JP7035780B2 - 触媒構造体 - Google Patents
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Description
本発明は、触媒構造体に関する。
内燃機関の排気通路に備える触媒構造体において、セラミックスまたは金属薄板で形成されたモノリス型の基材に代えて、金属細線で基材を編み上げる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この技術に係る基材は、排気の流れ方向に直交する経糸群と、排気の流れ方向に直交し且つ経糸群と直交する緯糸群と、排気の流れ方向に平行で且つ経糸群及び緯糸群と直交する垂直糸群と、を組み合わせて三次元形状となるように形成されている。
上記触媒構造体は、網目状に基材を形成することにより表面積を増加させ、これにより、排気と触媒との接触の機会を増加させる狙いがある。しかし、上記構造では、排気の流れ方向において基材の断面積が大きく変化することにより、排気の圧縮と膨張とが連続的に繰り返される。すなわち、排気が経糸又は緯糸の横を通過するときに排気が圧縮され、排気が経糸又は緯糸の横を通過後に排気が膨張する。このような、排気の圧縮と膨張とが繰り返されることにより、従来のモノリス型の基材と比較して流路抵抗が大きくなることが見出された。
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、流路抵抗を低減すると共に浄化率を高めることのできる触媒構造体を提供することにある。
本発明の態様の一つは、内燃機関の排気通路に設けられる触媒構造体において、線状の部材を組み合わせて形成される基材を備え、前記線状の部材には、排気の流れ方向に対して直交するように配置される線状の部材を含まず、且つ、排気の流れ方向に対して斜めに配置される線状の部材を含む、触媒構造体である。
線状の部材を組み合わせて基材を構成することにより、面で構成された基材よりも表面積を大きくすることができる。したがって、排気と触媒とが接触する機会を増加させることができるため、排気の浄化率の向上を見込める。ここで、仮に、排気の流れ方向で基材の断面積が変化すると、流路面積が変化するために排気の膨張及び圧縮が起こるため、圧力損失が増加し得る。すなわち、排気の流れ方向と直交する断面における基材の断面積が、排気の流れ方向で大きく変化すると、圧力損失が大きくなる。そして、排気の流れ方向と直交するように線状の部材を配置した場合には、基材の断面積の変化が大きくなる。この場合、排気が線状の部材の横を通過するときに排気が圧縮され、排気が線状の部材を通過した後に排気が膨張するため、圧力損失が大きくなる。一方、線状の部材を排気の流れ方向に対して斜めに配置することにより、基材の断面積が排気の流れ方向で変化することを抑制できるため、流路面積が変化することを抑制できる。すなわち、線状の部材を組み合わせて基材を形成する場合に、排気の流れ方向に対して直交するように配置される線状の部材を含まず、且つ、排気の流れ方向に対して斜めに配置される線状の部材を含むよう
にすれば、基材の断面積が排気の流れ方向で変化することを抑制できる。このように基材を形成することにより、排気の流れ方向と直交する断面における基材の断面積を、排気の流れ方向で変化することを抑制できる。これにより、排気の膨張及び圧縮が起こることを抑制できるため、圧力損失を低減することができる。このようにして、流路抵抗を低減すると共に排気の浄化率を高めることができる。
にすれば、基材の断面積が排気の流れ方向で変化することを抑制できる。このように基材を形成することにより、排気の流れ方向と直交する断面における基材の断面積を、排気の流れ方向で変化することを抑制できる。これにより、排気の膨張及び圧縮が起こることを抑制できるため、圧力損失を低減することができる。このようにして、流路抵抗を低減すると共に排気の浄化率を高めることができる。
また、前記基材は、前記線状の部材が排気の流れ方向に対して斜めに配置される複数の傾斜部と、夫々の前記傾斜部の両端において複数の前記傾斜部が交差する交差部と、を備え、夫々の前記交差部において、排気の流れ方向の上流側及び下流側に、該交差部を中心として複数の前記傾斜部が放射状に配置されていてもよい。
