JP4609166B2 - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

Description

この発明は、触媒コンバータで排気浄化を行う内燃機関の排気装置に関し、特に、冷間始動直後に、排気系の比較的上流に触媒コンバータを備えたバイパス流路側に、流路切換弁により排気を案内するようにした形式の排気装置の改良に関する。

従来から知られているように、車両の床下などの排気系の比較的下流側にメイン触媒コンバータを配置した構成では、内燃機関の冷間始動後、触媒コンバータの温度が上昇して活性化するまでの間、十分な排気浄化作用を期待することができない。また一方、触媒コンバータを排気系の上流側つまり内燃機関側に近付けるほど、触媒の熱劣化による耐久性低下が問題となる。

そのため、特許文献１に開示されているように、メイン触媒コンバータを備えたメイン流路の上流側部分と並列にバイパス流路を設けるとともに、このバイパス流路に、別のバイパス触媒コンバータを介装し、両者を切り換える切換弁によって、冷間始動直後は、バイパス流路側に排気を案内するようにした排気装置が、従来から提案されている。この構成では、バイパス触媒コンバータは排気系の中でメイン触媒コンバータよりも相対的に上流側に位置しており、相対的に早期に活性化するので、より早い段階から排気浄化を開始することができる。
特開平５−３２１６４４号公報

上記従来の排気装置においては、切換弁は、２本に分岐する通路の入口部分で排気をいずれかの通路へ案内する構成となっており、バイパス触媒コンバータ側へ排気を案内すべき冷間始動直後に、メイン流路側を必ずしも完全に閉塞することができない。従って、排気の一部がメイン流路側へ流れ、それだけバイパス触媒コンバータの昇温が遅くなるという問題がある。特に、排気脈動が切換弁に作用するために、切換弁が微視的に開閉し、シール性が低くなることがある。

この発明に係る内燃機関の排気装置は、多気筒内燃機関において気筒毎に独立した排気通路が第１通路と第２通路とに分岐しており、第２通路側に触媒コンバータが介装されるとともに、第１通路側に、該第１通路をそれぞれ独立して閉塞する流路切換弁が設けられており、上記第１，第２通路は、上記第２通路の通気抵抗が上記第１通路の通気抵抗よりも大きくなるように構成され、上記流路切換弁は、共通な回転軸に支持された複数の弁体を備え、各弁体がそれぞれ排気脈動の位相が異なる気筒の第１通路を閉塞するとともに、閉状態のときに上下圧力差を閉方向に受けるように、弁体が弁開口部に対し第１通路の上流側から下流側へ向かって着座することを特徴としている。なお、一般に、上記触媒コンバータは排気系上流側の触媒コンバータとして比較的小型のものが用いられ、第１通路の下流側に、より大型の第２の触媒コンバータが配置される。

望ましくは、閉状態のときに排気通路内の排気脈動によって弁体が押し開かれることがないだけの上下圧力差が生じるように、第２通路の通気抵抗が設定されている。

第２通路の通気抵抗を大きくするのは、例えば、触媒コンバータの圧力損失を積極的に大きくすること、あるいは、第２通路の通路断面積を十分に小さくすることによって、実現できる。

このように、第２通路の通気抵抗を積極的に大きくすることで、冷間始動直後などに流路切換弁が閉じた状態では、該流路切換弁の上下に大きな圧力差が発生し、この圧力差によって、弁体が閉方向に押し付けられ、確実にシールされる。従って、排気の全量が第２通路の触媒コンバータを通り、早期に昇温する。

本発明の具体的な一つの態様では、弁開口部を囲む着座部が、第１通路となる管の全周に亘って構成され、揺動可能なアームに支持された弁体が上記着座部に着座するようになっている。これにより第１通路側の通路断面積は弁開口部においても大きく得られ、通気抵抗の増加を回避できる。

