JP4477718B2 - 内燃機関用可逆流触媒コンバータ - Google Patents

内燃機関用可逆流触媒コンバータ Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関に関し、さらに詳細には、内燃機関からの排ガスを処理するための可逆流触媒コンバータに関する。
【0002】
【従来の技術】
内燃機関は、ガソリン、ディーゼル燃料、天然ガス、液体石油ガス、あるいは、ガソリン/メタノールやガソリン/エタノールなどの混合ガスなどの様々な燃料をエネルギー源とすることができる。また、たとえば、ディーゼル/天然ガスやディーゼル/プロパン燃料などを使用する混燃エンジンも発明されてきた。内燃機関は、主として二酸化炭素、水、窒素、酸素から成り、部分燃焼および未燃焼の炭化水素、一酸化炭素および窒素酸化物から成る排ガスを大量に発生する。未燃焼炭化水素などの汚染物質や有毒副産物の濃度を低減するために、酸化触媒を含む排ガスコンバータを用いて排ガスを処理することは、当該技術分野において周知である。しかしながら、排ガス中の汚染物質を効率的に酸化するためには、触媒を高温で作用させる必要がある。したがって、従来のコンバータでは、低エンジン負荷時には排気温度が低いために、変換効率が悪くなる。このことは、特に非反応性の炭化水素、具体的にはメタンに対して、低負荷作動時における排ガス放出の増加を招く要因となる。ディーゼルエンジンがアイドリング状態にあり、排ガス温度が300℃を下回ると、排ガス温度が触媒の消火/点火温度よりも低くなることから、触媒コンバータにおける放出低減が損なわれる。このことは、エンジンがディーゼル燃料/メタン混合物をエネルギー源とする混燃エンジンである場合に、特に問題となる。この問題を克服するために、可逆流触媒コンバータが発明されてきた。
【0003】
可逆流触媒コンバータは、触媒を通過するエンジン排気の方向を周期的に交互方向に変えるという原理で作動する。各方向を流れる継続時間は、エンジン作動状態によって決定される。最終目的は、触媒コンバータ内の触媒材料全体にわたって理想的な温度プロファイルを得ることである。たとえば、1998年5月14日に公表された、PCT特許出願PCT/US97/19928において、マトロス(Matros)らの開示する方法および装置では、吸着剤と、排ガス中の有毒成分を無毒物質に変換できる触媒とを含有するガス透過性固体材料に排ガスを接触させている。ガス透過性固体材料を通過するガス流を一連の連続サイクルで逆転することにより、触媒温度を有毒成分の酸化に適した温度範囲にもたらすか、あるいは該温度範囲内に保っている。それより低い温度範囲において、有毒成分は吸着剤によって吸着される。この出願に記載された一実施形態は、協働して完全な逆転機能を達成する4つの弁を含んでいる。この実施形態の欠点は、必要な配管や弁配置のために構成が大型化することにある。
【0004】
第2の実施形態において、ガス透過性固体材料を通過する排ガス流の逆転は、入口および出口を通過するガス流の方向を変えずに、固体材料を軸回転させることにより達成される。固体材料を回転させることにより、該材料を第1熱交換領域から第2熱交換領域へ反復周期で移動させる。ガス透過性固体材料は複数の平行な軸方向流路を有し、排ガスは流路の1区間を第1方向に通され、次に流路の別区間を逆方向に通される。触媒は、好ましくは、排ガスを受入れ、排出するための入口および出口に隣接した回転要素内の実質的にすべての流路の表面に適用される。吸着剤は、排ガスが移動方向を変える空間に隣接する、実質的にすべての流路の表面に適用される。
【0005】
第3の実施形態において、回転要素は円筒状であり、中空の中央内部を有している。複数の放射状流路が、この中空の中央内部と連通している。これらの流路は、入口に隣接する回転要素の横方向側面から中空の中央内部にわたり、また中空の中央内部から出口に隣接する回転要素の他方側面にわたるガス流路を提供する。触媒は、円筒状要素の外側部分に適用される。吸着剤は、中空の中央内部に隣接する内側に適用される。第2、第3の実施形態ともに、ガス流の方向を変えるのではなく、触媒が適用される基体の回転を要する。
【0006】
マトロスらによって記載された各構造の欠点は、それらが小型でないことである。たとえば、第2の実施形態において、第1および第2の熱交換領域の一方端部には、第1熱交換領域内の移動流路から第2熱交換領域内の移動流路へのガス流に対する固定通路を与えるために、密閉仕切室21が必要とされる(図6)。さらに、回転構造であるために、性能の信頼性については妥協せざるを得ない。
【0007】
