JP2007170277A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関から排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置５において、触媒コンバータ６の目詰まりを防止する。
【解決手段】排気浄化装置５は、排気ガスの流通経路に介装される触媒コンバータ６と、この触媒コンバータ６の排気ガス導入部６ａ側に回転可能に配置されかつ排気ガス導入部６ａを擦り掃除する回転ブラシ７とを含む。回転ブラシ７を回転させてそのブラシ１３で排気ガス導入部６ａを擦り掃除することにより、排気ガス導入部６ａに付着する付着物を除去できるので、付着物の堆積が防止される。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車等の車両に搭載される内燃機関に用いる排気浄化装置に関する。

例えば内燃機関には、排気浄化装置として触媒コンバータが装備される（特許文献１参照。）。ガソリンエンジンでは、触媒コンバータが三元触媒コンバータとされる。

一般的に、三元触媒コンバータは、浄化性能ならびに排気性能の向上を図るために、例えばハニカム状の多数の通路を設けるとともに、この各通路の壁面にプラチナ、ロジウム等の貴金属をコーティングしたような構成になっている。

また、ディーゼルエンジンの排気浄化装置では、排気ガスに混在するパティキュレート（粒子状物質：炭素微粒子、サルフェート等の硫黄系微粒子、高分子炭化水素微粒子等）を捕集するフィルタが用いられる（特許文献２参照。）。このフィルタは、例えばセラミック、金属繊維不織布、又は、金網等の多孔性材料から成り、排気ガスがこのパティキュレートトラップを通過する際に、多孔性材料の細孔によってパティキュレートが捕集されるようになっている。
特開２００４−２６３６００号公報 特開２００４−１２４７２３号公報

上記特許文献１に係る従来例のようなガソリンエンジンにおいて、使用燃料に、オクタン価向上剤として例えばマンガン系添加物（ＭＭＴ：Methylcyclopentadienyl Manganese Tricarbonyl）等を添加しているような場合、燃焼室での燃焼に伴いマンガン酸化物等の金属系化合物が生成され、排気ガスに混じって排出されることがある。

このように排気ガスに金属系化合物が混じっている場合、上記従来例における触媒コンバータにおける排気ガス導入部にマンガン酸化物のような金属系化合物が付着することがあり、使用経過に伴い、前記排気ガス導入部に金属系化合物が堆積、成長して通路の断面積が小さくなるといった目詰まり現象が発生するおそれがある。

ところで、ガソリンエンジンの冷間時に触媒コンバータを素早く昇温させるために、前記触媒コンバータをシリンダヘッドの排気ポート近傍に配置するタイプ、いわゆるマニバータタイプがある。

このマニバータタイプは、排気ガス導入部が内燃機関の始動から短時間で高温になりやすいので、内燃機関の始動後、早急に浄化性能が高くなるものの、このように触媒コンバータの排気ガス導入部が高温になると、この排気ガス導入部に上述した金属系化合物が付着しやすくなり、この付着物が早期段階で堆積、成長して目詰まりするおそれがある。

これに対し、上記特許文献２に係る従来例のようなディーゼルエンジンの場合、それに使用する燃料が上述したガソリンエンジンに使用する燃料とは異なるものであって、ディーゼルエンジンに使用する燃料には上述したオクタン価向上剤（例えばマンガン系添加物）が添加されていない。

つまり、このようなディーゼルエンジンでは、そもそも、上述したガソリンエンジンにおいて生成される金属系化合物が原因となって触媒コンバータが目詰まりするという不具合が発生しない。但し、ディーゼルエンジンの場合、パティキュレートによる目詰まりが発生するが、これについては、加熱手段により燃焼させることで対処している。

ここで、本願発明者は、仮に、上記ディーゼルエンジンの排気浄化装置に備える整流部材を、上記ガソリンエンジンの排気浄化装置における触媒コンバータの上流に設置することにより、触媒コンバータの排気ガス導入部に金属系化合物が付着しにくくなるのではと考えたが、十分な効果は得られなかった。

本発明は、内燃機関の排気浄化装置において、触媒コンバータの排気ガス導入部の目詰まりを防止することを目的としている。

本発明は、内燃機関から排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置であって、前記排気ガスの流通経路に介装される触媒コンバータと、この触媒コンバータの排気ガス導入部側に回転可能に配置されかつ前記排気ガス導入部を擦り掃除する回転ブラシとを含むことを特徴としている。

