(57)【要約】【課題】内燃機関の暖機時にほとんど劣化していない少なくとも触媒の部分で排気ガスを浄化することができる内燃機関の排気ガス浄化触媒を提供する。【解決手段】ケース１６内に触媒１１を内蔵する内燃機関の排気ガス浄化装置において、排気ガスが前記触媒に流入するときに該触媒の排気上流面に当たる面積を変化させるための排気制御弁１３を前記ケース内の前記触媒の排気上流側に設けると共に、前記触媒の暖気状態を検出する手段を設け、前記触媒の暖機終了後は前記排気制御弁を閉じて、前記排気ガスが前記触媒の排気上流面に当たる面積を小さくするようにした。【選択図】      図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケース内に触媒を内蔵する内燃機関の排気ガス浄化装置において、
排気ガスが前記触媒に流入するときに該触媒の排気上流面に当たる面積を変化させるための排気制御弁を前記ケース内の前記触媒の排気上流側に設けると共に、前記触媒の暖気状態を検出する手段を設け、前記触媒の暖機終了後は前記排気制御弁を閉じて、前記排気ガスが前記触媒の排気上流面に当たる面積を小さくするようにしたことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項２】
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段をさらに設け、前記内燃機関の運転状態が前記触媒の劣化を促進させるような状態であることが運転状態検出手段によって検出されたときには、前記排気制御弁を開いて前記排気ガスが前記触媒の排気上流側に当たる面積を大きくするようにしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項３】
ケース内に触媒を内蔵する内燃機関の排気ガス浄化装置において、
排気ガスが前記触媒に流入するときに該触媒の排気上流面に当たる面積を変化させるための排気制御弁を前記ケース内の前記触媒の排気上流側に設けると共に、前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段を設け、前記内燃機関の運転状態が前記触媒の劣化を促進させるような状態であることが運転状態検出手段によって検出されたときには、前記排気制御弁を閉じて、前記排気ガスが前記触媒の排気上流面に当たる面積を小さくするようにしたことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項４】
前記触媒の劣化を促進させるような前記内燃機関の運転状態を、前記内燃機関の排気ガスの空燃比がリーンである状態としたことを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項５】
前記触媒の劣化を促進させるような前記内燃機関の運転状態を、前記触媒の温度が所定温度を超えているような状態としたことを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項６】
前記排気制御弁をバタフライ弁とし、前記触媒の排気上流側に前記排気制御弁の開弁時の弁体を収容する凹部を設け、前記バタフライ弁の回動軸を前記凹部における排気上流面の排気上流側に設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項７】
閉弁時に排気上流側に位置する前記バタフライ弁の面の形状を、該バタフライ弁による排気ガスに対する流路抵抗が許容値よりも小さくなるような形状としたことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項８】
閉弁時に排気上流側に位置する前記バタフライ弁の面の形状を、円錐形状としたことを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項９】
前記触媒の排気上流側において前記ケースに連結される排気通路をさらに設け、該排気通路をその軸線が前記触媒の軸線と同軸になるように配置し、前記排気制御弁の中心を前記両軸線が通過するように前記排気制御弁を配置したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項１０】
前記触媒の排気上流側において前記ケースに連結される排気通路をさらに設け、該排気通路をその軸線と前記触媒の軸線とが所定の交差角を有するように配置し、前記排気通路の軸線が前記触媒の排気上流面と交わる地点に近接して前記排気制御弁を配置したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項１１】
前記触媒の上流側の前記ケースの形状を、前記排気制御弁が開弁しているときに排気ガスが前記触媒の排気上流面全体に当たる形状としたことを特徴とする請求項９または１０に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項１２】
前記触媒は、前記排気制御弁を閉弁しているときに該排気制御弁の排気下流に位置する触媒部分と、前記排気制御弁の排気下流に位置しない触媒部分とを有し、前記排気制御弁の排気下流に位置する触媒部分の単位面積当たりのセル数と前記排気制御弁の排気下流に位置しない触媒部分の単位面積当たりのセル数とを異なる数にしたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項１３】
