JPH1181999A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置

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JPH1181999A
JPH1181999A JP9267827A JP26782797A JPH1181999A JP H1181999 A JPH1181999 A JP H1181999A JP 9267827 A JP9267827 A JP 9267827A JP 26782797 A JP26782797 A JP 26782797A JP H1181999 A JPH1181999 A JP H1181999A
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catalyst
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英夫 海保
Noriyuki Kishi
則行 岸
Shinichi Kikuchi
伸一 菊池
Mitsuo Wakabayashi
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 HC吸着材の温度上昇を十分に遅延させるこ
とができ、機関始動時におけるHCの浄化能力を改善し
た内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。 【解決手段】 内燃機関の排気系に設けられた排気マニ
ホールド2の直下に三元触媒11が設けられ、床下に
は、少なくともゼオライトをその成分として含む吸着触
媒14が設けられ、該吸着触媒14の下流に他の触媒1
5a、15bが設けられている。また、前記三元触媒1
1と前記吸着触媒14とを結ぶ排気通路の熱容量は、前
記排気マニホールド2の熱容量より大きくされている。
具体的には、排気通路の肉厚を排気マニホールド2の肉
厚より大きくしたり、排気通路の中に担体、仕切り板、
あるいは消音器を設けたり、排気通路の排気管の内面お
よび外面の少なくとも一方に凹凸を設けたりしている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は内燃機関の排気浄
化装置に関し、特に内燃機関の始動時の排気中の炭化水
素(以下、HC)の浄化能力を改善するようにした内燃
機関の排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来から、大気汚染を防止するために、
自動車等の内燃機関の排気浄化に関する研究が進めら
れ、種々提案されている。自動車の排気の有害成分とし
ては、HC、CO、NOx 等が知られているが、HCを
浄化する提案の一つとして、例えば特開平5−5994
2号公報に示されているものがある。
【0003】この公報には、エンジン始動直後等の排気
温度が低い時のHCの排出を改善するために、内燃機関
の排気系の上流から、順に、第1の三元触媒、HC吸着
材、第2の三元触媒を設けた排気浄化装置が提案されて
いる。周知のように、三元触媒は活性化温度(約300
°C)に達するまではHCを反応浄化する能力は小さ
く、活性化温度に達するとその能力は大きくなり、一
方、HC吸着材は温度が低い時にはHCを吸着し、ある
温度を越えると吸着していたHCを脱離し始める性質を
有している。そこで、前記提案の排気浄化装置によれ
ば、前記第1の三元触媒を設けたことにより、HC吸着
材が前記温度に達するまでの時間を長くし、この長くな
った時間の間に三元触媒の温度を高めて、エンジン始動
直後のHCの浄化能力を向上させるようにしている。
【0004】また、他の提案として、例えば、特開平5
−31359号に記されているものがある。この提案
は、自動車排ガス流路に、ゼオライト吸着材、ハニカム
ヒータおよび主モノリス触媒を設け、エンジン始動時に
はゼオライト吸着材による吸着機能を利用して低温排気
中のHCを捕捉し、その後ハニカムヒータに通電して触
媒を急激に加熱し、活性化させることにより、該触媒が
HCに反応浄化するようにしたものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
