JP5233910B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気を浄化する２つの触媒を単一のケース内に排気流れ方向に直列に設けた構成の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気系においては、三元触媒により排気中の窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素の浄化を行う。しかし、三元触媒の温度が低いときには、炭化水素の処理能力が不十分となる。

そこで、炭化水素を一時的に捕集する炭化水素吸着材を、排気系において三元触媒の下流側に設置することが考えられている（例えば特許文献１参照。）。

この特許文献１に係る従来例では、段落００１９に記載されているように、内燃機関Ｅの始動後において三元触媒３０が活性化温度に達していない低温時に、三元触媒３０を通過した排気をＨＣ吸着装置２９の内側通路３３に導いてＨＣ吸着剤３５で炭化水素を吸着させるようにし、内燃機関Ｅの始動後に一定時間が経過すると三元触媒３０を通過した排気を外側通路３４に導くようにしている。このように排気を導く先を内側通路３３と外側通路３４とに切り換えるために、切換弁手段３６を用いている。

しかし、このような特許文献１に係る従来例では、三元触媒３０とＨＣ吸着装置２９とを排気管２７に別々に設置しているために、コンパクト性に欠ける。

これに対し、特許文献２に係る従来例では、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒２０の外径側にＨＣ吸着材２１を配置して、これらを単一のケーシング４０内に収納した構成になっている。

しかし、このような特許文献２に係る従来例では、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒２０の外径側にＨＣ吸着材２１を配置している関係より、外径寸法が大きくなることが懸念される。さらに、この特許文献２に係る従来例の場合、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒２０とＨＣ吸着材２１との間に、バイパス用の排気通路４４が設けられているために、さらに、外径寸法が大きくなってしまう。

これに対し、特許文献３に係る従来例では、炭化水素吸着材５５を備える吸着部５と三元触媒６４を備える触媒部６とを直列に配置して、吸着部５よりも上流側に設置されるバルブ部４でもって、排気を吸着部５に流入させる状態と、排気を触媒部６へ流入させる状態とに切り替える構成が開示されている。なお、吸着部５の炭化水素吸着材５５は、円筒形状とされており、その中心孔に主排気通路ＲＡが配置されている。

特開２００３−７４３３３号公報 特開２０００−３４５８２９号公報 特開２００６−１９４２３１号公報

上記特許文献３に係る従来例は、吸着部５に含まれる炭化水素吸着材５５が円筒形状になっているために、その製造手法が制約されてしまい、例えば高価なメタル触媒でしか製作できなくなる。さらに、吸着部外筒５１と触媒部外筒６１とを結合したうえで、さらに吸着部外筒５１にバルブ部外筒４１を結合するような構造になっているために、その結合作業が多く必要になる。これらのことから、コストアップを余儀なくされる。

その他、上記特許文献３に係る従来例では、外筒５１の内径側に取り付けている円筒形状の炭化水素吸着材５５の中心孔に設置している主排気通路ＲＡ内を高温の排気が通過するようになっている関係より、炭化水素吸着材５５の外径側部分が、外気の影響を受けて炭化水素吸着材５５の内径側部分よりも低温になってしまい、触媒部６が活性化した後において炭化水素吸着材５５からのＨＣの脱離が局部的に行われることになる等、ＨＣの浄化性能が低下することが懸念される。

このような事情に鑑み、本発明は、内燃機関の排気を浄化する２つの触媒を単一のケース内に排気流れ方向に直列に設けた構成の排気浄化装置において、設備コストを抑制可能な構成にしたうえで、排気を効率良く浄化できるようにすることを目的としている。

本発明は、内燃機関の排気を浄化する２つの触媒を単一のケース内に排気流れ方向に直列に設けた構成の排気浄化装置であって、前記ケース内において排気流れ方向の上流側に配置される上流側触媒は、前記ケースの径方向中心側に当該ケースの内周面から離隔するように配置され、前記ケース内には、導入される排気を、前記上流側触媒に優先的に流入させる第１状態と、前記ケースと前記上流側触媒との間の環状空間から前記排気流れ方向の下流側に配置される下流側触媒へ優先的に流入させることで前記上流側触媒をバイパスさせる第２状態とに切り替えるための切り替え手段が設けられ、前記環状空間には、当該環状空間の周方向に排気を拡散させて前記下流側触媒側へ向かわせるためのガイド部材が設けられ、前記切り替え手段は、前記ケースに導入される排気を前記上流側触媒に優先的に流入させるための内筒と、この内筒の上流側に設置され、かつ前記ケースに導入される排気を前記内筒の下流側へスルーさせることで前記第１状態にする一方で、前記内筒の途中から前記ケースと前記上流側触媒との環状空間へ向けて流すことで前記第２状態にするための弁体とを含む、ことを特徴としている。

この構成では、外径寸法をコンパクトにするために、単一のケース内に２つの触媒を直列に配置することを前提にしている。このような前提構成では、排気浄化装置の使用用途に応じて、例えば２つの触媒の軸方向寸法を個別に変更することで触媒性能を変更することが可能になる等、汎用性を有している。

