JP2006052657A - 排気マニホールド - Google Patents

Abstract

【課題】短いブランチ長さで、エンジン出力を低下させず、かつ精度良く空燃比を検出することを可能にする。
【解決手段】エンジンのシリンダヘッド７の排気ポート８ａ〜８ｄにそれぞれ接続される複数のブランチ部１ａ〜１ｄと、ブランチ部１ａ〜１ｄが集合される集合部６と、空燃比検出手段３と、を備える排気マニホールド１において、ブランチ部１ａ〜１ｄ近傍に、隣り合うブランチ部１ａ〜１ｄの間隔と略同等の間隔で気筒数と同数だけ気筒列方向に並ぶ開口部４ａ〜４ｄを有し、気筒列方向と略平行に延びる中空管２を設け、中空管２の各開口部４ａ〜４ｄと各ブランチ部１ａ〜１ｄとをそれぞれ連通する連通部を設け、中空管２のいずれか一対の隣り合う開口部４ａ〜４ｄに挟まれる部分の空燃比を検出するように空燃比検出手段３が取り付けられる空燃比検出手段取付構造を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、排気マニホールドの構造に関し、特に、排気ガスの空燃比を検出するセンサの取り付け部の構造に関する。

車両の空燃比制御方法として、排気浄化用触媒より上流の排気通路に空燃比検出手段を設置して排気ガスの空燃比を検出し、この検出値を利用して燃料噴射量をフィードバック制御する方法が知られている。

この空燃比制御を精度良く行なうためには、空燃比検出手段の検出精度が重要であり、そのためには各気筒からの排気ガスが確実に空燃比検出手段に当たるような構造にしなければならず、例えば、各気筒に接続されるブランチの集合部より下流部分の一部の流路径を絞り、そこに空燃比検出手段を取り付ける構造や、各ブランチの出口を空燃比検出手段に向ける構造が知られている。

ところが、近年は排気浄化用触媒を早期活性化させるために、排気ポートから排気浄化用触媒までの距離を短く、つまり排気マニホールドのブランチを短くする傾向があるので、排気マニホールドの設計の自由度が小さくなり、空燃比検出手段に排気ガスを確実に当てることが困難となっている。

特許文献１には、排気浄化用触媒の入口部に複数のブランチが接続されるディフューザーを設け、このディフューザーの内部に、空燃比検出手段を内設し、かつ各ブランチからの排気ガスを空燃比検出手段に直接導く複数の開口部を備える容器部材を設ける構造が記載されている。
特開２０００−７３７４８号

ところで、高いエンジン出力を得るためには、排気マニホールドの各ブランチの合流角は小さい方が望ましい。

しかしながら特許文献１に記載の構造では、ブランチ長さを短くしつつ各気筒からの排気ガスを前記容器部材に導入させるためには、ブランチの合流角が大きくなってしまい、これにより合流部で排気干渉が生じてエンジン出力が低下するという問題がある。

また、各ブランチの出口に設置した前記容器部材が抵抗となり、エンジン出力が低下するという問題がある。

そこで、本発明では、ブランチの長さが短い場合であっても、エンジン出力を低下させることなく、空燃比を精度良く検出することが可能な空燃比検出手段取付構造とすることを目的とする。

本発明の排気マニホールドは、エンジンのシリンダヘッドの排気ポートにそれぞれ接続される複数のブランチ部と、前記ブランチ部が集合される集合部と、空燃比検出手段と、を備える排気マニホールドにおいて、前記ブランチ部近傍に、隣り合うブランチ部の間隔と略同等の間隔で気筒数と同数だけ気筒列方向に並ぶ開口部を有し、気筒列方向と略平行に延びる中空管を設け、前記中空管の各開口部と各ブランチ部とをそれぞれ連通する連通部を設け、前記中空管のいずれか一対の隣り合う前記開口部に挟まれる部分の空燃比を検出するように前記空燃比検出手段が取り付けられる空燃比検出手段取付構造を有する。

