(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気管上に配設されて排気ガスを浄化する排気浄化触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記排気浄化触媒が、円柱状の形態を有し、その外周寄りに排気ガス中の未燃燃料を吸着・放出する物質を担持させた未燃燃料吸着部を有しており、
前記排気浄化触媒の中心軸に直角な円形断面上で、前記円形断面の断面積の二分の一の面積となる基準円を前記中心軸を中心として描いたときに、前記未燃燃料吸着部が、前記基準円よりも外側に形成されており、
前記排気管は、一部が拡径され、内径が拡張する部分を有し、当該拡径された内部に前記排気浄化触媒が配設され、
前記排気浄化触媒の上流側に、流れてきた排気ガスを分流するガイド部材が配設され、
前記ガイド部材は、前記排気管が拡張する部分よりも上流側が一定の内径及び外径を有する円筒状であり、下流側が前記排気管が拡張する部分で下流に向けて徐々に拡径される円錐管状であることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記未燃燃料吸着部が、前記排気浄化触媒の長さ方向の上流側のみに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記排気浄化触媒が、その長さ方向に複数に分割されており、少なくともその最も上流側に位置する分割部分が前記未燃燃料吸着部を有していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガスを浄化する際に排気ガス中の未燃燃料分を低温時に吸着して高温時に放出する未燃燃料部を有する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気ガスは、三元触媒などの排気浄化触媒によって浄化された後に大気に放出される。排気浄化触媒は、ある所定の活性化温度にならないと本来の浄化性能を発揮し得ない。排気ガス中に含まれる成分のうちで浄化されるものの一つとして、完全に燃焼せずに排気ガス中に含まれることとなった未燃燃料成分である炭化水素HCがある。特に、冷間始動直後の排気ガスにはこの炭化水素HCが多量に含まれる。
【０００３】
そこで、排気通路上に未燃燃料成分を吸着する吸着部材を新たに配置したり、排気浄化触媒自体に吸着機能を付与して、冷間始動時の排気ガス中に含まれる未燃燃料成分を吸着し、排気浄化触媒が活性化温度に達した頃に吸着した未燃燃料成分を放出させて排気浄化触媒で浄化するようにした排気浄化装置が実用化されている。排気浄化触媒自体に吸着機能を付与する際には、排気浄化触媒自体に未燃燃料を吸着する物質を担持させる。このような排気浄化装置としては、特開平7-232084号公報に記載のものなどが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した公報に記載されている排気浄化装置もそうであるが、吸着材や吸着部は、低温時に未燃燃料を吸着し、高温になるにつれて吸着した未燃燃料成分を放出するのが一般的な性質である。しかし、排気浄化触媒が活性化温度となる以前に未燃燃料成分が放出されて（早期脱離）しまうと、排気浄化触媒によって未燃燃料成分を充分に浄化することができない。そこで、排気ガスの浄化性能を向上させるためには、排気ガス中の炭化水素HCをより多く吸着し、かつ、排気浄化触媒が活性化温度となるまで、吸着した炭化水素HCをより確実に保持しておくことができるような改善が望まれていた。
【０００５】
従って、本発明の目的は、排気ガスを浄化するに際して、冷間始動後の未燃燃料成分の吸着を確実に行い、かつ、吸着した未燃燃料成分の早期脱離を抑制して排気ガスの浄化効率を向上させることのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気管上に配設されて排気ガスを浄化する排気浄化触媒を備えており、排気浄化触媒が、円柱状の形態を有し、その外周寄りに排気ガス中の未燃燃料を吸着・放出する物質を担持させた未燃燃料吸着部を有しており、排気浄化触媒の中心軸に直角な円形断面上で、円形断面の断面積の二分の一の面積となる基準円を中心軸を中心として描いたときに、未燃燃料吸着部が、基準円よりも外側に形成されており、排気管は、一部が拡径され、内径が拡張する部分を有し、当該拡径された内部に前記排気浄化触媒が配設され、排気浄化触媒の上流側に、流れてきた排気ガスを分流するガイド部材が配設され、ガイド部材は、排気管が拡張する部分よりも上流側が一定の内径及び外径を有する円筒状であり、下流側が排気管が拡張する部分で下流に向けて徐々に拡径される円錐管状であることを特徴としている。
【０００７】
