JP7020124B2 - 内燃機関の二次空気供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の二次空気供給装置に関するものである。

内燃機関の排気通路に設けられた触媒の昇温等を図るために、排気通路に二次空気を供給する二次空気供給装置が知られている（例えば特許文献１など）。
ところで、排気通路に接続された二次空気供給通路に排気が逆流すると、二次空気供給通路に設けられている制御バルブやエアポンプなどに排気熱による悪影響が及ぶおそれがある。そこで、特許文献１に記載の二次空気供給装置では、二次空気供給通路内への排気の逆流を抑えるために、同二次空気供給通路の途中に拡張通路部を設けるようにしている。

特開２００７－２４７５２９号公報

ところで、二次空気供給通路の途中に拡張通路部を設けると、その拡張通路部において二次空気の流れが滞留しやすくなるため、排気通路に導入される二次空気の流量が低下するおそれがある。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気の逆流を抑えつつ二次空気の流量低下を抑えることのできる内燃機関の二次空気供給装置を提供することにある。

上記課題を解決する内燃機関の二次空気供給装置は、内燃機関の排気通路に二次空気を供給する二次空気供給通路を備えている。そして、前記二次空気供給通路は、同二次空気供給通路から分岐しており二次空気が流れる通路上を除いた部分に設けられて末端が閉塞された分岐通路を有している。

同構成によれば、二次空気供給通路に逆流した排気は、二次空気が流れる通路上を除いた部分に設けられた上記分岐通路内で滞留するため、二次空気供給通路において分岐通路が分岐した位置よりも二次空気上流側に向かって排気が逆流することが抑えられる。そして、この分岐通路は、二次空気が流れる通路上を除いた部分に設けられているため、二次空気の流れを阻害しにくい。従って、同構成によれば、排気の逆流を抑えつつ二次空気の流量低下を抑えることができるようになる。

内燃機関の二次空気供給装置を具体化した第１実施形態について、二次空気供給装置とともにその適用対象となる内燃機関の構造を示す模式図。 同実施形態の二次空気供給装置が備える第２供給通路の拡大図。 内燃機関の二次空気供給装置を具体化した第２実施形態について、二次空気供給装置とともにその適用対象となる内燃機関の構造を示す模式図。 同実施形態の二次空気供給装置が備える制御バルブの構造を示す断面図。 内燃機関の二次空気供給装置を具体化した第３実施形態について、二次空気供給装置とともにその適用対象となる内燃機関の構造を示す模式図。 同実施形態の二次空気供給装置が備える第２供給通路の構造を拡大して示す断面図。 内燃機関の二次空気供給装置を具体化した第４実施形態について、二次空気供給装置が備える第２供給通路の構造を拡大して示す断面図。 同実施形態の二次空気供給装置が備える第２供給通路の構造を拡大して示す断面図。

（第１実施形態）
以下、内燃機関の二次空気供給装置を具体化した第１実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。

図１に示すように、内燃機関では、シリンダ内の燃焼室１において燃料と空気の混合気の燃焼が行われ、その燃焼ガスが排気として排気通路２に排出される。排気は排気通路２の途中に設けられた触媒３を通過する際に浄化される。

一方、排気通路２において触媒３よりも排気上流に位置する部位には、排気に二次空気を供給するための二次空気供給装置２０が接続されている。
二次空気供給装置２０は、二次空気を排気通路２に供給する第１供給通路１０Ａ及び第２供給通路１０Ｂを有する二次空気供給通路１０、空気を加圧して吐出するエアポンプ５、二次空気の流量を制御する制御バルブ６、エアポンプ５や制御バルブ６の作動を制御する制御装置７などによって構成されている。

エアポンプ５の二次空気下流側には、上記第１供給通路１０Ａを介して制御バルブ６が接続されている。制御バルブ６は、二次空気の流量を調整する弁体を有した周知のバルブであり、エアポンプ５の作動時には開弁し、エアポンプ５の非作動時には閉弁している。制御バルブ６の二次空気下流側には、上記第２供給通路１０Ｂを介して排気通路２が接続されている。

図２に示すように、第２供給通路１０Ｂは、制御バルブ６と排気通路２とを接続するとともに途中に湾曲部１１Ｗを備える主通路１１を有している。主通路１１において湾曲部１１Ｗよりも二次空気下流側の部位は直線状に延びた直線部１１Ｌとなっている。また、第２供給通路１０Ｂは、主通路１１の湾曲部１１Ｗから分岐した通路を構成する管であって直線部１１Ｌと直線状に繋がる分岐管１３を有している。この分岐管１３は、例えば鉛直方向上方に向かって延びており、その末端部分は閉塞されている。また、分岐管１３の内径は直線部１１Ｌの内径とほぼ同じになっている。

