(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気マニホールドの下流にメタル担体触媒コンバータが接続されてなるメタル担体触媒コンバータ付き排気マニホールドの破損予測方法において、
前記排気マニホールドの複数の排気ガス取り入れ口のうちの一つに空気送風口を接続し、残りの排気ガス取り入れ口は閉鎖することにより、第１の排気ガス取り入れ口からの流入ガスに基づくメタル担体を通過するガス流速分布を測定し、続いて順次残りの排気ガス取り入れ口に空気送風口を接続してガス流速分布を測定し、その測定値に基づいて最大ガス流速と平均ガス流速を算定し、最大ガス流速と平均ガス流速との偏差δであって下記（１）式で定義されるδを求め、このδが０．５以下であるか否かによって該メタル担体触媒コンバータの破損の有無を予測することを特徴とするメタル担体触媒コンバータ付き排気マニホールドの破損予測方法。
δ＝（最大ガス流速−平均ガス流速）／平均ガス流速          （１）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用の排気マニホールドの下流に排ガス浄化用メタル担体触媒コンバータが接続されてなるメタル担体触媒コンバータ付き排気マニホールドにおけるメタル担体触媒コンバータの破損予測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排ガス浄化用の触媒コンバータに用いる触媒担体としては、セラミックス担体とメタル担体とが使用される。そのうち、メタル担体は、耐熱性、低圧損及び車体への搭載性が良好であるため、最近はメタル担体触媒コンバータの使用量が増大している。
【０００３】
メタル担体触媒コンバータは、図５に示すように耐熱性ステンレス鋼製の平箔と該平箔をコルゲート状に加工した波箔とを巻回したハニカム体及び該ハニカム体の外周を覆っている外筒とからなり、このハニカム体の平箔と波箔の接触部、及びハニカム体の外周と外筒の内周とが接続されている。接続手段としては、ろう付け、抵抗溶接、拡散接合が行われているが、最近は、ろう材や接合治具等を用いることなく、高真空下あるいは非酸化性雰囲気下で高温加熱することにより接合でき、従来にない薄箔を用いて接合できる拡散接合が注目されている。ハニカム体のハニカム通路表面には排ガス浄化用の触媒を担持させ、排気ガスがこのハニカム体のハニカム通路を通過するに際して排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯ2 等を浄化する。
【０００４】
内燃機関の排気ガス系においては、内燃機関の各シリンダーからの排気ガスを集合してひとつにまとめる排気マニホールドが用いられる。前記メタル担体触媒コンバータは、通常該排気マニホールドの下流に配置され、１台のメタル担体触媒コンバータで内燃機関の排気ガスの浄化を行う。
【０００５】
従来より、排気マニホールドの種類によって、排気マニホールドの下流に設置したメタル担体触媒コンバータのメタル担体の箔が破損しやすかったりしにくかったりする傾向のあることが知られていた。その内燃機関のために準備された排気マニホールドを用いるとメタル担体の破損が発生しやすい傾向が認められた場合、メタル担体触媒コンバータの採用をあきらめてセラミック担体を採用するか、あるいは別途準備されたいくつかの排気マニホールドがあれば各排気マニホールドについて耐久試験を実施し、その中からメタル担体の破損が生じないものを選択して付け替えるという対応が取られていた。
【０００６】
メタル担体の接合に拡散接合を採用する場合においては、従来のろう付けに比較して薄い箔が採用可能となり、薄箔の採用はメタル担体のコスト低減、重量低減の効果があるため、最近は積極的に拡散接合と薄箔の採用が進められている。しかし、薄箔のメタル担体を採用すると、従来にもましてメタル担体の破損が発生する度合いが増し、メタル担体の破損が発生しない排気マニホールドの実現、及びメタル担体の破損の有無の予測方法の確立が望まれるに到った。
