JP2012026420A - Exhaust emission control device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、排気ガス浄化装置に係り、特に複数の触媒を縦列に配置した排気ガス浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust gas purification device, and more particularly to an exhaust gas purification device in which a plurality of catalysts are arranged in a column.
車両に搭載される内燃機関には、複数の触媒(触媒コンバータ)を縦列に配置した排気ガス浄化装置を設けているものがある。
この排気ガス浄化装置の触媒の触媒担体に用いられる貴金属として、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、プラチナ(白金:Pt)を組み合わせて使用することが一般的に行われている。また、トリメタルは、これらパラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、プラチナ(白金:Pt)の3つを含むものである。
単位セルの断面形状が、三角形、四角形、あるいは六角形のように多角形となり、また、これらの単位セルを格子状に並べたその単位断面積(SI:スクエア・インチ)当たりのセル密度(CPSI:セル・パー・スクエア・インチ)が300、400、600、800等と異なっており、それらの組み合せだけでも多種の触媒担体があることが知られている。また、排気系全体としても配置の組み合せ等を工夫して、浄化能力向上について必要な性能を確保している。
即ち、排気ガス浄化装置においては、触媒を縦列に複数設け、内燃機関の(特にエキゾーストマニホルド)の直下流に上流側触媒を配設し、そこから距離を採った排気管途中に下流側触媒を配設している。
このような触媒の配置では、内燃機関から排気された比較的高温の排気ガスを利用して、上流側触媒を比較的早期に活性化することによって、内燃機関の始動直後の排気ガスの有害成分をより早い段階から浄化することができるものである。
また、下流側触媒によって、特に、高負荷時等に、上流側触媒にて浄化しきれなかった排気ガスを浄化することにより、トータルの浄化性能を確保している。
これにより、内燃機関の運転状態と照らしてみて、冷機始動の直後から触媒活性化を図る状態と、高速走行中の高負荷状態で出力を確保する状態では、互いに全く異なる状態となっており、それらの性能を共に満足するようにしている。
冷機始動時の内燃機関の排気ガス制御では、点火時期を遅角して、排気ガスの温度を高めて、触媒の早期活性化を図っている。
Some internal combustion engines mounted on vehicles are provided with an exhaust gas purification device in which a plurality of catalysts (catalytic converters) are arranged in a column.
In general, palladium (Pd), rhodium (Rh), or platinum (platinum: Pt) is used in combination as a noble metal used for the catalyst carrier of the catalyst of the exhaust gas purifying apparatus. The trimetal contains three of these palladium (Pd), rhodium (Rh), and platinum (platinum: Pt).
The cross-sectional shape of the unit cell is a polygon such as a triangle, quadrangle, or hexagon, and the cell density (CPSI) per unit cross-sectional area (SI: square inch) in which these unit cells are arranged in a grid. : Cell per square inch) is different from 300, 400, 600, 800, etc., and it is known that there are various types of catalyst carriers only by combining them. In addition, the exhaust system as a whole has devised a combination of arrangements to ensure the performance required for improving the purification capacity.
That is, in the exhaust gas purifying apparatus, a plurality of catalysts are provided in tandem, an upstream catalyst is disposed immediately downstream of the internal combustion engine (especially the exhaust manifold), and the downstream catalyst is disposed in the middle of the exhaust pipe at a distance from the upstream catalyst. It is arranged.
In such a catalyst arrangement, harmful components of the exhaust gas immediately after the start of the internal combustion engine are activated by using the relatively high temperature exhaust gas exhausted from the internal combustion engine and activating the upstream catalyst relatively early. Can be purified from an earlier stage.
Also, the total purification performance is ensured by purifying the exhaust gas that could not be purified by the upstream catalyst, particularly when the load is high, by the downstream catalyst.
Thereby, in light of the operating state of the internal combustion engine, the state in which the catalyst is activated immediately after the start of the cold engine and the state in which the output is secured in a high load state during high speed running are completely different from each other. Both of these performances are satisfied.
In the exhaust gas control of the internal combustion engine at the time of cold start, the ignition timing is retarded, the temperature of the exhaust gas is increased, and the catalyst is activated early.
