JP6838542B2 - 触媒装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気系に設けられる触媒装置に関する。

内燃機関の排気を浄化する触媒が担持された触媒担体と、この触媒担体を収納する筒部と、触媒担体と筒部との間に配置されて同筒部内に触媒担体を保持する保持マットとを備える触媒装置が知られている（例えば特許文献１等）。

そうした筒部の外周面側にインシュレータを設けるとともに、筒部とインシュレータとの間に断熱部材を設けて当該筒部を断熱部材で覆うようにすれば、筒部の放熱量が減少するため、排気熱等による触媒担体の温度上昇がさらに高まるようになり、排気浄化性能が向上するようになる。

特開２００４−１７６５５３号公報

ところで、筒部を断熱部材で覆うようにすると、熱膨張による筒部の拡径量が筒部全体において増大するようになり、筒部と触媒担体との間の隙間が大きくなる。そのため、そうした隙間に圧縮された状態で配設される保持マットの保持力が低下するようになる。保持マットの保持力が低下すると、外周面が保持マットで包まれた触媒担体は排気圧などによって排気下流方向に移動するおそれがあり、この場合には筒部内における触媒担体の配設位置がずれてしまうおそれがある。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、筒部内における触媒担体のずれを抑えることのできる触媒装置を提供することにある。

上記課題を解決する触媒装置は、内燃機関の排気を浄化する触媒が担持された触媒担体と、前記触媒担体を収納する筒部と、前記触媒担体と前記筒部との間に配置されて前記触媒担体の外周面を包んだ状態で前記触媒担体を前記筒部内に保持する保持マットと、を備えている。そして、この触媒装置は、前記筒部の外周面側に設けられたインシュレータと、前記インシュレータと前記筒部との間に配置された断熱部材と、を備えている。そして、前記筒部の外周面であって当該筒部の排気上流端と排気下流端との間の領域を同筒部の軸線方向に並ぶ２つの領域に分割し、その２つの領域のうちの排気上流側の領域を上流側部位とし、排気下流側の領域を下流側部位としたときに、前記下流側部位において前記断熱部材に覆われる面積は、前記上流側部位において前記断熱部材に覆われる面積よりも少なくされている。

同構成によれば、筒部の外周面の下流側部位において断熱部材に覆われる面積は、上流側部位において断熱部材に覆われる面積よりも少なくされているため、筒部の排気下流側における放熱量は、筒部の排気上流側における放熱量よりも多くなっている。従って、排気熱等によって筒部が加熱されると、排気上流側に比べて排気下流側の方が筒部の温度は低くなるため、熱膨張時における筒部の拡径量は排気下流側の部位ほど少なくなる。そのため、筒部が加熱されると筒部全体は拡径するのであるが、そうした筒部の熱膨張時には、筒部の排気下流側が排気上流側よりも縮径する略テーパ形状になる。そのため、筒部の熱膨張時において、保持マットに包まれた状態のまま触媒担体が排気に押されることにより、触媒担体が筒部内を排気下流方向に移動しようとしても、筒部の排気下流側の径は排気上流側の径よりも小さくなっているため、保持マットに包まれた触媒担体の排気下流方向への移動は抑制される。従って、筒部内における触媒担体のずれを抑えることができる。

また、上述したように、同構成では、熱膨張による筒部の拡径量は、排気上流側の部位に比べて排気下流側の部位の方が少なくなる。そのため、同構成によれば、排気下流側の部位の拡径量が排気上流側の部位の拡径量と同じになる場合と比べて、排気下流側に配置された保持マットの圧縮量が多くなり、当該保持マットの保持力が大きくなる。従って、これによっても、筒部内における触媒担体のずれを抑えることができる。

上記触媒装置において、前記断熱部材は、前記上流側部位に配置される第１断熱部と、前記下流側部位に配置される第２断熱部とを有しており、前記第１断熱部は、前記インシュレータに対向する前記筒部の外周面全体を覆うように配置されており、前記第２断熱部は、前記インシュレータに対向する前記筒部の外周面の一部のみを覆うように配置されていてもよい。

同構成によれば、断熱部材が上記第１断熱部及び上記第２断熱部を有することにより、筒部の外周面の下流側部位において断熱部材に覆われる面積は、上流側部位において断熱部材に覆われる面積よりも少なくなるようにすることができる。

また、上記触媒装置において、前記断熱部材は、前記筒部の外周面に対向する前記インシュレータの内周面に固定されていてもよい。
上記断熱部材が筒部に固定されていると、当該断熱部材を交換する際には、インシュレータを外した後に断熱部材を筒部から取り除く作業や、断熱部材を筒部に取り付けてからインシュレータを組み付ける作業が必要になる。この点、同構成によれば、上記断熱部材がインシュレータに固定されているため、インシュレータを交換するだけで断熱部材を交換することが可能になり、筒部から断熱部材を除去する作業や、筒部に断熱部材を組み付ける作業を省略することができる。従って、断熱部材の交換作業を簡素化することができる。

