JP2009228515A - バイパス通路構造 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの出力性能を向上させることができる排気通路構造を提供する。
【解決手段】バルブオーバラップ期間を有する多気筒エンジンからの排気を流す排気通路の排気通路構造において、エンジン１００の各気筒＃１〜＃４から排出される排気を集合して流すメイン通路２０、３０と、バイパス触媒４９と、各気筒＃１〜＃４に連通するメイン通路２０にそれぞれ接続する複数のバイパス管４１〜４４とを有し、バイパス管４１〜４４のうち点火順序が連続する気筒と連通する２本のバイパス管同士をそれぞれ合流させ、排気をメイン通路２０の集合部よりも下流に流すバイパス通路４０と、エンジン運転状態に応じてメイン通路２０を開閉し、排気が流れる経路を制御する弁機構２９と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンからの排気を流すバイパス通路の構造に関する。

車両のエンジンから流出した排気を浄化するメイン触媒は、エンジンから離れた位置のメイン通路に設置すると、十分な浄化作用が得られるように活性するまでに時間が掛かる。

そこで、特許文献１に記載の発明では、排気通路のうちメイン通路の下流側にメイン触媒を設置し、メイン通路から分岐してメイン触媒よりも上流側に合流するバイパス通路にバイパス触媒を設置する。また、メイン触媒よりも上流側のメイン通路には、排気の流れを切り換える切換バルブを設ける。メイン触媒が活性するまでの間は切換バルブを閉弁して排気をバイパス通路に流し、早期に活性化するバイパス触媒によって排気を浄化するので、エンジンの排気性能を向上させることができる。
特開２００６−２１９９８４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、バイパス通路にバイパス触媒を備えたことによって、エンジンの排気性能の向上を図ることはできても、出力性能の向上を図ることはできない。

そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、エンジンの出力性能を向上させることができる排気通路構造を提供することを目的とする。

本発明は、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、バルブオーバラップ期間を有する多気筒エンジンからの排気を流す排気通路の排気通路構造において、エンジン（１００）の各気筒（＃１〜＃４）から排出される排気を集合して流すメイン通路（２０、３０）と、バイパス触媒（４９）と、各気筒（＃１〜＃４）に連通するメイン通路（２０）にそれぞれ接続する複数のバイパス管（４１〜４４）とを有し、バイパス管（４１〜４４）のうち点火順序が連続する気筒と連通する２本のバイパス管同士をそれぞれ合流させ、排気をメイン通路（２０）の集合部よりも下流に流すバイパス通路（４０）と、エンジン運転状態に応じてメイン通路（２０）を開閉し、排気が流れる経路を制御する弁機構（２９）と、を備えることを特徴とする

本発明によれば、バイパス管のうち、点火順序が連続する気筒と連通するバイパス管同士を合流させ、バイパス管内に負圧波を形成するので、排気の流出が促進されて吸気の体積効率を向上し、エンジンの出力特性が向上する。

以下、図面を参照にして本発明の実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１は、エンジン１００の概略構成図である。

エンジン１００は、第１気筒＃１から第４気筒＃４が直列に配置される直列４気筒エンジンである。

エンジン１００のシリンダヘッド１には、気筒と連通する排気ポート１１〜１４が気筒毎に形成される。このシリンダヘッド１の側部１ａには、気筒＃１〜＃４から流出した排気を集合させる排気マニホールド２０が設置される。

排気マニホールド２０は、第１ブランチ管２１〜２４と、第２ブランチ管２５、２６とを備える。この第１ブランチ管２１〜２４と第２ブランチ管２５、２６とは別体として形成してもよいし、一体形成するようにしてもよい。

第１ブランチ管２１〜２４の先端には、共通のフランジ２７が設けられる。排気マニホールド２０は、フランジ２７を図示しないボルト等によってシリンダヘッド１の側部１ａに固定される。

排気ポート１１に接続する第１ブランチ管２１は、排気ポート１４に接続する第１ブランチ管２４に集合部２８ａで合流し、第２ブランチ管２５に接続する。また、排気ポート１２に接続する第１ブランチ管２２は、排気ポート１３に接続する第１ブランチ管２３に集合部２８ｂで合流し、第２ブランチ管２６に接続する。

第２ブランチ管２５は、集合部２８ｃで第２ブランチ管２６に合流し、フロントパイプ３０に接続する。また、排気マニホールド２０の集合部２８ｃには、排気マニホールド２０とフロントパイプ３０との連通状態を制御するバルブ２９が設けられる。そして、フロントパイプ３０には、メイン触媒３１が設置される。

