JP4291649B2 - 触媒コンバータ - Google Patents

Description

本発明は、触媒コンバータに関するものである。

自動車等の排気系を構成するものとして、内燃機関から排出される排気ガスを浄化する触媒コンバータがある。触媒コンバータは、排気ガスの入口及び出口を有する筒状体と、該筒状体内部に配設された排気ガスを浄化する触媒とを備えている。かかる筒状体内に流入した排気ガスは、触媒を通過することで浄化された後、筒状体内から排出されるようになっている。ところで、触媒は、所定の温度領域よりも低温であると排気ガスの浄化を十分に行うことができないといった性質を有している。そのため、効率よく浄化性能を発揮させるためには、触媒を所定の温度領域に保つことが望ましい。そこで、筒状体内の、ひいては触媒の温度低下を抑制する技術として、筒状体の外周に蓄熱材を設けるといった技術がある（例えば、特許文献１参照。）。
実用新案登録第２５８０３５３号公報（請求項１及び図１）

ところが、従来、筒状体内に流入してきた排気ガスと蓄熱材との熱交換が効率的に行われず、例えば、筒状体内に低温度の排気ガスが流入した場合、触媒が急激に冷やされてしまうといったおそれがあった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、比較的低温の排気ガスが流入した場合であっても、より効果的に浄化性能を発揮させることのできる触媒コンバータを提供することを１つの目的としている。

請求項１に記載の発明は、排気ガスの流路を形成するとともに、排気ガス浄化用の触媒を保持する筒状の保持手段と、前記保持手段の外周に設けられ、前記保持手段内部の熱を蓄熱する蓄熱手段と、前記保持手段及び前記蓄熱手段を覆うようにして設けられた断熱手段とを備えた触媒コンバータにおいて、前記蓄熱手段との間で熱伝達を行う前段熱交換手段を、前記保持手段内の流路における前記触媒の設置位置よりも上流側に位置するよう設けたことをその要旨としている。

上記請求項１に記載の発明によれば、蓄熱手段との間で熱交換を行う前段熱交換手段が設けられているため、例えば、比較的低温の排気ガスが保持手段内に流入した場合、蓄熱手段に蓄熱されていた熱が前段熱交換手段を介して排気ガスに対して放熱され、もって排気ガスを昇温させることができる。特に、前段熱交換手段が触媒の設置位置よりも上流側に設けられているため、触媒を通過する前の排気ガスを所望の温度に近づけてから（比較的低温の排気ガスが流入してきた場合には、昇温させてから）触媒を通過させることができる。従って、触媒を通過する排気ガスの温度を比較的高くすることができる。その結果、例えば、比較的低温の排気ガスが流入した場合であっても、触媒の浄化性能をより確実に発揮させることができる。

なお、前記前段熱交換手段は、流路方向と直交する断面の全域に設けられていることとしてもよい。かかる構成を採用した場合、蓄熱手段は、前段熱交換手段を介して排気ガスとより効率的に熱交換を行うことができる。・・・（α）
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の触媒コンバータにおいて、前記流路内において前記触媒の設置位置よりも下流側に、前記蓄熱手段との間で熱伝達を行う後段熱交換手段を設けたことをその要旨としている。

排気ガスは、触媒を通過する際に、排気ガス中の未浄化成分が化学反応を起こす（酸化される）ことで浄化される。かかる浄化（化学反応）に際して反応熱が生じ、排気ガスが昇温される。上記請求項２に記載の発明によれば、触媒を通過した後の排気ガスの熱を吸収することができる。すなわち、昇温された排気ガスの熱をより効率的に前記蓄熱手段に蓄熱させることができる。また、前段熱交換手段と後段熱交換手段とが共に蓄熱手段との間で熱伝達を行うよう構成されているため、例えば、後段熱交換手段により蓄熱された熱を前段熱交換手段において放熱することができる。つまり、後段熱交換手段は、触媒通過前の排気ガスよりも昇温された排気ガスの熱を常に吸収することとなり、かかる熱を前段熱交換手段で放熱させることで、触媒を通過する排気ガスの温度を常に上昇させるサイクルとすることができる。なお、後段熱交換手段に関しても、上記（α）と同様の構成を採用することができる。

請求項３に記載の発明は、排気ガスの流路を形成するとともに、排気ガス浄化用の無機材で構成された触媒を保持する保持手段と、前記保持手段の外周に設けられ、前記保持手段内部の熱を蓄熱する蓄熱手段と、前記保持手段及び前記蓄熱手段を覆うようにして設けられた断熱手段とを備え、前記流路内において、前記蓄熱手段との間で熱伝達を行う金属触媒を、前記触媒の上流側と下流側とに設けたことをその要旨としている。

上記請求項３に記載の発明によれば、排気ガスと金属触媒との間で熱交換を行うとともに、金属触媒と蓄熱手段との間で熱交換を行うことで、上記請求項１及び請求項２と同様の効果を得ることができる。また、触媒に加え、金属触媒によっても排気ガスを浄化することができ、浄化性能の向上を図ることができる。さらに、触媒を通過する際に加え、（触媒よりも上流側の）金属触媒を通過する際においても昇温された排気ガスの熱を吸収することができ、より高温度の排気ガス熱を蓄熱材に蓄熱させることができる。なお、金属触媒に関しても、上記（α）と同様の構成を採用することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の触媒コンバータにおいて、前記蓄熱手段と前記触媒との間に断熱部材を設けたことをその要旨としている。

