(57)【要約】【課題】例えば自動車等のエンジンから排出される排気を浄化する触媒コンバータやＤＰＦ等の排気浄化装置を備えたエンジンの排気システムにおいて、寒冷時やエンジン始動直後の排気温度が低い運転状態においても排気中の有害成分を良好に且つ効率よく浄化できるようにする。【解決手段】エンジンから排出される排気を浄化する触媒コンバータ４１やＤＰＦ４２等の排気浄化装置４を排気システムの途中に設けたエンジンの排気システム１において、上記排気浄化装置４よりも排気上流側の排気システム１内に、エンジンから排出された排気との接触で発熱する発熱体７を設けたことを特徴とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンから排出される排気を浄化する触媒コンバータやＤＰＦ等の排気浄化装置を排気システムの途中に設けたエンジンの排気システムにおいて、
上記排気浄化装置よりも排気上流側の排気システム内に、エンジンから排出された排気との接触で発熱する発熱体を設けたことを特徴とするエンジンの排気システム。
【請求項２】
上記発熱体として酸化カルシウム／炭酸カルシウム系物質または白金、ロジウム、パラジウム等の貴金属あるいはそれらを主体とした合金のうちの少なくともいずれか１つを用いることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気システム。
【請求項３】
上記発熱体は、周壁面に多数の貫通小孔を有する筒状に形成してなる請求項１または２に記載のエンジンの排気システム。
【請求項４】
上記発熱体は、周壁面に多数の貫通小孔を有する筒状の担体の表面に貴金属系または卑金属系の触媒成分を担持させてなる請求項１〜３のいずれかに記載のエンジンの排気システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自動車等のエンジンの排気システムに関する。更に詳しくは、エンジンから排出される排気を浄化する触媒コンバータやＤＰＦ等の排気浄化装置を備えたエンジンの排気システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、上記のようなエンジンの排気システムにおいては、該エジンから排出される排気中の有害成分である窒素酸化物や一酸化炭素および炭化水素等を除去するために触媒コンバータを排気システムの途中に設けるのが一般的であり、またディーゼルエンジンにあっては該エンジンから排出される炭素を主成分とした粒子状物質（ＰＭ）を除去するために上記の触媒コンバータとは別にＤＰＦ（ディーゼル微粒子除去装置）を設けるのが一般的である。
【０００３】
触媒コンバータは、排気中の有害物質を触媒で浄化するもので、例えば排気中の窒素酸化物や一酸化炭素および炭化水素を同時に効率的に浄化する触媒として、いわゆる三元触媒が広く使用されている。その三元触媒は、白金やパラジウムもしくはロジウム等の貴金属の１種又は２種以上をベースとし、これに必要に応じてニッケルやコバルト等の酸化物を添加したものを触媒成分としてコージェライト等の耐熱多孔質担体に担持させた構成である。
【０００４】
しかし、上記の三元触媒は、一般に３００℃未満の低温領域では活性が低く、エンジンの始動直後等に排出される低温の排気中の有害成分を十分に浄化することは困難である。また上記三元触媒は、排ガス中の酸素濃度が略１％以下のいわゆる理論空燃比運転領域では、有害成分の浄化を効率的に行なうことができるが、排ガス中の酸素濃度が数％以上の場合、すなわちオットーサイクルエンジンのリーン燃焼領域および本質的に酸素過剰状態で運転されるディーゼルエンジンから排出される排気に対しては有害成分の浄化効率が著しく低い。
【０００５】
一方、各種の天然ゼオライトまたは合成ゼオライト等の分子篩構造を有する物質に、遷移金属を担持させることによって、排ガス中の酸素濃度が高い上記リーン燃焼領域でも、窒素酸化物および炭化水素を浄化することができるようにした触媒が開発されている。しかしながら、この種の分子篩構造の物質に遷移金属を担持させた触媒は、通常３００℃〜５００℃程度の温度領域で優れた活性を示すが、エンジンの始動直後に排出される３００℃未満の温度の排ガス中の有害成分を効率良く浄化することは、現状の技術では充分な成果が得られていない。
【０００６】
そこで、エンジン始動直後等の排気温度が低い運転領域でも、上記三元触媒または分子篩構造の物質に遷移金属を担持させた触媒による排気浄化効率を向上させる手段として、これらの触媒の周囲に電熱装置を配置し、その熱で触媒を活性化することが提案されている。しかし、電熱により加熱するには多大な電力を必要とするため、電力容量の少ない車両用エンジン等には不向きであり、しかもエンジンの燃費効率が低下したり、電気的故障で耐久性や信頼性が低下する等の不具合がある。
