JPH08144752A - 多段触媒コンバータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 触媒成分担持量を増大させることなく、下流
側の触媒担体の排気浄化能力を向上させることができる
多段触媒コンバータを提供する。 【構成】 多段触媒コンバータ１に少なくとも３つ以上
の分割触媒担体２ａから２ｃを設け、下流側の分割触媒
担体ほど排気流れ方向の厚さを薄くする。下流側の分割
触媒担体ほど担体内部に排気の乱れが低下する部分が少
なくなるため、排気中の有害成分分子と触媒成分とが接
触する確率が増大し、排気浄化能力が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関の排気中の有
害成分を浄化する触媒コンバータに関し、詳細には少な
くとも３つ以上に分割された触媒担体を備えた多段触媒
コンバータに関する。

【０００２】

【従来の技術】触媒を担持した触媒担体中に排気を通過
させて排気浄化を行う触媒コンバータにおいては、触媒
担体内部の上流側部分に較べて、下流側部分での触媒に
よる排気の浄化作用が低下する問題が生じる。この問題
は、例えばモノリス担体を使用する場合に特に生じやす
い。

【０００３】モノリス担体では、排気は担体中に形成さ
れた狭い排気通路中を流れ、この排気通路壁面に担持さ
れた触媒と接触することにより排気中の有害成分が浄化
される。ところが、担体中の排気通路を流れる排気流は
排気通路入口部分では乱流になっているものの、狭い排
気通路を出口側に向けて流れる間に乱流が減衰してしま
い、入口からある距離以上の部分では層流に近い状態に
なってしまう。

【０００４】このため、担体入口付近の排気通路内では
排気流の乱流成分により排気中の有害成分分子と、壁面
に担持された触媒成分とが接触する確率が高くなり触媒
による排気の浄化作用が充分に行われるものの、担体出
口側に近づくにつれて排気流の乱流成分が減少するた
め、排気中の有害成分分子と触媒成分とが接触する確率
が低くなる。

【０００５】更に、上述のように触媒担体内部の上流側
では比較的良好な排気浄化が行われるため、排気中の有
害成分濃度は下流側になる程低下する。このため、触媒
担体下流側を流れる排気中の有害成分分子の密度は上流
側に較べて小さくなるため、上記乱流の減衰に加えて、
更に有害成分分子と触媒成分とが接触する確率が低くな
る傾向にある。このため、触媒担体内部では下流側にな
る程排気浄化作用が低下することになる。

【０００６】この問題を解決することを目的として、触
媒担体を複数に分割するとともに、分割した担体を排気
流れ方向に沿って空隙を隔てて配置するようにした多段
触媒コンバータが知られている。触媒担体を分割して多
段化することにより、排気流は上流の担体から、一旦担
体間の空隙に流出した後、再度下流側の担体に流入する
ようになるため、流路の急拡大、急縮小が生じ排気流の
乱れが増大する。このため、上流側担体を通過中に減衰
した排気の乱流が下流側担体に流入する際には充分に回
復し、下流側の担体での排気浄化作用が向上することに
なる。

【０００７】この種の触媒コンバータの例としては、例
えば特開昭６１−６４３３６号公報に記載されたものが
ある。同公報の触媒コンバータでは、触媒担体を同じ厚
さ（排気流れ方向に沿った長さ）を有する複数個の分割
担体に分割し、これらの分割担体を排気流れ方向に沿っ
て空隙を隔てて配置するとともに、下流側の分割担体に
は上流側分割担体より触媒成分を多く担持させている。

【０００８】すなわち、上記公報の触媒コンバータで
は、多段化により各分割担体に流入する排気流の乱流を
回復させるとともに、下流側の分割担体の排気通路壁面
に担持される触媒成分の密度を上流側分割担体より増大
させて、有害成分の濃度低下による触媒成分と有害成分
分子との接触確率の低下を防止したものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記特開昭６１−６４
３３６号公報の装置では、触媒コンバータを多段化した
のみでは、触媒担体下流側における排気浄化作用の低下
を防止することができず、下流側分割担体の触媒担持量
を増大させる必要がある。このため、触媒コンバータ全
体の触媒担持量は従来より多くなる。

【００１０】ところが、触媒成分は貴金属等を含み高価
であるため、上記のように触媒コンバータ全体として担
持量を増大させると、コンバータの製造コストが増大す
ることになり好ましくない。本発明は上記問題に鑑み、
触媒成分の担持量を増大させることなく下流側の分割担
体での排気浄化作用を向上させることが可能な多段触媒
コンバータを提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、触媒成
分を担持する触媒担体と、該触媒担体を収納するケーシ
ングとを備えた触媒コンバータにおいて、前記触媒担体
を少なくとも３つ以上に分割し、排気流れ方向に沿って
それぞれの間に空隙を隔ててケーシング内に配置すると
ともに、前記分割した触媒担体の排気流れ方向に沿った
長さを排気流の下流側程小さくした多段触媒コンバータ
が提供される。

