JP6176279B2 - 多気筒エンジンの排気装置 - Google Patents

Description

本発明は、多気筒エンジンの排気装置に関する。

従来より、ＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）燃焼型エンジンの研究が進められている。ＨＣＣＩ燃焼は、着火までに燃料と空気を十分に混合し、その希薄予混合気を燃焼室内で圧縮自己着火させる燃焼法である。ＨＣＣＩ燃焼は、熱効率が高いために燃費が良好であり、また、燃焼最高温度が低いためにＮＯｘの発生を抑制することができる。

特開２００５−２６４８３３号公報

ＨＣＣＩ燃焼のように希薄混合気を燃焼させる（リーン燃焼）エンジンにおいては、上記のような利点がある反面、燃焼による熱の発生量が少ないため、特に、低回転低負荷の運転領域において排気ガスの温度が低くなる。

エンジンに接続される排気管には、排気ガスを浄化する触媒装置が設けられているが、排気ガスの温度が低い場合には、触媒が活性温度に達しにくくなるために触媒が十分に機能せず、排気ガスの浄化性能が低下する。

この問題を解消するために、例えば、特許文献１に記載されているように、触媒装置に流入する排気ガスの温度をバーナ装置によって昇温させることが考えられる。

しかしながら、この技術では、燃料をエンジンとバーナ装置の双方で消費するため、燃費が悪化するという問題がある。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、エンジンでリーン燃焼をさせている場合などに、燃費の悪化を伴うことなく、触媒装置の性能を良好に確保することができる多気筒エンジンの排気装置を提供することを目的とする。

本願の発明者らは、上記課題に鑑み、動圧排気系を備えたエンジンの排気装置に着目した。

すなわち、従来より、自動車等のエンジンにおいて、エゼクタ効果を利用して排気を促進することにより、エンジントルクを高めるようにしたエンジンの排気装置の開発が行われている。このエンジンの排気装置は、複数の気筒にそれぞれ接続された独立排気通路における排気ガスの流れ方向の下流端部に、上流側から順に、流路面積が下流側に向かうほど小さくなり、各独立排気通路とそれぞれ独立して連通する複数のガス通路が形成された絞り部と、各ガス通路を通過した排気が合流する筒状の合流部と、流路面積が下流側に向かうほど大きくなる筒状のディフューザ部とが設けられた装置である。絞り部、合流部、およびディフューザ部は、いわゆる動圧排気系を構成している。

本発明者らは、上記の燃費悪化の問題を解決するべく、動圧排気系を備えたエンジンの排気装置において、触媒装置の下流端部に接続された排気管と、動圧排気系とを還流管によって接続することにより、触媒装置から排出された排気ガスを動圧排気系に還流させることを見出した。すなわち、排気ガスは触媒との化学反応により昇温するため、上記の構成によれば、触媒装置を通過して昇温した排気ガスを、触媒装置に再導入することにより、触媒装置の活性化を促進することができる。また、動圧排気系の合流部内には負圧が発生しているため、上記の構成によれば、触媒装置内で昇温した排気ガスを、ポンプなどの動力を用いることなく、触媒装置に再導入することができる。これにより、燃費を悪化させることなく、触媒を昇温させて、触媒を活性化することができる。

また、本発明者らは、上記の燃費悪化の問題を解決するべく、動圧排気系を備えたエンジンの排気装置において、エンジンの吸気ポートに接続された吸気管と、動圧排気系とを二次エア管によって接続することにより、二次エア（新気）を動圧排気系に導くことを見出した。すなわち、排気ガスに含まれる未燃焼ガスが、二次エアに含まれる酸素によって燃焼するため、排気ガスが昇温し、触媒装置の活性化を促進することができる。この場合も同様に、動圧排気系の合流部内に負圧が発生しているため、ポンプなどの動力を用いることなく、触媒装置に二次エアを導入することができる。

しかしながら、還流ガス（ＥＧＲガス）の流れ方向における還流管の下流端部を動圧排気系のどの位置に接続するかによって、独立排気管から排出された直後の排気ガスと、還流管から排出された還流ガスとの混合度合いが異なる。排気ガスと還流ガスとの混合度合いが低い場合には、排気ガスを十分に昇温させることができず、触媒を活性化できない虞がある。

これを解決するために、束ねられた状態の複数の独立排気管の中心部（複数の独立排気管で囲まれる位置）に還流管の下流端部を配置することにより、還流ガスを動圧排気系の中心軸上に還流させることが考えられるが、この場合には、複数の独立排気管の下流端部が互いに離れてしまい、動圧排気系のエゼクタ効果が低下する虞がある。二次エア管についても、同様の問題が生じる虞がある。

従って、動圧排気系に還流管または二次エア管を接続する場合には、動圧排気系のエゼクタ効果を減じないようにする必要がある。

上記課題を解決するために、本発明は、複数の気筒を有するエンジンの各気筒から排出された排気ガスを案内する複数の独立排気通路に接続された排気装置本体と、前記排気装置本体から排出された排気ガスを浄化する触媒装置とを備え、前記排気装置本体は、前記複数の独立排気通路に各々連通し、排気ガスの流れ方向の下流端部が束ねられた状態で、下流部が上流側から下流側に向かって流路面積が小さくなる複数のノズル内通路を有するノズル部と、前記ノズル部をその全周に亘って覆い前記ノズル部の外周に環状のガス流路を形成する筒状の周壁部と、前記ガス流路に前記触媒装置の触媒の性能を確保するための補助ガスを導入するためのガス導入部と、前記ノズル部の下流側に設けられ、前記排気ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって径が小さくなる筒状をなし、前記ノズル内通路からの排気ガスの流入に伴い、他のノズル内通路から排気ガスを掃気するとともに前記ガス流路から前記補助ガスを掃気するための負圧を前記ノズル部の下流側に発生させる絞り部とを含み、前記周壁部は、その軸方向に対して直交する方向に沿った断面の輪郭が円形となるように形成され、前記ガス導入部は、前記周壁部に対する接線に沿って当該周壁部に接続された管路である、多気筒エンジンの排気装置を提供する。

