JP4589146B2

JP4589146B2 - 内燃機関の排気装置

Info

Publication number: JP4589146B2
Application number: JP2005046165A
Authority: JP
Inventors: 洋司深見; 光宏矢崎
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2025-02-22
Also published as: JP2006233780A

Description

本発明は、多気筒内燃機関の排気管同士を連通させることで出力特性を向上させた内燃機関の排気装置に関する。

従来、内燃機関の出力特性の向上を目的とした多気筒内燃機関の排気装置として、例えば複数の排気管をそれぞれ独立して配置し、排気管同士を連通させるバイパス管（連通路）を設け、このバイパス管に内燃機関の運転状況に応じて開閉する開閉弁を設けたものがある（特許文献１参照）。
実開平２−２８５１４号公報

ところが、前記排気装置の場合、バイパス管は一つであるから、バイパス管の通路面積が大きくなるので、開閉弁が大形化し、その結果、開閉弁の追従性が低下する。前記特許文献１の末尾に、バイパス管を排気ガスの流れ方向の複数箇所に設ける構造が示唆されており、この構造によれば、各バイパス管の通路面積が小さくなって、開閉弁が小型化されるが、すべてのバイパス管に開閉弁を設けるので、開閉弁の数が増大し、それだけ構造の複雑化を招く。

そこで、本発明は、制御動作の追従性に優れ、かつ簡易な構造で出力特性を向上させることができる内燃機関の排気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に、本発明の第１構成に係る内燃機関の排気装置は、多気筒内燃機関の各気筒の排気ポートに接続された排気管と、対をなす排気管同士を連通させる複数の連通路と、前記複数の連通路の少なくとも一つを除く他の連通路を内燃機関の運転状態に応じて開閉する排気制御弁とを備え、前記排気制御弁の開度は、エンジン回転数が所定の開弁開始回転数に達してから、エンジン回転数の増加とともに連続的に増大し、排気制御弁が設けられていない連通路は、排気制御弁が設けられている連通路よりも通路面積が狭くなっている。

この構成によれば、対となる排気管同士を連通させる複数の連通路が設けられているから、単一の連通路を設ける場合に比べて各連通路の通路面積が小さくなり、それだけ排気制御弁も小形になるので、制御指令に対する排気制御弁の動作の追従性が向上する。しかも、複数の連通路の一部にのみ排気制御弁を設けるので、排気制御弁の数が少なくなり、それだけ構造が簡略化される。連通路の位置または大きさを適切に設定することにより、一部の連通路を開閉するだけで内燃機関の出力特性を向上させることができる。ここで、内燃機関の運転状態には、回転数、スロットル開度、吸気圧力、負荷などが含まれる。

本発明の第２構成に係る内燃機関の排気装置は、前記第１構成における「排気制御弁が設けられていない連通路は、排気制御弁が設けられている連通路よりも通路面積が狭くなっている」という特定要素に代えて、前記連通路は前記排気管の長さ方向に沿って２つ設けられており、前記排気ポートから遠い方の連通路が前記排気制御弁により開閉されるようにしている。

この構成によれば、排気の脈動による動的効果（排気慣性）が強く作用する、排気ポートに近い方の連通路は、常時開放されるので、排気ガスが円滑に排出される。また、排気ポートから遠い方の連通路を前記排気制御弁により開閉することで、排気ガスの流量に応じた適切な排気慣性を利用できる。したがって、内燃機関の出力特性を向上させることができる。

本発明の第３構成に係る内燃機関の排気装置は、前記第１構成における「排気制御弁が設けられていない連通路は、排気制御弁が設けられている連通路よりも通路面積が狭くなっている」という特定要素に代えて、排気制御弁が設けられていない連通路は、エンジンの所定の開弁開始回転数未満の回転数で、二つの排気管同士の連通により互いの排気慣性が影響し合って排気効率が向上する位置に配置され、排気制御弁が設けられている連通路は、エンジンの所定の開弁開始回転数以上の回転数で、二つの排気管同士の連通により互いの排気慣性が影響し合って排気効率が向上する位置に配置された構成としている。

本発明の第４構成に係る内燃機関の排気装置は、前記第１構成における「排気制御弁が設けられていない連通路は、排気制御弁が設けられている連通路よりも通路面積が狭くなっている」という特定要素に代えて、前記連通路は一本の配管の内部が複数の通路に仕切られているものであり、前記連通路は、全回転領域で排気慣性を有効に利用できる位置に配置された構成としている。

本発明に係る内燃機関の排気装置によれば、内燃機関の運転状態に応じて出力特性を効率的に向上させることができる。また、排気制御弁が小形になるので、制御動作の追従性が向上する。さらに、排気制御弁の数が抑制されるので、構造が簡略化される。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を備えた自動二輪車を示す側面図である。

