JP2005083304A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気通路内に配置された触媒の昇温速度を高めるとともに触媒の温度の低下を抑制することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】
第１の排気管２０と第２の排気管２１とをフランジ接合部２３を介して接合した排気通路内に触媒２２が配置された内燃機関１の排気浄化装置において、触媒２２は、フランジ接合部２３と非接触状態を保ちつつフランジ接合部２３を跨いで第１の排気管２０側及び第２の排気管２１側のそれぞれに伸びるとともに、第１の排気管２０及び第２の排気管２１のうち少なくともいずれか一方の管の最も外側の管壁２４との間に熱移動を抑制する抑制手段２５を介在させるようにして排気通路２０、２１内に取り付けられている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に排気通路内に触媒が配置された内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気通路内に触媒が配置された排気浄化装置において、排気通路内に配置される触媒を排気管の管壁に直接溶接して固定するものがある（特許文献１参照）。また、他の固定方法として、触媒の端部に設けられたクランプフランジを内燃機関のシリンダブロックと排気マニホールドの間に挟んで固定するものがある（特許文献２参照）。その他本発明と関連する先行技術文献として特許文献３がある。

一般に、内燃機関の排気通路内に触媒を配置する排気浄化装置においては、触媒の温度をそれが活性する温度以上にしておくことが要求される。触媒の温度が低下すると触媒の機能もこれに伴って低下してしまう。特に、内燃機関の始動直後は排気系の温度が低く触媒内の熱が外部へ放出され易いため、触媒が昇温しにくい状況にある。従って、始動直後のいわゆるエミッションを低減するためには、触媒を速く昇温させるとともに、触媒の温度が容易に低下しないように排気通路内に取り付けることが望ましい。

特開平９−１１９３１３号公報 特表２００１−５２４６３８号公報 特開平８−２１２３２号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたものは、触媒の周囲と排気管とを直に溶接するものであるため、触媒内の熱が熱容量の大きい排気管の接合部等から放熱し易い問題がある。また、特許文献２に記載されたものは、触媒端部のクランプフランジを、シリンダブロックと排気マニホールドで挟んで固定しているので、触媒内の熱がフランジクランプを経由して熱容量の高いシリンダブロックや排気マニホールドのフランジ部から放熱し易く、触媒の温度が低下し易い問題がある。

そこで、本発明は排気通路内に配置された触媒の昇温速度を高めるとともに触媒の温度の低下を抑制することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、第１の排気管と第２の排気管とをフランジ接合部を介して接合した排気通路内に触媒が配置された内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒は、前記フランジ接合部と非接触状態を保ちつつ前記フランジ接合部を跨いで前記第１の排気管側及び前記第２の排気管側のそれぞれに伸びるとともに、前記第１の排気管及び前記第２の排気管のうち少なくともいずれか一方の管の最も外側の管壁との間に熱移動を抑制する抑制手段を介在させるようにして前記排気通路内に取り付けられていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、触媒が比較的熱容量の大きいフランジ接合部と非接触状態を保ちつつこれを跨いでいるので、排気ガスから受けた熱がフランジ接合部を伝わって外部に放出されにくい。また、触媒が排気管の管壁との間に熱移動を抑制する抑制手段を介在させるようにして排気通路内に取り付けられているため触媒内の熱が排気管の管壁を伝わって外部に放出されにくい。しかも、触媒がフランジ接合部を跨いで排気管のそれぞれに伸びているので、排気ガスの熱がフランジ接合部によって奪われる前に暖かい排気ガスの多くが触媒へ導入されることになり、触媒の昇温速度を高めることができる。

本発明の内燃機関の排気浄化装置において、前記第１の排気管は、内管及び外管を含んで構成される二重管構造を有しており、前記触媒が前記内管に固定されるとともに、前記内管が前記抑制手段を介して前記外管と組み合わされていてもよい（請求項２）。排気管をこの様に構成していれば、内管と外管との間に空気層が形成され排気ガスの熱が管壁から放出し難くなるので、一重の排気管で構成するよりも高温の排気ガスが触媒へ導入されることになる。しかも触媒が内管に固定され外管の管壁に直接接触しないので、触媒の放熱が抑制される。

