JP4410976B2

JP4410976B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP4410976B2
Application number: JP2002171185A
Authority: JP
Inventors: 雅明芦田; 浩一森; 俊一三石; 芳直鵜篭
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2022-06-12
Also published as: JP2004019446A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主としてエンジンの排気浄化に適用される排気浄化装置に関し、特にＨＣトラップ機能を有する排気浄化装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
三元触媒を備えた排気浄化システムではエンジン冷間運転時のＨＣの処理が課題となっている。触媒が活性温度に達するまでは低温条件下での燃焼時に排出されやすいＨＣを十分に浄化できないからである。この問題に対応するものとして、ゼオライト等のＨＣ吸着剤により排気中のＨＣを一時的に吸着しておく機能を有するＨＣトラップ触媒を用いたシステムが知られている。これはＨＣトラップ剤により、触媒金属が活性温度に達するまでのＨＣの排出を抑制しようとするものである。しかしながら、捕捉されたＨＣが吸着剤から脱離を開始する温度に達しても、この時点では通常は触媒金属がまだ十分に活性化していないため、ＨＣの排出を抑制する効果は必ずしも十分ではない。これに対して、特開２０００−２１３８号公報に開示されているように、エンジン排気系に２個のＨＣトラップ触媒を互いに離隔して直列に配置した構成とすることでＨＣの排出量をある程度低減することが可能である。下流側のＨＣトラップ触媒は比較的低温に保たれるため、上流側ＨＣトラップ触媒が脱離温度に達してＨＣの脱離を開始したとしても、これを下流側ＨＣトラップ触媒にて再度捕捉できるからである。ただし、このようなＨＣの再捕捉作用を有効利用するためには、上流側ＨＣトラップ触媒と下流側ＨＣトラップ触媒との間に十分な温度差が得られるだけの熱容量が必要である。一般に車両用のエンジンでは車体床下部分に排気系が設けられる関係から、前述した十分な熱容量を確保できるように排気系のレイアウトをすることは困難であり、すなわち複数のＨＣトラップ触媒を直列に配置することによるＨＣの低減効果には限界を生じる。
【０００３】
【発明の概要】
本発明は、エンジンの排気系に、複数のＨＣトラップ触媒を排気管を介して互いに離隔して配設する。前記ＨＣトラップ触媒は、ＨＣ吸着剤と触媒金属とをハニカム状担体に担持させて構成する。前記複数のＨＣトラップ触媒のうち、少なくとも上流側に位置するＨＣトラップ触媒のハニカム状担体には、そのセルを横断するようにスリットを形成する。
【０００４】
担体にスリットを形成した上流側ＨＣトラップ触媒の構成においては、スリットがその前後で担体内の伝熱を遮断する作用を有するため、スリットよりも下流への熱伝導が抑制され、触媒担体全体として温度上昇が遅くなる。すなわちＨＣが脱離するまでのタイミングも遅くなる。このようにして上流側ＨＣトラップ触媒でのＨＣ脱離タイミングが遅延する間に上下流の各ＨＣトラップ触媒の触媒金属の温度が上昇して転化率が高くなるので、ＨＣ脱離時の処理効率も向上する。仮に上流側ＨＣトラップ触媒にて処理しきれなかった脱離ＨＣが生じたとしても、これを下流側ＨＣトラップ触媒にて確実に浄化することができる。
【０００５】
また、前述のようにして上流側ＨＣトラップ触媒でのＨＣ吸着剤および触媒金属の作用が促進されることから、所要の浄化性能を得るための下流側ＨＣトラップ触媒の容量をより小さくすることが可能である。下流側ＨＣトラップ触媒を小型化しない場合にはＨＣ吸着量をより増大できる。
【０００６】
なお、触媒担体にスリットを設けるとこのスリット部分でガス流れに乱れを生じる。この乱れは、排気ガスがＨＣ吸着剤に接触する機会を増やすのでＨＣトラップ性能自体を向上させる。また、スリットを設けた構成では前記乱流作用により担体の断面方向でのガス流量分布を均一化できるので制御性が向上し、排気浄化装置本来の性能を十分に発揮させることが可能となる。
【０００７】
