(57)【要約】【課題】内燃機関の排気管において、排気ガス温度を適正温度に維持することで排気浄化効率の向上を図る。【解決手段】エキゾーストマニホールド２８と排気浄化触媒装置３０との間に、内管３１の外側に空間部３２を介して外管３３を設けて構成した二重の排気管２９を設け、この外管３３の内周面に形状記憶合金からなる伝熱部材３４を装着し、排気ガスの温度と相関関係にある外管３３の温度に応じて伝熱部材３４が変形し、内管３１と外管３３とを接続状態または非接続状態に切換可能とする。【選択図】        図１
2005194962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に排気ガスが流れる排気通路を有する内管と、該内管の外側に空間部をもって配設された外管とを有する内燃機関の排気管において、前記空間部に排気ガスの温度に応じて前記内管と前記外管とを接続状態または非接続状態に切換可能な伝熱部材を設けたことを特徴とする内燃機関の排気管。
【請求項２】
請求項１記載の内燃機関の排気管において、前記伝熱部材は、一端部が前記外管の内周面に装着され、排気ガスの温度が予め設定された所定温度を超えると変形して他端部が前記内管の外周面に接触することを特徴とする内燃機関の排気管。
【請求項３】
請求項２記載の内燃機関の排気管において、前記伝熱部材は、前記外管の温度が予め設定された所定温度を超えると変形して他端部が前記内管の外周面に接触することを特徴とする内燃機関の排気管。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一つ記載の内燃機関の排気管において、前記伝熱部材は、排気ガスの温度または前記外管の温度に応じて変形する形状記憶合金であることを特徴とする内燃機関の排気管。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一つ記載の内燃機関の排気管において、前記伝熱部材は、前記排気管の長手方向に沿って複数設けられ、該各伝熱部材は異なる排気ガスの温度に応じて前記内管と前記外管とを接続状態または非接続状態に切換えることを特徴とする内燃機関の排気管。
【請求項６】
触媒の上流側に前記請求項１記載の排気管を設け、前記伝熱部材は、排気ガス温度が予め設定された触媒浄化温度領域を超えたときに前記内管と前記外管とを接続状態とすることを特徴とする内燃機関の排気装置。
【請求項７】
内燃機関の排気通路に三元触媒とＮＯｘ触媒とを直列に配設し、前記三元触媒の上流側に前記請求項１記載の第１排気管を設けると共に、前記三元触媒と前記ＮＯｘ触媒との間に前記請求項１記載の第２排気管を設け、前記第１排気管の伝熱部材は、排気ガス温度が予め設定された三元触媒浄化温度領域を超えたときに前記内管と前記外管とを接続状態とし、前記第２排気管の伝熱部材は、排気ガス温度が予め設定されたＮＯｘ触媒浄化温度領域を超えたときに前記内管と前記外管とを接続状態とすることを特徴とする内燃機関の排気装置。
【請求項８】
内燃機関の排気通路に過給機のタービンと触媒とを直列に配設し、前記タービンと前記触媒との間に前記請求項１記載の排気管を設け、該排気管の伝熱部材は、排気ガス温度が予め設定された触媒浄化温度領域を超えたときに前記内管と前記外管とを接続状態とすることを特徴とする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、内燃機関で燃焼した排気ガスを処理する排気管及び排気装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気系には、燃焼後に排出される排気ガスを処理する触媒が設けられており、例えば、三元触媒は、排気ガス中に含まれる炭化窒素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）などの有害物質を浄化処理することができる。しかし、この三元触媒は、これらの有害物質を効率的に処理するために所定の活性化温度に維持する必要があるが、特に、内燃機関の冷態始動時では、内燃機関の各構成部材が低温状態にあるために排気ガスの熱が奪われてしまい、この排気ガスにより三元触媒を昇温することができない。
【０００３】
そこで、排気ガスの温度低下を抑制するために排気管を二重管とし、内燃機関の冷態始動時であっても、高温の排気ガスを三元触媒に導入して昇温することで、早期の活性化を図るようにした技術が提案されている。ところが、内燃機関の高速運転時には、排気ガスの温度が高温となり、排気ガスの浄化処理領域を外れて有害物質を適正に浄化処理できなくなったり、あるは、三元触媒が高温の排気ガスにより熱劣化してしまうという問題がある。
【０００４】