特許文献1に係る触媒装置は、夫々多数のセルを有する上流側の第1触媒と下流側の第2触媒とを設けた構造において、第1触媒の触媒担体のセルを断面四角形状とする一方、第2触媒の触媒担体のセルを断面六角形状とし、また、第1触媒の触媒担体のセル密度を第2触媒の触媒担体のセル密度よりも高くしたものである。
特許文献2に係るエンジンの排気浄化装置は、浄化対象成分の浄化が必要とされる状況下では、排気ガスの大部分を、触媒材料との接触度合いが小さい第1の部分を流通させ、上流側触媒での還元剤の浄化を抑制して、下流側触媒に十分な還元剤を供給するものである。
特許文献3に係る内燃機関用触媒装置は、上流側にスタータ触媒コンバータの機能を有する金属系の触媒コンバータを配置し、下流側にはセラミック系の触媒コンバータを配置したものである。
The catalyst device according to
The engine exhaust gas purification apparatus according to
In the internal combustion engine catalyst device according to
ところで、従来、排気ガス浄化装置においては、排気系全体としての浄化能力向上について、その要求がさらに高まっており、内燃機関の冷機始動の直後から触媒活性化を図る状態と、高速走行中の高負荷状態で出力を確保する状態との、互いに全く異なる状態、それぞれにおいて、より高い次元で両立することが必要となっている。
つまり、より早い活性化とそれによる浄化性向上、機関出力を確保できるスムーズな排気性と浄化性の確保が、共に必要となる。
そして、それらの両立を図るために、特性の異なる触媒を組み合わせるとしても、その選定は非常に難しいものである。
即ち、同等の外寸を持つ触媒担体として比較した場合、セル密度が大きくなる程、触媒担体の内部の表面積が増え、単位断面積当たりの最大浄化能力は高くなる一方で、個々の単位セルにおける通路断面積は小さくなり、通気抵抗が増大する傾向にある。
また、同等の外寸を持つ触媒担体として比較した場合、セル密度が同じでも、単位セルの断面形状の多角形が円形に近づくように多角となる程、個々の単位セルにおける実質的な通路程は大きくなって通気抵抗は小さくなる一方で、触媒担体の内部の表面積が減って、単位断面積当たりの最大浄化能力は低くなる傾向がある。
一方、一般的に、単位セルの形状が六角形となる格子、いわゆる、ハニカム構造では、軽量かつ高剛性と知られているが、それに伴う表面積の減少は、触媒担体では表面積低下による浄化能力低下に結びつくため、そのトレードオフの関係からバランスが難しい。
また、小排気量の内燃機関では、1回の燃焼で発生できる熱量が比較的小さく、触媒担体の熱容量が大きいと、活性化までの時間が長くなり易くなる。早期活性化のために触媒担体の熱容量を抑制することの必要性は、小排気量の方が相対的に高くなっていた。
また、単純に触媒担体のセル密度を高めれば、活性時の最大浄化能力は高まる一方で、構造的に、触媒担体の熱容量を増大させてしまうので、活性化するまでの浄化性を高めることが難しくなるという不都合があった。
By the way, in the conventional exhaust gas purifying apparatus, the demand for improving the purification capacity of the exhaust system as a whole is further increased. The state in which the catalyst is activated immediately after the start of the cold engine of the internal combustion engine, It is necessary to achieve a higher level in each of completely different states from the state in which the output is secured in the load state.
In other words, faster activation, improved purifying performance, and smooth exhaustability that can ensure engine output and securing purifying performance are both required.
And even if it combines the catalyst from which a characteristic differs in order to aim at those compatibility, the selection is very difficult.
That is, when compared with a catalyst carrier having the same outer dimensions, the larger the cell density, the larger the surface area inside the catalyst carrier, and the maximum purification capacity per unit cross-sectional area increases. The cross-sectional area of the passage becomes smaller and the ventilation resistance tends to increase.
