JPH06101466A - 内燃エンジン用触媒変換器 - Google Patents

内燃エンジン用触媒変換器

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JPH06101466A
JPH06101466A JP4347217A JP34721792A JPH06101466A JP H06101466 A JPH06101466 A JP H06101466A JP 4347217 A JP4347217 A JP 4347217A JP 34721792 A JP34721792 A JP 34721792A JP H06101466 A JPH06101466 A JP H06101466A
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treatment device
gas treatment
catalytic converter
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Suresh T Gulati
タコーダス グラーティ スレッシュ
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高温ガス室内部などの高温下においても所定
位置に安定的に取付固定ができる排気ガス清浄用触媒変
換器を備えた触媒変換器装置を提供する。 【構成】 エンジンの膨張室あるいはマフラーなどの高
温ガス室１０の内部に、金属製容器３０に収納された触
媒変換器２０が取り付けられている。触媒変換器２０
は、外側から順番に、金属製収納容器３０、第二耐高熱
無機繊維層３４ａ、膨張材料層３０、第一耐高熱無機繊
維層３４、セラミックハニカム支持体３２から構成され
ている。セラミック支持体３２の内部は多数のガス流路
が形成されており、前記高温ガス室１０に流入した排気
ガスはこの流路内を通過する。高温ガスの通過により前
記膨張材料層３０が膨張し、セラミック支持体３２を金
属製収納容器３０の内部に堅固に固定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、オートバイのように高
温ガス室を備えた内燃エンジンから排出される排気ガス
の触媒処理用装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、自動車やオートバイの排気ガス
は、高温に耐えるセラミック本体で支持した触媒を用い
て清浄していた。このような触媒支持構造体としては、
ガスが流れる内部が空洞の流路が薄いセラミック壁を介
して複数互いに接続されたハニカム構造が好ましい。流
路の形や大きさは、連行粒子などが閉塞することなく、
またガスが自由に流れるように定められている。このよ
うな条件を満足するものとしては、Ｂａｇｌｅｙの米国
特許Ｎｏ．３，７９０，６５４とＨｏｌｌｅｎｂａｃｈ
の米国特許Ｎｏ．３，１１２，１８４に開示された薄壁
セラミックハニカム構造体がある。
【０００３】セラミックハニカム触媒支持体は、高温排
気ガスに接触したり、排気ガスに含まれた未燃焼の炭化
水素と一酸化炭素が触媒によって酸化される際に発生す
る高温にさらされる。また、自動車エンジンを始動およ
び停止させた際に発生する急激な温度の上昇、低下にも
耐えなくてはならない。このような条件下で動作するセ
ラミック支持体には高い耐熱衝撃力と、熱膨張係数に対
する反比例特性を備えている必要がある。
【０００４】一般に、触媒変換器用セラミック支持体は
酸化アルミニウム、シリコン酸化物、酸化マグネシウ
ム、珪酸塩ジルコニウム、菫青石あるいは炭化珪素など
の脆い耐火性材料から構成されている。このようなセラ
ミック材でできた支持体がハニカム構造状に形成されて
いるため、極めて僅かな機械的ストレスによってもひび
割れが生じたり、あるいは圧壊されてしまう。このよう
に脆いものであるため、支持体用の触媒変換器収納容器
や金属製容器の開発が盛んに行われている。
【０００５】例えば、Ｔｅｎ Ｅｙｃｋの米国特許Ｎ
ｏ．４，８６３，７００によれば、壊れ易いセラミック
モノリス触媒の周囲をセラミック繊維の絶縁層で取り巻
き、さらに金属製収納容器とセラミック繊維層の間に膨
張性材料層を介在させて弾力的に前記金属製収納容器に
前記触媒を固定する触媒変換器が開示されている。
【０００６】Ｋｏｃｈの米国特許Ｎｏ．４，７１０，４
８７によれば、触媒変換器を内蔵したディーゼル用高温
ガス室が開示されており、この触媒変換器の周囲を従来
の単層絶縁材料層で支持している。
【０００７】Ｙｏｋｏｋｏｊｉ ｅｔ ａｌ．の米国特
許Ｎｏ．４，９２５，６３４には自動車やオートバイ用
の触媒変換器が開示されており、その実施例では、マフ
ラーの外部管が熱で損傷しないよう触媒変換器の周囲に
絶縁死空隙を形成している。
【０００８】また、Ｋｅｉｔｈ ｅｔ ａｌ．の米国特
許によれば、単一絶縁材層で周囲を包囲した触媒支持体