この構成によれば、触媒コンバータの排気ガス導入部に、排気ガスに含まれる未燃焼成分（例えば金属系化合物等）が付着したとしても、この付着物を比較的速やかに回転ブラシでもって除去することが可能になるから、触媒コンバータの排気ガス導入部に付着物が堆積、成長して目詰まりすることが回避されることになる。

好ましくは、前記触媒コンバータは、エキゾーストマニホールドにおける上流寄りに設けられる。

ここでは、要するに、触媒コンバータをいわゆるマニバータタイプとして特定している。この構成によれば、排気ガスの熱によって触媒コンバータが比較的早急に暖められることになるので、内燃機関の始動後、早急に触媒コンバータによる浄化作用を高めることが可能になっている。

このマニバータタイプの触媒コンバータの場合、エキゾーストマニホールドの近傍に設置される関係より、排気ガス導入部に排気ガスに含まれる未燃焼成分が付着しやすくなると考えられるが、前記回転ブラシで排気ガス導入部を擦り掃除することによって前記排気ガス導入部の目詰まりを回避することが可能になる。

好ましくは、前記回転ブラシは、予め設定される規定温度以上になると回転して前記排気ガス導入部を擦り掃除可能な状態とされる。

この構成によれば、触媒コンバータが活性化する高温域において回転ブラシが回転して、触媒コンバータによる排気ガスの浄化作用が比較的弱い低温域では回転ブラシが非回転となるから、低温域において回転ブラシが触媒コンバータに対する排気ガスの流入の妨げにならずに済む。これにより、低温域での触媒コンバータによる排気ガスの浄化条件が良好に保たれるようになる。

好ましくは、前記回転ブラシは、一端側が前記触媒コンバータの外装ケースに固定されかつ他端側が前記触媒コンバータの排気ガス導入部側に配置される支軸と、この支軸の自由端側に回転可能に取り付けられる羽根車と、この羽根車に取り付けられる金属製繊維群からなるブラシとを含む構成とされる。

この構成によれば、羽根車が排気ガスの流れでもって回転するように設計することが可能であり、それによって駆動源が不要となる等、設備コストの低減が可能になる。

また、回転ブラシを複数の部品の組み合わせ構造としているから、ブラシの摩耗、破損によって交換が必要なときにも、回転ブラシ全体を交換せずに、ブラシ付の羽根車のみを交換することが可能となり、ランニングコストを低減するうえで有利となる。

好ましくは、前記羽根車の羽根は、前記規定温度以上になると前記触媒コンバータへの排気ガス流入方向に対して傾いた傾斜姿勢になる形状記憶合金で形成される。

この構成によれば、羽根車の羽根が高温域において回転力を発生する羽根として機能するようになっているから、羽根車の回転動作を自動で制御できる等、スイッチ等の部品が不要となり、設備コストの低減が可能になる。

しかも、低温域において前記羽根が回転力を発生する羽根として機能しない状態になるから、この羽根が触媒コンバータに対する排気ガスの流入の妨げにならずに済む。これにより、低温域での触媒コンバータによる排気ガスの浄化条件が良好に保たれるようになる。

好ましくは、前記規定温度以上になると前記回転ブラシを前記触媒コンバータの排気ガス導入部に当接させる作動位置に、また、前記規定温度未満になると前記回転ブラシを前記触媒コンバータの排気ガス導入部から離隔させる休止位置にそれぞれ変位させる駆動手段を含む。

この構成によれば、高温域においてのみ金属製繊維群からなるブラシが触媒コンバータの排気ガス導入部に当接して擦り掃除可能な状態になるから、常時当接させる場合に比べて触媒コンバータへ排気ガスを効率よく流入させることが可能になり、浄化能力を向上させるうえで有利となる。

好ましくは、前記駆動手段は、前記支軸の自由端側に設けられるストッパと前記羽根車との間に配設される伸縮部材とされ、かつ、前記規定温度以上になると前記回転ブラシを前記作動位置に変位させるよう縮む一方で、前記規定温度未満になると前記回転ブラシを前記休止位置に変位させるように伸びるものである。

この構成によれば、駆動手段が他の動力を使わずに温度の高低に応じて自身で伸縮動作するものであるから、別途の駆動動力を確保する無駄がなくなり、設備コストの低減が可能になる。

