(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤメッシュを略矩形の断面形状を有する環状に成形して構成され、かつ触媒コンバータのモノリス触媒担体の端部外周縁と該触媒担体を収容するケーシングとの間に、触媒担体を軸方向に弾性的に保持するように、圧縮された状態で配設される弾性ワッシャと、触媒担体の端部外周縁よりも内周側および外周側にそれぞれ位置する内周壁および外周壁と両者を連結する底壁とから断面略Ｕ字形の環状に形成され、その凹溝内に上記弾性ワッシャが収容された環状のキャップと、を備えてなる触媒コンバータの触媒担体保持装置において、
上記弾性ワッシャが所定量圧縮された組立状態において、上記弾性ワッシャの内周面と上記キャップの内周壁との間に、間隙が設けられていることを特徴とする触媒コンバータの触媒担体保持装置。
【請求項２】
上記間隙は、少なくとも上記キャップの内周壁の熱膨張量に相当する大きさに与えられていることを特徴とする請求項１記載の触媒コンバータの触媒担体保持装置。
【請求項３】
ワイヤメッシュを略矩形の断面形状を有する環状に成形して構成され、かつ触媒コンバータのモノリス触媒担体の端部外周縁と該触媒担体を収容するケーシングとの間に、触媒担体を軸方向に弾性的に保持するように、圧縮された状態で配設される弾性ワッシャと、触媒担体の端部外周縁よりも内周側および外周側にそれぞれ位置する内周壁および外周壁と両者を連結する底壁とから断面略Ｕ字形の環状に形成され、その凹溝内に上記弾性ワッシャが収容された環状のキャップと、を備えてなる触媒コンバータの触媒担体保持装置において、
ケーシング内への組付前の状態において、上記弾性ワッシャの外周面と上記キャップの外周壁との間に、公差を吸収するための微少な間隙が設けられているとともに、弾性ワッシャの内周面と上記キャップの内周壁との間に、外周側の間隙よりも大きな間隙が設けられており、両者の差が、少なくとも上記キャップの内周壁の熱膨張量に相当する大きさに与えられていることを特徴とする触媒コンバータの触媒担体保持装置。
【請求項４】
上記の間隙の差は、内周壁の直径の０．５パーセント以上であることを特徴とする請求項３記載の触媒コンバータの触媒担体保持装置。
【請求項５】
ワイヤメッシュを略矩形の断面形状を有する環状に成形して構成され、かつ触媒コンバータのモノリス触媒担体の端部外周縁と該触媒担体を収容するケーシングとの間に、触媒担体を軸方向に弾性的に保持するように、圧縮された状態で配設される弾性ワッシャと、触媒担体の端部外周縁よりも内周側および外周側にそれぞれ位置する内周壁および外周壁と両者を連結する底壁とから断面略Ｕ字形の環状に形成され、その凹溝内に上記弾性ワッシャが収容された環状のキャップと、を備えてなる触媒コンバータの触媒担体保持装置において、
上記キャップの内周壁が、凹溝開口部側が内周寄りとなるように傾いた傾斜壁として構成されていることを特徴とする触媒コンバータの触媒担体保持装置。
【請求項６】
壁厚が５ミル以下の触媒担体の保持に用いられることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の触媒コンバータの触媒担体保持装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、モノリス触媒担体を用いた内燃機関の触媒コンバータに関し、特にモノリス触媒担体を軸方向に弾性的に保持するための弾性ワッシャを用いた触媒担体保持装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば自動車用内燃機関の排気管に接続される触媒コンバータにあっては、一部が排気マニホルドからなるケーシングの内部にモノリス触媒担体が収容された構成となっているが、セラミックスからなるモノリス触媒担体は、非常に脆く、破損しやすいので、ケーシング内で弾性的に保持する必要がある。具体的には、特開平７−３１７５３７号公報等に開示されているように、モノリス触媒担体周囲に、ワイヤメッシュを波板状に成形してなる筒状サポータが配設され、該サポータによって径方向に弾性保持されているとともに、触媒担体の前後両端部の外周縁に、やはりワイヤメッシュからなる弾性ワッシャがそれぞれ配設され、該弾性ワッシャによって軸方向に弾性保持されている。