ガス流の逆転を制御する4つの調整弁、あるいは回転基体構造物を使用する代わりに、四方弁を使用することにより、可逆流コンバータに対するより信頼性の高い構造が得られる。NGVの世界的実現の会報(Proceedings of NGVs Becoming a Global Reality)の中で発表された、論文「厳しい排ガス放出規制に適合する、天然ガス使用ディーゼルエンジンのための新しい触媒コンバータ("Novel Catalytic Converter for Natural Gas Powered Diesel Engines to Meet Stringent Exhaust Emission Regulations")」(天然ガス車両のための国際会議および展示会(International Conference and Exhibition for Natural Gas Vehicles)、1998年5月26〜28日、ケルン、ドイツ)において、チェン(Zheng)らは、可逆ガス流の方向を切換えるための四方弁を有する触媒コンバータについて記述している。この四方弁は、コンバータとは構造的に独立した汎用弁であり、流れを放射状に方向付ける。したがって、コンバータに必要とされる配管によって装置が大型化する。
【0008】
他のコンバータ構成が、「内燃機関からの排ガス浄化を改良する装置("Apparatus for Improving the Purification of Exhaust Gases from an Internal Combustion Engine")」という名称で1965年6月15日に発行された米国特許第3,189,417号の中で、ハウドリー(Houdry)らによって開示されている。この特許は、熱交換材料から成る2層の間に納められた酸化触媒ペレット床を有する可逆流コンバータを開示している。このコンバータ内には四方弁が組み込まれている。弁を90°回転させると、ガス流の方向が、下方に向けて触媒床および熱交換材料を通過する方向から、上方に向けて床を通過する逆方向に切換わる。酸化触媒ペレット床を熱交換材料から独立させたこの構成は、効率が悪く、変換性能も低い。また、流路の構造および構造への弁の組込み方に起因して、構造の小型化が図れない。
【0009】
さらに別の例として、「可逆サイクル冷却システムのための四方弁("Four Way Valve For Reversible Cycle Refrigeration System")」という名称で、1979年2月13日に発行されたターナー(Turner)らによる米国特許第4,139,355号において、四方弁構成物が教示されている。この特許は、回転弁が加熱モードと冷却モードの間の切換えを行う、四方弁組立体を開示している。回転弁は、筐体内のキャビティ内に取付けられており、単向性電気モータによって回転されるように設計されている。回転弁は、一対の凹所を内部に有する回転板を含んで構成される。各凹所は、基板内の一対の孔との間に流体連通を与える。回転板の一方側に作用する高い圧力を均衡化するために、高圧バイパス孔を設けてキャビティ内の圧力バランスを保っている。カムおよびスイッチの構成物は、電気モータの停止および始動に必要な制御を行う。しかしながら、この回転弁は、構造上の理由から可逆流触媒コンバータでの使用には適していない。特に、4つの孔のすべてが基板内に設けられている。
【0010】
可逆流触媒コンバータの概念は、適切であり、かつ排ガス放出量の低減にも貢献することが実証されてきた。しかしながら、現代の車両設計では、小型で、効率的かつ機械的信頼性の高い部品が要求される。上記それぞれの先行技術のコンバータ構成は、これらの条件の少なくとも1つをも満たしていない。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、内燃機関からの排ガスを処理するための可逆流触媒コンバータ装置であって、コンバータ内に組込まれた小型の弁構造物を含む可逆流触媒コンバータ装置を提供することにある。
【0012】
本発明の他の目的は、内燃機関からの排ガスを処理するための可逆流触媒コンバータ装置であって、性能を効率化し、熱損失を最小限に抑え、機械的単純化を図るための小型の構造物を含む、可逆流触媒コンバータ装置を提供することにある。
【0013】
本発明のさらに他の目的は、上で論じた先行技術の欠点を克服するような、可逆流触媒コンバータのための四方弁を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の態様によれば、排ガス用可逆流触媒コンバータのための弁構造物であって、該コンバータは第1出入口および第2出入口を備える上端部を有する容器を有し、該第1出入口および第2出入口は、それらのいずれかに導入された排ガスが容器内の触媒材料を通過するように相互に流体連通する弁構造物において、記容器の上端部に取付けられるように構成され、吸気キャビティおよび排気キャビティを含み、該吸気キャビティは排ガスパイプと接続されるように構成され、該排気キャビティはテールパイプと接続されるように構成される弁筐体と、記弁筐体内に動作可能に取付けられ、吸気キャビティが第1出入口と連通し排気キャビティが第2出入口と連通する第1の位置と、吸気キャビティが第2出入口と連通し排気キャビティが第1出入口と連通する第2の位置との間で移動するように構成されたガス流を逆転させるための弁要素とを有し、上記弁筐体は、開いた底部を有する内部キャビティと、該内部キャビティを2つの半部に分割する横断板とを有し、該半部はそれぞれ吸気キャビティと排気キャビティとを形成することを特徴とする弁構造物が提供される。
