JP4492417B2 - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

Description

この発明は、排気還流装置を具備した内燃機関の排気装置、特に、メイン排気通路から分岐したバイパス通路およびバイパス触媒コンバータを備えた排気装置に関する。

従来から知られているように、車両の床下などの排気系の比較的下流側にメイン触媒コンバータを配置した構成では、内燃機関の冷間始動後、触媒コンバータの温度が上昇して活性化するまでの間、十分な排気浄化作用を期待することができない。また一方、触媒コンバータを排気系の上流側つまり内燃機関側に近付けるほど、触媒の熱劣化による耐久性低下が問題となる。

そのため、特許文献１に開示されているように、メイン触媒コンバータを備えたメイン通路の上流側部分と並列にバイパス通路を設けるとともに、このバイパス通路に、別のバイパス触媒コンバータを介装し、両者を切り換える切換弁によって、冷間始動直後は、バイパス通路側に排気を案内するようにした排気装置が、従来から提案されている。この構成では、バイパス触媒コンバータは排気系の中でメイン触媒コンバータよりも相対的に上流側に位置しており、相対的に早期に活性化するので、より早い段階から排気浄化を開始することができる。
特開平５−３２１６４４号公報

上記のようにバイパス通路を単純にメイン通路から分岐形成した構成においては、例えば暖機完了後のような排気主流がメイン通路側を通流すべき条件下においても、排気の一部が触媒コンバータに流入しやすく、触媒の熱劣化や排気成分による触媒の被毒が生じやすい。そして、これを回避するためには、排気をメイン通路側へ案内するときに、特許文献１の切換弁のように、バイパス通路側を完全に閉塞する必要が生じ、その構成が複雑化する。

この発明に係る内燃機関の排気装置は、１気筒もしくは複数気筒に接続されたメイン排気通路から吸気系へ排気の一部を還流するように分岐形成され、かつ排気還流制御弁を備えた排気還流通路と、排気系の下流へ排気を導くように上記排気還流通路からさらに分岐形成され、かつ上記排気還流通路よりも通路断面積が小さなバイパス通路と、このバイパス通路に介装されたバイパス触媒コンバータと、を備えたことを特徴としている。

すなわち、排気還流が必要な運転領域においては、排気還流制御弁が開き、排気還流通路を通して排気の一部が吸気系へ供給される。そのため、バイパス触媒コンバータへは排気が流れ込まず、その熱劣化や被毒が防止される。なお、減速に伴う燃料カット時にも、ポンピングロス低減のために排気還流が行われることがある。

本発明では、排気をバイパス通路のバイパス触媒コンバータを通して排出するための流路切換手段として、メイン排気通路とバイパス通路との分岐点より下流側でメイン排気通路を閉塞する流路切換弁を用いることができる。この流路切換弁を閉じた状態では、排気の全量が排気還流通路へ入り、かつバイパス通路へと流れる。排気還流制御弁が開いていれば、一部の排気は吸気系へ導入される。また流路切換弁が開いていれば、通路抵抗の差により、排気は主にメイン排気通路側を流れ、バイパス通路側へは殆ど流れない。特に、このとき排気還流制御弁が開いていれば、排気還流通路へ流入した排気は吸気系へ向かい、バイパス触媒コンバータを通過することがない。

本発明の一つの態様においては、各気筒に各々接続されたメイン排気通路から排気還流通路がそれぞれ分岐形成されるとともに、この複数の排気還流通路が最終的に１本の流路に合流しており、この１本の流路に合流した部分から上記バイパス通路が分岐している。

このようにすれば、全気筒から十分な量の還流排気を吸気系へ供給することが可能である。

そして、より具体的な態様として、例えば、内燃機関の一端に位置する第１の気筒の排気還流通路が、当該気筒のメイン排気通路の分岐点から内燃機関の他端側へと向かって略直線状に延びており、この排気還流通路に対し適宜な角度で交差するように残りの気筒の排気還流通路がそれぞれ異なる点で順次接続され、かつ最終的に１本の流路に合流した下流側の排気還流通路は、上記第１の気筒の排気還流通路に略直線状に接続されている。

