、全体的な浄化性能を高めることも可能となる。尚、複数の触媒担体１を排気経路に集約或いは離間して設ける場合、各触媒担体１の触媒担持フィルター２の並設する数は同数或いは異なる数とすることが可能である。

第１実施形態によれば、一個の触媒担持フィルター２の軸方向視の開口面積よりも開口面積が小さくなるように複数個の触媒担持フィルター２を設置することにより、排気が気流の衝突なしで短時間で素通りしてしまう可能性を低くし、触媒物質と流通する排気との接触性を高めることができる。従って、金網積層多孔体に触媒物質を担持させた複数個の触媒担持フィルター２を外筒３に内装する触媒担体１の優れた浄化性能をより確実に発揮させることができる。また、排気が触媒担持フィルター２に衝突し易くなることから、排気の運動エネルギーを低減して排気の消音効果を得ることができる。また、複数枚の金網２０が積層されて焼結され、触媒物質を分散担持する触媒担持フィルター２を複数個軸方向に並設する触媒担体１は、既存のハニカム構造体による触媒担体よりも長さを短尺にすることができ、排気経路１２における設置場所の自由度、柔軟性を高めることができる。

また、外筒３の軸方向視における複数個の触媒担持フィルター２の開口面積が０となるようにして複数個の触媒担持フィルター２を設置する場合、基本的に外筒３を流れる排気流の全てを複数個の触媒担持フィルター２で構成される構造体に衝突させることができ、複数個の触媒担持フィルター２の構造体に対して排気流が留まる時間を一層増やし、流通する排気の触媒物質との接触性、浄化性能をより高めることができる。また、排気流の中で局所的に触媒物質との接触性が低く浄化の度合の低い領域が発生することを防止することができる。また、外筒３の軸方向視における複数個の触媒担持フィルター２の開口面積を０に設定することにより、開口面積の増加に応じて増加傾向となる内燃機関１１のエンジン出力性能、開口面積の増加に応じて減少傾向となる排気浄化性能、消音性能を安定させて設定しやすくなり、エンジン出力、消音、浄化の性能のバラツキを最小限に抑えることができる。また、排気が触媒担持フィルター２により衝突し易くなることから、排気の運動エネルギーの低減による消音効果をより高めることができる。

また、外筒３の軸方向視における複数個の触媒担持フィルター２の開口面積を外筒３の内断面積の２０．９％以下とすることにより、排気が気流の衝突なしで短時間で素通りしてしまう可能性をより低くし、触媒物質と流通する排気との接触性、浄化性能をより高めることができる。また、排気が触媒担持フィルター２により衝突し易くなることから、排気の運動エネルギーの低減による消音効果をより高めることができる。また、外筒３の軸方向視における複数個の触媒担持フィルター２の開口面積を外筒３の内断面積の２０．９％以下とする場合には圧力損失の収束傾向が顕著となることから、エンジン出力、消音、浄化の性能のバラつき抑制効果を高めることができる。更に、外筒３の軸方向視における複数個の触媒担持フィルター２の開口面積を外筒３の内断面積の１０％以下、より好適には５．１％以下とする場合には、これらの効果をより確実に得ることができる。また、外筒３の軸方向視における複数個の触媒担持フィルター２の開口部６を分散配置する場合には、排気流の中で局所的に触媒物質との接触性が低く浄化の度合の低い領域が発生することを防止することができる。

また、複数個の触媒担持フィルター２を近接若しくは隣接して軸方向に並設することにより、触媒担体１の長さをより短尺にすることができ、排気経路１２における設置場所の自由度、柔軟性を一層高めることができる。また、複数個の触媒担持フィルター２で構成される構造体に排気流が留まる時間、排気の触媒物質との接触性を必要な範囲に留め、排圧の上昇を抑制することができ、排圧抑制によってエンジン出力の低下防止が求められる場合に調整、適応し易くすることができる。

