(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に介装される触媒担体を前後に２分割し、前部の触媒担体を、排気マニホールドの集合部を構成する管部内側に収納すると共に、後部の触媒担体を、前記集合部を構成する管部と別体に形成されて該管部に連結される排気通路形成用管体内側に収納して構成される内燃機関における触媒コンバータ装置において、
前記排気マニホールドの集合部を構成する管部は、前記前部の触媒担体を収納する部分が前記排気通路形成用管体よりも小径に形成されると共に、その下流側開口部が前記排気通路形成用管体の径に合わせて拡径形成され、該下流側開口部の外周面に前記排気通路形成用管体側の取付フランジ部と締結される管部側取付フランジが設けられていることを特徴とする内燃機関における触媒コンバータ装置。
【請求項２】
前記前部の触媒担体を、後部の触媒担体と比較して貴金属を高密度で担持したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関における触媒コンバータ装置。
【請求項３】
前記前部の触媒担体を、後部の触媒担体と比較して小容量に構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関における触媒コンバータ装置。
【請求項４】
前記排気マニホールドの集合部を構成する管部は、前記前部の触媒担体を収納する部分の直後から前記下流側開口部までが徐々に拡径していくように形成されていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の内燃機関における触媒コンバータ装置。
【請求項５】
前記排気マニホールドは、内管とその外周を断熱層を介して覆う外管との２重管からなり、該排気マニホールドの集合部を構成する２重管の内管内側に前記前部の触媒担体を収納したことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の内燃機関における触媒コンバータ装置。
【請求項６】
前記排気マニホールドの集合部を構成する前記管部若しくは前記２重管の内管の下流側開口部内周にストッパを固定し、該ストッパにて前部の触媒担体を固定したことを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の内燃機関における触媒コンバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関における触媒コンバータ装置に関し、特に、触媒担体の配設構造の改良により、排気浄化用触媒の早期活性化等を図る技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図６に示すように、図示しない内燃機関の排気マニホールドの集合部にシェル１を連結し、このシェル１内に触媒担体（マニホールド触媒担体）２を収納した触媒コンバータ装置が知られている。
しかし、このような構成では、冷間始動時直後に、排気熱の多くが、排気マニホールドの集合部側のフランジ部及びシェル１のフランジ部１Ａに奪われ、これらのフランジ部１Ａ等の熱容量（ヒートマス）は無視できない程度に大きいため、排気マニホールドの集合部に連結される触媒コンバータ装置における触媒担体２の入口での排気ガス温度が低下し、触媒担体２を活性化温度に早く到達させることができず、内燃機関の冷間始動時に排出される排気エミッションを低減することができない。
【０００３】
このため、触媒担体を活性化温度に早く到達させるための方策として、例えば、図７に示すように、触媒担体２を前後（２Ａ、２Ｂ）に分割すると共に、前部の触媒担体２Ａを、後部の触媒担体２Ｂよりも小径又は小容量に形成するか、或いは、前部の触媒担体２Ａを、後部の触媒担体２Ｂと比較して貴金属を高密度で担持し、これらの触媒２Ａ，２Ｂをシェル１内に排気流れ方向に直列に配して収納することが考えられる。
