KR20060049423A - 다기통 내연 기관 - Google Patents

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KR20060049423A
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야스키 타무라
카즈히토 카와시마
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미쯔비시 지도샤 고교 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명의 목적은 배기가스 센서의 필요 수를 감소시켜서 제조 비용을 저감함과 함께, 응답성이 좋은 배기 공연비의 판정을 실현할 수 있는 다기통 내연 기관을 제공하기 위한 것으로서, 상기 목적을 달성하기 위한 해결 수단에 있어서, 배기 매니폴드(1)의 각 브랜치(3)를 배기 연통로(11)에 의해 공통의 배기가스 센서(13)에 접속하고, 각 기통의 배기가스의 공연비를 배기가스 센서(13)에 의해 검출함과 함께 기관의 배기 포트(10)로부터 배기가스 센서(13)까지의 거리(A1)를, 배기 포트(10)로부터 배기관(6)에 설치한 촉매(9)까지의 거리(A2)보다 짧게 설정한다.
다기통 내연 기관

Description

다기통 내연 기관{MULTICYLINDER INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
도 1은 제 1 실시 형태의 다기통 내연 기관을 도시한 전체 구성도.
도 2는 공연비의 변조 주기와 CP0의 정화 효율 및 윈드 폭과의 관계를 도시한 특성도.
도 3은 제 2 실시 형태의 다기통 내연 기관의 배기 매니폴드에 대한 배기 연통로의 접속 상태를 도시한 단면도.
도 4는 마찬가지로 배기 연통로의 접속 상태의 다른 예를 도시한 단면도.
도 5는 제 3 실시 형태의 다기통 내연 기관의 흡기 연통로의 접속 상태를 도시한 도면.
도 6은 제 4 실시 형태의 다기통 내연 기관의 배기 하류 연통로의 접속 상태를 도시한 도면.
도 7은 제 5 실시 형태의 다기통 내연 기관의 냉각 공간의 접속 상태를 도시한 도면.
도 8은 제 6 실시 형태의 다기통 내연 기관의 헤드측 스페이서 부재를 도시한 정면도.
도 9는 마찬가지로 매니측 스페이서 부재를 도시한 정면도.
도 10은 마찬가지로 각 스페이서 부재의 조립 상태를 도시한 단면도.
도 11은 헤드측 스페이서 부재의 판두께를 증대한 다른 예를 도시한 단면도.
도 12는 굴곡로를 대신하여 매니측 스페이서 부재에 홈을 형성한 다른 예를 도시한 단면도.
도 13은 스페이서 부재를 생략한 다른 예를 도시한 단면도.
도 14는 제 7 실시 형태의 다기통 내연 기관의 매니측 스페이서 부재를 도시한 정면도.
도 15는 제 8 실시 형태의 다기통 내연 기관의 흡기 연통로 또는 배기 하류 연통로에 대한 각 배기 연통로의 배치 상태를 도시한 사시도.
도 16은 제 9 실시 형태의 다기통 내연 기관에 있어서 배기가스 압력이 임계 상태에 달하였을 때의 배기가스 센서의 전후의 압력 분포를 도시한 설명도.
도 17은 제 10 실시 형태의 다기통 내연 기관에 있어서 배기가스 압력이 임계 상태에 달하였을 때의 배기가스 센서의 전후의 압력 분포를 도시한 설명도.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
1 : 배기 매니폴드(배기 통로)
3 : 브랜치(배기 포트측 배기 통로)
4, 8 : 배기 통로 합류부
6 : 배기관(배기 통로)
9 : 촉매
10 : 배기 포트
11 : 배기 연통로
13 : 배기가스 센서
21 : 유입부(가스 교환 촉진 수단)
31 : 흡기 연통로(가스 교환 촉진 수단)
33, 42 : 개폐 밸브
41 : 배기 하류 연통로(가스 교환 촉진 수단)
51 : 냉각 공간(가스 교환 촉진 수단)
기술분야
본 발명은 다기통 내연 기관에 관한 것이며, 상세하게는 배기계에 배기가스의 공연비를 판정하기 위한 배기가스 센서를 구비한 다기통 내연 기관에 관한 것이다.
종래기술
내연 기관으로부터 배출되는 배기가스를 정화하는 배기 정화 장치의 하나로서, 내연 기관의 배기 통로에는 촉매가 마련되어 있다. 촉매의 성능을 충분히 발휘시키는데는 촉매로 유입하는 배기가스의 공연비를 스토이키 부근으로 제어할 필요가 있고, 이러한 목적을 달성하기 위해 촉매의 입구 부근에는 O2 센서 등의 배기가스 센서가 설치되고, 이 배기가스 센서에 의해 판정된 배기 공연비에 의거하여 내 연 기관의 공연비를 제어하고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조) . 또한, 특허 문헌 1에 개시된 다기통 내연 기관에서는 한 쌍의 배기 통로의 합류부보다 상류측에 개별적으로 촉매를 마련하고, 양 촉매의 입구 부근을 연통하는 연통로에 공통의 배기가스 센서를 마련하고 있다.
[특허 문헌 1] 특개평11-280458호 공보
그러나, 촉매의 입구 부근에 배기가스 센서를 마련한 경우, 배기가스 센서보다 상류에는 어느 정도의 크기의 배기계 용적이 존재하게 되고, 적어도 이 배기계 용적으로 기인하는 수송 지연 상당만큼은 배기가스 센서에 의한 배기 공연비의 판정에 지연이 생긴다. 그래서, 배기 공연비의 판정 지연에 수반하여 공연비 제어의 응답성이 저하되기 때문에, 촉매에의 배기가스 종(種)의 파과(破過)를 초래하여 정화 성능을 악화시킨다는 문제가 생긴다. 또한, 배기가스 센서에 의한 배기 공연비의 판정에 따라 내연 기관의 공연비를 제어하는 경우에는, 배기 공연비의 판정 지연에 의해 필연적으로 공연비 변동(공연비 자려(自勵) 변조)이 생기고, 판정 지연이 크면 공연비 변동의 진폭도 크게 되고, 리치측으로 진폭 증대에 의한 연비 악화나 린측에의 진폭 증대에 의한 연소 악화가 발생하기 쉽게 된다는 문제가 있다.
배기 공연비의 판정 지연은, 예를 들면 배기가스 센서를 내연 기관의 배기 포트에 부착하여, 배기가스 센서의 상류측의 배기계 용적을 축소함으로써 개선할 수 있지만, 복수 기통을 갖는 다기통 내연 기관에서는 각 배기 포트마다 배기가스 센서를 필요로 하기 때문에, 제조 비용이 앙등한다는 다른 문제가 생긴다.
본 발명의 목적은, 배기가스 센서의 필요 수를 감소시켜서 제조 비용을 저감할 수 있음과 함께, 응답성이 좋은 배기 공연비의 판정을 실현할 수 있는 다기통 내연 기관을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 제 1항의 발명은 복수의 기통을 갖는 다기통 내연 기관에 있어서, 각 기통의 배기 포트로부터 연장하는 배기 통로에 마련되고 배기가스를 정화하는 촉매와, 적어도 2개 이상의 배기 통로를 연통하는 배기 연통로와, 배기 연통로에 마련되는 배기가스 센서를 구비하고, 배기 포트로부터 배기가스 센서까지의 거리를 배기 포트로부터 촉매의 상류측 입구까지의 거리보다 짧게 한 것이다.
따라서, 각 기통의 배기 포트로부터 배출된 배기가스는 배기 통로 내를 유통하고, 배기가스의 일부가 배기 연통로 내로 받아들여 배기가스 센서에 도달하고, 배기가스 센서에 의해 각 기통의 배기가스의 공연비가 순차적으로 검출된다.
그리고, 적어도 2개 이상의 배기 통로를 유통하는 배기가스가 배기 연통로를 경유하여 공통의 배기가스 센서에 인도되고 공연비가 검출되기 때문에, 배기가스 센서의 필요 수는 내연 기관의 기통 수(환언하면, 각 배기 포트마다 배기가스 센서를 마련한 경우)보다 적어진다. 한편, 배기 포트로부터 촉매의 상류측 입구까지의 거리보다 배기 포트로부터 배기가스 센서까지의 거리가 짧기 때문에, 배기 포트로부터 배출된 배기가스가 배기가스 센서에 도달하기 까지의 수송 지연이 최소한으로 억제되고, 양호한 응답성으로 공연비가 검출 가능해진다.
제 2항의 발명은, 복수의 기통을 갖는 다기통 내연 기관에 있어서, 각 기통 의 배기 포트에 각각 연결하는 배기 포트측 배기 통로와, 적어도 2개 이상의 배기 포트측 배기 통로를 합류시키는 배기 통로 합류부와, 배기 통로 합류부의 하류에 마련되고 배기가스를 정화하는 촉매와, 배기 통로 합류부의 상류에 마련되고, 합류하는 적어도 2개 이상의 배기 포트측 배기 통로를 연통하는 배기 연통로와, 배기 연통로에 마련되는 배기가스 센서를 구비한 것이다.
