(57)【要約】【課題】排気ガス流入管の軸を排気ガス浄化体の軸に対して傾斜させた斜流式の排気ガス浄化装置において、排気ガスを排気ガス浄化体に、均一に、かつ、流速分布を一様にして流し、優れた浄化効率を発揮させる。【解決手段】排気ガス浄化体８の上流側端面８ａに対し実角度θ４を４５°以下に傾斜させ、更にこの傾斜させた側へ所定量ＯＦオフセットさせた軸を排気ガス流入管２の軸Ｘ１１とする。コーン３における少なくとも前記排気ガス流入管２を傾斜させた側と反対側に、外方へ湾曲して膨出する湾曲膨出部１０を形成する。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス流入管と、排気ガス浄化体と、これらを接続するコーンとを備え、排気ガス流入管の軸が、排気ガス浄化体の上流側端面に対し傾斜して配置された斜流式の排気ガス浄化装置において、
排気ガス浄化体の上流側端面に対し実角度４５°以下に傾斜させ、更にこの傾斜させた側へ所定量オフセットさせた軸を排気ガス流入管の軸とするとともに、前記コーンにおける少なくとも前記排気ガス流入管を傾斜させた側と反対側に、外方へ湾曲して膨出する湾曲膨出部を形成したことを特徴とする内燃機関における排気ガス浄化装置。
【請求項２】
前記湾曲膨出部の曲率Ｒを、排気ガス浄化体の直径Ｄに対し、０．８Ｄ≦Ｒ≦１．２Ｄに設定した請求項１記載の内燃機関における排気ガス浄化装置。
【請求項３】
前記コーンの少なくとも前記排気ガス流入管を傾斜させた側を、略ストレートに形成した請求項１又は２記載の内燃機関における排気ガス浄化装置。
【請求項４】
前記排気ガス浄化体をケース内に収納し、該ケースと前記コーンとを一体に形成した請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関における排気ガス浄化装置。
【請求項５】
前記ケースとコーンとをスピニング加工により一体に形成した請求項４記載の内燃機関における排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関における排気ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車などの内燃機関から排出される排気ガスを浄化するために、触媒を用いた排気ガス浄化装置を内燃機関の排気系に配置するものが知られている。
【０００３】
このような触媒を用いた排気ガス浄化装置においては、その排気ガスの浄化効率を高めるためには、排気ガスの温度や触媒の材質のみによらず、触媒が担持された触媒担体の上流側端面全域にわたり、排気ガスを均一に当て、排気ガスを、触媒担体全体にムラなく均一に流すことや、排気ガスの流速分布を一様にすることが必要である。
【０００４】
そのため、従来、触媒担体への排気ガス流入管の軸を、触媒担体の上流側端面に対して傾斜して配置した、斜流式の排気ガス浄化装置（触媒コンバータ）が提案されている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００５】
そして、この斜流式の触媒コンバータを応用した技術として、図８に示すように、排気ガス流入管１０１の軸Ｘ１を触媒担体１０２の軸Ｘ２に対し、すなわち触媒担体１０２の上流側端面１０６に対して傾斜させるとともに、排気ガス流入管１０１における触媒担体１０２への流入部に、第１の面１０３と第２の面１０４とによって排気ガスの流れの中に突出する変向壁１０５を設けた構造のものが知られている（例えば特許文献３参照）。
【０００６】
また、図９に示すように、触媒担体２０１の上流側に、球状端部２０２を設け、該球状端部２０２の上流端に排気ガス流入管２０３を設け、該排気ガス流入管２０３の管軸Ｘ３を触媒担体２０１の軸Ｘ４に対して、すなわち触媒担体２０１の上流側端面２０４に対して傾斜させるとともに図９において管軸Ｘ３を触媒担体２０１の上流側端面２０４より上方部へ指向させたものも知られている（例えば特許文献４参照）。
【０００７】
また、図１０に示すように、触媒担体３０１の上流側に、半球状の湾曲集合パネル３０２を設け、該湾曲集合パネル３０２に複数本の排気ガス流入管３０３を接続したものも知られている（例えば特許文献５参照）。
