JP5187203B2

JP5187203B2 - エンジンの排気構造

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Publication number: JP5187203B2
Application number: JP2009009213A
Authority: JP
Inventors: 祥尚篠田; 和弘若尾; 貴志錦織
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-01-19
Filing date: 2009-01-19
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2029-01-19
Also published as: JP2010164035A

Description

本発明はエンジンの排気構造に関し、特に排気を浄化する触媒を複数備えたエンジンの排気構造に関する。

従来、エンジンから排出される排気は一般に触媒によって浄化されている。触媒は活性温度範囲内にあるときに好適な浄化性能を発揮する。この点、複数の触媒を設けている点で本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献１で開示されている。特許文献１ではエンジンのある気筒群と残りの気筒群とにそれぞれ対応させて２つの触媒を設けた触媒一体型デュアルエキゾーストマニホールドが開示されている。このマニホールドによれば、排気の干渉を抑制することが可能になるため、中低速トルクを向上させることが可能となり、以ってエンジン性能を向上させることが可能になる。またこのマニホールドによれば、触媒をエンジンに近接して配置することで、触媒の早期活性化を図ることが可能になるため、排気浄化性能を向上させることも可能になる。このためこのマニホールドによれば、エンジン性能と排気浄化性能とを両立させることも可能になる。
なお、このほか片弁休止運転が可能な可変動弁機構を開示している点で、本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献２で開示されている。

特開２００２−３０９９３０号公報特開２００７−３３２８８６号公報

ところで、上述のマニホールドでは個々の触媒に対して対応する気筒群のみから排気が流入することになる。すなわち、このマニホールドではすべての気筒からの排気を流入させる場合と比較して、触媒に流入する排気の量が少なくなる。このためこのマニホールドでは、これに起因して触媒の活性化が遅れてしまうことは避けられず、その分排気エミッションが悪化する虞がある点で問題があった。

また上述の通り、触媒の早期活性化を図るためには触媒をエンジンに近接して配置することが好ましい。ところが、触媒をエンジンに近接して配置した場合には、機関高負荷運転時に過熱による触媒の劣化や排気浄化性能の低下など触媒の機能低下が生じ、この結果、排気エミッションが悪化する虞がある。この点、これに対しては触媒に流入する排気を冷媒によって冷却することが考えられている。これによれば、近接配置による触媒の早期活性化と過熱による触媒の機能低下の防止とを両立させることも可能になる。そしてこのときに用いる冷媒としては、具体的には例えばエンジンの冷却水を用いることができる。ところがエンジンの冷却水を冷媒として用いた場合には、冷却水の受熱量が増大する結果、今度は冷却水の冷却性能が低下してしまう虞がある点で問題があった。

そこで本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、複数の触媒を備える場合に、触媒の早期活性化により排気エミッションの改善を好適に図ることができ、さらには過熱による触媒の機能低下を防止或いは抑制可能な、またさらに排気を冷媒で冷却可能な冷却手段を用いる場合に、冷媒の冷却性能の大幅な低下を招くことなく、排気を冷却することが可能なエンジンの排気構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明のエンジンの排気構造は、エンジンの一気筒あたりに設けられた第１の排気弁および第２の排気弁と、前記第１の排気弁および前記第２の排気弁のうち、一部の排気弁の作動を閉弁状態で休止させることが可能な弁休止手段と、前記気筒に前記第１の排気弁を介して連通した第１の排気管の下流側に接続した第１の触媒、および前記気筒に前記第２の排気弁を介して連通した第２の排気管の下流側に接続した第２の触媒と、前記第１の触媒に流入する排気を冷媒により冷却する冷却手段と、前記第１の触媒および前記第２の触媒の下流側に配置され、前記第１の触媒に配管を介して連通するとともに前記第２の触媒にも配管を介して連通した第３の触媒と、を有し、前記第１の触媒が前記第２の触媒よりも前記エンジンに近接して配置されたエンジンの排気構造において、少なくとも前記エンジンの冷間始動時に、前記第２の排気弁の作動を休止させるとともに、前記第１の排気弁の作動を休止させないように前記弁休止手段を制御する第１の制御手段と、前記第３の触媒の活性状態を検出する第１の検出手段と、前記第２の触媒の活性状態を検出する第２の検出手段と、を備え、前記第１の制御手段は、前記第２の排気弁の作動を休止させるとともに前記第１の排気弁の作動を休止させないように前記弁休止手段を制御した場合において、さらに前記第１の検出手段が前記第３の触媒が活性化したことを検出した場合には、前記第２の排気弁の作動を休止させないように前記弁休止手段をさらに制御し、前記第１の制御手段は、前記第２の排気弁の作動を休止させないように前記弁休止手段をさらに制御した場合において、さらに前記第２の検出手段が前記第２の触媒が活性化したことを検出した場合には、前記第１の排気弁の作動を休止させるように前記弁休止手段をさらに制御する。

また本発明のエンジンの排気構造は、前記第１の触媒から前記第２の触媒に排気を流通させる第３の排気管をさらに備えていてもよい。

また本発明のエンジンの排気構造は、前記冷却手段への冷媒の流入を制御することが可能な流入制御手段と、前記第１の制御手段が前記第１の排気弁の作動を休止させるように前記弁休止手段を制御している場合に、前記冷却手段への冷媒の流入を遮断するか、或いは前記冷却手段への冷媒の流入量を減少させるように前記流入制御手段を制御する第２の制御手段と、をさらに備えていてもよい。

