(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気と燃料とが燃焼することによって生じる排気ガスが流動する第１排気流路と、
前記第１排気流路に設けられて前記排気ガスを浄化する第１浄化触媒装置と、
前記第１浄化触媒装置よりも前記排気ガスの流れにおける下流側の前記第１排気流路に設けられて前記排気ガスを浄化する第２浄化触媒装置と、
前記第１浄化触媒装置よりも前記排気ガスの流れにおける上流側の前記第１排気流路と、前記第１浄化触媒装置と前記第２浄化触媒装置との間の前記第１排気流路と、を接続する第２排気流路と、
前記第１浄化触媒装置よりも前記排気ガスの流れにおける上流側の前記第１排気流路と、前記第１浄化触媒装置と前記第２浄化触媒装置との間の前記第１排気流路と、の間に介在する第３浄化触媒装置であって、当該第３浄化触媒装置に導入される前記排気ガスの流量に対する前記第３浄化触媒装置が単位時間あたりに浄化する前記排気ガスの量の比は、前記第１浄化触媒に導入される前記排気ガスの流量に対する前記第１浄化触媒装置が単位時間あたりに浄化する前記排気ガスの量の比よりも小さく、前記第３浄化触媒装置のセル数は、前記第１浄化触媒装置のセル数よりも少ない第３浄化触媒装置と、
を備え、
前記第１排気流路及び前記第２排気流路は、同一の排気管の内部に形成され、流量制御弁を設けないことを特徴とする排気ガス浄化装置。
【請求項２】
前記第３浄化触媒装置は、前記第１浄化触媒装置よりも冷却されることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項３】
前記第３浄化触媒装置へ導かれる冷却風の量は、前記第１浄化触媒装置へ導かれる冷却風の量よりも多いことを特徴とする請求項２に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項４】
前記第３浄化触媒装置は、前記第１浄化触媒装置の鉛直方向路面側の前記第２排気流路に配設され、前記第３浄化触媒装置および前記第１浄化触媒装置が円筒形状に形成された場合、前記第３浄化触媒装置の前記排気ガスの流れに沿う中心線は、前記第１浄化触媒装置の前記排気ガスの流れに沿う中心線よりも鉛直方向路面側に位置することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項５】
前記第３浄化触媒装置は、熱を放散する放熱手段を有することを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項６】
前記排気ガス中に含まれる酸素量を検出する酸素量検出手段は、前記第３浄化触媒装置よりも前記排気ガスの流れの下流側の第２排気流路が、前記第１排気流路に合流する部位よりも上流側であり、前記第１浄化触媒装置よりも下流側の前記第１排気流路に設けられることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項７】
前記排気管の内部に前記第１浄化触媒装置と前記第３浄化触媒装置とから構成される浄化触媒装置を備え、前記浄化触媒装置は前記排気ガスの流れの方向に沿う方向の長さが長い部分と、前記長さが長い部分よりも長さが短い部分とを有し、前記長さが長い部分は前記第１浄化触媒装置から構成され、前記長さが短い部分は前記第３浄化触媒装置から構成されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項８】
前記排気ガス中に含まれる酸素量を検出する酸素量検出手段は、前記第３浄化触媒装置を通過した排気ガスから離れた前記第１排気流路の部位に設けられることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項９】
空気と燃料とが燃焼する筒内燃焼空間と、
前記筒内燃焼空間から排気ガスを排出する排気ポートと、
前記排気ポートから排出された前記排気ガスを浄化する請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置と、
を有することを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気と燃料とが燃焼することで生じる排気ガスの浄化を行う排気ガス浄化装置及び内燃機関に関し、さらに詳しくは、排気ガスの流れの最下流側に設けられる触媒装置の排気ガスの浄化性能低下を抑制する排気ガス浄化装置及び内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、空気と燃料とが燃焼することで生じる排気ガス中には、炭化水素（ＨＣ）、未燃炭化水素（未燃ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）や窒素酸化物（ＮＯｘ）などの物質が含まれている。よって、上記物質を水、二酸化炭素、窒素へと酸化・還元させるために、排気ガスが流動する排気流路上に三元触媒に代表される排気ガス浄化装置が設けられる。
【０００３】
例えば特許文献１には、コールドスタート用触媒装置をバイパスする第１バイパス通路と、前記コールドスタート用触媒装置側へ導く排気ガスの流量を制御する第１流量制御弁と、リーンＮＯｘ触媒装置をバイパスする第２バイパス通路と、前記リーンＮＯｘ触媒装置側へ導く排気ガスの流量を制御する第２流量制御弁とを備えることにより、高い浄化効率を維持しながらＨＣを効率よく低減する技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−３１２０２８号公報（段落番号０００５、００１３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の技術は、排気ガスの流量を制御する流量制御弁を備える。よって、流量制御弁に要するコスト面で改善の余地がある。さらに、流量制御弁は、高温な排気ガスから熱を受ける。これにより、特許文献１に記載の技術は、比較的排気ガスの温度が低い部位に流量制御弁を設ける、走行風により冷却されやすい路面側に排気管を配設するなど、搭載性に制限が生じる。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、流量制御弁を設けることなく排気ガスの浄化性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る排気ガス浄化装置は、空気と燃料とが燃焼することによって生じる排気ガスが流動する第１排気流路と、前記第１排気流路に設けられて前記排気ガスを浄化する第１浄化触媒装置と、前記第１浄化触媒装置よりも前記排気ガスの流れにおける下流側の前記第１排気流路に設けられて前記排気ガスを浄化する第２浄化触媒装置と、前記第１浄化触媒装置よりも前記排気ガスの流れにおける上流側の前記第１排気流路と、前記第１浄化触媒装置と前記第２浄化触媒装置との間の前記第１排気流路と、を接続する第２排気流路と、前記第１浄化触媒装置よりも前記排気ガスの流れにおける上流側の前記第１排気流路と、前記第１浄化触媒装置と前記第２浄化触媒装置との間の前記第１排気流路と、の間に介在する第３浄化触媒装置であって、当該第３浄化触媒装置に導入される前記排気ガスの流量に対する前記第３浄化触媒装置が単位時間あたりに浄化する前記排気ガスの量の比は、前記第１浄化触媒に導入される前記排気ガスの流量に対する前記第１浄化触媒装置が単位時間あたりに浄化する前記排気ガスの量の比よりも小さく、前記第３浄化触媒装置のセル数は、前記第１浄化触媒装置のセル数よりも少ない第３浄化触媒装置と、を備え、前記第１排気流路及び前記第２排気流路は、同一の排気管の内部に形成され、流量制御弁を設けないことを特徴とする。
