(57)【要約】【課題】冷始動時の排気ガス浄化のために、エンジンの近傍に配設可能な小型で効率のよい触媒体が望まれてきた。【解決手段】自動車の排気ガスを浄化するために複数の触媒装置からなる自動車排気浄化装置にあって、エンジン排気マニホルド内で排気ガスの全てもしくは一部が接触するように構成された第１の触媒装置と、マニホルドに直結した排気系にあって、エンジンの一定稼動状態下でのみ排気ガスが接触するように構成された第２の触媒装置を配設した自動車排気浄化用触媒装置。【選択図】  図１
2004197569.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車の排気系に配設する自動車排気浄化用触媒装置であって、エンジンと直結するエンジン排気マニホルド内に筒状に配置した第１の触媒部と、前記エンジン排気マニホルドに直結した排気管内に筒状に配置した第２の触媒部を配設した自動車排気浄化用触媒装置。
【請求項２】
第１および第２の触媒部のうち少なくとも１つは、筒状の触媒体と、孔部を有する筒状の内筒部および外筒部とを有し、内側から順に前記内筒部、前記触媒体、前記外筒部を構成する請求項１記載の自動車排気浄化用触媒装置。
【請求項３】
第２の触媒部は、筒状の触媒体と、孔部を有する筒状の内筒部および外筒部を有し、内側から順に前記内筒部、前記触媒体、前記外筒部を構成すると共に、前記内筒部の終端に、流出するガスの開閉ができる開閉可動弁を設けた請求項１記載の自動車排気浄化用触媒装置。
【請求項４】
開閉可動弁の開閉により、排気ガスの流れを触媒体の沿面方向または対面方向に可変できるようにし、前記可動弁を閉じると内筒部から外筒部に前記排気ガスが流れ、前記排気ガスが前記触媒体と対面方向に接触するようにした請求項３記載の自動車排気浄化用触媒装置。
【請求項５】
開閉可動弁はエンジンの一定稼動時に可動弁を閉じ、排気ガスが触媒体と対面方向に接触するようにした請求項４記載の自動車排気浄化用触媒装置。
【請求項６】
開閉可動弁は、エンジンの冷始動時の一定期間可動弁を閉じ、排気ガスが触媒体と対面方向に接触するようにした請求項５記載の自動車排気浄化用触媒装置。
【請求項７】
開閉可動弁は、排気ガスの温度もしくは圧力を感知して自動もしくは手動で可動弁を開閉するようにした請求項３または４に記載の自動車排気浄化用触媒装置。
【請求項８】
第１の触媒部と第２の触媒部の触媒部のうち少なくとも１つは、シリカクロスを支持体とし、その表面に触媒物質を担持して成るクロス触媒を開口部を有する巻き筒芯に少なくとも１回以上巻回して成る筒状触媒体で構成したことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の自動車排気浄化用触媒装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車等の内燃機関から排出される燃焼排気ガスの浄化技術に係わり、特に、エンジンの冷始動時の排気ガスを効率よく浄化するための排気ガス浄化用触媒装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等の内燃機関から排出される燃焼排気ガスの浄化には従来から排気系に触媒装置を用いた浄化方法がとられてきた。この触媒装置は化学反応により被浄化物質を接触浄化するため、触媒の良さは反応活性を開始する活性化温度と排気ガスとの接触確率で決まる。一方、触媒を車載するには、エンジン冷始動時を含む全運転状態下の全排気ガスを浄化する必要があり、これには冷始動時の低温度から、高負荷運転時の触媒材破壊に至るほどの高温度まで広範な温度領域で安定した反応と自動車寿命に追従した長時間寿命が求められる。
【０００３】
