JP2009167941A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力損失および体格の大型化を招くことなく、内燃機関の始動時に短期間で触媒の温度を上昇させ、排気とともに排出される特定物質を低減する排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気通路４１に設けられている絞り部４０は、第一弁部材４４および第二弁部材４７の開度を調整することにより排気通路４１の断面積および排気通路４１における排気の流れを制御する。三元触媒３２の温度が低いとき、絞り部４０は排気の流れを三元触媒３２の外周側の一部へ導く。これにより、三元触媒３２の温度が低いとき、排気は三元触媒３２の一部に導入され、エンジン本体１３が始動してから短期間で三元触媒３２の温度は上昇する。絞り部４０は、三元触媒３２の温度が上昇するにつれて排気通路４１の断面積を拡大し、三元触媒３２の温度が活性温度に達すると排気通路４１を全開にする。これにより、排気は三元触媒３２の全体に導入され、圧力損失が低減される。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置に関し、特に内燃機関の始動時など触媒の温度が低いときに排気の浄化を促進する排気浄化装置に関する。

例えばディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関は、始動時のように触媒温度が低いとき、炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）などの特定物質の排出が増大するという問題がある。これは、内燃機関の始動時、触媒の温度が活性を確保するための十分な温度に達していないからである。そこで、特許文献１では、径方向の中心部など触媒の一部に排気の流れが容易な低圧力損失部を設けている。これにより、特許文献１では、内燃機関の始動時において、触媒の低圧力損失部に積極的な排気の流れを形成し、触媒の迅速な温度上昇を図っている。
特開２００４−１００４８１号公報

しかしながら、触媒の中央部に低圧力損失部を形成する場合、強度の観点から一般的なセラミックス担体を用いることは困難である。また、低圧力損失部による流路の抵抗の差だけでは、排気の流れを低圧力損失部に集中させることは困難である。さらに、排気の温度すなわち触媒の温度が十分に上昇した後は、低圧力損失部は閉鎖する必要がある。そのため、触媒の全体における圧力損失の増大を招くとともに、処理能力の確保のために体格の大型化を招くという問題がある。

そこで、本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧力損失および体格の大型化を招くことなく、内燃機関の始動時に短期間で触媒の温度を上昇させ、排気とともに排出される特定物質を低減する排気浄化装置を提供することにある。

請求項１記載の発明では、排気通路における排気の流れ方向において触媒の上流側または下流側の少なくともいずれか一方に絞り部を備えている。絞り部は、触媒が活性温度以下のとき、排気通路を流れる排気を触媒の一部に導く。これにより、例えば内燃機関の始動時など触媒の温度が低いとき、内燃期間から排出された排気は絞り部によって触媒の一部に導かれる。排気は、触媒の一部を通過することにより、触媒の温度を局所的に上昇させる。そのため、触媒は、排気が流れる部分において迅速に温度が上昇する。一方、触媒の温度が上昇して活性温度以上になると、絞り部は排気の流れを絞ることなく触媒の全体に排気を導く。したがって、圧力損失および体格の大型化を招くことなく、内燃機関の始動時に短期間で触媒の温度を上昇させ、排気とともに排出される特定物質を低減することができる。

請求項２記載の発明では、絞り部は排気通路の断面積を低減する。これにより、排気通路を流れる排気は、絞り部に導かれて触媒の一部へ流入する。したがって、内燃機関の始動時に短期間で触媒の温度を上昇させることができる。
請求項３記載の発明では、絞り部は触媒の温度が上昇するにつれて排気通路の断面積を増大させる。これにより、内燃機関が十分に暖機され触媒の温度が活性温度に達するにつれて、触媒には大量の排気が流入可能となる。そのため、処理量を確保するために触媒を大型化する必要はない。したがって、圧力損失および体格の大型化を招くことなく、内燃機関から排出される排気に含まれる特定物質を低減することができる。

請求項４または５記載の発明では、絞り部は、触媒の温度が上昇するにつれて、排気通路の断面積を触媒の径方向の外側から内側へかけて拡大する。触媒の径方向外側には、簡単な弁構造によって排気の流れが導かれる。したがって、簡単な構造で排気を触媒の一部に流入させることができ、触媒の温度を短期間で上昇させることができる。

請求項６または７記載の発明では、絞り部は、触媒の温度が上昇するにつれて、排気通路の断面積を触媒の径方向の中心部から外側へかけて拡大する。すなわち、触媒の温度が低いとき、絞り部は触媒の径方向の中心部へ排気を導く。そのため、排気は、触媒の径方向において中心部を集中して流れる。触媒の中心部に排気を導くことにより、排気の熱は触媒に伝達される。また、触媒の中心部を排気が流れることにより、排気の熱は触媒の外部へ放出されにくい。その結果、触媒の温度上昇が促進される。したがって、触媒の温度を短期間で上昇させることができる。
請求項８記載の発明では、触媒の上流側に排気加熱手段を備えている。排気加熱手段は、触媒に流入する排気を加熱する。これにより、触媒に流入する排気は、触媒の加熱をより促進する。したがって、触媒の温度を短期間で上昇させることができる。

