(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に波状に屈曲した波板と略平坦形状の平板とを交互に重ね合わせて積層し、前記波板と平板との間の空間を通路部とした構造のメタル触媒担体において、
前記通路部の一端に形成される入口部と他端に形成される出口部との間の一部に、前記平板を除去して波板のみが存し、かつ、該波板が１つおきに配置される除去部分を設けると共に、入口部から前記除去部分までの通路部に対して、出口部における通路部を高密度に形成したことを特徴とするメタル触媒担体の構造。
【請求項２】
一方向に波状に屈曲した波板と略平坦形状の平板とを交互に重ね合わせて積層し、前記波板と平板との間の空間を通路部とした構造のメタル触媒担体において、
前記通路部の一端に形成される入口部と他端に形成される出口部との間の一部に、前記平板を除去して波板のみが存する除去部分を設ける一方、
前記波板は、前記入口部における波高さ及び波ピッチに対して、前記除去部分を含めた下流側の波高さ及び波ピッチが夫々小さく形成されると共に、前記除去部分に隣接する上流側には波高さ及び波ピッチが異なる波が混在する構成であることを特徴とするメタル触媒担体の構造。
【請求項３】
前記除去部分より下流において隣接する波板間に、略平坦形状の平板に挟まれた一方向に波状に屈曲した波板を追加したことを特徴とする請求項２記載のメタル触媒担体の構造。
【請求項４】
前記除去部分に存する波板を除く波板及び平板の少なくとも一方の板厚を、前記除去部分に存する波板の板厚よりも薄く形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のメタル触媒担体の構造。
【請求項５】
前記除去部分より下流において、該除去部分に存する波板を除く波板の波ピッチを、前記除去部分に存する波板の波ピッチよりも大きく形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のメタル触媒担体の構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排気通路に介装されて排気浄化を行う触媒コンバータ装置等に内蔵されるメタル触媒担体に関し、特に、触媒の早期活性化及び転化率の向上を図る技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、エンジンの排気通路に介装されて排気中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等の物質を浄化する排気浄化用触媒コンバータ装置として、触媒を担持するメタル触媒担体をシェル内に内蔵して備えたものがある。このメタル触媒担体としては、金属箔製の波板と平板とを交互に重ね合わせて積層した構造のものがある。
【０００３】
このようなメタル触媒担体において、排気中に晒される触媒担体の表面積を大きく確保して、触媒暖機後における転化率を向上させるため、メタル触媒担体の入口部と出口部との間に、通常の波高さよりも小さい小波が形成される部分を設けて、波板と平板との接触点を減少させたものが本出願人により提案されている（特願平８−１３８９４２号参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、排気中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等の物質を効率良く浄化するためには、触媒暖機後における転化率を向上する一方で、冷機時に触媒を早期に活性化することが不可欠である。触媒を早期に活性化するためには、触媒の入口部分の熱容量（ヒートマス）を低減することが有効である。これは、触媒の入口部分が早期に活性化すれば、その反応熱により出口部分の活性化が促されるからであるが、触媒を早期活性化するために、触媒の入口部分の熱容量を小さくすれば、逆に、触媒全体の容量が小さくなるので、触媒暖機後における転化率が損なわれるという問題が生じる。つまり、前述のメタル触媒担体構造は、波板と平板との接触点を減らすことで、触媒担体の表面積を大きく確保するものであったが、これによる暖機後における転化率向上には一定の限界があり、さらなる転化率の向上が求められると同時に、併せて触媒の早期活性化に必要なメタル触媒担体の熱容量を低減することが困難であった。
