JP2001329833A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 排気通路に触媒を備えたエンジンにおいて、
排気中の水分が気化することによる熱的損失を防止して
触媒の昇温を効率よく促進する。 【解決手段】 エンジン排気通路２の触媒３よりも上流
側の排気中の水蒸気を凝縮させて容器８に貯溜し、これ
を排出弁９を開いて触媒３よりも下流の排気通路など外
部に排出することにより、排気ガス中から捕集した水分
が気化することにより排気ガスおよび触媒から気化潜熱
が奪われるのを防止してその昇温を促す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はエンジンの排気浄化
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術と解決すべき課題】従来のエンジンの排気
浄化装置として、触媒上流の排気通路に多孔質材料ある
いは金属板等で構成される水分保持部を設け、エンジン
始動直後の排気に含まれる水分をこの水分保持部により
一時的に保持することにより触媒に水が付着するのを防
止し、水の気化熱により触媒の昇温が妨げられるのを防
止するようにしたものがある（特許第２９１３８９８号
公報参照）。

【０００３】しかしながら、このようなエンジンの排気
浄化装置においては、水分保持部に一時的に保持した水
分が、その後水分保持部の温度上昇とともに気化するた
め、触媒の昇温を促す効果が必ずしも充分ではなかっ
た。

【０００４】この点につき詳述すると、水蒸気を含んだ
ガスが冷えた物体に接触すると、物体表面では水蒸気は
凝縮し液体になる。そのままガスを流し続けると、物体
の温度上昇に伴い凝縮水は蒸発し、再び水蒸気となる。
水が凝縮する際には物体に凝縮熱が与えられ、蒸発する
際には物体から気化潜熱が奪われるので、物体の温度変
化は例えば図１に示すような状態になる。なお図中の破
線は、以上のような凝縮、蒸発による熱の授受を伴わな
い場合、すなわち高温のガスからの熱伝達のみを考えた
場合の温度変化を示したものである。開始直後、物体は
ガスから伝達される熱に加え凝縮熱を受け、昇温が促進
される。その後、蒸発が始まるにつれて気化潜熱を奪わ
れて昇温は抑制され、例えば等圧下では蒸発が完了する
まで温度Ｔｏから上昇しない。なお、Ｔｏは沸点以下で
あることが知られている。凝縮水がその場で完全に蒸発
する場合、物体が得る凝縮熱と物体から奪われる気化潜
熱は等しいため、蒸発完了時点までに物体が得る総熱量
は熱伝達のみを考えた場合に等しく、蒸発完了時点での
温度も同じになる。蒸発完了以後は物体表面で水の相変
化は生じないため、熱伝達のみにより物体の温度は上昇
する。

【０００５】ところで、エンジンからの排気は多量の水
蒸気を含んでおり、特に冷機始動直後は排気通路内壁お
よび排気通路に介装された触媒の表面において前述と同
様な水の相変化が生じている。排気通路内壁は上流側と
下流側で温度が異なり凝縮、蒸発の区間が重なることな
どから、排気通路下流側にあたる触媒入口での排気ガス
温度上昇曲線には明確な定温度区間が現れず、例えば図
２に示したような特性となる。その下流の触媒では、排
気通路内壁から蒸発した水蒸気および排気通路内壁で凝
縮しなかった水蒸気の一部が、凝縮し、その後気化する
ので、触媒の温度上昇曲線は図２と同様の特性となる。

【０００６】ここで、前記従来技術を適用した場合につ
き検討する。これは、水分保持部を持たない一般的な排
気通路に対し、凝縮水の捕集率を上げるとともに捕集し
た凝縮水を一時的に保持する、すなわち気化を遅延する
機能を有している。簡単のために水分保持部追加に伴う
熱容量増加は考慮しないものとする。排気通路内の凝縮
水の気化終了が遅延されるので、その間は触媒入口温度
は凝縮熱の影響で従来よりも高温となる。その結果、触
媒への伝熱量も増加する。一方で、凝縮水の蒸発が遅延
されることにより、昇温の初期段階において、触媒で凝
縮する水分は遅延なしの場合と比較して減少するため、
その際得られる凝縮熱も減少する。この場合の触媒入口
および触媒の温度上昇曲線は図３のようになり、蒸発完
了後の温度は図２と同じになる。

【０００７】触媒は、所定の活性温度（例えば３００
℃）以上にならないと有効に働かない特性を持っている
が、上記の従来技術では、水分保持部で凝縮した凝縮水
を触媒が活性温度に達するまですべて気化させずに保持
し続けるのが困難であり、大部分は触媒が活性温度に達
するまでの間に気化してしまうものと考えられる。すな
わち、この従来技術による触媒早期活性効果は、触媒が
活性温度に達するまで気化せずに水分保持部で保持され
る水分の凝縮熱による分だけとなるのである。

