JPH11132035A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低温度領域から高温度領域までＮＯｘ浄化性
能を向上させる。 【解決手段】 排気管１３を２本の浄化通路１４，１５
と連絡通路１６に分岐し、これらの通路を再び１本の排
気管１７に合流させる。浄化通路１４，１５の途中に、
それぞれ第１触媒１８，第２触媒１９を配設し、分岐点
Ｄと合流点Ｍに排気経路切換バルブ２４，２５を設け、
連絡通路１６の途中に連絡通路開閉バルブ２６を設け
る。ＥＣＵ３０は、第１及び第２触媒１８，１９の排気
温度センサ２０〜２３の出力信号に基づいて各排気経路
切換バルブ２４，２５と連絡通路開閉バルブ２６の切換
位置を制御する。これにより、触媒温度（排気温度）が
低い時には、２つの触媒１８，１９を並列に使用する並
列経路に切り換えて、触媒温度の上昇を促進させ、触媒
温度が高い時には、２つの触媒１８，１９を直列に使用
する直列経路に切り換えて、触媒１８，１９の過昇温を
防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気中
に含まれる窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」と表記する）を
複数の触媒で浄化する内燃機関の排気浄化装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、特開平６−１７３６６６号公報に
示すように、排気の浄化効率を高めるために、内燃機関
の排気管に複数の触媒を設け、これら触媒を並列に使用
する排気経路と直列に使用する排気経路とを選択的に切
換可能とし、排気温度が低い領域では、複数の触媒を直
列に使用して排気ガスが触媒を複数回通過することで、
ＮＯｘ浄化率を高め、一方、排気温度が高い領域では、
複数の触媒を並列に使用して排気ガスが触媒を通過する
回数を１回とすることで、触媒の高温劣化を防止するこ
とが提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、触媒を直列
に使用すると、下流側の触媒までの排気経路が長くなる
ため、排気ガスが下流側の触媒に到達するまでの放熱量
が多くなり、下流側の触媒に到達する排気ガスの温度が
低下する。従って、上記公報のように、排気温度が低い
領域で、触媒を直列に使用したのでは、始動時に下流側
の触媒の昇温が遅れて、触媒温度がＮＯｘ浄化温度に上
昇するまでに時間がかかり、始動時のＮＯｘ浄化率が悪
くなるという欠点がある。また、触媒を並列に使用する
と、並列の排気経路を合計した流路断面積が１本の排気
管より大きくなるため、排気ガスが各触媒を通り抜ける
速度が遅くなり、各触媒に伝達される排気熱量が多くな
る。従って、上記公報のように排気温度が高い領域で、
触媒を並列に使用したのでは、高温の触媒が更に昇温さ
れて過昇温状態となってしまい、ＮＯｘ浄化率が著しく
低下してしまう。

【０００４】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たものであり、従ってその目的は、低温領域での触媒の
早期昇温と高温領域での触媒の過昇温防止とを両立で
き、低温度領域から高温度領域まで高いＮＯｘ浄化性能
を得ることができる内燃機関の排気浄化装置を提供する
ことにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれ
ば、複数の触媒を直列に配置して排気を流す直列経路
と、複数の触媒を並列に配置して排気を流す並列経路と
を排気経路切換手段により切り換える際に、複数の触媒
のうちの少なくとも代表的な触媒の活性状態を活性状態
判定手段により判定し、その判定結果から、触媒の活性
状態が所定以下の場合には、前記排気経路切換手段によ
り排気の経路を前記並列経路に切り換え、触媒の活性状
態が所定より高い場合には、前記排気経路切換手段によ
り排気の経路を前記直列経路に切り換える。

【０００６】この構成では、触媒温度（排気温度）が低
く、触媒の活性状態が低い場合には、並列経路で各触媒
に排気を流すことで、排気が各触媒を通り抜ける速度を
遅くして、各触媒に伝達される排気熱量を多くする。こ
れにより、排気温度が低い場合であっても、触媒温度を
迅速に上昇させて、ＮＯｘ浄化温度範囲（適正な活性状
態）への早期昇温が可能となり、始動時等の低排気温時
のＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。

【０００７】また、触媒温度が高く、触媒の活性状態が
高い場合には、直列経路で各触媒に排気を流すことで、
排気が各触媒を通り抜ける速度を速くして、触媒に伝達
される排気熱量を少なくする。これにより、排気温度が
高い場合であっても、触媒温度の上昇が抑えられ、触媒
が過昇温状態となることが抑制される。しかも、この場
合、排気は下流側の触媒に到達するまでに排気経路中で
冷却されるため、下流側の触媒は、伝達される排気熱量
が一層少なくなり、過昇温状態となることがより効果的
に抑制される。従って、高排気温時のＮＯｘ浄化率も向
上できると共に、触媒の高温劣化も抑えることができ
る。

【０００８】この場合、請求項２のように、直列経路
を、複数通りの直列経路に切換可能に構成し、直列経路
を使用する場合に、いずれかの触媒が適正な活性状態
（ＮＯｘ浄化温度範囲）を越えて過昇温状態になった時
に、その過昇温状態の触媒を下流側に位置させるように
排気経路切換手段により前記直列経路を切り換えるよう
にしても良い。このように、過昇温状態の触媒を下流側
に配置すれば、その触媒に流入する排気の温度が低下す
るため、それまで過昇温状態であった触媒の温度も低下
してＮＯｘ浄化温度範囲に戻る。これにより、全ての触
媒がほぼＮＯｘ浄化温度範囲内に保たれる。

【０００９】ところで、触媒には、上流側から炭化水素
（以下「ＨＣ」と表記する）がＮＯｘの還元剤として供
給されるが、触媒上でのＨＣ反応量は触媒温度の上昇と
ともに増加する。従って、過昇温状態の触媒が上流側に
配置されていると、供給されるＨＣの多くが上流側の触
媒で反応して消費されてしまい、下流側の触媒に供給す
るＨＣがほとんど無くなってしまう。

