JP5058050B2 - Exhaust device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の排気装置に関し、特に内燃機関に接続される排気流路を構成し排気処理装置を介装するメイン流路と、このメイン流路に両端を連通接続し排気処理装置を迂回するバイパス流路とを備えた排気装置に係る。 The present invention relates to an exhaust device for an internal combustion engine, and more particularly to a main flow path that constitutes an exhaust flow path connected to the internal combustion engine and interposes the exhaust treatment apparatus, and the exhaust treatment apparatus is connected to both ends of the main flow path. The present invention relates to an exhaust device including a bypass flow path that bypasses.
内燃機関の排気装置に関しては、冷機時、即ち内燃機関始動直後の暖機過程における触媒早期活性化によるHC・NOx等の排出最少化を図るため、排気処理装置としてスタート触媒コンバータ(プリコンバータ)をエキゾーストマニホールド直下のメイン流路に設けると共に、暖機後はこれを迂回させるべくバイパス流路を設け、弁機構によって両流路を切り換える装置が知られている。例えば、特許文献1には、排気処理装置を介装するメイン流路と、排気処理装置を迂回するバイパス流路とを備えた内燃機関の排気装置において、単一の弁部材によってメイン流路とバイパス流路との間の流路切換を行うと共に各々の流路面積調整を適切に行い得る排気装置が提案されている。
Regarding the exhaust system of an internal combustion engine, a start catalytic converter (pre-converter) is used as an exhaust treatment apparatus in order to minimize emission of HC, NOx and the like by early activation of the catalyst in the warm-up process immediately after the start of the internal combustion engine. There is known a device that is provided in a main flow path directly below the exhaust manifold, and that is provided with a bypass flow path to bypass the main flow path after warm-up and switches both flow paths by a valve mechanism. For example,
上記の排気装置によれば、排気処理装置の上流側及び下流側の一方に配設する単一の弁部材によって、メイン流路及びバイパス流路の一方の連通を選択した状態で、該一方の流路の流路面積を任意且つ連続的に設定することができ、従って、メイン流路とバイパス流路との間の流路切換を行うと共に各々の流路面積調整を適切に行うことができる旨記載されている。 According to the exhaust device described above, in a state where one communication of the main flow path and the bypass flow path is selected by a single valve member disposed on one of the upstream side and the downstream side of the exhaust treatment apparatus, The flow channel area of the flow channel can be set arbitrarily and continuously. Therefore, the flow channel switching between the main flow channel and the bypass flow channel can be performed and each flow channel area can be adjusted appropriately. It is stated.
上記の排気装置によれば、特許文献1に対する従前の排気装置に対し、スペース、コスト、重量、背圧低減効果等において有利となり、内燃機関の冷機時から暖機後まで一貫して、内燃機関の出力要件、排気処理装置による排気処理要件、及び内燃機関の排気に対する消音要件の全てに適切に対応することができる。
According to the above exhaust device, it is advantageous in terms of space, cost, weight, back pressure reduction effect and the like over the conventional exhaust device with respect to
然し乍ら、特許文献1に記載の装置においては、単一の弁部材によってメイン流路とバイパス流路との間の流路切換を行うと共に各々の流路面積調整を行うこととしているので、弁部材との間で流路面積調整を行う流路内面は、高精度の曲面とすることが要請され、3次元の曲面切削加工等による製造工程の複雑化やコストアップが懸念される。
However, in the apparatus described in
そこで、本発明は、排気処理装置を介装するメイン流路と、排気処理装置を迂回するバイパス流路と、各々の流路面積調整を行う弁装置を備えた内燃機関の排気装置において、簡単且つ安価な弁装置によってメイン流路とバイパス流路との間の流路切換を行うと共に各々の流路面積調整を適切に行い得る排気装置を提供することを課題とする。 Accordingly, the present invention provides an exhaust system for an internal combustion engine that includes a main flow path that interposes an exhaust treatment apparatus, a bypass flow path that bypasses the exhaust treatment apparatus, and a valve device that adjusts the area of each flow path. It is another object of the present invention to provide an exhaust device capable of switching the flow path between the main flow path and the bypass flow path with an inexpensive valve device and appropriately adjusting each flow path area.
