JP6242251B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の特に気筒休止を行う多気筒内燃機関の排気浄化装置に関する。

多気筒内燃機関の各気筒から延出する排気ポート側排気管は、集合排気管に集合したのちマフラーに連結している。
各排気ポート側排気管の排気ガスが合流する集合排気管の上流側の合流領域は、流路が合流して流路面積が拡大しており、この合流領域の下流に排気ガス浄化用の触媒が介装されている。

一部の気筒を休止させる制御を行う気筒数制御形式の多気筒内燃機関において、集合排気管における流路面積が拡大した合流領域の下流側に流路面積を拡大したまま延長した部分に触媒を配設した先行例がある（特許文献１参照）。

特開２００５−３２５７４７号公報

気筒数制御形式の多気筒内燃機関の場合、一部気筒が休止して運転中は、稼動気筒の排気ポート側排気管から集合排気管の合流領域に流入した排気ガスが触媒の一部に局部的に集中して触媒の全体を効率的に利用できないことがあるが、特許文献１は、合流領域に排気ガスの流れを乱す拡散板を複数設けることにより、気筒休止中に集合排気管の合流領域に流入した排気ガスを拡散板により広く拡散して触媒全体に作用するようにして浄化効率の向上を図っている。

一部気筒が休止して運転中、一方の常時稼動気筒からは、一酸化炭素ＣＯ，炭化水素ＨＣ，窒素酸化物ＮＯｘが含まれる排気ガスが排出されるが、他方の休止気筒は空転しており、休止気筒からは空気が排出されるとともに、その排出空気には炭化水素ＨＣが含まれている。

したがって、集合排気管の合流領域では、休止気筒から排出される空気により酸素過多の状態となるため、合流領域より下流の触媒によるＮＯｘ浄化が困難となる。
そこで、十分なＮＯｘ浄化を行うためには、触媒の容量を大きくする必要があり、排気浄化装置が大型化する。

本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、その目的とする処は、触媒の容量を小さく抑えて排気浄化装置の小型化を図りながら、ＣＯ浄化、ＨＣ浄化とともにＮＯｘ浄化も十分期待できる排気浄化装置を供する点にある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、
常時稼動気筒から延出する常時稼動側排気管(32d)と休止気筒から延出する休止側排気管(32r)とが、流路断面積が拡大した集合排気管(33)に集合した後に流路断面積を縮小した下流側排気管(34)に至る排気管構造を有し、
前記常時稼動側排気管(32d)から流入する常時稼動側排気ガスと前記休止側排気管(32r)から流入する休止側排気ガスとが前記集合排気管(33)の上流側の合流領域(33a)で合流し、合流した排気ガスが前記集合排気管(33)の下流側に配設された下流側三元触媒(42)を経て前記下流側排気管(34)に流入して排出される一部気筒休止可能な多気筒内燃機関の排気浄化装置において、
前記常時稼動側排気管(32d)における前記集合排気管(33)の前記合流領域(33a)に臨む開口を有する下流端管部(32de)に上流側三元触媒(41)が配設され、
前記集合排気管(33)は、前記常時稼動側排気ガスと前記休止側排気ガスとが合流する流路断面積が拡大した合流領域(33a)を上流側に備えるとともに、同合流領域(33a)に、前記常時稼動側排気管(32d)の前記下流端管部(32de)と前記休止側排気管(32r)における前記合流領域(33a)に臨む開口を有する下流端管部(32re)とが、互いに平行に延びて連結され、前記合流領域(33a)の下流側に、前記下流側三元触媒(42)を備え、
前記下流側排気管(34)は、前記集合排気管(33)における前記休止側排気管(32r)の下流端管部(32re)の延長領域(33b)側に偏った部位から延出し、
前記合流領域(33a)における前記上流側三元触媒(41)の下流位置に、前記休止側排気管(32r)の下流端管部(32re)の延長領域(33b)に向けて斜めに傾斜した整流斜板(45)が設けられたことを特徴とする多気筒内燃機関の排気浄化装置である。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載の多気筒内燃機関の排気浄化装置において、
前記上流側三元触媒(41)は、前記下流側三元触媒(42)より触媒容量が小さく、ＮＯｘ浄化を行う浄化性能を満たす触媒容量とし、
前記下流側三元触媒(42)は、前記上流側三元触媒(41)と合わせて、主にＣＯ浄化とＨＣ浄化を行う浄化性能を満たす触媒容量とすることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、
請求項１記載の多気筒内燃機関の排気浄化装置において、
前記上流側三元触媒(41)は、前記下流側三元触媒(42)より触媒容量が大きいことを特徴とする。

