JPH0333410A - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、自動車エンジンなど内燃機関における排出ガ
スの浄化向上を図ることのできる内燃機関の排気装置に
関する。

（従来の技術） 自動車エンジンなどでは、排出ガス中に含まれる一酸化
炭素ＣＯは渋滞した交差点などでは高濃度を呈し、これ
は−酸化炭素中毒の原因になる可能性がある。また、同
様に排出ガス中に含まれる炭化水素ＨＣおよび窒素酸化
物ＮＯｘは大気中で太陽光線により光化学反応を起こし
て、オゾンＯＳや、その他の酸化性物質オキシダントＯ
ｘを形成し、光化学スモッグとなって人体の粘膜を侵す
など被害を引き起こす可能性がある。そのために、それ
ぞれ規制値を定めて排出ガスを浄化することが義務ずけ
られており、この排出ガスを浄化する装置として排出ガ
ス通路中に設ける触媒コンバータがある。

この触媒コンバータは、触媒担体として白金、バナジウ
ム、銅、マンガンなどのさまざまな金属および金属酸化
物をボール状の粒にし多量に容器内に詰めたものや、板
状のものを容器内に並べたものなどでなり、この中を排
出ガスが通過すると触媒担体によって毒性が吸収される
構造になっている。また、触媒コンバータ入口における
排出ガス温度が約３５０℃を超えて触媒担体温度もこれ
に近くなると触媒コンバータ転換効率が９０％を越すと
言うように、触媒担体温度に左右されて急激に活性化が
図れる。これは逆に、エンジンの冷却状態から始動され
て排出ガス温度と触媒担体温度が共に低いときには未活
性状態におかれ、暖まって活性化されるまでの約数十秒
の間は排出ガスが未浄化のまま排出されていることにな
る。

したがって、触媒コンバータ入口における排出ガス温度
を高めるためには、触媒コンバータをできるだけ燃焼室
に近づけて設けることが考えられる。しかし、始動後に
おいてエンジンが暖まると排出ガスも排気ポート付近で
は約９００〜１０００″Ｃと高温になる。そこで、従来
の内燃機関における排気装置では、排気マニホールド近
辺に触媒コンバータを装着した場合は高負荷時に高温の
排出ガスにさらされて熱劣化が起き易いので、高負荷時
における高温化を考慮し比較的後側に設けている。

〈発明が解決しようとする課題〉 このため、エンジンが冷えている状態で始動されると、
触媒コンバータが活性化されるまでの時間を多く要し、
その間は排出ガスが未浄化のまま排出されている問題点
があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的は排出ガスが浄化されるまでの時間を短縮させ、
有害物質を取り除いてきれいな排出ガスが短時間で得ら
れるようにした内燃機関の排出装置を提供することにあ
る。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明に係る内燃機関の排気
装置は、各気筒における複数個の排気ポート毎に設けた
開閉可能な排気弁と、前記排気ポートの一方と接続され
た主触媒コンバータと、前記主触媒コンバータよりも燃
焼室に近い位置で前記排気ポートの他方と接続されたウ
オームアツプ触媒コンバータと、前記ウオームアツプ触
媒コンバータに接続された前記排気ポート側の前記排気
弁と前記主虐媒コンバータに接続された前記排気ポート
側の前記排気弁とを開閉切り換え可能な制御手段とを設
けたものである。

（作用〉 このｉ或によれば、燃焼室より排出された排出ガスが通
される触媒コンバータを制御手段の切り換えで選択する
ことができる。そしてウオームアツプ触媒コンバータ側
へ流されると、このウオームアツプ触媒コンバータは主
触媒コンバータよりも燃焼室に近い位置で排気ポートに
接続されているので、このウオームアツプ触媒コンバー
タには途中のエキゾーストパイプなどで冷やされない暖
かいガスが導入される。したがって、まだ内燃機関が良
く暖まっていないときには、燃焼室から出たばかりの高
温ガスでウオームアツプ触媒コンバータ内の温度を素早
く高めて活性化し得る温度状態にし、このウオームアツ
プ触媒コンバータによって始動直後の排出ガスを浄化す
ることができる。逆に、内燃機関が暖まった後は、ウオ
ームアツプ触媒コンバータよりも離れた位置にある主触
媒コンバータ側へ流すと、排出ガスが暖まっているので
主触媒コンバータが直ぐに活性化する温度状態にされ、
その後の排出ガスを浄化することができる。したがって
、内燃機関が始動されてから触媒コンバータが活性化さ
れるまでの時間を短縮させることができる。