しかしながら、このような過酷で広範な温度下で長時間使用という条件に完全に適する触媒材は実用化されていないため、従来から、技術的には触媒が安全に機能することを最優先して、排気温度的にマイルドで十分な触媒容量を占めることができる後方床下の排気系域に触媒を配設することで対応してきた。このため、排気系後方域にあっても、排気ガス温度が触媒の活性化温度より十分高く維持できる、定常運転時は当然のこととして、過負荷運転時の異常に高い排気ガスも触媒装置より前方の排気系で放熱され、触媒を高温で破壊することなく安全に浄化処理できるようになった。しかし、エンジンの冷始動時には排気ガスは冷え切った排気系と触媒自体がほとんど大気温度まで下がるために、この運転期間中に排出される排気ガスの浄化は不十分となり、全運転期間を通しては満足な浄化を達成しえない。これに対するこれまでの取り組みは、触媒体の熱容量を小さくすることで、エンジン始動時（触媒の活性開始温度に至らない）から定常運転（触媒が十分に活性する温度）に移行する間に排出される排気ガスの温度上昇速度に触媒全体が可能な限り速く追従することで、エンジン始動から反応開始までに排出される未反応ガスを最少にすることが提案されている。
【０００４】
また、排気系後方に配設した触媒装置を主触媒装置とし、これとは別に排気ガスがより高温にある排気系の前方に副触媒装置を配設することで、冷始動時の浄化改善を行う提案もなされている。（例えば特許文献１）
【０００５】
【特許文献１】
特開平１−２４９９１５号公報（全頁）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記いずれの提案も冷始動時に即反応を開始するに十分な温度を確保できるエンジン近傍域にあって、大量の排気ガスを処理するために必要な触媒容量を配設するに十分な空間を確保するには困難があった。このように冷始動時の排気ガス浄化には、エンジンの近傍に配設可能な小型で効率のよい触媒体が望まれてきた。さらにこの触媒体と触媒装置がエンジンの高負荷運転時の異常な高温にも耐えられるか、さもなくばシステム的に高温ガスを避けられる適切な構造の触媒装置が配設できるかが課題であった。
【０００７】
本発明者等はこのエンジン近傍に配設できる触媒体と触媒装置として最も効率的なクロス触媒を装置に組み込む上でのいくつかの課題について鋭意研究の結果、クロス触媒体の形状と排気ガスとの接触方法ならびに冷始動時のみ触媒と接触可能とした触媒装置構成を見出した。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、自動車の排気ガスを浄化するために複数の触媒装置を配設した自動車排気浄化装置にあって、シリカクロスを支持体とし、その表面に触媒物質を担持して成るクロス触媒体で構成された触媒装置を前段に配設した自動車排気浄化触媒装置に係わり、エキゾーストマニホルド内に配設したクロス触媒体とマニホルド直下の排気系に配設した冷始動時のみ触媒接触可能な構造でなる触媒装置を組み合わせて成る自動車排気浄化触媒装置を提案する。
【０００９】
本発明は、まずエキゾーストマニホルド内排気管に筒状に形成したクロス触媒体が密着配設され、排気ガスは排気管と同軸上の触媒体に沿面方向で接触する。次に、その後方のマニホルド直下の排気系に、やはり筒状に形成された触媒体で、その内芯筒の終端に開閉可能な弁を具備した構造の触媒装置が配設され、弁のない先端より流入した排気ガスは、弁が閉じているときには、内芯筒から外筒方向に流れを変えることで、触媒体と対面方向に接触する。一方、弁が開いている時は沿面方向に接触する構成でなる。
【００１０】