このような構成では、各気筒の排気還流通路を、その総通路長が比較的短くなるように合流させることができ、その熱容量が小さくなる。そのため、バイパス触媒コンバータの早期昇温の上で有利である。また、バイパス通路ひいてはバイパス触媒コンバータが内燃機関の長手方向の一方に偏った配置となり、例えば排気マニホルドとして構成されるメイン排気通路とのレイアウトが容易となる。そして、複数の気筒の排気が下流側の排気還流通路へと円滑に流れる。

上記バイパス通路は、メイン排気通路とは別に先端部を大気に開放させた構成とすることもできるが、望ましくは、上記バイパス触媒コンバータよりも下流側で上記メイン排気通路に合流している。一般に、メイン排気通路の下流部分にメイン触媒コンバータが配置されているので、バイパス通路を通った排気は、さらにこのメイン触媒コンバータを通過することになる。

この発明によれば、メイン排気通路側を排気が通流するときに、バイパス通路側が特に閉塞されていない状態であっても、バイパス触媒コンバータを通過する排気が少なくなり、触媒の熱劣化や被毒の問題が生じにくい。また、流路切換手段としてバイパス通路側を閉塞する必要がなくなり、メイン排気通路側のみを開閉する弁として、その構成を単純化することができる。

以下、この発明を直列４気筒内燃機関の排気装置として適用した一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この排気装置の配管レイアウトを模式的に示した説明図であり、始めに、この図１に基づいて、排気装置全体の構成を説明する。

シリンダヘッド１には、直列に配置された♯１気筒〜♯４気筒の各気筒の排気ポート２がそれぞれ側面に向かって開口するように形成されており、この排気ポート２のそれぞれに、メイン排気通路３が接続されている。♯１気筒〜♯４気筒の４本のメイン排気通路３は、１本の流路に合流しており、その下流側に、メイン触媒コンバータ４が配置されている。このメイン触媒コンバータ４は、車両の床下に配置される容量の大きなものであって、触媒としては、例えば、三元触媒とＨＣトラップ触媒とを含んでいる。上記のメイン排気通路３およびメイン触媒コンバータ４によって、通常の運転時に排気が通流するメイン流路が構成される。また、４本のメイン排気通路３の合流点には、流路切換手段として各メイン排気通路３を一斉に開閉する流路切換弁５が設けられている。

一方、排気還流装置として、各気筒のメイン排気通路３の各々から排気還流通路７がそれぞれ分岐している。各排気還流通路７の上流端となる分岐点６は、メイン排気通路３のできるだけ上流側に位置に設定されている。４本の排気還流通路７は、後述するような態様で最終的に１本の流路に合流しており、その合流点の直後から、さらにバイパス通路１２が分岐している。つまり、１本に集合した排気還流通路７は、分岐点９において下流側排気還流通路７’とバイパス通路１２との２本の通路に分岐しており、下流側排気還流通路７’の先端が吸気系例えば吸気ポート１３上流に接続されているとともに、その通路途中に、排気還流制御弁１４が介装されている。この排気還流制御弁１４は、単純に開閉制御されるものであってもよく、あるいはその開度が連続的に制御されるものであってもよい。

上記バイパス通路１２は、下流側排気還流通路７’よりも通路断面積が小さなものであって、排気還流通路７から分岐した直後の位置に、三元触媒を用いたバイパス触媒コンバータ８が介装されている。このバイパス触媒コンバータ８は、メイン触媒コンバータ４に比べて容量が小さな小型のものであり、望ましくは、低温活性に優れた触媒が用いられる。バイパス触媒コンバータ８の出口から延びたバイパス通路１２の下流側の先端は、メイン流路におけるメイン触媒コンバータ４上流側に接続されている。

なお、メイン触媒コンバータ４の入口部およびバイパス触媒コンバータ８の入口部には、それぞれ空燃比センサ１０，１１が配置されている。

このような構成においては、冷間始動後の機関温度ないしは排気温度が低い段階では、適宜なアクチュエータを介して流路切換弁５が閉じられ、メイン流路が遮断される。そのため、各気筒から吐出された排気は、その全量が分岐点６から排気還流通路７に流入し、バイパス通路１２を通してバイパス触媒コンバータ８へと流れる。バイパス触媒コンバータ８は、排気系の上流側つまり排気ポート２に近い位置にあり、かつ小型のものであるので、速やかに活性化し、早期に排気浄化が開始される。バイパス触媒コンバータ８を通過した排気は、さらに下流のメイン触媒コンバータ４を通過し、ここで多少の浄化作用をさらに受けるとともに、該メイン触媒コンバータ４を温度上昇させる。なお、排気還流制御弁１４が開けば一部の排気が下流側排気還流通路７’を通して吸気系へ還流することになるが、一般に、冷間時は、燃焼不安定化の要因となることから、排気還流が行われない場合が多い。

