JP2006291813A - Exhaust emission control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の排気路に配備され、内燃機関が排出する排気ガス中の燃焼生成物質を酸化あるいは還元して浄化するための触媒を備えた排気ガス浄化装置に関するものである。 The present invention relates to an exhaust gas purifying apparatus that is provided in an exhaust passage of an internal combustion engine and includes a catalyst for purifying a combustion product in exhaust gas discharged from the internal combustion engine by oxidation or reduction.
環境保全のため車両に搭載される内燃機関の排気ガス浄化規制がより強化されてきており、これに伴ない、内燃機関の排気路に装着される触媒の浄化効率をより高めることが要求されてきている。従来、内燃機関の排気路上に配備される代表的な触媒システムとしては、シングル触媒システム(単一担体)とタンデム触媒システム(2担体)がある。タンデム触媒システムの場合、前段触媒と後段触媒との間に隙間部が確保され、ここに達した排ガスがミキシングされてから後段触媒に流動するという特性を備えるため、触媒反応が偏らずに生じることとなる。このため、一般にタンデム触媒はシングル触媒よりも優れており、これは隙間部で発生するガスのミキシングが性能向上の主要因と考えられている。 In order to protect the environment, exhaust gas purification regulations for internal combustion engines mounted on vehicles have been strengthened, and as a result, it has been required to further increase the purification efficiency of catalysts installed in the exhaust passages of internal combustion engines. ing. Conventionally, as a typical catalyst system provided on an exhaust passage of an internal combustion engine, there are a single catalyst system (single carrier) and a tandem catalyst system (two carriers). In the case of a tandem catalyst system, a gap is secured between the upstream catalyst and the downstream catalyst, and the exhaust gas that reaches here is mixed and then flows to the downstream catalyst. It becomes. For this reason, the tandem catalyst is generally superior to the single catalyst, and it is considered that the mixing of the gas generated in the gap is the main factor for improving the performance.
なお、特開平9−195757号公報(特許文献1)には触媒コンバータが開示される。この触媒コンバータはそのケーシング内に排気ガス流動方向に沿って互いに隙間部を介して3段に触媒担体を配設し、各担体の流路抵抗が出口側ほど増すように設定し、これにより隙間部で排ガスを攪拌して排ガスを全域に分散し、浄化効率を向上させている。 JP-A-9-195757 (Patent Document 1) discloses a catalytic converter. In this catalytic converter, catalyst carriers are arranged in three stages in the casing along the exhaust gas flow direction via gaps, and the flow resistance of each carrier is set so as to increase toward the outlet side. The exhaust gas is agitated in the section to disperse the exhaust gas throughout the region, thereby improving the purification efficiency.
本発明者は、さらに排ガス浄化機能向上のため、検討を進めた。以下にその検討の過程および結果を述べる。
ここでは、図9(a),(b)に示すように、シングル触媒システム(単一担体)100の担体101上のA,Bの二箇所とタンデム触媒システム(2担体)200の担体201,202上のC,Dの二箇所との各温度を測定した。ここでは、実車運転中の触媒内の温度分布を計測した。この際、運転状態として、10.15モード中の20km/hと、定常走行20km/hのタンデムとシングルブリック触媒システムの温度分布を採取し、図9(c),(d)を得た。
The present inventor further studied to improve the exhaust gas purification function. The examination process and results are described below.
Here, as shown in FIGS. 9A and 9B, two locations A and B on a carrier 101 of a single catalyst system (single carrier) 100 and a carrier 201 of a tandem catalyst system (two carriers) 200, Each temperature at two locations C and D on 202 was measured. Here, the temperature distribution in the catalyst during actual vehicle operation was measured. At this time, the temperature distribution of the tandem and the single brick catalyst system of 20 km / h in the 10.15 mode and the steady running of 20 km / h was sampled as the operating state, and FIGS. 9C and 9D were obtained.
更に、図10に示すように、10・15モード中の20km/hにおいて、タンデム触媒システムの前段と後段担体201,202上のC,Dの二箇所の各平均温度(336,373℃)は共に、シングルブリック触媒システムの担体101上の同じ位置A,Bの二箇所の平均温度(310,366℃)に比べて高かった。ここで、特筆すべき点は、タンデム触媒システム200ではシングルブリック触媒システム100に比べて、前段担体201の温度上昇ufが後段担体202の温度上昇urよりも大きかったことである。なお、連続する定常走行20km/hにおいて、タンデム触媒システム200の前段と後段担体201、202の平均温度はともにシングルブリック触媒システムの同じ位置に比べて高かった。
Furthermore, as shown in FIG. 10, at 20 km / h in the 10 · 15 mode, the average temperatures (336, 373 ° C.) at the two positions C and D on the front stage and the rear stage supports 201 and 202 of the tandem catalyst system are as follows. Both were higher than the average temperature (310, 366 ° C.) at two locations at the same positions A and B on the carrier 101 of the single brick catalyst system. Here, it should be noted that in the
このデータ特性について推考すると、シングルブリック触媒システム100に比べ、タンデム触媒システム200ではフロント及びリア各々の触媒担体201、202の容量が小さいため、過渡運転域においては、タンデムの各触媒の方が温度の上昇が早くなる可能性がある。しかしながら、上述のデータ特性においては、熱容量の影響がない定常運転においても、リアだけでなくフロントについても、タンデムの方が触媒温度が高くなっていることが特徴的であり、このことは次に述べる排気逆流の影響が大きいことを示していると推測される。なお、冷態時においてもタンデム触媒システムの方が触媒温度が高くなることが同様に確認されている。
In consideration of this data characteristic, since the capacity of the front and rear catalyst carriers 201 and 202 is smaller in the
ここで、排気逆流についてさらに検討を進めた。排気逆流とは通常の順方向(シリンダヘッドからテールパイプ方向)の排気流れとは逆にテールパイプからシリンダヘッド方向へ流れる排気として定義できる。なお、ここでは圧力脈動等の圧力波ではなく排気ガス流体そのものの物質的な移動を逆流としている。
排気逆流れの要因としては以下の3点が考えられる。
1) 筒内圧と排圧との差による排気の筒内への逆流
2) バルブオーバラップによる吸気側への吹き返し
3) 排気管内のガス冷却による体積減少
そこで、本発明者は、図11に示すような放電タフト法を適用した逆流計測装置300を用い、タンデム隙間部の逆流の発生特性を計測した。ここでは、タンデム触媒システムのケーシング301内にスパークプラグ302を装着し、このスパークプラグにはコイル303、パルス発生器304、電源305からなるスパーク発生装置305を接続している。ケーシング301はその中央壁部の一部が耐熱ガラス(クオーツ・ガラス)306で形成され、同耐熱ガラス306を通してスパークプラグ302のスパーク画像(図12参照)をハイスピードカメラであるビデオカメラ307で撮影し、その画像をデータ蓄積部308に録画し、モニタ309で再生するような録画装置310を備える。
Here, further investigation was made on the exhaust backflow. The exhaust reverse flow can be defined as exhaust flowing from the tail pipe to the cylinder head in the opposite direction of the normal forward (cylinder head to tail pipe) exhaust flow. Here, not the pressure wave such as pressure pulsation but the material movement of the exhaust gas fluid itself is a reverse flow.
