JP4600360B2 - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の触媒を直列に配置した、排ガス浄化装置に関するものである。

従来より、エンジンから排出される排ガスの有害成分を浄化するシステムとして、排気管内に１つの触媒を設けたシングル触媒システム（１ブリック）と、複数（主に２つ）の触媒を１つのケーシング内に配置したタンデム触媒システム（２ブリック）とが広く知られている。
一般に、タンデム触媒システムはシングル触媒システムよりも排ガス浄化性能に優れており、これは２つの触媒の間に形成される隙間で発生する排ガスのミキシングに起因するものと考えられていた。

また、下記の特許文献１には、タンデム触媒システムに関する技術が開示されている。具体的には、この特許文献１には、同一のハウジング内に上流側触媒と下流側触媒とを設け、上流側触媒の下流側端部を切り欠いた技術が開示されている。この特許文献１によれば、上流側触媒の下流側端部が切り欠かれているため、上流側触媒の周囲部を通過した排気ガスが外方向に広がって下流側触媒全体へと流入し易くなるので、下流側触媒を充分に活用することができるとされている。
特開２００５−２１４１８０号公報

ところで、本願発明者らが排気通路内の排ガスの流れについて詳細に検討したところ、タンデム触媒システムの排ガス浄化性能の優位性は上述した排ガスのミキシングのみではなく、排気通路内で生じる排ガスの逆流の影響が大きいことを見出した。
これに対し、上述した特許文献１では、排ガスの逆流の影響については何ら考慮されていない。そのため、タンデム触媒システムの排ガス浄化性能を充分に活用できているとはいいがたく、より一層の改良が求められている。

本発明は、このような知見に基づき創案されたもので、排ガスの逆流という現象を考慮して触媒の排ガス浄化性能の向上を図るようにした、排ガス浄化装置を提供することを目的とする。

このため、請求項１に係る本願発明は、同一のケーシング内に少なくとも２つ以上の触媒が排気流れ方向に沿って直列に配設されるとともに、互いに隣接する各触媒間に隙間が形成された排ガス浄化装置であって、少なくとも該ケーシング内の最前段の触媒の前端縁部が、該排ガスの逆流の流速分布に略沿った形状に形成され、且つ該ケーシング内の最前段の触媒の後端縁部が、平面状に形成されていることを特徴としている。

なお、好ましくは、該逆流の流速分布とは、該ケーシングを含む排気通路内に間歇的に生じる該排ガスのエンジン方向への流れの流速分布である。
また、該ケーシング内の最前段の触媒の前端縁部が、円錐面状にカットされているのが好ましい。
また、該ケーシング内の最前段の触媒の前端縁部が、曲面状にカットされているのが好ましい。

また、該触媒はメタル担体により形成されているのが好ましい。

本発明の排ガス浄化装置によれば、触媒上で貴金属が有効利用されない個所（利用効率の低い個所）を低減することになるので、触媒に担持される貴金属を低減することができ、コスト低減を図ることができる利点がある。また、触媒に担持された貴金属の量を従来と同程度とした場合には触媒の排ガス浄化性能を向上させることができる利点がある。また、メタル担体を用いることで触媒を容易に形成することができるという利点がある。

以下、図面により、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置について説明すると、図１は本発明の要部を示す模式図であって、図２は本発明が適用されるエンジンを示す模式図である。
図２に示すように、エンジン２の排気ポート２ａには排気マニホールド４の一端が接続されるとともに、排気マニホールド４の他端には排気管６が接続されている。また、排気管６にはその下流側において図示しないマフラーが接続されている。そして、これら排気マニホールド４及び排気管６により排気通路８が構成されている。また、エンジン２の吸気ポート２ｂには、吸気通路１０が接続されている。

また、排気管６の途中（車両床下に相当する位置）には、排気浄化触媒装置（単に触媒とも言う）１６が設けられている。ここで、本実施形態においては、排気浄化触媒装置１６は、一つのケーシング内１６ａ内に排気の流方向に沿って２つの触媒１２，１４が配設されたタンデム触媒システム（以下、単にタンデム触媒という）であって、ここでは例えば前段触媒（上流側触媒）１２および後段触媒（下流側触媒）１４は三元触媒である。なお、本発明においては触媒の数や種類は上述に限定されず、３つ以上の他の種類の触媒を適宜組み合わせることが可能である。例えば、触媒の種類としては、HCトラップ触媒やNOxトラップ触媒などでもよい。