また、触媒担持フィルター２の中間領域で溶着することにより、複数枚の金網２０が積層されて焼結された触媒担持フィルター２又は金網積層多孔体の溶接による溶け落ちや熱変形を防止し、触媒担持フィルター２の形状が保持された触媒担体１とすることができる。また、中間領域にて、針金の端面２１がランダムに配置された触媒担持フィルター２の外周端を外筒３の内周面に高強度で溶着された状態にすることができ、排気浄化装置に搭載したときに熱、振動、排圧などで壊れない十分な強度を得ることができる。また、溶着部４２を全周に亘って設ける場合には、触媒担持フィルター２と外筒３の固定により高い強度が求められる場合に対応し、針金の端面２１がランダムに配置された触媒担持フィルター２の外周端を外筒３の内周面により高い強度で溶着された状態にすることができる。

〔第２実施形態の触媒担体〕
本発明による第２実施形態の触媒担体１ａは、図８に示すように、触媒物質を分散担持する触媒担持フィルター２ａと、複数個の触媒担持フィルター２ａが内装される金属製の外筒３ａを備える。触媒担持フィルター２ａは第１実施形態の触媒担持フィルター２と同一構成であり、外筒３ａは長さが外筒３よりも長いこと以外は第１実施形態の外筒３と同一構成である。

複数個の触媒担持フィルター２ａは軸方向に並べて外筒３ａに内装され、図示例では、複数個である５個の触媒担持フィルター２ａの各々が相互に間隔を開けるようにして軸方向に並設されている。離間する触媒担持フィルター２ａ相互の間隔は、排気の乱流化を促進する観点からは、３ｍｍ以上とするとよく、５ｍｍ以上とするとより好ましい。また、複数個の触媒担持フィルター２ａを離間して間隔を開けて設ける場合、複数個の触媒担持フィルター２ａの少なくとも一個の触媒担持フィルター２ａを他の触媒担持フィルター２ａと間隔を開けるようにして、複数個の触媒担持フィルター２ａを軸方向に並べて設ける構成とすることが可能であり、第２実施形態の図示例の構成に限定されない。

複数個の触媒担持フィルター２ａは、一個の触媒担持フィルター２ａの外筒３ａの軸方向視における開口面積よりも、外筒３ａの軸方向視における開口面積が小さくなるように設置されており、第２実施形態でも、外筒３ａの軸方向視における複数個の触媒担持フィルター２ａの開口面積が０となるようにして、複数個の触媒担持フィルター２ａが設置されている。尚、第１実施形態の変形例、更にその好ましい例のように、外筒３ａの軸方向視において複数個の触媒担持フィルター２ａによる構造体が開口部を有する構成とすることも可能である。

各々の触媒担持フィルター２ａの外周端は、第１実施形態と同一構成で、外筒３ａの内周面に略当接されて中間領域４５に相当する中間領域で溶着されており、図８の溶接ビード４１ａは外筒３ａの外側からレーザー貫通溶接を施した際に形成されたものである。その他の構成は第１実施形態と同様である。また、第２実施形態の触媒担体１ａを用い、触媒担体１ａを内燃機関の排気経路に集約して一カ所に設けて排気浄化装置を構成することの他、触媒担体１ａを内燃機関の排気経路の離間した複数箇所に設けて排気浄化装置を構成することが可能である。

第２実施形態によれば、第１実施形態と対応する構成から対応する効果を得ることができる。また、触媒担持フィルター２ａ・２ａ相互の間隔も利用して排気流の乱流化を促進することができ、排気の乱流によって触媒物質と流通する排気との接触性をより高め、浄化性能を一層向上することができる。

〔第３実施形態の触媒担体〕
本発明による第３実施形態の触媒担体１ｂは、図９及び図１０に示すように、触媒物質を分散担持する触媒担持フィルター２ｂと、複数個の触媒担持フィルター２ｂが内装される金属製の外筒３ｂを備える。触媒担持フィルター２ｂは、外形が略円形ではなく略矩形であること以外は第１実施形態の触媒担持フィルター２と同一構成である。外筒３ｂは、略円筒形ではなく略四角筒形であること、長さが外筒３よりも若干長いこと以外は第１実施形態の外筒３と同一構成である。