夫々の交差部において、上流側に備わる複数の交差部に向かって複数の傾斜部が放射状に配置され、また、下流側に備わる複数の交差部に向かって複数の傾斜部が放射状に配置される。そして、放射状に配置した夫々の傾斜部の反対側の端部にも夫々同様の交差部が形成される。したがって、傾斜部及び交差部を排気の流れ方向に繰り返し配置することができる。さらに、線状の部材が排気の流れ方向に対して直交しないように線状の部材を配置することができる。これにより、排気の膨張及び圧縮が起こることを抑制できるため、圧力損失を低減できる。すなわち、傾斜部を排気の流れ方向に対して斜めに配置することにより、排気の流れ方向で基材の断面積が大きく変化することを抑制できるため、圧力損失を低減できる。また、排気の流路が網目状に形成されるため、排気と触媒とが接触する機会を増加させることができる。また、交差部を設けることにより、基材の剛性を高めることができる。交差部は、排気の流れ方向と平行になるように排気の流れ方向に長さを有していてもよい。
また、前記基材は、排気の流れ方向の上流側よりも下流側が密になっていてもよい。基材が密になるとは、基材の密度が増加することを意味する。ここで、排気が触媒構造体を通過するときには、下流側ほど被浄化物質の濃度が低くなるため、下流側ほど被浄化物質の反応速度が低下する。すなわち、下流側ほど、被浄化物質の浄化率が低下し得る。これに対して、上流側よりも下流側で基材が密になっていれば、被浄化物質と触媒とが接触する機会を増加させることができるため、被浄化物質の浄化率を向上させることができる。
また、排気の流れ方向に対する前記傾斜部の角度を、排気の流れ方向の下流側ほど大きくしてもよい。このように、傾斜部の角度を下流側ほど大きくすることにより、下流側ほど基材を密にすることができる。また、基材が連続的に密になることにより、圧力損失の増加を抑制することができる。
また、前記基材は、排気の流れ方向の下流側よりも上流側が密になっていてもよい。下流側よりも上流側で基材が密になっていれば、上流側においてより多くの熱を受けることができ、また、基材から外部への熱の放出を抑制できる。そのため、上流側の基材の温度をより速やかに上昇させることができるので、冷間始動時等の触媒の温度が低い場合であっても、被浄化物質を早期に浄化可能となる。このため、例えば内燃機関の冷間始動時の被浄化物質の浄化率を向上させることができる。
また、排気の流れ方向に対する前記傾斜部の角度を、排気の流れ方向の上流側ほど大きくしてもよい。このように、傾斜部の角度を上流側ほど大きくすることにより、上流側ほど基材を密にすることができる。また、基材が連続的に密になることにより、圧力損失の増加を抑制することができる。
また、前記基材は、排気の流れ方向と直交する方向に密度が異なっていてもよい。この場合、排気管の中心軸の延長線上において基材の密度を最も高くし、排気管の中心軸の延
長線から離れるにしたがって基材の密度を低くしてもよい。また、基材の外周側よりも基材の中心軸側のほうが基材の密度が高くなるようにしてもよい。ここで、基材の密度が高くなるほど排気が流れ難くなる。この現象を利用し、排気がより多く流入し得る箇所の密度を高くすることにより、基材全体に排気を均一に流すことができる。これにより、被浄化物質の浄化率を向上させることができる。
長線から離れるにしたがって基材の密度を低くしてもよい。また、基材の外周側よりも基材の中心軸側のほうが基材の密度が高くなるようにしてもよい。ここで、基材の密度が高くなるほど排気が流れ難くなる。この現象を利用し、排気がより多く流入し得る箇所の密度を高くすることにより、基材全体に排気を均一に流すことができる。これにより、被浄化物質の浄化率を向上させることができる。
本発明によれば、流路抵抗を低減すると共に浄化率を高めることのできる触媒構造体を提供することができる。
以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
＜実施形態１＞
図１及び図２は、本実施形態に係る触媒構造体の模式図である。図１は、触媒構造体１を排気の流れ方向の上流側から見た図であり、図２は、触媒構造体１を排気の流れ方向と平行に該触媒構造体１の中心軸で切断したときの断面図である。図２において、左側が排気の流れの上流側であり、右側が排気の流れの下流側である。触媒構造体１は、内燃機関の排気通路に設けられる。触媒構造体１は、筒状の外周部２と、外周部２内に形成される基材３とを含んで構成されている。基材３は、排気の温度に耐えることのできる材料で、且つ、触媒（例えばＰｔ，Ｐｂ，Ｂａ，Ｌｉ，Ｋ等）を担持可能な材料（例えば金属またはセラミックス等）で形成される。外周部２と基材３とは、同じ材料で形成されてもよいが、異なる材料で形成されてもよい。なお、基材３をセラミックスにより形成する場合には、触媒を予めセラミックスに含有させておいてもよい。