In addition, when compared as catalyst carriers having the same outer dimensions, even if the cell density is the same, the substantial passage length in each unit cell becomes larger as the polygon of the cross-sectional shape of the unit cell becomes closer to a circle. While the air resistance increases and the ventilation resistance decreases, the surface area inside the catalyst carrier decreases, and the maximum purification capacity per unit cross-sectional area tends to decrease.
On the other hand, it is generally known that a lattice in which the unit cell has a hexagonal shape, that is, a so-called honeycomb structure, is known to be light and highly rigid. Because of this trade-off, it is difficult to balance.
Further, in an internal combustion engine with a small displacement, the amount of heat that can be generated in one combustion is relatively small, and if the heat capacity of the catalyst carrier is large, the time until activation tends to be long. The necessity of suppressing the heat capacity of the catalyst carrier for early activation has been relatively higher for small displacements.
In addition, simply increasing the cell density of the catalyst carrier increases the maximum purification capacity during activation, but structurally increases the heat capacity of the catalyst carrier. There was inconvenience that it became difficult.
そこで、この発明の目的は、より早い活性化とそれによる浄化性向上、及び機関出力を確保できるスムーズな排気性と浄化性の確保の両立を図ること、周知の触媒担体の中でもより最適な組み合せにより冷機始動時の浄化性と高負荷時の浄化性を高いレベルで両立可能となるような排気ガス浄化装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to achieve both faster activation and improvement in purification performance, smooth exhaustability that can ensure engine output, and purification, and an optimal combination among known catalyst carriers. Accordingly, it is an object of the present invention to provide an exhaust gas purifying apparatus that can achieve both a cleanability at cold start and a cleanability at high load at a high level.
この発明は、内燃機関の排気装置に複数の触媒を縦列に配置した排気ガス浄化装置であって、上流側触媒を前記内燃機関のエキゾーストマニホルドに繋がる排気管の最上流位置とし、下流側触媒を前記上流側触媒から離間した前記排気管の下流位置とする排気ガス浄化装置において、前記上流側触媒の触媒担体を、セル密度を600CPSIかつ単位セル形状を六角形とし、前記下流側触媒の触媒担体を、前記上流側触媒の触媒担体よりも小径としつつ、セル密度を600CPSIかつ単位セル形状を四角形とすることを特徴とする。 The present invention relates to an exhaust gas purifying device in which a plurality of catalysts are arranged in tandem in an exhaust device of an internal combustion engine, wherein the upstream catalyst is the most upstream position of an exhaust pipe connected to the exhaust manifold of the internal combustion engine, and the downstream catalyst is In the exhaust gas purifying apparatus having a downstream position of the exhaust pipe separated from the upstream catalyst, the catalyst support of the upstream catalyst has a cell density of 600 CPSI and a unit cell shape of a hexagon, and the catalyst support of the downstream catalyst Is made smaller than the catalyst support of the upstream catalyst, the cell density is 600 CPSI, and the unit cell shape is a quadrangle.
この発明の排気ガス浄化装置は、より早い活性化とそれによる浄化性向上、及び機関出力を確保できるスムーズな排気性と浄化性の確保の両立を図り、周知の触媒担体の中でもより最適な組み合せにより冷機始動時の浄化性と高負荷時の浄化性を高いレベルで両立可能とする。 The exhaust gas purifying apparatus of the present invention achieves both faster activation and improvement in purifying performance, and smooth exhaustability and purifying performance that can ensure engine output, and is the most optimal combination among known catalyst carriers. This makes it possible to achieve both cleanliness at cold start and cleanliness at high load at a high level.
この発明は、より早い活性化とそれによる浄化性向上、及び機関出力を確保できるスムーズな排気性と浄化性の確保の両立を図ること、周知の触媒担体の中でもより最適な組み合せにより冷機始動時の浄化性と高負荷時の浄化性を高いレベルで両立可能とする目的を、上流側触媒の触媒担体を、セル密度を600CPSIかつ単位セル形状を六角形とし、下流側触媒の触媒担体を、上流側触媒の触媒担体よりも小径としつつ、セル密度を600CPSIかつ単位セル形状を四角形として実現するものである。 The present invention aims to achieve both faster activation and improvement in purification performance, smooth exhaustability that can ensure engine output, and ensuring purification performance, and a more optimal combination of known catalyst carriers at the time of cold start. The catalyst support for the upstream catalyst, the cell density of 600 CPSI and the unit cell shape as a hexagon, the catalyst support for the downstream catalyst, The cell density is 600 CPSI and the unit cell shape is realized as a quadrangle while having a smaller diameter than the catalyst carrier of the upstream catalyst.
