【手続補正書】
【提出日】平成17年3月1日(2005.3.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】明細書
【発明の名称】内燃機関に使用する触媒コンバータおよびその製造方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】  内燃機関から排出される排ガスを浄化する触媒コンバータにおいて、
非発泡性材料からなる支持マット材料により取り囲まれた周囲表面を有するモノリシックセラミック基体、および
前記マット材料および基体に隣接してこれを取り囲む幅の広い包囲部分および該幅の広い包囲部分の外面に重なりこれに取り付けられた幅の狭い延長取付部分からなる金属シェルであって、前記包囲部分と前記取付部分が協働して、前記マット材料および基体に圧縮力を作用させる金属シェルを有してなるコンバータ。
【請求項２】  前記幅の広い包囲部分が、前記基体の長さと等しいかまたはそれより大きい幅を有することを特徴とする請求項１記載のコンバータ。
【請求項３】  前記マット材料が、それによって前記基体の各々の端部で該基体の周囲表面の一部が覆われないような長さを有することを特徴とする請求項１記載のコンバータ。
【請求項４】  内燃機関から排出される排ガスを浄化する触媒コンバータを製造する方法であって、
モノリシックセラミック基体に非発泡性支持マット材料を巻き付け、
この巻き付けられた基体に適合する、幅の広い包囲部分および幅の狭い延長取付部分からなる金属シェル内に、該巻き付けられた基体を挿入し、
前記幅の広い包囲部分が前記基体およびマット材料に隣接してこれを取り囲み、前記幅の狭い延長取付部分が該幅の広い包囲部分の外面の一部と重なるように該基体の周りに該金属シェルを圧縮的に閉じて、
該幅の広い包囲部分の外面に該幅の狭い延長取付部分の内面を取り付けて、前記圧縮応力を維持する各工程を有してなる方法。
【請求項５】  内燃機関から排出される排ガスを浄化する触媒コンバータにおいて、
少なくとも１つの露出端部部分を有する、非発泡性支持マット材料により取り囲まれた周囲表面を有するモノリシックセラミック基体、
前記マット材料に隣接して、これを取り囲み、これを越えて延在する幅の広い包囲部分、および該幅の広い包囲部分の外面に重なり、これに取り付けられた幅の狭い延長取付部分からなる金属シェルであって、前記包囲部分と前記取付部分が協働して、前記マット材料および基体に圧縮力を作用させる金属シェル、および
前記マット材料を越えて延在し、かつ該マット材料の露出された端部を実質的に覆う金属シェルの内面を取り囲むマット保護リングマットを有してなるコンバータ。
【請求項６】  前記金属シェルの幅の広い包囲部分が前記マット材料の各々の端部を越えて延在し、前記マット保護リングマットが、該マット材料を越えて延在する前記包囲部分の各々の内面を取り囲むことを特徴とする請求項５記載のコンバータ。
【請求項７】  前記マット材料が、それによって前記基体の各々の端部で該基体の周囲表面の一部が被覆されないような長さを有することを特徴とする請求項６記載のコンバータ。
【請求項８】  前記幅の広い包囲部分が、前記基体の長さと等しいかまたはそれより大きい幅を有することを特徴とする請求項６記載のコンバータ。
【請求項９】  内燃機関から排出される排ガスを浄化する触媒コンバータを製造する方法であって、
モノリシックセラミック基体に非発泡性支持マット材料を巻き付け、
この巻き付けられた基体に適合する、前記マット材料の端部を越えて延在する幅の広い包囲部分および幅の狭い延長取付部分からなる金属シェル内に該巻き付けられた基体を挿入し、
該幅の広い包囲部分が前記マット材料および基体に隣接してこれを包囲し、前記幅の狭い延長取付部分が該幅の広い包囲部分の外面と重なるように前記基体の周りに該金属シェルを圧縮的に閉じて、
該幅の広い包囲部分の外面に前記幅の狭い延長取付部分の内面を固定して、圧縮応力を維持し、
前記マット材料を越えて延在する包囲部分内に所定の直径を有する寸法調節手段を挿入し、該マット材料を越えて延在する包囲部分の寸法を圧縮的に調節する各工程を有してなる方法。
