JP2005171823A - 触媒担持体及び触媒装置並びにエンジンの排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気ガスを浄化するための触媒の活性化の迅速化を図ることのできる触媒担持体、触媒装置及びエンジンの排気装置を提供する。
【解決手段】 小型エンジンからの排気ガスを浄化するための触媒担持体は、小型エンジンの排気ポート３とエキゾーストパイプ５とを接続部してなる排気装置における前記排気ポート３とエキゾーストパイプ５との間に挟持される被挟持部１５を周縁に備え、かつ網状部材の表面に触媒を備えた構成である。そして、触媒装置は、複数の触媒担持体１３を、前記排気ガスのガス流方向に対して交差する方向に配置した構成である。また、排気装置は、前記排気ポート３とエキゾーストパイプ５との接続部に触媒担持体又は触媒装置を備えている構成である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば二輪車や農機具等に使用される小型エンジンからの排気ガスを浄化するための触媒を担持した触媒担持体及びこの触媒担持体を用いた触媒装置並びに前記触媒担持体又は触媒装置を用いたエンジンの排気装置に係り、さらに詳細には、触媒の活性化を迅速に図ることのできる触媒担持体及び触媒装置並びにエンジンの排気装置に関する。

二輪車や農機具等に使用される小型エンジンは、小排気量であるので、触媒を用いて排気ガス中のＮＯｘを酸化したり、ＨＣを還元したりして排気ガスの浄化を図ろうとすると、触媒が活性化するまでの温度上昇速度が遅く、始動直後の排気の浄化を行う場合や、アイドリング時のように低負荷運転時にも触媒の活性化を行う温度に保持することが困難な場合がある。そこで、触媒の昇温を早めて活性化が容易な触媒が望まれている。

なお、二輪車に適用可能な触媒の提案もなされている（例えば特許文献１，２参照）。
特表２００３−５０１２３４号公報 特開平７−５４６４２号公報

前記特許文献１に記載の触媒は、０．０８〜０．１２ｍｍの厚さの金属製薄板からなる平坦な薄板の表面に薄板からなる波板を配置した二層構造体を、渦巻状に丸めて円筒体の内部に収納することにより、ハニカム構造の触媒に構成してある。

上記構成においては、排気ガスを触媒に充分に接触させるために、ガス通路を長く形成すると、直線的に長い構成となる。したがって、エンジンの排気ポートからエキゾーストパイプを介してマフラに至る排気通路に直線部分の少ない二輪車に前記触媒を採用するとなると、装着位置が限られることになるという問題がある。

また、ガス通路がハニカム構成であることにより、ガス通路内の排気ガスは整流状態になる傾向にあり、ガス通路中心部を流れる排気ガスは、触媒との接触が充分に行われずに排気される傾向にあるという問題がある。

さらに、エンジンの排気ポートから離れた位置に装着した場合には、触媒の活性化に時間を要するという問題がある。

前記特許文献２に記載の構成においては、エンジンの排気ポートと、この排気ポートに接続するエキゾーストパイプとの間に円筒形のスリーブ部を配置し、このスリーブ部内に多数の孔を備えたプレートを配置した構成であって、上記スリーブ部の内周面と前記プレートの表面に触媒を担持した構成である。

したがって、エンジンの排気ポートからの排気ガスによって前記プレート等が直ちに昇温される傾向にあるものの、前記プレートは前記スリーブ部内のガス流に沿う方向に配置してあり、排気ガスとプレートとの接触が充分でないという問題がある。

さらに、前記構成においては、前記プレートの両側に屈曲して備えた固定片を、前記スリーブ部の内面に溶着することによって一体化するものであるから、その製造が厄介である等の問題がある。

本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、小型エンジンからの排気ガスを浄化するための触媒担持体であって、前記小型エンジンの排気ポートとエキゾーストパイプとを接続部してなる排気装置における前記排気ポートとエキゾーストパイプとの間に挟持される被挟持部を周縁に備え、かつ網状部材の表面に触媒を備えた構成であることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記触媒担持体において、当該触媒担持体のほぼ中央部に耐熱部材を備えていることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記触媒担持体において、当該触媒担持体のほぼ中央部に穴を備えていることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記触媒担持体において、前記被挟持部以外の部分に触媒を備えていることを特徴とするものである。