この問題を解決するものとして下記特許文献１に記載された「排気装置」がある。この特許文献１に記載されたものは、内管と外管とから排気管を構成し、低温時には外管に対して内管が離間した位置にあり、所定温度以上になると内管が変形して外管に密着するものである。従って、内管の内側を通る高温の排気ガスは外管を通して放熱し、この排気ガスの温度を低下させて三元触媒の熱劣化を防止することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−０２７６３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来の「排気装置」にあっては、排気管の内管を形状記憶合金によって構成し、排気ガスが所定温度以上になったら内管を変形させて外管に密着させることで、排気ガスを放熱させている。ところが、排気管は所定の長さを有するものであり、全長にわたって高価な形状記憶合金を用いて製造することは、材料コストの増加を招いてしまう。また、一般に、円筒形状をなす排気管の内管を、低温時に横断面波形状などの異形断面形状に成形することは技術的に難しく、製造コストも増加してしまう。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決するためのものであって、排気ガス温度を適正温度に維持することで排気浄化効率の向上を図った内燃機関の排気管及び排気装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の内燃機関の排気管は、内部に排気ガスが流れる排気通路を有する内管と、該内管の外側に空間部をもって配設された外管とを有する内燃機関の排気管において、前記空間部に排気ガスの温度に応じて前記内管と前記外管とを接続状態または非接続状態に切換可能な伝熱部材を設けたことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の内燃機関の排気管では、前記伝熱部材は、一端部が前記外管の内周面に装着され、排気ガスの温度が予め設定された所定温度を超えると変形して他端部が前記内管の外周面に接触することを特徴としている。
【００１０】
本発明の内燃機関の排気管では、前記伝熱部材は、前記外管の温度が予め設定された所定温度を超えると変形して他端部が前記内管の外周面に接触することを特徴としている。
【００１１】
本発明の内燃機関の排気管では、前記伝熱部材は、排気ガスの温度または前記外管の温度に応じて変形する形状記憶合金であることを特徴としている。
【００１２】
本発明の内燃機関の排気管では、前記伝熱部材は、前記排気管の長手方向に沿って複数設けられ、該各伝熱部材は異なる排気ガスの温度に応じて前記内管と前記外管とを接続状態または非接続状態に切換えることを特徴としている。
【００１３】
本発明の内燃機関の排気装置は、触媒の上流側に前記請求項１記載の排気管を設け、前記伝熱部材は、排気ガス温度が予め設定された触媒浄化温度領域を超えたときに前記内管と前記外管とを接続状態とすることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の内燃機関の排気装置は、内燃機関の排気通路に三元触媒とＮＯｘ触媒とを直列に配設し、前記三元触媒の上流側に前記請求項１記載の第１排気管を設けると共に、前記三元触媒と前記ＮＯｘ触媒との間に前記請求項１記載の第２排気管を設け、前記第１排気管の伝熱部材は、排気ガス温度が予め設定された三元触媒浄化温度領域を超えたときに前記内管と前記外管とを接続状態とし、前記第２排気管の伝熱部材は、排気ガス温度が予め設定されたＮＯｘ触媒浄化温度領域を超えたときに前記内管と前記外管とを接続状態とすることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の内燃機関の排気装置は、内燃機関の排気通路に過給機のタービンと触媒とを直列に配設し、前記タービンと前記触媒との間に前記請求項１記載の排気管を設け、該排気管の伝熱部材は、排気ガス温度が予め設定された触媒浄化温度領域を超えたときに前記内管と前記外管とを接続状態とすることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の内燃機関の排気管及び排気装置によれば、内管と外管との空間部に排気ガスの温度に応じてこの内管と外管とを接続状態または非接続状態に切換可能な伝熱部材を設けたので、排気ガスの低温時には、内管と外管とが非接続状態となり、内管の内側を流動する排気ガスの温度低下を抑制することができる一方、排気ガスの高温時には、内管と外管とが伝熱部材を介して接続状態となり、内管の内側を流動する排気ガスの熱を内管から伝熱部材を通して外管へ放出し、温度上昇を抑制することができ、その結果、排気ガス温度を適正温度に維持することで、触媒での排気浄化効率の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明にかかる内燃機関の排気管及び排気装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の実施例１に係る内燃機関の排気管を表す要部断面図、図２−１は、実施例１の排気管を表す概略図、図２−２は、実施例１の排気管の作用を表す概略図、図３は、実施例１の排気管が適用された内燃機関の概略構成図である。
