(57)【要約】【課題】触媒暖機性の向上と、排気冷却を両立することを課題とする。【解決手段】二次空気供給装置は、内燃機関が備える排気ポートの長手方向に沿って延設した複数の排気冷却フィンと、前記複数の排気冷却フィンのうち、隣り合う排気冷却フィンの間に形成される溝部に開口する二次空気供給口と、前記二次空気供給口から二次空気を噴射する空気噴射装置と、を備える。前記二次空気供給口は、前記溝部の開放縁部の近傍に開口する。これにより、二次空気による空気層が形成され、その断熱効果により排気の温度が維持され、触媒暖機性が向上する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関が備える排気ポートの長手方向に沿って延設した複数の排気冷却フィンと、
前記複数の排気冷却フィンのうち、隣り合う排気冷却フィンの間に形成される溝部に開口する二次空気供給口と、
前記二次空気供給口から二次空気を噴射する空気噴射装置と、
を、備える二次空気供給装置。
【請求項２】
前記二次空気供給口は、前記溝部の開放縁部の近傍に開口する請求項１に記載の二次空気供給装置。
【請求項３】
前記空気噴射装置は、前記排気ポートの下流側に配置された触媒の温度が暖機完了と判断される温度よりも高く、前記内燃機関内を循環し前記排気ポートの外側を流通する冷却水の温度が前記内燃機関の暖機完了と判断される温度よりも低いときに前記二次空気供給口から噴射される二次空気の量を減量して前記二次空気の噴射を継続する請求項１または２に記載の二次空気供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次空気供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの排気通路に配設される排気浄化触媒（三元触媒、ＮＯｘ触媒、酸化触媒等）は所定の温度以上で活性化する。このため、エンジン始動時など排気温度がその触媒活性温度に達しないときには、浄化能力が十分に発揮されない。そこで、排気温度が触媒活性温度に達していないときに、排気浄化触媒よりも上流側から排気に対して二次空気を供給し、排気中の未燃成分を酸化すると共に排気温度を上昇させる二次空気供給装置が知られている。二次空気の供給場所としては、例えば、シリンダヘッドの排気ポートなどを挙げることができる。
【０００３】
ところで、内燃機関の排気に対する規制が強まる中、内燃機関には、高負荷時の排気冷却と、冷間始動時の触媒暖機性向上とが求められている。
【０００４】
特許文献１には、排気通路内壁面または冷却水通路の内壁面をフィン形状にすると共に排気絞り手段を設け、排気の流れを絞ったときの圧力損失に起因して発生する熱の回収効率を向上させる提案がされている。このような提案を応用すれば、排気流速の向上によって排気の酸化が促進され、触媒の暖機性を向上させ、また、排気の流れの絞りを開放し、排気流速を増加させることによって排気冷却を図ることも可能であると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３１７９９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に開示された提案を二次空気供給装置に応用する場合、折角昇温した排気がフィン形状部によって冷却され、二次空気を導入する位置によっては、冷却された排気に二次空気が添加されることになって排気の昇温性が損なわれる可能性がある。
【０００７】
そこで本明細書開示の二次空気供給装置は、触媒暖機性の向上と、排気冷却を両立することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本明細書開示の二次空気供給装置は、内燃機関が備える排気ポートの長手方向に沿って延設した複数の排気冷却フィンと、前記複数の排気冷却フィンのうち、隣り合う排気冷却フィンの間に形成される溝部に開口する二次空気供給口と、前記二次空気供給口から二次空気を噴射する空気噴射装置と、を備える。隣り合う排気冷却フィンの間に形成される溝部に開口する二次空気供給口を備えることにより、溝部に二次空気供給口から噴射された二次空気による空気層を形成することができる。排気冷却フィンは、内燃機関の高負荷時には排気を冷却することができる。その一方で、排気冷却フィンは、触媒の暖機促進が要請されるときにも排気との熱交換により排気の温度を低下させる可能性がある。二次空気による空気層は、排気冷却フィンと排気との熱交換を抑制することができる。この結果、触媒暖機性が向上する。また、隣り合う排気冷却フィンの間に形成される溝部に開口する二次空気供給口を備えることにより、溝部を通過する排気と二次空気との酸化反応が促進され、排気の温度が上昇し易くなり、触媒暖機性が向上する。
【０００９】
前記二次空気供給口は、前記溝部の開放縁部の近傍に開口することが望ましい。二次空気供給口が溝部の開放縁部の近傍に開口することにより、排気冷却フィン間で二次空気による空気層が形成され易くなる。そして、排気冷却フィンを空気層で覆うことにより、断熱効果を得て、触媒暖機性を向上させることができる。
