JP3231852B2 - 内燃機関の触媒コンバータに組み込まれたサイレンサ - Google Patents

内燃機関の触媒コンバータに組み込まれたサイレンサ

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、任意のタイプの内燃機
関から生成する排気ガスを有害度の低いガスに変換する
触媒コンバータと組み合わされたサイレンサに関する。
【0002】
【従来の技術】内燃機関から大気に放出される排気ガス
の有害さについて長年にわたって具体的に指摘されてき
た。また、使用中の乗用車の数の急激な増加によって、
一酸化炭素、未燃炭化水素、酸化窒素の放出を最小限に
する抑制手段の開発が数多くの工業諸国において促がさ
れた。その結果、これらの強い汚染物資を、二酸化炭
素、水蒸気、窒素のような、実質的に無害のガスに変換
する触媒が開発されてきた。これらの触媒は排気ガスの
流れに接触する比較的大きな表面を有する。この観点か
ら、通常のサイレンサの上流側に組み込まれる種々の触
媒コンバータが開発され市販されてきた。
【0003】これらのコンバータは、しかし、それらの
構造の機械的な寿命、および取付の難しさだけでなく非
常に高いコストを招くことになり、また、それ自体の構
造の複雑さによって、化学的な効率の持続時間のような
種々の問題を呈している。
【0004】将来、原則として、乗用車は排気クリーナ
を工場で組み込まなければならなくなるので、後者のコ
ストは、新車に対する取付および既に使用されている莫
大な数の乗用車を変換する際に共に大きな負担になる。
【0005】触媒コンバータ・マフラーは、技術的に既
に周知のことである。例えば、米国特許第3,649,
213号は、最適なガスの流れ特性を与え且つ高温条件
に起因する異なる膨張の問題を最小限にする、V字形の
ベッド構成をもつ触媒コンバータ・マフラー装置につい
て述べている。好ましいユニットは、卵形の外部チャン
バー、触媒容器部、および平らなプレート部材に発生す
るバックリングを防止するために内部触媒保持スクリー
ンのために湾曲された側壁を具備している。
【0006】低い背圧をもつコンビネーション・マフラ
ーと触媒コンビネーションが米国特許第4,094,6
45号に開示されている。この装置は、2次空気を加え
るためにベンチュリ管を排気ガス・インレット・パスに
具備している。ベンチュリ管の効率は、壁の分離と乱流
を防止しながら、流れ方向を逆転するベンチュリ管に特
に長いアウトレット・コーンを与えることに依って、ベ
ンチュリ管の下流側に導かれる背圧が低く保たれるので
非常に高い。音の減衰作用は、生成された背圧がベンチ
ュリ管の効率を減少するうえで最小限の影響しか与えな
い、ベンチュリ管の上流側で行われる。
【0007】メタル・フォイルの上で支持されている触
媒のハウジングとこのように支持された触媒を含有する
触媒コンバータが、欧州特許公報−0263893号に
記載されている。触媒コンバータは、スパーク点火また
は圧縮点火であるかどうかにかかわらず特に自動車用の
内燃機関に有用と言われている。
【0008】触媒または内燃機関の排気ガスに関する他
の浄化剤を使用する機器が、2つの排気ガス処理ボディ
およびそれらの間の保護リングと共に、欧州特許公報−
0387422号に開示されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】これらの先行技術の装
置の何れも、本発明のコンバータ−サイレンサに特有の
デザインを想定していない。
【0010】本発明の目的は、触媒コンバータが任意の
取付上の問題がない状態でサイレンサと交換されること
ができて、両方の機能、すなわち、消音と廃棄物の洗浄
を1つにして実施しながら、排気ガスを洗浄するため
に、安い製造コストと長寿命の触媒コンバータを具備す
るサイレンサを提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明に依れば、組み合
わされたサイレンサ/コンバータは、排気ガス・インレ
ットの末端で周知の方法で取り付けられていて、エンジ
