(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガス用可逆流触媒コンバータのための弁構造物であって、該コンバータは第１出入口および第２出入口を備える上端部を有する容器を有し、該第１出入口および第２出入口は、それらのいずれかに導入された排ガスが容器内の触媒材料を通過するように相互に流体連通する弁構造物において、
前記容器の上端部に取付けられるように構成され、吸気キャビティおよび排気キャビティを含み、該吸気キャビティは排ガスパイプと接続されるように構成され、該排気キャビティはテールパイプと接続されるように構成される弁筐体と、
前記弁筐体内に動作可能に取付けられ、吸気キャビティが第１出入口と連通し排気キャビティが第２出入口と連通する第１の位置と、吸気キャビティが第２出入口と連通し排気キャビティが第１出入口と連通する第２の位置との間で移動するように構成されたガス流を逆転させるための弁要素と
を有し、
前記弁筐体は、開いた底部を有する内部キャビティと、該内部キャビティを２つの半部に分割する横断板とを有し、該半部はそれぞれ吸気キャビティと排気キャビティとを形成する
ことを特徴とする弁構造物。
【請求項２】
請求項１に記載の弁構造物において、
前記弁要素は、弁筐体の開いた底部に回転可能に取付けられるディスクであって、該ディスクに垂直な中心軸周りに回転するディスクを含み、該ディスクは、それぞれ前記各出入口、ならびに前記吸気および排気キャビティのいずれか一方と連通する第１開口部および第２開口部を有する
ものである弁構造物。
【請求項３】
請求項２に記載の弁構造物において、
前記第１および第２出入口は平面が実質的に半円形であり、前記吸気および排気キャビティもまた断面が実質的に半円形であるが、前記出入口に対して９０°ずれた位置に配置され、ディスク内の各開口部は、プレートが第１の位置および第２の位置のいずれかにあるとき、一方の出入口ならびに一方のキャビティのみと連通するように成形されている
ものである弁構造物。
【請求項４】
請求項３に記載の弁構造物において、
吸気および排気キャビティの半円形と出入口の半円形とは実質的に同一であり、弁ディスク内の各開口部は出入口の半円形の大きさの半分よりも僅かに小さく、ディスク内の開口部は互いに１８０°の角度を成して配置される
ものである弁構造物。
【請求項５】
請求項４に記載の弁構造物において、
前記ディスクは、中心軸に固着された駆動軸であって、一端が弁筐体の上部から突出した状態で弁筐体内を軸方向に延びる駆動軸をさらに有する
ものである弁構造物。
【請求項６】
請求項５に記載の弁構造物において、
前記駆動軸の突出端部において該駆動軸に動作上関連して設けられる回転式アクチュエータをさらに有する
ものである弁構造物。
【請求項７】
請求項６に記載の弁構造物において、
前記弁筐体は、弁筐体を精確に容器の上部に位置付け、着脱可能に固定するための機構をさらに有する
ものである弁構造物。
【請求項８】
触媒コンバータを使用する内燃機関からの排ガスを処理するための触媒コンバータであって、
内部にガス流路を有し、それぞれに該流路と連通する第１出入口および第２出入口を備える上端部と、触媒材料を支持するガス透過性固体材料とを有する容器と、
流路を通過する排ガスと接触するようにされた、ガス流路内の触媒材料と、
ガス流路を通過する排ガス流を逆転させ、容器の上端部に取付けられた、吸気キャビティおよび排気キャビティを有する弁筐体を含み、該吸気キャビティは排ガスパイプと接続されるように構成され、該排気キャビティはテールパイプと接続されるように構成される弁と、
前記弁筐体内に動作可能に取付けられ、吸気キャビティが第１出入口と連通し排気キャビティが第２出入口と連通する第１の位置と、吸気キャビティが第２出入口と連通し排気キャビティが第１出入口と連通する第２の位置との間で移動するように構成されたガス流を逆転させるための弁要素と
を有するものであり、
前記ガス透過性固体材料は、それぞれに内部を通過する複数のセルを有する複数のモノリスを含み、該モノリスは触媒材料によって被覆されており、
前記複数のモノリスは、流路内に連続して配置され、各モノリス内のセルは隣接するモノリスのセルと連通する
ものである触媒コンバータ。
【請求項９】
請求項８に記載の触媒コンバータにおいて、
前記ガス流路は容器の内部空間内に形成され、該内部空間は横断板によって２つの半部に分割され、該半部はそれぞれ第１空間部分および第２空間部分を形成し、該２つの空間部分は互いに連通し、各空間部分は第１および第２出入口のうち対応するいずれか一方と連通する
ものである触媒コンバータ。
【請求項１０】
請求項９に記載の触媒コンバータにおいて、
前記モノリスは、異なるセル密度を有し、連続するモノリスの両端付近に位置するモノリスにおける密度は、中間に位置するモノリスにおける密度よりも低い