【００１０】この点、請求項２のように、過昇温状態の
触媒を下流側に配置すれば、ＨＣのほとんどが上流側の
触媒で消費されてしまうことを防止できて、下流側の触
媒にも適量のＨＣを供給できると共に、前述したよう
に、全ての触媒をＮＯｘ浄化温度範囲内に維持すること
ができるため、下流側の触媒も上流側の触媒と同じよう
に有効に使用してＮＯｘを効率良く浄化することがで
き、極めて高いＮＯｘ浄化率を得ることができる。

【００１１】また、請求項３のように、並列経路の上流
側分岐点と下流側合流点との間に、該並列経路を構成す
る通路と組み合わせて直列経路を構成するための少なく
とも１本の連絡通路を設け、前記分岐点と前記合流点
に、それぞれ排気経路切換手段を設けると共に、前記連
絡通路に連絡通路開閉手段を設け、並列経路使用時に前
記連絡通路開閉手段を閉鎖し、直列経路使用時に前記連
絡通路開閉手段を開放するようにしても良い。このよう
にすれば、少ない数の排気経路切換手段と少ない数の連
絡通路開閉手段で、請求項２に記載の排気浄化装置を構
成することができ、排気浄化装置を小型化、低コスト化
することができる。

【００１２】また、請求項４のように、触媒に向かう排
気をバイパスするバイパス通路を設け、触媒が過昇温状
態になった時に、バイパス通路開閉手段を開放して該触
媒に向かう排気の少なくとも一部をバイパスさせるよう
にしても良い。このようにすれば、過昇温状態の触媒内
を流れる排気流量を少量又はゼロとすることができるた
め、それまで過昇温状態であった触媒の温度を降下させ
てＮＯｘ浄化温度範囲に戻すことができる。

【００１３】また、請求項５のように、並列経路使用時
に排気が流れる触媒の数を、直列経路使用時に排気が流
れる触媒の数よりも少なくするように排気の経路を切り
換えるようにしても良い。つまり、並列経路使用時は、
触媒温度が低いため、少ない触媒に排気を分配すること
で、触媒１つ当りに伝達される排気熱量を多くして、触
媒の昇温を促進する。一方、直列経路使用時は、触媒温
度が高いため、排気が多くの触媒内を通過することで、
触媒１つ当りに伝達される排気熱量を少なくして、各触
媒の昇温を抑える。このようにすれば、低排気温時の触
媒温度の昇温促進効果と高排気温時の触媒の過昇温抑制
効果をより向上させることができる。

【００１４】更に、請求項６のように、並列経路から直
列経路に切り換える時の触媒の温度は、並列経路使用時
のＮＯｘ浄化率が最大になる温度Ｔｐ以上で、且つ、並
列経路使用時のＮＯｘ浄化特性曲線と直列経路使用時の
ＮＯｘ浄化特性曲線との交点の温度Ｔｃ以下に設定する
ことが好ましい（図５参照）。つまり、並列経路使用時
のＮＯｘ浄化率が最大になる温度Ｔｐ以上の領域では、
触媒温度が上昇するとＮＯｘ浄化率が低下する。また、
並列経路使用時のＮＯｘ浄化特性曲線と直列経路使用時
のＮＯｘ浄化特性曲線との交点の温度Ｔｃを越えると、
直列経路に切り換えた方がＮＯｘ浄化率が高くなる。こ
の関係を考慮し、並列経路使用時のＮＯｘ浄化率が最大
になる温度ＴｐからＮＯｘ浄化特性曲線の交点の温度Ｔ
ｃまでの温度範囲内で、並列経路から直列経路に切り換
えれば、ＮＯｘ浄化特性上、最良のタイミングで排気の
経路を切り換えることができ、並列経路と直列経路とを
最も効率良く使用してＮＯｘを浄化することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】

［実施形態（１）］以下、本発明をディーゼルエンジン
に適用した実施形態（１）を図１乃至図８に基づいて説
明する。

【００１６】まず、図１に基づいて排気浄化装置全体の
構成を説明する。内燃機関であるディーゼルエンジン１
１から排出される排気ガスは、排気マニホールド１２を
通して１本の排気管１３に排出される。この排気管１３
は、分岐点Ｄで第１及び第２浄化通路１４，１５と１本
の連絡通路１６に分岐され、これら第１及び第２浄化通
路１４，１５と連絡通路１６は、下流側の合流点Ｍで１
本の排気管１７に合流する。第１及び第２浄化通路１
４，１５の途中には、それぞれ第１触媒１８，第２触媒
１９が配設されている。第１及び第２触媒１８，１９
は、セラミックや金属等の担体の表面に、酸素過剰雰囲
気中でも還元剤（ＨＣ）の存在下でＮＯｘを還元浄化可
能な触媒成分（例えばＣｕ−ゼオライトやＰｔ−ゼオラ
イト等）を担持したＮＯｘ触媒である。

【００１７】これら第１及び第２触媒１８，１９のＮＯ
ｘ浄化特性は、図４に示すように、触媒温度がある程度
上昇した温度Ｔｔ近傍でＮＯｘ浄化率が最高となり、そ
れよりも低温の領域及び高温の領域ではＮＯｘ浄化率が
低下する。また、触媒温度がＴｍｍ以上の領域では、各
触媒１８，１９は浄化率が略ゼロとなる過昇温状態とな
る。各触媒１８，１９に対して、ＮＯｘの還元剤として
炭化水素（ＨＣ）を供給するために、ディーゼルエンジ
ン１１の少なくとも１つの気筒の燃料噴射弁（図示せ
ず）は、膨張行程又は排気行程において後噴射を実行す
る。

【００１８】第１触媒１８の上流部と下流部には、それ
ぞれ排気温度センサ２０，２１が設置され、同様に、第
２触媒１９の上流部と下流部にも、それぞれ排気温度セ
ンサ２２，２３が設置されている。これら排気温度セン
サ２０，２１及び２２，２３が、第１及び第２触媒１
８，１９のそれぞれ流入ガス温度と流出ガス温度を検出
することで第１及び第２触媒１８，１９の活性状態（触
媒温度）を判定する活性状態判定手段としての役割を果
たす。

