JPH07269332A - 排ガス浄化装置及び排ガス浄化装置用バタフライ弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 排ガス浄化効率を向上し、占有スペースを低
減できる排ガス浄化装置、及び耐熱性、耐久性が等が向
上したバタフライ弁を提供する。 【構成】 排ガス浄化装置１は、段付き状の排ガスメイ
ン管１０と、メイン管１０の小径部１１を包囲する低温
排ガス浄化手段２０と、低温排ガス浄化手段２０と排ガ
スメイン管１０とを連通するバイパス４０と、を備え
る。バタフライ弁３０は、窒化珪素製のフラップ３１、
外筒３２、回転中心軸３４ａ及び３４ｂを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車エンジン等の内
燃機関の排ガス浄化装置及びこれに用いるバタフライ弁
に係り、更に詳細には、排ガス浄化効率を向上でき、且
つ省スペース化に資する排ガス浄化装置及び耐熱性に優
れたバタフライ弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、環境に悪影響を及ぼす自動車排ガ
ス中の有害成分を除去する方法として、自動車の排気系
に排ガス浄化触媒を装着して、未燃焼炭化水素及びＣＯ
の酸化反応、ＮＯｘの還元反応を起こし、これらを無害
な成分にして大気中に排出するシステムが開発され、実
用化されている。しかし、上述のような排ガス浄化触媒
に用いられる三元触媒や酸化触媒は、排ガス温度が２５
０℃程度の低温では十分な活性を示さず、特にエンジン
始動直後においては、これら触媒が迅速には温まらない
ため、未燃焼炭化水素が自動車排ガス成分として多量に
排出されるという問題があった。

【０００３】これに対して、比較的低温で活性を有する
酸化触媒を、従来排ガス浄化触媒が装着されていた排気
マフラー近傍ではなく、より上流側の排気マニホールド
やその直後の部分に装着することが検討されたが、高負
荷運転時には該酸化触媒の耐久性を超える高温になるた
め、触媒が劣化したり、触媒担体が破損したりするとい
う問題があった。

【０００４】そして、この問題に対する対策としては、
排ガスを高温排ガス用と低温排ガス用との２系統の管路
（代表的にはＹ字状の管路）に分流することとし、それ
ぞれの管路又は２系統の管路に分岐させる以前（上流
側）のメイン管路にバタフライ弁を設け、エンジン始動
直後の排ガス温度が低い期間のみ、排ガスを排気マニホ
ールド又はその近傍に取り付けた上記低温活性触媒に排
ガスを流すことが検討されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
排ガスを２系統に分流する方法においては、排気系に２
系統の管路を設けるため排気系の占有スペースを大きく
しなければならず、搭載スペースが著しく制限される自
動車等にあっては、このような分離独立した２系統の管
路を有する排気系を搭載することは困難であるという課
題があった。

