(57)【要約】【課題】触媒暖機を迅速に行う。【解決手段】触媒コンバータ１０のハウジング１１内に収容した触媒担体２０下流側部分に凹部２１を設けることにより、触媒担体上流側部分に低圧損部分２３を形成する。凹部２１にはガイド２５を介して可変抵抗弁２７を配置し、ガイドの下流側開口端２５ｂを開閉する。触媒暖機時には可変抵抗弁が開弁され、低圧損部分２３を通る排気の流路抵抗は小さくなり低圧損部分に集中して排気が流れるようになるため低圧損部分では触媒が短時間で暖機される。暖機完了後は可変抵抗弁は閉弁され、排気はガイド側面の貫通孔２５ｂのみを通って流れるため低圧損部分を流れる排気の抵抗は増大し、排気が触媒担体全体に均一に流れるようになり、担体の触媒全体が有効に使用される。【選択図】　　　図１
2004100481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関排気通路に配置されたハウジングと、
該ハウジング内に配置され、触媒成分を担持する触媒担体とを備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
該触媒担体の一部に、触媒担体の排気流れ方向に沿った長さを他の部分より短く形成した低圧損部分を設け、
前記触媒担体の前記低圧損部分の下流側に、前記低圧損部分を通る排気の流路抵抗を増大する可変抵抗弁を配置し、機関運転状態に応じて前記可変抵抗弁により前記低圧損部分を通る排気の流路抵抗を変化させることを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
触媒暖機時には、前記可変抵抗弁を開いて前記低圧損部分を通る排気の流路抵抗を低減し、暖機完了後は前記可変抵抗弁を閉じて前記低圧損部分を通る排気の流路抵抗を増大させることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
触媒暖機完了後、機関負荷が予め定めた値以上になったときには、前記可変抵抗弁を開いて前記低圧損部分を通る排気の流路抵抗を減少させることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記低圧損部分を、前記ハウジングの排気流れに垂直な断面の中央部近傍に設けたことを特徴とする、請求項１から請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気浄化触媒は、触媒の温度が活性化温度以下では排気浄化作用を充分に行うことができない。このため、排気浄化触媒を用いた内燃機関の排気浄化装置では、機関の冷間始動後、触媒温度を触媒活性化温度まで昇温する触媒の暖機が必要となる。触媒の暖機は、特別なヒータなどを設けない限り触媒を通過する排気から触媒担体に与えられる熱により行われる。
【０００３】
このため、触媒担体内の排気流れを制御することにより上記触媒暖機をできるだけ短時間で完了するようにした排気浄化装置が種々提案されている。
例えば、特許文献１は、内燃機関の排気通路に配置したハウジング内に排気浄化触媒担体を収納し、この排気浄化触媒担体の、担体に流入する排気流速が高い部位に、他の部位に比して通気抵抗が低くなるように構成した低抵抗部を設けた内燃機関の排気浄化装置を開示している。
【０００４】
排気流速が高い部分に低抵抗部を設けたことにより、触媒担体の低抵抗部では担体の他の部分よりも触媒担体を通る排気流量が増大し、低抵抗部に集中して排気が流れるようになる。このため、触媒担体の低抵抗部近傍では触媒担体全体に均一に排気を流す場合に較べて多量の熱が排気から伝達され、低抵抗部分は短時間で昇温する。一旦、低抵抗部の触媒担体が活性化温度に到達すると、排気中の炭化水素成分などの酸化反応が触媒の低抵抗部で開始されるため生成した反応熱により触媒全体が暖機される。
【０００５】
また、特許文献２には、内燃機関排気通路に配置したハウジング内に排気浄化触媒担体を収納し、排気浄化触媒担体下流側に触媒下流側端面を塞いで排気の触媒担体通過を規制する通過規制板を設けた排気浄化装置を開示している。
特許文献２の装置では、通過規制板中央部には排気の通過を許すガス通口が設けられており、触媒暖機時には通過規制板を触媒下流側端面に当接させることにより、触媒担体中央部のみに排気を通過させ短時間で触媒担体中央部を暖機するようにしている。
