JP2003148226A - 排気流動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 部材の加工精度を高めることなく、確実に排
気流動による制御の実効を図ることができる排気流動制
御装置を提供する。 【解決手段】 排気流動制御装置は、エンジン１の排気
管２０に配設された制御バルブ４０と、排気ガス温度を
上昇させるため排気管２０内に追加燃料を供給可能な燃
料噴射弁６と、２重管路により構成された排気マニホー
ルド１２および排気管２０と、排気昇温の要求を満足す
るべく制御バルブ４０を作動させるＥＣＵ６０とを備え
ており、制御バルブ４０により排気管２０の通路断面積
が最小にされたとき、排気圧力が２６６ｈＰａ〜８００
ｈＰａの範囲内で上昇されるものとなっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気流
動を制御する排気流動制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の排気流動制御装置に関する技術
は、例えば特開平３−１１７６１１号公報や特開平４−
１８３９２１号公報等に記載されている。これら公知の
技術は排気通路の下流に密閉型の可変排気バルブを設
け、この可変排気バルブの開度を調節して排気通路の断
面積を減少させることにより、排気通路抵抗や排気密度
を上昇させたり、排気流速を低下させたり、あるいは排
気圧や排気温度の上昇を図るものとしている。

【０００３】上述した公知の技術は、例えば排気ガスを
浄化する触媒を早期に活性化させる用途に適している。
具体的には、触媒上での反応を利用して排気ガス中に含
まれる有害物質（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ₂等の未燃物の他、ス
モーク、ＮＯｘ等を含む）を無害に転化させることがで
きるが、この種の触媒はその活性温度に達するまで本来
の浄化機能を充分に発揮しないため、その冷態時には触
媒を早期に活性化させることが望ましい。このような場
合に排気流動の制御を行うと、通常よりも早く排気温度
が上昇し、触媒を早期に活性化させることができると認
められる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した触媒の早期活
性化の効果を充分に得るには、排気流動の制御により所
望のレベルまで排気圧を大幅に上昇させる必要がある。
このため、排気流動を確実に制御するにはバルブや排気
通路の加工精度を極めて高く管理し、バルブが排気通路
を完全に閉塞するようにして下流側への排気ガスの流出
を最小限にくい止めなければならない。

【０００５】しかしながら、バルブや排気通路等の部材
の加工精度を高めるのは製造コストの上昇が大きいばか
りか、これら部材の熱膨張による変形を吸収することが
難しく、作動時に排気通路内でバルブが挟み込まれたり
（いわゆる「かじり」）、排気通路の内面にバルブが固
着したりするなど、部材の破損や装置の故障を招きやす
いという問題がある。

【０００６】そこで本発明は、加工精度を高めることな
く、確実に排気流動による制御の実効を図ることができ
る排気流動制御装置の提供を課題としたものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の排気流動制御装
置（請求項１）は、排気通路の断面積を減少させること
で排気流動を制御可能な制御バルブと、この制御バルブ
と協働する排気昇温手段と、制御バルブより上流側の位
置に設けられた断熱手段と、制御バルブの作動を制御す
る制御手段とを備えており、特に制御バルブと排気通路
との間の形状的な関係を適正に設定することで上記の課
題を解決している。

【０００８】より詳しくは、上述の排気昇温手段は排気
通路内に可燃物質を供給し、その燃焼熱で排気ガス温度
を上昇させる機能を有しており、また断熱手段は、排気
通路の制御バルブより上流位置に設けられ、排気通路外
への排気ガス中の熱エネルギの放出を抑制する機能を有
する。また制御手段は、排気昇温の要求および排気ガス
中の有害物質の大気中への放出量の低減要求の少なくと
も一方を満足するべきとき、制御バルブを作動させて排
気通路の断面積を減少させる制御を行う。

【０００９】そして本発明では、制御バルブの作動によ
り排気通路の断面積が最も減少されたとき、制御バルブ
から上流側の排気圧力を大気圧に対して２６６ｈＰａ〜
８００ｈＰａの範囲内で上昇させるように排気通路と制
御バルブとの間に残された残存通路断面積が設定されて
いる。上述のように制御バルブを用いた排気流動の制御
にあっては、通路断面積を減少させるほど制御バルブか
ら下流側への排気ガスの漏れ量が少なくなり、その分、
排気圧および排気温度が大きく上昇するものと考えられ
る。このため制御バルブにより排気通路の断面積を最も
減少させた状態で、これらの間の残存通路断面積は極小
であることが一応は望ましいといえる。

【００１０】本発明の発明者等は、排気通路および制御
バルブの加工精度を高くして残存通路断面積を極小に近
づけた場合、制御バルブから上流側の排気圧力が大気圧
に対して８００ｈＰａを超えるレベルにまで上昇し、所
望の排気昇温を達成できることを確認しているが、この
場合、加工精度を高めている分、コストアップに繋がる
ことが明らかとなっている。