本実施形態の作用及び効果について説明する。
（１）図２に示すように、排気通路２から二次空気供給通路１０の第２供給通路１０Ｂに逆流した排気（破線にて図示）は、第２供給通路１０Ｂにおいて二次空気（一点鎖線にて図示）が流れる主通路１１を除いた部分に設けられた上記分岐管１３に流れ込んで同分岐管１３内に滞留する。そのため、第２供給通路１０Ｂにおいて分岐管１３が分岐した位置よりも二次空気上流側に向かって排気が逆流することが抑えられる。従って、制御バルブ６やエアポンプ５などの二次空気供給装置２０を構成する部材に対して排気熱による悪影響が及ぶことが抑えられる。また、分岐管１３は、二次空気が流れる主通路１１上を除いた部分に設けられているため、二次空気は分岐管１３内に流れ込みにくく、二次空気の流れを阻害しにくい。従って、排気の逆流を抑えつつ二次空気の流量低下を抑えることができる。

（２）また、従来のように、二次空気供給通路の途中に拡張通路部を設けると、その拡張通路部に排気の凝縮水やデポジットが溜まりやすくなる。一方、本実施形態では、分岐管１３が主通路１１の直線部１１Ｌと直線状に繋がった状態で鉛直方向上方に延びており、また、分岐管１３の内径が直線部１１Ｌの内径とほぼ同じになっているため、分岐管１３内に排気の凝縮水やデポジットが溜まることも抑えられる。

（第２実施形態）
次に、内燃機関の二次空気供給装置を具体化した第２実施形態について、図３及び図４を参照して説明する。

第１実施形態で説明した第２供給通路１０Ｂは分岐管１３を備えていた。一方、図３に示すように、本実施形態の第２供給通路１０Ｃは、分岐管１３を有しておらず１本の通路で構成されている。そして、本実施形態の二次空気供給装置２０は、二次空気の流量を調整する制御バルブとして、図４に示す制御バルブ６０を備えている。

図４に示すように、制御バルブ６０は、本体部６１を備えており、本体部６１の内部には、二次空気が流れる流路６２や、流路６２を開閉する弁体６３や、弁体６３を駆動する電磁コイル６４が設けられている。また、本体部６１には、流路６２において二次空気上流側の開口部を構成しており第１供給通路１０Ａが接続される入口開口部６５や、流路６２において二次空気下流側の開口部を構成しており第２供給通路１０Ｃが接続される出口開口部６６が設けられている。

そして、本体部６１の内部には、出口開口部６６から本体部６１の内部に向かって直線状に延びる流路６２を構成する出口側流路６７が形成されており、この出口側流路６７の末端、つまり出口側流路６７において出口開口部６６に対向する部位には壁６８が設けられている。また、出口側流路６７よりも二次空気上流側の流路６２は、出口側流路６７の形成方向Ｋ（出口開口部６６から本体部６１の内部に向かう方向）に対して概ね鈍角となる方向から出口側流路６７に繋がるように形成されている。

本実施形態の作用及び効果について説明する。
（１）図４に示すように、排気通路２から第２供給通路１０Ｃを介して制御バルブ６０の出口側流路６７に逆流してきた排気（破線にて図示）は、出口開口部６６に対向する部位に設けられた壁６８に突き当たり、その流れが壁６８の近傍で淀むようになる。そのため、流路６２において出口側流路６７よりも二次空気上流側に向かって排気が逆流することが抑えられる。そのため、制御バルブ６０やエアポンプ５などの二次空気供給装置２０を構成する部材に対して排気熱による悪影響が及ぶことが抑えられる。また、入口開口部６５から流路６２に流れてきた二次空気（一点鎖線にて図示）は、出口側流路６７に流れ込む際に壁６８に突き当たらないため、二次空気の流れが阻害されにくい。従って、本実施形態でも、排気の逆流を抑えつつ二次空気の流量低下を抑えることができる。