以下、本発明による排気浄化装置を適用したエンジンシステムの複数の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態によるエンジンシステムを図２に示す。
エンジンシステム１０は、内燃機関としてのガソリンエンジン１１および排気浄化装置１２を備えている。ガソリンエンジン１１は、エンジン本体１３、吸気系１４、排気系１５、ガソリン供給部１６および制御部１７から構成されている。エンジン本体１３は、シリンダ１８の内部を往復するピストン１９を有している。シリンダ１８には、燃料を噴射するインジェクタ２１が設けられている。ガソリンエンジン１１の場合、燃料はガソリンである。なお、燃料は、ガソリンに代えて例えば液化石油ガス（ＬＰＧ）、液化天然ガス（ＬＮＧ）、あるいはエタノールなどのアルコール類を適用することができる。また、エンジンシステム１０は、ガソリンエンジン１１に限らずディーゼルエンジンを備えていてもよい。本実施形態では、燃料としてガソリンを用いる例について説明する。インジェクタ２１は、シリンダ１８とピストン１９との間に形成されている燃焼室２２へ燃料を噴射する。本実施形態の場合、ガソリンエンジン１１は、インジェクタ２１から燃焼室２２へ燃料を噴射するいわゆる直噴式である。ガソリンエンジン１１は、直噴式に限らずいわゆる予混合式であってもよい。

吸気系１４は、吸気通路を形成する吸気管部２３を有している。吸気管部２３は、一方の端部がエンジン本体１３に接続している。吸気管部２３は、大気側の端部にエアフィルタ２４を有している。吸気は、エアフィルタ２４で異物が除去された後、吸気管部２３が形成する吸気通路を経由してエンジン本体１３へ吸入される。吸気系１４は、スロットル２５を有している。スロットル２５は、吸気通路を開閉して、吸気通路を流れる吸気の流量を制御する。吸気通路の燃焼室２２側の端部は、図示しない吸気バルブが設けられている。吸気バルブが開閉することにより、吸気通路から燃焼室２２への吸気の流入が断続される。

排気系１５は、排気通路を形成する排気管部２６を有している。排気管部２６は、一方の端部がエンジン本体１３に接続している。排気管部２６は、エンジン本体１３とは反対側の大気側の端部にマフラー２７を有している。排気は、エンジン本体１３から排気管部２６が形成する排気通路を経由して大気中へ排出される。排気通路の燃焼室２２側の端部には、図示しない排気バルブが設けられている。排気バルブが開閉することにより、燃焼室２２から排気通路への排気の流出が断続される。

ガソリン供給部１６は、ガソリンタンク２８、供給管部２９、ポンプ３１およびインジェクタ２１を有している。ガソリンタンク２８は、インジェクタ２１から噴射されるガソリンを貯える。供給管部２９は、ガソリンタンク２８とインジェクタ２１とを接続している。ポンプ３１は、ガソリンタンク２８とインジェクタ２１との間の供給管部２９に設けられている。ポンプ３１は、ガソリンタンク２８に貯えられているガソリンを加圧してインジェクタ２１に供給する。インジェクタ２１は、ポンプ３１で加圧された燃料を燃焼室２２へ噴射する。

制御部１７は、ガソリンエンジン１１および排気浄化装置１２をはじめとするエンジンシステム１０の全体を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。制御部１７は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを有するマイクロコンピュータで構成されている。制御部１７は、図示しない車内ＬＡＮを経由してエンジンシステム１０の他の制御装置と接続している。制御部１７は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量などに基づいて、インジェクタ２１およびスロットル２５に駆動信号を出力する。制御部１７は、インジェクタ２１に駆動信号を出力することによりインジェクタ２１の開弁時間すなわち燃料の噴射量を制御する。また、制御部１７は、スロットル２５に駆動信号を出力することにより、スロットル２５の開度を制御する。

排気浄化装置１２は、三元触媒３２、温度センサ３３および絞り部４０を備えている。また、エンジンシステム１０の制御部１７も、排気浄化装置１２を構成している。三元触媒３２、温度センサ３３および絞り部４０は、いずれも排気系１５に設けられている。三元触媒３２は、活性温度に達すると、排気に含まれる炭化水素（ＨＣ）を水（Ｈ_２Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ_２）に酸化する。また、三元触媒３２は、排気に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）を二酸化炭素（ＣＯ_２）に酸化する。さらに、三元触媒３２は、排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素（Ｎ_２）に還元する。なお、触媒は、三元触媒３２に限らず、例えばアンモニア酸化触媒、ＮＯｘ選択還元触媒あるいはＮＯｘ吸蔵触媒などのその他の触媒を配置してもよい。