図１及び図２は、本実施形態に係る触媒構造体の模式図である。図１は、触媒構造体１を排気の流れ方向の上流側から見た図であり、図２は、触媒構造体１を排気の流れ方向と平行に該触媒構造体１の中心軸で切断したときの断面図である。図２において、左側が排気の流れの上流側であり、右側が排気の流れの下流側である。触媒構造体１は、内燃機関の排気通路に設けられる。触媒構造体１は、筒状の外周部２と、外周部２内に形成される基材３とを含んで構成されている。基材３は、排気の温度に耐えることのできる材料で、且つ、触媒（例えばＰｔ，Ｐｂ，Ｂａ，Ｌｉ，Ｋ等）を担持可能な材料（例えば金属またはセラミックス等）で形成される。外周部２と基材３とは、同じ材料で形成されてもよいが、異なる材料で形成されてもよい。なお、基材３をセラミックスにより形成する場合には、触媒を予めセラミックスに含有させておいてもよい。
基材３は、上記材料を線状に形成して構成されている。基材３は、外周部２と共に例え
ば３Ｄプリンタを用いて立体的に形成される。図３は、基材３の拡大図である。基材３は、図３において矢印で示した排気の流れ方向（すなわち、触媒構造体１の中心軸と平行方向）に対して、斜めに配置される線状の傾斜部３Ａと、複数の傾斜部３Ａが交差して接合される交差部３Ｂとを夫々複数備えて構成される。なお、図３では、交差部３Ｂで交差する傾斜部３Ａの一部の図示を省略している。夫々の交差部３Ｂから、排気の流れ方向の斜め下流側に位置する他の複数の交差部３Ｂに向かって複数の傾斜部３Ａが放射状に延びている。排気の流れの上流側から見た場合には、夫々の傾斜部３Ａは、交差部３Ｂから等角度に放射状に延びている。したがって、図３のように、各交差部３Ｂから４本の傾斜部３Ａが延びている場合には、排気の流れの上流側から見た場合に、夫々の傾斜部３Ａが交差部３Ｂを中心にして９０度間隔で配置されている。また、各傾斜部３Ａの排気の流れ方向に対する角度も同じになるように、各傾斜部３Ａが配置されている。排気の流れ方向と直交する方向には、同様の交差部３Ｂが複数配置されている。そして、排気の流れ方向と直交する方向で隣り合う４つの交差部３Ｂから排気の流れ方向の下流側に夫々延びた４本の傾斜部３Ａが、下流側の交差部３Ｂで交差して接合される。この交差部３Ｂで交差する傾斜部３Ａも、排気の流れの上流側から見た場合には、等角度に配置されている。このように、夫々の交差部３Ｂでは、排気の流れ方向の斜め上流側に位置する複数の交差部３Ｂから延びた複数の傾斜部３Ａが交差する。また、夫々の交差部３Ｂでは、排気の流れ方向の斜め下流側に位置する複数の交差部３Ｂに向かって複数の傾斜部３Ａが放射状に延びる。このように、排気の流れ方向に傾斜部３Ａと交差部３Ｂとを交互に配置することにより、排気の流れ方向に対して直交するように配置される線状の部材を含まず、且つ、排気の流れ方向に対して斜めに配置される線状の部材を含むように基材３を形成している。
ば３Ｄプリンタを用いて立体的に形成される。図３は、基材３の拡大図である。基材３は、図３において矢印で示した排気の流れ方向（すなわち、触媒構造体１の中心軸と平行方向）に対して、斜めに配置される線状の傾斜部３Ａと、複数の傾斜部３Ａが交差して接合される交差部３Ｂとを夫々複数備えて構成される。なお、図３では、交差部３Ｂで交差する傾斜部３Ａの一部の図示を省略している。夫々の交差部３Ｂから、排気の流れ方向の斜め下流側に位置する他の複数の交差部３Ｂに向かって複数の傾斜部３Ａが放射状に延びている。排気の流れの上流側から見た場合には、夫々の傾斜部３Ａは、交差部３Ｂから等角度に放射状に延びている。したがって、図３のように、各交差部３Ｂから４本の傾斜部３Ａが延びている場合には、排気の流れの上流側から見た場合に、夫々の傾斜部３Ａが交差部３Ｂを中心にして９０度間隔で配置されている。また、各傾斜部３Ａの排気の流れ方向に対する角度も同じになるように、各傾斜部３Ａが配置されている。排気の流れ方向と直交する方向には、同様の交差部３Ｂが複数配置されている。そして、排気の流れ方向と直交する方向で隣り合う４つの交差部３Ｂから排気の流れ方向の下流側に夫々延びた４本の傾斜部３Ａが、下流側の交差部３Ｂで交差して接合される。この交差部３Ｂで交差する傾斜部３Ａも、排気の流れの上流側から見た場合には、等角度に配置されている。このように、夫々の交差部３Ｂでは、排気の流れ方向の斜め上流側に位置する複数の交差部３Ｂから延びた複数の傾斜部３Ａが交差する。また、夫々の交差部３Ｂでは、排気の流れ方向の斜め下流側に位置する複数の交差部３Ｂに向かって複数の傾斜部３Ａが放射状に延びる。このように、排気の流れ方向に傾斜部３Ａと交差部３Ｂとを交互に配置することにより、排気の流れ方向に対して直交するように配置される線状の部材を含まず、且つ、排気の流れ方向に対して斜めに配置される線状の部材を含むように基材３を形成している。