本発明によれば、多気筒エンジンの各ブランチ部と連通する中空管を設けたので、各気筒の排気工程毎に生じる排気脈動によって前記中空管内に差圧が生じ、この差圧によって前記中空管に排気ガスが導入されやすくなり、導入された排気ガスが前記中空管に設けた空燃比検出手段に当たりやすくなるので、各気筒の排気ガスの空燃比を精度よく検出することができる。

さらに、前記空燃比検出手段を中空管のいずれか一対の隣り合う開口部に挟まれる部分に設置するので、排気ガスが導入されるたびに空燃比検出手段付近に滞留する排気ガスが掃気され、精度良く空燃比を検出することができる。

また、上記のように差圧を利用して中空管内に排気ガスを導入するので、排気マニホールドの形状によらずに中空管に排気ガスを導入することができる。これにより排気マニホールドの設計の自由度が増し、エンジン出力を重視した排気マニホールド形状とすることができる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は第１実施形態のシステムの構成を表す図であり、７は直列４気筒エンジンのシリンダヘッド、８（８ａ〜８ｄ）は排気ポート、１はブランチ１ａ〜１ｄを有する排気マニホールド、６はブランチ１ａ〜１ｄが合流する集合部、２は隣り合うブランチ１ａ〜１ｄの間隔と略同等の間隔で気筒数と同数だけ気筒列方向に並ぶ開口部４ａ〜４ｄを有し、気筒列方向と略平行に延びる中空管としての連通管、３は空燃比検出手段としての酸素濃度センサである。なお、開口部４ａ〜４ｄは、後述する図３に示すように連通部１３ａ〜１３ｄによってそれぞれブランチ１ａ〜１ｄと連通している。また、連通管２の両端は閉塞されている。

ブランチ１ａ〜１ｄはそれぞれ一方の端部が排気ポート８ａ〜８ｄに接続され、他方の端部が集合部６で合流して一本の排気通路となっている。

排気マニホールド１の下流には図示しない排気浄化用触媒が接続されている。

連通管２はシリンダヘッド７近傍に設けられており、開口部４ａ〜４ｄは連通部１３ａ〜１３ｄによってそれぞれブランチ１ａ〜１ｄの上流側端部近傍と連通している。

酸素濃度センサ３は中央部分のブランチ１ｂと１ｃの間に設けられている。

なお、排気ポート８ａ〜８ｄはそれぞれ１番気筒〜４番気筒の排気ポートであり、本エンジンの点火順序は、気筒番号で示すと１−３−４−２である。

次に、上記のように構成したシステムの作用について説明する。

図２は縦軸にエキマニ圧力、横軸にクランクシャフト（図示せず）の回転角度（以下、クランクアングル）をとり、排気ポート８ａ〜８ｄの出口直後のブランチ１ａ〜１ｄ内の圧力（以下、エキマニ圧力）の変動、いわゆる排気脈動を示したものである。

前述したように本実施形態では直列４気筒エンジンを用いるので、筒内での火花点火は気筒番号で１−３−４−２の順にクランクアングル約１８０度ごとに点火される。したがって各気筒はクランクシャフト２回転に１回点火される。

１番気筒のエキマニ圧力の変動は、クランクアングルが約９０度のときに筒内から排気ガスが排出されるため最大圧となり、その後、他の気筒の排気脈動の影響により約１８０度周期で増減を繰り返し、クランクシャフトが２回転して再び排気ガスが排出されたとき、つまり約９０度になったときに最大圧となる。

他の気筒のエキマニ圧力も同様に約７２０度周期で最大圧となる波形であるが、それぞれ点火時期に応じた位相差があり、最大圧力となるクランクアングルは、３番気筒は約２７０度、４番気筒は約４５０度、２番気筒は約６３０度となっている。

そして、各気筒のエキマニ圧力が上記クランクアングルで最大圧となるとき、この最大圧は他の３気筒のエキマニ圧力に比べて高くなる。なお、他の３気筒のエキマニ圧力は略同等である。