【００１９】また、分岐点Ｄと合流点Ｍには、それぞれ
排気経路切換手段である排気経路切換バルブ２４，２５
が設けられ、連絡通路１６の途中には、連絡通路開閉手
段である連絡通路開閉バルブ２６が設けれている。これ
ら排気経路切換バルブ２４，２５と連絡通路開閉バルブ
２６は、それぞれ正圧又は負圧の圧力源やモータ等を駆
動源とするアクチュエータ２７，２８により駆動される
（尚、連絡通路開閉バルブ２６のアクチュエータは図示
されていない）。

【００２０】これら排気経路切換バルブ２４，２５によ
る排気経路の切り換え及び連絡通路開閉バルブ２６によ
る連絡通路１６の開閉により、図１に示す並列経路と、
図２に示す第１直列経路と、図３に示す第２直列経路と
を選択的に切り換えるようになっている。

【００２１】図１に示す並列経路は、第１触媒１８と第
２触媒１９を並列に配置した経路であり、連絡通路開閉
バルブ２６を閉鎖して、排気経路切換バルブ２４，２５
を中間位置に切り換えることで、排気管１３の分岐点Ｄ
から排気ガスを矢印で示すように２本の浄化通路１４，
１５（２つの触媒１８，１９）に分流させて流す。

【００２２】図２及び図３に示す第１直列経路と第２直
列経路は、共に、連絡通路開閉バルブ２６を開放して、
２本の浄化通路１４，１５の間に連絡通路１６を直列に
接続した経路（つまり第１触媒１８と第２触媒１９を直
列に配置した経路）である。第１直列経路は、図２に排
気ガスの流れを矢印で示すように、分岐点Ｄ→第２浄化
通路１５（第２触媒１９）→連絡通路１６→第１浄化通
路１４（第１触媒１８）→合流点Ｍの経路で排気ガスを
流す。一方、第２直列経路は、図３に示すように、第１
直列経路と排気ガスの流れを逆方向にした経路であり、
分岐点Ｄ→第１浄化通路１４（第１触媒１８）→連絡通
路１６→第２浄化通路１５（第２触媒１９）→合流点Ｍ
の経路で排気ガスを流す。

【００２３】これら並列経路と直列経路におけるＮＯｘ
浄化特性は、図５に示すように、流入ガス温度が所定温
度Ｔｃより低い領域では、並列経路の方が直列経路より
もＮＯｘ浄化率が高く、温度Ｔｐでピーク値を示す。そ
して、流入ガス温度が所定温度Ｔｃより高い領域では、
直列経路の方が並列経路よりもＮＯｘ浄化率が高くな
る。

【００２４】前記排気温度センサ２０〜２３の出力信号
は、エンジン電子制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記す
る）３０に入力される。このＥＣＵ３０は、排気温度セ
ンサ２０〜２３で検出した第１及び第２触媒１８，１９
の活性状態を表す触媒温度や流入ガス温度に応じてアク
チュエータ２７〜２９の動作を制御して、各排気経路切
換バルブ２４，２５及び連絡通路開閉バルブ２６の切換
位置を制御する制御手段として機能する。

【００２５】このＥＣＵ３０による並列経路、第１直列
経路、第２直列経路の切換制御は、図６に示す排気経路
プログラムにより実行される。本プログラムは、イグニ
ッションスイッチ（図示せず）のオン操作によりＥＣＵ
３０に電源が投入されると同時に起動される。本プログ
ラムが起動されると、まずステップ１０１で、排気経路
切換バルブ２４，２５及び連絡通路開閉バルブ２６を図
１に示す位置に切り換えて、排気経路を並列経路に切り
換える。この後、ステップ１０２で、排気温度センサ２
０で検出した第１触媒１８の流入ガス温度Ｔ1in を読み
込み、次のステップ１０３で、流入ガス温度Ｔ１inが設
定温度Ｔｓより低いか否かを判定する。ここで、設定温
度Ｔｓは、図５に示すように、並列経路使用時のＮＯｘ
浄化率が最大になる温度Ｔｐ以上で、且つ、並列経路使
用時のＮＯｘ浄化特性曲線と直列経路使用時のＮＯｘ浄
化特性曲線との交点の温度Ｔｃ以下の温度（例えば２７
０℃）に設定されている。

【００２６】上記ステップ１０３で、第１触媒１８の流
入ガス温度Ｔ1in が設定温度Ｔｓより低いと判定された
場合には、ステップ１０４に進み、排気温度センサ２２
で検出した第２触媒１９の流入ガス温度Ｔ2in を読み込
み、次のステップ１０５で、流入ガス温度Ｔ2in が設定
温度Ｔｓより低いか否かを判定する。もし、第２触媒１
９の流入ガス温度Ｔ2in が設定温度Ｔｓより低ければ、
上記ステップ１０１に戻り、上述した処理を繰り返す。
これにより、２つの触媒１８，１９の流入ガス温度Ｔ1i
n ，Ｔ2in が共に設定温度Ｔｓより低い状態が続く限
り、排気経路を図１に示す並列経路に維持して、分岐点
Ｄから排気ガスを矢印で示すように２本の浄化通路１
４，１５（２つの触媒１８，１９）に分流させて流す。

【００２７】並列経路では、並列接続された２本の浄化
通路１４，１５を合計した流路断面積が１本の排気管１
３より大きくなるため、排気ガスが各触媒１８，１９を
通り抜ける速度が遅くなり、各触媒１８，１９に伝達さ
れる排気熱量が多くなる。これにより、排気温度が低い
場合であっても、図７に示すように触媒温度を迅速に上
昇させて、ＮＯｘ浄化温度範囲（適正な活性状態）への
早期昇温が可能となり、始動時等の低排気温時のＮＯｘ
浄化性能を向上させることができる。

