JPH0777034A - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 機関暖機運転時における触媒活性を確保する
と共に機関暖機運転完了後における触媒の過加熱を阻止
する。 【構成】 排気マニホルド枝管９ａの下方に機関長手方
向に延びる触媒コンバータ１１を配置する。枝管９ａを
構成する上流管９ｃから下方に延びるバイパス管２１を
それぞれ分岐して各バイパス管２１を触媒コンバータ１
１に連結する。一方排気マニホルド集合部９ｂを排気ガ
ス導入管１０を介して触媒コンバータ１１に連結する。
機関暖機運転時には流路切換弁２２を位置２２Ａに制御
して排気ガスをバイパス管２１を介して触媒コンバータ
１１内に導く。一方、機関暖機運転完了後には流路切換
弁２２を位置２２Ｂに制御して排気ガスを排気マニホル
ド集合部９Ｂおよび排気ガス導入管１０を介して触媒コ
ンバータ１１内に導く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の排気装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】排気マニホルドに連結された排気管内に
第１の触媒を配置すると共に該第１触媒下流に位置する
排気管内に第２の触媒を配置し、第１触媒の上流側に位
置する排気管から分岐したバイパス管を第１触媒と第２
触媒間の排気管に連結し、排気マニホルド内を流通した
排気ガスを第１触媒かあるいはバイパス管に選択的に導
くための流路切換弁を設けて該流路切換弁の切換作用に
より機関低温時には排気ガスを上記第１触媒を介して第
２触媒に導くと共に機関高温時には排気ガスをバイパス
管を介して第２触媒に導くようにした内燃機関の排気装
置が公知である（特開昭６２−４１９４３号公報参
照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで機関暖機運転
の完了後触媒は触媒内に導かれた排気ガスの熱エネルギ
でもって加熱されているので触媒温度は比較的高くなっ
ており、その結果触媒活性が維持されている。ところが
機関暖機運転時には触媒温度が低いので触媒活性が低
く、その結果触媒に導かれた排気ガスを良好に浄化する
のが困難になっている。この問題点を解決するために上
述の排気装置では機関低温時排気ガスを第１触媒内に導
くと共に次いで第２触媒内に導くことにより排気ガスを
良好に浄化するようにしている。しかしながら、上述の
排気装置におけるように排気マニホルドに連結された排
気管内に第１触媒および第２触媒を配置した場合機関低
温時これら触媒内に排気ガスを導くようにすると各気筒
から排出された排気ガスは排気マニホルドおよび排気管
内を流通する間に放熱するので触媒に到るまでに多くの
熱エネルギを失うこととなり、その結果排気ガスの熱エ
ネルギでもって触媒を速やかに活性状態にすることがで
きないという問題がある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明によれば、排気マニホルド枝管の下方に機関
長手方向に延びる触媒コンバータを配置し、上記各枝管
から下方に延びるバイパス管を分岐して該各バイパス管
を上記触媒コンバータに連結すると共に排気マニホルド
の集合部を上記触媒コンバータに連結し、各気筒から排
出された排気ガスを上記バイパス管かあるいは排気マニ
ホルド集合部に選択的に導くための流路切換弁を設けて
該流路切換弁の切換作用により機関暖機運転時には排気
ガスを上記バイパス管を介して上記触媒コンバータ内に
導くと共に機関暖機運転完了後には排気ガスを排気マニ
ホルド集合部を介して触媒コンバータ内に導くようにし
ている。さらに本発明によれば、上記各バイパス管内に
追加の触媒を配置している。

【０００５】

【作用】請求項１に記載の発明では、機関暖機運転時各
気筒から排出された排気ガスは流通経路の短いバイパス
管を介して触媒コンバータ内に導かれ、機関暖機運転完
了後排気ガスは流通経路の長い排気マニホルド集合部を
介して触媒コンバータ内に導かれる。請求項２に記載の
発明では、機関暖機運転時排気ガスは追加の触媒によっ
てさらに良好に浄化される。