【０００８】本発明はこのような問題点に着目してなさ
れたもので、捕集した排気ガス中の水分が気化すること
による損失を防止して触媒の昇温を効率よく促進しうる
ようにした排気浄化装置を提供することを目的としてい
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、エンジン
排気通路に触媒を備えると共に、前記触媒よりも上流側
の排気中の水蒸気を凝縮させて捕集する水分捕集部と、
前記捕集した凝縮水を排気通路外もしくは前記触媒より
も下流側の排気通路へと排出する水分排出部とを有する
水分除去装置を設けたエンジンの排気浄化装置である。

【００１０】第２の発明は、前記第１の発明において、
水分排出部を、重力および／または排気の圧力に基づい
て凝縮水を排出する排出孔を有するものとした。

【００１１】第３の発明は、前記第２の発明において、
水分排出部を、排出孔からの凝縮水を貯溜する容器と、
この容器内の凝縮水の排出を制御する排出弁とを有する
ものとした。

【００１２】第４の発明は、前記第１の発明において、
水分除去装置を、排気通路外に対する断熱性を備えるも
のとした。

【００１３】第５の発明は、前記第１の発明において、
水分除去装置を、その凝縮水が付着する部分が撥水性を
有するものとした。

【００１４】第６の発明は、前記第１の発明において、
水分除去装置を、触媒の表面に撥水材料を被覆した構成
を有するものとした。

【００１５】第７の発明は、前記第１の発明において、
水分捕集部を、排気通路の内壁に沿って設けられている
ものとした。

【００１６】第８の発明は、前記第１の発明において、
水分捕集部を、排気通路中に設けた多孔板あるいは排気
に衝突する衝突板、または格子により形成されているも
のとした。

【００１７】第９の発明は、前記第１の発明において、
触媒はエンジンの排気通路に複数個直列に介装されると
共に、前記水分除去装置を、最上流に位置する触媒より
も上流側で捕集した水分を、最下流に位置する触媒より
も下流側の排気通路に排出する構成を有するものとし
た。

【００１８】第１０の発明は、前記第１の発明におい
て、触媒はエンジンの排気通路に複数個直列に介装され
ると共に、前記水分除去装置を、最上流に位置する触媒
よりも上流側で捕集した水分を、最下流に位置する触媒
よりも上流に排出する構成を有し、かつ下流側触媒の温
度が所定値よりも上昇した後に前記水分の排出を行う排
出弁を有するものとした。

【００１９】第１１の発明は、前記第１の発明におい
て、水分除去装置を、排出した水分をエンジンの吸気通
路に導入する排出通路を有するものとした。

【００２０】

【作用・効果】上記各発明によれば、水分捕集部と水分
排出部を持つ水分除去装置を触媒上流の排気通路に持た
せ、捕集した水分を気化させずに排気通路外あるいは触
媒下流の排気通路に排出する構成としたので、排気通路
および触媒は水分の凝縮熱は受けるが、凝縮水の気化に
伴なう気化潜熱を奪われることはない。このため、水分
除去装置下流の触媒入口または触媒の温度は、図４に示
すように、従来技術の温度上昇曲線に対し高く保たれ、
したがって触媒をより早期に活性化する効果が得られ
る。水分除去装置は触媒自体に設けてもよく、その構成
とした場合には図５に示すように、触媒自体が凝縮熱を
受けるものの気化潜熱を奪われることがなくなるため、
やはり従来に対して総受熱量が増加し触媒温度が速やか
に上昇する。なお、水分捕集率を上げ、より多くの凝縮
熱を得るために、排気通路と触媒の両方に水分除去装置
を設ける方法も有効である。

【００２１】水分除去装置は、第２の発明として示した
ように、その水分排出部を、重力と排気の圧力の何れか
一方または双方に基づいて凝縮水を排出する排出孔を有
する構成とすることができ、これにより捕集した水分を
より確実に排出することができる。さらに、第３の発明
として示したように、水分排出部に、排出孔からの凝縮
水を貯溜する容器と、この容器内の凝縮水の排出を制御
する排出弁とを有するものとすることができ、これによ
り凝縮水の捕集量を充分に確保しつつ、任意の時期に捕
集凝縮水を排出することが可能となる。

【００２２】第４の発明として示したように、水分除去
装置を排気通路外部に対して断熱構造とすることによ
り、水分除去装置が受けた凝縮熱をより効率的に排気ガ
スおよび触媒に伝えることができる。