本発明の作用は、エンジンから排出された排気ガスがまずマニホルド内に配設された筒状触媒体と沿面接触して、排気ガスの一部のみが反応し、浄化低減すると同時に反応熱を排気ガス流に戻し加温することで、マニホルド通過の際の放熱による排気温度の低下を抑える。この結果、続くマニホルド直下の排気系に配設された筒状触媒体に流入する排気ガスはガス温度を高く維持したまま触媒体の内芯筒に流入する。このとき、エンジンが冷始動状態であれば、内芯筒に具備した弁を閉じた状態にすることで、流入した排気ガスは流れ方向を軸方向から径方向に変え、触媒体と対面接触するため、流入した全量の排気ガスが接触反応して浄化する。このときの反応熱は流出する排気ガス全体を加温して、後段に配設した主触媒の反応継続を維持する。一方、エンジンが定常運転に入ると、排気ガス温度、または始動時からの時間等を検出機構で検出し、弁を開放状態にすることで、流入した排気ガスは内芯筒内を軸方向に流れ、触媒体とは沿面で接触し、一部のガスのみが反応して後方排気系に流出する。このときに発生する反応熱は充分に少なく、後段に配設した主触媒が異常に高温加熱するのを防ぐことにもなる。
【００１１】
本発明は、前述したように構成されているので、マニホルド内に配設した触媒体では一部のガスとの反応でしかなく、その反応熱はエンジンからの冷始動時排気ガスをわずか加温することで、ガスの放熱低下を防ぎ、次段触媒の反応開始と維持に寄与するとともに、定常運転時の排気ガスの接触も沿面のわずかな量ですぎず、過負荷運転時などの異常に高い排気ガス温度からも触媒を防ぎ、結果として触媒寿命を永くする。またマニホルド直下の弁付触媒装置では前段のマニホルド内配設触媒で加温保持された全排気ガスが、弁の作用で触媒体と対面接触により接触確率を高めて冷始動時の反応開始を早めるとともに、さらに後方に配設された主触媒の反応開始も早めることになり、排気系全体として、エンジンの冷始動時から運転期間中に排出される被反応成分の総排出量を大幅に低減できることになる。同時に定常運転後に弁を開放状態に作動することで、排気ガスの大半が触媒体を沿面で通過するため、触媒体と接触しないので高温ガスにさらされることが少なく、触媒体の熱的破損や熱的寿命短縮を防ぐことにもなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下図面に基づいて本実施の形態を詳細に説明する。
【００１３】
図１〜図５は、本実施の形態の実施例を示すものである。図１は本実施の形態の浄化装置を含む、自動車の排気系全体の構成を示す。図２は４管集結マニホルドの概略図、図３は図２のマニホルドを構成する４本の触媒体配設管の１本あたりの内部構成と触媒体の構成図、図４はマニホルド直下に接続された触媒装置の構成図、そして図５は図４の装置の組立て部品概要図を示す。なお、本実施の形態において図３で示す触媒体の構成図が第１の触媒部に相当し、図４で示す触媒装置が第２の触媒部に相当する。
【００１４】
次に図に基づいて本実施の形態の実施例の詳細を説明する。図１はエンジン１からテールパイプ７に至る排気系全体を示し、特に本実施の形態に関わる構成はエンジンの気筒別排気口につながる触媒を配設したマニホルド配管２とこれに接続するマニホルド直下型触媒装置３である。
【００１５】
図２は図１で示した４気筒型のマニホルド配管２の概要図であり、エンジン１の４箇所の排気口とそれぞれ個別に４本の排気管２ａ〜２ｄが接続されており、これら４本の排気管は１本の集結管２ｅに集結される。本実施の形態では、図２における個別の排気管２ａ〜２ｄの内部に管状の触媒体を配設し、かつ集結管２ｅにあたるものが図１のマニホルド直下型触媒装置３を構成している。
【００１６】
図３はマニホルド内の個別の排気管２ａ〜２ｄの内部構成を示す。ここで個別の排気管２１は個別の排気管２ａ〜２ｄの内の１つであり、排気管２１の内部に、パンチングメタルまたはラスメタル等でなる有孔の内筒部２２の上に触媒金属を担持したクロス触媒を少なくとも１回以上巻き回した触媒体２３を配設した。必要に応じて触媒体２３の外側にもラスメタル等の外筒部２４を構成し巻き締めする。
【００１７】
図４は、図１で示したマニホルド直下型触媒装置３の構成図である。この装置の構成部品図を図５に示しており、ここでは図４と図５の２つの図でマニホルド直下型触媒装置３の説明をする。十字状仕切り３１は前方のマニホルド配管の終端部を個別に接続し一つにするものである。図は４気筒エンジンを想定しているので、十字型仕切りにして４箇所の開口を設けてある。この仕切りは当然のこととして、装置外筒３２の前端開口部の全面に渉る形で取り付けられる。前段のマニホルド個別配管より流入するガスがスムースに流れ込むに必要な距離をおいて、触媒槽流入口となる触媒槽入り口有孔板３３を配し、この開口邪魔板３３に筒状の触媒体３４が取り付けられる。
