JP4583958B2 - 多気筒エンジンの二次空気供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、各気筒の排気系に供給する二次空気の供給量を平準化する多気筒エンジンの二次空気供給装置に関する。

エンジンの始動時等にエアポンプを回転駆動し、加圧された二次空気をエンジンの排気ポートに強制的に供給することで、排気ガス中に含まれている未燃ガス成分（ＣＯ，ＨＣ）の酸化反応を促し排気エミッションの低減を図ると共に、その反応熱により触媒を昇温させて触媒の早期活性化を実現する技術が、特許文献１（特開２００４−２５７３６０号公報）等で知られている。

ところで、各気筒から排出された直後の排気ガスに二次空気を供給することで、未燃ガスと二次空気とを効率よく反応させることができることは既知である。例えば特許文献２（特開２００４−１００５２０号公報）には、シリンダヘッドの気筒配列方向に沿ってメイン通路が形成され、このメイン通路から各気筒の排気ポートに連通するサブ通路が分岐接続された二次空気供給装置が開示されている。

特許文献２に開示されている二次空気供給装置は、エアポンプから吐出される二次空気を、二次空気調整弁を介して流量が調整された状態でメイン通路へ供給し、このメイン通路に分岐接続されているサブ通路を介して各気筒の排気ポートに供給することで、排気ガスを浄化するものである。
特開２００４−２５７３６０号公報 特開２００４−１００５２０号公報

しかし、特許文献１に開示されている二次空気供給装置は、メイン通路に分岐接続されているサブ通路を介して各気筒の排気ポートに二次空気を供給する場合、エアポンプに近い上流側の気筒の排気ポートに連通するサブ通路と下流側の気筒の排気ポートに連通するサブ通路とでは、二次空気の導入量が相違する。

すなわち、二次空気はエアポンプからの吐出圧によって各排気ポートに強制的に供給され、更に、二次空気は、燃料やオイル等の流体に比し粘性が低いため、動圧の影響が大きくなる。その結果、エアポンプに近い上流側の気筒よりも下流側の気筒の排気ポートに連通するサブ通路に多くの二次空気が流れ込みやすくなり、逆に、上流側の気筒の排気ポートでは二次空気の供給量が不足気味となる。

この場合、特許文献２に記載されているように、メイン通路に供給する二次空気を二次空気調整弁にて調整される場合、下流側の気筒の排気ポートに供給される二次空気が増加すると、相対的に上流側の気筒の排気ポートに供給される二次空気が供給不足となり、排気浄化性能の低下を招いてしまう。

その結果、各気筒の排気ポートに対する二次空気の供給量にばらつきが生じ、各気筒の排気ポートに対する二次空気の供給量を平準化することができず、排気ガス浄化性能のより一層の向上を実現する上での障害となっている。

本発明は、上記事情に鑑み、構造を複雑化することなく、各気筒の排気ポートに供給する二次空気の供給量を平準化し、より高い排気ガス浄化性能を得ることのできる多気筒エンジンの二次空気供給装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明は、複数の気筒に設けられている排気ポートに対して二次空気を供給する多気筒エンジンの二次空気供給装置において、上記二次空気を吐出する空気供給源と、上記各気筒の配列方向に沿って延出されていると共に上記空気供給源から吐出される二次空気を導入するメイン通路と、上記メイン通路から分岐されて上記各気筒の排気ポートに各々連通するサブ通路とを備え、少なくとも上記メイン通路に対し上流側で分岐する上記サブ通路の通路断面積が大きく形成され、該メイン通路に対し下流側で分岐する上記サブ通路の通路断面積が小さく形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、サブ通路の通路断面積を可変させて、各気筒の排気ポートに供給する二次空気を平準化させるようにしたので、構造を複雑化することなく、より高い排気ガス浄化性能を得ることができる。