【０００３】
上記弾性ワッシャは、適宜な剛性を有するワイヤメッシュを環状に編み上げるとともに、矩形の断面形状を有するように所定形状の金型内に押し込んで形成したものであって、その外周側の一部が触媒担体の外周縁よりも外周側へ突出するような位置、換言すれば、触媒担体外周縁を挟んで内周側および外周側の双方に跨る位置に配置されている。そして、ケーシングがボルト等により閉じられた組立状態では、弾性ワッシャは所定量圧縮された状態となっている。
【０００４】
また、上記弾性ワッシャは、通常、該弾性ワッシャの内周面に沿った内周壁を有する金属部材によって保持されている。例えば、上記公報のものでは、金属製の担体保持プレートを有し、この担体保持プレートが弾性ワッシャを背面側から支持しているとともに、該担体保持プレートの内周壁とケーシング内周面との間に、弾性ワッシャが位置決めされている。
【０００５】
なお、この担体保持プレートに代えて、内周壁、外周壁および底壁を有する断面略Ｕ字形の環状キャップを用い、その凹溝内に弾性ワッシャをはめ込んで保持させるようにしたものも実用に供されている。
【０００６】
これらの担体保持プレートやキャップは、弾性ワッシャを所定位置に位置決めするとともに、ワイヤメッシュからなる弾性ワッシャに高温の排気が触れることによる酸化を抑制する機能を果たしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
モノリス触媒担体は、周知のように多数のセルを有し、それぞれのセル間の壁厚は、数ミル（１ミルは１０００分の１インチである）程度のものであるので、非常に破損しやすく、特に最外周に位置する壁は、僅かな外力でもって容易に剥離してしまう。
【０００８】
このようなモノリス触媒担体に対し、上記従来の保持装置においては、熱膨張差による径方向の変位が繰り返し生じる結果、弾性ワッシャが接触している端部外周縁から剥離，破損が発生しやすく、また、一旦、外周部が欠けてくると、軸方向の緩み（遊び）が大きくなるため、走行振動等による触媒担体の全体的な破損が急激に進行する、という問題がある。
【０００９】
つまり、セラミックスからなる触媒担体は、殆ど熱膨張しないのに対し、弾性ワッシャを外側から保持する金属部材つまり上記公報における担体保持プレートや上述したキャップは、機関の運転に伴って高温となると径方向に熱膨張するので、弾性ワッシャを外周側へ変位させようとし、触媒担体の外周縁を外周側へ引っ張って剥離させてしまうのである。
【００１０】
特に、従来の構成では、弾性ワッシャが圧縮変形した組付状態においては、金属部材の内周壁に弾性ワッシャが密接した状態となっており、この状態から内周壁が熱膨張するので、弾性ワッシャを外周側へ動かす力が強く作用し、触媒担体の端部外周縁の剥離，破損が生じやすい。
【００１１】
本発明は、このようなモノリス触媒担体の端部外周縁部分の破損を抑制することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、ワイヤメッシュを略矩形の断面形状を有する環状に成形して構成され、かつ触媒コンバータのモノリス触媒担体の端部外周縁と該触媒担体を収容するケーシングとの間に、触媒担体を軸方向に弾性的に保持するように、圧縮された状態で配設される弾性ワッシャと、触媒担体の端部外周縁よりも内周側および外周側にそれぞれ位置する内周壁および外周壁と両者を連結する底壁とから断面略Ｕ字形の環状に形成され、その凹溝内に上記弾性ワッシャが収容された環状のキャップと、を備えてなる触媒コンバータの触媒担体保持装置において、上記弾性ワッシャが所定量圧縮された組立状態において、上記弾性ワッシャの内周面と上記キャップの内周壁との間に、間隙が設けられていることを特徴としている。