【００２３】第５の発明として示したように、水分除去
装置に撥水性を持たせた構成とすることにより、捕集し
た凝縮水のより速やかな排出を促して、排気通路内で凝
縮水が気化して気化潜熱を奪うのを抑制することができ
る。

【００２４】第６の発明として示したように、水分除去
装置として触媒表面に撥水材料を被覆した構成とするこ
とにより、触媒表面に凝縮した水分を排気の流れにより
触媒下流に速やかに排出させることができるので、既存
の触媒に対して特別な装置を追加したり触媒の熱容量を
増加させたりすることなく、凝縮水除去による昇温向上
効果を得ることができる。

【００２５】第７の発明として示したように、水分除去
装置の水分捕集部を排気通路の内壁に沿って設けた構成
とすることにより、冷機始動時に排気通路内壁で凝縮す
る水分をも捕集、除去することができる。

【００２６】第８の発明として示したように、水分捕集
部を、排気通路中に設けた多孔板、衝突板、格子等によ
り排気中の水分を凝縮させ捕集する構成とすることによ
り、直接触媒に流入する排気中の水分、および排気通路
内壁から蒸発し触媒に入る水分をも捕集、除去すること
ができる。

【００２７】第９の発明として示したように、複数の触
媒を排気通路に直列に配設した構成において、捕集した
水分を最下流の触媒よりも下流側の排気通路に排出する
構成とすることにより、すべての触媒にわたり凝縮熱に
よる昇温効果を得ることが可能である。

【００２８】第１０の発明として示したように、排気孔
の下流に位置する触媒の温度が所定値よりも上昇した場
合に凝縮水を排出する構成とすることにより、例えば前
記触媒が活性温度に達したのちに凝縮水を排出するよう
にした場合、排気孔から凝縮水以外に触媒を通過してい
ない排気が排出された場合でも排気通路中の排気ガスを
混ざった後に触媒で転化されるため、排気が外部に未浄
化のまま排出されるおそれを解消できる。

【００２９】第１１の発明として示したように、排出水
を排出通路を介して吸気通路に導入する構成とすること
により、水分除去装置から凝縮水以外に触媒を通過して
いない排気が排出された場合でも、これを再び吸気と共
にエンジンに吸入させられるので、外部に未浄化のまま
の排気ガスが排出されるおそれを解消できる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明のいくつかの実施形
態につき説明する。なお各実施形態の図面において互い
に同一の部分には同一の符号を付して示すことにする。

【００３１】図６は本発明の第１の実施形態である。エ
ンジン１には排気通路２が接続され、その下流には三元
触媒３が備えられている。排気通路２には水分除去装置
６が設けられており、排気通路２で捕集された凝縮水
は、凝縮水排出孔７を通って凝縮水容器８に集められた
後、排出弁９を開くことにより排気通路外に排出され
る。前記排出孔７、容器８、排出弁９が本実施形態にお
ける水分排出部に相当する。

【００３２】水分除去装置６の水分捕集部については、
図７にその一例を示す。排気通路２の内壁１０には撥水
性を持たせており、ここに凝縮した水は重力および排気
圧力によって凝縮水排出孔７に導かれる。また排気通路
２の内壁１０の外側には断熱層１１が設けられ、凝縮に
より得た熱が排気通路２の外部に伝わるのを抑制する。
また、排気ガスの流れにより、凝縮水が排出孔７よりも
下流に流れるのを防止するため、排出孔７の下流の排気
通路内壁１０に図示したような突起１２を設けるのも有
効である。

【００３３】また、水分捕集部の他の構成例として、図
８に示すように排気通路内壁１０に沿って多孔壁１３を
設けた構成とし、排気ガスは多孔壁１３の内面を流れ、
凝縮水は排気通路内壁１０と多孔壁１３の間を流れるよ
うにし、凝縮水と排気ガスとの接触を低減し気化を抑制
する構成としてもよい。水分捕集部としては、図９〜図
１１に示すように排気通路２の途中に格子１４、多孔板
１５、衝突板１６等を設け、排気ガス中の水分を凝縮さ
せて重力および排気圧力により下流に輸送し、排出孔７
より排出する構成も適用可能である。これらの構成を用
いると、排気通路２を通って触媒３に流入する排気ガス
のうち内壁１０と接触する機会が少ない排気通路中心部
を流れる部分に含まれる水蒸気をも凝縮させ、その熱を
得ることが可能となる。したがって、図６または図７に
示した構成と併用することにより、いっそうの効果が期
待できる。以上述べた構成を用いた場合、触媒入口およ
び触媒３の温度上昇曲線は、図４のようになり、従来と
比較して昇温がより促進される。