以下、図面に基づいて本発明の一形態を説明する。図１〜図３に本発明の第１形態を示す。図１は多気筒エンジンの二次空気供給装置の概略構成図である。

同図の符号１はエンジンで、本形態では水平対向型或いはＶ型等、左右バンク１Ｌ，１Ｒを備えており、各バンク１Ｌ，１Ｒに２つの気筒２ａ，２ｂが各々形成されている。又、各バンク１Ｌ，１Ｒのシリンダヘッドに、各気筒２ａ，２ｂの燃焼室に開口する２つの吸気ポート３，３と２つの排気ポート４，４とが開口されており、この各ポートが、図示しない吸気バルブと排気バルブとで開閉自在にされている。尚、図示しないが両バンク１Ｌ，１Ｒの気筒２ａ，２ｂに設けられている排気ポート４，４は、排気マニホルドを介して集合された後、排気管を介してマフラに連通されている。この排気マニホルドの集合部の直下流である排気管の上流に、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する機能を備えた周知の三元触媒を代表とする触媒が配設されている。

又、各バンク１Ｌ，１Ｒのシリンダヘッドに、各気筒２ａ，２ｂの配列方向に沿って所定深さのメイン通路５が延出形成されている。このメイン通路５の上流がシリンダヘッドの外表面に開口されており、この開口部に二次空気供給チューブ６ａ，６ｂが各々接続されている。この各二次空気供給チューブ６ａ，６ｂの上流が、通路開閉手段としてのカットバルブ７に接続されて集合されている。更に、カットバルブ７の上流にポンプ通路８を介して、空気供給源としての電動式エアポンプ９が接続されている。尚、このエアポンプ９はエアークリーナ下流の吸入空気が導入される。又、カットバルブ７はポンプ通路８と両二次空気供給チューブ６ａ，６ｂとの間を開閉する、例えば電磁式切換え弁で構成されている。

又、各バンク１Ｌ，１Ｒのシリンダヘッドに、その先端を各気筒２ａ，２ｂの排気ポート４，４に連通するサブ通路１０ａ，１０ｂが各々独立形成され、この各サブ通路１０ａ，１０ｂの上流がメイン通路５に、ほぼ直交した姿勢で連通されている。このメイン通路５は、通路断面積の大きい上流側の大径通路部５ａと、通路断面積の小さい下流側の小径通路部５ｂとを有し、両径部５ａ，５ｂの境界部５ｃがテーパ状に形成されている。

メイン通路５の大径通路部５ａ側に、一方の気筒２ａの排気ポート４，４に先端を開口するサブ通路１０ａ，１０ｂが連通され、又、小径通路部５ｂ側に他方の気筒２ｂの排気ポート４，４に先端を開口するサブ通路１０ａ，１０ｂが連通されている。尚、各サブ通路１０ａ，１０ｂは同一径を有している。

カットバルブ７、及びエアポンプ９は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）２１からの駆動信号によりＯＮ／ＯＦＦ動作される。ＥＣＵ２１は、燃料噴射制御、点火時期制御等、エンジン１全体の制御を行うもので、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏポート等を備える通常のマイクロコンピュータを中心に構成されている。尚、燃料噴射制御、点火時期制御は、従来から行われている制御と同一であるため説明を省略する。

ＥＣＵ２１で実行されるエアポンプ９の駆動制御、及びカットバルブ７の開閉制御は、図３に示す二次空気制御ルーチンに従って処理される。

同図に示すルーチンは、イグニッションスイッチをＯＮした後、所定演算周期毎に起動され、先ずステップＳ１で、二次空気供給条件が成立しているか否かを調べる。二次空気供給条件は、例えば触媒が活性しているか否かで判定し、触媒が活性していないときは二次空気供給条件成立と判定し、又、触媒が活性しているときは二次空気供給条件不成立と判定する。

触媒が活性しているか否かは、触媒温度を直接検出しても良いが、冷却水温から間接的に触媒活性温度を推定するようにしても良く、或いはエンジン始動時の冷却水温から触媒が活性するまでの時間を推定し、触媒活性時間が経過したとき活性と判定するようにしても良い。又、この場合、二次空気供給条件に、暖機運転完了か否かを加え、触媒が活性しておらず、しかも暖機運転中のときは、二次空気供給条件成立と判定するようにしても良い。

