JP2007518011A - 触媒コンバーターの効率を改良するインライン排気装置 - Google Patents

Abstract

排気ガスから触媒コンバーターへ熱の伝導を改良するように排気ガスの流れに影響する、触媒コンバーター（１３）の作業を改良するための装置（１４）。装置（１４）は熱吸収を改良するためガスの増大した乱流を容易化するように複数のくぼみまたは空洞（図１）を含む輪郭か、または触媒コンバーターの下流にあり、触媒コンバーター（１３）のまわりの排気ガスの滞留時間を増大するように機能する、開位置と閉位置または部分的な閉位置の間を作動する弁（２４）を含むことができる。

Description

本発明は、内燃機関車輌の排気ガス中に配置または付属されることができ、排気ガス中の触媒コンバーターの効率を典型的には他に可能なよりも触媒をより高温に保つことによって改良することができる装置に関する。

ガソリンまたは軽油エンジンのような内燃機関は一酸化炭素、窒素酸化物等を含む有毒排出物を提供する。

これら有毒排出物を減らすことができる一方法は排気流中に触媒コンバーターを備えることである。普通の触媒コンバーターは、３種の規制されている排出物、一酸化炭素、ＶＯＣおよび窒素酸化物を減らす３方向コンバーターである。触媒コンバーターは典型的には２種の異なる触媒、すなわち還元触媒および酸化触媒を使用する。コンバーターは通常、典型的には白金、パラジウムまたはロジウムである金属触媒でコートされたセラミックまたは金属構造のハニカムを含んでいる。

触媒コンバーターの最大の欠点はそれらはかなりの高温においてのみ効率的に働くことである。触媒コンバーターを熱く保つための簡単な一方法は、コンバーターを排気システムの上流にそしてエンジンの近くに配置することである。しかしながら常に便利とはいえず、触媒コンバーターが熱くなり過ぎて触媒コンバーターを損傷することである。

このため触媒コンバーターを予熱することも知られている。これは通常車輌バッテリーで給電されそして触媒コンバーターを作業温度へ加熱する電気的予熱エレメントを使用して実施される。エンジンの正常な運転の間は排気ガスの熱が触媒コンバーターをその作業温度に保つのに充分であり、そしてその時予熱エレメントはスイッチオフすることができる。しかしながら電気的プレヒーターは触媒を作業温度に加熱するのになお数分の作動を必要とする。また、プレヒーターはバッテリーへかなりのパワー引出しを発生させ、そしてバッテリーを持たないエンジン（芝刈機エンジンのような）には適さないであろう。

インライン触媒コンバーターでの他の主要な作業上の問題は、コンバーター温度がエンジンがアイドリングにある時作業レベルにより下へ降下し得ることである。例えば、もし車輪が渋滞にあるかまたは赤信号で停止すれば、エンジン回転数はアイドリングスピードへ減速する。これは排気ガス温度が触媒コンバーターをその作業温度帯に適切に維持しない温度のレベルへ急速に低下させる。

それ故、もし触媒コンバーターを他の方法で可能であるよりも、特にエンジンスピードが減速した時に（例えばアイドリング）、より長い時間触媒コンバーターをその作業温度帯に維持することができる何らかの手段を提供することができたならば有益である。

もし先行技術刊行物がここで参照されたならば、この参照はその刊行物がオーストラリアまたは他の国において共通の一般的知識の一部を構成すると認めた訳ではないことが明らかに理解されるであろう。

本発明の目的は、触媒コンバーターの作業を改良することができ、そして上述した欠点の少なくとも一部を克服することができ、または有用な商業的選択肢を提供するインライン排気装置を提供することである。

広い形において、本発明はインライン触媒コンバーターの作業を改良する装置よりなり、この装置は排気ガスから触媒コンバーターへの熱移動を改良するように熱い排気ガスの流れに影響する。

この態様において、触媒のための別の電気ヒーターの必要が少なくなるかなくなる。これは今や小型エンジン（芝刈機エンジン等）が一層効果的に作業する触媒コンバーターを持つことを可能にする。これらのエンジンは通常電気ヒーターが触媒を加熱することを可能にするバッテリーを持たないからである。

もっと特別の形において、装置は排気ガスと接触し、排気ガスから熱を吸収する特別の内部輪郭を含む。この輪郭は熱吸収を改良し得るガスの増大した乱流を容易化する複数のくぼみまたは空洞を含むことができる。