前記触媒は、前記排気制御弁を閉弁しているときに該排気制御弁の排気下流に位置する触媒部分と、前記排気制御弁の排気下流に位置しない触媒部分とを有し、前記排気制御弁の排気下流に位置する触媒部分の排気ガスの流れ方向の長さを前記排気制御弁の排気下流に位置しない触媒部分の排気ガスの流れ方向の長さよりも短くしたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気ガス浄化装置に関し、特に、排気ガスが流れる触媒の断面積を変化させることができる切り替え弁を備えた内燃機関の排気ガス浄化装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関の排気ガス浄化装置として、内燃機関の排気通路に触媒装置を設けて、排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、及びＮＯｘ成分を効率良く浄化するものが知られている。この触媒装置は触媒温度が所定温度以上で浄化率が良い。ところが、内燃機関の冷間始動直後等は排気ガスの温度が低く、触媒の浄化性能が低下する。また、従来技術における触媒装置は、触媒の断面積全体に排気ガスが流れるので、触媒の劣化は排気ガスに晒される時間に応じて断面積全体に進行してしまう。
【０００３】
そこで、ケース（シェル）内に設けられた触媒本体の排気ガスの導入側の面に、触媒本体の端面中心部分を除いて部分的にシャッタを設け、低い温度の排気ガスを浄化する時にこのシャッタを閉状態にして、触媒本体の中心部分のみに排気ガスを流して触媒反応を有効に行わせ、排気ガスが高温になった時、このシャッタを開いて触媒本体全域に排気ガスを流すようにして、温度の低い排気ガスに対しても触媒反応を速やかに開始させ、浄化性能を向上させた内燃機関の排気ガス浄化装置が提案された（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
実開昭６２−１６２３２７号公報（第５−８頁、第１−４図）
【特許文献２】
特開平４−４７１１２号公報
【特許文献３】
特開昭６１−２００３１６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、内燃機関の冷間始動直後、すなわち内燃機関の暖機時に排出される排気ガス中のエミッション（汚染物質）濃度は比較的高く、逆に、内燃機関の暖機終了後に排出される排気ガスのエミッション濃度は比較的低い。したがって、内燃機関の暖機終了後においては触媒が多少劣化していても触媒を通過する排気ガスはほとんど浄化されるが、内燃機関の暖機時においては触媒が劣化していると触媒を通過する排気ガスの一部は浄化されずに排出されてしまう。上記特許文献１に記載の排気浄化装置では、暖機時に排気ガスが通過する触媒本体の中心部分は暖機時だけでなく暖機終了後にも排気ガスが通過することにより劣化が激しく、よって暖機時に触媒本体を通る排気ガスの一部が浄化されずに排出されてしまう。そこで、内燃機関の暖機時におけるエミッション濃度を低減するためには、内燃機関の暖機時にほとんど劣化していない少なくとも触媒の部分で排気ガスを浄化する必要がある。
【０００６】
そこで、本発明は、内燃機関の暖機時にほとんど劣化していない少なくとも触媒の部分で排気ガスを浄化することができる内燃機関の排気ガス浄化触媒を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成する本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置は、以下に示す第１から第１３の形態をとることができる。
【０００８】
第１の形態は、ケース内に触媒を内蔵する内燃機関の排気ガス浄化装置において、排気ガスが前記触媒に流入するときに該触媒の排気上流面に当たる面積を変化させるための排気制御弁を前記ケース内の前記触媒の排気上流側に設けると共に、前記触媒の暖気状態を検出する手段を設け、前記触媒の暖機終了後は前記排気制御弁を閉じて、前記排気ガスが前記触媒の排気上流面に当たる面積を小さくするようにしたことを特徴とするものである。
第２の形態は、第１の形態において、前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段をさらに設け、前記内燃機関の運転状態が前記触媒の劣化を促進させるような状態であることが運転状態検出手段によって検出されたときには、前記排気制御弁を開いて前記排気ガスが前記触媒の排気上流側に当たる面積を大きくするようにしたことを特徴とするものである。
第３の形態は、ケース内に触媒を内蔵する内燃機関の排気ガス浄化装置において、排気ガスが前記触媒に流入するときに該触媒の排気上流面に当たる面積を変化させるための排気制御弁を前記ケース内の前記触媒の排気上流側に設けると共に、前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段を設け、前記内燃機関の運転状態が前記触媒の劣化を促進させるような状態であることが運転状態検出手段によって検出されたときには、前記排気制御弁を閉じて、前記排気ガスが前記触媒の排気上流面に当たる面積を小さくするようにしたことを特徴とするものである。
第４の形態は、第２または第３の形態において、前記触媒の劣化を促進させるような前記内燃機関の運転状態を、前記内燃機関の排気ガスの空燃比がリーンである状態としたことを特徴とするものである。
第５の形態は、第２または第３の形態において、前記触媒の劣化を促進させるような前記内燃機関の運転状態を、前記触媒の温度が所定温度を超えているような状態としたことを特徴とするものである。
【０００９】
第６の形態は、第１〜第５のいずれか一つの形態において、前記排気制御弁をバタフライ弁とし、前記触媒の排気上流側に前記排気制御弁の開弁時の弁体を収容する凹部を設け、前記バタフライ弁の回動軸を前記凹部における排気上流面の排気上流側に設けたことを特徴とするものである。
第７の形態は、第６の形態において、閉弁時に排気上流側に位置する前記バタフライ弁の面の形状を、該バタフライ弁による排気ガスに対する流路抵抗が許容値よりも小さくなるような形状としたことを特徴とするものである。
