JP2015098796A - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒を担持する第２のハニカムの半径方向に均一に排気ガスが流れるようにして、第２のハニカム構造体の触媒が劣化することを抑制することができる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供すること。【解決手段】排気ガス浄化装置１３は、第１のハニカム構造体６に対して下流側に位置するようにして触媒ケース５に収容され、多孔質の隔壁９によって排気ガスが流れる通路が区画形成される複数のセル１１の壁面に触媒を担持する第２のハニカム構造体７を有し、第１のハニカム構造体６の半径方向中央部に、排気ガスが下流側に流れることを防止する目封じ部１２が形成される。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関し、特に、内燃機関からの排出される排気ガスを浄化する内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。

自動車等の車両の排気ガス浄化用の触媒としては、一酸化炭素（ＣＯ）および炭化水素（ＨＣ）の酸化と窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の還元とを同時に行う三元触媒が用いられている。この触媒は、高温の排気ガスに晒されるため、熱により劣化してしまう。また、触媒は、反応時に熱を生じるため、触媒そのものが発熱して劣化が促進されることがある。

従来の触媒を備えた排気ガス浄化装置は、排気管の途中に設けられた触媒ケースに触媒を担持するハニカム構造体を収容し、触媒ケースの形状を工夫してハニカム構造体に均一に排気ガスが流れるようにしているが、実際には、ハニカム構造体の半径方向中央部に排気ガスが多く流れてしまい、半径方向中央部の触媒が熱により劣化して触媒機能を維持できない場合がある。

従来、ハニカム構造体の半径方向中央部に排気ガスが集中しないように流すようにした排気ガス浄化装置としては、特許文献１に記載されたものが知られている。
この排気ガス浄化装置は、ハニカム構造体に相当するメタル触媒担体と、排気方向の両端に排気ガス流入部および排気ガス流出部を有し、メタル触媒担体を収納する触媒ケースに相当するケーシングと、メタル触媒担体の上流側近傍にメタル触媒担体と同軸上に設けられ、排気ガスをメタル触媒担体の上流端面の周辺に環状に導く円錐形状の排気ガス分配制御板とを備えている。

この排気ガス浄化装置は、メタル触媒担体の上流側近傍に設けた排気ガス分配制御板によって、メタル触媒担体の上流端面の周辺に環状に排気ガスを導き、排気ガスがメタル触媒担体の周辺で高流量となり、中央部で低流量となるように分配することができる。

特開平８−３１９８２３号公報

しかしながら、このような従来の内燃機関の排気ガス浄化装置にあっては、メタル触媒担体の上流側に、排気ガスをメタル触媒担体の上流端周辺に環状に導く円錐形状の排気ガス分配制御板を設けているため、メタル触媒担体の半径方向中央部に適度に排気ガスを導くために、排気ガス分配制御板の設計が困難となる。

具体的には、メタル触媒担体の半径方向中央部に適度に排気ガスを導くためには、排気ガス分配制御板の上流端から下流端までの軸線方向の長さを最適な長さに形成する必要がある。例えば、排気ガス分配制御板の軸線方向の長さが短いと、排気ガス分配制御板によって整流される排気ガスがメタル触媒担体の半径方向中央部に多く流れ、排気ガス分配制御板の軸線方向の長さが長いと、排気ガス分配制御板によって整流される排気ガスがメタル触媒担体の半径方向中央部に流れなくおそれがある。

本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、触媒を担持する第２のハニカムの半径方向に均一に排気ガスが流れるようにして、第２のハニカム構造体の触媒が劣化することを抑制することができる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することを目的とするものである。

本発明の第１の態様は、内燃機関の排気管に設けられた触媒ケースと、触媒ケースに収容され、多孔質の隔壁によって排気ガスが流れる通路が区画形成される複数のセルを有する第１のハニカム構造体と、第１のハニカム構造体に対して排気方向下流側に位置するようにして触媒ケースに収容され、多孔質の隔壁によって排気ガスが流れる通路が区画形成される複数のセルの壁面に触媒を担持する第２のハニカム構造体とを備えた内燃機関の排気ガス浄化装置であって、第１のハニカム構造体の半径方向中央部に、排気ガスが排気方向下流側に流れることを防止する目封じ部を形成したものから構成されている。