本発明における「補助ガス」には、ＥＧＲガスや二次エアなどが含まれる。

本発明によれば、ＥＧＲガスや二次エアなどの補助ガスにより触媒を活性化し、補助ガスの導入には動圧排気系によるエゼクタ効果を利用するので、燃費を悪化させることなく触媒を活性化することができる。しかも、ガス流路が周壁部とノズル部との間に環状に形成されているので、補助ガスは、ガス流路内を周方向に旋回しながらノズル部の下流側に掃気される（吸い出される）。このため、ノズル部の下流側において、補助ガスは、各ノズル内通路から排出された排気ガスとばらつきなく（気筒間でばらつきなく）均質に混合されて、触媒装置に導入される。従って、補助ガスによる触媒の活性化を促進し、排気ガスを浄化する性能を高めることができる。さらに、ガス流路はノズル部の外周に形成されているため、複数のノズル内通路が互いに離れてしまうことがなく、動圧排気系のエゼクタ効果を確保することができる。
また、この構成によれば、補助ガスは、周壁部に対する接線に沿ってガス流路に導入される。これにより、補助ガスをガス流路内でその周方向に沿って確実に旋回させることができる。従って、補助ガスを排気ガスに対して、気筒間でばらつきなく均質に混合して、触媒装触媒の活性化を促進することができる。

本発明においては、前記絞り部は、前記ノズル部の下流端部に接続され、前記周壁部は、前記絞り部の外周面をその全周に亘って覆うように前記ノズル部よりも下流側へ延設されていることが好ましい。

この構成によれば、絞り部がノズル部の下流端部に接続されているため、ノズル部から排出された排気ガス（排気噴流）を絞り部の内壁面にはりついた状態で流下させることができる（コアンダ効果）。これにより、排気ガスの広がりを抑制して排気ガスの流速の低下を抑えることができる。その結果、高いエゼクタ効果ひいては高い掃気性能を得ることができる。そして、その高い掃気性能により、補助ガスの掃気量を増加させて、触媒の活性化を促進することができる。

本発明においては、前記周壁部における前記絞り部を覆う部分が、当該絞り部の外周面に沿って円錐台状に形成されていることが好ましい。

この構成によれば、周壁部における絞り部を覆う部分が、当該絞り部の外周面に沿って円錐台状に形成されていない場合と比べて、ガス流路の断面積を小さくすることができるため、補助ガスの流速を高めることができる。これにより、触媒の活性化を促進することができる。

本発明においては、前記補助ガスは、ＥＧＲガス、オゾンガス、および二次エアのうち、少なくとも１つであることが好ましい。

補助ガスをＥＧＲガスとした場合には、触媒との化学反応によって昇温した排気ガス（ＥＧＲガス）を触媒装置に再導入することにより、触媒を昇温させることができる。補助ガスをオゾンガスとした場合には、排気ガスとオゾンガスとが混合されることにより、排気ガスが活性化されて、排気ガスが触媒と化学反応しやすい状態となる。補助ガスを二次エアとした場合には、エンジン始動直後などにノズル部から排出された未燃焼ガスを触媒装置の上流側で燃焼させて、排気ガスを昇温させ、触媒を昇温することができる。従って、いずれの場合も、触媒の活性化を促進して、排気ガスを浄化することができる。

本発明においては、前記ノズル部は、その軸方向に対して直交する方向に沿った断面の輪郭が円形となるように形成されていることが好ましい。

この構成によれば、ノズル部の外周面が、周方向に沿って凹凸のない滑らかな形状となるため、補助ガスをノズル部の外周面に沿って淀みなくスムーズに旋回させることができる。従って、補助ガスを排気ガスに対して、気筒間でばらつきなく均質に混合して、触媒装触媒の活性化を促進することができる。

本発明においては、前記ノズル部の外周面は、排気ガスの流れ方向における上流側から下流側に向かって径が小さくなる円錐台状に形成され、前記周壁部の内周面は、前記ノズル部の外周面に沿って円錐台状に形成されていることが好ましい。

この構成によれば、環状をなすガス通路の径が上流側から下流側に向かって小さくなっている。これに伴い、ガス流路の断面積が上流側から下流側に向かって小さくなるため、補助ガスの流速を高めることができる。これにより、触媒の活性化を促進することができる。

本発明によれば、エンジンでリーン燃焼をさせている場合などに、動圧排気系のエゼクタ効果を確保しつつ、燃費の悪化を伴うことなく、触媒装置の性能を良好に確保することができる。

本発明の第１実施形態に係る多気筒エンジンの排気装置の平面図である。 図１に示す排気装置の概略を示す図である。 図１に示す排気装置の要部を示す図である。 図３に示す要部をその軸方向に沿って切断したときの断面図である。 図３に示す要部のＡ−Ａ線断面図である。 図３に示す要部のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の第２実施形態に係る多気筒エンジンの排気装置の部分断面図である。 図７に示す排気装置のＡ−Ａ線断面図である。 図７に示す排気装置のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の第３実施形態に係る多気筒エンジンの排気装置の部分断面図である。 図１０に示す排気装置のＡ−Ａ線断面図である。 図１０に示す排気装置のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の第４実施形態に係る多気筒エンジンの排気装置の平面図である。 図１３に示す排気装置のＣ−Ｃ線断面図である。 本発明の第５実施形態に係る多気筒エンジンの排気装置の概略を示す図である。 本発明の第５実施形態の変形例を示す図である。 本発明の第６実施形態に係る多気筒エンジンの排気装置の概略を示す図である。 本発明の第６実施形態の変形例を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について詳述する。

