JP2006037891A - オートバイのマフラーの排気通路内において触媒の浄化、窒酸化を高める方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】排気通路内において、酸化型触媒の一酸化炭素、炭水化物浄化などを浄化する効果と、還元型触媒の窒酸化物を浄化する効果とを高める方法を提供する。
【解決手段】 エンジンの排気端に接続する排気通路内に、前段の還元型触媒を設け、後段の酸化型触媒を設けるとともに、二次空気を該排気通路内に導入し、該前段の還元型触媒を利用してエンジンの排気端から排気通路内に排出される前段排気を浄化して、空燃比（Ａ／Ｆ）≦１４．７である前段排気中の窒酸化物を無害な窒素と酸素に還元し、外部から二次空気を該還元型触媒後方の排気通路内に導入して該後段排気の空燃比を（Ａ／Ｆ）＞１４．７とし、後段の該酸化型触媒を利用して該後段排気を浄化することによって、該後段排気中に残留する一酸化炭素と、炭水化物とを酸化して無害な二酸化炭素と水とにして、外部に放出する。
【選択図】図２

Description

この発明は、オートバイのマフラーの排気通路内において触媒の浄化、窒酸化を高める方法に関し、特に還元型触媒、酸化型触媒、及び二次空気導入位置を指定する配置技術と、かかる配置を応用して排気の空燃比を制限する応用技術に関する。

この発明における排気の空燃比（Ａ／Ｆ）とは、排気に含まれる空気（Ａｉｒ）と燃料（Fuel）との混合比率を指す。一般にエンジンの作動する環境において、空燃比（Ａ／Ｆ）は１４．７前後の所定の範囲内（例えば、図１に斜線で表示する領域）に制御することが理想的であるとされている。かかる範囲内においては好ましいエンジンの回転効率が得られ、不完全燃焼が発生しにくくなる。しかも、エンジンの排気管の通路内の触媒についても、排気中の有害物質と酸化（oxidation）、還元（reduction）反応が容易に進行する。

一般のオートバイは、エンジンコントロールユニット（Engine Control
Unit：ＥＣＵ）と、酸素センサ（Ｏ_２ Sensor）を配置したエンジンの作動環境を具え、排気中の空燃比を安定して制御できるようにしているが、但し、その他さらに効率のよい手段は設けられていない。しかも、通常は、排気量の小さいオートバイは製造コストを考慮するため、酸素センサを設けるように設計されない。かかる酸素センサを設けないオートバイのエンジンは、排気中の空燃比を安定して制御し、１４．７に近い排気の空燃比を得ることができず、このためエンジンの運転効率が低くなり、不完全燃焼によって排気に有害物質の含まれる現象が発生する。

オートバイのエンジンの排気を浄化する効率に影響を与える原因には、触媒を設ける技術と二次空気を導入する位置に係る技術が含まれる。目下、一般には白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、もしくはロジウム（Ｒｈ）などの貴金属で被覆した金属キャリアを排気通路に一、もしくは一以上組み付けて触媒とし、かつかかる触媒キャリアの前のオートバイのエンジンの排気通路に二次空気を導入する。二次空気については、エンジンの運転時に発生する間欠的負圧によって外部の新鮮な空気を排気管内に導入し、これを以って排気中の定量の酸素（Ｏ_２）を補足し、排気の空燃比を１４．７より大きくして、上述する触媒が一酸化炭素（ＣＯ）と炭水化合物（ＨＣ）を酸化する転化効率を高める。

但し、排気中に、酸素（ＣＯ）の含有量が増加すると、触媒であるキャリアを通過する排気の空燃比が１４．７か、もしくはそれ以下にならない。また、酸化反応時に高温が発生する。このため、触媒が窒酸化物（ＮＯ_Ｘ）を還元する転化率がさらに低くなり、外部に放出する排気の窒酸化物（ＮＯ_Ｘ）の含有量が増えるばかりで減少しなくなる。係る現象は、酸性雨、もしくはオゾン層破壊の主要な原因となる。したがって、自然界に対する影響は極めて大きい。

この発明は、オートバイのマフラーの排気通路内において、酸化型触媒が排気中の一酸化炭素（ＣＯ）、炭水化物浄化（ＨＣ）などを浄化する効果に、還元型触媒の窒酸化物（ＮＯ_Ｘ）を浄化する機能を加え、これら浄化能力を高めることのできる触媒の浄化、窒酸化を高める方法を提供することを課題とする。

