JP2020094564A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスを通過させて浄化する第１の柱状部材及び第２の柱状部材を備え、下流側の第２の柱状部材に対しても均一に排気ガスを供給し得る排気浄化装置を提供する。【解決手段】排気ガスを導入する上流側端部及び当該排気ガスを排出する下流側端部を各々に有し当該排気ガスを通過させて浄化する第１の柱状部材１０及び第２の柱状部材２０と、第１及び第２の柱状部材を並設して収容する容器３０であって、第１の柱状部材の上流側端部１１から導入し下流側端部１２から排出する排気ガスを、第２の柱状部材の上流側端部２１から導入し下流側端部２２から排出する流路（連通路３３）を有する容器を備える。第２の柱状部材は、その軸に対して直交する断面形状が当該軸周りで異方性を有し、例えば、第２の柱状部材の軸周りに三つの頂点を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置に関し、特に、触媒担体等の柱状部材を備え、自動車の内燃機関に好適な排気浄化装置に係る。

内燃機関の排気ガスを浄化する排気浄化装置においては、触媒担体やディーゼルパティキュレートフィルタ等の柱状部材に対し排気ガスが均等に供給されることが望ましい。例えば、触媒担体等の柱状部材の直前に屈曲部が形成されていると、触媒担体等に供給される排気ガス流が偏向し、触媒担体等の有効面積を十分に活用できないことになる。この点に鑑み、下記の特許文献１には、「内燃機関における排気管路内に排気ガス浄化用触媒コンバータが配設され、この触媒コンバータの直前に排気管路の曲がり部が形成された車両用排気管路の構造であって、前記触媒コンバータの上流側の排気ガス流を前記曲がり部の内側コーナ部側へ寄せるためのガス流変向部を曲がり部の外側コーナ部に設けた」構造が提案されている（特許文献１の段落〔０００５〕に記載）。

また、下記の特許文献２には、「触媒担体を内蔵する触媒容器と、前記触媒容器に接続され、その触媒容器の入口直前で排ガスの流れ方向を変更するように湾曲形成されるとともに、前記触媒担体への入口で排ガスの流れを拡散させるガス拡散空間を有する排気管と、を有する排気通路構造であって、前記排気管は、その排気管の外周側に形成され、前記湾曲部分の外周側の内壁に沿って流れる排ガスを、前記触媒容器の軸線方向に流れるようにする排ガス流れ方向変更部と、前記排ガス流れ方向変更部に連接されて前記触媒容器と接続する外周側の排気管と前記触媒担体とで囲まれるガス拡散空間を、前記湾曲部分の内周側近傍のガス拡散空間よりも小さくした空間縮小部と、を含むことを特徴とする排気通路構造」が提案されている（特許文献２の請求項１に記載）。

更に、下記の特許文献３には、「排気ガスを通過させて浄化する後処理装置と、該後処理装置を抱持するケーシングと、前記後処理装置の入側端面を被包し且つ該後処理装置の軸心と交差する方向から排気ガスを導き入れるガス分散室とを排気系に備え、前記後処理装置に対し排気ガスを折り返すように反転させ前記ガス分散室を介して導入するレイアウトが採用された排気浄化装置において、前記後処理装置がガス分散室より大径の選択還元型触媒及びアンモニア低減触媒であり、前記ケーシングの入側端部の径はガス分散室に向かって漸次縮小されるようにし、前記ケーシングを前記ガス分散室の外周に対して排気ガスが反転する曲がり方向の外側に膨らむ形になるように配置し、前記排気ガスが反転する曲がり方向の外側に向け後処理装置の軸心をガス分散室の軸心から偏心させたことを特徴とする排気浄化装置」が提案されている（特許文献３の段落〔００１８〕に記載）。

特開２００６−１７０１８号公報 特開２００８−２４８８１４号公報 特許第５８９０６６１号公報

しかしながら、特許文献１及び２においてはガス流変向部や空間縮小部によって強制的に排気ガス流の指向や流量を変えるため、圧力損失が生じ、触媒担体等に供給される排気ガス流を阻害するおそれがある。また、特許文献３においては、下流側の後処理装置への流入時は偏流が発生し、上記と同様の強制的な排気ガス流の偏向となるので、本質的な解決には至らず、排気ガス導入部の形状変更には限界がある。

そこで、本発明は、排気ガスを通過させて浄化する第１の柱状部材及び第２の柱状部材を備え、下流側の第２の柱状部材に対しても均一に排気ガスを供給し得る排気浄化装置を提供することを課題とする。

