JP2011132870A - 車両用排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】通電により加熱される触媒装置の熱を有効に利用することで、流体をエンジンの始動直後であっても効率的に昇温できる車両用排気装置を得る。
【解決手段】排気管２０には、排気中の有害物質を浄化する触媒コンバータ装置１２が設けられ、さらにその下流側で、触媒コンバータ装置１２に近接した位置には、エンジン冷却水を加熱・昇温する排熱回収器２２が設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの排気管に設けられる車両用排気装置に関する。

エンジンで生じた排気を浄化するために排気管に設けられる触媒装置では、たとえば特許文献１や特許文献２に記載されているように、触媒を担持する触媒担体を通電して昇温させ、十分な触媒効果が得られるようにしたものがある。しかし、通電時の電力は、単に触媒担体の加熱にのみ用いられているため、このエネルギーのより効率的な利用が望まれる。

また、排気管に排熱回収器を設け、車両のエンジン冷却水をこの排熱回収器で加熱（昇温）させるようにした構造のものが、特許文献３に記載されている。しかし、エンジン始動直後等、排気の温度が十分に高くなっていないときには、エンジン冷却水を昇温させることが難しく、エンジン冷却水を確実に昇温できるようにすることが好ましい。たとえば、あらたにヒーターを設けてエンジン冷却水を加熱することも考えられるが、部品点数の増加を招く。

特開平５−２５３４９１号公報 特開平１１−２５７０５８号公報 特開２００６−７７７４１号公報

本発明は上記事実を考慮し、通電により加熱される触媒装置の熱を有効に利用することで、流体をエンジンの始動直後であっても効率的に昇温できる車両用排気装置を得ることを課題とする。

請求項１に記載の発明では、排気管に設けられ、エンジンから排出される排気を浄化するための触媒を担持すると共に通電によって加熱される触媒装置と、前記排気管において前記触媒装置よりも下流側に設けられ、流入された液体を排気によって加熱した後に流出させる加熱装置と、を有する。

この車両用排気装置では、排気管に設けられた触媒装置の触媒により、エンジンから排出される排気が浄化される。特に、触媒装置は、通電によって加熱されるので、触媒による浄化効果をより高く発揮させることが可能になる。

排気管には、加熱装置が設けられている。この加熱装置により、流入された液体、たとえばエンジンの冷却水が排気によって加熱され、その後にこの液体が加熱装置から流出される。特に、本発明では、加熱装置が触媒装置よりも下流側に設けられている。したがって、通電により加熱された触媒装置の熱が、伝熱、輻射熱で作用する。さらには、触媒装置によって加熱された浄化済みの排気が下流側に流れることで、この排気を介して触媒装置の熱が加熱装置に作用する。このように、触媒装置の熱を効果的に利用して、加熱装置により液体を加熱することができる。たとえば、エンジン始動直後であっても、触媒装置の熱を利用して、液体を効率的に昇温できる。

請求項２に記載の発明では、排気管に設けられ、エンジンから排出される排気を浄化するための触媒を担持すると共に通電によって加熱される触媒装置と、前記排気管において前記触媒装置の外周側に設けられ、流入された液体を排気によって加熱した後に流出させる加熱装置と、を有する。

この車両用排気装置では、排気管に設けられた触媒装置の触媒により、エンジンから排出される排気が浄化される。特に、触媒装置は、通電によって加熱されるので、触媒による浄化効果をより高く発揮させることが可能になる。

排気管には、加熱装置が設けられている。この加熱装置により、流入された液体、たとえばエンジンの冷却水が排気によって加熱され、その後にこの液体が加熱装置から流出される。特に、本発明では、加熱装置が触媒装置の外周側に設けられている。したがって、通電により加熱された触媒装置の熱が、伝熱、輻射熱で作用することに加えて放射熱によっても作用する。このように、触媒装置の熱を効果的に利用して、加熱装置により液体を加熱することができる。たとえば、エンジン始動直後であっても、触媒装置の熱を利用して、液体を効率的に昇温できる。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の発明において、前記排気管の内部において前記触媒装置よりも下流側に導入口及び排出口が設けられ、導入口から排気を導入して前記触媒装置の外周側を通過させた後に排出口から排出可能な排気通路と、前記導入口よりも下流側で前記排気管の内部に設けられた排気の通過口と、前記通過口を開閉可能とし、閉塞状態では前記導入口に排気を導入すると共に開放状態では通過口に排気を通過させる開閉機構と、を有する。

