JP2015038324A

JP2015038324A - 酸化触媒に代わる翼状マフラー

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Publication number: JP2015038324A
Application number: JP2011271478A
Authority: JP
Inventors: 勇奥野; Isamu Okuno
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2015-02-26
Also published as: WO2013088978A1

Abstract

【課題】酸化触媒を用いないでＣＯ₂ の排出量を減らせ、併せて燃費もよくなるマフラーを提供する。
【解決手段】内燃機関のマフラーに挿設され、上流側に入孔が形成され、下流側に出孔が形成された外筒を有する酸化触媒に代わる翼状マフラーであって、外筒の前部に、下流側に径大になった円錐体を外筒に対して所定の間隙をもたせて複数の放射状のリブで固定するとともに、正面視でリブを隣のリブと重合させるまで捩じってある捩回誘導器を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガソリンやディーゼルといった炭化水素を燃料とする内燃機関から排出される排ガス中に含まれる有害物質を低減させるとともに、排圧を減じて燃費も向上させる酸化触媒に代わる翼状マフラーに関するものである。

ガソリンやディーゼル等を燃焼させる内燃機関（以下、エンジン）の排ガスには二酸化炭素（ＣＯ₂ ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害物質が含まれており、さらに、わずかではあるが一酸化炭素（ＣＯ）や酸素（Ｏ₂ ）も含まれている。このうち、ＣＯは猛毒であるため、排ガスを導くマフラー中に酸化触媒（以下、触媒）を挿設し、これをＣＯ₂ に変化させていた。触媒の原理は、塩素酸カリウムや二酸化マンガン或いは白金を使用して排ガスの高温で酸素を発生させ、この酸素を触媒としてＣＯをＣＯ₂ に変化させるものである。ところが、酸素を発生させるには熱が必要であり、そのためには、エンジンがある程度暖まって排ガスが高温にならなければならない。

したがって、エンジンが暖まるまでは有効に作用せず、ＣＯをそのまま排出していた。一方で、エンジンが暖まり、ＣＯをＣＯ₂ に変化させたとしても、今度は、ＣＯ₂ の含量が増え、これは昨今問題となっている地球温暖化の原因となる。さらに、触媒は高価であることから、触媒を使わずにこれら有害物質を減らせるとすれば、非常に有用なものになる。そこで、本発明者はこの課題に取り組み、下記特許文献１及び２を提案し、それ相応の効果を上げている。さらに、排ガスの排出を促進させてエンジン排気の排圧を下げると、燃費が改善するとともに、結果的には有害物質を減らすことができるのも知られており、下記特許文献３のようなものも提案されている。

特許第２５５１５１６号公報特許第３３４４９６８号公報米国特許５９６２８２２明細書

本発明は、ＣＯを触媒による化学変化によってＣＯ₂ に変化させるのではなく、物理的にＣとＯに分離させることで触媒を使わずにＣＯを減らせるとともに、結果的にＣＯ₂ の量も減らせるようにしたものである。

以上の課題の下、本発明は、請求項１に記載した、内燃機関のマフラーに挿設され、上流側に入孔が形成され、下流側に出孔が形成された外筒を有する酸化触媒に代わる翼状マフラーであって、外筒の前部に、下流側に径大になった円錐体を外筒に対して所定の間隙をもたせて複数の放射状のリブで固定するとともに、正面視でリブを隣のリブと重合させるまで捩じってある捩回誘導器を設けたことを特徴とする酸化触媒に代わる翼状マフラーを提供したものである。

また、本発明は、以上のマフラーにおいて、請求項２に記載した、リブも上端から下端にかけて捩じられており、外端が軸芯と交差する角度は内端の当該角度よりも大きく、外筒と内端が平面視で円錐体の途中で交差している手段、請求項３に記載した、円錐体の外周と外筒と二枚のリブで囲まれた流路の断面積は捩回誘導器の下流側に行くほど大きく、円錐体の最大外周と外筒との間隙の断面積は入孔の断面積よりも大きい手段、請求項４に記載した、捩回誘導器の下流側の外筒内に切れ目の後縁が盛り上がって壁となった金網からなる排気筒を設けて出孔に続けた手段、請求項５に記載した、マフラーが自動車用のものであり、リブが少なくとも１０枚以上設けられ、かつ、円錐体と外筒との間隙が１５ｍｍ±３ｍｍ程度である手段を提供する。