そこで本発明者は、従来の技術に鑑み鋭意研究を重ねた結果、エンジンの排気端に接続する排気通路内に、前段の還元型触媒と、後段の酸化型触媒とを設けるとともに、二次空気を該排気通路内に導入し、該前段の還元型触媒を利用してエンジンの排気端から排気通路内に排出される前段排気を浄化し、後段の該酸化型触媒を利用して後段排気を浄化する方法によって課題を解決できる点に着眼し、係る知見に基づき本発明を完成させた。
以下、この発明について具体的に説明する。

請求項１に記載するオートバイのマフラーの排気通路内において触媒の浄化、窒酸化を高める方法は、エンジンの排気端に接続する排気通路内に、前段の還元型触媒を少なくとも一以上設け、後段の酸化型触媒を少なくとも一以上設けるとともに、二次空気を該排気通路内に導入し、
（１）のステップにおいて該前段の還元型触媒を利用してエンジンの排気端から排気通路内に排出される前段排気を浄化して、空燃比（Ａ／Ｆ）≦１４．７である前段排気中の窒酸化物（ＮＯ_Ｘ）を無害な窒素（Ｎ_２）と酸素（Ｏ_２）に還元し、
（２）のステップにおいて外部から二次空気を該還元型触媒後方の排気通路内に導入して十分な量の酸素（Ｏ_２）を後段排気に供給して該後段排気の空燃比を（Ａ／Ｆ）＞１４．７とし、
（３）のステップにおいて、後段の該酸化型触媒を利用して該後段排気を浄化することによって、空燃比が（Ａ／Ｆ）＞１４．７である該後段排気中に残留する一酸化炭素（ＣＯ）と、炭水化物（ＨＣ）とを酸化して無害な二酸化炭素（ＣＯ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）とにして、外部に放出する。

請求項２に記載するオートバイのマフラーの排気通路内において触媒の浄化、窒酸化を高める方法は、請求項１における還元型触媒のキャリア内が少なくともロジウム（Ｒｈ）によって被覆される。

請求項３に記載するオートバイのマフラーの排気通路内において触媒の浄化、窒酸化を高める方法は、請求項１における記還元型触媒のキャリア内がロジウム（Ｒｈ）と白金（Ｐｔ）と、及びパラジウム（Ｐｄ）とによって被覆される。

請求項４に記載するオートバイのマフラーの排気通路内において触媒の浄化、窒酸化を高める方法は請求項１における二次空気がエンジンの負圧によって導入される。

請求項５に記載するオートバイのマフラーの排気通路内において触媒の浄化、窒酸化を高める方法は請求項１における二次空気が伝導ポンプによって強制的に導入される。

請求項６に記載するオートバイのマフラーの排気通路内において触媒の浄化、窒酸化を高める方法は請求項１における酸化型触媒のキャリア内が少なくとも白金（Ｐｔ）と、パラジウム（Ｐｄ）とによって被覆される。

請求項７に記載するオートバイのマフラーの排気通路内において触媒の浄化、窒酸化を高める方法は、請求項１における酸化型触媒のキャリア内がロジウム（Ｒｈ）と白金（Ｐｔ）と、及びパラジウム（Ｐｄ）とによって被覆される。

請求項８に記載するオートバイのマフラーの排気通路内において触媒の浄化、窒酸化を高める方法は、請求項1における排気通路が排気をガイドし放出する消音室を含む。

本発明の方法は、オートバイのマフラーの排気通路内において、酸化型触媒が排気中の一酸化炭素（ＣＯ）、炭水化物浄化（ＨＣ）などを浄化する効果に、還元型触媒の窒酸化物（ＮＯ_Ｘ）を浄化する機能を加え、これら浄化能力を高めることによって、外部に放出される排気を十分に浄化し、自然環境に与える影響を減少させるという利点がある。

図２に開示するように、エンジンに近接する排気端（１）の排気通路（１０）内に前段の還元型触媒（reduction catalys）（２）を少なくとも１つ設ける。該還元型触媒（２）は、実施例においては金属、もしくはセラミックのキャリアに少なくともロジウム（Ｒｈ）の成分を含む貴金属を被覆してなり、エンジンの排気端（１）から還元型触媒（２）に至る前段排気（１２）を転化する作用を有する。該還元型触媒（２）の貴金属成分は、ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）、もしくはパラジウム（Ｐｄ）などによって組成する三元触媒（three-way catalyst）である。

上述のとおり設置する還元型触媒（２）の後方の排気通路（１１）内には、二次空気導入口（１４）を形成し、二次空気（１５）を導入する。還元型触媒（２）を複数設ける場合、該二次空気導入口（１４）は最後部の還元型触媒（２）の後方に形成する。