【０００５】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、積層する板形状や配置構造等の改善により、触媒の早期活性化、及び、触媒活性後の転化率向上を共に満足させるメタル触媒担体構造を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の発明は、一方向に波状に屈曲した波板と略平坦形状の平板とを交互に重ね合わせて積層し、前記波板と平板との間の空間を通路部とした構造のメタル触媒担体において、前記通路部の一端に形成される入口部と他端に形成される出口部との間の一部に、前記平板を除去して波板のみが存し、かつ、該波板が１つおきに配置される除去部分を設けると共に、入口部から前記除去部分までの通路部に対して、出口部における通路部を高密度に形成する構成とした。
【０００７】
このようにすれば、除去部分では波板のみが存するので、除去部分の熱容量が低減し、入口部から除去部分までの波板と平板（以下「略前半部」という）の熱容量が低減するので、略前半部のメタル触媒担体及びこれにコーティングされる触媒が短時間で活性化温度に昇温し、触媒の早期活性化が促進される。このとき、除去部分では波板が１つおきに配置されるため、除去部分における熱容量が大幅に低減し、触媒の早期活性化の実効を図ることができる。そして、略前半部における触媒の反応熱は除去部分における波板を介して除去部分より下流の波板と平板（以下「略後半部」という）に伝達されるので、略後半部の活性化が促進される。また、略後半部が活性された後は、略後半部の通路部が略前半部に対して高密度に形成されているため、排気が触媒と接触する面積が増え、転化率が向上する。さらに、排気の流れに対して通路部の形状が変化するので、排気の拡散性が向上し、排気が触媒に接触し易くなり、排気の浄化がさらに促進される。
【０００８】
請求項２記載の発明は、一方向に波状に屈曲した波板と略平坦形状の平板とを交互に重ね合わせて積層し、前記波板と平板との間の空間を通路部とした構造のメタル触媒担体において、前記通路部の一端に形成される入口部と他端に形成される出口部との間の一部に、前記平板を除去して波板のみが存する除去部分を設ける一方、前記波板は、前記入口部における波高さ及び波ピッチに対して、前記除去部分を含めた下流側の波高さ及び波ピッチが夫々小さく形成されると共に、前記除去部分に隣接する上流側には波高さ及び波ピッチが異なる波が混在する構成とした。
【０００９】
このようにすれば、除去部分では波板のみが存するので、除去部分の熱容量が低減し、略前半部の熱容量が低減するので、略前半部のメタル触媒担体及びこれにコーティングされる触媒が短時間で活性化温度に昇温し、触媒の早期活性化が促進される。そして、略前半部における触媒の反応熱は除去部分における波板を介して略後半部に伝達されるので、略後半部の活性化が促進される。また、略後半部が活性された後は、略後半部の通路部が略前半部に対して高密度に形成されているため、排気が触媒と接触する面積が増え、転化率が向上する。さらに、除去部分に隣接する上流側には波高さ及び波ピッチが異なる波が混在するので、排気の拡散性が向上し、排気が触媒に接触し易くなり、排気の浄化がさらに促進される。
【００１０】
請求項３記載の発明は、前記除去部分より下流において隣接する波板間に、略平坦形状の平板に挟まれた一方向に波状に屈曲した波板を追加する構成とした。
このようにすれば、略後半部の通路部が高密度に形成されるので、触媒活性後の転化率が向上すると共に、メタル触媒担体の剛性が向上する。
【００１１】
請求項４記載の発明は、前記除去部分に存する波板を除く波板及び平板の少なくとも一方の板厚を、前記除去部分に存する波板の板厚よりも薄く形成する構成とした。
このようにすれば、略後半部における熱容量がより低減するので、略後半部の活性化がより促進され、排気の浄化が促進される。