温度センサ３３は、三元触媒３２が設けられている排気管部２６に設置されている。温度センサ３３は、例えばサーミスタなどの検温素子から構成されている。温度センサ３３は、三元触媒３２の温度に対応する電気信号を制御部１７へ出力する。制御部１７は、温度センサ３３から出力された電気信号に基づいて三元触媒３２の温度を検出する。したがって、温度センサ３３および制御部１７は、特許請求の範囲の触媒温度検出手段を構成している。なお、三元触媒３２の温度は、本実施形態のように三元触媒３２を収容する排気管部２６に設けた温度センサ３３で直接検出する例に限らない。例えば、排気通路を形成する排気管部２６に温度センサ３３を設け、排気通路を流れる排気の温度に基づいて三元触媒３２の温度を間接的に検出してもよい。また、エンジン本体１３の冷却水の温度から三元触媒３２の温度を間接的に検出してもよい。さらに、ガソリンの噴射量と排気の温度とは相関することを利用して、インジェクタ２１からのガソリン噴射量に基づいて三元触媒３２の温度を間接的に推定してもよい。

絞り部４０は、図１に示すように排気管部２６が形成する排気通路４１における排気の流れ方向において三元触媒３２の上流側に設けられている。絞り部４０は、排気通路４１を形成する排気管部２６を貫く回転軸部４２、４３を有している。回転軸部４２、４３は、排気通路４１の中心軸に対し垂直に排気管部２６を径方向へ貫いている。回転軸部４２、４３は、同軸の二重構造となっている。一方の回転軸部４２には、第一弁部材４４が一体に接続している。第一弁部材４４は、回転軸部４２を中心に回転する。第一弁部材４４は、回転軸部４２の三元触媒３２とは反対側すなわちエンジン本体１３側の排気通路４１を開閉する。第一弁部材４４は、回転軸部４２を中心に外縁部４５が排気管部２６の内壁４６と接する状態から、排気通路４１の中心軸と概ね平行な状態まで回転する。第一弁部材４４の外縁部４５が排気管部２６の内壁４６と接しているとき、排気通路４１は回転軸部４２よりもエンジン本体１３側において一部が塞がれた部分開状態となる。一方、第一弁部材４４が排気の流れと概ね平行すなわち排気通路４１の中心軸上に位置するとき、排気通路４１は第一弁部材４４によって塞がれない全開状態となる。

他方の回転軸部４３には、第二弁部材４７が一体に接続している。第二弁部材４７は、回転軸部４３を中心に回転する。第一弁部材４４と第二弁部材４７とは、それぞれ独立して駆動される。第二弁部材４７は、回転軸部４３の三元触媒３２側の排気通路４１を開閉する。第二弁部材４７は、回転軸部４３を中心に外縁部４８が排気管部２６の内壁４６に近接している状態から、排気通路４１の中心軸と概ね平行な状態まで回転する。第二弁部材４７の外縁部４８が排気管部２６の内壁４６に近接しているとき、排気は排気管部２６の内壁４６と第二弁部材４７の外縁部４８との間を経由して三元触媒３２の径方向外側、すなわち図１（Ａ）の上端側へ流入する。このとき、第二弁部材４７は、排気通路４１の一部を開放する部分開状態となる。一方、第二弁部材４７が排気の流れと概ね平行すなわち排気通路４１の中心軸上に位置するとき、排気通路４１は第二弁部材４７によって塞がれない全開状態となる。

絞り部４０は、第一弁部材４４および第二弁部材４７を駆動する駆動ユニット４９を有している。駆動ユニット４９は、例えばモータなどを有しており、制御部１７からの指令により第一弁部材４４および第二弁部材４７をそれぞれ部分開状態と全開状態との間に制御する。第一弁部材４４および第二弁部材４７は、駆動ユニット４９により互いに独立して駆動される。これにより、第一弁部材４４および第二弁部材４７の開度は、それぞれ独立して制御される。

第一弁部材４４が部分開状態であり、第二弁部材４７が部分開状態であるとき、図３（Ａ）に示すように排気通路４１は絞り部４０によって断面積が減少する。このとき、排気通路４１を流れる排気は、第一弁部材４４および第二弁部材４７に案内されて三元触媒３２の径方向において外周側へ導かれる。そのため、排気は、三元触媒３２の径方向外側の端部の一部に導入される。また、第一弁部材４４が部分開状態であり、第二弁部材４７が全開状態であるとき、図３（Ｂ）に示すように排気通路４１は絞り部４０によって断面積が減少するものの、図３（Ａ）に示す第一弁部材４４および第二弁部材４７がいずれも部分開状態のときよりも断面積は増大する。このとき、排気通路４１を流れる排気は、第一弁部材４４および第二弁部材４７に案内されて三元触媒３２のほぼ上半分へ導かれる。そのため、排気は、三元触媒３２の上半分に導入される。さらに、第一弁部材４４および第二弁部材４７がいずれも全開状態であるとき、図３（Ｃ）に示すように排気通路４１は絞り部４０によって断面積が減少しない。このとき、排気通路４１を流れる排気は、第一弁部材４４および第二弁部材４７に妨げられることなく、排気通路４１に沿って三元触媒３２に流入する。そのため、排気は、三元触媒３２の全体に導入される。

