(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各気筒にそれぞれ接続された気筒毎の上流側メイン通路およびこの複数の上流側メイン通路が１本の流路に合流してなる下流側メイン通路を含むメイン通路と、
上記下流側メイン通路の途中に介装されたメイン触媒コンバータと、
上記上流側メイン通路の上流側部分からそれぞれ分岐した上流側バイパス通路およびこの複数の上流側バイパス通路が１本の流路に合流してなる下流側バイパス通路を含むバイパス通路と、
上記下流側バイパス通路の途中に介装されたバイパス触媒コンバータと、
各気筒から排出された排気が上記バイパス通路へ流れるように上記メイン通路を開閉する流路切換弁と、
を備えてなる内燃機関の排気装置であって、
上記上流側メイン通路を構成する排気マニホルドがシリンダヘッド側面に取り付けられて機関の側方へ延びており、この排気マニホルドの下方の空間に、上記バイパス触媒コンバータが配置されているとともに、
上記バイパス触媒コンバータの上方を横切る上記排気マニホルドの各ブランチ管が、略円筒状をなす上記バイパス触媒コンバータを抱き込むように湾曲していることを特徴とする内燃機関の排気装置。
【請求項２】
各気筒にそれぞれ接続された気筒毎の上流側メイン通路およびこの複数の上流側メイン通路が１本の流路に合流してなる下流側メイン通路を含むメイン通路と、
上記下流側メイン通路の途中に介装されたメイン触媒コンバータと、
上記上流側メイン通路の上流側部分からそれぞれ分岐した上流側バイパス通路およびこの複数の上流側バイパス通路が１本の流路に合流してなる下流側バイパス通路を含むバイパス通路と、
上記下流側バイパス通路の途中に介装されたバイパス触媒コンバータと、
各気筒から排出された排気が上記バイパス通路へ流れるように上記メイン通路を開閉する流路切換弁と、
を備えてなる内燃機関の排気装置であって、
上記内燃機関は、車両前部に横置形式に搭載されており、上記上流側メイン通路を構成する排気マニホルドが、車両後方に向かう側のシリンダヘッド側面に取り付けられて機関の側方へ延びており、
さらに上記排気マニホルドは、車両のダッシュパネルに沿うように上記シリンダヘッド側面から斜め下方へ延びており、シリンダブロック側面との間に生じる空間に、上記バイパス触媒コンバータが配置されていることを特徴とする内燃機関の排気装置。
【請求項３】
上記バイパス触媒コンバータは、その流れの軸線が内燃機関の前後方向に沿う姿勢で配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気装置。
【請求項４】
上記バイパス触媒コンバータは、内燃機関の前後方向に沿って延びた筒状の形状をなし、入口部が内燃機関一端のブランチ管の下方に位置し、出口部が内燃機関他端のブランチ管の下方に位置することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の排気装置。
【請求項５】
上記内燃機関は、車両前部に横置形式に搭載されており、車両後方に向かう内燃機関側面に上記排気マニホルドが取り付けられている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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、触媒コンバータで排気浄化を行う内燃機関の排気装置、特に、メイン触媒コンバータが活性化していない冷間始動直後に、別の触媒コンバータを備えたバイパス通路側に排気を案内するようにした形式の排気装置の改良に関する。
【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通路の上流側部分と並列にバイパス通路を設けるとともに、このバイパス通路に、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、バイパス通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】