【0015】
本発明の他の態様によれば、触媒コンバータを使用する内燃機関からの排ガスを処理するための触媒コンバータであって、内部にガス流路を有し、それぞれに該流路と連通する第1出入口および第2出入口を備える上端部と、触媒材料を支持するガス透過性固体材料とを有する容器と、流路を通過する排ガスと接触するようにされた、ガス流路内の触媒材料と、ガス流路を通過する排ガス流を逆転させ、容器の上端部に取付けられた、吸気キャビティおよび排気キャビティを有する弁筐体を含み、該吸気キャビティは排ガスパイプと接続されるように構成され、該排気キャビティはテールパイプと接続されるように構成される弁と、上記弁筐体内に動作可能に取付けられ、吸気キャビティが第1出入口と連通し排気キャビティが第2出入口と連通する第1の位置と、吸気キャビティが第2出入口と連通し排気キャビティが第1出入口と連通する第2の位置との間で移動するように構成されたガス流を逆転させるための弁要素とを有するものであり、さらに、上記ガス透過性固体材料は、それぞれに内部を通過する複数のセルを有する複数のモノリスを含み、該モノリスは触媒材料によって被覆されており、上記複数のモノリスは、流路内に連続して配置され、各モノリス内のセルは隣接するモノリスのセルと連通するものである触媒コンバータが提供される。
【0016】
好ましくは、前記弁筐体は開いた底部を有する内部キャビティと、該キャビティをそれぞれ吸気キャビティおよび排気キャビティを形成する2つの半部に分割する横断壁とを有する。前記弁要素は、弁筐体の開いた底部に回転可能に取付けられるプレートを含んでもよく、該プレートはそれに垂直な中心軸周りに回転し、それぞれ前記各出入口、ならびに前記吸気および排気キャビティのいずれか一方と連通する第1開口部および第2開口部を有する。
【0017】
さらに好ましくは、前記ガス流路は容器の内部キャビティ内に形成され、該内部キャビティは横断板によって2つの半部に分割され、該半部はそれぞれ第1キャビティ部分および第2キャビティ部分を形成する。これらの2つのキャビティ部分は互いに連通し、各キャビティ部分は第1出入口および第2出入口のうち対応するいずれか一方と連通する。前記容器は、触媒材料を含有するガス透過性固体材料をさらに含む。前記ガス透過性固体材料は、好ましくはそれぞれに内部を通過する複数のセルを有する複数のモノリスを含み、該モノリスは触媒材料によって被覆されている。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明は、内燃機関からの排ガスを処理するための可逆流触媒コンバータに関する。
【0019】
まず、図1を参照して説明すると、本発明による触媒コンバータ10は、容器12と、排ガス入口16および排ガス出口18を含む弁筐体14とを含んで構成される。弁筐体14は下端部にフランジ20を有し、以下で詳述する容器12の上部に設けられたアダプタ22に取付けられる。排ガス入口16は、排ガスパイプとの接続のためのフランジ24を有し、排ガス出口18は、テールパイプとの接続のための同様のフランジ26を有する。したがって、排ガス入口16を介して触媒コンバータ10に流入する排ガスは、触媒によって処理された後、排ガス出口18を介してテールパイプに排出される。排ガス入口16および排ガス出口18の配向角度が例示にすぎないことは、当業者によって認識されよう。それらは他の角度で配向してもよく、また両角度は同一であっても異なっていてもよい。
【0020】
触媒コンバータの構造は、図2〜5により明確に示されている。弁筐体14は、平面図においては円形であり、下端部に開口部28を有する内部キャビティを含む(図3)。横断壁30は内部キャビティを2つの別個の部分に分割して、排ガス入口16と連通する吸気キャビティ32および排ガス出口18と連通する排気キャビティ34を形成する。横断壁30は、弁筐体14の上部の孔36から横断壁30を通って延びるリテーナスリーブ38の対向する側に配置される2つの同一の半部を含む(図2参照)。横断壁30は弁筐体14に固着されていてもよいが、好ましくは、フランジ20と横断壁30とリテーナスリーブ38とを含む弁筐体14を一体型ユニットとして鋳造する。フランジ20には、2つの位置決め孔39が設けられる。孔39の一方は横断壁30と重なる線上に配設され、他方は好ましくは該線から約5°ずれた位置に配設される。リテーナスリーブ38は、弁筐体14の上端部から該スリーブを通って延びる開口部を有し、該開口部は遠位端部に入口を有する。この入口は開口部よりも大きい直径を有し、スリーブ部材38内に内部肩部40を画定する。この内部肩部40の機能については、後に説明する。
