(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に触媒を設けてなる内燃機関の排気浄化装置において、
前記触媒の上流にて前記排気通路に設けられるバイパス通路と、
前記バイパス通路は、そのバイパス通路を経由して前記触媒の直前にて前記排気通路に流入する排気流に旋回流を発生させるように前記排気通路に接続されることと、
前記排気通路を閉じる閉位置と開く開位置とに選択的に切り替え配置可能に設けられ、前記閉位置に配置されることで前記内燃機関から前記触媒へ向かう排気流を前記バイパス通路を経由するバイパス流に切り替え、前記開位置に配置されることで前記内燃機関から前記触媒へ向かう排気流を主として前記排気通路のみを経由するメイン流に切り替える排気流切替手段と、
前記触媒の非活性時には前記排気流切替手段を前記閉位置に切り替え、前記触媒の非活性時以外のときには前記排気流切替手段を前記開位置に切り替える制御手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記バイパス通路は、前記排気通路よりも通路断面積が小さい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】
前記バイパス通路の下流端は、前記排気通路に対し接線方向から合流するように接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関から排出される排気ガスを触媒により浄化する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、この種の技術として、例えば、下記の特許文献１〜３に記載される装置が知られている。特に、特許文献１に記載の装置は、排気管に触媒コンバータを接続してなる排気ガス浄化装置であって、排気管と触媒コンバータとの間の連結部に、排気管を通過して排出される排気ガスに旋回流を起こさせる旋回流発生手段を設けている。旋回流発生手段として、帯状板をねじって形成した形状の螺旋部材、あるいは排気管端部の管壁に対して内方に折り曲げられた旋回翼が設けられる。この旋回流発生手段により排気ガスに旋回流を起こさせることで、触媒コンバータの通路断面全域に排気ガスを満遍なく行き渡らせて排気ガスの浄化効率を向上させるようにしている。特に、内燃機関の冷間始動時（触媒の非活性時）には、触媒を早期に暖機させる必要があり、触媒コンバータに導入される排気ガスに旋回流を発生させることで、触媒の通路断面全域に排気ガスを満遍なく行き渡らせて触媒の暖機を促進することができる。
【０００３】
【特許文献１】実開平６−６９３１８号公報
【特許文献２】特開平１０−８９０５５号公報
【特許文献３】特開平８−２１２３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１に記載の装置では、旋回流発生手段が常に排気管中で通気抵抗となることから、内燃機関の冷間始動時（触媒の非活性時）には触媒コンバータの暖機促進に有効に機能するものであっても、内燃機関の高負荷運転時、すなわち排気量が多くなるときには、旋回流発生手段が大きな通気抵抗となり、内燃機関の背圧が高くなって圧力損失が増大することになり、内燃機関の性能を低下させる懸念があった。
【０００５】
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、触媒の非活性時には触媒の通路断面全域に排気を満遍なく行き渡らせて触媒の暖機促進を図り、触媒の非活性時以外のときには排気通路の通気抵抗を増大させることなく排気を触媒で浄化させることを可能とした内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
【０００７】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気通路に触媒を設けてなる内燃機関の排気浄化装置において、触媒の上流にて排気通路に設けられるバイパス通路と、バイパス通路は、そのバイパス通路を経由して触媒の直前にて排気通路に流入する排気流に旋回流を発生させるように排気通路に接続されることと、排気通路を閉じる閉位置と開く開位置とに選択的に切り替え配置可能に設けられ、閉位置に配置されることで内燃機関から触媒へ向かう排気流をバイパス通路を経由するバイパス流に切り替え、開位置に配置されることで内燃機関から触媒へ向かう排気流を主として排気通路のみを経由するメイン流に切り替える排気流切替手段と、触媒の非活性時には排気流切替手段を閉位置に切り替え、触媒の非活性時以外のときには排気流切替手段を開位置に切り替える制御手段とを備えたことを趣旨とする。
【０００９】
