JPH0538314U - 触媒の早期活性化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ヒータや高周波を用いることなく、水素吸蔵
合金の反応熱によって触媒を早期に活性化でき、また熱
歪の発生を防止できる触媒の早期活性化装置を提供す
る。 【構成】 排気管の内筒３に設けた触媒４の周囲にこの
触媒４を加熱する水素吸蔵合金５を収容する外筒１１を
設ける。また、内筒３と外筒１１の両端部相互を軸方向
に伸縮自在なベローズ１５によって連結する。一方、水
素ボンベから水素配管を介して水素吸蔵合金５に水素を
供給し、この水素吸蔵合金５に水素反応を起こして反応
熱を発生させて前記触媒４を活性化する。水素吸蔵合金
５が水素反応を起こして反応熱が発生すると、内筒３お
よび外筒１１が加熱され、熱膨張を起こし、熱膨張率の
違いにより、熱応力が発生するが、ベローズ１５が伸縮
して熱膨張を吸収する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、自動車エンジンの排気経路に設けられる触媒を早期に活性化す る触媒の早期活性化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

ガソリン・エンジンを燃焼して走行する自動車の排気ガスは、ＨＣとＣＯの 酸化還元反応を３元触媒によって行うことによってエミッションを低減している 。しかし、３元触媒は高温度域で活性化して触媒としての働きを行うために、冷 間始動時にはその役目を果たさない。

【０００３】 すなわち、エンジンの停止中は３元触媒は常温であり、触媒としての働きをし ないが、エンジンを始動すると、エンジンから排気される排気ガスによって触媒 が加熱され、約３５０℃に達すると、触媒がＨＣとＣＯの酸化還元反応を行うが 、その温度まで上昇するのに約３分の時間が必要である。

【０００４】 したがって、エンジンを始動後、触媒の温度が上昇するまでに多くのＨＣ，Ｃ Ｏが大気中に放出されてしまうという問題があり、触媒の早期活性化が要望され ている。

【０００５】 触媒を加熱する手段として従来はヒータを用いたり、高周波を用いることが知 られているが、触媒を早期に高温に加熱するためには、約７００Ａという大電流 が必要となり、実用化が難しい。

【０００６】 また、最近では、水素ガスと反応性に富む合金として水素吸蔵合金の反応熱を 利用してエンジンの冷却水、オイルあるいは吸気等を加熱する加熱装置が知られ ている。

【０００７】 この加熱装置は、例えば特開昭６３−１９８７１４号公報に示すように、水素 吸蔵合金を収容した加熱器と、水素ガスを貯蔵した水素タンクと、この加熱器と 水素タンクとを連通する制御弁を有するガス通路とから構成されている。

【０００８】 そして、冷寒始動時などにおいてエンジンの排気ガスで水素タンクを加熱する と、水素ガスが放出され、加熱器の内部の水素吸蔵合金が水素ガスを吸蔵して加 熱し、その熱でエンジンの冷却水を加熱するとともに、水素吸蔵合金に吸蔵され た水素ガスを解離させて水素タンク内に戻すヒートポンプシステムである。

【０００９】

【考案が解決しようとする課題】

このように水素吸蔵合金の反応熱を利用することにより、電力を使用すること なく、エンジンの冷却水、オイルあるいは吸気等を加熱する加熱装置は公知であ るが、エンジンを始動後、触媒の温度が上昇するまでに多くのＨＣ，ＣＯが大気 中に放出されてしまうという問題を解決したものはないのが現状である。

【００１０】 この考案は、前記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、 エンジンを始動後、触媒の温度を早期に上昇させ、触媒の活性化を図ることがで きる触媒の早期活性化装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

この考案は、前記目的を達成するために、請求項１は、エンジンの排気経路 に設けられ内部に触媒を収容した内筒と、この内筒を覆うように設けられ内部に 前記触媒を加熱する水素吸蔵合金を収容した外筒との二重構造とし、この外筒の 軸方向両端側に、一端が前記内筒に固定され他端が外筒に固定され、内筒および 外筒の軸方向に伸縮自在なベローズを設け、さらに前記水素吸蔵合金に水素を供 給し、この水素吸蔵合金に水素反応を起こして反応熱を発生させて前記触媒を活 性化する水素ガス供給手段とを備える。

【００１２】 請求項２は、エンジンの排気経路に設けられ内部に触媒を収容した内筒と、こ の内筒を覆うように設けられ内部に前記触媒を加熱する低温活性形と高温活性形 の少なくとも２種類の水素吸蔵合金および水素ガスを収容した外筒との二重構造 とし、この外筒に前記低温活性形の水素吸蔵合金を加熱する電気ヒータを設ける 。さらに、この外筒の軸方向両端側に、一端が前記内筒に固定され他端が外筒に 固定され、内筒および外筒の軸方向に伸縮自在なベローズを備える。

