JP3093598B2 - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車等に使用される
内燃機関（以下、エンジンという）の排ガス浄化装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車等の排ガス規制が厳しくな
り、特にエンジン始動直後の暖機が完了していない状態
において、排ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）、炭
化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害成分を
浄化して、その量を低減することがますます厳しく要求
されている。この対策として、エンジンの排ガス出口に
容量の小さい第１の浄化器を設置し、次に容量の大きい
第２の浄化器を設置した排ガス浄化装置が知られてい
る。

【０００３】上述した従来の排ガス浄化装置において
は、主としてエンジンが始動直後の暖機が完了していな
い状態においては、温度が上昇しやすく触媒が速やかに
活性化する第１の排ガス浄化器により排ガス中の有害成
分を浄化するとともに、暖機が完了したエンジン状態に
おいては、容量の大きい第２の排ガス浄化器により排ガ
ス中の有害成分を浄化している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の排ガス
浄化装置においては、第１の排ガス浄化器の容量を小さ
くして、容量の大きな浄化器と比較して速やかに触媒を
活性化しようとしているが、排ガス浄化器として使用さ
れている好ましくはセラミックスからなるハニカム構造
体の構成は、製造の容易さ等の点からセル断面四角形状
または三角形状のものであった。

【０００５】そのため、第１の排ガス浄化器の耐熱衝撃
性が十分でなく、エンジン出口の高温の排ガスの近傍に
第１の排ガス浄化器を設置することができず、エンジン
出口から配管を介して離れた位置に設置するか、直下に
設置するときはエンジン性能を犠牲にし、エンジンから
排出されるガス温度そのものを低くして、ハニカム構造
体にあたる排ガスの温度を低くしなければならない問題
があった。その結果、第１の排ガス浄化器の容量を小さ
くして、特にエンジン始動時の暖機が完了していない状
態における浄化性能を高くしようとしても、ハニカム構
造体にあたる排ガスの温度が低いため触媒活性化が可能
な温度になるまでに時間がかかり、十分にその目的を達
成できず、やはり良好な排ガス浄化率が得られないとい
う問題があった。

【０００６】本発明の目的は上述した課題を解消して、
特にエンジン始動直後の暖機が完了していない状態にお
いて、排ガス中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ等の有害成分を良
好に浄化することのできる排ガス浄化装置を提供しよう
とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の排ガス浄化装置
は、内燃機関の排ガス出口から排ガスの流れの下流に向
けて、順に配設される第１の排ガス浄化器、第２の排ガ
ス浄化器を少なくとも有する排ガス浄化装置において、
前記第１の排ガス浄化器に少なくとも１つのセル断面六
角形状のセラミックハニカム構造体を搭載し、前記第１
の排気ガス浄化器での入口排ガスの最高温度が９００℃
以上であることを特徴とするものである。

【０００８】

【作用】上述した構成において、第１の浄化器として耐
熱衝撃性の良好なセル断面六角形状のセラミックハニカ
ム構造体を使用することで、第１の浄化器をエンジン出
口近傍の排ガス温度の高い位置（例えば、最高温度が９
００℃以上となる位置）に設置でき、又は排ガス温度を
高温に設定でき、ハニカム構造体に高温の排ガスを当て
ることができるため、ハニカム構造体を速やかに高温と
でき、触媒の活性化を速やかに達成できる。

【０００９】なお、本発明では、少なくとも第１の排ガ
ス浄化器がセル断面六角形状のハニカム構造体から形成
されていれば、その下流側の第２の排ガス浄化器および
それ以降の排ガス浄化器の構成は特に限定するものでな
くどのような形状のものでも使用できる。ただ、同一セ
ル密度の場合、四角セル、三角セルは六角セルに比べて
ＧＳＡ（幾何学的表面積）が大きいため、排ガスとの接
触面積も大きく、エンジン暖機が終了した状態では六角
セルより排ガス浄化率が高いため、第２の排ガス浄化器
およびそれ以降の排ガス浄化器としてセル断面四角形状
やセル断面三角形状のハニカム構造体を使用することが
好ましい。

【００１０】また、後述するように、セル断面六角形状
のセラミックハニカム構造体は、若干アイソスタティッ
ク強度が低く、その際の破壊が外周部で発生するため、
外周部の隔壁の厚さを厚くしたり、外周部の不完全セル
をセラミック材料で目封じしたり、外周部のセルの形状
のみをセル断面四角形状としたり、外周部のセルに補強
リブを形成することで、外周部の強度を高めることが好
ましい。

