(57)【要約】【課題】排気干渉を抑制できる内燃機関の排気装置を提供する。【解決手段】直列４気筒を含む内燃機関１の排気装置であって、排気通路２１と、前記排気通路の排気ガスの一部を吸気通路に再循環させる再循環通路４１と、前記再循環通路を開閉する再循環バルブ４２と、前記再循環通路に再循環する排気ガスを冷却する冷却器４３と、前記冷却器を容積室として含むヘルムホルツ式レゾネータ６０と、を備える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路と、
前記排気通路の排気ガスの一部を吸気通路に再循環させる再循環通路と、
前記再循環通路を開閉する再循環バルブと、
前記再循環通路に再循環する排気ガスを冷却する冷却器と、
前記冷却器を容積室として含むヘルムホルツ式レゾネータと、を備えた内燃機関の排気装置。
【請求項２】
前記排気通路には排気浄化触媒が設けられ、
前記再循環通路の排気通路側端部は、前記排気浄化触媒の下流に接続されている請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
【請求項３】
前記内燃機関は、直列４気筒内燃機関であって、
前記排気通路は、前記内燃機関の４つの排気ポートのうち２つの排気ポートが１つに集合した第１排気通路と、他の２つの排気ポートが１つに集合した第２排気通路と、前記第１排気通路及び前記第２排気通路が１つに集合した第３排気通路とを含み、
前記再循環通路の排気通路側端部は、前記第３排気通路に接続されている請求項１又は２に記載の内燃機関の排気装置。
【請求項４】
前記内燃機関は、直列４気筒内燃機関であって、
前記排気通路は、前記内燃機関の４つの排気ポートのうち２つの排気ポートが１つに集合した第１排気通路と、他の２つの排気ポートが１つに集合した第２排気通路と、前記第１排気通路及び前記第２排気通路が１つに集合した第３排気通路とを含み、
前記内燃機関の排気ポートから、第１排気通路と第２排気通路とが第３排気通路に合流する点までの排気通路の総合計長さが、前記第２排気通路側に比べて第１排気通路側が短く、
前記再循環通路の排気通路側端部は、前記第１排気通路に接続されている請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
【請求項５】
前記第１排気通路に第１排気浄化触媒が設けられ、前記第２排気通路に第２排気浄化触媒が設けられ、
前記再循環通路の排気通路側端部は、前記第１排気通路の前記第１排気浄化触媒の下流側に接続されている請求項４に記載の内燃機関の排気装置。
【請求項６】
前記第１排気通路は、前記内燃機関の４つの排気ポートのうち排気行程が連続しない中央部の２つの排気ポートがシリンダヘッド内で１つに集合し、シリンダヘッド出口端部から前記第３排気通路までは、１つの排気ブランチ管で構成されている請求項３〜５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気装置。
【請求項７】
前記ヘルムホルツ式レゾネータは、前記再循環通路のうち前記排気通路との接続部から前記冷却器との接続部までを共鳴管部とし、前記冷却器の内部空間を容積室として構成されている請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関の排気装置。
【請求項８】
前記再循環通路のうち前記排気通路との接続部から前記冷却器との接続部までの再循環通路は、
一端が前記冷却器に接続された第１再循環通路の他端側の一部と、
一端が前記排気通路に接続され、前記第１再循環通路より小径の第２再循環通路の他端側の一部と、が重なる二重管構造に構成され、
前記ヘルムホルツ式レゾネータは、前記冷却器の内部空間と前記第１再循環通路とを容積室とし、前記第２再循環通路を共鳴管部として構成されている請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関の排気装置。
【請求項９】