複数個の触媒担持フィルター２ｂは軸方向に並べて外筒３ｂに内装され、図示例では、複数個である６個の触媒担持フィルター２ｂが近接若しくは隣接して外筒ｂの軸方向に並べて設けられている。合計６個の触媒担持フィルター２ｂは外筒３ｂの長さ方向における略中間位置に内装して配置されており、各々の触媒担持フィルター２ｂは、近接若しくは隣接して連続するように外筒３ｂの内部に並設され、外筒３ｂの内空断面の全体に拡がるように設けられている。

複数個の触媒担持フィルター２ｂは、一個の触媒担持フィルター２ｂの外筒３ｂの軸方向視における開口面積よりも、外筒３ｂの軸方向視における開口面積が小さくなるように設置されており、第３実施形態では、外筒３ｂの軸方向視における複数個の触媒担持フィルター２ｂの開口面積が０となるようにして、複数個の触媒担持フィルター２ｂが設置されている。即ち、図１０に示すように、外筒３ｂの内部には、複数個の触媒担持フィルター２ｂによる構造体によって軸方向に直線状で筒抜けになる部位が無く、この構造体によって外筒３ｂの内部に遮蔽部５ｂが構成されている。

尚、第１実施形態の変形例と同様、図１１のように、外筒３ｂの軸方向視において複数個の触媒担持フィルター２ｂによる構造体が開口部６ｂを有する構成とすることも可能である。この場合、外筒３ｂの軸方向視における複数個の前記触媒担持フィルター２ｂの開口部６ｂによる開口面積は、外筒３ｂの内断面積の２０．９％以下とすると良好であり、より好ましくは１０％以下、より一層好ましくは５．１％以下とするとよい。また、外筒３ｂの軸方向視における複数個の触媒担持フィルター２ｂの開口部６ｂは分散配置するように構成することが好ましい。

各々の触媒担持フィルター２ｂの外周端は、第１実施形態と同一構成で、外筒３ｂの内周面に略当接されて中間領域４５に相当する中間領域で溶着されており、図９（ｂ）の溶接ビード４１ｂは外筒３ｂの外側からレーザー貫通溶接を施した際に形成されたものである。その他の構成は第１実施形態と同様である。また、第３実施形態の触媒担体１ｂを用い、触媒担体１ｂを内燃機関の排気経路に集約して一カ所に設けて排気浄化装置を構成することの他、触媒担体１ｂを内燃機関の排気経路の離間した複数箇所に設けて排気浄化装置を構成することが可能である。

第３実施形態によれば、第１実施形態と対応する構成から対応する効果を得ることができる。

〔本明細書開示発明の包含範囲〕
本明細書開示の発明は、発明として列記した各発明、各実施形態及びその変形例の他に、適用可能な範囲で、これらの部分的な内容を本明細書開示の他の内容に変更して特定したもの、或いはこれらの内容に本明細書開示の他の内容を付加して特定したもの、或いはこれらの部分的な内容を部分的な作用効果が得られる限度で削除して上位概念化して特定したものを包含する。そして、本明細書開示の発明には下記変形例や追記した内容も含まれる。

例えば軸方向に並べて設けられる複数個の触媒担持フィルター２、２ａ、２ｂについて、各触媒担持フィルター２・２相互、２ａ・２ａ相互、２ｂ・２ｂ相互には、針金の位置及び外筒３、３ａ、３ｂの軸方向の開口位置が同一又は異なる触媒担持フィルター２、２ａ、２ｂを用いることが可能である。