本発明によれば、複数の触媒を備える場合に、例えば触媒の早期活性化により排気エミッションの改善を好適に図ることができ、さらには過熱による触媒の機能低下を防止或いは抑制できる。また本発明によれば、例えばさらに排気を冷媒で冷却可能な冷却手段を用いる場合に、冷媒の冷却性能の大幅な低下を招くことなく、排気を冷却することができる。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は本実施例に係るエンジンの排気構造（以下、単に排気構造と称す）１００Ａを模式的に示す図である。排気構造１００Ａは、第１の排気管１０Ａと、第２の排気管２０Ａと、第１の触媒３１と、第２の触媒３２と、第３の触媒３３と、合流配管４０Ａと、排気側ＶＶＴ５６（図２参照）と、第１の排気弁５８Ａおよび第２の排気弁５９Ａとを備えている。排気構造１００Ａにおいて、第１の触媒３１と第２の触媒３２とは前段配置となっており、第３の触媒３３は後段配置となっている。エンジン５０Ａは直列４気筒の気筒配列構造を有している。エンジン５０Ａには一気筒あたりに第１の排気弁５８Ａおよび第２の排気弁５９Ａの２つの排気弁が設けられている。

第１の排気管１０Ａは第１の排気弁５８Ａを介してエンジン５０Ａの各気筒に連通している。第１の排気管１０Ａは具体的にはエンジン５０Ａに設けられた４つの第１の排気ポート形成部１１Ａそれぞれと、第１の排気マニホールド１２Ａとを備えている。第１の排気マニホールド１２Ａは、具体的には第１の排気ポート形成部１１Ａそれぞれに対応させて分岐された複数（ここでは４つ）の排気管と、これら複数の排気管が集合する配管集合部とを備えている。

第２の排気管２０Ａは第２の排気弁５９Ａを介してエンジン５０Ａの各気筒に連通している。第２の排気管２０Ａは具体的にはエンジン５０Ａに設けられた４つの第２の排気ポート形成部２１Ａそれぞれと、第２の排気マニホールド２２Ａとを備えている。第２の排気マニホールド２２Ａは、具体的には第２の排気ポート形成部２１Ａそれぞれに対応させて分岐された複数（ここでは４つ）の排気管と、これら複数の排気管が集合する配管集合部とを備えている。

第１および第２の排気ポート形成部１１Ａ、２１Ａそれぞれの流路断面積は互いに略等しい大きさに設定されている。第１の排気管１０Ａは下流側で第１の触媒３１に接続されており、第２の排気管２０Ａは下流側で第２の触媒３２に接続されている。第１の触媒３１は第１の排気管１０Ａに上流側から接続されることで、第１の排気弁５８Ａに対応させて設けられており、第２の触媒３２は第２の排気管２０Ａに上流側から接続されることで、第２の排気弁５９Ａに対応させて設けられている。第１の触媒３１と第２の触媒３２には下流側から合流配管４０Ａが接続されており、第１の触媒３１と第２の触媒３２とは合流配管４０Ａを介して第３の触媒３３にそれぞれ連通している。

図２は吸気系６０とともにエンジン５０Ａを一気筒につき、断面で模式的に示す図である。エンジン５０Ａは第１および第２の排気弁５８Ａ、５９Ａのほか、シリンダブロック５１と、シリンダヘッド５２と、ピストン５３と、燃料噴射弁５４と、吸気弁５７とを備えている。エンジン５０Ａには水温センサ７１やエンジン回転数センサ７２が設けられている。エンジン５０Ａには吸気系６０を介して空気が供給される。吸気系６０はエアクリーナ６１と、エアフロメータ６２と、電子制御スロットル６３と、吸気マニホールド６４とを備えている。エアクリーナ６１は吸入空気を濾過する。エアフロメータ６２は、エンジン５０Ａの吸入空気量ＧＡを計測するとともに吸気温度を検知する。電子制御スロットル６３は吸入空気量ＧＡを調節する。吸気マニホールド６４は、吸入空気を内燃機関５０Ａの各気筒に分配する。エンジン５０Ａでは吸入空気と燃料との混合気の燃焼が行われる。そして燃焼により発生したガスが、排気として各気筒から排出される。

エンジン５０Ａはさらに可変動弁機構として吸気側ＶＶＴ５５と排気側ＶＶＴ５６とを備えている。吸気側ＶＶＴ５５は吸気弁５７の作用角（開弁期間）及びバルブリフト量を変更するための構成であり、排気側ＶＶＴ５６は第１および第２の排気弁５８Ａ、５９Ａの作用角及びバルブリフト量を変更するための構成である。このうち、排気側ＶＶＴ５６はさらに第１および第２の排気弁５８Ａ、５９Ａのうち、一部の排気弁の作動を閉弁状態で休止させることが可能な可変動弁機構となっている。

この点、排気側ＶＶＴ５６はさらに具体的には同じタイミングにおいて、第１および第２の排気弁５８Ａ、５９Ａのうち、いずれか一方の作動を閉弁状態で休止するとともに、他方の作動を休止しないようにすることが可能な、すなわち、第１および第２の排気弁５８Ａ、５９Ａそれぞれの片弁休止運転が可能な可変動弁機構となっている。したがって、本実施例では第１および第２の排気弁５８Ａ、５９Ａが、排気側ＶＶＴ５６が同じタイミングで作動を休止させる対象、および作動を休止させない対象とすることができる排気弁それぞれになっている。本実施例では排気側ＶＶＴ５６で弁休止手段が実現されている。

なお、これに限られず、弁休止手段は例えば第１および第２の排気弁５８Ａ、５９Ａの駆動を電磁駆動化した場合の電磁駆動装置などで実現されてもよい。また、第１または第２の排気弁５８Ａ、５９Ａのうち、いずれか一方の排気弁のみの片弁休止運転を可能にすればよい場合には、例えば前述の特許文献２で開示されている可変動弁機構を弁休止手段として用いることができる。