（実施例〉 以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明
する。

第１図および第２図は、本発明の排気装置を適用した内
燃機関の要部概略構造図である。この内燃機関では、エ
ンジン本体ｌに多数の気筒２が設けられている。そして
、各気筒２毎に、二つの吸気ポート３．４と二つの排気
ポート５．６とがそれぞれ設けられている。さらに、各
吸気ポート３．４は、一端側の開口３ａ、４ａが燃焼室
１３内に開放され、他端側の開口３ｂ、４ｂがエンジン
本体１の外壁面に開放されている。また、各開口３ａ、
４ａの部分には吸気弁７，８が取り付けられており、こ
の吸気弁７．８で各開口３ａ、４ａをそれぞれ個々に開
閉制御可能になっている。

これに対して反対側の各開口３ｂ、４ｂは、吸気マニホ
ールド１１．１２にそれぞれ接続されている。一方、各
排気ポート５．６は、一端側の開口５ａ、６ａが燃焼室
１３内に開放され、他端側の開口５ｂ、６ｂがエンジン
本体１の外壁面に開放されている。また、各開口５ａ、
６ａの部分には排気弁９．１０が取り付けられており、
排気弁９．１０で各開口５ａ、６をそれぞれ個々に開閉
制御可能になっている。これに対して反対側の各開口５
ａ、６ａは、排気マニホールド１４．１５にそれぞれ接
続されている。そして、この実施例では、一方の排気マ
ニホールド１４の下流で、かつ車体床下に位置して主触
媒コンバータ（不図示）が設けられているとともに、他
の排気マニホールド１５に連ながっている排気ポート６
の開目６ｂ バータ１６が設けられている．なお、主触媒コンバータ
とウオームアツプ触媒コンバータ１６は、通路上の長さ
で比べると主触媒コンバータの方がウオームアツプ触媒
コンバータ１６よりも燃焼室１３に近い位置に設けられ
ている．さらに、これら主触媒コンバータおよびウオー
ムアツプ触媒コンバータ１６は、触媒担体として白金、
バナジウム、銅、マンガン、セラミックなどのさまざま
な金属および金属酸化物を使用しており、一般的に良く
知られた触媒コンバータが適用される．また、エンジン
本体１には、ウォータジャケット１７内の水温を検出す
る水温センサｒ８が設けられている。

このように構成された内燃機関では、水温検出センサ１
８で検出される水温に応じて使用する排気弁９．１０を
決め、主触媒コンバータとウオームアツプ触媒コンバー
タ１６とを択一的に選択するようになっている．そして
、この選択は、制御手段１９（第３図参照〉の制御によ
ってなされる．この制御手段１９は、マイクロプロセッ
サを主体として構成されており、例えば第３図中に示す
フローに従って処理されるように予めプログラムされて
いる。

