(57)【要約】【課題】排気ガスを捕集して保持するという機能からみて適切な位置に捕集容器を配置した内燃機関の排気捕集装置を提供する。【解決手段】内燃機関１の排気捕集装置１０は、内燃機関１の排気通路４から取り出された排気ガスを保持可能な捕集容器１１と、排気通路４から捕集容器１１への排気ガスの流入を許容する位置と流入を阻止する位置との間で切り替え可能な捕集制御弁１４とを備えている。捕集容器１１は排気通路４の少なくとも一部を囲むように設けられている。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路から取り出された排気ガスを保持可能な捕集容器と、前記排気通路から前記捕集容器への前記排気ガスの流入を許容する位置と前記流入を阻止する位置との間で切り替え可能な捕集用弁手段とを備え、前記捕集容器が前記排気通路の少なくとも一部を囲むように設けられていることを特徴とする内燃機関の排気捕集装置。
【請求項２】
前記排気通路から前記捕集容器への排気ガスの取り出し位置が前記排気通路の前記捕集容器に囲まれた範囲に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の排気捕集装置。
【請求項３】
前記捕集用弁手段が前記排気通路の圧力を利用して開閉するように設けられていることを特徴とする請求項２に記載の排気捕集装置。
【請求項４】
前記捕集用弁手段の位置よりも前記排気通路の下流側に当該排気通路を開閉する遮断用弁手段が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の排気捕集装置。
【請求項５】
前記排気ガスを浄化するための触媒が前記排気通路の前記捕集容器に囲まれた範囲に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の排気捕集装置。
【請求項６】
前記捕集容器内の排気ガスを、前記内燃機関の吸気通路から前記触媒に至る範囲内の特定位置に還流させるための排気ガス還流通路と、前記捕集容器から前記排気ガス還流通路を介した前記排気ガスの還流を許容する位置と前記還流を阻止する位置との間で切り替え可能な還流用弁手段と、を備えたことを特徴とする請求項５に記載の排気捕集装置。
【請求項７】
内燃機関の始動時から所定の条件が成立するまでの間、前記捕集用弁手段を前記排気ガスの流入を許容する位置に保持して前記排気通路から取り出された排気ガスを捕集容器内に保持するとともに、前記還流用弁手段を前記還流を阻止する位置に保持することを特徴とする請求項６に記載の排気捕集装置。
【請求項８】
前記捕集容器が前記排気通路に設けられた消音器を囲んでいることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の排気捕集装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関から排出される排気ガスを排気通路から捕集容器に取り込んで保持する排気捕集装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の冷間始動時に排出されるＮＯｘをゼオライト触媒にて捕捉し、そのゼオライト触媒がＮＯｘを放出する際には、ゼオライト触媒を通過した排気ガスの全量を捕集容器に捕集し、その捕集した排気ガスはＥＧＲガスとして吸気通路に還流させる排気捕集装置が知られている（特許文献１又は２参照）。また、内燃機関の排気管を二重管構造として触媒に導かれる排気ガスの温度を適正化し、それにより触媒を早期に活性化させ、あるいは触媒の過熱を防止する技術も知られている（特許文献３又は４参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−７０５３９号公報
【特許文献２】
特開２００２−１４７２２７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
実際の車両に排気捕集装置を設ける場合、捕集容器に要求される容量によってはその搭載位置や搭載スペースの確保について問題が生じ得る。これらの問題について、上述した特許文献１及び２は具体的な解決策を示していない。
【０００５】
