JP4325565B2 - 内燃機関の排気浄化装置および排気浄化方法 - Google Patents

Description

この発明は、排気系に設けた触媒装置により排気浄化を行う内燃機関の排気浄化装置および排気浄化方法に関する。

例えば車両用内燃機関の排気系には、三元触媒等を用いた触媒装置が介装されており、その触媒作用により排気中の有害成分の浄化を行っている。一般的な触媒装置は、セラミックス製モノリス担体に触媒金属を担持させ、これをケーシング内に収容した構成となっているが、特許文献１には、触媒担体を上流側触媒ブロックと下流側触媒ブロックとに分割して、両者間に空間を設けた触媒装置が開示されている。
特開２００１−１７３４３７号公報

内燃機関の排気の流れは、一般に、比較的大きな振幅の脈動を伴っているが、上記従来の触媒装置では、触媒担体の長さが排気量などから定まる触媒容量によって設定されるため、一般に触媒担体の長さが長く、冷間始動後の昇温特性の上で改善すべき余地があった。

この発明は、脈動を伴って排気が流れる排気通路に触媒装置が介装された内燃機関の排気浄化装置において、触媒装置のケーシング内に収容された触媒担体の長さを、脈動によりケーシング内に生じる排気逆流の長さとほぼ同じか、これよりも短くしたことを特徴としている。望ましくは上記排気逆流の長さとほぼ同じ長さとする。

このように構成することで、脈動による排気ガスの往復動によって同じ排気ガスが触媒担体を複数回通過することになり、触媒担体との間で複数回の熱交換がなされる。そのため、冷間始動後などに、触媒温度が速やかに上昇する。

つまり脈動による逆流の開始時における触媒担体下流端近傍の排気ガスが、脈動によって少なくとも触媒担体上流端近傍まで逆流する。

上記排気逆流の長さは、好ましくは、低負荷時の脈動を基準とする。これにより、例えば、冷間始動後のアイドル運転中における触媒担体の早期昇温が図れる。

上記触媒装置は、排気マニホルドの集合部直後に配置されていることが望ましい。

また請求項５の発明は、上記ケーシング内に、上記触媒担体から下流側に離れて第２の触媒担体が収容されており、上記触媒担体と上記第２の触媒担体との間の空間の長さを、脈動によりケーシング内に生じる排気逆流の長さとほぼ同じか、これよりも長くしたことを特徴とする。望ましくは、上記排気逆流の長さとほぼ同じ長さとする。これにより、上流側の触媒担体を通過した排気ガスが、第２の触媒担体に到達する前に逆流により上流側の触媒担体まで戻る。つまり、第２の触媒担体に熱を奪われることなく排気ガスが上流側の触媒担体を複数回通過し、上流側の触媒担体を集中的に昇温させることができる。換言すれば、脈動による逆流の終了時における触媒担体下流端近傍の排気ガスが、脈動による逆流の開始から上記触媒担体下流端近傍に到達するまでの間、他の触媒担体を通過することがない。

上記第２の触媒担体の長さは、上流側の触媒担体と同様に、脈動によりケーシング内に生じる排気逆流の長さとほぼ同じか、これよりも短くすることが望ましい。

また請求項９の発明は、上記ケーシング内に、上記第２の触媒担体のさらに下流側に、それぞれ空間を介して１つあるいは複数の第３の触媒担体が収容されており、それぞれの間の空間の長さを、脈動によりケーシング内に生じる排気逆流の長さとほぼ同じか、これよりも長くしたことを特徴としている。望ましくは、上記排気逆流の長さとほぼ同じ長さとする。これにより、例えば、第２の触媒担体を通過した排気ガスが、第３の触媒担体に到達する前に逆流により上流側の第２の触媒担体まで戻る。

上記第３の触媒担体の長さは、上流側の触媒担体と同様に、脈動によりケーシング内に生じる排気逆流の長さとほぼ同じか、これよりも短くすることが望ましい。

また請求項１３の発明は、排気系としてメイン流路とこれよりも通路断面積の小さなバイパス流路とを備えるとともに、流路切換手段を備えた構成であって、上記触媒装置が上記バイパス流路に配置されている。

望ましくは、上記メイン流路は、各気筒のブランチ通路とこれらが１本に合流したメイン集合通路とからなり、上記バイパス流路は、上記ブランチ通路から分岐した気筒別通路とこれらが１本に合流したバイパス集合通路とからなる。