なお、交差部３Ｂは、排気の流れ方向に長さを有していてもよい。図４は、交差部３Ｂが排気の流れ方向に長さを有する場合の基材３の拡大図である。図４における交差部３Ｂは、排気の流れ方向と平行な中心軸を有する円柱形状に形成されている。したがって、交差部３Ｂも排気の流れ方向と直交していないといえる。また、図３及び図４において、傾斜部３Ａ及び交差部３Ｂは、夫々が円柱形状となるように形成されているが、形状はこれに限らず、例えば断面が多角形となるように形成してもよい。また、各交差部３Ｂから下流側に位置する他の交差部３Ｂに向かって延びる傾斜部３Ａの数は４本に限らない。
図５は、図２のＡ－Ａ断面における断面図である。図６は、図２のＢ－Ｂ断面における断面図である。図５は、傾斜部３Ａにおいて基材３を切断した断面図であり、図６は、交差部３Ｂにおいて基材３を切断した断面図である。排気の流れ方向と直交する断面における基材３の断面積が排気の流れ方向で一定となるように、基材３が形成されている。すなわち、図５における傾斜部３Ａの断面の総面積と、図６における交差部３Ｂの断面の総面積と、が同じになるように、傾斜部３Ａの角度、並びに、傾斜部３Ａ及び交差部３Ｂの寸法を決定している。
ここで、面ではなく線で基材３を構成することにより、平均開口面積あたりの表面積を大きくすることができる。なお、開口面積とは、排気の流れ方向（すなわち触媒構造体１の中心軸方向）に直交する面で基材３を切断したときの空間の面積（基材３が存在しない箇所の面積）である。平均開口面積とは、排気の流れ方向の夫々の開口面積を平均した面積である。平均開口面積あたりの表面積が大きくなることにより、排気と触媒との接触の機会が増加するので、浄化率を高くすることができる。
また、基材３の断面積が排気の流れ方向で一定であることにより、排気が触媒構造体１を通過するときに、排気が膨張と圧縮とを繰り返すことが抑制される。このため、圧力損失を低減することができる。なお、基材３の断面積が排気の流れ方向で厳密に一定である必要はなく、圧力損失が許容範囲内であれば基材３の断面積が変化してよい。例えば、排気の流れ方向と直交する断面における基材３の断面積を、排気の流れ方向で異なる任意の
二か所で比較したときの、断面積の差が所定値以下になればよい。この所定値は、排気が触媒構造体１を通過するときの圧力損失が許容範囲内となるように、実験またはシミュレーション等により求める。
二か所で比較したときの、断面積の差が所定値以下になればよい。この所定値は、排気が触媒構造体１を通過するときの圧力損失が許容範囲内となるように、実験またはシミュレーション等により求める。
図７は、排気の流量と基材３よりも上流側と下流側との差圧との関係を示した図である。この差圧が大きいほど、圧力損失が大きいといえる。実線は、本実施形態に係る基材３の場合を示しており、破線は、排気の流れ方向に直交する経糸群と、排気の流れ方向に直交し且つ経糸群と直交する緯糸群と、排気の流れ方向に平行で且つ経糸群及び緯糸群と直交する垂直糸群と、を組み合わせて三次元形状に形成された基材（例えば特開昭６３－３０２９５３号公報に記載の基材：以下、従来の基材ともいう。）の場合を示している。本実施形態に係る基材３と、従来の基材とで表面積が同じ条件で比較している。図７に示すように、従来の基材よりも本実施形態に係る基材３のほうが、差圧が小さい。したがって、表面積が同じ条件では、本実施形態に係る基材３は、従来の基材よりも圧力損失が小さい。
また、従来の基材では、基材を排気の流れ方向の上流側から見た場合に、経糸及び緯糸に囲まれた空間（金属細線が存在していない空間）が比較的大きいため、この空間の中心付近を流れる排気は、経糸、緯糸、垂直糸の何れにも接触しないまま基材を通り抜け易い。このため、基材の表面積を大きくするだけでは浄化率の大幅な向上は見込めない。一方、本実施形態に係る基材３では、傾斜部３Ａが排気の流れに対して斜めに配置されているため、排気との接触が促進される。このため、浄化率を向上させることができる。
このように、排気の流れに対して直交する線がないように基材３を形成する、すなわち、基材３を形成する線が排気の流れ方向に対して斜めになる又は平行になるように基材３を形成することにより、断面積が変化することを抑制できるために、圧力損失を低減することができる。また、線で基材３を構成することにより、表面積をより大きくすることができる。また、傾斜部３Ａが交差部３Ｂから下流側に向かって排気の流れ方向に対して斜めに放射状に広がることにより、排気と触媒とが接触し易くなる。したがって、本実施形態に係る触媒構造体１によれば、流路抵抗を低減すると共に浄化率を高めることができる。
