JP2003035134A

JP2003035134A - 触媒コンバーターシステム

Info

Publication number: JP2003035134A
Application number: JP2001224819A
Authority: JP
Inventors: Yukito Ichikawa; 結輝人市川; Mikiaki Tanaka; 幹朗田中; Masahito Ogawa; 雅人小川; Yasuaki Kaneko; 泰明金子
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2001-07-25
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2003-02-07

Abstract

(57)【要約】【課題】触媒担体の薄肉化により触媒担体の強度が低
下しても耐エロージョン性に優れた触媒コンバーターシ
ステムを提供することである。【解決手段】熱機関から排出される排ガスを浄化する
ための触媒担体５２を有する触媒コンバーターと、排ガ
スを触媒コンバーターに導入するコーン部３とを備える
排ガス浄化用触媒コンバーターシステムである。コーン
部３内にコーン部内空間３４の排ガス流を制御する制御
板３２を備えていることを特徴とする触媒コンバーター
システムである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱機関から排出
される排ガスを浄化する触媒コンバーターシステムに関
し、特に耐エロージョン性に優れた触媒コンバーターシ
ステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】熱機関から排出される排ガスを浄化す
るために、排ガス浄化用触媒を担体に担持させた触媒コ
ンバーターを備える触媒コンバーターシステムが一般に
用いられており、特に自動車エンジン等の内燃機関の排
ガス浄化用などに上記のような触媒コンバーターシステ
ムが広く用いられている。この様な場合、一般に、熱機
関からの排ガスを触媒コンバーターに通すため、熱機関
からの排気管と触媒コンバーターをつなげるが、通常、
排気管の径よりも触媒コンバーターの径の方が大きいた
め、両者を接続し、排気管からの排ガスを触媒コンバー
ターに導入するためのコーン部を触媒コンバーターの上
流に設ける。

【０００３】また、排ガス浄化用の触媒を担持させる
担体としては、一般に、ハニカム構造を有する担体など
が用いられ、その構造体内に触媒を担持させることによ
り排ガスと触媒との接触面積を大きくし、排ガス浄化の
効率化が図られている。

【０００４】近年、自動車などの排ガス規制は年々強
化される傾向にあり、これに対応すべく上記システムに
は浄化性能の向上が求められている。他方、エンジン開
発の面からは、低燃費、高出力化の指向が顕著に示され
ており、このような状況に対応すべく、触媒コンバータ
ーシステムには圧力損失の低減も求められている。

【０００５】この様な要求に対応すべく触媒担体の薄
肉化による低熱容量化、低圧力損失化が進められてい
る。また、触媒コンバーターシステムを、エンジン直近
に配置すること、即ち排気管の長さを短くすることによ
り、高温の排ガスによって触媒を速やかに活性化し、エ
ンジンの始動直後に排出される有害物質を低減すること
も行われている。

【０００６】ところが、この様に触媒担体を薄肉化す
ることにより、触媒担体の強度が低下し、排ガスが触媒
担体の端面にあたることにより触媒担体の端面が摩耗す
るエロージョン現象が生じるようになってきた。また、
触媒コンバーターシステムをエンジン直近に搭載した場
合には、触媒担体にあたる排ガスの流速が大きくなると
ともにその温度も高温となり、エロージョン現象がさら
に助長される。このようなエロージョン現象は、触媒の
欠落による浄化性能の低下を招き、場合によっては、触
媒コンバーターの破損に至ることもあるため耐エロージ
ョン性の改良が重要な課題となっている。

【０００７】かかる問題を解決する手段としては、例
えば開口端面近傍の隔壁のみを肉厚にしたハニカム構造
体を触媒担体としたもの及びその製造方法（特開2000-5
1710公報）、ハニカム構造の触媒担体の開口端面に釉
薬、水ガラス等のガラス成分を塗布・焼成する方法、同
様にハニカム構造の触媒担体を形成する原料、例えばコ
ージェライトのうちの特定成分を塗布・焼成する方法
（同公報）等が検討されている。

【０００８】しかしながら、開口端面近傍を肉厚にす
ると、開口端面の強度は向上するものの、触媒担体の端
面開口率を低下させることになり、圧力損失が低いとい
う薄肉型触媒担体のメリットを減殺する点において好ま
しくない。また、釉薬等のガラス成分を塗布・焼成する
方法は、塗布部分が緻密化されるものの、触媒担体とは
異なる成分の相が形成されるため十分な強度の向上が図
れない。