上記着座部の着座面を、弁体外周縁が接するテーパ面としてもよく、この場合、弁体全周に亘って線シールが確実に得られる。

また上記弁体外周縁を、着座面に対応したテーパ形状としてもよい。このようにテーパ形状とすることで、弁体が開位置にあるときに、該弁体に沿った排気の流れが円滑となる。

例えば、複数の第１通路が下流側で互いに合流しており、この合流点に流路切換弁が配置されているとともに、この合流点より下流側に、第２の触媒コンバータが配設されている。

このように、各気筒の第１通路を流路切換弁が個々に閉塞することにより、順次排気行程が到来する各気筒の間で排気が回り込む現象が回避され、この排気の回り込みによる放熱が抑制される。従って、第２通路の触媒コンバータがより早期に昇温する。

また、各気筒毎に設けられた複数の第２通路を下流側で互いに合流させ、この合流点より下流側に、上記触媒コンバータを配置することもできる。

また本発明の一つの態様では、第１通路と第２通路とが下流側において合流しており、この合流点と上流側の分岐点との間に、上記流路切換弁および上記触媒コンバータが位置している。このような構成では、第１通路の下流側の圧力と第２通路の下流側の圧力とが等しくなり、弁体をシールする上下圧力差がより確実に得られる。

次に、本発明の第２の発明は、
多気筒内燃機関において各気筒にそれぞれ接続された気筒毎の上流側メイン通路と、
この複数の上流側メイン通路が１本の流路に合流してなる下流側メイン通路と、
この下流側メイン通路の途中に介装されたメイン触媒コンバータと、
上記上流側メイン通路の上流側部分からそれぞれ分岐するとともに該上流側メイン通路よりも通路断面積の小さな気筒毎の上流側バイパス通路と、
この複数の上流側バイパス通路が１本の流路に合流してなり、かつ下流端が上記下流側メイン通路に上記メイン触媒コンバータ上流側の位置において接続した下流側バイパス通路と、
この下流側バイパス通路の途中に介装されたバイパス触媒コンバータと、
各気筒から排出された排気が上記上流側バイパス通路へ流れるように、排気脈動の位相が異なる一対の気筒に対応した一対の上流側メイン通路と下流側メイン通路との合流部においてメイン流路の開閉を行う流路切換弁と、
を備え、
上記流路切換弁は、共通な回転軸に支持された一対の弁体を備え、各弁体が一対の上流側メイン通路をそれぞれ独立して閉塞するとともに、閉状態のときに上下圧力差を閉方向に受けるように、弁体が弁開口部に対しメイン流路の上流側から下流側へ向かって着座することを特徴としている。

すなわち、バイパス流路となる上流側バイパス通路は上流側メイン通路よりも通路断面積が小さく、かつ下流側バイパス通路にバイパス触媒コンバータが介装されているので、その通気抵抗は、メイン流路側よりも大きい。従って、流路切換弁が閉じた状態では、該流路切換弁の上下に上下圧力差が生じ、これにより、弁体が確実にシールされる。

この発明によれば、冷間始動直後などに流路切換弁を閉じたときに、上下圧力差によって弁体が確実に第１通路ないしはメイン流路を閉塞し、排気の全量が排気系上流側の触媒コンバータ（バイパス触媒コンバータ）へ導入される。特に、脈動の位相が異なる複数の気筒の弁体が共通の回転軸に連結されているので、上記の上下圧力差によって、脈動による開閉が確実に阻止され、排気の漏洩がない。従って、触媒コンバータが早期に昇温し、冷間始動後、早期に排気浄化作用を得ることができる。

以下、この発明を直列４気筒内燃機関の排気装置として適用した一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１はこの排気装置の配管レイアウトを模式的に示した説明図であり、始めに、この図１に基づいて、排気装置全体の構成を説明する。