触媒装置の一実施形態について、これが適用される内燃機関を搭載した車両の模式図。 同実施形態の触媒装置の断面図。 図２の３−３線に沿った触媒装置の断面図。 図２の４−４線に沿った触媒装置の断面図。 図３の５−５線に沿ったインシュレータの断面図。 同実施形態の触媒装置の熱変形を示す模式図。 同実施形態の変形例における触媒装置の径方向の断面図。 同変形例における触媒装置の熱変形を示す模式図。

以下、触媒装置の一実施形態について、図１〜図６を参照しつつ説明する。
図１に示すように、車両１００の前部には内燃機関１０が搭載されている。内燃機関１０には、排気の流れ方向においてその上流側から順に、排気マニホールド１２、本実施形態の触媒装置２００、排気管１４が接続されている。なお、触媒装置２００は、車両上方から下方に向かって排気が流れるように、鉛直方向に対してやや傾いた縦向きの姿勢で組み付けられている。

図２に示すように、触媒装置２００は、排気を浄化する白金などの触媒が担持された触媒担体３０や、触媒担体３０を収納する円筒状の筒部２０や、触媒担体３０と筒部２０との間に配置されて筒部２０内に触媒担体３０を保持する保持マット４０を備えている。

触媒担体３０は、円柱状のセラミック材料で形成されている。この触媒担体３０には、同触媒担体３０の軸線Ｌと平行に延びる微細な排気流路が複数形成されている。これら排気流路の各々には上記触媒が担持されている。なお、触媒担体３０は金属材料で形成してもよい。

保持マット４０は、触媒担体３０の外周面全体を包んでいる。この保持マット４０は、触媒担体３０と筒部２０との間の隙間に圧縮された状態で組み付けられており、弾性力を利用して触媒担体３０を筒部２０の内部に保持している。なお、本実施形態では、保持マット４０をグラスウールで形成しているが、他の材料で形成してもよい。

筒部２０の排気上流側には、排気上流側に向かうほど縮径する上流側テーパ部２２が接続されており、上流側テーパ部２２の排気上流側には排気マニホールド１２を接続するための上流側フランジ２３が設けられている。

筒部２０の排気下流側には、排気下流側に向かうほど縮径する下流側テーパ部２４が接続されており、下流側テーパ部２４の排気下流側には排気管１４を接続するための下流側フランジ２５が設けられている。なお、筒部２０、上流側テーパ部２２、上流側フランジ２３、下流側テーパ部２４、及び下流側フランジ２５は、いずれもステンレス鋼で形成されているが、他の金属材料で形成してもよい。

筒部２０の外周面側には、板状のインシュレータ６０が設けられている。このインシュレータ６０は、筒部２０及び上流側テーパ部２２及び下流側テーパ部２４の外周面全体を覆うように配置されており、筒部２０及び上流側テーパ部２２及び下流側テーパ部２４との間に所定の隙間を確保した状態で筒部２０に固定されている。なお、本実施形態のインシュレータ６０はステンレス鋼で形成されているが、他の材料で形成してもよい。

そして、筒部２０とインシュレータ６０との間の隙間には、グラスウールで形成された断熱部材７０が配置されている。なお、グラスウール以外の材料で断熱部材７０を形成してもよい。

断熱部材７０は、筒部２０の外周面に対向するインシュレータ６０の内周面６０ｎに固定されている。
ここで、筒部２０の外周面であって当該筒部２０の排気上流端３０Ａと排気下流端３０Ｂとの間の領域を同筒部２０の軸線Ｌ方向に並ぶ２つの領域に分割する。そして、その２つの領域のうちの排気上流側の領域を上流側部位Ｐｕとし、排気下流側の領域を下流側部位Ｐｄとしたときに、断熱部材７０は、上流側部位Ｐｕに配置される第１断熱部７１と、下流側部位Ｐｄに配置される第２断熱部７２とを有している。

図３に示すように、第１断熱部は７１は、筒部２０の上流側部位Ｐｕにおいてインシュレータ６０に対向する筒部２０の外周面全体を覆うように配置されている。より詳細には、図５に示すように、第１断熱部７１は、筒部２０の上流側部位Ｐｕに対向するインシュレータ６０の内周面６０ｎの部位であって、その内周面６０ｎの周方向Ｓの全体にわたって設けられている。

