JP3327552B2 - エンジン用触媒式排気ガス浄化装置 - Google Patents

エンジン用触媒式排気ガス浄化装置

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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、排気ガス流入口と排気ガス排出口を有す
るハウジングの内部に、少なくとも１個の触媒と層状の
排出ガスの流れを形成する手段と、ハウジングの内部を
複数の部屋に分割する手段とを収納し、さらにハウジン
グ内の排気ガスの流れに空気を供給するための手段を設
けたエンジン用触媒式排気ガス浄化装置に関する。
本発明の排気ガス浄化装置は、エンジンの排気ガスの
浄化に用いるものであり、特に排気ガス浄化装置の設置
スペースが限られている小型の２サイクルエンジン、た
とえばチェーンソー、芝刈機、原動機付のそりまたは自
転車、バイク等に用いるのに適している。
触媒式の排気ガス浄化装置は、排気ガスを一個以上の
触媒に接触させることによって浄化するものである。触
媒は有害な不純物の燃焼を促進する触媒物質を含有して
おり、このような燃焼を常温以下の温度で起こさせる。
今日排気ガスを浄化することは、環境汚染を防止する上
で特に重要である。従来の触媒式排気ガス浄化装置に
は、排気ガスに十分な量の酸素を供給できないという問
題があった。十分な量の酸素が供給できないと、炭化水
素の燃焼によって生じた一酸化炭素が、さらに酸化して
二酸化炭素に変化することができなくなる。一酸化炭素
は無色無臭なので環境、特に人間に害を与えることが多
い。触媒による排気ガス浄化効率を向上させるために、
外部から空気を供給し、空気中に含まれる酸素によっ
て、排気ガス中の主要な汚染源、すなわち一酸化炭素
（CO）と炭化水素（HC）をより効率的に燃焼除去するタ
イプの排気ガス浄化装置は以前から知られている。空気
供給部を有する触媒式浄化装置は、酸化型浄化装置と呼
ばれている。
GB特許2048706は、空気供給部を有する触媒式浄化装
置を開示している。この装置の空気取入部は、浄化装置
の内部をその全長にわたって延びるチューブであり、こ
のチューブの途中に設けた複数の孔から空気が排気ガス
中に供給されるようになっている。しかしこの方式では
あまり排気ガスの浄化効率は向上しなかった。しかも空
気を浄化装置中に送り込むために、ポンプ等の装置が必
要であった。DE特許3111498の装置には、いわゆるベン
チュリ型の空気供給部が用いられている。即ちこの装置
では、排気ガスの流路を絞るベンチュリと、空気供給部
に設けたバルブとによって空気の流れを制御している。
バルブを用いているため、装置の構造は複雑で、値段も
高い。また可動部品があるため故障の頻度も高い。ベン
チュリで排気ガスの流路を絞るため、動力損失が発生す
る。また層状の排気ガスの流れを形成することも難し
い。さらに、この種の空気供給装置はサイズが大きいと
いう問題もある。
本発明の目的は、上記のような、従来例の問題が生じ
ない新しい排気ガス浄化装置を提供することである。
この目的を達成するために本発明では、上記のタイプ
の排気ガス浄化装置において、層状の排出ガスの流れを
形成する手段と、その後方で、かつ空気供給手段の近く
に、１枚以上の吸引板を設け、吸引板には排気ガスの通
過孔と、供給された空気の通過孔を形成し、吸引板を、
空気が空気通過孔を通過して、吸引板の排気ガス通過孔
を通過する排気ガスの流れの中に引き込まれるように配
置する構成を採用した。
本発明の基本的な特徴は、１枚以上の吸引板を浄化装
置のハウジング内に設けた点にある。これによって排気
ガスの流れの中に空気をより効率的に引き込むことがで
きるようになった。
本発明の排気ガス浄化装置の長所について以下に述べ
る。ハウジング内に吸引板を設けることによって、装置
の大型化を招かずに、排気ガスの流れの中に空気を効率
的に混ぜ合わせることができる。可動部品を用いていな
いので、故障が少なく、しかも低コストで製造できる。
十分な量の空気を排気ガス中に供給できるので、排気ガ
ス中の不純物を完全に酸化させて二酸化炭素に変えるこ
とができる。また本発明の装置では、排気ガスの流れは
絞られずに、層状となるので、エンジンの動力損失は起
