JP2006052657A - 排気マニホールド - Google Patents
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Abstract
【課題】短いブランチ長さで、エンジン出力を低下させず、かつ精度良く空燃比を検出することを可能にする。
【解決手段】エンジンのシリンダヘッド7の排気ポート8a〜8dにそれぞれ接続される複数のブランチ部1a〜1dと、ブランチ部1a〜1dが集合される集合部6と、空燃比検出手段3と、を備える排気マニホールド1において、ブランチ部1a〜1d近傍に、隣り合うブランチ部1a〜1dの間隔と略同等の間隔で気筒数と同数だけ気筒列方向に並ぶ開口部4a〜4dを有し、気筒列方向と略平行に延びる中空管2を設け、中空管2の各開口部4a〜4dと各ブランチ部1a〜1dとをそれぞれ連通する連通部を設け、中空管2のいずれか一対の隣り合う開口部4a〜4dに挟まれる部分の空燃比を検出するように空燃比検出手段3が取り付けられる空燃比検出手段取付構造を有する。
【選択図】 図1
【解決手段】エンジンのシリンダヘッド7の排気ポート8a〜8dにそれぞれ接続される複数のブランチ部1a〜1dと、ブランチ部1a〜1dが集合される集合部6と、空燃比検出手段3と、を備える排気マニホールド1において、ブランチ部1a〜1d近傍に、隣り合うブランチ部1a〜1dの間隔と略同等の間隔で気筒数と同数だけ気筒列方向に並ぶ開口部4a〜4dを有し、気筒列方向と略平行に延びる中空管2を設け、中空管2の各開口部4a〜4dと各ブランチ部1a〜1dとをそれぞれ連通する連通部を設け、中空管2のいずれか一対の隣り合う開口部4a〜4dに挟まれる部分の空燃比を検出するように空燃比検出手段3が取り付けられる空燃比検出手段取付構造を有する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、排気マニホールドの構造に関し、特に、排気ガスの空燃比を検出するセンサの取り付け部の構造に関する。
車両の空燃比制御方法として、排気浄化用触媒より上流の排気通路に空燃比検出手段を設置して排気ガスの空燃比を検出し、この検出値を利用して燃料噴射量をフィードバック制御する方法が知られている。
この空燃比制御を精度良く行なうためには、空燃比検出手段の検出精度が重要であり、そのためには各気筒からの排気ガスが確実に空燃比検出手段に当たるような構造にしなければならず、例えば、各気筒に接続されるブランチの集合部より下流部分の一部の流路径を絞り、そこに空燃比検出手段を取り付ける構造や、各ブランチの出口を空燃比検出手段に向ける構造が知られている。
ところが、近年は排気浄化用触媒を早期活性化させるために、排気ポートから排気浄化用触媒までの距離を短く、つまり排気マニホールドのブランチを短くする傾向があるので、排気マニホールドの設計の自由度が小さくなり、空燃比検出手段に排気ガスを確実に当てることが困難となっている。
特許文献1には、排気浄化用触媒の入口部に複数のブランチが接続されるディフューザーを設け、このディフューザーの内部に、空燃比検出手段を内設し、かつ各ブランチからの排気ガスを空燃比検出手段に直接導く複数の開口部を備える容器部材を設ける構造が記載されている。
特開2000−73748号
ところで、高いエンジン出力を得るためには、排気マニホールドの各ブランチの合流角は小さい方が望ましい。
しかしながら特許文献1に記載の構造では、ブランチ長さを短くしつつ各気筒からの排気ガスを前記容器部材に導入させるためには、ブランチの合流角が大きくなってしまい、これにより合流部で排気干渉が生じてエンジン出力が低下するという問題がある。
また、各ブランチの出口に設置した前記容器部材が抵抗となり、エンジン出力が低下するという問題がある。
そこで、本発明では、ブランチの長さが短い場合であっても、エンジン出力を低下させることなく、空燃比を精度良く検出することが可能な空燃比検出手段取付構造とすることを目的とする。