【００２８】この後、排気温度が上昇し、上記ステップ
１０３で、第１触媒１８の流入ガス温度Ｔ1in が設定温
度Ｔｓ以上であると判定された時には、ステップ１０６
に進み、排気経路切換バルブ２４，２５及び連絡通路開
閉バルブ２６を、図２に示す位置に切り換えて、排気経
路を第１直列経路に切り換える。この第１直列経路で
は、図２に排気ガスの流れを矢印で示すように、分岐点
Ｄ→第２浄化通路１５（第２触媒１９）→連絡通路１６
→第１浄化通路１４（第１触媒１８）→合流点Ｍの経路
で排気ガスを流す。このように、２つの触媒１８，１９
を直列に配置して排気ガスを流すことで、排気ガスが２
つの触媒１８，１９内を通り抜ける速度が速くなり、触
媒１８，１９に伝達される排気熱量が少なくなる。この
ため、排気温度が高い場合であっても、触媒温度の上昇
が抑制され、触媒１８，１９が過昇温状態となることを
抑制することができる。

【００２９】次のステップ１０７で、排気温度センサ２
３で検出した上流側の第２触媒１９の温度Ｔｂ（流出ガ
ス温度）を読み込んだ後、ステップ１０８に進み、第２
触媒１９の温度Ｔｂが設定温度Ｔｍ以上であるか否かを
判定する。ここで、設定温度Ｔｍは、図４に示すＮＯｘ
浄化率が最大になる温度Ｔｔ以上、且つＮＯｘ浄化温度
範囲の上限温度Ｔｍｍ以下の温度（例えば３２０℃）に
設定されている。

【００３０】このステップ１０８の判定が「Ｙｅｓ」の
場合（Ｔｂ≧Ｔｍ）、又は前記ステップ１０５の判定が
「Ｎｏ」の場合（Ｔ2in ≧Ｔｓ）には、第２触媒１９が
過昇温状態ぎみであるので、ステップ１０９に進み、排
気経路切換バルブ２４，２５を図３に示す位置に切り換
えて、排気経路を図３に示す第２直列経路に切り換える
ことで、過昇温状態ぎみの第２触媒１９を第１触媒１８
の下流側に配置して排気ガスを流す。これにより、過昇
温状態ぎみの第２触媒１９の温度を低下させてＮＯｘ浄
化温度範囲に戻す。

【００３１】この後、ステップ１１０で、排気温度セン
サ２１で検出した上流側の第１触媒１８の温度Ｔａ（流
出ガス温度）を読み込み、次のステップ１１１で、第１
触媒１８の温度Ｔａが前述した設定温度Ｔｍ以上である
か否かを判定する。もし、第１触媒１８の温度Ｔａが前
記設定温度Ｔｍ以上であれば、第１触媒１８が過昇温状
態ぎみであるので、上記ステップ１０６に戻り、排気経
路を図２に示す第１直列経路に切り換えて、過昇温状態
ぎみの第１触媒１８を第２触媒１９の下流側に配置して
排気ガスを流す。これにより、過昇温状態ぎみの第１触
媒１８の温度を低下させてＮＯｘ浄化温度範囲に戻す。

【００３２】そして、図２に示す第１直列経路（第１触
媒１８を下流側）にして排気ガスを流しているときに、
第２触媒１９の温度Ｔｂが設定温度Ｔｍよりも低下する
と、ステップ１０８からステップ１１２に進み、排気温
度センサ２２で検出した第２触媒１９の流入ガス温度Ｔ
2in を読み込み、次のステップ１１３で、流入ガス温度
Ｔ2in が設定温度Ｔｃ（図５参照）より低いか否かを判
定する。ここで、流入ガス温度Ｔ2in が設定温度Ｔｃ以
上である場合には、図５に示すように、直列経路の方が
並列経路よりもＮＯｘ浄化率が高くなるため、ステップ
１０７に戻り、引き続き、第１触媒１８を下流側にした
第１直列経路に排気ガスを流す。

【００３３】その後、第２触媒１９の流入ガス温度Ｔ2i
n が設定温度Ｔｃより低くなれば、並列経路の方が直列
経路よりもＮＯｘ浄化率が高くなるため、ステップ１０
１に戻り、排気経路を並列経路に切り換える。

【００３４】また、図３に示す第２直列経路（第２触媒
１９を下流側）にして排気ガスを流しているときに、第
１触媒１８の温度Ｔａが設定温度Ｔｍよりも低下する
と、ステップ１１１からステップ１１４に進み、排気温
度センサ２０で検出した第１触媒１８の流入ガス温度Ｔ
1in を読み込み、次のステップ１１５で、流入ガス温度
Ｔ1in が設定温度Ｔｃ（図５参照）より低いか否かを判
定する。ここで、流入ガス温度Ｔ1in が設定温度Ｔｃ以
上である場合には、図５に示すように、直列経路の方が
並列経路よりもＮＯｘ浄化率が高くなるため、ステップ
１１０に戻り、引き続き、第２触媒１９を下流側にした
第２直列経路に排気ガスを流す。

【００３５】その後、第１触媒１８の流入ガス温度Ｔ1i
n が設定温度Ｔｃより低くなれば、並列経路の方が直列
経路よりもＮＯｘ浄化率が高くなるため、ステップ１０
１に戻り、排気経路を並列経路に切り換える。

【００３６】以上説明した実施形態（１）によれば、触
媒１８，１９の流入ガス温度Ｔ1in，Ｔ2in が設定温度
Ｔｓ（図５参照）より低い場合には、排気経路を図１に
示す並列経路に切り換えるので、排気ガスが各触媒１
８，１９を通り抜ける速度を遅くして、触媒１８，１９
に伝達される排気熱量を多くすることができる。これに
より、始動時等の低排気温時に、図７に示すように触媒
温度を迅速にＮＯｘ浄化温度範囲（適正な活性状態）に
昇温させることができ、始動時等の低排気温時のＮＯｘ
浄化率を向上させることができる。