【0021】
図2に示されるように、弁筐体14の下端部にはディスクプレート42が回転可能に取付けられる。弁ディスク42は、該弁ディスク42に垂直な中心軸周りに往復回転運動する。弁ディスク42の中央には駆動軸44の一端が固定されており、該駆動軸44はリテーナスリーブ38内を回転可能に延びている。駆動軸44の上端部は、孔36から突出するとともに、孔36によって回転可能に支持されている。弁筐体14の上部には、回転式アクチュエータ(図示せず)を支持するためのブラケット45が取付けられる。駆動軸44は、リテーナスリーブ38の拡大径部に受容され、リテーナスリーブ38の内部肩部40によって軸方向に拘束される環状段部46を有する。
【0022】
図4に示されるように、弁ディスク42は2つの開口部48を有する。各開口部48は、弁ディスク42の四半部分よりも僅かに小さい。開口部48は、弁ディスク42が第1の位置または第2の位置のいずれかにある場合に、それぞれの開口部48が吸気キャビティ32および排気キャビティ34のいずれか一方のみと連通するように、互いに対して180°の角度をなして配設される。しかしながら、弁ディスク42が第1の位置から第2の位置へ回転されると、開口部48は横断壁30の反対側に移動し、その後それぞれに、前記吸気キャビティ32および排気キャビティ34のいずれか他方と連通する。弁ディスク42は、ねじやボルトなどの適切な固定手段を用いて駆動軸44の端部に固定することもできる。
【0023】
触媒のための容器12の側壁は、円筒部分50と円錐台部分52とを含む。アダプタ22は、平坦環54(図5)と、この平坦環54に連結された直径に沿った梁56とを含む。梁56は、円形の中心領域57を有する。アダプタ22は、側壁の円錐台部分52の上端部に固着されるとともに、横断板58(図2)を支持し、該横断板58は梁56の底面に固着され、容器12の内部に延びる。横断板58は、該容器12を、容器12の底部において相互に連通してU字形の排ガス経路を形成する、第1部分60と第2部分62とに分割する。第1および第2の部分60,62はそれぞれ、平坦環54および梁56の円形の内面によって画定される第1出入口64および第2出入口64と連通する。平坦環54には、一対の位置決め孔68が設けられている。孔68の一方は梁56に垂直な直径線上に配設され、他方は好ましくは該直径線上から約5°ずらして配設される。弁筐体の組立体を容器12の上部に取付ける場合には、2対の位置決め孔39および68とともに、各孔に受容される一対の位置決めピン(図示せず)を用いることにより、横断壁30を確実に梁56および横断板58に対して直角に配置することができる。その結果、開口部48が第1の位置または第2の位置のいずれかにある場合、それぞれの開口部48は、容器12の部分60,62のいずれか一方のみと連通し、また吸気キャビティ32および排気キャビティ34のいずれか一方と連通する。それゆえに、弁ディスク42が第1の位置から第2の位置に回転されるに従って、弁ディスク42内の開口部48は、第1および第2の出入口64,66のいずれかとの連通状態は一定に保ったまま、吸気キャビティ32および排気キャビティ34のいずれか一方からいずれか他方に向かって移動され、これによりガス流の逆転を達成する。弁ディスク42を一方向に回転させることによっても、同様の結果を達成できることを理解すべきである。
【0024】
図2に示されるように、一対のモノリス部分70および72、ならびに単一のモノリス部分74によって、実質的に容器を充たしている。モノリスの個々の部分の形状は、図9(a)乃至図9(c)の斜視図に示されている。しかしながら、後で説明するように、図9(a)乃至9(c)に示したモノリスの部分では、段階的なセル密度を有しており、このことは本発明のさらに他の特徴である。モノリス70の各部分は、好ましくは、半円筒形のセラミック/金属押出し成形品であり、該成形品はその内部を軸方向に通過するセルを有する。セル密度は好ましくは100cpsiであるが、セル密度は設計上の選択事項である。モノリス72の各部分は、約45°の角度で切断された下端部を有する、半円筒形のセラミック押出し成形品である。モノリス72もまた、その内部を軸方向に通過するセルを有する。モノリス72のセル密度は、好ましくは200cpsiである。モノリス74は、前面から見ると3角形のセラミック/金属押出し成形品であり、側方から見ると実質的に半円形のものとすることができる。モノリス部分74は、好ましくは300cpsiのセル密度を有し、それらのセルは該部分の底部と平行な方向に延びている。