【００１３】

【作用】

請求項１は、エンジンの始動信号等によって水素を水素吸蔵合金に供給する と、水素吸蔵合金は化学変化し、その際に反応熱を発生する。この反応熱によっ て触媒が加熱され、早期に活性化される。また、水素吸蔵合金が発熱すると、内 筒および外筒が熱膨張するが、その膨張をベローズによって吸収し、熱歪を防止 する。

【００１４】 請求項２は、エンジンの始動信号等によって電気ヒータに通電すると、電気ヒ ータによって低温活性形の水素吸蔵合金が加熱されて水素反応を起こし、その反 応熱を高温活性形の水素吸蔵合金に伝え、高温活性形の水素吸蔵合金は化学変化 し、その際に反応熱を発生する。この反応熱によって触媒が加熱され、早期に活 性化される。また、高温活性形の水素吸蔵合金が発熱すると、内筒および外筒が 熱膨張するが、その膨張をベローズによって吸収し、熱歪を防止する。

【００１５】

【実施例】

以下、この考案の各実施例を図面に基づいて説明する。

【００１６】 図１〜図４は第１の実施例を示し、１は自動車のガソリン・エンジンであり、 ２はエンジン１から排気される排気ガスを排出する排気経路としての排気管であ る。排気管２の途中には内筒３が設けられ、この内筒３の内部には３元触媒４が 設けられている。さらに、この内筒３の外側にはＺｒ・Ｔｉ・Ｆｅ・Ｖ・Ｃｒ系 の水素吸蔵合金５が設けられている。

【００１７】 また、６は水素供給手段としての水素ボンベであり、この水素ボンベ６は水素 配管７を介して前記水素吸蔵合金５に連通している。水素配管７の途中には電磁 開閉弁８が設けられ、この電磁開閉弁８は自動車の運転席に設けられるエンジン キー９を介してバッテリー１０に電気的に接続されている。

【００１８】 前記エンジンキー９はＯＦＦ，ＡＣＣ，ＯＮ，ＩＧＮの端子を有しており、可 動接点９ａが前記ＯＮ端子９ｂに接したとき、つまりＩＧＮスイッチがＯＮする 前に電磁開閉弁８に開弁信号が入力されるようになっている。

【００１９】 前記内筒３にはこれを覆うように外筒１１が設けられ、内筒３と外筒１１との 間に環状空間部１２が形成されている。この環状空間部１２の両端部には開口を 閉塞するためのバックアップリング１３が設けられている。

【００２０】 このバックアップリング１３は金属板で、その表面には水素ガスを透過しにく い材料のコーティング膜が施されている。さらに、バックアップリング１３の外 周縁および内周縁には熱膨張率の高い銅材料のガスケット１４，１４が装着され 、前記内筒３と外筒１１との間を密封している。

【００２１】 前記バックアップリング１３の外側には前記内筒３の外周部の全周に亘ってベ ローズ１５が設けられている。このベローズ１５の一端部は前記内筒３の外周面 に溶接され、他端部は前記外筒１１の内周面に溶接されている。このベローズ１ ５は内筒３および外筒１１の軸方向に伸縮自在であり、内筒３および外筒１１の 熱膨張を吸収するとともに、排気ガス圧の変動による３元触媒４の振動を吸収す る役目をしている。

【００２２】 さらに、前記バックアップリング１３とベローズ１５との間にはシム１５ａが 介在されている。このように内筒３の外周には外筒１１とバックアップリング１ ３によって密封された環状空間部１２が形成され、この環状空間部１２の内部に は前記水素吸蔵合金５が収容されている。

【００２３】 さらに、前記環状空間部１２の内部には複数本のパイプ１６が貫通して設けら れ、これらパイプ１６には透孔１６ａが穿設されている。そして、このパイプ１ ６の基端部が前記水素配管７と接続されている。

【００２４】 次に、前述のように構成された触媒の早期活性化装置の作用について説明する 。まず、エンジンの停止中においては、３元触媒４の温度が図４に示すように、 Ｔａであるとすると、水素吸蔵合金５が水素を吸蔵するのに必要な最低圧力がＰ ａとなる。ここで、エンジン１を始動するためにエンジンキー９を入力し、可動 接点９ａがＯＮ端子９ｂに接触すると、電磁開閉弁８が開弁する。

