(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メイン触媒コンバータを下流側に備えたメイン通路の上流側部分と並列に総断面積が上記メイン通路の総断面積に対して相対的に小さなバイパス通路が設けられるとともに、このバイパス通路にバイパス触媒コンバータを備え、かつ上記メイン通路のうち上記バイパス通路によってバイパスされる上記上流側部分に該メイン通路を閉塞する流路切換弁を備えてなる内燃機関の排気装置において、
上記流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わるときに、気筒内の残留ガス量が一定に維持されるように、排気弁閉時期を早めることを特徴とする内燃機関の排気装置。
【請求項２】
排気弁閉時期を早めるために、排気弁のリフトの中心角の位相を進角側に補正する位相可変手段を備えた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。
【請求項３】
メイン触媒コンバータを下流側に備えたメイン通路の上流側部分と並列に総断面積が上記メイン通路の総断面積に対して相対的に小さなバイパス通路が設けられるとともに、このバイパス通路にバイパス触媒コンバータを備え、かつ上記メイン通路のうち上記バイパス通路によってバイパスされる上記上流側部分に該メイン通路を閉塞する流路切換弁を備えてなる内燃機関の排気装置において、
上記流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わるときに、気筒内の残留ガス量が一定に維持されるように、吸気弁開時期を早めることを特徴とする内燃機関の排気装置。
【請求項４】
吸気弁開時期を早めるために、吸気弁のリフトの中心角の位相を進角側に補正する位相可変手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気装置。
【請求項５】
メイン触媒コンバータを下流側に備えたメイン通路の上流側部分と並列に総断面積が上記メイン通路の総断面積に対して相対的に小さなバイパス通路が設けられるとともに、このバイパス通路にバイパス触媒コンバータを備え、かつ上記メイン通路のうち上記バイパス通路によってバイパスされる上記上流側部分に該メイン通路を閉塞する流路切換弁を備えてなる内燃機関の排気装置において、
上記流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わるときに、気筒内の残留ガス量が一定に維持されるように、排気弁閉時期及び吸気弁開時期を早めることを特徴とする内燃機関の排気装置。
【請求項６】
排気弁閉時期及び吸気弁開時期を早めるために、排気弁及び吸気弁のリフトの中心角の位相を進角側に補正する位相可変手段を備えたことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気装置。
【請求項７】
上記流路切換弁を閉状態から開状態へ切り換える流路切換弁切換指令が出された際には、上記流路切換弁の開弁動作に先立って、上記位相可変手段に対する作動デューティが予め上げられることを特徴とする請求項２、４、６のいずれかに記載の内燃機関の排気装置。
【請求項８】
進角側へ変更されたバルブタイミングは、上記流路切換弁が開状態になってからスロットル弁と協調して遅角側に戻されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の排気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【特許文献１】特開平５−３２１６４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら上記のような構成においては、メイン触媒コンバータの暖機が完了してメイン流路側へ排気が流れるように切換弁が切り換えられたときに、通路抵抗となるバイパス触媒コンバータを通らずに排気が流れることから、排圧が急激に低下し、トルク段差（具体的にはトルクの上昇）が発生する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで、本発明は、メイン触媒コンバータを下流側に備えたメイン通路の上流側部分と並列に総断面積が上記メイン通路の総断面積に対して相対的に小さなバイパス通路が設けられるとともに、このバイパス通路にバイパス触媒コンバータを備え、かつ上記メイン通路のうち上記バイパス通路によってバイパスされる上記上流側部分に該メイン通路を閉塞する流路切換弁を備えてなる内燃機関の排気装置において、上記流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わるときに、気筒内の残留ガス量が一定に維持されるように、排気弁閉時期を早めることを特徴としている。