(57)【要約】【課題】４気筒エンジンにおいても排気が第２触媒を逆流することのない装置を提供する。【解決手段】メイン排気通路（２）と、第１触媒（１１）と、メイン排気通路（２）から分岐し、第１触媒（１１）上流のメイン排気通路（２）に合流するバイパス排気通路（５）と、第２触媒（１２）と、排気シャッターバルブ（８）と、エンジンの冷間始動時に前記分岐点（３ａ）と前記合流点（７ａ）との間にあるメイン排気通路（２）を遮断し、第１触媒（１１）が活性状態となったとき前記分岐点（３ａ）と前記合流点（７ａ）との間にあるメイン排気通路（２）を連通させる制御手段（３１）とを備え、第２触媒（１２）下流のバイパス排気通路（５）の通路径はメイン排気通路（２）の通路径より小さく、かつ第２触媒（１２）上流のバイパス排気通路（５）の通路径は第２触媒（１２）下流のバイパス排気通路（５）の通路径より小さい。【選択図】図５
2009209840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンからの排気が流れるメイン排気通路と、
このメイン排気通路に設置される第１触媒と、
前記メイン排気通路から分岐し、前記第１触媒上流の前記メイン排気通路に合流するバイパス排気通路と、
このバイパス排気通路に設置される第２触媒と、
前記バイパス排気通路が前記メイン排気通路から分岐する分岐点と前記バイパス排気通路が前記メイン排気通路に合流する合流点との間にあるメイン排気通路の遮断と連通とを切換可能な排気シャッターバルブと、
エンジンの冷間始動時にこの排気シャッターバルブを制御して前記分岐点と前記合流点との間にあるメイン排気通路を遮断し、前記第１触媒が活性状態となったときこの排気シャッターバルブを制御して前記分岐点と前記合流点との間にあるメイン排気通路を連通させる制御手段と
を備え、
前記第２触媒下流のバイパス排気通路の通路径または通路断面積が前記メイン排気通路の通路径または通路断面積より小さく、かつ前記第２触媒上流のバイパス排気通路の通路径または通路断面積が前記第２触媒下流のバイパス排気通路の通路径または通路断面積より小さくなるように前記第２触媒下流のバイパス排気通路、メイン排気通路及び第２触媒上流のバイパス排気通路の通路径または通路断面積を設定することを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
前記メイン排気通路は各気筒の上流側メイン通路と、これら各気筒の上流側メイン通路が集合した通路である下流側メイン通路とからなり、この下流側メイン通路に前記第１触媒が、前記各上流側メイン通路の集合部に前記排気シャッターバルブがそれぞれ設置され、
前記バイパス排気通路は前記上流側メイン通路の途中から分岐する各上流側バイパス通路と、これら各上流側バイパス通路が集合した通路である下流側バイパス通路とからなり、この下流側バイパス通路に前記第２触媒が配置され、
前記メイン排気通路の通路径または通路断面積は前記各気筒の上流側メイン通路の通路径または通路断面積であり、
前記第２触媒上流のバイパス排気通路の通路径または通路断面積は前記各上流側バイパス通路の通路径または通路断面積であることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
エンジンからの排気が流れるメイン排気通路と、
このメイン排気通路に設置される第１触媒と、
前記メイン排気通路から分岐し、前記第１触媒上流の前記メイン排気通路に合流するバイパス排気通路と、
このバイパス排気通路に設置される第２触媒と、
前記バイパス排気通路が前記メイン排気通路から分岐する分岐点と前記バイパス排気通路が前記メイン排気通路に合流する合流点との間にあるメイン排気通路の遮断と連通とを切換可能な排気シャッターバルブと、
エンジンの冷間始動時にこの排気シャッターバルブを制御して前記分岐点と前記合流点との間にあるメイン排気通路を遮断し、前記第１触媒が活性状態となったときこの排気シャッターバルブを制御して前記分岐点と前記合流点との間にあるメイン排気通路を連通させる制御手段と
を備え、