（第１実施形態）
以下の説明において、排気ガスの流れ方向における上流側を「上流側」、排気ガスの流れ方向における下流側を「下流側」、部材の端部については、上流側の端部を「上流端部」、下流側の端部を「下流端部」と各々称する。

図１に示されるように、本実施形態に係る多気筒エンジンの排気装置１（以下、「排気装置１」と称する）は、エンジン１０のシリンダヘッド９に組み付けられる複数の独立排気管４１の下流端部に接続された排気装置本体５１と、排気装置本体５１から排出された排気ガスを浄化する触媒装置７０とを備えている。

エンジン１０は、第１〜第４気筒１３ａ〜１３ｄを有する直列４気筒４サイクルガソリンエンジンである。図１に示すように、シリンダヘッド９には、気筒１３ａ〜１３ｄの燃焼室に臨む点火プラグ１４およびインジェクタ１９と、上記燃焼室に開口する吸気ポート１５及び排気ポート１６と、吸気ポート１５及び排気ポート１６を開閉する吸気弁１７及び排気弁１８と、吸気弁駆動機構２０及び排気弁駆動機構３０とが設けられる。

点火プラグ１４は、燃焼室に露出する電極を先端部に有し、図外の点火回路からの給電に応じて電極から火花を放電する。

インジェクタ１９には図外の燃料供給管が接続されており、この燃料供給管を通じて供給される燃料がインジェクタ１９の先端部から噴射される。インジェクタ１９は、点火プラグ１４に隣接した位置に配置される。

吸気ポート１５は気筒１３ａ〜１３ｄに吸気を導入するためのもの、排気ポート１６は気筒１３ａ〜１３ｄから排気ガスを排出するためのもの、吸気弁１７及び排気弁１８は気筒１３ａ〜１３ｄと上記吸気ポート１５及び排気ポート１６とを連通又は遮断するためのものである。吸気弁駆動機構２０は吸気弁１７を所定のタイミングで開弁及び閉弁させるもの、排気弁駆動機構３０は排気弁１８を所定のタイミングで開弁及び閉弁させるためのものである。

エンジン１０は、冷間始動直後は点火プラグ１４による火花点火燃焼を行い、暖機完了後はＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）燃焼を行う。

本実施形態では、エンジン１０の冷間始動直後から暖機完了までの間、第１気筒１３ａ→第３気筒１３ｃ→第４気筒１３ｄ→第２気筒１３ｂの順に１８０°ＣＡ（クランク角）ずつずれたタイミングで点火が行われ、この順に、吸気→圧縮→膨張→排気の各行程がそれぞれ１８０°ＣＡずつずれたタイミングで実施される。

暖機完了後のＨＣＣＩ燃焼においても、第１気筒１３ａ→第３気筒１３ｃ→第４気筒１３ｄ→第２気筒１３ｂの順に、吸気→圧縮→膨張→排気の各行程がそれぞれ１８０°ＣＡずつずれたタイミングで実施される。

吸気弁駆動機構２０は、吸気弁１７に連結された吸気カムシャフト２１と吸気ＶＶＴ（Variable Valve Timing）２２とを有する。吸気カムシャフト２１は、クランクシャフト（図示略）に連結され、クランクシャフトの回転に伴い回転して吸気弁１７を開閉駆動する。吸気ＶＶＴ２２は、クランクシャフトと吸気カムシャフト２１との間の位相差を変更することにより、吸気弁１７の開弁期間及びリフト量を一定に保ったまま、吸気弁１７の開弁時期及び閉弁時期を変更する。

排気弁駆動機構３０は、排気弁１８に連結された排気カムシャフト３１と排気ＶＶＴ３２とを有する。排気カムシャフト３１は、クランクシャフトに連結され、クランクシャフトの回転に伴い回転して排気弁１８を開閉駆動する。排気ＶＶＴ３２は、クランクシャフトと排気カムシャフト３１との間の位相差を変更することにより、排気弁１８の開弁期間及びリフト量を一定に保ったまま、排気弁１８の開弁時期及び閉弁時期を変更する。

図１に示されるように、独立排気管４１…４１は、気筒１３ａ〜１３ｄの排気ポート１６…１６から湾曲しつつ排気装置本体５１に向かって車両後方側へ延びている。図４に示されるように、独立排気管４１…４１は、排気ガスを案内する独立排気通路４１ａ…４１ａを有している。気筒１３ａ〜１３ｄから排出された排気ガスは、独立排気通路４１ａ…４１ａを通って排気装置本体５１に流入する。

以下、排気装置１の各構成要素について詳述する。

＜排気装置本体５１の構成＞
図１，２に示されるように、排気装置本体５１は、周壁部５２と、動圧排気系５０と、ガス導入管９１とを備えている。動圧排気系５０は、ノズル部６４、動圧側絞り部５０ｆ（本発明の「絞り部」に相当）、動圧側ストレート部５０ｂ、およびディフューザ部５０ｃを有している。

図４〜６に示されるように、ノズル部６４は、排気ガスを案内するノズル内通路６４ｃを有している。ノズル部６４は、上流端から下流端に亘りノズル内通路６４ｃの流路面積が一定のノズル側ストレート部６４ｂ（図４，５参照）と、ノズル側ストレート部６４ｂの下流端から下流側へ延び、上流端から下流端に向かってノズル内通路６４ｃの流路面積が小さくなるノズル側絞り部６４ａ（図４，６参照）とを有する。