これにより、流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わるときに、気筒内の残留ガス量をコントロールすることが可能となる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、排気弁の閉弁時期を制御することにより気筒内の残留ガス量をコントロールし、流路切換弁が閉弁状態から開弁状態に切り替えられた際の上記残留ガス量の変化を抑え、かつ緩やかな上記残留ガス量のコントロールを可能とすることで、トルク段差を発生を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
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形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【０００８】
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。
【０００９】
シリンダヘッド１には、直列に配置された♯１気筒〜♯４気筒の各気筒の排気ポート２がそれぞれ側面に向かって開口するように形成されており、この排気ポート２のそれぞれに、メイン通路３が接続されている。♯１気筒〜♯４気筒の４本のメイン通路３は、１本の流路に合流しており、その下流側に、メイン触媒コンバータ４が配置されている。このメイン触媒コンバータ４は、車両の床下に配置される容量の大きなものであって、触媒としては、例えば、三元触媒とＨＣトラップ触媒とを含んでいる。上記のメイン通路３およびメイン触媒コンバータ４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。また、各気筒からの４本のメイン通路３の合流点には、流路切換手段として各メイン通路３を一斉に開閉する流路切換弁５が設けられている。
【００１０】
一方、バイパス流路として、各気筒のメイン通路３の各々から、該メイン通路３よりも通路断面積の小さなバイパス通路７がそれぞれ分岐している。各バイパス通路７の上流端となる分岐点６は、メイン通路３のできるだけ上流側の位置に設定されている。４本のバイパス通路７は、下流側で１本の流路に合流しており、その合流点の直後に、三元触媒を用いたバイパス触媒コンバータ８が介装されている。このバイパス触媒コンバータ８は、メイン触媒コンバータ４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。バイパス触媒コンバータ８の出口側から延びるバイパス通路７の下流端は、メイン通路３におけるメイン触媒コンバータ４上流側に合流点１２において（流路切換弁５が合流点１２より上流側となるように）接続されている。
【００１１】
尚、メイン触媒コンバータ４の入口部およびバイパス触媒コンバータ８の入口部には、それぞれ空燃比センサ１０，１１が配置されている。
【００１２】
また、本実施形態において、排気弁を駆動する排気弁側動弁機構は、図示せぬ排気弁側カムシャフトの前端部に設けられた図示せぬ排気弁側スプロケットと、この排気弁側スプロケットと上記排気弁側カムシャフトとを所定の角度範囲内において相対的に回転させる図示せぬ排気弁側位相制御用アクチュエータと、から構成されている。つまり、上記排気弁側動弁機構は、位相可変手段を包含するものである。上記排気弁側スプロケットは、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、図示せぬクランクシャフトに連動している。上記排気弁側位相制御用アクチュエータは、例えば油圧式の回転型アクチュエータからなっている。この排気弁側位相制御用アクチュエータの作用によって、上記排気弁側スプロケットと上記排気弁側カムシャフトとが相対的に回転し、排気弁のバルブリフトにおけるリフト中心角が遅進する。つまり、排気弁のリフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も、連続的に得ることができる。