【０００８】
これにより、排気ガスの流量が多い場合に、酸素の通過率が高い第３浄化触媒装置に導入された排気ガスは、酸素を多く含んだ状態で第３浄化触媒装置を通過する。これにより、第３浄化触媒装置よりも排気ガスの流れの下流側に位置する第２浄化触媒装置に酸素が供給される。よって、第２浄化触媒装置の酸化反応が活性化する。上記構成により、本実施形態に係る排気ガス浄化装置は、排気ガスの排気ガスの浄化性能が向上する。
【００１１】
本発明の好ましい態様としては、前記第３浄化触媒装置は、前記第１浄化触媒装置よりもよく冷却されることが望ましい。
【００１２】
本発明の好ましい態様としては、前記第３浄化触媒装置へ導かれる冷却風の量は、前記第１浄化触媒装置へ導かれる冷却風の量よりも多いことが望ましい。
【００１３】
本発明の好ましい態様としては、前記第３浄化触媒装置は、前記第１浄化触媒装置の鉛直方向路面側の前記第２排気流路に配設され、前記第３浄化触媒装置および前記第１浄化触媒装置が円筒形状に形成された場合、前記第３浄化触媒装置の前記排気ガスの流れに沿う中心線は、前記第１浄化触媒装置の前記排気ガスの流れに沿う中心線よりも鉛直方向路面側に位置することが望ましい。
【００１４】
本発明の好ましい態様としては、前記第３浄化触媒装置は、熱を放散する放熱手段を有することが望ましい。
【００１５】
本発明の好ましい態様としては、前記排気ガス中に含まれる酸素量を検出する酸素量検出手段は、前記第３浄化触媒装置よりも前記排気ガスの流れの下流側の第２排気流路が、前記第１排気流路に合流する部位よりも上流側であり、前記第１浄化触媒装置よりも下流側の前記第１排気流路に設けられることが望ましい。
【００１７】
本発明の好ましい態様としては、前記排気管の内部に前記第１浄化触媒装置と前記第３浄化触媒装置とから構成される浄化触媒装置を備え、前記浄化触媒装置は前記排気ガスの流れの方向に沿う方向の長さが長い部分と、前記長さが長い部分よりも長さが短い部分とを有し、前記長さが長い部分は前記第１浄化触媒装置から構成され、前記長さが短い部分は前記第３浄化触媒装置から構成されることが望ましい。
【００１８】
本発明の好ましい態様としては、前記排気ガス中に含まれる酸素量を検出する酸素量検出手段は、前記第３浄化触媒装置を通過した排気ガスから離れた前記第１排気流路の部位に設けられることが望ましい。
【００１９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る内燃機関は、空気と燃料とが燃焼する筒内燃焼空間と、前記筒内燃焼空間から排気ガスを排出する排気ポートと、前記排気ポートから排出された前記排気ガスを浄化する請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る排気ガス浄化装置及び内燃機関は、流量制御弁を設けることなく排気ガスの排気ガスの浄化性能が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。
【００２２】
［実施形態１］
図１は、実施形態１に係る内燃機関を模式的に示す断面図である。本実施形態に係る排気ガス浄化装置１は、例えば、乗用車やトラックなどの車両に搭載されて動力発生源となる内燃機関１００に備えられるものとして説明する。
【００２３】
内燃機関１００は、シリンダ１０１内を往復運動するピストン１０２が２往復する間に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程を行う、いわゆる４ストロークエンジンである。なお、本実施形態に係る内燃機関は４ストロークエンジンとして説明するが、ピストン１０２がシリンダ１０１内を１往復する間に、前記一連の４行程を行う、いわゆる２ストロークエンジンでもよい。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態に係る内燃機関本体１００ａは、シリンダ１０１と、ピストン１０２と、筒内燃焼空間１０３と、吸気ポート１０４と、点火プラグ１０５と、排気ポート１０６と、コネクティングロッド１０７と、クランクシャフト１０８とを備える。シリンダ１０１は円筒形状に形成される。ピストン１０２は、シリンダ１０１の中心軸であるシリンダ軸線ＳＬ方向に往復運動する。筒内燃焼空間１０３は、シリンダ１０１の内壁面と、ピストン１０２の後述するクランクシャフト１０８とは反対の端面である頂面と、シリンダ１０１側のシリンダブロックの端面である筒内天井部とで形成される空間である。
【００２５】
吸気ポート１０４は、筒内燃焼空間１０３に混合気を導入する。なお、吸気ポート１０４は、筒内燃焼空間１０３に混合気ではなく空気のみを導入するものでもよい。この場合、筒内燃焼空間１０３内で混合気が形成される。点火プラグ１０５は、吸気ポート１０４から導入した筒内燃焼空間１０３内の混合気に点火する。排気ポート１０６は、混合気が燃焼することで生じる排気ガスを筒内燃焼空間１０３から排出する。
【００２６】
コネクティングロッド１０７は、一方の端部がピストン１０２と回転自在に連結され、他方の端部がクランクシャフト１０８と回転自在に連結される。クランクシャフト１０８は、ピストン１０２の往復運動を回転運動に変換する。これにより、ピストン１０２の往復運動は、クランクシャフト１０８の回転運動に変換されて、内燃機関１００の出力として取り出される。
【００２７】
ここで、シリンダ１０１においてクランクシャフト１０８側を下死点、クランクシャフト１０８とは反対側を上死点とする。吸気行程として、ピストン１０２が下死点に向かって移動すると、吸気ポート１０４を介して混合気が筒内燃焼空間１０３に導入される。さらに、圧縮行程として、ピストン１０２が吸気行程下死点を経てシリンダ１０１内を上死点側へ移動すると、導入された空気が圧縮される。
【００２８】
次に、点火プラグ１０５によって、筒内燃焼空間１０３内の混合気に点火される。膨張行程として、混合気は、燃焼膨張することでピストン１０２を下死点に向けて移動させる。燃焼後の混合気は排気ガスとなり、排気行程として、ピストン１０２が下死点を経て上死点に向かって再び移動することで排気ポート１０６を介して筒内燃焼空間１０３から排出される。上記構成により、本実施形態に係る内燃機関１００は、ピストン１０２がシリンダ１０１内を２往復する間に、上記４行程を行うことで、クランクシャフト１０８から出力を発生させる。
