JP2016031052A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒全体に排気ガスを均一に流しつつ排気抵抗の上昇を抑制できる排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】排気ガス浄化装置１は、排気ガスの有害物質を浄化する。排気ガス浄化装置１は、筒状のケーシング２と、ケーシング２内に回転可能に収納される触媒３と、触媒３をケーシング２に対して一方向に回転させる一方向回転駆動機構４とを備える。一方向回転駆動機構４は、歯車状面２１と、駆動部材４１とを備える。歯車状面２１は、ケーシング２の内周面及び触媒３の外周面の一方の面に形成される。駆動部材４１は、ケーシング２の内周面及び触媒３の外周面の他方の面に固定される固定端４１ａ、及び歯車状面２１側に付勢され、排気ガスの熱で熱膨張して歯車状面２１を押圧することで触媒３を回転させる自由端４１ｂを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気ガス浄化装置に関する。特に、触媒全体に排気ガスを均一に流しつつ排気抵抗の上昇を抑制できる浄化装置に関する。

自動車における排気ガスの排出経路の途中には、排気ガスに含まれる有害物質（炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）など）を浄化して無害物質（水（Ｈ_２Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、窒素（Ｎ_２））に変化させる排気ガス浄化装置が設けられている。この浄化により、有害物質の大気への排出を低減している。例えば、特許文献１に示す排気ガス浄化装置（モノリス触媒コンバータ）は、円筒形のケーシングとケーシング内に回転自在に収容されたモノリス触媒とを備え、排気ガスをモノリス触媒の軸心から偏心した位置に向けて流入させることでモノリス触媒を回転させている。このモノリス触媒の回転により、モノリス触媒の全体に排気ガスが均一に流れるようにしている。

実開昭６３−１４１８２２号公報

しかし、排気ガスの圧力で触媒を回転させるため、排気抵抗が大きくなる。その結果、エンジンの性能が低下したりする。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、触媒全体に排気ガスを均一に流しつつ排気抵抗の上昇を抑制できる排気ガス浄化装置を提供することにある。

本発明の一態様に係る排気ガス浄化装置は、排気ガスの有害物質を浄化する。排気ガス浄化装置は、筒状のケーシングと、ケーシング内に回転可能に収納される触媒と、触媒をケーシングに対して一方向に回転させる一方向回転駆動機構とを備える。一方向回転駆動機構は、歯車状面と、駆動部材とを備える。歯車状面は、ケーシングの内周面及び触媒の外周面の一方の面に形成される。駆動部材は、ケーシングの内周面及び触媒の外周面の他方の面に固定される固定端、及び歯車状面側に付勢され、排気ガスの熱で熱膨張して歯車状面を押圧することで触媒を回転させる自由端を有する。

上記排気ガス浄化装置は、触媒全体に排気ガスを均一に流しつつ排気抵抗の上昇を抑制できる。

実施形態に係る排気ガス浄化装置の概略斜視図である。 図１に示す排気ガス浄化装置の（ＩＩ）−（ＩＩ）断面の一部を模式的に示す部分断面図である。 実施形態に係る排気ガス浄化装置の一方向回転駆動機構による触媒の回転動作を模式的に示す部分断面図である。 図１に示す排気ガス浄化装置の（ＩＶ）−（ＩＶ）断面の一部を模式的に示す部分断面図である。

本発明の排気ガス浄化装置の実施形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。図面において、同一符号は同一名称物を示す。

《実施形態》
実施形態に係る排気ガス浄化装置は、排気ガスの有害物質を浄化する。この有害物質の浄化により、有害物質の大気への排出を低減する。排気ガス浄化装置の主たる特徴とするところは、ケーシングと、ケーシングに回転可能に収納される触媒と、触媒をケーシングに対して一方向に回転させる一方向回転駆動機構とを備え、排気ガスの熱を利用して触媒を回転させる点にある。以下、図１〜図４を参照して詳細を説明する。以下の説明では、図３における触媒３の反時計回りの回転を正転、時計回りの回転を逆転とする。なお、図２と図４は、触媒３が回転していない状態を示す。

