(57)【要約】内燃機関の排気系用の触媒コンバータは、管状の気体入口及び出口ポートを有する単一物、継目無し金属ハウジングと、その内部に複数のカスケード式触媒要素を有する管状の中間部分とを備えている。中間部分は、入口遷移部分により入口ポートに及び出口遷移部分により出口ポートに接続される。入口及び出口ポート並びに入口及び出口遷移部分は、ハウジングを形成するため使用される継目無し管の端部をすえ込むことによって形成される。エンジンの作動によって発生された排気ガスはコンバータ内に且つ触媒要素を通って流れる。ＣＯ、ＮＯＸ及び不完全燃焼の炭化水素を含む排気中の有害な物質は、触媒要素の作用を通じてより無害の物質に変換され、該触媒要素は、触媒作用可能な物質にて被覆された複数の内部通路を有する破断可能なセラミックハミカム構造体であることが好ましい。コンバータにて管状端部を形成するためすえ込み過程が使用される。管状端部は、気体流中の乱流の発生を最小限にし且つ締結し、溶接し、又はフランジ付きの継手によってコンバータを排気系の他の部分に接続することを許容する。コンバータの単一物、継目無し構造は、経済的に製造でき且つ長期間に亙って腐食性排気ガスに曝されたとき、故障し易いハウジング構成要素の溶接部を不要にする。【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系用の触媒コンバータにおいて、
ａ．単一物、継目無しの金属ハウジングと、
ｂ．排気ガスが導入されるときに通る前記ハウジングの管状の気体入口ポートと、
ｃ．排気ガスが排出されるときに通る前記ハウジングの管状の気体出口ポートと、
ｄ．入口端及び出口端を有する前記ハウジングの管状の中間部分と、
ｅ．前記入口ポートと前記中間部分の前記入口端とを接続する入口遷移部分と、
ｆ．前記中間部分の前記出口端と前記出口ポートとを接続する出口遷移部分と、
ｇ．前記中間部分内に収容されて、前記排気ガスが前記気体入口ポートと前記気体出口ポートとの間を流れるときに順次に通る複数のカスケード式触媒要素と、を備える、内燃機関の排気系用の触媒コンバータ。
【請求項２】
請求項１に記載の触媒コンバータにおいて、前記入口及び出口遷移部分並びに前記気体入口及び出口ポートの前記内面は滑らかであり、且つ実質的にリッジが存在しない、触媒コンバータ。
【請求項３】
請求項１に記載の触媒コンバータにおいて、前記触媒要素の各々は、
ａ．貫通して伸びる複数の通路を有するセラミック基体と、
ｂ．前記通路の各々の表面の実質的な部分に存在する触媒活性材料とを備える、触媒コンバータ。
【請求項４】
請求項３に記載の触媒コンバータにおいて、前記セラミック基体の各々を取り囲むと共に、前記セラミック基体の外面を前記中間部分の内面に対して密封する膨張性マットを更に備える、触媒コンバータ。
【請求項５】
請求項１に記載の触媒コンバータにおいて、前記中間部分は、実質的に円筒状であり、且つある直径を有し、前記入口及び出口遷移部分の各々はある長さを有し、前記入口及び出口遷移部分の各々の前記長さは、前記中間部分の前記直径の約３０％ないし１００％の範囲にある、触媒コンバータ。
【請求項６】
請求項１に記載の触媒コンバータにおいて、前記入口及び出口遷移部分並びに前記気体入口及び出口ポートは、すえ込み法により形成された、触媒コンバータ。
【請求項７】
請求項６に記載の触媒コンバータにおいて、前記中間部分は、該中間部分に沿って軸方向に細長とされた複数のリブ状凹部を有する、触媒コンバータ。
【請求項８】
請求項１に記載の触媒コンバータにおいて、前記中間部分は、複数の小区分部分を有し、小区分部分の各々は前記触媒要素の少なくとも１つを保持する、触媒コンバータ。
【請求項９】
請求項８に記載の触媒コンバータにおいて、前記小区分部分及び前記複数の触媒要素は、異なる直径を有する、触媒コンバータ。
【請求項１０】
触媒コンバータを備える排気系を有する内燃機関システムにおいて、前記触媒コンバータは、
ａ．単一物、継目無しの金属ハウジングと、
ｂ．排気ガスが導入されるときに通る前記ハウジングの管状の気体入口ポートと、
ｃ．排気ガスが排出されるときに通る前記ハウジングの管状の気体出口ポートと、
ｄ．入口端及び出口端を有する前記ハウジングの管状の中間部分と、
ｅ．前記入口ポートと前記中間部分の前記入口端とを接続する入口遷移部分と、
ｆ．前記中間部分の前記出口端と前記出口ポートとを接続する出口遷移部分と、
ｇ．前記中間部分内に収容されて、前記排気ガスが前記気体入口ポートと前記気体出口ポートとの間を流れるとき順次に通る複数のカスケード式触媒要素と、を備える、内燃機関の排気系用の触媒コンバータ。
【請求項１１】
内燃機関の排気系用の触媒コンバータを製造する方法において、前記触媒コンバータは、
ａ．単一物、継目無しの金属ハウジングと、
ｂ．排気ガスが導入されるときに通る前記ハウジングの管状の気体入口ポートと、
ｃ．前記排気ガスが排出されるときに通る前記ハウジングの管状の気体出口ポートと、
ｄ．前記気体入口ポート及び前記気体出口ポートを接続する前記ハウジングの管状の中間部分と、
ｅ．前記入口ポートと前記中間部分の前記入口端を接続する入口遷移部分と、
ｆ．前記中間部分の前記出口端と前記出口ポートとを接続する出口遷移部分と、
ｇ．前記中間部分内に収容されて、前記排気ガスが前記気体入口ポートと前記気体出口ポートとの間を流れるとき順次に通る複数のカスケード式触媒要素とを備え、
ｉ．第一の端部及び第二の端部を有する継目無し金属管プリフォームであって、前記ハウジングに形成し得るようにされた前記プリフォームを提供することと、
ｉｉ．前記複数のカスケード式触媒要素を前記管プリフォーム内に挿入することと、
ｉｉｉ．前記第一の端部をすえ込んで前記気体入口ポート及び前記入口遷移部分を形成することと、
ｉｖ．前記第二の端部をすえ込んで前記気体出口ポート及び前記出口遷移部分を形成することとを備える、触媒コンバータを製造する方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法において、前記管は、前記第一及び第二の端部をすえ込む間、把持される、方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の方法において、前記触媒要素の各々は、
ａ．貫通して伸びる複数の通路を有するセラミック基体と、
ｂ．前記通路の各々の表面の実質的な部分に存在する触媒活性材料と、
ｃ．前記セラミック基体を取り囲み得るようにされると共に、前記セラミック基体の外面を前記中間部分の内面に対して密封する膨張性マットとを備え、
前記セラミック基体の各々を前記管プリフォーム内に挿入する前に該基体の各々を前記膨張性マットにて取り囲み、前記触媒要素を形成するステップを更に備える、方法。
【請求項１４】
請求項１１に記載の方法において、
ａ．前記管プリフォームは、供給管から提供され、
ｂ．前記第一の端部の前記すえ込みは、前記触媒要素が前記管プリフォーム内に挿入された後に実行され、前記第一の端部をすえ込みする間、前記管プリフォームが把持され、
ｃ．前記供給管は、前記第一の端部がすえ込まれた後、予め選んだ長さを有するその一部分を除去するよう切断され、これにより前記プリフォームを画成し、前記触媒要素は前記プリフォーム内に存在し、
ｄ．前記供給管を切断した後、前記第二の端部の前記すえ込みが実行されて前記プリフォームを形成し、前記第二の端部をすえ込む間、前記管が把持される、方法。
【請求項１５】
請求項１１に記載の方法において、
前記中間部分をすえ込んで複数の小区分部分を形成することと、
前記複数のカスケード式触媒要素を前記小区分部分内に挿入することとを更に備える、方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法において、前記小区分部分は、順次に減少する直径を有する、方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、前記中間部分の前記すえ込みの少なくとも一部分の間、前記プリフォームを把持することを更に備え、前記小区分部分の少なくとも１つの一部分にて減少した直径部分を形成し得るようにされたダイを把持することにより、前記プリフォームが係合される、方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載の方法であって、前記気体入口ポート、前記気体出口ポート及び前記小区分部分は、実質的に同軸状である、方法。
