JPH086582B2

JPH086582B2 - エンジンの排気ガス浄化用触媒装置

Info

Publication number: JPH086582B2
Application number: JP61258633A
Authority: JP
Inventors: 和則井原; 正幸小石; 浩村上; 博美大石
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1986-10-31
Filing date: 1986-10-31
Publication date: 1996-01-24
Anticipated expiration: 2011-01-24
Also published as: JPS63113112A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、排気管に接続された、中空の担体内に保
持され、排気管より排出されてきた排気ガスを浄化する
触媒体を備えたエンジンの排気ガス浄化用触媒装置に関
する。

（従来の技術）従来より、排気管より排出されたきた排気ガスを浄化
するための触媒装置としては、実開昭51−87640号公報
に示されるように、正方形、正六角形その他所望の断面
のコアユニツトを適当な隣接関係に配列してなるコーヂ
ライトセラミツク製ハニカム担体を２個以上流体の通路
の長手方向に沿つて直列配置せる排ガスの浄化装置であ
り、上記流体の導入側に一番近い第１のハニカム担体の
有効開口断面を第２の担体のそれより粗大となしたもの
が提案されている。

この公報に開示された構成により、第１の担体のコア
ユニツト壁と流体との接触面積が、第２の担体のコアユ
ニツト壁と流体の接触面積より小さく設定される事にな
る。このように、排気ガスが最初に入る第１のハニカム
担体の有効開口断面を、次に入る第２のハニカム担体の
有効開口断面より粗大にすることにより、第１のハニカ
ム担体から第２のハニカム担体に入る際の排気ガスの流
れを乱流とし、これにより、排気ガスの浄化能力を高め
ることができるものである。

（発明が解決しようとする問題点）このような従来技術においては、このようにして排気
ガスの浄化能力は高まるものの、乱流の発生により、排
気ガスの背圧抵抗はかなり高いものとなり、かえつて走
行性能が損なわれることになる。

また、この従来技術では排気ガスの導入側に一番近い
第１のハニカム担体の有効開口断面を粗大にしているた
め、この第１のハニカム担体のみかけ比重は大きくなる
ことになる。このようにして、この第１のハニカム担体
の排気ガスの熱による温度の上昇速度は緩慢なものにな
り、ウオームアツプ性能が損なわれ、エンジンの始動時
における排気ガスの浄化能力に問題が生じることにな
る。

この発明は、上述した問題点に鑑みてなされたもの
で、この発明の目的は、排気ガス系における背圧抵抗を
減少させる事ができると共に、触媒装置のウオーミング
アツプ性能を向上することのできるエンジンの排気ガス
浄化用触媒装置を提供する事である。

（問題点を解決するための手段）上述した問題点を解決し、目的を達成するため、この
発明に係わるエンジンの排気ガス浄化用触媒装置は、以
下の構成を備える。即ち、排気管に接続された中空のケーシング（22）と、このケ
ーシング内に保持され、排気管（12b）より排出されて
きた排気ガスを浄化する触媒（20）とを具備し、この触
媒（20）は排気ガスの流通方向に沿って配設された複数
の触媒体（24、26、28）からなり、前記夫々の触媒体
（24、26、28）は排気ガスの流通方向に沿って貫通され
た中空セル（30、32、34）を有し、排気ガスの流通方向
に対して最上流側の触媒体（24）の中空セル（30）のセ
ル開口（36）の大きさを最小に設定し、前記夫々の触媒
体（24、26、28）の中空セル（30、32、34）の壁厚を、
排気ガスの流通方向に沿って順次厚くなるように設定し
たことを特徴とする。

（作用）以上のように、この発明に係わるエンジンの排気ガス
浄化用触媒装置においては、夫々の触媒体（24、26、2
8）のセル開口（36、38、40）のうち、排気ガスの流通
方向に対して最上流側の触媒体（24）の中空セル（30）
のセル開口（36）の大きさを最小に設定すると共に、夫
々の触媒体（24、26、28）の中空セル（30、32、34）の
壁厚を、排気ガスの流通方向に沿って順次厚くなるよう
に設定されている。このため、最上流側の触媒体（24）
のセル開口（36）の大きさ及び中空セル（30）の壁厚が
最小となり、排気ガスの横方向への拡散が小さくなり、
最上流の触媒体の背圧抵抗を低減できる。また、最上流
側の触媒体（24）においては、構造上セルの壁厚が最も
薄くなり、みかけ比重が小となるので、排気ガスの熱に
よる温度上昇の立ち上がりが急になり、触媒のウォーミ
ングアップ性能が向上する。

