(57)【要約】【課題】シリンダブロック１におけるシリンダ３の頂部に吸気弁８及び排気弁９を備えるとともに、ブロワー圧縮機と排気タービンとから成る排気ターボ過給機１４を備え、更に、前記排気タービンから排気ガス放出管路１９中に、排気ガス浄化用の触媒２０を設けて成る内燃機関において、低温からの始動に際して、前記触媒の温度を急速に高めるとともに、排気ガスのポンピングロスを低減する。【解決手段】前記シリンダブロック１に、前記シリンダ内に開口するシリンダポート１２を設けるとともに、このシリンダポートに隣接してクランク軸に同期して開閉作動する切換弁１３を設け、排気行程において、シリンダ内の排気ガスを、前記排気弁９から排気ターボ過給機の排気タービン１４ｂを経て前記触媒２０に排気すると同時に、前記切換弁１３の開によって前記シリンダポート１２から排気バイパス通路２２を介して前記触媒２０に排気する。【選択図】　　　　　　　　　　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダブロックにおけるシリンダの頂部に吸気弁及び排気弁を備えるとともに、前記吸気弁への吸気に対するブロワー圧縮機と前記排気弁からの排気ガスによる排気タービンとから成る排気ターボ過給機を備え、更に、前記排気タービンから排気ガス放出管路中に、排気ガス浄化用の触媒を設けて成る内燃機関において、
前記シリンダブロックに、前記シリンダ内に開口するシリンダポートを、シリンダ内の往復動するピストンに開閉するように設けるとともに、このシリンダポートに隣接してクランク軸に同期して開閉作動する切換弁を設け、この切換弁から前記排気タービンを迂回して前記触媒の上流側に至る排気バイパス通路を設けて、前記切換弁にて、排気行程中において前記シリンダポートを排気バイパス通路に連通するように構成したことを特徴とする排気ターボ過給機付き内燃機関における排気ガス浄化装置。
【請求項２】
前記請求項１の記載において、前記触媒を、前記切換弁に近接する部位に設けたことを特徴とする排気ターボ過給機付き内燃機関における排気ガス浄化装置。
【請求項３】
前記請求項１又は２記載において、前記切換弁に、前記排気ターボ過給機におけるブロワー圧縮機から吸気弁に至る過給通路より分岐した過給分岐通路を接続する一方、前記切換弁にて、排気行程において前記シリンダポートを排気バイパス通路に連通し、吸気行程において前記過給分岐通路に前記シリンダポートを連通するように構成したことを特徴とする排気ターボ過給機付き内燃機関における排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ターボ過給機を備えた内燃機関において、その排気ガスを触媒にて浄化する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近の内燃機関においては、その排気経路中に触媒を設けて、排気ガス中の未燃焼成分及び窒素酸化物等を、この触媒の作用で酸化又は還元して浄化するようにしていることは周知の通りである。
【０００３】
そして、このように、排気ガスを触媒にて浄化する場合、この触媒に所定の触媒作用を発揮するためには、その温度を高くしなければならない。例えば、ＨＣを触媒にて浄化するためには、一般に、この触媒を少なくとも２００〜３００℃以上に温度に維持することが必要である。
【０００４】
しかし、排気ターボ過給機を備えた内燃機関においては、その排気ガスの総てを、前記排気ターボ過給機における排気タービンを通過するように構成しているので、内燃機関を冷めた状態から始動するときにおける排気ガスは、排気タービンを通過するとき温度が下がり、温度が下がった状態で触媒の箇所に至ることになるから、触媒の温度が高くならず、排気ガスの浄化を十分に達成することができないのであった。
【０００５】
そこで、先行技術としての特開平１０−８９１０６号公報は、各気筒の頂部に二つの排気弁を設け、この二つの排気弁のうち一方の排気弁から排気ガスを、排気ターボ過給機における排気タービンを経て触媒に導き、他方の排気弁からの排気ガスを、前記排気タービンを迂回して前記触媒に直接に導くことにより、前記触媒の温度を急速に高めることを提案している。
