(57)【要約】【課題】排気管を流動する排ガスの排気逆流を利用して排気浄化効率を向上させることが可能である点に着目したものであり、排気浄化効率をより向上させることのできる排気ガス浄化装置を提供する。【解決手段】エンジン１の本体より延出する排気管１２上に配備されたケーシング１８と同ケーシング１８に内装された担体２１と同担体に担持された触媒成分とを有した触媒コンバータ１３を備えた排気ガス浄化装置において、排ガスが排気管１２から放熱することによる容積変動に基づき担体２１を通過した排ガスが逆流ｒｆする長さＬｒｆより担体の長さＬｆを小さく設定したことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の本体より延出する排気管上に配備されたケーシングと同ケーシングに内装された担体と同担体に担持された触媒成分とを有した触媒コンバータを備えた排気ガス浄化装置において、
上記担体の長さを上記ケーシング内に生じる逆流の長さと同等又は小さく設定したことを特徴とする排気ガス浄化装置。
【請求項２】
内燃機関の本体より延出する排気管上に配備されたケーシングと、同ケーシング内に排気路方向に沿って互いに空間を介して直列状に順次配備された複数の担体と、上記各担体に担持された触媒成分とを有した触媒コンバータを備えた排気ガス浄化装置において、
上記複数の担体の少なくとも上流側の担体の長さを上記ケーシング内に生じる逆流の長さと同等又は小さく設定したことを特徴とする排気ガス浄化装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の排気ガス浄化装置において、
上記逆流の長さは、少なくとも上記排気管から放熱することによる排気ガスの容積変動に基づいたことを特徴とする排気ガス浄化装置。
【請求項４】
請求項１乃至３記載のいずれか一つに記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、
上記逆流は少なくとも冷態アイドル時に生じるよう排気管長さ、或いは排気ガス入口側の担体の長さが設定されることを特徴とする排気ガス浄化装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一つに記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において
上記逆流の長さに応じて長さが設定される上記担体の容量を上記ケーシング内から上記内燃機関側に流出する排気ガス量と同等又は小さく設定したことを特徴とする排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気路に配備され、内燃機関が排出する排気ガス中の燃焼生成物質を酸化あるいは還元して浄化するための触媒を備えた排気ガス浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
環境保全のため車両に搭載される内燃機関の排気ガス浄化規制がより強化されてきており、これに伴ない、内燃機関の排気路に装着される触媒の浄化効率をより高めることが要求されてきている。従来、内燃機関の排気路上に配備される代表的な触媒システムとしては、シングル触媒システム（単一担体）とタンデム触媒システム（２担体）がある。タンデム触媒システムの場合、前段触媒と後段触媒との間に隙間部が確保され、ここに達した排ガスがミキシングされてから後段触媒に流動するという特性を備えるため、触媒反応が偏らずに生じることとなる。このため、一般にタンデム触媒はシングル触媒よりも優れており、これは隙間部で発生するガスのミキシングが性能向上の主要因と考えられている。
【０００３】
なお、特開平９−１９５７５７号公報（特許文献１）には触媒コンバータが開示される。この触媒コンバータはそのケーシング内に排気ガス流動方向に沿って互いに隙間部を介して３段に触媒担体を配設し、各担体の流路抵抗が出口側ほど増すように設定し、これにより隙間部で排ガスを攪拌して排ガスを全域に分散し、浄化効率を向上させている。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１９５７５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者は、さらに排ガス浄化機能向上のため、検討を進めた。以下にその検討の過程および結果を述べる。    