特許文献２の装置では、触媒暖機完了後は通過規制板は触媒下流側端面から離間した位置に後退し、排気は触媒断面全体を通過した後に通過規制板のガス通口からハウジング下流側に流れるようにされている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２２７３３４号公報
【特許文献２】
実開平２−６１１１９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１の排気浄化装置では、機関始動時には低抵抗部での排気流量が触媒担体の他の部位を通る排気流量より多くなるため、低抵抗部の昇温が早くなり、短時間で触媒暖機を行うことができる。しかし、特許文献１の装置では、触媒暖機完了後も機関運転中常に低抵抗部に集中して排気が流れることになり、低抵抗部以外の部分の触媒を充分に排気浄化に活用できない問題がある。また、結果的に低抵抗部で大部分の排気浄化作用を行うことになるため、低抵抗部の触媒の劣化が他の部分に較べて促進される問題が生じる。
【０００８】
また、特許文献２の装置では、通過規制板を設けたために暖機後は触媒断面全体に均一に排気が流れるようになるため、このような問題は生じない。しかし、特許文献２の装置では、通常運転時にも排気は通過規制板のガス通口を通って流れる構造となっているため、例えば高負荷運転時などには排気抵抗が大きくなる場合がある。
また、特許文献２の装置では、基本的に触媒中央部の触媒担体長さは他の部分と変わらないため、中央部のみに排気を通過させた場合でも排気により加熱される部分の容積が大きくなり、触媒暖機を充分に短時間で行うことができない場合が生じる。
【０００９】
本発明は上記従来技術の問題に鑑み、短時間で触媒暖機が可能であり、しかも触媒の一部の劣化が生じたり、高負荷運転時の排気抵抗の増大などの問題を防止することが可能な内燃機関排気浄化装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、内燃機関排気通路に配置されたハウジングと、該ハウジング内に配置され、触媒成分を担持する触媒担体とを備えた内燃機関の排気浄化装置であって、該触媒担体の一部に、触媒担体の排気流れ方向に沿った長さを他の部分より短く形成した低圧損部分を設け、前記触媒担体の前記低圧損部分の下流側に、前記低圧損部分を通る排気の流路抵抗を増大する可変抵抗弁を配置し、機関運転状態に応じて前記可変抵抗弁により前記低圧損部分を通る排気の流路抵抗を変化させることを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。が提供される。
【００１１】
すなわち、請求項１の発明では触媒担体の一部に担体長さが短い低圧損部分が設けられている。低圧損部分では他の部分より担体長さが短いため通過する排気の流路抵抗が触媒担体の他の部分より小さく、しかも低圧損部分の容積も小さくなっている。
このため、機関冷間始動時などには下流側に設けた可変抵抗弁により低圧損部分の流路抵抗を触媒の他の部分より小さくなるようにして、低圧損部分を通過する排気流を触媒の他の部分より増大させることができる。また、低圧損部分では、触媒担体長さが短いため低圧損部分に含まれる担体の容積は小さくなっており、その分だけ熱容量も小さくなっている。このため、機関冷間始動時などには熱容量の小さい低圧損部分に集中して排気が流すことにより、低圧損部分の触媒を短時間で活性化温度に到達させることが可能となる。
【００１２】
また、本発明では低圧損部分の流路抵抗を増大する可変抵抗弁が設けられているため、上記のように触媒暖機時に低圧損部分に集中して排気を流すことができるだけでなく、低圧損部分の流路抵抗を増大することにより、排気が低圧損部分に集中することなく触媒担体全体に平均して流れるようにすることもできる。
従って、本発明では機関運転状態に応じて低圧損部分の流路抵抗を触媒の他の部分より小さい状態から他の部分と同等またはそれ以上まで変化させることができ、触媒担体内の排気流量の分布を適切に制御することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、触媒暖機時には、前記可変抵抗弁を開いて前記低圧損部分を通る排気の流路抵抗を低減し、暖機完了後は前記可変抵抗弁を閉じて前記低圧損部分を通る排気の流路抵抗を増大させることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１４】