（２）制御バルブ６０内の流路６２は一般的に複雑な形状をなしているため、流路６２を流れる際には二次空気の流れが乱れやすい。そこで本実施形態では、流れがもともと乱れやすい制御バルブ６０に上記壁６８を設けるようにしている。そのため、二次空気が整流された状態で流れる部位（例えば第２供給通路１０Ｃにおいて直線状に延びる部位など）に壁６８を設ける場合と比較して、壁６８の設置が二次空気の流れに与える影響を小さくすることができる。

なお、流路６２において弁体６３により開閉される部位は、一般に流路が狭く複雑な形状になっているため、二次空気の流れが特に乱れやすい部位となっている。そのため、壁６８の設置が二次空気の流れに与える影響をできる限り小さくするには、流路６２において弁体６３により開閉される部位の近傍に壁６８を設けることが好ましい。

（第３実施形態）
次に、内燃機関の二次空気供給装置を具体化した第３実施形態について、図５及び図６を参照して説明する。

図５に示すように、本実施形態の二次空気供給装置２０が備える制御バルブ６は、第１実施形態の制御バルブ６と同じである。また、本実施形態の二次空気供給装置２０が備える第２供給通路１０Ｃは、第２実施形態の第２供給通路１０Ｃと同様に分岐管１３を有しておらず１本の通路で構成されている。ただし、図６に示すように、本実施形態の第２供給通路１０Ｃは内部にオリフィス３０を備えている。

図６に示すように、第２供給通路１０Ｃの内周面には、二次空気下流側に向かうほど孔径が小さくなるテーパ形状のオリフィス３０が設けられている。なお、本実施形態では、第２供給通路１０Ｃの内周面にオリフィス３０を組み付けるようにしているが、第２供給通路１０Ｃの内周面にオリフィス３０を一体形成してもよい。

そして、第２供給通路１０Ｃの二次空気上流側が鉛直方向上方を向くように、同第２供給通路１０Ｃは排気通路２に接続されている。
本実施形態の作用及び効果について説明する。

（１）図６に示すように、排気通路２から第２供給通路１０Ｃに逆流してきた排気（破線にて図示）がオリフィス３０を通過する際には、オリフィス３０において最も孔径の小さい二次空気下流側の部位から排気は通過することになる。従って、排気が流れる部位の流路断面積は、第２供給通路１０Ｃにおいてオリフィス３０が設けられていない部分の流路断面積から、オリフィス３０の最小流路断面積へと急激に縮小するため、オリフィス３０を通過する際には排気に大きな乱れが生じ、排気はオリフィス３０を通過しにくい状態になる。そのため、オリフィス３０よりも二次空気上流側に向かって第２供給通路１０Ｃ内を排気が逆流することを抑えることができる。従って、制御バルブ６やエアポンプ５などの二次空気供給装置２０を構成する部材に対して排気熱による悪影響が及ぶことが抑えられる。

一方、制御バルブ６から第２供給通路１０Ｃに流入してきた二次空気（一点鎖線にて図示）がオリフィス３０を通過する際には、二次空気の流路断面積が徐々に小さくなっていくため、排気がオリフィス３０を通過する場合と比べて、二次空気には大きな乱れが生じにくい。そのため、排気がオリフィス３０を通過する場合と比較して、二次空気はオリフィス３０を通過しやすい状態になる。つまり、オリフィス３０を通過する際の二次空気の流れは、オリフィス３０を通過する際の排気の流れと比べて阻害されにくい。従って、本実施形態でも、排気の逆流を抑えつつ二次空気の流量低下を抑えることができる。

（２）第２供給通路１０Ｃの二次空気上流側が鉛直方向上方となるように、同第２供給通路１０Ｃは排気通路２に接続されている。ここで、オリフィスがテーパ形状をなしておらず、例えば平板状であって孔だけが空いている場合には、オリフィスにおいて二次空気上流側に位置する壁面には排気の凝縮水が溜まるおそれがある。この点、本実施形態では、オリフィス３０が二次空気下流側に向かうほど孔径が小さくなるテーパ形状になっている。そのため、図６に示すように、オリフィス３０において二次空気上流側に位置する壁面に排気の凝縮水Ｇが付着しても、その付着した凝縮水Ｇは、オリフィス３０の壁面に沿って鉛直方向下方に流れていき、オリフィス３０の孔から排気通路２内に落ちていく。従って、オリフィス３０において二次空気上流側に位置する壁面に凝縮水Ｇが溜まることを抑えることができる。

