JP2009144525A

JP2009144525A - エンジンの排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JP2009144525A
Application number: JP2007319636A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Cho; 賢一長
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2009-07-02

Abstract

【課題】排気ガスの浄化性能を維持しつつ、エンジン運転状態に応じて発生する不快な騒音低減を可能にするエンジンの排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】エンジンからの排気ガスが供給される集合部１２においてプリ触媒１８が介設された本通路１７とバイパス通路１５に分岐し、本通路１７及びバイパス通路１５が合流する合流部１９の下流に連続する排気通路２０にメイン触媒２１が介設され、バイパス通路１５に予め設定された容積のチャンバ１６を設け、集合部１２にエンジン低回転数域において本通路１７を開いた状態でバイパス通路１５を閉じ、エンジン高回転数域においてバイパス通路１５を開く切換弁２５を設ける。エンジン低回転数域においてチャンバ１６を含むバイパス通路１５が共鳴形の消音器として機能し、エンジン高回転数域においてチャンバ１６が膨張形の消音器として機能する。
【選択図】図１

Description

本発明は、触媒によって排気ガス浄化を行うエンジンの排気ガス浄化装置に関する。

従来この種の技術としては、例えば特許文献１が開示されている。この特許文献１に開示される排気ガス浄化装置を模式的に示す図４を参照して説明する。

図示しない多気筒エンジンのシリンダヘッドにエキゾーストマニホールド１０１が設けられ、エキゾーストマニホールド１０１によってエンジンの各シリンダの排気ポート１００から排出される排気ガスを集合し、エキゾーストマニホールド１０１の下流に形成された集合部１０２にバイパス通路１０３及び本通路１０４の上流側が接続される。

バイパス通路１０３はエキゾーストマニホールド１０１の出口に対して略直線状に延設され、本通路１０４は中間部１０５に低温活性触媒からなるプリ触媒１０６を内蔵して下流側がバイパス通路１０３に接合して合流する。このバイパス通路１０３と本通路１０４の合流部１０７の下流側に連続する排気通路１０８にメイン触媒１０９及び図示しない消音器が介設される。更に、エキゾーストマニホールド１０１の集合部１０２にはバイパス通路１０３と本通路１０４を選択的に開閉する切換弁１１０が設けられる。

排気ガスが低温時には、切換弁１１０がバイパス通路１０３を閉じ、排気ガスは本通路１０４を流れプリ触媒１０６により浄化される。一方、排気ガスの温度が上昇した場合には、切換弁１１０が本通路１０４を閉じ、バイパス通路１０３を開く。これにより排気ガスはバイパス通路１０３を流れ、下流に配設したメイン触媒１０９によって浄化される。また、バイバス通路１０３がエキゾーストマニホールド１０１の出口に対して略直線状に延設されることから、エンジン高回転数域において排気流量が増大した場合であっても、背圧が増大することなく、エンジンの出力性能の向上が図れる。

特開平５−３２１６４４号公報

上記特許文献１の排気ガス浄化装置によると、排気ガスが低温時に切換弁１１０によりバイパス通路１０３を閉じることで排気ガスが本通路１０４を流れ、プリ触媒１０６により浄化する。一方、排気ガスの温度が上昇した場合には、切換弁１１０が本通路１０４を閉じてバイパス通路１０３を開くことで排気ガスはバイパス通路１０３を流れメインの触媒１０９によって浄化される。

しかし、特にエンジン低回転数域において低周波のこもり音が発生して運転者に不快感を与えることが懸念される。即ち、エンジン低回転数域において、吸排気弁の開閉に伴う圧力変動によって発生する排気脈動に起因して、消音器から大気に開放されるときの排気ガスの圧力差が大きくなり、これに伴い発生する排気音が車室と共鳴して車室内にこもったような不快な音が発生する。一方、エンジン高回転数域においては、排気ガスの脈動は周波数が高くなりこもり音の発生が抑制されるものの、排気流量が多く排気抵抗や気流音が助長されてエンジン低回転数域と同様に不快な音の発生原因となる。

従って、かかる点に鑑みなされた本発明の目的は、排気ガスの浄化性能を維持しつつ、エンジン運転状態に応じて発生する不快な騒音低減を可能にするエンジンの排気ガス浄化装置を提供することにある。

