JP2007231820A - 可変排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な制御及び構成で浄化手段の暖機性の向上と背圧の低減とを両立できる可変排気装置を提供すること。
【解決手段】第１触媒３１が設けられる主通路２１にバイパス通路２５を接続し、主通路２１には主通路２１を閉じる方向の付勢力が与えられた触媒側バルブ４０を設け、バイパス通路２５にはバイパスバルブ５０を設ける。これにより、主通路２１内を流れる排気ガスの圧力が低い場合には、触媒側バルブ４０は開き難くなるので、排気ガスは流速が低下する。このため、第１触媒３１付近を流れる排気ガスの滞留時間は長くなり、第１触媒３１は温度が上昇し易くなる。また、主通路２１内を流れる排気ガスの圧力が比較的高めの場合には、排気ガスの圧力により触媒側バルブ４０は開くので、排気ガスは流れ易くなり、背圧が低減する。これらの結果、簡易な制御及び構成で浄化手段である第１触媒３１の暖機性の向上と背圧の低減とを両立することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、可変排気装置に関するものである。特に、この発明は、浄化手段をバイパスするバイパス通路が設けられた可変排気装置に関するものである。

従来の内燃機関では、排気ガスの通路中に、排気ガスの浄化手段である触媒を２つ設け、排気温度に応じて２つの触媒を使い分けているものがある。この場合、排気ガスの通路に主通路とバイパス通路とを設け、一方の触媒は主通路に設ける。また、他方の触媒は、排気ガスの通路においてバイパス通路が設けられている部分よりも下流側に設ける。さらに、主通路における当該主通路内に設けられた触媒の下流側とバイパス通路内には、それぞれ開閉バルブを設け、内燃機関の運転状況に応じて双方の開閉バルブの開閉を互いに異ならせることにより、排気ガスを主通路またはバイパス通路のいずれかを通すことができる。これにより、運転状況に応じて、主通路に設けられる触媒の通過や不通過を切り替えることができる。

具体的には、主通路に設けられる触媒は内燃機関に近いことにより、排気ガスがこの触媒を通過する際には排気ガスの温度があまり下がらない状態で通過するので、触媒の温度は上昇し易くなっている。このため、内燃機関が低回転低負荷で運転している場合には、主通路に設けられる開閉バルブを開け、バイパス通路に設けられる開閉バルブを閉じて主通路に設けられる触媒を通過させる。また、内燃機関が高回転高負荷で運転している場合には、主通路に設けられる触媒は温度が高くなり過ぎる虞があるため、主通路に設けられる開閉バルブを閉じ、バイパス通路に設けられる開閉バルブを開ける。これにより、排気ガスをバイパス通路にのみ通し、主通路内の触媒を通らないようにして、バイパス通路の下流側に位置する触媒のみを通過するようにする。この結果、触媒による排気ガスの浄化性能の向上を図ることができる。

しかし、排気ガスはこのように運転状況に応じて流れる通路が切り替えられるため、主通路内を流れる排気ガスの温度とバイパス通路内を流れる排気ガスとでは、その温度が異なっている。即ち、主通路内に流れる排気ガスは、内燃機関が低回転低負荷で運転している場合における排気ガスであるため、比較的温度が低くなっており、バイパス通路内に流れる排気ガスは、内燃機関が高回転高負荷で運転している場合における排気ガスであるため、比較的温度が高くなっている。このため、主通路内に設けられる開閉バルブ及びバイパス通路内に設けられる開閉バルブは、このように温度が異なる排気ガスを考慮して設ける必要があるため、従来の排気浄化装置では、主通路内の開閉バルブとバイパス通路内の開閉バルブとで異なるものを用いているものがある。

例えば、特許文献１に記載の排気浄化装置では、主通路である主排気管路内に開閉バルブである第１のバタフライバルブを設け、バイパス通路であるバイパス管路内に開閉バルブである第２のバタフライバルブを設けている。また、これらのバタフライバルブは、回転軸を支持する軸受部材の摺動特性を異ならせており、第１のバタフライバルブの回転軸を支持する軸受部材は、低温摺動性に優れた材料により形成し、第２のバタフライバルブの回転軸を支持する軸受部材は、高温摺動性に優れた材料により形成している。これにより、比較的温度が低い排気ガスが流れる主排気管路内に設けられる第１のバタフライバルブの回転軸と軸受部材とは、第１のバタフライバルブの開閉時に容易に摺動する。同様に、比較的温度が高い排気ガスが流れるバイパス管路内に設けられる第２のバタフライバルブの回転軸と軸受部材とは、第２のバタフライバルブの開閉時に容易に摺動する。これらの結果、バタフライバルブの回動軸の摺動性能を、確実に維持することができる。

特開平８−１４０３２号公報

しかしながら、このように第１のバタフライバルブと第２のバタフライバルブとを設ける、即ち、開閉バルブを２つ設ける場合には、開閉バルブの開閉を切り替える切替手段も２つ必要となり、構成する部品が増加する虞がある。また、これらの２つの開閉バルブを、それぞれ独立して開閉させる場合には、その制御が複雑になる虞がある。また、排気ガスを浄化する触媒は、排気ガスを効率よく浄化させるには、所定の温度以上に触媒の温度を上昇させて使用する、即ち、触媒を暖機させる必要があるが、内燃機関の暖気運転時には、排気ガスの温度が低いため、暖気運転時に排気ガスを主排気管路に流しても、触媒の暖機に時間がかかる虞がある。