【００２９】
内燃機関１００は、上記のように構成された内燃機関本体１００ａと、排気管１０と、排気ガス浄化装置１とを備える。排気管１０は、一方の端部が排気ポート１０６に連結され、他方の端部が大気に開放される。排気管１０の内部は、排気ポート１０６から排出された排気ガスが流動する。排気ガス浄化装置１は、排気ポート１０６側の端部と大気に開放されている側の端部との間の排気管１０に設けられる。
【００３０】
排気ガス浄化装置１は、排気ガスに含まれるＨＣ、未燃ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどを、水、二酸化炭素、窒素へと酸化・還元させて浄化する。これにより、排気ポート１０６を介して筒内燃焼空間１０３から排出された排気ガスは、排気管１０の内部を流動し、排気ガス浄化装置１に至る。ここで、前記排気ガスは、排気ガス浄化装置１によって浄化される。排気ガス浄化装置１によって浄化された排気ガスは、排気ガス浄化装置１よりも排気ガスの流れにおける下流側の排気管１０の内部を流動し、大気に放出される。なお、以下排気ガスの流れの上流側を単に上流側といい、排気ガスの流れの下流側を単に下流側という。
【００３１】
図２は、実施形態１に係る排気ガス浄化装置を拡大して示す模式図である。図２に示すように、本実施形態に係る排気ガス浄化装置１は、第１排気流路としてのメイン排気管１０ａと、第２排気流路としてのサブ排気管１０ｂと、第１浄化触媒装置としてのスタート触媒装置１１と、第２浄化触媒装置としてのアンダーフロア触媒装置１２と、第３浄化触媒装置としてのサブスタート触媒装置１３とを備える。なお、図２中の車両底ＵＦは内燃機関１００が搭載される車両の底面を示し、路面ＧＮＤは前記車両が走行する路面を示す。
【００３２】
排気管１０は、メイン排気管１０ａとサブ排気管１０ｂとによって構成される。メイン排気管１０ａ及びサブ排気管１０ｂの内部は、排気ガスが流動する。スタート触媒装置１１、アンダーフロア触媒装置１２、サブスタート触媒装置１３は、プラチナ、パラジウムなどを材料として含んで構成される、いわゆる三元触媒である。三元触媒は、ＨＣ、未燃ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを水、二酸化炭素、窒素に酸化・還元する。
【００３３】
メイン排気管１０ａ上には、上流側から順に、スタート触媒装置１１とアンダーフロア触媒装置１２とが設けられる。つまり、アンダーフロア触媒装置１２は、スタート触媒装置１１よりも下流側のメイン排気管１０ａに設けられる。サブ排気管１０ｂは、一方の端部である上流側開口１０ｂａがスタート触媒装置１１よりも上流側のメイン排気管１０ａに開口し、他方の端部である下流側開口１０ｂｂがスタート触媒装置１１よりも下流側かつアンダーフロア触媒装置１２よりも上流側のメイン排気管１０ａに開口する。つまり、下流側開口１０ｂｂは、スタート触媒装置１１とアンダーフロア触媒装置１２との間のメイン排気管１０ａに開口する。換言すると、サブ排気管１０ｂは、スタート触媒装置１１を迂回するバイパス通路である。
【００３４】
サブスタート触媒装置１３は、例えば、上流側開口１０ｂａと下流側開口１０ｂｂとの間のサブ排気管１０ｂ上に設けられる。なお、サブスタート触媒装置１３を配設する部位は、これに限定されず、例えば、上流側開口１０ｂａに設けてもよいし、下流側開口１０ｂｂに設けてもよい。
【００３５】
図２に矢印で示す排気ガス流ＥＦ０１から排気ガス流ＥＦ０５は、排気ガスの流れの経路を示す。図１に示す排気ポート１０６から排出された排気ガスは、まず排気ガス流ＥＦ０１に示すように、メイン排気管１０ａの内部を下流側開口１０ｂｂ近傍に向かって流動する。この時の排気ガスを排気ガスＥ０１とする。次に排気ガスＥ０１の一部は、サブ排気管１０ｂに流入し、残りの排気ガスＥ０１は、スタート触媒装置１１に流入する。スタート触媒装置１１によって浄化された排気ガスＥ０１は、排気ガスＥ０２となって排気ガス流ＥＦ０２に示すように、アンダーフロア触媒装置１２に向かってメイン排気管１０ａの内部を流動する。
【００３６】
一方、サブ排気管１０ｂに流入した排気ガスＥ０１の一部は、排気ガスＥ０３となって排気ガス流ＥＦ０３に示すように、サブスタート触媒装置１３に向かってサブ排気管１０ｂの内部を流動する。このようにして、排気ガスＥ０３の全ては、サブスタート触媒装置１３に流入する。サブスタート触媒装置１３によって浄化された排気ガスＥ０３は、排気ガスＥ０４となって排気ガス流ＥＦ０４に示すように、サブ排気管１０ｂの内部を下流側開口１０ｂｂに向かって流動する。
【００３７】
排気ガスＥ０４は、下流側開口１０ｂｂに至ると、下流側開口１０ｂｂを介してサブ排気管１０ｂからメイン排気管１０ａに流出する。これにより、アンダーフロア触媒装置１２に至る前に、排気ガスＥ０２と排気ガスＥ０４とは合流する。このようにして、排気ガスＥ０２及び排気ガスＥ０４は、アンダーフロア触媒装置１２に流入する。
【００３８】
なお、本実施形態では、下流側開口１０ｂｂはアンダーフロア触媒装置１２よりも上流のメイン排気管１０ａに開口し、排気ガスＥ０２と排気ガスＥ０４とはアンダーフロア触媒装置１２の前で合流すると説明したが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、下流側開口１０ｂｂはアンダーフロア触媒装置１２に開口するようにしてもよい。これにより、排気ガスＥ０２と排気ガスＥ０４とは、アンダーフロア触媒装置１２の内部で合流することになる。このような構成であっても、排気ガス浄化装置１は後述する作用によって、流量制御弁を設けることなく排気ガスの排気ガスの浄化性能が向上する。
【００３９】
アンダーフロア触媒装置１２によって浄化された排気ガスは、排気ガスＥ０５となって排気ガス流ＥＦ０５に示すように、アンダーフロア触媒装置１２から離れる方向、つまり大気に向かってメイン排気管１０ａの内部を流動する。この後、排気ガスＥ０５は、内燃機関１００が備える消音器を介して大気に開放される。
【００４０】
本実施形態では、排気ガスの流路は、第１排気流路と第２排気流路との２つの流路から構成される。第１排気流路は、路排気ガス流ＥＦ０１と、排気ガス流ＥＦ０２と、排気ガス流ＥＦ０５とを含んで構成される。第２排気流路は、排気ガス流ＥＦ０３と、排気ガス流ＥＦ０４とを含んで構成される。
【００４１】
ここで、各触媒装置が単位時間あたりに浄化する前記排気ガスの量を単に容量という。サブスタート触媒装置１３の容量は、スタート触媒装置１１に流入する排気ガスの流量と、サブスタート触媒装置１３に流入する排気ガスの流量と、スタート触媒装置１１の容量とに基づいて設定する。
【００４２】