ものである触媒コンバータ。
【請求項１１】
請求項９に記載の触媒コンバータにおいて、
前記各モノリスは、その断面において放射状に変化するセル密度を有し、該セル密度は容器の中心付近の領域において高く、容器の外壁付近の領域に向けて低くなる
ものである触媒コンバータ。
【請求項１２】
請求項９に記載の触媒コンバータにおいて、
前記容器は、出入口とモノリスの間に少なくとも１枚の緩衝板をさらに有する
ものである触媒コンバータ。
【請求項１３】
請求項８に記載の触媒コンバータにおいて、
前記弁筐体は、底部に開口部を有する内部キャビティと、該内部キャビティをそれぞれ吸気キャビティおよび排気キャビティを形成する２つの半部に分割する横断壁とを有する
ものである触媒コンバータ。
【請求項１４】
請求項１３に記載の触媒コンバータにおいて、
前記弁要素は、弁筐体の底部の開口部に回転可能に取付けられるディスクであって、該ディスクに垂直な中心軸周りに回転するディスクを含み、該ディスクはそれを貫通する第１開口部および第２開口部を有し、該第１開口部および第２開口部はそれぞれ、第１の位置および第２の位置の各位置において一方の前記出入口と連通するとともに、前記吸気および排気キャビティのいずれか一方と連通する
ものである触媒コンバータ。
【請求項１５】
請求項１４に記載の触媒コンバータにおいて、
前記容器は、その上部に開口部を有し、該開口部は横断板によって第１および第２出入口を形成する２つの部分に分割され、前記弁の弁筐体は、横断板が横断壁と垂直になるような位置において容器の上部に取付けられる
ものである触媒コンバータ。
【請求項１６】
請求項１５に記載の触媒コンバータにおいて、
前記弁ディスクが横断壁と横断板の間に配設され、該弁ディスクは横断壁と横断板の両方に対して垂直であり、弁ディスク内の２つの開口部のそれぞれは、第１および第２出入口の４半部分よりも小さい
ものである触媒コンバータ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の触媒コンバータにおいて、
前記ディスクは、中心軸と重なる駆動軸をさらに含み、該駆動軸は一方端が弁筐体の上部から突出した状態で弁筐体内を軸方向に延びる
ものである触媒コンバータ。
【請求項１８】
請求項１７に記載の触媒コンバータにおいて、
前記駆動軸の突出末端において該駆動軸に動作上関連して設けられる回転式アクチュエータをさらに有する
ものである触媒コンバータ。
【請求項１９】
請求項１８に記載の触媒コンバータにおいて、
弁を容器の上部に精確に位置付け、該弁を着脱可能に固定するための機構をさらに有する
ものである触媒コンバータ。
【請求項２０】
請求項１９に記載の触媒コンバータにおいて、
排ガスの温度を測定するためのセンサ装置をさらに有する
ものである触媒コンバータ。
【請求項２１】
請求項２０に記載の触媒コンバータにおいて、
前記回転式アクチュエータを制御して、センサ装置によって測定された温度に従って駆動軸を周期的に回転させるための制御装置をさらに有する
ものである触媒コンバータ。
【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関し、さらに詳細には、内燃機関からの排ガスを処理するための可逆流触媒コンバータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関は、ガソリン、ディーゼル燃料、天然ガス、液体石油ガス、あるいは、ガソリン／メタノールやガソリン／エタノールなどの混合ガスなどの様々な燃料をエネルギー源とすることができる。また、たとえば、ディーゼル／天然ガスやディーゼル／プロパン燃料などを使用する混燃エンジンも発明されてきた。内燃機関は、主として二酸化炭素、水、窒素、酸素から成り、部分燃焼および未燃焼の炭化水素、一酸化炭素および窒素酸化物から成る排ガスを大量に発生する。未燃焼炭化水素などの汚染物質や有毒副産物の濃度を低減するために、酸化触媒を含む排ガスコンバータを用いて排ガスを処理することは、当該技術分野において周知である。しかしながら、排ガス中の汚染物質を効率的に酸化するためには、触媒を高温で作用させる必要がある。したがって、従来のコンバータでは、低エンジン負荷時には排気温度が低いために、変換効率が悪くなる。このことは、特に非反応性の炭化水素、具体的にはメタンに対して、低負荷作動時における排ガス放出の増加を招く要因となる。ディーゼルエンジンがアイドリング状態にあり、排ガス温度が３００℃を下回ると、排ガス温度が触媒の消火／点火温度よりも低くなることから、触媒コンバータにおける放出低減が損なわれる。このことは、エンジンがディーゼル燃料／メタン混合物をエネルギー源とする混燃エンジンである場合に、特に問題となる。この問題を克服するために、可逆流触媒コンバータが発明されてきた。
