JP2001522436A - 内燃機関およびそれに組み合せた排気ラインの排気ガスの処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、内燃機関の排気口に接続した第一末端（２）を有するパイプ（１）と、前記パイプ内に直列に配列され、空間によって相互に分けられた排気ガスの接触的転化を目的とするいくつかのモノリスまたはモノリス群からなる内燃機関の排気ラインに関する。さらに、本発明に係わる排気ラインは、排気ガスの一部が前記モノリスまたはモノリス群（１０）の少なくとも１つのみを恒久的に通り、残りの排気ガスが全てのモノリス（５，１０）を通ることによって、前記モノリスにおける温度ピークを制限し、かつ／または設定した温度範囲でこれらを作動させるための手段（１０，１１）からなる。

Description

【発明の詳細な説明】 内燃機関およびそれに組み合せた排気ラインの排気ガスの処理方法 発明の分野 本発明は、内燃機関からの排気ガス処理の分野に関する。さらに正確には、本 発明はこれら排気ガスの接触的浄化に関する。 発明の背景 いくつかの用途（三元触媒または二行程機関による排気ガス浄化）で重要な問 題は、通常排気ラインに設けた触媒の周囲における高発熱反応によるものである 。ここで「触媒」または「モノリス」とは、触媒そのものを機械的に支持するあ らゆる要素をいう。発熱によってモノリスが高温になり、このような高温は支持 体（金属、セラミック等）の機械抵抗にとって危険である。さらに、このような 高温は支持体に付着した触媒の触媒活性に有害であり、車両が数万キロも走行す ると触媒が劣化する。 その他の用途（例えば、ジーゼルエンジンのDeNOx触媒または酸化触媒）では 温度レベルが比較的低いが、用いた排気ガス浄化システムに最も適した温度範囲 で触媒が恒久的には作用しないため、触媒効率が低いということに直面する。 これらの問題を解決するため、いくつかの提案が行われている。これらのいく つかでは、１つまたはいくつかのモノリスを設け、１つまたはいくつかのスロッ トル手段によって排気ガスを通すモノリスを随時選択する排気ラインが開示され ている。ガスを供給するモノリスは、例えばガスの温度または流速等いくつかの 基準に従って選択される。 その例は、米国特許５，３７７，４８６号である。このような排気ラインでは 、第一のモノリス（「着火」モノリスと称する）はエンジンの排気口の近くに設け 、主モノリスはその下流に設ける。第一のモノリスにはエンジンの始動時のみ、 すなわち主モノリスを活性化するには排気ガス温度が低すぎる間、排気ガスを供 給する。この小型の第一モノリスはできる限りエンジンの近くに設けるが、急速 に活性化され、エンジンの始動時の不活性な主モノリスを部分的に捕う。ガスが 十分に温まると、制御されたスロットル手段によってもはやガスが第一のモノリ スには流れなくなり、別に設けた主モノリスに直接送られる。このようにして着 火触媒（light-off）が保存される。 JP-08,189,344号では、エンジン排気口のガス温度によるスロットリングが開 示されている。 例えば米国特許3,796,546号に開示されている別のよく知られている着想は、 温度によってガスを別の経路に流すことからなる。すなわち、この特許によれば 、ガスが２種類の触媒を通って連続的に流れるか、全く触媒を通らないで流れる 。 これらの着想のコストは無視できるほどではなく、車両の作動特性にしたがっ てスロットルの制御システムを使用する必要があるか否かにかかっている。した がって、排気ラインにいくつかのセンサーを設け、制御ストラテジーを確立する 必要がある。 本発明は、上記の触媒反応温度に関連した問題を解決しようとする新規で、独 創的な方法に取り組むものである。 発明の要約 事実、本発明は触媒を分割し、各触媒画分の間で排気ガスを部分的に冷却する ことによって排気ラインに設けた触媒の周囲の温度を制御することを提案する。 