JP7159465B2 - 触媒コンバータ - Google Patents

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Description

この発明は、内燃機関の排気浄化に用いられる触媒コンバータに関する。
例えば、自動車用内燃機関にあっては、排気の浄化のために、三元触媒や酸化触媒等の触媒材料を用いた触媒コンバータが排気通路の途中に設けられている。このような触媒コンバータとして、エンジンルーム内でのスペースの制約等を考慮して、２つの触媒担体を互いに直交するように、つまり略Ｌ字形をなすように配置した構成のものが知られている。
例えば、特許文献１には、上流側となる第１触媒の周面の一部と下流側となる第２触媒の端面の一部とが重複するように２つの触媒担体を配置するとともに、第２触媒の終端側の排気ガス出口を第１触媒との重複部分側に片寄って配置した触媒コンバータが開示されている。
例えば近年のハイブリッド車両などでは、車両の走行中にしばしば内燃機関が停止するので、車両走行風を受けて触媒が温度低下し、次に内燃機関の運転が開始したときに排気組成が一時的に悪化する、という問題がある。また一方で、内燃機関が継続的に運転されたときに触媒温度が過度に上昇すると、触媒の熱的劣化が進行する。
特許文献１においては、このような触媒の保温や過度の温度上昇の回避について、何ら開示がない。
また、特許文献１の触媒コンバータにおいては、第１触媒の出口側端面に隣接してケースの一部を局部的に膨らませることで、第１触媒を出た排気が重複部分における第２触媒の入口側端面に流れることができるように構成されているが、このような構成では、第１触媒から第２触媒への円滑な流れと外形寸法の小型化とを両立することができない。
特開２０１８－９６３４５号公報
この発明に係る触媒コンバータは、
互いに直交する方向に向かって配設された入口側ディフューザ部および出口側ディフューザ部と、
上記入口側ディフューザ部に一端が連続した上流側円筒部および上記出口側ディフューザ部に一端が連続した下流側円筒部を含み、これら２つの円筒部の中心軸線は互いに直交し、下流側円筒部の他端側の端部が上流側円筒部の他端側の周面の周方向の一部に連続するとともに、当該部分を除く上流側円筒部の周面が底壁部を介して下流側円筒部に連続するケースと、
上記上流側円筒部の上流側端部に一端が固定され、かつ他端が上記ケース内で上記底壁部に向かって自由端として開放されているとともに、上記上流側円筒部との間に流路となる隙間を有する二重管構造を構成するインナライナと、
上記インナライナ内に保持された触媒担体もしくは微粒子捕集フィルタとなる円柱形の上流側セラミック部材と、
上記下流側円筒部内に保持され、上流側の端面が上記インナライナの周面に対向するとともに、該端面の直径の半分以上が上記インナライナの周面とオーバラップした触媒担体もしくは微粒子捕集フィルタとなる円柱形の下流側セラミック部材と、
上記インナライナの端部の周方向の複数箇所において該インナライナと上記上流側円筒部との間に配置された熱伝導性を有する支持部材と、
上記上流側セラミック部材および上記下流側セラミック部材の少なくとも一方に担持された触媒材料と、
を備えて構成されている。
このような構成では、上流側セラミック部材がケースの上流側円筒部とインナライナとの二重管構造の中に位置し、両者間に隙間が存在することから、外気ないし車両走行風による冷却作用を受けるケースに対して断熱ないし保温される。従って、車両走行風による温度低下が少ない。
また、上流側セラミック部材の下流側の端面から出た排気は、インナライナと上流側円筒部との間の隙間からなる流路を通って下流側セラミック部材の上流側の端面へと流れる。このような隙間からなる流路によれば、上流側円筒部の径を極端に大きくしなくても十分な流路断面積を確保することができる。そして、下流側セラミック部材の端面の直径の半分以上がインナライナの周面とオーバラップした配置であっても、上流側円筒部の内周面に沿って螺旋形に円滑な排気の流れが得られる。従って、排気の円滑な流れと外形寸法の小型化との両立が図れる。