上記請求項４に記載の発明によれば、蓄熱手段の熱交換可能領域、又は熱伝導率の高い領域の面積を小さくすることができ、蓄熱手段からの無駄な放熱を抑制することができる。結果として、蓄熱手段の保温性能を向上させることができる。

また、蓄熱手段の熱伝導率の高い面積が小さければ、蓄熱手段の昇温時間が遅くなる。そのため、例えば、保持手段内に超高温度の排気ガスが流入してきた場合、蓄熱手段の過熱（オーバーヒート）を遅延させることができ、蓄熱手段に不具合が生じるのを抑制することができる。

本発明によれば、比較的低温の排気ガスが流入した場合であっても、より効果的に浄化性能を発揮させることができるといった優れた効果が奏される。

以下に、触媒コンバータの一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は触媒コンバータ１の構成を示す断面図である。同図に示すように、触媒コンバータ１は、保持手段としての筒状体２と、該筒状体２内部に配設された排気ガス浄化用の触媒３とを備えている。エンジンの駆動時には高温度の排気ガスが筒状体２を通過する。特に、排気ガスが触媒３を通過するに際して、排気ガス中に含まれる未浄化成分が触媒により化学反応を起こす（酸化される）ことで浄化される。筒状体２は、触媒３を収容可能な収容部４、筒状体２（収容部４）に排気ガスを流入する流入口５、及び外部に排出する排出口６を有している。また、筒状体２の外周には、該筒状体２との間に蓄熱層を形成する第１外筒８が設けられている。かかる蓄熱層には蓄熱材１０が密閉状に装填されている。さらに、第１外筒８の外周には、該第１外筒８との間に真空層又は空気層を形成する第２外筒９が設けられている。真空層又は空気層は密閉されており、筒状体２内部及び蓄熱材１０の熱漏れを低減させるよう構成されている。なお、本実施の形態では、蓄熱材１０（蓄熱層）が蓄熱手段に相当し、真空層又は空気層が断熱手段に相当する。また、触媒３の材質に関しては特に限定されるものではなく、例えば、触媒３を金属で構成してもよく、無機材で構成してもよい。

また、触媒３と筒状体２との間には、断熱部材としてのアルミナシリカファイバーシート１１が設けられており、蓄熱材１０（蓄熱層）の熱が触媒３に（筒状体２を介するのみで）直接的に伝達されるのを抑制するよう構成されている。なお、触媒３は、排気ガスが通過可能な開口を有する担体に、触媒物質が担持されることで構成されている。

さらに、本実施の形態では、筒状体２内において、前記蓄熱層（蓄熱材１０）との間で熱伝達を行うハニカム状の前段熱交換部材１２及び、後段熱交換部材１３が、筒状体２の流路方向（図１の矢印方向）と直交する断面の全域にわたるようにして設けられている。前段熱交換部材１２は、触媒３よりも上流側（流入口５側）に設けられており、後段熱交換部材１３は、触媒３よりも下流側（排出口６側）に設けられている。なお、本実施の形態では、前段熱交換部材１２が前段熱交換手段又は金属触媒に相当し、後段熱交換部材１３が後段熱交換手段又は金属触媒に相当する。

以下、排気ガスが触媒コンバータ１を通過する際の流れについて、エンジンの駆動状態からエンジンを一時停止した後、再びエンジンを駆動させた場合を例に挙げて説明する。

エンジンの再駆動時においては、それまでエンジンが一時停止していたため、当初、比較的低温度の排気ガスが流入口５から筒状体２内部へと流入する。かかる低温度の排気ガスは、筒状体２内に流入すると先ず前段熱交換部材１２を通過する。このとき前段熱交換部材１２は、前回のエンジン駆動時に蓄熱材１０に蓄熱されていた熱によって高温度状態に保たれており、前段熱交換部材１２を通過する排気ガスは、前段熱交換部材１２により前段熱交換部材１２を通過する以前の温度よりも高められることとなる。前段熱交換部材１２を通過することで加温された排気ガスは触媒３で効率的に浄化されつつ下流側へと流れる。触媒３を通過した排気ガスは次に後段熱交換部材１３を通過する。触媒３を通過した排気ガスは、排気ガスに含まれる未浄化成分が浄化される（化学反応を起こす）際の反応熱によって昇温されており、後段熱交換部材１３は、排気ガスから前段熱交換部材１２よりもより高い熱を吸収し、蓄熱材１０へと伝達する。尚、排気ガスはその後排出口６から筒状体２外へと排出される。