二次空気導入口（１４）の位置の後方で、排気通路（１１０内には、後段の酸化型触媒（oxidation catalyst）（３）を少なくとも一以上設ける。該酸化型触媒（３）は、この考案を実施する場合、金属か、セラミックのキャリアに少なくとも白金（Ｐｔ）と、パラジウム（Ｐｄ）成分を含む貴金属を被覆して形成する。また、酸化型触媒（３）の貴金属の成分は、ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）などによって組成する三元触媒であってもよい。

この考案の構成は上述のとおりであって、排気がエンジンの排気端（１）から排気通路（１０）前断に至る排気（１２）には大量の一酸化炭素（ＣＯ）、炭水化合物（ＨＣ）、窒酸化物（ＮＯ_Ｘ）などの有害物質、及びエンジン内の不完全燃焼によって残留した酸素（Ｏ_２）が含まれる。よって、前段排気（１２）内の空気燃焼比率は（Ａ／Ｆ）≦１４．７の状況にある。よって、排気通路（１０）内の排気の流動方向に基づいて、この考案においては次ぎに掲げるステップと処理を行う。即ち、（１）のステップにおいて還元反応を行い、（２）のステップで二次空気を導入し、（３）のステップで酸化反応を行う。

還元反応を行う（１）のステップにおいては、前段の還元型触媒（２）を利用してエンジンの排気端から排気通路に流入する前段排気（１２）を浄化して、空燃比（Ａ／Ｆ）が≦１４．７の前段排気内の窒酸化物（ＮＯ_Ｘ）を無害な窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ_２）に還元する。

上述するステップにおいて、一酸化炭素（ＣＯ）、炭水化物（ＨＣ）、窒酸化物（ＮＯ_Ｘ）などの有害物質を含む前段排気（１２）が、主要成分として少なくともロジウム（Ｒｈ）を含む還元型触媒（２）内を通過して転化されると、空燃比（Ａ／Ｆ）が≦１４．７のため、残余の一酸化炭素（ＣＯ_２）、炭水化物（ＨＣ）などの有害物質は、まだ完全に浄化されていない。しかも、窒酸化物（ＮＯ_Ｘ）は還元される場合に酸素（Ｏ_２）を生成する。その量は多くはないが、後段排気（１３）に対して酸化反応を行う場合に有益となる。

二次空気を導入する（２）のステップにおいては、上述する還元型触媒（２）の後方の排気通路（１１）内に外部から二次空気を導入し、エンジンの回転数に対して定量の酸素（Ｏ_２）を後段排気（１３）中に供給する。このため、後段排気（１３）の空燃比を（Ａ／Ｆ）＞１４．７の状態にすることができる。

上述するステップにおける二時空気の導入を制御する方法は、実施例においてエンジンの負圧を動力源とする方法を採用する。これには二次空気を制御するバルブを含み、該バルブをエンジン、もしくはラジエタ―負圧端に接続し、負圧による間欠性の吸入力で作動させ、外部の新鮮な空気（即ち二次空気）還元型触媒（２）後方の排気通路（１１）内に導入する。かかる方法によればエンジンの回転速度の高低に従って二次空気の導入する量を増減させることが容易になる。言いかえれば二次空気を導入する量と排気の量とは正比例の関係にあり、還元型触媒に後方の排気通路（１０）内の排気が含む酸素の量を高めることができる。即ち後段（１３）の空燃比を（Ａ／Ｆ）＞１４．７（図３参照）とすることができる。

また、伝導二次空気を伝導ポンプを利用して後方の排気通路（１１）に強制的に導入する方法であってもよい。

酸化反応を進行させる(３)のステップにおいては、後段の酸化型触媒酸を利用して上述の後段排気を浄化し、空燃比(Ａ／Ｆ)＞１４．７である後段排気（１３）中に残留する一酸化炭素(ＣＯ)と、炭水化物（ＨＣ）とを短時間内に酸化して無害な二酸化炭素（ＣＯ_２）と水(Ｈ_２Ｏ)にする。

上述のステップにおいて、後段の酸化型触媒酸には主成分として少なくとも白金（Ｐｔ）と、パラジウム(Ｐｄ)などの貴金属を含み、後段排気（１３）の空燃比がＡ／Ｆ＞14．7の状況下にあって理想的な転化率を発揮する。