【０００９】また、コージェライト化原料、即ち焼成
等の熱処理によりコージェライトとなる原料、例えばタ
ルク、アルミナ、カオリン等の混合物等のうちの特定成
分を塗布・焼成する方法は、当該部分の緻密化を進行さ
せることは可能であるが、塗布部分の化学組成がコージ
ェライトの化学量論的組成からはずれ、熱膨脹率が高く
なるために、耐熱衝撃性を損なう点において好ましくな
い。また、これらの方法は、スラリー及び溶液の塗布工
程や含浸工程を必要とし、焼成前のハニカム構造体にス
ラリーや溶液を含浸等させると膜厚のコントロールが難
しく均一な品質のものが得られにくくなり、ハニカム構
造体の焼成後に塗布することは同様に膜厚のコントロー
ルが難しく、焼成工程が２回必要となり経済的に好まし
くない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述のよう
な従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その
目的とするところは、触媒担体の薄肉化により触媒担体
の強度が低下しても耐エロージョン性に優れた触媒コン
バーターシステムを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らがエロージ
ョン現象について詳細に観察し検討した結果、エロージ
ョン現象は、排ガスが触媒端面にあたることのみで生じ
るのではなく、排ガス中にエンジンや排気管から発生す
る異物が混入し、その異物が触媒担体の端面に衝突して
生じる場合が多いこと、及びコーン部内で排ガス流入口
から触媒コンバーターに向かって、放射状に流れる気流
とは異なる排ガス流が生じ、その排ガス流により異物が
コーン部内を移動し続けることによってエロージョンが
大きくなることを見出すとともに、この様な排ガス流及
び異物の移動を制御板により抑制することにより耐エロ
ージョン性が向上することを見出した。

【００１２】即ち本発明は、熱機関から排出される排
ガスを浄化するための触媒担体を有する触媒コンバータ
ーと、前記排ガスを前記触媒コンバーターに導入するコ
ーン部とを備える排ガス浄化用触媒コンバーターシステ
ムであって、前記コーン部内空間の排ガス流を制御する
制御板を前記コーン部内に備えていることを特徴とする
触媒コンバーターシステムを提供するものである。

【００１３】本発明において、制御板が、触媒コンバ
ーターから逆流する排ガス流を制御するように設置され
ていることが好ましく、さらに該制御するべき排ガス流
が、コーン部壁面近傍における排ガス流であることが好
ましい。また、制御板が、触媒コンバーターの周方向に
沿って流れる排ガス流を制御するように設置されている
ことも好ましく、さらに、該制御するべき排ガス流が、
触媒担体の外周壁縁端部近傍における排ガス流であるこ
とが好ましい。また、この様な排ガス浄化用触媒コンバ
ーターが、自動車に搭載されている熱機関からの排ガス
浄化用触媒コンバーターであることが好ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面に従って、本発明の
触媒コンバーターシステムの内容を詳細に説明するが、
本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。な
お、本発明において、排ガス流とは、コーン部３の内部
空間３４における排ガス流入口２１から触媒コンバータ
ーに向かって放射状に流れる気流以外の気流を言う。

【００１５】図１（ａ）、（ｂ）に示す触媒コンバー
ターシステム１は、熱機関から排出される排ガスを浄化
するための触媒担体を内部に有する触媒コンバーター５
と、排気管２から流入する排ガスを拡散させつつ触媒コ
ンバーター５に導入するコーン部３とを備える。本発明
の重要な特徴は、コーン部３の内空間３４において発生
する排ガス流を制御する制御板３２をコーン部内に備え
ていることである。

【００１６】本発明の第１の好ましい態様を図２
（ａ）、（ｂ）に示すが、制御板３２はコーン部３の内
周に沿って環状に配設されており、触媒担体端面５８に
対して略垂直に延びている。この様な制御板を設けるこ
とにより、コーン部内空間３４の触媒コンバーター側か
ら逆流する排ガス流、特に図３（ａ）に示すようなコー
ン部内壁近傍における排ガス流イを制御することができ
る。この様な排ガス流を制御することにより、異物が排
ガス流イによって繰り返し触媒担体５２に衝突すること
を防止することができ、耐エロージョン性を効果的に向
上させることができる。