請求項１の発明によれば、捩回誘導器を通った排ガスはドーナツ状の螺旋流（捩回流）となって捩回誘導器と出孔の間の外筒内を流通して行くが、このとき、リブの捩じりが大きく（正面視では隣のリブと重合している位）、大きな捩回力を受ける。これにより、排ガス中のＣＯは遠心力を受け、重量差によってＣとＯに分離され、ＣＯ₂ の排出量も減らせることができる。いわば、触媒が化学変化によるものに対して物理的分離をするものになる。この点で、触媒が不要になって安価になる。

請求項２の発明によれば、リブの彎曲と傾斜によって外筒と円錐体及び二枚のリブとで形成される流路の両リブの双方の表面側では排ガスの流速に遅速が生じ、その結果、速い側では減圧され、ベンチュリ効果を受けるものとなり、上流側の排ガスを吸引する効果が生じ、排出を促進する。請求項３の発明によれば、排ガスは下流に行くほど膨張・拡散し、減圧されて上流の排ガスの吸引効果を更に増大させる。請求項４の発明によれば、排ガスを排気筒に取り込み易くし、排出を促進するし、併せて炭化水素を燃焼させることができ、ＨＣの量も減らせる。請求項５の手段によれば、流路の数が増え、より大きなベンチュリ効果を受ける。

マフラーの平面断面図である。マフラーを構成する捩回誘導器の側面断面図である。図１のＡ−Ａ断面図である。図１のＢ−Ｂ断面図である。マフラーの他の例を示す平面断面図である。マフラーの他の例を示す平面断面図である。マフラーの正面斜視図でる。マフラー置の後面斜視図である。マフラーの他の例を示す平面断面図である。本発明のマフラーと従来例のマフラーの圧力と流速の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一例を示すマフラーの縦断面図、図２はマフラーを構成する捩回誘導器の側面断面図、図３は図１のＡ−Ａ断面図、図４はＢ−Ｂ断面図であるが、このマフラーは、上流側から入口金具１、外筒２、出口金具３で構成される。このうち、入口金具１は入孔４が形成された取付用のフランジ５から外筒２まで続く筒状をしているものである。外筒２は入口金具１（入孔４）よりも径の大きなパイプ状のものである（６は前壁）。出口金具３は外筒２の下流側に接続され、出孔７が形成された同じく取付用のフランジ８とからなるものである。

外筒２の内部で前壁６の直後には捩回誘導器９が収容される。図７は捩回誘導器９の正面斜視図、図８は後面斜視図であるが、この捩回誘導器９は上流端が細く下流側が径大になった円錐体１０の外周に複数の放射状のリブ１１を取り付けて外筒２の中に収容される（本例では、捩回誘導器９が後方にずれるのを防止するためにスリーブ１２を外筒２の内周に挿設している）。このとき、円錐体１０と外筒２との間には間隙１７が形成され、入項４から入った排ガスはこの間隙１７を超えて出孔７から出て行く。そして、このリブ１１は螺旋形に捩じられており（捩回されている）、恰も船舶のペロペラのような形状をしている。本例では、捩回の方向は正面から見て左方であることから、これを基に説明する（捩回方向が右方の場合もあり、その場合は以下の方向は逆になる）。

リブ１１は一面を凸にした彎曲状態で捩じってあり、この捩じりの程度はかなり大きく、正面視で左側のリブ１１と重合している。さらに、リブ１１の上端１１ａが外筒２の軸芯と交差する角度（これをピッチ角αとする）と下端のピッチ角βでは異なっている。本例では、上端１１ａのピッチ角αの方を下端１１ｂのピッチ角βよりも大きくして上端１１ａから下端１１ｂまでを連続したものにしている。したがって、平面視では、捩回誘導器９の入孔４側では下端１１ｂの方が上端１１ａよりも左側にあり、出孔７側では下端１１ｂの方が上端１１ａよりも右側にあって円錐体１０の途中で交差している。つまり、交差するまではリブ１１は右側に倒れており、交差した後では左側に倒れたようになっている。

