JP4322415B2

JP4322415B2 - 多気筒内燃機関の触媒昇温装置

Info

Publication number: JP4322415B2
Application number: JP2000316463A
Authority: JP
Inventors: 朋宏大橋; 浩棚田
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2000-10-17
Filing date: 2000-10-17
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2020-10-17
Also published as: JP2002122017A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多気筒内燃機関の触媒昇温装置、特に、排気を滞留させる容積部が設けられた排気マニホールドを有し、主噴射後に追加燃料を噴射して触媒を昇温させる多気筒内燃機関の触媒昇温装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１１−２９４１５７号公報には、冷態始動時の排ガス対策で触媒の早期昇温を助けるため、２段燃焼技術を適用した触媒昇温装置が示されている。この触媒昇温装置では、主噴射とは別に膨張行程中に燃料を噴射し．その追加燃料を排気路上の容積部で再燃焼させ発生した熱エネルギで触媒を加熱し、触媒の早期活性化を促進している。この２段燃焼技術を適用した触媒昇温装置を用いた場合、追加燃料は燃焼室内で低温着火後、排気弁が開いた直後に狭い排気通路をブローダウンガスと共に高速で流れ出る際に消炎しやすいが、排気ポートに流れ出た排ガス中の未燃ＨＣは他の気筒から容積室に排出された消炎を免れた排ガスと混合することで再燃焼することが期待され、そのために触媒の上流側に未燃ＨＣを再燃焼させるための容積部を設けている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、上記公報には、排気中の未燃燃料を効率良く反応させるために容積部を設ける技術思想が開示されているが容積部内で排気を十分に混合滞留させるには比較的大容量の容積部が必要となり、スペースやコスト面で不利になる問題がある。また、容積部の容積が過度に大きくなると放熱性が高まり、暖気性が低下する問題がある。
【０００４】
いずれにしても、このような触媒昇温装置で用いる容積部は、容積を比較的小さく抑えることが望ましく，容積部内に流入した排ガスを十分に混合し、滞留させる機能を向上させ、排ガス中の未燃ＨＣを効率よく再燃焼（２段燃焼）させることが望まれている。上記公報中には容積部内の排気の流線が模擬的に図示されているものの、望ましい流線についてまでは考慮されておらず、改良の余地がある。
上述の課題に基づき、本発明は、分岐管部より容積部内に流入した排ガスを十分に混合し、排ガス中の未燃燃料を効率良く反応させ、触媒の早期活性化を促進することができる多気筒内燃機関の触媒昇温装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１の発明は、内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化用の触媒と、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、上記触媒の昇温が要求される場合、主燃焼用燃料噴射後の膨張行程中に上記燃料噴射弁により追加燃料を噴射させる制御手段と、排気を滞留させる容積部と各気筒からの排気を上記容積部内に導くべく各気筒毎の枝管が設けられた分岐管部とを有する排気マニホールドとを備え、上記排気マニホールドの容積部は、上記分岐管部の端部と結合し気筒列方向が長く同方向と直交する幅方向が短い偏平形状の上流側部位と、同上流側部位より筒状を成して延出し上記上流側部位より径方向の断面積が大きく設定され出口からマニホールド触媒コンバータに排ガスを流下させる下流側部位とで形成され、且つ、上記分岐管部は、気筒列方向両端の第１気筒及び第４気筒の枝管については各開口が互いに対向するように配置されるとともに上記各枝管からの排気の流線が上記容積部の中央域を横切り気筒列方向逆側の上記容積部の内壁面を指向し、第２気筒の枝管については排気流が第４気筒の排気流に上記中央域で衝突し、第３気筒の枝管については排気流が第１気筒の排気流に上記中央域で衝突するよう上記各枝管が上記上流側部位に結合されて、上記分岐管部からの排気流を上記上流側部位の中央域において互いに衝突させ同上流側部位および上記下流側部位の内壁面に衝突させることで流動速度を低減させてから上記マニホールド触媒コンバータに流下させるように形成されている、ことを特徴としている。
このように、排気マニホールドは第１気筒から第４気筒までの分岐管部からの排気の流線が容積部の中央域を横切り気筒列方向逆側の上記容積部の内壁面を指向するよう形成されているため、各気筒からの相互に異なる方向の排気流れが容積部の中央域を横切ることに成り、しかも上流側部位および下流側部位の内壁面に衝突させることで流動速度を低減させるので、気筒間の排気流れの干渉が促進され、排ガス中の未燃ＨＣの再燃焼が促進され、活性温度以上の高温の燃焼ガスが生成され、これがスムーズに触媒に流入する。このため、比較的小容量の容積部であっても触媒は早期に暖気が進み、早期に排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘを浄化できる。
更に、上流側部位より下流側部位の径方向の断面積が大きく設定されるので、流動速度を低減でき、容積部出口への排気流れを弱めることができ、排気の滞留時間を長くすることができる。そして、上記の混合促進用と滞留時間延長作用とにより追加燃料の噴射により増加する未燃燃料を容積内で効率良く反応させることができるし、容積部の容積を小型化することも可能になる。
【０００７】
好ましくは、排気マニホールドの分岐管部は気筒間で互いに異なる方向の各排気流れを容積部内に流入させ，容積部内の上流側部位で各排気流れを千渉させるように容積部に対して接続される。この場合、容積部内の上流側部位で排気を積極的に混合させる作用が得られると同時に下流への流れを抑えることができ，容積部内の下流側部位の容積も効率良く利用して、排気の滞留時間を長くする作用を得ることができる。そして、これら混合促進作用と滞留時間延長作用とにより、追加燃料の噴射により増加する未燃燃料を容積部内で効率良く反応させることができ、該反応による熱エネルギで触媒を効率良く昇温させることができるし、互いに異なる方向から流入する排気流れを千渉させて混合を促進させる分、容積部の容積を小型化することも可能になる。
好ましくは、上記容積部内の上流側部位で上記各排気流れを干渉させた上で同排気流れを容積部の上流側内壁と衝突するように形成されても良く、この場合、容積部内の上流側部位で排気をより積極的に拡散し、混合させると同時に下流への流れを弱めて、混合促進作用と滞留時間延長作用をより向上させることができ、未燃燃料を容積部内で効率良く反応させ、該反応による熱エネルギで触媒を効率良く昇温させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１乃至図３には本発明の実施形態としての多気筒内燃機関の触媒昇温装置を装備した筒内噴射型内燃機関1を示した。
この筒内噴射型内燃機関（以後単にエンジンと記す）1は火花点火式の４サイクル４気筒エンジンである。各燃焼室２は図１に示す第１気筒とほぼ同様の構成を採ることより、ここでは主に第１気筒を説明する。燃焼室２はシリンダブロック３とその内部で上下動するピストン４とシリンダヘッド５とにより容積可変室として形成され、ここには吸気通路６および排気通路７が連通可能に形成される。燃焼室２と対向するシリンダヘッド５内壁には燃料噴射弁としてのインジェクタ８がその開口を、点火プラグ９がその着火部をそれぞれ燃焼室２に臨ませるように装着される。排気通路７の上流端の排気ポート２０と燃焼室２とは排気弁１１によって連通可能に形成され、吸気通路６と燃焼室２とは吸気弁１２によって連通可能に形成される。吸気通路６の上流には、図示しないエアクリーナおよびスロットル弁１３が設けられており吸気ポート１４は燃焼室２に対して比較的直立して接続されている。なお、図中符号１０は排ガス再循環装置を示し、これはＥＧＲ通路１０１のＥＧＲ弁１０２の開時に排気通路７の排ガスを吸気通路６に導入してＮＯｘ排出量を低減する機能を備える。
