JPH0634123U - メタル触媒内蔵型排気マニホールド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 排気マニホールド内部に、圧力損傷の小さな
ハニカム体から成るメタル触媒を内蔵、固着してコール
ドスタート時の低排気ガス浄化の問題、排気マニホール
ドの補強性などに優れた効果を有するメタル触媒内蔵型
の排気マニホールドを提供する。 【構成】 排気マニホールドを、(i) 排気マニホールド
の少なくとも一つの管が、その内部にメタル触媒を装着
したものであり、かつ、(ii)前記メタル触媒が、薄肉金
属板製の軸方向に多数の網目状通気孔路を有するハニカ
ム体に排気ガス浄化用触媒を担持したものであり、更
に、(iii)前記ハニカム体が、排気マニホールド下流側
に介装される主触媒のハニカム体の網目状通気孔路（セ
ル）より大きい網目状通気孔路（セル）を有するもので
あるか、あるいはハニカム体の中心部に網目状通気孔路
（セル）より大きい断面積の穴部を有するものである、
ものから構成する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、内燃機関の排気マニホールド（多岐管）に配設される薄肉金属板製 のハニカム構造を有するメタル触媒に関する。 更に詳しくは、本考案は、排気ホールド内部に圧力損失の小さなメタル触媒を 内蔵させることにより、コールドスタート時の低排気ガス浄化の問題、排気マニ ホールドの補強性などに優れた効果を有するメタル触媒内蔵型の排気マニホール ドを提供しようとするものである。

【０００２】

【従来の技術】

従来、排気ガスの浄化装置として金属製モノリスタイプのメタル触媒が盛んに 研究開発され、一部自動車等に実装されている。 周知のように、この種のメタル触媒は、排気ガス浄化用触媒（例えばＰｔ，Ｒ ｈ，Ｐｄなどの触媒）を担持させるための金属製担持母体を主要な構成要素とす るものである。 即ち、メタル触媒は、一般に耐熱性の薄肉鋼板からの波板状帯材と前記薄肉鋼 板を波形成形した波板状帯材とを、相互に当接部を有するように重積し、これを 一括渦巻状に巻回積層して製作した軸方向に排気ガスを通すための多数の網目状 通気孔路（以下、セルという。）を有するハニカム状積層体（以下、ハニカム体 という。）と、前記ハニカム体を填装し固着するための両端が開口した筒状の金 属製ケースから構成されている。なお、ハニカム体を成形する方法の相違により 、積層タイプ、巻回タイプ、Ｓ字状タイプ、放射状タイプ、Ｘ（エックス）ラッ プ状タイプなど、種々の形状のハニカム体が製作される。

【０００３】 そして、前記ハニカム体と金属製ケースとは、排気ガス自体の高温度及び排気 ガス浄化用触媒との発熱反応による高い温度雰囲気下で生起する熱膨脹や熱的応 力に耐えるように、また自動車走行時の激しい振動に耐え得るようにろう接また は溶接などにより強固に固着される。なお、ハニカム体を構成する平板状帯材と 波板状帯材の当接部は種々の方法により固着されることはいうまでもないことで ある。 更に、ハニカム体に前記した排気ガス浄化用触媒が担持されてメタル触媒が製 作される。

【０００４】 前記したメタル触媒における大きな問題点は、エンジン始動時（コールドスタ ート時）において、金属製ハニカム体の壁面に担持された、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈな どの排気ガス浄化用触媒が、排気ガスと効率的に触媒反応を起こす最適な温度条 件に達していないことであり、エンジンから排出されるＣＯ（一酸化炭素）やＨ Ｃ（炭化水素化合物）などの有害な物質のほとんどが浄化されずに大気中に放出 されてしまうという点にある。

【０００５】 近年、排気ガスの規制強化に伴ない、エンジンスタート時（コールドスタート 時）の排気ガスの浄化率の向上が希求されている。いうまでもないことであるが 、コールドスタート時には、排気ガス浄化用触媒が触媒反応に適する温度に加温 されていないため、排気ガスの浄化率は極めて低いものである。

【０００６】 従来、コールドスタート時の触媒（触媒コンバータ）の特性を向上させる方法 として、種々のものが提案されている。 例えば、(i) 排気マニホールド直下に触媒コンバータを配設する（これは、マ ニホールドコンバータともいわれている。）、(ii)電気予熱式の触媒コンバータ を配設する（この種のコンバータは、Electrically Heated Converter,EHC とも いわれている。）、(iii) 排気マニホールドの管壁に排気ガス浄化用触媒を塗布 する、(iv)排気マニホールドの管構造の二重構造の断熱構造とし、かつ内管の熱 容量を小さくすることにより、コールドスタート時に排気される排気ガス温度を 低下させないように触媒コンバータに導くもの、など種々の提案がなされている 。