【００３７】そして、触媒１８，１９の流入ガス温度Ｔ
1in ，Ｔ2in が設定温度Ｔｓ（図５参照）以上である場
合には、排気経路を図２，図３に示す直列経路に切り換
えるので、排気ガスが各触媒１８，１９を通り抜ける速
度を速くして、触媒１８，１９に伝達される排気熱量を
少なくすることができ、触媒１８，１９が過昇温状態に
なることを抑制することができて、高排気温時のＮＯｘ
浄化率も向上させることができる。

【００３８】更に、上記実施形態（１）では、直列経路
を、２通りの直列経路に切換可能に構成し、いずれかの
触媒が過昇温状態になった時に、その過昇温状態の触媒
を下流側（つまり排気温度が低くなる側）に位置させ
て、それまで下流側に配置されていた低温の触媒を上流
側に位置させるように直列経路を切り換えるので、過昇
温状態の触媒の温度をＮＯｘ浄化温度範囲内に速やかに
低下させることができると共に、低温の触媒の昇温を促
進することができる。これにより、図８に示すように、
各触媒１８，１９の温度がほぼＮＯｘ浄化温度範囲内で
昇温／降温を繰り返してほぼＮＯｘ浄化温度範囲内に維
持されるようになる。しかも、過昇温状態の触媒を下流
側に配置することで、後噴射したＨＣが上流側の触媒で
消費し尽くされてしまうことを防止できて、下流側の触
媒にも適量のＨＣを供給でき、下流側の触媒も上流側の
触媒と同じように有効に使用してＮＯｘを効率良く浄化
でき、極めて高いＮＯｘ浄化率を得ることができる。

【００３９】更に、上記実施形態（１）では、１本の排
気管１３を分岐点Ｄで２本の浄化通路１４，１５と１本
の連絡通路１６に分岐して、これらを下流側の合流点Ｍ
で１本の排気管１７に合流させ、分岐点Ｄ及び合流点Ｍ
に、排気経路切換バルブ２４，２５を設け、連絡通路１
６の途中に、連絡通路開閉バルブ２６を設けるようにし
たので、最少個数の排気経路切換バルブ２４，２５と連
絡通路開閉バルブ２６で、排気経路を並列経路と２通り
の直列経路に切り換えることができ、排気浄化装置の小
型化及び低コスト化を実現することができる。

【００４０】尚、上記実施形態（１）では、ステップ１
１３，１１５で、直列経路の上流側に配置された触媒の
流入ガス温度が設定温度Ｔｃより低下した時に、直列経
路から並列経路に切り換えるようにしたが、これに限ら
ず、例えば、２つの触媒１８，１９のうちのいずれか一
方の流入ガス温度が設定温度Ｔｃより低下した時に、直
列経路から並列経路に切り換えるようにしても良い。ま
た、この場合の設定温度はＴｃに限らず、例えばＴｃ近
傍の温度に設定しても良い。

【００４１】また、上記実施形態（１）では、触媒１
８，１９の上流部に排気温度センサ２０，２２を設置し
て、触媒１８，１９ヘの流入ガス温度を検出するように
したが、触媒１８，１９ヘの流入ガス温度は、エンジン
１１の運転条件から推定するようにしても良い。また、
触媒１８，１９の下流部に排気温度センサ２１，２３を
設置して、触媒１８，１９の温度（活性状態）を触媒流
出ガス温度から間接的に検出するようにしたが、触媒１
８，１９の内部に温度センサを設置して、触媒１８，１
９の温度を直接検出するようにしても良い。また、上記
実施形態（１）では、２個の触媒１８，１９を設けた
が、触媒の数は、２個に限定されず、３個以上の触媒を
設けて良い。

【００４２】［実施形態（２）］図９及び図１０に示す
本発明の実施形態（２）では、前記実施形態（１）の構
成に加え、連絡通路１６中の連絡通路開閉バルブ２６の
下流側に第３触媒３１を設けている。その他の構成は、
前記実施形態（１）と同じである。

【００４３】本実施形態（２）では、ＥＣＵ３０は、前
記実施形態（１）と同様の排気経路切換プログラムで、
排気温度センサ２０〜２３の出力信号に基づいて、各排
気経路切換バルブ２４，２５及び連絡通路開閉バルブ２
６の切換位置を制御して、排気経路を、図９に示す並列
経路、図１０に示す第１直列経路、第２直列経路（図示
せず）に切り換えるこのようにすれば、高排気温時に
は、排気経路を直列経路に切り換えることで、排気ガス
が３つの触媒１８，１９，３１内を通り抜けて、触媒１
つ当りに伝達される排気熱量が少なくなり、各触媒１
８，１９，３１の昇温を効果的に抑えることができる。
しかも、高排気温時は、通常、エンジン負荷が大きく、
排気ガス流量が多いが、３つの触媒１８，１９，３１を
使用することで効率的に排気ガスを浄化することができ
る。

【００４４】一方、低排気温時には、排気経路切換バル
ブ２４，２５及び連絡通路開閉バルブ２６を図９に示す
位置に切り換えて、排気経路を並列経路に切り換え、分
岐点Ｄから排気ガスを矢印で示すように２本の浄化通路
１４，１５（２つの触媒１８，１９）に分流させて流す
と共に、連絡通路１６中の第３触媒３１への排気ガスの
流れを遮断する。これにより、低排気温時には、排気ガ
スが流れる触媒の数を高排気温時に排気ガスが流れる触
媒の数よりも少なくして、前記実施形態（１）の図１の
状態と同じ状態にし、触媒１８，１９に伝達される排気
熱量を多くして、触媒１８，１９の昇温を促進する。

【００４５】但し、本発明はこれに限定されず、低排気
温時（並列経路使用時）にも、連絡通路開閉バルブ２６
を開放して、３つの触媒１８，１９，３１に並列に排気
ガスを流すようにしても良く、この場合であっても、直
列経路と比較すれば、排気ガスが各触媒１８，１９，３
１を通り抜ける速度を遅くすることができ、各触媒１
８，１９，３１に伝達される排気熱量を多くして各触媒
１８，１９，３１の昇温を促進することができる。

