JP2019052567A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】、担体に対する保持力を十分に確保することができる保持部材を備えた内燃機関の排気浄化装置を提供すること。【解決手段】排気浄化装置１は、排気通路に設けられた柱状のハニカム担体１１と、ハニカム担体１１を収納する筒状のケース部材１２と、ハニカム担体１１の外周を囲むように設けられた保持部材１３と、を備え、ハニカム担体１１は、流入側端面及び流出側端面の各外周縁にハニカム担体の中心軸方向の長さが小さくなる方向に傾斜して形成された傾斜面１１２ａ，１１２ｂを有し、保持部材１３は、ハニカム担体１１の中心軸Ｘ方向の端部１３ａ，１３ｂがハニカム担体１１の傾斜面，１１２ｂまで延出し且つ端部１３ａ，１３ｂはハニカム担体１１への対向面側よりもケース部材１２への対向面側における前記ハニカム担体の中心軸方向長いテーパー部１３０ａ，１３０ｂを有している。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
従来、内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化装置は、排気浄化触媒が担持された担体（ハニカム担体）と、該担体を収納する筒状のケース部材と、を含んで構成される。担体をケース部材内に収納する際には、ケース部材内で担体を確実に保持することが重要である。ケース部材内で担体を保持するために、ケース部材に対する排気の流入側及び流出側に設けられた開口の近傍の周面を、開口端に向かって縮径するように絞り込んだ傾斜部を設ける方式が採用される場合がある。この場合、対応する担体側にもケース部材の傾斜部に対応する傾斜面である面取り部が形成され、担体側の面取り部がケース部材の傾斜部内面に引っ掛かることにより、担体がケース部材内で位置が保持される。
ケース部材内で担体を確実に保持するために、ケース部材内周面と担体外周面との間にマットと通称される保持部材を介在させることが知られている。この保持部材には、担体に対する位置保持力を有し且つ排気流に晒されて風蝕を生じないことが要求される。保持部材の端部を担体の流入側端面及び流出側端面の各位置から十分に後退させた配置を採れば風蝕は当然に抑制される。しかしながら保持部材の端部を後退させると担体に対する位置保持力が低下して本来の機能を損なう。一方、保持部材に係る風蝕の発生を十分抑制するために担体の外周側の一定幅の領域に目詰まりを設ける方法がある。しかし、目詰まり部分の存在により担体の有効容積が損なわれてしまう。
本出願人は、上述のような問題を解決する技術を先に提案した（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の技術では、ケース部材における排気の流入側及び流出側の開口の近傍に担体の前記流入側端面の中央部の外径よりも小さい内径の縮径部を形成し、縮径部で排気流を絞ることにより保持部材の風蝕を抑制している。また、ケース部材内での担体の保持が確実に行われるようにしている。
特開２０１６−２１７３０５号公報
特許文献１の技術では、保持部材の保持力が必ずしも十分ではない。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、担体に対する保持力を十分に確保することができる保持部材を備えた内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、ここに次のような技術を提案する。