【００１０】
排気通路７には、各気筒の燃焼室２から排出された排ガスを一つに集合させる排気マニホールド１５およびそれに直結されるマニホールド触媒コンバータ１６とが連接され、マニホールド触媒コンバータ１６の下流側には排気浄化装置１７およぴ図示しないマフラ〈消音器）が設けられている。排気マニホールド１５およびそれに直結されるマニホールド触媒コンバータ１６は触媒昇温装置の主要部を成し、この部位については後述する。
マニホールド触媒コンバータ１６の上流側には排ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ１８が設けられ、排気浄化装置１７の上流側には排気の温度を検出する排気温度センサ１９が設けられている。
【００１１】
排気浄化装置１７はそのケーシング１７１内にＮＯｘ触媒２１と三元触媒２２とを直列配備している。ＮＯｘ触媒２１及び三元触媒２２は活性温度雰囲気下で浄化機能を発揮し、ＮＯｘ触媒２１はエンジン１のリーン運転時に排ガス中のＮＯｘを効率良く浄化処理するよう機能し、三元触媒２２は理論空燃比、フィードバック運転時に排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘを効率良く浄化するよう機能する。なお、ケーシング１７１の中央に別途触媒温度センサ３９を設け、これにより排気浄化装置１７側の活性化を精度良く判定しても良い。
図１に示すように、本発明の内燃機関の触媒昇温装置の主要部を成す排気マニホールド１５はその流入側フランジ２３をシリンダヘッド５の側壁に締め付け結合され、マニホールド触媒コンバータ１６の下フランジ２６は排気管２７の連結フランジ２８に一体結合されている。
【００１２】
図２（ｂ）に示すように、排気マニホールド１５は各気筒の排気ポートに接続されて延出する分岐管部２９と同分岐管部２９より連続して延出する容積部３１とを備え、これらは一体的に形成されている。分岐管部２９は４つの気筒からの排気を容積部３１内に導くよう形成され、容積部３１の上流側部位ｍに各枝管２９１〜２９４の端部を結合する。この上流側部位ｍは気筒列方向（図２（ａ）で紙面左右方向）が長く幅方向（図２（ａ）で紙面上下方向）が短い偏平な形状となっており、容積部３１の下流側部位ｄは筒状を成し、上流側部位ｍより径方向の断面積が大きく設定されている。その下流側部位ｄはその出口から排出される排ガスをマニホールド触媒コンバータ１６に流下させるよう形成される。
【００１３】
分岐管部２９は第１気筒から第４気筒までの各枝管２９１〜２９４がそれぞれ湾曲形成され、図２（b）、図３（b）に示すように、これら各枝管は容積部３１の上流側部位ｍで開口している。しかも、気筒列方向の両端に位置する第１、第４気筒用の各枝管２９１，２９４の各開口は互いに対向するように配置して形成される。このため、気筒列方向両端の各枝管２９１，２９４からの排気流ｆ１，ｆ４（図２（ｂ）、図３（ｂ）参照）の各流線は容積部３１の中央域ｅ１や容積部３１の開口の直上流に位置する筒状の下流側部位ｄを横切り、気筒列方向逆側の内壁面を指向するよう形成される。これらの排気流ｆ１，ｆ４は直接マニホールド触媒３５に流入することなく、容積部内壁面ｅ２に衝突し、排気流ｆｃの流線を形成する．この流れが形成されることにより、容積部内での排ガスの滞留時間が延び、排ガス同士が干渉する可能性が高くなる。
【００１４】
ここで４気筒のエンジン１の点火順序は第１気筒、第３気筒、第４気筒、第２気筒と設定されている。このため、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、容積部３１の上流側部位ｍにおいて、第１気筒の枝管２９１からの排気流ｆ１もしくはｆｃに対して、後からの第３気筒の枝管２９３からの排気流ｆ３が中央域ｅ１や下流側部位ｄで衝突するように形成されている。同じく、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、容積部３１の上流側部位ｍにおいて、第４気筒の枝管２９１からの排気流ｆ４もしくはｆｃに対し、後からの第２気筒の枝管２９２からの排気流ｆ２が中央域ｅ１や下流側部位ｄで衝突するように形成している。
