JP2013142360A - 触媒内蔵マフラ - Google Patents

Abstract

【課題】冷態始動直後から暖気が終了した飽和状態まで良好な排気ガス浄化性能を得られかつ触媒の耐久性を確保した触媒内蔵マフラを提供する。
【解決手段】エンジン１の排気ガスの音響エネルギを低減するとともに内部に触媒が設けられた触媒内蔵マフラ１００を、排気ガスが通過するガス流路に設けられ、一部の排気ガスが通過する第１触媒１４１と、ガス流路における第１触媒の下流側に設けられ、実質的に全部の排気ガスが通過する第２触媒１４２とを備える構成とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、例えば産業用の汎用エンジン等に取り付けられる触媒内蔵マフラに関し、特に冷態始動直後から暖気が終了した飽和状態まで良好な排気ガス浄化性能を得られかつ触媒の耐久性を確保したものに関する。

例えば産業用の汎用エンジンにおいて、排ガス規制が年々強化されてきたことから、後処理装置である触媒コンバータを装着することが必要となっている。
しかし、このような汎用エンジンは、エンジン主機の周囲に燃料タンク、リコイルスタータ、エアクリーナ、キャブレター、マフラ等の各種補機をコンパクトにレイアウトする必要があることから、触媒の収容スペースを確保することが困難である。
この点、マフラに触媒を内蔵することができれば、既存のエンジンのレイアウトを変更することなく触媒を搭載し、排気ガスの浄化性能を向上することができる。

マフラへの触媒の内蔵に関する従来技術として、例えば、特許文献１には、排気ガスが順次通過する第１室、第２室を有するマフラにおいて、第１室と第２室との隔壁部分に触媒を配置することが記載されている。

特開平 ６−１０８８３５号公報

マフラ内に触媒を配置しようとした場合、触媒をマフラの入口近傍に配置した場合には、エンジンの排気ポートから出た排気ガスが比較的高温のまま導入されるため、冷態始動直後から良好な排気ガス浄化性能を得ることができる。しかし、エンジンの暖気が終了した飽和状態においては、触媒付近における排気ガス温度が高くなりすぎて触媒の耐久性が低下することが懸念される。
一方、触媒をマフラの出口近傍に配置した場合には、排気ガスが触媒に到達するまでに冷却されるため、飽和状態における触媒の耐久性を確保することができる。しかし、この場合には、冷態始動直後に触媒近傍の排気ガス温度が低くなり、触媒反応の適温範囲とすることが困難である。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、冷態始動直後から暖気が終了した飽和状態まで良好な排気ガス浄化性能を得られかつ触媒の耐久性を確保した触媒内蔵マフラを提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、エンジンの排気ガスの音響エネルギを低減するとともに内部に触媒が設けられた触媒内蔵マフラであって、排気ガスが通過するガス流路に設けられ、一部の排気ガスが通過する第１触媒と、前記ガス流路における前記第１触媒の下流側に設けられ、実質的に全部の排気ガスが通過する第２触媒とを備えることを特徴とする触媒内蔵マフラである。
これによれば、一部の排気ガスを上流側に配置された第１触媒で反応させ昇温させることによって、排気ガス温度を昇温させ、冷態始動直後においても第２触媒に入る排気ガス温度を触媒の反応適温範囲内に入れることが可能となり、触媒の浄化率を向上して良好な排気ガス浄化性能を得ることができる。
一方、エンジンの暖機が終了した飽和状態においても、第１触媒を通過する排気ガスは一部でありかつその後第１触媒を通過しない排気ガスと合流することから、第１触媒から第２触媒に至るまでの排気ガス温度が過度に高くなることがなく、触媒の耐久性を確保することができる。

請求項２に係る発明は、前記第１触媒と前記第２触媒とを一体に形成したことを特徴とする請求項１に記載の触媒内蔵マフラである。
これによれば、触媒の部品点数を低減して製造コストを低減し、製造工程を簡素化することができる。
また、始動直後に第１触媒が発生する熱によって第２触媒を予熱することができるため、始動直後の排気ガス浄化性能をさらに高めることができる。