＜実施形態２＞
図８及び図９は、本実施形態に係る触媒構造体の模式図である。図８は、触媒構造体１を排気の流れ方向の上流側から見た図であり、図９は、触媒構造体１を排気の流れ方向と平行に該触媒構造体１の中心軸で切断したときの断面図である。図９において、左側が排気の流れの上流側であり、右側が排気の流れの下流側である。本実施形態に係る触媒構造体１は、排気の流れ方向で下流側は上流側よりも基材３が密になるように形成されている。すなわち、排気の流れ方向で下流側は上流側よりも単位体積当たりの基材３の密度が大きくなるように基材３が形成されている。ここで、排気の流れ方向に対する傾斜部３Ａの角度を下流側ほど大きくする（排気の流れ方向に対する傾斜部３Ａの角度を直角に近づける）ことにより、排気の流れ方向で下流側は上流側よりも基材３を密にすることができる。このときに、排気の流れの剥離が起きない傾きの範囲で傾斜部３Ａの角度を変化させることにより、圧力損失の増加を抑制し、且つ、排気と触媒とが接触する機会を増加させることができる。この排気の流れの剥離が起きない傾きの範囲は、実験またはシミュレーション等により求めることができる。なお、本実施形態においても、排気の流れ方向と直交する断面における基材３の断面積を、排気の流れ方向で異なる任意の二か所で比較したときの、断面積の差が所定値以下になるように、傾斜部３Ａの角度、並びに、傾斜部３Ａ及び交差部３Ｂの寸法を決定してもよい。
図８及び図９は、本実施形態に係る触媒構造体の模式図である。図８は、触媒構造体１を排気の流れ方向の上流側から見た図であり、図９は、触媒構造体１を排気の流れ方向と平行に該触媒構造体１の中心軸で切断したときの断面図である。図９において、左側が排気の流れの上流側であり、右側が排気の流れの下流側である。本実施形態に係る触媒構造体１は、排気の流れ方向で下流側は上流側よりも基材３が密になるように形成されている。すなわち、排気の流れ方向で下流側は上流側よりも単位体積当たりの基材３の密度が大きくなるように基材３が形成されている。ここで、排気の流れ方向に対する傾斜部３Ａの角度を下流側ほど大きくする（排気の流れ方向に対する傾斜部３Ａの角度を直角に近づける）ことにより、排気の流れ方向で下流側は上流側よりも基材３を密にすることができる。このときに、排気の流れの剥離が起きない傾きの範囲で傾斜部３Ａの角度を変化させることにより、圧力損失の増加を抑制し、且つ、排気と触媒とが接触する機会を増加させることができる。この排気の流れの剥離が起きない傾きの範囲は、実験またはシミュレーション等により求めることができる。なお、本実施形態においても、排気の流れ方向と直交する断面における基材３の断面積を、排気の流れ方向で異なる任意の二か所で比較したときの、断面積の差が所定値以下になるように、傾斜部３Ａの角度、並びに、傾斜部３Ａ及び交差部３Ｂの寸法を決定してもよい。
触媒構造体１を通過する排気は、触媒によって被浄化物質が浄化されながら、下流側に
向かって流れる。そのため、触媒構造体１では下流側ほど被浄化物質の濃度が低くなる。触媒における被浄化物質の反応速度は、被浄化物質の濃度が高いほど高くなるため、触媒構造体１の下流側では被浄化物質の反応速度が低下して被浄化物質が浄化され難くなる。これに対し、基材３を下流側ほど密にすることにより、排気と触媒とが接触する機会を下流側ほど増加させることができる。これにより、触媒構造体１の下流側において例え被浄化物質の反応速度が低下したとしても、被浄化物質の浄化率が低下することを抑制できる。
向かって流れる。そのため、触媒構造体１では下流側ほど被浄化物質の濃度が低くなる。触媒における被浄化物質の反応速度は、被浄化物質の濃度が高いほど高くなるため、触媒構造体１の下流側では被浄化物質の反応速度が低下して被浄化物質が浄化され難くなる。これに対し、基材３を下流側ほど密にすることにより、排気と触媒とが接触する機会を下流側ほど増加させることができる。これにより、触媒構造体１の下流側において例え被浄化物質の反応速度が低下したとしても、被浄化物質の浄化率が低下することを抑制できる。
なお、触媒構造体１において上流側よりも下流側の基材３を密にする場合には、段階的に密にしてもよいが、連続的に密にしてもよい。このように、連続的に基材３を密にすることにより、さらに圧力損失の増加を抑制できる。
以上説明したように本実施形態に係る触媒構造体１によれば、流路抵抗を低減すると共に浄化率を高めることができる。