【請求項１０】  前記金属シェルの幅の広い包囲部分が前記マット材料の各々の端部を越えて延在し、前記寸法調節工程を他端で繰り返すことを特徴とする請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排ガスを浄化する触媒コンバータに関し、より詳しくは、オートバイの内燃機関から排出される排ガスを浄化する触媒コンバータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車とオートバイから排出される排ガスは従来、高温に耐えられるセラミック体に担持された触媒により浄化されている。好ましい触媒支持体構造は、気体を流動させる大きさであり、薄いセラミック壁により限定された、塞がれていない多数の平行チャンネルを備えたハニカム形状である。これらのチャンネルは、伴出された粒状物質により塞がれずに気体がそれらのチャンネルを自由に通過できるればどのような形状および寸法を有していてもよい。そのような好ましい構造の例としては、バグリーの米国特許第3,790,654号およびホレンバッハの米国特許第3,112,184号に記載されている薄壁セラミックハニカム構造が挙げられる。
【０００３】
セラミックハニカムの触媒支持体は、熱い排ガスとの接触、並びに排ガス中に含まれる未燃焼炭化水素および一酸化炭素の触媒酸化により生じる高温に曝される。さらに、このような支持体は、自動車のエンジンが始動され、アイドリング状態とスロットルが全開となった状態との間で停止したり、循環したりするときに、急激な温度の上昇および下降に耐えなければならない。このような運転条件には、セラミックハニカムの触媒支持体が、一般的に熱膨張係数に逆比例する特性である高い耐熱衝撃性を有することが必要とされる。
【０００４】
触媒コンバータ用のセラミック支持体は典型的に、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、ケイ酸ジルコニウム、コージエライト、または炭化ケイ素のような脆い防火材料から形成されている。これらのセラミック材料から作成される支持体の典型的なハニカム形状のために、非常に小さい機械的応力でさえも、亀裂が生じたり、圧潰を引き起こすことがある。このような脆性を考慮して、このような支持体用に、触媒コンバータハウジング、または缶を開発するために、多大な努力が払われている。
【０００５】
例えば、テン  アイックの米国特許第4,863,700号には、壊れやすいセラミックモノリス触媒が、モノリスの周りに巻き付けられたセラミック繊維の断熱層、および金属ハウジングとセラミック繊維層との間に配置された発泡性材料の層により金属ハウジング内に弾性的に取り付けられている触媒コンバータ装置が開示されている。
【０００６】
多くの用途、特にオートバイの小さなエンジンを含む用途においては、触媒コンバータを取り付ける空間はほとんどない。この問題に対する解決策の１つには、新たに触媒コンバータハウジングを設けたりせずに、むしろ存在する排気装置の構成部材の内部に触媒コンバータを取り付けることがある。このような位置の１つは、膨張室（expansion chamber）およびマフラーを含む熱気室内である。
【０００７】
コンバータをマフラーハウジング内に配置する難しさには、標準的な発泡性マットを好ましい熱環境（＜550℃）内に保持するのにマフラー内のコンバータが十分に冷却されないことがある。特に、マフラーのような断熱熱気室内に封じ込めることにより、そのようなコンバータが熱を大気中に能率的に消散させることができなくなる。さらに、そのような用途においては、熱い排ガスが触媒コンバータを通って流動するだけでなく、そのハウジングの周りも流動する。その結果、そのような用途では、触媒コンバータハウジングアセンブリ（すなわち、コンバータを熱気室内の正確な位置に維持するハウジング）の温度は通常900℃に達してしまう。さらに、かなりの濃度の気体粗燃料および粗油が典型的に、排ガス流内に現れる。燃料の豊富な排気物がコンバータ内で極端な発熱を生じ、1100℃ほどの高温が生じる。標準的なバーミキュライトベースの発泡性マットは典型的に、約750℃よりも高い温度に曝された場合、膨張する能力が弱まる。特に、発泡性マットは、そのような高温に曝されたときに、化学的結合水を失ってしまう。化学的結合水の減少により材料の発泡性特性が損なわれ、セラミック触媒支持体を保持する適切な取付圧力が与えられなくなる。これにより、排ガス流および乗物の振動により生じる軸方向の力並びに他の力に耐えるセラミック触媒の能力が危険に曝される。したがって、発泡性マットは、内部に取り付けられたオートバイのコンバータにとってうまくいっていない。
【０００８】
約1200℃の高温に曝すことのできるセラミック繊維マットが、発泡体の代替物となる。これらのマットにより生じる力は全てが、マットが触媒コンバータの缶に封じ込められる最中に経験する圧縮から発生する。缶形成はそれ自体で、これらの繊維ベースのマットにとって重要である。
【０００９】