【０００４】
このように前部の触媒担体２Ａを、後部の触媒担体２Ｂよりも小径又は小容量に形成すると、前部の触媒担体２Ａの昇温が早くなる。又、前部の触媒担体２Ａを、後部の触媒担体２Ｂと比較して貴金属を高密度で担持すると、前部の触媒担体２Ａの触媒反応がより活発になり、その昇温が早くなる。
従って、前部の触媒担体２Ａがいち早く活性化温度に達し、該前部の触媒担体２Ａから出るガス温度もいち早く高い温度となり、この高い温度のガスが後部の触媒担体２Ｂに入ることにより、後部の触媒担体２Ｂも早く活性化温度に達する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、シェル１は一般的に鋳物からなる容器からなり、このような鋳物容器内に２つの触媒担体２Ａ，２Ｂを組み付けることは技術的に困難である。
これについて説明すると、図８（Ａ）〜（Ｄ）は、鋳物容器Ｋ内に２つの触媒担体２Ａ，２Ｂを組み付ける手順を示しており、先ず、鋳物容器Ｋ内に触媒担体固定用ワッシャＷ１を挿入配置し（Ａ）、次に、後部の触媒担体２Ｂを鋳物容器Ｋ内の触媒担体固定用ワッシャＷ１上に挿入配置する（Ｂ）。次に、鋳物容器Ｋ内の触媒担体２Ｂ上に２つの触媒担体固定用ワッシャＷ２，Ｗ３を挿入配置した（Ｃ）後に、前部の触媒担体２Ａを鋳物容器Ｋ内の触媒担体固定用ワッシャＷ３上に挿入配置する（Ｂ）。
【０００６】
このような触媒担体２Ａ，２Ｂの組み付けにあっては、触媒担体２Ｂ上に触媒担体固定用ワッシャＷ２，Ｗ３を安定して配置できず、触媒担体２Ａが斜めに挿入配置されてしまう等の虞があり、手作業による慎重な作業が必要であり、量産化が難しい。
尚、触媒の早期活性化を図る技術として、内燃機関の排気管を２重構造としたものにおいて、冷間始動時に内管に電流を流して加熱し、内管に奪われていた排気ガスの熱エネルギの損失を低減して、触媒の早期活性化を図る技術で提案されているが（実公平６−４９７２１号公報参照）、内管の電気抵抗値が小さく、大電流が必要である点と、電流のスイッチング等の制御の複雑化を生じる点と、によりコストの面で改善の余地がある。
【０００７】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、冷間始動時の触媒の早期活性化による排気エミッション性能の向上を図ると共に、触媒担体を組み付ける上での従来の技術的困難性の解決を図った内燃機関における触媒コンバータ装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、内燃機関の排気通路に介装される触媒担体を前後に２分割し、前部の触媒担体を、排気マニホールドの集合部を構成する管部内側に収納すると共に、後部の触媒担体を、前記集合部を構成する管部と別体に形成されて該管部に連結される排気通路形成用管体内側に収納して構成される内燃機関における触媒コンバータ装置において、前記排気マニホールドの集合部を構成する管部は、前記前部の触媒担体を収納する部分が前記排気通路形成用管体よりも小径に形成されると共に、その下流側開口部が前記排気通路形成用管体の径に合わせて拡径形成され、該下流側開口部の外周面に前記排気通路形成用管体側の取付フランジ部と締結される管部側取付フランジが設けられていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明は、
前記前部の触媒担体を、後部の触媒担体と比較して貴金属を高密度で担持したことを特徴とする。
請求項３に係る発明は、
前記前部の触媒担体を、後部の触媒担体と比較して小容量に構成したことを特徴とする。
【００１０】
請求項４に係る発明は、前記排気マニホールドの集合部を構成する管部が、前記前部の触媒担体を収納する部分の直後から前記下流側開口部までが徐々に拡径していくように形成されていること特徴とする