上記のように、クランクアングル約１８０度ごとに、いずれかの気筒のエキマニ圧力が他の３気筒のエキマニ圧力よりも高い状態となる、いわゆる排気脈動が生じる。

この排気脈動によって連通管２内部には差圧が生じ、例えばクランクアングルが約９０度のときには、１番気筒と他の３気筒との差圧によって、高圧側の連通穴４ａから連通管２に排気ガスが導入される。

クランクアングル約２７０度、約４５０度、約６３０度のときにも同様に排気脈動により生じる差圧によって連通管２に排気ガスが導入される。

なお、排気脈動によって上昇したエキマニ圧は、排気ポート８ａ〜８ｄ出口がもっとも高圧で、集合部６に近づくにつれて低下する。

そこで、本実施形態では連通管２に生じる差圧ができるだけ大きくなるように、開口部４ａ〜４ｄをブランチ１ａ〜１ｄのシリンダヘッド７側端部近傍と連通させる。

次に連通管２に設置した酸素濃度センサ３へのガスの当たりについて図３を参照して説明する。

図３は縦軸に空燃比、横軸にクランクアングルをとり、１つの気筒のみを理論空燃比よりリーン側に、そして他の３気筒は理論空燃比に制御した状態での空燃比検出を、リーンに制御する気筒を１〜４番気筒まで変更して４回行った結果を表したものである。

図３中の太実線は１番気筒の空燃比を理論空燃比よりリーン側に、その他の気筒は理論空燃比に制御して酸素濃度センサ３で検出した空燃比の変動を表しており、細実線は同様に２番気筒のみリーン側に制御したときの変動、太点線は同様に３番気筒のみリーン側に制御したときの変動、細点線は同様に４番気筒のみリーン側に制御したときの変動を表している。

一つの気筒のみをリーン側に制御したのは、特定気筒（この場合リーン側に制御した気筒）の排気ガスの空燃比を酸素濃度センサ３が検出しているか否か、つまり酸素濃度センサ３に特定気筒からの排気ガスが当たっているか否かを調べるためである。

まず、１番気筒のみをリーン側に制御した場合の空燃比変動（太実線）について説明する。

太実線はクランクアングルが約９０度を過ぎたところで空燃比が最もリーンになっている。これは、クランクアングルが約９０度のときに火花点火される１番気筒からの排気ガスが前述した差圧により連通管２に導入され、その空燃比を検出したためである。

その後、徐々に理論空燃比に近づき、クランクアングルが約２７０度でほぼ理論空燃比となる。これは、クランクアングルが約９０度〜約２７０度の間は連通管２の内部に１番気筒からの排気ガスが残留しており、クランクアングルが約２７０になると３番気筒からの排気ガスが連通管２に導入され、これにより残留していた１番気筒からの排気ガスが連通管２から掃気されるためである。

このことから、酸素濃度センサ３は１番気筒からの排気ガスの空燃比を確実に検出していることがわかる。

２〜４番気筒のいずれかをリーン側に制御した場合も、点火タイミングの違いによる位相差があるものの、上記と同様に火花点火直後にリーン空燃比が検出され、その後徐々に理論空燃比に近づき、次に点火される気筒からの排気ガスが導入されるとほぼ理論空燃比になる、という変動をしている。

これらのことから、酸素濃度センサ３は１〜４番気筒からの排気ガスの空燃比を確実に検出している、つまり、各気筒からの排気ガスが確実に酸素濃度センサ３に当たっていることがわかる。

