JPS621086B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は内燃機関から排出される有害排気ガス
成分を排気系に装着した触媒により低減する触媒
式排気ガス浄化装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、周知の構成は機関本体から排出される有
害排気ガスを排気マニホルドに導びき、酸化反応
を行なわせしめ、更にその下流に設置した触媒を
保持する排気ガス浄化装置に導入している。

一般に排気ガス浄化装置の構成は触媒を保持す
るコンバータ本体と、その前後において排気管と
接続される管部、並びに前記コンバータ本体と管
部とを接続するラツパ状の排気ガス拡張部および
排気ガス集合部とから成つており、触媒へ排気ガ
スを導入する前記ラツパ状の排気ガス拡張部はそ
の形状の故に、壁面付近の排気ガスの流れに剥離
が生じる。

ところで、最近の排気ガス規制における排気ガ
ス規制値の強化、エンジンの出力向上の要請から
触媒の大容量化と触媒の排気ガス流通抵抗の低下
が必要となり、排気ガス浄化装置に排気ガス流通
抵抗の小さいモノリシツク触媒を偏平化すること
により、車輌への搭載性を良くして用いるように
なつてきている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような偏平な形状のモノリシツク触媒にお
いては、排気ガス浄化装置に流入した排気ガス
は、特にその多くがモノリシツク触媒の中央を流
れることとなり、周辺部にはガスがほとんど流れ
ない。

このためモノリシツク触媒の中央部においては
流れる排気ガス量が多すぎ浄化率が低下する。一
方、周辺部においては流れる排気ガス量は少な
く、冷間始動時においては暖機性に乏しく触媒の
浄化活性温度にいたるまでの時間が長くかかり、
また暖機されてからも充分有効に利用されていな
いことになる。さらに触媒中央部の劣化が著しく
早いため、モノリシツク触媒は短期間で使用不可
能となる。

本発明は偏平なモノリシツク触媒を用いた場合
においても、長期にわたる使用において問題のな
い簡易な手段により触媒に流入する排気ガスの流
れの分布を触媒を中央部および外周部とも均一に
して触媒の排気ガス浄化効率および耐久性を向上
せしめることのできる触媒式排気ガス浄化装置を
提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕 この目的を達成すべく、本発明は以下に説明す
る開発過程を経てなされたものである。

(i) 第１の対策例 発明者が最初に試みた第１の対策例はラツパ状
の排気ガス拡張部の短径方向に、両端が開口した
中空の薄肉筒体を排気ガス拡張部を貫通させて設
けることにより、この筒体内部に外気を導入して
中空の薄肉筒体の内面を冷却するようにしたもの
である。

第１図、第２図、第３図はこの第１の対策例を
示すもので、１は内燃機関（要部のみを示す）、
２は排気口を開閉する排気系、３は排気ポート、
４は機関１と結合した排気マニホルド、５は排気
マニホルド４に連結された排気管、６はセラミツ
クからなるハニカム状担体に触媒を担体した断面
が長円形状のモノリシツク触媒で、排気ガス浄化
装置７内に保持されて排気管５中に配置されてい
る。

排気ガス浄化装置７は、サポートワイヤ８を介
してモノリシツク触媒６を保持するコンバータ本
体９と、前後の排気管５，５′への接続部となる
排気ガス導入管部１０および排気ガス排出管部１
０′と、コンバータ本体９と管部１０，１０′とを
接続するラツパ状長円錐台形の排気ガス拡張部１
１および排気ガス集合部１２とから構成されてお
り、モノリシツク触媒６の軸方向の動きを規制す
るためのストツパ１３が設けられている。

１４はパイプを排気ガス拡張部１１へ短径方向
に貫通させて、その両端面を排気ガス拡張部１１
へ溶接して排気ガスがもれないように取りつけ、
該パイプの内面に外面が接触する構造とした筒体
であり、モノリシツク触媒６に流入する排気ガス
の流れの方向を変える作用をする。筒体１４は耐
熱性金属、例えばSUS304の断面が円形のパイプ
で作られており、該パイプの肉厚は極めて薄く熱
容量が小さく設計されており、暖機特性の良好な
ものである。なお、排気管５，５′、コンバータ
本体９、管部１０，１０′、排気ガス拡張部１１
および排気ガス集合部１２とで排気通路を形成し
ている。

