(57)【要約】【課題】  触媒に対する暖機性と触媒の熱劣化防止とをコンパクトな構造で実現する排気システムを提供することを課題とする。【解決手段】  内燃機関の排気ガスを触媒により浄化する排気浄化手段４を備える排気システム１であって、排気浄化手段４の上流側に配置され、少なくとも上流側拡張室２２及び下流側拡張室２３を有する排気消音手段２と、排気消音手段２内に設けられ、排気浄化手段４に排気ガスを導入する排気管３と、排気通路３０と上流側拡張室２２とを連通する上流側開口部と、排気通路３０と下流側拡張室２３とを連通する下流側開口部と、上流側開口部及び下流側開口部を開閉する可変弁３２と、可変弁３２を制御する制御手段５とを備え、上流側開口部及び下流側開口部を開いた場合には排気通路３０を遮断し、当該遮断した上流側の排気通路３０と上流側拡張室２２とを連通するとともに当該遮断した下流側の排気通路３０と下流側拡張室２３とを連通することを特徴とする。【選択図】  図１
2005069063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出された排気ガスを触媒により浄化する排気浄化手段を備える排気システムであって、
前記排気浄化手段の上流側に配置され、少なくとも上流側拡張室及び下流側拡張室を有する排気消音手段と、
少なくとも一部が前記排気消音手段内に設けられ、前記排気浄化手段に前記内燃機関からの排気ガスを導入する排気管と、
前記排気管に開口され、前記排気管の排気通路と前記上流側拡張室とを連通する上流側開口部と、
前記排気管に開口され、前記排気管の排気通路と前記下流側拡張室とを連通する下流側開口部と、
前記上流側開口部及び前記下流側開口部を開閉する可変弁と、
前記可変弁を制御する制御手段と
を備え、
前記可変弁によって前記上流側開口部及び前記下流側開口部を開いた場合、前記排気通路を遮断し、当該遮断した上流側の排気通路と前記上流側拡張室とを連通するとともに当該遮断した下流側の排気通路と前記下流側拡張室とを連通し、前記内燃機関から排出された排気ガスを前記遮断した上流側の排気通路から前記上流側拡張室に導入するとともに前記下流側拡張室から前記遮断した下流側の排気通路に戻し、当該遮断した下流側の排気通路から前記排気浄化手段に導入し、
前記可変弁によって前記上流側開口部及び前記下流側開口部を閉じた場合、前記排気通路を連通し、前記内燃機関から排出された排気ガスを前記排気通路から前記排気浄化手段に直接導入する
ことを特徴とする排気システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記内燃機関の運転状態に基づいて前記可変弁を制御することを特徴とする請求項１に記載する排気システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記排気浄化手段の触媒温度に基づいて前記可変弁を制御することを特徴とする請求項１に記載する排気システム。
【請求項４】
前記排気浄化手段は、前記排気消音手段の共鳴室内に配置されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載する排気システム。
【請求項５】
前記排気浄化手段及び前記排気消音手段は、排気系の上流側に配置されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載する排気システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関から排出された排気ガスを触媒により浄化する排気浄化手段を備える排気システムに関し、特に、排気消音手段の構造を利用して排気浄化手段に導入する排気ガスの温度を調節する排気システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンから排出される排気ガスは、有害物質（一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物等）を含んでいる。そのため、排気系には三元触媒やＮｏｘ吸蔵還元触媒等の触媒からなる触媒装置が設けられ、触媒によって排気ガスを浄化している。このような触媒は、活性温度範囲を有し、触媒温度が活性温度範囲内の場合に浄化作用がある。そのため、排気温度が低温のエンジンのコールドスタート時には、排気ガスの浄化をできるだけ早期に開始させるために、触媒温度を活性温度まで迅速に上昇させる必要がある。一方、排気温度が高温のエンジンの高負荷時には、触媒が熱劣化するのを防止するために、触媒温度が活性温度の上限温度を超えるのを防止する必要がある。
