JP2015029928A

JP2015029928A - 触媒コンバータ

Info

Publication number: JP2015029928A
Application number: JP2013159340A
Authority: JP
Inventors: 井上　勝文; Katsufumi Inoue; 勝文井上; 裕弘三田; Yasuhiro Mita
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2015-02-16

Abstract

【課題】内燃機関の排気ガス浄化用のメタル担体の熱応力を軽減して触媒効率を向上させる触媒コンバータの提供。【解決手段】触媒コンバータは、長目方向と短目方向とを有する金属製の網目状箔５１、５２に白金、パラジウム、ロジウム等の触媒を担持しつつ短目方向に円筒形状に巻回して形成したメタル担体５０と、ケース３０とメタル担体５０との間に配設された断熱性素材から構成される保持マット４０とを備える。網目状箔５１、５２の長目方向を円筒軸方向（排気流れ方向）に配置するので径方向の熱伸びが小さくなり、メタル担体５０の熱応力が緩和されてメタル担体５０の耐久性が向上する。また、断熱性の保持マット４０を備えるので、メタル担体５０の放熱が抑えられて触媒反応効率が向上する。【選択図】図２

Description

本発明は、自動車等に用いられる内燃機関の排気ガスを浄化するメタル担体を備える触媒コンバータに関するものである。

一般的に自動車等のエンジンの排気系には、排気ガスを浄化するための触媒コンバータが配置されている。この触媒コンバータとして、金属製の網目状箔（エキスパンドメタル）に触媒を担持させて、この網目状板と波状板とを重ね合わせ、これらを巻回して形成したメタル担体を用いるものが知られている。（特許文献１参照）。

特開平０４−１０４８３９号公報

特許文献１に記載の触媒コンバータは、エキスパンドメタルのスリットの切断方向がハニカム構造体の巻き取り方向でかつスリットの伸展の方向が軸方向となっている。すなわち、長目方向が軸方向と直角の方向となっている。

メタル担体は、高温の排気が接触し、また触媒の反応熱が発生するので、熱膨張する。このとき、エキスパンドメタルの長目方向が軸方向と直角である場合は、軸方向よりも径方向がより膨張する。ここで、メタル担体と触媒ケースとの間に断熱性の保持マットを備えた場合は、メタル担体の熱膨張により保持マットが圧縮されて劣化する。その結果、メタル担体を保持するための保持マットの保持力が低下して、触媒ケースからメタル担体が外れてしまう。そのため、メタル担体を保持マットにより保持することができないという問題があった。

また、熱膨張によってメタル担体が変形し、メタル担体自体の耐久性が低下するという問題があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、メタル担体の熱応力を軽減して、メタル担体の耐久性を向上させる触媒コンバータを提供することを目的とする。

本発明のある実施態様によると、長目方向と短目方向とを有する金属製の網目状箔を円筒形状に巻回して形成されるメタル担体に触媒を担持させたメタル担体を備え、網目状箔の長目方向が、排気の流れ方向に配置されていることを特徴とする。

本発明によると、メタル担体は、網目状箔の長目方向が排気の流れ方向に配置されているので、メタル担体の径方向の熱伸びを小さくすることができる。このため、メタル担体の熱応力が緩和されて、メタル担体の耐久性が向上する。さらに、メタル担体の径方向外側に、例えば断熱性の保持マットを備えることができるので、メタル担体の放熱が抑えられて、触媒反応効率が向上する。

本発明の実施形態のエンジンの吸排気系の説明図である。本発明の実施形態の触媒コンバータの説明図である。本発明の実施形態のメッシュ材の説明図である。本発明の実施形態のメタル担体の組立て方法を示す説明図である。本発明の実施形態のメッシュ材の熱伸びを示す説明図である

以下に、本発明の実施形態の触媒コンバータについて図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施形態の触媒コンバータ１０を備えるエンジン２０の吸排気系の説明図である。