請求項５に係る発明は、前記排気マニホールドは、内管とその外周を断熱層を介して覆う外管との２重管からなり、該排気マニホールドの集合部を構成する２重管の内管内側に前記前部の触媒担体を収納したことを特徴とする。
【００１１】
請求項６に係る発明は、
前記排気マニホールドの集合部を構成する前記管部若しくは前記２重管の内管の下流側開口部内周にストッパを固定し、該ストッパにて前部の触媒担体を固定したことを特徴とする。
請求項７に係る発明は、
内燃機関の排気通路に介装される触媒担体を２分割し、一方の触媒担体を排気マニホールド側に配設し、他方の触媒担体を、排気マニホールドの直下流側排気通路に配設したことを特徴とする。
【００１２】
かかる本発明の作用について説明する。
請求項１に係る発明において、排気マニホールドの集合部を構成する管部に伝わった熱は直接前部の触媒担体に伝わるので、排気ガスの熱エネルギが前部の触媒担体に効率良く伝えられ、前部の触媒担体は活性化温度に早く到達する。そして、排気マニホールドの集合部を構成する管部の前部の触媒担体の直下流部の温度は、前部の触媒担体の反応熱によって高くなる。特に、排気マニホールドの集合部を構成する管部は、前部の触媒担体を収納する部分が排気通路形成用管体よりの小径に形成され、排気通路形成用管体と連結する下流側開口部が排気通路形成用管体に合わせて拡径形成されているので、前部の触媒担体が後部の触媒担体と比較して小径となり、前部の触媒担体の昇温が早くなる。
【００１３】
このため、後部の触媒担体に入るガスの温度が高くなり、後部の触媒担体も活性化温度に早く到達する。
このように触媒担体を活性化温度に早く到達させることができる結果、内燃機関の冷間始動時に排出される排気エミッションが効果的に低減される。
又、前部の触媒担体は、排気マニホールドの集合部を構成する管部内側に挿入配置した後、例えば、管部の下流側開口部内周に圧入固定される固定部材等によって固定すれば良いため、斜めに組付けられる等の問題がなく、組付けに際して、手作業による慎重な作業が不要で、量産化が容易である。
【００１４】
請求項２に係る発明において、前部の触媒担体を、後部の触媒担体と比較して貴金属を高密度で担持したことにより、前部の触媒担体の触媒反応がより活発になり、その昇温が早くなる。
又、請求項３に係る発明において、前部の触媒担体を、後部の触媒担体と比較して小容量に構成したことにより、前部の触媒担体の昇温が早くなる。
【００１５】
そして、請求項４に係る発明では、排気マニホールドの集合部を構成する管部が、前部の触媒担体を収納する部分の直後から下流側開口部までが徐々に拡径していくように形成されている。従って、請求項２〜４に係る発明において、前部の触媒担体がより早く活性化温度に達し、該前部の触媒担体から出るガス温度もいち早く高い温度となり、この高い温度のガスが後部の触媒担体に入ることにより、後部の触媒担体もより早く活性化温度に達し、前部と後部の触媒担体を活性化温度により早く到達させることができる結果、内燃機関の冷間始動時に排出される排気エミッションをより効果的に低減することができる。
【００１６】
請求項５に係る発明において、前部の触媒担体が収納された内管の外周部を空気層（断熱層）を介して覆う外管によって、内管からの熱放射を低減でき、排気ガスの熱エネルギが前部の触媒担体に効率良く伝えられ、前部の触媒担体を活性化温度に早く到達させることができる。
請求項６に係る発明において、前部の触媒担体は、ストッパによって、排気マニホールドの集合部を構成する管部内側若しくは２重管の内管側に簡単かつ確実に固定される。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、内燃機関の冷間始動時に排出される排気エミッションを効果的に低減することができると共に、排気ガスの熱エネルギを利用して触媒担体を活性化温度に早く到達させるものであるから、内管の加熱手段等を別途設ける必要がなく、コスト面で有利であり、しかも、触媒担体を組み付ける上での従来の技術的困難性の解決を図ることができるという利点を有する。