前記第２触媒下端から前記合流点までのバイパス排気通路の容積が、排気圧力脈動に伴い前記合流点から前記バイパス排気通路を上流側へと逆流する排気量以上となるように設定することを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒で排気浄化を行うエンジン（内燃機関）の排気浄化装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンからの排気が流れるメイン排気通路と、このメイン排気通路に設置される床下触媒と、メイン排気通路から分岐し、床下触媒上流のメイン排気通路に合流するバイパス排気通路と、このバイパス排気通路に設置されるマニ触媒と、バイパス排気通路がメイン排気通路から分岐する分岐点とバイパス排気通路メイン排気通路に合流する合流点との間にあるメイン排気通路の遮断と連通とを切換可能な排気シャッターバルブとを備えるものがある（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−３５１０８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記特許文献では、エンジン近くに配置されるマニ触媒として比較的容量の小さなものを、エンジンから離れた位置に配置される床下触媒として比較的容量の大きなものを採用し、エンジン冷間始動時にはまず排気シャッターバルブを制御して前記分岐点と前記合流点との間にあるメイン排気通路を遮断し、排気の全量をマニ触媒に流して早期に活性状態としこのマニ触媒により排気の浄化を行わせると共に、マニ触媒を出た排気を床下触媒に流して床下触媒を昇温し、この昇温でやがて床下触媒が活性状態となったときには排気シャッターバルブを切換えて排気の全量を床下触媒に流し床下触媒により排気の浄化を行わせると共に、バイパス排気通路に排気が流れないようにしてマニ触媒の熱劣化を防止するようにしている。
【０００４】
しかしながら、排気圧力脈動が特に大きく現れる４気筒エンジンにおいては、排気バイパス通路がメイン排気通路に合流する合流点から高温の排気がバイパス排気通路を上流側へと逆流し、マニ触媒が熱劣化する場合があることが分かった。
【０００５】
そこで本発明は、４気筒エンジンにおいても、排気バイパス通路がメイン排気通路に合流する合流点から排気がバイパス排気通路を上流側へと逆流することのない排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、エンジンからの排気が流れるメイン排気通路（２）と、このメイン排気通路（２）に設置される第１触媒（１１）と、前記メイン排気通路（２）から分岐し、前記第１触媒（１１）上流の前記メイン排気通路（２）に合流するバイパス排気通路（５）と、このバイパス排気通路（５）に設置される第２触媒（１２）と、前記バイパス排気通路（５）が前記メイン排気通路（２）から分岐する分岐点（３ａ）と前記バイパス排気通路（５）が前記メイン排気通路（２）に合流する合流点（７ａ）との間にあるメイン排気通路（２）の遮断と連通とを切換可能な排気シャッターバルブ（８）と、エンジンの冷間始動時にこの排気シャッターバルブ（８）を制御して前記分岐点（３ａ）と前記合流点（７ａ）との間にあるメイン排気通路（２）を遮断し、前記第１触媒（１１）が活性状態となったときこの排気シャッターバルブ（８）を制御して前記分岐点（３ａ）と前記合流点（７ａ）との間にあるメイン排気通路（２）を連通させる制御手段（３１）とを備え、前記第２触媒（１２）下流のバイパス排気通路（５）の通路径Ｃまたは通路断面積が前記メイン排気通路（２）の通路径Ａまたは通路断面積より小さく、かつ前記第２触媒（１２）上流のバイパス排気通路（５）の通路径Ｂまたは通路断面積が前記第２触媒（１２）下流のバイパス排気通路（５）の通路径Ｃまたは通路断面積より小さくなるように前記第２触媒（１２）下流のバイパス排気通路（５）、メイン排気通路（２）及び第２触媒（１２）上流のバイパス排気通路（５）の通路径または通路断面積を設定する。
【０００７】