一実施例の触媒コンバータが用いられる内燃機関の構成を模式的に示した説明図。 一実施例の触媒コンバータの側面図。 この触媒コンバータの断面図。 図３のＡ－Ａ線に沿った要部の断面図。 第１触媒から第２触媒への排気の流れを示した説明図。 支持部材の変形例を示した触媒コンバータの断面図。 電気加熱式触媒をさらに備えた第２実施例を示す断面図。
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施例である触媒コンバータが用いられる自動車用内燃機関１の構成説明図である。一実施例では、シリーズハイブリッド車両においてジェネレータを駆動する発電用の内燃機関の触媒コンバータとして本発明が適用されている。シリーズハイブリッド車両においては、車両側からの発電要求に応じて間欠的に内燃機関１の運転が行われる。なお、本発明は、シリーズハイブリッド車両の内燃機関に限らず、パラレルハイブリッド車両の内燃機関、あるいは、単に内燃機関の出力でもって走行する車両の内燃機関にも適用が可能である。
この内燃機関１は、例えば４ストロークサイクルの火花点火内燃機関であって、燃焼室３の天井壁面に、一対の吸気弁４および一対の排気弁５が配置されているとともに、これらの吸気弁４および排気弁５に囲まれた中央部に点火プラグ６が配置されている。
上記吸気弁４によって開閉される吸気ポート１５の下方には、主燃料噴射弁として燃焼室３内に燃料を直接に噴射する筒内噴射用燃料噴射弁１６が配置されている。また吸気ポート１５には、特定の条件下で動作する副燃料噴射弁として吸気ポート１５内へ向けて燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁１２が各気筒毎に配置されている。これらの筒内噴射用燃料噴射弁１６およびポート噴射用燃料噴射弁１２は、いずれも駆動パルス信号が印加されることによって開弁する電磁式ないし圧電式の噴射弁であって、駆動パルス信号のパルス幅に実質的に比例した量の燃料を噴射する。なお、このようなデュアルインジェクション形式とせずに、筒内噴射用燃料噴射弁１６およびポート噴射用燃料噴射弁１２のいずれかのみを具備する構成であってもよい。
上記吸気ポート１５に接続された吸気通路１４のコレクタ部１８上流側には、図示しないエンジンコントローラからの制御信号によって開度が制御される電子制御型スロットルバルブ１９が介装されている。スロットルバルブ１９の上流側に、吸入空気量を検出するエアフロメータ２０が配設されており、さらに上流側に、エアクリーナ２１が配設されている。
また、排気ポート１７に接続された排気通路２５には、本発明の一実施例であるプリ触媒コンバータ２６が設けられており、このプリ触媒コンバータ２６の下流側にメイン触媒コンバータ２７が配置されている。プリ触媒コンバータ２６の上流側には、空燃比を検出する空燃比センサ２８が配置されている。プリ触媒コンバータ２６は、排気系の比較的上流側に位置し、車両のエンジンルーム内に収容されている。メイン触媒コンバータ２７は、車両の床下に配置されている。
図２は、一実施例のプリ触媒コンバータ２６（以下、単に触媒コンバータ２６という）の側面図であり、図３は、その内部の構成を示した断面図である。これらの図に示すように、触媒コンバータ２６は、上流側の排気通路（例えば排気マニホルドの集合部出口）に接続される入口側ディフューザ部５１と、下流側の排気通路に接続される出口側ディフューザ部５２と、入口側ディフューザ部５１と出口側ディフューザ部５２との間のケース５３と、ケース５３内の一部に二重管構造を構成するように設けられたインナライナ５４と、ケース５３内に配置されたそれぞれ円柱状をなす第１触媒５５および第２触媒５６と、を備えている。
入口側ディフューザ部５１は、排気管部５１ａから相対的に径が大きい円形の大径部５１ｂへとテーパ状に径が拡大していく形状をなし、出口側ディフューザ部５２は、逆に円形の大径部５２ａから排気管部５２ｂへとテーパ状に径が縮小していく形状をなしている。図２に示すように、排気管部５２ｂには、ＥＧＲ通路用の分岐管５７が接続されている。