ン排気マニフォルドの嵌合部材と共に且つハウジングが
管状エレメントの内部に取り付けられている触媒コンバ
ータに固定されている、外部ハウジングから構成してい
る。後者は、排気ガスの流れの上流側の、一端で、前記
の嵌合部材に延長する開口末端と共に、ベンチュリ管ノ
ズルを形成し、反対側の末端がサイレンサ排気が接続さ
れている壁で閉じられるようにして与えられている。ベ
ンチュリ管ノズルの末端と端部壁の間に構成されている
前記の管状エレメントの部分に、汚染物資の排気ガスを
薄めるために触媒材料で処理される気孔性セラミック材
料から作られている複数のエレメントが挿入されてい
る。ガスのための連続する膨張チャンバーが或るダイア
フラムと次のダイアフラムの間に与えられているので、
前記のガスは汚染物資から薄められるだけでなく大気に
近い温度と圧力で末端の放散装置から放出されるので、
アセンブリは効率的なサイレンサとしても機能するの
で、最小限度の取付コストで、任意のタイプの乗用車の
通常のサイレンサと同様に単一のユニットとして容易に
交換できる状態で、ダイアフラムが排気ガスの通路の適
切なポートに取り付けられることが示唆される。
【0012】気孔性セラミック・ダイアフラムの形は、
前記のダイアフラムがマッチング・ジョイントまたはフ
ィッティングと連続して挿入され、事前に実験的に設定
され且つ使用中の数多くの自動車モデルの各々に対して
最適に設定された間隔と距離を維持することが想定さ
れ、なおかつ、本発明が、主として、使用中の数多くの
タイプの乗用車と交換できる。排他的な専用のものでな
いことも考えられる。
【0013】言い換えれば、触媒サイレンサは、特に多
種多様な従来の自動車に容易に使用できる異質なサイレ
ンサのものとして、資本を必要とせず余計なスペースも
使用することなく、短時間で製造されることができる。
触媒サイレンサが提供する明確な長所は、事前に設定さ
れたサイズの限られた量の内部部品と外部部品を貯蔵で
きる可能性であり、それは、サイレンサに最も適したタ
イプを自動車の気筒容積やパワーやタイプに基づいて提
供するために研究所のテストに基づく仕様条件に基づい
て組み立てられることができることである。
【0014】それが説明と添付図面から明かになるよう
に、本発明は濾過エレメントの製造に適したセラミック
材料の特定の化学的な性質または物理的な特性を対象に
されるのでなく、本発明は特定の触媒材料または材料の
クラスの選択を対象にされるのでもない。実際に、C
O,HC,NOx を変換する化学材料と触媒は共に技術
上周知のことである。
【0015】ちょうど事例を用いて、一般的に有用なセ
ラミック材料は、アルミナのような無機性耐熱酸化物、
ガンマアルミナ、アルミナジルコニア、ジルコニア、シ
リカ、コウジライト、ムライト、シリコン・カーバイド
のようなカーバイド、ニトライド、その類似品に依って
表される。適切な触媒材料の例は、プラチナ、パラジウ
ム、シルバー、鉄酸化物のような酸化物、バナジウム酸
化物、クロム酸化物であり、なおかつ、一般的に適切な
触媒媒体は、当業者で周知のことであるように、周期律
表のグループI,V,VI,VIIIの他の金属も含めること
ができる。これらの触媒材料が単独または2つ以上組み
合わされて使用されても構わないという事実も周知のこ
とである。気孔性セラミック材料を触媒を用いて処理す
る方法も、技術上周知のことであるが、本発明の範囲外
である。
【0016】
【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の実施例に
ついて説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定
されるものではない。図1は、ヘッド14の一端が実質
的に半球形状で終了する外部ハウジング12から構成
し、円錐状の嵌合部材15が与えられていて、この嵌合
部材がエンジンの排気マニフォルドと噛み合う、スリー
ブ16に依って部分的に囲われていて、数字10で、識
別される、サイレンサのボディを示す。ハウジング12
の内部に、適切に配置された触媒エレメントを具備する