따라서, 각 기통의 배기 포트로부터 배출된 배기가스는 배기 포트측 배기 통로 내를 유통하고, 배기가스의 부가 배기 연통로 내로 받아들여 배기가스 센서에 도달하고, 배기가스 센서에 의해 각 기통의 배기가스의 공연비가 순차적으로 검출된다.
그리고, 적어도 2개 이상의 배기 포트측 배기 통로를 유통하는 배기가스가 배기 연통로를 경유하여 공통의 배기가스 센서에 인도되어 공연비가 검출되기 때문에, 배기가스 센서의 필요 수는 내연 기관의 기통 수(환언하면, 각 배기 포트마다 배기가스 센서를 마련한 경우)보다 적어진다. 한편, 배기 통로 합류부의 하류측의 촉매에 비교하여, 배기가스 센서는 배기 통로 합류부보다 상류측의 배기 연통로에 마련되어 있기 때문에, 배기 포트로부터 배출된 배기가스가 배기가스 센서에 도달하기 까지의 수송 지연이 최소한으로 억제되고, 양호한 응답성으로 공연비가 판정 가능해진다.
바람직한 양태로서, 제 1항, 제 2항의 다기통 내연 기관에 있어서, 각 기통의 배기 통로 또는 배기 포트측 배기 통로로부터 배기가스 센서까지의 배기 연통로의 용적을 대략 동등하게 설정하는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성하면, 각 기통 의 배기가스가 배기 연통로 내를 유통할 때의 압력 맥동이 동등하게 영향을 주어 균등하게 가스 교환이 행하여지고, 각 기통의 공연비를 균일하게 반영시킨 정확한 배기 공연비의 판정을 실현할 수 있다.
또한, 다른 바람직한 양태로서 제 1항, 제 2항의 다기통 내연 기관에 있어서, 배기 연통로를 내연 기관의 배기계에 내장하는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성하면, 배기 연통로 내를 유통하는 배기가스의 방열이 억제되고, 배기가스의 열을 이용하여 배기가스 센서의 불활성 방지 및 조기 활성화를 실현할 수 있다.
제 3항의 발명은, 제 1항, 제 2항에 있어서, 배기 연통로 내의 배기가스의 가스 교환을 촉진시키는 가스 교환 촉진 수단을 구비한 것이다.
따라서, 가스 교환 촉진 수단에 의해 배기 연통로 내의 배기가스의 가스 교환이 촉진되기 때문에, 배기가스 센서에 의한 공연비 판정의 응답성이 더욱 향상된다. 제 4항의 발명은 제 3항에 있어서, 가스 교환 촉진 수단으로서 배기가스를 냉각하는 냉각 공간을 구비하고 있는 것이다.
따라서, 배기가스 센서를 경유하여 냉각 공간 내에 도입된 배기가스는 온도 저하에 의해 체적 변화(체적 축소)하고, 이 체적 변화에 수반하여 냉각 공간보다 상류측의 배기가스가 냉각 공간 내로 이송됨과 함께, 배기 연통로 내의 배기가스가 배기가스 센서측으로 이송되고, 결과적으로 배기 연통로 내의 가스 교환이 더욱 촉진된다.
바람직한 양태로서, 제 4항의 다기통 내연 기관에 있어서, 냉각 공간의 배기가스의 체적 변화와 배기 연통로의 용적이 같은 정도가 되도록, 냉각 공간의 용적, 배기 연통로의 용적, 냉각 공간에서의 온도 저하율의 적어도 하나 이상을 설정하는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성한 경우, 냉각 공간에서의 배기가스의 체적 변화에 수반하여 배기 연통로 내의 배기가스의 거의 전량이 흡기 연통로나 배기 하류 연통로측으로 이송되고, 배기 연통로 내의 가스 교환을 효율적으로 촉진할 수 있다.
제 5항의 발명은 제 3항, 제 4항에 있어서, 가스 교환 촉진 수단이 배기가스 센서를 상기 내연 기관의 흡기계와 연통하는 흡기 연통로이고, 배기압(排壓)과 흡기압의 압력차에 의해 배기 연통로 내의 가스 교환을 촉진하는 것이다.
따라서, 배기가스 센서는 배기 연통로를 통하여 배기계(배기 통로, 배기 포트측 배기 통로)와 연통하는 한편, 흡기 연통로를 통하여 흡기계와도 연통하고, 배기압과 흡기압의 압력차에 의해 배기 연통로 내의 가스 교환이 촉진된다.
바람직한 양태로서, 제 5항의 다기통 내연 기관에 있어서, 배기가스 센서에 대한 흡기 연통로의 접합 유효 단면적에 비교하여, 배기가스 센서에 대한 배기 연통로의 접합 유효 단면적의 총합을 크게 설정하는 것이 바람직하다.
배기가스 센서를 흐르는 배기가스량은 배기압과 흡기압과의 압력비의 증가에 따라 증대하고, 압력비가 임계비에 달하여 임계 상태로 된 시점에서 배기가스의 유량 증대는 제한되지만, 상기한 바와 같이 단면적을 설정하면, 배기가스 센서의 출구측(흡기 연통로측)이 보다 조기에 임계 상태에 달하고, 이 개소에서 배기가스 유량의 증대가 제한됨과 함께, 이 개소를 경계로 하고 상류측에는 배기압이, 하류측에서는 흡기압이 작용한다. 따라서, 배기가스 센서에는 대기압에 가까운 배기압이 작용하고, 배기가스 센서가 갖는 압력 의존의 영향을 경감하여, 배기 공연비의 판정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 배기가스 센서의 압력 의존에의 대책을 실시할 필요가 없는 경우에는, 제 5항의 다기통 내연 기관에 있어서 배기가스 센서에 대한 흡기 연통로의 접합 유효 단면적에 비교하여, 배기가스 센서에 대한 배기 연통로의 접합 유효 단면적의 총합을 작게 설정함과 함께, 각 배기 연통로의 접합 유효 단면적을 상호 대략 균등하게 설정하는 것이 바람직하다.
이 경우에는, 배기가스 센서의 입구측(배기 연통로측)이 보다 조기에 임계 상태에 달하고, 이 개소에서 배기가스 유량의 증대가 제한되지만, 각 배기 연통로의 접합 유효 단면적이 대략 균등하기 때문에, 각 기통의 배기압 변동의 영향을 받지 않고 각 배기 연통로로부터 배기가스 센서로 유입되는 배기가스량이 대략 동등하게 되고, 각 기통의 공연비를 균일하게 반영시킨 정확한 배기 공연비의 판정을 실현할 수 있다.
바람직한 양태로서, 제 5항에 있어서 흡기 연통로가 흡기 연통로 내를 유통하는 배기가스량을 조정 가능한 개폐 밸브를 구비하고 있는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성하면, 배기 연통로 내의 배기가스는 흡기 연통로를 경유하여 내연 기관의 흡기계로 환류되지만, 이때의 배기가스량을 개폐 밸브에 의해 조정 가능해진다. 예를 들면 EGR 제어에 있어서 연소 한계 부근까지 EGR 량을 증대시키는 운전 영역에서는, 흡기 연통로를 경유하여 환류되는 배기가스가 연소 악화의 요인이 될 수 있지만, 이때에 개폐 밸브의 개방도를 감소 또는 전폐하면, 흡기 연통로 를 경유하여 흡기계로 환류되는 배기가스량이 제한되어 연소 악화가 방지된다.
제 6항의 발명은, 제 5항에 있어서 각 배기 연통로가 흡기 연통로에 대해 대략 등간격으로 배치되어 있는 것이다.
따라서, 흡기 연통로에 대해 각 배기 연통로가 대략 등간격으로 배치되어 있기 때문에, 각 배기 연통로의 배기가스는 배기가스 센서를 경유하여 흡기 연통로에 거의 동일 조건으로 유입하고, 이로써 배기가스 센서의 모든 배기가스의 공연비 검출에 이용되어 응답성이 향상됨과 함께, 특정 기통의 공연비의 영향이 강해지는 또는 약해지는 것이 방지되고, 각 기통의 공연비를 균일하게 반영시킨 정확한 배기 공연비의 판정이 실현된다.
제 7항의 발명은, 청구항 3항, 4항에 있어서, 가스 교환 촉진 수단이 배기가스 센서를 내연 기관의 배기계의 배기 연통로보다 하류측과 연통하는 배기 하류 연통로이고, 배기계의 상류와 하류의 압력차에 의해 배기 연통로 내의 가스 교환을 촉진하는 것이다.
따라서, 배기가스 센서는 배기 연통로를 통하여 배기계(배기 통로, 배기 포트측 배기 통로)와 연통하는 한편, 배기 하류 연통로를 통하여 배기계보다 하류측과도 연통하고, 배기계의 상류와 하류의 압력차에 의해 배기 연통로 내의 가스 교환이 촉진된다.
