JP3823896B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主としてエンジンの排気浄化に適用される排気浄化装置に関し、特にＨＣトラップ機能を有する排気浄化装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
三元触媒を備えた排気浄化システムではエンジン冷間運転時のＨＣの処理が課題となっている。触媒が活性温度に達するまでは低温条件下での燃焼時に排出されやすいＨＣを十分に浄化できないからである。この問題に対応するものとして、ゼオライト等のＨＣ吸着剤により排気中のＨＣを一時的に吸着しておく機能を有するＨＣトラップ触媒を三元触媒に隣接して設けたシステムが知られている（特開平１０‐３１７９４９号公報）。これはＨＣトラップ剤により、触媒金属が活性温度に達するまでのＨＣの排出を抑制しようとするものである。しかしながら、捕捉されたＨＣが吸着剤から脱離を開始する温度に達しても、この時点では通常は触媒金属がまだ十分に活性化していないため、ＨＣの排出を抑制する効果は必ずしも十分ではない。
【０００３】
【発明の概要】
本発明は、エンジンの排気系に、上流側に三元触媒が、下流側にＨＣトラップ触媒が位置するように前記各触媒を隣接して配置する。さらに、前記下流側に位置するＨＣトラップ触媒のハニカム状担体にはそのセルを横断するようにスリットを形成する。
【０００４】
担体にスリットを形成したＨＣトラップ触媒の構成においては、スリットがその前後で担体内の伝熱を遮断する作用を有するため、スリットよりも下流への熱伝導が抑制され、触媒担体全体として温度上昇が遅くなる。すなわちＨＣが脱離するまでのタイミングも遅くなる。このようにしてＨＣトラップ触媒でのＨＣ脱離タイミングが遅延する間に上流側に隣接する三元触媒の触媒金属の温度が上昇して転化率が高くなるので三元触媒の早期活性化と同等の効果が得られ、それだけ三元触媒を小型化し、またはその触媒金属の担持量を低減することができる。
【０００５】
また、通常はＨＣトラップ剤から脱離したＨＣはＨＣトラップ触媒の触媒金属層にて浄化されるが、本発明のように上流側に隣接する三元触媒の昇温時間を確保してＨＣトラップ触媒でのＨＣ脱離タイミングよりも早期に活性化させておくことで、排気の脈動によりＨＣトラップ触媒から三元触媒へと排気が逆流したときに、脱離ＨＣをＨＣトラップ触媒のスリット部で拡散しつつ上流側三元触媒で確実に浄化することができる。
【０００６】
なお、触媒担体にスリットを設けるとこのスリット部分でガス流れに乱れを生じる。この乱れは、排気ガスがＨＣ吸着剤に接触する機会を増やすのでＨＣトラップ性能自体を向上させる。また、スリットを設けた構成では前記乱流作用により担体の断面方向でのガス流量分布を均一化できるので制御性が向上し、排気浄化装置本来の性能を十分に発揮させることが可能となる。
【０００７】
ＨＣトラップ触媒の下流側に隣接して三元触媒を、さらに他のＨＣトラップ触媒を配置した構成を付加してもよく、これによりそれぞれの構成に固有の有益な特性を与えることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による排気浄化装置を適用したエンジンシステムの一例を示している。図において１はエンジン、２はその吸気通路、３は排気通路である。４は排気通路３から排気ガスの一部を吸気通路２へと還流させるＥＧＲ通路、５は前記排気還流量を制御するＥＧＲ制御弁である。７は燃料噴射弁、８は点火プラグである。
【０００９】