上記の課題を達成するため、本発明の排気浄化装置は、排気ガスを導入する上流側端部及び当該排気ガスを排出する下流側端部を各々に有し当該排気ガスを通過させて浄化する第１の柱状部材及び第２の柱状部材と、該第１の柱状部材及び第２の柱状部材を並設して収容する容器であって、前記第１の柱状部材の上流側端部から導入し前記第１の柱状部材の下流側端部から排出する排気ガスを、前記第２の柱状部材の上流側端部から導入し前記第２の柱状部材の下流側端部から排出する流路を有する容器を備え、前記第２の柱状部材の軸に対して直交する断面形状が当該軸周りで異方性を有する構成としたものである。

上記の排気浄化装置において、前記第２の柱状部材の前記断面形状は、前記第２の柱状部材の軸周りに三つの頂点を有するものとするとよい。そして、前記容器の前記流路は、前記第１の柱状部材の下流側端部を前記第２の柱状部材の上流側端部に連通接続する連通路と、前記第１の柱状部材の上流側端部を前記容器の一方側の第１の開口に連通接続する導入路と、前記第２の柱状部材の下流側端部を前記第１の開口と同一側の第２の開口に連通接続する排出路とを有する構成とするとよい。

あるいは、前記容器の前記流路は、前記第１の柱状部材の下流側端部を前記第２の柱状部材の上流側端部に連通接続する連通路と、前記第１の柱状部材の上流側端部を前記容器の一方側の第１の開口に連通接続する導入路と、前記第２の柱状部材の下流側端部を前記第１の開口と反対側の第３の開口に連通接続する排出路とを有する構成としてもよい。尚、前記第１及び第２の柱状部材の少なくとも一方は触媒担体で構成するとよい。

本発明は上述のように構成されているので以下の効果を奏する。即ち、本発明の排気浄化装置においては、排気ガスを導入する上流側端部及び当該排気ガスを排出する下流側端部を各々に有し当該排気ガスを通過させて浄化する第１の柱状部材及び第２の柱状部材と、第１の柱状部材及び第２の柱状部材を並設して収容する容器であって、第１の柱状部材の上流側端部から導入し第１の柱状部材の下流側端部から排出する排気ガスを、第２の柱状部材の上流側端部から導入し第２の柱状部材の下流側端部から排出する流路を有する容器を備え、第２の柱状部材の軸に対して直交する断面形状が当該軸周りで異方性を有する構成とされているので、過大な圧力損失を生ずることなく第２の柱状部材に対し均一に排気ガスを供給することができ、第２の柱状部材に供給される排気ガスの「一様度」が向上する。従って、所謂「一様度」向上チューニングの自由度が大となる。

上記の排気浄化装置において、第２の柱状部材の断面形状は、その軸周りに三つの頂点を有するものとすれば、「一様度」向上のチューニングが容易となり、簡単な構造で容易に第２の柱状部材に対し均一に排気ガスを供給することができる。そして、容器の流路を、第１の柱状部材の下流側端部を第２の柱状部材の上流側端部に連通接続する連通路と、第１の柱状部材の上流側端部を容器の一方側の第１の開口に連通接続する導入路と、第２の柱状部材の下流側端部を第１の開口と同一側の第２の開口に連通接続する排出路とを有する構成とすれば、第１の柱状部材及び第２の柱状部材を最短の連通路で並設することができ、第２の柱状部材に供給される排気ガスの「一様度」が向上した小型の装置を提供することができる。

あるいは、容器の流路を、第１の柱状部材の下流側端部を第２の柱状部材の上流側端部に連通接続する連通路と、第１の柱状部材の上流側端部を容器の一方側の第１の開口に連通接続する導入路と、第２の柱状部材の下流側端部を第１の開口と反対側の第３の開口に連通接続する排出路とを有する構成とすれば、連通路は長尺となるが、例えば、連通路の上流側で還元剤などを添加する場合に、連通路内で排気ガスと撹拌されるので所望の反応時間を確保することができる。尚、第１及び第２の柱状部材の少なくとも一方は触媒担体で構成することができ、第２の柱状部材を例えばディーゼルパティキュレートフィルタで構成することができる。

本発明の一実施形態に係る排気浄化装置の一部断面正面図である。 本発明の一実施形態に係る排気浄化装置の一部断面側面図である。 本発明の他の実施形態に係る排気浄化装置の一部断面正面図である。 本発明の他の実施形態に係る排気浄化装置の一部断面側面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る排気浄化装置の一部断面正面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る排気浄化装置の一部断面側面図である。 本発明の別の実施形態に係る排気浄化装置の正面図である。 本発明の別の実施形態に係る排気浄化装置の側面図である。 本発明の一実施形態における排気ガス流のシミュレーション結果を示す側面図である。 従来の排気浄化装置における排気ガス流のシミュレーション結果を示す側面図である。