바람직한 양태로서, 제 7항에 있어서 배기 하류 연통로가 배기 하류 연통로 내를 유통하는 배기가스량을 조정 가능한 개폐 밸브를 구비하고 있는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성하면, 배기 연통로 내의 배기가스는 배기 하류 연통로를 경유하여 내연 기관의 배기계보다 하류측으로 이송되지만, 이때의 배기가스량이 개폐 밸브에 의해 조정 가능해진다. 예를 들면, 배기 하류 연통로를 촉매의 하류측에 접속한 경우, 냉태 시동시에는 연료 증량에 의한 미연소 가스가 배기 하류 연통로를 경유하여 촉매를 우회하고 배출되는 현상이 생기지만, 이때에 개폐 밸브의 개방도를 감소 또는 전폐하면, 배기 하류 연통로 내를 유통하는 배기가스량을 제한하여 배기가스 악화가 방지 가능해진다.
제 8항의 발명은, 제 7항에 있어서 각 배기 연통로가 배기 하류 연통로에 대해 대략 등간격으로 배치되어 있는 것이다.
따라서, 배기 하류 연통로에 대해 각 배기 연통로가 대략 등간격으로 배치되어 있기 때문에, 각 배기 연통로의 배기가스는 배기가스 센서를 경유하여 배기 하류 연통로에 거의 동일 조건으로 유입하고, 이로써 배기가스 센서의 전 둘레가 배기가스의 공연비 검출에 이용되어 응답성이 향상됨과 함께, 특정 기통의 공연비의 영향이 강해지는 또는 약해지는 것이 방지되고, 각 기통의 공연비를 균일하게 반영시킨 정확한 배기 공연비의 판정이 실현된다.
제 9항의 발명은, 제 3항에 있어서, 가스 교환 촉진 수단을 배기 포트 내에서의 배기가스 흐름선(流線)에 대해 예각을 형성하도록 배설된 배기 연통로의 유입부로 한 것이다.
따라서, 배기 포트 내에서의 배기가스 흐름선에 대해 배기 연통로의 유입부가 예각을 형성하기 때문에, 연소실로부터 배기 포트로 배출된 배기가스가 배출 시 운동 에너지에 의해 적극적으로 배기 연통로의 유입부로 유입하고, 배기 연통로 내의 가스 교환이 촉진된다.
이상 설명한 바와 같이 제 1항, 제 2항의 발명의 다기통 내연 기관에 의하면, 배기가스 센서의 필요 수를 감소시켜 제조 비용을 저감할 수 있음과 함께, 응답성이 좋은 배기 공연비의 판정을 실현할 수 있다.
제 3항의 발명의 다기통 내연 기관에 의하면 제 1항, 제 2항에 더하여 배기 연통로 내의 배기가스의 가스 교환을 촉진하고, 배기가스 센서에 의한 공연비 판정의 응답성을 한층 더 향상시킬 수 있다.
제 4항의 발명의 다기통 내연 기관에 의하면, 제 3항에 더하여 냉각 공간에 의한 배기가스의 체적 변화를 이용하여 배기 연통로 내의 배기가스의 가스 교환을 촉진할 수 있다.
제 5항의 발명의 다기통 내연 기관에 의하면, 제 3항, 제 4항에 더하여 내연 기관의 배기압과 흡기압의 압력차를 이용하여 배기 연통로 내의 배기가스의 가스 교환을 한층 더 촉진할 수 있다.
제 6항의 발명의 다기통 내연 기관에 의하면, 제 5항에 더하여 흡기 연통로에 대해 각 배기 연통로를 대략 등간격으로 배치함으로써, 배기가스 센서의 응답성을 향상할 수 있음과 함께, 각 기통의 공연비를 균일하게 반영시킨 정확한 배기 공연비의 판정을 실현할 수 있다.
제 7항의 발명의 다기통 내연 기관에 의하면, 제 3항, 제 4항에 더하여 내연 기관의 배기계의 상류와 하류의 압력차를 이용하여 배기 연통로 내의 배기가스의 가스 교환을 촉진할 수 있다.
제 8항의 발명의 다기통 내연 기관에 의하면, 제 7항에 더하여 배기 하류 연통로에 대해 각 배기 연통로를 대략 등간격으로 배치함으로써, 배기가스 센서의 응답성을 향상할 수 있음과 함께, 각 기통의 공연비를 균일하게 반영시킨 정확한 배기 공연비의 판정을 실현할 수 있다.
제 9항의 발명의 다기통 내연 기관에 의하면, 제 3항에 더하여 배기가스의 운동 에너지를 이용하여 배기 연통로 내의 배기가스의 가스 교환을 촉진할 수 있다.
[제 1 실시 형태]
이하, 본 발명을 구체화한 다기통 내연 기관의 제 1 실시 형태를 설명한다.
도 1은 본 실시 형태의 다기통 내연 기관을 도시한 전체 구성도이고, 본 실시 형태의 내연 기관은 직렬 4기통 기관으로서 구성되고, 도면에서는 기관 본체의 도시가 생략되고 배기계만이 나타나 있다. 내연 기관의 실린더 헤드의 측면에는 배기 매니폴드(1)(배기 통로)의 상류측 플랜지(2)가 주위의 볼트 구멍(2a)을 이용하여 도시하지 않은 볼트에 의해 연결되고, 상류측 플랜지(2)에는 각 기통의 배기 포트(10)와 대응하도록 브랜치(3)(배기 포트측 배기 통로)의 상부가 각각 용접되어 있다. #1, #4 기통의 브랜치(3)의 하류측, #2, #3 기통의 브랜치의 하류측은 각각 상호 합류하여 배기 통로 합류부(4)를 형성하고, 양 배기 통로 합류부(4)는 하류측 플랜지(5)에 대해 용접되어 있다.
배기 매니폴드(1)의 하류측 플랜지(5)에는 배기관(6)(배기 통로)의 플랜지(7)가 도시하지 않은 볼트에 의해 연결되고, 플랜지(7)에 용접된 배기관(6)의 상류측은 2갈래 형상을 이루고 배기 매니폴드(1)의 배기 통로 합류부(4)와 각각 연통하는 한편, 배기관(6)의 하류측은 배기 통로 합류부(8)에서 합류한 후에 촉매(9)에 접속되고, 또한 도시하지 않은 소음기를 경유하여 차량의 뒷 부분까지 연속 설치되어 있다. 따라서, 내연 기관의 운전시에는 각 배기 포트(10)로부터 배출된 배기가스가 배기 매니폴드(1) 및 배기관(6) 내에서 안내되고 나서 순차적으로 합류하고, 그 후에 촉매(9) 및 소음기를 경유하여 외부로 배출된다.
상기 배기 매니폴드(1)의 각 브랜치(3)에는 상류측 플랜지(2)에 대한 용접 개소의 부근에 각각 파이프 모양을 한 배기 연통로(11)의 일단이 접속되고, 각 배기 연통로(11)의 타단은 1점으로 집합하여 센서 고정 베이스(12)에 대해 접속되어 있다. 센서 고정 베이스(12)에는 배기가스 센서(13)가 고정되고, 배기가스 센서(13)와 각 배기 연통로(11)는 센서 고정 베이스(12)의 내부에서 상호 연통하고 있다. 또한, 배기가스 센서(13)는 O2 센서, 공연비 센서, NOx 센서 등의 어떤 센서라도 좋다. 또한, 배기 연통로(11)를 배기 매니폴드(1)가 아니라 도시하지 않은 배기 포트에 접속하도록 하여도 좋다.
배기가스 센서(13)는 차량에 탑재된 ECU(전자 제어 유닛)와 전기적으로 접속되고, 배기가스 센서(13)의 출력이 ECU에 입력된다. ECU는 배기가스 센서(13)에 의해 판정된 배기 공연비에 의거하여 내연 기관의 공연비 제어, 예를 들면 공연비 피 드백 제어, 연소 한계 제어 등과 같이 작은 공연비 변동이 요구되는 공연비 제어를 실행한다.
각 배기 연통로(11)는 각각의 브랜치(3)로부터 상방으로 늘어나고, 거의 직각으로 굴곡 형성되어 #2, #3 기통 사이에 위치하는 센서 고정 베이스(12)를 향하여 연장 설치되어 있고, 배기 연통로(11)의 전체가 배기 매니폴드(1)의 바로 위에 위치하고 있다. 이와 같은 레이아웃이기 때문에, 배기 포트(10)로부터 배기가스 센서(13)까지의 배기가스 유로에 따른 거리(A1)(배기 연통로(11)의 길이는 기통에 따라 다르지만, 긴 측의 #1 또는 #4 기통에 있어서도)는 필요한 최소한으로 단축되고, 배기 포트(10)로부터 촉매(9)의 상류측 입구까지의 거리(A2)에 비교하여 현격하게 짧아져 있다.
이상과 같이 구성된 본 실시 형태의 다기통 내연 기관에서는, 이하와 같이 하여 배기가스 센서(13)에 의한 배기 공연비의 판정이 행하여진다.