上記従来の排気装置では、バイパス通路は、排気マニホルドの合流点よりも下流側においてメイン通路から分岐している。つまり、多気筒内燃機関において、各気筒の排気通路が１本の通路に合流した合流点よりも下流側の部分で、メイン通路とバイパス通路とが並列に配置された構成となっている。従って、バイパス通路に介装されたバイパス触媒コンバータは、メイン触媒コンバータよりは上流側位置となるものの、各気筒の排気ポートからの距離はかなり大きく、始動直後から直ちに排気浄化を開始することができない。
【０００５】
しかも、排気マニホルドの下流側でバイパス通路へと分岐するので、大型部品である排気マニホルド全体の熱容量によって、バイパス通路へ流入する排気の温度が低下し、それだけバイパス触媒コンバータによる排気浄化の開始が遅れてしまう。
【０００６】
またこの種のバイパス通路を備えた排気装置においては、一般に、装置が大型化し、特に、バイパス触媒コンバータを内燃機関に近づけて配置しようとすると、車両のエンジンルーム内に収容することが困難になる虞がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る内燃機関の排気装置は、各気筒にそれぞれ接続された気筒毎の上流側メイン通路およびこの複数の上流側メイン通路が１本の流路に合流してなる下流側メイン通路を含むメイン通路と、上記下流側メイン通路の途中に介装されたメイン触媒コンバータと、上記上流側メイン通路の上流側部分からそれぞれ分岐した上流側バイパス通路およびこの複数の上流側バイパス通路が１本の流路に合流してなる下流側バイパス通路を含むバイパス通路と、上記下流側バイパス通路の途中に介装されたバイパス触媒コンバータと、各気筒から排出された排気が上記バイパス通路へ流れるように上記メイン通路を開閉する流路切換弁と、を備えている。そして、特に、上記上流側メイン通路を構成する排気マニホルドがシリンダヘッド側面に取り付けられて機関の側方へ延びており、この排気マニホルドの下方の空間に、上記バイパス触媒コンバータが配置されている。
【０００８】
具体的な一つの態様では、上記バイパス触媒コンバータは、その流れの軸線が内燃機関の前後方向に沿う姿勢で配置されている。あるいは、上記バイパス触媒コンバータは、内燃機関の前後方向に沿って延びた筒状の形状をなし、入口部が内燃機関一端のブランチ管の下方に位置し、出口部が内燃機関他端のブランチ管の下方に位置する。また本発明の一つの態様では、上記バイパス触媒コンバータの上方を横切る上記排気マニホルドの各ブランチ管が、略円筒状をなすバイパス触媒コンバータを抱き込むように湾曲している。
【０００９】
本発明は、例えば、車両前部にいわゆる横置形式に搭載され、かつ車両後方に向かう内燃機関側面に上記排気マニホルドが取り付けられている形式の内燃機関に好適である。
【００１０】
具体的な一つの態様では、上記排気マニホルドは、車両のダッシュパネルに沿うように内燃機関のシリンダヘッド側面から斜め下方へ延びており、シリンダブロック側面との間に生じる空間に、上記バイパス触媒コンバータが配置されている。
【００１１】
本発明の排気装置においては、バイパス通路の少なくとも上流側部分は、気筒数と同じ数の通路となっており、メイン通路つまり上流側メイン通路の合流点よりも上流側の位置において、該上流側メイン通路からそれぞれ分岐する。従って、メイン通路の合流点の位置に制約されずに、バイパス触媒コンバータをより上流側に配置することが可能となる。また、バイパス通路側へ分岐する点が各気筒に近い位置となるので、冷間始動直後などに、メイン通路（排気マニホルド）の熱容量による冷却作用を比較的受けずにバイパス流路側に排気が流入する。
【００１２】
すなわち、冷間始動直後などには、上記流路切換弁がメイン通路を閉じ、これにより、各気筒から吐出される排気は、バイパス触媒コンバータを備えたバイパス通路側を流れる。バイパス触媒コンバータは排気系の中の上流側に位置するので、早期に温度上昇して活性化し、排気浄化が開始される。
【００１３】