装置においては、上流側の第1の三元触媒にて排気の温
度の上昇速度を低減させているだけであるので、HC吸
着材に流入する排気の温度上昇速度は十分に遅くなら
ず、HC吸着材がHCを脱離する温度に達するまでの時
間を十分に確保することができない。
【0006】また、後者の装置においては、ゼオライト
吸着材がHCの脱離を開始する前に触媒をハニカムヒー
タで加熱して活性化させようとすると、短時間に触媒を
加熱しなければならず、ハニカムヒータに供給する電力
が多大になる。
【0007】この発明の目的は、前記した従来技術の問
題点を除去し、HC吸着材の温度上昇を十分に遅延させ
ることができるようにすることにより、機関始動時にお
けるHCの浄化能力を改善した内燃機関の排気浄化装置
を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明は、内燃機関の排気系に設けられた排気
マニホールド直下の三元触媒と、少なくともゼオライト
をその成分として含む床下に設けられた吸着触媒と、該
吸着触媒下流に設けられた触媒とを有する内燃機関の排
気浄化装置において、以下のような手段を講じた点に特
徴がある。
【0009】(1) 前記三元触媒と前記吸着触媒とを結ぶ
排気通路の熱容量を、前記排気マニホールドの熱容量よ
り大きくしたので、排気温度が排気マニホールド直下の
三元触媒による吸収に加えて排気通路の熱容量によりさ
らに吸収されることになり、前記吸着触媒の温度が上昇
するのをさらに遅らせることができるようになる。この
結果、該吸着触媒の温度上昇を十分に遅延させることが
できるようになり、十分に長い時間HCを吸着触媒に保
持させることができるようになり、機関始動時における
HCの浄化能力を改善することができるようになる。
【0010】(2) 前記三元触媒と前記吸着触媒とを結ぶ
排気通路の放熱量を排気マニホールドの放熱量より大き
くしたので、排気温度が排気マニホールド直下の三元触
媒による吸収に加えて排気通路からの放熱によりさらに
低下されることになり、前記吸着触媒の温度が上昇する
のをさらに遅らせることができるようになる。この結
果、該吸着触媒の温度上昇を十分に遅延させることがで
きるようになり、十分に長い時間HCを吸着触媒に保持
させることができるようになり、機関始動時におけるH
Cの浄化能力を改善することができるようになる。
【0011】(3) 吸着触媒下流の触媒を電気加熱式触媒
としたので、該吸着触媒からHCが脱離する時間までの
間に低電力で活性化させ、吸着触媒がHCを脱離し始め
た後のHCを浄化することができるようになる。
【0012】(4) 前記排気通路の中に担体を設けたの
で、安価な構成にて吸着触媒の温度上昇を遅らせること
ができるようになる。
【0013】(5) 前記排気管の中に第2の触媒を設けた
ので、排気浄化性能をさらに向上させながら吸着触媒の
温度上昇を遅らせることができるようになる。
【0014】(6) 前記排気管の内部に、排気の熱を滞留
させる仕切り板を設けたので、排気の熱の伝達は遅延さ
れ、吸着触媒の温度上昇をさらに遅らせることができる
ようになる。
【0015】(7) 前記排気通路に消音器を設けたので、
既存の構成を用いつつ吸着触媒の温度上昇を遅らせるこ
とができるようになる。
【0016】(8) 前記排気通路に放熱用のフィンを設け
たので、放熱性をさらに向上させ、吸着触媒の温度上昇
を遅らせることができるようになる。
【0017】(9) 前記排気通路中の排気管の肉厚を、前
記排気マニホールドの肉厚より厚くしたので、排気マニ
ホールド直下の触媒への熱の伝達を良好にしつつ吸着触
媒の温度上昇を遅らせることができるようになる。
【0018】(10)前記排気通路中の排気管の内面および
外面の少なくとも一方に凹凸を設けたことにより、内面
においては、排気の接触面積を増大させることにより、
排気管への熱の伝達量を向上させ、外面においては、大
気への接触面積を増大させることにより、放熱性を向上
させ、吸着触媒の温度上昇を遅らせることができるよう
になる。
【0019】
【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
を詳細に説明する。図1は、本発明の内燃機関の排気浄
化装置の一実施形態の構成図を示す。
【0020】図示されているように、エンジン1の排気