すなわち、請求項２の発明では、触媒暖機時には低圧損部分の流路抵抗を低減して低圧損部分に集中して排気を流すことにより、低圧損部分の触媒を短時間で昇温させることを可能とすると共に、暖機完了後には可変抵抗弁を閉じて低圧損部分の流路抵抗を増大させて触媒全体に均一に排気が流れるようにすることにより、触媒担体上の触媒全体を活用して低圧損部分の触媒の劣化促進を防止することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、触媒暖機完了後、機関負荷が予め定めた値以上になったときには、前記可変抵抗弁を開いて前記低圧損部分を通る排気の流路抵抗を減少させることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１６】
すなわち、請求項３の発明では触媒暖機完了後に機関が高負荷で運転された場合には、可変抵抗弁により低圧損部分の流路抵抗を減少させる。これにより、高負荷運転の排気流量増大時にも、全体として触媒の抵抗を低く維持し排気抵抗増大による出力損失が生じることが防止可能となる。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、前記低圧損部分を、前記ハウジングの排気流れに垂直な断面の中央部近傍に設けたことを特徴とする、請求項１から請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【００１８】
すなわち、請求項４の発明では低圧損部分はハウジングの中央部近傍に設けられている。機関冷間始動時などにはハウジング温度は低くなっており、ハウジング壁面に沿って流れる排気の温度はハウジング中央部分を通って流れる排気の温度より低くなっている。このため、低圧損部分をハウジング中央部近傍に設けることにより、機関冷間始動時にはハウジング中央部分を通って流れる比較的高温の排気を集中的に低圧損部分に流すことが可能となり、更に低圧損部分の触媒の昇温時間を短縮することができる。
【００１９】
【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について説明する。
図１は、本発明の実施形態を説明する断面図である。
図１において、１０は排気浄化装置（触媒コンバータ）全体、１１は触媒コンバータのハウジングを示す。ハウジング１１は、本実施形態では概略円筒形状をとされ、内燃機関（図示せず）からの排気が流入する排気入口１１ａと、下流側の排気通路に接続された排気出口１１ｂを有している。
【００２０】
図１に２０で示すのは、ハウジング１１内に収容された触媒担体である。
触媒担体２０は、本実施形態では、例えばコージェライト、ゼオライトなどの材料から形成された概略円筒形状の形状とされ、内部には軸線方向に担体を貫通する多数の細い排気流路（セル）２０ａが設けられている。この排気流路２０ａの壁面には、酸化触媒、還元触媒、等の用途に応じた触媒成分が担持されている。
【００２１】
内燃機関の排気は、入口１１ａからコンバータ１０のハウジング１１内に流入し、触媒担体２０内の排気流路２０ａを通過して出口１１ｂから下流側の排気通路に流出する。排気は、触媒担体２０内の排気流路２０ａを通過中に流路壁面に担持された触媒成分と接触し、排気中の未燃炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯＸ）などの有害成分が触媒により酸化または還元されて排気が浄化される。
【００２２】
本実施形態では、触媒担体２０の中央部には担体２０の軸線に沿って出口側端面に開口する円筒状の凹部２１が形成されている。このため、担体２０の中央部下流側では、担体部分が凹部２１により切り取られた形になっており、凹部２１と担体２０の上流側側端面との間に、触媒担体２０の他の部分より長さが短い低圧損部分２３（図１にハッチングを施した部分）が形成されている。