加えて、リブ１１は本例では１０枚であるように多数設けられている。また、ピッチ角は上端１１ａのピッチ角αは５０°程度、下端１１ｂのピッチ角βは３５°程度となって捩れの角度はかなり大きく、捩回誘導器９の直径／長さが本例のように１．７５程度では、正面から見ると、２枚のリブ１１と外筒２及び円錐体１０とで隔成される部屋、つまり、流路１３の出口は左側のリブ１１の裏に完全に隠れて見えないほどである。これだけではなく、リブ１１の終端は隣のリブ１１の終端付近まで達している。なお、これらの数値は一例であり、これに限定されるものではないが、リブ１１の枚数は多いことと（少なくとも１０枚以上は必要と考えている）、捩れは大きく、長さは直径に対してある程度確保されることは必要である。

以上により、入孔４から送られて来た排ガスは上記した流路１３を流通して行くが、このとき、正面視でリブ１１は右側が凸に彎曲して上記のように倒れ角度を変えて左方に捩じってあるから、ベンチュリ効果を受ける。具体的には、リブ１１の右側面側は右隣のリブの左側面側よりも流速が早くなり、ベンチュリ効果を受けて減圧されて流速を早める。リブ１１の枚数が大きいことは流路１３の数を増やして幅を狭めることを意味し、総合的にはより大きなベンチュリ効果を受けることになる。これに加えて、図１のＡ−Ａ断面図である図３及びＢ−Ｂ断面図である図４に見られるように、流路１３の断面積Ａ₁ 、Ａ₂ は下流に行くほど大きくなっている（Ａ₁ ＜Ａ₂ ）。

これにより、排ガスは下流に行くほど膨張・拡散させられ、吸引効果を奏する。なお、最後は円錐体１０の最大外周を超えることになるが、この最大外周と外筒との間隙１７の断面積は入孔４の断面積よりも大きくなっており、この点でも吸引効果を阻害しない。排ガスが捩回させられると、遠心力を受けることになり、排ガス成分ＣＯの重量比による分離が行われることは上述したとおりである。マフラーが自動車用のものである場合、この間隙１７は１５ｍｍ±３ｍｍ程度が適する。あまり小さいと、排ガスの広がりが悪くて十分な遠心力が働かないし、あまり大きいと、間隙１７の断面積が減じて詰まりが生ずるからである。

図５は捩回誘導器９の他の例を示す平面断面図であるが、本例のものは、入口金具１の中に捩回誘導器９のリブ１１の始端とその終端が連続して折り返す反対の彎曲を有するリブ１４で固定される（中心には細い芯材が設けられる）前部捩回誘導器１５を設けたものである。これによると、彎曲の程度も大きくなり、長さも長くなるから、より大きなベンチュリ効果を受けることができる。

図６は外筒２の中で捩回誘導器９から金網（ラス）状の排気筒１６を接続し、出口金具３まで連続させたものである。この金網は薄い鉄板に切れ目を入れ、これを側方に引っ張って菱形状の切れ目を形成するものであるが、この引張力を調整することで、切れ目に凹凸が生じ、凸側を出孔７側に配置すると、この凸で排ガスを中に取り込み、排出を促進する。同時に凸の部分にＨＣが付着し、これが排ガスの高温で燃焼し、結果的にＨＣの排出量を減らせる。

図９はマフラーの他の例を示す平面断面図であるが、本例のものは、入口金具１と出口金具３がそれぞれ外筒２側が径大なテーパとなっているものである。これによると、排ガスの吸込み効果も高く、排出もスムーズに行われる。特に、出口側のテーパは排出を容易にし、排圧を減らすのに効果がある。

図１０は上記した基本型のマフラー（本発明品）において、円錐体１０の前方に圧力計を置いての圧力と流速との関係を示すグラフであるが、従来の触媒によるマフラーが流速が速くなるに伴って圧力が増すのに比べて本発明のものは逆に圧力が下がっている。このことは、本発明のマフラーによれば、排ガスの吸引効果があり、排圧を減らして燃費も向上することを証明するものともいえる。