このような前提構成において、上流側触媒をケースの径方向中心側に配置することによって例えば円柱形状とすることを可能にしている。このような形状の上流側触媒であれば、特許文献３に係る従来例のように円筒形状にしている場合に比べて容易に製作することが可能になって、設備コストを低減するうえで有利となる。

さらに、前記構成では、第２状態にして環状空間に排気を流通させる場合において、ガイド部材により環状空間の周方向全域に排気を拡散させることが可能になるから、排気を下流側触媒にその広域から流入させることが可能になって、下流側触媒により排気を効率良く浄化させることが可能になる。また、前記構成では、切り替え手段の構成要素を特定しているから、排気浄化装置を比較的簡単な構成で実施することが明確になる。

好ましくは、前記ガイド部材は、前記上流側触媒を前記ケースに支持するための支持機能を備える。

この構成では、支持部材等の余分な部品を用いる必要がなくなるから、コスト増加を抑制するうえで有利になる。

好ましくは、前記ガイド部材は、外径形状が前記ケースの内径形状に合致しかつ内径形状が前記上流側触媒の外径形状と合致する環状板とされ、その周方向複数ヶ所には板厚方向に貫通する孔が設けられている。

この構成のように、ガイド部材が環状空間を塞ぐような環状板とされていて、その周方向複数ヶ所に孔を設けているから、環状空間に流入する排気がガイド部材の堰き止め作用によって環状空間の周方向全域に拡散されることになり、この拡散された排気がガイド部材の複数の孔を通過することになって下流側触媒へ向けて送られるようになる。このようにガイド部材による作用が明確になる。

好ましくは、前記ガイド部材の孔は、前記環状板の周方向複数ヶ所を打ち抜くことにより形成され、この打ち抜きにより生じる打ち抜き片が斜め姿勢にされた状態で残存されている。

この構成では、前記孔を排気が通過すると、斜め姿勢の打ち抜き片によって孔を通過した排気が環状空間の周方向一方へ向けて螺旋状に旋回するようになるので、排気がさらに拡散しやすくなる。このように螺旋状に旋回する排気は、環状空間の下流側から下流側触媒へ向かうので、下流側触媒にその広域から流入するようになる。また、前記のように打ち抜き片を、いわゆる切り起こし方法で作るようにしていれば、別体の片を後付けする場合に比べて、簡単に製作することが可能になる。

好ましくは、前記ガイド部材は、前記上流側触媒の上流側端部や下流側端部の少なくともいずれか一方に設けられる。

この構成では、ケースの内部空間において上流側触媒の上流側と下流側とに比較的広い空間が存在するようになっているために、ケース内において排気の気柱共鳴が発生して排気騒音が発生しやすくなることが懸念される。例えば気柱共鳴の腹は、上流側触媒の上流側の空間と下流側の空間とに存在することになり、気柱共鳴の節は、上流側触媒が配置される部位に存在することになる。

このような構成において、気柱共鳴の節となる位置に、前記ガイド部材を設けるように特定しているから、このガイド部材による排気の絞り作用によって排気騒音を低減することが可能になる。

好ましくは、前記上流側触媒は、排気中の炭化水素を吸着する吸着触媒とされ、前記下流側触媒は、三元触媒とされる。

この構成では、吸着触媒をケースの径方向中心側に配置することによって、この吸着触媒としては、例えば円柱形状とすることが可能になり、そのような形状の吸着触媒であれば、特許文献３に係る従来例のように円筒形状とする場合に比べて容易に製作することが可能になって、製造上のコストダウンが可能になる。例えば、吸着触媒は、多孔質部材、つまり内部に微細通路を有する部材、具体的にはセラミックス製のハニカムコア等とすることが可能になり、その成形が簡単に行えるようになる。

好ましくは、前記吸着触媒の外周には、断熱材が設けられる。

そもそも、第２状態にしている場合、吸着触媒の外径側の環状空間を流れる排気の熱が吸着触媒に伝わって昇温することになるが、それによって吸着触媒が急速に高温になると、当該吸着触媒に既に吸着されている炭化水素が脱離する作用が促進されることが懸念される。

しかしながら、この構成では、第２状態にしている場合でも、吸着触媒の外径側の環状空間を流れる排気の熱によって吸着触媒が外径側から加熱されなくなるから、当該吸着触媒に既に吸着されている炭化水素が脱離することが抑制または防止されるようになる。