図６に示されるように、ノズル側絞り部６４ａ…６４ａの下流端部の断面は、中心角が９０°の扇形状をなしており、動圧側絞り部５０ｆ内の空間に向かって開口している。ノズル側絞り部６４ａ…６４ａの下流端部は、円を形成するように束ねられた状態となっている。図６に示されるように、ノズル側絞り部６４ａ…６４ａの下流端部間には、当該下流端部を束ねるための結合プレート６６が介設されている。

ノズル側絞り部６４ａ…６４ａは下流側ほど流路面積が小さくなる形状を有しているため、排気弁１８の開弁により気筒１３ａ〜１３ｄから独立排気管４１…４１に排出された高速のブローダウンガス（排気ガス）は、ノズル側絞り部６４ａ…６４ａ内で流速が高められて、ノズル部６４の下流端部から高速で動圧側絞り部５０ｆ内に流入する。後述するように、動圧側絞り部５０ｆは上流側から下流側に向かって径が小さくなる（流路面積が小さくなる）形状を有しているため、動圧側絞り部５０ｆ内に流入した排気ガスは高速を維持したまま下流側に流れる。

動圧側絞り部５０ｆ内に高速の排気ガスが流入することにより、動圧側絞り部５０ｆ内に負圧が発生し、この負圧により他の独立排気管４１から排気ガスが吸い出される（エゼクタ効果）。

本実施形態では、気筒１３ａ〜１３ｄの排気弁１８の開弁期間と吸気弁１７の開弁期間とが吸気上死点を挟んでオーバーラップし、かつ、排気順序が連続する２つの気筒間において、先行気筒１３ａ〜１３ｄのオーバーラップ期間中に、後続気筒１３ａ〜１３ｄの排気弁１８が開弁を開始するように、吸気弁駆動機構２０及び排気弁駆動機構３０が図外のＥＣＵ（Electronic Control Unit）により制御される。

具体的には、第１気筒１３ａの排気弁１８と吸気弁１７とのオーバーラップ期間中に第３気筒１３ｃの排気弁１８が開弁を開始し、第３気筒１３ｃの排気弁１８と吸気弁１７とのオーバーラップ期間中に第４気筒１３ｄの排気弁１８が開弁を開始し、第４気筒１３ｄの排気弁１８と吸気弁１７とのオーバーラップ期間中に第２気筒１３ｂの排気弁１８が開弁を開始し、第２気筒１３ｂの排気弁１８と吸気弁１７とのオーバーラップ期間中に第１気筒１３ａの排気弁１８が開弁を開始する。

このため、第１気筒１３ａの排気弁１８と吸気弁１７とのオーバーラップ期間中に、第３気筒１３ｃの排気弁１８から動圧側絞り部５０ｆ内に高速のブローダウンガスが流入することにより、動圧側絞り部５０ｆ内に負圧が発生し、この負圧により第１気筒１３ａに接続された独立排気管４１から排気ガスが吸い出される（エゼクタ効果）。排気順序が隣り合う他の２つの気筒間においても同様であり、先行気筒１３ｂ〜１３ｄに接続された独立排気管４１から排気ガスが吸い出されるエゼクタ効果が生じる。これらのエゼクタ効果により、オーバーラップ期間中の気筒１３ａ〜１３ｄの掃気が促進される。

図３〜６に示されるように、周壁部５２は、ノズル部６４をその全長および全周に亘って覆い、ノズル部６４の外周に環状のガス流路７１を形成する筒状の部材である。周壁部５２は、上流側から下流側に亘り同一径を有する円筒状の周壁側ストレート部５０ｄと、周壁側ストレート部５０ｄの下流端から下流側に延びて、上流側から下流側に向かって径が小さくなる円錐台状の周壁側絞り部５０ａとを有する。

周壁側ストレート部５０ｄは、ノズル側ストレート部６４ｂを包囲している。周壁側ストレート部５０ｄには、その径方向外側からガス導入管９１（本発明の「ガス導入部」に相当）が接続されている。

周壁側ストレート部５０ｄの上流端部には、当該上流端部の開口を塞ぐように円板状の端壁部５０ｅが設けられている。端壁部５０ｅには、複数の貫通孔が形成されており、その貫通孔に対して外側から独立排気管４１…４１の下流端部が接続され、内側からノズル部６４の上流端部が接続されている。

周壁側絞り部５０ａは、ノズル側絞り部６４ａを包囲している。ガス流路７１は、周壁側ストレート部５０ｄの外周から周壁側絞り部５０ａの外周に亘って環状に形成されている。ノズル側絞り部６４ａの下流端は、周壁側絞り部５０ａの内周面から所定の間隔をあけて離間している。ガス流路７１は、動圧側絞り部５０ｆ内の空間と連通している。ガス流路７１が環状に形成されているため、ガス流路７１に導入された後述のＥＧＲガス（本発明の「補助ガス」に相当）は、図３の矢印Ｄに示されるように、ガス流路７１内を周壁部５２の内壁面に沿って周方向に旋回しながら動圧側絞り部５０ｆ内に流入する。

動圧側絞り部５０ｆは、周壁側絞り部５０ａの下流端から下流側へ延びる筒状部分である。動圧側絞り部５０ｆは、上流側から下流側に向かって径が小さくなり、かつ、上流側から下流側に向かって中心軸に対する傾斜の度合いが小さくなる（傾斜が緩やかになる）ように、円錐台状に形成されている。上流側から下流側に向かって径が小さくなっていることに伴い、動圧側絞り部５０ｆ内の流路面積は上流側から下流側に向かって小さくなっている。

