(57)【要約】    【課題】担体にスリットが設けられたエンジンの排気浄化装置において、担体に流入する排気の流れに偏りを生じさせることにより、触媒の活性点を確保し、排気の浄化効率を向上させる。    【解決手段】排気浄化用の触媒を担持させた担体１０３ａに、隣り合うセル通路Ｐ，Ｐの間で排気を流通させるためのスリットＳを設けるとともに、この担体１０３ａに流入する排気の流れを、担体１０３ａの中央部に対してその周辺部に偏らせる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セル通路を画成する隔壁に隣り合うセル通路の間で排気を流通させるためのスリットが設けられた、排気浄化用の触媒を担持させた担体と、
この担体に流入する排気の流れを担体の中央部に対してその周辺部に偏らせる偏流形成手段と、を含んで構成されるエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
前記偏流形成手段は、前記担体に流入する流れに関して下式（１）により求められるＵＩ値を０．５〜０．６５とするものである請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
ＵＩ＝１−Σ｛｜Ｖｉ−Ｖａｖｅ｜×Ｓｉ／（２×Ｖａｖｅ×Ｓ）｝  ・・・（１）
Ｖｉ：流路断面を分割した各エリアにおける流速
Ｖａｖｅ：流路断面全体における平均流速
Ｓｉ：各エリアの面積
Ｓ：流路断面の総面積
【請求項３】
前記偏流形成手段は、前記ＵＩ値を０．５５〜０．６２５とするものである請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項４】
前記担体は、金属製の担体である請求項１〜３のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項５】
前記担体は、比較的に大きなピッチの波形が付された金属製の第１の薄板と、この第１の薄板よりも小さなピッチの波形が付されるか、又は平坦に形成された金属製の第２の薄板とを重ね合わせ、これを多重に巻回することにより形成され、
前記セル通路は、前記第１の薄板と前記第２の薄板とにより挟まれた空間として形成され、
前記スリットは、前記第１及び第２の薄板の少なくとも一方に設けられた請求項４に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項６】
前記偏流形成手段は、前記担体の上流に設置された邪魔板を含んで構成され、この邪魔板により排気の流れを部分的に遮断して、前記担体に流入する排気の流れを偏らせるものである請求項１〜５のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項７】
前記邪魔板は、排気の流れに対して垂直な軸により支持された弁部材により構成される請求項６に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項８】
前記偏流形成手段は、
前記弁部材を駆動可能に構成された駆動装置と、
この駆動装置を制御するための制御装置と、
エンジンの運転状態を検出するための運転状態センサと、を更に含んで構成され、
前記運転状態センサにより検出されたエンジンの運転状態に基づいて前記駆動装置により前記弁部材を駆動して、前記流れの偏りを変化させる請求項７に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項９】
セル通路を画成する隔壁に隣り合うセル通路の間で排気を流通させるためのスリットが設けられた、排気浄化用の触媒を担持させた担体と、
この担体に流入する排気の流れを偏らせて、この排気の流れに関して下式（２）により求められるＵＩ値を０．５〜０．６５とする偏流形成手段と、を含んで構成されるエンジンの排気浄化装置。
ＵＩ＝１−Σ｛｜Ｖｉ−Ｖａｖｅ｜×Ｓｉ／（２×Ｖａｖｅ×Ｓ）｝  ・・・（２）
Ｖｉ：流路断面を分割した各エリアにおける流速
Ｖａｖｅ：流路断面全体における平均流速
Ｓｉ：各エリアの面積
Ｓ：流路断面の総面積