を内部に４本取り付けた収納容器で触媒排気清浄装置を
構成している。このため、排気ガスは触媒変換器内を直
線的に流れる。しかしながら、この構造では音の吸収効
率がよくない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】多くの場合、特にエン
ジンが小型の場合には、触媒変換器を取り付けるための
スペースがほとんどない。例えば、チェーンソー、芝刈
器、オートバイなどがそうであり、特に２５０ｃｃ以下
のオートバイなど場合にはほとんどスペースがない。
【００１０】このような問題を解決する方法としては、
別に触媒変換器収納容器を設けるのではなく従来の排気
装置部品に触媒変換器を取り付ける方法がある。例え
ば、高温ガス室の中などである。以下に説明するよう
に、従来の高温ガス室は、膨張室とマフラーで構成され
ており、排気管よりも断面積が大きなチャンバー収納容
器内部にまで排気パイプが伸長した構造になっている。
断面積が大きいため排気ガスをこの容器内で膨張させて
消音を行っている。
【００１１】しかしながら、オートバイの膨張室または
マフラー内に触媒変換器を取り付けた場合、自動車の変
換器内の場合よりも背圧が非常に高くなってしまう。こ
のように背圧が高く、またエンジン加速時の振動によっ
て、金属製容器内での移動を防止するためオートバイ用
セラミック触媒には比較的大きな軸方向力に耐えなくて
はならないといった課題がある。
【００１２】また、エンジン排気装置の排出物の一酸化
炭素および炭化水素のレベルが、２サイクルエンジンの
場合に特に高いため、触媒変換器は汚染物質の酸化によ
る高温にも耐えなくてはならない。オートバイの酸化発
熱は、変換器の流入口では４００℃、一方排出口では９
００℃まで温度が上昇する。さらに、マフラーなどの絶
縁高温ガス室内に触媒変換器を取り付けると変換器は大
気中へ効率よく放熱することができなくなってしまうの
である。
【００１３】オートバイの場合、高温ガスは触媒変換器
内を流れるだけでなく、触媒収納容器の周囲を取り囲む
ように流れる。このため、触媒変換器収納容器組立（す
なわち、高温ガス室内の正しい位置に触媒変換器が固定
されている収納容器）の温度は通常９００℃にまで達す
る。触媒変換器を収納するため従来から広く利用されて
いる膨張性絶縁材料にはバーミキュライトが含まれてい
る。このバーミキュライトは、上記のような高温にさら
されると化学結合した水分を失ってしまう。化学結合の
水分が失われるとマットの膨張特性が損なわれてしま
い、その結果、セラミック触媒支持体を固定するだけの
十分な取付圧力を与えることができなくなってしまう。
このように、排気ガスの流れや車体の振動によって生じ
る軸方向の力やその他の力にセラミック触媒が抗する能
力は低下するといった問題がある。
【００１４】前述のＫｏｃｈの米国特許Ｎｏ．４、７１
０、４８７で開示しているディーゼル用排気ガス触媒の
場合、セラミック触媒の周囲を循環した後に触媒内部を
排気ガスが流れるようになっている。セラミック触媒は
埋込み材の中に固定され、触媒ホルダー内に封入されて
いる。しかしながら、絶縁マット内の触媒を被包するよ
うなことはこの特許では何等教示されていない。
【００１５】このように、動作温度が８００℃を越える
ような高温ガス室内部にしっかりと固定しておくことが
できる触媒変換器に対する要望が今だ存在する。
【００１６】本発明は上記従来技術の有する課題に鑑み
なされたものであり、その目的は高温ガス室内など高温
でも安定して所定位置に固定することが可能な排気ガス
清浄用排気ガス処理装置を提供することにある。
【００１７】また、本発明のその他の目的は、高温に曝
されても触媒変換器の固定支持力が劣化することのない
排気ガス処理装置を提供することにある。
【００１８】本発明のさらにその他の目的としては、高
温ガス室内で有用であり、また自動車、チェーンソー、
芝刈器など様々な排気装置に使用することが可能で、特
に、２サイクルまたは４サイクルのオートバイでの使用
に有用な排気ガス処理装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の排気ガス処理装置は、高温ガス室と、前記
高温ガス室内部の高温ガスが変換器の周囲を略包囲する
ように前記高温ガス室内部に取り付けられた少なくとも
一つの触媒変換器とから構成されており、前記触媒変換
器は、両端まで伸長した外周壁の内部に格納されてお
り、比較的厚みが薄い壁面によって形成され、前記両端
まで伸長したガス流路で構成されているセラミックハニ
カム構造体と、距離をおいて前記外壁面を被包する収納
容器と、前記外壁面を取り囲むよう配設された、熱伝導
性の低い第一の耐高熱性無機繊維層と、前記第一無機繊
維層と前記収納容器の間に介在する少なくとも一層の膨
張性材料層とから構成されていることを特徴とする。
【００２０】前記熱膨張性材料層と前記収納容器の間に
は第二の無機絶縁繊維材料層を介在させてもよい。
【００２１】
【作用及び効果】本発明の触媒変換器は上記のような構
