JP2013148029A

JP2013148029A - 車両用の排気浄化装置

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Publication number: JP2013148029A
Application number: JP2012009672A
Authority: JP
Inventors: Yoshimi Kizaki; 好美木崎; Akira Shichi; 明志知; Kazuhiro Akihama; 一弘秋濱
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2013-08-01

Abstract

【課題】従来よりも浄化能力の低い触媒器であっても、十分に排気を浄化することが可能な、車両用の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】車両用の排気浄化装置１０は、内燃機関１８から排出された排気を浄化する触媒器１４と、前記内燃機関１８と前記触媒器１４とを繋ぐ排気管１２の内部に設けられるとともに、前記触媒器１４に流入する排気の流量変化を緩和する緩和手段１６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用の排気浄化装置に関する。

車両の駆動源となる内燃機関から排出される排気を浄化するために、従来から、触媒器が車両に搭載されている。

触媒器の浄化能力を検査するために、実際に触媒器に排気を流し、浄化後の排気の成分検査を行う場合がある。例えば、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度が、予め定めた最大濃度以下となるか否かを検査する。

このような検査に当たり、行政機関等により定められたテストパターンに沿って内燃機関を駆動させて排気を排出させる場合がある。テストパターンに沿って内燃機関を駆動させた場合の、触媒器に流入する排気流量の時間変化を、図１０に例示する。この図に示されているように、テストパターンによっては、排気流量が急激に増加するピークポイント１１０が発生する場合がある。

ここで、触媒器内の排気の滞留時間が短くなるほど、その排気に対する浄化率は低下する。つまり、触媒器における排気の浄化率は、図１１に示すように、排気の線速度に反比例する。線速度とは、流量を流路の断面積で割った値である。

テストパターン実行中、流路（排気管）の断面積は一定である。したがって、図１０の排気流量のピークポイント１１０において線速度が最大値となる。つまり、触媒器にとっては、ピークポイント１１０において浄化能力が最も低くなる。このことから、ピークポイント１１０における排気中の窒素酸化物の濃度が予め定めた最大濃度以下となるように、触媒器の浄化能力を設定する必要がある。

特開２００８−１８０１８５号公報実開平６−１９００６号公報

ところで、図１０に示すように、テストパターンの期間全体に占めるピークポイント１１０の期間の割合はごく僅かであり、したがって、発生頻度の低いピークポイント１１０に備えて触媒器の浄化能力が設定されることとなる。そうなると、触媒器は、浄化能力に余剰のある状態が大半であることとなる。また、内燃機関を駆動させるテストパターンは、行政機関等によって厳格に定められており、テストパターンを変更してピークポイント１１０を下げることはできない。このように、従来は、浄化能力に余剰のある状態が大半であるような触媒器を使用せざるを得なかった。

本発明の一つの態様は、車両用の排気浄化装置に関するものである。当該排気浄化装置は、内燃機関から排出された排気を浄化する触媒器と、前記内燃機関と前記触媒器とを繋ぐ排気管の内部に設けられるとともに、前記触媒器に流入する排気の流量変化を緩和する緩和手段と、を備える。

また、上記発明において、前記緩和手段は、前記排気管の屈曲部に設けられることが好適である。

また、上記発明において、前記排気管は、前記触媒器の上流側に接続されるとともに、内径が５倍以上１０倍以下に拡大される拡径部を備え、前記触媒器の触媒層の径は、前記拡径部により拡大された内径と等しいことが好適である。

本発明によれば、従来よりも浄化能力の低い触媒器であっても、十分に排気を浄化することが可能となる。

本発明の一実施における車両用の排気浄化装置の模式図である。本発明の一実施における車両用の排気浄化装置の模式図である。本発明の一実施における車両用の排気浄化装置の側面断面図である。本発明の一実施における車両用の排気浄化装置の、排気流量の時間変化を示すグラフである。本発明の一実施における車両用の排気浄化装置の模式図である。本発明の一実施における車両用の排気浄化装置の側面断面図である。拡径部の内径比に応じた排気浄化率の変化を示すグラフである。本発明の一実施における車両用の排気浄化装置の、排気流量の時間変化を示すグラフである。本発明の一実施における車両用の排気浄化装置の、排気流量の時間変化を示すグラフである。従来の車両用の排気浄化装置の、排気流量の時間変化を示すグラフである。排気の線速度に応じた排気浄化率の変化を示すグラフである。

本実施の形態に係る、車両用の排気浄化装置を、図１に例示する。排気浄化装置１０は、排気管１２、触媒器１４及び緩和手段１６を含んで構成される。

排気管１２は、内燃機関１８と触媒器１４とを繋ぐ配管である。排気管１２の上流側には、内燃機関１８の排気マニホールド２０が接続されている。排気管１２の下流側には、触媒器１４が接続されている。排気管１２の内径は、内燃機関１８の排気量に応じて定めてよい。例えば、内燃機関１８の排気量が２リットル程度である場合には、排気管１２の内径は５０ｍｍ程度に定められる。

