(57)【要約】【課題】エキマニ回りのレイアウト性を向上する内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】本発明は、シリンダヘッド１の排気ポート１ａに繋がり、メイン触媒４を備えたメイン排気管２と、メイン排気管と並列に形成され、サブ触媒５ａを備えたバイパス排気管５と、シリンダヘッド内に設けられ、排気ポートとバイパス排気管とを接続する連通通路と、排気ポートと連通路との合流部に設けられ、排気の流れ方向をメイン排気管またはバイパス排気管のいずれかに切り換える流路切換弁６と、内燃機関の暖機状態に応じて流路切換弁を切り換えるコントローラ３０とを備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ポートが形成されるシリンダヘッドと、
前記排気ポートに繋がり、排気を浄化するメイン触媒を備えたメイン排気管と、
前記メイン排気管と並列に形成され、前記排気ポートからの排気を浄化する前記メイン触媒より容量の小さいサブ触媒を備えたバイパス排気管と、
前記シリンダヘッド内に設けられ、前記排気ポートと前記バイパス排気管とを接続する連通通路と、
前記排気ポートと前記連通路との合流部に設けられ、排気の流れ方向を前記メイン排気管または前記バイパス排気管のいずれかに切り換える流路切換弁と、
内燃機関の暖機状態に応じて前記流路切換弁を切り換えるコントローラとを備え、
前記コントローラは、暖機時に排気を前記バイパス排気管に導き、暖機後は排気を前記メイン排気管へと導くように前記流路切換弁を制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記バイパス排気管を前記メイン触媒の上流側に接続することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記内燃機関の冷却水の温度を検出する温度検出手段を設け、
前記コントローラは、検出された冷却水温度が所定温度以上の場合に排気を前記メイン排気管に導き、所定温度未満の場合には前記バイパス排気管に導くように前記流路切換弁を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記内燃機関のへの要求負荷を検出する手段を設け、
前記コントローラは、検出された冷却水温度が所定温度未満の場合であって、検出した要求負荷が所定値以上の場合には排気を前記メイン排気管に導くように前記流路切換弁を制御することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記連通通路は、前記シリンダヘッド内に気筒列に略平行に形成され、各排気ポートに連通し、
前記流路切換弁は、各排気ポートと前記連通通路との合流部毎に設置されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記各排気ポート下流に各排気ポートからの排気を集合する集合部と、
前記集合部と前記メイン排気管とを接続する第２連通通路とを前記シリンダヘッド内に設け、
前記連通通路は前記第２連通通路に接続し、この接続部に前記流路切換弁を設置することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記サブ触媒は、少なくとも２つの触媒で構成され、上流側に３元触媒を設置し、下流側にＨＣトラップ触媒を設置することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の内燃機関の排気浄化装置の一例として、本出願人が出願した特願２００５−０３１２０２号（出願日２００５年２月８日）に記載の技術がある。
【０００３】
この技術は、内燃機関の各気筒のそれぞれ接続され、かつその上流側部分が互いにほぼ平行に配列された気筒毎のメイン通路と、前記上流側部分において隣接するメイン通路同士を順次連通するように各メイン通路と交差し、かつ全体として気筒列方向に沿った連続した１本の流路を構成する連通路と、この連通路を流れる排気を排気系の下流側へ導くように設けられた分岐通路と、各気筒のメイン流路を流れる排気が前記連通路を介して前記分岐通路へ流れるように流路の切換を行う流路切換手段を備え、この流路切換手段が前記メイン通路が集合する合流点に設置されることを特徴とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、この従来技術では、流路切換手段をメイン通路が集合する合流点に設置していたため、排気を連通路から分岐通路に流す場合に、前記メイン通路と前記連通路の交差位置から合流点までのメイン通路の容量が大きくなり、分岐通路に設置した触媒の昇温が遅くなるという課題がある。また、メイン通路の合流点に流路切換手段を設置するため、メイン通路のレイアウト自由度が低くなり、最適形状の設定が難しいという課題がある。