上記課題を解決するため、本発明は、請求項1に記載のように、内燃機関に接続される排気流路を構成し排気処理装置を介装するメイン流路と、該メイン流路に両端を連通接続し前記排気処理装置を迂回するバイパス流路と、前記排気処理装置の上流側及び下流側の一方に配設する弁装置を備えた内燃機関の排気装置において、前記弁装置が第1の弁部材及び第2の弁部材を備え、該第1の弁部材及び第2の弁部材の夫々の一端側を共通の揺動軸回りに揺動自在に支持すると共に、当該第1の弁部材及び第2の弁部材の夫々の他端側を所定の離隔状態と所定の近接状態との間で相互に移動可能に支持して成り、当該第1の弁部材及び第2の弁部材を前記揺動軸回りに揺動させると共に、前記所定の離隔状態から前記所定の近接状態に移動させて、前記メイン流路及び前記バイパス流路の流路面積を調整するように構成したものである。尚、ここでいう排気処理装置としては、触媒装置のみならず、排気熱回収装置、熱交換装置等を包含する。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a main flow path that constitutes an exhaust flow path connected to an internal combustion engine and that includes an exhaust treatment device, and both ends of the main flow path. In the exhaust device of the internal combustion engine, which includes a bypass flow path that communicates with each other and bypasses the exhaust treatment device, and a valve device that is disposed on one of the upstream side and the downstream side of the exhaust treatment device, the valve device is a first The first valve member and the second valve member are supported, and one end side of each of the first valve member and the second valve member is swingably supported around a common swing shaft, and the first valve The other end side of each of the member and the second valve member is supported so as to be movable between a predetermined separation state and a predetermined proximity state, and the first valve member and the second valve member are Oscillates about the oscillating shaft and moves from the predetermined separation state to the predetermined proximity state. , Which is constituted so as to adjust the flow area of the main passage and the bypass passage. The exhaust treatment device here includes not only a catalyst device but also an exhaust heat recovery device, a heat exchange device, and the like.
上記の排気装置において、請求項2に記載のように、前記第1の弁部材及び第2の弁部材を前記所定の離隔状態から前記所定の近接状態とするまでの間に前記メイン流路及び前記バイパス流路の一方の流路の流路面積を連続的に設定するように構成するとよい。
In the exhaust apparatus, as described in
例えば、請求項3に記載のように、前記第1の弁部材のみを駆動して前記第1の弁部材及び第2の弁部材を離隔状態で一体的に揺動させ、前記第2の弁部材を所定位置で係止させた後に、係止状態の前記第2の弁部材に対し前記第1の弁部材を更に駆動して前記所定の近接状態とするように構成するとよい。更に、請求項4に記載のように、前記第1の弁部材及び第2の弁部材の他端側を相互に離隔する方向に付勢する付勢手段を備えたものとし、係止状態の前記第2の弁部材に対し、前記第1の弁部材を前記付勢手段の付勢力に抗して駆動して前記所定の離隔状態から前記所定の近接状態とするように構成するとよい。
For example, as described in