【００４６】尚、図９，図１０において、第１及び第２
触媒１８，１９は、第３触媒３１よりも大きく図示され
ているが、これらの触媒１８，１９，３１の容量は、適
宜変更して実施できることは言うまでもない。

【００４７】［実施形態（３）］次に、図１１乃至図１
４を用いて本発明の実施形態（３）を説明する。本実施
形態（３）では、排気管１３に、第１触媒１８と第２触
媒１９が直列に配設されている。第１触媒１８には、上
流側のバイパス通路３２が並列に設けられ、第２触媒１
９には、下流側のバイパス通路３３が並列に設けられ、
これら両バイパス通路３２，３３の途中には、それぞれ
バイパス通路開閉バルブ３４，３５（バイパス通路開閉
手段）が設けられている。第１触媒１８と第２触媒１９
との中間点Ｓには、上流側のバイパス通路３２の出口と
下流側のバイパス通路３３の入口とが接続されると共
に、該中間点Ｓに排気経路切換バルブ３６（排気経路切
換手段）が設けられている。各バイパス通路開閉バルブ
３４，３５と排気経路切換バルブ３６は、それぞれアク
チュエータ３７〜３９により駆動される。

【００４８】これらバイパス通路開閉バルブ３４，３５
によるバイパス通路３２，３３の開閉及び排気経路切換
バルブ３６による排気経路の切り換えにより、図１１に
示す並列経路と、図１２に示す直列経路と、図１３に示
す上流側触媒バイパス経路とを選択的に切り換えるよう
になっている。

【００４９】図１１に示す並列経路は、第１触媒１８と
第２触媒１９を並列に配置した経路であり、排気管１３
の分岐点Ｄから排気ガスを矢印で示すように第１触媒１
８と上流側のバイパス通路３２とに分流させて流し、上
流側のバイパス通路３２を通過した排気ガスを第２触媒
１９に流すと共に、第１触媒１８を通過した排気ガスを
下流側のバイパス通路３３を介して第２触媒１９下流側
の合流点Ｍに流す。

【００５０】図１２に示す直列経路では、２つのバイパ
ス通路開閉バルブ３４，３５を閉鎖して、分岐点Ｄ→第
１触媒１８→第２触媒１９→合流点Ｍの経路で排気ガス
を流す。

【００５１】図１３に示す上流側触媒バイパスの経路で
は、上流側のバイパス通路開閉バルブ３４を開放し、下
流側のバイパス通路開閉バルブ３５を閉鎖する。この場
合、排気経路切換バルブ３６は、直列経路と同じである
が、上流側のバイパス通路開閉バルブ３４を開放するこ
とで、上流側の第１触媒１８に流入する排気ガス量が大
幅に減少すると共に、下流側の第２触媒１９に対して
は、上流側のバイパス通路３２から流れてくる排気ガス
と上流側の第１触媒１８を通過した排気ガスとが合流し
て流れ込む。

【００５２】また、第１触媒１８と第２触媒１９の下流
部のみに、活性状態判定手段としてそれぞれ排気温度セ
ンサ２１，２３が設置され、触媒１８，１９の上流部に
は、排気温度センサは設置されていない。尚、排気温度
センサ２１，２３は第１触媒１８と第２触媒１９の内部
に設けても良い。その他の構成は、前記実施形態（１）
と同じである。

【００５３】次に、ＥＣＵ３０による排気経路の切換制
御を図１４に示す排気経路切換プログラムに基づいて説
明する。本プログラムは、イグニッションスイッチ（図
示せず）のオン操作によりＥＣＵ３０に電源が投入され
ると同時に起動される。本プログラムが起動されると、
まずステップ２０１で、バイパス通路開閉バルブ３４，
３５及び排気経路切換バルブ３６を図１１に示す位置に
切り換えて、排気経路を並列経路に切り換える。この
後、ステップ２０２で、排気温度センサ２１で検出した
第１触媒１８の温度Ｔａ（流出ガス温度）とエンジン１
１の運転条件とから第１触媒１８の流入ガス温度Ｔ1in
を推定する。尚、前記実施形態（１）と同じく、触媒１
８の上流部に排気温度センサを設置して、第１触媒１８
の流入ガス温度Ｔ1in を検出するようにしても良い。

【００５４】そして、次のステップ２０３で、第１触媒
１８の流入ガス温度Ｔ１inが設定温度Ｔｓ（図５参照）
より低いか否か否かを判定する。もし、第１触媒１８の
流入ガス温度Ｔ１inが設定温度Ｔｓより低ければ、上記
ステップ２０１に戻り、上述した処理を繰り返す。これ
により、第１触媒１８の流入ガス温度Ｔ1in が設定温度
Ｔｓより低い状態が続く限り、排気経路を図１１に示す
並列経路に維持して、排気ガスを矢印で示すように２つ
の触媒１８，１９に並列に流し、触媒温度をＮＯｘ浄化
温度範囲に早期に昇温させて、始動時等の低排気温時の
ＮＯｘ浄化性能を向上させる。

【００５５】この後、排気温度が上昇し、上記ステップ
２０３で、第１触媒１８の流入ガス温度Ｔ1in が設定温
度Ｔｓ以上であると判定された時に、ステップ２０４に
進み、バイパス通路開閉バルブ３４，３５及び排気経路
切換バルブ３６を図１２に示す位置に切り換えて、排気
経路を直列経路に切り換える。この直列経路では、図１
２に排気ガスの流れを矢印で示すように、分岐点Ｄ→第
１触媒１８→第２触媒１９→合流点Ｍの経路で排気ガス
を流す。このように、２つの触媒１８，１９を直列に配
置して排気ガスを流すことで、排気ガスが２つの触媒１
８，１９内を通り抜ける速度が速くなり、触媒１８，１
９に伝達される排気熱量が少なくなる。このため、排気
温度が高い場合であっても、触媒温度の上昇が抑制さ
れ、触媒１８，１９が過昇温状態となることを抑制する
ことができる。

