JPS6128810B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、触媒装置による排気ガス浄化装置に
関するものである。

〔従来の技術〕

触媒により排気ガス有害成分を反応させ浄化す
る場合、一酸化炭素，炭化水素の酸化には酸素が
必要であるが、窒素酸化物の還元には酸素がある
と還元反応が進行しない。しかし、この排気ガス
中の有害三成分である炭化水素，一酸化炭素，窒
素酸化物を同時に低減できる三元触媒が既に提案
されている。この触媒の有害成分の浄化率は、第
３図に示すように空燃比がおよそ14.7前後の時、
有害三成分を同時に、最も効率良く浄化し、空燃
比が14.7よりリツチになると窒素酸化物の浄化率
が良くなり、リーンになると炭化水素，一酸化炭
素の浄化率が良くなる。

ところで、三元触媒におけるこれら有害成分の
浄化率の変化は、排気ガス中の酸素の割合が密接
に関係してくる。すなわち酸素が排気ガス中に、
ある値を越えて含有していると酸化反応は進行す
るが還元反応が進行しにくくなり、酸素が少なく
なると還元反応には有利だが、酸化反応は進まな
くなる。この４者の割合が最も適正となり有害三
成分を最も効果的に浄化できるのは、空燃比がお
よそ14.7のところである。

従つて、三元触媒を用いて排気ガス浄化を行う
場合は、一般に混合気の空燃比を検出したり、排
気ガス中の酸素濃度を酸素センサーで検出して空
燃比を求めて混合気を理論空燃比に保つようコン
トロールして排気ガス中の有害三成分を同時に浄
化するようにしている。

また、酸素の排気ガスの浄化に対する役割を考
慮した排気ガス浄化装置の先行技術例として特開
昭50―42220号公報には、密閉状の外部ハウジン
グ内の中心部に内側面と間隙をおいて一端より導
入される排気ガスの窒素酸化物の還元触媒床を設
けると共に、その外周の上記間隙に空気層または
ケーシングを設けて一酸化炭素，炭化水素の酸化
触媒床を形成してこれらを、還元触媒床の他端で
連通し、この連通部から反転して上記酸化触媒床
へと逆方向に流れる排気ガス中に、上記連通部と
対向する遮板に衝突して分散される２次空気を導
入するようにした排気ガス浄化装置が開示されて
いる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、前記の既に提案されている三元
触媒を用いて排気ガス浄化を行う場合、混合気の
空燃比の検出装置およびセンサーは高価であり、
従つて、経済的でないという問題がある。

また、特開昭50―42220号公報のものによれば
前記酸化触媒床への２次空気の導入は、ポンプに
より行われるようになるためその導入量は、機関
の運転状態の変化に伴い前記したように変化する
排気ガス中の一酸化炭素，炭化水素の発生割合に
対応させることが困難であるうえ、ポンプを、使
用すると構造が複雑で不経済であり、かつ排気ガ
スは浄化されている間に外部ハウジング内で反転
して逆方向に流れるようになつているため、大き
な抵抗を受けるなどの問題がある。

本発明は、混合気を上記の高価なセンサーなど
により理論空燃比に保持し、有害三成分を同時に
浄化する特性域だけを利用するものではなく、三
元触媒の空燃比のリツチ特性域およびリーン特性
域をも利用するものである。