【００１９】
実施例１の排気管が適用された内燃機関において、図３に示すように、エンジン１１は、火花点火式のエンジンである。このエンジン１１にて、シリンダブロック１２上にシリンダヘッド１３が締結されており、このシリンダブロック１２に形成された複数のシリンダボア１４にピストン１５がそれぞれ上下移動自在に嵌合している。そして、シリンダブロック１２の下部に図示しないクランクシャフトが回転自在に支持されており、各ピストン１５はコネクティングロッド１６を介してこのクランクシャフトにそれぞれ連結されている。以下の説明では、一つの気筒についてのみ説明する。
【００２０】
燃焼室１７は、シリンダブロック１２とシリンダヘッド１３とピストン１５により構成されており、燃焼室１７の上部、つまり、シリンダヘッド１２の下面に吸気ポート１８及び排気ポート１９が対向して形成されており、この吸気ポート１８及び排気ポート１９に対して吸気バルブ２０及び排気バルブ２１の下端部が位置している。従って、この吸気バルブ２０及び排気バルブ２１が所定のタイミングで上下移動することで、吸気ポート１８及び排気ポート１９を開閉し、吸気ポート１８と燃焼室１７、燃焼室１７と排気ポート１９とをそれぞれ連通することができる。
【００２１】
そして、吸気ポート１８には、インテークマニホールド２２を介して吸気管２３が連結されており、この吸気管２３の空気取入口にはエアクリーナ２４が取付けられると共に、このエアクリーナ２４の下流側にスロットル弁２５が設けられている。また、インテークマニホールド２２には、各吸気ポート１８に燃料（ガソリン）を噴射するインジェクタ２６が装着されており、シリンダヘッド１３には、燃焼室１７の上方に位置して混合気に着火する点火プラグ２７が装着されている。
【００２２】
一方、排気ポート１９には、エギゾーストマニホールド２８を介して排気管２９が連結されており、この排気管２９には排気浄化触媒装置（例えば、三元触媒）３０が装着されている。
【００２３】
そして、電子制御ユニットは、インジェクタ２６の燃料噴射タイミングや点火プラグ２７の点火時期などを制御可能となっており、検出した吸入空気量、スロットル開度（またはアクセル開度）、エンジン回転数などのエンジン運転状態に基づいて燃料噴射量、噴射時期、点火時期などを決定している。
【００２４】
ところで、エンジン１１の排気管２９に設けられた排気浄化触媒装置３０は、排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの有害物質を浄化処理することができるものの、エンジン１１の冷態始動時など所定の活性化温度以下では、これらの有害物質を効率的に浄化処理することができず、また、エンジン１１の高速運転時など所定の温度以上では、排気熱により熱劣化してしまう虞がある。
【００２５】
そこで、本実施例では、外気（冷気）による排気ガスの温度低下を抑制するために排気管２９を二重管とし、且つ、高温の排気ガスによる排気浄化触媒装置３０の熱劣化を防止するために内管と外管との間に可動式の伝熱部材を設けている。これにより、エンジン１１の冷態時は、内管を通る排気ガスの温度低下を抑制する一方、エンジン１１の高速運転時は、内管を通る高温の排気ガスを伝熱部材を介して外管で放熱し、排気ガスの温度を適正に制御して排気浄化触媒装置３０による浄化能力を常時確保できるようにしている。
【００２６】
即ち、実施例１の排気管２９は、図１及び図２−１に示すように、内部に排気ガスが流れる排気通路を有する内管３１と、この内管３１の外側に空間部３２をもって配設された外管３３とから構成されている。この内管３１及び外管３３は互いに円筒形状をなし、長手方向の各端部は空間部３２を閉塞するように接合され、一端部（上流側端部）がエキゾーストマニホールド２８の下流側端部に連結され、他端部（下流側端部）が排気浄化触媒装置３０に連結されている。つまり、エキゾーストマニホールド２８と排気浄化触媒装置３０との間に二重管の排気管２９が設けられ、排気ガスをエキゾーストマニホールド２８から排気管２９の内管３１内を通して排気浄化触媒装置３０に導くこととなる。
【００２７】
この空間部３２は、内管３１の外周面と外管３３の内周面とが非接触状態に維持し、断熱層として寄与するものであり、空気や不活性ガスが充填されるか、または、真空状態としてもよい。
【００２８】