The following three points can be considered as factors of the exhaust backflow.
1) Backflow of exhaust into cylinder due to difference between in-cylinder pressure and exhaust pressure 2) Blow back to intake side due to valve overlap 3) Volume reduction due to gas cooling in exhaust pipe Therefore, the present inventor shows FIG. Using the
このような逆流計測装置300を用いて、図13(a)に示す条件で、スパーク画像(図12参照)に示すような放電時アークの順方向(排ガスの順流れを示す)f1と逆流方向(排ガスの逆流を示す)f2と流動停止時f0を測定し、図13(b)に示すような逆流比率を取得した。ここで明らかなように、エンジン750rpmでの運転時にはA,B,Cのエンジンモータリング駆動時における逆流率が30%以下であるのに対し、Dのエンジン駆動時(ファイアリング)における逆流比率が45%程度と高レベルとなっている。これはエンジン駆動時の排気ガスの逆流は、排気管(図9(a)の符号400)での排ガスの放熱による排ガス容積変動が大きく影響していることが明らかであります。
Using such a
上述のように、従来装置や特許文献1等の触媒装置では、単に、前段触媒と後段触媒を有するタンデム触媒システムを採用することにより、触媒装置のケーシング内での前段触媒と後段触媒との間の隙間部での排ガスの攪拌特性を用い排ガスの攪拌機能を強化して排気浄化効率を改善している。
本発明は、上述のように、排気管を流動する排ガスの排気逆流を利用して排気浄化効率を向上させることが可能である点に着目して成されたものであり、排気浄化効率をより向上させることのできる排気ガス浄化装置を提供するものである。
As described above, in the conventional apparatus and the catalyst apparatus of Patent Document 1 or the like, the tandem catalyst system having the front stage catalyst and the rear stage catalyst is simply adopted, so that the space between the front stage catalyst and the rear stage catalyst in the casing of the catalyst apparatus is reduced. Exhaust gas purification efficiency is improved by strengthening the exhaust gas agitating function using the exhaust gas agitation characteristics in the gaps.
The present invention has been made paying attention to the point that it is possible to improve the exhaust gas purification efficiency by utilizing the exhaust gas reverse flow of the exhaust gas flowing through the exhaust pipe as described above. An exhaust gas purification device that can be improved is provided.
上述の目的を達成するために、請求項1の排気ガス浄化装置は、内燃機関の本体より延出する排気管上に配備されたケーシングと同ケーシングに内装された担体と同担体に担持された触媒成分とを有した触媒コンバータを備えた排気ガス浄化装置において、上記担体の長さを上記ケーシング内に生じる逆流の長さと同等又は小さく設定したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, an exhaust gas purifying apparatus according to claim 1 is supported on a casing disposed on an exhaust pipe extending from a main body of an internal combustion engine, a carrier housed in the casing, and the carrier. In the exhaust gas purifying apparatus including a catalytic converter having a catalytic component, the length of the carrier is set to be equal to or smaller than the length of the backflow generated in the casing.
請求項2の排気ガス浄化装置は、内燃機関の本体より延出する排気管上に配備されたケーシングと、同ケーシング内に排気路方向に沿って互いに空間を介して直列状に順次配備された複数の担体と、上記各担体に担持された触媒成分とを有した触媒コンバータを備えた排気ガス浄化装置において、上記複数の担体の少なくとも上流側の担体の長さを上記ケーシング内に生じる逆流の長さと同等又は小さく設定したことを特徴とする。
The exhaust gas purifying device according to
請求項3の排気ガス浄化装置は、請求項1又は2記載の排気ガス浄化装置において、上記逆流の長さは、少なくとも上記排気管から放熱することによる排気ガスの容積変動に基づいたことを特徴とする排気ガス浄化装置。
The exhaust gas purifying apparatus according to
請求項4の排気ガス浄化装置は、請求項1乃至3のいずれか一つに記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、上記逆流は少なくとも冷態アイドル時に生じるよう排気管長さ、或いは排気ガス入口側の担体の長さが設定されることを特徴とする。
The exhaust gas purifying apparatus according to
請求項5の排気ガス浄化装置は、請求項1乃至4のいずれか一つに記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、上記逆流の長さに応じて長さが設定される上記担体の容量を上記ケーシング内から上記内燃機関側に流出する排気ガス量と同等又は小さく設定したことを特徴とする。
The exhaust gas purifying apparatus according to
請求項1の発明によれば、担体を通過した排気ガスが一旦担体外で攪拌された上で、再度担体全体をカバーするだけ逆流するので、担体の触媒成分と排気ガスの浄化反応を促進でき、これに伴う担体の温度上昇を図れ、浄化効率を向上できる。 According to the first aspect of the present invention, the exhaust gas that has passed through the carrier is once stirred outside the carrier and then flows back as long as it covers the entire carrier. Therefore, the purification reaction between the catalyst component of the carrier and the exhaust gas can be promoted. As a result, the temperature of the carrier can be increased and the purification efficiency can be improved.