本発明の排気マニホールドは、エンジンのシリンダヘッドの排気ポートにそれぞれ接続される複数のブランチ部と、前記ブランチ部が集合される集合部と、空燃比検出手段と、を備える排気マニホールドにおいて、前記ブランチ部近傍に、隣り合うブランチ部の間隔と略同等の間隔で気筒数と同数だけ気筒列方向に並ぶ開口部を有し、気筒列方向と略平行に延びる中空管を設け、前記中空管の各開口部と各ブランチ部とをそれぞれ連通する連通部を設け、前記中空管のいずれか一対の隣り合う前記開口部に挟まれる部分の空燃比を検出するように前記空燃比検出手段が取り付けられる空燃比検出手段取付構造を有する。
本発明によれば、多気筒エンジンの各ブランチ部と連通する中空管を設けたので、各気筒の排気工程毎に生じる排気脈動によって前記中空管内に差圧が生じ、この差圧によって前記中空管に排気ガスが導入されやすくなり、導入された排気ガスが前記中空管に設けた空燃比検出手段に当たりやすくなるので、各気筒の排気ガスの空燃比を精度よく検出することができる。
さらに、前記空燃比検出手段を中空管のいずれか一対の隣り合う開口部に挟まれる部分に設置するので、排気ガスが導入されるたびに空燃比検出手段付近に滞留する排気ガスが掃気され、精度良く空燃比を検出することができる。
また、上記のように差圧を利用して中空管内に排気ガスを導入するので、排気マニホールドの形状によらずに中空管に排気ガスを導入することができる。これにより排気マニホールドの設計の自由度が増し、エンジン出力を重視した排気マニホールド形状とすることができる。
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は第1実施形態のシステムの構成を表す図であり、7は直列4気筒エンジンのシリンダヘッド、8(8a〜8d)は排気ポート、1はブランチ1a〜1dを有する排気マニホールド、6はブランチ1a〜1dが合流する集合部、2は隣り合うブランチ1a〜1dの間隔と略同等の間隔で気筒数と同数だけ気筒列方向に並ぶ開口部4a〜4dを有し、気筒列方向と略平行に延びる中空管としての連通管、3は空燃比検出手段としての酸素濃度センサである。なお、開口部4a〜4dは、後述する図3に示すように連通部13a〜13dによってそれぞれブランチ1a〜1dと連通している。また、連通管2の両端は閉塞されている。
ブランチ1a〜1dはそれぞれ一方の端部が排気ポート8a〜8dに接続され、他方の端部が集合部6で合流して一本の排気通路となっている。
排気マニホールド1の下流には図示しない排気浄化用触媒が接続されている。
連通管2はシリンダヘッド7近傍に設けられており、開口部4a〜4dは連通部13a〜13dによってそれぞれブランチ1a〜1dの上流側端部近傍と連通している。
酸素濃度センサ3は中央部分のブランチ1bと1cの間に設けられている。
なお、排気ポート8a〜8dはそれぞれ1番気筒〜4番気筒の排気ポートであり、本エンジンの点火順序は、気筒番号で示すと1−3−4−2である。
次に、上記のように構成したシステムの作用について説明する。
図2は縦軸にエキマニ圧力、横軸にクランクシャフト(図示せず)の回転角度(以下、クランクアングル)をとり、排気ポート8a〜8dの出口直後のブランチ1a〜1d内の圧力(以下、エキマニ圧力)の変動、いわゆる排気脈動を示したものである。
前述したように本実施形態では直列4気筒エンジンを用いるので、筒内での火花点火は気筒番号で1−3−4−2の順にクランクアングル約180度ごとに点火される。したがって各気筒はクランクシャフト2回転に1回点火される。
1番気筒のエキマニ圧力の変動は、クランクアングルが約90度のときに筒内から排気ガスが排出されるため最大圧となり、その後、他の気筒の排気脈動の影響により約180度周期で増減を繰り返し、クランクシャフトが2回転して再び排気ガスが排出されたとき、つまり約90度になったときに最大圧となる。
他の気筒のエキマニ圧力も同様に約720度周期で最大圧となる波形であるが、それぞれ点火時期に応じた位相差があり、最大圧力となるクランクアングルは、3番気筒は約270度、4番気筒は約450度、2番気筒は約630度となっている。