【０００７】
また下記特許文献１には、上記のような電熱装置の代わりに酸化触媒や燃焼触媒等の第２の触媒を、上記三元触媒または分子篩構造の物質に遷移金属を担持させた触媒等の第１の触媒の周囲に配置して、その第１の触媒を通過した排気を上記第２の触媒に導いて、その第２の触媒と排気との発熱反応で上記第１の触媒を加熱することが提案されている。しかし、上記のものは第１の触媒を通過した排気を第２の触媒に導くための通路や制御装置等が必要で製作コストが増大すると共に、上記第２の触媒は、第１の触媒の外側で、しかも排気流に関しては下流側に位置するので、第１の触媒を必ずしも効率よく加熱することができない等の問題があった。
【０００８】
一方、前記のＤＰＦは、排気中のＰＭをフィルターで漉し取り、そのフィルターを再生装置等で再生して目詰まりを防ぐもので、フィルターの材質と再生方式の違いにより、いくつかの種類がある。例えばコージェライトと呼ばれるセラミックスのハニカム状フィルターを用いるもの、セラミックス繊維製の不織布を用いるもの、炭化ケイ素製のハニカム状フィルターを用いるもの等がある。
【０００９】
上記いずれの方式も、フィルターに詰まったＰＭを焼却してフィルターを再生するもので、その焼却方法としては、例えば電熱線などの外部からの熱で焼却するもの、またフィルター上に塗った触媒の効果でＰＭの燃焼温度を下げ、３００°程度の排気熱で燃焼できるようにしたもの、さらに排気中の二酸化窒素を用いて排気熱でＰＭを焼却するもの等がある。
【００１０】
しかし、上記いずれの方式も焼却温度が低いと、ＰＭを良好に焼却できないおそれがある。特に排気熱で燃焼するものは、寒冷時やエンジン始動直後の排気温度が低い運転状態では良好に焼却することができず、フィルター上にＰＭが残留して目詰まりを起こす等の問題があった。
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−７１３２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記の問題点に鑑みて提案したもので、触媒コンバータやＤＰＦ等の排気浄化装置を備えたエンジンの排気システムにおいて、寒冷時やエンジン始動直後の排気温度が低い運転状態においても排気中の有害成分を良好に且つ効率よく浄化することのできるエンジンの排気システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するために本発明によるエンジンの排気システムは、以下の構成としたものである。すなわち、エンジンから排出される排気を浄化する触媒コンバータやＤＰＦ等の排気浄化装置を排気システムの途中に設けたエンジンの排気システムにおいて、上記排気浄化装置よりも排気上流側の排気システム内に、エンジンから排出された排気との接触で発熱する発熱体を設けたことを特徴とする。
【００１４】
上記の発熱体としては、例えば酸化カルシウム／炭酸カルシウム系（ＣａＯ／ＣａＣＯ３  ）物質または白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属あるいはそれらを主体とした合金のうちの少なくともいずれか１つを選択して使用することができる。また上記発熱体の形状としては、例えば周壁面に多数の貫通小孔を有する筒状のものが排気内に設置するのに好適である。その場合、上記発熱体自体を多数の貫通小孔を有する筒状に形成したもの、あるいは周壁面に多数の貫通小孔を有する筒状の金属またはセラミック等よりなる担体の表面に上記発熱体を担持させた構成のものでもよい。
【発明の効果】
【００１５】
上記のように本発明によるエンジンの排気システムは、該システムの途中に設けた触媒コンバータやＤＰＦ等の排気浄化装置よりも排気上流側の排気システム内に、エンジンから排出された排気との接触で発熱する発熱体を設けたことによって、上記の触媒コンバータやＤＰＦ等の排気浄化装置に導入される排気を事前に加熱することができる。特に前記特許文献１のものは第２の触媒で第１の触媒を外側から間接的に加熱するのに対し、本発明は触媒コンバータ等の排気浄化装置に導入される排気を、エンジンから触媒コンバータに至る排気システムの途中で上記発熱体により直接加熱するので効率がよい。また上記の発熱体として、例えば排気との接触で発熱する酸化触媒または燃焼触媒等の発熱性の触媒を用いると、その触媒によって排気の浄化効率を更に向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を図に示す実施形態に基づいて具体的に説明する。図１は本発明による排気システムの一実施形態を示す概略構成の斜視図、図２（ａ）および（ｂ）は図１におけるa部およびｂ部の部分拡大断面図である。