【００１７】制御板３２は、コーン部３の壁面から触
媒担体端面５８に対して略垂直に延びていることが、圧
力損失を起こしにくく排ガス流イを効率的に制御するこ
とができるという観点から好ましいが、排ガス流イとし
て示されるような逆流する排ガス流を制御することがで
きるかぎり、制御板３２の延びる方向、厚さ、大きさに
制限はなく、図３（ｂ）に示すように、触媒担体の端面
５８に対して水平方向に延びていてもよい。また、制御
板３２の形状に特に制限はなく、図３（ｃ）に示すよう
に屈曲面を有するものでもよく、例えば断面Ｌ字状、逆
Ｌ字状、くの字状、逆くの字状等種々の形状をとること
ができ、断面形状が曲線状や三角形状などの部材でもよ
く、あらゆる形状をとることができる。排ガスの圧力損
失を抑え、排ガス流を効率よく制御する観点からは、制
御板３２は一定厚さの板状体であることが好ましい。

【００１８】さらに、制御板３２は図２（ａ）、
（ｂ）に示すように中心軸Ａ−Ａに対する垂直断面の形
状がコーン部内周に沿って環状となるよう配設されてい
ることが好ましいが、図４に示す四角形状の他、五角形
状や六角形状などの多角形状となるように配設されても
もよく、また、コーン部内周の一部だけに配設されても
よい。例えば、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、排気
管２が触媒コンバーターに対して斜めに配置されている
ような場合、コーン内壁近傍の特定の位置に排ガス流イ
が発生する場合があり、そのような場合はその特定の位
置のみに制御板３２を配設することが好ましい。

【００１９】本発明の第２の好ましい態様を、図６
（ａ）、（ｂ）に示すが、触媒担体外周壁の縁端部５９
近傍において、触媒担体外周壁５５の周りに周方向Ｃに
対して垂直に、制御板６２が周設されている。この様な
制御板を設けることにより、触媒コンバーターの周方向
Ｃに沿って流れる排ガス流、特に排ガス流ロとして示さ
れるような、触媒担体外周壁の縁端部５９近傍の内空間
において周方向Ｃに沿って流れる排ガス流を制御するこ
とができる。この様な排ガス流を制御することにより、
異物が排ガス流によって、触媒担体の外周壁の縁端部５
９近傍を繰り返し移動することにより生じる触媒担体の
摩耗を防止することができ、耐エロージョン性を効果的
に向上させることができる。

【００２０】制御板６２は、触媒担体外周壁の縁端部
５９の近傍における、触媒担体外周壁５５と触媒コンバ
ーター外周面５６との間の空間を隔てるように複数個周
設されることが好ましい。この様な構成とすることによ
り、排ガス流ロを制御するとともに、制御板６２に衝突
する異物は制御板６２間の空間内に留まり、触媒担体の
端面を傷つけることはなくなる。

【００２１】制御板６２は、触媒コンバーターの周方
向Ｃに対して垂直に、触媒担体外周壁５５の周りに周設
されていることが排ガス流ロを効率的に制御し、異物の
移動を防止する点で好ましいが、周方向Ｃに沿って流れ
る排ガス流、特に触媒担体外周壁の縁端部５９近傍にお
いて触媒担体外周壁５５の周りを周方向Ｃに沿って流れ
る排ガス流を制御することができるかぎり、制御板６２
の大きさ、位置、方向、数に制限はなく、図６（ｃ）に
示すように周方向Ｃに対する垂直からずれた方向に延び
ている制御板６２でもよく、また、触媒担体端面５８に
対する垂直方向からずれた方向に延びている制御板でも
よい。また、制御板６２は板状、特に平板状であること
が好ましいが、第一の実施態様において述べたものと同
様のあらゆる形状をとることができる。

【００２２】次に、本発明におけるその他の構成要素
について図２（ａ）、（ｂ）に従って説明する。図２
（ａ）、（ｂ）において、触媒コンバーター５は触媒担
体５２、触媒担体を囲繞するコンバーター外周面５６、
触媒担体５２をコンバーター外周面５６に把持する把持
材５４を備えている。触媒担体５２は、排ガス浄化触媒
を担持し、該触媒と排ガスとを接触させるためのもので
あり、好ましくは隔壁により仕切られた排ガス流通方向
に貫通する複数のセルを有するハニカム構造体である。
セルの断面形状に特に制限はないが、三角形、四角形、
六角形などの多角形であることが好ましい。隔壁の厚さ
に特に制限はないが、隔壁の厚さが厚すぎるとエロージ
ョンの問題が起こらず、本発明の効果が得られにくく、
薄すぎると実質的に製造が困難となる。好ましい範囲は
０．０１〜１０ｍｍ、さらに好ましくは０．０２〜１ｍ
ｍ、最も好ましくは０．０３〜０．２ｍｍである。触媒
担体の、中心軸Ａ−Ａに対する垂直断面形状に特に制限
はなく、例えば図２（ｂ）に示すように円形の他、楕円
形、オーバル形、レーストラック形、三角形、四角形な
どの多角形などの形状をとることができる。触媒担体の
材質に特に制限はないが、コージェライト、アルミナ、
ムライト、リチウムアルミニウムシリケート、チタン酸
アルミニウム、チタニア、ジルコニア、窒化珪素、窒化
アルミニウム、炭化珪素、ステンレス鋼、アルミニウム
合金、活性炭、シリカゲル、ゼオライトから選ばれた１
種又は２種以上の材質であることが触媒担体としての性
能の観点から好ましい。また、触媒担体の中心軸Ａ−Ａ
は直線であることが好ましいが、触媒コンバーターの自
動車などへの搭載スペースの関係上、中心軸Ａ−Ａが曲
線、即ち触媒担体が湾曲しているものであってもよい。
また、触媒担体はフォーム構造体若しくは、端面が市松
模様状を呈するように、隣接する流通孔が互いに反対側
となる一方の端部で目封じされたフィルターであっても
よい。この様なフィルターはディーゼルパティキュレー
トフィルター等に用いることができる。

