JP2005201218A - 二次空気供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスの再燃焼性を維持しつつ、同排気ガスの逆流を好適に抑制することのできる二次空気供給装置を提供する。
【解決手段】供給通路３３と導入通路３２との間に介在されるガスケット３４に導入通路３２側に向かって突出するノズル部３４ａを形成し、シリンダヘッド１３の側壁にこのノズル部３４ａを収容する凹部３７を形成した。これにより、二次空気の導入時には、二次空気がノズル部３４ａを通じて導入通路３２まで速やかに導かれる。一方、排気ガスが導入通路３２を通じて供給通路３３へと流れ込もうとする時には、排気ガスは、凹部３７内で拡散された後にノズル部３４ａの外側面全周から同ノズル部３４ａの先端開口に向かって流れ込むようになる。これにより排気ガスの流れに縮流が生じ、流動抵抗が増大して、排気ガスの逆流が抑制される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、二次空気供給装置にかかり、詳しくは、内燃機関の排気系に、排気ガス中に含まれる未燃焼ガスを再燃焼させるための二次空気を供給する二次空気供給装置に関するものである。

従来、この種の装置としては、例えば特許文献１に記載される構成のように、シリンダヘッドに形成される供給通路（文献中では、流体通路）から同シリンダヘッドに形成される導入通路（文献中では、二次空気ポート）を通じて二次空気を排気ポートに導入するようにした構成を備えるものが一般的に知られている。

このように構成された二次空気供給装置では、例えば内燃機関が冷間始動等され、排気系の途中に配設される触媒がまだ活性化されていない期間には、二次空気が供給通路および導入通路を通じて排気ポートに導入される。そして、このように排気ポートに二次空気が導入されることにより、排気ガスに含まれる未燃焼ガスが燃焼され、同排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）が酸化される。その結果、触媒が活性化されていない期間にあっても排気性状の改善を図ることができる。
特開２０００−２４０５０６号公報

ところで、上記のような二次空気供給装置にあっては、触媒が活性化されて以降（暖機後）は、排気ポートに二次空気を導入する必要がなくなる。言い換えれば、触媒が活性化されて以降、二次空気の供給は停止される。

ただし、このように二次空気の供給を停止している場合には、内燃機関の運転に伴い、高温の排気ガスが排気ポートから導入通路を通じて供給通路に逆流することがある。このように、高温の排気ガスが供給通路に流れ込むと、該供給通路内の温度が上昇し、ひいては、同通路を構成する部材の耐久性を低下させることとなる。

また、このように排気ガスの逆流が生じると、シリンダヘッド内を循環するオイルの温度が上昇してオイルコーキング等が生じるようになる。こうしたオイルコーキングの発生はオイルの循環を阻害することから、潤滑系や動弁系などに及ぼす影響が無視できないものとなる。

この発明は、以上のような従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気ガスの再燃焼性を維持しつつ、同排気ガスの逆流を好適に抑制することのできる二次空気供給装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、内燃機関のシリンダヘッドにガスケットを介して取り付けられる供給部の供給通路から前記シリンダヘッドの導入通路を通じて二次空気を排気ポートに導入する二次空気供給装置において、前記ガスケットは前記導入通路と前記供給通路とを連通する連通孔の周縁部分に前記導入通路側に突出するノズル部が形成されてなることを要旨とする。

上記構成によれば、二次空気の導入時には、二次空気は、供給通路からガスケットのノズル部を通じて導入通路まで速やかに導かれるようになる。これにより、二次空気の良好な流通性を確保して排気ガスの再燃焼性を維持することができる。一方、排気ガスが導入通路を通じて供給通路へと流れ込もうとする時（逆流時）には、排気ガスは、ノズル部の外側面全周から同ノズル部の先端開口に向かって流れ込むようになる。これにより、排気ガスの流れに縮流が生じ、流動抵抗が増大することで、供給通路へと逆流する排気ガスの量を大幅に減らすことができる。その結果、供給通路が高温になるのを好適に回避することができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の二次空気供給装置において、前記ノズル部の先端開口面積は前記導入通路の通路断面積よりも小さく設定されることを要旨としている。

