JP2004509264A - スリット付き外被管を備えたハニカム体 - Google Patents

Abstract

容器（２）、特に内燃機関（４）の排気装置（３）の容器内に外被管（７）で保持されるハニカム体（１）であって、外被管の両側端縁（８）間の全軸方向長（９）が、ハニカム体の軸方向長（１１）より短く、外被管がハニカム体の軸方向中央でハニカム体の周囲に配置され、少なくとも１つの結合軸方向領域（１９）でハニカム体に接合技術的に、特にろう付けされたハニカム体に関する。外被管は、内周面がハニカム体に結合された結合軸方向領域（１９）の範囲内の部分領域（１０）又は結合軸方向領域の直近で、外周面が容器に固定され、外被管の容器に結合されず内周面がハニカム体に結合された個所が、半径方向弾性ばね要素（１８）として形成される。かくてハニカム体の変形に結合部を引き剥がすことなく適合する柔軟なホルダが生じ、非常に薄い、特に０．０３ｍｍより薄い鋼板層から成るハニカム体に適用できる。

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の前文に記載の容器、特に内燃機関の排気装置の容器に対するハニカム体のホルダに関する。そのようなハニカム体は、特に自動車工業において内燃機関で発生した排気ガスを浄化するために採用される。
【０００２】
そのようなホルダは、例えば米国特許第４９４８３５３号明細書で知られている。特開平８−２９４６３２号公報も類似のホルダを開示する。そこに記載された円筒状ハニカム体は、平形鋼板と波形鋼板とから構成され、円筒状外被で包囲されている。外被は、円周方向にわたり分布したスリットを有し、それらスリットは、外被の端面から出ている。外被付きハニカム体は、排気ガスの浄化過程中にスリットが排気ガス入口側と逆向きになるよう方向づけられている。ハニカム体はスリットの範囲だけで外被に結合されている。その反対側、即ち排気ガス入口側で、外被はその外側に位置する円筒状の同軸的な容器に結合されている。
【０００３】
かかるハニカム体の熱的交番負荷の下での挙動実験の結果、ハニカム体が特にその両端面近くで半径方向に収縮することを確認した。その際、ハニカム体と外被との間の結合領域に応力が生じ、該応力がハニカム体と外被との永続的な結合を困難にしている。特に非常に薄い鋼板、例えば０．０３ｍｍ、更には０．０２５ｍｍより薄い鋼板から成るハニカム体は、熱収縮のため樽形形状となる。即ち中央部は最初の直径を保つが、両端面が小さな直径となる。
【０００４】
本発明の課題は、温度が変化した際のハニカム体の上述した挙動に適合し、これによって、容器内でのハニカム体の永続的な結合を保障するような、容器のためのハニカム体のホルダを提供することにある。
【０００５】
この課題は、請求項１に記載のハニカム体により解決される。本発明に基づく有利なハニカム体は、従属請求項に記載してある。
【０００６】
本発明に基づき、ハニカム体を容器、特に内燃機関の排気装置の容器内に外被管により保持する。該外被管の両端縁間の全軸方向長は、ハニカム体の軸方向長より短く、またその外被管は、ハニカム体のほぼ軸方向中央でハニカム体の周囲に配置し、少なくとも１つの結合軸方向領域でハニカム体に接合技術的に結合、特にろう付けする。外被管（７）は、その内周面をハニカム体（１）に結合した結合軸方向領域（１９）の範囲内の部分領域（１０）又はその結合軸方向領域（１９）の直近で、外周面が容器（２）に固定し、外被管（７）の容器（２）に結合せず内周面をハニカム体（１）に結合された個所を、半径方向弾性ばね要素（８）として形成する。本発明に基づくホルダは、ばね要素がハニカム体の変形に「結合部の剥がれ」なしに追従し、同時にハニカム体の直径がごく僅かしか変化しない個所で、外被管と容器との結合を行うことを特徴とする。
【０００７】
ハニカム体に比べて短い外被管長は、ハニカム体の、例えば両端面近くにおけるような、特に激しく収縮する個所の運動を妨げないという利点を有する。補助的にその個所の周りに、断熱隙間を形成する。この断熱隙間は、その個所で端面側に流入した熱エネルギが、ハニカム体を包囲する外被管に伝わらないので、特にハニカム体の加熱挙動に有利な影響を与える。
【０００８】
ばね要素は、好適には外被管の軸方向のスリットにより外被管自体で形成され、そのスリットにより円周方向において境界づけられる。この結果、スリットの寸法付けに応じ、ほぼ任意の弾性が得られる。