一方、機関の暖機が進行して、機関温度ないしは排気温度が十分に高くなったら、流路切換弁５が開放される。これにより、各気筒から吐出された排気は、主に、メイン排気通路３からメイン触媒コンバータ４を通過する。このときバイパス流路側は特に遮断されていないが、バイパス流路側の方がメイン流路側よりも通路断面積が小さく、かつバイパス触媒コンバータ８が介在しているので、両者の通路抵抗の差により、排気流の大部分はメイン流路側を通り、バイパス流路側には殆ど流れない。従って、バイパス触媒コンバータ８の熱劣化は十分に抑制される。

また、機関暖機後は、高速高負荷域等の一部領域を除く広い運転領域で排気還流が実行される。このように排気還流制御弁１４が開弁する排気還流領域では、上流側の排気還流通路７および下流側排気還流通路７’を通して排気が吸気系へ還流する。吸気系の圧力は、バイパス触媒コンバータ８下流の圧力よりも遙かに低いので、バイパス触媒コンバータ８を通過する排気は、さらに少なくなる。従って、経時的なバイパス触媒コンバータ８の熱劣化や被毒が確実に回避される。なお、減速に伴う燃料カット時にも、排気還流制御弁１４が開き、排気が還流される。

次に、４本の排気還流通路７を１本の流路に合流させる配管レイアウトについて、図２に基づいて説明する。

図２は、排気還流通路７の配管レイアウトを模式的に示しており、♯１気筒の排気還流通路７を符号７Ａで、♯２気筒の排気還流通路７を符号７Ｂで、♯３気筒の排気還流通路７を符号７Ｃで、♯４気筒の排気還流通路７を符号７Ｄで、それぞれ示す。なお、この図２は、シリンダヘッド１を機関の側方から見たものであって、各気筒の排気ポート２として図示する部分は、分岐点６における各メイン排気通路３の位置と実質的に変わりがない。図示するように、この実施例では、内燃機関の一方の端部の気筒である♯１気筒の排気還流通路７Ａが、分岐点９の直前の位置となる♯４気筒寄りの合流点１５まで斜め下方へ直線状に延びており、もう一方の端部の気筒である♯４気筒の排気還流通路７Ｄが、この♯１気筒の排気還流通路７Ａに対し斜めに交差するように直線状に延びて、合流点１５において互いに合流している。そして、♯２気筒の排気還流通路７Ｂおよび♯３気筒の排気還流通路７Ｃは、メイン排気通路３との各分岐点６から♯１気筒の排気還流通路７Ａに直交する方向に沿って直線状に延び、それぞれ合流点１６，１７で該排気還流通路７Ａに直角に接続されている。また、合流点１５より下流側の部分も、略直線状に連続するように、♯１気筒の排気還流通路７Ａに沿って滑らかに延びている。なお、分岐点９においても、下流側排気還流通路７’が略直線状に延び、ここから適宜な角度をもってバイパス通路１２が分岐した形となっている。

従って、この実施例では、最終的に１本の流路となる合流点１５は、内燃機関の前後方向について、♯１気筒と♯４気筒との内側で、かつ♯４気筒側に偏って位置している。そして、♯１気筒の分岐点６から上記の合流点１５までを最短距離で結ぶ排気還流通路７Ａに、他の３つの気筒の排気還流通路７Ｂ〜７Ｄがやはり最短距離でもって接続されるので、合流点１５までの各気筒の排気還流通路７の総通路長が最短となる。また、吸気系へ向かう還流排気は円滑に流れ、これに対し、バイパス通路１２側へは排気が侵入しにくいものとなっている。

次に、図３および図４は、メイン排気通路３および排気還流通路７のより具体的な構成を示したものであって、４本のメイン排気通路３は、シリンダヘッド１に取り付けるための取付フランジ２２を有する排気マニホルド２１として一体化されており、それぞれ下方へ向かって湾曲し、かつ前述した流路切換弁５を内蔵したバルブユニット２３を介して１本の流路に合流している。この複数のメイン排気通路３の合流点となるバルブユニット２３は、内燃機関の前後方向について、機関前方へ偏った位置に配置されている。排気還流通路７は、下方へ湾曲したメイン排気通路３の下側の空間に配置されており、その合流点１５が機関後方へ偏った位置にあり、この合流点１５の直後のバイパス触媒コンバータ取付フランジ２４に取り付けられるバイパス触媒コンバータ８が、メイン排気通路３側のバルブユニット２３と前後に重ならない位置関係となっている。

