JP3268680B2 - 内燃エンジン用触媒壁を備えた排気マニホルド - Google Patents

内燃エンジン用触媒壁を備えた排気マニホルド

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃エンジンが排
出する排ガスが通る、自動車の排気管に関する。
【０００２】さらに詳しくは、本発明は、排気ガスに含
まれるＣＯ、ＨＣ、ＮＯX等の汚染物質を減らす触媒性
物質（触媒）を含んでいるために「触媒性」マフラーと
して知られるマフラーに関する。
【０００３】
【従来の技術】多くの工業先進諸国で大気汚染に関する
基準がますます厳しくなる中で、自動車メーカーは触媒
マフラーの効率を高めるため様々な方法で広範な研究を
行なっている。
【０００４】触媒マフラーの大きな問題点は低温度の始
動に関するものである。排気ガスの温度がある閾値に達
するまで触媒マフラーは排気ガスに含まれる汚染物質に
対して何ら効果を発揮しない。触媒マフラーを始動させ
る期間、マフラーは汚染物質に対して全く効果がないか
あってもほんのわずかしかない。この期間は、通常、数
分続く。
【０００５】触媒の始動時間を短縮する幾つかの方法が
提案されている。
【０００６】例えば、特許出願EP-0,177,479号、US-4,3
76,374号、EP-0,340,946号等に記載されるように、触媒
および／または排気マニホルドを完全に断熱して熱損失
を少なくし、触媒がより早く暖まるようにする方法がよ
く知られている。始動した時の触媒の過熱が、かかる装
置の欠点といえる。
【０００７】もう１つの解決策は温度に応じて排気ガス
が別々に流れるようにしたもので、特許FR-2,608,678号
およびDE-3,406,968号がこの解決策を開示しているが、
実施するのは必ずしも容易ではない。
【０００８】車の低温始動時の触媒マフラーの効率を改
善するさらに他の解決策として、マフラーをエンジンの
近くに設ける方法がある。しかし、この解決策もマフラ
ーの大きさや車体内の利用できるスペース等のためかな
らずしも実現可能ではない。したがって複数のマフラー
を並べて用いざるを得なく、第１の小さいマフラーをで
きるだけエンジンの近くに配し、それより大きい第２の
マフラーをエンジンからさらに離して配置する。始動時
の浄化処理を早めるために用いられる第１のマフラー
は、通常は「ライトオフマフラー」と呼ばれている。
【０００９】調整された排気マニホルドを有する多気筒
エンジンで、各エンジンスピードにおける排気装置内の
圧力波に応じてエンジンの充填とその出力を高めるよう
に設計されたものでは、数個の「ライトオフマフラー」
を有することがあり、１つあるいはいくつかの気筒の排
気マニホルド内に１つのマフラーが設けられる。
【００１０】２サイクルエンジンでは、エンジン出力は
ガス膨張器の上流側の排気ラインの形状に実質的に関連
しているので、ライトオフマフラーの存在はたとえ小さ
いものでも排気装置内に圧力波の乱れを生じさせ、エン
ジンの働きを著しく阻害することがある。
【００１１】２サイクルエンジンの排気ラインに従来の
ライトオフマフラーを使うことができないのはそのため
である。
【００１２】一方、ライトオフマフラーの代わりに排気
マニホルドの内壁に触媒被膜を直接設ける方策が提案さ
れている。１９７９年３月発行の「三元転化と新規概念
に重点を置いた触媒装置」("Catalyst systems with an
emphasis on three-way conversion and novelconcept
s"）と題する文書第SAE-790,306号では、このような被
膜が考察されている。それによると、触媒は排気管の内
壁か排気管の内壁に溶接した金属製の筋かいに直接設け
られている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】この種の触媒は圧力波
に関しては利点があるが、外気によって冷却された管の
壁が暖まるのに時間がかかるため、触媒が加熱されるの