【０００７】
触媒コンバータと該触媒コンバータを通過するガス流れの状況との関係については、触媒コンバータの触媒浄化能力の予測を目的として均一性指数（Uniformity-index）γがＳＡＥ９３０７８０等で提案されている。しかし該指数γは触媒浄化能力の予測には有用であるが、メタル担体の破損発生有無との相関はまったくなく、指数γを用いたのではメタル担体の破損が発生しない排気マニホールドを実現することは不可能である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、内燃機関用の排気マニホールドの下流に排ガス浄化用メタル担体触媒コンバータが接続され、特にメタル担体に薄箔を採用する場合において、メタル担体の破損が生じないメタル担体触媒コンバータ付き排気マニホールドを提供すること、及びメタル担体の破損の有無を予測するメタル担体触媒コンバータ付き排気マニホールドの破損予測方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、メタル担体触媒コンバータを接続した排気マニホールドを実際にエンジンに搭載し、エンジン冷熱試験を行った上で該メタル担体の破損状況を調査した。その結果、メタル担体を構成する箔の破損の多くは、触媒コンバータを通過する排気ガスのガス流速に不均一が生じ、局所的に多量のガスが流れた部分の箔の材質の経時劣化が加速度的に進むことが主要因であることを明らかにした。このことより、メタル担体を通過するガス流速分布の最大ガス流速部分がメタル担体の破損を支配しているとの技術思想に到達し、本発明に到ったものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
【００１１】
その第１は、排気マニホールドの下流にメタル担体触媒コンバータが接続されてなるメタル担体触媒コンバータ付き排気マニホールドの破損予測方法において、前記排気マニホールドの複数の排気ガス取り入れ口のうちの一つに空気送風口を接続し、残りの排気ガス取り入れ口は閉鎖することにより、第１の排気ガス取り入れ口からの流入ガスに基づくメタル担体を通過するガス流速分布を測定し、続いて順次残りの排気ガス取り入れ口に空気送風口を接続してガス流速分布を測定し、その測定値に基づいて最大ガス流速と平均ガス流速を算定し、最大ガス流速と平均ガス流速との偏差δであって下記（１）式で定義されるδを求め、このδが０．５以下であるか否かによって該メタル担体触媒コンバータの破損の有無を予測することを特徴とするメタル担体触媒コンバータ付き排気マニホールドの破損予測方法である。
δ＝（最大ガス流速−平均ガス流速）／平均ガス流速          （１）
【００１２】
これにより、従来はメタル担体触媒コンバータの破損が起こらない排気マニホールドを製造するためには、試作したマニホールドとメタル担体触媒コンバータとを接続した上で、長時間のエンジン冷熱試験を実施して実際にメタル担体が破損するか否かを試験し、試行錯誤で適切なマニホールドを選択する必要があったが、本発明の採用で簡便に試験をした上で良好なマニホールドを極めて簡易に選択でき、破損の起こらないメタル担体触媒コンバータ付き排気マニホールドを製造することが可能になった。箔の厚さが３０μｍ以下の薄箔を使用したメタル担体触媒コンバータ付き排気マニホールドにおいて特に有効である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
メタル担体触媒コンバータ付き排気マニホールドのメタル担体を通過するガス流速の測定においては、メタル担体の後方からメタル担体のガス通路内に流速測定プローブを装入するか、あるいはメタル担体の後方の近傍に流速測定プローブを配置して測定を行う。
【００１４】
