JP6319412B1 - エンジンの排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の触媒を備えたエンジンの排気装置において、触媒に対する熱害を抑制しつつ、触媒の利用効率や機能・性能、制御用デバイスの搭載性に優れたコンパクトな排気装置を提供する。【解決手段】複数の触媒を備えたエンジンＥの排気浄化装置１において、三元触媒２の外周面を三元触媒２及びＧＰＦ３を接続する接続管４により面支持させるようにした。【選択図】図９

Description

本発明は、エンジンの排気装置に関するものである。

従来より、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等の自動車エンジンの排気ガス温度の高い排気経路の上流に、排気ガスを浄化するための複数の触媒を直列に配置することが行われている。

その際、排気ガス流れ方向上流側の触媒を同下流側の触媒に対して横方向に配置することが知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

特許文献１では、排気ガス処理ユニットのコンパクト化を目的として、ハウジング内において、第２の排気ガス処理ユニットの側面と第１の排気ガス処理ユニットの上流端側の少なくとも５０％とが重なりを形成するように、第１の排気ガス処理ユニットと第２の排気ガス処理ユニットとをほぼ垂直方向に配置する技術が開示されている。

特許文献２では、装置内部を早期に暖気することを目的として、上流側の触媒担持ハニカム構造体の中心軸と、下流側のハニカムフィルタの中心軸とが、互いに６０度〜１２０度の角度をなすように両者を配置するとともに、触媒担持ハニカム構造体の長手方向の長さ２０〜５０％の長さ範囲の外周面が排気ガスに曝されるように構成する技術が開示されている。

特表２０１２−５２９５９２号公報 特開２０１１−１１７４０９号公報

しかしながら、特許文献１のものでは、第２の排気ガス処理ユニットを通過した排気ガスが第１の排気ガス処理ユニットに流入するときに、重なり部分とそれ以外への排気ガスの流れを均一化することが困難となり、重なり部分における第１の排気ガス処理ユニットの利用効率が低下することが懸念される。また、重なり部分により、排気ガスの流れが不均一化することで、排気ガスの流速が高まる部分が生じ、通気抵抗が増大して出力が低下する虞がある。さらに、重なり部分が狭小となるため、第１及び第２の排気ガス処理ユニット間への各種センサなどの制御用デバイスの搭載性が低下する虞がある。

また、特許文献１，２のものでは、上流側の触媒に対するハウジングによる支持は開口部付近のみに限られており、ハウジング内部ではハウジング内壁から離間して構成されている。そうすると、上流側の触媒は、下流側の触媒に流入する前の高温の排気ガスに常に曝されることとなり、上流側の触媒の熱害が懸念される。

そこで本発明では、複数の触媒を備えたエンジンの排気装置において、触媒に対する熱害を抑制しつつ、触媒の利用効率や機能・性能、制御用デバイスの搭載性に優れたコンパクトな排気装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明では、複数の触媒を備えたエンジンの排気装置において、第１触媒の外周面を第１触媒及び第２触媒を接続する接続部材により面支持させるようにした。

すなわち、ここに開示する第１の技術に係るエンジンの排気装置は、エンジンの排気経路上に配設され、該エンジンから排出される排気ガスを浄化するための第１触媒と、前記第１触媒の排気ガス流れ方向下流側に配置され、該第１触媒を通過した排気ガスを浄化するための第２触媒と、前記排気経路の一部を形成するとともに前記第１触媒と前記第２触媒とを接続する管状の接続部材とを備え、前記接続部材は、排気ガス流れ方向上流側の第１開口と、排気ガス流れ方向下流側の第２開口とを備えており、前記第１触媒は、その終端面側から前記第１開口を通じて前記接続部材内に挿入されており、前記第２触媒は、その始端面側から前記第２開口を通じて前記接続部材内に挿入されており、前記第１触媒の前記終端面と、前記第２触媒の前記始端面とは、互いに６０度以上１２０度以下の二面角をなしており、前記第２触媒の前記始端面は、前記第１触媒の側面によりその一部が覆われて重複部分が形成されており、前記接続部材は、前記第１触媒の外周面を面支持する支持面を備えており、前記支持面は、前記第１触媒に対し、前記第２触媒と反対側に位置する該第１触媒の外周面を面支持しており、前記支持面は、前記第１触媒を前記終端面側から見たときに、前記第１触媒の中心軸周りの角度が１８０度以上の範囲で、該第１触媒の外周面を面支持していることを特徴とする。

第１の技術によれば、第１触媒と第２触媒との重複部分を形成することにより、排気装置をコンパクト化させることができる。そして、接続部材に形成された十分な面積の支持面によって第１触媒の外周面を面支持させることにより、第１触媒の支持性を向上させるとともに、排気装置をさらにコンパクト化させることができる。また、第１触媒が自身を通過した後の高温の排気ガスに常に曝されることによる熱害を低減し、第１触媒の劣化を抑制することができる。そうして、エンジンの排気装置のコンパクト化を実現しつつ触媒の熱害を抑えて触媒の利用効率や機能・性能、制御用デバイスの搭載性を向上させることができる。

第２の技術は、第１の技術において、前記第１触媒は、排気ガスを浄化するためのキャタリスト本体と、前記キャタリスト本体の外周全体を覆う高耐熱性を有するキャタマットと、前記キャタマットの外周全体を覆うキャタケースとを備えている。

第２の技術によれば、第１触媒を通過後の排気ガスによる第１触媒に対する熱害のリスクを効果的に低減させることができる。

第３の技術は、第１又は第２の技術において、前記第１触媒の始端面を含む先端部分は、前記接続部材から突出している。

第３の技術によれば、第１触媒の先端側を接続部材の外側に突出させることで、第１触媒の先端側の熱害を抑制することができ、第１触媒全体に対する熱害のリスクを低減させることができる。

第４の技術は、第３の技術において、前記第１触媒は、排気ガス流れ方向上流側に配置された前段部と、排気ガス流れ方向下流側に配置された後段部とを備えた２段構成であり、前記前段部は、低温活性に優れた触媒であり、前記後段部は、高温活性に優れた触媒である。