（１）内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置（例えば、後述する排気浄化装置１）であって、排気の流入側端面（例えば、後述する流入側端面１１０ａ）から流出側端面（例えば、後述する流出側端面１１０ｂ）まで延びて排気の流路となる複数のセルが多孔質の隔壁により区画形成された柱状のハニカム担体（例えば、後述するハニカム担体１１）と、前記ハニカム担体を収納する筒状のケース部材（例えば、後述するケース部材１２）と、前記ハニカム担体と前記ケース部材との間に前記ハニカム担体の外周を囲むように設けられた保持部材（例えば、後述する保持部材１３）と、を備え、前記ハニカム担体は、前記流入側端面及び前記流出側端面の各外周縁に前記ハニカム担体の中心軸方向の長さが小さくなる方向に傾斜して形成された傾斜面（例えば、後述する傾斜面１１２ａ，１１２ｂ）を有し、前記保持部材は、前記ハニカム担体の中心軸（例えば、後述する中心軸Ｘ）方向の端部（例えば、後述する端部１３ａ，１３ｂ）が前記ハニカム担体の前記傾斜面まで延出し且つ前記端部は前記ハニカム担体への対向面側よりも前記ケース部材への対向面側における前記ハニカム担体の中心軸方向の長さが長いテーパー部（例えば、後述するテーパー部１３０ａ，１３０ｂ）を形成している、内燃機関の排気浄化装置。
上記（１）の内燃機関の排気浄化装置では、保持部材の端部がテーパー部を形成してハニカム担体の傾斜面まで延出しているため、保持部材によって、ハニカム担体を内径方向及び中心軸方向に強固に保持することができる。
（２）前記保持部材は、端面（例えば、後述する端面１３１ａ，１３１ｂ）が前記ハニカム担体の中心軸方向に対して略平行である（１）の内燃機関の排気浄化装置。
上記（２）の内燃機関の排気浄化装置では、上記（１）の内燃機関の排気浄化装置において特に、保持部材は、端面がハニカム担体の中心軸に対して略平行であるため、ハニカム担体を保持部材を介してケース部材の傾斜部で保持する場合に、保持部材に排気流が衝突することを確実に回避しつつ、ハニカム担体を保持するときの引っ掛かり部である所謂掛代（かかりしろ）を最大限に確保することができる。
本発明によれば、担体に対する保持力を十分に確保しつつ、排気流との衝突を確実に回避することができる保持部材を備えた内燃機関の排気浄化装置を具現することができる。
本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の斜視図である。 図１の排気浄化装置の軸方向断面図である。 図２の排気浄化装置の部分拡大図である。 図２の排気浄化装置に用いられる保持部材の説明図である。 本発明の実施形態における掛代（かかりしろ）を説明する概念図である。 図２の保持部材端部の形状と排気浄化装置の耐久性との相関に関する実験結果を表す図である。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について詳述することにより本発明を明らかにする。
図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の斜視図である。本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置１は、図示しない内燃機関の排気管に設けられ、該排気管を流通する排気中の粒子状物質（以下、「ＰＭ」という。）を捕集するガソリンパティキュレートフィルタ（以下、「ＧＰＦ」という。）である。
排気浄化装置１は、その一つの態様においては、図示しないガソリンエンジンの直下で、該ガソリンエンジンの車両前方側の側面に沿って下方に延びる排気管に設けられる。即ち、排気浄化装置１は、排気の流れ方向を下方に向けた状態で、排気管に設けられる。
図１に示すように、排気浄化装置１は、ハニカム担体１１と、ケース部材１２と、を備える。
ハニカム担体１１は、中心軸Ｘ方向の一方及び他方の各端面（図２参照）である排気の流入側端面１１０ａから流出側端面１１０ｂ（図１では見えない）まで貫通して延びて排気の流路となる複数のセルと、これらセルを区画形成する多孔質の隔壁と、を有する。
ハニカム担体１１は、断面が円形の円柱状である。ただし、ハニカム担体は柱状であればよく、例えば径方向断面が、楕円や複数の円弧を有する形状であってもよい。
各セルの形状は、断面が正方形の四角柱状であるが、例えば多角形状であってもよい。