そのため、三元触媒を酸化反応部と還元反応部
とに分けて、それらに流入する排気ガスの量を機
関の運転状態に対応して変化させ、かつ、ポンプ
を使用することなく排気脈動により２次空気を酸
化反応部に導入しようとするものであり、特に排
気ガス中の炭化水素，一酸化炭素，窒素酸化物が
運転状態によつて変化し、低負荷時には窒素酸化
物濃度が低く、炭化水素，一酸化炭素濃度が高
く、また高負荷時には窒素酸化物の濃度が高く、
炭化水素，一酸化炭素濃度が低くなるので、この
運転状態の変化に対応して酸化反応部と還元反応
部に流入する排気ガスの量の割合を変化させ、こ
れにより上記の高価なセンサー，ポンプなどを使
用しない経済的な排気ガス浄化装置の提供を目的
とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記の目的を達成するため、排気管
の途中に三元触媒よりなる第１触媒床と第２触媒
床とを混合部を挾んで直線上に位置するように設
け、第１触媒床に至る排気管を区分して２個の排
気ガス通路に分け、一方の通路に排気管内の排気
脈動により２次空気を導入させる装置を設けてそ
の延長上の第１触媒床部分を酸化反応部とし、他
方の通路の延長上の該触媒床部分を還元反応部と
し、かつ、これらのうちの何れかの通路に絞り弁
を設け、該絞り弁をエンジンの運転状態に応じ開
閉して前記酸化反応部への排気ガスの流量を、低
負荷時には大量に、高負荷時には減少するように
したものである。

〔作 用〕

本発明は、排気管の途中に三元触媒より成る第
１触媒床と第２触媒床とを混合部を挾んでほぼ直
線上に位置するように設け、第１触媒床に至る排
気管を２個の排気ガス通路に分け、一方の通路に
排気脈動により２次空気を導入させる装置を設け
てその延長上の第１触媒床部分を酸化反応部と
し、他方の通路の延長上の該触媒床部分を還元反
応部とし、かつ、これらのうちの何れかの通路に
絞り弁を設け、これをエンジンの運転状態に応じ
て開閉して前記酸化反応部への排気ガスの流量
を、低負荷時には大量に、高負荷時には減少する
ように構成されたものである。

従つて、排気管内を流れる排気ガスは、三元触
媒より成る第１触媒床の酸化反応部，還元反応部
へ分流する。そして、低負荷時には、酸化反応部
には多量の排気ガスが分流されるが、一方、排気
脈動により２次空気の吸入率も増大するから酸化
反応部では、主として排気ガス中の一酸化炭素，
炭化水素が効率的に酸化されると共に、その際急
速かつ多量に酸化反応熱を発生し、これにより隣
接する還元反応部では、これが迅速に高温に加熱
され、かつ２次空気が導入されるないことが相俟
つて排気ガス中の窒素酸化物が効率的に還元され
る。そして、第１触媒床からの排気ガスは、混合
部で混合して第２触媒床に流入し、排気ガス中の
酸素量に見合つて酸化，還元がそれぞれ行われて
一酸化炭素，炭化水素，窒素酸化物の三成分が浄
化される。

また、高負荷時には、濃度の高い窒素酸化物，
濃度の低い一酸化炭素，炭化水素より成る排気ガ
スが、第１触媒床の酸化反応部に少量分流される
が、２次空気の吸入率も減少するので、酸化反応
部での酸化反応を減少させることがなく、２次空
気が導入されない還元反応部に流入する多量の排
気ガスは、その高濃度の窒素酸化物が効率的に還
元される。そして、混合部を介して第２触媒床に
流入した排気ガスは、その中の酸素量に見合つて
上記三成分が酸化，還元されて浄化される。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。図において１は排気管で、その途中にテーパ
部２，３で連結された拡張部４を設け、上流側排
気管１ａの端部付近より拡張部４に至る間におい
て排気管１とテーパ部２の内部に、同心で相似な
形状の内筒５を、放射状のステー６，７により支
持して設けている。拡張部４内には、三元触媒よ
りなる第１触媒床８と第２触媒床９とが直線上に
位置するように設けられ、その中間に混合部１０
が形成されている。なお、第１触媒床８は、半径
方向にはガスが互いに混合しない例えばハニカム
構造のものが望ましい。

更に排気管１ａの端部外周に環状室１１が形成
され、排気管１ａには多数の２次空気導入口１２
が設けられ、該環状室１１は管１３を通り、チエ
ツクバルブ１４およびエアクリーナ１６を介して
大気に連通し、排気管内の排気脈動により２次空
気を排気管と内筒５の間の通路１５内に導入する
ようにしている。