また、図４に示すように、第２断熱部７２は、筒部２０の下流側部位Ｐｄにおいてインシュレータ６０に対向する筒部２０の外周面のうちの一部のみを覆うように配置されている。より詳細には、先の図５に示すように、第２断熱部７２は、筒部２０の下流側部位Ｐｄに対向するインシュレータ６０の内周面６０ｎの部位であって、その内周面６０ｎの周方向Ｓにおける一部の部位にのみ設けられている。なお、本実施形態では、先の図４に示すように、筒部２０の外周面の２箇所に第２断熱部７２を配置しており、筒部２０の外周面の周方向における第２断熱部７２の配設位相は１８０°になっているが、そうした第２断熱部７２の配設数や配設位相は適宜変更してもよい。

以上説明した本実施形態によれば、次の作用効果を得ることができる。
（１）断熱部材７０は、筒部２０の外周面の上流側部位Ｐｕに配置される第１断熱部７１と、筒部２０の外周面の下流側部位Ｐｄに配置される第２断熱部７２とを有している。そして、先の図３や図４に示したように、第１断熱部７１は、インシュレータ６０に対向する筒部２０の外周面全体を覆うように配置されており、第２断熱部７２は、インシュレータ６０に対向する筒部２０の外周面の一部のみを覆うように配置されている。

従って、筒部２０の外周面の下流側部位Ｐｄにおいて断熱部材７０に覆われる面積は、上流側部位Ｐｕにおいて断熱部材７０に覆われる面積よりも少なくなっており、筒部２０の排気下流側における放熱量は、筒部２０の排気上流側における放熱量よりも多くなっている。そのため、排気熱等によって筒部２０が加熱されると、排気上流側に比べて排気下流側の方が筒部２０の温度は低くなるため、熱膨張時における筒部２０の拡径量は排気下流側の部位ほど少なくなる。

従って、図６に示すように、筒部２０が加熱されると筒部２０全体は拡径するのであるが、そうした筒部２０の熱膨張時には、筒部２０の排気下流側が排気上流側よりも縮径する略テーパ形状になる。そのため、筒部２０の熱膨張時において、保持マット４０に包まれた状態のまま触媒担体３０が排気に押されることにより、同触媒担体３０が筒部２０内を排気下流方向に移動しようとしても、筒部２０の排気下流側の径は排気上流側の径よりも小さくなっているため、保持マット４０に包まれた触媒担体３０の排気下流方向への移動は抑制される。従って、筒部２０内における触媒担体３０のずれを抑えることができる。

なお、本実施形態では、車両上方から下方に向かって排気が流れるように触媒装置２００は縦向きの姿勢で組み付けられているため、保持マット４０に包まれた触媒担体３０は重力によっても排気下流方向に移動しようとする。しかし、上述したように、筒部２０の熱膨張時には、筒部２０の排気下流側が排気上流側よりも縮径する略テーパ状に変形するため、保持マット４０に包まれた触媒担体３０が重量によって排気下流方向に移動することも抑制することができる。

また、本実施形態では上述したように、熱膨張による筒部２０の拡径量は、排気上流側の部位に比べて排気下流側の部位の方が少なくなる。そのため、例えば筒部２０の外周面全体を断熱部材で覆うことによって、排気下流側の部位の拡径量が排気上流側の部位の拡径量と同じになる場合と比べて、本実施形態では、排気下流側に配置された保持マット４０の圧縮量が多くなり、当該保持マット４０の保持力が大きくなる。従って、これによっても、筒部２０内における触媒担体３０のずれを抑えることができる。

（２）仮に上記断熱部材７０が筒部２０に固定されていると、当該断熱部材７０を交換する際には、インシュレータ６０を外した後に断熱部材７０を筒部２０から取り除く作業や、断熱部材７０を筒部２０に取り付けてからインシュレータ６０を組み付ける作業が必要になる。

この点、本実施形態では先の図５に示したように、断熱部材７０は、筒部２０の外周面に対向するインシュレータ６０の内周面６０ｎに固定されている。より詳細には、第１断熱部７１は、インシュレータ６０の内周面６０ｎの周方向全体にわたって設けられており、第２断熱部７２は、インシュレータ６０の内周面６０ｎの周方向における一部の部位にのみ設けられている。このように断熱部材７０がインシュレータ６０に固定されているため、インシュレータ６０を交換するだけで断熱部材７０を交換することが可能になり、筒部２０から断熱部材７０を除去する作業や、筒部２０に断熱部材７０を組み付ける作業を省略することができる。従って、断熱部材７０の交換作業を簡素化することができる。

（３）筒部２０の外周面において上記第２断熱部７２が配置される部位では、振動等によってインシュレータ６０が筒部２０の外周面に直接接触することが当該第２断熱部７２によって抑えられる。従って、上記第２断熱部７２を有していない場合と比較して、インシュレータ６０と筒部２０との接触による異音などの発生を抑えることができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・インシュレータ６０は、筒部２０及び上流側テーパ部２２及び下流側テーパ部２４の外周面全体を覆うように配置されていたが、少なくとも筒部２０の外周面を覆うようにインシュレータ６０を配置してもよい。