ＨＣトラップ触媒の上流または下流側に隣接して三元触媒を、さらに他のＨＣトラップ触媒を配置した構成を付加してもよく、これによりそれぞれの構成に固有の有益な特性を与えることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による排気浄化装置を適用したエンジンシステムの一例を示している。図において１はエンジン、２はその吸気通路、３は排気通路である。４は排気通路３から排気ガスの一部を吸気通路２へと還流させるＥＧＲ通路、５は前記排気還流量を制御するＥＧＲ制御弁である。７は燃料噴射弁、８は点火プラグである。
【０００９】
９と１０は排気通路３に介装したＨＣトラップ触媒である。これら２個の触媒９，１０は、ＣＯ，ＨＣの酸化作用とＮＯｘの還元作用を併有する三元触媒として機能すると共に、ゼオライト等のＨＣ吸着剤によりＨＣを一時的に捕捉しておく機能を備えている。上流側に位置する触媒９は、排気通路の一部を構成する排気マニフォールド３ａの出口部に取り付けてある。一方、下流側に位置する触媒１０は上流側触媒９に対して排気管３ｂを介して離隔した位置に設ける。このエンジンシステムを車両に搭載した場合、前記下流側の触媒１０は通常は車体床下部に位置する。
【００１０】
１２と１３はそれぞれ上流側触媒９の上流と下流にて排気ガスの空燃比もしくは酸素濃度を検出する排気ガスセンサ、１４は下流側触媒１０の触媒温度を検出する温度センサである。１５はエンジン回転速度や吸入空気量などの運転状態信号に基づいて空燃比および点火時期などを制御するコントローラであり、ＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータにより構成されている。
【００１１】
図２以下に、前記触媒９，１０に収装される触媒担体２１の実施形態を示す。本発明では、少なくとも上流側に位置する触媒９について、図２に示したように触媒担体２１のガス流れ（矢印方向）を横切るように１個以上のスリット２２を形成したものを適用する。図示したものではスリット２２を触媒の一側面側からガス流れに対して直交するように形成し、他側面側に非スリット部２３を残している。また隣接するスリット２２は互いに触媒担体２１の周囲に１８０度ずつ異なる角度で、かつガス流れ方向には等間隔に形成してスリットと非スリット部とが交互に配列するようにしている。
【００１２】
図３は、前記触媒担体２１にガス流路として形成されたセル２４の詳細であり、触媒担体２１を図２の矢印方向から見た通路断面の部分拡大図である。セル２４はハニカム状をなすように多数を形成されている。セル２４の表面には、深層側にゼオライトなどのＨＣトラップ剤からなるＨＣトラップ層２５を、表層側に三元触媒として機能するＰｔ、Ｒｈ等の触媒金属層２６をコーティングにより形成してある。
【００１３】
図４は前記触媒９の担体２１の支持構造の一例を示している。図中３４は触媒容器、３５はセラミクスファイバーあるいはアルミナファイバーなどからなる耐熱マットである。触媒担体２１はその外周部に巻回された耐熱マット３５を介して触媒容器３４内に固定される。この実施形態では、スリット２２の開放部分の外周を触媒担体２１と同一の線膨張係数を有する充填材３６で埋めてある。このように充填材３６を設けることにより、スリット２２を抜けてきた排気によりマット３５が風蝕されて摩耗する不具合を防止することができる。また、触媒担体２１と同一の線膨張係数を有する充填材３６を用いることにより、触媒担体２１の強度を確保できる。
【００１４】
図５は前記スリット付き触媒担体２１の構成を上流側触媒９に適用した場合の効果を、スリットがない触媒担体を用いた場合との比較において示したものである。これはエンジンを冷間始動してからの経過時間に応じたエンジン回転数変化、触媒入口部でのＨＣ量変化、触媒温度変化、ＨＣトラップ収支を示している。
【００１５】
図示したようにエンジン始動直後は未着火燃料や不完全燃焼により定常アイドル運転時に比較すると多くのＨＣが燃焼室から排出される。このＨＣは大部分が触媒のＨＣトラップ層に捕捉され、その後ＨＣトラップ層の温度が１５０℃程度に達すると捕捉されたＨＣがＨＣトラップ層から脱離を開始する。このとき触媒金属層が３００℃程度の活性温度に達していれば脱離したＨＣは触媒反応により酸化処理される。
【００１６】