【０００３】
可逆流触媒コンバータは、触媒を通過するエンジン排気の方向を周期的に交互方向に変えるという原理で作動する。各方向を流れる継続時間は、エンジン作動状態によって決定される。最終目的は、触媒コンバータ内の触媒材料全体にわたって理想的な温度プロファイルを得ることである。たとえば、１９９８年５月１４日に公表された、ＰＣＴ特許出願ＰＣＴ／ＵＳ９７／１９９２８において、マトロス（Matros）らの開示する方法および装置では、吸着剤と、排ガス中の有毒成分を無毒物質に変換できる触媒とを含有するガス透過性固体材料に排ガスを接触させている。ガス透過性固体材料を通過するガス流を一連の連続サイクルで逆転することにより、触媒温度を有毒成分の酸化に適した温度範囲にもたらすか、あるいは該温度範囲内に保っている。それより低い温度範囲において、有毒成分は吸着剤によって吸着される。この出願に記載された一実施形態は、協働して完全な逆転機能を達成する４つの弁を含んでいる。この実施形態の欠点は、必要な配管や弁配置のために構成が大型化することにある。
【０００４】
第２の実施形態において、ガス透過性固体材料を通過する排ガス流の逆転は、入口および出口を通過するガス流の方向を変えずに、固体材料を軸回転させることにより達成される。固体材料を回転させることにより、該材料を第１熱交換領域から第２熱交換領域へ反復周期で移動させる。ガス透過性固体材料は複数の平行な軸方向流路を有し、排ガスは流路の１区間を第１方向に通され、次に流路の別区間を逆方向に通される。触媒は、好ましくは、排ガスを受入れ、排出するための入口および出口に隣接した回転要素内の実質的にすべての流路の表面に適用される。吸着剤は、排ガスが移動方向を変える空間に隣接する、実質的にすべての流路の表面に適用される。
【０００５】
第３の実施形態において、回転要素は円筒状であり、中空の中央内部を有している。複数の放射状流路が、この中空の中央内部と連通している。これらの流路は、入口に隣接する回転要素の横方向側面から中空の中央内部にわたり、また中空の中央内部から出口に隣接する回転要素の他方側面にわたるガス流路を提供する。触媒は、円筒状要素の外側部分に適用される。吸着剤は、中空の中央内部に隣接する内側に適用される。第２、第３の実施形態ともに、ガス流の方向を変えるのではなく、触媒が適用される基体の回転を要する。
【０００６】
マトロスらによって記載された各構造の欠点は、それらが小型でないことである。たとえば、第２の実施形態において、第１および第２の熱交換領域の一方端部には、第１熱交換領域内の移動流路から第２熱交換領域内の移動流路へのガス流に対する固定通路を与えるために、密閉仕切室２１が必要とされる（図６）。さらに、回転構造であるために、性能の信頼性については妥協せざるを得ない。
【０００７】
ガス流の逆転を制御する４つの調整弁、あるいは回転基体構造物を使用する代わりに、四方弁を使用することにより、可逆流コンバータに対するより信頼性の高い構造が得られる。ＮＧＶの世界的実現の会報（Proceedings of NGVs Becoming a Global Reality）の中で発表された、論文「厳しい排ガス放出規制に適合する、天然ガス使用ディーゼルエンジンのための新しい触媒コンバータ（"Novel Catalytic Converter for Natural Gas Powered Diesel Engines to Meet Stringent Exhaust Emission Regulations"）」（天然ガス車両のための国際会議および展示会(International Conference and Exhibition for Natural Gas Vehicles)、１９９８年５月２６〜２８日、ケルン、ドイツ）において、チェン（Zheng）らは、可逆ガス流の方向を切換えるための四方弁を有する触媒コンバータについて記述している。この四方弁は、コンバータとは構造的に独立した汎用弁であり、流れを放射状に方向付ける。したがって、コンバータに必要とされる配管によって装置が大型化する。
【０００８】
他のコンバータ構成が、「内燃機関からの排ガス浄化を改良する装置（"Apparatus for Improving the Purification of Exhaust Gases from an Internal Combustion Engine"）」という名称で１９６５年６月１５日に発行された米国特許第３，１８９，４１７号の中で、ハウドリー（Houdry）らによって開示されている。この特許は、熱交換材料から成る２層の間に納められた酸化触媒ペレット床を有する可逆流コンバータを開示している。このコンバータ内には四方弁が組み込まれている。弁を９０°回転させると、ガス流の方向が、下方に向けて触媒床および熱交換材料を通過する方向から、上方に向けて床を通過する逆方向に切換わる。酸化触媒ペレット床を熱交換材料から独立させたこの構成は、効率が悪く、変換性能も低い。また、流路の構造および構造への弁の組込み方に起因して、構造の小型化が図れない。