そして、各気筒のエキマニ圧力が上記クランクアングルで最大圧となるとき、この最大圧は他の3気筒のエキマニ圧力に比べて高くなる。なお、他の3気筒のエキマニ圧力は略同等である。
上記のように、クランクアングル約180度ごとに、いずれかの気筒のエキマニ圧力が他の3気筒のエキマニ圧力よりも高い状態となる、いわゆる排気脈動が生じる。
この排気脈動によって連通管2内部には差圧が生じ、例えばクランクアングルが約90度のときには、1番気筒と他の3気筒との差圧によって、高圧側の連通穴4aから連通管2に排気ガスが導入される。
クランクアングル約270度、約450度、約630度のときにも同様に排気脈動により生じる差圧によって連通管2に排気ガスが導入される。
なお、排気脈動によって上昇したエキマニ圧は、排気ポート8a〜8d出口がもっとも高圧で、集合部6に近づくにつれて低下する。
そこで、本実施形態では連通管2に生じる差圧ができるだけ大きくなるように、開口部4a〜4dをブランチ1a〜1dのシリンダヘッド7側端部近傍と連通させる。
次に連通管2に設置した酸素濃度センサ3へのガスの当たりについて図3を参照して説明する。
図3は縦軸に空燃比、横軸にクランクアングルをとり、1つの気筒のみを理論空燃比よりリーン側に、そして他の3気筒は理論空燃比に制御した状態での空燃比検出を、リーンに制御する気筒を1〜4番気筒まで変更して4回行った結果を表したものである。
図3中の太実線は1番気筒の空燃比を理論空燃比よりリーン側に、その他の気筒は理論空燃比に制御して酸素濃度センサ3で検出した空燃比の変動を表しており、細実線は同様に2番気筒のみリーン側に制御したときの変動、太点線は同様に3番気筒のみリーン側に制御したときの変動、細点線は同様に4番気筒のみリーン側に制御したときの変動を表している。
一つの気筒のみをリーン側に制御したのは、特定気筒(この場合リーン側に制御した気筒)の排気ガスの空燃比を酸素濃度センサ3が検出しているか否か、つまり酸素濃度センサ3に特定気筒からの排気ガスが当たっているか否かを調べるためである。
まず、1番気筒のみをリーン側に制御した場合の空燃比変動(太実線)について説明する。
太実線はクランクアングルが約90度を過ぎたところで空燃比が最もリーンになっている。これは、クランクアングルが約90度のときに火花点火される1番気筒からの排気ガスが前述した差圧により連通管2に導入され、その空燃比を検出したためである。
その後、徐々に理論空燃比に近づき、クランクアングルが約270度でほぼ理論空燃比となる。これは、クランクアングルが約90度〜約270度の間は連通管2の内部に1番気筒からの排気ガスが残留しており、クランクアングルが約270になると3番気筒からの排気ガスが連通管2に導入され、これにより残留していた1番気筒からの排気ガスが連通管2から掃気されるためである。
このことから、酸素濃度センサ3は1番気筒からの排気ガスの空燃比を確実に検出していることがわかる。
2〜4番気筒のいずれかをリーン側に制御した場合も、点火タイミングの違いによる位相差があるものの、上記と同様に火花点火直後にリーン空燃比が検出され、その後徐々に理論空燃比に近づき、次に点火される気筒からの排気ガスが導入されるとほぼ理論空燃比になる、という変動をしている。
これらのことから、酸素濃度センサ3は1〜4番気筒からの排気ガスの空燃比を確実に検出している、つまり、各気筒からの排気ガスが確実に酸素濃度センサ3に当たっていることがわかる。
以上により本実施形態では、下記のような効果が得られる。
ブランチ部1a〜1d近傍に、隣り合うブランチ部1a〜1dの間隔と略同等の間隔で気筒数と同数だけ気筒列方向に並ぶ開口部4a〜4dを有し、気筒列方向と略平行に延びる連通管2と、連通管2の各開口部4a〜4dと各ブランチ部1a〜1dとをそれぞれ連通する連通部13a〜13dを設け、酸素濃度センサ3を開口部4bと4cの間に設けたので、連通管2には排気脈動によって差圧が生じ、この差圧によって排気ガスが導入されて酸素濃度センサ3に当たるので、短いブランチ長さであっても排気マニホールド1の設計の自由度が高くなり、ブランチ1a〜1dの合流角を小さくするなどして、エンジン出力の低下を防止することができる。また、酸素濃度センサ3付近に滞留している前回導入された排気ガスが、次回導入される排気ガスによって掃気されるので、導入された排気ガスの空燃比を精度よく検出することができる。
