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内燃機関の排気浄化装置 - トヨタ自動車株式会社
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発明の名称 内燃機関の排気浄化装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−54751(P2007−54751A)
公開日 平成19年3月8日(2007.3.8)
出願番号 特願2005−243933(P2005−243933)
出願日 平成17年8月25日(2005.8.25)
代理人 【識別番号】100100549
【弁理士】
【氏名又は名称】川口 嘉之
発明者 関東 勇二 / 後藤 勇
要約 課題
内燃機関の排気浄化装置において、排気中の粒子状物質が触媒担体に付着することを抑制することができる技術を提供する。

解決手段
排気の流入口である排気流入口4aと、排気流入口4aから下流側に向かい徐々に通路断面積が大きくなるコーン部3aと、を備えたケース3に担体2が格納され、担体2の上流側端面であって、排気流入口4aの通路断面形状が排気の流れる方向に投影された部分が上流側へ突出し、この上流側へ突出した面2aは平面で且つコーン部3aの通路断面積が最大となるよりも上流側に位置し、該上流側へ突出した面2aの周縁から担体の上流側の周縁までの間の面2bは担体2の周縁側ほど下流側に位置し且つ下流側へ向けて窪んでいる。
特許請求の範囲
【請求項1】
排気の流入口である排気流入口と、
前記排気流入口から下流側に向かい徐々に通路断面積が大きくなるコーン部と、
を備えたケースに担体が格納され、
前記担体の上流側端面であって、前記排気流入口の通路断面形状が排気の流れる方向に投影された部分が上流側へ突出し、この上流側へ突出した面は平面で且つコーン部の通路断面積が最大となるよりも上流側に位置し、該上流側へ突出した面の周縁から担体の上流側の周縁までの間の面は担体の周縁側ほど下流側に位置し且つ下流側へ向けて窪んでいることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【0002】
内燃機関の排気通路の途中に備わる排気浄化触媒は、排気の浄化率を向上させるために担体の断面積が排気通路の通路断面積よりも大きくなっている。排気通路と担体との間には徐々に通路断面積が大きくなるコーン部が備わるが、排気の流入口からケース内に流入した排気は慣性により中心軸付近に多く流れる。
【0003】
これに対し、排気浄化触媒の上流端面を凸面状として、ケース内に格納された触媒へ均一に排気を流す技術が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
【特許文献1】特開平10−118500号公報
【特許文献2】特開2004−308567号公報
【特許文献3】特開2003−135976号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、担体の中心軸から外側へ向かうに従い、排気が担体内へ流入する角度が浅くなる。すなわち、排気流入口からケース内に流入した排気は、慣性により中心軸付近を多く流れるが、担体の抵抗により、中心側から外側へ向かう速度成分(以下、横方向の速度成分ともいう。)が生じる。そのため、凸面よりも外側では触媒のセルを形成する壁面に横方向の速度成分の大きな排気が当たる。
【0005】
ここで、パティキュレートフィルタを備えている場合等には、排気中に還元剤を流すことがある。このとき、前記凸面よりも外側では、排気と共に流れる還元剤がセルを形成する壁面に当たり、付着することがある。さらに、この還元剤に排気中の粒子状物質(PM)等が付着することがある。これにより、触媒の抵抗が大きくなったり、排気の浄化効率が低下したりするおそれがある。
【0006】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化装置において、排気中の粒子状物質が触媒担体に付着することを抑制することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、以下のことを特徴とする。
【0008】
すなわち、
排気の流入口である排気流入口と、
前記排気流入口から下流側に向かい徐々に通路断面積が大きくなるコーン部と、
を備えたケースに担体が格納され、
前記担体の上流側端面であって、前記排気流入口の通路断面形状が排気の流れる方向に投影された部分が上流側へ突出し、この上流側へ突出した面は平面で且つコーン部の通路断面積が最大となるよりも上流側に位置し、該上流側へ突出した面の周縁から担体の上流側の周縁までの間の面は担体の周縁側ほど下流側に位置し且つ下流側へ向けて窪んでいることを特徴とする。