上記目的を達成する請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置の発明は、エンジンのエキゾーストマニホールドの集合部からプリ触媒が介設された本通路とバイパス通路に分岐し、該本通路及びバイパス通路の下流が合流する合流部の下流に連続する排気通路にメイン触媒が介設され、上記集合部にバイパス通路を開閉する切換弁を備えたエンジンの排気浄化装置において、上記バイパス通路に予め設定された容積のチャンバを設け、上記切換弁は、エンジン低回転数域においてバイパス通路を閉じ、エンジン高回転数域においてバイパス通路を開くことを特徴とする。

この発明によると、エンジン低回転数域において、エキゾーストマニホールドの集合部から本通路及び合流部を経て排気通路に流れる排気ガスの脈動を、切換弁によって閉じられたチャンバを含むバイパス通路が共鳴形の消音器として機能して減衰する。これにより、エンジン低回転数域において排気ガスが本通路を流れる際の脈動に起因するこもり音が減少して車室内に発生する不快な音の発生が防止される。また、エンジン始動時における低温の排気ガスの全量が本通路を流れ、プリ触媒の活性化が促進されて浄化性能が向上する。また、プリ触媒の発熱により排気ガスが積極的に高温化させて下流に配置されたメイン触媒の暖機性能が向上する。

一方、エンジン高回転数域ではバイパス通路においては、チャンバが膨張形の消音器として機能し、排気ガスがチャンバ内で膨張して脈動が減衰されて排気音による不快な音の発生が防止される。

請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置の発明は、エンジンのエキゾーストマニホールドの集合部においてプリ触媒が介設された本通路とバイパス通路に分岐し、該本通路及びバイパス通路の下流が合流する合流部の下流に連続する排気通路にメイン触媒が介設され、上記集合部にバイパス通路を開閉する切換弁を備えたエンジンの排気浄化装置において、上記バイパス通路に予め設定された容積のチャンバを設け、上記集合部と本通路が連通し、上記切換弁は、エンジン低回転数域においてバイパス通路を閉じ、エンジン高回転数域においてバイパス通路を開くことを特徴とする。

この発明によると、上記請求項１に加え、排気ガスがエキゾーストマニホールドの集合部から本通路及びバイパス通路に分流されて排気抵抗が抑制されると共に、排気ガスの流速が減少して気流音の発生が減少する。また、排気ガスが本通路とバイパス通路を流れることによって排気ガスがプリ触媒及びメイン触媒により浄化され、効率的に排気ガスが浄化される。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２のエンジンの排気浄化装置において、上記切換弁は、エンジン回転数信号に基づきアクチュエータにより開閉駆動されることを特徴とする。

本発明によると、エンジンコントロールユニット等からのエンジン回転数信号に基づいてアクチュエータにより切換弁を開閉駆動することから、容易かつ適切なエンジン回転数に基づいて切換弁を開閉駆動制御することができる。

本発明によると、エンジン低回転数域において、切換弁によって閉じられたチャンバを含むバイパス通路が共鳴形の消音器として機能し、排気ガスの脈動に起因するこもり音が減少して車室内に発生する不快な音が防止される。また、エンジン始動時における低温の排気ガスの全量が本通路を流れ、排気ガスによりプリ触媒の活性化を促進させて浄化性能が向上する。

一方、エンジン高回転数域では、チャンバが膨張形の消音器として機能し、バイパス通路において排気ガスがチャンバ内で膨張して脈動が減衰されて排気音による不快な音の発生が防止される。

以下、本発明におけるエンジンの排気ガス浄化装置の一実施の形態を図１乃至図３を参照して説明する。

図１は、本実施の形態に係るエンジンの排気ガス浄化装置１の概要を示す模式図、図２は作動状態を説明する模式図、図３は切換弁の開閉制御を説明するフロー図である。

本実施の形態による排気ガス浄化装置１は、図示しない多気筒エンジンのシリンダヘッドにエキゾーストマニホールド１１が設けられ、エキゾーストマニホールド１１によってエンジンの各シリンダの排気ポート１０から排出される排気ガスを集合し、エキゾーストマニホールド１１の下流に形成された集合部１２からバイパス通路１５及び本通路１７の上流１５ａ、１７ａが分岐して接続される。

バイパス通路１５はエキゾーストマニホールド１１の集合部１２に対して略直線状に延設され、中間部に大径に膨出形成された円筒状で予め設定された容積を有するチャンバ１６が形成されている。なお、このチャンバ１６については詳細に後述する。