本発明は上述のように構成されているので以下に記載の効果を奏する。即ち、請求項1に記載の排気装置によれば、第1の弁部材及び第2の弁部材を備えた簡単且つ安価な弁装置によって、メイン流路及びバイパス流路の流路面積を適切に調整することができる。特に、請求項2及び3に記載のように、第1の弁部材及び第2の弁部材を所定の離隔状態から所定の近接状態とするまでの間にメイン流路及びバイパス流路の一方の流路の流路面積を連続的に設定することにより、流路面積を適切に調整することができる。
Since this invention is comprised as mentioned above, there exists an effect as described below. That is, according to the exhaust device of the first aspect, the flow passage areas of the main flow passage and the bypass flow passage are appropriately set by the simple and inexpensive valve device including the first valve member and the second valve member. Can be adjusted. In particular, as described in
更に、請求項4に記載のように付勢手段を備えたものとすれば、係止状態の第2の弁部材に対し、第1の弁部材を付勢手段の付勢力に抗して駆動して所定の離隔状態から所定の近接状態とした後、第1の弁部材を反対方向に駆動するときには、付勢手段の付勢力によって直ちに第1の弁部材及び第2の弁部材の他端側が相互に離隔する状態とされるので、迅速且つ適切に流路面積を調整することができる。
Further, if the biasing means is provided as described in
以下、本発明の望ましい実施形態について図面を参照して説明する。図1乃至図5は本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気装置を示すもので、本実施形態では排気処理装置として、排気熱を吸収する熱交換装置10が内蔵されている。先ず、図1及び図2を参照して概要を説明すると、排気ガス流路はメイン流路1とバイパス流路2に分岐され、分岐部4と合流部5が形成されており、分岐部4側が内燃機関(図示せず)に接続されている。メイン流路1には熱交換装置10のウォータージャケット11が介装され、その内部の排気流路12を介して分岐部4が合流部5に連通するように構成されている。そして、分岐部4に弁装置20が配設されている。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 5 show an exhaust device for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, a
本実施形態の弁装置20は図1に示すように、第1の弁部材21及び第2の弁部材22を有し、夫々の一端側が共通の揺動軸回りに揺動自在に支持されている。第1の弁部材21及び第2の弁部材22の夫々の他端側は、図1に示す所定の離隔状態と図4に示す所定の近接状態(図4では当接し重合している)との間で相互に移動可能に支持されている。ここで、「揺動軸」は揺動中心(アクシス)と物理的な軸(シャフト)の両者を含み、本実施形態においては、第1の弁部材21の一端側に揺動軸3が連結され、この揺動軸3は図2に示すクランク6に固定され、クランク6はピボット軸7を介してアーム8に連結されている。これに対し、第2の弁部材22の一端側は揺動軸3回りに遊嵌されて揺動自在に支持され、第1の弁部材21に対して相対的に移動し得るように支持されている。従って、本実施形態では物理的な軸(シャフト)の揺動軸3によって第1の弁部材21のみが直接駆動され、第2の弁部材22は揺動軸3を揺動中心(アクシス)として揺動軸3回りを揺動するように構成されているが、第1の弁部材21及び第2の弁部材22の両者を揺動軸3に遊嵌状態で支持し、第1の弁部材21及び第2の弁部材22の少なくとも一方を駆動することによって、両者が揺動中心(アクシス)としての揺動軸3回りを揺動するように構成してもよい。尚、分岐部4内にはハウジングHと一体的に係止部23が設けられており、この係止部23に第2の弁部材22の他端が当接すると係止状態とされる。
As shown in FIG. 1, the
更に、第1の弁部材21及び第2の弁部材22の夫々の他端側を相互に離隔する方向に付勢するスプリング等の付勢手段(図示せず)及び係止突起等の保持手段(図示せず)が設けられており、第1の弁部材21及び第2の弁部材22が拘束されない自由状態では、所定の離隔状態として、図1に示すように両者間で角度αをなす位置で保持されるように構成されている。而して、図1に示す状態では、バイパス流路2は第1の弁部材21によって閉塞され、メイン流路1は第2の弁部材22によって間隙Aで示す流路面積に絞られている。尚、付勢手段を構成するスプリング及び保持手段を構成する係止突起の具体例は図8乃至図10に示し、これらについては後述する。
