JPH06170242A

JPH06170242A - 排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JPH06170242A
Application number: JP3193711A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Usui; 正佳臼井; Haruo Serizawa; 治夫芹沢
Original assignee: Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
Current assignee: Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
Priority date: 1991-07-09
Filing date: 1991-07-09
Publication date: 1994-06-21

Abstract

(57)【要約】【目的】金属製ハニカム体を主要な構成部材とする排
気ガス浄化装置において、エンジン始動時（コールドス
タート時）の排気ガスの浄化能力をハニカム体内部に加
熱手段を適用して改善する。【構成】排気ガス浄化用触媒を担持するための金属製
ハニカム体を金属ケース内に配設した排気ガス浄化装置
において、前記ハニカム体の中心部の近傍部位に、かつ
軸方向の略全幅にわたって管状ヒータ材を配設するか、
または棒状ヒータ材を同心円上に複数本配設し、該ヒー
タ材の両端部から導出されるリード線を電源部に接続す
るようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般に自動車の排気ガ
スの浄化手段として排気管の途中に介装される、排気ガ
ス浄化用触媒を担持するための金属製ハニカム体を主要
な構成部材とする排気ガス浄化装置に関する。更に詳し
くは、本発明は、この種の金属製ハニカム体を使用した
排気ガス浄化装置の大きな欠点、即ちエンジン始動時
（コールドスタート時）の排気ガスの低浄化率の問題を
大幅に改善することができる加熱手段を組込んだ排気ガ
ス浄化装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の排気ガス浄化装置は、一
般に耐熱性の薄肉鋼板からの平板状帯材と前記薄肉鋼板
を波形成形した波板状帯材とを、相互に当接部を有する
ように重積し、これを一括渦巻状に巻回積層するか、あ
るいは階層状に重積して製作した軸方向に排気ガス通路
のための多数の網目状通気孔路（以下、セルともい
う。）を有するハニカム状積層体（以下、ハニカム体と
いう。）と、前記ハニカム体を填装し固着するための両
端が開口した筒状の金属ケースから構成されている。そ
して、前記ハニカム体と金属ケースとは、排気ガス自体
の高温度及び排気ガスと浄化用触媒との発熱反応による
高い温度雰囲気下で生起する熱膨脹や熱的応力に耐える
ように、また自動車走行時の激しい振動などに耐え得る
ようにろう接または溶接などにより強固に固着される。
なお、ハニカム体を構成する平板状帯材と波板状帯材の
当接部は種々の方法により固着されることはいうまでも
ないことである。

【０００３】この種の排気ガス浄化装置における大きな
問題は、次の点にある。即ち、エンジン始動時（コール
ドスタート時）において、金属製ハニカム体の壁面に担
持された、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈなどの排気ガス浄化用触媒
が、排気ガスと効率的に接触反応を起こす最適な温度条
件に達していないことであり、エンジンから排出される
ＣＯ（一酸化炭素）やＨＣ（炭化水素化合物）などの有
害な物質のほとんどが浄化されずに大気中に放出されて
しまうという点にある。

【０００４】前記したエンジン始動時（コールドスター
ト時）の問題点を解決するために種々の提案がなされて
いる。例えば、(i) 実開昭６３−６７６０９号には、
セラミック系モノリス触媒の排気ガス上流側に近接させ
て通電気可能なアルミナを被覆処理した金属製ハニカム
体（メタルモノリス触媒）を配設する方式、(ii) 実開
平２−９４３１６号には、触媒本体の外周部に遠赤外線
ヒータを配設する方式、(iii) 実開平３−１００２２
号には、モノリスタイプの触媒の前面（排気ガスの上流
側）に加熱ヒータ、更に該ヒータの前面に排気ガスを整
流するための整流板を配設する方式、などか提案されて
いる。しかしながら、これら従来の提案のものは、ハニ
カム体内部における排気ガスの流速分布の関係から特に
ハニカム体の中心部、中心部近傍の部位を急速に加熱し
なければならないという要請からみると不十分なもので
あったり、解決のためのコストアップを強いられたりし
て十分に満足のいくものではない。