開口部4a〜4dをブランチ1a〜1dのシリンダヘッド7側端部近傍と連通させるので、連通管2内に生じる差圧が大きくなり、確実に連通管2に排気ガスを導入することができる。
なお、本実施形態では酸素濃度センサ3を連通穴4bと連通穴4cの間に設けたが、連通穴4cと連通穴4dの間、連通穴4aと連通穴4bの間のいずれであってもよい。
第2実施形態について説明する。
本実施形態のシステムの構成は基本的に第1実施形態と同様であるが、開口部4(4a〜4d)を開閉するロータリーバルブ(流路面積制御手段)10およびこれを駆動する駆動手段としてのアクチュエータ9を備える。
ロータリーバルブ10について、図5および図1のA−A矢視図である図6を参照して説明する。図5は連通管2の内部に設けられるロータリーバルブ10の全体部、図6の(a)は開口部4が開いた状態、(b)は開口部4が閉じた状態の断面図をそれぞれ表している。
図5に示すように、ロータリーバルブ10は開口部4に対応する穴部11が設けられ、また、酸素濃度センサ3が取り付けられる位置には、後述する動作時に酸素濃度センサ3と干渉しないように略長方形の切り込み12が設けられた中空円筒であり、一方の端部がアクチュエータ9に接続されている。
アクチュエータ9は図示しないコントロールユニットからの信号にしたがって運転状態に応じてロータリーバルブ10を軸心周りに回転させ、開口部4の開口面積を可変に制御する。
図6の(a)に示すように、開口部4と穴部11とが重なったときが全開状態で、図6(b)に示すように開口部4と穴部11とが全く重なっていない状態が全閉状態である。
また、図6の(a)と(b)の中間の任意の位置でロータリーバルブ10の回転を止めることが可能であり、これにより開口部4の開口面積を可変に制御することができる。
次にロータリーバルブ10の制御について図7を参照して説明する。
図7は縦軸にエンジンの負荷、横軸にエンジン回転数をとったマップである。
図7中の領域Aは、例えばアイドル運転時のようにエンジン負荷、エンジン回転数がともに低い運転領域であり、この領域では開口部4が全開になるように制御する。
これは、第1実施形態で説明した差圧を利用して連通管2に確実に排気ガスを導入し、酸素濃度センサ3の検出精度を高めることによって空燃比フィードバック制御の精度を高めるためである。
図7中の領域Bは、エンジン負荷またはエンジン回転数、もしくはその両方が領域Aよりも高い領域であり、高負荷・高回転領域では開口部4を全閉とする。
これは、開口部4から連通管2へ排気ガスが流れることによって、連通管2を設けない場合に比べて排気脈動の減衰が早まり、出力が低下することを防止するためである。
領域Aと開口部4が全閉となる領域の中間領域は、エンジンに求められる出力性能と排気性能に応じて、例えば開口部4全開から全閉までの中間領域は、エンジン回転数が高回転域での出力性能を重視するエンジンであれば開口部4が全閉となる領域を広く、また中回転域での出力性能や低エミッション性を重視するエンジンであれば開口部4が全閉となる領域を狭くする、というように開度制御の特性を設定する。
上記のようにマップを設定し、クランク角センサ等によりエンジン回転数を、そしてアクセル開度センサ等によりエンジン負荷を検出し、これらの検出値を用いてマップを検索することによって開口部4の開口面積を決定する。
以上により本実施形態では、第1実施形態と同様の効果に加え、さらに、開口部4を運転状態に応じて、例えば低負荷・低回転域には全開、高負荷・高回転域では全閉、中間域では運転状態に応じた開度、というように制御するので、低負荷・低回転域での高精度の空燃比フィードバック制御、高負荷・高回転域での高出力、中間域での過渡特性を満足することができる。