【０００３】
そこで、触媒装置に排気ガスを導入するための熱容量が異なる二本の排気管を備え、この二本の排気管をエンジンの負荷状態に応じて切り換える排気システムがある（特許文献１参照）。この二本の排気管のうち、一方の排気管は放熱ロスが少ない暖機用の排気管であり、他方の排気管は放熱性が良い冷却用の排気管である。暖機用排気管は、放熱ロスを極力抑えるために、細くかつ短い。冷却用排気管は、放熱性を良くするために、太くかつ長い。この排気システムでは、低負荷時（特に、コールドスタート時）には暖機用排気管に切り換え、高負荷時には冷却用排気管に切り換える。
【特許文献１】特開平５−２５６１３０号公報
【特許文献２】特開２００２−１０６３２４号公報
【特許文献３】特許３３２６９９６号公報
【特許文献４】実登３０２２１７３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、二本の排気管を車両に配設する場合、暖機性を確保するためにエキゾーストマニホールドの直下等の排気系の上流に触媒装置を配置させると、冷却用排気管の配設が困難となる。というのは、エンジンから触媒装置までの距離が短いと、太くて長い冷却用排気管を配設するためのスペースが確保できないからである。また、冷却用排気管を配設できた場合でも、排気管を循環させるように配設する必要があり、広範囲な配設スペースを確保する必要がある。一方、アンダフロア等の比較的配設し易い位置に触媒装置を配置させると、暖機性を確保できない。というのは、エンジンから触媒装置までの距離が長くなると、暖機用排気管の長さも長くなり、暖機用排気管を流れる排気ガスの温度が低下してしまうからである。
【０００５】
また、近年の車両では、車室スペースの確保や車両装備の増加等によって排気管を含む排気システムの搭載スペースが制限されている。そのため、排気管を含む排気システムの省スペース化が望まれている。
【０００６】
そこで、本発明は、触媒に対する暖機性と触媒の熱劣化防止とをコンパクトな構造で実現する排気システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る排気システムは、内燃機関から排出された排気ガスを触媒により浄化する排気浄化手段を備える排気システムであって、排気浄化手段の上流側に配置され、少なくとも上流側拡張室及び下流側拡張室を有する排気消音手段と、少なくとも一部が排気消音手段内に設けられ、排気浄化手段に内燃機関からの排気ガスを導入する排気管と、排気管に開口され、排気管の排気通路と上流側拡張室とを連通する上流側開口部と、排気管に開口され、排気管の排気通路と下流側拡張室とを連通する下流側開口部と、上流側開口部及び下流側開口部を開閉する可変弁と、可変弁を制御する制御手段とを備え、可変弁によって上流側開口部及び下流側開口部を開いた場合、排気通路を遮断し、当該遮断した上流側の排気通路と上流側拡張室とを連通するとともに当該遮断した下流側の排気通路と下流側拡張室とを連通し、内燃機関から排出された排気ガスを遮断した上流側の排気通路から上流側拡張室に導入するとともに下流側拡張室から遮断した下流側の排気通路に戻し、当該遮断した下流側の排気通路から排気浄化手段に導入し、可変弁によって上流側開口部及び下流側開口部を閉じた場合、排気通路を連通し、内燃機関から排出された排気ガスを排気通路から排気浄化手段に直接導入することを特徴とする。
【０００８】