ここで、例えば、車両前部にいわゆる横置形式に搭載され、かつ車両後方に向かう内燃機関側面に排気系が設けられる形式の内燃機関にあっては、シリンダヘッド側面から車両後方へ延びる排気マニホルドの下方に、ある程度のデッドスペースが生じる。従って、上記のようにバイパス触媒コンバータを排気マニホルドの下面に配置することで、デッドスペースを有効利用して排気装置を含む内燃機関全体の小型化が図れるとともに、バイパス触媒コンバータを、排気系のより上流側、つまり排気ポートに近い位置に配置することが可能となる。特に、このバイパス通路側は、主に冷間始動直後などの大出力を要求されない条件下で排気が通流するので、流路の方向が大きく変化することで圧力損失が多少増加しても実用上支障がない。そのため、例えば、内燃機関の前後方向（クランクシャフト軸方向）に沿ってバイパス触媒コンバータを配置することで、排気マニホルド下面の空間を最大限に利用できる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、排気マニホルドとして構成されるメイン通路の合流点の位置に制約されずに、バイパス触媒コンバータをより上流側つまり各気筒の排気ポートに近い位置に配置することが可能となり、しかもメイン通路を構成する排気マニホルドの熱容量による冷却作用が低減するので、冷間始動後、早期に排気浄化作用を得ることができる。そして、排気マニホルド下面に生じるデッドスペースを有効利用して装置全体の小型化が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
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、排気系全体の構成を説明する。
【００１７】
直列に配置された♯１気筒〜♯４気筒からなる各気筒１には、気筒毎に上流側メイン通路２が接続されている。４つの気筒の中で、排気行程が連続しない♯１気筒の上流側メイン通路２と♯４気筒の上流側メイン通路２とが１本の中間メイン通路３として合流しており、同様に排気行程が連続しない♯２気筒の上流側メイン通路２と♯３気筒の上流側メイン通路２とが１本の中間メイン通路３として合流している。ここで、各々の上流側メイン通路２には、それぞれ流路切換弁４が設けられている。この流路切換弁４は、冷間時に閉じられるものであって、全気筒を一斉に開閉するように、４個の流路切換弁４が１つのバルブユニット５として構成されている。
【００１８】
流路切換弁４の下流に位置する２本の中間メイン通路３は、合流点６において互いに合流し、１本の下流側メイン通路７となる。この下流側メイン通路７の途中には、メイン触媒コンバータ８が介装されている。このメイン触媒コンバータ８における触媒としては、三元触媒とＨＣトラップ触媒とを含んでいる。なお、このメイン触媒コンバータ８は、車両の床下に配置される容量の大きなものである。以上の上流側メイン通路２と中間メイン通路３と下流側メイン通路７とメイン触媒コンバータ８とによって、通常の運転時に排気が通流するメイン通路が構成される。このメイン通路は、直列４気筒内燃機関において周知の「４−２−１」の形で集合する配管レイアウトとなっており、従って、排気動的効果を利用した充填効率向上が実現される。
【００１９】
一方、バイパス通路として、上流側メイン通路２の各々から、上流側バイパス通路１１が分岐している。この上流側バイパス通路１１は、上流側メイン通路２よりも通路断面積が十分に小さなものであって、その上流端となる分岐点１２は、上流側メイン通路２のできるだけ上流側の位置に設定されている。そして、４つの気筒の上流側バイパス通路１１は、最終的に合流点１５において１本の下流側バイパス通路１６として互いに合流している。ここで、バイパス通路全体の通路長（各気筒のバイパス通路の総和）を短くして、配管自体の熱容量ならびに外気に対する放熱面積を小さくすることが重要であり、後述するように、♯１気筒の分岐点１２から気筒列方向に沿って延びた♯１気筒の上流側バイパス通路１１に、残りの３つの気筒の上流側バイパス通路１１が略直角に接続されている。
【００２０】
上記下流側バイパス通路１６の下流端は、下流側メイン通路７のメイン触媒コンバータ８より上流側の合流点１７において、下流側メイン通路７に合流している。そして、上記下流側バイパス通路１６の途中には、三元触媒を用いたバイパス触媒コンバータ１８が介装されている。このバイパス触媒コンバータ１８は、バイパス通路の中で、可能な限り上流側に配置されている。また、本実施例では、バイパス触媒コンバータ１８の下流側に、独立したケーシングを有する第２のバイパス触媒コンバータ１９が直列に配置されている。上記バイパス触媒コンバータ１８および第２のバイパス触媒コンバータ１９は、メイン触媒コンバータ８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。なお、２つのバイパス触媒コンバータ１８，１９でそれぞれ異なる触媒を利用することも可能である。