成を有しており、高温ガス室へ流入した排気ガスは、ガ
ス室内部に取り付けられた前記触媒変換器の外側を取り
囲むように触媒変換器内を流通する。前記触媒変換器
は、外側から順番に収納容器、膨張性材料層、第一耐高
熱性無機繊維層、セラミックハニカム構造体で構成され
ており、高温のガスが内部を流通することにより前記膨
張性材料層が膨張し、セラミック支持体をより堅固に前
記収納容器内部に固定する。
【００２２】高温ガスによって前記セラミックハニカム
構造体は高温に熱せられるが、前記膨張材料層と前記ハ
ニカム構造体との間には前記無機繊維層が介在している
ため膨張材料層中で化学結合している水分が失われて膨
張特性を失うことはない。また、前記セラミック支持体
の周囲に巻回されている前記繊維層はセラミック支持体
に機械的強度を付与しているため、高温状態となった際
の機械的なストレスによる支持体の損傷を防止すること
ができる。
【００２３】
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明に係る触媒
変換器の好適な実施例を説明する。
【００２４】図１及び２は、本発明に係る高温ガス室内
に取り付けられた触媒変換器の横断面図と正面断面図で
ある。高温ガス室１０は外部金属壁１２で形成されてお
り、当該高温ガス室にはガス吸入室１４とガス排出室１
６が設けられており、これらは互いに隔壁１８によって
分離されている。また隔壁１８は触媒変換器２０を高温
ガス室１０の内部に固定する機能も果たしている。図１
に示されているように、第二触媒変換器２０ａも収納さ
れており、この変換器は排気管２２の中に配設すること
も可能である。例えば、触媒変換効率を高めるために触
媒変換器を二個配設したり、あるいは排気ガス中の酸化
物粒子を捕獲するため触媒支持体の一方にディーゼル粒
子フィルターに用いることが可能である。あるいは、一
方の触媒変換器のみを利用するように高温ガス室を設計
することも可能であり、この場合変換器は、２０ａのよ
うに排気管の内部に配設するか、または２０のように排
気管の外部に配設するこことができる。排気管２２は前
記高温ガス室の略内部にまで伸長させるのが好ましい。
この排気管は燃焼エンジンからの排気ガスを高温ガス室
１０の吸入室１４まで送出する。吸入室１４の支持壁２
３の内部には空洞が形成されており、この内部をガスは
自在に流動する。また、前記支持壁２３は、排気管２２
を正しい位置に固定する役割も果たしている。テールパ
イプ２４は排気室１６と連通しており、処理された排気
ガスを高温ガス室１０の外部へと排出する。図１に示す
とおり、排気管２２は排出室１６と隔壁１８を横断して
おり、排気ガスを吸入室１４へと供給する。同様に、テ
ールパイプ２４は、吸入室１４と隔壁１８を横断し、処
理された排気ガスを排出室１６の外部へ排気する。この
結果、図１および２の高温ガス室の内部では燃焼エンジ
ンから排出されたガスは排気管２２と触媒変換器２２ａ
の内部を通過することになる。吸入室１４に流入した排
気ガスは、吸入室で略１８０°方向を転換し、支持壁２
３内を通過した後にオプションの第二触媒変換器２０の
内部を流通する。このように方向を転換させることによ
り消音が促進される。触媒変換器２０で処理された排気
ガスは排出室１６に流入し、さらに略１８０°方向を転
換してテールパイプ２４の内部を通って吸入室１４およ
び高温ガス室１０の外部へと排出される。
【００２５】基本的に高温ガス室の断面積は燃焼エンジ
ンから伸びている排気管よりは大きくし、高温ガス室に
流入する際にガスの流れ圧力が低下するようになってい
る。好ましくはマフラーおよび／または膨張室である高
温ガス室内に、触媒ハニカム支持体を収納することには
多くの利点がある。例えば、マフラーおよび／または膨
張室の内部にセラミック支持体を収納することにより、
スペースが削減される。このようにスペースを節約でき
るということはバイクや、チェーンソーなどの製品では
重要なことである。この場合、マフラー（すなわち、高
温ガス室）自体を小型化することによりさらにスペース
を削減することが可能である。
【００２６】図３は、本発明に係る触媒変換器２０（お
よび／または２０ａ）の横断面図である。通常、触媒変
換器２０は金属性容器で構成されており、この容器の内
部にはセラミックハニカム支持体３２が多層絶縁材層に
よって放射状に固定されている。この多層絶縁材は、セ
ラミックハニカム支持体３２の外周を直接取り巻く形で
設けられた熱伝導性が小さく、少なくとも１層の耐高熱
無機繊維層３４と、前記無機繊維層３４と金属性容器３
０との間に介在させる膨張性材料層３６とから構成され
ている。好ましくは、第二無機繊維層３４ａを直接金属
性容器３０の内側に付設してもよい。通常、排気ガスは
高温ガス室内に取り付けられた変換器を取り囲んでしま
うため、第二無機繊維層はこのような排気ガスから膨張
層３６を保護する役割を果たす。セラミックハニカム支
持体３２は、金属性収納容器３０の内部に溶接あるいは