【００１１】これに対して発明者等は、断熱手段により
排気ガス中の熱エネルギの放出を抑えていれば、排気昇
温手段により上昇された排気温度の低下が通常よりも抑
制されることに着目する一方、排気通路や制御バルブの
加工精度に関して、これらの通常コストを上昇させない
範囲内で適正に残存通路断面積を設定することにより、
所望のレベルにまで排気昇温の効果が得られることを確
認している。

【００１２】本発明の発明者等は上述の技術的知見に基
づき、通常の加工精度で制御バルブより上流側の排気圧
力を大気圧に対して２６６ｈＰａ〜８００ｈＰａの範囲
内で上昇させることができるように残存通路断面積を設
定し、あわせて断熱手段による排気ガス中の熱エネルギ
放出の低減を図ることで排気流動の制御による所望の排
気昇温を実現したものである。

【００１３】好ましくは、上述の排気昇温手段は以下の
各種態様により排気ガス温度を上昇させることができ
る。第１に排気昇温手段は、内燃機関の主燃焼の空燃比
をリーンとするとともに膨張行程以降に燃料噴射弁から
燃焼室内に追加燃料を供給することができる。第２に排
気昇温手段は、一部の気筒の空燃比をリーンとするとと
もに、その他の気筒の空燃比をリッチ空燃比とすること
ができる。

【００１４】第３に排気昇温手段は、排気通路内に可燃
物および２次エアを供給することができる。これら各種
の態様によれば、排気昇温手段は要求に応じて好適に排
気ガス温度を上昇させることができる。また本発明の排
気流動制御装置（請求項２）は別途独立した構成として
実現される。この場合、上述の制御バルブ、排気昇温手
段、断熱手段および制御手段を備えており、特に制御バ
ルブの作動により排気通路の断面積が最も減少された状
態で、排気通路の内壁と制御バルブとの隙間の公差域が
±０．１ｍｍから±０．２ｍｍの間で設定されたものと
なっている。このような公差域の設定により、上述の残
存通路断面積の設定と同様の排気昇温効果が得られる。
また上記の設定は、排気通路および制御バルブの通常の
加工精度で実現することができるので、コストアップを
招くことがない。

【００１５】上述した隙間を設定するため、制御バルブ
をバタフライバルブにより構成することができ、この場
合、排気通路の内壁およびバタフライバルブの外周の形
状公差域は±０．１ｍｍから±０．２ｍｍまでの間で設
定される（請求項３）。これら形状公差域の設定は、バ
タフライバルブや排気通路の通常の加工精度によってコ
ストを上昇することなく容易に実現することができる。

【００１６】本発明の排気流動制御装置（請求項４）
は、排気通路に設けられて排気ガスを浄化する触媒を更
に備えている。この場合、制御バルブによる排気昇温の
効果は触媒を早期に活性化させ、排気ガスの浄化効率を
高めることができる。また本発明は、排気通路の内壁と
制御バルブとの隙間が０．１ｍｍから０．２ｍｍの間で
設定されたものとして別途独立した構成をとることがで
きる（請求項５）。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施形態に係
る排気流動制御装置を概略的に示している。以下、この
排気流動制御装置の構成について説明する。内燃機関で
あるエンジン本体（以下、「エンジン」と称する。）１
としては、例えば、燃料噴射モードを切換えることで吸
気行程での燃料噴射（吸気行程噴射）とともに圧縮行程
での燃料噴射（圧縮行程噴射）を実施可能な筒内噴射型
火花点火式ガソリンエンジンが採用される。この筒内噴
射型のエンジン１は、容易にして理論空燃比（ストイ
キ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運
転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）
が実現可能である。

【００１８】図１に示されるように、エンジン１のシリ
ンダヘッド２には気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式
の燃料噴射弁６が取り付けられており、この燃料噴射弁
６は燃料を燃焼室内に直接噴射することができる。な
お、後述するように燃料噴射弁６は排気系に追加燃料を
供給する排気昇温手段としても機能する。点火プラグ４
には高電圧を出力する点火コイル８が接続されている。
また、燃料噴射弁６には燃料パイプ７を介して燃料タン
クを擁した燃料供給装置（図示されていない）が接続さ
れている。より詳しくは、燃料供給装置には、低圧燃料
ポンプと高圧燃料ポンプとが設けられており、これによ
り、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６に対し低燃圧あ
るいは高燃圧で供給し、この燃料を燃料噴射弁６から燃
焼室内に向けて所望の燃圧で噴射可能である。

【００１９】シリンダヘッド２には、気筒毎にほぼ直立
方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連
通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞ
れ接続されている。なお、吸気マニホールド１０には吸
入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１４が設けら
れている。また、シリンダヘッド２には、気筒毎にほぼ
水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポート
と連通するようにして排気マニホールド１２の一端がそ
れぞれ接続されている。排気マニホールド１２として
は、ここでは、図２（ａ）に示すようなデュアル型エキ
ゾーストマニホールドシステムが採用される。その他、
排気マニホールド１２は、図２（ｂ）に示すようなシン
グル型エキゾーストマニホールドシステムであってもよ
いし、また図２（ｃ）に示すようなクラムシェル型エキ
ゾーストマニホールドシステムであってもよい。