他の形において、本発明はインライン触媒コンバーターの作業を改良する装置に存し、この装置は複数の空洞、または少なくとも部分的に排気流中へ延びる間隔を置いた部材を含み、そして触媒コンバーターに隣接する。空洞または間隔を置いた部材は排気ガス流から熱を吸収し、そして触媒コンバーターの少なくとも一部を上昇温度に維持するように機能する。

この態様において、装置はエンジンが正常に運転している時熱い排気ガスから熱を吸収し、そしてエンジンがアイドリングして排気ガス温度が低下したならば装置は触媒コンバーターの一部へ熱を輻射または他のように伝え、またはアイドリング時間中コンバーターを少なくとも部分的にそのもっと効果的な作業温度に触媒コンバーターの部分を暖める。勿論、装置は触媒コンバーターのこの温度をいつまでも維持することはできないが、しかしそれはストップ／スタート走行またはアイドリングの正常の期間効果的であるに違いない。

装置は、典型的には触媒の下流に配置されるであろう。装置を触媒の前方に配置することも可能であろうが、しかし或種の排気ガス流中では前方部分が熱くなり過ぎ、そして装置を触媒の前方に配置することは効率的でないであろう。しかしながら、もし排気システムの触媒がエンジンから充分に離れていれば、装置を触媒の前方（上流）に、そして触媒の後方にもまたはそれに代って配置することができる。

装置は、好ましくは排気流から熱を吸収するように、しかし不必要な背圧を排気中に生成することのないように構成される。背圧は、過度の背圧はエンジン出力を２０〜３０％低下させ、そして燃料消費を増加させるので必ずしも利益ではない。

この理由により、装置は少なくとも一部が排気流中に延びる間隔を置いた複数の部材を含み、該部材の少なくとも一部は少なくとも一部の排気ガスが通過できるそれらを通る開口を備えることが好ましい。これら部材は実質的に装置の内壁まで延びていることが好ましい。それ故もし排気流が円形であれば、部材は排気ガスがそれを通って通過することができる中央開口を含んでいる円形ディスクよりなることが好ましい。勿論、もし排気が全体または断面で四角であれば、部材の形状はこれらの形状に合せて変えることができる。

間隔を置いた部材の数は排気のサイズ、排気ガスの体積等に応じて変え得る。典型的には、装置は２〜２０個、そして好ましくは４〜１０個の間隔を置いた部材を含むであろう。

装置は、間隔を置いた部材を取付けるスリーブを含むことができる。スリーブは排気システム内で触媒に隣接する位置へフライドするように設計してもよい。代ってスリーブは排気システムの一部とし、そして排気パイプへクランプもしくは取付けられるように設計しても良い。代ってスリーブはガスから装置ヘの熱移動を改良する他の内部輪郭を持ってもよい。

間隔を置いた部材（または他の輪郭）は３〜５０ｍｍおよび典型的には５〜２０ｍｍの距離に離すことができる。間隔を置いた部材の機能は排気ガスに乱流を生成させ、排気ガスの一部に間隔を置いた部材のまわりおよび間に渦を発生させることである。これは排気ガスから間隔を置いた部材への熱の吸収を改良するものと考えられる。これは、ガス流の中央部分のより熱いガスによって置換されることにより装置と熱交換関係にあるガス流の外側のガスを生ずるように機能し、それにより触媒コンバーターをより急速にヒートアップする乱流または渦効果によって生じた熱い排気ガスと部材の間の増大した滞留時間に起因できる。この効果は排気システム中のガスの滞留時間を実質的に増大させる必要はない。

間隔を置いた部材は、好ましくは熱い排気ガスの中で生存するように充分に強いが、ガスからの熱の吸収になお比較的効果的である材料からつくられるであろう。鋼のような金属が適当と考えられる。しかしながら間隔を置いた部材が作られる適当な材料として鋼だけに制限されない。部材は他の適当な金属、金属合金、焼結金属、非金属熱吸収部材、複合材料等からつくることもできる。

間隔を置いた部材は、典型的にはガス流に望ましくない背圧を生成するようにガス流を不必要に妨害することなく、ガス流から熱を効率的に吸収するように、排気管の縁から充分にガス流中へ延びているであろう。間隔を置いた部材は面積の１０〜８０％の距離だけ排気管中に延びることができる。一具体例においては、これは排気管の断面積の１０〜８０％を含むディスクの面積でディスクを通って延びる開口を有する実質上円形のディスクを含む間隔を置いた部材を持つことによって達成することができる。