きない。また吸引板を設けることによって、排気ガスの
流れの脈動を抑えることができる。このためエンジンの
騒音レベルを低くできる。
次に添付の図に基づいて本発明の実施例の説明を行
う。
図１は、本発明の第１実施例の排気ガス浄化装置の内
部構造を示す概略図、 図2aは仕切り板の概略図、 図2b−2dは吸引板の概略図、 図３は図１の矢印Ａ−Ａに沿った横断面図、 図４は図１の矢印Ｂ−Ｂに沿った横断面図、 図５は、第２実施例の排気ガス浄化装置の内部構造を
示す概略図、 図６は図５の矢印Ｃ−Ｃに沿った横断面図、 図７はエンジンに負荷をかけない状態での、CO含有量
とエンジン回転数との関係を表すグラフ、 図８はエンジンに負荷をかけない状態での、HC含有量
とエンジン回転数との関係を表すグラフ、 図９はエンジンに最大負荷をかけた状態での、HC含有
量とエンジン回転数との関係を表すグラフ、 図10はエンジンに最大負荷をかけた状態での、CO含有
量とエンジン回転数との関係を表すグラフである。
図１は排気ガス浄化装置の内部構造を概的に示す図で
ある。本発明の触媒式排気ガス浄化装置は、排気ガスの
流入口２および流出口10を有するハウジング１、少なく
とも１個の触媒３、チューブ等の層状の排気ガスの流れ
を形成する手段４、ハウジング１の内部を複数の部屋７
−９に分割する仕切り板手段５、６を備えている。さら
にハウジング１には、前記部屋の少なくとも一つを流れ
る排気ガスに向かって空気を供給するための、空気取入
口11が形成されている。排気ガス浄化装置中の排気ガス
の流れを矢印12−16で示す。また空気取入口11から供給
される空気の流れは、矢印17と18で示している。チュー
ブ４を設けることによって、層状のスムーズな排気ガス
の流れを浄化装置中に形成することができる。また矢印
14で示すような層状の排気ガスの流れを形成するための
手段４の後方の部屋８内の、空気取入口11の近くに、１
枚または２枚以上の吸引板19、20を設ける。図１は、２
枚の吸引板19、20を設け、その後方に一方の仕切り板６
を設けた例を示している。ハウジング内に一方の仕切り
板５を、空気取入口11の上流側に、層状の排気ガスの流
れを形成するためのチューブ形の手段４を取り囲むよう
に設ける。図2b,2cに図１の吸引板19、20の詳細な構造
を示す。図１、2b,2cに示すように、吸引板19、20には
排気ガスが通過できる孔21a、21bが形成されている。図
2aに示すように、他方の仕切り板６にも排気ガス通過用
の孔21cが形成されている。ガス通過用の孔21a−21c
は、図１の排気ガスの流れる方向を示す矢印15に沿って
一列に並んでいる。さらに吸引板19、20には、空気が通
過する孔22a−22dが形成されている。図示のように吸引
板19、20を配列することによって、空気取入口11から供
給された空気17、18は、吸引板19、20の孔22a−22dを通
過して、排気ガス15の流れに巻き込まれる。このために
は吸引板19、20の空気通過口22a−22dは、図１に示すよ
うに空気の流れを示す矢印17、18が通過する位置に形成
する必要がある。図１の例のように吸引板19、20に排気
ガスの通過孔21a、21bを形成する代わりに、吸引板19、
20とハウジング１の間に隙間を形成し、この隙間を排気
ガスが通過するようにしてもよい。同様に吸引板19、20
とハウジング１の間の隙間を、空気が通過するようにし
てもよい。排気ガスおよび空気が、吸引板に形成した孔
を通過するようにしても、吸引板の周囲を通過するよう
にしても作用的には同じことである。このような空気や
排気ガスが通過するための隙間は、例えば吸引板19、20
の周囲の一部を切り欠くことによって形成することがで
きる。
図2b,2cに示す実施例では、空気の通過孔22a,22bおよ
び22c,22dは、排気ガス通過孔21a,21bの周囲に形成され
ているため、排気ガス通過孔21a,21bの周囲に対称的な
空気の流れが形成される。このため空気は効果的に排気
ガスの流れと混ざり合う。
また図１の実施例では、図2b,2cに示すように、吸引
板19、20は、空気通過孔22a,22bと空気通過孔22c,22dが
一直線上に並ばないように取り付けられているため、空
気の逆流を効果的に防ぐことができる。