【００２０】エンジン１の気筒を列方向に順次＃１〜＃
４の連続番号を付して区別すると、デュアル型エキゾー
ストマニホールドシステムからなる排気マニホールド１
２では、＃１気筒と＃４気筒からの排気、＃２気筒と＃
３気筒からの排気がそれぞれ合流するように構成されて
おり（燃焼順序が＃１→＃３→＃４→＃２の場合）、こ
れにより排気マニホールド１２内での排気干渉が少な
く、排気慣性あるいは排気脈動の大きな効果が得られ
る。一方、クラムシェル型エキゾーストマニホールドシ
ステムの場合は排気干渉が大きく反応が促進されるとい
う利点を有している。

【００２１】また、後述する第３の制御態様において
は、各排気ポートに空気通路１７を介して２次エアポン
プ１６を接続し、この２次エアポンプ１６が作動するこ
とで各排気ポートに反応物としての酸素を含む２次エア
を供給可能とすることができる。ここで２次エアポンプ
１６の代わりに、例えばエンジン１の気筒間の排気圧差
を利用して２次エアを自然供給する排気エアシステムを
用いてもよい。

【００２２】なお、筒内噴射型のエンジン１は既に公知
のものであるため、その他の構成の詳細については説明
を省略する。排気マニホールド１２の他端には排気管
（排気通路）２０が接続されている。排気管２０はその
全長に亘り、図３（ａ）に縦断面で示すように外管２０
ａと、これよりも小径の内管２０ｂとからなる２重管路
から構成されている。このとき、外管２０ａと内管２０
ｂとの間の副通路の始端と終端の両方を閉じて内部に空
気層を形成する。こうして内管２０ｂの中を排気ガスが
流れるとき、排気ガスは空気層および外管２０ａを介し
て外気によって冷却されるものの、内管２０ｂ内を流れ
る排気ガスの主流は直接外気と熱交換することがないの
で、熱エネルギの放出が抑制されて排気ガスは高温に保
持される（断熱手段）。

【００２３】また、内管２０ｂの肉厚を薄くして熱容量
を小さくすることにより、排気ガスの奪われる熱量が少
なく、排気温度の低下が少ない。更には、小径の内管２
０ｂを使用することにより、内管２０ｂの表面積、すな
わち放熱面積が小さくなり、排気ガスが奪われる熱量が
少なく、排気温度の低下も少ない。なお２重管路の形態
は、内管２０ｂ内を流れる排気ガスの主流が直接外気と
熱交換しないようなものであれば、図３（ｂ）のように
副通路の終端が閉じたものであってもよく、また、図３
（ｃ）のように副通路の始端と終端の両方を開放したも
のであってもよい。この場合でも副通路を流れる排気ガ
スは主流と比較して少量であるので、同様の効果があ
る。

【００２４】また、排気管２０は、上述したように排気
マニホールド１２としてデュアル型エキゾーストマニホ
ールドシステムが採用されている。排気マニホールド１
２のデュアル部分では、＃１気筒と＃４気筒からの排気
及び＃２気筒と＃３気筒からの排気がそれぞれ独立して
流れる。そのため、この範囲では、通常は排気管２０が
二股管路から構成されるが、ここでは図４（ａ）に横断
面で示すように、排気管２０の中央において管路が仕切
られて２本の管路が構成されている。つまり、排気管２
０の全体は上流側から一定距離に亘り断面楕円またはθ
字形状をなし、更に仕切壁の配置により断面θ字形状を
なしている。これにより、外気との熱交換が少なくさ
れ、排気温度の低下が防止される。なお、排気管２０を
上記２重管路とした場合には、図４（ｂ）のように、内
管２０ｂのみが断面θ形状をなしている。

【００２５】排気管２０には三元触媒３０が介装されて
おり、この三元触媒３０は担体に活性貴金属として銅
（Ｃｕ），コバルト（Ｃｏ），銀（Ａｇ），白金（Ｐ
ｔ），ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ）のいずれ
かを有している。また排気管２０には、排気圧を検出す
る排気圧センサ２２が配設されている。この排気圧セン
サ２２は、図１に示すように三元触媒３０より上流位置
に配設されていてもよいし、あるいは三元触媒３０の下
流位置で、後述する制御バルブ４０より上流側に配設さ
れていてもよい。排気圧センサ２２の耐熱温度が低い場
合、その配置は三元触媒３０の下流側が望ましい。

【００２６】排気管２０の三元触媒３０よりも下流側の
位置には、制御バルブ４０が介装されている。この制御
バルブ４０は排気管２０の通路断面積を減少させること
で排気流動を制御することができる。このような排気流
動の制御は、例えば排ガス中の有害物質（ＨＣ、ＣＯ等
の未燃物の他、ＮＯｘ、スモーク、Ｈ₂等を含む）の低
減を促進させることを目的として行われ、具体的には排
気圧や排気密度、排気流速等が変更される。