請求項2の発明によれば、ケーシングの少なくとも上流側の担体を通過した排気ガスが一旦空間で攪拌された上で、再度排気ガス入口側担体の全体をカバーするだけ逆流するので、同担体の触媒成分と排気ガスの浄化反応を促進でき、これに伴う上流側触媒及び後段側の触媒の触媒温度上昇を図れ、これによる浄化効率を促進できる。 According to the second aspect of the present invention, the exhaust gas that has passed through the carrier on at least the upstream side of the casing is once stirred in the space and then backflowed again to cover the entire exhaust gas inlet side carrier. The purification reaction of the catalyst component and the exhaust gas can be promoted, the catalyst temperature of the upstream side catalyst and the downstream side catalyst can be increased accordingly, and the purification efficiency by this can be promoted.
請求項3の発明によれば、排気ガスの逆流の長さを少なくとも排気管から放熱することによる排気ガスの容積変動を考慮しているため、担体の長さを適切に設定できる。 According to the third aspect of the present invention, the length of the backflow of the exhaust gas is considered at least due to the volume fluctuation of the exhaust gas due to heat dissipation from the exhaust pipe, and therefore the length of the carrier can be set appropriately.
請求項4の発明によれば、冷態アイドル時の触媒の温度上昇による暖気促進を図れ、浄化効率がより促進される。 According to the fourth aspect of the present invention, warm-up can be promoted by the temperature rise of the catalyst during cold idling, and the purification efficiency is further promoted.
請求項5の発明によれば、逆流する排気ガスが効率よく担体全体をカバーするので、担体の触媒成分と排気ガスの浄化反応を促進でき、これに伴う担体の温度上昇を図れ、浄化効率を向上できる。 According to the fifth aspect of the present invention, the exhaust gas that flows backward efficiently covers the entire carrier, so that the purification reaction of the catalyst component of the carrier and the exhaust gas can be promoted, the temperature of the carrier can be increased accordingly, and the purification efficiency can be improved. It can be improved.
図1にはこの発明の一実施形態としての排気ガス浄化装置と、同装置を装備する内燃機関を示した。内燃機関は筒内噴射型4サイクル多気筒ガソリンエンジン(以後、単にエンジン1と記す)で、このエンジン1の本体内には上下摺動するピストン2を有したシリンダ3が気筒数(図には1つのみ示す)配備される。このエンジン1は駆動時において、シリンダ3内の燃焼室4がエアークリーナAC、スロットル弁SVを介して吸気路5からの吸気を吸入し、エンジン制御装置(ECU)10により所定の燃料噴射時期に電磁式の燃料噴射弁6を駆動して燃料噴射を行い、更に、点火プラグ7を適時に駆動して点火処理を行う。これによりエンジン1は混合気の燃焼による出力発生作動を行い、排ガスを排気路8に排出することで4サイクル運転モードでの駆動を行う。
FIG. 1 shows an exhaust gas purifying apparatus as an embodiment of the present invention and an internal combustion engine equipped with the apparatus. The internal combustion engine is an in-cylinder injection type four-cycle multi-cylinder gasoline engine (hereinafter simply referred to as the engine 1), and a
ここでエンジン本体からは各気筒毎に略水平方向に排気ポート9が形成され、各排気ポート(図1には1つのみ示す)には排気路8を形成する排気マニホールド11と、排気路8を形成する排気管12と、排気管12の端部に配備される排気ガス浄化装置の要部をなす触媒コンバータ13と、下流側排気管14と、図示しないマフラーがこの順に連結され、排気を排気路8に沿って外部に排出可能に形成される。
触媒コンバータ13の上流側の排気管12には空燃比A/Fを検出する空燃比センサ16が設けられている。
Here, from the engine body, an exhaust port 9 is formed in a substantially horizontal direction for each cylinder, and an exhaust manifold 11 that forms an
An air-
図1、2に示すように、触媒コンバータ13は車両の床17の下に配備されたタンデム触媒システムを成しており、排気管12及び下流側排気管12に連続するよう内径を拡大させた形状の筒状のケーシング18と、ケーシング18内にずれなく配備されるハニカム構造を成す前段担体21及び後段担体22と、前段担体21及び後段担体22管の隙間部20と、前後担体21,22にそれぞれ形成され軸方向に貫通する多数の貫通孔23と、貫通孔23の耐火性無機酸化物からなる内壁24と、同内壁24に担持された貴金属の触媒成分(不図示)とを有する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
エンジン1の本体より車両の床17の下の触媒コンバータ13に排気を導く排気マニホールド11と排気管12からなる排気管長さ(以後、ここでの排気官長さと記す)Leは比較的長く、その放熱面積も比較的大きい。このためエンジン本体より排出された高温の排ガスは瞬時に冷却され、触媒コンバータ13に達する時には容積が比較的減縮するように形成される。ここでの排気管長さLeは、特に、後述するように、排ガス逆流を生成できるような長さに設定される。
The length of the exhaust pipe (hereinafter referred to as the exhaust officer length) Le consisting of an exhaust manifold 11 and an