また、内筒５の入口には絞り弁１７を設け、内
筒５に入る流量を調節できるようにしており、か
つ、該絞り弁１７を開閉する回転軸１８は、リン
ク機構１９を介して負圧作動装置２０のダイヤフ
ラム２１に連結され、負圧室２２が管２３により
吸入管２４に連通している。従つて、エンジンの
運転状態の変化による吸入管２４内の負圧の変化
によりダイヤフラム２１が偏位し、絞り弁１７が
開閉するようになつている。

そして、排気管を流れる排気ガスは、第１触媒
床８に入る前に排気管と内筒５との間の通路１５
を通るものと、内筒５内を通るものとに分かれ
る。そして、通路１５を通る排気ガス中に排気の
脈動効果によりチエツクバルブ１４、管１３など
を介して２次空気が、脈動的に導入口１２より導
入されてよく混合した後、第１触媒床８の外周酸
化反応部８ａに流入し、ここで導入された２次空
気中の酸素により排気ガス中の一酸化炭素，炭化
水素が酸化されると共に、窒素酸化物もある程度
還元される。そして、余剰の酸素は酸化物および
他の成分と共に下流の混合部１０に流入する。一
方、内筒５内を通る排気ガスは第１触媒床８の中
心還元反応部８ｂに流入し、２次空気の供給を受
けないのでここで窒素酸化物が一酸化炭素，炭化
水素により還元されると共に、一酸化炭素，炭化
水素もある程度酸化される。そして、余剰の一酸
化炭素，炭化水素は混合部１０に流入する。

即ち、第１触媒床８は外周部８ａが主として酸
化を行なう酸化雰囲気となり、中心部８ｂが主と
して還元を行なう還元雰囲気となつて、排気ガス
中の三成分を共に減少することができる。この
時、外周部８ａの酸化反応熱により中心部８ｂを
高温に保持することができるため、中心部８ｂで
の触媒の反応性を高めることができる。

そして、外周部８ａと中心部８ｂから混合部１
０に流入した排気ガスは、混合部１０で混合して
更に下流の三元触媒で構成された第２触媒床９に
流入する。ここでは、酸化と還元が行われるが、
酸素の存在の多少により主として酸化か、または
主として還元が行われ、それぞれ余剰の一酸化炭
素，炭化水素または窒素酸化物が浄化される。そ
して、三元触媒で構成された第１触媒床８と第２
触媒床９とを、排気ガスが通過する際に段階的に
三成分をそれぞれ反応処理するので、充分な浄化
効果を上げることができる。

しかして、前記したように機関の運転状態に応
じて触媒装置に流入する排気ガス中の各成分は変
化する。即ち低負荷時は、炭化水素，一酸化炭素
濃度が高く、窒素酸化物濃度は低い。ところが低
負荷時には、吸入管２４内の負圧が高く、ダイヤ
フラム２１を偏位させ、絞り弁１７を絞る方向に
回転させ、これにより排気ガスは、内筒５内より
も通路１５の方へ多く流れる。しかも、低負荷時
には、排気脈動効果も大きく、２次空気の吸入率
（２次空気量／吸入空気量）が高くなり、従つ
て、外周部８ａには、濃度の高い炭化水素，一酸
化炭素の排気ガスが多量に流入すると共に、多量
の２次空気が流入するから、上記炭化水素，一酸
化炭素が充分酸化処理され、しかもその際には酸
化反応熱に急速かつ多量に発生するから中心部８
ｂは、急速に高温に熱されかつ２次空気が流入し
ないこととが相俟つて中心部の排気ガス中の窒素
酸化物も迅速かつ充分に還元される。そして、更
に余つた上記酸素が酸化されなかつた炭化水素，
一酸化炭素と混合部で混合し、これらを三元触媒
の浄化率の良い雰囲気で第２触媒床９でさらに酸
化させることができる。