本発明の内燃機関の排気浄化装置において、前記内管は、前記フランジ接合部と非接触に設けられていてもよい（請求項３）。この場合は、排気ガスの熱が内管からフランジ接続部を経由して外部に放出され難くなるので、さらに触媒の放熱が抑制される。

本発明の内燃機関の排気浄化装置において、前記抑制手段として、前記内管と前記外管との隙間に断熱材が設けられていてもよい（請求項４）。このように構成すれば、内管から外管への熱移動が抑制されるので触媒の放熱が抑えられとともに、内管の振動を抑制することもできる。

本発明の内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒は、その一端側において前記内管に固定されるとともに、その他端側において生じた前記第２の排気管との隙間に断熱材が設けられていてもよい（請求項５）。触媒をこのように排気通路内に取り付ければ、触媒の両端が排気通路内に支持されるので、排気通路内に取り付けられた触媒が安定し、しかも触媒の振動が抑制される。

本発明の内燃機関の排気浄化装置において、前記抑制手段として、前記管壁と前記触媒との隙間に断熱材が設けられていてもよい（請求項６）。このように構成すれば、断熱材により触媒から管壁に向かう熱移動が抑制される。

本発明の内燃機関の排気浄化装置において、前記第１の排気管は、排気マニホールドであってもよい（請求項７）。内燃機関の上流に位置する排気マニホールド内を流れる排ガスは、これよりも下流側に流れる排気ガスよりも高温であるため、触媒へ高温の排気ガスを導入することができる。

本発明の内燃機関の排気浄化装置において、前記内燃機関には、過給機が設けられており、前記第２の排気管は前記過給機の上流に位置する排気管であってもよい（請求項８）。過給機を通過した排気ガスは、過給機のタービンに熱を奪われるのでその温度は低下する。従って、第２の排気管を過給機の上流側の排気管にすれば高温の排気ガスを触媒へ導くことができる。

本発明によれば、排気通路内に配置された触媒の昇温速度を高めるとともに触媒の温度の低下を抑制することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することができる。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の排気浄化装置を内燃機関としてのディーゼルエンジン１に適用した実施の形態を示した図、図２は触媒の配置態様の詳細を示した図である。本発明の排気浄化装置は、図１に示すようにエンジン１の排気系に適用される。エンジン１の排気系は、排気通路を含み、排気通路はシリンダブロック２に接続される第１の排気管としての排気マニホールド２０及び第２の排気管としての排気管２１とを含んで構成されている。排気マニホールド２０はエンジン１の気筒毎に設けられた分岐部２０ａとこれら分岐部２０ａが集合する集合部２０ｂとを含む。排気マニホールド２０の集合部２０ｂは管状に絞りこまれており、その端部は排気管２１の一端とフランジ接合部２３を介して接合されている。排気管２１の途中にはフランジ接合部２３より下流側に過給機６及びＮＯｘ触媒２８がそれぞれ設けられている。本実施の形態ではＮＯｘ触媒を用いたが、これに替えて排気浄化手段として、ディーゼルパティキュレートフィルタにＮＯｘ吸着剤を付加し、浮遊粒子状物質（ＰＭ）とＮＯｘの同時削減を可能とする触媒を用いてもよい。本実施の形態では、排気マニホールド２０から過給機６まで排気通路内に触媒２２を設けているので、排気系の下流側に流れる排気ガスよりも高温の排気ガスを触媒２２へ導入することができる。しかも、触媒２２が過給機６の上流側に設けられているため、過給機６の下流側の排気ガスよりも高温の排気ガスを触媒２２へ導入できる。