【０００６】また、このような管路に設置されるバタフ
ライ弁としても、優れた耐熱性、耐久性及び耐摩耗性等
を要求されることになり、従来のような金属製バタフラ
イ弁では使用に耐えないという課題があった。特に、バ
タフライ弁のフラップが熱変形したり、フラップと外筒
又は管路壁との接触部が腐食・摩耗したりして、最悪の
場合には排気ガスが漏出するという課題があった。更
に、フラップを駆動する軸とその軸受を支持する軸受部
が、高温により酸化されて動作に不具合を生じたり、摩
耗により隙間が生じ排ガスが漏出するという課題もあっ
た。本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑み
てなされたものであり、その目的とするところは、排ガ
ス浄化率を向上し、占有スペースを低減できる排ガス浄
化装置、及び耐熱性、耐久性等が向上したバタフライ弁
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題を
解決すべく鋭意研究した結果、低温排ガス浄化手段と排
ガスメイン流路を特定構造で構成し、特定のバタフライ
弁を使用することにより、上記課題が解決できることを
見出し、本発明を完成するに至った。従って、本発明の
排ガス浄化装置は、内燃機関の排気マニホールドと排ガ
ス浄化触媒との間に配設される排ガス浄化装置であっ
て、バタフライ弁が設置された排ガスメイン流路と、こ
のメイン流路外に配置された低温排ガス浄化手段と、こ
の低温排ガス浄化手段と上記排ガスメイン流路とを連通
するバイパス流路とを備え、このバイパス流路の入口及
び出口が、それぞれ上記バタフライ弁の上流側及び下流
側に配設されている、ことを特徴とする。また、本発明
のバタフライ弁は、内燃機関の排ガス浄化装置に用いる
バタフライ弁であって、セラミックス製のフラップを備
え、上記フラップの回転軸が、このフラップを貫通する
セラミックスから構成される棒状体から成り、上記棒状
体用の貫通孔の一部の断面形状が真円以外の形状であ
る、ことを特徴とする。更に、本発明の他のバタフライ
弁は、内燃機関の排ガス浄化装置に用いるバタフライ弁
であって、セラミックス製のフラップを備え、上記フラ
ップの回転軸が、このフラップの回転中心線に沿って形
成された２個の凹部にセラミックスから構成される２本
の棒状体を嵌入して構成され、上記凹部の少なくとも一
方の断面形状が、真円以外の形状である、ことを特徴と
する。

【０００８】

【作用】本発明の排ガス浄化装置においては、排ガスメ
イン流路と低温排ガス浄化手段とをバイパス流路により
連通し、排ガスメイン流路内に設けたセラミックス製の
バタフライ弁を閉じることにより、排ガスが低温の場合
には、排ガスをバイパス流路を介して低温排ガス浄化手
段で浄化又は吸着してから排ガスメイン流路に戻す。し
かる後、排ガスは、自動車等の内燃機関において、本発
明の排ガス浄化装置の下流側に設置される排ガス浄化触
媒を介して排出される。一方、排ガスが高温の場合に
は、上記バタフライ弁を開くことにより、排ガスがバイ
パス流路をほとんど通過することなく、排ガスメイン流
路を優先的に通過するようにする。しかる後、排ガスは
上記下流側の排ガス浄化触媒を介して浄化され、排出さ
れる。

【０００９】上述のように、排ガスは、その温度に応じ
て低温排ガス浄化手段又は排ガス浄化触媒に導入される
ため、エンジン始動時等の排ガスの低温時においても良
好に浄化されることになり、エンジンの始動から停止ま
でにおける全体としての浄化効率が向上する。また、排
ガス温度が高温の場合には、排ガスがバイパス流路をほ
とんど通過することがないため、低温排ガス浄化手段に
用いる触媒や吸着剤が高温劣化することを回避できる。
従って、低温排ガス浄化手段は、低温排ガスを常に浄化
できる状態に保たれる。

【００１０】また、上記低温排ガス浄化手段及びバイパ
ス流路は排ガスメイン流路に沿って形成されているた
め、本発明の排ガス浄化装置の構造は、従来のような別
個独立の２系統管路による排ガス浄化装置と異なり、占
有スペースを低減できることになる。

【００１１】更に、本発明の排ガス浄化装置に使用する
バタフライ弁は、窒化珪素等の耐熱性、耐摩耗性等に優
れたセラミックスで形成されているため、高温排ガスを
通過させた場合においても熱変形したり熱劣化すること
がない。また、このバタフライ弁に、耐熱性、耐摩耗性
等に優れたセラミックスで形成した外筒を付加した場合
には、熱膨張の問題を考慮しなくてもよく、排ガスが漏
出するのを回避することができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を図面を参照して実施例により
詳細に説明する。 （実施例１）図１は、本発明の排ガス浄化装置の一実施
例を示す縦断面図であり、図２は、図１に示す排ガス浄
化装置を軸方向に平行な水平面で切った断面図である。
図１及び図２において、排ガス浄化装置１は、金属製で
段付き形状の排ガスメイン管１０と、このメイン管１０
の小径部１１を包囲するハニカム体状の低温排ガス浄化
手段２０と、この低温排ガス浄化手段２０と排ガスメイ
ン管１０とを連通するバイパス４０と、を備えている。