第８の形態は、第７の形態において、閉弁時に排気上流側に位置する前記バタフライ弁の面の形状を、円錐形状としたことを特徴とするものである。
【００１０】
第９の形態は、第１〜第８のいずれか一つの形態において、前記触媒の排気上流側において前記ケースに連結される排気通路をさらに設け、該排気通路をその軸線が前記触媒の軸線と同軸になるように配置し、前記排気制御弁の中心を前記両軸線が通過するように前記排気制御弁を配置したことを特徴とするものである。
第１０の形態は、第１〜８のいずれか一つの形態において、前記触媒の排気上流側において前記ケースに連結される排気通路をさらに設け、該排気通路をその軸線と前記触媒の軸線とが所定の交差角を有するように配置し、前記排気通路の軸線が前記触媒の排気上流面と交わる地点に近接して前記排気制御弁を配置したことを特徴とするものである。
第１１の形態は、第９または１０の形態において、前記触媒の上流側の前記ケースの形状を、前記排気制御弁が開弁しているときに排気ガスが前記触媒の排気上流面全体に当たる形状としたことを特徴とすることを特徴とするものである。
【００１１】
第１２の形態は、第１〜第１１のいずれか一つの形態において、前記触媒は、前記排気制御弁を閉弁しているときに該排気制御弁の排気下流に位置する触媒部分と、前記排気制御弁の排気下流に位置しない触媒部分とを有し、前記排気制御弁の排気下流に位置する触媒部分の単位面積当たりのセル数と前記排気制御弁の排気下流に位置しない触媒部分の単位面積当たりのセル数とを異なる数にしたことを特徴とするものである。
第１３の形態は、第１〜第１２のいずれか一つの形態において、前記触媒は、前記排気制御弁を閉弁しているときに該排気制御弁の排気下流に位置する触媒部分と、前記排気制御弁の排気下流に位置しない触媒部分とを有し、前記排気制御弁の排気下流に位置する触媒部分の排気ガスの流れ方向の長さを前記排気制御弁の排気下流に位置しない触媒部分の排気ガスの流れ方向の長さよりも短くしたことを特徴とするものである。
【００１２】
第１の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、触媒の暖機終了後は排気制御弁を閉じて排気ガスが触媒の特定部分に当たらないようにしたので、触媒に劣化の小さい部分を作ることができる。
第２の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、触媒の劣化を促進させるような内燃機関の運転状態、特に触媒の劣化を大きく促進させるような内燃機関の運転状態において排気制御弁が開弁するので、排気制御弁の排気下流に位置しない触媒部分（触媒の一部）のみが大きく劣化してしまうことを防止することができる。なお、排気制御弁の排気下流に位置しない触媒部分に関しては以下で説明する。
第３の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、内燃機関の運転状態が触媒の劣化を促進させるような状態である場合には排気制御弁を閉じて排気ガスが触媒の特定部分に当たらないようにしたので、触媒に劣化の小さい部分を作ることができる。
第４および第５の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置では、触媒の劣化を促進させるような状態を、特に触媒の劣化が激しくなる状態とした。
第６の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、触媒の排気上流側に排気制御弁の開弁時の弁体を収容するための凹部があるので、排気制御弁を含めた触媒の長さを短くすることができ、触媒ケースの全長を短縮できる。
第７および第８の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、バタフライ弁を閉弁することによって起こる、触媒を内蔵するケースに起因する排気ガスの圧損の増大を小さく抑えることができる。なお、第７の形態における許容値は、例えば、閉弁時に排気上流側に位置するバタフライ弁の面の形状を平坦にした場合におけるバタフライ弁による排気ガスに対する流路抵抗である。
第９と第１０の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、排気通路の軸線の延長線上に排気制御弁があるので、排気ガスが集中的に当たる部分の触媒の劣化を防止することができる。
第１１の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、排気制御弁の開弁状態において排気ガスが触媒の排気上流面全体に当たるので、触媒の浄化性能を向上させることができる。
第１２の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、例えば、排気制御弁を閉弁したときに排気制御弁の排気下流に位置する触媒部分（以下、「下流触媒部分」と称す）の単位面積当たりのセル数（以下、「セル密度」と称す）を、排気制御弁を閉弁したときに排気制御弁の排気下流に位置しない触媒部分（以下、「非下流触媒部分」と称す）のセル密度よりも大きくすることによって、下流触媒部分の表面積が大きくなり、排気ガスの浄化反応が促進され、逆に、下流触媒部分のセル密度を非下流触媒部分のセル密度よりも小さくすることによって、排気制御弁開弁時において排気ガスが下流触媒部分に流入し易くなる。なお、排気制御弁の排気下流側に位置する触媒部分とは、触媒を通過する排気ガスの流れ方向（すなわち、下記の第１の実施例において触媒１１を内蔵するケース１６の入口から出口に向かう排気ガスの全体的な流れ方向）において閉弁時の排気制御弁と重なる触媒部分、すなわち排気制御弁を閉弁したときに排気ガスの流入がほとんど遮断される触媒部分を意味し、排気制御弁の排気下流に位置しない触媒部分とは、上記排気制御弁の排気下流に位置する触媒部分以外の触媒の部分、すなわち排気制御弁を閉弁したとしても排気ガスの流入が遮断されない触媒部分を意味する。