＜実施形態３＞
図１０及び図１１は、本実施形態に係る触媒構造体の模式図である。図１０は、触媒構造体１を排気の流れ方向の上流側から見た図であり、図１１は、触媒構造体１を排気の流れ方向と平行に該触媒構造体１の中心軸で切断したときの断面図である。図１１において、左側が排気の流れの上流側であり、右側が排気の流れの下流側である。本実施形態に係る触媒構造体１は、排気の流れ方向で上流側は下流側よりも基材３が密になるように形成されている。すなわち、排気の流れ方向で上流側は下流側よりも単位体積当たりの基材３の密度が大きくなるように基材３が形成されている。ここで、排気の流れ方向に対する傾斜部３Ａの角度を上流側ほど大きくする（排気の流れ方向に対する傾斜部３Ａの角度を直角に近づける）ことにより、排気の流れ方向で上流側は下流側よりも基材３を密にすることができる。このときに、排気の流れの剥離が起きない傾きの範囲で傾斜部３Ａの角度を変化させることにより、圧力損失の増加を抑制し、且つ、排気と触媒とが接触する機会を増加させることができる。この排気の流れの剥離が起きない傾きの範囲は、実験またはシミュレーション等により求めることができる。なお、本実施形態においても、排気の流れ方向と直交する断面における基材３の断面積を、排気の流れ方向で異なる任意の二か所で比較したときの、断面積の差が所定値以下になるように、傾斜部３Ａの角度、並びに、傾斜部３Ａ及び交差部３Ｂの寸法を決定してもよい。
図１０及び図１１は、本実施形態に係る触媒構造体の模式図である。図１０は、触媒構造体１を排気の流れ方向の上流側から見た図であり、図１１は、触媒構造体１を排気の流れ方向と平行に該触媒構造体１の中心軸で切断したときの断面図である。図１１において、左側が排気の流れの上流側であり、右側が排気の流れの下流側である。本実施形態に係る触媒構造体１は、排気の流れ方向で上流側は下流側よりも基材３が密になるように形成されている。すなわち、排気の流れ方向で上流側は下流側よりも単位体積当たりの基材３の密度が大きくなるように基材３が形成されている。ここで、排気の流れ方向に対する傾斜部３Ａの角度を上流側ほど大きくする（排気の流れ方向に対する傾斜部３Ａの角度を直角に近づける）ことにより、排気の流れ方向で上流側は下流側よりも基材３を密にすることができる。このときに、排気の流れの剥離が起きない傾きの範囲で傾斜部３Ａの角度を変化させることにより、圧力損失の増加を抑制し、且つ、排気と触媒とが接触する機会を増加させることができる。この排気の流れの剥離が起きない傾きの範囲は、実験またはシミュレーション等により求めることができる。なお、本実施形態においても、排気の流れ方向と直交する断面における基材３の断面積を、排気の流れ方向で異なる任意の二か所で比較したときの、断面積の差が所定値以下になるように、傾斜部３Ａの角度、並びに、傾斜部３Ａ及び交差部３Ｂの寸法を決定してもよい。
内燃機関の冷間始動時等には触媒の温度が低いために、触媒によって被浄化物質を浄化することが困難になり得る。このような場合、早期に触媒の温度を上昇させることが望まれる。ここで、基材３を上流側ほど密にすることにより、排気と触媒とが接触する機会を上流側ほど増加させることができる。これにより、排気の熱を、基材３の上流側でより多く受けることができるため、基材３の上流側の温度を速やかに上昇させることができる。したがって、基材３の上流側において、速やかに被浄化物質の浄化が可能となる。仮に、基材３の下流側ほど密にした場合には、基材３の上流側では温度が速やかに上昇するが、基材３の密度が低いために、浄化率は低い。また、基材３の上流側で受けた熱が外周部２から外部に放出されると、下流側の温度上昇が緩慢となり、触媒全体としての浄化率が上昇するのに時間を要してしまう。
なお、触媒構造体１において下流側よりも上流側の基材３を密にする場合には、段階的に密にしてもよいが、連続的に密にしてもよい。このように、連続的に基材３を密にすることにより、さらに圧力損失の増加を抑制できる。
以上説明したように本実施形態に係る触媒構造体１によれば、内燃機関の冷間始動時等の触媒の温度が低い状態から、触媒の温度を速やかに上昇させることができる。すなわち
、流路抵抗を低減すると共に浄化率を高めることができる。
、流路抵抗を低減すると共に浄化率を高めることができる。
＜実施形態４＞