【０００６】

【実施例】図１を参照すると機関１は４つの気筒１ａを
具備する。各気筒１ａはそれぞれ対応する吸気枝管２を
介して共通のサージタンク３に接続される。サージタン
ク３は吸気ダクト４を介してエアフローメータ５接続さ
れ、エアフローメータ５はエアクリーナ６に接続され
る。なお各吸気枝管２内には燃料噴射弁７が配置され、
また吸気ダクト４内にはスロットル弁８が配置される。
一方、各気筒１ａは排気マニホルド９の対応する枝管９
ａにそれぞれ接続される。排気マニホルド９は排気マニ
ホルド集合部９ｂにおいて排気ガス導入管１０に接続さ
れ、排気ガス導入管１０は触媒コンバータ１１に接続さ
れる。触媒コンバータ１１は機関１の長手方向に延びる
ように配置され、また図２にも示されるように排気マニ
ホルド９の下方に配置される。触媒コンバータ１１は次
いで排気管１２に接続される。

【０００７】図２を参照すると、１３はシリンダブロッ
ク、１４はピストン、１５はシリンダヘッド、１６は燃
焼室、１７は吸気弁、１８は吸気ポート、１９は排気
弁、２０は排気ポートをそれぞれ示す。図２に示すよう
に排気マニホルド９は上流管９ｃと下流管９ｄとから構
成される。排気マニホルド集合部９ｂは下流管９ｄの流
出側部分によって構成され、排気マニホルド枝管９ａは
上流管９ｃと集合部９ｂから分岐された下流管９ｄ部分
とにより構成される。この上流管９ｃには上流管９ｃか
ら下方に延びるバイパス管２１が接続され、バイパス管
２１は排気マニホルド９の下方に配置された触媒コンバ
ータ１１に接続される。一方、排気マニホルド集合部９
ｂは上述のように排気ガス導入管１０を介して触媒コン
バータ１１に接続される。

【０００８】また、図１および図２に示すように各排気
マニホルド枝管１０内には流路切換弁２２がそれぞれ配
置される。全流路切換弁２２は共通の流路切換弁駆動装
置２３により駆動され、流路切換弁駆動装置２３により
図２に示すように位置２２Ａかあるいは位置２２Ｂのい
ずれか一方の位置に制御される。流路切換弁２２が位置
２２Ａに制御されると上流管９ｃ内に流入した排気ガス
は下流管９ｄ内に流入するのが阻止されてバイパス管２
１内に導かれ、これに対し流路切換弁２２が位置２２Ｂ
に制御されると排気ガスはバイパス管２１内に流入する
のが阻止されて下流管９ｄ内に導かれる。

【０００９】再び図１を参照すると電子制御ユニット３
０はディジタルコンピュータからなり、双方向性バス３
１を介して相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモ
リ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、Ｃ
ＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５、お
よび出力ポート３６を具備する。エアフローメータ５は
吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧
がＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力され
る。シリンダブロック１３には機関冷却水温に比例した
出力電圧を発生する水温センサ３８が取付けられ、この
水温センサ３８の出力電圧がＡＤ変換器３９を介して入
力ポート３５に入力される。一方、出力ポート３６は対
応する駆動回路４０を介してそれぞれ各燃料噴射弁７お
よび流路切換弁駆動装置２３に接続される。

【００１０】次に図３および図４を参照して図１および
図２に示した排気装置の作動を説明する。図３に示すよ
うに機関暖機運転時において流路切換弁２２は位置２２
Ａ（図２）に制御される。機関暖機運転時、燃焼室１６
から排出された排気ガスは排気ポート２０を介して上流
管９ｃ内に流入するが、このとき流路切換弁２２は位置
２２Ａに制御されているので排気ガスは下流管９ｄ内に
流入するのが阻止されてバイパス管２１内に導かれ、次
いで触媒１１内に導かれる。本発明による実施例では触
媒１１は排気マニホルド９の下方に配置されており、ま
たバイパス管２１は排気マニホルド９から下方に延びて
触媒１１に接続されており、その結果排気ガスがバイパ
ス管２１を介して触媒１１内に導かれたときには燃焼室
１６から触媒１１に到る排気ガスの流通経路を短くする
ことができる。このため排気ガスがバイパス管２１を介
して触媒１１内に導かれたときには燃焼室１６から排出
された排気ガスが触媒１１に到るまでに失う熱エネルギ
を低減することができ、その結果排気ガスの熱エネルギ
でもって触媒１１を速やかに活性状態にすることができ
る。したがって機関暖機運転時における触媒１１の活性
を確保することができ、すなわち機関暖機運転における
排気ガスの良好な浄化を確保することができる。触媒１
１において浄化された排気ガスは次いで排気管１２内に
流出する。