プローブを触媒コンバータのメタル担体ハニカム体のガス通路に装入することで各通路のガス流速を測定する場合は、メタル担体断面の各微細部分の流速を測定するため、微細領域のガス流速測定可能なプローブを使用する。このためには、熱線式ガス流速プローブ、ピトー管を用いることができる。このプローブのサイズ（直径）は、触媒コンバータのハニカム体ガス通路内のガス流れに対して影響を与えないようにするため、ガス通路のサイズに対して十分小さいことが望ましい。ガス通路のセル高さＡとプローブサイズ（直径）Ｂの比（Ｂ／Ａ）がガス通路内ガス流速測定値に与える影響を調査した結果、該比が０．５以下であればほぼ同じガス流速測定値が得られ、このことから、実際に用いるピトー管サイズは、ガス通路サイズの２分の１以下であれば十分に実用的に使用できる。
【００１５】
プローブをメタル担体の後方の近傍に配置してガス流速を測定する場合は、直径６ｍｍ程度の径の大きなピトー管をハニカム体の直後に置いて、比較的広い範囲のガス流速を測定することでも目的を達成できる。ピトー管以外でも、アネモメータをガス流速測定プローブとして用いることもできる。この場合、流速測定範囲が６ｍｍφ以上の広い領域になると、メタル担体の箔の破損に影響を及ぼす局所的な過大ガス流速の測定が困難となり、本発明の実施に用いることができない。また、ハニカム体の後端とプローブとの距離が離れすぎると、メタル担体を通過する流速の測定が困難となるので、ハニカム体の後端とプローブ先端との間隔は８ｍｍ以内にすることが必要である。
【００１６】
プローブを設置することによってガス流を乱すと正確なガス流速測定が不可能となる。プローブ設置に当っては、ハニカム後端から後退させ、ガス流速の安定する位置、おおむね約４〜８ｍｍとし、プローブが方向性を持つときは（例えばピート管）、これを正確に合わせることに注意する必要がある。
【００１７】
ガス流速分布測定にあたっては、配管内の測定すべき位置を桝目に区切り、一つ一つの桝目毎にガス流速を測定していく。各桝目の断面積は概略一定とする必要がある。複数のプローブを装入して同時に複数箇所を測定してもいい。
【００１８】
ガス流速を測定すべきメタル担体触媒装置付き排気マニホールドを、本来設置すべき内燃機関の排気システムに設置してガス流速を測定しようとすると、内燃機関の排気ガス流速は極めて振れの大きい脈動であるため、上記のガス流速センサーでは正確な瞬間ガス流速を測定することは不可能である。そのため、ガス流速測定にあたっては、マニホールドの複数の排気ガス取り入れ口のうちの一つに空気送風口を接続し、残りの排気ガス取り入れ口は閉鎖することにより、第１の排気ガス取り入れ口からの流入ガスに基づくメタル担体を通過するガス流速を測定する。続いて順次残りの排気ガス取り入れ口に空気送風口を接続し、各々ガス流速を測定する。
【００１９】
それぞれの排気ガス取り入れ口における平均ガス流速は、上記測定した各桝目のガス流速を平均することで求める。各桝目の断面積が一定であれば単純平均でよいが、桝目の断面積が一定しない場合は、断面積を考慮した加重平均を用いる必要がある。次いで、測定したうちの最大ガス流速と上記平均ガス流速を用い、下記の式（１）に従ってそれぞれの排気ガス取り入れ口における偏差δを求める。
δ＝（最大ガス流速−平均ガス流速）／平均ガス流速      （１）
δが０．５以下であれば、このマニホールドを実際に適用しても、通常の使用条件においてメタル担体が破損することはない。複数の試作したマニホールドにおいてこのガス流速測定を行い、その中からδが０．５以下に収まるマニホールドを選択することにより、メタル担体が破損しないマニホールドを選択することができる。
【００２０】
【実施例】
４気筒ガソリンエンジン自動車用のメタル担体触媒装置付き排気マニホールドを合計２０種類試作し、そのうちのＮｏ．１〜１８には箔の厚み３０μｍのメタル担体を接続、Ｎｏ．１９、２０には箔の厚み５０μｍのメタル担体を接続し、本発明方法でδを測定すると同時にエンジン冷熱耐久試験を実施し、メタル担体破損の有無を判定した。エンジン冷熱耐久試験は、入りガス温度９５０℃×１０分間、１５０℃×１０分間の条件で行った。
【００２１】
更に、比較のため、各試作品毎に均一性指数γの測定も行った。上記δ評価のためのガス流速測定結果を用い、各測定結果をＷi として以下の式にしたがってγを求めた。