そこで、本発明は、排気ガスを捕集して保持するという機能からみて適切な位置に捕集容器を配置することにより、種々の有利な効果を得ることが可能な内燃機関の排気捕集装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の内燃機関の排気捕集装置は、内燃機関の排気通路から取り出された排気ガスを保持可能な捕集容器と、前記排気通路から前記捕集容器への前記排気ガスの流入を許容する位置と前記流入を阻止する位置との間で切り替え可能な捕集用弁手段とを備え、前記捕集容器が前記排気通路の少なくとも一部を囲むように設けられている排気捕集装置により、上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００７】
捕集容器は高温の排気ガスに触れるという点において排気通路と共通した使用条件にあり、排気通路を囲むように捕集容器を設けることにより様々な利点を享受することができる。例えば、捕集容器と排気通路を構成する排気管等とは材料や構造において共通化できるので、これらを一体的に形成して小型化や部品点数の削減を図ることができる。排気通路から捕集容器へ排気ガスを導くための流路を短くでき、当該流路を構成するための配管を無駄に延ばす必要がない。排気通路の周囲においては、排気通路から放出される熱の影響を考慮してスペースが空いていたり、熱対策が施されていることが通例である。従って、排気通路の周囲に捕集容器を配置したとしても、既存の部品の配置に与える影響は比較的小さい。また、捕集容器が排気通路を囲むことにより排気通路からの熱の放出が抑えられ、排気通路内を流れる排気ガスや排気通路に設けられる触媒等の保温効果が得られる。特に、内燃機関の始動時から触媒の暖機が完了する迄の間のように、一定の期間に亘って継続的に排気ガスを捕集容器内に捕集する場合には捕集容器内の熱量が大きくなり、優れた保温効果が得られる。また、排気通路を捕集容器が囲むことにより排気音も低減される。排気通路から大気中に排気ガスを放出している間も捕集容器内へ排気の一部を導くことにより、排気の脈動を緩衝して排気音を低減することもできる。なお、本発明において、排気通路を「囲む」概念は、捕集容器が排気通路に沿って適度な距離に亘って延びるように設けられる態様に限定されず、捕集容器の一部を排気通路が横断して延びている場合、捕集容器の一部を排気通路が貫通する場合等、捕集容器内に排気通路が含まれていればその範疇に含まれる。
【０００８】
本発明の排気捕集装置においては、前記排気通路から前記捕集容器への排気ガスの取り出し位置が前記排気通路の前記捕集容器に囲まれた範囲に設定されてもよい（請求項２）。この場合には捕集容器の内部において排気通路から排気ガスを取り出して捕集容器内に保持することができる。従って、排気通路の内部と捕集容器の内部とを最短距離で結び、それらの接続部分をコンパクトに構成できる。
【０００９】
前記捕集用弁手段は、前記排気通路の圧力を利用して開閉するように設けられてもよい（請求項３）。この場合には、捕集用弁手段を駆動する電力や流体圧力等の動力を動力源から弁手段に供給する必要がなくなり、捕集装置をコンパクトに構成できる。なお、このような捕集用弁手段を利用する場合には、その捕集用弁手段の位置よりも前記排気通路の下流側に当該排気通路を開閉する遮断用弁手段が設けられていることが望ましい（請求項４）。遮断用弁手段を閉じることにより、捕集用弁手段に作用する排気ガスの圧力を高めてこれを容易に開放させることができる。
【００１０】
前記排気ガスを浄化するための触媒が前記排気通路の前記捕集容器に囲まれた範囲に設けられてもよい（請求項５）。この場合には、触媒の暖機が不十分な状態（活性化温度まで昇温されていない状態）において捕集容器に排気ガスを捕集すれば、本来ならば大気中に無駄に捨てられる排気ガスの熱を捕集容器に蓄えて触媒の暖機に利用することができる。これにより、触媒の暖機を促進することができる。
【００１１】
本発明の排気捕集装置においては、前記捕集容器内の排気ガスを、前記内燃機関の吸気通路から前記触媒に至る範囲内の特定位置に還流させるための排気ガス還流通路と、前記捕集容器から前記排気ガス還流通路を介した前記排気ガスの還流を許容する位置と前記還流を阻止する位置との間で切り替え可能な還流用弁手段と、を備えてもよい（請求項６）。この場合には、捕集容器内に保持された排気ガスを吸気通路又は触媒よりも上流側の排気通路に還流させて処理することができる。
【００１２】
内燃機関の始動時から所定の条件が成立するまでの間、前記捕集用弁手段を前記排気ガスの流入を許容する位置に保持して前記排気通路から取り出された排気ガスを捕集容器内に保持するとともに、前記還流用弁手段を前記還流を阻止する位置に保持してもよい（請求項７）。この場合には、内燃機関の始動後、所定の条件が成立するまでの期間において、捕集容器からの排気ガスの排出が阻止されて排気通路の周りに排気ガスが保持されるので、その捕集された排気ガスの熱により排気通路を流れる排気ガスや触媒を昇温させて触媒の暖機を促進することができる。所定の条件は、例えば触媒の暖機状態に相関する時間、温度、吸気量等に関連付けて定めることにより、触媒の暖機が完了したときに条件が満たされるようにしてもよい。