【００２７】図５は制御バルブ４０の具体例を示してお
り、その弁体はバタフライバルブ４４から構成されてい
る。バタフライバルブ４４は、図５（ａ）にその閉弁状
態を示し、また図２（ｂ）に開弁状態を示すように、排
気管２０を貫通する軸４３の回りに回転されることで、
排気管２０（２重管の場合は内管２０ｂ）の通路断面積
を減少させることができる。

【００２８】また軸４３にはアクチュエータ４５が接続
されており、バタフライバルブ４４はアクチュエータ４
５の駆動により軸４３の回りに回転させられて開閉作動
することができる。更に排気流動制御装置は電子制御ユ
ニット（以下、「ＥＣＵ」と略称する。）６０を備えて
おり、このＥＣＵ６０は、入出力装置、記憶装置、中央
処理装置、タイマカウンタ等を内蔵している。そしてＥ
ＣＵ６０は、エンジン１を含めた排気流動制御装置の総
合的な制御を行うことができる。

【００２９】一方、ＥＣＵ６０の出力側には、上述の燃
料噴射弁６、点火コイル８、スロットル弁１４、２次エ
アポンプ１６（後述する第３の制御態様の場合）、アク
チュエータ４５等の各種出力デバイスが接続されてお
り、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検
出情報に基づいて演算された燃料噴射量、燃料噴射時
期、点火時期、排気流動制御量等がそれぞれ出力され、
これにより、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタ
イミングで噴射され、点火プラグ４により適正なタイミ
ングで火花点火が実施され、また所望の排気流動制御量
（例えば目標排気圧）となるよう適正なタイミングでア
クチュエータ４５が駆動される。

【００３０】このうちＥＣＵ６０による燃料噴射制御に
は、以下に説明する各種の好ましい態様が含まれる。先
ず第１の制御態様では、燃料噴射弁６による主燃焼用の
主噴射の後、膨張行程後期以降に燃料を副噴射、すなわ
ち燃料を２段噴射して２段燃焼を行うことが可能であ
る。この２段燃焼では、主噴射は圧縮行程で行われ、主
燃焼の空燃比は酸素の多いリーン空燃比に設定される。
このように２段燃焼を行うと、排気系（燃焼室から三元
触媒３０）内に主燃焼で残存した酸素と副噴射による追
加燃料（可燃物質）とを同時に存在させることが可能で
ある。そして、これら残留酸素と追加燃料とが排気系内
で反応することで排気ガス温度を上昇させることができ
る。

【００３１】第２の制御態様では、一部の気筒について
主噴射の空燃比をリーンに設定するとともに、その他の
気筒について主噴射の空燃比をリッチに設定する。この
制御態様によれば、全気筒について空燃比をリーンまた
はストイキに設定した場合に比較して、排気ガス中に未
燃燃料が多く残存するため、排気管２０で未燃燃料が燃
焼して排気ガス温度を上昇させる。

【００３２】第３の制御態様では、燃料噴射弁６により
排気行程中に燃料を噴射し、排気管２０内に可燃物であ
る燃料を供給する。あわせてＥＣＵ６０は、２次エアポ
ンプ１６を作動させることにより、排気ポートを通じて
排気管２０内に２次エアを供給する。この態様では、排
気管２０内に供給された燃料が２次エアにより酸化さ
れ、排気ガス温度を上昇させることができる。

【００３３】その他の制御態様としては、燃料噴射弁６
により圧縮行程、好ましくは圧縮行程中期以降に主噴射
を行い、且つ、主噴射の空燃比を理論空燃比に対して若
干リーン側であるスライトリーン（理論空燃比を含んで
もよい）に設定することができる。このように主噴射の
空燃比をスライトリーンとすると、燃焼時の混合気が層
状化されるため、燃焼後の排ガス成分中の酸素とＣＯの
量が増量されることになり、その結果、排気系（燃焼室
から三元触媒３０）内に酸素とＣＯ（可燃物質）とを共
存させることが可能となる。そして、これら酸素とＣＯ
とが排気系内で反応することで、排気ガス温度を上昇さ
せることができる。

【００３４】ここでＥＣＵ６０は、排気ガス温度の上
昇、つまり排気昇温が要求されているとき、あるいは、
排気ガス中の有害物質が大気中へ放出される量を低減す
ることが要求されているとき、これら要求を満たすべく
上述した燃料噴射制御やバタフライバルブ４４の作動制
御を行う。例えば、エンジン１や三元触媒３０が冷態で
あるとき、三元触媒３０による排気浄化機能を早期に活
性化させるため排気ガス温度の上昇が要求される。冷態
の判断は、例えば冷却水温やエンジン１の始動後経過時
間、油温、触媒流入排気温度、触媒温度、スロットル開
度等の各種情報に基づいて行うことができる。

【００３５】ＥＣＵ６０はエンジン１が冷態であると判
断したとき、排気ガス温度の上昇要求または有害物質排
出量の低減要求を満足するべくアクチュエータ４５を駆
動してバタフライバルブ４４を閉作動させ、排気管２０
の通路断面積を減少させる制御を行う（制御手段）。こ
れにより、バタフライバルブ４４より上流の排気系内に
て排気圧力および排気温度の上昇が図られる。