Further, a biasing means (not shown) such as a spring for biasing the other end sides of the
而して、モータ(図示せず)等によるアーム8の駆動に応じ、第1の弁部材21を付勢手段の付勢力に抗して揺動軸3回りに図1及び図2の時計方向に揺動させると、第2の弁部材22の他端が係止部23に当接するまで、第1の弁部材21及び第2の弁部材22が図3に示すように所定の離隔状態(角度α)で一体となって移動する。そして、第2の弁部材22の他端が係止部23に当接して係止状態とされた後、更に、付勢手段の付勢力に抗して第1の弁部材21を揺動軸3回りに時計方向に揺動させると、第1の弁部材21の内側面が第2の弁部材22の外側面に当接して図4に示すように重合する。この結果、メイン流路1が全閉状態で、バイパス流路2が全開状態となる。
Thus, in response to driving of the
以上のように、第1の弁部材21及び第2の弁部材22が所定の離隔状態で一体的に駆動され、第1の弁部材21の移動に伴い、図1に示す第1の弁部材21及び第2の弁部材22の離隔状態から図4に示す第1の弁部材21及び第2の弁部材22の近接状態に至るまで移動し、この間メイン流路1及びバイパス流路2の流路面積が調整される。そして、図4に示す第1の弁部材21及び第2の弁部材22の近接状態(バイパス流路2の全開状態)から、第1の弁部材21を反時計方向に揺動させると、図5に示すように、第1の弁部材21及び第2の弁部材22は所定の離隔状態(角度α)で一体的に移動し、メイン流路1が閉状態に維持されつつ、バイパス流路2の流路面積が調整される。
As described above, the
上記の図3乃至図5の作動を、内燃機関(図示せず)の運転状態に応じて説明すると、図3は暖機後の通常運転状態(緩加速時等)を示し、内燃機関(図示せず)の運転状態に応じて第1の弁部材21が駆動され、バイパス流路2が間隙Bで示す流路面積に絞られる。一方、第2の弁部材22は、保持手段(図示せず)によって第1の弁部材21に対し角度αをなす所定の離隔状態に保持され、分岐部4のハウジングHの内面に対し所定距離d重合しており、これによってメイン流路1内への排気ガスの流入が阻止される。このとき、第2の弁部材22とハウジングHの内面との間にはクリアランスがあり、若干の排気ガスが流入するが、この運転状態において支障はない。このように、第2の弁部材22はハウジングHの内面に対し摺動するものではなく、クリアランスが許容されるので、高精度の摺動面加工は必要とされない。また、第1の弁部材21と第2の弁部材22がなす角度αも然程大きくする必要はなく、重合部(d)を小さくすることができる。このように、出力要件や排気浄化要件に支障を生じない範囲で、バイパス流路2を適宜絞ることができるので、所期の消音効果を確保することができる。
The operation of FIGS. 3 to 5 will be described in accordance with the operating state of the internal combustion engine (not shown). FIG. 3 shows the normal operating state after warm-up (such as during slow acceleration). The
図4は暖機後の最高出力状態(最大流量時)を示し、バイパス流路2が全開(間隙C)となるように、第1の弁部材21及び第2の弁部材22はバイパス流路2内に位置しない状態とされる。具体的には、図2のアーム8が駆動され、第1の弁部材21が付勢手段(図示せず)の付勢力に抗して揺動軸3回りに図4の時計方向に揺動すると、これに伴い第2の弁部材22が一体となって揺動する。そして、第2の弁部材22の他端が係止部23に当接して係止状態とされ、図4に示すように第1の弁部材21と第2の弁部材22が重合した後は、メイン流路1は全閉状態とされ、バイパス流路2は全開状態となる。このとき第1の弁部材21と第2の弁部材22がなす角度はγで最小角度となり、第2の弁部材22は付勢手段(図示せず)の付勢力によって係止部23に押圧された状態となる。
FIG. 4 shows the maximum output state after warm-up (at the maximum flow rate), and the
図5は暖機後であって、内燃機関(図示せず)の減速時、あるいはフューエルカットによるモータリング時の状態を示す。例えば図4の状態から第1の弁部材21が反時計方向に駆動されると、第2の弁部材22はこれに追従する形となり、第1の弁部材21に対し角度αをなす所定の離隔状態に至るとその状態に保持される。更に第1の弁部材21が反時計方向に駆動されて図5に示す状態となると、例えばバイパス流路2が間隙Dで示す流路面積に絞られるが、メイン流路1は第2の弁部材22によって依然閉状態が維持されている。尚、この場合には出力要件は求められないので消音要件を重視し、バイパス流路2は図3の状態より多く絞る(D<B)ように構成するとよい。