この排気システムでは、触媒によって排気ガスを浄化する排気浄化手段を備えており、排気浄化手段の上流側には排気消音手段が配設される。排気浄化手段には、少なくとも一部が排気消音手段内に設けられた排気管によって排気ガスが導入される。この排気管には、排気消音手段の上流側拡張室に連通する上流側開口部及び下流側拡張室に連通する下流側開口部が形成されている。さらに、排気システムは、この上流側開口部及び下流側開口部を開閉する可変弁が設けられ、この可変弁を制御する制御手段を備えている。この可変弁は、上流側開口部及び下流側開口部を開いた場合、排気管の排気通路を遮断するとともに、この遮断箇所より上流側の排気通路と上流側拡張室とを連通し、かつ、遮断箇所より下流側の排気通路と下流側拡張室とを連通する。したがって、排気システムでは、可変弁によって上流側開口部及び下流側開口部を開いた場合、まず、排気ガスが排気管の上流側開口部を介して上流側拡張室に入る。この上流側拡張室に入った排気ガスは、排気消音手段内を循環し、下流側拡張室に入る。そして、排気システムでは、下流側拡張室に入った排気ガスが排気管の下流側開口部を介して排気通路に入り、この排気ガスが排気浄化手段に導入される。この排気ガスは、拡張室内での拡散と排気消音手段表面からの放熱効果によって冷却されている。そのため、排気浄化手段には、低温化された排気ガスが導入されることになる。したがって、この排気システムでは、触媒温度を低下させる必要がある場合には可変弁で上流側開口部及び下流側開口部を開くことによって、排気浄化手段の触媒温度を低下させて触媒の熱劣化を防止することができる。一方、排気システムでは、可変弁によって上流側開口部及び下流側開口部を閉じた場合、排気ガスが排気管から排気浄化手段に直接導入される。排気管は排気消音手段による二重構造が断熱層となっているので、排気管を流れる排気ガスは放熱ロスが抑制される。そのため、排気浄化手段には、排気温度の低下が抑制された排気ガスが導入される。したがって、この排気システムでは、触媒温度を上昇させる必要がある場合に可変弁で上流側開口部及び下流側開口部を閉じることによって、排気浄化手段の触媒温度を迅速に上昇させて暖機性や保温性を向上させることができる。このように、この排気システムでは、排気消音手段内の構造を利用して排気ガスの温度を調節できるので、排気管の長さや太さ等によって排気ガスの温度を調整する必要がない。したがって、この排気システムは、触媒に対する暖機性や保温性と触媒の熱劣化防止とをコンパクトな構造で実現でき、省スペース化を図ることができる。
【０００９】
なお、排気消音手段を排気浄化手段の上流側に配置は、少なくとも排気消音手段の２つの拡張室が排気浄化手段より上流側に位置してればよい。上流側開口部及び下流側開口部の構成としては、上流側の排気通路と上流側拡張室とを連通する上流側開口部と下流側の排気通路と下流側拡張室とを連通する下流側開口部との２つの開口部が繋がった状態で構成してもよいし、この２つの開口部が離れた状態で構成してもよい。
【００１０】
本発明の上記排気システムでは、制御手段は、内燃機関の運転状態に基づいて可変弁を制御すると好適である。
【００１１】
この排気システムでは、制御手段によって内燃機関の運転状態に応じて可変弁による上流側開口部及び下流側開口部の開閉を制御する。内燃機関の運転状態によって排気ガスの温度（ひいては、触媒温度）を推定できるので、この排気システムでは、内燃機関の運転状態により排気浄化手段において暖機や保温が必要かあるいは触媒の熱劣化防止が必要かを的確に判断することができる。例えば、内燃機関が低負荷時には、上流側開口部及び下流側開口部を閉じるように可変弁を制御し、触媒温度の上昇を促進する。一方、内燃機関が高負荷時には、上流側開口部及び下流側開口部を開くように可変弁を制御し、触媒温度の低下を促進する。
【００１２】
なお、内燃機関の運転状態には、負荷状態、始動時や通常走行時等の走行状態、リーンやストイキ等の燃焼状態、車速等の様々な運転状態がある。
【００１３】
本発明の上記排気システムでは、制御手段は、排気浄化手段の触媒温度に基づいて可変弁を制御すると好適である。
【００１４】
この排気システムでは、制御手段によって排気浄化手段の触媒温度に応じて可変弁による上流側開口部及び下流側開口部の開閉を制御する。この排気システムでは、触媒温度により排気浄化手段において暖機や保温が必要かあるいは触媒の熱劣化防止が必要かを的確に判断することができる。例えば、触媒温度が活性温度の下限温度より低い場合あるいは活性温度範囲内の場合、上流側開口部及び下流側開口部を閉じるように可変弁を制御し、触媒温度の上昇を促進する。一方、触媒温度が活性温度の上限温度より高い場合あるいは触媒温度が上限温度に近い温度まで上昇した場合、上流側開口部及び下流側開口部を開くように可変弁を制御し、触媒温度の低下を促進する。
【００１５】
本発明の上記排気システムでは、排気浄化手段は、排気消音手段の共鳴室内に配置される構成としてもよい。
【００１６】