【００１３】排ガスメイン管１０の大径部１２には窒化
珪素製のフラップ３１を有するバタフライ弁３０が設け
られており、この弁３０は、窒化珪素製の外筒３２を有
し、圧入リング３３により固定されている。この外筒３
２の内径寸法は、小径部１１の内径寸法とほぼ同じ大き
さであり、小径部１１の周面と外筒３２の周面とはほぼ
面一となる。このように面一とすることは、本発明にお
いて必須の事項ではないが、面一にすれば排ガスの排出
方向（気流の流れ方向）を一定に保つことができるの
で、面一にするのが好ましい。

【００１４】上記低温排ガス浄化手段２０は金属製のケ
ーシング５０に包囲・収容されており、このケーシング
５０の内面とメイン管１０の外面とで規定されるバイパ
ス４０は、複数個の入口４２及び出口４４を介してメイ
ン管１０の小径部１１と大径部１２とを連通している。
この入口４２及び出口４４はそれぞれバタフライ弁３０
の上流側及び下流側に設けられており、バイパス４０が
バタフライ弁３０を迂回するようにしている。

【００１５】本実施例において、低温排ガス浄化手段２
０は、小径部１１を包囲するための貫通孔を有するトロ
イダル状のハニカム担体に、低温活性を有する触媒を担
持したものであるが、必ずしも一体的に形成されている
必要はなく、別体で形成してもよく、形状も特に限定さ
れるものではない。担持する触媒としては、１５０〜２
５０℃で活性を有する触媒、例えば、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐ
ｄ、Ｉｒを例示できる。また、担体の材質は、セラミッ
クス又は金属であるが、耐熱性、熱伝導性の観点より、
セラミックスが好ましく、コージェライトとするのが更
に好ましい。また、低温排ガス浄化手段２０としては、
炭化水素吸着材、例えば、Ｃｕ等でイオン交換したゼオ
ライトを使用することも可能である。更に、この炭化水
素吸着材に、上述の低温活性を有する触媒成分を担持す
ると浄化効率が向上するので好ましく、この場合、低温
活性触媒成分を表面層に担持するのが浄化効率向上の観
点から一層好ましい。

【００１６】次に、バタフライ弁３０について説明す
る。図３は、図１のＡ−Ａ切断面における拡大断面図で
ある。同図において、バタフライ弁３０は、窒化珪素製
のフラップ３１、外筒３２及び回転中心軸３４ａ、３４
ｂを備えている。これらフラップ３１、外筒３２及び回
転中心軸３４ａ、３４ｂの材質としては、窒化珪素に限
定されるものではなく、耐熱性、耐摩耗性に優れたセラ
ミックス、例えば、アルミナ、サイアロン、炭化珪素、
部分安定化ジルコニア及びこれらの組合せを例示でき
る。これらセラミックスのうちでは、耐熱衝撃性に優れ
た窒化珪素が熱応力による破損を回避する点から一層好
ましい。また、フラップ３１、外筒３２及び回転中心軸
３４ａ、３４ｂを、上記のような材質とすることによ
り、外筒３２の熱変形、腐食、摩耗などによりフラップ
３１との接触部に隙間が生ずること等を防止することが
できる。

【００１７】本実施例において、フラップ３１の回転軸
は、フラップ３１の回転中心線（図示せず。）に沿って
穿設された凹部３１ａ及び３１ｂに嵌入された窒化珪素
製棒３４ａ及び３４ｂにより構成されている。なお、フ
ラップと回転軸とを一体で形成することも可能である
が、全体形状が複雑になり、セラミックスで作製するに
は、工数が増加し高コストとなるため好ましくない。従
って、本実施例のように、フラップと回転軸とを別々に
作製し、組み合わせるのが好ましい。