に時間がかかるという問題が依然としてある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上述した欠点は本発明の
排気マニホルドによって解決できる。
【００１５】排気マニホルドは、周知のごとく、排気ガ
スと直接接触する触媒層を含む金属外管からなる。
【００１６】本発明によれば、排気マニホルドはさらに
該外管と実質的に同軸であって該外管との間に少なくと
も１つの間隙を形成する内管要素を有し、該内管の内面
が前記触媒層で被覆されている構造になっている。
【００１７】排気マニホルドは、１本の波形内管と、内
管要素を予熱するための電流を循環させる手段とを有し
ていてもよい。
【００１８】外管と内管部材の間隙に絶縁要素が充填さ
れるのが好ましく、外管の厚さは０．５ｍｍから１．５
ｍｍの範囲であってもよい。
【００１９】内管部材の厚さは０．２ｍｍから０．８ｍ
ｍが有利である。
【００２０】さらに、外管はクロム鋼から作られ、内管
部材はクロム・アルミ鋼あるいはアルミ処理ステンレス
鋼から作られていてもよい。
【００２１】該触媒層を形成する貴金属は白金、パラジ
ウムおよび／またはロジウムが好ましく、該金属は細か
く破砕されて大きな特定表面の酸化物に付着している。
【００２２】
【００２３】本発明のその他の特徴、利点は、以下の非
制限的実施例の説明と添付図面から明らかとなる。
【００２４】
【発明の実施の形態】第１図はマニホルド１０の長軸に
沿った断面図である。
【００２５】製造の都合上このマニホルド１０は、単管
マニホルド２０より大径にするのが好ましいが、これは
必ずしも必須要件ではない。
【００２６】例えばハニカム構造のマフラーのようなモ
ノリス触媒マフラーに比べると本発明のマフラーはサイ
ズが非常に小さい。
【００２７】マニホルド１０は本技術分野で公知の手段
を用いて従来の排気マニホルド２０に接続されている。
【００２８】第２図は、マニホルド１０の構造を詳細に
示す。
【００２９】このマニホルドは好ましくは外管１と、外
管１と同軸上の内管すなわち管状要素２とからなる。触
媒層と呼ばれる層４が内管２の内側に付着している。
【００３０】外管１および内管２の外径は、両者の間に
ほぼ環状の間隙３を設けられる大きさであり、該間隙に
は断熱要素および／または絶縁要素が充填されていても
いなくてもよい。
【００３１】第３図は、金属内管２の形状が上述した実
施形態と異なる、本発明による一実施形態の長軸に沿っ
た断面図である。
【００３２】外壁１の厚さは０．５ｍｍから１．５ｍｍ
の範囲にするのが好ましく、本技術分野で公知の手段に
よってクロム鋼から作られてもよい。
【００３３】内壁２の厚さは０．２ｍｍから０．８ｍｍ
の範囲にするのが好ましく、Ｉｍｐｈｙ社製のＧｉｌｐ
ｈａｌ１３５鋼、Ｓａｎｄｗｉｋ社のＦｅｃｒａｌｌｏ
ｙ鋼、ＶＤＭ社のＡｌｕｃｈｒｏｍ鋼、Ｔｈｙｓｓｅｎ
社のＡｌｓｉｃｈｒｏｍ鋼等のクロム・アルミ鋼から作
られてもよい。
【００３４】内壁はまた、アルミ層で被覆され、拡散処
理を施して耐熱合金にされた鋼から作られてもよい。
【００３５】より一般的には、希土類で安定させたＦｅ
ＭＣｒ＋Ａｌ合金が使われ、ここで元素Ｍは通常は遷移
元素であり、ニッケルが特に用いられる。
【００３６】上記の構成を有する管１と２によって規定
される間隙３の平均厚さは０．５ｍｍから３ｍｍの間で
ある。この間隙３に絶縁素材を充填するとすれば、例え
ばセラミック繊維などがある。
【００３７】内管マニホルド２の内面に貴金属を付着さ
せるために、下記の方法で処理するのが好ましい。表面
積の大きい酸化物あるいは酸化物の混合物の層を、本技
術分野の当業者に公知の技法で、例えば細長い片状にし
てマニホルド２の内面上に付着させる。
【００３８】表面積の大きい酸化物は、例えばＡｌ
2Ｏ3，Ａｌ2Ｏ3−ＢａＯ，Ａｌ2Ｏ3−ＣｅＯ2，Ａｌ2Ｏ
3−ＣｅＯ2−Ｌａ2Ｏ3等のアルミニウム系酸化物、ケイ
素，マグネシウム，ジルコニウム，チタン，セリウム，
鉄，マンガン系酸化物等から単独にまたは混合物として
選ばれる。