（実施例）以下に、この発明に係るエンジンの排気ガス浄化用触
媒装置の一実施例を、添付図面を参照して詳細に説明す
る。

第１図に示すように、自動車の車体の下面には、エン
ジン10の燃焼ガスを外部に放出するための排気装置12が
取り付けられている。この排気装置12は、主としてイグ
ゾースト・マニホールド12a、イグゾーストパイプ12b、
マフラ12cとから構成されている。

このイグゾーストパイプ12bの途中には、排気ガス中
の有害成分、例えば、CO,HCを酸化作用により無害成分C
O₂,H₂Oに浄化して、またNO_xを還元作用により無害成分N
₂に浄化して大気に放出するための排気ガス浄化用触媒
装置（以下単に触媒装置と呼ぶ）14が取り付けられてい
る。

これらイグゾーストパイプ12b、マフラ12c、及び触媒
装置14はその配設位置における空間的制限により、水平
方向に扁平な形状に規制されている、即ち、これらは、
垂直断面形状において、水平方向に沿つて延出する長軸
と、垂直方向に沿つて延出する短軸とを有した略長円形
状を呈するように、形成されている。

前述した触媒装置14は、第１図に示すように、第１の
プレコンバータ16と、第２のプレコンバータ18とメイン
コンバータ20とを、排気ガスの流通方向に沿つて順次配
設した状態で備えている。

まず、メインコンバータ20について、第１図及び第２
図を参照して説明する。このメインコンバータ20は、図
示しないステイを介して車体の下面に取り付けられるハ
ウジング22を備えている。このハウジング22は、イグゾ
ーストパイプ12bの後部に連通した状態で接続され、こ
れのエンジン10側から流出してきた燃焼済みのガス（排
気ガス）は、このハウジング22内を通つて、これをマフ
ラ12c側へもたらされるようになされている。

このハウジング22はイズゾーストパイプ12bの外形よ
り大きい外形を有し、イグゾーストパイプ12bに略同軸
的に取り付けられている。このハウジング22内には、こ
こを通過する排気ガスを浄化するための触媒24が収納さ
れている。

この触媒24は、排気ガスの流通方向に沿つて順次配設
された第１乃至第３の触媒体24,26,28から構成されてい
る。これら第１乃至第３の触媒体24,26,28は、それぞ
れ、例えばセラミツクから格子状に形成された基材30,3
2,34を一体に備えている。各基材30,32,34の各格子間で
規定される中空セルの排気ガス流通通路は、排気ガスの
流通方向に沿つて延出するように形成され、各排気ガス
流通通路の開口部は、セル開口36,38,40として定義され
る。

ここで、第１及び第２の触媒体24,26の各格子の内周
面、即ち、各排気ガス流通通路の流通を規定する面に
は、三元触媒としての白金−ロジウムがコーテイングさ
れている。排気ガス中のNO_x,CO,HCは、このような三元
触媒を用いることにより、反応温度に応じて酸化又は還
元反応を起こして、排気ガスは浄化処理されることにな
る。

また、第３の触媒体28の格子の内周面、即ち、排気ガ
ス流通通路の外周を規定する面には、酸化用触媒として
の白金−パナジウムもしくはパナジウムのみがコーテイ
ングされている。排気ガス中のCO,HCは通常の状態で
は、700℃以上の高温で酸化反応を起こし、無害のCO₂と
H₂Oになるが、このような触媒を用いることにより、250
℃程度の低温においても、急速に酸化反応を起こして、
短時間の内に多量の排気ガスは酸化処理されることにな
る。

一方、各セル開口36,38,40は略正方形状に形成され、
また、各基材30,32,34の構成は、以下の第１表に示すよ
うに設定されている。

ここで、壁厚:t、ピツチ:p、水力直径:hに関しては、
第３図に示すように、各基材30,32,34の格子の厚さ、連
続配設されるピツチ、セル開口36,38,40に内接する円の
直径から、夫々規定されている。

この第１表から明らかなように、上流側の第１の触媒
体24における基材30の構造は、一番壁厚（ｔ）が薄く、
ピツチ（ｐ）も狭く、水力直径（ｈ）も小さく設定され
ている。そして、これら壁厚（ｔ）、ピツチ（ｐ）、水
力直径（ｈ）は、第２及び第３の触媒体26,28におい
て、排気ガスの流通方向に沿つて順次大きく設定されて
いる。このようにして、第１乃至第３の触媒体24,26,28
においては夫々のセル開口36,38,40の大きさ及び夫々の
みかけ比重が、排気ガスの流通方向に沿つて順次大きく
設定されるようになされている。