【００１２】
請求項５記載の発明は、前記除去部分より下流において、該除去部分に存する波板を除く波板の波ピッチを、前記除去部分に存する波板の波ピッチよりも大きく形成する構成とした。
このようにすれば、略後半部における熱容量及び通気抵抗が低減し、排気通路にメタル触媒担体を内蔵した触媒コンバータ装置が介装されるエンジンの出力の低下が防止される。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１又は２記載の発明によれば、触媒の早期活性化及び活性後の転化率を向上することができる。
請求項３記載の発明によれば、触媒活性後の転化率の向上を図りつつ、メタル触媒担体の剛性を向上することができる。
【００１７】
請求項４記載の発明によれば、略後半部の活性化がより促進され、排気の浄化を促進することができる。
請求項５記載の発明によれば、排気通路にメタル触媒担体を内蔵した触媒コンバータ装置が介装されるエンジンの出力の低下を防止することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１〜図３は、本発明に係るメタル触媒担体の第１実施形態を示し、詳しくは、図１は、メタル触媒担体の斜視全体図、図２は、メタル触媒担体を構成する波板及び平板の積層状態を示す斜視図、図３（ａ）〜（ｄ）は、夫々図１及び図２における所定位置の断面図である。
【００２０】
メタル触媒担体１０は、一方向に波状に屈曲した金属箔等の金属製の波板１１と略平坦形状の金属箔等の金属製の平板１２とを交互に重ね合わせて巻回し、波板１１と平板１２との間の空間を通路部１３とした円筒形状となっている。但し、図２及び図３では、説明の便宜上、波板１１と平板１２とを交互に重ね合わせて積層した状態を示している。
【００２１】
なお、略平坦形状の平板１２は、本実施形態のような完全な平坦形状の他、多少の波を設けたものでもよく、また、波板１１と平板１２とを巻回さず、単に交互に重ね合わせて積層したものでもよい。
かかるメタル触媒担体１０において、図１及び図２に示すように、図示しないエンジンが排出する排気が通過する通路部１３を、上流側から下流側に向かってＡ部〜Ｄ部とする。以下、Ａ部〜Ｄ部の積層構造について詳説する。
【００２２】
Ａ部では、図３（ａ）に示すように、波板１１には、通常の大きい波高さの波（以下「大波」という）１１ａが形成され、各大波１１ａの頂部が平板１２に接触される。
Ｂ部では、図３（ｂ）に示すように、波板１１には、大波１１ａの代わりに波高さが小さな波（以下「小波」という）１１ｂが一部形成され、大波１１ａの頂部のみが平板１２に接触している。ここで形成される小波１１ｂは、大波１１ａの１つおきに形成されており、大波１１ａに対してピッチ及び波高さが夫々略１／２に形成されている。
【００２３】
Ｃ部では、図３（ｃ）に示すように、波板１１には、小波１１ｂのみが形成されている。さらに、Ｃ部では、平板１２が取り除かれており、隣接する波板１１の間の空間が通路部１３として機能する。
Ｄ部では、図３（ｄ）に示すように、波板１１に形成された小波１１ｂの頂部に接触するように平板１２を追加すると共に、隣接する波板１１の間に小波１１ｂのみが形成された別の波板１４を追加する。従って、Ａ部の大波１１ａに対して波高さ及びピッチが略１／２の小波１１ｂによって、通路部１３の形成密度（以下「セル密度」という）が略４倍になる。
【００２４】
ここで、かかる構成の波板１１の形成方法について説明する。
▲１▼平板に対して、大波から小波に変化する箇所に切れ目（スリット）１５を形成する（図４（ａ）参照）。この切れ目１５は、平板の一端からＡ及びＡ＋Ｂの距離に互い違いに形成する。
▲２▼切れ目１５を形成した平板をプレス加工して、平板の一端から切れ目までの箇所に大波１１ａを、切れ目１５以降の箇所に小波１１ｂを形成する（図４（ｂ）参照）。
【００２５】
即ち、Ｂ部の役割としては、大波１１ａから小波１１ｂに一気に変化させようとすると、平板全体に亘り切れ目１５を形成しなければならず、波板１１が分断されてしまうので、大波１１ａと小波１１ｂが混在する部分を設けることで、一体的な波板１１の加工を可能としている。