触媒器１４は、排気中の有害物質を低減させる浄化手段である。図１下段には、排気浄化装置１０の一部断面図が示されている。触媒器１４の内部には、触媒層１５が収容されている。触媒層１５には、有害物質を無害にする化学反応を促進させる触媒が含まれている。触媒は、例えば三元触媒であってよい。触媒層１５の構造は、触媒と排気との接触面積を広くする様な構造であることが好適である。例えば、触媒層１５は、いわゆるハニカム構造の担体に触媒をコーティングしたものであってよい。

緩和手段１６は、触媒器１４に流入する排気の流量変化を緩和する。緩和手段１６は、排気管１２の内部に設けられており、排気管１２内の排気の流れを阻害する。これにより、排気管１２内の管抵抗が増加する。管抵抗が増加すると、気体流れに局所的な時間遅れが生じ、その結果、流量変化が緩和される。

緩和手段１６の形状や個数は、目標とする管抵抗に応じて定めてよい。例えば、緩和手段１６は、複数の通気孔２１が設けられた整流板であってよい。整流板の厚みは、排気圧による変形に耐え得るものが好適である。他方で、過度に厚いと管抵抗が過度に増加することから、例えば、整流板の厚さは、１ｍｍ以上５ｍｍ以下であると好適である。また、通気孔２１の径は、排気中の粒子状物質による目詰まりが起こらない程度の径であることが好適である。例えば、通気孔２１の径は、１ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることが好適である。また、隣り合う通気孔２１の間隔は、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好適である。さらに、緩和手段１６は、耐熱性の材料から構成されていることが好適である。例えば、金属、セラミックスなど、１０００℃程度の耐熱性を有する材料であることが好適である。さらに、緩和手段１６に、触媒器１４と同様の触媒をコーティングするようにしてもよい。

また、図２に示すように、排気管１２に屈曲部２２を設けるとともに、当該屈曲部２２に緩和手段１６を設けてもよい。屈曲部２２とその周辺部材の断面図を図３に示す。屈曲部２２では気体の圧力が局所的に増大して流れの剥離（乱れ）が生じる。流れの剥離が生じることで、気体流れに局所的な時間遅れが生じ、その結果、流量変化が緩和される。流れの剥離が生じる屈曲部２２に緩和手段１６を配置することで、屈曲部２２内の気体流れの乱れがより強くなり、流量変化の緩和が促進される。

図４には、図２の実施形態における排気浄化装置１０の、触媒器１４に流入する排気流量の時間変化が示されている。なお、内燃機関１８は、従来と同様のテストパターンに沿って駆動させた。また、排気管１２の内径は５０ｍｍとした。また、屈曲部２２は、図２のように４個設けた。また、それぞれの屈曲部２２に緩和手段１６を配置した。各屈曲部２２における緩和手段１６は、３ｍｍ間隔で４枚配置した。また、緩和手段１６の厚さは１．５ｍｍとし、５ｍｍ径の通気孔２１を２ｍｍ間隔で複数個設けた。また、内燃機関１８の駆動条件は、図１０と等しいものとした。

図４でのピークポイント２４における排気流量は、図１０でのピークポイント１１０における排気流量より低くなっている。具体的には、図１０のピークポイント１１０の排気流量は３５００Ｌ／ｍｉｎであるのに対して、図４のピークポイント２４の排気流量は１５００Ｌ／ｍｉｎまで低減されている。このように、緩和手段１６と屈曲部２２とによって、ピークポイントを効果的に低減させることができる。

なお、上述したように、触媒器１４の浄化能力は、排気の線速度に反比例する。したがって、線速度を抑えれば触媒器１４の浄化能力を向上させることできる。線速度は、流量を流路の断面積で割ったものであるから、上述の実施形態のように、ピークポイントを低減させる（流量の最大値を低減させる）他にも、断面積を広げることで排気の線速度を遅らせることができる。そこで、図５に示すように、排気管１２の内径を拡げる拡径部２６を設けてもよい。

拡径部２６は、触媒器１４の上流側に接続される。さらに、触媒器１４の触媒層１５の径は、拡径部２６によって広げられた排気管１２の内径と等しいことが好適である。ここで、等しいとは、組み付け時の公差等を含むものであり、例えば、両者の径に５％以下の差がある場合にもこれを含むものとする。