ちなみに、仮に、下流側触媒が活性化していない状況で、第２状態にして排気を下流側触媒に優先的に流入させようとする場合に、吸着触媒の外径側の環状空間を流れる排気によって吸着触媒が下流側触媒よりも先に昇温することが防止される。このような状況では、下流側触媒による排気中の炭化水素の浄化作用が不十分であるものの、吸着触媒が外径側ならびに内部から加熱されないので、当該吸着触媒に既に吸着されている炭化水素が脱離することが抑制または防止されるようになる。そのため、活性化していない下流側触媒で炭化水素が浄化されずに排出されてしまうことを防止するうえで有利になる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、外径寸法のコンパクト化を図るために、内燃機関の排気を浄化する２つの触媒を単一のケース内に排気流れ方向に直列に設けた構成を前提とし、上流側触媒としての吸着触媒を比較的安価に製造できるような形状に工夫するとともに、ケースに対する吸着触媒の設置形態を工夫しているから、設備コストを抑制することが可能になり、また、上流側触媒としての吸着触媒のバイパス時に排気が下流側触媒にその広域から流入するようになって排気を効率良く浄化させることが可能になる。したがって、本発明は、比較的安価で浄化性能の優れた排気浄化装置を提供できるようになる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の一実施形態で、排気浄化装置の設置例を示す図である。 図１において下流側の排気浄化装置の概略構成を示す断面図である。 図２のガイド部材を示す斜視図である。 図２の切り替え手段の概略構成を示す側面図である。 図４の弁体を示す斜視図で、バイパス用開口を開いた状態を示している。 図４の弁体を示す斜視図で、バイパス用開口を閉じた状態を示している。 図２に示す下流側の排気浄化装置における排気の流れを説明するための説明図である。 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の他実施形態で、内燃機関の排気系を示す概略構成図である。 図８のガイド部材を示す斜視図である。 図８に示す下流側の排気浄化装置における排気の流れを説明するための説明図である。

以下、本発明を実施するための最良の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

図１から図７に本発明の一実施形態を示している。図１を参照して、内燃機関の排気浄化装置の設置状態を説明する。この実施形態では内燃機関１としてガソリンエンジンとする場合を例に挙げている。

内燃機関１には、エキゾーストマニホールド２を介して排気管３が取り付けられている。この排気管３には、スタートコンバータ等と呼ばれる排気浄化装置４と、アンダーフロアコンバータ等と呼ばれる排気浄化装置５とが排気流れ方向に直列に設けられている。

上流側に配置される排気浄化装置４は、例えば三元触媒とされる。この三元触媒は、周知のように、空燃比がほぼ理論空燃比のときに未燃成分（ＨＣ,ＣＯ）を酸化し、同時に窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する機能を有する。さらに、この三元触媒は、周知のように、酸素貯蔵機能を有し、この酸素貯蔵機能により空燃比が理論空燃比からある程度まで偏移したとしても、ＨＣ,ＣＯ、及びＮＯｘを浄化することができる。即ち、内燃機関１の空燃比がリーンとなって三元触媒からなる排気浄化装置４に流入するガスにＮＯｘが多量に含まれると、この排気浄化装置４はＮＯｘから酸素分子を奪ってＮＯｘを還元してＮＯｘを浄化するとともに、その酸素を吸蔵する。また、内燃機関１の空燃比がリッチになって三元触媒に流入するガスにＨＣ,ＣＯが多量に含まれると、三元触媒からなる排気浄化装置４はこれらに吸蔵していた酸素を与えて酸化し、これによりＨＣ,ＣＯを浄化する。

下流側に配置される排気浄化装置５は、図２に示すように、吸着触媒１１と三元触媒１２とを単一のケース１３内に排気流れ方向に直列に設けた構成である。

吸着触媒１１は、内燃機関１の排気中の炭化水素を吸着するもので、外形形状が円柱形に形成された多孔質部材、例えばセラミックス製のハニカムコア等とされる。

三元触媒１２は、内燃機関１の排気を浄化するもので、前記したような周知の構成である。この三元触媒１２は、その外形形状が円柱形に形成されている。

ケース１３は、全体的に円筒形に形成されていて、その排気流れ方向の上流側および下流側が共に外側へ向けて漸次小径に絞られた円錐形状になっている。このケース１３は、容器部材１３Ａの開口に蓋状部材１３Ｂを結合したツーピース構造になっている。

容器部材１３Ａは、排気流れ方向の上流側に設けられる長尺の大径円筒部１３ａと、排気流れ方向の途中に設けられる円錐部１３ｂと、排気流れ方向の下流側に設けられる短尺の小径円筒部１３ｃとを備えている。大径円筒部１３ａ内には、吸着触媒１１と三元触媒１２とが収納され、また、小径円筒部１３ｃは、排気管３の下流側に結合されるようになっている。

蓋状部材１３Ｂは、排気流れ方向の上流側に設けられる短尺の小径円筒部１３ｄと、排気流れ方向の途中に設けられる円錐部１３ｅと、排気流れ方向の下流側に設けられる大径円筒部１３ｆとを備えている。小径円筒部１３ｄは、排気管３の上流側に結合され、また、大径円筒部１３ｆは、容器部材１３Ａの大径円筒部１３ａの開口端に外径側から嵌合されて結合されるようになっている。