間隔を置いた部材の機能の一つは、ガス流から熱を吸収する部材の能力を改良するようにガス流の少なくとも一部に渦または乱流を生成させることである。この理由のため、部材の輪郭はこの効果を改良することができる。一具体例において、間隔を置いた部材は平行な側壁を有する実質上ディスク様である。しかしながら他の形において側壁は乱流を改良する輪郭にすることができる。この輪郭は各側壁にくぼみまたは凹面を含むことができる。なお他の形において、部材は触媒コンバーターへ向ってまたは遠くへ延びる傾斜した表面を含むことができる。ガス流の乱流を改良する他の輪郭および形状が見込まれる。

触媒コンバーターと装置の最初の部材の間に隙間を持つのが有益であると考えられる。理論に拘束されるものではないが、この隙間は触媒コンバーターへ戻す熱を輻射（または他のように熱を伝える）する装置の能力を改良するものと信じられる。この隙間は熱カーテンを含み、そして５〜１００ｍｍ、好ましくは約２５ｍｍとすることができる。

本発明の他の特定の形において、装置は開位置と閉位置または部分的な閉位置の間を作動し得る弁を含むことができ、この弁は触媒コンバーターの下流にあり、そして特にエンジンがアイドリングにある時触媒コンバーターのまわりの排気ガスの滞留時間を増大させるように機能する。

このためエンジンがアイドリングにある時、弁は閉位置または部分的閉位置にあり、触媒コンバーターの温度を排気ガスが単に排気システムが邪魔されないで通過する他の場合よりも高い温度に保つように排気流中のそして触媒コンバーターのまわりの熱い排気ガスを維持することができる。

この方法は上述のように単一の弁または複数の弁を含むことができる。もし複数の弁を備えるならば、これらは直列または並列またはその組合わせに配置することができる。弁はアイリスを含むことができる。

弁は、必要な時触媒コンバーターがさもなければ可能なよりも高い温度に保たれることを確実にするため排気ガスを絞るが詰まらせるように触媒コンバーターの下流に設けることができる。弁は触媒コンバーターのすぐ後に、または触媒コンバーターから離れた距離に、または排気パイプの外さえも含む触媒コンバーターの下流に配置できることが見込まれる。

使用できる弁のタイプには特別の制限はないことが見込まれる。それ故弁は簡単な蝶番いフラップ弁、スライド弁、回転弁、ゲート弁、アイリス等を含むことができる。

弁は、排気システムを通る排気ガスの体積が増大する時も開いたまたは全開位置へ動くように作動されることが好ましい。例えば弁は充分な熱いガスが触媒コンバーターの上を通過するほどエンジンが高回転数において回転するときにもっと開いた位置へ動くことが好ましい。弁は自動または半自動式に作動し得ることが好ましい。非常に簡単な形において、弁は重力の影響のもとでエンジンガス体積が低い時に閉位置へ動き、ガス体積が高くなる時エンジンガス体積により開位置へ押される蝶番い重量弁を含むことができる。代って弁は、自然に閉位置へばね付勢され、そしてエンジンガスの体積によって開位置へ押されることができる弁であることができる。代って弁は温度によって作動され、そして温度の上昇時閉位置から開位置へ動くことができる。このタイプの弁はサーモスタット弁と呼ばれる。代って弁は排気流中の圧力差によって作動されることができる。弁を作動する他の作動手段も使用することができる。

最初に図４を参照すると、エンジン１０からテールパイプ１１まで延び、そしてインラインマフラー１２、触媒コンバーター１３、および本発明の第１の具体例に従い、そして触媒コンバーター１３の後（下流）に取付けられた装置１４を含む典型的な排気システムが示されている。

図１を参照すると、本発明の一具体例に従った装置１４が示されている。装置１４は触媒コンバーター１３の下流に配置される。エンジンからの熱い排気ガスは２００〜２７０℃の温度（勿論これは変化する）において触媒コンバーター中へ通過する。触媒の後部端は約２５ｍｍの長さを有する小さい空気隙間１５である。装置１４は各自排気ガスが通過できる中央開口１７を持っている間隔を置いた部材１６を含む。各ディスクの中央開口１７は互いに他のディスクの中央開口と整列し、実質上妨害されない中央流路１８を提供する。

