JP6254886B2 - 触媒コンバータの冷却機構 - Google Patents

Description

本発明は、触媒コンバータの冷却機構、特に、触媒を内蔵し、排気導入口及び排気排出口を有する触媒コンバータの冷却機構に関する。

触媒コンバータは、一般的に、内燃機関から排出される排気ガスの排気通路に設けられ、触媒を内蔵する触媒担体に排気ガスを通過させることによって、排気ガス中の有害成分を浄化する装置である。

このような触媒コンバータは、触媒温度を高温にして触媒機能を活性化させる必要があることから、内燃機関内の燃焼温度によって触媒温度を高温にすべく、内燃機関の近傍に配置されることがある。

その一方で、触媒温度が過度に高温となると触媒が熱劣化することから、かかる場合には、触媒温度を低下させる必要がある。このような対策として、触媒を冷却して触媒温度を低下させることを目的とした技術が、種々提案されている。

特許文献１には、走行風やラジエータファンからの冷却風で触媒コンバータを冷却する触媒コンバータの空冷機構が開示されている。

この触媒コンバータの空冷機構は、触媒コンバータの外側に、その外側の一部を覆う外側管が形成され、この外側管と触媒コンバータの外側との間の空間に冷却風を導入する冷却風導入手段、及び冷却風導入手段を制御する制御手段を備え、冷却風導入手段が走行風やラジエータファンからの冷却風を空間に導入して、触媒コンバータを介して触媒を冷却している。

特開平７−２７９６５３号公報

ところで、例えば、点火装置の不具合による失火によって、多量の未燃焼ガスが触媒コンバータ内に流入する、あるいは長距離に亘る急坂の登坂によって内燃機関に高い負荷が継続的に付与されている場合に、触媒コンバータの外表面に外部から導入される走行風が相対的に減少すること等によって、触媒温度が高温になることがある。

かかる場合には、触媒を冷却する必要があるところ、上記特許文献１のような空冷機構によっては、内燃機関の低負荷時及び高負荷時といった広範な運転域において、触媒温度を適切に制御することができないことから、触媒温度が過度に上昇した場合において、触媒温度を効率的に低下させることができないことが懸念される。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、触媒温度を効率的に低下させて触媒の熱劣化を抑制することができる触媒コンバータの冷却機構を提供することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載の発明による触媒コンバータの冷却機構は、触媒を内蔵し、排気導入口及び排気排出口を有する触媒ケースを備えた触媒コンバータを冷却する触媒コンバータの冷却機構において、前記触媒コンバータは、前記触媒ケースの前記排気排出口に近接して開口する開口部を有し、前記触媒ケースの外表面と間隙を介して該触媒ケースの一部または全部を覆う冷却水ケースと、該冷却水ケースと前記触媒ケースとの前記間隙に、前記触媒の温度が予め設定された温度に上昇した際に前記排気導入口側から冷却水を供給する冷却水供給部とを備え、該冷却水供給部は、前記冷却水ケースに固定されて前記隙間内に突出し且つ前記間隙に前記冷却水を噴霧する噴射ノズルを備えることを特徴とする。

この構成によれば、触媒温度が予め設定された温度に上昇すると、冷却水供給部が、触媒ケースの外表面と冷却水ケースとの間隙に、触媒ケースの排気導入口側から冷却水を供給する。これにより、内燃機関の運転域に応じて、触媒温度を効率的に低下させることができ、触媒の熱劣化を防止することができる。

しかも、冷却水ケースは、触媒ケースの排気排出口に近接して開口する開口部を有することから、排気ガスが触媒ケースの排気排出口から排出される際に、触媒ケースの外表面と冷却水ケースとの間隙に供給された冷却水が、ほぼ水蒸気状となって開口部から排気ガスに吸引される。

従って、冷却水が排気ガスとともに外部に排出されて、間隙内に滞留することなく外部に排出されることから、特に内燃機関の冷態始動時の暖機を妨げる事態が減少する。従って、触媒コンバータの機能低下が抑制されるとともに、触媒ケースの腐食も抑制される。