ここでは、図９（ａ），（ｂ）に示すように、シングル触媒システム（単一担体）１００の担体１０１上のＡ，Ｂの二箇所とタンデム触媒システム（２担体）２００の担体２０１，２０２上のＣ，Ｄの二箇所との各温度を測定した。ここでは、実車運転中の触媒内の温度分布を計測した。この際、運転状態として、１０．１５モード中の２０ｋｍ／ｈと、定常走行２０ｋｍ／ｈのタンデムとシングルブリック触媒システムの温度分布を採取し、図９（ｃ），（ｄ）を得た。
【０００６】
更に、図１０に示すように、１０・１５モード中の２０ｋｍ／ｈにおいて、タンデム触媒システムの前段と後段担体２０１，２０２上のＣ，Ｄの二箇所の各平均温度（３３６，３７３℃）は共に、シングルブリック触媒システムの担体１０１上の同じ位置Ａ，Ｂの二箇所の平均温度（３１０，３６６℃）に比べて高かった。ここで、特筆すべき点は、タンデム触媒システム２００ではシングルブリック触媒システム１００に比べて、前段担体２０１の温度上昇ｕｆが後段担体２０２の温度上昇ｕｒよりも大きかったことである。なお、連続する定常走行２０ｋｍ／ｈにおいて、タンデム触媒システム２００の前段と後段担体２０１、２０２の平均温度はともにシングルブリック触媒システムの同じ位置に比べて高かった。
【０００７】
このデータ特性について推考すると、シングルブリック触媒システム１００に比べ、タンデム触媒システム２００ではフロント及びリア各々の触媒担体２０１、２０２の容量が小さいため、過渡運転域においては、タンデムの各触媒の方が温度の上昇が早くなる可能性がある。しかしながら、上述のデータ特性においては、熱容量の影響がない定常運転においても、リアだけでなくフロントについても、タンデムの方が触媒温度が高くなっていることが特徴的であり、このことは次に述べる排気逆流の影響が大きいことを示していると推測される。なお、冷態時においてもタンデム触媒システムの方が触媒温度が高くなることが同様に確認されている。
【０００８】
ここで、排気逆流についてさらに検討を進めた。排気逆流とは通常の順方向（シリンダヘッドからテールパイプ方向）の排気流れとは逆にテールパイプからシリンダヘッド方向へ流れる排気として定義できる。なお、ここでは圧力脈動等の圧力波ではなく排気ガス流体そのものの物質的な移動を逆流としている。  
排気逆流れの要因としては以下の３点が考えられる。  
１）  筒内圧と排圧との差による排気の筒内への逆流
２）  バルブオーバラップによる吸気側への吹き返し
３）  排気管内のガス冷却による体積減少
そこで、本発明者は、図１１に示すような放電タフト法を適用した逆流計測装置３００を用い、タンデム隙間部の逆流の発生特性を計測した。ここでは、タンデム触媒システムのケーシング３０１内にスパークプラグ３０２を装着し、このスパークプラグにはコイル３０３、パルス発生器３０４、電源３０５からなるスパーク発生装置３０５を接続している。ケーシング３０１はその中央壁部の一部が耐熱ガラス（クオーツ・ガラス）３０６で形成され、同耐熱ガラス３０６を通してスパークプラグ３０２のスパーク画像（図１２参照）をハイスピードカメラであるビデオカメラ３０７で撮影し、その画像をデータ蓄積部３０８に録画し、モニタ３０９で再生するような録画装置３１０を備える。
【０００９】
このような逆流計測装置３００を用いて、図１３（ａ）に示す条件で、スパーク画像（図１２参照）に示すような放電時アークの順方向（排ガスの順流れを示す）ｆ１と逆流方向（排ガスの逆流を示す）ｆ２と流動停止時ｆ０を測定し、図１３（ｂ）に示すような逆流比率を取得した。ここで明らかなように、エンジン７５０ｒｐｍでの運転時にはＡ，Ｂ，Ｃのエンジンモータリング駆動時における逆流率が３０％以下であるのに対し、Ｄのエンジン駆動時（ファイアリング）における逆流比率が４５％程度と高レベルとなっている。これはエンジン駆動時の排気ガスの逆流は、排気管（図９（ａ）の符号４００）での排ガスの放熱による排ガス容積変動が大きく影響していることが明らかであります。
【００１０】
上述のように、従来装置や特許文献１等の触媒装置では、単に、前段触媒と後段触媒を有するタンデム触媒システムを採用することにより、触媒装置のケーシング内での前段触媒と後段触媒との間の隙間部での排ガスの攪拌特性を用い排ガスの攪拌機能を強化して排気浄化効率を改善している。  
本発明は、上述のように、排気管を流動する排ガスの排気逆流を利用して排気浄化効率を向上させることが可能である点に着目して成されたものであり、排気浄化効率をより向上させることのできる排気ガス浄化装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の目的を達成するために、請求項１の排気ガス浄化装置は、内燃機関の本体より延出する排気管上に配備されたケーシングと同ケーシングに内装された担体と同担体に担持された触媒成分とを有した触媒コンバータを備えた排気ガス浄化装置において、上記担体の長さを上記ケーシング内に生じる逆流の長さと同等又は小さく設定したことを特徴とする。