前段部は、エンジン運転始動時等の排気ガス温度が低い場合の排気ガス浄化に適した触媒であるため、高温の排気ガスに曝されることによる熱害の影響が高くなる。第４の技術によれば、前段部を接続部材内から外側に突出させることにより、通常運転時等においても接続部材内に充満した高温の排気ガスに曝されることがなくなり、前段部の熱害による劣化を効果的に防止することができる。

以上述べたように、本発明によると、エンジンの排気装置のコンパクト化を実現しつつ触媒の熱害を抑えて触媒の利用効率や機能・性能、制御用デバイスの搭載性を向上させることができる。

図１は、実施形態１に係る排気浄化装置がエンジンに取り付けられた状態を模式的に示す側面図である。 図２は、図１の模式的な平面図である。 図３は、図１の排気浄化装置を示す側面図である。 図４は、図１の排気浄化装置における触媒装置部分の平面図である。 図５は、図３のＶ−Ｖ線における断面図である。 図６は、図５において、排気ガスの流れを模式的に示した図である。 図７は、図３のＶＩＩ−ＶＩＩ線における断面図である。 図８は、図３のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線における断面図である。 図９は、図４のＩＸ−ＩＸ線における断面図である。 図１０は、三元触媒を挿入した状態の接続管を第２開口側から見た図である。 図１１は、図１０において、排気ガスの流れを模式的に示した図である。 図１２は、接続管を左上前方から見た斜視図である。 図１３は、ＧＰＦ終端部を前方から見た図である。 図１４は、実施形態１に係る排気浄化装置のレイアウトを示す斜視図である。 図１５は、図６の三元触媒及びＧＰＦの配置において、接続管の曲がり部の第２壁部曲率半径を大きくした場合の排気ガスの流れを模式的に示した図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

（実施形態１）
＜エンジン＞
実施形態１に係る排気浄化装置１（エンジンの排気装置）が適用されるエンジンＥは、自動車に搭載された直列４気筒ガソリンエンジンである。エンジンＥは、ＦＦ車両の前方に横置きされている。

なお、本実施形態１に係る排気浄化装置１が適用されるエンジンは、４気筒ガソリンエンジンに限らず、その他の多気筒エンジンや、ディーゼルエンジンにも適用することができる。また、ＦＦ車両に限らず、例えばＦＲ車両、ＭＲ車両、ＲＲ車両、４ＷＤ車両等、バイクも含め種々のレイアウトを採用する車両に適用可能である。

図１に示すように、エンジンＥは、シリンダブロックＥ１とシリンダヘッドＥ２とを備えている。詳細な図示は省略するが、これらシリンダブロックＥ１とシリンダヘッドＥ２とにより構成される第１気筒乃至第４気筒が順に図１の紙面に垂直な方向に直列に配置されている。そして、シリンダブロックＥ１のシリンダボアと、ピストンと、シリンダヘッドＥ２とにより、気筒毎に燃焼室が形成されている。

シリンダヘッドＥ２には、４つの燃焼室にそれぞれ接続された４つの排気ポート（図示せず）が形成されている。燃焼室において発生した排気ガスは、この排気ポートを含む排気経路を通じて車外に排出される。

＜排気経路＞
上述の排気ポートには、図１及び図２に示すように、本実施形態に係る排気浄化装置１が接続され、さらにその下流側に車外にまで続く下流側排気ガス通路（図示せず）が接続されている。このように排気浄化装置１が適用される排気経路は、上述の排気ポートと、排気浄化装置１と、下流側排気ガス通路とにより構成されている。

＜排気浄化装置＞
本実施形態に係る排気浄化装置１は、図１及び図２に示すように、エンジンＥの４つの排気ポートに接続された排気マニホールドＭと、排気マニホールドＭの出口に接続された接続部Ｎと、接続部Ｎの出口に接続された触媒装置Ｑとを備えている。

＜排気マニホールド＞
上記４つの排気ポートには、図１及び図２に示すように、排気マニホールドＭが接続されている。

排気マニホールドＭは、図２に示すように、４つの燃焼室から排気ポートを通じて排出される排気ガスを集約するためのものであり、４つの排気ポートに接続された独立排気管が右側に集合した構成となっている。排気マニホールドＭ内で集約された排気ガスは、排気マニホールドＭの出口に接続された接続部Ｎを介して触媒装置Ｑに送り込まれる。

＜接続部＞
接続部Ｎは、触媒装置Ｑの上側に配置された排気マニホールドＭから送り込まれた排気ガスを触媒装置Ｑに案内するための管状の部材である。本実施形態では、接続部Ｎは上側から左側へ湾曲したＬ字状の管状部材となっている。

＜方向＞
本明細書の説明において、「上下方向」及び「前後方向」とは、図１に示すように、エンジンＥを基準として、シリンダヘッドＥ２側を上側、シリンダブロックＥ１側を下側、エンジンＥ側を前側、排気マニホールドＭ側を後側とする方向をいうものとする。また、「左右方向」とは、図２に示すように、エンジンＥを基準として気筒の配列方向、言い換えると、図１の紙面に垂直であって、手前側を左側、奥側を右側とする方向をいうものとする。さらに、「上流」や「下流」は、燃焼室から排気ポートを通じて排出される排気ガスの流れる方向を基準とする。

なお、本実施形態において、「前後方向」は、図１に示すように、後述する第２触媒としてのガソリンパティキュレートフィルタ３（以下、「ＧＰＦ３」と称する。）のＧＰＦ中心軸Ｌ３と平行になっている。

＜触媒装置＞
触媒装置Ｑは、図２〜図４に示すように、接続部Ｎの出口に接続された第１触媒としての三元触媒２と、その下流側に配置された第２触媒としてのＧＰＦ３と、これら三元触媒２とＧＰＦ３とを接続する接続部材としての接続管４と、ＧＰＦ３の下流側の終端に設けられたＧＰＦ終端部７と、ＧＰＦ終端部７の先に設けられた排気ガス出口５及びＥＧＲ用取出口６とを備えている。