また、本発明は、エンジンからの排気が流れるメイン排気通路（２）と、このメイン排気通路（２）に設置される第１触媒（１１）と、前記メイン排気通路（２）から分岐し、前記第１触媒（１１）上流の前記メイン排気通路（２）に合流するバイパス排気通路（５）と、このバイパス排気通路（５）に設置される第２触媒（１２）と、前記バイパス排気通路（５）が前記メイン排気通路（２）から分岐する分岐点（３ａ９と前記バイパス排気通路（５）が前記メイン排気通路（２）に合流する合流点（７ａ）との間にあるメイン排気通路（２）の遮断と連通とを切換可能な排気シャッターバルブ（８）と、エンジンの冷間始動時にこの排気シャッターバルブ（８）を制御して前記分岐点（３ａ）と前記合流点（７ａ）との間にあるメイン排気通路（２）を遮断し、前記第１触媒（１１）が活性状態となったときこの排気シャッターバルブ（８）を制御して前記分岐点（３ａ）と前記合流点（７ａ）との間にあるメイン排気通路（２）を連通させる制御手段（３１）とを備え、前記第２触媒下端（１２ａ）から前記合流点（７ａ）までのバイパス排気通路（５）の容積Ｖ２が、排気圧力脈動に伴い前記合流点（７ａ）から前記バイパス排気通路（５）を上流側へと逆流する排気量Ｖ１以上となるように設定する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、エンジンからの排気が流れるメイン排気通路と、このメイン排気通路に設置される第１触媒）と、前記メイン排気通路から分岐し、前記第１触媒上流の前記メイン排気通路に合流するバイパス排気通路と、このバイパス排気通路に設置される第２触媒と、前記バイパス排気通路が前記メイン排気通路から分岐する分岐点と前記バイパス排気通路が前記メイン排気通路に合流する合流点との間にあるメイン排気通路の遮断と連通とを切換可能な排気シャッターバルブと、エンジンの冷間始動時にこの排気シャッターバルブを制御して前記分岐点と前記合流点との間にあるメイン排気通路を遮断し、前記第１触媒が活性状態となったときこの排気シャッターバルブを制御して前記分岐点と前記合流点との間にあるメイン排気通路を連通させる制御手段とを備え、前記第２触媒下流のバイパス排気通路の通路径または通路断面積が前記メイン排気通路の通路径または通路断面積より小さく、かつ前記第２触媒上流のバイパス排気通路の通路径または通路断面積が前記第２触媒下流のバイパス排気通路の通路径または通路断面積より小さくなるように前記第２触媒下流のバイパス排気通路、メイン排気通路及び第２触媒上流のバイパス排気通路の通路径または通路断面積を設定するので、バイパス排気通路がメイン排気通路に合流する合流点から排気がバイパス排気通路を上流側へと逆流することを抑制することがエンジン回転速度の全域において可能となり、これにより排気圧力脈動が特に大きく現れる４気筒エンジンにおいても、第２触媒の熱劣化を防止することができる。
【０００９】
また本発明によれば、エンジンからの排気が流れるメイン排気通路と、このメイン排気通路に設置される第１触媒と、前記メイン排気通路から分岐し、前記第１触媒上流の前記メイン排気通路に合流するバイパス排気通路と、このバイパス排気通路に設置される第２触媒と、前記バイパス排気通路が前記メイン排気通路から分岐する分岐点と前記バイパス排気通路が前記メイン排気通路に合流する合流点との間にあるメイン排気通路の遮断と連通とを切換可能な排気シャッターバルブと、エンジンの冷間始動時にこの排気シャッターバルブを制御して前記分岐点と前記合流点との間にあるメイン排気通路を遮断し、前記第１触媒が活性状態となったときこの排気シャッターバルブを制御して前記分岐点と前記合流点との間にあるメイン排気通路を連通させる制御手段とを備え、前記第２触媒下端から前記合流点までのバイパス排気通路の容積が、排気圧力脈動に伴い前記合流点から前記バイパス排気通路を上流側へと逆流する排気量以上となるように設定するので、バイパス排気通路がメイン排気通路に合流する合流点から排気がバイパス排気通路を上流側へと逆流することを抑制することが可能となり、これにより排気圧力脈動が特に大きく現れる４気筒エンジンにおいても、第２触媒の熱劣化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は本発明の一実施形態の排気浄化装置の概略構成図、図２は当該排気浄化装置を有するエンジンの排気系の詳細構成図である。ただし、図１には床下触媒１１は省略して示していない。
【００１１】