好ましくは、前記伸縮部材は、形状記憶合金からなる円筒形状のコイルスプリングとされる。この場合、伸縮動作が円滑に行えるようになるうえ、形状記憶合金で比較的簡易かつ安価に製作できるようになる。

本発明に係る排気浄化装置によれば、触媒コンバータの排気ガス導入部に排気ガス中の未燃焼成分が付着、堆積して、触媒コンバータが目詰まりする現象の発生を防止することが可能となる。これにより、排気浄化装置の所期の浄化性能を長期にわたって確保することが可能になる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１から図５に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の一実施形態を示している。ここでは、内燃機関をガソリンエンジンとする例を挙げている。

図１において、１はシリンダブロック、２はシリンダヘッド、３は燃焼室、４は排気管の一部であるエキゾーストマニホールド、５は排気浄化装置である。

排気浄化装置５は、エキゾーストマニホールド４そのものを外装ケースとし、その内部に触媒コンバータ６と、触媒コンバータ６の排気ガス導入部６ａを擦り掃除するための回転ブラシ７とを設けた構成になっている。

具体的に、まず、エキゾーストマニホールド４は、図１において側面視略逆さＬ字形状に屈曲されていて、シリンダヘッド２の排気ポート２ａの開放方向に沿って真っ直ぐに延びる横向き直線部４ａと、この横向き直線部４ａから略９０度下向きに屈曲する下向き直線部４ｂとを有している。

触媒コンバータ６は、外形が長尺な円柱形に形成されていて、エキゾーストマニホールド４の下向き直線部４ｂの内周に略同心状にマット８を介して取り付けられている。

なお、マット８は、例えばアルミナ繊維の集合体からなり、圧縮すると繊維間で反発が起こり、その反発力によって触媒コンバータ６を保持するようになっている。

触媒コンバータ６は、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を一括して化学反応により無害な成分に変化させる三元触媒コンバータ等とされる。

この触媒コンバータ６は、一般的に公知の構造のものとされるが、例えばハニカム状の多数の通路・・・を有する構成であり、各通路・・・の壁面に図示していないがプラチナ、ロジウム等の貴金属がコーティングされている。

一方、回転ブラシ７は、触媒コンバータ６の排気ガス導入部６ａを擦り掃除して排気ガス導入部６ａに対する付着物の堆積を防止するものであり、支軸１１と、羽根車１２と、ブラシ１３とを含む構成とされる。

支軸１１は、一端側が触媒コンバータ６の外装ケースとしてのエキゾーストマニホールド７の所定位置に例えば溶接等の方法により固定され、他端側が触媒コンバータ６の排気ガス導入部６ａ側に配置されて、触媒コンバータ６の下向き直線部４ｂの中心Ｏと同軸に配置されている。

羽根車１２は、支軸１１の自由端側に回転可能に取り付けられるもので、円筒形のボス部１２ａの円周等間隔の数ヶ所（図では１２０°おきの三ヵ所）に、径方向外向きに放射状に突出する帯板状の突片１２ｂを設け、この各突片１２ｂの自由端側の上面に、それぞれ一枚の羽根１２ｃを設けた構成である。

このような形状の羽根車１２であれば、触媒コンバータ６の排気ガス導入部６ａの上流に配置しても、排気ガス導入部６ａに対する排気ガスの流通面積が僅かに減少するだけで済む。

このボス部１２ａの中心孔に、支軸１１が回転可能かつ軸方向変位可能となるように適宜の正の隙間を持つ状態で挿通される。

また、ボス部１２ａの中心から各突片１２ｂの自由端までの長さが、触媒コンバータ６の半径寸法と略同じに設定されている。そのため、羽根車１２がその円筒ボス部１２ａを中心として回転したときに各突片１２ｂの自由端が描く回転軌跡の直径寸法が、触媒コンバータ６の排気ガス導入部６ａの外径寸法と略一致することになる。

各突片１２ｂの下面には、ブラシ１３となる金属製繊維群が下向きに突出するように植設されている。

羽根１２ｃは、形状記憶合金製の長方形の板からなり、各突片１２ｂの自由端側上面に例えば溶接等により接合されている。この羽根１２ｃは、所定の規定温度未満になると触媒コンバータ６への排気ガス流入方向に沿う姿勢になる一方で、所定の規定温度以上になると触媒コンバータ６への排気ガス流入方向に対して傾いた傾斜姿勢になる。なお、各羽根１２ｃは、すべて同一の向きに揃って傾斜するようになっている。