【００１５】
なお、ここでの排気マニホールド１５は第１気筒から第４気筒までの各枝管２９１〜２９４を有する分岐管部２９とその下流側の容積部３１とが一体的に形成されているが、これに変えて、第１気筒から第４気筒までの各枝管２９１〜２９４を金属パイプで、容積部３１を板金製の容器状にそれぞれ形成し、各枝管の下流端を容積部３１にそれぞれ溶接した板金構造を採っても良い。この場合も、第１気筒からの排気流ｆ１もしくはｆｃに対して、後からの第３気筒の排気流ｆ３が衝突するように、第４気筒からの排気流ｆ４もしくはｆｃに対し、後からの第２気筒の排気流ｆ２が衝突するように、分岐管の容積部側の開口を容積部内壁面に対向した形状を成すように製造されることとなる。
【００１６】
図１のエンジン１は４気筒で、点火順序は第１気筒、第３気筒、第４気筒、第２気筒と設定されていたが、これとは異なる点火順序のエンジンであれば、その異なる点火順序に応じて、第１気筒から第４気筒までの各枝管の下流側の容積部における開口の対向位置を調整し、順次容積部に流入する前後各排気流が順次中央域ｅ１や下流側部位ｄで衝突するように設定することとなる。
図１、図２（ｂ）に示すように、マニホールド触媒コンバータ１６は短筒状のケーシング３２と、ケーシング３２内に収容されたマニホールド触媒３５とで構成される。マニホールド触媒３５はハニカム状の触媒担持体に三元触媒を担持してなる。このマニホールド触媒３５は活性温度雰囲気下で理論空燃比フィードバック運転した場合に排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘを効率良く浄化するよう機能する。
【００１７】
ここで、ケーシング３２の上端部は容積部３１の出口と同等の大きさの開口を形成され、容積部３１からの排ガスはスムーズにマニホールド触媒３５の全域に分散して流入できるように構成されている。
エンジン１には制御手段をなすエンジン制御ユニット（以後単にＥＣＵと記す）３６が配備される。ＥＣＵ３６はエンジン１の燃料、点火系を制御するものであり、ここでは、運転モード選択手段Ａ−１と燃料噴射制御手段Ａ−２と点火時期制御手段Ａ−３としての機能を備える。
【００１８】
運転モード選択手段Ａ−１は、エンジン回転数Ｎｅ及ぴエンジン負荷（ここでは目標平均有効圧力Ｐｅで、アクセル開度でも良い）に応じて後述の主噴射における各運転モード（燃料噴射の態様）の中から一つのモードを選択するようになっている。即ち、ＥＣＵ３６は主噴射制御において、層状燃焼による超リーン運転を実現し燃費を向上させるために圧縮行程中〈特に、圧縮行程後半）で燃料噴射を行なう後期噴射モード、リーン運転で出力を得るために吸気行程中〈特に吸気行程前半）に燃料噴射を行なう前期噴射モード、前期噴射モードより出力を向上させるために吸気行程中に理論空燃比で燃料噴射を行なうストイキオモード等の複数の運転モードを設け、これらを予め作成された図示しない運転モード選択マップで選択できるように構成されている。ここではこの運転モード選択マップを用いて、運転モード選択手段Ａ−１により現在の運転状態に応じた運転モード（燃料噴射の態様）を設定するよう構成される。
【００１９】
燃料噴射制御手段Ａ−２は、エンジン出力を得るための通常の燃焼を行なうべく燃料を主噴射する主噴射制御手段Ａ−２ａと、マニホールド触媒３５を活性化させるために、主噴射後の膨張行程中に追加燃料を噴射する追加燃料噴射制御手段Ａ−２ｂとしての機能を備える。
これら両燃料噴射制御手段Ａ−２ａ，Ａ−２ｂは排気温度センサ１９の出力に基づいてマニホールド触媒３５の温度を推定し、同温度が暖気済温度（活性化温度）Ｔｃを上回ると，エンジン出力を得るための通常の燃焼を行なうべく主噴射制御手段Ａ−２ａのみが駆動し、運転状態に応じた運転モード（燃料噴射の態様）を運転モード選択マップを用い設定し、通常噴射燃料を実行するよう機能する。逆に、マニホールド触媒３５の温度が暖気済温度Ｔｃを下回ると、マニホールド触媒３５を早期に活性化させるために、追加燃料噴射制御手段Ａ−２ｂをも同時駆動し、主噴射制御手段２６による主噴射後の膨張行程中に追加燃料を噴射するための追加燃料噴射を実行するよう機能する。