スタッフ取付（stuff mounting）は、過去に用いられてきた缶形成の方法の１つである。最初に、基体にマットを巻き付けて、これを、押し込められるときにマットを圧縮する円錐装置内に挿入する。次いで、巻き付けられた基体を圧縮円錐体から取り出して、コンバータシェルとして機能する円筒管内に挿入する。この作業を行う工程において、缶と基体との間の非常に狭い寸法の間隙内にマットを効果的に保持しなければならない。許容される繊維ベースのマット間隙の嵩密度（ＧＢＤ）は典型的に、0.55±0.05ｇ／ｃｃである。スタッフ取付法に固有の問題としては：(1)間隙が大き過ぎると、基体の掴み圧力が不十分になり、典型的に乗物の運転中に巻き付けられた基体が滑り落ちてしまうこと；(2)マットが過剰に圧縮されると、マットが損傷し、最終的には気体により浸食されてしまうことが挙げられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
スタッフ取付に関連するさらなる問題としては：(1)マット基準の重量の変動性が約10％であり、このことのみにより、形成されたコンバータのいくつかが上述した許容されるＧＢＤ範囲から外れてしまうこと；(2)基体の直径の変動性；および(3)マットと基体が内部に配置される金属シェル缶の直径の変動性が挙げられる。許容誤差の積重問題が許容されたとしても、このように間隙嵩密度の高い状態で繊維ベースのマットをスタッフ取付することだけでは、不十分である。マットは、完成した管内に挿入される前に、パッキン円錐内に「過剰圧縮」されなければならないので、二次元弾性力がある程度失われる（繊維の損傷により）。さらに、マットに作用する剪断力により、基体とシェルの間のある部分にスタッフ取付部品の頂面の間隙から漏れの生じることが観察されている。間隙からマットの一部がこのように損失することにより、基体を適所に保持する望ましい圧縮力が低くなってしまう。
【００１１】
したがって、800℃を越える運転温度でさえも熱気室の内部にしっかりと取り付けられたままでいる触媒コンバータが引き続き必要とされている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内燃機関から排出される排ガスを浄化する触媒コンバータに関するものである。このコンバータは、非発泡性支持マット材料に取り囲まれた周囲表面を有するモノリシックセラミック基体を備えている。金属シェルには、マット材料および基体に隣接してこれを取り囲む幅の広い包囲部分がある。金属シェルにはさらに、幅広い包囲部分の外面に重なりこれに取り付けられた幅の狭い延長取付部分がある。幅の広い包囲部分および幅の狭い延長取付部分が協働して、巻き付けられた基体に圧縮力を作用させる。
【００１３】
本発明はまた、オートバイの触媒コンバータを形成する現在の方法、すなわち、スタッフ取付に固有の問題および欠点を克服する方法に関するものである。概して、これらの触媒コンバータを製造する方法は最初に、非発泡性支持マット材料内にモノリシックセラミック基体を巻き付ける工程を含む。その後、巻き付けられた基体を、この巻き付けられた基体に実質的に適合する金属シェル内に挿入する。この金属シェルは、幅の広い包囲部分および幅の狭い延長取付部分からなる。次いで、幅の広い包囲部分がマット材料に隣接してこれを取り囲み、基体と幅の狭い延長取付部分が幅の広い包囲部分の外面に重なるように、金属シェルを基体に周りに圧縮様式で閉じる。最後に、重ねられた幅の狭い延長取付部分の内面を幅の広い包囲部分の外面に固定して、圧縮力を維持する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施の形態を参照して、本発明をより詳細に説明する。
【００１５】
図１Ａおよび１Ｂは、本発明による、内燃機関から排出される排ガスを浄化する触媒コンバータ10の２つの斜視図を示している。図１Ａは、閉じられていないコンバータを示しており、図１Ｂは、閉じられて完成したコンバータを示している。コンバータ10を形成する方法を以下に記載する。最初に、モノリシックセラミック基体12に非発泡性支持マット材料14を巻き付ける。その後、巻き付けられた基体12を、この基体12に実質的に適合する金属シェル16内に挿入する。特に、金属シェル16は、幅の広い包囲部分18および幅の狭い延長取付部分20からなる。金属シェル16は、金属シェルの幅の広い包囲部分18がマット材料14および基体12に隣接してこれを取り囲むことにより、基体12の周りに圧縮的に閉じられる。幅の狭い延長取付部分20が金属シェルの幅の広い包囲部分18の外面と重なっている。
