JPH0724576Y2 - 排気マニホールド触媒コンバータ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［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側に取付けられ
る触媒コンバータに関し、とくにメタル担体を用いた触
媒コンバータの構造に関する。

［従来の技術］ 第５図は、排気マニホールド側に取付けられる従来の触
媒コンバータを示している。図中、１は触媒が担持され
るセラミック担体を示しており、セラミック担体１の外
周には、このセラミック担体１を保護するワイヤネット
２が配置されている。ワイヤネット２で保護されたセラ
ミック担体１は、ケース３に収納されている。ケース３
の上流部には、排気マニホールド４との接続を行なうた
めのフランジ部５が形成されている。同様にケース３の
下流部には、排気管９との接続を行なうためのフランジ
部６が形成されている。ケース３に収納されたセラミッ
ク担体１の上流端面及び下流端面は、シール部材７を介
してリテーナ８によって支持されている。

このように、触媒コンバータを排気マニホールド４に直
結することにより、触媒コンバータに高温の排気ガスを
流入させることができ、セラミック担体１に担持された
触媒の活性化温度を容易に確保することができる。

ところで、セラミック担体は、耐熱性を有し、熱変形も
小さいということから触媒コンバータには多く採用され
ているが、脆いため、熱応力等の外力によって破損しや
すいという欠点がある。そのため、セラミック担体１を
支持するためには、上述したように、ワイヤネット２や
シール部材７を介して支持する構造がとられている。し
たがって、セラミック担体を用いた触媒コンバータで
は、セラミック担体の支持部品点数が多くなり、その
分、組付工数も多くなるという欠点がある。

なお、触媒コンバータに組込まれるモノリス担体には、
セラミック担体の他に、実開昭57-84323号公報、実開昭
63-82019号公報等に示すように、薄い金属板を用いたメ
タル担体が存在する。メタル担体は、金属板を一体成形
した担体であり、通常、波形板と平板を交互に積層して
製作される。メタル担体は、セラミック担体のような脆
さを有していないことから、メタル担体を用いた触媒コ
ンバータは、部品点数を少なくでき、構造を簡素化する
ことができる。また、メタル担体は、セラミックス担体
に比べて、圧力損失が小さく、暖機性も良い。したがっ
て、近年ではメタル担体を用いた触媒コンバータが、フ
ロア取付タイプの触媒コンバータとして採用されるに至
っている。

［考案が解決しようとする課題］ しかしながら、上記公報に示すメタル担体を用いた触媒
コンバータを、排気マニホールドの直下流に取付けるこ
とは、後述するような理由から難かしく、実現に至って
いない。つまり、触媒コンバータを高温の排気ガスが噴
出される排気マニホールドの直下流に取付ける場合は、
担体の上流部が下流部よりも流入ガス温度の影響を受け
やすく、温度の急変の度合が大きい。これは、温度差に
よるメタル担体の破損を招く原因となる。

第５図に示す触媒コンバータにおいては、セラミック担
体の軸方向の中央部B₂に対して上流に位置する上流部分
A₂と下流に位置する下流部分C₂との温度差は、大となっ
ている。したがって、担体の上流側と下流側では、熱膨
張量が大きく異なり、メタル担体を用いた場合は、熱歪
みによって波形板と平形板との接合部分が切断してしま
い、メタル担体の変形や破損を招くという問題が生じ
る。

本考案は、上記の問題に着目し、メタル担体の軸方向の
温度分布を均一化し、簡易な支持構造でメタル担体の破
損を確実に防止することのできる排気マイホールド触媒
コンバータを提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この目的に沿う本考案に係る排気マニホールド触媒コン
バータにおいては、触媒が担持されたメタル担体を、筒
状の外筒に挿入して固定し、該外筒の上流部に排気マニ
ホールド側に接続される第１のケースを嵌合させ、該第
１のケースの下流側端部と前記外筒とを全周溶接にて接
合し、前記外筒の下流部に排気管に接続される第２のケ
ースのケースを嵌合させ、該第２のケースの上流側端部
と前記外筒とを全周溶接にて接合し、前記第１のケース
と前記外筒との嵌合代を、前記第２のケースと前記外筒
との嵌合代よりも大としたものから成る。