【請求項１９】
請求項１５に記載の方法であって、前記触媒コンバータは、少なくとも１つの曲がり部を有する、方法。
【請求項２０】
請求項１５に記載の方法において、前記触媒要素の各々は、
ａ．貫通して伸びる複数の通路を有するセラミック基体と、
ｂ．前記通路の各々の表面の実質的な部分に存在する触媒活性材料と、
ｃ．前記セラミック基体を取り囲み得るようにされると共に、前記セラミック基体の外面を前記中間部分の内面に対して密封する膨張性マットとを備え、
前記セラミック基体の各々が前記管プリフォーム内に挿入される前に、該基体の各々を前記膨張性マットにて取り囲み、前記触媒要素を形成するステップを更に備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車の排気構成要素、より具体的には、形成されて且つ継目無しエンクロージャに収容されるマフラー、触媒コンバータ又は同様のものに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気排出物は、世界中にて空気汚染の主たる発生源となるものとして広く認識されている。これらエンジン内での燃焼過程は、不可避的に、排気流れ内に進み且つ人間、その他の動物及び植物の健康及び健全な生活に有害である特定の物質を発生させることになる。問題となる排出物は、ＣＯ、ＳＯ２、ＮＯＸのような気体及び不完全燃焼炭化水素（ＨＣ）と共に、微粒子（煤）を含む。これらの物質は、燃料中に含まれる炭化水素の完全な酸化生成物であるＣＯ２、Ｈ２Ｏと共に、燃焼過程にて発生される。
【０００３】
マーケットの圧力及び政府の環境規制は、相俟ってエンジン排気中の有害な成分の発生を緩和し又は解消するための方法の研究開発に拍車をかけている。自動車メーカ及び販売業者は、１９６５年の米国の大気浄化法及びその後の米国及びその他の国における立法化により車のテール管の排出物を制御し且つ減少させる課題に取り組んできた。この立法化に応答して、エンジン内の実質的に全てのシステムが改良されている。その結果、現代のエンジンは、潜在的な化学エネルギを有用な機械的仕事量により効率的に変換し、それらの排出物が著しく減少するようにしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
今日迄、購入者の好み及び政府の行動のため、乗用自動車の４ストロークオットーエンジンに向けた顕著な努力が為されている。これらの自動車エンジンに対して排出物の減少の点にて進歩が為されているにも拘らず、益々、厳格な規制が課されつつある。排出物の規制は、その多くがディーゼルエンジンを採用するバス、トラックのようなその他の路上車両、オフロード車、及びその多くが２ストロークである非推進型エンジンにも拡大されている。
【０００５】
有害排出物の減少の多くは、排気ガス流が通って向けられる触媒コンバータを使用することに起因するものである。排気が適当な触媒を備える面を渡って通ることは、有害なＣＯ、ＮＯＸ及びＨＣ物質の顕著な部分を除去して、それらをＣＯ２、Ｏ２、Ｎ２、Ｈ２Ｏのようなより無害な物質に変換する更なる化学的反応を促進することになる。更に、タイミング及び燃空混合物に対するコンピュータ駆動の順応型制御と組み合わせて触媒コンバータを使用することは、排出物の減少を実現するためエンジンの作動パラメータを最適化するとき、エンジンの設計者に顕著な自由性を与えることになる。
【０００６】
触媒コンバータを排気流中に介在させることにより実現される顕著な利点から得られるマーケットでの人気にも拘らず、その製造にとって顕著な制約が依然として残る。コンバータを信頼性が高く、効率的で且つ経済的な製造過程により製造することができ、また、長期の使用寿命に渡って耐久性及び機能性を維持し得ることが望ましいであろう。しかし、従来のコンバータは、これらの望ましい特徴を提供することはできない。
【０００７】
コンバータの製造は、気密のエンクロージャを製造し、排気は、入口ポートのみから入り且つ出口ポートのみを通って出るようにしなければならない。機密の密封を実現し得ないことは、排気が流れるのを望ましくなく許容し、触媒の有利な効果を損ない且つ許容し得ない騒音を発生させることになる。場合によっては、可燃性気体を含む排気が漏れることは、エンジンのバックファイア及びエンジン系の他の部分への損傷を招くことになる。漏れは、車の搭乗者を不健康又は危険なレベルのＣＯ及びその他の排出物に曝す可能性もある。更に、漏れは、破局的な車の火災を引き起こすことが知られている。
【０００８】
理解し得るように、自動車の製造メーカは、幾つかのファクタのため、これらの触媒コンバータの故障を最小にし又は解消することに駆り立てられている。高品質の製品の提供者としての製造メーカの評判は、故障の報告により下落する。更に、マーケットの圧力及び現在の米国の環境規制の双方は、自動車製造メーカが自動車の汚染防止システムの全ての面の完全性及び効率性を保証することを要求している。より具体的には、規制は、システムが自動車の排出物を長期間及び走行距離に亙って確立された基準範囲に維持する機能を果たすことを要求している。少しの故障でも製造メーカは、コストの掛かる保証修理及び不便を蒙った消費者の怒りを招くことになる。
【０００９】
従来、触媒コンバータ用に使用された金属ハウジングは、大部分、「パンケーキ」又は「二枚貝」形態、包んだ形態、及び多数部品形態という３つの大きい構造範疇に分類され、これらの各々は、触媒作用可能な材料を支承する触媒基体を取り囲んでいる。
【００１０】
典型的に、「パンケーキ」又は「二枚貝」形態は、互いに実質的に同一である押し抜きした上側及び下側殻体を備えており、これらの殻体は、ハウジングの長手方向軸線を保持する面内に位置するよう互いに溶接された、合わさる周縁の側部フランジを有している。これらの殻体は、内部チャンバを形成するような形状とされており、この内部チャンバ内にて触媒基体は、「Ｌ字形」又はその他の既知のブラケットにより又は、ハウジング構成要素の殻体にて一体に設けた予め形成した作用部により取り付けられている。
【００１１】
包んだ形態のハウジングは、最初、シート様であり、触媒基体を全体として取り巻くように形成された材料にて出来ている。この形態は、その構造を反映して、「止血帯状ラップ」としても知られている。ハウジングの端縁は、コンバータの実質的に全軸方向長さに沿って伸びる溶接継目にて接続しなければならない。この構造における入口ポート及び出口ポートは、ラップ工程の一部として形成するか又は、より一般的には、シート材料を形成した後、ハウジングの端部に溶接した別個の構成要素を備えることができる。
【００１２】
多数部品のハウジングの幾つかの構造が既知である。米国特許明細書５，１１８，４７６号により開示された１つの形態は、触媒基体が配置され、また、端部ブッシュが中間部分の各端部に取り付けられた管状の中間部分を備えている。米国特許明細書６，００１，３１４号には、２つの部品から成るハウジングが開示されている。部品の各々は、深絞り成形法により成形されて開放端と、関係した排気系の管と接続し得るように指定された開口部に向けてテーパーが付けられた円錐形の外端とを提供する。これら２つの部品は、その内部に触媒基体が収容された状態にて互いに溶接される。
【００１３】