その他の方法で接着された円筒形端部リング３８で金属
容器３０の内部に固定しておくのが好ましい。絶縁材４
０の円環リングを前記端部リング３８とセラミックハニ
カム支持体３２の間に介在させて高温支持体３２と端部
リング３８の間を絶縁し、また同時に端部リング３８を
介してセラミックハニカム支持体３２の軸方向へ均等な
取付圧を加える。前記絶縁材４０を、セラミックモノリ
ス３２と端部リング３８との間における機械的緩衝材と
しても機能させるのが好ましい。絶縁材４０としては、
イリノイ州、Ｓｋｏｋｉｅ、Ｆｅｌ−Ｐｒｏ社製のＦＥ
Ｌ−ＲＡＭＩＣ ２０００が好ましい。このＦＥＬ−Ｒ
ＡＭＩＣ ２０００は、黒鉛含浸金属コアとセラミック
シートクラッドを備えた高温ガスケット材である。
【００２７】ステンレス金属は、熱伝導性が小さく、耐
腐食性に優れ、耐熱性が高いため円筒形金属収納容器３
０と端部リング３８はステンレス金属製にするのが好ま
しい。また、ステンレス金属は圧接により溶接するこが
可能である。従って、溶接時に軸方向およびラジアル方
向に正の圧力を印加することができるため、エンジンの
振動や路面からの衝撃に抗する能力が一層高められる。
例えば、本発明の好適実施例において、取付時には支持
体３２に向かって端部リング３８の軸方向に約３．５２
ｋｇ／ｃｍ2 （約５０ｐｓｉ）の圧力が加えている。絶
縁層３４と３６の取付密度を所望の密度にするため金属
容器３０を圧接することもできる。しかしながら、「ス
タッフィング」と呼ばれる取付技術で所望の密度とする
のがより好ましい。すなわち、絶縁材で包囲されたセラ
ミック支持体を円錐形取付具を介して収納容器３０内に
圧入するものである。（この結果、絶縁材が圧縮され
る）セラミックハニカム支持体３２は、米国特許Ｎｏ．
３，８８５，９７７や再発行米国特許Ｎｏ．２７，７４
７などにも開示されているように、従来からこのような
用途に使用されているセラミック材料で作製してもよ
い。一般に、金属容器３０に内設する前にハニカム支持
体はウォッシュコートを含む触媒で処理する。このウォ
ッシュコートにはアルミナやマグネシアなどの耐火性酸
化物とスカンジウムやイットリウムなど一種類または複
数種の触媒が含まれている。ウォッシュコートの詳細に
ついては、米国特許Ｎｏ．３，９５１，８６０を参照す
ることができる。排気ガス中の粒子材を除去するため触
媒変換器２０または２０ａのうち一つまたは複数の変換
器に内設されている従来のセラミック支持体３２の代わ
りに米国特許Ｎｏ．４，３２９，１６２に開示されてい
るようなディーゼル粒子フィルターを使用してもよい。
支持体３２としては、機械的結合性が高く、ガスの流れ
に対する抵抗力が小さく、幾何表面積が広い押出し成形
した菫青石セラミック支持体を使用するのが好ましい。
セラミック支持体を考える上で重要なパラメーターであ
るのが機械的結合性であり、特に半径方向の力が重要で
ある。一般的な菫青石ハニカム支持体は、著しい損傷を
受けない限りは、約４９．２１ｋｇ／ｃｍ2 （７００ｐ
ｓｉ）の半径方向力に容易に耐える。
【００２８】無機繊維層３４と３４ａはセラミック繊維
ペーパー状とするのが好ましく、また熱絶縁により膨張
材の結合性を保護できるようにするのが好ましい。ま
た、この無機繊維層３４と３４ａで、金属性容器３０に
収納されているセラミックハニカム支持体３２へ機械的
強度を付与するのが好ましい。無機繊維層３４と３４ａ
には、絶縁効果を最大にするためバーミキュライトを３
０％未満含有させるのが好ましいが、全くバーミキュラ
イトを含まないほうが一層好ましい。無機繊維層として
は、ニューヨーク州、Ｎｉａｇａｒａ ＦａｌｌｓのＳ
ｏｈｉｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ
社から販売されているＦｉｂｅｒｆｒｅｘＴ（登録商
標）９７０Ｊペーパーが特に好ましい。この製品は、ア
ルミノ珪酸塩ガラス繊維からできており、アルミナと珪
酸塩の比は約５０：５０であり、また繊維とショット(s
hot)との比は約７０：３０である。このペーパー品の約
９３重量％はセラミック繊維とショットから成り、残り
の７％は有機ラテックス結合剤である。特に、高温に曝
される構造体には、アルミナ繊維やポリクリスタルムラ
イトセラミック繊維でできたペーパーが使用できる。こ
の他に無機繊維層として有用な材料としては、玄武岩、
アルミノ珪酸塩クロム、ジルコンカルシウム変性アルミ
ノ珪酸塩などがある。
【００２９】膨張材は、加熱により膨張する絶縁材であ
る。膨張材には、圧縮しない状態での呼称密度が約３５
ー４３ｐｃｆであるイオン交換処理したバーミキュライ
トが含まれている。加熱時のバーミキュライトの耐熱性
や膨張性はよく知られている。
【００３０】絶縁層の据付け密度は、各マットの圧縮特
性と収納容器３０内にセラミック支持体３２を十分固定
するのに必要な圧力によって決まる。この据付け密度
は、オートバイの一般的な寿命期間中に被る高温、振動
負荷、ガス流圧に耐えると共にセラミック支持体を固定