前記再循環通路に、当該再循環通路の角度を可変とする角度調整機構が設けられている請求項１〜８のいずれか一項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ものである。
【背景技術】
【０００２】
外部ＥＧＲ（排気ガス還流）通路に共鳴管と共鳴容積と逆止弁とを設け、排気の圧力変動を共鳴効果によって高くし、逆止弁により吸気系に排気を流入させることで排気再循環性能を高めるようにしたＥＧＲ装置が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１−１７７４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、十分なレゾネータ効果を得ようとするとレゾネータが大型化し、或いは、十分な大きさのレゾネータを設けることができない場合にレゾネータ効果が低下してしまうといった問題がある。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、大型化させることなく十分なレゾネータ効果が得られる内燃機関の排気装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、直列４気筒を含む内燃機関の排気通路の排気ガスの一部を吸気通路に再循環させる再循環通路に、再循環通路を開閉する再循環バルブ及びガス冷却器に加えて、ガス冷却器を容積室として含むヘルムホルツ式レゾネータを設けることによって上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、再循環バルブを閉じている場合には、ガス冷却器を容積室として含む再循環通路がヘルムホルツ式レゾネータになり、冷却効果によって音速が低下して圧力脈動到達時間が遅れるので、小さい容積でレゾネータ効果を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施の形態に係る排気装置を適用した内燃機関を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る排気装置を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る再循環通路を示す図である。
【図４】本発明の他の実施の形態に係る排気装置を示す模式図である。
【図５】本発明のさらに他の実施の形態に係る排気装置を示す模式図である。
【図６】本発明のさらに他の実施の形態に係る排気装置を示す模式図である。
【図７】本発明の一実施の形態に係る排気装置を適用した内燃機関を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る排気装置を適用した直列４気筒内燃機関１を示すブロック図であり、内燃機関１の吸気通路１１には、エアーフィルタ１２、吸入空気流量を検出するエアフローメータ１３、吸入空気流量を制御するスロットルバルブ１４およびコレクタ１５が設けられている。なお、本発明に係る排気装置が適用できる内燃機関１は直列４気筒を含むものであればよく、Ｖ型８気筒内燃機関等であってもよい。
【００１０】
スロットルバルブ１４には、当該スロットルバルブ１４の開度を検出するスロットルセンサと、第１スロットルバルブ１４の開度をＤＣモータ等のアクチュエータにより制御することができるスロットルバルブ制御装置とが設けられている。このスロットルバルブ制御装置は、運転者のアクセルペダル操作量等に基づき演算される要求トルクを達成するように、コントロールユニット５０からの駆動信号に基づき、スロットルバルブ１４の開度を電子制御する。
【００１１】
内燃機関１の各気筒の燃焼室１６に臨ませて、燃料噴射バルブ１７が設けられている。燃料噴射バルブ１７は、コントロールユニット５０において設定される駆動パルス信号によって開弁駆動され、燃料ポンプ（不図示）から圧送されてプレッシャレギュレータ（不図示）により所定圧力に制御された燃料を燃焼室１６内に直接噴射する。なお、直接噴射式に代えて燃料噴射ポートへ燃料を噴射してもよい。点火プラグ２０は、各気筒の燃焼室１６に臨んで装着され、コントロールユニット５０からの点火信号に基づいて吸入混合気に対して点火を行う。