また、内燃機関の暖気運転時に触媒を暖機させることを目的として、主排気管路内を流れる排気ガスの滞留時間が長くなるように主排気管路の排気抵抗を大きくした場合には、内燃機関の低回転低負荷時など、通常の運転時において排気ガスを主排気管路内に流す場合に、背圧が高くなる虞がある。この場合、背圧が高くなることに起因して、内燃機関の運転性能が低下する虞がある。このため、触媒を暖機させる場合には、第１のバタフライバルブを閉じ気味にして排気ガスの滞留時間が長くなるようにし、背圧が高くなることを抑制する場合には、第１のバタフライバルブを開け、排気ガスの排気抵抗を低減する必要がある。従って、これらを両立させるには、主排気管路内を流れる排気ガスの温度や圧力を検出しながら第１のバタフライバルブを開閉する必要があるが、排気ガスの温度や圧力を検出しながら開閉バルブを開閉する場合、制御が複雑になる虞があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な制御及び構成で浄化手段の暖機性の向上と背圧の低減とを両立できる可変排気装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明に係る可変排気装置は、内燃機関の排気ガスが流れる第１通路を有し、さらに、前記排気ガスが流れると共に両端で前記第１通路に接続される第２通路を有する排気通路と、前記第１通路内に配設され、且つ、前記排気ガスを浄化する浄化手段と、前記第１通路に配設されていると共に前記第１通路内を開閉可能に設けられ、且つ、前記第１通路内を流れる前記排気ガスの圧力により前記第１通路内を開く第１通路開閉手段と、前記第２通路に配設されていると共に前記第２通路内を開閉可能に設けられた第２通路開閉手段と、を備えることを特徴とする。

この発明では、浄化手段が設けられる第１通路内に、第１通路開閉手段を設けており、この第１通路開閉手段は、第１通路内を排気ガスの圧力によって開くように形成されている。また、第２通路には、第２通路内を開閉可能な第２通路開閉手段が設けられているので、第２通路開閉手段を開閉させることにより、排気ガスを第１通路または第２通路のいずれか一方に流すことができる。このため、第２通路開閉手段を閉じた場合には、排気ガスは第１通路内に流れるが、この場合において排気ガスの圧力が低い場合には、第１通路開閉手段はあまり開かないため、排気ガスは第１通路内に滞留し易くなる。これにより、第１通路内の浄化手段は、温度が上昇し易くなる。また、第２通路開閉手段を閉じることにより排気ガスが第１通路内に流れた場合において、排気ガスの圧力が高い場合には、排気ガスの圧力により第１通路開閉手段は開くので、排気ガスは容易に流れることができる。従って、第１通路開閉手段を作動させる作動手段を設ける必要がなく、また、第２通路開閉手段の開閉の制御のみで、排気ガスの流れを所望の流れにすることができる。これらの結果、簡易な制御及び構成で浄化手段の暖機性の向上と背圧の低減とを両立することができる。

また、この発明に係る可変排気装置は、前記第１通路開閉手段は、前記第１通路開閉手段に対して前記第１通路内を閉じる方向の付勢力を与える付勢手段の前記付勢力により前記第１通路内を閉じることを特徴とする。

この発明では、付勢手段によって、第１通路開閉手段に対して第１通路内を閉じる方向の付勢力を与えているので、より容易に、且つ、確実に第１通路開閉手段で第１通路内を閉じることができる。この結果、より確実に、簡易な制御及び構成で浄化手段の暖機性の向上を図ることができる。

また、この発明に係る可変排気装置は、前記第１通路開閉手段には、前記第１通路内を閉じた状態において前記排気ガスの流通が可能な微小通路が形成されていることを特徴とする。

この発明では、第１通路開閉手段に微小通路が形成されているので、第１通路開閉手段が閉じた状態においても、排気ガスは第１通路内を流れることができる。この場合、排気ガスが微小通路を流れる際に流速が落ちるので、排気ガスが第１通路内に滞留する滞留時間が長くなる。これにより、より確実に第１通路内の浄化手段の温度を上昇させることができる。この結果、より確実に、簡易な制御及び構成で浄化手段の暖機性の向上を図ることができる。

本発明に係る可変排気装置は、簡易な制御及び構成で浄化手段の暖機性の向上と背圧の低減とを両立することができる、という効果を奏する。

以下に、本発明に係る可変排気装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本発明の実施例に係る可変排気装置が設けられた内燃機関の概略図である。同図に示す内燃機関１には、本発明の実施例に係る可変排気装置１５が備えられており、この内燃機関１は、内部に燃焼室５が形成されたシリンダヘッド２とシリンダブロック３とを有している。また、シリンダブロック３内には、当該シリンダブロック３内を往復運動可能に設けられたピストン４が配設されている。燃焼室５は、このピストン４の上死点側に位置しており、当該燃焼室５には吸気通路である吸気管１０と、排気通路である排気管１１とが接続されている。このうち、吸気管１０と燃焼室５との接続部分には、吸気バルブ１２が設けられており、排気管１１と燃焼室５との接続部分には、排気バルブ１３が設けられている。また、この燃焼室５には、内燃機関１の運転時に点火する点火手段である点火プラグ６が設けられている。