次に、上記の構成による排気浄化装置１２の作動を図４に基づいて説明する。
制御部１７は、図示しないイグニッションスイッチがＯＮのとき（Ｓ１０１）、ガソリンエンジン１１が始動時であるか否かを判定する（Ｓ１０２）。また、制御部１７は、ステップＳ１０２においてガソリンエンジン１１が始動時でないと判定したとき、ガソリンエンジン１１が回転中であるか否かを判定する（Ｓ１０３）。すなわち、制御部１７は、ガソリンエンジン１１が始動からの経過時間の短い始動期間中であるか、またはガソリンエンジン１１が始動から所定の期間が経過した通常の運転中であるか否かを判定する。制御部１７は、ステップＳ１０３においてガソリンエンジン１１が回転していない、すなわち通常の運転中でないと判定したとき、処理を終了する。ステップＳ１０３においてガソリンエンジン１１が回転中でないとき、イグニッションスイッチがＯＮであるもののガソリンエンジン１１は通常の運転していない状態である。したがって、ガソリンエンジン１１は運転されておらず、エンジン本体１３から排気が排出されないため、制御部１７は処理を終了する。

制御部１７は、ステップＳ１０２においてガソリンエンジン１１が始動中である、またはステップＳ１０３においてガソリンエンジン１１が回転中であると判定したとき、三元触媒３２の温度が所定の温度ｔより低いか否かを判定する（Ｓ１０４）。制御部１７は、温度センサ３３から出力された電気信号に基づいて三元触媒３２の温度を検出する。そして、制御部１７は、検出した三元触媒３２の温度が所定の温度ｔより低いか否かを判定する。このとき、制御部１７が判定する基準となる温度ｔは、例えば三元触媒３２の活性温度である。すなわち、制御部１７は、ステップＳ１０４において三元触媒３２が活性温度より低いか否かを判定する。なお、排気通路４１を流れる排気の温度に基づいて三元触媒３２の温度を推定する場合、ステップＳ１０４における判定に用いる所定の温度ｔは三元触媒３２の活性温度に一致しなくてもよい。この場合、所定の温度ｔは、三元触媒３２の温度と排気の温度との関係からあらかじめ設定される。

制御部１７は、ステップＳ１０４において検出した三元触媒３２の温度が所定の温度ｔより低いと判定すると、第一弁部材４４を閉側へ駆動する（Ｓ１０５）。制御部１７は、駆動ユニット４９に駆動信号を出力し、第一弁部材４４を駆動する。これにより、第一弁部材４４は、外縁部４５が排気管部２６の内壁４６に接する位置まで駆動される。その結果、排気通路４１は、図３（Ａ）に示すように第一弁部材４４により断面の一部が塞がれた部分開状態となる。

制御部１７は、ステップＳ１０５において第一弁部材４４を駆動するとともに、第二弁部材４７の開度を調整する（Ｓ１０６）。制御部１７は、駆動ユニット４９に駆動信号を出力し、第二弁部材４７を駆動する。制御部１７は、ステップＳ１０４において検出した三元触媒３２の温度に応じて第二弁部材４７の開度を設定する。例えばエンジン本体１３の始動直後のように三元触媒３２の温度が活性温度よりも十分に低いとき、制御部１７は図３（Ａ）に示すように第二弁部材４７の外縁部４８を排気管部２６の内壁４６に近接する位置まで駆動する。一方、制御部１７は、エンジン本体１３の始動から期間が経過し三元触媒３２の温度が上昇するにつれて、第二弁部材４７を図３（Ａ）に示す外縁部４８が排気管部２６の内壁４６に近接する位置から図３（Ｂ）に示す排気通路４１の中心軸上に位置するまで駆動する。すなわち、第二弁部材４７は、三元触媒３２の温度が上昇するにつれて外縁部４８が排気管部２６の内壁４６側から排気通路４１の中心軸側へ徐々に移動する。その結果、排気通路４１の断面積は、図３（Ａ）に示すように排気が三元触媒３２の外周側の一部に導入される部分開状態から、図３（Ｂ）に示すように排気が三元触媒３２の上半分に導入される半開状態まで変化する。