メイン触媒３１は、後述するバイパス触媒４９よりも容量が大きい三元触媒であって、フロントパイプ３０の内部を流れる排気を浄化する。このメイン触媒３１には、触媒温度を検出するための温度センサ３２が設置される。

本実施形態のエンジン１００では、上記した排気マニホールド２０とフロントパイプ３０とによって排気のメイン通路５０を構成する。

一方、エンジン１００はメイン通路５０とは別にバイパス通路４０を備える。バイパス通路４０は、第１バイパス管４１〜４４と、第２バイパス管４５、４６と、排気管４８とを備える。ここで、第１バイパス管４１〜４４と第２バイパス管４５、４６とは別体として形成してもよいし、一体形成するようにしてもよい。

第１バイパス管４１〜４４、第２バイパス管４５、４６の内径は、排気マニホールド２０を構成する第１ブランチ管２１〜２４や第２ブランチ管２５、２６よりも小さく設定されている。

第１ブランチ管２１に接続する第１バイパス管４１は、第１ブランチ管２３に接続する第１バイパス管４３に集合部４７ａで合流し、第２バイパス管４５に接続する。この第１バイパス管４１、４３は、集合部４７ａにおいて第１バイパス管４１の中心を通る線と第１バイパス管４３の中心を通る線との排気流れ方向になす角度（以下「配置角度」という）θ_Aが９０°よりも小さくなるように（鋭角となるように）構成される。

また、第１ブランチ管２２に接続する第１バイパス管４２は、第１ブランチ管２３に接続する第１バイパス管４３に集合部４７ｂで合流し、第２バイパス管４６に接続する。この第１バイパス管４２、４４は、集合部４７ｂにおいて第１バイパス管４２の中心を通る線と第１バイパス管４４の中心を通る線との排気流れ方向になす角度（以下「配置角度」という）θ_Bが９０°よりも小さくなるように（鋭角となるように）構成される。

第２バイパス管４５は、第２バイパス管４６に集合部４７ｃで合流し、排気管４８に接続する。排気管４８はバイパス触媒４９を備え、メイン触媒３１よりも上流側のフロントパイプ３０に接続する。

バイパス触媒４９は、早期に活性するようにエンジン１００に近い位置に配置される。このバイパス触媒４９は、メイン触媒３１よりも容量が小さい触媒であって、低温活性に優れた触媒等が用いられる。

エンジン１００は、エンジン運転状態に応じてバルブ２９を制御して排気の流れる経路を変更するためにコントローラ６０を備える。コントローラ６０は、中央演算装置(ＣＰＵ)、読み出し専用メモリ(ＲＯＭ)、ランダムアクセスメモリ(ＲＡＭ)及び入出力インタフェース(Ｉ／Ｏインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。このコントローラ６０には、温度センサ３２など、エンジン運転状態を検出するセンサからの信号が入力する。そして、コントローラ６０は、メイン触媒３１の触媒温度に基づいてバルブ２９を開閉し、エンジン１００から排出される排気が流れる経路を変更する。

エンジン始動直後などメイン触媒３１が活性していない場合には、バルブ２９は閉弁されており、排気マニホールド２０とフロントパイプ３０との連通が遮断される。そのため、エンジン１００から排出された排気は、その全量が第１バイパス管４１〜４４を通って、第２バイパス管４５、４６を介して排気管４８に流れ込み、バイパス触媒４９で浄化される。バイパス触媒４９はエンジン近傍に配置されているので、速やかに活性化し、早期に排気を浄化することができる。そして、バイパス触媒４９で浄化された排気は、フロントパイプ３０に流れ込み、メイン触媒３１を昇温して外部に放出される。

一方、メイン触媒３１がエンジン１００からの排気によって昇温され活性した場合には、バルブ２９が開弁する。バルブ２９が開弁すると、エンジン１００から排出された排気は、排気マニホールド２０を介してフロントパイプ３０に流れ込むとともに、バイパス通路側にも流れ込む。ここで、バイパス通路４０を構成する第１バイパス管４１〜４４や第２バイパス管４５、４６は排気マニホールド２０の第１ブランチ管２１〜２４などよりも通路断面積が小さいので、第１バイパス管４１〜４４、第２バイパス管４５、４６を流れる排気の排気流量は排気マニホールド側を流れる排気よりも小さくなる。このように、排気マニホールド２０やバイパス通路４０を流れた排気は、メイン触媒３１で浄化されて外部に放出される。