請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の発明において、未燃燃料吸着部が、排気浄化触媒の長さ方向の上流側のみに形成されていることを特徴としている。
【０００８】
請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の発明において、排気浄化触媒が、その長さ方向に複数に分割されており、少なくともその最も上流側に位置する分割部分が未燃燃料吸着部を有していることを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の排気浄化装置の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。まず、図１に、本発明の第一実施形態を示す。
【００１１】
図１には、本実施形態の排気浄化装置を有する排気管１の一部断面図が示されている。図１中左方がエンジンの燃焼室へと繋がる上流側であり、右方が下流側である。排気管１の一部は拡径されており、その内部に排気浄化触媒２が配設されている。排気浄化触媒２は、保持材３によって排気管１の拡径部内面に固定されている。保持材３の具体的材質としては、アルミナマットやセラミックウール、ワイヤーメッシュなどが挙げられる。
【００１２】
排気浄化触媒２は、円柱状の形態を有しており、ハニカム状の部材によって構成されている。排気浄化触媒２の表面にはプラチナやロジウムなどの触媒金属が担持されている。排気浄化触媒２は、三元触媒であり、排気ガス中の炭化水素HC、一酸化炭素CO、窒素酸化物NOxを浄化する。さらに、排気浄化触媒２の外周寄りには、排ガス中の未燃燃料成分(炭化水素HC)を吸着する物質も担持されている。この部分は、排気ガス中の炭化水素HC、一酸化炭素CO、窒素酸化物NOxを浄化する浄化機能と、排ガス中の未燃燃料成分(炭化水素HC)を吸着するHC吸着機能との双方を有している。以下、この部分を未燃燃料吸着部２ａあるいはHC吸着部２ａと言うこととする。
【００１３】
HC吸着部２ａは、排気浄化触媒２がまだ充分に暖まる以前に排気ガス中の未燃燃料成分である炭化水素HCを吸着し、その温度が高温となると吸着した炭化水素HCを放出して浄化する。これに対して、HC吸着部２ａよりも内側の部分は、排気ガス中の炭化水素HC、一酸化炭素CO、窒素酸化物NOxを浄化する浄化機能を有しているが、排ガス中の未燃燃料成分(炭化水素HC)を吸着するHC吸着機能は有していない。以下、この部分を中央浄化部２ｂと言うこととする。
【００１４】
排気浄化触媒２の上流側には、流れてきた排気ガスを分流するガイド部材４が配設されている。ガイド部材４は、その上流側が一定の内径及び外径を有する円筒状の形態を有し、その下流側は徐々に拡径される円錐管状の形態を有している。ガイド部材４は、図１及び図２に示されるように、その上流側の円筒部分に結合された支持材５によって、排気管１の内径が拡張する部分（コーン部）に固定されている。ここでは、支持材５の材質はSUSなどの鋼材である。
【００１５】
ガイド部材４は、排気管１の外周寄りの比較的温度の低い排気ガスをHC吸着部２ａに導き、排気管１の中央寄りの比較的温度の高い排気ガスを中央浄化部２ｂに導く。排気管１内を流れる排気ガスは、外部に熱を放出する排気管１に近い外周寄りの方が比較的温度が低く、中央寄りの部分が比較的温度が高い。上述したように、比較的温度の低い排気ガスをHC吸着部２ａに導くことによって、排気ガスに含まれる炭化水素HCが吸着され、かつ、HC吸着部２ａの温度上昇が緩やかになるので吸着した炭化水素HCはより長期間吸着されたままとなる。ガイド部材４が無くても、排気管１の内部の外周寄りの比較的温度の低い部分はHC吸着部２ａに流れ込みやすいが、このようにガイド部材４を設けることによって、より確実に比較的温度の低い部分HC吸着部２ａに導くことができる。
【００１６】
一方、比較的温度の高い排気ガスはガイド部材４によって中央浄化部２ｂに導かれ、排気浄化触媒２全体をより早期に活性化温度にまで昇温させ、完全な浄化機能をより早期に発現させる。即ち、排気浄化触媒２では、冷間始動直後はHC吸着部２ａに炭化水素HCが吸着されつつ、中央浄化部２ｂが昇温される。中央浄化部２ｂは上流寄りの部分から早期に活性温度に達して排気ガスの浄化が開始される。さらに、中央浄化部２ｂからの熱がHC吸着部２ａにも伝達されて徐々に吸着された炭化水素HCが脱離を始めるが、HC吸着部２ａから脱離した炭化水素HCは、HC吸着部２ａ及び中央浄化部２ｂにおいて直ぐに浄化される。ガイド部材４は、このように排気ガスを分流することによって、排気ガスの浄化効率を向上させる。
【００１７】