【０００７】 しかしながら、前記した提案においては例えば、(i) の場合は十分な触媒の作 動温度に達するのに時間がかかること、(ii)の場合は構造が複雑で、かつ大容量 のバッテリが必要であること、(iii) の場合は触媒の担持量の点、触媒の振動に よる落下の点（触媒の寿命の点）などに問題があること、(iv)の場合は構造が複 雑でかつコストが高くなるなど、多くの問題をもっている。

【０００８】

【考案が解決しようとする問題点】

本考案者らは、前記したコールドスタート時の排気ガス浄化の問題点を解消す べく鋭意検討を加えた。 その結果、圧力損失の小さなハニカム体を主構成要素とするメタル触媒を排気 マニホールドの少なくとも一つの管に内蔵させた場合、メタル触媒がエンジンか ら排出された直後の高温の排気ガスと接触し、ここで担持されている触媒が効率 よく触媒反応を起すこと、これが排気マニホールドの下流側の排気管に配設され ている主触媒（メタルモノリスあるいはセラミックモノリスタイプなどの主触媒 ）の作動に好ましい温度条件を与えること、更には圧力損失の小さなメタル触媒 を使用していることからエンジン効率を低下させないなど、優れた効果が発現さ れることを見出し、本考案を完成するに至った。

【０００９】

【問題点を解決するための手段】

本考案を概説すれば、本考案は、内燃機関の排気マニホールド（多岐管）にお いて、 (i) 排気マニホールドの少なくとも一つの管が、その内部にメタル触媒を装着 したものであり、かつ、 (ii)前記メタル触媒が、薄肉金属板製の軸方向に多数の網目状通気孔路を有す るハニカム体に排気ガス浄化用触媒を担持したものであり、更に、 (iii)前記ハニカム体が、排気マニホールド下流側に介装される主触媒のハニカ ム体の網目状通気孔路（セル）より大きい網目状通気孔路（セル）を有す るものであるか、あるいはハニカム体の中心部に網目状通気孔路（セル） より大きい断面積の穴部を有するものである、 ことを特徴とするメタル触媒内蔵型排気マニホールドに関するものである。

【００１０】 以下、本考案の技術的構成及び実施態様を図面を参照して詳しく説明する。 なお、本考案は、図示のものに限定されないことはいうまでもないことである 。

【００１１】 図１は、本考案の第一実施態様のメタル触媒内蔵型排気マニホールド（Ａ）の 概略図であり、４本の多岐管から成る排気マニホールド（ＭＦ）において、各多 岐管の先端部にメタル触媒（ＭＣ＝ＭＣ₁ 〜ＭＣ₄ ）を内蔵していることを図示 している。

【００１２】 本考案における最大の特徴点は前記メタル触媒の主構成要素であるハニカム体 の構造にある。排気マニホールド内にメタル触媒を内蔵させる関係上、メタル触 媒により排気ガスの圧力損失が大きくなり、エンジン効率の低下を招いてしまう が、本考案は、これをハニカム体の構造を改良することにより解決している。 本考案において、図４〜図５に示されるハニカム体（Ｈ）を採用する。なお、 図６は従来のハニカム体である。 以下、本考案の図４〜図５に示されるハニカム体（Ｈ）の構造の特殊性を、図 ６に示される従来のハニカム体（Ｈ）との比較において、説明する。

【００１３】 従来、一般に使用されるメタル触媒の主要な構成要素であるハニカム体（Ｈ） は、図６に示される巻回タイプのハニカム体（Ｈ）が、代表的なものである。 この種の巻回タイプのハニカム体（Ｈ）は、耐熱性で薄肉金属板製の平板状帯 材(1) と波板状帯材(2) を相互に当接するように重積し、これを一括渦巻状に巻 回積層して製作される。巻回積層により排気ガスの通路となる多数の網目状通気 孔路（セル）(3) が自動的に形成される。

【００１４】 より具体的には、次のようにして製作すればよい。 Ｆｅ−Ｃｒ２０％−Ａｌ ５％−Ｃｅ０．０２％の耐熱鋼の厚さ０．０４mm， 幅５０mmの薄肉鋼帯からなる平板状帯材をフォーミングギアの間を通過させ、所 望のピッチ幅、所望の波高の波板状帯材とする。次いで、前記平板状帯材と波板 状帯材を相互に重積し、スリット入り巻回成形棒のスリット部にその先端を挿入 し、一括巻回積層して、例えば軸方向に多数の網目状通気孔路（所望のセル密度 ）を有する所望の外径のメタル触媒（ＭＣ）とすればよい。