請求項３に係る発明は、隔壁によって区画されるとともに、前記排気ガスが順次通過する第１室及び第２室と、前記排気ガスを前記第１室に導入する導入管とを備え、前記第１触媒は前記導入管の内部に設けられ、前記第２触媒は前記第１室と前記第２室との連通箇所に設けられることを特徴とする請求項１に記載の触媒内蔵マフラである。
これによれば、第１室、第２室を有する一般的な汎用エンジン用マフラにおいて、比較的軽微な設計変更により本発明を適用した触媒内蔵マフラとすることが可能であり、既存のエンジンやマフラにも容易に適用することができる。

請求項４に係る発明は、前記第１触媒と前記第２触媒とを一体に形成するとともに、前記第１触媒が前記導入管の内径側となり、前記第２触媒が前記導入管の外径側となる状態で前記隔壁に固定したことを特徴とする請求項３に記載の触媒内蔵マフラである。
これによれば、簡単な構成によって上述した各発明の効果を確実に得ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、冷態始動直後から暖気が終了した飽和状態まで良好な排気ガス浄化性能を得られかつ触媒の耐久性を確保した触媒内蔵マフラを提供することができる。

本発明を適用した触媒内蔵マフラの実施例を備えたエンジンの断面図である。 実施例の触媒内蔵マフラの三面図である。 図２のIII―III部矢視断面図である。 図３のIV−IV部矢視断面図である。 実施例の触媒内蔵マフラの透視斜視図である。 実施例の触媒内蔵マフラにおける排気ガスの通過面積比を示す図である。 本発明の比較例１の触媒内蔵マフラの透視斜視図である。 本発明の比較例２の触媒内蔵マフラの透視斜視図である。 実施例、比較例１、比較例２の触媒内蔵マフラにおける排気ガスの温度推移の一例を示すグラフである。

本発明は、冷態始動直後から暖気が終了した飽和状態まで良好な排気ガス浄化性能を得られかつ触媒の耐久性を確保した触媒内蔵マフラを提供する課題を、隔壁で区画された第１室及び第２室と、第１室に排気ガスを導入する導入管とを有するマフラにおいて、一体に形成された触媒の一部を、導入管の内部で一部の排気ガスが通過するように配置し、触媒の他部を、第１室と第２室との連通箇所で全部の排気ガスが通過するように配置することによって解決した。

以下、本発明を適用した触媒内蔵マフラの実施例について説明する。
実施例の触媒内蔵マフラは、例えば、産業用の汎用エンジンに搭載されるものである。
図１は、実施例の触媒内蔵マフラを備えたエンジンの断面図である。
エンジン１は、例えば、ガソリンを燃料とする単気筒４ストロークＯＨＣの産業用汎用エンジンである。
図１に示すように、エンジン１は、クランクシャフト１０、ピストン２０、コンロッド３０、クランクケース４０、シリンダヘッド５０、キャブレター６０、エアクリーナ７０、ヒートインシュレータ８０、マフラ１００等を有して構成されている。

クランクシャフト１０は、エンジン１の出力軸であって、両端部を軸受によって回転可能に支持されている。
また、クランクシャフト１０の中間部には、コンロッド３０の大端部が連結されるクランクピン、クランクピンを支持するクランクアーム、及び、クランクウェイトが形成されている。
ピストン２０は、シリンダ内を往復運動し、燃焼ガスの圧力をクランクシャフト１０に伝達するものである。
コンロッド３０は、ピストンピンを介してピストン２０に連結される小端部、及び、クランクシャフト１０のクランクピンに連結される大端部を有し、これらを連結するものである。

クランクケース４０は、クランクシャフト１０等を収容する容器状の部材であって、エンジン１の本体部を構成する部分である。
クランクケース４０の上部には、ピストン２０が挿入され内部で往復するシリンダ部４１が形成されている。シリンダ部４１は、その中心軸が鉛直方向にほぼ沿って配置されている。
シリンダ部４１の内径側には、円筒状のシリンダスリーブ４２が挿入されており、ピストン２０はこの内部に挿入されている。