＜三元触媒＞
三元触媒２は、排気ガス中の炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯ、窒素酸化物ＮＯｘを浄化するための触媒である。三元触媒２は、詳細な説明は省略するが、例えばＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等の貴金属を金属酸化物からなるサポート材上に担持してなる触媒成分を、ハニカム担体上にコートしてなる触媒等が挙げられる。三元触媒２としては、特に限定されるものではなく、いかなる公知のものも用いることができる。

三元触媒２は、図５及び図９に示すように、三元触媒中心軸Ｌ２を有する円筒状の触媒である。三元触媒２の形状は、特に限定されるものではないが、排気経路への配設が容易であり、均一な排気ガス流れを得る観点から、筒状であることが好ましい。三元触媒中心軸Ｌ２に垂直な断面の形状は、特に限定されるものではなく、真円状、楕円状、矩形状、多角形状等のいかなる形状を採用することができるが、均一な排気ガス流れを得るとともに製造コストを抑える観点から、好ましくは真円状、楕円状である。

なお、図７に示すように、三元触媒２の上流側の端面を三元触媒始端面２Ａ（第１触媒の始端面）、下流側の端面を三元触媒終端面２Ｂ（第１触媒の終端面）とする。三元触媒始端面２Ａ及び三元触媒終端面２Ｂは、同一径の円形である。

図５、図７及び図８に示すように、三元触媒２は、排気ガスを浄化するためのキャタリスト本体として、上流側に配置された前段部２１と下流側に配置された後段部２２とを備えた２段構成である。前段部２１は、エンジンＥの低負荷運転時の低温の排気ガスの浄化を行う低温活性に優れた三元触媒である。また後段部２２は、高負荷運転時等の高温の排気ガスの浄化を行う高温活性に優れた三元触媒である。なお、本実施形態において、三元触媒２は、前段部２１及び後段部２２を備えた２段構成であるが、これに限られるものではなく、単一の触媒構成であってもよいし、さらに３つ以上に分割された多段構成であってもよい。

図７に示すように、三元触媒２の長手方向、すなわち三元触媒中心軸Ｌ２に平行な方向の全長をＨ２とすると、後段部２２の長さＨ２２に対する前段部２１の長さＨ２１の比Ｈ２１／Ｈ２２は約１である。前段部２１と後段部２２の長さの比Ｈ２１／Ｈ２２は、エンジンＥの種類等に応じて変化させることができるが、三元触媒２の優れた触媒性能を得る観点から、好ましくは０．５０以上２．０以下、より好ましくは０．７５以上１．２５以下である。

なお、図７に示すように、三元触媒２の三元触媒始端面２Ａを含む先端部分、すなわち前段部２１の先端部分は、接続管４から突出している。

前段部２１は、排気ガス温度が低い場合の排気ガス浄化に適した触媒であるため、高温の排気ガスに曝されることによる熱害の影響が高くなる。前段部２１を接続管４内から外側に突出させることにより、高負荷運転時等においても接続管４内に充満した高温の排気ガスに曝されることがなくなるため、前段部２１の熱害による劣化を効果的に防止することができ、三元触媒２全体に対する熱害のリスクを低減させることができる。

前段部２１は、全体を接続管４から突出させてもよいし、一部だけ突出させてもよい。また、前段部２１の長さＨ２１に応じて突出量を調整することができる。前段部２１の突出量は、低温活性に優れた触媒の熱害を防ぐ観点から、前段部の長さＨ２１の好ましくは５０％以上１００％以下、より好ましくは６０％以上９５％以下、特に好ましくは７０％以上９０％以下である。

なお、高温活性に優れた三元触媒を用いた後段部２２を設ける場合は、後段部２２も接続管４から突出させてもよいし、突出させなくてもよい。後段部２２は、高温の排気ガスに対して優れた浄化性能を示すことを考慮すると、排気浄化装置１のコンパクト化の観点から、後段部２２全体を接続管４内に挿入しておくことが好ましい。

さらに、図５に示すように、三元触媒２は、キャタリスト本体としての前段部２１及び後段部２２の外周全体を覆うキャタマット２３と、そのキャタマット２３の外周全体を覆うキャタケース２４とを備えている。

排気ガス温度は、軽負荷では４００℃前後の低ガス温である一方、高負荷では８００℃前後の高ガス温となる。そうすると、三元触媒２を通過した後の高温の排気ガスに、三元触媒２自身が常に曝されることで、三元触媒２が熱害により劣化する虞が生じる。

キャタマット２３は、高温の排気ガスに曝される環境下においても安定してキャタリスト本体としての前段部２１及び後段部２２を保持するためのものであり、例えばセラミックなどの高耐熱性、保温性を有する材料で形成されている。厚さは、三元触媒２の大きさやキャタマット２３の材料等に依存するものであり、特に限定されるものではないが、三元触媒２の熱害防止の観点から、例えば２．０ｍｍ以上８．０ｍｍ以下、好ましくは３．０ｍｍ以上５．０ｍｍ以下、より好ましくは３．６ｍｍ以上４．０ｍｍ以下とすることができる。２．０ｍｍより薄いと十分な保持性能・耐熱性能・保温性能を得ることが困難となる傾向があり、８．０ｍｍより厚いと製造コストの増加を招く虞や、制御用デバイス搭載用のスペース確保を困難とする虞がある。

キャタケース２４は、三元触媒２の前段部２１及び後段部２２並びにキャタマット２３を保持するためのものであり、例えば鉄、ステンレス鋼等の金属製である。なお、キャタマット２３及びキャタケース２４としては、公知のものを使用してもよい。

＜ＧＰＦ＞
ＧＰＦ３は、三元触媒２の下流側に配設されており、三元触媒２を通過した排気ガス中のパティキュレートマター（以下、「ＰＭ」と称する。）をトラップするためのフィルタである。ＧＰＦ３は、詳細な説明は省略するが、例えばハニカム担体等に目封じを施し、フィルタ機能を追加したものであり、フィルタに堆積したＰＭの燃焼を促進するため触媒コートを施したものが挙げられる。排気ガス中のＰＭはＧＰＦ３の隔壁表面に吸着され、ＰＭが堆積したところで、例えばＰＭ燃焼温度に高めるためメイン噴射の後に燃料を噴射するポスト噴射を行い、ＧＰＦ３に堆積したＰＭを焼却除去する。ＧＰＦ３としては、特に限定されるものではなく、いかなる公知のものも用いることができる。