以上の第一弁部材４４および第二弁部材４７の作動により、三元触媒３２の温度が活性温度よりも十分に低いとき、第一弁部材４４は図１に示す排気通路４１の下半分を塞ぐとともに、第二弁部材４７も排気通路４１の大部分を塞ぐ。これにより、排気通路４１を流れる排気は、図３（Ａ）に示すように三元触媒３２の外周側の一部、すなわち図３（Ａ）の上端側に導入される。三元触媒３２の温度が上昇するにつれて、第一弁部材４４は駆動されることなく、第二弁部材４７のみが駆動され排気通路４１の断面積は増大する。そのため、第一弁部材４４は、排気通路４１の下半分を塞いだ状態を維持する。これにより、排気通路４１の断面積は、第二弁部材４７が排気管部２６の内壁４６から排気通路４１の中心軸へ移動することによって徐々に拡大する。その結果、排気通路４１を流れる排気は、第二弁部材４７の移動にともなって三元触媒３２の上端側の一部から上半分までの間に導入される。

制御部１７は、ステップＳ１０４において三元触媒３２の温度が所定の温度ｔ以上、すなわち活性温度以上と判定したとき、第一弁部材４４および第二弁部材４７を開側へ駆動する（Ｓ１０９）。制御部１７は、駆動ユニット４９に駆動信号を出力し、第一弁部材４４を駆動する。三元触媒３２の温度上昇にともなって第二弁部材４７は、排気通路４１の中心軸上に位置している。そのため、制御部１７は、第一弁部材４４を排気通路４１の中心軸上まで駆動する。これにより、第一弁部材４４および第二弁部材４７は、図３（Ｃ）に示すようにいずれも排気通路４１の中心軸上に位置する。その結果、排気通路４１は、第一弁部材４４および第二弁部材４７によって塞がれない全開状態となる。したがって、排気通路４１を流れる排気は、三元触媒３２の全体へ流入する。

制御部１７は、三元触媒３２の温度に応じてステップＳ１０５、ステップＳ１０６またはステップＳ１０９において第一弁部材４４および第二弁部材４７の開度を調整すると、エンジン本体１３の燃焼室２２へ燃料を噴射する（Ｓ１０７）。制御部１７は、インジェクタ２１に駆動信号を出力することによりインジェクタ２１からの燃料の噴射を制御する。インジェクタ２１から燃焼室２２へ燃料を噴射すると、制御部１７は図示しない点火プラグにより燃焼室２２へ噴射された燃料に点火する（Ｓ１０８）。

以上説明したように、第１実施形態では、排気通路４１に第一弁部材４４および第二弁部材４７を有する絞り部４０を備えている。絞り部４０は、第一弁部材４４および第二弁部材４７の開度を調整することにより排気通路４１の断面積および排気通路４１における排気の流れを制御する。三元触媒３２の温度が低いとき、絞り部４０は排気の流れを三元触媒３２の外周側の一部へ導く。絞り部４０は、三元触媒３２の温度が上昇するにつれて排気通路４１の断面積を拡大していく。そして、三元触媒３２の温度が活性温度に達すると、絞り部４０は排気通路４１を全開にする。これにより、三元触媒３２の温度が低いとき、排気は三元触媒３２の一部に導入される。その結果、図５（Ａ）に示すように、絞り部４０を設けていない比較例に対し、第１実施形態ではエンジン本体１３が始動してから短期間で三元触媒３２の温度は上昇する。一方、三元触媒３２の温度が上昇し活性温度に達すると、排気は三元触媒３２の全体に導入され、圧力損失が低減される。したがって、三元触媒３２の迅速な温度上昇を図ることができるとともに、体格の大型化を招くことなく圧力損失の低減を図ることができる。また、三元触媒３２の迅速な温度上昇によって、図５（Ｂ）に示すように、絞り部４０を設けていない比較例に対し、第１実施形態ではエンジン本体１３の始動初期から排気に含まれるＨＣを低減することができる。

（第２、第３、第４実施形態）
本発明の第２、第３、第４実施形態による排気浄化装置の要部をそれぞれ図６、図７または図８に示す。
第２実施形態の場合、図６に示すように排気浄化装置１２の絞り部５０は、絞り弁部材５１および弁駆動ユニット５２を有している。絞り弁部材５１は、板状に形成され、一方の端部が排気管部２６に接続している。絞り弁部材５１は、排気管部２６の回転軸部５３を中心に回転可能である。絞り弁部材５１は、回転軸部５３とは反対側の可動端部５４が三元触媒３２側へ伸びている。絞り弁部材５１は、回転軸部５３を中心に回転することにより、可動端部５４が三元触媒３２の径方向において内側から外側へ移動する。弁駆動ユニット５２は、回転軸部５３を中心に絞り弁部材５１を回転駆動する。すなわち、弁駆動ユニット５２は、特許請求の範囲の弁駆動手段を構成している。