ところで、すでに説明したように、排気通路８内の排ガスの流れについて本願発明者らが詳細に検討したところ、タンデム触媒の排ガス浄化性能の優位性は排ガスのミキシングのみではなく、図４に示すような排気通路内で生じる排ガスの逆流の影響が大きいことを見出した。本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置は、このような知見に基づいて触媒の形状等を規定し、より一層の改良を図ったものである。

以下、排ガスの流れに関する検討内容について説明する。
〔温度分布〕
触媒活性を解析するため、タンデム触媒とシングル触媒とについて、実車運転中の触媒内の温度分布を計測した。実車の運転は、過渡運転を含む２０ｋｍ／ｈ走行と、定常運転での２０ｋｍ／ｈ走行とを実施した。

過渡運転を含む２０ｋｍ／ｈ走行において、タンデム触媒の前段触媒と後段触媒との平均温度は、ともにシングル触媒の相当位置の平均温度に比べて高かった。なお、シングル触媒の相当位置とは、タンデム触媒の前段触媒及び後段触媒の各計測位置に相当する位置であって、より具体的には、シングル触媒の前端寄り計測位置（前段触媒に相当）及び略中間の計測位置（後段触媒に相当）である。

ここで、特筆すべき点は、タンデム触媒の前段触媒及び後段触媒の各温度上昇を、シングル触媒の各相当位置における温度上昇と比べたとき、前段触媒のほうが後段触媒よりも上昇度合いが大きかったことである。さらに、定常走行におけるタンデム触媒の前段触媒と後段触媒との平均温度はともにシングル触媒の相当位置に比べて高かった。
〔考察〕
タンデム触媒はシングル触媒に比べて前段触媒及び後段触媒の各々の容量が小さい。そのため、過渡運転を含む場合においては、加速時・減速時の運転変化の影響を受けて触媒における反応が促進されやすくなることから、タンデム触媒の方がシングル触媒よりも容量が小さい分温度上昇が早くなる可能性がある。しかしながら、熱容量の影響がない定常運転の場合においても、タンデム触媒については、後段触媒だけでなく前段触媒についてもがシングル触媒より高い触媒温度となっていることが特徴的である。このことは、以下に述べる排気逆流（逆流れともいう）の影響が大きいことを示している。
〔排気逆流れ〕
エンジン出口で生成される排ガス流は間歇流である。この排ガス流が排気通路８内に至ると、主に以下（１）〜（３）のような理由から逆流れが発生すると考えられる（図３参照）。
（１）排気弁が開いた後、筒内圧と排圧との差によって生成される筒内への排気逆流。例えば排気弁が開いた後、ピストンが下死点に移動する期間に生成される筒内への排気逆流（図３左側参照）。
（２）バルブオーバラップ期間中に吸気弁へと吹き返す排気流れ（図３右側参照）。
（３）排気管内の排ガスが冷却されることに起因する体積の減少（図３中央参照）。

以上から、排気通路内での排ガス流は、シリンダから排気管に向かう通常の排気の流れ（順流れ）と、その逆方向の流れ（逆流れ）とが存在していると予測できる。
なお、先に述べたタンデム触媒の前段触媒の温度がシングル触媒に比べて高い要因を特定するために、排気管内のガス流れを、点火スパークを用いた放電タフト法によって観察した。この結果、確かに排気管内では、シリンダから触媒方向に向かう流れ（順流れ）だけでなく、反対方向の流れ（逆流れ）もが発生していることを確認できた。

すなわち、排気は、前段触媒によって、順方向に通過するときに浄化されるだけでなく、逆方向に通過するときに再度浄化されることとなる。
このとき、排気流れが順流れから逆流れに反転する際には瞬間的に流れが一旦止まるが、その際には上流―下流方向の慣性がないために、前段触媒１２と後段触媒１４との間に形成された隙間１８においては径方向の流れが生じ、ガス濃度の均一化が促進される。

したがって、隙間１８のガスの熱及び未反応物質が、前段触媒１２内に均一に流入し、順流れの際には十分に浄化されなかった未反応物質が反応・浄化されるとともに、順流れでは反応が活発化しなかった触媒領域にも、触媒反応の促進がもたらされる。このため、前段触媒１２の活性が高まり、その反応熱は後段触媒１４入口の排ガス温度を上昇させ、後段触媒１４の浄化性能をも向上させることとなる。