내연 기관의 운전시에 있어서, 각 배기 포트(10)로부터는 #1-#3-#4-#2의 점화 순서에 따라 배기가스가 배출되어 배기 매니폴드(1)의 브랜치(3) 내를 유통한다. 브랜치(3) 내에서 배기가스의 일부는 배기 연통로(11) 내로 받아들여지고, 주로 가스 확산 작용에 의해 배기 연통로(11)를 경유하여 배기가스 센서(13)까지 도달하기 때문에, 배기가스 센서(13)는 배기 연통로(11)를 경유하여 공급되는 각 기통의 배기가스의 공연비를 순차적으로 검출하게 된다. 여기서, 상기한 바와 같이 배기 포트(10)로부터 배기가스 센서(13)까지의 거리(A1)가 매우 짧기 때문에, 배기 포트로부터 배출된 배기가스가 배기가스 센서(13)에 도달하기까지의 수송 지연은 최소한으로 억제되고, 예를 들면 촉매(9)의 상류측 입구에 배기가스 센서(13)를 부착한 일반적인 레이아웃에 비교하여, 매우 응답성이 좋은 배기 공연비의 판정을 실현할 수 있다.
결과적으로 공연비 판정에 의거하여 ECU에 의해 실행되는 공연비 제어의 응답성도 향상되기 때문에, 촉매(9)의 배기가스 종의 파과를 방지하고 정화 성능의 악화를 미연에 회피할 수 있다. 또한, 양호한 응답성의 공연비 제어에 의해 진폭이 작은 고속 자려 변조를 실현할 수 있는 것이므로, 리치측에의 진폭 증대에 의한 연비 악화나 린측에의 진폭 증대에 의한 연소 악화를 미연에 방지할 수 있음과 함께, 도 2의 특성도에 도시한 바와 같이 공연비의 변조 주기의 단축화에 수반하여 THC와 N0x의 쿠로스오버 인토(COP)의 정화 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 각 기통으로부터 배출되는 배기가스를 배기 연통로(11)를 경유하여 공통의 배기가스 센서(13)로 인도하여 공연비를 검출하고 있기 때문에, 예를 들면 각 기통의 배기 포트(10)에 개별적으로 배기가스 센서(13)를 설치한 경우에 비교하여, 배기가스 센서(13)의 필요한 수를 감소할 수 있고, 나아가서는 내연 기관의 제조 비용을 저감할 수 있다.
또한, 도 1에서 분명한 바와 같이 각 배기 연통로(11)는 상호 직접적으로 연통하는 일 없이 어느 것이나 배기가스 센서(13)를 통하여 접속되어 있다. 이 구성에 의하면, 배기 연통로(11) 내에서 생기고 있는 압력 맥동의 일부가 배기가스 센서(13)에 의해 차단되기 때문에, 각 기통의 배기 간섭을 억제하여 배기 간섭에 의한 기관의 출력 저하를 방지할 수 있다.
그런데, 상기한 바와 같이 고속 자려 변조에서는 COP의 정화 효율을 향상할 수 있는 한편, 도 2에 도시한 바와 같이 변조 주기의 단축화에 의해 이른바 윈드 폭이 감소한 경향이 있다. 따라서, 적극적으로 공연비를 변화시키는 제어를 실시한 경우, 또는 어떠한 요인에 의해 공연비가 목표 공연비로부터 빗나간 경우에는, 고속 자려 변조로는 윈드를 벗어나 버릴 가능성이 높아진다. 그래서, 소정 기간마다 린 스파이크를 실행, 또는 배기가스 센서(13)에 의한 소정의 리치 판정 후에 린 스파이크를 실행하고, 촉매(9)에 대한 HC 퍼지를 행하여도 좋다.
또한, 공연비가 윈드를 벗어난 때의 HC 배출을 방지하기 위해, 배기가스 센서(13)에 의한 공연비 판정에 적절한 지연 시간을 설정하여 고의로 고속 자려 변조의 주기를 연장화 하여도 좋다. 이 경우에도, 고속 자려 변조의 주기는 임의로 설정 가능하기 때문에, HC 배출을 방지한 다음 가능한한 자려 변조의 주기를 높일 수 있고, 그로써 종래의 자려 변조보다 양호한 공연비 판정의 응답성을 확보할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 각 기통의 배기 연통로(11)를 일점에 집합시켜서 단일의 배기가스 센서(13)에 접속하였지만, 기통 수보다 적은 수의 배기가스 센서(13)를 마련하고, 어느 하나의 배기가스 센서(13)에 각 기통의 배기 연통로(11)를 접속하는 구성이라면, 배기 연통로(11)의 레이아웃이나 배기가스 센서(13)의 수는 여러가지로 변경 가능하다. 따라서, 예를 들면 3기통분의 배기 연통로(11)를 단일의 배기가스 센서(13)에 접속하거나, 2기통분의 배기 연통로(11)를 단일의 배기가스 센서(13)에 접속하거나 하여도 좋다.
그런데, 본 실시 형태에서는 상기한 바와 같이 배기 연통로(11)에서의 배기가스의 이송을 주로 가스 확산 작용에 의해 행하고 있기 때문에, 배기 연통로(11) 내에서 배기가스의 가스 교환이 어딘가 조금 원활히 행하여지지 않는 경향이 있다. 그래서, 이하에 배기 연통로(11) 내의 가스 교환을 촉진하기 위한 가스 교환 촉진 수단을 추가한 제 2 내지 제 5 실시 형태를 설명한다. 또한, 각 실시 형태의 기본적인 구성(거리(A1, A2)의 설정 등)은 제 1 실시 형태와 같고, 상위점은 상기 가스 교환을 촉진한 구성에 있기 때문에, 상위점을 중점적으로 설명하고, 공통하는 구성의 개소는 동일 부재 번호를 붙이고 중복하는 설명을 생략한다.
[제 2 실시 형태]
도 3은 본 실시 형태의 다기통 내연 기관의 배기 매니폴드(1)에 대한 배기 연통로(11)의 접속 상태를 도시한 단면도이다. 본 실시 형태에서는 가스 교환의 촉진을 목적으로 하고, 배기 연통로(11)의 선단의 유입부(21)(가스 교환 촉진 수단)을 배기가스가 배기 연통로(11) 내로 유입하기 쉽도록 배치하고 있다. 즉, 제 1 실시 형태의 배기 연통로(11)가 배기 매니폴드(1)의 브랜치(3)에 대해 단지 직각으로 접속되어 있음에 대해 본 실시 형태에서는, 유입부(21)를 헤드측에 접근시키는 방향으로 배기 연통로(11)가 경사하여 배치됨과 함께, 유입부(21)를 브랜치(3) 내로 돌출시켜 배기 포트(10) 내의 배기 밸브(22) 부근에 위치시키고 있다.
배기 포트(10) 내의 배기 밸브(22) 부근에서는, 연소실(23)로부터의 배기가스가 도면 중에 화살표로 나타내는 배기가스 흐름선(L1)에 따라 경사 상방을 향하여 배출되지만, 이 배기가스 흐름선(L1)에 대해 배기 연통로(11)의 유입부(21)에 배기가스가 유입될 때의 유입선(L2)(환언하면, 유입부(21)의 축심(軸心))은 예각의 끼움 각을 형성한다. 따라서, 연소실(23)로부터 배기 포트(10)로 배출된 배기가스는 배출시 운동 에너지에 의해 적극적으로 배기 연통로(11)의 유입부(21)로 유입하고, 또한 배기 연통로(11) 내를 경유하여 배기가스 센서(13)에 도달한다.
그 결과, 주로 가스 확산 작용에 의해 배기가스를 이송하는 제 1 실시 형태에 비교하면, 각 기통의 배기가스는 배기 연통로(11) 내를 경유하여 원활하게 배기가스 센서(13)까지 이송되고, 배기 연통로(11) 내의 배기가스의 가스 교환이 촉진되기 때문에, 제 1 실시 형태에 비교하여 배기가스 센서(13)에 의한 공연비 판정의 응답성을 일층 향상시킬 수 있다.
또한, 배기 매니폴드(1)에 대한 배기 연통로(11)의 접속 상태는 상기 실시 형태에 한하는 것이 아니고, 예를 들면 도 4에 도시한 바와 같이 구성하여도 좋다. 이 예에서는 상기한 바와 마찬가지로 배기 연통로(11)를 경사시킴과 함께, 배기 연통로(11)의 유입부(21)를 배기 포트(10) 내의 출구 부근에 개구시키고 있다. 배기 포트(10)의 출구에서는 도면 중에 화살표로 나타내는 배기가스 흐름선(L1)에 따라 배기가스가 거의 수평으로 유통하지만, 이 배기가스 흐름선(L1)에 대해 유입부(21)에의 유입선(L2)은 예각의 끼움 각을 형성하기 때문에, 상기 실시 형태와 같은 작용 효과를 얻을 수 있다.
[제 3 실시 형태]
도 5는 본 실시 형태의 다기통 내연 기관의 흡기 연통로의 접속 상태를 도시한 도면이다. 본 실시 형태에서는 가스 교환의 촉진을 목적으로 하고, 배기가스 센 서(13)를 내연 기관의 흡기계와 접속하여 배기가스 센서(13)의 전후에 압력차를 발생시키고 있다. 즉, 제 1 실시 형태의 배기가스 센서(13)에는 배기 연통로(11)만이 접속되어 있음에 대해, 본 실시 형태에서는 배기 연통로(11)에 더하여 배기가스 센서(13)에 1개의 흡기 연통로(31)(가스 교환 촉진 수단)의 일단이 접속되고, 흡기 연통로(31)의 타단은 흡기 매니폴드(32)에 접속되어 있다. 따라서, 배기가스 센서(13)는 배기 연통로(11)를 통하여 배기 매니폴드(1)의 각 기통의 브랜치(3)와 연통하는 한편, 흡기 연통로(31)를 통하여 흡기 매니폴드(32)에 대해서도 연통하고 있다.