【００５６】次のステップ２０５で、排気温度センサ２
１で検出した上流側の第１触媒１８の温度Ｔａ（排気ガ
ス温度）を読み込んだ後、ステップ２０６に進み、第１
触媒１８の温度Ｔａが設定温度Ｔｍ（図４参照）以上で
あるか否かを判定する。もし、第１触媒１８の温度Ｔａ
が設定温度Ｔｍ以上であれば、ステップ２０７に進み、
図１３に示すように、上流側のバイパス通路開閉バルブ
３４を開いて上流側のバイパス通路３２を開放し、第１
触媒１８に向かって流れる排気ガスの多くを分岐点Ｄか
ら上流側のバイパス通路３２ヘバイパスさせる。つま
り、第１触媒１８の温度Ｔａが設定温度Ｔｍ以上の場合
には、第１触媒１８が過昇温状態ぎみであるので、第１
触媒１８に向かって流れる排気ガスの多くをバイパス通
路３２ヘバイパスさせることで、過昇温状態ぎみの第１
触媒１８の温度を低下させてＮＯｘ浄化温度範囲に戻
す。

【００５７】そして、次のステップ２０８で、排気温度
センサ２３で検出した下流側の第２触媒１９の温度Ｔｂ
（流出ガス温度）を読み込んだ後、ステップ２０９に進
み、第２触媒１９の温度Ｔｂが設定温度Ｔｍ以上である
か否かを判定する。もし、第２触媒１９の温度Ｔｂが設
定温度Ｔｍより低ければ、第２触媒１９は過昇温状態で
はないので、上記ステップ２０５に戻り、上述した処理
を繰り返す。これにより、上流側の第１触媒１８の温度
Ｔａが設定温度Ｔｍ以上で、且つ下流側の第２触媒１９
の温度Ｔｂが設定温度Ｔｍより低い状態が続く限り、上
流側のバイパス通路開閉バルブ３４を開放した状態に維
持して、上流側の第１触媒１８の温度Ｔａを低下させ
る。

【００５８】その後、下流側の第２触媒１９の温度Ｔｂ
が上昇して設定温度Ｔｍ以上となった場合には、下流側
の第２触媒１９が過昇温状態ぎみになっているので、ス
テップ２１０に進み、上流側のバイパス通路開閉バルブ
３４を閉じて上流側のバイパス通路３２を閉鎖し、次の
ステップ２１１で、下流側のバイパス通路開閉バルブ３
５を開いて下流側のバイパス通路３３を開放する。これ
により、排気ガスを全て第１触媒１８に流すと共に、こ
の第１触媒１８から流れ出る排気ガスの多くを下流側の
バイパス通路３３ヘバイパスさせ、下流側の第２触媒１
９に流れる排気ガス量を少なくして、下流側の第２触媒
１９の温度Ｔｂを低下させる。

【００５９】次のステップ２１２で、再び、排気温度セ
ンサ２３で検出した第２触媒１９の温度Ｔｂを読み込ん
だ後、ステップ２１３に進み、第２触媒１９の温度Ｔｂ
が設定温度Ｔｍより低いか否かを判定する。もし、第２
触媒１９の温度Ｔｂが設定温度Ｔｍ以上であれば、上記
テップ２１２に戻り、第２触媒１９の温度Ｔｂが設定温
度Ｔｍよりも低くなるまで、下流側のバイパス通路開閉
バルブ３５を開放した状態に維持して、第２触媒１９の
温度Ｔｂを低下させる。

【００６０】その後、第２触媒１９の温度Ｔｂが設定温
度Ｔｍよりも低くなると、ステップ２１４に進み、下流
側のバイパス通路開閉バルブ３５を閉じて下流側のバイ
パス通路３３を閉鎖し、排気経路を図１２に示す直列経
路に戻す。

【００６１】以後、ステップ２０５〜２１４の処理を繰
り返し実行して、両触媒１８，１９のいずれか一方が過
昇温状態になる毎に、その触媒のバイパス通路を開放す
ることで、両触媒１８，１９の温度をほぼＮＯｘ浄化温
度範囲内に維持する。

【００６２】この際、ステップ２０６で、上流側の第１
触媒１８の温度Ｔａが設定温度Ｔｍより低いと判定され
た時は、上流側の第１触媒１８が過昇温状態ではないた
め、ステップ２１５に進み、上流側のバイパス通路開閉
バルブ３４を閉鎖し（又は閉鎖状態を維持し）、上流側
のバイパス通路３２を閉鎖し（又は閉鎖状態を維持
し）、排気ガスを全て上流側の第１触媒１８に流す。こ
の後、ステップ２１６で、排気温度センサ２１で検出し
た第１触媒１８の温度Ｔａとエンジン１１の運転条件と
から第１触媒１８の流入ガス温度Ｔ1in を推定し、次の
ステップ２１７で、第１触媒１８の流入ガス温度Ｔ1in
が設定温度Ｔｃ（図５参照）より低いか否か否かを判定
する。

【００６３】もし、第１触媒１８の流入ガス温度Ｔ1in
が設定温度Ｔｃよりも低ければ、並列配置の方が直列配
置よりもＮＯｘ浄化率が高いため、前述したステップ２
０１に戻り、排気経路を図１２に示す並列経路に切り換
える。

【００６４】これに対し、第１触媒１８の流入ガス温度
Ｔ1in が設定温度Ｔｃ以上である場合には、直列経路の
方が並列経路よりもＮＯｘ浄化率が高いため、ステップ
２０５に戻り、引き続き直列経路で排気ガスを流す。

【００６５】尚、上記実施形態（３）では、上流側のバ
イパス通路開閉バルブ３４と下流側のバイパス通路開閉
バルブ３５とが同時に開放状態とならないように制御し
たが、両触媒１８，１９の双方が過昇温状態ぎみの時に
は、２つのバイパス通路開閉バルブ３４，３５を開放し
て、２つのバイパス通路３２，３３を共に開放し、両触
媒１８，１９に流す排気ガスの流量を少なくして両触媒
１８，１９の降温を促進するするようにしても良い。

