JPWO2020032002A1 - 触媒装置 - Google Patents

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Abstract

排気ガスの浄化を効率よく行うことができる触媒装置を提供する。金属箔状の平板(52)と波板(54)とが重ねられて巻かれることにより形成され、かつ、触媒を担持する担体(42)と、担体(42)を内部に収容すると共に、担体(42)の一端部(42a)を排気ガスの上流側に向け、担体(42)の他端部(42b)を排気ガスの下流側に向けて、担体(42)を支持する外筒(44)と、を備える触媒装置(36)であって、平板(52)および波板(54)は、複数の孔(64)を有し、かつ、触媒物質を含む被膜で覆われ、孔(64)の下流側を覆う被膜の厚さが、孔(64)の上流側を覆う被膜の厚さよりも厚い。

Description

本発明は、平板と波板とが重ねられて巻かれることにより形成されかつ触媒を担持する担体を外筒に収容して支持する触媒装置に関する。
内燃機関を備える車両は、内燃機関の燃焼工程で発生する排気ガスを車外へ排出させるための排気装置を備える。排気装置は、排気ガスを浄化する触媒装置を備える。特開2014−147879号公報には、自動二輪車に設けられる小型内燃機関のための触媒装置が開示される。この触媒装置は、触媒を担持する担体と担体を収容して支持する外筒とを備える。担体は、金属箔状の平板と波板とが重ねられて巻かれることにより形成される。特表2005−535454号公報には、それぞれ孔を有する平形薄板(平板)と波形薄板(波板)とで形成される孔付きハニカム体(担体)が開示される。
触媒装置で排気ガスの浄化を効率よく行うためには、排気ガスと触媒との接触をより積極的に行うとよい。その一つの方法として、触媒装置内の排気ガスの流れに乱流を発生させることが考えられる。特表2005−535454号公報の担体のように、平板と波板に孔を設けると、担体内の流路の形状が複雑化して乱流が発生する。
しかし、平板および波板の表面がフラットであると、一部の排気ガスはそのまま直線的に流れる可能性があるため、こうした点では排気ガスの浄化が不十分とも考えられる。
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、排気ガスの浄化を効率よく行うことができる触媒装置を提供することを目的とする。
本発明は、
金属箔状の平板と波板とが重ねられて巻かれることにより形成され、かつ、触媒を担持する担体と、
前記担体を内部に収容すると共に、前記担体の一端部を排気ガスの上流側に向け、前記担体の他端部を排気ガスの下流側に向けて、前記担体を支持する外筒と、
を備える触媒装置であって、
前記平板および前記波板は、複数の孔を有し、かつ、触媒物質を含む厚さが不均一である被膜で覆われる。
本発明によれば、排気ガスの浄化を効率よく行うことができる。
図1は自動二輪車の左側面図である。 図2は排気装置の左側面図である。 図3は触媒収納部の断面図である。 図4は上流側からみた触媒装置を簡略化した模式図である。 図5は平板を簡略化した模式図である。 図6はろう付け箇所の説明に供する説明図である。 図7は担体を軸線に沿って切断した一部切断面の模式図である。 図8は孔部の説明に供する説明図である。 図9は軸線方向と直交する平面における第1孔部間範囲の部分断面図である。 図10は軸線方向と直交する平面における第2孔部間範囲の部分断面図である。 図11は開口率の分析結果の説明に供する説明図である。 図12は担体の製造方法の説明に供する説明図である。
以下、本発明に係る触媒装置について、好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で使用する上流、下流というのは、排気ガスの流れを対象とする。
[1.排気装置14]
図1に示されるように、自動二輪車10は、走行のための駆動源として内燃機関12を有する。内燃機関12には、排気装置14が接続される。
