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JPH076381B2 - 触媒コンバ−タ - Google Patents
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JPH076381B2 - 触媒コンバ−タ - Google Patents

触媒コンバ−タ

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JPH076381B2
JPH076381B2 JP60162196A JP16219685A JPH076381B2 JP H076381 B2 JPH076381 B2 JP H076381B2 JP 60162196 A JP60162196 A JP 60162196A JP 16219685 A JP16219685 A JP 16219685A JP H076381 B2 JPH076381 B2 JP H076381B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、自動車用内燃機関の排気系統に使用する触媒
コンバータに関し、特に概ね正弦曲線状の側縁によつて
画定された区域にあるセラミツク単一体の側面に取付け
圧力が加えられるように、概ね正弦曲線状の側縁を有す
る弾性のあるたわみ性の、泡沸性のシートによつて確実
にしかも弾力的にケーシング内に装てんされる単一体の
触媒エレメントを備えた金属ケーシングを有する形式の
触媒コンバータに関する。
従来の技術 触媒コンバータは、大気汚染を抑制するため、自動車の
排気中の一酸化炭素および炭化水素の酸化ならびに窒素
酸化物の低減にあまねく使用される。これらの触媒作用
中に遭遇する比較的高い温度のため、セラミツクは触媒
の担体として自然選択とされてきた。特に有用な担体
は、例えば米国再発行特許第27,747号に記述されている
ようなセラミツクのハニカム構造体によつて得られる。
発明が解決しようとする問題点 セラミツクの物体は、こわれ易く、かつ熱膨張係数を金
属、通常はステンレス鋼、の容器と著しく相違させる傾
向を有する。したがつて、容器内のセラミツク本体の取
付け装置は、衝撃と振動とによる機械衝撃と、熱サイク
ルによる熱衝撃とに対する抵抗を提供しなければならな
い。熱衝撃および機械衝撃の両者はセラミツク担体の劣
化を生ずる可能性があり、いつたん始まると急速にそれ
が早まり、ついにはこの装置を無用なものにさせる。こ
れらの目的のための取付け材料として有用であることが
分つている泡沸性のシートが米国特許第3,916,057号、
同第4,305,992号および英国第1,513,808号に開示されて
いる。
上記の泡沸性のシート材料が可成の圧力を触媒コンバー
タのセラミツク単一体に及ぼすことが分つている。これ
らの圧力は、泡沸性のシート材料のせん断係数、摩擦係
数および熱膨張係数ならびに容器の軸線方向の熱膨張と
結合して、セラミツク単一体の内部にひび割れを生じさ
せることがある。これらのひび割れは「リング・オフ
（ring off）」ひび割れと称され、通常は単一体の中心
付近でガスの流れに垂直に発生する。ひどい場合には、
セラミツク単一体が完全に２片に切断される。
現在利用可能な材料を使用すれば、触媒コンバータの正
常な作動状態の間セラミツク単一体を適所に保持するた
めには、0.6g/cm３という最小の取り付け、即ち充てん
密度の泡沸性のシート材料が必要となる。しかしなが
ら、セラミツク単一体の寸法公差（±1.02mm）、金属ケ
ーシングの寸法公差（±0.5mm）および泡沸性のシート
材料の公差（±10％重量／面積）とのため、取付け密度
はしばしば最小取付け密度の２〜2.5倍、即ち1.2〜1.5g
/cm３となることがある。これらの高い取付け密度状態
で、かつ高い作動温度においては、セラミツク単一体の
リング・オフひび割れが極めて規則的に発生する。デイ
ーゼル機関の粒子フイルタの場合におけるごとくセラミ
ツク単一体が本来的に弱体であれば、更に強い通常のセ
ラミツク触媒基体を取り付けるために用いられるよりも
更に低い取付け密度でリング・オフひび割れが発生す
る。デイーゼル機関の粒子フイルター単一体におけるリ
ング・オフひび割れは、これを無用なものにする。現在
利用できる形式の泡沸性のシート材料が、特に壊れ易い
デイーゼル機関の粒子フイルタのセラミツク物体に過大
な力を及ぼす可能性があることは明らかである。しかし
ながら、泡沸性のシートの取付け密度が減少してリング
・オフひび割れを除去すると、セラミツク単一体の担体
はそれで不適当なものとなり、振動と熱衝撃との影響に
より破局的な損傷が生じることがある。