【０００８】
また、図１１に示すように、触媒担体４０１の上流側に、外側へ膨らんだ円弧状のコーン４０２を設け、図１１において、触媒担体４０１の上流端面４０３と触媒担体４０１の軸Ｘ５との交点Ｏを通り、触媒担体４０１の軸Ｘ５に対する傾斜角θ１を約３０°、すなわち、触媒担体４０１の上流側端面４０３に対する実角度θ２を約６０°にした軸Ｘ６を先ず設定し、次に、この軸Ｘ６を、その傾斜させた側へ所定量ＯＦ並行にオフセットさせた軸Ｘ７を、排気ガス流入管４０４の管軸としたものも知られている（例えば特許文献６参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開昭４９−９４７０号公報（第３頁第１６行目〜第１８行目、Ｆｉｇ１）
【特許文献２】
実開平４−２６６４７号公報（第１頁第７行目〜第９行目、第１図）
【特許文献３】
特表２００１−５２６３４９号公報（第９頁［００３４］、Ｆｉｇ２）
【特許文献４】
特開昭６４−６０７１１号公報（第４頁左欄、Ｆｉｇ１）
【特許文献５】
特許第３０２８８８２号公報（第３頁［００１５］、図１、図２）
【特許文献６】
ＷＯ０１／９６７１６Ａ２公開公報（Ｆｉｇ１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前記図８に示す特許文献３の従来の技術においては、排気ガス流入管１０１に、排気ガスの流れの中に突出する変向壁１０５を設けているため、この変向壁１０５により管の排気ガス流入断面積が減少してしまい、圧力損失が大きくなる問題がある。
【００１１】
また、前記図９に示す特許文献４の従来の技術においては、排気ガス流入管２０３の管軸Ｘ３が、触媒担体２０１の端面上方部へ指向しているとともに、くびれ部２０６を有することにより、触媒担体２０１の上流側端面２０４における下方部２０５に排気ガスが当たりにくく、触媒担体２０１に対する排気ガス当たりの均一性に問題がある。
【００１２】
また、前記図１０に示す特許文献５の従来の技術においては、湾曲集合パネル３０２に複数本の排気ガス流入管３０３が接続されているため、排気ガスが湾曲集合パネル３０２内に複数方向から流入され、湾曲集合パネル３０２内で複雑に混ざり合ってしまい、排気ガスの流速分布の一様化や、触媒担体３０１に対する排気ガス当たりの均一性に疑問がある。
【００１３】
また、前記図１１に示す特許文献６の従来の技術においては、触媒担体４０１の上流側端面４０３に対する排気ガス流入管４０４の管軸Ｘ７の実角度θ２が約６０°と比較的大きいことから、図１２に示すように、流入した排気ガスＡは、上流側端面４０３から触媒担体４０１へ直接流入するガス量Ｂが多く、反射してコーン４０２側へ向かうガス量Ｃが少ない状態に分流され、コーン４０２内での逆流領域４０５が十分に稼げず、更に、排気ガスの反射角θ２も大きいことから、逆流渦も十分に形成されない。更に、図１１に示す、くびれ部４０６があると、このくびれ側における触媒担体４０１の端面４０７に排気ガスが当たりにくくなり、排気ガスの流速分布の一様化や、触媒担体４０１の流入側端面に対する排気ガス当たりの均一性に問題がある。
【００１４】
そこで本発明は、前記の各問題を解消して、排気ガス浄化体の上流側端面全域にわたり、排気ガスが均一に当たり、ムラなく均一に排気ガスを排気ガス浄化体内に流し、また、排気ガスの流速分布を一様にして、優れた浄化効率を有する排気ガス浄化装置を提供することを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、排気ガス流入管と、排気ガス浄化体と、これらを接続するコーンとを備え、排気ガス流入管の軸が、排気ガス浄化体の上流側端面に対し傾斜して配置された斜流式の排気ガス浄化装置において、
排気ガス浄化体の上流側端面に対し実角度４５°以下に傾斜させ、更にこの傾斜させた側へ所定量オフセットさせた軸を排気ガス流入管の軸とするとともに、前記コーンにおける少なくとも前記排気ガス流入管を傾斜させた側と反対側に、外方へ湾曲して膨出する湾曲膨出部を形成したことを特徴とするものである。
