(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気流路を形成する第１の筒部と、
前記第１の筒部に収容され、前記第１の筒部を流れる排ガスを浄化する触媒と、
前記第１の筒部の下流側で前記第１の筒部よりも径が小さい排気流路を形成する第２の筒部と、
前記第２の筒部に配設された排気センサと、
前記第１の筒部と前記第２の筒部との間に配設され、内径が下流側へ徐々に縮小された縮小流路を構成する第３の筒部と、
前記排気センサよりも上流側で排ガスの流れの向きを変える偏向部と、
を備え、
前記偏向部は、前記第１の筒部に配設され、
前記偏向部は、前記触媒よりも下流側に配設され、
前記偏向部は、複数の羽根を備え、
前記第１の筒部を構成する部品と、前記偏向部とが単一の部品で形成され、前記偏向部が備える前記複数の羽根は、前記第１の筒部を構成する筒状の部品における下流側の端部を複数に分割した各分割部分を、前記第１の筒部の中心軸に垂直な面と前記筒状の部品との交線に対して交差する折り曲げ線で、前記第１の筒部の内部に向けて折り曲げたものであり、
前記偏向部は、排ガスを旋回するように案内し、
前記排気センサは、酸素センサ、ＮＯｘセンサ、又は空燃比センサである、排気浄化装置。
【請求項２】
請求項１に記載の排気浄化装置であって、
前記第１の筒部の中心軸に沿った方向から見た前記偏向部の開口面積が、前記第２の筒部により形成される排気流路の断面積以上である、排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関から排出される排ガスを浄化する排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関から排出される排ガスを浄化する装置として、排気流路に触媒を配設した排気浄化装置が知られている。この種の排気浄化装置では、触媒による排ガスの浄化効果を向上させるため、断面積の大きい触媒が用いられる。このため、触媒の上流側には、排気流路を拡径するための拡径流路が形成され、触媒の下流側には、排気流路を縮径するための縮径流路が形成される。また、触媒の下流側における縮径後の排気流路には、当該触媒による排ガスの浄化効果を判断するための排気センサが設けられる。
【０００３】
ところで、内燃機関から排出される排ガスの成分の分布は、例えば内燃機関における気筒間の燃焼状態のばらつきなどにより、排気流路において一様でなくばらついている。このようなばらつきが、触媒から流出した段階においても十分に改善されていないと、排気センサに当たる排ガスの成分にもばらつきが発生してしまう。その結果、排気センサに基づく触媒の浄化効果の判断を正確に行えないという問題があった。
【０００４】
このような問題を解決するために、縮径後の排気流路における排気センサの上流側に、排ガスを分散させる分散板を設け、排気センサに当たる排ガスの成分を均一化させる技術が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開平５−１１０５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述した特許文献１に記載の構成では、排ガスの成分を均一化させる効果を分散板により高めようとすると、排気流路の圧力損失が大きく上昇してしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、排気流路の圧力損失の上昇を抑えつつ、排気センサに当たる排ガスの成分を均一化させる効果を向上させることのできる排気浄化装置の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面は、排気浄化装置であって、第１の筒部と、触媒と、第２の筒部と、排気センサと、偏向部と、を備える。第１の筒部は、排気流路を形成する。触媒は、第１の筒部に収容され、第１の筒部を流れる排ガスを浄化する。第２の筒部は、第１の筒部の下流側で第１の筒部よりも径が小さい排気流路を形成する。排気センサは、第２の筒部に配設される。偏向部は、排気センサよりも上流側で排ガスの流れの向きを変える。具体的には、偏向部は、第１の筒部に配設されている。
【０００９】
このような構成によれば、排気センサが配設された第２の筒部よりも径が大きい排気流路を形成する第１の筒部に偏向部が設けられているため、第２の筒部に偏向部が設けられた構成と比較して、排気流路の圧力損失の上昇を抑えることができる。したがって、排気流路の圧力損失の上昇を抑えつつ、排気センサに当たる排ガスの成分を均一化させる効果を向上させることができる。
【００１０】