この排気システムでは、排気浄化手段を排気消音手段の共鳴室内に配置し、排気消音手段を共鳴室による二重構造とする。そのため、排気システムでは、この排気消音手段が断熱層となって放熱ロスを低減するので、排気浄化手段における暖機性や保温性が向上する。また、排気システムでは、この排気消音手段が防音層となって排気浄化手段において発生する排気の脈動による放射音を抑制することができる。
【００１７】
本発明の上記排気システムでは、排気浄化手段及び排気消音手段は、排気系の上流側に配置されると好適である。
【００１８】
この排気システムでは、エキゾーストマニホールドの直下等の排気系の上流に排気浄化手段及び排気消音手段を配設することによって、放熱ロスが少ない排気ガスを排気浄化手段に導入させることができる。そのため、排気システムでは、内燃機関のコールドスタート時等に、触媒温度を迅速に活性温度まで上昇させることができる。また、排気ガスの音響エネルギは排気系の上流側ほど大きいので、この排気システムでは、排気消音手段による消音効果が高くなる。そのため、この排気消音手段とは別に下流にメインの排気消音手段を備える場合、そのメインの排気消音手段の容量を従来より少なくでき、更なる省スペース化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、触媒に対する暖機性と触媒の熱劣化防止とをコンパクトな構造で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明に係る排気システムの実施の形態を説明する。
【００２１】
本実施の形態では、本発明に係る排気システムを、自動車エンジンのエキゾーストマ二ホールドの直下に配設されるサブマフラ及び触媒装置を備える排気システムに適用する。本実施の形態に係る排気システムには、触媒装置の配設する箇所の違いにより２つの実施の形態があり、第１の実施の形態では触媒装置をサブマフラの直下に配設し、第２の実施の形態では触媒装置をサブマフラの共鳴室内に配設する。
【００２２】
図１及び図２を参照して、第１の実施の形態に係る排気システム１の構成について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る排気システムの構成図である。図２は、図１のバタフライ弁周辺の拡大図である。なお、図１は、平面視した断面を示している。
【００２３】
排気システム１は、自動車に搭載され、自動車のエンジンから排出される排気ガスの排気音を消音するとともに、排気ガスに含まれる有害物質を浄化するシステムである。特に、排気システム１は、排気ガスを浄化するための触媒に対する暖機性及び保温性と触媒の熱劣化防止とを非常にコンパクトな構成で実現するシステムである。そのために、排気システム１は、サブマフラ２、排気導入管３、触媒装置４及びエンジンＥＣＵ５を備えている。さらに、排気システム１は、サブマフラ２の下流側にメインマフラ（図示せず）を備えている。また、排気システム１は、触媒装置４によって窒素酸化物を浄化するが、窒素酸化物以外の有害物質を浄化するための他の触媒装置も備えている。
【００２４】
なお、第１の実施の形態では、サブマフラ２が特許請求の範囲に記載する排気消音手段に相当し、排気導入管３が特許請求の範囲に記載する排気管に相当し、触媒装置４が特許請求の範囲に記載する排気浄化手段に相当し、エンジンＥＣＵ５が特許請求の範囲に記載する制御手段に相当する。
【００２５】
サブマフラ２は、メインマフラの補助的なマフラであり、排気ガスの音響エネルギが大きいエンジンの高負荷時（触媒温度が高温時）に排気ガスの音響エネルギを低減する。また、サブマフラ２は、排気ガスの温度の調節機能を有しており、排気ガスの熱エネルギが大きいエンジンの高負荷時に排気ガスの温度を低下させる。
【００２６】
サブマフラ２は、エキゾーストマニホールド（図示せず）の直下に配設される。サブマフラ２の内部には、エキゾーストマニホールド側（上流側）から、第１仕切板２０、第２仕切板２１が配設され、上流側拡張室２２、下流側拡張室２３、共鳴室２４が形成されている。上流側拡張室２２と下流側拡張室２３とは、第１仕切板２０を貫通する第１連通管２５を介して連通している。また、下流側拡張室２３と共鳴室２４とは、第２仕切板２１を貫通する第２連通管２６を介して連通している。
【００２７】