詳しくは、サブスタート触媒装置１３の容量をサブスタート触媒装置１３に流入する排気ガスの流量で除算した値が、スタート触媒装置１１の容量をスタート触媒装置１１に流入する排気ガスの流量で除算した値よりも小さくなるように、サブスタート触媒装置１３の容量を設定する。換言すると、サブスタート触媒装置１３に流入する排気ガスの流量に対するサブスタート触媒装置１３の容量の比は、スタート触媒装置１１に流入する排気ガスの流量に対するスタート触媒装置１１の容量の比よりも小さい。なお、以下三元触媒に流入する排気ガスの流量に対する前記三元触媒の容量の比を単に容量比という。
【００４３】
例えば、仮に排気ガスＥ０１の流量を１００とし、排気ガスＥ０３の流量を１０とする。また、スタート触媒装置１１の容量を９０とする。スタート触媒装置１１に流入する排気ガスの流量は、排気ガスＥ０１の流量の１００から排気ガスＥ０３の流量の１０を減算した９０となる。よって、スタート触媒装置１１の容量比は、９０／９０となり１となる。
【００４４】
一方、サブスタート触媒装置１３の容量は、サブスタート触媒装置１３の容量比が１よりも小さくなるように設定する。具体的には、排気ガスＥ０３の流量は１０であるから、サブスタート触媒装置１３の容量は０より大きく１０より小さい容量の中から適宜選択できる。
【００４５】
例えば、本実施形態では、サブスタート触媒装置１３の容量は５、つまり容量比１／２に設定される。これにより、サブスタート触媒装置１３での排気ガスの吹き抜けによるアンダーフロア触媒装置１２への酸素供給によるアンダーフロア触媒装置１２の排気ガスの浄化性能の向上と、サブスタート触媒装置１３の排気ガスの浄化性能低下とのバランスを好適に保つことができる。
【００４６】
なお、排気ガスＥ０１の概の流量は、上流側開口１０ｂａよりも上流側のメイン排気管１０ａの直径である径ΦＤから算出できる。また、排気ガスＥ０３の概の流量は、サブスタート触媒装置１３よりも上流側のサブ排気管１０ｂの直径である径Φｄから算出できる。よって、サブスタート触媒装置１３の容量は、径ΦＤと、径Φｄと、スタート触媒装置１１の容量とに基づいても設定できる。
【００４７】
本実施形態に係る排気ガス浄化装置１は、サブ排気管１０ｂと、サブスタート触媒装置１３とを備えることによって、排気ガスの排気ガスの浄化性能が向上する。以下にその作用を、内燃機関本体１００ａの機関回転数が高い時と、内燃機関本体１００ａが始動した直後とに分けて説明する。
【００４８】
（高回転時）
一般的な問題として、三元触媒は、酸化反応に排気ガスに含まれる酸素を要する。よって、三元触媒に排気ガス中の酸素が供給されないと、三元触媒の排気ガスの浄化性能が低下するおそれがある。例えば、内燃機関本体の機関回転数が高くなると、排気ガスの温度も上昇し、排気管における上流側の第１の三元触媒の酸化反応が活性化する。すると、第１の三元触媒よりも下流側の第２の三元触媒に酸素が十分に供給されず、酸欠状態となって第２の三元触媒の排気ガスの浄化性能が低下する。
【００４９】
本実施形態において、図１に示す内燃機関本体１００ａの機関回転数が高いとき、図２に示す排気ガスＥ０１の流量は内燃機関本体１００ａの機関回転数が低いときの排気ガスＥ０１の流量よりも増加する。これにともなって、排気ガスＥ０３の流量も増加する。ここで、サブスタート触媒装置１３の容量比はスタート触媒装置１１の容量比よりも小さい。これにより、サブスタート触媒装置１３が浄化可能な許容量を超えた排気ガスが、浄化されずにサブスタート触媒装置１３を通過する。以下、排気ガスが三元触媒で浄化されずに通過することを排気ガスが吹き抜けるという。
【００５０】
ここで、サブスタート触媒装置１３を吹き抜けた排気ガスには酸素が含まれる。つまり、排気ガスＥ０３に含まれる酸素の一部がサブスタート触媒装置１３を通過し、排気ガスＥ０４とともに下流側のアンダーフロア触媒装置１２に供給される。なお、サブスタート触媒装置１３の容量比は、スタート触媒装置１１の容量比よりも小さいため、サブスタート触媒装置１３における排気ガスの吹き抜けは、スタート触媒装置１１における排気ガスの吹き抜けよりも大きい。つまり、排気ガス流ＥＦ０４に含まれる酸素の濃度は、排気ガス流ＥＦ０２に含まれる酸素の濃度よりも高い。
【００５１】
サブスタート触媒装置１３を吹き抜けた後の排気ガス流ＥＦ０４に含まれる酸素がアンダーフロア触媒装置１２に供給されると、アンダーフロア触媒装置１２の酸化反応は活性化する。アンダーフロア触媒装置１２の酸化反応が活性化することにより、アンダーフロア触媒装置１２よりも下流側である大気に排出される排気ガスＥ０５が浄化される。
【００５２】
なお、サブスタート触媒装置１３を吹き抜けた排気ガスＥ０４は、活性化したアンダーフロア触媒装置１２により浄化される。上記構成により、排気ガス浄化装置１は、内燃機関本体１００ａの機関回転数が高いときにおける排気ガスの浄化性能が向上できる。
【００５３】
ここで、一般的に、スタート触媒装置１１とアンダーフロア触媒装置１２との間のメイン排気管１０ａに酸素量を検出する酸素量検出手段としての酸素量検出センサＤ０１が設けられる。酸素量検出センサＤ０１は、酸素量検出センサＤ０１近傍の排気ガスに含まれる酸素量を検出し、内燃機関本体１００ａの制御にその検出結果が用いられる。
【００５４】
上述したように、サブスタート触媒装置１３を通過した排気ガスＥ０４には、サブスタート触媒装置１３を吹き抜けているため、酸素が相対的に多く含まれる。よって、排気ガスＥ０４がメイン排気管１０ａに流入する部位である下流側開口１０ｂｂ近傍の排気ガスも相対的に酸素を多く含む。よって、酸素量検出センサＤ０１を下流側開口１０ｂｂ近傍に設けると、内燃機関本体１００ａの制御面で好ましくない。
【００５５】
上記理由により、酸素量検出センサＤ０１は、下流側開口１０ｂｂよりも上流側のメイン排気管１０ａに下流側開口１０ｂｂから離れて設けられると好ましい。酸素量検出センサＤ０１を、下流側開口１０ｂｂよりも下流側のメイン排気管１０ａに設ける場合は、少なくとも下流側開口１０ｂｂから離れた部位に設けたほうが好ましい。これにより、排気ガス浄化装置１は、内燃機関本体１００ａの制御性の低下を抑制できる。
【００５６】
このように、本実施形態に係る排気ガス浄化装置において、排気ガス中に含まれる酸素量を検出する酸素量検出センサＤ０１は、サブスタート触媒装置１３を通過した排気ガスから離れた部位に設けられる。これにより、排気ガス浄化装置１は、酸素量検出センサＤ０１の検出結果への影響を低減できる。上記構成により、排気ガス浄化装置１は、内燃機関本体１００ａの制御性の低下を抑制できる。
【００５７】
（始動時）
図３は、三元触媒の温度と化学反応との関係を示すグラフである。図３の横軸は三元触媒の温度を示し、縦軸は排気ガスに含まれるＨＣ、未燃ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの物質を水、二酸化炭素、窒素へ転化する転化率を示す。つまり、転化率が高いほど三元触媒の排気ガスの浄化性能は良好である。
【００５８】