図1〜図3は、この発明の実施例を示すものである。
図1において、1は車両、2はフロアパネル、3は車両1の前部に搭載された過給機付きで多気筒の内燃機関である。この内燃機関3は、シリンダブロック4とシリンダヘッド5とヘッドカバー6とを備え、クランク軸方向が車両幅方向(車両左右方向)に向かって配置される。
シリンダブロック4には、シリンダ7内で往復動可能にピストン8が設けられている。
シリンダヘッド5には、車両後方側の吸気ポート9と車両前方側の排気ポート10とが燃焼室11に連通して形成されている。
また、シリンダヘッド5には、吸気カム軸12と排気カム軸13とが配置されているとともに、吸気カム軸12によって動作されて吸気ポート9を開閉する吸気弁14と排気カム軸13によって動作されて排気ポート10を開閉する排気弁15とが設けられている。
内燃機関3には、車両後方側の吸気装置16と、車両前方側の排気装置17とが設けられる。
吸気装置16は、吸気ポート9に連通してシリンダヘッド5の後部に取り付けられるインテークマニホルド18を備える。このインテークマニホルド18には、吸気ポート9に燃料を噴射する燃料噴射弁19が取り付けられている。
排気装置17は、排気ポート10に連通してシリンダヘッド5の前部に取り付けられるエキゾーストマニホルド20と、このエキゾーストマニホルド20に繋がる排気管21と、この排気管21の下流端側に設けられたマフラ22とを備える。
エキゾーストマニホルド20には、下流端で過給機23のタービン24が配置されている。
1 to 3 show an embodiment of the present invention.
In FIG. 1, 1 is a vehicle, 2 is a floor panel, and 3 is a multi-cylinder internal combustion engine with a supercharger mounted on the front of the
The
An
The
The
The
The
In the
また、排気装置17には、フロアパネル2のセンタトンネル部の下方で、かつ過給機23とマフラ22との間に、排気ガス浄化装置25が設けられる。
この排気ガス浄化装置25は、複数の触媒(触媒コンバータ)として、上流側触媒(フロント触媒)26と下流側触媒(リア触媒)27とを縦列に配置した構造である。
上流側触媒26は、内燃機関3のエキゾーストマニホルド20に繋がる排気管21の最上流位置に配置され、上流側触媒担体28を上流側サポータ29で保持し、さらに、この上流側サポータ29を上流側収納ケース(容器)30に収納して構成される。
下流側触媒27は、上流側触媒26から離間した排気管21の下流位置に配置され、下流側触媒担体31を下流側サポータ32で保持し、さらに、この下流側サポータ32を下流側収納ケース(容器)33に収納して構成される。
排気管21は、上流側収納ケース30の下流端に接続した上流側排気管34と、マフラ22を備えた下流側排気管35とにより構成される。上流側排気管34の下流端と下流側収納ケース33の上流端とは、上流側連結部36で連結されている。下流側収納ケース33の下流端と下流側排気管35の上流端とは、下流側連結部37で連結されている。
Further, the
The exhaust
The
The
The
上流側触媒26の上流側触媒担体28は、図1、図2に示すように、所定の外径D1でかつ所定の長さL1で形成され、また、セル密度を600CPSI(CPSI:セル・パー・スクエア・インチ)かつ単位セル(S1)の形状を六角形としている。この六角形の単位セル(S1)のセルピッチは、図2(B)に示すように、CP1である。この上流側触媒担体28は、例えば、セラミック系の材料として、パラジウム(Pd)/ロジウム(Rh)触媒、トリメタル触媒、プラチナ(白金:Pt)/ロジウム(Rh)触媒、又はゼオライトをコーティングしたHCトラップタイプの触媒等を用いて形成され、過給機23の直後に配置されることで、内燃機関3の冷機始動時の触媒活性を向上させる。なお、上流側触媒担体28としては、入口部と出口部との貴金属種・量又はコーティング成分を塗り分けたゾーンコーティング触媒にすることも可能である。