することができる圧力でなくてはならない。
【００３１】例えば、本発明の一実施例において、セラ
ミックハニカムモノリスを５００ｇ／ｍ2 の密度の無機
繊維材料（Ｆｉｂｅｒｆｒａｘ）層で直に取り巻いてい
る。前記無機繊維層の周囲には密度１８３０ｇ／ｍ2 の
第一バーミキュライト含有膨張材層が巻回されており、
また前記第一膨張層の周囲は密度約３６６０ｇ／ｍ2の
第二膨張材層が巻回されている。これら３層は全体とし
て約０．９４−１．２６ｇ／ｃｍ3 の密度で据え付けら
れている。取付け圧力は、触媒変換器に加えられる絶縁
マットの合圧であり、据付け密度Ｄとの関連性を以下の
等式で表す。
【００３２】 ＭＰ ＝ ４０、０００ ｅｘｐ［−６．７／Ｄ］ ５０ー１５０ｃｍ3 のオートバイのエンジンの一般的な
動作条件としては、約１６７Ｈｚの振動により約０．０
８９ｍｍ（約０．００３５インチ）のずれが生じる場合
に、振動加速度は約１０ｇ’ｓ（ｇ＝重力による加速
度）で温度は８００℃を越える。このような条件下でセ
ラミックハニカムを支持するのに必要な最小半径方向取
付け圧（すなわち、据付けにより加えらえる半径方向圧
力）は約０．３５ｋｇ／ｃｍ2 （約５ｐｓｉ）である。
上記据付け密度（０．９４−１．２６ｇ／ｃｍ3 の据付
け密度の場合は約２．２５ｋｇ／ｃｍ2 （３２ｐｓｉ）
ー約１３．７８ｋｇ／ｃｍ2 （１９６ｐｓｉ））とする
と極めて十分な取付け圧が得られ、しかしながらこのよ
うな密度であっても変換器に加わる圧力は変換器の最小
ラジアル力の約１／５のままである。さらに圧力を加え
ることにより、本発明の高温ガス室兼触媒変換器の機械
的結合性および長期間の耐久性を得ることができる。
【００３３】従って、上記の条件で動作するオートバイ
エンジンの場合、７００℃の時に約１７．５８ｋｇ／ｃ
ｍ2 （２５０ｐｓｉ）、８００℃の時に約７．０３ｋｇ
／ｃｍ2 （１００ｐｓｉ）（より好ましくは約１４．０
６ｋｇ／ｃｍ2 （２００ｐｓｉ））、９００℃の時に約
１．７６ｋｇ／ｃｍ2 （２５ｐｓｉ）、１０００℃の時
に約０．３５ｋｇ／ｃｍ2 （５ｐｓｉ）の軸方向圧力が
変換器に加わった状態で前記無機繊維層３４、３４ａと
膨張層３６がセラミック支持体の軸位置を維持できるの
がよい。先述したように、このような高温に曝される
と、膨張特性を付与しているバーミキュライト中の化学
的結合水分が失われてしまう。収納容器２０から流出し
た高温ガスは、ほとんどの場合、高温ガス室内の収納容
器２０を略包囲する、従って、本発明では前記膨張層３
６の周囲に第二の無機繊維材料層３４ａを配設してい
る。
【００３４】図４および５は、本発明のその他の態様に
係る高温ガス室の横断面図である。図４において、燃焼
エンジンから排気されたガスは、触媒変換器２０ａを内
蔵した排気管２２の中を通って高温ガス室へと流入す
る。触媒変換器２０ａを通過した処理ガスは吸入室１４
へ流れ込む。この吸入室で略１８０°方向を転じたガス
は吸入室１４から強制排気され、接続パイプ４０を通っ
て中間室１５へ流入する。このガスはこの中間室１５で
さらに略１８０°方向を転じ、接続パイプ４１を抜けて
排出室１６へと流入する。処理済みのガスは、次にテー
ルパイプ２４を通って排出室１６および高温ガス室１０
から強制排気される。排出室１６でさらに排気ガスが混
合されると消音効果が高まるため、前記テールパイプ２
４と接続パイプ４１は直線上に配設しないほうが好まし
い。図４に示されているように、排気管２２の一部には
変換器組立２０が組み込まれており、従来の円筒形触媒
変換器組立を内部に取付け易くするため排気管も円筒形
とするのが好ましい。しかしながら、円錐形、楕円形あ
るいは断面形状の輪郭がその他の形をした触媒変換器を
使用することも可能であり、この場合排気管２２を触媒
変換器の形状に合わせる。
【００３５】触媒変換器の長さ２．５４ｃｍ（１イン
チ）当たりの圧力降下は、８００℃の時には２５℃の時
のおよそ３ー４倍にもなる。従って、最大１０、０００
ｒｐｍで運転することが可能な１５０ｃｃ以上のオート
バイエンジンの場合は、径が約５．４９ｃｍ（２．１６
インチ）で長さが約４．４９ｃｍ（１．７７インチ）の
変換器内での流速は約３７ｍ／秒（約１４５０インチ／
秒）となり、この時の変換器の圧力降下は約８０．０１
水柱ｃｍ（３１．５水柱インチ）となる。この圧力降下
は、平均的な乗用車変換器の圧力降下の約２倍である。
しかしながら、例えば、変換器の径を約５．４９ｃｍ
（２．１６インチ）から約７．６２ｃｍ（３インチ）へ
と広げれば他の作業パラメーターを犠牲にせずとも圧力
降下を５０％低下させることが可能である。このよう
に、変換器を大きくすることにより、背圧を最小にし、
変換率などのその他の作業パラメータを向上させること
ができる。図４の２０ａのように高温ガス室の略中心軸
方向に触媒変換器を配設することにより、さらに断面積
が大きな変換器を使用することが可能となる。
【００３６】図５には、本発明のさらにその他の態様に
係る高温ガス室が図示されている。図５において、高温