【００２２】
ωi ＝（（Ｗi −平均ガス流速）2 ）1/2 ／平均ガス流速
ω＝Σωi ／測定個数
γ＝（２−ω）／２
測定は、図１に示すようにメタル担体触媒装置付き排気マニホールド１の排気ガス取り入れ口５の一つに圧縮空気供給口６を取り付け、残りの排気ガス取り入れ口５をキャップ７で閉鎖することで行った。ガス流速測定には径０．５ｍｍのピトー管を用い、メタル担体３の後方からメタル担体ガス通路に該ピトー管４を装入する形で行った。メタル担体の断面を図２に示すような桝目に区切った。図中斜線を施した部分は、測定を行っていない。合計８８個の桝目についてその部分のガス流速測定を行った。
【００２３】
エンジン冷熱耐久試験においてメタル担体の破損が発生した１例について、測定したガス流速分布とメタル担体の破損箇所との対応を図３に示す。図３（ａ）がガス流速分布測定結果で、各桝目の中の数字がガス流速（ｍ／ｓ）である。図３（ｂ）がエンジン冷熱耐久試験後におけるメタル担体の破損箇所を示し、ガス流速最大の部分に対応してメタル担体が破損していることが明らかである。なお、この例ではδは０．８７であった。
【００２４】
合計２０例のガス流速測定に基づくδ及びγ、エンジン冷熱耐久試験におけるメタル担体破損の有無を表１に示す。表１のメタル担体破損において、○は破損なし、▲は微小な破損あり、●は破損ありを示す。
【００２５】
【表１】
0003926900.tif 000002
【００２６】
メタル担体の箔の厚みが３０μｍのＮｏ．１〜１８については、メタル担体の破損の有無とγ（均一性指数）との相関はまったく見られないが、δとの相関は明確であり、δが０．５を超えるとメタル担体の破損が発生し、０．５以下であれば▲が１点あるのみで他は○であり、メタル担体の破損は発生していない。表１のＮｏ．１〜１８をδとγの散布図として表現したのが図４である。メタル担体の箔の厚みが５０μｍのＮｏ．１９、２０については、同じくδ＝０．５を境として箔厚み３０μｍと同様の結果を示している。
【００２７】
【発明の効果】
メタル担体触媒コンバータ付き排気マニホールドの触媒コンバータを通過するガス流速の偏差δの範囲を規定したマニホールド、及びその破損予測方法により、メタル担体の破損が発生しないメタル担体触媒コンバータ付き排気マニホールドを容易に得ることが可能になった。薄箔を使用したメタル担体を適用する場合に特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のメタル担体触媒コンバータ付き排気マニホールドの触媒コンバータを通過するガス流速の偏差δを測定する状況を示す断面図である。
【図２】触媒コンバータを通過するガス流速を測定するための桝目を示す図である。
【図３】触媒コンバータを通過するガス流速分布測定結果とエンジン冷熱耐久試験でのメタル担体の破損との対応を示す図であり、（ａ）はガス流速分布測定結果、（ｂ）はエンジン冷熱耐久試験でのメタル担体の破損状況を示す図である。
【図４】触媒コンバータを通過するガス流速分布に基づくδ及びγの値とメタル担体の破損状況との対比を示す図である。
【図５】平箔と該平箔をコルゲート状に加工した波箔とを巻回してメタル担体を製造する状況を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  メタル担体触媒コンバータ付き排気マニホールド
２  排気マニホールド
３  メタル担体触媒コンバータ
４  ピトー管
５  排気ガス取り入れ口
６  圧縮空気供給口
７  キャップ
８  メタル担体断面
９  ガス流速測定桝目
１０  メタル担体破損箇所
１１  平箔
１２  波箔
１３  メタル担体
【図１】
0003926900.tif 000003
【図２】
0003926900.tif 000004
【図３】
0003926900.tif 000005
【図４】
0003926900.tif 000006
【図５】
0003926900.tif 000007