(57)【要約】【課題】触媒をまんべんなく使用できると共に暖機運転時の早期昇温も可能を浄化装置を提供する。【解決手段】触媒ケース６の入口部６ａに、排気ガスの流れ方向を制御する風向ガイド部材９，１０を配置している。風向ガイド部材９，１０は、アクチュエータ１３，１４で姿勢を変更することができる。排気ガスは直進性を持っているため、入口部６ａの外側寄りの部位に多く流れる傾向を呈しており、このため、触媒７は外端部７ａが早く劣化する。そこで、外端部７ａが劣化したら第１風向ガイド部材９を回動操作して、排気ガスを触媒７の中部部７ｂに向かわせ、更に、中間部７ｂが劣化したら第２風向ガイド部材１０を回動操作して、排気ガスを触媒７の内端端７ｃに向かわせる。暖機運転時には、両風向ガイド部材９，１０を回動操作して排気ガスを狭い特定部位に集中させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口と出口を有する触媒ケースの内部に触媒を配置し、前記触媒よりも下流側にはリア酸素濃度センサを設けている一方、前記触媒よりも上流側には、前記触媒に向かう排気ガスの流れ方向を変更できる風向ガイド部材が姿勢変更可能に配置されており、前記リア酸素濃度センサからの信号に基づいて、制御手段によって前記風向ガイド部材の姿勢を調節できる構成であって、
前記リア酸素濃度センサからの信号によって触媒が所定状態まで劣化したと判定した場合は、前記風向ガイド部材の姿勢を変えて排気ガスが触媒に当たる位置を変更させる、
内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項２】
２つの風向ガイド部材を備えていて両者の姿勢を個別に変更することで排気ガスの流路面積と流れ方向とを同時に調節可能であり、暖機運転時には排気ガスの流路面積を絞ると共に排気ガスを触媒の特定部位に集中的に当てて、暖機運転終了後は、排気ガスの流路面積の絞りを解除すると共に排気ガスが触媒に拡散した状態で向かうように制御される、
請求項に記載した内燃機関の排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、内燃機関の排気系に配置される触媒方式の排気ガス浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関において、排気ガスを浄化する触媒には、従来から２つの面から対策が要請されている。第１は、排気ガスをまんべんなく当てて劣化を均等化することであり、これにより、交換時期を遅くして内燃機関のランニングコストを低減することができる。第２は、触媒は高温化しないと活性化しないという性質に起因したもので、暖機運転時の早期昇温という要請である。
【０００３】
そして、第１の点について特許文献１では、触媒ケースの始端部に流路面積を小さくした絞り部を設けて、絞り部から出る際の拡散作用を利用して排気ガスを触媒にまんべんなく当てることを提案している。
【０００４】
他方、第２の点について特許文献２には、メタノールエンジンにおいて、触媒ケースへの入口部にバイメタル式の絞り弁を設けて、暖機運転時には絞り弁を閉じて排気ガスを触媒の特定部位に集中的に当てることで、触媒の特定部位を早期昇温させて早期活性化を図ることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１７２６１号公報
【特許文献２】実開平０３−１２３９３２号のマイクロフィルム
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
さて、排気ガスをスムースに排出させながら浄化するためには、触媒は排気マニホールドの出口部や排気管よりも遥かに大きい断面積が必要であり、このため、触媒が内蔵された触媒ケースは、入口から触媒の収納部に向けて拡径し、触媒の収納部から出口に向けて縮径している。すなわち、入口部と出口部は概ねテーパ状になっている。
【０００７】
そして、排気ガスが方向性を持って高速で触媒ケースに流入することと、一般に、排気ガスが方向変換して（横向きから下向きに方向を変えて）触媒触媒ケースに流入することから、排気ガスが触媒の特定箇所に集中的に当たって、全体的に見ると使用できる部分が残っているのに、センサによって劣化したと判断されて交換せざるを得ない事態に至っていた。
【０００８】
そこで特許文献１を検討するに、絞り部を設けたることで理論的には拡散効果が発揮されると云えるが、実際にどの程度の拡散効果が発揮されるか不明である。特に、排気ガスの流速が速くなると、排気ガスの直進性により、拡散効果が減殺されてしまうことも懸念される。
【０００９】
他方、特許文献２について見ると、暖機時に触媒の特定箇所を早期昇温させることで早期活性化を図ることは評価できるが、早期昇温する部分は固定されているため、特定部分の劣化が促進されて、他の部分は使用可能であるのに交換せざるを得ない事態に陥るおそれも高いと云える。