【0009】
ここで、ケース内に流入した排気は、コーン部で外側へ広がりつつ下流へ向かって流れる。しかし、排気の慣性により排気流入口の延長上に多くの排気が流れるので、この部分においては、排気の下流側へ向かう速度成分(以下、縦方向の速度成分ともいう。)は比較的大きい。そして、下流へ向かうほど通路断面積が大きくなるので、縦方向の速度成分は小さくなる。また、排気流入口の延長上では排気の横方向の速度成分は小さい。
【0010】
したがって、前記上流側へ突出した面では、排気流入口の延長上にあるので、排気の縦方向の速度成分が大きく、横方向の速度成分は小さい。また、前記上流側へ突出した面はコーン部の途中にあるため、流速が速い。そのため、前記上流側へ突出した面では、還元剤および粒子状物質の付着が抑制される。また、上流側へ面を突出させることにより、担体の容積を大きくすることができる。さらに、突出した面を平面とすることにより、傾斜面と比較して担体の容積をより大きくすることができる。
【0011】
一方、上流側へ突出した面の周縁から担体の周縁までの面は担体の周縁側ほど下流側に位置し且つ下流側へ向けて窪んでいる。すなわち、担体中心軸方向に切断した断面で見ると、上流側へ突出した面の周縁から担体の周縁までを結ぶ線が、下流側へ向けて窪んだ曲線となっている。
【0012】
ここで、排気の慣性により排気流入口の延長上に多くの排気が流れるが、担体には抵抗があるため、排気の一部が外側へ向かって流れる。しかし、上流側へ突出した面の周縁から前記担体の周縁に至るまでの面は、下流側へ向けて窪んでいるので、横方向の速度成分が大きい排気が直ぐに担体に流入することが抑制される。そして、排気の縦方向の速度成分がより大きくなってから、該排気が担体内に流入する。これにより、上流側へ突出した面よりも外側における還元剤やPMの付着が抑制される。
【発明の効果】
【0013】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、排気中の粒子状物質が触媒に付着することを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【実施例1】
【0015】
図1は、本実施例による排気浄化触媒の概略構成を示した縦断面図である。また、図2は、本実施例による担体を上流側から見た図である。さらに、図3は、本実施例による担体の斜視図である。
【0016】
本実施例による排気浄化触媒1は、触媒を担持した担体2、担体2を内部に格納するケース3を備えて構成されている。ケース3は、担体2の上流側において、横方向の断面積が上流側から徐々に大きくなるコーン部3aを備えている。すなわち、コーン部3aにおいて通路断面積が徐々に大きくなっている。コーン部3aの通路断面積が一番小さくなっている箇所において排気管4に接続されている。また、このコーン部3aの通路断面積が一番小さくなっている箇所において、排気流入口4aが形成されている。コーン部3aの通路断面積が最大となる箇所よりも下流側では、ケース3は筒状に形成されている。この筒状に形成された部分において、担体2が支持されている。
【0017】
担体2の上流側では、排気流入口4aの断面形状を排気の流入方向と平行に担体2へ投影した部分が、上流側へ向かって隆起している。この隆起した部分の端面を以下「前端平面2a」と称する。この前端平面2aは、排気流入口4aの断面形状と略同一の形状の平
面となるように形成されている。また、前端平面2aは、排気流入口4aにおける排気管4の中心軸と直交している。さらに、前端平面2aは、上流側へ隆起することにより、コーン部3aの通路断面積が最大となる箇所よりも上流側、すなわちコーン部3aの内側に位置している。
【0018】
そして、前端平面2aよりも外側では、該前端平面2aの周縁から担体2の周縁に至る面が、下流側へ向けて窪み且つ担体2の周縁側ほど下流側に位置している。すなわち、断面形状でみると、担体中心向かって凹形状となっている。この凹形状となっている面を以下「凹形状面2b」と称する。
【0019】
担体2は、セラミックス担体を採用し、排気との接触面積を増加させるために担体形状がモノリス形状若しくはハニカム形状となるように形成されている。担体2は、薄肉の隔壁21によって隔てられ、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路22を具備している。なお、本実例では、担体2にメタル担体を採用することもできる。メタル担体は、平板の上に波板を重ね合わせて長形状積層材を形成し、その後、該長形状積層材をロール巻きにして円柱状に形成されている。
【0020】