【００２５】 電磁開閉弁８が開弁すると、水素ボンベ６から圧力がＰａ以上に加圧された水 素ガスが水素配管７を介して環状空間部１２の内部の水素吸蔵合金５に供給され る。

【００２６】 水素吸蔵合金５に水素ガスが供給されると、図１に示すように、水素吸蔵合金 ５は水素ガスを取り込んで化学変化し、その際に反応熱を発生する。この反応熱 は内筒３を介して３元触媒４が加熱されて触媒が早期に活性化される。

【００２７】 ここで、水素吸蔵合金５が、Ｚｒ・Ｔｉ・Ｆｅ・Ｖ・Ｃｒ系の場合、７．６ｋ ｃａｌ／ｍｏｌＨ₂ であり、３元触媒４が活性化する温度３５０℃まで上昇する ために必要な熱量３０ｋｃａｌは約２０ｇの合金反応で賄うことができる。

【００２８】 ３元触媒４が活性化し、エンジン１等の暖気が終了して定常運転が可能になる と、図２に示すように、今度はエンジン１から排気される排気ガスの熱によって 触媒温度はＴｂとなり、水素吸蔵合金５内に吸蔵された水素ガスがＰｂの圧力に なるまで放出され、水素配管７を介して水素ボンベ６に戻る。

【００２９】 ここで、電磁開閉弁８を閉弁すると、水素ボンベ６の内部には次に水素吸蔵合 金５に反応を行わせるのに十分な圧力を持った水素ガスが貯蔵される。したがっ て、ヒータや高周波を用いることなく、水素吸蔵合金５の反応熱によって３元触 媒４を早期に活性化できる。

【００３０】 また、水素吸蔵合金５が化学変化を起こし、その反応熱によって内筒３および 外筒１１が加熱され、熱膨張を起こし、熱膨張率の違いにより、熱応力が発生す るが、内筒３と外筒１１とはベローズ１５によって連結されているため、ベロー ズ１５が伸縮して熱膨張を吸収し、熱歪の発生を防止できる。 図５〜図７は第２の実施例を示すもので、第１の実施例と共通する部分は同一 番号を付して説明を省略する。

【００３１】 ３元触媒４を収容する内筒３の外周に設けられた環状空間部１２には低温活性 形水素吸蔵合金２１と高温活性形水素吸蔵合金２２の２種類の水素吸蔵合金が収 容されている。低温活性形水素吸蔵合金２１は、Ｚｒ・Ｔｉ・Ｆｅ・Ｖ・Ｃｒ系 の合金で約１０℃で水素反応を起こし、高温活性形水素吸蔵合金２２は、Ｔｉ・ Ｆｅ・Ｃｏ，Ｚｒ系の合金で約７０℃で水素反応を起こすように形成されている 。

【００３２】 前記低温活性形水素吸蔵合金２１は、芯部に電気ヒータ２３を有したワイヤメ ッシュ２４の内部に収容され、略円柱状に形成された合金ブロックで、これら合 金ブロックは帯状板体を湾曲形成したホルダー２５によって前記環状空間部１２ に支持されている。さらに、この低温活性形水素吸蔵合金２１の周囲は高温活性 形吸蔵合金２２によって覆われ、さらに、この環状空間部１２の内部には水素ガ スが収容されている。

【００３３】 また、前記電気ヒータ２３はタイマスイッチ２６を介してエンジン１を始動す るためにエンジンキー９に電気的に接続されており、タイマスイッチ２６は通電 後２０秒でＯＦＦするように設定されている。

【００３４】 次に、前述のように構成された触媒の早期活性化装置の作用について説明する 。今、気温が０℃とすると、図７に示すように、低温活性形水素吸蔵合金２１と 高温活性形水素吸蔵合金２２のいずれも水素反応を起こさないことが分かる。

【００３５】 ここで、エンジン１を始動するためにエンジンキー９を入力し、可動接点９ａ がＯＮ端子９ｂに接触すると、タイマスイッチ２６がＯＮとなり、電気ヒータ２ ３に通電される。

【００３６】 そして、電気ヒータ２３が発熱して低温活性形水素吸蔵合金２１の温度が１０ ℃以上になると、反応が始まり、水素ガスの吸蔵とともに反応熱が発生する。低 温活性形水素吸蔵合金２１の反応熱はこの周囲を取り囲む高温活性形水素吸蔵合 金２２に伝わる（ＴａからＴｂ）。