請求項２に記載の発明は、触媒を内蔵し、排気導入口及び排気排出口を有する触媒ケースを備えた触媒コンバータを冷却する触媒コンバータの冷却機構において、前記触媒コンバータは、前記触媒ケースの前記排気排出口に近接して開口する開口部を有し、前記触媒ケースの外表面と間隙を介して該触媒ケースの一部または全部を覆う冷却水ケースを備え、該冷却水ケースと前記触媒ケースとの前記間隙に、前記触媒の温度が予め設定された温度に上昇した際に前記排気導入口側から冷却水を供給する冷却水供給部を備えるとともに、前記冷却水供給部は、空調装置で凝縮された凝縮水を前記冷却水として用いることを特徴とする。

この構成によれば、冷却水として、空調装置で凝縮された凝縮水を用いることから、本来であれば廃棄される凝縮水を再利用することによって、効率的に触媒コンバータを冷却することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の触媒コンバータの冷却機構において、前記冷却水供給部は、前記冷却水ケースと前記触媒ケースとの前記間隙に前記冷却水を噴霧することを特徴とする。

この構成によれば、冷却水供給部は、冷却水を、この冷却水が気化しやすいように、触媒ケースの外表面と冷却水ケースとの間隙に噴霧して供給することから、冷却水が排気ガスに容易に吸引されて効率的に外部へ排出される。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の触媒コンバータの冷却機構において、前記冷却水供給部は、前記冷却水ケースと前記触媒ケースとの前記間隙に供給する冷却水を貯水する貯水部を備えることを特徴とする。

この構成によれば、冷却水供給部は、冷却水ケースと触媒ケースとの間隙に冷却水を供給する貯水部を備えることから、触媒コンバータを冷却する冷却水を予め確保しておくことができる。

この発明によれば、触媒温度が予め設定された温度に上昇すると、触媒ケースの外表面と冷却水ケースとの間隙に、触媒ケースの排気導入口側から冷却水が供給されることから、触媒温度を効率的に低下させることができ、触媒の熱劣化を防止することができる。

冷却水は、触媒ケースの排気排出口に近接して開口する開口部から排気ガスに吸引されて、排気ガスとともに外部に排出されることから、特に内燃機関の冷態始動時の暖機を妨げる事態が減少する。従って、触媒コンバータの機能低下が抑制されるとともに、触媒ケースの腐食も抑制される。

本発明の実施の形態に係る触媒コンバータの冷却機構の概略を説明する図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 本実施の形態に係る触媒コンバータが冷却される状態の概略を説明する、図１のＡ部の拡大図である。 本発明の他の実施の形態に係る触媒コンバータの冷却機構の概略を説明する図である。

次に、本発明の実施の形態について、図１〜図４に基づいて説明する。なお、本実施の形態において、触媒コンバータが、車両の内燃機関の排気系に配設される触媒コンバータである場合を例として説明する。

図１は、本実施の形態に係る触媒コンバータの冷却機構の概略を説明する図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図示のように、冷却機構１０は、触媒コンバータ２０、及びこの触媒コンバータ２０を冷却する冷却水供給部５０を備える。

触媒コンバータ２０は、触媒ケース２１、触媒ケース２１に収容される触媒担体３０、及び触媒ケース２１の外表面２８と間隙Ｓを介して触媒ケース２１の全部を覆う冷却水ケース４０を備える。

触媒ケース２１は、触媒ケース本体２２、矢線Ｕで示す触媒ケース本体２２の上流側を封止する上流面２３、及び矢線Ｄで示す触媒ケース本体２２の下流側を封止する下流面２４を有する円筒状に形成される。

この触媒ケース２１には、上流面２３から上流側Ｕに向かって突出して開口する排気導入口である排気ガス導入口２５、及び下流面２４から下流側Ｄに向かって突出して開口する排気排出口である排気ガス排出口２６が形成されている。

触媒担体３０は、排気ガス流入面３１及び排気ガス排出面３２を有して触媒ケース２１の内表面２７に嵌合して触媒ケース２１内に収容される円柱状に形成され、排気ガス流入面３１から排気ガス排出面３２に亘って連続する隔壁によって区画されたセル３３を有するハニカム状に形成される。

