JPH0411951A - 触媒コンバータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、自動車などの排気系に使用される触媒に係り
、触媒内の温度分布を略−様にするようにした触媒コン
バータに関するものである。

（従来の技術） 触媒は例えば第７図に示すようにエンジンｌの燃焼室２
で発生し、排気ポート３に排出された排気ガスがエキゾ
ーストマニホールド４に集められ、排気管５に設けられ
た触媒装置６で浄化された後に消音器７で消音されて大
気中に放出されるエンジンの排気系に使用される。

一方触媒が配設される排気通路内を流れるガスのガス流
速分布は、排気ガス通路の内壁面と流通しているガスと
の間の摩擦により排気ガス通路の内壁面側が遅く中央部
において最大流速となり、このようなガス流の中に触媒
を配設するに当たり技術的な課題がある。

第８図（実公昭５５−２８８１８号公報）に示す従来の
この触媒は、内燃機関の負荷に応じて変動するガス量に
対して触媒の温度が上がらないようにしたものであり、
ガス流速が遅い排気通路８の内壁側１０は触媒担持体の
長さを長くしてガスが通過する触媒部分を厚くし、ガス
流速が速い中央１１は触媒担持体の長さを短くしてガス
が通過する触媒部分を薄くした触媒要素９を排気通路８
内に設けている。

これによれば排気ガス量が多いときにはガス流速が速い
ので中央１１を通過するガスの触媒内での滞留時間が短
くなって触媒の温度上昇を抑制し、排気ガス量が少なく
なったときには排気ガス通路内のガス流速分布は略−様
になるので、触媒の中央１１と内壁側ｌＯを通過するガ
スも略均−に流れるようになり、たとえガス量が少なく
ても全量のガスは浄化されるようになっている。

また第９図（実開昭６１−１１３９１５号公報）に示す
触媒要素９はハニカム形の触媒に関するものであり、ガ
ス流速が遅い排気通路の内壁側ガス通路面積１２を大き
くしガス流速が速い中央側ガス通路面積１３を小さくし
て触媒内を通過する排気ガスの流速分布を略−様にして
触媒要素９内の温度分布を一様にするようにしたもので
ある。

（発明が解決しようとする課題） 上記従来例において先ず第８図に示すものは次のような
問題がある。すなわち特にガス量が多いときは排気ガス
通路の内壁側のガス流速が遅いことと相まって触媒が厚
く形成されているので、この部分での触媒内における排
気ガスの滞留時間が長くなり酸化反応が活発に行なわれ
てこの部分の温度が上昇する。一方排気ガス通路の中央
部は排気ガスの流速が速く、かつ触媒の厚さが薄いので
この部分での排気ガスの滞留時間が短くなって触媒内で
の酸化反応が活発に行なわれずこの部分の温度は低いも
のとなる。このように触媒内での温度分布が不均一にな
ると触媒内に熱応力が発生し、触媒担持体を変形ないし
は破損するという不具合があり、また触媒の熱変形によ
り排気ガス通路の内壁との間に隙間ができて排気ガスが
この隙間を通過し触媒による浄化なしに排気されてしま
うという不具合がある。またこのように触媒の厚さが厚
い部分（排ガス通路の内壁面側）の温度が上昇すると、
排ガス通路内壁面が過熱されるので触媒コンバータ回り
に配設されている各種機器への熱影響が大きく故障の原
因になるという問題がある。またこのように排気ガス通
路が局部的に過熱されるとその部分に内部熱応力が発生
し排気ガス通路を変形ないしは破断し、触媒要素との間
に隙間ができてその隙間を排気ガスが通過し排気ガスが
浄化されないまま排気されるという不具合がある。そし
てこのように触媒および排気ガス通路に熱応力が発生す
るとその耐用寿命が短くなるという問題がある。

次に第９図に示す触媒は触媒内を通過するガス流速を均
一にするという考え自体は理論的に成り立つが触媒の加
工が困難であるという問題がある。例えば第９図に示す
従来例では触媒内を通過するガス通路面積は１２．１３
の二種類でありこのガス通路１２．１３の境界における
ガス流速は他の部分と必ずしも均一ではない。したがっ
て触媒内にて局部的に酸化反応が活発に行なわれる部分
が存在する可能性が高く、触媒の耐用寿命を短くすると
いう問題を内在するという不具合がある。

本考案は排気ガス通路内のガス流速分布に関係なく触媒
内に排気ガスを通過させ触媒内の温度分布を均一にした
触媒コンバータを提供するものである。

（課題を解決するための手段） 上記課題を解決するための本考案に係る手段は、排気ガ
ス通路内に設けた触媒の担持濃度を排気ガス通路の壁面
側を低くし排気ガス通路の中央部を高くするように、排
気ガス通路の壁面がら中央にかけて触媒の担持濃度を変
えたことを特徴とする。