上記触媒装置は、上記バイパス集合通路の上流位置に配置されていることが望ましい。

上記バイパス流路の下流端は、メイン流路とは別に開放するようにしてもよいが、請求項１６のように上記メイン流路に合流していてもよい。

この発明によれば、排気系における脈動による排気逆流を有効に利用して排気ガスの熱を触媒担体に効果的に伝達することができる。従って、冷間始動後などに触媒温度を速やかに上昇させることができ、早期に排気浄化を開始することができる。

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、この発明に係る排気浄化装置の全体的構成を示している。内燃機関１は、例えば直列４気筒の火花点火ガソリン機関であって、ピストン２が往復動するシリンダ３、点火プラグ４、吸気ポート５を開閉する吸気弁６、排気ポート７を開閉する排気弁８、吸気ポート５へ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁９、等を備えている。吸気ポート５に接続される吸気通路１０の上流側には、スロットル弁１１、エアフロメータ１２およびエアクリーナ１３が設けられている。排気ポート７に接続される排気通路１５には、三元触媒等の適宜な触媒を用いた触媒装置１６が介装されており、その上流側に、空燃比センサ１７が配設されている。なお、１８は、燃料噴射量や点火時期等の制御を行うエンジンコントロールユニットを示す。上記触媒装置１６は、前後の排気通路１５よりも通路断面積が大となった略円筒状のケーシング１９を有し、その中に、一つあるいは間隔を置いて直列に配置された複数個（図では２個の例を示す）のセラミックス製モノリス触媒担体２１，２２が収容されている。この触媒担体２１，２２は、外周の環状の保持部材２０を介してケーシング１９内の軸方向の所定の位置にそれぞれ保持されており、ケーシング１９内において、触媒担体２１，２２の前後に所定の空間が確保されている。なお、排気ポート７に接続される排気通路１５の上流側部分は、排気マニホルドとして構成されており、気筒毎のブランチ通路が１本の流路に合流する合流点よりも下流側に上記触媒装置１６が設けられている。従って、クランク角１８０°毎にピークを有する排気脈動が、上記触媒装置１６に作用する。

次に、上記触媒装置１６のより具体的な構成を説明する。図２は、単一の触媒担体２１を備えた触媒装置１６の第１実施例を示しており、図示するように、ケーシング１９の上流側寄りの位置に触媒担体２１が固定され、その下流側は空間３１となっている。ここで、上記触媒担体２１の軸方向の長さＡは、図示するように、上記の脈動によりケーシング１９内に生じる排気逆流の長さＢとほぼ同じか、これよりも短くなっている。望ましくは、排気逆流の長さＢとほぼ同じ長さである。このように触媒担体２１の長さＡを設定することにより、脈動による排気ガスの往復動によって同じ排気ガスが触媒担体２１を複数回通過することになり、触媒担体２１との間で複数回の熱交換がなされる。そのため、冷間始動後などに、触媒温度が速やかに上昇する。なお、触媒担体２１の長さを短くすればするほど集中的に昇温させることができるが、強度的には弱くなるので、強度と昇温特性とのバランスがとれた長さとすることが望ましい。

また、排気逆流の長さＢは、内燃機関１の運転条件によって変化するが、好ましくは、低負荷時の脈動を基準とする。これにより、例えば、冷間始動後のアイドル運転中における触媒担体の早期昇温が図れる。

次に、図３は、２つの触媒担体２１，２２を備えた触媒装置１６の第２実施例を示しており、図示するように、ケーシング１９の上流側寄りの位置に触媒担体２１が固定され、かつケーシング１９の下流側寄りの位置に第２の触媒担体となる触媒担体２２が固定されており、両者間には、空間３２が確保されている。ここで、この空間３２の軸方向の長さ（換言すれば、２つの触媒担体２１，２２の端面間の距離）Ｃは、図示するように、脈動によりケーシング１９内に生じる排気逆流の長さＢとほぼ同じか、これよりも長くなっている。望ましくは、上記排気逆流の長さＢとほぼ同じ長さである。これにより、上流側の触媒担体２１を通過した排気ガスが、下流側の触媒担体２２に到達する前に逆流により上流側の触媒担体２１まで戻る。つまり、下流側の触媒担体２２に熱を奪われることなく排気ガスが上流側の触媒担体２１を複数回通過し、上流側の触媒担体２１を集中的に昇温させることができる。なお、上流側の触媒担体２１の軸方向の長さＡは、前述したように、排気逆流の長さＢとほぼ同じか、これよりも短くなっている。また、下流側の触媒担体２２の軸方向の長さＤは、望ましくは、上流側の触媒担体２１と同じく、排気逆流の長さＢとほぼ同じか、これよりも短くなっている。