したがって、本発明の目的は内燃機関の排気口に接続した第一末端を有するパ イプと、前記パイプ内に直列に配列し、空間によって相互に分けられた排気ガス の接触的浄化を目的とするいくつかのモノリスまたはモノリス群からなる内燃機 関の排気ラインである。 本発明によれば、前記排気ラインは、さらに排気ガスの第一の部分を前記モノ リスまたはモノリス群の少なくとも１つのみを恒久的に通し、排気ガスの第二の 部分を全てのモノリスを通すことによって、前記モノリスが受ける温度ピークを 制限し、かつ／または設定した温度範囲でこれらを作動させるように設けた手段 からなる。 本発明の実施例によると、前記排気ラインは第一および第二のモノリスと、排 気ガスの第一一の部分を第一のモノリスに通さないで第一のモノリスを通ったガ スの第二の部分と混合し、直接第二のモノリスに入るようにするパイプとからな る。 いくつかのモノリスを直列に設け、モノリスを含まない空間によって分けられ た第一モノリス群も本発明の範囲に含まれる。 さらに、第二のモノリス群は、いくつかのモノリスを直列に設け、モノリスを 含まない空間によって分けたものを含む。 本発明に係わる排気ラインは、第一および第二のモノリスを容器内に設け、前 記容 器内に前記パイプの第二開口部が突出するように設け、突出部分に開口部を設け ることにより、排気ガスの一部を第一のモノリスに到達する前にパイプから流出 させ、全ての排気ガスが第二のモノリスを通るようにする手段を前記容器内に設 けることにより特徴づけられうる。 特に、第一のモノリスはパイプの突出部の末端に設ける。 さらに、第二のモノリスは容器内を二分する隔壁上に設け、排気ガスが容器内 の第一の空間から第二の空間に流れる唯一の通路としてもよい。 また、本発明は排気ガスを接触的浄化のためのいくつかのモノリスまたはモノ リス群に連続的に通すことからなる内燃機関の排気ガス処理法にも関する。 本発明によれば、前記ガスの第一の部分を第一のモノリスまたはモノリス群、 ついでモノリスが存在しない空間、第二のモノリスまたはモノリス群を恒久的に 通し、残りのガスを第一のモノリスまたはモノリス群に通さないことによって、 前記モノリスの温度ピークを制限し、かつ／またはあらかじめ設定した温度範囲 でこれらモノリスを作動させる。 本発明の別の実施例によれば、第二のモノリスの下流に第三のモノリスまたは モノリス群を設け、第二のモノリスを通った第一の部分のガスと第二の部分のガ スを混合し、この混合ガスを第三のモノリスまたはモノリス群の吸入口に送る。 図面の簡単な説明 非限定的な例として、添付図面を参照して示される以下の記載から本発明の他 の特徴、効果および詳細は明らかであろう。 図１は、本発明の原理を示す一般的な模式図である。 図２は、本発明の実施例の断面図である。 図３は、本発明の別の実施例の模式図である。 発明の詳細な説明 より精確には、図１に示すように、前記排気ライン１は第一のモノリス５また はモノリス群と、第二のモノリス１０とからなる。パイプ１１０はライン１から のガス流の第一の部分を矢印Ａに示すように迂回させ、したがって第一の部分は 第一のモノリス５を通らず、第一のモノリス５を通った矢印Ｂで示す排気ガスの 第二の部分と空間７で再混合される。混合は第二のモノリス１０の上流で行い、 したがって大気中に排 出される前に全てのガスが第二のモノリスを通る。スロットリングシステムは設 けない。第一のモノリスを通らないガスの割合は、全体的なガスの流速、バイパ ス１１０の寸法および配列に依存する。 図２は、エンジンに接続したパイプ１を有する排気ラインをさらに詳細に示し たものである。パイプ１は第一のモノリス５の上流で二分され、排気ガスの第一 の部分は矢印Ａで示すように第一のモノリス５のバイパス１１０を流れる。排気 ガスの第二の部分は、矢印Ｂで示すように第一のモノリス５を通る。