【００１１】これに対し、機関暖機運転が完了した後に
は流路切換弁２２は図４に示すように位置２２Ｂ（図
２）に維持される。燃焼室１６から排出された排気ガス
は排気ポート２０を介して上流管９ｃ内に流入するが、
機関暖機運転完了後には流路切換弁２２は位置２２Ｂに
制御されているので排気ガスはバイパス管２１内に流入
するのが阻止されて下流管９ｄ内に導かれ、次いで排気
マニホルド集合部９ａおよび排気ガス導入管１０を介し
て触媒１１内に導かれる。ところで機関暖機運転完了後
に燃焼室１６から排出された排気ガス温度は比較的高
く、この高温の排気ガスが触媒１１内に流入すると触媒
１１が過加熱されることにより触媒１１が早期に劣化す
る恐れがある。ところが本発明による実施例では機関暖
機運転完了後燃焼室１６から排出された排気ガスは下流
管９ｄ、排気マニホルド集合部９ａおよび排気ガス導入
管１０を介して触媒１１内に導かれ、その結果燃焼室１
６から触媒１１に到る排気ガスの流通経路が長くなって
いるので排気ガスが触媒１１に到るまでに多量の熱エネ
ルギを失うようになる。したがって排気ガスが触媒１１
内に流入するときには排気ガス温度は十分低くなってい
るので触媒１１が排気ガスによって過加熱されるのを阻
止することができ、その結果機関暖機運転完了後にも排
気ガスの良好な浄化を確保することができる。なお、触
媒１１において浄化された排気ガスは次いで排気管１２
内に流出する。

【００１２】次に図５を参照して上述の実施例を実行す
るためのルーチンについて説明する。このルーチンは一
定時間毎の割込みによって実行される。図５を参照する
と、まず初めにステップ５０において水温センサ３８に
より検出された機関冷却水温Ｔが予め定められた設定温
度Ｔ０よりも高いか否かが判別される。ステップ５０に
おいてＴ＜Ｔ０が成立するときには機関暖機運転時であ
ると判断してステップ５１に進む。ステップ５１では流
路切換弁２２が位置２２Ａ（図２）に制御される。一
方、ステップ５０においてＴ≧Ｔ０が成立するときには
機関暖機運転が完了したと判断してステップ５２に進
み、ステップ５２では流路切換弁２２が位置２２Ｂ（図
２）に制御される。

【００１３】図６には本発明による第２の実施例が示さ
れる。図６において図１および図２に示した第１実施例
と同様の構成要素は同一の番号で示している。図６を参
照すると、バイパス管２１内には第２の、すなわち追加
の触媒６０が配置される。またシリンダヘッド１５と上
流管９ｃ間には断熱材６１が挿入され、上流管９ｃと下
流管９ｄ間にも断熱材６２が挿入される。

【００１４】ところでこの実施例においても機関暖機運
転時流路切換弁２２は位置２２Ａに制御される。流路切
換弁２２が位置２２Ａに制御されると燃焼室１６から排
気ポート２０を介して上流管９ｃ内に流入した排気ガス
はバイパス管２１内に導かれる。次いで排気ガスは第２
触媒６０内に流入し、次いで第１触媒１１内に流入する
が、このとき燃焼室１６から第２触媒６０あるいは第１
触媒１１に到るまでに排気ガスが失う熱エネルギは小さ
いので第２触媒６０および第１触媒１１は速やかに活性
状態にされる。その結果排気ガスは第２触媒６０におい
て浄化され、次いで第１触媒１１においてさらに浄化さ
れ、その結果排気ガスの良好の浄化が確保される。ま
た、第２触媒６０を酸化触媒として機関暖機運転時に排
出されやすい未燃ＨＣを特に浄化するようにした場合に
は未燃ＨＣの浄化作用、すなわち未燃ＨＣの酸化反応が
発熱反応であるのでこの反応熱によって第２触媒６０お
よび第１触媒１１をさらに速やかに活性状態にすること
ができる。

