JP4369306B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、主として自動二輪車に搭載された内燃機関の始動直後から低速回転時において、排気通路内に配置された排気浄化用の触媒コンバータを早期に活性化できる内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来、例えば自動二輪車に搭載されるガソリンエンジンのような内燃機関の排気浄化装置は、排気通路中に排気浄化用の触媒コンバータが取り付けられている。ところが、この触媒コンバータは、構造上、一般にエンジン本体の排気出口より離れた位置に取り付けられているため、触媒活性化（活性温度約３００℃）に到達するまで時間がかかる。そこで、例えば４気筒エンジンにおいて、エンジンのシリンダヘッドに形成された複数の排気ポートに接続された４本の排気管の後端部に排気制御弁を設け、この排気制御弁の切り換えにより、低速回転時に、排気ガスを１本の集合通路を経て一つの触媒コンバータに接触させることにより排気ガスの浄化効率が高められるようにした排気浄化装置がある（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−３４２８２８号公報

ところが、前記排気浄化装置の場合、４本の排気管の下流側端部に排気制御弁が設けられているので、一方の排気管内を流れる排気ガスが他方の排気管内の排気ガスに合流されるまでに排気管内の排気ガスの温度低下を来たし、エンジンの低速回転時、排気制御弁を切り換えても触媒コンバータ前の熱容量はあまり変わらず、触媒コンバータの早期活性化の効果は低いものである。

そこで、本発明は、エンジンの始動直後から低速回転時における排気浄化用の触媒コンバータの早期活性化を図ることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、多気筒内燃機関の各気筒の排気ポートに排気管が接続され、排気管に排気浄化用の触媒コンバータが設けられ、隣接する一対の排気管が前記触媒コンバータよりも上流側で連通路により連通され、前記一対の排気管の一方に、内燃機関の低速回転時に閉じて前記一方の排気管内の排気ガスを、前記連通路を通って他方の排気管に導く排気制御弁が設けられている。

この構成によれば、エンジンの低速回転時（例えば、暖機運転時）、一方の排気管内の排気ガスを、連通路を介して他方の排気管内に導き、その下流側で排気ガスが一つの排気管内を集中的に流れるようにしたので、排気管での放熱が少なくなる結果、排気ガスは、温度低下が抑制され、高温を保ったままの状態で触媒コンバータに接触する。これにより、触媒コンバータの早期活性化を図ることができる。また、連通路により隣接する一対の排気管を連通させるという既存の構造に、排気制御弁を付加するという簡単な構造であるため、製造コストも安価となる。

本発明の好ましい実施形態では、前記内燃機関は４気筒であり、両外側の排気管に前記排気制御弁が設けられている。この構成によれば、内側の排気管に排気制御弁を設ける場合と比較して、排気制御弁を駆動するワイヤもしくはケーブルのような駆動力伝達部材の取り回しが容易になり、駆動力伝達部材が排気管に接触するのを極力防止することができる。

本発明の好ましい実施形態では、前記内燃機関は自動二輪車に搭載されるものであり、前記排気ポートは内燃機関における自動二輪車の前方を向く前面に配置され、前記排気管に設けられた排気制御弁が内燃機関の前方に配置されている。この構成によれば、排気制御弁が内燃機関の前方、つまり、排気管における比較的上流側に位置するので、排気ガスの温度低下が抑制されて、高温を保った状態で連通路を通って一方の排気管に導かれるから、触媒コンバータの早期活性効果を一層大きくすることができる。

本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、簡単な構造で、エンジンの低速回転時に排気ガスを、高温を保った状態で触媒コンバータに接触させることができる。これにより、前記触媒コンバータの早期活性化を図ることができ、排気ガスが効果的に浄化される。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を備えた自動二輪車を示す側面図である。同図に示す自動二輪車は、車体フレームＦＲの前半部を構成するメインフレーム１の前端に、ヘッドパイプ１１、アッパーブラケット１２およびロワーブラケット１３を介してフロントフォーク２が支持され、このフロントフォーク２の下端に前輪３が支持され、その上部がフェンダ４で覆われている。アッパーブラケット１２にはハンドル５が取り付けられている。メインフレーム１の後端下部には、スイングアームブラケット６が形成され、このスイングアームブラケット６に、左右一対のスイングアーム７の前端がピボット軸８を介して上下揺動自在に支持されている。このスイングアーム７の後端には後輪９が支持されている。前記メインフレーム１の後部に連結されたシートレール１０が車体フレームＦＲの後半部を構成している。メインフレーム１の中央下部には往復動型内燃機関である４サイクルエンジンＥが支持され、このエンジンＥの前方にラジエータ３１が配置されている。また、前記エンジンＥのシリンダヘッド３２に形成された４つの排気ポート３３のそれぞれに排気管１４Ａ、１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ（図２）が接続されている。

シートレール１０にはライダー用シート１８と同乗者用シート１９が支持されている。前記メインフレーム１の上部、つまり、車体上部で、前記ハンドル５とライダー用シート１８との間には、燃料タンク２０が取り付けられている。また、車体前部に、前記ハンドル５の前方から車体前部の側方にかけての部分を覆う樹脂製のカウリング２１が装着されており、このカウリング２１の後方部分はエンジンＥの側部と下部とを覆っている。