一方、高負荷時では、排気ガスは窒素酸化物の
濃度が高く、炭化水素，一酸化炭素濃度の低いも
のになるが、吸入管負圧が低く、ダイヤフラムが
スプリングにより復帰し絞り弁１７が開き、内筒
５内に排気ガスが多く流入するようになる。一
方、排気脈動効果も低くなつて２次空気の上記吸
入率が減少し、炭化水素，一酸化炭素濃度に見合
つたものになり、第１触媒床８の外周部８ａに酸
素が及んでも、還元反応を減退させることなく高
濃度の窒素酸化物を外周部８ａ充分還元すること
ができると共に、低濃度の炭化水素、一酸化炭素
の酸化も行われる。また中央部８ｂにおいても多
量の排気ガス中の濃度の高い窒素酸化物の還元，
濃度の低い炭化水素，一酸化炭素の酸化が行われ
る。更に第１触媒床８で酸化未了の炭化水素，一
酸化炭素および還元未了の窒素酸化物は、混合部
１０で混合し、三元触媒の浄化効率の良い雰囲気
で第２触媒床９で再度酸化および還元反応を行
い、浄化することができる。

〔発明の効果〕

以上述べたところから明らかなように、本発明
によれば、上流側の三元触媒より成る第１触媒床
は、酸化反応部と還元反応部とに分け、これら反
応部のそれぞれに流入する排気ガスの量を、エン
ジンの運転状態により調節する絞り弁を設けて該
状態の変化により変わる炭化水素，一酸化炭素，
窒素酸化物の濃度に対応して、これら反応部にそ
れぞれ流入する排気ガス量を増減すると共に、前
記酸化反応部にはポンプを使用することなく排気
管内の排気脈動により２次空気を、排気ガス中の
炭化水素，一酸化炭素および窒素酸化物の濃度の
高低に応じてその吸入率が増減するように脈動的
に導入し排気ガスによく混合するようにしたの
で、構造が簡単になるうえ、運転状態により濃度
が変化する炭化水素，一酸化炭素が効果的に除か
れると共に、窒素酸化物も、還元反応部が２次空
気を導入されないうえ特に低負荷時においては隣
接する酸化反応部の、急速かつ多量に発生する酸
化反応熱により加熱されてその還元反応が一段と
助長されるので、効果的に除去され、従つて、排
気ガス中のこれら有害成分は、第１触媒床で効率
的に浄化することができる。しかも、第１触媒床
においての余剰の炭化水素，一酸化炭素および窒
素酸化物が混合部で混合されて、それぞれ第２触
媒床で再び酸化および還元されるから、窒素酸化
物が大気中の水分と化合して有害な硝酸が生成さ
れる恐れも少なく排気ガスの浄化は一層促進され
うえ、排気ガスは、その浄化が直線上に位置する
第１触媒床，第２触媒床を逆流するような屈曲を
することなく流れる間において行われるので、こ
の間において受ける抵抗ひいてはエンジンの動力
の損失が小さいなど所期の目的を達成することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２
図は第１図のＡ―Ａ断面図、第３図は有害成分浄
化率と空燃比の関係を示すグラフである。 １…排気管、２，３…テーパ部、４…拡張部、
５…内筒、６，７…ステー、８…第１触媒床、９
…第２触媒床、１０…混合部、１１…環状室、１
２…２次空気導入口、１３…管、１４…チエツク
バルブ、１５…通路、１６…エアクリーナ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 排気管の途中に三元触媒よりなる第１触媒床
   と第２触媒床とを混合部を挾んで直線上に位置す
   るように設け、第１触媒床に至る排気管を区分し
   て２個の排気ガス通路に分け、一方の通路に排気
   管内の排気脈動により２次空気を導入させる装置
   を設けてその延長上の第１触媒床部分を酸化反応
   部とし、他方の通路の延長上の該触媒床部分を還
   元反応部とし、かつ、これらのうちの何れかの通
   路に絞り弁を設け、該絞り弁をエンジンの運転状
   態に応じ開閉して前記酸化反応部への排気ガスの
   流量を、低負荷時には大量に、高負荷時には減少
   するようにしたことを特徴とする内燃機関の排気
   ガス浄化装置。