また、排気管１１は、内側に内燃機関１運転時の排気ガスが流れる第１通路である主通路２１と、同様に内燃機関１運転時の排気ガスが流れる第２通路であるバイパス通路２５とを有している。これらの主通路２１とバイパス通路２５とは、排気管１１が、内燃機関１から排気ガスの下流方向に向かった所定の位置で分岐しており、分岐した後さらに接続されている。詳しくは、バイパス通路２５は、その両端部で主通路２１に接続されており、両端部のうち、バイパス通路２５内を流れる排気ガスの流れの上流側に位置する端部が上流側接続部２６となり、主通路２１内を流れる排気ガスの流れの下流側に位置する端部が下流側接続部２７となり、上流側接続部２６と下流側接続部２７とで主通路２１に接続されている。

換言すると、これらの上流側接続部２６と下流側接続部２７とは、主通路２１の両端部において、主通路２１内を流れる排気ガスの流れの上流側に位置する端部に上流側接続部２６が形成されており、主通路２１内を流れる排気ガスの流れの下流側に位置する端部に下流側接続部２７が形成されている。

また、排気管１１内には、内側に排気ガスを浄化する浄化手段である触媒３０が設けられており、このうち、主通路２１には、内側に排気ガスを浄化する触媒３０のうち第１触媒３１が配設されている。詳しくは、第１触媒３１は、主通路２１内における上流側接続部２６と下流側接続部２７との間に位置している。また、排気管１１には、当該排気管１１内を流れる排気ガスの流れ方向における下流側接続部２７の下流側に、触媒３０のうち第２触媒３２が配設されている。これらの第１触媒３１と第２触媒３２とは、炭化水素（ＨＣ）と、一酸化炭素（ＣＯ）と、窒素酸化物（ＮＯｘ）との３物質を酸化・還元反応によって同時に除去する、いわゆる三元触媒となっている。また、これらの第１触媒３１と第２触媒３２とでは、浄化温度は同じであるが、排気ガスは、流れ方向で放熱し温度勾配を持つため、第２触媒３２よりも、排気ガスの流れ方向において上流側に位置する第１触媒３１の方が、高温に晒されることになる。

また、主通路２１には、第１通路開閉手段である触媒側バルブ４０が配設されている。この触媒側バルブ４０は、主通路２１内に設けられており、主通路２１内において第１触媒３１よりも排気ガスの流れ方向における下流側で、且つ、下流側接続部２７よりも排気ガスの流れ方向における上流側に設けられている。

また、バイパス通路２５には、第２通路開閉手段であるバイパスバルブ５０が配設されている。このバイパスバルブ５０は、バイパス通路２５内に設けられており、バイパス通路２５内において上流側接続部２６よりも排気ガスの流れ方向における下流側で、且つ、下流側接続部２７よりも排気ガスの流れ方向における上流側に設けられている。また、このバイパスバルブ５０には、内圧を変化させることにより作動するアクチュエータ６１が接続されており、バイパスバルブ５０は、このアクチュエータ６１によって作動可能になっている。また、バイパスバルブ５０は、このようにアクチュエータ６１によって作動することによりバイパス通路２５内を開閉可能に設けられている。

このようにバイパスバルブ５０に接続されるアクチュエータ６１には、内側に空気が通るチューブである制御チューブ６６が接続されており、さらに、この制御チューブ６６においてアクチュエータ６１に接続されている側に位置する端部の反対側の端部には、ＶＳＶ（Vacuum Switching Valve）６２が接続されている。このＶＳＶ６２は、内側の空気圧が、大気圧よりも低い状態を維持できるように設けられた負圧タンク６３に接続されており、負圧タンク６３は負圧チューブ６７によって吸気管１０に接続されている。このように、負圧タンク６３は吸気管１０に接続されているため、内側の空気圧は、吸気管１０内の空気圧と同程度の圧力になる。また、ＶＳＶ６２は、制御チューブ６６と負圧タンク６３内とを連通する、または、制御チューブ６６と外気、即ち大気とを連通することを、切り替えることができるように設けられている。

また、排気管１１内には、排気管１１内を流れる排気ガスの成分を検出するガス成分検出手段である第１ガス成分検出センサ７５と第２ガス成分検出センサ７６とが設けられている。このうち、第１ガス成分検出センサ７５は、排気管１１内における上流側接続部２６よりも排気ガスの流れ方向における上流側の位置に配設されている。また、第２ガス成分検出センサ７６は、排気管１１内における下流側接続部２７と第２触媒３２との間の位置に配設されている。また、吸気管１０には、燃料を吸気管１０内に噴射する燃料供給手段であるインジェクタ７０が配設されており、当該インジェクタ７０は、燃料を吸気管１０内に噴射することにより内燃機関１に対して燃料を供給可能に設けられている。