（第４実施形態）
次に、内燃機関の二次空気供給装置を具体化した第４実施形態について、図７及び図８を参照して説明する。

本実施形態の二次空気供給装置２０は、第３実施形態の二次空気供給装置２０と比較して、第２供給通路１０Ｃの内部構造のみが異なっている。そこで以下では、そうした相異点を中心にして本実施形態の二次空気供給装置２０を説明する。

図７に示すように、本実施形態の二次空気供給装置２０が備える第２供給通路１０Ｃの内周面には、排気通路２から制御バルブ６への排気の逆流を抑える一方で、制御バルブ６から排気通路２への二次空気の流入を許容する逆止弁４０を備えている。

逆止弁４０は、第２供給通路１０Ｃの内部を開閉する弁体４２と、弁体４２を回動可能に支持する軸４１と、軸４１に設けられて弁体４２を二次空気上流側に付勢するスプリング４３とを備えている。そして、第２供給通路１０Ｃの内周面には、二次空気上流側への弁体４２の回動を規制するとともに弁体４２の弁座として機能する突起４４が設けられている。

本実施形態の作用及び効果について説明する。
（１）図７に示すように、排気通路２への二次空気の導入が行われていないときには、スプリング４３によって付勢された弁体４２が突起４４に当接しており、逆止弁４０は閉じた状態になる。そのため、第２供給通路１０Ｃにおいて弁体４２よりも二次空気上流側に排気が逆流することが抑えられる。従って、制御バルブ６やエアポンプ５などの二次空気供給装置２０を構成する部材に対して排気熱による悪影響が及ぶことが抑えられる。

一方、排気通路２への二次空気の導入が行われるときには、弁体４２が二次空気に押されて二次空気下流側に向かって回動することにより、同弁体４２は突起４４から離れ、これにより逆止弁４０は開いた状態になる。そのため、制御バルブ６から流れてきた二次空気は第２供給通路１０Ｃを通過して排気通路２に導入される。このように、本実施形態によれば、排気の逆流を抑えつつ二次空気を排気通路２に供給することができる。

（２）また、二次空気の導入時における突起４４からの弁体４２の離間量、つまり逆止弁４０の開弁量は、スプリング４３のばね定数を調整することにより任意に設定することが可能であり、そうした開弁量を調整することにより排気通路２に導入される二次空気の流量を調整することが可能になる。

なお、例えば過剰な量の二次空気が排気通路２に導入されると、触媒３の昇温が妨げられるおそれがある。そこで、スプリング４３のばね定数を適切に設定することにより、そうした過剰な量の二次空気が排気通路２に導入されることを抑えることも可能になる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・第３実施形態では、第２供給通路１０Ｃの二次空気上流側が鉛直方向上方を向くように同第２供給通路１０Ｃを排気通路２に接続した。この他、第２供給通路１０Ｃの二次空気上流側が鉛直方向上方とは異なる方向を向くように第２供給通路１０Ｃを排気通路２に接続してもよい。この場合でも、少なくとも第３実施形態で説明した（１）の作用効果を得ることができる。

・第４実施形態で説明した逆止弁４０の構造は一例であり、他の構造を有する逆止弁でもよい。
・第１実施形態で説明した分岐管１３や、第３実施形態で説明したオリフィス３０や、第４実施形態で説明した逆止弁４０を、第１供給通路１０Ａに適用してもよい。

１…燃焼室、２…排気通路、３…触媒、５…エアポンプ、６…制御バルブ、７…制御装置、１０…二次空気供給通路、１０Ａ…第１供給通路、１０Ｂ…第２供給通路、１０Ｃ…第２供給通路、１１…主通路、１１Ｗ…湾曲部、１１Ｌ…直線部、１３…分岐管、２０…二次空気供給装置、３０…オリフィス、４０…逆止弁、４１…軸、４２…弁体、４３…スプリング、４４…突起、６０…制御バルブ、６１…本体部、６２…流路、６３…弁体、６４…電磁コイル、６５…入口開口部、６６…出口開口部、６７…出口側流路、６８…壁。

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に二次空気を供給する二次空気供給通路を備えており、
   前記二次空気供給通路は、同二次空気供給通路から分岐しており二次空気が流れる通路上を除いた部分に設けられて末端が閉塞された分岐通路を有しており、
   前記二次空気供給通路は、二次空気上流側が鉛直方向上方を向くように、前記排気通路に接続されており、
   前記二次空気供給通路の内周面には、二次空気下流側に向うほど孔径が小さくなるテーパ形状のオリフィスが設けられている
   内燃機関の二次空気供給装置。

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