図３に示すように、三元触媒の特性として、三元触媒は比較的低温時に排気ガスの浄化性能が低下する。これにより、一般的な問題として、内燃機関本体が始動した直後、特に内燃機関１００が冷えている状態からの始動では、第１の三元触媒と、第１の三元触媒よりも下流側の第２の三元触媒の温度が排気ガスの浄化性能を十分に発揮できる温度に達していない。これにより、排気ガス浄化装置の排気ガスの浄化性能が低下する。なお、三元触媒が以下排気ガスの浄化性能を十分に発揮できる温度を活性化温度という。
【００５９】
本実施形態において、図２に示すサブスタート触媒装置１３の容量比は、スタート触媒装置１１の容量比よりも小さく設定される。これにともなって、サブスタート触媒装置１３の熱容量は、スタート触媒装置１１の熱容量よりも小さくなる。つまり、サブスタート触媒装置１３は、スタート触媒装置１１よりも温まりやすい。これにより、内燃機関本体１００ａが始動した直後、特に内燃機関１００が冷えている状態からの始動でも、サブスタート触媒装置１３の三元触媒は、スタート触媒装置１１の三元触媒よりも早期に活性化温度に達する。これにより、サブスタート触媒装置１３は、排気ガスＥ０３を早期から浄化する。上記構成により、排気ガス浄化装置１は、内燃機関本体１００ａが始動した直後、特に内燃機関１００が冷えている状態からの始動における排気ガスの浄化性能が向上する。
【００６０】
なお、本実施形態では、サブスタート触媒装置１３は、サブ排気管１０ｂ上であればどこに設けてもよいと説明したが、より上流側のサブ排気管１０ｂに設けられると好ましい。より長い時間、サブ排気管１０ｂを排気ガス流ＥＦ０３が流動するほど、排気ガス流ＥＦ０３はサブ排気管１０ｂに熱を奪われる。サブ排気管１０ｂに伝えられた前記熱は、大気へ放散される。これにより、排気ガス流ＥＦ０３の温度は低下する。
【００６１】
上流側開口１０ｂａに近いほど、排気ガス流ＥＦ０３はサブ排気管１０ｂに熱を奪われていないため排気ガス流ＥＦ０３の温度は高い。一方、下流側開口１０ｂｂに近いほど、排気ガス流ＥＦ０３はサブ排気管１０ｂに熱をより多く奪われているため、排気ガス流ＥＦ０３の温度は低い。よって、サブスタート触媒装置１３を、上流側、つまり上流側開口１０ｂａ側のサブ排気管１０ｂに設けることによって、サブスタート触媒装置１３が早期に活性化する。これにより、さらに好適に排気ガス浄化装置１の排気ガスの浄化性能が向上する。
【００６２】
図４は、サブ排気管及びサブスタート触媒装置の有無による排気ガス浄化性能を評価する実験の結果を示すグラフである。図４において、縦軸は排気ガスに含まれるＮＯｘの量を示す。また、グラフ中央の破線によって、アンダーフロア触媒装置１２による浄化前の排気ガスに含まれるＮＯｘの量とアンダーフロア触媒装置１２による浄化後の排気ガスに含まれるＮＯｘの量を区別して示す。
【００６３】
なお、アンダーフロア触媒装置１２による排気ガスの浄化前とは、アンダーフロア触媒装置１２よりも上流側であってアンダーフロア触媒装置１２近傍の排気ガスに含まれるＮＯｘの量を示す。また、アンダーフロア触媒装置１２による排気ガスの浄化後とは、アンダーフロア触媒装置１２よりも下流側であって大気に開放されるよりも前の排気ガスに含まれるＮＯｘの量を示す。
【００６４】
図４に示すように、アンダーフロア触媒装置１２に導入される排気ガスに含まれるＮＯｘの量は、サブ排気管１０ｂ及びサブスタート触媒装置１３を備えない排気ガス浄化装置の方が、本実施形態に係る排気ガス浄化装置１よりも少ない。しかしながら、サブ排気管１０ｂ及びサブスタート触媒装置１３を備えない排気ガス浄化装置の場合、アンダーフロア触媒装置１２の酸化反応は活性化が不十分である。よって、アンダーフロア触媒装置１２よりも下流側の排気ガスに含まれるＮＯｘの量は、結果的に本実施形態に係る排気ガス浄化装置１の方がサブ排気管１０ｂ及びサブスタート触媒装置１３を備えない排気ガス浄化装置よりも少ない。
【００６５】
このように、サブ排気管１０ｂ及びサブスタート触媒装置１３を備えることで、排気ガス浄化装置のアンダーフロア触媒装置１２の酸化反応は活性化する。結果として、アンダーフロア触媒装置１２の浄化性能は、図４に示すように、６０％から９３％に向上する。
【００６６】
以上、本実施形態に係る排気ガス浄化装置１は、空気と燃料とが燃焼することによって生じる排気ガスが流動するメイン排気管１０ａと、メイン排気管１０ａに設けられて排気ガスを浄化するスタート触媒装置１１と、スタート触媒装置１１よりも排気ガスの流れにおける下流側のメイン排気管１０ａに設けられて排気ガスを浄化するアンダーフロア触媒装置１２と、スタート触媒装置１１よりも排気ガスの流れにおける上流側のメイン排気管１０ａと、スタート触媒装置１１とアンダーフロア触媒装置１２との間のメイン排気管１０ａと、をスタート触媒装置１１よりも排気ガスに含まれる酸素の通過率が高いサブスタート触媒装置１３を介して排気ガスＥ０３及び排気ガスＥ０４が流動するサブ排気管１０ｂと、を備える。
【００６７】
これにより、排気ガスの流量が多い場合に、酸素の通過率が高いサブスタート触媒装置１３に導入された排気ガスは、酸素を多く含んだ状態でサブスタート触媒装置１３を通過する。これにより、サブスタート触媒装置１３よりも排気ガスの流れの下流側に位置するアンダーフロア触媒装置１２に酸素が供給される。よって、アンダーフロア触媒装置１２の酸化反応が活性化する。上記構成により、本実施形態に係る排気ガス浄化装置１は、排気ガスの浄化性能が向上する。
【００６８】
本実施形態に係る排気ガス浄化装置１において、サブスタート触媒装置１３の容量をサブスタート触媒装置１３に導入される排気ガスの流量で除算した値は、スタート触媒装置１１の容量をスタート触媒装置１１に導入される排気ガスの流量で除算した値よりも小さい。
【００６９】
これにより、相対的に容量の小さいサブスタート触媒装置１３では、排気ガスの流量が比較的多い場合に、酸素を多く含んだ状態で排気ガスがサブスタート触媒装置１３を通過する。これにより、サブスタート触媒装置１３よりも排気ガスの流れの下流側に位置するアンダーフロア触媒装置１２に酸素が供給される。上記構成より、排気ガスの流量が比較的多い場合に、本実施形態に係る排気ガス浄化装置１は、排気ガスの浄化性能が向上する。
【００７０】
また、サブスタート触媒装置１３は、相対的に容量が小さいため熱容量も小さい。これにより、サブスタート触媒装置１３の三元触媒は、スタート触媒装置１１の三元触媒よりも早期に活性化温度に達する。よって、排気ガスの流量が比較的小さい場合であって、アンダーフロア触媒装置１２が活性化していない場合でも、本実施形態に係る排気ガス浄化装置１は、排気ガスの浄化性能が向上する。
【００７１】
［実施形態２］
図５は、三元触媒のセル数と三元触媒を通過後の排気ガスに含まれる酸素量との関係を示すグラフである。図５の横軸は三元触媒のセル数を示し、縦軸は三元触媒を通過後の排気ガスに含まれる酸素量を示す。なお、三元触媒を通過後の排気ガスに含まれる酸素量が多いということは、三元触媒を吹き抜ける排気ガスが多いということと同意である。
