JPH11280458A - 直列４気筒内燃機関の排気装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２系統とした管長を十分に長くして低中速域
での全開トルクを向上させるとともに、高速域での背圧
増大を確実に回避する。 【解決手段】 ４本のブランチ部１〜４を、＃１気筒と
＃４気筒、＃２気筒と＃３気筒とで互いに合流させて２
本の中間管路５，６とし、両中間管路５，６を互いに合
流させて１本の出口側管路７とする。管長を長くするた
めに、中間管路５，６のそれぞれに触媒コンバータ８，
９が介装されている。両中間管路５，６を連通させるた
めに、第１連通管１５および第２連通管１６を有し、そ
れぞれを第１制御弁１７，１８、第２制御弁２３が開閉
する。第１連通管１５の中央部に空燃比センサ１９が配
置される。高速域では、両制御弁１７，１８，２３が全
開となり、背圧が抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、直列４気筒内燃
機関の排気装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】直列４気筒内燃機関の排気装置において
は、排気通路をいわゆる４−２−１の形で集合させるこ
とにより、排気慣性効果によって低速域でのトルク向上
作用が得られることが知られている。つまり、各気筒の
排気ポートにそれぞれ接続される４本のブランチ部を、
＃１気筒と＃４気筒とで集合させるとともに、＃２気筒
と＃３気筒とで集合させ、さらにこの２本の中間管路
を、下流側で１本の出口側管路として集合させるのであ
る。また、このような排気系レイアウトの欠点となる高
速域での排気背圧の増大を回避するために、２本の中間
管路の間を互いに連通させる連通部を設け、ここに該連
通部を開閉する制御弁を配置した可変型の排気装置も種
々提案されている（例えば実開昭５９−１７７７１７号
公報）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】例えば上記公報に記載
の装置では、最終的に１本に集合した出口側管路の部分
に触媒コンバータが配置されているが、このような構成
では、触媒コンバータの位置が排気系の中で比較的下流
側となり、始動直後の排気浄化性能等の点で好ましくな
く、また、この触媒コンバータの位置の制約から、低中
速域でのトルク向上を左右する中間管路の通路長を十分
に長く確保することができない。

【０００４】また、仮に、２本の中間管路の途中に、そ
れぞれ触媒コンバータを配置した場合、酸素センサ等の
排気組成を検出するための空燃比センサが、各中間管路
毎に必要となり、空燃比フィードバック制御システムの
コストの上昇ならびに制御の複雑化を招く欠点がある。

【０００５】さらに、２本の中間管路を１カ所で連通さ
せ、その連通部の開度を制御弁で制御する構成では、制
御弁が閉じている低速域から制御弁が開となる高速域へ
移行する過渡時に、制御弁の開度をいかに連続的に変化
させたとしても、トルク特性に、その切換点付近で谷と
なる部分が発生することを回避できない。従って、運転
性の上で、なお改善すべき余地がある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
各気筒の排気ポートにそれぞれ接続される４本のブラン
チ部と、＃１気筒と＃４気筒のブランチ部同士、および
＃２気筒と＃３気筒のブランチ部同士を互いに合流させ
てなる２本の中間管路と、この２本の中間管路を互いに
合流させてなる１本の出口側管路と、を備えた直列４気
筒内燃機関の排気装置において、上記中間管路にそれぞ
れ配置された一対の触媒コンバータと、この触媒コンバ
ータの上流側において２本の中間管路を互いに連通する
第１連通管と、触媒コンバータの下流側において２本の
中間管路を互いに連通する第２連通管と、上記第１連通
管に設けられた第１の開度制御手段と、上記第２連通管
に設けられた第２の開度制御手段と、上記第１連通管に
配置された空燃比センサと、を備えていることを特徴と
している。