以下、本発明の望ましい実施形態について図面を参照して説明する。図１及び図２は本発明の一実施形態を示すもので、本実施形態では、排気ガスを通過させて浄化する第１の柱状部材１０及び第２の柱状部材２０を内蔵し、内燃機関（図示せず）の排気ガスを浄化する排気浄化装置が構成されており、その排気ガス排出側は消音器（図示せず）に連通接続される。例えば、第１の柱状部材１０として酸化触媒担体（ＤＯＣ）が用いられ、第２の柱状部材２０としてディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が用いられるが、夫々に複数個配置されて（例えば直列配置されて）各柱状部材１０、２０を構成することとしてもよい。

図１及び図２に示すように、第１及び第２の柱状部材１０、２０は、それぞれ、排気ガスを導入する上流側端部１１、２１及び当該排気ガスを排出する下流側端部１２、２２を有する。これら第１及び第２の柱状部材１０、２０は容器３０の筒状の胴部３１及び３２内に並設して収容され、図１に示すように略平行に配置されるが、相互に数度傾斜して配置することとしてもよい。容器３０には、第１の柱状部材１０の下流側端部１２を第２の柱状部材の上流側端部２１に連通接続する連通路３３が設けられ、第１の柱状部材１０の上流側端部１１から導入しその下流側端部１２から排出する排気ガスを、第２の柱状部材２０の上流側端部２１から導入しその下流側端部２２から排出する流路が構成されている。第２の柱状部材２０は、その軸に対して直交する断面形状が当該軸周りで異方性を有し、後述の「一様度」向上チューニングに応じて配置される。

本実施形態では、第２の柱状部材２０の軸周りに三つの頂点を有し、図２に示すように、略三角形の断面形状に形成されており、第１の柱状部材１０に隣接する側と反対側（即ち、外側）の断面積が広くなるように配置されている。そして、第１及び第２の柱状部材１０、２０を巻装するように緩衝部材（マット）ＭＴが配設され、容器３０の胴部３１、３２内に第１及び第２の柱状部材１０、２０が夫々安定した状態で保持されている。

更に、容器３０には、上記の流路として、第１の柱状部材１０の上流側端部１１を容器３０の一方側の第１の開口３４に連通接続する導入路３５が一体的に形成されている。また、第２の柱状部材２０の下流側端部２２を第１の開口３４と同一側の第２の開口３６に連通接続する排出路３７が別体で形成され、胴部３２に気密的に溶接接合されている。本実施形態においては、容器３０を構成する箱状の蓋部３０ａに対し、枠部材３０ｂによって胴部３１及び３２が気密接合されて連通路３３が形成されている。尚、図１において、蓋部３０ａ及び枠部材３０ｂは板厚が薄いので断面のハッチングを省略している。蓋部３０ａの胴部３１及び３２間を連通接続する部分（連通路３３の一部）には、図２に示すように、絞り部３０ｃが形成されている。

而して、第１の開口３４から供給される排気ガスは、図１に白抜矢印で示すように、導入路３５を介して第１の柱状部材１０の上流側端部１１に導入されて浄化され、その下流側端部１２から排出され、連通路３３を介して、第２の柱状部材２０の上流側端部２１に導入され、第２の柱状部材２０内で浄化され、その下流側端部２２から排出される浄化済の排気ガスが、排出路３７を介して第２の開口３６から排出される。このような構成においては、連通路３３の容量を大きくし、例えば図１の左方に膨出して弧状の流路を形成することが望ましい。しかし、車両への搭載上の制約から左方に膨出形成することが困難な場合は、本実施形態のように略平箱状の連通路３３とせざるを得ず、そのような態様においてこそ、排気ガスの均一性を表す「一様度」の向上チューニングの自由度が大という特有の効果を奏することができる。

図９は、図１及び図２に示す実施形態に対しシミュレーションを行ったときの排気ガス流を示すもので、図９中の細線が流線を表す。上記のシミュレーション結果によれば、第１の柱状部材１０から排出された排気ガスが連通路３３を介して整流され、第２の柱状部材２０に円滑に供給され、第２の柱状部材２０の前方の面全体に均一に排気ガスが流入していることが確認された。そして、本実施形態においては、従前の装置に比し、第２の柱状部材２０に供給される排気ガスの「一様度」が数％向上したことが確認された。

尚、図１０は、図９に示す態様の比較対象として、従前の装置と同様、第１及び第２の柱状部材１０ｚ、２０ｚの何れも円断面の態様を示すもので、第１の柱状部材１０ｚから排出された排気ガスが連通路３３ｚを通過するまでは整流となっているが、第２の柱状部材２０ｚ（円断面）に流入する段階で偏流が生じ、第２の柱状部材２０ｚの前方の面における「一様度」が損なわれていることが分かる。