ＧＰＦ３は、図１及び図２に示すように、ＧＰＦ中心軸Ｌ３を有する円筒状の触媒である。ＧＰＦ３の形状は、特に限定されるものではないが、排気経路への配設が容易であり、均一な排気ガス流れを得る観点から、筒状であることが好ましい。ＧＰＦ中心軸Ｌ３に垂直な断面の形状は、特に限定されるものではなく、真円状、楕円状、矩形状、多角形状等のいかなる形状を採用することができるが、均一な排気ガス流れを得るとともに製造コストを抑える観点から、好ましくは真円状、楕円状である。

図９に示すように、ＧＰＦ３の上流側の端面をＧＰＦ始端面３Ａ（第２触媒の始端面）、下流側の端面をＧＰＦ終端面３Ｂ（第２触媒の終端面）とする。ＧＰＦ始端面３Ａ及びＧＰＦ終端面３Ｂは、同一径の円形である。

なお、ＧＰＦ３は、三元触媒２と同様に、排気ガス浄化用のＧＰＦキャタリスト本体と、そのＧＰＦキャタリスト本体の外周全体を覆うＧＰＦキャタマットと、そのＧＰＦキャタマットの外周全体を覆うＧＰＦキャタケースとを備えている。ＧＰＦキャタマット及びＧＰＦキャタケースは、上述のキャタマット２３及びキャタケース２４と同様の目的で用いられ、これらと同様の構成のものを用いることができる。

＜接続管＞
接続管４は、三元触媒２とＧＰＦ３とを接続するための管状部材であり、排気経路の一部を形成している。

図１０に示すように、接続管４は、上流側の第１開口４Ａと、下流側の第２開口４Ｂと、これら第１開口４Ａと第２開口４Ｂとを接続する曲がり部４Ｃとを備えている。

図１０に示すように、三元触媒２は、三元触媒終端面２Ｂ側から第１開口４Ａを通じて接続管４内に挿入されている。一方、図５等に示すように、ＧＰＦ３は、ＧＰＦ始端面３Ａ側から第２開口４Ｂを通じて接続管４内に挿入されている。

−三元触媒とＧＰＦの相対配置−
図９は、図４におけるＩＸ−ＩＸ断面を示す図であるが、三元触媒２の三元触媒中心軸Ｌ２に垂直であり且つＧＰＦ３及び排気ガス出口５を通る断面を左側から見た図である。図９に記載された断面を以下「ＩＸ−ＩＸ断面」（縦断面）と称する。図９における符号ＰＬ３２で示す線は、ＧＰＦ３のＧＰＦ中心軸Ｌ３を含み且つ三元触媒２の三元触媒中心軸Ｌ２に平行な平面を示している。

図９に示すように、ＩＸ−ＩＸ断面上で、三元触媒２の三元触媒中心軸Ｌ２の位置は、平面ＰＬ３２、すなわちＧＰＦ３のＧＰＦ中心軸Ｌ３よりも下側にある。これにより、後述のごとく、排気マニホールドＭを三元触媒２の上方に配置させることができ、排気浄化装置１を車両内にコンパクトに配置させることができる。

そして、図５に示すように、三元触媒２の三元触媒終端面２ＢとＧＰＦ３のＧＰＦ始端面３Ａとは、曲がり部４Ｃ内で、二面角αが約９０度となるように配置されている。この二面角αは、この角度に限定されるものではないが、三元触媒２からＧＰＦ３への排気ガス流れを十分に確保する観点から、互いに好ましくは６０度以上１２０度以下、より好ましくは７０度以上１１０度以下、特に好ましくは８０度以上１００度以下である。

加えて、ＧＰＦ３のＧＰＦ始端面３Ａには、三元触媒２の側面によりその一部が覆われて重複部分３１が形成されている。

図５は、図３におけるＶ−Ｖ断面を示す図であるが、三元触媒２の三元触媒中心軸Ｌ２を含み且つＧＰＦ３のＧＰＦ中心軸Ｌ３と平行な断面を上側から見た図である。図５に記載された断面を以下「Ｖ−Ｖ断面」（断面）と称する。図５に示すように、Ｖ−Ｖ断面上で、重複部分３１を形成する三元触媒２の側面の長さＨ３１は、三元触媒２及びＧＰＦ３をコンパクトに配置させつつ、ＧＰＦ３内の排気ガス流れを均一にする観点から、三元触媒２の全長Ｈ２の好ましくは１０％以上５０％未満である。

また、三元触媒２の側面の長さＨ３１は、図５のＶ−Ｖ断面において、三元触媒２及びＧＰＦ３をコンパクトに配置させつつ、ＧＰＦ３内の排気ガス流れを均一にする観点から、ＧＰＦの幅Ｗ３の好ましくは１０％以上５０％未満である。

このように、三元触媒２とＧＰＦ３とを互いに横方向に配置するときに、第１触媒及びＧＰＦ３の重複部分３１を形成しつつも、その範囲を上述の範囲未満に抑えることにより、排気浄化装置１のコンパクト化を実現させるとともに、ＧＰＦ３の、特に重複部分３１の利用効率を向上させることができる。

−第１接続部材及び第２接続部材−
また、接続管４は、図１０及び図１２に示すように、第１接続部材４０と、第２接続部材４１とにより構成されている。

図１２に示すように、第１接続部材４０及び第２接続部材４１には、接続管４の三元触媒２の三元触媒終端面２Ｂ近傍にそれぞれ第１接合部４０Ａと第２接合部４１Ａとが設けられており、これら第１接合部４０Ａと第２接合部４１Ａとが嵌合されることにより接続管４が形成される。

図１０に示すように、第１接続部材４０には、第１開口４Ａ及び第２開口４Ｂの一部、すなわち右側半分が設けられている。また、第２接続部材４１には、第２開口４Ｂの他部、すなわち残りの左側半分が設けられている。