エンジンＥの４本の排気管１４Ａ〜Ｄは、エンジンＥの下方に当たる位置で１本に集合されている。すなわち、平面図である図２に示すように、前部側の第１集合管１５Ａで隣接する２本ずつが各１本、合計２本に集合され、２本の第１集合管１５Ａが後部側の第２集合管１５Ｂで１本に集合されている。各第１集合管１５Ａ，１５Ａのそれぞれに排気浄化用の一つの触媒コンバータ２２が内蔵されており、対応する各一対の各排気管１４Ａ／Ｂ，１４Ｃ／Ｄからの排気ガスを共通の触媒コンバータ２２により浄化する。前記第２集合管１５Ｂの後端にジョイントパイプ１６が接続され、さらに、この排気管１６の後端に、図１に示すサイレンサ１７が接続されている。

前記排気浄化用の触媒コンバータ２２としては、例えば、ハニカム式またはパンチングプレート式のものが用いられる。ハニカム式は、モノリス担体と呼ばれるハニカム形状のセラミックスまたは金属からなる円筒形の触媒担体にアルミナをコーティングし、その上に酸化反応の触媒として白金、パラジウムなどが、還元反応の触媒としてロジウムなどが、それぞれコーティングされたものである。パンチングプレート式は、多数の小孔を開けたパンチングプレートからなる円筒状の触媒担体の内、外周面に、白金およびロジウムなどの触媒を担持させたものである。

図３は、図２の要部である排気管１４Ａ〜Ｄを前方から見た拡大正面図である。同図に示すように、排気ポート３３に接続された４本の排気管１４〜Ｄのうち、隣接する各一対の排気管１４Ａ（外側）／１４Ｂ（内側）および１４Ｃ（内側）／１４Ｄ（外側）同士は、中途に設けた連通路２３により連通され、外側（一方）の排気管１４Ａ，Ｄに、エンジンＥの低速回転時に閉じて前記外側の排気管１４Ａ，Ｄ内の排気ガスを、前記連通路２３を通って内側（他方）の排気管１４Ｂ，Ｃに導く排気制御弁２４が設けられている。連通路２３は、外側の排気管１４Ａ，Ｄにおける通路長さ、つまり、排気ポート３３から第１集合管１５Ａまでの長さのほぼ１／２の位置で上下に延びる部分に設けられ、排気制御弁２４は外側の排気管１４Ａ，Ｄにおける連通路２３の下流側寄りに設けられている。図１のメインフレーム１に排気制御弁２４を開閉駆動するアクチュエータ３５が支持され、ライダー用シート１８の下方に、アクチュエータ３５の制御を含めた電気系統制御用の電子制御ユニット３６が配置されている。

前記排気制御弁２４はバタフライ弁であり、図４に外側の排気管１４Ａを代表として示すように、排気管１４Ａ内に位置して軸心Ｃ1 回りに回動する弁体２４ａを有し、前記排気管１４Ａの前部から弁体２４ａの弁軸２４ｂの一端部が突出し、この弁軸２４ｂの一端部にプーリ２５が固定されている。このプーリ２５とアクチュエータ３５との間は、駆動力伝達部材の一例であるワイヤ（もしくはケーブル）２６で連結されており、回転センサ３７からのエンジン回転数を示す信号を入力とする電子制御ユニット３６からの制御信号を受けて前記アクチュエータ３５が駆動され、ワイヤ２６を介して弁体２４ａを軸心Ｃ１回りに回動させて、排気制御弁２４を開閉するようになっている。すなわち、排気制御弁２４を回動させて、排気ガスを排気管１４Ａへ流したり、連通管２３へ流したりするように制御している。図４の場合、排気制御弁２４は開かれた状態Ａを示しており、弁体２４ａは排気管１４Ａの管軸方向に平行に位置している。一方、排気制御弁２４が閉じられた状態Ｂでは、弁体２４ａは排気管１４Ａの管軸方向に直交した姿勢となる。この閉弁状態で弁体２４ａは、連通路２３の排気管１４Ａへの連通孔２３ａよりも、排気管１４Ａの下流側に位置している。

前記排気制御弁２４の切り換えにより、図３に示す外側の排気管１４Ａ，Ｄを閉じて排気制御弁２４の上流部と内側の排気管１４Ｂ，Ｃとを連通路２３で連通させ、一方の排気管１４Ａ，Ｄ内を流れる排気ガスＧ２を他方の排気管１４Ｂ，Ｃ内を流れる排気ガスＧ１の流れに合流させることができる。前記外側の排気管１４Ａ，Ｄを開放すると、排気ガスＧ１，Ｇ２は、それぞれ排気管１４Ｂ，Ｃ、排気管１４Ａ，Ｄ内を全長にわたって流れる。なお、前記弁体２４ａとしてロータリーバルブを用いてもよい。