ガス室の前方、すなわち流入する排気ガスに最も近接し
た位置に吸入室１４が配設されている。吸入室１４へ流
入した排気ガスは、触媒変換器組立２０の内部を通過
し、中間室１５へと流入する。中間室１５では、排気ガ
スは略１８０°方向を転じ、接続管４０を経て中間室１
５から排出室１６へと流入する。排出室１６において、
前記排気ガスはさら方向を転じテールパイプ２４を通っ
て高温ガス室の外部へと流出する。あるいは、仮想線２
４ａで示しているように、中間室１５を経て高温ガス室
の後部からガスが排出されるようにテールパイプを配設
することも可能である。
【００３７】本発明の理解を容易にするため以下具体的
実施例を説明する。
【００３８】菫青石ハニカム変換器をＡｌ2 Ｏ3 の水性
スラリーで薄め塗膜し、ステンレス製収納容器内部の収
納容器との間に以下に説明する絶縁マットを介在させて
取り付ける。ＸＰＥ２０３５のマット層、つまり、未据
付状態密度が２０３５ｇ／ｍ２のバーミキュライト含有
膨張性材料に、未据付状態密度が５００ｇ／ｍ2 のＦＩ
ＢＥＲＦＲＡＸ層を接着する。二つの部材から成るこの
マットで前記薄め塗膜したハニカム支持体の周囲を包囲
し、前記無機繊維層を支持体の外表面に直接接触させ
る。ＸＰＥ３０００の層、つまり未据付状態密度が３１
００ｇ／ｍ2 でバーミキュライトを含有した膨張性材料
で前記二部材層を被包する。前記ＦＩＢＥＲＦＲＡＸと
ＸＰＥ材は共にニューヨーク州、Ｎｉａｇａｒａ Ｆａ
ｌｌｓ，Ｓｏｈｉｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｍａｔｅ
ｒｉａｌｓ社製の材料である。次に、絶縁したハニカム
構造をステンレス製容器内に収納する。前記３つの絶縁
層の絶縁マットは全体として０．８８−１．１８ｇ／ｃ
ｍ3 の密度で据え付けられている。
【００３９】上記の構造を有した様々な触媒変換器で一
連の軸方向保持試験を行った。保持試験を行う間、変換
器組立内に軸方向にセラミックハニカムを支持する端部
リングは使用していない。このため、セラミック支持体
は、絶縁マット層すなわち無機繊維層と膨張層の軸方向
圧縮力だけで保持されている。軸方向保持試験では、ま
ず初めに収納容器の外周を固定する。次に、支持体が移
動するまで圧力ゲージに取り付けられたピストンでセラ
ミック支持体に（ガスの流動方向に平行に）力を加え
る。対比するため、１台の変換器は室温で軸方向保留試
験を行う。室温で軸方向保持試験を行う前に、残り４台
の変換器はそれぞれ異なる温度すなわち、７００℃、８
００℃、９００℃、１０００℃でそれぞれ試験を３サイ
クル繰り返した。高温で試験を３サイクル行った後、試
験用変換器をそれぞれ室温まで冷却する。この時、金属
性容器内でセラミック支持体が移動するのが確認される
まで軸方向保持試験を行う。次に、セラミック支持体を
移動するに要した圧力を記録する。図６にはこの結果が
示されており、セラミック支持体をずらすのに要した軸
方向保留負荷は７００℃の試験サイクルから室温へ戻し
た後は事実上増加しており、９００℃まで周期温度を増
加させると負荷も上昇した。この結果から、上記変換器
組立を用いた無機繊維装置の厚みと密度は膨張層を保護
するのに十分なものであった。さらに、この結果から、
得られた保持圧力は、１０００℃以上の温度にあっても
所定の位置に変換器を維持するのに十分であっただけで
なく、端部リングを使用しなくても変換器を保持するこ
とができるものである。
【００４０】変換器が高温の状態で、さらに一連の軸方
向保持力試験を行った。図７には高温での軸方向保持力
試験の結果が示されており、変換器を室温よりも高温の
状態で保持力試験を行った点を除いては、この試験は図
６で詳述した保持力試験と同様のものであった。この試
験結果から、前記金属性容器内の菫青石支持体の軸方向
保持力は７００℃まで温度が上昇するとそれにつれ増大
し、さらに温度が８００℃、９００℃、１０００℃と増
加するにつれ保持力は徐々に低下した。しかしながら、
１０００℃であっても、絶縁材をオートバイの高温ガス
室内で容易に支持しえるほど絶縁材の保持力は十分なも
のであった。
【００４１】油圧アクチュエーター（毎分１０ガロンの
供給能力を備えたサーボバルブを有するＭａｔｅｒｉａ
ｌｓ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製モデルナン
バー２４４．１１）を用いて上記実施例の構成を有した
変換器の振動試験を１００時間行う。この変換器は、金
属製収納容器の内部に端部リングが取り付けられている
点を除いては上記と同じ構成を有している。支持体と前
記端部リングの間にＦＥＬ−ＲＡＭＩＣ２０００の絶縁
ガスケットを介在させる。セラミック支持体の方向で前
記端部リングに約３５．１５ｋｇ／ｃｍ2 （５０ｐｓ
ｉ）の軸方向圧力を加え、前記端部リングを前記金属製
容器の内部にスポット溶接する。この変換器を約１５０
Ｈｚの周波数、すなわち垂直方向のピークからピークで
