JP4477371B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

機関排気系に目的の異なる二つの排気浄化装置を直列に配置することが要求されることがある。この要求を満足して車両搭載性を向上させるために、二つの排気浄化装置を一つのハウジング内に配置することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

実開昭５８−１８０３１８号公報 特開２００１−２４１３１６号公報 実開昭４９−１４７４０８号公報

この場合において、二つの排気浄化装置にはそれぞれに必要容量があり、各排気浄化装置の断面積は、必要容量を満足して軸線方向長さをあまり長くしないように決定される。こうして決定されたそれぞれの断面積が同じであれば、特に問題は発生しない。しかしながら、下流側に位置する排気浄化装置の断面積が上流側に位置する排気浄化装置の断面積より大きい場合においては、上流側の排気浄化装置を通過した排気ガスが、下流側の排気浄化装置の外周部に流入し難く、下流側の排気浄化装置を十分に活用することができない。

同一ハウジング内の二つの排気浄化装置の間の距離を長くすれば、上流側の排気浄化装置を通過した排気ガスは、この距離を通過する間に外方向に十分に広がって下流側の排気浄化装置の全体へ流入し易くなるが、これでは、ハウジングが軸線方向に長くなって車両搭載性が悪化する。

従って、本発明の目的は、同一ハウジング内に上流側の第一排気浄化装置と下流側の第二排気浄化装置とを直列に配置し、第二排気浄化装置の断面積が第一排気浄化装置の断面積より大きくされている内燃機関の排気浄化装置において、車両搭載性を悪化させることなく、第一排気浄化装置を通過した排気ガスを第二排気浄化装置全体へ流入させ易くすることである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、同一ハウジング内に上流側の第一排気浄化装置と下流側の第二排気浄化装置とを直列に配置し、第二排気浄化装置の断面積が第一排気浄化装置の断面積より大きくされている内燃機関の排気浄化装置において、前記第一排気浄化装置における下流側端部の周囲を切り欠くことにより、前記第一排気浄化装置の周囲部は中央部に比較して前記第二排気浄化装置までの距離が延長され、前記第一排気浄化装置の前記下流側端部の前記中央部と前記周囲部との境界には、前記第一排気浄化装置の前記周囲部を通過した排気ガスを外方向へ強制的に偏向するための偏向管が設けられていることを特徴とする。

また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記下流側端部の周囲は斜めに切り欠かれていることを特徴とする。

また、本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記ハウジングは、前記下流側端部の周囲の切り欠きにより短くされた前記第一排気浄化装置の外周面の支持部の直下流側と前記第二排気浄化装置の外周面の支持部の直上流側とを連結するテーパ部を有していることを特徴とする。
また、本発明による請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第一排気浄化装置は貴金属触媒を担持した触媒装置であり、前記第二排気浄化装置はパティキュレートフィルタであることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、第一排気浄化装置における下流側端部の周囲が切り欠かれることにより、第一排気浄化装置の周囲部は中央部に比較して第二排気浄化装置までの距離が延長され、第一排気浄化装置の下流側端部の中央部と周囲部との境界には、第一排気浄化装置の周囲部を通過した排気ガスを外方向へ強制的に偏向するための偏向管が設けられているために、第一排気浄化装置の周囲部を通過した排気ガスは、延長された距離により十分に外方向に広がって第二排気浄化装置の周囲部に流入する。こうして、第一排気浄化装置の中央部を通過した排気ガスが、そのまま第二排気浄化装置の中央部へ流入しても、第一排気浄化装置を通過した排気ガスを第二排気浄化装置全体へ流入させ易くすることができる。尚、第一排気浄化装置は、下流側端部の周囲が切り欠かれるだけであり、必要容量を維持することができる。

また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記下流側端部の周囲は斜めに切り欠かれている。それにより、例えば、段状に切り欠く場合に比較して、切り欠き量を少なくすることができ、必要容量を維持し易い。

また、本発明による請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、第一排気浄化装置は貴金属触媒を担持した触媒装置であり、第二排気浄化装置はパティキュレートフィルタである。それにより、触媒装置により排気ガス中のＨＣ及びＣＯを燃焼させ、排気ガス温度を高めてパティキュレートフィルタへ流入させる際に、排気ガスはパティキュレートフィルタ全体に流入し易くされているために、排気ガスによりパティキュレートフィルタ全体を昇温させることができる。