図２に示したように、４気筒直列ガソリンエンジン（以下単に「エンジン」という。）１から排気はメイン排気通路２を流れる。メイン排気通路２は、Ｎｏ．１気筒〜Ｎｏ．４気筒の各気筒に接続される上流側メイン通路３と、これら４つの上流側メイン通路３が集合した通路である下流側メイン通路４とからなり、下流側メイン通路４に比較的容量の大きな床下触媒１１（第１触媒）が設置されている。床下触媒１１としては、例えばＨＣトラップ触媒に三元触媒機能を付加したものあるいは上流側に三元触媒を下流側にＨＣトラップ触媒を配置したものが用いられる。また、三元触媒（後述するマニ触媒１２についても）に酸化セリウムを添加することにより、排気中の酸素を吸収あるいは放出するストレージ機能を備えさせている。
【００１２】
床下触媒１１はエンジン１（排気ポート）より遠い車両の床下に配置されるため、エンジン１の冷間始動時にすぐに活性温度まで上昇させることができず、排気中の有害三成分（ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘ）を除去できない。このため、バイパス排気通路５にもう一つの触媒であるマニ触媒１２が設けられている。すなわち、バイパス排気通路５は、４つの各上流側メイン通路３の途中からそれぞれ分岐する各上流側バイパス通路６と、これら４つの上流側バイパス通路６が集合した通路である下流側バイパス通路７とからなり、下流側バイパス通路７にマニ触媒１２（第２触媒）が配置されると共に、下流側バイパス通路７は床下触媒１１上流において下流側メイン通路４に合流されている。
【００１３】
エンジン１の近くに配置されるマニ触媒１２は三元触媒であり、活性状態になると排気中の有害三成分を同時に効率よく浄化する。マニ触媒１２は床下触媒１１に比べて容量が小さな小型のものであり、低温活性に優れた触媒を用いることが望ましい。
【００１４】
上流側バイパス通路３の上流端となる上流側メイン通路３との分岐点３ａは、上流側メイン通路３のできるだけ上流側の位置に設定され、かつ上流側バイパス通路６は上流側メイン通路３よりも通路径（または通路断面積）が十分に小さな通路として構成されている。また、マニ触媒１２は下流側バイパス通路７の可能な限り上流側に配置されている。つまり、下流側バイパス通路７もできるだけ短くなっている。メイン排気通路２、バイパス排気通路５の各通路を模式的に示した図２では、各上流側バイパス通路６が各上流側メイン通路３より長く描かれているが、実際には可能な限り短くなっている。換言すれば、バイパス排気通路５は最短距離でもってメイン排気通路２と合流している。
【００１５】
４つの上流側メイン通路３の集合部に４つの各上流側メイン通路３を同時に開閉することが可能な排気シャッターバルブ８が設けられている。エンジンコントロールユニット３１からの信号に応動する排気シャッターバルブ８は、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示したように、バルブシート８ａに４つの各上流側メイン通路３の下流端３ｂが近接して開口しており、このうち２つの開口端３ｂを一方の弁体８ｂが、残り２つの開口端３ｂをもう一つの弁体８ｃが開閉すると共に、これら２つ弁体８ｂ、８ｃが連結され、一方の弁体が開けば他方の弁体も開き、一方の弁体が開閉じれば他方の弁体も閉じるように構成されている。
【００１６】
このため、エンジン１の冷間始動時に排気シャッターバルブ８が全閉状態とされると、４つの上流側メイン通路３と下流側メイン通路４とが遮断される。これによって図３（Ａ）に示したように排気の全量がバイパス排気通路２（６及び７）へと導かれた後に床下触媒１１に導入される。一方、床下触媒１１が活性状態となった後には排気シャッターバルブ８が全開状態へと切換えられ、４つの各上流側メイン通路３と下流側メイン通路４とが連通される。これによって図３（Ｂ）に示したように排気の全量がメイン排気通路２（上流側メイン通路３及び下流側メイン通路４）に流される。ここで、上流側メイン通路３の通路長さないしは通路容積が小さいほど、冷間始動直後のバイパス流路側における排気温度が上昇しやすくなる。
【００１７】