シリンダヘッド５０は、シリンダ部４１の上端部に設けられ、ヘッドガスケットを挟み込んだ状態でシリンダ部４１に締結されている。
シリンダヘッド５０は、燃焼室５１、吸気ポート５２、排気ポート５３、吸気バルブ５４、排気バルブ５５等を有して構成されている。
燃焼室５１は、シリンダヘッド５０のピストン２０の冠面と対向する領域を凹ませて形成した凹部であって、混合気が内部で燃焼される部分である。
燃焼室５１には、図示しない点火プラグ等が設けられる。

吸気ポート５２は、キャブレター６０において生成された混合気（燃焼用空気中に霧化及び気化された燃料が存在するもの）を燃焼室５１に導入する通路である。
吸気ポート５２の入口は、シリンダヘッド５０のキャブレター６０側の側面に開口し、出口は燃焼室５１の上部に開口しており、これらの中間部では吸気ポート５２は湾曲して形成されている。

排気ポート５３は、燃焼室５１から既燃ガス（排気ガス）を輩出する通路である。
排気ポート５３の入口は、燃焼室５１の吸気ポート５２とは反対側の上部に開口し、出口はシリンダヘッド５０のマフラ１００側の側面に開口しており、これらの中間部では排気ポート５３は湾曲して形成されている。

吸気バルブ５４及び排気バルブ５５は、図示しないカムシャフトやロッカアーム５４ａ、５５ａ等の動弁駆動系によって駆動され、上述した吸気ポート５２及び排気ポート５３の燃焼室５１側の端部をそれぞれ開閉するものである。

キャブレター６０は、エンジン１に混合気を供給するものである。
キャブレター６０は、新気が通過する通路（バレル）６１の中間部に、他部よりも内径を小さくしたベンチュリ部６２を形成し、その上流側、下流側にチョークバルブ６３、スロットルバルブ６４をそれぞれ配置して構成されている。
チョークバルブ６３及びスロットルバルブ６４は、ほぼ水平に配置された回転軸周りに揺動可能なバタフライバルブである。

エアクリーナ７０は、キャブレター６０の入口側に設けられ、導入された外気からダスト等を除去してキャブレター６０の通路６１内に導入するものである。

ヒートインシュレータ８０は、シリンダヘッド５０からの熱伝導によってキャブレター６０が加熱されることを抑制するため、シリンダヘッド５０とキャブレター６０との間に挟み込まれた状態で固定される部材である。

マフラ１００は、排気ポート５３から排出された排気ガスの音響エネルギを低減し、外部へ排出するものである。
マフラ１００は、シリンダヘッド５０の排気ポート５３側の側面部に固定されている。
また、マフラ１００は、内部に三元触媒が収容された触媒内蔵マフラとなっている。
図２は、マフラ１００の三面図である。図２（ａ）は、マフラ１００を排気ポート５３側から見た状態を示す。図２（ｂ）は、図２（ａ）のｂ−ｂ部矢視図である。図２（ｃ）は、図２（ｂ）のｃ−ｃ部矢視図である。
図３は、図２（ｂ）のIII−III部矢視図である。
図４は、図３のIV−IV部矢視図である。
図５は、マフラ１００の透視斜視図である。

マフラ１００は、アウタケース１１０の内部に、仕切板１２０、連通管１３０、触媒１４０、テールパイプ１５０等を配置して構成されている。
アウタケース１１０は、例えば鋼板をプレス加工することによって、一方が開口したボックス状に形成された第１部材１１１、第２部材１１２を、開口側どうしを突き合わせて接合することによって構成されている。
第２部材１１２は、第１部材１１１に対して、エンジン１の排気ポート５３側に配置されている。

第２部材の排気ポート５３側の面には、マフラ１００を排気ポート５３に取り付ける基部となる取付面部１１３が形成されている。
取付面部１１３には、マフラ１００をシリンダヘッド５０に締結するボルトが挿入されるボルト穴Ｈが形成されている。同様のボルト穴Ｈは、第１部材１１１及び仕切板１２０にも形成され、マフラ１００は、これらのボルト穴Ｈに第１部材１１１側からロングボルトを挿入し、シリンダヘッド５０に締結することによってエンジン１に固定される。
ボルト穴Ｈは、ボルトの軸方向から見たときに、連通管１３０を挟んだ両側に例えば１対が配置されている。