また、複数個の触媒担持フィルター２、２ａ、２ｂで、一個の触媒担持フィルター２、２ａ、２ｂの外筒３、３ａ、３ｂの軸方向視における開口面積よりも、外筒３、３ａ、３ｂの軸方向視における開口面積が小さくなるように設置する構成、更には外筒３、３ａ、３ｂの軸方向視における複数個の触媒担持フィルター２、２ａ、２ｂの開口面積が０となるようにして複数個の触媒担持フィルター２、２ａ、２ｂを設置する構成等は適宜である。例えば円筒形の外筒３、３ａ等の場合には、中心を通って直径に相当するように針金が延びる触媒担持フィルター２、２ａ等を用い、これと針金の位置及び開口位置が同一の触媒担持フィルター２、２ａ等を用い、複数個の触媒担持フィルター２、２ａ等を回転させながら軸方向に並べて並設する構成とすることが可能である。また、例えば四角筒形の外筒３ｂ等の場合には、横方向に延びる針金の高さを異ならせるようにして複数個の触媒担持フィルター２ｂ等を形成し、複数個の触媒担持フィルター２ｂ等を軸方向に並べて並設する構成とすることが可能である。

また、複数個の触媒担持フィルター２、２ａ、２ｂを外筒３の軸方向に並べて内装する場合、並設する触媒担持フィルター２、２ａ、２ｂの数は２個以上の複数であれば適宜であるが、この並設数は３個～１２個とすると好ましく、更には４個～８個とするとより好ましい。この並設数により、触媒担持フィルター２、２ａ、２ｂ等の増設コストを抑制しつつ、触媒物質と流通する排気との高度な接触性をより安定して確保することができる。

また、複数個の触媒担持フィルター２、２ａ、２ｂを外筒３の軸方向に並べて内装する場合、並設する触媒担持フィルター２、２ａ、２ｂの合計の厚さ（外筒３の軸方向の長さの合計）は９ｍｍ～１００ｍｍとすると好ましく、更には１２ｍｍ～５０ｍｍとするとより好ましい。この厚さにより、触媒担持フィルター２、２ａ、２ｂ等の増設コストを抑制しつつ、触媒物質と流通する排気との高度な接触性をより安定して確保することができる。

また、実施形態の触媒担体１、１ａ、１ｂ等は、内燃機関１１の排気経路１２における内燃機関１１の上流位置に設ける構成としても好適であり、この内燃機関１１の上流位置は、触媒担体１、１ａ、１ｂ等の最も内燃機関寄りの触媒担持フィルター２、２ａ、２ｂ等の内燃機関側の端部と内燃機関１１との距離が０～３００ｍｍとなるようにすることが好ましい。更に、実施形態の触媒担体１、１ａ、１ｂ等は、内燃機関１１の排気経路１２における内燃機関１１の直下近傍の位置に設ける構成とするとより好適であり、この内燃機関１１の直下近傍の位置は、触媒担体１、１ａ、１ｂ等の最も内燃機関寄りの触媒担持フィルター２、２ａ、２ｂ等の内燃機関側の端部と内燃機関１１との距離が０～１００ｍｍとなるようにすることが好ましい。また、この場合、これと別の触媒担体１、１ａ、１ｂ等を、排気経路１２の上流位置の触媒担体１、１ｂ、１ｂ等と離間した箇所に設けても好適である。

このような例として図１２を示す。図１２の内燃機関１１、排気経路１２は自動二輪車の内燃機関、排気経路であり、この排気経路１２は、内燃機関１１の出口から配管されるエギゾーストパイプ１２ｍと、サイレンサー１２ｎとから構成されている。触媒担体１は、内燃機関１１の出口から配管されるエギゾーストパイプ１２ｍに設けられ、エギゾーストパイプ１２ｍが触媒担体１の外筒３に相当するようになっている。尚、触媒担体１に代え、触媒担体１ａ、１ｂ等の本発明の触媒担体を用いることが可能である。

軸方向の寸法、断面積ともにコンパクト化して排気経路１２の所望箇所に設置することが可能な触媒担体１、１ａ、１ｂ等を、排気経路１２における内燃機関１１の上流位置、より好ましくは直下近傍に設けることにより、排気のエネルギーを殆ど損失することなく、排気の触媒物質への接触性を高めることができ、排ガス性能を飛躍的に向上することができる。特に、自動二輪車の場合、内燃機関１１の出口から配管されるエギゾーストパイプ１２ｍは、他部品との干渉を避けるため、小径かつ複数の曲げが加わった複雑なレイアウトとなり、ここに軸方向に長い既存のメタル担体等を搭載することは寸法上の制約から困難であるが、触媒担体１、１ａ、１ｂ等による上記排気浄化装置は、そのコンパクト性から、斯様な寸法上の制約がある自動二輪車のエギゾーストパイプ１２ｍでも設置することが可能である。

