(57)【要約】【課題】  主排気管をバイパスするバイパス排気管に配設された触媒の過熱の防止する。【解決手段】  直列４気筒のエンジン（１）は主排気管（８）をバイパスするバイパス排気管（１０）を有しその途中に前触媒（１１）が介装されている。主排気管（８）にはアクチュエータ（１３）で駆動される開閉弁（１２）が設けられ、開閉弁は暖機未了時には閉じられる。エンジンは６０００ｒｐｍで８５０℃の温度に達し、その時の音速は６７０ｍになり、変動周波数は２００Ｈｚであるので、１波長が３．３５ｍになり、３／４波長が２．５ｍとなり、節の位置は０．８ｍと２．５ｍとなる。そこで、吸気バルブ（５）から０．８ｍのところでバイパス排気管の上流側端部を主排気管に接続し、２．５ｍのところでバイパス排気管の下流側端部を主排気管に接続し、その直後に主触媒を配設してある。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に取付けられる排気系であって、
機関の排気ガス出口と所定の容積を有するボリューム要素との間を結ぶ主排気通路と、主排気通路をバイパスし触媒が設けられているバイパス通路と、主排気通路に設けられ主排気通路を開閉可能な排気切換弁とを具備し、
バイパス通路の上流側端部と下流側端部が、予め定めた略使用範囲上限の回転数において前記ボリューム要素の上流で発生する爆発１次の圧力変動の周波数の３／４波長の共鳴の節部の位置で主排気通路に接続されていて、
前記予め定めた回転数では排気切換弁を開くようにされている、
ことを特徴とする排気系。
【請求項２】
内燃機関が直列４気筒の機関であって、予め定めた回転数が６０００回転であって、排気バルブからバイパス通路の上流側端部までの長さが約０．８ｍにされ、排気バルブからバイパス通路の下流側端部までの長さが約２．５ｍにされている、ことを特徴とする請求項１に記載の排気系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の排気系に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用の内燃機関において、排気ガス浄化のために触媒が使用されている。最近では、主たる触媒（以下、主触媒という）の上流側のエンジンに近いところに、始動後の暖機未了時の排気ガス浄化のために、前触媒（あるいは、副触媒）を設けたものが多い。この前触媒は機関に近いところに配置されているので高速、高負荷では過熱しやすい。
【０００３】
そこで、特許文献１の装置では、図３に示されるように主触媒９の上流側に主排気管８をバイパスするバイパス排気管１０を設け、このバイパス排気管１０内に前触媒１１を配置し、主排気管８にアクチュエータ１３で駆動される開閉弁１２を設け、暖機未了時には開閉弁１２を閉じて、排気ガスをバイパス排気管１０に流し、暖機後は開閉弁１２を開いて排気ガスを主排気管８に流すようにして前触媒１１の過熱を防止している。
【０００４】
しかしながら、開閉弁１２を開いて、排気ガスが主排気管８を流れるようにしても、バイパス排気管１０に排気ガスが流れ、前触媒１１の温度が上昇してしまう。図３がその例を示す図であって、黒丸で示されるのが開閉弁１２を閉じてバイパス排気管１０に排気ガスを流した場合で、白三角で示されるのが開閉弁１２を開いた場合である。
【０００５】
これは、バイパス排気管１０と主排気管８の上流側接合部（分岐部）と下流側接合部（合流部）に圧力差が生じ、その圧力差でバイパス排気管１０側に排気ガスが流れるためである。また、上記の特許文献１の装置は図示されるように前触媒１１の下流側のバイパス排気管１０はきつく曲げられて開閉弁１２の直ぐ下流の位置で主排気管８に接続されている。そのために、圧力損失が大きく、場合によっては、曲げられた部分に排気ガス中の水分が凝縮した水がたまることがある。
そこで、特許文献２、特許文献３の装置では、主排気管とバイパス排気管の双方に開閉弁を設けることが開示されている。しかし、このようにすると、コストが高くなり、また制御も複雑になる。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１８６５４３号公報
【特許文献２】特開２０００−２６５８２７号公報