排気導入管３は、エキゾーストマニホールドからの排気ガスをサブマフラ２及び触媒装置４に導入させる。特に、排気導入管３では、サブマフラ２にはエンジンの高負荷時（触媒温度が高温時）のみ排気ガスを導入させる。
【００２８】
排気導入管３は、サブマフラ２の上流端部２７、第１仕切板２０、第２仕切板２１、下流端部２８を貫通し、サブマフラ２の略中央に配設される。排気導入管３の上流端は、エキゾーストマニホールドの直下に配設されるスタートキャタリスト（触媒装置）の下流端に接続される。排気導入管３の下流端は、下流端部２８に取り付けられるとともに、触媒装置４の上流端に接続される。なお、排気導入管３を配設する位置は、サブマフラ２の中央でなくてもよい。また、スタートキャタリストが配設されていない場合には、排気導入管３の上流端をエキゾーストマニホールドの合流管に直接接続してもよい。
【００２９】
また、排気導入管３の管壁には、排気導入管３によって形成される排気通路３０と上流側拡張室２２及び下流側拡張室２３とを連通する開口部３１が開口される。開口部３１は、第１仕切板２０より若干下流側を境にして、その上流側と下流側とにそれぞれ形成される上流側開口部３１ａと下流側開口部３１ｂからなる（図２参照）。この２つの開口部３１ａ，３１ｂは、排気通路３０の断面（四角形状）より若干小さい四角形状である。排気通路３０の断面形状は、上流端側及び下流端側が円形状であり、上流側開口部３１ａ及び下流側開口部３１ｂ周辺が四角形状である。つまり、排気導入管３は、上流端側の円筒形状から四角の筒形状に徐々に形状が変化し、この四角の筒形状から下流端側の円筒形状に徐々に形状が変化している。なお、排気導入管３は、その上流端から下流端まで四角の筒形状でもよい。
【００３０】
さらに、排気導入管３には、開口部３１（上流側開口部３１ａ及び下流側開口部３１ｂ）を開閉するとともに排気通路３０を遮断／連通するバタフライ弁３２が設けられる。バタフライ弁３２は、図２に示すように、開口部３１の略中央（上流側開口部３１ａと下流側開口部３１ｂとの間）に回転軸３２ａが配設され、回転軸３２ａに第１弁体３２ｂ及び第２弁体３２ｃが取り付けられている。回転軸３２ａは、アクチュエータが取り付けられ、アクチュエータによって９０°の範囲内で回転駆動される。このアクチュエータは、エンジンＥＣＵ５からの駆動信号に応じて回転軸３２ａを回転駆動する。第１弁体３２ｂと第２弁体３２ｃとは、平行に取り付けられ、一方の弁体が他方の弁体に対して回転軸３２ａの１８０°反対側に各々取り付けられる。第１弁体３２ｂは、上流側開口部３１ａを塞ぐ大きさかつ排気通路３０を塞ぐ大きさを有しており、排気通路３０の断面形状と略同程度の四角形状である。第２弁体３２ｃは、下流側開口部３１ｂを塞ぐ大きさを有しており、排気通路３０の断面形状と略同程度の四角形状である。
【００３１】
バタフライ弁３２は、開口部３１を閉じる方向（すなわち、排気通路３０を連通する方向）に回転駆動された場合、第１弁体３２ｂが上流側開口部３１ａを排気導入管３の内側から塞ぎ、第２弁体３２ｃが下流側開口部３１ｂを排気導入管３の外側から塞ぐ。その際、排気通路３０が連通されているので、エキゾーストマニホールドからの排気ガスは、排気通路３０を通って、直接、触媒装置４に流れ込む。一方、バタフライ弁３２は、開口部３１を開く方向（すなわち、排気通路３０を遮断する方向）に回転駆動された場合、第１弁体３２ｂが排気通路３０を塞ぎ、第２弁体３２ｃが第１仕切板２０の下流側の面に接する。その際、排気通路３０が遮断されるとともに第１拡張室２２と第２拡張室２３とが隔離されているので、エキゾーストマニホールドからの排気ガスは、第１拡張室２２に入り、第１連通管２５を通って第２拡張室２３に入り、第２拡張室２３から排気通路３０に戻り、触媒装置４に流れ込む。
【００３２】
触媒装置４は、排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する装置であり、Ｎｏｘ吸蔵還元触媒からなる。このＮｏｘ吸蔵還元触媒は、活性温度範囲があり、触媒温度が活性温度範囲のときに浄化作用を発揮する。触媒装置４は、サブマフラ２の直下に配設され、その上流端がサブマフラ２の下流端部２８に取り付けられるとともに排気導入管３の下流端に接続される。触媒装置４には、その上流側に触媒温度センサ４０が取り付けられている。触媒温度センサ４０は、サーミスタ等の温度センサであり、触媒の温度を検出し、その検出温度をエンジンＥＣＵ５に送信する。