以上詳述したように、本実施の形態では、蓄熱材１０（蓄熱層）との間で熱交換を行う前段熱交換部材１２が設けられているため、例えば、比較的低温の排気ガスが筒状体２内に流入した場合、蓄熱材１０に蓄熱されていた熱が前段熱交換部材１２を介して排気ガスに対して放熱され、もって排気ガスを昇温させることができる。特に、前段熱交換部材１２が触媒３の設置位置よりも上流側（流入口５側）に設けられているため、触媒３を通過する前の排気ガスを所望の温度に近づけてから（比較的低温の排気ガスが流入してきた場合には、昇温させてから）触媒３を通過させることができる。従って、触媒３を通過する排気ガスの温度を比較的高くすることができる。その結果、例えば、比較的低温の排気ガスが流入した場合であっても、触媒３の浄化性能をより確実に発揮させることができる。

排気ガスは、触媒を通過する際に、排気ガス中の未浄化成分が化学反応を起こす（酸化される）ことで浄化される。かかる浄化（化学反応）に際して反応熱が生じ、排気ガスが昇温される。本例では、触媒３の設置位置よりも下流側（排出口６側）に後段熱交換部材１３が設けられているため、触媒３を通過した後の排気ガスの熱を吸収することができる。すなわち、昇温された排気ガスの熱をより効率的に蓄熱材１０に蓄熱させることができる。また、前段熱交換部材１２と後段熱交換部材１３とが共に蓄熱材１０との間で熱伝達を行うよう構成されているため、例えば、後段熱交換部材１３により蓄熱された熱を前段熱交換部材１２において放熱することができる。つまり、後段熱交換部材１３は、触媒３通過前の排気ガスよりも昇温された排気ガスの熱を常に吸収することとなり、かかる熱を前段熱交換部材１２で放熱することで、触媒３を通過する排気ガスの温度を常に上昇させるサイクルとすることができる。

また、前段熱交換部材１２及び後段熱交換部材１３は、筒状体２の流路方向と直交する断面の全域に設けられている。従って、前段熱交換部材１２及び後段熱交換部材１３に関して排気ガスとの間でより効率的に熱交換を行うことができる。

加えて、蓄熱層（蓄熱材１０）と触媒３との間にアルミナシリカファイバーシート１１が設けられている。そのため、蓄熱層と筒状体２内との熱交換が行われる面積を小さくすることができ、蓄熱層からの無駄な放熱を抑制することができる。結果として、蓄熱層（蓄熱材１０）の保温性能を向上させることができる。

また、蓄熱層の熱伝導率の高い面積が小さければ、蓄熱材１０の昇温時間が遅くなる。そのため、例えば、筒状体２に超高温度の排気ガスが流入してきた場合、蓄熱材１０の過熱（オーバーヒート）を遅延させることができ、蓄熱材１０に不具合が生じるのを抑制することができる。

尚、上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。

（ａ）上記実施の形態における前段熱交換部材１２の形状は特に限定されるものではなく、種々の形状採用することができる。ただし、排気ガス流路の上流側から下流側へ排気ガスをスムースに通過するよう構成したうえで、通過する排気ガスに対して満遍なく、より多くの面積で熱交換が行えるよう構成することが望ましい。例えば、網目状、格子状等の形状を採用することができる。

（ｂ）上記実施の形態における、蓄熱層（蓄熱材１０）の熱交換可能又は熱伝導率の高い部分を、前段熱交換部材１２及び後段熱交換部材１３に対応する部分のみとしてもよい。その場合、より一層蓄熱層（蓄熱材１０）の保温性能を向上させることができる。

触媒コンバータの構成を示す断面図である。

符号の説明

１…触媒コンバータ、２…保持手段としての筒状体、３…触媒、８…第１外筒、９…第２外筒、１０…蓄熱手段としての蓄熱材、１１…断熱部材としてのアルミナシリカファイバーシート、１２…前段熱交換手段又は金属触媒としての前段熱交換部材、１３…後段熱交換手段又は金属触媒としての後段熱交換部材。

Claims (4)

1. 排気ガスの流路を形成するとともに、排気ガス浄化用の触媒を保持する筒状の保持手段と、
   前記保持手段の外周に設けられ、前記保持手段内部の熱を蓄熱する蓄熱手段と、
   前記保持手段及び前記蓄熱手段を覆うようにして設けられた断熱手段とを備えた触媒コンバータにおいて、
   前記蓄熱手段との間で熱伝達を行う前段熱交換手段を、前記保持手段内の流路における前記触媒の設置位置よりも上流側に位置するよう設けたことを特徴とする触媒コンバータ。
2. 前記流路内において前記触媒の設置位置よりも下流側に、前記蓄熱手段との間で熱伝達を行う後段熱交換手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の触媒コンバータ。
3. 排気ガスの流路を形成するとともに、排気ガス浄化用の無機材で構成された触媒を保持する保持手段と、
   前記保持手段の外周に設けられ、前記保持手段内部の熱を蓄熱する蓄熱手段と、
   前記保持手段及び前記蓄熱手段を覆うようにして設けられた断熱手段とを備え、
   前記流路内において、前記蓄熱手段との間で熱伝達を行う金属触媒を、前記触媒の上流側と下流側とに設けたことを特徴とする触媒コンバータ。
4. 前記蓄熱手段と前記触媒との間に断熱部材を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の触媒コンバータ。

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