【００１３】
前記捕集容器が前記排気通路に設けられた消音器を囲んでいる場合（請求項８）には、さらなる騒音低減効果が期待できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態における排気捕集装置を示している。図１の排気捕集装置１０は、自動車の動力源としての内燃機関１に適用される。内燃機関１は４つのシリンダ２…２が直列に配置された４気筒ガソリンエンジンとして構成されている。周知のように、内燃機関１には吸気通路３及び排気通路４が接続され、吸気通路３には吸気濾過用のエアフィルタ５、吸気量調整用のスロットルバルブ６が、排気通路４には排気浄化用の触媒７がそれぞれ設けられている。排気通路４は排気ガスの非捕集時において、内燃機関１の排気ガスを大気中への放出位置まで導くための流路として定義されるものである。触媒７には例えば三元触媒やＮＯｘ吸蔵還元触媒が利用される。内燃機関１には各シリンダ２に対応してインジェクタ（燃料噴射弁）８…８が設けられている。インジェクタ８は吸気通路３に燃料を噴射するように設けられてもよいし、シリンダ２内に燃料を噴射するように設けられてもよい。内燃機関１は火花点火式又は自着火式のいずれでもよい。
【００１５】
排気捕集装置１０は、排気通路４の一部を囲むように設けられて排気ガスを保持可能な捕集容器１１と、排気通路４から排気ガスを取り出して捕集容器１１内でかつ排気通路４の外側の捕集空間Ｓに導く排気ガス取り出し通路１３と、排気ガス取り出し通路１３に設けられた捕集用弁手段としての捕集制御弁１４と、排気ガス取り出し通路１３の接続位置よりも下流側の排気通路４に設けられた排気遮断弁１５と、捕集容器１１から内燃機関１のインテークマニホールド３ａに排気ガスを導く排気ガス還流通路１６と、排気ガス還流通路１６に設けられた還流用弁手段としての還流制御弁１７とを備えている。
【００１６】
捕集容器１１は排気通路４の触媒７を含む所定範囲を囲むように設けられている。捕集容器１１の具体的形態は後述する。排気ガス取り出し通路１３は触媒７よりも下流側において排気通路４に接続される。排気ガス取り出し通路１３と排気通路４との接続位置は捕集容器１１に囲まれた範囲に設定される。捕集制御弁１４は、排気通路４から排気ガス取り出し通路１３を介した捕集空間Ｓへの排気ガスの流入を許容する位置と、その排気ガスの流入を阻止する位置との間で切り替え可能である。排気遮断弁１５は排気通路４を閉じる位置と開く位置との間で切り替え可能である。排気遮断弁１５が閉じられた場合には排気通路４から大気中への排気ガスの放出が阻止され、排気遮断弁１５が開かれた場合にはその排気ガスの放出が許容される。還流制御弁１７は排気ガス還流通路１６を開いて捕集容器１１内の捕集空間Ｓから吸気通路３への排気ガスの還流を許容する位置と、排気ガス還流通路１６を閉じて捕集容器１１から吸気通路３への排気ガスの還流を阻止する位置との間で切り替え可能である。
【００１７】
捕集制御弁１４、排気遮断弁１５及び還流制御弁１７はいずれも電気的に切り替え操作可能な弁手段として構成されており、それらの動作はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１８により制御される。ＥＣＵ１８はインジェクタ８からの燃料噴射量及び時期を制御する周知のコンピュータである。ＥＣＵ１８による排気捕集装置１０の動作制御は例えば次のように行われる。
【００１８】
触媒７の暖機が完了して触媒７の温度が所定の活性化温度域に維持されているときは排気遮断弁１５が開放され、捕集制御弁１４と還流制御弁１７が閉じられる。この場合には、触媒７を通過した排気ガスが大気中に放出される。内燃機関１の始動時でかつ触媒７の温度が活性化温度域よりも低い場合には、排気遮断弁１５及び還流制御弁１７が閉じられ、捕集制御弁１４が開かれる。この場合には、触媒７を通過した排気ガスが排気ガス取り出し通路１３を介して捕集容器１１内に捕集される。そして、触媒７の温度が活性化温度域に達すると、上記のように排気遮断弁１５が開かれ、捕集制御弁１４が閉じられて排気ガスの捕集が停止される。捕集容器１１に保持された排気ガスは、所定の還流条件が成立したときに還流制御弁１７が開かれることにより、排気ガス還流通路１６を介してインテークマニホールド３ａに戻される。なお、排気ガス還流通路１６は吸気通路３に代え、又は加えて、触媒７よりも上流側の排気通路４に接続されてもよい。