그리고, 배기 연통로(11)가 접속된 브랜치(3)에는 배기압(정압)이 작용함에 대해, 흡기 연통로(31)가 접속된 흡기 매니폴드(32)에는 흡기압(부압)이 발생하고 있기 때문에, 배기가스 센서(13)의 전후에는 압력차가 생긴다. 따라서, 배기 연통로(11) 내의 배기가스는 배기가스 센서(13)를 경유하여 저압측의 흡기 연통로(31)로 유통하고, 결과로서 각 기통의 배기가스가 배기 연통로(11) 내를 경유하여 원활히 배기가스 센서(13)까지 이송되기 때문에, 배기 연통로(11) 내의 배기가스의 가스 교환을 촉진할 수 있다.
그런데, 배기가스의 유통에 의한 폐색 방지를 위해 흡기 연통로(31)에는 어느 정도의 단면적을 확보할 필요가 있기 때문에, 결과적으로 가스 교환의 촉진에 필요로 하는 량 이상의 배기가스가 흡기 연통로(31)를 경유하여 흡기 매니폴드(32)측으로 환류되는 경향이 있다. 따라서, EGR 제어에 있어서 NOx 저감을 위해 연소 한계 부근까지 EGR 량을 증대시키는 경우에는, 흡기 연통로(31)를 경유하여 환류된 배기가스가 연소 악화의 요인이 될 수 있다. 그래서, 도 5에 파선으로 도시한 바와 같이 흡기 연통로(31)에 개폐 밸브(33)를 마련하고, 상기 연소 악화의 우려가 있는 운전 영역에서는 개폐 밸브(33)의 개방도를 감소 또는 전폐하고, 이로써 흡기 연통로(31)를 경유하여 흡기 매니폴드(32)측으로 환류되는 배기가스량을 제한하여 연소 악화의 방지를 도모하여도 좋다.
[제 4 실시 형태]
도 6은 본 실시 형태의 다기통 내연 기관의 배기 하류 연통로의 접속 상태를 도시한 도면이다. 본 실시 형태에서는 가스 교환의 촉진을 목적으로 하고, 배기가스 센서(13)를 배기관(6)의 촉매(9)의 하류측과 접속하여 배기가스 센서(13)의 전후에 압력차를 발생시키고 있다. 즉, 제 3 실시 형태의 흡기 연통로(31)를 대신하여 배기가스 센서(13)에는 1개의 배기 하류 연통로(41)(가스 교환 촉진 수단)의 일단이 접속되고, 배기 하류 연통로(41)는 배기관(6)에 따라 하류측에 연속 설치되어 타단이 촉매(9)의 하류측에 접속되어 있다.
그리고, 배기 연통로(11)가 접속된 배기 매니폴드(1)의 브랜치(3)에 비교하여, 배기 하류 연통로(41)가 접속된 촉매(9)의 상류측에서는 촉매(9)의 조리개 효과 등에 의해 배기압이 증대하고 있기 때문에, 배기가스 센서(13)의 전후에는 압력차가 생긴다. 따라서, 배기 연통로(11) 내의 배기가스는 배기가스 센서(13)를 경유하여 저압측의 배기 하류 연통로(41)로 유통하고, 결과로서 각 기통의 배기가스가 배기 연통로(11) 내를 경유하여 원활하게 배기가스 센서(13)까지 이송되기 때문에, 배기 연통로(11) 내의 배기가스의 가스 교환을 촉진할 수 있다.
그런데, 냉태 시동시에는 연료 증량에 의한 미연소 가스가 배기 하류 연통로(41)를 경유하여 촉매(9)를 우회하여 배출되는 현상이 생긴다. 그래서, 도 6에 파선으로 도시한 바와 같이, 배기 하류 연통로(41)에 상기 제 3 실시 형태와 같은 개폐 밸브(42)를 마련하여 상기 냉태 시동시 등에 개폐 밸브(42)의 개방도를 감소 또는 전폐하고, 배기 하류 연통로(41) 내를 유통하는 배기가스량을 제한하여 미연소 가스의 배출 방지를 도모하여도 좋다.
또한, 배기 하류 연통로(41)의 접속 개소는 촉매(9)의 하류측에 한하지 않고 촉매(9)의 상류측이라도 좋다. 이 경우, 배기관(6)에 마련된 기존의 스로틀부의 하류측, 또는 압력차를 발생시키기 위해 새롭게 마련한 스로틀부의 하류측에 배기 하류 연통로(41)를 접속하면, 상기 촉매(9)와 같은 조리개 효과를 얻을 수 있고 가스 교환을 촉진할 수 있다.
[제 5 실시 형태]
도 7은 본 실시 형태의 다기통 내연 기관의 냉각 공간의 접속 상태를 도시한 도면이다. 본 실시 형태에서는 가스 교환의 촉진을 목적으로 하고, 제 4 실시 형태에서 설명한 배기 하류 연통로(41)에 냉각 공간(51)(가스 교환 촉진 수단)을 마련하고 있다. 즉, 제 4 실시 형태와 같이 배기가스 센서(13)와 배기관(6)의 촉매(9)의 하류측과는 배기 하류 연통로(41)에 의해 접속되고, 더하여 본 실시 형태에서는 배기 하류 연통로(41)의 중도에 냉각 공간(51)이 마련되어 있다.
따라서, 배기가스 센서(13)를 경유한 배기가스는 배기 하류 연통로(41) 내를 경유하여 냉각 공간(51) 내로 도입되어 온도 저하에 의해 체적 변화(체적 축소)하 고 이 체적 변화에 수반하여 냉각 공간(51)보다 상류측의 배기 하류 연통로(41) 내의 배기가스가 냉각 공간(51) 내로 이송됨과 함께, 배기 연통로(11) 내의 배기가스가 배기가스 센서(13)를 경유하여 배기 하류 연통로(41)로 이송되고, 결과로서 냉각 공간(51)을 구비하지 않은 제 4 실시 형태에 비교하여 배기 연통로(11) 내의 배기가스의 가스 교환을 한층 촉진할 수 있다.
여기서, 냉각 공간(51)에 의해 배기 연통로(11) 내의 가스 교환을 효율적으로 촉진시키는데는, 냉각 공간(51)에서의 배기가스의 체적 변화에 수반하여 배기 연통로(11) 내의 배기가스의 거의 전량을 배기 하류 연통로(41)측으로 이송하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는, 냉각 공간(51)의 배기가스의 체적 변화와 배기 연통로(11)의 용적이 같은 정도가 되도록, 냉각 공간(51)의 용적, 또는 배기 연통로(11)의 용적, 또는 냉각 공간(51)에 있어서의 온도 저하율의 적어도 하나 이상을 설정하면 좋다.
또한, 상기한 바와 같이 배기 하류 연통로(41)에 독립한 냉각 공간(51)을 마련하는 일 없이, 예를 들면 배기 하류 연통로(41) 자체, 또는 배기 하류 연통로(41)의 일부에, 예를 들면 핀이나 냉각수 배로(配路) 등의 냉각 장치를 마련하여 냉각 공간(51)으로서 기능시켜도 좋다.
또한, 본 실시 형태에서는 냉각 공간(51)을 배기 하류 연통로(41)에 마련하였지만, 제 3 실시 형태에서 설명한 흡기 연통로(31)에 냉각 공간(51)을 마련할수도 있고, 이 경우에도 냉각 공간(51)은 상기한 바와 같은 작용 효과를 이루어 가스 교환을 한층 더 촉진할 수 있다.
이상으로 가스 교환 촉진 수단에 관한 제 2 내지 제 5 실시 형태의 설명을 마치지만, 이들의 실시 형태 이외에도 여러가지의 실시 형태가 고려되고, 이하에 순차적으로 설명한다.
[제 6 실시 형태]
본 실시 형태에서는 배기 연통로(11)를 배기 매니폴드(1)의 외부에 마련된 제 1 실시 형태에 대해 배기 연통로(11)를 내장하고 있는 점이 상위하다. 도 8은 본 실시 형태의 다기통 내연 기관의 헤드측 스페이서 부재를 도시한 정면도, 도 9는 마찬가지로 매니측 스페이서 부재를 도시한 정면도, 도 10은 마찬가지로 각 스페이서 부재의 조립 상태를 도시한 단면도이다. 또한, 이하의 설명에서는 도 10의 왼쪽에 상당하는 실린더 헤드측을 헤드측이라고 칭하고, 도 10의 오른쪽에 상당하는 배기 매니폴드측을 매니측이라고 칭하기로 하고, 도 8, 9는 각 스페이서 부재를 헤드측에서 본 상태를 도시한다.