図１２は、本実施形態に係る触媒構造体の模式図である。図１２は、触媒構造体１を排気の流れ方向の上流側から見た図である。本実施形態に係る触媒構造体１は、排気の流れ方向と直交する方向で基材３の中心側は外周部２側よりも基材３が密になるように形成されている。すなわち、排気の流れ方向と直交する方向で中心側は外周部２側よりも単位体積当たりの基材３の密度が大きくなるように基材３が形成されている。このように基材３を形成することにより、基材３の中心部における慣性抵抗がより大きくなるため、排気が流れ難くなる。なお、本実施形態においても、排気の流れ方向と直交する断面における基材３の断面積を、排気の流れ方向で異なる任意の二か所で比較したときの、断面積の差が所定値以下になるように、傾斜部３Ａの角度、並びに、傾斜部３Ａ及び交差部３Ｂの寸法を決定してもよい。
図１２は、本実施形態に係る触媒構造体の模式図である。図１２は、触媒構造体１を排気の流れ方向の上流側から見た図である。本実施形態に係る触媒構造体１は、排気の流れ方向と直交する方向で基材３の中心側は外周部２側よりも基材３が密になるように形成されている。すなわち、排気の流れ方向と直交する方向で中心側は外周部２側よりも単位体積当たりの基材３の密度が大きくなるように基材３が形成されている。このように基材３を形成することにより、基材３の中心部における慣性抵抗がより大きくなるため、排気が流れ難くなる。なお、本実施形態においても、排気の流れ方向と直交する断面における基材３の断面積を、排気の流れ方向で異なる任意の二か所で比較したときの、断面積の差が所定値以下になるように、傾斜部３Ａの角度、並びに、傾斜部３Ａ及び交差部３Ｂの寸法を決定してもよい。
ここで、基材３の密度が一定と仮定すると、触媒構造体１に接続される排気管の中心軸の延長線上に、触媒構造体１の中心軸が位置する場合には、排気管から触媒構造体１に流入する排気は、基材３の中心軸付近を流通し易い。この場合、主に基材３の中心軸付近の触媒で被浄化物質が浄化されることになるため、外周部２付近では触媒の機能を十分に発揮しているとは言い難い。一方、本実施形態に係る基材３では、中心軸に近付くほど基材３が密になって慣性抵抗が大きくなるため、排気が通り難くなる。そのため、触媒構造体１に流入した排気の一部は、基材３の上流側端部において、中心軸付近から外周部２へ向かって流れる。これにより、外周部２付近の基材３にもより多くの排気を流通させることができる。なお、基材３内の排気の流れが均一になるように、基材３の半径方向の密度を実験またはシミュレーション等により求める。
上記説明では、排気管の中心軸の延長線上に基材３の中心軸が位置する場合について説明したが、排気管の中心軸と基材３の中心軸とがずれている場合もあり得る。この場合には、排気管の中心軸の延長線上における基材３の密度を最も高くし、そこから外周部２側に向かうほど密度が低くなるように基材３を形成すればよい。
以上説明したように本実施形態に係る触媒構造体１によれば、基材３に均一に排気が流れるため、触媒の浄化性能を十分に発揮することができる。すなわち、流路抵抗を低減すると共に浄化率を高めることができる。なお、本実施形態に係る構成に加えて、実施形態２で説明したように、下流側ほど基材３が密になるように基材３を構成してもよい。また、本実施形態に係る構成に加えて、実施形態３で説明したように、上流側ほど基材３が密になるように、基材３を構成してもよい。
＜実施形態５＞
実施形態１から実施形態４に係る基材３は、例えば３Ｄプリンタによって形成されているが、これに代えて、三次元織物として形成することもできる。この三次元織物は、経糸のみで織り上げる。経糸の材料には、金属繊維またはセラミックス繊維等の排気の温度に耐え得る繊維が用いられる。以下では、経糸に金属細線を用いて基材３を形成した場合について説明する。
実施形態１から実施形態４に係る基材３は、例えば３Ｄプリンタによって形成されているが、これに代えて、三次元織物として形成することもできる。この三次元織物は、経糸のみで織り上げる。経糸の材料には、金属繊維またはセラミックス繊維等の排気の温度に耐え得る繊維が用いられる。以下では、経糸に金属細線を用いて基材３を形成した場合について説明する。
図１３は、本実施形態に係る基材３の拡大図である。本実施形態に係る交差部３Ｂは、金属細線をねじり合わせることにより形成されている。なお、図１３では、交差部３Ｂの一部の図示を簡略化して直線で示している。交差部３Ｂの中心軸は、排気の流れ方向と平行になるように形成されており、この中心軸を中心として複数（図１３では４本）の金属細線が排気の流れ方向にねじり合わされている。交差部３Ｂを形成している金属細線が、交差部３Ｂの中心軸を中心として放射状に広がりつつ排気の流れ方向の斜め下流側に向か