【０００９】
さらに別の例として、「可逆サイクル冷却システムのための四方弁（"Four Way Valve For Reversible Cycle Refrigeration System"）」という名称で、１９７９年２月１３日に発行されたターナー（Turner）らによる米国特許第４，１３９，３５５号において、四方弁構成物が教示されている。この特許は、回転弁が加熱モードと冷却モードの間の切換えを行う、四方弁組立体を開示している。回転弁は、筐体内のキャビティ内に取付けられており、単向性電気モータによって回転されるように設計されている。回転弁は、一対の凹所を内部に有する回転板を含んで構成される。各凹所は、基板内の一対の孔との間に流体連通を与える。回転板の一方側に作用する高い圧力を均衡化するために、高圧バイパス孔を設けてキャビティ内の圧力バランスを保っている。カムおよびスイッチの構成物は、電気モータの停止および始動に必要な制御を行う。しかしながら、この回転弁は、構造上の理由から可逆流触媒コンバータでの使用には適していない。特に、４つの孔のすべてが基板内に設けられている。
【００１０】
可逆流触媒コンバータの概念は、適切であり、かつ排ガス放出量の低減にも貢献することが実証されてきた。しかしながら、現代の車両設計では、小型で、効率的かつ機械的信頼性の高い部品が要求される。上記それぞれの先行技術のコンバータ構成は、これらの条件の少なくとも１つをも満たしていない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、内燃機関からの排ガスを処理するための可逆流触媒コンバータ装置であって、コンバータ内に組込まれた小型の弁構造物を含む可逆流触媒コンバータ装置を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、内燃機関からの排ガスを処理するための可逆流触媒コンバータ装置であって、性能を効率化し、熱損失を最小限に抑え、機械的単純化を図るための小型の構造物を含む、可逆流触媒コンバータ装置を提供することにある。
【００１３】
本発明のさらに他の目的は、上で論じた先行技術の欠点を克服するような、可逆流触媒コンバータのための四方弁を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様によれば、排ガス用可逆流触媒コンバータのための弁構造物であって、該コンバータは第１出入口および第２出入口を備える上端部を有する容器を有し、該第１出入口および第２出入口は、それらのいずれかに導入された排ガスが容器内の触媒材料を通過するように相互に流体連通する弁構造物において、上記容器の上端部に取付けられるように構成され、吸気キャビティおよび排気キャビティを含み、該吸気キャビティは排ガスパイプと接続されるように構成され、該排気キャビティはテールパイプと接続されるように構成される弁筐体と、上記弁筐体内に動作可能に取付けられ、吸気キャビティが第１出入口と連通し排気キャビティが第２出入口と連通する第１の位置と、吸気キャビティが第２出入口と連通し排気キャビティが第１出入口と連通する第２の位置との間で移動するように構成されたガス流を逆転させるための弁要素とを有し、上記弁筐体は、開いた底部を有する内部キャビティと、該内部キャビティを２つの半部に分割する横断板とを有し、該半部はそれぞれ吸気キャビティと排気キャビティとを形成することを特徴とする弁構造物が提供される。
【００１５】
本発明の他の態様によれば、触媒コンバータを使用する内燃機関からの排ガスを処理するための触媒コンバータであって、内部にガス流路を有し、それぞれに該流路と連通する第１出入口および第２出入口を備える上端部と、触媒材料を支持するガス透過性固体材料とを有する容器と、流路を通過する排ガスと接触するようにされた、ガス流路内の触媒材料と、ガス流路を通過する排ガス流を逆転させ、容器の上端部に取付けられた、吸気キャビティおよび排気キャビティを有する弁筐体を含み、該吸気キャビティは排ガスパイプと接続されるように構成され、該排気キャビティはテールパイプと接続されるように構成される弁と、上記弁筐体内に動作可能に取付けられ、吸気キャビティが第１出入口と連通し排気キャビティが第２出入口と連通する第１の位置と、吸気キャビティが第２出入口と連通し排気キャビティが第１出入口と連通する第２の位置との間で移動するように構成されたガス流を逆転させるための弁要素とを有するものであり、さらに、上記ガス透過性固体材料は、それぞれに内部を通過する複数のセルを有する複数のモノリスを含み、該モノリスは触媒材料によって被覆されており、上記複数のモノリスは、流路内に連続して配置され、各モノリス内のセルは隣接するモノリスのセルと連通するものである触媒コンバータが提供される。