管状エレメント30が位置していて、そこでは管状エレ
メントが1つの末端32を半球形状ヘッド14から形成
されるチャンバー34に向けて開いていて、反対側で、
壁36で囲われている、先細排気チューブ38が、ガス
を大気に放出する放散装置として機能し且つ外部ハウジ
ング12と実質的に一列に並んで終了する、筋違骨40
に接続され取り付けられている。
【0017】長さMの嵌合部材15は、直径がAの、そ
のインレット断面17から開始し半球形状のチャンバー
34の入口と一致し且つ直径Bが次に示す値をもつ断面
18まで、13%の傾斜をしているのが好ましい。 B=2(A/2−M×0.13) … (1)
【0018】チャンバー34の内部に位置する、フィッ
ティング15は、先細ダクトまたはベンチュリ管ノズル
20を形成するために徐々に傾斜がつけられていて、そ
の末端の直径Cは次に示す値をもつ。 C=B/3.5 … (2) 下記と等しい長さNのチャンバー自体の内部に生成
【0019】ベンチュリ管ノズル20には、半球形状の
ヘッド14との接続ゾーンの近くで切断された少なくと
も4つの横断する穴があって、なおかつ、ガスの部分が
触媒コンバータに放出され、残りの部分が末端の穴に放
出され、内部減圧部分に向かう。穴19の直径Kは次に
示す値をもつ。
【数1】
【0020】フロント・チャンバーの平均長さPは、部
分的に半球形状のチャンバー34を含めて、最初のダイ
アフラムの壁までで、下記の値になる。 ここでHPはエンジンの馬力である。 K=2.6(4気筒エンジンの場合) =6.8(4気筒エンジンの場合) =12.5(12気筒エンジンの場合) ディーゼル・エンジンの場合、導かれたKの値は4.2
5のファクターを更に掛け算される。
【0021】末端の放散装置38は、チューブ30の内
側に向けて、次に示す直径をもつ。
【数2】 ここでSF は、後で説明するように、チューブ30に形
成される最後のチャンバーに面するターミナル・ダイア
フラムの穴の全体的な面積を示す。
【0022】ベンチュリ管ノズル20の末端から開始す
る、気孔性セラミック・モジュラー・ダイアフラム50
のセットは、図2で概略が図示されるように、チューブ
30に位置が設定されている。ダイアフラムの平均距離
dは、小さな排気容量エンジンから大きい排気容量エン
ジンにかけて通る、次に示す値に非常に近い。 d=(0.6から2)A … (6) しかし、前記の距離dは、エンジンが動作している状態
で、異なるチャンバーの圧力をチェックすることに依っ
て実験的な経験によって定義されることができる変動の
影響を受ける。
【0023】図3から、カップ形状の、ダイアフラム5
0は、メタル・チューブ30の内径に正確に釣り合う直
径をもつ、外部がシリンダー状の形をしていて、実質的
に平らな外面51、凹面の内面52をもち、放物線状の
形をもつことが好ましいので、ベンチュリ管ノズルから
来るガスの流れは、渦巻と好ましくない背圧現象の生成
を防止し、適切なエンジン特性を保証するために、鋭角
がない丸みを帯びた表面をもつチャンバーと常に接触し
ている。
【0024】各々横断壁53は、その深さ方向に、円形
断面54またはボタンの穴のような形56または多角形
のような形58から各々作られた、または任意に組み合
わされた構成で作られた、図4,5,6の例を用いて図
示されているように、種々のタイプ、形、寸法の通り穴
のシリーズを備えている。長さ方向に、穴は、或るチャ
ンバーから別のチャンバーに流れる前記の排気ガスの膨
張を、引き続き、支えると思われる、図7に図示される
ように、複数の分岐ダクトをガスの流れ方向に構成する
ために、小さなベースがガス・インレットに向けられた
状態の切頭体の傾向を示している。拡散角αは8°〜1
5°の範囲にある。
【0025】総面積に対する各々ダイアフラムの通し穴
の比率は変動し、適切に決められる。大きい比率の値、
すなわち、より広い空のスペースをもつダイアフラム
は、排気ガスが更に膨張されるコンバータのアウトレッ
ト38に向けて連続して組み込まれる。
【0026】各々ダイアフラムの長さHも、気筒容積と
エンジン・パワーに基づいて、エンジンに依って生成さ