図３はＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）１Ａで実現された本実施例に係るエンジンの排気構造の制御装置を模式的に示す図である。ＥＣＵ１ＡはＣＰＵ２、ＲＯＭ３、ＲＡＭ４等からなるマイクロコンピュータと入出力回路５、６とを備えている。これらＣＰＵ２、ＲＯＭ３、ＲＡＭ４、および入出力回路５、６は互いにバス７で接続されている。ＥＣＵ１Ａは主にエンジン５０Ａを制御するように構成されている。ＥＣＵ１Ａは具体的には例えば吸気側ＶＶＴ５５や排気側ＶＶＴ５６を制御するように構成されている。これら吸気側ＶＶＴ５５や排気側ＶＶＴ５６は制御対象としてＥＣＵ１Ａに電気的に接続されている。またＥＣＵ１Ａにはエアフロメータ６２や水温センサ７１やエンジン回転数センサ７２などの各種のセンサが電気的に接続されている。吸入空気量ＧＡはエアフロメータ６２の出力に基づき、エンジン５０Ａの冷却水温ＴＨＷは水温センサ７１の出力に基づき、エンジン５０Ａの回転数ＮＥはエンジン回転数センサ７２の出力に基づき、それぞれＥＣＵ１Ａで検出される。

ＲＯＭ３はＣＰＵ２が実行する種々の処理が記述されたプログラムやマップデータなどを格納するための構成である。ＣＰＵ２がＲＯＭ３に格納されたプログラムに基づき、必要に応じてＲＡＭ４の一時記憶領域を利用しつつ処理を実行することで、ＥＣＵ１Ａでは各種の制御手段や判定手段や検出手段や算出手段などが機能的に実現される。

この点、ＥＣＵ１Ａでは排気側ＶＶＴ５６を制御する第１の制御手段が機能的に実現される。第１の制御手段は具体的には例えば第１または第２の排気弁５８Ａ、５９Ａの片弁休止運転（以下、作動側に着目して片弁作動運転とも表現する）を行うように排気側ＶＶＴ５６を制御する。また第１の制御手段は具体的には例えば第１および第２の排気弁５８Ａ、５９Ａの両弁作動運転を行うように排気側ＶＶＴ５６を制御する。また片弁休止運転や両弁作動運転を行うにあたって、第１の制御手段は例えばエンジン５０Ａの運転状態や、第１の触媒３１、第２の触媒３２または第３の触媒３３の活性状態など、種々の条件に応じて排気側ＶＶＴ５６を制御する。

この点、第１の制御手段は少なくともエンジン５０Ａの冷間始動時に、第１および第２の排気弁５８Ａ、５９Ａのうち、第２の触媒３２に対応する第２の排気弁５９Ａの作動を休止させるとともに、第１の触媒３１に対応する第１の排気弁５８Ａの作動を休止させないように（すなわち第２の排気弁５９Ａの片弁休止運転を行うように）排気側ＶＶＴ５６を制御する。

次にＥＣＵ１Ａの動作を図４に示すフローチャートを用いて説明する。なお、本フローチャートはエンジン５０Ａが始動した際に開始される。ＥＣＵ１Ａはエンジン５０Ａが冷間始動したか否かを判定する（ステップＳ１１）。冷間始動したか否かは、例えば機関始動時の冷却水温ＴＨＷに基づき判定することができる。ステップＳ１１で否定判定であれば、温間始動したと判断される。この場合には特段の処理を要しないため、本フローチャートを終了する。

一方、ステップＳ１１で否定判定であれば、冷間始動したと判断される。このときＥＣＵ１Ａは第２の排気弁５９Ａの片弁休止運転を行うように排気側ＶＶＴ５６を制御する（ステップＳ１２）。これにより、少なくとも機関冷間始動時に第１および第２の排気管１０Ａ、２０Ａのうち、第１の排気管１０Ａのみに排気を流通させることができる。このためこれにより、両弁作動運転をした場合と比較して、暖機に必要となる触媒熱容量を小さくすることができる。すなわち、第１および第２の触媒３１、３２のうち、まず第１の触媒３１のみを暖機するようにして触媒の早期活性化を図ることができる。

また第２の排気弁５９Ａの片弁休止運転では、すべての気筒からの排気を第１の触媒３１に流通させることになるため、一部の気筒からの排気のみを流通させるタイプのデュアルエキゾーストマニホールドに設けられた触媒と比較しても、触媒の早期活性化を図ることができる。そしてこれらにより、第２の排気弁５９Ａの片弁休止運転を継続することで、第１の触媒３１を素早く活性化することができることから、排気エミッションの改善を好適に図ることができる。

なお、ステップＳ１１の否定判定に続いて終了する場合を含め、本フローチャートを終了した後には、所定の条件に応じて例えば第１または第２の排気弁５８Ａ、５９Ａの片弁休止運転を行うように排気側ＶＶＴ５６を別途制御したり、両弁作動運転を行うように排気側ＶＶＴ５６を別途制御したりしてもよい。
このように排気構造１００ＡおよびＥＣＵ１Ａは、少なくとも機関冷間始動時にすべての気筒からの排気を第１および第２の触媒３１、３２のうち、第１の触媒３１のみに流通させることで、触媒の早期活性化による排気エミッションの改善を好適に図ることができる。

図５は本実施例に係る排気構造１００Ｂを模式的に示す図である。排気構造１００Ｂは前段配置された第１および第２の触媒３１、３２のうち、第１の触媒３１の配置を第２の触媒３２よりもエンジン５０Ａに近接して配置した近接配置とし、第２の触媒３２の配置を第１の触媒３１よりもエンジン５０Ａから離して配置した後方配置としている点と、これに応じて第１および第２の排気管１０Ａ、２０Ａの代わりに第１および第２の排気管１０Ｂ、２０Ｂを備えるとともに、合流配管４０Ａの代わりに合流配管４０Ｂを備えている点以外、排気構造１００Ａと実質的に同一のものとなっている。