吸着触媒１１は、ケース１３の内部空間において排気流れ方向の中間領域に配置されている。三元触媒１２は、ケース１３の内部空間において排気流れ方向の下流側領域に配置されている。そして、ケース１３の内部空間において上流側領域には、切り替え手段１４が設けられている。

なお、切り替え手段１４は、ケース１３内に導入される排気を、吸着触媒１１に優先的に流入させる第１状態（図２の矢印Ｘ参照）と、三元触媒１２へ優先的に流入させて吸着触媒１１をバイパスさせる第２状態（図２の矢印Ｙ参照）とに切り替えるものであるが、その詳細は後で説明する。

このように、ケース１３の内部空間には、切り替え手段１４、吸着触媒１１、三元触媒１２が、この記載順に排気流れ方向に直列に設けられている。つまり、吸着触媒１１が請求項に記載の上流側触媒に、また、三元触媒１２が請求項に記載の下流側触媒にそれぞれ相当する。

さらに、吸着触媒１１は、ケース１３の径方向中心側にケース１３の内周面から離隔するように内筒２１および第１、第２ガイド部材２２，２３を介して取り付けられている。これにより、ケース１３の内周と吸着触媒１１の外周との間には、吸着触媒１１をバイパスするための環状空間１５が形成されている。

内筒２１は、導入される排気を吸着触媒１１のみに流入させるための通路を形成するものである。この内筒２１は、排気流れ方向の上流側に設けられる小径円筒部２１ａと、排気流れ方向の途中に設けられる円錐部２１ｂと、排気流れ方向の下流側に設けられる大径円筒部２１ｃとを備えている。

小径円筒部２１ａの先端部分は、ケース１３の蓋状部材１３Ｂにおける小径円筒部１３ｄの内径側に嵌合されている。大径円筒部２１ｃの内部には、吸着触媒１１が断熱材２４を介して嵌入装着されている。断熱材２４は、吸着触媒１１の外周に当該吸着触媒１１を包囲するように取り付けられている。この大径円筒部２１ｃにおいて排気流れ方向上流側と下流側とが下記する第１、第２ガイド部材２２，２３を介してケース１３に支持されており、それによって吸着触媒１１がケース１３に支持されるようになっている。このことから、前記した環状空間１５は、厳密には、内筒２１の大径円筒部２１ｃとケース１３との間に形成されていることになる。

そして、内筒２１の小径円筒部２１ａにおいて排気流れ方向の途中で下半分領域には、バイパス用開口２１ｄが設けられており、このバイパス用開口２１ｄよりも下流側には、立ち上がり壁２１ｅが設けられている。この立ち上がり壁２１ｅは、切り替え手段１４の下記弁体３１を支持するとともに、バイパス用開口２１ｄに入った排気を環状空間１５側へ向かわせるように案内するものである。

第１、第２ガイド部材２２，２３は、図３に示すように、環状空間１５を排気流れ方向に塞ぐように、外径形状がケース１３の内径形状に合致しかつ内径形状が吸着触媒１１の外径形状と合致する環状板とされている。

この実施形態では、第１、第２ガイド部材２２，２３は、外径形状および内径形状が共に円形の環状板とされている。そして、第１、第２ガイド部材２２，２３の円周方向複数ヶ所には、板厚方向に貫通する孔２２ａ，２３ａが設けられているとともに、この孔２２ａ，２３ａの内周縁の一部には、斜め姿勢の突片２２ｂ，２３ｂが設けられている。

詳しくは、孔２２ａ，２３ａは、円周方向に沿った扇形に形成されていて、その円周方向の一端側の内周縁には突片２２ｂ，２３ｂが設けられている。突片２２ｂ，２３ｂは、孔２２ａ，２３ａを通過した排気を螺旋状に旋回させながら送り出すような働きをする。この実施形態において、孔２２ａ，２３ａは、円形の環状板からなる第１、第２ガイド部材２２，２３の円周数ヶ所を打ち抜くことにより形成され、また、突片２２ｂ，２３ｂは、前記打ち抜きにより生じる打ち抜き片を斜め姿勢に折り曲げられて残存されたものとされているのである。

このように、第１、第２ガイド部材２２，２３は、共に、吸着触媒１１をケース１３に支持する機能だけでなく、バイパス用開口２１ｄから斜め下向きに流れる排気を内筒２１の円周方向上側へ拡散させる機能を備えている。この実施形態では、第１、第２ガイド部材２２，２３は、それぞれの排気旋回方向を同じ向きにするように設置されている。

また、三元触媒１２は、周知の構成であるが、外形形状が円柱形に形成されていて、ケース１３の容器部材１３Ａの内周面に隙間のない状態で取り付けられている。この三元触媒１２の外周全体にも断熱材２５が包囲するように取り付けられており、この断熱材２５が三元触媒１２とケース１３の容器部材１３Ａとの間に介在されるようになっている。