そして、担体2には触媒が担持されている。触媒は、例えば酸化触媒、三元触媒、またはNOx触媒を採用することができる。ケース3内であって担体2よりも下流には、他の
担体やパティキュレートフィルタを備えることができる。
【0021】
ここで、図4は、前端面の全てが平面である従来の排気浄化触媒の断面を示した図である。図中の矢印の向きは排気の流れ方向を示し、矢印の長さは排気の流速に比例している。
【0022】
従来の担体100の前端面100aは、コーン部3aの断面積が一番大きくなった更に下流側に備えられていた。そして、前端面100aは平面であった。このように構成された従来の担体100では、排気流入口4aからケース3内に流入した排気は、コーン部3aにおいて横方向に広がりつつ下流へと流れる。そのため、コーン部3a内では排気の速度が次第に減少する。また、慣性により担体100の中心軸付近に多くの排気が流れる。そして、担体100の抵抗のため、排気の一部に横方向の速度成分が生じる。
【0023】
ここで、図5は、従来の担体100の右側半分の断面図であって、且つ排気の流入方向を示した図である。また、図6は、従来の担体100を上流側から見た図であって、PMの付着状態を示した図である。図6中のBで示した一点鎖線は、排気流入口の投影形状である。
【0024】
排気中に含まれる還元剤やPMは、慣性により担体100の中心軸付近に多く流れるが、中心軸付近では流速が速く且つ隔壁21に対して平行に排気が流れているので、該隔壁21にPMが付着し難い。そのため、中心軸付近では目詰まりがし難い。
【0025】
一方、担体100の中心部から周縁にかけて、特に中心から周縁までの半分の距離に当たる箇所付近(図6の斜線部)においては、排気の速度の横方向の成分が大きく且つ排気の流速が遅いため隔壁21にPMが付着しやすい。そのため、この付近において触媒の目詰まりが発生しやすい。
【0026】
さらに周縁側では、還元剤やPMの流れる量および排気の流量も少ないので目詰まりはし難い。
【0027】
また、図7は、前端面が円錐形状である従来の排気浄化触媒の断面を示した図である。
図中の矢印の向きは排気の流れ方向を示し、矢印の長さは排気の流速に比例している。
【0028】
この従来の他の担体200は、前端面200aが円錐形状をしている。この従来の他の担体200は、排気の流量を均一とすることを目的としているが、中心軸付近から外側では、排気の横方向の速度成分が大きいために、隔壁21へ還元剤やPMが横方向から衝突することとなる。そのため、目詰まりが発生するおそれがある。
【0029】
また、従来の他の担体200の円錐形状の頂点部分を切断して平面を形成したとしても、該平面よりも外側では、排気の横方向の速度成分が大きいまま担体内に排気が流入する。そのため、目詰まりが発生するおそれがある。
【0030】
このように、従来の他の担体200等の形状では、排気の流れが均一となったとしても、目詰まりが発生するおそれがある。
【0031】
ここで、図8は、本実施例による担体2の右側半分の断面図であって、且つ排気の流入方向を示した図である。
【0032】
本実施例では、前端平面2aよりも外側において、凹形状面2bが形成されている。このように構成された排気浄化触媒1では、排気流入口4aから流入した排気が、コーン部3aの断面積が一番大きくなるよりも上流側において前端平面2aに到達する。この前端平面2aは、コーン部3aの断面積が一番大きくなる箇所よりも上流側に位置している。ここで、排気流入口4aから流入した排気は、コーン部3aにおいて通路断面積が次第に大きくなるに従い、縦方向の速度が低下する。そして、前端平面2aは、従来の担体100および従来の他の担体200よりも上流側に位置している。そのため、前端平面2aから担体2へ流入する排気の速度は、従来の担体100および従来の他の担体200の前端面における排気の流速よりも速い。そして、前端平面2aの周縁付近では横方向の速度成分が大きくなるものの、排気中に含まれる還元剤やPMは前端平面2aにおいては、勢い良く隔壁21と平行に近い角度で担体2内に流入する。したがって、前端平面2aにおいては、還元剤やPMが付着し難く、目詰まりが起こり難い。
【0033】
また、排気の一部は、凹形状面2b側へも流れる。ここで、従来の担体100および従来の他の担体200等では、本実施例による担体2と比較して、担体中心と担体周縁との中間よりも外側において排気の横方向の速度成分が大きく、縦方向の速度成分が小さいために最も目詰まりが起こりやすかった。しかし、本実施例における凹形状面2bでは、担体中心と担体周縁との中間よりも外側であって、横方向の速度成分が大きな排気が流れている箇所(図8のAで示した領域)においては、担体2が存在しない。また、凹形状とすることにより排気が凹形状面2bに沿って流れ難い。そのため、横方向の速度成分がより小さくなってから担体2へ流入するので、還元剤やPMが凹形状面2b付近の隔壁21に衝突することが抑制される。これにより、凹形状面2bの目詰まりを抑制することができる。