図２においてマニ触媒１２の上流側にマニ触媒１２に流入する排気の空燃比を検出する第１空燃比センサ２１が、またマニ触媒１２の下流側にマニ触媒２から流出する排気の空燃比が理論空燃比よりリッチ側にあるのかそれともリーン側にあるのかを検出する第１酸素濃度センサ２２がそれぞれ備えられる。同様にして、下流側バイパス通路７が下流側メイン通路に合流する合流点７ａの下流側かつ床下触媒１１の上流側に床下触媒１１に流入する排気の空燃比を検出する第２空燃比センサ２３が、また床下触媒１１の下流側に床下触媒１１から流出する排気の空燃比が理論空燃比よりリッチ側にあるのかそれともリーン側にあるのかを検出する第２酸素濃度センサ２４がそれぞれ備えられる。これら４つのセンサ２１、２２、２３、２４の出力は、エンジンコントロールユニット３１に入力され、エンジンコントロールユニット３１では、これらセンサ２１、２２、２３、２４の出力に基づいて、各空燃比センサ２１、２３の活性化後に理論空燃比を目標空燃比とする運転条件で各触媒１２、１１に蓄えられる酸素ストレージ量が所定範囲内となるように、図示しない燃料噴射弁からの燃料噴射量をコントロールする。エンジンの始動時には理論空燃比の混合気が得られるように燃料噴射量を制御する。
【００１８】
また、床下触媒１１の出口に温度センサ２５が備えられ、エンジンコントロールユニット３１には、この温度センサ２５により検出される床下触媒１１の出口温度、水温センサ３２により検出される冷却水温のほか、図示しないセンサ等により検出されるエンジン１の回転速度、アクセルペダル開度、スロットルバルブ開度等が入力されている。エンジンコントロールユニット３１では、温度センサ２５により検出される床下触媒１１の出口温度、水温センサ３２により検出される冷却水温に基づいて、エンジン１の冷間始動時に床下触媒１１が活性状態になったか否かの判定を行うと共に、その判定結果に基づいて排気シャッターバルブ８の開閉制御を行う。すなわち、エンジン始動時に冷却水温が所定値以下であれば冷間始動時であると、また床下触媒１１の出口温度が所定値以下であれば床下触媒１１は活性状態にないとそれぞれ判定し、エンジン１の冷間始動直後には、排気シャッターバルブ８を閉じて各上流側メイン通路３と下流側メイン通路４の連通を遮断し、容量の小さなマニ触媒１２に排気の全量を流してマニ触媒１２を活性温度へと速やかに到達させ、活性状態となったマニ触媒１２により排気中の有害三成分の浄化を行わせる。また、下流側バイパス通路７を出た排気を床下触媒１１に流すことで床下触媒１１の昇温を促進する。
【００１９】
この昇温によって温度センサ２５により検出される床下触媒１１の出口温度が所定値以上になると床下触媒１１が活性状態になったと判断し、排気シャッターバルブ８を全開状態へと切換え、排気の全量をメイン排気通路２に流すことで床下触媒１１により排気中の有害三成分の浄化を行わせる。
【００２０】
床下触媒１１が活性化した後にはエンジンの負荷や回転速度に応じた流量の排気がメイン排気通路２を流れる。高負荷時には排気温度が高くなるが、この高負荷時の高温の排気がバイパス排気通路５に流れたのではマニ触媒１２が熱劣化して耐久性が低下する。この場合に、本実施形態では、上流側バイパス通路６（バイパス排気通路５）の通路径を上流側メイン通路３（メイン排気通路２）の通路径より小さくしてバイパス排気通路５側の通路抵抗を大きくしているため、排気シャッターバルブ８の全開状態においてバイパス排気通路５を流れる排気の流量はメイン排気通路２を流れる排気の流量よりずっと少なく抑えられ、これによってマニ触媒１２が高負荷時の高温の排気に晒されることがないようにして、マニ触媒１２の熱劣化を防止している。
【００２１】
さて、分岐点３ａと、下流側バイパス通路の下流側メイン通路４への合流点７ａとの間にあるメイン排気通路２の遮断と連通とを切換可能な排気シャッターバルブ８を設けると共に、上流側バイパス通路６の通路径（または通路断面積）を上流側メイン通路３の通路径（または通路断面積）より小さくしているだけだと、高温の排気が下流側バイパス通路７の合流点７ａから下流側バイパス通路７へと逆流してマニ触媒１２を流れてしまい、マニ触媒１２が熱劣化する場合があることが分かった。これについて発明者が原因を調べてみたところ、４気筒エンジンにおいて特に大きく現れる排気圧力の脈動に起因していることが判明した。これについて次に説明するが、以下では、下流側バイパス通路７がマニ触媒１２上流の下流側バイパス通路７ｂと、マニ触媒下流の下流側バイパス通路７ｃとからからなるものとし、「マニ触媒１２下流の下流側バイパス通路」を単に「最下流バイパス通路」という。