【００３６】図６は、ＥＣＵ６０により燃料噴射制御と
排気流動制御とを合わせて行った結果から得られた排気
圧力と排気ガス温度との関係を示している。具体的に
は、エンジン１の冷態始動時に上述の２段燃焼を行い、
合わせてバタフライバルブ４４を全閉として排気管２０
の通路断面積を最も減少させる制御を実施したとき、エ
ンジン１の始動後（例えば５秒後）における排気温度と
排気圧力との関係を表したものである。なお排気圧力の
数値は相対圧（大気圧に対する上昇分）である。

【００３７】図６の関係から以下のことが理解される。
同図中に実線で示されるように、２段燃焼と排気流動制
御とを合わせて行った場合、排気圧力が８００ｈＰａ〜
１０６６ｈＰａ（６００ｍｍＨｇ〜８００ｍｍＨｇ）と
なる範囲で排気温度の上昇効果が最も大きく、この場
合、始動５秒後に排気温度は７００℃にまで到達する。
また、排気温度の上昇効果は排気圧力が８００ｈＰａ
（６００ｍｍＨｇ）となるあたりで変曲点を迎えてお
り、８００ｈＰａより低い排気圧力では排気温度の上昇
効果が逓減している。これは、排気圧力が８００ｈＰａ
〜１０６６ｈＰａとなる範囲で排気温度の上昇効果が飽
和状態に達していることによるものと考えられる。

【００３８】次に、例としてバタフライバルブ４４を用
いた排気流動制御の特性について検証する。図７は、排
気管２０およびバタフライバルブ４４の形状を具体的に
示しており、これら排気管２０およびバタフライバルブ
４４は、排気管２０の内径ｄを基準寸法としてそれぞれ
製作・加工されている。このときバタフライバルブ４４
を全閉、つまり排気管２０の通路断面積を最も減少させ
た状態で、排気管２０の内壁とバタフライバルブ４４の
外周との間に残される隙間ｄｒの大きさは、これらの加
工精度によって管理される。すなわち、排気管２０およ
びバタフライバルブ４４の加工精度をより高水準なもの
とすれば、排気管２０の内径寸法とバタフライバルブ４
４の外径寸法とを極めて近接させることができ、その結
果、隙間ｄｒは極小となる。

【００３９】これに対し、排気管２０およびバタフライ
バルブ４４の加工精度を通常程度、つまり、特に高水準
なものにしない場合、排気管２０の内径寸法およびバタ
フライバルブ４４の外径寸法のばらつき範囲が大きいの
で、相互に干渉を避けるためには隙間ｄｒにある程度の
余裕を持たせる必要がある。本発明の技術分野において
は通常、排気管２０の内径やバタフライバルブ４４の外
径の形状公差は±０．１ｍｍであり、一般的にこれより
公差域を縮めようとすると加工精度をより高水準なもの
にする必要があり、コストアップに繋がることが知られ
ている。この形状公差を半径について検討してみると、
排気管２０の内半径およびバタフライバルブ４４の外半
径の形状公差はそれぞれ±０．０５ｍｍとなるから、こ
れら両方の形状公差を足し合わせると、隙間ｄｒの公差
域は±０．１ｍｍの範囲となる。すなわち、隙間ｄｒを
０．１ｍｍより小さくするように排気管２０およびバタ
フライバルブ４４を製作・加工しようとすると公差域を
±０．１ｍｍの範囲よりも縮める必要があるため、大幅
なコストアップに繋がるといえる。

【００４０】一方、隙間ｄｒの大きさは、排気管２０と
バタフライバルブ４４との間に残された残存通路断面積
を規定するものであり、それゆえ、排気流動制御におい
て隙間ｄｒの大きさは、排気圧力に相関があるものと考
えられる。図８は、隙間ｄｒの大きさと排気圧力との関
係を示している。具体的には、排気管２０を一定の基準
内径ｄ（例えば一般的な値として５５ｍｍ）として隙間
ｄｒの設定を異ならせたとき、それぞれについてバタフ
ライバルブ４４を全閉位置に制御し、一定の排気流量
（例えば８リットル毎秒）でエンジン１を運転した場合
に得られた隙間ｄｒと排気圧力との関係をプロットした
ものである。

【００４１】図８の関係から以下のことが理解される。
すなわち、バタフライバルブ４４を全閉に制御して排気
管２０の通路断面積を最も減少させたとき、排気圧力を
大気圧に対して最大１０６６ｈＰａ（８００ｍｍＨｇ）
上昇させるには、隙間ｄｒが０．１ｍｍより小さく（例
えば０．０９９５ｍｍ）設定されている必要がある。