側に、順次、排気マニホールド2、第1のコンバータケ
ース3、第1の排気管4、第2のコンバータケース5及
び第2の排気管6からなる排気系が接続され、該排気系
の予め定められた複数の箇所に、例えば酸素センサから
なる空燃比センサ7a〜7dが配置されている。なお、
空燃比センサ7aは、広域空燃比センサとするとなお良
い。
【0021】前記第1のコンバータケース3の中央部に
は、三元触媒(TWC)11がマニホールド直下の三元
触媒として設けられている。本実施形態では、前記三元
触媒11はその断面が1平方インチ当り約1200セル
にされている。また、第2のコンバータケース5には、
上流側から、担体(substrate) 13、吸着触媒14、電
気加熱触媒15a、15b、および三元触媒16が収容
されている。
【0022】前記排気マニホールド2は、従来において
は鋳鉄製とされていたが、本実施形態においては、肉厚
0.5mmのステンレスのプレス加工により形成したこ
とにより、従来の排気マニホールドよりも熱容量を低減
している。さらに、排気マニホールドケース2aが肉厚
1.5mmステンレスのプレス加工により形成され、前
記排気マニホールド2を覆っているため、前記排気マニ
ホールド2と前記排気マニホールドケース2aとの間に
は空気層2bが形成され、断熱構造を構成することによ
り、前記排気マニホールド2からの放熱量を低減してい
る。したがって、前記排気マニホールド2の熱容量およ
び放熱量の低減により、下流の前記三元触媒11への熱
の伝達を良好にし、前記三元触媒11の活性化を早めて
いる。
【0023】前記担体13はメタル(金属)、セラミッ
クなどから形成されたハニカム構造体を用いれば良い
が、熱の吸収の良好なメタル担体を用いるのが好まし
い。前記担体13をメタル製とする場合には、例えば高
耐熱性のフェライト系ステンレス鋼箔の平板と波板を何
重にも丸く巻くことにより作成することができる。本実
施形態では、担体13をメタル担体とし、その断面が1
平方インチ当り約300セルとし、本実施形態の排気系
中では比較的粗いハニカム構造とし、排気抵抗の増大を
防いでいる。
【0024】前記吸着触媒14は、ハニカム構造の担体
に、HC吸着剤としてのゼオライト、例えばZSM−5
を担持した構成、あるいはHC吸着材と三元触媒を積層
して担持した構成を有している。吸着触媒14の担体
は、本実施形態では、その断面が1平方インチ当り約1
200セルにされている。
【0025】電気加熱触媒15a、15bは、例えば特
開平9−192453号に開示されているような、ハニ
カムヒータに触媒を担持したものを使用することができ
る。本実施形態では、その断面が1平方インチ当り約5
00セルにされている。ハニカムヒータの外周面には、
電力を供給するための電極17、18が接続されてお
り、この電極17、18には図示されていない電源から
電流が供給される。また、電気加熱触媒15aはプラチ
ナをその成分として含み、電気加熱触媒15bはパラジ
ウムをその成分として含むとエンジン始動直後に排出さ
れるHCを効果的に浄化できる。電気加熱触媒15a、
15bの電源としては、通常の車載バッテリ、オルタネ
ータ、又は電気加熱触媒15a、15b専用のバッテ
リ、オルタネータを用いる。
【0026】さて、エンジン1が始動されると、HCを
含む排気が排気マニホールド2、第1のコンバータケー
ス3、第1の排気管4、第2のコンバータケース5、第
2の排気管6からなる排気系を進行する。この排気は最
初は低温であり、排気系に設けられた触媒は未だ活性状
態に達せず、吸熱を行う。また、吸着触媒14へ流入す
る排気温度も低いので、HCは吸着触媒14に吸着され
る。時間の経過と共に排気の温度が上がってくると、こ
の排気温度により、排気系に設けられた触媒は昇温され
る。また、吸着触媒14の吸着材の温度が上昇すると、
徐々にHCの脱離速度が増大していき、HC脱離速度が
吸着速度を上回り、HC吸着材はHCの脱離を開始す
る。
【0027】前記三元触媒11は排気の吸熱により昇温
され、電気加熱触媒15a、15bは電極17、18に
図示されていない電源から電流を供給することによって
昇温されて活性化する。したがって、HC吸着材がHC
を脱離する温度に達するまでの時間が十分に長くできな
いと、HC吸着材がHC脱離温度に達した時に、三元触