【００７２】
図６は、実施形態２に係る排気ガス浄化装置を拡大して示す模式図である。本実施形態に係る排気ガス浄化装置２は、実施形態１に係るサブスタート触媒装置１３に代えて、セル数がスタート触媒装置１１よりも少ないサブスタート触媒装置２３を備える点に特徴がある。なお、上述の実施形態と同一の効果を奏する構成には、同一の符号を付す。また、上述の実施形態と同一の効果は説明を省略する。
【００７３】
本実施形態に係る排気ガス浄化装置２は、サブ排気管１０ｂ上にサブスタート触媒装置２３を備える。サブスタート触媒装置２３は、三元触媒である。サブスタート触媒装置２３は、一般的に担持体を含んで構成される。担持体は、複数の孔を有し、触媒成分を前記孔の壁表面に保持するための部材である。なお、前記孔をセルという。セル数を大きくすると、セルの開口は小さくなり、担持体におけるセルの密度が上がる。つまり、セル数とはセルの軸と直交する断面、すなわち、セルを通過する排気ガスの流れ方向と直交する断面における単位面積あたりのセルの数をいう。
【００７４】
図５に示すように、三元触媒のセル数が多くなると、セルの密度が上がると共に、セルの壁表面の面積が増加する。これにより、三元触媒の排気ガスの浄化性能が向上し、三元触媒における吹き抜け量は低下する。一方、三元触媒のセル数が少なくなると、三元触媒における吹き抜け量は増加する。
【００７５】
ここで、図６に示すサブスタート触媒装置２３は、スタート触媒装置１１よりもセル数が少ない。これにより、サブスタート触媒装置２３を通過する酸素量は、スタート触媒装置１１を通過する酸素量よりも多い。これにより、排気ガス流ＥＦ０４に含まれる酸素の量は、排気ガス流ＥＦ０２に含まれる酸素の量よりも多くなる。よって、排気ガス流ＥＦ０４が、下流側開口１０ｂｂからメイン排気管１０ａに流出してアンダーフロア触媒装置１２に至ると、アンダーフロア触媒装置１２には排気ガス流ＥＦ０４に含まれる酸素が供給される。
【００７６】
サブスタート触媒装置２３を吹き抜けた後の排気ガス流ＥＦ０４に含まれる酸素がアンダーフロア触媒装置１２に供給されると、アンダーフロア触媒装置１２の酸化反応は活性化する。アンダーフロア触媒装置１２の酸化反応が活性化することにより、アンダーフロア触媒装置１２に導入される排気ガスＥ０５は、浄化された状態で大気に開放される。なお、サブスタート触媒装置２３を吹き抜けた排気ガスＥ０４は、活性化したアンダーフロア触媒装置１２により浄化される。上記構成により、排気ガス浄化装置２は、排気ガスの浄化性能が向上する。
【００７７】
以上、本実施形態に係る排気ガス浄化装置２が備えるサブスタート触媒装置２３のセル数は、スタート触媒装置１１のセル数よりも小さい。これにより、相対的にセル数の小さいサブスタート触媒装置２３では、酸素を多く含んだ状態で排気ガスがサブスタート触媒装置２３を通過する。これにより、サブスタート触媒装置２３よりも排気ガスの流れの下流側に位置するアンダーフロア触媒装置１２に酸素が供給される。上記構成より、本実施形態に係る排気ガス浄化装置２は、排気ガスの浄化性能が向上する。
【００７８】
［実施形態３］
図７は、三元触媒の温度と三元触媒を通過後の排気ガスに含まれる酸素量との関係を示すグラフである。図５の横軸は三元触媒の温度を示し、縦軸は三元触媒を通過後の排気ガスに含まれる酸素量を示す。
【００７９】
図８は、実施形態３に係る排気ガス浄化装置を拡大して示す模式図である。本実施形態に係る排気ガス浄化装置３は、実施形態１に係るサブスタート触媒装置１３に代えて、スタート触媒装置１１よりも冷却性能の高いサブスタート触媒装置３３を備える点に特徴がある。なお、上述の実施形態と同一の効果を奏する構成には、同一の符号を付す。また、上述の実施形態と同一の効果は説明を省略する。
【００８０】
本実施形態に係る排気ガス浄化装置３は、サブ排気管１０ｂ上にサブスタート触媒装置３３を備える。サブスタート触媒装置３３は、三元触媒である。図７に示すように、三元触媒の温度が高くなると、三元触媒が活性化し、三元触媒における吹き抜け量は低下する。一方、三元触媒の温度が低くなると、三元触媒における吹き抜け量は増加する。
【００８１】
ここで、図８に示すサブスタート触媒装置３３は、スタート触媒装置１１よりも路面ＧＮＤ側に配設される。詳しくは、例えば、サブスタート触媒装置３３及びスタート触媒装置１１が円筒形状に形成された場合、サブスタート触媒装置３３の排気ガスの流れに沿う方向の中心線としてのサブスタート触媒装置軸線３３ｃは、スタート触媒装置１１の排気ガスの流れに沿う方向の中心線としてのスタート触媒装置軸線１１ｃよりも路面側に位置する。一般的に、車両底ＵＦ側よりも、路面ＧＮＤ側の空間の方が、車両の走行にともなう走行風があたりやすい。なお、ここで走行風は部材を冷却する冷却風として機能する。
【００８２】
なお、スタート触媒装置１１、サブスタート触媒装置３３の形状が、円筒形状以外の形状の場合、排気ガスの流れに直交する方向における各触媒装置の断面図の図心を中心線として、スタート触媒装置軸線１１ｃ、またはサブスタート触媒装置軸線３３ｃを定義する。
【００８３】
このように、路面ＧＮＤ側に配設されたサブスタート触媒装置３３は、スタート触媒装置１１よりも多くの走行風がサブスタート触媒装置３３に当たる。これにより、サブスタート触媒装置３３の温度は、スタート触媒装置１１の温度よりも低くなる。さらに、サブスタート触媒装置３３は、放熱手段としてのヒートシンク３３ａを有してもよい。ヒートシンク３３ａは、放射状に放熱板や放熱ピンがサブスタート触媒装置３３の外周に配設されることによって形成される。これにより、サブスタート触媒装置３３の放熱性が向上し、サブスタート触媒装置３３の温度が低下する。
【００８４】
これにより、サブスタート触媒装置３３を吹き抜ける排気ガスの流量は、スタート触媒装置１１を吹き抜ける排気ガスの流量よりも多くなる。つまり、排気ガス流ＥＦ０４に含まれる酸素の量は、排気ガス流ＥＦ０２に含まれる酸素の量よりも多くなる。よって、排気ガス流ＥＦ０４が、下流側開口１０ｂｂからメイン排気管１０ａに流出してアンダーフロア触媒装置１２に至ると、アンダーフロア触媒装置１２には排気ガス流ＥＦ０４に含まれる酸素が供給される。
【００８５】
サブスタート触媒装置２３を吹き抜けた後の排気ガス流ＥＦ０４に含まれる酸素がアンダーフロア触媒装置１２に供給されると、アンダーフロア触媒装置１２の酸化反応は活性化する。アンダーフロア触媒装置１２の酸化反応が活性化することにより、アンダーフロア触媒装置１２に導入される排気ガスは、浄化された状態で大気に開放される。なお、サブスタート触媒装置２３を吹き抜けた排気ガスは、活性化したアンダーフロア触媒装置１２により浄化される。上記構成により、排気ガス浄化装置３は、排気ガスの浄化性能が向上する。
【００８６】