また、本発明は、小型エンジンからの排気ガスを浄化するための触媒担持体を備えてなる触媒装置であって、上記触媒担持体は網状部材の表面に触媒を備えた構成であり、かつ適数の触媒担持体を、前記排気ガスのガス流方向に対して交差する方向に配置してあることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記触媒装置において、前記複数の触媒担持体における網目の方向性が異っていることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記触媒装置において、前記排気ガスのガス流方向の上流側と下流側において触媒の種類が相違することを特徴とするものである。

また、本発明は、上記触媒装置において、適数の触媒担持体は、排気ガスのガス流方向の上流側又は下流側に凸状に湾曲してあることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記触媒装置において、複数の触媒担持体の排気ガスとの接触面積が相違することを特徴とするものである。

また、本発明は、上記触媒装置において、複数の触媒担持体は筒体内に保持されていることを特徴とするものである。

また、本発明は、エンジンの排気ポートとエキゾーストパイプとを接続してなるエンジンの排気装置であって、前記排気ポートとエキゾーストパイプとの接続部に、前記触媒担持体又は触媒装置を備えていることを特徴とするものである。

本発明によれば、排気ガスを浄化するための触媒を担持した触媒担持体は網状に形成してあるので、全体としての熱容量を小さくすることが容易であると共に、周囲への熱伝導を抑制することができる。そして、小型エンジンの排気ポートとエキゾーストパイプとの接続部に配置されるものであるから、エンジンからの排気ガスによって、触媒の活性化温度にまで直ちに昇温され易いものであり、エンジンの始動直後から排気ガスの浄化が可能であると共に、アイドリング時においても排気ガスの浄化が可能であり、前述したごとき問題を解消することができるものである。

図１を参照するに、本発明の第１の実施形態に係るエンジンの排気装置１は、エンジン（図示省略）に備えた排気ポート３と、マフラ（図示省略）に接続したエキゾーストパイプ５とを接続してなる構成であって、前記排気ポート３とエキゾーストパイプ５は、それぞれの端部に備えたフランジ３Ｆ，５Ｆを突き合せ当接し、複数のボルト等のごとき締結具７を締付けることによって一体的に接続してある。

前記排気ポート３の端面又は前記エキゾーストパイプ５の適宜一方の端面には座グリ部９が形成してあり、この座グリ部９には、前記エンジンから排出される排気ガス中のＮＯｘやＨＣ等を酸化、還元して浄化するための触媒装置１１が配置してある。なお、ＮＯｘを酸化反応により浄化する触媒やＨＣ等を還元反応により浄化する各種の触媒は既に知られているので、触媒自体についての説明は省略する。

前記触媒装置１１として、図１においては１枚の触媒担持体１３を、前記排気ポート３とエキゾーストパイプ５との間に挟持した場合が例示されている。前記触媒担持体１３は、前記排気ポート３とエキゾーストパイプ５との間に挟持される環状の被挟持部１５を外周縁に備えた網状をなすものである。

上記触媒担持体１３は、線材によって網状に形成した網体の表面に溶射や蒸着等によってセラミックスコーティング層を形成し、このセラミックスコーティング層に例えば白金等の、排気ガスの浄化に必要な触媒を担持した構成である。

前記構成により、エンジンの排気ポート３から排気される排気ガスは、排気ポート３とエキゾーストパイプ５との間に挟持した前記触媒担持体１３の平面に対して直角に当接することになる。したがって、前記触媒担持体１３が排気ガスの流れ方向に沿って配置してある場合に比較して、排気ガスの温度を触媒担持体１３へ効果的に伝達できるものである。また、触媒担持体１３が網状であることにより、板状の場合に比較して熱容量が小さく、さらに周囲への熱伝導が小さなものである。

したがって、エンジンの始動直後であっても触媒担持体１３は急激に温度上昇されることとなり、触媒の活性化が容易なものである。また、例えばアイドル時のごとくエンジンが低負荷運転時であっても前記触媒担持体１３を、触媒が活性化を維持する高温に保持することが容易なものである。

そして、前記触媒担持体１３に当接した排気ガスは、触媒担持体１３の上流側の面に備えられている触媒に接触して浄化されると共に、触媒担持体１３が網状であることにより、網を構成する線材の下流側に排気ガスの一部が回り込み、下流側の面に備えられている触媒に接触して浄化されるものである。