ハニカム担体１１は、コーディエライトからなる多孔質の耐火性セラミックスで形成される。コーディエライトからなるハニカム担体１１は、押出し成形により一体成形された後、焼成することで得られる。焼成時には、外皮が同時に形成される。従って、本実施形態のハニカム担体１１は、その外周側面が外皮で覆われているため、触媒担持工程で触媒が外周側面から漏れ出したり、使用時に排気が外周側面から漏れ出すことがない。
ハニカム担体１１の気孔（細孔）径や気孔（細孔）率については、その隔壁が排気中のＰＭを濾過する濾過材として機能する範囲内で、適宜設定される。
ハニカム担体１１には、排気を浄化するための排気浄化触媒が担持されている。具体的には、本実施形態のハニカム担体１１には、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化する三元触媒が担持されている。三元触媒としては、Ｐｔ、Ｐｄ及びＲｈのうち少なくとも一つの貴金属を含むものが好ましく用いられる。
ケース部材１２は、断面が円環状の円筒状であり、上述のハニカム担体１１を内部に収納する。ただし、ケース部材１２は、ハニカム担体１１の形状に応じて筒状であればよく、例えば径方向断面が、楕円環や複数の円弧環を有する形状であってもよい。
このケース部材１２は、例えばＳＵＳ等の金属から構成される。
ケース部材１２は、その中心軸Ｘ方向（図１の上下方向）に沿って周方向に２分割されたケース半体１２ｈ１，１２ｈ２から構成されるクラムシェル方式のケース部材である。図１に示すように、ケース部材１２は、２分割されたケース半体１２ｈ１，１２ｈ２を、延出部１２０，１２０にて突き合わせ溶接することで、一体化形成される。
なお、延出部１２０，１２０は、各ケース半体の周方向の端縁を外方に屈曲させてフランジ状としたもの同士を突き合わせ溶接することにより形成される。
図示のように、ケース部材１２は、排気の流入側及び流出側の各開口に向かってそれぞれ縮径した傾斜部１２１ａ，１２１ｂを有する。
次に、図１に、図２を併せ参照して、本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置ついてさらに詳述する。
図２は、図１の排気浄化装置の軸方向断面図である。
図１及び図２において、対応部には同一の符号を附してある。
図示のように、外形が概略円柱状のハニカム担体１１は、マット状の保持部材１３を介してケース部材１２内に収納されている。保持部材１３は、ハニカム担体１１とケース部材１２との間にハニカム担体１１の外周を囲むように設けられ、ハニカム担体１１のケース部材１２内での位置を既定の正規位置に保持している。ハニカム担体１１は、流入側端面１１０ａ及び流出側端面１１０ｂの各外周縁に、ハニカム担体１１の中心軸Ｘ方向の長さが小さくなる方向に傾斜して形成された傾斜面１１２ａ，１１２ｂを有する。図１及び図２のように、これらの傾斜面１１２ａ，１１２ｂは、ハニカム担体１１の流入側端面１１０ａ及び流出側端面１１０ｂの各外周縁に面取り状に形成されている。保持部材１３は、ハニカム担体１１の傾斜面１１２ａ，１１２ｂを含めた外周側面全体の略全周に亘って、保持部材１３が巻回された状態で、ケース部材１２内に収納される。
また、ケース部材１２は、ハニカム担体１１の外形に沿った形状を有し、中心軸Ｘ方向の両端部側、即ち排気の流れに係る流入端側と流出端側がそれぞれ、当該端部に向かうに従い徐々に縮径するように断面視で傾斜をなす傾斜部１２１ａ，１２１ｂとなっている。傾斜部１２１ａ，１２１ｂはハニカム担体１１の傾斜面１１２ａ，１１２ｂに対応する位置、形状、寸法が選択されて形成されている。
上述のようなケース部材１２に収納されたハニカム担体１１は、その傾斜面１１２ａ，１１２ｂが保持部材１３を介してケース部材１２の傾斜部１２１ａ，１２１ｂの内壁に引っ掛かることで、ケース部材１２内に保持されている。