同図に示す自動二輪車は、車体フレームＦＲの前半部を構成するメインフレーム１の前端に、ヘッドパイプ１１、アッパーブラケット１２およびロワーブラケット１３を介してフロントフォーク２が支持され、このフロントフォーク２の下端に前輪３が支持され、その上部がフェンダ４で覆われている。アッパーブラケット１２にはハンドル５が取り付けられている。メインフレーム１の後端下部には、スイングアームブラケット６が形成され、このスイングアームブラケット６に、スイングアーム７が、ピボット軸８を介して、前端部を中心として上下揺動自在に支持されている。このスイングアーム７の後端には後輪９が支持されている。前記メインフレーム１の後部に連結されたシートレール１０が車体フレームＦＲの後半部を構成している。メインフレーム１の中央下部にはエンジンＥが支持され、このエンジンＥの前方にラジエータ３１が配置されている。また、前記エンジンＥのシリンダヘッド３２に形成された４つの排気ポート３３のそれぞれに、排気管１４Ａ、１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ（図２）が接続されている。エンジンＥは、例えば往復動型内燃機関の一種である４サイクルエンジンである。

シートレール１０にはライダー用シート１８と同乗者用シート１９が支持されている。前記メインフレーム１の上部、つまり、車体上部で、前記ハンドル５とライダー用シート１８との間には、燃料タンク２０が取り付けられている。また、車体前部に、前記ハンドル５の前方から車体前部の側方にかけての部分を覆う樹脂製のカウリング２１が装着されており、このカウリング２１の後方部分はエンジンＥの側部と下部とを覆っている。

エンジンＥの４本の排気管１４Ａ〜Ｄは、エンジンＥの下方に当たる位置で１本に集合されている。すなわち、平面図である図２に示すように、前部側の第１集合管１５Ａで隣接する２本ずつが各１本、合計２本に集合され、２本の第１集合管１５Ａが後部側の第２集合管１５Ｂで１本に集合されている。各第１集合管１５Ａ，１５Ａのそれぞれに排気浄化用の触媒コンバータ２２が内蔵されており、対応する各一対の各排気管１４Ａ／Ｂ，１４Ｃ／Ｄからの排気ガスを共通の触媒コンバータ２２により浄化する。前記第２集合管１５Ｂの後端にジョイントパイプ１６が接続され、さらに、このジョイントパイプ１６の後端に、図１に示すサイレンサ１７が接続されている。

図３は、図２の要部である排気管１４Ａ〜Ｄを前方から見た拡大正面図である。同図に示すように、排気ポート３３に接続された４本の排気管１４Ａ〜１４Ｄのうち、隣接する各２本の排気管が対をなしており、車体左側（図３の右側）の対をなす２本の排気管１４Ａ（外側）／１４Ｂ（内側）同士は、排気管１４Ａ，１４Ｂの長さ方向に沿って異なる箇所に設けた第１および第２の連通路２３Ａ，２３Ｂにより連通されており、同様に、車体右側（図３の左側）の対をなす２本の排気管１４Ｃ（内側）／１４Ｄ（外側）同士も、排気管１４Ｃ，１４Ｄの長さ方向に沿って異なる箇所に設けた第１および第２の連通路２３Ａ，２３Ｂにより連通されている。連通路２３Ａ，２３Ｂはそれぞれ、円管からなる連通管４２Ａ，４２Ｂの内部に形成された、横断面円形の通路である。排気ポート３３に遠い方の連通路２３Ｂに、通路開閉用の排気制御弁２４が設けられ、前記排気ポート３３に近い方の連通路２３Ａには排気制御弁が設けられていない。

連通路２３Ａは、エンジンＥの低速回転時（概ね５，０００ｒｐｍ未満）に二つの排気管１４Ａ，１４Ｂまたは排気管１４Ｃ，１４Ｄ同士の連通により互いの排気慣性が影響し合って排気効率が向上する位置に配置されている。連通路２３Ｂも同様に、エンジンＥの中高速回転時（概ね５，０００ｒｐｍ以上）に二つの排気管１４Ａ，１４Ｂまたは排気管１４Ｃ，１４Ｄ同士の連通により互いの排気慣性が影響し合って排気効率が向上する位置に配置されている。図１のメインフレーム１に排気制御弁２４を開閉駆動するアクチュエータ３５が支持され、ライダー用シート１８の下方に、アクチュエータ３５の制御を含めた電気系統制御用の電子制御ユニット３６が配置されている。なお、電子制御ユニット３６内の回路は図示を省略している。