〔排気ガス浄化装置〕
排気ガス浄化装置１は、自動車のエンジンの各シリンダから排出される排気ガスを集約するエキゾーストマニホールド１０の出口にこの出口と略同軸上に設けられている（図１）。そうすることで、排気ガスが触媒３の軸心に対して偏心した位置に流れないようにしている。

［ケーシング］
ケーシング２は、内部に後述する触媒３を収納する。ケーシング２は、触媒３の外形形状に沿った軸方向に一様な外形の円筒状の本体部２１と、本体部２１の上流及び下流に一体化され、互いに端部側に向かって外径が小さくなる円錐台筒状の流入部２２及び流出部２３とを備える。ケーシング２の材質は、例えば耐熱鋼などが挙げられる。

本体部２１の内周面（上流側）には、その周方向に凹凸が連続的に繰り返される歯車状面２１ａが形成されている（図２）。歯車状面２１ａは、後述する一方向回転駆動機構４を構成する。歯車状面２１ａの輪郭形状は、のこぎり波状である。のこぎり波は、山と谷が繰り返され、谷を形成する（山の頂点を挟む）２辺が長辺と短辺で構成されている。のこぎり波の谷（山）の形状は、逆転（正転）方向側に深く（高く）なるように傾いたＶ字状（逆Ｖ字状）である。即ち、ケーシング２を上面視した場合、谷（山）を形成する長辺は、正転（逆転）方向側に位置する。

［触媒］
触媒３は、排気ガスに含まれるＨＣ、ＣＯ、及びＮＯ_ｘなどの有害物質をＨ_２Ｏ、ＣＯ_２、Ｎ_２の無害物質に浄化する化学反応を促進する。触媒３は、ハニカム状に成形した一体構造物の表面に活性アルミナなどがコーティングされたモノリス担体と、モノリス担体に担持され、排気ガスの有害物質の浄化を促進する触媒物質とを備えるモノリス触媒を用いることができる。モノリス担体の外形形状は、円柱状である。モノリス担体の材質は、アルミナ、シリカ、マグネシアなどのセラミックスが挙げられる。触媒物質は、白金、ロジウム、パラジウムなどの希少金属が挙げられる。触媒３は、下流側端部（図１下側）の周縁部に取り付けられるホルダ（図示略）により回転自在にケーシング２の本体部２１内に収納されている。

［一方向回転駆動機構］
一方向回転駆動機構４は、排気ガスの熱を利用して触媒３をケーシング２に対して一方向に回転させる。一方向回転駆動機構４は、ケーシング２と触媒３の間において、上流側に設けられている。一方向回転駆動機構４は、上述の歯車状面２１ａと、駆動部材４１とを備える。

駆動部材４１は、排気ガスの熱で熱膨張することにより歯車状面２１ａを押圧して触媒３を回転させる。駆動部材４１は、棒状に形成され、触媒３の外周面に固定される固定端４１ａと、歯車状面２１ａ側に付勢される自由端４１ｂとを有する。固定端４１ａの触媒３への固定は、例えばヒンジ４２を用いることが挙げられる。ヒンジ４２の一片が触媒３の外周面に固定され、他片が固定端４１ａに固定される。駆動部材４１は、ヒンジ４２による触媒３への固定端４１ａの固定により、触媒３の外周面に対して傾斜自在に設けられている。自由端４１ｂの歯車状面２１ａ側への付勢は、例えば圧縮バネ４３を用いることが挙げられる。圧縮バネ４３の一端が触媒３の外周面に固定され、他端が駆動部材４１の途中に固定される。駆動部材４１は、この圧縮バネ４３の付勢により固定端４１ａが正転側、自由端４１ｂが逆転側に位置するように傾けられると共に、自由端４１ｂが歯車状面２１ａに当て止めされている。