上記のように構成されるエンジン１００では、バルブ２９の開閉に関わらず、バイパス通路４０には常時排気が流れ込む。

また、エンジン１００では、第１気筒＃１→第３気筒＃３→第４気筒＃４→第２気筒＃２の順番で等間隔に点火され、点火間隔は１８０°となる。本実施形態では、点火間隔が１８０°となる気筒と連通するバイパス通路４０の第１バイパス管同士を合流させることで（図１参照）、エンジン１００の出力性能の向上を図る。

図２は、エンジン１００の出力性能向上のメカニズムを説明する図である。図２（Ａ）は排気ポート近傍の第１ブランチ管内での排気圧力を示す。図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）は、バイパス通路４０の第１バイパス管内に形成される負圧波を説明する図である。なお、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）では、点火間隔が１８０°となる第１気筒＃１、第３気筒＃３と連通する第１バイパス管４１、４３を例に説明する。

第１気筒＃１と第３気筒＃３とは点火間隔が１８０°であるので、図２（Ａ）に示すように、第１気筒＃１の排気弁が開弁してから１８０°遅れて、第３気筒＃３の排気弁が開弁する。また、第３気筒＃３の排気弁が開弁した後に、第１気筒＃１の吸気弁と排気弁の両方が開弁するオーバラップ期間が設定されている。

そして、第３気筒＃３から排気が流出して、排気マニホールド２０の第１ブランチ管２３内の排気圧力が上昇すると、図２（Ｂ）に示すように、排気が第１ブランチ管２３からバイパス通路４０の第１バイパス管４３に流れ込む。また、第１バイパス管４１、４３は配置角度θ_Aが鋭角となるように構成されているので、第１バイパス管４３を流れる排気は、矢印Ａに示すように第１バイパス管４１に逆流することなく第２バイパス管４５に流れる。

排気が第１バイパス管４３から第２バイパス管４５に流れると、第１バイパス管４１の領域Ｒの排気が下流方向に吸い出され、第１ブランチ管４３からの排気とともに第２バイパス管４５の下流側に流れる。このように第１バイパス管４１の排気が吸い出されると、領域Ｒでの排気圧力が低下して負圧波が形成される。

第１バイパス管４１に形成された負圧波は、図２（Ｃ）の矢印Ｂに示すように第１バイパス管４１の内部を上流側に向かって伝播する。そして、この負圧波は、第１バイパス管４１から排気マニホールド２０の第１ブランチ管２１内まで伝播するので、図２（Ａ）の太実線Ｃに示すように第１気筒＃１のオーバラップ期間において第１ブランチ管２１内の排気圧力が低下して負圧となる。そのため、第１気筒＃１からの排気の流出が促進され、第１気筒に吸入される吸気量が増加するので、吸気の体積効率が向上する。

なお、第１バイパス管４１〜４４の内径は排気マニホールド２０の第１ブランチ管内径よりも小さく設定されており、冷機運転時などバルブ２９の閉弁時にはバイパス通路４０を流れる排気の流速を高めることができ、排気流量が少ないエンジン運転時であっても第１バイパス管内に負圧波が形成されやすくなるので、吸気の体積効率の向上効果が得やすい。

また、エンジン１００では、第４気筒＃４が点火されてから１８０°遅れて第２気筒＃２が点火され、バイパス通路４０の第１バイパス管４２、４４を接続するように構成するので、上記と同様の理由によって、第４気筒＃４の吸気の体積効率も向上する。

図３は、エンジン回転速度とトルクとの関係を示す図である。

上述の通り、エンジン１００では、第３気筒＃３からの排気を利用して第１気筒＃１の吸気の体積効率を向上させ、第２気筒＃２からの排気を利用して第４気筒＃４の吸気の体積効率を向上させることができる。したがって、図３の実線Ａに示すように、エンジン１００の最大トルクが全エンジン回転速度に渡って向上する。

以上により、本実施形態のエンジン１００は、下記の効果を得ることができる。

エンジン１００では、バイパス通路４０を構成する第１バイパス管４１〜４４のうち、点火間隔１８０°になる気筒と連通する第１バイパス管４１、４３同士を合流させ、第１バイパス管４２、４４同士を合流させる。そのため、第１気筒＃１と連通する第１バイパス管内に負圧波を形成するともに、第４気筒＃４と連通する第１バイパス管内に負圧波を形成することができる。これにより、第１気筒＃１、第４気筒＃４からの排気の流出を促進して、第１気筒＃１、第４気筒＃４での吸気の体積効率を向上でき、エンジン１００の出力特性を向上させることが可能となる。このエンジン１００では、排気の経路を切り換えるバルブ２９の開閉に関わらず、排気が常時バイパス通路側に流れ込むので、全運転領域においてエンジン１００の出力特性を改善することができる。

