JP6156650B2 - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気装置に係わり、特に、内燃機関から排出された排気ガスを処理する内燃機関の排気装置に関する。

従来から、車両等に適用される内燃機関の排気通路上には、燃焼により発生した排気ガスの浄化機能を有する、三元触媒や酸化触媒やリーンＮＯｘトラップ触媒などの排気浄化触媒が設けられている。このような排気浄化触媒は、その温度が所定温度（以下「活性温度」と呼ぶ。）以上になると活性して、適切な排気浄化機能が発揮される。しかしながら、冷間始動時などでは、排気浄化触媒に供給される排気ガスの温度が低いため、排気浄化触媒が活性温度に到達しにくい。他方で、燃費向上の観点からリーン燃焼が実施されることがあるが、リーン燃焼では、燃焼温度が低く、排気ガス温度が低いため、排気浄化触媒が活性温度以上になりにくい。

このようなことから、従来から、排気浄化触媒を活性温度以上にすることを図った種々の制御や構造が提案されている。例えば、特許文献１には、排気浄化触媒を包囲し且つ排気浄化触媒で浄化された排気ガスが流入可能に設けられた排気通路を用いて、排気浄化触媒の周りに高温の排気ガスを充満させる技術が開示されている。この技術では、排気浄化触媒の周りに充満させた排気ガスによって排気浄化触媒を保温して、排気浄化効率の向上を図っている。

特開２００３−２８００８号公報

ところで、排気浄化触媒へのガス当たりの改善や、排気系のコンパクト化などの観点から、排気浄化触媒上流の排気通路を湾曲させることがある。このように湾曲した排気通路では、真っ直ぐな排気通路と比較して、排気通路通過時における排気ガスの放熱量が大きく、排気ガス温度がより低下する傾向にある。そのため、排気浄化触媒を活性温度以上にすることが困難となる。このように排気浄化触媒上流の排気通路が湾曲している排気系においては、特許文献１に記載されたような排気浄化触媒を包囲する排気通路を適用しても、排気浄化触媒を適切に活性温度以上にするのに十分でないと考えられる。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、排気浄化触媒上流の排気通路が湾曲している内燃機関の排気装置において、排気浄化触媒を適切に活性温度以上にすることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、内燃機関から排出された排気ガスを処理する内燃機関の排気装置であって、この内燃機関から排出された排気ガスが通過し、通路上に湾曲部を有する第１排気通路と、この第１排気通路の下流端に接続され、排気ガスを浄化する排気浄化触媒と、この排気浄化触媒の下流側に接続され、排気浄化触媒から流出した排気ガスが通過する第２排気通路と、を有し、第２排気通路の通路上には、排気浄化触媒の少なくとも一部分及び第１排気通路の湾曲部を包囲し、排気浄化触媒から流出した排気ガスを、排気浄化触媒の少なくとも一部分及び第１排気通路の湾曲部の外側に通過させるハウジング部が設けられ、内燃機関は、リーン燃焼を行い、且つ、このリーン燃焼後の排気ガスを内部ＥＧＲガスとして燃焼室へ再導入するよう動作し、第１排気通路は、内燃機関の排気ポートから延びるエキゾーストマニホールドを有し、第２排気通路のハウジング部は、第１排気通路のエキゾーストマニホールドを包囲し、排気浄化触媒から流出した排気ガスをこのエキゾーストマニホールドの外側に通過させる、ことを特徴とする。
このように構成された本発明においては、通過する排気ガスの放熱量が多い、第１排気通路の湾曲部を、排気浄化触媒からの排気ガスが通過する第２排気通路上に設けられたハウジング部によって包囲するので、排気浄化触媒での触媒反応により温度上昇した排気ガスを湾曲部の周囲に通過させて、湾曲部での放熱を適切に抑制することができる。つまり、湾曲部での排気ガス温度の低下を適切に抑制することができる。
また、上記のような第１排気通路の湾曲部では湾曲部の周囲を通過する排気ガスと高効率で熱交換するので、つまりハウジング部内の排気ガスの熱が湾曲部内の排気ガスに高効率で伝達されるので、排気浄化触媒での触媒反応により温度上昇した排気ガスを湾曲部の周囲に通過させると、この温度上昇した排気ガスの熱が湾曲部内の排気ガスに高効率で伝達されて、湾曲部内の排気ガス温度を適切に上昇させることができる。これにより、第１排気通路から排気浄化触媒へと供給される排気ガス温度を上昇させることができ、排気浄化触媒を適切に活性温度以上にすることが可能となる。また、本発明では、第２排気通路のハウジング部によって、第１排気通路の湾曲部に加えて、排気浄化触媒の一部分も包囲しているので、排気浄化触媒を保温することができ、排気浄化触媒の温度低下を適切に抑制することができる。
更に、本発明においては、排気浄化触媒からの排気ガスが通過する第２排気通路上に設けられたハウジングによって、第１排気通路の湾曲部だけでなく、第１排気通路のエキゾーストマニホールドを包囲し、排気浄化触媒での触媒反応により温度上昇した排気ガスをエキゾーストマニホールドの周囲に通過させるので、第１排気通路から排気浄化触媒へと供給される排気ガスの温度を効果的に上昇させることができる。よって、排気浄化触媒を効果的に活性温度に到達させることが可能となる。
また、本発明によれば、このように第１排気通路内の排気ガスの温度を効果的に上昇させることができるので、いわゆる内部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）を実施することにより、温度上昇した排気ガスを排気ポート側から燃焼室へと再導入することができる。したがって、低回転軽負荷域などでの燃焼安定性を改善することができる。特に、燃焼が不安定になり易いリーン燃焼を実施した場合に、このように温度上昇した排気ガスを内部ＥＧＲによって燃焼室へ再導入することで、燃焼室の温度を上昇させて、リーン燃焼における燃焼安定性を改善することができる。
本発明において、好ましくは、第１排気通路のエキゾーストマニホールドは、内燃機関の複数の気筒のそれぞれの排気ポートから延びる複数の排気通路と、これら複数の排気通路が相互に束ねられた状態で接続された集合管とを含み、第２排気通路のハウジング部は、これら複数の排気通路及び集合管を包囲する。

