WO2013137105A1

WO2013137105A1 - 触媒コンバータ

Info

Publication number: WO2013137105A1
Application number: PCT/JP2013/056311
Authority: WO
Inventors: 山本　隆治; 明彦大熊
Original assignee: 日産自動車株式会社
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2013-09-19

Abstract

　触媒コンバータ（１）は、円柱状の触媒担体（１１）を保持したインナケース（１２）と、インナケース（１２）の下流側の開口部を包囲するアウタケース（１８）と、を有し、アウタケース（１８）の筒状部（２１）とインナケース（１２）外周面との間に、環状流路（２５）が構成されている。アウタケース（１８）のカップ部（２２）は、ドーム状をなす端部壁（２２ａ）を有し、その周方向の一部に連続して、排気出口（１９）へ至る首部（２３）を備える。排気出口（１９）は触媒担体（１１）の中心軸線（Ｍ）に対して９０°の方向を指向しているので、中心軸線（Ｍ）の方向の寸法は短い。排気の一部は環状流路（２５）を周方向に流れて排気出口（１９）へ達するので、通気抵抗が低い。環状流路（２５）を流れる排気によって、触媒担体（１１）が暖められる。

Description

触媒コンバータ

　この発明は、内燃機関の排気浄化等に用いられる触媒コンバータの改良に関する。

　例えば自動車用内燃機関にあっては、排気の浄化のために、触媒コンバータが排気通路の途中に設けられている。この触媒コンバータは、一般に、三元触媒あるいは酸化触媒等の触媒材料をセラミックス製のモノリス担体に担持させ、この担体を筒状の金属ケース内に収容するとともに、前後に排気管を接続した構成となっている。

　特許文献１には、入口側の排気管から筒状のケース上流端へとコーン状に拡がっていくディフューザ部を二重管構造とし、周辺部品への熱害を抑制するようにした触媒コンバータが開示されている。

　しかし、特許文献１に開示されている二重管構造は、外側のケースと内側の内管との間に基本的に排気が通流しない構成であり、断熱作用を奏しうるに過ぎない。従って、断熱作用により触媒担体の上流端に衝突する排気の温度は多少上昇するものの、触媒担体を周囲から暖めるような作用はなく、例えば内燃機関の始動後の触媒の早期活性化にはあまり寄与しない。むしろ、逆に触媒担体の入口側と出口側の温度勾配が大きくなり、好ましくない。

特開２０００－３０３８３１号公報

　この発明に係る触媒コンバータは、
　触媒担体の外周面に嵌合した筒状のインナケースと、
　このインナケースの一端と排気入口との間を接続するディフューザ部と、
　上記インナケースの他端開口部を包囲するように形成されるとともに、排気出口を有し、かつ上記インナケースの外周面との間に環状流路を構成する筒状部を有するアウタケースと、
　を備えて構成されている。

　上記構成では、排気入口からディフューザ部を介してインナケース内の触媒担体上流端へと排気が流れ、かつ触媒担体下流端から出た排気は、アウタケースを通して排気出口から流れ出る。ここでアウタケースの一部である筒状部は、インナケースとともに二重管構造をなすようにインナケースの外周面を覆っており、両者間に環状流路を構成する。この環状流路には、触媒担体下流端から出た排気が回り込むので、インナケース内の触媒担体が周囲から暖められ、内燃機関の始動時などに触媒の活性化が促進される。

　従って、本発明によれば、インナケースとアウタケースとの間に構成される環状流路の排気によって触媒担体が暖められ、触媒の活性化が効果的に促進される。特に、触媒担体を通過した排気により触媒担体の下流側部分が周囲から暖められるので、触媒担体の温度勾配を大きくすることなく効果的に触媒担体の温度上昇が図れる。

この発明に係る触媒コンバータを備えた内燃機関の排気系の構成を示す平面図。触媒コンバータの一実施例を示す切欠断面図。アウタケース内の排気の流れを示す斜視図。この実施例の触媒コンバータの圧力損失を比較例と対比して示した特性図。

　以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

　図１は、この発明に係る触媒コンバータ１をターボチャージャ２の直下に備えた内燃機関の排気系の一例を示している。ターボチャージャ２は、排気タービン３と遠心型コンプレッサ４とを同軸上に配置した構成であって、排気タービン３の接線方向に沿った排気入口部３ａが内燃機関の排気マニホルド５の排気出口部５ａに直接に接続されている。なお、排気マニホルド５は、金属板からなる遮熱板６を備えている。またコンプレッサ４は、該コンプレッサ４の中心部に連通した吸気入口部４ａおよび該コンプレッサ４の接線方向に沿った吸気出口部４ｂを備えている。排気タービン３は、その内部に図示せぬウェストゲートバルブを備えており、該ウェストゲートバルブ用のアクチュエータ７がターボチャージャ２のハウジングの外部に設けられている。