［作用］ このように、構成された排気マニホールド触媒コンバー
タにおいては、メタル担体が外筒に固定され、この外筒
の上流部に第１のケースが下流部に第２のケースがそれ
ぞれ溶接される。この場合、第１のケースと外筒との嵌
合代が、第２のケースと外筒との嵌合代よりも大となっ
ているので、メタル担体の上流部の温度の急激な変化が
抑制される。つまり、第１のケースとの嵌合代が大きく
なっているため、第１のケースの蓄熱効果によってメタ
ル担体の上流部は暖まりにくくかつ冷えにくくなる。

したがって、エンジンの起動後は、メタル担体の上流部
は高温の排気ガスによる急激な温度上昇が抑制され、か
つ暖機後は、第１のケースの保温効果によって外気温の
影響をあまり受けることがなくなり、触媒反応によって
高温となる下流部に比べて温度が大幅に低下することも
なくなる。

このように、メタル担体の軸方向の温度をほぼ均一に保
つことができ、簡易な支持構造でも温度差によるメタル
担体の破損が確実に防止される。

［実施例］ 以下に、本考案に係る排気マニホールド触媒コンバータ
の望ましい実施例を、図面を参照して説明する。

第１図ないし第４図は、本考案の一実施例を示してい
る。第１図において、11はエンジンのシリンダブロック
を示し、12はシリンダブロック11の頂部に取付けられた
シリンダヘッドを示している。シリンダヘッド12の側面
には、排気マニホールド13が取付けられている。排気マ
ニホールド13の下流端には、ターボチャージャ14を介し
て排気マニホールド触媒コンバータ20が取付けられてい
る。ターボチャージャ14を備えていないエンジンでは、
排気マニホールド13に排気マニホールド触媒コンバータ
20が直接取付けられる。排気マニホールド触媒コンバー
タ20の下流端には、排気管15が接続されている。

排気マニホールド触媒コンバータ20は、第３図に示すよ
うに、メタル担体21、外筒25、第１のケース30、第２の
ケース40とから構成されている。

メタル担体21は、薄い金属板からなる波形板22と平板23
とを交互に積したものからなっており、波形板22と平板
23とは接合されている。メタル担体21には、波形板22と
平板23とによって、排気ガスが流入する多数のセル（細
孔）24が形成されており、メタル担体21には、触媒作用
のある活性成分（貴金属）が担持されている。

メタル担体21は、筒状の薄い金属板からなる外筒25に挿
入され固定されている。外筒25の肉厚は、たとえば1.5m
m程度となっている。メタル担体21の外筒25への挿入前
には、メタル担体21の外周面に接合剤（ろう付部材）が
取付けられ、メタル担体21を外筒25に圧入した後、両者
を炉に入れて加熱することにより、メタル担体21が外筒
25に接合剤を介して接合される。これによって、メタル
担体21と外筒25とは一体化される。

第１のケース30は、外筒25よりも肉厚の厚い鋳物から構
成されている。第１のケース30の肉厚は、たとえば3.5m
m程度となっている。第１のケース30の一方には、ター
ボチャージャ14との接続を行なうための半径方向に膨出
するフランジ部31が形成されている。フランジ部31に
は、ボルト穴32とシール溝33が形成されている。シール
溝33には、接合面からの排気ガス漏れをシール部材34が
装着されている。第１のケース30の他方は、外筒25との
接合を行なうための円筒部35に形成されている。円筒部
35の内径は、外筒25の外径よりも若干大に形成されてい
る。円筒部35の外周面には、インシュレータ取付ボス36
とステー取付ボス37とが形成されている。

第２のケース40は、外筒25よりも肉厚の厚い鋳物から構
成されている。第２のケース40の肉厚は、たとえば3.5m
m程度となっている。第２のケース40の一方には、排気
管15との接続を行なうための半径方向の膨出するフラン
ジ部41が形成されており、フランジ部41には、ボルト穴
42が穿設されている。第２のケース40の上流側は、外筒
25との接合を行なうための円筒部45に形成されている。
円筒部45の内径は、外筒25の外径よりも若干大に形成さ
れている。円筒部45とフランジ部41との間の筒部44は、
メタル担体21および第１のケース30の軸芯Ｘに対して湾
曲しており、この円筒部45と筒部44には、インシュレー
タ取付ボス46がそれぞれ形成されている。