また、下流側触媒27の下流側触媒担体31は、図1、図3に示すように、上流側触媒担体28の外径D1よりも小径の外径D2でかつ所定の長さL2に形成されつつ、セル密度を600CPSIかつ単位セル(S2)の形状を四角形としている。この四角形の単位セル(S2)のセルピッチは、図3(B)に示すように、上記のCP1よりも小さいCP2である。この下流側触媒担体31は、高速走行等の機関負荷条件(例えば、70Km/h以上)で、上流側触媒担体28が排気ガスの全てを浄化できなかった場合においても、車両全体として排気ガスを浄化するものである。また、この下流側触媒担体31は、例えば、セラミック系の材料として、パラジウム(Pd)/ロジウム(Rh)触媒、トリメタル触媒、プラチナ(白金:Pt)/ロジウム(Rh)触媒、又はゼオライトをコーティングしたHCトラップタイプの触媒等を用いて形成され、あるいは、入口部と出口部との貴金属種・量又はコーティング成分を塗り分けたゾーンコーティング触媒とすることも可能である。更に、下流側触媒担体31の外径D2は、上流側触媒担体28の外径D1の略半分である。また、下流側触媒担体31の長さL2は、上流側触媒担体28の長さL1よりも短く設定されている。
このような上流側触媒担体28及び下流側触媒担体31の構造により、上流側触媒26の上流側触媒担体28の熱容量を下げて、早期活性化を可能とすることにより、有効に排気ガスを浄化する時間を長くし、トータルの冷機浄化性能を向上させることできる。また、下流側触媒27の下流側触媒担体31を小径として、熱容量を下げて、熱引けを防止(温まったら温度が下がりにくい)し、小型の触媒担体でも十分な排気ガス浄化性能を確保させることができる。更に、セル密度を比較的高くしているので、単位セル形状の違いによって排気ガスの有効通路径が異なっていても、触媒浄化能力を高く確保できる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the upstream
Further, as shown in FIGS. 1 and 3, the
By such a structure of the
また、図2(B)、図3(B)に示すように、上流側触媒26の上流側触媒担体28の六角形の単位セルS1を構成する壁W1の壁厚(リブ厚)WT1は、同じセル密度の下流側触媒27の下流側触媒担体31の四角形の単位セルS2を構成する壁W2の壁厚(リブ厚)WT2よりも薄く形成されている。
これにより、より温度の上昇勾配を高めて、早期活性化を可能とするだけでなく、通路の有効径を僅かながら大きくすることができ、また、触媒断面全域にわたって、スムーズなガス流れを確保することによって、排気の圧力損失を下げ、機関出力低下を防止できる。また、下流側触媒27の下流側触媒担体31を小径とし、さらに薄壁としないことで、熱引けを防止し、小型の触媒担体でも十分な排気ガス浄化性能を確保させることができる。
As shown in FIGS. 2B and 3B, the wall thickness (rib thickness) WT1 of the wall W1 constituting the hexagonal unit cell S1 of the
As a result, not only can the temperature increase gradient be increased to enable early activation, but the effective diameter of the passage can be slightly increased, and a smooth gas flow can be ensured over the entire catalyst cross section. As a result, the pressure loss of the exhaust gas can be reduced and the engine output can be prevented from decreasing. Further, by making the downstream