排気浄化触媒２の構造についてさらに詳しく説明する。排気浄化触媒２は上述したように円柱状の形態を有しているが、図３に示されるように、その中心軸Ｐに直角な円形断面（排気浄化触媒２の端面も含む）上で、円形断面の断面積（図３中の面積Ｓ1であり、半径ｒ1の円の面積）の二分の一の面積（図３中の面積Ｓ2であり、半径ｒ2の円の面積）となる基準円Ｃを中心軸Ｐを中心として描いたときに、HC吸着部２ａが、基準円Ｃよりも外側（基準円Ｃの円周部を含む）に形成されている。本実施形態においては、HC吸着部２ａと中央浄化部２ｂとの境界が、ちょうど基準円Ｃの円周上にある。即ち、Ｓ1/2=Ｓ2であり、これから、πｒ12/2=πｒ22となり、ｒ1=[2^(1/2)]ｒ2である。
【００１８】
ここで、HC吸着部２ａを上述した基準円Ｃの外側に設けることが好ましいかについての理由を説明する。上述したように、吸着した炭化水素HCの脱離は、吸着した部位の温度上昇によって生じる。ここで、排気浄化触媒２の温度上昇は、（排気浄化触媒２内部での熱伝達もあるが）主として排気ガスから受ける熱量によって左右される。この排気ガスから受ける熱量は、排気ガスの流量と排気ガスの温度の積に比例する。排気ガス自体がどのような温度を持つかは燃焼によって決まるので、排気浄化触媒２の温度分布は主として排気ガスの流量分布に依存する。
【００１９】
そして、排気浄化触媒２における流量は流速にほぼ比例し、排気浄化触媒２の中心軸Ｐに直角な円形断面で見たときに、上述した基準円Ｃを境に排気ガスの流速が変化する。排気浄化触媒２の長さが変わっても、この傾向は常に生じる。この傾向を実験によって測定した結果を、図４に示す。図４は、排気浄化触媒２の上流側端部から一定の距離の位置での測定結果である。図４に示されるグラフの横軸は図５に示される中心Ｏからの距離ｘであり、縦軸はその部分での排気ガスの流速である。図４に示されるように、流速は外周寄りの方が遅い。即ち、排気浄化触媒２の外周寄りの方が排気ガスの流量は少なく、排気ガスから受け取る熱量も少なく、それ自体の温度上昇も起こりにくい。
【００２０】
また、排気浄化触媒２の長さＬ（図５参照）を変えた結果を検討すると、その長さがどのようであっても、上述した基準円Ｃを境に、中央部側は流速が速く、外周寄りは流速が遅い傾向がある。即ち、上述した基準円Ｃより外側は、排気浄化触媒２の長さがどのようであっても流速は遅くなると言える。特に、排気浄化触媒２の長さＬが短い場合は、基準円Ｃよりも外側となることで中央部よりも一層流速が遅くなる。即ち、基準円Ｃよりも外側であれば、排気ガスの流量が中央部よりも一層少なくなり、排気ガスから受ける熱量も少なくなる。この範囲に、HC吸着部２ａを設定すれば、排気ガスの温度による温度上昇は顕著ではなくなり、より効果的に炭化水素HCを吸着することができる。
【００２１】
このため、本実施形態においては、HC吸着部２ａを上述した基準円Ｃよりも外側に設けている。このようにすることによって、冷間始動直後に多くの未燃燃料成分を吸着すると共に、その吸着した未燃燃料成分の早期離脱を抑制し、排気ガスの浄化性能を向上させることができる。
【００２２】
図６に本発明の第二実施形態を示す。本実施形態は、上述した第一実施形態と類似の構成を有している。このため、以下には上述した第一実施形態と異なる部位について詳しく説明し、第一実施形態と同一又は同等のその他の構成部位については同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。
【００２３】
本実施形態においては、HC吸着部２ａの形成範囲が異なる。上述した基準円Ｃよりも外側にHC吸着部２ａが形成されるのは第一実施形態と同様であるが、本実施形態では、HC吸着部２ａが排気浄化触媒２の上流側にのみ形成されている。排気浄化触媒２に流入する排気ガスの温度の高い部分は、ガイド部材４によって排気浄化触媒２の中央部に流入される。しかし、排気浄化触媒２の内部での熱伝達や、排気浄化触媒２内部での排気ガスの流速が下流側の方が遅くなるなどの理由から、排気浄化触媒２の上流側と下流側とを比較した場合、下流側の方が温度の高い部分がより外周に近い位置まで達する場合もある。
【００２４】
そこで、本実施形態では、この部分にHC吸着部２ａを設けずに、通常の中央浄化部２ｂと同様の範囲とした。ただし、このようにすると、HC吸着部２ａが形成される範囲が少なくなるため、吸着することのできる炭化水素HCの絶対量が少なくなる場合もあり得る。第一実施形態のような形態とするか、本実施形態のような形態とするか、あるいはその他の形態とするかは、状況に応じて適宜選択すればよい。あるいは、HC吸着部２ａの形成範囲が少なくなっても吸着量が減少しないように、担持させる吸着物質などを変更して対処してもよい。
【００２５】
図７に本発明の第三実施形態を示す。本実施形態は、上述した第二実施形態と類似の構成を有している。このため、以下には上述した第一及び第二実施形態と異なる部位について詳しく説明し、第一及び第二実施形態と同一又は同等のその他の構成部位については同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。