【０００５】

【発明が解決しようとする問題点】本発明は、前記した
従来のハニカム体にみられる問題点を解決すべくなされ
たものである。本発明者らは、コールドスタート時にハ
ニカム体の温度、特にハニカム体の中心部及びその近傍
部位の温度を急速に排気ガス浄化用触媒の最適な活性化
温度に昇温させる技術について種々検討を加えた。その
結果、本発明者らはハニカム体のうち特に汎用されてい
る平板状帯材と波板状帯材とを渦巻状に巻回積層して製
作した巻回タイプのハニカム体において、巻回成形後に
形成される中心部の空洞部が触媒反応にとってデッドス
ペースになっていること、即ち該空洞部に所要の触媒量
を担持させることができず十分な触媒反応を起させるこ
とができないことに鑑み、該部位へのヒータ材の埋め込
みを検討したところ、この種の問題の解決に極めて効果
的であることを見い出した。本発明者らは、前記した事
実に基づいて新たな考案を提案したが、さらに該知見を
発展させて中心部の近傍部位に管状ヒータ材を配設する
か、棒状ヒータ材を同心円上に配設する態様も効果的で
あることを見い出した。本発明は、巻回タイプを含む各
種のハニカム体の中心部の近傍部位に、かつその軸方向
に該ハニカム体と略同幅の管状ヒータ材を適用するか、
あるいは同心円上に棒状ヒータ材を適用することによっ
て、排気ガス浄化装置のコールドスタート時における前
記した問題点を解決しようとするものである。

【０００６】

【問題点を解決するための手段】本発明を概説すれば、
本発明は、排気ガス浄化用触媒を担持するためのハニカ
ム体を金属ケース内に配設した排気ガス浄化装置におい
て、前記ハニカム体の中心部の近傍部位に、かつ、軸方
向に管状ヒータ材を配設するか、または棒状ヒータ材を
同心円上に複数本配設し、該ヒータ材の両端部からのリ
ード線を電源部に接続して成ることを特徴とする排気ガ
ス浄化装置に関するものである。

【０００７】以下、本発明の技術的構成及び実施態様に
ついて、図面を参照して説明する。なお、本発明は図示
のものに限定されないことはいうまでもないことであ
る。

【０００８】図１は、本発明の第一実施例の排気ガス浄
化装置（Ａ）の斜視図である。図１に示される金属製の
ハニカム体(1) は、平板状帯材(11)と波板状帯材(12)を
相互に当接するように重積し、これを一括渦巻状に巻回
積層して製作したものである。この巻回成形により、排
気ガスの通路となる多数の網目状通気孔路（セル）(13)
が自動的に形成される。本発明において、ハニカム体
(1) は、前記した巻回タイプのものに限定されず、後述
するように両帯材(11,12) を相互に当接するように階層
状に重積して製作した階層タイプなど各種のタイプのも
のであってもよい。また、前記巻回タイプの変形例とし
て、巻回成形後に中心部に大きな空洞が形成されるよう
にし、該空洞部を圧潰し、断面形状がレーストラック形
状のハニカム体としてもよい。本発明において、前記平
板状帯材として、例えばクロム鋼（クロム13〜25％）、
Ｆｅ−Ｃｒ20％−Ａｌ 5％などの耐熱性のステンレス
鋼、あるいはこれに耐熱酸化性を改善するために希土類
を加えた耐熱性のステンレス鋼などの厚さ0.04mm〜0.1m
m の帯材を使用する。また、波板状帯材として、前記平
板状帯材から所定の略正弦波もしくは台形波を有するよ
うに波付加工したものが使用される。各帯材にＡｌを含
有したステンレス鋼を用いると耐熱酸化性が向上し、ま
た、熱処理により帯材表面にウィスカー状もしくはマッ
シュルーム状のＡｌ₂Ｏ₃が析出し、これが排気ガス浄
化用触媒を担持するためのウォッシュコート層を強固に
保持するので好ましいものである。