請求項１記載の多気筒内燃機関の排気浄化装置によれば、常時稼動側排気管(32d)から流入する常時稼動側排気ガスと休止側排気管(32r)から流入する休止側排気ガスとが集合排気管(33)の上流側の合流領域(33a)で合流し、合流した排気ガスが集合排気管(33)の下流側に配設された下流側三元触媒(42)を経て下流側排気管(34)に流入して排出される一部気筒休止可能な多気筒内燃機関の排気浄化装置において、常時稼動側排気管(32d)における前記集合排気管(33)の上流側の合流領域(33a)に臨む開口を有する下流端管部(32de)に上流側三元触媒(41)が配設されるので、一部気筒が休止して運転中、一方の常時稼動気筒(C1,C4)から排出される一酸化炭素ＣＯ，炭化水素ＨＣ，窒素酸化物ＮＯｘが含まれる排気ガスは、上流側三元触媒(41)により浄化され、その際にＮＯｘが浄化できる程度の小容量の上流側三元触媒(41)で、ＣＯ，ＨＣとともに、特にＮＯｘを浄化した排気ガスを集合排気管(33)の上流側の合流領域(33a)に流入することができ、他方の休止気筒(C2,C3)から排出されるＨＣを含む空気と合流した排気ガスは、下流側三元触媒(42)でＮＯｘ浄化の負担が小さくてすみ、さらにＣＯとＨＣの浄化も上流側三元触媒と分担して行うことができるため、下流側三元触媒(42)も小容量ですみ、上流側三元触媒(41)と下流側三元触媒(42)の全体の触媒容量を減らすことができ排気浄化装置(40)を小型化しながら、ＣＯとＨＣの浄化とＮＯｘの浄化の双方の浄化能力を高く維持することができる。
また、常時稼動側排気管(32d)の下流端管部(32de)と休止側排気管(32r)における前記集合排気管(33)の上流側の合流領域(33a)に臨む開口を有する下流端管部(32de)とが、互いに平行に延びて集合排気管(33)に連結され、集合排気管(33)における休止側排気管(32r)の下流端管部(32re)の延長領域(33b)側に偏った部位から下流側排気管(34)が延出するので、休止側排気管(32r)の下流端管部(32re)から集合排気管(33)を経て下流側排気管(34)に流れる仮想休止側排気流路(Rr)が直線的であるのに対して、常時稼動側排気管(32d)の下流端管部(32de)から集合排気管(33)を経て下流側排気管(34)に流れる仮想常時稼動側排気流路(Rd)が、集合排気管(33)内で仮想休止側排気流路(Rr)に近づくように曲がって長くなり、排気の進行方向に対する通気抵抗が増すことになり、実際は上流側三元触媒(41)を出た常時稼動側排気ガスは、集合排気管(33)の上流側の合流領域(33a)で拡散しやすくなり、下流側三元触媒(42)に全体的に均等に作用して、効率良く排気ガス浄化を行うことができる。
そして、集合排気管(33)の上流側の合流領域(33a)における上流側三元触媒(41)の下流位置に、休止側排気管(32r)の下流端管部(32re)の延長領域(33b)に向けて斜めに傾斜した整流斜板(45)が設けられるので、常時稼動側排気管(32d)の下流端管部(32de)から上流側三元触媒(41)を通って集合排気管(33)の上流側の合流領域(33a)に流入する高温の常時稼動側排気ガスは、一部が整流斜板(45)により休止側排気管(32r)の下流端管部(32re)の延長領域(33b)に向けて流れて下流側三元触媒(42)に至るため、下流側三元触媒(42)を全体的に加熱して活性化し、下流側三元触媒(42)を全体的に均等に使用し、休止気筒(C2,C3)が休止から稼動に切り替わった直後の増加するＣＯとＨＣの浄化も可能で、効率良く排気ガス浄化を行うことができる。