本発明の第２の態様としては、第１のハニカム構造体のセル密度を第２のハニカム構造体のセル密度よりも低くしてもよい。
本発明の第３の態様としては、第１のハニカム構造体が、セルの壁面に触媒を担持してもよい。

このように上記の第１の態様によれば、第２のハニカム構造体の上流側に設けられた第１のハニカム構造体の半径方向中央部に、排気ガスが排気方向下流側に流れることを防止する目封じ部が形成されるので、第２のハニカム構造体の半径方向中央部に排気ガスが集中して流れることを防止して、第２のハニカム構造体の半径方向中央部と外周部とに排気ガスを均一に分散することができる。この結果、第２のハニカム構造体の半径方向中央部と外周部とに設けられた触媒を均一に反応させることができ、触媒が劣化することを抑制することができる。

上記の第２の態様によれば、第１のハニカム構造体のセル密度を第２のハニカム構造体のセル密度よりも低くしたので、第１のハニカム構造体を流れる排気ガスの流速が低下することを抑制して、排気ガスの圧力損失の発生を抑制することができる。

上記の第３の態様によれば、第１のハニカム構造体が、セルの壁面に触媒を担持するので、目封じされた下流側のセルの壁面に触媒を担持することを不要にすること、あるいは、第１のハニカム構造体のセル密度を第２のハニカム構造体のセル密度よりも低くすることにより、第１のハニカム構造体に担持される触媒容量を少なくすることができる。
このため、排気ガスの熱反応による温度上昇を早めて、第１のハニカム構造体を通過した排気ガスの温度を高温に維持させたままで第２のハニカム構造体に流すことができ、第２のハニカム構造体の触媒の活性化を維持することができる。また、内燃機関を低温時から始動する場合には、第１のハニカム構造体による排気ガスの熱反応による温度上昇を早めることができるため、第２のハニカム構造体の触媒の早期活性化を促進することができる。

図１は、本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置の一実施形態を示す図であり、排気ガス浄化装置を備えたエンジンの概略構成図である。 図２は、本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置の一実施形態を示す図であり、排気ガス浄化装置の断面図である。 図３は、本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置の一実施形態を示す図であり、図２のＶ１−Ｖ１方向矢視断面図である。 図４は、本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置の一実施形態を示す図であり、図２のＶ２−Ｖ２方向矢視断面図である。 図５は、本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置の一実施形態を示す図であり、目封じ部が形成されていない排気ガス浄化装置を流れる排気ガスを示す図である。 図６は、本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置の一実施形態を示す図であり、目封じ部が形成された排気ガス浄化装置を流れる排気ガスを示す図である。 図７は、本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置の一実施形態を示す図であり、目封じ部が形成された第２のハニカム構造体と目封じ部が形成されていない第２のハニカム構造体を流れる排気ガスの流速の分布を示す図である。

以下、本発明に係る内燃機関の排気ガス浄化装置の実施形態について、図面を用いて説明する。
図１〜図７は、本発明に係る一実施形態の内燃機関の排気ガス浄化装置を示す図である。

まず、構成を説明する。
図１において、車両に搭載された内燃機関としてのエンジン１は、例えば、ガソリンエンジンから構成されており、エンジン１は、図示しないピストン等を収容するシリンダブロック２と、シリンダブロック２の上部に設けられ、図示しない吸排気カムシャフトや吸排気バルブ等を収容したシリンダヘッド３とを備えている。

シリンダヘッド３には排気管４が設けられており、この排気管４は、エンジン１によって燃焼された排気ガスを外部に排出する。

図１、図２に示すように、排気管４には触媒ケース５が設けられており、この触媒ケース５は、排気管４の流路断面積よりも大径の流路断面積を有する本体部５Ａと、本体部５Ａの上流側および下流側に設けられ、本体部５Ａから上流側および下流側に向かって縮径するテーパ部５Ｂ、５Ｃとを備えている。ここで、上流および下流とは、排気ガスの流れる方向に対して上流および下流を意味する。また、テーパ部５Ｂ、５Ｃの開口端は、それぞれ排気ガスの入口部５ｂと出口部５ｃとを構成している。