上記構成において、偏向部は、第１の筒部における前記触媒よりも下流側に配設されていてもよい。このような構成によれば、触媒から流出した排ガスの流れの向きを偏向部で変えることにより、排気センサに当たる排ガスの成分を効率よく均一化させることができる。
【００１１】
上記構成において、第１の筒部の中心軸に沿った方向から見た偏向部の開口面積が、第２の筒部により形成される排気流路の断面積以上であってもよい。このような構成によれば、偏向部による圧力損失の上昇を抑えることができる。
【００１２】
上記構成において、偏向部は、複数の羽根を備えてもよい。このような構成によれば、排ガスの流れの向きを複数の羽根で変えることにより、排ガスの成分を効率よく均一化させることができる。
【００１３】
上記構成において、第１の筒部の少なくとも一部を構成する部品と、偏向部とは、単一の部品で形成されてもよい。このような構成によれば、偏向部を形成するための部品を別途設ける必要がなく、しかも、第１の筒部と接合するための工程が不要となるので、生産性を向上させることができる。加えて、偏向部の脱落を防止することができる。
【００１４】
一方、上記構成において、偏向部は、第１の筒部とは別部品として配設されてもよい。このような構成によれば、第１の筒部とは異なる性質の材料を用いることができる。したがって、第１の筒部及び偏向部について、それぞれの機能に適した耐熱性や強度などを持たせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態の排気浄化装置を含む排気系の外観図である。
【図２】第１実施形態の排気浄化装置の断面図である。
【図３】図３（Ａ）は第１実施形態の触媒ケースをその中心軸と直交する方向から見た側面図、図３（Ｂ）は第１実施形態の触媒ケースの斜視図、図３（Ｃ）は第１実施形態の触媒ケースをその中心軸に沿って排気流路の下流側となる方向から見た背面図である。
【図４】図４は第１実施形態の触媒ケースの展開図である。
【図５】図５（Ａ）は比較例の排気浄化装置における圧力の分布のシミュレーション結果を示す図、図５（Ｂ）は比較例の排気浄化装置における排ガスの流れのシミュレーション結果を示す図である。
【図６】図６（Ａ）は第１実施形態の排気浄化装置における圧力の分布のシミュレーション結果を示す図、図６（Ｂ）は第１実施形態の排気浄化装置における排ガスの流れのシミュレーション結果を示す図である。
【図７】第２実施形態の排気浄化装置の断面図である。
【図８】図８（Ａ）は第２実施形態の偏向部をその中心軸と直交する方向から見た側面図、図８（Ｂ）は第２実施形態の偏向部の斜視図である。
【図９】第１変形例の排気浄化装置の断面図である。
【図１０】図１０（Ａ）は第１変形例の偏向部を触媒ケースの中心軸に沿って排気流路の上流側となる方向から見た正面図、図１０（Ｂ）は第１変形例の偏向部を触媒ケースの中心軸と直交する方向から見た側面図、図１０（Ｃ）は第１変形例の偏向部の斜視図である。
【図１１】第２変形例の排気浄化装置の断面図である。
【図１２】図１２（Ａ）は第２変形例の偏向部をその中心軸に沿って排気流路の上流側となる方向から見た正面図、図１２（Ｂ）は第２変形例の偏向部をその中心軸と直交する方向から見た側面図、図１２（Ｃ）は第２変形例の偏向部の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照しながら説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１及び図２に示す排気浄化装置１は、自動車の内燃機関から排出された排ガスを浄化するための装置であり、内燃機関の各気筒から排出された排ガスを合流させるエキゾーストマニホールド５の下流側に設けられている。
【００１７】
排気浄化装置１は、上流側コーン１１と、触媒ケース１２と、下流側コーン１３と、触媒１４と、排気センサ１５と、を備える。上流側コーン１１、触媒ケース１２及び下流側コーン１３は、内燃機関から排出された排ガスを自動車の外部へ導くための排気流路の一部を形成する。
【００１８】
上流側コーン１１は、エキゾーストマニホールド５の下流側に設けられ、エキゾーストマニホールド５を介して流入する排ガスを触媒１４へ導く排気流路を形成する。上流側コーン１１により形成される排気流路は、その内径が下流側へ徐々に拡大された円錐台状の拡径流路である。
【００１９】
触媒ケース１２は、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）にも示すように、円筒部１２１と、偏向部３０と、を備える。円筒部１２１は、上流側コーン１１の下流側で排気流路を形成する。偏向部３０は、円筒部１２１の下流側で排気流路に突出する。なお、偏向部３０の具体的な形状については後述する。