尚、第１図に再び示すように、このメインコンバータ
20には、これ第２及び第３の触媒体26,28の間に二次空
気を導入するための二次空気導入管42が接続されてい
る。この二次空気導入管42は、ここから取り込まれた新
鮮空気を、排気ガスの流れに沿つて第３の触媒体28にも
たらし、この第３の触媒体28における酸化反応を促進さ
せるために設けられている。

次に、触媒装置14の第１のプレコンバータ16の構成に
ついて、第１図及び第４図を参照して説明する。この第
１のプレコンバータ16は、図示しないステイを介して車
体の下面に取り付けられるケーシング44を備えている。
このケーシング44は、イグゾーストパイプ12bの前部に
連通した状態で接続され、これのエンジン10側から流出
してきた燃焼済みのガス（排気ガス）は、このケーシン
グ44内を通つて、触媒装置14の第２のプレコンバータ18
側へもたらされるようになされている。

このケーシング44はイグゾーストパイプ12bの外形よ
り大きい外形を有し、イグゾーストパイプ12bに略同軸
的に取り付けられている。このケーシング44内には、こ
こを通過する排気ガスを整流するための整流体46が収納
されている。この整流体46は例えばセラミツクから格子
状に形成されている、この整流体46の各格子間で規定さ
れる中空セルの排気ガス流通通路は、排気ガスの流出方
向に沿つて延出するように形成され、各排気ガス流通通
路の開口部は、セル開口48として定義される。

ここで、セル開口48の大きさは、第４図に示すよう
に、整流体46の縦断面における中央部と、これの周囲に
おいて半径方向中程に位置する中間部分と、これの周囲
であつて、整流体46の縦断面における外周部とで異つて
設定されている。

即ち、整流体46の各セル開口48は、略正方形状に形成
されている。そして整流体46に中央部におけるセル開口
48aの大きさは最大に、中間部におけるセル開口48bの大
きさは最小に、そして、外周部におけるセル開口48cの
大きさは、中央部及び中間部のセル開口48a,48bの大き
さの間になるように、夫々設定される。

以上のように構成される触媒装置14を用いて、エンジ
ン10よりの排気ガスを浄化する動作を以下に説明する。

エンジン10より排出されてくる排気ガスは、所定の圧
力を有して、イグゾースト・マニホールド12aで集めら
れて、イグゾーストパイプ12b内を流れてくる。この排
気ガスは、触媒装置14の第１のプレコンバータ16のケー
シング44内にもたらされる。この状態で、このケーシン
グ44が水平方向に横長な扁平形状になつているので、排
気ガスは、これの断面形状における長軸方向に沿つて横
方向に拡散しつつ、整流体46内に入り込むことになる。

特に、イグゾーストパイプ12bよりもたらされた排気
ガスの流速は、このエンジン10がロータリーエンジンで
あるために、レシプロエンジンに比較して非常に速くな
つている。この為、第５図に符号Ａで示すように、その
流速分布は、略均一になされている。従つて、このイグ
ゾーストパイプ12bより径大な第１のプレコンバータ16
のケーシング44内に排気ガスが導入された状態で、この
ケーシング44内における排気ガスの流速分布は、第５図
中符号Ｂで示すような略波状の形態を呈するようにな
る。

ここで、第４図を参照して前述したように、この第１
のプレコンバータ16における整流体46のセル開口48の縦
断面形状は、中央部のセル開口48aを最大に、中間部の
セル開口48bを最小に外周部のセル開口48cを中程度に、
夫々設定されている。このため、流速の一番遅い中央部
の排気ガスは、最大形状のセル開口48aに入り込み、流
速の一番速い中間部の排気ガスは、最小形状のセル開口
の48bに入り込み、そして、流速が中程度の外周部の排
気ガスは、中程度の開口形状のセル開口48cに入る込む
ことになる。

この結果、この整流体46を通過した後の排気ガスの流
速分布は、夫々の管路抵抗に基づいて整流されて、略一
様に規制されることになる。このように、排気ガスが最
初に入る第１のプレコンバータ16において流速分布は均
一に設定されることになるので、背圧を低減することが
可能となる。