【００１２】
請求項２の排気ガス浄化装置は、内燃機関の本体より延出する排気管上に配備されたケーシングと、同ケーシング内に排気路方向に沿って互いに空間を介して直列状に順次配備された複数の担体と、上記各担体に担持された触媒成分とを有した触媒コンバータを備えた排気ガス浄化装置において、上記複数の担体の少なくとも上流側の担体の長さを上記ケーシング内に生じる逆流の長さと同等又は小さく設定したことを特徴とする。
【００１３】
請求項３の排気ガス浄化装置は、請求項１又は２記載の排気ガス浄化装置において、上記逆流の長さは、少なくとも上記排気管から放熱することによる排気ガスの容積変動に基づいたことを特徴とする排気ガス浄化装置。
【００１４】
請求項４の排気ガス浄化装置は、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、上記逆流は少なくとも冷態アイドル時に生じるよう排気管長さ、或いは排気ガス入口側の担体の長さが設定されることを特徴とする。
【００１５】
請求項５の排気ガス浄化装置は、請求項１乃至４のいずれか一つに記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、上記逆流の長さに応じて長さが設定される上記担体の容量を上記ケーシング内から上記内燃機関側に流出する排気ガス量と同等又は小さく設定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明によれば、担体を通過した排気ガスが一旦担体外で攪拌された上で、再度担体全体をカバーするだけ逆流するので、担体の触媒成分と排気ガスの浄化反応を促進でき、これに伴う担体の温度上昇を図れ、浄化効率を向上できる。
【００１７】
請求項２の発明によれば、ケーシングの少なくとも上流側の担体を通過した排気ガスが一旦空間で攪拌された上で、再度排気ガス入口側担体の全体をカバーするだけ逆流するので、同担体の触媒成分と排気ガスの浄化反応を促進でき、これに伴う上流側触媒及び後段側の触媒の触媒温度上昇を図れ、これによる浄化効率を促進できる。
【００１８】
請求項３の発明によれば、排気ガスの逆流の長さを少なくとも排気管から放熱することによる排気ガスの容積変動を考慮しているため、担体の長さを適切に設定できる。
【００１９】
請求項４の発明によれば、冷態アイドル時の触媒の温度上昇による暖気促進を図れ、浄化効率がより促進される。
【００２０】
請求項５の発明によれば、逆流する排気ガスが効率よく担体全体をカバーするので、担体の触媒成分と排気ガスの浄化反応を促進でき、これに伴う担体の温度上昇を図れ、浄化効率を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１にはこの発明の一実施形態としての排気ガス浄化装置と、同装置を装備する内燃機関を示した。内燃機関は筒内噴射型４サイクル多気筒ガソリンエンジン（以後、単にエンジン１と記す）で、このエンジン１の本体内には上下摺動するピストン２を有したシリンダ３が気筒数（図には１つのみ示す）配備される。このエンジン１は駆動時において、シリンダ３内の燃焼室４がエアークリーナＡＣ、スロットル弁ＳＶを介して吸気路５からの吸気を吸入し、エンジン制御装置（ＥＣＵ）１０により所定の燃料噴射時期に電磁式の燃料噴射弁６を駆動して燃料噴射を行い、更に、点火プラグ７を適時に駆動して点火処理を行う。これによりエンジン１は混合気の燃焼による出力発生作動を行い、排ガスを排気路８に排出することで４サイクル運転モードでの駆動を行う。
【００２２】
ここでエンジン本体からは各気筒毎に略水平方向に排気ポート９が形成され、各排気ポート（図１には１つのみ示す）には排気路８を形成する排気マニホールド１１と、排気路８を形成する排気管１２と、排気管１２の端部に配備される排気ガス浄化装置の要部をなす触媒コンバータ１３と、下流側排気管１４と、図示しないマフラーがこの順に連結され、排気を排気路８に沿って外部に排出可能に形成される。  
触媒コンバータ１３の上流側の排気管１２には空燃比Ａ／Ｆを検出する空燃比センサ１６が設けられている。
【００２３】
図１、２に示すように、触媒コンバータ１３は車両の床１７の下に配備されたタンデム触媒システムを成しており、排気管１２及び下流側排気管１２に連続するよう内径を拡大させた形状の筒状のケーシング１８と、ケーシング１８内にずれなく配備されるハニカム構造を成す前段担体２１及び後段担体２２と、前段担体２１及び後段担体２２管の隙間部２０と、前後担体２１，２２にそれぞれ形成され軸方向に貫通する多数の貫通孔２３と、貫通孔２３の耐火性無機酸化物からなる内壁２４と、同内壁２４に担持された貴金属の触媒成分（不図示）とを有する。