【００１０】
前記空気噴射装置は、前記排気ポートの下流側に配置された触媒の温度が暖機完了と判断される温度よりも高く、前記内燃機関内を循環し前記排気ポートの外側を流通する冷却水の温度が前記内燃機関の暖機完了と判断される温度よりも低いときに前記二次空気供給口から噴射される二次空気の量を減量して前記二次空気の噴射を継続することができる。
【００１１】
排気ポートの外側にはウォータジャケットが形成され、冷却水が流通している。そこで、二次空気供給口から噴射される二次空気の量を減量して空気層の形成を抑制する。これにより、冷却水が排気冷却フィンを介して排気の熱によって温められ、内燃機関の暖機が促進される。
【発明の効果】
【００１２】
本明細書に開示された二次空気供給装置によれば、触媒暖機性の向上と、排気冷却を両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は第１実施形態の二次空気供給装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は二次空気供給口の配置を示す説明図である。
【図３】図３は排気冷却フィンの周辺を拡大して示す説明図である。
【図４】図４は二次空気による空気層を示す説明図である。
【図５】図５は触媒入りガス温度の時間変化を示すグラフの一例である。
【図６】図６は二次空気供給口の他の形態を示す説明図である。
【図７】図７は二次空気供給口の他の形態を示す説明図である。
【図８】図８は第２実施形態の二次空気供給口を示す説明図である。
【図９】図９は二次空気供給口の他の形態を示す説明図である。
【図１０】図１０は二次空気供給口のさらに他の形態を示す説明図である。
【図１１】図１１（Ａ）〜（Ｂ）は第３実施形態の二次空気供給口の位置を示す説明図である。
【図１２】図１２は触媒入りガス温度の時間変化を示すグラフである。
【図１３】図１３（Ａ）、（Ｂ）は二次空気の流れ方向を制御する制御弁の動作を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。
【００１５】
（第１実施形態）
二次空気供給装置１は、内燃機関が備える排気ポート２の長手方向に沿って延設した複数の排気冷却フィン３ａ、３ｂ及び３ｃを備える。排気ポート２の下流側には、エキゾーストマニホールド４が設けられている。エキゾーストマニホールド４の下流側には、排気触媒５が設けられている。排気ポート２の周辺には、ウォータジャケット１１が形成されており、その内部を冷却水が流通している。排気ポート２には、排気弁６が開弁することによって排気が流入する。排気冷却フィン３ａ、３ｂ及び３ｃは、排気弁６から離れた側、換言すれば、排気弁６によって開閉される燃焼室から離れた側の内周壁面に設けられている。排気ガスは、排気ポート２内をエキゾーストマニホールド４及び排気触媒５に向かって流れる。排気冷却フィン３ａ、３ｂ及び３ｃは、このような排気の流れる方向に沿って、延設されている。
【００１６】
図２を参照すると、排気冷却フィン３ａ、３ｂ及び３ｃは、並列して設けられており、隣り合う排気冷却フィン３ａと３ｂとの間に第１溝部７ａが形成されている。また、隣り合う排気冷却フィン３ｂと３ｃとの間に第２溝部７ｂが形成されている。
【００１７】
二次空気供給装置１は、排気に向かって二次空気を供給する（ＡＩ）ための空気ポンプ８及びＡＩ供給ポート９を備えている。空気ポンプ８及びＡＩ供給ポート９は、二次空気を噴射する空気噴射装置に含まれる。空気ポンプ８はＥＣＵ（Electronic control unit）３０と電気的に接続されており、空気の噴射量が制御されている。二次空気は、ＡＩ供給ポート９を通じて二次空気供給口１０から排気ポート２内へ噴射される。ここで、二次空気供給口１０は、第１溝部７ａ及び第２溝部７ｂに開口している。より具体的には、第１溝部７ａの底部７ａ１及び第２溝部７ｂの底部７ｂ１に開口している。図３を参照すると、二次空気供給口１０は、排気ポート２の上流側、下流側及び排気ポート２の内側に向かって開口している。
【００１８】
第１溝部７ａや第２溝部７ｂが設けられたことにより、排気ポート２内を流れる排気の流速は、向上する。これにより、二次空気が導入されないときの排気の冷却効率が向上する。例えば、内燃機関の高負荷時に効率的に排気冷却を行うことができる。また、排気の流速が速い第１溝部７ａの底部７ａ１や第２溝部７ｂの底部７ｂ１に二次空気供給口１０を開口させて、二次空気を排気に向かって噴射するため、二次空気と排気との酸化反応が促進される。二次空気と排気との酸化反応が促進されると、発熱量が増し、触媒暖機性が向上する。
【００１９】