【００１１】

【実施例】図１は本発明の排ガス浄化装置の一実施例を
適用した自動車用エンジンの排ガス流通部分の一例を示
す図である。図１において、自動車用エンジンの排ガス
流通部分は、エンジン本体１、排気マニホールド２、排
ガス浄化装置１０で構成される。排ガス浄化装置１０
は、排気マニホールド２により集められた直後の排ガス
中の酸素分圧に応じた信号を出力する酸素センサ１１、
この酸素センサ１１からの信号を受信してエンジンへの
燃料供給量を決定するエンジン制御コンピュータ１２、
排気マニホールド２により集められた排ガスを第１の排
ガス浄化器１６に送出する排気管２１、排気管２１から
流入する排ガスを浄化する第１の排ガス浄化器１６、第
１の排ガス浄化器１６を通過した排ガスを第２の排ガス
浄化器１７に送出する排気管２２、排気管２２から流入
する排ガスをさらに浄化する第２の排ガス浄化器１７で
構成される。

【００１２】図１に示す例では、排気マニホールド２に
より集められた排ガスの流れの下流に向けて、酸素セン
サ１１、第１の排ガス浄化器１６、第２の排ガス浄化器
１７がこの順に配設される。排ガス中のガス検出器とし
ての酸素センサ１１は、排気マニホールド２と第１の排
ガス浄化器１６との間に配設され、理論空燃比に対し燃
料過剰を示すリッチ信号、燃料不足を示すリーン信号の
２値の信号を出力するタイプの酸素センサを使用する。
また、排気マニホールド２で集められた排ガス中の酸素
分圧に比例した信号を出力する全領域空燃比センサを使
用することも可能である。

【００１３】本発明で重要なのは、第１の排ガス浄化器
１６に少なくとも１つのセル断面六角形状のセラミック
ハニカム構造体を搭載することである。このように構成
することで、図１に示すように、従来の排ガス浄化装置
の第１の排ガス浄化器の位置と比較して、排気マニホー
ルド２の近傍、すなわち排気マニホールド２の直後で排
ガスの最高温度が９００℃以上になる様に、第１の排ガ
ス浄化器１６を配設できる。一方、第２の排ガス浄化器
１７の位置は従来の排ガス浄化器の位置と何等かわら
ず、浄化すべき排ガスの温度も低いため、第２の排ガス
浄化器１７に使用するセラミックハニカム構造体の構造
は特に限定するものでなく、従来から知られているセル
断面四角形状、セル断面三角形状を使用でき、もちろん
セル断面六角形状のものを使用しても良い。以下、本発
明で使用するセル断面六角形状のセラミックハニカム構
造体について説明する。

【００１４】図２は本発明で使用するセル断面六角形状
のセラミックハニカム構造体の一例の構成を示す図であ
る。図２では、円筒形状のセラミックハニカム構造体３
１のセル断面の１／４の部分のみ示しており、セラミッ
クハニカム構造体３１は、隔壁３２により構成された多
数の六角形状のセル３３と、その外周部に設けた外周壁
３４とから構成されている。また、使用するセラミック
スの材質についても、従来から排ガス浄化器のハニカム
構造体として使用されているコージェライト、ムライ
ト、ＳｉＣ等を使用することができる。

【００１５】以下、実際の例について説明する。実施例１ 実際に、本発明で使用するセル断面六角形状のセラミッ
クハニカム構造体と、従来から知られているセル断面四
角形状や三角形状のセラミックハニカム構造体とを、高
速高負荷台上試験での耐熱衝撃性、台上試験での暖機完
了後のＨＣ浄化率、およびハニカム構造体をキャンニン
グして排ガス浄化器を構成する際に必要となるアイソス
タティック強度の点で比較した。なお、セラミックスの
材料としては、両者ともコージェライトを使用し、直径
等の寸法も直径：１０１．６ｍｍ、長さ：１０１．６ｍ
ｍ（容量：８２０ｃｃ）、隔壁３２の厚さが０．１７ｍ
ｍ、セル３３の密度が１平方センチメートル当たり６２
個、外周壁３４の厚さが０．４ｍｍである。尚、暖機完
了後のＨＣ浄化率測定には、他のセル密度のものを使用
した。

【００１６】また、高速高負荷台上試験での耐熱衝撃
性、および台上試験での暖機完了後のＨＣ浄化率では、
上記セラミックハニカム構造体に触媒を担持させた担体
として試験を行った。