【００６６】また、上記実施形態（３）では、２個の触
媒１８，１９を設けたが、触媒の数は、３個以上であっ
ても良い。上記各実施形態（１）〜（３）では、後噴射
により触媒１８，１９に炭化水素（ＨＣ）をＮＯｘの還
元剤として供給するようにしたが、触媒１８，１９の上
流側の排気管１３に、燃料等の炭化水素を噴霧するイン
ジェクタを設けても良い。

【００６７】また、上記各実施形態（１）〜（３）で
は、２つの触媒１８，１９の双方の温度（活性状態）を
検出して排気経路を切り換えるようにしたが、いずれか
一方の触媒の温度（活性状態）を検出して排気経路を切
り換えるようにしても良い。

【００６８】その他、本発明は、ディーゼルエンジンに
限定されず、筒内噴射ガソリンエンジン、リーンバーン
ガソリンエンジンにも適用して実施できる等、要旨を逸
脱しない範囲内で種々変更可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態（１）の排気浄化装置におけ
る並列経路使用時の状態を示す図

【図２】第１直列経路使用時の状態を示す図

【図３】第２直列経路使用時の状態を示す図

【図４】触媒温度とＮＯｘ浄化率との関係を示す図

【図５】並列経路と直列経路の流入ガス温度とＮＯｘ浄
化率との関係を示す図

【図６】排気経路切換プログラムの処理の流れを示すフ
ローチャート

【図７】並列経路使用時の触媒温度の上昇特性を示すタ
イムチャート

【図８】直列経路使用時の触媒温度の経時的変化の一例
を示すタイムチャート

【図９】本発明の実施形態（２）の排気浄化装置におけ
る並列経路使用時の状態を示す図

【図１０】第１直列経路使用時の状態を示す図

【図１１】本発明の実施形態（３）の排気浄化装置にお
ける並列経路使用時の状態を示す図

【図１２】第１直列経路使用時の状態を示す図

【図１３】上流側触媒バイパス時の状態を示す図

【図１４】排気経路切換プログラムの処理の流れを示す
フローチャート

【符号の説明】

１１…ディーゼルエンジン（内燃機関）、１３…排気
管、１４…第１浄化通路、１５…第２浄化通路、１６…
連絡通路、１７…排気管、１８…第１触媒、１９…第２
触媒、２０〜２３…排気温度センサ（活性状態判定手
段）、２４，２５…排気経路切換バルブ（排気経路切換
手段）、２６…連絡通路開閉バルブ（連絡通路開閉手
段）、３０…ＥＣＵ（制御手段）、３１…第３触媒、３
２，３３…バイパス通路、３４，３５…バイパス通路開
閉バルブ（バイパス通路開閉手段）、３６…排気経路切
換バルブ（排気経路切換手段）。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ０１Ｎ 3/28 ３０１ Ｆ０１Ｎ 3/28 ３０１Ｈ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関から排出される排気中の窒素酸
   化物を還元浄化する複数の触媒を設置した内燃機関の排
   気浄化装置において、 前記複数の触媒のうちの少なくとも代表的な触媒の活性
   状態を判定する活性状態判定手段と、 前記複数の触媒を直列に配置して排気を流す直列経路
   と、 前記複数の触媒を並列に配置して排気を流す並列経路
   と、 前記直列経路と前記並列経路とを切り換える排気経路切
   換手段と、 前記活性状態判定手段の判定結果に基づき、前記触媒の
   活性状態が所定以下の場合には、前記排気経路切換手段
   により排気の経路を前記並列経路に切り換え、前記触媒
   の活性状態が所定より高い場合には、前記排気経路切換
   手段により排気の経路を前記直列経路に切り換える制御
   手段とを備えていることを特徴とする内燃機関の排気浄
   化装置。
2. 【請求項２】 前記直列経路は、前記排気経路切換手段
   により複数通りの直列経路に切換可能であり、 前記制御手段は、前記直列経路を使用する場合に、いず
   れかの触媒が適正な活性状態を越えて過昇温状態になっ
   た時に、その過昇温状態の触媒を下流側に位置させるよ
   うに前記排気経路切換手段により前記直列経路を切り換
   える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。
3. 【請求項３】 前記並列経路は、１本の排気管の分岐点
   から分岐されると共に、下流側の合流点で再び１本の排
   気管に集合され、 前記分岐点と前記合流点との間に、前記並列経路を構成
   する通路と組み合わせて前記直列経路を構成するための
   少なくとも１本の連絡通路が設けられると共に、前記分
   岐点と前記合流点に、それぞれ前記排気経路切換手段が
   設けられ、前記連絡通路には、該連絡通路を開閉する連
   絡通路開閉手段が設けられ、 前記制御手段は、前記並列経路使用時に前記連絡通路開
   閉手段を閉鎖し、前記直列経路使用時に前記連絡通路開
   閉手段を開放することを特徴とする請求項２に記載の内
   燃機関の排気浄化装置。
4. 【請求項４】 前記触媒に向かう排気をバイパスするバ
   イパス通路と、このバイパス通路を開閉するバイパス通
   路開閉手段とを備え、 前記制御手段は、前記触媒が過昇温状態になった時に、
   前記バイパス通路開閉手段を開放して該触媒に向かう排
   気の少なくとも一部をバイパスさせ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。
5. 【請求項５】 前記排気経路切換手段は、前記並列経路
   使用時に排気が流れる触媒の数を、前記直列経路使用時
   に排気が流れる触媒の数よりも少なくするように排気の
   経路を切り換えることを特徴とする請求項１乃至４のい
   ずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 【請求項６】 前記排気経路切換手段により並列経路か
   ら直列経路に切り換える時の触媒の温度は、前記並列経
   路使用時の窒素酸化物浄化率が最大になる温度以上で、
   且つ、前記並列経路使用時の窒素酸化物浄化特性曲線と
   前記直列経路使用時の窒素酸化物浄化特性曲線との交点
   の温度以下に設定されていることを特徴とする請求項１
   乃至５のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。