第１３の形態の内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、下流触媒部分の排気ガス流れ方向の長さが非下流触媒部分の排気ガス流れ方向の長さよりも短いことにより、排気制御弁開弁時において排気ガスが下流触媒部分に流入し易くなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下添付図面を用いて本発明の実施形態を具体的な実施例に基づいて詳細に説明する。まず、本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置を構成する触媒コンバータの４つの実施例の構造について説明する。
【００１４】
（第１の実施例）
本発明の第１の実施例の触媒コンバータ１０の構成及び動作を図１と図２により説明する。第１の実施例の触媒コンバータ１０は、図１（ａ）及び図２（ａ）に示すように、触媒コンバータ１０のケース１６内に保持された触媒１１と、この触媒１１の排気ガスの流れの上流側の面（以下、「前面」と称す）に近接して設けられた排気制御弁１３とを備えている。排気制御弁１３は本実施例ではバタフライ弁であり、その弁軸１４の両端部が回転自在にケース１６に軸支されている。そして、弁軸１４の一方の端部には排気制御弁１３を回転させるためのレバー１５が設けられている。このレバー１５は後述するアクチュエータによって回転させられる。また、排気制御弁１３に隣接する部位の触媒１１の中央部分、または排気制御弁１３を閉弁したときに排気制御弁１３の排気下流に位置する触媒部分（以下、「下流触媒部分」と称す）には、排気制御弁１３が回転した時にその弁体を収容するシリンダ状の凹部１２が設けられている。
【００１５】
なお、本実施例では、触媒コンバータ１０のケース１６が円筒状に形成されており、触媒１１も円柱状であるので、排気制御弁１３の形状は円板状であるが、排気制御弁１３の形状は円板状に限られるものではない。また、凹部１２もこの実施例ではシリンダ状であるが、円板状の排気制御弁１３を収容できれば良いので、半球状でも良い。更に、弁軸１４を回転させるアクチュエータの構造によっては、レバー１５も無くても良いものである。
【００１６】
また、この実施例では、触媒コンバータ１０の軸線と触媒コンバータ１０に排気ガスを導く排気管（排気通路）の軸線とは同軸である。このため、第１の実施例における排気制御弁１３の設置位置は、排気管からの排気ガスの流れが最も強く当たる触媒１１の前面側の中央部である。このように構成したことにより、排気制御弁１３の閉弁時はこの排気ガスの強い流れが触媒１１の中央部に当たらないようになり、触媒１１の中央部分、すなわち下流触媒部分の劣化が抑えられる。
【００１７】
排気制御弁１３が図１（ａ）に示すように開弁状態の時は、図１（ｂ）のＡ−Ａ線における断面を排気上流側から見た図１（ｃ）に示すように、排気制御弁１３はほとんど排気ガスの流路抵抗とならない。よって、排気制御弁１３が開弁状態の時は、図１（ｂ）に白抜きの矢印及び通常の矢印で示すように、触媒１１の断面積全体に亘って排気ガスが一様に流れて浄化され、ケース１６から排出される。
【００１８】
一方、排気制御弁１３が図２（ａ）に示すように閉弁状態の時は、図２（ｂ）のＢ−Ｂ線における断面を排気上流側から見た図２（ｃ）に示すように、排気制御弁１３が排気ガスの流路の一部を塞ぐ。よって、排気制御弁１３が閉弁状態の時は、図２（ｂ）に白抜きの矢印及び通常の矢印で示すように、排気制御弁１３の排気下流に位置する下流触媒部分には排気ガスが流れず、この下流側触媒部分を除く触媒１１の部分である環状の触媒部分（以下、「非下流触媒部分」と称す）のみに排気ガスが一様に流れて浄化され、ケース１６から排出される。
【００１９】
ところで、内燃機関（または触媒１１）の暖機中（または内燃機関の冷間始動直後）は、内燃機関から排出される排気ガスのエミッション（汚染物質）濃度が高く、また触媒１１の床温が低いことにより触媒１１のエミッション浄化性能も低い。そこで、本実施例では、内燃機関の暖機中に排気制御弁１３を開弁状態にすることで、触媒１１の全体で排気ガスを浄化している。一方、内燃機関の暖機終了後は、内燃機関から排出される排気ガスのエミッション（汚染物質）濃度が内燃機関の暖機中に比べて低く、また触媒１１の床温が高いことにより触媒１１のエミッション浄化性能も高い。そこで、本実施例では、内燃機関の暖機終了後に排気制御弁１３を閉弁状態にしている。このように内燃機関の暖機終了後に排気制御弁１３を閉弁状態にして非下流触媒部分のみに排気ガスを流しても必要とするエミッション浄化性能を確保することができ、また下流触媒部分に排気ガスが流通しないことにより下流触媒部分の劣化を低く抑えることができる。
【００２０】
また、本発明の触媒コンバータ１０で使用する触媒１１は、枡目が数百個程度あるハニカム状の担体に、アルミナ、ジルコニア等のコート材を使用してプラチナやロジウム等の貴金属をコーティングしたものであり、排気ガスはこのハニカム状の通路（セル）に沿って下流側に流れる。よって、触媒１１の前面が排気制御弁１３によって塞がれると、排気ガスは排気制御弁１３の排気下流には流れなくなり、排気制御弁１３の排気下流に位置する触媒部分の劣化が抑えられる。
【００２１】
なお、本実施例では、凹部１２が存在することにより、下流触媒部分の排気ガス流れ方向（本実施例では触媒１１の軸線方向）の長さが他の触媒部分の長さよりも短くなっているため、排気制御弁１３の開弁時に下流触媒部分に起因する排気ガスの圧力損失（以下、「圧損」と称す）が低くなり、よって排気ガスが劣化の小さい下流触媒部分に集中して流れるという効果もある。