【００２１】
図１は、あくまでも排気の流れを説明するための説明図であって、実際の内燃機関における各部の位置を正確に示したものではない。上記バイパス触媒コンバータ１８は、図１ではメイン触媒コンバータ８と平行に示されているが、実際には、これと略９０°異なり、気筒列方向に沿って配置されている。
【００２２】
上記のように構成された排気装置においては、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４が閉じられ、メイン通路が遮断される。そのため、各気筒１から吐出された排気は、その全量が、分岐点１２から上流側バイパス通路１１を通してバイパス触媒コンバータ１８へと流れる。バイパス触媒コンバータ１８は、排気系の上流側つまり気筒１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。また、このとき、流路切換弁４が閉じることで、各気筒１の上流側メイン通路２が互いに非連通状態となる。そのため、ある気筒から吐出された排気が他の気筒の上流側メイン通路２へと回り込む現象が防止され、この回り込みに伴う排気温度の低下が確実に回避される。
【００２３】
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４が開放される。これにより、各気筒１から吐出された排気は、主に、上流側メイン通路２から下流側メイン通路７を通り、メイン触媒コンバータ８を通過する。このときバイパス通路側は特に遮断されていないが、バイパス通路側の方がメイン通路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１８および第２のバイパス触媒コンバータ１９が介在しているので、両者の通気抵抗の差により、排気流の大部分はメイン通路側を通り、バイパス通路側には殆ど流れない。従って、バイパス触媒コンバータ１８の熱劣化は十分に抑制される。またバイパス通路側が完全に遮断されないことから、排気流量が大となる高速高負荷時には、排気流の一部がバイパス通路側を流れることで、背圧による充填効率低下を回避することができる。
【００２４】
図２は、上記の排気装置のより具体的な構成を車載状態で示している。シリンダブロック３２とシリンダヘッド３３とを含む直列４気筒の内燃機関３１は、車両前部のエンジンルーム内にいわゆる横置形式に搭載されており、シリンダヘッド３３の車両後方へ向かう側面に、上流側メイン通路２に相当する４本のブランチ管３６を備えた排気マニホルド３５が取り付けられている。この排気マニホルド３５は、中間部に上記流路切換弁４となるバルブユニット５を備え、かつ出口管３７部分において１本の流路に集合している。そして、上記出口管３７に、メイン触媒コンバータ８を備えた下流側メイン通路７となるフロントチューブ３８が接続されている。これらの排気系は、全体として内燃機関３１から車両後方へと延びている。なお、メイン触媒コンバータ８の下流側に消音器３９が設けられている。
【００２５】
ここで、上記メイン触媒コンバータ８は消音器３９とともに車体フロアパネル４０の下面に配置されている。また、上記排気マニホルド３５は、車体のダッシュパネル４１に沿うように、シリンダヘッド３３の高さ位置から床下の高さ位置へ向かって斜め下方へ延びている。特に、シリンダヘッド３３に接続される各ブランチ管３６の上流側部分は、滑らかに下方へ向かうように、湾曲形状をなしている。そして、この排気マニホルド３５の各ブランチ管３６の下方の空間、特に、排気マニホルド３５とシリンダブロック３２側面との間でかつできるだけ上方寄りの位置に、バイパス触媒コンバータ１８が配置されている。このバイパス触媒コンバータ１８は、各端部が入口部および出口部となる略円筒状のもので、その流れの軸線が内燃機関３１の前後方向（クランクシャフト軸方向）に沿う姿勢で配置されている。つまり、上方の湾曲形状をなす各ブランチ管３６が、略円筒状のバイパス触媒コンバータ１８を抱き込むようなレイアウトとなっている。なお、上記排気マニホルド３５とダッシュパネル４１との間には、熱害防止ならびに衝突安全性の上で必要な空間Ｌが与えられている。