【００２０】
請求項２〜４に係る発明によれば、排気の熱エネルギがより効率良く触媒担体に伝えられ、内燃機関の冷間始動時に排出される排気エミッションをより効果的に低減することができる。
請求項５に係る発明によれば、排気マニホールドを２重管化したことによる排気保温性の効果が得られ、内燃機関の冷間始動時に排出される排気エミッションをより効果的に低減することができる。
【００２１】
請求項６に係る発明によれば、前部の触媒担体の固定を容易にかつ確実に行うことができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明に係る内燃機関の排気管の構造の一実施形態を示しており、排気マニホールド１０は、複数の枝管部１０Ａと各枝管部１０Ａの集合部を構成する管部１０Ｂとからなる。
【００２３】
又、前記管部１０Ｂの端部外周面には取付フランジ部１０ａが設けられている。
一方、集合部を構成する管部１０Ｂと別体に形成されて該管部１０Ｂに連結される排気通路形成用管体としてのフロントチューブ１１が設けられている。
このフロントチューブ１１の両端部外周面には、夫々取付フランジ部１１ａ，１１ｂが設けられており、一方の取付フランジ部１１ａと前記管部１０Ｂの取付フランジ部１０ａとがボルト等の締結具により締結されて、管部１０Ｂとフロントチューブ１１とが連結される。
【００２４】
ここで、内燃機関の排気通路に介装される触媒担体は前後に２分割される。
そして、前部の触媒担体１２は、排気マニホールド１０の集合部を構成する管部１０Ｂ内側に収納される。従って、前部の触媒担体１２は、取付フランジ部１０ａよりも排気の流れ方向に対して上流側に設けられる。
又、後部の触媒担体１３は、前部の触媒担体１２の直下流位置のフロントチューブ１１内側に収納される。
【００２５】
尚、触媒担体１２，１３として、夫々セラミック触媒担体を備えた触媒担体を用い、各セラミック触媒担体を管部１０Ｂ並びにフロントチューブ１１内側に、夫々マット１４，１５を介して保持する。
又、排気マニホールド１０の集合部を構成する管部１０Ｂの下流側開口部内周には、環状のストッパ１６が圧入固定されており、前部の触媒担体１２は、ストッパ１６と縮径部１０ｃとの間に挟持され、固定される。
【００２６】
更に、後部の触媒担体１３は、管部１０Ｂとフロントチューブ１１との連結状態において、ストッパ１６と縮径部１０ｃとの間に挟持され、固定される。
以上の構成の触媒コンバータ装置によると、前部の触媒担体１２を、排気マニホールド１０の集合部を構成する管部１０Ｂ内側に収納し、後部の触媒担体１３を、フロントチューブ１１内側に収納したことにより、次のような作用・効果が奏される。
【００２７】
即ち、排気マニホールド１０の集合部を構成する管部１０Ｂに伝わった熱はマット１４を介して直接前部の触媒担体１２に伝わり、かつ、前部の触媒担体１２は大きな熱容量を有する取付フランジ部１０ａよりも上流側に位置するので、排気ガスの熱エネルギが前部の触媒担体１２に効率良く伝えられ、前部の触媒担体１２は活性化温度に早く到達する。
【００２８】
そして、排気マニホールド１０の集合部を構成する管部１０Ｂの前部の触媒担体１２の直下流部（図１のＡ部）の温度は、前部の触媒担体１２の反応熱によって高くなる。
このため、後部の触媒担体１３に入るガスの温度が高くなり、後部の触媒担体１３も活性化温度に早く到達する。
【００２９】
このように触媒担体１２，１３を活性化温度に早く到達させることができる結果、内燃機関の冷間始動時に排出される排気エミッションを効果的に低減することができる。