外筒25の上流部には、第１のケース30の円筒部35が若干
の隙間（0.1〜0.3mm程度の隙間）S₁をもって嵌合されて
おり、第１のケース30の円筒部35の下流側端部は、ガス
漏れがないように全周溶接部39によって外筒25と接合さ
れている。この接合は、自動溶接によって行なわれる。
外筒25の下流部には、第２のケース40の円筒部45が若干
の隙間（0.1〜0.3mm程度の隙間）S₂をもって嵌合されて
おり、第２のケース40の円筒部45の上流側端部は、上述
と同様にガス漏れがないように、全周溶接部49によって
外筒25と接合されている。この接合は、第１のケース30
と同様に自動溶接によって行なわれる。第１のケース30
と外筒25との嵌合代L₁は、第２のケース40と外筒25との
嵌合代L₂よりも大となっている。本実施例では、第１の
ケース30と外筒25との嵌合代L₁は、外筒25の全長Ｌに対
して約1/4〜1/2に設定されており、第２のケース40と外
筒25との嵌合代L₂は、外筒の全長Ｌに対して1/4以下に
設定されている。

第２のケース40のフランジ部41には、排気管15が接続さ
れている。排気管15のフランジ部16の近傍には、ステー
取付バンド17が取付けられており、ステー取付バンド17
はゴム部材18を介してシリンダブロック１に固定された
ステー19に連結されている。これによって、排気管15の
上流側は、シリンダブロック１に弾性支持されている。

排気マニホールド触媒コンバータ20は、ステー50を介し
てシリンダブロック１に支持されている。第１のケース
30に形成されたステー取付ボス37には、ステー50の一方
が螺合により連結されており、ステー50の他方はシリン
ダブロック１の側面にボルト（図示略）により締結され
ている。排気マニホールド触媒コンバータ20の外周に
は、この排気マニホールド触媒コンバータ20から発生す
る熱が外部に伝熱するのを遮へいする遮熱板（図示略）
が配置されている。この遮熱板は、第１のケース30およ
び第２のケース40に形成されたインシュレータ取付ボス
36,46に連結されるロッド（図示略）を介して支持され
ている。

つぎに、上記の排気マニホールド触媒コンバータにおけ
る作用について説明する。

第１図に示すように、シリンダヘッド12から排気マニホ
ールド13に流出した排気ガスは、ターボチャージャ14に
流入される。ターボチャージャ14に流入した排気ガス
は、図示されないタービンを回転させ、コンプレッサに
よって吸気を燃焼室に向けて圧送する。ターボチャージ
ャ14を通過した排気ガスは、排気マニホールド触媒コン
バータ20の第１のケース30からメタル担体21の各セル24
に流入され、メタル担体21に担持された触媒成分によっ
て排気ガスの浄化が行なわれる。メタル担体21によって
浄化された排気ガスは、第２のケース40側に流出され、
排気管15を介して外部に排出される。

ここで、第１のケース30と外筒25との嵌合代L₁が第２の
ケース40と外筒25との嵌合代L₂よりも大となっているの
で、メタル担体21の上流部は暖まりににくくかつ冷めに
くくなる。また、第１のケース30を肉厚の厚い鋳物から
構成しているので、第１のケース30の熱容量を大きくで
き、メタル担体21の上流部の保温性が高められる。つま
り、エンジンの暖機初期には、排気マニホールド触媒コ
ンバータ20に流入する排気ガスの熱が第１のケース30に
吸収されるとともに、、メタル担体21の上流部の熱が全
周溶接部39を介して第１のケース30に伝熱されるので、
メタル担体21の上流部が下流部に対して著しく高くなる
ことは抑制される。

また、エンジンの暖機後は、触媒反応によりメタル担体
21の下流側が上流側に比べて温度が高くなるが、第１の
ケース30は既に排気ガスによって十分に暖められている
ので、メタル担体21の上流部は、第１のケース30からの
伝熱によって保温され、メタル担体21の上流部と下流部
との温度差は小に保たれる。

さらに、第１のケース30と外筒とは、僅かな隙間S₁をも
って嵌合されているので、隙間S₁に排気ガスを導くこと
ができ、メタル担体21の上流部における外周部と中心部
との温度差も小に保たれる。同様に、第２のケース40と
外周とは、隙間S₂をもって嵌合されているので、隙間S₂
に排気ガスを導くことができ、メタル担体21の下流部に
おける外周部と中心部との温度差も小に保たれる。

