JP2005273602A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排ガス浄化装置に関し、排気系をコンパクトに構成しながら、排ガスを触媒に均一に流入させることができるようにする。
【解決手段】 整流室８内に、一方の開口部２０ａがケーシング４の一端部に近接し且つ他方の開口部２０ｂが浄化室５に接続された筒状部材２０をそなえ、排ガスが、排ガス導入口３から整流室８の内壁と筒状部材２０との間の空間６に導入されて筒状部材２０の一方の開口部２０ａから浄化室５へ流入するように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気通路を通して排出される排ガスを触媒により浄化する、排ガス浄化装置に関するものである。

従来より、例えば自動車などの車両に備えられたエンジンの排気系には、排出される排ガスを浄化するために、いわゆる触媒コンバータ（以下、単に触媒という）と称される排ガス浄化装置が設けられている。複数気筒を有するエンジンの場合、このような触媒を排気マニホールドの直下流に設けたものも開発されている。一般に、排気マニホールドは、その上流側は各気筒毎に分岐しており、それぞれエンジンの各排気ポートに接続され、その下流側は一つに集合して連結され、この集合部の直下流に触媒が取り付けられたものがある。

これにより、エンジンから排出される排ガスは、排気マニホールドを通って触媒により浄化された後、マフラーなどを介して外部へ排出される。特に、このように排気マニホールドの直下流に触媒を設けると、燃焼室から触媒までの距離が短くなるので、温度低下の少ない排ガスを触媒に導入することができ、触媒温度を早期に上昇させて触媒活性を高くすることができる。

ところで、エンジンルームのスペースが少ない場合、排気マニホールドをより短く形成することや、レイアウトの制約上から触媒をエンジンに近接した位置に配置したり、触媒を排気マニホールドの上方に配置したり、排気マニホールドの出口方向に対して斜めに傾けて配置したりする場合もある。例えば図３に示すように、エンジン（図示しないが３気筒エンジン）に突設された複数の排気マニホールド５０ａ，５０ｂ，５０ｃの排気出口を一箇所で集合させて連結し、触媒５２をこの集合部５１の上方の位置に且つ排気マニホールド５０ａ側に斜めに傾けて取り付けている。また、この場合、レイアウト制約上、排ガスの酸素濃度（即ち空燃比）を検出するＯ₂センサ５３は、集合部５１と触媒５２との間に設けている。

このような技術として、特許文献１には、排気マニホールドの集合部のスロート状に拡径する排気出口端の入口部分に内壁を部分的に突設させた構造の堰を設け、触媒に最も近い一部気筒から直線状に流入する排ガスの流れを、他の気筒からの排ガスによって生成されるスワール流に対し略平行に偏向させる技術が開示されている。
特開平８−２１２３１号公報

ところで、触媒を効率良く使うためには、触媒に対して排ガスが均等に流入するようにしたい。
しかしながら、図３に示す従来の排ガス浄化装置では、触媒５２を排気マニホールド５０ａ側に斜めに傾けて設けているため、排気マニホールド５０ｂ，５０ｃを通して排出される排ガスは比較的円滑に触媒５２に流入するが、排気マニホールド５０ａを通して排出される排ガスは、触媒５２に流入するには図３中の矢印Ｒ₀に示すように鋭角に屈曲した流路を通らなければならず、触媒５２へ円滑に流れにくい。このため、排気マニホールド５０ａ，５０ｂ，５０ｃから触媒５２へ流入する排ガスの流れが不均一になって触媒５２全体に均等に当たらなくなり、特に排ガスの当たりやすい箇所では触媒５２が早く劣化してしまうおそれがある。また、このように排ガスの流れが不均一であると、Ｏ₂センサ５３による酸素濃度の検出を正確に行なうことができない。

また、特許文献１の技術では、排ガスのスワール流により触媒の内壁側の圧力が高くなり、排ガスを触媒に均一に当てることができないおそれがある。

本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、排気系をコンパクトに構成しながら、排ガスを触媒に均一に流入させることができるようにした、排ガス浄化装置を提供することを目的とする。