【００２４】
エンジン１の本体より車両の床１７の下の触媒コンバータ１３に排気を導く排気マニホールド１１と排気管１２からなる排気管長さ（以後、ここでの排気官長さと記す）Ｌｅは比較的長く、その放熱面積も比較的大きい。このためエンジン本体より排出された高温の排ガスは瞬時に冷却され、触媒コンバータ１３に達する時には容積が比較的減縮するように形成される。ここでの排気管長さＬｅは、特に、後述するように、排ガス逆流を生成できるような長さに設定される。
【００２５】
前段担体２１及び後段担体２２は主成分がコージェライトで、これにより各貫通孔２３の内面近傍の担持層を含むハニカム構造体全体が形成される。前段担体２１及び後段担体２２の各担持層には、三元触媒が担持される。即ち、アルミナを基材とし添加物としてセリア、ジルコニアなどの酸素ストレージ材が担持されるとともに、ＮＯｘ還元処理、ＨＣおよびＣＯ酸化処理性能の高い貴金属の触媒成分３５としてＰｔ（プラチナ），Ｐｄ（パラジウム），Ｒｈ（ロジウム）のうち少なくとも１種類が担持される。上流側及び下流側の三元触媒は理論空燃比近傍の雰囲気で排気ガス中のＣＯ、ＨＣを酸化し、ＮＯｘを還元して浄化する三元機能を有する。この際、前段の触媒については、冷態時のＨＣ低減を重視し、貴金属を高担持にすることが好ましい。それに対して、後段の触媒については、温態時のＮＯｘ低減を重視するために、貴金属は前段より少なくし低い担持量で構わないが、触媒容量は必要十分なだけ大きくし少なくとも前段より大きいことが好ましい。
【００２６】
ここで、前後担体２１，２２はその容積を規定する排気路８方向の長さＬｆ、Ｌｒが排気浄化能力を考慮して設定され、特に、前段担体２１は後述するように、排気路８で生じる排ガス逆流の逆流長Ｌｒｆ（図３（ｂ）参照）を考慮して設定される。
【００２７】
なお、図３（ａ）に示すように、排気ガスが排気管１２を流動するとき、順方向ｎｆ流れにおいて、ケーシング１８がその入り口部分で管径が拡大することで径方向の速度分布に相違が生じ、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、逆流れｒｆの場合は，排気管径変化の影響を受けることがないため、触媒内の流速分布が均一であると考えられる。また、排気流れが順流れｎｆから逆流れｒｆに反転する際には、瞬間的にガスが一旦止まるが、その際には上流―下流方向の慣性がないために、タンデム隙間部においては担体の径方向の圧力差等によって径方向の流れが生じ、また、径方向のガス濃度差等によってガス拡散が進行し、以後の流動においてガス濃度及び温度の均一化が図られる。この場合、隙間部２０のガスの熱および未反応物質が、前段触媒２１内に均一に移動し、触媒反応の促進がもたらされる。このため、前段触媒の活性が高まり、その反応熱は後段触媒２２入口の排ガス温度を上昇させ、後段触媒の浄化性能をも向上させる。すなわち、図３（ａ）に図示される状態のように順方向流れｎｆのみであれば、触媒の外周部分は流入するガス量が少なく触媒の温度は低いため、浄化効率は低い。すなわち、触媒外周部の貴金属は有効に利用されず無駄となっており、触媒全体としての実質的な利用効率は低い。
【００２８】
一方で、図３（ｂ）（ｃ）に図示されるように逆方向流れｒｆの場合は、触媒外周部分のガス量は多くなると同時に、順方向流れ時に触媒中央部分を通過した高温のガスが逆方向流れ時に外周部も通過するため、触媒外周の温度は上昇する。それによって、触媒外周部の浄化効率は高くなる。すなわち、排気ガスの逆流れにより、触媒外周部の貴金属も有効に利用されることとなり、触媒全体としての実質的な利用効率は高くなる。また、順方向流れ時に触媒の外周部を通過した排気ガスは、外周部の触媒温度が低いため十分に浄化されず、未浄化物質が多量に含まれた状態で、タンデムの隙間まで吹き抜けることとなる。しかしながら、排気ガスが反転する際の隙間部でのガス拡散、混合により、逆流時は、その未反応物質が既に順方向流れの反応熱によって高温となっている触媒中央部分を通過することになる。これによって当該未反応物質は良好に浄化されるとともに、この未反応物質の反応熱によりさらに触媒中央部の温度も上昇する。
【００２９】
次に、エンジン１の排ガス逆流の逆流長Ｌｒｆの測定について説明する。排気逆流は、上述のように本発明者の検討によれば、温態，冷態，過渡，定常等の運転状態によらず触媒浄化性能向上に有効であるが、最も総排ガス値への寄与が大きく触媒浄化性能向上が要望される運転状態として、始動直後の冷態アイドル時があげられる。そこで、冷態始動とは雰囲気温度が２５℃程度からの始動を指す。