この触媒担体３０には、例えばＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等の触媒が内蔵される。

冷却水ケース４０は、冷却水ケース本体４１、冷却水ケース本体４１の上流側Ｕを封止する上壁４２、及び冷却水ケース本体４１の下流側Ｄを封止する下壁４３を有する円筒状に形成される。

この冷却水ケース４０には、上壁４２から上流側Ｕに向かって突出する上流側ボス部４４が形成されている。この上流側ボス部４４は、側部４４ａ及び側部４４ａから内方に折曲して連続する端部４４ｂを有する円筒状に形成される。

この端部４４ｂには、端部４４ｂからさらに上流側Ｕに向かって突出して上流側Ｕに開口して導入管１が接続される導入部４５が形成されている。

一方、冷却水ケース４０には、下壁４３から下流側Ｄに向かって突出する下流側ボス部４６が形成されている。この下流側ボス部４６は、側部４６ａ及び側部４６ａから内方に折曲して連続する端部４６ｂを有する円筒状に形成される。

この端部４６ｂには、端部４６ｂからさらに下流側Ｄに向かって突出して下流側Ｄに開口して排気管２が接続される排気管接続部４７が形成されている。

このような冷却水ケース４０は、本実施の形態では、その内表面４０ａと触媒ケース２１の外表面２８との間隙Ｓを介して、触媒ケース２１の全部を覆って触媒ケース２１を収容する。

具体的には、触媒ケース２１の排気ガス導入口２５の端部が、冷却水ケース４０の上流側ボス部４４に形成された導入部４５に嵌合されるとともに、図２で示すように、触媒ケース２１が、その排気ガス排出口２６における触媒ケース２１の外表面２８において、下流側ボス部４６における冷却水ケース４０の内表面４０ａに放射状に形成された支持部４０ｂによって支持されることにより、触媒ケース２１が冷却水ケース４０内に収容される。

これにより、冷却水ケース４０の導入部４５と触媒ケース２１の排気ガス導入口２５とが、触媒コンバータ２１の中心線Ｃに沿った同軸上に位置決めされるとともに、触媒ケース２１の排気ガス排出口２６と冷却水ケース４０の排気管接続部４７とが、触媒コンバータ２１の中心線Ｃに沿った同軸上に位置決めされる。

このとき、冷却水ケース４０の排気管接続部４７は、上流側Ｕに向かって触媒ケース２１の排気ガス排出口２６に臨み、所定間隔αを有する開口部４８を介して排気ガス排出口２６に近接して配置される。

上記構成の触媒コンバータ２０における触媒ケース２１の排気ガス導入口２５及び冷却水ケース４０の導入部４５に、内燃機関からの排気ガスＧを触媒コンバータ２０内に導入する導入管１が装着され、冷却水ケース４０の排気管接続部４７に、排気ガスＧを外部に排出する排気管２が装着される。

これにより、触媒コンバータ２０が配設された排気系を介して内燃機関から外部までが連通し、導入管１を介して内燃機関からの排気ガスＧが触媒コンバータ２０に導入されて浄化され、浄化された排気ガスＧが排気管２を介して外部に排気される。

冷却水供給部５０は、このような触媒コンバータ２０を冷却する装置であり、図１で示すように、ウォータポンプ５１、車両に搭載される空調装置である図示しないエアコンディショナで凝縮された凝縮水を貯水する貯水部５２、及び制御部５３を主要構成として備える。

ウォータポンプ５１は、冷却水ケース４０の内表面４０ａと触媒ケース２１の外表面２８との間隙Ｓ内に突出して冷却水ケース４０に固定された噴射ノズル５１ａを備え、この噴射ノズル５１ａを介して、貯水部５２に貯水されたエアコンディショナの凝縮水を冷却水として、間隙Ｓに噴霧する。

制御部５３は、触媒ケース２１の外表面２８に取り付けられて触媒担体３０に内蔵された触媒の温度を検知する温度センサ５３ａを備え、この温度センサ５３ａで検知した触媒温度に基づいて、ウォータポンプ５１による冷却水の間隙Ｓへの噴霧を制御する。