媒11が活性化温度に達しなかったり、電気加熱触媒1
5a、15bに大電流を流して短時間に加熱しなければ
ならなくなり、電源に過大な負担がかかることになる。
【0028】そこで、本実施形態では、HC吸着材がH
C脱離温度に達するまでの時間を十分に長くするため
に、三元触媒11と吸着触媒14を結ぶ排気通路(本実
施形態においては、第1の排気管4を含む、三元触媒1
1の下流から吸着触媒14上流までの排気の流れる通路
を特に排気通路と呼ぶものとする)の熱容量を排気マニ
ホールド2の熱容量よりも大きくした。
【0029】該排気通路の熱容量を大きくする第1の具
体例としては、図2(a) に示されているように、前記排
気通路中の第1の排気管4の肉厚dを排気マニホールド
2の肉厚よりも厚くした。さらに、具体的には、本実施
形態においては、前記肉厚dを1.5mmとしている。
なお、図2(a) (b) は、図1のA−A線断面図を示す。
第2の具体例としては、前記排気通路に、熱の吸収が良
好な担体13を設けた。勿論、担体13には触媒を担持
させても良く、例えば第2の触媒としての三元触媒を担
持すると、定常時の排気の浄化性能がさらに向上する。
【0030】これらの第1、第2の具体例によると、前
記排気通路に熱容量の大きい部材が設けられているた
め、エンジンの始動からの時間の経過と共に排気マニホ
ールド2に流入する排気温が上昇しても、排気の熱は前
記部材に効率良く吸収されることになる。このため、吸
着触媒14へ流入する排気温の上昇速度を従来のように
三元触媒11を設けただけの場合より十分に低減するこ
とができるようになる。
【0031】したがって、HC吸着材がHC脱離温度に
達するまでの時間を十分に長くすることができるように
なる。また、排気マニホールド2の熱容量は小さくされ
ているため、三元触媒11へ流入する排気温の上昇速度
は大きくなり、三元触媒11が活性化温度に達するまで
の時間を短縮することができる。また、電気加熱触媒1
5a、15bを活性化させるまでに要する時間も長くす
ることができるので、電気加熱触媒15a、15bに大
電流を供給する必要がなくなり、電源の負担を軽減でき
るようになる。
【0032】次に、本実施形態の第3の具体例を説明す
る。この具体例は、図3に示されているように、前記排
気通路に排気の熱を滞留させる仕切り板を設けたもので
ある。この仕切り板の一例としては、同図(a) に示され
ているように、第1の排気管4内にその長さ方向に伸び
る小径の内管4aから形成され、該内管4aには排気抵
抗を減らすために多数の孔が開けられた構成とすること
ができる。他の例としては、同図(b) に示されているよ
うに、金属製の網から形成した仕切り板20を用いるこ
とができる。この仕切り板20は、同図(c) に示されて
いるように、排気管4内に複数個、適当な間隔を置いて
配置するのが良い。また、仕切り板は多数の孔が開けら
れた金属板としても良い。
【0033】次に、本発明の第2の実施形態について説
明する。前記した第1の実施形態は、前記排気通路の熱
容量を、排気マニホールド2の熱容量よりも大きくした
ものであったが、本実施形態は、該熱容量を大にすると
共に前記排気管の放熱量を大きくする、あるいは放熱量
のみを大きくするようにした点に特徴がある。
【0034】この実施形態の第1の具体例としては、図
2(b) に示されているように、第1の排気管4の内面に
凹凸を設ける、あるいは第1の排気管4の外面に凹凸を
設けるようにする。また、該排気管の内外両面に凹凸を
設けるようにする。この凹凸は、排気管の長さ方向に平
行な線状あるいは螺旋状あるいは単なる凹凸などの形状
であっても良い。なお、第1の排気管4の内面に凹凸を
設ける場合、排気抵抗を考えると、排気管の長さ方向に
平行な線状溝を用いるのが好適である。前記排気管に凹
凸を付ける加工は、例えばバルジ加工、プレス、切削、
引抜き、噴射加工等により行うことができる。
【0035】この具体例によれば、排気管の内面におい
ては、排気の接触面積を増大させることにより、排気管
への熱の伝達量を向上させ、排気管の外面においては、
大気への接触面積を増大させることにより、放熱性を向
上させ、吸着触媒の温度上昇を遅らせることができるよ
うになる。
【0036】次に、本実施形態の第2の具体例は、図4
に示されているように、前記排気通路に消音器(マフ