駆動部材４１の材質は、熱膨張係数が高く、耐熱性に優れる材質、例えばステンレス鋼が挙げられる。そうすれば排気ガスの熱で熱膨張し易いため、詳しくは後述するが駆動部材４１が歯車状面２１を押圧して触媒３を回転させられる。駆動部材４１の長さは、ケーシング２と触媒３との間の最短長さよりも長いことが挙げられる。そうすれば、圧縮バネ４３の付勢により自由端４１ｂを歯車状面２１ａに当て止めできる。駆動部材４１の数は、単数でも良いし複数でも良い。複数設ける場合、触媒３の周方向及び軸方向の少なくとも一方に適当な間隔を開けて並列させるとよい。ここでは、図示は省略しているが、触媒３の周方向に複数設けられている。

一方向回転駆動機構４による触媒３の正転は、図３に示すように、駆動部材４１の熱膨張→駆動部材４１の固定端４１ａの正転側への移動→駆動部材４１の収縮→駆動部材４１の自由端４１ｂの外周側への移動、の繰り返しにより行われる。図３の括弧内のギリシャ数字は、動作の順番を示す。

エンジンが始動して排気ガスが排気ガス浄化装置１へ流入すると、排気ガスの熱により実線で示す駆動部材４１_（ｉ）が熱膨張する。駆動部材４１_（ｉ）が熱膨張すると、図右側の二点鎖線で示す駆動部材４１_(ｉｉ)のように自由端４１ｂ_(ｉｉ)が歯車状面２１ａの谷を押圧すると共に、固定端４１ａ_(ｉｉ)が正転側へずれる。このとき、触媒３は、固定端４１ａ_(ｉｉ)が正転側へのずれた分だけ正転（太線矢印方向へ回転）する。次に、エンジンの停止により排気ガス浄化装置１への排気ガスの流通が停止すると、駆動部材４１_(ｉｉ)が冷却されて収縮する。駆動部材４１_(ｉｉ)が収縮する過程で、図中央の二点鎖線で示す駆動部材４１_{（ｉｉｉ）}のように自由端４１ｂ_{（ｉｉｉ）}が正転側へ歯車状面２１ａ上を摺動する。駆動部材４１_{（ｉｉｉ）}が更に収縮すると、駆動部材４１_{（ｉｉｉ）}の自由端４１ｂ_{（ｉｉｉ）}は歯車状面２１ａの山を超える。上記山を超えると、圧縮バネ４３の付勢により、図左側の二点鎖線で示す駆動部材４１_（ｉｖ）のように駆動部材４１_（ｉｖ）の自由端４１ｂ_（ｉｖ）が谷に落ちて隣の山に当て止めされる。この一連の動作が繰り返し行われる度に、触媒３は正転する。

［その他］
（逆転防止機構）
排気ガス浄化装置１は、触媒３の逆転を防止する逆転防止機構５を備えていてもよい（図４）。逆転防止機構５は、リング５１と、ローラ５２と、圧縮バネ５３とを備えるローラクラッチで構成している。ローラクラッチに対向するケーシング２の内周面は、上述の歯車状面２１ａではなく円筒面で構成している。リング５１は、触媒３の外周を囲み、触媒３の正転に連動して触媒３と同方向へ回転可能に設けられている。ローラ５２は、リング５１とケーシング２の間に付勢されてリング５１の逆転を防止する。圧縮バネ５３は、ローラ５２をリング５１とケーシング２の間に付勢する。リング５１の外周面には、触媒３の正転に連動して同方向へリング５１が回転する際、ケーシング２とリング５１との間に隙間を形成するようにローラ５２の少なくとも一部を収納する収納溝５１ａが形成されている。収納溝５１ａの断面形状は、逆転側が深くなるように傾いたＶ字状である。圧縮バネ５３は、傾斜溝５１ａに設けられ、逆転側から正転側に向かってローラ５２を付勢している。逆転防止機構５の配置箇所は、ケーシング２と触媒３との間で一方向回転駆動機構４よりも下流側としている。