したがって、触媒装置によって加熱された浄化済みの排気が触媒装置の下流側に流れると、開閉機構の閉塞状態では、触媒装置よりも下流側の導入口からこの排気が排気通路に導入される。さらにこの排気は、排気通路により触媒装置の外周側を通過され、触媒装置からの伝熱、輻射熱及び放射熱で加熱される。このように、十分に加熱された排気の熱を利用して、より高い効率で液体を加熱することができる。

しかも、通過口は開閉機構で開閉されるようになっており、液体を加熱する必要がない場合には、排気通路へ導入することなく通過口を通過させて排気管内を流すことができる。すなわち、液体の加熱が必要な場合のみ加熱させることができる。

本発明は上記構成としたので、通電により加熱される触媒装置の熱を有効に利用することで、流体をエンジンの始動直後であっても効率的に昇温できる。

本発明の第１実施形態の車両用排気装置の概略構成を排気管への取付状態で中心線を含む断面で示す断面図である。 参考例の車両用排気装置の概略構成を排気管への取付状態で中心線を含む断面で示す断面図である。 第１比較例、第２比較例及び本発明の第１実施形態において、エンジン冷却水の温度の時間変化を定性的に示すグラフである。 本発明の第２実施形態の車両用排気装置概略構成をエンジン冷却水を加熱していない状態で示す断面図である。 本発明の第２実施形態の車両用排気装置概略構成をエンジン冷却水を加熱している状態で示す断面図である。

図１には、本発明の第１実施形態の車両用排気装置１０が排気管２０への装着状態で示されている。この図１に示すように、車両用排気装置１０は、触媒コンバータ装置１２と、排気管２０において、触媒コンバータ装置１２の下流に配置された排熱回収器２２と、を有している。

触媒コンバータ装置１２は、導電性及び剛性を有する材料（導電性セラミック、導電性樹脂や金属等）によって形成された触媒担体１４を有している。触媒担体１４は、ハニカム状または波状等とした薄板を渦巻状あるは同心円状等に構成することで材料の表面積が増大された円柱状あるいは円筒状に形成されており、表面には触媒本体（白金、パラジウム、ロジウム等）が付着された状態で担持されている。触媒本体は、排気管２０内を流れる排気（流れ方向を矢印Ｆ１で示す）中の有害物質を浄化する作用を有している。なお、触媒担体１４の表面積を増大させる構造は、上記したハニカム状や波状に限定されるものではない。

触媒担体１４には２枚の電極１６Ａ、１６Ｂが貼着され、さらに電極１６Ａ、１６Ｂにはそれぞれ端子１８Ａ、１８Ｂが接続されている。この端子１８Ａ、１８Ｂから電極１６Ａ、１６Ｂを通じて触媒担体１４に通電することで、触媒担体１４を加熱できる。そして、この加熱により、表面に担持された触媒本体を昇温させることで、触媒本体の浄化作用を高く発揮させることができるようになっている。

触媒担体１４の外周には、略円筒状のマット層２６が配置されている。さらに、マット層２６の外周には、ステンレス等の金属で略円筒状に成形されたケース筒体２８の小径部２８Ｓが配置されており、ケース筒体２８と触媒担体１４との間に配置されたマット層２６により、触媒担体１４がケース筒体２８の内部に、同心（中心線ＣＬ）で保持されている。ケース筒体２８及びマット層２６には、端子１８Ａ、１８Ｂが貫通される貫通孔３６が形成されている。なお、ケース筒体２８は、実質的に本発明に係る排気管の一部を兼ねている。

ケース筒体２８は、上記した小径部２８Ｓよりも下流側に、径が漸増されたテーパー部２８Ｔが形成され、さらにテーパー部２８Ｔよりも下流側に、小径部２８Ｓよりも大径の大径部２８Ｌが形成されている。