【００１２】
一方、排気通路２１には、排気を浄化するための排気浄化触媒２４，２５が設けられている。この排気浄化触媒２４，２５としては、ストイキ（理論空燃比，λ＝１、空気重量／燃料重量＝１４．７）近傍において排気中の一酸化炭素ＣＯと炭化水素ＨＣを酸化するとともに、窒素酸化物ＮＯｘの還元を行って排気を浄化することができる三元触媒、或いは排気中の一酸化炭素ＣＯと炭化水素ＨＣの酸化を行う酸化触媒を用いることができる。排気浄化触媒２４は内燃機関１に近接して設けられる一方で、排気浄化触媒２５は車体の床裏などに設けられる。この部分の詳細は後述する。なお、図１において２３はマフラである。
【００１３】
本実施形態の内燃機関１は、排気浄化触媒２４の下流側の排気ガスを吸気通路１１に再循環させる排気ガス再循環機構（ＥＧＲ）４０を備え、所定の運転条件、たとえば低負荷領域において吸気通路１１に排気ガスを再循環させ、排気ガス温度の低下や燃費向上を図る。一方、上記所定の運転条件以外、たとえば低回転・高負荷領域においては、排気ガス再循環機構４０を停止する。
【００１４】
本例の排気ガス再循環機構４０は、排気浄化触媒２４の下流の排気通路２１と、スロットルバルブ１４の下流の吸気通路１１とを連通する再循環通路４１と、当該再循環通路４１に設けられ、再循環する排気ガスの流量を調節すべく開閉する再循環バルブ４２と、再循環させる排気ガスを冷却する冷却器４３とを備える。再循環バルブ４２はコントロールユニット５０からの制御信号によりその開閉動作が制御される。また、冷却器４２は、筐体内部に熱交換室を備える冷却器であって、再循環させる排気ガスを冷却する冷媒が循環し、排気ガスとの間で熱交換を行うことにより冷却した排気ガスを吸気通路１１へ再循環させる。
【００１５】
次に、内燃機関１本体の気筒から下流側の排気通路２１の構成について説明する。図２は、本発明の一実施の形態に係る排気通路２１の構成を示す模式図であり、内燃機関１は直列に配列された４つの気筒３１〜３４（各気筒に２つの吸気バルブと２つの排気バルブを有する１６バルブ式エンジン）を有する。すなわち図２における左側から右側に向かって第１気筒３１，第２気筒３２，第３気筒３３及び第４気筒３４は直列に配置され、第１気筒３１⇒第３気筒３３⇒第４気筒３４⇒第２気筒３２の順序で点火し、第１気筒３１と第４気筒３４及び第２気筒３２と第３気筒３３は互いに排気行程が連続しない気筒となる。
【００１６】
内燃機関１のシリンダヘッドの裏面（シリンダブロックとの接合面）には、各気筒３１〜３４に対応する位置に２対ずつ排気ポートが形成されている。すなわち、第１気筒３１に対応する位置には２つの排気ポート２１１が形成され、第２気筒３２に対応する位置には２つの排気ポート２１２が形成され、第３気筒３３に対応する位置には２つの排気ポート２１３が形成され、第４気筒３４に対応する位置には２つの排気ポート２１４が形成されている。さらに、排気ポート２１１の出口端部には排気ブランチ管２１５が接続され、排気ポート２１２の出口端部には排気ブランチ管２１６が接続され、排気ポート２１３の出口端部には排気ブランチ管２１７が接続され、排気ポート２１４の出口端部には排気ブランチ管２１８が接続されている。
【００１７】
そして、排気ブランチ管２１６と排気ブランチ管２１７は、シリンダヘッドの出口直後において一つの第１排気通路２１９に集合し、ここに排気浄化触媒２４の一方の流路が接続されている。また、排気ブランチ管２１５と排気ブランチ管２１８も、シリンダヘッドの出口直後において一つの第２排気通路２２０に集合し、ここに排気浄化触媒２４の他方の流路が接続されている。なお、同図に示す排気浄化触媒２４は、内部の流路が左右２つに仕切られ、第１排気通路２１９が左側の流路に接続され、第２排気通路２２０が右側の流路に接続されている。第１排気通路２１９と第２排気通路２２０とは、排気浄化触媒２４の下流側において所定の長さだけそのままデュアル長を保持したのち、一つの第３排気通路２２１に集合し、この下流側にさらなる排気浄化触媒２５が設けられている。