【００１６】
缶形成の止血帯巻き方法（tourniguet wrap method）が、触媒コンバータを圧縮的に閉じるのに適している。手短に言えば、コンバータの金属シェルに、金属シェル16の周囲を囲む金属ケーシングを巻き付ける。金属ケーシングは、反対方向に引っ張られて、マット材料14および基体12の周りに金属シェル16を所望の目標マット圧縮力まで圧縮的に閉じる対向するストラップを備えている。
【００１７】
一度シェルがマット材料14および基体12の周りに圧縮的に閉じられたら、金属シェルの幅の狭い延長取付部分20の内面を金属シェルの幅の広い包囲部分18の外面に固定して、圧縮応力を維持する。許容される固定方法としては、幅の広い部分に幅の狭い部分を溶接することが挙げられる。
【００１８】
ここで図１Ａおよび１Ｂを再び参照する。形成された触媒コンバータ10は、非発泡性の支持マット材料14により取り囲まれている周囲表面を有するモノリシックセラミック基体12を備えている。金属シェルの幅の広い包囲部分18および金属シェルの幅の狭い延長取付部分20からなる金属シェル16が、マット材料14および基体12を取り囲んでいる。特に、金属シェルの幅の広い包囲部分18は、基体12およびマット材料14に隣接してこれらを取り囲んでおり、一方、金属シェルの幅の狭い延長取付部分20は、金属シェルの幅の広い包囲部分18の外面と重なり、これに取り付けられている。金属シェル部分は、合同して、巻き付けられた基体に圧縮力を作用させている。
【００１９】
本発明のある実施の形態において、金属シェルの幅の広い包囲部分18は、基体12の長さと等しいかまたはそれより大きい幅を有している。さらに、マット材料14は、これによって、各々の端部で基体12の周囲表面の一部が覆われない長さを有している。
【００２０】
この止血帯巻き形成技術および形成された触媒コンバータにより、スタッフ取付触媒コンバータよりも優れた多くの利点が得られる。触媒コンバータを校正した力まで止血帯巻きすることにより、マットに基づく重量並びに基体の直径の変動性の不均一性が補える。
【００２１】
図２は、内部に触媒コンバータ10が挿入された熱気室22の一部を示している。従来の熱気室は、膨張室と、排気管よりも大きい断面積を有するチャンバハウジングに排気管がつなげられたマフラーとを備えている。断面積がより大きいことにより、熱い排ガスが膨張することができ、音の消される区域が形成される。校正した力まで基体を止血帯巻きする上述した工程により、変動ＯＤを有する缶を備えたコンバータが得られ、したがって、コンバータの挿入前に予め設定される位置24で熱気室内に挿入することのできるばらつきのない製品の直径を提供するためには、コンバータの端部の寸法を調節することが必要である。
【００２２】
本発明の触媒コンバータの利点は、金属シェルの端部を、その後の様式で容易に寸法を調節できることである。ここで図３Ａおよび３Ｂを参照する。これらの図面には、形成された触媒コンバータ10の寸法を調節する２つの実施の形態が示されている。
【００２３】
この寸法調節の方法を効果的にするために、形成された触媒コンバータ10は、マット材料14の端部を越えて延在する幅の広い包囲部分18を備えた金属シェル16を有している。上述した圧縮閉鎖工程、およびその前に記載した固定工程には、簡単に述べると、マット材料14を越えて延在する金属シェル部分内の所定の直径を有し、マット材料を越えて延在する金属シェルの寸法を圧縮的に調節する、寸法調節手段、この実施の形態においては、寸法調節栓を挿入する工程が含まれる。
【００２４】
図３Ａの実施の形態において、圧縮的な寸法調節に、金属シェル16の端部を取り囲み、内部に入るのにしたがって内径が減少する外部寸法調節リング28を使用している。外部寸法調節リング28を、矢印30で示されるように、触媒コンバータ10の長さに対して平行な方向に摺動させる。摺動の際に、外部寸法調節リング28が金属シェルを圧縮して寸法調節栓26に接触させる。この栓およびリングは、上述した熱気室中に挿入するために所定の所望の直径に金属シェルを圧縮するような形状に構成されている。圧縮的な寸法調節の後に、寸法調節栓を除去する。
【００２５】
図３Ｂの実施の形態において、圧縮的な寸法調節に、金属シェル16の端部を矢印34の方向に圧縮して、寸法調節栓26に接触させる寸法調節あご32を使用している。ここでも、栓およびあごは、金属シェルを所望の直径に圧縮するような形状に構成されている。前と同様に、寸法調節栓を、圧縮的な寸法調節の後に取り除く。
【００２６】