これらの第１ガス成分検出センサ７５、第２ガス成分検出センサ７６、インジェクタ７０、ＶＳＶ６２は、全て当該内燃機関１を搭載する車両（図示省略）の各部を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）８０に接続されている。

このＥＣＵ８０には、処理部８１、記憶部８２及び入出力部８３が設けられており、これらは互いに接続され、互いに信号の受け渡しが可能になっている。また、ＥＣＵ８０に接続されている第１ガス成分検出センサ７５、第２ガス成分検出センサ７６、インジェクタ７０及びＶＳＶ６２は、入出力部８３に接続されており、入出力部８３は、これらのセンサ等との間で信号の入出力を行なう。また、記憶部８２には、本発明に係る可変排気装置１５を制御するコンピュータプログラムが格納されている。この記憶部８２は、ハードディスク装置や光磁気ディスク装置、またはフラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ（ＣＤ−ＲＯＭ等のような読み出しのみが可能な記憶媒体）や、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、或いはこれらの組み合わせにより構成することができる。

また、処理部８１は、メモリ及びＣＰＵ（Central Processing Unit）により構成されている。当該可変排気装置１５が有するバイパスバルブ５０の制御は、第１ガス成分検出センサ７５や第２ガス成分検出センサ７６など車両の各部に設けられたセンサ（図示省略）による検出結果に基づいて、処理部８１が前記コンピュータプログラムを当該処理部８１に組み込まれたメモリに読み込んで演算し、演算の結果に応じてＶＳＶ６２を作動させることにより、バイパスバルブ５０を制御する。その際に処理部８１は、適宜記憶部８２へ演算途中の数値を格納し、また格納した数値を取り出して演算を実行する。なお、このように可変排気装置１５を制御する場合には、前記コンピュータプログラムの代わりに、ＥＣＵ８０とは異なる専用のハードウェアによって制御してもよい。

図２は、図１のＡ部詳細図である。図３は、図１の触媒側バルブの斜視図である。前記触媒側バルブ４０は、主通路２１内に形成された主通路バルブシート９２の近傍に設けられている。この主通路バルブシート９２は、主通路２１の内壁である主通路内壁９１から主通路２１の内側方向に向けて突出すると共に内側に略円形の穴が開いた板状の形状で形成されている。この穴は主通路バルブシート穴９３となっており、主通路バルブシート９２を貫通して形成されている。触媒側バルブ４０は、このように形成される主通路バルブシート９２の近傍で、且つ、主通路バルブシート９２の下流側接続部２７側に設けられており、この位置で主通路バルブシート穴９３を開閉することにより、主通路２１内を開閉可能に形成されている。

また、触媒側バルブ４０は、フラップ４１とシャフト４２とを有している。このうちフラップ４１は、主通路バルブシート穴９３の径よりも大きい径で形成された板状の形状となっており、シャフト４２は、略円柱状の形状で形成され、回動可能に設けられている。また、フラップ４１は、回動可能に設けられたシャフト４２に接続されており、シャフト４２が回動することにより、シャフト４２の回動に伴ってフラップ４１も回動可能に形成されている。これにより、触媒側バルブ４０は、主通路バルブシート穴９３を開閉でき、主通路２１内を開閉可能に形成されている。

また、フラップ４１には、当該フラップ４１を貫通する穴によって形成された微小通路４４が設けられている。この微小通路４４は、開口面積が、主通路２１内を流れる排気ガスの流れ方向に対する主通路２１の開口面積、或いは断面積よりも大幅に小さくなっている。触媒側バルブ４０には、このように微小通路４４が形成されているため、触媒側バルブ４０で主通路２１内を閉じた場合においても、主通路２１内を流れる排気ガスは微小通路４４を通ることにより、流通が可能になっている。

さらに、触媒側バルブ４０には、当該触媒側バルブ４０に対して主通路バルブシート穴９３を閉じる方向、即ち、主通路２１内を閉じる方向の付勢力を与える付勢手段であるスプリング４３が設けられている。このスプリング４３は、線状の部材が螺旋状に形成され、シャフト４２の周囲に設けられて当該シャフト４２と主通路内壁９１との双方に接続されている。スプリング４３は、このように螺旋状に形成されていることによりシャフト４２が回動する方向の弾性力を有しており、また、スプリング４３はシャフト４２と主通路内壁９１との双方に接続されているので、シャフト４２に対して付勢力を与えている。この付勢力の方向は、主通路バルブシート９２の下流側接続部２７側の面から主通路バルブシート穴９３を閉じる方向となっており、主通路２１内を流れる排気ガスの流れ方向における下流側から上流側に向けて主通路２１内を閉じる方向になっている。このように、触媒側バルブ４０はスプリング４３の付勢力によって閉じられており、主通路２１内に排気ガスが流れた場合において、排気ガスの圧力が付勢力よりも高い場合には、触媒側バルブ４０は、その圧力によって主通路バルブシート穴９３、或いは主通路２１内を開くように設けられている。