【００１８】
本例では、排気浄化触媒２４の下流側において第１排気通路２１９と第２排気通路２２０とが一つに集合した第３排気通路２２１に、再循環通路４１の基端が接続されている。
【００１９】
図３は、本例の再循環通路４１の構成を示す図であり、再循環通路４１に再循環バルブ４２と冷却器４３とが設けられているが、ヘルムホルツ式レゾネータ６０としても機能する。ヘルムホルツ式レゾネータは、ヘルムホルツの共鳴の原理を利用した共鳴器であって、排気の際に発生する排気干渉（排気ガスの脈動）を小さくする機能を司る。このため、密閉された容積室と、これに排気ガスを導く共鳴管部とを備え、ヘルムホルツレゾネータの共振（消音）周波数ｆは、ｆ＝［ｃ／２π］[Ｓ／｛Ｖ１（Ｌ＋１．６ａ）｝]1/2で示される。ただし、音速ｃ、共鳴管部の断面積Ｓ、共鳴管部の断面の半径ａ、共鳴管部の長さＬ、容積室の容積Ｖ１である。
【００２０】
図３に示す例では、再循環通路４１のうち排気通路２１との接続部Ｐ１から冷却器４３との接続部Ｐ２までの再循環通路４１の一部が、第１再循環通路４１１と第２再循環通路４１２の二重管構造とされている。第１再循環通路４１１は、一端が冷却器４３に接続され、他端側に第２再循環通路４１２の一部が気密に挿入され、第２再循環通路４１２は、第１再循環通路より小径の通路であって、一端が排気通路２１に接続され、他端側が第２再循環通路４１１に気密に挿通する。そして、本例のヘルムホルツ式レゾネータ６０は、冷却器４３の内部空間と第１再循環通路４１１とを容積室（容積Ｖ１）とし、第２再循環通路４１２を共鳴管部（管長Ｌ）として構成されている。
【００２１】
図３に示すような第１再循環通路４１１と第２再循環通路４１２との一部を二重管構造にすることで、冷却器４３に加えて第１再循環通路４１１をも容積室として機能させることができるので、共鳴周波数の設定可能範囲が広がり、コンパクトな形状であってもレゾネータ効果を充分に発揮することができる。また、二重管部分の長さを調節することで共鳴周波数を所望の値に設定することができる。
【００２２】
なお、本発明のヘルムホルツ式レゾネータ６０は、図３に示す例にのみ限定されず、第１再循環通路４１１及び第２再循環通路４１２に代えて、１本の再循環通路としてもよい。この場合は、冷却器４３の内部がヘルムホルツ式レゾネータの容積室となり、１本の再循環通路が共鳴管部となる。
【００２３】
また、実際の内燃機関１の本体に再循環通路４１を取り廻す場合に、図７に示すように、再循環通路４１の途中に蛇腹部（又は球体継ぎ手）４４を設けてもよい。排気通路２１の下流側は振動が大きいが、再循環通路４１に蛇腹部４４を設けると、排気通路２１の振動を蛇腹部４４にて吸収することができる。したがって、振動が大きい排気通路２１の下流側に再循環通路４１を接続することができ、その結果、第１排気通路２１９及び第２排気通路２２０のデュアル長を充分に長く設定できるので、特に低回転領域における排気干渉を抑制する効果が大きい。
【００２４】
以上のとおり、本例の排気装置によれば、再循環バルブ４２が閉状態（ＥＧＲ機能が停止状態）である場合は、再循環通路４１がヘルムホルツ式レゾネータ６０の作用を奏するので、４気筒内燃機関に特有の隣接する気筒からのブローダウンによる排気干渉が軽減され、気筒内に残留する排気ガス量を低減することができる。また、冷却器４３を容積室として利用しているので、ガスが冷却されることにより音速ｃが低下して圧力脈動到達時間が遅れるので、小さい容積や短い管路でもレゾネータ効果を実現することができる。
【００２５】