本発明において、好ましくは、さらに、排気浄化触媒の下流側に接続され、排気浄化触媒から流出した排気ガスが通過する、第２排気通路とは異なる第３排気通路と、排気浄化触媒から流出した排気ガスを通過させる通路を、第２排気通路と第３排気通路との間で切り替える切替弁と、を有する。
このように構成された本発明においては、切替弁を用いて、排気浄化触媒から流出した排気ガスを通過させる通路を第２排気通路と第３排気通路との間で切り替えるので、排気浄化触媒を通過して温度上昇した排気ガスを排気浄化触媒の周囲に通過させるか否かを切り替えることができる。これにより、例えば排気浄化触媒の熱劣化などを適切に防止することができる。

本発明において、好ましくは、さらに、排気ガス温度が所定温度未満である場合には、排気浄化触媒から流出した排気ガスを第２排気通路に通過させるように切替弁を制御し、排気ガス温度がこの所定温度以上である場合には、排気浄化触媒から流出した排気ガスを第３排気通路に通過させるように切替弁を制御する制御手段を有する。
このように構成された本発明においては、排気ガス温度が所定温度以上である場合には、排気ガスが第３排気通路のみを通過して第２排気通路に流れないように切替弁を制御するので、排気浄化触媒を通過して温度上昇した排気ガスが排気浄化触媒の周囲を通過することを適切に禁止することができる。これにより、排気浄化触媒を通過して温度上昇した排気ガスが排気浄化触媒の周囲に供給されることに起因する、排気浄化触媒の熱劣化などを防止することができる。加えて、複雑な排気通路の構成に起因する不要な圧損を抑えて、燃費悪化を抑制することができると共に、多くの吸気を取り込むために用いるべき排気脈動が利用できなくなること（減衰や反転に起因するもの）を防ぐことができる。

本発明において、好ましくは、第１排気通路における湾曲部の上流側の通路は、負圧によるエゼクタ効果を生じさせるように構成されたベンチュリ構造を有する。
このように構成された本発明においては、負圧によるエゼクタ効果を奏するように構成された第１排気通路では、排気ガスの流速が高くなるため、湾曲部での放熱量がより多くなる傾向にあるが、そのような第１排気通路の湾曲部を第２排気通路のハウジング部によって包囲することで、湾曲部での放熱を効果的に抑制することができる。

本発明の内燃機関の排気装置によれば、排気浄化触媒上流の排気通路が湾曲しているシステムにおいて、排気浄化触媒を適切に活性温度以上にすることができる。

本発明の実施形態による内燃機関の排気装置が適用されたエンジンシステムの概略構成図である。 図２（Ａ）は、本発明の実施形態による排気系に含まれる独立排気通路、共通排気通路及び集合管の形状をより詳しく示す平面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示される部分の斜視図である。 本発明の第１実施形態による第２排気通路を含む排気系の斜視図である。 図４（Ａ）は、本発明の第１実施形態による第２排気通路を含む排気系の上面図（図３中の矢印Ａ２１方向から見た上面図）であり、図４（Ｂ）は、本発明の第１実施形態による第２排気通路を含む排気系の正面図（図３中の矢印Ａ２２方向から見た正面図）であり、図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）中のＣ１−Ｃ１線に沿って見た断面図である。 本発明の第２実施形態による第２排気通路を含む排気系の斜視図である。 図６（Ａ）は、本発明の第２実施形態による第２排気通路を含む排気系の正面図（図５中の矢印Ａ３方向から見た正面図）であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）中のＢ２−Ｂ２線に沿って見た部分断面図であり、図６（Ｃ）は、図６（Ａ）中のＣ２−Ｃ２線に沿って見た断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態による内燃機関の排気装置を説明する。

［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態による内燃機関の排気装置について説明する。

図１を参照して、本発明の第１実施形態による内燃機関の排気装置の全体構成について説明する。図１は、本発明の第１実施形態による内燃機関の排気装置が適用されたエンジンシステムの概略構成図である。

図１に示すように、本発明の第１実施形態によるエンジンシステム１００は、主に、シリンダヘッド９及びシリンダブロック（図示せず）を有する、内燃機関としてのエンジン本体１と、エンジンシステム１００全体を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）２と、エンジン本体１に接続された複数の独立吸気通路３と、エンジン本体１に接続された排気通路５と、排気通路５上に設けられた排気浄化触媒６と、を有する。

エンジン本体１は、シリンダヘッド９及びシリンダブロックの内部に、ピストン（図示せず）がそれぞれ嵌挿された複数の気筒１２が形成されている。図１では、シリンダヘッド９及びシリンダブロックの内部に４つの気筒１２が直列に配置された直列４気筒エンジンを、エンジン本体１として例示している。以下では、これら４つの気筒１２のことを、図１の右から順に、「第１気筒１２ａ」、「第２気筒１２ｂ」、「第３気筒１２ｃ」、「第４気筒１２ｄ」と呼ぶ（これらの第１乃至第４気筒１２ａ〜１２ｄを特に区別しない場合には単に「気筒１２」と表記する）。第１気筒１２ａ及び第４気筒１２ｄは、気筒列方向（図１の左右方向）においてエンジン本体１の端部に位置する気筒であり、第２気筒１２ｂ及び第３気筒１２ｃは、気筒列方向においてエンジン本体１の中央部に位置する気筒である。シリンダヘッド９には、ピストンの上方に区画された燃焼室内に臨むようにそれぞれ点火プラグ１５が設置されている。