【００４２】これに対し、排気圧力を大気圧に対して８
００ｈＰａ（６００ｍｍＨｇ）上昇させるのであれば、
隙間ｄｒは０．１ｍｍ以上（例えば０．１１４５ｍｍ）
でもよい。このように、隙間ｄｒを大きく設定するほど
排気圧力の上昇効果が低下し、排気圧力を５３３ｈＰａ
（４００ｍｍＨｇ）上昇させるための隙間ｄｒは０．１
ｍｍよりも大きく（例えば０．１３９２ｍｍ）、そし
て、排気圧力を２６６ｈＰａ（２００ｍｍＨｇ）上昇さ
せるだけであれば隙間ｄｒは更に大きい値（例えば０．
１７７７ｍｍ）となる。

【００４３】また、隙間ｄｒの値が０．２ｍｍとなるあ
たりで排気圧力は変曲点を迎えており、隙間ｄｒの大き
さが０．２ｍｍを上回ると排気圧力は２６６ｈＰａ（２
００ｍｍＨｇ）以下となり、０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの
場合と比較すると緩やかに低下している。上述した隙間
ｄｒと排気圧力との関係と、排気管２０およびバタフラ
イバルブ４４の加工精度と製造コストとの関係から以下
のことが明らかとなる。

【００４４】すなわち、排気流動制御によって排気圧力
を大気圧に対して１０６６ｈＰａ上昇させようとする
と、隙間ｄｒを０．１ｍｍより小さい値に設定する必要
がある。このとき、排気管２０およびバタフライバルブ
４４の形状公差を±０．１ｍｍの水準とすると、最悪の
ケースとして排気管２０の内径が下側に最も小さく（基
準径−０．１ｍｍ）、且つ、バタフライバルブ４４の外
径が上側に最も大きく（基準径＋０．１ｍｍ）ずれた場
合は両者が干渉する。このため、これを回避するには形
状公差をより高水準にする必要があり、コストアップが
大きくなる。一方、あくまで通常水準の形状公差を維持
すると、干渉を避けるために隙間ｄｒを０．１ｍｍより
大きく設定しなければならないため、この場合は排気流
動制御による排気圧力の上昇効果が目減りする（図８参
照）。

【００４５】以上の検証に基づき本発明の発明者等は、
上述した２重管による排気温度の上昇効果に着目すると
ともに、隙間ｄｒを適正な範囲に設定することでコスト
アップを招くことなく所望の排気圧力を得る技術に想到
したものである。すなわち公知のように、排気管２０を
２重管とすることで、同一の条件であっても通常の単管
の場合より排気温度を４０℃〜８０℃高く保持すること
ができる。そこで、排気流動制御と２重管とを組み合わ
せると、図６の関係において排気圧力の上昇が２６６ｈ
Ｐａ〜８００ｈＰａの範囲内であっても、同図中に２点
鎖線で示されるように排気温度を７００℃まで上昇させ
ることが可能となる。これは、排気圧力を８００ｈＰａ
〜１０６６ｈＰａの範囲まで上昇させた場合と同様の効
果であるといえる。

【００４６】以上の結果をまとめると、大気圧に対して
排気圧力を２６６ｈＰａ〜８００ｈＰａの範囲内で上昇
させるように排気流動を制御可能なバタフライバルブ４
４を設定し、合わせて断熱効果の高い２重管を排気管２
０に採用することで、排気圧力を８００ｈＰａ〜１０６
６ｈＰａの範囲まで上昇させた場合と同等レベルの排気
温度の上昇効果を達成することができる。このため、通
常の形状公差を維持することでコストの上昇を抑えるこ
とと、高い排気昇温効果による三元触媒３０の早期活性
化の実現とが両立される。

【００４７】なお、材料の熱膨張による影響に関して発
明者等が確認を行った結果、バタフライバルブ４４の熱
膨張量は、外径が５５ｍｍのものでも８００℃の時に
０．００１ｍｍ程度であり（材質が鉄（ステンレス、鋳
鉄を含む）の場合）、隙間ｄｒに与える影響は極めて小
さいことが明らかとなっている。また一般に、エンジン
１から三元触媒３０までの間での放熱量が大きいほど、
三元触媒３０の昇温のための熱量が余分に必要となり、
その分、燃費が悪化すると考えられる。この点、排気管
２０に２重管を採用していれば、単管（１重管）に比較
して排気ガスからの放熱量が少なく、冷態始動時に必要
となる熱量が削減されるため燃費が向上する。具体的に
発明者等が確認を行った結果、例えばアイドル運転を５
０秒間行ったときの平均値で、燃費を１０％程度向上さ
せる効果が得られている。

【００４８】図９を参照すると、２段燃焼と排気流動制
御とを合わせて実施した場合の実験結果（実線）と、２
段燃焼を行わずに排気流動制御だけを実施した場合の実
験結果（破線）とがタイムチャートで示されているが、
このように、２段燃焼を実施するとともに、有害物質の
低減要求を満足するべくバタフライバルブ４４を制御し
て排気圧力を２６６ｈＰａ〜８００ｈＰａの範囲内まで
上昇させることにより、始動直後（ファイアリング直
後）から排気マニホールド１２の出口（エキマニ出口）
での排気温度および触媒温度をいずれも高めることがで
き、触媒入口のＨＣ濃度をはるかに低く抑えることがで
きる。なお、この結果は排気圧力を８００ｈＰａ〜１０
６６ｈＰａとなる範囲まで上昇させた場合とほぼ同様で
ある。