触媒ケース５には第１のハニカム構造体６および第２のハニカム構造体７が収容されており、第２のハニカム構造体７は、第１のハニカム構造体６に対して下流側に設けられている。第１のハニカム構造体６および第２のハニカム構造体７は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）やコージェライト等のセラミック製の材料から構成されており、図２〜図４に示すように、それぞれ多孔質の隔壁８、９によって排気ガスが流れる通路１０ａ、１１ａが区画形成される複数のセル１０、１１を有している。

セル１０、１１の上流端および下流端は、例えば、交互に市松状に目封じされており、セル１０、１１は、下流端で目詰めされた流入側セルと、流入側セルに隣接して、上流端で目詰めされた流出側セルと、流入側セルと流出側セルとを区画する多孔質の隔壁８、９とから構成されている。なお、図３、図４では、目封じされたセルは、図示していない。

第１のハニカム構造体６のセル１０の数は、第２のハニカム構造体７のセル１１の数より少なく設けられており、第１のハニカム構造体６のセル１０の密度は、第２のハニカム構造体７のセル１１の密度よりも低い。第１のハニカム構造体６の軸線方向長さ（排気ガスの流れ方向長さ）は、第２のハニカム構造体７の軸線方向長さよりも短く形成されている。

第１のハニカム構造体６の隔壁８の壁面には熱劣化し易い比表面積の大きい貴金属からなる触媒が担持されており、第２のハニカム構造体７の隔壁９の壁面には白金、ロジウムおよびパラジウム等からなる群より選択される少なくとも一種の貴金属が担持されている。なお、第１のハニカム構造体６は、例えば、上述した材料からなり、比表面積が２０（ｍ²／ｇ）以下の劣化した貴金属が用いられる。

本実施形態の第２のハニカム構造体７において、エンジン１から排気管４に排出されて触媒ケース５に導入された排気ガスは、セル１１を通る間に隔壁９に担持された触媒によって、排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）および炭化水素（ＨＣ）の酸化と、窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元とが同時に行われ、排気ガス中の有害成分を無害な二酸化炭素（ＣＯ₂)、水蒸気（Ｈ₂Ｏ)および窒素（Ｎ₂)に清浄される。すなわち、本実施形態の第２のハニカム構造体７は、三元触媒を構成している。

図２、図３に示すように、第１のハニカム構造体６の上流端において、第１のハニカム構造体６の半径方向中央部には目封じ部１２が形成されており、この目封じ部１２は、排気ガスが第１のハニカム構造体６の下流側に流れることを防止する。
なお、第１のハニカム構造体６において、目封じ部１２の下流に設置されたセル１０の隔壁８の壁面には触媒が担持されていない。ここで、本実施形態の触媒ケース５、第１のハニカム構造体６および第２のハニカム構造体７は、排気ガス浄化装置１３を構成している。

次に、作用を説明する。
図５に示すように、第１のハニカム構造体６に目封じ部１２が形成されていない場合には、エンジン１から排気管４に排出されて触媒ケース５に導入された排気ガスＧ１は、第１のハニカム構造体６から第２のハニカム構造体７の半径方向中央部に多く流れてしまい、半径方向中央部の触媒が熱により劣化して触媒機能を維持できない場合がある。

これに対して、本実施形態の排気ガス浄化装置１３は、第２のハニカム構造体７の上流側に設けられた第１のハニカム構造体６の半径方向中央部に、排気ガスが下流側に流れることを防止する目封じ部１２が形成されている。

このため、図６に示すように、第２のハニカム構造体７の半径方向中央部に排気ガスＧ２が集中して流れることを防止して、第２のハニカム構造体７の半径方向中央部と外周部とに排気ガスＧ２を均一に分散することができる。この結果、第２のハニカム構造体７の半径方向中央部と外周部とに設けられた触媒を均一に反応させることができ、触媒が劣化することを抑制することができる。