そして、排気管２９の外管３３にて、その内周面には伝熱部材３４の基端部が固定されており、先端部は自由に変形して内管３１の外周面に接触できるように、拘束されていないフリーの状態となっている。この伝熱部材３４は、予め設定された所定温度に応じて変形する形状記憶合金(例えば、チタンとニッケルの合金)によって板状に形成され、基端部が溶接３５により外管３３の内周面に固定されている。そのため、排気管２９内を流れる排気ガスが低温であるときに、この伝熱部材３４は変形せずに内管３１と外管３３とは非接続状態に維持され、排気管２９内を流れる排気ガスが高温であるときに、伝熱部材３４は屈曲変形して内管３１に接触し、内管３１と外管３３とは接続状態となる。
【００２９】
本実施例の場合、伝熱部材３４は外管３３に固定されており、排気ガスの温度と相関関係にある外管３３の温度に応じて変形するように構成されている。例えば、排気浄化触媒３０は有害物質を浄化処理できる浄化温度領域が設定されており、この浄化温度領域を超えると熱劣化してしまう虞がある。そのため、排気浄化触媒３０の浄化温度領域の上限値、つまり、熱劣化温度が８００℃であるとしたとき、予め、実験に基づいて、内管３１内を通過する排気ガスの温度が８００℃のときの外管３３の温度を求めておき、この温度を排気浄化触媒３０の熱劣化判定温度として設定する。そして、伝熱部材３４が変形する温度をこの熱劣化判定温度となるように構成しておく。急加速時などには内管３１と外管３３の温度差が広がるものの、一般の運転状態では、外管３３の温度は内管３１の温度に対して２００℃〜３００℃低くなっている。
【００３０】
従って、外管３３の温度が熱劣化判定温度よりも低いときは、図２−１に示すように、伝熱部材３４は変形せずに平坦のままであり、先端部が内管３１の外周面に接触せず、内管３１と外管３３とは非接続状態に維持される。一方、外管３３の温度が熱劣化判定温度よりも高いときは、図２−２に示すように、伝熱部材３４は屈曲変形し、先端部が内管３１の外周面に接触し、内管３１と外管３３とは接続状態となる。
【００３１】
なお、この伝熱部材３４は、排気管２９の所定の位置、つまり、外管３３の周方向に所定間隔で複数、また、長手方向に所定間隔で複数設けられている。そして、本実施例の場合、この二重管の排気管２９と排気浄化触媒装置３０により排気装置が構成される。
【００３２】
このように構成された本実施例の内燃機関の排気管において、エンジン１１の冷態始動時、運転者によりイグニッションスイッチがオンされると、アイドル時における所定量の空気が吸気管２３から吸気ポート１８に取り込まれると共に、この空気量に見合った燃料量が噴射される。この空気と燃料の混合気は、吸気バルブ２０の開閉時に燃焼室１７に吸入され、圧縮後に点火プラグ２７により着火されて燃焼し、燃焼ガスは、排気バルブ２１の開閉時に排気ガスとして排気ポート１９を通してエキゾーストマニホールド２８に排出される。その後、排気ガスは、排気管２９を通って排気浄化触媒装置３０に導入され、ここで、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの有害物質が浄化処理される。
【００３３】
このエンジン１１の冷態始動時、外管３３の温度は熱劣化判定温度よりも低く、排気浄化触媒３０の温度が浄化温度領域にあるため、伝熱部材３４は変形せずに内管３１と外管３３は非接続状態となっている。そのため、エンジン１１は低温であるものの、排気管２９の内管３１はその外側が空間部(断熱層)３２及び外管３３に被覆されており、この内管３１内を流動する排気ガスは保温されて温度低下が抑制される。従って、排気ガスを高温のまま排気浄化触媒装置３０に導入することができ、この排気浄化触媒装置３０を早期に昇温して活性化させることができ、排気浄化効率を向上することができる。
【００３４】
エンジン１１が始動した後に高速運転が継続すると、排気ガスの温度が高温となり、排気ガスの熱により外管３３の温度が上昇する。そして、外管３３の温度が熱劣化判定温度よりも高くなり、排気浄化触媒３０の温度が浄化温度領域を超えると伝熱部材３４もほぼ同様の温度となり、屈曲変形して先端部が内管３１の外周面に接触し、内管３１と外管３３とは接続状態となる。そのため、内管３１の内側を流動する排気ガスはその熱が伝熱部材３４を通して外管３３に伝達され、この外管３３から外気に放出されることとなり、内管３１及び排気ガスの温度上昇を抑制することができる。従って、排気ガスの温度上昇を抑制しながら排気浄化触媒装置３０に導入することができ、この排気浄化触媒装置３０の熱劣化を防止することができ、高い排気浄化効率を継続して確保することができる。
【００３５】
なお、運転者がエンジン１１を停止したり、低速運転が継続して排気温度が下がったりすると、外管３３の温度が熱劣化判定温度よりも低くなり、変形状態にある伝熱部材３４は元の位置に復帰して内管３１と外管３３は非接続状態となる。
【００３６】
このように実施例１の内燃機関の排気管にあっては、エキゾーストマニホールド２８と排気浄化触媒装置３０との間に、内管３１の外側に空間部３２を介して外管３３を設けて構成した二重の排気管２９を設け、この外管３３の内周面に形状記憶合金からなる伝熱部材３４を装着している。そして、排気ガスの温度と相関関係にある外管３３の温度に応じて伝熱部材３４が変形し、内管３１と外管３３とを接続状態または非接続状態に切換可能としている。