【００１９】
図２は排気捕集装置１０の要部の具体例を示す斜視図である。排気捕集装置１０の捕集容器１１は排気管２０を取り囲むように設けられている。排気管２０は車両のアンダーフロアパネル（不図示）の下面に沿って配管され、その内部が排気通路４の少なくとも一部として使用される。捕集容器１１は、排気管２０の触媒ケース２０ａを挟むように設けられた一対の端板２１、２２と、それらの端板２１、２２に挟まれた空間を閉じるように設けられた筒状部２３とを有している。端板２１、２２及び筒状部２３には排気管２０と同一の金属材料を用いることができる。端板２１、２２は排気管２０によって貫かれるが、各々の貫通部２１ａ、２２ａは排気ガスが漏れないように気密に接合することが望ましい。排気管２０と端板２１、２２との接合には全周溶接を用いることができる。筒状部２３は金属板を曲げ加工して形成することができる。筒状部２３自身の接合部、及び筒状部２３と端板２１、２２の接合部もそれぞれ排気ガスが漏れないよう全周溶接等の接合手段により密封することが望ましい。なお、端板２１又は２２と筒状部２３とを絞り加工により一体に成形してもよい。筒状部２３を二以上に分割して成形してもよい。
【００２０】
捕集容器１１の内部において排気管２０には管状部材２４が接合される。管状部材２４の内部は排気管２０の内部の排気通路４と通じており、それにより管状部材２４の内部が排気ガス取り出し通路１３として機能する。管状部材２４には、捕集制御弁１４を構成する弁体２５が装着される。弁体２５は排気ガス取り出し通路１３を閉じられる大きさの円盤状に概略形成され、弁軸２５ａを中心として回動自在である。弁軸２５ａは、捕集制御弁１４の不図示のアクチュエータ（例えば電磁石）により回転駆動される。
【００２１】
排気通路４の捕集容器１１に囲まれた範囲よりも下流側には、排気遮断弁１５を構成する弁体２６が取り付けられる。弁体２６は排気通路４を閉じられる大きさの円盤状に概略形成され、弁軸２６ａを中心として回動自在である。弁軸２６ａは、排気遮断弁１５の不図示のアクチュエータ（例えば電磁石）により回転駆動される。さらに、捕集容器１１の端板２１には排出管２７が接合される。排出管２７には排気ガス還流通路１６（図１参照）を構成する耐熱チューブ等が取り付けられる。
【００２２】
以上の構成によれば、排気管２０と捕集容器１１とを一体的に成形し、部品点数や搭載スペースの削減を図ることができる。特に触媒ケース２０ａを捕集容器１１にて囲んでいるので、捕集容器１１を触媒ケース２０ａ内の触媒７に対する保温容器として機能させることができる。触媒７の暖機中に捕集空間Ｓに排気ガスを捕集した場合には、本来であれば大気中に捨てられるべき排気ガスの熱を捕集容器１１内に集めて触媒７の暖機に利用することができる。これにより、触媒７の早期活性化を図ることができる。また、捕集容器１１から排気ガスが吸気通路３へ全て還流された後も、触媒ケース２０ａの周囲が直接外気に晒されないので触媒７の温度低下を抑えて活性状態の維持に捕集容器１１を役立てることができる。
【００２３】
本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において種々の形態にて実施してよい。例えば、図３に示すように、排気遮断弁１５は捕集容器１１に囲まれた範囲に設けられてもよい。図４に示すように、触媒７よりも上流側に別の触媒３０が設けられ、それらの触媒３０、７の間に排気ガス取り出し通路１３、捕集制御弁１４及び排気遮断弁１５がそれぞれ設けられてもよい。図４において排気遮断弁１５を捕集容器１１内又は外でかつ触媒７よりも下流側に配置してもよい。
【００２４】
本発明において、捕集容器１１は触媒７を含む部分的な範囲において排気管２０を囲むものに限定されない。例えば、図５に示すように、排気管２０の末端に設けられる消音器としてのサブマフラー３１及びメインマフラー３２を囲むように捕集容器１１を設けてもよい。サブマフラー３１又はメインマフラー３２のいずれか一方のみを捕集容器１１にて囲ってもよい。このように捕集容器１１を消音器で囲んだ場合には消音効果が高まる。
【００２５】
図５の例では触媒ケース２０ａが捕集容器１１の外部に設けられているが、図２の例と同様に触媒ケース２０ａを捕集容器１１の内部に配置してもよい。捕集容器１１が排気管２０を囲む範囲は捕集容器１１に要求される容積や排気管２０の周囲の搭載スペースに応じて適宜に設定してよいが、排気管２０をその全長に亘って捕集容器１１にて囲むようにしてもよい。捕集容器１１は排気管２０に沿って延びている必要はなく、排気管２０と直交する方向に延びてもよい。要するに、本発明においては、排気通路の少なくとも一部が捕集容器にて囲まれていればよい。