【００１０】
本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願発明は、請求項１，２の構成を備えている。請求項１の発明は、入口と出口を有する触媒ケースの内部に触媒を配置し、前記触媒よりも下流側にはリア酸素濃度センサを設けている一方、前記触媒よりも上流側には、前記触媒に向かう排気ガスの流れ方向を変更できる風向ガイド部材が姿勢変更可能に配置されており、前記リア酸素濃度センサからの信号に基づいて、制御手段によって前記風向ガイド部材の姿勢を調節できる構成であって、前記リア酸素濃度センサからの信号によって触媒が所定状態まで劣化したと判定した場合は、前記風向ガイド部材の姿勢を変えて排気ガスが触媒に当たる位置を変更させるものである。
【００１２】
請求項２の発明は請求項１を具体化したもので、この発明では、２つの風向ガイド部材を備えていて両者の姿勢を個別に変更することで排気ガスの流路面積と流れ方向とを同時に調節可能であり、暖機運転時には排気ガスの流路面積を絞ると共に排気ガスを触媒の特定部位に集中的に当てて、暖機運転終了後は、排気ガスの流路面積の絞りを解除すると共に排気ガスが触媒に拡散した状態で向かうように制御される。
【発明の効果】
【００１３】
本願発明では、風向ガイド部材によって排気ガスの流れ方向を強制的に変更できるため、排気ガスの流れ方向を変えることで、触媒を全体的に使用することができる。つまり、排気ガスの触媒の特定範囲に強く当たることは不可避としても、排気ガスが強く当たる部分を変える（ずらす）ことで、触媒の全体を有効利用できるのである。
【００１４】
そして、触媒の特定部位の劣化の状態をリア酸素濃度センサで検知し、その検知結果に基づいて、制御手段からの指示によって排気ガスが強く当たる部分を変更するものであるため、排気ガスの流れ方向の変更を的確に行うことができる。
【００１５】
本願発明では、排気ガスが特定部位に強く当たることは不可避としているので、暖機時には特定部位が早期昇温して触媒の早期活性化に貢献できるが、請求項２の構成を採用すると、２つの風向ガイド部材によって暖機時に排気ガスが触媒を狭い範囲に集中的に当てることを確実化でき、しかも、流路面積が絞られていて排気ガスの流速が速くなっているため、触媒の狭い範囲を集中的に昇温させて早期活性化を促進できる。このため、暖機運転時の排気ガス浄化性能を格段に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態をクランク軸線と直交した方向から見た側面図である。
【図２】（Ａ）は図１のIIA-IIA 視断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図である。
【図３】制御態様を示す図で、（Ａ）（Ｃ）は縦断正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図、（Ｄ）は（Ｃ）のＤ−Ｄ視断面図である。
【図４】（Ａ）は暖機時の制御態様を示す縦断正面図、（Ｂ）は暖機終了時の制御態様を示す縦断正面図である。
【図５】第２実施形態を示す図で、（Ａ）は要部の縦断正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
(1).第１実施形態の構造
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１〜図４に示す第１実施形態の構造を説明する。本明細書では図面に関して正面視、側面視の文言を使用するが、正面視はクランク軸線の方向から見た状態であり、側面視は、クランク軸線及びシリンダボアの軸心と直交した方向から見た状態である。
【００１８】
内燃機関は、シリンダブロック１とその上面に固定されたシリンダヘッド２とを備えており、シリンダヘッド２の上面にはシリンダヘッドカバー３が固定されている。本実施形態の内燃機関は３気筒であり、そこで、シリンダヘッド２の長手一側面には、３つの排気出口４が開口していると共に、排気出口４に連通した排気マニホールド５が固定されている。排気マニホールド５は１つの集合部５ａを有しており、集合部５ａに触媒ケース６が接続されている。
【００１９】
触媒ケース６は、基本的には円筒形で、円筒状の部分の内部には、貴金属を有する三元触媒７が離脱不能に配置されている。触媒ケース６の上部を構成する入口部６ａは上窄まりのテーパ部になっており、入口部６ａに排気マニホールド５の集合部５ａが接続されている。触媒ケース６は軸線を上下方向に向けた姿勢になっているので、排気マニホールド５の集合部５ａは横向きから下向きに姿勢が変わるように、正面視で曲がった形状になっている。
【００２０】