って延びることにより、傾斜部３Ａが形成されている。そして、排気の流れ方向と直交する方向で隣り合う４つの交差部３Ｂから排気の流れ方向の下流側に延びてきた４本の傾斜部３Ａがねじり合って、新たな交差部３Ｂが形成される。このように、排気の流れ方向に傾斜部３Ａと交差部３Ｂとが交互に配置されている。そして、本実施形態においても、排気の流れ方向と直交する断面における基材３の断面積を、排気の流れ方向で異なる任意の二か所で比較したときの、断面積の差が所定値以下になるように、傾斜部３Ａの角度、並びに、傾斜部３Ａ及び交差部３Ｂの寸法を決定する。なお、交差部３Ｂでは、経糸をねじり合わせているが、これに代えて、経糸同士を接着、溶接等により接合してもよい。また、経糸は、更に細い複数の繊維を撚ったものを用いてもよい。交差部３Ｂはその中心軸が排気の流れ方向と平行になるため、交差部３Ｂ全体としては、排気の流れ方向と平行になる。また、交差部３Ｂを形成する金属細線の夫々は、ねじり合いながら排気の流れの下流へ向かうため、金属細線自体は、排気の流れ方向に対して斜めになる。いずれにしても、交差部３Ｂは、排気の流れ方向と直交していないといえる。
って延びることにより、傾斜部３Ａが形成されている。そして、排気の流れ方向と直交する方向で隣り合う４つの交差部３Ｂから排気の流れ方向の下流側に延びてきた４本の傾斜部３Ａがねじり合って、新たな交差部３Ｂが形成される。このように、排気の流れ方向に傾斜部３Ａと交差部３Ｂとが交互に配置されている。そして、本実施形態においても、排気の流れ方向と直交する断面における基材３の断面積を、排気の流れ方向で異なる任意の二か所で比較したときの、断面積の差が所定値以下になるように、傾斜部３Ａの角度、並びに、傾斜部３Ａ及び交差部３Ｂの寸法を決定する。なお、交差部３Ｂでは、経糸をねじり合わせているが、これに代えて、経糸同士を接着、溶接等により接合してもよい。また、経糸は、更に細い複数の繊維を撚ったものを用いてもよい。交差部３Ｂはその中心軸が排気の流れ方向と平行になるため、交差部３Ｂ全体としては、排気の流れ方向と平行になる。また、交差部３Ｂを形成する金属細線の夫々は、ねじり合いながら排気の流れの下流へ向かうため、金属細線自体は、排気の流れ方向に対して斜めになる。いずれにしても、交差部３Ｂは、排気の流れ方向と直交していないといえる。
このようにして形成した触媒構造体１によっても、流路抵抗を低減すると共に浄化率を高めることができる。なお、実施形態２で説明したように、下流側ほど基材３が密になるように、傾斜部３Ａの角度を排気の流れ方向に対して変化させてもよい。また、実施形態３で説明したように、上流側ほど基材３が密になるように、傾斜部３Ａの角度を排気の流れ方向に対して変化させてもよい。さらに、実施形態４で説明したように、排気の流れと直交する方向で傾斜部３Ａの角度を排気の流れ方向に対して変化させてもよい。
１ 触媒構造体
２ 外周部
３ 基材
３Ａ 傾斜部
３Ｂ 交差部
２ 外周部
３ 基材
３Ａ 傾斜部
３Ｂ 交差部
Claims (3)
- 内燃機関の排気通路に設けられる触媒構造体において、
線状の部材を組み合わせて形成される基材を備え、
前記線状の部材には、
排気の流れ方向に対して直交するように配置される線状の部材を含まず、且つ、排気の流れ方向に対して斜めに配置される線状の部材を含み、
前記基材は、
前記線状の部材が排気の流れ方向に対して斜めに配置される複数の傾斜部と、
夫々の前記傾斜部の両端において複数の前記傾斜部が交差する交差部と、
を備え、
夫々の前記交差部において、排気の流れ方向の上流側及び下流側に、該交差部を中心として複数の前記傾斜部が放射状に配置され、
排気の流れ方向に対する前記傾斜部の角度を、排気の流れ方向の下流側ほど大きくする、
触媒構造体。 - 内燃機関の排気通路に設けられる触媒構造体において、
線状の部材を組み合わせて形成される基材を備え、
前記線状の部材には、
排気の流れ方向に対して直交するように配置される線状の部材を含まず、且つ、排気の流れ方向に対して斜めに配置される線状の部材を含み、
前記基材は、
前記線状の部材が排気の流れ方向に対して斜めに配置される複数の傾斜部と、
夫々の前記傾斜部の両端において複数の前記傾斜部が交差する交差部と、
を備え、
夫々の前記交差部において、排気の流れ方向の上流側及び下流側に、該交差部を中心として複数の前記傾斜部が放射状に配置され、
排気の流れ方向に対する前記傾斜部の角度を、排気の流れ方向の上流側ほど大きくする、
触媒構造体。 - 前記基材は、排気の流れ方向と直交する方向に密度が異なる請求項１または２に記載の触媒構造体。
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