【００２０】
ここで主噴射制御手段２６は、運転モード選択手段Ａ−１で設定された運転モードに応じた燃料噴射制御マップを選択して、この選択した燃料噴射制御マップを用いて、エンジン回転数Ｎｅ及び目標平均有効圧カＰｅに応じた、通常の主噴射を行なうための燃料噴射量及び噴射時期（即ち，燃料噴射終了時期及び燃料噴射開始時期〉を設定する。なお、エンジン回転数Ｎｅにはエンジン回転数センサ３７の検出情報（又は、演算情報）が用いられ、目標平均有効圧力Ｐｅにはエンジン回転数Ｎｅおよびアクセルボジションセンサ（ＡＰＳ）３８で検出されたアクセル開度の各情報から算出したものが用いられる。
点火時期制御手段Ａ−３は、主噴射制御手段Ａ−２ａの燃料噴射制御に対応して点火プラグ９の点火時期を制御するものであり、運転モード選択手段Ａ−１で設定された運転モードに応じた点火時期制御マッブを選択して、この選択した点火時期制御マッブを用いて、エンジン回転数Ｎｅ及び平均有効圧力Ｐｅに応じて、主噴射制御手段Ａ−２ａの燃料噴射制御に対応した点火時期を設定し、点火制御する。
【００２１】
次に、エンジン１における主噴射および追加燃料噴射制御について説明する。運転モード選択手段Ａ−１は、冷態始動時においてエンジンが低負荷・低回転であれば、後期噴射モード、即ち、層状燃焼による超リーン運転を実行すると共に主噴射後の膨張行程中に追加燃料を噴射する追加燃料噴射モードを選択するようになっている。このため、圧縮行程の後半に主噴射制御手段Ａ−２ａからインジェクタ８に燃料噴射信号が入力される。インジェクタ８は燃料噴射信号が入力されている間、燃焼室２内に燃料を主噴射する。
この間、燃焼室２内はクランク輔の回転にともなうピストン４の上昇により圧縮され続けており、燃焼室２の温度（筒内温度），圧力（筒内圧力〉はピストン４による燃焼室２内の圧縮比に応じて上昇を続けている。そして、インジェクタ８からの燃料噴射が終了した圧縮行程末期において、点火時期制御手段Ａ−３から点火プラグ９へ点火信号が入力され、点火プラグ９が燃焼室２内の混合気への点火を行なう。
【００２２】
インジェクタ８から主噴射された燃料は、このとき、吸気ポート１４から吸入された流入空気による縦渦流（逆タンブル流）により、燃焼室２の頂部中央の点火ブラグの近傍に集められる。このため、点火プラグ９の近傍のみが理論空燃比又はリッチな空燃比となり、燃焼室２内の混合気は容易に点火され、安定した層状燃焼（層状超リーン燃焼）を行なうことができる。混合気の燃焼により、ピストン４が上死点をわずかに過ぎた所で筒内温度は１０００Ｋを大きくこえ、燃焼室２の温度，圧力の急激な上昇に伴い、ピストンが受けた圧力がエンジントルクとしてクランク軸より出力される。
ピストン４の膨張行程にともない、燃焼室２内の温度は１０００Ｋを大きく下回り、このままでは活性化温度以上の高温の排ガスをマニホールド触媒３５に供給することはできない。しかも、筒内噴射型内燃機関のように層状超リーン燃焼を行なう場合には、混合気中の燃料は高効率で燃焼するので、燃え残りの燃料が燃焼して燃焼ガスが高温（活性化温度以上）に維持されるということは期待できない。
【００２３】
そこで、ＥＣＵ３６は追加燃料噴射制御手段Ａ−２ｂが働き、排気温度センサ１９の検出出力に基づく触媒温度が暖気済温度Ｔｃよりも低い場合は、膨張行程中期（クランク角が８０°）付近又はやや過ぎた所で、インジェクタ８へ追加燃料噴射信号を出力する。この追加燃料噴射信号は先の主噴射のための燃料噴射信号よりも長めに設定されており、この間、インジェクタ８は燃焼室２内へ追加燃料を直接噴射する。
燃焼室２内へ噴射された追加燃料は、点火ブラグ９を再点火することなく高温雰囲気により着火する。なお、この着火は膨張行程後半から排気行程にかけて主燃焼に比べて比較的低温で燃焼し、燃焼室２内の温度を１０００Ｋを上回った程度まで上昇させる。このとき、追加燃料の燃焼により発生したエネルギーは燃焼室２内の圧力の上昇に変換されることなく、専ら燃焼室２内の温度上昇に用いられる。
【００２４】