この断熱材２５と前記の断熱材２４とは、例えばセラミックファイバー（例えばイビデン製の商品名：高温用アルミナファイバー）等を材料とされている。このような材料からなる断熱材２４，２５は、それで囲む吸着触媒１１や三元触媒１２の熱を外側へ放出することを抑制または防止するとともに、断熱材２４，２５の外側の熱を吸着触媒１１や三元触媒１２に伝達することを抑制または防止する。なお、断熱材２４，２５は、触媒を保持するのに通常用いているマットによって代用してもよい。

次に、前記の切り替え手段１４は、図４に示すように、主として、前記した内筒２１と、弁体３１と、アクチュエータ３２とを含んだ構成になっている。

弁体３１は、内筒２１のバイパス用開口２１ｄを開閉するものであって、例えば半円形状に形成され、その直線辺に回転自在に設けられる支軸３４を介して内筒２１の小径円筒部２１ａ内において立ち上がり壁２１ｅに回転または揺動可能に取り付けられている。

アクチュエータ３２は、弁体３１を作動させるものであって、例えば負圧を利用してピストンロッド３２ａを押し引きする構成である。ピストンロッド３２ａは、リンクバー３２ｂを介して弁体３１の支軸３４に連結されており、ピストンロッド３２ａの直線運動をリンクバー３２ｂで回転運動に変換して弁体３１を開閉する。このアクチュエータ３２のケース３２ｃの圧力室３２ｄには、スプリング３２ｅが圧縮状態で収納されており、このスプリング３２ｅの弾力（弾性復元力）によってピストンロッド３２ａを外側へ押し出すように付勢するようになっている。

このアクチュエータ３２の動作としては、圧力室３２ｄに負圧を供給していない自然状態つまり圧力室３２ｄの内圧が大気室３２ｆと同等の場合に、スプリング３２ｅの弾性復元力でピストンロッド３２ａを図４の二点鎖線で示すように押し出して弁体３１がバイパス用開口２１ｄを開く状態になる（図５参照）。一方、圧力室３２ｄに負圧を供給した状態つまり圧力室３２ｄの内圧が大気室３２ｆより低下した場合に、スプリング３２ｅの弾力に抗してピストンロッド３２ａが図４の実線で示すように引き込まれて弁体３１がバイパス用開口２１ｄを閉じる状態になる（図６参照）。

つまり、この実施形態では、ピストンロッド３２ａを押した自然状態のときに前記第２状態になるが、例えば負圧を供給することによって引いた状態のときに前記第１状態になる。

このアクチュエータ３２の動力源、つまりピストンロッド３２ａを引いてスプリング３２ｅを圧縮させるための動力源としては、図示していないが、車両に装備されるブレーキブースタで発生するブレーキ負圧とすることができる。

つまり、アクチュエータ３２の動力発生源３５としては、例えばブレーキブースタとすることができる。この動力発生源３５のリザーブタンク（図示省略）は、負圧配管３６およびスイッチングバルブ３７を経てアクチュエータ３２の圧力室３２ｄに連通連結されている。なお、アクチュエータ３２の動力源としては、内燃機関１の吸気系のバキューム負圧とすることも可能である。また、アクチュエータ３２は、例えば電動式とすることも可能である。さらに、アクチュエータ３２は、周知のように、圧力でダイアフラムスプリングを撓ませてロッドを押し引きする機構とすることも可能である。

制御装置３３は、少なくともアクチュエータ３２の動作を制御するもので、必要に応じてスイッチングバルブ３７をオン・オフすることにより前記排気の流通経路を前記第１状態または第２状態にするための処理を少なくとも実行する。この制御装置３３は、周知のＥＣＵ（Electronic Control Unit）とされ、双方向性バスによって相互に接続した中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラムメモリ（ＲＯＭ）、データメモリ（ＲＡＭ）、バックアップメモリ（不揮発性ＲＡＭ）等を含んだ構成になっている。

次に、動作について説明する。

一般的に、内燃機関１を冷間始動すると、内燃機関１からエキゾーストマニホールド２を経て排気管３に例えば３００〜４００℃の排気が排出されることになり、この排気を上流側の排気浄化装置４が浄化するとともに、この排気の熱によって上流側の排気浄化装置４が内部から加熱されることになる。

この上流側の排気浄化装置４が活性化するまでの間は、排気中の炭化水素の浄化作用が不足するために、この上流側の排気浄化装置４を通過する排気中の炭化水素を下流側の排気浄化装置５の吸着触媒１１に吸着させるようにすることが好ましい。

そこで、制御装置３３は、内燃機関１を冷間始動してから上流側の排気浄化装置４が活性化するまでの間、排気を吸着触媒１１に優先的に流入させる第１状態にする。つまり、制御装置３３は、スイッチングバルブ３７をオンすることにより、アクチュエータ３２に動力発生源３５で発生する負圧を供給させる状態にする。