【００１３】
このような構成において、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５が閉じられ、メイン通路３が遮断される。そのため、各気筒から吐出された排気は、その全量が分岐点６からバイパス通路７を通してバイパス触媒コンバータ８へと流れる。バイパス触媒コンバータ８は、排気系の上流側つまり排気ポート２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。
【００１４】
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５が開放される。これにより、各気筒から吐出された排気は、主に、メイン通路３からメイン触媒コンバータ４を通過する。このときバイパス通路７側は特に遮断されていないが、バイパス通路７側の方がメイン通路３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８が介在しているので、両者の通路抵抗の差により、排気流の大部分はメイン通路３側を通り、バイパス通路７側には殆ど流れない。従って、バイパス触媒コンバータ８の熱劣化は十分に抑制される。
【００１５】
ここで、上記のように流路切換弁５がメイン通路３を開放したときに、メイン通路３の通路抵抗が小さいことから、排圧が急激に低下し、気筒内の残留ガス量も急激に減少してしまい、そのままでは瞬間的にトルクが上昇してトルク段差が発生する。
【００１６】
そこで、この発明では、流路切換弁５が開くときに、排気弁の閉弁時期を進角側に補正して気筒内の残留ガスを閉じ込めることで、メイン通路３内の圧力降下が急激に起こったとしても、気筒内の残流ガス量の急激な変化を抑制し、瞬間的なトルクの上昇を防止する。
【００１７】
図２は、本発明の第１実施形態における種々の動作を説明するためのタイミングチャートであり、図中、実線は本発明の第１実施形態における特性線であり、破線は流路切換弁５を全閉状態から全開状態に切り換える際に排気弁の閉弁時期を進角側に補正せずに気筒内の残留ガス量がステップ状に変化する第１比較例の特性である。尚、内燃機関の発生トルクの特性線における一点鎖線は、上述した第１実施形態において流路切換弁５を開弁させる際に、吸気通路に配置されたスロットル弁（図示せず）の弁開度を図２中の点線のように閉弁方向に大きく（本発明の制御に比べて）補正した場合の発生トルクの特性を示すものである。
【００１８】
暖機が完了した段階で、流路切換弁５に対する制御指令は全閉指令から全開指令に切り換わり、この切り換わりのタイミングで流路切換弁５が開き始める。このとき、気筒内の残留ガス量が一定に維持されるように、排気弁の閉弁時期を進角側に補正すると共に、上記スロットル弁の弁開度を閉弁側に補正する。つまり、流路切換弁５が全閉状態から全開状態に切り換わる際には、気筒内の残留ガス量が一定に維持されるように、排気弁の閉弁時期の進角側への補正と上記スロットル弁の弁開度の閉弁側への補正とが行われる。
【００１９】
これにより、流路切換弁５が全閉状態から開き始める際に、気筒内の残留ガス量が維持され、内燃機関の発生トルクはトルク段差のない平坦な特性を得ることができる。尚、切り換え直後の上記スロットル弁の補正量は、排気弁の閉弁時期を補正しない場合に比べて少なくなっている。
【００２０】
そして、流路切換弁５が全開状態となると、進角側に補正されている排気弁の閉弁時期を遅角側に戻しながら、上記スロットル弁の弁開度を閉弁方向に徐々に変更する。換言すれば、進角側へ変更された排気弁のバルブタイミングは、流路切換弁５が開状態になってから上記スロットル弁と協調して遅角側に戻される。このように、上記排気弁側動弁機構により気筒内の残留ガス量をコントロールすることで、気筒内の残留ガス量の変化を緩やかにすることができ、トルク段差の発生を防止することができる。つまり、流路切換弁５のバルブ開閉速度（切り換え速度）に影響されることなく、気筒内の残留ガス量をコントロールすることが可能となるため、例えば、バルブ開閉速度がコントロールができない駆動方式のアクチュエータを流路切換弁５の駆動源として採用することが可能となり、流路切換弁５の駆動源となるアクチュエータの選択の自由度が大きくなり、コスト低減を図ることができる。
【００２１】