直列に配置された♯１気筒〜♯４気筒からなる各気筒１には、気筒毎に上流側メイン通路２が接続されている。４つの気筒の中で、排気行程が連続しない♯１気筒の上流側メイン通路２と♯４気筒の上流側メイン通路２とが１本の中間メイン通路３として合流しており、同様に排気行程が連続しない♯２気筒の上流側メイン通路２と♯３気筒の上流側メイン通路２とが１本の中間メイン通路３として合流している。ここで、各２本の上流側メイン通路２が合流する合流部には、それぞれ流路切換弁４が設けられている。この切換弁４は、冷間時に閉じられるものであって、閉時には、上流側メイン通路２と中間メイン通路３との間の上下の連通を遮断するとともに、２本の上流側メイン通路２の間を非連通状態とする構成となっている。特に、後述するように、この流路切換弁４は、その一対の弁体が弁開口部周縁の着座部に上流側から着座し、従って、排気流による上下圧力差を閉方向に受けるようになっている。なお、一対の流路切換弁４は、１つのバルブユニット５として構成されている。バルブユニット５の下流に位置する２本の中間メイン通路３は、合流点６において互いに合流し、１本の下流側メイン通路７となる。この下流側メイン通路７の途中には、第２の触媒コンバータとなるメイン触媒コンバータ８が介装されている。このメイン触媒コンバータ８における触媒としては、三元触媒とＨＣトラップ触媒とを含んでいる。なお、このメイン触媒コンバータ８は、車両の床下に配置される容量の大きなものである。以上の上流側メイン通路２と中間メイン通路３と下流側メイン通路７とメイン触媒コンバータ８とによって、通常の運転時に排気が通流するメイン流路が構成される。このメイン流路は、直列４気筒内燃機関において周知の「４−２−１」の形で集合する配管レイアウトとなっており、従って、排気動的効果を利用した充填効率向上が実現される。

一方、バイパス流路として、上流側メイン通路２の各々から、上流側バイパス通路１１が分岐している。この上流側バイパス通路１１は、上流側メイン通路２よりも通路断面積が十分に小さなものであって、その上流端となる分岐点１２は、上流側メイン通路２のできるだけ上流側の位置に設定されている。そして、互いに隣接した位置にある♯１気筒の上流側バイパス通路１１と♯２気筒の上流側バイパス通路１１とが合流点１３において１本の中間バイパス通路１４として互いに合流しており、同様に互いに隣接した位置にある♯３気筒の上流側バイパス通路１１と♯４気筒の上流側バイパス通路１１とが合流点１３において１本の中間バイパス通路１４として互いに合流している。なお、各通路を模式的に示した図１では、各上流側バイパス通路１１が比較的長く描かれているが、実際には、可能な限り短くなっている。換言すれば、最短距離でもって中間バイパス通路１４として合流している。２本の中間バイパス通路１４は、合流点１５において１本の下流側バイパス通路１６として互いに合流している。この下流側バイパス通路１６の下流端は、下流側メイン通路７のメイン触媒コンバータ８より上流側の合流点１７において、下流側メイン通路７に合流している。そして、上記下流側バイパス通路１６の途中には、三元触媒を用いたバイパス触媒コンバータ１８が介装されている。このバイパス触媒コンバータ１８は、バイパス流路の中で、可能な限り上流側に配置されている。つまり、中間バイパス通路１４もできるだけ短くなっている。

なお、上記実施例では、バイパス流路全体の通路長（各気筒のバイパス通路の総和）を短くして、配管自体の熱容量ならびに外気に対する放熱面積を小さくするために、４本の上流側バイパス通路１１を長く引き回さずに上流側で２本の中間バイパス通路１４にまとめているが、このような構成は任意であり、例えば、バイパス触媒コンバータ１８が気筒列の一方に偏って位置する場合などには、他方の端部気筒から直線状に延ばした上流側バイパス通路に残りの気筒の上流側バイパス通路を略直角に接続することにより、全体の通路長を短くすることができる。

上記バイパス触媒コンバータ１８は、その内部に、前後に分割された２つのモノリス触媒担体つまり第１触媒１８ａと第２触媒１８ｂとを備えている。そして、これらの第１触媒１８ａと第２触媒１８ｂとの間の間隙１９に、排気還流通路２０の一端が接続されている。この排気還流通路２０の他端は、図示せぬ排気還流制御弁を介して機関吸気系へと延びている。つまり、上記間隙１９が、還流排気の取り出し口となっている。上記バイパス触媒コンバータ１８は、メイン触媒コンバータ８に比べて容量が小さな小型のものであり、望ましくは、低温活性に優れた触媒が用いられる。特に、本発明では、通気抵抗がある程度大きくなるように、比較的圧力損失が大きな触媒担体が選択されている。