このため、請求項１記載の本発明の排ガス浄化装置は、一端部が閉塞された筒状のケーシングと、該ケーシング側面における該一端部近傍に形成され、排ガスを該ケーシング内に導入するための排ガス導入口と、該ケーシング内に設けられ、該排ガス導入口から導入された排ガスを整流する整流室と、該ケーシング内の該整流室よりも排ガス流れ方向下流側に設けられ、排ガスを浄化する触媒をそなえた浄化室と、該整流室内に設けられ、一方の開口部が該ケーシングの該一端部に近接し且つ他方の開口部が該浄化室に接続された筒状部材とをそなえ、排ガスが、該排ガス導入口から該整流室の内壁と該筒状部材との間の空間に導入されて該筒状部材の該一方の開口部から該浄化室へ流入するように構成されていることを特徴としている。

請求項２記載の本発明の排ガス浄化装置は、請求項１記載の装置において、該整流室の内壁と該筒状部材との間の空間に、排ガスの酸素濃度を検出する検出装置をそなえていることを特徴としている。
請求項３記載の本発明の排ガス浄化装置は、請求項１又は２記載の装置において、該筒状部材はベルマウス形状に形成されていることを特徴としている。

請求項１記載の本発明の排ガス浄化装置によれば、排気系をコンパクトに構成しながら、排ガスを触媒に均一に流入させることができる。これにより、触媒の局所的な劣化を防止することが可能になる。
請求項２記載の本発明の排ガス浄化装置によれば、排ガスを検出装置に均一に当てることができ、検出精度を向上させることができる。また、検出装置は、浄化室とは筒状部材により隔てられて配置されるので、触媒反応熱による破損を防止することができる。

請求項３記載の本発明の排ガス浄化装置によれば、より確実に排ガスを整流することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１、図２（ａ）及び図２（ｂ）は、本発明の一実施形態としての排ガス浄化装置を説明するためのもので、図１は斜視図（一部断面で示す）、図２（ａ）は側面図（一部断面で示す）、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
本実施形態に係る排ガス浄化装置は、図１、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、例えば自動車等の車両に備えられたエンジン（図示しないが、ここでは３気筒エンジン。内燃機関）の排気マニホールド（排気通路）１ａ，１ｂ，１ｃに設けられ、エンジンから排気マニホールド１ａ，１ｂ，１ｃを通して排出される排ガスを、触媒が内装された浄化室５において浄化するように構成されている。なお、以下では、一例として、本装置を３気筒のエンジンに適用した場合について説明する。

排気マニホールド１ａ，１ｂ，１ｃはそれぞれエンジンの各気筒毎に突設されて備えられる。ここでは、排気マニホールド１ａ，１ｂ，１ｃはフランジ１０に固設されており、フランジ１０に形成された取付穴１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄにボルトを挿入して排気マニホールド１ａ，１ｂ，１ｃをエンジンの各排気ポートに接続できるようになっている。また、排気マニホールド１ａ，１ｂは排気マニホールド１ｃの方へ屈曲して形成されており、排気マニホールド１ａ，１ｂ，１ｃが一つに集合して連結され、集合部１５が形成されている。これら排気マニホールド１ａ，１ｂ，１ｃの集合部１５には、集合部１５の斜め上方（排気マニホールド１ａ，１ｂから遠ざかる方向）へ延びる集合排気管２が突設されている。また、排気マニホールド１ａ，１ｂ，１ｃと集合排気管２とは比較的短く形成されており、浄化室５の触媒が排気マニホールド１ａ，１ｂ，１ｃの直下流に位置している。これにより、エンジンの燃焼室から触媒までの距離が短くなるので、浄化室５の触媒の温度を早期に上昇させて触媒活性を高くすることができ、浄化効率を向上させることが可能になっている。