図１は、本発明による内燃機関の排気浄化装置の第一実施形態を示す断面図である。本排気浄化装置は、機関排気系に配置され、上流側の第一排気浄化装置１と下流側の第二排気浄化装置２とを有している。第一排気浄化装置１及び第二排気浄化装置２は、車両搭載性を向上するために、同一のハウジング３内に配置されている。

ディーゼルエンジンにおいては、排気ガス中に比較的多くのパティキュレートが含まれるために、排気浄化装置としてパティキュレートフィルタが必要である。パティキュレートフィルタは、多量のパティキュレートを捕集すると排気抵抗が非常に高まるために、それ以前に、捕集パティキュレートをパティキュレートフィルタから除去しなければならない。

一般的に、パティキュレート除去として、パティキュレートフィルタをパティキュレートの着火温度へ昇温してパティキュレートを焼失除去させたり、又は、活性酸素放出材をパティキュレートフィルタに担持させて活性酸素により輝炎を発することなくパティキュレートを酸化除去させたりする。いずれにしても、パティキュレートフィルタの昇温が必要であり、そのためには、排気ガス中のＨＣ及びＣＯを燃焼させて排気ガス温度を高めることが好ましく、パティキュレートフィルタの上流側に酸化触媒として機能する白金等の貴金属触媒を担持する触媒装置が配置される。この場合において、第一排気浄化装置１は貴金属触媒を担持する触媒装置とし、第二排気浄化装置２はパティキュレートフィルタとすることができる。

また、筒内噴射式火花点火内燃機関において、理論空燃比での均質燃焼と、リーン空燃比での成層燃焼とが実施される場合には、均質燃焼時の排気ガスを浄化するために三元触媒装置が必要であり、また、成層燃焼時の排気ガスを浄化するためにＮＯ_X吸蔵還元触媒装置が必要である。この場合において、例えば、第一排気浄化装置１は三元触媒装置とし、第二排気浄化装置はＮＯ_X吸蔵還元触媒装置とすることができる。

パティキュレートフィルタ及びＮＯ_X吸蔵還元触媒装置は、比較的大きな容量を必要とし、車両搭載性を向上するために、第二排気浄化装置２として、上流側の第一排気浄化装置１と共に同一のハウジング３内に配置される場合には、軸線方向長さを比較的短くされ、それにより、必然的に断面積が大きくなる。このように、上流側の第一排気浄化装置１に比較して下流側の第二排気浄化装置２の断面積が大きくなっていると、第一排気浄化装置１と第二排気浄化装置２との間の距離は車両搭載性を悪化させないように比較的短くされているために、第一排気浄化装置１を通過した排気ガスが外方向に十分に広がる時間がなく第二排気浄化装置２へ流入することとなる。それにより、第二排気浄化装置２の外周部には排気ガスが流入せず、容量を大きくしたにも係らず、第二排気浄化装置２全体を排気ガスの浄化に利用することができない。

本発明による排気浄化装置は、図１に示すような構成を有し、この問題を解決している。具体的には、第一排気浄化装置１と第二排気浄化装置２との間の距離Ｌ１は、比較的短くしたまま、第一排気浄化装置１における下流側端部１ａの周囲は斜めに切り欠かれている。第一排気浄化装置１は、軸線方向に延在する多数の隔壁により細分された軸線方向の多数の排気流路を有し、排気ガスは、第一排気浄化装置１内を通過する際に各排気流路に沿って軸線方向に方向付けられる。

第一排気浄化装置１の中央部を通過した排気ガスは、短い距離Ｌ１を通過する間に僅かに外方向に広がるが、矢印で示すように、主にはそのまま第二排気浄化装置２の中央部へ流入する。一方、第一排気浄化装置１の周囲部を通過する排気ガスは、下流側端部１ａの斜めの切り欠きによって、外側ほど早く第一排気浄化装置１から流出し、こうして、外側ほど長い距離を進行した後に第二排気浄化装置２へ流入することとなる。すなわち、第一排気浄化装置１の周囲部においては、外側ほど第二排気浄化装置２までの距離が延長されることとなり、第一排気浄化装置１の周囲部を通過した排気ガスは、この延長された距離を通過する間に外側ほど大きく外方向に広がるために、矢印で示すように、第一排気浄化装置１に比較して大きな断面積を有する第二排気浄化装置２の周囲部全体へ流入する。こうして、第一排気浄化装置１を通過した後の排気ガスを第二排気浄化装置２全体へ流入させることができる。