【００１３】
この請求項１の発明をより具体化した請求項２の発明では、上記間隙は、少なくとも上記キャップの内周壁の熱膨張量に相当する大きさに与えられている。
【００１４】
すなわち、内燃機関の運転に伴って触媒コンバータが高温となると、セラミックスからなる触媒担体は殆ど熱膨張しないのに対し、金属製のキャップは、熱膨張し、外周側へ広がろうとする。なお、弾性ワッシャ自体は、ワイヤメッシュからなるので、その全体の径方向への熱膨張は、非常に小さい。キャップが熱膨張しても、上記のように、予めキャップ内周壁と弾性ワッシャの内周面との間に間隙が与えられていると、内周壁によって弾性ワッシャを外周側へ動かそうとする力がそれだけ弱まるので、弾性ワッシャを介して触媒担体の端部外周縁へ作用する半径方向の力が弱まり、その剥離，破損が抑制される。
【００１５】
特に、請求項２のように熱膨張量以上の間隙を与えるようにすれば、弾性ワッシャがキャップ内周壁によって外周側へ押されることがない。
【００１６】
なお、キャップ底壁と接している弾性ワッシャの底面部分はキャップとともに外周側へ動こうとするが、ワイヤメッシュからなる弾性ワッシャは、その変形により底面部分と頂面部分との間の径方向の変位を吸収し得る。
【００１７】
また、請求項３に係る発明は、ワイヤメッシュを略矩形の断面形状を有する環状に成形して構成され、かつ触媒コンバータのモノリス触媒担体の端部外周縁と該触媒担体を収容するケーシングとの間に、触媒担体を軸方向に弾性的に保持するように、圧縮された状態で配設される弾性ワッシャと、触媒担体の端部外周縁よりも内周側および外周側にそれぞれ位置する内周壁および外周壁と両者を連結する底壁とから断面略Ｕ字形の環状に形成され、その凹溝内に上記弾性ワッシャが収容された環状のキャップと、を備えてなる触媒コンバータの触媒担体保持装置において、ケーシング内への組付前の状態において、上記弾性ワッシャの外周面と上記キャップの外周壁との間に、公差を吸収するための微少な間隙が設けられているとともに、弾性ワッシャの内周面と上記キャップの内周壁との間に、外周側の間隙よりも大きな間隙が設けられており、両者の差が、少なくとも上記キャップの内周壁の熱膨張量に相当する大きさに与えられていることを特徴としている。
【００１８】
この請求項３の発明をより具体化した請求項４の発明では、上記の間隙の差は、内周壁の直径の０．５パーセント以上である。
【００１９】
弾性ワッシャは、キャップの凹溝内に収容されるので、仮に公差により弾性ワッシャの実際の外径がキャップ外周壁の実際の内径よりも僅かでも大きいと、両者の組付が非常に面倒となる。従って、請求項３の発明においては、弾性ワッシャの外周面と上記キャップの外周壁との間に、公差を吸収するための微少な間隙が設けられている。但し、この外周側の間隙は、弾性ワッシャが圧縮変形した状態では、実質的に０となり、弾性ワッシャはキャップ外周壁に接している。
【００２０】
これに対し、弾性ワッシャとキャップ内周壁との間には、十分に大きな間隙が与えられているので、上述したように、熱膨張に伴いキャップ内周壁が弾性ワッシャを押圧することが抑制される。
【００２１】
内周壁の熱膨張量は、材料の熱膨張率や温度が同じであれば、径に依存して定まる。キャップの材料として熱膨張率が小さいフェライト系ステンレスを用い、その温度が７００℃まで上昇するものとすれば、熱膨張量は、径の０．４パーセント強であるので、請求項４のように、０．５パーセント以上とすれば、十分である。
【００２２】