【００４９】更に図１０には、排気ガスが三元触媒３０
を通過した場合の触媒出口でのＨＣ濃度の時間的な変化
が示されている。２段燃焼と排気流動制御とを合わせて
実施した場合（実線）と、排気流動制御だけを実施した
場合（破線）とを比較すると、２段燃焼を実施するとと
もに、有害物質の低減要求を満足するべくバタフライバ
ルブ４４を制御して排気圧力を２６６ｈＰａ〜８００ｈ
Ｐａの範囲内まで上昇させることにより、大気中に放出
されるＨＣ、つまり有害物質の量を始動直後から大幅に
低減することができ、大気中に放出される排気ガスを極
めてクリーンに浄化することができる。またこの結果
は、排気圧力を８００ｈＰａ〜１０６６ｈＰａとなる範
囲まで上昇させた場合とほぼ同様である。

【００５０】上述の２段燃焼では、燃料噴射弁６により
主噴射とは別に副噴射を行う技術が採用されている。す
なわち、燃料噴射弁６によって主噴射以降に燃料が再度
噴射され、これにより排気系内に燃料及び酸素が供給さ
れるものとなっているが、本発明はこれに限られず、Ｅ
ＣＵ６０は主燃焼Ａ／Ｆをリーン空燃比に制御するとと
もに、燃焼室とは別の排気空間、例えば排気管２０の制
御バルブ４０よりも上流位置に主噴射とは独立に燃料を
供給するものであってもよい。また、主燃焼Ａ／Ｆをリ
ーン空燃比とすることなく、酸素を独立に排気系に供給
するようにしてもよい。

【００５１】以上の説明では２段燃焼の場合について説
明しているが、排気温度を上昇させる手段としてＥＣＵ
６０のその他の制御態様（既述）を実施してもよい。ま
た、排気マニホールド１２や排気管２０は全長に亘って
２重管路となっていなくてもよく、排気マニホールド１
２のみ、あるいは、排気管２０の全体もしくは一部、例
えばフロントパイプ部分だけが２重管路となっている態
様でもよい。

【００５２】上述の一実施形態においては、断熱手段と
して排気管を２重管路構造としているが、排気温度を４
０℃〜８０℃高く保持する程度の断熱部材を排気管の外
周面に設けてもよい。上述の一実施形態では、排気管２
０およびバタフライバルブ４４の形状を真円としている
が、これらの形状は真円に限られず、例えば楕円形であ
ってもよい。

【００５３】その他、一実施形態では排気浄化のために
三元触媒３０を用いているが、その他にリーンＮＯｘ触
媒やＨＣ吸着触媒等を用いる態様であってもよい。なお
触媒はＭＣＣ（マニホールド触媒）あるいはデュアルＭ
ＣＣやＵＣＣ（床下触媒）等の全てに適用可能である。
また、エンジン１はガソリンエンジンに限られるもので
はなく、ディーゼルエンジンであってもよい。

【００５４】

【発明の効果】本発明の排気流動制御装置（請求項１，
２，５）は、低コストで故障が生じにくい構造により有
効に排気昇温や有害物質の排出量低減等の要求を満足す
ることができ、その実用性・信頼性ともに優れたものと
なる。特に、形状公差を通常のものに設定しているため
（請求項３）、コストの上昇が確実に抑えられる。

【００５５】更に排気浄化触媒を備えていれば（請求項
４）、排気ガスを効率的に浄化する目的に合致した好ま
しい排気流動制御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施形態の排気流動制御装置を概略的に示し
た図である。

【図２】各種エキゾーストマニホールドシステムを示す
図である。

【図３】２重管路を示す図である。

【図４】デュアル型エキゾーストマニホールドシステム
のデュアル部分の断面形状を示す図である。

【図５】バタフライバルブを具体的に示した図である。

【図６】排気圧力と始動５秒後の排気温度との関係を表
す図である。

【図７】排気管およびバタフライバルブの詳細図であ
る。

【図８】排気管の内壁とバタフライバルブ外周との間に
形成される隙間の大きさと排気圧力との関係を表す図で
ある。

【図９】触媒入口でのＨＣ濃度や排気温度、触媒温度に
関し、２段燃焼と排気流動制御とを実施した場合の実験
結果（実線）と、２段燃焼なしの場合の実験結果（破
線）とを比較して示したタイムチャートである。

【図１０】触媒出口でのＨＣ濃度や排気温度に関し、２
段燃焼と排気流動制御とを実施した場合（実線）と、２
段燃焼なしの場合（破線）とを比較して示したタイムチ
ャートである。