換言すると、接続管４は、２つの部材、第１接続部材４０及び第２接続部材４１からなり、第１開口４Ａ、第２開口４Ｂの一部及び曲がり部４Ｃの一部が第１接続部材４０に設けられている。そして、第２開口４Ｂの残部及び曲がり部４Ｃの残部が第２接続部材４１に設けられている。

接続管４を、第１接続部材４０と第２接続部材４１とに分割して成形することにより、複雑な形状を備えた接続管４を精度よく成形することができる。また、第２開口４Ｂにおける第１開口４Ａ側の一部は、第１開口４Ａから、曲率半径の小さな湾曲形状の曲がり部４Ｃの壁面を経て接続されているため、当該曲がり部壁面には応力が集中しやすい。第１接続部材４０と第２接続部材４１の分割位置を、このような応力が集中しやすい位置を避けて形成することにより、接続管４の耐久性を確保することができる。

また、本明細書において、図１０に示すように、接続管４を含む排気浄化装置１をエンジンＥに組み付けた状態で、接続管４の最上部及び最下部に位置する個所をそれぞれ天部４Ｄ及び底部４Ｅというものとする。なお、本実施形態においては、第１接続部材４０と第２接続部材４１の接合部近傍となっている。

−支持部−
図１０及び図１２に示すように、第１接続部材４０は、三元触媒２の外周面を面支持するための支持部４５を備えている。

支持部４５は、図５、図９、図１０、図１１及び図１２に示すように、第１開口４Ａから三元触媒２の三元触媒終端面２Ｂに向かって三元触媒２の外周全周を面支持する第１開口側支持部４５Ａと、この第１開口側支持部４５Ａから延びるとともに、三元触媒２に対し、ＧＰＦ３と反対側に位置する三元触媒２の外周面を面支持する三元触媒終端面側支持部４５Ｂ（支持面）とにより構成されている。なお、図１２には、説明のため、第１開口側支持部４５Ａ及び三元触媒終端面側支持部４５Ｂの境界を点線で示している。

図９に示すように、三元触媒終端面側支持部４５Ｂは、三元触媒２を左側、すなわち三元触媒終端面２Ｂ側から見たときに、三元触媒２の三元触媒中心軸Ｌ２周りの角度θが約１９０度となる範囲で、三元触媒２の外周面を面支持している。角度θは、当該角度に限定されるものではないが、排気浄化装置１のコンパクト化、接続管４による三元触媒２の保持性能向上、及び三元触媒２の熱害抑制の観点から、好ましくは１８０度以上である。

三元触媒２の外周面は、このように接続管４に形成された十分な面積の三元触媒終端面側支持部４５Ｂによって面支持される。そうして、三元触媒２の支持性を向上させるとともに、触媒装置Ｑの前後方向をさらにコンパクト化させることができる。

また、三元触媒終端面側支持部４５Ｂにより三元触媒２を支持させることで、三元触媒２を通過した排気ガスは、三元触媒終端面側支持部４５Ｂにより支持されている外周面には接触しない。そうすると、三元触媒２のうち、三元触媒２自身を通過後の排気ガスに曝される部分の体積が減少し、高温の排気ガスに常に曝されることによる熱害を低減させることができる。特に、三元触媒２の外周全体は、上述のごとくキャタマット２３及びキャタケース２４で覆われているため、熱害によるキャタケース２４の熱伸びを抑制し、延いてはキャタマット２３の面圧低下を抑制することができる。また、熱害によるキャタマット２３の風食、三元触媒２のキャタリスト本体のキャタマット２３及びキャタケース２４からの保持ずれを防止することができる。

さらに、図１に示すように、三元触媒終端面側支持部４５Ｂにより支持されている外周面は、エンジンＥのシリンダブロックＥ１に隣接しているから、三元触媒２を通過した排気ガスがシリンダブロックＥ１側に流入しないことにより、触媒装置Ｑの外側への熱害を抑制することもできる。

−第１壁部及び第２壁部−
第２接続部材４１は、図５、図６、図１０及び図１２に示すように、三元触媒２を通過した排気ガスをＧＰＦ３へと案内するための第１壁部４２及び第２壁部４３を備えている。図５に示すように、第１壁部４２は、三元触媒２の三元触媒終端面２Ｂと対向しており、第２壁部４３は、ＧＰＦ３のＧＰＦ始端面３Ａと対向している。

なお、接続管４を第１接続部材４０及び第２接続部材４１に分割して成形するときに、第１壁部４２及び第２壁部４３を一方の第２接続部材４１に形成することにより、排気ガスを案内する壁部に分割位置を形成することなく滑らかな壁面を得ることができる。そうして、排気ガス流れの乱れを抑制することができる。

第１壁部４２は、図１０及び図１２に示すように、移行壁部４２Ａと、傾斜壁部４２Ｂと、段差壁部４２Ｃとを備えている。移行壁部４２Ａは、第２開口４Ｂを形成する下流端から滑らかに前方へ延びている。傾斜壁部４２Ｂは、移行壁部４２Ａに滑らかに接続されるとともに、三元触媒２側に立ち上がるように形成されている。段差壁部４２Ｃは、後方は傾斜壁部４２Ｂに滑らかに接続されるとともに、前方は、図５に示すように、第２壁部４３に第２壁部曲率半径Ｒ３（所定曲率半径）をもって滑らかに接続されている。

移行壁部４２Ａは、図１０に示すように、接続管４を第２開口４Ｂ側から第１開口４Ａが右側に配置されるように見たときに、接続管４の底部４Ｅ側から移行壁部曲率半径Ｒ１をもって立ち上がるように形成されている。同様に、段差壁部４２Ｃは、接続管４の底部４Ｅ側から段差壁部曲率半径Ｒ２をもって立ち上がるように形成されている。なお、図１０に示すように、移行壁部曲率半径Ｒ１及び段差壁部曲率半径Ｒ２を併せて第１壁部曲率半径Ｒという。