大径部２８Ｌ、すなわち触媒コンバータ装置１２の下流側で、且つ触媒コンバータ装置１２に近接した位置には、排熱回収器２２が備えられている。排熱回収器２２には、エンジン冷却水を流入させる流入配管３０と、エンジン冷却水を流出させる流出配管３２とが接続されている。排熱回収器２２は、排気の熱を回収し、流入配管３０を通じて流入したエンジン冷却水を加熱する。そして、加熱により昇温されたエンジン冷却水が、流出配管３２から流出する。このように昇温されたエンジン冷却水は、たとえば、自動車の車室内を暖房するために使用される。

次に、本実施形態の車両用排気装置１０の作用を説明する。

図１から分かるように、エンジンからの排気は、排気管２０内において、まず、触媒コンバータ装置１２を通過し、これによって排気中の排気中の有害物質が浄化される。特に、本実施形態の触媒コンバータ装置１２では、端子１８Ａ、１８Ｂから電極１６Ａ、１６Ｂを通じて触媒担体１４に通電し、触媒担体１４を加熱することで、触媒担体１４に担持された触媒本体を昇温させ、浄化作用をより高く発揮させることができる。たとえば、エンジンの始動直後等、排気の温度が低い場合には、あらかじめ触媒担体１４への通電加熱を積極的に行うことで、エンジン始動初期における触媒本体の浄化性能を高く確保できる。

排気管２０において、触媒コンバータ装置１２の下流側で、且つ触媒コンバータ装置１２に近接した位置には、排熱回収器２２が設けられており、この排熱回収器２２によって、エンジン冷却水を効率的に加熱して昇温することが可能である。すなわち、排熱回収器２２には、触媒コンバータ装置１２の熱が、伝熱あるいは輻射熱として作用する。さらに、触媒コンバータ装置１２の触媒担体１４が加熱されると、触媒担体１４を通過した排気も加熱されているため、昇温された排気が下流側の排熱回収器２２に流れることになる。このように、本実施形態では、触媒コンバータ装置１２からの伝熱や輻射熱だけでなく、触媒コンバータ装置１２によって昇温された排気の熱も利用して、排熱回収器２２によりエンジン冷却水を加熱・昇温できる。

ここで、図２には、参考例の車両用排気装置１１０が示されている。この車両用排気装置１１０では、排熱回収器２２が触媒コンバータ装置１２の上流側で、且つ触媒コンバータ装置１２に近接した位置に配置されている点のみが上記実施形態と異なるが、それ以外は上記実施形態と同一の構成とされている。

この参考例の車両用排気装置１１０によっても、触媒コンバータ装置１２からの伝熱や輻射熱は排熱回収器２２に作用する。しかしながら、排熱回収器２２が触媒コンバータ装置１２の上流側に配置されているので、触媒コンバータ装置１２によって加熱・昇温された排気が下流側に流れると、上流側の排熱回収器２２には排気からの熱が作用しない。すなわち、参考例の車両用排気装置１１０と比較して、上記実施形態の車両用排気装置１０では、より効率的に排熱回収器２２によってエンジン冷却水を加熱・昇温することができる。

図３には、第１比較例、第２比較例及び本実施形態の構成における、エンジン始動開始からの経過時間（ｔ）と、エンジン冷却水の温度（Ｔ）との関係が定性的に示されている。ここで、二点鎖線で示した第１比較例は、排気管に排熱回収器が設けられておらず、エンジン冷却水は、エンジンのみによって加熱・昇温される構成である。また、一点鎖線で示した第２比較例は、排気管２０に排熱回収器２２は設けられているが、触媒コンバータ装置１２は設けられていない構成である。

このグラフから分かるように、排熱回収器によってエンジン冷却水を加熱しない第１比較例の構成では、エンジン始動開始直後のエンジン冷却水の温度が本実施形態と比較して低く、しかも、温度上昇の勾配も緩やかであるため、所定の温度Ｔ１に達するまでに長い時間（ｔ１）を要している。