エンジン本体１は、４サイクルエンジンであって、各気筒１２ａ〜１２ｄにおいて、１８０°ＣＡずつずれたタイミングで点火プラグ１５による点火が行われて、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の各行程がそれぞれ１８０°ＣＡずつずれたタイミングで行われる。本実施形態では、第１気筒１２ａ→第３気筒１２ｃ→第４気筒１２ｄ→第２気筒１２ｂの順に点火が行われ、この順に各行程が実施される。このことから明らかなように、第２気筒１２ｂ及び第３気筒１２ｃは、点火順序が連続せず、したがって排気順序も連続しない。

エンジン本体１のシリンダヘッド９には、それぞれ燃焼室に向かって開口する２つの吸気ポート１７及び２つの排気ポート１８が設けられている。吸気ポート１７は、各気筒１２内に吸気を導入するためのものである。排気ポート１８は、各気筒１２内から排気ガスを排出するためのものである。各吸気ポート１７には、これら吸気ポート１７を開閉して吸気ポート１７と気筒１２内部とを連通又は遮断するための吸気弁１９が設けられている。各排気ポート１８には、これら排気ポート１８を開閉して排気ポート１８と気筒１２内部とを連通又は遮断するための排気弁２０が設けられている。吸気弁１９は、吸気弁駆動機構３０により駆動されて、所定のタイミングで吸気ポート１７を開閉する。排気弁２０は、排気弁駆動機構４０で駆動されることにより、所定のタイミングで排気ポート１８を開閉する。

吸気弁駆動機構３０は、吸気弁１９に連結された吸気カムシャフト３１と吸気ＶＶＴ３２とを有している。排気弁駆動機構４０は、排気弁２０に連結された排気カムシャフト４１と排気ＶＶＴ４２とを有している。吸気カムシャフト３１及び排気カムシャフト４１は、周知のチェーン及びスプロケット機構等の動力伝達機構を介してクランクシャフトに連結されており、クランクシャフトの回転に伴い回転して、吸気弁１９及び排気弁２０を開閉駆動する。

吸気ＶＶＴ３２及び排気ＶＶＴ４２は、吸気弁１９及び排気弁２０のバルブタイミングを変更するためのものである。例えば、吸気ＶＶＴ３２は、吸気カムシャフト３１と同軸に配置されてクランクシャフトにより直接駆動される所定の被駆動軸を有し、この被駆動軸と吸気カムシャフト３１との間の位相差を変更する。これにより、クランクシャフトと吸気カムシャフト３１との間の位相差が変更され、吸気弁１９のバルブタイミングが変更される。排気ＶＶＴ４２もこれに準じて同様である。
また、吸気ＶＶＴ３２及び排気ＶＶＴ４２は、ＥＣＵ２から供給される制御信号Ｓ３２、Ｓ４２によって制御される。具体的には、吸気ＶＶＴ３２及び排気ＶＶＴ４２は、ＥＣＵ２で算出された吸気弁１９及び排気弁２０の目標バルブタイミングに基づいて位相差を変更する。本実施形態では、吸気ＶＶＴ３２及び排気ＶＶＴ４２は、吸気弁１９及び排気弁２０の開弁期間及びリフト量、つまりバルブプロファイルをそれぞれ一定に保ったまま、吸気弁１９及び排気弁２０の開弁時期及び閉弁時期をそれぞれ変更する。

各気筒１２の吸気ポート１７には、独立吸気通路３が接続されている。独立吸気通路３は、気筒数に対応して４つ設けられている。独立吸気通路３の気筒側の端部は２つに分かれ、その下流端が気筒１２の２つの吸気ポート１７に接続されている。

各気筒１２の排気ポート１８には、独立排気通路５２、５３又は共通排気通路５４が接続されている。つまり、エンジン本体１の排気側には、第１独立排気通路５２及び第２独立排気通路５３という２つの独立排気通路と、１つの共通排気通路５４とが備えられている。独立排気通路５２、５３の気筒側の端部はそれぞれ２つに分かれ、その上流端が気筒１２の２つの排気ポート１８に接続されている。共通排気通路５４は、上流側部分が第１分岐通路５４ｂ及び第２分岐通路５４ｃという２つの分岐通路に分岐し、各分岐通路５４ｂ、５４ｃの気筒側の端部は２つに分かれ、その上流端が気筒１２の２つの排気ポート１８に接続されている。

次に、更に図１を参照しながら、本発明の第１実施形態によるエンジンシステム１００の排気系について詳細に説明する。この説明の際に、図２（Ａ）及び（Ｂ）も合わせて参照する。図２（Ａ）は、本発明の第１実施形態による排気系に含まれる独立排気通路５２、５３、共通排気通路５４及び集合管５６の形状をより詳しく示す平面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示される部分の斜視図である。

図１に示すように、第１実施形態によるエンジンシステム１００の排気系では、排気通路５は、気筒１２の排気ポート１８から延びる独立排気通路５２、５３及び共通排気通路５４と、これらの独立排気通路５２、５３及び共通排気通路５４が接続されると共に、排気浄化触媒６に接続された集合管５６と、を有する。これらの独立排気通路５２、５３、共通排気通路５４及び集合管５６は、第１排気通路５７を構成する。加えて、排気通路５は、排気浄化触媒６の下流側において分岐する第２排気通路５８及び第３排気通路５９と、これら第２排気通路５８及び第３排気通路５９が合流する合流通路６０と、を有する。

エンジン本体１における４つの気筒１２のうち、気筒列方向においてエンジン本体１の端部に位置する第１気筒１２ａ及び第４気筒１２ｄの排気ポート１８には、それぞれ第１独立排気通路５２の上流端及び第２独立排気通路５３の上端部が接続されている。他方で、気筒列方向においてエンジン本体１の中央部に位置する第２気筒１２ｂ及び第３気筒１２ｃの排気ポート１８には、それぞれ共通排気通路５４の第１分岐通路５４ｂの上流端及び第２分岐通路５４ｃの上流端が接続されている。