れた排気ガスの容量に基づいて各々連続するチャンバー
の容量を経験的に定義することを可能にするために変わ
ることができる。
【0027】図2は、例を用いて、ダイアフラム50に
関して異なる可能性をもつ配置を示すものである。左側
から右側にかけて、ダイアフラム50aは、チャンバー
0を形成するために、ベンチュリ管ノズル20に向け
られたその凹面部に位置している。チャンバーV1 を形
成するために、相互に反対側に且つダイアフラム50a
のものと必ずしも等しくない長さHをもつ、ペアの同じ
タイプのダイアフラム50bと50cが続いている。こ
のケースで、ペアのダイアフラム50bと50cは凹面
の内面と共にセラミック・リング59に依ってダイアフ
ラム50aからスペースがとられている。更に、すべて
同じ方向に向いている、ダイアフラム50d,50e,
50f、は、触媒サイレンサのアウトレットの直前のチ
ャンバーVn まで連続するチャンバーV2 ,V3 ,V4
を形成している。
【0028】異なる状態で穴が開けられた表面が与えら
れていて且つ異なる長さHをもつ、ダイアフラム50
は、それらの気孔性構造の表面と通し穴54,56,5
8を共にカバーするために、周知の触媒材料にさらされ
る。
【0029】排気ガスは、ダイアフラムの前記のように
処理された表面と気孔性ボディと接触しながら流れ、予
期された目的を満足するために浄化され、なおかつ、そ
れらは、低温で、好ましくない有害汚染物資が薄められ
消音されて流れる。
【0030】ダイアフラムの円周方向に沿う壁は、それ
を囲むメタル・チューブ30の内側に分離障壁を形成す
るが、しかしチューブは外部ハウジング12から隙間6
0に依ってスペースが与えられていて、隙間はガラス繊
維または岩綿を用いて周知の方法で充填されることがで
きる。
【0031】図8は、更に迅速なサイレンサの取付を可
能にするために、チューブ30に導かれる触媒エレメン
トの数を減少することを意味する、ダイアフラムのさら
なる別の実施態様を示すものである。ダイアフラム70
は、ダイアフラム50(すなわち、54,56,58)
のために図4,5,6で、例を用いて、図示されるタイ
プの穴が与えられているディスクまたはプレート74と
共に組み合わされた筋違骨72から構成することもでき
る。各々互いに確実に接続されるために、別々に圧縮さ
れ且つ触媒材料で処理された、2つのエレメント72と
74は、前記の図8で、例を用いて、図示されるよう
に、適切なジョイントが与えられていて、なおかつ、そ
れらは他の適切な手段を用いて確実に結合されている。
筋違骨72は、複数の任意の形の穴76,76′,7
6″…が与えられていて、それらはガスがチャンバーV
0 (図9を参照)からきて且つチャンバーV1 の内部の
プレート74(筋違骨72から形成される)を経由して
流れ、防錘形エレメントの内壁73に接触しながらき
て、有害化学成分の最初の希薄作用を受ける。チャンバ
ーV1 から流れ出ると、ガスは、チャンバーV2 に進
み、次に防錘形エレメント72′の内側のさらなるV3
に進み、同様に、前記の図9に図示されるようにチャン
バーV4 ,V5 ,V6 に進む。
【0032】複数のユニットと組み合わされて使用され
ることができるダイアフラムのさらなる好ましい変形例
が図10に図示されている。本発明の内部で、気孔性セ
ラミック・エレメントは、80のように一般的に識別さ
れる、ボディから構成し、なおかつ、その外面81はシ
リンダー状が好ましく、なおかつ、反対側に口径92,
102をもつ、2つのくぼみ90,100を形成する2
つのフランジ84と86が固定されている横断するダイ
アフラム82が内部で与えられている。
【0033】ダイアフラム82の境界を定める、くぼみ
90と100の隣接する底は、好ましい凹面であり、な
おかつ、時々性能を低下する場合がある鋭い周辺末端の
生成を防止するために、図10で点線で図示されるよう
に、それらの各々フランジに接続されている。くぼみ9
0と100は、バッフルそのものを通り、特定の必要性
と用途に基づいて、任意の形、数、寸法で製造され、な
おかつ、エレメント80の縦軸x−xを中心として調整