そして、膨張行程が末期に排気弁１１が開き、燃焼室２内から排気通路７へ１０００Ｋ以上の高温の燃焼ガスが排出される。排気弁１１が開いた瞬間の排気通路７は非常に狭く、排気弁開時初期の燃焼ガスの流速は非常に大きいため、冷態始勤時のように雰囲気温度が低い場合に、燃焼室２内で燃焼していた燃焼ガスの一部は、狭い排気通路７をブローダウンガスとともに高速で流れ出る際に消炎してしまい、その結果、燃え残った追加燃料はプローダウンガスとともに未燃ＨＣとして排出される。
この場合、触媒昇温装置の適用されたエンジン1における排気マニホールド１５に流入した排ガスは次ぎのようにして再燃焼（２段燃焼）する。ここで４気筒のエンジン１の点火順序は第１気筒、第３気筒、第４気筒、第２気筒と設定されている。
【００２５】
まず、第１気筒が排気行程に達すると、枝管２９１から容積部３１の上流側部位ｍに流入する排気流ｆ１は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、枝管２９１にその流れ方向を規制され、対向する内壁面を指向して容積部３１の上流側部位ｍ（中央域ｅ１等）を通り直接触媒３５に流入することなく、容積部内壁面ｅ２に衝突し、排気流ｆｃの流線を形成する。この流れが形成されることにより、容積部内での排ガスの滞留時間が延び、排ガス同士が干渉する頻度を高める。
第１気筒に続いて第３気筒が排気行程に達すると、第３気筒の枝管２９３から容積３１の上流側部位ｍに流入する排気流ｆ３は、枝管２９３にその流れ方向を規制され、容積部３１の上流側部位ｍの中央域ｅ１や下流側部位ｄに流動し、第１気筒の排気流ｆ１もしくはｆｃと衝突する。
【００２６】
各排気流は干渉して方向変換し、滞留しながら容積部３１の出口に向かう。同様に、第４気筒が排気行程に達すると、枝管２９４から容積部３１の上流側部位ｍに流入する排気流ｆ４は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、枝管２９４にその流れ方向を規制され、対向する内壁面を指向して容積部３１の上流側部位ｍを通り、直接マニホールド触媒３５に流入することなく、容積部内壁面ｅ２に衝突し、排気流ｆｃを形成する。この流れが形成されることにより、容積部内での排ガスの滞留時間が延び、排ガス同士が干渉する頻度を高めることとなる。第４気筒に続いて第２気筒が排気行程に達すると、第２気筒の枝管２９２から容積部３１の上流側部位ｍに流入する排気流ｆ２は、枝管２９２にその流れ方向を規制され、容積部３１の上流側部位ｍの中央域ｅ１や下流側部位ｄに流動し、第４気筒の排気流ｆ４もしくはｆｃと衝突する。各排気流は干渉して方向変換し、滞留しながら容積部３１の出口に向かう。
【００２７】
このように、４気筒のエンジン１が１、３、４、２の各気筒順に点火駆動し、同モードで排気順序が繰り返されることで、各気筒よりの排気が分岐管部２９を経て対向する内壁面を指向して容積部３１の上流側部位ｍに達し、直接マニホールド触媒３５に流入することなく、容積部内壁面ｅ２に衝突し、排気流ｆｃを形成する。この流れが形成されることにより、流動速度を低減させ、しかも流動方向を複数回変換させる。このため容積部３１に流入した排ガスは、そのままマニホールド触媒３５に向けて吹き抜けてしまうことなく容積部３１に滞留し、これにより各気筒からの排ガスが容積部３１の上流側部位ｍより下流側部位ｄに流動するにあたり、十分に撹拌が進み、また排ガス同士の干渉が促進することで、排ガス中の未燃ＨＣの再燃焼が促進され、活性温度以上の高温の燃焼ガスが生成され、これがスムーズにマニホールド触媒３５に流入する。この結果、比較的小容量の容積部であってもマニホールド触媒３５は早期に暖気が進み、早期に排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘを浄化することになる。
【００２８】
上述のところにおいて、排気マニホールド１５は容積部３１の下流側部位（筒状部）ｄの長さｈ（図２（ｂ）参照）をより長くすることで排ガス滞留域を拡大でき、しかも、容積部３１が拡大することで、排ガスが上流側部位ｍより下流側部位ｄに流動するにあたり、撹拌がより十分に進み、排ガス中の未燃ＨＣの再燃焼が促進される。しかし、この場合、排気マニホールド１５の容積部３１が拡大し、熱容量が大きくなるとともに表面積が拡大し、放熱量の増大による暖気の遅れという逆の効果が生じてくる。このため、筒状部ｄの長さｈを過度に長くすることは好ましくなく、放熱性を考慮して適宜設定される。