そして、二次空気供給条件成立と判定されてステップＳ２へ進むと、エアポンプ９をＯＮし、続くステップＳ３でカットバルブ７を開動作させて、ルーチンを抜ける。

二次空気供給条件成立と判定されて、エアポンプ９がＯＮ動作すると、エアークリーナ下流の空気の一部がエアポンプ９にてポンプ通路８側へ二次空気として吐出される。このとき、カットバルブ７が開動作しているため、ポンプ通路８から吐出された二次空気は、カットバルブ７を経て左右の二次空気供給チューブ６ａ，６ｂに分流され、そこから左右バンク１Ｌ，１Ｒのシリンダヘッドに形成されているメイン通路５に供給される。そして、メイン通路５に連通する各サブ通路１０ａ，１０ｂから各気筒２ａ，２ｂの排気ポート４，４に対して二次空気が供給される。

エンジン始動時、及び始動後の暖機運転では、排気ガス温度が低く、触媒が活性温度に達していない。このような環境下では、燃焼室内に供給する燃料を増量して、リッチ空燃比で燃焼させることで、燃焼の安定化を図ると共に、暖機の促進を図るのが一般的である。しかし、リッチ空燃比での燃焼は、排気ガス中に未燃ガス成分（ＨＣ、ＣＯ等）の増加を招くことになる。

そのため、冷態始動時等、触媒が活性温度に達していない場合、換言すれば、排気ガス温度が低く触媒を活性化することのできない環境下では、各気筒２ａ，２ｂの燃焼室から排出された直後の排気ガスに二次空気を供給し、排気ガス中に含まれる未燃ガス成分（ＨＣ、ＣＯ等）の酸化反応を促す。このようにすることで、触媒上流側での未燃ガス成分の浄化が促進される。更に、未燃ガスと二次空気との酸化反応の際に生じる反応熱によって触媒の早期活性化を実現することができる。

ところで、二次空気は粘性が低いためメイン通路５の下流端が閉塞されている場合、このメイン通路５にエアポンプ９から二次空気を強制的に供給すると、下流側の動圧が上流側の動圧よりも小さくなり、サブ通路入口部の静圧に上流側と下流側で差が生じる。その結果、メイン通路５を同一径で形成した場合には下流側の気筒２ｂに設けた排気ポート４，４に供給する二次空気の供給量が、上流側の気筒２ａに設けた排気ポート４，４に供給する二次空気の供給量よりも多くなってしまう。

本形態では、メイン通路５を上流側の大径通路部５ａと下流側の小径通路部５ｂとに区分し、下流の通路断面積を上流側の通路断面積よりも小さくすることで、小径通路部５ｂに流れる二次空気の動圧を増大させ、小径通路部５ｂと大径通路部５ａとにほぼ同一の動圧が発生するようにした。

その結果、各気筒２ａ，２ｂの排気ポート４，４に対し、サブ通路１０ａ，１０ｂからほぼ等しい流量の二次空気を供給することが可能となり、気筒２ａ，２ｂ間に対する二次空気の供給量を平準化することができる。各気筒２ａ，２ｂの排気ポート４，４に供給する二次空気の供給量を平準化することで、排気ポート４，４内での排気ガス中に含まれている未燃ガス成分の酸化反応の均質化が実現でき、排気ガス浄化能力の向上を実現することができる。

一方、ステップＳ１において、触媒が活性温度に達して、二次空気供給条件不成立と判定されて、ステップＳ４へ分岐すると、エアポンプ９をＯＦＦ動作させて、二次空気の供給を停止させ、続くステップＳ５でカットバルブ７を閉動作させて、各通路８，６ａ，６ｂを遮断し、ルーチンを抜ける。

このように、本形態では、メイン通路５を上流側の大径通路部５ａと下流側の小径通路部５ｂとに区分し、小径通路部５ｂで発生する動圧を増大させ、その分、大径通路部５ａに発生する動圧を減少させて、両通路部５ａ，５ｂで発生する動圧をほぼ均一化させたので、大径通路部５ａに連通するサブ通路１０ａ，１０ｂと小径通路部５ｂに連通するサブ通路１０ａ，１０ｂとから各排気ポート４，４へ供給される二次空気の供給量がほぼ平準化される。その結果、各排気ポート４，４内での未燃ガス成分の酸化反応が促進され、排気ガス浄化性能を向上させることができる。