これら多数部品から成る構造体の各々は、溶接により密封してシート様材料の継目を閉じるか又は適宜な端部キャップを固定するかの何れかを行う。ハウジングの要求される密閉的密封を提供し且つ、触媒基体を固定するために溶接が必要とされる。しかし、これら溶接の各々は、故障が生じ易い態様である。更に、１９９６年以降、乗用乗物に対して米国環境保護庁により課されたＯＢＤ２（塔載診断）基準は、エンジンの排気系内での密封的一体化を更に必要とする。この基準は、コンピュータ化したエンジン制御システムに対して要求される入力として触媒コンバータの前に及び後にてＯ２含有量を測定すること要求している。センサ間の系にてピンホール漏れが生じても、質量の釣合い決定のため使用される、Ｏ２レベルの比較の正確さを損なうことになる。排出物制御システムは、故障してタイミング及び燃／空混合体を順応可能に最適化し、排出物を最小にするエンジン制御システムの能力を失わせる。排出物制御システムのかかる故障は、車の製造メーカによる保証の下、修復しなければならず、消費者にとってかなりの費用負担及び不便さが生ずる。
【００１４】
触媒コンバータの環境は、各々、コンバータハウジングの侵入性腐食及び極限的故障を生じさせる可能性がある多数の理由のため苛酷である。例えば、路上車、特に、低温の気象にて使用されるコンバータは、外部が道路の塩の噴霧に曝され、また、内部が酸性の排気ガスに曝される。当該技術において、化学的及び応力的影響は組み合さって溶接部を特に腐食性攻撃が生じ易い箇所にすることは周知である。従って、溶接無しにて単一物に効率的に且つ経済的に形成することのできる触媒コンバータハウジングは、自動車の技術分野にて長期間、探求されてきた。かかる単一物の触媒コンバータハウジングは、多数部品から成り且つ溶接した既存のハウジングの形態の信頼性に関係する重大な短所を解消することになろう。
【００１５】
単一物ハウジングを製造する唯一の既知の技術は、スピニングである。この過程において、触媒要素は、管内に配置され、適宜なツールは、その端部の各々にて管と接触するようにされる間、組み合さった被加工物は、管の円筒状軸線の回りにて急速にスピンされる。このように、十分な変形が実現され、管の各端部にて減少した直径の管状のポートを形成する。要求される減少程度に依存して、スピニングは、冷間又は熱間の何れかにて実施される。スピニング方法は、単一物ハウジングを製造するものの、この方法は、顕著な短所も伴う。製造物の成形法は、実施することがコスト高で且つエネルギ集約的である。更に、その結果、変形した領域内にてハウジングの内面及び外面の双方上で周縁リッジが形成される。これらのリッジは、見栄えが良くなく、また、マフラー内にて気体の流れを著しく乱し、乱流及び望ましくない背圧を生じさせ、これらの乱流及び背圧は、所定のシリンダの押しのけ量に利用可能なエンジン動力を減少させる。スピニングにより実現可能な直径の減少の程度は制限される。更に、金属の減少した断面にて顕著な加工硬化が生じる。その結果、ポートへの管の取り付け部を含む、減少した断面における管の展性は、極めて低く、コンバータを通常のクランプによって隣接する排気部分に取り付けることはできない。その代わり、溶接し又はフランジ付き継手を使用しなければならない。溶接継手の必要性は、アフターマーケット及び修理の用途のため特に不都合である。
【００１６】
スピニング過程は、この過程により製造することのできる製品の寸法及び形状によって更に制限される。極めて長い形状体は、利用可能な旋盤及び同様の工作機械にて固定し且つ必要とされる速度にて回転させることが難しい。更に、スピニングにより製造される装置は、円筒状軸線の回りにて回転対称でなければならず、さもなければ、生じる不釣合いのため、装置を回転させ且つ所望の形状体の必要とされる成形を実現することを不可能にする。多くの場合、排気系にとって利用可能な循環路は、触媒コンバータのような、利用可能な非対称の構成要素を有することを極めて望ましいものにし、この触媒コンバータにおいて、入口ポート及び出口ポートが同軸状に整合されるようにする必要はなく、互いに角度を成し又は偏位させる。かかる形態は、既知のスピニング方法によって形成することはできない。更に、スピニング法により形成されたハウジングの領域は、その後の曲げ及び同様の工程を実質的に不可能にする程度まで加工硬化される。
【００１７】
これらの欠点の結果、スピニング法は、スピニング法にて製造できるであろう有用な単一物、継目無しの装置がマーケットにて強く要望されているにも拘らず、排気構成要素の製造にて広く使用されていない。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の１つの形態において、単一物、継目無しの金属ハウジングを有する内燃機関の排気系用の触媒コンバータと、該コンバータを製造する方法とが提供される。触媒コンバータは、（ｉ）排気ガスが導入されるときに通るハウジングの管状の気体入口ポートと、（ｉｉ）排気ガスが排出されるときに通るハウジングの管状の気体出口ポートと、（ｉｉｉ）入口端及び出口端を有するハウジングの管状の中間部分と、（ｉｖ）入口ポートと上記中間部分の入口端とを接続する入口の遷移部分と、（ｖ）中間部分の出口端と出口ポートとを接続する出口遷移部分と、（ｖｉ）中間部分内に収容されておりかつ気体入口ポートと気体出口ポートとの間を流れるとき排気ガスが通る複数のカスケード式触媒要素とを備えている。入口及び出口遷移部分並びに気体入口及び出口ポートの内面は滑らかであり、且つ実質的にリッジが存在しない。入口及び出口ポート並びに入口及び出口遷移部分は、ハウジングを形成するため使用される継目無し管の端部をすえ込むことにより形成される。本明細書にて使用するように、「継目無し金属管」という語は、例えば、押出し成形法により製造された全体として円筒状の金属管、又はシートの対向する全体として平行な端縁を当接させ且つ、端縁を溶接によって接続することにより、長い比較的狭小なシートを管状の構造体に成形することにより形成された管を意味するものと理解する。
【００１９】
エンジンの作動によって発生された排気ガスはコンバータ内に且つ触媒要素を通って流れる。ＣＯ、ＮＯＸ及び不完全燃焼の炭化水素を含む排気中の有害な物質は、触媒要素の作用を通じてより無害の物質に変換され、該触媒要素は、１つ又はより多くの触媒作用可能な物質にて被覆された複数の内部通路を有する破断可能なセラミックハミカム構造体を備えることが好ましい。
【００２０】
望ましくは、本発明の単一物、継目無しコンバータ構造体は、経済的に製造され、また、極めて故障し易いハウジング構成要素の溶接を不要にするものである。より具体的には、コンバータハウジングの単一物、継目無し構造体は、コンバータの部品の寸法及び数を減少させる（既知の実際的な構造と比較して）と同時に、コンバータの効果を増大させ且つその構造及び製造を改良する。コンバータは、性質上、経済的に製造され、また、オリジナルな装置のコンバータを直接、自動車及びトラックの製造メーカに納入して工場で排気系内に取り付けるのに必要な多量にて大量生産することができる。更に、ハウジングの改良は、より優れた車の燃料効率及び優れた製造の経済性を含む更なる有利な効果を提供する。
【００２１】
本発明の触媒コンバータの単一物構造によって得られる継目又は端部キャップの全ての溶接を不要にすることは、使用する間のその信頼性を著しく向上させることになる。溶接部は、化学的及び応力的影響の双方のため腐食性攻撃の集中箇所として損傷し易いことが知られている。作動時、典型的な路上車の用途における触媒コンバータは、外部が道路の塩及びその他の腐食性物質、また、内部が酸性の排気ガスに曝される。本発明の触媒コンバータに溶接部が存在しないことは、装置の使用寿命の間、故障の主要な発生源を除去することになる。
【００２２】
本発明の触媒コンバータの製造は、触媒コンバータの管状端部を形成するため、すえ込み過程を使用するステップを備えている。全体として端部よりも大きい中心部の寸法であるハウジングの中央部分は、袋状となり、且つ触媒要素を所要位置に保持する。全体としてハウジングの端部を、エンジン排気系の隣接する構成要素に対するコンバータの接続のために指定された管の直径まで小さくするため、本発明を実施するときすえ込み法が使用される。
【００２３】