ラ)22を設けるようにしたものである。この具体例に
よれば、排気管の熱容量と放熱性の両方を向上させるこ
とができる。なお、消音器22は周知の共鳴型、膨脹
型、あるいは両者の複合により構成されたものとすれば
良い。
【0037】第3の具体例は、図5に示されているよう
に、排気通路の外側に放熱用のフィン4cを設けるよう
にしたものである。ここに、図5は第1の排気管4の外
側にフィン4cを設けた場合の断面図である。これによ
り、排気管の放熱性を高めることができ、吸着触媒14
の温度上昇を遅らせることができるようになる。
【0038】なお、前記した各実施形態の具体例を適宜
組み合わせることにより、個々の場合よりも良好な効果
を得ることができることは明らかである。
【0039】
【発明の効果】請求項1の発明によれば、排気マニホー
ルド直下の三元触媒と床下の吸着触媒とを結ぶ排気通路
の熱容量を、排気マニホールドの熱容量より大きくした
ので、排気温度が前記三元触媒による吸収に加えて前記
排気通路の熱容量によりさらに吸収されることになり、
前記吸着触媒の温度が上昇するのをさらに遅らせること
ができるようになる。この結果、該吸着触媒の温度上昇
を十分に遅延させることができるようになり、十分に長
い時間HCを吸着触媒に保持させることができるように
なり、機関始動時におけるHCの浄化能力を改善するこ
とができるようになる。
【0040】請求項2の発明によれば、前記三元触媒と
前記吸着触媒とを結ぶ排気通路の放熱量を排気マニホー
ルドのそれより大きくしたので、排気温度が排気マニホ
ールド直下の三元触媒による吸収に加えて排気通路から
の放熱によりさらに低下されることになり、前記吸着触
媒の温度が上昇するのをさらに遅らせることができるよ
うになる。この結果、該吸着触媒の温度上昇を十分に遅
延させることができるようになり、十分に長い時間HC
を吸着触媒に保持させることができるようになり、機関
始動時におけるHCの浄化能力を改善することができる
ようになる。
【0041】請求項3の発明によれば、吸着触媒下流に
配した電気加熱式触媒を、該吸着触媒からHCが脱離す
る時間までの間に低電力で活性化させることができると
共に、吸着触媒がHCを脱離し始めた後のHCを浄化す
ることができるようになる。
【0042】請求項4の発明によれば、前記排気通路の
中に担体を設けたので、安価な構成にて吸着触媒の温度
上昇を遅らせることができるようになる。
【0043】請求項5の発明によれば、前記排気通路の
中に第2の触媒を配置したので、排気浄化性能をさらに
向上させながら吸着触媒の温度上昇を遅らせることがで
きるようになる。
【0044】請求項6の発明によれば、前記排気通路の
内部に、排気の熱を滞留させる仕切り板を設けたので、
排気の熱の伝達は遅延され、吸着触媒の温度上昇をさら
に遅らせることができるようになる。
【0045】請求項7の発明によれば、前記排気通路に
消音器を設けたので、熱容量と放熱性の両方を高めて、
吸着触媒の温度上昇を遅らせることができるようにな
る。
【0046】請求項8の発明によれば、前記排気通路に
放熱用のフィンを設けたので、放熱性をさらに向上さ
せ、吸着触媒の温度上昇をさらに遅らせることができる
ようになる。
【0047】請求項9の発明によれば、前記排気通路中
の排気管の肉厚を、前記排気マニホールドの肉厚より厚
くしたので、排気通路の熱容量が排気マニホールドのそ
れより大きくなり、排気マニホールド直下の触媒への熱
の伝達を良好にしつつ吸着触媒の温度上昇を遅らせるこ
とができるようになる。
【0048】請求項10の発明によれば、前記排気通路
の内面および外面の少なくとも一方に凹凸を設けたこと
により、内面においては、排気の接触面積を増大させる
ことにより、排気管への熱の伝達量を向上させ、外面に
おいては、大気への接触面積を増大させることにより、
放熱性を向上させ、吸着触媒の温度上昇を遅らせること
ができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態の構成を示す図である。
【図2】 図1のA−A線断面図である。
【図3】 排気管内に設けられる仕切り板の具体例を示
す図である。
【図4】 本発明の他の実施形態の構成を示す図であ
る。
【図5】 外側にフィンを設けた場合の排気管の断面図