更に、図1に示すように、下流側触媒26の下流側収納ケース30は、下流側触媒担体31の長さL2よりも長い長さL3に形成されている。そして、下流側収納ケース30内では、下流側触媒担体31を上流側に詰めることにより、下流側触媒担体31の下流側に所要空間の容積室38が形成される。
これにより、排気の膨張を下流側触媒担体31よりも後(下流側)とすることができ、下流側触媒担体31を活性状態に早くしたり、熱引けを起こさないように高温に保ったりすることができ、しかも、若干絞った直後に排気を膨張させるため、消音効率も高くすることが可能となる。
Further, as shown in FIG. 1, the
As a result, the exhaust gas can be expanded after the downstream side catalyst carrier 31 (downstream side), and the downstream
以下に、この実施例に係る発明について、さらに具体的に説明する。
上流側触媒26は、エキゾーストマニホルド20に繋がる排気管21の最上流位置、つまり、排気ガスの流れに沿って見ても、空間的に見ても、エキゾーストマニホルド20の直下流に、あるいは、エキゾーストマニホルド20に直接に取り付けた過給機23の直下流に設けられている。そして、上流側触媒26は、多気筒用の内燃機関3の場合に、各気筒からの排気ガスが集合する位置であって、冷機状態からの始動の後、早期活性化を優先した位置に配置されている。この上流側触媒26の配置では、機関出力の確保のためには、スムーズな流れを確保するように、通気抵抗を少なくすることが望ましい。
そして、上流側触媒26の上流側触媒担体28を、セラミック製600−六角セル触媒、つまり、セル密度を比較的に高密度な600(CPSI)とし、かつ単位セル(S1)の形状を六角形としている。この六角形の単位セル(S1)の形状は、四角形の単位セル(S2)の形状よりも円形に近い多角形なので、自ずと排気ガスが通過する通路の有効径を大きくすることが可能となる。これにより、構造変更による壁肉量の総量削減によって、上流側触媒担体28の熱容量を下げて、温度の上昇勾配を高めて、早期活性化を可能とすることにより、有効に浄化する時間を長くし、トータルの冷機浄化性能を向上させる。
また、図2(B)、図3(B)に示すように、内燃機関3の直下にある上流側触媒担体28を下流側触媒担体31と比べて大径とし、さらに単位セル(S1)に区画する壁W1を、薄壁(例えば、単位セル(S2)を区画する壁W2の1割程度の差)としている。この薄壁の壁W1によって、温度の上昇勾配を高めて、早期活性化を可能とするだけでなく、通路の有効径を僅かながら大きくすることができ、断面全域にわたって、スムーズな排気ガスの流れを確保することにより、排気ガスの圧力損失を下げ、機関出力の低下を防止できる。これにより、時間当りに多量(高圧)の排気ガスが排出される高回転高負荷時には、排気ガスをスムーズに排出することができる。
更に、活性化による反応熱を生じるようになり、それを早期に利用できるようになるとともに、圧力損失を少なく抑えているので、流速を高く保ったまま比較的高温の排気ガスを下流側触媒担体31に供給でき、下流側の早期活性化を果たすことができる。
Hereinafter, the invention according to this embodiment will be described more specifically.
The
The upstream
Further, as shown in FIGS. 2B and 3B, the
Furthermore, reaction heat is generated due to activation, which can be used early, and pressure loss is suppressed to a low level, so that relatively high-temperature exhaust gas can be supplied to the downstream catalyst carrier while maintaining a high flow rate. 31 and can be activated early on the downstream side.