また、バイパスバルブ５０は、バイパス通路２５内に形成されたバイパス通路バルブシート９７の近傍に設けられている。このバイパス通路バルブシート９７は、バイパス通路２５の内壁であるバイパス通路内壁９６から当該バイパス通路２５の内側方向に向けて突出すると共に内側に略円形の穴が開いた板状の形状で形成されている。この穴はバイパス通路バルブシート穴９８となっており、バイパス通路バルブシート９７を貫通して形成されている。

バイパスバルブ５０は、このように形成されるバイパス通路バルブシート９７の近傍に設けられ、バイパス通路バルブシート穴９８を開閉することにより、バイパス通路２５内を開閉可能に設けられている。詳しくは、バイパスバルブ５０は、略円柱状の形状で形成され、アクチュエータ６１（図１参照）によって回動可能なバイパスバルブシャフト５１を有しており、アクチュエータ６１によってバイパスバルブシャフト５１が回動することにより、バイパスバルブ５０は回動する。また、バイパスバルブ５０は、バイパス通路バルブシート穴９８を閉じることができるように設けられており、バイパスバルブ５０が回動することにより、バイパスバルブ５０はバイパス通路バルブシート穴９８を開閉できる。これにより、バイパスバルブ５０はバイパス通路２５内を開閉可能に形成されている。

この実施例に係る内燃機関１の可変排気装置１５は、以上のごとき構成からなり、以下、その作用について説明する。内燃機関１を運転すると、吸気管１０に設けられたインジェクタ７０から吸気管１０内に燃料を噴射することにより、吸気管１０内を流れる空気と燃料とが混合し、吸気管１０内で燃料と空気との混合気が作られる。この混合気は、吸気バルブ１２が開いた際に吸気管１０から燃焼室５内に入り込む。燃焼室５内に入り込んだ混合気は、点火プラグ６が点火した際に着火し、燃焼室５内で燃焼する。このように燃焼室５内で燃料が燃焼してピストン４を押し下げることにより、内燃機関１は作動する。燃料の燃焼後のガスは、排気ガスとなって排気バルブ１３が開いた際に排気管１１の方向に流れ、燃焼室５内から排出される。

また、このように内燃機関１を運転している際には、吸気管１０から燃焼室５内に混合気が吸い込まれるため、吸気管１０内の空気圧は大気圧よりも低くなる。即ち、吸気管１０内は負圧になる。このため、負圧チューブ６７によって吸気管１０に接続される負圧タンク６３内の空気は、吸気管１０の方向に流れ、負圧タンク６３内の空気圧は、吸気管１０内の圧力と同程度の圧力になる。これにより、負圧タンク６３内は負圧になる。また、負圧タンク６３はＶＳＶ６２と接続されているが、ＶＳＶ６２は、制御チューブ６６と負圧タンク６３内とを連通する、または、制御チューブ６６と大気とを連通することを、切り替えることができるように設けられている。

この制御チューブ６６は、アクチュエータ６１に接続されているため、ＶＳＶ６２を切り替えることにより、アクチュエータ６１に大気圧、または負圧を伝えることができる。つまり、制御チューブ６６と負圧タンク６３内とを連通するようにＶＳＶ６２を切り替えた場合には、アクチュエータ６１に負圧を伝えることができ、制御チューブ６６と大気とを連通するようにＶＳＶ６２を切り替えた場合には、アクチュエータ６１に大気圧を伝えることができる。このように、大気圧や負圧を伝えることにより、アクチュエータ６１は作動し、アクチュエータ６１に接続されるバイパスバルブ５０も作動する。つまり、バイパスバルブ５０は、ＶＳＶ６２を切り替えることにより作動可能になっている。

内燃機関１の運転時には、排気ガスが排気管１１内を流れるが、内燃機関１の始動直後や内燃機関１を低回転低負荷で運転している際には、ＥＣＵ８０からＶＳＶ６２に信号を送り、ＶＳＶ６２を切り替えてバイパスバルブ５０を閉じる。これにより、バイパス通路２５内は閉じられるが、この状態では、排気ガスは、バイパス通路２５には流れず、上流側接続部２６付近から主通路２１内に流れ込む。この主通路２１内には、第１触媒３１が設けられているため、主通路２１内を流れる排気ガスは、第１触媒３１を通過し、排気ガスは第１触媒３１により浄化される。第１触媒３１を通過した排気ガスは、さらに、排気ガスの流れ方向において下流側接続部２７よりも下流側に位置する第２触媒３２の方向に流れる。このため、排気ガスは、第２触媒３２を通過し、第２触媒３２により浄化される。バイパスバルブを閉じた状態では、排気ガスはこのように主通路２１内を流れるが、内燃機関１の暖気運転時や低回転低負荷時には、排気ガスの温度は低くなっている。このため、バイパスバルブ５０を閉じることにより、主通路２１内に設けられ、高温の排気ガスに晒され易い第１触媒３１を排気ガスが通過するようにした場合でも、排気ガスの温度は低くなっているため、第１触媒３１の温度が高くなり過ぎることを抑制できる。