【符号の説明】

１ エンジン本体 ６ 燃料噴射弁 １２ 排気マニホールド ２０ 排気管 ３０ 三元触媒 ４０ 制御バルブ ４４ バタフライバルブ４４ ６０ ＥＣＵ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０１Ｎ 7/08 Ｆ０１Ｎ 7/08 Ａ Ｂ Ｆ０２Ｄ 9/04 Ｆ０２Ｄ 9/04 Ｃ Ｅ 41/34 41/34 Ｅ (72)発明者 古賀 一雄 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動車 工業株式会社内 (72)発明者 山田 尚人 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動車 工業株式会社内 (72)発明者 大橋 朋宏 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動車 工業株式会社内 Ｆターム(参考） 3G004 BA03 BA06 DA00 DA01 DA14 DA24 DA25 EA05 3G065 AA04 AA09 AA10 CA12 DA04 EA01 GA06 GA08 GA09 GA41 HA06 HA21 HA22 KA02 3G084 AA03 BA05 BA13 BA15 BA17 BA19 BA24 CA02 DA10 EA04 EA11 EB06 EC03 FA00 FA10 FA20 FA27 3G091 AA12 AA17 AA24 AB03 BA00 BA03 BA04 BA14 BA15 BA19 CA22 CB02 CB03 CB07 EA07 EA16 EA17 EA18 EA32 FA02 FB11 GB01W GB05W GB06W GB07W HA36 3G301 HA01 HA04 JA24 JA25 JA26 KA02 LA08 LB11 MA01 MA11 MA18 MA27 PA09Z PA11Z PB03A PB03Z PB05A PB05Z PD11Z PD12Z PD14Z PE08Z

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排気通路に設けられ、この排
   気通路の断面積を減少させることで排気流動を制御可能
   な制御バルブと、 前記排気通路内に可燃物質を供給し、その燃焼熱で排気
   ガス温度を上昇させる排気昇温手段と、 前記排気通路の前記制御バルブよりも上流位置に設けら
   れ、前記排気通路外への排気ガス中の熱エネルギの放出
   を抑制する断熱手段と、 排気昇温の要求および排気ガス中の有害物質の大気中へ
   の放出量の低減要求の少なくとも一方を満足するべきと
   き、前記制御バルブを作動させて前記排気通路の断面積
   を減少させる制御を行う制御手段とを備え、 前記制御バルブの作動により前記排気通路の断面積が最
   も減少されたとき、前記制御バルブから上流側の排気圧
   力を大気圧に対して２６６ｈＰａ〜８００ｈＰａの範囲
   内で上昇させるべく、前記排気通路と前記制御バルブと
   の間に残された残存通路断面積が設定されていることを
   特徴とする排気流動制御装置。
2. 【請求項２】 内燃機関の排気通路に設けられ、この排
   気通路の断面積を減少させることで排気流動を制御可能
   な制御バルブと、 前記排気通路内に可燃物質を供給し、その燃焼熱で排気
   ガス温度を上昇させる排気昇温手段と、 前記排気通路の前記制御バルブよりも上流位置に設けら
   れ、前記排気通路外への排気ガス中の熱エネルギの放出
   を抑制する断熱手段と、 排気昇温の要求および排気ガス中の有害物質の大気中へ
   の放出量の低減要求の少なくとも一方を満足するべきと
   き、前記制御バルブを作動させて前記排気通路の断面積
   を減少させる制御を行う制御手段とを備え、 前記制御バルブの作動により前記排気通路の断面積が最
   も減少された状態で、前記排気通路の内壁と前記制御バ
   ルブとの隙間の公差域が±０．１ｍｍから±０．２ｍｍ
   までの間で設定されていることを特徴とする排気流動制
   御装置。
3. 【請求項３】 前記制御バルブがバタフライバルブから
   なり、 前記排気通路の内壁および前記バタフライバルブの外周
   の形状公差域は、いずれも±０．１ｍｍから±０．２ｍ
   ｍまでの間で設定されていることを特徴とする請求項２
   に記載の排気流動制御装置。
4. 【請求項４】 前記排気通路に設けられ、排気ガスを浄
   化する触媒を更に備えることを特徴とする請求項１から
   ３のいずれかに記載の排気流動制御装置。
5. 【請求項５】 内燃機関の排気通路に設けられ、この排
   気通路の断面積を減少させることで排気流動を制御可能
   な制御バルブと、 前記排気通路内に可燃物質を供給し、その燃焼熱で排気
   ガス温度を上昇させる排気昇温手段と、 前記排気通路の前記制御バルブよりも上流位置に設けら
   れ、前記排気通路外への排気ガス中の熱エネルギの放出
   を抑制する断熱手段と、 排気昇温の要求および排気ガス中の有害物質の大気中へ
   の放出量の低減要求の少なくとも一方を満足するべきと
   き、前記制御バルブを作動させて前記排気通路の断面積
   を減少させる制御を行う制御手段とを備え、 前記制御バルブの作動により前記排気通路の断面積が最
   も減少された状態で、前記排気通路の内壁と前記制御バ
   ルブとの隙間が０．１ｍｍから０．２ｍｍまでの間で設
   定されていることを特徴とする排気流動制御装置。