〔本発明による触媒担体のＣＡＥ解析及びその解析結果〕
本発明による触媒担体に対応する解析モデルを設定し、ＳＣＲＹＵ／Ｔｅｔｒａ（株式会社ソフトウェアクレイドル製）を用いてＣＡＥ解析を行った。解析の前提として、図１３に示すように、針金２０１の線径Φ０．５８ｍｍ、１２－６ＭＥＳＨ（１インチ四方に縦線１２本の針金と横線６本の針金の平織）の金網を設定した。そして、図１３の金網を縦Ｌ１＝１０ｍｍ、横Ｌ２＝１０ｍｍの１０ｍｍ四方の太線矩形枠で切断したものを金網ａとし、金網ａを基準に太線矩形枠をＸ方向に０．５８ｍｍずらして切断したものを金網ｂ、金網ａを基準に太線矩形枠をＸ方向に１．１６ｍｍずらして切断したものを金網ｃ、金網ａを基準に太線矩形枠をＸ方向に１．７４ｍｍずらして切断したものを金網ｄとした。これらの金網ａ～ｄのうちから選択した４枚の金網を積層して、解析モデルを構成する触媒担持フィルターを設定した。

図１４（ａ）～（ｄ）は解析モデルを構成する触媒担持フィルターを示しており、２０１は針金、６０１は正面視で針金２０１が存在しない開口部である。図１４（ａ）における触媒担持フィルター２ｆは金網ａを縦横方向を同じにして４枚積層して構成され、触媒担持フィルター２ｆの開口率（触媒担持フィルターの正面視における開口部の面積の合計／太線矩形枠に対応する触媒担持フィルターの面積）は、金網ａの開口率と同一で５８．６％である。図１４（ｂ）における触媒担持フィルター２ｇは、後述する空気の流入方向Ｆから金網ａ、金網ｂ、金網ａ、金網ｂの順で、それぞれ縦線と横線の方向を同じにして４枚積層して構成され、触媒担持フィルター２ｇの正面視の開口率は３７．７％になっている。

図１４（ｃ）における触媒担持フィルター２ｈは、空気の流入方向Ｆから金網ａ、金網ｂ、金網ｃ、金網ａの順で、それぞれ縦線と横線の方向を同じにして４枚積層して構成され、触媒担持フィルター２ｈの正面視の開口率は１８．６％になっている。図１４（ｄ）における触媒担持フィルター２ｉは、空気の流入方向Ｆから金網ａ、金網ｂ、金網ｃ、金網ｄの順で、それぞれ縦線と横線の方向を同じにして４枚積層して構成され、触媒担持フィルター２ｊの正面視の開口率は０％になっている。

更に、図１５（ａ）～（ｄ）は解析モデルを構成する触媒担持フィルター２ｆ、２ｇ、２ｈ、２ｉをそれぞれ９０度回転した状態の触媒担持フィルター２ｆ’、２ｇ’、２ｈ’、２ｉ’を示している。触媒担持フィルター２ｆ’、２ｇ’、２ｈ’、２ｉ’の開口率は触媒担持フィルター２ｆ、２ｇ、２ｈ、２ｉの開口率とそれぞれ同一である。

更に、図１６（ａ）は２個の触媒担持フィルター２ｆと触媒担持フィルター２ｆ’を金網の積層方向に重ねて設定した構造体ＴＰ１（ＴＰ１’）であり、この構造体ＴＰ１（ＴＰ１’）の全体の正面視の開口率は触媒担持フィルター２ｆ、２ｆ’のそれぞれの開口率よりも小さい５０．４％になっている。図１６（ｂ）は２個の触媒担持フィルター２ｇと触媒担持フィルター２ｇ’を金網の積層方向に重ねて設定した構造体ＴＰ２（ＴＰ２’）であり、この構造体ＴＰ２（ＴＰ２’）の全体の正面視の開口率は触媒担持フィルター２ｇ、２ｇ’のそれぞれの開口率よりも小さい２０．９％になっている。