９と１０は排気通路３に介装したＨＣトラップ触媒である。これら２個の触媒９，１０は、ＣＯ，ＨＣの酸化作用とＮＯｘの還元作用を併有する三元触媒として機能すると共に、ゼオライト等のＨＣ吸着剤によりＨＣを一時的に捕捉しておく機能を備えている。上流側に位置する触媒９は、排気通路の一部を構成する排気マニフォールド３ａの出口部に取り付けてある。一方、下流側に位置する触媒１０は上流側触媒９に対して排気管３ｂを介して離隔した位置に設ける。このエンジンシステムを車両に搭載した場合、前記下流側の触媒１０は通常は車体床下またはエンジンオイルパンの高さに位置する。
【００１０】
１２と１３はそれぞれ上流側触媒９の上流と下流にて排気ガスの空燃比もしくは酸素濃度を検出する排気ガスセンサ、１４は下流側触媒１０の触媒温度を検出する温度センサである。１５はエンジン回転速度や吸入空気量などの運転状態信号に基づいて空燃比および点火時期などを制御するコントローラであり、ＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータにより構成されている。
【００１１】
図２以下に、前記触媒９または１０に収装されるスリット付き触媒担体２１の実施形態を示す。本発明では、少なくとも上流側に位置する触媒９について、図２に示したように触媒担体２１のガス流れ（矢印方向）を横切るように１個以上のスリット２２を形成したものを適用する。図示したものではスリット２２を触媒の一側面側からガス流れに対して直交するように形成し、他側面側に非スリット部２３を残している。また隣接するスリット２２は互いに触媒担体２１の周囲に１８０度ずつ異なる角度で、かつガス流れ方向には等間隔に形成してスリットと非スリット部とが交互に配列するようにしている。
【００１２】
図３は、前記触媒担体２１にガス流路として形成されたセル２４の詳細であり、触媒担体２１を図２の矢印方向から見た通路断面の部分拡大図である。セル２４はハニカム状をなすように多数を形成されている。セル２４の表面には、深層側にゼオライトなどのＨＣトラップ剤からなるＨＣトラップ層２５を、表層側に三元触媒として機能するＰｔ、Ｒｈ等の触媒金属層２６をコーティングにより形成してある。
【００１３】
図４は前記触媒９の担体２１の支持構造の一例を示している。図中３３は三元触媒のハニカム状触媒担体、３４は触媒容器、３５はセラミクスファイバーあるいはアルミナファイバーなどからなる耐熱マットである。図中左方が上流側であり、矢印は排気の流れ方向を示している。ＨＣトラップ触媒の触媒担体２１は前記三元触媒担体３３の下流側に隣接するように配置され、各担体３３，２１はそれぞれその外周部に巻回された耐熱マット３５を介して触媒容器３４内に固定される。この実施形態では、スリット２２の開放部分および隣接する三元触媒担体３３との隙間部分の外周を触媒担体２１と同一の線膨張係数を有する充填材３６で埋めてある。このように充填材３６を設けることにより、スリット２２を抜けてきた排気によりマット３５が風蝕されて摩耗する不具合を防止することができる。また、触媒担体２１と同一の線膨張係数を有する充填材３６を用いることにより、触媒担体２１の強度を確保している。
【００１４】
エンジン始動直後は未着火燃料や不完全燃焼により定常アイドル運転時に比較すると多くのＨＣが燃焼室から排出される。このＨＣは大部分が触媒のＨＣトラップ層に捕捉され、その後ＨＣトラップ層の温度が１５０℃程度に達すると捕捉されたＨＣがＨＣトラップ層から脱離を開始する。このとき触媒金属層が３００℃程度の活性温度に達していれば脱離したＨＣは触媒反応により酸化処理される。
【００１５】
本発明では、触媒担体２１にスリット２２を設けたことにより担体内の伝熱が抑制されるため、スリットを持たない担体に比較して担体全体の温度上昇が遅れ、それだけＨＣトラップ層がＨＣ脱離温度に達するまでの時間も長くなる。このことは担体に捕捉されるＨＣ量を増大させるとともにＨＣ脱離が開始されるまでの各触媒９，１０の触媒金属層の温度上昇量を大きくするのでＨＣの浄化性能も向上する。また、スリット２２の部分を排気ガスが通過するときの乱流の作用により触媒コンバータに担持したトラップ剤がより有効に利用されるので、ＨＣを捕捉する性能自体もスリットを持たないものより向上する。