【００１６】
好ましくは、前記弁筐体は開いた底部を有する内部キャビティと、該キャビティをそれぞれ吸気キャビティおよび排気キャビティを形成する２つの半部に分割する横断壁とを有する。前記弁要素は、弁筐体の開いた底部に回転可能に取付けられるプレートを含んでもよく、該プレートはそれに垂直な中心軸周りに回転し、それぞれ前記各出入口、ならびに前記吸気および排気キャビティのいずれか一方と連通する第１開口部および第２開口部を有する。
【００１７】
さらに好ましくは、前記ガス流路は容器の内部キャビティ内に形成され、該内部キャビティは横断板によって２つの半部に分割され、該半部はそれぞれ第１キャビティ部分および第２キャビティ部分を形成する。これらの２つのキャビティ部分は互いに連通し、各キャビティ部分は第１出入口および第２出入口のうち対応するいずれか一方と連通する。前記容器は、触媒材料を含有するガス透過性固体材料をさらに含む。前記ガス透過性固体材料は、好ましくはそれぞれに内部を通過する複数のセルを有する複数のモノリスを含み、該モノリスは触媒材料によって被覆されている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明は、内燃機関からの排ガスを処理するための可逆流触媒コンバータに関する。
【００１９】
まず、図１を参照して説明すると、本発明による触媒コンバータ１０は、容器１２と、排ガス入口１６および排ガス出口１８を含む弁筐体１４とを含んで構成される。弁筐体１４は下端部にフランジ２０を有し、以下で詳述する容器１２の上部に設けられたアダプタ２２に取付けられる。排ガス入口１６は、排ガスパイプとの接続のためのフランジ２４を有し、排ガス出口１８は、テールパイプとの接続のための同様のフランジ２６を有する。したがって、排ガス入口１６を介して触媒コンバータ１０に流入する排ガスは、触媒によって処理された後、排ガス出口１８を介してテールパイプに排出される。排ガス入口１６および排ガス出口１８の配向角度が例示にすぎないことは、当業者によって認識されよう。それらは他の角度で配向してもよく、また両角度は同一であっても異なっていてもよい。
【００２０】
触媒コンバータの構造は、図２〜５により明確に示されている。弁筐体１４は、平面図においては円形であり、下端部に開口部２８を有する内部キャビティを含む（図３）。横断壁３０は内部キャビティを２つの別個の部分に分割して、排ガス入口１６と連通する吸気キャビティ３２および排ガス出口１８と連通する排気キャビティ３４を形成する。横断壁３０は、弁筐体１４の上部の孔３６から横断壁３０を通って延びるリテーナスリーブ３８の対向する側に配置される２つの同一の半部を含む（図２参照）。横断壁３０は弁筐体１４に固着されていてもよいが、好ましくは、フランジ２０と横断壁３０とリテーナスリーブ３８とを含む弁筐体１４を一体型ユニットとして鋳造する。フランジ２０には、２つの位置決め孔３９が設けられる。孔３９の一方は横断壁３０と重なる線上に配設され、他方は好ましくは該線から約５°ずれた位置に配設される。リテーナスリーブ３８は、弁筐体１４の上端部から該スリーブを通って延びる開口部を有し、該開口部は遠位端部に入口を有する。この入口は開口部よりも大きい直径を有し、スリーブ部材３８内に内部肩部４０を画定する。この内部肩部４０の機能については、後に説明する。
【００２１】
図２に示されるように、弁筐体１４の下端部にはディスクプレート４２が回転可能に取付けられる。弁ディスク４２は、該弁ディスク４２に垂直な中心軸周りに往復回転運動する。弁ディスク４２の中央には駆動軸４４の一端が固定されており、該駆動軸４４はリテーナスリーブ３８内を回転可能に延びている。駆動軸４４の上端部は、孔３６から突出するとともに、孔３６によって回転可能に支持されている。弁筐体１４の上部には、回転式アクチュエータ（図示せず）を支持するためのブラケット４５が取付けられる。駆動軸４４は、リテーナスリーブ３８の拡大径部に受容され、リテーナスリーブ３８の内部肩部４０によって軸方向に拘束される環状段部４６を有する。
【００２２】
図４に示されるように、弁ディスク４２は２つの開口部４８を有する。各開口部４８は、弁ディスク４２の四半部分よりも僅かに小さい。開口部４８は、弁ディスク４２が第１の位置または第２の位置のいずれかにある場合に、それぞれの開口部４８が吸気キャビティ３２および排気キャビティ３４のいずれか一方のみと連通するように、互いに対して１８０°の角度をなして配設される。しかしながら、弁ディスク４２が第１の位置から第２の位置へ回転されると、開口部４８は横断壁３０の反対側に移動し、その後それぞれに、前記吸気キャビティ３２および排気キャビティ３４のいずれか他方と連通する。弁ディスク４２は、ねじやボルトなどの適切な固定手段を用いて駆動軸４４の端部に固定することもできる。