またこの実施例では、下流側の吸引板20の排気ガス通
過孔21bの径を、上流側の吸引板19の排気ガス通過孔21a
の径より大きくしている。３枚以上の吸引板を用いる場
合も、下流側の吸引板ほど、排気ガス通過孔の径を大き
くする。こうすれば吸引板の数を増やすほど、空気の流
量が増加し、かつ大量の空気をより容易に排気ガスの流
れに混ぜ合わせられるためである。また下流側の吸引板
の後方に設ける仕切板６の排気ガス通過孔21cの径も、
吸引板19、20の排気ガス通過孔の径より大きくするのが
よい。発明者は排気ガス通過孔21a−21cの径を、順に20
mm、21mm、22mmにすると、最も良い結果が得られること
を発見した。図2a−2cのD,E,Fは各排気ガス通過孔の径
を示す。すなわち、Ｄが最も短く20mm、Ｆが最長で22mm
である。
また図2dに示す実施例の吸引板23には、図示のような
複雑な形状の排気ガス通過孔24が形成されている。この
ように孔の形状を複雑にすることによって、孔の縁部の
長さが、図2b,2cに示す円形の孔の場合より長くなるの
で、空気がこの孔に流入しやすくなり、より効果的に空
気を排気ガスの流れに巻き込むことができる。
図４は図１の矢印Ｂ−Ｂに沿って見た、ハウジング１
の横断面図である。この図から明らかなように、層状の
排気ガスの流れを形成するためのチューブ４は、触媒３
の内部に設けられている。言い換えると触媒３はチュー
ブ４の周囲に設けられている。こうすれば浄化装置を小
型化できるからである。
図１の例では、ハウジング１の内部は、仕切り板５、
６によって３つの部屋に分割されている。第１の仕切り
板５とハウジングの内壁によって第１の部屋７が形成さ
れている。排気ガスは排気ガス流入口からこの部屋に流
入する。第２の部屋８はハウジングの内壁、および仕切
り壁５、６によって仕切られた空間である。チューブ４
を通過した層状の排気ガスの流れは、第２の部屋８に流
れ込む。第２の部屋には空気取入口が開口している。ま
た吸引板19、20もこの部屋に設けられている。第３の部
屋は、仕切り板６とハウジングの内壁によって仕切られ
た空間である。本発明の特徴は、層状の排気ガスの流れ
を形成する手段４の後方の狭い部屋８に、排気ガスと空
気の流れを邪魔するように１枚以上の吸引板を設けた点
にある。
図2a,2dの参照番号50で示す点は、吸引板をハウジン
グに固定しているスポット溶接部である。
図３は図１の矢印Ａ−Ａに沿った横断面図である。図
１および３に示すように、第２の触媒25が第３の部屋９
に設けられている。本発明の主要な特徴は排気ガス浄化
装置の構造にあり、触媒３、25としては、たとえばセラ
ミックまたは金属製の支持用セルと、化学反応促進剤を
含む中間層からなる従来公知の触媒セルを用いればよ
い。たとえば、このような触媒セルとしては、酸化アル
ミニウムの中間層に、白金とロジウムなどの貴金属の混
合物のコーティングを施したものを用いればよい。もし
十分な量の酸素が第１の部屋７に存在しないと、この部
屋で排気ガス中の炭化水素（HC）が酸化して、二酸化炭
素（CO2）、一酸化炭素（CO）、水（H2O）に変化する。
すなわち排気ガス中に有害な一酸化炭素（CO）が発生す
る。
次に図１−４に基づいて、本発明の排気ガス浄化装置
の作用の説明を行う。エンジン（図示省略）からの排気
ガスは、排気ガス流入口２からハウジング１の第１の部
屋７に流入する。排気ガスは矢印12に沿って触媒３を通
過し、部屋７の端部で矢印13で示すように方向転換し、
チューブ４に流れ込む。チューブ４を通過中に層状の排
気ガスの流れが形成される。チューブ４から排出された
排気ガスは、吸引板19、20を有する第２の部屋８に流れ
込む。吸引板19、20は空気取入口11およびチューブ４の
両方に近い位置に設けられている。空気取入口から供給
される空気は矢印17、18で示すように、第１の吸引板19
に向かって流れ、吸引板19に形成された空気通過孔22a,
22bを通過し、吸引板19、20の間のスペースに流れ込
む。この後、空気の一部は層状の排気ガスの流れ15の脈
動により、吸引板19の排気ガス通過孔21aに引き込まれ
る。一方チューブ４から排出された排気ガスは、吸引板
19の排気ガス通過孔21aを通過する。矢印17、18に沿っ