本発明では、触媒担体２１にスリット２２を設けたことにより担体内の伝熱が抑制されるため、スリットを持たない担体に比較して担体全体の温度上昇が遅れ、それだけＨＣトラップ層がＨＣ脱離温度に達するまでの時間も長くなる。このことは担体に捕捉されるＨＣ量を増大させるとともにＨＣ脱離が開始されるまでの各触媒９，１０の触媒金属層の温度上昇量を大きくするのでＨＣの浄化性能も向上する。図にＡで示したのは前記ＨＣ脱離温度に達するまでの遅れ時間の間の上流側触媒９でのＨＣ捕捉量の差を示しており、ＨＣ脱離開始後のＢ領域とＣ領域との差が浄化性能の向上分を表している。つまり、脱離して浄化しきれなかったＨＣの処理量が、スリット２２を設けたことにより、Ｂ領域とＣ領域の差分だけ向上するのである。また、スリット２２の部分を排気ガスが通過するときの乱流の作用により触媒コンバータに担持したトラップ剤がより有効に利用されるので、ＨＣを捕捉する性能自体もスリットを持たないものより向上する。
【００１７】
一方、このようにして上流側ＨＣトラップ触媒でのＨＣ吸着性能が向上する分だけ、下流側ＨＣトラップ触媒でのＨＣ吸着の負担は減少する。図ではスリットを設けなかった場合のＨＣ吸着特性によるＤ領域から、スリットを設けた場合の特性によるＥ領域を差し引いたものがＨＣ吸着量減少分となる。この下流側ＨＣトラップ触媒での吸着ＨＣは、その後触媒が脱離温度に達すると脱離を開始するが、このとき触媒金属層は十分に高温化しているので確実に酸化処理される。
【００１８】
図１において排気マニフォールド３ａの直後に位置する上流側触媒９においては、特にセル２４の深層側にＨＣトラップ層２５を、表層側に触媒金属層２６をそれぞれ積層した構成により、スリット２２を伴うことにより、ＨＣトラップ層２５がＨＣ脱離温度に達するまでの時間を長くし、ＨＣの脱離が開始されるまでの触媒金属層２６の温度上昇量を大きくし、さらに前記乱流の作用によりＨＣトラップ層２５へのＨＣ捕捉効果を確保しつつ、触媒金属層２６の活性を均一にできるので高い浄化性能が発揮される。触媒金属層２６で生じる反応熱は既述したようにスリット２２より下流側への伝達が抑制されるので、下流側ＨＣトラップ層２５の温度上昇が遅くなりＨＣ捕捉性能が向上する。触媒金属層２６は、スリット２２で仕切られた担体ブロック毎の熱容量が小さいので排気ガスの流入に伴い上流側から順に活性化しＨＣ脱離時の浄化性能を向上させる。
【００１９】
前記構成において、上流側触媒９の容量を下流側触媒１０よりも大きくすることにより、上流側触媒９の熱容量が増大してＨＣが脱離を開始するまでの遅れ時間がより長くなるので、下流側触媒１０でのＨＣの転化効率もより向上する。
【００２０】
次に、本発明における触媒コンバータの配列に関するいくつかの実施形態を説明する。図６と図７は、スリットを有する上流側ＨＣトラップ触媒９の上流側に隣接して三元触媒１７を配置したものである。図６は三元触媒１７とＨＣトラップ９とを互いに独立して設けた構成例を示しているが、図７に示したようにそれぞれの触媒担体を共通の触媒容器３４に収容するようにしてもよい。前記構成において、上流に位置する三元触媒１７は、隣接するＨＣトラップ触媒９でのＨＣ脱離タイミングが遅れる分だけ触媒活性化が促されるので、早期活性化を図ったのと同等の効果が得られ、触媒システムとしての小型化・小容量化または触媒担持量の低減が可能となる。
【００２１】
図８は下流側ＨＣトラップ触媒１０の下流側に隣接して三元触媒１８を配置したものである。この構成においては、下流側ＨＣトラップ触媒１０において仮に処理しきれないＨＣが排出されたとしてもこれを下流に隣接する三元触媒１８により浄化することができる。
【００２２】
図９は、図８の構成に加えて、下流側ＨＣトラップ触媒１０の担体２１を図２と同様のスリット付きとしたものである。触媒１０と１８はそれぞれの触媒担体を共通の触媒容器に収容した構成としてもよい。スリット付きとすることにより、下流側ＨＣトラップ触媒１０においても、前述した上流側ＨＣトラップ触媒９と同様にＨＣ脱離までのタイミングの遅延化を図れるので、全体としてＨＣの浄化性能をより向上させることができる。
【００２３】
図１０は、図９の構成において、下流側の三元触媒１８のさらに下流側に隣接して、ＨＣトラップ触媒１９を配置したものである。触媒１０または触媒１８と触媒１９とはそれぞれの触媒担体を共通の触媒容器に収容した構成としてもよい。この構成では、スリット付きのＨＣトラップ触媒１０にて乱れを与えられた排ガス流が下流側の三元触媒１８およびＨＣトラップ触媒１９に流れ込むため、三元触媒１８については転換効率が、ＨＣトラップ触媒１９についてはＨＣ吸着性能が、それぞれより向上し、これにより触媒システムの小型化・小容量化を促進することができる。なお、前記図１０の構成において、最下流の触媒１９の触媒担体をスリット付きとしてもよく、これによりＨＣ吸着性能をさらに向上できる。