保持部材１３は、ハニカム担体１１の外周側面を囲むようにしてハニカム担体１１とケース部材１２の内壁との間に介装され、ハニカム担体１１をケース部材１２内の既定の正規位置に保持する。保持部材１３としては、耐熱性、耐振性及びシール性を有する材質が用いられる。具体的には、アルミナ繊維、シリカ繊維、アルミナシリカ繊維、セラミックガラス繊維等のセラミック繊維の他、金属メッシュ等が用いられる。
次に、図２に図３を併せ参照して、本発明の実施形態について更に詳しく説明する。
図３は、図２の排気浄化装置の部分拡大図である。
図２及び図３におけるように、保持部材１３は、ハニカム担体１１の中心軸Ｘ方向の端部１３ａ，１３ｂがハニカム担体１１の傾斜面１１２ａ，１１２ｂまで延出し且つ端部１３ａ，１３ｂはハニカム担体１１への対向面側よりもケース部材１２への対向面側が長いテーパー部１３０ａ，１３０ｂを形成している。テーパー部１３０ａ，１３０ｂにおけるケース部材１２の内径側に向いた端面１３１ａ，１３１ｂは中心軸Ｘに略平行である。
即ち、テーパー部１３０ａ，１３０ｂの端面１３１ａ，１３１ｂは、保持部材１３がハニカム担体１１とケース部材１２との間に図２の如く配された状態で、中心軸Ｘに略平行である。
図４は、図２の排気浄化装置に用いられる保持部材の説明図である。
図４には、上述のような保持部材１３を端部側から見た様子及び展開して見た様子が、対応する寸法関係を表す破線で結ぶようにして描かれている。
保持部材１３は、図４におけるように展開された状態では、端面１３１ａ，１３１ｂが保持部材１３の厚み方向に対して図示のような傾斜を有する。一方、保持部材１３が、図２のようにハニカム担体１１に巻き付けられてハニカム担体１１の両端近傍でそれぞれケース部材１２の傾斜部１２１ａ，１２１ｂの内面で押さえられた状態では、図３に示されたように、端面１３１ａ，１３１ｂが担体１１の中心軸Ｘに略平行となる。図３を参照して既述のテーパー部は、図４の状態では該当する符号１３０ａ，１３０ｂにより示されている。テーパー部の形状はハニカム担体１１を保持するときの引っ掛かり部である掛代（かかりしろ）の有効幅を左右するものである。この掛代については、後に図５を参照して更に詳細に説明する。
次に、上述の本発明の一実施形態としての排気浄化装置の作用効果について説明する。
本発明の実施形態では、図２及び図３を参照して容易に理解されるとおり、保持部材１３のハニカム担体１１の中心軸Ｘ方向の端部１３ａ，１３ｂがテーパー部１３０ａ，１３０ｂを形成している。これらテーパー部１３０ａ，１３０ｂは、各先端側がハニカム担体１１の傾斜面１１２ａ，１１２ｂまで延出している。即ち、図２に示されたように、ハニカム担体１１の流入側端面１１０ａ及び流出側端面１１０ｂの各外周縁部について、それらの傾斜面１１２ａ，１１２ｂまで保持部材１３のテーパー部１３０ａ，１３０ｂが延出している。
このため、保持部材１３によって、ハニカム担体１１を内径方向及び中心軸Ｘ方向に強固に保持することができる。
また、保持部材１３のテーパー部１３０ａ，１３０ｂは、ハニカム担体１１への対向面側よりもケース部材１２への対向面側が長い。即ち、保持部材１３はハニカム担体１１の傾斜面１１２ａ，１１２ｂに沿って端部１３ａ，１３ｂが内径方向に曲がる部分で、その曲がる部分での外周側が相対的に長いため、ケース部材１２への接触面側で寸法の不足を生じない。このため、保持部材１３の寸法に多少の製造上のばらつきがあった場合にも、ハニカム担体１１の傾斜面１１２ａとケース部材１２の傾斜部１２１ａとの間における保持部材１３が介在している部分の長さを一定以上確保することができる。このため、保持部材１３の製造上の寸法誤差に起因して、保持部材１３によるハニカム担体１１の保持機能を損なうほどの影響は生じ難い。
また、テーパー部１３０ａは、端面１３１ａが中心軸Ｘに対して略平行である。このため、ハニカム担体１１を保持部材１３を介してケース部材１２の傾斜部１２１ａで保持する場合の、引っ掛かり部である所謂掛代（かかりしろ）を最大限に確保することができる。従って、ハニカム担体１１をケース部材１２の正規の位置に確実に保持することができる。