これにより、スプリング３２ｅの弾力（弾性復元力）に抗してピストンロッド３２ａが引かれるので、図６に示すように、弁体３１がバイパス用開口２１ｄを閉じる状態になり、前記第１状態とされる。この第１状態では、下流側の排気浄化装置５の内筒２１に導入される排気は、すべて内筒２１から吸着触媒１１のみに流入するようになるので、この吸着触媒１１に排気中の炭化水素が吸着されるとともに、この吸着触媒１１が昇温するようになる。

この吸着触媒１１を通過した排気は、その下流側に配置される三元触媒１２に流入するようになって、この三元触媒１２が内部から昇温するようになる。この段階でも、三元触媒１２が排気中の窒素酸化物及び一酸化炭素を浄化するようになる。

そして、上流側の排気浄化装置４が活性化すると、そのことを制御装置３３が認識し、排気を三元触媒１２へ優先的に流入させて吸着触媒１１をバイパスさせる第２状態にする。つまり、制御装置３３は、スイッチングバルブ３７をオフすることにより、アクチュエータ３２に動力発生源３５で発生する負圧を供給させない状態にする。

これにより、スプリング３２ｅの弾力（弾性復元力）でピストンロッド３２ａを押した状態を保つので、図５に示すように、弁体３１がバイパス用開口２１ｄを開く状態になり、前記第２状態になる。この第２状態では、下流側の排気浄化装置５の内筒２１に導入される排気は、すべてバイパス用開口２１ｄから内筒２１の小径円筒部２１ａとケース１３との間の環状空間１６に流入するようになるので、この排気のすべてが吸着触媒１１の外径側の環状空間１５を経て三元触媒１２のみに流入するようになる。

この段階では、活性化した上流側の排気浄化装置４が排気中の窒素酸化物、一酸化炭素ならびに炭化水素を効率良く浄化するが、この上流側の排気浄化装置４を通過した排気が下流側の排気浄化装置５の三元触媒１２に流入するようになって、この三元触媒１２でも排気中に残存する窒素酸化物、一酸化炭素ならびに炭化水素を浄化する。ところで、この過程において、吸着触媒１１の温度が所定の閾値以上に昇温すると、この吸着触媒１１に既に吸着された炭化水素が脱離されるようになって、この脱離した炭化水素が三元触媒１２に流入するようになるので、前記脱離した炭化水素が三元触媒１２で浄化されるようになる。

ここで、図７を参照して、内筒２１に導入される排気のすべてを環状空間１５から三元触媒１２へ送る第２状態にした場合における排気の動向を説明する。

そもそも、バイパス用開口２１ｄを内筒２１の円周方向下側に設置しているので、このバイパス用開口２１ｄに流入する排気は、斜め下向きに流れるようになる。この斜め下向きに流れる排気は、まず、上流側に位置する第１ガイド部材２２の堰き止め作用によって内筒２１とケース３１との間の環状空間１６において円周方向の上側へ回り込むように拡散されることになる。この拡散された排気は、第１ガイド部材２２の各孔２２ａから環状空間１５へ流入するようになる。そのとき、斜め姿勢の突片２２ｂによって排気が環状空間１５を円周方向一方へ向けて螺旋状に旋回されながら環状空間１５に流入するようになる。

その後、排気は、下流側に位置する第２ガイド部材２３の各孔２３ａを通過して吸着触媒１１と三元触媒１２との間の空間１７へ流れ込むが、その際にも、斜め姿勢の突片２３ｂによって排気が螺旋状に旋回しながら前記空間１７に流入するようになるので、排気が三元触媒１２にその前面の広域から流入するようになる。これにより、三元触媒１２の略全域でもって排気が浄化されるようになる等、三元触媒１２の浄化能力がフル活用されるようになる。

以上説明したように、本発明を適用した実施形態では、次のような作用効果を得ることが可能である。

まず、下流側の排気浄化装置５は、単一のケース１３内に吸着触媒１１と三元触媒１２とを排気流れ方向に直列に設けた構成になっている。これにより、排気浄化装置５の使用対象に応じて、吸着触媒１１と三元触媒１２との軸方向寸法を個別に変更することで浄化性能を変更することが可能になる等、汎用性を有している。

このような下流側の排気浄化装置５において、ケース１３の径方向中心側に上流側に位置する吸着触媒１１を配置することによって、この吸着触媒１１を例えば円柱形状とすることを可能にしているから、特許文献３に係る従来例のように円筒形状にしている場合に比べて容易に製作することが可能になって、設備コストを低減するうえで有利となる。

また、単一のケース１３を容器部材１３Ａと蓋状部材１３Ｂとを組み合わせたツーピース構造にしているから、排気浄化装置５の製造時に、容器部材１３Ａに切り替え手段１４と吸着触媒１１と三元触媒１２とを組み込んでから、この容器部材１３Ａに蓋状部材１３Ｂを取り付けて結合すればよくなる。そのため、特許文献３に係る従来例のように吸着部外筒５１と触媒部外筒６１とを結合したうえで、吸着部外筒５１にバルブ部外筒４１を結合する場合に比べて、結合作業を少なくすることが可能になる等、コスト低減を図るうえで有利となる。