エンジン２０は、吸気管２１からの空気が導入され、この空気と燃料とを混合した混合気をシリンダ内で爆発的に燃焼させることにより回転エネルギーを発生する。燃焼後の排気は、マニホルド２２から排気管２３へと流れ、消音器２４を経由してエンドパイプ２５から排出される。

排気管２３には触媒コンバータ１０が備えられる。触媒コンバータ１０は、メタル担体５０を備え、メタル担体５０の表面に貴金属粒子等からなる触媒を担持させることにより、排気中の未燃焼成分や窒素酸化物等を、窒素、二酸化炭素、水等の無害な物質へと酸化、還元する。触媒としては、例えば、白金、パラジウム、ロジウム等が用いられる。

図２は、本発明の実施形態の触媒コンバータ１０の説明図である。

触媒コンバータ１０は、略円筒形状のケース３０に、メタル担体５０が収装されて構成される。メタル担体５０は、後述するように、網目状に形成された金属素材である網目状箔からなるメッシュ材５１と、網目状に形成された金属素材である網目状箔を波形形状に加工したメッシュ材５２とを巻回して、略円筒形状に形成される。

ケース３０とメタル担体５０との間には断熱性の保持マット４０が備えられている。保持マット４０は、ケース３０の内側にメタル担体５０を保持する。

保持マット４０は、例えばセラミックスやグラスウール等からなる断熱性の素材から構成される。保持マット４０は、メタル担体５０を外周側から包み込んでメタル担体５０の形状を維持することにより、メタル担体５０を保持し、破損防止をする。

保持マット４０は、ケース３０とメタル担体５０との間を断熱することにより、外気に晒されるケース３０によりメタル担体５０の温度が下がることを抑制して、触媒効率を高める。

メタル担体５０は、その外周に保持マット４０を備えた状態でケース３０に圧入され、保持マット４０の弾性によってメタル担体５０がケース内部に保持される。

メッシュ材５２は、短目方向に波加工され、波形の溝方向が排気の流れ方向に配向される。これにより、メッシュ材５１と同じくメッシュ材５２に排気ガスが多面的に接触してメタル担体５０における排気の流れをメタル担体５０のガス流れ方向前側から後側に導く。

次に、本実施形態のメタル担体５０の構造を説明する。

図３は、本発明の実施形態のメタル担体５０を構成するメッシュ材５１及びメッシュ材５２の説明図である。図３（Ａ）はメッシュ材５１及びメッシュ材５２の上面図を示し、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の要部を拡大した図である。

メッシュ材５１及びメッシュ材５２は、網目状箔（エキスパンドメタル）によって構成される。網目状箔とは、薄板の金属箔に等間隔に切れ目を形成し、これを押し広げることにより規則正しい網目形状が形成されたものである。

図３（Ａ）に示すように、メッシュ材５１及びメッシュ材５２は、細線（ストランド）により連結され多数の菱形状の開口を有する網目状箔として構成されている。この菱形状の開口は長目方向と短目方向を有する。後述するように、メッシュ材５１及びメッシュ材５２は、メタル担体５０において、長目方向が排気の流れ方向（矢印で示す）となるように配向される。なお、メッシュ材５２は、この図３に示す網目状箔に、その溝方向がガス流れ方向となるように、さらに波形形状の凹凸が形成される。

図３（Ｂ）は、メッシュ材５１及びメッシュ材５２の要部の拡大図であり、メッシュ材の上面図と側面図とを示す。

メッシュ材５１及びメッシュ材５２は、斜め方向に延びるストランド部７１とストランド部７１同士を連結するボンド部７２とにより構成される。

ストランド部７１は、長目方向にはボンド部７２において鈍角で連結し、短目方向には、ボンド部７２において鋭角で連結する。なお、ストランド部７１の長目方向と短目方向との比率は、例えば１．５：１とする。