なお、ブランチ1a〜1dから連通管2に導入される排気ガスの量を制御する手段(流路面積制御手段)はロータリーバルブ10に限られるものではなく、例えば連通部13a〜13d内にバタフライバルブやロータリーバルブを設けるなどして連通部13a〜13dの流路面積を制御してもよい。
また、第1、第2実施形態では直列4気筒エンジンに適用する場合について説明したが、適用可能なエンジン形式はこれに限られず、例えば直列6気筒や、V型エンジンの片側バンクのみについて適用すること等もできる。
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
本発明は、排気ガスの酸素濃度に基づいて空燃比フィードバック制御を行うエンジンに適用可能である。
1 排気マニホールド
1a〜1d ブランチ
2 連通管
3 酸素濃度センサ
4 開口部
6 合流部
7 シリンダヘッド
8a〜8d 排気ポート
9 アクチュエータ
10 ロータリーバルブ
11 穴部
12 切り欠き部
13 連通部
1a〜1d ブランチ
2 連通管
3 酸素濃度センサ
4 開口部
6 合流部
7 シリンダヘッド
8a〜8d 排気ポート
9 アクチュエータ
10 ロータリーバルブ
11 穴部
12 切り欠き部
13 連通部
Claims (6)
- エンジンのシリンダヘッドの排気ポートにそれぞれ接続される複数のブランチ部と、
前記ブランチ部が集合される集合部と、
空燃比検出手段と、を備える排気マニホールドにおいて、
前記ブランチ部近傍に、隣り合うブランチ部の間隔と略同等の間隔で気筒数と同数だけ気筒列方向に並ぶ開口部を有し、気筒列方向と略平行に延びる中空管を設け、
前記中空管の各開口部と各ブランチ部とをそれぞれ連通する連通部を設け、
前記中空管のいずれか一対の隣り合う前記開口部に挟まれる部分の空燃比を検出するように前記空燃比検出手段が取り付けられる空燃比検出手段取付構造を有することを特徴とする排気マニホールド。 - 前記連通部を、各ブランチ部上流のシリンダヘッド側端部近傍に設けた請求項1に記載の排気マニホールド。
- 前記開口部の開口面積または前記連通部の流路面積を、運転状態に応じて可変に制御する流路面積制御手段を設けた請求項1または2に記載の排気マニホールド。
- 前記流路面積制御手段は、エンジン負荷が高くなるにつれて前記開口部の開口面積または前記連通部の流路面積を絞る方向に制御する請求項1〜3のいずれか一つに記載の排気マニホールド。
- 前記流路面積制御手段は、低負荷運転時には前記開口部または前記連通部を全開にし、高負荷運転時には前記開口部または前記連通部を全閉にする請求項1〜4のいずれか一つに記載の排気マニホールド。
- 前記流路面積制御手段は、前記中空管の内側に同心状に設けられ、前記開口部と対応する穴部を有する内管と、前記内管を前記中空管の軸心周りに回転させる駆動手段とで構成されるロータリーバルブである請求項1〜5のいずれか一つに記載の排気マニホールド。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2004233192A JP2006052657A (ja) | 2004-08-10 | 2004-08-10 | 排気マニホールド |
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ID=36030296
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2006017081A (ja) * | 2004-07-05 | 2006-01-19 | Mitsubishi Motors Corp | 多気筒内燃機関 |
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2004
- 2004-08-10 JP JP2004233192A patent/JP2006052657A/ja active Pending
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