絞り弁部材５１の可動端部５４が三元触媒３２の径方向において内側にあるとき、排気通路４１は三元触媒３２側ほど断面積が低減する。また、絞り弁部材５１の可動端部５４が三元触媒３２の径方向において内側にあるとき、排気通路４１を流れる排気は三元触媒３２の径方向の中心部へ導かれる。一方、絞り弁部材５１の可動端部５４が三元触媒３２の径方向の外側にあるとき、可動端部５４は三元触媒３２を収容する排気管部２６の内壁４６側に位置する。このとき、排気通路４１は、三元触媒３２側ほど断面積が増大する。また、このとき、排気通路４１を流れる排気は、三元触媒３２の全体へ導かれる。

第２実施形態では、温度センサ３３は、絞り部５０の上流側すなわちエンジン本体１３側に設けられている。制御部１７は、温度センサ３３で検出した絞り部５０上流側における排気通路４１を流れる排気の温度から三元触媒３２の温度を推定する。なお、温度センサ３３は、第１実施形態と同様に三元触媒３２の温度を直接検出する構成としてもよい。
第２実施形態の場合、三元触媒３２の温度が低いとき、絞り弁部材５１は弁駆動ユニット５２により可動端部５４が三元触媒３２の中心部側へ駆動される。そのため、排気通路４１を流れる排気は、三元触媒３２の径方向において中心部側の一部へ導入される。そして、三元触媒３２の温度が上昇するにつれて、絞り弁部材５１は弁駆動ユニット５２により可動端部５４が三元触媒３２の外側へ駆動される。そのため、排気通路４１を流れる排気は、三元触媒３２の温度の上昇にともなって三元触媒３２への流入面積が拡大する。

第２実施形態では、三元触媒３２の温度が低いとき、排気は絞り弁部材５１によって三元触媒３２の中心部へ導かれる。三元触媒３２は、導入された排気によって中心部から加熱される。これにより、三元触媒３２の部分的な加熱が促進される。その結果、排気に含まれる特定物質は、迅速に加熱される三元触媒３２の中心部において酸化または還元される。また、三元触媒３２の中心部に排気を導入することにより、三元触媒３２を収容する排気管部２６の外壁からの熱の放出が低減される。排気管部２６は例えばステンレスなど比較的熱伝導率の高い金属で形成されているのに対し、三元触媒３２は担体として比較的熱伝導率が低いセラミックスが用いられる。そのため、三元触媒３２の中心部は、外周側に比較して断熱性が高くなる。その結果、三元触媒３２に導入した排気によって、三元触媒３２はより迅速に加熱され、三元触媒３２の中心部の温度は低下しにくくなる。したがって、三元触媒３２をより迅速に活性温度に加熱することができ、エンジン本体１３の始動初期から排気とともに排出される特定物質をより低減することができる。また、絞り弁部材５１は、三元触媒３２の温度の上昇にともなって排気管部２６の内壁４６側へ移動し、排気通路４１を拡大する。そのため、排気通路４１を流れる排気は、三元触媒３２の温度が上昇すると、三元触媒３２の全体へ流入する。したがって、排気の圧力損失を低減することができる。

第３実施形態の場合、図７に示すように絞り部６０は、絞り弁部材６１を駆動するバイメタル６２を有している。バイメタル６２は、温度の変化によって変形し、絞り弁部材６１の可動端部６４を三元触媒３２の中心側から外側へ駆動する。すなわち、バイメタル６２は、特許請求の範囲における弁駆動手段を構成している。絞り弁部材６１は、バイメタル６２によって駆動される。三元触媒３２の温度は、排気の温度に相関する。すなわち、エンジン本体１３の始動初期のように排気の温度が低いとき三元触媒３２の温度は低く、エンジン本体１３が安定した運転状態にあるとき排気の温度および三元触媒３２の温度は高くなる。バイメタル６２が排気の温度によって変形することにより、絞り弁部材６１の可動端部６４は、排気の温度が低いとき三元触媒３２の中心側に位置し、排気の温度が高いとき三元触媒３２の外周側に位置する。第３実施形態の場合、温度センサ３３は、第２実施形態と同様に絞り部６０の上流側に設けられている。なお、三元触媒３２に温度センサ３３を設け、三元触媒３２の温度を直接検出する構成としてもよい。
第３実施形態では、バイメタル６２の変形によって絞り弁部材６１は駆動される。したがって、例えば弁駆動ユニットなどの絞り弁部材６１を駆動するための動力源を廃止することができる。