【０００７】この構成においては、低中速の高負荷域で
は、バタフライバルブ等として構成される第１および第
２の開度制御手段が各連通管を遮断することにより、＃
１，＃４気筒の排気系と＃２，＃３気筒の排気系とが、
２系統に長く分離独立したものとなり、トルク向上作用
が得られる。なお、高負荷域では、一般に空燃比フィー
ドバック制御は実行されないので、空燃比センサを備え
た第１連通管内に排気が通流しなくても何ら支障はな
い。また、高速高負荷域では、第１および第２の開度制
御手段が開くことにより各連通管が連通状態となり、背
圧の上昇が抑制される。特に、触媒コンバータの上流側
および下流側の双方で両中間管路が連通されるため、高
速域での背圧が非常に低いものとなる。

【０００８】そして、触媒コンバータは各中間管路にそ
れぞれ配置されるので、該中間管路の通路長を制約する
ことなく比較的上流側に配置することが可能である。

【０００９】また、この請求項１の発明をさらに具体化
した請求項２の発明では、上記第１の開度制御手段は、
上記第１連通管の両端部にそれぞれ配置された一対の第
１制御弁から構成されている。

【００１０】このように第１連通管の両端部に第１制御
弁を備えていれば、これが閉じた状態では、第１連通管
内に排気が出入りすることがない。従って、第１連通管
への不必要な排気の流動に伴う排気主流の乱れや排気慣
性効果の低下が回避される。

【００１１】またさらに請求項３の発明では、上記第１
連通管と上記中間管路との合流部において、第１連通管
の各端部と中間管路下流側とのなす角が９０°より小さ
な鋭角をなしているこのように構成すれば、第１の開度
制御手段が開いている状態において、中間管路を流れて
きた排気主流が第１連通管内に案内され易くなる。その
ため、各気筒の排気が一層確実に空燃比センサ付近まで
流入し、空燃比センサの検出感度、特に各気筒毎の排気
組成に対する検出感度が高くなる。

【００１２】また、請求項４の発明では、上記第２連通
管と上記中間管路との合流部において、第２連通管の各
端部と中間管路下流側とのなす角が９０°より大きな鈍
角をなしている。

【００１３】このように構成すれば、中間管路を下流側
へ流れる排気主流は、第２連通管へ流入しにくくなる。
そのため、排気主流の乱れが抑制され、この排気の乱れ
による出力低下が回避される。

【００１４】請求項５の発明では、上記第１連通管の中
間部に、シリンダブロック側に固定される支持ステーが
一体に形成されている。これにより、触媒コンバータを
含めて長大化する排気装置を一層確実に支持できる。

【００１５】さらに、請求項６の発明は、空燃比フィー
ドバック制御が行われる部分負荷域において、上記第１
の開度制御手段が開いているとともに、上記第２の開度
制御手段が閉じていることを特徴としている。従って、
空燃比フィードバック制御が行われる場合には、第１連
通管内に排気が導かれ、空燃比センサによる排気組成の
検出が可能である。

【００１６】また請求項７の発明は、第１および第２の
開度制御手段が全閉となっている低速高負荷域から両開
度制御手段が全開となる高速高負荷域への移行時に、そ
れぞれの開度が機関回転数の上昇に伴って徐々に増加す
るように制御されるとともに、第１の開度制御手段の開
作動が第２の開度制御手段の開作動よりも相対的に高速
側で行われることを特徴としている。

【００１７】これにより、第１および第２の開度制御手
段が全閉となっている状態でのトルク特性と両者が全開
となっている状態でのトルク特性とが、一層滑らかに連
続するようになり、両者の切換点付近で生じるトルクの
落ち込みが抑制される。

【００１８】

【発明の効果】この発明に係る直列４気筒内燃機関の排
気装置によれば、触媒コンバータを比較的上流側に配置
させつつ一対の中間管路の通路長を十分に長く確保で
き、低中速の高負荷域で排気慣性効果によるトルク向上
を図れるとともに、高速高負荷域では、第１，第２連通
管の連通によって背圧を非常に低いレベルに抑制でき
る。また、一対の触媒コンバータを用いながらも空燃比
センサは１個で済み、空燃比センサを２個用いる場合に
比較して空燃比フィードバック制御システムのコストを
低減できるとともに、制御の複雑化を回避できる。