【００３７】
従って、排気ガスの低温時には、外管３３が所定温度(熱劣化判定温度)より低いため、内管３１と外管３３とが非接続状態となり、空間部３２が断熱層として機能して内管３１を流動する排気ガスの温度低下を抑制し、排気浄化触媒装置３０を早期に活性化することができる。一方、排気ガスの高温時には、外管３３及び伝熱部材３４が所定温度(熱劣化判定温度)より高いため、内管３１と外管３３とが伝熱部材３４を介して接続状態となり、内管３１を流動する排気ガスの熱が内管３１から伝熱部材３４を通して外管３３へ放出され、排気ガスの温度上昇を抑制し、排気浄化触媒装置３０の熱劣化を防止することができる。その結果、エンジン１１の運転状態に拘らず、排気ガス温度を適正温度に維持することで、排気浄化触媒装置３０の排気浄化効率を向上することができる。
【００３８】
また、伝熱部材３４を外管３３の内周面に装着し、外管３３の温度に応じて変形して内管３１に接触するようにしている。この場合、伝熱部材３４を内管３１の外周面に装着すると、排気ガスにより内管３１が高温となり、伝熱部材３４が変形して外管３３に接触し、排気ガスの熱を外管３３を通して放出するが、すぐに外管３３に接触する伝熱部材３４の温度が低下して変形が戻ってしまい、排気ガスの熱を十分に低下させることができない。一方、伝熱部材３４を外管３３の内周面に装着すると、排気ガスにより外管３３が高温となり、伝熱部材３４が変形して内管３１に接触し、排気ガスの熱を外管３３を通して放出する。このとき、外管３３よりも内管３１の方が高温であるため、内管３１に接触する伝熱部材３４の温度がすぐに低下することはなく、排気ガスの熱を十分に低下させることができる。
【実施例２】
【００３９】
図４は、本発明の実施例２に係る内燃機関の排気管が適用された内燃機関の概略構成図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００４０】
実施例２の内燃機関の排気管において、図４に示すように、エンジン４１は、筒内噴射式の火花点火エンジンである。このエンジン４１にて、燃焼室１７は、シリンダブロック１２とシリンダヘッド１３とピストン１５により構成されており、吸気ポート１８及び排気ポート１９が連通し、この吸気ポート１８及び排気ポート１９は吸気バルブ２０及び排気バルブ２１開閉可能となっている。そして、シリンダヘッド１２には、燃焼室１７に直接燃料（ガソリン）を噴射するインジェクタ２６が装着されると共に、燃焼室１７の上方に点火プラグ２７が装着されている。
【００４１】
一方、排気ポート１９には、エギゾーストマニホールド２８を介して第１排気管４２を介して三元触媒４３が連結されると共に、第２排気管４４を介してＮＯｘ吸蔵還元型触媒４５が連結されている。この三元触媒４３は、排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを酸化還元反応により同時に浄化処理するものである。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒４５は、成層燃焼時に排気ガス中に含まれるＮＯｘを一旦貯蔵し、リッチ燃焼域またはストイキ燃焼域にあるときに排ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯを還元剤として吸蔵したＮＯｘを還元して浄化処理するものである。
【００４２】
ところで、この三元触媒４３並びにＮＯｘ吸蔵還元型触媒４５は、エンジン６１の高速運転時など、排気ガスが所定の温度以上になると、その排気熱により熱劣化してしまう虞がある。そして、三元触媒４３及びＮＯｘ吸蔵還元型触媒４５は、熱劣化する限界温度がそれぞれ異なる温度となっている。
【００４３】
そこで、本実施例では、第１、第２排気管４２，４４を二重管とし、高温の排気ガスによる各触媒４３，４５の熱劣化を防止するためにそれぞれの内管と外管との間に可動式の伝熱部材を設け、それぞれ異なる温度で可動するようにしている。これにより、エンジン６１の高速運転時、内管を通る高温の排気ガスを各伝熱部材を介して外管で放熱し、各触媒４３，４５ごとに排気ガスの温度を適正に制御して浄化能力を常時確保できるようにしている。
【００４４】
即ち、エキゾーストマニホールド２８と三元触媒４３との間に設けられた第１排気管４２は、内管４６と、この内管４６の外側に空間部４７をもって配設された外管４８とから構成されている。そして、外管４８の内周面に形状記憶合金により形成された複数の伝熱部材４９の基端部が固定されており、排気ガス、つまり、外管４８が高温になると、伝熱部材４９もほほ同様の温度となって先端部が屈曲変形して内管４６に接触し、内管４６と外管４７とを接続状態とする。本実施例にて、三元触媒４３の熱劣化温度が８００℃であるとしたとき、予め、実験に基づいてこのときの外管４８の温度を求めておき、この温度を三元触媒４３の熱劣化判定温度とし、伝熱部材４９が変形する温度としておく。