これら両部 分のガスは、第二のモノリス１０の上流に設けた空間７で一緒になる。 このようにして混合ガスは第二のモノリス１０に入り、パイプ９を通って大気 中に排出される。 本発明の利点は、第一のモノリス５を通らないガスの第一の部分がこのモノリ スで全く触媒反応を受けないことである。モノリス５の温度を制限することが得 られる第一の効果である。さらに、ガスの第一の部分は、第一のモノリス５を通 る間に加熱される第二の部分よりも温度が低い。排気ガスの両部分を空間７で混 合することにより、第二のモノリス１０の入口で温度が過度に高くないガスを恒 久的に得ることができる。したがって、モノリスの最高操作温度とモノリスの劣 化のリスクを回避することができる。 このようなプロセスはまた、触媒の最適オペレーションを得ようとするとき、 長期間望ましい温度範囲のままであることを可能にする。モノリス５で加熱され た排気ガスは、第二のモノリス１０に到達する前に事実、空間７でパイプ１１０ を通ったガスで冷却される。したがって、第二のモノリスをパイプ１１０が存在 しない場合に第一のモノリス５で全てのガスが加熱されたことに起因する高温に おいてではなく、第一のモノリス５に近い温度で作動させることができる。 本発明に係わる方法の利点は、制御スロットリングシステムが設けられていな いため排気ラインにセンサーを設ける必要がないことである。バイパス１１０を 流れるガスの割合は主として排気ガス全体の流速、その温度およびこのライン１ １０の幾何学的形状に依存し、用途によって調整することができる。 本発明の第二の応用例を図３に示す。例えば二行程機関で使用されるこの種の 排気ラインは、エンジンの排気口（図示さず）に接続した第一末端２を有するパ イプ１が 設けてある。さらに、本発明のこの実施例によると第二末端３には容器４内に開 口するパイプ開口部が設けてあり、通常消音装置の働きをする。さらに詐細に述 べると、パイプ１はある程度の長さで容器４内に伸びている。排気ガスの接触的 浄化を目的とした第一のモノリス５は、末端３に設けてある。 さらに、容器４には２つの空間に分ける隔壁６が設けてある。第一の空間７に は、パイプ１の末端３と第一のモノリス５が設けてある。 容器４の第二の空間８には、浄化した排気ガスを大気中に排出するための開口 部９が設けてある。 隔壁６には、第二のモノリス１０を支持する単一の通路が設けてある。 さらに本発明によれば、パイプ１には開口部１１が第二の末端３の近くに設け てある。開口部１１はパイプの突出部に設けてあり、開口部１１から流出するガ スは第一の空間７に入ることになる。 したがって、ガスの流れは以下の通りである。全てのガスがパイプ１の第一末 端２から第二末端３に流れる。 開口部１１に到達すると、ガスの第一の部分が触媒反応を受けることなく矢印 Ａで示すように前記開口部から流出するため、温度が上昇しない。ガスの第二の 部分は矢印Ｂで示すように第一のモノリス５を通り、ついで混合空間７に入る。 この部分のガスは、第一のモノリスにおける触媒反応によって温度が上昇する。 このように全てのガスが混合空間７に到達し、第二の空間８への唯一の通路で ある第二のモノリス１０を通って排出される。第二のモノリス１０の入口におけ るガス温度は、排気ガスの両部分、すなわちモノリス５を通った部分と開口部１ １から流出した部分が混合されることによって制限される。最後に、開口部９か ら大気中に排出される。 当該分野の専門家は、本発明の範囲内で排気ラインにいくつかのモノリスを設 け、ガスの一部を恒久的に迂回させるような実施例を思いつくことは勿論である 。 同様に、少なくとも３個のモノリスを直列に接続し、その間に空間を設けて分 けるような排気ラインの場合は、本原理を直列で再現することもできる。この場 合、第一のモノリスを通らないガスの第二の部分を第三のモノリスの入口で第二 のモノリスを通ったガスと混合することもできる。