前段担体21及び後段担体22は主成分がコージェライトで、これにより各貫通孔23の内面近傍の担持層を含むハニカム構造体全体が形成される。前段担体21及び後段担体22の各担持層には、三元触媒が担持される。即ち、アルミナを基材とし添加物としてセリア、ジルコニアなどの酸素ストレージ材が担持されるとともに、NOx還元処理、HCおよびCO酸化処理性能の高い貴金属の触媒成分35としてPt(プラチナ),Pd(パラジウム),Rh(ロジウム)のうち少なくとも1種類が担持される。上流側及び下流側の三元触媒は理論空燃比近傍の雰囲気で排気ガス中のCO、HCを酸化し、NOxを還元して浄化する三元機能を有する。この際、前段の触媒については、冷態時のHC低減を重視し、貴金属を高担持にすることが好ましい。それに対して、後段の触媒については、温態時のNOx低減を重視するために、貴金属は前段より少なくし低い担持量で構わないが、触媒容量は必要十分なだけ大きくし少なくとも前段より大きいことが好ましい。
The
ここで、前後担体21,22はその容積を規定する排気路8方向の長さLf、Lrが排気浄化能力を考慮して設定され、特に、前段担体21は後述するように、排気路8で生じる排ガス逆流の逆流長Lrf(図3(b)参照)を考慮して設定される。
Here, the lengths Lf and Lr in the direction of the
なお、図3(a)に示すように、排気ガスが排気管12を流動するとき、順方向nf流れにおいて、ケーシング18がその入り口部分で管径が拡大することで径方向の速度分布に相違が生じ、図3(b)、(c)に示すように、逆流れrfの場合は,排気管径変化の影響を受けることがないため、触媒内の流速分布が均一であると考えられる。また、排気流れが順流れnfから逆流れrfに反転する際には、瞬間的にガスが一旦止まるが、その際には上流―下流方向の慣性がないために、タンデム隙間部においては担体の径方向の圧力差等によって径方向の流れが生じ、また、径方向のガス濃度差等によってガス拡散が進行し、以後の流動においてガス濃度及び温度の均一化が図られる。この場合、隙間部20のガスの熱および未反応物質が、前段触媒21内に均一に移動し、触媒反応の促進がもたらされる。このため、前段触媒の活性が高まり、その反応熱は後段触媒22入口の排ガス温度を上昇させ、後段触媒の浄化性能をも向上させる。すなわち、図3(a)に図示される状態のように順方向流れnfのみであれば、触媒の外周部分は流入するガス量が少なく触媒の温度は低いため、浄化効率は低い。すなわち、触媒外周部の貴金属は有効に利用されず無駄となっており、触媒全体としての実質的な利用効率は低い。
As shown in FIG. 3 (a), when exhaust gas flows through the
一方で、図3(b)(c)に図示されるように逆方向流れrfの場合は、触媒外周部分のガス量は多くなると同時に、順方向流れ時に触媒中央部分を通過した高温のガスが逆方向流れ時に外周部も通過するため、触媒外周の温度は上昇する。それによって、触媒外周部の浄化効率は高くなる。すなわち、排気ガスの逆流れにより、触媒外周部の貴金属も有効に利用されることとなり、触媒全体としての実質的な利用効率は高くなる。また、順方向流れ時に触媒の外周部を通過した排気ガスは、外周部の触媒温度が低いため十分に浄化されず、未浄化物質が多量に含まれた状態で、タンデムの隙間まで吹き抜けることとなる。しかしながら、排気ガスが反転する際の隙間部でのガス拡散、混合により、逆流時は、その未反応物質が既に順方向流れの反応熱によって高温となっている触媒中央部分を通過することになる。これによって当該未反応物質は良好に浄化されるとともに、この未反応物質の反応熱によりさらに触媒中央部の温度も上昇する。 On the other hand, as shown in FIGS. 3B and 3C, in the case of the backward flow rf, the amount of gas at the outer periphery of the catalyst increases, and at the same time, the high-temperature gas that has passed through the center of the catalyst during forward flow flows. Since the outer peripheral portion also passes when flowing in the reverse direction, the temperature of the outer periphery of the catalyst rises. Thereby, the purification efficiency of the catalyst outer peripheral portion is increased. That is, due to the reverse flow of the exhaust gas, the precious metal on the outer periphery of the catalyst is also effectively used, and the substantial utilization efficiency of the entire catalyst is increased. In addition, the exhaust gas that has passed through the outer periphery of the catalyst during forward flow is not sufficiently purified because the catalyst temperature at the outer periphery is low, and blows up to the tandem gap in a state where a large amount of unpurified material is contained. Become. However, due to gas diffusion and mixing in the gap when the exhaust gas is reversed, the unreacted substance passes through the center of the catalyst, which is already at a high temperature due to the reaction heat of the forward flow, during reverse flow. . As a result, the unreacted substance is well purified, and the temperature at the center of the catalyst is further increased by the reaction heat of the unreacted substance.
次に、エンジン1の排ガス逆流の逆流長Lrfの測定について説明する。排気逆流は、上述のように本発明者の検討によれば、温態,冷態,過渡,定常等の運転状態によらず触媒浄化性能向上に有効であるが、最も総排ガス値への寄与が大きく触媒浄化性能向上が要望される運転状態として、始動直後の冷態アイドル時があげられる。そこで、冷態始動とは雰囲気温度が25℃程度からの始動を指す。 Next, measurement of the backflow length Lrf of the exhaust gas backflow of the engine 1 will be described. As described above, the exhaust backflow is effective in improving the catalyst purification performance regardless of the operating state such as warm, cold, transient, steady, etc., as described above, but it contributes most to the total exhaust gas value. As an operation state in which a large catalyst purification performance is desired, there is a cold idling immediately after starting. Thus, cold start refers to start from an ambient temperature of about 25 ° C.