【００１７】なお、高速高負荷台上試験での耐熱衝撃性
の測定は、Ｖ６、３リットルのエンジンを用いて５００
０ｒｐｍで負荷を変えて、触媒にクラックが発生する入
口排ガス温度を測定した。また、台上試験での暖機完了
後のＨＣ浄化率の測定は、Ｖ６、３リットルのエンジン
を用いて図３で示す走行パターンで走行した時、BagBで
のＨＣ浄化率を測定した。アイソスタティック強度は、
ハニカム構造体の上下端面に、ハニカム構造体と同一の
セル断面形状の厚さ約０．５ｍｍのウレタンシートを介
して、２０ｍｍのアルミニウム板を当て、さらに側面を
厚さ約０．５ｍｍのウレタンチューブで包み密封し、水
を満たした圧力容器に入れ、圧力を徐々に上げて破壊音
が生じたときの圧力を測定した。

【００１８】高速高負荷台上試験での測定結果を図４に
示す。図４の結果から、セル断面六角形状のセラミック
ハニカム構造体の方がセル断面四角形状または三角形状
のセラミックハニカム構造体よりも耐熱衝撃性が高いこ
とがわかった。マニホールド直下ではエンジンの設定条
件によっては触媒コンバータ入口排ガス温度が最高９０
０℃以上に達する可能性があるため、図４の結果からマ
ニホールド直下で使用可能なのはセル断面六角形状のセ
ラミックハニカム構造体のみであることがわかる。ま
た、台上試験での暖機完了後のＨＣ浄化率の測定結果を
図５に示す。図５の結果から、触媒が完全に昇温した後
のＨＣ浄化率は、セル断面三角形状または四角形状のセ
ラミックハニカム構造体の方がセル断面六角形状のセラ
ミックハニカム構造体より高いことがわかった。そのた
め、エンジンから離れている熱衝撃の小さい第２の浄化
器にはセル断面三角形状または四角形状のセラミックハ
ニカム構造体が適することがわかる。さらに、アイソス
タティック強度の測定結果を以下の表１に示す。

【００１９】

【表１】

【００２０】表１の結果から、セル断面六角形状のセラ
ミックハニカム構造体は、セル断面四角形状または三角
形状のセラミックハニカム構造体と比較して、アイソス
タティック強度は若干劣るが、キャンニングするのに必
要な強度は１０ｋｇｆ／ｃｍ² 以上であれば良いので、
十分に使用できることがわかる。

【００２１】以上の実施例１の結果から、セル断面六角
形状のセラミックハニカム構造体のアイソスタティック
強度は実用レベルでは問題はないもののセル断面四角形
状のセラミックハニカム構造体に比べて低くなっている
ため、セル断面六角形状のセラミックハニカム構造体に
おいてアイソスタティック強度を何らかの手段で高める
ことが望ましい。図６（ａ）〜（ｇ）は、それぞれアイ
ソスタティック強度を高めた本発明で使用するセル断面
六角形状のセラミックハニカム構造体の一例を示す図で
ある。

【００２２】図６（ａ）に示す例では、外周部の隔壁３
２の厚さを厚くしてセラミックハニカム構造体３１を形
成している。図６（ｂ）に示す例では、外周部の不完全
セル３５をセラミック材料で目封じしてセラミックハニ
カム構造体３１を形成している。ここで、不完全セル３
５とは完全セル３３に対する意味、すなわちセルが六角
形状でない形状であることを意味し、好ましくは面積が
完全セル３３の面積の９０％未満のものを不完全セル３
５としている。

【００２３】図６（ｃ）〜（ｅ）に示す例では、それぞ
れ外周部のセル３３の形状のみをセル断面四角形状とし
てセラミックハニカム構造体３１を形成している。すな
わち、図６（ｃ）に示す例では、外周部のセル３３を一
様にセル断面四角形状とするとともに、図６（ｄ）、
（ｅ）に示す例では、外周部のセル３３を図６（ｃ）に
示す例よりもセル密度が高いセル断面四角形状としてい
る。図６（ｆ）、（ｇ）に示す例では、それぞれ外周部
のセル３３に補強リブ３６を形成してセラミックハニカ
ム構造体３１を形成している。図６（ｃ）〜（ｇ）のい
ずれの例でも、破壊が外周部で発生するため、外周部を
補強することでアイソスタティック強度を高めている。