第４実施形態の場合、図８に示すように絞り部７０は、絞り弁部材７１を支持する弾性部７２を有している。弾性部７２は、例えばばねなどにより形成され、一端が絞り弁部材７１に固定され、他端が排気管部２６の内壁４６に固定されている。弾性部７２は、絞り弁部材７１を緩やかに内側へ押し付けている。絞り弁部材７１は、一方の端部が回転軸部７３を介して排気管部２６に固定されている。絞り弁部材７１は、回転軸部７３を中心に回転可能である。これにより、排気通路４１を流れる排気の流量が小さいとき、絞り弁部材７１の可動端部７４は弾性部７２の押し付け力により三元触媒３２の中心側に位置している。弾性部７２が絞り弁部材７１を押し付ける力は比較的小さいため、排気通路４１を流れる排気の流量が増大すると、絞り弁部材７１の可動端部７４は三元触媒３２の中心側から外周側へ移動する。すなわち、弾性部７２は、特許請求の範囲の弁駆動手段を構成している。排気の流量は、エンジン本体１３の負荷によって変動し、負荷が大きくなるほど増大する。また、排気の温度も、エンジン本体１３の負荷が大きくなるほど上昇する。その結果、三元触媒３２の温度は、エンジン本体１３の負荷が大きくなるほど上昇する。したがって、排気の流量と三元触媒３２の温度とは相関する。すなわち、排気の流量が小さいとき、三元触媒３２の温度は低くなる。第４実施形態の場合、温度センサ３３は、第２実施形態と同様に絞り部７０の上流側に設けられている。なお、三元触媒３２に温度センサ３３を設け、三元触媒３２の温度を直接検出する構成としてもよい。

第４実施形態では、三元触媒３２の温度が低くなる排気の流量が小さいとき、絞り部７０の絞り弁部材７１は可動端部７４が三元触媒３２の中心側へ移動する。そのため、三元触媒３２の温度が低いとき、排気は三元触媒３２の中心部へ導入される。そして、排気の流量が増大するにつれて、絞り弁部材７１の可動端部７４は三元触媒３２の中心側から外周側へ移動する。そのため、三元触媒３２の温度が上昇するにつれて排気が流れる排気通路４１の断面積は拡大する。したがって、弁駆動ユニットなどの動力源を用いることなく、排気の流量に応じて三元触媒３２へ導入する排気が流れる排気通路４１の面積を可変することができる。排気通路４１の面積を可変することにより、排気の流量が小さいとき、三元触媒３２の中心部における加熱を促進することができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態による排気浄化装置の要部を図９に示す。
第５実施形態の場合、絞り部８０は排気通路における排気の流れ方向において三元触媒３２の下流側に設けられている。三元触媒３２の下流側の一部を絞り部８０で塞ぐことにより、排気は排気通路４１の圧力差によって三元触媒３２のうち絞り部８０で塞がれていない部分を主に通過する。これにより、第５実施形態のように三元触媒３２の下流側に絞り部８０を設ける場合でも、排気通路４１を流れる排気を三元触媒３２の一部または全体に導入することができる。

第５実施形態の場合、絞り部８０は、第一弁部材８１および第二弁部材８２を有している。第一弁部材８１および第二弁部材８２は、それぞれ回転軸部８３、８４を中心としてそれぞれ独立して駆動される。第一弁部材８１および第二弁部材８２が排気通路４１の中心軸上に位置しているとき、三元触媒３２は絞り部８０によって塞がれない全開状態となる。第一弁部材８１の外径は、排気通路４１の内径よりも小さい。そのため、第一弁部材８１が排気通路４１の中心軸に対し概ね垂直に立ち上がっているとき、第一弁部材８１の端部８５と排気管部２６の内壁４６との間には通路が形成される。これにより、第一弁部材８１および第二弁部材８２がいずれも排気通路４１の中心軸に対し概ね垂直となっているとき、排気通路４１を流れる排気は三元触媒３２の外周側の一部、図９の上端側に導かれる。その結果、三元触媒３２は、排気が流れる外周側の加熱が促進される。

第５実施形態では、温度センサ３３は、絞り部８０の下流側すなわちエンジン本体１３の反対側に設けられている。制御部１７は、温度センサ３３で検出した絞り部８０下流側における排気通路４１を流れる排気の温度から三元触媒３２の温度を推定する。なお、温度センサ３３は、第１実施形態と同様に三元触媒３２の温度を直接検出する構成としてもよい。
第５実施形態では、三元触媒３２の下流側で排気が流れる経路を制御している。これにより、排気通路４１を流れる排気は、三元触媒３２の上流側の前面に当たる。したがって、触媒との接触面積が増え低流量時の浄化を向上することができる。

（第６実施形態）
本発明の第６実施形態による排気浄化装置の要部を図１０に示す。
第６実施形態は、第１実施形態の変形である。第６実施形態の場合、図１０に示すように排気浄化装置１２は排気加熱部９０を有している。排気加熱部９０は、三元触媒３２の上流側すなわちエンジン本体１３側に設けられている。排気加熱部９０は、例えば電気ヒータやバーナーなどを有している。制御部１７は、三元触媒３２の温度が低いとき、排気加熱部９０を駆動する。これにより、三元触媒３２に導入される排気は、排気加熱部９０によって加熱される。すなわち、三元触媒３２には、排気加熱部９０で加熱された温度の高い排気が導入される。そのため、三元触媒３２は、より迅速に温度が上昇する。