第２図において排気ガス拡張部１１の拡がり角
θは一般に60゜〜100゜、モノリシツク触媒６の
長径と短径の比はほぼ２程度にとられる。この場
合、筒体１４の外径ｄを、0.3≦ｄ／Ｄ≦0.７
（Ｄは排気ガス導入管部１０の内径）、排気ガス拡
張部１１の入口端部からの薄肉筒体１４の軸心ま
での長さｌを、 ｌ／Ｌ≦0.7（Ｌは排気ガス拡張部１１の長
さ）とした範囲が、排気ガスの流速分布を均一に
するために最も有効な範囲である。

上記構成において、機関１の燃焼行程が終了す
ると排気ガスは排気弁２の開弁と共に排気ポート
３に排出され、酸化反応を進行しつつ排気マニホ
ルド４に流入する。マニホルド４内では更に酸化
反応が促進されるが十分ではなく、未燃焼の
HC、COを含んだ状態で排気管５を介して排気ガ
ス浄化装置７に流入し、モノリシツク触媒６にて
浄化される。

そして、排気ガス浄化装置７は流入する排気ガ
スは第２図、第３図に細い矢印でしめすように排
気ガス導入管部１０を通り、筒体１４にぶつかつ
て該筒体１４の外周面に沿つて流れるとともに、
その一部の流路が拡開されて排気ガス拡張部１１
の内周面に沿つて流れるため剥離が生ぜず、モノ
リシツク触媒６の中心部および周辺部ともにほぼ
均一に流入し、機関１の冷間始動時においてもモ
ノリシツク触媒６はその周辺部まで速やかに暖機
され、触媒６全体が短時間で活性温度に至る。

更に、機関１が充分に暖機された後において
も、排気ガスはモノリシツク触媒６の全面にほぼ
均一に流れ、触媒６全体がむだなく効果的に利用
される結果高浄化率が得られる。

第８図ないし第１３図は上記第１の対策例の整
流効果を改良前の装置と対比したものである。い
ずれも触媒は長径164mm、短径76mmの断面長円形
のモノリシツク触媒であり、薄肉筒体１４の外径
ｄは25mm、排気ガス導入管部１０の内径Ｄは50mm
である。各図においてａは長径方向の、ｃは短径
方向の、ｂはその中間方向（132mm）の排気ガス
の流速分布である。なお測定場所は触媒の下流側
とした。

第８図は排気ガスを整流する筒体１４を有しな
い従来装置で、中央部に対し外周部の流速が著し
く低く、排気ガスの流れが中央部に集中してい
る。第９図乃至第１３図は第１の対策例の装置
で、ｌ／Ｌはそれぞれ第９図が0.2、第１０図が
0.35、第１１図が0.5、第１２図が0.65、第１３図
が0.8である。従来装置に比べて触媒の中央部お
よび外周部の流速分布は均一化されている。ｌ／
Ｌの値を0.7以下とした場合の均一化が特に良好
である。

このように排気ガスの流れを均一化する上にお
いては上記第１の対策例は極めて優れたものであ
る。

しかしながら、機関１が充分に暖機された後に
おいては筒体１４は排気ガスにされされて極めて
高温となる。

筒体１４は薄いパイプで作られており、その内
面が外気と接触して冷却される構造となつてお
り、外気は第３図に太い矢印で示す様にパイプ内
面を流れて冷却するものの、筒体１４は大きな温
度上昇を免れず、その結果長期間の使用について
は筒体の熱膨張により、筒体１４と排気ガス拡張
部１１との接合部において割れが生ずることがあ
つた。