又、図４に本発明の第２形態による多気筒エンジンの二次空気供給装置の概略構成図を示す。

上述した第１形態ではメイン通路５の通路断面積を上流側よりも下流側を小さくすることで、メイン通路５内で発生する動圧をほぼ等しくするようにしたが、本形態では、メイン通路５の通路断面積は一定とし、下流側の気筒２ａの排気ポート４，４に開口するサブ通路１１ａ，１１ｂの通路断面積を、上流側の気筒２ａの排気ポート４，４に開口するサブ通路１０ａ，１０ｂの通路断面積よりも小さくすることで、各排気ポート４，４に供給される二次空気の供給量を平準化するようにしたものである。

上述したように、メイン通路５の通路断面積を同一とした場合、動圧は下流側に大きく発生する。本形態では、下流側の気筒２ｂの排気ポート４，４に開口するサブ通路１１ａ，１１ｂを上流側の気筒２ａの排気ポート４，４に開口するサブ通路１０ａ，１０ｂの通路断面積よりも小さくしたので、下流側のサブ通路１１ａ，１１ｂを流れる二次空気の流量が制限される。一方、上流側の気筒２ａの排気ポート４，４に開口するサブ通路１０ａ，１０ｂの通路断面積は、下流側のサブ通路１１ａ，１１ｂの通路断面積よりも大きく形成されているので、相対的にこのサブ通路１０ａ，１０ｂを流れる二次空気の流量を増加させることができる。

その結果、上流側のサブ通路１０ａ，１０ｂの通路断面積と下流側のサブ通路１１ａ，１１ｂの通路断面積とを適正に設定することで、各サブ通路１０ａ，１０ｂと１１ａ，１１ｂとから各排気ポート４，４に対して供給される二次空気の供給量を平準化させることができる。

更に、本形態では、メイン通路５の通路断面積を一定にしたので、シリンダヘッドに対して比較的長いメイン通路５を後加工することが容易となり、加工工数を短縮することができる。

又、図５、図６に本発明の第３形態を示す。ここで、図５は多気筒エンジンの二次空気供給装置の概略構成図、図６は図５の要部拡大図である。

上述した第１、第２形態では、各気筒２ａ，２ｂ間に供給される二次空気の流量を平準化するようにしているが、本形態では、個々の気筒２ａ（２ｂ）に設けられている一対の排気ポート４，４間に供給される二次空気の流量を平準化するようにしたものである。

すなわち、本形態では、各気筒２ａ，２ｂの排気ポート４，４に開口するサブ通路１２ａ，１２ｂの一方（本形態ではサブ通路１２ａ）をメイン通路５に対して上流側へ連通し、他方のサブ通路（以下「下流側サブ通路」と称する）１２ｂをメイン通路５に対しサブ通路（以下「上流側サブ通路」と称する）１２ａよりも下流側に連通する。

更に、上流側サブ通路１２ａを上流側に指向する角度θ１[°]（但し１８０°＞θ１＞９０°）で傾斜させ、又、下流側サブ通路１２ｂをメイン通路５に対して下流側へ指向する角度θ２[°]（但し０°＞θ２＜９０°）で傾斜させる。

このように、本形態では、上流側サブ通路１２ａが、メイン通路５に対し、上流方向へ指向させた姿勢で連通されているので、この上流側サブ通路１２ａに対しては、二次空気が、図６に矢印で示すように、流れの分力を利用して積極的に取り入れられる。一方、下流側サブ通路１２ｂは、メイン通路５に対し、下流方向、すなわち、二次空気の流れに沿う方向へ指向された姿勢で連通されているので、この下流側サブ通路１２ｂは、二次空気が、図６に矢印で示すように流れに逆らう方向に取り入れられる。