また、アンダーフロア触媒装置１２が酸欠状態となるのは、内燃機関本体１００ａの機関回転数が高いときに多い。内燃機関本体１００ａの機関回転数が高いとき、車両の速度は比較的速い。よって、サブスタート触媒装置３３に当たる走行風の量が増加するので、サブスタート触媒装置３３の温度も低下する。つまり、サブスタート触媒装置３３を通過する酸素量が増加する。これにより、内燃機関本体１００ａの機関回転数が高いときほど、サブスタート触媒装置３３の冷却性能が向上し、結果として、排気ガス浄化装置３は、排気ガスの浄化性能が向上する。
【００８７】
なお、サブスタート触媒装置３３は、ヒートシンク３３ａを備えるものとして説明したが、本実施形態はこれに限定されない。サブスタート触媒装置３３に要求される排気ガスの浄化性能を考慮して、ヒートシンク３３ａを備えなくてもよい。また、ヒートシンク３３ａに変えて、走行風をより多くサブスタート触媒装置３３にあてるように、走行風をサブスタート触媒装置３３近傍に導くガイドを設けてもよい。また、サブスタート触媒装置３３をメイン排気管１０ａから離れた部位に配設することにより、サブ排気管１０ｂよりも高温となっているメイン排気管１０ａからサブスタート触媒装置３３が受ける熱を低減できる。
【００８８】
また、上流側開口１０ｂａに近いほど、排気ガス流ＥＦ０３はサブ排気管１０ｂに熱を奪われていないため排気ガス流ＥＦ０３の温度は高い。一方、下流側開口１０ｂｂに近いほど、排気ガス流ＥＦ０３はサブ排気管１０ｂに熱をより多く奪われているため、排気ガス流ＥＦ０３の温度は低い。よって、サブスタート触媒装置３３を、下流側、つまり下流側開口１０ｂｂ側のサブ排気管１０ｂに設けることによっても、サブスタート触媒装置３３の温度を低下できる。
【００８９】
なお、本実施形態では、サブスタート触媒装置３３は、走行風によって空冷されるが、本実施形態はこれに限定されない。サブスタート触媒装置３３をさらに冷却する場合、サブスタート触媒装置３３は、冷却水によって水冷されてもよい。
【００９０】
図９は、実施形態３に係る他の排気ガス浄化装置を拡大して示す模式図である。また、車両底ＵＦと路面ＧＮＤとの距離が短い場合や、他部材との干渉でサブスタート触媒装置３３をスタート触媒装置１１の鉛直方向路面側に配設できない場合は、図９に示すように、スタート触媒装置１１に対して略水平方向にサブスタート触媒装置３３を設けてもよい。この場合であっても、サブスタート触媒装置３３のサブスタート触媒装置軸線３３ｃは、スタート触媒装置１１のスタート触媒装置軸線１１ｃよりも路面ＧＮＤ側に設けられることが好ましい。
【００９１】
なお、本実施形態では、サブスタート触媒装置３３のサブスタート触媒装置軸線３３ｃはスタート触媒装置１１のスタート触媒装置軸線１１ｃよりも路面ＧＮＤ側に設けられることが好ましいと説明したが、サブスタート触媒装置軸線３３ｃの全てがスタート触媒装置軸線１１ｃよりも路面ＧＮＤ側に設けられていなくてもよい。例えば、サブスタート触媒装置軸線３３ｃの一部がスタート触媒装置軸線１１ｃよりも車両底ＵＦ側に位置しても、サブスタート触媒装置軸線３３ｃにおいて路面ＧＮＤ側に位置する部分の方が車両底ＵＦ側に位置する部分よりも多ければ上記効果を奏する。
【００９２】
以上、本実施形態に係る排気ガス浄化装置３のサブスタート触媒装置３３は、スタート触媒装置１１よりも冷却性が高い。例えば、サブスタート触媒装置３３へ導かれる冷却風の量は、スタート触媒装置１１へ導かれる冷却風の量よりも多い。また、サブスタート触媒装置３３の排気ガスの流れに沿う方向の中心線は、スタート触媒装置１１の排気ガスの流れに沿う方向の中心線よりも路面側に配設される。さらに、本実施形態に係る排気ガス浄化装置３のサブスタート触媒装置３３は、熱を放散するヒートシンク３３ａを有する。
【００９３】
これにより、サブスタート触媒装置３３の温度は、スタート触媒装置１１の温度よりも低くなる。よって、相対的に温度が低いサブスタート触媒装置３３では、酸素を多く含んだ状態で排気ガスがサブスタート触媒装置３３を通過する。これにより、サブスタート触媒装置３３よりも排気ガスの流れの下流側に位置するアンダーフロア触媒装置１２に酸素が供給される。上記構成より、本実施形態に係る排気ガス浄化装置３は、排気ガスの浄化性能が向上する。
【００９４】
［実施形態４］
図１０は、実施形態４に係る排気ガス浄化装置を拡大して示す模式図である。本実施形態に係る排気ガス浄化装置４は、一本の排気管内にスタート触媒装置１１とサブスタート触媒装置１３とを備える点に特徴がある。なお、上述の実施形態と同一の効果を奏する構成には、同一の符号を付す。また、上述の実施形態と同一の効果は説明を省略する。
【００９５】
本実施形態に係る排気ガス浄化装置４は、図１０に示すように、三元触媒の担持体を内部に収納するケーシング４０を備える。ケーシング４０の内部には、部位によって肉厚の異なる担持体が設けられる。なお、肉厚とは、排気ガスの流れの方向に沿う方向の長さをいう。
【００９６】
本実施形態では、前記担持体において肉厚の厚い部分がスタート触媒装置１１を構成する。また、前記担持体において肉厚の薄い部分がサブスタート触媒装置１３を構成する。つまり、スタート触媒装置１１の肉厚Ｗは、サブスタート触媒装置１３の肉厚ｗよりも大きい。
【００９７】
また、本実施形態ではサブスタート触媒装置１３をスタート触媒装置１１よりも路面ＧＮＤ側に配設する。これにより、上述の作用によって、サブスタート触媒装置１３の温度がスタート触媒装置１１よりも低くなり、サブスタート触媒装置１３を通過する酸素量が増加する。よって、アンダーフロア触媒装置１２の酸化反応が活性化する。上記構成により、排気ガス浄化装置４は、排気ガスの浄化性能が向上する。
【００９８】
図１に示す排気ポート１０６から排出された排気ガスＥ０１は、まず排気ガス流ＥＦ０１に示すように、メイン排気管１０ａの内部をスタート触媒装置１１に向かって流動する。次に排気ガスＥ０１の一部である排気ガスＥ０３は、路面ＧＮＤ側を流動することで排気ガス流ＥＦ０３に示すようにサブスタート触媒装置１３に導入される。排気ガスＥ０３以外の排気ガスＥ０１は、スタート触媒装置１１に流入する。
【００９９】
スタート触媒装置１１によって浄化された排気ガスＥ０１は、排気ガスＥ０２となって排気ガス流ＥＦ０２に示すように、アンダーフロア触媒装置１２に向かってメイン排気管１０ａの内部を流動する。サブスタート触媒装置１３によって浄化された排気ガスＥ０３は、排気ガスＥ０４となって排気ガス流ＥＦ０４に示すように、ケーシング４０とスタート触媒装置１１との空隙を介して下流側へ向かって流動し、メイン排気管１０ａで排気ガスＥ０２と合流する。
【０１００】
本実施形態では、排気ガスの流路として、排気ガスの流れを第１排気流路と第２排気流路との二つに分類できる。第１排気流は、路排気ガス流ＥＦ０１と、排気ガス流ＥＦ０２と、排気ガス流ＥＦ０５とを含んで構成される。第２排気流路は、排気ガス流ＥＦ０３と、排気ガス流ＥＦ０４とを含んで構成される。
【０１０１】