図2に示されるように、排気装置14は、フランジ16と、上流側排気管18と、触媒収納部20と、下流側排気管22(図3)と、遮熱カバー24と、マフラ26と、を有する。上流側排気管18は、フランジ16によって内燃機関12のシリンダヘッドに接続される。触媒収納部20は、上流側排気管18の下流側端部に接続される。触媒収納部20の構成については下記[2]で説明する。下流側排気管22(図3)は、触媒収納部20の下流側端部に接続される。遮熱カバー24は、下流側排気管22を覆うようにして触媒収納部20の下流側端部に接続される。マフラ26は、下流側排気管22および遮熱カバー24の下流側端部に接続される。排気装置14は、1以上のステー28により車体のフレームに取り付けられる。この構造により、内燃機関12から排出される排気ガスは、上流側排気管18、触媒収納部20、下流側排気管22、マフラ26を通過して外部に排出される。
[2.触媒収納部20]
図3に示されるように、触媒収納部20は、外テーパ管30と、遮熱管32と、上流側内テーパ管34と、触媒装置36と、下流側内テーパ管38と、を有する。外テーパ管30は、上流側排気管18の下流側端部に接続される。遮熱管32は、外テーパ管30の下流側端部に接続される。上流側内テーパ管34は、外テーパ管30と上流側排気管18との接続箇所よりも下流側で上流側排気管18の下流側端部に接続され、外テーパ管30の内部に位置する。触媒装置36は、上流側内テーパ管34の下流側端部に接続され、遮熱管32の内部に位置する。触媒装置36の構成については下記[3]で説明する。下流側内テーパ管38は、触媒装置36の下流側端部に接続され、遮熱管32の内部に位置する。
[3.触媒装置36]
図3、図4に示されるように、触媒装置36は、担体42と、外筒44と、を有する。担体42は、ハニカム構造の略円柱形状であり、金属箔状の1以上の平板52(図9)と、金属箔状の平板52が波状に成形された1以上の波板54(図9)と、が重ねられて巻かれることにより形成される。平板52(および波板54)は、ステンレス鋼で形成されており、一方の面から他方の面に貫通する複数の孔64(図5)を有する。孔64については下記[3.1]で説明する。
担体42は触媒を担持する。例えば、担体42の状態で、平板52および波板54の表面は、触媒物質(白金、パラジウム、ロジウム等の白金族元素等)を含む被膜で覆われる。平板52と波板54は互いに接合される。平板52と波板54との接合については下記[3.2]で説明する。
外筒44は、担体42の外径よりも若干大きな内径を呈する円筒である。外筒44は、平板52と同様にステンレス鋼で形成される。外筒44は、内部に担体42を収容する。外筒44は、担体42の一端部42aを排気ガスの上流側に向け、担体42の他端部42bを排気ガスの下流側に向けた状態で、担体42を支持する。外筒44が担体42を支持する状態で、外筒44の軸線と担体42の軸線は一致する。図3に示されるように、両者の軸線を軸線Aと称する。担体42の外周面と外筒44の内周面は互いに接合される。担体42と外筒44との接合については下記[3.2]で説明する。
[3.1.孔64を有する平板52]
図5を用いて平板52を説明する。図5に示される平板52は、担体42にされる前の平坦状態である。平板52は、第1方向D1に長さLであり、第2方向D2に長さW(>L)である略矩形の金属箔状部材である。第1方向D1は、排気ガスの流れの方向、および、担体42の軸線方向(軸線Aの延伸方向)と平行する。図5では紙面上から下に向かう方向を第1方向D1とする。第2方向D2は、第1方向D1と直交する。図5では紙面左から右に向かう方向を第2方向D2とする。平板52の第1方向D1の長さLは担体42の軸線方向の長さとなる。平板52の第2方向D2の長さWは担体42の径に関係する。したがって、長さLおよび長さWは担体42の設計に応じて決定される。
平板52は、孔形成部60と、孔形成部60を囲む縁部62と、を有する。平板52は、孔形成部60に、第1方向D1および第2方向D2に沿って整列する複数の孔64を有する。第1方向D1に沿う孔64の列を第1列66と称する。第2方向D2に沿う孔64の列を第2列68と称する。第1列66において、孔64の中心を繋いだ線を列の中心線66cとすると、各中心線66cが等間隔となるように各孔64は配置される。第2列68において、孔64の中心を繋いだ線を列の中心線68cとすると、各中心線68cが等間隔となるように各孔64は配置される。