ディスクは約２０ｍｍの間隔に空けられる。触媒１３から排気ガスが流れ、そして整列した各ディスクの中央開口を通る時、渦および乱流が各ディスクのまわりに提供され、排気ガスを隣接するディスク間の空間に流す。この熱い排気ガスはその時それぞれのディスクと熱交換し、ディスクをヒートアップする。これは排気ガスが装置を通ってマフラー１２へ向って通過するまで装置の長さに沿って続く。

図２および３は間隔を置いた部材１６の異なるデザインを示す。このデザインはガスを部材の間のエッジ効果を改良し、間隔を置いた部材間に乱流および渦を生成させる。

これらデザインは、エンジン出力を減らしそして燃料消費を増加させる望ましくない程度まで排気の背圧を増大しない。ディスクの整列した開口は排気ガスがなお装置を通って流れるのを可能にすると考えられ、そして間隔を空けた部材を持つことはより良い熱交換を提供するものと考えられる。

テストは、エンジンアイドリング状態では触媒前方における温度は約１５０℃であり、そして装置設置なしでは触媒の後方の温度は約１００℃であることを示した。装置を設置した時、触媒後方の温度を約２００℃へ上昇させる。

図５を参照すると、図５は二次空気が排気システムへ入ることができる種々の位置２０−２２を示していることを除き、図４のものと類似の排気システムを図示している。例えば位置２０において二次空気がエンジン１０の後で触媒コンバーター１３の前で排気システムへ入ることができる。位置２１においては、二次空気は触媒コンバーター１３の後であるマフラー１２の前で排気システムへ入ることができる。位置２０において二次空気は排気ガスのその適切な触媒変換を助けるための追加の酸素を提供することができる。位置２１および２２において二次空気はテールパイプ１１からの放散パーセントを減らすため排気ガスを希釈する。

図６〜１０を参照すると、装置が種々の構造およびタイプの弁であり、そして排気システムの種々の位置に配置することができる弁である本発明の他の具体例を図示する。弁は触媒コンバーター１３を弁なしで可能なよりもより長く熱いエンジンガスで暖めるようにエンジンガスを絞る機能を果す。

図６および７は、テールパイプ１１の端に配置することができる簡単な蝶番い弁２３を示す。この弁は閉位置（図６）へ自然に重力で下降し、そしてテールパイプを通る排気ガスの力によって部分的に開いた位置（図７）ヘ押される。このようにアイドリング状態では弁は主に閉位置にあり、そして触媒コンバーターが熱くとどまるように特に触媒コンバーターのまわりで排気ガスをスローダウンさせるであろう。

図８は、排気システム内の内部に配置され、そして再び自然に閉じた位置と排気ガスの力によって部分的に開いた位置（想像線で示した）位置の間を動くことができる簡単な蝶番い弁２４を示す。

図９は、排気ガスの力によって下方へ押されることができ、そしてばね２６によって自然に閉じた位置と図９に示した下へ押された位置の間を動く弁２５を示す。

図１０は、ピボット軸２８のまわりで図１０に示した開位置と弁がガスの流れを阻止するように９０°回転した閉位置の間を回転することができる回転弁２７を示す。弁２７は熱によって作動し、すなわち弁がヒートアップされる時開位置へ動くことができる。弁は排気ガスによって加熱されることができる。代って熱リード弁、またはフラップ、またはディスクの他のタイプを使用することができる。この弁は、典型的にはもし弁が配置されないならば可能であるよりも長く触媒コンバーターのまわりの排気ガスを熱く保つため低いエンジンアイドリング状態のもとで絞りまたは背圧の程度を提供するように触媒コンバーターから下流に設置されるであろう。

本発明は、典型的には図１−４に図示した装置１４と典型的には図６−１０に図示した弁との組合わせに拡張することができよう。

二次的空気注入（例えば図５を見よ）は装置１４の代りのまたはその弁で実施することができる。

図１−４に示した装置を使用して触媒コンバーターの後方の温度について実施されたテストは、触媒コンバーターの後方の温度の顕著な上昇を示す。

図１−４に示した装置を含むエンジンを使用した実験において、触媒コンバーターの前方は５分間にわたって３４°〜７０°であり、そして触媒コンバーターの後方は７０°〜１４０°であった。５００ワット負荷条件にある同じエンジンでは、触媒コンバーターの前方は５分間にわたって４６〜１８０°であり、触媒コンバーターの後方は１３１〜３２４°であった。この結果は、触媒コンバーターの後方は装置が熱を触媒コンバーターへ輻射し戻すことによって全く熱く保たれることを示している。