第一のモノリスの出口で、第 二のモノリスに 送る部分と、第二のガス部分に分けることもできる。 本発明は、排気ガスの温度がきわめて高く、触媒の支持体または触媒の性能が 損なわれる恐れがあるような用途に適している。このように、本発明は火花点火 機関および二行程機関の触媒浄化システムで認められる温度ピークを制限するこ とができる。 また、本発明は制限した温度範囲で触媒を作動させたい場合にも有利に適用し うる。 すなわち、内燃機関の排気ガス浄化の過程で、到達する温度が触媒の抵抗に関 して危険だとは思われないが、NOxの最適転化がDeNOx触媒温度２００〜２５０℃ でしばしば観察される。同様に、酸化触媒の場合は、SO₂の除去が約２００℃で 始まり、約３５０℃で終了する。本発明をこれらの分野に応用すると、浄化シス テムを最適なように排気ラインに設けた場合、これら最適温度範囲からの最高の 温度偏差が最少になるように制限し、全体的な浄化効果を上げることができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）エンジンの排気口に接続した第一の末端（２）を有するパイプ（１）と、前 記パイプ内に直列で設け、空間で相互に分けた排気ガスの接触的浄化を目的 にした第一および第二のモノリスまたはモノリス群とからなる内燃機関の排 気ラインであって、さらに第一の排気ガス部分を前記モノリスまたはモノリ ス群（１０）の少なくとも１つのみに恒久的に通し、第二の排気ガス部分を 全てのモノリス（５，１０）に通すことによって前記モノリスが受ける温度 ピークを制限し、または設定した温度範囲内で前記モノリス作動させること を目的とした手段（１１０，１１）からなり、第一のモノリス群（５）が直 列に配置され、モノリスを含まない空間で分けられたいくつかのモノリスか らなることを特徴とする排気ライン。 ２）第一のガス部分が第一のモノリス群（５）を通らないで、第一のモノリス群 （５）を通った第二のガス部分と混合した後直接第二のモノリス（１０）に 到達するようにしたパイプ（１１０）を含むことを特徴とする請求項１に記 載の排気ライン。 ３）第二のモノリス群（１０）が直列に設けられ、モノリスを含まない空間で分 けられたいくつかのモノリスからなることを特徴とする請求項１または２に 記載の排気ライン。 ４）第一（５）および第二（１０）のモノリスが容器（４）内に設けられ、前記 バイプ（１）の第二末端（３）が前記容器（４）内に突出し、突出部分に開 口部（１１）が設けられ、ガスの一部が第一のモノリス（５）に到達する前 にパイプから流出し、全てのガスを第二のモノリス（１０）に導くように前 記容器（４）内に手段（６）が設けられていることを特徴とする請求項１に 記載の排気ライン。 ５）第一のモノリス（５）がパイプ（１）の突出部の末端（３）に設けられてい ることを特徴とする請求項４に記載の排気ライン。 ６）第二のモノリス（１０）が、容器（４）を２つの空間（７，８）に分ける隔 壁（６）上に設けられ、排気ガスが第一の空間（７）から第二の空間（８） に流れるための唯一の通路であることを特徴とする請求項４または５に記載 の排気ライン。 ７）接触的浄化を目的としたいくつかのモノリスまたはモノリス群を連続的に排 気ガスを通すことからなり、前記ガスの第一の部分を第一のモノリスまたは モノリス 群、ついでモノリスを含まない空間、第二のモノリスまたはモノリス群の順 で恒久的に通過させ、ガスの第二の部分が第一のモノリスまたはモノリス群 を通過しないことによって、前記モノリスが受ける温度ピークを制限し、か つ／または設定した温度範囲で作動させることを特徴とする内燃機関の排気 ガス処理方法。 ８）第二のモノリスの下流に第三のモノリスまたはモノリス群を設け、第二のガ ス部分を第二のモノリスを通った第一のガス部分と混合させ、混合ガスを第 三のモノリスまたはモノリス群の入口に送ることを特徴とする請求項７に記 載の処理方法。