動圧側ストレート部５０ｂは、動圧側絞り部５０ｆの下流端から下流側に延びる円筒状部分である。動圧側ストレート部５０ｂは、各独立排気通路４１ａからそれぞれ排出されてノズル内通路６４ｃを通過した排気ガス（各気筒１３ａ〜１３ｄから排出された排気ガス）、および、ガス流路７１を通過したＥＧＲガスが合流する部分である。

動圧側ストレート部５０ｂは、各気筒１３ａ〜１３ｄから排出された排気ガス、および、ガス流路７１を通過したＥＧＲガスが合流し、十分に混合して良好に整流化されるように、排気ガスの流れ方向全体に亘り、流路面積が一定とされている。

ディフューザ部５０ｃは、動圧側ストレート部５０ｂの下流端から下流側に延びる筒状部分である。ディフューザ部５０ｃは、上流側から下流側に向かって流路面積が拡大するように円錐台状に形成されている。

端壁部５０ｅ、周壁側ストレート部５０ｄ、周壁側絞り部５０ａ、動圧側絞り部５０ｆ、動圧側ストレート部５０ｂ、およびディフューザ部５０ｃは、一体に形成されている。

図１，２に示されるように、ガス導入管９１は、その一端部が後部排気管９０の中途部に接続され、他端部が周壁部５２の周壁側ストレート部５０ｄに接続されている。具体的には、ガス導入管９１の他端部は、周壁側ストレート部５０ｄに対する接線に沿って周壁側ストレート部５０ｄに接続されている。図４に示されるように、ガス導入管９１は、ガス導入通路９１ａを有しており、触媒装置７０から排出された排気ガス（ＥＧＲガス）をガス流路７１に導入する。ＥＧＲガスは、触媒装置７０の触媒を活性化させる補助ガスとして機能する。

＜中部排気管８０の構成＞
図１，２に示されるように、中部排気管８０は、ディフューザ部５０ｃの下流端から下流側に延びて、触媒装置７０の上流端に接続されている。中部排気管８０は、ディフューザ部５０ｃから排出された排気ガスおよびＥＧＲガスの混合気を、触媒装置７０に案内する。

＜触媒装置７０の構成＞
触媒装置７０は、排気ガスを浄化する触媒と、この触媒を収容するハウジングとを有している。触媒に接触した排気ガスは、触媒と化学反応することにより浄化される。この化学反応により熱が発生し、排気ガスの温度が上昇する。昇温した排気ガスは、後述するように、ガス導入管９１を経由して、触媒装置７０よりも上流側に位置するガス流路７１に還流される。還流された排気ガス（ＥＧＲガス）は、ガス流路７１内を旋回しながら流下し、動圧側絞り部５０ｆを経て動圧側ストレート部５０ｂ内に導入される。動圧側ストレート部５０ｂ内において、ＥＧＲガスは、触媒装置７０に導入される前の排気ガスと混合され、ディフューザ部５０ｃおよび中部排気管８０を経て触媒装置７０に再導入される。

＜後部排気管９０の構成＞
図１，２に示されるように、後部排気管９０は、触媒装置７０の下流端部から下流側に延びており、その下流端部は大気開放されている。後部排気管９０は、触媒装置７０によって浄化された排気ガスを大気中に放出する。

＜制御系の構成＞
次に、本実施形態に係る排気装置１の制御系統について説明する。本実施形態の排気装置１は、その各部が図外のＥＣＵ（Electronic Control Unit）によって統括的に制御される。ＥＣＵは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサである。

ＥＣＵは、車両の運転状態（運転領域）を検出する図外のセンサから車両の運転状態を入力し、その運転状態に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつ、排気装置１の各部を制御する。

エンジン１０の低負荷領域、中負荷領域、および高負荷領域の各運転領域において、ＥＣＵは、点火プラグ１４による混合気の点火を停止させ、十分に混合された燃料と空気の混合気であってリーンな混合気をピストンの圧縮作用によって自着火させる、ＨＣＣＩ燃焼を実行する制御を行う。

ＨＣＣＩ燃焼では、圧縮上死点よりも十分に早いタイミングで燃料が噴射される。燃料と空気の混合が十分に混合された圧縮上死点付近において、この混合気はピストンの圧縮作用によって自着火する。

なお、ＥＣＵは、エンジン１０の冷間始動直後から暖機完了時までは、混合気に対して点火プラグ１４による火花点火を実行する制御を行う。

次に、各運転領域における排気装置１の動作について説明する。

各運転領域において、独立排気通路４１ａからノズル内通路６４ｃ内に流入した排気ガスは、流速が高められて動圧側絞り部５０ｆ内に流入する。高速の排気ガスが動圧側絞り部５０ｆ内に流入することにより、動圧側絞り部５０ｆ内に負圧が発生する。この負圧により、他の独立排気通路４１ａから排気ガスが吸い出されて（掃気）、排気ガスの排出が促進されるとともに、ガス流路７１からＥＧＲガスが吸い出される（掃気）。ＥＧＲガスは、ガス流路７１内をその周方向に沿って旋回しながら動圧側絞り部５０ｆ内に吸い出される。