【００３０】
ここでは図４に示すような排ガス逆流長測定装置４０を用いる。この排ガス逆流長測定装置４０は上述の図１１で説明した放電タフト法を適用した逆流計測装置３００と同様の部材を多く含み、ここでは重複説明を簡略化し、同一部材に同一符合を付した。排ガス逆流長測定装置４０はエンジン１の排気管１２及び実装されると同様の構成を採る計測用の触媒コンバータ（以後、計測コンバータ４１と記す）に装着される。計測コンバータ４１はケーシング４２の中央胴部の一部が耐熱ガラス（クオーツ・ガラス）４３で形成され、ケーシング４２の中央胴部内の前段担体２１及び後段担体２２間の隙間部３９に配設され耐熱ガラス４３を通して目視可能なスパークプラグ４４と、前段担体２１の直前位置に装着される熱線流速計４５とを備える。
【００３１】
スパークプラグ４４にはコイル３０３、パルス発生器３０４、電源３０５からなるスパーク発生装置３０５が接続される。  
耐熱ガラス（クオーツ・ガラス）４３を通してスパーク画像を撮影するビデオカメラ４６が配備され、ビデオカメラ４６の画像はデータ蓄積部４７に録画され、データ蓄積部４７は録画操作装置５０に接続され、録画操作装置５０内の再生部４９によって録画画像等がモニタ４８で再生できるよう構成される。
【００３２】
前段担体２１直前に配備された熱線流速計４５は、図５（ａ）、（ｂ）に示すように排気路８中央に配備され、ケーシング４２に固定された枠材５１と、同枠材５１の両側端間に支持された電熱線５２と、電熱線５２に定電流を供給する定電流回路５３と、排ガスの通過による電熱線の冷却に伴う電気抵抗変化を測定する抵抗測定器である風速測定器５４とを備える。また、流速がゼロでも電気抵抗がゼロとはならないある値となり、その値は排ガス通過による冷却を伴わない場合の電熱線の雰囲気温度に依存する。そこで雰囲気温度を測定するための温度センサを備える（図示せず）。枠材５１の中央部は排ガスが順流ｎｆで電熱線５２が冷却されず、逆流ｒｆで冷却されるように、Ｃ字形断面形状（図５（ｂ）参照）が形成されている。なお、熱線流速計４５の電気抵抗値は録画操作装置５０に出力され、録画操作装置５０の表示制御部５５が電気抵抗値とスパーク画像とをモニタ上で比較表示する。これによって、前段担体２１の前後の流動特性を測定できる。
【００３３】
録画操作装置５０にはエンジン１の制御装置であるＥＣＵ１０が信号回線で接続され、相互に信号の授受ができるよう構成される。ＥＣＵ１０はエンジン運転情報を取り込み、噴射ノズル６の燃料噴射制御や点火プラグ７の点火制御やスロットルＳＶの開度制御を実施し、エンジン１を冷態時暖機モードや定常運転モードや過渡運転モードで駆動するよう制御できる。
【００３４】
このような排ガス逆流長測定装置４０は、エンジン１の駆動と共にスパーク発生装置３０５がスパークプラグ４４を所定パルス幅で駆動し、スパークの流れ方向を計測して、例えば図１２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す波形より排ガスが順方向ｆ１か逆方向ｆ２かを経時的に測定した。  
一方、図６に示すように、熱線流速計４５のデータが順方向の流れｎｆ時には順方向の流れによる電熱線５２の冷却が依存せず、抵抗値Ｒも小さい。これに対し、逆流ｒｆが生じると電熱線５２の冷却の程度が高まる。この際、予め抵抗値と流速の関係を実験的に求めておく。
このような排ガス逆流長測定装置によって、例えば、計測コンバータ４１内に取り付けられる第１前段担体２１の流路方向の長さがＬｃ１あるいはＬｃ２である場合、第１前段担体２１のデータが図６のように得られたとする。  
ここで、第１前段担体２１の流路方向の長さがＬｆ（＝Ｌｃ１：図３（ｃ）参照）の場合を図６のデータで説明する。第１前段担体２１のデータでは、スパーク画像をもとに、前段担体２１と後段担体２２の間の隙間部２０における流れが逆流ｆ２する領域が間歇的に順次計測された。この逆流領域と同期して計測された熱線流速計４５の抵抗値Ｒのデータは順方向ｎｆの流れの領域で電熱線５２の冷却がなく、低抵抗値Ｒ０を示し、逆流域に入っている間は抵抗値がＲａに上昇している。
【００３５】
ここで排気行程にある気筒から排気管１２内に流入した高温ガスは瞬時に放熱により容積を減縮して先端部の流れが前段触媒通過後に隙間部２０に達し、その際に順方向の速度成分がゼロｆ０（図１２（ｂ）参照）に達する。しかも、その直後より排気管１２内の排ガスの冷却減縮が更に進んで逆流ｒｆが発生する。この逆流ｒｆは次の排気行程の気筒からの高温排ガスの流出による順方向の流れｎｆによって打ち消され、再度、順流れに戻ることでこの回の逆流ｒｆが終了する。