ここでは図4に示すような排ガス逆流長測定装置40を用いる。この排ガス逆流長測定装置40は上述の図11で説明した放電タフト法を適用した逆流計測装置300と同様の部材を多く含み、ここでは重複説明を簡略化し、同一部材に同一符合を付した。排ガス逆流長測定装置40はエンジン1の排気管12及び実装されると同様の構成を採る計測用の触媒コンバータ(以後、計測コンバータ41と記す)に装着される。計測コンバータ41はケーシング42の中央胴部の一部が耐熱ガラス(クオーツ・ガラス)43で形成され、ケーシング42の中央胴部内の前段担体21及び後段担体22間の隙間部39に配設され耐熱ガラス43を通して目視可能なスパークプラグ44と、前段担体21の直前位置に装着される熱線流速計45とを備える。
Here, an exhaust gas backflow
スパークプラグ44にはコイル303、パルス発生器304、電源305からなるスパーク発生装置305が接続される。
耐熱ガラス(クオーツ・ガラス)43を通してスパーク画像を撮影するビデオカメラ46が配備され、ビデオカメラ46の画像はデータ蓄積部47に録画され、データ蓄積部47は録画操作装置50に接続され、録画操作装置50内の再生部49によって録画画像等がモニタ48で再生できるよう構成される。
A
A
前段担体21直前に配備された熱線流速計45は、図5(a)、(b)に示すように排気路8中央に配備され、ケーシング42に固定された枠材51と、同枠材51の両側端間に支持された電熱線52と、電熱線52に定電流を供給する定電流回路53と、排ガスの通過による電熱線の冷却に伴う電気抵抗変化を測定する抵抗測定器である風速測定器54とを備える。また、流速がゼロでも電気抵抗がゼロとはならないある値となり、その値は排ガス通過による冷却を伴わない場合の電熱線の雰囲気温度に依存する。そこで雰囲気温度を測定するための温度センサを備える(図示せず)。枠材51の中央部は排ガスが順流nfで電熱線52が冷却されず、逆流rfで冷却されるように、C字形断面形状(図5(b)参照)が形成されている。なお、熱線流速計45の電気抵抗値は録画操作装置50に出力され、録画操作装置50の表示制御部55が電気抵抗値とスパーク画像とをモニタ上で比較表示する。これによって、前段担体21の前後の流動特性を測定できる。
As shown in FIGS. 5A and 5B, the hot-
録画操作装置50にはエンジン1の制御装置であるECU10が信号回線で接続され、相互に信号の授受ができるよう構成される。ECU10はエンジン運転情報を取り込み、噴射ノズル6の燃料噴射制御や点火プラグ7の点火制御やスロットルSVの開度制御を実施し、エンジン1を冷態時暖機モードや定常運転モードや過渡運転モードで駆動するよう制御できる。
The
このような排ガス逆流長測定装置40は、エンジン1の駆動と共にスパーク発生装置305がスパークプラグ44を所定パルス幅で駆動し、スパークの流れ方向を計測して、例えば図12(a),(b),(c)に示す波形より排ガスが順方向f1か逆方向f2かを経時的に測定した。
一方、図6に示すように、熱線流速計45のデータが順方向の流れnf時には順方向の流れによる電熱線52の冷却が依存せず、抵抗値Rも小さい。これに対し、逆流rfが生じると電熱線52の冷却の程度が高まる。この際、予め抵抗値と流速の関係を実験的に求めておく。
このような排ガス逆流長測定装置によって、例えば、計測コンバータ41内に取り付けられる第1前段担体21の流路方向の長さがLc1あるいはLc2である場合、第1前段担体21のデータが図6のように得られたとする。
ここで、第1前段担体21の流路方向の長さがLf(=Lc1:図3(c)参照)の場合を図6のデータで説明する。第1前段担体21のデータでは、スパーク画像をもとに、前段担体21と後段担体22の間の隙間部20における流れが逆流f2する領域が間歇的に順次計測された。この逆流領域と同期して計測された熱線流速計45の抵抗値Rのデータは順方向nfの流れの領域で電熱線52の冷却がなく、低抵抗値R0を示し、逆流域に入っている間は抵抗値がRaに上昇している。
In such an exhaust gas backflow
On the other hand, as shown in FIG. 6, when the data of the
For example, when the length of the
Here, the case where the length of the
ここで排気行程にある気筒から排気管12内に流入した高温ガスは瞬時に放熱により容積を減縮して先端部の流れが前段触媒通過後に隙間部20に達し、その際に順方向の速度成分がゼロf0(図12(b)参照)に達する。しかも、その直後より排気管12内の排ガスの冷却減縮が更に進んで逆流rfが発生する。この逆流rfは次の排気行程の気筒からの高温排ガスの流出による順方向の流れnfによって打ち消され、再度、順流れに戻ることでこの回の逆流rfが終了する。
Here, the high-temperature gas flowing into the
ここでは、簡単化のため、逆流中の流速は一定であり、その間の抵抗値も一定であったとする。この逆流中の抵抗値Raから、逆流の流速が上述のようにあらかじめ求めた抵抗値と流速の関係についての実験的結果に基づき算出される。抵抗値Raのときの流速を逆流流速Xa(mm/ms)であったとする。また、図6に示すように、熱線流速計45のデータを元に、逆流が継続していた逆流時間ta(ms)を求めることができる。以上で求められた逆流流速Xa(mm/ms)および逆流時間ta(ms)から、逆流長さLrf(mm)を求めることができる。ここでは、逆流中の流速をXa一定としていることから、下記の式により逆流長さLrfを算出することができる。
Here, for simplification, it is assumed that the flow velocity during the backflow is constant and the resistance value during that time is also constant. From the resistance value Ra during the reverse flow, the flow velocity of the reverse flow is calculated based on the experimental result on the relationship between the resistance value and the flow velocity obtained in advance as described above. It is assumed that the flow velocity at the resistance value Ra is the reverse flow velocity Xa (mm / ms). In addition, as shown in FIG. 6, the backflow time ta (ms) during which the backflow has continued can be obtained based on the data of the hot-
Lrf=Xa×ta
この逆流長さLrfと、担体長さを比較することにより、逆流が担体内をどこまで逆流しているかを判断可能となる。
ここでは逆流長Lrfより第1前段担体21の流路方向の長流路方向の長さLfが、図3(c)に示すように長すぎ、容積が大きすぎることとなり、第1前段担体21の全域をカバーした逆流の排ガスを受けることができず、第1前段担体21の温度上昇は比較的小さく、浄化効率を十分向上させることができない。
Lrf = Xa × ta
By comparing the backflow length Lrf and the carrier length, it is possible to determine how far the backflow is flowing back through the carrier.