ここで、図５（ａ）に示すように、順流れ（図中左から右へと向かう流れ）の場合は、触媒１６の入口（ケーシング１６の入口部分１６ａ′）で排気管径が拡大するため、前段触媒１２に流入する排気の流速分布は中央で速く、中央から離れるほど遅くなる。しかし、図５（ｂ）に示すように、逆流れ（図中右から左へと向かう流れ）の場合は、排気管径変化の影響を受けることなく前段触媒１２に流入する。このため、理論的には、前段触媒１２内の逆流れの流速分布は均一になるはずであると考えられる。

しかしながら、前段触媒１２の直上流は下流から上流（図５で右方向から左方向）に見た場合、触媒１６の入口（ケーシング１６ａの入口部分１６ａ′）において徐々に径が狭くなるコーン形状となっており、排気が逆方向に流れるのを妨げる形状となっている。このため、特に前段触媒１２の外周部においては逆方向の流れは十分に発達せず、少なくとも隙間１８のガスは前段触媒１２の前端外周部には到達しない。このため、実際の排ガスの逆流れの流速分布は、図６に示すように触媒軸中心から離れるほど流速が低下するような特性となる。この結果、前段触媒１２の前端縁部は、逆流れに対して、触媒としての機能を有効に活用していないということができる。換言すると、前段触媒１２の前端縁部の担体に担持された貴金属は、利用効率が低いと考えることができる。

そこで、上述のような知見に基づき、触媒１６を以下のように設定した。即ち、図１に示すように、ケーシング１６ａ内において、最前段の触媒（前段触媒）１２の前端縁部を排ガスの逆流の流速分布に略沿った形状となるように形成した。つまり、排気逆流の流速が高い部分ほど触媒１２の前端が前方（上流）に位置し、流れ方向の触媒の長さが長くなるように形成し、逆に、流速が低い部分ほど触媒１２の前端が後方（下流）に位置し、流れ方向の触媒の長さが短くなるように形成した。特に、本実施形態では前段触媒１２の前端部が円錐台形状となるように形成した。より具体的には、図１に示すように、側面視において、触媒１２の軸中心に対して所定角度傾斜する直線により前端縁部を全周に亘りカットすることで、テーパ周面１２ａを有する円錐台形状に形成した。なお、ここでいうカットとは、必ずしも加工上の切断を意味するものではなく、「従来存在していた部分を形成しない」ということを意味する。

また、本実施形態においては、成形性を考慮して前段触媒１２の担体は通常のセラミックではなくメタル（金属）を母材としている。つまり、図１に示す前段触媒１２の形状に担体を形成する場合、セラミック担体では円筒状の担体を形成した後、前端縁部を切り落とす或いは削り落とす作業が必要になり、この分だけ無駄が生じるうえ、削除された部分の材料のコストも無駄となり、結果としてコスト増を招くことになる。

そこで、前段触媒１２については、薄い金属板を巻いて形成された、いわゆるメタル担体が適用されている。このようなメタル担体では、形状の自由度が大きく、比較的容易に且つ低コストで図１に示すような形状の触媒１２を形成することができる。
なお、前段触媒１２の担体は、例えば、壁厚／セル密度の仕様は３０μm/６００cpsiであり、後段触媒１４の担体は同じく３０μm/６００cpsiである。ここで、cpsiは１平方インチあたりのセル数を示す単位である。ただし、各触媒１２，１４の仕様は上記の数値に限定されるものではなく、エンジンの仕様や要求される性能等に応じて種々変更可能であるのは言うまでもない。

ここで、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置全体の作用について述べる。
エンジン２から排出された間歇的な排ガスは排気通路８を通って触媒１６に到達する（図２参照）。すると、触媒１６においては、上述した排ガスの逆流により、前段触媒１２と後段触媒１４との間の隙間１８に存在する未反応物質を含む排ガスとその熱が再度前段触媒１２に向かうこととなる（図４等参照）。この結果、排ガスは前段触媒１２により再度浄化されるとともに、前段触媒１２の反応が促進され触媒効率が高められる。