一方、下流側触媒27は、図1に示すように、上流側触媒26から十分な距離を採った下流位置であり、車両1のフロアパネル2のセンタトンネル部の下方に配設されている。
この下流側触媒27の下流側触媒担体31を、上流側触媒担体28よりも小径のセラミック製600−四角セル触媒として、すなわち、セル密度を600(CPSI)、かつ単位セル形状を四角形として、かつその直径を小径として、暖機後の高負荷領域の浄化性能を確保している。また、下流側触媒担体31を小径とし、薄壁としなかったことで、熱引けを防止(温まったら温度が下がりにくい)し、小型の下流側触媒担体31でも十分な浄化性能を確保できる。更に、セル密度を600(CPSI)とすることで、表面積を増やし、高い浄化性能の確保を果たすことができる。
この四角形の単位セル(S2)は、同寸で同じセル密度、かつ同じ壁厚の六角形の単位セル(S1)と比較して、表面積が広くなり、下流側触媒担体31の外寸を小さくすることにより、総面積や熱容量を下げていることになる。単位セル(S2)の総数が上流側触媒担体28よりも少ないことになるので、相対的に、単位セル当りに流れる排気ガス量が増えることになり、単位セル当りに受ける熱量も増えることになり、熱引けの防止効果を高めることができる。
On the other hand, as shown in FIG. 1, the
The
The rectangular unit cell (S2) has a larger surface area and a smaller outer dimension of the
また、上流側触媒担体28と下流側触媒担体31とは、以下のような関係がある。
上流側触媒担体28が、セル密度が同じ下流側触媒担体31よりも大径であり、有効通路径が大きく、薄壁である。これは、上流側触媒担体28が、セル密度が同じ下流側触媒担体31よりも大径であることによって、各単位セルの平均排気ガス流量を下げつつ、各単位セルの有効通路径が大きいことによって通気抵抗を減らし、圧力損失を減らし、さらに、薄壁であることによって温度上昇を高めている。
逆に、下流側触媒担体31が、セル密度が同じ上流側触媒担体28よりも小径であり、有効通路径が小さく、厚壁の壁W2である。これは、下流側触媒担体31が、セル密度が同じ上流側触媒担体28よりも小径であることによって、各単位セルの平均排気ガス流量を上げつつ、各単位セルの有効通路径が小さくても表面積を確保することにより、浄化性能を確保し、また、厚壁の壁W2であることによって熱引き防止性を高めている。熱容量の抑制の仕方は、上流側触媒担体28と下流側触媒担体31とでは異なっている。仮に、上流側触媒担体28と下流側触媒担体31とで、セル密度だけでなく、熱容量が同じであるとしても、同様のことである。
The
The
Conversely, the
また、下流側触媒27は、排気管21の延出方向に沿って円筒状の下流側収納ケース33を十分に長く形成し、下流側触媒担体31をこの下流側収納ケース33の前方に詰めて収容して、下流側触媒担体31の下流側に容積室38を形成する。円筒状の下流側収納ケース33は、例えば、下流側触媒担体31の寸法の2倍程度として、十分に長く形成し、その胴体部分の外径が略一様として、前後のテーパ形状(拡径部33A、縮径部33B)によって排気管21と同径となっている。
下流側触媒27の小型化は、容積室38の容積確保に優位となる。ここでは、容積室38は、下流側触媒担体31の体積と同程度としている。また、実質的に最初となる排気ガスの膨張を、下流側触媒担体31よりも後、すなわち、多段触媒による一連の浄化作用が済んだ後、とすることにより、特に、下流側触媒担体31を活性状態に早くしたり、熱引けを起こさないように、下流側触媒担体31を高温に保ったりすることができる。
また、容積室38は、拡張型消音器(サブチャンバ)として機能し、小径の下流側触媒担体31で、若干絞った直後に 膨張させるため、消音効率も高くなる。また、下流側触媒担体31の背圧が下がるので、下流側触媒担体31の小径化によって全体的な断面積を若干絞っていても、圧力勾配が大きくなり、排気効率が確保できる。
Further, the
The downsizing of the
The
更に、上流側触媒担体28と下流側触媒担体31とにおいて、単位セル(S1)の断面形状の六角形と単位セル(S2)の断面形状の四角形とを比較すると、互いに600セル(CPSI)なので、1セル当りの単位面積が同一である。
断面で1セル分を考える場合、どちらも壁と空間(通路)だけで構成されているので、幾何学的に、壁同士だけ比較すれば十分である。そして、セルの壁は隣り合うセルで共有しているので、1セルに対し壁は半分となる。六角形は6辺であるので、その半分の3辺分と考えればよく、四角形は4辺あり、その半分の2辺分となる。同じ面積の六角形と四角形の辺の長さの比は、大体の計算で、六角形の3辺:四角形の2辺=1.86:2となり、六角形の方が壁の長さが短いことが解る。そして、寸法が同じ触媒担体ならば、総延長の長さとして同様である。
そして、両者を比較して、壁の長さが短いということが意味するのは、もし、壁厚が同じならば、熱容量が小さくなるということである。熱容量の小ささが、排気ガスから受ける同じ熱量に対して上昇する温度の増大を生み、冷機始動時の早期活性化につながる。
しかし、それと同時に、壁の長さが短いということには、壁の表面積も狭くなるということがある。壁の表面積が狭くなれば、最大浄化能力の低下を意味し、好ましくない。例えば、浄化能力を対等にするために、外寸を変更した場合には、触媒担体を収納する収納ケースの大型化を招来してしまう不具合がある。
単位セルS1が六角形の上流側触媒担体28では、壁厚(リブ厚さ)WT1を、単位セルS2が四角形の壁厚(リブ厚さ)WT2に比べて、薄くなるように設定している。換言すれば、比表面積が同程度の四角形セルの触媒担体と比べて壁厚を薄くしている。これにより、壁厚が薄くなる分だけ繋ぎとしての壁の長さが若干長くなり、壁の表面積を若干広げることができる。
そして、壁の表面積が広くなれば、浄化能力が改善することを意味し、さらに、熱容量がより小さくなって、早期活性化につなげることができる。また、同時に、相対的に通路の断面積が広くなり、相当する有効径も大きくなるので、通気抵抗も低減でき、高負荷時の排気効率にも優れている。
Further, in the