請求項２記載の多気筒内燃機関の排気浄化装置によれば、上流側三元触媒(41)は、下流側三元触媒(42)より触媒容量が小さく、ＮＯｘ浄化を行う浄化性能を満たす触媒容量とし、下流側三元触媒(42)は、上流側三元触媒(41)と合わせて、主にＣＯ浄化とＨＣ浄化を行う浄化性能を満たす触媒容量とするので、上流側三元触媒(41)と下流側三元触媒(42)の全体の触媒容量を減らし、排気浄化装置(40)を小型化し、かつ排気浄化能力を高く維持することができる。

請求項３記載の多気筒内燃機関の排気浄化装置によれば、上流側三元触媒(91)は、下流側三元触媒(92)より触媒容量が大きいので、内燃機関の全気筒が稼動する機会が少ない設定、すなわち休止気筒を休止して常時稼動気筒のみを稼働する頻度が多い設定の場合に、下流側三元触媒(92)は浄化に大きな負担を要求されず上流側三元触媒(91)より小容量ですみ、全体の触媒容量を減らすことが可能で排気浄化装置を小型化できる。

本発明の一実施の形態に係る自動二輪車の全体側面図である。 排気経路の概略図である。 集合排気管およびその周辺の水平面で切断した概略断面図である。 別の実施の形態の集合排気管およびその周辺の水平面で切断した概略断面図である。

以下、本発明に係る一実施の形態について図１ないし図３に基づいて説明する。
図１は、本発明を適用した一実施の形態に係る自動二輪車１の側面図である。
なお、本明細書の説明および特許請求の範囲において、前後左右の向きは、本実施の形態に係る自動二輪車１の直進方向を前方とする通常の基準に従うものとする。

自動二輪車１の車体フレームＦは、ヘッドパイプ２と、該ヘッドパイプ２から後方に延びるとともに燃料タンク13を支持する左右一対のメインフレーム３と、メインフレーム３の後部に接続されて後方に延びるとともにシート14を支持する左右一対のシートレール４と、メインフレーム３の後部とシートレール４の後部とを連結する左右一対のリヤフレーム５とを備える。

ヘッドパイプ２には、下端部に前輪11が軸支されるとともに上端部にハンドル７が取り付けられたフロントフォーク６が操向可能に支持される。
各メインフレーム３の後部から下方に延びる左右一対のピボットプレート８に設けられたピボット軸９には、後端部に後輪12が軸支される左右一対のスイングアーム10の前端部が揺動可能に支持される。

この車体フレームＦのメインフレーム３とピボットプレート８に支持されて内燃機関20が搭載されている。
本内燃機関20は、直列４気筒の水冷式４ストローク内燃機関であり、クランク軸を左右水平方向に指向させて所謂横置き配置で車体フレームＦに搭載されている。
したがって、４つの気筒Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は、左右方向に直列に配置されている。

内燃機関20の若干前傾して起立した気筒のシリンダヘッド21の後部からは吸気管22が上方に延出し、スロットルボディ23を経てエアクリーナ24に至る吸気系が構成されている。
なお、エアクリーナ24は、燃料タンク13の底壁の上方に凹出した凹部に配置されている。

内燃機関20の左右配列される気筒Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４のうち外側２気筒Ｃ１，Ｃ４が常時稼動気筒であり、内側２気筒Ｃ２，Ｃ３が休止気筒である。