第１独立排気通路５２及び第２独立排気通路５３は、第１気筒１２ａの排気ポート１８及び第４気筒１２ｄの排気ポート１８から集合管５６に向けて下流に延びている。これに対し、共通排気通路５４の第１分岐通路５４ｂ及び第２分岐通路５４ｃは、第２気筒１２ｂの排気ポート１８及び第３気筒１２ｃの排気ポート１８から所定距離だけ下流に延びた後、合流し、単一の合流通路５４ａとなって、集合管５６に向けて下流に延びている。すなわち、共通排気通路５４は、合流通路５４ａ、第１分岐通路５４ｂ、及び第２分岐通路５４ｃを含んでいる。そして、第１分岐通路５４ｂの上流端が第２気筒１２ｂの排気ポート１８に接続され、第２分岐通路５４ｃの上流端が第３気筒１２ｃの排気ポート１８に接続されている。

前述したように、第２気筒１２ｂと第３気筒１２ｃとは、相互に排気順序が連続しない気筒１２同士である。したがって、第２気筒１２ｂから排出された排気ガスと、第３気筒１２ｃから排出された排気ガスとが、共通排気通路５４を連続して流れることはない。
また、２つの独立排気通路５２、５３及び１つの共通排気通路５４は、相互に独立している。つまり、第１気筒１２ａから排出された排気ガスと、第３気筒１２ｃから排出された排気ガスと、第４気筒１２ｄから排出された排気ガスと、第２気筒１２ｂから排出された排気ガスとは、相互に干渉し合うことなく各排気通路５２、５３、５４を通過する。

第１独立排気通路５２及び第２独立排気通路５３は、第１気筒１２ａ及び第４気筒１２ｄの排気ポート１８から所定距離だけ下流に延びた後、気筒列方向においてエンジン本体１の中央部に向けて湾曲し、相互に近接する（図２（Ａ）及び（Ｂ）参照）。同様に、共通排気通路５４の第１分岐通路５４ｂ及び第２分岐通路５４ｃは、第２気筒１２ｂ及び第３気筒１２ｃの排気ポート１８から所定距離だけ下流に延びた後、気筒列方向においてエンジン本体１の中央部に向けて湾曲し、相互に合流して合流通路５４ａとなる（図２（Ａ）及び（Ｂ）参照）。

各排気通路５２、５３、５４の下流端部は、エンジン本体１の外部で、気筒列方向においてエンジン本体１の中央部に対向する位置で相互に束ねられ、これにより、各排気通路５２、５３、５４の下流端は、相互に束ねられた状態で集合管５６の上流端に接続される。集合管５６は、エンジン本体１の外部で、気筒列方向においてエンジン本体１の中央部に対向する位置に配置されている。各排気通路５２、５３、５４を通過した排気ガスは、各排気通路５２、５３、５４の下流端から集合管５６内に噴出し、集合管５６内で集合する。

共通排気通路５４の上流端から下流端までの通路長は、第１独立排気通路５２及び第２独立排気通路５３の上流端から下流端までの通路長よりも短く設定されている（図２（Ａ）及び（Ｂ）参照）。また、第１独立排気通路５２、第２独立排気通路５３、及び共通排気通路５４は、例えば排気系のコンパクト化等のために、気筒列方向の一端側から他端側を見たときに、エンジン本体１の外部において、下方に湾曲する湾曲部Ｒが形成されている（図２（Ｂ）参照）。そして、この湾曲部Ｒにおいて、共通排気通路５４は、第１独立排気通路５２及び第２独立排気通路５３よりも内側に位置している。これは、共通排気通路５４の上流端から下流端までの通路長を、独立排気通路５２、５３の上流端から下流端までの通路長よりも短く設定するための方策の１つである。

図１に示すように、独立排気通路５２、５３及び共通排気通路５４の上流側部分はシリンダヘッド９内に形成されている。そして、独立排気通路５２、５３及び共通排気通路５４のシリンダヘッド９外の部分（エンジン本体１の外部に露出している部分）及び集合管５６は、いわゆるエキゾーストマニホールドに相当する。特に、本実施形態では、シリンダヘッド９内に形成された部分を含めて、湾曲部Ｒにおいて、共通排気通路５４は、第１独立排気通路５２及び第２独立排気通路５３よりも内側に位置している（図２（Ｂ）参照）。

また、図１に示すように、第１排気通路５７の集合管５６は、上流から順に、円筒形状のガス流入部５６ａ、逆円錐台形状の絞り部５６ｂ、円筒形状のストレート部５６ｃ、円錐台形状のディフューザー部５６ｄ、及び、通路の途中が湾曲している円筒形状のガス排出部５６ｅを有する。

各排気通路５２、５３、５４及び集合管５６は、各排気通路５２、５３、５４の下流端から排気ガスが高速で集合管５６内に噴出し、これにより集合管５６内に負圧が発生するようなベンチュリ構造が適用されている。さらに、集合管５６は、各排気通路５２、５３、５４の下流端から排気ガスが高速で集合管５６内に噴出し、これにより低下した排気ガスの圧力及び温度が集合管５６の下流側部分（例えばディフューザー部５６ｄ）において再び上昇、つまり回復するような形状を有している。

各排気通路５２、５３、５４の下流側部分は、各排気通路５２、５３、５４の下流端から排気ガスが高速で集合管５６内に噴出するように、流路面積（断面積のこと。以下同様とする。）が下流ほど小さくなる先細り形状に形成されている（図２（Ａ）参照）。また、排気通路５２、５３、５４は、下流端で束ねられて、集合管５６のガス流入部５６ａに接続される。このガス流入部５６ａには、排気ガス温度を検出する温度センサ８１が設けられている。温度センサ８１は、検出した排気ガス温度に対応する検出信号Ｓ８１をＥＣＵ２に供給する。
なお、排気ガス温度を検出する温度センサ８１をガス流入部５６ａに設けることに限定はされず、排気通路５上における他の位置に温度センサ８１を設けてもよい。また、排気ガス温度を温度センサ８１によって検出することに限定はされず、運転状態などに応じて排気ガス温度を推定してもよい。