【００２２】
（第２の実施例）
本発明の第２の実施例の触媒コンバータ２０の構成及び動作を図３により説明する。なお、第２の実施例の触媒コンバータ２０に使用される構成部材であって、第１の実施例の構成部材と同じ構成部材については、第１の構成部材と同じ符号を付して説明する。
【００２３】
第２の実施例の触媒コンバータ２０は、図３（ａ）に示すように、触媒コンバータ２０のケース１６内に保持された２種類の触媒部分２１，２２と、一方の触媒部分２２の排気ガスの流れの上流側の面（前面）に近接して設けられた排気制御弁１３とを備えている。排気制御弁１３の構成及び設置位置は第１の実施例と同じであり、ケース１６に弁軸１４の両端部が回転自在に軸支されたバタフライ弁が設けられている。弁軸１４の一方の端部にレバー１５が設けられている点も同じである。更に、排気制御弁１３の下流側に、排気制御弁１３が回転した時にその弁体を収容するシリンダ状の凹部１２が設けられている点も同じである。
【００２４】
一方、第２の実施例では、排気制御弁１３に隣接して設けられた凹部１２の下流側の触媒部分（下流触媒部分）２２と、この触媒部分２２の周囲にある触媒部分（非下流触媒部分）２１とは異なる種類の触媒である。非下流触媒部分２１は筒状をしており、下流触媒部分２２は筒状の非下流触媒部分２１の内側であって凹部１２以外の部位に位置する。２つの触媒部分２１，２２を合わせた形状は、第１の実施例の触媒１１と同じである。そして、非下流触媒部分２１のセル密度（排気ガスの流れ方向に垂直な単位面積当たりのセル数）と、下流触媒部分２２のセル密度とは異なる密度とされる。
【００２５】
例えば、本実施例では、非下流触媒部分２１のセル密度は高く、一方、下流触媒部分２２のセル密度は低い。さらに、本実施例では、非下流触媒部分２１のハニカム状の担体では各セル間の壁厚が厚く、一方、下流触媒部分２２のハニカム状の担体では各セル間の壁厚が薄い。したがって、下流触媒部分２２は非下流触媒部分２１よりも触媒部分に起因する排気ガスの圧損が低い構造（低圧損構造）となっている。このため、排気制御弁１３が図３（ｃ）に示すように開弁状態の時に、排気ガスは触媒１１の断面積全体に亘って流れるが、触媒部分２２が低圧損構造であるために、排気ガスの流れは一様ではなく、非下流触媒部分２１よりも下流触媒部分２２の方に多く流れてケース１６から排出される。さらに、凹部１２が存在することにより、劣化の小さい下流触媒部分により多くの排気ガスを集中して流通させることができる。なお、触媒部分２１と触媒部分２２とは一体的に作ってもよいし、別体として作ってもよい。
【００２６】
なお、第２の実施例の触媒コンバータ２０では、第１の実施例と同様に、内燃機関の暖機中に排気制御弁１３が開弁状態にされ、一方、内燃機関の暖機終了後には排気制御弁１３が閉弁状態にされる。図３（ｂ）に示すように、排気制御弁１３が閉弁状態の時は、排気制御弁１３によって下流触媒部分２２の前面が塞がれ、よって排気ガスは下流触媒部分２２には流れず、非下流触媒部分２１のみを流れて浄化され、ケース１６から排出される。このため、排気制御弁１３が閉弁状態のときには、下流触媒部分２２はほとんど劣化しない。一方、排気制御弁１３が開弁状態の時は、上述したように排気ガスが劣化の少ない下流触媒部分２２を流れるため、エミッション浄化性能が大きく向上する。
【００２７】
あるいは、図４に示したように、非下流触媒部分２５のセル密度を低くし、下流触媒部分２２のセル密度を高くしてもよい。このような例を第２の実施例の変更例として説明する。この場合、第２の実施例と同様に、非下流触媒部分２５のハニカム状の担体では各セル間の壁厚が厚くされ、一方、下流触媒部分２６のハニカム状の担体では各セル間の壁厚が薄くされる。
【００２８】
ところで、触媒に流入する排気ガスは、触媒の表面（すなわち担体の表面）との接触面積が大きければ大きいほど、浄化され易くなる。したがって、本変更例のように、セル密度を触媒部分毎に異なる密度にした場合、セル密度の高い触媒部分では排気ガスが良好に浄化され易くなる。したがって、下流触媒部分２６のエミッション浄化性能は非下流触媒部分２５のエミッション浄化性能よりも高い。よって、本変更例によれば、排気制御弁１３の開弁時におけるエミッション浄化性能を高くすることができる。特に、本変更例では、凹部１２が存在することにより、セル密度が高くても下流触媒部分２６に多くの排気ガスを流通させることができ、また後述するように下流触媒部分２６の劣化は低く抑えられるため、エミッション浄化性能をより高くすることができる。
【００２９】
そこで、本変更例では、第２の実施例と同様に内燃機関の暖機中に排気制御弁１３を図４（ｃ）に示すように開弁状態にすることで、エミッション濃度の高い暖機中の排気ガスが良好に浄化される。また、本変更例では、触媒の暖機終了後には図４（ｂ）に示すように排気制御弁１３が閉弁状態にされ、よって下流触媒部分２６にはほとんど排気ガスが流入せず、よって下流触媒部分２６の劣化を抑制することができる。
【００３０】
（第３の実施例）
本発明の第３の実施例の触媒コンバータ３０の構成及び動作を図５により説明する。なお、第３の実施例の触媒コンバータ３０に使用される構成部材であって、第１の実施例の構成部材と同じ構成部材については、第１の構成部材と同じ符号を付して説明する。
【００３１】
第３の実施例の触媒コンバータ３０は、図５（ａ）に示すように、第１の実施例の触媒コンバータ１０における排気制御弁１３の弁体の形状を変えたものである。弁軸１４の構成及び設置位置は同じである。即ち、第１の実施例の排気制御弁１３の弁体は単なる円板状であったが、第３の実施例の排気制御弁３３の弁体は、一方の面が円錐状をしている。その他の構成は第１の実施例の触媒コンバータ１０と全く同じであるので、その説明を省略する。