Here, the length Lf in the long flow direction in the flow direction of the first
次に、第1前段担体21の流路方向の長さがLf(=Lc2:図3(b)参照)の場合は、図3(b)に示すように、逆流長Lrfと第1前段担体21の流路方向の長さLfがほぼ一致することとなり、第1前段担体21の全域を排ガスがカバーする逆流を流すことができる。
Next, when the length of the
このため、第1前段担体21の温度上昇を十分促進することができ、浄化効率を十分向上させることができ、これに伴い、前段の反応熱によって後段に流入する排気の温度が上昇し後段担体22の温度上昇を図ることもでき、前後段の三元触媒の浄化効率を向上させることができる。なお、第1前段担体21の流路方向の長さLfが過度に短くされると、触媒の容量不足を招くこととなり、第1前段担体21の第1触媒による排気ガス浄化が十分に成されず、下流側に垂れ流しが生じる。そこで、このように逆流が得られる場合の第1前段担体21の流路方向の長さLfが過度に短い場合には、排気管12の長さLeや、管径の変更あるいは排気管の二重管化、排気管に保温材設置等を行なって放熱量の修正を行い、第1前段担体21の流路方向の長さLfを適量確保することが可能である。尚、排気管12の長さLe等を変更することによって放熱量を修正し、逆流長Lrfをコントロールすることについて、若干補足説明する。
For this reason, the temperature rise of the
排気逆流は、排気管内で排ガスが冷却されることによるガス体積縮小により発生することから、排気管長さすなわちエンジンからの触媒搭載位置の影響を受ける。そこで、触媒搭載位置を固定とした上で逆流長に基づき第1前段担体の流路方向の長さLfを決定する代わりに、触媒搭載位置すなわち排気管長さLeを変更することにより逆流長Lrfを変化させ、逆流が第1前段担体の全域をカバーするように設定してもよい。より具体的には、図14(a)(b)(c)に示すように、排気管長さを変更することにより、逆流長さは変化する。図14(b)のケースにおいては、逆流量が少なすぎるため、逆流が触媒全体に届いていない。一方で、図14(c)のケースにおいては、逆流の利用に対しては問題ないが、触媒位置が遠すぎることによる他のデメリット、例えば触媒温度の低下という問題が発生する可能性がある。そこで、図14(a)のケースにおいては、逆流長Lrfと第1前段担体21の流路方向の長さLfがほぼ一致することとなり、逆流を有効に利用可能となる。尚、この図14において、触媒の流路方向長さは(a)(b)(c)で同じとしている。
Since the exhaust backflow is generated by reducing the gas volume due to the exhaust gas being cooled in the exhaust pipe, it is affected by the length of the exhaust pipe, that is, the catalyst mounting position from the engine. Therefore, instead of determining the length Lf of the first front carrier in the flow path direction based on the backflow length after fixing the catalyst mounting position, the backflow length Lrf is changed by changing the catalyst mounting position, that is, the exhaust pipe length Le. It may be changed so that the backflow covers the entire area of the first front carrier. More specifically, as shown in FIGS. 14A, 14B, and 14C, the backflow length is changed by changing the exhaust pipe length. In the case of FIG. 14B, the back flow does not reach the entire catalyst because the back flow is too small. On the other hand, in the case of FIG. 14C, there is no problem with the use of the backflow, but there is a possibility that other disadvantages due to the catalyst position being too far, such as a problem of a decrease in the catalyst temperature, may occur. Therefore, in the case of FIG. 14A, the backflow length Lrf and the length Lf of the
また、前段担体21の流路方向の長さLfを逆流長Lrfにほぼ一致させるだけでなく、前段担体21の容量を逆流時にケーシング18から排気管12に流れ出す排気ガス容量と同等または小さく設定することが好ましい。この場合、逆流が確実に触媒全体に届くことになり、特に前段担体21の容量と排気管12に流れ出す排気ガス容量とをほぼ一致させた場合、排気逆流をすべて触媒に接触させることができ排気ガス逆流による浄化反応の促進担体の温度上昇を最大限に引き出すことができる。
Further, not only the length Lf of the
以上、計測コンバータ41を用いての実測に基づき、図1のエンジン1の触媒コンバータ13では、その内部の前段担体21の流路方向の長さは逆流長Lrfとほぼ一致する、図3(b)で説明した長さLf(=Lc2)が採用された。