更に、容積部３１の下流側部位ｄは筒状に形成され、マニホールド触媒コンバータ１６のケーシング３２の上端開口と同等の外径を成している。一方、容積部３１の上流側部位ｍは偏平形状に形成され、その断面積が下流側部位ｄの断面積より小さく形成されている。
【００２９】
このため、特開平１１−２９４１７４号公報に示されるような上流側断面積が大きく下流側断面積が小さい排気マニホールドに比べて放熱面積を減らし、かつ熱容量を低減することで、熱エネルギをマニホールド触媒に効率良く伝達して昇温させることができ、排ガス中の未燃ＨＣを効率よく再燃焼させることができる。
図４は本発明の第２実施形態としての排気マニホールドを示すものであり、上述の第１実施形態に対応する符号を用いて説明する。
【００３０】
本第２実施形態では、排気マニホールド１５が板金製である点が第１実施形態と異なり、これに伴い排気マニホールド１５の形状も異なるものとなっている。排気マニホールド１５は、排気の流れ方向に沿って２分割される２つの板金部品より成り、両板金部品をもなか合わせして構成されるが、分岐管部２９と容積部３１を有する点では第１実施形態と同じである。
【００３１】
容積部３１の上流側部位ｍは全体的に先細形状で気筒列方向に長く幅方向に短い偏平形状となっており、容積部３１の下流側部位ｄは筒状に形成されている。ここで、先細形状の上流側部位ｍでは排気マニホールド１５の気筒列方向端縁２９Ｌ、２９Ｒが下流に進むに従い内側に向き、その延長線が下流側部位ｄの対向する内壁面を指向するように形成されている。また、分岐管部２９は、その気筒列方向両端に位置する第１、第４気筒用の枝管２９１，２９２が互いに対向するように配置されている。
【００３２】
このため、気筒列方向両端の各枝管２９１，２９２からの排気流ｆ１，ｆ４の各流線は、容積部３１の出口の直上流に位置する筒状の下流側部位ｄを横切り気筒列方向逆側の内壁面を指向するようになり、上述の第１実施形態の場合と同様、他の気筒からの排気と干渉し易くなり、排気の流れが触媒に直接向かうことが抑制され、排気の撹拌や滞留が進むので、効率良く排ガス同士を干渉させ触媒作用を促進できる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、排気マニホールド１５に直付けされるマニホールド触媒コンバータ１６に換えて、エンジン下方に始動時用の触媒を設けるようにしても良く、また、始動時用触媒を使用しないものにおいて、主触媒の暖機用に本発明を適用しても良い。
【００３３】
更に、吸気ポートにも燃料噴射弁を設け、主燃焼用の燃料噴射はこの噴射で行い、追加燃料は筒内に直接噴射するようにしても良い。
また、内燃機関としては、ガソリンエンジンに限らずディーゼルエンジンでも適用可能である。
図1のエンジン１において、マニホールド触媒３５は三元触媒として説明したが、場合によりＮＯｘ触媒等、他の触媒でも良く、この場合も、図１の装置と同様の作用効果が得られる。
【００３４】
また、マニホールド触媒コンバータとして２つの触媒が並列に配置されるリアルマニホールド触媒、即ち、排気弁が開くタイミングが重なり合う、それぞれの気筒の分岐管部を、各々別のマニホールド触媒に接続するタイプの触媒を本発明に適用しても良い。この場合、排気弁が開くタイミングが重なり合う、それぞれの気筒の分岐管部を、各々別のマニホールド触媒に接続するように形成することで、排気干渉を抑え、中低速トルクを向上させると同時に、容積部内に流入した排ガスを十分に混合し、滞留させる機能を向上させることで、再燃焼現象を促進することも可能となる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、分岐管部の第１気筒から第４気筒までの分岐管部からの排気の流線が容積部の中央域を横切り気筒列方向逆側の上記容積部の内壁面を指向するよう排気マニホールドが形成されているため、各気筒からの相互に異なる方向の排気流れが容積部の中央域を横切り、しかも上流側部位および下流側部位の内壁面に衝突させることで流動速度を低減させるので、気筒間の排気流れの干渉が促進される。