尚、上述した第１実施形態においては、流路切換弁５を開くときに、排気弁の閉弁時期を進角側に補正しているが、排気弁の閉弁時期を進角側に補正する代わりに、吸気弁の開弁時期を進角側に補正するようにしても、上述の第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。この場合には、吸気弁を駆動する吸気弁側動弁機構が、吸気弁のバルブリフトにおけるリフト中心角を遅進させる位相可変手段を備えてなるよう構成され、流路切換弁５が全開状態になると、吸気弁の開弁時期が吸気通路に配置されたスロットル弁（図示せず）と協調して遅角側に戻されることになる。吸気弁を閉じる時期は、筒内吸気効率に影響するので、残留ガス維持によるトルク抑制効果を打ち消すほどに筒内吸気効率が増大してしまわないような閉弁時期に保ちつつ、吸気弁の開弁時期を進角側に補正する。例えば、少なくとも吸気弁の閉弁時期を補正前の下死点からの角度に比べて補正後の下死点からの角度が小さくならないようにしながら、吸気弁の開弁時期を進角側に補正する。
【００２２】
また、流路切換弁５を開くときに、排気弁の閉弁時期を進角側に補正すると同時に、吸気弁の開弁時期を進角側に補正するようにしても、上述の第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。この場合には、吸気弁を駆動する吸気弁側動弁機構と排気弁を駆動する排気弁側動弁機構の双方が、バルブリフトにおけるリフト中心角が遅進させる位相可変手段をそれぞれ備えてなるよう構成され、流路切換弁５が全開状態になると、排気弁の閉時期及び吸気弁の開弁時期の双方が吸気通路に配置されたスロットル弁（図示せず）と協調して遅角側に戻されることになる。
【００２３】
図３は、本発明の第２実施形態における種々の動作を説明するためのタイミングチャートであり、図中、実線は本発明の第２実施形態における特性線であり、破線は流路切換弁５を全閉状態から全開状態に切り換える際に排気弁の閉弁時期を進角側に補正せずに気筒内の残留ガス量がステップ状に変化する第２比較例の特性線である。
【００２４】
この第２実施形態は、上述した第１実施形態と略同様に制御されているが、上記排気弁側動弁機構の上記排気弁側位相制御用アクチュエータの応答性を考慮して、流路切換弁５に対する制御指令が全閉指令から全開指令に切り換わると、流路切換弁５の実際の開弁動作に先立って、上記排気弁側位相制御用アクチュエータに対する作動デューティが予め上げられたものである。すなわち、流路切換弁５を開弁動作させる際に、上記排気弁側位相制御用アクチュエータに対する作動デューティが予め上げられているので、上述した第１実施形態の作用効果に加えて、排気弁の閉弁時期の進角側への補正（切り換え）の応答性を向上させることができ、気筒内の残留ガス量変化がより一層低減され、トルク段差の発生をより確実に防止することができる。
【００２５】
尚、この第２実施形態においては、流路切換弁５を開くときに、排気弁の閉弁時期を進角側に補正しているが、排気弁の閉弁時期を進角側に補正する代わりに、吸気弁の開弁時期を進角側に補正するようにしても、上述の第２実施形態と同様の作用効果を得ることができる。この場合には、吸気弁を駆動する吸気弁側動弁機構が、吸気弁のバルブリフトにおけるリフト中心角を遅進させる位相可変手段を備えてなるよう構成され、流路切換弁５が全開状態になると、吸気弁の開弁時期が吸気通路に配置されたスロットル弁（図示せず）と協調して遅角側に戻されることになる。
【００２６】
また、流路切換弁５を開くときに、排気弁の閉弁時期を進角側に補正すると同時に、吸気弁の開弁時期を進角側に補正するようにしても、上述の第２実施形態と同様の作用効果を得ることができる。この場合には、吸気弁を駆動する吸気弁側動弁機構と排気弁を駆動する排気弁側動弁機構の双方が、バルブリフトにおけるリフト中心角が遅進させる位相可変手段をそれぞれ備えてなるよう構成され、流路切換弁５が全開状態になると、排気弁の閉時期及び吸気弁の開弁時期の双方が吸気通路に配置されたスロットル弁（図示せず）と協調して遅角側に戻されることになる。
【００２７】
上記実施形態から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。
【００２８】