そこで、このプログラムと共にこの排気装置の作動を次
に説明する。

まず、キー（不図示）が差し込まれるとこのフローはス
タートし、電源がオンされる．また、電源がオンされる
と、排気弁９は動作されない休止状態で排気弁１０が動
作可能な起動状態となるモード、すなわち「モード１」
に装置全体が初期セットされる０次いで、水温センナ１
８から信号が入力され、このときの温度が主触媒コンバ
ータ内における触媒担体が活性化し得るに近い温度ｒＸ
’ｃＪ以上あるか否かを判定する．そして、水温が「Ｘ
℃」よりも低いときは「モード１」の状態を保持する．
この「モード１」では、エンジンが始動されると燃焼室
１３内で燃焼された排出ガスが順次、排気ポート６、ウ
オームアツプ触媒コンバータ１６．排気マニホールド１
５を通って排出される．この場合、ウオームアツプ触媒
コンバータ１６が排気ポート６内に設けられているので
、燃焼室１３より排出されたガスが直ぐにウオームアツ
プ触媒コンバータ１６内に入力されることになり、触媒
担体温度は触媒コンバータが活性化するのに必要な温度
に向かって急速に高められる．したがって、ウオームア
ツプ触媒コンバータ１６は直ぐに触媒コンバータ活性化
が図られ、このウオームアツプ触媒コンバータ１６内を
通った排出ガスは、有害物質が取られて浄化される。

また、この監視が繰り返して行われ、水温がｒＸＣＪよ
りも高くなった場合は、次に主触媒コンバータ内の触媒
担体が活性化し得るのに十分な温度ｒＹＣＪ以上あるか
否かを判定する．そして、水温がｒＹ”ｃＪよりも低い
ときは、排気弁つと排気弁１０の両方とも作動可能な起
動状態となるモード、すなわち「モード２」に切り換え
る。

すると、燃焼室１３内で燃焼された排出ガスは、「モー
ド１」のときよりも高温化された状態で、排気ポート５
と排気ポート６の両方を通って流れる．すなわち、主触
媒コンバータとウオームアツプ触媒コンバータ１６の両
方へ流れる．したがって、この場合では、排気ポート５
を通って主触媒コンバータ側へ流れる排出ガスが高温化
されているので、主触媒コンバータ内の触媒担体もすぐ
に活性化し得る状態に温められ、排出ガスの浄化が開始
される。これに対して、ウオームアツプ触媒コンバータ
１６側には、増々高温化された排出ガスが導入されるが
、主触媒コンバータ側に排出ガスが流れて行く分だけ導
入されて来る排出ガスの量が少なくなるので、ウオーム
アツプ触媒コンバータ１６側で受ける熱量は「モード１
」のときとさほど変わらず、熱劣化を防ぐことができる
。

さらに、エンジンの運転が続き、水温が「７℃」よりも
高くなると、排気弁１０は動作をしない休止状態で排気
弁９だけが起動状態となるモード、すなわち「モード３
」に切り換える。すると、燃焼室１３内で燃焼された排
出ガスは、排気ポート６を通してウオームアツプ触媒コ
ンバータ１６に通れるものがなくなり、全てが排気ポー
ト５を通って主触媒コンバータ側に流される。このとき
、主触媒コンバータ側へ流れる排出ガスは、主触媒コン
バータ内の触媒担体を活性化するのに十分な温度になっ
ているので、主触媒コンバータ内を通る排出ガスはこの
主触媒コンバータ内で浄化される。

そして、この制御はエンジンが起動されている間繰り返
して監視され、エンジンキーが切られて電源がオフにさ
れると終了する。

したがって、この構造による排気装置では、排出ガスの
温度が低い場合は燃焼室の近くに設けられたウオームア
ツプ触媒コンバータ１６に排出ガスが通され、触媒担体
の温度を急速に高めて触媒コンバータの活性化が図られ
る。また、排出ガスの温度が高くなると燃焼室より大き
く離れた主触媒コンバータを通して浄化することができ
る。これにより、触媒コンバータの活性化が始まるまで
の時間を短縮させることができるので、始動直後に多量
に排出される一酸化炭素ＣＯ１炭化水素ＨＣなとの有害
物質の排出量を少なくすることができる。また、主触媒
コンバータおよびウオームアツプ触媒コンバータ１６を
従来の装置に比べて長い間高温にさらしておくと言うこ
ともないので、熱劣化を少なくして寿命を向上させるこ
とができる。