また、このようにバイパスバルブ５０を閉じている状態では、排気ガスは主通路２１内を流れるが、主通路２１内には触媒側バルブ４０が設けられており、当該触媒側バルブ４０は、スプリング４３によって、下流側接続部２７側から主通路バルブシート９２方向の付勢力が与えられている。即ち、触媒側バルブ４０は、スプリング４３によって主通路２１内を流れる排気ガスの下流側から上流側の方向への付勢力が与えられている。

このため、排気ガスが主通路２１内を流れる場合には、スプリング４３による付勢力に逆らう方向に、排気ガスは触媒側バルブ４０に対して作用するが、排気ガスが主通路２１内を流れる場合において内燃機関１から排出される排気ガスの量が比較的少ない場合には、触媒側バルブ４０に作用する排気ガスの圧力は低くなる。これにより、スプリング４３の付勢力は排気ガスの圧力に打ち勝ち、触媒側バルブ４０はスプリング４３の付勢力によって主通路バルブシート９２に接触して主通路２１内を閉じる。

触媒側バルブ４０に作用する排気ガスの圧力が低い場合には、触媒側バルブ４０は主通路２１内を閉じるが、触媒側バルブ４０には微小通路４４が形成されているため、主通路２１内の排気ガスは微小通路４４を通り、触媒側バルブ４０の上流側から下流側の方向に流れる。このように、主通路２１内が触媒側バルブ４０によって閉じられている場合には、主通路２１内を流れる排気ガスは微小通路４４を通るが、この微小通路４４は、開口面積が主通路２１の断面積よりも大幅に小さくなっているので、排気ガスの流速は低下する。このため、主通路２１内に流れ込んだ排気ガスは、主通路２１内における滞留時間が長くなり、この排気ガスは、第１触媒３１付近を流れる際における滞留時間が長くなる。

図４は、図２の触媒側バルブが開いた状態を示す図である。内燃機関１を中負荷で運転している場合には、低負荷時と同様にバイパスバルブ５０を閉じるが、中負荷時には、低負荷時と比較して内燃機関１から排出される排気ガスの量が多くなる。このため、主通路２１内に流れて触媒側バルブ４０に作用する排気ガスの圧力は、低負荷時に触媒側バルブ４０に作用する排気ガスの圧力よりも高くなる。

このように排気ガスの圧力が高くなった場合には、触媒側バルブ４０に作用する圧力、即ち、触媒側バルブ４０に対して排気ガスの流れ方向における上流側から下流側に作用する力が大きくなるが、排気ガスの圧力は運転状況により変化するので、触媒側バルブ４０に作用する力も、排気ガスの圧力に伴って変化する。つまり、排気ガスの圧力が高くなるに従って、触媒側バルブ４０に作用する力は大きくなる。触媒側バルブ４０に作用する力は、このように排気ガスの圧力に伴って変化するが、この力がスプリング４３の付勢力よりも大きい場合には、触媒側バルブ４０は上流側から下流側に向けて回動する。これにより、触媒側バルブ４０は主通路バルブシート９２から離れ、主通路バルブシート穴９３を開くことにより、主通路内を開ける。

触媒側バルブ４０が主通路２１内を開けた場合には、排気ガスは主通路バルブシート穴９３を通るため、触媒側バルブ４０付近における排気ガスの通路は、触媒側バルブ４０が主通路２１内を閉じて排気ガスが触媒側バルブ４０の微小通路４４を通る場合よりも大きくなる。これにより、主通路２１内を流れる排気ガスの背圧は低減する。

また、触媒側バルブ４０の回動は、排気ガスの圧力によって触媒側バルブ４０に作用する力に応じて回動の大きさが変化し、触媒側バルブ４０に作用する力が大きくなるに従って、触媒側バルブ４０は大きく回動する。このように触媒側バルブ４０が大きく回動した場合には、主通路２１内は大きく開けられる。即ち、触媒側バルブ４０は、主通路２１内の排気ガスの圧力が高くなるに従い、開度が大きくなる。触媒側バルブ４０の開度が大きくなると、排気ガスは、より主通路バルブシート穴９３を流れ易くなるので、背圧はより低減する。従って、主通路２１内の排気ガスの圧力が高くなるに従って、背圧はより低くなる。

また、内燃機関１を高回転高負荷で運転している場合には、ＥＣＵ８０からＶＳＶ６２に信号を送り、ＶＳＶ６２を切り替えてバイパスバルブ５０を開ける。バイパスバルブ５０を開けることによってバイパス通路２５内が開かれると、排気ガスは上流側接続部２６付近からバイパス通路２５に流れ込む。この場合、排気管１１内を流れる排気ガスは、ほぼ全てバイパス通路２５に流れるため、主通路２１内には流れなくなる。このように、バイパスバルブ５０を開けた状態では、排気ガスは主通路２１内に流れないため、排気ガスは第１触媒３１を通過することなく第２触媒３２の方向に流れて第２触媒３２を通過し、第２触媒３２のみにより浄化される。また、内燃機関１を高回転高負荷で運転する際には排気ガスの温度は高くなるが、排気ガスは放熱しながら下流方向に流れ、また、第２触媒３２は、排気ガスの流れ方向において第１触媒３１よりも下流側に位置している。このため、高温の排気ガスが第２触媒３２を通過する際には、排気ガスの温度は低下しているので、第２触媒３２の温度が高くなり過ぎることが抑制される。