【００２３】
触媒のための容器１２の側壁は、円筒部分５０と円錐台部分５２とを含む。アダプタ２２は、平坦環５４（図５）と、この平坦環５４に連結された直径に沿った梁５６とを含む。梁５６は、円形の中心領域５７を有する。アダプタ２２は、側壁の円錐台部分５２の上端部に固着されるとともに、横断板５８（図２）を支持し、該横断板５８は梁５６の底面に固着され、容器１２の内部に延びる。横断板５８は、該容器１２を、容器１２の底部において相互に連通してＵ字形の排ガス経路を形成する、第１部分６０と第２部分６２とに分割する。第１および第２の部分６０，６２はそれぞれ、平坦環５４および梁５６の円形の内面によって画定される第１出入口６４および第２出入口６４と連通する。平坦環５４には、一対の位置決め孔６８が設けられている。孔６８の一方は梁５６に垂直な直径線上に配設され、他方は好ましくは該直径線上から約５°ずらして配設される。弁筐体の組立体を容器１２の上部に取付ける場合には、２対の位置決め孔３９および６８とともに、各孔に受容される一対の位置決めピン（図示せず）を用いることにより、横断壁３０を確実に梁５６および横断板５８に対して直角に配置することができる。その結果、開口部４８が第１の位置または第２の位置のいずれかにある場合、それぞれの開口部４８は、容器１２の部分６０，６２のいずれか一方のみと連通し、また吸気キャビティ３２および排気キャビティ３４のいずれか一方と連通する。それゆえに、弁ディスク４２が第１の位置から第２の位置に回転されるに従って、弁ディスク４２内の開口部４８は、第１および第２の出入口６４，６６のいずれかとの連通状態は一定に保ったまま、吸気キャビティ３２および排気キャビティ３４のいずれか一方からいずれか他方に向かって移動され、これによりガス流の逆転を達成する。弁ディスク４２を一方向に回転させることによっても、同様の結果を達成できることを理解すべきである。
【００２４】
図２に示されるように、一対のモノリス部分７０および７２、ならびに単一のモノリス部分７４によって、実質的に容器を充たしている。モノリスの個々の部分の形状は、図９（ａ）乃至図９（ｃ）の斜視図に示されている。しかしながら、後で説明するように、図９（ａ）乃至９（ｃ）に示したモノリスの部分では、段階的なセル密度を有しており、このことは本発明のさらに他の特徴である。モノリス７０の各部分は、好ましくは、半円筒形のセラミック／金属押出し成形品であり、該成形品はその内部を軸方向に通過するセルを有する。セル密度は好ましくは１００ｃｐｓｉであるが、セル密度は設計上の選択事項である。モノリス７２の各部分は、約４５°の角度で切断された下端部を有する、半円筒形のセラミック押出し成形品である。モノリス７２もまた、その内部を軸方向に通過するセルを有する。モノリス７２のセル密度は、好ましくは２００ｃｐｓｉである。モノリス７４は、前面から見ると３角形のセラミック／金属押出し成形品であり、側方から見ると実質的に半円形のものとすることができる。モノリス部分７４は、好ましくは３００ｃｐｓｉのセル密度を有し、それらのセルは該部分の底部と平行な方向に延びている。
【００２５】
それぞれのモノリスは触媒材料で被覆され、容器内の、該容器１２の内面と横断板５８とによって画定される流路内に連続して配置される。図２に示されるように、モノリス部分７４は横断板５８の真下の容器１２の底部に配置される。モノリス７２の各部分は、第１および第２の部分６０，６２のいずれか一方内のモノリス部分７４の上方に配置される。モノリス７０の各部分は、第１および第２の部分６０，６２のいずれか一方内のモノリス部分７２の上方に配置される。隣接するモノリス部分のセルは相互に連通しており、その結果、容器内のガス流路を通過する排ガス流は、いずれの方向であっても、各モノリス部分のセルに引き込まれ、モノリスに塗布された触媒材料と接触する。バーミキュライト絶縁体などの絶縁材料７５の層によって、各モノリスと容器１２の内面の間を充填するとともに、底部ボール９７を包囲する。モノリスの各部分間には、それらを支持するためのモノリス支持体７６、たとえば、金属環などが設けられる。
【００２６】
容器１２の円錐台部分５２内には、緩衝板７８が配設される。緩衝板７８は、横断板５８の対向する側に位置する２つの半円形の半部を含む。緩衝板７８には複数の開口部８０（図５に分かりやすく示されている。）が設けられ、これにより排ガスを通過させることができる。開口部８０は、ガス流をモノリス部分７０全体に均等に分散させる。緩衝板７８は、エンジンの騒音を低減するためのマフラとしても機能する。適切な構成を有する緩衝板が容器１２の上部に取付けられた場合には、触媒コンバータ１０は、完全に従来のマフラの代わりとして用いることができる。