触媒ケース６の下部を構成する出口部６ｂは下窄まりのテーパ状になっており、下端には継手筒６ｃを固定している。継手筒６ｃには排気管（図示せず）が接続される。テーパ状の出口部６ｂには、リア酸素濃度センサ８を設けている。なお、触媒ケース６にはＣＯセンサも設けているが、図示は省略している。
【００２１】
触媒ケース６における入口部６ａの内部には、第１及び第２の風向ガイド部材９，１０を配置している。両風向ガイド部材９，１０は、側面視では角形（四角形）であり、正面視では上向きに窄まった細い三角形（或いはクサビ形）の形態を成している。側面視で上窄まりの台形の形状としてもよいし、正面視で等厚の板と成してもよい。
【００２２】
第１風向ガイド部材９は第２風向ガイド部材１０よりも手前に配置しており、かつ、第２風向ガイド部材１０は概ね触媒ケース６の左右中間部に配置している。従って、第１風向ガイド部材９は入口部６ａの手前側に寄せて配置している。また、第２風向ガイド部材１０は触媒７の上面に寄せて配置して、第１風向ガイド部材９は第２風向ガイド部材１０よりも少し上に配置している。側面視では、両風向ガイド部材９，１０は上下方向に部分的にオーバーラップしている。
【００２３】
両風向ガイド部材９，１０は、その上下中途高さに位置した前後長手の支軸１１，１２に固定されており、支軸１１，１２は触媒ケース６の入口部６ａに回転自在に保持されている。更に、入口部６ａの外側には、支軸１１，１２を回転操作するための第１及び第２のアクチュエータ１３，１４が、前後に振り分けられた状態で断熱ブラケット１５を介して取り付けられている。アクチュエータ１３，１４には、ロータリーソレノイドや電動モータなどを使用できる。風向ガイド部材９，１０は排気ガスに晒されるので、セラミックや鋼のような耐熱製の材料で製造されている。
【００２４】
内燃機関は制御手段の一例としてのＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）１６を備えており、リア酸素センサ８及び両アクチュエータ１３，１４は、制御手段の一例としてのＥＣＵ１６に電気的に接続されている。
【００２５】
(2).第１実施形態の制御態様
第１風向ガイド部材９は、第１アクチュエータ１３により、図２（Ａ）のように正面視で上端が排気マニホールド５の側に近づくように傾斜した第１姿勢と、図３（Ａ）のように、正面視で上端が入口部６ａの外端に近接するように傾斜した第２姿勢とに姿勢変更自在である。
【００２６】
他方、第２風向ガイド部材１０は、第２アクチュエータ１４により、図２（Ａ）のように正面視で略鉛直姿勢に近い第１姿勢と、図３（Ｃ）のように、上端がシリンダブロック１から遠ざかるように傾斜した第２姿勢と、図４（Ａ）のように、上端がシリンダブロック１の側に近づくように傾斜した第３姿勢とに姿勢変更自在である。
【００２７】
かかる構成を前提にして、本実施形態では、触媒７の劣化に対応した制御と、暖機運転に対応した制御とが行われる。まず、劣化に対応した制御を説明する。図２のように第１風向ガイド部材９と第２風向ガイド部材１０とが共に第１姿勢のときには、両風向ガイド部材９は排気ガスの流れに対して殆どに抵抗にはなっておらず、他方、第２風向ガイド部材１０は、排気ガスを触媒ケース６の内側（シリンダブロック１に近い側）に案内する作用を果たしている。
【００２８】
そして、図２のように両風向ガイド部材９，１０が第１姿勢のときには、排気ガスが、直進性を有することで、触媒７のうちシリンダブロック１から遠い外端部７ａに強く当たる傾向を呈している。従って、両風向ガイド部材９，１０が第１姿勢のときには、触媒７は外端部７ａが早く劣化する。
【００２９】
そして、触媒７が劣化していくと排気ガスの浄化性能が低下していくため、ＣＯやＮＯｘの濃度は高くなって、リア酸素濃度センサ８で検知する酸素濃度は低下していく。そこで、リア酸素濃度センサ８による酸素濃度の検出値が予め定めた基準値に低下してその状態が予め定めた時間（例えば数時間）継続したら、触媒７の外端部７ａは使用し難い程に劣化したと判断し、図３のように、第１風向ガイド部材９を第２姿勢に変更する。
【００３０】
すると、入口部７ａの外端部に沿って流れていた排気ガスが第１風向ガイド部材９にガイドされることで、図３（Ｂ）に示すように、排気ガスは触媒７のうち左右方向の中間部７ｂに強く当たるようになる。これにより、リア酸素濃度センサ８による酸素濃度の検出値は高くなる。
【００３１】
そして、使用していくうちに中間部７ｂの劣化が進んで、リア酸素濃度センサ８による酸素濃度の検出値が基準値まで低下してその状態が所定時間続いたら、触媒７の中間部７ｂは使用し難い程に劣化したと判断して、図３（Ｃ）のように、第２風向ガイド部材１０を第１姿勢に変更する。すると、排気ガスの大部分は第１風向ガイド部材９及び第２風向ガイド部材１０にガイドされて、触媒７のうちシリンダブロック１に近い内端部７ｃに強く当たるようになる。
【００３２】