【0034】
なお、本実施例においては、内燃機関の所定の運転状態において還元剤やPMの付着が抑制されるように凹形状面2bの形状を定めても良い。例えば、最も多用される運転状態において還元剤やPMの付着が抑制されるように凹形状面2bの形状を定めても良い。
【0035】
また、本実施例においては、内燃機関の所定の運転状態において排気の流量が均一となるように凹形状面2bの形状を定めても良い。例えば、最も多用される運転状態において排気の流量が均一となるように凹形状面2bの形状を定めても良い。
【0036】
同様に、本実施例においては、内燃機関の所定の運転状態において担体2の温度が均一
となるように担体2の凹形状面2bの形状を定めても良い。例えば、最も多用される運転状態において担体2の温度が均一となるように凹形状面2bの形状を定めても良い。
【0037】
これら、内燃機関の運転状態と凹形状面2bの形状との関係は実験等により得ることができる。
【0038】
なお、本実施例においては、排気流入口4aの中心軸とケース3の中心軸とが同軸上にあるが、同軸上にない場合であっても適用することができる。
【0039】
ここで、図9は、排気流入口の中心がケースの中心軸上にない場合の排気浄化触媒の概略構成を示した縦断面図である。
【0040】
排気管4の中心軸線上に排気流入口304aを投影したときの投影部を上流側に突出させて前端平面302aが形成される。この前端平面302aは、コーン部303aの通路断面積が最大となる箇所よりも上流側に位置している。そして、前端平面302aの周縁と担体の周縁との間の面は下流側へ凹形状となるように形成されている。
【0041】
このようにしても、前端平面302aにおいて、担体302内へ流入する排気の速度を速くすることができ、且つ排気の流入方向を隔壁と略平行とすることができる。また、凹形状面302bにおいては、横方向の速度成分が小さくなってから排気が担体302へ流入するので、排気の流入方向が隔壁と略平行となる。したがって、横方向の速度成分の大きな還元剤やPMが隔壁に衝突することが抑制され、凹形状面302b付近での目詰まりを抑制することができる。
【0042】
以上説明したように、本実施例によれば、前端平面2aにおける下流側へ向かう速度成分を大きくすることができるので、該前端平面2aにおける目詰まりを抑制することができる。また、凹形状面2bを備えることにより、横方向への速度成分が大きな排気が担体に流入することを抑制できるので、凹形状面2bにおける目詰まりを抑制することもできる。以上より、担体2の目詰まりを抑制することができる。
【0043】
また、前端平面2aが上流側へ隆起しているため、担体2の容積を大きくすることができるので、排気浄化率を向上させることができる。逆に、上流側へ隆起した分だけ下流側の容積を減少させることができるので、排気浄化触媒1の小型化を図ることができる。
【0044】
さらに、本実施例による排気浄化触媒1をパティキュレートフィルタの上流側へ備えた場合には、還元剤を添加したときの目詰まりを抑制することができるので、排気浄化触媒1およびパティキュレートフィルタの温度を速やかに上昇させることができる。したがって、パティキュレートフィルタに捕集されたPMの除去若しくはNOx触媒に吸蔵された
硫黄成分の除去を速やかに完了させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】実施例による排気浄化触媒の概略構成を示した縦断面図である。
【図2】実施例による担体を上流側から見た図である。
【図3】実施例による担体の斜視図である。
【図4】前端面の全てが平面である従来の排気浄化触媒の断面を示した図である。
【図5】従来の担体の右側半分の断面図であって、且つ排気の流入方向を示した図である。
【図6】従来の担体を上流側から見た図であって、PMの付着状態を示した図である。
【図7】前端面が円錐形状である従来の排気浄化触媒の断面を示した図である。
【図8】実施例による担体の右側半分の断面図であって、且つ排気の流入方向を示した図である。
【図9】排気流入口の中心がケースの中心軸上にない場合の排気浄化触媒の概略構成を示した縦断面図である。
【符号の説明】
【0046】
1 排気浄化触媒
2 担体
2a 前端平面
2b 凹形状面
3 ケース
3a コーン部
4 排気管
4a 排気流入口
21 隔壁
22 排気流通路
302 担体
302a 前端平面
302b 凹形状面
303a コーン部
304a 排気流入口




 

 


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