メッシュ材５１は、側面から観察すると、屈曲した構造となっている。この構造により、流通する排気が各々のストランド部７１に当ることで乱流が発生し、メッシュ材５１に担持された触媒に接触する機会を増加させて、反応境界層の発達を抑制し、排気浄化効率を向上させる働きがある。

図４は、本発明の実施形態のメタル担体５０の組立て方法を示す。

メタル担体５０は、網目状に形成された金属素材である網目状箔からなるメッシュ材５１と、網目状に形成された金属素材である網目状箔を波形形状に加工したメッシュ材５２とを積層し、これらが巻回されて構成される。

メタル担体５０は、メッシュ材５１とメッシュ材５２とを積層しその一辺を始点として円筒形状に巻回された後、ウォッシュコート等により貴金属からなる触媒を担持させる。

このとき、メッシュ材５１は、長目方向が排気の流れ方向（矢印で示す）に配向される。メッシュ材５２は、溝方向がガス流れ方向に配置される。

このようにして構成されたメタル担体５０は、図２に示すように、その外周に保持マット４０が備えられる。

このようにして保持マット４０が備えられたメタル担体５０を、ケース３０に圧入する。保持マットにより、メタル担体５０をケース３０の内面に保持することができる。

このように構成された本発明の実施形態の触媒コンバータは、次のような効果を有する。

本発明によるメタル担体５０は、従来用いられているセラミックス製の担体と比較して、重量を軽くでき、振動や衝撃に対する耐久性が高いという利点がある。一方で、一般的にメタル担体は熱膨張率が大きいためこれを緩和する対策が必要となる。

本発明の実施形態において、メッシュ材５１は、図４に示すように、長目方向が排気の流れ方向となるように配向される。これにより、排気の熱及び触媒との反応熱によりメッシュ材５１が熱膨張した場合には、長目方向には熱伸びするが、短目方向の熱伸びは小さい。また、網目状箔からなるメッシュ材５２は、波形形状及び網目を有するので、熱膨張による径方向の熱伸びが緩和される。

図５は、本実施形態のメッシュ材５１の熱伸びを示す説明図である。

図５に示すように、ストランド部７１が熱膨張により熱伸びした場合に、長目方向が短目方向よりも熱伸びする。短目方向には熱伸びが小さいだけでなく、メッシュ材５１と波形形状を有するメッシュ材５２とが共に巻回されているので、径方向に大きく熱伸びすることがなくなる。

このように短目方向の熱伸びが小さくなることにより、メタル担体５０の径方向の熱伸びを小さくすることができる。これにより、温度変化によるメタル担体５０の径方向の変化が小さくなるので、メタル担体５０とケース３０との間に保持マット４０を備えたとしても、保持マット４０に加わる応力を小さくできる。保持マット４０に加わる応力を小さくすることができることで、保持マット４０の耐久性、寿命を向上することができる。また、メタル担体５０がケース３０から脱落することを防げると共に脱落寿命を向上させることができる。

以上のように、本発明の実施形態では、長目方向と短目方向とを有する金属製の網目状箔に触媒を担持させ、これを円筒形状に巻回して形成されるメタル担体５０と、メタル担体５０を収装するケース３０と、ケース３０とメタル担体５０との間に介装され、メタル担体５０をケース３０に保持する保持マット４０と、を備え、メッシュ材５１の長目方向を排気流れ方向に配向した。このように構成したことにより、メタル担体５０の径方向の熱伸びを小さくすることができ、メタル担体５０とケース３０との間に保持マット４０を備えることが可能となる。

保持マットは断熱性を有するので、外気に晒されるケース３０と高温となるメタル担体５０とを断熱することができる。これにより、メタル担体５０の温度変化が抑えられて、触媒効率が向上し、熱応力によるメタル担体５０の寿命の低下も抑制される。

また、メタル担体５０は、メッシュ材５１とメッシュ材５２とを積層して巻回して形成される。メッシュ材５２の波形形状により熱応力が緩和されて、メタル担体５０の寿命の低下が抑制される。