ここに、図１０に示す第１壁部曲率半径Ｒは、図５に示す第２壁部曲率半径Ｒ３よりも大きくなるように設定されている。

排気ガスなどの流体は、曲率半径の大きな曲面に沿って流れる傾向があることが知られている。例えば、図１５に示すように、接続管４の曲がり部４Ｃについて、一般的な湾曲した管形状、すなわち、第２壁部曲率半径Ｒ３が第１壁部曲率半径Ｒよりも大きく緩やかに湾曲した形状を採用した場合を考える。この場合、図１５中破線矢印で示すように、三元触媒２を通過した排気ガスは、その大部分が、第２壁部曲率半径Ｒ３で緩やかに湾曲した壁面に沿って、そのままＧＰＦ３へ流入すると考えられる。そうすると、ＧＰＦ３の重複部分３１近傍に流入する排気ガス量が低下し、ＧＰＦ３の利用効率が低下し得る。また、排気ガス量が多くなる部分では、排気ガスの流速が高まるため、通気抵抗が増大して出力が低下し得る。

一方、本実施形態に係る排気浄化装置１では、接続管４における曲がり部４Ｃの第１壁部４２及び第２壁部４３は、図５及び図６に示すように、第２壁部曲率半径Ｒ３を小さくするとともに、図１０及び図１１に示すように、第１壁部曲率半径Ｒは、第２壁部曲率半径Ｒ３よりも大きくなるように形成されている。

そうすると、図６に示すように、排気ガスの流れに変化が生じる。すなわち、三元触媒２を通過した排気ガスについて、第１壁部４２と第２壁部４３との接続部分の壁面よりも、第１壁部４２の壁面に沿って流れる傾向が高まる。具体的には、図６中破線矢印で示すように、図１５に示す流れと同様の排気ガスの流れが減少する。一方で、図６中実線矢印で示すように、第１壁部４２に到達しつつ、特に移行壁部４２Ａや段差壁部４２Ｃの移行壁部曲率半径Ｒ１や段差壁部曲率半径Ｒ２をもって湾曲して形成された壁面に沿って、下方から上方へ巻き上がるような排気ガスの流れが増加する。このように、第１壁部４２に到達しつつ三元触媒２とＧＰＦ３との間の空間に巻き上がるような排気ガスの二次流れを利用することにより、排気ガス全体の流速が低減され、接続管４内に排気ガスが充満する。そうして、ＧＰＦ３の重複部分３１に流れ込む排気ガス量を増加させることができるとともに、ＧＰＦ３へ流入する排気ガスの通気抵抗を低下させ、排気ガス流れを均一化させることができ、延いてはＧＰＦ３の利用効率・機能・性能を向上させることができる。

また、第１壁部４２のうち、第２壁部４３と連なる段差壁部４２Ｃは、移行壁部４２Ａよりも三元触媒２側に突出している。これにより、図６に示すように、三元触媒２を通過して段差壁部４２Ｃに到達した排気ガスが、移行壁部４２Ａが存在するＧＰＦ３の端に向かって集中的に流れることを抑制するとともに、重複部分３１への流れを促進させることができる。

さらに、図１０に示すように、移行壁部曲率半径Ｒ１は、段差壁部曲率半径Ｒ２よりも大きくなるように設定されている。

図７、図８及び図１１中の実線矢印で示すように、三元触媒２を通過した排気ガスは、第１壁部４２の、特に移行壁部４２Ａや、段差壁部４２Ｃに到達しつつその湾曲した壁面に沿って巻き上がる、又は、巻き下がるように流れ、接続管４の曲がり部４Ｃ内に充満すると考えられる。このとき、図７及び図８に示すように、移行壁部曲率半径Ｒ１が段差壁部曲率半径Ｒ２よりも大きくなるように、すなわち移行壁部４２Ａが段差壁部４２Ｃよりも緩やかに湾曲するように形成されていることから、ＧＰＦ３のＧＰＦ始端面３Ａ近傍において、排気ガス流れの速度をさらに低下させることができる。そうして、接続管４内からＧＰＦ３に流入する排気ガスの通気抵抗をさらに低下させて、排気ガスの流れを均一化させることができ、延いてはＧＰＦ３の利用効率・機能・性能をさらに向上させることができる。

また、図８に示すように、接続管４の天部４Ｄ側であり且つ第２接続部材４１に、台座部４４が設けられており、例えば図４に示すＮＯｘセンサ９２（検出手段）などの各種センサ等の制御用デバイスを設置することができる。なお、図８では、簡単のため、ＮＯｘセンサ９２のセンサ本体の図示を省略し、このセンサ本体を取り付けるためのＮＯｘセンサ取付部９２Ａのみを示している。

三元触媒２を通過した排気ガスは、上述のごとく、接続管４内に充満してＧＰＦ３に流入していく。このとき、接続管４の天部４Ｄ側は、三元触媒２を通過した排気ガスが直接到達することが少なく、第１壁部４２の壁面に沿って巻き上がるような排気ガスの二次流れにより排気ガスが充満する。そうすると、接続管４の天部４Ｄ側には、排気ガスの成分濃度を始め、例えば温度や圧力等を検出するために十分な量の排気ガスが、流速が低下した状態で充満する。そうして、接続管４の天部４Ｄ側に各種センサを配置させることにより、安定した検出精度を確保することができ、各種センサなどの制御用デバイスの搭載性が向上する。

なお、台座部４４は、図８に示すように、平坦に形成されているが、形状はこれに限られず、例えば曲面状等に形成されていてもよい。また、各種センサ等の制御用デバイスは、台座部４４以外の部分に設置されてもよい。

＜ＧＰＦ終端部＞
図３に示すように、ＧＰＦ３の終端側には、ＧＰＦ終端部７が接続されている。このＧＰＦ終端部７には、図１３に示すように、ＧＰＦ３を通過した排気ガスの出口である排気ガス出口５を取り付けるための排気ガス出口導入孔７１と、排気ガスの一部を吸気側に供給するＥＧＲ用取出口６を取り付けるためのＥＧＲ用導入口７２とが設けられている。

＜排気ガス出口＞
排気ガス出口５は、ＧＰＦ３を通過した排気ガスを図外の下流側排気ガス通路へ案内するとともに、三元触媒２及びＧＰＦ３による排気ガスの浄化に伴い発生した水分を溜めて除去するためのものである。