て供給される空気の一部は、ハウジング１の長手方向に
進み、吸引板20の空気通過孔22c,22dを通過して、吸引
板20と仕切り板６の間の空間に流れ込み、ここで排気ガ
スの流れに引き込まれる。こうして十分な量の空気を含
んだ排気ガスは、触媒25を収納した第３の部屋９に流入
する。排気ガスは十分な量の空気、すなわち酸素を含ん
でいるので、排気ガス中に残っている一酸化炭素（CO）
は、第３の部屋で確実に酸化し二酸化炭素に変わる。排
気ガスが第２の触媒25の横断面全体に拡がるように、触
媒25は第２の仕切り板６からある程度離れた位置に設け
るのがよい。こうして浄化された排気ガスは、ハウジン
グの排出口10から排出される。排気ガスはエンジンの動
きに伴い波状に脈動している。発明者は、吸引板を上で
説明したように配置することによって、空気取入口から
供給される空気が、脈動する排気ガスの流れの振幅が小
さい部分に供給されることを発見した。
図５は第２実施例の排気ガス浄化装置の内部構造を示
す概略図である。この実施例と図１の実施例とでは、空
気を吸引板に向けて供給する方法において大きく異な
る。しかし基本的な作用と構造は同一である。図５に示
すように、第２実施例の排気ガス浄化装置は、排気ガス
流入口102を有するハウジング101、少なくとも１個の触
媒103、層状の排気ガスの流れを形成する手段104、ハウ
ジングを複数の部屋108−109に分割する仕切り板105、1
06を備えている。さらにハウジングは、排気ガス排出口
110と、ハウジング内の排気ガスの流れの中に空気を供
給するための空気供給手段111を備えている。この実施
例の空気供給手段111は、ハウジングの壁面に設けたス
ペースである。このスペース111は、好ましくは図５、
６に示すように、ハウジングの円周全体にわたって設け
る。こうすればスペース111を通過する空気で、ハウジ
ングの冷却ができるからである。図６は、層状の排気ガ
スの流れを形成するチューブ104と、チューブ104の周囲
に設けた触媒103と、触媒103とハウジング101の内壁の
間に形成された空気供給スペース111を示す。
図５の実施例は、３枚の吸引板119、120、121を用い
ている点を除けば、図１の実施例と構造的には似てい
る。吸引板と第２の仕切り板106には、矢印115で示す排
気ガスの流れに沿って排気ガス通過孔が形成されてい
る。さらに吸引板119−121には、矢印130、131で示す空
気の流れに沿って、空気の通過孔が形成されている。第
２の仕切り板106の排気ガス通過孔は参照番号121cで示
す。第２の触媒125は、第３の部屋109に収納されてい
る。図５、６の実施例は、空気を縦長の空気供給スペー
ス111から、吸引板119−121に向けて、矢印117、118の
方向、即ちハウジング101の長手方向に供給する点に大
きな特徴がある。
図７−９は、本発明の排気ガス浄化装置を２サイクル
の芝刈機に取り付けた場合の、排気ガスの浄化効率の測
定結果を示す。図７−９のいずれにおいても、一番上の
曲線は、図１のＨ地点で測定したエンジンからの排気ガ
スの測定値を示している。また図７−９のいずれにおい
ても、真ん中の曲線は、図１のＪの地点で測定した浄化
後の排気ガス中の含有成分の測定値を示す。但しこれ
は、空気を空気取入口から供給しなかった場合の測定値
である。図７−９の各グラフにおいて、一番下の曲線
は、空気を排気ガス中に供給しながら浄化した排気ガス
中の含有成分を、図１のＪの地点で測定した値を示す。
図７は負荷ゼロの場合のCO含有量と、エンジンの回転
数（rpm）の関係を表すグラフである。この図から、空
気を排気ガスの流れの中に供給することによって、CO含
有量、すなわち一酸化炭素含有量が、空気を供給しない
場合の４分の１に減少することがわかる。
図８は負荷ゼロの場合の炭化水素（HC）含有量（pp
m）と、エンジンの回転数（rpm）の関係を表すグラフで
ある。この図から、空気を排気ガスの流れの中に供給す
ることによって、HC含有量が、空気を供給しない場合の
半分以下に減少することがわかる。
図９はエンジンに負荷を加えた場合の、炭化水素（H
C）含有量（ppm）と、エンジンの回転数（rpm）の関係
を表すグラフである。この図から、空気を排気ガスの流
れの中に供給することによって、HC含有量が、空気を供
