JP5219064B2 - 内燃機関の排気ガス浄化用の触媒ユニット並びにこれを用いた排気系システム - Google Patents

Description

本発明は、自動二輪車等に適用することが好適な内燃機関の排気ガス浄化用の触媒ユニット並びにこれを用いた排気系システムに関するものである。

従来、自動車に比べて環境負荷が少ないとされていた小型の自動二輪車についても、近時排ガス浄化のための装置を設けることが法定されつつあり、それに適した装置に関する開発が鋭意なされている。
その一例として触媒ユニットのレイアウトの工夫により排気ガスの浄化性能を向上させようとする試みもなされている。その中で触媒機能材を多段に配する技術思想は既にあるが、貴金属、希少金属等を多く含む触媒機能材は、それ自体相応のコストがかかっており、現実には性能の追及とコストとの関連を見極めた設計をせざるを得ず、単純に多段化ができない。

加えて自動二輪車の場合、エキゾーストパイプから消音器ユニットまでのレイアウトもコンパクトなものが要求され、触媒機能のみを追及するだけでは足りず、コンパクトなシステムとしなければならない。更にまた一般に触媒装置は、一定の高温雰囲気でこそ充分な機能を発揮するものであるが、近時インジェクションによる燃料供給が普及するにつれ、これに起因して別途技術課題が指摘されている。即ち、インジェクション使用の内燃機関は、燃料の供給量を微妙に調整することができるので、エンジンの始動直後であっても、走行に支障がない程度のエンジン回転の維持ないしは上昇を得られることから、従来のいわゆる暖気運転の励行はむしろ否定され、結果的に消音器が充分に温まらない状態で走行が開始され、この段階であっても触媒が機能することが求められるようになってきた。

これに対する技術的な解決手法は、直接高温の排気ガスを受けることができるエンジンユニットの排気口に近い位置に触媒を配置することが考えられるものであるが、このような対応は、四輪自動車では可能であるものの、自動二輪車等において直ちにこのような対応手法が採り得るものではない。その理由は、既に述べたようにエンジンユニットから消音器に至る間のエキゾーストパイプの形状は、フレームをはじめとして補機類等の干渉を避ける為に複雑に湾屈曲しており、現実には消音室ユニットとの接続部位に近いストレート形状が維持されている部位、すなわちエンジンの排気口から離れ、周辺雰囲気がエンジン起動直後に直ちに高温になりえない部位にしか設けることができない（特許文献１、２）。その結果、充分な排気ガスの浄化機能を発揮することができないまま、走行に至る状況も生じていた。
特開２００５−１８６０２７号公報 特開２００５−１８８４７４号公報

本発明は、これらの種々の背景を考慮してなされたものであって、本出願人の独自製品として好評を得ている商品名「パイプ・エスキャット」の手法であれば、たとえエキゾーストパイプが湾屈曲していても、それに応じた形状を取り得るのではないかとの着想の下、新規な内燃機関の排気ガス浄化用の触媒ユニット並びにこれを用いた排気系システムの開発を試みたものである。

請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化用の触媒ユニットは、
エキゾーストパイプの内側に組みつけられるか、又はエキゾーストパイプとして機能する金属外筒と、
この金属外筒内に組み込まれるコアピースとを具えて構成され、且つこのコアピースは、単板状の素材から成り、径方向断面視で連続して曲板形成されたひだ状部を形成するものであると共に、この金属外筒とコアピースとは、それらの端部でスポット溶接により固着され、
更にコアピースは金属外筒に対し弾性的に押し縮められて嵌め込まれることによって互いに嵌まり合いが維持され、
且つ金属外筒内面とコアピースとには、触媒機能材が設けられ、前記スポット溶接後にこれら金属外筒とコアピースとが全体としてエキゾーストパイプの形状に合わせた湾屈曲形状とされ、この湾屈曲によって金属外筒とコアピースとの嵌まり合いの強さが強化されていることを特徴として成るものである。

請求項２記載の内燃機関の排気ガス浄化用の触媒ユニットは、前記要件に加え、
前記コアピースについては、パンチングメタルが適用されていることを特徴として成るものである。