以上により本実施形態では、下記のような効果が得られる。

ブランチ部１ａ〜１ｄ近傍に、隣り合うブランチ部１ａ〜１ｄの間隔と略同等の間隔で気筒数と同数だけ気筒列方向に並ぶ開口部４ａ〜４ｄを有し、気筒列方向と略平行に延びる連通管２と、連通管２の各開口部４ａ〜４ｄと各ブランチ部１ａ〜１ｄとをそれぞれ連通する連通部１３ａ〜１３ｄを設け、酸素濃度センサ３を開口部４ｂと４ｃの間に設けたので、連通管２には排気脈動によって差圧が生じ、この差圧によって排気ガスが導入されて酸素濃度センサ３に当たるので、短いブランチ長さであっても排気マニホールド１の設計の自由度が高くなり、ブランチ１ａ〜１ｄの合流角を小さくするなどして、エンジン出力の低下を防止することができる。また、酸素濃度センサ３付近に滞留している前回導入された排気ガスが、次回導入される排気ガスによって掃気されるので、導入された排気ガスの空燃比を精度よく検出することができる。

開口部４ａ〜４ｄをブランチ１ａ〜１ｄのシリンダヘッド７側端部近傍と連通させるので、連通管２内に生じる差圧が大きくなり、確実に連通管２に排気ガスを導入することができる。

なお、本実施形態では酸素濃度センサ３を連通穴４ｂと連通穴４ｃの間に設けたが、連通穴４ｃと連通穴４ｄの間、連通穴４ａと連通穴４ｂの間のいずれであってもよい。

第２実施形態について説明する。

本実施形態のシステムの構成は基本的に第１実施形態と同様であるが、開口部４（４ａ〜４ｄ）を開閉するロータリーバルブ（流路面積制御手段）１０およびこれを駆動する駆動手段としてのアクチュエータ９を備える。

ロータリーバルブ１０について、図５および図１のＡ−Ａ矢視図である図６を参照して説明する。図５は連通管２の内部に設けられるロータリーバルブ１０の全体部、図６の（ａ）は開口部４が開いた状態、（ｂ）は開口部４が閉じた状態の断面図をそれぞれ表している。

図５に示すように、ロータリーバルブ１０は開口部４に対応する穴部１１が設けられ、また、酸素濃度センサ３が取り付けられる位置には、後述する動作時に酸素濃度センサ３と干渉しないように略長方形の切り込み１２が設けられた中空円筒であり、一方の端部がアクチュエータ９に接続されている。

アクチュエータ９は図示しないコントロールユニットからの信号にしたがって運転状態に応じてロータリーバルブ１０を軸心周りに回転させ、開口部４の開口面積を可変に制御する。

図６の（ａ）に示すように、開口部４と穴部１１とが重なったときが全開状態で、図６（ｂ）に示すように開口部４と穴部１１とが全く重なっていない状態が全閉状態である。

また、図６の（ａ）と（ｂ）の中間の任意の位置でロータリーバルブ１０の回転を止めることが可能であり、これにより開口部４の開口面積を可変に制御することができる。

次にロータリーバルブ１０の制御について図７を参照して説明する。

図７は縦軸にエンジンの負荷、横軸にエンジン回転数をとったマップである。

図７中の領域Ａは、例えばアイドル運転時のようにエンジン負荷、エンジン回転数がともに低い運転領域であり、この領域では開口部４が全開になるように制御する。

これは、第１実施形態で説明した差圧を利用して連通管２に確実に排気ガスを導入し、酸素濃度センサ３の検出精度を高めることによって空燃比フィードバック制御の精度を高めるためである。

図７中の領域Ｂは、エンジン負荷またはエンジン回転数、もしくはその両方が領域Ａよりも高い領域であり、高負荷・高回転領域では開口部４を全閉とする。

これは、開口部４から連通管２へ排気ガスが流れることによって、連通管２を設けない場合に比べて排気脈動の減衰が早まり、出力が低下することを防止するためである。

領域Ａと開口部４が全閉となる領域の中間領域は、エンジンに求められる出力性能と排気性能に応じて、例えば開口部４全開から全閉までの中間領域は、エンジン回転数が高回転域での出力性能を重視するエンジンであれば開口部４が全閉となる領域を広く、また中回転域での出力性能や低エミッション性を重視するエンジンであれば開口部４が全閉となる領域を狭くする、というように開度制御の特性を設定する。