【００１８】フラップと回転軸との組合せ方としては、
ロウ付け等を例示できるが、ロウ付けでは耐熱性に問題
が生ずる場合があるので、上述のようにフラップに凹部
を設け、この凹部にセラミックス製の棒体を嵌入するの
が好ましい。このように、フラップの凹部に棒体を嵌入
する場合には、回転軸の運動をフラップに伝達するため
に、いずれか一方の凹部の少なくとも一部分の断面形状
を真円以外の形状とし、嵌入する棒体はこの真円以外の
形状に合致する形状とするのが好ましい。

【００１９】本実施例においては、凹部３１ａが部分的
に真円形状以外の形状、例えば楕円、矩形、多角形状を
有し、棒３４ａの先端部が該形状に合致する形状で構成
されている。また、凹部３１ａ及び３１ｂの深さは、フ
ラップ３１の直径の１５〜２０％程度にするのが好まし
い。これより浅い場合には、フラップ３１の回転軸の位
置精度が低下してフラップ３１の駆動に支障をきたすこ
とがあり、これより深い場合には製造が困難となり好ま
しくない。

【００２０】上記フラップ３１の肉厚は、バタフライ弁
３０を開いた際に開口面積が大きくとれ、排ガスの流動
を妨げずエンジン性能を悪化させないためにも、できる
限り薄い方が好ましいが、セラミックスは脆性材料であ
るため破壊に対する信頼性を確保する必要がある。従っ
て、上述のような事項を考慮すれば、フラップ３１の肉
厚は、外筒３２の内径の４０％以下の大きさであること
が好ましく、３０％以下の大きさであることが更に好ま
しく、２０％以下の大きさとするのが特に好ましい。

【００２１】なお、フラップ３１の形状を楕円状にし、
弁３０を閉じた際に、外筒３２の軸方向とフラップ３１
とが一定の角度αをもつようにすれば（図２参照。）、
フラップ３１を閉じる際の位置決めができ、フラップ３
１が真円状の場合に比し外筒３２との接触部分を大きく
することができシール性を向上できるので好ましい。し
かし、外筒３２の長さを短くしてコンパクトにするため
には、上記角度αは小さい方が好ましいことになる。こ
れらの事項を考慮すると、上記角度αとしては、６５〜
８０°とするのが好ましい。なお、フラップ３１の周縁
部をＲ加工してもよい。

【００２２】次に、バタフライ弁３０の取付態様につい
て説明する。図１及び図３において、メイン管１０の大
径部１２には弁３０の回転軸用の軸受部３５ａが設けら
れており、この軸受部３５ａに窒化珪素製棒３４ａの先
端部が回転自在に挿入されている。また、窒化珪素棒３
４ａには、スナップリング３７及びシールリング３６が
装着されており、窒化珪素棒３４ａの抜けを防止し、メ
イン管１０の内部から排ガスが漏出するのを回避してい
る。

【００２３】一方、窒化珪素棒３４ｂ及び凹部３１ｂの
断面形状は、ともに真円状であり、窒化珪素棒３４ｂの
一端は凹部３１ｂに回転自在に挿入されている。また、
窒化珪素棒３４ｂの他端は軸受部３５ｂに挿入されてお
り、窒化珪素棒３４ｂは、窒化珪素棒３４ｂとボルト３
９ｂとの間に窒化珪素製フェース３８を介在させ、スプ
リング３９ａを介して金属製ボルト３９ｂを軸受部３５
ｂにネジ止めすることにより、凹部３１ｂに押圧して取
り付けられている。このように、窒化珪素製フェース３
８を介在させることにより、窒化珪素棒３４ｂの回転に
よるボルト３９ｂの摩耗を抑制し、窒化珪素棒３４ｂの
回転を滑らかにしている。なお、軸受部３４ａ及び３４
ｂは、それぞれケーシング５０に設けられた孔部（図示
せず。）に挿入され、気密性を保持してケーシング５０
に溶接されている。