端部を形成するため使用されるその他の既知の方法と比較して、すえ込み法は多数の有利な効果をしばしばもたらす。直径の減少は、複数のダイを使用して一連のステップにて実行することができる。その結果、すえ込み過程は極めて適合しており、ハウジングを利用可能な空間内に嵌まるよう特別に製造するとき、また、装置を通るガスの流れの運動力学を最適化するときに設計者に対し大きい自由度を提供する。管状端部及び遷移部分は、滑らかであり且つ内面又は外面の双方に周縁リッジが実質的に存在しない。装置の外観は向上する。内面が滑らかであること、また、内面上にリッジが存在しないことは、コンバータを通る排気ガスの流れを妨げたり、過剰な背圧を生じさせる乱流の発生を最小限にする。すえ込みは、通常、コンバータを締結し、溶接し又はフランジ付きの継手によって排気系の他の部分と接続することを許容するのに十分な展性の程度を維持する。
【００２４】
スピニング法に優る本発明の幾つかの実施の形態により提供される更なる利点は、長い長さ及び曲がり部又はその他の非対称形態のような特徴を含んで、より精密な構造体を形成する能力である。本発明の端部形成過程は、被加工物の急速な回転を必要としないため、利用可能な旋盤又は同様の工作機械の回転釣合い又は寸法の何れも考慮する必要はない。このように、端部成形は、円形とすることができ又は楕円形、特に、車の隙間又はその他の寸法及び空間の必要性に対応するのに必要な「平坦な楕円形」のような多岐に亙るその他の形状体を有することのできる、入口及び出口ポート並びに遷移部分を備えるコンバータを製造することが可能である。コンバータは、その部分の任意の部分に曲げ部分を有するように形成してもよい。触媒要素は、正円形のシリンダではなくて楕円形のシリンダである設計を形成することも可能である。
【００２５】
本発明の１つの形態において、触媒要素は、貫通して伸びる複数の通路を有する、こわれやすいセラミックハニカム構造体を備えている。通路の表面は、細かく分散させた触媒作用可能な物質にて実質的に覆われている。この構造は、全体として、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈを含む高価な白金群の貴金属の１つ又はより多くを備える触媒作用物質を効果的に使用することを可能にする。セラミックハニカムは、該ハニカムを中間部分の内径部内に弾性的に且つ絶縁状態にて固定する作用を果たす膨張性材料のマットにて取り囲まれることが好ましい。マット材料が膨張すると、セラミックをその製造及び使用寿命の間、保護する高信頼性で且つ気密のシールが形成される。更に、膨張性材料によって排気ガス流れは、ハニカムの通路を通って流れ、触媒効率を最大にする。
【００２６】
本発明の好ましい実施の形態に関する以下の詳細な説明及び同様の要素を幾つかの図面の全体に亙って同様の参照番号にて表示する、添付図面を参照することにより、本発明は、一層良く理解され且つ更なる有利な効果が明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明は、触媒コンバータに関するものであり、この触媒コンバータという語は、本明細書にて、内燃機関の排気系内に組み込まれた触媒コンバータ、マフラー、前置触媒コンバータ又は同様のものを意味するために使用する。全体的に言って、触媒コンバータは、ステンレス鋼合金のような耐食性金属合金にて出来ていることが好ましい単一物、継目無し金属ハウジング内に収容されている。ハウジングは、管付の気体入口及び出口ポートを有しており、排気ガスはこれらのポートを通ってそれぞれ導入され且つ排出される。コンバータは、また、ハウジングの管付の中間部分内に収容された複数のカスケード式触媒要素も備えている。排気ガスは、コンバータを通って流れる間、触媒要素の表面上を流れるようにされる。触媒要素上に存在する触媒的活性を有する材料は、気体の流れを浄化する化学的反応を促進する。これは、その内部の特定の化学的種を生命又は環境に対し全体として有害でないと考えられるか又は、危険性を著しく減少させるその他の種に変換することにより実現される。
【００２８】
次に、図１、図２を参照すると、本発明の１つの形態を備える触媒コンバータが全体として参照番号１０で示されている。触媒コンバータ１０は、耐食性金属、好ましくは、ステンレス鋼で出来た単一物、継目無しの金属ハウジングを有している。図１に示した実施の形態は、その軸方向長さに沿った各点にて円形の断面を有する、全体として円筒状である。しかし、その他の実施の形態において、ハウジングは、平坦な楕円形のような、非円形の断面を有することができる。ハウジング１２は、全体として管状の形状であり、また、入口オリフィス１６を有する管になった気体入口ポート１４と、出口オリフィス２０を有する管状になった気体出口ポート１８とが設けられている。コンバータ１０は、内燃機関（図示せず）の排気系内にて使用し得るよう特定される。入口ポート１４は、入口遷移部分２４によりハウジング１２の管状になった中間部分２２と接続されている。中間部分２２は、出口遷移部分２６を通って出口ポート１８と接続されている。内燃機関の作動中に発生された排気ガスは、入口ポート１４の入口オリフィス１６を通ってコンバータに入る。次に、排気ガスは、入口遷移部分２４、中間部分２２及び出口遷移部分２６を通って連続的に流れ、その後、出口ポート１８の出口オリフィス２０を通って排出される。コンバータ１０の入口及び出口ポート１４、１８は、以下に説明する製造過程のため、減少した直径であるにも拘らず、加工硬化されることはない。その結果、コンバータ１０のポート１４、１８は、エンジンの技術にて既知の適宜な手段により製造した溶接し、締結し且つフランジ付きの継手により排気系の他の構成要素と容易に接続することができる。
【００２９】
図１の触媒コンバータ１０内の構成要素の配置は、図２の断面図にて最も良く見ることができる。コンバータ１０は、触媒要素２８を更に備えている。本発明の１つの形態において、触媒要素２８は、多数の貫通する通路３２を有する全体として円筒状、こわれやすい耐熱性セラミックハニカム基体３０を備えており、通路３２の各々は、基体３０及び中間部分２２の円筒の軸線に対して全体として平行に伸びている。通路３２は、ハニカムパターン又は同様の配列にて全体として配置されている。通路３２は、基体３０を完全に貫通して伸びており、これにより気体が要素２８の一端３４からその他端３６まで流れるのを許容する。本発明の１つの形態において、基体３０はコーディライトから成っている。十分な強度、熱衝撃抵抗性、耐熱性及び排気ガス流及び該排気ガス流に付与された触媒材料の双方に対する化学的適合性を有するその他のセラミック材料を使用することもできる。通路３２の内面は、触媒活性物質にて実質的に被覆されており、エンジン排気中に存在する物質の化学的反応を誘発させてその物質を浄化する。本発明の幾つかの形態において、触媒要素２８は、連続的に又は平行に配置されて、例えば、一層優れた気体の流れを実現し、１型式以上の触媒を提供し、又はより長いコンバータの製造を容易にする複数のセラミック又はその他の基体を備えることができる。連続的に配設された基体は、実質的に当接する関係とし又は、気体の流れを最適にするため望まれる自由な空間により分離させることができる。
【００３０】
当該技術の当業者は、図１及び図２に示した実施の形態は、円筒対称である一方、本発明は、曲げ部、角度部分及びその他の非対称の作用部が存在する形態とすることも考えられることも理解されよう。中間部分は、楕円形又は「パンケーキ」の形状とすることができ、また、合わさる形状の触媒要素を有している。入口端及び出口端、並びに中間部分は、図１及び図２に示すように、同軸状に方向決めすることができる。これと代替的に、ハウジングは、平行であるが、偏位した方向に又は相対的な角度にて方向決めすることができるような態様の構造としてもよい。
【００３１】
更に、入口端及び出口端は、エンジンの排気系の部分として機能するように伸ばすことができる。この伸長は、追加的な成形ステップを必要とするが、エンジンの排気系全体における部品数の相応する減少は、組立を簡略にすること、また、同様に、腐食による故障し易い、その他の場合に必要とされる継手を解消することの双方のため有益である。