【００１５】さらに、図６に示した実施例において上流
管９ｃは断熱材６０，６１を介してシリンダヘッド１５
および下流管９ｄに接続されており、その結果上流管９
ｃ内を流動する間に排気ガスから上流管９ｃに伝熱され
た熱エネルギが上流管９ｃからシリンダヘッド１５ある
いは下流管９ｄに伝熱されるのが阻止される。その結果
機関暖機運転時排気ガスが触媒６０，１１に到るまでに
失う熱エネルギをさらに低減することができ、したがっ
て触媒６０，１１をさらに速やかに活性状態にすること
ができる。その結果機関暖機運転時において排気ガスを
さらに良好に浄化できる。

【００１６】これに対し、機関暖機運転が完了した後に
は流路切換弁２２は位置２２Ｂに維持される。流路切換
弁２２が位置２２Ｂに維持されると上流管９ｃ内に流入
した排気ガスはバイパス管２１内に流入するのが阻止さ
れる。その結果、高温の排気ガスがバイパス管２１内に
配置された第２触媒６０内に流入するのが阻止されるの
で排気ガスによって第２触媒６０が過加熱されるのを阻
止できる。一方、流路切換弁２２が位置２２Ｂに制御さ
れたことにより下流管９ｄ内に導かれた排気ガスは次い
で排気マニホルド集合部９ａおよび排気ガス導入管１０
を介して触媒１１内に導かれる。その他の排気装置の作
動については第１実施例と同様であるので説明を省略す
る。

【００１７】これまで述べてきた実施例では水温センサ
３８によって検出された機関冷却水温が予め定められた
設定水温よりも低いときには機関暖機運転時であると判
断し、機関冷却水温Ｔが設定水温よりも高くなったとき
には機関暖機運転が完了したと判断するようにしてい
る。しかしながら、例えば触媒１１の排気ガス流入側に
排気ガスの温度を検出する温度センサを設けて、該温度
センサにより検出された排気ガス温度が予め定められた
設定温度よりも低いときには機関暖機運転時であると判
断し、排気ガス温度が設定温度よりも高くなったときに
は機関暖機運転が完了したと判断するようにしてもよ
い。

【００１８】

【発明の効果】機関暖機運転時には触媒コンバータに到
るまでに排気ガスが失う熱エネルギを低減することがで
きるので触媒を速やかに活性状態にすることができる。
一方機関暖機運転完了後には触媒コンバータに到るまで
に排気ガスが失う熱エネルギが大きくなるので触媒が過
加熱されるのを阻止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】内燃機関の全体図である。

【図２】第１実施例を示す内燃機関の側面断面図であ
る。

【図３】機関暖機運転時における排気装置の作動を説明
する内燃機関の側面断面図である。

【図４】機関暖機運転完了後における排気装置の作動を
説明する内燃機関の側面断面図である。

【図５】流路切換弁を制御するためのフローチャートで
ある。

【図６】第２実施例を示す内燃機関の側面断面図であ
る。

【符号の説明】

１ａ…気筒 ９…排気マニホルド ９ａ…排気マニホルド枝管 ９ｂ…排気マニホルド集合部 １１…触媒コンバータ ２１…バイパス管 ２２…流路切換弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡水 宏則 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排気マニホルド枝管の下方に機関長手方
   向に延びる触媒コンバータを配置し、上記各枝管から下
   方に延びるバイパス管を分岐して該各バイパス管を上記
   触媒コンバータに連結すると共に排気マニホルドの集合
   部を上記触媒コンバータに連結し、各気筒から排出され
   た排気ガスを上記バイパス管かあるいは排気マニホルド
   集合部に選択的に導くための流路切換弁を設けて該流路
   切換弁の切換作用により機関暖機運転時には排気ガスを
   上記バイパス管を介して上記触媒コンバータ内に導くと
   共に機関暖機運転完了後には排気ガスを排気マニホルド
   集合部を介して触媒コンバータ内に導くようにした内燃
   機関の排気装置。
2. 【請求項２】 上記各バイパス管内に追加の触媒を配置
   した請求項１に記載の内燃機関の排気装置。