【００１８】
この筒状の触媒体３４は図５の構成部品図で示すように、有孔の内筒部３４１から開閉可動弁３４５までの５つの構成要素でなり、後述するとおり、エンジンの冷始動時浄化に係わる。筒状の触媒体３４の具体的な構成は、有孔の内筒部３４１にクロス触媒を少なくとも１回以上巻き回して触媒体３４２を形成し、その外側に有孔の外筒部３４３を配して、クロス触媒の巻き締めと共に、ガスの流出孔を形成する。
【００１９】
なお、本実施の形態においては、第１の触媒部および第２の触媒部において、クロス触媒の実施例として、シリカクロスを支持体とし、その表面に触媒物質を担持して成るものを用いている。
【００２０】
一方、有孔の内筒部３４１の終端部は筒状の触媒体３４の終端全面をカバーする邪魔板３４４を配するが、この邪魔板３４４はその中心に有孔内芯筒３４１の終端面と等しい開口部を有し、かつこの開口部を開閉する開閉可動弁３４５が取り付けられている。この開閉可動弁３４５は接触するガスの温度または圧力で自動的に可動する機能を有している。具体的には、可動弁の材料にばね材や記憶合金またバイメタルとばね材の組み合わせ構成などである。またエンジンの運転状態との連携して機械的に開閉する構成も可能である。
次に本実施の形態の作用について詳述する。
【００２１】
まず、自動車の排気系全体の構成を示す図１を用いて、本実施の形態の浄化装置を含む自動車全体の排気系の作用について説明する。
【００２２】
図１において、エンジン１の気筒別排気口から排出したガスは気筒別に配設されたマニホルド配管２から、その直下に設けたマニホルド直下触媒装置３に流入して、通常の排気管５を通り、従来型の主触媒装置４に入り、その後、排気管５でつながる消音器６を経て、テールパイプ７から大気に放出する。
【００２３】
次に、本実施の形態における第１の触媒部の構造を示す図３用いてその作用について説明する。この第１の触媒部は前述したように図１におけるマニホルド配管２の４つの排気管のうちの一つに相当する。
【００２４】
図３で、図２で示すエンジン１の排気口から個別の排気管２１に流入したガスは、その大半が有孔内芯筒２２を通って後方に流出する。このとき、有孔内芯筒２２が有孔材で形成されているので、ガスはこの有孔部分を通じて触媒体２３と沿面接触し、また触媒体外周に有孔の外筒２４が配設されているときには排気管２１と外筒２４の間に空間を形成しているので、極く一部のガスは、有孔の内筒部２２の有孔部分からクロス触媒でなる触媒体２３の織布構成空間と外筒部２４の有孔部分を経て排気管２１との間隙空間を通って後方へ流出する。このときガスはクロス触媒と対面接触をすることになる。この対面接触をより多くするには、有孔の外筒部２４にラスメタルなど薄くかつ開口を大きくとれる材料を選ぶことができる。なお、外筒部２４を設け、内側から内筒部２２、触媒体２３、外筒部２４の順になる構成としたのは、内筒部２２と触媒体２３の間、外筒部２４と触媒体２３の間に排気ガスをため、触媒体２３の内面、外面にできるだけ排気ガス接触するようにするためである。
【００２５】
また図３では排気管２１は直管で図示したが、実際のマニホルド配管は複雑な屈曲管でなっており、実際のガスは屈曲部では触媒体と対面で接触もでき、この構造面からも、この位置に配設する触媒体２３としてクロス触媒は最適である。さらに、本実施の形態における第２の触媒部の構造を示す図４および図５を用いてその作用について説明する。この第２の触媒部は前述したように図１におけるマニホルド直下型触媒装置３に相当するものであり、エンジン１から排出されたガスはマニホルド配管２を経て、この直下型触媒装置３に流入する。
【００２６】