そして、支軸１１の自由端には、径方向外向きに張り出して反自由端側に屈曲された形状のストッパ１１ａが設けられており、このストッパ１１ａの内面と羽根車１２のボス部１２ａとの対向間には、伸縮部材１４が介装されている。この伸縮部材１４とボス部１２ａとの間には、ブッシュ１５が介装されている。

伸縮部材１４は、形状記憶合金で形成される円筒形状のコイルスプリングとされている。この伸縮部材１４は、所定の規定温度未満のときには伸張した姿勢になる一方で、所定温度以上になるとその支軸線に沿って圧縮した姿勢になる。なお、前記規定温度としては、例えば７００℃〜８５０℃、好ましくは、８００℃前後等、任意に設定することが可能である。

そして、伸縮部材１４が伸張すると、例えば図１および図４に示すように、羽根車１２を上昇変位させることによってブラシ１３を触媒コンバータ６の排気ガス導入部６ａから離隔する状態になるが、伸縮部材１４が圧縮すると、例えば図２および図５に示すように、羽根車１２を下降変位させることによってブラシ１３を触媒コンバータ６の排気ガス導入部６ａに当接する状態になる。

次に、上述した構成の排気浄化装置５の動作を説明する。

内燃機関を始動させると、燃料が燃焼室３で燃焼されて排気ガスが排気ポート２ａからエキゾーストマニホールド４に排出される。この内燃機関に使用する燃料は、例えばオクタン価向上剤（例えばマンガン系添加物等）が添加されているガソリンとする。

このとき、エキゾーストマニホールド４に排出された排気ガスは、触媒コンバータ６に流入されて浄化されるようになる。ところで、使用燃料の関係より、排気ガスにはマンガン酸化物等の金属系化合物等の未燃焼成分が混入することになる。

この排気ガスに含まれるマンガン酸化物等の金属系化合物は、触媒コンバータ６の排気ガス導入部６ａにおける温度が、前記規定温度以上の高温になると、図２および図５に示すように、触媒コンバータ６の排気ガス導入部６ａに付着しやすくなり、そのまま経時的に放置していると、堆積、成長して目詰まりの原因となる。

しかしながら、この実施形態では、内燃機関の運転経過に伴い触媒コンバータ６の排気ガス導入部６ａの温度が上昇し、この温度が所定温度以上になると、回転ブラシ７の羽根１２ｃが傾斜することになるとともに、伸縮部材１４が圧縮することになる。

このように傾斜した羽根１２ｃに、排気ポート２ａから排出される排気ガスが衝突すると、羽根車１２の羽根１２ｃが回転力を発生するようになるので、羽根車１２が所定方向に回転駆動されることになる。その一方で、圧縮した伸縮部材１４によって羽根車１２のブラシ１３が触媒コンバータ６の排気ガス導入部６ａに当接される状態になる。

これにより、ブラシ１３が触媒コンバータ６の排気ガス導入部６ａを擦り掃除することになるので、排気ガス導入部６ａに付着した金属系化合物が除去されることになる。このようにして掃き取られた金属系化合物は、触媒コンバータ６から下流に排出されるようになる。

これにより、経時的に前記金属系化合物が触媒コンバータ６における排気ガス導入部６ａに堆積することを抑制または防止することが可能になるので、触媒コンバータ６の目詰まりを回避することができる。

以上、要するに、本実施形態の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関から排出される排気ガスの温度が低温のときには、触媒コンバータ６の排気ガス導入部６ａに排気ガス中の未燃焼成分が付着するものの、排気ガスが高温になると回転ブラシ７のブラシ１３が排気ガス導入部６ａに押し付けた状態で回転ブラシ７が回転駆動されるようになって、ブラシ１３で排気ガス導入部６ａを擦り掃除できるようになる。

これにより、触媒コンバータ６の排気ガス導入部６ａに排気ガス中の未燃焼成分が付着したとしても、この付着物を除去することができる。このため、触媒コンバータ６の排気ガス導入部６ａに付着した付着物が経時的に堆積、成長することを抑制または防止できるようになるから、触媒コンバータ６が目詰まりすることを長期にわたって回避できるようになる。