第４図乃至第１３図は、本発明の排気装置を適用した内
燃機関の変形例をそれぞれ示した要部概略構造図である
。また第４図乃至第１３図において、第１図、第２図お
よび他の図と同一符号を付したものは第１図、第２図お
よび他の図と同一のものを示しており、その重複説明は
省略する。

そして、第４図および第５図は、第１図および第２図に
示した内燃機関の一部を変形した内燃機関を示したもの
である。この変形例では、排気ポート６における開口６
ａの内径寸法を、排気ポート５における開口５ａの内径
寸法および排気ポート６における開口６ｂの内径寸法よ
りも小さく形式したものである。また、ウオームアツプ
触媒コンバータ１６は開口６ｂ側に片寄らさせて排気ポ
ート６内に設けられている。そして、この構造による制
御は、第１図および第２図に示した構造と同じ制御手段
１９で行うことができる。

次に、第６図および第７図は、第１図および第２図に示
した本発明の排気装置を適用している内燃機関の構造を
さらに変形した別の変形例を示している要部概略構造図
である。この変形例では、第１図および第２図に示した
構造がウオームアツプ触媒コンバータ１６を排気ポート
６内に設けていたのに対して、排気ポート６の開口６ｂ
に隣接して排気マニホールド１５内にウオームアツプ触
媒コンバータ１６を設けたものである。そして、この構
造による制御も第１図および第２図に示した構造と同じ
制御手段１つで行うことができる。

第８図および第９図は、第４図および第５図に示した本
発明の排気装置を適用している内燃機関の構造における
一部をさらに変形した別の変形例を示している要部概略
構造図である。この変形例では、第４図および第５図に
示した構造が、ウオームアツプ触媒コンバータ１６を排
気ポート６内に設けていたのに対して、排気ポート６の
開口６ｂに隣接して排気マニホールド１５内にウオーム
アツプ触媒コンバータ１６を設けたものである。そして
、この構造による制御も第１図および第２図に示した構
造と同じ制御手段１９で行うことができる。

第１０図および第１１図は、第１図乃至第３図に示した
本発明の排気装置をさらに変形した別の変形例を示して
いる要部概略構造図である。この変形例では、水温セン
サ１８に代えて、排気マニホールド１４および排気マニ
ホールド１５内に排出ガス温度を検出する排温センサ２
０，２１をそれぞれ設けたものである。そして、この構
造では、水温信号に代えて排温センサ２０，２１からの
信号で排気弁９．１０をそれぞれ制御するようにしてい
る。

第１２図は、第１図および第２図に示した本発明の排気
装置をさらに変形した別の変形例を示している要部概略
構造図である。この変形例では、各気筒２に設けられて
いる排気マニホールド１５を途中の部分２２で連結させ
、この連結後の部分にウオームアツプ触媒コンバータ１
６を設けている。一方、各気筒２に設けられている排気
マニホールド１４も途中の部分２３で連結させ、この連
結部分２３にウオームアツプ触媒コンバータ１６の後側
で排気マニホールド部２４を連結させている。そして、
この構造による制御も第１図および第２図に示した構造
と同じ制御手段１９で行うことができる。

第１３図は、第１２図に示した本発明の排気装置をさら
に変形した別の変形例を示している要部概略構造である
。この変形例では、水温センサに代えて排気マニホール
ド１４．１５内に排温センサ２５．２６．２７をそれぞ
れ設けたものである。そして、この構造では水温信号に
代えて排温センサ２５．２６．２７からの信号で排気弁
９゜１０をそれぞれ制御するようにしている。

第１４図および第１５図は、ウオームアツプ触媒コンバ
ータ１６を設ける場合の構造を示したものである。この
実施例によるウオームアツプ触媒コンバータ１６は、一
端に鍔状部分１６ａが設けられており、この鍔状部分１
６ａとエンジン本体１との間に波形ワッシャ２８を介し
て鍔状部分１６ａがエンジン本体１に取り付けられる。