第６図は、従来および本考案の触媒コンバータにおける
負荷条件に対する担体の各部の温度変化を示している。
図からのわかるように、本考案のメタル担体21の上流部
A₁の温度変化は、第５図に示す従来の上流部A₂の温度変
化に対して小になっている。また、本考案のメタル担体
21の外周部D₁の温度変化も、第５図に示す従来の外周部
D₂の温度変化に対して小になっている。

このように、本考案では、外筒25に対する第１のケース
30および第２のケース40の嵌合代を適度に可変させるこ
とにより、メタル担体21の軸方向の温度を均一化させる
ことができる。すなわち、第２図におけるメタル担体21
の上流部A₁、下流部C₁における温度を、中央部B₁の温度
に近づけることができる。したがって、メタル担体21に
おける各部の熱膨張量もほぼ均一となり、熱歪みによる
メタル担体21の破損が防止される。同様に、外筒25と第
１のケース30および第２のケース40との嵌合部分に、隙
間S₁、S₂を設けることにより、メタル担体21における半
径方向の温度も均一化され、これに起因するメタル担体
21における半径方向の温度も均一化され、これに起因す
るメタル担体21の破損の防止もはかれる。

また、第１のケース30を肉厚の厚い鋳物から構成するこ
とにより、鋼板ケースよりも容易に熱容量を大きくする
ことが可能となり、外気温が低い場合であっても、メタ
ル担体21の温度を十分に高く保つことができる。したが
って、メタル担体21に担持された触媒成分の活性化を十
分に促進することができ、排気ガス浄化能力を十分発揮
させることが可能となる。

さらに、排気マニホールド触媒コンバータ20を支持する
ステー50を第１のケース30に連結することにより、排気
マニホールド13から排気マニホールド触媒コンバータ20
の上流部までの熱歪みを肉厚が大で剛性の大きな第１の
ケース30に作用させることが可能となる。したがって、
排気マニホールド13から排気マニホールド触媒コンバー
タ20の上流部までの熱歪みは、メタル担体21にほとんど
作用しなくなり、メタル担体21に作用する熱応力は大幅
に緩和される。

［考案の効果］ 以上説明したように、本考案に係る排気マニホールド触
媒コンバータによるときは、触媒が担持されたメタル担
体を、筒状の外筒に挿入して固定し、外筒の上流部に排
気マニホールド側に接続される第１のケースを嵌合さ
せ、第１のケースの下流側端部と外筒とを全周溶接にて
接合し、外筒の下流部に排気管に接続される第２のケー
スを嵌合させ、第２のケースの上流側端部と外筒とを全
周溶接にて接合し、第１のケースと外筒との嵌合代を、
第２のケースと外筒との嵌合代よりも大としたので、エ
ンジンの暖機初期から暖機後に至るまで、メタル担体の
軸方向の温度をほぼ均一に保つことができ、簡易な支持
構造で温度差に起因するメタル担体の破損を確実に防止
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係る排気マニホールド触媒コンバータ
の取付状態を示す正面図、 第２図は第１図における排気マニホールド触媒コンバー
タの拡大正面図、 第３図は第１図における排気マニホールド触媒コンバー
タの分解斜視図、 第４図は第２図における外筒と第１のケースおよび第２
のケースの嵌合部分の拡大断面図、 第５図は従来の排気マニホールド触媒コンバータの部分
断面図、 第６図は本考案および従来の排気マニホールド触媒コン
バータにおける担体各部の温度変化を示す特性図、 である。 13……排気マニホールド 15……排気管 20……排気マニホールド触媒コンバータ 21……メタル担体 25……外筒 30……第１のケース 39、49……全周溶接部 40……第２のケース 50……ステー L₁……第１のケースと外筒との嵌合代 L₂……第２のケースと外筒との嵌合代 S₁、S₂……隙間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 吉村 国政 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (56)参考文献 実開 昭60−124522（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】触媒が担持されたメタル担体を、筒状の外
   筒に挿入して固定し、該外筒の上流部に排気マニホール
   ド側に接続される第１のケースを嵌合させ、該第１のケ
   ースの下流側端部と前記外筒とを全周溶接にて接合し、
   前記外筒の下流部に排気管に接続される第２のケースの
   ケースを嵌合させ、該第２のケースの上流側端部と前記
   外筒とを全周溶接にて接合し、前記第１のケースと前記
   外筒との嵌合代を、前記第２のケースと前記外筒との嵌
   合代よりも大としたことを特徴とする排気マニホールド
   触媒コンバータ。