【００２７】
容器１２の第１および第２の部分６０，６２の上側部分には、２つの温度センサ８１が配設されている（図２参照）。センサ８１は、各部分６０，６２内の温度を測定して、コンピュータ化された制御装置（図示せず）に信号を送る。制御装置は、センサ８１によって検知された温度を入力として用いて制御アルゴリズムを実行し、最適な切換え速度と弁ディスク４２の位置とを決定する。コンピュータ化された制御装置は、アルゴリズムの出力に応じて、駆動軸４４の突出末端に取付けられた回転式アクチュエータ（図示せず）を作動させ、回転プレート４２を第１の位置から第２の位置へと移動させる。回転式アクチュエータとしては、たとえば、市販されている油圧式または電子式アクチュエータを用いることができる。
【００２８】
好ましい組立順序においては、触媒コンバータ１０の内部部品を組立てた後に、円錐台部分５２を円筒部分５０に連結する。円錐台部分５２は、容器１２の円筒部分５０に溶接することもできる。しかしながら、円錐台部分５２は円筒部分５０に対して着脱可能に連結することが好ましい。環状のＶクランプ（図示せず）を用いて、円錐台部分と円筒部分の両方の周縁部を技術上周知の方法によって固締することが望ましい選択である。
【００２９】
図６（ａ）および図６（ｂ）に示されるように、ガス流は触媒コンバータの容器１２に流入すると、周期的に逆転される。図６（ａ）および図６（ｂ）の両図においては、開口部４８を明確に示すために、弁ディスク４２を軸方向に拡大して示している。弁ディスク４２が第１の位置にある場合、弁ディスク４２内の一方の開口部４８は、排気キャビティ３４の左後方にあり、横断板５８の後側にある第２部分６２と連通する。一方、プレート４２内の他方の開口部４８は、吸気キャビティ３２の右前方にあり、横断板５８の前側にある第１部分６０と連通する。図６（ａ）の実線矢印は、エンジンからの排ガスが排ガス入口１６に誘導されて吸気キャビティ３２に入り、右前方にある他方の開口部４８（図示せず）を通過し、容器１２の第１部分６０を下向きに流れてその中の触媒モノリス（図示せず）を通過することを示している。排ガスは容器１２の底部に達すると、容器１２の第２部分６２に入る。図６（ａ）の破線矢印は、容器１２の第２部分６２に入った排ガスが上方に流れ、左後方にある一方の開口部４８を通って排気キャビティ３４に流入することを示している。その後、排ガスは排ガス出口１８を介してテールパイプに排出される。
【００３０】
弁ディスク４２が第２の位置にある場合、弁ディスク４２内の開口部４８は、第１の位置におけるそれらの位置から９０°回転された位置にある。図６（ｂ）に示されるように、第２の位置において、開口部４８は、吸気キャビティ３２内の右後方にあり、横断板５８の後側にある第２部分６２と連通する。弁ディスク４２内の他方の開口部４８は、横断板５８の左前方にある。この位置において、排気キャビティ３４は、横断板５８の前側にある第１部分と連通する。
【００３１】
図６（ｂ）の破線矢印は、吸気キャビティ３２に入った排ガスが、右後方にある一方の開口部４８を通過して容器１２の第２部分を下方に流れ、触媒モノリス（図示せず）を通過し、容器１２の底部に達し、第１部分６０に入ることを示している。図６（ｂ）の実線矢印は、第１部分６０内の排ガスが上方に流れ、左前方にある他方の開口部４８を通って排気キャビティ３４に入ることを示している。その後、排ガスは排ガス出口１８を介してテールパイプに排出される。弁を第１の位置と第２の位置の間で、制御装置によって決定された間隔で移動させることにより、一連の触媒モノリス７０〜７４にわたって望ましい温度プロファイルが達成される。
【００３２】
排ガスは、触媒材料と接触しながら、モノリス７０，７２および７４を交互の方向に通過する。モノリス７０は、たとえば１００ｃｐｓｉという低いセル密度を有するため、熱容量が大きく熱応力からより良好に保護されている。低いセル密度および大きい熱容量を有するモノリスは、排ガス流の上流において高温の排ガスに曝されることに耐えられる。より高いセル密度を有するモノリス７２および７４に排ガスが流入するとき、排ガスはより多くの触媒に曝され、したがって変換性能が効率的に発揮される。排ガスは、第１および第２の部分６０，６２の両方においてモノリス７０，７２および７４内を通過して、容器１２の上端部に達するので、該排ガス中の有毒物質の大部分が無毒物質に変換される。
【００３３】
図７（ａ）は一連のモノリスの代替構成を示しており、セル密度が１００ｃｐｓｉの２つのモノリス部分８４と、セル密度が３００ｃｐｓｉの１つのモノリス部分８６とが含まれる。
【００３４】