である。
【符号の説明】
1…エンジン、2…排気マニホールド、3…第1のコン
バータケース、4…第1の排気管、5…第2のコンバー
タケース、6…第2の排気管、7a〜7d…空燃比セン
サ、11…三元触媒(TWC)、12a,12b…仕切
り板、13…担体、14…吸着触媒、15a、15b…
電気加熱触媒、16…三元触媒、17、18…電極、2
0…仕切り板、22…消音器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI B01D 53/87 F01N 3/02 E F01N 3/02 3/10 A 3/10 7/08 Z 7/08 B01D 53/36 B (72)発明者 若林 光男 埼玉県和光市中央一丁目4番1号 株式会 社本田技術研究所内

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内燃機関の排気系に設けられた排気マニ
    ホールド直下の三元触媒と、少なくともゼオライトをそ
    の成分として含む床下に設けられた炭化水素を吸着可能
    な吸着触媒と、該吸着触媒下流に設けられた触媒とを有
    する内燃機関の排気浄化装置において、 前記三元触媒と前記吸着触媒とを結ぶ排気通路の熱容量
    を、前記排気マニホールドの熱容量より大きくするよう
    にしたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 【請求項2】 内燃機関の排気系に設けられた排気マニ
    ホールド直下の三元触媒と、少なくともゼオライトをそ
    の成分として含む床下に設けられた吸着触媒と、該吸着
    触媒下流に設けられた触媒とを有する内燃機関の排気浄
    化装置において、 前記三元触媒と前記吸着触媒とを結ぶ排気通路の放熱量
    を、前記排気マニホールドの放熱量より大きくするよう
    にしたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  3. 【請求項3】 前記吸着触媒下流に設けられた触媒が電
    気加熱触媒であることを特徴とする請求項1または2に
    記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 【請求項4】 前記排気通路中に担体を設けたことを特
    徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の内燃機関の排
    気浄化装置。
  5. 【請求項5】 前記排気通路中に第2の触媒を設けたこ
    とを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の内燃機
    関の排気浄化装置。
  6. 【請求項6】 前記排気通路の内部に、排気の熱を滞留
    させる仕切り板を設けたことを特徴とする請求項1〜5
    のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
  7. 【請求項7】 前記排気通路に消音器を設けたことを特
    徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の内燃機関の排
    気浄化装置。
  8. 【請求項8】 前記排気通路に放熱用のフィンを設けた
    ことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の内燃
    機関の排気浄化装置。
  9. 【請求項9】 前記排気通路中の排気管の肉厚を、前記
    排気マニホールドの肉厚より厚くしたことを特徴とする
    請求項1〜8のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装
    置。
  10. 【請求項10】 前記排気通路中の排気管の内面および
    外面の少なくとも一方に凹凸を設けたことを特徴とする
    請求項1〜9のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装
    置。
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