第1列66に対して、第2方向D2に向けて順に番号を付す。n番目の第1列66上の各孔64とn+1番目の第1列66上の各孔64は、第2方向D2の一方(または他方)からみて、交互に並ぶ。つまり、第2方向D2の一方(または他方)からみて、n番目の第1列66で互いに隣接する2つの孔64の間にn+1番目の第1列66の1つの孔64が配置され、n+1番目の第1列66で互いに隣接する2つの孔64の間にn番目の第1列66の1つの孔64が配置される。
同様に、第2列68に対して、第1方向D1の一方から他方に向けて順に番号を付す。n番目の第2列68上の各孔64とn+1番目の第2列68上の各孔64は、第1方向D1の一方(または他方)からみて、交互に並ぶ。つまり、第1方向D1の一方(または他方)からみて、n番目の第2列68で互いに隣接する2つの孔64の間にn+1番目の第2列68の1つの孔64が配置され、n+1番目の第2列68で互いに隣接する2つの孔64の間にn番目の第2列68の1つの孔64が配置される。
互いに隣接する2つ(n番目とn+1番目)の第1列66のうち、一方(n番目)の第1列66上の孔64と、他方(n+1番目)の第1列66上の孔64は、第1方向D1からみて、互いに一部64pが重なる。重なる一部64pの第2方向D2の長さは、0よりも大きく、かつ、孔64の第2方向D2の長さ(例えば直径2a)の20%以下である。対して、互いに隣接する2つ(n番目とn+1番目)の第2列68のうち、一方(n番目)の第2列68上の孔64と、他方(n+1番目)の第2列68上の孔64は、第2方向D2からみて、互いに離間する。
ここで、平板52の具体例を説明する。孔64の形状は円形である。孔64の半径aは4.0mm(φ8.0)である。互いに隣接する第2列68の間隔i2(すなわちn番目の第2列68とn+1番目の第2列68の間隔i2)は9.52mmである。互いに隣接する2つの孔64の端部間の距離bは3.0mmである。
なお、これらの形状および数値は一例であり、他の形状または数値であってもよい。例えば、孔64の形状は楕円であってもよく、その場合は、長軸と短軸のいずれかが第1方向D1または第2方向D2と平行してもよい。
また、一部64pの領域に配置される孔64の大きさ(例えば直径2a)が、他の領域に配置される孔64の大きさ(例えば直径2a)よりも小さくてもよい。特に、上流側、すなわち担体42の一端部42aとなる第1端部52a側から所定番目(1番目〜k番目)の第2列68に含まれる孔64の大きさを小さくするとよい。具体的には、孔64が円形である場合、距離b>半径aの関係が成立するように、孔64の大きさと配置を設定するとよい。上流側の孔64の大きさを小さくすることにより、排気ガスの脈動に起因する担体42の振動(フラッタリングという)に対する耐久性が向上する。
波板54は、平板52を第2方向D2に長くした形態の金属箔状部材を、第2方向D2に向かう波形状に加工することにより形成される。波板54は、平面視において、平板52と略同じ外形を呈する。波板54の波形状は、振幅が漸増、漸減する形状、例えば正弦波形状である。波板54は、平板52と同じ配置の孔64を有する。但し、平板52よりも第2方向D2に長い分、孔形成部60は第2方向D2に広く、孔64の数は多い。
[3.2.各部材の接合]
[3.2.1.上流側の接合]
図6を用いて、平板52と波板54との接合、および、担体42と外筒44との接合について説明する。図6は、図3に示される触媒装置36における各部材の接合範囲を示す。平板52と波板54および担体42と外筒44は、共にろう付けにより接合される。
本実施形態では、平板52と波板54との上流側のろう付けの箇所を第1上流範囲70とし、担体42と外筒44とのろう付けの箇所を第2上流範囲72とする。第1上流範囲70は、担体42の一端部42aの位置から軸線方向に沿って下流側に長さL1だけ離れた位置まで拡がる範囲である。第2上流範囲72は、担体42の一端部42aの位置から軸線方向に沿って下流側に長さL2だけ離れた位置まで拡がる範囲である。長さL2は長さL1よりも長い。つまり、第2上流範囲72は、第1上流範囲70よりも軸線方向の下流側に広い。