なお、図１において、上流の分岐点１２と下流の合流点１７との間のメイン流路が請求項の「第１通路」に相当し、バイパス流路が「第２通路」に相当する。第２通路となるバイパス流路は第１通路となるメイン流路に比べて通路断面積が小さく、かつバイパス触媒コンバータ１８が介在することから、第１通路となるメイン流路に比べて通気抵抗が大きい。

上記のように構成された排気装置においては、冷間始動後の機関温度ないしは排気温度が低い段階では、適宜なアクチュエータを介して流路切換弁４が閉じられ、メイン流路が遮断される。そのため、各気筒１から吐出された排気は、その全量が、分岐点１２から上流側バイパス通路１１および中間バイパス通路１４を通してバイパス触媒コンバータ１８へと流れる。バイパス触媒コンバータ１８は、排気系の上流側つまり気筒１に近い位置にあり、かつ小型のものであるので、速やかに活性化し、早期に排気浄化が開始される。また、このとき、流路切換弁４が閉じることで、各気筒１の上流側メイン通路２が互いに非連通状態となる。そのため、ある気筒から吐出された排気が他の気筒の上流側メイン通路２へと回り込む現象が防止され、この回り込みに伴う排気温度の低下が確実に回避される。

一方、機関の暖機が進行して、機関温度ないしは排気温度が十分に高くなったら、流路切換弁４が開放される。これにより、各気筒１から吐出された排気は、主に、上流側メイン通路２から中間メイン通路３および下流側メイン通路７を通り、メイン触媒コンバータ８を通過する。このときバイパス流路側は特に遮断されていないが、バイパス流路側の方がメイン流路側よりも通路断面積が小さく、かつバイパス触媒コンバータ１８が介在しているので、両者の通気抵抗の差により、排気流の大部分はメイン流路側を通り、バイパス流路側には殆ど流れない。従って、バイパス触媒コンバータ１８の熱劣化は十分に抑制される。またバイパス流路側が完全に遮断されないことから、排気流量が大となる高速高負荷時には、排気流の一部がバイパス流路側を流れることで、背圧による充填効率低下を回避することができる。

またメイン流路側は、前述したように、排気干渉回避を考慮した「４−２−１」の配管レイアウトとなっているので、排気動的効果による充填効率向上効果を得ることができる。ここで、バイパス流路側は、排気干渉回避を特に考慮しない形で連通・集合しているが、上流側バイパス通路１１の通路断面積を十分に小さなものとすることで、各気筒の連通による排気干渉を、実質的に無視し得るレベルにまで低減することが可能である。

図２は、上記の排気装置をより具体的な形態として示したものであり、シリンダブロック３２とシリンダヘッド３３とを有する内燃機関３１が、車両のエンジンルーム内に所謂横置形式に搭載されており、そのシリンダヘッド３３の車両後方となる側面に、上流側メイン通路２を主に構成する排気マニホルド３４が取り付けられている。この排気マニホルド３４の出口部には、一対の流路切換弁４を備えたバルブユニット５が取り付けられ、その下流に、下流側メイン通路７となるフロントチューブ３５が接続されている。このフロントチューブ３５の上流側の一部は、内部で２つの通路に区画されており、つまり上記の中間メイン通路３を構成している。メイン触媒コンバータ８は、上記フロントチューブ３５の途中に設けられている。

バイパス流路となるバイパス触媒コンバータ１８等は、シリンダヘッド３３から車両後方へ延びるメイン流路の下側の空間に配置されている。バイパス触媒コンバータ１８は、エンジンルーム内に位置し、かつ車両走行方向に対し、フロントチューブ３５よりも前方側となるので、走行中は走行風によって効果的に冷却され、該バイパス触媒コンバータ１８の過昇温が防止される。