【０００６】
また、別の先行技術としての特開２００１−５００３８号公報は、内燃機関からの排気経路を、排気ターボ過給機における排気タービンを経て触媒に至る経路と、前記排気タービンを迂回して触媒に直接至る排気迂回経路とに分岐し、低温始動に際しては、排気ガスを前記排気迂回経路から触媒に直接に導くことにより前記触媒の温度を急速に高めることを提案している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これら両先行技術は、そのいずれにおいても、各気筒における排気ガスの総てを、各気筒の頂部に設けた排気弁から排出するものであるにもかかわらず、この排気弁における口径には、同じく各気筒の頂部に設けられる吸気弁、点火栓及び燃料噴射弁等の関係より、一定の限界値が存在し、この限界値よりも大きくすることができず、ひいては、排気弁の箇所における排気ガスの流出抵抗の低減に一定の限界値が存在するから、排気ガスのポンピングロスを前記限界値以下に下げることができないという問題があった。
【０００８】
本発明は、内燃機関の低温始動に際して触媒の温度を急速に高めることと、排気ガスのポンピングロスを低減することとを同時に達成することを技術的課題とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この技術的課題を達成するため本発明の請求項１は、
「シリンダブロックにおけるシリンダの頂部に吸気弁及び排気弁を備えるとともに、前記吸気弁への吸気に対するブロワー圧縮機と前記排気弁からの排気ガスによる排気タービンとから成る排気ターボ過給機を備え、更に、前記排気タービンから排気ガス放出管路中に、排気ガス浄化用の触媒を設けて成る内燃機関において、
前記シリンダブロックに、前記シリンダ内に開口するシリンダポートを、シリンダ内の往復動するピストンに開閉するように設けるとともに、このシリンダポートに隣接してクランク軸に同期して開閉作動する切換弁を設け、この切換弁から前記排気タービンを迂回して前記触媒の上流側に至る排気バイパス通路を設けて、前記切換弁にて、排気行程中において前記シリンダポートを排気バイパス通路に連通するように構成した。」
ことを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の請求項２は、
「前記請求項１の記載において、前記触媒を、前記切換弁に近接する部位に設けた。」
ことを特徴としている。
【００１１】
更にまた、本発明の請求項３は、
「前記請求項１又は２記載において、前記切換弁に、前記排気ターボ過給機におけるブロワー圧縮機から吸気弁に至る過給通路より分岐した過給分岐通路を接続する一方、前記切換弁にて、排気行程において前記シリンダポートを排気バイパス通路に連通し、吸気行程において前記過給分岐通路に前記シリンダポートを連通するように構成した。」
ことを特徴としている。
【００１２】
【発明の作用・効果】
排気行程において、排気弁が開く一方、シリンダポートが開くとともに、切換弁がシリンダポートを排気バイパス通路に連通することにより、シリンダ内の排気ガスは、前記排気弁と前記シリンダポートとの両方から排気される。
【００１３】
前記排気弁からの排気ガスは、排気タービンに入ってこれを駆動したのち触媒に到達する一方、前記シリンダポートからの排気ガスは、排気バイパス通路を通って、前記排気タービンを経ることなく、前記触媒に直接的に到達する。
【００１４】
これにより、シリンダ内における排気ガスの一部を、排気タービンを経ることなく、触媒に直接的に導くことができるから、内燃機関を冷めた状態から始動する場合に、触媒の温度を急速に高めることができ、排気ガスの浄化を早い時期から行うことができるのであり、しかも、排気ガスが、排気弁とシリンダポートとの両方から排気されることにより、排気ガスの流出抵抗、ひいては、排気ガスのポンピングロスを、排気ガスを排気弁のみから排気する場合よりも、前記シリンダポートから排気する分だけ確実に低減できるのである。