ここで、本発明に係るメタル触媒担体１０のポイントを要約すると、Ａ部→Ｂ部→Ｃ部に移るに従って、波板１１における波高さ及びピッチを変化させ、大波１１ａ→小波１１ｂへと変化させる。また、Ｃ部においては、平板１２を取り除き、メタル触媒担体１０の熱容量を低減する。さらに、Ｄ部においては、小波１１ｂが形成された別の波板１４及び平板１２を追加してセル密度を増加させ、排気が接触する触媒の表面積を増加させる。
【００２６】
従って、かかる構成のメタル触媒担体１０によれば、Ｂ部における波板１１と平板１２との接点数が減り、かつ、Ｃ部における平板１２が取り除かれているので、略前半部（Ａ部〜Ｃ部）の表面積／熱容量及び熱容量自体が改善し、略前半部が短時間で活性化温度に昇温し、触媒の早期活性化を促進することができる。そして、Ｃ部における波板１１を介して、略前半部の熱量が略後半部（Ｄ部）に伝達され、略後半部の活性化が促進される。
【００２７】
略後半部が活性された後は、略後半部において排気が接触する触媒の表面積が大となっているので、定常転化率が向上し、排気を効率的に浄化することができる。
さらに、排気の流れに対して通路部１３の形状が変化するため、排気の拡散性が向上し、排気が触媒に接触し易くなり、排気の浄化をさらに向上することもできる。また、略後半部のセル密度が増加しているので、メタル触媒担体１０の剛性が向上し、使用する波板１１及び平板１２の板厚を薄くすることができ、メタル触媒担体１０の重量及びコストの増加を極力抑制することができる。
【００２８】
ここで、早期活性化の効果を図５及び図６を参照しつつ説明する。
図５は、メタル触媒担体１０の入口部からのセル長さに対する担体温度の分布の実験データを示した線図で、熱容量が小さい略前半部とセル密度が大きい略後半部とを分断させたものと、本実施形態のように略前半部と略後半部とを波板１１で連結したものと、の相違を示している。
【００２９】
即ち、略前半部と略後半部とを分断させたものは、分断部の直前で本実施形態よりも若干担体温度が高いが、これは、分断部の断熱効果により分断部直前のメタル触媒担体から略後半部に熱量が伝達しにくく、担体温度が低下しないためである。一方、略後半部においては、略前半部と略後半部とを分断したものは、略前半部から熱量の伝達が少ないために、排気の熱量のみによって担体温度が上昇し、本実施形態に比べて、担体温度が低下している。
【００３０】
換言すると、略前半部と略後半部とを分断したものに比べて、本実施形態では、略後半部の担体温度が高く、より短時間で触媒の活性化温度まで昇温し、排気の浄化能力を最大限発揮することができる。
図６は、メタル触媒担体１０が冷却した状態で、排気通路にメタル触媒担体を内蔵した触媒コンバータ装置が介装されるエンジンを始動したときに、エンジン始動後の時間と触媒転化率との関係を示した線図である。
【００３１】
即ち、▲１▼と▲２▼は、触媒の略前半部と略後半部とを同じセル密度で形成した場合を示すが、略前半部と略後半部とを連結すると、略前半部及び略後半部を分断した▲２▼に比べて、早期活性化に優れている。但し、暖機後における触媒転化率は、本実施形態を示す▲３▼に比べて劣っている。これは、本実施形態と同等の速度で触媒を活性化させるために、触媒全体のセル密度を小さくしたためであり、逆に、暖機後における転化率を向上するために、触媒全体のセル密度を高くすれば、▲４▼に示すように、触媒の活性化が大きく遅れる。
【００３２】
要するに、本実施形態によれば、熱容量の小さな略前半部と、セル密度の大きい略後半部と、を波板（平板でもよい）で連結することで、早期活性化及び触媒転化率の向上を共に満足させている。
図７及び図８は、本発明に係るメタル触媒担体の第２実施形態を示し、詳しくは、図７は、メタル触媒担体１０を構成する波板及び平板の積層状態を示す斜視図、図８（ａ）〜（ｃ）は、夫々図７における所定位置の断面図である。
【００３３】