上記構成によれば、ノズル部の先端開口面積は導入通路の通路断面積よりも小さく設定される。このため、上記シリンダヘッドと供給部との間に介在されるガスケットは、そのノズル部の先端開口が導入通路内に臨むようにして配置される。このように導入通路内にノズル部が配置されることで、逆流する排気ガスの流れに縮流が生じ、流動抵抗が増大することで、供給通路へと逆流する排気ガスの量を大幅に減らすことができるようになる。

請求項３に記載の発明では、請求項１又は２に記載の二次空気供給装置において、前記ノズル部は先端側ほど通路断面積が小さくなるようにその側面が斜状に形成されてなることを要旨としている。

上記構成によれば、ノズル部は、先端側ほど通路断面積が小さくなるようにその側面が斜状に形成される。これにより、排気ガスが導入通路から供給通路へと逆流するのを、より効果的に抑制することができるようになる。

請求項４に記載の発明では、請求項１乃至３の何れか一項に記載の二次空気供給装置において、前記導入通路と連通され、前記供給通路側に同導入通路の通路断面積よりも大きな開口面積を有してなる凹部が前記シリンダヘッドに形成されてなることを要旨としている。

上記構成によれば、シリンダヘッドには、導入通路と連通され、供給通路側に同導入通路の通路断面積よりも大きな開口面積を有してなる凹部が形成される。このような構成では、導入通路を逆流する排気ガスが同凹部内で一旦拡散され、その後に、ノズル部の外側面全周から同ノズル部の先端開口に向かって流れ込むようになる。このため、上記排気ガスが導入通路から供給通路へと逆流するのを、より効果的に抑制することができるようになる。

請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の二次空気供給装置において、前記ノズル部は前記導入通路の径に対応した円筒状のフランジを有する穴として形成されてなり、前記凹部は前記導入通路と連通される底面から前記ノズル部のフランジ先端までの距離が最短位置にて前記ノズル部の穴径以上確保されるように形成されてなることを要旨としている。

上記構成によれば、ノズル部が導入通路の径に対応した円筒状のフランジを有する穴として形成される場合、凹部は導入通路と連通される底面からノズル部のフランジ先端までの距離が最短位置にて同ノズル部の穴径以上確保されるように形成される。このようにノズル部や凹部が形成されることで、逆流する排気ガスが凹部内全域にて十分に拡散されるようになる。これにより、排気ガスの逆流をより効果的に抑制することができるようになる。

因みに、ノズル部の構成としては、上記請求項５に記載の構成のみに限らず、その他、例えば、
請求項６に記載の発明のように、前記ノズル部は前記内燃機関の気筒列方向に連続する横長状のフランジを有する穴として形成されてなる、といった構成を採用することもできる。

上記構成によれば、各導入通路に対応するノズル部がガスケットに一括して形成されるため、同ノズル部を簡単に形成することができる。
請求項７に記載の発明では、請求項４乃至６の何れか一項に記載の二次空気供給装置において、前記凹部は前記内燃機関の気筒列方向に連続する溝として前記シリンダヘッドに凹設されてなることを要旨としている。

上記構成によれば、シリンダヘッドに気筒列方向に連続する溝を凹設するだけで、上記ノズル部を収容する凹部を簡単に形成することができる。

以下、この発明を、例えば４気筒の内燃機関に適用される二次空気供給装置に具体化した一実施の形態について、図１及び図２を参照しながら説明する。
図１は、当該機関を含めた二次空気供給装置の全体構造を概略的に示す断面図である。

同図に示すように、内燃機関１１（図には１気筒分のみ示す）は、シリンダブロック１２とシリンダヘッド１３とを備えて構成されている。
シリンダブロック１２の内部には、上下運動可能なピストン１４が設けられ、このピストン１４の上面とシリンダヘッド１３とにより囲まれた空間によって燃焼室１５が形成されている。