図５に示す、符号ＰＲＬ３１で示す線は、ＧＰＦ中心軸Ｌ３のＶ−Ｖ断面上への投影線である。また、符号Ｌ５で示す線は、排気ガス出口５の排気ガス出口中心軸を示している。そして、符号Ｐ５で示す点は、当該排気ガス出口中心軸Ｌ５上の点であって、図１３に示す、後述する排気ガス出口導入孔７１を含む平面との交点、すなわち、排気ガス出口導入孔７１の中心を示しており、以下の説明において、排気ガス出口５の中心位置Ｐ５と称する。

図５に示すように、ＧＰＦ３のＧＰＦ終端面３Ｂ側の排気ガス出口５の中心位置Ｐ５は、ＧＰＦ３のＧＰＦ中心軸Ｌ３のＶ−Ｖ断面上への投影線ＰＲＬ３１よりも右側、すなわち三元触媒２側へオフセットされている。

本構成によれば、図６及び図１３に示すように、ＧＰＦ３に流入した排気ガスについて、排気ガス出口５に向かう流れが生じる。そうすると、排気ガス出口５に向かう流れにつられて、重複部分３１に流れ込む排気ガス量が増加する。そうして、ＧＰＦ３の利用効率を向上させることができる。

なお、図５に示すように、排気ガス出口５のオフセット量は、重複部分３１に流入する排気ガス量を十分に確保して、ＧＰＦ３の利用効率を向上させる観点から、好ましくは、Ｖ−Ｖ断面上で、排気ガス出口５の三元触媒２側の排気ガス出口右側面５Ａが、ＧＰＦ３の三元触媒２側のＧＰＦ側面３Ｃよりも右側、すなわち三元触媒２側に位置する程度に設定することができる。このとき、排気ガス出口５付近の通気抵抗の増加を抑制する観点から、Ｖ−Ｖ断面上で、排気ガス出口５の左側の排気ガス出口左側面５Ｂが、ＧＰＦ３の三元触媒２側のＧＰＦ側面３Ｃよりも左側に位置する程度に、排気ガス出口５のオフセット量を設定することが好ましい。

また、図９に示すように、排気ガス出口５は、平面ＰＬ３２から下側に配置されている。このように、排気ガス出口５をＧＰＦ３に対して下方に配置することにより、三元触媒２及びＧＰＦ３による排気ガスの浄化に伴い発生した水分を排気ガス出口５において効果的に溜めて除去することができる。

＜ＥＧＲ用取出口＞
エンジンＥの構成として、ノッキングの発生防止や窒素酸化物ＮＯｘ量の低減を目的として、排気ガスの一部を吸気側に再循環させるＥＧＲを採用することができる。その場合、ＧＰＦ３のＧＰＦ終端面３Ｂ側に排気ガスのＥＧＲ用取出口６を設けることができる。

図５に示すように、ＥＧＲ用取出口６は、Ｖ−Ｖ断面上で、ＧＰＦ３のＧＰＦ中心軸Ｌ３の投影線ＰＲＬ３１に対して、排気ガス出口５と反対側に配置されている。そして、図１３に示すように、ＧＰＦ終端部７には、排気ガス出口導入孔７１と離間した位置に、ＥＧＲ用導入口７２に排気ガスを案内するためのＥＧＲ用排気ガス案内路７２Ａが形成されている。

本構成によれば、ＥＧＲ用に十分な量の排気ガスを確保できるとともに、ＧＰＦ３内の排気ガスの流れを排気ガス出口５側とＥＧＲ用取出口６側とに分散させて均一化させることができる。そうして、ＧＰＦ３の利用効率・機能・性能をさらに向上させることができる。

＜車体内の配置＞
本実施形態に係る排気浄化装置１は、例えば、図１４に示すような車両レイアウトＺの構成に組み込むことができる。

すなわち、図９に示すように、三元触媒２は、ＧＰＦ３よりもやや下方に設けられている。従って、図１４に示すように、排気マニホールドＭを三元触媒２の上方に近接して配置することにより、排気浄化装置１を、特に前後方向において、よりコンパクト化させることができる。

また、図１及び図３に示すように、接続管４の底部４ＥとＧＰＦ３のＧＰＦ底部３Ｄは、直線状に形成されている。これにより、図１４に示すように、接続管４及びＧＰＦ３の下方に、動力分割装置Ｋ（車両部品）が近接して配置されている。こうして、前後左右上下方向において、よりコンパクトな車両レイアウトをもたらすことができる。

なお、接続管４及びＧＰＦ３の下方に配置される車両部品は、動力分割装置Ｋに限られるものではなく、その他の車両部品であってもよい。具体的には例えば、駆動系のドライブシャフトや、排気浄化装置１が例えばＦＲ車両等に適用される場合には、マウント系のエンジンマウント等を近接配置させることができる。

（その他の実施形態）
以下、本発明に係る他の実施形態について詳述する。なお、これらの実施形態の説明において、実施形態１と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

実施形態１の排気浄化装置１はＦＦ車両に適用されていたが、４つの排気ポートに接続された排気マニホールドＭの独立排気管を後方に延ばしつつ集合させ、エンジンＥ後端で車幅方向中央側に指向させた後に後方に延ばすようにすることでＦＲ車両にも適用することができる。

実施形態１において、第１触媒は三元触媒２、第２触媒はＧＰＦ３という構成であったが、触媒はこれらに限られるものではなく、種々の触媒を用いることができる。具体的には例えば、排気浄化装置１をディーゼルエンジンに適用する場合には、ディーゼルパティキュレートフィルタを採用してよい。また、第１触媒及び第２触媒として、酸化触媒及びＮＯｘ浄化用触媒とを組み合わせた構成であってもよい。