第１部材１１１、第２部材１１２は、それぞれ開口部の周囲に形成されたフランジ部１１１ａ、１１２ａを有し、これらをカシメ加工することによって接合されている。このカシメ加工は、例えば、フランジ部１１１ａの突出量をフランジ部１１２ａに対して大きくし、フランジ部１１１ａの突端部を、フランジ部１１２ａを挟み込むように折り返すことによって行う。

仕切板１２０は、アウタケース１１０の内部を、第１室１０１、第２室１０２に区画する隔壁である。
アウタケース１１０内において、第１室１０１、第２室１０２は、それぞれ第１部材１１１、第２部材１１２の内側に形成される。
仕切板１２０は、例えば鋼板によって実質的に平板状に形成されている。
仕切板１２０は、その外周縁部を、第１部材１１１、第２部材１１２のフランジ部１１１ａ、１１２ａのカシメ部に挟み込まれた状態で固定されている。

仕切板１２０には、連通管１３０、触媒１４０、テールパイプ１５０が挿入され固定される開口が形成されている。
各開口の内周縁部には、仕切板１２０の主平面に対して垂直に立ち上げられたフランジ部が形成され、連通管１３０、触媒１４０、テールパイプ１５０は、その外周面をこのフランジ部と溶接することによって仕切板１２０に固定されている。

連通管１３０は、排気ポート５３からマフラ１００の第１室１０１に排気ガスを導入する導入管である。
連通管１３０は、例えば丸パイプによって形成され、アウタケース１１０の第２部材１１２に設けられた取付面部１１３から、仕切板１２０を貫通して第１室１０１の内部まで延在している。
連通管１３０の第１室側の端部１３１は、端面を閉塞されるとともに、排気ガスの冷却を防止するため、アウタケース１１０の第１部材１１１から離間して配置されている。
連通管１３０の第１室１０１内における外周面部には、連通管１３０から第１室１０１内へ排気ガスを導入する複数の開口１３２が形成されている。

触媒１４０は、例えばアルミナ等によってハニカム状に形成された担体に、白金、ロジウム、パラジウムなどの貴金属を担持させ、ＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣを浄化する三元触媒である。
触媒１４０は、鋼製の丸パイプによって形成された外筒の内径側に、上述したハニカム担体を配置して構成されている。
触媒１４０は、その中心軸方向が連通管１３０と平行に配置されるとともに、その外周縁近傍の一部が、連通管１３０の外周面に形成された開口から連通管１３０の内部に入り込むように配置されている。連通管１３０と触媒１４０とは、中心軸方向から見たときに、部分的に重なりあうように配置されている。
触媒１４０の中心軸方向における両端部は、アウタケース１１０の第１部材１１１、第２部材１２０からそれぞれ離間して配置されている。
以下、触媒１４０のうち、連通管１３０の内部に配置された領域を第１部１４１、連通管１３０の外部に配置された領域を第２部１４２と称して説明する。
これらの第１部１４１、第２部１４２は、本発明にいう第１触媒、第２触媒としてそれぞれ機能する。
なお、触媒１４０の内部では、第１部１４１と第２部１４２とは相互に連通しておらず、排気ガスは、実質的に外筒の軸方向に沿ってのみ流れることが可能となっている。

図６は、マフラ１００における排気ガスの通過面積比を示す図である。
図６に示すように、連通管１３０の触媒以外の部分、触媒１４０の第１部１４１、第２部１４２の通過面積の合計を１００％とした場合に、連通管１３０の触媒以外の部分は２０％、触媒１４０の第１部１４１は１０％、第２部１４２は７０％となっている。
これらの通過面積比は、エンジン、触媒の特性に応じて適宜設定することが可能である。

テールパイプ１５０は、第２室１０２内の排気ガスを外部へ排出する出口部を構成するものである。
テールパイプ１５０は、丸パイプによって構成され、一方の端部１５１は第２部材１１２のエンジン１側の端面に閉塞された状態で固定され、他方の端部１５２は第１部材１１１のエンジン１から離れた側の端面に固定されるとともに、一部がマフラ１００の外部に突き出して配置されている。
テールパイプ１５０の中間部は、仕切板１２０の開口に挿入された状態で固定されている。
テールパイプ１５０の第２室１０２内の部分には、複数の開口１５３が形成されている。第２室１０２内の排気ガスは、この開口１５３からテールパイプ１５０内に導入され、端部１５２から外部へ排出される。