【００３３】
エンジンＥＣＵ５は、ＣＰＵ[Central Processing Unit]、ＲＯＭ[Read Only Memory]、ＲＡＭ[Random Access Memory]等からなる電子制御ユニットである。エンジンＥＣＵ５は、各種センサが接続され、各種センサからの検出値に基づいて各種制御値等を設定し、エンジン及びエンジンに関する各部を制御する制御装置である。さらに、エンジンＥＣＵ５は、バタフライ弁３２を制御し、排気システム１の制御装置でもある。
【００３４】
エンジンＥＣＵ５では、触媒温度センサ４０から触媒温度を検出し、触媒温度と触媒装置４の触媒の活性温度の下限温度及び上限温度とを比較する。触媒温度が下限温度以下の場合、エンジンＥＣＵ５では、バタフライ弁３２によって開口部３１を閉じる方向に回転駆動するための駆動信号をバタフライ弁３２のアクチュエータに送信する。一方、触媒温度が上限温度以上の場合、エンジンＥＣＵ５では、バタフライ弁３２によって開口部３１を開く方向に回転駆動するための駆動信号をバタフライ弁３２のアクチュエータに送信する。触媒温度が活性温度範囲内の場合、エンジンＥＣＵ５では、通常、その触媒温度を保持するためにて開口部３１を閉じる方向に回転駆動するための駆動信号をアクチュエータに送信し、その触媒温度が上限温度近くまで上昇した場合には上限温度を超えないように開口部３１を閉じる方向に回転駆動するための駆動信号をアクチュエータに送信する。ちなみに、開口部３１を閉じる方向（又は、開く方向）に回転駆動するための制御を行う場合に既にバタフライ弁３２によって開口部３１が閉じている（又は、開いている）ときには、その状態を維持するための信号をアクチュエータに送信する。
【００３５】
また、エンジンＥＣＵ５では、触媒温度ではなく、エンジンの運転状態に基づいてバタフライ弁３２を制御してもよい。エンジンの運転状態としては、負荷状態、始動時や通常走行時等の走行状態、リーンやストイキ等の燃焼状態、車速等の様々な運転状態がある。負荷状態は、スロットルバルブの開度、吸入空気量、エンジントルク、エンジン回転数、排気ガスの温度等に基づいて、低負荷状態や高負荷状態が設定される。例えば、エンジンＥＣＵ５では、負荷状態に基づいてバタフライ弁３２を制御し、低負荷状態の場合（特に、コールドスタート時）には開口部３１を閉じる方向に回転駆動するための駆動信号をアクチュエータに送信し、高負荷状態の場合には開口部３１を開く方向に回転駆動するための駆動信号をアクチュエータに送信する。通常、低負荷状態の場合には排気ガスの温度も低く、触媒温度も低くなっており、高負荷状態の場合には排気ガスの温度も高く、触媒温度も高くなっている。
【００３６】
図１及び図２を参照して、排気システム１における動作について説明する。ここでは、触媒温度に基づいて制御する場合の動作において、触媒温度が活性温度の下限温度以下の場合と触媒温度が活性温度の上限温度以上の場合について説明する。
【００３７】
触媒温度が活性温度の下限温度以下の場合について説明する。この場合、エンジンＥＣＵ５では、開口部３１を閉じるための駆動信号をバタフライ弁３２のアクチュエータに送信する。すると、バタフライ弁３２では、第１弁体３２ｂによって上流側開口部３１ａを及び第２弁体３２ｃによって下流側開口部３１ｂを塞ぐとともに、排気通路３０を連通させる（図１及び図２において、実線で描かれた弁体参照）。したがって、エンジンから排出された排気ガスは、排気通路３０を通って、直接、触媒装置４に流れ込む（図１及び図２において、白帯矢印参照）。したがって、触媒装置４では、放熱ロスが殆どない排気ガスの熱エネルギによって、その触媒温度が迅速に上昇する。そのため、触媒温度が短時間で活性温度に到達し、触媒装置４では排気ガスに含まれる窒素酸化物の浄化を開始する。この場合、排気システム１では、サブマフラ２で消音作用を発揮しないが、下流のメインマフラで消音を行っている。ちなみに、排気ガス温度が低い低負荷状態の場合には、排気ガスの音響エネルギも小さいので、メインマフラのみで十分に消音可能である。
【００３８】