さらに、第２状態として環状空間１５に排気を流通させる場合において、上流側に位置する第１ガイド部材２２により環状空間１５の円周方向全域に排気を拡散させることが可能になるとともに、環状空間１５から流出する排気を下流側に位置する第２ガイド部材２３によりさらに円周方向全域に拡散させることが可能になるから、排気が三元触媒１２にその前面の広域から流入するようになって、三元触媒１２による排気の浄化が効率良く行われるようになる。

この他、下流側の排気浄化装置５が、単一のケース１３内に吸着触媒１１と三元触媒１２とを排気流れ方向に直列に設けた構成であるために、通常、ケース１３の内部空間において吸着触媒１１の上流側と下流側とに比較的広い空間１６，１７が存在するようになっているために、第２状態にしている場合に、ケース１３内において排気の気柱共鳴が発生して排気騒音が発生しやすくなることが懸念される。しかしながら、前記した実施形態では、気柱共鳴の節となる位置つまり吸着触媒１１の外径側の環状空間１５に、吸着触媒１１を支持する機能を有する第１、第２ガイド部材２２，２３を設けることによって排気を絞るようにしているから、排気騒音を低減することが可能になる。

さらに、第２状態にしている場合、吸着触媒１１の外径側の環状空間１５を流れる排気の熱が吸着触媒１１に伝わって昇温しやすくなり、それによって吸着触媒１１が急速に高温になると、当該吸着触媒１１に既に吸着されている炭化水素が脱離する作用が促進されることが懸念される。しかしながら、この実施形態では、断熱材２４を吸着触媒１１の外周に取り付けているから、第２状態にしている場合に、吸着触媒１１の外径側の環状空間１５を流れる排気の熱によって吸着触媒１１が外径側から加熱されなくなるから、当該吸着触媒１１に既に吸着されている炭化水素が脱離することが抑制または防止されるようになる。これにより、第２状態にしている場合に、吸着触媒１１が三元触媒１２よりも先に昇温することが防止されるので、活性化していない三元触媒１２から炭化水素が浄化されずに流出してしまうことを防止するうえで有利となる。

なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲で包含されるすべての変形や応用が可能である。以下で例を挙げる。

（１）図８から図１０を参照して、本発明の他実施形態を説明する。この実施形態では、第１ガイド部材２２を無くして、その代わりに、内筒２１のバイパス用開口２１ｄより下流側に第３ガイド部材４１を設けているとともに、内筒２１の大径円筒部２１ｃにおける開口端つまり吸着触媒１１の下流端側に、先絞り形状の筒体４２を設けているようにしている。

具体的に、第３ガイド部材４１は、内筒２１の小径円筒部２１ａにおける軸方向途中の下側をケース１３に支持させる支持機能と、内筒２１のバイパス用開口２１ｄから斜め下向きに流入した排気を円周方向上側へ回り込ませるガイド機能とを有している。

この第３ガイド部材４１は、横から見たときに半円形状の板とされ、その適宜位置の数ヶ所に板厚方向に貫通する孔４１ａが設けられている。この孔４１ａは、例えば円形とされている。なお、孔４１ａの形状は、任意であり、また、前記した第１、第２ガイド部材２２，２３の突片２２ｂ，２３ｂと同様の突片を設けるようにしてもよい。

この第３ガイド部材４１は、内筒２１の立ち上がり壁２１ｅとしての役割を持つようになっている。つまり、この実施形態での内筒２１は、バイパス用開口２１ｄが設けられているものの、立ち上がり壁２１ｅが設けられていない。

そこで、第３ガイド部材４１について、図９に示すように、内筒２１の小径円筒部２１ａの内径寸法に対応する環状板の半分にした半円形状に形成する。この半円形状の第３ガイド部材４１を、内筒２１においてバイパス用開口２１ｄより排気流れ方向の下流側に取り付けるようにする。この半円形状の第３ガイド部材４１の直線辺部分に、切り替え手段１４の弁体３１の支軸３４を回転自在に取り付けるようにする。

また、筒体４２は、円錐形の斜面が径方向外向きに膨んで湾曲したような形状になっている。なお、筒体４２は、円錐形状としてもよい。この筒体４２は、内筒２１の大径円筒部２１ｃの端縁に取り付けられ、環状空間１５から第２ガイド部材２３の孔２３ａを通過する排気が三元触媒１２に衝突して反射されたときに、この反射した排気を直接的に吸着触媒１１に向かわせないようにするためのものである。

図１０を参照して、内筒２１に導入される排気のすべてを環状空間１５から三元触媒１２へ送る第２状態にした場合における排気の動向を説明する。

そもそも、バイパス用開口２１ｄを内筒２１の円周方向下側に設置しているので、第２状態にした場合において、バイパス用開口２１ｄに流入する排気は、斜め下向きに流れるようになる。この斜め下向きに流れる排気は、まず、第３ガイド部材４１の堰き止め作用によって内筒２１とケース３１との間の環状空間１６において円周方向上側へ回り込むように拡散されることになる。この拡散された排気のうち上側の排気は、環状空間１６から環状空間１５へと直接的に流入するようになるが、前記拡散された排気のうち下側の排気は、第３ガイド部材４１の各孔４１ａを通過して環状空間１５へ流入するようになる。