給しない場合の３分の１以下に低下することがわかる。
図10はエンジンに最大負荷を加えた場合の、一酸化炭
素含有量（ppm）と、エンジンの回転数（rpm）の関係を
表すグラフである。図10において、エンジン回転数が26
00rpmを上回る領域で一番上にくる曲線は、図１の地点
Ｈで測定したエンジンからの排気ガス中の含有成分の測
定値を示している。真ん中および一番下のグラフは、図
１の地点Ｊで測定した浄化後の排気ガスの含有成分の測
定値を示している。真ん中のグラフは、排気ガスの流れ
の中に空気を供給しなかった場合、一番下のグラフは空
気を供給した場合の測定値である。この図から、排気ガ
ス中に空気を供給することによって、特に3000rpm以上
の高回転領域で、一酸化炭素含有量が顕著に減少するこ
とがわかる。この点において、小型のエンジンは、ほと
んどの場合回転数を最大回転数近くまで上げて用いられ
るという事実に注目すべきである。
図面に基づいて実施例の説明を行ったが、本発明はこ
れらの実施例に限定されるものではない。発明の範囲は
添付の請求の範囲によって判断されるべきである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 昭48−40614（ＪＰ，Ｕ) 実開 平６−53716（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F01N 3/24 F01N 3/28 F01N 3/34

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】排気ガス流入口（２）と排気ガス排出口
    （10）を有するハウジング（１）の内部に、少なくとも
    １個の触媒（３）と、層状の排出ガスの流れを形成する
    手段（４）と、ハウジング（１）の内部を複数の部屋
    （７−９）に分割する手段（５、６）とを収納し、さら
    にハウジング（１）内の排気ガスの流れ（14、15）に空
    気（17、18）を供給するための手段（11）を設けた燃焼
    エンジン用触媒式排気ガス浄化装置において、 −層状の排出ガスの流れを形成する手段（４）の後方の
    部屋（７−９）内の、空気供給手段（11）の近くに、１
    枚以上の吸引板（19、20）を備え、 −吸引板（19、20）には、排気ガスの通過孔（21a,21
    b）と、 −空気（17、18）の通過孔（22a−22d）が形成されてお
    り、 −吸引板（19、20）は、空気（17,18）が空気通過孔（2
    2a−22d）を通過して、吸引板（19、20）の排気ガス通
    過孔（21a,21b）を通過する排気ガスの流れ（12−16）
    の中に引き込まれるように配置されていることを特徴と
    する排気ガス浄化装置。
  2. 【請求項２】空気通過孔（22a−22d）が、排気ガス通過
    孔（21a,21b）の周囲に形成されていることを特徴とす
    る請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
  3. 【請求項３】各吸引板（19、20）の空気通過孔が、排気
    ガスが流れる方向に一直線に並ばないようにしたことを
    特徴とする請求項１または２に記載の排気ガス浄化装
    置。
  4. 【請求項４】吸引板19、20に形成した排気ガス通過孔
    （21a,21b）の内、下流側に位置するものほどサイズが
    大きくなることを特徴とする請求項１、２、３のいずれ
    か１項に記載の排気ガス浄化装置。
  5. 【請求項５】一枚以上の吸引板（23）の排気ガス通過孔
    （21d）が、その孔の周囲の長さを大きくするような複
    雑な形状（24）を有することを特徴とする請求項１乃至
    ４のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装置。
  6. 【請求項６】空気供給手段が、ハウジングの壁面に設け
    たスペース（111）であることを特徴とする請求項１に
    記載の排気ガス浄化装置。
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