【００３７】 高温活性形水素吸蔵合金２２は温度がＴｂ´になると、反応を始め、水素ガス の吸蔵とともに反応熱が発生してＴｃ´まで反応が進む。高温活性形水素吸蔵合 金２２も低温活性形水素吸蔵合金２１と同じ温度なので、その時には低温活性形 水素吸蔵合金２１はＴｃとなり、Ｐｃの圧力の水素ガスを放出して高温活性形水 素吸蔵合金２２に水素ガスを供給する。この反応は高温活性形水素吸蔵合金２２ の上限、約２５ａｔｍ，１９０℃まで続き、その間の反応熱によって３元触媒４ が活性化される。

【００３８】 ３元触媒４が活性化し、エンジン１等の暖気が終了して定常運転が可能になる と、今度はエンジン１から排気される排気ガスの熱によって触媒温度は上昇し、 低温活性形水素吸蔵合金２１と高温活性形水素吸蔵合金２２に吸蔵された水素ガ スが環状空間部１２の内部に放出される。

【００３９】 また、低温活性形および高温活性形水素吸蔵合金２１，２２が化学変化を起こ し、その反応熱によって内筒３および外筒１１が加熱され、熱膨張を起こし、熱 膨張率の違いにより、熱応力が発生するが、内筒３と外筒１１とはベローズ１５ によって連結されているため、ベローズ１５が伸縮して熱膨張を吸収し、熱歪の 発生を防止できる。 なお、前記実施例においては、低温活性形水素吸蔵合金と高温活性形水素吸蔵 合金の２種類の合金を用いたが、３種類以上の水素吸蔵合金を用いてもよい。

【００４０】

【考案の効果】

以上説明したように、この考案の請求項１によれば、エンジンの排気経路に 設けた触媒を加熱する水素吸蔵合金を設け、この水素吸蔵合金に水素を供給し、 この水素吸蔵合金に水素反応を起こして反応熱を発生させて前記触媒を活性化す ることにより、ヒータや高周波を用いることなく、水素吸蔵合金の反応熱によっ て触媒を早期に活性化できる。したがって、エンジンを始動後、触媒の温度が上 昇するまでに多くのＨＣ，ＣＯが大気中に放出されてしまうという公害問題を解 決することができる。また、水素吸蔵合金が化学変化を起こし、その反応熱によ って内筒および外筒が加熱され、熱膨張を起こし、熱膨張率の違いにより、熱応 力が発生するが、内筒と外筒とはベローズによって連結されているため、ベロー ズが伸縮して熱膨張を吸収し、熱歪の発生を防止できる。

【００４１】 請求項２によれば、低温活性形および高温活性形水素吸蔵合金の特性が異なる 水素吸蔵合金を用いることにより、小さな消費電力で、触媒を活性化でき、水素 ボンベを設ける必要もなく、構造的に簡単であり、廉価に提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案の第１の実施例に係わる触媒の早期活
性化装置における水素ガスの供給時の全体の構成図。

【図２】同実施例の触媒の早期活性化装置における水素
ガスの放出時の全体の構成図。

【図３】同実施例のケース部分の拡大した縦断側面図。

【図４】同実施例のグラフ図。

【図５】この考案の第２の実施例に係わる触媒の早期活
性化装置における全体の構成図。

【図６】同実施例のケース部分の拡大した縦断側面図。

【図７】同実施例のグラフ図。

【符号の説明】

３…内筒、４…３元触媒、５…水素吸蔵合金、６…水素
ボンベ、１１…外筒、１５…ベローズ、２１…低温活性
形水素吸蔵合金、２２…高温活性形水素吸蔵合金、２３
…電気ヒータ。

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジンの排気経路に設けられ内部に触
   媒を収容した内筒と、この内筒を覆うように設けられ内
   部に前記触媒を加熱する水素吸蔵合金を収容した外筒
   と、この外筒の軸方向両端側に設けられ、一端が前記内
   筒に固定され他端が外筒に固定され、内筒および外筒の
   軸方向に伸縮自在なベローズと、前記水素吸蔵合金に水
   素を供給し、この水素吸蔵合金に水素反応を起こして反
   応熱を発生させて前記触媒を活性化する水素ガス供給手
   段とを具備したことを特徴とする触媒の早期活性化装
   置。
2. 【請求項２】 エンジンの排気経路に設けられ内部に触
   媒を収容した内筒と、この内筒を覆うように設けられ内
   部に前記触媒を加熱する低温活性形と高温活性形の少な
   くとも２種類の水素吸蔵合金および水素ガスを収容した
   外筒と、この外筒に設けられ前記低温活性形の水素吸蔵
   合金を加熱する電気ヒータと、この外筒の軸方向両端側
   に設けられ、一端が前記内筒に固定され他端が外筒に固
   定され、内筒および外筒の軸方向に伸縮自在なベローズ
   とを具備したことを特徴とする触媒の早期活性化装置。