【００１６】
図１において排気マニフォールド３ａの直後に位置する上流側触媒９においては、特にセル２４の深層側にＨＣトラップ層２５を、表層側に触媒金属層２６をそれぞれ積層した構成により、スリット２２を伴うことにより、ＨＣトラップ層２５がＨＣ脱離温度に達するまでの時間を長くし、ＨＣの脱離が開始されるまでの触媒金属層２６の温度上昇量を大きくし、さらに前記乱流の作用によりＨＣトラップ層２５へのＨＣ捕捉効果を確保しつつ、触媒金属層２６の活性を均一にできるので高い浄化性能が発揮される。触媒金属層２６で生じる反応熱は既述したようにスリット２２より下流側への伝達が抑制されるので、下流側ＨＣトラップ層２５の温度上昇が遅くなりＨＣ捕捉性能が向上する。触媒金属層２６は、スリット２２で仕切られた担体ブロック毎の熱容量が小さいので排気ガスの流入に伴い上流側から順に活性化しＨＣ脱離時の浄化性能を向上させる。
【００１７】
前記三元触媒は排気マニフォールド３ａの直後に位置するため昇温が早く、一方ＨＣトラップ触媒はその下流側に位置するので昇温を遅らせてＨＣ吸着性能を確保することができる。この構成において、ＨＣトラップ触媒の熱容量をその上流側に位置する三元触媒よりも大とすることにより、ＨＣトラップ触媒の昇温がさらに遅くなるので、ＨＣ脱離までの時間を遅らせつつ三元触媒の活性化を早めるという相反する要求を満足させることがより容易になる。
【００１８】
次に、本発明の他の実施形態につき説明する。図５〜図１２はそれぞれ本発明の第２〜第９の実施形態を模式的に表している。
【００１９】
図５は前記ＨＣトラップ触媒（担体）２１の下流側に隣接して第２の三元触媒３３ａを設けたものである。前述したスリット付き担体２１でのＨＣ脱離遅延化によりその下流側に隣接する三元触媒３３ａの触媒金属の活性化が進むので、仮に上流側触媒で処理しきれないＨＣが放出されたとしてもこれを三元触媒３３ａの部分で確実に処理することができる。また、スリットでの乱流化により三元触媒３３ａでの触媒と排気との接触機会が増大するため、三元触媒としての昇温性および浄化性能も向上する。
【００２０】
前記ＨＣトラップ触媒２１の熱容量を三元触媒３３ａよりも大とすることで、ＨＣトラップ触媒２１での昇温遅延化と三元触媒３３ａでの昇温促進という相反する要求を満たすことができる。さらに最上流に位置する三元触媒３３の熱容量を下流側三元触媒３３ａよりも小とすることで、ＨＣトラップ触媒の昇温を抑制しつつ、三元触媒３３，３３ａの昇温および活性化をより促進することができる。または、下流側三元触媒３３ａの熱容量を上流側三元触媒３３よりも小に設定すると、下流側三元触媒３３ａの活性化が早くなるので、上流側触媒で処理しきれないＨＣが発生したときの浄化性能を向上させることができる。
【００２１】
図６は図５の構成において、第２の三元触媒３３ａの下流側に隣接して第２のＨＣトラップ触媒２１ａを設けたものである。この実施形態によれば、図５に示した実施形態による効果に加えて、第２のＨＣトラップ触媒２１ａを設けたことで、ＨＣ処理の確実性をより高めることができる。スリットによるガス乱流化により第２のＨＣトラップ触媒２１ａのＨＣ吸着性能も向上する。
【００２２】
図７は図６の第２のＨＣトラップ触媒（担体）２１ａに図２と同様にスリット２２を形成したものである。この実施形態によれば、図６に示した実施形態による効果に加えて、ＨＣ脱離までの遅延時間およびガス接触機会をさらに増大してＨＣ吸着量を増やし、触媒金属の活性化促進、転化効率の向上を図ることができる。
【００２３】