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気浄化装置に関し、詳細には、排気浄化用の触媒を担持させた担体にスリットが設けられた排気浄化装置において、担体での触媒の活性点を確保することにより、排気の浄化効率を向上させるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの排気浄化装置として、排気浄化用の触媒を担持させるための担体に、隣り合うセル通路を連通させるスリットが設けられた金属製の担体が知られている。このようなスリットメタル型の担体を備える排気浄化装置によれば、担体に流入する排気の流れに偏りがあり、流速の分布が一様でなかったとしても、隣り合うセル通路の間でスリットを介して排気を流通させて、担体全体に排気を行き渡らせることが可能であり、触媒の活性点を確保することができる。
【特許文献１】特開２００５−２６２０９８号公報（段落番号００１５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
担体にスリットが設けられた上記の排気浄化装置によれば、マニホールド部のような排気の流れに偏りの生じ易い箇所においては、スリットの利点を生かして触媒の活性点を確保し、排気を効率的に浄化することが可能である。しかしながら、床下部のような排気の流れが一様となり、流速の分布が一様となる箇所においては、隣り合うセル通路の圧力に差が生じ難いことから、スリットの利点が生かされず、所要の浄化効率が得られない場合がある。
【０００４】
本発明は、このような問題を考慮し、排気浄化用の触媒を担持させた担体にスリットが設けられたエンジンの排気浄化装置において、担体に流入する排気の流れに意図的な偏り（偏流）を生じさせることにより、担体における触媒の活性点を確保し、排気の浄化効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、排気浄化用の触媒を担持させた担体に、隣り合うセル通路の間で排気を流通させるためのスリットを設けるとともに、この担体に流入する排気の流れを、担体の中央部に対してその周辺部に偏らせるものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、担体に流入する排気に偏流を生じさせることにより、隣り合うセル通路の間でスリットを介して排気を流通させて、担体における触媒の活性点を確保し、排気の浄化効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るエンジンの排気浄化装置の構成を示している。
本実施形態では、エンジンとしてガソリンエンジンを採用している。このエンジンの排気通路１０１には、上流側から比較的に小容量の第１の触媒コンバータ１０２と、これよりも大容量の第２の触媒コンバータ１０３が介装されている。エンジンから排出された燃焼後の排気は、これらの触媒コンバータ１０２，１０３を順に通過して窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）等の排気中の有害成分が浄化された後、大気中に放出される。
【０００８】
第１の触媒コンバータ１０２は、酸化触媒を担持させた第１の担体（図示せず。）を収容するものであり、排気通路１０１のマニホールド部に配置されている。他方、第２の触媒コンバータ１０３は、三元触媒を担持させた第２の担体１０３ａを収容するものであり、排気通路１０１の床下部に配置されている。排気通路１０１のうち、床下部は、排気の流れが一様となり、乱れを生じさせるための特別な手段を用いなければ、排気の流速にばらつき（分布）が生じ難い箇所である。
【０００９】
本実施形態において、第２の担体１０３ａは、金属製の担体であり、比較的に大きなピッチの波形が付された薄板（「第１の薄板」に相当する。）と、平坦に形成された薄板（「第２の薄板」に相当する。）とを重ね合わせ、これを多重に巻回することにより形成されたものである。第２の担体１０３ａに関するこのような構成自体については既によく知られたところであるから、ここでの説明は省略する。なお、「第２の薄板」には、「第１の薄板」よりも小さなピッチの波形が付された薄板を採用してもよい。
【００１０】