以上説明した実施例のマフラ１００においては、排気ポート５３から出た排気ガスは、連通管１３０内を通過して第１室１０１に導入される。このとき、排気ガスは、一部が触媒１４０の第１部１４１を通過することよって昇温される。
その後、排気ガスは触媒１４０の第２部１４２を通過して第１室１０１から第２室１０２へ流入する。このとき、排気ガスはその全量が触媒１４０の第２部１４２を通過する。
さらに、排気ガスは、開口１５３からテールパイプ１５０内に入り、その端部１５２から大部へ排出される。

以下、上述した実施例の効果を、以下説明する本発明の比較例１、比較例２と対比して説明する。
なお、比較例１、比較例２において、実施例と実質的に共通する箇所については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
図７は、比較例１の触媒内蔵マフラの透視斜視図である。
図８は、比較例２の触媒内蔵マフラの透視斜視図である。

図７に示す比較例１のマフラ１００Ａは、排気ポート５３から第１室１０１に排気ガスを導入する連通管１３０Ａの第１室１０１側の端部を拡径し、その内部に図示しない触媒を配置し、連通管１３０Ａ内を通過する排気ガスの全量がこの触媒を通過するようにしている。
比較例１の触媒内蔵マフラ１００Ａにおいては、排気ポート５３から出た排気ガスは、連通管１３０Ａ内で触媒を通過した後、第１室１０１内に導入され、仕切板１２０に形成された図示しない連通開口から第２室１０２内に入り、さらに開口１５３からテールパイプ１５０内に入って端部１５２から外部に放出される。

図８に示す比較例２のマフラ１００Ｂは、触媒１４０Ｂは第１室１０１から第２室１０２への連通箇所にのみ設けられており、連通管１３０Ｂの内部には触媒は設けられていない。
比較例２の触媒内蔵マフラ１００Ｂにおいては、排気ポート５３から出た排気ガスは、連通管１３０を介して第１室１０１に導入され、その後、触媒１４０Ｂを通過して第２室に入り、さらに開口１５３からテールパイプ１５０内に入って端部１５２から外部に放出される。

図９は、実施例、比較例１、比較例２の触媒内蔵マフラにおける排気ガスの温度推移の一例を示すグラフである。
図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）は、それぞれ実施例、比較例１、比較例２の排気ガス温度を示している。
各図において、実線はエンジンの暖機が終了した飽和状態（温間状態）の排気ガス温度を示し、破線は冷態始動直後の排気ガス温度を示している。
また、ハッチングを付して示す矩形の領域は、各触媒の反応適温範囲を示している。

図９（ｂ）に示す比較例１においては、触媒がマフラ１００の入口近傍に存在することから、冷態始動直後であっても、触媒部分の排気ガス温度を反応適温範囲に入れて良好な排気ガス浄化性能を得ることができる。
しかし、飽和状態においては、触媒に入る排気ガス温度が高くなり、触媒内部での反応によってさらに排気ガス温度が高くなるため、触媒の温度が高温となって耐久性に懸念が生じる。

図９（ｃ）に示す比較例２においては、触媒１４０Ｂがマフラ１００の入口から離れた箇所に配置されることから、排気ガスが触媒１４０Ｂに到達するまでに冷却され、触媒部分の排気ガス温度は比較例１に対して低くなるため、飽和状態であっても比較例１のような耐久性の懸念は生じにくい。
しかし、比較例２の場合には、冷態始動直後に触媒に入る排気ガス温度が低くなり、触媒の反応適温範囲から外れるため、始動直後の排気ガス浄化性能が問題となる。