【００１７】
図に示す実施形態はディーゼルエンジンの排気システムに適用したもので、その排気システム１は、図に省略したエンジンの排気マニホールド２からマフラ５に至る排気管（排気管路）３の途中に、排気浄化装置４として触媒コンバータ４１とＤＰＦ（ディーゼル微粒子除去装置）４２とを、その順に連通接続した構成である。図中、６はフランジ継手である。
【００１８】
上記の触媒コンバータ４１に用いる触媒としては、例えば前記の三元触媒または分子篩構造を有する物質に遷移金属を担持させた触媒等を用いることができる。その三元触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属の一種または二種以上をベースとし、これに必要に応じてニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、セリウム（Ｃｅ）等の酸化物を添加したものを触媒成分として、これをアルミナやコージェライト等の耐熱性が優れた粒状またはモノリス担体に担持させたものを使用することができる。
【００１９】
また上記の分子篩構造を有する物質に遷移金属を担持させた触媒としては、一般にゼオライトと称せられ、主成分がシリカ及びアルミナで、Ｓｉ／Ａ１比が５〜１００程度であり、結晶構造がＸ型、Ｙ型、ＺＳＭ型等のメタロシリケート等、及びこれらのゼオライト、メタロシリケートを遷移金属でイオン交換したものを使用することができる。
【００２０】
一方、ＤＰＦ４２は、前記従来のいずれの方式のものにも適用可能であり、特にフィルターの再生方式としては、前記のフィルター上に塗った触媒の効果でＰＭの燃焼温度を下げ、３００°程度の排気ガスの熱で燃焼できるようにしたもの、およびフィルターの前に酸化触媒を配置して排出ガス中の二酸化窒素の量を増やし、その二酸化窒素の性質を利用して排気ガスの熱でＰＭを焼却するものに良好に適用することができる。
【００２１】
そして本発明は、前記の触媒コンバータ４１やＤＰＦ４２等の排気浄化装置４よりも排気上流側の排気システム１内に、エンジンから排出された排気との接触で発熱する発熱体７を設けたもので、本実施形態においては触媒コンバータ４１よりも上流側の図１におけるａ部の排気管３内に図２（ａ）に示すような発熱体７を、またＤＰＦ４２よりも上流側の図１におけるｂ部の排気管３内に図２（ｂ）に示すような発熱体７を、それぞれ設けたものである。
【００２２】
特に、図の場合は内外二重３１，３２に形成した排気管３の内管３１内に、周壁面に多数の貫通小穴７ａを有する筒状の発熱体７を上記排気管３と略同心状に配置したもので、その発熱体７の排気上流側の端部は拡径して上記内管３１の内面に溶接等で固着され、その上流側の端部以外は内管３１の内面から離間させることによって、上記貫通小穴７ａ内および発熱体７の内外両面に排気が流通して広い面で上記発熱体７と排気とが接触するようにしている。
【００２３】
上記の発熱体７としては、エンジンからの排気との接触で発熱するものであれば材質等は適宜であるが、例えば前述のように酸化カルシウム／炭酸カルシウム系（ＣａＯ／ＣａＣＯ３  ）物質または白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属あるいはそれらを主体とした合金、例えば白金−パラジウム合金（Ｐｔ−Ｐｄ）、あるいはこれらに微量のロジウム（Ｒｈ）を加えたもの等が使用可能であり、そのうちの少なくともいずれか１つを選択して使用すればよい。
【００２４】
また上記発熱体の形状も適宜であるが、例えば前述のように周壁面に多数の貫通小孔を有する筒状のものが排気内に設置するのに好適である。その場合、上記の発熱体自体を多数の貫通小孔を有する筒状に形成したもの、あるいは周壁面に多数の貫通小孔を有する筒状の金属またはセラミック等よりなる担体の表面のほぼ全面に上記発熱体を担持させた構成のものでもよい。
【００２５】
上記の構成において、図に省略したエンジン１から排出された排気は、排気マニホールド２を経て排気管３内に導入された後、先ず、図１のａ部における排気管３内に設けた図２（ａ）の発熱体７内に図中の矢印の方向から流入する。それによって上記発熱体７に排気が接触して両者が反応（発熱反応）し、その熱で排気が加熱されるもので、特に図示例においては発熱体７を周壁面に多数の貫通小孔７ａを有する筒状に形成すると共に、その発熱体７の上流側の取付部を除くほぼ全長を排気管３（内管３１）から離間させたことによって、発熱体７と排気とを、より広い面で接触させることができる。
【００２６】