헤드측 스페이서 부재(61) 및 매니측 스페이서 부재(62)는 배기 매니폴드(1)의 상류측 플랜지(2)(도 1에 도시한다)와 유사한 형상의 판형상을 하고, 헤드측 스페이서 부재(61)를 헤드측에, 매니측 스페이서 부재(62)를 매니측에 배치한 상태에서, 실린더 헤드(63)와 배기 매니폴드(1)의 상류측 플랜지(2) 사이에 개장되어 있다. 양 스페이서 부재(61, 62)는 주위에 관통 마련된 볼트 구멍(61a, 62a)을 이용하여 배기 매니폴드 부착용의 볼트(64)에 의해 함께 고정되고, 배기 매니폴드(1)와 함께 실린더 헤드(63)에 고정되어 있고, 양 스페이서 부재(61, 62)에 관통 마련된 4개의 포트 연통 구멍(65)을 통하여 각 배기 포트(10)(도 1에 도시한다)로부터의 배기가스가 배기 매니폴드(1)측으로 유통한다.
매니측 스페이서 부재(62)의 매니측의 면에는, #2 기통과 #3 기통의 포트 연통 구멍(65) 사이의 약간 상방 위치에 원형 모양을 한 센서 고정 베이스(12)가 용접되고, 센서 고정 베이스(12)의 중앙에는 배기가스 센서 고정용의 나사 구멍(67)이 형성됨과 함께, 나사 구멍(67)과 대응하여 매니측 스페이서 부재(62)에는 삽입 구멍(68)이 관통 마련되어 있다. 매니측 스페이서 부재(62)의 삽입 구멍(68)과 대응하여 헤드측 스페이서 부재(61)의 매니측의 면에는 굴곡로(69)의 일단이 개구하고, 굴곡로(69)는 상방을 향하여 대략 직각으로 굴곡 형성되고, 굴곡로(69)의 타단은 나사 구멍(70)을 통하여 헤드측 스페이서 부재(61)의 상연(上椽)에 개구하고 있다.
센서 고정 베이스(12)의 나사 구멍(67)에는 배기가스 센서(13)가 나사결합하여 고정되고, 배기가스 센서(13)의 검출부(13a)는 삽입 구멍(68) 내 및 굴곡로(69) 내에 위치하고, 검출부(13a)의 선단은 굴곡로(69) 내의 수평부분의 거의 가장 안쪽부까지 달하고 있다. 한편, 헤드측 스페이서 부재(61)의 나사 구멍(70)에는, 상기한 제 3 실시 형태의 흡기 연통로(31), 또는 제 4 실시 형태의 배기 하류 연통로(41)의 일단이 접속되고, 이들의 연통로(31, 41)를 통하여 내연 기관의 흡기 매니폴드(32)나 배기관(6)의 촉매(9) 하류측과 연통하고 있다.
매니측 스페이서 부재(62)의 헤드측의 면에는, 각 포트 연통 구멍(65)과 삽입 구멍(68)을 접속하는 4개의 직선형상의 홈(71)이 형성되고, 도 10에 도시한 바와 같이 매니측 스페이서 부재(62)에 헤드측 스페이서 부재(61)가 겹친 상태에서는 각 홈(71)이 헤드측 스페이서 부재(61)에 의해 폐색되고, 각 배기 포트(10)와 배기가스 센서(13)를 연통하는 제 1 실시 형태의 배기 연통로(11)로서 기능한다.
그리고, 제 1 실시 형태와 마찬가지로 본 실시 형태에서도, 배기 포트(10)로부터 배기가스 센서(13)까지의 거리(A1)가 필요한 최소한으로 단축되고, 배기 포트(10)로부터 촉매(9)의 상류측 입구까지의 거리(A2)(도 1에 도시한다)에 비교하여 현격하게 짧기 때문에, 배기 포트(10)로부터 배출된 배기가스가 배기가스 센서(13)에 도달하기까지의 수송 지연을 최소한으로 억제하고, 극히 양호한 응답성으로 배기 공연비를 판정할 수 있음과 함께, 각 기통의 배기가스를 공통의 배기가스 센서(13)에 의해 검출하기 때문에, 내연 기관의 제조 비용을 저감할 수 있다.
게다가, 배기 연통로(11)가 스페이서 부재(61, 62) 내에 형성되고, 또한, 스페이서 부재(61, 62)가 실린더 헤드(63)와 배기 매니폴드(1)의 상류측 플랜지(2)와의 사이에 개장되어 있기 때문에, 각 배기 연통로(11) 내를 유통하는 배기가스의 방열이 억제된다. 따라서, 높은 온도를 유지한채로 배기가스를 배기가스 센서(13)에 공급할 수 있고, 배기가스 센서(13)의 불활성 방지 및 조기 활성화를 실현할 수 있다는 다른 이점도 얻어진다.
또한, 이와 같이 배기 연통로(11) 내에서의 배기가스의 방열을 억제하는 구성은 상기한 것에 한하는 것이 아니고, 예를 들면 배기 연통로(11)를 배기 매니폴드(1)의 외부에 마련한 제 1 실시 형태에 있어서, 배기 연통로(11)를 2중관으로서 구성하거나 배기 연통로(11)를 보온재에 의해 덮거나 하여도 배기가스의 방열이 억제되고, 본 실시 형태와 같은 작용 효과를 얻을 수 있다. 또한, 배기가스의 방열을 억제하는 대신에, 배기가스 센서(13)를 히터 등에 의해 적극적으로 승온함으로써 불활성 방지 및 조기 활성화를 도모하여도 좋다.
한편, 헤드측 스페이서 부재(61) 및 매니측 스페이서 부재(62)는 상기 구성에 한하는 것이 아니라 여러가지로 변경 가능하고, 이하에 다른 예를 설명한다.
제 6 실시 형태에서는, 헤드측 스페이서 부재(61)에 굴곡로를 형성하고 배기가스 센서(13)를 흡기 연통로(31)나 배기 하류 연통로(41)와 접속하였지만, 제 1 실시 형태와 마찬가지로 흡기 연통로(31)나 배기 하류 연통로(41)를 생략하여도 좋다. 이 경우에는 압력차에 의한 가스 교환의 촉진은 기대할 수 없지만, 배기가스의 방열 억제의 작용은 상기 제 6 실시 형태와 마찬가지로 얻어진다.
제 6 실시 형태에서는, 도 10에 도시한 바와 같이 배기가스 센서(13)의 검출부(13a)의 선단을 굴곡로(69) 내의 수평부분의 거의 가장 안쪽부에 위치시켰지만, 예를 들면 도 11에 도시한 바와 같이 헤드측 스페이서 부재(61)의 판두께를 증대시켜, 배기가스 센서(13)의 검출부(13a)의 선단이 굴곡로(69) 내의 수평부분의 중도에 머무르도록 설정하여도 좋다. 이 경우에는 도 10과는 배기가스 센서(13)의 검출부(13a)에 대한 배기가스의 유통 상태가 다르기 때문에, 배기가스 센서(13)의 특성등을 고려하여 어느 쪽에 배치하는가를 선택하면 좋다.
제 6 실시 형태에서는, 헤드측 스페이서 부재(61)에 형성한 굴곡로(69)를 통하여 배기가스 센서(13)와 흡기 연통로(31) 또는 배기 하류 연통로(41)를 연통시켰지만, 배기 연통로(11)와 마찬가지로 매니측 스페이서 부재(62)에 홈(72)을 형성하고 굴곡로(69)의 대체로 하여도 좋다. 구체적으로는 도 12에 도시한 바와 같이 매 니측 스페이서 부재(62)에 배기가스 센서(13)의 검출부(13a)로부터 상방으로 늘어나는 1개의 홈(72)을 형성하고, 이 홈(72)을 헤드측 스페이서 부재(61)에 의해 폐색하여 통로(73)을 형성하고, 통로(73)의 상부를 흡기 연통로(31) 또는 배기 하류 연통로(41)와 접속하면 좋다. 매니측 스페이서 부재(62)에 대한 홈(72)의 가공은 굴곡로(69)를 형성하기 위한 가공에 비교하여 현격하게 용이하기 때문에 제조 비용을 저감할 수 있고, 또한, 굴곡로(69)의 폐지에 의해 헤드측 스페이서 부재(61)의 두께를 대폭적으로 감소할 수 있기 때문에, 나아가서는 내연 기관의 소형화에 공헌할 수 있다는 이점을 얻을 수 있다.
제 6 실시 형태에서는, 실린더 헤드(63) 및 배기 매니폴드(1)와는 별개의 독립한 부재로서 헤드측 스페이서 부재(61) 및 매니측 스페이서 부재(62)를 제작하고, 이들의 스페이서 부재(61, 62)에 배기 연통로(11)나 배기가스 센서(13)를 마련하였지만, 양 스페이서 부재(61, 62)의 어느 한쪽, 또는 쌍방을 실린더 헤드(63)나 배기 매니폴드(1)에 일체화하여도 좋다. 도 13은 헤드측 스페이서 부재(61)를 실린더 헤드(63)에 일체화하고, 매니측 스페이서 부재(62)를 배기 매니폴드(1)에 일체화한 예를 도시하고 있고, 배기 매니폴드(1)의 상류측 플랜지(2)에 홈(71)을 형성하여 배기가스 센서(13)를 고정하는 한편, 배기가스 센서(13)의 검출부(13a)와 연통하도록 실린더 헤드(63)에 굴곡로(69)를 형성하고 있다. 이와 같이 구성하면 양 스페이서 부재(61, 62)의 두께 상당만큼 내연 기관을 소형화할 수 있다.