【００３２】
本発明の触媒コンバータは、任意の既知の触媒的に活性を有する物質を採用する。これら物質の多くは、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈのような貴金属を含む。（ｉ）これらの高価な材料を可能な限り効率よく使用すること、（ｉｉ）その触媒面の有効面積を最大にすることの必要性のため、触媒材料は、全体として触媒基体に被覆し且つ接着した微細に分割した形態にて提供される。適宜な触媒材料は、窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素を窒素、水及び二酸化炭素に変換すべく特定された三元触媒を含む。適宜な触媒材料を選び且つ触媒材料の特定の活性及び有効表面積を確認する手段は、触媒の技術にて周知である。コンバータは、酸化触媒と、二次的空気を中間部分２２に供給して一酸化炭素及び炭化水素から水及び二酸化炭素への変換を促進する手段（図示せず）とを備えることもできる。金属触媒の支持システムを含むその他の形態の触媒基体を本発明の実施にて使用することもできる。
【００３３】
セラミック基体３０は、全体として取り囲むマット３８により中間部分２２内にて密封接触する状態で支持し且つ確実に保持されることが好ましい。マットは、弾性的、絶縁性で且つ衝撃吸収性であることが好ましく、また、自由なマーケットにて入手可能な気体不透過性、バーミキュライト基材料から成るものとすることができる。かかる材料は、膨張性である、すなわち加熱したとき、実質的に膨張する。典型的に、約６．３５ｍｍ（１／４インチ）の初期厚さを有するマットが使用される。コンバータ１０を組み立てる間、マット３８は包み込んで、セラミック基体３０を実質的に取り囲み且つその長手方向又は軸方向長さの少なくとも一部分を覆うようにする。好ましくは、その端部３４、３６の各々にてセラミック基体３０の円筒状周縁の短い部分が図２に示すように、マットにより覆われないままにする。好ましくは、各端部にて覆われない軸方向長さは、マットの厚さの約１／２ないし３倍の範囲にあるものとする。この抑制は、マットの部分がハニカム構造体３０を通る通路の何れをも遮断又は妨害しないことを保証する。包み込んだマット３８は、組み合わせた基体３０及びマット３８を中間部分２２の内径部内に挿入する前に、その初期厚さの約１／２厚さまで半径方向に圧縮してコンバータハウジング１２内での組み合わせた組立体の位置決めを確実にする。
【００３４】
本発明を実施するのに適したマットの１つの形態は、自動車の触媒コンバータの単一物を取り付けるため使用することのできる可撓性の膨張性シートを備えている。シートは、非膨張のバーミキュライトと、無機質繊維状材料と、バインダとを備えており、バーミキュライトは、鉱石内の層間カチオンをカリウムイオンとイオン交換するのに十分な時間、層間カチオンを含むバーミキュライト鉱石を硝酸カリウム溶液中に曝すことで製造される。該シート材料には、クラフト紙、プラスチックフィルム、不織合成ファイバウェブ又は同様のものの裏当てシートを設け又は該裏当てシートに対し一時的に積層することができる。膨張性密封マット３８の別の適当な形態は、「３Ｍインタームマット（ＩＮＴＥＲＡＭ  ＭＡＴ）」という商標名にてマーケットで入手可能である。適宜な膨張性密封マットは、ユニフラックス（Ｕｎｉｆｒａｘ）によって「ＸＰＥ」型としても商業的に販売されている。
【００３５】
望ましくは、マット３８の膨張は、触媒基体３０をコンバータハウジング内に確実に取り付けるのを保証するものとする。更に、膨張性マット３８は、触媒基体３０の円筒状外面と中間部分２２の円筒状内面との間の空隙を密封する。この「密封作用」力は、入口ポート１６を通ってコンバータ１０内に流れ込む実質的に全ての気体が強制的に基体３０内の内部通路３２を通り、その後、出口ポート１８から出るようにする。排気ガスは、触媒活性材料に最大限、露呈されるため、これにより内部通路３２の面を被覆する触媒材料の効果は向上する。マット３８の弾性は、コンバータ１０を最初に組み立てる間、脆弱な基体３０を緩衝し且つ保護する作用を果たす。更に、マット３８は、反復的な熱サイクルの後でさえ、この弾性を保持する。コンバータ１０の構成成分は、排気がコンバータ１０を通るエンジンの加熱、作動、及び冷却の各サイクルの間、熱膨張差及び収縮差を経験する。その弾性を維持することにより、マット３８は、各作動サイクルの全体の間、十分な程度の密封を維持しつつ、この膨張差のパターンのため、基体３０を損傷から保護することができる。
【００３６】
図１に示した本発明の形態は、セラミック基体の上に分散され且つ支持された触媒を採用する触媒コンバータを備えているが、本発明の実施にてその他の形態の触媒及び基体を使用することもできる。例えば、触媒は、それ自体にコイル巻きされ、長手方向に貫通して伸びる複数の通路を有する全体として円筒状の構造体を形成する、波形金属箔の形態をとることができる金属基体上に分散させることができる。金属は、既知のセラミック触媒基体よりも実質的にこわれにくく且つ靭性であるから、この形態の金属触媒支持体は、コンバータ１０を製造するとき膨張性材料３８を不要にすることを許容することができる。
【００３７】
多岐に亙る金属合金が本発明のハウジングに適している。合金の選択は、コスト及び必要とされる温度能力、耐久性及び耐食性に関して必要とされる性能レベルに基づいて行われる。自動車の用途の場合、いろいろな４００シリーズ合金を含む、フェライトステンレス鋼が一般に使用される。最も一般的には、４０９ＳＳ及びＳＡＥ５１４０９合金が採用される。非推進型用途を含む小型のエンジンの場合、また、コスト条件が重要であるその他の場合、炭素スチールが使用されることが多い。船舶機関のような、特に長寿命及び高耐食性が望まれる苛酷な用途の場合、オーステナイト系及び３０４ＳＳのような３００シリーズステンレス鋼合金が一般に採用される。
【００３８】
本発明の触媒コンバータは、芝刈り機、除雪機、雑草刈り込み機及び同様のオフロードの非推進型用途にて使用されるであろう数馬力以下の小型のエンジンからトラックにて使用される大型のディーゼルエンジンまでの範囲に亙る異なるエンジンの必要条件に適応し得るよう広範囲の寸法にて製造することができる。多くの現在の自動車の用途は、６３．５ｍｍ（２．５インチ）ないし１０２ｍｍ（４インチ）の標準直径にて商業的に入手可能であるセラミック基体を採用する。自動車用コンバータの全長は、典型的に、約２２．９ｃｍ（９インチ）ないし５０．８ｃｍ（２０インチ）である。小型の非推進型エンジンは、２５．４ｍｍ（１インチ）直径又は更に小さい基体を採用し、また、僅か数インチの長さとすることができる。基体の最小長さは、流動速度及び汚染物質の濃度を十分に減少させる化学的反応を実現するため、排気ガスが触媒の表面上に存在することを要する時間の長さによって一般に決定される。コンバータの全長は、次に、作用可能な触媒の長さ及び遷移部分、入口ポート及び出口ポートの必要とされる形状によって決定される。コンバータの入口ポート及び出口ポートは、排気の流れ抵抗を減少させるため基体の直径の約１／２であることがしばしばである。入口遷移部分及び出口遷移部分のテーパーは、極めて漸進的から極めて急激な範囲に亙るものとすることができる。自動車の用途の場合、遷移部分は、簡略化のため、１０ないし１５°の直線状のテーパーが選ばれることがしばしばである。しかし、当該コンバータの幾つかの実施の形態にて提供される湾曲した遷移部分は、より優れた空気力学のために一般に有益である。本発明の１つの形態において、中間部分は、円筒状であり、入口及び出口遷移部分の長さは、長さの各々が中間部分の直径の約３０％ないし１００％の範囲となるように選ばれる。
【００３９】