第1上流範囲70に位置する担体42は、中心から外周にわたって平板52と波板54とが互いにろう付けされる。第1上流範囲70には、平板52と波板54のそれぞれの縁部62と、1番目〜所定番目までの第2列68上の複数の孔64と、が含まれる。波板54に含まれる各波部分の略頂点部位が平板52にろう付けされる。但し、第1上流範囲70に含まれる平板52と波板54との全ての接触箇所をろう付けすることは難しい。このため、本実施形態では、全ての接触箇所をろう付けすることを必須とはしない。
第2上流範囲72に位置する担体42と外筒44は互いにろう付けされる。具体的には、担体42の外周面と外筒44の内周面とがろう付けされる。
触媒装置36の振動は上流側ほど大きい。本実施形態のように、平板52と波板54とを第1上流範囲70で接合し、担体42と外筒44とを第2上流範囲72で接合することにより、担体42の振動を効率的に抑制することができる。更に、各部材が担体42の全長にわたって接合されないため、各部材が熱の影響で伸縮することにより担体42が破損することを防止することができる。
[4.触媒物質の被膜]
図7〜図9を用いて担体42の内表面を覆う触媒物質の被膜について説明する。
図5に示される平板52と、この平板52と孔64の配置が同じ波板54とを用いて担体42を形成し、この担体42を軸線Aに沿って切断すると、断面の一部は図7に示されるようになる。この断面においては、平板52と波板54が共に存在しない孔部80が形成される。図8に示されるように、孔部80は、平板52または波板54の複数の孔64、具体的にいうと同じ第2列68上の複数の孔64が集合することにより形成される。軸線方向を基準として孔部80の形成範囲を孔部形成範囲82と称すると、孔部形成範囲82は、担体42の上流側から下流側に向かって略一定間隔で存在する。この間隔は、n番目の第2列68上の孔64の下流側端部とn+1番目の第2列68上の孔64の上流側端部との距離bに相当する。
図7に示される断面においては、最上流に縁部62に相当する縁部範囲84が存在し、縁部範囲84以降は上流側から下流側に向かって、孔部形成範囲82と、孔部80が形成されない孔部間範囲86と、が交互に存在する。更に、孔部間範囲86は、孔部形成範囲82の下流側に位置する第1孔部間範囲88と、孔部形成範囲82の上流側に位置する第2孔部間範囲90と、に分けられる。
ここで、平板52および波板54を覆う被膜の厚さに着目すると、孔部形成範囲82および第1孔部間範囲88に形成される被膜の厚さは相対的に厚く、縁部範囲84および第2孔部間範囲90に形成される被膜の厚さは相対的に薄い。図9は、軸線方向と直交する平面における第1孔部間範囲88の部分断面図である。図10は、軸線方向と直交する平面における第2孔部間範囲90の部分断面図である。図9および図10によれば、図9に示される平板52と波板54は、図10に示される平板52と波板54よりも、多くの被膜で覆われていることが判る。
各範囲において被膜の定量的な厚さを特定することは困難であることから、本明細書では各範囲における被膜の厚さを開口率に置き換えて考える。ここでいう開口率とは、軸線方向のある位置において、軸線方向と直交する担体42の断面積に対する空隙面積(平板52と波板54と被膜とが存在しない部分の面積)のことをいう。孔部間範囲86の軸線方向の各位置において、平板52と波板54の断面積は実質的に同一である。つまり、開口率を左右するのは、その位置における被膜の量(断面積)、すなわち被膜の厚さである。
本発明者らが行った開口率の分析結果を図11に示す。図11に示されるように、第1孔部間範囲88の開口率は、第2孔部間範囲90の開口率と比較して、約5%大きい。これは、第1孔部間範囲88の被膜の厚さが、第2孔部間範囲90の被膜の厚さよりも厚いことを意味する。ここで、孔部80は、各孔64の集合体であることから、孔64単体でみた場合も同様のことがいえる。すなわち、孔64の下流側を覆う被膜の厚さは、孔64の上流側を覆う被膜の厚さよりも厚いということができる。
更に、孔部形成範囲82における被膜の厚さ、すなわち、孔部形成範囲82に位置する孔部80以外の箇所(平板52と波板54)を覆う被膜の厚さも厚い。孔部形成範囲82の被膜の厚さは、第2孔部間範囲90の被膜の厚さと比較して20%以上大きい。