上述する(１)から(３)のステップにおける方法は、前段還元型触媒が窒酸化物(ＮＯ_Ｘ)を浄化する転化率を高めるとともに、後段の酸化型触媒酸が一酸化炭素(ＣＯ)と炭水化物(ＨＣ)を浄化する好ましい転化率（図３参照）を維持することができる。従ってオートバイのエンジンが放出する排気の品質の確実、且つ十分に高めることが出きる。

また、この発明の上述する図２の実施方法はエンジン排気管（１）が排気を放出する排気通(１０)(１１)に排気をガイドして放出する消音室（４）も含む。言いかえれば前段の還元型触媒に、二次空気(１５)を導入する位置、及び後段の酸化型触媒酸は排気通路（１０）（１１）消音室の仕切り板(４１)上(図２参照)に設けられ、排気を放出する通路において上述する還元と酸化反応を行う。かかる部材の位置の変化などはいずれもこの発明の思想及びその応用に属するものであることをここで釈明する。

以上はこの発明の好ましい実施例であって、この発明の実施の範囲を限定するものではない。よって、当業者のなし得る修正、もしくは変更であって、この発明の精神の下においてなされ、この発明に対して均等の効果を有するものは、いずれも本発明の特許請求の範囲に属するものとする。

理想的な転化率と空燃比を示したグラフである。 排気通路内の部材配置を示した説明図である。 この発明の方法による転化率と空燃比を示したグラフである。

符号の説明

１ エンジン排気管
２ 還元型触媒
３ 酸化型触媒
１０，１１ 排気通路
１２ 前段排気
１３ 後段排気
１４ 二次空気導入口
１５ 二次空気
４１ 仕切り板

Claims (8)

1. エンジンの排気端に接続する排気通路内に、前段の還元型触媒を少なくとも一以上設け、後段の酸化型触媒を少なくとも一以上設けるとともに、二次空気を該排気通路内に導入し、
   （１）のステップにおいて該前段の還元型触媒を利用してエンジンの排気端から排気通路内に排出される前段排気を浄化して、空燃比（Ａ／Ｆ）≦１４．７である前段排気中の窒酸化物（ＮＯ_Ｘ）を無害な窒素（Ｎ_２）と酸素（Ｏ_２）に還元し、
   （２）のステップにおいて外部から二次空気を該還元型触媒後方の排気通路内に導入して十分な量の酸素（Ｏ_２）を後段排気に供給して該後段排気の空燃比を（Ａ／Ｆ）＞１４．７とし、
   （３）のステップにおいて、後段の該酸化型触媒を利用して該後段排気を浄化することによって、空燃比が（Ａ／Ｆ）＞１４．７である該後段排気中に残留する一酸化炭素（ＣＯ）と、炭水化物（ＨＣ）とを酸化して無害な二酸化炭素（ＣＯ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）とにして、外部に放出することを特徴とするオートバイのマフラーの排気通路内において触媒の浄化、窒酸化を高める方法。
2. 前記還元型触媒のキャリア内が少なくともロジウム（Ｒｈ）によって被覆されることを特徴とする請求項１に記載のオートバイのマフラーの排気通路内において触媒の浄化、窒酸化を高める方法。
3. 前記還元型触媒のキャリア内がロジウム（Ｒｈ）と白金（Ｐｔ）と、及びパラジウム（Ｐｄ）とによって被覆されることを特徴とする請求項１に記載のオートバイのマフラーの排気通路内において触媒の浄化、窒酸化を高める方法。
4. 前記二次空気がエンジンの負圧によって導入されることを特徴とする請求項１に記載のオートバイのマフラーの排気通路内において触媒の浄化、窒酸化を高める方法。
5. 前記二次空気が伝導ポンプによって強制的に導入されることを特徴とする請求項１に記載のオートバイのマフラーの排気通路内において触媒の浄化、窒酸化を高める方法。
6. 前記酸化型触媒のキャリア内が少なくとも白金（Ｐｔ）と、パラジウム（Ｐｄ）とによって被覆されることを特徴とする請求項１に記載のオートバイのマフラーの排気通路内において触媒の浄化、窒酸化を高める方法。
7. 前記酸化型触媒のキャリア内がロジウム（Ｒｈ）と白金（Ｐｔ）と、及びパラジウム（Ｐｄ）とによって被覆されることを特徴とする請求項１に記載のオートバイのマフラーの排気通路内において触媒の浄化、窒酸化を高める方法。
8. 前記排気通路が排気をガイドし放出する消音室を含むことを特徴とする請求項１に記載のオートバイのマフラーの排気通路内において触媒の浄化、窒酸化を高める方法。

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