集合管５６の絞り部５６ｂは、各排気通路５２、５３、５４の下流端から集合管５６内に噴出した排気ガスが高い流速を維持したまま下流に流れるように、流路面積が下流ほど小さくなる逆円錐台形状に形成されている。この絞り部５６ｂの下流端の流路面積は、集合管５６の最小流路面積である。また、集合管５６のストレート部５６ｃは、絞り部５６ｂから流入した排気ガスの流速が維持されるように、最小流路面積を保って下流に延びる円筒形状に形成されている。

このような集合管５６の上流側部分の形状（つまりベンチュリ構造を有する形状）により、各排気通路５２、５３、５４の下流端から高速で集合管５６内に噴出した排気ガスは、高速を維持したまま絞り部５６ｂを通過し、高速を維持したままストレート部５６ｃに流入し、この排気ガスの周囲に大きい負圧が発生する。この負圧によってエゼクタ効果が得られる。具体的には、隣接する他の排気通路５２、５３、５４と連通する排気ポート１８内の排気が下流に吸い出されるエゼクタ効果が得られる。

集合管５６のディフューザー部５６ｄは、集合管５６の上流側部分において低下した排気ガスの圧力及び温度が再び上昇、つまり回復するように、流路面積が下流ほど大きくなる円錐台形状に形成されている。

集合管５６のガス排出部５６ｅは、集合管５６が排気浄化触媒６に接続し、排気ガスが排気浄化触媒６へと排出される部分であり、流路面積がほぼ一定の形状に形成されている。また、ガス排出部５６ｅは、湾曲部５６ｆを有する、つまり通路の一部分が湾曲している（図１からは明らかでないが、後述する図で詳細を説明する）。このようにガス排出部５６ｅを湾曲させているのは、例えば、排気浄化触媒６へのガス当たりの向上（つまり排気浄化触媒６への排気ガスの均一供給）や、排気系のコンパクト化などを図るためである。

集合管５６のガス排出部５６ｅの下流端、つまり第１排気通路５７の下流端は、排気浄化触媒６に接続されている。排気浄化触媒６は、例えば三元触媒や酸化触媒やリーンＮＯｘトラップ触媒などを有しており、エンジン本体１から排出された排気ガスを浄化するための装置である。ここで、例えば三元触媒や酸化触媒を用いた場合には、排気浄化触媒６での触媒反応により、排気浄化触媒６を通過後の排気ガス温度が、排気浄化触媒６を通過前の排気ガス温度よりも上昇する。
なお、排気浄化触媒６は、厳密に言うと、上記したような三元触媒や酸化触媒やリーンＮＯｘトラップ触媒などの触媒本体、及びこの触媒本体を収容するケーシングなどを有するものであるが、これらを含めて排気浄化触媒６と呼んでいる。

また、図１に示すように、排気浄化触媒６の下流側の排気通路５は、第２排気通路５８と第３排気通路５９とに分岐する。そして、これらの第２排気通路５８及び第３排気通路５９は、合流して１つの合流通路６０となる。

第２排気通路５８は、排気浄化触媒６からの排気ガスが流入する通路５８ａと、排気浄化触媒６の上流側部分と第１排気通路５７の湾曲部５６ｆ（詳しくは集合管５６のガス排出部５６ｅに形成された湾曲部５６ｆ）とを包囲するように形成され、通路５８ａから供給された排気ガスが内部を通過するハウジング部５８ｂと、このハウジング部５８ｂから排気ガスが供給され、排気ガスを合流通路６０へと流出する通路５８ｃと、を有する。

第２排気通路５８の通路５８ａ上には、切替弁７１が設けられている。また、第３排気通路５９の上流端（つまり第２排気通路５８と第３排気通路５９との分岐箇所付近）には、切替弁７２が設けられている。切替弁７１、７２は、それぞれ、ＥＣＵ２から供給される制御信号Ｓ７１、Ｓ７２によって制御される。

切替弁７１を開弁し、切替弁７２を閉弁した場合には、図１中の実線矢印Ａ１１に示すように、排気ガスは、第２排気通路５８のみを通過し、第３排気通路５９には流れない。この場合、排気ガスは、第２排気通路５８の通路５８ａ、ハウジング部５８ｂ、通路５８ｃを順に通過して、合流通路６０へと流出する。これに対して、切替弁７１を閉弁し、切替弁７２を開弁した場合には、図１中の破線矢印Ａ１２に示すように、排気ガスは、第３排気通路５９のみを通過し、第２排気通路５８には流れない。この場合、排気ガスは、第２排気通路５８の通路５８ａ、ハウジング部５８ｂ及び通路５８ｃを通過せずに、第３排気通路５９を通過して、合流通路６０へと流出する。

なお、切替弁７１、７２は、本発明における「切替弁」に相当する。このような２つの切替弁７１、７２を用いることに限定はされず、例えば三方弁などの１つの切替弁を用いて、排気浄化触媒６から流出した排気ガスを通過させる通路を、第２排気通路５８と第３排気通路５９との間で切り替えてもよい。その場合には、第２排気通路５８と第３排気通路５９との分岐箇所に、この１つの切替弁を設置すればよい。