シリンダヘッド１３には、この燃焼室１５に通じる吸気ポート１６と排気ポート１７とがそれぞれ設けられている。このうち、吸気ポート１６には吸気バルブ１８が設けられており、この吸気バルブ１８を開弁駆動することで、同吸気ポート１６と接続される吸気マニホールド１９から燃焼室１５に空気が導入されるタイミング等が制御されるようになっている。

また、これとほぼ同様な構造として、排気ポート１７には排気バルブ２０が設けられており、この排気バルブ２０を開弁駆動することで、同排気ポート１７と接続される排気マニホールド２１に燃焼室１５から燃焼後の燃料（排気ガス）が排出されるタイミング等が制御されるようになっている。

シリンダヘッド１３の下部には、燃焼室１５に導入される空気と燃料との混合気に対して点火を行うための点火プラグ２２がその一部（電極部）を燃焼室１５内に露出するようにして設けられている。なお、燃料は、例えば吸気ポート１６の近傍に設けられるインジェクタ２３により、同吸気ポート１６を介して燃焼室１５に導入される。

このような内燃機関１１に対して、本実施の形態の二次空気供給装置３１は、同内燃機関１１の排気ポート１７に二次空気を導入するための導入通路３２と、その導入通路３２に二次空気を供給するための供給通路３３とを備えて構成されている。

このうち、導入通路３２は、二次空気を直接排気ポート１７に導入すべく、上記供給通路３３との接続部となるシリンダヘッド１３の側壁から排気ポート１７までを貫通する貫通孔として形成されている。なお、図示は省略するが、この導入通路３２は、内燃機関１１の気筒列方向（紙面の垂直方向）における各排気ポート１７毎に独立して設けられている。

一方、供給通路３３は、各排気ポート１７毎に設けられるそれら複数の導入通路３２に二次空気を分配供給するためのデリバリ通路であり、シリンダヘッド１３の側壁に対して設けられている。

詳しくは、供給通路３３は、シリンダヘッド１３の側壁に取り付けられる上記排気マニホールド２１のフランジの一部分に形成されており、この排気マニホールド２１のフランジと上記シリンダヘッド１３とがガスケット３４を介して接合されている。つまり、このガスケット３４を介して上記供給通路３３と導入通路３２とが連通されるようになっている。なお、本実施の形態において、排気マニホールド２１のフランジは、供給通路３３が形成される供給部として、シリンダヘッド１３の側壁に取り付けられている。また、本実施の形態において、上記ガスケット３４は、シリンダヘッド１３の排気ポート１７と、それに連通する排気マニホールド２１との間に介在されるガスケットと一体化して形成されるようになっており、これにより部品点数の増大を抑制するようにしている。

図１に示すように、この供給通路３３は、二次空気供給パイプ３５に接続されている。そして、この供給パイプ３５に設けられた二次空気浄化用のエアクリーナ３５ａ（フィルタ）、電動式エアポンプ３５ｂ、およびコンビバルブ３５ｃを介して二次空気の供給がなされる。コンビバルブ３５ｃは、供給通路３３から導入通路３２への二次空気の供給を制御するバルブであり、このコンビバルブ３５ｃをはじめ、電動式エアポンプ３５ｂの駆動は、電子制御装置（ＥＣＵ）３６によって制御される。

このような二次空気供給装置３１では、例えば内燃機関１１が冷間始動等され、排気系の途中に配設される触媒がまだ活性化されていない期間には、上記電動式エアポンプ３５ｂによりエアクリーナ３５ａを介して吸入される二次空気がコンビバルブ３５ｃ、供給通路３３および導入通路３２を介して排気ポート１７に導入される。これにより、排気ガス中に含まれる炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）などの未燃焼ガスが燃焼（酸化）され、それらＨＣやＣＯの残存量が減少するようになる。そして、このような未燃焼ガスの燃焼（酸化）により触媒が速やかに昇温され、内燃機関１１の冷間始動後であれ、同触媒が早期に活性状態となる。