されることができる、複数のシリンダーまたは円錐ある
いはその両方の状態の穴85を用いて相互に連絡してい
る。
【0034】前記のエレメント80のフランジ84と8
6は異なる高さsとtになることができて、なおかつ、
それらは連続するチャンバーの非常に広範囲の容量
0 ,V 1 ,V2 を、ごく僅かのエレメントを用いて、
好都合に達成を可能にする広範囲のアプリケーションの
可能性を与えることができる。更に、図10の80で示
されるタイプのエレメントを用いると、エレメントを相
互に反対に設定することに依って達成されるチャンバー
が鋭い末端を任意の部分に生ぜずに常に底を接続させる
ことができる。
【0035】本発明は或る好ましい実施態様の形を引用
して数多く例証され説明されたが、当業者は、形と細か
い部分の種々の変更は、添付された請求項で定義される
本発明の保護範囲を逸脱せずに実施されることを可能に
する。
【図面の簡単な説明】
【図1】エンジン排気ガス・インレット・ノズルと後部
排気放散装置を備え、内部ダイアフラムがない、本発明
に基づいて組み合わされたサイレンサ/触媒コンバータ
のハウジングを示す、軸方向概略断面図である。
【図2】サイレンサ内部のセラミック・エレメントの配
置の詳細図である。
【図3】或るタイプのセラミック・ダイアフラムの断面
である。
【図4】本発明に基づいて穴が開けられたダイアフラム
壁の背面図である。
【図5】本発明に基づいて穴が開けられたダイアフラム
壁の背面図である。
【図6】本発明に基づいて穴が開けられたダイアフラム
壁の背面図である。
【図7】ダイアフラムの拡散穴の1つを断面で示すもの
である。
【図8】本発明に基づく気孔性セラミック・ダイアフラ
ムのさらなる実施例の断面である。
【図9】図8に図示されるセラミック・エレメントの配
置の詳細図である。
【図10】本発明に基づく気孔性セラミック・ダイアフ
ラムのさらなる別の実施例の断面を示すものである。
【図11】前記の図10のXI方向に沿う図10のダイア
フラムの正面図である。
【符号の説明】
12…ハウジング 14…ヘッド 15…嵌合部材 16…スリーブ 20…ベンチュリ管ノズル 30…チューブ 34…チャンバー 36…壁 40…筋違骨 50…ダイアフラム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭53−56415(JP,A) 実開 昭50−151842(JP,U) 実開 昭64−29213(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F01N 3/24 - 3/28 F01N 1/08

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 排気ガス流入部と、排気ガス流出部と、
    および排気ガス流入部に半球形ヘッドとを有するハウジ
    ンク、 内燃機関の排気マニホルドに連結された一端と、半球形
    ヘッドに連結された他端とを有するテーパ状嵌合部、 前記ハウジンク内に設けられた管状エレメント、 該管状エレメントに嵌合する触媒コンバータ、を具備
    し、 前記管状エレメントは排気ガス流入部に開放端を有し、
    テーパ状嵌合部は該管状エレメント内へ延びてベンチュ
    リノズルを形成し、 前記管状エレメントの他端は、ハウジンクの流出部に向
    かって収束する排気管に連結される壁により閉鎖され、 触媒コンバータはベンチュリノズルと管状エレメントの
    壁との間に設けられ、管状エレメントは排気ガス流の汚
    染を抑制する触媒材料を含有する気孔性セラミック材料
    からなる複数のモジュラーダイアフラムエレメントを含
    み、 ダイアフラムエレメントは湾曲形状のダイアフラムであ
    り、それぞれ、壁と、該壁の外面と、湾曲した内面とか
    らなり、壁には望ましくない有害な背圧現象を防止する
    多数の通し穴を有し、該通し穴は排気ガス流の方向に拡
    開しており、 ダイアフラムエレメントは異なる長さを有し、各2つの