ここで、ＥＣＵ２は、エンジンシステム１００全体の制御を行う。本実施形態においては、ＥＣＵ２は、主に、温度センサ８１が検出した排気ガス温度（検出信号Ｓ８１に対応する）に基づいて、上記した切替弁７１、７２を制御する。具体的には、ＥＣＵ２は、排気ガス温度が所定温度未満である場合には、排気ガスが、第２排気通路５８のみを通過し、第３排気通路５９に流れないように、切替弁７１を開弁し、切替弁７２を閉弁する制御を行う。これに対して、ＥＣＵ２は、排気ガス温度が所定温度以上である場合には、排気ガスが、第３排気通路５９のみを通過し、第２排気通路５８に流れないように、切替弁７２を開弁し、切替弁７１を閉弁する制御を行う。このように、ＥＣＵ２は、本発明における「制御手段」の一例に相当する。
なお、上記した所定温度には、例えば、排気浄化触媒６の活性温度に応じた温度が用いられる。この場合、排気ガス温度が所定温度未満である場合は、排気浄化触媒６の温度が活性温度未満であり、排気浄化触媒６を暖機すべき場合に相当する。これに対して、排気ガス温度が所定温度以上である場合は、排気浄化触媒６の温度が活性温度以上であり、排気浄化触媒６を暖機する必要がない場合に相当する。

なお、ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＣＰＵ上で解釈実行される各種のプログラム（ＯＳなどの基本制御プログラムや、ＯＳ上で起動され特定機能を実現するアプリケーションプログラムを含む）、及びプログラムや各種のデータを格納するためのＲＯＭやＲＡＭの如き内部メモリを備えるコンピュータにより構成される。

次に、図３及び図４（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、本発明の第１実施形態による内燃機関の排気装置が有する第２排気通路５８について具体的に説明する。図３は、本発明の第１実施形態による第２排気通路５８を含む排気系の斜視図であり、図４（Ａ）は、図３中の矢印Ａ２１方向から見た上面図であり、図４（Ｂ）は、図３中の矢印Ａ２２方向から見た正面図であり、図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）中のＣ１−Ｃ１線に沿って見た断面図である。
なお、図３及び図４（Ａ）〜（Ｃ）では、本発明の第１実施形態による第２排気通路５８を分かり易く説明する観点から、第３排気通路５９や、合流通路６０や、切替弁７１、７２などの図示を省略している。また、図３及び図４（Ａ）〜（Ｃ）では、これと同様の観点から、集合管５６を簡略化した形状を示している、つまり、集合管５６のガス流入部５６ａ、絞り部５６ｂ、ストレート部５６ｃ、ディフューザー部５６ｄ及びガス排出部５６ｅ（図１参照）の詳細を図示していない。

図５に示すように、第１実施形態による内燃機関の排気装置においては、第２排気通路５８は、排気浄化触媒６の下流端に接続され、排気浄化触媒６からの排気ガスが通過する通路５８ａと、この通路５８ａに接続され、通路５８ａから供給された排気ガスが内部を通過するように形成されたハウジング部５８ｂと、このハウジング部５８ｂに接続され、ハウジング部５８ｂを通過した排気ガスを合流通路６０（不図示）へと流出する通路５８ｃと、を有する。

詳しくは、図３及び図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、第２排気通路５８のハウジング部５８ｂは、第１排気通路５７の一部分、具体的には独立排気通路５２、５３及び分岐通路５４ｂ、５４ｃが集合した集合管５６の一部分と、排気浄化触媒６の一部分、具体的には排気浄化触媒６の上流側部分とを覆うように形成されている。この場合、第２排気通路５８のハウジング部５８ｂには、第１排気通路５７の集合管５６が貫通して内部に延びている。また、特に図４（Ｃ）に示すように、第１排気通路５７の集合管５６（より詳しくは集合管５６のガス排出部５６ｅ）は、湾曲部５６ｆにおいて湾曲しており、この湾曲部５６ｆは、第２排気通路５８のハウジング部５８ｂ内に収容されて、ハウジング部５８ｂによって覆われている。そして、この湾曲部５６ｆよりも下流側の端部において第１排気通路５７が排気浄化触媒６に接続している。

更に、排気浄化触媒６の下流端には、第２排気通路５８の通路５８ａが接続されており、この通路５８ａは、その下流端がハウジング部５８ｂに接続され（詳しくは集合管５６を覆う部分と反対側に位置するハウジング部５８ｂの部分に接続され）、排気浄化触媒６からの排気ガスをハウジング部５８ｂ内に供給するようになっている。第２排気通路５８の通路５８ａは、その流路面積が、排気浄化触媒６から排気ガスが流出される流出口（出口）における流路面積よりも小さく形成されている。また、集合管５６の下流端付近を覆うハウジング部５８ｂの部分には、第２排気通路５８の通路５８ｃが接続されており、ハウジング部５８ｂ内の排気ガス（つまり通路５８ａから供給された排気ガス）が、この通路５８ｃから排出されるようになっている。

なお、通路５８ａからハウジング部５８ｂへと供給された排気ガスは、ハウジング部５８ｂ内に位置する第１排気通路５７及び排気浄化触媒６の部分の周囲、具体的には、この第１排気通路５７及び排気浄化触媒６の部分の外壁と、ハウジング部５８ｂの内壁とによって挟まれた空間を通過して、通路５８ｃから排出される。

次に、本発明の第１実施形態による内燃機関の排気装置の作用効果について説明する。

本発明の第１実施形態によれば、通過する排気ガスの放熱量が多い、第１排気通路５７の湾曲部５６ｆを、排気浄化触媒６からの排気ガスが通過する第２排気通路５８上に設けられたハウジング部５８ｂによって包囲するので、排気浄化触媒６での触媒反応により温度上昇した排気ガスを湾曲部５６ｆの周囲に通過させることができ、湾曲部５６ｆでの放熱を適切に抑制することができる、つまり湾曲部５６ｆでの排気ガス温度の低下を適切に抑制することができる。特に、第１実施形態のように、負圧によるエゼクタ効果を奏するように形成された第１排気通路５７では、排気ガスの流速が高くなるため、湾曲部５６ｆでの放熱量がより多くなる傾向にあるが、そのような第１排気通路５７の湾曲部５６ｆをハウジング部５８ｂによって包囲することで、湾曲部５６ｆでの放熱を効果的に抑制することができる。