【００１５】
この場合、前記切換弁を、内燃機関の運転状態に応じて、当該内燃機関を冷めた状態から始動するときにおいてのみ、前記シリンダポートを排気バイパス通路に連通するように作動するという構成にすることにより、排気ガスの一部を排気タービンを迂回して触媒に至るようにして、低温始動における排気ガスの浄化向上とポンピングロスの低減とを図るように構成したり、或いは、内燃機関における高負荷・高回転域においてのみ、前記切換弁にて前記シリンダポートを排気バイパス通路に連通することにより、排気ガスの一部を排気タービンを迂回して触媒に至るようにして、高負荷・高回転域におけるポンピングロスの低減を図るようにすることができ、もちろん、前記切換弁にて前記シリンダポートを排気バイパス通路に連通することを、低温始動のとき及び高負荷・高回転域の両方において行うように構成することができる利点がある。
【００１６】
また、前記触媒を、請求項２に記載したように、前記切換弁に近接する部位に設けることにより、この切換弁から前記触媒に至る排気バイパス通路の長さを短くできるから、低温始動のときに、この排気バイパス通路を介して触媒の導く排気ガスの温度をより高い温度にすることができる。
【００１７】
特に、請求項３に記載したように構成することにより、吸気行程のとき、排気ターボ過給機におけるブロワー圧縮機にて圧縮した吸気をシリンダ内にシリンダポートから吹き込むことができて、シリンダ内に激しい乱流状態を付与することができるから、大幅な燃焼促進を図ることができる利点がある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図１〜図５の図面について説明する。
【００１９】
この図において、符号１は、ピストン２内蔵のシリンダ３を備えたシリンダブロックを、符号４は、前記シリンダブロック１の上面に、前記シリンダ３の頂部を塞ぐように取り付けたシリンダヘッドを各々示す。
【００２０】
前記シリンダヘッド４には、その下面のうち前記シリンダ３内の部分に燃焼室５が凹み形成され、この燃焼室５への吸気ポート６、及び、燃焼室５からの排気ポート７が設けられ、前記吸気ポート６の燃焼室５内への開口部には、前記ピストン２が下降動する吸気行程において開くように構成した吸気弁８が、また、前記排気ポート７の燃焼室５内への開口部には、前記ピストン２が上昇動する排気行程において開くように構成した排気弁９が各々設けられている。
【００２１】
また、前記シリンダヘッド４には、前記燃焼室５に対する点火栓１０が装着されているとともに、シリンダ３内に燃料を噴射供給するための燃料噴射弁１１とが設けられている。
【００２２】
一方、前記シリンダブロック１には、前記ピストン２の下死点付近、つまり、クランク角度で下死点から下死点後約６０度までの開区間θ１及び下死点から下死点前約６０度までの開区間θ２においてシリンダ３内に開口するようにしたシリンダポート１２が穿設されているとともに、このシリンダポート１２に対する回転するロータリー式の切換弁１３が設けられている。
【００２３】
符号１４は、ブロワー圧縮機１４ａと、排気タービン１４ｂとを直結して成る排気ターボ過給機を示し、この排気ターボ過給機１４におけるブロワー圧縮機１４ａの吸い込み側には、エアクリーナ１５からの吸気通路１６が、ブロワー圧縮機１４ａの吐出側には、前記吸気ポート６への過給通路１７が各々接続されている。
【００２４】
また、前記排気ターボ過給機１４における排気タービン１４ｂの入り口側には、前記排気ポート７からの排気通路１８が、排気タービン１４ｂの出口側には、大気中への排気ガス放出管１９が各々接続され、前記排気ガス放出管１９の途中には、排気ガス浄化用の触媒２０を内蔵した触媒ケース２１が設けられている。この場合、前記触媒２０を内蔵した触媒ケース２１は、前記ロータリー式の切換弁１３に近接する部位に配設されている。