【００３６】
ここでは、簡単化のため、逆流中の流速は一定であり、その間の抵抗値も一定であったとする。この逆流中の抵抗値Ｒａから、逆流の流速が上述のようにあらかじめ求めた抵抗値と流速の関係についての実験的結果に基づき算出される。抵抗値Ｒａのときの流速を逆流流速Ｘａ（ｍｍ／ｍｓ）であったとする。また、図６に示すように、熱線流速計４５のデータを元に、逆流が継続していた逆流時間ｔａ（ｍｓ）を求めることができる。以上で求められた逆流流速Ｘａ（ｍｍ／ｍｓ）および逆流時間ｔａ（ｍｓ）から、逆流長さＬｒｆ（ｍｍ）を求めることができる。ここでは、逆流中の流速をＸａ一定としていることから、下記の式により逆流長さＬｒｆを算出することができる。
【００３７】
Ｌｒｆ＝Ｘａ×ｔａ
この逆流長さＬｒｆと、担体長さを比較することにより、逆流が担体内をどこまで逆流しているかを判断可能となる。  
ここでは逆流長Ｌｒｆより第１前段担体２１の流路方向の長流路方向の長さＬｆが、図３（ｃ）に示すように長すぎ、容積が大きすぎることとなり、第１前段担体２１の全域をカバーした逆流の排ガスを受けることができず、第１前段担体２１の温度上昇は比較的小さく、浄化効率を十分向上させることができない。
【００３８】
次に、第１前段担体２１の流路方向の長さがＬｆ（＝Ｌｃ２：図３（ｂ）参照）の場合は、図３（ｂ）に示すように、逆流長Ｌｒｆと第１前段担体２１の流路方向の長さＬｆがほぼ一致することとなり、第１前段担体２１の全域を排ガスがカバーする逆流を流すことができる。
【００３９】
このため、第１前段担体２１の温度上昇を十分促進することができ、浄化効率を十分向上させることができ、これに伴い、前段の反応熱によって後段に流入する排気の温度が上昇し後段担体２２の温度上昇を図ることもでき、前後段の三元触媒の浄化効率を向上させることができる。なお、第１前段担体２１の流路方向の長さＬｆが過度に短くされると、触媒の容量不足を招くこととなり、第１前段担体２１の第１触媒による排気ガス浄化が十分に成されず、下流側に垂れ流しが生じる。そこで、このように逆流が得られる場合の第１前段担体２１の流路方向の長さＬｆが過度に短い場合には、排気管１２の長さＬｅや、管径の変更あるいは排気管の二重管化、排気管に保温材設置等を行なって放熱量の修正を行い、第１前段担体２１の流路方向の長さＬｆを適量確保することが可能である。尚、排気管１２の長さＬｅ等を変更することによって放熱量を修正し、逆流長Ｌｒｆをコントロールすることについて、若干補足説明する。
【００４０】
排気逆流は、排気管内で排ガスが冷却されることによるガス体積縮小により発生することから、排気管長さすなわちエンジンからの触媒搭載位置の影響を受ける。そこで、触媒搭載位置を固定とした上で逆流長に基づき第１前段担体の流路方向の長さＬｆを決定する代わりに、触媒搭載位置すなわち排気管長さＬｅを変更することにより逆流長Ｌｒｆを変化させ、逆流が第１前段担体の全域をカバーするように設定してもよい。より具体的には、図１４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、排気管長さを変更することにより、逆流長さは変化する。図１４（ｂ）のケースにおいては、逆流量が少なすぎるため、逆流が触媒全体に届いていない。一方で、図１４（ｃ）のケースにおいては、逆流の利用に対しては問題ないが、触媒位置が遠すぎることによる他のデメリット、例えば触媒温度の低下という問題が発生する可能性がある。そこで、図１４（ａ）のケースにおいては、逆流長Ｌｒｆと第１前段担体２１の流路方向の長さＬｆがほぼ一致することとなり、逆流を有効に利用可能となる。尚、この図１４において、触媒の流路方向長さは（ａ）（ｂ）（ｃ）で同じとしている。
【００４１】
また、前段担体２１の流路方向の長さＬｆを逆流長Ｌｒｆにほぼ一致させるだけでなく、前段担体２１の容量を逆流時にケーシング１８から排気管１２に流れ出す排気ガス容量と同等または小さく設定することが好ましい。この場合、逆流が確実に触媒全体に届くことになり、特に前段担体２１の容量と排気管１２に流れ出す排気ガス容量とをほぼ一致させた場合、排気逆流をすべて触媒に接触させることができ排気ガス逆流による浄化反応の促進担体の温度上昇を最大限に引き出すことができる。
【００４２】
以上、計測コンバータ４１を用いての実測に基づき、図１のエンジン１の触媒コンバータ１３では、その内部の前段担体２１の流路方向の長さは逆流長Ｌｒｆとほぼ一致する、図３（ｂ）で説明した長さＬｆ（＝Ｌｃ２）が採用された。  