このように第１のプレコンバータ16を通過した排気ガ
スは、第２のプレコンバータ18を通り、メインコンバー
タ20のもたらされる。このメインコンバータ20にもたら
された排気ガスは、ハウジング22内において、第１の触
媒体24、第２の触媒体26、第３の触媒体28を順次通過し
て浄化された上で、ハウジング22外に取り出され、マフ
ラ12cにもたらされ大気に放出されることになる。

ここで、第２図を参照して、前述したように、第１乃
至第３の触媒体24,26,28は、排気ガスの流通方向に沿つ
て、順次そのセル開口の大きさ、即ち、水力直径（ｈ）
を大きくするように設定されている。この為、各触媒体
24,26,28の上流側端面における乱流の発生が良好に防止
され、背圧の上昇が押えられることになる。

更に、前述した第１表から明白なように、第１乃至第
３の触媒体24,26,28は、排気ガスの流通方向に沿つて、
順次そのみかけ比重を大きくなっている。この為、みか
け比重の最小となる上流側の第１の触媒体24において
は、排気ガスの熱により容易に加熱され、素早く温度上
昇することになる。

このように、メインコンバータ20においては、少なく
とも第１の触媒体24において温度の上昇性能が良好に維
持されているので、全体としてのウオーミングアツプ性
能が高められることになる。この結果エンジン始動直後
においても、このメインコンバータ20における排気ガス
浄化性能は良好に保持され、エミツシヨン性能が低下す
ることはない。

一方、メインコンバータ20においては、下流側の第３
の触媒体28は、確かにみかけ比重が最大となつており、
温度の上昇性能が第１の触媒体24と比較して、確かに劣
つたものとなつている。しかしながら、この第３の触媒
体28においては、低温活性に優れたパナジウム系の酸化
触媒が用いられているので、全体としてのウオーミング
アツプ性能は決して悪化するものでない事が明白であ
る。

ここで、この一実施例の触媒装置14を用いた場合と、
従来の触媒装置を用いた場合とにおける、圧力損失とHC
のコンバータ効率を、第６図及び第７図に夫々示す。第
６図から明らかなように、この一実施例の触媒装置14を
用いる事により、この触媒装置に起因する圧力損失は、
従来の触媒装置を用いる場合と比較して約15％少なくな
る事が理解される。

また、第７図から明らかなように、走行距離に応じて
排気ガス中の例えばHCのコンバータ効率は悪化すること
になるが、この一実施例の触媒装置14を用いる事によ
り、従来の触媒装置を用いる場合と比較して、その悪化
率は約1/2に低減され、長距離走行したとしても触媒性
能は劣化することなく、良好に排気ガスを浄化できるこ
とになる。

このように、この一実施例によれば、排気ガスの流通
方向に沿つて、第１乃至第３の触媒体24,26,28のセル開
口30,32,34を順次大きく設定するようにしている。この
結果、触媒による浄化効率におけるウオーミングアツプ
性能を実質的に損なわれない状態において、背圧の上昇
が防止される効果が達成されることになる。

この発明は上述した一実施例の構成に限定されること
なく、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能
である。

例えば、上述した一実施例では、メインコンバータ20
において、排気ガスの流通方向に沿つて順次セル開口3
0,32,34の大きさを大きくした３つの触媒体24,26,28を
備えるように説明したが、この触媒体の数は３個に限定
されることなく、２個以上であれば何個でも良い。ま
た、各触媒体は、排気ガスの流通方向に沿つて同一のセ
ル開口を有するように説明したが、排気ガスの流通方向
に沿つて連続的に大きくなるように形成しても良い。

更に、上述した一実施例では、第１のプレコンバータ
16において、排気ガスの流速分布を均一にするために同
心状にセル開口48の大きさを変化させるように説明した
が、第８図に第１の変形例として示すように、排気ガス
の流速分布に応じて、整流体46′の排気ガスの流通方向
に沿うパスの長さを変化し、パスの長さに基づく流路抵
抗の変化により排気ガスの流速分布を均一化するように
しても良い。即ち、流速の遅い中央部においては、パス
を短く設定し、流速の速い中間部においては、パスを長
く設定し、流速が中程度の外周部においてはパスの長さ
を中程度に設定するようにしても良い。