【００１５】 しかしながら、本考案においては、前記したようにエッジのシリンダヘッドの 排気ポートに直結される排気マニホールドにメタル触媒（ＭＣ）を内蔵させるた め第一義的にはエンジン効率を低下させない構造のメタル触媒（ＭＣ）を採用し なければならない。 本考案においては、この点、メタル触媒（ＭＣ）の主要な構成要素であるハニ カム体（Ｈ）としてエンジン効率を低下させない構造のもの、具体的には圧力損 失の小さい構造のものを採用する。このような構造のものが図４〜図５に示され ている。

【００１６】 図４に示されるハニカム体（Ｈ）は、従来の図６に示されるハニカム体のセル (3) と比較して、大きなセル(3')(3'>3)を有するものである。これにより、圧力 損失を小さくすることができ、エンジン効率を低下させないようにすることがで きる。 一般に、図１の点線で示される排気パイプに介装される主メタル触媒(Main Me tal Converter)（ＭＭＣ）のハニカム体のセル密度は２００〜５００cpsiである のに対し、これとの比較において本考案の排気マニホールドに適用されるメタル 触媒（ＭＣ）のセル密度は５０〜２００cpsiである。

【００１７】 図５に示されるハニカム体（Ｈ）は、中心部にハニカム体のセル（網目状通気 孔路）よりもはるかに大径の穴部（ｈ）を有するものである。該穴部（ｈ）の大 きさＤ_h （直径）としては、ハニカム体（Ｈ）の外径をＲとしたとき、例えば、 次式 （２０・Ｒ）／１００≦Ｄ_h ≦（９５・Ｒ）／１００ により決定すればよい。

【００１８】 本考案において、前記ハニカム体（Ｈ）は、一般に図４〜図５に図示されるよ うに金属製ケーシング(4) 内に填装、固着される。金属ケース(4) は、両端が開 口しているものであれば何等の制約を受けるものではない。 次に、前記ハニカム体（Ｈ）にＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈなどの排気ガス浄化用触媒を 担持させるためには、通常の方法を採用すればよい。例えば、まず、前記触媒を ハニカム構造の主触媒担持母体（Ｍ）の壁面に担持させるための触媒担持層を形 成する。これには、活性アルミナ（γ−Ａｌ₂ Ｏ₃ ）粉末とアルミナゾルを配合 したスラリーを塗布し、これを６００℃に加熱処理すればよい。次いで、このよ うにして形成された触媒担持層にＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈなどの触媒を担持させるため に、含浸処理などの通常の方法を採用して触媒成分を担持させればよい。

【００１９】 図２は、本考案の第二実施態様のメタル触媒内蔵型排気マニホールド（Ａ）の 一部を省略した概略図である。 図１の第一実施態様と異なる点は、排気マニホールド（ＭＦ）の所定の管（Ｍ Ｆ₁ ）に、３個のメタル触媒（ＭＣ₁ 、ＭＣ₁₁、ＭＣ₁₂）を内蔵させている点で ある。 本考案において、排気マニホールド（ＭＦ）の各分岐管に内蔵させるメタル触 媒（ＭＣ）の数は、特に制約を受けるものではなく、所望の数であってもよい。

【００２０】 図３は、本考案の第三実施態様のメタル触媒内蔵型排気マニホールド（Ａ）の 一部を省略概略図である。 図３の第三実施態様は、前記図２の第二実施態様において、三個のメタル触媒 （ＭＣ₁ 、ＭＣ₁₁、ＭＣ₁₂）のうち、先端部の第１のメタル触媒（ＭＣ₁ ）を第 １の多岐管（ＭＦ₁ ）から一部を突出させるように配設したものである。 そして、排気マニホールドとシリンダヘッドとの結合に際して、該第１のメタ ル触媒（ＭＣ₁ ）の突出部分がシリンダヘッド（ＣＨ）の排気ポート（ＥＰ）内 に挿入される。なお、図３において、他の二つのメタル触媒（ＭＣ₁₁、ＭＣ₁₂） は省略されている。 前記した第三実施態様においては、メタル触媒（ＭＣ₁ ）の先端部が、排気ポ ート（ＥＰ）内に挿入されることから、エンジンのシリンダから排出される高温 の排気ガスと接触することになり、その場で発熱反応的に触媒反応を起すことか ら、コールドスタート時の排気ガス浄化に好ましい結果を与えることができる。