When considering one cell in cross section, since both are composed of only walls and spaces (passages), it is sufficient to compare only the walls geometrically. And since the wall of a cell is shared by adjacent cells, the wall is halved with respect to one cell. Since the hexagon has six sides, it can be considered as half of the three sides, and the quadrangle has four sides, which is half of the two sides. The ratio of the lengths of the hexagons and the sides of the rectangle with the same area is roughly calculated: 3 sides of the hexagon: 2 sides of the rectangle = 1.86: 2, and the hexagon has a shorter wall length. I understand that. And if it is a catalyst carrier with the same dimension, it is the same as the length of total extension.
And comparing the two, the short wall length means that if the wall thickness is the same, the heat capacity will be small. The small heat capacity causes an increase in temperature that rises for the same amount of heat received from the exhaust gas, leading to early activation during cold start.
At the same time, however, the short wall length means that the surface area of the wall is also reduced. If the surface area of the wall is narrow, it means a decrease in the maximum purification capacity, which is not preferable. For example, when the outer dimensions are changed in order to equalize the purification capacity, there is a problem that the storage case for storing the catalyst carrier is increased in size.
In the upstream
And if the surface area of the wall is increased, it means that the purification ability is improved, and furthermore, the heat capacity becomes smaller, which can lead to early activation. At the same time, since the cross-sectional area of the passage is relatively wide and the corresponding effective diameter is also large, the ventilation resistance can be reduced and the exhaust efficiency at high loads is excellent.
更に、上流側触媒担体28の触媒容量、外寸から求めた体積を、内燃機関3の総排気量と同程度か、それより若干小さく設定している。
また、小排気量の車両、特に軽自動車のように特定の小排気量の車両は、「触媒容量/エンジン排気量」が相対的に大きくなる傾向があり、大排気量の車両と比べ、触媒容量の絶対値は小さいものである。一方、小排気量の車両は、同じ走行抵抗同士の比較では、機関回転数が高くなり、また、決められた走行パターンを再現する際の内燃機関の運転域が広く必要になるものである。
Further, the volume obtained from the catalyst capacity and the outer dimensions of the
In addition, vehicles with small displacements, particularly vehicles with specific small displacements such as light vehicles, tend to have a relatively large “catalyst capacity / engine displacement”. The absolute value of the capacity is small. On the other hand, a vehicle with a small displacement has a high engine speed in comparison between the same running resistances, and requires a wide operating range of the internal combustion engine when reproducing a determined running pattern.
この発明に係る排気ガス浄化装置を、各種車両に適用可能である。 The exhaust gas purifying apparatus according to the present invention can be applied to various vehicles.
1 車両
2 フロアパネル
3 内燃機関
17 排気装置
20 エキゾーストマニホルド
21 排気管
22 マフラ
23 過給機
25 排気ガス浄化装置
26 上流側触媒
27 下流側触媒
28 上流側触媒担体
30 上流側収納ケース
31 下流側触媒担体
33 下流側収納ケース
38 容積室
DESCRIPTION OF
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