【００３２】
第３の実施例の触媒コンバータ３０では、図５（ｂ）に示すように、排気制御弁３３は、円錐状の面が排気ガスの上流側になるように凹部１２を閉弁する。この結果、排気制御弁３３に向かって流れて来た排気ガスは、円錐形の斜面によって放射状に流れ、非下流触媒部分に流れる。よって、排気制御弁３３が閉弁状態の時は、排気ガスは第１の実施例に比べてスムーズに排気制御弁３３の周囲の触媒１１に流れるので、圧損の上昇が抑えられる。そして、非下流触媒部分に流れた排気ガスは触媒によって浄化され、ケース１６から排出される。このため、この実施例でも触媒下流部分は劣化の程度が小さくなる。第３の実施例でも、上記実施例と同様に暖機終了後に排気制御弁３３が閉弁されるが、暖機終了後においては必要とするエミッション浄化性能は非下流触媒部分だけで確保できる。
【００３３】
一方、第３の実施例の触媒コンバータ３０では、図５（ｃ）に示すように、排気制御弁３３が開弁状態の時は、排気制御弁３３の側面側に排気ガスが当たる。排気制御弁３３の一方の面は平坦であるが、他方の面は円錐状になっている。しかしながら、円錐形の高さはそれ程高くなく、しかも排気ガスの流れに沿って見たときに斜面となっているので、円錐状の面もほとんど排気ガスの流路抵抗とならない。よって、排気制御弁３３が開弁状態の時は、図５（ｃ）に示すように、触媒１１の断面積全体に排気ガスが一様に流れて浄化され、ケース１６から排出される。
【００３４】
このように、排気制御弁３３が開弁状態の時は、排気ガスが劣化の小さい排気制御弁３３の下流触媒部分を通るので、エミッション浄化性能化が大きく向上する。
【００３５】
この第３の実施例では、排気制御弁３３の一方の面の形状を円錐形としたが、この形状は円錐形に限定されるものではなく、排気制御弁３３の閉弁時に排気ガスが排気制御弁３３の周囲にスムーズに振り分けられる形状であれば、どのような形でも良い。また、排気制御弁３３は、閉弁状態から開弁状態に移行する毎に、弁軸の回転を逆方向にし、開弁状態毎に円錐形の面の向きが変わるようにして、弁軸１４の左右（または上下）の触媒１１の劣化の程度を同等にするようにすることもできる。
【００３６】
（第４の実施例）
本発明の第４の実施例の触媒コンバータ４０の構成及び動作を図６により説明する。なお、第４の実施例の触媒コンバータ４０に使用される構成部材であって、第１の実施例の構成部材と同じ構成部材については、第１の構成部材と同じ符号を付して説明する。
【００３７】
なお、以上説明した第１から第３の実施例では、触媒コンバータのケース１６の軸線とケース１６に接続する排気管の軸線とは同軸であった。一方、第４の実施例では、図６（ａ）に示すように、触媒コンバータ４０のケース４６に収容された触媒４１の軸線ＣＸと、ケース４６に接続する排気管３の軸線ＥＸとが同軸上になく交差している。即ち、第４の実施例では、前側ケース４３、中央ケース４４、及び後側ケース４５からなるケース４６において、中央ケース４４と後側ケース４５の形状は、前述の第１から第３の実施例における触媒コンバータのケース１６の形状と同じである。ところが、前側ケース４３の形状は第１から第３の実施例における触媒コンバータのケース１６の形状と異なっており、前側ケース４３の排気入口部は、触媒４１の軸線ＣＸに対して傾斜した方向にある。
【００３８】
このため、この実施例では、排気制御弁１３の設置位置は、触媒４１の前面側の、排気管からの排気ガスの流れが最も強く当たる部分である。即ち、前側ケース４３に接続する排気管３の軸線ＥＸが、触媒４１の前面に当たる部位に排気制御弁１３が設けられている。排気制御弁１３はこの実施例でもバタフライ弁であり、その弁軸１４の両端部が回転自在にケース４６に軸支されている。そして、弁軸１４の一方の端部には排気制御弁１３を回転させるためのレバー１５が設けられている。このレバー１５は後述するアクチュエータによって回転させられる。また、排気制御弁１３に隣接する部位の触媒４１の前面には、排気制御弁１３が回転した時にその弁体を収容するシリンダ状の凹部４２が設けられている。
【００３９】
排気制御弁１３が図６（ａ）に示すように開弁状態の時は、排気制御弁１３はほとんど排気ガスの流路抵抗とならない。よって、排気制御弁１３が開弁状態の時は、触媒４１の断面積全体に排気ガスが一様に流れて浄化され、ケース１６から排出される。
【００４０】
一方、排気制御弁１３が図６（ｂ）に示すように閉弁状態の時は、排気ガスの流れが最も強く当たる部分の触媒４１が排気制御弁１３によって塞がれる。よって、排気制御弁１３が閉弁状態の時は、排気ガスは排気制御弁１３の下流側には流れず、排気制御弁１３の部分を除く触媒４１の残りの部分のみに排気ガスが一様に流れて浄化され、ケース１６から排出される。
【００４１】
そして、内燃機関の暖機終了後は、触媒４１に入る排気ガスのエミッション濃度が暖機中等に比べて低く、触媒４１自体も床内温度が高いので、エミッション浄化性能が高い。よって、内燃機関の暖機終了後に排気制御弁１３を閉弁状態にしても、必要とするエミッション浄化性能は確保できる。
【００４２】
以上、本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置を構成する触媒コンバータの４つの実施例の構造について説明したが、ここで、これらの触媒コンバータにおける排気制御弁の開閉制御について説明する。
【００４３】