低圧損部分２３では、排気流路２０ａの長さは触媒担体２０の他の部分の排気流路長さより短くなっているため、流路内を流れる排気の流路抵抗（圧損）は他の部分より小さくなっている。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態では円筒状凹部２１の下流側開口部には、円筒状のガイド２５が挿入固定されている。図１に２７で示すのは、ガイド２５の下流側開口端２５ｂを開閉する可変抵抗弁である。可変抵抗弁２７は本実施形態では板状の弁体２７ａを有するバタフライ弁の形式とされ、弁体２７ａの弁軸２７ｂを回動する、負圧アクチュエータ、ソレノイドアクチュエータなどの適宜な形式のアクチュエータ２７ｃを備えている。
また、ガイド２５の側面の弁体２７ａの排気流れ方向上流側の部分には、細径の貫通孔２５ａが設けられており、弁体２７ａがガイド２５の下流側開口端２５ｂを閉塞した場合でも排気が貫通孔２５ａを通って下流側に流通可能となっている。
【００２４】
図１に３０で示すのは電子制御装置（ＥＣＵ）である。ＥＣＵ３０は、内燃機関（図示せず）の種々の制御を行うほか、本実施形態では機関の運転状態に応じて可変抵抗弁２７のアクチュエータ２７ｃを駆動して弁体２７ａを開閉する操作を行う。
【００２５】
以下、可変抵抗弁２７の開閉制御について説明する。
（１）機関冷間始動時
機関冷間始動時には、ＥＣＵ３０は可変抵抗弁２７を全開にする。これにより、ガイド２５の下流側開口端２５ｂが開放される。この場合、低圧損部分２３の排気流路２０ａを流れた排気は、円筒状凹部２１からガイド２５の下流側開口端２５ｂを通って排気出口１１ｂから流出する。低圧損部分２３は触媒担体の他の部分より円筒状凹部２１の長さだけ排気流方向長さが短くなっている。このため、低圧損部分２３を通る排気の流路抵抗は触媒担体の他の部分を通る排気の流路抵抗より小さくなる。
これにより、低圧損部分２３の排気流路２０ａを流れる排気の流量は、触媒担体２０の他の部分の排気流路２０ａを流れる排気の流量より大きくなる。すなわち、触媒コンバータ１０に流入する排気の大部分が集中して低圧損部分２３を通過するようになるのである。
【００２６】
また、低圧損部分２３は厚さ（担体軸線方向長さ）が他の部分より小さくなっているため、低圧損部分２３での流れに垂直な単位断面積あたりの容積は、担体２０の他の部分のそれに較べて小さくなっている。このため、低圧損部分２３の全体の熱容量はかなり低くなっている。
【００２７】
更に、本実施形態では、低圧損部２３は触媒担体２０の断面中央部に設けられている。機関冷間始動時などでは、ハウジング１１壁面温度は低くなっており、ハウジング壁面に沿って流れる排気は壁面との接触のため温度が低下してしまい、ハウジング中央部近傍を流れる排気より温度が低くなっている。本実施形態では低圧損部２３はハウジング１１の中央部近傍に位置するため、低圧損部分２３にはハウジング１１中央近傍を通って流れる比較的温度の高い排気が流入するようになる。
【００２８】
上述のように、本実施形態では機関冷間始動時に可変抵抗弁２７が開弁すると、触媒担体２０の低圧損部分２３には、比較的温度の高い排気が触媒担体の他の部分に較べて多量に流入するため、低圧損部分２３には多量の熱量が流入するようになる。また、多量の排気が流れることから低圧損部分２３内の排気流路２０ａを流れる排気流速が増大し、排気と流路２０ａとの間の熱伝達率が向上する。更に、低圧損部分２３の排気流路２０ａに流入する排気は比較的温度が高いため、排気と流路壁面との温度差も触媒の他の部分に較べて大きくなる。このため、低圧損部２３の流路２０ａ壁面には、排気から多量の熱量が伝達されるようにななる。
【００２９】
一方、低圧損部分２３の容積は比較的小さく、それに応じて熱容量も小さくなっている。
従って、低圧損部分では熱容量が小さくなっているにもかかわらず、多量の熱が排気から与えられることとなり、冷間始動時にも短時間で暖機が完了するようになる。
【００３０】
（２）暖機完了後
暖機完了後は、可変抵抗弁２７は閉弁される。これにより、ガイド２５の下流側開口端２５ｂは閉塞され、低圧損部分２３を通過した排気はガイド２５の側面貫通孔２５ａのみを通って下流側に流れるようになる。
【００３１】
これにより、低圧損部分２３を通る排気の全体としての流路抵抗は、触媒担体２０の他の部分の排気流路２０ａを通る排気の流路抵抗と略等しくなるまで増大し、触媒担体２０の各排気流路２０ａには略均等に排気が流れるようになる。
【００３２】
このため、触媒暖機後には低圧損部分２３に排気が集中して流れることが防止され担体全体の触媒が均一に排気と接触するようになり、触媒の劣化も均一に進行するようになる。