第一排気浄化装置１における切り欠きは、下流側端部１ａの周囲だけにしか設けられておらず、それにより、第一排気浄化装置１の必要容量を十分に確保することができる。本実施形態において、第一排気浄化装置１の下流側端部１ａの周囲における切り欠きによって、第一排気浄化装置１の外周面における支持長さＬ２を切り欠き分だけ短くし、それにより、ハウジング３において、第一排気浄化装置１の支持部３ａと第二排気浄化装置２の支持部３ｂとの間のテーパ部３ｃの中心軸線に対する傾斜角度ＴＨを小さくしている。それにより、第一排気浄化装置１の周囲部を通過した排気ガスは、さらに外方向へ広がり易くなり、第二排気浄化装置２の周囲部全体へさらに流入し易くなる。

本実施形態において、第一排気浄化装置１の外周面とハウジング３の支持部３ａとの間には保持材４を、第二排気浄化装置２の外周面とハウジング３の支持部３ｂとの間には保持材５を、それぞれ介在させている。また、ハウジング３のテーパ部３ｃの内側には、第二排気浄化装置２へ流入する以前において排気ガス温度の低下を抑制するための保温材６が設けられている。

本実施形態において、７はテーパ状の偏向管であり、第一排気浄化装置１の下流側端部１ａの中央部と周囲部との境界に設けられている。この偏向管７により、第一排気浄化装置１の外周部を通過した排気ガスは、外方向へ強制的に偏向され、それにより、第二排気浄化装置２の外周部全体へさらに流入し易くなる。偏向管７の中心軸線に対する傾斜角度は、ハウジング３のテーパ部３ｃにおける傾斜角度ＴＨ以下とすることが好ましく、この角度を大きくし過ぎると、第一排気浄化装置１の中央部を通過した排気ガスを流入させる第二排気浄化装置２の中央部の面積が大きく増大するために、第二排気浄化装置２の中央部全体へ排気ガスを流入させることが困難となる。もちろん、偏向管７は省略することもできる。

図２は、本発明による内燃機関の排気浄化装置の第二実施形態を示す部分断面図である。第一実施形態との違いは、第一排気浄化装置１’における下流側端部１ａ’の周囲の切り欠きが段状とされていることである。このような段状の切り欠きによっても、第一排気浄化装置１’の周囲部においては、第二排気浄化装置２までの距離が延長されることとなり、第一排気浄化装置１’の周囲部を通過した排気ガスは、この延長された距離を通過する間に外方向に広がるために、矢印で示すように、第一排気浄化装置１’に比較して大きな断面積を有する第二排気浄化装置２の周囲部全体へ流入する。こうして、第一排気浄化装置１’を通過した後の排気ガスを第二排気浄化装置２全体へ流入させることができる。

前述した実施形態において、ハウジング内には二つの排気浄化装置を配置するようにしたが、もちろん、二つ以上の排気浄化装置を同一のハウジング内に配置する場合においても、本発明を適用することができる。また、第一排気浄化装置及び第二排気浄化装置の断面形状は任意に選択可能であり、一般的な円形断面以外にも、楕円、長円、又は、矩形等としても良い。

本発明による内燃機関の排気浄化装置の第一実施形態を示す断面図である。 本発明による内燃機関の排気浄化装置の第二実施形態を示す部分断面図である。

符号の説明

１…第一排気浄化装置
２…第二排気浄化装置
３…ハウジング

Claims (4)

1. 同一ハウジング内に上流側の第一排気浄化装置と下流側の第二排気浄化装置とを直列に配置し、第二排気浄化装置の断面積が第一排気浄化装置の断面積より大きくされている内燃機関の排気浄化装置において、前記第一排気浄化装置における下流側端部の周囲を切り欠くことにより、前記第一排気浄化装置の周囲部は中央部に比較して前記第二排気浄化装置までの距離が延長され、前記第一排気浄化装置の前記下流側端部の前記中央部と前記周囲部との境界には、前記第一排気浄化装置の前記周囲部を通過した排気ガスを外方向へ強制的に偏向するための偏向管が設けられていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記下流側端部の周囲は斜めに切り欠かれていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記ハウジングは、前記下流側端部の周囲の切り欠きにより短くされた前記第一排気浄化装置の外周面の支持部の直下流側と前記第二排気浄化装置の外周面の支持部の直上流側とを連結するテーパ部を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記第一排気浄化装置は貴金属触媒を担持した触媒装置であり、前記第二排気浄化装置はパティキュレートフィルタであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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