なお、エンジン１の吸気系は、シリンダブロック２に接続される吸気マニホールド１３と吸気管１０を含んで構成され、吸気管１０の途中には、空気をろ過するエアクリーナ１１、過給機６のコンプレッサ６ａ、吸気量を調整するスロットル弁１２が設けられている。エンジン１への燃料の供給は気筒毎に設けられコモンレール５に接続されたインジェクション３により行われる。また、エンジン１には、排気ガスの一部を吸気系に戻すための排気還流管（ＥＧＲ管）３０が設けられ、ＥＧＲ管３０の途中には、ＥＧＲクーラ３１及びＥＧＲ弁３２が設けられている。

本発明の排気浄化装置は、上記排気通路内に配置された触媒２２を含んで構成されている。触媒２２はフランジ接合部２３を跨いで排気マニホールド２０側及び排気管２１側のそれぞれに伸びて配置されている。本実施の形態においては、触媒２２はその上流に設けられた燃料添加弁（不図示）から噴射された燃料を改質させる機能を持つ。触媒２２は金属製のいわゆるメタル触媒であり、触媒担体２２ａに例えば白金等が担持されている。燃料添加弁により噴射され触媒２２によって改質された燃料は触媒２２の下流側に位置するＮＯｘ触媒２８に還元剤として供給される。触媒２２は所定温度以下では上記機能を発揮できないため、触媒２２の昇温速度を高めることが必要であり、また触媒２２の温度が低下し易いと上記機能も低下してしまうので触媒２２の温度低下を抑制することが必要である。そこで、触媒２２は図２に示すような態様で排気通路内に配置されている。

図２から明らかなように、触媒２２は第１の排気管としての排気マニホールド２０と第２の排気管としての排気管２１とのフランジ接合部２３と非接触状態を保ち、かつフランジ接合部２３を跨いで配置されている。フランジ接合部２３は排気マニホールド２０のフランジ状に形成された端部と排気管２１のフランジ状に形成された端部とをボルト４０及びナット４１により固定して構成されている。この様に構成されているフランジ接合部２３は熱容量が大きくこれに接触する物体の熱を奪いやすい。

排気ガスは図の矢印の向きに排気通路内を流れ、触媒２２内を通過する。触媒２２は上流側の排気マニホールド２０及び下流側の排気管２１のそれぞれに伸びるように配置され、排気マニホールドの最も外側の管壁２４との間に熱移動を抑制する抑制手段としての断熱材２５を介在させるようにして排気通路内に取り付けられている。従って、触媒２２内の熱が排気マニホールド２０を経由してフランジ接合部２３に放熱されることが抑制される。また、触媒２２が上流側の排気マニホールド２０まで伸びて配置されているため、排気マニホールド２０と触媒２２との隙間に流入し、フランジ接合部２３に触れる排気ガスの量が少量に限定されることになり、排気ガスの熱がフランジ接合部２３に奪われる前に暖かい排気ガスの大部分が触媒２２に導入される。即ち、フランジ接合部２３よりも下流に触媒２２を配置する場合に比べより高温の排気ガスを触媒２２内に導くことができる。本実施形態においては、排気マニホールド２０は内管２０１及び外管２０２を含む二重間構造として構成され、内管２０１には触媒２２が溶接部２６により固定されるとともに、内管２０１は上記断熱材２５を介して外管２０２と組み合わされている。そして、内管２０１はフランジ接合部２３と非接触に設けられ、フランジ接合部２３との間にギャップ２７を形成している。従って、触媒２２内の熱が内管２０１を経由してフランジ接合部２３へ移動することがさらに抑制されることになる。また、内管２０１と外管２０２との間に熱移動を規制するために好適な空気層が形成されるため、排気マニホールド２０を一重管とするよりも一層高温の排気ガスを触媒２２へ導くことができる。さらに、内管２０１の下流側の一端が断熱材２５を介して外管２０２に支持されることになるので、内管２０１から外管２０２への熱伝達が抑制されるとともに、内管２０１の振動を抑制することができる。

なお、触媒２２を内管２０１に固定するための溶接部２６を触媒２２の周囲を取り囲むように形成してもよいが、触媒２２の周囲に部分的に形成してもよい。溶接部２６を部分的に形成しても、触媒２２と排気通路との間に形成された隙間に流入する排気ガスの量は少量に限られるので本発明の効果を奏するためには十分である。もっとも、触媒２２の全周を溶接していれば、触媒２２と排気通路との隙間への排気ガスの流入を遮断できるためより好ましい。