【００２３】触媒コンバーター外周面５６は、触媒担
体５２を外部からの衝撃から保護するとともに、自動車
等の熱機関を有する装置への設置を容易にするものであ
り、例えばステンレスなどの金属製の缶体からなること
が好ましい。本発明において触媒コンバーター外周面５
６は必須ではないが、本発明の触媒コンバーターシステ
ムを特に自動車の排ガス浄化などに用いる場合には、触
媒コンバーター外周面５６を有することが好ましい。

【００２４】把持材５４は、触媒担体５２をコンバー
ター外周面５６に把持させる際に、把持圧力の均等化と
適性化のために緩衝材として用いられるものであり、例
えばセラミックや金属製の繊維を含む圧縮弾性材料など
が好適に用いられる。把持材５４は本発明における必須
の要素ではないが、本発明の触媒コンバーターシステム
を特に自動車などの排ガス浄化用に用いる場合には、触
媒コンバーター外周面５６とともに把持材５４を備える
ことが好ましい。

【００２５】本発明におけるコーン部３は、図２
（ａ）に示すように排気管２と触媒コンバーター５を接
続し、排気管２からの排ガスを拡散させつつ触媒担体５
２に導入する役割を担うものである。本発明におけるコ
ーン部３は上述のように制御板を備える。また、コーン
部３は、排気管２と接続する排ガス流入口２１が設けら
れている。排ガス流入口２１の数は、接続する排気管の
数に依存し、１又は２以上設けられるが、１〜４の排ガ
ス流入口、即ち１〜４の排気管が接続されていることが
好ましい。コーン部３の形状に制限はなく、図２（ａ）
に示すように略円錐台形状の他、ドーム形状などあらゆ
る形状をとりうる。

【００２６】

【実施例】以下、実施例に従い本発明をされに詳細に
説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるもので
はない。また、以下の実施例及び比較例において、触媒
担体として断面形状が直径１００ｍｍの円形であって、
軸方向長さが１００ｍｍ、隔壁厚さ５０μｍ、セル密度
１３９．５セル／ｃｍ²（９００セル／平方インチ）の
コージェライト製ハニカム構造体を用い、これを、把持
材を介してステンレス製の缶体に把持した触媒コンバー
ターを用いた。

【００２７】（実施例１）図２（ａ）、（ｂ）に示
す、制御板３２を備えた触媒コンバーターシステムを、
直列４気筒、排気量２．２リットルのガソリンエンジン
の排気ポートに接続した。即ち、サンプルをエンジンの
直近、即ちエキゾーストマニホールド直下に配置した。
次に図７に示される条件でエンジンの運転を行い、回転
数が６０００ｒｐｍとなったところで砥粒（炭化珪素、
平均粒径５０μｍ）を０．１グラム投入した。さらに図
７に示される条件でエンジンの運転を続け１３０秒を１
サイクルとして、２サイクルに１回砥粒を投入しこれを
連続的に繰り返した。砥粒投入量が１０ｇとなったとこ
ろでハニカム構造体のエロージョン量（風蝕体積）を測
定した。エロージョン量の測定は、図８に示すように、
直径１．５ｍｍのセラミック製ビーズ７０をハニカム構
造体の端面上に敷き詰めた後回収してビーズ体積を測定
し、エロージョン試験後のビーズ体積と試験前のビーズ
体積との差を取ることにより行い、これを３回行った平
均をエロージョン量とした。その結果、エロージョンは
検知できなかった。