【０００９】
特に自動車の排気装置の、非常に薄い鋼板から成るハニカム体の場合、実験の結果、ハニカム体が排気ガス入口側だけでなく、排気ガス出口側でも変形によりかなりの荷重を受けることを新たに確認した。かかるハニカム体の排気ガスによる加熱が、まずは排気ガス入口側で起るが、同時にハニカム体は両端面側から冷やされる。この結果、ハニカム体は両端面近くで他の個所に比べ大きな半径方向収縮を生ずる。その際、外被管はスリットに関連し、曲げばねように振る舞うセグメントを形成する。これは、曲げばねがハニカム体に接触している際、ハニカム体の熱的に引き起こされる膨張や収縮に、曲げばねが少なくとも半径方向に追従することを意味する。かくして、ハニカム体と外被管の間の熱応力は著しく減少する。従って、ばね要素を両側に形成することが非常に有利である。
【００１０】
本発明の有利な実施態様では、ハニカム体全体を中央横断平面に対し二分してほぼ対称に配置する。この結果、外被管も対称に構成でき、従って、特にそのようなホルダの組立を単純化できる。またそのような対称的な配置は、冷却中のハニカム体の対称的な変形に対応する。
【００１１】
スリットは少なくとも１つの終端部と、スリット幅と、スリット長とを有し、少なくとも部分的に外被管のばね要素を、該要素が少なくとも半径方向に変位できるよう境界づける。この結果、外被管とハニカム体との異なる熱膨張挙動により生ずる熱応力を確実に減少できる。その際、スリット幅が少なくとも１ｍｍ、好適には少なくとも２ｍｍであると特に有利である。これに伴い、ばね要素が内側に大きく変形する際も干渉が生じない。
【００１２】
本発明のホルダの有利な実施態様では、スリット幅をスリットの全長にわたり変化させる。即ちスリット幅を、例えば片側終端部からスリットの奥行き方向に増大させる。かくして、ばね要素の曲げ強さを、ホルダの熱的負荷に関係して精確に調整できる。スリットは、少なくとも部分的に外被管の円周方向にも延びている。この結果、スリットが専ら真っ直ぐに延びず、例えば波形、即ち正弦波形状を有するようにする。
【００１３】
特に、スリットが少なくとも片側終端部に切欠き開口を有すると好ましい。該開口は、スリットの終端部の、切欠きの生成を防止するよう形成する。
【００１４】
本発明に基づくホルダの他の実施態様では、少なくとも幾つかのばね要素が各々少なくとも１つの横スリットを有する。該スリットは外被管の端縁に対し平行に延びる。横スリットは、ばね要素の曲げ強さを調整するよう設ける。その場合、ばね要素の横スリットの数および／又は長さを増大することで曲げ強さを弱め、これにより、僅かな力で、半径方向変位を可能とする。この場合、横スリットの少なくとも片側終端部に丸みを付けると特に有利である。これに伴い、大きな動的荷重による切欠きの発生を防止できる。
【００１５】
本発明に基づくホルダの他の実施態様では、ハニカム体は、排気ガスが貫流できる通路を有するようパターニングした鋼板層を有する。この鋼板層は、特に少なくとも１２５セル／ｃｍ^２の通路密度を有する。鋼板層は、好適には０．０３ｍｍ、特に０．０２５ｍｍより薄い鋼板厚さの鋼板で形成する。このようなハニカム体は、その体積に比べて非常に大きな表面積により、触媒活性被覆に対する担体として非常に適する。この結果、傍を流れる排気ガスに対し十分大きな触媒活性面積を提供し、これに伴い、排気ガス内の有害物質の変換を特に効果的に行える。特に０．０２５ｍｍより薄い鋼板厚さは、非常に小さな比表面熱容量を与える。この結果、ハニカム体は、低温始動後に極めて速やかに、排気ガス内の有害物質の触媒転換に必要な温度に達する。
【００１６】
外被管と容器との結合は種々の方式で行え、これは図を参照して後述する。重要なのは、外被管が緩まず、容器と外被管との結合が、容器との結合が行われている部分領域の外で、外被管の弾性を害さないことである。
【００１７】
以下図を参照し、本発明のハニカム体とその容器におけるホルダの有利な実施例を詳細に説明する。
【００１８】