【００２４】実施例２ 図６（ａ）〜（ｇ）に示した外周部補強のセル断面六角
形状のセラミックハニカム構造体の特性を調べるため、
図６（ａ）〜（ｇ）に示すセラミックハニカム構造体に
ついて実施例１と同様に高速高負荷台上試験での耐熱衝
撃性、台上試験での暖機完了後のＨＣ浄化率、およびハ
ニカム構造体をキャンニングして排ガス浄化器を構成す
る際に必要となるアイソスタティック強度を測定し、外
周部の補強のないセル断面六角形状のセラミックハニカ
ム構造体の特性と比較した。セル構造等は以下の表２に
示す通りであった。結果を表２に示す。

【００２５】

【表２】

【００２６】表２の結果から、外周部を補強した本発明
品２〜８は、外周部を補強しなかった本発明品１と比較
して、１．５〜２倍のアイソスタティック強度が得られ
ることがわかった。一方、高速高負荷試験による熱衝撃
評価の結果、本発明品２〜８は本発明品１とほぼ同等で
あった。また、浄化効率測定の結果も、本発明品２〜８
は本発明品１とほぼ同等であった。

【００２７】実施例３ 図２に示す形状の断面六角形状のセラミックハニカム構
造体を第１の浄化器に搭載して、エンジン近傍に設置す
る効果を確認した。すなわち、高速高負荷試験での結果
（図４）をもとに、以下の表３に示すように各セル構造
においてセラミックハニカム構造体が熱衝撃によって破
壊しない位置に第１の浄化器を設置し、また第２の浄化
器には全て同一の断面四角形状のセラミックハニカム構
造体を搭載して、浄化効率を台上試験にて測定した。な
お、第１の浄化器および第２の浄化器の寸法、セル密度
等はともに実施例１と同様とした。また、台上試験は、
走行モードのみ図３のBagAで測定する以外実施例１と同
様に行った。

【００２８】

【表３】

【００２９】結果を図７に示す。図７の結果から、断面
六角形状のセラミックハニカム構造体はその他の例に比
べて触媒が速く昇温し活性化するので、浄化効率が高
く、設置位置をエンジンに近くした効果が確認された。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、第１の浄化器として耐熱衝撃性の良好なセル
断面六角形状のセラミックハニカム構造体を少なくとも
１つ使用しているため、第１の浄化器をエンジン出口近
傍の排ガス温度の高い位置に設置できる。その結果、ハ
ニカム構造体に高温の排ガスがあたることになるため、
ハニカム構造体を速やかに高温とでき、触媒の活性化を
速やかに達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の排ガス浄化装置の一実施例を適用した
自動車用エンジンの排ガス流通部分の一例を示す図であ
る。

【図２】本発明で使用するセル断面六角形状のセラミッ
クハニカム構造体の一例の構成を示す図である。

【図３】実施例で使用した台上試験での走行パターンを
示すグラフである。

【図４】高速高負荷台上試験での耐熱衝撃性の測定結果
を示すグラフである。

【図５】台上試験での暖機完了後のＨＣ浄化率の測定結
果を示すグラフである。

【図６】アイソスタティック強度を高めた本発明で使用
するセル断面六角形状のセラミックハニカム構造体の一
例を示す図である。

【図７】台上試験での暖機完了後のＨＣ浄化率の測定結
果を示すグラフである。

【符号の説明】

１ エンジン本体、２ 排気マニホールド、１０ 排ガ
ス浄化装置、１６ 第１の排ガス浄化器、１７ 第２の
排ガス浄化器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 市川 結輝人 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日本碍子株式会社内 (72)発明者 大原 悦二 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日本碍子株式会社内 (56)参考文献 特開 平７−766（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−225250（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−241018（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−117310（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−170241（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−108731（ＪＰ，Ｕ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の排ガス出口から排ガスの流れの
   下流に向けて、順に配設される第１の排ガス浄化器、第
   ２の排ガス浄化器を少なくとも有する排ガス浄化装置に
   おいて、前記第１の排ガス浄化器に少なくとも１つのセ
   ル断面六角形状のセラミックハニカム構造体を搭載し、
   前記第１の排ガス浄化器での入口排ガスの最高温度が９
   ００℃以上であることを特徴とする排ガス浄化装置。
2. 【請求項２】前記第２の排ガス浄化器が、セル断面四角
   形状または三角形状のセラミックハニカム構造体である
   請求項１記載の排ガス浄化装置。
3. 【請求項３】前記第２の排ガス浄化器の排ガス流れの下
   流側に、さらに１つまたは２つ以上の複数の排ガス浄化
   器を配設した請求項１または２記載の排ガス浄化装置。
4. 【請求項４】前記セル断面六角形状のセラミックハニカ
   ム構造体の外周部の不完全セルをセラミック材料で目封
   じした請求項１〜３のいずれか１項に記載の排ガス浄化
   装置。