その結果、下流側サブ通路１２ｂよりも上流側サブ通路１２ａに二次空気が積極的に導入され、両サブ通路１２ａ，１２ｂ間の二次空気の供給量をほぼ平準化することができる。両サブ通路１２ａ，１２ｂ間の二次空気の供給量をほぼ平準化することで、両排気ポート４，４内での未燃ガス成分の酸化反応が促進され、排気ガス浄化性能を向上させることができる。

尚、この場合、第２形態に示すように、下流側の気筒２ｂの排気ポート４，４に開口するサブ通路１２ａ，１２ｂの通路断面積を、上流側の気筒２ａの排気ポート４，４に開口するサブ通路１２ａ，１２ｂの通路断面積よりも小さくすることで、各気筒２ａ，２ｂ間の二次空気の供給量も平準化することができる。

又、図７に本発明の第４形態による多気筒エンジンの二次空気供給装置の概略構成図を示す。本形態では、各サブ通路１３ａ１３ｂ、及び１４ａ，１４ｂの傾斜角をメイン通路５内で発生する動圧に応じて連続的に可変設定したものである。

すなわち、同図に示すように、メイン通路５の最も上流側に連通されているサブ通路１３ａを、メイン通路５に対し、二次空気を流れの分力を利用してより積極的に取り入ることのできる傾斜角で連通させる。メイン通路５内に発生する動圧は下流側へ移行するに従い次第に小さくなるため、それに応じて各サブ通路１３ｂ，１４ａ，１４ｂの傾斜角を、最上流側のサブ通路１３ａに対して次第に拡開させる。

このように、本形態では、メイン通路５に発生する動圧に応じて、上流側から下流方向へサブ通路１３ａ１３ｂ、及び１４ａ，１４ｂの傾斜角を連続的に変化させたので、メイン通路５、各サブ通路１３ａ、１３ｂ、及び１４ａ，１４ｂは、その通路断面積を可変することなく、各排気ポート４，４に対し二次空気をほぼ等しく供給することができる。その結果、全ての排気ポート４，４に対する二次空気の供給量を平準化することができる。

尚、本発明は上述した各形態に限るものではなく、例えば各気筒２ａ，２ｂに排気ポートが１つしか配設されてない場合であっても、少なくとも第１形態、第２形態、第４形態を適用できることは云うまでもない。又、直列３気筒以上のエンジン、或いは水平対向やＶ型エンジンであっても、６気筒以上のエンジンに、本発明を適用できることは云うまでもない。更に、通路開閉手段はカットバルブ７に限らず、メイン通路５からポンプ通路８側への二次空気の逆流を防止する単なる逆止弁であっても良い。

第１形態による多気筒エンジンの二次空気供給装置の概略構成図 同、図１のII部拡大図 同、二次空気制御ルーチンを示すフローチャート 第２形態による多気筒エンジンの二次空気供給装置の概略構成図 第３形態による多気筒エンジンの二次空気供給装置の概略構成図 同、図５の要部拡大図 第４形態による多気筒エンジンの二次空気供給装置の概略構成図

符号の説明

１ エンジン
１Ｌ，１Ｒ 左右バンク
２ａ，２ｂ 気筒
３ 吸気ポート
４ 排気ポート
５ メイン通路
５ａ 大径通路部
５ｂ 小径通路部
５ｃ 境界部
６ａ，６ｂ 二次空気供給チューブ
７ カットバルブ
８ ポンプ通路
９ エアポンプ
１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ， １２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ サブ通路
θ１，θ２ 角度

代理人 弁理士 伊 藤 進

Claims (1)

1. 複数の気筒に設けられている排気ポートに対して二次空気を供給する多気筒エンジンの二次空気供給装置において、
   上記二次空気を吐出する空気供給源と、
   上記各気筒の配列方向に沿って延出されていると共に上記空気供給源から吐出される二次空気を導入するメイン通路と、
   上記メイン通路から分岐されて上記各気筒の排気ポートに各々連通するサブ通路と
   を備え、
   少なくとも上記メイン通路に対し上流側で分岐する上記サブ通路の通路断面積が大きく形成され、該メイン通路に対し下流側で分岐する上記サブ通路の通路断面積が小さく形成されている
   ことを特徴とする多気筒エンジンの二次空気供給装置。

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