コンバータの端部を寸法調節する別の方法が図４Ａおよび４Ｂに示されている。簡単に述べると、この実施の形態は、別の寸法調節手段を挿入する工程が含まれ、特に、寸法調節栓26の位置に寸法調節挿入リング36を使用している。圧縮的閉鎖は、外部寸法調節リング28または寸法調節あご32のいずれかを用いて前述したのと同様な様式で行われる。したがって、図４Ａおよび４Ｂに関する同様の部品は、図３Ａおよび３Ｂと同一の参照番号により識別される。前述した実施の形態の寸法調節栓26とは異なり、寸法調節挿入リング36は、以下に記載するように、圧縮後にも取り除かない。
【００２７】
別の実施の形態において、寸法調節挿入リングは、金属シェルを越えて延在する延長部分、例えば、円錐形延長部を備えていていも差し支えない。圧縮後、円錐形延長部を有するこの挿入リングは、触媒コンバータ内に挿入されたままとなっており、例えば、排気管に取り付けても差し支えない。
【００２８】
ここで、図５Ａおよび５Ｂを参照する。この図面には、本発明による触媒コンバータの別の実施の形態が示されている。図５Ａは圧縮されていないものであり、図５Ｂは圧縮されているものである。触媒コンバータ10は、マット材料が熱い排ガスに曝されないように保護するマット保護リング36として、形成された触媒コンバータ10の形状および機能を維持している図４Ａおよび４Ｂに示されている寸法調節挿入リング36をコンバータが備えていることを除いて、図１Ａおよび１Ｂに示したコンバータに類似している。したがって、図５Ａおよび５Ｂに関する同様の部品は、図１Ａおよび１Ｂに詳細に示した触媒コンバータの構成部材に関して用いた同一の参照番号により識別される。
【００２９】
本発明に使用するのに適したセラミックハニカム基体は、例えば、米国特許第3,885,977号または米国特許再発行番号第27,747号に開示されているような、この目的に従来使用されているどのようなセラミック材料から形成されていてもよい。ハニカム基体は典型的に、金属シェル内に備え付ける前に、触媒含有ウォッシュコートにより処理される。このウォッシュコートは典型的に、アルミナまたはマグネシアのような耐火性酸化物、およびスカンジウム、イットリウム等のような１種類以上の触媒元素を含有している。好ましくは、高い機械的結着性、気体の流動に対する低い抵抗および広い幾何学的表面積を有する押出コージエライトセラミック基体を基体に使用する。セラミック基体に関する重要なパラメータの１つは、機械的結着性、特に半径方向強度である。典型的なコージエライトハニカム基体は、ハニカムに顕著な損傷が生じる前には、4826.5ｋＰａ（700ｐｓｉ）より大きい半径方向圧力に容易に耐えることができる。
【００３０】
本発明に使用するのに適したマット材料は、単純な非膨張セラミック材料である、形成されたセラミック繊維材料からなる。許容される非膨張セラミック繊維材料の例としては、ミネソタ州、ミネアポリスの３Ｍ社より商標「ＮＥＸＴＥＬ」および「ＳＡＦＦＩＬ」で販売されているもの、およびニューヨーク州、ナイアガラフォールのユニフラックス社より商標「ＣＣ−ＭＡＸ」および「ＦＩＢＥＲＭＡＸ」で販売されているもののようなセラミック材料が挙げられる。
【００３１】
金属シェル16に適した材料は、自動車の底部の、塩分、温度および腐食に耐えられる材料からなる。しかしながら、ＳＳ−４０９、ＳＳ−４３９およびごく最近ではＳＳ−４４１の等級を含むフェライト系ステンレス鋼が一般的に好ましい。材料の選択は、気体の種類、最大温度等に依存する。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】
閉じられていない本発明の触媒コンバータの１つの実施の形態を示す斜視図
【図１Ｂ】
閉じられている本発明の触媒コンバータの１つの実施の形態を示す斜視図
【図２】
熱気室内に配置された、図１Ａおよび１Ｂに示した触媒コンバータの断面図
【図３Ａおよび３Ｂ】
本発明による、触媒コンバータの寸法を調節する方法の１つの実施の形態を示す側部断面図
【図４Ａおよび４Ｂ】
本発明による、触媒コンバータの寸法を調節する方法の別の実施の形態を示す側部断面図
【図５Ａ】
閉じられていない本発明の触媒コンバータの別の実施の形態を示す斜視図
【図５Ｂ】
閉じられている本発明の触媒コンバータの別の実施の形態を示す斜視図
【符号の説明】
10    触媒コンバータ
12    基体
14    マット材料
16    金属シェル
18    幅の広い包囲部分
20    幅の狭い延長取付部分
22    熱気室
26    寸法調節栓
28    寸法調節リング
32    寸法調節あご
36    寸法調節挿入リング