また、本実施形態では、これらの薄板のうち、平坦に形成された後者の薄板において、セル通路を画成する隔壁に流れの方向に所定の間隔を空けてスリットＳ（図２）を形成し、この薄板によりその両側に形成されるセル通路を、複数のスリットＳを介して連通させている。第２の担体１０３ａに流入した排気は、隣り合うセル通路の間でこれらのスリットＳを介して流通させることにより、第２の担体１０３ａ全体に行き渡らせることが可能である。なお、スリットは、平坦に形成された薄板（第２の薄板）に限らず、この薄板に代えて又はこれとともに、より大きなピッチの波形が付された「第１の薄板」に形成してもよい。また、第１の触媒コンバータ１０２に収容する担体（第１の担体）には、金属製及びセラミック製等、いずれの担体を採用してもよい。金属製の担体とする場合は、波形が付された薄板と、平坦に形成された薄板（又はより小さなピッチの波形が付された薄板）とを重ね合わせたものを多重に巻回し、更にこれらの薄板の一方又は双方において、第２の担体１０３ａと同様に隣り合うセル通路を連通させるスリットを形成することができ、これにより排気の浄化効率を向上させることが可能である。
【００１１】
本実施形態において、第２の触媒コンバータ１０３の上流（、かつ第１の触媒コンバータ１０２の下流）には、バタフライ型の弁部材１０４が設置されている。この弁部材（以下「偏流弁」という。）１０４は、「偏流形成手段」を構成する「邪魔板」に相当するものである。偏流弁１０４により、排気の流れが排気通路１０１の中央部で部分的に遮断され、第２の触媒コンバータ１０３（及び第２の担体１０３ａ）に流入する排気において、第２の担体１０３ａの中央部に対してその周辺部に相対的に偏らせた偏流が形成される。偏流弁１０４は、排気通路１０１の管壁を貫通させて回転可能に設置された軸により支持されており、「駆動装置」としてのアクチュエータ１５１によりこの回転軸を駆動することにより、偏流弁１０４の角度を変化させて、排気の流れの偏りを制御することが可能である。アクチュエータ１５１は、ステップモータ等により構成され、「制御装置」としてのコントロールユニット２０１からの指令信号に基づいて作動して、偏流弁１０４の角度を変化させる。本実施形態において、コントロールユニット２０１の機能は、エンジンのコントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という。）に兼ねさせている。なお、「偏流形成手段」は、「邪魔板」としての偏流弁１０４、アクチュエータ１５１、ＥＣＵ２０１及び後述する各種の運転状態センサにより構成される。
【００１２】
ＥＣＵ２０１には、運転者によるアクセルペダルの操作量を検出するためのアクセルセンサ２５１からの信号、クランク角センサ２５２からの単位クランク角又は基準クランク角毎の信号（ＥＣＵ２０１は、これに基づいてエンジン回転数を算出する。）、及びエンジン冷却水の温度を検出するための冷却水温度センサ２５３等、エンジンの運転状態が入力される。アクセルセンサ２５１、クランク角センサ２５２及び冷却水温度センサ２５３は、「運転状態センサ」に相当する。ＥＣＵ２０１は、入力された各種の運転状態に基づいて所定の演算を実行し、アクチュエータ１５１に対して演算結果に応じた指令信号を出力する。本実施形態において、ＥＣＵ２０１は、エンジンの実際の運転状態に応じ、後述する「ＵＩ」値が０．５〜０．６５の範囲（より好ましくは、０．５５〜０．６２５の範囲）となるように、偏流弁１０４の角度を制御する。
【００１３】
図２は、第２の担体（以下、単に「担体」という。）１０３ａの内部における排気の流れを模式的に示している。
担体１０３ａには、その径方向に重なり合う隔壁１３１，１３１により挟まれた空間として、この担体１０３ａを軸方向に貫通する複数のセル通路Ｐが形成されており、担体１０３ａに流入した排気は、これらのセル通路Ｐを介して担体１０３ａを通過する。また、担体１０３ａの隔壁１３１には、既述のように複数のスリットＳが設けられており、隣り合うセル通路Ｐ，ＰがこれらのスリットＳを介して連通している。なお、この図２に関する説明において、「隔壁」１３１は、スリットＳが設けられる平坦な薄板（第２の薄板）により形成されるものとし、この隔壁１３１上に白金等を触媒成分とするコート層１３２が形成される。
【００１４】