請求項３記載の内燃機関の排気ガス浄化用の触媒ユニットは、前記請求項２記載の要件に加え、
前記コアピースと金属外筒とがそれらの端部において固着が図られる部位は、パイプの断面方向にみて直径線を基準にして、湾屈曲する内側の範囲で行われていることを特徴として成るものである。

請求項４記載の内燃機関の排気ガス浄化用の触媒ユニットは、前記要件に加え、
前記固着が図られる部位は、コアピースを径方向断面視で、一対の自由端寄りの部位においてなされていることを特徴として成るものである。

請求項５記載の内燃機関の排気ガス浄化用の触媒ユニットを用いた排気系システムは、
内燃機関の排気ガスを浄化するための触媒ユニットを具えた排気系システムであって、このシステムは、エキゾーストパイプの湾屈曲した部位において、その湾屈曲した状態に合わせたパイプ状の形状を有する請求項１、２、３または４記載の触媒ユニットを設けていることを特徴として成るものである。

まず請求項１記載の発明によれば、排気系システム内において、より適切な部位に触媒ユニットを設けることを可能としている。またコアピースと金属外筒との一体化が確実になされると共に、触媒ユニットをエキゾーストパイプの湾曲形状に合わせるに当たってその曲成加工が円滑に行われる。

また請求項２記載の発明によれば、コアピースに充分な触媒機能材を形成することができ、より効果的な排気ガスの浄化を図ることができる。

また請求項３、４記載の発明によれば、触媒ユニットをエキゾーストパイプ等の湾曲形状に合わせるにあたり、その曲成加工が円滑に行われる。

また請求項５記載の発明によれば、触媒ユニットをエンジン起動直後から充分に作用させることができるよう、最適な排気系システムのレイアウトを採り得る。

本発明を実施するための最良の形態は、以下述べる実施例をその一つとするものであると共に、この技術思想に基づく種々の改良した実施例も含むものである。

以下、本発明を図示の実施例に基づいて具体的に説明する。
まず図１の符号Ｍは、本発明の内燃機関の排気ガス浄化用の触媒ユニット並びにこれを用いた排気系システムを適用した一例である自動二輪車を示すものである。この自動二輪車ＭのエンジンユニットＥからの排気ガスＧの排出経路途中に、本発明の排気系システムを搭載する。具体的には、触媒ユニット１は、消音器ユニット２内と、その前段に位置するエキゾーストパイプ３内と、それぞれの接続部の近くとに設けるものである。

以下触媒ユニット１について具体的に説明する。この実施例では、触媒ユニット１の有効な作用を期待すべく、触媒ユニット１を直列的に少なくとも３連以上に亘って設けるものであり、それぞれを一次触媒ユニット１Ａ、二次触媒ユニット１Ｂ、三次触媒ユニット１Ｃとする。まず触媒ユニット１は、一例としてパイプ状の金属外筒１１と、その内部に納められるコアピース１２とを具えて構成される。
このコアピース１２は、例えば図示の実施例においては一次触媒ユニット１Ａと二次触媒ユニット１Ｂとについては、金属板を径方向断面視で連続して曲成したひだ状部１２Ａ付のものが適用される。このものが金属外筒１１に嵌め込まれることにより、金属外筒１１の内部に筒の長手方向に沿ういくつかのスペースが区画されるように構成される。そして金属外筒１１の内面、コアピース１２の両表面には、白金などの触媒機能材１３を担持させたものである。もちろんコアピース１２は、単板状の素材を出発素材とするほか、パイプを出発素材とし、これを塑性変形させてひだ状部１２Ａを形成したものであってもよい。

因みに、このものは、本出願人が「パイプ・Ｓ―Ｃａｔ．（エスキャット）」の商品名（登録商標）のもとに既に製造販売しているタイプを応用するものであり、特開２００５−１８６０２７号公報、特開２００５−１８８４７４号公報等に開示された構成を適用したものである。
また三次触媒ユニット１Ｃについては、図２に示すように一例としてこれらとは異なり従来の平板状の金属製のライナー１２ａに対し、フルート材１２ｂを一体としたものを螺旋状に巻き取ったいわゆるハニカム状のコアピース１２の表面に対して白金などの触媒機能材１３を担持させたものを適用している。