【００２６】
捕集用制御弁は電力等の動力を必要とする捕集制御弁１４に限らず、排気ガスの圧力を利用して開閉するものでもよい。そのような捕集用弁手段の一例を図６（ａ）及び（ｂ）に示す。この例では排気管２０の一部に開口部２０ｂが形成され、それを覆うように捕集制御弁１４の弁体４０が配置される。図６（ｂ）に矢印Ａで示したように、弁体４０は排気管２０の軸線方向に沿って設けられた支軸４１に沿って回動して、開口部２０ｂを閉じる位置と開口部２０ｂを開く位置との間で移動可能である。支軸４１にはねじりコイルばね４２が取り付けられている。ねじりコイルばね４２は、その腕４２ａにより弁体４０を排気管２０に向かって押し付けるようにして支軸４１に取り付けられている。
【００２７】
排気遮断弁１５が開かれている状態では、排気通路４の圧力が弁体４０を開こうとする力がねじりコイルばね４２による押し付け力よりも小さく、そのために弁体４０は開口部２０ｂを閉じる位置に保持され、排気ガスは捕集容器１１の捕集空間Ｓには流入しない。しかし、排気遮断弁１５が閉じられて排気通路４の圧力が上昇すると、弁体４０がねじりコイルばね４２の力に打ち勝って開放される。これにより、弁体４０の内側に排気ガス取り出し通路１３が形成され、排気通路４の排気ガスが捕集容器１１内の捕集空間Ｓに捕集される。以上の説明から明らかなように、図６の捕集用弁手段は、排気通路４から捕集空間Ｓからの排気ガスの流入を許容し、捕集空間Ｓから排気通路４への排気ガスの戻りを阻止する逆止弁として機能するものである。
【００２８】
本発明の捕集装置において、捕集容器の材料は金属材料に限定されず、耐熱樹脂等を適宜に利用してよい。その他にも、捕集容器の材料は通常の車両の使用環境において形状を一定に維持し得る剛性を捕集容器に与えられる各種の材料を利用できる。また、そのような剛性が付与し得ない材料により捕集容器の一部又は全部を構成してもよい。
【００２９】
なお、上述した各捕集装置１０において、排気遮断弁１５を開いて排気を大気中に放出している際に、還流制御弁１７を閉じ、捕集制御弁１４を開くことにより、排気の一部を捕集空間Ｓに導いてその圧力変動（脈動）を抑え、それにより排気騒音の低減効果を得ることができる。捕集用弁手段としての捕集制御弁１４を省略し、排気ガス取り出し通路１３を常時開放させた場合にも同様の排気騒音の低減効果が得られる。
【００３０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、排気通路の少なくとも一部を囲むように捕集容器を設けたので、捕集装置の小型化や部品点数を削減し、排気通路から捕集容器へ排気ガスを導くための流路を短くしてその流路を構成するための配管を無駄に延ばす必要をなくし、排気通路からの熱の放出を抑えて排気通路内を流れる排気ガスや排気通路に設けられる触媒等の保温効果を向上させ、あるいは排気音を低減させることができる、といった優れた作用効果が得られる。また、排気ガスの熱の影響を受け易い排気通路の周囲のスペースを有効に利用でき、捕集容器の設置が既存の部品の配置に与える影響についても比較的小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る排気捕集装置の概略構成を示す図。
【図２】図１の捕集容器の具体的な構成を示す斜視図。
【図３】図１の変形例を示す図。
【図４】図１の他の変形例を示す図。
【図５】捕集容器にて消音器を囲んだ例を示す斜視図。
【図６】排気ガスの圧力を利用して開閉する捕集用弁手段の例を示す図。
【符号の説明】
１　内燃機関
３　吸気通路
４　排気通路
７　触媒
１０　排気捕集装置
１１　捕集容器
１３　排気ガス取り出し通路
１４　捕集制御弁（捕集用弁手段）
１５　排気遮断弁
１６　排気ガス還流通路
１７　還流制御弁（還流用制御弁）
１８　エンジンコントロールユニット（弁制御手段）
２０　排気管
２０ａ　触媒ケース
２０ｂ　開口部
３０　触媒
３１　サブマフラー（消音器）
３２　メインマフラー（消音器）
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004108322.tif 000005
【図４】
2004108322.tif 000006
【図５】
2004108322.tif 000007
【図６】
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