排気管１２の内径が拡げられることで、排気流路の断面積が増加する。これにより、当該断面積を通過する流体の線速度は低減する。図６に示すように、拡径部２６の下流側内径Ｄ_Ｏｕｔと触媒層１５の径Ｄ_１とはほぼ等しく形成されているから、線速度が低減された排気はそのまま触媒層１５に流入する。その結果、触媒器１４の浄化能力の低下が抑制される。

図７に、拡径部２６の上流側内径Ｄ_Ｉｎに対する下流側内径Ｄ_Ｏｕｔの比Ｄ_Ｏｕｔ／Ｄ_Ｉｎ（以下、内径比と呼ぶ）に応じた、窒素酸化物に対する触媒器１４の浄化率の変化を示す。この図では、内径比Ｄ_Ｏｕｔ／Ｄ_Ｉｎが２のときの浄化率を０％としている。また、各プロットにおける排気流量を等しくしている。この図によれば、内径比が高いほど浄化率が向上することが理解される。高い浄化率を確保するために、拡径部２６の内径比を５以上とすることが好適である。また、内径比を過度に大きくすると、車両のアンダーフロアにおけるレイアウト上の制約を受けることから、内径比は１０以下であることが好適である。

図８に、図５の実施形態における排気浄化装置１０の、触媒器１４に流入する排気流量の時間変化を示す。なお、内燃機関１８は、従来及び図４と同様のテストパターンに沿って駆動させた。また、拡径部２６の入り口内径は５０ｍｍとし、出口内径は３００ｍｍとした。また、屈曲部２２及び緩和手段１６の条件は図４のものと等しいものとした。また、内燃機関１８の駆動条件は、図１０及び図４と等しいものとした。

図８において、ピークポイント２４の排気流量は、ほぼ１５００Ｌ／ｍｉｎであり、図４におけるピークポイント２４の排気流量とほぼ変わらない。しかし、それぞれの排気管１２の内径の差から、両者の線速度に差異が生じる。具体的には、図４におけるピークポイント２４の線速度は、１５００×１０００ｃｍ^３／（２．５ｃｍ×２．５ｃｍ×３．１４×６０ｓｅｃ）≒１２７４ｃｍ／ｓｅｃである。また、図８におけるピークポイント２４の線速度は、１５００×１０００ｃｍ^３／（１５ｃｍ×１５ｃｍ×３．１４×６０ｓｅｃ）≒３５ｃｍ／ｓｅｃである。後者の線速度は前者の３／１００程度にまで低減されている。さらに、図１１を参照すると、線速度が３５ｃｍ／ｓｅｃであるときの排気の浄化率は９０％以上となる。

なお、上述の実施形態においては、緩和手段１６及び屈曲部２２の後段に拡径部２６を設けていたが、この形態に限られない。例えば、緩和手段１６及び屈曲部２２を省略し、排気管１２に拡径部２６のみを設けてもよい。拡径部２６では、流路の断面積の拡大に伴って流れの剥離が生じ、これによって流れの乱れが生じる。その結果、排気流量のピークポイント２４を従来より低減させることが可能となる。図９には、緩和手段１６及び屈曲部２２を省略し、排気管１２に拡径部２６のみを設けた排気浄化装置１０の、触媒器１４に流入する排気流量の時間変化が示されている。なお、拡径部２６の入り口内径は５０ｍｍとし、出口内径は３００ｍｍとした。また、内燃機関１８の駆動条件は、図１０、図４及び図８と等しいものとした。

図９において、ピークポイント２４の排気流量はほぼ１８００Ｌ／ｍｉｎである。さらに、ピークポイント２４での線速度は、１８００×１０００ｃｍ^３／（１５ｃｍ×１５ｃｍ×３．１４×６０ｓｅｃ）≒４３ｃｍ／ｓｅｃとなる。従来と比較して、ピークポイントの線速度が大幅に低減されていることが理解される。

１０排気浄化装置、１２排気管、１４触媒器、１５触媒層、１６緩和手段、１８内燃機関、２０排気マニホールド、２１通気孔、２２屈曲部、２４ピークポイント、２６拡径部。

Claims

内燃機関から排出された排気を浄化する触媒器と、
前記内燃機関と前記触媒器とを繋ぐ排気管の内部に設けられるとともに、前記触媒器に流入する排気の流量変化を緩和する緩和手段と、
を備えることを特徴とする、車両用の排気浄化装置。
請求項１記載の車両用の排気浄化装置であって、
前記緩和手段は、前記排気管の屈曲部に設けられることを特徴とする、車両用の排気浄化装置。
請求項２記載の車両用の排気浄化装置であって、
前記排気管は、前記触媒器の上流側に接続されるとともに、内径が５倍以上１０倍以下に拡大される拡径部を備え、
前記触媒器の触媒層の径は、前記拡径部により拡大された内径と等しいことを特徴とする、車両用の排気浄化装置。