本実施形態においては、第１実施形態とは異なり、波板１１には小波１１ｂのみが形成されている。そして、Ａ部（図８（ａ）参照）及びＤ部（図８（ｃ）参照）においてのみ、波板１１の小波１１ｂの頂部に平板１２が接触し、隣接する波板１１の間に別の波板１４が追加されている。一方、Ｂ部及びＣ部（図８（ｂ）参照）では、平板１２が取り除かれており、波板１１のみの構成となっている。
【００３４】
ここで、排気の流れ方向について、Ａ部の長さをＤ部に比べて短く形成している。これは、Ｄ部と同じセル密度で形成されているＡ部の容積を小さく抑えて、略前半部（Ａ部〜Ｃ部）の熱容量を全体として小さくするためである。
かかる構成からなるメタル触媒担体１０によれば、第１実施形態と同じように、Ｂ部及びＣ部における平板１２が取り除かれているので、Ａ部が短く形成されていることとあいまって、略前半部（Ａ部〜Ｃ部）の熱容量が低減し、略前半部の早期活性化を促進することができる。また、Ｂ部及びＣ部の波板１１を介して略前半部の熱量が略後半部（Ｄ部）に伝達されるので、略後半部の活性化も促進することができる。
【００３５】
また、Ａ部のみを見れば熱容量が大きくなるが、大波１１ａ→小波１１ｂへの移行部となるＢ部が不要となるので、この点においても略前半部の熱容量を低減することに寄与している。また、波板１１に切欠きを形成する必要がなく、メタル触媒担体１０の剛性が向上する。
図９は、本発明に係るメタル触媒担体の第３実施形態を示している。
【００３６】
即ち、第１実施形態及び第２実施形態において、略後半部（Ｄ部）で追加する波板１４及び平板１２の板厚を、メタル触媒担体１０の全長に亘って一体的に形成される波板１１の板厚よりも薄くする。
かかる構成からなるメタル触媒担体によれば、略前半部（Ａ部〜Ｃ部）の剛性を低下せずに、また、略後半部（Ｄ部）のセル密度を低下することなく、略後半部（Ｄ部）の熱容量を低減することができるので、略後半部の活性化をより促進することができる。従って、より短時間で排気の浄化能力を最大限発揮することができる。
【００３７】
なお、略後半部だけではなく、Ａ部において追加される波板１４及び平板１２の板厚を、メタル触媒担体１０の全長に亘って一体的に形成される波板１１の板厚よりも薄くするようにしてもよい。この場合、メタル触媒担体１０全体としての熱容量が低下して触媒の早期活性化が促進されるが、本実施形態の構成の方が強度的にはより有利である。
【００３８】
図１０は、本発明に係るメタル触媒担体の第４実施形態を示している。
即ち、第１実施形態及び第２実施形態において、略後半部（Ｄ部）で追加する波板１４のピッチを、小波１１ｂのピッチより大きくする。このピッチは、エンジンの排気量，出力特性等に基づいて設定する。但し、この略後半部（Ｄ部）のセル密度は、略前半部（Ａ部〜Ｃ部）に比べると大きくなっている。
【００３９】
かかる構成からなるメタル触媒担体１０によれば、略後半部におけるセル密度の増加による通気抵抗の増大を緩和でき、排圧の極端な増加が防止され、エンジンの出力低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るメタル触媒担体の第１実施形態を示す斜視全体図
【図２】同上の積載状態を示す斜視図
【図３】同上の断面を示し、（ａ）はＡ部断面図、（ｂ）はＢ部断面図、（ｃ）はＣ部断面図、（ｄ）はＤ部断面図
【図４】同上の波板の形成方法を示し、（ａ）はプレス前の状態図、（ｂ）はプレス後の状態図
【図５】セル長さに対する担体温度を示す線図
【図６】エンジン始動後の時間に対する触媒転化率を示す線図
【図７】本発明に係るメタル触媒担体の第２実施形態の積層状態を示す斜視図
【図８】同上の断面を示し、（ａ）はＡ部断面図、（ｂ）はＢ部及びＣ部断面図、（ｃ）はＤ部断面図
【図９】本発明に係るメタル触媒担体の第３実施形態のＤ部断面図
【図１０】本発明に係るメタル触媒担体の第４実施形態のＤ部断面図
【符号の説明】
１０  メタル触媒担体
１１  波板
１１ａ  大波
１１ｂ  小波
１２  平板
１３  通路部
１４  波板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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