【００２５】
前記ロータリー式の切換弁１３に二つのポート１３ａ，１３ｂを設けて、その第１ポート１３ａと、前記排気ガス放出管１９のうち触媒２０の上流側の部位との間を、前記排気ターボ過給機１４における排気タービン１４ｂを迂回するようにした排気バイパス通路２２を介して接続する一方、第２ポート１３ｂに、前記吸気ポート６への過給通路１７から分岐した過給分岐通路２３を接続する。
【００２６】
そして、前記ロータリー式の切換弁１３を、図示しないクランク軸から動力伝達にて、クランク軸に同期してその半分の速度で回転し、この切換弁１３に通路１３ｃを設けることにより、図２〜図５に示すように、排気行程における前記下死点後の開区間θ１内において、前記シリンダポート１２に前記排気バイパス通路２２を前記通路１３ｃを介して連通し、吸気行程における前記下死点前の開区間θ２内において、前記シリンダポート１２に前記過給分岐通路２３を前記通路１３ｃを介して連通するように構成する。
【００２７】
この構成において、ロータリー式の切換弁１３は、吸気行程のうち前記下死点前の開区間θ２内において、図２に示すように、前記シリンダポート１２に前記過給分岐通路２３を連通することにより、シリンダ３内には、排気ターボ過給機１４におけるブロワー圧縮機１４ａにて圧縮された吸気が前記シリンダポート１２から吹き込まれることになるから、シリンダ３内の吸気に激しい乱流状態を付与できる。
【００２８】
前記吸気行程に次いで圧縮行程及び爆発行程を経て排気行程に入ると、前記ロータリー式の切換弁１３は、この排気行程のうち前記下死点後の開区間θ１内において、図５に示すように、前記シリンダポート１２に前記排気バイパス通路２２を連通することにより、シリンダ３内における排気ガスは、排気弁９から排気ターボ過給機１４における排気タービン１４ｂを経て触媒２０に至るように排気されると同時に、前記シリンダポート１２からも排気され、このシリンダポート１２からの排気ガスは、排気バイパス通路２２を通って、前記排気タービン１４ｂを経ることなく、前記触媒２０に直接的に到達することになるから、内燃機関を冷めた状態から始動する場合に、前記触媒２０の温度を急速に高めることができる。
【００２９】
なお、前記ロータリー式の切換弁１３を、これ専用の回転手段によって、クランク軸に同期して開閉作動するように構成したり、或いは、この切換弁を、回転するロータリー型以外の構成にしても良いことというまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す縦断正面図である。
【図２】本発明において吸気行程と切換弁との関係を示す図である。
【図３】本発明において圧縮行程と切換弁との関係を示す図である。
【図４】本発明において爆発行程と切換弁との関係を示す図である。
【図５】本発明において排気行程と切換弁との関係を示す図である。
【符号の説明】
１　　　　　　　　　　　シリンダブロック
２　　　　　　　　　　　ピストン
３　　　　　　　　　　　シリンダ
４　　　　　　　　　　　シリンダヘッド
５　　　　　　　　　　　燃焼室
６　　　　　　　　　　　吸気ポート
７　　　　　　　　　　　排気ポート
８　　　　　　　　　　　吸気弁
９　　　　　　　　　　　排気弁
１２　　　　　　　　　　シリンダポート
１３　　　　　　　　　　切換弁
１３ｃ　　　　　　　　　通路
１４　　　　　　　　　　排気ターボ過給機
１４ａ　　　　　　　　　ブロワー圧縮機
１４ｂ　　　　　　　　　排気タービン
１７　　　　　　　　　　過給通路
１８　　　　　　　　　　排気通路
１９　　　　　　　　　　排気ガス放出管
２０　　　　　　　　　　触媒
２２　　　　　　　　　　排気バイパス通路
２３　　　　　　　　　　過給分岐通路
【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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