図１は、内燃機関４（図２参照）の排気装置３（図２参照）の、容器２内の本発明に基づくハニカム体１の実施例を示す。容器内に同軸的に、ハニカム体１と外被管７を配置してある。外被管７は軸方向５に延びるスリット６を有し、両端縁８で境界づけられた全軸方向長９を有する。中心軸線５は、ハニカム体が一般に回転対称、即ち断面長円形や楕円形に形成されていることを表す。外被管７は外周面が、全軸方向長９に比べて短い少なくとも１つの部分領域１０（斜線部）で、容器２に直接又は間接的に結合している。ハニカム体１は両側端面２９で境界づけられたハニカム体軸方向長１１を備える。ハニカム体１は結合領域１９（点模様部）で外被管７の内周面に結合している。外被管７の容器２と結合せずハニカム体１に結合した個所は、半径方向弾性ばね要素１８として形成してある。これは、熱的交番負荷時のハニカム体１の殆ど支障ない膨張と収縮を可能にしている。ばね要素１８は、特に外被管７の中央横断平面１４に対し対称に配置したスリット６によって境界づけてある。これは、運転条件下でのハニカム体１のほぼ対称的な収縮を引き起こす。即ち、ハニカム体は運転条件下で中央部がごく僅かだけ変形し、両側端が収縮して最終的に樽形形状となる。
【００１９】
ここではスリット６は中央横断平面１４から外して配置され、この実施例の場合、外被管７の端縁８迄延びている。
【００２０】
図２は、排気装置３付きの内燃機関４の構造を概略的に示す。内燃機関４で発生した排気ガスは、排気装置を経て大気に導かれる。排気装置３の容器２内に、排気ガスを浄化する構成要素を配置している。図２はその構成要素の例として、スリット６付き外被管７により保持されたハニカム体を示す。
【００２１】
図３〜図８は、外被管７と容器２との種々の結合方式を示す。種々の異なった結合方式を利用できるが、いずれの方式も、外被管７の中央以外の個所における弾性を殆ど害さない点で共通している。
【００２２】
図３は、中間部材１３を経て容器２の溝１２に外被管７を保持するかみ合い結合方式を示す。振動を防止するため、中間層として弾性マット２０、即ち雲母等の材料を入れている。
【００２３】
図４は、半径方向変位を許すが軸方向変位を許さない半径方向すべりばめ１２、１３を同時に形成するかみ合い結合方式を示す。弾性マット２０、即ち雲母を中間層として利用してもよい。
【００２４】
図５は、外被管７に対応する幅で容器２に形成した溝１２の中に、外被管７を直接保持した特に構成の簡単な構成の実施例を示す。この場合、雲母等の中間層１２を設けてもよいが、中間層２０なしに保持してもよい。
【００２５】
図６は、管状中間部材１３を経て、容器２に外被管７を懸架したホルダを示す。中間部材１３はろう付け又は溶接する。この中間部材１３は、軸方向スリットで分割した種々のセグメント（図示せず）からも構成でき、これにより、取付け部に補助的な弾性が生じる。
【００２６】
図７は、図６に類似した実施例を示す。ここでは外被管７を横断面Ｓ形に形成し、もって外被管７を容器２に取り付ける中間部材１３と兼用している。
【００２７】
図８は、本発明の特に有利な実施例を容器２の縦断側面図で概略的に示す。外被管７に、中央に配置した環状中間部材（環状カラー）１３に対しほぼ対称的に、複数の軸方向スリット６を設けている。しかしそれらスリット６は外被管７の端縁８迄達していない。この外被管７は端縁８が滑らかなので、スリットが端縁８迄入った外被管より、製造過程で容易に取り扱える。外被管７とハニカム体１との間の結合領域１９（点模様）は、スリット６の略半分の長さ位置で終えている。これに伴い、通しのスリットでなくても、弾性ばね要素１８が生ずる。また、環状中間部材１３は、ハニカム体１と容器２の間に熱応力が生じた際、容器２がほんの僅かしか変位しないよう剛性にしてある。
【００２８】
図９は、ハニカム体１と外被管７を横断面図で示す。該横断面は、外被管７のスリット６が配置されていない個所の断面である。ハニカム体１は、排気ガスが貫流する通路２６を形成するようパターニングした鋼板層２５を備える。ここでは、その通路を波形鋼板と平形鋼板の重ね合わせにより形成している。続いて鋼板層２５の絡み合わせや巻回により、ハニカム体１を形成する。ハニカム体は少なくとも１２５セル／ｃｍ^２の通路密度を有する。鋼板層２５は、好適には０．０２５ｍｍより薄い鋼板厚さ２８を有する。
【００２９】
本発明に基づく容器のハニカム体のホルダは、特に内燃機関の排気装置のハニカム体の永続的な固定を保障する。その際生ずる温度差と圧力変動は、本発明によるホルダで補償できる。即ち、ハニカム体の半径方向膨張や収縮を妨げず、容器とハニカム体との間に、寿命を縮める応力が生じないようにする。