このような触媒コンバータ13を有する排ガス浄化装置を備えた図1のエンジン1では、その冷態始動時において、各気筒の排気行程で流出する高温排ガスが排気管12を流下する初期には高容量の排ガスとして下流側の排ガスを押圧し、瞬時に排気管12による冷却で容積を低減させ、下流側の排ガスの流速を低下させる。特に、触媒コンバータ13内の前段担体21を通過し、隙間部20に達した排ガスがその時点で流速をゼロに保持した後で、ガス濃度、温度が均一化され、排気管12上流側に引き戻される。
As described above, based on the actual measurement using the
In the engine 1 of FIG. 1 equipped with such an exhaust gas purification device having the
この場合、前段担体21の流路方向の長さLfがエンジン1の冷態始動時における逆流長Lrfの長さに等しいことより、一旦、隙間部20で流速ゼロの状態で径方向に分散し攪拌された排ガスが前段担体21を同一速度で逆流する。この際、図3(b)に示すように、逆流排ガスが前段担体21の全域を完全にカバーしてケーシング18の入口側に流出するまで逆流する。次いで、次に排気行程に達している気筒からの高温排ガスの押圧力が加わり、順方向の流れnfに戻り、これによって逆流を含む排気脈動を繰り返すことと成る。
In this case, since the length Lf of the
この結果、前段担体21の前段触媒において触媒反応が触媒コンバータ13内でその径方向の偏りなく行われ、これにより、エンジン1の冷態始動時における前段触媒の早期昇温化による暖機を図り、触媒の活性化を促進し、浄化効率を向上させることができる。しかも、前段担体21の早期昇温化に伴い、その反応熱によって後段触媒22に流入する排気温度が上昇し、後段触媒22である三元触媒の早期昇温化を図れ、これにより、触媒コンバータ13の全体としての浄化効率を向上させることができる。更に、前段担体21の早期昇温化に伴い前段触媒としての貴金属の量を低減してもNOx還元処理、HC酸化処理性能を低下させることがなく、この点で触媒貴金属の低コスト化を図れる。
As a result, the catalytic reaction of the front stage catalyst of the
なお、ここでは、排ガス逆流長測定装置40として、熱線流速計45に加え、放電タフト法を適用した逆流計測装置300と同様の装置を併用したが、熱線流速計45のみを使用することとしてもよい。また、熱線流速計45により逆流流速を求める際には、排ガス温度あるいは排圧等により密度補正等を行うことによって、測定精度を高めるようにしてもよい。
Here, as the exhaust gas backflow
また、逆流流速を求める方法としては、ここで用いた熱線流速計45に限定されない。熱線流速計としては、ここで用いた電熱線の電気抵抗変化から直接流速を求めるものの他に、電熱線が冷却されても電熱線の温度が一定になるように電熱線に電流を流し、その電流値を元に流速を求めるものとしてもよい。ここでは、熱線流速計を用いて逆流を計測する際に、C字形断面形状の枠材51を使用したが、流れ方向検知装置を設けるようにしてもよい。さらには、流速計としては、熱線流速計に限定する必要はなく、流速を測れるものであれば、どのようなものを用いてもよい。例えばカルマン渦式のものを用いても良いし、レーザドップラー流速計のような計測装置を用いてもよい。
Further, the method for obtaining the reverse flow velocity is not limited to the hot-
また、ここでは、排気ガスの逆流長を排ガス逆流長測定装置により実測したが、計算により逆流長を求めて触媒の流路方向長さを決めてもよい。具体的には、排気逆流は、排気管内で排ガスが冷却されることによるガス体積縮小により発生することから、以下のような方法が考えられる。
・排気管容積と排気管表面積(排気管からの放熱量)に基づき逆流長を推定。
・排気管容積と排ガスの排気管内での温度低下量(例えば、シリンダヘッド出口〜触媒入口の低下量)に基づき逆流長を推定。
排ガスの排気管内での温度低下量については、例えば、シリンダヘッドからの距離と排気温度の関係を求めることができるので、これに基づいて排気逆流長を求めればよい。
Here, the backflow length of the exhaust gas is actually measured by the exhaust gas backflow length measuring device, but the backflow length of the catalyst may be determined by calculating the backflow length. Specifically, since the exhaust backflow is generated by reducing the gas volume by cooling the exhaust gas in the exhaust pipe, the following method can be considered.
・ Estimated back flow length based on exhaust pipe volume and exhaust pipe surface area (heat release from the exhaust pipe).
-Estimate the backflow length based on the exhaust pipe volume and the amount of temperature drop in the exhaust pipe (for example, the amount of reduction from the cylinder head outlet to the catalyst inlet).
As for the temperature drop amount of the exhaust gas in the exhaust pipe, for example, the relationship between the distance from the cylinder head and the exhaust temperature can be obtained, and the exhaust backflow length may be obtained based on this.