図４において、この直下型触媒装置３の仕切り３１により仕切られた流入口から個別に流入し、触媒槽入り口有孔板３３までの空間で流れを整えて、筒状の触媒体３４に流入する。
【００２７】
この筒状の触媒体３４の作用について、図５を用いて詳細に説明する。図５において、筒状の触媒体３４の軸中心にある有孔の内筒部３４１に流入する。このとき、開閉可動弁３４５が開放状態にあれば、ガスはそのまま有孔の内筒部３４１の軸方向に流れ、開放された開閉可動弁３４５を経て、装置終端板３５を通過して後方排気管３６に排出される。このときガスは排気抵抗が低い軸方向に流れ、終端開口より排出されるため、触媒とはわずかに有孔内芯筒３４１の開口部でのみ沿面で接触する。
【００２８】
一方、開閉可動弁３４５が閉塞状態にあれば、ガスは内筒部３４１から径方向に流れを変え、触媒体３４２を通過して有孔の外筒部３４３から触媒体３４２外に出たあと装置終端板３５の開口から後方排気管３６に排出される。このときガスは筒状触媒層を径方向に流れるため、触媒と対面接触することになる。このマニホルド直下型触媒装置３にあっては、開閉可動弁３４５を操作することで、触媒との接触方向を変え、弁開放時には基本的にガスが触媒層をバイパスすることになり接触反応はせず、また弁閉塞時には触媒層を貫流して全面的に接触反応をする。このように、弁開閉の如何で触媒反応を停止したり、開始したりできる。このような触媒反応可否そのもの以上に、特に高温大量なガスの接触そのこと自体を可否できるため、触媒の耐熱劣化や寿命低下を防ぐことにもなる。
【００２９】
なお、開閉可動弁は、排気ガスの温度もしくは圧力を感知して自動もしくは手動で可動弁を開閉するようにすることでいっそう効率的に浄化し、触媒の耐熱劣化や寿命低下の防止効果が得られる。
【００３０】
次に、本実施の形態による実施例による効果を比較例との比較において詳述する。ここで用いた比較例は、図１に示す排気系において、マニホルドには管内に触媒を配設していない従来のものを用い、また直下型触媒装置は装着せずマニホルドに直接排気管を接続し、排気系の前寄り中ほどの位置に従来型のハニカム触媒装置を装着したものを用いた。
【００３１】
排気試験は４気筒の１６００ｃｃエンジンを用い、エンジンダイナモを負荷とした、冷始動から定負荷運転までの排気ガスを排気系終端パイプより採取してガス成分分析をした。ここで、実施例と比較例の主触媒装置には共に同一の市販自動車に装着された白金系ハニカム触媒装置をそのまま取り付けた。またここでいう冷始動状態には、エンジン運転停止後３時間以上たった状態とし、すくなくともエンジン冷却水温度が室温に下がっていることを確認した。
【００３２】
ガス成分分析は主としてＣＯを測定し、比較例の排気系の排出濃度１．０に対する割合でもって表記した。具体的には、同じ運転モードでエンジン始動０秒から１０秒、２０秒、１分後の比較例排気系のＣＯ濃度を１としたときの実施例排気系の濃度の割合で示した。本実施の形態の効果として、上記試験測定結果について、上記測定方法に基づき表１にまとめた。
【００３３】
【表１】
2004197569.tif 000003
表１の結果が示すとおり、本実施の形態の構成によらない比較例排気系においては、エンジン運転開始後２０秒後までの間にＣＯ成分の排出があるが、本実施の形態の構成による実施例排気系においては、運転開始後１０秒後に比較例排気系の排出の２割程度のＣＯ排出でしかない。また運転開始から６０秒間の実施例排気系の排出ＣＯは比較例排気系に比べて８７．５％の低減となった。
【００３４】
また表１で示すように、運転開始６０秒後には比較例排気系においてもＣＯ排出濃度は０である。これは比較例排気系ならびに実施例排気系において装着された主触媒装置が適切に反応している結果で、逆にいえば、運転開始後６０秒以内では、主触媒装置が適切に反応しないため、この間にはＣＯガスが反応浄化せずに排気系から大気に排出されることになる。
【００３５】