図８は、図１の構成において床下位置の第２の触媒１０として、上流側にＨＣトラップ触媒２１ｂを、下流側に三元触媒３３ｂをそれぞれ互いに隣接するように配置した構成である。この実施形態によれば、マニフォールド位置の第１の触媒９での前述した昇温抑制作用により、下流側に離隔している第２の触媒１０にて高いＨＣ吸着性能が得られる。また隣接する三元触媒３３ｂにより、ＨＣトラップ触媒２１ｂの触媒金属層で処理しきれなかったＨＣの処理を行うことができる。
【００２４】
図９は、図８の構成において、ＨＣトラップ触媒（担体）２１ｂに図２と同様にスリット２２を形成したものである。この実施形態によれば、図８に示した実施形態による効果に加えて、スリット２２での伝熱抑制作用とガス乱流化作用により、ＨＣトラップ触媒２１ｂのＨＣ吸着性能をより高めることができる。
【００２５】
図１０は、図９の構成において、三元触媒３３ｂの下流側に隣接してさらにＨＣトラップ触媒２１ｃを配置した構成である。この実施形態によれば、上流側触媒にて処理しきれないＨＣが放出されたとしてもこれを確実に吸着および浄化することができる。
【００２６】
図１１は、図９の下流側ＨＣトラップ触媒（担体）２１ｃに図２と同様にスリット２２を形成した構成である。この実施形態によれば、図１０に示した実施形態による効果に加えて、下流側ＨＣトラップ触媒２１ｃでのＨＣ吸着性能をより高めることができる。
【００２７】
図１２は、図９の構成において、下流側ＨＣトラップ触媒担体２１ｃの下流側に隣接してさらに三元触媒３３ｃを配置した構成である。この実施形態によれば、図１１に示した実施形態による効果に加えて、処理しきれないＨＣが生じたときの浄化性能をより高められる。特に、最下流の三元触媒３３ｃは上流側に２個のスリット付きＨＣトラップ触媒２１ｂ、２１ｃが位置してこれらが大きな伝熱抑制作用を発揮するため、触媒活性化の時間を十分に確保することができ、それだけ三元触媒としての性能を高めることができる。
【００２８】
図１３と図１４は、マニホールド側触媒９と床下側触媒１０とを接続する排気管３ｂの構造に関する実施形態である。図１３は排気管３ｂの途中部分に可撓性を有する蛇腹状のフレキシブルチューブ３ｃを適用したもの、図１４は配管３ｂの途中に各触媒９，１０の相対回転を可能にする自在管継手３ｄを適用したものである。前記フレキシブルチューブ３ｃまたは自在管継手３ｄを適用することにより、エンジン運転時の触媒９と触媒１０との間の相対運動を許容できることに加えて、フレキシブルチューブ３ｃまたは管継手３ｄが排気管３ｂの熱容量を大きくする作用を有することから、下流側のＨＣトラップ触媒の浄化性能を向上させるうえで有利になる。
【００２９】
前記各実施形態では触媒９または１０において隣接する複数の触媒担体同士を共通の容器に収容した構成を前提としているが、これに限らず、担体を個々に容器に収容してそれぞれを隣接配置した構成とすることもできる。ただし、共通容器に複数の担体を隣接配置した構成とすることにより、装置全体を小型化できることに加えて、隣接する担体間の隙間により排気ガスの乱流化作用が得られるので、ＨＣ吸着性能または触媒の転化効率を高められるという効果が得られる。
【００３０】
なお、以上の各図はスリットの形成態様や触媒コンバータの構造を説明するための図面であり、触媒担体の大きさ、スリットの幅およびピッチなどは説明の便宜のために実際とは異なる寸法または比率で描いてある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による排気浄化装置を適用したエンジンシステムの一例を示す概略構成図。
【図２】本発明による排気浄化装置の第１の実施形態の触媒担体形状を示す説明図。
【図３】前記触媒担体のセル部分の詳細を示す横断面図。
【図４】前記触媒担体の支持構造の一例を示す縦断面図。