図１及び図２に示し且つ上述した触媒コンバータは、利用可能な空間を理由として、通常、自動車の床の下方に配設される型式のいわゆるアンダーフロア型のものである。しかし、当該技術の当業者には、本発明の原理は内燃機関の排気マニホルドに近接して取り付け得るよう特定された型式のものを含んで、多くの異なる型式の触媒コンバータに適用可能であることが理解されよう。これらの型式は、マニホルドの約９１．４４ｃｍ（３６インチ）の範囲内に取り付けられるならば、プレキャット（ｐｒｅ−ｃａｔ）触媒コンバータとして表示され、又はマニホルドの約２０．３２ｃｍ（８インチ）の範囲内に取り付けられるならば、プレライト（ｐｒｅ−ｌｉｇｈｔ）触媒コンバータと称される場合がある。更に、本発明の原理は、自動車のもの以外の多岐に亙る内燃機関用の触媒コンバータ、及びマフラー、共鳴器又は排気系内のその他の同様の構成要素と一体化されたコンバータの製造にも適用可能であることが理解されよう。
【００４０】
本発明の１つの形態に従って、触媒コンバータの入口及び出口遷移部分並びに入口ポート及び出口ポートは、すえ込み法により形成される。図１及び図２に示した本発明の形態において、コンバータハウジング１２は、その直径がその長さに亙って均一である円筒状の金属管から形成される。管の端部は、すえ込まれて遷移部分２４、２６及びポート１４、１８を形成し、マット３８及び基体３０は中間部分２２内に配置される。図２に示すように、実質的にその全長に亙る中間部分２２の内径はｄｔである。すえ込み工程は、遷移部分２４及び入口ポート１４を形成し、管を入口ポート領域の直径ｄｉまで滑らかにテーパー付け、このため、入口ポート１４は、排気系のそれ以前の構成要素に取り付けることができる。また、すえ込み工程を使用して出口遷移部分２６及び出口ポート１８を形成することもできる。出口ポート１８の直径ｄｏは、入口ポート１４の直径ｄｉと等しくすることができる。これと代替的に、排気系の必要条件に対応し得るよう異なる直径を選んでもよい。
【００４１】
図３及び図４には、図１及び図２に示したハウジング１２の形態の１つの変更例を備える本発明の１つの形態が図示されている。この形態において、すえ込み法を含むことのできる更なる成形工程を選択的にハウジング１２の中間部分２２に対して行って中間部分２２に沿って軸方向に細長とされた複数のリブ状凹部５０を形成する。好ましくは、凹部５０は、中間部分の主要部分に沿って伸びるが、入口及び出口遷移部分２４、２６まで伸びないようにする。図３に示した線Ａ-Ａに沿った図４の断面図には、かかる凹部が３つ存在する１つの形態が示されている。好ましくは、凹部５０は、膨張性マット３８の厚さの最大１／２の深さまで半径方向内方に伸びるものとする。これらの凹部は、マット３８及び基体３０を更に支持し且つマット３８及び基体３０が軸方向に動くのを規制すると共に、ハウジング１２の壁内部にてマット／基体組立体の密封状態を保証する作用を果たす。凹部５０は、基体３０を破断させるほど深くてはならない。
【００４２】
図３には、入口遷移部分２４と中間部分２２との間の接続部及び中間部分２２と出口遷移部分２６との間の接続部における周縁方向に伸びる選択的な凹部５２も示されている。これらの凹部５２は、基体３０を支持し且つ基体３０が軸方向に動かないよう規制する作用を果たす。存在するならば、これらの凹部はマットの厚さよりも浅く又はその厚さにほぼ等しい深さであることが好ましい。幾つかの場合において、この凹部は、基体３０の表面積にて提供される気体の流れの均一さを望ましいように向上させる。その他の実施の形態において、網、反らせ板又は同様の構造体を使用してセラミック基体の入口及び出口を異物の侵入から保護し且つ気体の流れを向上させることもできる。
【００４３】
コンバータハウジング１２の端部の各々を形成するために使用されるすえ込み法は、適宜な形態としたダイを管の各端部の上にて機械的に押し付けることにより実行され、この力は、全体として軸方向に加えられ、また、ダイは、金属を流動させ、これによりその真円度を維持しつつ、管の直径を減少させるようにする。好ましくは、すえ込み法は、コンバータハウジング１２の各端部を形成するよう複数のダイを使用して複数のすえ込みステップにて実施されるものとする。適宜な一連のダイを更に使用して、遷移部分にて所望の輪郭外形を実現することができる。輪郭外形は、円錐体のような単純なものとすることができるが、これと代替的に、その軸方向に向けてコンバータの内面の勾配にて不連続部分が存在しない、曲率の組み合わせを有する、より複雑なパターンを備えるようにしてもよい。本発明の幾つかの実施の形態において、ハウジングの両端は、液圧駆動ラムを使用してダイの各端部にて反対方向に向けた圧縮力を加えることにより、同時にすえ込まれる。
【００４４】
当該コンバータの遷移部分の輪郭外形を選ぶときに自由度があることは極めて望ましいことである。輪郭外形は、一部分、遷移部分の長さに沿った各点における曲率及び部分のテーパーの全体的な急峻度を特徴とする。コンバータの設計者は、幾つかの制約を満足させなければならない。コンバータの全長は、利用可能な空間により最大長さに制限することができる。要求される気体の流量、気体の流れに対する許容可能な抵抗、作用可能な触媒に対する排気の必要とされる露呈の程度は、基体の利用可能な形態及び貫通する通路の幾何学的形態と共に、全体として触媒要素に要求される面積及び長さを規制することになる。更に、適正に設計された遷移部分は、排気ガスの全体として層状の流れを維持し且つ内部の望ましくない乱流の発生を最小にすることが望ましい。この乱流は、触媒コンバータの抵抗を望ましくないように増大させ、その結果、過剰な背圧となる。遷移部分の勾配に上述した不連続部分が存在しないことは、漸進的にテーパーを付けた直径を有する適宜な遷移部分の輪郭外形と共に、この乱流を最小にする。
【００４５】
スピニングのようなその他の成形技術に勝るすえ込み法の更なる有利な点は、コンバータの内面及び外面の双方の滑らかさを維持しつつ、殆どの場合、減少した断面を製造するその能力である。適正に実行されたとき、典型的にスピニングにより製造される内部及び外部の周縁リッジをつくることなく、直径を顕著に減少させることができる。存在するならば、排気構成要素の内面におけるかかるリッジは、上述したように望ましくない乱流の更なる発生源である。更に、すえ込み技術の結果、通常、外面は滑らかであり且つ審美的に優れたものとなり、点食、腐食又は同様の攻撃の受け易さを最小にし、めっき又はその他の被覆工程により容易に仕上げ可能なものにする。すえ込み技術は、顕著なリッジ無しにて滑らかな内面も形成する。
【００４６】
スピニングのような技術の更なる不利益な点は、断面を結果的に減少させる加工硬化量である。この加工硬化は、入口ポート及び出口ポートを、ポートを締結によりその他の排気構成要素に確実に且つ密閉的に取り付けることを許容するのに不十分な展性レベルにする点で、極めて有害である。溶接部又はフランジを使用して継手を製造しなければならず、これら溶接部及びフランジは、特に市販された後の装置では、具体化することが高価でありかつ困難である。
【００４７】
本発明の触媒コンバータは、その他の形態にて製造することができる。例えば、コンバータは、複数のカスケード式触媒要素を組み込むことができる。図５には、全体として円筒状のコンバータ内に２つの触媒要素２８、２８´を有するかかる１つの実施の形態１１が示されている。要素の各々は、実質的に同様の寸法であり且つ膨張性マット３８により取り囲まれている。要素は、距離ｓ１だけ側方向に隔てられている。好ましくは、ｓ１は直径ｄｔの少なくとも１０％であるものとする。排気ガスは、入口ポート１４及び遷移要素２８、２８´から入って、要素２８の端部３４に順次に入り且つ端部３６から出て、要素の間の空間を移動し、次に、要素２８´の端部３４´に入り且つ端部３６´から出て、最終的に、出口ポート１８を通ってコンバータから出る。幾つかの実施の形態において、要素２８、２８´は、コージライトのようなセラミックハニカム基体に施された被覆とすることのできる実質的に同一の触媒作用材料を含む。しかし、要素は、異なる反応を触媒により促進させるよう最適化することのできる異なる触媒物質を組み込むこともできる。例えば、１つの触媒は、ＮＯＸをＮ２＋Ｏ２に変換すべく使用される型式のものとする一方、別の触媒は、未燃焼ＨＣを完全燃焼させるために使用される型式のものとすることができる。２つ以上の要素を採用するその他の組み合わせ及び形態も本発明の範囲に属することが理解される。