動圧側絞り部５０ｆ内に流入した排気ガスおよびＥＧＲガスは、動圧側ストレート部５０ｂに流下する。動圧側ストレート部５０ｂ内において、排気ガスはＥＧＲガスと混合される。ＥＧＲガスは、触媒と化学反応した後の排気ガスであり、その化学反応の際に発生した熱により昇温している。このため、ＥＧＲガスは、触媒装置７０によって浄化される前の排気ガスよりも温度が高くなっている。従って、触媒装置７０によって浄化される前の排気ガスがＥＧＲガスと混合されることにより、当該排気ガスが昇温する。この昇温した排気ガスが触媒装置７０に導入されることにより、触媒が活性温度以上となるまで昇温する。その結果、触媒が活性化し、その活性化した触媒により排気ガスが浄化される。

以上説明したように、本実施形態によれば、高温のＥＧＲガスにより触媒を活性化し、ＥＧＲガスの導入には動圧排気系５０によるエゼクタ効果を利用するので、燃費を悪化させることなく触媒を活性化することができる。また、本実施形態によれば、ガス流路７１が周壁部５２とノズル部６４との間に環状に形成されている。従って、ＥＧＲガスは、ガス流路７１内を周方向に旋回しながらノズル部６４の下流側に掃気される（吸い出される）。このため、ノズル部６４の下流側において、ＥＧＲガスは、各ノズル内通路６４ｃから排出された排気ガスとばらつきなく（気筒１３ａ〜１３ｄ間でばらつきなく）均質に混合されて、触媒装置７０に導入される。従って、ＥＧＲガスによる触媒の活性化を促進し、触媒装置７０の排気ガスを浄化する性能を高めることができる。また、ガス流路７１はノズル部６４の外周に形成されているため、複数のノズル内通路６４ｃ…６４ｃが互いに離れてしまうことがなく、動圧排気系５０のエゼクタ効果の低下を抑制し、動圧排気系５０の機能を確保することができる。

また、本実施形態によれば、周壁側絞り部５０ａが、ノズル側絞り部６４ａの外周面に沿って円錐台状に形成されている。これにより、周壁側絞り部５０ａが、ノズル側絞り部６４ａの外周面に沿って円錐台状に形成されていない場合と比べて、ガス流路７１の流路面積を小さくすることができるため、ＥＧＲガスの流速を高めることができる。従って、触媒の活性化を促進することができる。

また、本実施形態によれば、ＥＧＲガスは、周壁側ストレート部５０ｄに対する接線に沿ってガス流路７１に導入される。これにより、ＥＧＲガスをガス流路７１内でその周方向に沿って確実に旋回させることができる。従って、ＥＧＲガスを排気ガスに対して、気筒１３ａ〜１３ｄ間でばらつきなく均質に混合して、触媒の活性化を促進することができる。

また、ノズル側絞り部６４ａの下流端が、周壁側絞り部５０ａの内周面から離間しているため、ノズル側絞り部６４ａから排出された排気噴流が周壁側絞り部５０ａに勢いよく接触することによる流れの乱れ（逆流など）が抑制され、排気ガスの流速低下が抑制される。その結果、高いエゼクタ効果を奏することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について、図７〜９を参照しつつ説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については、第１実施形態と同一の参照符号を付してその説明を省略する。

第２実施形態に係る排気装置においては、図７〜９に示されるように、ノズル部６４全体（ノズル側ストレート部６４ｂおよびノズル側絞り部６４ａ）が、ノズル部６４と同軸上にある筒状のカバー部材６５により覆われている。具体的には、カバー部材６５は、ノズル側ストレート部６４ｂを覆う上流側カバー部６５ｂと、ノズル側絞り部６４ａを覆う下流側カバー部６５ａとを有している。

上流側カバー部６５ｂは、その内周面が各ノズル側ストレート部６４ｂ…６４ｂに外接するように円錐台状に形成されている。

下流側カバー部６５ａは、その内周面が各ノズル側絞り部６４ａ…６４ａに外接するように円錐台状に形成されている。

上流側カバー部６５ｂおよび下流側カバー部６５ａは、その軸方向に対して直交する方向に沿った断面の輪郭が円形となっている。

動圧排気系５０は、ノズル部６４、カバー部材６５、動圧側絞り部５０ｆ、動圧側ストレート部５０ｂ、およびディフューザ部５０ｃを有している。

図７〜９に示されるように、周壁部５２は、カバー部材６５をその全長および全周に亘って覆い、カバー部材６５の外周に環状のガス流路７３を形成する。

第２実施形態によれば、カバー部材６５の外周面が、周方向に沿って凹凸のない滑らかな形状となるため、図８，９に示されるように、ガス流路７３内でＥＧＲガスをカバー部材６５の外周面に沿って淀みなくスムーズに旋回させることができる。従って、ＥＧＲガスを排気ガスに対して、気筒１３ａ〜１３ｄ間でばらつきなく均質に混合して、触媒の活性化を促進することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について、図１０〜１２を参照しつつ説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については、第１実施形態と同一の参照符号を付してその説明を省略する。

第３実施形態においては、図１０に示されるように、ノズル部６７は、排気ガスを案内するノズル内通路６７ｃを有している。ノズル部６７は、上流端から下流端に亘りノズル内通路６７ｃの流路面積が一定のノズル側ストレート部６７ｂ（図１０，１１参照）と、ノズル側ストレート部６７ｂの下流端から下流側へ延び、上流端から下流端に向かってノズル内通路６７ｃの流路面積が小さくなるノズル側絞り部６７ａ（図１０，１２参照）とを有する。

図１２に示されるように、ノズル側絞り部６７ａ…６７ａの下流端部の断面は、中心角が９０°の扇形状をなしており、動圧側絞り部５０ｆ内に向かって開口している。ノズル側絞り部６７ａ…６７ａの下流端部は、円を形成するように束ねられた状態となっている。