【００１２】

【作用】分割した各担体中を流れる排気中の乱流は、各
担体の入口から出口に向かうにつれて減衰する。このた
め、多段触媒コンバータにおいても各担体内部では入口
側から出口側に近づく程排気中の有害成分分子と触媒成
分との接触確率は低くなる。本発明では、触媒担体を少
なくとも３つ以上に分割し、各分割担体の排気流れ方向
に沿った長さ（厚さ）を下流側の分割担体になる程小さ
く（薄く）している。これにより、下流側の分割担体
程、入口から流入した排気の乱流の減衰度合いが小さい
うちに出口に到達することになり、乱流の減衰度合いが
大きい部分が生じなくなる。

【００１３】このため、上記のように下流側の分割担体
になる程厚さを小さく（薄く）した場合には、同じ長さ
の触媒担体を等間隔に分割して各分割担体を形成した場
合に較べて、下流側の分割担体になるほど排気通路に担
持された触媒は全体として乱れの大きい排気流に接する
こととなり、全体として下流側での排気の浄化能力が向
上する。

【００１４】

【実施例】以下添付図面を用いて本発明の実施例を説明
する。本実施例では、本発明をモノリス触媒担体、特に
メタル担体に適用した場合について説明する。図３は、
本実施例で使用するメタル担体２の構造を示す図であ
る。メタル担体２は、平板状の薄い金属製平箔と波板状
に形成した薄い金属製波箔とを交互に積層した金属箔積
層体からなる。本実施例では、図３に示すように、帯状
の金属製平箔１０と波箔２０とを重ねて端部から巻き込
んで、波箔の頂部（谷部）と平箔とを接合することによ
り渦巻き円筒状金属箔積層体の形状の分割担体を複数個
（本実施例では３つ）製作し、この３つの担体２ａから
２ｃを１つの円筒状ケーシング５に収納した形の多段触
媒コンバータ１が使用される。図１は、上記により形成
された多段触媒コンバータ１の軸線に沿った断面図、図
２は図１のII−II線に沿った断面図である。

【００１５】上記のように平箔１０と波箔２０とを重ね
て巻き込んだ結果、各分割担体には、図１、図２に示す
ように平箔１０と波箔２０との間の空隙により形成され
た軸線方向の狭い排気通路６が、中心軸線まわりに渦巻
き状に配列された構成となっている。後述するように、
担体２の平箔１０、波箔２０の表面には触媒成分が担持
されており、触媒装置１のケーシング５を内燃機関の排
気通路に接続して、排気を通路６を通して流すことによ
り、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_X 等の有害成分が触媒に
より浄化される。

【００１６】本実施例では、平箔１０、波箔２０はとも
に、アルミニウムとクロムとを含有する鉄系の耐熱合金
（例えば、７５％Ｆｅ−２０％Ｃｒ−５％Ａｌ）製の厚
さ５０ミクロン程度の箔材から構成される。平箔１０、
波箔２０とにより円筒状金属箔積層体を形成後、積層体
全体を焼成することにより箔表面にはアルミナが析出
し、薄いアルミナ層が形成される。このアルミナ層に
は、後述するように白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、ロジウ
ムＲｈ等の触媒成分やセリウム（Ｃｅ）等の助触媒成分
が含浸などにより担持せしめられる。また、金属箔をア
ルミナスラリに浸漬し、余分なスラリを空気噴流などに
より除去したあと、焼成すればアルミナ層の厚さを大き
くすることができ、触媒担持量を増大することができ
る。

【００１７】担体２の箔表面にアルミナ層を形成後、金
属箔積層体全体を上記成分を含有する酸溶液等に浸漬後
乾燥することにより、このアルミナ層に上記触媒成分、
助触媒成分を担持させることができる。また、浸漬する
溶液の成分濃度を調節することにより触媒成分や助触媒
成分の担持量を変えることができる。本実施例では、各
分割担体２ａから２ｃの触媒成分の担持量（担体単位容
積当たりの担持量）は同一とされる。

【００１８】図１に示すように、本実施例では分割担体
の厚さは、２ａ、２ｂ、２ｃの順に厚さが大きく形成さ
れている。また、これら分割担体は排気入口側から２
ａ、２ｂ、２ｃの順にケーシング５内に配置され、緩衝
材（図示せず）を介してケーシング５に固定される。す
なわち、分割担体の排気流れ方向に沿った長さは、排気
流下流側になる程小さくなっている。また、各分割担体
の間には、排気流れ方向に沿って、それぞれ１０mmから
１５mm程度の空隙２ｄが設けられている。