図７（ｂ）は３対のモノリスを含む、一連のモノリスの代替構成の概略図である。構成の一例において、モノリス８８は１００ｃｐｓｉのセル密度を有する。モノリス９０は２００ｃｐｓｉのセル密度を有し、モノリス９２は３００ｃｓｐｉのセル密度を有する。モノリス８８，９０および９２のセル密度は、他の組み合わせ、たとえば２００，３００，４００、あるいは、２００，３００，３００などであってもよい。緩衝板を用いて容器１２内にガス流を分散させる代わりに、２つのベンチュリ９４および９６を設けて同様の機能を達成している。ガス流を円滑に第１部分から第２部分あるいは第２部分から第１部分に指向するために、球状の底部ボール９７が設けられる。
【００３５】
図７（ｃ）および図７（ｄ）は、モノリスに対するさらに可能性の高い２つの構成の概略図である。図７（ｃ）の構成は、大型の触媒コンバータに適用することができる。大きなモノリス部分を使用する代わりに、モノリス１００が小区画に分割されている。小区画からなるモノリスは、たいていの場合、通常の市販経路においてより簡単に入手することができる。図７（ｄ）において使用されるモノリス１０２は、本発明の好ましい実施形態において用いられるモノリス７２および７４よりも形状が単純である。
【００３６】
図８はモノリス１１０を有するコンバータ１０４の概略図であり、該コンバータ１０４は対向する端部に第１および第２の出入口１０６および１０８をそれぞれ有しており、この構成は従来のコンバータ容器と類似している。本図は、両端部に出入口を有するコンバータ容器に本発明の弁ユニットを取付けるために、どのようにしてアダプタ２２を使用するかを示している。
【００３７】
図９（ａ）乃至図９（ｃ）は、独特のセル構造を有すること以外は、本発明の好ましい実施形態で使用したモノリスと同様の形状を有するモノリスを示している。各モノリスは、放射状に段階的に変化するセル密度を有し、セル密度は、容器の中心付近の領域における４００ｃｐｓｉから容器の外壁付近の領域における１００ｃｐｓｉまで低下している。図２に見られるように、横断板５８付近のガス流路は、容器１２の壁付近のガス流路よりも短い。図９（ａ）乃至図９（ｃ）に示されるモノリスは、経路が短いほどセル密度を高くし、それにより触媒変換性能の均衡化を図っているために、排ガスの変換をより促進することができる。モノリスには吸着材料を蒸着することもできる。吸着材料は、触媒が点火する前のエンジン起動時間の間に汚染物質を吸着し、温度の上昇に伴って該汚染物質を放出する。
【００３８】
【発明の効果】
上記した触媒コンバータの利点は、明らかである。コンバータユニットと弁ユニットの間に配管が一切要らず、そのため、触媒コンバータの小型化が可能であるとともに、弁と触媒の間での熱損失を抑止することができる。弁ディスクが垂直軸周りに回転することから、最小限の空間内において円滑で信頼性の高い弁動作が可能になる。一連のモノリスの独特の構成によって、触媒寿命ならびに変換性能が向上する。また、触媒材料を均一に着火／点火温度に加熱し続けることにより、可逆排ガス流は最大限の変換効率を実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施形態の立面図である。
【図２】図１の２−２線に沿った断面図であって、弁および触媒コンバータの内部構造を示す。
【図３】弁ディスクを取除いた状態の図２の３−３線に沿った弁筐体の底面図であって、弁筐体の内部キャビティを分割する横断壁の位置を示す。
【図４】弁ディスクの平面図であって、該弁ディスク内の２つの開口部を示す。
【図５】図２の５−５線に沿った触媒コンバータの容器の平面図であって、容器の内部を分割する横断板の位置を示す。
【図６】（ａ）は図２の６−６線に沿った断面図であって、弁ディスクが第１の位置にある場合のガス流の方向を示し、（ｂ）ｂは（ａ）と同様の図であって、弁ディスクが第２の位置にある場合のガス流の方向を示しており、該第２の位置にあってガス流の方向は逆転されている。
【図７】（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の様々な実施形態におけるモノリスに対する異なる構成を示す図である。
【図８】本発明の他の実施形態の概略側面図である。
【図９】（ａ）乃至（ｃ）は、好ましい実施形態において使用されるモノリスが段階的な密度を有する場合の斜視図である。
【符号の説明】
１０          触媒コンバータ
１２          容器
１４          弁筐体
１６          排ガス入口
１８          排ガス出口
２０          フランジ
２２          アダプタ
２４          フランジ
２６          フランジ
【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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