上記入口側ディフューザ部５１の大径部５１ｂおよび上記出口側ディフューザ部５２の大径部５２ａは、ほぼ等しい径を有し、かつ互いに直交する方向に向かって配設されている。
ケース５３は、入口側ディフューザ部５１と出口側ディフューザ部５２とを接続しており、略Ｌ字形に屈曲している。詳しくは、ケース５３は、入口側ディフューザ部５１の大径部５１ｂに一端が連続した円筒形の上流側円筒部６１と、出口側ディフューザ部５２の大径部５２ａに一端が連続した円筒形の下流側円筒部６２と、を有し、上流側円筒部６１の中心軸線Ｌ１と下流側円筒部６２の中心軸線Ｌ１とは互いに直交している。なお、本発明において「直交」とは幾何学的に厳密に「９０°」であることを意味せず、例えば８５°～９５°程度であれば直交しているものとみなし得る。上流側円筒部６１と下流側円筒部６２とは、Ｌ字形をなすように組み合わされており、下流側円筒部６２の出口側ディフューザ部５２とは反対側の端部が、上流側円筒部６１の入口側ディフューザ部５１とは反対側の端部における周面の一部（周方向の一部）に、一対の三日月状部分６２ａを介して連続している。
上流側円筒部６１の径は、入口側ディフューザ部５１の大径部５１ｂの径よりも僅かに大きく、環状のテーパ部６１ａを介して上流側円筒部６１が入口側ディフューザ部５１に接続されている。下流側円筒部６２は、出口側ディフューザ部５２の大径部５２ａと実質的に等しい径を有し、直線状に延びた下流側円筒部６２の端部に出口側ディフューザ部５２が接続されている。従って、上流側円筒部６１の径は下流側円筒部６２の径よりも僅かに大きい。そのため、三日月状部分６２ａは、上流側円筒部６１の周面の中で１８０°よりも小さい角度範囲に接続されている。また、上流側円筒部６１の入口側ディフューザ部５１とは反対側の端部は、中心軸線Ｌ１と斜めに交差する底壁部６３によって閉じている。換言すれば、上流側円筒部６１の端部の周面は、上記の三日月状部分６２ａが占める部分を除いて、上記底壁部６３を介して下流側円筒部６２に滑らかに連続している。
なお、図示例のケース５３は、上流側円筒部６１および三日月状部分６２ａを含む部分と、下流側円筒部６２の直線状部分と、が互いに別個の部品として成形され、両者が一体に組み立てられているが、ケース５３を一部品として一体に成形するか、適当な複数個に分割して成形するか、などは任意である。
インナライナ５４は、入口側ディフューザ部５１の大径部５１ｂに対応した径を有する円筒形をなしており、ケース５３の上流側円筒部６１の上流側端部に一端が固定されて支持されている。詳しくは、入口側ディフューザ部５１の大径部５１ｂに接続されるテーパ部６１ａの小径部側の端部にインナライナ５４の一端が固定されている。なお、図示例では、図３に示すように、テーパ部６１ａの内周面に入口側ディフューザ部５１の大径部５１ｂが重なり、該入口側ディフューザ部５１の内周面にインナライナ５４の端部が重なっているが、これら３つの部材の重なり方は任意である。また、例えば、入口側ディフューザ部５１と上流側円筒部６１とを一つの部品として一体に形成したり、入口側ディフューザ部５１とインナライナ５４とを一つの部品として一体に形成したりしてもよい。
インナライナ５４の他端は、ケース５３内において自由端として底壁部６３に向かって開放されている。インナライナ５４の中心軸線は、上流側円筒部６１の中心軸線Ｌ１に合致する。従って、インナライナ５４と上流側円筒部６１とでいわゆる二重管構造が構成され、両者間には、環状の流路６４となる隙間が存在している。インナライナ５４の先端は底壁部６３から離れており、従って、この環状の流路６４は、インナライナ５４先端と底壁部６３との間に生じる空間に連通している。なお、三日月状部分６２ａの内側空間を除いて、環状の流路６４の流路断面積（中心軸線Ｌ１と直交する断面での断面積）は、インナライナ５４の軸方向に沿って一定である。換言すれば、三日月状部分６２ａを除いて、インナライナ５４と上流側円筒部６１との間の隙間の間隔は各部で一定である。