【００２６】
本実施形態においては、排気浄化触媒２が二分割されている。そして、その上流側部分２ｘの全長にわたって、その外周寄りにHC吸着部２ａが形成されている。HC吸着部２ａが上述した基準円Ｃよりも外側に形成されているのは上述した第一及び第二実施形態と同様である。一方、下流側部分２ｙは、その全体が上流側部分２ｘの中央浄化部２ｂと同様な浄化部２ｃとされている。上流側部分２ｘと下流側部分２ｙとの間には隙間６が形成されている。
【００２７】
第一実施形態での説明で説明したように、外周寄りの排気ガス流量が少ないという傾向は排気浄化触媒の長さに寄らず生じるので、このように分割された排気浄化触媒２に関しても、上流側部分２ｘに関してみれば、上述した第一実施形態と全く同様である。第一実施形態の図４に示される実験と同様の実験を本実施形態の排気浄化触媒２を用いて行った。結果を図８に示す。図８に示されるグラフの横軸は図９に示される中心Ｏからの距離ｘであり、縦軸はその部分での排気ガスの流速である。
【００２８】
図８に示されるように、上流側部分２ｘについては外周寄りの方が排気ガスの流量（流速）は少なく、排気ガスから受け取る熱量も少なく、それ自体の温度上昇も起こりにくい。下流側部分２ｙについては、距離ｘによらず、ほぼ一定の流速であるが、これは上流側に上流側部分２ｘがあり、かつ、隙間６が形成されているためと思われる。このことから、下流側部分２ｙの外周寄りにHC吸着部を設けても有効な効果をあまり得られないと思われる。本実施形態においては下流側部分２ｙにHC吸着部は形成されていない。
【００２９】
また、排気浄化触媒２の長さ（上流側部分２ｘに関しては長さＬ1、下流側部分２ｙに関しては長さＬ2。図９参照）を変えた結果を検討すると、上流側部分２ｘについては、その長さがどのようであっても、上述した基準円Ｃを境に、中央部側は流速が速く、外周寄りは流速が遅い傾向がある。即ち、上流側部分２ｘについては基準円Ｃよりも外側であれば、排気ガスの流量が中央部よりも一層少なくなり、排気ガスから受ける熱量も少なくなる。この範囲に、HC吸着部２ａを設定すれば、排気ガスの温度による温度上昇は顕著ではなくなり、より効果的に炭化水素HCを吸着することができる。一方、下流側部分２ｙに関してはこのような傾向はない。
【００３０】
本発明の内燃機関の排気浄化装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態においては、HC吸着部２ａと中央浄化部２ｂとの境界は基準円Ｃの円周上に位置したが、HC吸着部は、基準円よりも外側（基準円Ｃの円周上を含む）に形成されれば良く、その境界が基準円Ｃの円周上に位置しなくてはならないというわけではない。また、HC吸着部と中央浄化部との境界は、排気浄化触媒の中心軸に直角な断面の何れにおいても同じ位置になくてはならないわけではなく、断面位置によってその形成範囲が異なっても良い。ただし、HC吸着部は、基準円よりも外側に形成される。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、比較的温度の低い排気ガスを未燃燃料吸着部に導いてより多くの未燃燃料成分を吸着し、かつ、未燃燃料吸着部の基準円よりも外側に形成しておくことで吸着した未燃燃料成分の早期脱離を抑制することができる。この結果、より長期間、未燃燃料吸着部に燃燃料成分を吸着させておき、離脱時これを確実に浄化することができ、排気ガスの浄化性能をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排気浄化装置の第一実施形態における排気浄化触媒の断面図である。
【図２】図１におけるA-A線断面図である。
【図３】図１における排気浄化触媒の斜視図である。
【図４】排気浄化触媒の断面における、中心からの距離とその位置での排気ガス流速との関係を示すグラフである。
【図５】排気浄化触媒における距離ｘと長さＬを説明する斜視図である。
【図６】本発明の排気浄化装置の第二実施形態における排気浄化触媒の断面図である。
【図７】本発明の排気浄化装置の第三実施形態における排気浄化触媒の断面図である。
【図８】排気浄化触媒の断面における、中心からの距離とその位置での排気ガス流速との関係を示すグラフである（排気浄化触媒二分割の場合）。
【図９】排気浄化触媒における距離ｘと長さＬ1,Ｌ2を説明する斜視図である（排気浄化触媒二分割の場合）。
【符号の説明】
１…排気管、２…排気浄化触媒、２ａ…HC吸着部（未燃燃料吸着部）、２ｂ…中央浄化部、４…ガイド部材、Ｃ…基準円。
【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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