排気システム１では、サブマフラ２及び触媒装置４をエキゾーストマニホールドの直下に配設しているので、エキゾーストマニホールドからの排気ガスが触媒装置４に導入されるまで非常に短い距離しか流れていないので、排気ガスの熱エネルギの放熱ロスが少ない。特に、排気システム１では、排気導入管３とサブマフラ２とによる二重構造となっているので、サブマフラ２が断熱層となり、非常に保温性が良く、放熱ロスを更に抑制することができる。したがって、排気システム１では、開口部３１をバタフライ弁３２で閉じた場合には、触媒装置４における暖機性及び保温性が非常に良くなる。
【００３９】
触媒温度が活性温度の上限温度以上の場合について説明する。この場合、エンジンＥＣＵ５では、開口部３１を開くための駆動信号をバタフライ弁３２のアクチュエータに送信する。すると、バタフライ弁３２では、開口部３１を開くとともに、第１弁体３２ｂによって排気通路３０を遮断する（図１及び図２において、破線で描かれた弁体参照）。したがって、エンジンから排出された排気ガスは、まず、排気通路３０から上流側開口部３１ａを通って上流側拡張室２２に流れ込み、上流側拡張室２２内を拡散する（図１及び図２において、黒帯矢印参照）。さらに、排気ガスは、上流側拡張室２２から第１連通管２５を通って下流側拡張室２３に流れ込み、下流側拡張室２３内を拡散する。そして、排気ガスは、下流側拡張室２３から下流側開口部３１ｂを通って排気通路３０に流れ込み、さらに、排気通路３０を通って触媒装置４に流れ込む。触媒装置４では、低温化された排気ガスによって、その触媒温度が迅速に低下する。そのため、触媒温度が短時間で活性温度範囲内になり、触媒装置４では排気ガスに含まれる窒素酸化物の浄化を再開する。この場合、排気システム１では、メインマフラのみならず、サブマフラ２でも消音を行う。ちなみに、排気ガス温度が高い高負荷状態の場合には、排気ガスの音響エネルギも大きいので、サブマフラ２も利用して消音を行う。
【００４０】
排気システム１では、エキゾーストマニホールドからの排気ガスをサブマフラ２の拡張室２２，２３内を循環及び拡散させ、サブマフラ２の表面から排気ガスの熱エネルギを放散させるので、排気ガスの熱エネルギの放熱性が非常に良い。そのため、排気システム１では、触媒装置４までの距離が非常に短いにもかかわらず、排気ガスの温度が急速に低下するので、触媒温度を迅速に低下させることができる。したがって、排気システム１では、開口部３１をバタフライ弁３２で開いた場合には、触媒の熱劣化を防止することができる。
【００４１】
この排気システム１によれば、サブマフラ２の構造を利用することによって排気ガスの温度を調節する構成としたので、触媒に対する暖機性及び保温性と触媒の熱劣化防止とをコンパクトな構造で実現することができる。そのため、排気システム１は、排気管を２系統設ける必要がないので、省スペースに配設可能であり、構成も簡素化する。また、排気システム１では、触媒の熱劣化を防止するので、触媒装置４における触媒の容量を少なくでき、低コスト化が図れる。
【００４２】
さらに、排気システム１によれば、サブマフラ２及び触媒装置４をエキゾーストマニホールドの直下に配設するとともに排気導入管３をサブマフラ２による二重構造としたので、放熱ロスが少なく、暖機性に優れる。また、排気システム１では、排気ガスの音響エネルギが大きい場合にサブマフラ２で消音性能を発揮できるように制御するので、音響エネルギを効果的に低減することができる。また、排気システム１では、排気ガスの音響エネルギの大きいエキゾーストマニホールドの直下にサブマフラ２を配設したので、音響エネルギの低減効率が良い。そのため、下流のメインマフラの負担が軽減するので、メインマフラの容量を少なくでき、省スペース化を図ることができる。
【００４３】
特に、排気システム１では、高負荷でも触媒による浄化性能が得られるので、エンジンがリーンバーンエンジンの場合にはリーン燃焼を従来より高速域まで行うことができる。この場合、リーン燃焼期間が従来より長くなるので、燃費が良くなる。
【００４４】
図３を参照して、第２の実施の形態に係る排気システム５１の構成について説明する。図３は、第２の実施の形態に係る排気システムの構成図である。図３は、平面視した断面を示している。なお、排気システム５１では、第１の実施の形態に係る排気システム１と同様の構成要素について同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４５】