【００３４】図１２には本発明の第２の実施形態を示
す。エンジン１には排気通路２が接続され、その下流に
は三元触媒３が備えられている。この三元触媒３は担体
に触媒を塗布しさらに表層に撥水材料を被覆した水分除
去装置付き触媒１７と、その周囲に巻かれた緩衝材１８
が排気通路内に介装されたものであり、緩衝材１８は断
熱材としても機能する。

【００３５】本実施形態によれば、三元触媒３に凝縮し
た水は排気ガスの流れによって下流に運ばれるため、凝
縮熱は受けるものの気化熱を奪われることはなく、図５
に示したような温度上昇曲線となり、従来に対して昇温
がより促進される。本実施形態によれば、排気通路外部
への凝縮水排出機構等を新たに設ける必要がなく、三元
触媒３の構成を若干改良するだけで本発明の効果を得る
ことが可能となる。また、さらに効果を上げるために先
に図６から図１１に示した構成を併用するようにしても
よい。なお、触媒表面に撥水性を持たせるには、前記の
ように撥水材料を被覆する他、気体分子よりは大きく、
水分子よりは小さな細孔構造を持つ選択透過膜を設ける
方法も適用可能である。また、下流への凝縮水の移動を
促すためには、触媒担体を下流端の方が上流端よりも低
くなるように傾斜させることが有効である。

【００３６】図１３は本発明の第３の実施形態であり、
排気通路に三元触媒を複数個直列に備えたエンジンへの
適用例である。この場合、排気通路２には２個の三元触
媒３，３ａが介装され、このうち少なくとも上流側の三
元触媒３は図１２と同様、水分除去装置付き触媒（１
７）および断熱機能付き緩衝材（１８）から構成されて
いる。その下流には凝縮水排出孔７があり、上流側の三
元触媒３で捕集された凝縮水は、凝縮水排出孔７を通っ
て凝縮水容器８に集められた後、排出弁９を開くことに
より下流側三元触媒３ａの下流に開口した排出孔１９か
ら排気通路２内に排出される。

【００３７】本実施形態によれば、上流側三元触媒３で
凝縮した水が下流側三元触媒３ａの手前で再び蒸発する
ことがないので、凝縮熱を直接受けて昇温特性が向上す
る上流側三元触媒３のみならず、下流側三元触媒３ａの
入口温度も従来と比較して高くなるため、下流側三元触
媒３ａの昇温も促進されるという効果が得られる。さら
に、下流側三元触媒３ａにも水分除去機能を持たせる
と、上流側三元触媒３が凝縮を生じない温度まで昇温
し、かつ下流側三元触媒３ａがその温度に達していない
状態で、下流側三元触媒３ａに凝縮する水分を排出でき
るので、下流側三元触媒３ａの昇温はさらに促進され
る。

【００３８】図１４は本発明の第４の実施形態であり、
触媒３と触媒３ａとの間に排出孔１９を設けた例であ
る。ここで、排出弁９は下流側三元触媒３ａが活性温度
に達した後で開くようにする。このためには、例えば下
流側触媒３ａに温度センサを設け、検出温度が活性温度
に達したら排出弁９に開弁信号を送るようにすればよ
い。あるいは、エンジンの冷却水温度が暖機完了温度に
達したら排出弁９を開くように構成することもできる。

【００３９】本実施形態によれば、排出弁９を開いた際
に凝縮水に混じって少量の排気ガスが排出された場合で
も、この排気ガスはその後活性している下流側三元触媒
３ａを通過してから大気に放出されるので、その際触媒
にて有害成分は浄化されるため、未浄化の排気ガスが放
出されるおそれがない。

【００４０】図１５は、本発明の第５の実施形態であ
り、吸気通路２１に水分除去装置６からの凝縮水を導入
する排出通路２０を設けた例である。本実施形態によれ
ば、水分除去装置からの凝縮水は吸気と混合し、その後
エンジンの燃焼の際に高温に晒されてから再び排気とし
てエンジンから排出される。本実施形態によれば、排出
弁９を開いた際に凝縮水に混じって少量の排気ガスが排
出された場合でも、触媒活性状態に係わらず有害成分が
未浄化のまま排出されるようなことがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】物体表面にて水分が凝縮、蒸発するときの物体
の昇温特性の一例を示す特性線図。