次に、図４は、３個の触媒担体２１，２２，２３を備えた触媒装置１６の第３実施例を示しており、ケーシング１９の上流側寄りの位置に触媒担体２１が固定され、かつケーシング１９の中間の位置に第２の触媒担体となる触媒担体２２が固定され、ケーシング１９の下流側寄りの位置に第３の触媒担体となる触媒担体２３が固定されている。上流側の触媒担体２１と中間の触媒担体２２との間には、空間３２が確保され、同様に、中間の触媒担体２２と下流側の触媒担体２３との間には、空間３３が確保されている。上流側の触媒担体２１と中間の触媒担体２２の長さＡ，Ｄおよび両者間の空間３２の長さＣは、排気逆流の長さＢに対し、上述の第２実施例と同様の関係を有している。そして、この実施例では、中間の触媒担体２２と下流側の触媒担体２３との間の空間３３の軸方向の長さ（換言すれば、２つの触媒担体２２，２３の端面間の距離）Ｅが、脈動によりケーシング１９内に生じる排気逆流の長さＢとほぼ同じか、これよりも長くなっている。望ましくは、上記排気逆流の長さＢとほぼ同じ長さである。これにより、中間の触媒担体２２を通過した排気ガスが、下流側の触媒担体２３に到達する前に逆流により中間の触媒担体２２まで戻る。つまり、下流側の触媒担体２３に熱を奪われることなく排気ガスが中間の触媒担体２２を複数回通過し、中間の触媒担体２２を下流側の触媒担体２３よりも優先して昇温させることができる。なお、下流側の触媒担体２３の軸方向の長さＦは、望ましくは、上流側の触媒担体２１等と同じく、排気逆流の長さＢとほぼ同じか、これよりも短くなっている。

以上、触媒装置１６として、触媒担体が１個の例、２個の例、および３個の例について説明したが、ケーシング１９内に、触媒担体をさらに多数個つまり４個、５個等のように多段に配置することも可能である。

次に、図５は、排気系としてメイン流路とこれよりも通路断面積の小さなバイパス流路とを備えた実施例を示している。すなわち、内燃機関１の排気ポート７にメイン排気通路４１が接続されており、その下流端が消音器４２を介して車外へ開放されているとともに、車両床下となる位置に、三元触媒を用いたメイン触媒装置４３が介装されている。このメイン排気通路４１の比較的上流側の位置から通路断面積の小さなバイパス通路４２が分岐しており、かつこのバイパス通路４２の下流端は、上記メイン触媒装置４３の上流側で上記メイン排気通路４１に合流している。そして、上記バイパス通路４２に、メイン触媒装置４３よりも容量の小さなバイパス触媒装置１６が介装されている。このバイパス触媒装置１６は、前述した図２〜図４のものと同様の構成（図には、２つの触媒担体２１，２２を備えた例を示す）を有している。

また、上記メイン排気通路４１におけるバイパス通路４２の分岐点４４より下流側に、該メイン排気通路４１を開閉することで流路の切換を行う流路切換弁４５が設けられている。

この流路切換弁４５は適宜なアクチュエータを備えており、冷間始動後の機関温度ないしは排気温度が低い段階では、該流路切換弁４５が閉じられ、メイン排気通路４１が遮断される。そのため、各気筒から吐出された排気は、その全量がバイパス通路４２を通してバイパス触媒装置１６へと流れる。バイパス触媒装置１６は、排気系の上流側つまり排気ポート７に近い位置にあり、かつ小型のものであるので、速やかに活性化し、早期に排気浄化が開始される。

一方、機関の暖機が進行して、機関温度ないしは排気温度が十分に高くなったら、流路切換弁４５が開放される。これにより、各気筒から吐出された排気は、主に、メイン排気通路４１を通り、メイン触媒装置４３のみを通過する。このときバイパス通路４２側は特に遮断されていないが、バイパス通路４２の方がメイン排気通路４１よりも通路断面積が小さく、かつバイパス触媒装置１６が介在しているので、両者の通路抵抗の差により、排気流の大部分はメイン排気通路４１側を通り、バイパス通路４２側には殆ど流れない。従って、バイパス触媒装置１６の熱劣化が回避される。

