JP3823897B2 - 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する。さらに、前記上流側に位置する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する。
【０００４】
担体にスリットを形成した上流側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。このようにして上流側ＨＣトラップ触媒でのＨＣ脱離タイミングが遅延する間に触媒金属の温度が上昇して転化率が高くなるので、ＨＣ脱離時の処理効率も向上する。仮に上流側ＨＣトラップ触媒にて処理しきれなかった脱離ＨＣが生じたとしても、これを下流側に隣接する三元触媒にて確実に浄化することができる。
【０００５】
また、前述のようにして上流側ＨＣトラップ触媒でのＨＣ吸着剤および触媒金属の作用が促進されることから、所要の浄化性能を得るための下流側三元触媒の容量をより小さくすることが可能である。
【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】
【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。
【０００８】
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は通常はエンジンオイルパン付近ないしは車体床下部に位置する。
【０００９】
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。
【００１０】
図２以下に、前記触媒９，１０に収装される触媒担体２１の実施形態を示す。本発明では、少なくとも下流側に位置する触媒１０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。
【００１１】
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。
【００１２】
図４は前記触媒１０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の上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。
【００１３】
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。
【００１４】
本発明では、ＨＣトラップ触媒担体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。
【００１５】
次に、本発明の他の実施形態につき説明する。図５〜図１０はそれぞれ本発明の第２〜第７の実施形態を模式的に表している。
【００１６】
図５は前記三元触媒（担体）３３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４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。
【００１７】
図６は、図５の構成において、第２のＨＣトラップ触媒２１ａに図２と同様のスリット２２を形成したものである。この実施形態によれば、図５に示した実施形態による効果に加えて、スリット２２によるガス乱流化により第２のＨＣトラップ触媒２１ａのＨＣ吸着性能がより向上する。
【００１８】
図７は、図６の構成において、第２のＨＣトラップ触媒２１ａ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。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、第２の三元触媒により排気浄化性能がより向上する。上流側に位置するＨＣトラップ触媒２１ａのスリット２２によりガスが乱流化されているため、三元触媒３３ａを効率よく機能させることができる。
【００１９】
図８は、図１の構成において排気マニフォールド３ａの直後に位置する第１の触媒９として、上流側に三元触媒３３ｂを、下流側にＨＣトラップ触媒２１ｂをそれぞれ互いに隣接するように配置した構成である。三元触媒３３ｂは排気マニフォールド３ａの直後に位置することから昇温しやすく、ＨＣトラップ触媒２１ｂはその下流側に位置することから昇温が抑制され、これにより三元触媒３３ｂの活性化を早めつつＨＣトラップ触媒２１ｂによるＨＣ吸着時間を確保することができる。仮にこの上流側触媒９にて処理しきれないＨＣが排出されたとしても、これを下流側の触媒１０により確実に浄化することができる。床下位置にある下流側触媒１０は、上流側の離隔した位置にある触媒９の熱容量分だけ伝熱量が減少するためＨＣ吸着の効率も向上する。
【００２０】
図９は、図８の構成において、ＨＣトラップ触媒２１ｂ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８に示した実施形態による効果に加えて、上流側触媒３３ｂ〜２１ｂにて処理しきれないＨＣが生じたとしてもこれを下流側三元触媒３３ｃにより処理することができる。下流側の三元触媒３３ｃは上流側にスリット付きＨＣトラップ触媒２１ｂ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
図１０は、図９の構成において、下流側三元触媒３３ｃの下流側に隣接してさらにスリット付き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、図９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。。
【００２１】
図１１と図１２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１１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１２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。
【００２２】
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。
【００２３】
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１０の実施形態の概略構成図。
【図１２】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 (12)

1. エンジンの排気系に、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、
   前記上流側に位置する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. 前記三元触媒の下流側に隣接してＨＣトラップ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トラップ触媒の下流側に隣接して三元触媒を設けた請求項２に記載の排気浄化装置。
5. 前記ＨＣトラップ触媒および三元触媒は、車両搭載状態で車両の床下位置に取り付ける請求項１に記載の排気浄化装置。
6. エンジンの排気マニホールド付近に、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た請求項５に記載の排気浄化装置。
7. 前記ＨＣトラップ触媒の下流側に隣接して三元触媒を設けた請求項６に記載の排気浄化装置。
8. 前記下流側三元触媒の下流側に隣接してＨＣトラップ触媒を設けた請求項７に記載の排気浄化装置。
9. 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６に記載の排気浄化装置。
10. 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。
11. 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。
12. 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。

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