すなわち、前記触媒担持体１３が網状であることにより、網目を構成する縦、横の線材の外表面に触媒を備えることができ、換言すれば、排気ガスの通路内に触媒を三次元的に備える構成であり、かつ排気ガスのガス流に三次元的な乱れ（上下方向，左右方向の乱れ）を生起させることができ、触媒担持体１３の表面に備えた触媒と排気ガスとの接触を効果的に行うことができ、排気ガスの浄化効率の向上を図ることができるものである。

ところで、前記触媒担持体１３から排気ポート３、エキゾーストパイプ５への熱伝導が大きい場合には、前記触媒担持体１３における被挟持部１５の周囲に適宜の断熱材を備えた構成とすることも可能である。このような構成とすることにより、前記触媒担持体１３の昇温をより効果的に行うことができる。また、前記被挟持部１５の部分は排気ガスと接触して排気ガスの浄化作用を行う必要のない部分であるから、この被挟持部１５には触媒は不要である。

したがって、前記触媒担持体１３において触媒を備える領域は、排気ガスに晒されて排気ガスと接触する領域とすることが望ましいものである。

このような構成とすることにより、高価な触媒の使用量を少なくすることができ、安価になるものである。

また、前記構成において、排気ポート３内の排気ガスのガス流における中心部付近の温度が高温であって、この高温の部分が触媒担持体１３に直角に当接することにより、前記触媒担持体１３の中心部付近が高温に晒されて悪影響を生じる傾向にあるような場合には、前記触媒担持体１３の中央部付近の少なくとも上流側の面に、例えば耐熱セラミックス等のごとき適宜の耐熱部材を備えることが望ましいものである。上記耐熱部材とししては多孔質又は網状あるいはプレート状であっても良いものである。

さらには、前記触媒担持体１３を、排気ガスのガス流方向の上流側へ僅かに突状に湾曲した構成として、前記排気ガスの脈動に対応して僅かに振動する構成とすることも可能である。このように構成することにより、例えばカーボン等が付着したとき、振動によって付着物を落下することができ、触媒担持体１３の目詰りを防止することができるものである。

また、前述したごとき構成により、排気ポート３とエキゾーストパイプ５との間への触媒装置の装着が容易に行い得ると共に、既存の小型エンジンに対しても容易に装着可能である。

ところで、前記触媒担持体１３は、薄板に多数の小孔を形成することによって網状の構成としても良いものである。また、線材を格子状に組み合わせて網状の構成とすることも可能である。

図２は排気装置の第２の実施形態を示すもので、前述した構成と同一機能を奏する構成要素には同一符号を付することとして重複した説明は省略する。

この第２の実施形態においては、触媒装置１１として、前記触媒担持体１３の他に、第２，第３の触媒担持体１７，１９を備えた構成である。上記第２，第３の触媒担持体１７，１９は、前述した触媒担持体１３と同様に網状に構成してあり、第２の触媒担持体１７は截頭円錐形状に形成してある。

そして、第３の触媒担持体１９は円錐形状に形成してある。すなわち、各触媒担持体１３，１７，１９が排気ガスと接触する接触面積を下流側程大きくして、それぞれの接触面積を異にしてある。

上記構成により、触媒担持体１３を通過した排気ガスは三次元的な乱流を生じて第２の触媒担持体１７に流下する。そして、この第２の触媒担持体１７において排気ガスはさらに触媒に接触して浄化作用を受けると共に、当該第２の触媒担持体１７において、さらに三次元的な乱流が生起される。その後、第３の触媒担持体１９に流下し、この第３の触媒担持体１９に備えた触媒に接触して、さらに浄化作用を受けることになる。

既に理解されるように、網状の触媒担持体１３，１７，１９を複重に備えた構成においては、排気ガスの三次元的な乱れが各触媒担持体１３，１７，１９の位置においてそれぞれ生起されて下流側の触媒担持体に接触することが順次繰り返されるので、排気ガスと触媒との接触がより効果的に行われることとなり、触媒による酸化反応、還元反応が効果的に促進されて、排気ガスの浄化作用が有効に行われるものである。

ところで、前記第２，第３の触媒担持体１７，１９を、下流側が凸状となるように成形して下流側に順次配置したが、逆に、上流側が凸状となるように形成して上流側に、排気ガスとの接触面積の大きな触媒担持体を順次配置することも可能である。また、排気ガスを浄化する作用として、触媒による酸化反応と還元反応とがあるので、上流側の触媒担持体に備えた触媒と下流側の触媒担持体に備えた触媒とを、種類の異なる触媒として、前記酸化反応と還元反応とを別個に行う構成とすることも可能である。