【００２２】
エンジン負荷が所定値でかつエンジン回転速度が低回転速度側の所定値（例えば２０００ｒｐｍ程度）の運転条件のとき、排気圧力の脈動によってＮｏ．１気筒の上流側メイン通路３の排気圧力Ｐｍａｉｎ［ｋＰａ］と、最下流バイパス通路７ｃの排気流量Ｑｂｐｓ［Ｌｉｔｅｒ／ｓｅｃ］とがどのように変化するのかをシミュレーションにより計測した結果を図４に示している。ここで、Ｎｏ．１気筒の上流側メイン通路３の排気圧力Ｐｍａｉｎの単位としては、大気圧のときをゼロとする相対値で表している。また、最下流バイパス通路７ｃの排気流量Ｑｂｐｓについては、排気が最下流バイパス通路７ｃを上流から下流に流れる向きを正、これとは逆に下流から上流に流れる向きを負で表している。
【００２３】
図４のように、Ｎｏ．１気筒の上流側メイン通路３の排気圧力ＰｍａｉｎはＮｏ．１気筒の排気弁開時期に大きく上昇して反転した後、一気に負の側へと大きく振れ、その後にゼロを中心とする小さな圧力脈動が生じており、この排気弁開時期直後の排気圧力脈動に応じるかのように最下流バイパス通路７ｃの排気流量Ｑｂｐｓが変化している。すなわち、最下流バイパス通路７ｃの排気流量Ｑｂｐｓも一度大きく正の側に振れた後、この正の側への振れ幅とほぼ同じ振れ幅で負の側に突出し（Ｅ部参照）、その後にゼロを中心として細かく振れている。この負側に大きく振れているＥ部の排気流量Ｑｂｐｓの波形と、排気流量Ｑｂｐｓがゼロである水平線との間の面積が、下流側バイパス通路７の合流点７ａから下流側バイパス通路７を上流側へと逆流する排気量Ｖ１［Ｌｉｔｅｒ］を表すので、この排気量Ｖ１が、マニ触媒１２下端１２ａから下流側バイパス通路の合流点７ａまでの下流側バイパス通路７の容積、つまり最下流バイパス通路７ｃの容積Ｖ２未満であれば、下流側バイパス通路の合流点７ａから下流側バイパス通路７へと高温の排気が逆流してきても、マニ触媒１２を通過して上流側へと流れるまでには至らない。しかしながら、排気圧力脈動に伴い下流側バイパス通路の合流点７ａから下流側バイパス通路７を上流側へと逆流する排気量Ｖ１が、最下流バイパス通路７ｃの容積Ｖ２以上となるときには下流側バイパス通路の合流点７ａから下流側バイパス通路７へと排気が逆流しマニ触媒１２を流れて上流側に向かうので、このときマニ触媒１２を逆流する排気が高温であればマニ触媒１２の熱劣化が生じてしまうと考えられる。
【００２４】
そこで本発明では、図１に示したように最下流バイパス通路７ｃの容積Ｖ２（ハッチング部分の容積）が、排気圧力脈動に伴い下流側バイパス通路の合流点７ａから下流側バイパス通路７を上流側へと逆流する排気量Ｖ１以上となるように、最下流バイパス通路７ｃの容積Ｖ２を設定する。ここで、上記排気量Ｖ１はエンジンの負荷と回転速度が定まれば実験やシミュレーションにより予め求めることができ、シミュレーションに用いたエンジンの負荷と回転速度のとき、排気量Ｖ１は例えば０．０５Ｌｉｔｅｒ程度であった。
【００２５】
ここで、本実施形態の作用効果を説明する。
【００２６】
本実施形態（請求項３に記載の発明）によれば、エンジン１からの排気が流れるメイン排気通路２と、このメイン排気通路２に設置される床下触媒１１（第１触媒）と、メイン排気通路２から分岐し、床下触媒１１上流のメイン排気通路２に合流するバイパス排気通路５と、このバイパス排気通路５に設置されるマニ触媒１２（第２触媒）と、バイパス排気通路５がメイン排気通路２から分岐する分岐点３ａとバイパス排気通路５がメイン排気通路２に合流する合流点７ａとの間にあるメイン排気通路２の遮断と連通とを切換可能な排気シャッターバルブ８と、エンジンの冷間始動時にこの排気シャッターバルブ８を制御して分岐点３ａと合流点７ａとの間にあるメイン排気通路２を遮断し、床下触媒１１が活性状態となったときこの排気シャッターバルブ８を制御して分岐点３ａと合流点７ａとの間にあるメイン排気通路２を連通させるエンジンコントロールユニット３１（制御手段）とを備え、最下流バイパス通路７ｃ（マニ触媒下端１２ａから合流点７ａまでのバイパス排気通路５）の容積Ｖ２が、排気圧力脈動に伴い合流点７ａからバイパス排気通路５を上流側へと逆流する排気量Ｖ１以上となるように設定するので、バイパス排気通路５がメイン排気通路２に合流する合流点７ａから排気がバイパス排気通路５を上流側へと逆流することを抑制することが可能となり、これにより排気圧力脈動が特に大きく現れる４気筒エンジンにおいても、マニ触媒１２の熱劣化を防止することができる。