図２に示す実施形態では、再循環通路４１を第３排気通路２２１に接続したが、第１排気通路２１９又は第２排気通路２２０に接続してもよい。図４は、本発明に係る排気装置において再循環通路４１を第１排気通路２１９に接続した実施形態を示す模式図である。その他の構成は図２に示す実施形態と同じであるためその説明をここに援用し、省略する。なお、排気ポートから、第１排気通路２１９と第２排気通路２２０とが第３排気通路２２１に合流する点までの排気通路の総合計長さ、すなわち、中央寄りの２気筒に関して言えば、第２気筒３２，第３気筒３３に接続する排気ブランチ管２１６,２１７の長さと、第１排気通路２１９の長さの合計の長さ、或いは外側寄りの２気筒に関して言えば、第１気筒３１，第４気筒３４に接続する排気ブランチ管２１５,２１８の長さと、第２排気通路２２０の長さの合計の長さを、デュアル部分の長さと呼ぶとすれば、中央寄りの２気筒に対応する第１排気通路２１９側は、外側寄りの２気筒に対応する第２排気通路２２０側に比べてデュアル部分の長さが短いものとする。
【００２６】
同図に示すように、各気筒からの排気通路については、シリンダブロックから排気浄化触媒までの長さＬ１はほぼ等しく設定されているが、２つの排気ブランチ管が一つに集合してから排気浄化触媒までの長さＬ２１９，Ｌ２２０は異なることがある。たとえば、直列４気筒内燃機関においては第２気筒３２及び第３気筒３３からの排気通路を集合した第１排気通路２１９の方が、第１気筒３１及び第４気筒３４からの排気通路を集合した第２排気通路２２０より長くなり易く、この結果、第１排気通路２１９側の排気ブランチ管２１６,２１７の長さが短くなって、結局合計の長さであるデュアル部分の長さが短くなることが少なくない。しかし、このようにして合計の長さであるデュアル部分の長さが短いと、特に低回転域における排気干渉が大きくなるため、デュアル部分の長さが短い側の第１排気通路２１９に再循環通路４１を接続することで、排気干渉を抑制する。
【００２７】
図５は、さらに他の実施形態を示す模式図であり、図４の排気浄化触媒２４に代えて２つの独立した排気浄化触媒２４Ａ，２４Ｂを第１排気通路２１９と第２排気通路２２０にそれぞれ設けた実施形態である。上述した図２及び図４に示す実施形態では、一つの排気浄化触媒２４の内部を２つの領域に仕切っていたが、図５に示すように筐体ごと独立した２つの排気浄化触媒２４Ａ，２４Ｂを用いてもよい。
【００２８】
図６は、さらに他の実施形態を示す模式図であり、図５の実施形態に比べてシリンダヘッドから排気浄化触媒２４Ａ，２４Ｂまでの構成が相違する。すなわち、図６の内燃機関１では、第２気筒３２からの排気ポート２１２と第３気筒３３からの排気ポート２１３とがシリンダヘッド内で一つの排気ポートに集合し、ここから排気浄化触媒２４Ａまでが第１排気通路２１９とされている。こうすることで内燃機関１から排気浄化触媒２４までの構成が簡素化され、よりコンパクトな排気装置となる。この様な場合にも、デュアル部分の長さが短い側の第１排気通路２１９に再循環通路４１を接続することで、効果的に排気干渉を抑制することができる。
【００２９】
上記蛇腹部４４は本発明に係る角度調整機構に相当する。
【符号の説明】
【００３０】
１…内燃機関
１１…吸気通路
１２…エアーフィルタ
１３…エアフローメータ
１４…スロットルバルブ
１５…コレクタ
１６…燃焼室
１７…燃料噴射バルブ
２０…点火プラグ
２１…排気通路
２１１，２１２，２１３，２１４…排気ポート
２１５，２１６，２１７，２１８…排気ブランチ管
２１９…第１排気通路
２２０…第２排気通路
２２１…第３排気通路
２３…マフラ
２４…排気浄化触媒
２５…排気浄化触媒
３１…第１気筒
３２…第２気筒
３３…第３気筒
３４…第４気筒
４０…排気ガス再循環機構
４１…再循環通路
４２…再循環バルブ
４３…冷却器
４４…蛇腹部（角度調整機構）
５０…コントロールユニット
６０…ヘルムホルツ式レゾネータ
【図１】
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【図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】
2013241849.tif 000008
【図７】
2013241849.tif 000009