【００３９】通常、前もって内管２に高温酸化処理を施
しておく必要がある。この処理の目的は、金属に含まれ
るアルミニウムからアルミナ結合基層を形成することで
ある。
【００４０】さらに、片状の酸化物を付着させた後、そ
の層に十分な機械的強度を与えるために熱処理を行う必
要がある。
【００４１】この最終の熱処理後、触媒層４を形成する
ことができる。表面積の大きい酸化物の層の上に白金、
パラジウムおよび／またはロジウム等の貴金属を十分分
散させて付着させる。
【００４２】この作業は本技術分野の当業者に公知の方
法で行う。例えば、上記金属塩の水溶液を含浸させた
後、熱処理を行って塩を分解させる。
【００４３】付着させる貴金属の性質と量は金属によっ
て異なるが、例えば白金の場合、被覆表面積１ｍ2につ
き１ｍｇから１０ｍｇである。
【００４４】本発明の範囲から逸脱することなく、白金
に代えて同じ濃度のパラジウムを用いてもよく、また白
金との質量比０．１対１０で白金と共に用いてもよい。
ロジウムも白金および／またはパラジウムとの質量比
０．０１対１で共に用いることができる。
【００４５】触媒層４の厚さは、通常は１μｍから５０
μｍである。
【００４６】第３図に示す実施形態では、内管マニホル
ド２は波形の屈曲自在な金属管からなる。
【００４７】第４図はこの配置を詳細に示す図である。
第４図に示すように、絶縁材は円筒状でもよいが、粉状
製品、粉体、その他間隙３に挿入できる絶縁材であれば
間隙３をより完全に充填することができる。
【００４８】波形内管には、例えばフランスのＡ.Ｃ.
Ｃ.Ｌａ Ｊｏｎｃｈｅｒｅ社製の屈曲自在のホース（商
品名：ＢＸ ＢＯＡ）を使用することができる。この種
のホースは、帯状の紐を螺旋状に巻いて長さ方向に溶接
した形状を有している。
【００４９】また、これらのホースは細長い片を丸めて
長さ方向の端部と端部を溶接して得てもよく、この場合
平行な波形は機械的に作られている。
【００５０】波形内管２は外管１を曲げてから外管内に
挿入するが、その前にその内面を触媒層４で被覆してお
く。
【００５１】屈曲自在の波形内管の利点の１つとして、
特に曲げ管内に容易に挿入できる点があげられる。これ
は、排気マニホルドには一般に長さ方向に曲がったり方
向が変わったりする部分が多いことを考えると非常に有
利であり、かかるマニホルドの製造が容易になる。
【００５２】さらに、内管がまっすぐであれば、挿入の
際同軸上の２本の管に一定の間隙を維持するのがむずか
しい。事実、マニホルドの部分によって熱せられかた
（冷却されかた）が異なり、異なる熱膨張が生じる可能
性がある。真っすぐな２本の管は部分的に変形して互い
に接触し、その結果マニホルドの作用に支障をきたしか
ねない。
【００５３】本発明では、内管を波形にすることによ
り、最初から、２本の管が複数箇所で、好ましくは等間
隔で正確に接触することになるため、互いに一定の間隔
を保つことができる。
【００５４】最後に、まっすぐな内管の場合、剛性をも
たせるには厚みを大きくしなければならない。本発明に
よる波形管の場合、各接触部が同時に支持面の働きをし
全体の剛性が高くなるため、管の厚みを比較的小さくす
ることができる。
【００５５】２本の同心管（１および２）はその両端部
のみで接続させても、あるいは数箇所の接触部で溶接し
てもよい。
【００５６】さらに、第３図に示すように、金属内管２
の一方の端部から他端まで電流を循環させる手段５，６
を本発明のマニホルド１０に取り付けてもよい。その結
果、中間層３により外管１が絶縁される。取り付け手段
５での外管１の絶縁を特に確実にするために本技術分野
で公知の装置を設けなければならない。
【００５７】これにより、エンジンをスタートする（バ
ッテリー供給）前に内管２を電流を用いて予熱すること
ができる。この予熱は、スタート後も触媒層４が最低温
度に達するまで必要に応じて続けてもよい。
【００５８】勿論、本技術分野の当業者であれば、本発
明の範囲を逸脱することなく、非制限的実施例としてあ