【００２７】
次に、図５は本発明の第２実施形態の排気浄化装置の概略構成図で、図１と置き換わるものである。図２は第２実施形態の排気浄化装置を有するエンジンの排気系の詳細構成図でもある。
【００２８】
上記図４において最下流バイパス通路７ｃの排気流量Ｑｂｐｓのうち負の側で最大となる値を負側最大流量Ｑｂｐｓｍａｘ［Ｌｉｔｅｒ／ｓｅｃ］とすれば、この負側最大流量Ｑｂｐｓｍａｘはエンジンの負荷と回転速度に、特にエンジン回転速度に依存し、図６に示したようにエンジン回転速度が高くなるほど負の値で大きくなってゆくことがシミュレーションにより判明している。従って、最低のエンジン回転速度（例えば２０００ｒｐｍ程度）の運転条件で排気圧力脈動に伴い下流側バイパス通路の合流点７ａから下流側バイパス通路７を上流側へと逆流する排気量Ｖ１ｌｏｗを求め、最下流バイパス通路７ｃの容積Ｖ２がこの排気量Ｖ１ｌｏｗ以上となるように設定していても、高回転速度域になると、排気圧力脈動に伴い下流側バイパス通路の合流点７ａから下流側バイパス通路７を上流側へと逆流する排気量Ｖ１が上記の排気量Ｖ１ｌｏｗより大きくなって最下流バイパス通路７ｃの容積Ｖ２を超え、排気がマニ触媒１２を逆流することが考えられ、このとき高負荷であれば排気が高温となり、マニ触媒１２に熱劣化が生じてしまう。これを避けるには、最高のエンジン回転速度（例えば５０００ｒｐｍ程度）の運転条件で排気圧力脈動に伴い下流側バイパス通路の合流点７ａから下流側バイパス通路７を上流側へと逆流する排気量Ｖ１ｈｉｇｈを求め、最下流バイパス通路７ｃの容積Ｖ２がこの排気量Ｖ１ｈｉｇｈ以上となるように設定することである。
【００２９】
しかしながら、この方法だと、最下流バイパス通路７ｃの容積Ｖ２が大きくなってしまい、別の問題が生じ得る。すなわち、最下流バイパス通路７ｃの容積Ｖ２が大きくなることは大きなヒートマスを設けることに等しく、冷間始動直後の排気の熱がこのヒートマスの上昇に奪われてしまうことになるので、床下触媒１１の昇温が遅くなる。また、マニ触媒１２自体も暖まりにくい。
【００３０】
そこで第２実施形態では、図５に示したように、各気筒の上流側メイン通路３の通路径をＡ、各気筒の上流側バイパス通路６の通路径をＢ、最下流バイパス通路７ｃの通路径をＣとしたとき、Ａ＞Ｃ＞Ｂとなるように３つの各通路径Ａ、Ｂ、Ｃを設定する。ただし、ここでは、上流側メイン通路３、上流側バイパス通路６、マニ触媒１２上流の下流側バイパス通路７ｂ及び最下流バイパス通路７ｃの４つの各通路は、上端から下端までほぼ同じ通路径であるとする。
【００３１】
ここで、３つの各通路径Ａ、Ｂ、ＣがＡ＞Ｃ＞Ｂの条件を満たすようにした理由を説明する。図７は、前提である条件つまり各気筒の上流側バイパス通路６の通路径Ｂは上流側メイン通路３の通路径Ａより小さく、また最下流バイパス通路７ｃの通路径Ｃも上流側メイン通路３の通路径Ａより小さい、という条件（Ａ＞ＣかつＡ＞Ｂの条件）を満足させつつ、
〈１〉上流側バイパス通路６の通路径Ｂを例えば３０ｍｍ程度、最下流バイパス通路７        ｃの通路径Ｃを３０ｍｍ程度とした場合（つまりＣ＝Ｂの場合）、
〈２〉上流側バイパス通路６の通路径Ｂを３０ｍｍ程度、最下流バイパス通路７ｃの通        路径Ｃを１５ｍｍ程度とした場合（つまりＣ＜Ｂの場合）、
〈３〉上流側バイパス通路６の通路径Ｂを１５ｍｍ程度、最下流バイパス通路７ｃの通        路径Ｃを３０ｍｍ程度とした場合（つまりＣ＞Ｂの場合）