また、インナライナ５４の先端部の周面と上流側円筒部６１との間には、複数（例えば５個）の熱伝導性を有する支持部材６５が配置されている。一実施例においては、支持部材６５は、金属メッシュを円柱状ないし円盤状に形成したものであり、従って、弾性変形が可能であるとともに制振性を有している。支持部材６５は、インナライナ５４の先端縁に近い位置にあり、かつ、周方向の複数箇所（例えば５箇所）に配置されている（図４参照）。この支持部材６５が複数点に位置することで、自由端であるインナライナ５４の先端部分の振動が抑制される。
第１触媒５５は、軸方向に沿って微細な通路を多数形成した触媒担体となる円柱形の上流側セラミック部材に触媒材料（例えば三元触媒）をコーティング層として担持させたものであり、インナライナ５４の内側に緩衝用のマット部材６７を介して保持されている。換言すれば、第１触媒５５は、いわゆるモノリス触媒担体を用いた一般的な三元触媒である。第１触媒５５の下流側（つまり出口側）の端面５５ａは、インナライナ５４の先端縁の位置に合致した位置にある。同様に、第１触媒５５の上流側（つまり入口側）の端面５５ｂは、インナライナ５４の基端縁に合致した位置にある。つまり、第１触媒５５の全長は、実質的にインナライナ５４の全長に等しい。上流側の端面５５ｂは、入口側ディフューザ部５１に隣接して位置し、この端面５５ｂを覆うように入口側ディフューザ部５１が構成されている。
第２触媒５６は、軸方向に沿って微細な通路を多数形成するとともにこれら微細通路の端部を交互に封止した円柱形の下流側セラミック部材に、触媒材料（例えば三元触媒）をコーティング層として担持させた微粒子捕集フィルタである。換言すれば、第２触媒５６は、いわゆる目封じ型のモノリス触媒担体に触媒材料を担持させた一般的なＧＰＦ（ガソリン・パティキュレート・フィルタ）である。なお、触媒材料を担持させていない微粒子捕集フィルタであってもよい。第２触媒５６は、緩衝用のマット部材６８を介して、下流側円筒部６２の内側に保持されている。第２触媒５６の全長は、下流側円筒部６２の直線状部分の長さに基本的に等しい。つまり第２触媒５６の下流側（つまり出口側）の端面５６ａは、出口側ディフューザ部５２に隣接して位置し、この端面５６ａを覆うように出口側ディフューザ部５２が構成されている。そして、第２触媒５６の上流側（つまり入口側）の端面５６ｂは、下流側円筒部６２の直線状部分と三日月状部分６２ａとの境界付近に位置し、ケース５３の中で開口している。なお、図示の実施例では、第１触媒５５と第２触媒５６の径はほぼ等しく、第１触媒５５と第２触媒５６の軸方向の長さもほぼ等しい。
詳しくは、第２触媒５６の上流側の端面５６ｂは、インナライナ５４の周面に対向しており、かつ端面５６ｂの直径の半分以上がインナライナ５４の周面とオーバラップしている。つまり、図３において、インナライナ５４の先端縁よりも下方へ突出する端面５６ｂの領域の径方向寸法は、第２触媒５６の半径よりも小さい。この第２触媒５６の端面５６ｂとインナライナ５４の周面との間には、上述した二重管構造における流路６４となる隙間（つまりインナライナ５４と上流側円筒部６１との間の距離）と同程度かこれよりも僅かに大きな間隔が存在する。
このように構成された触媒コンバータ２６においては、排気マニホルドを出た排気が第１触媒５５を通過した後、ケース５３内で流れの方向を変えて第２触媒５６を通過し、車両床下のメイン触媒コンバータ２７へと向かうこととなる。これらの触媒５５，５６が暖まった後に内燃機関１の運転が停止すると、触媒５５，５６は外気により冷却される。特に、車両走行中に内燃機関１が停止すると、車両走行風による冷却作用を受ける。ここで、第１触媒５５は、インナライナ５４と上流側円筒部６１とがいわゆる二重管構造をなし、両者間に流路６４となる隙間が存在することから、断熱作用ないし保温作用を受け、内燃機関１の停止中における車両走行風による温度低下が緩慢となる。従って、次に内燃機関１の運転が開始したときに、比較的早期に触媒作用が得られる。