【０００９】図１に示される金属ケース(2) は、前記ハ
ニカム体(1) を内部に収容し、固着するためのものであ
り、該金属ケース(2) としては両端が開口しているもの
であれば、その形状に何らの制限を受けるものではな
い。図示のように、断面円形状のもののほかに断面レー
ストラック形状（長円形状）や断面楕円形状のものなど
があるが、これらに限定されない。例えば、車体下部の
スペースに適合させるために、断面略三角形状の金属ケ
ースを用いて排気ガス浄化装置を構成してもよい。金属
ケースの素材として、前記ハニカム体と同種の耐熱鋼を
用いてもよいし、耐熱耐食性に富むものを用いてもよ
い。また、外側部分の金属材料を内側部分より耐熱耐食
性に富むものとした二重構造のもの、具体的には内側部
分にフェライト系ステンレス鋼を、外側部分にオーステ
ナイト系ステンレス鋼を用いたクラッド鋼などを用いて
もよい。

【００１０】次に、本発明の最大の特徴点であるハニカ
ム体(1) の内部に、どのようにしてヒータ材を適用する
かという点について詳しく説明する。図１に示されるヒ
ータ材(3) は、所望の内径をもつ管状体である。そし
て、該ヒータ材(3) はハニカム体(1) の中心部（巻回中
心部）を中心としてハニカム体(1) の内部に配設され
る。この点をより詳しくみたのが図２〜図３である。即
ち、ハニカム体(1) の中心部を中心として、かつその軸
方向に、ハニカム体(1) と略同幅の長さの管状ヒータ材
(3) がハニカム体内部に配設されている。図３には、ヒ
ータ材(3) の両端部からリード線(4,5) が引き出され、
該リード線(4,5) は金属ケース(2) を貫き、スイッチ６
を通って電源（バッテリー）に接続されている状態が示
されている。本発明において、ヒータ材(3) への電力供
給（通電）はタイマーで時間を限って行なってもよい
し、ハニカム体の所望の部位に取付けたセンサでハニカ
ム体の温度や排気ガス温度を測定してオン−オフさせて
もよく、何等の制限を受けるものではない。図示される
ように、本発明のヒータ材(3) は、ハニカム体(1) の中
心部を中心として、かつハニカム体の軸方向のほぼ全幅
にわたって配設されるため、通電とともにヒータ材(3)
の電気抵抗が電気エネルギーを熱に変換し、ハニカム体
(1)の内部、特に中心部及びその近傍部位を均一に昇温
させることができる。いうまでもないことであるが、ハ
ニカム体内部の排気ガスの流速分布かからみて、コール
ドスタート時にハニカム体の中心部及びその近傍部位の
壁面に担持された排気ガス浄化用触媒の活性温度をどの
部位よりも早く最適な条件（例えば 500℃前後）に維持
することは極めて重要なことである。この点、本発明の
ヒータ材(3) はこの要請に十分に答えるものである。前
記した態様の管状ヒータ材(3) の内径の大きさは、所望
のものでよく、例えばハニカム体(1) の外径の1/2 〜1/
4 の大きさのものが好ましい。