第１の排気管１０Ｂは排気マニホールド１２Ａの代わりに、近接配置とされた第１の触媒３１の配置に応じて全長を短くしてまとめられた排気マニホールド１２Ｂを備えている点以外、第１の排気管１０Ａと実質的に同一のものとなっている。第２の排気管２０Ｂは排気マニホールド２２Ａの代わりに、後方配置とされた第２の触媒３２の配置に応じて全長を長くしてまとめられた排気マニホールド２２Ｂを備えている点以外、第１の排気管２０Ａと実質的に同一のものとなっている。合流配管４０Ｂは、第１および第２の触媒３１、３２の配置に応じて、異なる配管長さで第１および第２の触媒３１、３２とを下流側で第３の触媒３３に接続している点以外、合流配管４０Ａと実質的に同一のものとなっている。

次に排気構造１００Ｂの作用効果について説明する。排気構造１００Ｂでは、排気構造１００Ａと同様に少なくとも機関冷間始動時にすべての気筒からの排気を第１および第２の触媒３１、３２のうち、第１の触媒３１のみに流通させることができる。この点、排気構造１００Ｂでは第１の触媒３１を近接配置としたため、排気が流通過程でより多くの熱を放熱する前に第１の触媒３１に到達することができる。また近接配置とされた第１の触媒３１ではエンジン５０Ａからの放熱による暖機効果も期待できる。このため排気構造１００Ｂは、排気構造１００Ａと比較してさらに触媒暖機性を高めることができる。
また排気構造１００Ｂでは、第２の触媒３２を後方配置としたことで、第２の触媒３２に到達するまでの間に排気がより多くの熱を放熱する。また後方配置とされた第２の触媒３２ではエンジン５０Ａからの放熱も受け難くなる。このため排気構造１００Ｂでは、第２の触媒３２の過熱による機能低下を防止或いは抑制できる。

次にこの排気構造１００Ｂについて好適な制御を行うことが可能なＥＣＵ１Ｂについて説明する。ＥＣＵ１Ｂはエンジン５０Ａの運転状態が高負荷運転状態であるか否かを判定する判定手段がさらに実現される点と、第１の制御手段がさらに以下に示す制御を行うように実現される点以外、ＥＣＵ１Ａと実質的に同一のものとなっている。このためＥＣＵ１Ｂについては図示省略する。

ＥＣＵ１Ｂに係る第１の制御手段は、エンジン５０Ａの運転状態が高負荷運転状態であり、且つ第１の排気弁５８Ａが作動している場合に、第１の排気弁５８Ａの作動を休止させるとともに、第２の排気弁５９Ａの作動を休止させないように（すなわち第１の排気弁５８Ａの片弁休止運転を行うように）排気側ＶＶＴ５６をさらに制御するよう実現されている点以外、ＥＣＵ１Ａに係る第１の制御手段と実質的に同一のものとなっている。第１の排気弁５８Ａが作動している場合には、具体的には両弁作動運転を行っている場合と、第２の排気弁５９Ａの片弁休止運転を行っている場合とが含まれる。但しこれに限られず、例えばいずれか一方の場合のみとすることも可能である。

次にＥＣＵ１Ｂの動作を図６に示すフローチャートを用いて説明する。なお、本フローチャートは機関運転中に所定のタイミング毎に行われる。ＥＣＵ１Ｂはエンジン５０Ａの運転状態が高負荷運転状態であるか否かを判定する（ステップＳ２１）。高負荷運転状態であるか否かは、例えば吸入空気量ＧＡに基づき判定することができる。ステップＳ２１で否定判定であれば、本フローチャートを一旦終了する。一方、ステップＳ２２で肯定判定であれば、ＥＣＵ１Ｂは第１の排気弁５８Ａが作動している否かを判定する（ステップＳ２２）。第１の排気弁５８Ａが作動しているか否かは、例えばフラグを利用して排気側ＶＶＴ５６の制御状態を把握することで判定できる。

ステップＳ２２で否定判定であれば、本フローチャートを一旦終了する。一方、ステップＳ２２で肯定判定であれば、ＥＣＵ１Ｂは第１の排気弁５８Ａの片弁休止運転を行うように排気側ＶＶＴ５６を制御する（ステップＳ２３）。これにより近接配置とされた第１の触媒３１が、機関高負荷運転時に過熱により機能低下することをさらに防止或いは抑制できる。
このように排気構造１００Ｂは、排気構造１００Ａと比較して過熱による第１および第２の触媒３１、３２の機能低下をさらに防止或いは抑制できる。
またこのようにＥＣＵ１Ｂは、近接配置とされた第１の触媒３１が、機関高負荷運転時に過熱により機能低下することをさらに防止或いは抑制できる。

図７は本実施例に係る排気構造１００Ｃを模式的に示す図である。排気構造１００Ｃは第１の排気管１０Ｂの代わりに、第１の排気管１０Ｃを備えている点以外、排気構造１００Ｂと実質的に同一のものとなっている。第１の排気管１０Ｃは、排気マニホールド１２Ｂの代わりに、第１の触媒３１に流入する排気を冷媒で冷却する水冷エキマニ１３を備えている点以外、第１の排気管１０Ｂと実質的に同一のものとなっている。本実施例では冷媒にはエンジン５０Ａの冷却水Ｗが適用されており、冷却水Ｗはエンジン５０Ａに設けられた図示しない機械式のウォータポンプから冷却水導入配管４５を介して水冷エキマニ１３に供給される。

図８は水冷エキマニ１３の具体的な構成を模式的に示す図である。図８に示すように、水冷エキマニ１３は複数の排気管１３１を全体的に包む外壁部１３２を備えている。外壁部１３２は、複数の排気管１３１と間に冷却水流路を形成している。水冷エキマニ１３では、冷却水導入口１３３から冷却水流路に冷却水Ｗが供給されるとともに、冷却水流路から冷却水排出口１３４を介して冷却水Ｗが排出される。なお、冷却水導入配管４５は具体的には冷却水導入口１３３に接続されている。