この制御部５３には、本実施の形態では、触媒温度が予め設定された高温に上昇した際に、噴射ノズル５１ａを介して間隙Ｓ内に冷却水を噴霧するようにウォータポンプ５１を制御するプログラムが格納されている。

本実施の形態では、例えば、触媒温度が７５０℃に上昇した際に冷却水を噴霧するように制御される。

次に、本実施の形態に係る冷却水供給部５０から噴霧される冷却水による触媒コンバータ２０の冷却作用について、図３及び図１を用いて説明する。

図３は、本実施の形態に係る触媒コンバータ２０が冷却される状態の概略を説明する、図１のＡ部の拡大図である。

例えば、点火装置の不具合による失火によって、未燃焼ガスが触媒コンバータ２０内に流入した場合や、長距離に亘る急坂の登坂によって触媒コンバータの外表面に導入される走行風が相対的に減少する場合には、触媒温度が上昇する。

温度センサ５３ａが、予め設定された７５０℃の触媒温度を検知すると、検知信号が制御部５３に入力される。制御部５３に検知信号が入力されると、ウォータポンプ５１が噴射ノズル５１ａを介して、貯水部５２に貯水された凝縮水を、冷却水ケース４０と触媒ケース２１との間隙Ｓ内に冷却水として噴霧する。

図３で示すように、冷却水は、噴射ノズル５１ａを介して圧力が付与されることによって粒化したミストＭとして、本実施の形態では、触媒コンバータ２０の上流側Ｕから間隙Ｓ内に供給される。

間隙Ｓ内に供給されたミストＭは、触媒ケース２１を介して触媒担体３０に内蔵された触媒を冷却し、触媒温度を低下させる。間隙Ｓに供給されたミストＭは、触媒温度の低下に伴って水蒸気化し、触媒コンバータ２０の上流側Ｕから下流側Ｄに向かって流下する。

一方、内燃機関からの排気ガスＧは、導入管１を介して触媒ケース２１に収容された触媒担体３０に導入され、導入された排気ガスＧは触媒担体３０のセル３３を流下する。

このとき、排気ガスＧに含まれるＮＯ_Ｘ等の有害物質が、触媒担体３０に内蔵された触媒によって還元されて、排気ガスＧが浄化される。

浄化された排気ガスＧは、触媒ケース２１の排気ガス排出口２６を介して冷却水ケース４０の排気管接続部４７に装着された排気管２に流入して、外部に排出される。

このとき、ミストＭは、排気ガスＧが、触媒ケース２１の排気ガス排出口２６と近接して所定間隔αを有する開口部４８を介して排気管２に流入する際に、開口部４８から排気ガスＧに吸引される。

排気ガスＧに吸入されたミストＭは、排気ガスＧとともに排気管２から外部に排出される。

上記構成の触媒コンバータ２０の冷却機構１０では、触媒温度が上昇して、温度センサ５３ａが予め設定された７５０℃の触媒温度を検知すると、冷却水供給部５０のウォータポンプ５１が噴射ノズル５１ａを介して、間隙Ｓ内にエアコンディショナ５２の凝縮水を冷却水として噴霧する。

噴射ノズル５１ａは、冷却水を粒化したミストＭを間隙Ｓ内に供給し、このミストＭが、触媒ケース２１を介して触媒担体３０に内蔵された触媒を冷却する。これにより、触媒温度を効率的に低下させることができ、触媒の熱劣化を防止することができる。

しかも、ミストＭは、触媒ケース２１の排気ガス排出口２６と近接して所定間隔αを有する開口部４８から排気ガスＧに吸引されて、排気ガスＧとともに排気管２から外部に排出される。

従って、間隙Ｓ内に供給されたミストＭが、間隙Ｓ内に滞留することなく外部に排出されることから、特に内燃機関の冷態始動時の暖機を妨げる事態が減少する。従って、触媒コンバータ２０の機能低下が抑制されるとともに、触媒ケース２１の腐食が抑制される。