【図２】一般的な排気浄化装置（触媒）の昇温特性の一
例を示す特性線図。

【図３】従来技術の触媒の昇温特性を示す特性線図。

【図４】本発明による触媒の昇温特性の一例を示す特性
線図。

【図５】本発明による触媒の昇温特性の一例を示す特性
線図。

【図６】本発明の第１の実施形態の概略構成図。

【図７】前記実施形態の水分捕集部の構成例を示す要部
断面図。

【図８】前記実施形態の水分捕集部の他の構成例を示す
要部断面図。

【図９】前記実施形態の水分捕集部の他の構成例を示す
要部断面図。

【図１０】前記実施形態の水分捕集部の他の構成例を示
す要部断面図。

【図１１】前記実施形態の水分捕集部の他の構成例を示
す要部断面図。

【図１２】本発明の第２の実施形態の概略構成図。

【図１３】本発明の第３の実施形態の概略構成図。

【図１４】本発明の第４の実施形態の概略構成図。

【図１５】本発明の第５の実施形態の概略構成図。

【符号の説明】

１ エンジン ２ 排気通路 ３ 触媒 ３ａ 触媒 ６ 水分除去装置 ７ 排出孔 ８ 容器 ９ 排出弁 １０ 排気通路の内壁 １１ 断熱層 １２ 突起 １３ 多孔壁 １４ 格子 １５ 多孔板 １６ 衝突板 １７ 水分除去機能付き触媒 １８ 断熱機能付き緩衝材 １９ 排出孔 ２０ 排出通路 ２１ 吸気通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０１Ｎ 7/00 Ｂ０１Ｄ 53/36 １０１Ａ １０３Ｂ (72)発明者 田山 彰 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 長沼 要 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 Ｆターム(参考） 3G004 BA06 BA07 DA23 EA05 FA02 3G091 AA17 AB00 AB03 BA00 BA03 BA14 BA15 BA19 CA12 CA13 DB10 EA16 EA18 FA02 FA04 FB02 FC07 GB00Z HA01 HA08 HA38 HB03 4D031 AB02 AB23 AC03 BA03 BA07 BB04 EA03 4D048 AA06 AA13 AA18 AB05 BB02 CC51 CC70 CD08 DA01 DA03 DA13

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジン排気通路に触媒を備えると共に、
   前記触媒よりも上流側の排気中の水蒸気を凝縮させて捕
   集する水分捕集部と、前記捕集した凝縮水を排気通路外
   もしくは前記触媒よりも下流側の排気通路へと排出する
   水分排出部とを有する水分除去装置を設けたエンジンの
   排気浄化装置。
2. 【請求項２】前記水分排出部は、重力および／または排
   気の圧力に基づいて凝縮水を排出する排出孔を有する請
   求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 【請求項３】前記水分排出部は、排出孔からの凝縮水を
   貯溜する容器と、この容器内の凝縮水の排出を制御する
   排出弁とを有する請求項２に記載のエンジンの排気浄化
   装置。
4. 【請求項４】前記水分除去装置は、排気通路外に対する
   断熱性を備える請求項１に記載のエンジンの排気浄化装
   置。
5. 【請求項５】前記水分除去装置は、その凝縮水が付着す
   る部分が撥水性を有する請求項１に記載のエンジンの排
   気浄化装置。
6. 【請求項６】前記水分除去装置は、触媒の表面に撥水材
   料を被覆した構成を有する請求項１に記載のエンジンの
   排気浄化装置。
7. 【請求項７】前記水分捕集部は、排気通路の内壁に沿っ
   て設けられている請求項１に記載のエンジンの排気浄化
   装置。
8. 【請求項８】前記水分捕集部は、排気通路中に設けた多
   孔板あるいは排気に衝突する衝突板、または格子により
   形成されている請求項１に記載のエンジンの排気浄化装
   置。
9. 【請求項９】前記触媒はエンジンの排気通路に複数個直
   列に介装されると共に、前記水分除去装置は、最上流に
   位置する触媒よりも上流側で捕集した水分を、最下流に
   位置する触媒よりも下流側の排気通路に排出する構成を
   有する請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
10. 【請求項１０】前記触媒はエンジンの排気通路に複数個
    直列に介装されると共に、前記水分除去装置は、最上流
    に位置する触媒よりも上流側で捕集した水分を、最下流
    に位置する触媒よりも上流に排出する構成を有し、かつ
    下流側触媒の温度が所定値よりも上昇した後に前記水分
    の排出を行う排出弁を有する請求項１に記載のエンジン
    の排気浄化装置。
11. 【請求項１１】前記水分除去装置は、排出した水分をエ
    ンジンの吸気通路に導入する排出通路を有する請求項１
    に記載のエンジンの排気浄化装置。