【００２０】
下流側コーン１３は、触媒ケース１２と共通する中心軸１２２を有し、触媒ケース１２の下流側で排気流路を形成する。具体的には、下流側コーン１３は、大径円筒部１３１と、縮径部１３２と、小径円筒部１３３と、を備える。
【００２１】
大径円筒部１３１は、触媒ケース１２により形成される排気流路を下流側に延長する部分であり、触媒ケース１２とほぼ同じ内径（具体的には、触媒ケース１２の外径よりも少し大きい内径）の排気流路を形成し、偏向部３０を収容する。縮径部１３２は、その内径が下流側へ徐々に縮小された円錐台状の縮小流路を形成する。小径円筒部１３３は、縮径部１３２により縮径された一定の内径を保つ排気流路を形成する。したがって、小径円筒部１３３により形成される排気流路の径（小径円筒部１３３の内径）は、大径円筒部１３１により形成される排気流路の径（大径円筒部１３１の内径）よりも小さい。
【００２２】
触媒１４は、触媒ケース１２（具体的には円筒部１２１）に収容され、触媒ケース１２を流れる排ガスを浄化する。
排気センサ１５は、触媒１４の排ガス浄化効果を判断するためのセンサであり、触媒１４の下流側に設けられている。具体的には、排気センサ１５は、小径円筒部１３３により形成される排気流路にセンサ部が突出するように小径円筒部１３３に配設され、小径円筒部１３３により形成される排気流路を流れる排ガスの成分（本実施形態では酸素濃度）を検出する。
【００２３】
次に、偏向部３０の具体的な形状について説明する。
偏向部３０は、触媒ケース１２の一部として触媒１４の下流側に設けられ、排気センサ１５よりも上流側で排ガスを偏向分散させる機能を有する。偏向部３０は、複数（本実施形態では８枚）の羽根３１を備え（図３（Ｃ）参照）、排ガスを旋回するように案内する。なお、各羽根３１の形状は特に限定されない。
【００２４】
偏向部３０は、触媒ケース１２（具体的には円筒部１２１）の中心軸１２２に沿った方向から見て、羽根３１が円筒部１２１の円周方向に沿って等間隔に配置されている。また、偏向部３０には、中心軸１２２に沿った方向から見て、羽根３１の存在しない部分（開口部）が形成されている。具体的には、偏向部３０は、当該偏向部３０の開口部の合計面積（円筒部１２１により形成される排気流路の断面積から羽根３１の投影面積を差し引いた面積）が、小径円筒部１３３により形成される排気流路の断面積以上となるように設計されている。
【００２５】
触媒ケース１２は、図４に示すように、１枚の展開金属板１２ａ（例えばステンレス製の板）から形成される。展開金属板１２ａには、円筒部１２１を形成するための帯部１２１ａと、複数の羽根３１を形成する複数の突出片３１ａと、を備える。この帯部１２１ａを円筒状に丸めて円筒部１２１を形成する加工（筒形成加工）と、突出片３１ａを折り曲げて羽根３１を形成する加工（折曲加工）と、が展開金属板１２ａに対して施されることにより、触媒ケース１２が形成される。なお、筒形成加工及び折曲加工の順序はいずれが先であってもよい。
【００２６】
［１−２．作用］
次に、本実施形態の排気浄化装置１の作用について説明する。
図１及び図２に示すように、内燃機関の各気筒から排出された排ガスは、エキゾーストマニホールド５及び上流側コーン１１を介して触媒１４へ導かれ、触媒１４によって浄化される。浄化された排ガスは、触媒１４から下流側コーン１３の大径円筒部１３１へ流出し、偏向部３０により旋回するように案内されて分散される。その結果、成分の偏りが抑制された状態で小径円筒部１３３に流入し、排気センサ１５により検出される。
【００２７】
［１−３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）排気浄化装置１では、排気センサ１５が配設された小径円筒部１３３よりも径が大きい排気流路を形成する大径円筒部１３１に偏向部３０が設けられている。このため、小径円筒部１３３に偏向部３０が設けられた構成と比較して、排気流路の圧力損失の上昇が抑えられる。したがって、本実施形態によれば、排気流路の圧力損失の上昇を抑えつつ、排気センサ１５に当たる排ガスの成分を均一化させる効果を向上させることができる。
【００２８】
（１ｂ）排気浄化装置１では、大径円筒部１３１の中心軸１２２に沿った方向から見た偏向部３０の開口面積が、小径円筒部１３３により形成される排気流路の断面積以上である。したがって、本実施形態によれば、偏向部３０による圧力損失の上昇を抑えることができる。
【００２９】
（１ｃ）偏向部３０が複数の羽根３１を備えるため、触媒１４から流出した排ガスの流れの向きを複数の羽根３１で変えることにより、排ガスの成分を効率よく均一化させることができる。
【００３０】