排気システム５１は、第１の実施の形態に係る排気システム１と比較すると、触媒装置５４を配設する位置のみが異なる。排気システム５１では、触媒装置５４をサブマフラ５２内に配設する。排気システム５１は、サブマフラ５２、排気導入管５３、触媒装置５４及びエンジンＥＣＵ５を備えている。
【００４６】
なお、第２の実施の形態では、サブマフラ５２が特許請求の範囲に記載する排気消音手段に相当し、排気導入管５３が特許請求の範囲に記載する排気管に相当し、触媒装置５４が特許請求の範囲に記載する排気浄化手段に相当する。
【００４７】
サブマフラ５２の内部には、エキゾーストマニホールド側から、第１仕切板２０、第２仕切板２１が配設され、上流側拡張室２２、下流側拡張室２３、共鳴室６４が形成されている。共鳴室６４は、第１の実施の形態に係るサブマフラ２の共鳴室２４より長く形成され、触媒装置５４を十分に収納可能な大きさ有している。したがって、サブマフラ５２は、サブマフラ２に比べて下流側に延びた形状を有している。
【００４８】
排気導入管５３は、サブマフラ５２の上流端部２７、第１仕切板２０、第２仕切板２１を貫通し、サブマフラ５２の中央に配設される。排気導入管５３は、共鳴室６４の途中まで延び、その下流端が触媒装置５４の上流端に接続される。
【００４９】
触媒装置５４は、サブマフラ５２の共鳴室６４内に配設され、その上流端が排気導入管５３の下流端に接続され、その下流端がサブマフラ５２の下流端部２８に取り付けられるとともに排気管７０の上流端に接続される。
【００５０】
排気システム５１の動作は、第１の実施の形態に係る排気システム１の動作と同様の動作であるので、その説明を省略する。
【００５１】
排気システム５１によれば、排気システム１と同様の効果を有する他に、以下の効果も有する。排気システム５１は、触媒装置５４が共鳴室６４内に配設されるので、触媒装置５４と共鳴室６４（サブマフラ５２）との二重構造となっており、サブマフラ５２が断熱層となり、触媒装置５４における暖機性及び保温性が向上する。また、排気システム５１は、触媒装置５４が共鳴室６４内に配設されるので、共鳴室６４（サブマフラ５２）が防音層となり、触媒装置５４で発生する放射音を低減することができる。
【００５２】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
【００５３】
例えば、本実施の形態ではサブマフラ及び触媒装置をエキゾーストマニホールドの直下に配置する構成としたが、配置スペース等の理由により、エキゾーストマニホールドの直下に配置できない場合には直下でなくてもよいが、暖機性を向上させるためにエキゾーストマニホールドに近いほどよい。
【００５４】
また、本実施の形態では２つの拡張室を有するマフラに適用したが、３つ以上の拡張室を有するマフラに適用してもよい。また、本実施の形態では排気浄化手段の触媒をＮｏｘ吸蔵還元触媒としたが、三元触媒等の他の触媒としてもよい。また、本実施の形態では可変弁としてバタフライ弁を適用したが、他の弁でもよい。
【００５５】
また、本実施の形態では排気システムの制御手段をエンジンＥＣＵに構成したが、他のＥＣＵに構成してもよいし、排気システム専用のＥＣＵでもよい。
【００５６】
また、本実施の形態では触媒温度又はエンジンの運転状態に基づいてバタフライ弁を制御する構成としたが、触媒温度と負荷状態、触媒温度と燃焼条件等の様々な条件を組み合わせて制御を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】第１の実施の形態に係る排気システムの構成図である。
【図２】図１のバタフライ弁周辺の拡大図である。
【図３】第２の実施の形態に係る排気システムの構成図である。
【符号の説明】
【００５８】
１，５１…排気システム、２，５２…サブマフラ、３，５３…排気導入管、４，５４…触媒装置、５…エンジンＥＣＵ、２０…第１仕切板、２１…第２仕切板、２２…上流側拡張室、２３…下流側拡張室、２４，６４…共鳴室、２５…第１連通管、２６…第２連通管、２７…上流端部、２８…下流端部、３０…排気通路、３１…開口部、３１ａ…上流側開口部、３１ｂ…下流側開口部、３２…バタフライ弁、３２ａ…回転軸、３２ｂ…第１弁体、３２ｃ…第２弁体、４０…触媒温度センサ、７０…排気管
【図１】
2005069063.tif 000003
【図２】
2005069063.tif 000004
【図３】
2005069063.tif 000005