集合排気管２の排気出口には、一端部が閉塞された筒状のケーシング４が設けられている。なお、ここでいう筒状とは内部が中空になっている管状のものをいい、断面形状が円形だけでなく楕円形やさらに矩形なども含む。ケーシング４は、集合排気管２に対して略直角に、且つ、他端部が排気マニホールド１ａの上方へ延びて設けられている。
具体的には、ケーシング４は、集合排気管２の排気出口に接続された第１ケーシング部８と、着脱可能に接続された第２ケーシング部９とから構成されている。

第１ケーシング部８は、一端部が壁部１６により閉塞された筒状に形成されているとともに、側面（周面）における壁部１６近傍に排ガス導入口３が形成されており、この排ガス導入口３に、上述した集合排気管２の排気出口が連結されている。そして、第１ケーシング部８は、排ガス導入口３から導入された排ガスを整流する整流室として機能する。
第２ケーシング部９は、第１ケーシング部８と同様に筒状に形成されている。具体的には、第１ケーシング部８の内部に挿入されて第１ケーシング部８内の排ガスを導入する導入室７を形成する第１筒状部材（筒状部材）２０と、排ガスを触媒により浄化する浄化室５を形成する第２筒状部材２１と、排ガスを排出する排出室１４を形成する第３筒状部材２２とが一体となって構成されている。

第２ケーシング部９が第１ケーシング部８内に装着された状態のとき、第１筒状部材２０は、排ガス導入口３から導入される排ガスの導入方向に略直角に位置するように設定されている。また、第１筒状部材２０の一方の開口部（開口縁部）２０ａは、他方の開口部（開口縁部）２０ｂよりも小さい径で形成されているとともに、第１ケーシング部８の壁部１６に近接しており壁部１６との間に所定の隙間が形成されている。第１筒状部材２０の他方の開口部２０ｂは第２筒状部材２１と接続されている。

また、第１筒状部材２０の中間部１２は、開口部２０ａ，２０ｂに比べて断面の径が小さく、くびれて形成されている。つまり、一方の開口部２０ａから中間部１２にいくにしたがって縮径し、中間部１２から他方の開口部２０ｂにいくにしたがって拡径するように形成されている。このような第１筒状部材２０の形状はベルマウス形状とも称され、第１筒状部材２０の内部を流れる排ガスに渦などが発生することなく、排ガスの流れ方向を均一にして、より確実に整流することが可能になっている。

また、図２（ｂ）に示すように、第１ケーシング部８の内壁と第１筒状部材２０の外周面との間の空間６は環状に形成されており、排ガスは図２中の矢印で示すように環状空間６内においても円滑に流れて整流されるようになっている。
さらに、環状空間６の上部近傍には、排ガス中の酸素濃度を検出するための検出装置としてのＯ₂センサ１３が備えられている。環状空間６内の排ガスは整流されているので、Ｏ₂センサ１３には排ガスが均一に当たるようになっている。なお、Ｏ₂センサ１３により検出された検出情報は例えばエンジン制御などに利用される。

また、図１及び図２（ａ）に示すように、第１ケーシング部８の壁部１６の内側には、第１筒状部材２０の開口部２０ａへ向かって曲面状に隆起した凸部１６ａが形成されている。これにより、環状空間６を流れる排ガスを、第１ケーシング部８の壁部１６と第１筒状部材２０の開口部２０ａとの間の隙間から導入室７へ円滑に流入させることが可能になっている。

浄化室５は、導入室７の排ガス流れ方向下流側に形成されており、排ガスを浄化するための触媒（例えば三元触媒）を内装している。浄化室５には、導入室７により整流された排ガスが均一に流入するので、排ガスが触媒全体に均等に当たるようになっている。また、浄化室５で浄化された排ガスは排出室１４を通り、マフラー（図示省略）などを介して外部へ排出されるようになっている。