(ii) 第２の改良例 第４図は第２の改良例を示すもので、筒体１４
の両端を排気ガス拡張部１１の外側へ出して冷却
ひれ１４Ａを形成したものである。冷却ひれ１４
Ａを設けることにより筒体１４の冷却効果は更に
高くなり、機関１が充分暖機した後において筒体
１４に発生する熱害を上記第１の改良例よりも少
なくすることができるが、長期間の使用について
はやはりまだ筒体１４の排気ガス拡張部１１との
接合部において割れが生ずることがあつた。

(iii) 本発明として採用した手段 本発明は上記第１、第２の改良例において残さ
れた長期にわたる使用上の問題点を解決するた
め、薄肉筒体１４の一端を排気ガス拡張部１１へ
固定しないで自由端とすると共に、その自由端部
を閉塞して排気ガスの流出を防止したものであ
る。

すなわち、本発明の触媒式排気ガス浄化装置は
偏平な長円形状断面のモノリシツク触媒を内部に
有し、その一端部に排気ガスを導入する排気ガス
導入管部を有する触媒式排気ガス浄化装置におい
て、前記モノリシツク触媒の排気ガス入口側端面
と前記排気ガス導入管部との間にモノリシツク触
媒の端面形状に合わせて長円形状流路断面を有す
るラツパ状の排気ガス拡張部を形成し、一端が閉
塞し他端が外気に開口した中空の薄肉筒体を前記
長円形状流路断面を有するラツパ状の排気ガス拡
張部の途中であつて前記排気ガス導入管部の中心
軸の略延長線上の位置に、その配設方向を前記長
円形状流路断面の短径方向に中心軸を一致させた
状態で外気に開口した側を排気ガス拡張部に固定
し、閉塞した側を自由端として配設することによ
り、排気ガスの流れを前記排気ガス拡張部におい
て拡開させて前記モノリシツク触媒内を通過する
排気ガスの流れを均一化すると共に、前記薄肉筒
体の内部に導入される外気により薄肉筒体の内面
を冷却し、更に前記薄肉筒体の自由端により熱膨
張を吸収するようにしたものである。

〔実施例〕

第５図は本発明の第１実施例を示すもので、薄
肉筒体１４の排気ガス拡張部１１内に位置した一
端を自由にし、その端面に蓋板１４Ｂを溶接して
排気ガスのもれを防ぐとともに筒体１４の軸方向
の移動が拘束を受けないようにしている。この場
合には上記第１および第２の改良例よりも極めて
有効に筒体１４の熱膨張により筒体１４と排気ガ
ス拡張部１１との接合部において発生するひずみ
を防ぐことができ、その結果、長期間の使用にあ
たつても筒体１４と排気ガス拡張部１１との接合
部において割れが生ずることはない。

第６図は本発明の第２の実施例を示すもので、
蓋板１４Ｂのついた筒体１４の自由端を、更に排
気ガス拡張部１１に溶接されたカツプ体１５によ
つて筒体１４の軸方向には摺動可能にはめ込んで
支持したものである。このような構造とすること
により機関１の振動による筒体１４の共振を防
ぎ、かつ筒体１４の熱膨張による筒体１４と排気
ガス拡張部１１との接合部において発生するひず
みを防ぐことができる。

第７図は本発明の第３の実施例を示すもので筒
体１４を２本のパイプで構成し、各パイプの一端
を排気ガス拡張部１１に固着すると共に他端を自
由端として導入部１１の中央で対向させ、自由端
の端面に蓋板１４Ｂを溶接して排気ガスのもれを
防ぎ、各パイプの長さを短くしてものである。パ
イプを短くしたことにより機関１の振動による筒
体１４の共振を減じ、かつ一端を自由端としたこ
とにより熱膨張による筒体１４と排気ガス拡張部
１１との接合部において発生するひずみを防ぐこ
とができる。

〔発明の効果〕 以上述べたように本発明は、断面長円形のモノ
リシツク触媒に流入する排気ガスの流れの方向を
変えるための筒体を排気ガス拡張部の短径方向に
設けたことより、触媒の全面に排気ガスを極めて
均一に流入させ、その結果冷間始動時の暖機特
性、浄化率、並びに暖機後の浄化率を向上させる
ことができるのみならず、触媒の局部的劣化を防
止できるので、触媒全体としての耐久性を著しく
向上させることができる。