【００４８】
更に、いろいろな触媒要素は、異なる直径のものとすることができる。３つの触媒要素を採用するかかる形態７０の１つは図６に示されている。この実施の形態において、触媒コンバータの中間部分は、その内部に触媒要素７８、８２、８４がそれぞれ配設される小区分部分７２、７４、７６を有する。小区分部分は、遷移部７３、７５により接続される。図示した実施の形態は、触媒要素の各々をそれぞれの小区分部分内にて取り囲み且つ固定する膨張性マット８０も有している。小区分部分の直径は、遷移入口端部９０から出口端９１まで順次に減少する。その他の実施の形態（図示せず）において、１つ又はより多くの遷移部分７３、７５は、曲がり部を含むことができ、このため、端部９０、９１は互いに非同軸状にし又は偏位させることができる。かかる形状は、幾つかの車の用途にて望ましいように採用され、排気系は、エンジンから排気系の所望の端末まで任意の利用可能な直線状経路が存在しないため、遠まわしの経路に従わなければならない。
【００４９】
複数の触媒を採用し且つこれらの触媒を異なる直径の基体に形成することが可能であることは、最大の触媒効率を提供する点にて顕著な設計上の自由度を提供する。異なる材料は、典型的な排気流にて多数の望ましくない成分を取り扱う異なる反応を促進するよう選ぶことができる。全体的なコンバータ及び個々の触媒作用可能な要素の幾何学的形態を変更することにより、流れパターン及び形成される排気ガスの滞在時間を望ましいように最適にすることができる。幾何学的形態の自由度は、コンバータ及びその他の排気系の構成要素を配置するため利用可能な空間がしばしば制限され且つ車の車台内にて遠まわしに配設される車の設計にても有益である。
【００５０】
図６に示したような多段コンバータの形態は、多岐に亙る順序にて実行することができる多数の製造技術を使用して製造することができる。必須の直径のその中間の小区分部分を有するハウジングは、異なる触媒要素を挿入する前又は挿入した後に形成することができる。
【００５１】
図６に示したハウジングを形成すべく使用可能な１つの実施の形態において、最大の小区分部分７２のほぼ直径を有するプリフォームが提供される。図７Ａに参照番号７０′で全体として示すように、その後、すえ込み法を使用して部分７４、７６を受け入れるのに十分な長さにプリフォームの一部分の直径を減少させ、これにより一時的小区分部分７４´を形成し、また、これと同時に、最終的に所望の形状の遷移部７３を形成する。後続のすえ込み工程（図示せず）を一時的小区分部分７４′の一部分に施して遷移部７５を有する最終的に所望の小区分部分７４、７６を形成する。
【００５２】
これと代替的に、図７Ｂにて全体として参照番号７０″で示すように、最大の小区分部分７２のほぼ直径を有するプリフォームが同様に提供される。小区分部分７６を最初に形成し、一時的小区分部分７２″及び遷移部７５″を形成する。次に、後続のすえ込み法を実行して小区分部分７４を形成し且つ一時的遷移部７５′を再成形して図６に示すように、所望の形状を有する遷移部７５にする。
【００５３】
図７Ａ及び図７Ｂに示した成形法の何れも触媒要素を挿入する前、また、挿入した後に実行することができる。その他の順序も採用することができる。例えば、小区分部分の成形及び関係した触媒要素の挿入を交互に実行してもよい。かかる順序はまた、遷移部が曲がり部を含む場合に採用されることが好ましい。スピニングのようなその他の成形方法により小区分部分の間に遷移部を形成することも可能である。しかし、すえ込み法は、通常、滑らかで実質的にリッジ無しの内面を形成し、これにより流れの乱れが最小とされるから、上述したすえ込み法が好ましい。また、円筒対称でないハウジングは、スピン成形法又はその他の同様の方法よりもすえ込み法を使用して遥かに容易に且つ効率的に形成することができる。
【００５４】
本発明の方法の１つの形態において、成形過程は半連続的に実行される。中間部分（又はその小区分部分の最大のもの）により望まれる直径を実質的に有する継目無し管は、長い長さにて供給される。触媒コンバータハウジングに形成し得るようにされたプリフォームがこれらの管から切断される。所望の直径及び長さを有するセラミック基体が提供される。基体の各々は、膨張性マットにて包み込み触媒要素を形成する。マットを圧縮し、組み合わさった組立体を供給管の自由端部内に挿入する。次に、供給管を周辺で把持し、その自由端をすえ込んで、入口ポート及び入口遷移部分を形成する。その後、供給管を切断して必須の予め選んだ長さを有するその一部分を除去し、これによりプリフォームを画成する。次に、プリフォームを再度把持し、他端をすえ込んで出口ポート及び出口遷移部分を形成する。この過程のステップの殆どは、容易に自動化して高レベルの製造効率及び工程管理を実現し、これにより製造コストを最小にすることができる。
【００５５】
本発明の方法の別の形態において、プリフォームは、コンバータの中間部分に所望の直径を実質的に有する継目無し管からある長さに切断される。必須の長さを有するセラミック基体を膨張性マットにて包み込み、触媒要素を形成し且つ各プリフォームのほぼ中間内に挿入する。次に、プリフォームは、その基体と共に、同軸状に整合され且つプリフォームの端部の各々の上に圧縮状態に押し付け得るようにされたすえ込みダイを有する液圧ラム組立体内に配置され、これにより各端部を同時にすえ込む。複数のダイを順次に、液圧ラム内に挿入し且つ、ステップ毎に使用して最終的な入口及び出口ポートの直径とし、また、入口及び出口の遷移部分を形成する所望の減少を実現するようにする。これと代替的に、複数のラムを使用し、プリフォームをラムの間にて割り出し、これらのラムは、所望のダイの順序にて特定された端部を複数の緩やかなすえ込み段階にて漸進的にすえ込む。
【００５６】
図６に部分的に示した触媒を製造する１つの方法は、図８Ａ及び図８Ｂに更に示されている。中間部分７０のカスケード式配置の最大の小区分部分７２のほぼ直径を有する管プリフォームが提供される。膨張性マット８０により取り囲まれた触媒基体７８を、最初に、部分７２内に挿入する。その後、プリフォームの一端をプリフォームの直径を減少させ得るようにされたすえ込みダイ９２内に強制的に挿入することにより、端部を形成し、一時的小区分部分７４′及び遷移部分７３を形成する。次に、被加工物をダイ９２から除去し、また、膨張性マット８０により取り囲まれた触媒基体８２を予め選んだ位置にて一時的小区分部分７４′内に配設する。このとき、基体７８、８２を支承しているプリフォームは、再度、すえ込みダイ９４を使用して端部を形成し、このことは、プリフォームの部分の直径を部分７６に対して予め選んだ寸法まで減少させ且つ遷移部分７５を形成することになる。更に別のステップ（図示せず）において、基体８４及び取り囲む膨張性マット８０をプリフォーム内に挿入する。プリフォームの両端をすえ込んで入口及び出口ポートを提供する。図６ないし図８にて示した本発明の実施の形態は、３つのカスケード式触媒要素を採用する一方、２つないし４つ又はより多くの要素の範囲の他の数の触媒要素を有する実施の形態も可能であり、また、本発明の範囲に属すると理解すべきである。上述したように、中間部分と、直径が漸進的とされた小区分部分とを含むハウジングは、触媒要素をそれぞれの小区分部分内に挿入する前に形成することができ、又は、各小区分部分を成形し且つ挿入する工程は、上述したように、交互に行うことができる。個々の成形及び挿入工程が交互に実行される実施の形態は、また、小区分部分の間に、曲がり部又は偏心部を形成することも許容する。これらの実施の形態は、また、いろいろな小区分部分の寸法が厳格な順序にて増大又は減少しない形態とすることも許容する。しかし、図６に示したような、小区分部分の直径が順次に減少する実施の形態が特に好ましく且つ、より簡単に形成できる。