図７は、本発明の内燃機関（以下、「エンジン」と称す）の排気ガス浄化装置の全体構成を示す構成図であり、この図には第１の実施例の触媒コンバータ１０を示してある。エンジン１の排気マニホルド２から排出された排気ガスは、排気管３を通って触媒コンバータ１０に導かれる。触媒コンバータ１０のケース１６内には、排気ガスの上流側に凹部１２を有する触媒１１があり、この凹部１２の前方に排気制御弁１３が設けられている。排気制御弁１３は弁軸１４に回転支持されており、この弁軸１４はケース１６の外部にあるアクチュエータ４によって回転制御される。図１，図２に示した弁軸１４の端部に設けられたレバー１５は、この実施例ではアクチュエータ４の中にあって図示されていないか、或いはアクチュエータ４の構造によっては設けられていない。
【００４４】
また、触媒コンバータ１０には触媒温センサ６が設けられており、触媒温センサ６の出力はエンジン１を制御する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」と称す）５に入力されている。ＥＣＵ５にはエンジン１の運転状態パラメータ信号、例えば、エンジン回転数信号、吸入空気量信号や、排気管３に設けられた空燃比（Ａ／Ｆ）センサ７からの空燃比信号等が入力されており、エンジン１の運転や排気制御弁１３の開閉は、エンジン１の運転状態パラメータに基づいてＥＣＵ５により制御される。
【００４５】
図８は、図７に示したＥＣＵ５による、本発明の第１の実施例の排気制御弁１３の開閉制御の手順の一例を示すフローチャートである。他の実施例の排気制御弁の制御もこの手順と同じ手順で開閉制御することができる。この制御手順のルーチンは所定時間毎に実行される。
【００４６】
ステップ８０１では、ＥＣＵ５はエンジンの運転状態パラメータの読み込みを行う。続くステップ８０２ではエンジン１が暖機中であるか否かを判定する。ここで、エンジン１が暖機中である場合とは、例えば、触媒温度が基準温度（例えば５００℃）以下である場合や、エンジン１が運転されてから所定時間が経過していない場合等が挙げられる。エンジン１が暖機中でないと判定された場合にはステップ８０４へと進み、ＥＣＵ５は排気制御弁１３を開弁状態にする信号をアクチュエータ４に出力してこのルーチンが終了される。この結果、アクチュエータ４が弁軸１４を回転させ、排気制御弁１３を開弁させる。
【００４７】
一方、ステップ８０２でエンジン１が暖機中であると判定された場合にはステップ８０３へと進み、触媒１１の劣化を大きく促進させる条件（以下、「触媒劣化促進条件」と称す）が成立しているか否かを判定する。ここで、触媒劣化促進条件が成立している場合とは、例えば、触媒温度が所定温度（例えば、８５０℃）以上である場合や、エンジン１が高負荷・高回転で運転されている場合や、エンジン１から排出される排気ガスの空燃比がリーンである場合等が挙げられる。
【００４８】
ステップ８０３において触媒劣化促進条件が成立していると判定された場合にはステップ８０４へと進み、前述のように、ＥＣＵ５は排気制御弁１３を開弁状態にする信号をアクチュエータ４に出力してこのルーチンが終了される。この結果、アクチュエータ４が弁軸１４を回転させ、排気制御弁１３を開弁させる。
【００４９】
ところが、ステップ８０３において触媒劣化促進条件が成立していないと判定された場合にはステップ８０５へと進み、ＥＣＵ５は排気制御弁１３を閉弁状態にする信号をアクチュエータ４に出力してこのルーチンが終了される。この結果、アクチュエータ４が弁軸１４を回転させ、排気制御弁１３を閉弁させる。
【００５０】
以上のような制御により、本発明では、内燃機関の暖機中には排気制御弁１３が開弁し、触媒１１の断面積全体に排気ガスが流れるので、エミッション浄化が効率良く行われる。また、内燃機関の暖機終了後は排気制御弁１３が閉弁し、触媒１１の下流触媒部分には排気ガスが流れなくなる。この結果、触媒１１の下流触媒部分の触媒劣化が防止され、この部分が低温活性性能が良いまま保持される。すると、内燃機関の暖機過程で排気制御弁１３が開弁した場合に、排気ガスが触媒劣化の程度が小さく低温活性性能が良い触媒１１の下流触媒部分に流れるので、エミッション浄化性能が向上する。
【００５１】
ところで、触媒はこれを搭載した車両の耐久距離（時間）が長くなると劣化が大きくなり、触媒の浄化率が小さくなることが知られている。即ち、劣化した触媒よりも新品の触媒の方がエミッション浄化性能は優れる。従って、本発明のように、触媒の一部に劣化の程度の小さい部分を残しておけば、この劣化の程度の少ない部分によるエミッション浄化性能の向上を図ることができるのである。
【００５２】
ところで、本発明の排気ガス浄化装置では、上述した排気制御弁の開閉制御とは異なる手順で排気制御弁を開閉制御することができる。そこで、上述した開閉制御とは異なる開閉制御が行われる排気ガス浄化装置を第５の実施例として以下に説明する。なお第５の実施例の構成は、第１から第４の実施例の触媒コンバータのうちのどの構成であってもよい。
【００５３】
（第５の実施例）
第５の実施例では、内燃機関が暖機されているかいないかに関わらず、触媒１１の劣化を大きく促進させてしまうような場合には排気制御弁１３が閉弁され、触媒１１の劣化を大きく促進させてしまうことのないような場合には排気制御弁１３が開弁される。これにより排気制御弁１３が閉弁されたときに排気制御弁１３の排気下流に位置する触媒部分の劣化を最小限に抑えることができ、触媒に劣化の程度の小さい部分を残しておくことができる。通常、エンジン１の暖機時には触媒１１の劣化を大きく促進させてしまうことが無いので、エンジン１の暖機時においては排気制御弁は開弁される。よって、エンジン１から排出された排気ガスのエミッション濃度の最も高いエンジン１の暖機時において、排気ガスを良好に浄化することができる。
【００５４】
図９に、図７に示したＥＣＵ５による、本発明の第５の実施例の排気制御弁１３の開閉制御の手順の一例を示すフローチャートを示す。この制御手順のルーチンは所定時間毎に実行される。
【００５５】