図７において、符号Ａは、目封じ部１２が形成されていない第１のハニカム構造体６を有する排気ガス浄化装置１３において、第２のハニカム構造体７を流れる排気ガスの流速の分布を示し、符号Ｂは、本実施形態の目封じ部１２が形成された第１のハニカム構造体６を有する排気ガス浄化装置１３において、第２のハニカム構造体７を流れる排気ガスの流速の分布を示す。

図７から明らかなように、本実施形態の排気ガス浄化装置１３は、従来の排気ガス浄化装置に比べて、第２のハニカム構造体７の半径方向中央部を流れる排気ガスの流速を小さくすることができるとともに、第２のハニカム構造体７の半径方向中央部に対して半径方向外周を流れる排気ガスの流速を大きくすることができる。

また、本実施形態の排気ガス浄化装置１３によれば、第１のハニカム構造体６のセル１０の密度を第２のハニカム構造体７のセル１１の密度よりも低くしたので、第１のハニカム構造体６を流れる排気ガスの流速が低下することを抑制して、排気ガスの圧力損失の発生を抑制することができる。

また、本実施形態の排気ガス浄化装置１３によれば、第１のハニカム構造体６が、セル１０の壁面に劣化した触媒を有する。第１のハニカム構造体６は、半径方向中央部が目封じされているため、半径方向中央部に対して下流側のセル１０の壁面に触媒を担持することを不要にできる上に、第１のハニカム構造体６のセル１０の密度を第２のハニカム構造体７のセル１１の密度よりも低く形成されているので、第１のハニカム構造体６に担持される触媒容量を少なくすることができる。

このため、排気ガスの熱反応による温度上昇を早めて、第１のハニカム構造体６を通過した排気ガスの温度を高温に維持させたままで第２のハニカム構造体７に流すことができ、第２のハニカム構造体７の触媒の活性化を維持することができる。

また、エンジン１を低温時から始動する場合には、第１のハニカム構造体６による排気ガスの熱反応による温度上昇を早めることができるため、第２のハニカム構造体７の触媒の早期活性化を促進することができる。
なお、本実施形態の排気ガス浄化装置１３は、第１のハニカム構造体６に触媒を担持させないようにしてもよい。また、本実施形態の目封じ部１２は、第１のハニカム構造体６の上流端に形成されているが、第１のハニカム構造体６の下流端に形成されてもよく、上流端および下流端の両端に形成されてもよい。

また、本実施形態の排気ガス浄化装置１３は、第２のハニカム構造体７が三元触媒を構成しているが、これに限定されるものではない。例えば、エンジン１がディーゼルエンジンからなる場合には、第１のハニカム構造体６を、白金やパラジウム等の貴金属を触媒として、排気中に含まれるＣＯや、粒子状物質ＰＭ（ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｍａｔｔｅｒ）に含まれるＨＣを酸化してＣＯ_２に変える酸化触媒から構成し、第２のハニカム構造体７を、ＰＭを捕捉して除去するＤＰＦから構成してもよい。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１…エンジン（内燃機関）、４…排気管、５ …触媒ケース、６…第１のハニカム構造体、７…第２のハニカム構造体、８，９…隔壁、１０，１１…セル、１０ａ，１１ａ…通路、１２…目封じ部、１３…排気ガス浄化装置

Claims (3)

1. 内燃機関の排気管に設けられた触媒ケースと、
   前記触媒ケースに収容され、多孔質の隔壁によって排気ガスが流れる通路が区画形成される複数のセルを有する第１のハニカム構造体と、
   前記第１のハニカム構造体に対して排気方向下流側に位置するようにして前記触媒ケースに収容され、多孔質の隔壁によって排気ガスが流れる通路が区画形成される複数のセルの壁面に触媒を担持する第２のハニカム構造体とを備えた内燃機関の排気ガス浄化装置であって、
   前記第１のハニカム構造体の半径方向中央部に、排気ガスが排気方向下流側に流れることを防止する目封じ部を形成したことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
2. 前記第１のハニカム構造体のセル密度を前記第２のハニカム構造体のセル密度よりも低くしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
3. 前記第１のハニカム構造体が、前記セルの壁面に触媒を担持することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
   

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