一方、内燃機関１の高負荷運転が継続したような場合に、上流側に位置する第１触媒５５の温度が上昇しやすい。特に、過度の温度上昇が自由端である第１触媒５５の先端部分で生じやすい。このように第１触媒５５の温度が上昇したときには、熱伝導性を有する支持部材６５を介して第１触媒５５の熱がケース５３へと伝わる。そのため、温度上昇しやすい第１触媒５５の先端部分における過度の温度上昇が抑制される。これにより、第１触媒５５の熱的劣化が抑制される。
さらに、図５に排気の流れを模式的に示すように、第１触媒５５の下流側の端面５５ａを出た排気は、一部が底壁部６３に沿うように流れて第２触媒５６に流入するほか、一部がインナライナ５４と上流側円筒部６１との間の環状の流路６４を軸方向かつ周方向に（つまり、いわば螺旋形に沿って）流れて第２触媒５６に流入する。そのため、インナライナ５４の周面とオーバラップしている第２触媒５６の領域にあっても、第１触媒５５を通過した排気が円滑に流れる。従って、第２触媒５６の端面５６ｂに広く分散して排気が案内され、局部的な排気の片寄りが比較的少なくなる。
このように二重管構造による環状の流路６４を介して第２触媒５６の端面５６ｂのインナライナ５４とのオーバラップ部分にも排気が確実に案内されることから、端面５６ｂとインナライナ５４とのオーバラップを比較的大きく設定することが可能となる。上述したように、第２触媒５６の端面５６ｂの直径の半分以上がインナライナ５４とオーバラップしていても、十分に円滑な排気の流れが得られる。一実施例では、オーバラップは、端面５６ｂの直径の６０～７０％程度である。このようにオーバラップを大きく設定することで、触媒コンバータ２６の外形寸法（とりわけ図３の上下方向寸法）が小型化する。
また、環状の流路６４がインナライナ５４の全周に均等な幅で形成されているので、上流側円筒部６１の径をインナライナ５４に対して僅かに大きく設定することで比較的大きな流路断面積を得ることができる。従って、触媒コンバータ２６の外形寸法（とりわけ上流側円筒部６１の外形寸法）を比較的小型にしつつ第２触媒５６への円滑な排気の流れを確保することができる。
上記実施例の支持部材６５は、流路６４における外形が円形をなすので、排気の流れを損なうことがない。
支持部材６５の形状としては、図示の円形のものに限らず、他の種々の形状が可能である。図６は、その一例として、第１触媒５５の端面５５ａから第２触媒５６の端面５６ｂへと流路６４を通して流れる排気の流れに沿うように、上流側円筒部６１の中心軸線Ｌ１に対して傾いた細長い形状の支持部材６５を示している。この支持部材６５は、やはり熱伝導性を有する金属メッシュを細長い棒状に形成したものである。なお、図６に示す周面部分と反対側に設けられる支持部材６５は、図６に示した支持部材６５と対称をなすように傾いている。また、第２触媒５６の端面５６ｂとは反対側となる周面に位置する支持部材６５Ａについては、中心軸線Ｌ１と平行となすように配置することができる。
さらに、図６の実施例では、複数の支持部材６５が並んで配置されているインナライナ５４の軸方向位置よりも僅かに上流側の位置において、上流側円筒部６１が外側に膨らんだビード部６９を有している。このビード部６９は、上流側円筒部６１の周方向に連続して形成されており、かつ、支持部材６５の端部に隣接して位置している。
このようにビード部６９を備えることによって、環状の流路６４の流路断面積（中心軸線Ｌ１と直交する断面での断面積）が部分的に拡大する。これにより、流路６４に支持部材６５が存在することによる通路抵抗の増加が相殺される。
図３，図４に示した実施例では、第１触媒５５が１つのモノリス触媒として構成されているが、複数のモノリス触媒に分割されていてもよい。例えば、特性が異なる前段触媒と後段触媒とを直列に配置し、両者をインナライナ５４の中に収容した構成が可能である。同様に、第２触媒５６を複数個に分割した構成も可能である。
次に、図７は、入口側ディフューザ部５１と第１触媒５５との間に電気加熱式触媒（ＥＨＣ）７１を備えた第２実施例の触媒コンバータ２６を示している。電気加熱式触媒７１は、軸方向寸法が比較的短い円柱状つまり偏平な円盤状をなしており、第１触媒５５の上流側に該第１触媒５５と直列に並ぶように配置されている。電気加熱式触媒７１としては種々の形式のものを適用することができるが、例えば金属製触媒担体に触媒材料をコーティングし、通電により発熱するように構成したものが用いられる。図示例では、電気加熱式触媒７１は、第１触媒５５とともにインナライナ５４の内側にマット部材７２を介して保持されている。