【0025】
それぞれのモノリスは触媒材料で被覆され、容器内の、該容器12の内面と横断板58とによって画定される流路内に連続して配置される。図2に示されるように、モノリス部分74は横断板58の真下の容器12の底部に配置される。モノリス72の各部分は、第1および第2の部分60,62のいずれか一方内のモノリス部分74の上方に配置される。モノリス70の各部分は、第1および第2の部分60,62のいずれか一方内のモノリス部分72の上方に配置される。隣接するモノリス部分のセルは相互に連通しており、その結果、容器内のガス流路を通過する排ガス流は、いずれの方向であっても、各モノリス部分のセルに引き込まれ、モノリスに塗布された触媒材料と接触する。バーミキュライト絶縁体などの絶縁材料75の層によって、各モノリスと容器12の内面の間を充填するとともに、底部ボール97を包囲する。モノリスの各部分間には、それらを支持するためのモノリス支持体76、たとえば、金属環などが設けられる。
【0026】
容器12の円錐台部分52内には、緩衝板78が配設される。緩衝板78は、横断板58の対向する側に位置する2つの半円形の半部を含む。緩衝板78には複数の開口部80(図5に分かりやすく示されている。)が設けられ、これにより排ガスを通過させることができる。開口部80は、ガス流をモノリス部分70全体に均等に分散させる。緩衝板78は、エンジンの騒音を低減するためのマフラとしても機能する。適切な構成を有する緩衝板が容器12の上部に取付けられた場合には、触媒コンバータ10は、完全に従来のマフラの代わりとして用いることができる。
【0027】
容器12の第1および第2の部分60,62の上側部分には、2つの温度センサ81が配設されている(図2参照)。センサ81は、各部分60,62内の温度を測定して、コンピュータ化された制御装置(図示せず)に信号を送る。制御装置は、センサ81によって検知された温度を入力として用いて制御アルゴリズムを実行し、最適な切換え速度と弁ディスク42の位置とを決定する。コンピュータ化された制御装置は、アルゴリズムの出力に応じて、駆動軸44の突出末端に取付けられた回転式アクチュエータ(図示せず)を作動させ、回転プレート42を第1の位置から第2の位置へと移動させる。回転式アクチュエータとしては、たとえば、市販されている油圧式または電子式アクチュエータを用いることができる。
【0028】
好ましい組立順序においては、触媒コンバータ10の内部部品を組立てた後に、円錐台部分52を円筒部分50に連結する。円錐台部分52は、容器12の円筒部分50に溶接することもできる。しかしながら、円錐台部分52は円筒部分50に対して着脱可能に連結することが好ましい。環状のVクランプ(図示せず)を用いて、円錐台部分と円筒部分の両方の周縁部を技術上周知の方法によって固締することが望ましい選択である。
【0029】
図6(a)および図6(b)に示されるように、ガス流は触媒コンバータの容器12に流入すると、周期的に逆転される。図6(a)および図6(b)の両図においては、開口部48を明確に示すために、弁ディスク42を軸方向に拡大して示している。弁ディスク42が第1の位置にある場合、弁ディスク42内の一方の開口部48は、排気キャビティ34の左後方にあり、横断板58の後側にある第2部分62と連通する。一方、プレート42内の他方の開口部48は、吸気キャビティ32の右前方にあり、横断板58の前側にある第1部分60と連通する。図6(a)の実線矢印は、エンジンからの排ガスが排ガス入口16に誘導されて吸気キャビティ32に入り、右前方にある他方の開口部48(図示せず)を通過し、容器12の第1部分60を下向きに流れてその中の触媒モノリス(図示せず)を通過することを示している。排ガスは容器12の底部に達すると、容器12の第2部分62に入る。図6(a)の破線矢印は、容器12の第2部分62に入った排ガスが上方に流れ、左後方にある一方の開口部48を通って排気キャビティ34に流入することを示している。その後、排ガスは排ガス出口18を介してテールパイプに排出される。
【0030】
弁ディスク42が第2の位置にある場合、弁ディスク42内の開口部48は、第1の位置におけるそれらの位置から90°回転された位置にある。図6(b)に示されるように、第2の位置において、開口部48は、吸気キャビティ32内の右後方にあり、横断板58の後側にある第2部分62と連通する。弁ディスク42内の他方の開口部48は、横断板58の左前方にある。この位置において、排気キャビティ34は、横断板58の前側にある第1部分と連通する。