本発明の一実施形態としての排ガス浄化装置は、上述のごとく構成されているので、エンジンの各気筒から排出された排ガスは、排気マニホールド１ａ，１ｂ，１ｃを通って集合部１５で集められ、集合排気管２を通って排ガス導入口３から環状空間６に導入される。環状空間６に導入された排ガスは整流されるとともに、排ガスの一部が、第１ケーシング部８の壁部１６と第１筒状部材２０の開口部２０ａとの間の隙間から導入室７へ流入し、導入室７内で整流される。導入室７内で整流された排ガスは、浄化室５へ均一に流入して浄化室５の触媒により浄化された後、排出室１４を通してマフラーなどを介して外部へ排出される。

このように、排ガス導入口３から導入された排ガスを環状空間６にて整流することができるので、排ガスをＯ₂センサ１３に均一に当てることができ、検出精度を向上させることができる。また、Ｏ₂センサ１３は、浄化室５とは第１筒状部材２０により隔てられて配置されるので、触媒反応熱による破損を防止することができる。
さらに、排ガスの環状空間６への導入方向と浄化室５への導入方向とが略直角に設定されていても、排ガスを整流しながら浄化室５へ均一に流入させることができる。つまり、排気系をコンパクトに構成しながら、排ガスを触媒全体に均一に当てることができ、触媒の局所的な劣化を防止することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、本実施形態では、第１筒状部材２０をベルマウス形状に形成したが、第１筒状部材２０の一方の開口部２０ａから他方の開口部２０ｂにいくにしたがって拡径するように（即ち、第１筒状部材１０の中間部にくびれを設けないで）形成してもよい。また、第１ケーシング部８の凸部１６ａは、特に形成する必要はない。さらに、Ｏ₂センサの代わりにリニアＡ／Ｆセンサなどの他の検出装置を設けてももちろんよい。

本発明の一実施形態としての排ガス浄化装置を模式的に示す斜視図（一部断面で示す）である。 本発明の一実施形態としての排ガス浄化装置を模式的に示す図であって、（ａ）はその側面図（一部断面で示す）、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 従来の排ガス浄化装置を示す斜視図（一部断面で示す）である。

符号の説明

１ａ，１ｂ，１ｃ 排気マニホールド
２ 集合排気管
３ 排ガス導入口
４ ケーシング
５ 浄化室
６ 環状空間
７ 導入室
８ 第１ケーシング部
９ 第２ケーシング部
１０ フランジ
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ 取付穴
１２ 中間部
１３ Ｏ₂センサ（検出装置）
１４ 排出室
１５ 集合部
１６ 壁部
１６ａ 凸部
２０ 第１筒状部材（筒状部材）
２０ａ 第１筒状部材の一方の開口部
２０ｂ 第１筒状部材の他方の開口部
２１ 第２筒状部材
２２ 第３筒状部材

Claims (3)

1. 一端部が閉塞された筒状のケーシングと、
   該ケーシング側面における該一端部近傍に形成され、排ガスを該ケーシング内に導入するための排ガス導入口と、
   該ケーシング内に設けられ、該排ガス導入口から導入された排ガスを整流する整流室と、
   該ケーシング内の該整流室よりも排ガス流れ方向下流側に設けられ、排ガスを浄化する触媒をそなえた浄化室と、
   該整流室内に設けられ、一方の開口部が該ケーシングの該一端部に近接し且つ他方の開口部が該浄化室に接続された筒状部材とをそなえ、
   排ガスが、該排ガス導入口から該整流室の内壁と該筒状部材との間の空間に導入されて該筒状部材の該一方の開口部から該浄化室へ流入するように構成されている
   ことを特徴とする、排ガス浄化装置。
2. 該整流室の内壁と該筒状部材との間の空間に、排ガスの酸素濃度を検出する検出装置をそなえている
   ことを特徴とする、請求項１記載の排ガス浄化装置。
3. 該筒状部材はベルマウス形状に形成されている
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載の排ガス浄化装置。

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