【００１１】図１〜図３に示される排気ガス浄化装置
（Ａ）は、次のように製作すればよい。Ｆｅ−Ｃｒ 20
％−Ａｌ 5％−Ｃｅ 0.02 ％の耐熱鋼の厚さ0.04mm，幅
38mmの薄肉鋼帯からなる平板状帯材をフォーミングギア
の間を通過させ、ピッチ幅(1.0mm) ，波高(0.3mm) の波
板状帯材とする。次いで、両帯材を相互に重積し、スリ
ット入り巻回成形棒のスリット部にその端部を挿入し、
一括巻回積層して、軸方向に多数の網目状通気孔路を有
する外径30mmの小径ハニカム体を製作する。同様に中心
部に内径約30mmの中空部を有し、かつ外径が約70mmの大
径ハニカム体を製作する。そして前記小径ハニカム体を
外径約30mmの管状ヒータ材の内部に配設する。次に、前
記大径ハニカム体を内径約70mmの耐熱鋼(JIS G4312 SUH
310S) 製の金属ケース内に填装するとともに、前記管状
ヒータ材内に配設された小径ハニカム体を大径ハニカム
体の中空部に填装し、合体されたハニカム体の両端部及
びその近傍部位（端部より10mmの領域）をニッケル系ろ
う材のスラリに浸漬し、乾燥後真空炉により加熱処理し
てハニカム体と金属ケースをろう付けにより固着する。
更に、以上のようにして製作した排気ガス浄化装置に触
媒担持層を形成するために活性アルミナ（γ−Ａｌ₂Ｏ
₃）粉末とアルミナゾルを配合したスラリを塗布し、こ
れを 600℃に加熱処理して触媒担持層を形成する。本発
明において、前記したようにヒータ材(3) が管状体であ
り、ハニカム体(1) が管状ヒータ材(3) 内に填装される
小径ハニカム体と、金属ケース(2) と管状ヒータ材(3)
の間に填装される大径ハニカム体に区分されることか
ら、次のような効果が発現される。即ち、この種の金属
製ハニカム体は排気ガス自体の高い温度、及び排気ガス
と浄化用触媒との接触反応（発熱反応）による発熱とい
う雰囲気下にさらされ、これによりハニカム体の構成部
材である平板状及び波板状帯材は熱膨脹や熱応力により
大きく変形しようとする。この変形力は、ハニカム体の
軸方向はもとより、特にその半径方向に伝播され、この
伝播過程において帯材が破損したり座屈したりする。ま
た、該熱的変形力が特にハニカム体の外周部近傍あるい
はハニカム体の外周面と金属ケースの内壁面との当接面
近傍に集中するため、当該部位においてハニカム体の構
成部材である平板状及び波板状帯材が大きくヒビ割れし
たり、破損や座屈を起こしたりし、また両帯材の当接部
やハニカム体と金属ケース間の当接部の剥離や離体が生
じる。更に、これらの現象に連動してハニカム体の壁面
に担持された触媒層が落下したり剥離したりして、排気
ガス浄化装置の耐久性や浄化効率を大きく低下させてし
まう。この点、管状ヒータ材(3) を適用すると、半径方
向に伝播される熱的変形力が該管状ヒータ材(3) のとこ
ろで分断されるため前記した欠点が解消される。

【００１２】本発明は、前記した態様のものに限定され
ず、種々の変形例が可能である。図４は、本発明に係る
第二実施例の排気ガス浄化装置（Ａ）の正面図である。
この実施例において、ハニカム体(1) は平板状帯材(11)
と波板状帯材(12)とからなる巻回タイプのものである
が、複数の棒状ヒータ材(31,32,33,34) が巻回成形の芯
部分を中心とした同心円上に、等間隔に４本配設され
る。当該ヒータ材は、平板状帯材(11)と波板状帯材(12)
の当接により形成されるセル（13) を利用して配設され
る。なお、図４には、各ヒータ材の端部から導出された
リード線(41,42,43,44) が示されている。本発明におい
て棒状のヒータ材は、その断面径、断面形状が任意のも
のであってもよいことはいうまでもないことである。従
って、例えば１本の線材、あるいはこれらを複数本束ね
たものであってもよい。この種のヒータ材として、例え
ばＮｉ−Ｃｒ鋼、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ鋼などを使用すれば
よい。

【００１３】図５は、本発明に係る第三実施態様の排気
ガス浄化装置（Ａ）の正面図である。この実施例のもの
は、図４に示される第二実施例の変形例である。第二実
施例のものと大きく相違する点は、巻回成形により不可
避的に形成される巻回中心部の空洞部にも、棒状ヒータ
材(35)を配設している点である。巻回中心部の空洞部は
触媒担持量が少なく浄化効率の点で従来より問題にされ
ているところであるが、本実施例においては該空洞部を
有効に利用することができる。このことの意味は効果の
点からも重要であり、巻回中心部に棒状ヒータ材(35)を
配設すると、該ヒータ材(35)は同心円状に配設されたヒ
ータ材(31,32,33,34)と共働してハニカム体の中心部及
びその近傍部位を急速に昇温させること、巻回中心部に
配設された棒状ヒータ材(35)によりハニカム体内部の排
気ガスの流速分布が該ヒータ材により拡散（分散）され
てより均一化すること、などのメリットが出てくる。な
お、図示のように巻回中心部に配設されたヒータ材(35)
より、リード線(4,5) が導出される。