また、本実施形態では、排ガスの逆流れが十分に生じない前段触媒１２の前端外周部を排気逆流れの流速分布に略沿った形状に形成することにより、コスト低減を図ることができる。すなわち、排気逆流れが十分に届かない個所である前段触媒１２の前端外周縁部を切り欠いたような形状に形成することにより、触媒１２に担持された貴金属が有効利用されない個所（利用効率の低い個所）がなくなり、この分だけ触媒１６に使用する貴金属量を低減することができ、コスト低減を図ることができる。なお、このように前段触媒１２で低減することができる貴金属を、例えば後段触媒１４に用いてもよく、このように構成することにより、従来と同等のコストで排ガス浄化性能の向上を図ることができるという利点がある。

次に、上述した実施形態の変形例について説明すると、図７（ａ）はその一例を示す図である。さて、この第１の変形例では、触媒１２′の前端縁部がカットされている点においては上述の実施形態と同じであるが、本変形例では前段の触媒１２′の前端縁部のみならず、前端部が略全面に渡って円錐状にカットされている。そして、このように形成しても上述と略同様の作用効果を得ることができる。

また、図７（ｂ）は第２の変形例を示す図であるが、この第２の変形例では、触媒１２″の前端縁部が排ガスの逆流の流速分布に略沿うように曲面状にカットされており、この点で第１変形例と異なる。即ち、この第２変形例の場合は、図示するように、側面視において、触媒１２″の前端部分が上流側に凸となるように丸みを帯びて形成されており、より実際の流速分布に近い形状に形成されている。したがって、このように形成した場合にも上述した実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、これら以外にも、触媒の前端縁部が排ガスの逆流の流速分布に略沿った形状に形成されていれば、細部については成形性やコスト等を考慮して種々変形してもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば上述した実施の形態では、タンデム触媒として、同一のケーシング内に２つの触媒が直列に設けられた場合について説明したが、触媒を３つ以上設けても良い。このような場合であっても、少なくともケーシング内の最前段の触媒の前端縁部を排ガスの逆流の流速分布に略沿った形状に形成することにより、上述の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、上述では前段触媒１２の担体が薄い金属板を巻いて形成されたメタル担体である場合について説明したが、セラミック等公知の材質で担体を形成してもよい。この場合、円筒形の担体を形成した後、前端縁部を削ったり切断したりすることで、触媒１２の前端縁部を排ガスの逆流の流速分布に略沿った形状に形成してもよいし、可能であれば予め触媒１２の前端縁部を排ガスの逆流の流速分布に略沿った形状に形成してもよい。

尚、排ガスを発生するエンジンの種類としては、排ガスが排気管内を逆流するものであれば、上述のようなエンジンに限らず、ガソリン筒内噴射エンジン、ディーゼルエンジン等どのようなものでもよい。

本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置の要部構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置が適用されるエンジン付近の構造を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置における排気逆流れの発生メカニズムついて説明する図である。 本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置における排気逆流れの状態を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置における排ガスの流れについて説明する図であって、（ａ）は順流れの流速分布を示す図、（ｂ）は逆流れの流速分布を示す図である。 本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置における排ガスの流速分布について示す図である。 （ａ），（ｂ）はいずれも本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置の変形例を示す図である。

符号の説明

２ エンジン
４ 排気マニホールド
６ 排気管
８ 排気通路
１０ 吸気通路
１２ 前段触媒（上流側触媒）
１４ 後段触媒（下流側触媒）
１６ 排気浄化触媒装置（タンデム触媒）
１６ａ ケーシング
１８ 隙間

Claims (5)

1. 同一のケーシング内に少なくとも２つ以上の触媒が排気流れ方向に沿って直列に配設されるとともに、互いに隣接する各触媒間に隙間が形成された排ガス浄化装置であって、
   少なくとも該ケーシング内の最前段の触媒の前端縁部が、該排ガスの逆流の流速分布に略沿った形状に形成されており、
   且つ該ケーシング内の最前段の触媒の後端縁部が、平面状に形成されている
   ことを特徴とする、排ガス浄化装置。
2. 該逆流の流速分布とは、該ケーシングを含む排気通路内に間歇的に生じる該排ガスのエンジン方向への流れの流速分布である
   ことを特徴とする、請求項１記載の排ガス浄化装置。
3. 該ケーシング内の最前段の触媒の前端縁部が、円錐面状にカットされている
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載の排ガス浄化装置。
4. 該ケーシング内の最前段の触媒の前端縁部が、曲面状にカットされている
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載の排ガス浄化装置。
5. 該触媒はメタル担体により形成されている
   ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。

Images