【００１９】前述のように、各分割担体中では排気は狭
い排気通路６を通過するため、担体入口から乱流の状態
で流入した排気は出口に向かうにつれて乱れが減衰し、
層流に近づく。しかし、本実施例のように複数の分割担
体を設け、各担体の間に空隙２ｄを設けたことにより、
各分割担体出口では、排気は排気通路６から空隙２ｄに
流出する際に流路の急拡大により乱れが増幅する。ま
た、空隙２ｄから下流側の分割担体に流入する際には、
流路の急縮小により排気の乱れは更に増幅される。この
ため、各分割担体に流入する排気は強い乱流となり、各
分割担体の合計厚さに等しい厚さの単一の担体を設けた
場合に較べて流路下流側での排気の乱れが増大する。

【００２０】次に、本実施例のように分割担体２ａから
２ｃの厚さを排気上流側から下流側に向けて薄くした場
合の作用について図４を用いて説明する。図４(A) は、
本実施例の触媒コンバータ内部の排気流の乱流の強さを
を表した図であり、図中の実線Ｔは乱れの強さを概念的
に示している。図４(A) では分割担体２ａ、２ｂ、２ｃ
の厚さを、仮に４Ｙ、３Ｙ、２Ｙ（Ｙは適宜な単位長
さ）としており、３つの分割担体の合計の厚さは９Ｙと
なっている。また、各空隙部２ｄにおいて乱流の強さは
完全に回復し、各分割担体２ａから２ｃの入口における
排気の乱れは同一になると仮定する。

【００２１】この場合、各分割担体内部では排気の乱れ
の強さは一様に入口から出口に向かって減衰するが、各
分割担体出口における排気の乱れは各分割担体の厚さに
応じて小さくなり、図４(A) に示すように分割担体２ｃ
が最も大きく、次いで２ａが最も小さくなる。次に、図
４(B) は、厚さが同一の分割担体３ａ、３ｂ、３ｃを用
いた触媒コンバータ内部の排気流の乱流の強さを表す図
４(A) と同様な図である。

【００２２】図４(B) では、各分割担体３ａから３ｃの
厚さは全て３Ｙとされ、３つの分割担体の合計の厚さは
図４(A) と同じ９Ｙとなっている。図４(B) では、各分
割担体３ａ、３ｂ、３ｃの内部の排気の乱れの減衰状態
は同一であり、各分割担体出口における排気の乱れは同
一になる。また、図４(A) と図４(B) とを比較すると、
それぞれの分割担体出口における排気の乱れは、分割担
体２ａでは分割担体３ａより小さく、分割担体２ｂと３
ｂとは同一、分割担体２ｃでは分割担体３ｃより大きく
なっている。

【００２３】すなわち、図４(A) において、分割担体２
ａの斜線で示した部分Ａでは図４(B) の分割担体３ａの
出口より乱流が減衰しており、逆に図４(B) において分
割担体３ｃの斜線で示した部分Ｂでは、図４(A) の分割
担体２ｃの出口より乱流が減衰していることになる。つ
まり、図４(A) の触媒コンバータでは、図４(B) の触媒
コンバータより排気流の乱れが小さくなっている部分が
上流側に位置しているのに対して、図４(B) の触媒コン
バータでは図４(A) に触媒コンバータより排気流の乱れ
が小さくなっている部分が下流側に位置していることに
なる。

【００２４】前述のように、触媒コンバータ内部では下
流側になる程排気中の有害成分の濃度が低下するため触
媒成分と排気中の有害成分分子とが接触する確率が小さ
くなる。ところが、図４(B) では排気の乱れが小さくな
る部分（斜線部分Ｂ）は触媒コンバータの最下流部に位
置しており、この部分では排気中の有害成分濃度は最も
低くなっている。このため、乱れの減少と有害成分濃度
の低下とが加算されてしまい、この部分の触媒の排気浄
化能力の低下が極めて大きくなる。このため、この部分
での排気浄化能力を向上させるために、前述の従来技術
のように下流側の分割担体の触媒担持量を上流側の分割
担体より多くすることが必要となる。

【００２５】一方、図４(A) では、排気の乱れの小さく
なる部分（斜線部Ａ）は触媒コンバータの上流側部分に
位置しており、この部分での排気中の有害成分濃度は比
較的高くなっている。このため、排気の乱れは小さくな
っていてもこの部分の触媒の排気浄化能力は低下しな
い。また、斜線部Ａと斜線部Ｂ以外の触媒コンバータ部
分の排気浄化能力については、図４(A) と図４(B) とは
全体として略同等である。すなわち、図４(A) と図４
(B) の触媒コンバータを比較すると、斜線部Ａと斜線部
Ｂとの排気浄化能力の差により、コンバータ全体として
の排気浄化能力は図４(A) の方が図４(B) より高くなっ
ているため、図４(A) の触媒コンバータでは、全体とし
て図４(B) より少ない触媒担持量で、図４(B) の触媒コ
ンバータと同等の排気浄化能力を発揮することができ
る。