次に排気構造１００Ｃの作用効果について説明する。排気構造１００Ｃでは、第１の触媒３１に流入する排気を水冷エキマニ１３で冷却することができる。このため排気構造１００Ｃでは、近接配置とされた第１の触媒３１の過熱による性能低下をより好適に防止或いは抑制できる。そしてこれにより、第１の触媒３１の暖機が完了した後に、例えば第１の触媒３１の機能低下防止を優先する観点から第２の排気弁５９Ａの片弁作動運転に切り替えるだけでなく、両弁作動運転に切り替えることも可能になる。そして両弁作動運転に切り替えることで、片弁作動運転の場合と比較してより高いエンジン性能を確保することができる。

また水冷エキマニ１３は第１の排気ポート形成部１１Ａからの排気を冷却する構成上、第１および第２の排気ポート形成部１１Ａ、２１Ａの両方からの排気を冷却する場合と比較して、冷却水Ｗの受熱量を低減することもできる。すなわち、排気構造１００Ｃでは、第１および第２の排気ポート形成部１１Ａ、２１Ａの両方からの排気を冷却する場合と同等の冷却効果を得るにあたって、冷却水Ｗの冷却損失Ｑｗを低減することもできる。このため排気構造１００Ｃでは、冷媒としてエンジン５０Ａの冷却水Ｗを用いた場合でも、冷却水Ｗの冷却性能が大幅に低下することを回避しつつ、排気を冷却することができる。
このように排気構造１００Ｃは、排気構造１００Ｂと比較して近接配置とされた第１の触媒３１の過熱による機能低下をさらに好適に防止或いは抑制でき、この結果可能となった両弁作動運転に切り替えることで、片弁作動運転の場合と比較してより高いエンジン性能を確保することもできる。また排気構造１００Ｃは、冷却水Ｗの冷却性能の大幅な低下を招くことなく、排気を冷却することができる。

図９は本実施例に係る排気構造１００Ｄを模式的に示す図である。排気構造１００Ｄは、第１および第２の排気弁５８Ａ、５９Ａの代わりに、第１および第２の排気弁５８Ｂ、５９Ｂを備えている点と、第１および第２の排気管１０Ｂ、２０Ｂの代わりに第１および第２の排気管１０Ｄ、２０Ｃを備えている点以外、排気管１００Ｂと実質的に同一のものとなっている。この点、エンジン５０Ｂは、第１および第２の排気ポート形成部１１Ａ、２１Ａの代わりに、第１および第２の排気ポート形成部１１Ｂ、２１Ｂを備えるとともに、これに応じて第１および第２の排気弁５８Ａ、５９Ａの代わりに、第１および第２の排気弁５８Ｂ、５９Ｂを備えたものとなっており、これらの点以外、エンジン５０Ａと実質的に同一のものとなっている。第１および第２の排気弁５８Ｂ、５９Ｂは、第１および第２の排気ポート形成部１１Ｂ、２１Ｂの流路断面積に適合した大きさになっている点以外、第１および第２の排気弁５８Ａ、５９Ａと実質的に同一のものとなっている。

第１の排気管１０Ｄは第１の排気ポート形成部１１Ａの代わりに第１の排気ポート形成部１１Ｂを備えている点と、これに応じて第１の排気マニホールド１２Ｂの代わりに、第１の排気マニホールド１２Ｃを備えている点で、第１の排気管１０Ｂとは異なるものとなっている。第２の排気管２０Ｃは第１の排気ポート形成部２１Ａの代わりに第１の排気ポート形成部２１Ｂを備えている点と、これに応じて第１の排気マニホールド２２Ｂの代わりに、第１の排気マニホールド２２Ｃを備えている点で、第２の排気管２０Ｂとは異なるものとなっている。

第１および第２の排気ポート形成部１１Ｂ、２１Ｂそれぞれは、第２の排気ポート形成部２１Ｂそれぞれの流路断面積が第１の排気ポート形成部１１Ｂそれぞれの流路断面積よりも大きくなるように形成されている。
この点、第１の排気ポート形成部１１Ｂそれぞれの流路断面積は互いに略等しい大きさに設定されており、且つ第１の排気ポート形成部１１Ａそれぞれの流路断面積よりも小さく設定されている。また、第２の排気ポート形成部２１Ｂそれぞれの流路断面積は互いに略等しい大きさに設定されており、且つ第２の排気ポート形成部２１Ａそれぞれの流路断面積よりも大きく設定されている。第１および第２の排気ポート形成部１１Ａ、２１Ａそれぞれの流路断面積は、互いに略等しい大きさに設定された場合の通常の大きさになっている。
第１および第２の排気マニホールド１２Ｃ、２２Ｃは第１および第２の排気ポート形成部１１Ｂ、２１Ｂの流路断面積それぞれに適合するように形状変更されている点以外、第１および第２の排気マニホールド１２Ｂ、２２Ｂと実質的に同一のものとなっている。

次に排気構造１００Ｄの作用効果について説明する。排気構造１００Ｄでは、後方配置とされた第２の触媒３２に対応する第２の排気ポート形成部２１Ｂの断面積が大きくなっているため、第２の排気弁５９Ｂの片弁作動運転時でも第１および第２の排気弁５８Ａ、５９Ａの両弁作動運転時と同等、或いはこれにより近いエンジン性能を得ることができる。
また排気構造１００Ｄでは、近接配置とされた第１の触媒３１に対応する第１の排気ポート形成部１１Ｂの断面積が小さくなっているため、第１の排気管１０Ｄの熱容量を第１の排気管１０Ｂよりも減少させることができ、これにより第１の触媒３１の触媒暖気性を高めることもできる。
このように排気構造１００Ｄは、排気構造１００Ｂと比較してさらに第１の触媒３１の早期活性化による排気エミッションの改善を好適に図ることができ、また後方配置とされた触媒３２に対応する第２の排気弁５９Ｂの片弁作動運転時に高いエンジン性能を得ることができる。