FIG. 5 shows a state after the engine is warmed up and when the internal combustion engine (not shown) is decelerated or is motored by fuel cut. For example, when the
次に、図6は本発明の他の実施形態を示すもので、排気処理装置の他の例として、図1乃至図5に記載の実施形態における熱交換装置10に代えて、触媒担体41及び緩衝マット42から成る触媒装置40がメイン流路1に介装されている。また、本実施形態の弁装置30は合流部5に配設され、板材で形成された第1の弁部材31及び第2の弁部材32の一端側が共通の揺動軸33回りに揺動自在に支持され、夫々の他端側は、両者間に配置された圧縮スプリング34によって離隔方向に付勢されている。尚、この弁装置30は前述の実施形態と同様に分岐部4に配設することとしてもよい。図6の状態は、図3の状態と同様、暖機後の通常運転状態(緩加速時等)を示し、内燃機関(図示せず)の運転状態に応じて第1の弁部材31が駆動され、バイパス流路2が絞られると共に、第1の弁部材31に対し角度αをなす所定の離隔状態に保持された第2の弁部材32は、係止部35に係止され、メイン流路1の出力側が閉塞されている。
Next, FIG. 6 shows another embodiment of the present invention. As another example of the exhaust treatment device, instead of the
次に、図7乃至図10は本発明の更に他の実施形態を示すもので、図1乃至図5に記載の熱交換装置10と同様の排気処理装置がメイン流路1に介装され、図6に記載の弁装置30と同様の弁装置(図7では300とする)が合流部5に配設されている。本実施形態では、第1のインナパイプ201と第2のインナパイプ202がワイヤメッシュリング203を介して嵌合されてバイパス流路2が形成されており、第1のインナパイプ201の上流側には複数の連通孔204が穿設されており、これらの連通孔204を介してバイパス流路2がメイン流路1に連通し、連通孔204近傍で分岐部4が構成されている。そして、図8に示すように第2のインナパイプ202の合流部5側の開口端に第1の弁部材310が当接すると、バイパス流路2が閉塞されるように構成されている。
Next, FIG. 7 to FIG. 10 show still another embodiment of the present invention. An exhaust treatment device similar to the
本実施形態の弁装置300は、図8に示すように第1の弁部材310及び第2の弁部材320の一端側が共通の揺動軸330回りに揺動自在に支持され、夫々の他端側は、揺動軸330回りに配置された圧縮スプリング340によって離隔方向に付勢されている。そして、第1の弁部材310及び第2の弁部材320が拘束されない自由状態では、所定の離隔状態として、図8に示すように両者間で角度αをなす位置で保持されるように構成されている。この場合において、保持手段として第2の弁部材320と一体的に係止突起321が形成されており、この係止突起321が第1の弁部材310に当接した状態、即ち第1の弁部材310と第2の弁部材320とが所定の離隔状態(両者がなす角度α)に保持されるように構成されている。尚、図8において、メイン流路1から流出する排気ガスの圧力によって、第2の弁部材320が圧縮スプリング340の付勢力に抗して第1の弁部材310側に若干駆動される(角度αが減少する)ように構成してもよい。
As shown in FIG. 8, the
本実施形態では、第1の弁部材310を圧縮スプリング340の付勢力に抗して揺動軸330回りに図7及び図8の反時計方向に揺動させると、第2の弁部材320の他端が係止部350に当接するまで、第1の弁部材310及び第2の弁部材320が所定の離隔状態で一体となって移動する。そして、第2の弁部材320の他端が係止部350に当接して係止状態とされた後、更に、圧縮スプリング340の付勢力に抗して第1の弁部材310を揺動軸330回りに反時計方向に揺動させると、図9に示すように第1の弁部材310が第2の弁部材320に近接した位置となり、メイン流路1が全閉状態で、バイパス流路2が全開状態となる。
In this embodiment, when the
以上のように、第1の弁部材310及び第2の弁部材320が所定の離隔状態で一体的に駆動され、図8に示す第1の弁部材310及び第2の弁部材320の離隔状態から図9に示す第1の弁部材310及び第2の弁部材320の近接状態に移動し、この間メイン流路1及びバイパス流路2の流路面積が調整される。そして、図9に示す状態から、第1の弁部材310を時計方向に揺動させると第1の弁部材310及び第2の弁部材320の他端側は漸次離隔し、図10に示すように、第1の弁部材310及び第2の弁部材320は所定の離隔状態(両者がなす角度α)となった後は一体的に移動し、バイパス流路2の流路面積が調整される。
As described above, the