【００２４】以上に説明した排ガス浄化装置１は、メイ
ン管１０のフランジ部１３に設けられた孔部１３ａを利
用して、図示しない排気マニホールドと排ガス浄化触媒
との間に配設される。本実施例においては、小径部１１
を排気マニホールドの直後に連結しているが（図２参
照。）、これと反対に、大径部１２を排気マニホールド
の直後に連結してもよい。また、この排ガス浄化装置１
は、耐熱性等が良好であるところから排気マニホールド
の近接して配置することができ、また、排気マニホール
ドの一部として使用することができる。

【００２５】次に、本実施例の作用について説明する。
この排ガス浄化装置１は、排ガスがエンジン始動時など
の低温の場合には、図２に示したようにバタフライ弁３
０を閉じた状態にする。この結果、排ガスは、図示矢印
Ｂで示したようにバイパス４０を通り、低温排ガス浄化
手段２０により浄化され、メイン管１０に戻される。こ
の後、図示しない排ガス浄化触媒を介して大気中に放出
される。一方、排ガスが高温になった場合には弁３０を
開く。この際、排ガスは図示矢印Ｃで示したようにメイ
ン管１０を直進し、図示しない排ガス浄化触媒で浄化さ
れ、大気中に放出される。なお、排ガスは、低温排ガス
浄化手段２０の流動抵抗により、バイパス４０にはほと
んど流れず、メイン管１０を優先的に流れることにな
る。この際、入口４２の口径を調整することなどによ
り、バイパス４０に流入する排ガスの量を厳密に調整す
ることも可能であり、この場合、排ガス流量の９５％以
上、好ましくは９８％以上、更に好ましくは９９％以上
がメイン管１０を流れるように調整するのがよい。

【００２６】 以上のように、排ガスをその温度に応じ
て低温排ガス浄化手段２０又は排ガス浄化触媒に振り分
けることができるため、排ガスの浄化効率を向上させる
ことができる。また、排ガス浄化装置１を排気マニホー
ルドに近接して配置させることにより、低温排ガス浄化
手段２０に担持された触媒は短時間で活性温度に達する
ため、エンジン始動時における排ガス中の未燃の炭化水
素を有効に浄化することができる。更に、排ガスが排ガ
ス浄化触媒の活性温度に達した時点でバタフライ弁３０
を開けることにより、排ガスは低温排ガス浄化手段２０
をほとんど通過しなくなり、この結果、低温排ガス浄化
手段２０の触媒や担体が劣化することを回避することも
できる。更にまた、バイパス４０をメイン管１０に沿っ
て設けたため、排ガス浄化装置１はコンパクトに構成さ
れており、自動車エンジンに搭載するのに支障がない。
また、バタフライ弁３０は、窒化珪素で形成されている
ため、耐熱性や耐摩耗性に優れており、排気マニホール
ドの直後に配置しても十分に耐久性があるものである。

【００２７】（実施例２）本発明の他の実施例を図４に
示す。なお、上記した部材と実質的に同一の部材には同
一の符号を付し、その説明を省略する。同図に示す排ガ
ス浄化装置２においては、窒化珪素棒３４ｃがフラップ
３１に穿設した貫通孔３１ｃを貫通するような構成とな
っている。本実施例においては、貫通孔３１ｃの一部に
断面形状が真円以外の形状となる部分を設け、この部分
に対応するように窒化珪素棒３１ｃの一部を加工し、フ
ラップ３１に回転運動を伝える形式を採用している。ま
た、上記真円以外の形状の部分の寸法は、フラップ３１
の直径の１５〜２５％の長さとしている。以上、本発明
を実施例により説明したが、本発明はこれら実施例に限
定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において
種々の変形が可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
低温排ガス浄化手段と排ガスメイン流路を特定構造で構
成し、特定のバタフライ弁を使用することとしたため、
排ガス浄化率を向上し、占有スペースを低減できる排ガ
ス浄化装置、及び耐熱性、耐久性等が向上したバタフラ
イ弁を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の排ガス浄化装置の一実施例を示す縦断
面図である。