したがって、特別な駆動源や制御系を用いることなく、触媒コンバータ６の所期の浄化性能を長期にわたって確保できるようになる。

以下、本発明の他の実施形態を説明する。

（１）上記回転ブラシ７は、三本の突片１２ｂを有する羽根車１２を例に挙げたが、例えば図６に示すように四本の突片１２ｂを有する羽根車１２とすることができる等、排気ガスの流速とのマッチングで、例えば突片１２ｂの数を一本以上、任意に設定することができる。

（２）上記回転ブラシ７の羽根車１２は、各突片１２ｂの一部に設けた羽根１２ｃのみを形状記憶合金で形成した例を挙げたが、羽根車１２の各突片１２ｂの全体を形状記憶合金からなる羽根とすることができる。

（３）上記実施形態では、伸縮部材１４を形状記憶合金からなる円筒形状のコイルスプリングとした例を挙げたが、その外形形状については特に限定されない。

（４）上記実施形態では、エキゾーストマニホールド４を排気浄化装置５の外装ケースとして利用した例を挙げたが、図７に示すように、排気浄化装置５をエキゾーストマニホールド４とは別体、つまり排気浄化装置５として専用の外装ケース２０の内部に触媒コンバータ６および回転ブラシ７を取り付けた構成とすることも可能である。

（５）上記実施形態では、排気浄化装置５としてエキゾーストマニホールド４における上流寄りに配置するマニバータタイプを例に挙げたが、例えば図８に示すように、排気浄化装置５をエキゾーストマニホールド４とセンターマフラー２１との間に配置するタイプであってもよい。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の一実施形態を模式的に示す断面図であり、回転ブラシが休止位置にある状態を示している。 図１に対応する断面図で、回転ブラシが作動位置にある状態を示している。 図１および図２の回転ブラシを分解して示す斜視図である。 図１に示す休止状態の回転ブラシの羽根を矢印Ｘ方向から見た図である。 図２に示す作動状態の回転ブラシの羽根を矢印Ｘ方向から見た図である。 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の他の実施形態であり、羽根車を示す斜視図である。 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の他の実施形態で、図１に対応する図である。 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置のさらに他の実施形態で、図１に対応する図である。

符号の説明

２ シリンダヘッド
２ａ 排気ポート
３ 燃焼室
４ エキゾーストマニホールド
５ 排気浄化装置
６ 触媒コンバータ
６ａ 排気ガス導入部
７ 回転ブラシ
１１ 支軸
１２ 羽根車
１２ｂ 突片
１２ｃ 羽根
１３ ブラシ
１４ 伸縮部材

Claims (8)

1. 内燃機関から排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置であって、
   前記排気ガスの流通経路に介装される触媒コンバータと、この触媒コンバータの排気ガス導入部側に回転可能に配置されかつ前記排気ガス導入部を擦り掃除する回転ブラシとを含むことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 請求項１において、前記触媒コンバータは、エキゾーストマニホールドにおける上流寄りに設けられることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
3. 請求項１または２において、前記回転ブラシは、予め設定される規定温度以上になると回転して前記排気ガス導入部を擦り掃除可能な状態とされることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
4. 請求項１から３のいずれかにおいて、前記回転ブラシは、一端側が前記触媒コンバータの外装ケースに固定されかつ他端側が前記触媒コンバータの排気ガス導入部側に配置される支軸と、この支軸の自由端側に回転可能に取り付けられる羽根車と、この羽根車に取り付けられる金属製繊維群からなるブラシとを含む構成とされることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
5. 請求項４において、前記羽根車の羽根は、前記規定温度以上になると前記触媒コンバータへの排気ガス流入方向に対して傾いた傾斜姿勢になる形状記憶合金で形成されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
6. 請求項４または５において、前記規定温度以上になると前記回転ブラシを前記触媒コンバータの排気ガス導入部に当接させる作動位置に、また、前記規定温度未満になると前記回転ブラシを前記触媒コンバータの排気ガス導入部から離隔させる休止位置にそれぞれ変位させる駆動手段を含むことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
7. 請求項６において、前記駆動手段は、前記支軸の自由端側に設けられるストッパと前記羽根車との間に配設される伸縮部材とされ、かつ、前記規定温度以上になると前記回転ブラシを前記作動位置に変位させるよう縮む一方で、前記規定温度未満になると前記回転ブラシを前記休止位置に変位させるように伸びることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
8. 請求項７において、前記伸縮部材は、形状記憶合金からなる円筒形状のコイルスプリングとされることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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