また、ケース３０とメタル担体５０とは、例えばろう付けにより接合することなく保持マット４０により固定することができる。これによりろう付けを行う工数が削減されて触媒コンバータ１０の製造コストを抑えることができる。さらに、ケース３０にメタル担体５０を挿入した後にもケース３０の加工を行うことが可能となる。例えば、ケース３０の軸方向端部をスピニング加工等により絞り加工して、ディフューザとしてケース３０と一体に形成することができる。これにより、別に形成したディフューザを溶接する必要がなくなる。

次に、本発明の実施形態の変形例について説明する。

前述のように、本発明の実施形態では、メタル担体５０を、網目状箔（エキスパンドメタル）のメッシュ材５１、５２により構成した。このメッシュ材５１、５２は、エキスパンドメタルではなく、パンチングメタルであってもよい。

具体的には、メッシュ材５１、５２は、薄板の金属箔に、図３（Ａ）に示すようなひし形の穿孔を、所定の切り返しパターンで形成することによって構成される。このように構成することにより、図３（Ａ）の網目状箔と同様のメッシュ材５１、５２が形成される。

このようにメッシュ材５１、５２をパンチングメタルによって構成した場合においても、図４に示すように、メッシュ材５１、５２が、長目方向が排気の流れ方向となるように配向される。これにより、排気の熱及び触媒との反応熱によりメッシュ材５１、５２が熱膨張した場合には、長目方向には熱伸びするが、短目方向の熱伸びは小さい。また、メッシュ材５１、５２は、波形形状及び網目を有するので、熱膨張による径方向の熱伸びが緩和される。

なお、パンチングメタルは、エキスパンドメタルと比較して、側面から観察した場合に屈曲が小さい。しかしながら、穿孔を形成する際のバリや凹凸が形成されるため、流通する排気がこのバリや凹凸に当ることで乱流が発生し、メッシュ材５１、５２に担持された触媒に接触する機会を増加させて、反応境界層の発達を抑制し、排気浄化効率が向上する。

なお、本発明の触媒コンバータ１０は自動車に限定されるものではなく、さまざまな内燃機関の排気の浄化に用いることができる。

また、本発明の実施形態では、メタル担体５０を、メッシュ材５１及びメッシュ材５２によって構成したが、メッシュ材５１及びメッシュ材５２の少なくとも一方が網目状箔以外の構成であってもよい。例えば平板の薄板に多数の穿孔（円形、矩形）を施したものを用いてもよい。

１０触媒コンバータ
２０エンジン
３０ケース
４０保持マット
５０メタル担体
５１メッシュ材（網目状箔）
５２メッシュ材（網目状箔）
７１ストランド部
７２ボンド部

Claims

長目方向と短目方向とを有する金属製の網目状箔に触媒を担持させ、これを円筒形状に巻回して形成されるメタル担体を備え、
前記網目状箔の長目方向が、円筒軸方向に配置されていることを特徴とする触媒コンバータ。
請求項１に記載の触媒コンバータであって、
前記メタル担体は、波板の箔と平板の箔とが積層され、前記波状の箔及び前記板状の箔の少なくとも一方が、前記網目状箔であり、
積層された前記波状の箔及び平板の箔を巻回して形成されていることを特徴とする触媒コンバータ。
請求項１に記載の触媒コンバータであって、
前記メタル担体を収装するケースと、
前記ケースと前記メタル担体との間に介装され、前記メタル担体を前記ケースに保持する保持マットと、を備えることを特徴とする触媒コンバータ。
請求項１に記載の触媒コンバータであって、
前記網目状箔は、エキスパンドメタルで構成されていることを特徴とする触媒コンバータ。
請求項４に記載の触媒コンバータであって、
前記エキスパンドメタルは、前記長目方向と同一方向に切れ目が形成され、
前記切れ目を拡大することにより前記網目が構成されることを特徴とする触媒コンバータ。