【図２】図１に示す排ガス浄化装置を軸方向に平行な水
平面で切った断面図である。

【図３】図１のＡ−Ａ切断面における拡大断面図であ
る。

【図４】本発明の他の実施例を示す分解斜視図である。

【符号の説明】

１，２ 排ガス浄化装置、１０ メイン管、１１
小径部、１２ 大径部、１３ フランジ、２０
低温排ガス浄化装置、３０バタフライ弁、３１ フ
ラップ、３２ 外筒、３４ａ，３４ｂ，３４ｃ窒化珪
素棒、４０ バイパス、５０ ケーシング

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排気マニホールドと排ガス浄
   化触媒との間に配設される排ガス浄化装置であって、 バタフライ弁が設置された排ガスメイン流路と、このメ
   イン流路外に配置された低温排ガス浄化手段と、この低
   温排ガス浄化手段と上記排ガスメイン流路とを連通する
   バイパス流路とを備え、 このバイパス流路の入口及び出口が、それぞれ上記バタ
   フライ弁の上流側及び下流側に配設されている、ことを
   特徴とする排ガス浄化装置。
2. 【請求項２】 上記バタフライ弁が、セラミックス製の
   フラップを有することを特徴とする請求項１記載の排ガ
   ス浄化装置。
3. 【請求項３】 上記バタフライ弁が開状態の場合に、排
   ガス流量の少なくとも９５％以上が上記排ガスメイン流
   路を通ることを特徴とする請求項１又は２記載の排ガス
   浄化装置。
4. 【請求項４】 上記低温排ガス浄化手段が、上記排ガス
   メイン流路を包囲することを特徴とする請求項１〜３の
   いずれか１つの項に記載の排ガス浄化装置。
5. 【請求項５】 上記低温排ガス浄化手段が、排ガスメイ
   ン流路用の貫通孔を備えるハニカム担体に、触媒成分を
   担持して成ることを特徴とする請求項４記載の排ガス浄
   化装置。
6. 【請求項６】 上記低温排ガス浄化手段が、排ガスメイ
   ン流路用の貫通孔を備える炭化水素吸着材から形成され
   ていることを特徴とする請求項４記載の排ガス浄化装
   置。
7. 【請求項７】 上記低温排ガス浄化手段が、炭化水素吸
   着材に触媒成分を担持して成ることを特徴とする請求項
   ６記載の排ガス浄化装置。
8. 【請求項８】 内燃機関の排ガス浄化装置に用いるバタ
   フライ弁であって、 セラミックス製のフラップを備え、 上記フラップの回転軸が、このフラップを貫通するセラ
   ミックスから構成される棒状体から成り、 上記棒状体用の貫通孔の一部の断面形状が真円以外の形
   状である、ことを特徴とする排ガス浄化装置用バタフラ
   イ弁。
9. 【請求項９】 内燃機関の排ガス浄化装置に用いるバタ
   フライ弁であって、 セラミックス製のフラップを備え、 上記フラップの回転軸が、このフラップの回転中心線に
   沿って形成された２個の凹部にセラミックスから構成さ
   れる２本の棒状体を嵌入して構成され、 上記凹部の少なくとも一方の断面形状が、真円以外の形
   状である、ことを特徴とする排ガス浄化装置用バタフラ
   イ弁。
10. 【請求項１０】 上記セラミックスから構成される外筒
    を備えることを特徴とする請求項８又は９記載のバタフ
    ライ弁。
11. 【請求項１１】 バタフライ弁が閉状態の場合に、上記
    フラップが上記外筒の軸方向と６５〜８０°の角度をも
    ってこの外筒と当接することを特徴とする請求項１０記
    載のバタフライ弁。