【００１４】図６は、本発明に係る第四実施態様の排気
ガス浄化装置（Ａ）の正面図である。この実施例のもの
は、図５に示される第三実施例と大きく相違する点は、
ハニカム体(1) が巻回タイプのものではなく、平板状帯
材(11)と波板状帯材(12)を相互に当接するように階層状
に重積して製作した階層タイプのものであるという点で
ある。

【００１５】図７は、本発明に係る第五実施態様の排気
ガス浄化装置（Ａ）の正面図である。この実施例におい
て、ハニカム体(1) は断面形状がレーストラック形状の
ものである。この種のハニカム体は巻回中心部に大径の
空洞部が形成されるように平板状帯材(11)と波板状帯材
(12)とを相互に当接するように重積し、これを一括渦巻
状に巻回積層してハニカム体とし、更に巻回中心に形成
される大径の空洞部を圧潰することにより製作される。
ヒータ材(31,32,33,34) の配設位置は、図４のものと同
じである。

【００１６】図８は、本発明に係る第六実施態様の排気
ガス浄化装置（Ａ）の正面図である。この実施例におい
て、ハニカム体(1) は断面形状が円形であり、このもの
は次のようにして製作される。耐熱性で薄肉金属板製の
平板状帯材(11)と波板状帯材(12)を相互に当接させて浄
化エレメント（Ｅ）とし、該浄化エレメント（Ｅ）の所
望の数を固定軸（Ｃ）を起点として放射状に外延させて
製作される。この種の放射状ハニカム体において、固定
軸（Ｃ）を中心に図６で示されるように同心円上に棒状
ヒータ材を配設すればよいが、固定軸（Ｃ）自体をヒー
タ材で構成してもよい。図８は前記した態様のものを示
している。なお、図を簡略化するために図８においてヒ
ータ材やリード線の指示が１部省略されているが、図６
と基本的には同じものである。

【００１７】図９は、本発明に係る第七実施態様の排気
ガス浄化装置（Ａ）の正面図である。この実施例におい
て、ハニカム体(1) は断面形状が円形であり、このもの
は次のようにして製作される。耐熱性で薄肉金属板製の
平板状帯材(11)と波板状帯材(12)を相互に当接させて浄
化エレメント（Ｅ）とし、該浄化エレメント（Ｅ）を最
外面が平板状帯材(11)となるように階層状に重積すると
ともに、上下両最外面に設定された二つの固定点（Ｃ1
，Ｃ2 ）を中心に各浄化エレメント（Ｅ）を逆向き
に、即ち各浄化エレメント（Ｅ）と略Ｓ字状カーブに変
曲して製作される。この種のＳ字状ハニカム体におい
て、該二つの固定点（Ｃ1 ，Ｃ2 ）を含むように同心円
状に棒状ヒータ材を配設すればよい。即ち、二つの固定
点（Ｃ1 ，Ｃ2）棒状ヒータ材を配設するとともに、他
のヒータ材を同心円上に配設すればよく、図９はこの態
様のものを示している。なお、図を簡略化するために図
９においてヒータ材やリード線の指示が１部省略されて
いるが、図４と基本的には同じものである。