また請求項５に係る発明は、ワイヤメッシュを略矩形の断面形状を有する環状に成形して構成され、かつ触媒コンバータのモノリス触媒担体の端部外周縁と該触媒担体を収容するケーシングとの間に、触媒担体を軸方向に弾性的に保持するように、圧縮された状態で配設される弾性ワッシャと、触媒担体の端部外周縁よりも内周側および外周側にそれぞれ位置する内周壁および外周壁と両者を連結する底壁とから断面略Ｕ字形の環状に形成され、その凹溝内に上記弾性ワッシャが収容された環状のキャップと、を備えてなる触媒コンバータの触媒担体保持装置において、上記キャップの内周壁が、凹溝開口部側が内周寄りとなるように傾いた傾斜壁として構成されていることを特徴としている。
【００２３】
このように内周壁を傾斜壁とすれば、該内周壁の先端つまり触媒担体寄りとなる部分が、弾性ワッシャの内周面から離れた状態となる。従って、キャップが熱膨張に伴って外周側へ変位したとしても、弾性ワッシャの頂面部分を外周側へ押圧することがない。
【００２４】
各請求項の触媒担体保持装置は、請求項６のように、壁厚が５ミル以下の触媒担体の保持に好適である。
【００２５】
【発明の効果】
この発明によれば、壁厚が薄いモノリス触媒担体を用いた触媒コンバータにおいて、弾性ワッシャが接触する触媒担体外周縁部分の剥離、破損を抑制することができ、ケーシング内での遊びによる全体的な破損の進行を確実に回避できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２７】
図１は、この発明が適用される触媒コンバータ１全体の構成を示している。この触媒コンバータ１は、自動車用内燃機関の排気マニホルド２の出口部分に装着されるものであって、排気マニホルド２の出口フランジ部５と円筒状のコンテナ３とから構成されるケーシング内に、円柱状をなすセラミックス製のモノリス触媒担体４が収容されており、かつコンテナ３の出口側に形成されたフランジ部６に、図示せぬ排気管つまりフロントチューブが接続されるようになっている。上記触媒担体４は、その壁厚が５ミル以下のものである。
【００２８】
上記コンテナ３は、出口側の円錐部７を除いて、一定内径の円筒状をなし、かつこの円筒部８と円錐部７との間に、触媒担体４の端部を位置決めするための段部９が環状に形成されている。また、同様に、出口フランジ部５の内周に、触媒担体４の他方の端部を位置決めするための段部１０が環状に形成されている。なお、上記出口フランジ部５とコンテナ３の入口側のフランジ部１１とは、図示せぬ複数のボルトによって締結されている。
【００２９】
上記コンテナ３の内径は、触媒担体４の外径よりも僅かに大きく設定されており、両者間の間隙に、径方向の弾性保持を行うためのサポータ１５が配設されている。このサポータ１５は、比較的線径の太いワイヤメッシュを波板状に屈曲させて一種のクッション材としたものであって、予め円筒状に形成されており、触媒担体４外周に被せるようにして装着されている。また、このサポータ１５は、触媒担体４の全長よりも短くなっており、その下流側に並んで、コンテナ３と触媒担体４との間に、インタラムマット１６が配設されている。このインタラムマット１６は、不燃性の繊維をマット状に形成したものであって、主に、コンテナ３内周面と触媒担体４外周面との間のシールつまりサポータ１５部分を流れようとする排気を阻止する機能を有している。
【００３０】
また、上記触媒担体４の前後両端には、該触媒担体４を軸方向に弾性保持するために、環状の弾性ワッシャ２１と環状のキャップ２２とからなる触媒担体保持装置２０がそれぞれ配設されている。なお、各端部の保持装置２０は、基本的に同一の構成であるので、本実施例では、同一の符号を付して説明するが、両者が完全に同一のものでなくともよく、必要に応じて細部が僅かに異なる場合もある、