【００４５】
また、三元触媒４３とＮＯｘ吸蔵還元型触媒４５との間に設けられた第２排気管４４は、内管５０と、この内管５０の外側に空間部５１をもって配設された外管５２とから構成されている。そして、外管５２の内周面に形状記憶合金により形成された複数の伝熱部材５３の基端部が固定されており、排気ガス、つまり、外管５２が高温になると、伝熱部材５３もほぼ同様の温度となって先端部が屈曲変形して内管５０に接触し、内管５０と外管５２とを接続状態とする。本実施例にて、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒４５の熱劣化温度が５００℃であるとしたとき、予め、実験に基づいてこのときの外管５２の温度を求めておき、この温度をＮＯｘ吸蔵還元型触媒４５の熱劣化判定温度とし、伝熱部材５３が変形する温度としておく。
【００４６】
従って、エンジン４１の冷態始動時には、各外管４８，５２の温度は各触媒４３，４５の熱劣化判定温度よりも低いため、各伝熱部材４９，５３は変形せずに内管４６，５０と外管４８，５２は非接続状態である。この場合、エンジン４１は低温であるものの、各内管４６，５０はその外側が空間部(断熱層)４７，５１及び外管４８，５２に被覆されており、排気ガスは保温されて温度低下が抑制される。そのため、排気ガスは高温のまま三元触媒４３とＮＯｘ吸蔵還元型触媒４５に導入されることとなり、各触媒４３，４５を早期に昇温して活性化させることができる。
【００４７】
一方、エンジン４１の高速運転時には、排気ガスの温度が高温となって各排気管４２，４４の温度が上昇し、第２排気管４４の外管５２の温度がＮＯｘ吸蔵還元型触媒４５の熱劣化判定温度よりも高くなると、伝熱部材５３もほぼ同様の温度となって屈曲変形し、先端部が内管５０の外周面に接触し、内管５０と外管５２とが接続状態となる。この場合、内管５０の内側を流動する排気ガスは、その熱が伝熱部材５３を通して外管５２に伝達されて外気に放出されることとなり、内管５０及び排気ガスの温度上昇を抑制することができる。そのため、排気ガスは温度上昇が抑制されてＮＯｘ吸蔵還元型触媒４５に導入することとなり、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒４５の熱劣化を防止することができる。
【００４８】
また、排気ガスの温度が更に高温となり、第１排気管４２の外管４６の温度が三元触媒４３の熱劣化判定温度よりも高くなると、伝熱部材４９もほぼ同様の温度となって屈曲変形し、先端部が内管４６の外周面に接触し、内管４６と外管４８とが接続状態となる。この場合、内管４６の内側を流動する排気ガスは、その熱が伝熱部材４９を通して外管４８に伝達されて外気に放出されることとなり、内管４６及び排気ガスの温度上昇を抑制することができる。そのため、排気ガスは温度上昇が抑制されて三元触媒４３に導入することとなり、この三元触媒４３の熱劣化を防止することができる。
【００４９】
このように実施例２の内燃機関の排気管にあっては、エンジン６１を筒内噴射式として排気系に三元触媒４３とＮＯｘ吸蔵還元型触媒４５を設け、エキゾーストマニホールド２８と三元触媒４３との間に内管４６と外管４８と伝熱部材４９からなる二重の第１排気管４２を設け、三元触媒４３とＮＯｘ吸蔵還元型触媒４５との間に内管５０と外管５２と伝熱部材５３からなる二重の第２排気管４４を設け、各伝熱部材４９，５３がそれぞれ異なる温度で変形し、各内管４６，５０と外管４８，５２とを接続状態または非接続状態に切換可能としている。
【００５０】
従って、第２排気管４４の伝熱部材５３は、排気ガスの温度がＮＯｘ吸蔵還元型触媒４５の熱劣化判定温度を超えたときに変形して内管５０と外管５２とを接続状態とし、第１排気管の伝熱部材４９は、排気ガスの温度が三元触媒４３の熱劣化判定温度を超えたときに変形して内管４６と外管４８とを接続状態とする。そのため、排気ガスは、各触媒４３，４５の浄化特性に適した温度に抑制されることとなり、三元触媒４３及びＮＯｘ吸蔵還元型触媒４５の熱劣化を防止することができ、エンジン４１の運転状態に拘らず、排気ガス温度を適正温度に維持することで、各触媒４３，４５の排気浄化効率を向上することができる。
【００５１】
なお、この実施例２にて、内燃機関を筒内噴射式の火花点火エンジンとしたが、ポート噴射式のエンジンであっても良い。また、第２排気管４４を介してＮＯｘ吸蔵還元型触媒４５を連結したが、ＮＯｘ触媒であれば良く、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒４５に代えて選択還元型ＮＯｘ触媒としてもよい。
【実施例３】
【００５２】