上記構成において、例えばエンジンスタート直後の暖機運転時のように、エンジン回転数が一定値以下で排ガス流量が少ない低速回転の場合、図４の回転センサ３７からの信号を受けた電子制御ユニット３６からの制御信号によりアクチュエータ３５が作動し、排気制御弁２４が閉じられる。これにより、図３の排気ポート３３から排気され、外側の排気管１４Ａ，Ｄ内を流れる排気ガスＧ２は、一点鎖線で示すように、排気制御弁２４，２４の手前の連通孔２３ａ，２３ａから連通路２３，２３に入り込み、この連通路２３，２３を経て内側の排気管１４Ｂ，Ｃ内に流れ込み、排気管１４Ｂ，Ｃ内を流れる排気ガスＧ１，Ｇ１と合流し、図２の第１集合管１５Ａ，１５Ａ内の触媒コンバータ２２，２２に導かれる。このように、排気ガスＧ２，Ｇ２が連通路２３，２３を介して排気ガスＧ１，Ｇ１に合流されることで、排気ガスＧ２，Ｇ２は、連通路２３，２３よりも下流側の排気管１４Ａ，Ｄを通ることによる放熱がなくなる結果、温度低下が抑制され、高温状態を保ったまま触媒コンバータ２２に導入されるので、触媒コンバータ２２，２２は早期に活性温度に到達し、触媒の早期活性化が図れる。

他方、エンジン回転数が前記一定値よりも高い高速回転の場合には、図３の排気制御弁２４，２４を開くように制御される結果、排気ポート３３，３３から排気され、外側の排気管１４Ａ，Ｄ内を流れる排気ガスＧ２，Ｇ２は、そのまま、図２に示す触媒コンバータ２２，２２に導入される。内側の排気管１４Ｂ，Ｃ内を流れる排気ガスＧ１，Ｇ１は、低速回転時と同様、そのまま排気管１４Ｂ，Ｃ内を流れて触媒コンバータ２２，２２に導入される。この高速回転時には、排気ガスＧ１，Ｇ２の量が多いから、排気管１４Ａ〜Ｄからの放熱による温度低下の影響が少ない。この状態で触媒コンバータ２２，２２により、排気ガスＧ１、Ｇ２の浄化が効果的に行える。なお、連通路２３，２３は、排気脈動を効果的に利用して出力性能を向上させる。

また、前記排気制御弁２４は、図１に示すように、エンジンＥの前方（つまり、排気管１４Ａ，Ｄの上流寄り側）に位置するようにしたので、排気ガスＧ２が排気管１４Ａ，Ｄ内で温度低下するのが極力抑制され、高温を保った状態で、図２の連通路２３，２３を通って一方の排気管１４Ａ，Ｄから他方の排気管１４Ｂ，Ｃに導かれるので、触媒コンバータ２２，２２の早期活性効果が一層大きくなる。

さらに、排気制御弁２４は、両外側の排気管１４Ａ，Ｄに設けられているので、排気制御弁２４を駆動するワイヤ２６の取り回しが容易になり、ワイヤ２６が排気管１４Ａ〜Ｄに接触するのを極力防止することができるとともに、排気制御弁２４の保守点検も容易に行える。

また、前記実施形態から明らかなように、隣接する一対の排気管１４Ａ／Ｂまたは１４Ｃ／Ｄを連通する既存の連通路２３に排気制御弁２４を並設するという簡単な構造で排気浄化装置が得られるので、製造コストも低くなる。

なお、前記実施形態では、４気筒エンジンについての適用例を示したが、２気筒エンジンの場合にも同様に適用できる。さらに、前記実施形態では、各一対の排気管１４Ａ／Ｂ，１４Ｃ／Ｄの下流に共通の触媒コンバータ２２，２２を設けたが、集合管１５Ａ，１５Ａ内で各排気管１４Ａ〜Ｄのそれぞれに個別に接続された一対の触媒コンバータを設けてもよい。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を備えた自動二輪車を示す側面図である。 図１の要部を拡大して示す平面図である。 図２の要部である排気管を前方から見た拡大正面図である。 排気制御弁の内部構造を拡大して示す図３のIV−IV線断面図である。

符号の説明

１４Ａ〜Ｄ 排気管
２２ 触媒コンバータ
２３ 連通路
２４ 排気制御弁
３３ 排気ポート
Ｅ エンジン（内燃機関）

Claims (3)

1. 多気筒内燃機関の各気筒の排気ポートに排気管が接続され、
   排気管に排気浄化用の触媒コンバータが設けられ、
   隣接する一対の排気管が前記触媒コンバータよりも上流側で連通路により連通され、
   前記一対の排気管の一方に、内燃機関の低速回転時に閉じて前記一方の排気管内の排気ガスを、前記連通路を通って他方の排気管に導く排気制御弁が設けられている内燃機関の排気浄化装置。
2. 請求項１において、前記内燃機関は４気筒であり、両外側の排気管に前記排気制御弁が設けられている内燃機関の排気浄化装置。
3. 請求項１または２において、前記内燃機関は自動二輪車に搭載されるものであり、前記排気ポートは内燃機関における自動二輪車の前方を向く前面に配置され、前記排気管に設けられた前記排気制御弁が内燃機関の前方に配置されている内燃機関の排気浄化装置。

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