このように、孔部形成範囲82および第1孔部間範囲88の被膜の厚さを、第2孔部間範囲90の被膜の厚さよりも厚くすると、担体42を流れる排気ガスに乱流(渦流)が発生しやすくなる。排気ガスに乱流が発生すると、触媒に対する排気ガスの接触機会が増えるため、排気ガスの浄化効率が向上する。
なお、乱流を発生させるという観点では、第2孔部間範囲90の被膜の厚さを、第1孔部間範囲88の被膜の厚さよりも厚くしてもよい。要するに、担体42の内表面が、上流側から下流側にわたって少なくとも厚さが不均一である被膜で覆われていればよい。本明細書において、厚さが不均一であるというのは、最も厚い被膜の厚さと最も薄い被膜の厚さとが3%以上異なることをいう。
[5.触媒装置36の製造方法]
図12に示されるように、波板54の両面に平板52を重ねた積層体50の中央部分Cを支持具で支持しつつ、支持具を回転させて中央部分Cを一方向Rに回転させることにより、中心から径方向に積層体50が重ねられた担体42が形成される。この際、平板52と波板54とをろう付けし、担体42を略円柱形状にする。
なお、積層体50は、複数の平板52と複数の波板54とが交互に積層された複数層であってもよい。また、前述した特開2014−147879号公報に示されるように、積層体50の端部を支持具で支持しつつ、支持具をR方向に回転させて担体42を形成してもよい。
次に、略円柱形状の担体42を、外筒44に挿入し、担体42と外筒44とをろう付けする。
次に、触媒物質を含む粘性の高い混合液を担体42の一端部42a側に配置し、他端部42b側の気圧を一端部42a側の気圧よりも低くして圧力差を発生させる。すると、混合液は、他端部42b側に吸引されるため、一端部42a側からハニカム状の担体42の内部に浸入する。混合液は、担体42の内部を通過する際に、平板52と波板54の表面に接触しつつ他端部42b側に吸引される。その結果、担体42の内表面(平板52と波板54の表面)は、触媒物質を含む被膜で覆われる。孔64の下流側(他端部42b側)を覆う被膜の厚さは、孔64の上流側(一端部42a側)を覆う被膜の厚さよりも厚くなる。
被膜の厚さに差が生じるメカニズムは次のように考えられる。担体42に一端部42aから他端部42bに向かう気流が発生すると、その気流に乱流が発生して部分的によどみが発生する。気流によどみが発生すると、担体42の内部で触媒物質を含む粘性の高い混合液の吸引が弱くなる部分が発生する。すると、その部分の被膜の厚さが相対的に厚くなる。
3%以上の被膜厚さ差を形成するためには、担体42の内部で特によどみを発生させることが必要である。そのためには、孔64の大きさを大きくすることが有効である。特に、孔64の直径2aを、互いに隣接する2つの孔64の端部間の距離bの2倍以上大きくする、すなわち2a>2bという条件を満たすようにするとよい。上述した実施形態においては、孔64の直径2aは8.0mmであり、互いに隣接する2つの孔64の端部間の距離bは3.0mmであり、2a>2bの条件を満たしている。
孔64の上流側(一端部42a側)を覆う被膜の厚さを、孔64の下流側(他端部42b側)を覆う被膜の厚さよりも厚くする場合は、一端部42a側の気圧を他端部42b側の気圧よりも低くすればよい。孔64の直径2aが、互いに隣接する2つの孔64の端部間の距離bよりも大きいと、上述した混合液の吸引により担体42内に乱流が発生する。その結果、厚さが不均一である被膜が形成される。
[6.実施形態から得られる発明]
上記実施形態から把握しうる発明について、以下に記載する。
本発明は、
金属箔状の平板52と波板54とが重ねられて巻かれることにより形成され、かつ、触媒を担持する担体42と、
担体42を内部に収容すると共に、担体42の一端部42aを排気ガスの上流側に向け、担体42の他端部42bを排気ガスの下流側に向けて、担体42を支持する外筒44と、
を備える触媒装置36であって、
平板52および波板54は、複数の孔64を有し、かつ、触媒物質を含む厚さが不均一である被膜で覆われる。
上記構成によれば、担体42の内表面を覆う被膜の厚さが不均一であるため、担体42の内部で排気ガスの乱流が発生し、排気ガスと触媒との接触が行われ易くなる。すると、排気ガスの浄化が促進されるため、排気ガスの浄化を効率よく行うことができる。