一方、本通路１７は、中間部にプリ触媒１８を介設して下流１７ｂがバイパス通路１５の下流１５ｂに接合して合流する。このバイパス通路１５と本通路１７の合流部１９の下流に連続する排気通路２０の下流側に順にメイン触媒２１及び図示しない消音器が配設される。

更に、エキゾーストマニホールド１１の集合部１２に、図１に実線２５ａで示すように本通路１７の上流１７ａを開いた状態でバイパス通路１５の上流１５ａを閉じる閉位置２５ａと、破線２５ｂで示すように本通路１７の上流１７ａ及びバイパス通路１５の上方１５ａを共に開く開位置２５ｂとの間で選択的に揺動して切り換えられる切換弁２５が設けられる。

この切換弁２５は、エンジン回転数が比較的低く、こもり音の発生が懸念される特定周波数域以下のエンジン低回転数域において、本通路１７の上流１７ａが開いた状態でバイパス通路１５の上流１５ａを閉じる閉位置２５ａに保持される。一方、エンジン高回転数域において、本通路１７の上流１７ａが開いた状態でバイパス通路１５の上流端１５ａを開く開位置２５ｂに切り換えられる。

切換弁２５の閉位置２５ａと開位置２５ｂの選択的な切り換えは、例えば図３に示すように、閉位置２５ａに付勢された切換弁２５を開位置２５ｂに揺動するアクチュエータ、本実施の形態ではコントローラモータ２６を備え、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２７から予め設定された閾値に達した高回転数域のエンジン回転数Ｎｅの信号に基づきコントローラモータ２６によって開位置２５ｂに切り換えてバイパス通路１５の上流端１５ａを開く。一方、閾値に達しないエンジン低回転数域においては閉位置２５ａとなりバイパス通路１５の上流１５ａを閉じる。このようにエンジンコントロールユニット２７からのエンジン回転数信号に基づいてコントローラモータ２６により切換弁２５を開閉駆動することにより、容易かつ適切なエンジン回転数に基づいて切換弁２５を開閉駆動制御することができる。

バイパス通路１５に形成されるチャンバ１６は、図１に示すように切換弁２５が閉位置２５ａに保持されてバイパス通路１５の上流１５ａを閉じた状態でバイパス通路１５の下流１５ｂが合流部１９に開放されて、集合部１２から本通路１７及び合流部１９を経て排気通路２０に流れる排気ガスの脈動を減衰させる共鳴形の消音器として機能する。

この共鳴形の消音器としての減衰特性は、図１にハッチングで示すチャンバ１６を含むバイパス通路１５の容積によって決まり、その特定の周波数に応じた形状を設定する。

この減衰しようとする特定の周波数に対するチャンバ１６を含むバイパス通路１５の容積（レゾネータ容積）は、一般に次式によって設定される。

Ｖ＝（４π²ｆ₀ ²Ｃ₀）／Ｃ²
（但し、Ｖ：レゾネータ容積、ｆ₀：減衰しようとする特定の周波数、Ｃ：音の速度、Ｃ₀：音響伝播率）

即ち、チャンバ１６を含むバイパス通路１５の容積を適切に設定することで、エンジン低回転数域において排気ガスが本通路１７を流れる際の脈動に起因するこもり音が減衰できる。

一方、バイパス通路１５の上流１５ａを開いた状態では、排気ガスが集合部１２から本通路１７とバイパス通路１５に分流されて排気ガスの排気抵抗が抑制されると共に排気流速が減少して気流音の発生が減少する。また、膨出するチャンバ１６が膨張形の消音器として機能し、バイパス通路１５において排気ガスがチャンバ１６内で膨張して脈動が減衰される。

次に、このように構成された排気ガス浄化装置１の作用を説明する。

エンジン始動時等のエンジン回転数が閾値に達しない低回転数域においては、図１に示すように切換弁２５は閉位置２５ａに保持されてバイパス通路１５の上流１５ａを閉じ、排気ガスは本通路１５を流れる。かかる状況下においては、エンジン始動時等にあっては、低温の排気ガスの全量が本通路１５を流れ、排気ガスによりプリ触媒１８の活性化を促進させて浄化性能を向上させる。また、プリ触媒１８の発熱により排気ガスを積極的に高温化させて、下流に配置されたメイン触媒２１の暖機性能を向上させる。