図４は、図３からメイン排気通路３を取り除いて描いた図であって、前述したように、一端の気筒である♯１気筒の排気還流通路７Ａが合流点１５まで斜め下方へほぼ直線状に延びており、♯４気筒の排気還流通路７Ｄが、この♯１気筒の排気還流通路７Ａに向かってほぼ直線状に延びて、合流点１５において互いに合流している。但し、排気還流通路７Ｄは、取付フランジ２２のナットもしくはボルトの締結点２５を覆うことがないように、合流点１５近傍部分が締結点２５の上方を迂回するように湾曲している。同様に、排気還流通路７Ａは、締結点２６を覆わないように、僅かにクランク状に屈曲している。また、♯２気筒の排気還流通路７Ｂおよび♯３気筒の排気還流通路７Ｃは、メイン排気通路３との各分岐点６から♯１気筒の排気還流通路７Ａに直交する方向に沿って直線状に延び、該排気還流通路７Ａに直角に接続されている。そして、下流側排気還流通路７’は、♯１気筒の排気還流通路７Ａの端部に略直線状に接続されている。

このように各気筒の排気ポート２からバイパス触媒コンバータ８直前に至るまでの排気還流通路７の総通路長を最短とすることで、その熱容量が小さくなり、冷間始動後にバイパス触媒コンバータ８が速やかに活性化して、早期に排気浄化が開始される。

また、排気還流通路７が、バイパス触媒コンバータ８へ排気を案内するバイパス流路の一部を兼ねた構成となるため、構成の単純化ならびに部品点数の削減に寄与する。

なお、上記実施例では、バイパス触媒コンバータ８を備えたバイパス通路１２が、メイン流路に再び合流するように構成されているが、本発明はこれに限らず、例えばバイパス通路１２がメイン流路とは別のまま外部へ排気を放出する流路を構成するようにしてもよい。また本発明は、上記の直列４気筒機関に限られず、種々の直列多気筒内燃機関あるいはＶ型内燃機関等に適用することができる。

この発明に係る排気装置全体の構成を示す構成説明図。 排気還流通路の配管レイアウトを示す説明図。 メイン排気通路および排気還流通路のより具体的な構成を示す側面図。 メイン排気通路を取り除いて示す側面図。

符号の説明

３…メイン排気通路
４…メイン触媒コンバータ
５…流路切換弁
６…分岐点
７…排気還流通路
８…バイパス触媒コンバータ
１２…バイパス通路
１４…排気還流制御弁

Claims (5)

1. １気筒もしくは複数気筒に接続されたメイン排気通路から吸気系へ排気の一部を還流するように分岐形成され、かつ排気還流制御弁を備えた排気還流通路と、排気系の下流へ排気を導くように上記排気還流通路からさらに分岐形成され、かつ上記排気還流通路よりも通路断面積が小さなバイパス通路と、このバイパス通路に介装されたバイパス触媒コンバータと、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気装置。
2. 各気筒に各々接続されたメイン排気通路から排気還流通路がそれぞれ分岐形成されるとともに、この複数の排気還流通路が最終的に１本の流路に合流しており、この１本の流路に合流した部分から上記バイパス通路が分岐していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
3. 内燃機関の一端に位置する第１の気筒の排気還流通路が、当該気筒のメイン排気通路の分岐点から内燃機関の他端側へと向かって略直線状に延びており、この排気還流通路に対し適宜な角度で交差するように残りの気筒の排気還流通路がそれぞれ異なる点で順次接続され、かつ最終的に１本の流路に合流した下流側の排気還流通路は、上記第１の気筒の排気還流通路に略直線状に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気装置。
4. 上記バイパス通路は、上記バイパス触媒コンバータよりも下流側で上記メイン排気通路に合流していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の排気装置。
5. 排気がメイン排気通路からバイパス通路へ流れるように、分岐点より下流側で上記メイン排気通路を閉塞する流路切換弁を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の排気装置。
   

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