　上記排気タービン３の排気出口部３ｂは、排気タービン３の中心部に位置し、内部のロータの軸方向に沿って排気を吐出するように構成されているが、この排気出口部３ｂに、触媒コンバータ１が直接に取り付けられている。換言すれば、触媒コンバータ１がターボチャージャ２と直列に、かつ互いの中心軸線が合致した状態に取り付けられている。

　図２は、触媒コンバータ１の詳細を示している。この触媒コンバータ１は、ハニカム状の微細通路を有する円柱形のセラミックス製モノリス触媒担体１１に、三元触媒等の触媒材料を担持させたものであって、上記触媒担体１１は、円筒状の金属製インナケース１２内に、グラスウールのマットなどからなる緩衝材１３を介して収容されている。つまり円柱形の触媒担体１１の外周に円筒状のインナケース１２が嵌合している。上記インナケース１２の入口側つまり上流側には、排気タービン３に接続される排気入口１４から徐々に径が拡大するテーパ状ないしコーン状をなすディフューザ部１５が接続されている。上記排気入口１４は、触媒担体１１の中心軸線Ｍを中心として、該中心軸線Ｍと平行な円筒面をなすように形成されている。換言すれば、ディフューザ部１５および排気入口１４は、触媒担体１１と同じく、中心軸線Ｍを中心として対称形状に構成されている。

　上記インナケース１２の出口側つまり下流側には、金属製アウタケース１８が設けられている。このアウタケース１８は、上記インナケース１２の下流側の開口部（つまり触媒担体１１の下流側端面１１ａ）を包囲するように形成され、かつ中間部でほぼ９０°向きを変えて、側方を指向した円筒状の排気出口１９へと至る。すなわち、上記アウタケース１８は、インナケース１２の下流側部分の外周面を覆う筒状部２１と、この筒状部２１の下流側の端部に連続し、かつインナケース１２の下流側開口部に対向する端部壁２２ａを備えたカップ部２２と、上記端部壁２２ａの周方向の一部と上記筒状部２１の周方向の一部とに連続し、徐々に円形断面に近づいていくように変形しつつ上記排気出口１９へと延びた首部２３と、を備えている。なお、これらの筒状部２１、カップ部２２および首部２３は、連続的に形成されているので、それぞれの厳密な境界は存在しない。

　上記筒状部２１は、上記インナケース１２の下流側部分の外周面とほぼ平行に延びており、いわゆる二重管構造として、インナケース１２との間に環状流路２５を構成している。この環状流路２５は、カップ部２２内の空間２６つまり触媒担体１１の下流側端面１１ａから排気主流が流れ出る空間２６と全周に亘って連通しており、上記触媒担体１１の下流側端面１１ａの位置から逆に排気主流の上流側へ向かって円筒状に延びている。上記筒状部２１の先端縁２１ａはインナケース１２の外周面に溶接等で接合されており、上記環状流路２５の一端を封止している。上記筒状部２１（換言すれば環状流路２５）の軸方向の長さは任意であり、例えば触媒担体１１の軸方向に沿った全長に亘って設けてもよいが、この実施例では、先端縁２１ａの溶接作業等を考慮して、触媒担体１１の全長の一部、例えば半分を多少越えた程度の長さ範囲に設けられている。なお、環状流路２５の半径方向の寸法に相当するインナケース１２と筒状部２１との間の間隔は、長さ方向および周方向の双方について基本的に略一定であるが、後述する通気抵抗の低減を考慮して、排気出口１９ないし首部２３に近い周方向位置（図２において図下側の部分）での環状流路２５の間隔を、反対側の周方向位置（図２において図上側の部分）での環状流路２５の間隔よりも大きく設定するようにしてもよい。

　上記カップ部２２は、上記筒状部２１の下流端に連続しており、上記端部壁２２ａは、触媒担体１１の下流側端面１１ａから流れ出た排気を受けて排気出口１９側へ滑らかに案内するように、ドーム状に膨らんで形成されている。そして、ほぼ９０°横向きとなった排気出口１９へと首部２３を介して連続している。上記排気出口１９は、この実施例では、別部品として形成されてアウタケース１８に溶接された円筒状の金属管２８からなり、この金属管２８に、下流側の排気管を接続するためのフランジ２９が設けられている。この金属管２８つまり排気出口１９の中心軸線（図示せず）は、触媒担体１１の中心軸線Ｍに直交している。また、アウタケース１８内側における排気出口１９の開口部１９ａ（つまり金属管２８の一端の開口部）は、触媒担体１１の下流側端面１１ａを延長した平面と公差する位置にある。換言すれば、開口部１９ａの大部分はカップ部２２内の空間２６に直接に開放されているが、開口部１９ａの一部は、触媒担体１１の下流端部分と重なり合っており、触媒担体１１外周の環状流路２５に向かって開口している。また、ドーム状をなす端部壁２２ａの頂部（図２において最も左側に膨らんでいる箇所）の位置に比較して、開口部１９ａは、図２の右側つまり排気主流の上流側に位置している。