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、分岐通路に設置した触媒の昇温性能の向上とメイン通路のレイアウト性の向上とを両立させる内燃機関の排気浄化装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、内燃機関の排気ポートが形成されるシリンダヘッドと、前記排気ポートに繋がり、排気を浄化するメイン触媒を備えたメイン排気管と、前記メイン排気管と並列に形成され、前記排気ポートからの排気を浄化するサブ触媒を備えたバイパス排気管と、前記シリンダヘッド内に設けられ、前記排気ポートと前記バイパス排気管とを接続する連通通路と、前記排気ポートと前記連通路との合流部に設けられ、排気の流れ方向を前記メイン排気管または前記バイパス排気管のいずれかに切り換える流路切換弁と、内燃機関の暖機状態に応じて前記流路切換弁を切り換えるコントローラとを備え、前記コントローラは、暖機時に排気を前記バイパス排気管に導き、暖機後は排気を前記メイン排気管へと導くように前記流路切換弁を制御することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明では、シリンダヘッド内にメイン排気管とバイパス排気管とを連通する連通通路と、排気の流れを切り換える流路切換弁とを設けたので、暖機時にはバイパス排気管に設置したサブ触媒を迅速に昇温して排気の浄化を実施できるとともに、連通通路と流路切換弁をシリンダヘッド内に設置することで、排気管のレイアウト自由度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、本発明の第１の実施形態の排気浄化装置の構成図である。１は内燃機関のシリンダヘッド、２はフランジ２ａを介してシリンダヘッド１の各排気ポート１ａに接続する排気管であって、排気管２は、排気ポート１ａに繋がるエキゾーストマニホールド（以下、エキマニという）３ａ、エキマニ２が集合したメイン排気管３ｂとからなり、４はメイン排気管３ｂに設置された、例えば３元触媒もしくは排気中のＨＣを除去するＨＣトラップ触媒からなるメイン触媒である。
【０００９】
さらに、エキマニ３ａをバイパスして排気ポート１ａとメイン排気管３ｂとを接続するバイパス排気管５を備え、このバイパス排気管５に３元触媒からなる第１サブ触媒５ａとその下流側に３元触媒またはＨＣトラップ触媒からなる第２サブ触媒５ｂが設置され、バイパス排気管５はメイン触媒の上流側でメイン排気管３ｂに接続する。ここで、バイパス排気管５の流路断面積はエキマニ３ａ、メイン排気管３ｂの流路断面積より小さく設定され、また第１、第２サブ触媒５ａ、５ｂはメイン触媒４の容量より小さいものとして、より少ない排気の熱量で活性温度に達する触媒とする。
【００１０】
バイパス排気管５は、シリンダヘッド１内に形成された連通通路１ｂに接続される。連通通路１ｂは、気筒列方向に伸びた通路で各排気ポート１ａの下側に形成される。そして、図２に示すように連通通路１ｂは各排気ポート１ａと上下に連通し、排気が排気ポート１ａから連通通路１ｂを通じてバイパス排気管５に流れ込むように形成される。
【００１１】
各排気ポート１ａが連通通路１ｂと連通する開口部１ｃには、排気の流れ方向を切り換えるためのフラップ弁状の流路切換弁６が設置される。流路切換弁６は、内燃機関暖機時には排気をバイパス排気管５に導入するように排気ポート１ａを遮蔽するように作動し、一方、内燃機関暖機後は開口部１ｃを閉鎖して排気をエキマニ３ａに導入するように作動する。
【００１２】
流路切換弁６は、図３、図４に示すように、回転可能な弁体６ａで形成され、前述のように内燃機関の暖機状態を、例えば内燃機関の冷却水温に応じて判断し、排気の流れをエキマニ３ａまたはバイパス排気管５のいずれかに導入する。流路切換弁６はコントローラ３０により作動が制御される。
【００１３】
また、流路切換弁６は、エキマニ３ａに排気を導入するため開口部１ｃを閉止した場合に流路切換弁６と排気ポート１ａとの間に段差が生じないように形成される。具体的には図３、図４に示すように、排気ポート１ａの断面形状を略半円状に形成し、その平面部に流路切換弁６を設置し、排気ポート１ａの平面部と流路切換弁６の面が同一平面を形成するようにして段差が生じない形状とする。このような構成とすることで排気切換弁６が設置されたことによる排気の流れに乱れが生じることを抑制することができる。
【００１４】
図５は、コントローラ３０が実施する流路切換弁６の制御内容を説明するフローチャートである。この制御は、少なくとも内燃機関起動時に実施する。
【００１５】
まずステップＳ１では、内燃機関の冷却水温度を検出する温度センサ３１の検出温度を読み込み、ステップＳ２で検出温度が所定温度以上かどうかを判定する。検出温度が所定温度以上であれば暖機が完了していると判断してステップＳ３に進み、流路切換弁６を排気がエキマニ３ａに導入されるように制御する。
【００１６】
一方、検出温度が所定温度未満の場合には暖機が未了であると判定してステップＳ４に進み、内燃機関への要求出力値を読み込む。要求出力値は、例えばアクセルペダル開度をアクセル開度センサ３２により検出して、検出したアクセルペダル開度に応じて算出する。ステップＳ５で読み込んだ要求出力値を所定出力値と比較して、所定出力値以上の場合にはステップＳ３に進み、排気をメイン排気管３ｂに導入するようにする。要求出力値が所定出力値未満の場合にはステップＳ６に進み、排気をバイパス排気管５に導入するように排気切換弁６を制御する。
【００１７】