本発明において、
孔64の下流側を覆う被膜の厚さが、孔64の上流側を覆う被膜の厚さよりも厚くてもよい。
上記構成によれば、孔64の下流側を覆う被膜の厚さが、孔64の上流側を覆う被膜の厚さよりも厚いため、孔64の前後で排気ガスの乱流が発生し、排気ガスと触媒との接触が行われ易くなる。すると、排気ガスの浄化が促進されるため、排気ガスの浄化をより効率よく行うことができる。
本発明において、
孔64の上流側を覆う被膜の厚さが、孔64の下流側を覆う被膜の厚さよりも厚くてもよい。
上記構成によれば、孔64の上流側を覆う被膜の厚さが、孔64の下流側を覆う被膜の厚さよりも厚いため、孔64の前後で排気ガスの乱流が発生し、排気ガスと触媒との接触が行われ易くなる。すると、排気ガスの浄化が促進されるため、排気ガスの浄化をより効率よく行うことができる。
本発明において、
最も厚い被膜の厚さと最も薄い被膜の厚さとが3%以上異なるようにするとよい。
上記構成によれば、担体42の内部で排気ガスの乱流を発生させることができる。
本発明において、
複数の孔64は、平板52および波板54が担体42にされる前の平坦状態において、担体42の軸線方向と平行する第1方向D1に沿って整列して複数の第1列66を形成すると共に第1方向D1と直交する第2方向D2に沿って整列して複数の第2列68を形成し、
互いに隣接する2つの第2列68のうち、一方の第2列68上の孔64と、他方の第2列68上の孔64は、第2方向D2からみて、互いに離間するようにしてもよい。
上記構成によれば、第2列68上の孔64が集合して孔部80が形成され、軸線方向に沿って孔部形成範囲82と第1孔部間範囲88と第2孔部間範囲90が交互に形成される。この並びのうち、第1孔部間範囲88に形成される被膜の厚さは、第2孔部間範囲90に形成される被膜の厚さよりも厚くなるため、排気ガスの乱流が発生しやすくなる。
なお、本発明に係る触媒装置は、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

Claims (5)

  1. 金属箔状の平板(52)と波板(54)とが重ねられて巻かれることにより形成され、かつ、触媒を担持する担体(42)と、
    前記担体(42)を内部に収容すると共に、前記担体(42)の一端部(42a)を排気ガスの上流側に向け、前記担体(42)の他端部(42b)を排気ガスの下流側に向けて、前記担体(42)を支持する外筒(44)と、
    を備える触媒装置(36)であって、
    前記平板(52)および前記波板(54)は、複数の孔(64)を有し、かつ、触媒物質を含む厚さが不均一である被膜で覆われる、触媒装置(36)。
  2. 請求項1に記載の触媒装置(36)であって、
    前記孔(64)の下流側を覆う前記被膜の厚さが、前記孔(64)の上流側を覆う前記被膜の厚さよりも厚い、触媒装置(36)。
  3. 請求項1に記載の触媒装置(36)であって、
    前記孔(64)の上流側を覆う前記被膜の厚さが、前記孔(64)の下流側を覆う前記被膜の厚さよりも厚い、触媒装置(36)。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の触媒装置(36)であって、
    最も厚い前記被膜の厚さと最も薄い前記被膜の厚さとが3%以上異なる、触媒装置(36)。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の触媒装置(36)であって、
    複数の前記孔(64)は、前記平板(52)および前記波板(54)が前記担体(42)にされる前の平坦状態において、前記担体(42)の軸線方向と平行する第1方向(D1)に沿って整列して複数の第1列(66)を形成すると共に前記第1方向(D1)と直交する第2方向(D2)に沿って整列して複数の第2列(68)を形成し、
    互いに隣接する2つの前記第2列(68)のうち、一方の前記第2列(68)上の前記孔(64)と、他方の前記第2列(68)上の前記孔(64)は、前記第2方向(D2)からみて、互いに離間する、触媒装置(36)。
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