また、本発明では筒体を中空の薄肉円筒で形成
しているので筒体の熱容器は極めて小さく、従つ
て機関の冷間始動時において触媒に流入する排気
ガスから筒体が奪う熱量は極めて小さいので、冷
間始動時の暖機特性をさらに向上させることがで
きる。

また、筒体内に外気を流入させるようにしたこ
とにより筒体の過度の温度上昇による熱ひずみや
材料の腐食を減少させる効果を発揮させることが
できる。

また、さらに前記筒体の一端を自由端とするこ
とにより熱膨張により筒体と排気ガス拡張部との
接合部において発生するひずみの防止効果を大幅
に向上させることができ、その結果、長期間の使
用にあたつても筒体と排気ガス拡張部との間の接
合部において割れが生ずることがないという優れ
た効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図は第１の改良例を示す
もので、第１図はその全体構成図、第２図、第３
図は各々その要部の水平方向断面図、垂直方向断
面図である。第４図は第２の改良例要部の垂直方
向断面図、第５図は本発明の第１の実施例要部の
垂直方向断面図、第６図は本発明の第２の実施例
要部の垂直方向断面図、第７図は本発明の第３の
実施例要部の垂直方向断面図である。第８図は従
来装置における触媒の排気ガス流速分布曲線図、
第９図乃至第１３図は第１改良例の装置における
上記流速分布曲線図である。 １……内燃機関、６……モノリシツク触媒、
５，５′，９，１０，１０′，１１，１２……排気
通路を形成する排気管路、９……コンバータ本
体、１０……排気ガス導入管部、１１……排気ガ
ス拡張部、１４……薄肉筒体、１４Ａ……冷却ひ
れ、１４Ｂ……蓋板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 偏平な長円形状断面のモノリシツク触媒を内
   部に有し、その一端部に排気ガスを導入する排気
   ガス導入管部を有する触媒式排気ガス浄化装置に
   おいて、前記モノリシツク触媒の排気ガス入口側
   端面と前記排気ガス導入管部との間に前記モノリ
   シツク触媒の端面形状に合わせて長円形状流路断
   面を有するラツパ状の排気ガス拡張部を形成し、
   一端が閉塞し他端が外気に開口した中空の薄肉筒
   体を前記長円形状流路断面を有するラツパ状の排
   気ガス拡張部の途中であつて前記排気ガス導入管
   部の中心軸の略延長線上の位置に、その配設方向
   を前記長円形状流路の短径方向に中心軸を一致さ
   せた状態で外気に開口した側を排気ガス拡張部に
   固定し、閉塞した側を自由端として配設すること
   により、排気ガスの流れを前記排気ガス拡張部に
   おいて拡開させて前記モノリシツク触媒内を通過
   する排気ガスの流れを均一化すると共に、前記薄
   肉筒体の内部に導入される外気により薄肉筒体の
   内面を冷却し、更に前記薄肉筒体の自由端により
   熱膨張を吸収することを特徴とする触媒式排気ガ
   ス浄化装置。 ２ 前記薄肉筒体を２本の筒体で構成し、各筒体
   の外気に開口した側を前記排気ガス拡張部に固着
   される固定端とするとともに、閉塞した側を自由
   端として排気ガス拡張部のほぼ中央で対向させた
   特許請求の範囲第１項記載の触媒式排気ガス浄化
   装置。 ３ 前記薄肉筒体の外気に開口した側を前記排気
   ガス拡張部の外側へ突出させて、冷却ひれを形成
   した特許請求の範囲第１項又は第２項のいずれか
   に記載の触媒式排気ガス浄化装置。 ４ 前記薄肉筒体の外径ｄを0.3≦ｄ／Ｄ≦0.7
   （Ｄは排気ガス導入管部の内径）、排気ガス拡張部
   の入口端部から薄肉筒体の軸心までの長さｌを
   ｌ／Ｌ≦0.7（Ｌは排気ガス拡張部の全長）とし
   た特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに
   記載の触媒式排気ガス浄化装置。