また、第９図に第２の変形例として示すように、排気
ガスの流速分布に応じて、整流体46″の上流側の端面の
くさび形状の角度（θ₁,θ₂,θ_３）を変化させ、この端
面に当たる排気ガスの抵抗に応じて、排気ガスの流速分
布を均一化するようにしても良い。即ち、流速の遅い中
心部のおいては、この角度θ_１を小さく設定し、流速の
速い中間部においては、この角度θ_２を大きく設定し、
流速が中程度の外周部においては、この角度θ_３を中程
度に設定するようにしても良い。

（発明の効果）以上詳述したように、この発明に係わる車両の上部車
体構造によれば、夫々の触媒体（24、26、28）のセル開
口（36、38、40）のうち、排気ガスの流通方向に対して
最上流側の触媒体（24）の中空セル（30）のセル開口
（36）の大きさを最小に設定すると共に、夫々の触媒体
（24、26、28）の中空セル（30、32、34）の壁厚を、排
気ガスの流通方向に沿って順次厚くなるように設定され
ている。このため、最上流側の触媒体（24）のセル開口
（36）の大きさ及び中空セル（30）の壁厚が最小とな
り、排気ガスの横方向への拡散が小さくなり、最上流の
触媒体の背圧抵抗を低減できる。また、最上流側の触媒
体（24）においては、構造上セルの壁厚が最も薄くな
り、みかけ比重が小となるので、排気ガスの熱による温
度上昇の立ち上がりが急になり、触媒のウォーミングア
ップ性能が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る触媒装置の一実施例が備えられ
たエンジンの排気系の構成を概略的に示す側面図、第２図は触媒装置におけるメインコンバータの構成を示
す斜視図、第３図はセル開口の形状を示す正面図、第４図は触媒装置における第１のプレコンバータの構成
を示す斜視図、第５図は第１のプレコンバータにおける排気ガスの流速
分布を示す断面図、第６図は従来技術とこの一実施例とにおける圧力損失の
違いを示す線図、第７図は従来技術とこの一実施例とにおけるHCのコンバ
ータ効率の変化を示す線図、第８図は第１のプレコンバータにおける第１の変形例の
構成を示す断面図、そして、第９図は第１のプレコンバータにおける第２の変形例の
構成を示す断面図である。図中、10……エンジン、12……排気装置、12a……イグ
ゾースト・マニホールド、12b……イグゾーストパイ
プ、12c……マフラ、14……触媒装置、16……第１のプ
レコンバータ、18……第２のプレコンバータ、20……メ
インコンバータ、22……ハウジング、24……第１の触媒
体、26……第２の触媒体…、28……第３の触媒体、30,3
2,34……基剤、36,38,40……セル開口、42……二次空気
導入管、44……ハウジング、46,46′,46″……整流体、
48……セル開口、48a,48b,48c……セル開口である。

フロントページの続き (72)発明者大石博美広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (56)参考文献実開昭61−161544（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排気管に接続された中空のケーシング（2
2）と、このケーシング内に保持され、排気管（12b）よ
り排出されてきた排気ガスを浄化する触媒（20）とを具
備し、この触媒（20）は排気ガスの流通方向に沿って配設され
た複数の触媒体（24、26、28）からなり、前記夫々の触媒体（24、26、28）は排気ガスの流通方向
に沿って貫通された中空セル（30、32、34）を有し、排気ガスの流通方向に対して最上流側の触媒体（24）の
中空セル（30）のセル開口（36）の大きさを最小に設定
し、前記夫々の触媒体（24、26、28）の中空セル（30、32、
34）の壁厚を、排気ガスの流通方向に沿って順次厚くな
るように設定したことを特徴とするエンジンの排気ガス
浄化用触媒装置。
【請求項２】前記複数の触媒体（24、26、28）の中で、
最下流側の触媒体（28）は低温活性特性の優れた職媒体
からなることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
のエンジンの排気ガス浄化用触媒装置。
【請求項３】前記ケーシング（22）は、水平方向に沿っ
て延出する長軸と、垂直方向に沿って延出する短軸とを
有した略長円形状を備えていることを特徴とする特許請
求の範囲第１項に記載のエンジンの排気ガス浄化用触媒
装置。
【請求項４】前記夫々の触媒体（24、26、28）は、排気
ガスの流通方向に沿って、順次セル開口（36、38、40）
の大きさを大きくなるように設定されていること特徴と
する特許請求の範囲第１項に記載のエンジンの排気ガス
浄化用触媒装置。
【請求項５】前記夫々の触媒体のみかけ比重を、排気ガ
スの流通方向に沿って順次大きくなるように設定するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載のエンジン
の排気ガス浄化用触媒装置。