又、かかる構成によると、前部の触媒担体１２を、排気マニホールド１０の集合部を構成する管部１０Ｂ内側に収納し、後部の触媒担体１３を、フロントチューブ１１内側に収納した構成であるから、前部の触媒担体１２及び後部の触媒担体１３の組付けに際して、鋳物等からなる容器内に２つの触媒担体を組み付けるもののような技術的な困難性はない。
【００３０】
即ち、前部の触媒担体１２は、排気マニホールド１０の集合部を構成する管部１０Ｂ内側に挿入配置した後、管部１０Ｂの下流側開口部内周に圧入固定される環状のストッパ１６によって、縮径部１０ｃとの間に挟持固定すれば良いため、斜めに組付けられる等の問題がなく、組付けに際して、手作業による慎重な作業が不要で、量産化が容易である。
【００３１】
ここで、本実施形態においては、後部の触媒担体１３の容量（例えば、０．５Ｌ以上）に対して、前部の触媒担体１２の容量を小容量（例えば、０．１〜０．５Ｌ未満）にすることにより、或いは、前部の触媒担体１２を、後部の触媒担体１３と比較して貴金属を高密度で担持したことにより、次のような利点がある。即ち、後部の触媒担体１３の容量に対して、前部の触媒担体１２の容量を小容量にすると、前部の触媒担体１２の昇温が早くなる。又、前部の触媒担体１２を、後部の触媒担体１３と比較して貴金属を高密度で担持すると、前部の触媒担体１２の触媒反応がより活発になり、その昇温が早くなる。
【００３２】
従って、前部の触媒担体１２がより早く活性化温度に達し、該前部の触媒担体１２から出るガス温度もいち早く高い温度となり、この高い温度のガスが後部の触媒担体１３に入ることにより、後部の触媒担体１３もより早く活性化温度に達し、触媒担体１２，１３を活性化温度により早く到達させることができる結果、内燃機関の冷間始動時に排出される排気エミッションをより効果的に低減することができる。
【００３３】
図２は、本発明の他の実施形態を示している。
この実施形態は、後部の触媒担体１３の径に比較して、前部の触媒担体１２を小径に形成したものである。
このように、後部の触媒担体１３の径に対して、前部の触媒担体１２の径を小径にすると、前部の触媒担体１２の容量を小容量にした場合及び前部の触媒担体１２を、後部の触媒担体１３と比較して貴金属を高密度で担持した場合と同様に、前部の触媒担体１２の昇温が早くなり、後部の触媒担体１３もより早く活性化温度に達するため、触媒担体１２，１３を活性化温度により早く到達させることができる結果、内燃機関の冷間始動時に排出される排気エミッションをより効果的に低減することができる。
【００３４】
この場合、管部１０Ｂの下流側開口部を除く部分を小径化して、小径化した触媒担体１２を収納する。管部１０Ｂの下流側開口部はフロントチューブ１１の径に合わせて拡径形成されており、この形状に合致してストッパ１６の形状が設定されている。
この実施形態の場合にも、前部の触媒担体１２を、後部の触媒担体１３と比較して貴金属を高密度で担持すれば、効果的である。
【００３５】
図３は、本発明の更に他の実施形態を示している。
この実施形態は、排気マニホールド１０を、内管１７と外管１８との２重管から構成したものに本発明を適用したものであり、排気マニホールド１０の集合部を構成する２重管の内管１７内側に前部の触媒担体１２を収納してある。
この実施形態でも、排気マニホールド１０の集合部を構成する内管１７の下流側開口部内周には、環状のストッパ１６が圧入固定されており、前部の触媒担体１２は、ストッパ１６と縮径部１０ｃとの間に挟持固定され、後部の触媒担体１３は、ストッパ１６と縮径部１０ｄとの間に挟持され、固定される。
【００３６】
かかる実施形態においては、前部の触媒担体１２が収納された内管１７の外周部を空気層（断熱層）を介して覆う外管１６によって、内管１７からの熱放射を低減でき、排気ガスの熱エネルギが前部の触媒担体１２に効率良く伝えられ、前部の触媒担体１２を活性化温度に早く到達させることができる。
尚、この場合、前部の触媒担体１２をメタルで形成し、内管１７に直接固定するようにすれば、前部の触媒担体１２の活性化をより早めることが可能となる。