この主たる要因は、主触媒装置に流入する排気ガスの温度が、反応を開始するに必要な温度以下であることによる。ちなみにこの測定装置での冷始動時の主触媒装置直前の排気ガス温度は、３０〜１５０℃のレベルで、特に冷始動時には排気系のガス放熱冷却と測定前の排気系内残留露結水分の飛来付着で主装置の触媒の開始温度は概略２００℃のレベルにあるため、触媒が反応を開始できないものと考えられる。この排気ガス温度の早期の立ち上げを来たすために、マニホルドの熱容量低減や冷始動時のエンジン回転数の上昇でガス熱容量を増加するなどの改善がエンジン系を含めたシステムでとられてはいるものの効果は不十分で、現実的には、触媒装置の装着位置をマニホルド近辺にまで接近して、ガスの冷却を防ぐ方策しかない。
【００３６】
一方、マニホルド近辺に触媒装置を装着するには、エンジンの高負荷時の極高温大量ガスの接触に耐えると共に、エンジン室内の狭小な空間に納まる小型高能率な触媒が必要で、この点からも現実的に実用されるハニカムなどの触媒材では不適切であった。
【００３７】
本発明の実施の形態の構成は、この相反する条件に適応すべく、形状的に自由度が極めて高く、かつ触媒層の配置如何（沿面接触また対面接触方向の選択）により、少量で効果的な浄化が可能なクロス状触媒の採用と、触媒装置に触媒層をバイパスするガス流路変更機能を有することで、冷始動時と定常また高負荷運転時の接触方向をかえることを可能とし、浄化と耐久の両面で効果をみた。本実施の形態による排気系は従来なしえなかった冷始動から全運転期間にわたる排気浄化が可能となり、エンジンシステムのみでゼロエミッション化を実現する、自動車排気環境対策に極めて効果の大きいシステムである。
【００３８】
本実施の形態の構成では、エンジン直下の触媒の反応開始促進のために、マニホルド内にも筒状の触媒体を配設した構成としているが、エンジンシステムの条件によっては、このマニホルド内触媒の配設をしなくても、本実施の形態の効果を特に損なうものではない。
【００３９】
またマニホルド直下触媒装置で触媒層をバイパスする流路形成を触媒槽流入管の終端に開閉可動弁を設ける構成としたが、流入管先端にこの稼動弁を設けて弁閉塞時に排気ガスが筒状触媒体の外周面より内芯筒に流出し、この内筒を経て装置外の排気管に排出されるように、流れを変えることも、さらには、直下触媒装置の入り口直前に弁を介して装置への導入と装置外の後方排気管につながるバイパス路へ導入する構成をとっても、本実施の形態の効果を妨げるものでない。
【００４０】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明の効果は、前段に設けた触媒の反応熱を利用することで、次段触媒の反応開始と維持に寄与できる。また排気系全体として、エンジンの冷始動時から運転期間中に排出される被反応成分の総排出量を大幅に低減でき、過負荷運転時などの異常に高い排気ガス温度からも触媒を防ぎ触媒寿命を永くできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の構成による自動車排気系概略を示す図
【図２】エンジンマニホルド概要図
【図３】マニホルド内筒状触媒体の構成を示す図
【図４】直下触媒装置の構成を示す図
【図５】直下触媒装置構成部材概要図
【符号の説明】
１    エンジン
２    マニホルド配管
３    マニホルド直下触媒装置
２２、３４１  内筒部
２３、３４２  触媒体
２４、３４３  外筒部
３４  触媒部
３４５  開閉可動弁
【図１】
2004197569.tif 000004
【図２】
2004197569.tif 000005
【図３】
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【図４】
2004197569.tif 000007
【図５】
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