触媒７の内端部７ｃの劣化が進んで、リア酸素濃度センサ８による酸素濃度の検出値が基準値まで低下してその状態が所定時間続いたら、触媒７はその全体が基準値まで劣化して所望の（法定の）浄化性能は発揮できないので、交換すべき旨の表示を運転席のパネル等に表示する。
【００３３】
このように、排気ガスが流れの方向性を持っていることは是認しつつ、排気ガスを劣化していない箇所に誘導することで、触媒７の全体を有効利用することができる。これにより、触媒７の交換時期を遅くして内燃機関のランニングコストを抑制できるのである。
【００３４】
暖機運転時の制御は図４に示している。すなわち、この例では、コールドスタートした暖機運転時には、第１風向ガイド部材９は第１姿勢にして第２風向ガイド部材１０は第３姿勢にすることで、排気ガスを触媒７のうち前後中間部に近い特定部位７ｄに集中的に当てている。この特定部位７ｄは、上記した外端部７ａや中間部７ｂよりも狭い面積とすることができる。
【００３５】
このように狭い面積の特定部位７ｄに排気ガスを集中的に当てることで、触媒７を早期昇温させて早期活性化させ、排気ガスの浄化性能の立ち上がりを早くすることができる。しかも、第１風向ガイド部材９を第１姿勢とすることで排気ガスの流路面積が狭くなっていることにより、排気ガスはその流速を速めた状態で特定部位７ｄに集中的に当たるため、特定部位７ｄの早期昇温を一層促進できる。
【００３６】
冷却水温度が所定値まで上昇する等して暖機運転が終了したことを検知したら、両風向ガイド部材９，１０の姿勢を図２〜図３のうちのいずれかに戻したらよい。なお、暖機運転の終了は、冷却水温度によることなく、運転開始からの経過時間を基準にして行ってもよい。
【００３７】
暖機運転時にどの部位に排気ガスを集中的に当てるかは、触媒７の劣化の程度を考慮して選択するのが好ましい。すなわち、劣化した部位に排気ガスを集中的に当てても高い浄化性能は期待できないので、暖機運転時には排気ガスを集中的に当てる特定部位７ｄは、劣化が危険状態まで進んでいない部位とすべきである。
【００３８】
(3).第２実施形態・その他
上記の第１実施形態は２の風向ガイド部材９，１０を設けた場合であったが、図４に示す第２実施形態では、１つのアクチュエータ１７で駆動される１つの風向ガイド部材１８を配置している。この風向ガイド部材１８は、シリンダブロック１の遠くに位置した外板１８ａとシリンダブロック１に近い側に位置した内板１８ｂとを有する前後長手の角筒形になっており、外板１８ａの上端は内板１８ｂの上端よりも高くなっている。風向ガイド部材１８は支軸１９に固定されており、支軸１９がアクチュエータ１７で回転操作される。
【００３９】
この風向ガイド部材１８は、例えば、図５（Ａ）の実線を示す状態を第１姿勢として、一点鎖線で示すように上端が外側に少し倒れた第２姿勢と、更に上端を外側に大きく倒した第３姿勢との３つの姿勢に変更できる（実線の状態から時計回りに回動した第４姿勢も選択可能である。）。
【００４０】
第１姿勢では排気ガスは触媒７の外端部７ａに強く当たり、第２姿勢では排気ガスは触媒７の中間部７ｂに強く当たり、第３姿勢では排気ガスは触媒７の内端部７ｃに強く当たる。従って、触媒７をその全体に亙ってまんべんなく使用して、長寿命化を図ることができる。風向ガイド部材１８を第２姿勢とすることで、暖機運転時に排気ガスを特定部位に集中させると共に、流路面積を絞ることも可能である。
【００４１】
本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、風向ガイド部材を複数の板が連動して動くルーバ方式として、１つのアクチュエータで複数の板を一斉に回動操作することも可能である。
【００４２】
また、風向ガイド部材を、上端において連結された２枚の板で構成し、２枚の板の開き角度を制御することで流路面積の調節と風向の調節を行うと共に、２枚の板の姿勢を同時に変えることで排気ガスの流れ方向を変えるといったことも可能である。リア酸素濃度センサは排気管に設けててもよい。また、風向ガイド部材の姿勢を無段階的に調節することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本願発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に適用可能である。従って、産業上利用できる。
【符号の説明】
【００４４】
１  シリンダブロック
２  シリンダヘッド
５  排気マニホールド
６  触媒ケース
７  触媒
７ａ  外端部
７ｂ  中間部
７ｃ  内端部
８  リア酸素濃度センサ
９，１０，１８  風向ガイド部材
１３，１４，１７  アクチュエータ
１６  制御手段の一例のＥＣＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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