上記キャップ２２は、例えばＳＵＳ４３０のような熱膨張率の小さなフェライト系ステンレスの薄板からなり、図２，図３に示すように、上記段部９，１０に当接して支持される底壁２３と、この底壁２３の内周から垂直に延びた内周壁２４と、底壁２３の外周から同様に垂直に延びた外周壁２５と、を有する断面略Ｕ字形をなしている。上記内周壁２４は、触媒担体４の端部の外周縁４ａよりも僅かに内周側に位置し、また上記外周壁２５は、上記外周縁４ａよりも僅かに外周側に位置している。つまり、外周壁２５は、触媒担体４の外周面に僅かにラップするようになっている。そして、内周壁２４は、触媒担体４と接触することがないように、外周壁２５に比較して短く形成されている。
【００３１】
上記弾性ワッシャ２１は、適宜な剛性を有するワイヤメッシュを環状に編み上げるとともに、略矩形の断面形状を有するように所定形状の金型内に押し込んでワッシャ状に成形したものであって、上記キャップ２２の内周壁２４，外周壁２５間の凹溝内に収容されている。この弾性ワッシャ２１は、その外周側の一部が触媒担体４の外周縁４ａよりも外周側へ突出するような位置、換言すれば、触媒担体４外周縁４ａを挟んで内周側および外周側の双方に跨る位置に配置されている。そして、上記出口フランジ部５とコンテナ３の入口側のフランジ部１１とが、図示せぬボルトによって締結された組立状態では、上記弾性ワッシャ２１は所定量圧縮された状態となっている。
【００３２】
図３は、上記弾性ワッシャ２１とキャップ２２との具体的な位置関係を示している。なお、この図３は、圧縮されていない組付前の状態を示している。図３に示すように、弾性ワッシャ２１は、底面２１ａ、頂面２１ｂ、外周面２１ｃおよび内周面２１ｄを有する軸方向に長い矩形の断面形状を有している。そして、その外周面２１ｃの外径Ｄ１は、キャップ２２の外周壁２５の内径Ｄ２よりも僅かに小さく、両者間に微少な間隙Δ１が与えられている。この間隙Δ１は、弾性ワッシャ２１およびキャップ２２の製造公差を吸収するためのものであり、組付が困難とならない範囲で可及的に小さく設定される。また、弾性ワッシャ２１の内周面２１ｄの内径Ｄ３は、キャップ２２の内周壁２４の外径Ｄ４よりも大きく設定され、両者間に比較的大きな間隙Δ２が与えられている。この間隙Δ２は、キャップ２２の熱膨張に伴う内周壁２４の変位を吸収し得る大きさに設定されている。特に、公差に相当するΔ１との差、つまり（Δ２−Δ１）が、内周壁２４の熱膨張量よりも大きくなるように設定されている。このように設定することで、公差を考慮しても、実際の間隙Δ２の大きさが熱膨張量を下回ることがない。
【００３３】
具体的な数値例を挙げれば、間隙Δ１が０．１ｍｍ、間隙Δ２が１．２ｍｍである。なお、弾性ワッシャ２１の全幅Ｌ０は６ｍｍ、内周壁２４の外径Ｄ４は８３ｍｍである。また、フェライト系ステンレスであるＳＵＳ４３０の熱膨張率（０℃から７００℃へ温度上昇したとき）は、１１．９（ｃｍ／ｃｍ℃×１０−６）である。因みに、オーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ３１０Ｓでは、１７．８（ｃｍ／ｃｍ℃×１０−６）である。
【００３４】
また上記弾性ワッシャ２１は、組付状態では、所定量圧縮され、その反力でもって触媒担体４が軸方向に緩みなく弾性保持される。ここで、弾性ワッシャ２１の圧縮率が５０パーセント以下となるように、さらに詳しくは、約４０パーセントとなるように、各部の寸法が設定されている。
【００３５】
このような実施例の構成によれば、弾性ワッシャ２１が圧縮変形した組付状態においても、キャップ２２の内周壁２４と弾性ワッシャ２１の内周面２１ｄとの間に、内周壁２４の熱膨張量よりも大きな間隙が確保され得る。従って、キャップ２２が熱膨張により径方向に広がっても、弾性ワッシャ２１が外周側へ強く押されることはなく、その頂面２１ｂ部分が触媒担体４の外周縁４ａを外周側へ引っ張ることがない。従って、キャップ２２の熱膨張の繰り返しに伴う外周縁４ａ部分の剥離，破損を防止できる。
【００３６】