ここで、図１に示す内燃機関本体１００ａの機関回転数が高くなると、サブスタート触媒装置１３の肉厚ｗは相対的に小さいため、サブスタート触媒装置１３を吹き抜ける排気ガスの流量が増加する。サブスタート触媒装置１３を吹き抜けた後の排気ガス流ＥＦ０４に含まれる酸素がアンダーフロア触媒装置１２に供給されると、アンダーフロア触媒装置１２の酸化反応は活性化する。アンダーフロア触媒装置１２の酸化反応が活性化することにより、アンダーフロア触媒装置１２よりも下流側である大気に排出される排気ガスＥ０５が浄化される。
【０１０２】
また、サブスタート触媒装置１３の肉厚ｗはスタート触媒装置１１の肉厚Ｗよりも小さく、サブスタート触媒装置１３の熱容量もスタート触媒装置１１の熱容量よりも小さい。よって、内燃機関本体１００ａが始動した直後、特に内燃機関１００が冷えている状態からの始動でも、サブスタート触媒装置１３の三元触媒は、スタート触媒装置１１の三元触媒よりも早期に活性化温度に達する。これにより、サブスタート触媒装置１３は、排気ガスＥ０３を早期から浄化する。上記構成により、排気ガス浄化装置４は、内燃機関本体が始動した直後、特に内燃機関１００が冷えている状態からの始動における排気ガスの浄化性能が向上する。
【０１０３】
なお、サブスタート触媒装置１３を吹き抜けた排気ガスＥ０４は、活性化したアンダーフロア触媒装置１２により浄化される。上記構成により、排気ガス浄化装置４は、排気ガスの排気ガスの浄化性能が向上する。
【０１０４】
図１１は、実施形態４に係る他の排気ガス浄化装置を示す模式図である。本実施形態に係る排気ガス浄化装置４は、例えば、図１１に示すように、ケーシング４０内のスタート触媒装置１１を貫通して、サブ排気管１０ｂを備えてもよい。つまりケーシング４０の径方向内側がサブスタート触媒装置１３、径方向外側がスタート触媒装置１１となるように二層式に排気ガス浄化装置４を構成してもよい。
【０１０５】
なお、サブスタート触媒装置１３は、肉厚方向の長さをスタート触媒装置１１よりも短くされてもよいし、セル数がスタート触媒装置１１よりも少ないサブスタート触媒装置２３を用いてもよい。
【０１０６】
サブスタート触媒装置１３をケーシング４０の径方向内側に配設し、スタート触媒装置１１をケーシング４０の径方向外側に配設することにより、サブスタート触媒装置１３を吹き抜けた排気ガスが、ケーシング４０よりも下流側に設けられる酸素量検出センサＤ０１から比較的離れて流動する。よって、排気ガス浄化装置４は、酸素量検出センサＤ０１の検出結果への影響を低減できる。上記構成により、排気ガス浄化装置４は、内燃機関本体１００ａの制御性の低下を抑制できる。
【０１０７】
なお、スタート触媒装置１１をケーシング４０の径方向内側に配設し、サブスタート触媒装置１３をケーシング４０の径方向外側に配設してもよい。ケーシング４０の径方向外側に配設されたサブスタート触媒装置１３は、径方向内側に配設されたスタート触媒装置１１よりも放熱しやすい。つまりサブスタート触媒装置１３は、スタート触媒装置１１よりも低温となる。これにより、上述した作用によって、アンダーフロア触媒装置１２の酸化反応が活性化する。上記構成により、排気ガス浄化装置４は、排気ガスの排気ガスの浄化性能が向上する。
【０１０８】
以上、本実施形態に係る排気ガス浄化装置４において、スタート触媒装置１１を通過する排気ガスの流路と、サブスタート触媒装置１３を通過する排気ガスの流路は、同一の排気管の内部に形成される。例えば、排気ガス浄化装置４は、排気管の内部にスタート触媒装置１１とサブスタート触媒装置１３とから構成される浄化触媒装置を備え、浄化触媒装置は排気ガスの流れの方向における肉厚が厚い部分と肉厚が薄い部分とを有し、肉厚が厚い部分はスタート触媒装置１１から構成され、肉厚が薄い部分はサブスタート触媒装置１３から構成される。
【０１０９】
これにより、相対的に肉厚が薄いサブスタート触媒装置１３では、酸素を多く含んだ状態で排気ガスがサブスタート触媒装置１３を通過する。これにより、サブスタート触媒装置１３よりも排気ガスの流れの下流側に位置するアンダーフロア触媒装置１２に酸素が供給される。上記構成より、本実施形態に係る排気ガス浄化装置１は、排気ガスの排気ガスの浄化性能が向上する。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
以上のように、本実施形態に係る排気ガス浄化装置は、空気と燃料とが燃焼することで生じる排気ガスの浄化を行うのに有用であり、特に、排気ガスの流れの最下流側に設けられる触媒装置の排気ガスの浄化性能低下を抑制するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】実施形態１に係る内燃機関を模式的に示す断面図である。
【図２】実施形態１に係る排気ガス浄化装置を拡大して示す模式図である。
【図３】三元触媒の温度と化学反応との関係を示すグラフである。
【図４】サブ排気管及びサブスタート触媒装置の有無による排気ガス浄化性能を評価する実験の結果を示すグラフである。
【図５】三元触媒のセル数と三元触媒を通過後の排気ガスに含まれる酸素量との関係を示すグラフである。
【図６】実施形態２に係る排気ガス浄化装置を拡大して示す模式図である。
【図７】三元触媒の温度と三元触媒を通過後の排気ガスに含まれる酸素量との関係を示すグラフである。
【図８】実施形態３に係る排気ガス浄化装置を拡大して示す模式図である。
【図９】実施形態３に係る他の排気ガス浄化装置を拡大して示す模式図である。
【図１０】実施形態４に係る排気ガス浄化装置を拡大して示す模式図である。
【図１１】実施形態４に係る他の排気ガス浄化装置を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１１２】
１〜４  排気ガス浄化装置
１０ａ  メイン排気管
１０ｂ  サブ排気管
１０ｂａ  上流側開口
１０ｂｂ  下流側開口
１０  排気管
１１  スタート触媒装置
１１ｃ  スタート触媒装置軸線
１２  アンダーフロア触媒装置
１３、２３、３３  サブスタート触媒装置
３３ａ  ヒートシンク
３３ｃ  サブスタート触媒装置軸線
４０  ケーシング
１００  内燃機関
１００ａ  内燃機関本体
１０１  シリンダ
１０２  ピストン
１０３  筒内燃焼空間
１０４  吸気ポート
１０５  点火プラグ
１０６  排気ポート
１０７  コネクティングロッド
１０８  クランクシャフト
Ｄ０１  酸素量検出センサ
Ｅ０１〜Ｅ０５  排気ガス
ＥＦ０１〜ＥＦ０５  排気ガス流
ＧＮＤ  路面
ＵＦ  車両底
ＳＬ  シリンダ軸線
Ｗ、ｗ  肉厚
ΦＤ、Φｄ  径
【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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【図１１】
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