図１とともに排気経路の概略図である図２を参照して、内燃機関20のシリンダヘッド21の前部からは各気筒Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４毎に排気管31_１，31_２，31_３，31_４が下方に延出し、外側２本の排気管31_１と排気管31_４が合流して常時稼動側排気管32ｄとなって後方に延びて内燃機関20のクランクケース下面に沿って配置された集合排気管33に連結し、内側２本の排気管31_２と排気管31_３が合流して休止側排気管32ｒとなって後方に延びて前記集合排気管33に連結している。
集合排気管33からは下流側排気管34が後方に延出して後輪12に沿って配置されたマフラー35に至っている。

集合排気管33は、左右幅が広く上下幅が狭い扁平な内空間を有した扁平な拡張管であり、常時稼動側排気管32ｄと休止側排気管32ｒが左右に並んで集合排気管33の前端に連結され、集合排気管33の後端から下流側排気管34が延出している。
このような上下幅が狭い扁平な集合排気管33が内燃機関20のクランクケース下面に沿って配置されるので、内燃機関20を低い位置として低重心化が図れる。

図３は、集合排気管33およびその周辺の水平面で切断した概略断面図である。
同図３を参照して、常時稼動側排気管32ｄにおける集合排気管33の上流側の合流領域33ａに臨む開口を有する下流端管部32deと休止側排気管32ｒにおける集合排気管33の上流側の合流領域33ａに臨む開口を有する下流端管部32reとが、互いに平行に延びて集合排気管33に連結している。
下流側排気管34は、集合排気管33における休止側排気管32ｒの下流端管部32reの延長領域33ｂ側に偏った部位から延出している。

すなわち、常時稼動気筒Ｃ１，Ｃ４から延出し合流した常時稼動側排気管32ｄと休止気筒Ｃ２，Ｃ３から延出し合流した休止側排気管32ｒとが、流路断面積が拡大した集合排気管33に集合した後に流路断面積を縮小した下流側排気管34に至る排気管構造が構成されている。

このような集合排気管33の下流側に下流側三元触媒42が流路全体に亘って配設されており、集合排気管33における下流側三元触媒42の上流側が合流領域33ａである。
常時稼動側排気管32ｄにおける集合排気管33の上流側の合流領域33ａに臨む開口を有する下流端管部32deに上流側三元触媒41が流路全体に亘って配設されている。

集合排気管33において下流側三元触媒42と上流側三元触媒41が上記のように所要位置に配設されて排気浄化装置40が構成されている。
集合排気管33の上流側の合流領域33ａにおける上流側三元触媒41の下流位置に、休止側排気管32ｒの下流端管部32reの延長領域33ｂに向けて斜めに傾斜した整流斜板45が複数設けられている。

内燃機関20が休止気筒Ｃ２，Ｃ３が休止して運転中、一方の常時稼動気筒Ｃ１，Ｃ４から排出される排気ガスには、一酸化炭素ＣＯ，炭化水素ＨＣ，窒素酸化物ＮＯｘが含まれ、他方の休止気筒Ｃ２，Ｃ３は空転して空気が排出されるが、その排出空気には炭化水素ＨＣが含まれている。

内燃機関20が一部気筒Ｃ２，Ｃ３を休止して運転中、一方の常時稼動気筒Ｃ１，Ｃ４から排出されるＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘが含まれる排気ガスは、常時稼動側排気管32ｄを流れて上流側三元触媒41を経て、上流側三元触媒41によりＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘは浄化される。
この上流側三元触媒41は、ＮＯｘが浄化できる程度の小容量の三元触媒とし、ＣＯ，ＨＣとともに、特にＮＯｘを浄化し、浄化した排気ガスを、図３に実線矢印で示すように、集合排気管33の上流側の合流領域33ａに流入する。

他方の休止気筒Ｃ２，Ｃ３から排出されるＨＣを含む空気も、図３に破線矢印で示すように、集合排気管33の上流側の合流領域33ａに流入するので、合流領域33ａでＣＯ，ＨＣとともに特にＮＯｘを浄化した排気ガスとＨＣを含む空気が合流し、下流側三元触媒42に作用する。