【図面の簡単な説明】
【図１】
容器内における本発明に基づくハニカム体の概略縦断側面図。
【図２】
排気装置付き内燃機関の構造の概略構成図。
【図３】
容器における外被管の固定部の一実施例の断面図。
【図４】
容器における外被管の固定部の異なった実施例の断面図。
【図５】
容器における外被管の固定部の異なった実施例の断面図。
【図６】
容器における外被管の固定部の異なった実施例の断面図。
【図７】
容器における外被管の固定部の異なった実施例の断面図。
【図８】
容器における外被管の固定部の異なった実施例の断面図。
【図９】
ハニカム体および外被管の概略横断面図。
【符号の説明】
１　ハニカム体、２　容器、３　排気装置、４　内燃機関、　５　中心軸線、
６　スリット、７　外被管、８　端縁、９　外被管の全軸方向長、
１０　部分領域、１１　ハニカム体の軸方向長、１２　溝、１３　中間部材、
１４　中央横断平面、１５　スリットの終端部、１６　スリット幅、
１７　スリット長、１８　ばね要素、１９　結合領域、２０　弾性マット、
２１　切欠き開口、２２　横スリット、２５　鋼板層、２６　通路、
２７　鋼板、２８　鋼板厚さ、２９　ハニカム体の端面

Claims (14)

1. 容器（２）内に外被管（７）により保持されるハニカム体（１）であって、外被管（７）の両側端縁（８）間の全軸方向長（９）が、ハニカム体（１）の軸方向長（１１）より短く、外被管（７）がハニカム体（１）の軸方向中央でハニカム体（１）の周囲に配置され、少なくとも１つの結合軸方向領域（１９）でハニカム体（１）に接合技術的に接合されたハニカム体（１）において、外被管（７）が、内周面がハニカム体（１）に結合された結合軸方向領域（１９）の範囲内の部分領域（１０）又はその結合軸方向領域（１９）の直近で、外周面が容器（２）に固定され、外被管（７）の容器（２）に結合されず内周面がハニカム体（１）に結合された個所が、半径方向弾性ばね要素（８）として形成されたことを特徴とするハニカム体。
2. ばね要素（８）が、外被管（７）に存在し軸方向に延びるスリット（６）により、円周方向に境界づけられたことを特徴とする請求項１記載のハニカム体。
3. スリット（６）が、部分領域（１０）から両側に軸方向に延びることを特徴とする請求項２記載のハニカム体。
4. ハニカム体（１）が、外被管（７）および容器（２）と共に、ハニカム体中心を延びる横断面平面（１４）に関し対称に構成されたことを特徴とする請求項１から３の１つに記載のハニカム体。
5. スリット（６）が、外被管（７）の端縁（８）迄延びることを特徴とする請求項２から４の１つに記載のハニカム体。
6. スリット幅（１６）が少なくとも１ｍｍであることを特徴とする請求項２から５の１つに記載のハニカム体。
7. スリット幅（１６）が、スリット長（１７）にわたり変化することを特徴とする請求項２から６の１つに記載のハニカム体。
8. 各スリット（６）が、少なくとも１つの終端部（１５）に切欠き開口（２１）を持つことを特徴とする請求項２から７の１つに記載のハニカム体。
9. 少なくとも一部のスリット（６）が、各々少なくとも１つの横スリット（２２）を有することを特徴とする請求項２から８の１つに記載のハニカム体。
10. ハニカム体（１）が、排気ガスが貫流できる通路（２６）を有するよう形成された鋼板層（２５）を有し、該鋼板層（２５）が少なくとも８００セル／平方インチの通路密度を有し、鋼板層（２５）が、０．０３ｍｍより薄い鋼板厚さ（２８）の鋼板（２７）で形成されたことを特徴とする請求項１から９の１つに記載のハニカム体。
11. 外被管（７）が、少なくとも１つの溶接継手で容器（２）に結合されたことを特徴とする請求項１から１０の１つに記載のハニカム体。
12. 外被管（７）が、かみ合い結合継手（１２、１３）により容器（２）に保持されたことを特徴とする請求項１から１０の１つに記載のハニカム体。
13. 外被管（７）が、円周方向に延びる環状カラー（１３）で、半径方向に撓みをもち、半径方向すべりばめ（１２、１３）で、容器（２）に固定されたことを特徴とする請求項１から１０の１つに記載のハニカム体。
14. 外被管（７）が、縦断面Ｓ字形に形成されたことを特徴とする請求項１から１０の１つに記載のハニカム体。