【００２８】（実施例２）実施例１において試験した
ものと同様の触媒コンバーターシステムに、さらに図６
（ｂ）に示す様な制御板６２を８箇所に設置した触媒コ
ンバーターシステムを用いて実施例１と同様の耐エロー
ジョン性試験を行った。実施例１と同様にエロージョン
量を測定したが、エロージョンは検知できなかった。

【００２９】（比較例１）制御板をまったく設けなか
った以外は実施例１と同様の触媒コンバーターシステム
を用いて、実施例１と同様の耐エロージョン性試験を行
った。得られたエロージョン量は４．０ｃｍ³であっ
た。

【００３０】制御板をまったく設けない触媒コンバー
ターシステムで行った比較例１では、４．０ｃｍ³とい
うエロージョン量がみられたのに対して、制御板を設け
た触媒コンバーターシステムで行った実施例１、２で
は、エロージョンが検出されなかった、即ちエロージョ
ンがほとんどなかった。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、本発明の触媒コンバー
ターシステムは、排ガス流を制御する制御板を備えてい
るため、異物が繰り返し触媒担体にあたることによる摩
耗を防止することができ、耐エロージョン性が改良され
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の一実施態様における触媒コ
ンバーターシステムの模式的な正面図である。（ｂ）は
図１（ａ）の触媒コンバーターシステムの模式的な側面
図である。

【図２】（ａ）は本発明の第１の実施態様を示す、図
１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。（ｂ）は図２（ａ）
のＩＩｂ−ＩＩｂ矢視断面図である。

【図３】（ａ）は図２（ａ）の一部拡大図である。
（ｂ）は別の実施態様を示す一部拡大図である。（ｃ）
はさらに、別の実施態様を示す一部拡大図である。

【図４】別の実施態様を示す図２（ａ）に相当する断
面図である。

【図５】（ａ）、（ｂ）は各々本発明の一実施態様に
おける触媒コンバーターシステムの模式的な正面図であ
る。

【図６】（ａ）は本発明の第２の実施態様を示す、図
１（ａ）のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。（ｂ）は図６
（ａ）のＶＩ−ＶＩ矢視断面図である。（ｃ）は別の実
施態様を示す図６（ａ）のＶＩ−ＶＩ矢視断面図であ
る。

【図７】エロージョン試験におけるエンジン回転数の
条件を示すグラフである。

【図８】エロージョン試験におけるエロージョン量の
測定法を示す概念図である。

【符号の説明】

１…触媒コンバーターシステム、２…排気管、２１…排
ガス流入口、３…コーン部、３２…制御板、３４…コー
ン部の内空間、５…触媒コンバーター、５２…触媒担
体、５４…把持材、５５…触媒担体の外周壁、５６…触
媒コンバーターの外周面、５８…触媒担体の端面、５９
…触媒担体外周壁の縁端部、６２…制御板、７０…セラ
ミック製ビーズ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小川雅人愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内 (72)発明者金子泰明愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内Ｆターム(参考） 3G091 AB01 BA08 GA06 GB10X HA27 HA29 4D048 BB02 BC06 CA07 CC22 4G069 AA03 DA06 EA18 EE10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱機関から排出される排ガスを浄化する
ための触媒担体を有する触媒コンバーターと、前記排ガ
スを前記触媒コンバーターに導入するコーン部とを備え
る排ガス浄化用触媒コンバーターシステムであって、前
記コーン部内空間の排ガス流を制御する制御板を前記コ
ーン部内に備えていることを特徴とする触媒コンバータ
ーシステム。
【請求項２】前記制御板が、触媒コンバーター側から
逆流する排ガス流を制御するように設置されていること
を特徴とする請求項１に記載の触媒コンバーターシステ
ム。
【請求項３】前記排ガス流が、前記コーン部壁面近傍
における排ガス流であることを特徴とする請求項２に記
載の触媒コンバーターシステム。
【請求項４】制御板が、触媒コンバーターの周方向に
沿って流れる排ガス流を制御するように設置されている
ことを特徴とする請求項１に記載の触媒コンバーターシ
ステム。
【請求項５】前記排ガス流が、触媒担体の外周壁縁端
部近傍における排ガス流であることを特徴とする請求項
４に記載の触媒コンバーターシステム。
【請求項６】排ガス浄化用触媒コンバーターが、自動
車に搭載されている熱機関からの排ガス浄化用触媒コン
バーターであることを特徴とする請求項１乃至５の何れ
か１項に記載の触媒コンバーターシステム。