また、図４は、キャップ２２の断面形状を異ならせた第２の実施例を示している。この実施例においては、キャップ２２の内周壁２４が、凹溝開口部側が内周寄りとなるように傾いた傾斜壁となっている。詳しくは、この内周壁２４は、底壁２３との接続点２４ａが前述した実施例に比べて外周寄りにあり、弾性ワッシャ２１の内周面２１ｄの位置から斜めに立ち上がっている。そして、触媒担体４に対向する先端２４ｂが内周面２１ｄから内周側へ離れており、両者間に、前述した第１の実施例と同様に間隙Δ２が与えられている。なお、第１の実施例と同じく、一例として、間隙Δ１が０．１ｍｍ、間隙Δ２が１．２ｍｍである。
【００３７】
この実施例では、底壁２３の幅が、弾性ワッシャ２１の全幅Ｌ０に近似したものとなるで、キャップ２２内で弾性ワッシャ２１を精度よく位置決めでき、かつキャップ２２の熱膨張に対しては、前述した実施例と同様に、弾性ワッシャ２１とりわけその頂面２１ｂ部分を外周側へ押圧することがないことから、キャップ２２の熱膨張の繰り返しに伴う触媒担体４の外周縁４ａ部分の剥離，破損を防止できる。
【００３８】
次に、図５および図６は、それぞれ弾性ワッシャ２１の断面形状を変更した第３および第４の実施例を示している。この実施例では、弾性ワッシャ２１は、底面２１ａ、頂面２１ｂ、外周面２１ｃおよび内周面２１ｄを有する略矩形状をなし、かつ、頂面２１ｂの外周側に傾斜面からなる第１の面取部３１が設けられているとともに、頂面２１ｂの内周側に同じく傾斜面からなる第２の面取部３２が設けられている。上記第１の面取部３１は、触媒担体４の端部の外周縁４ａよりも外周側へ突出する範囲に設けられている。つまり、第１の面取部３１により残される頂面２１ｂの外周縁が触媒担体４の外周縁４ａに一致する。また、内周側の第２の面取部３２は、外周側の第１の面取部３１よりも小さく形成されている。なお、外周面２１ｃとキャップ２２外周壁２５との間の間隙Δ１および内周面２１ｄと内周壁２４との間の間隙Δ２は、上述した第１および第２の実施例と同様である。
【００３９】
これらの実施例では、弾性ワッシャ２１に当接する頂面２１ｂ側が台形状となることから、組付状態として弾性ワッシャ２１が圧縮されたときに、弾性ワッシャ２１全体が倒れるように変形することがなくなり、触媒担体４を一層安定して保持することができる。また、外周側に第１の面取部３１を備えていることにより、弾性ワッシャ２１が圧縮変形した組付状態においても、触媒担体４の外周縁４ａよりも外周側へ突出した部分が触媒担体４外周面側へラップすることがなく、触媒担体４の外周縁４ａ部分への負荷が低減する。従って、間隙Δ２を設けたことと相俟って、キャップ２２の熱膨張の繰り返しに伴う外周縁４ａ部分の剥離，破損を一層確実に防止できる。
【００４０】
さらに、第２の面取部３２によって、圧縮変形状態において弾性ワッシャ２１の一部がキャップ２２内周壁２４から内周側へはみ出すことがなくなり、排気ガスとの接触による酸化を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明が適用される触媒コンバータ全体の断面図。
【図２】図１の要部の拡大図。
【図３】弾性ワッシャとキャップとの関係を非圧縮状態で示す断面図。
【図４】内周壁を傾斜壁とした第２の実施例を示す断面図。
【図５】弾性ワッシャに面取部を設けた第３の実施例を示す断面図。
【図６】弾性ワッシャに面取部を設けるとともに内周壁を傾斜壁とした第４の実施例を示す断面図。
【符号の説明】
２…排気マニホルド
３…コンテナ
４…触媒担体
２１…弾性ワッシャ
２２…キャップ
２４…内周壁
２５…外周壁
３１…第１の面取部
３２…第２の面取部
Δ１，Δ２…間隙
【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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