図１６（ｃ）は２個の触媒担持フィルター２ｈと触媒担持フィルター２ｈ’を金網の積層方向に重ねて設定した構造体ＴＰ３（ＴＰ３’）であり、この構造体ＴＰ３（ＴＰ３’）の全体の正面視の開口率は触媒担持フィルター２ｈ、２ｈ’のそれぞれの開口率よりも小さい５．１％になっている。図１６（ｄ）は２個の触媒担持フィルター２ｉと触媒担持フィルター２ｉ’を金網の積層方向に重ねて設定した構造体ＴＰ４（ＴＰ４’）であり、この構造体ＴＰ４（ＴＰ４’）の全体の正面視の開口率は触媒担持フィルター２ｉ、２ｉ’のそれぞれの開口率と同じ０％になっている。

そして、触媒担持フィルター２ｆ・２ｆ’を隣接配置した構造体ＴＰ１、触媒担持フィルター２ｇ・２ｇ’を隣接配置した構造体ＴＰ２、触媒担持フィルター２ｈ・２ｈ’を隣接配置した構造体ＴＰ３、触媒担持フィルター２ｉ・２ｉ’を隣接配置した構造体ＴＰ４を、それぞれ長さＳ３＝９．３ｍｍの設置区間に設定し、設置区間に設定した構造体ＴＰ１～ＴＰ４における流体流入側に流体の流れを安定化する長さＳ１＝５０ｍｍの助走区間を設定すると共に、設置区間に設定した構造体ＴＰ１～ＴＰ４における流体流出側に流体の流れを安定化する長さＳ２＝５０ｍｍの助走区間を設定し、解析モデルとした。図１７（ａ）は触媒担持フィルター２ｆ・２ｆ’を隣接配置した構造体ＴＰ１の解析モデルを示している。

これらの開口率が異なる触媒担持フィルター２ｆ・２ｆ’の構造体ＴＰ１による解析モデル、触媒担持フィルター２ｇ・２ｇ’の構造体ＴＰ２による解析モデル、触媒担持フィルター２ｈ・２ｈ’の構造体ＴＰ３による解析モデル、触媒担持フィルター２ｉ・２ｉ’の構造体による解析モデルＴＰ４に対し、流体：空気（圧縮性流体）、流体の温度：４００℃、流体の流速：１８ｍ／ｓｅｃとして、各構造体ＴＰ１～ＴＰ４の正面視の領域全体（１０ｍｍ四方の領域全体）に亘って空気を流入させ、１０ｍｍ四方の各触媒担持フィルター構造体ＴＰ１～ＴＰ４を空気が通過するときの圧力損失ΔＰを求めた。図１７（ａ）の太線矢印は空気の流入方向Ｆである。尚、実機は排気が想定されるが、解析上は空気と同視することができる。また、流速は、例えば自動車の排気量や回転数に応じて様々なものが想定されるが、任意の流速における開口率－圧力損失の関係の傾向は他の流速域でも妥当する。

図１８は解析モデルの解析結果を示すものであり、触媒担持フィルターを隣接配置した構造体ＴＰ１～ＴＰ４における開口率と圧力損失の関係を示すグラフである。グラフの点は、構造体ＴＰ１（開口率５０．４％）の圧力損失３１５．１Ｐａ、構造体ＴＰ２（開口率２０．９％）の圧力損失５５９．１Ｐａ、構造体ＴＰ３（５．１％）の圧力損失６９０．８Ｐａ、構造体ＴＰ４（開口率０％）の圧力損失６４１．４Ｐａを示している。このグラフから明らかなように、触媒担持フィルターを隣接配置した構造体ＴＰ１～ＴＰ４における圧力損失△Ｐと開口率の関係は基本的に反比例することが分かる。即ち、開口率が小さい方が流体が触媒担持フィルターの構造体に多く接触することを示しており、自動車等の実機において排気の浄化性能の向上を図ることができる。更に、触媒担持フィルターの構造体の下流側の流体の運動エネルギーは、開口率が小さい方が小さくなるため、自動車等の実機において排気の消音効果を図ることができる。更に、圧力損失の値は、触媒担持フィルターの構造体の開口率が小さくなるにつれ収束する傾向があることから、開口率が小さいほど、エンジン出力、消音、浄化の性能のバラつきを抑制することができる。