【００１６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記湾曲膨出部の曲率Ｒを、排気ガス浄化体の直径Ｄに対し、０．８Ｄ≦Ｒ≦１．２Ｄに設定したものである。
【００１７】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記コーンの少なくとも前記排気ガス流入管を傾斜させた側を、略ストレートに形成したものである。
【００１８】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記排気ガス浄化体をケース内に収納し、該ケースと前記コーンとを一体に形成したものである。
【００１９】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、前記ケースとコーンとをスピニング加工により一体に形成したものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態を図１乃至図７に示す実施例に基づいて説明する。
【００２１】
図１乃至図４は第１実施例を示す。
図１は本発明の排気ガス浄化装置の正面図、図２は図１の右側面図、図３は図２におけるＫ−Ｋ線拡大断面図である。
【００２２】
これらの図において、排気ガス浄化装置１は、図示しないエンジン側の上流側排気管に、金属製のフランジ２ａにより接続される金属製の排気ガス流入管２と、該排気ガス流入管２の下流側に接続された金属製の上流側コーン３と、該上流側コーン３の下流側に接続された金属製のケース４と、該ケース４の下流側に接続された金属製の下流側コーン５と、該下流側コーン５の下流側に接続された金属製の排気ガス流出管６と、該排気ガス流出管６の下流端に、図示しない下流側排気管と接続する金属製のフランジ７を設けて構成されている。
【００２３】
前記ケース４は円筒状に形成され、該ケース４内に排気ガス浄化体８が収納されている。該排気ガス浄化体８としては、例えばセラミック製のモノリス触媒担体や、ディーゼルエンジンから排出されるＰＭ（パティキュレート・マター）をトラップ除去するＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）等を使用する。これらの排気ガス浄化体８は一般的に衝撃に弱いことから、これらの外周に、図３に示すように保持部材９を巻装してケース４内に収納している。なお、メタル触媒を使用する場合には、前記の保持部材９は不要である。
【００２４】
前記上流側コーン３に接続される排気ガス流入管２は、その管軸Ｘ１１を排気ガス浄化体８の軸Ｘ１２に対し傾斜して配置されており、換言すれば、排気ガス流入管２の軸Ｘ１１が、排気ガス浄化体８の上流側端面８ａに対して傾斜しており、斜流式の排気ガス浄化装置に構成されている。なお、このように、排気ガス浄化体８の上流側端面８ａに対する傾斜角を実角度という。
【００２５】
更に、本発明の斜流式は、図３に示すように、排気ガス浄化体８の上流側の端面８ａと、排気ガス浄化体８の軸Ｘ１２との交点Ｏを中心とし、排気ガス浄化体８の軸Ｘ１２に対して、角度θ３が、θ３≧４５°になるように傾斜させ、すなわち、排気ガス浄化体８の上流側端面８ａに対する実角度θ４を４５°以下に傾斜させ、更に、この傾斜させた側に所定量ＯＦ分オフセットさせた軸Ｘ１１を、排気ガス流入管２の軸としたものである。本実施例においては、前記の実角度θ４を４２°に設定し、また、前記所定量ＯＦを、表記法として、排気ガス浄化体８の直径Ｄの６．５％に設定した。
【００２６】
前記の実角度θ４を前記のように４５°以下に設定したのは、θ４＞４５°であると、前記図１２に示した従来の技術のように逆流領域が狭く、また、逆流渦が十分に形成されず、排気ガスの流速分布の一様化や、排気ガス浄化体８に対する排気ガス当たりの均一性が損なわれるからである。
【００２７】
これに対し、実角度θ４を４５°以下に設定すると、図４に示すように、触媒担体８の上流側端面８ａに対する流入ガスＡの実入射角θ４が鋭角になり、これにより実反射角θ５も鋭角になり、排気ガスの反射流量Ｂは触媒担体８内への屈折流入量Ｃよりも多くなる。これにより、後述する図３の逆流量域Ｅに大量の排気ガスが流れることになる。更に、実反射角θ５も４５°以下と小さく（鋭角）なり、図５に示すように、上流側コーン３の内壁面において、下流側から上流側へ沿った逆流渦が十分に形成される。