実施形態１において、図９に示すように、三元触媒２はＧＰＦ３よりもやや下方に設けられており、また、図１０に示すように、第１壁部４２の移行壁部４２Ａ及び段差壁部４２Ｃは、接続管４の底部４Ｅ側から、それぞれ移行壁部曲率半径Ｒ１及び段差壁部曲率半径Ｒ２をもって立ち上がるように形成されていた。この点、三元触媒２はＧＰＦ３と同程度の高さ又はＧＰＦ３よりも高い位置に設けられてもよい。また、第１壁部４２の移行壁部４２Ａ及び段差壁部４２Ｃは、接続管４の天部４Ｄ側から、それぞれ移行壁部曲率半径Ｒ１及び段差壁部曲率半径Ｒ２をもって立ち下がるように形成されていてもよい。また、接続管４の天部４Ｄ側及び底部４Ｅ側のいずれからも湾曲するように形成されていてもよい。また湾曲形状の代わりに、例えば台座部４４のような緩やかな傾斜を設ける構成としてもよく、この場合、当該傾斜に沿って排気ガスの二次流れが形成され得る。なお、どのような場合においても、センサ取付用の台座部４４等の検出手段取付位置は、接続管４の天部４Ｄ側に限らず、底部４Ｅ側や第１接続部材４０等の排気ガス流れが均一化される位置に適宜設けることができる。

実施形態１では、排気マニホールドＭの出口が気筒の配列の右側に配置されるように構成されており、接続管４は、図１０に示すように後方から見たときに、第１開口４Ａが右側に配置されるように構成されていた。この点、車両レイアウトに応じて、第１開口４Ａがその他の方向、例えば左側や上下方向に配置されるように構成されていてもよい。

本発明は、エンジンの排気装置のコンパクト化を実現しつつ触媒の利用効率や機能・性能、制御用デバイスの搭載性を向上させることができるので、極めて有用である。

１ 排気浄化装置（エンジンの排気装置）
２ 三元触媒（第１触媒）
２Ａ 三元触媒始端面（第１触媒の始端面）
２Ｂ 三元触媒終端面（第１触媒の終端面）
３ ガソリンパティキュレートフィルタ、ＧＰＦ（第２触媒）
３Ａ ＧＰＦ始端面（第２触媒の始端面）
３Ｂ ＧＰＦ終端面（第２触媒の終端面）
３Ｃ ＧＰＦ側面（第２触媒の第１触媒側の側面）
３Ｄ ＧＰＦ底部（第２触媒底部）
４ 接続管（接続部材）
４Ａ 第１開口
４Ｂ 第２開口
４Ｃ 曲がり部
４Ｄ 天部
４Ｅ 底部
５ 排気ガス出口
５Ａ 排気ガス出口右側面
５Ｂ 排気ガス出口左側面
６ ＥＧＲ用取出口
７ ＧＰＦ終端部
２１ 前段部
２２ 後段部
２３ キャタマット
２４ キャタケース
３１ 重複部分
４０ 第１接続部材
４０Ａ 第１接合部
４１ 第２接続部材
４２ 第１壁部
４２Ａ 移行壁部
４２Ｂ 傾斜壁部
４２Ｃ 段差壁部
４３ 第２壁部
４４ 台座部
４５ 支持部
４５Ａ 第１開口側支持部
４５Ｂ 三元触媒終端面側支持部（支持面）
７１ 排気ガス出口導入孔
７２ ＥＧＲ用導入口
７２Ａ ＥＧＲ用排気ガス案内路
９２ ＮＯｘセンサ（検出手段）
９２Ａ ＮＯｘセンサ取付部
Ｅ エンジン
Ｋ 動力分割装置（車両部品）
Ｌ２ 三元触媒中心軸（第１触媒の中心軸）
Ｌ３ ＧＰＦ中心軸（第２触媒の中心軸）
Ｌ５ 排気ガス出口中心軸（排気ガス出口の中心軸）
Ｍ 排気マニホールド
Ｎ 接続部
Ｐ５ 中心位置
ＰＲＬ３１ 投影線
ＰＬ３２ 平面
Ｑ 触媒装置
Ｒ 第１壁部曲率半径
Ｒ１ 移行壁部曲率半径
Ｒ２ 段差壁部曲率半径
Ｒ３ 第２壁部曲率半径（所定曲率半径）
α 二面角
θ 角度

Claims (4)

1. エンジンの排気経路上に配設され、該エンジンから排出される排気ガスを浄化するための第１触媒と、
   前記第１触媒の排気ガス流れ方向下流側に配置され、該第１触媒を通過した排気ガスを浄化するための第２触媒と、
   前記排気経路の一部を形成するとともに前記第１触媒と前記第２触媒とを接続する管状の接続部材と
   を備え、
   前記接続部材は、排気ガス流れ方向上流側の第１開口と、排気ガス流れ方向下流側の第２開口とを備えており、
   前記第１触媒は、その終端面側から前記第１開口を通じて前記接続部材内に挿入されており、
   前記第２触媒は、その始端面側から前記第２開口を通じて前記接続部材内に挿入されており、
   前記第１触媒の前記終端面と、前記第２触媒の前記始端面とは、互いに６０度以上１２０度以下の二面角をなしており、
   前記第２触媒の前記始端面は、前記第１触媒の側面によりその一部が覆われて重複部分が形成されており、
   前記接続部材は、前記第１触媒の外周面を面支持する支持面を備えており、
   前記支持面は、前記第１触媒に対し、前記第２触媒と反対側に位置する該第１触媒の外周面を面支持しており、
   前記支持面は、前記第１触媒を前記終端面側から見たときに、前記第１触媒の中心軸周りの角度が１８０度以上の範囲で、該第１触媒の外周面を面支持している
   ことを特徴とするエンジンの排気装置。
2. 請求項１において、
   前記第１触媒は、
   排気ガスを浄化するためのキャタリスト本体と、
   前記キャタリスト本体の外周全体を覆う高耐熱性を有するキャタマットと、
   前記キャタマットの外周全体を覆うキャタケースとを備えた
   ことを特徴とするエンジンの排気装置。
3. 請求項１又は請求項２において、
   前記第１触媒の始端面を含む先端部分は、前記接続部材から突出している
   ことを特徴とするエンジンの排気装置。
4. 請求項３において、
   前記第１触媒は、排気ガス流れ方向上流側に配置された前段部と、排気ガス流れ方向下流側に配置された後段部とを備えた２段構成であり、
   前記前段部は、低温活性に優れた触媒であり、
   前記後段部は、高温活性に優れた触媒である
   ことを特徴とするエンジンの排気装置。

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