その後、第２ガイド部材２３の各孔２３ａから吸着触媒１１と三元触媒１２との間の空間１７へ流れ込むが、その際、斜め姿勢の突片２３ｂによって排気が螺旋状に旋回しながら前記空間１７に流入するようになるので、排気が三元触媒１２にその前面の広域から流入するようになる。これにより、三元触媒１２の略全域でもって排気が浄化されるようになる等、三元触媒１２の浄化能力がフル活用されるようになる。また、吸着触媒１１から脱離した炭化水素が空間１７で排気とミキシングされるという効果も奏する。

さらに、この実施形態の場合も、第３ガイド部材４１および第２ガイド部材２３による排気絞り作用によって排気騒音を低減することが可能になる。このように、この実施形態においても、上記実施形態と基本的に同様の作用効果が得られる。

（２）上記実施形態では、第１、第２ガイド部材２２，２３に斜め姿勢の突片２２ｂ，２３ｂを設けることで排気をスワール流にさせるようにした例を挙げているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば突片２２ｂ，２３ｂを無くして単純に孔２２ａ，２３ａのみを設けるようにしたものも本発明に含まれる。

（３）上記実施形態では、２つの排気浄化装置４，５を備える場合の例を挙げているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば上流側の排気浄化装置４と下流側の排気浄化装置５との間にも適宜の触媒を設定することが可能である。また、マニバータと呼ばれる触媒をエキゾーストマニホールド２に設置したものにも本発明を適用することが可能である。

（４）上記実施形態では、内燃機関１をガソリンエンジンとした例を挙げているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばディーゼルエンジンあるいはその他のエンジン等、任意の型式とすることが可能である。内燃機関１をディーゼルエンジンとする場合には、例えば上流側の排気浄化装置４を、例えばＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）やＤＰＮＲ（Diesel Particulate -NOx Reduction system）、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ：NOx storage reduction）、ＮＯｘ選択還元触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）等のうち、少なくともいずれか１つとすることが可能である。

１ 内燃機関
４ 上流側の排気浄化装置
５ 下流側の排気浄化装置
１１ 吸着触媒
１２ 三元触媒
１３ ケース
１４ 切り替え手段
１５ 吸着触媒の外径側の環状空間
２１ 内筒
２１ｄ 内筒のバイパス用開口
２２ 上流側に位置する第１ガイド部材
２３ 下流側に位置する第２ガイド部材
３１ 弁体
３２ アクチュエータ
３３ 制御装置

Claims (7)

1. 内燃機関の排気を浄化する２つの触媒を単一のケース内に排気流れ方向に直列に設けた構成の排気浄化装置であって、
   前記ケース内において排気流れ方向の上流側に配置される上流側触媒は、前記ケースの径方向中心側に当該ケースの内周面から離隔するように配置され、
   前記ケース内には、導入される排気を、前記上流側触媒に優先的に流入させる第１状態と、前記ケースと前記上流側触媒との間の環状空間から前記排気流れ方向の下流側に配置される下流側触媒へ優先的に流入させることで前記上流側触媒をバイパスさせる第２状態とに切り替えるための切り替え手段が設けられ、
   前記環状空間には、当該環状空間の周方向に排気を拡散させて前記下流側触媒側へ向かわせるためのガイド部材が設けられ、
   前記切り替え手段は、前記ケースに導入される排気を前記上流側触媒に優先的に流入させるための内筒と、
   この内筒の上流側に設置され、かつ前記ケースに導入される排気を前記内筒の下流側へスルーさせることで前記第１状態にする一方で、前記内筒の途中から前記ケースと前記上流側触媒との環状空間へ向けて流すことで前記第２状態にするための弁体とを含む、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記ガイド部材は、前記上流側触媒を前記ケースに支持するための支持機能を備える、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記ガイド部材は、外径形状が前記ケースの内径形状に合致しかつ内径形状が前記上流側触媒の外径形状と合致する環状板とされ、その周方向複数ヶ所には板厚方向に貫通する孔が設けられている、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
4. 請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記ガイド部材の孔は、前記環状板の周方向複数ヶ所を打ち抜くことにより形成され、この打ち抜きにより生じる打ち抜き片が斜め姿勢にされた状態で残存されている、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記ガイド部材は、前記上流側触媒の上流側端部や下流側端部の少なくともいずれか一方に設けられる、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
6. 請求項１から５のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記上流側触媒は、排気中の炭化水素を吸着する吸着触媒とされ、前記下流側触媒は、三元触媒とされる、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
7. 請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
   前記吸着触媒の外周には、断熱材が設けられる、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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