問題点を解決するための手段 セラミツク単一体、特にデイーゼル機関の粒子フイルタ
のセラミツク本体、のリング・オフひび割れを減らす、
または除去するための努力は、米国特許第4,385,135号
に開示してあるような、特別な低密度のたわみ性の、泡
沸性のシート材料の使用を含む。
概ね正弦曲線状の側縁を備えた通常の泡沸性のシートを
利用することにより、セラミツク単一体に作用する力が
和らげられ、単一体の有害なリング・オフひび割れを防
止し得ると同時に、触媒コンバータの作動に固有の熱と
振動との状態に抗するのに充分な力を、より低い取付け
密度で働かせることが思いがけなく見いだされている。
実施例および作用 図面を参照すると、触媒コンバータ10は、概ね円すい台
状の入口端12と出口端13とをそれぞれ備えた金属ケーシ
ング11を含む。ケーシング11内には、セラミツクのよう
な耐火材料で形成され、かつ貫通する複数のガス流路
（図示せず）を有する単一体触媒エレメント20が配設さ
れる。膨張によつて触媒エレメント20をケーシング11内
の本来の位置にぴつたりと、しかも弾力的に支持する作
用をする弾力的なたわみ性、泡沸性の取付けシートのシ
ート30が触媒エレメント20を取り巻く。次に、膨張した
シートは触媒エレメント20をケーシング内の適所に保持
し、触媒エレメントの周縁を密封して、排気が触媒エレ
メントをバイパスするのを防止する。
触媒コンバータの作動中、組立て体の温度は上昇し、金
属容器とセラミツク単一体との間の半径方向のギヤツプ
は、金属容器の高い熱膨張係数の大きさの程度により増
大する。かく離後のシートの熱安定性と弾性は、金属容
器とセラミツク基体との熱膨張の差、壊れ易い装置に伝
達される振動、および金属またはセラミツクの表面の凹
凸を補償する。
しかしながら、泡沸性のシートの高温時の圧縮弾性率と
せん断弾性率がある値を超えた場合、軸線方向の熱膨張
の差がセラミツク単一体に有害な影響を与えることがあ
る。金属容器がセラミツク単一体に対し膨張すると、特
につかみ圧力と摩擦係数がいずれも高い場合、泡沸性の
シートがせん断するか、またはひずみおよび応力のセラ
ミツク単一体への伝達を最小限とするために他の何等か
の方法を見いだす必要がある。
次に、金属ケーシング11とセラミツク触媒エレメント20
との間の軸方向の膨張の差によつてもたらされる熱応力
およびその他の応力に耐えるセラミツク触媒エレメント
20の能力に対して、泡沸性のシート30の側縁の形状が重
要な影響を及ぼし得ることが見出されている。
各種のシート形状が、軸線方向における金属ケーシング
の膨張の差に順応し、それによつてセラミツク触媒エレ
メントへの応力とひずみとの伝達を最小にする効力を測
定するために試験された。試験された形状は、(a)セラ
ミツク単一体の側面を被う長方形、(b)セラミツク単一
体の側面の端部のみを被う長方形、(c)各側縁に沿つて
位相180゜異にする正弦波の正弦曲線、(d)波形が平行と
なるように各側縁に沿つて位相を同じくする正弦波の正
弦曲線、(e)泡沸性のシートの全体にわたつて円形部分
を取り除かれた有効長方形シートおよび(f)平行なジグ
ザグ模様をつくる同位相の正弦波の概ね正弦曲線状の形
状であつた。
用語「正弦曲線」または「概ね正弦曲線」は、ここで
は、図面の第３図と第４図に示すシート形状を含むもの
とする。第３図のシート30の波形が真の正弦波であるこ
と、第４図のシート40の波形が、実際上、通常の曲線か
ら成る側縁ではなく直線状のの傾斜した側縁41を備える
正弦波であることは、図面を見れば明らかである。しか
しながら、シート40の直線状の傾斜した側縁41は、（第
４図に破線で示す）真の正弦波の「正常な」曲線から成
る側縁42から僅かに逸れるに過ぎないことがわかる。
これらの試験の結果、泡沸性のシートの好適な形態が、
セラミツク触媒エレメントのまわりに巻かれた際に、概
ね正弦波状のパターンに波形を前記セラミツク触媒エレ
メントの軸線に対して垂直な方向の両側縁に沿って付与
された細長いシートであり、波形が概ね平行で規則的で
あり、2.44から4.88の範囲の周長対周波数の比率および
シートの幅の12から50％の範囲の振幅を有するほぼ等し
い山と谷とから成るものであることが分つている。用語
「周長対周波数の比率」は、ここでは、泡沸性の取付け
シートの一方の側縁に沿つた正弦波の全体に波の数を意
味する。泡沸性のシート30の制限曲線状の側縁は、泡沸
性のシートが、ケーシング11内に触媒エレメント20をぴ
つたりと、しかし弾力的に支えるに充分なだけ更に膨張
することができるが、軸線方向の熱膨張応力の差を広い
面積にわたり分散させて、このようにして伝達されたひ
ずみと応力をセラミツクの引張強さ以下に保持するよう
に作用するように、ベクトル力を分配するように機能す
ることは明らかである。関連の作動機構は確実に分つて