このうち本発明の特徴を示すものは一次触媒ユニット１Ａであり、このものは前記金属外筒１１とコアピース１２とが共に途中に湾屈曲部Ｚ１を有するものである。なお、この湾屈曲のための製造工程は、先ず金属外筒１１内にコアピース１２を装填し、その端部をスポット溶接加工により固定するものである。
なお図中の符号１４は、このスポット溶接部を示したものであり、このスポット溶接部１４は、次に述べる一次触媒ユニット１Ａを湾屈曲させるにあたってこれを円滑に加工するためには、次のような条件で行うことが好ましい。
即ち金属外筒１１の長手方向に見た場合には、図２に示すようにこのスポット溶接部１４は一方の端部寄りであり、且つ金属外筒１１の断面方向に見た場合には、褶曲状態に曲成されたコアピース１２の自由端側が溶接固定され、且つその断面方向における溶接加工は、図３に示すように水平方向における直径線より湾屈曲内側（図中では上方）の位置であることが好ましい。

そして、このような状態で金属外筒１１ないしはコアピース１２の表面に対し触媒機能材を塗着加工する前に、パイプベンダー等によって一次触媒ユニット１Ａを湾屈曲させる。図１、２に示す実施例においては、一方の端部に寄った部位を湾屈曲部Ｚ１とするものであり、長手方向に視た場合における湾屈曲部Ｚ１側に寄った部位においてスポット溶接部１４が形成されていることが好ましい。因みに、このような湾屈曲部Ｚ１が許容されるのは、先に述べられた「パイプ・Ｓ―Ｃａｔ．（エスキャット）」タイプの一次触媒ユニット１Ａが適用されるからであり、このように屈曲させた場合であってもスポット溶接部１４で金属外筒１１とコアピース１２とが確実に固定されて、且つその他の範囲については、コアピース１２が弾性的に押し縮められて、金属外筒１１内に嵌められている状態であるから、互いの嵌り合いが確実に維持されているのである。加えて、互いの嵌り合いの強さは、湾屈曲加工することにより更に強化される傾向を有する。

本発明の一次触媒ユニット１Ａは、このように途中が屈曲した形状のものであり、以下内燃機関の排気ガス浄化用の触媒ユニットが組み込まれた排気系システムについて述べる。先に述べたように二次触媒ユニット１Ｂ、および三次触媒ユニット１Ｃとは、消音器ユニット２内部に収められているが、一次触媒ユニット１Ａは、図１、２に示すようにエンジンユニットＥの排気口に比較的寄ったエキゾーストパイプ３の途中に内嵌めされるように設けられる。即ち、このエキゾーストパイプ３は、エンジンユニットＥに取り付けるフランジ３１に続いて、一例として２箇所程度の屈曲部を設けるものであって、中間屈曲部Ｂ１と排気口に更に寄った始端屈曲部Ｂ２において湾屈曲した形状を取る。そして前記エキゾーストパイプ３の後端から中間屈曲部Ｂ１の直前より前方の部位まで先に述べた一次触媒ユニット１Ａが内嵌めされるように固定されている。即ち、エキゾーストパイプ３の中間屈曲部Ｂ１に対応した湾屈曲形状が、先に述べた一次触媒ユニット１Ａにおける湾屈曲部Ｚ１であり、この状態であたかも二重構造となるような状態でエキゾーストパイプ３内に組みつけられているのである。もちろん、この組付けにあたっては、一次触媒ユニット１Ａの湾屈曲部Ｚ１を許容しながら、エキゾーストパイプ３に組み付けることが可能になるように、両者の径寸法が決められるものであり、例えばエキゾーストパイプ３の径は、幾分か一次触媒ユニット１Ａより太径となっており、組付後にその間の空間は断熱材３４が充填される。
なおエキゾーストパイプ３のフランジ３１から一次触媒ユニット１Ａの先端までの間には、別途インナーチューブ３３が設けられ、エキゾーストパイプ３におけるインナーチューブ３３の外側の空間には同様に、断熱材３４が充填される。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化用の触媒ユニット並びにこれを用いた排気系システムは、以上述べたような具体的な構成を有するものであり、一次触媒ユニット１ＡがエンジンユニットＥのフランジ３１により近づいた位置に設けられることから、エンジン始動直後の周辺機材が高温にならない状態であっても、排気ガスＧを直接受け、充分な高温雰囲気に晒されて触媒反応を呈し、エンジン始動直後から充分な排気ガスＧの浄化機能を発揮するものである。