以上の可変排気装置１５は、第１触媒３１が設けられる主通路２１内に、触媒側バルブ４０を設けており、この触媒側バルブ４０は、主通路２１内を流れる排気ガスの圧力によって開くように設けられている。また、バイパス通路２５には、バイパス通路２５内を開閉可能なバイパスバルブ５０が設けられているので、バイパスバルブ５０を開閉させることにより、排気ガスを主通路２１またはバイパス通路２５のいずれか一方に流すことができる。このため、バイパスバルブ５０を閉じた場合には、排気ガスは主通路２１内に流れるが、この場合おいて排気ガスの圧力が低い場合には、触媒側バルブ４０はあまり開かないため、排気ガスは主通路２１内に滞留し易くなる。これにより、主通路２１内の排気ガスは、第１触媒３１付近を流れる際における滞留時間が長くなるので、第１触媒３１は温度が上昇し易くなる。

また、バイパスバルブ５０を閉じることにより排気ガスが主通路２１内に流れた場合において、排気ガスの圧力が高い場合には、排気ガスの圧力により触媒側バルブ４０は開くので、背圧が低減し、排気ガスは容易に流れることができる。従って、触媒側バルブ４０を作動させる作動手段を設ける必要がなく、また、バイパスバルブ５０の開閉の制御のみで、排気ガスの流れを所望の流れにすることができる。これらの結果、簡易な制御及び構成で浄化手段である第１触媒３１の暖機性の向上と背圧の低減とを両立することができる。

また、触媒側バルブ４０は、当該触媒側バルブ４０に設けられたスプリング４３によって、主通路２１内を閉じる方向の付勢力が与えられているので、より容易に、且つ、確実に触媒側バルブ４０で主通路２１内を閉じることができる。この結果、より確実に、簡易な制御及び構成で第１触媒３１の暖機性の向上を図ることができる。

また、主通路２１内に排気ガスが流れる場合において、排気ガスの圧力が低い場合には触媒側バルブ４０は開かなくなり、第１触媒３１付近を流れる際における滞留時間が長くなるので、排気ガスは、第１触媒３１によって浄化され易くなる。つまり、排気ガスが第１触媒３１付近を流れる際における滞留時間が長くなることにより、排気ガスが第１触媒３１に接触する時間が長くなるので、この排気ガスは、より確実に第１触媒３１によって浄化される。この結果、浄化性能の向上を図ることができる。

また、触媒側バルブ４０に微小通路４４が形成されているので、触媒側バルブ４０が閉じた状態においても、排気ガスは主通路２１内を流れることができる。この場合、排気ガスは、微小通路４４を流れる際に流速が落ちるので、排気ガスが主通路２１内に滞留する滞留時間が長くなる。これにより、排気ガスが第１触媒３１付近を流れる際における滞留時間が、より長くなるので、より確実に第１触媒３１の温度を上昇させることができる。この結果、より確実に、簡易な制御及び構成で第１触媒３１の暖機性の向上を図ることができる。

また、触媒側バルブ４０に微小通路４４を形成しているので、排気ガスに含まれるカーボン等が触媒側バルブ４０に付着し、触媒側バルブ４０が閉じた状態で固着した場合でも、主通路２１内の排気ガスは、第１触媒３１側から微小通路４４を通って下流側接続部２７の方向に流れるので、主通路２１内の排気ガスの流路を確保できる。この結果、触媒側バルブ４０の故障時における排気ガスの排出性能を確保することができる。

また、触媒側バルブ４０に微小通路４４を形成しているので、バイパスバルブ５０を閉じて主通路２１内に排気ガスが流れた状態において、排気ガスの脈動により排気ガスの圧力が変化する場合でも、触媒側バルブ４０が頻繁に開閉することを抑制できる。つまり、触媒側バルブ４０に微小通路４４が形成されていない場合には、主通路２１内の排気ガスは、触媒側バルブ４０が開くことによってのみ、第１触媒３１側から下流側接続部２７の方向に流れる。このため、排気ガスの圧力が比較的低く、且つ、脈動が生じた状態で主通路２１内を排気ガスが流れる場合には、その脈動に応じて触媒側バルブ４０が頻繁に開閉する場合がある。このように、触媒側バルブ４０が頻繁に開閉した場合には、フラップ４１と主通路バルブシート９２とが接触する際の音が頻繁に発生する虞がある。これに対し、触媒側バルブ４０に微小通路４４を形成した場合には、触媒側バルブ４０を閉じた状態でも排気ガスは微小通路４４を通って第１触媒３１側から下流側接続部２７の方向に流れる。このため、圧力が比較的低い排気ガスが脈動を生じて主通路２１内を流れた場合でも、排気ガスは触媒側バルブ４０が閉じた状態で流れるため、排気ガスの脈動によって触媒側バルブ４０が頻繁に開閉することが抑制される。これにより、触媒側バルブ４０の開閉によって発生する音を低減することができる。この結果、静粛性の向上を図ることができる。