いないが、本発明の正弦曲線状の側縁を備えた泡沸性の
シートを用いて得られた結果は、1.3g/cm３の取付け密
度を必要とする触媒コンバータにおいてさえリング・オ
フひび割れが認められなかつた点で全く目覚ましいもの
であるから、異なつた膨張力が有効に調和されているこ
とは明らかである。
金属容器に取り付けられたセラミツク触媒エレメントの
リング・オフひび割れを防止するための、泡沸性のシー
ト材料の種々の側縁形状の能力を確定するため、一つの
試験が案出された。これらの試験に対して、泡沸性のシ
ート材料は、英国特許第1,513,808号に従つて作られた
標準的な最新の泡沸性のシート材料であつた。金属容器
はステンレス鋼の容器（内径123.4mm）であり、セラミ
ツク触媒エレメントは長さ152.4mm×直径118mmの標準的
な円筒状のセラミツク・コアであつた。セラミツク基体
は試験用泡沸性のシート材料で包まれ、種々の取付け密
度で容器に取り付けられ、排気シミユレータ（アール・
ピー・エス・エンジニアリング社（RPS Engineering C
o.）製）に接続された。プロパン燃料を使用する排気シ
ミユレータは、950℃の入口ガス温度および0.6514m3/mi
n（23SCFM）の流量の下で10分間作動される。950゜で10
間経過後、プロパン・ガスは遮断され、室内空気が2.03
9m3/min（72SCFM）の流量で導入される。この空気の流
れは、容器の温度が約38℃に下降するまで続けられる。
次に、このユニツトは分解され、基体はひび割れについ
て検査される。
この試験データは、匹敵できる面積の通常の長方形の泡
沸性のシートを使用してリング・オフひび割れを生じた
比較的高い取付け密度に対してすら、本発明の正弦曲線
状の側縁のシートが、セラミツク単一体のリング・オフ
ひび割れを防止したことを示している。
自動車における実際の使用状況をシミユレートするた
め、コンバータ取付け装置の高温振動ならびに水中急冷
の試験が自動車会社によつて行われる。この試験は、長
円形の基体（長さ11.8cm×幅15.24cm×高さ7.6cm）を試
験用泡沸性の取付け材料で包むこと、予め取付け隙間を
約2.6mmにとつた二つの金属製の二枚貝形式の容器の各
半体の間に前記包まれた基体を置くことから成る。容器
の各半体は一緒に押圧され、かつ容接されてコンバータ
組立体を完成する。このコンバータ組立体は、排気温度
を600℃に調整した状態で、30分間、８気筒のエンジン
の排気に接続される。高温のコンバータは水で30分間急
冷され、30分間再加熱される。急冷および加熱のサイク
ルは、20回繰り返される。水中急冷試験後、コンバータ
は、ウンホルツ・デイツキー（Unholtz‐Dicky）・バイ
ブレータ内に設置され、再び８気筒のエンジンに接続さ
れる。次に、試験用コンバータは、１）５時間610℃、
２）５時間、677℃、３）５時間、760℃で、28Gで100Hz
で振動される。取付け材料の破損は、前述の水中急冷サ
イクルおよび（または）振動回数の完了前、容器内のセ
ラミツク基体のリング・オフひび割れを生じさせる。
コンバータ組立体内の取付け材料の取付け密度が、使用
される取付けシート材料の質量（重量／面積）と共に取
付け隙間の関数であることが認められる。マツトの保持
力は取付け密度に比例し、取付け密度が低過ぎると装置
の破損が生ずることがある。したがつて、セラミツク単
一体の十分な保持を確実にする取付け密度が用いられ
た。リング・オフひび割れを抑制する能力について、本
発明によるマツトと通常の長方形マツトを試験するた
め、水中急冷／高温振動試験が行われた。試験されたマ
ツトの中で、4.88という好適な周長対周波数比率の本発
明の正弦曲線状側縁のシートを取り付けた５組のコンバ
ータ組立体にはリング・オフひび割れが認められなかつ
た。対照的に、長方形の形状を有する同様のマツトを取
り付けた４組のコンバータ組立体の中の２組にリング・
オフひび割れが発生した。
長手方向の両側縁に沿つて概ね正弦波状のパターンに波
形を付与された弾力的なたわみ性の、泡沸性の取付けシ
ートの使用によつて得られる有益な効果は、単一体の側
面の概ね正弦曲線状の側縁に囲まれる区域に取付け圧力
が作用するように、金属ケーシングに同様なパターンを
エンボス加工し、またはケーシング内にはまる同様な形
状の挿入物を提供し、またはセラミツク触媒エレメント
自体の側面に上記のパターンを成形するか、他の方法で
設けることによつて達成できることは、当業者にとつて
直ちに明らかとなる。これらの変更構造体において、通
常の長方形の取付けシートがセラミツク触媒エレメント
の周りに巻き付けられ、金属ケーシングのエンボスまた
は挿入物またはセラミツク触媒エレメントの突起は、泡