上述のところにおいて、図1の排ガス浄化装置が用いた触媒コンバータ13は前後担体21,22を隙間部20を介して配備したタンデム触媒システムを採用したものであったが、場合により本発明を前段と後段が近接せず距離が離れた触媒システムにおける前段触媒コンバータ70として構成してもよい。この場合、図7に示すように、排気管12の下流端側に単一担体からなる前段触媒コンバータ70を設けると共に、その下流排気管14上に後段触媒71を設けることとなる。
In the above description, the
この場合、前段触媒コンバータ70は図1の触媒コンバータ13の前段担体21と同様の単一担体が用いられ、同様の手法で形状や、前段触媒であるトラップ材が採用される。同じく、後段触媒コンバータ71には図1の触媒コンバータ13の後段担体22と同様の単一担体が用いられ、同様の手法で形状や後段触媒である三元触媒が採用される。この場合も前段触媒が、エンジン1の冷態始動時における早期昇温化による暖機促進を図れ、活性化を促進し、浄化効率を向上させることができ、これにより、後段触媒の早期昇温化による暖機促進を図れ、活性化を促進し、排気浄化装置全体としての浄化効率を向上させることができる。
In this case, the pre-stage
上述のところにおいて、図1の排ガス浄化装置が用いた触媒コンバータ13はケーシング18内に前後2つの担体21,22を配備したタンデム触媒システムを採用したものであったが、図8に示すように、ケーシング75内に排気路前後方向に3つの担体72,73,74を互いに隙間部76を介して順次配設した前後3段の触媒コンバータ76として構成してもよい。
In the above description, the
この場合、図8に示すように、前段担体72が図1の前段担体21と同様の形状で、同様の手法で形状や素材が決定され、前段触媒として小容量の三元触媒が採用され、中段触媒として中容量の三元触媒が採用され、後段触媒として大容量の三元触媒が採用される。
この場合も、エンジン1の冷態始動時において、前段担体72全域で排ガスの完全逆流が間歇的に生じ、前段担体72に担持された小容量の三元触媒の早期の活性化による昇温が図られ、これに伴い、中段担体73の早期活性化が図られ、後段の三元触媒の早期活性化も図られる。この場合、特に、冷態始動時に前段の三元触媒の早期活性化を図り、排ガス浄化装置全体としての浄化効率をより向上させることができる。なお、触媒の数としては3段に限定されず、さらに多くの段数の場合においても同様である。
In this case, as shown in FIG. 8, the
Also in this case, when the engine 1 is cold-started, exhaust gas completely reversely flows across the
本発明を適用する内燃機関としては、排気管に触媒を備えたものであれば、実施例のような筒内噴射型4サイクル多気筒ガソリンエンジンに限定されない。例えば、吸気管燃料噴射型やキャブレター方式のガソリンエンジンでもよいし、ディーゼルエンジンでもよい。また、4サイクルではなく、2サイクルエンジンでもよい。すなわち、排気管に触媒を備え、完結的にエンジンから排気管内に排気ガスが排出されるものであれば、内燃機関の形式にはとらわれない。 The internal combustion engine to which the present invention is applied is not limited to the in-cylinder injection type 4-cycle multi-cylinder gasoline engine as in the embodiment as long as the exhaust pipe is provided with a catalyst. For example, an intake pipe fuel injection type or carburetor type gasoline engine or a diesel engine may be used. Moreover, not a 4-cycle but a 2-cycle engine may be sufficient. That is, as long as the exhaust pipe is provided with a catalyst and exhaust gas is completely discharged from the engine into the exhaust pipe, the internal combustion engine is not limited.
担体としては、コージェライト等のセラミック製の他に、ステンレス等の金属を材料とするメタル担体でもよい。
触媒種類としては、三元触媒に限定されない。NOxトラップ触媒、 HCトラップ触媒、選択還元型NOx触媒(イリジウム触媒、ゼオライト触媒、ユリアSCR等)、酸化触媒、貴金属以外の浄化物質を担持した触媒等、排気ガスを浄化する触媒であれば、どのようなものでもよい。
As the carrier, in addition to a ceramic such as cordierite, a metal carrier made of a metal such as stainless steel may be used.
The catalyst type is not limited to a three-way catalyst. NOx trap catalyst, HC trap catalyst, selective reduction type NOx catalyst (iridium catalyst, zeolite catalyst, urea SCR, etc.), oxidation catalyst, catalyst carrying purification substances other than noble metals, etc. Something like that.
1 エンジン
12 排気管
13 触媒コンバータ
18 ケーシング
21 前段担体
22 後段担体
rf 逆流
Lf 担体の長さ
1
Claims (5)
上記担体の長さを上記ケーシング内に生じる逆流の長さと同等又は小さく設定したことを特徴とする排気ガス浄化装置。 In an exhaust gas purifying apparatus comprising a catalytic converter having a casing disposed on an exhaust pipe extending from a main body of an internal combustion engine, a carrier housed in the casing, and a catalyst component carried on the carrier,
An exhaust gas purification apparatus characterized in that the length of the carrier is set to be equal to or smaller than the length of the backflow generated in the casing.
上記複数の担体の少なくとも上流側の担体の長さを上記ケーシング内に生じる逆流の長さと同等又は小さく設定したことを特徴とする排気ガス浄化装置。 A casing disposed on an exhaust pipe extending from the main body of the internal combustion engine, a plurality of carriers sequentially disposed in series in the casing along a direction of the exhaust path along the exhaust passage direction, and supported by each of the above carriers In an exhaust gas purifying apparatus comprising a catalytic converter having a catalyst component that has been
An exhaust gas purification apparatus characterized in that the length of at least the upstream side of the plurality of carriers is set to be equal to or smaller than the length of the backflow generated in the casing.
上記逆流の長さは、少なくとも上記排気管から放熱することによる排気ガスの容積変動に基づいたことを特徴とする排気ガス浄化装置。 The exhaust gas purification device according to claim 1 or 2,
The length of the reverse flow is based on a change in the volume of exhaust gas due to heat radiation from at least the exhaust pipe.
上記逆流は少なくとも冷態アイドル時に生じるよう排気管長さ、或いは排気ガス入口側の担体の長さが設定されることを特徴とする排気ガス浄化装置。 The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3,
The exhaust gas purifying apparatus is characterized in that the length of the exhaust pipe or the length of the carrier on the exhaust gas inlet side is set so that the reverse flow occurs at least during cold idling.
上記逆流の長さに応じて長さが設定される上記担体の容量を上記ケーシング内から上記内燃機関側に流出する排気ガス量と同等又は小さく設定したことを特徴とする排気ガス浄化装置。
The exhaust gas purifying device for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4, wherein a capacity of the carrier whose length is set according to the length of the backflow flows out from the casing to the internal combustion engine side. An exhaust gas purifying device characterized in that it is set to be equal to or smaller than the amount of exhaust gas to be produced.
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