げた上記発明に他の変更および／または追加をすること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】公知の排気マニホルドの長手方向断面図であ
る。
【図２】図１のマニホルドの構造を詳細に示す横断面図
である。
【図３】本発明の一実施形態の長手方向断面図である。
【図４】本発明の前記実施形態によるマニホルドの構造
を詳細に示す横断面図である。
【符号の説明】
１ 外管 ２ 内管 ３ 間隙 ４ 触媒層 ５，６ 電流循環手段 １０ マニホルド ２０ 排気マニホルド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｆ０１Ｎ 7/10 Ｆ０１Ｎ 7/10 (72)発明者 マイケル プリーザン フランス国 92500 リイル マルメゾ ン リュー デ マロニエ 11番地 (72)発明者 ダニエル デュラン フランス国 92500 リイル マルメゾ ン リュー ミーシュル 18番地 (72)発明者 ジャン ファベネック フランス国 78990 エランコール ア ブニュー ド ボウジュ 61番地 審査官 亀田 貴志 (56)参考文献 特開 昭52−114811（ＪＰ，Ａ) 実開 昭54−12622（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭53−109509（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭53−72012（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F01N 3/20 - 3/28 F01N 7/00 - 7/10

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 排気ガスと直接接触する触媒層（４）を
    含む金属外管（１）を有するとともに、該外管（１）と
    実質的に同軸であって該外管（１）との間に少なくとも
    １つの間隙（３）を形成する少なくとも１つの内管要素
    （２）を有し、該内管（２）の内面が前記触媒層（４）
    で被覆されている、内燃エンジンの排気ガスを触媒処理
    する排気マニホルドにおいて、 波形の内管（２）と、 前記内管要素（２）を予熱するために前記内管（２）内
    に電流を循環させることを可能にする手段（５，６）と
    を有することを特徴とする、内燃機関の排気ガスを触媒
    処理する排気マニホルド。
  2. 【請求項２】 間隙（３）には絶縁要素が充填されてい
    る、請求項１に記載の排気マニホルド。
  3. 【請求項３】 前記外管（１）の厚さが０．５ｍｍから
    １．５ｍｍの範囲にある、請求項１または２に記載の排
    気マニホルド。
  4. 【請求項４】 前記管要素（２）の厚さが０．２ｍｍか
    ら０．８ｍｍの範囲にある、請求項１から３のいずれか
    １項に記載の排気マニホルド。
  5. 【請求項５】 前記絶縁要素（３）が前記外管（１）を
    熱的および／または電気的に絶縁するようにされてお
    り、前記絶縁要素（３）の厚さが０．５ｍｍから３ｍｍ
    の範囲にある、請求項２から４のいずれか１項に記載の
    排気マニホルド。
  6. 【請求項６】 前記外管（１）がクロム鋼から作られて
    いる、請求項１から５のいずれか１項に記載の排気マニ
    ホルド。
  7. 【請求項７】 前記内管要素（２）がクロム・アルミニ
    ウム鋼、またはクロム・ニッケル・アルミニウム鋼、ま
    たは表面がアルミ処理されたステンレス鋼から作られて
    いる、請求項１から６のいずれか１項に記載の排気マニ
    ホルド。
  8. 【請求項８】 前記触媒層（４）を形成するのに用いら
    れる貴金属が好ましくは白金、パラジウムおよび／また
    はロジウムである、請求項１から７のいずれか１項に記
    載の排気マニホルド。
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