上記発明の構成によれば、触媒の非活性時には、排気流切替手段が制御手段により閉位置に切り替え配置されることで、内燃機関から触媒へ向かう排気流がバイパス通路を経由するバイパス流に切り替えられる。従って、触媒の非活性時には、触媒の直前にてバイパス通路から排気通路に流入する排気流に旋回流が発生し、排気が拡散されて触媒の端面全域に当たり、触媒の通路断面全域に排気が満遍なく行き渡る。一方、触媒の非活性時以外のときには、排気流切替手段が制御手段により開位置に切り替え配置されることで、内燃機関から触媒へ向かう排気流が主として排気通路のみを経由するメイン流に切り替えられる。従って、触媒の非活性時以外のときには、排気が触媒に対してストレートに導入される。このとき、排気流切替手段が開位置に配置されるので、排気通路における通気抵抗の増大が抑えられる。
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、バイパス通路は、排気通路よりも通路断面積が小さいことを趣旨とする。
【００１１】
上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、バイパス流の流速が速くなり、触媒に流入する排気の流速が速くなるため、さらに触媒の温度上昇が促進される。
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、バイパス通路の下流端は、排気通路に対し接線方向から合流するように接続されることを趣旨とする。
【００１３】
上記発明の構成によれば、請求項１又は２に記載の発明の作用に加え、排気通路に流入するバイパス流が排気通路の内壁に沿って旋回し易くなる。
【発明の効果】
【００１４】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、触媒の非活性時には、触媒の通路断面全域に排気を満遍なく行き渡らせて触媒の暖機を促進することができ、触媒の非活性時以外のときには、排気通路の通気抵抗を増大させることなく排気を触媒にて浄化させることができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、旋回流の発生時には、触媒の通路断面全域に排気を行き渡らせることができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明の効果に加え、旋回流を発生し易くすることができ、触媒の通路断面全域に早期に排気を行き渡らせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
［第１実施形態］
以下、本発明における内燃機関の排気浄化装置を具体化した第１実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１に、この実施形態における内燃機関の排気浄化装置を概略構成図により示す。この排気浄化装置は、本発明の内燃機関としてのガソリンエンジン（以下「エンジン」と言う。）１の排気通路２に設けられる触媒コンバータ３を備える。触媒コンバータ３は、ケーシング４と、ケーシング４に格納された触媒５とを含む。ケーシング４は、入口側と出口側がテーパ形状をなし、テーパ部分４ａ，４ｂが入口空間６及び出口空間７となっている。触媒５は、例えば、三元触媒より構成され、ハニカム構造により円筒形状をなしている。ケーシング４は、排気通路２を構成する排気管と共に一連の排気通路２の一部を構成している。
【００２０】
触媒コンバータ３の上流にて、排気通路２には、バイパス通路８が設けられる。バイパス通路８は、そのバイパス通路８を経由して触媒コンバータ３の直前にて排気通路２（ケーシング４の入口空間６）に流入する排気流に旋回流としてのスワールを発生させるように排気通路２に接続される。このスワールは触媒５の軸心を中心に旋回する流れである。図２に、図１における排気通路２、ケーシング４及びバイパス通路８の関係を平面視により概略図に示す。バイパス通路８は、排気通路２から半径方向へ突出し、下方へ湾曲して延びる。バイパス通路８の下流端８ａは、ケーシング４のテーパ部分４ａの上端にて排気通路２に対し接線方向から合流するように接続される。これにより、バイパス通路８から流出した排気流がテーパ部分４ａの内壁に沿って旋回しながらその旋回径を徐々に拡大するようになっている。この実施形態で、バイパス通路８は、排気通路２よりも通路断面積が小さくなっている。例えば、この実施形態では、排気通路２の通路直径が６０ｍｍとなり、バイパス通路８の通路直径が１５ｍｍとなっている。
【００２１】