【００１９】また請求項２の発明によれば、第１制御弁
が閉じた状態において第１連通管内に排気が出入りする
ことがなく、第１連通管への不必要な排気の流動に伴う
排気主流の乱れや排気慣性効果の低下を回避できる。

【００２０】また請求項３の発明によれば、中間管路か
ら第１連通管内に排気が案内され易くなり、空燃比セン
サの検出感度、特に各気筒毎の排気組成に対する検出感
度を高く得ることができる。

【００２１】また請求項４の発明によれば、逆に中間管
路から第２連通管へ排気が流入しにくくなり、排気主流
の乱れが抑制されて、排気の乱れによる出力低下を回避
することができる。

【００２２】また請求項５の発明によれば、触媒コンバ
ータを含めて長大化する排気装置を、触媒コンバータ付
近の位置で確実に支持することができる。

【００２３】さらに請求項７の発明によれば、低速高負
荷域と高速高負荷域との間で、トルク特性が、一層滑ら
かに連続するようになり、切換点付近で生じるトルクの
落ち込みが抑制されて、運転性が向上する。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好ましい実施の
形態を図面に基づいて説明する。

【００２５】図１は、この発明に係る排気装置を備えた
直列４気筒内燃機関全体の構成を示している。図におい
て、３１はシリンダブロック、３２はシリンダヘッド、
３３はオイルパン、３４はクランクシャフト、をそれぞ
れ示しており、シリンダヘッド３２の一方の側面に、本
発明の排気装置が取り付られている。

【００２６】この排気装置は、各気筒の排気ポートにそ
れぞれ接続される４本のブランチ部１〜４と、＃１気筒
と＃４気筒のブランチ部１，４同士、および＃２気筒と
＃３気筒のブランチ部２，３同士を互いに合流させてな
る２本の中間管路５，６と、この２本の中間管路５，６
を互いに合流させてなる１本の出口側管路７と、から大
略構成されている。つまり、全体としていわゆる４−２
−１のデュアル型排気管レイアウトとなっている。そし
て、上記中間管路５，６のそれぞれに、略円筒状をなす
触媒コンバータ８，９が介装されている。

【００２７】具体的には、上記触媒コンバータ８，９
は、シリンダブロック３１の側面に沿って上下に、かつ
略平行に配置されており、機関の前方寄りに位置する触
媒コンバータ８の上部に＃１気筒のブランチ部１と＃４
気筒のブランチ部４とが接続され、後方寄りに位置する
触媒コンバータ９の上部に＃２気筒のブランチ部２と＃
３気筒のブランチ部３とが接続されている。また、各触
媒コンバータ８，９から下方へ延びる中間管路５，６
は、略Ｖ字形をなすように徐々に近接し、１本の出口側
管路７として集合するとともに、機関の後方へ向かって
湾曲している。この出口側管路７の図示せぬ先端側に
は、消音器等が介装され、最終的には、車両後端におい
てテールチューブとして外部へ解放されている。

【００２８】なお、この排気装置は、製造および組立上
の都合から、中間管路５，６の途中で、排気マニホルド
１１とフロントチューブ１２との２部材に分割構成され
ており、それぞれの端部のフランジ部１１ａ，１２ａ同
士がボルト結合されている。また排気マニホルド１１側
のブランチ部１〜４の先端は、同一のフランジ部１１ｂ
に接続されており、このフランジ部１１ｂがシリンダヘ
ッド３２側面に固定されている。