集合排気管33の上流側の合流領域33ａで酸素過多となってもＮＯｘは上流側三元触媒41により浄化されているので、下流側三元触媒42ではＮＯｘ浄化の負担が小さくてすみ、さらに、ＣＯとＨＣの浄化は、上流側三元触媒41と分担して行うことができるので、下流側三元触媒42の負担は一層軽減され、触媒の容量は小さくてすむ。

上流側三元触媒41は、下流側三元触媒42より触媒容量が小さく、ＮＯｘ浄化を行う浄化性能を満たす小さい触媒容量に設定し、下流側三元触媒42は、上流側三元触媒41と合わせて、主にＣＯ浄化とＨＣ浄化を行う浄化性能を満たす程度の小さい触媒容量に設定することができ、上流側三元触媒41と下流側三元触媒42の全体の触媒容量を減らし、排気浄化装置40を小型化しながら、ＣＯとＨＣの浄化とＮＯｘの浄化の双方の浄化能力を高く維持することができる。

常時稼動側排気管32ｄの下流端管部32deと休止側排気管32ｒの下流端管部32reとが、互いに平行に延びて集合排気管33に連結され、集合排気管33における休止側排気管32ｒの下流端管部32reの延長領域33ｂ側に偏った部位から下流側排気管34が延出しているので、休止側排気管32ｒの下流端管部32reから集合排気管33を経て下流側排気管34に流れる仮想休止側排気流路Ｒｒ（図３に１点鎖線で示す）が、集合排気管33内で直線的であるのに対して、常時稼動側排気管32ｄの下流端管部32deから集合排気管33を経て下流側排気管34に流れる仮想常時稼動側排気流路Ｒｄ（図３に２点鎖線で示す）が、集合排気管33内で仮想休止側排気流路Ｒｒに近づくように曲がって長くなり、排気の進行方向に対する通気抵抗が増すことになり、実際は上流側三元触媒41を出た排気ガスは、集合排気管33の上流側の合流領域33ａで拡散しやすくなり、下流側三元触媒42に全体的に均等に作用して、効率良く排気ガス浄化を行うことができる。

集合排気管33の上流側の合流領域33ａにおける上流側三元触媒41の下流位置に、休止側排気管32ｒの下流端管部32reの延長領域33ｂに向けて斜めに傾斜した整流斜板45が設けられるので、常時稼動側排気管32ｄの下流端管部32deから上流側三元触媒41を通って集合排気管33の上流側の合流領域33ａに流入する高温の排気ガスは、一部が整流斜板45により休止側排気管32ｒの下流端管部32reの延長領域33ｂに向けて流れて下流側三元触媒42に至るので、下流側三元触媒42を全体的に加熱して活性化し、下流側三元触媒42を全体的に均等に使用し、休止気筒Ｃ２，Ｃ３が休止から稼動に切り替わった直後の増加するＣＯとＨＣの浄化も可能で、効率良く排気ガス浄化を行うことができる。

なお、内燃機関20が全気筒Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を稼動して運転しているときは、休止気筒Ｃ２，Ｃ３も稼動することから休止気筒Ｃ２，Ｃ３から排出される排気ガスにもＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘが含まれ、そのまま集合排気管33の上流側の合流領域33ａに入るが、常時稼動気筒Ｃ１，Ｃ４から排出される排気ガスのＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘは、上流側三元触媒41により浄化されて集合排気管33の上流側の合流領域33ａに入るので、下流側三元触媒42の浄化の負担は軽減されていて、下流側三元触媒42が小容量であっても休止気筒Ｃ２，Ｃ３から排出される排気ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘを十分浄化することができる。

次に、内燃機関の全気筒が稼動する機会が少ない設定、すなわち休止気筒を休止して常時稼動気筒のみを稼働する頻度が多い設定の場合における別の実施の形態について、図４に示し説明する。