【００１８】

【発明の効果】本発明は、ハニカム体の中心部の近傍部
位に、かつ軸方向のその略全幅にわたって管状のヒータ
材、あるいは棒状ヒータ材を同心円上に複数本配設して
いるため、次のような優れた効果を得ることができる。 (i) ハニカム体内での排気ガスの流速分布からみて、
中心部及びその近傍部位の触媒反応をより活性化しなけ
ればならないが、本発明によりハニカム体の当該部位は
他の部位よりも急速に昇温されるため、排気ガスと触媒
との接触反応を十分に行なわせることができる。 (ii) 配設されたヒータ材が、管状体である場合、ハニ
カム体を構成する平板状帯材と波板状帯材の半径方向の
熱的変形力は該ヒータ材で分断されることになる。これ
により各帯材のヒビ割れ、破損、座屈が防止され、また
帯材同志の当接部あるいはハニカム体と金属ケースとの
当接部の剥離や離体が効果的に防止される。 (iii) ハニカム体の中心部の近傍部位に管状ヒータ材
（あるいは同心円上に複数の棒状ヒータ材）を配設する
とともに、ハニカム体の中心部にも棒状ヒータ材を配設
することにより、浄化効率にとって極めて重要な領域で
あるハニカム体の中心部及びその近傍部位を急速に昇温
させることができる。また、ハニカム体の中心部に配設
された棒状ヒータ材によりハニカム体内での排気ガスの
流速分布をより均一なものにすることができるため、均
一な浄化率を達成することができる。 (iv) 更に、巻回タイプのハニカム体において、巻回成
形により不可避的に形成される中心部の空洞部（成形時
の芯部分）は、触媒反応にとって非効率的なゾーンであ
るが、本発明により該ゾーンが有効に活用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例の排気ガス浄化装置の斜
視図である。

【図２】図１に示される排気ガス浄化装置の正面図で
ある。

【図３】図１に示される排気ガス浄化装置の一部を省
略した縦断面図である。

【図４】本発明の第二実施例の排気ガス浄化装置の正
面図である。

【図５】本発明の第三実施例の排気ガス浄化装置の正
面図である。

【図６】本発明の第四実施例の排気ガス浄化装置の正
面図である。

【図７】本発明の第五実施例の排気ガス浄化装置の正
面図である。

【図８】本発明の第六実施例の排気ガス浄化装置の正
面図である。

【図９】本発明の第七実施例の排気ガス浄化装置の正
面図である。

【符号の説明】

Ａ…………排気ガス浄化装置１………ハニカム体２………金属ケース３………ヒータ材４，５………リード線６………スイッチ７………電源

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【手続補正書】

【提出日】平成３年９月７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排気ガス浄化用触媒を担持するためのハ
ニカム体を金属ケース内に配設した排気ガス浄化装置に
おいて、前記ハニカム体の中心部の近傍部位に、かつ、
軸方向に管状ヒータ材を配設するか、または棒状ヒータ
材を同心円上に複数本配設し、該ヒータ材の両端部から
のリード線を電源部に接続して成ることを特徴とする排
気ガス浄化装置。
【請求項２】ハニカム体が、薄肉金属板製の平板状帯
材と波板状帯材とを相互に当接するように重積して製作
したものである請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項３】ハニカム体が、平板状帯材と波板状帯材
とを相互に当接するように重積し、これを一括渦巻状に
巻回積層して製作したものである請求項２に記載の排気
ガス浄化装置。
【請求項４】ハニカム体が、平板状帯材と波板状帯材
とを相互に当接するように階層状に重積して製作したも
のである請求項２に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項５】ハニカム体が、平板状帯材と波板状帯材
を当接させて浄化エレメントとし、該浄化エレメントの
所望の数を固定軸を起点として外延させて放射状ハニカ
ム体としたものである請求項２に記載の排気ガス浄化装
置。
【請求項６】ハニカム体が、平板状帯材と波板状帯材
を当接させて浄化エレメントとし、該浄化エレメントを
最外面が平板状帯材となるように階層状に重積するとと
もに、上下両最外面に設定された二つの固定点を中心に
各浄化エレメントを逆向きに折曲げて、Ｓ字状ハニカム
体としたものである請求項２に記載の排気ガス浄化装
置。
【請求項７】ハニカム体が、金属ケース内で固着され
たものである請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項８】金属ケースが、断面円形である請求項７
に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項９】金属ケースが、断面レーストラック形状
である請求項７に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項１０】金属ケースが、断面楕円形状である請
求項７に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項１１】ハニカム体の中心部に、かつ軸方向に
ヒータ材を配設したものである請求項１に記載の排気ガ
ス浄化装置。