第６実施形態では、排気を加熱する排気加熱部９０を備えている。そのため、排気通路４１を流れる排気は、排気加熱部９０で加熱された後、三元触媒３２へ流入する。したがって、三元触媒３２の温度のさらなる迅速な上昇を図ることができ、エンジン本体１３の始動初期から排気とともに排出される特性物質を低減することができる。
なお、第６実施形態では、第１実施形態に排気加熱部９０を追加する例について説明した。しかし、第２実施形態から第５実施形態で説明した排気浄化装置に排気加熱部９０を設けてもよい。

（その他の実施形態）
温度センサ３３は、排気通路４１における排気の流れ方向において三元触媒３２の上流側や下流側に設けてもよい。この場合、各温度センサで検出した温度と三元触媒３２の温度の相関を予め測定し三元触媒３２の温度を推定する。
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

（Ａ）は本発明の第１実施形態による排気浄化装置の要部の断面を示す概略図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線における断面図 本発明の第１実施形態による排気浄化装置を適用したエンジンシステムを示す模式図 本発明の第１実施形態による排気浄化装置の絞り部の作動を示す概略図 本発明の第１実施形態による排気浄化装置の作動の流れを示す概略図 （Ａ）はガソリンエンジンの始動からの経過時間と使用部位の三元触媒温度との関係を示す概略図であり、（Ｂ）はガソリンエンジンの始動からの経過時間と排気とともに排出されるＨＣ濃度との関係を示す概略図 本発明の第２実施形態による排気浄化装置の要部の断面を示す概略図 本発明の第３実施形態による排気浄化装置の要部の断面を示す概略図 本発明の第４実施形態による排気浄化装置の要部の断面を示す概略図 本発明の第５実施形態による排気浄化装置の要部の断面を示す概略図 本発明の第６実施形態による排気浄化装置の要部の断面を示す概略図

符号の説明

図面中、１１はガソリンエンジン（内燃機関）、１２は排気浄化装置、１７は制御部、２６は排気管部、３２は三元触媒、３３は温度センサ（触媒温度検出手段）、４０、５０、６０、７０、８０は絞り部、４１は排気通路、４２、４３、８３、８４は回転軸部、４４、８１は第一弁部材、４７、８２は第二弁部材、４９は駆動ユニット（弁駆動手段）、５１、６１、７１は絞り弁部材、５２は弁駆動ユニット（弁駆動手段）、６２はバイメタル（弁駆動手段）、７２は弾性部（弁駆動手段）、９０は排気加熱部（排気加熱手段）を示す。

Claims (8)

1. 内燃機関からの排気が流れる排気通路を形成する排気管部と、
   前記排気通路に設けられている触媒と、
   前記触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
   前記排気通路における排気の流れ方向において前記触媒の上流側または下流側の少なくともいずれか一方に設けられ、前記触媒温度検出手段で検出した前記触媒の温度が活性温度より低いとき、前記排気通路を流れる排気を前記触媒の一部に導く絞り部と、
   を備えることを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記絞り部は、前記排気通路の断面積を低減することを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
3. 前記絞り部は、前記触媒温度検出手段で検出した前記触媒の温度が上昇するにつれて、前記排気通路の断面積を増大させることを特徴とする請求項２記載の排気浄化装置。
4. 前記絞り部は、前記触媒の温度の上昇につれて、前記触媒の径方向において外側から内側へ前記排気通路の断面積を拡大することを特徴とする請求項３記載の排気浄化装置。
5. 前記絞り部は、前記排気通路を径方向に貫く回転軸部と、前記回転軸部を中心に回転し前記回転軸部の前記触媒とは反対側の前記排気通路を開閉する第一弁部材と、前記第一弁部材と独立して前記回転軸部を中心に回転し前記回転軸部の前記触媒側の前記排気通路を開閉する第二弁部材と、前記第一弁部材および前記第二弁部材を独立して駆動する弁駆動手段と、を有することを特徴とする請求項４記載の排気浄化装置。
6. 前記絞り部は、前記触媒の温度の上昇につれて、前記触媒の径方向において中心部から外側へ前記排気通路の断面積を拡大することを特徴とする請求項３記載の排気浄化装置。
7. 前記絞り部は、前記排気管部の内壁から前記触媒に向けて伸びる絞り弁部材と、前記絞り弁部材を前記触媒の径方向において中心側と外周側との間で駆動する弁駆動手段と、を有することを特徴とする請求項６記載の排気浄化装置。
8. 前記触媒の上流側に排気を加熱する排気加熱手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の排気浄化装置。

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