（１）  メイン触媒コンバータを下流側に備えたメイン通路の上流側部分と並列に総断面積が上記メイン通路の総断面積に対して相対的に小さなバイパス通路が設けられるとともに、このバイパス通路にバイパス触媒コンバータを備え、かつ上記メイン通路のうち上記バイパス通路によってバイパスされる上記上流側部分に該メイン通路を閉塞する流路切換弁を備えてなる内燃機関の排気装置において、上記流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わるときに排気弁閉時期を早める。これによって、排気弁の閉弁時期を制御することにより気筒内の残留ガス量をコントロールし、流路切換弁が閉弁状態から開弁状態に切り替えられた際の上記残留ガス量の変化を抑え、かつ緩やかな上記残留ガス量のコントロールを可能とすることで、トルク段差を発生を防ぐことができる。
【００２９】
（２）  上記（１）に記載の内燃機関の排気装置は、具体的には、排気弁閉時期を早めるために、排気弁のリフトの中心角の位相を進角側に補正する位相可変手段を備える。
【００３０】
（３）  メイン触媒コンバータを下流側に備えたメイン通路の上流側部分と並列に総断面積が上記メイン通路の総断面積に対して相対的に小さなバイパス通路が設けられるとともに、このバイパス通路にバイパス触媒コンバータを備え、かつ上記メイン通路のうち上記バイパス通路によってバイパスされる上記上流側部分に該メイン通路を閉塞する流路切換弁を備えてなる内燃機関の排気装置において、上記流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わるときに吸気弁開時期を早める。
【００３１】
（４）  上記（３）に記載の内燃機関の排気装置は、具体的には、吸気弁開時期を早めるために、吸気弁のリフトの中心角の位相を進角側に補正する位相可変手段を備える。
【００３２】
（５）  メイン触媒コンバータを下流側に備えたメイン通路の上流側部分と並列に総断面積が上記メイン通路の総断面積に対して相対的に小さなバイパス通路が設けられるとともに、このバイパス通路にバイパス触媒コンバータを備え、かつ上記メイン通路のうち上記バイパス通路によってバイパスされる上記上流側部分に該メイン通路を閉塞する流路切換弁を備えてなる内燃機関の排気装置において、上記流路切換弁が閉状態から開状態へ切り換わるときに排気弁閉時期及び吸気弁開時期を早める。
【００３３】
（６）  上記（５）に記載の内燃機関の排気装置は、具体的には、排気弁閉時期及び吸気弁開時期を早めるために、排気弁及び吸気弁のリフトの中心角の位相を進角側に補正する位相可変手段を備える。
【００３４】
（７）  上記（２）、（４）、（６）のいずれかに記載の内燃機関の排気装置において、上記流路切換弁を閉状態から開状態へ切り換える流路切換弁切換指令が出された際には、上記流路切換弁の開弁動作に先立って、上記位相可変手段に対する作動デューティが予め上げられる。これによって、排気弁の閉弁時期の進角側への切り換えの応答性を向上させることができ、気筒内の残留ガス量変化がより一層低減され、トルク段差の発生をより確実に防止することができる。
【００３５】
（８）  上記（１）〜（７）のいずれかに記載の内燃機関の排気装置において、進角側へ変更されたバルブタイミングは、上記流路切換弁が開状態になってからスロットル弁と協調して遅角側に戻される。これにより、流路切換弁のバルブ開閉速度（切り換え速度）に影響されることなく、気筒内の残留ガス量をコントロールすることが可能となるため、例えば、バルブ開閉速度がコントロールができない駆動方式のアクチュエータを流路切換弁５の駆動源として採用することが可能となり、流路切換弁の駆動源となるアクチュエータの選択の自由度が大きくなり、コスト低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る内燃機関の排気装置の全体の配管レイアウトを示す構成説明図。
【図２】本発明の第１実施形態における種々の動作を説明するためのタイミングチャート。
【図３】本発明の第２実施形態における種々の動作を説明するためのタイミングチャート。
【符号の説明】
【００３７】
３…メイン通路
４…メイン触媒コンバータ
５…流路切換弁
６…分岐点
７…バイパス通路
８…バイパス触媒コンバータ
１２…合流点
【図１】
0004802862.tif 000002
【図２】
0004802862.tif 000003
【図３】
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