上記の図8乃至図10における内燃機関(図示せず)の運転状態に応じた作動は、図3乃至図5と略同様であるので詳細な説明は省略するが、本実施形態では、特に、複数の連通孔204を介してメイン流路1とバイパス流路2が連通する構成とされているので、図9及び図10に示すように、メイン流路1が全閉状態とされているときには、ヘルムホルツレゾネータとして機能し得る。即ち、連通孔204が首管、メイン流路1がボリュームを構成し、これらのディメンジョンに応じた周波数成分を減衰し得るという効果がある。
The operation in accordance with the operation state of the internal combustion engine (not shown) in FIGS. 8 to 10 is substantially the same as that in FIGS. 3 to 5 and will not be described in detail. Since the
上記の実施形態においては、何れも第1の弁部材のみが駆動手段に連結されており、第2の弁部材は駆動手段に連結されておらず、付勢手段及び保持手段によって第1の弁部材と一体となって移動し、あるいは係止部で係止状態とされた後は第1の弁部材の移動に応じて駆動されるように構成されているが、更に第2の弁部材も駆動手段に連結して、第2の弁部材自体でも移動可能となるように構成してもよい。このように、第2の弁部材も独立して駆動することにより、積極的にメイン流路を絞って背圧を高めることで熱交換効率を向上させ、また消音効果を奏し得るようなチューニングも可能となる。尚、第1の弁部材と第2の弁部材との間に配設されるスプリング等の付勢手段及び係止突起等の保持手段に代えて、メカニカルリンク等を用いることとしてもよい。また、本発明は、上記の熱交換装置や触媒装置等に限らず、例えば排気ガス改変装置、排気熱回収装置等、種々の排気処理装置に適用し得る。 In each of the above embodiments, only the first valve member is connected to the drive means, and the second valve member is not connected to the drive means, and the first valve member is driven by the biasing means and the holding means. The first valve member is configured to be driven in accordance with the movement of the first valve member after moving together with the member or after being locked by the locking portion. The second valve member itself may be configured to be movable by being connected to the driving means. In this way, the second valve member is also driven independently, so that the main flow path is actively throttled to increase the back pressure, thereby improving the heat exchange efficiency, and tuning that can produce a silencing effect. It becomes possible. A mechanical link or the like may be used instead of an urging means such as a spring and a holding means such as a locking projection disposed between the first valve member and the second valve member. The present invention is not limited to the heat exchange device and the catalyst device described above, and can be applied to various exhaust treatment devices such as an exhaust gas modification device and an exhaust heat recovery device.
1 メイン流路
2 バイパス流路
3,33,330 揺動軸
4 分岐部
5 合流部
10 熱交換装置
20,30,300 弁装置
21,31,310 第1の弁部材
22,32,320 第2の弁部材
23,35,350 係止部
34,340 圧縮スプリング
40 触媒装置
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