（作　用） 本考案はこのように構成したので、排気ガス通路内のガ
ス流速分布に応じて排気ガスは触媒内を流通する。すな
わち触媒内部においては、排気ガス通路の内壁面寄りで
の排気ガスの滞留時間が最も長く中央部において滞留時
間が最短になる。そこで触媒内での排気ガス滞留時間が
最も長い部分の触媒の担持濃度を低くしその滞留時間が
最も短い部分の触媒の担持濃度を高くして触媒の濃度を
変化させることにより、触媒内での排気ガスの滞留時間
に対応して酸化反応などの触媒反応速度を違えて触媒の
温度分布を均一にする。

（実施例） 以下本考案の一実施例について説明する。第１図におい
て横軸に触媒の担持濃度を縦軸に排ガス通路幅をとり触
媒の担持濃度を示す。排気ガス通路１６内のガスの流れ
方向を矢印Ｘ方向とした場合に、その排気ガスの流速分
布は第５図に示すようになる。そこで先ず第１図におい
て第１の実施例１４は、触媒の担持濃度を段階的に変化
させたものであり、排気ガス通路１６の内壁面（排気ガ
ス流速が最も遅い部分第５図参照）寄りの触媒担持濃度
を最も低い濃度Ａとし、排気ガスの流速が最も速い排気
ガス通路１６の中央部の触媒の濃度を最も高い濃度Ｃに
し、この触媒担持濃度ＡおよびＣの中間に位置して担持
濃度Ａ、Ｃの中間担持濃度Ｂを配設したものである。こ
の実施例の場合には、第２図に示すように担持濃度Ａの
リング状の触媒と、担持濃度Ｂのリング状の触媒と、担
持濃度Ｃの柱状の触媒をそれぞれ嵌合することにより触
媒要素１７が形成される。

次に第１図において第２の実施例１５は触媒の担持濃度
を連続的に変化させたものである。すなわち排気ガス通
路１６の内壁面の触媒担持濃度を最も低くし、排気ガス
通路の中央部の触媒の担持濃度を最も高くして第５図に
示す排気ガスの流速分布にあわせてその担持濃度を連続
的に変化させている。

このように触媒の担持濃度を排気ガスの流速分布に対応
して変化させた触媒要素１７は第３図および第４図に示
すように排気ガスの流れ方向に略同−流路面積を有する
流路２３が担持体によって多数形成されており、かつ担
持体にて形成される各流路２３の長さは略同−長さにな
っている。このように形成された触媒要素１７は保持マ
ット１８を介してアッパーケース２１とロアーケース２
２にて保持されこの両ケース２１．２２を連続溶接Ｗに
て一体にし第６図に示すように触媒コンバータ２４を形
成する。

以上のように構成した本実施例の作用について次に説明
する。第３図において排気ガスは入りロダクト１９から
流入し触媒要素１７内を流通して出口ダクト２０から流
出する。このときの排気ガスの流れは第５図に示すよう
な流速分布をもって触媒要素１７内に流入する。このよ
うに流入した排気ガスは触媒要素１７内において、その
流速が最も遅い排気ガス通路１６の内壁面寄りでは触媒
要素１７内での滞留時間が最も長くなり、排気ガス通路
１６の中央に行くにしたがってその滞留時間が短くなり
、中央部にてその滞留時間が最短になる。そして排気ガ
スの流速が遅い所（滞留時間が長い所）の排気ガスの流
れは層流になり、排気ガスの流れが速い所（滞留時間が
短い所）では乱流になる。また層流でかつ滞留時間が長
い所における触媒の担持濃度は低く、乱流でかつ滞留時
間が短い所における触媒の担持濃度は高くなっている。

そこで、排気ガスの流速が遅く、層流でかつ滞留時間が
長く触媒の担持濃度が低い所では、酸化反応などの触媒
反応の速度が緩慢になり、その反応により発生する発熱
も緩やかなものとなる。また一方において排気ガスの流
速が速く乱流でかつ滞留時間が短く触媒の担持濃度が高
い所では酸化反応などの触媒反応の速度が速くその反応
により発生する発熱も急激になる。しかしながらこの発
熱の仕方は、排気ガスの滞留時間、層流または乱流およ
び触媒の担持濃度の三つの条件により異なる。そこでこ
の三つの条件は排気ガスの流速が最も遅い所から最も速
い所にかけて連続的に変化するので、これに伴い発熱の
仕方も連続的になり、触媒要素１７内での温度勾配は緩
やかになる。すなわち触媒要素１７内において極度に高
温の部分と極度に低温の部分は存在しない、したがって
触媒要素１７内での熱応力の発生は微小であり触媒要素
１７の熱変形も問題にならない程に微小なものとなる。