【００２８】
また、前記のように、反射流量Ｂを多くさせることは、逆に、図４に示すＦ部へ排気ガスが流れにくくなり、該部Ｆでのガス流量が少なくなる。そこで、排気ガス流入管２の軸Ｘ１１を、その傾斜させた側へ所定量オフセットして、排気ガス流入管２からの排気ガスを、前記Ｆ部側に当たるように指向させて、前記のＦ部でのガス流量の減少を解消したものである。
【００２９】
また、前記上流側コーン３には、前記排気ガス浄化体８の軸Ｘ１２に対して排気ガス流入管２の軸Ｘ１１を傾斜させた方向と、すなわち実角度θ４と反対側の壁を外方へ湾曲して膨出した湾曲膨出部１０を有する。該湾曲膨出部１０の曲率Ｒは、排気ガス浄化体８の直径Ｄに対し、０．８Ｄ≦Ｒ≦１．２Ｄとし、例えばＤ＝１００ｍｍの場合、Ｒは約８０〜１２０ｍｍ程度がよい。
【００３０】
前記湾曲膨出部１０は、１個の曲率により形成されたものに限らず、複数の曲率からなる複合曲率からなる面に形成してもよい。前記の０．８Ｄ≦Ｒ≦１．２Ｄの範囲から外れる曲率からなる面が部分的にあっても、湾曲膨出部１０の全体が近似的にＲが前記の０．８Ｄ≦Ｒ≦１．２Ｄの範囲にあればよい。
【００３１】
また、この湾曲膨出部１０は、少なくとも排気ガス流入管２を傾斜させた側と反対側に設けられるもので、その形成範囲は所望に定められる。
【００３２】
前記のように、排気ガス流入管２に実角度θ４を設定するとともに湾曲膨出部１０を形成して逆流領域Ｅを設けることにより、図５に示すように、排気ガスが逆流領域Ｅ内で渦Ｇのように流れ、それによって排気ガス流入管２から流入する排気ガスＨが排気ガス浄化体８における排気ガス流入管２と反対の側へ引っ張られて矢印Ｉのような流れとなり、この方向の端面Ｊにも排気ガスが当たり、排気ガス浄化体８の上流側端面の全域にわたり、均一なガス当たりとなる。
【００３３】
また、前記のように、０．８Ｄ≦Ｒ≦１．２Ｄに設定したのは、Ｒの値が０．８Ｄより小さいと、逆流領域Ｅが広く（体積が大きく）なり、後述する一様度と圧力損失の点で有利であるが、後述する速度比の点で不利となり、また、逆にＲの値が１．２Ｄより大きいと、逆流領域Ｅが狭く（体積が小さく）なり、速度比の点で有利であるが、一様度と圧力損失の点で不利となるからである。
【００３４】
ここに、一様度γとは、排気ガス浄化体８の端面８ａに対する排気ガス当たりの均一性を表すものであり、次式で表され、値が１に近い程、均一性が良い。
【００３５】
【式１】
2004332607.tif 000003
【００３６】
前記Ｒを０．９Ｄと１．２Ｄで実験した結果、一様度γは０．９７の値となり、１に近い値となった。
【００３７】
また、前記速度比とは、排気ガス浄化体８の端面８ａを細分化し、個々の速度を求め、「最高速度／最低速度」の比で表し、この比が小さいほど、均一性が良い。
【００３８】
前記Ｒを０．９Ｄと１．２Ｄで実験した結果、速度比も良好な結果が得られた。
【００３９】
前記上流側コーン３における排気ガス流入管２を傾斜させた側であって、排気ガス浄化体近傍の壁１１は、排気ガス浄化体８の軸Ｘ１２と略並行のストレートに形成されている。このようなストレートが形成されるように前記のオフセット量ＯＦを決定してもよい。
【００４０】
このようにストレートに形成することにより、前記図９及び図１１に示すような、くびれ部２０６，４０６が形成されないため、排気ガス浄化体８の端面８ａに対する排気ガス当たりの均一性を一層高めることができる。
【００４１】
前記排気ガス流出管６の形状は、前記の排気ガス当たりの均一化及び流速の一様化に対して影響が小さいため、その管軸Ｘ１３を、排気ガス浄化体８の軸Ｘ１２に対して同軸、傾斜、偏心等、特に問わない。
【００４２】
また、下流側コーン５については、前記のような湾曲膨出部の有無は問わない。
また、前記両コーン３，５は、公知のパンチとダイスを用いたプレス加工で製作し、溶接等によりケース４と接合しても良いし、あるいは前記排気ガス浄化体８の全長よりも長い筒体を用意し、この筒体内に前記排気ガス浄化体８と保持部材９を挿入し、その後、筒体の両端側をスピニング加工等により縮径してコーン部を形成し、ケースとコーン部とを一体化しても良い。