このエンジン低回転数域において、集合部１２から本通路１７及び合流部１９を経て排気通路２０を流れる排気ガスの脈動は、上流１５ａが切換弁２５によって閉塞したチャンバ１６を含むバイパス通路１５が共鳴形の消音器として機能して減衰される。これにより、エンジン低回転数域において排気ガスが本通路１７を流れる際の脈動に起因するこもり音が減少して、排気音が車室と共鳴して車室内に発生する不快な音の発生が防止されて、車室内の居住環境が向上する。

一方、エンジン回転数が上昇して、エンジンコントロールユニット２７から閾値を越えた高回転数域のエンジン回転数Ｎｅの信号がコントローラモータ２６に送られると、図２に示すようにコントロールモータ２６によって切換弁２５が開位置２５ｂに切り換えてバイパス通路１５の上流端１５ａを開き、エンジンの高回転数に伴う比較的多くの排気ガスが集合部１２から本通路１７及びバイパス通路１５に分流される。

かかる状況下では、排気ガスが本通路１７とバイパス通路１５に分流されて排気抵抗が抑制されると共に、排気ガスの流速が減少して気流音の発生が大幅に減少する。また、バイパス通路１５において排気ガスがチャンバ１６内で膨張して脈動が減衰される。これにより、排気音が車室と共鳴して車室内に発生する不快な音の発生が防止されて車室内の居住環境が向上する。

また、排気ガスが集合部１２から本通路１７とバイパス通路１５に分流して排気ガスが本通路１７とバイパス通路１５を流れることによって、排気ガスがプリ触媒１８とメイン触媒２１により浄化され、効率的に触媒による排気ガスの浄化が行われる。

従って、本実施の形態によると、エキゾーストマニホールド１１の下流に形成された集合部１２にエンジン回転数に応じてバイパス通路１５を選択的に開閉する切換弁２５を設け、さらにバイパス通路１５にチャンバ１６を形成する簡単な構成でプリ触媒１８及びメイン触媒２１による浄化機能を維持しつつエンジン低回転域におけるこもり音及びエンジン高回転域における気流音の発生が抑制できる。

また、バイパス通路１５にチャンバ１６を介設する簡単な構成であり、既存の排気ガス浄化装置を大きく変更することなく、本発明を実施することができる。なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

本実施の形態に係るエンジンの排気ガス浄化装置の概要を示す模式図である。作動状態を説明する模式図である。切換弁の開閉制御を説明するフロー図である。従来のエンジンの排気ガス浄化装置の概要を示す図である。

符号の説明

１排気ガス浄化装置
１２集合部
１５バイパス通路
１５ａ上流
１５ａ下流
１６チャンバ
１７本通路
１７ａ上流
１７ｂ下流
１８プリ触媒
１９合流部
２０排気通路
２１メイン触媒
２５切換弁
２５ａ閉位置
２５ｂ開位置
２６コントローラモータ（アクチュエータ）

Claims

エンジンのエキゾーストマニホールドの集合部からプリ触媒が介設された本通路とバイパス通路に分岐し、該本通路及びバイパス通路の下流が合流する合流部の下流に連続する排気通路にメイン触媒が介設され、上記集合部にバイパス通路を開閉する切換弁を備えたエンジンの排気浄化装置において、
上記バイパス通路に予め設定された容積のチャンバを設け、
上記切換弁は、エンジン低回転数域においてバイパス通路を閉じ、エンジン高回転数域においてバイパス通路を開くことを特徴とするエンジンの排気ガス浄化装置。
エンジンのエキゾーストマニホールドの集合部においてプリ触媒が介設された本通路とバイパス通路に分岐し、該本通路及びバイパス通路の下流が合流する合流部の下流に連続する排気通路にメイン触媒が介設され、上記集合部にバイパス通路を開閉する切換弁を備えたエンジンの排気浄化装置において、
上記バイパス通路に予め設定された容積のチャンバを設け、
上記集合部と本通路が連通し、
上記切換弁は、エンジン低回転数域においてバイパス通路を閉じ、エンジン高回転数域においてバイパス通路を開くことを特徴とするエンジンの排気ガス浄化装置。
上記切換弁は、エンジン回転数信号に基づきアクチュエータにより開閉駆動されることを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。