排熱回収器によってエンジン冷却水を加熱する（ただし、触媒コンバータ装置は設けられていない）第２比較例の構成では、エンジン始動開始から所定時間（ｔ３）までは、第１比較例よりもエンジン冷却水の温度が低くなっている。これは、排熱回収器も所定の熱容量を有しているため、エンジンからの排気の熱により、まず排熱回収器自体が加熱され、その後にエンジン冷却水が加熱されるためである。しかし、一旦排熱回収器が十分に加熱されると、以降の温度上昇の勾配は、第１比較例よりも急になる。ただし、第２比較例においても、所定の温度Ｔ１に達するまでの時間（ｔ２）は、本実施形態よりも長くなっている。

これに対し、本実施形態では、エンジン始動直後の、排気の温度が十分に高くなっていないタイミングであっても、触媒コンバータ装置１２からの熱が排熱回収器２２に作用する。しかも、触媒コンバータ装置１２は、極めて短時間で高温になる（たとえば２０秒程度で約５００℃に達する）ので、排気の温度が上昇していない状態（エンジン始動直後など）において、触媒コンバータ装置１２に通電すれば、エンジン始動直後の短い時間で、排熱回収器２２の昇温が促進され、エンジン冷却水の温度上昇の勾配が急になる。また、ハイブリッド自動車では、いわゆるレディモード等のエンジンが停止している状態においても、触媒コンバータ装置１２の熱を排熱回収器２２に作用させて昇温を促進し、エンジン冷却水を短時間（ｔ０）で所定温度（Ｔ１）まで昇温することで可能になる。これにより、エンジン始動直後の暖機性を向上させ、燃費の向上にも寄与できる。

なお、第１実施形態の車両用排気装置１０において、触媒コンバータ装置１２と排熱回収器２２との間隔Ｌ１は特に限定されないが、触媒コンバータ装置１２の熱を効率的に排熱回収器２２に作用させるためには、たとえば１５０ｍｍ以下とすればよい。

図４及び図５には、本発明の第２実施形態の車両用排気装置５０が示されている。第２実施形態において、第１実施形態と同一の構成要素、部材等については同一符号を付して、詳細な説明を省略する。

第２実施形態では、ケース筒体２８には、第１実施形態に係るテーパー部２８Ｔや大径部２８Ｌは形成されておらず、排気管の上流側に位置する小径部２８Ｓが、実質的に最も大きな径を有する部分となっている。ケース筒体２８には、小径部２８Ｓ（触媒コンバータ装置１２）よりも下流側に、小径部２８Ｓよりもさらに小径となるように絞られた縮径部２８Ｍが形成されている。縮径部２８Ｍの下流側端部は開放されて通過口６６といるが、開閉弁６０によって、この通過口６６は、図４に示す開放状態と、図５に示す閉塞状態とを切替可能とされている。なお、開閉弁６０は図示しない制御装置によって開閉制御される。また、縮径部２８Ｍの外周には、縮径部２８Ｍよりもさらに小さい内径を有する導入口６２が形成されている。

第２実施形態では、排熱回収器５２が触媒コンバータ装置１２の外周側に設けられている。すなわち、排熱回収器５２は、ケース筒体２８の小径部２８Ｓから縮径部２８Ｍに至る部分を外周側から包囲する外筒５４を有しており、外筒５４とケース筒体２８との間に所定の隙間が構成されている。さらにこの隙間が、縮径部２８Ｍよりも下流側において縮径部２８Ｍの外周から上流側に延出された隔壁５６によって、径方向内側通路５８Ａと径方向外側通路５８Ｂとに隔てられている。ただし、隔壁５６は、外筒５４の上流側端面５４Ｔには達しておらず、径方向内側通路５８Ａから径方向外側通路５８Ｂへの排気の流れが可能な排気通路５８が、触媒コンバータ装置１２の外周側に構成されている。径方向外側通路５８Ｂは、下流側には開放されており、開放部分は排出口６４とされている。

このような構成とされた第２実施形態の車両用排気装置５０においても、第１実施形態の車両用排気装置１０と同様に、エンジンからの排気中の有害物質が触媒コンバータ装置１２によって浄化される。触媒担体１４を加熱することで、触媒担体１４に担持された触媒本体を昇温させ、浄化作用をより高く発揮させることができる点も、第１実施形態と同様である。