触媒コンバーターの加熱は排出物の有益な減少を有していた。一実験において、図１−４に示した装置を使用して排出物の減少をテストするためホンダＮＳＲ１５０ｃｃ２サイクルエンジンが使用された。

装置取付なしで、排出物は以下のとおりであった。

装置取付ありで、排出物は数時間にわたって以下のとおりであった。

このように装置は排気ガスから排出物、主としてＮＯおよび炭化水素を減らすように機能する。

本発明の精神および範囲を逸脱することなく、記載した具体例に対し種々の他の変更および修飾をなし得ることを認識すべきである。

触媒コンバーターの下流に配置した装置を示す。 装置内の間隔を置いた部材の異なる輪郭を示す。 装置内の間隔を置いた部材のなお他の輪郭を示す。 典型的な排気システムを示す。 排気システムと、そして二次空気を排気システムへ挿入できる種々の位置を示す。 インライン触媒の作業を改良するために使用される弁の種々の具体例を示す。 インライン触媒の作業を改良するために使用される弁の種々の具体例を示す。 インライン触媒の作業を改良するために使用される弁の種々の具体例を示す。 インライン触媒の作業を改良するために使用される弁の種々の具体例を示す。 インライン触媒の作業を改良するために使用される弁の種々の具体例を示す。

Claims (16)

1. インライン触媒コンバーターの作業を改良するための装置であって、排気ガスから触媒コンバーターへの熱移動を改良するように熱い排気ガスの流れに影響する装置。
2. 排気ガスと接触し、排気ガスから熱を吸収する特定の内部輪郭を含み、該内部輪郭は熱吸収を改良するようにガスの増大した乱流を容易化する複数のくぼみまたは空洞を含んでいる請求項１の装置。
3. 装置は排気流中へ少なくとも部分的に延びる複数の間隔を置いた部材を含み、部材間の間隔は少なくともいくつかのくぼみまたは空洞を含み、間隔を置いた部材は排気ガスから熱を吸収しそして吸収した熱の少なくとも一部を触媒コンバーターの少なくとも一部へ伝導する請求項２の装置。
4. 触媒コンバーターから下流に配置される請求項３の装置。
5. 排気流中へ少なくとも部分的に延びる複数間隔を置いた部材を含み、部材の少なくともいくつかは排気ガスの少なくとも一部が通過することができるそれらを通って延びる開口を備えている請求項３の装置。
6. 部材を排気ガスが通過することができる中央開口を含んでいる円形ディスクを含んでいる請求項５の装置。
7. １２〜２０の部材が設けられている請求項６の装置。
8. 部材間の間隔は５〜２０ｍｍである請求項７の装置。
9. 触媒コンバーターと装置の最初の部材の間に隙間が設けられ、隙間は長さ５〜１００ｍｍである請求項８の装置。
10. 隙間は長さ約２５ｍｍである請求項９の装置。
11. 開位置と閉位置または部分的閉位置の間を作動し得る弁を含み、弁は触媒コンバーターから下流にあり、そして特にエンジンがアイドリングにある時触媒コンバーターのまわりの排気ガスの滞留時間を増大するように機能する請求項１の装置。
12. 触媒コンバーターから下流に配置されている請求項１１の装置。
13. 排気システム中のテールパイプの上に延び、そして排気ガスによって閉位置と開位置の間を動き得る端フラップを含んでいる請求項１２の装置。
14. 排気システムの内部へ延び、そして排気ガスによって閉位置と開位置の間を動き得るフラップを含んでいる請求項１の装置。
15. 排気システムの内部にあり、そして排気ガスによって延びた閉位置と後退した開位置の間を動くことができ、そして延びた閉位置へ付勢されているゲートを含んでいる請求項１２の装置。
16. 弁は排気ガスの温度に応じて閉位置と開位置の間を動くことができ、増大した温度が弁を開位置へ動かす請求項１２の装置。

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