【特許文献３】特開平６−１７３６６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記問題に鑑み、主排気管をバイパスするバイパス排気管に配設された触媒の過熱の防止を、低コストで実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明によれば、内燃機関に取付けられる排気系であって、
機関の排気ガス出口と所定の容積を有するボリューム要素との間を結ぶ主排気通路と、主排気通路をバイパスし触媒が設けられているバイパス通路と、主排気通路に設けられ主排気通路を開閉可能な排気切換弁とを具備し、
バイパス通路の上流側端部と下流側端部が、予め定めた略使用範囲上限の回転数において前記ボリューム要素の上流で発生する爆発１次の圧力変動の周波数の３／４波長の共鳴の節部の位置で主排気通路に接続されていて、
前記予め定めた回転数では排気切換弁を開くようにされている、排気系が提供される。
【０００９】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、内燃機関が直列４気筒の機関であって、予め定めた常用上限の回転数が６０００回転であって、排気バルブ５からバイパス通路の上流側端部までの長さが約０．８ｍにされ、排気バルブ５からバイパス通路の下流側端部までの長さが約２．５ｍにされている、排気系が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、バイパス排気管の上流端と下流端が予め定めた略使用範囲上限の回転数における３／４波長の節のところで主排気管に接続されており、この回転数で圧力差によって排気ガスが前触媒に流れることがなく、前触媒の過熱が防止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１が本発明の構成を示す図である。図１においてエンジン１は直列４気筒のタイプのものであって、４つのシリンダ２を有し、各シリンダ２に対して吸気弁３と吸気ポート４、および、排気弁５と排気ポート６が設けられている。排気ポート６の出口に排気マニホールド７の４つの上流側端部が接続され、排気マニホールド７の下流側端部は集合されていて、主排気管８の上流側端部が接続されている。
【００１２】
主排気管８の下流側端部は一定の空間容積を有するボリューム要素としての主触媒９の入口に接続されている。そして主排気管８をバイパスするバイパス排気管１０が設けられている。バイパス排気管１０の上流側端部はＰ１の位置で主排気管８に接続され、下流側端部は主触媒９の入口のＰ２の位置で主排気管８に接続されている。バイパス排気管１０の途中には前触媒１１が介装されている。
【００１３】
そして主排気管８の中間部には主排気管８の流路を開閉する開閉弁１２が介装されている。開閉弁１２はＥＣＵ（電子制御ユニット）２０からの信号により作動されるアクチュエータ１３によって暖機未了時には閉じられ、暖気完了時には開かれる。また主触媒９の直上流側には空燃比をフィードバック制御するための空燃比センサ１４が設けられている。
【００１４】
ＥＣＵ２０は入出力インターフェイス、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵ等を備えるマイクロコンピュータであって、本発明に関しては、エンジン回転数を検出する回転数センサ２１、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサ２２からの信号を入力し、アクチュエータ１３に開閉弁１２を開閉作動させるための信号を送る。ＥＣＵ２０は、上記のほかにも、多くのセンサ類、機器類が接続され、一般的な運転制御をおこなっているがその説明は省略する。
【００１５】
以下、バイパス排気管１０の上流側端部と下流側端部の主排気管８への接続位置について説明するが、初めにその考え方を説明する。
排気系を流れるガスは機関内の周期的な爆発による脈動流である。したがって、圧力波の反射による共鳴が発生する。
そして、一般的に固定端（機関のシリンダ）と開放端（ボリューム要素）の間では、１／４，３／４，５／４等の（２n−１）／４［ｎ＝１，２，…］の波長の共鳴モードとなることが知られている。図２は、１／４，３／４，５／４波長の共鳴モードを示す図である。図２で３／４，５／４波長について、内部に記した数字は長さの比である。