図５は、本発明の実施例３に係る内燃機関の排気管が適用された内燃機関の概略構成図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００５３】
実施例３の内燃機関の排気管において、図５に示すように、エンジン６１は、ディーゼルエンジンである。このエンジン６１にて、インテークマニホールド２２には吸気管２３が連結され、この吸気管２３の空気取入口にはエアクリーナ２４が取付けられている。一方、エギゾーストマニホールド２８には第１排気管６２及び第２排気管６３を介して排気浄化触媒装置（例えば、酸化触媒を担持したディーゼルパティキュレートフィルタ）６４が装着されている。
【００５４】
そして、このエンジン６１に過給機（ターボチャージャー）６５が設けられている。この過給機６５は、吸気管２３に設けられたコンプレッサ６６と、排気管６２，６３に設けられたタービン６７とが同軸上に連結されて構成されている。そして、吸気管２３には、コンプレッサ６６の下流側に位置してインタークーラ６８が設けられている。また、エキゾーストマニホールド２８と吸気管２３の下流部との間には、排気を還流するＥＧＲ通路６９が設けられており、ＥＧＲコントロールバルブ７０の開閉動作によりＥＧＲ量を調整することができる。
【００５５】
本実施例では、過給機６５のタービン６７と排気浄化触媒装置６４との間に設けられた第２排気管６３を二重管とし、高温の排気ガスによる熱劣化を防止するために内管と外管との間に可動式の伝熱部材を設けている。これにより、過給機６５の効率を低下させずに、エンジン６１の高速運転時に、排気浄化触媒装置６４に流れる高温の排気ガスを伝熱部材を介して外管で放熱し、排気ガスの温度を適正に制御して排気浄化触媒装置６４の浄化能力を常時確保できるようにしている。
【００５６】
即ち、第２排気管６３は、内管７１と、この内管７１の外側に空間部７２をもって配設された外管７３とから構成されている。そして、外管７３の内周面に形状記憶合金により形成された複数の伝熱部材７４の基端部が固定されており、排気ガス、つまり、外管７３が高温になると、伝熱部材７４もほぼ同様の温度となって先端部が屈曲変形して内管７１に接触し、内管７１と外管７３とを接続状態とする。本実施例にて、排気浄化触媒装置６４の熱劣化温度が５００℃であるとしたとき、予め、実験に基づいてこのときの外管７３の温度を求めておき、この温度を排気浄化触媒装置６４の熱劣化判定温度とし、伝熱部材７４が変形する温度としておく。
【００５７】
従って、エンジン７１の高速運転時に、エンジン６１から排出された高温の排気ガスは、エギゾーストマニホールド２８から第１排気管６２を通ってほとんど温度低下せずに過給機６５のタービン６７を駆動し、その後、第２排気管６３を通って排気浄化触媒装置６４に導入され、ここで有害物質が浄化処理される。このとき、高温の排気ガスにより第２排気管６３の温度が上昇し、外管７３の温度が排気浄化触媒装置６４の熱劣化判定温度よりも高くなると、伝熱部材７４もほぼ同様の温度となって屈曲変形し、先端部が内管７１の外周面に接触し、内管７１と外管７３とが接続状態となる。この場合、内管７１の内側を流動する排気ガスは、その熱が伝熱部材７４を通して外管７３に伝達されて外気に放出されることとなり、内管７１及び排気ガスの温度上昇を抑制することができる。そのため、排気ガスは温度上昇が抑制されて排気浄化触媒装置６４に導入することとなり、この排気浄化触媒装置６４の熱劣化を防止することができる。
【００５８】
このように実施例３の内燃機関の排気管にあっては、ディーゼルエンジン６１に過給機６５を装着し、過給機６５のタービン６７と排気浄化触媒装置６４との間に内管７１と外管７３と伝熱部材７４からなる二重の第２排気管６３を設け、伝熱部材７４が排気浄化触媒装置６４の熱劣化判定温度を超えたら変形し、内管７１と外管７３とを接続状態に切換可能としている。
【００５９】
従って、エンジン６１から排出された高温の排気ガスは第１排気管６２を通してほとんど温度低下せずに過給機６５のタービン６７を駆動することとなり、所定の過給効率を確保することができる。そして、タービン６７を駆動した排気ガスが第２排気管６３に流れて外管７３を昇温し、この外管７３及び伝熱部材７４の温度が、排気浄化触媒装置６４の熱劣化判定温度を超えたときに、伝熱部材７４が変形して内管７１と外管７３とを接続状態とする。そのため、排気ガスは、排気浄化触媒装置６４の浄化特性に適した温度に抑制されることとなり、熱劣化を防止して排気浄化効率を向上することができる。
【００６０】
なお、この実施例３では、第２排気管６３のみを二重管としたが、第１排気管６２を二重管とし、排気ガスが１０００℃を超えたときに伝熱部材が変形して内管と外管を接続状態とすることで、エキゾーストマニホールド２８や過給機６５などの過昇温を防止するようにしてもよい。また、排気管６３に触媒機能を有していない排気浄化装置（例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタ）を設け、この排気浄化装置を熱劣化判定温度以下に保つことも可能である。更に、内燃機関をディーゼルエンジンとしたが、火花点火式エンジンであっても良い。