また、上記断熱材２５としては、高温（摂氏８００度程度）に耐えることができしかも熱伝導が悪いもの、例えば耐熱繊維やガスケット材料等を用いることが好ましい。本実施の形態においてはセラミック繊維を用いた。断熱材２５は、内管２０１の全周に設けても、内管２０１の周囲に部分的に設けてもよい。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について図３を参照しながら説明する。本実施の形態においても、本発明の排気浄化装置は第１の実施の形態と同様に内燃機関としてのディーゼルエンジン１に適用される。第１の実施の形態との相違点は、第１の実施の形態の構成に加え、触媒２２の下流側の端部と排気管２１の管壁２４との間に形成される隙間に断熱材２５を設けた点である。その他の点は第１の実施の形態と同様であるので、同一の構成には同一の符号を付して詳しい説明を省略する。

本実施の形態では、触媒２２の下流側の端部において生じた排気管２１の管壁２４との隙間に断熱材が設けられているので、触媒２２内の熱が排気管２１に移動することが抑制される。また、触媒２２が排気通路内に上流側の端部と下流側の端部で支持されることになるので触媒２２が安定して支持される。しかも、触媒２２の振動が抑制されるので、触媒２２の排気管２１への接触による騒音を防止することができる。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について図４を参照しながら説明する。本実施の形態においても、本発明の排気浄化装置は第１の実施の形態と同様に内燃機関としてのディーゼルエンジン１に適用される。第１の実施の形態との相違点は、第１の実施の形態のように触媒２２を内管２０１に溶接部２６を介して固定する代わりに、触媒２２と排気管２１の管壁２４との間の隙間に断熱材２５を設けて触媒２２を排気通路に取り付けた点である。その他の点は第１の実施の形態と同様であるので、同一の構成には同一の符号を付して詳しい説明を省略する。

本実施の形態において、触媒２２は外周に断熱材２５を巻きつけられ、排気管２１に圧入されている。この場合は、触媒２２が排気ガスの流れによって容易に外れない程度に排気管２１内に触媒２２がはめ込まれていればよい。本実施の形態では、触媒２２と排気管２１の管壁２４との隙間に断熱材２５を設けて触媒２２が取り付けられているので、触媒２２が排気管２１の管壁２４に直接触れることはなく、触媒２２から管壁２４に向かう熱移動が抑制され、触媒２２内の熱が排気管２１を経由してフランジ接合部２３へ移動することが抑制される。また、触媒２２はフランジ接合部２３を跨いで上流側の排気マニホールド２０及び下流側の排気管２１のそれぞれに伸びて配置されているので、排気ガスの熱がフランジ接合部２３により奪われることが抑制される。しかも、触媒２２の周囲に設けられた断熱材２５は触媒２２の全周を取り囲んでいるので、排気マニホールド２０を流れてきた排気ガスは断熱材２５によって堰き止められ、その大部分が触媒２２に導入されることになる。また、本実施の形態においては、触媒２２を溶接により固定するものでないため、触媒２２の排気通路内への取り付けが容易になる。

（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態について図５を参照しながら説明する。本実施の形態においても、本発明の排気浄化装置は第１の実施の形態と同様に内燃機関としてのディーゼルエンジン１に適用される。第１の実施の形態との相違点は、第１の実施の形態のように触媒２２を内管２０１に溶接部２６を介して固定する代わりに、触媒２２を排気マニホールド２０の外管２０２に断熱材２５を介して取り付けている点と、内管２０１を触媒２２の側部まで延長せずに、触媒２２の上流側の端部以前で終了させている点である。その他の点は第１の実施の形態と同様であるので、同一の構成には同一の符号を付して詳しい説明を省略する。