担体１０３ａに流入した排気（その流れの方向を矢印ｆにより示す。）は、セル通路Ｐを介してこの担体１０３ａを通過するとともに、隣り合うセル通路Ｐ，Ｐの間でスリットＳを介して流通する。スリットＳを通過させることにより、排気を担体１０３ａ全体に行き渡らせるとともに、スリットＳを形成する担体１０３ａの内縁端部ｅに排気を接触させ、この部分ｅにおける触媒反応を促進させて、担体１０３ａ全体としての排気の浄化効率を向上させることが可能である。本実施形態では、このようなスリットＳを介する排気の流通作用を積極的に得るため、偏流弁１０４により担体１０３ａに流入する排気の流速に径方向の分布を持たせ、隣り合うセル通路Ｐ，Ｐの間で圧力に差を生じさせる。
【００１５】
以下、「ＵＩ」値及びその測定方法、ならびにＵＩ値が排気の浄化効率に与える影響について説明し、ＵＩ値を０．５〜０．６５（より好ましくは、０．５５〜０．６２５）とすることの理由について説明する。
【００１６】
ＵＩ値は、流れの均一性の指標として用いられるものであり、下式（１）による計算により求められる。
ＵＩ＝１−Σ｛｜Ｖｉ−Ｖａｖｅ｜×Ｓｉ／（２×Ｖａｖｅ×Ｓ）｝  ・・・（１）
Ｖｉ：流路断面を分割した各エリアにおける流速
Ｖａｖｅ：流路断面全体における平均流速
Ｓｉ：各エリアの面積
Ｓ：流路断面の総面積
図３は、ＵＩ値の測定に使用する装置の概略的な構成を示している。なお、ＵＩ値の測定においては、被検媒体として、エンジンの排気に代えて空気を使用する。
【００１７】
エアトンネル３０１は、ＵＩ値の測定に際して図示しないブロワにより供給される空気を流通させるためのものである。エアトンネル３０１の内径は、排気管のものと同じに設定されている。本実施形態では、このブロワにより毎分４立方メートルの空気を流通させて測定を行う。また、エアトンネル３０１には、流通する空気の流量を測定するための流量計３５１が設置されており、更にこの流量計３５１の下流には、偏流を生じさせるための邪魔板３１１が設置されている。図３には、邪魔板として図１に示す偏流弁１０４と同様の弁部材を使用した場合の装置を示している。邪魔板３１１の下流には、エアトンネル３０１に対して担体１０３ａと同径の流路拡張管（ディフューザ）３０２が接続されており、この流路拡張管３０２の下流側の端部から若干の（５ｍｍほどの）間隔を空けて熱線式の流速センサ３５２が配置されている。この流速センサ３５２は、その位置を変更することが可能である。ＵＩ値は、このような装置により、流量計３５１及び流速センサ３５２の検出信号に基づいて算出する。
【００１８】
図４は、ＵＩ値の測定原理を示している。
ＵＩ値は、担体１０３ａの流路断面を格子状のエリアに分割し、各エリアについて流速センサ３５２により流速Ｖｉを測定するとともに、測定した流速Ｖｉを計算データとして使用して、上式（１）により算出する。本実施形態では、各エリアの面積Ｓｉを２５平方ミリメートル（５ｍｍ平方のエリア）とし、平均流速Ｖａｖｅは、流量計３５１により測定した流量Ｑを流路断面の総面積Ｓで除することにより算出する（Ｖａｖｅ＝Ｑ／Ｓ）。
【００１９】
更に、本実施形態では、ＵＩ値と排気の浄化効率との関係を評価するため、図５及び６に示すように、邪魔板３１１の種類及び邪魔板３１１によるエアトンネル３０１の閉塞率Ｒを異ならせてＵＩ値を測定するとともに、測定したそれぞれのＵＩ値について排気中のＨＣの転化率を測定する。なお、図５及び６は、いずれもエアトンネル３０１の内部を図３の矢印ａの方向から観た状態で示している。
【００２０】
図５（ａ）は、邪魔板３１１を設置しない場合を示している。この標準的な場合において、上式（１）により算出されるＵＩ値は、０．６７２である。
図５（ｂ）及び（ｃ）は、邪魔板３１１として平坦に形成された板部材３１１ａを使用した場合を示している。本実施形態では、この板部材３１１ａをエアトンネル３０１に対して外部からその中心軸に対して垂直に挿入することにより、エアトンネル３０１の周辺部で空気の流れを部分的に遮断し、流路拡張管３０２に流入する流れを流路拡張管３０２の中央部に対してその周辺部に相対的に偏らせている。この図５（ｂ）及び（ｃ）に示す場合において、板部材３１１ａによる閉塞率Ｒは、１５％（図５（ｂ）：以下「タイプＡ」という。）、及び３０％（図５（ｃ）：以下「タイプＢ」という。）である。なお、「閉塞率」Ｒとは、邪魔板３１１の流れに垂直な平面に対する投影面積Ｓｐの、流路断面の総面積Ｓに対する比率（＝Ｓｐ／Ｓ）をいう。これらの場合に得られたＵＩ値は、タイプＡについては０．５７４、タイプＢについては０．４９５である。