【００２６】また、上記は分割担体を３つ設けた場合に
ついて説明したが、担体の分割数を多くすれば、更に図
４(B) の斜線部Ｂが大きくなるため、下流側の分割担体
ほど担体厚さを小さくした場合と、同一厚さの分割担体
を用いた場合との排気浄化能力の差が大きくなり、下流
側の分割担体ほど担体厚さを小さくした場合には、より
少ない触媒成分担持量で同一厚さの分割担体を用いた場
合と同等の排気浄化能力を得ることができる。

【００２７】なお、本実施例のように下流側の分割担体
ほど担体厚さを小さくすることは、機関始動時等に触媒
コンバータ全体の暖機を促進する上でも効果的である。
触媒コンバータは、触媒の活性化温度以上にならないと
触媒作用が開始されない。機関始動時等には、触媒コン
バータは機関排気のみによって加熱されるため、触媒コ
ンバータの暖機を促進するためには排気からできるだけ
多くの熱が触媒担体に移動するようにする必要がある。
ところが、排気と触媒担体（排気通路壁面）との熱交換
は排気流の乱れが大きいほど良好になる。また、触媒コ
ンバータ内では下流側になるほど触媒担体に熱を奪われ
て排気温度が低下する。このため、触媒コンバータ下流
部に排気流の乱れが小さい部分が生じると、この部分で
は排気から触媒担体に与えられる熱量が極めて小さくな
り、触媒コンバータ全体としての暖機が遅れる問題があ
る。

【００２８】この場合も、下流側の分割担体ほど担体厚
さを小さくすることにより、上述のように排気流の乱れ
の小さい部分を排気温度が比較的高い上流側に移行させ
ることができるため、下流側での暖機の遅れを防止して
触媒コンバータ全体の暖機を促進することが可能とな
る。なお、この場合下流側の分割担体の暖機をさらに促
進するため、例えば下流側の触媒担体を構成する金属箔
の厚さを上流側より薄くして（例えば、下流側では４０
ミクロン程度の厚さの金属箔を用いて平箔１０と波箔２
０とを構成する）、下流側の分割担体の熱容量を低減す
ると効果的である。

【００２９】また、通常、構造的強度を確保するために
積層体の平箔１０と波箔２０とを巻き込んで図３のよう
に円筒状金属箔積層体を形成する際には、平箔１０と波
箔２０との間にロウ材を介挿して巻き込みを行い、円筒
状金属箔積層体を形成後全体を加熱することにより平箔
１０と波箔２０とを接合するが、ロウ材による接合は強
度が確保できるものの、ロウ付け部の質量が比較的大き
くなるため担体の熱容量が増大し、暖機が遅れる問題が
ある。

【００３０】そこで、分割担体を製作する際に、排気温
度が高く構造的強度が要求される上流側の分割担体のみ
を、上記のロウ付けにより製作し、排気温度が比較的低
く構造的強度がそれほど要求されない下流側の分割担体
は、平箔と波箔とを拡散溶接により接合するようにすれ
ばロウ付け部が不要となり、担体熱容量を低減すること
ができ、下流側担体暖機を促進することができる。

【００３１】なお、上記の実施例では本発明をメタル担
体に適用した場合について説明したが、本発明はメタル
担体に適用が限定されるわけではなく、他の触媒担体、
例えばセラミックス等を使用したモノリス担体にも適用
可能であることは言うまでもない。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、多段触媒コンバータに
おいて下流側ほど触媒担体の排気流方向に沿った長さを
小さくしたことにより、触媒担持量を増大させることな
く下流側の担体における排気浄化能力を向上させること
ができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の多段触媒コンバータの構造を示す断面
図である。

【図２】図１のII−II線に沿った断面図である。

【図３】図１の触媒コンバータのメタル担体の構造を説
明する図である。

【図４】図１の実施例の作用を説明する図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 触媒成分を担持する触媒担体と、 該触媒担体を収納するケーシングとを備えた触媒コンバ
   ータにおいて、 前記触媒担体を少なくとも３つ以上に分割し、排気流れ
   方向に沿ってそれぞれの間に空隙を隔ててケーシング内
   に配置するとともに、前記分割した触媒担体の排気流れ
   方向に沿った長さを排気流の下流側程小さくした多段触
   媒コンバータ。