前記排気制御弁２４はバタフライ弁であり、図３のIV-IV 線断面図である図４に一方の排気管対１４Ａ，１４Ｂの連通路２３Ｂを代表として示すように、連通路２３Ｂ内に位置して軸心Ｃ1 回りに回動する弁体２４ａを有し、前記連通路２３Ｂを形成する連通管４２Ｂの前部から弁体２４ａの弁軸２４ｂの一端部が突出し、この弁軸２４ｂの一端部にプーリ２５が固定されている。このプーリ２５とアクチュエータ３５との間は、駆動力伝達部材の一例であるワイヤ（もしくはケーブル）２６で連結されており、回転センサ３７からのエンジン回転数を示す回転数信号Ｓ１、スロットル開度を示すスロットル開度信号Ｓ２およびエンジンの吸気通路の圧力を示す吸気圧信号Ｓ３を入力とする電子制御ユニット３６からの制御信号（制御指令）を受けて前記アクチュエータ３５が駆動され、ワイヤ２６を介して弁体２４ａを軸心Ｃ１回りに連続的に回動させて、排気制御弁２４を開閉するようになっている。すなわち、排気制御弁２４を回動させて、連通路２３Ｂの開度、つまり、通路面積を連続的に変化させるように制御している。図４の場合、排気制御弁２４が閉じられた状態Ａを示しており、弁体２４ａは連通管４２Ｂの管軸方向に直交して位置している。一方、排気制御弁２４が開かれた状態Ｂでは、弁体２４ａは連通管４２Ｂの管軸方向に平行な姿勢となる。

図５は、図３の連通路２３Ａ、２３Ｂで連通されている排気管１４Ａ，１４Ｂを模式的に示している。同図に示すように、排気ポート３３（図３）に近い上側に位置する連通路２３Ａの直径は比較的小寸法となっており、下側に位置する連通路２３Ｂの直径は比較的大寸法となっている。エンジン回転数が低速回転域にあるときには、前記排気制御弁２４は動作せず、閉じたままである。エンジン回転数が中速回転域に達したとき、前記排気制御弁２４を開放し始める。図６に示すように、排気制御弁２４の開度は回転数（ｒｐｍ）の上昇とともに増大し、高速回転領域（概ね８，０００ｒｐｍ）に達したとき全開となる。排気制御弁２４の開放が始まる開弁開始回転数Ｎ１および全開回転数Ｎ２は、スロットル開度、吸気圧力等により適宜設定される。

次に、前記のように構成された本発明に係る内燃機関の排気装置の作用について出力特性を示す図７とともに説明する。図７において、まず、対をなす排気管同士が連通路で連通されていない場合、点線ａで示すように、排気慣性の相互利用ができないので、低速回転から高速回転に至る全段階を通してエンジン出力が低くなっている。これに対し、対をなす排気管同士を１つの連通路によって連通した場合、一点鎖線ｂで示すように、低速回転時と高速回転時には排気慣性の相互利用によってエンジン出力が向上する。しかしながら、低速回転から中速回転に至る段階で、エンジン出力が排気慣性のミスマッチによって低下している。

これに対し、本発明の排気装置による場合、実線ｃで示すように、エンジン回転数が低速回転から中速回転、高速回転と増加するにつれてエンジン出力が円滑に増大している。これは、低速回転時に連通路２３Ａによって排気管１４Ａ，１４Ｂおよび１４Ｃ，１４Ｄ同士が連通して排気慣性が相互利用され、中高速回転時に連通路２３Ａと徐々に開く連通路２３Ｂの両方によって、排気管１４Ａ，１４Ｂおよび１４Ｃ，１４Ｄ同士が連通して、排気慣性が相互利用されるからである。また、排気ガス量の多い高速回転時には両方の連通路２３Ａ，２３Ｂが開放されて連通路の総通路面積が広がるので、排気慣性が効率よく利用される。さらに、対となる排気管１４Ａ，１４Ｂおよび１４Ｃ，１４Ｄ同士を連通させる連通路２３Ａ，２３Ｂが複数設けられているから、単一の連通路を設ける場合に比べて、各連通路２３Ａ，２３Ｂの通路面積が小さくなり、それだけ排気制御弁２４も小形になるので、制御指令に対する排気制御弁２４の動作の追従性が向上する。しかも、複数の連通路２３Ａ，２３Ｂの一部にのみ排気制御弁２４を設けるので、排気制御弁２４の数が少なくなり、それだけ排気装置の構造および制御系が簡略化される。