本実施の形態においては、触媒２２はその外周に断熱材２５を巻きつけられ、排気マニホールド２０の外管２０２に圧入されている。この場合は、上記第３の実施の形態と同様に、排気ガスの流れで触媒が容易に外れない程度に外管２０２にはめ込まれていればよい。本実施の形態では、上記第３の実施の形態と同様の作用効果を奏する。即ち、触媒２２と外管２０２の管壁２４との隙間に断熱材２５を設けて触媒２２が取り付けられているので、触媒２２が外管２０２の管壁２４に直接触れることはなく、触媒２２内の熱が外管２０２を経由してフランジ接合部２３へ移動することが抑制される。また、触媒２２はフランジ接合部２３を跨いで上流側の排気マニホールド２０及び下流側の排気管２１のそれぞれに伸びて配置されているので、排気ガスの熱がフランジ接合部２３により奪われることが抑制される。しかも、触媒２２の周囲に設けられた断熱材２５は触媒２２の全周を取り囲んでいるので、排気マニホールド２０を流れてきた排気ガスは断熱材２５によって堰き止められ、その大部分が触媒２２に導入されることになる。また、本実施の形態においては、触媒２２を溶接により固定するものでないため、触媒２２の排気通路内への取り付けが容易になる。

なお、本実施の形態の変形例として、排気マニホールド２０１の強度を高めて（肉厚を大きくして）内管２０２を触媒２２の側部まで延長して内管２０２に触媒２２を圧入してもよい。

以上第１〜第４の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されず、その他種々の実施の形態が考えられる。例えば、上記実施の態様では排気マニホールド２０を二重管構造としたものを例示しているが、これを単管構造に変更してもよい。また、排気管２１を二重管構造としてもよい。更にまた、上記実施の形態においては、触媒２２が過給機６の上流側に配置される実施態様について説明したが、触媒２２が過給機６の下流側の排気通路に配置される排気浄化装置においても本発明は適用できるし、過給機６を有しないガソリンエンジンにも本発明は適用できる。また、本発明が適用される排気浄化装置内の触媒として、ＮＯｘ触媒に還元剤として供給される燃料を改質させる機能を有する触媒を例に挙げて説明したが、他の機能を有する触媒、例えば酸化触媒等であってもよい。

本発明の排気浄化装置の全体を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る触媒の配置態様の詳細を示した図である。 本発明の第２の実施の形態に係る触媒の配置態様の詳細を示した図である。 本発明の第３の実施の形態に係る触媒の配置態様の詳細を示した図である。 本発明の第４の実施の形態に係る触媒の配置態様の詳細を示した図である。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
２０ 排気マニホールド（第１の排気管、排気通路）
２１ 排気管（第２の排気管、排気通路）
２２ 触媒
２３ フランジ接合部
２４ 管壁
２５ 断熱材（抑制手段）
２０１ 内管
２０２ 外管

Claims (8)

1. 第１の排気管と第２の排気管とをフランジ接合部を介して接合した排気通路内に触媒が配置された内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒は、前記フランジ接合部と非接触状態を保ちつつ前記フランジ接合部を跨いで前記第１の排気管側及び前記第２の排気管側のそれぞれに伸びるとともに、前記第１の排気管及び前記第２の排気管のうち少なくともいずれか一方の管の最も外側の管壁との間に熱移動を抑制する抑制手段を介在させるようにして前記排気通路内に取り付けられていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記第１の排気管は、内管及び外管を含んで構成される二重管構造を有しており、前記触媒が前記内管に固定されるとともに、前記内管が前記抑制手段を介して前記外管と組み合わされていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記内管は、前記フランジ接合部と非接触に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記抑制手段として、前記内管と前記外管との隙間に断熱材が設けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記触媒は、その一端側において前記内管に固定されるとともに、その他端側において生じた前記第２の排気管との隙間に断熱材が設けられていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記抑制手段として、前記管壁と前記触媒との隙間に断熱材が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記第１の排気管は、排気マニホールドであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記内燃機関には、過給機が設けられており、前記第２の排気管は前記過給機の上流に位置する排気管であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
   

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