したがって、ウオームアツプ触媒コンバータ１６とエン
ジン本体１との触媒コンバータ面積が少なくなるので、
ウオームアツプ触媒コンバータ１６からエンジン本体１
に伝えられる熱量を少なくすることができる。そして、
第１４図に示したところのウオームアツプ触媒コンバー
タ１６の取り付は構造は、上記第１図および第２図、第
４図および第５図、第１０図および第１１図にそれぞれ
示した実施例に適用できるものである。一方、第１５図
に示したところのウオームアツプ触媒コンバータ１６の
取り付は構造は、上記第６図および第７図、第８図およ
び第９図にそれぞれ示した実施例に適用できるものであ
る。

なお、上記実施例では、制御手段１９で判断させる信号
が、水温センサ１８．排温センサ２０゜２１．２５，２
６．２７などから与えられる構造を開示したが、これ以
外にもＯａ　　（酸素）センサ、ＨＣ（炭化水素）セン
サなどを組み合わせて使用しても良いものである。

（発明の効果） 以上説明したとおり、本発明に係る内燃機関の排気装置
によれば、内燃機関が始動されてから触媒コンバータが
活性化されるまでの時間を短縮させることができるので
、始動直後に多量に排出される一酸化炭素ＣＯ９炭化水
素ＩＣなどの有害物質の排出量を少なくすることができ
る。また、従来の装置に比べて特に触媒コンバータを燃
焼室に近づけたままで配置するものでもないので、従来
の装置よりも熱劣化を起こし易いと言うような不都合も
なくなる。この結果、有害物質を取り除いてきれいな排
出ガスが短期間で得られるとともに、触媒コンバータの
寿命を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の排気装置を適用した内燃機関の要部概
略断面図、第２図は第１図に示した内燃機関を上面側よ
り見た概略構造図、第３図は第１図および第２図に示し
た同上排気装置を制御する手段内に組み込まれたプログ
ラムのフローチャート、第４図は第１図および第２図に
示した内燃機関の変形例を示す要部概略断面図、第５図
は第４図に示した内燃機関を上面側より見た概略構造図
、第６図は第１図および第２図に示した内燃機関の別の
変形例を示す要部概略断面図、第７図は第６図に示した
内燃機関を上面側より見た概略構造図、第８図は第４図
および第５図に示した内燃機関をさらに変形して示した
要部概略断面図、第９図は第８図に示した内燃機関を上
面側より見た概略構造図、第１０図は第１図および第２
図に示した内燃機関のさらに別の変形例を示す要部概略
断面図、第１１図は第１０図に示した内燃機関を上面側
より見た概略構造図、第１２図は第１図および第２図に
示した内燃機関のさらに別の変形例を示す概略構造図、
第１３図は第１２図に示した内燃機関をさらに変形した
変形例を示す概略構造図、第１４図は同上内燃機関に適
用可能なウオームアツプ触媒コンバータの取り付は構造
の一例を示した概略縦断面図、第１５図は同上内燃機関
に適用可能なウオームアツプ触媒コンバータの取り付は
構造の別の一例を示した概略縦断面図である。 気筒、 ５　。 ・排気ポート、９゜ 排気弁、 制御手段。 第 ３ 図 第 ２ 図 へ１ Ｘ ＼ 怖 ＼ 第 １３ 図 第 ４ 図 第 ５ 図 ／６久

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数個の排気ポートを持つ気筒を有した内燃機関の排気
   装置において、前記排気ポート毎に設けられた開閉可能
   な排気弁と、前記排気ポートの一方と接続された主触媒
   コンバータと、前記主触媒コンバータよりも燃焼室に近
   い位置で前記排気ポートの他方と接続されたウォームア
   ップ触媒コンバータと、前記ウォームアップ触媒コンバ
   ータに接続された前記排気ポート側の前記排気弁と前記
   主触媒コンバータに接続された前記排気ポート側の前記
   排気弁とを開閉切り換え可能な制御手段とを設けたこと
   を特徴とする内燃機関の排気装置。