上記では湾曲部５６ｆでの放熱量が多いことを述べたが、これは、逆に言うと、湾曲部５６ｆでは高効率で熱交換可能であることに相当する。したがって、このような湾曲部５６ｆでは、湾曲部５６ｆの周囲を通過する排気ガスと高効率で熱交換することとなる。つまり、ハウジング部５８ｂ内の排気ガスの熱を湾曲部５６ｆ内の排気ガスに高効率で伝達させることができる。そのため、第１実施形態によれば、排気浄化触媒６での触媒反応により温度上昇した排気ガスを湾曲部５６ｆの周囲に通過させることで、この温度上昇した排気ガスの熱を高効率で湾曲部５６ｆ内の排気ガスに伝達させることができ、湾曲部５６ｆ内の排気ガス温度を適切に上昇させることができる、つまり、第１排気通路５７から排気浄化触媒６へと供給される排気ガス温度を上昇させることができる。これにより、排気浄化触媒６を適切に活性温度以上にすることが可能となる。また、第１実施形態によれば、第２排気通路５８のハウジング部５８ｂによって排気浄化触媒６の一部分も包囲しているので、排気浄化触媒６の保温効果が得られ、排気浄化触媒６の温度低下を効果的に抑制することができる。

更に、第１実施形態によれば、排気ガス温度が所定温度以上である場合には、排気ガスが第３排気通路５９のみを通過して第２排気通路５８に流れないように切替弁７１、７２を制御するので、排気浄化触媒６を通過して温度上昇した排気ガスが排気浄化触媒６の周囲を通過することを適切に禁止することができる。これにより、排気浄化触媒６を通過して温度上昇した排気ガスが排気浄化触媒６の周囲に供給されることに起因する、排気浄化触媒６の熱劣化や、最適な浄化機能が発揮される温度範囲を超える温度にまで排気浄化触媒６が昇温してしまうことなどを防止することができる。加えて、複雑な排気通路５の構成に起因する不要な圧損を抑えて、燃費悪化を抑制することができると共に、多くの吸気を取り込むために用いるべき排気脈動が利用できなくなること（減衰や反転に起因するもの）を防ぐことができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態による内燃機関の排気装置について説明する。第２実施形態による内燃機関の排気装置では、第２排気通路上に形成されたハウジング部の形態が、第１実施形態による内燃機関の排気装置と異なる。
なお、以下では、第１実施形態と異なる構成について主に説明し、第１実施形態と同様の構成については説明を適宜省略する。つまり、ここで特に説明しない構成については、第１実施形態と同様であるものとする。

図５及び図６（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、本発明の第２実施形態による内燃機関の排気装置が有する第２排気通路６２について具体的に説明する。図５は、本発明の第２実施形態による第２排気通路６２を含む排気系の斜視図であり、図６（Ａ）は、図５中の矢印Ａ３方向から見た正面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）中のＢ２−Ｂ２線に沿って見た部分断面図であり、図６（Ｃ）は、図６（Ａ）中のＣ２−Ｃ２線に沿って見た断面図である。
なお、第２実施形態による内燃機関の排気装置でも、第１実施形態による内燃機関の排気装置と同様の第３排気通路５９や合流通路６０や切替弁７１、７２などが適用されるが、図５及び図６（Ａ）〜（Ｃ）では、それらの図示を省略している。その理由は、上記した図３及び図４（Ａ）〜（Ｃ）と同様である。また、図５及び図６（Ａ）〜（Ｃ）では、集合管５６を簡略化した形状を示している、つまり、集合管５６のガス流入部５６ａ、絞り部５６ｂ、ストレート部５６ｃ、ディフューザー部５６ｄ及びガス排出部５６ｅ（図１参照）の詳細を図示していない。

図５に示すように、第２実施形態による内燃機関の排気装置においては、第２排気通路６２は、排気浄化触媒６の下流端に接続され、排気浄化触媒６からの排気ガスが通過する通路６２ａと、この通路６２ａに接続され、通路６２ａから供給された排気ガスが内部を通過するように形成されたハウジング部６２ｂと、このハウジング部６２ｂに接続され、ハウジング部６２ｂを通過した排気ガスを合流通路６０（不図示）へと流出する通路６２ｃと、を有する。
なお、このような第２実施形態による第２排気通路６２は、前述した第１実施形態による第２排気通路５８の代わりにエンジンシステム１００（図１参照）に適用される。

具体的には、図５及び図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、第２実施形態による内燃機関の排気装置は、第２排気通路６２のハウジング６２ｂが、第１排気通路５７の大部分を包囲するように形成されている点で、第１実施形態による内燃機関の排気装置と異なる。より詳しくは、第２排気通路６２のハウジング６２ｂは、前述した集合管５６における湾曲部５６ｆ付近及び排気浄化触媒６の一部分（上流側部分）だけでなく、独立排気通路５２、５３及び分岐通路５４ｂ、５４ｃにおいてエンジン本体１の外部に露出している部分及び集合管５６の全体、つまりエキゾーストマニホールドに相当する部分のほぼ全体を包囲するように形成されている。この場合、第２排気通路６２のハウジング６２ｂには、独立排気通路５２、５３及び分岐通路５４ｂ、５４ｃが貫通して内部に延びている。

また、第２排気通路６２の通路６２ａは、その下流端が、独立排気通路５２、５３及び分岐通路５４ｂ、５４ｃを包囲するハウジング６２ｂの部分に接続されており、排気浄化触媒６からの排気ガスをハウジング部５８ｂ内に供給するようになっている。第２排気通路６２の通路６２ａは、その流路面積が、排気浄化触媒６から排気ガスが流出される流出口（出口）における流路面積よりも小さく形成されている。更に、集合管５６の下流端付近を包囲するハウジング６２ｂの部分には、第２排気通路６２の通路６２ｃが接続されており、ハウジング部６２ｂ内の排気ガス（つまり通路６２ａから供給された排気ガス）が、この通路６２ｃから排出されるようになっている。