の移動量が約０．４４ｃｍ（約０．０１７４インチ）で
ピークからピークの振動加速度が約４０ｇ’ｓとなるよ
う前後に振動させる。同時に、燃焼エンジン排気ガスを
シミュレートするためプロパン／空気バーナーをセラミ
ック支持体内へ向ける。前記プロパンと空気の混合比お
よび吹き込み速度は、所望温度の８５０℃に、また変換
器内の流速が毎分約４０００リッターとなるように調整
する。運転前に２０時間と運転後に１００時間、深さマ
イクロメーターを用いてセラミック支持体の相対移動量
を測定する。２０時間および１００時間後に測定された
触媒支持体の相対移動量は測定装置の精度未満であっ
た。このように、変換器組立は１００時間試験を容易に
パスするものであり、この変換器の設計では上記燃焼エ
ンジンパラメーターの範囲内で、支持体と収納容器が互
いに移動するのを十分防ぐことができる以上の取付け圧
力が得られている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高温ガス室の横断面図
【図２】線２ー２から見た図１の高温ガス室の正面断面
図
【図３】本発明の触媒変換器の横断面図
【図４】本発明のその他の高温ガス室の横断面図
【図５】本発明のさらにその他の高温ガス室の横断面図
【図６】本発明に係る触媒変換器の軸方向室温保持結果
を示すグラフ
【図７】本発明に係る触媒変換器の軸方向室温保持結果
を示すグラフ
【符号の説明】
１０ 高温ガス室 １２ 外部金属壁 １４ ガス吸入室 １５ 中間室 １６ ガス排出室 １８ 隔壁 ２０ 触媒変換器 ２０ａ 第二触媒変換器 ２２ 排気管 ２４，２４ａ テールパイプ ３０ 金属性容器 ３２ セラミックハニカム支持体 ３４ 耐高熱無機繊維層 ３４ａ 第二無機繊維層 ３６ 膨張性材料層 ３８ 端部リング ４０，４１ 接続管

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高温ガス室と、 前記高温ガス室内部の高温ガスが変換器の周囲を略包囲
    するように前記高温ガス室内部に取り付けられた少なく
    とも一つの触媒変換器とから構成されており、 前記触媒変換器は、 両端まで伸長した外周壁の内部に格納されており、比較
    的厚みが薄い壁面によって形成され、前記両端まで伸長
    したガス流路で構成されているセラミックハニカム構造
    体と、 距離をおいて前記外壁面を被包する収納容器と、 前記外壁面を取り囲むよう配設された、熱伝導性の低い
    第一の耐高熱性無機繊維層と、 前記第一無機繊維層と前記収納容器の間に介在する少な
    くとも一層の膨張性材料層とから構成されていることを
    特徴とする排気ガス処理装置。
  2. 【請求項２】 前記高温ガス室は膨張室を備えているこ
    とを特徴とする請求項１記載の排気ガス処理装置。
  3. 【請求項３】 前記高温ガス室はマフラーを備えている
    ことを特徴とする請求項１記載の排気ガス処理装置。
  4. 【請求項４】 前記無機繊維層は、セラミック繊維マッ
    ト、セラミック繊維ブランケット、セラミック繊維フェ
    ルトまたはセラミック繊維ペーパーから成るグループか
    ら選択するもことを特徴とする請求項１記載の排気ガス
    処理装置。
  5. 【請求項５】 前記無機繊維層は、バーミキュライトを
    ３０％未満含有していることを特徴とする請求項１記載
    の排気ガス処理装置。
  6. 【請求項６】 前記膨張層はイオン交換バーミキュライ
    トを含有しており、また前記無機繊維層は、排気ガスの
    連続処理中の前記膨張層の平均温度が７５０℃またはそ
    れ以下となるよう温度を制限することを特徴とする請求
    項５記載の排気ガス処理装置。
  7. 【請求項７】 前記外周壁と並行な方向で前記ハニカム
    構造体に少なくとも約０．３５１５ｋｇ／ｃｍ2 （５ｐ
    ｓｉ）の力が加えられている時に、前記触媒変換器の前
    記セラミックハニカム構造体の軸方向位置を前記無機繊
    維層および前記膨張層が略固定することが可能であるこ
    とを特徴とする請求項１記載の排気ガス処理装置。
  8. 【請求項８】 ７００℃の温度で前記外周壁と並行な方
    向で前記ハニカム構造体に少なくとも約１７．５８ｋｇ
    ／ｃｍ2 （２５０ｐｓｉ）の力が加えられている時に、
    前記触媒変換器の前記セラミックハニカム構造体の軸方
    向位置を前記無機繊維層および前記膨張層が略固定する
    ことが可能であることを特徴とする請求項１記載の排気
    ガス処理装置。
  9. 【請求項９】 ８００℃の温度で前記外周壁と並行な方
    向で前記ハニカム構造体に少なくとも約７．０３ｋｇ／
    ｃｍ2 （１００ｐｓｉ）の力が加えられている時に、前
    記触媒変換器の前記セラミックハニカム構造体の軸方向
    位置を前記無機繊維層および前記膨張層が略固定するこ
    とが可能であることを特徴とする請求項１記載の排気ガ