図１０〜１２に示されるように、ノズル部６７は、その軸方向に対して直交する方向に沿った断面の輪郭が円形となるように形成されている。具体的には、ノズル部６７は、その全体が鋳物により一体に構成されている。ノズル内通路６７ｃは、鋳物からなる中実体をくり抜くように形成されている。つまり、ノズル内通路６７ｃ…６７ｃの間は、鋳物で中実となっている。ノズル部６７は、例えば、ロストワックス鋳造により形成される。

周壁部５２は、ノズル部６７をその全長および全周に亘って覆い、ノズル部６７の外周に環状のガス流路７３を形成する。

第３実施形態によれば、ノズル部６７の外周面が、周方向に沿って凹凸のない滑らかな形状となるため、図１１，１２に示されるように、ガス流路７３内でＥＧＲガスをノズル部６７の外周面に沿って淀みなくスムーズに旋回させることができる。従って、ＥＧＲガスを排気ガスに対して、気筒１３ａ〜１３ｄ間でばらつきなく均質に混合して、触媒の活性化を促進することができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について、図１３，１４を参照しつつ説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については、第１実施形態と同一の参照符号を付してその説明を省略する。

第４実施形態においては、内部動圧側絞り部６８（本発明の「絞り部」に相当）が、ノズル部６４の下流端部に接続されている。内部動圧側絞り部６８は、上流側から下流側に向かって径が小さくなる円錐台状に形成されている。内部動圧側絞り部６８は、排気ガスが通過する１つの絞り部内通路６８ａを有している。内部動圧側絞り部６８は、その中心軸に対する傾斜の度合いが、上流側から下流側に向かって小さくなっている（傾斜が緩やかになっている）。絞り部内通路６８ａは、上流端から下流端に向かって流路面積が小さくなっている。これにより、ノズル部６４から排出された高速の排気ガスは、高速の状態を維持したまま流下する。

周壁部５２の周壁側絞り部５０ａは、第１の動圧側絞り部６８の外周面をその全周に亘って覆うようにノズル部６４よりも下流側へ延設されて、動圧側絞り部５０ｆの上流端に接続されている。

周壁側絞り部５０ａは、第１の動圧側絞り部６８の外周面に沿って円錐台状に形成されている。

周壁部５２は、ノズル部６４および内部動圧側絞り部６８をその全長および全周に亘って覆い、ノズル部６４および内部動圧側絞り部６８の外周に環状のガス流路７４を形成する。

第４実施形態によれば、内部動圧側絞り部６８がノズル部６４の下流端部に接続されているため、ノズル部６４から排出された排気ガス（排気噴流）を内部動圧側絞り部６８の内壁面にはりついた状態で流下させることができる（コアンダ効果）。これにより、排気ガスの広がりを抑制して排気ガスの流速の低下を抑えることができる。その結果、高いエゼクタ効果ひいては高い掃気性能を得ることができる。そして、その高い掃気性能により、ＥＧＲガスの掃気量を増加させて、触媒の活性化を促進することができる。

また、周壁部５２における内部動圧側絞り部６８を覆う部分（周壁側絞り部５０ａ）が、内部動圧側絞り部６８の外周面に沿って円錐台状に形成されているため、周壁部５２における内部動圧側絞り部６８を覆う部分が、内部動圧側絞り部６８の外周面に沿って円錐台状に形成されていない場合と比べて、ガス流路７４の流路面積を小さくすることができる。これにより、ＥＧＲガスの流速を高めて、触媒の活性化を促進することができる。

なお、上記各実施形態においては、ガス流路７１等にガス導入管９１のみによってＥＧＲガスを導入しているが、これに限られない。例えば、図１５に示されるように、複数のガス導入管によってＥＧＲガスを導入してもよい。

（第５実施形態）
図１５を参照しつつ、本発明の第５実施形態について説明する。第１実施形態と同様の構成については、同一の参照符号を付して、その説明を省略する。

第５実施形態では、ＥＧＲガスの流れ方向におけるガス導入管９１の上流部と下流部とを繋ぐように、ガス導入管９１にガス導入管９２が接続されている。

ガス導入管９１におけるガス導入管９２との２つの接続点の間には、流量制御弁９４ａが設けられている。流量制御弁９４ａは、弁箱９４に収容されている。

ガス導入管９２には、流量制御弁９５ａが設けられている。流量制御弁９５ａは、弁箱９５に収容されている。

ガス導入管９２における流量制御弁９５ａの上流側には、ＥＧＲクーラ６９が設けられている。ガス導入管９２における流量制御弁９５ａとＥＧＲクーラ６９との間には、下流端部が図外の吸気マニホールドに接続された通常のＥＧＲ経路９３の上流端部が接続されている。

第５実施形態によれば、触媒装置７０に導入されるＥＧＲガスの温度を調節することができる。すなわち、ガス導入管９２にはＥＧＲクーラ６９が設けられているため、ＥＧＲガスの温度が触媒にとって高過ぎる場合に、ＥＧＲクーラ６９でＥＧＲガスを冷却して、その冷却したＥＧＲガスを触媒装置７０に供給することができ、これにより触媒の劣化が抑制され、触媒の活性化が損なわれることが防止される。ＥＧＲクーラ６９を通過するＥＧＲガスの量は、流量制御弁９４ａおよび流量制御弁９５ａの開度を調節することにより調節することができる。流量制御弁９４ａを全閉にして、流量制御弁９５ａのみを開くことも可能である。

なお、図１６に示されるように第５実施形態を変更することも可能である。図１６に示される例では、ガス導入管９１におけるガス導入管９２との接続箇所と周壁部５２との接続箇所の間に、オゾン発生器９８を設けている。オゾン発生器９８は、オゾンを発生するための電極９８ａを有している。