【００６１】
また、上述した各実施例では、各触媒３０，４３，４５，６４の熱劣化判定温度を８００℃や５００℃などと設定したが、この温度は触媒の形態に応じて変化するものであり、触媒の種類に応じて適正な温度に設定すればよく、安全面を考慮して低めに設定することが望ましい。そして、伝熱部材３４，４９，５３，７４の数も排気管の長さに応じて適宜設定すればよく、複数の伝熱部材に対して、変形温度を３００℃、５００℃、８００℃などと異なるものを設けてもよい。
【００６２】
更に、上述した各実施例では、伝熱部材３４，４９，５３，７４を外管の内周面に固定し、排気ガスの温度上昇時に内管に接触するようにしたが、内管の外周面に固定して排気ガスの温度上昇時に外管に接触するようにしてもよい。また、伝熱部材３４，４９，５３，７４を形状記憶合金により形成し、外管３３の温度に応じて変形するように構成したが、この構成に限るものではない。例えば、伝熱部材をアクチュエータなどにより作動するように構成すると共に、排気管内を流動する排気ガス（または、外管、内管）の温度を測定する温度センサを設け、この温度センサの測定結果に基づいてアクチュエータにより伝熱部材を作動し、内管と外管との接続状態及び非接続状態を切り換えるようにしてもよい。
【００６３】
また、本発明は、排気ガスの温度に応じて伝熱部材を変形して内管と外管とを接続状態または非接続状態に切換えるものであり、各実施例では、排気浄化触媒の浄化温度領域の上限値を熱劣化判定温度に設定し、排気ガス温度がこの熱劣化判定温度を超えたら伝熱部材が変形して内管と外管を接続状態としたが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【００６４】
図６は、排気浄化触媒装置温度に対する浄化率を表すグラフである。この図６のグラフに表すように、排気浄化触媒の装置における有害物質の浄化率は、排気浄化触媒装置の温度が低いほど、また、高すぎるほど低率であり、その温度に適正浄化領域を設定する。この適正浄化領域は排気浄化触媒装置の形態により異なるものであるが、適正浄化領域の上限値Ｔ1が浄化最高温度であり、更に高温度Ｔ2が前述した熱劣化温度である。そして、排気浄化触媒における適正浄化領域の浄化最高温度Ｔ1を浄化判定温度に設定し、排気ガス温度がこの浄化判定温度を超えたら伝熱部材が変形して内管と外管を接続状態とするようにしても良い。従って、排気浄化触媒装置の温度を適正浄化温度領域に保持することができ、常時高い浄化率を維持することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
以上のように、本発明にかかる内燃機関の排気管及び排気装置は、排気管を二重構造としてその間に設けられた伝熱部材により排気ガスの温度に応じて内管と外管とを接続状態または非接続状態に切換可能とするものであり、下流側に触媒装置が設けられた内燃機関の排気管に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施例１に係る内燃機関の排気管を表す要部断面図である。
【図２−１】実施例１の排気管を表す概略図である。
【図２−２】実施例１の排気管の作用を表す概略図である。
【図３】実施例１の排気管が適用された内燃機関の概略構成図である。
【図４】本発明の実施例２に係る内燃機関の排気管が適用された内燃機関の概略構成図である。
【図５】本発明の実施例３に係る内燃機関の排気管が適用された内燃機関の概略構成図である。
【図６】排気浄化触媒装置温度に対する浄化率を表すグラフである。
【符号の説明】
【００６７】
１１，４１，６１  エンジン
１７  燃焼室
１９  排気ポート
２８  エキゾーストマニホールド
２９  排気管
３０，６４  排気浄化触媒装置
３１，４６，５０，７１  内管
３２，４７，５１，７２  空間部
３３，４８，５２，７３  外管
３４，４９，５３，７４  伝熱部材
４２，６２  第１排気管
４３  三元触媒
４４，６３  第２排気管
４５  ＮＯｘ吸蔵還元型触媒
６５  過給機
６７  タービン
【図１】
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【図２−１】
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【図２−２】
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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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