【0031】
図6(b)の破線矢印は、吸気キャビティ32に入った排ガスが、右後方にある一方の開口部48を通過して容器12の第2部分を下方に流れ、触媒モノリス(図示せず)を通過し、容器12の底部に達し、第1部分60に入ることを示している。図6(b)の実線矢印は、第1部分60内の排ガスが上方に流れ、左前方にある他方の開口部48を通って排気キャビティ34に入ることを示している。その後、排ガスは排ガス出口18を介してテールパイプに排出される。弁を第1の位置と第2の位置の間で、制御装置によって決定された間隔で移動させることにより、一連の触媒モノリス70〜74にわたって望ましい温度プロファイルが達成される。
【0032】
排ガスは、触媒材料と接触しながら、モノリス70,72および74を交互の方向に通過する。モノリス70は、たとえば100cpsiという低いセル密度を有するため、熱容量が大きく熱応力からより良好に保護されている。低いセル密度および大きい熱容量を有するモノリスは、排ガス流の上流において高温の排ガスに曝されることに耐えられる。より高いセル密度を有するモノリス72および74に排ガスが流入するとき、排ガスはより多くの触媒に曝され、したがって変換性能が効率的に発揮される。排ガスは、第1および第2の部分60,62の両方においてモノリス70,72および74内を通過して、容器12の上端部に達するので、該排ガス中の有毒物質の大部分が無毒物質に変換される。
【0033】
図7(a)は一連のモノリスの代替構成を示しており、セル密度が100cpsiの2つのモノリス部分84と、セル密度が300cpsiの1つのモノリス部分86とが含まれる。
【0034】
図7(b)は3対のモノリスを含む、一連のモノリスの代替構成の概略図である。構成の一例において、モノリス88は100cpsiのセル密度を有する。モノリス90は200cpsiのセル密度を有し、モノリス92は300cspiのセル密度を有する。モノリス88,90および92のセル密度は、他の組み合わせ、たとえば200,300,400、あるいは、200,300,300などであってもよい。緩衝板を用いて容器12内にガス流を分散させる代わりに、2つのベンチュリ94および96を設けて同様の機能を達成している。ガス流を円滑に第1部分から第2部分あるいは第2部分から第1部分に指向するために、球状の底部ボール97が設けられる。
【0035】
図7(c)および図7(d)は、モノリスに対するさらに可能性の高い2つの構成の概略図である。図7(c)の構成は、大型の触媒コンバータに適用することができる。大きなモノリス部分を使用する代わりに、モノリス100が小区画に分割されている。小区画からなるモノリスは、たいていの場合、通常の市販経路においてより簡単に入手することができる。図7(d)において使用されるモノリス102は、本発明の好ましい実施形態において用いられるモノリス72および74よりも形状が単純である。
【0036】
図8はモノリス110を有するコンバータ104の概略図であり、該コンバータ104は対向する端部に第1および第2の出入口106および108をそれぞれ有しており、この構成は従来のコンバータ容器と類似している。本図は、両端部に出入口を有するコンバータ容器に本発明の弁ユニットを取付けるために、どのようにしてアダプタ22を使用するかを示している。
【0037】
図9(a)乃至図9(c)は、独特のセル構造を有すること以外は、本発明の好ましい実施形態で使用したモノリスと同様の形状を有するモノリスを示している。各モノリスは、放射状に段階的に変化するセル密度を有し、セル密度は、容器の中心付近の領域における400cpsiから容器の外壁付近の領域における100cpsiまで低下している。図2に見られるように、横断板58付近のガス流路は、容器12の壁付近のガス流路よりも短い。図9(a)乃至図9(c)に示されるモノリスは、経路が短いほどセル密度を高くし、それにより触媒変換性能の均衡化を図っているために、排ガスの変換をより促進することができる。モノリスには吸着材料を蒸着することもできる。吸着材料は、触媒が点火する前のエンジン起動時間の間に汚染物質を吸着し、温度の上昇に伴って該汚染物質を放出する。
【0038】
【発明の効果】
上記した触媒コンバータの利点は、明らかである。コンバータユニットと弁ユニットの間に配管が一切要らず、そのため、触媒コンバータの小型化が可能であるとともに、弁と触媒の間での熱損失を抑止することができる。弁ディスクが垂直軸周りに回転することから、最小限の空間内において円滑で信頼性の高い弁動作が可能になる。一連のモノリスの独特の構成によって、触媒寿命ならびに変換性能が向上する。また、触媒材料を均一に着火/点火温度に加熱し続けることにより、可逆排ガス流は最大限の変換効率を実現する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好ましい実施形態の立面図である。