また、テーパー部１３０ａの端面１３１ａが中心軸Ｘに対して略平行であることから、保持部材１３に排気流が衝突することを避けることができ、排気の圧損や保持部材１３（強化保持部材１５）のばたつきによる騒音が生じるおそれがない。
ここで、図面を参照して掛代（かかりしろ）について詳細に説明する。
図５は、本発明の実施形態における掛代を説明する概念図である。
図５では、図３と略同様の視座をとりつつ、掛代が種々の態様をとる場合について概念的に示されている。図５において、ハニカム担体１１の各部及びケース部材１２の各部については、図３の対応する各部と同様の称呼及び符号を適用する。図５における符号１３１ａは、上述のテーパー部１３０ａの端面が破線図示のように種々の態様をとる場合について、これらの端面を包括的に表している。
また、掛代の説明に用いる図５中の各部位を次のように定める。尚、図５におけるこれら各部位は、厳密には周状（線状）であるが、説明の便宜上「点」と言う。
先ず、ハニカム担体１１側の各部位について次のように想定する。
Ｊ点は、ハニカム担体１１の径方向の寸法が中心軸Ｘ方向に沿って縮径している（即ち、ハニカム担体１１の外周縁の中心軸Ｘ方向の長さが小さくなっている）傾斜面１１２ａの一端部であり、縮径が始まる部位である。
Ｓ点は、ハニカム担体１１における傾斜面１１２ａと端面１１０ａとの境界であり、傾斜面１１２ａの一方端であるＪ点に対する他方端である。
Ｆ、Ｇ、Ｐ、Ｑ、Ｒの各点は、傾斜面１１２ａ上で、Ｊ点からＳ点に向かう矢線図示の方向での距離ｄ１が次第に大きくなる場合の順次の各部位である。
次に、ケース部材１２上の各部位について次のように想定する。
Ｋ点は、ケース部材１２の径方向の寸法（内径）が中心軸Ｘ方向に沿って縮径している傾斜面部１２５ａの一端部であり、縮径が始まる部位である。
Ｃ点は、ケース部材１２における傾斜面部１２５ａと平行面部１２６ａとの境界であり、傾斜面部１２５ａの一方端であるＫ点に対する他方端である。
Ｅ、Ａ、Ｂの各点は、ケース部材１２における傾斜面部１２５ａ上で、Ｋ点からＣ点に向かう矢線図示の方向での距離ｄ２が次第に大きくなる場合の順次の各部位である。
尚、Ｅ点は、ハニカム担体１２側のＪ点から中心軸Ｘに平行に引いた線分がケース部材１２の内面に達した部位である。
既述のように、保持部材１３の端面１３１ａは、ハニカム担体１１の傾斜面１１２ａまで延出し且つハニカム担体１１への対向面側よりもケース部材１２への対向面側における中心軸Ｘ方向の長さが長いテーパー部１３０ａを形成している。図３及び図５におけるように、端面１３１ａはハニカム担体１１の中心軸Ｘ方向に対して略平行である。
この場合、保持部材１３の端面１３１ａがハニカム担体１１の傾斜面１１２ａにおいて、上述のＪ点とＥ点を結ぶ線分ＪＥからｄ１方向（ｄ２方向）に向かって入り込んでいる部分が、保持部材１３の掛代（かかりしろ）である。
保持部材１３の端面１３１ａが図５における破線の線分ＦＡに位置するとき、平行四辺形ＪＦＡＥが、この場合における掛代である。ここでは平行四辺形ＪＦＡＥを第１の掛代と仮称する。
また、保持部材１３の端面１３１ａが図５における破線の線分ＢＧに位置するとき、平行四辺形ＪＧＢＥが、この場合における掛代である。ここでは平行四辺形ＪＧＢＥを第２の掛代と仮称する。
図３における端面１３１ａの位置や傾斜（図３では中心軸Ｘに略平行）は、一つの好ましい態様であるが、端面１３１ａの位置や傾斜を変化させたときの掛代の形状は種々考えられる。
発明者は、種々の態様の掛代についてハニカム担体１１に対する保持力及び耐久性を実験により検証した。この実験結果の一部を次に示す。
図６は、図２の保持部材端部の形状（掛代の態様）と排気浄化装置の耐久性との相関に関する実験結果を表す図である。