図１０は本実施例に係る排気構造１００Ｅを模式的に示す図である。排気構造１００Ｅは、合流配管４０Ｂの代わりに、第１の触媒３１から第２の触媒３２に排気を流通させる第３の排気管４１を備えている点と、第３の排気管４１を備えることに伴い第２の触媒３２をより後方に配置している点と、これに応じて第２の排気管２０Ｂの代わりに、第２の排気管２０Ｄを備えている点以外、排気構造１００Ｂと実質的に同一のものとなっている。第２の排気管２０Ｄは、第２の排気マニホールド２２Ｂの代わりに、第２の触媒３２の配置に応じて、全長を長くしてまとめられた第２の排気マニホールド２２Ｄを備えている以外、第１の排気管２０Ｂと実質的に同一のものとなっている。第３の排気管４１は本実施例では具体的には第１の触媒３１に下流側から接続されており、第１の触媒３１と第２の排気マニホールド２２Ｄの配管集合部とを連通することで、第１の触媒３１から第２の触媒３２に排気が流通するように第１の触媒３１と第２の触媒３２とを連通している。かかる第３の排気管４１を備えた排気構造１００Ｅの場合、排気空燃比を検出するためのＡ／Ｆセンサ７５を例えば第２の排気マニホールド２２Ｄの配管集合部に設けることができる。

次に排気構造１００Ｅの作用効果について説明する。排気構造１００Ｅでは、近接配置とされた第１の触媒３１に対応する第１の排気弁５８Ａの片弁作動運転時でも、後方配置とされた第２の触媒３２を暖機することができる。このため排気構造１００Ｅでは、第２の触媒３２をより早く活性化させることができる。また排気構造１００Ｅでは、第１の触媒３１の暖気が完了した後に、例えば第１および第２の排気弁５８Ａ、５９Ａの両弁作動運転に切り替える代わりに、第２の排気弁５９Ａの片弁作動運転に切り替えて第２の触媒３２を素早く活性化することも可能になる。すなわち、暖機が完了した第１の触媒３１にも排気を流通させつつ、第２の触媒３２の暖機を図る代わりに、第２の排気弁５９Ａの片弁作動運転に切り替えることで、第２の触媒３２を素早く活性させ、これにより排気エミッションの改善を図ることも可能になる。
このように排気構造１００Ｅは、排気構造１００Ｂと比較してさらに第２の触媒３２の早期活性化を図ることができる。

本実施例では上述した排気構造１００Ａから１００Ｅまでのいずれかについて制御を行うことが可能なＥＣＵ１Ｃについて説明する。なお、ＥＣＵ１Ｃは第１の触媒３１を近接配置とし、第２の触媒３２を後方配置とした上で、第１および第２の触媒３１、３２それぞれを第３の触媒３３に接続した場合に対して効果的であるため、以下ではその一例として排気構造１００Ｂを制御対象とした場合を想定して説明する。ＥＣＵ１Ｃは第３の触媒３３の活性状態を検出する第１の検出手段がさらに実現される点と、第１の制御手段がさらに以下に示す制御を行うように実現される点以外、ＥＣＵ１Ａと実質的に同一のものとなっている。このためＥＣＵ１Ｃについては図示省略する。なお、ＥＣＵ１Ｂに係る第１の制御手段をさらに以下に示す制御を行うように実現することも可能である。

第１の検出手段は、本実施例では具体的には第３の触媒３３の床温を推定することで、第３の触媒３３の活性状態を検出する。但しこれに限られず、第１の検出手段は、例えば第３の触媒３３の床温をセンサで直接的に検知することで、第３の触媒３３の活性状態を検出してもよい。なお、第３の触媒３３の活性状態は公知技術によって検出されてよいため、ここではその詳細な説明を省略する。

ＥＣＵ１Ｃに係る第１の制御手段は、第１の検出手段が第３の触媒３３が活性化したことを検出した場合に、第１および第２の排気弁５８Ａ、５９Ａのうち、第２の触媒３３に対応する第２の排気弁５９Ａの作動を休止しないように排気側ＶＶＴ５６をさらに制御するように実現されている点以外、ＥＣＵ１Ａに係る第１の制御手段と実質的に同一のものとなっている。第２の排気弁５９Ａの作動を休止しないように排気側ＶＶＴ５６を制御するにあたっては、具体的には第２の排気弁５９Ａの片弁作動運転を行うように排気側ＶＶＴ５６を制御する第１の制御と、第１および第２の排気弁５８Ａ、５９Ａの両弁作動運転を行うように排気側ＶＶＴ５６を制御する第２の制御とを行うことができる。この点、本実施例では第１の制御手段は第１の制御を行うこととしている。

次にＥＣＵ１Ｃの動作を図１１に示すフローチャートを用いて詳述する。なお、本フローチャートは、機関冷間始動後、第２の排気弁５９Ａの片弁休止運転（換言すれば、第１の排気弁５８Ａの片弁作動運転）を行っているときに行われる。ＥＣＵ１Ｃは、第３の触媒３３の暖機が完了したか否かを判定する（ステップＳ３１）。すなわち本ステップで第３の触媒３３が活性化したか否かが判断される。ステップＳ３１で否定判定であればステップＳ３１に戻る。これにより第２の排気弁５９Ａの片弁休止運転が継続される。一方、ステップＳ３１で肯定判定であれば、第３の触媒３３が活性化したと判断される。このときＥＣＵ１Ｃは第１の制御を行い、第２の排気弁５９Ａの片弁作動運転を開始する（ステップＳ３２Ａ）。

すなわちＥＣＵ１Ｃは、第３の触媒３３の暖機が未完了の場合には、第１の触媒３１のみに排気を流通させ、第３の触媒３３の暖機が完了した後に第２の触媒３２に排気を流通させる。これにより、暖機が未完了となっている第２の触媒３２に排気を流通させることによる排気エミッションの悪化を防止できる。
このようにＥＣＵ１Ｃは、ＥＣＵ１Ａと比較してさらに暖機が未完了となっている第２の触媒３２に排気を流通させる場合に排気エミッションが悪化することを防止できる。