【００２６】
図３および図４は、上記排気マニホルド３５の具体的な構成を示しており、図３は平面図、図４は側面図である。バルブユニット５は、正方形の頂点となる位置にそれぞれの流路切換弁４を配置したものであって、４本のブランチ管３６は、その上流端がシリンダヘッド取付フランジ４１にそれぞれ接続され、かつ下流端が上記バルブユニット５に接続されている。上述したように、略円筒状のバイパス触媒コンバータ１８は、これら４本のブランチ管３６の下方に配置されている。また、上流側バイパス通路１１に相当するバイパス管４２が、上記ブランチ管３６の下方を通り、かつ上記シリンダヘッド取付フランジ４１と平行に、つまり気筒列方向に延びている。このバイパス管４２は、図４に示すように、各ブランチ管３６の上流端近傍にそれぞれ接続されている。そして、気筒列の一端の気筒（例えば♯１気筒）から他端の気筒（例えば♯４気筒）側へと延びた上記バイパス管４２の端部は、Ｕターンするように折り返され、バイパス触媒コンバータ１８の入口部１８ａに接続されている。上述のように気筒列方向に沿って配置されたバイパス触媒コンバータ１８の入口部１８ａは、♯４気筒付近に位置し、他端の出口部１８ｂは、♯１気筒付近に位置する。つまり、４本のブランチ管３６が拡がっている気筒列方向の寸法を最大限に利用するように、バイパス触媒コンバータ１８がその下面側に配置されている。上記出口部１８ｂには、車両後方へ向かって曲がった形に第２のバイパス触媒コンバータ１９が接続されている。この第２のバイパス触媒コンバータ１９は、バルブユニット５の側方かつ下方に並んだ形に配置されている。
【００２７】
上記のようにバイパス触媒コンバータ１８を気筒列方向に向けた姿勢で排気マニホルド３５の下方に配置することで、図２に示すように、排気マニホルド３５とシリンダブロック３２との間に生じるデッドスペースを有効に利用することができる。つまり、シリンダヘッド３３から床下位置へと延びるメイン通路２（ブランチ管３６、フロントチューブ３８）は、最大出力時の通路抵抗を考慮する必要があるため、あまり極端に屈曲させることはできず、シリンダヘッド３３から滑らかに斜め下方へ変化させることになるため、シリンダブロック３２側面との間に、比較的大きなスペースが生じやすい。従って、このスペースをバイパス触媒コンバータ１８の収容に利用することで、装置全体が小型化する。特に、バイパス触媒コンバータ１８を気筒列方向に沿った姿勢とすることで、限られたスペースの中で、該バイパス触媒コンバータ１８の容量を十分に大きなものとすることができる。なお、このように、バイパス触媒コンバータ１８を気筒列方向に沿った姿勢とすると、バイパス通路の排気流は複数回大きく屈曲することになるが、このバイパス通路側の通路抵抗は、機関の最大出力に影響せず、かつバイパス通路が使用される時間も短時間であるので、実質的に問題とならない。そして、上記構成では、バイパス触媒コンバータ１８が各排気ポートに非常に近づいた位置となり、排気ポートを出た排気がバイパス管４２を経て直ちにバイパス触媒コンバータ１８に流入し得る。従って、バイパス触媒コンバータ１８に至る排気経路の熱容量や外部への放熱が最小限となり、それだけバイパス触媒コンバータ１８による排気浄化を早期に開始することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明に係る排気装置の構成を模式的に示す構成説明図。
【図２】車載状態で示す説明図。
【図３】具体的な排気マニホルドの平面図。
【図４】同じく側面図。
【符号の説明】
【００２９】
２…上流側メイン通路
３…中間メイン通路
４…流路切換弁
７…下流側メイン通路
８…メイン触媒コンバータ
１１…上流側バイパス通路
１６…下流側バイパス通路
１８…バイパス触媒コンバータ
１９…第２のバイパス触媒コンバータ
３５…排気マニホルド
３６…ブランチ管
【図１】
0004591270.tif 000002
【図２】
0004591270.tif 000003
【図３】
0004591270.tif 000004
【図４】
0004591270.tif 000005