なお、通路６２ａからハウジング部６２ｂへと供給された排気ガスは、ハウジング部６２ｂ内に位置する第１排気通路５７及び排気浄化触媒６の部分の周囲、具体的には、この第１排気通路５７及び排気浄化触媒６の部分の外壁と、ハウジング部６２ｂの内壁とによって挟まれた空間を通過して、通路６２ｃから排出される。

次に、本発明の第２実施形態による内燃機関の排気装置の作用効果について説明する。ここでは、上述した本発明の第１実施形態による内燃機関の排気装置の作用効果と同様の作用効果については、その説明を適宜省略する。

本発明の第２実施形態によれば、排気浄化触媒６からの排気ガスが通過する第２排気通路６２上に設けられたハウジング６２ｂによって、第１排気通路５７のエキゾーストマニホールドのほぼ全体を包囲し、排気浄化触媒６での触媒反応により温度上昇した排気ガスをエキゾーストマニホールドのほぼ全体の周囲に通過させるので、上記した第１実施形態よりも、第１排気通路５７から排気浄化触媒６へと供給される排気ガスの温度を効果的に上昇させることができる。よって、排気浄化触媒６を効果的に活性温度に到達させることが可能となる。

また、第２実施形態によれば、このように第１排気通路５７内の排気ガスの温度を効果的に上昇させることができるので、いわゆる内部ＥＧＲを実施することにより、温度上昇した排気ガスを排気ポート１８側から燃焼室へと再導入することができる。したがって、低回転軽負荷域などでの燃焼安定性を改善することができる。加えて、例えば、燃焼が不安定になり易いリーン燃焼を実施した場合に、このように温度上昇した排気ガスを内部ＥＧＲによって燃焼室へ再導入することで、燃焼室の温度を上昇させて、リーン燃焼における燃焼安定性を改善することができる。

［変形例］
上述した実施形態では、排気浄化触媒６の一部分のみを包囲するように形成された第２排気通路５８、６２のハウジング部５８ｂ、６２ｂを示したが、他の例では、排気浄化触媒６の全体を包囲するように第２排気通路のハウジング部を形成してもよい。

上述した第２実施形態では、集合管５６における湾曲部５６ｆ付近及び排気浄化触媒６の一部分（上流側部分）だけでなく、独立排気通路５２、５３及び分岐通路５４ｂ、５４ｃにおいてエンジン本体１の外部に露出している部分及び集合管５６の全体、つまりエキゾーストマニホールドに相当する部分のほぼ全体を包囲するように、ハウジング部６２ｂが形成されているが、他の例では、エキゾーストマニホールドに相当する部分のほぼ全体を包囲する代わりに、エキゾーストマニホールドの湾曲部を含む一部分のみを包囲するようにハウジング部を形成してもよい。これによっても、第１排気通路５７の湾曲部５６ｆと同様に、エキゾーストマニホールドの湾曲部における放熱を適切に抑制することができる。

１ エンジン本体
２ ＥＣＵ
５ 排気通路
６ 排気浄化触媒
５６ 集合管
５６ｆ 湾曲部
５７ 第１排気通路
５８、６２ 第２排気通路
５８ｂ、６２ｂ ハウジング部
５９ 第３排気通路
７１、７２ 切替弁
８１ 温度センサ
１００ エンジンシステム

Claims (5)

1. 内燃機関から排出された排気ガスを処理する内燃機関の排気装置であって、
   この内燃機関から排出された排気ガスが通過し、通路上に湾曲部を有する第１排気通路と、
   この第１排気通路の下流端に接続され、排気ガスを浄化する排気浄化触媒と、
   この排気浄化触媒の下流側に接続され、排気浄化触媒から流出した排気ガスが通過する第２排気通路と、を有し、
   上記第２排気通路の通路上には、上記排気浄化触媒の少なくとも一部分及び上記第１排気通路の湾曲部を包囲し、上記排気浄化触媒から流出した排気ガスを、上記排気浄化触媒の少なくとも一部分及び上記第１排気通路の湾曲部の外側に通過させるハウジング部が設けられ、
   上記内燃機関は、リーン燃焼を行い、且つ、このリーン燃焼後の排気ガスを内部ＥＧＲガスとして燃焼室へ再導入するよう動作し、
   上記第１排気通路は、上記内燃機関の排気ポートから延びるエキゾーストマニホールドを有し、上記第２排気通路のハウジング部は、上記第１排気通路のエキゾーストマニホールドを包囲し、上記排気浄化触媒から流出した排気ガスをこのエキゾーストマニホールドの外側に通過させる、
   ことを特徴とする内燃機関の排気装置。
2. 上記第１排気通路のエキゾーストマニホールドは、上記内燃機関の複数の気筒のそれぞれの排気ポートから延びる複数の排気通路と、これら複数の排気通路が相互に束ねられた状態で接続された集合管とを含み、上記第２排気通路のハウジング部は、これら複数の排気通路及び集合管を包囲する、請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
3. さらに、
   上記排気浄化触媒の下流側に接続され、排気浄化触媒から流出した排気ガスが通過する、上記第２排気通路とは異なる第３排気通路と、
   上記排気浄化触媒から流出した排気ガスを通過させる通路を、上記第２排気通路と上記第３排気通路との間で切り替える切替弁と、
   を有する、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気装置。
4. さらに、排気ガス温度が所定温度未満である場合には、上記排気浄化触媒から流出した排気ガスを上記第２排気通路に通過させるように上記切替弁を制御し、排気ガス温度がこの所定温度以上である場合には、上記排気浄化触媒から流出した排気ガスを上記第３排気通路に通過させるように上記切替弁を制御する制御手段を有する、請求項３に記載の内燃機関の排気装置。
5. 上記第１排気通路における上記湾曲部の上流側の通路は、負圧によるエゼクタ効果を生じさせるように構成されたベンチュリ構造を有する、請求項１乃至４の何れか１項に記載の内燃機関の排気装置。

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