【００２１】
図６（ａ）及び（ｂ）は、邪魔板３１１としてバタフライ型の弁部材３１１ｂを使用した場合を示している。本実施形態では、この弁部材３１１ｂにより、図１に示すと同様にエアトンネル３０１の中央部で空気の流れを部分的に遮断している。弁部材３１１ｂは、その角度を調整することが可能である。この図６（ａ）及び（ｂ）に示す場合の弁部材３１１ｂによる閉塞率Ｒも、１５％（図６（ａ）：以下「タイプＣ」という。）、及び３０％（図６（ｂ）：以下「タイプＤ」という。）である。これらの場合に得られたＵＩ値は、タイプＣについては０．６５３、タイプＤについては０．６０６である。
【００２２】
図７は、図５（ａ）〜（ｃ）、ならびに図６（ａ）及び（ｂ）のそれぞれの場合について、実際にエンジンを運転させることにより得られたＨＣ転化率を示している。なお、図７において、横軸は、ＵＩ値を、縦軸は、標準的な場合（ＳＴＤにより示す。）と、各タイプＡ〜Ｄの場合とのそれぞれについて得られたＨＣ転化率を示している。
【００２３】
邪魔板３１１を設置しない場合（ＳＴＤ）と比較して、邪魔板３１１により排気の流れを部分的に遮断して、ＵＩ値を減少させた場合（タイプＡ〜Ｄ）は、全体としてＨＣ転化率が増大しており、偏流の積極的な形成により、スリットメタル型の担体１０３ａを使用した排気浄化装置において、排気の浄化効率を向上させ得ることが分かる。また、図７に示すように、ＵＩ値は、邪魔板３１１の形態によらず０．５〜０．６５の範囲であるのが好ましく、排気の浄化効率の観点から、０．５５〜０．６２５の範囲であるのがより好ましい。
【００２４】
以上のように、本実施形態によれば、邪魔板３１１（又は偏流弁１０４）により担体１０３ａに流入する排気の流れを偏らせ、この排気に偏流を形成することにより、隣り合うセル通路Ｐ，Ｐの間でのスリットＳを介する排気の流通を促進させ、担体１０３ａにおける触媒の活性点を確保し、排気の浄化効率を向上させることができる。「邪魔板」として制御可能な偏流弁１０４を採用した場合は、エンジンの運転状態に応じてＵＩ値が０．５〜０．６５（より好ましくは、０．５５〜０．６２５）となるように偏流弁１０４の角度を制御することにより、ＵＩ値の減少による圧損の増大及び触媒温度の低下等の弊害を考慮しつつ、スリットＳの効果を安定的に得て、運転状態の変化によらず排気の浄化効率を維持することができる。
【００２５】
なお、排気に偏流を生じさせるには、邪魔板３１１（又は偏流弁１０４）を設置することのほか、排気管自体を湾曲させて、排気の流れを担体１０３ａの周辺部に偏らせたり、排気通路１０１の内壁に隆起を形成して、この隆起により排気の流れを部分的に遮断するようにしてもよい。
【００２６】
また、エンジンには、ガソリンエンジンに限らず、ディーゼルエンジンを採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジンの排気浄化装置の構成
【図２】担体の内部における排気の流れ
【図３】ＵＩ値の測定に使用する装置の概略的な構成
【図４】ＵＩ値の測定原理
【図５】邪魔板としての板部材の設置状態
【図６】邪魔板としての弁部材の設置状態
【図７】ＵＩ値とＨＣ転化率との関係
【符号の説明】
【００２８】
１０１…排気通路、１０２…第１の触媒コンバータ、１０３…第２の触媒コンバータ、１０３ａ…「担体」としての第２の担体、１０４…「弁部材」としての偏流弁、１３１…隔壁、１３２…触媒のコート層、１５１…「駆動装置」としてのアクチュエータ、２０１…「制御装置」としてのコントロールユニット（エンジンのコントロールユニット）、２５１…アクセルセンサ、２５２…クランク角センサ、２５３…冷却水温度センサ、３０１…エアトンネル、３０２…流路拡張管（ディフューザ）、３１１…邪魔板、３１１ａ…「邪魔板」としての板部材、３１１ｂ…「邪魔板」としての弁部材、３５１…流量計、３５２…流速センサ、Ｐ…セル通路、Ｓ…スリット。
【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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