그런데, 배기가스 센서(13)에서의 각 배기 연통로(11)의 가스 교환량이 불균등한 때에는, 센서 출력에 대해 특정 기통의 공연비의 영향이 강하게 되는 또는 약 하게 되는 등의 문제가 생겨, 정확한 배기 공연비의 판정을 기대할 수 없게 된다. 그래서, 이하에 각 배기 연통로(11) 내의 배기가스의 가스 교환을 균등화하기 위한 대책을 실시한 제 7, 8 실시 형태를 설명한다.
[제 7 실시 형태]
도 14는 본 실시 형태의 다기통 내연 기관의 매니측 스페이서 부재를 도시한 정면도이다. 본 실시 형태에서는 제 6 실시 형태에서 기술한 각 배기 연통로(11)의 용적을 대략 동등하게 함으로써 가스 교환의 균등화를 도모하고 있고, 그 밖의 구성은 제 6 실시 형태와 같기 때문에, 상위점을 중점적으로 설명한다.
매니측 스페이서 부재(62)의 헤드측의 면에는 제 6 실시 형태와 마찬가지로 4개의 홈(81, 82)이 형성되고, 본 실시 형태에서는 배기가스 센서(13)로부터 이간하고 있다 #1, #4 기통의 홈(81)에 비교하여, 배기가스 센서(13)에 근접하는 #2, #3 기통의 홈(82)은 동일 깊이인 채 폭넓게 형성되고, 보다 큰 단면적을 갖고 있다. 이 설정에 의해 모든 배기 연통로(11)의 포트 연통 구멍(65)으로부터 삽입 구멍(68)까지 용적이 대략 동등하게 된다.
이와 같이 각 배기 연통로(11)의 용적이 대략 동등하기 때문에, 내부를 배기가스가 유통할 때의 압력 맥동이 동등하게 영향을 주어 균등하게 가스 교환이 행하여지고, 각 기통의 공연비를 균일하게 반영시킨 정확한 배기 공연비의 판정을 실현할 수 있다.
또한, 각 배기 연통로(11)의 단면적을 조정하는 수법으로서는, 상기 홈(81, 82)의 폭을 대신하여 깊이를 상위하게 하거나, 또는 폭과 깊이의 양쪽을 상위하게 하여도 좋다.
여기서, 각 배기 연통로(11)의 길이에 따라서는 내부에서 압력 맥동의 공진이 생기는 경우가 있고, 압력 맥동의 공진은 배기가스 유량을 변동시켜서 배기가스 센서(13)의 출력을 변동시켜 버린다. 그래서, 기관의 상용 회전역에서는 압력 맥동의 공진이 발생하지 않도록 각 배기 연통로(11)의 길이를 설정하는 것이 바람직하다.
[제 8 실시 형태]
도 15는 본 실시 형태의 다기통 내연 기관의 흡기 연통로 또는 배기 하류 연통로에 대한 각 배기 연통로의 배치 상태를 도시한 사시도이다. 본 실시 형태에서는, 흡기 연통로(31)나 배기 하류 연통로(41)에 대해 각 배기 연통로(11)를 등간격으로 배치하고 있고, 그 밖의 구성은 제 1 실시 형태와 같기 때문에, 상위점을 중점적으로 설명한다.
배기가스 센서(13)가 부착된 센서 고정 베이스(12)에는 4개의 배기 연통로(11)의 일단이 접속되고, 각 배기 연통로(11)는 센서 고정 베이스(12)를 중심으로 하여 대략 수평면상에서 90°마다 등간격으로 배치되고, 도시는 하지 않지만, 각 배기 연통로(11)의 타단은 배기 매니폴드(1)의 각 기통의 브랜치(3)에 접속되어 있다. 센서 고정 베이스(12)의 하면에는 상기한 제 3 실시 형태의 흡기 연통로(31), 또는 제 4 실시 형태의 배기 하류 연통로(41)의 일단이 접속되고, 이들의 연통로(31, 41)의 타단은 내연 기관의 흡기 매니폴드(32)나 배기관(6)의 촉매(9) 하류측과 접속되어 있다.
이와 같은 각 연통로(11, 31, 41)의 배치에 의해 흡기 연통로(31)나 배기 하류 연통로(41)에 대해 각 배기 연통로(11)가 대략 등간격으로 위치하게 되고, 각 배기 연통로(11)의 배기가스는 배기가스 센서(13)를 경유하여 흡기 연통로(31)나 배기 하류 연통로(41)에 거의 동일 조건으로 유입한다. 이로써, 배기가스 센서(13)의 검출부(13a)의 전 주위가 공연비 검출에 유효하게 이용되기 때문에 응답성이 향상됨과 함께, 특정 기통의 공연비의 영향이 강하게 되는 또는 약하게 되는 것이 방지되고, 각 기통의 공연비를 균일하게 반영시킨 정확한 배기 공연비의 판정을 실현할 수 있다.
그런데, 제 3 실시 형태와 같이 배기가스 센서(13)에 흡기 연통로(31)를 접속한 경우, 배기가스 센서(13)를 흐르는 배기가스량은 배기압과 흡기압의 압력비의 증가에 따라 증대하고, 압력비가 임계비에 달하여 임계 상태로 된 시점에서 배기가스의 유량 증대는 제한된다. 이 현상을 이용하여 배기가스 센서(13)의 출구 또는 입구에서 임계 상태를 발생시킴으로써 여러가지의 이점을 얻을 수 있고, 이하, 각각의 경우를 제 9, 10 실시 형태로 하여 설명한다.
[제 9 실시 형태]
본 실시 형태에서는, 배기가스 센서(13)가 갖는 압력 의존의 영향을 경감하는 목적으로, 배기가스 센서(13)의 출구측에서 임계 상태가 발생하도록, 각 배기 연통로(11) 및 흡기 연통로(31)의 단면적이 설정되어 있다. 즉, 배기가스 센서(13)에 대한 흡기 연통로(31)의 접합(接合) 유효 단면적에 비교하여, 배기가스 센서(13)에 대한 각 배기 연통로(11)의 접합 유효 단면적의 총합이 크게 설정되어 있 다.
도 16은 본 실시 형태의 다기통 내연 기관에 있어서 배기가스 압력이 임계 상태에 달한 때의 배기가스 센서(13)의 전후의 압력 분포를 도시한 설명도이다. 상기한 단면적의 설정에 의해 배기가스의 유통시에 배기압과 흡기압의 압력비가 증가하면, 배기가스 센서(13)의 입구측(배기 연통로(11)측)보다 조기에 배기가스 센서(13)의 출구측(흡기 연통로(31)측)이 임계 상태에 달하고, 이 개소에서 배기가스 유량의 증대가 제한된다.
이때의 배기가스 압력은 배기가스 센서(13)의 출구측을 경계로 하여 상류측은 배기압으로, 하류측은 흡기압으로 되고, 배기가스 센서(13)에는 흡기압에 비교하여 보다 대기압에 가까운 배기압이 작용한다. 일반적으로 배기가스 센서(13)는 배기가스 압력에 의존하여 검출 특성을 변동시키는 성질을 갖는데, 보다 대기압에 가까운 배기압이 작용함으로써 압력 의존의 영향을 경감할 수 있기 때문에, 배기 공연비의 판정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
[제 10 실시 형태]
본 실시 형태는, 상기 제 9 실시 형태의 배기가스 센서(13)의 압력 의존에의 대책을 실시할 필요가 없는 경우, 예를 들면 압력 의존의 영향이 작은 경우나 압력 의존에 대해 가스 압력 보정을 실시하는 경우를 상정한 것이며, 각 배기 연통로(11)로부터 배기가스 센서(13)로 유입하는 배기가스량을 균등하게 할 목적으로, 제 9 실시 형태와는 역으로 배기가스 센서(13)의 입구측에서 임계 상태가 발생하도록, 각 배기 연통로(11) 및 흡기 연통로(31)의 단면적이 설정되어 있다. 즉, 배기가스 센서(13)에 대한 흡기 연통로(31)의 접합 유효 단면적에 비교하여 각 배기 연통로(11)의 접합 유효 단면적의 총합이 작게 설정되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는 각 배기 연통로(11)의 접합 유효 단면적이 서로 균등하게 설정되어 있다.
도 17은 본 실시 형태의 다기통 내연 기관에 있어서 배기가스 압력이 임계 상태에 달한 때의 배기가스 센서(13)의 전후의 압력 분포를 도시한 설명도이다. 상기한 단면적의 설정에 의해 배기가스의 유통시에 배기압과 흡기압의 압력비가 증가하면, 배기가스 센서(13)의 출구측(흡기 연통로(31)측)보다 조기에 배기가스 센서(13)의 입구측(배기 연통로(11)측)이 임계 상태에 달하고, 이 개소에서 배기가스 유량의 증대가 제한된다.