このため、排ガス中の未燃ＨＣの再燃焼が促進され、活性温度以上の高温の燃焼ガスが生成され、これがスムーズにマニホールド触媒に流入する。この結果、比較的小容量の容積部であってもマニホールド触媒は早期に暖気が進み、早期に排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘを浄化できる。特に、上流側部位より下流側部位の径方向の断面積が大きく設定されるので、流動速度を低減でき、容積部出口への排気流れを弱めることができ、排気の滞留時間を長くすることができる。そして、上記の混合促進作用と、滞留時間延長作用とにより追加燃料の噴射により、増加する未燃燃料を容積部内で効率良く反応させることができ、該反応による熱エネルギで触媒を効率良く昇温させることができるし、容積部の容積を小型化することも可能になる。
特に、上記触媒がマニホールド触媒であり、容積室の下流側部位の断面形状がマニホールド触媒の断面形状と略同一で、上流側部位の断面積が下流側部位の断面積以下となるよう形成した場合、断面形状が逆の従来例に比べて放熱面積を減らし、かつ、熱容量を低減することができるため、熱エネルギをマニホールド触媒に効率良く伝達して昇温させ、排ガス中の未燃ＨＣを効率よく再反応させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としての多気筒内燃機関の触媒昇温装置の全体構成図である。
【図２】図１の触媒昇温装置で用いる排気マニホールド内での１、３気筒の排気流の挙動を説明する図であり、（ａ）は平面視の説明図を、（ｂ）は正面視の説明図である。
【図３】図１の触媒昇温装置で用いる排気マニホールド内での４、２気筒の排気流の挙動を説明する図であり、（ａ）は平面視の説明図を、（ｂ）は正面視の説明図である。
【図４】本発明の第２実施形態で用いるマニホールド触媒コンバータを示し、（ａ）は拡大正面図を、（ｂ）は拡大側面図である。
【符号の説明】
１エンジン（多気筒内燃機関）
７排気通路
８燃料噴射弁
１５排気マニホールド
１６マニホールド触媒コンバータ
２９分岐管部
３１容積部
３５マニホールド触媒
３６ＥＣＵ（制御手段）
ｍ容積部の上流側部位
Ａ−２ｂ追加燃料噴射制御手段
ｄ下流側部位
ｅ１中央域
ｅ２容積部内壁面
ｆｃ排気流

Claims

４気筒内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化用の触媒と、
燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
上記触媒の昇温が要求される場合、主燃焼用燃料噴射後の膨張行程中に上記燃料噴射弁により追加燃料を噴射させる制御手段と、
排気を滞留させる容積部と各気筒からの排気を上記容積部内に導くべく各気筒毎の枝管が設けられた分岐管部とを有する排気マニホールドとを備え、
上記排気マニホールドの容積部は、上記分岐管部の端部と結合し気筒列方向が長く同方向と直交する幅方向が短い偏平形状の上流側部位と、同上流側部位より筒状を成して延出し上記上流側部位より径方向の断面積が大きく設定され出口からマニホールド触媒コンバータに排ガスを流下させる下流側部位とで形成され、且つ、上記分岐管部は、気筒列方向両端の第１気筒及び第４気筒の枝管については各開口が互いに対向するように配置されるとともに上記各枝管からの排気の流線が上記容積部の中央域を横切り気筒列方向逆側の上記容積部の内壁面を指向し、第２気筒の枝管については排気流が第４気筒の排気流に上記中央域で衝突し、第３気筒の枝管については排気流が第１気筒の排気流に上記中央域で衝突するよう上記各枝管が上記上流側部位に結合されて、上記分岐管部からの排気流を上記上流側部位の中央域において互いに衝突させ同上流側部位および上記下流側部位の内壁面に衝突させることで流動速度を低減させてから上記マニホールド触媒コンバータに流下させるように形成されている、ことを特徴とする多気筒内燃機関の触媒昇温装置。