ところで、こうした二次空気供給装置３１では、上記触媒が活性化されて以降（暖機後）は、二次空気の供給が停止される。ただし、このように二次空気の供給を停止しているときには、内燃機関１１の運転に伴い、高温の排気ガスが排気ポート１７から導入通路３２を通じて供給通路３３に逆流することがある。

このように排気ガスの逆流が生じると、供給通路３３を構成する部材（具体的には排気マニホールド２１のフランジ）の温度が上昇して同部材の耐久性を低下させることとなるばかりか、シリンダヘッド１３内を循環するオイルの温度が上昇してオイルコーキング等を生じさせることとなる。

そこで、本実施の形態の二次空気供給装置３１では、図１及び図２に示すように、上記ガスケット３４に、供給通路３３への排気ガスの流入（逆流）を抑制するためのノズル部３４ａを形成することを特徴的な構成としている。

その具体的構成について説明すると、ノズル部３４ａは、供給通路３３と導入通路３２とを連通する連通孔の周縁部分に同導入通路３２側に突出するようにしてガスケット３４に形成されている。このようなノズル部３４ａは、本実施の形態においては、ガスケット３４に下穴を穿設した後に、供給通路３３側から導入通路３２側に向かって円筒状にフランジング加工（バーリング加工）することで成形される。なお、このノズル部３４ａの穴径φＤ（図２参照）は、本実施の形態においては、各導入通路３２の径とそれぞれ同じ径に設定されている。すなわちガスケット３４は、ノズル部３４ａのフランジ先端がシリンダヘッド１３側と対向するようにして同シリンダヘッド１３と排気マニホールド２１のフランジとの間に挟設されている。

ここで、本実施の形態の二次空気供給装置３１において、このようなガスケット３４と対向するシリンダヘッド１３の壁面には、上記ノズル部３４ａ（具体的にはシリンダヘッド１３側に突出するフランジ）を収容する凹部３７が形成されている。

具体的には、この凹部３７は、本実施の形態においては、内燃機関１１の気筒列方向（図１において紙面の垂直方向）に連続する溝としてシリンダヘッド１３の壁面に凹設されており、同凹部３７の底面３７ａには、ノズル部３４ａの先端開口位置に対応して各導入通路３２と連通する導入口が形成されている。なお、この凹部３７は、その底面３７ａからノズル部３４ａのフランジ先端までの距離が最短位置にて同ノズル部３４ａの穴径φＤ以上確保されるような深さで形成されている。また、本実施の形態において、凹部３７は、その底面３７ａの面積よりも開口面３７ｂの面積が大きくなるよう形成されている。

このような凹部３７が形成されることにより、導入通路３２を通じて供給通路３３へと流れ込もうとする排気ガス（図２において矢印Ａで示す方向）は、凹部３７内で拡散（減速）された後に、ノズル部３４ａの外側面全周からその先端開口に向かって流れ込むようになる。これにより排気ガスの流れに縮流が生じ、同排気ガスの流動抵抗が増大することで、排気ガスが供給通路３３へ流入（逆流）することが抑制される。

なお、このノズル部３４ａは、こうした排気ガスの流れに対しては流動抵抗を増大させてその逆流を規制する作用をもたらすが、その一方、二次空気の導入時（図２において矢印Ｂで示す方向）には、導入通路３２へ至るまでの二次空気の流動抵抗を小さくして、二次空気を該導入通路３２へと速やかに導く流通路として作用する。

以上記述したように、本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）ガスケット３４において供給通路３３と導入通路３２とを連通する連通孔の周縁部分に導入通路３２側に向かって突出するノズル部３４ａを形成し、シリンダヘッド１３の側壁にこのノズル部３４ａを収容する凹部３７を形成した。この構成によれば、二次空気の導入時には、二次空気は流通路としてのノズル部３４ａを通じて導入通路３２まで速やかに導かれるようになる。これにより、二次空気の良好な流通性を確保して排気ガスの再燃焼性を維持することができる。一方、排気ガスが導入通路３２を通じて供給通路３３へと流れ込もうとする時には、排気ガスは、凹部３７内で拡散された後にノズル部３４ａの外側面（フランジ）全周から同フランジ先端の開口に向かって流れ込むようになる。これにより、排気ガスの流れに縮流が生じ、流動抵抗が増大することで、排気ガスの逆流を抑制することができる。