【００２９】図２は、この排気装置の要部を拡大して示
すものであって、各部の流路の中心線を併せて示してあ
る。この図２に示すように、触媒コンバータ８の前後の
中間管路５，６は、概ね対称の形状をなしており、ブラ
ンチ部１，４の合流点Ａから両中間管路５，６の合流点
Ｃに至るまでの一方の中間管路５の管長と、ブランチ部
２，３の合流点Ｂから上記合流点Ｃに至るまでの他方の
中間管路６の管長とは、互いに等しく設定されている。
なお、排気ポート出口から上記合流点Ａ，Ｂに至るまで
の４本のブランチ部１〜４の管長も、互いに等しく設定
されている。そして、両中間管路５，６を互いに連通す
るように、各触媒コンバータ８，９の上流側の位置に第
１連通管１５が、また下流側の位置に第２連通管１６が
それぞれ設けられている。

【００３０】上記第１連通管１５は、隣接する両中間管
路５，６の内側に位置し、かつ下側へ凹んだ形に緩く湾
曲している。この第１連通管１５の両端は、それぞれ各
中間管路５，６に対し、上記合流点Ａ，Ｂから等しい距
離の点において接続されており、かつ各端部と中間管路
５，６の下流側とのなす角θ１が、９０°よりも小さな
鋭角をなしている。そして、この接続部における第１連
通管１５端部開口を開閉するように、一対の第１制御弁
１７，１８が設けられている。図３は、この第１制御弁
１７，１８の具体的な構成を示しており、バタフライバ
ルブ型の弁体４１を備えたバルブシャフト４２のリンク
レバー４３に、リンク４４を介して、ステップモータ等
の電子制御型アクチュエータ４５が連係しており、この
アクチュエータ４５の動作によって弁体４１の開度を連
続的に制御できる構成となっている。また、上記第１制
御弁１７，１８によって仕切られる第１連通管１５の中
央部には、例えば酸素センサからなる空燃比センサ１９
が装着されている。

【００３１】また、図４および図５に示すように、上記
第１連通管１５の曲げ剛性を高めるために、該第１連通
管１５と一体に帯状のリブ２０が形成されている。この
リブ２０は、例えば第１連通管１５の外側つまりシリン
ダブロック１と反対側の面に沿って形成されている。ま
た、第１連通管１５の中央部に、略Ｔ字状をなすように
支持ステー２１が一体に形成されており、この支持ステ
ー２１の先端が上記シリンダブロック３１に固定されて
いる。

【００３２】一方、下流側の第２連通管１６は、隣接す
る両中間管路５，６の内側に位置し、かつ上側へ膨らん
だ形に緩く湾曲している。この第２連通管１６の両端
は、やはり各中間管路５，６に対し、上記合流点Ａ，Ｂ
から等しい距離の点において接続されており、かつ各端
部と中間管路５，６の下流側とのなす角θ２が、第１連
通管１５とは逆に、９０°よりも大きな鈍角をなしてい
る。そして、この第２連通管１６は、中央部に、該第２
連通管１６を開閉する第２制御弁２３を備えている。こ
の第２制御弁２３は、図３に示した上記第１制御弁１
７，１８と同様の構成であり、ステップモータ等の電子
制御型アクチュエータ４５の動作によって弁体４１の開
度を連続的に制御できる構成となっている。

【００３３】次に、上記排気装置の作用について説明す
る。上記第１制御弁１７，１８および第２制御弁２３
は、内燃機関の運転条件に応じて開度制御される。図６
は、機関の負荷と回転数との関係を示した特性図であ
り、実線が本実施例の排気装置による全開特性、一点鎖
線が参考例として第１，第２制御弁１７，１８，２３を
全閉状態とした場合の全開特性、二点鎖線が参考例とし
て第１，第２制御弁１７，１８，２３を全開状態とした
場合の全開特性である。