【００２４】
図１１と図１２は、上流側ＨＣトラップ触媒９と下流側ＨＣトラップ触媒１０とを接続する排気管３ｂの構造に関する実施形態である。図１１は排気管３ｂの途中部分に可撓性を有する蛇腹状のフレキシブルチューブ３ｃを適用したもの、図１２は配管３ｂの途中に各触媒９，１０の相対回転を可能にする自在管継手３ｄを適用したものである。前記フレキシブルチューブ３ｃまたは自在管継手３ｄを適用することにより、エンジン運転時の触媒９と触媒１０との間の相対運動を許容できることに加えて、フレキシブルチューブ３ｃまたは管継手３ｄが排気管３ｂの熱容量を大きくする作用を有することから、下流側ＨＣトラップ触媒１０の浄化性能を向上させるうえで有利になる。
【００２５】
なお、以上の各図はスリットの形成態様や触媒コンバータの構造を説明するための図面であり、触媒担体の大きさ、スリットの幅およびピッチなどは説明の便宜のために実際とは異なる寸法または比率で描いてある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による排気浄化装置を適用したエンジンシステムの一例を示す概略構成図。
【図２】本発明における触媒担体の実施形態を示す形状説明図。
【図３】前記触媒担体のセル部分の詳細を示す横断面図。
【図４】本発明おける触媒の担体支持構造の一例を示す縦断面図。
【図５】本発明による効果を、スリットがない従来の触媒担体との比較において示した特性線図。
【図６】本発明の他の実施形態の概略構成図。
【図７】本発明の他の実施形態の概略構成図。
【図８】本発明の他の実施形態の概略構成図。
【図９】本発明の他の実施形態の概略構成図。
【図１０】本発明の他の実施形態の概略構成図。
【図１１】本発明の他の実施形態の概略構成図。
【図１２】本発明の他の実施形態の概略構成図。
【符号の説明】
１エンジン
２吸気通路
３排気通路
３ａ排気マニフォールド
３ｂ排気管
３ｃフレキシブルチューブ
３ｄ管継手
９、１０、１９ＨＣトラップ触媒
１７、１８三元触媒
２１ハニカム状担体
２２スリット
２４セル
２５ＨＣトラップ層
２６触媒金属層
３４触媒容器

Claims

エンジンの排気系に、ＨＣ吸着剤を含むＨＣトラップ層が深層側に、触媒金属を含む触媒金属層が表層側となるように層状に形成され、エンジン冷間始動時に流れる排ガスによって表層側に遅れて深層側が温度上昇する複数のＨＣトラップ触媒を排気管を介して互いに離隔して配設し、
前記複数のＨＣトラップ触媒のうち、少なくとも上流側に位置するＨＣトラップ触媒のハニカム状担体の一側面側からそのセルを横断し他側面側には非スリット部を残して、エンジン冷間始動時に前記深層側の温度上昇がさらに遅れるように担体の伝熱を抑制するスリットを形成した
ことを特徴とする排気浄化装置。
前記複数のＨＣトラップ触媒のうち、上流側に位置するものの触媒容量を下流側のものに比較して大とした請求項１に記載の排気浄化装置。
前記上流側ＨＣトラップ触媒の上流側に隣接して三元触媒を設けた請求項１に記載の排気浄化装置。
前記上流側ＨＣトラップ触媒と三元触媒とを互いに共通の触媒容器に収容した請求項３に記載の排気浄化装置。
前記下流側ＨＣトラップ触媒の下流側に隣接して三元触媒を設けた請求項１に記載の排気浄化装置。
前記ＨＣトラップ触媒にそのセルを横断するようにスリットを形成した請求項５に記載の排気浄化装置。
前記三元触媒の下流側に隣接してＨＣトラップ触媒を設けた請求項６に記載の排気浄化装置。
前記三元触媒下流のＨＣトラップ触媒にそのセルを横断するようにスリットを形成した請求項７に記載の排気浄化装置。
前記下流側ＨＣトラップ触媒と三元触媒とを互いに共通の触媒容器に収容した請求項５から請求項８の何れかに記載の排気浄化装置。
前記上流側のＨＣトラップ触媒は、エンジンの排気マニホールド付近に取り付ける請求項１に記載の排気浄化装置。
前記下流側のＨＣトラップ触媒は、車両搭載状態で車両の床下位置に取り付ける請求項５から請求項９の何れかに記載の排気浄化装置。
前記上流側ＨＣトラップ触媒と下流側ＨＣトラップ触媒とは、可撓性を有する排気管を介して接続した請求項１１に記載の排気浄化装置。
前記上流側ＨＣトラップ触媒と下流側ＨＣトラップ触媒とは、途中に各ＨＣトラップ触媒の相対運動を許容する自在管継手を備えた排気管を介して接続した請求項１１に記載の排気浄化装置。