沸性のシートの正弦曲線状の側縁が触媒コンバータ10内
にベクトル力を分配するように機能するのと同様に機能
する。
【図面の簡単な説明】
第１図は分解した関係で示す本発明の触媒コンバータの
金属ケーシングの外殻の斜視図、第２図は第１図の触媒
コンバータの平面図、第３図は長手方向の側縁に沿つて
概ね正弦波状のパターンに波形を付与された第２図の弾
力的でたわみ性の、泡沸性の取付けシートの平面図およ
び第４図は概ね正弦曲線状の波形の別の形態を示す別の
取付けシートの平面図である。 図において、 10:触媒コンバータ、30:泡沸性のシート 11:金属ケーシング、40:泡沸性のシート 12:入口端、41:直線状の傾斜した側縁 13:出口端 20:触媒エレメント、42:正弦曲線状の側縁

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】金属ケーシング、前記ケーシング内に配置
    された単一の固体セラミックの触媒エレメント、前記触
    媒エレメントを位置決めし、かつ機械的および熱的な衝
    撃を吸収するため前記触媒エレメントと前記金属ケーシ
    ングとの間に配置された弾力装置を有する形式の触媒コ
    ンバータにおいて、前記弾力装置が、前記触媒エレメン
    トのまわりに巻かれた際に、概ね正弦波状のパターンに
    波形を前記触媒エレメントの軸線に対して垂直な方向の
    両側縁に沿って付与された可撓性の、泡沸性の、平たん
    なシートであり、前記波形が概ね平行で規則的であり、
    前記各側縁における全体の波の数が2.44から4.88の範囲
    にあることを特徴とする触媒コンバータ。
  2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載の触媒コンバ
    ータにおいて、前記可撓性の、泡沸性の、平たんなシー
    トの波形が正弦波であり、前記各側縁における全体の波
    の数が4.88であり、前記波形が前記シートの幅の約25％
    の振幅を有することを特徴とする触媒コンバータ。
  3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項に記載の触媒コンバ
    ータにおいて、前記可撓性の、泡沸性の、平たんなシー
    トの波形が正弦波であり、前記各側縁における全体の波
    の数が2.44であり、前記波形が前記シートの幅の約25％
    の振幅を有することを特徴とする触媒コンバータ。
  4. 【請求項４】特許請求の範囲第１項に記載の触媒コンバ
    ータにおいて、前記可撓性の平たんなシートの波形が直
    線状の傾斜した側縁を備える正弦波であり、前記各側縁
    における全体の波の数が4.88であり、前記波形が前記シ
    ートの幅の約25％の振幅を有することを特徴とする触媒
    コンバータ。
JP60162196A 1984-09-13 1985-07-24 触媒コンバ−タ Expired - Lifetime JPH076381B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/650,167 US4617176A (en) 1984-09-13 1984-09-13 Catalytic converter for automotive exhaust system
US650167 1984-09-13

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Publication Number Publication Date
JPS6172816A JPS6172816A (ja) 1986-04-14
JPH076381B2 true JPH076381B2 (ja) 1995-01-30

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP60162196A Expired - Lifetime JPH076381B2 (ja) 1984-09-13 1985-07-24 触媒コンバ−タ

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US (1) US4617176A (ja)
EP (1) EP0178063B1 (ja)
JP (1) JPH076381B2 (ja)
KR (1) KR920007886B1 (ja)
AU (1) AU584101B2 (ja)
CA (1) CA1239590A (ja)
DE (1) DE3567697D1 (ja)
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