このような触媒コンバータ１３を有する排ガス浄化装置を備えた図１のエンジン１では、その冷態始動時において、各気筒の排気行程で流出する高温排ガスが排気管１２を流下する初期には高容量の排ガスとして下流側の排ガスを押圧し、瞬時に排気管１２による冷却で容積を低減させ、下流側の排ガスの流速を低下させる。特に、触媒コンバータ１３内の前段担体２１を通過し、隙間部２０に達した排ガスがその時点で流速をゼロに保持した後で、ガス濃度、温度が均一化され、排気管１２上流側に引き戻される。
【００４３】
この場合、前段担体２１の流路方向の長さＬｆがエンジン１の冷態始動時における逆流長Ｌｒｆの長さに等しいことより、一旦、隙間部２０で流速ゼロの状態で径方向に分散し攪拌された排ガスが前段担体２１を同一速度で逆流する。この際、図３（ｂ）に示すように、逆流排ガスが前段担体２１の全域を完全にカバーしてケーシング１８の入口側に流出するまで逆流する。次いで、次に排気行程に達している気筒からの高温排ガスの押圧力が加わり、順方向の流れｎｆに戻り、これによって逆流を含む排気脈動を繰り返すことと成る。
【００４４】
この結果、前段担体２１の前段触媒において触媒反応が触媒コンバータ１３内でその径方向の偏りなく行われ、これにより、エンジン１の冷態始動時における前段触媒の早期昇温化による暖機を図り、触媒の活性化を促進し、浄化効率を向上させることができる。しかも、前段担体２１の早期昇温化に伴い、その反応熱によって後段触媒２２に流入する排気温度が上昇し、後段触媒２２である三元触媒の早期昇温化を図れ、これにより、触媒コンバータ１３の全体としての浄化効率を向上させることができる。更に、前段担体２１の早期昇温化に伴い前段触媒としての貴金属の量を低減してもＮＯｘ還元処理、ＨＣ酸化処理性能を低下させることがなく、この点で触媒貴金属の低コスト化を図れる。
【００４５】
なお、ここでは、排ガス逆流長測定装置４０として、熱線流速計４５に加え、放電タフト法を適用した逆流計測装置３００と同様の装置を併用したが、熱線流速計４５のみを使用することとしてもよい。また、熱線流速計４５により逆流流速を求める際には、排ガス温度あるいは排圧等により密度補正等を行うことによって、測定精度を高めるようにしてもよい。
【００４６】
また、逆流流速を求める方法としては、ここで用いた熱線流速計４５に限定されない。熱線流速計としては、ここで用いた電熱線の電気抵抗変化から直接流速を求めるものの他に、電熱線が冷却されても電熱線の温度が一定になるように電熱線に電流を流し、その電流値を元に流速を求めるものとしてもよい。ここでは、熱線流速計を用いて逆流を計測する際に、Ｃ字形断面形状の枠材５１を使用したが、流れ方向検知装置を設けるようにしてもよい。さらには、流速計としては、熱線流速計に限定する必要はなく、流速を測れるものであれば、どのようなものを用いてもよい。例えばカルマン渦式のものを用いても良いし、レーザドップラー流速計のような計測装置を用いてもよい。
【００４７】
また、ここでは、排気ガスの逆流長を排ガス逆流長測定装置により実測したが、計算により逆流長を求めて触媒の流路方向長さを決めてもよい。具体的には、排気逆流は、排気管内で排ガスが冷却されることによるガス体積縮小により発生することから、以下のような方法が考えられる。  
・排気管容積と排気管表面積（排気管からの放熱量）に基づき逆流長を推定。  
・排気管容積と排ガスの排気管内での温度低下量（例えば、シリンダヘッド出口〜触媒入口の低下量）に基づき逆流長を推定。  
排ガスの排気管内での温度低下量については、例えば、シリンダヘッドからの距離と排気温度の関係を求めることができるので、これに基づいて排気逆流長を求めればよい。
【００４８】
上述のところにおいて、図１の排ガス浄化装置が用いた触媒コンバータ１３は前後担体２１，２２を隙間部２０を介して配備したタンデム触媒システムを採用したものであったが、場合により本発明を前段と後段が近接せず距離が離れた触媒システムにおける前段触媒コンバータ７０として構成してもよい。この場合、図７に示すように、排気管１２の下流端側に単一担体からなる前段触媒コンバータ７０を設けると共に、その下流排気管１４上に後段触媒７１を設けることとなる。
【００４９】
この場合、前段触媒コンバータ７０は図１の触媒コンバータ１３の前段担体２１と同様の単一担体が用いられ、同様の手法で形状や、前段触媒であるトラップ材が採用される。同じく、後段触媒コンバータ７１には図１の触媒コンバータ１３の後段担体２２と同様の単一担体が用いられ、同様の手法で形状や後段触媒である三元触媒が採用される。この場合も前段触媒が、エンジン１の冷態始動時における早期昇温化による暖機促進を図れ、活性化を促進し、浄化効率を向上させることができ、これにより、後段触媒の早期昇温化による暖機促進を図れ、活性化を促進し、排気浄化装置全体としての浄化効率を向上させることができる。