バイパス通路８の上流端８ｂと下流端８ａとの間において排気通路２には、耐熱材料よりなる排気切替弁９が設けられる。排気切替弁９は、図４に示すように排気通路２を全閉に閉じる閉位置と、図６に示すように排気通路２を全開に開く開位置とに選択的に切り替え配置可能に設けられる。排気切替弁９は、電動式アクチュエータ１０により開閉駆動される。この実施形態では、排気切替弁９とアクチュエータ１０により本発明の排気流切替手段が構成される。そして、排気切替弁９がアクチュエータ１０により閉位置に配置されることで、エンジン１から触媒コンバータ３へ向かう排気流を、図４に示すようにバイパス通路８を経由するバイパス流に切り替えるようになっている。また、排気切替弁９がアクチュエータ１０により開位置に配置されることで、エンジン１から触媒コンバータ３へ向かう排気流を、図６に示すように主として排気通路２のみを経由するメイン流に切り替えるようになっている。
【００２２】
この実施形態の排気浄化装置は、排気切替弁９の開閉を制御するために、本発明の制御手段としてのコントローラ２１を備える。また、排気浄化装置は、エンジン１の運転状態として、吸気通路１１に設けられるスロットル弁（図示略）の開度（スロットル開度）ＴＡを検出するためのスロットルセンサ２２と、エンジン１の回転速度（エンジン回転速度）ＮＥを検出するための回転速度センサ２３とを備える。周知のように、スロットル弁は運転者によるアクセルペダルの操作に応じて開閉される。更に、排気浄化装置は、触媒５の温度（触媒温度）ＣＴを検出するための触媒温センサ２４を備える。コントローラ２１には、これらのセンサ２２〜２４及びアクチュエータ１０が接続される。コントローラ２１は、各センサ２２〜２４からの検出信号に基づきアクチュエータ１０を制御することで排気切替弁９を選択的に開閉するようになっている。すなわち、コントローラ２１は、エンジン１の冷間始動時のように触媒５の非活性時には、アクチュエータ１０を制御することで排気切替弁９を閉位置に切り替え、触媒５の非活性時以外のときには、アクチュエータ１０を制御することで排気切替弁９を開位置に切り替えるようになっている。
【００２３】
図３に、コントローラ２１が実行する制御内容をフローチャートにより示す。処理がこのルーチンへ移行すると、コントローラ２１は、先ずステップ１００で、各センサ２２〜２４からの検出信号によりスロットル開度ＴＡ、エンジン回転速度ＮＥ及び触媒温度ＣＴをそれぞれ読み込む。
【００２４】
次に、ステップ１１０で、コントローラ２１は、読み込まれたスロットル開度ＴＡ及びエンジン回転速度ＮＥに基づきエンジン１がアイドル運転であるか否かを判断する。すなわち、スロットル開度ＴＡが全閉位置を示し、エンジン回転速度ＮＥがアイドル回転速度を示す場合に、コントローラ２１はアイドル運転であると判断する。この判断結果が肯定である場合に、コントローラ２１は処理をステップ１２０へ移行し、判断結果が否定である場合に、コントローラ２１は処理をステップ１４０へ移行する。
【００２５】
ステップ１２０で、コントローラ２１は、触媒温度ＣＴに基づき触媒５の非活性時か否か判断する。例えば、触媒温度ＣＴが３５０℃以下のときに、コントローラ２１は触媒５の非活性時と判断する。この判断結果が肯定である場合に、コントローラ２１は処理をステップ１３０へ移行し、判断結果が否定である場合に、コントローラ２１は処理をステップ１４０へ移行する。
【００２６】
すなわち、ステップ１１０，１２０の判断結果が共に肯定である場合は、エンジン１の始動時に触媒５が非活性であるとして、コントローラ２１は処理をステップ１３０へ移行する。そして、ステップ１３０で、コントローラ２１はアクチュエータ１０を制御することで排気切替弁９を閉位置に配置する。
【００２７】
一方、ステップ１１０，１２０の判断結果の何れかが否定である場合は、触媒５の非活性時以外のときであるとして、コントローラ２１は処理をステップ１４０へ移行する。そして、ステップ１４０で、コントローラ２１はアクチュエータ１０を制御することで排気切替弁９を開位置に配置する。
【００２８】
以上説明したこの実施形態の排気浄化装置によれば、エンジン１の運転時、すなわち、この実施形態では、触媒５の非活性時に、エンジン１から排気通路２へ排気が排出される状態において、図４に示すように排気切替弁９が閉位置に切り替え配置される。このとき、エンジン１から触媒コンバータ３の触媒５へ向かう排気流がバイパス通路８を経由するバイパス流に切り替えられる。従って、図４，５に示すように、触媒５の直前にてバイパス通路８から排気通路２（ケーシング４の入口空間６）に流入する排気流にスワールが発生し、排気が拡散されて触媒５の端面全域に当たり、触媒５の通路断面全域に排気が満遍なく行き渡ることになる。これにより、触媒５の非活性時における触媒５の暖機を促進することができ、始動直後から触媒５による排気浄化機能を早期に発揮させることができる。
【００２９】