オゾン発生器９８は、ＥＧＲガス中の酸素をオゾンに変化させる。オゾンを含むＥＧＲガスは、動圧排気系５０の動圧側ストレート部において排気ガスと混合される。オゾンは、排気ガスと触媒との化学反応を促進し、触媒装置７０による排気ガスの浄化性能を高めることができる。

（第６実施形態）
図１７を参照しつつ、第６実施形態について説明する。第１実施形態と同様の構成については、同一の参照符号を付して、その説明を省略する。

第６実施形態においては、エンジン１０の吸気ポートに４つの独立吸気管４２を有する吸気マニホールドが接続されている。吸気（新気）の流れ方向における吸気マニホールドの上流端部に、スロットルバルブ９９ａを有するスロットルボディ９９が接続されている。スロットルバルブ９９ａの上流端部には、上流側吸気管８１が接続されている。

周壁部５２と上流側吸気管８１とは、ガス導入管９６を介して接続されている。ガス導入管９６は、動圧排気系５０によるエゼクタ効果を利用して上流側吸気管８１から二次エア（新気）を導入し、その二次エアをガス流路７１に供給する。ガス導入管９６には、逆止弁９７ａが設けられている。逆止弁９７ａは、弁箱９７に収容されている。

第６実施形態によれば、例えばエンジン始動直後において、ＨＣＣＩ燃焼ではなく点火プラグ１４による火花点火が行われているときに、ガス導入管９６を経由して二次エアをガス流路７１に導入することができる。ガス流路７１に導入された二次エアは、動圧排気系５０の動圧側ストレート部において排気ガスと混合される。二次エアは、排気ガス中の未燃ガス（炭化水素）を燃焼させるので、その燃焼により排気ガスを昇温させるとともに、触媒装置７０から排出される未燃ガスを減少させることができる。排気ガスが昇温することにより、触媒を活性化させて、触媒装置７０による排気ガスの浄化性能を高めることができる。

なお、図１８に示されるように第６実施形態を変更することも可能である。図１８に示される例では、ガス導入管９６にオゾン発生器９８を設けている。

オゾン発生器９８は、二次エア中の酸素をオゾンに変化させる。オゾンを含む二次エアは、動圧排気系５０の動圧側ストレート部において排気ガスと混合される。オゾンは、排気ガスと触媒との化学反応を促進し、触媒装置７０による排気ガスの浄化性能を高めることができる。

なお、上記各実施形態では、ＥＧＲガス、オゾンガス、および二次エアのいずれか一つをガス流路７１等に導入しているが、ＥＧＲガス、オゾンガス、および二次エアのうち２つ以上を導入してもよい。具体的には、例えば、第１〜３実施形態のいずれかと第４実施形態とを組み合わせてもよい。

１ 多気筒エンジンの排気装置
１０ エンジン
１３ａ〜１３ｄ 第１〜第４気筒
４１ 独立排気管
５０ａ 周壁側絞り部
５０ｆ 動圧側絞り部
５１ 排気装置本体
５２ 周壁部
６４，６７ ノズル部
６４ａ ノズル側絞り部
６４ｃ，６７ｃ ノズル内通路
６８ 内部動圧側絞り部
７０ 触媒装置
７１，７３，７４ ガス流路
９１，９２，９６ ガス導入管

Claims (6)

1. 複数の気筒を有するエンジンの各気筒から排出された排気ガスを案内する複数の独立排気通路に接続された排気装置本体と、
   前記排気装置本体から排出された排気ガスを浄化する触媒装置とを備え、
   前記排気装置本体は、
   前記複数の独立排気通路に各々連通し、排気ガスの流れ方向の下流端部が束ねられた状態で、下流部が上流側から下流側に向かって流路面積が小さくなる複数のノズル内通路を有するノズル部と、
   前記ノズル部をその全周に亘って覆い前記ノズル部の外周に環状のガス流路を形成する筒状の周壁部と、
   前記ガス流路に前記触媒装置の触媒の性能を確保するための補助ガスを導入するためのガス導入部と、
   前記ノズル部の下流側に設けられ、前記排気ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって径が小さくなる筒状をなし、前記ノズル内通路からの排気ガスの流入に伴い、他のノズル内通路から排気ガスを掃気するとともに前記ガス流路から前記補助ガスを掃気するための負圧を前記ノズル部の下流側に発生させる絞り部とを含み、
   前記周壁部は、その軸方向に対して直交する方向に沿った断面の輪郭が円形となるように形成され、
   前記ガス導入部は、前記周壁部に対する接線に沿って当該周壁部に接続された管路である、多気筒エンジンの排気装置。
2. 前記絞り部は、前記ノズル部の下流端部に接続され、
   前記周壁部は、前記絞り部の外周面をその全周に亘って覆うように前記ノズル部よりも下流側へ延設されていることを特徴とする、請求項１に記載の多気筒エンジンの排気装置。
3. 前記周壁部における前記絞り部を覆う部分が、当該絞り部の外周面に沿って円錐台状に形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の多気筒エンジンの排気装置。
4. 前記補助ガスは、ＥＧＲガス、オゾンガス、および二次エアのうち、少なくとも１つであることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の多気筒エンジンの排気装置。
5. 前記ノズル部は、その軸方向に対して直交する方向に沿った断面の輪郭が円形となるように形成されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の多気筒エンジンの排気装置。
6. 前記ノズル部の外周面は、排気ガスの流れ方向における上流側から下流側に向かって径が小さくなる円錐台状に形成され、
   前記周壁部の内周面は、前記ノズル部の外周面に沿って円錐台状に形成されていることを特徴とする、請求項５に記載の多気筒エンジンの排気装置。

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