図８は他の実施形態を示すものであって、二重管構造の連通管４３により形成された連通路を有する排気装置の例を示している。同図（Ａ）に示すように、中央位置に連通路２３Ｂ１があり、この連通路２３Ｂ１を挟んで上下に連通路２３Ａ１，２３Ａ１が設けられている。排気制御弁２４は、２３Ｂ１に設けられている。この実施形態の場合も排気制御弁２４は図６のように開度が制御される。エンジン回転数が低速回転時は、図８（Ｂ）に示すように、連通路２３Ｂ１が排気制御弁２４によって閉じられ、上下の連通路２３Ａ１，２３Ａ１のみが連通状態となっている。一方、エンジン回転数が高速回転の場合には、前記排気制御弁２４は全開され、図８（Ａ）の排気管１４Ａ，１４Ｂとが、両連通路２３Ａ１，２３Ｂ１により連通状態となる。エンジン回転数が中速回転の場合には前記排気制御弁２４は、図６に示すように、低速回転時と高速回転時のほぼ中間の開度に開かれる。第１および第２の連通路２３Ａ１，２３Ｂ１を含む二重管は、低速回転時と中高速回転時の両方で排気慣性を有効に利用できる位置、例えば図５の第１連通路２３Ａと第２連通路２３Ｂの中間に配置することで、全回転数領域において排気効率を高めて、内燃機関の出力を向上させることができる。

図８の二重管構造の連通路２３Ａ１，２３Ｂ１において、図９（Ａ）に示すように、内側の第２連通路２３Ｂ１を、二重管の中心ではなく、前方、つまり、排気ガスの上流側寄りに配置してもよく、図９（Ｂ）に示すように、排気ガスの下流側寄りに配置してもよい。また、図１０（Ａ），（Ｂ）に示すように、二重管を使用することなく、隔壁２８Ａ１，２８Ｂ１により、連通路２３Ａ１，２３Ｂ１を分離してもよい。

本発明に係る内燃機関の排気装置を備えた自動二輪車を示す側面図である。図１の要部を拡大して示す平面図である。図２の要部である排気管を前方から見た拡大正面図である。排気制御弁の内部構造を拡大して示す図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。図３を模式的に示す断面図である。出力特性を示す特性図である。弁開度と内燃機関回転数の関係を示す特性図である。他の実施形態を模式的に示す断面図である。図８に示す他の実施形態の変形例を示す断面図である。図８に示す他の実施形態のさらに別の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１４Ａ〜１４Ｄ排気管
２３Ａ，２３Ｂ，２３Ａ１，２３Ｂ１連通路
２４排気制御弁
３３排気ポート
Ｅエンジン（内燃機関）

Claims

多気筒内燃機関の各気筒の排気ポートに接続された排気管と、
対をなす排気管同士を連通させる複数の連通路と、
前記複数の連通路の少なくとも一つを除く他の連通路を内燃機関の運転状態に応じて開閉する排気制御弁とを備え、
前記排気制御弁の開度は、エンジン回転数が所定の開弁開始回転数に達してから、エンジン回転数の増加とともに連続的に増大し、
排気制御弁が設けられていない連通路は、排気制御弁が設けられている連通路よりも通路面積が狭くなっている内燃機関の排気装置。
多気筒内燃機関の各気筒の排気ポートに接続された排気管と、
対をなす排気管同士を連通させる複数の連通路と、
前記複数の連通路の少なくとも一つを除く他の連通路を内燃機関の運転状態に応じて開閉する排気制御弁とを備え、
前記排気制御弁の開度は、エンジン回転数が所定の開弁開始回転数に達してから、エンジン回転数の増加とともに連続的に増大し、
前記連通路は前記排気管の長さ方向に沿って２つ設けられており、前記排気ポートから遠い方の連通路が前記排気制御弁により開閉される内燃機関の排気装置。
多気筒内燃機関の各気筒の排気ポートに接続された排気管と、
対をなす排気管同士を連通させる複数の連通路と、
前記複数の連通路の少なくとも一つを除く他の連通路を内燃機関の運転状態に応じて開閉する排気制御弁とを備え、
前記排気制御弁の開度は、エンジン回転数が所定の開弁開始回転数に達してから、エンジン回転数の増加とともに連続的に増大し、
排気制御弁が設けられていない連通路は、エンジンの所定の開弁開始回転数未満の回転数で、二つの排気管同士の連通により互いの排気慣性が影響し合って排気効率が向上する位置に配置され、排気制御弁が設けられている連通路は、エンジンの所定の開弁開始回転数以上の回転数で、二つの排気管同士の連通により互いの排気慣性が影響し合って排気効率が向上する位置に配置されている内燃機関の排気装置。
多気筒内燃機関の各気筒の排気ポートに接続された排気管と、
対をなす排気管同士を連通させる複数の連通路と、
前記複数の連通路の少なくとも一つを除く他の連通路を内燃機関の運転状態に応じて開閉する排気制御弁とを備え、
前記排気制御弁の開度は、エンジン回転数が所定の開弁開始回転数に達してから、エンジン回転数の増加とともに連続的に増大し、
前記連通路は一本の配管の内部が複数の通路に仕切られているものであり、前記連通路は、全回転領域で排気慣性を有効に利用できる位置に配置されている内燃機関の排気装置。
請求項１から４のいずれか一項において、前記対をなす排気管は集合管で合流し、前記連通管が、この集合管よりも前記排気ポート側に設けられている内燃機関の排気装置。