このように、本実施形態では、シリンダヘッド１内にバイパス排気管５に連通する連通通路１ｂを気筒列と平行に設け、この連通通路１ｂが各排気ポート１ａに連通するように形成した。そして、各排気ポートの連通通路１ｂに繋がる開口部１ｃに排気切換弁６を設け、排気の流れを内燃機関の暖機状態に応じてエキマニ３とバイパス排気管５とに切り換えるように形成した。したがって、連通通路１ｂと流路切換弁６をシリンダヘッド内に設置するようにしたので、暖機時に排気の熱を効果的に第１、第２サブ触媒５ａ、５ｂの昇温に用いることができる。また、暖機時に排気をバイパス排気管５に導入し、暖機後に排気をエキマニ３ａに導入するように、内燃機関の暖機状態に応じて排気の導入経路を切り換えるようにエキマニ３ａ、バイパス排気管５のレイアウトするが、流路切換弁６の配置を考慮する必要がなくエキマニ３ａやバイパス排気管５のレイアウト自由度が向上し、最適レイアウトに設定することが可能となる。
【００１８】
また、暖機時には排気をバイパス排気管５に導入するように排気切換弁６を制御して、排気により第１、第２サブ触媒５ａ、５ｂを加熱するようにする。第１、第２サブ触媒５ａ、５ｂはメイン触媒４より容量が小さいため、速やかに昇温して活性温度に達し、排気の浄化を開始することができる。暖機完了後は、バイパス排気管５より流路断面積の大きいエキマニ３ａ及びメイン排気管３ｂを通じて排気をメイン触媒４に導入することで、シリンダ内の残留ガスが低減して内燃機関の出力を向上することができる。なお、内燃機関暖機時において、所定出力値以上の出力要求がある場合には、排気をエキマニ３ａからメイン排気管３ｂに導入するように排気切換弁６を制御して、暖機より出力要求を優先的に制御するようにする。
【００１９】
さらに、暖機時にサブ触媒５ａ、５ｂから排出された排気がメイン触媒に導入されるため、暖機時にメイン触媒４が加熱され、暖機後に予熱されたメイン触媒が速やかに活性状態となり、排気浄化を行うことができる。
【００２０】
図６は、第２の実施形態の排気浄化装置の構成図である。この実施形態は、シリンダヘッド１１内に排気ポートとして、各排気ポート部１１ａと、各排気ポート１１ａを連接する集合部１１ｂと、集合部１１ｂとメイン排気管１２を接続する第２連通通路１１ｃとを形成した点を特徴とする。
【００２１】
各シリンダの燃焼室に開口する各排気ポート部１１ａからの排気は、集合部１１ｂに集合し、この集合部１１ｂに接続する第２連通通路１１ｃから外部に排出される。排気は、開口した第２連通通路１１ｃに接続するメイン排気管１２からメイン排気管１２に設置されたメイン触媒１３に送られ、浄化される。
【００２２】
第２連通通路１１ｃの途中から第３連通通路１１ｄが分岐し、バイパス排気管１４に接続する。第３連通通路１１ｄに接続するバイパス排気管１４には、第１の実施形態と同様の第１、第２サブ触媒１４ａ、１４ｂが設置される。
【００２３】
図７、図８に示すように、第２連通通路１１ｃと第３連通通路１１ｄの分岐に流路切換弁１５が設置され、排気の流れをメイン排気管１２またはバイパス排気管１４のいずれかに制御する。流路切換弁１５は、弁体１５ａから構成され、弁体１５ａはコントローラの指示により回転し、流路を切り換える。
【００２４】
この実施形態では、第１の実施形態に比してメイン触媒、サブ触媒をシリンダヘッド１１に近付けて、触媒の昇温速度を上昇させて活性温度までの時間を短縮することができる。
【００２５】
図９は、シリンダヘッド１とエキマニ３ａ及びシリンダヘッド１１とメイン排気管１２との接続部を説明する構成図である。図中は、シリンダヘッド１とエキマニ３ａとの接続として示す。
【００２６】
図９（ａ）は、エキマニ３ａの端面から所定距離だけ離れてフランジ３ａを設置し、このフランジ３ａとシリンダヘッド１間に、排気の漏洩を防止するガスケット２０が挟持されるようにした構成である。
【００２７】
また図９（ｂ）は、フランジ２１とガスケット２０とをエキマニ３ａと別体に構成したもので、エキマニ３ａは、その端部にフランジ２ｂを設けたのみで、エキマニ３ａの加工を容易とし、生産性を向上できる。
【００２８】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１の実施形態の排気浄化装置の構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】図３のＣ−Ｃ断面図である。
【図５】コントローラの実施する流路切換弁の制御を説明するフローチャートである。
【図６】第２の実施形態の排気浄化装置の構成図である。
【図７】図６のＤ−Ｄ断面図である。
【図８】図７のＥ−Ｅ断面図である。
【図９】シリンダヘッドとエキマニの接続部を説明する構成図である。
【符号の説明】
【００３０】
１、１１：シリンダヘッド
１ａ：排気ポート
１ｂ：連通通路
１ｃ：開口部
３：排気管
３ａ：エキマニ
３ｂ：メイン排気管
４：メイン触媒
５：バイパス排気管
５ａ、５ｂ：第１、第２サブ触媒
６：流路切換弁
６ａ：弁体
１１ａ：排気ポート部
１１ｂ：集合部
１１ｃ：第２連通通路
１１ｄ：第３連通通路
１２：メイン排気管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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