【００３４】図中に領域ａとして示す高負荷でかつ低速
〜中速域においては、第１，第２制御弁１７，１８，２
３が全て全閉状態に制御される。これにより、４気筒の
排気系は、２系統に分離された形となり、排気慣性効果
によってトルクが向上する。特に、触媒コンバータ８，
９を中間管路５，６の途中に設けたことにより、合流点
Ｃまでの管長を長く確保でき、トルク向上効果を大きな
ものとすることができる。なお、このような高負荷域で
は、排気組成に基づく空燃比フィードバック制御は実行
されないので、第１連通管１５を遮断して空燃比センサ
１９側に排気が流入しなくとも何ら支障はない。また第
１連通管１５は、その両端に第１制御弁１７，１８を備
えているので、閉時には、第１連通管１５内部に排気が
流入せず、従って、第１連通管１５への不必要な排気の
流動に伴う排気主流の乱れや排気慣性効果の低下が回避
される。

【００３５】また全開域であっても、領域ｂとして示す
高速域においては、第１，第２制御弁１７，１８，２３
が全て全開状態に制御される。これにより、一対の中間
管路５，６が互いに一体に連通された状態となり、高速
域における排気背圧の増大が回避される。従って、高速
域において、背圧による出力低下を回避できる。特に、
触媒コンバータ８，９の上流側および下流側の双方で連
通されるため、背圧を非常に低く抑制できる。しかも、
第２連通管１６各端部と中間管路５，６の下流側とのな
す角θ２が、９０°よりも大きな鈍角をなしているの
で、中間管路５，６を下流側へ流れる排気主流は、第２
連通管１６へ流入しにくくなる。そのため、排気主流の
乱れが抑制され、この排気の乱れによる出力低下が回避
される。

【００３６】また、第１，第２制御弁１７，１８，２３
が全閉となる領域ａと第１，第２制御弁１７，１８，２
３が全開となる領域ｂとの境界となる領域ｃにおいて
は、後述するように、機関回転数に応じて第１，第２制
御弁１７，１８，２３の開度が連続的に変化し、一点鎖
線で示す特性と二点鎖線で示す特性とを滑らかに連続さ
せて、両者の間に生じるトルクの谷間の発生を回避す
る。

【００３７】また、空燃比フィードバック制御が実行さ
れる部分負荷域つまり領域ｄにおいては、第１連通管１
５両端の第１制御弁１７，１８が全開となり、かつ第２
連通管１６の第２制御弁２３は全閉状態となる。このよ
うに第１連通管１５が開放されることにより、空燃比セ
ンサ１９へ排気が接触し、排気組成の検出が行われる。
特に、第１連通管１５の接続部の角度θ１が９０°より
小さな鋭角であることから、中間管路５，６を流れてき
た排気主流が第１連通管１５内に案内され易くなる。そ
のため、各気筒の排気が一層確実に空燃比センサ１９付
近まで流入し、空燃比センサ１９の検出感度、特に各気
筒毎の排気組成に対する検出感度が高くなる。

【００３８】なお、機関の停止時には、第１，第２制御
弁１７，１８，２３は全て全閉となっている。

【００３９】次に、図７は、上記の領域ｃにおける開度
制御をより詳細に示したものであって、第１，第２制御
弁１７，１８，２３の開度を下部に、これに対応して得
られるトルクの特性を上部に、それぞれ示してある。こ
の図７に示すように、例えば、機関回転数が上昇してい
くと、相対的に低速側で第２制御弁２３が開き始め、か
つ回転数上昇に応じてその開度が徐々に増大して、やが
て全開となる。そして、この第２制御弁２３が全開とな
った直後の回転数付近で第１制御弁１７，１８が開き始
め、同様に回転数上昇に応じてその開度が徐々に増大し
て、やがて全開となる。第２制御弁２３の開度が〜
のように増大していくと、トルクは、第１，第２制御弁
１７，１８，２３の全てが全閉であるときのトルク特性
に比較して、〜の特性のように、トルクのピークが
徐々に高速側にシフトしたような特性で得られる。つま
り、第２制御弁２３の開度増大に伴って、トルク特性が
〜のように徐々に変化する。同様に、第１制御弁１
７，１８が〜のように徐々に増大すると、トルク特
性が〜のように徐々に変化する。従って、実際の機
関の全開特性としては、〜のトルクのピークをつな
いだような特性が得られ、制御切換時のトルクの落ち込
みが回避されるのである。なお、破線の参考例の特性
は、４本のブランチ部を１本に集合させ、単一の触媒コ
ンバータを設けた１系統の排気装置の場合のトルク特性
を示している。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る排気装置を備えた直列４気筒内
燃機関の側面図。