    ス処理装置。
  10. 【請求項１０】 ８００℃の温度で前記外周壁と並行な
    方向で前記ハニカム構造体に少なくとも約１４．０６ｋ
    ｇ／ｃｍ2 （２００ｐｓｉ）の力が加えられている時
    に、前記触媒変換器の前記セラミックハニカム構造体の
    軸方向位置を前記無機繊維層および前記膨張層が略固定
    することが可能であることを特徴とする請求項１記載の
    排気ガス処理装置。
  11. 【請求項１１】 ９００℃の温度で前記外周壁と並行な
    方向で前記ハニカム構造体に少なくとも約１．７６ｋｇ
    ／ｃｍ2 （２５ｐｓｉ）の力が加えられている時に、前
    記触媒変換器の前記セラミックハニカム構造体の軸方向
    位置を前記無機繊維層および前記膨張層が略固定するこ
    とが可能であることを特徴とする請求項１記載の排気ガ
    ス処理装置。
  12. 【請求項１２】 １０００℃の温度で前記外周壁と並行
    な方向で前記ハニカム構造体に少なくとも約０．３５ｋ
    ｇ／ｃｍ2 （５ｐｓｉ）の力が加えられている時に、前
    記触媒変換器の前記セラミックハニカム構造体の軸方向
    位置を前記無機繊維層および前記膨張層が略固定するこ
    とが可能であることを特徴とする請求項１記載の排気ガ
    ス処理装置。
  13. 【請求項１３】 前記繊維層は、バーミキュライトを含
    有していないセラミック繊維ペーパーであることを特徴
    とする請求項１記載の排気ガス処理装置。
  14. 【請求項１４】 前記繊維層と、少なくとも一層から成
    る前記膨張層のうち少なくとも一層が単一複合材中に収
    納されていることを特徴とする請求項１記載の排気ガス
    処理装置。
  15. 【請求項１５】 前記膨張層の未圧縮呼称密度は、約５
    ６０．７−６８８．８６ｇ／ｌ（約３５ー４３ｌｂ／ｆ
    ｔ3 ）であることを特徴とする請求項１記載の排気ガス
    処理装置。
  16. 【請求項１６】 請求項２記載の排気ガス処理装置を備
    えた排気システムを有するオートバイ。
  17. 【請求項１７】 前記排気装置が２サイクルオートバイ
    に接続されていることを特徴とする請求項１４のオート
    バイ。
  18. 【請求項１８】 請求項３記載の排気ガス装置を備えた
    排気システムを有するオートバイ。
  19. 【請求項１９】 前記排気システムは、２サイクルオー
    トバイに接続されていることを特徴とする請求項１６の
    オートバイ。
  20. 【請求項２０】 前記膨張材層と前記収納容器との間に
    介在する第二無機繊維層をさらに備えていることを特徴
    とする請求項１記載の排気ガス処理装置。
  21. 【請求項２１】 少なくとも１層から成る前記膨張材層
    と前記収納容器との間に介在する第二無機繊維層をさら
    に備えていることを特徴とする請求項１９記載の排気ガ
    ス処理装置。
  22. 【請求項２２】 前記高温ガス室を形成する外周壁面
    と、前記高温ガス室の略内部まで伸長している排気ガス
    管とから、前記高温ガス室は構成されていることを特徴
    とする請求項１記載の排気ガス処理装置。
  23. 【請求項２３】 前記少なくとも１つから成る触媒変換
    器のうち少なくとも１つの触媒変換器は、前記排気管中
    に収納されていることを特徴とする請求項２１記載の排
    気ガス処理装置。
  24. 【請求項２４】 前記触媒変換器は、前記収納容器の内
    部に取り付けられた端部リングによって前記収納容器内
    で軸方向に固定されており、また当該端部リングは、前
    記触媒変換器から離れて配置された円環面と、前記無機
    繊維層と、前記膨張層とから構成されていることを特徴
    とする請求項１記載の排気ガス処理装置。
  25. 【請求項２５】 前記端部リングと、前記触媒変換器
    と、前記各層との間に介在する円環絶縁ガスケットをさ
    らに備えていることを特徴とする請求項２３記載の排気
    ガス処理装置。
  26. 【請求項２６】 少なくとも一換器から成る前記触媒変
    換器のうちの一変換器は、ディーゼル粒子フィルターで
    あることを特徴とする請求項２３記載の排気ガス処理装
    置。
  27. 【請求項２７】 少なくとも一変換器から成る前記触媒
    変換器のうち一変換器は前記高温ガス室の略軸方向中心
    に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の
    排気ガス処理装置。
JP4347217A 1992-07-24 1992-12-25 内燃エンジン用触媒変換器 Withdrawn JPH06101466A (ja)

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