ステップ９０１では、ＥＣＵ５はエンジンの運転状態パラメータの読み込みを行う。続くステップ９０２では触媒劣化促進条件が成立しているか否かが判定される。ステップ９０２において、触媒劣化促進条件が成立していると判定された場合にはステップ９０３へと進み、ＥＣＵ５は排気制御弁１３を閉弁状態にする信号をアクチュエータ４に出力してこのルーチンが終了される。この結果、アクチュエータ４が弁軸１４を回転させ、排気制御弁１３を閉弁させる。一方、ステップ９０２において、触媒劣化促進条件が成立していないと判定された場合にはステップ９０４へと進み、ＥＣＵ５は排気制御弁を開弁状態にする信号をアクチュエータ４に出力してこのルーチンが終了される。この結果、アクチュエータ４が弁軸１４を回転させ、排気制御弁１３を開弁させる。
【００５６】
なお、上記第１から第５の実施例において、触媒コンバータの排気ガスの入口側のケース形状を、排気制御弁を開弁状態にしたときに排気ガスが触媒の前面全体に当たる形状にした場合と、排気制御弁を開弁状態にしたときに排気ガスが触媒の前面の特定の部分に集中して当たる形状にした場合とでは、集中的に排気ガスが当たる形状はその部分の触媒の劣化が大きい。そこで、本発明では、触媒の上流側のケースの形状を、排気制御弁が開弁状態で、排気ガスが触媒の前面全体に当たる形状としている。
【００５７】
また、上述した実施例では、排気制御弁としてバタフライ弁の例を説明したが、排気制御弁の形状はバラフライ弁に限定されるものではない。また、排気制御弁の開閉を触媒の温度のみで行うのであれば、排気制御弁として形状記憶合金を使用した弁体を使用することも可能である。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置によれば、触媒に劣化の小さい部分を作り、内燃機関の暖機時に排気ガスが劣化の小さい触媒部分を通るようにすることにより、エミッション濃度の高い排気ガスが内燃機関から排出される内燃機関の暖機時であっても、排気ガスを良好に浄化することができるようになるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置の第１の実施例の触媒コンバータの構成及び動作を説明するものであり、（ａ）は触媒と開弁状態の排気制御弁を示す斜視図、（ｂ）は排気制御弁の開弁時の排気ガスの流路を示す触媒コンバータの概略側断面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ線における断面図である。
【図２】本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置の第１の実施例の触媒コンバータの構成及び動作を説明するものであり、（ａ）は触媒と閉弁状態の排気制御弁を示す斜視図、（ｂ）は排気制御弁の閉弁時の排気ガスの流路を示す触媒コンバータの概略側断面図、（ｃ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線における断面図である。
【図３】（ａ）は本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置の第２の実施例の触媒コンバータの構成を示す触媒コンバータの概略側断面図、（ｂ）は排気制御弁の閉弁時の排気ガスの流路を示す触媒コンバータの概略側断面図、（ｃ）は排気制御弁の開弁時の排気ガスの流路を示す触媒コンバータの概略側断面図である。
【図４】（ａ）は本発明の内燃移管の排気ガス浄化装置の第２実施例の変更例の触媒コンバータの構成を示す触媒コンバータの概略側断面図、（ｂ）は排気制御弁の閉弁時の排気ガスの流路を示す触媒コンバータの概略側断面図、（ｃ）は排気制御弁の開弁時の排気ガスの流路を示す触媒コンバータの概略側断面図である。
【図５】（ａ）は本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置の第３の実施例の触媒コンバータに使用する排気制御弁の弁体の構成を示す斜視図、（ｂ）は本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置における排気制御弁の閉弁時の排気ガスの流路を示す触媒コンバータの概略側断面図、（ｃ）は（ｂ）の排気制御弁の開弁時の排気ガスの流路を示す触媒コンバータの概略側断面図である。
【図６】（ａ）は本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置の第４の実施例の触媒コンバータにおける排気制御弁の開弁時の排気ガスの流路を示す触媒コンバータの概略側断面図、（ｂ）は（ａ）の排気制御弁の閉弁時の排気ガスの流路を示す触媒コンバータの概略側断面図である。
【図７】本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置の全体構成を示す構成図である。
【図８】本発明の排気制御弁の開閉制御の手順の一例を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第５の実施例における排気制御弁の開閉制御の手順の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…エンジン
３…排気管
４…アクチュエータ
５…ＥＣＵ（電子制御ユニット）
６…触媒温センサ
７…Ａ／Ｆセンサ
１０…第１の実施例の触媒コンバータ
１１，２１，２２，４１…触媒
１２，４２…凹部
１３…排気制御弁
１４…弁軸
１５…レバー
１６，４６…ケース
２０…第２の実施例の触媒コンバータ
３０…第３の実施例の触媒コンバータ
４０…第４の実施例の触媒コンバータ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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