【図２】この排気装置の要部の拡大図。

【図３】第１，第２制御弁の詳細を示す断面図。

【図４】図１のＤ−Ｄ線に沿った断面図。

【図５】図４のＥ−Ｅ線に沿った断面図。

【図６】この排気装置を備えた内燃機関のトルク特性
図。

【図７】各制御弁の全閉状態から全開状態への移行時の
開度制御の説明図。

【符号の説明】

１〜４…ブランチ部 ５，６…中間管路 ７…出口側管路 ８，９…触媒コンバータ １５…第１連通管 １６…第２連通管 １７，１８…第１制御弁 １９…空燃比センサ ２３…第２制御弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｄ 35/00 ＺＡＢ Ｆ０２Ｄ 35/00 ＺＡＢ ３６８ ３６８Ｅ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 各気筒の排気ポートにそれぞれ接続され
   る４本のブランチ部と、＃１気筒と＃４気筒のブランチ
   部同士、および＃２気筒と＃３気筒のブランチ部同士を
   互いに合流させてなる２本の中間管路と、この２本の中
   間管路を互いに合流させてなる１本の出口側管路と、を
   備えた直列４気筒内燃機関の排気装置において、 上記中間管路にそれぞれ配置された一対の触媒コンバー
   タと、この触媒コンバータの上流側において２本の中間
   管路を互いに連通する第１連通管と、触媒コンバータの
   下流側において２本の中間管路を互いに連通する第２連
   通管と、上記第１連通管に設けられた第１の開度制御手
   段と、上記第２連通管に設けられた第２の開度制御手段
   と、上記第１連通管に配置された空燃比センサと、を備
   えていることを特徴とする直列４気筒内燃機関の排気装
   置。
2. 【請求項２】 上記第１の開度制御手段は、上記第１連
   通管の両端部にそれぞれ配置された一対の第１制御弁か
   ら構成されていることを特徴とする請求項１記載の直列
   ４気筒内燃機関の排気装置。
3. 【請求項３】 上記第１連通管と上記中間管路との合流
   部において、第１連通管の各端部と中間管路下流側との
   なす角が９０°より小さな鋭角をなしていることを特徴
   とする請求項１または２に記載の直列４気筒内燃機関の
   排気装置。
4. 【請求項４】 上記第２連通管と上記中間管路との合流
   部において、第２連通管の各端部と中間管路下流側との
   なす角が９０°より大きな鈍角をなしていることを特徴
   とする請求項１〜３のいずれかに記載の直列４気筒内燃
   機関の排気装置。
5. 【請求項５】 上記第１連通管の中間部に、シリンダブ
   ロック側に固定される支持ステーが一体に形成されてい
   ることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の直
   列４気筒内燃機関の排気装置。
6. 【請求項６】 空燃比フィードバック制御が行われる部
   分負荷域において、上記第１の開度制御手段が開いてい
   るとともに、上記第２の開度制御手段が閉じていること
   を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の直列４気
   筒内燃機関の排気装置。
7. 【請求項７】 第１および第２の開度制御手段が全閉と
   なっている低速高負荷域から両開度制御手段が全開とな
   る高速高負荷域への移行時に、それぞれの開度が機関回
   転数の上昇に伴って徐々に増加するように制御されると
   ともに、第１の開度制御手段の開作動が第２の開度制御
   手段の開作動よりも相対的に高速側で行われることを特
   徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の直列４気筒内
   燃機関の排気装置。