이와 같이 배기가스 센서(13)의 입구가 임계 상태로 되고, 또한 각 배기 연통로(11)의 접합 유효 단면적이 균등하기 때문에, 각 배기 연통로(11)로부터 배기가스 센서(13)로 유입하는 배기가스량이 대략 동등하게 되고, 각 기통의 공연비를 균일하게 반영시킨 정확한 배기 공연비의 판정을 실현할 수 있다.
이상으로 실시 형태의 설명을 마치지만, 본 발명의 상태는 이 실시 형태로 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 상기 실시 형태에서는 직렬 4기통의 내연 기관으로서 구체화하였지만, 다기통이라면 기통 수나 기통 배열은 이것에 한하는 것이 아니고 임의로 변경 가능하다.
또한, 상기 각 실시 형태의 구성을 개별적으로 실시한 경우로 한정되는 것이 아니라, 각 실시 형태의 구성을 임의로 조합시켜서 실시 가능하고, 예를 들면 배기가스 흐름선(L1)에 대해 배기 연통로(11)의 유입부(21)를 예각으로 배치한 제 2 실 시 형태의 구성과, 배기 하류 연통로(41)에 냉각 공간(51)을 마련한 제 5 실시 형태의 구성을 조합시켜도 좋다.
또한, 흡기 연통로(31)를 흡기 매니폴드(32)가 아니고, EGR 하류 통로에 접속하도록 하여도 좋다.
또한, 가스 교환을 촉진할 수 없는 압력차(예를 들면, 흡기관 부압 증대, 상류 배기압 저감, 하류 배기압 증대)로 된 경우는, 공연비 판정을 금지하도록 하여도 좋다.
또한, 배기가스 센서(13)의 보호 커버에 마련된 통기구와 해당 배기가스 센서(13)로 유입하는 배기 연통로(11)의 연통구와의 관계를 각 기통에서 균등하게 하는 것이 바람직하다. 배기가스 센서(13)로 유입하는 배기가스(검사 가스)의 유속이 빠르면, 해당 통로구의 투영면에 해당 통풍로가 많이 있는 경우와 적은 경우에서, 배기가스 센서(13)의 검출부(13a)에 도달하는 검사 가스량에 편차가 생기고 공연비의 기통 사이 편차의 영향을 받기 쉽다는 문제가 있지만, 이러한 문제를 저감할 수 있다.
또한, 배기 연통로(11), 흡기 연통로(31), 배기 하류 연통로(41)의 통로 단면적은, 실시예로 나타낸 바와 같이 각 통로에서 균일할 필요는 없고, 단면적이 최소로 되는 부분이 통로의 일부만이 되도록 하여도 좋다. 각 통로는 배기가스가 통과하기 때문에, 디포지트 부착 등에 의해 통로 단면적이 변화하고, 예를 들면 각 배기 연통로(11)의 유효 단면적이 각 기통 사이에서 불균일하게 된 경우에는 공연비 판정에 기통 사이 편차가 생기는 문제가 있지만, 디포지트 등은 통로 내에 균일 하게 부착하는 것은 아니기 때문에, 최소 단면적 영역을 일부분으로 함으로써, 최소 단면적부에 디포지트 등이 부착하는 확률을 저감시킬 수 있다.
이로써, 각 배기 통로의 유효 단면적이 각 기통 사이에서 불균일하게 되는 확률을 저감하고, 그로써 공연비 검출의 기통 사이 편차에 수반하는 판정 정밀도 악화를 억제할 수 있다.
또한, 각 배기 연통로에 의해 도입된 배기가스가 배기가스 센서(13)부의 공간에서 혼합되고, 해당 혼합된 배기가스를 배기가스 센서(13)에 의해 판정하도록 하여도 좋고, 혼합되지 않고 각 기통의 공연비를 개별로 판정하도록 하여도 좋다.
이상 설명한 바와 같이 제 1항, 제 2항의 발명의 다기통 내연 기관에 의하면, 배기가스 센서의 필요 수를 감소시켜 제조 비용을 저감할 수 있음과 함께, 응답성이 좋은 배기 공연비의 판정을 실현할 수 있다.
제 3항의 발명의 다기통 내연 기관에 의하면 제 1항, 제 2항에 더하여 배기 연통로 내의 배기가스의 가스 교환을 촉진하고, 배기가스 센서에 의한 공연비 판정의 응답성을 한층 더 향상시킬 수 있다.
제 4항의 발명의 다기통 내연 기관에 의하면, 제 3항에 더하여 냉각 공간에 의한 배기가스의 체적 변화를 이용하여 배기 연통로 내의 배기가스의 가스 교환을 촉진할 수 있다.
제 5항의 발명의 다기통 내연 기관에 의하면, 제 3항, 제 4항에 더하여 내연 기관의 배기압과 흡기압의 압력차를 이용하여 배기 연통로 내의 배기가스의 가스 교환을 한층 더 촉진할 수 있다.
제 6항의 발명의 다기통 내연 기관에 의하면, 제 5항에 더하여 흡기 연통로에 대해 각 배기 연통로를 대략 등간격으로 배치함으로써, 배기가스 센서의 응답성을 향상할 수 있음과 함께, 각 기통의 공연비를 균일하게 반영시킨 정확한 배기 공연비의 판정을 실현할 수 있다.
제 7항의 발명의 다기통 내연 기관에 의하면, 제 3항, 제 4항에 더하여 내연 기관의 배기계의 상류와 하류의 압력차를 이용하여 배기 연통로 내의 배기가스의 가스 교환을 촉진할 수 있다.
제 8항의 발명의 다기통 내연 기관에 의하면, 제 7항에 더하여 배기 하류 연통로에 대해 각 배기 연통로를 대략 등간격으로 배치함으로써, 배기가스 센서의 응답성을 향상할 수 있음과 함께, 각 기통의 공연비를 균일하게 반영시킨 정확한 배기 공연비의 판정을 실현할 수 있다.
제 9항의 발명의 다기통 내연 기관에 의하면, 제 3항에 더하여 배기가스의 운동 에너지를 이용하여 배기 연통로 내의 배기가스의 가스 교환을 촉진할 수 있다.

Claims (9)

  1. 복수의 기통을 갖는 다기통 내연 기관에 있어서,
    각 기통의 배기 포트로부터 연장하는 배기 통로에 마련되고 배기가스를 정화하는 촉매와,
    적어도 2개 이상의 상기 배기 통로를 연통하는 배기 연통로와,
    상기 배기 연통로에 마련되는 배기가스 센서를 구비하고,
    상기 배기 포트로부터 상기 배기가스 센서까지의 거리를 해당 배기 포트로부터 상기 촉매의 상류측 입구까지의 거리 보다 짧게 한 것을 특징으로 하는 다기통 내연 기관.
  2. 복수의 기통을 갖는 다기통 내연 기관에 있어서,
    각 기통의 배기 포트에 각각 연결하는 배기 포트측 배기 통로와,
    적어도 2개 이상의 배기 포트측 배기 통로를 합류시키는 배기 통로 합류부와,
    상기 배기 통로 합류부의 하류에 마련되고 배기가스를 정화하는 촉매와,
    상기 배기 통로 합류부의 상류에 마련되고, 상기 합류하는 적어도 2개 이상의 배기 포트측 배기 통로를 연통하는 배기 연통로와,
    상기 배기 연통로에 마련되는 배기가스 센서를 구비한 것을 특징으로 하는 다기통 내연 기관.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 배기 연통로 내의 배기가스의 가스 교환을 촉진시키는 가스 교환 촉진 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 다기통 내연 기관.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 가스 교환 촉진 수단은, 상기 배기가스 센서의 하류에 마련된 냉각 공간을 구비하고, 배기가스의 냉각에 의한 체적 변화에 의해 상기 배기 연통로 내의 가스 교환을 촉진하는 것을 특징으로 하는 다기통 내연 기관.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 가스 교환 촉진 수단은, 상기 배기가스 센서를 상기 내연 기관의 흡기계와 연통하는 흡기 연통로이고, 배기압과 흡기압의 압력차에 의해 상기 배기 연통로 내의 가스 교환을 촉진하는 것을 특징으로 하는 다기통 내연 기관.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 각 배기 연통로가 상기 흡기 연통로에 대해 대략 등간격으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 다기통 내연 기관.
  7. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 가스 교환 촉진 수단은, 상기 배기가스 센서를 상기 내연 기관의 배기계의 상기 배기 연통로보다 하류측과 연통하는 배기 하류 연통로이고, 상기 배기계의 상류와 하류의 압력차에 의해 상기 배기 연통로 내의 가스 교환을 촉진하는 것을 특징으로 하는 다기통 내연 기관.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 각 배기 연통로가 상기 배기 하류 연통로에 대해 대략 등간격으로 배치되어 있는 것를 특징으로 하는 다기통 내연 기관.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 가스 교환 촉진 수단은, 상기 배기 포트 내에서의 배기가스 흐름선에 대해 예각을 형성하도록 배설된 상기 배기 연통로의 유입부인 것을 특징으로 하는 다기통 내연 기관.
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