次に、本発明の要部である流路切換弁４の構成を図３および図４を用いて説明する。図３は、バルブユニット５全体の構成を示し、図４は、その一つの流路切換弁４の断面形状を示しているが、図示するように、各気筒毎に弁開口部５１を有し、これを円盤状の弁体５２が上流側から開閉している。すなわち、各気筒の上流側メイン通路２の端部において、該上流側メイン通路２を構成する管の全周に亘って着座部５４が円環状に形成されており、その内周が弁開口部５１となっている。上記着座部５４の着座面５４ａは、弁体５２の外周縁が接するテーパ面をなしている。上記弁体５２は、回転軸５３とともに揺動するアーム５５の先端に取り付けられており、その外周縁は、上記着座面５４ａに対応したテーパ形状をなしている。なお、図４に示すように、上流側メイン通路２の側壁に、開位置にあるときの弁体５２を収容するための凹部５６が形成されている。

回転軸５３は、図３に示すように、２つの気筒に共通なものであり、１つの回転軸５３に２つの弁体５２が取り付けられている。従って、バルブユニット５全体としては、２本の回転軸５３を備えている。この２本の回転軸５３は、適宜なリンク機構等の図示しない連動機構を介して互いに連動しており、図示せぬ１つのアクチュエータでもって同時に対称的に開閉動作する。つまり、４つの弁体５２が一斉に開閉する。

ここで、上記の弁体５２は、メイン流路を閉塞する際に、テーパ状の着座面５４ａに対し、上流側から下流側へ向かって着座する。このように弁体５２がメイン流路を閉塞すると、排気流によって弁体５２の上下に圧力差が生じ、この上下圧力差によって弁体５２は着座面５４ａにさらに押し付けられる。つまり、図５に示す説明図のように、バイパス流路側は通路断面積が小さく、かつバイパス触媒コンバータ１８の圧力損失が加わるので、バイパス流路の通気抵抗は比較的大きなものとなり、この結果、弁体５２下流側の圧力Ｐ２に比べて上流側の圧力Ｐ１が大きく上昇し、弁体５２が閉方向に付勢されて着座面５４ａに圧接する。従って、テーパ面同士が密接することと相俟って、良好なシール性が得られる。また各気筒の排気脈動が上流側から弁体５２に作用しても、該弁体５２が開くことがない。特に、バイパス触媒コンバータ１８によって下流側の圧力Ｐ２の脈動の振幅は弱まり、しかも、脈動の位相が異なる２つの気筒の弁体５２が共通の回転軸５３に連結されているので、上記の上下圧力差によって、脈動による開閉が確実に阻止される。

そのため、冷間始動直後などに流路切換弁４が閉じているときに、メイン流路側での漏洩が防止され、排気の全量がバイパス流路側へ確実に案内される。これにより、バイパス触媒コンバータ１８の早期昇温がより確実となる。

次に、図６は、流路切換弁４の異なる実施例を示しており、この実施例では、前述した実施例と同じく着座面５４ａがテーパ面をなしているものの、弁体５２の外周縁はテーパ状ではなく、円筒面からなる周面に沿って略直角なエッジを有している。従って、このエッジがテーパ状の着座面５４ａに線接触することになり、全周に亘って、安定したシール性が得られる。

また図７に示す実施例は、通路内周面に円環状の着座部５４を突出させて形成したものであって、その一方の端面となる着座面５４ａに、円盤状の弁体５２が着座する。

以上、この発明を直列４気筒内燃機関に適用した一実施例を説明したが、この発明は、直列４気筒以外の直列多気筒内燃機関あるいはＶ型多気筒内燃機関等の種々の形式の内燃機関の排気装置として適用することが可能である。

この発明に係る排気装置の一実施例を示す構成説明図。 より具体的に示した排気装置の側面図。 バルブユニット全体の構成を示す平面図。 一つの気筒の流路切換弁を示す断面図。 弁体に加わる上下圧力差の説明図。 流路切換弁の異なる実施例を示す説明図。 流路切換弁のさらに異なる実施例を示す説明図。