【００１６】
そして、それぞれのモードに合致する周波数の振動が共鳴して大きくなる。また、共鳴の腹の位置では圧力変動が大きく、節の位置では圧力変動が殆ど無い状態となる。したがって、バイパス排気管１０の接続位置を節の位置に合わせればよいことになる。
一般的に、排気系で発生する気柱共鳴は高周波になるほど発生しづらく、また、１／４波長では低周波すぎて共鳴が発生しにくく、３／４波長の共鳴が最も管内の圧力変動に影響を及ぼす。また、爆発１次成分が最もエネルギが強く、この１次成分の周波数の共鳴をなくすことで脈動の影響をほぼ除去することができる。したがって、爆発１次の周波数で３／４波長の節の位置でバイパス排気管１０を接続すればよいことになる。
【００１７】
以下、上記の考え方にもとづき決定されたバイパス排気管１０の接続位置について説明する。
まず、このエンジン１は使用上限の回転数は６０００ｒｐｍであり、その時の排気ガス温度Ｔは約８５０℃であって、この時に、前触媒１１の側へガスが流れるのを防止するようにした。
【００１８】
ここで、Ｔをガスの絶対温度とし、γを比熱比とし、Ｒを気体定数とし、Ｍを気体の分子量とすると、排気管内の音速ｃは（γ・Ｒ・Ｔ／Ｍ）1/2 で表わされる。
したがって、上記の６０００ｒｐｍにおいて、
ガスの絶対温度Ｔは８５０＋２７３＝１１２３Ｋとなり、
比熱比γ≒１．４であり、
気体定数Ｒは８．３１×１０3 Ｊ／ｋｍｏｌ・Ｋであり、
気体（＝排気ガス）の分子量＝２８．８
であるので、（γ・Ｒ・／Ｍ）1/2≒２０となり、また、Ｔ1/2≒３３．５となるので、
ｃ≒２０×３３．５＝６７０ｍ／ｓｅｃ となる。
【００１９】
一方、４気筒エンジンでは７２０°（２回転）に４回爆発が発生するので、６０００ｒｐｍの爆発１次の変動周波数は６０００÷６０÷２×４＝２００Ｈｚである。
したがって、１波長の長さは６７０÷２００＝３．３５ｍとなり、３／４波長の長さは３．３５ｍ×３／４≒２．５ｍとなる。
図２から、節は、上記の１／３と３／３の位置となるので２．５×１／３≒０．８ｍの位置と２．５ｍの位置のところにできる。
【００２０】
そこで、排気バルブ５から約０．８ｍの位置でバイパス排気管１０の上流側端部を主排気管８に接続し、排気バルブ５から約２．５ｍの位置でバイパス排気管１０の上流側端部を主排気管８に接続し、その直後の主排気管８に第１触媒９を配置してある。その結果、バイパス排気管１０の上流側端部と下流側端部がともに、６０００ｒｐｍにおける３／４波長の節の位置で主排気管８に接続され、６０００ｒｐｍではバイパス排気管１０に排気ガスが流れず、前触媒１１の過熱が防止される。
また、バイパス排気管１０をきつく曲げる必要もないので、図３に示した従来技術に比べると圧力損失も小さく、また、水がたまる可能性もない。
【００２１】
以上、４気筒エンジンで、６０００ｒｐｍが実用の上限の回転数の場合について説明してきたが、勿論、実用の上限の回転数が異なる場合にも適用できるし、その他の複数気筒エンジンで同様の構成を有する場合にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明は、内燃機関の排気系において、主排気管をバイパスするバイパス排気管を有し、バイパス排気管内に触媒を介装したものに適用することができる。また、４気筒のみならず、他の複数気筒を有する機関にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態の構成を示す図である。
【図２】１／４，３／４，５／４波長の共鳴モードを説明する図である。
【図３】従来技術を示す図である。
【図４】図３の従来技術において主排気管の開閉弁を閉じたときと開いたときのバイパス排気管内の触媒の温度を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
８…主排気管
９…主触媒
１０…バイパス排気管
１１…前触媒
１２…開閉弁
１３…アクチュエータ
２０…ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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