【００３７】
図４は、本発明技術の効果を明らかにするべく、本発明者らが行った実験結果を表すグラフであり、横軸には、機関冷間始動後の経過時間（ｔ）、縦軸には、触媒担体内部温度（Ｔ）として、従来技術と上述した各実施形態の本発明技術の触媒担体昇温特性を比較するグラフである。
このグラフにおいて、
Ｔｏ；触媒担体活性温度
Ｔａ′；前部触媒担体Ａ内部温度（図５（Ｂ）参照）
Ｔａ′′；前部触媒担体Ａ（貴金属を高密度で担持（以下、高担持）かつ小径化）内部温度（図５（Ｃ）参照）
Ｔｂ；後部触媒担体Ｂ（前部触媒担体Ａ無しの場合）内部温度（図５（Ａ）参照）
Ｔｂ′；後部触媒担体Ｂ（前部触媒担体Ａ有りの場合）内部温度（図５（Ｂ）参照）
Ｔｂ′′；後部触媒担体Ｂ（前部触媒担体Ａ［高担持かつ小径化］有りの場合）内部温度（図５（Ｃ）参照）
ｔａ′；前部触媒担体Ａ活性温度到達時間
ｔａ′′；前部触媒担体Ａ（高担持かつ小径化）活性温度到達時間
ｔｂ；後部触媒担体Ｂ（前部触媒担体Ａ無しの場合）活性温度到達時間
ｔｂ′；後部触媒担体Ｂ（前部触媒担体Ａ有りの場合）活性温度到達時間
ｔｂ′′；後部触媒担体Ｂ（前部触媒担体Ａ［高担持かつ小径化］有りの場合）活性温度到達時間
そして、Δｔａは、高担持かつ小径化していない前部触媒担体Ａと、高担持かつ小径化している前部触媒担体Ａの活性温度到達時間差であり、高担持かつ小径化している前部触媒担体Ａの方がΔｔａだけ早期活性化することが明らかである。
【００３８】
又、Δｔｂは、前部触媒担体Ａが無い場合と有る場合の後部触媒担体Ｂの活性温度到達時間差であり、前部触媒担体Ａが有る場合の後部触媒担体Ｂの方がΔｔｂだけ早期活性化することが明らかである。
更に、Δｔｂ′は、高担持かつ小径化していない前部触媒担体Ａを有する後部触媒担体Ｂと、高担持かつ小径化している前部触媒担体Ａを有する後部触媒担体Ｂとの活性温度到達時間差であり、高担持かつ小径化している前部触媒担体Ａを有する後部触媒担体Ｂの方がΔｔｂ′だけ早期活性化することが明らかである。
【００３９】
即ち、本発明技術は、従来技術と比較して、触媒担体を活性化温度に早く到達させることができ、内燃機関の冷間始動時に排出される排気エミッションを効果的に低減することができるのは明らかである。
尚、本発明技術によると、排気ガスの熱エネルギを利用して触媒担体を活性化温度に早く到達させるものであるから、排気管の内管の加熱手段等を別途設ける必要がなく、コスト面でも有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の内燃機関における触媒コンバータ装置の一実施形態を示す横断面図
【図２】  他の実施形態の横断面図
【図３】  更に他の実施形態の横断面図
【図４】  本発明技術の効果を明らかにするべく、本発明者らが行った実験結果を表すグラフであって、従来技術と本発明技術の触媒担体昇温特性を比較するグラフ
【図５】  同上の触媒担体昇温特性を比較する実験における触媒担体内部温度測定点を示すで、（Ａ）は従来技術、（Ｂ）は本発明技術の前部触媒担体有りの場合、（Ｃ）は本発明技術の前部触媒担体（小径，高担持）有りの場合
【図６】  従来の内燃機関における触媒コンバータ装置の一例を示す横断面図
【図７】  従来の内燃機関における触媒コンバータ装置の他例を示す横断面図
【図８】  従来の鋳物容器内に２つの触媒担体を組み付ける手順を示す概略図
【符号の説明】
１０  排気マニホールド
１０Ａ  枝管部
１０Ｂ  集合部を構成する管部
１１  フロントチューブ
１２  前部の触媒担体
１３  後部の触媒担体
１６  ストッパ
１７  ２重管の内管
【図１】
0003716588.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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