電気加熱式触媒７１は、冷間時に通電により触媒の活性化を図ることができるので、基本的に、断熱・保温構造は不要である。そのため、電気加熱式触媒７１が収容されている部分においてはインナライナ５４がいわゆる単管構造をなしており、環状の流路６４を構成する上流側円筒部６１に覆われることなく外部に露出している。換言すれば、上流側円筒部６１の端部となるテーパ部６１ａが、電気加熱式触媒７１と第１触媒５５との境界付近に位置している。
このような構成によれば、電気加熱式触媒７１が不必要に高温となることがない。さらに、電気加熱式触媒７１へ電気を供給するための図示しないコネクタ等を外部へ引き出すことが容易となる。
なお、図示例では、電気加熱式触媒７１を付加したことで第１触媒５５に必要な容量が少なくなることから、図３，図４に示す第１実施例に比較して、第１触媒５５の軸方向寸法が小さくなっている。勿論、図３，図４の第１触媒５５と同等の大きさの第１触媒５５と組み合わせてもよい。

Claims (7)

  1. 互いに直交する方向に向かって配設された入口側ディフューザ部および出口側ディフューザ部と、
    上記入口側ディフューザ部に一端が連続した上流側円筒部および上記出口側ディフューザ部に一端が連続した下流側円筒部を含み、これら２つの円筒部の中心軸線は互いに直交し、下流側円筒部の他端側の端部が上流側円筒部の他端側の周面の周方向の一部に連続するとともに、当該部分を除く上流側円筒部の周面が底壁部を介して下流側円筒部に連続するケースと、
    上記上流側円筒部の上流側端部に一端が固定され、かつ他端が上記ケース内で上記底壁部に向かって自由端として開放されているとともに、上記上流側円筒部との間に流路となる隙間を有する二重管構造を構成するインナライナと、
    上記インナライナ内に保持された触媒担体もしくは微粒子捕集フィルタとなる円柱形の上流側セラミック部材と、
    上記下流側円筒部内に保持され、上流側の端面が上記インナライナの周面に対向するとともに、該端面の直径の半分以上が上記インナライナの周面とオーバラップした触媒担体もしくは微粒子捕集フィルタとなる円柱形の下流側セラミック部材と、
    上記インナライナの端部の周方向の複数箇所において該インナライナと上記上流側円筒部との間に配置された熱伝導性を有する支持部材と、
    上記上流側セラミック部材および上記下流側セラミック部材の少なくとも一方に担持された触媒材料と、
    を備えてなる触媒コンバータであって、
    二重管構造をなす上記インナライナと上記上流側円筒部との間の隙間からなる流路の断面積が、上記インナライナの軸方向に沿って一定であり、かつ、
    上記支持部材の上流側に隣接した位置において上記流路の断面積が部分的に拡大している、触媒コンバータ。
  2. 上記上流側円筒部の径が上記下流側円筒部の径よりも大きく、
    一対の三日月状部分を介して上記下流側円筒部の端部が上記上流側円筒部の周面に連続している、
    請求項１に記載の触媒コンバータ。
  3. （削除）
  4. （削除）
  5. 上記支持部材は、円柱状ないし円盤状をなす、
    請求項１または２に記載の触媒コンバータ。
  6. 上記支持部材は、上記上流側円筒部の中心軸線に対して傾いた細長い形状をなす、
    請求項１または２に記載の触媒コンバータ。
  7. 上記入口側ディフューザ部と上記上流側セラミック部材との間に電気加熱式触媒をさらに備えており、
    この電気加熱式触媒が位置する部分は、上記流路が介在しない単管構造をなしている、
    請求項１、２、５、６のいずれかに記載の触媒コンバータ。
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