図９（ａ）に示す実施例によれば、排気ポート５３から出る排気ガス温度が低い冷態始動直後であっても、マフラ１００の入口に近い連通管１３０の内部で、排気ガスの温度が低下する前に、排気ガスの一部に触媒１４０の第１部１４１を通過させて排気ガスを昇温し、その下流側において第２部１４２に入る排気ガス温度を、反応適温範囲に入れることが可能となる。
これによって、触媒１４０の浄化率を高め、良好な排気ガス浄化性能を得ることができる。

一方、エンジン１の暖機が終了し、排気ポート５３から出る排気ガス温度が高温となる飽和状態においても、触媒１４０の第１部１４１を通過する排気ガスは一部であり、その後第１部１４１を通過しない排気ガスと合流することから、第１部１４１から第２部１４２に至るまでの排気ガス温度が過度に高くなることがなく、触媒１４０の耐久性を確保することができる。

以上説明したように、本実施例によれば、冷態始動直後から飽和状態に至るまで、良好な排気ガス浄化性能を得られるとともに、高温による触媒へのダメージも防止できる。
また、このような構造は触媒を持たない既存の２室タイプのマフラにも小規模な設計変更で容易に適用することが可能であり、既存のエンジンに対してもそのレイアウト等に影響を及ぼすことなく適用が可能である。
さらに、一体に形成された触媒の一部を連通管内に配置し、他部を連通管外に配置することによって、部品点数及び製造コストを低減することができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
エンジン主機の用途、形式、構造や、マフラを構成する各部分の形状、構造、寸法、配置等は、上述した実施例に限定されることなく適宜変更することができる。
例えば、マフラ内に形成される空間部の数や、その連通のさせ方などは適宜変更することができる。
また、実施例では、一体に形成された触媒の一部を第１触媒、他部を第２触媒として用いたが、これに限らず、第１触媒と第２触媒とを独立した触媒によって構成してもよい。また、他の触媒を付加してもよい。
さらに、導入管（連通管）、第１触媒、第２触媒の通過面積比も特に限定されない。

１ エンジン １０ クランクシャフト
２０ ピストン ３０ コンロッド
４０ クランクケース ４１ シリンダ部
４２ シリンダスリーブ ５０ シリンダヘッド
５１ 燃焼室 ５２ 吸気ポート
５３ 排気ポート ５４ 吸気バルブ
５４ａ ロッカアーム ５５ 排気バルブ
５５ａ ロッカアーム ６０ キャブレター
６１ 通路 ６２ ベンチュリ部
６３ チョークバルブ ６４ スロットルバルブ
７０ エアクリーナ ８０ ヒートインシュレータ
１００，１００Ａ，１００Ｂ マフラ
１０１ 第１室 １０２ 第２室
１１０ アウタケース １１１ 第１部材
１１１ａ フランジ部 １１２ 第２部材
１１２ａ フランジ部 １１３ 取付面部
１２０ 仕切板 １３０ 連通管
１４０，１４０Ｂ 触媒 １４１ 第１部
１４２ 第２部 １５０ テールパイプ
１５１，１５２ 端部 １５３ 開口

Claims (4)

1. エンジンの排気ガスの音響エネルギを低減するとともに内部に触媒が設けられた触媒内蔵マフラであって、
   排気ガスが通過するガス流路に設けられ、一部の排気ガスが通過する第１触媒と、
   前記ガス流路における前記第１触媒の下流側に設けられ、実質的に全部の排気ガスが通過する第２触媒と
   を備えることを特徴とする触媒内蔵マフラ。
2. 前記第１触媒と前記第２触媒とを一体に形成したこと
   を特徴とする請求項１に記載の触媒内蔵マフラ。
3. 隔壁によって区画されるとともに、前記排気ガスが順次通過する第１室及び第２室と、
   前記排気ガスを前記第１室に導入する導入管とを備え、
   前記第１触媒は前記導入管の内部に設けられ、前記第２触媒は前記第１室と前記第２室との連通箇所に設けられること
   を特徴とする請求項１に記載の触媒内蔵マフラ。
4. 前記第１触媒と前記第２触媒とを一体に形成するとともに、前記第１触媒が前記導入管の内径側となり、前記第２触媒が前記導入管の外径側となる状態で前記隔壁に固定したこと
   を特徴とする請求項３に記載の触媒内蔵マフラ。

Images