ここで、第２実施形態では、排熱回収器５２を用いてエンジン冷却水を加熱する必要がない場合には、図示しない制御装置は、図４に示すように、開閉弁６０を開放状態とし、通過口６６を開放する。縮径部２８Ｍ及び通過口６６の内径は導入口６２の内径よりも大きく、流動抵抗が小さいので、排気は導入口６２から排気通路５８（径方向内側通路５８Ａ）には殆ど流れず、矢印Ｆ２で示すように、通過口６６を通過して排気管２０内を下流へと流れていく。

これに対し、排熱回収器５２を用いてエンジン冷却水を加熱する必要がある場合には、図示しない制御装置は、図５に示すように、開閉弁６０を閉塞状態とし、通過口６６を閉塞する。これにより、触媒コンバータ装置１２で加熱された排気は、矢印Ｆ３で示すように、通過口６６を通過せず、導入口６２から排気通路５８を経て排出口６４から排気管２０内に排出される。

ここで、第２実施形態の車両用排気装置５０では、第１実施形態の車両用排気装置１０と同様に、触媒コンバータ装置１２からの伝熱や輻射熱が排熱回収器５２に作用するが、さらに、排気通路５８は、触媒コンバータ装置１２の外周側に位置しているので、触媒コンバータ装置１２の外周部分からの放射熱も、排熱回収器５２に作用し、エンジン冷却水の加熱・昇温に用いることができるので、さらに効率的にエンジン冷却水を加熱・昇温できる。

しかも、導入口６２は触媒コンバータ装置１４の下流側に設けられているので、触媒コンバータ装置１２によって昇温された排気の熱も利用して、排熱回収器５２によりエンジン冷却水を加熱・昇温できる。

なお、上記各実施形態において、どのような条件あるいはタイミングで、触媒コンバータ装置１２への通電を行うか、という点は、触媒コンバータ装置１２に求められる浄化性能や、排熱回収器２２による排熱回収（エンジン冷却水の加熱）の必要性等によって決められるものである。ただし、排熱回収器２２による排熱回収が不要の場合であっても、排気中の有害物質の除去を効率的に行う必要性が高い場合があると考えられる。したがって、排熱回収器２２による排熱回収の必要性の有無に係らず、まず、触媒コンバータ装置１２への通電加熱が必要であるか否かを判断し、必要である場合には、触媒コンバータ装置１２への通電加熱を行う。また、排気からの有害物質の効率的除去という観点からは触媒コンバータ装置１２への通電加熱が不要である場合でも、排熱回収器２２による排熱回収を効率的に行う（たとえばエンジン始動直後に短時間でエンジン冷却水を昇温させる）必要がある場合には、触媒コンバータ装置１２への通電加熱を行えばよい。

１０ 車両用排気装置
１２ 触媒コンバータ装置
２０ 排気管
２２ 排熱回収器
３０ 流入配管
３２ 流出配管
５０ 車両用排気装置
５２ 排熱回収器
５４ 外筒
５８ 排気通路
６０ 開閉弁
６２ 導入口
６４ 排出口
６６ 通過口

Claims (3)

1. 排気管に設けられ、エンジンから排出される排気を浄化するための触媒を担持すると共に通電によって加熱される触媒装置と、
   前記排気管において前記触媒装置よりも下流側に設けられ、流入された液体を排気によって加熱した後に流出させる加熱装置と、
   を有する車両用排気装置。
2. 排気管に設けられ、エンジンから排出される排気を浄化するための触媒を担持すると共に通電によって加熱される触媒装置と、
   前記排気管において前記触媒装置の外周側に設けられ、流入された液体を排気によって加熱した後に流出させる加熱装置と、
   を有する車両用排気装置。
3. 前記排気管の内部において前記触媒装置よりも下流側に導入口及び排出口が設けられ、導入口から排気を導入して前記触媒装置の外周側を通過させた後に排出口から排出可能な排気通路と、
   前記導入口よりも下流側で前記排気管の内部に設けられた排気の通過口と、
   前記通過口を開閉可能とし、閉塞状態では前記導入口に排気を導入すると共に開放状態では通過口に排気を通過させる開閉機構と、
   を有する請求項２に記載の車両用排気装置。

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