次に触媒要素１７から保持マット１８への熱移動につい
て説明する。保持マット１８に接しでいる触媒要素１７
の部分は、触媒反応によって発生する発熱が緩慢である
ので、急速に発熱する中央部よりもその温度は低い。し
たがって触媒要素１７内での熱の移動は中央部から外周
部へと移動する。この熱移動において、保持マット１８
に近い側の触媒要素１７内の排気ガスの流れは層流であ
るので中央部から外周部への熱移動に対してこのガスの
層流の層は一種の断熱効果を果たし、保持マット１８の
温度は触媒要素１７の外壁温度以上には昇温されない。

これにより保持マットＩ８は触媒要素１７の熱から保護
されるとともにケース２１．２２の熱変形が防止される
。このようにケース２１．２２の熱変形および触媒要素
１７の熱変形の両方が防止されることにより、触媒要素
１７は保持マット１８にて確実に保持されてその保持部
に隙間は生ずることなく排気ガスの通り抜けはない。

（発明の効果） 以上詳述した通り本発明によれば、排気ガス通路の壁面
側の触媒担持濃度を低くしその中央部の触媒担持濃度を
高くするように排ガス通路の壁面側から中央にかけて触
媒の担持濃度を変化させたので、排気ガス通路内のガス
流速分布に対応して触媒内でのガス滞留時間を得、この
ガス滞留時間と触媒の担持濃度との関係で触媒反応を起
こさせることができる。これにより触媒要素内での温度
分布を略−様にすることができる。

また触媒要素の最も外周側の触媒担持濃度を低くして触
媒反応を緩慢にしたので、触媒要素の外周部の温度上昇
も緩慢になり、かつ触媒要素の外周側のガスの流れが層
流になって一種の断熱効果が発揮され、ケーシングの温
度は触媒要素の外周温度以上には過熱されない。

このように触媒要素内の温度分布を略−様にするととも
にケーシングの過熱を防止したので両者間には熱歪はな
く、保持マットと触媒要素との間に隙間を生ずることは
ない。これによりガスの通り抜けはなく全量の排気ガス
は浄化される。そしてケーシングおよび触媒要素には熱
応力が発生市内のでその耐用寿命を大幅に延長するとと
もに、ケーシングの過熱が防止されるので他の機器への
熱影響はない。

また排気ガス通路内のガス流速分布に対応して触媒内で
のガス滞留時間を得、このガス滞留時間と触媒の担持濃
度との関係で触媒反応を起こさせるようにしでいるので
、ガス流速分布には関係なく担持体を作ることができて
担持体の形状を単純化し触媒要素の加工を容易にすると
ともに、担持濃度を変化させて触媒の使用量を少なくし
触媒のコストを大幅に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は横軸に触媒の担持濃度を縦軸に排気ガス通路の
幅をとって触媒の担持濃度を示す本発明の一実施例の線
図、第２図は第１図において段階的に触媒の濃度を変化
させた触媒要素の正面図、第３図は触媒コンバータの一
実施例を示す縦断面図、第４図は第３図のｘ−Ｘ線にお
ける縦断面図、第５図は排気ガス通路内のガス流速分布
を示す模式図、第６図は触媒コンバータの一実施例の斜
視図、第７図はエンジンの排気系に使用されている触媒
の一例を一部縦断面して示した説明用図、第８図は従来
の触媒を示す縦断面図、第９図は従来の触媒の正面図で
ある。 １４・・・段階状に触媒担持濃度を変化させた場合の担
持濃度曲線 Ｉ５−・・連続的に触媒担持濃度を変化させた場合の担
持濃度曲線 １６−・・排気ガス通路 １７・・・触媒要素 １８−・・保持マット ２１−・・アッパーケース ２２・・・ロアーケース 図面の浄書（内容に変更７′、・１．）第１Ｎ 第２図 場合の担持濃度曲線 １５　　・士に、＃！幻に触す某但持濃度と変化ラヒｒ
二陽会の担持濃度曲線 １６・・七１気か゛ス区路 １７・・触媒要素 １８・・・保持マット 力・・・アッパーケース η・・・ロアーゲース 牙 図 第 図 情Ｉ 図 第 図 ７６　図 オ 図 オ 図 手 続 補 正 書 方 式 ％式％ 事件の表示 平成２年特許願第１１３８１６号 ２、発明の名称 触媒コンバータ ３、補正する者 事件との関係

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）排気ガス通路内に設けた触媒の担持濃度を排気ガ
   ス通路の壁面側を低くし排気ガス通路の中央部を高くす
   るように、排気ガス通路の壁面から中央にかけて触媒の
   担持濃度を変えたことを特徴とする触媒コンバータ。