【００５０】
上述のところにおいて、図１の排ガス浄化装置が用いた触媒コンバータ１３はケーシング１８内に前後２つの担体２１，２２を配備したタンデム触媒システムを採用したものであったが、図８に示すように、ケーシング７５内に排気路前後方向に３つの担体７２，７３，７４を互いに隙間部７６を介して順次配設した前後３段の触媒コンバータ７６として構成してもよい。
【００５１】
この場合、図８に示すように、前段担体７２が図１の前段担体２１と同様の形状で、同様の手法で形状や素材が決定され、前段触媒として小容量の三元触媒が採用され、中段触媒として中容量の三元触媒が採用され、後段触媒として大容量の三元触媒が採用される。
この場合も、エンジン１の冷態始動時において、前段担体７２全域で排ガスの完全逆流が間歇的に生じ、前段担体７２に担持された小容量の三元触媒の早期の活性化による昇温が図られ、これに伴い、中段担体７３の早期活性化が図られ、後段の三元触媒の早期活性化も図られる。この場合、特に、冷態始動時に前段の三元触媒の早期活性化を図り、排ガス浄化装置全体としての浄化効率をより向上させることができる。なお、触媒の数としては３段に限定されず、さらに多くの段数の場合においても同様である。
【００５２】
本発明を適用する内燃機関としては、排気管に触媒を備えたものであれば、実施例のような筒内噴射型４サイクル多気筒ガソリンエンジンに限定されない。例えば、吸気管燃料噴射型やキャブレター方式のガソリンエンジンでもよいし、ディーゼルエンジンでもよい。また、４サイクルではなく、２サイクルエンジンでもよい。すなわち、排気管に触媒を備え、完結的にエンジンから排気管内に排気ガスが排出されるものであれば、内燃機関の形式にはとらわれない。
【００５３】
担体としては、コージェライト等のセラミック製の他に、ステンレス等の金属を材料とするメタル担体でもよい。  
触媒種類としては、三元触媒に限定されない。ＮＯｘトラップ触媒、  ＨＣトラップ触媒、選択還元型ＮＯｘ触媒（イリジウム触媒、ゼオライト触媒、ユリアＳＣＲ等）、酸化触媒、貴金属以外の浄化物質を担持した触媒等、排気ガスを浄化する触媒であれば、どのようなものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施形態としての排気ガス浄化装置と同装置を有するエンジンの全体概略構成図である。
【図２】図１の排気ガス浄化装置で用いる触媒コンバータの拡大概略断面図である。
【図３】図１の排気ガス浄化装置で用いる触媒コンバータ内の前段担体における排ガス流動特性図で、（ａ）は順流れ状態を、（ｂ）は完全逆流状態を、（ｃ）は部分逆流状態を示す。
【図４】図１中の前段担体の形状設定に用いる排ガス逆流長測定装置の全体構成図である。
【図５】図４の排ガス逆流長測定装置で用いる熱線流速計を示し、（ａ）は平断面図を、（ｂ）は側断面図を示す。
【図６】図４の排ガス逆流長測定装置での排ガス流動速度と抵抗値の波形図を示し、逆流を生じる場合のデータを示す。
【図７】本発明の他の実施形態としての排気ガス浄化装置の概略図である。
【図８】本発明の他の実施形態としての排気ガス浄化装置の概略図である。同可変動弁装置に駆動される吸気弁の概略作動特性説明図である。
【図９】従来の排気ガス浄化装置の概略図で、（ａ）はシングル触媒システムの概略図、（ｂ）はタンデム触媒システムの概略図、（ｃ）はＡ，Ｂ位置の温度分布図、（ｄ）はＣ，Ｄ位置の温度分布図である。
【図１０】従来の排気ガス浄化装置の担体におけるＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ位置での温度比較線図である。
【図１１】逆流計測装置の全体構成図である。
【図１２】逆流計測装置での逆流状態目視図で、（ａ）は逆流を、（ｂ）は無風を、（ｃ）は順流を示す。
【図１３】図１１の逆流計測装置での逆流計測事例を説明する図で、（ａ）は計測条件値の説明図、（ｂ）は逆流比率の比較図である。
【図１４】排気管の長さに対する逆流の長さと担体の長さの関係を示す。
【符号の説明】
【００５５】
１    エンジン
１２    排気管
１３    触媒コンバータ
１８    ケーシング
２１    前段担体
２２    後段担体
ｒｆ    逆流
Ｌｆ    担体の長さ
【図１】
2006291813.tif 000003
【図２】
2006291813.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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