また、触媒側バルブ４０に微小通路４４を形成することにより、触媒側バルブ４０は頻繁に開閉することが抑制されるので、内燃機関１運転時における作動回数を低減することができる。これにより、触媒側バルブ４０の作動回数が多いことに起因して発生する故障を抑制することができる。この結果、触媒側バルブ４０の故障の発生を低減することができる。

また、主通路２１内に、スプリング４３の付勢力により閉じられる触媒側バルブ４０を設けているので、触媒側バルブ４０を主通路２１内における排気ガスの流れの抵抗にすることができ、容易にバイパス通路２５を形成することができる。即ち、触媒側バルブ４０が主通路２１内を流れる排気ガスの抵抗になるので、バイパスバルブ５０を開いた際に、より容易に排気ガスをバイパス通路２５内にのみに流れるように、バイパス通路２５を形成することができる。この結果、排気管１１が設計し易くなるので、製造コストの低減を図ることができる。

なお、上述した触媒側バルブ４０では、付勢手段として螺旋状に形成されたスプリング４３が設けられているが、触媒側バルブ４０に設けられる付勢手段は、螺旋状のスプリング４３以外のものでもよい。付勢手段は、触媒側バルブ４０に対して主通路２１内を流れる排気ガスの下流側から上流側の方向への付勢力が与えることができるものであれば、上述したスプリング４３以外のものでもよい。

また、上述した触媒側バルブ４０には微小通路４４が形成されているが、触媒側バルブ４０には微小通路４４は形成されていなくてもよい。触媒側バルブ４０に微小通路４４が形成されていない場合でも、主通路２１内に排気ガスが流れる場合には排気ガスの圧力によって主通路２１内を開くように触媒側バルブ４０を形成することにより、主通路２１内を流れる排気ガスの滞留時間を長くすることができる。これにより、第１触媒３１付近を流れる排気ガスの滞留時間を長くすることができる。また、触媒側バルブ４０に微小通路４４を設けない場合には、触媒側バルブ４０に対して排気ガスが作用する部分の面積を大きくすることができ、より確実に排気ガスの圧力によって触媒側バルブ４０を開けることができる。これにより、より確実に主通路２１内を流れる排気ガスの背圧を低減することができる。これらの結果、より確実に第１触媒３１の暖機性の向上と背圧の低減とを両立することができる。

以上のように、本発明に係る可変排気装置は、排気管がバイパス通路を有している場合に有用であり、特に、触媒をバイパスする機構を有している場合に適している。

本発明の実施例に係る可変排気装置が設けられた内燃機関の概略図である。 図１のＡ部詳細図である。 図１の触媒側バルブの斜視図である。 図２の触媒側バルブが開いた状態を示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ シリンダヘッド
３ シリンダブロック
４ ピストン
５ 燃焼室
６ 点火プラグ
１０ 吸気管
１１ 排気管
１２ 吸気バルブ
１３ 排気バルブ
１５ 可変排気装置
２１ 主通路
２５ バイパス通路
２６ 上流側接続部
２７ 下流側接続部
３０ 触媒
３１ 第１触媒
３２ 第２触媒
４０ 触媒側バルブ
４１ フラップ
４２ シャフト
４３ スプリング
４４ 微小通路
５０ バイパスバルブ
５１ バイパスバルブシャフト
６１ アクチュエータ
６２ ＶＳＶ
６３ 負圧タンク
６６ 制御チューブ
６７ 負圧チューブ
７０ インジェクタ
７５ 第１ガス成分検出センサ
７６ 第２ガス成分検出センサ
８０ ＥＣＵ
８１ 処理部
８２ 記憶部
８３ 入出力部
９１ 主通路内壁
９２ 主通路バルブシート
９３ 主通路バルブシート穴
９６ バイパス通路内壁
９７ バイパス通路バルブシート
９８ バイパス通路バルブシート穴

Claims (3)

1. 内燃機関の排気ガスが流れる第１通路を有し、さらに、前記排気ガスが流れると共に両端で前記第１通路に接続される第２通路を有する排気通路と、
   前記第１通路内に配設され、且つ、前記排気ガスを浄化する浄化手段と、
   前記第１通路に配設されていると共に前記第１通路内を開閉可能に設けられ、且つ、前記第１通路内を流れる前記排気ガスの圧力により前記第１通路内を開く第１通路開閉手段と、
   前記第２通路に配設されていると共に前記第２通路内を開閉可能に設けられた第２通路開閉手段と、
   を備えることを特徴とする可変排気装置。
2. 前記第１通路開閉手段は、前記第１通路開閉手段に対して前記第１通路内を閉じる方向の付勢力を与える付勢手段の前記付勢力により前記第１通路内を閉じることを特徴とする請求項１に記載の可変排気装置。
3. 前記第１通路開閉手段には、前記第１通路内を閉じた状態において前記排気ガスの流通が可能な微小通路が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の可変排気装置。

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