一方、同様に触媒５の非活性時以外のときに、図６に示すように、排気切替弁９が開位置に切り替え配置される。このとき、エンジン１から触媒５へ向かう排気流が主として排気通路２のみを経由するメイン流に切り替えられる。従って、図６に示すように、排気が触媒５に対してストレートに導入されることとなり、排気切替弁９が全開状態の開位置に配置されるので、排気通路２における通気抵抗の増大が抑えられる。
【００３０】
このため、この排気浄化装置によれば、触媒５の通路断面全域に排気を満遍なく行き渡らせることのできる状態と、排気通路２の通気抵抗を増大させることなく排気を触媒５にて浄化させることのできる状態とを選択的に切り替えることができる。併せて、触媒５の非活性時には、触媒５の通路断面全域に排気を満遍なく行き渡らせることができて触媒５の暖機促進を図ることができる。また、触媒５の非活性時以外のときには、排気通路２の通気抵抗を増大させることなく排気を触媒５にて浄化させることができる。例えば、エンジン１の高負荷運転時、すなわち排気量が多くなるときに、排気切替弁９が開位置に配置されるので、その排気切替弁９が排気通路２における大きな通気抵抗となることがない。このため、エンジン１の背圧の上昇を抑え、圧力損失の増大を抑えることができ、エンジン１の出力性能を確保することができる。
【００３１】
また、この実施形態の排気浄化装置によれば、バイパス通路８が排気通路２よりも通路断面積が小さいことから、バイパス通路８を経由して触媒５に流入する排気の流速が相対的に速くなるため、さらに触媒温度ＴＣの上昇が促進される。また、スワールの発生時には、触媒５の通路断面全域に排気を行き渡らせることができる。このため、触媒５の暖機をより一層促進することができる。
【００３２】
更に、この実施形態の排気浄化装置によれば、バイパス通路８の下流端８ａが排気通路２に対し接線方向から合流するように接続されるので、触媒５の直前にて排気通路２に流入するバイパス流が排気通路２の内壁に沿って旋回し易くなる。このため、スワールを発生させ易くすることができ、触媒５の通路断面全域に早期に排気を行き渡らせることができる。この意味で、触媒５の暖機を促進することができる。
【００３３】
［第２実施形態］
次に、本発明における内燃機関の排気浄化装置を具体化した第２実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。尚、この実施形態を含む以下の各実施形態において、第１実施形態と同じ構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、以下には異なった点を中心に説明する。
【００３４】
図７に、図４に準ずる概略図を示す。図８に、図５に準ずる概略図を示す。この実施形態では、バイパス通路８の下流端８ａの接続位置につき第１実施形態と異なる。すなわち、この実施形態では、図７，８に示すように、バイパス通路８の下流端８ａが、ケーシング４のテーパ部分４ａの下端にて排気通路２（ケーシング４）の外周に対し接線方向から合流するように接続される。この実施形態では、図８に示すように、バイパス通路８から流出した排気流がケーシング４の内壁に沿って旋回すると共に拡散していくことになる。この実施形態では、上記構成について第１実施形態と異なる。
【００３５】
従って、この実施形態の排気浄化装置によっても第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００３６】
［第３実施形態］
次に、本発明における内燃機関の排気浄化装置を具体化した第３実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
【００３７】
図９に、この実施形態における内燃機関の排気浄化装置を概略構成図により示す。この実施形態で、排気切替弁９は、負圧式アクチュエータ１２により開閉駆動される。このアクチュエータ１２は、作動圧の供給を受けて駆動するものであり、この実施形態では、アクチュエータ１２に対し、電動式三方弁１３を介して負圧又は大気圧が選択的に供給されるようになっている。負圧としては、例えば、バキュウームポンプにより供給したり、吸気通路１１にてスロットル弁の下流側に発生する負圧を供給したりするようになっている。この実施形態では、排気切替弁９、アクチュエータ１２及び三方弁１３により本発明の排気流切替手段が構成される。
【００３８】
また、この実施形態では、第１及び第２の実施形態における回転速度センサ２３及び触媒温センサ２４に代わり、エンジン１にはその冷却水の温度（冷却水温度）ＴＨＷを検出するための水温センサ２５が設けられる。この水温センサ２５は、コントローラ２１に接続される。
【００３９】