逆転防止機構５の動作は、次の通りである。触媒３が一方向回転駆動機構４により正転すれば、ローラ５２がケーシング２の内周面との摺動により収納溝５４に収納される。それによりケーシング２とリング５１との間に隙間を形成し、触媒３の正転に連動してリング５１も正転することを許容する。一方、触媒３が仮に逆転しそうになると、ローラ５２がケーシング２の内周面及びリング５１の外周面との摺動により両面の間に押し込まれてケーシング２とリング５１の間に介在されるくさびとなる。そうすると、リング５１の逆転が規制され、触媒３の逆転も規制される。

《作用効果》
以上説明した一方向回転駆動機構４を備える排気ガス浄化装置１によれば、以下の効果を奏することができる。

（１）排気ガスの風圧により触媒３を回転させるのではなく、排気ガスの熱を利用し、駆動部材４１を熱膨張させて歯車状面２１を押圧することで触媒３を回転させるため、排気抵抗の上昇を抑制できる。

（２）触媒３を回転させることで、触媒３全体に排気ガスを均一に流せて、触媒の劣化に偏りが生じ難い。そのため、触媒３の劣化がその全体に渡って均一に万遍なく進行させられ、触媒性能の寿命を長くできる。

（３）触媒３全体に排気ガスを均一に流せることで、特定の箇所へ触媒物質を多く付着させるといった排気ガスの偏りを考慮した設計を行う必要がない。そのため、触媒物質の使用量の低減、触媒３の小型化・軽量化、及びコストの低減に寄与する。

なお、本発明はこれらの例示に限定されず、例えば以下の変更が可能である。

歯車状面を触媒の外周面に形成し、駆動部材の固定端をケーシングの内周面に固定して駆動部材の自由端を触媒の外周面側に付勢することができる。この場合、ヒンジの一片をケーシングの内周面に固定し、他片を固定端に固定する。圧縮バネの一端をケーシングの内周面に固定し、他端を駆動部材の途中に固定する。

ヒンジの軸に同心状に捻じりバネを設けることができる。この場合、捻じりバネの一端を触媒の外周面に固定されるヒンジの一片に固定し、捻じりバネの他端を固定端に固定されるヒンジの他片に固定する。そうして、駆動部材（自由端）を歯車状面側に付勢する。このとき、駆動部材を付勢する圧縮バネは不要である。

逆転防止機構は、スプラグクラッチやラチェット機構などで構成できる。

本発明の排気ガス浄化装置は、内燃機関の排気ガスを浄化するのに好適に利用できる。

１ 排気ガス浄化装置
２ ケーシング
２１ 本体部 ２１ａ 歯車状面
２２ 流入部
２３ 流出部
３ 触媒
４ 一方向回転駆動機構
４１ 駆動部材 ４１ａ 固定端 ４１ｂ 自由端
４２ ヒンジ
４３ 圧縮バネ
５ 逆転防止機構
５１ リング ５１ａ 収納溝
５２ ローラ
５３ 圧縮バネ
１０ エキゾーストマニホールド

Claims (1)

1. 排気ガスの有害物質を浄化する排気ガス浄化装置であって、
   筒状のケーシングと、
   前記ケーシング内に回転可能に収納される触媒と、
   前記触媒を前記ケーシングに対して一方向に回転させる一方向回転駆動機構とを備え、
   前記一方向回転駆動機構は、
   前記ケーシングの内周面及び前記触媒の外周面の一方の面に形成される歯車状面と、
   前記ケーシングの内周面及び前記触媒の外周面の他方の面に固定される固定端、及び前記歯車状面側に付勢され、排気ガスの熱で熱膨張して前記歯車状面を押圧することで前記触媒を回転させる自由端を有する駆動部材とを備える排気ガス浄化装置。

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