本実施の形態では、冷却水として、エアコンディショナからの凝縮水を用いることから、本来であれば廃棄される凝縮水を再利用することによって、効率的に触媒コンバータ２０を冷却することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることはなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。上記実施の形態では、噴射ノズル５１ａは、冷却水ケース４０の冷却水ケース本体４１において、冷却水ケース４０の内表面４０ａと触媒ケース２１の外表面２８との間隙Ｓに突出して冷却水ケース４０に固定された場合を説明したが、図４で示すように、例えば、冷却水ケース４０の上流側ボス部４４において、冷却水ケース４０の内表面４０ａと触媒ケース２１の外表面２８との間隙Ｓに突出するように、冷却水ケース４０に固定されていてもよい。

上記実施の形態では、冷却水として、エアコンディショナからの凝縮水を用いる場合を説明したが、例えば、冷却水供給部５０のウォータポンプ５１のみに冷却水を供給する、触媒コンバータ２０を冷却する冷却水専用の貯水部を冷却水供給部５０に装備してもよい。

これにより、触媒コンバータ２０を冷却する冷却水を予め確保しておくことができる。

上記実施の形態では、冷却水ケース４０が、触媒ケース２１の全部を覆う場合を説明したが、触媒ケース２１の一部のみを覆うように構成することもできる。

上記実施の形態では、触媒の温度を検知する温度センサ５３ａで検知した触媒温度に基づいて、ウォータポンプ５１による冷却水の間隙Ｓへの噴霧を制御する場合を説明したが、排気ガスＧの温度を検知する排気ガスセンサや、排気ガスの圧力を検知する圧力センサに基づいて触媒温度を推定してもよく、さらには、アクセル開度やエンジン回転数に基づいて触媒温度を推定してもよい。

１０ 触媒コンバータの冷却機構
２０ 触媒コンバータ
２１ 触媒ケース
２５ 排気ガス導入口（排気導入口）
２６ 排気ガス排出口（排気排出口）
２８ 外表面
３０ 触媒担体
４０ 冷却水ケース
４０ａ 内表面
４５ 導入部
４７ 排気管接続部
４８ 開口部
５０ 冷却水供給部
５１ ウォータポンプ
５１ａ 噴射ノズル
５２ 貯水部
５３ 制御部
５３ａ 温度センサ
Ｄ 下流側
Ｍ ミスト（冷却水）
Ｓ 間隙
Ｕ 上流側

Claims (4)

1. 触媒を内蔵し、排気導入口及び排気排出口を有する触媒ケースを備えた触媒コンバータを冷却する触媒コンバータの冷却機構において、
   前記触媒コンバータは、
   前記触媒ケースの前記排気排出口に近接して開口する開口部を有し、前記触媒ケースの外表面と間隙を介して該触媒ケースの一部または全部を覆う冷却水ケースと、
   該冷却水ケースと前記触媒ケースとの前記間隙に、前記触媒の温度が予め設定された温度に上昇した際に前記排気導入口側から冷却水を供給する冷却水供給部とを備え、
   該冷却水供給部は、前記冷却水ケースに固定されて前記隙間内に突出し且つ前記間隙に前記冷却水を噴霧する噴射ノズルを備えることを特徴とする触媒コンバータの冷却機構。
2. 触媒を内蔵し、排気導入口及び排気排出口を有する触媒ケースを備えた触媒コンバータを冷却する触媒コンバータの冷却機構において、
   前記触媒コンバータは、
   前記触媒ケースの前記排気排出口に近接して開口する開口部を有し、前記触媒ケースの外表面と間隙を介して該触媒ケースの一部または全部を覆う冷却水ケースを備え、
   該冷却水ケースと前記触媒ケースとの前記間隙に、前記触媒の温度が予め設定された温度に上昇した際に前記排気導入口側から冷却水を供給する冷却水供給部を備えるとともに、
   前記冷却水供給部は、空調装置で凝縮された凝縮水を前記冷却水として用いることを特徴とする触媒コンバータの冷却機構。
3. 前記冷却水供給部は、
   前記冷却水ケースと前記触媒ケースとの前記間隙に前記冷却水を噴霧することを特徴とする請求項２に記載の触媒コンバータの冷却機構。
4. 前記冷却水供給部は、
   前記冷却水ケースと前記触媒ケースとの前記間隙に供給する冷却水を貯水する貯水部を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の触媒コンバータの冷却機構。

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