【００２１】

【考案の効果】

本考案は、排気マニホールド（多岐管）の少なくとも一の管に対して、圧力損 失の小さなハニカム体を主要な構成要素とするメタル触媒を内蔵、固定したもの である。このため、次のような優れた効果を奏する。 (i) エンジンの排気ポートに直結する排気マニホールド（多岐管）内にメタル 触媒を内蔵させていることから、エンジンのシリンダから排出される高温 の排気ガスにより担持触媒が急速に作動温度（触媒反応の最適温度）に達 する。従って、排気ガスのエンジンからの排出とほぼ同時に浄化されるた め、従来問題になっているコールドスタート時の低浄化率の問題を解消す ることができる。 (ii)メタル触媒が、排気マニホールド内に内蔵されるため、排気マニホールド 自体が補強される。鋳鉄製品あるいはステンレス鋼管製などの排気マニホ ールドが知られているが、本考案は、特にステンレス鋼板を塑性加工した 排気マニホールドの薄肉化、軽量化にも有用なものである。 (iii)メタル触媒の主要な構成要素であるハニカム体において、その構造が大き なセルあるいは中心部に穴部を有するため、圧力損傷が小さく、従って内 燃機関（エンジン）の効率低下を極力、小さく抑えることができる。 (iv)排気マニホールドの１つの分岐管内に複数個のメタル触媒を配設する場合 、最先端部のメタル触媒を排気マニホールドとシリンダヘッドの排気ポー トに誇設するように配設すると、メタル触媒の排気ポート側に突出した部 分が高温の排気ガスと接触することになり、コールドスタート時の排気ガ ス浄化率を更に改善することができる。 この場合、異常燃焼によるエンジンサイドからの異常な高温度の排気ガ スとの接触もあり得るが、排気マニホールド側が放熱機能として作用する ため、排気ポート側のメタル触媒の損傷（メルトダウン、触媒の不活性化 など）を最小限に抑えることができる。 また、前記した態様の場合、排気ポート内に挿入される部分のメタル触 媒において、該メタル触媒の外周部と排気ポート壁の間を非固着状態にし ておくことにより、該部分は、高温雰囲気下での熱応力に対する緩衝ゾー ンとして作用し、耐久性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第一実施態様のメタル触媒内蔵型排
気マニホールドの概略図である。

【図２】 本発明の第二実施態様のメタル触媒内蔵型排
気マニホールドの概略図である。

【図３】 本発明の第三実施態様のメタル触媒内蔵型排
気マニホールドの概略図である。

【図４】 メタル触媒に適用される第一実施態様のハニ
カム体の斜視図である。

【図５】 メタル触媒に適用される第二実施態様のハニ
カム体の斜視図である。

【図６】 従来の主メタル触媒に適用されるハニカム体
の斜視図である。

【符号の説明】

Ａ……………………………メタル触媒内蔵型排気マニホ
ールド ＭＣ，ＭＣ₁ ，ＭＣ₂ ……メタル触媒 ＭＦ…………………………排気マニホールド ＭＦ₁ ，ＭＦ₂ ……………多岐管 Ｈ……………………………ハニカム体 １……………………………平板状帯材 ２……………………………波板状帯材 ３，３´……………………網目状通気孔路（セル） ４……………………………ケーシング

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｆ 1/42 Ｂ 8503−3Ｇ

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排気マニホールド（多岐管）
   において、 (i) 排気マニホールドの少なくとも一つの管が、その内
   部にメタル触媒を装着したものであり、かつ、 (ii)前記メタル触媒が、薄肉金属板製の軸方向に多数の
   網目状通気孔路を有するハニカム体に排気ガス浄化用触
   媒を担持したものであり、更に、 (iii)前記ハニカム体が、排気マニホールド下流側に介
   装される主触媒のハニカム体の網目状通気孔路（セル）
   より大きい網目状通気孔路（セル）を有するものである
   か、あるいはハニカム体の中心部に網目状通気孔路（セ
   ル）より大きい断面積の穴部を有するものである、 ことを特徴とするメタル触媒内蔵型排気マニホールド。
2. 【請求項２】 メタル触媒が、排気マニホールドの少な
   くとも一つの管内に、複数個装着されたものである請求
   項１に記載のメタル触媒内蔵型排気マニホールド。
3. 【請求項３】 複数個装着されたメタル触媒のうち、一
   つを管端部より排気ポート側に突設させるように装着し
   たものである請求項２に記載のメタル触媒内蔵型排気マ
   ニホールド。