に負荷一定の条件でエンジン回転速度を相違させたとき、上記負側最大流量Ｑｂｐｓｍａｘがどのように変化するのかを示したシミュレーション結果である。上記〈１〉の場合には回転速度の全域で、また上記〈２〉の場合には高回転速度側で負側最大流量Ｑｂｐｓｍａｘが負の値で生じている。つまり負側最大流量Ｑｂｐｓｍａｘが負の値で生じることは、下流側バイパス通路の合流点７ａから下流側バイパス通路７への逆流が生じることを意味している。これに対して、上記〈３〉の場合には回転速度の全域で負側最大流量Ｑｂｐｓｍａｘが正の側にきている。つまり、負側最大流量Ｑｂｐｓｍａｘが正の値で生じることは、下流側バイパス通路の合流点７ａから下流側バイパス通路７への逆流が生じないことを意味している。従って、Ｃ＞Ｂの条件を満足させれば、下流側バイパス通路の合流点７ａから下流側バイパス通路７への排気の逆流が生じないのである。また、前述のようにに前提としてＡ＞ＣかつＡ＞Ｂの条件を満たす必要があるので、両者を同時に満たす条件はＡ＞Ｃ＞Ｂとなる。このように、３つの各通路径Ａ、Ｂ、ＣがＡ＞Ｃ＞Ｂの条件を満たすようにしたのは、シミュレーション結果によるものである。
【００３２】
第２実施形態（請求項１に記載の発明）によれば、エンジン１からの排気が流れるメイン排気通路２と、このメイン排気通路２に設置される床下触媒１１（第１触媒）と、メイン排気通路２から分岐し、床下触媒１１上流のメイン排気通路２に合流するバイパス排気通路５と、このバイパス排気通路５に設置されるマニ触媒１２（第２触媒）と、バイパス排気通路５がメイン排気通路２から分岐する分岐点３ａとバイパス排気通路５がメイン排気通路２に合流する合流点７ａとの間にあるメイン排気通路２の遮断と連通とを切換可能な排気シャッターバルブ８と、エンジンの冷間始動時にこの排気シャッターバルブ８を制御して分岐点３ａと合流点７ａとの間にあるメイン排気通路２を遮断し、床下触媒１１が活性状態となったときこの排気シャッターバルブ８を制御して分岐点３ａと合流点７ａとの間にあるメイン排気通路２を連通させるエンジンコントロールユニット３１（制御手段）とを備え、最下流バイパス通路７ｃ（マニ触媒１２下流のバイパス排気通路５）の通路径Ｃが前記メイン排気通路２の通路径Ａより小さく、かつ上流側バイパス通路６（マニ触媒１２上流のバイパス排気通路５）の通路径Ｂが最下流バイパス通路７ｃ（マニ触媒１２下流のバイパス排気通路５）の通路径Ｃより小さくなるように最下流バイパス排気通路７、メイン排気通路２及び上流側バイパス通路６の通路径を設定するので、第１実施形態と同様にバイパス排気通路５がメイン排気通路２に合流する合流点７ａから排気がバイパス排気通路５を上流側へと逆流することを抑制することが可能となり、これにより排気圧力脈動が特に大きく現れる４気筒エンジンにおいても、マニ触媒１２の熱劣化を防止することができる。また、第１実施形態と相違して、エンジン回転速度の全域においてマニ触媒１２の熱劣化を防止することができる。
【００３３】
実施形態では４気筒エンジンの場合で説明したが、これに限られるものでなく、６気筒エンジンや８気筒エンジンにも排気圧力脈動が生じる限り本発明の適用がある。
【００３４】
第２実施形態では、通路径で説明したが、通路径に代えて通路断面積を採用してもかまわない。また、第２実施形態では、最低のエンジン回転速度を２０００ｒｐｍ程度、最高のエンジン回転速度を５０００ｒｐｍ程度に定めたが、これに限られるものでない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１実施形態の排気浄化装置の概略構成図。
【図２】第１、第２の実施形態の排気浄化装置を有するエンジンの排気系の詳細構成図。
【図３】排気シャッターバルブの開閉動作に伴う排気の流れを示す説明図。
【図４】Ｎｏ．１気筒の上流側メイン通路の排気圧力、最下流バイパス通路の排気流量のクランク角に対する各特性図。
【図５】第２実施形態の排気浄化装置の概略構成図。
【図６】回転速度に対する負側最大流量の特性図。
【図７】回転速度に対する負側最大流量の特性図。
【符号の説明】
【００３６】
１  エンジン
２  メイン排気通路
３  上流側メイン通路
４  下流側メイン通路
５  バイパス排気通路
６  上流側バイパス通路
７  下流側バイパス通路
７ｃ  最下流バイパス通路（第２触媒下流のバイパス排気通路）
８  排気シャッターバルブ
１１  床下触媒（第１触媒）
１２  マニ触媒（第２触媒）
３１  エンジンコントロールユニット（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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