特に開口率が２０．９％以下とする場合、好ましくは１０％以下とする場合、より好ましくは５．１％以下とする場合には、浄化性能、消音効果をより高めることができると共に、圧力損失の収束傾向が顕著となることから、エンジン出力、消音、浄化の性能のバラつき抑制効果を一層高くすることができる。尚、前述の開口率は、自動車等の実機における排気管等の外筒の軸方向視における複数個である２個の触媒担持フィルターの開口面積／外筒の内断面積に相当する。

また、別の解析モデルとして、触媒担持フィルター２ｆ・２ｆ’を離間配置した構造体ＴＰ１’、触媒担持フィルター２ｇ・２ｇ’を離間配置した構造体ＴＰ２’、触媒担持フィルター２ｈ・２ｈ’を離間配置した構造体ＴＰ３’、触媒担持フィルター２ｉ・２ｉ’を離間配置した構造体ＴＰ４’を、それぞれ長さＳ３＝１４．３ｍｍの設置区間に離間距離Ｓ４=５ｍｍ離間して設定し、設置区間に設定した構造体ＴＰ１’～ＴＰ４’における流体流入側に流体の流れを安定化する長さＳ１＝５０ｍｍの助走区間を設定すると共に、設置区間に設定した構造体ＴＰ１’～ＴＰ４’における流体流出側に流体の流れを安定化する長さＳ２＝５０ｍｍの助走区間を設定した。図１７（ｂ）は触媒担持フィルター２ｆ・２ｆ’を離間配置した構造体ＴＰ１’の解析モデルを示している。

これらの離間配置の別の解析モデルに対し、流体：空気（圧縮性流体）、流体の温度：４００℃、流体の流速：１８ｍ／ｓｅｃとして、各構造体ＴＰ１’～ＴＰ４’の正面視の領域全体（１０ｍｍ四方の領域全体）に亘って空気を流入させ、１０ｍｍ四方の各触媒担持フィルター構造体ＴＰ１’～ＴＰ４’を空気が通過するときの圧力損失ΔＰを求めた。図１７（ｂ）の太線矢印は空気の流入方向Ｆである。

図１９は別の解析モデルの解析結果を示すものであり、触媒担持フィルターを離間配置した構造体ＴＰ１’～ＴＰ４’における開口率と圧力損失の関係を示すグラフである。グラフの点は、構造体ＴＰ１’（開口率５０．４％）の圧力損失３５８．９Ｐａ、構造体ＴＰ２’（開口率２０．９％）の圧力損失６２１．８Ｐａ、構造体ＴＰ３’（５．１％）の圧力損失７４３．１Ｐａ、構造体ＴＰ４’（開口率０％）の圧力損失７０８．５Ｐａを示している。この別の解析モデルでも、基本的に触媒担持フィルターを隣接配置した構造体ＴＰ１～ＴＰ４の場合と同様の結果が得られた。即ち、触媒担持フィルターを離間配置した構造体ＴＰ１’～ＴＰ４’における圧力損失△Ｐと開口率の関係は基本的に反比例することがグラフから分かり、開口率が小さい方が流体が触媒担持フィルターの構造体に多く接触することをグラフは示しており、自動車等の実機において排気の浄化性能の向上を図ることができる。更に、触媒担持フィルターの構造体の下流側の流体の運動エネルギーは、開口率が小さい方が小さくなるため、触媒担持フィルターを離間配置した構造体の場合にも自動車等の実機において排気の消音効果を図ることができる。更に、別の解析モデルでも、圧力損失の値は、触媒担持フィルターの構造体の開口率が小さくなるにつれ収束する傾向があることから、開口率が小さいほど、エンジン出力、消音、浄化の性能のバラつきを抑制することができる。