また、エンジン１００では、第１バイパス管４１、４３の配置角度θ_A及び第１バイパス管４２、４４の配置角度θ_Bが鋭角となるように構成する。そのため、バイパス通路４０において第１気筒＃１からの排気と第３気筒＃３からの排気との干渉を抑制することができるとともに、第２気筒＃２からの排気と第４気筒＃４からの排気との干渉を抑制することができる。これにより、第１気筒＃１及び第４気筒＃４での体積効率をさらに増加させることができ、エンジン１００の出力性能をより向上させることができる。

さらに、第１バイパス管４１〜４４、第２バイパス管４５、４６を排気マニホールド２０の第１ブランチ管２１〜２４よりも小径とするので、バルブ２９の閉弁時にはバイパス通路４０を流れる排気の流速を高めることができ、排気流量が少ないエンジン運転時であってもエンジン１００の出力性能の向上効果が得やすくなる。

本発明は上記した実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなし得ることは明白である。

例えば、本実施形態ではバイパス通路４０を構成する第１バイパス管４１〜４４、第２バイパス管４５、４６を配管として排気マニホールド２０とは別体として形成したが、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように排気マニホールド２０と一体に形成するようにしてもよい。図４（Ａ）はシリンダヘッド側面側から見た排気マニホールド２０を示し、図４（Ｂ）は排気マニホールド２０のＢ−Ｂ断面を示す。バイパス通路４０を排気マニホールド２０と一体に形成する場合には、バイパス通路４０の第１バイパス管４１〜４４、第２バイパス管４５、４６に相当する通路が、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、鋳物として製造されるフランジ２７の内部に通路状の溝として設けられる。このように構成すれば、排気マニホールド２０の第１ブランチ管２１〜２４と排気管４８とを連結するための配管を別に設ける必要がなくなるので、部品点数を少なくすることができ、組立工数を低減することが可能となる。

また、エンジンルーム内のレイアウトによっては、排気マニホールド２０の中心を通るようにバイパス触媒４９が配置されることもあるが、この場合においても図４（Ｃ）に示すようにバイパス通路４０を構成することで本発明の効果を得ることが可能となる。

さらに、本実施形態では、点火間隔が１８０°と等間隔になる例として直列４気筒エンジンに本発明を適用した場合について説明したが、点火間隔が１８０°と等間隔になるＶ型８気筒エンジンの左右バンクのそれぞれに本発明を適用することも可能である。

エンジンの概略構成図である。 エンジンの出力性能向上のメカニズムを説明する図である。 エンジン回転速度とトルクとの関係を示す図である。 バイパス通路の配置位置を示す図である。

符号の説明

１００ エンジン
１ シリンダヘッド
２０ 排気マニホールド
２７ フランジ
２９ バルブ（弁機構）
３０ フロントパイプ
３１ メイン触媒
４０ バイパス通路
４１〜４４ 第１バイパス管（バイパス管）
４５、４６ 第２バイパス管（バイパス管）
４８ 排気管
４９ バイパス触媒
５０ メイン通路
６０ コントローラ

Claims (6)

1. バルブオーバラップ期間を有する多気筒エンジンからの排気を流す排気通路の排気通路構造において、
   前記エンジンの各気筒から排出される排気を集合して流すメイン通路と、
   バイパス触媒と、各気筒に連通する前記メイン通路にそれぞれ接続する複数のバイパス管とを有し、前記バイパス管のうち点火順序が連続する気筒と連通する２本のバイパス管同士をそれぞれ合流させ、排気を前記メイン通路の集合部よりも下流に流すバイパス通路と、
   エンジン運転状態に応じて前記メイン通路を開閉し、排気が流れる経路を制御する弁機構と、
   を備えることを特徴とする排気通路構造。
2. 前記２本のバイパス管は、バイパス管合流部において、一方のバイパス管中心を通る線と、他方のバイパス管中心を通る線との排気流れ方向になす角度が鋭角となるように構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の排気通路構造。
3. 前記バイパス通路のバイパス管は、前記メイン通路よりも小径である、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排気通路構造。
4. 前記バイパス通路は、前記メイン通路を構成する排気マニホールドのフランジ部に一体形成される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の排気通路構造。
5. 前記エンジンは、直列４気筒エンジン又はＶ型８気筒エンジンである、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の排気通路構造。
6. 前記弁機構は、前記メイン通路に配置されるメイン触媒が活性したときに前記メイン通路を開弁する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の排気通路構造。

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