図６において、横軸は、図５における距離ｄ１である。また縦軸は耐久サイクル数である。ここに耐久サイクル数とは、排気流を模したパルス状の間欠的な気流を繰り返し吹き当てることによりハニカム担体１１に繰り返し荷重が加わった際に保持部材１３が破断するまでのサイクル数である。
耐久サイクル数は、第１条件及び第２条件の二通りの条件で形状、寸法を変化させたときのそれぞれの掛代の態様毎にデータを取得し、図示のように比較して観察されるようにされている。
白抜きの四角で示された値が第１条件による耐久サイクル数に対応し、黒で塗りつぶされた四角で示された値が第２条件による耐久サイクル数に対応している。
第１条件とは、図５におけるケース部材１２の傾斜面部１２５ａの内面の点Ａからハニカム担体１１の傾斜面１１２ａにおける点Ｐ、Ｑ、Ｒに引いた線分ＡＰ、ＡＱ、ＡＲに対応して保持部材１３の端面１３１ａが位置するように掛代を設定する場合である。
一方、第２条件とは、図５におけるケース部材１２の傾斜面部１２５ａの内面の点Ｂからハニカム担体１１の傾斜面１１２ａにおける点Ｑに引いた線分ＢＱに対応して保持部材１３の端面１３１ａが位置するように掛代を設定する場合である。
図６に実験結果が示されるように、第１条件として線分ＡＰ、ＡＱ、ＡＲの一端である点Ａを点Ｂにおけるよりも図５の距離ｄ２が小さい位置に設定すると、線分の他端を距離ｄ１が点Ｑよりも大きい点Ｒに設定しても、第２条件における掛代よりも耐久サイクル数が落ちる。
即ち、第２条件のように、線分ＢＱの一端である点Ｂを点Ａにおけるよりも図５の距離ｄ２が大きい位置に設定すると、全ての第１条件における態様の掛代よりも、耐久サイクル数が上回る。
これは、図５における上述の第１の掛代ＪＦＡＥよりも第２の掛代ＪＧＢＥの方が耐久サイクル数において優れることを示している。換言すれば、掛代の端面１３１ａが中心軸Ｘに平行である状態を維持して相対的に中心軸Ｘに近い位置にあるほど、中心軸Ｘに直交する方向の幅寸法が大きくなり、ハニカム担体１１に対する保持力と耐久サイクル数に優れることを意味している。
以上、図６を参照して説明したところからも、保持部材１３の端部１３ａはハニカム担体１１の傾斜部１１２ａ側よりもケース部材１２の傾斜面部１２５ａへの対向面側におけるハニカム担体１１の中心軸Ｘ方向の長さが長い本発明の実施形態では、長期間に亘ってハニカム担体１１に対する十分な保持力が維持されることが明らかである。
Ｘ…中心軸
１…排気浄化装置
１１…ハニカム担体
１２…ケース部材
１３…保持部材
１３ａ，１３ｂ…端部
１１０ａ…流入側端面
１１０ｂ…流出側端面
１１２ａ，１１２ｂ…傾斜面
１３０ａ，１３０ｂ…テーパー部
１３１ａ，１３１ｂ…端面

Claims (2)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置であって、
    排気の流入側端面から流出側端面まで延びて排気の流路となる複数のセルが多孔質の隔壁により区画形成された柱状のハニカム担体と、
    前記ハニカム担体を収納する筒状のケース部材と、
    前記ハニカム担体と前記ケース部材との間に前記ハニカム担体の外周を囲むように設けられた保持部材と、を備え、
    前記ハニカム担体は、前記流入側端面及び前記流出側端面の各外周縁に前記ハニカム担体の中心軸方向の長さが小さくなる方向に傾斜して形成された傾斜面を有し、
    前記保持部材は、前記ハニカム担体の中心軸方向の端部が前記ハニカム担体の前記傾斜面まで延出し且つ前記端部は前記ハニカム担体への対向面側よりも前記ケース部材への対向面側における前記ハニカム担体の中心軸方向の長さが長いテーパー部を形成している、内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記保持部材は、端面が前記ハニカム担体の中心軸方向に対して略平行である請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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