　図３は、上記のように構成された触媒コンバータ１における排気の流れ、特に触媒担体１１通過後の排気の流れを示している。中心軸線Ｍに沿って触媒担体１１から流れ出た排気は、ドーム状をなす端部壁２２ａに衝突し、その多くは、図３において実線で示すように、端部壁２２ａの湾曲形状に沿って下流の首部２３へと案内され、排気出口１９へと至る。一方、一部の排気は、破線で示すように、カップ部２２内の空間２６から環状流路２５へと逆方向へ戻り、かつ該環状流路２５を周方向に流れて排気出口１９へと向かう。つまり、環状流路２５が、触媒担体１１下流側端面１１ａから排気出口１９へと至る排気流路の一部となり、横向きとなった排気出口１９へと排気がより円滑に流れる。従って、中心軸線Ｍに沿った方向の寸法を短縮すべく排気出口１９を比較的上流側に配置した構成においても、過大な圧力損失を生じることがない。図４は、上記実施例の構成における圧力損失を、環状流路２５を具備しない比較例の圧力損失と比較して示したものであり、図示するように、流量が大きい領域において圧力損失がより低減する。

　従って、本発明の触媒コンバータ１においては、上記実施例のように排気出口１９を横向きでかつ比較的上流側の位置に配置したレイアウトが可能となり、中心軸線Ｍの方向に沿った寸法を短くすることができる。そのため、図１に示すように、ターボチャージャ２の直下に直列に触媒コンバータ１を配置することが可能となり、排気系全体の小型化が図れるとともに、始動時の触媒暖機のために排気系の中でより上流側に触媒コンバータ１を配置することができる。図１の例では、排気マニホルド５の端部よりも突出しないように触媒コンバータ１が配置されている。

　さらに、上記触媒コンバータ１においては、触媒担体１１を通過した排気が環状流路２５に回り込むため、触媒担体１１が周囲から加熱される。従って、内燃機関の始動後などに、触媒担体１１が早期に温度上昇し、触媒の早期活性化が図れる。特に、触媒担体１１の下流側部分が周囲から加熱されるので、触媒担体１１の上流端と下流端との温度勾配を緩和しつつ触媒担体１１の温度上昇に寄与する。、
　なお、上記実施例では、触媒コンバータ１の全長の短縮化のために排気出口１９の開口部１９ａの一部に触媒担体１１の下流側部分が重なった配置となっているが、勿論、本発明はこのような構成に限定されず、排気出口１９の開口部１９ａが触媒担体１１下流側端面１１ａから軸方向に離れた構成であってもよい。また、図示例では、排気出口１９が中心軸線Ｍに対し９０°の方向を指向しているが、これよりも大きな角度あるいは小さな角度となる場合でも、本発明は同様に適用できる。

　さらに、上記実施例では、触媒担体１１が断面真円形の円柱状をなしているが、楕円ないし長円形の断面形状の触媒担体１１であってもよい。

Claims

　触媒担体の外周に嵌合した筒状のインナケースと、
　このインナケースの一端と排気入口との間を接続するディフューザ部と、
　上記インナケースの他端開口部を包囲するように形成されるとともに、排気出口を有し、かつ上記インナケースの外周面との間に環状流路を構成する筒状部を有するアウタケースと、
　を備えてなる触媒コンバータ。
　上記排気出口は、上記触媒担体の中心軸線に沿った方向とは異なる方向を指向している、請求項１に記載の触媒コンバータ。
　上記排気出口は、上記中心軸線に対し、９０°異なる方向を指向している、請求項２に記載の触媒コンバータ。
　上記触媒担体の端面を延長した平面が、上記排気出口のアウタケース内側の開口部と交差する、請求項１～３のいずれかに記載の触媒コンバータ。
　上記環状流路は、上記触媒担体の軸方向に沿った全長の一部に形成されている、請求項１～４のいずれかに記載の触媒コンバータ。
　上記アウタケースは、
　上記筒状部と、
　この筒状部の端部に連続し、かつ上記インナケースの上記他端開口部に対向するドーム状の端部壁と、
　この端部壁の周方向の一部と上記筒状部の周方向の一部とに連続し、かつ上記排気出口へと延びた首部と、
　を備えてなる請求項１～５のいずれかに記載の触媒コンバータ。