この実施形態で、コントローラ２１は、エンジン１の冷間始動時のように触媒５の非活性時には、三方弁１３を制御することで排気切替弁９を閉位置に切り替え、触媒５の非活性時以外のときには、三方弁１３を制御することで排気切替弁９を開位置に切り替えるようになっている。コントローラ２１は、触媒５の非活性時には、アクチュエータ１２に負圧を供給し、排気切替弁９を閉位置に切り替えるようになっている。
【００４０】
図１０に、コントローラ２１が実行する制御内容をフローチャートにより示す。処理がこのルーチンへ移行すると、コントローラ２１は、先ずステップ２００で、スロットルセンサ２２及び水温センサ２５からの検出信号によりスロットル開度ＴＡ及び冷却水温ＴＨＷをそれぞれ読み込む。
【００４１】
次に、ステップ２１０で、コントローラ２１は、読み込まれたスロットル開度ＴＡに基づきエンジン１がアイドル運転であるか否かを判断する。すなわち、スロットル開度ＴＡが全閉位置を示す場合に、コントローラ２１はアイドル運転であると判断する。この判断結果が肯定である場合に、コントローラ２１は処理をステップ２２０へ移行し、判断結果が否定である場合に、コントローラ２１は処理をステップ２４０へ移行する。
【００４２】
ステップ２２０で、コントローラ２１は、冷却水温ＴＨＷに基づき触媒５の非活性時か否か判断する。例えば、冷却水温ＴＨＷが７０℃以下のときに、コントローラ２１は触媒５の非活性時と判断する。この判断結果が肯定である場合に、コントローラ２１は処理をステップ２３０へ移行し、判断結果が否定である場合に、コントローラ２１は処理をステップ２４０へ移行する。
【００４３】
すなわち、ステップ２１０，２２０の判断結果が共に肯定である場合は、エンジン１の始動時に触媒５が非活性であるとして、コントローラ２１は処理をステップ２３０へ移行する。そして、ステップ２３０で、コントローラ２１は三方弁１３を制御することでアクチュエータ１２により排気切替弁９を閉位置に配置する。
【００４４】
一方、ステップ２１０，２２０の判断結果の何れかが否定である場合は、触媒５の非活性時以外のときであるとして、コントローラ２１は処理をステップ２４０へ移行する。そして、ステップ２４０で、コントローラ２１は三方弁１３を制御することでアクチュエータ１２により排気切替弁９を開位置に配置する。
【００４５】
従って、この実施形態の排気浄化装置によっても第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００４６】
尚、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜に変更することで以下のように実施することもできる。
【００４７】
（１）前記各実施形態では、バイパス通路８を経由して排気通路２（ケーシング４の入口空間６）に流入する排気流により旋回流としてスワールを発生させるようにしたが、触媒の軸心とほぼ平行をなすように旋回するタンブルを旋回流として発生させるようにしてもよい。
【００４８】
（２）前記各実施形態では、バイパス通路８の途中に遮断弁を設けていないが、バイパス通路の途中に遮断弁を設け、排気切替弁が開位置に配置されるときには、その遮断弁を閉じ、排気切替弁が閉位置に配置されるときには、その遮断弁を開くようにしてもよい。この構成によれば、排気切替弁が開位置に配置されるときに遮断弁を閉じることで、主として排気通路を流れる排気の一部がバイパス通路へ抜けることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】排気浄化装置を示す概略構成図。
【図２】図１の排気通路及びバイパス通路等の関係を平面視により示す概略図。
【図３】コントローラの制御内容を示すフローチャート。
【図４】排気浄化装置の作用を正面視により示す概略図。
【図５】排気浄化装置の作用を平面視により示す概略図。
【図６】排気浄化装置の作用を正面視により示す概略図。
【図７】図４に準ずる概略図。
【図８】図５に準ずる概略図。
【図９】排気浄化装置を示す概略構成図。
【図１０】コントローラの制御内容を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００５０】
１    エンジン（内燃機関）
２    排気通路
５    触媒
８    バイパス通路
８ａ    下流端
９    排気切替弁（排気流切替手段）
１０    電動式アクチュエータ（排気流切替手段）
１２    負圧式アクチュエータ（排気流切替手段）
１３    電動式三方弁（排気流切替手段）
２１    コントローラ（制御手段）
【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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【図１０】
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