また、前記構成において、排気ガスの酸化反応等によって排気ガスが高温になり、下流側の触媒担持体１９の中心部付近が悪影響を受けるおそれがある場合には、前述したように、触媒担持体１９の中心部付近に耐熱部材を備えることが望ましく、また場合によっては、上記触媒担持体１９の中心部付近に、中心付近の高温ガスを通過させるための穴を備えた構成とすることも可能である。

さらに、前記構成において、複数の触媒担持体１３，１７，１９における被挟持部を適宜の固定具等によって一体化しユニット化することにより、前記排気ポート３とエキゾーストパイプ５との間への配置、装着を容易に行うことができるものであり、前述した実施形態と同様の効果を奏し得るものである。

図３は第３の実施形態を示すもので、前述した実施形態と同一機能を奏する構成要素には同一符号を付することとして重複した説明は省略する。

この第３の実施形態においては、複数の触媒担持体１３を円筒形状の筒体２１内に備えて、触媒装置１１をユニット化した場合を示すものである。上記筒体２１は、前記座グリ部９に係合するフランジ２１Ｆを基端部側に備えた構成であって、先端部は自由端に形成してある。前記各触媒担持体１３は、前記筒体２１の周囲に外側へ突出するように形成した環状のビード部２３の内側に係合してある。そして、上記ビード部２３の外周面は、前記エキゾーストパイプ５の内周面に接触してある。また、前記各触媒担持体１３の網目の方向性はそれぞれ異なるように、位相を異にして配置してある。

上記構成においては、排気ポート３からの排気ガスは筒体２１内に流入してエキゾーストパイプ５の入口付近の内周面への直接的な接触が阻害されることとなる。したがって、エキゾーストパイプ５への熱伝達が抑制されることとなり、排気ガスの高温を前記筒体２１内の触媒担持体１３へ効果的に伝達することができ、前記触媒担持体１３に備えられた触媒を、活性化温度まで迅速に昇温することができるものである。

また、前記各触媒担持体１３の網目の方向性がそれぞれ異なっているので、上流側の触媒担持体１３において生起された三次元的な乱れの流れが下流側の触媒担持体１３に効果的に当ることとなる。したがって、各触媒担持体１３に備えられている触媒に対する排気ガスの接触量の増大を図ることができ、触媒による排気ガスの浄化効率の向上を図ることができるものである。

さらに、前記構成においては、筒体２１の先端部が自由端であることにより、エキゾーストパイプ５と前記筒体２１との熱膨張が異なる場合であっても、問題を生じるようなことはないものである。なお、前記構成において、上流側の触媒担持体１３に担持されている触媒と下流側の触媒担持体１３に担持されている触媒とを、例えば酸化反応用と還元反応用との別種の触媒とすることが望ましいものである。

さらに、前記構成によれば、触媒装置１１がユニット化してあることにより、前記排気ポート３とエキゾーストパイプ５との間への触媒装置の組み込みを容易に行うことができるものであり、前述の実施形態と同様の効果を奏するものである。

図４は第４の実施形態を示すもので、前述した構成と同一機能を奏する構成要素に対しては同一符号を付することとして重複した説明は省略する。

この第４の実施形態においては、前記筒体２１に形成したビード部２３を螺旋形状となし、この螺旋形状のビード部２３に対して、螺旋形状の一部を構成するように形成した触媒担持体２５を螺合した構成である。上記触媒担持体２５は、円形の網状であって、かつ図４（Ｂ）に示すように、中心部に亘る切込み２５Ａの部分に段差を形成し、下側部分２５Ｂから周方向に次第に高くなるように傾斜して上側部分２５Ｃに亘るように螺旋形に形成してある。

したがって、前記筒体２１に形成した螺旋形状の前記ビード部２３内に螺旋形状の前記触媒担持体２５を螺入すると、先行する触媒担持体２５における上側部分２５Ｃに後続の触媒担持体２５における下側部分２５Ｂが当接することとなり、複数の触媒担持体２５を次々に螺入することができるものである。