【図５】本発明の第２の実施形態の模式図。
【図６】本発明の第３の実施形態の模式図。
【図７】本発明の第４の実施形態の模式図。
【図８】本発明の第５の実施形態の模式図。
【図９】本発明の第６の実施形態の模式図。
【図１０】本発明の第７の実施形態の模式図。
【図１１】本発明の第８の実施形態の模式図。
【図１２】本発明の第９の実施形態の模式図。
【図１３】本発明の第１０の実施形態の概略構成図。
【図１４】本発明の第１１の実施形態の概略構成図。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 吸気通路
３ 排気通路
３ａ 排気マニフォールド
３ｂ 排気管
３ｃ フレキシブルチューブ
３ｄ 管継手
９、１０、１９ ＨＣトラップ触媒
１７、１８ 三元触媒
２１ ＨＣトラップ触媒（担体）
２２ スリット
２４ セル
２５ ＨＣトラップ層
２６ 触媒金属層
３３ 三元触媒（担体）
３４ 触媒容器

Claims (17)

1. エンジンの排気系に、上流側に三元触媒が、下流側にＨＣトラップ触媒が位置するように前記各触媒を隣接して配置し、
   前記下流側に位置するＨＣトラップ触媒のハニカム状担体にそのセルを横断するようにスリットを形成したことを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記ＨＣトラップ触媒の下流側に隣接してさらに三元触媒を設けた請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記下流側三元触媒の下流側に隣接してさらにＨＣトラップ触媒を設けた請求項２に記載の排気浄化装置。
4. 前記下流側ＨＣトラップ触媒のハニカム状担体にそのセルを横断するようにスリットを形成した請求項３に記載の排気浄化装置。
5. 前記隣接する三元触媒とＨＣトラップ触媒をエンジンの排気マニホールド付近に設けた請求項１に記載の排気浄化装置。
6. 前記ＨＣトラップ触媒の熱容量をその上流側に位置する三元触媒よりも大とした請求項１に記載の排気浄化装置。
7. 前記ＨＣトラップ触媒の熱容量を、その下流側に位置する三元触媒よりも大とした請求項２に記載の排気浄化装置。
8. 触媒の熱容量を、前記ＨＣトラップ触媒、下流側三元触媒、上流側三元触媒の順に大とした請求項２に記載の排気浄化装置。
9. 触媒の熱容量を、前記ＨＣトラップ触媒、上流側三元触媒、下流側三元触媒の順に大とした請求項２に記載の排気浄化装置。
10. 車両搭載状態で車両の床下高さ付近に位置するように、上流側にＨＣトラップ触媒が、下流側に三元触媒が位置するように前記各触媒を隣接して配置した請求項５に記載の排気浄化装置。
11. 前記三元触媒の下流側に隣接してさらにＨＣトラップ触媒を設けた請求項１０に記載の排気浄化装置。
12. 前記ＨＣトラップ触媒のハニカム状担体にそのセルを横断するようにスリットを形成した請求項１０または請求項１１に記載の排気浄化装置。
13. 前記下流側ＨＣトラップ触媒の下流側に隣接してさらに三元触媒を設けた請求項１１に記載の排気浄化装置。
14. 前記隣接するＨＣトラップ触媒と三元触媒とを互いに共通の触媒容器に収容した請求項１または請求項１０に記載の排気浄化装置。
15. 前記ＨＣトラップ触媒は、ＨＣ吸着剤を含むＨＣトラップ層が深層側に、触媒金属を含む触媒金属層が表層側となるように層状に形成した請求項１に記載の排気浄化装置。
16. 前記排気マニホールド付近に設けた触媒と床下位置に設けた触媒とを、可撓性を有する排気管を介して接続した請求項６に記載の排気浄化装置。
17. 前記排気マニホールド付近に設けた触媒と床下位置に設けた触媒とを、途中に各触媒の相対運動を許容する自在管継手を備えた排気管を介して接続した請求項６に記載の排気浄化装置。

Images