（１ｄ）円筒部１２１及び偏向部３０が単一の部品である触媒ケース１２により形成されるため、偏向部３０を形成するための部品を別途設ける必要がない。しかも、円筒部１２１又は大径円筒部１３１と接合（例えば溶接又はろう付け）するための工程が不要となるので、生産性を向上させることができる。加えて、偏向部３０の脱落を防止することができる。
【００３１】
［１−４．シミュレーション結果］
次に、シミュレーション結果について説明する。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、偏向部３０を備えていない比較例の排気浄化装置のシミュレーション結果である。一方、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、第１実施形態の排気浄化装置１のシミュレーション結果である。なお、図５（Ａ）及び図６（Ａ）では、排気流路の圧力分布が濃度で表現されており、色が薄い部分は圧力が低いことを示している。
【００３２】
図６（Ａ）に示す第１実施形態の排気浄化装置１は、図５（Ａ）に示す比較例の排気浄化装置と比較しても、圧力分布に大きな変化はなく、圧力損失は僅かな上昇にとどまった。
【００３３】
また、図５（Ｂ）に示すように、比較例の排気浄化装置では、排ガスがほとんど分散されずに流れる。これに対し、図６（Ｂ）に示すように、第１実施形態の排気浄化装置１では、排ガスが偏向部３０により旋回するように案内されて分散される。
【００３４】
このように、第１実施形態の排気浄化装置１によれば、偏向部３０による排気流路の圧力損失の上昇を抑えつつ、排ガスの成分を均一化させることができる。
［２．第２実施形態］
図７に示す第２実施形態の排気浄化装置２は、第１実施形態の排気浄化装置１と比較すると、触媒ケース１２に代えて、触媒ケース２２及び偏向部４０が用いられている点が異なる。つまり、第２実施形態では、触媒ケース２２と偏向部４０とが別部品として構成されている。その他、基本的な構成は第１実施形態と同様であり、第１実施形態と共通する構成については、同一符号を用いて説明を省略する。
【００３５】
触媒ケース２２は、第１実施形態の円筒部１２１に対応する円筒状の部材であり、上流側コーン１１の下流側で排気流路を形成する。
偏向部４０は、触媒ケース２２の下流側端部に接合（例えば溶接又はろう付け）され、触媒ケース２２の下流側で排気流路に突出する。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、偏向部４０は、第１実施形態の偏向部３０と同一の形状である。また、偏向部４０は、触媒ケース２２とは異なる材料（本実施形態では、触媒ケース２２よりも板厚の厚い材料）で形成されている。
【００３６】
以上詳述した第２実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果（ただし（１ｄ）の効果を除く）に加え、以下の効果が得られる。
（２ａ）偏向部４０は、高温の排ガスが衝突する位置に設けられるため、触媒ケース２２よりも高い耐熱性が要求される。この点、第２実施形態では、偏向部４０が触媒ケース２２よりも板厚の厚い材料で形成されているため、触媒ケース２２の耐熱性を過剰に高めることなく、偏向部４０の耐熱性を向上させることができる。つまり、偏向部４０が触媒ケース２２とは別部品として配設されるため、異なる性質の材料を用いることができ、それぞれの機能に適した耐熱性や強度などを持たせることができる。なお、第２実施形態では、偏向部４０が触媒ケース２２よりも板厚の厚い材料で形成された構成を例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、偏向部４０を触媒ケース２２よりも耐熱性の高い材質の材料で形成してもよい。
【００３７】
また、上記第１及び第２実施形態では、円筒部１２１及び大径円筒部１３１が第１の筒部の一例に相当し、小径円筒部１３３が第２の筒部の一例に相当する。また、偏向部３０及び偏向部４０が偏向部の一例に相当する。また、偏向部３０の開口部の合計面積が、偏向部の開口面積の一例に相当する。
【００３８】
［３．他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を取り得ることは言うまでもない。
【００３９】
（３ａ）上記実施形態では、複数の羽根を備える偏向部が排ガスを分散させる構成を例示したが、これに限定されるものではない。