本実施例ではＥＣＵ１Ｃに対してさらに変更を加えたＥＣＵ１Ｄについて説明する。なお、以下ではＥＣＵ１Ｃと同様に排気構造１００Ｂを制御対象とした場合を想定して説明する。ＥＣＵ１Ｄは、第２の触媒３２の活性状態を検出する第２の検出手段がさらに実現される点と、第１の制御手段がさらに以下に示す制御を行うように実現される点以外、ＥＣＵ１Ｃと実質的に同一のものとなっている。このためＥＣＵ１Ｄについては図示省略する。

ＥＣＵ１Ｄに係る第１の制御手段は、第２の検出手段が第２の触媒３２が活性化したことを検出した場合に、第１および第２の排気弁５８Ａ、５９Ａのうち、第１の触媒３１に対応する第１の排気弁５８Ａの作動を休止するように（すなわち、第１の排気弁５８Ａの片弁休止運転を行うように）排気側ＶＶＴ５６をさらに制御するように実現されている点と、実施例６で前述した第１の制御の代わりに第２の制御を行うように実現されている点以外、ＥＣＵ１Ｃに係る第１の制御手段と実質的に同一のものとなっている。

次にＥＣＵ１Ｄの動作を図１２に示すフローチャートを用いて説明する。なお、本フローチャートは図１１に示すフローチャートに対してステップＳ３２Ａの代わりにステップＳ３２Ｂを追加するともに、ステップＳ３３、Ｓ３４をさらに追加したものとなっている。ステップＳ３１で肯定判定であった場合、ＥＣＵ１Ｄは第２の制御を行い、第１および第２の排気弁５８Ａ、５９Ａの両弁作動運転を開始する（ステップＳ３２Ｂ）。そしてステップＳ３２に続いてＥＣＵ１Ｄは、第２の触媒３２の暖機が完了したか否かを判定する（ステップＳ３３）。否定判定であればステップＳ３３に戻る。これにより両弁作動運転が継続される。一方、ステップＳ３３で肯定判定であれば、ＥＣＵ１Ｄは、第１の排気弁５８Ａの片弁休止運転を行うように排気側ＶＶＴ５６を制御する（ステップＳ３４）。

これにより、第２の触媒３２の暖機が完了するまでは、第１および第３の触媒３１、３３で排気を浄化できる。またこれにより、第２の触媒３２の暖機が完了した後には、第２および第３の触媒３２、３３で排気を浄化できる。このため第２の排気弁５９Ａの片弁作動運転時に第２の触媒３２の暖機が完了していない場合には、第３の触媒３３のみで排気が浄化されることになるＥＣＵ１Ｃの場合と比較して排気を好適に浄化することができる。
このようにＥＣＵ１ＤはＥＣＵ１Ｃと比較してさらに排気を好適に浄化することができる。

図１３は本実施例に係る排気構造１００Ｆを模式的に示す図である。排気構造１００Ｆは水冷エキマニ１３への冷却水Ｗの流入を制御（ここでは許可、或いは遮断）することが可能な流入制御手段である電磁弁４６をさらに備えている以外、排気構造１００Ｃと実質的に同一のものとなっている。この電磁弁４６は具体的には冷却水導入配管４５に設けられている。
また排気構造１００Ｆに適用される本実施例に係るＥＣＵ１Ｅは、電磁弁４６が制御対象としてさらに電気的に接続されている点と、以下に示す第２の制御手段がさらに実現される点以外、ＥＣＵ１Ａと実質的に同一のものとなっている。このためＥＣＵ１Ｅについては図示省略する。なお、排気構造１００Ｆを制御対象として、ＥＣＵ１Ｂ、ＥＣＵ１ＣまたはＥＣＵ１Ｄで以下に示す第２の制御手段をさらに実現することも可能である。

第２の制御手段は、電磁弁４６を制御することで水冷エキマニ１３への冷却水Ｗの流入を制御（ここでは許可、或いは遮断）する。電磁弁４６を制御するにあたって、第２の制御手段は、エンジン５０Ａの運転状態や、第１および第２の排気弁５８Ａ、５９Ａの作動、休止の状態など、種々の条件に応じて電磁弁４６を制御する。この点、第２の制御手段は具体的には排気側ＶＶＴ５６が、第１および第２の排気弁５８Ａ、５９Ａのうち、第１の触媒３１に対応する第１の排気弁５８Ａの作動を休止するように制御されている場合に（すなわち、第１の排気弁５８Ａの片弁休止運転が行われている場合に）、水冷エキマニ１３への冷却水Ｗの流入を遮断するように電磁弁４６を制御する。

次にＥＣＵ１Ｅの動作を図１４に示すフローチャートを用いて詳述する。なお、本フローチャートはエンジン５０Ａの運転中に所定のタイミング毎に行われる。ＥＣＵ１Ｅは第１の排気弁５８Ａの片弁休止運転が行われているか否かを判定する（ステップＳ４１）。否定判定であれば、本フローチャートを一旦終了する。一方、ステップＳ４１で肯定判定であれば、ＥＣＵ１Ｅは電磁弁４６を制御し、水冷エキマニ１３への冷却水Ｗの流入を遮断する（ステップＳ４２）。これにより、冷却水Ｗへの放熱が減少するため、第１の触媒３１が過冷却することを防止或いは抑制できる。また冷却水Ｗの受熱が減少するため、冷却水Ｗからの放熱を促進する図示しないラジエータの負荷を軽減することもできる。
このように排気構造１００ＦおよびＥＣＵ１Ｅは、排気構造１００Ｃと比較してさらに第１の触媒３１が過冷却することを防止或いは抑制でき、またラジエータの負荷を軽減することもできる。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
例えば上述した実施例では直列４気筒の気筒配列構造と排気２弁構造とを備えたエンジン５０がエンジンである場合について詳述したが、本発明はこれに限られず、適宜のエンジンについて適用されてよい。
また例えば実施例３では水冷エキマニ１３が冷却手段である場合について詳述したが、冷却エキマニ１３の具体的な構成は必ずしも図８に示す構成に限られず、近接配置とされた第１の触媒に対応する第１の排気マニホールドの全部または一部を冷媒によって冷却することが可能なその他の適宜の構成であってもよい。また冷却手段は例えばエンジンの排気ポート周りに冷却水などの冷媒を流通させる流路を形成する流路形成部などであってもよい。