【００４３】
このように、ケースとコーン部を一体化することにより、これらを別体で形成した場合に生じる継ぎ目の段差がなく、排気がスムーズに流れ、優れた浄化効率を発揮させることができる。
【００４４】
図６及び図７は第２実施例を示す。
本第２実施例は、前記排気ガス流入管２の軸Ｘ１１と排気ガス浄化体８の軸Ｘ１２とが、３次元的に交わらないように、排気ガス流入管２を上流側コーン３に設けたものである。
【００４５】
すなわち、排気ガス浄化体８と排気ガス流入管２を、図６に示すように、前記図３と同方向から見た正面視において、前記第１実施例と同様に排気ガス浄化体８の上流側端面８ａと排気ガス浄化体８の軸Ｘ１２との交点Ｏを中心とし、排気ガス浄化体８の軸Ｘ１２に対して、角度θ３が、θ≧４５°になるように傾斜させ、すなわち、実角度θ４を４５°以下とし、更にこの傾斜させた側へ所定量ＯＦオフセットさせた軸Ｘ１１であって、かつ、図７に示すように前記軸Ｘ１１を、排気ガス浄化体８の上流側端面８ａ側から見た上面視において、排気ガス浄化体８の軸Ｘ１２（中心）から排気ガス浄化体８の径方向、すなわち、前記オフセットＯＦ方向と直交する方向へ所定量ＯＦ１オフセットした軸１１を排気ガス流入管２の軸としたものである。
【００４６】
その他の構造は前記第１実施例と同様である。
本第２実施例においても、排気ガス流入管２を傾斜させた側と反対側に、外方へ湾曲した湾曲膨出部１０が形成され、前記第１実施例と同様の作用、効果が得られる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、排気ガス浄化体の上流側端面全域にわたり、排気ガスが均一に当たり、排気ガスをムラなく均一に排気ガス浄化体に流すことができる上に、排気ガス浄化体内での排気ガスの流速分布を一様にすることができ、優れた浄化効率を有する排気ガス浄化装置を提供することができる。
【００４８】
更に、請求項２及び３記載の発明によれば、一層優れた浄化効率を有する排気ガス浄化装置を提供することができる。
【００４９】
更に、請求項４及び５記載の発明によれば、コーンとケースとの一体化により、これらを別体に形成した場合に生じる継ぎ目の段差がなく、排気がスムーズに流れ、一層優れた浄化効率を有する排気ガス浄化装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す正面図。
【図２】図１の右側面図。
【図３】図２におけるＫ−Ｋ線拡大断面図。
【図４】図２において、排気ガスの反射状態を示す図。
【図５】図２に示す湾曲膨出部での排気ガスの流れを示す図。
【図６】本発明の第２実施例を示す正面図。
【図７】図６における上面図。
【図８】従来の排気ガス浄化装置を示す側断面図。
【図９】他の従来の排気ガス浄化装置を示す側断面図。
【図１０】更に他の従来の排気ガス浄化装置を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は側断面図。
【図１１】更に他の従来の排気ガス浄化装置を示す側断面図。
【図１２】図１１において、排気ガスの反射状態を示す図。
【符号の説明】
１    排気ガス浄化装置
２    排気ガス流入管
３    コーン
４    ケース
８    排気ガス浄化体
１０  湾曲膨出部
１１  ストレート部
θ４  実角度
ＯＦ，ＯＦ１  オフセット量
Ｒ    曲率
Ｄ    排気ガス浄化体の直径
【図１】
2004332607.tif 000004
【図２】
2004332607.tif 000005
【図３】
2004332607.tif 000006
【図４】
2004332607.tif 000007
【図５】
2004332607.tif 000008
【図６】
2004332607.tif 000009
【図７】
2004332607.tif 000010
【図８】
2004332607.tif 000011
【図９】
2004332607.tif 000012
【図１０】
2004332607.tif 000013
【図１１】
2004332607.tif 000014
【図１２】
2004332607.tif 000015