例えば、図９に示す第１変形例の排気浄化装置３は、第２実施形態の排気浄化装置２と比較すると、偏向部４０に代えて、偏向部５０が用いられている点が異なる。図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示すように、偏向部５０は、平板状の突出部５１で排気流路の一部（具体的には中心軸１２２に沿った方向から見て排気センサ１５とは反対側の部分）を覆うように構成されている。このような構成によれば、排ガスが突出部５１に当たることで排ガスの成分が排気センサ１５の方向へ偏向される。その結果、成分の偏りが抑制された状態で小径円筒部１３３に流入するため、上記実施形態と同様の効果が得られる。
【００４０】
また例えば、図１１に示す第２変形例の排気浄化装置４は、第２実施形態の排気浄化装置２と比較すると、偏向部４０に代えて、偏向部６０が用いられている点が異なる。図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）に示すように、偏向部６０は、貫通孔６１が形成された円形の平板部で排気流路を覆うように構成されている。貫通孔６１は、中心軸１２２に沿った方向から見て排気センサ１５側に形成されている。このような構成によっても、上記実施形態と同様の効果が得られる。なお、第２変形例では、偏向部６０が、貫通孔が形成された平板の形状を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、偏向部６０は、スピニング加工による、貫通孔が形成された円錐台の形状であってもよい。
【００４１】
なお、偏向部５０及び偏向部６０は、第１実施形態と同様、触媒ケースの一部として構成されてもよい。また、第１変形例及び第２変形例では、偏向部５０及び偏向部６０が、偏向部の一例に相当する。
【００４２】
（３ｂ）上記実施形態では、排気浄化装置１，２が、触媒ケース１２，２２及び下流側コーン１３を備える、つまり触媒ケース１２，２２及び下流側コーン１３が別部品である構成を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、触媒ケース１２，２２と下流側コーン１３とが単一の部品として構成されてもよい。また例えば、触媒ケース１２，２２と、下流側コーン１３の大径円筒部１３１及び縮径部１３２に当たる部分とが単一の部品であって、小径円筒部１３３に当たる部分がパイプ等の別部品で構成されてもよい。
【００４３】
（３ｃ）上記実施形態では、下流側コーン１３が、触媒ケース１２，２２と共通する中心軸１２２を有する構成を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、下流側コーン１３の中心軸が、触媒ケース１２の中心軸からずれていてもよく、また、平行でなくてもよい。
【００４４】
（３ｄ）上記実施形態では、排気センサ１５として酸素センサを例示したが、これに限定されるものではない。例えば、ＮＯｘセンサ、空燃比センサ又は温度センサが用いられた排気浄化装置に対しても本発明は適用可能である。
【００４５】
（３ｅ）上記実施形態では、排気センサ１５が、小径円筒部１３３に配設される構成を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、縮径部１３２に配設されてもよい。
【００４６】
（３ｆ）上記実施形態では、第１の筒部（円筒部１２１及び大径円筒部１３１）における触媒１４よりも下流側に偏向部３０，４０が配設される構成を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、第１の筒部における触媒１４よりも上流側に配設されてもよく、また、上流側及び下流側の両方に配設されてもよい。
【００４７】
（３ｇ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を、課題を解決できる限りにおいて省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。
【符号の説明】
【００４８】
１，２，３，４…排気浄化装置、５…エキゾーストマニホールド、１１…上流側コーン、１２，２２…触媒ケース、１２ａ…展開金属板、１３…下流側コーン、１４…触媒、１５…排気センサ、３０，４０，５０，６０…偏向部、３１…羽根、３１ａ…突出片、５１…突出部、６１…貫通孔、１２１…円筒部、１２１ａ…帯部、１２２…中心軸、１３１…大径円筒部、１３２…縮径部、１３３…小径円筒部。
【図１】
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【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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