【００５７】
すえ込み工程は、通常、管の一部分が把持により固定された状態で実施され、このため十分な軸方向に向けた力を加えて、管の端部の少なくとも一端を所望の形態に形成することができるが、入口端及び出口端が同時に形成される方法は、反対方向に向けた軸方向すえ込み力を利用して、把持を不要にし又は、必要とされる把持力を減少させることができることが理解されよう。
【００５８】
本発明による幾つかの実施の形態において、管を実質的に取り囲み且つプリフォームの内側部分の直径を減少させるべく半径方向に向けた力を提供するダイを把持することにより、把持工程は実行される。かかる工程の１つは、図９Ａ及び９Ｂにより全体として参照番号９４で示されている。２つの把持ダイ９６は、プリフォーム９８を取り囲むように配設される。ダイ９６は、図９Ｂに示すように、Ｆにて半径方向に向けた力により互いに押し付けられる。ダイ９６は、遷移部分１０２により管９８の残りの部分に接続された直径減少部分１００を形成し得るようにされている。図示した実施の形態において、減少は、減少させるべき部分内に触媒要素が挿入された状態にて実行される。要素は、図示するように、取り囲む膨張性マット１０５を有するセラミック基体１０４、又は任意のその他の形態の触媒要素を備えることができる。２つの相補的なダイが示されているが、その他の実施の形態は、管９８を集合的に取り囲むと共に、半径方向に押されたとき、管の直径を実質的に円筒状に減少させる３つ又はより多くの相補的なダイを採用することができる。ダイ９６を圧縮するため使用される力は、通常、液圧的に提供されるが、機械的力のその他の発生源を使用することもできる。
【００５９】
管の直径を同時に減少させる把持ダイを使用することは、多くの既知の成形過程における１つのステップを不要にすることによって管の製造過程の効率を有益に向上させる。特に、必要とされる実質的な軸方向力に対向することのできる把持工程は、端部成形を成功裏に行うため必要とされることが多い。従来、管の中間部分の直径を減少させる別個のステップが必要とされていた。しかし、必要とされる把持及び減少の双方を実現するダイを使用することは、１つの過程のステップを不要にすることになる。
【００６０】
以下の例は、本発明をより完全に理解するため掲げるものである。本発明の原理及び実施状態を示すため掲げた特定の技術、状態、材料、比率及び報告されたデータは、単に一例であり、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。
【００６１】
実施例１
触媒コンバータの準備及び試験
自動車エンジンからの排出物を減少させるために一般に使用される型式の触媒コンバータは、コージライトセラミックハニカム構造体を貫通して伸びる多数の通路の壁に支持された従来の白金群の貴金属型式の触媒を備える触媒要素を使用して形成していた。ハニカム構造体の直径は約９１．４ｍｍ（３．６インチ）、長さは７６．２ｍｍ（３インチ）とした。コンバータのハウジングは、約１０１．６ｍｍ（４インチ）の外径及び１．２４ｍｍ（０．０４９インチ）の壁を有する４０９ステンレススチール合金の継目無し管から製造した。ハニカム構造体は、約３．０５ｍｍ（０．１２インチ）の厚さまで圧縮した膨張性マットにて包み込み、次に、組み合わせたマット及びセラミックを、全体として管状のコンバータハウジングの中央部分内に挿入した。次に、ハウジングの端部を端部形成し、入口ポート部分と、出口ポート部分とを提供し、これらポート部分の各々が５０．８ｍｍ（２インチ）の直径と５０．８ｍｍ（２インチ）の長さとを有するようにした。長さ約５０．８ｍｍ（２インチ）のテーパー付きの遷移部分により入口及び出口部分を中央部分に接続した。
【００６２】
コンバータに対し自動車業界にて既知の標準的試験を行い、４０  ＣＦＲ８５．２１１６．に記載された方法に合わせた。次の試験を実行した。
【００６３】
膨張性マット材料の膨張をダイアルゲージ技術によって試験した。マットは８２５℃の最高温度まで加熱し、その膨張を測定し、その当初の厚さに比して約１２０ないし１３０％の最大膨張率を呈することが分かった。この値は、当該技術にて既知の通常の範囲内に十分に含まれ、セラミック基体を触媒コンバータハウジング内にて満足し得るように密封し且つ位置決めすることができる。
【００６４】
セラミック基体の冷間押出し抵抗性を標準的な機械的押し付け技術により測定した。コンバータハウジングを把持し且つ基体を軸方向に押すアーバーを通して機械的な力を加えることにより試験を実行した。膨張性マットのせん断を開始させ且つ基体を変位させるため約２７．２２ｋｇ（６０ポンド）ないし３６．２９ｋｇ（８０ポンド）の力が必要であることが判明した。観察された力は、当該技術にて認識された標準の範囲内に十分あり、この場合、約１３．６１ｋｇ（３０ポンド）以下の動きは、基体が不十分に支持され且つ密封されていることを示す一方、約９０．７２ｋｇ（２００ポンド）以上の動きは、コンバータを使用する間、基体の切欠き又は脆弱破断となる可能性がある膨張性マットが基体と過剰に係合する状態を示す。
【００６５】
既知のＣＯ、ＨＣ、ＮＯＸ汚染物質を無害の物質に変換する効率のガスクロマトグラフ分析法を使用して掃引試験によりコンバータの触媒効率を測定した。背圧は最小゛あることが観察され、触媒基体を含むコンバータを通る流れが十分であることを確認した。適用可能な排出物基準と適合する、自動車の適用例にて使用するためのコンバータの的確性を示す、満足し得る触媒効率の性能が観察された。
【００６６】
上記の試験の結果、単一物、継目無しコンバータは、自動車の適用例にて排出物を緩和するための基準に適合するのに十分な満足し得る性能を実証するものである。
【００６７】
かなり詳細に本発明を説明したが、かかる詳細は、厳格に遵守する必要は無く、当該技術の当業者には、色々な変更及び改変例がそれ自体暗示され、これらは全て特許請求の範囲により規定された本発明に属するものであることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明に従った触媒コンバータの斜視図である。
【図２】図１に示した触媒コンバータの軸方向中間面に沿った長手方向断面図である。
【図３】本発明の別の形態に従った触媒コンバータの軸方向中間面に沿った長手方向断面図である。
【図４】図３に示したコンバータの中間部分に沿った軸方向断面図である。
【図５】本発明の別の形態に従った複数の触媒要素を有する触媒コンバータの軸方向中間面に沿った部分長手方向断面図である。
【図６】触媒コンバータであって、異なる直径であり且つ本発明の別の形態に従って異なる中間の小区分部分内に配設された複数の触媒要素を有する触媒コンバータの軸方向中間面に沿った長手方向断面図である。
【図７】７Ａは、図６に示したコンバータのハウジングを製造する１つの過程における中間段階を示す、軸方向中間面に沿った部分長手方向断面図である。
【００６９】
７Ｂは、図６により示したコンバータのハウジングを製造する代替的な過程における中間段階を示す、軸方向中間面に沿った部分長手方向断面図である。
【図８】８Ａは、図６に示したコンバータのハウジングを製造する１つの過程における中間段階を示す、軸方向中間面に沿った部分長手方向断面図である。
【００７０】
８Ｂは、図６に示したコンバータのハウジングを製造する１つの代替的な過程における中間段階を示す、軸方向中間面に沿った、図８Ａにて示した段階後の部分長手方向断面図である。
【図９】９Ａは、触媒コンバータを製造する本発明の方法の１つの実施を製造する間、把持ダイが係合した管プリフォームの一部切断斜視図である。
【００７１】
９Ｂは、図９Ａに示した把持ダイが係合した管プリフォームを示す、図９ＡのレベルＩＸ−ＩＸに沿った横長手方向断面図である。
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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