以下は、アイドリング時における本発明品と触媒による従来品についてマフラーの後端から排出されるの排ガス中のＣＯとＣＯ₂ を財団法人日本自動車輸送技術協会が測定した表である。
│回転数(RPM) │CO (％）│ Co₂ (％) │ 比較
──────┼──────┼────┼─────┼──────────
国の基準 │ │ 4．5 │ │
──────┼──────┼────┼─────┼──────────
│ 820 （Ｉ）│ 0．2 │ 14．5 │Ｉ/ III＝ 0．95
本発明品 ├──────┼────┼─────┼──────────
│ 710 （II）│ 0．3 │ 13．5 │II/ IV＝ 0．88
──────┼──────┼────┼─────┼──────────
│ 800 （III）│ 0 │ 15．3 │
従来品 ├──────┼────┼─────┼──────────
│ 720 （IV）│ 0 │ 15．3 │
──────┴──────┴────┴─────┴──────────

これを見ると、触媒を使用する従来品ではＣＯは零になっているが、これは暖気運転を十分に行い、排ガスが高温になったものであり、それまではかなり高い量のＣＯが排出されているものと推察される。一方、本発明品ではＣＯがわずかに排出されているが、国の基準値は大幅に下回っている。何よりも、本発明品では排ガスの温度に左右されないし、触媒を不要とする特徴がある。

また、ＣＯ₂ の量も減っている。本発明品ではわずかにＣＯが排出されるが、この量を加えたとしても、従来品のＣＯ₂ よりも減っている。このＣＯ₂ の違いはアイドリング時のわずかな時間で測定したものにすぎないが、走行体が所定の速度、距離で走行すると、その違いは膨大なものとなる。さらに、地球上では数多くのエンジンを装備した走行体が走行しており、これら全部の違いをトータルすると天文学的な数値になる。

以上は、自動車のマフラーを主体に説明したものであるが、本発明は、これらに限らず、ガソリン、ディーゼル等の炭化水素を燃料とするエンジンを装備した船舶、航空機、トラクタ等の農業機械、その他の走行体に適用される内燃機関のエンジンすべてのマフラーに適用できる。

１入口金具
２外筒
３出口金具
４入孔
５フランジ
６外筒の前壁
７出孔
８フランジ
９捩回誘導器
１０円錐体
１１リブ
１１ａリブの上端
１１ｂリブの下端
１２スリーブ
１３流路
１４リブ
１５前部捩回誘導器
１６排気筒
１７間隙

Claims

内燃機関のマフラーに挿設され、上流側に入孔が形成され、下流側に出孔が形成された外筒を有する酸化触媒に代わる翼状マフラーであって、外筒の前部に、下流側に径大になった円錐体を外筒に対して所定の間隙をもたせて複数の放射状のリブで固定するとともに、正面視でリブを隣のリブと重合させるまで捩じってある捩回誘導器を設けたことを特徴とする酸化触媒に代わる翼状マフラー。
リブも上端から下端にかけて捩じられており、外端が軸芯と交差する角度は内端の当該角度よりも大きく、外筒と内端が平面視で円錐体の途中で交差している請求項１の酸化触媒に代わる翼状マフラー。
円錐体の外周と外筒と二枚のリブで囲まれた流路の断面積は捩回誘導器の下流側に行くほど大きく、円錐体の最大外周と外筒との間隙の断面積は入孔の断面積よりも大きい請求項１又は２の酸化触媒に代わる翼状マフラー。
捩回誘導器の下流側の外筒内に切れ目の後縁が盛り上がって壁となった金網からなる排気筒を設けて出孔に続けた請求項１〜３いずれかの酸化触媒に代わる翼状マフラー。
マフラーが自動車用のものであり、リブが少なくとも１０枚以上設けられ、かつ、円錐体と外筒との間隙が１５ｍｍ±３ｍｍ程度である請求項１〜４いずれかの酸化触媒に代わる翼状マフラー。