すなわち、前記構成においては、筒体２１に対する複数の触媒担持体２５の組込みが容易であると共に前述した実施形態と同様の効果を奏し得るものである。

図５は第５の実施形態を示すもので、この実施形態においては、エキゾーストパイプ５の内周面に、前記筒体２１に備えたビード部２３に対応する螺旋溝２７を形成し、この螺旋溝２７に前記ビード部２３を螺入することにより、前記エキゾーストパイプ５に対して筒体２１を取付けた構成である。

上記構成によれば、エキゾーストパイプ５に対して筒体２１を固定的に取付けることができ、エンジンの振動等に対する耐久性が向上するものである。また、前記構成においては、前記筒体２１のビード部２３と触媒担持体２５との間に僅かなクリアランスが存在することにより、前記筒体２１が熱膨張したときに前記クリアランスが閉じられて、このクリアランス部分を排気ガスが通過することが防止されると共に、上記クリアランスの存在によって前記エキゾーストパイプ５と筒体２１との熱膨張の差を吸収することができるものである。なお、この第５の実施形態においても前述同様の効果を奏し得るものである。

なお、本発明は、前述したごとき実施形態に限るものではなく、適宜の変更を行うことにより、その他の態様でも実施可能なものである。例えば複数の触媒担持体を複数備えた構成においては、上流側における触媒担持体の網目の大きさと下流側の触媒担持体の網目の大きさとを異にすることも可能である。

また、エキゾーストパイプ５内に筒体２１を固定する方法としては、前記エキゾーストパイプ５の内周面に大径穴部を形成し、この大径穴部内に筒体２１を軸方向に振動等によって移動しないように収納固定することも可能である。さらには、前記筒体２１を、排気ポート３内に配置する構成とすることも可能なものである。

本発明の第１の実施形態に係るエンジンの排気装置を概略的に示した断面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係るエンジンの排気装置を概略的に示した断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係るエンジンの排気装置を概略的に示した断面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係るエンジンの排気装置を概略的に示した断面説明図である。 本発明の第５の実施形態に係るエンジンの排気装置を概略的に示した断面説明図である。

符号の説明

１ 排気装置
３ 排気ポート
５ エキゾーストパイプ
１１ 触媒装置
１３ 触媒担持体
１７ 第２の触媒担持体
１９ 第３の触媒担持体
２１ 筒体
２５ 触媒担持体

Claims (11)

1. 小型エンジンからの排気ガスを浄化するための触媒担持体であって、前記小型エンジンの排気ポートとエキゾーストパイプとを接続部してなる排気装置における前記排気ポートとエキゾーストパイプとの間に挟持される被挟持部を周縁に備え、かつ網状部材の表面に触媒を備えた構成であることを特徴とする触媒担持体。
2. 請求項１に記載の触媒担持体において、当該触媒担持体のほぼ中央部に耐熱部材を備えていることを特徴とする触媒担持体。
3. 請求項１に記載の触媒担持体において、当該触媒担持体のほぼ中央部に穴を備えていることを特徴とする触媒担持体。
4. 請求項１，２又は３に記載の触媒担持体において、前記被挟持部以外の部分に触媒を備えていることを特徴とする触媒担持体。
5. 小型エンジンからの排気ガスを浄化するための触媒担持体を備えてなる触媒装置であって、上記触媒担持体は網状部材の表面に触媒を備えた構成であり、かつ適数の触媒担持体を、前記排気ガスのガス流方向に対して交差する方向に配置してあることを特徴とする触媒装置。
6. 請求項５に記載の触媒装置において、前記複数の触媒担持体における網目の方向性が異っていることを特徴とする触媒装置。
7. 請求項５又は６に記載の触媒装置において、前記排気ガスのガス流方向の上流側と下流側において触媒の種類が相違することを特徴とする触媒装置。
8. 請求項５，６又は７に記載の触媒装置において、適数の触媒担持体は、排気ガスのガス流方向の上流側又は下流側に凸状に湾曲してあることを特徴とする触媒装置。
9. 請求項８に記載の触媒装置において、複数の触媒担持体の排気ガスとの接触面積が相違することを特徴とする触媒装置。
10. 請求項５〜９のいずれかに記載の触媒装置において、複数の触媒担持体は筒体内に保持されていることを特徴とする触媒装置。
11. エンジンの排気ポートとエキゾーストパイプとを接続してなるエンジンの排気装置であって、前記排気ポートとエキゾーストパイプとの接続部に、前記請求項１〜１０のいずれかに記載の触媒担持体又は触媒装置を備えていることを特徴とするエンジンの排気装置。

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