符号の説明

２…上流側メイン通路
３…中間メイン通路
４…流路切換弁
７…下流側メイン通路
８…メイン触媒コンバータ
１１…上流側バイパス通路
１４…中間バイパス通路
１６…下流側バイパス通路
１８…バイパス触媒コンバータ
５２…弁体
５４…着座部

Claims (12)

1. 多気筒内燃機関において気筒毎に独立した排気通路が第１通路と第２通路とに分岐しており、第２通路側に触媒コンバータが介装されるとともに、第１通路側に、該第１通路をそれぞれ独立して閉塞する流路切換弁が設けられており、
   上記第１，第２通路は、上記第２通路の通気抵抗が上記第１通路の通気抵抗よりも大きくなるように構成され、
   上記流路切換弁は、共通な回転軸に支持された複数の弁体を備え、各弁体がそれぞれ排気脈動の位相が異なる気筒の第１通路を閉塞するとともに、閉状態のときに上下圧力差を閉方向に受けるように、弁体が弁開口部に対し第１通路の上流側から下流側へ向かって着座することを特徴とする内燃機関の排気装置。
2. 上記触媒コンバータによって第２通路側の通気抵抗が大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
3. 第２通路側の通路断面積を小さくすることで第２通路側の通気抵抗が大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
4. 第２通路側の通路断面積を小さくするとともに触媒コンバータの圧力損失を大きくすることで第２通路側の通気抵抗が大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
5. 閉状態のときに排気通路内の排気脈動によって弁体が押し開かれることがないだけの上下圧力差が生じるように、第２通路の通気抵抗が設定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内燃機関の排気装置。
6. 弁開口部を囲む着座部が、第１通路となる管の全周に亘って構成され、揺動可能なアームに支持された弁体が上記着座部に着座することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の排気装置。
7. 上記着座部の着座面を、弁体外周縁が接するテーパ面としたことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排気装置。
8. 上記弁体外周縁を、着座面に対応したテーパ形状としたことを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気装置。
9. 複数の第１通路が下流側で互いに合流しており、この合流点に流路切換弁が配置されているとともに、この合流点より下流側に、第２の触媒コンバータが配設されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の内燃機関の排気装置。
10. 複数の第２通路が下流側で互いに合流し、この合流点より下流側に、上記触媒コンバータが位置していることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の内燃機関の排気装置。
11. 第１通路と第２通路とが下流側において合流しており、この合流点と上流側の分岐点との間に、上記流路切換弁および上記触媒コンバータが位置していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の内燃機関の排気装置。
12. 多気筒内燃機関において各気筒にそれぞれ接続された気筒毎の上流側メイン通路と、
    この複数の上流側メイン通路が１本の流路に合流してなる下流側メイン通路と、
    この下流側メイン通路の途中に介装されたメイン触媒コンバータと、
    上記上流側メイン通路の上流側部分からそれぞれ分岐するとともに該上流側メイン通路よりも通路断面積の小さな気筒毎の上流側バイパス通路と、
    この複数の上流側バイパス通路が１本の流路に合流してなり、かつ下流端が上記下流側メイン通路に上記メイン触媒コンバータ上流側の位置において接続した下流側バイパス通路と、
    この下流側バイパス通路の途中に介装されたバイパス触媒コンバータと、
    各気筒から排出された排気が上記上流側バイパス通路へ流れるように、排気脈動の位相が異なる一対の気筒に対応した一対の上流側メイン通路と下流側メイン通路との合流部においてメイン流路の開閉を行う流路切換弁と、
    を備え、
    上記流路切換弁は、共通な回転軸に支持された一対の弁体を備え、各弁体が一対の上流側メイン通路をそれぞれ独立して閉塞するとともに、閉状態のときに上下圧力差を閉方向に受けるように、弁体が弁開口部に対しメイン流路の上流側から下流側へ向かって着座することを特徴とする内燃機関の排気装置。

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