上記のようにマップを設定し、クランク角センサ等によりエンジン回転数を、そしてアクセル開度センサ等によりエンジン負荷を検出し、これらの検出値を用いてマップを検索することによって開口部４の開口面積を決定する。

以上により本実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加え、さらに、開口部４を運転状態に応じて、例えば低負荷・低回転域には全開、高負荷・高回転域では全閉、中間域では運転状態に応じた開度、というように制御するので、低負荷・低回転域での高精度の空燃比フィードバック制御、高負荷・高回転域での高出力、中間域での過渡特性を満足することができる。

なお、ブランチ１ａ〜１ｄから連通管２に導入される排気ガスの量を制御する手段（流路面積制御手段）はロータリーバルブ１０に限られるものではなく、例えば連通部１３ａ〜１３ｄ内にバタフライバルブやロータリーバルブを設けるなどして連通部１３ａ〜１３ｄの流路面積を制御してもよい。

また、第１、第２実施形態では直列４気筒エンジンに適用する場合について説明したが、適用可能なエンジン形式はこれに限られず、例えば直列６気筒や、Ｖ型エンジンの片側バンクのみについて適用すること等もできる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

本発明は、排気ガスの酸素濃度に基づいて空燃比フィードバック制御を行うエンジンに適用可能である。

第１実施形態の構成を表す図である。 エキマニ圧力の変動を表す図である。 空燃比の検出値の変動を表す図である。 第２実施形態の構成を表す図である。 ロータリーバルブの構造を現す図である。 （ａ）はロータリーバルブが開の状態、（ｂ）はロータリーバルブが閉の状態を表す図である。 連通穴の開口面積設定用のマップである。

符号の説明

１ 排気マニホールド
１ａ〜１ｄ ブランチ
２ 連通管
３ 酸素濃度センサ
４ 開口部
６ 合流部
７ シリンダヘッド
８ａ〜８ｄ 排気ポート
９ アクチュエータ
１０ ロータリーバルブ
１１ 穴部
１２ 切り欠き部
１３ 連通部

Claims (6)

1. エンジンのシリンダヘッドの排気ポートにそれぞれ接続される複数のブランチ部と、
   前記ブランチ部が集合される集合部と、
   空燃比検出手段と、を備える排気マニホールドにおいて、
   前記ブランチ部近傍に、隣り合うブランチ部の間隔と略同等の間隔で気筒数と同数だけ気筒列方向に並ぶ開口部を有し、気筒列方向と略平行に延びる中空管を設け、
   前記中空管の各開口部と各ブランチ部とをそれぞれ連通する連通部を設け、
   前記中空管のいずれか一対の隣り合う前記開口部に挟まれる部分の空燃比を検出するように前記空燃比検出手段が取り付けられる空燃比検出手段取付構造を有することを特徴とする排気マニホールド。
2. 前記連通部を、各ブランチ部上流のシリンダヘッド側端部近傍に設けた請求項１に記載の排気マニホールド。
3. 前記開口部の開口面積または前記連通部の流路面積を、運転状態に応じて可変に制御する流路面積制御手段を設けた請求項１または２に記載の排気マニホールド。
4. 前記流路面積制御手段は、エンジン負荷が高くなるにつれて前記開口部の開口面積または前記連通部の流路面積を絞る方向に制御する請求項１〜３のいずれか一つに記載の排気マニホールド。
5. 前記流路面積制御手段は、低負荷運転時には前記開口部または前記連通部を全開にし、高負荷運転時には前記開口部または前記連通部を全閉にする請求項１〜４のいずれか一つに記載の排気マニホールド。
6. 前記流路面積制御手段は、前記中空管の内側に同心状に設けられ、前記開口部と対応する穴部を有する内管と、前記内管を前記中空管の軸心周りに回転させる駆動手段とで構成されるロータリーバルブである請求項１〜５のいずれか一つに記載の排気マニホールド。

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