・先の図３等に示したように、インシュレータ６０は、筒部２０の外周面においてその周方向全体を覆うように配置されていた。この他、図７に示すように、筒部２０の外周面においてその周方向の一部をインシュレータ６０で覆うとともに、そのインシュレータ６０と筒部２０との間に、上述した断熱部材７０を配置してもよい。

この場合でも、図８に示すように、筒部２０の外周面のうちでインシュレータ６０に対向する領域（以下、対向領域という）では、筒部２０の外周面における排気上流側の部位に上記第１断熱部７１が配置されるとともに、筒部２０の外周面において第１断熱部７１が配置される部位よりも排気下流側の部位には上記第２断熱部７２が配置される。

従って、筒部２０の外周面において断熱部材７０に覆われる部位の面積は、筒部２０の排気上流側に比べて排気下流側の方が少なくなる。そのため、上記対向領域の筒部２０の外周面では排気下流側における放熱量が、筒部２０の排気上流側における放熱量よりも多くなり、上記対向領域では排気上流側に比べて排気下流側の方が筒部２０の温度は低くなる。

従って、この変形例でも、上記対向領域での熱膨張による筒部２０の拡径量は、排気上流側の部位に比べて排気下流側の部位の方が少なくなり、筒部２０の排気下流側が排気上流側よりも縮径する略テーパ状に筒部２０は変形するようになる。そのため、この変形例でも、上記実施形態に準じた作用効果を得ることができる。

・断熱部材７０はインシュレータ６０に固定されていたが、インシュレータ６０の内周面６０ｎに対向する筒部２０の外周面に固定してもよい。この場合には、例えば第１断熱部７１は、上流側部位Ｐｕにおいて筒部２０の外周面の周方向全体にわたって設けるとともに、第２断熱部７２は、下流側部位Ｐｄにおいて筒部２０の外周面の周方向における一部の部位にのみ設けるようにしてもよい。この場合でも、上記（１）及び（３）の作用効果を得ることができる。

・第１断熱部７１は、筒部２０の上流側部位Ｐｕにおいてインシュレータ６０に対向する筒部２０の外周面全体を覆うように配置されていた。この他、第１断熱部７１も、第２断熱部７２と同様に、筒部２０の上流側部位Ｐｕにおいてインシュレータ６０に対向する筒部２０の外周面の一部のみを覆うように配置する。そして、筒部２０の外周面において第２断熱部７２に覆われる部位の面積は、第１断熱部７１に覆われる部位の面積よりも少なくなるように、断熱部材７０の形状を設定してもよい。この変形例でも、筒部２０の排気下流側における放熱量は、筒部２０の排気上流側における放熱量よりも多くなり、排気上流側に比べて排気下流側の方が筒部２０の温度は低くなるため、筒部２０の排気下流側が排気上流側よりも縮径する略テーパ状に変形するようになる。従って、この場合でも、筒部２０内における触媒担体３０のずれを抑えることができる。

１０…内燃機関、１２…排気マニホールド、１４…排気管、２０…筒部、２２…上流側テーパ部、２３…上流側フランジ、２４…下流側テーパ部、２５…下流側フランジ、３０…触媒担体、４０…保持マット、６０…インシュレータ、６０ｎ…内周面、７０…断熱部材、７１…第１断熱部、７２…第２断熱部、１００…車両、２００…触媒装置。

Claims (3)

1. 内燃機関の排気を浄化する触媒が担持された触媒担体と、前記触媒担体を収納する筒部と、前記触媒担体と前記筒部との間に配置されて前記触媒担体の外周面を包んだ状態で前記触媒担体を前記筒部内に保持する保持マットと、を備える触媒装置であって、
   前記筒部の外周面側に設けられたインシュレータと、
   前記インシュレータと前記筒部との間に配置された断熱部材と、を備えており、
   前記筒部の外周面であって当該筒部の排気上流端と排気下流端との間の領域を同筒部の軸線方向に並ぶ２つの領域に分割し、その２つの領域のうちの排気上流側の領域を上流側部位とし、排気下流側の領域を下流側部位としたときに、
   前記下流側部位において前記断熱部材に覆われる面積は、前記上流側部位において前記断熱部材に覆われる面積よりも少なくされている
   内燃機関の触媒装置。
2. 前記断熱部材は、前記上流側部位に配置される第１断熱部と、前記下流側部位に配置される第２断熱部とを有しており、
   前記第１断熱部は、前記インシュレータに対向する前記筒部の外周面全体を覆うように配置されており、
   前記第２断熱部は、前記インシュレータに対向する前記筒部の外周面の一部のみを覆うように配置されている
   請求項１に記載の触媒装置。
3. 前記断熱部材は、前記筒部の外周面に対向する前記インシュレータの内周面に固定されている
   請求項１または２に記載の触媒装置。