〔他の実施例〕
本発明は以上述べた実施の形態を一つの基本的な技術思想とするものであるが、更に次のような改変が考えられる。
まず本発明は、いわば既存の考えによるエキゾーストパイプ３の内に触媒ユニット１を挿入したような形状を採るが、極端に言えば、図４に示すように触媒ユニット１を直接ないしは外筒１７を設けて、それ自体が直接エキゾーストパイプ３として機能するような形状としてもよい。
もちろんその場合、取り付け等を考慮して例えば図４に示すようにフランジ１８を設ける。このようにした場合、触媒機能つきエキゾーストパイプとしての実体となる。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化用の触媒ユニットを用いた排気系システムを適用したスクーターを示す側面図と、この排気系システムの構造を示した縦断面図である。 本発明の排気系システムに用いられる触媒ユニットの配置を示した縦断面図並びにそれらの触媒ユニットを示した斜視図及び縦断面図である。 本発明の触媒ユニットの取付状態を示した側面図並びに断面図である。 本発明の触媒ユニットに関する他の実施の形態を示した側面図並びに断面図である。

１ 触媒ユニット
１Ａ 一次触媒ユニット
１Ｂ 二次触媒ユニット
１Ｃ 三次触媒ユニット
１１ 金属外筒
１２ コアピース
１２ａ ライナー
１２ｂ フルート材
１３ 触媒機能材
１４ スポット溶接部
１７ 外筒
１８ フランジ
２ 消音器ユニット
３ エキゾーストパイプ
３１ フランジ
３３ インナーチューブ
３４ 断熱材
Ｂ１ 中間屈曲部
Ｂ２ 始端屈曲部
Ｅ エンジンユニット
Ｍ 自動二輪車
Ｇ 排気ガス
Ｚ１ 湾屈曲部

Claims (5)

1. エキゾーストパイプの内側に組みつけられるか、又はエキゾーストパイプとして機能する金属外筒と、
   この金属外筒内に組み込まれるコアピースとを具えて構成され、且つこのコアピースは、単板状の素材から成り、径方向断面視で連続して曲板形成されたひだ状部を形成するものであると共に、この金属外筒とコアピースとは、それらの端部でスポット溶接により固着され、
   更にコアピースは金属外筒に対し弾性的に押し縮められて嵌め込まれることによって互いに嵌まり合いが維持され、
   且つ金属外筒内面とコアピースとには、触媒機能材が設けられ、前記スポット溶接後にこれら金属外筒とコアピースとが全体としてエキゾーストパイプの形状に合わせた湾屈曲形状とされ、この湾屈曲によって金属外筒とコアピースとの嵌まり合いの強さが強化されていることを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化用の触媒ユニット。
   
2. 前記コアピースは、パンチングメタルが適用されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化用の触媒ユニット。
   
3. 前記コアピースと金属外筒とがそれらの端部において固着が図られる部位は、パイプの断面方向にみて直径線を基準にして、湾屈曲する内側の範囲で行われていることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気ガス浄化用の触媒ユニット。
   
4. 前記固着が図られる部位は、コアピースを径方向断面視で、一対の自由端寄りの部位においてなされていることを特徴とする請求項１、２または３記載の内燃機関の排気ガス浄化用の触媒ユニット。
   
5. 内燃機関の排気ガスを浄化するための触媒ユニットを具えた排気系システムであって、このシステムは、エキゾーストパイプの湾屈曲した部位において、その湾屈曲した状態に合わせたパイプ状の形状を有する請求項１、２、３または４記載の触媒ユニットを設けていることを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化用の触媒ユニットを用いた排気系システム。

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