ここで、前述した図２〜図４の触媒装置１６をバイパス触媒装置１６として適用した本実施例では、バイパス通路４２の通路断面積ひいてはケーシング１９の断面積が小さいことから、同じ容量の触媒装置１６を図１のような排気通路１５に配置した場合に比べて、触媒担体２１，２２，２３の形状として、径が小さくかつ長さが長い形状となる。そのため、ケーシング１９内での触媒担体２１，２２，２３の保持が容易であり、かつ強度も高く得られる。

なお、図には示していないが、排気ポート７に接続されるメイン排気通路４１の上流側部分は、排気マニホルドとして構成されており、気筒毎のブランチ通路が１本の流路に合流する合流点よりも下流側に上記メイン触媒装置４３が設けられている。また上記バイパス通路４２は、上流側部分が気筒別の通路となっており、それぞれメイン排気通路４１のブランチ通路から分岐している。そして、この４本の気筒別通路が１本に合流した合流点の直後に上記バイパス触媒装置１６が配置されている。

この発明に係る排気装置の全体的な構成を示す構成説明図。 触媒装置の第１実施例を示す断面図。 触媒装置の第２実施例を示す断面図。 触媒装置の第３実施例を示す断面図。 バイパス通路に触媒装置を設けた排気装置の全体的な構成を示す構成説明図。

符号の説明

１６…触媒装置
２１，２２，２３…触媒担体
３２，３３…空間
４１…メイン排気通路
４２…バイパス通路
４５…流路切換弁

Claims (18)

1. 脈動を伴って排気が流れる排気通路に触媒装置が介装された内燃機関の排気浄化装置において、触媒装置のケーシング内に収容された触媒担体の長さを、脈動によりケーシング内に生じる排気逆流の長さとほぼ同じか、これよりも短くしたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 上記触媒担体の長さを、上記排気逆流の長さとほぼ同じ長さとしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 上記排気逆流の長さは、低負荷時の脈動を基準とす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. 上記触媒装置は、排気マニホルドの集合部直後に配置されている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. 上記ケーシング内に、上記触媒担体から下流側に離れて第２の触媒担体が収容されており、上記触媒担体と上記第２の触媒担体との間の空間の長さを、脈動によりケーシング内に生じる排気逆流の長さとほぼ同じか、これよりも長くし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. 上記空間の長さを、上記排気逆流の長さとほぼ同じ長さとしたことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 上記第２の触媒担体の長さを、脈動によりケーシング内に生じる排気逆流の長さとほぼ同じか、これよりも短くしたことを特徴とする請求項５または６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 上記第２の触媒担体の長さを、上記排気逆流の長さとほぼ同じ長さとしたことを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 上記ケーシング内に、上記第２の触媒担体のさらに下流側に、それぞれ空間を介して１つあるいは複数の第３の触媒担体が収容されており、それぞれの間の空間の長さを、脈動によりケーシング内に生じる排気逆流の長さとほぼ同じか、これよりも長くしたことを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 上記空間の長さを、上記排気逆流の長さとほぼ同じ長さとしたことを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の排気浄化装置。
11. 上記第３の触媒担体の長さを、脈動によりケーシング内に生じる排気逆流の長さとほぼ同じか、これよりも短くしたことを特徴とする請求項９または１０に記載の内燃機関の排気浄化装置。
12. 上記第３の触媒担体の長さを、上記排気逆流の長さとほぼ同じ長さとしたことを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
13. 排気系としてメイン流路とこれよりも通路断面積の小さなバイパス流路とを備えるとともに、流路切換手段を備え、上記触媒装置が上記バイパス流路に配置されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
14. 上記メイン流路は、各気筒のブランチ通路とこれらが１本に合流したメイン集合通路とからなり、上記バイパス流路は、上記ブランチ通路から分岐した気筒別通路とこれらが１本に合流したバイパス集合通路とからなることを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
15. 上記触媒装置は、上記バイパス集合通路の上流位置に配置されていることを特徴とする請求項１４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
16. 上記バイパス流路の下流端は、上記メイン流路に合流していることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
17. 脈動を伴って排気が流れる排気通路に触媒装置を備え、脈動による逆流の開始時における触媒担体下流端近傍の排気ガスが、脈動によって少なくとも触媒担体上流端近傍まで逆流することによって、排気を浄化する内燃機関の排気浄化方法。
18. 脈動を伴って排気が流れる排気通路に触媒装置を備え、脈動による逆流の終了時における触媒担体下流端近傍の排気ガスが、脈動による逆流の開始から上記触媒担体下流端近傍に到達するまでの間、他の触媒担体を通過することがない内燃機関の排気浄化方法。
    

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