また例えば実施例８では電磁弁４６が流入制御手段である場合について詳述したが、流入制御手段は例えば冷媒の流量を調節する流量調節弁であってもよい。この場合、第２の制御手段は、冷却手段への冷媒の流入を制御するにあたって、例えば冷媒の流量を増大、或いは減少させるように実現されてもよい。これによっても、第１の触媒の過冷却を防止或いは抑制することや、ラジエータの負荷を軽減することに対して所定の効果を奏することができる。また流入制御手段は、例えば機械式のウォータポンプの代わりに別途設けた電動式のウォータポンプなどであってもよい。

また、第１および第２の制御手段や第１および第２の検出手段は主にエンジン５０を制御するＥＣＵ１で実現することが合理的であるが、例えばその他の電子制御装置や専用の電子回路などのハードウェアやこれらの組み合わせによって実現されてもよい。この点、本発明のエンジンの排気構造の制御装置は、例えば複数の電子制御装置や、電子回路等のハードウェアや、電子制御装置と電子回路等のハードウェアとの組み合わせで実現されてもよい。同様に本発明のエンジンの排気構造の制御装置で機能的に実現される各種の手段も、複数の電子制御装置や、電子回路等のハードウェアや、電子制御装置と電子回路等のハードウェアとの組み合わせで実現されてもよい。

排気構造１００Ａを模式的に示す図である。吸気系６０とともにエンジン５０Ａを一気筒につき、断面で模式的に示す図である。ＥＣＵ１Ａを模式的に示す図である。ＥＣＵ１Ａの動作をフローチャートで示す図である。排気構造１００Ｂを模式的に示す図である。ＥＣＵ１Ｂの動作をフローチャートで示す図である。排気構造１００Ｃを模式的に示す図である。水冷エキマニ１３の具体的な構成を模式的に示す図である。排気構造１００Ｄを模式的に示す図である。排気構造１００Ｅを模式的に示す図である。ＥＣＵ１Ｃの動作をフローチャートで示す図である。ＥＣＵ１Ｄの動作をフローチャートで示す図である。排気構造１００Ｆを模式的に示す図である。ＥＣＵ１Ｅの動作をフローチャートで示す図である。

１ＥＣＵ
１０第１の排気管
１１第１の排気ポート形成部
１２第１の排気マニホールド
１３水冷エキマニ
２０第２の排気管
２１第２の排気ポート形成部
２２第２の排気マニホールド
３１第１の触媒
３２第２の触媒
３３第３の触媒
４０分岐配管
４１第３の排気管
５０エンジン
５６排気側ＶＶＴ
５８第１の排気弁
５９第２の排気弁
１００排気構造

Claims

エンジンの一気筒あたりに設けられた第１の排気弁および第２の排気弁と、
前記第１の排気弁および前記第２の排気弁のうち、一部の排気弁の作動を閉弁状態で休止させることが可能な弁休止手段と、
前記気筒に前記第１の排気弁を介して連通した第１の排気管の下流側に接続した第１の触媒、および前記気筒に前記第２の排気弁を介して連通した第２の排気管の下流側に接続した第２の触媒と、
前記第１の触媒に流入する排気を冷媒により冷却する冷却手段と、
前記第１の触媒および前記第２の触媒の下流側に配置され、前記第１の触媒に配管を介して連通するとともに前記第２の触媒にも配管を介して連通した第３の触媒と、を有し、
前記第１の触媒が前記第２の触媒よりも前記エンジンに近接して配置されたエンジンの排気構造において、
少なくとも前記エンジンの冷間始動時に、前記第２の排気弁の作動を休止させるとともに、前記第１の排気弁の作動を休止させないように前記弁休止手段を制御する第１の制御手段と、
前記第３の触媒の活性状態を検出する第１の検出手段と、
前記第２の触媒の活性状態を検出する第２の検出手段と、を備え、
前記第１の制御手段は、前記第２の排気弁の作動を休止させるとともに前記第１の排気弁の作動を休止させないように前記弁休止手段を制御した場合において、さらに前記第１の検出手段が前記第３の触媒が活性化したことを検出した場合には、前記第２の排気弁の作動を休止させないように前記弁休止手段をさらに制御し、
前記第１の制御手段は、前記第２の排気弁の作動を休止させないように前記弁休止手段をさらに制御した場合において、さらに前記第２の検出手段が前記第２の触媒が活性化したことを検出した場合には、前記第１の排気弁の作動を休止させるように前記弁休止手段をさらに制御する、エンジンの排気構造。
請求項１記載のエンジンの排気構造であって、
前記第１の触媒から前記第２の触媒に排気を流通させる第３の排気管をさらに備えたエンジンの排気構造。
請求項１または２記載のエンジンの排気構造であって、
前記冷却手段への冷媒の流入を制御することが可能な流入制御手段と、
前記第１の制御手段が前記第１の排気弁の作動を休止させるように前記弁休止手段を制御している場合に、前記冷却手段への冷媒の流入を遮断するか、或いは前記冷却手段への冷媒の流入量を減少させるように前記流入制御手段を制御する第２の制御手段と、をさらに備えたエンジンの排気構造。