図３及び図４は本発明の他の実施形態を示すもので、略三角形の断面形状の第２の柱状部材２０を図１及び図２の実施形態とは異なる配置（１８０度割出し配置）としたものである。即ち、図１及び図２の実施形態では、図２に示すように第２の柱状部材２０ｘの略三角形断面の頂点側が第１の柱状部材１０と対向するように配置されているのに対し、本実施形態では、図４に示すように第２の柱状部材２０ｘの略三角形断面の一辺側が第１の柱状部材１０と対向するように配置されている。第２の柱状部材２０ｘの割出し角度は上記の１８０度に限らず排気ガスの流れに応じて適宜設定し、「一様度」向上に最適なチューニングを行うことができる。尚、図３及び図４においては、図１及び図２に記載の各部材に対応する部材の符号に「ｘ」を付加している。

図５及び図６は更に他の実施形態を示すもので、第１及び第２の柱状部材１０ｙ、２０ｙの何れの断面形状も略三角形とし、両者の一辺側が対向するように配置したものである。即ち、図６に示すように第１及び第２の柱状部材１０ｙ、２０ｙは実質的に同一の流路面積に設定されており、夫々の略三角形断面の一辺側が相互に対向するように（略平行に）配置されている。尚、図５及び図６においては、図１及び図２に記載の各部材に対応する部材の符号に「ｙ」を付加している。

図７及び図８は別の実施形態を示すもので、第１の柱状部材１０の上流側端部１１が導入路３５を介して容器３０の一方側の第１の開口３４に連通接続されるのに対し、第２の柱状部材２０の下流側端部２２が、排出路３７を介して第１の開口３４と反対側の第３の開口３８に連通接続されるように構成されている。具体的には、図７に示すようにＳ字状に形成された連通管３９によって、第１の柱状部材１０の下流側端部１２が第２の柱状部材２０の上流側端部２１に連通接続されるように構成されている。尚、図７及び図８においては第１及び第２の柱状部材１０、２０を省略しているが、図１及び図２の構成と同様である。本実施形態においては、容器３０を構成する箱状の蓋部３０ｅ、３０ｆが夫々胴部３１、３２に気密的に接合されると共に、連通管３９に気密接合されて連通路（図１の連通路３３に対応）が形成されている。この実施形態は、例えば連通管３９の上流側で還元剤などを添加する態様に好適であり、排気ガスと撹拌して反応時間を確保するための連通路を長く設定することができる。

而して、上記何れの実施形態も、内燃機関の排気システム（図示せず）の何れの部位に適用しても、第１の柱状部材１０のみならず第２の柱状部材２０に供給される排気ガスの「一様度」を適切に設定することができる。

１０、１０ｙ、１０ｚ 第１の柱状部材
２０、２０ｘ、２０ｙ、２０ｚ 第２の柱状部材
１１、２１ 上流側端部
１２、２２ 下流側端部
３０ 容器
３１、３２ 胴部
３３ 連通路
３４ 第１の開口
３５ 導入路
３６ 第２の開口
３７ 排出路
３８ 第３の開口
３９ 連通管（連通路）

Claims (5)

1. 排気ガスを導入する上流側端部及び当該排気ガスを排出する下流側端部を各々に有し当該排気ガスを通過させて浄化する第１の柱状部材及び第２の柱状部材と、
   該第１の柱状部材及び第２の柱状部材を並設して収容する容器であって、前記第１の柱状部材の上流側端部から導入し前記第１の柱状部材の下流側端部から排出する排気ガスを、前記第２の柱状部材の上流側端部から導入し前記第２の柱状部材の下流側端部から排出する流路を有する容器を備え、
   前記第２の柱状部材の軸に対して直交する断面形状が当該軸周りで異方性を有することを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記第２の柱状部材の前記断面形状は、前記第２の柱状部材の軸周りに三つの頂点を有することを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
3. 前記容器の前記流路は、
   前記第１の柱状部材の下流側端部を前記第２の柱状部材の上流側端部に連通接続する連通路と、
   前記第１の柱状部材の上流側端部を前記容器の一方側の第１の開口に連通接続する導入路と、
   前記第２の柱状部材の下流側端部を前記第１の開口と同一側の第２の開口に連通接続する排出路とを有することを特徴とする請求項１又は２記載の排気浄化装置。
4. 前記容器の前記流路は、
   前記第１の柱状部材の下流側端部を前記第２の柱状部材の上流側端部に連通接続する連通路と、
   前記第１の柱状部材の上流側端部を前記容器の一方側の第１の開口に連通接続する導入路と、
   前記第２の柱状部材の下流側端部を前記第１の開口と反対側の第３の開口に連通接続する排出路とを有することを特徴とする請求項１又は２記載の排気浄化装置。
5. 前記第１及び第２の柱状部材の少なくとも一方が触媒担体であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の排気浄化装置。

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