休止側排気管82ｒと常時稼動側排気管82ｄが集合する集合排気管83の下流側排気管84側に下流側三元触媒92が流路全体に亘って配設されており、集合排気管83における下流側三元触媒92の上流側が合流領域83ａである。
常時稼動側排気管82ｄにおける集合排気管83の上流側の合流領域83ａに臨む開口を有する下流端管部82deに上流側三元触媒91が流路全体に亘って配設されている。

集合排気管83は、下流側の流路断面積が小さくなっており、その小さくなった流路に小容量の下流側三元触媒92が介装されている。
下流端管部82deに介装される上流側三元触媒91は、下流側三元触媒92より触媒容量が大きい。

内燃機関の全気筒が稼動する機会が少ない設定、すなわち休止気筒を休止して常時稼動気筒のみを稼働する頻度が多い設定の場合に、下流側三元触媒92は浄化に大きな負担を要求されず上流側三元触媒91より小容量ですみ、全体の触媒容量を減らすことが可能で排気浄化装置を小型化できる。

１…自動二輪車、
20…内燃機関、Ｃ１，Ｃ４…常時稼動気筒、Ｃ２，Ｃ３…休止気筒、21…シリンダヘッド、22…吸気管、
31_１，31_２，31_３，31_４…排気管、32ｄ…常時稼動側排気管、32de…下流端管部、32ｒ…休止側排気管、32re…下流端管部、33…集合排気管、33ａ…合流領域、33ｂ…延長領域、34…下流側排気管、35…マフラー、
40…排気浄化装置、41…上流側三元触媒、42…下流側三元触媒、45…整流斜板、
91…上流側三元触媒、92…下流側三元触媒。

Claims (3)

1. 常時稼動気筒から延出する常時稼動側排気管(32d)と休止気筒から延出する休止側排気管(32r)とが、流路断面積が拡大した集合排気管(33)に集合した後に流路断面積を縮小した下流側排気管(34)に至る排気管構造を有し、
   前記常時稼動側排気管(32d)から流入する常時稼動側排気ガスと前記休止側排気管(32r)から流入する休止側排気ガスとが前記集合排気管(33)の上流側の合流領域(33a)で合流し、合流した排気ガスが前記集合排気管(33)の下流側に配設された下流側三元触媒(42)を経て前記下流側排気管(34)に流入して排出される一部気筒休止可能な多気筒内燃機関の排気浄化装置において、
   前記常時稼動側排気管(32d)における前記集合排気管(33)の前記合流領域(33a)に臨む開口を有する下流端管部(32de)に上流側三元触媒(41)が配設され、
   前記集合排気管(33)は、前記常時稼動側排気ガスと前記休止側排気ガスとが合流する流路断面積が拡大した合流領域(33a)を上流側に備えるとともに、同合流領域(33a)に、前記常時稼動側排気管(32d)の前記下流端管部(32de)と前記休止側排気管(32r)における前記合流領域(33a)に臨む開口を有する下流端管部(32re)とが、互いに平行に延びて連結され、前記合流領域(33a)の下流側に、前記下流側三元触媒(42)を備え、
   前記下流側排気管(34)は、前記集合排気管(33)における前記休止側排気管(32r)の下流端管部(32re)の延長領域(33b)側に偏った部位から延出し、
   前記合流領域(33a)における前記上流側三元触媒(41)の下流位置に、前記休止側排気管(32r)の下流端管部(32re)の延長領域(33b)に向けて斜めに傾斜した整流斜板(45)が設けられたことを特徴とする多気筒内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記上流側三元触媒(41)は、前記下流側三元触媒(42)より触媒容量が小さく、ＮＯｘ浄化を行う浄化性能を満たす触媒容量とし、
   前記下流側三元触媒(42)は、前記上流側三元触媒(41)と合わせて、主にＣＯ浄化とＨＣ浄化を行う浄化性能を満たす触媒容量とすることを特徴とする請求項１記載の多気筒内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記上流側三元触媒(41)は、前記下流側三元触媒(42)より触媒容量が大きいことを特徴とする請求項１記載の多気筒内燃機関の排気浄化装置。

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