（２）供給通路３３へと逆流する排気ガスの量を大幅に減らすことができるようになるため、該供給通路３３が高温になることや、シリンダヘッド１３内を循環するオイルの温度が上昇することに起因してオイルコーキング等が発生することを好適に回避することができる。

（３）凹部３７はその底面３７ａからノズル部３４ａのフランジ先端までの距離が最短位置にて同ノズル部３４ａの穴径φＤ以上確保されるような深さで形成される。これにより、逆流する排気ガスを凹部３７内全域にて十分に拡散させることが可能となり、同排気ガスが供給通路３３へと流入することをより好適に阻止することができる。

（４）また、本実施の形態において、凹部３７は、その底面３７ａの面積よりも開口面３７ｂの面積が大きくなるよう形成される。これにより、排気ガスが拡散され易くなるため、排気ガスの逆流をより好適に抑制することができるようになる。

（５）本実施の形態では、導入通路３２と供給通路３３との間に介在されるガスケット３４に排気ガスの逆流を抑制するノズル部３４ａを形成するようにしたことで、部品点数を増大せずに済む。また、このガスケット３４は、排気ポート１７と排気マニホールドとの連通間に介在されるガスケットと一体化されることも前述した。従って、本実施の形態においては、部品点数の増大を招くことなく、排気ガスの逆流を好適に抑制し得る装置３１を極めて簡易な構造で実現することが可能である。

＜その他の実施形態＞
上記実施の形態は、以下の態様に変更して実施してもよい。
・上記実施の形態では、ノズル部３４ａをバーリング加工によって形成されるものとしたが、勿論、このノズル部３４ａは、その他の加工技術によって形成されるものであっても構わない。

・上記実施の形態では、ノズル部３４ａの先端開口面積を導入通路３２の通路断面積と同じ面積値（具体的には穴径φＤ）に設定して、同ノズル部３４ａをシリンダヘッド１３に形成した凹部３７内に収容する態様としたが、このノズル部３４ａの先端開口面積を導入通路３２の通路断面積よりも小さく設定してもよい。この場合、先のような凹部３７をシリンダヘッド１３に形成しなくても、ノズル部３４ａの先端開口を導入通路３２内に臨ませて配置することで、上記実施の形態と同様な効果を奏する構造とすることができる。

・上記実施の形態では、ノズル部３４ａの通路断面積（具体的には穴径φＤ）が一定となるように同ノズル部３４ａは円筒状にフランジング加工して形成されるが、これを、同ノズル部３４ａの先端側ほど通路断面積が小さくなるようにその側面が斜状に形成されていてもよい。このような構成にすれば、排気ガスの逆流を、より効果的に抑制することができるようになる。

・上記実施の形態では、ノズル部３４ａを、円筒状のフランジを有する穴としてガスケット３４に複数形成するようにしたが、これを、内燃機関１１の気筒列方向に連続した横長状のフランジを有する１つの穴として形成してもよい。なお、このようなノズル部とした場合にも、凹部３７を、その底面３７ａからノズル部のフランジ先端までの距離が最短位置で同ノズル部先端開口の上下幅以上確保されるように形成するのが望ましい。

・上記実施の形態では、凹部３７の底面３７ａからノズル部３４ａのフランジ先端までの距離が最短位置で同ノズル部３４ａの穴径φＤ以上確保されるようにしたが、必ずしも穴径φＤ以上とする必要はない。これは排気ガスの逆流を効果的に抑制する観点から望ましい値であり、凹部３７内で拡散（減速）された排気ガスの流れに、ノズル部３４ａによって縮流を生じさせることができればよい。