【００３３】
（３）高負荷運転時
上述したように、暖機完了後は可変抵抗弁２７は閉弁保持されるが、暖機完了後、機関負荷が所定値より高くなった場合には、可変抵抗弁２７は再度開弁される。高負荷運転時には負荷に応じて排気流量も増大する。また、高負荷運転時には排気抵抗をできるだけ低減して出力損失を低減することが好ましい。
【００３４】
そこで、本実施形態では機関が所定値より高負荷側で運転される場合には、可変抵抗弁２７を開弁する。これにより、低圧損部分２３を通る排気の流路抵抗が低下し、触媒コンバータ１０での排気圧損が全体として低減され、高負荷運転時の排気圧損増大を抑制することが可能となる。
【００３５】
なお、図１の例では円筒状凹部２１を触媒担体２０の下流側に設けているのは、円筒状凹部２１を触媒担体２０上流側に設けると、低圧損部分は触媒担体下流側部分に形成されてしまい、触媒暖機時に低圧損部分に排気が流入する前に円筒状凹部内で触媒担体上流側部分との接触により排気温度が低下してしまうこと、及び、円筒状凹部を上流側に設けると、可変抵抗弁２７も低圧損部分の上流側に設ける必要が生じ、弁体２７との接触により低圧損部分に到達する排気の温度が更に低下してしまうことになり、低圧損部分の昇温が遅れる可能性があるためである。
【００３６】
図２は、上記可変抵抗弁制御操作を具体的に示すフローチャートである。
本操作はＥＣＵ３０により一定時間間隔で実行されるルーチンとして行われる。
図２の操作では、まずステップ２０１で触媒暖機が完了しているか否かが判定される。
【００３７】
触媒暖機完了の有無は、例えば触媒担体２０に温度センサを設け、直接担体温度を検出しても良いが、例えば触媒コンバータ下流側の排気温度を検出し、この排気温度が所定値以上になったか否か、或いは機関冷却水温度が所定値以上になったか否かにより間接的に判断するようにしても良い。
【００３８】
ステップ２０１で触媒暖機が完了していない場合には、ステップ２０３に進み、可変抵抗弁２７は全開にされる。これにより、触媒担体２０の低圧損部分２３に比較的高温の排気が集中して流入し、低圧損部分２３が短時間で昇温する。
ステップ２０１で暖機が完了していた場合には、次にステップ２０５で現在機関が高負荷運転されているか否かが判断される。機関が高負荷運転されているか否かは、例えば機関回転数と吸入空気量とが予め定めた値以上になっているか否か、或いは機関への燃料噴射量が予め定めた値以上になっているか否かに基づいて判断する。
【００３９】
ステップ２０５で現在機関が高負荷運転されていない場合には、すでに触媒暖機が完了しているためステップ２０７に進み可変抵抗弁２７は全閉にされる。
これにより、触媒暖機完了後は触媒担体２０の各流路２０ａに均一に排気が流れるようになり、低圧損部分２３の触媒劣化が他の担体部分に較べて進行することが防止される。
【００４０】
また、ステップ２０５で現在機関が高負荷運転されている場合には、触媒暖機が完了していてもステップ２０３に進み、可変抵抗弁２７を開弁する。
これにより、触媒コンバータ１０全体として排気圧損が低減されるため、高負荷運転時の出力損失を低減することができる。
【００４１】
上記のように、本実施形態では低圧損部分２３と可変抵抗弁２７とを用いて触媒担体内の排気流れ分布を制御することにより、触媒暖機短縮の効果を得ているが、更に低圧損部分２３での触媒担持量を担体の他の部分より増大させることにより、更に暖機時間を短縮することも可能である。
【００４２】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、触媒の一部のみの劣化が促進されたり、高負荷運転時に排気抵抗が増大することなく、短時間で触媒を暖機することが可能となる共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関の排気浄化装置の一実施形態の構成を示す断面図である。
【図２】図１の実施形態の可変抵抗弁２７制御を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１０…触媒コンバータ
１１…ハウジング
２０…触媒担体
２０ａ…排気流路（セル）
２１…円筒状凹部
２３…低圧損部分
２７…可変抵抗弁
【図１】
2004100481.tif 000003
【図２】
2004100481.tif 000004