    モジュラーダイアフラムエレメント間にチャンバが規定
    され、もって管状エレメントの開放端から閉鎖端への方
    向に複数の異なるチャンバが形成され、 各チャンバの容積はそれぞれ異なり、管状エレメントの
    開放端から閉鎖端への方向に増加していることを特徴と
    するサイレンサ。
  2. 【請求項2】 モジュラーダイアフラムエレメントは紡
    錘形で、それぞれ開放端でプレートに結合され、該プレ
    ートは複数の通し穴を有し、該通し穴は排気ガス流の方
    向に紡錘形ダイアフラムエレメントの内側に向けて拡開
    していることを特徴とする請求項1に記載のサイレン
    サ。
  3. 【請求項3】 ベンチュリノズルは少なくとも1つの横
    方向の穴を有し、前記通し穴は異なる形状を有し、通し
    穴の合計の面積はベンチュリノズルの前記少なくとも1
    つの横方向の穴の面積の1.5倍から4倍までであるこ
    とを特徴とする請求項1に記載のサイレンサ。
  4. 【請求項4】 ベンチュリノズルは少なくとも1つの横
    方向の穴を有し、前記通し穴は異なる形状を有し、通し
    穴の合計の面積はベンチュリノズルの前記少なくとも1
    つの横方向の穴の面積の3倍であることを特徴とする請
    求項1に記載のサイレンサ。
  5. 【請求項5】 ダイアフラムエレメントの間に少なくと
    も1つのセラミックリングが設けられていることを特徴
    とする請求項1に記載のサイレンサ。
  6. 【請求項6】 ダイアフラムエレメントはカップ状のダ
    イアフラムであることを特徴とする請求項1に記載のサ
    イレンサ。
  7. 【請求項7】 排気ガス流入部と、排気ガス流出部と、
    および排気ガス流入部に半球形ヘッドとを有するハウジ
    ンク、 内燃機関の排気マニホルドに連結された一端と、半球形
    ヘッドに連結された他端とを有するテーパ状嵌合部、 前記ハウジンク内に設けられた管状エレメント、 該管状エレメントに嵌合する触媒コンバータ、を具備
    し、 前記管状エレメントは排気ガス流入部に開放端を有し、
    テーパ状嵌合部は管状エレメント内へ延びてベンチュリ
    ノズルを形成し、 前記管状エレメントの他端は、ハウジンクの流出口に向
    かって収束する排気管に連結される壁により閉鎖され、 触媒コンバータはベンチュリノズルと管状エレメントの
    壁との間に設けられ、管状エレメントは排気ガス流の汚
    染を抑制する触媒材料を含有する気孔性セラミック材料
    からなる複数のモジュラーダイアフラムエレメントを含
    み、 ダイアフラムエレメントはそれぞれ、壁と、該壁の各々
    の側に設けられた2つの横方向のフランジとからなり、
    各壁は望ましくない有害な背圧現象を防止する多数の通
    し穴を有し、前記通し穴は排気ガス流の方向に拡開して
    おり、 ダイアフラムエレメントは各々異なる長さを有し、各2
    つのモジュラーダイアフラムエレメント間にチャンバが
    規定され、もって管状エレメントの開放端から閉鎖端へ
    の方向に複数の異なるチャンバが形成され、 各チャンバの容積はそれぞれ異なり、管状エレメントの
    開放端から閉鎖端への方向に増加していることを特徴と
    するサイレンサ。
  8. 【請求項8】 ベンチュリノズルは少なくとも1つの横
    方向の穴を有し、前記通し穴は異なる形状を有し、通し
    穴の合計の面積はベンチュリノズルの前記少なくとも1
    つの横方向の穴の面積の1.5倍から4倍までであるこ
    とを特徴とする請求項7に記載のサイレンサ。
  9. 【請求項9】 ベンチュリノズルは少なくとも1つの横
    方向の穴を有し、前記通し穴は異なる形状を有し、通し
    穴の合計の面積はベンチュリノズルの前記少なくとも1
    つの横方向の穴の面積の3倍であることを特徴とする請
    求項7に記載のサイレンサ。
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