【図2】図1の2−2線に沿った断面図であって、弁および触媒コンバータの内部構造を示す。
【図3】弁ディスクを取除いた状態の図2の3−3線に沿った弁筐体の底面図であって、弁筐体の内部キャビティを分割する横断壁の位置を示す。
【図4】弁ディスクの平面図であって、該弁ディスク内の2つの開口部を示す。
【図5】図2の5−5線に沿った触媒コンバータの容器の平面図であって、容器の内部を分割する横断板の位置を示す。
【図6】(a)は図2の6−6線に沿った断面図であって、弁ディスクが第1の位置にある場合のガス流の方向を示し、(b)bは(a)と同様の図であって、弁ディスクが第2の位置にある場合のガス流の方向を示しており、該第2の位置にあってガス流の方向は逆転されている。
【図7】(a)乃至(d)は、本発明の様々な実施形態におけるモノリスに対する異なる構成を示す図である。
【図8】本発明の他の実施形態の概略側面図である。
【図9】(a)乃至(c)は、好ましい実施形態において使用されるモノリスが段階的な密度を有する場合の斜視図である。
【符号の説明】
10 触媒コンバータ
12 容器
14 弁筐体
16 排ガス入口
18 排ガス出口
20 フランジ
22 アダプタ
24 フランジ
26 フランジ

Claims (21)

  1. 排ガス用可逆流触媒コンバータのための弁構造物であって、該コンバータは第1出入口および第2出入口を備える上端部を有する容器を有し、該第1出入口および第2出入口は、それらのいずれかに導入された排ガスが容器内の触媒材料を通過するように相互に流体連通する弁構造物において、
    前記容器の上端部に取付けられるように構成され、吸気キャビティおよび排気キャビティを含み、該吸気キャビティは排ガスパイプと接続されるように構成され、該排気キャビティはテールパイプと接続されるように構成される弁筐体と、
    前記弁筐体内に動作可能に取付けられ、吸気キャビティが第1出入口と連通し排気キャビティが第2出入口と連通する第1の位置と、吸気キャビティが第2出入口と連通し排気キャビティが第1出入口と連通する第2の位置との間で移動するように構成されたガス流を逆転させるための弁要素と
    を有し、
    前記弁筐体は、開いた底部を有する内部キャビティと、該内部キャビティを2つの半部に分割する横断板とを有し、該半部はそれぞれ吸気キャビティと排気キャビティとを形成する
    ことを特徴とする弁構造物。
  2. 請求項に記載の弁構造物において、
    前記弁要素は、弁筐体の開いた底部に回転可能に取付けられるディスクであって、該ディスクに垂直な中心軸周りに回転するディスクを含み、該ディスクは、それぞれ前記各出入口、ならびに前記吸気および排気キャビティのいずれか一方と連通する第1開口部および第2開口部を有する
    ものである弁構造物。
  3. 請求項に記載の弁構造物において、
    前記第1および第2出入口は平面が実質的に半円形であり、前記吸気および排気キャビティもまた断面が実質的に半円形であるが、前記出入口に対して90°ずれた位置に配置され、ディスク内の各開口部は、プレートが第1の位置および第2の位置のいずれかにあるとき、一方の出入口ならびに一方のキャビティのみと連通するように成形されている
    ものである弁構造物。
  4. 請求項に記載の弁構造物において、
    吸気および排気キャビティの半円形と出入口の半円形とは実質的に同一であり、弁ディスク内の各開口部は出入口の半円形の大きさの半分よりも僅かに小さく、ディスク内の開口部は互いに180°の角度を成して配置される
    ものである弁構造物。
  5. 請求項に記載の弁構造物において、
    前記ディスクは、中心軸に固着された駆動軸であって、一端が弁筐体の上部から突出した状態で弁筐体内を軸方向に延びる駆動軸をさらに有する
    ものである弁構造物。
  6. 請求項に記載の弁構造物において、
    前記駆動軸の突出端部において該駆動軸に動作上関連して設けられる回転式アクチュエータをさらに有する
    ものである弁構造物。
  7. 請求項に記載の弁構造物において、
    前記弁筐体は、弁筐体を精確に容器の上部に位置付け、着脱可能に固定するための機構をさらに有する
    ものである弁構造物。
  8. 触媒コンバータを使用する内燃機関からの排ガスを処理するための触媒コンバータであって、
    内部にガス流路を有し、それぞれに該流路と連通する第1出入口および第2出入口を備える上端部と、触媒材料を支持するガス透過性固体材料とを有する容器と、
    流路を通過する排ガスと接触するようにされた、ガス流路内の触媒材料と、