すなわち、上記発熱体７の上流側から入った排気は、発熱体７の内周面に接触すると共に上記貫通小孔７ａから発熱体７の外周面側に流入する。特に図２（ａ）においては上流側の傾斜部７ｂにも貫通小孔７ａを形成したことによって、より多くの排気を発熱体７の外周面側に流入させることができる。その発熱体７の外周面側に流入した排気は、発熱体７の外周面と接触すると共に、その一部の排気は上記貫通小孔７ａを介して再び発熱体７の内周面側に移動する。これを繰り返すことによって発熱体７と排気とが、より広い面で万遍なく接触して上記の反応が促進され、上記発熱体７の近傍を通過する排気を効率よく加熱することができるものである。
【００２７】
上記のようにして加熱された排気は、引き続き、排気浄化装置としての触媒コンバータ４１内に導入されて排気が浄化されるもので、その際、例えば寒冷時やエンジン始動時等のエンジンから排出された排気の温度が低い場合でも上記発熱体７によって予め所定の温度以上に加熱した状態で上記コンバータ４１内に導入することができる。それによって触媒コンバータ４による排気浄化性能を向上させることができるもので、特に本発明においては触媒コンバータ４に導入される排気を、その上流側で直接加熱できるので、熱効率や排気浄化効率が高く、極めて効率よく排気を浄化できるものである。
【００２８】
次に、上記の触媒コンバータ４１で浄化された排気は、引き続き、その下流側の図１におけるｂ部の排気管３内に設けた図２（ｂ）の発熱体７によって、上記と同様の要領で加熱されてＤＰＦ４２内に導かれ、例えばＤＰＦ４２内のフィルターに詰まったＰＭを確実に焼却してフィルターを良好に再生することができるもので、寒冷時やエンジン始動時等のエンジンから排出された排気の温度が低い場合でも、上記ＤＰＦ４２による排気浄化性能を良好に向上させることができると共に、その性能を長期間安定に維持させることが可能となるものである。
【００２９】
なお、上記実施形態は、触媒コンバータ４１の上流側と、ＤＰＦ４２の上流側との２箇所に発熱体７を設けたが、その配置位置や配置個数は適宜であり、例えば触媒コンバータ４１およびＤＰＦ４２の上流側の１箇所、例えば図１におけるａ部またはｃ部に設ける、あるいはその両方に設けてもよい。さらに図１におけるａ〜ｃ部の３箇所もしくはそれ以上設けるようにしてもよい。
【００３０】
また前記図２（ａ）のように排気管３内、特に図示例のように内外二重３１，３２に形成した排気管３の内管３１内に、筒状の発熱体７を離間させて設けた場合に、その発熱体７の径が小さくなりすぎて排気抵抗が増大する場合には、例えば図３（ａ）または（ｂ）のように排気管３（内外管３１，３２）の径を大きくし、それに合わせて発熱体７の径を大きくするようにしてもよい。前記図２（ｂ）の排気管および発熱体７についても同様である。
【００３１】
さらに発熱体７の貫通小孔７ａは、図４に示すような筒状発熱体７の外側若しくは内側に突出する突出孔もしくは切り越し孔としてもよく、そのようにすると発熱体７の表面積が増大して排気との接触面積を増大させることができる。また上記発熱体７の形状は筒状に限らず、半円筒状、棒状その他適宜であり、排気管３（内管３１）の内面に突起状に形成することもできる。
【００３２】
また上記実施形態は、触媒コンバータ４１とＤＰＦ４２の両方を備えた排気システムに適用したが、触媒コンバータ４１とＤＰＦ４２のいずれか一方のみを備えたものにも適用できる。また図示例は自動車等のディーゼルエンジンに適用したが、通常の４サイクルエンジンや自動二輪車用のエンジン等にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
以上のように、本発明によるエンジンの排気システムは、寒冷時やエンジン始動直後の排気温度が低い運転状態においても触媒コンバータやＤＰＦ等の排気浄化装置内に導入される排気を事前に加熱することによって排気浄化効率を上昇させることができるもので、この種のマフラの設計の自由度や産業上の利用可能性を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明によるエンジンの排気システムの一実施形態を示す斜視図。
【図２】（ａ）および（ｂ）は図１におけるａ部およびｂ部の拡大断面図。
【図３】（ａ）および（ｂ）は変更例の図１におけるａ部の拡大断面図。
【図４】（ａ）および（ｂ）は発熱体の変更例を示す斜視図および断面図。
【符号の説明】
【００３５】
１  エンジンの排気システム
２  排気マニホールド
３  排気管
３１  内管
３２  外管
４  排気浄化装置
４１  触媒コンバータ
４２  ＤＰＦ
５  マフラ
６  フランジ継手
７  発熱体
７ａ  貫通小孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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