特に開口率が２０．９％以下とする場合、好ましくは１０％以下とする場合、より好ましくは５．１％以下とする場合には、浄化性能、消音効果をより高めることができると共に、圧力損失の収束傾向が顕著となることから、エンジン出力、消音、浄化の性能のバラつき抑制効果を一層高くすることができる。尚、前述の開口率も、自動車等の実機における排気管等の外筒の軸方向視における複数個である２個の触媒担持フィルターの開口面積／外筒の内断面積に相当する。

また、触媒担持フィルターを離間配置した構造体ＴＰ１’～ＴＰ４’の別の解析モデルの方が、触媒担持フィルターを隣接配置した構造体ＴＰ１～ＴＰ４の解析モデルよりも、全体的に圧力損失ΔＰが若干大きくなる傾向が認められる。これは離間配置の場合には排気の乱流化が促進されるためと考えられ、排気浄化性能を一層高めることが可能となる。他方において、複数個の触媒担持フィルターを隣接若しくは近接して配置した構造体を実機に適用した場合、複数個の触媒担持フィルターで構成される構造体に排気流が留まる時間、排気の触媒物質との接触性を必要な範囲に留め、排圧の上昇を抑制することができ、排圧抑制によってエンジン出力の低下防止が求められる場合に調整、適応し易い構造となる。

本発明は、内燃機関の排気経路に設置される触媒担体や排気浄化装置に利用することができる。

１、１ａ、１ｂ…触媒担体 ２、２ａ、２ｂ…触媒担持フィルター ２０、２０ａ…金網 ２１…針金の端面 ３、３ａ、３ｂ…外筒 ３１…内周面 ４１、４１ａ、４１ｂ…溶接ビード ４２…溶着部 ４５…中間領域 ５、５ｂ…遮蔽部 ６、６ｂ…開口部 １１…内燃機関 １２…排気経路 １２ｍ…エギゾーストパイプ １２ｎ…サイレンサー ｔ１…触媒担持フィルターの厚さ ｔ２…外筒の板厚 ｈ…金網の波高 λ…金網の波長 Ｗ…中間領域の幅 ２ｆ、２ｇ、２ｈ、２ｉ、２ｆ’、２ｇ’、２ｈ’、２ｉ’…触媒担持フィルター ２０１…針金、６０１…開口部 Ｌ１…金網の縦の長さ、Ｌ２…金網の横の長さ ａ…金網 ＴＰ１、ＴＰ１’、ＴＰ２、ＴＰ２’、ＴＰ３、ＴＰ３’、ＴＰ４、ＴＰ４’…解析モデルの構造体 Ｓ１、Ｓ２…助走区間の長さ Ｓ３…設置区間の長さ Ｓ４…離間距離

Claims (4)

1. 複数枚の金網が積層されて焼結された金網積層多孔体で構成され、触媒物質を分散担持する触媒担持フィルターと、
   複数個の前記触媒担持フィルターが軸方向に並べて内装される外筒を備え、
   一個の前記触媒担持フィルターの軸方向視の開口面積よりも開口面積が小さくなるように前記複数個の前記触媒担持フィルターが設置されていると共に、
   前記外筒が金属製であり、
   各々の前記触媒担持フィルターの外周端が前記外筒の内周面に略当接するように形成され、前記触媒担持フィルターの厚さ方向の中間で周回する中間領域にて、前記触媒担持フィルターの外周端に位置する針金の端面が当接する前記外筒の内周面に溶着されていることを特徴とする触媒担体。
2. 請求項１記載の触媒担体が内燃機関の排気経路の離間した複数箇所に設けられることを特徴とする排気浄化装置。
3. 請求項１記載の触媒担体の１つが、内燃機関の排気経路の上流位置に設けられることを特徴とする排気浄化装置。
4. 自動二輪車の内燃機関の出口から配管されるエギゾーストパイプの上流位置に前記触媒担体が設けられることを特徴とする請求項３記載の排気浄化装置。

Images