    ガス流路を通過する排ガス流を逆転させ、容器の上端部に取付けられた、吸気キャビティおよび排気キャビティを有する弁筐体を含み、該吸気キャビティは排ガスパイプと接続されるように構成され、該排気キャビティはテールパイプと接続されるように構成される弁と、
    前記弁筐体内に動作可能に取付けられ、吸気キャビティが第1出入口と連通し排気キャビティが第2出入口と連通する第1の位置と、吸気キャビティが第2出入口と連通し排気キャビティが第1出入口と連通する第2の位置との間で移動するように構成されたガス流を逆転させるための弁要素と
    を有するものであり、
    前記ガス透過性固体材料は、それぞれに内部を通過する複数のセルを有する複数のモノリスを含み、該モノリスは触媒材料によって被覆されており、
    前記複数のモノリスは、流路内に連続して配置され、各モノリス内のセルは隣接するモノリスのセルと連通する
    ものである触媒コンバータ。
  9. 請求項に記載の触媒コンバータにおいて、
    前記ガス流路は容器の内部空間内に形成され、該内部空間は横断板によって2つの半部に分割され、該半部はそれぞれ第1空間部分および第2空間部分を形成し、該2つの空間部分は互いに連通し、各空間部分は第1および第2出入口のうち対応するいずれか一方と連通する
    ものである触媒コンバータ。
  10. 請求項に記載の触媒コンバータにおいて、
    前記モノリスは、異なるセル密度を有し、連続するモノリスの両端付近に位置するモノリスにおける密度は、中間に位置するモノリスにおける密度よりも低い
    ものである触媒コンバータ。
  11. 請求項に記載の触媒コンバータにおいて、
    前記各モノリスは、その断面において放射状に変化するセル密度を有し、該セル密度は容器の中心付近の領域において高く、容器の外壁付近の領域に向けて低くなる
    ものである触媒コンバータ。
  12. 請求項に記載の触媒コンバータにおいて、
    前記容器は、出入口とモノリスの間に少なくとも1枚の緩衝板をさらに有する
    ものである触媒コンバータ。
  13. 請求項に記載の触媒コンバータにおいて、
    前記弁筐体は、底部に開口部を有する内部キャビティと、該内部キャビティをそれぞれ吸気キャビティおよび排気キャビティを形成する2つの半部に分割する横断壁とを有する
    ものである触媒コンバータ。
  14. 請求項13に記載の触媒コンバータにおいて、
    前記弁要素は、弁筐体の底部の開口部に回転可能に取付けられるディスクであって、該ディスクに垂直な中心軸周りに回転するディスクを含み、該ディスクはそれを貫通する第1開口部および第2開口部を有し、該第1開口部および第2開口部はそれぞれ、第1の位置および第2の位置の各位置において一方の前記出入口と連通するとともに、前記吸気および排気キャビティのいずれか一方と連通する
    ものである触媒コンバータ。
  15. 請求項14に記載の触媒コンバータにおいて、
    前記容器は、その上部に開口部を有し、該開口部は横断板によって第1および第2出入口を形成する2つの部分に分割され、前記弁の弁筐体は、横断板が横断壁と垂直になるような位置において容器の上部に取付けられる
    ものである触媒コンバータ。
  16. 請求項15に記載の触媒コンバータにおいて、
    前記弁ディスクが横断壁と横断板の間に配設され、該弁ディスクは横断壁と横断板の両方に対して垂直であり、弁ディスク内の2つの開口部のそれぞれは、第1および第2出入口の4半部分よりも小さい
    ものである触媒コンバータ。
  17. 請求項16に記載の触媒コンバータにおいて、
    前記ディスクは、中心軸と重なる駆動軸をさらに含み、該駆動軸は一方端が弁筐体の上部から突出した状態で弁筐体内を軸方向に延びる
    ものである触媒コンバータ。
  18. 請求項17に記載の触媒コンバータにおいて、
    前記駆動軸の突出末端において該駆動軸に動作上関連して設けられる回転式アクチュエータをさらに有する
    ものである触媒コンバータ。
  19. 請求項18に記載の触媒コンバータにおいて、
    弁を容器の上部に精確に位置付け、該弁を着脱可能に固定するための機構をさらに有する
    ものである触媒コンバータ。
  20. 請求項19に記載の触媒コンバータにおいて、
    排ガスの温度を測定するためのセンサ装置をさらに有する
    ものである触媒コンバータ。
  21. 請求項20に記載の触媒コンバータにおいて、
    前記回転式アクチュエータを制御して、センサ装置によって測定された温度に従って駆動軸を周期的に回転させるための制御装置をさらに有する
    ものである触媒コンバータ。
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