・また、上記実施の形態では、ノズル部３４ａの穴径φＤを導入通路３２の径と同じとしたが、必ずしも同じにする必要はない。
・凹部３７の形状としては、上記実施の形態に記載する形状に限定されない。例えば、凹部３７の底面３７ａの面積を導入通路３２の通路断面積と同じ面積とし、この導入通路３２側から供給通路３３側に向かって徐々に拡径されるように凹部３７を形成してもよい。つまり、凹部３７は、導入通路３２と連通され、供給通路３３側に同導入通路３２の通路断面積よりも大きな開口面積を有するようにしてシリンダヘッド１３に形成されていればよい。

・また、上記実施の形態では、凹部３７を、その底面３７ａの面積よりも開口面３７ｂの面積が大きくなるように形成したが、必ずしもこの構成とする必要はなく、例えば底面３７ａと開口面３７ｂとの大きさを同じとしてもよい。

・上記実施の形態では、ノズル部３４ａを形成するガスケット３４を、排気ポート１７と排気マニホールド２１との接合部に挟設されるガスケットと一体化させたが、別体であっても勿論よい。

・上記実施の形態では、二次空気の良好な流通性を確保するべく、導入通路３２の導入口がノズル部３４ａの先端開口位置に対応するようにして凹部３７の底面３７ａに形成されるが、この導入口は二次空気の流通性を阻害させない程度ならば、ノズル部３４ａのフランジ先端（開口）位置よりも上方側あるいは下方側に設けられてもよい。

・上記実施の形態では、凹部３７は、シリンダヘッド１３の壁面に気筒列方向に連続する溝として凹設されるが、このような連続した溝とせず、各導入通路３２にそれぞれ対応して形成されてもよい。

一実施の形態の二次空気供給装置の全体構造を概略的に示す断面図。 同装置における供給通路と導入通路との接合部を示す拡大断面図。

符号の説明

１１…内燃機関、１３…シリンダヘッド、１７…排気ポート、２０…排気バルブ、２１…排気マニホールド、３１…二次空気供給装置、３２…導入通路、３３…供給通路、３４…ガスケット、３４ａ…ノズル部、φＤ…穴径、３５…二次空気供給パイプ、３５ａ…エアクリーナ、３５ｂ…電動式エアポンプ、３５ｃ…コンビバルブ、３６…電子制御装置（ＥＣＵ）、３７…凹部、３７ａ…凹部の底面、３７ｂ…凹部の開口面。

Claims (7)

1. 内燃機関のシリンダヘッドにガスケットを介して取り付けられる供給部の供給通路から前記シリンダヘッドの導入通路を通じて二次空気を排気ポートに導入する二次空気供給装置において、
   前記ガスケットは前記導入通路と前記供給通路とを連通する連通孔の周縁部分に前記導入通路側に突出するノズル部が形成されてなる
   ことを特徴とする二次空気供給装置。
2. 前記ノズル部の先端開口面積は前記導入通路の通路断面積よりも小さく設定される
   請求項１記載の二次空気供給装置。
3. 前記ノズル部は先端側ほど通路断面積が小さくなるようにその側面が斜状に形成されてなる
   請求項１又は２記載の二次空気供給装置。
4. 前記導入通路と連通され、前記供給通路側に同導入通路の通路断面積よりも大きな開口面積を有してなる凹部が前記シリンダヘッドに形成されてなる
   請求項１乃至３の何れか一項記載の二次空気供給装置。
5. 前記ノズル部は前記導入通路の径に対応した円筒状のフランジを有する穴として形成されてなり、
   前記凹部は前記導入通路と連通される底面から前記ノズル部のフランジ先端までの距離が最短位置にて前記ノズル部の穴径以上確保されるように形成されてなる
   請求項４記載の二次空気供給装置。
6. 前記ノズル部は前記内燃機関の気筒列方向に連続する横長状のフランジを有する穴として形成されてなる
   請求項４記載の二次空気供給装置。
7. 前記凹部は前記内燃機関の気筒列方向に連続する溝として前記シリンダヘッドに凹設されてなる
   請求項４乃至６の何れか一項記載の二次空気供給装置。

Images