また、第１溝部７ａの底部７ａ１や第２溝部７ｂの底部７ｂ１に二次空気供給口１０を開口させたことにより、二次空気は、底部７ａ１に沿って流れる。図４を参照すると、二次空気供給口１０から噴射された二次空気は、排気ポート２の上壁面と排気との間に空気層１２を形成する。この空気層１２は、断熱層として機能する。具体的に、高温の排気が排気ポート２の外部への熱伝達により冷却されることを抑制することができる。排気ポート２の外側には、ウォータジャケット１１が設けられており、冷却水が流通している。空気層１２が形成されることにより、排気の熱は、排気ポート２の外側へ伝達（放熱）されにくくなり、排気の温度が保たれる。
【００２０】
ここで、図５を参照して、排気触媒５へ導入される排気温度（触媒入りガス温度）の時間変化について説明する。図５中、実線は、第１実施形態の二次空気供給装置１を用いた場合の排気温度の推移を示している。図５中、破線は、ＡＩ導入を行った場合の排気温度の推移を示している。さらに、図５中、一点鎖線は、ＡＩ導入が行われなかった場合の排気温度の推移を示している。ＡＩ導入が行われることにより、酸化反応に起因する発熱があり、この結果、排気温度が上昇する。さらに、第１実施形態のように、空気層１２が形成されると、その断熱効果により、さらに排気の温度を向上させることができる。この結果、触媒暖機性が向上する。このように、第１実施形態の二次空気供給装置１は、ＡＩ実施の酸化促進効果と、空気層による断熱効果とによって、触媒暖機性を向上させることができる。
【００２１】
なお、排気ポート２の壁面に沿って空気層１２が形成されることにより、排気ポート２の壁面での凝縮水の発生も抑制することができる。また、二次空気供給口の配置を工夫したことにより、排気ポート２内の全体向かっての二次空気の噴射が不要となり、二次空気の噴射量を低減することができる。この結果、空気ポンプ８を簡素化することができる。図６を参照すると、図３に示す例と異なり、二次空気供給口１０は、排気ポート２の上流側に向かう開口と下流側に向かう開口とが設けられている。すなわち、排気ポート２の内側に向かって噴射する供給口が廃止されている。このような供給口であっても、排気と二次空気との反応を促進するとともに、空気層１２を形成することができる。
【００２２】
また、図７に示すように、排気冷却フィン３ａ、３ｂ及び３ｃに沿って延びる空気デリバリ１３を設け、その空気デリバリ１３の先端部へ向かう途中に開口１３ａを設けてもよい。空気デリバリ１３を設けることにより、排気ポート２の壁面に沿った二次空気の流れを形成し易く、例えば、排気冷却フィンの長さが長い場合などに、有効である。また、複数の二次空気供給口１３ａを設けることができるので、空気層を形成し易い。空気デリバリ１３は、排気冷却フィン３ａ、３ｂ及び３ｃ内に設けてもよい。また、空気デリバリ１３を廃止し、排気冷却フィン３ａ、３ｂ及び３ｃの内部自体を空気デリバリとして活用することもできる。
【００２３】
なお、排気冷却フィンの枚数は、３枚に限定されるものではなく、他の枚数であってもよい。また、二次空気供給口の数（二次空気供給口が設けられる溝の数）も、排気冷却フィンの枚数Ｎに対し、Ｎ＋１個とすることができる。例えば、一の排気冷却フィンと、その排気冷却フィンが対向する排気ポート２の側面とによって形成される溝部に二次空気供給口を開口させてもよい。
【００２４】
（第２実施形態）
つぎ、第２実施形態について、図８乃至図１０を参照して説明する。第２実施形態は、第１実施形態と比較して、空気層１２の形成を重視した二次空気供給口１０の配置となっている。具体的に、二次空気供給口１０は、より排気ポート２の壁面に沿った二次空気の流れを形成し易い位置、角度とされている。
【００２５】
図８（Ａ）を参照すると、二次空気供給口１４は、排気ポート２の上壁面２ａの角度に対応させた二次空気の噴射角度を備えている。図８（Ａ）に示す例では、上壁面２ａと二次空気の噴射方向とは平行とされている。これにより、上壁面２ａに沿って二次空気が流れ、空気層が形成され易くなる。この結果、空気層の断熱効果が発揮され易くなり、排気の放熱が抑制され、ひいては、排気温度の低下が抑制されて触媒暖機性が向上する。図８（Ｂ）を参照すると、上壁面２ａは傾斜部２ａ１を備えるが、二次空気供給口１５は、この傾斜部２ａ１と平行に二次空気を噴射する。
【００２６】
また、図９を参照すると、噴射ノズル１６を備え、この噴射ノズル１６の角度を排気ポート２の上壁面２ａの角度に対応させて設定してもよい。噴射ノズル１５を設けることにより、排気ポート２の上壁面２ａの角度に沿った二次空気の噴射が行い易くなる。
【００２７】
さらに、図１０を参照すると、複数の二次空気供給口１５、１７を設けることもできる。図１０に示す排気ポート２の上壁面２ａは湾曲部２ａ２を備えている。湾曲部２ａ２が存在する場合、単一の二次空気供給口１５から噴射される二次空気を上壁面２ａに沿わせることが困難である場合がある。すなわち、二次空気は上壁面２ａに対し剥離する可能性がある。二次空気が上壁面２ａに対し剥離し、上壁面２ａが露出すると、断熱効果が低下する。このような場合、図１０に示すように、他の二次空気供給口１７を設けることによって、空気層の形成を促す。これにより、空気層の断熱効果が発揮され易くなり、排気温度の低下が抑制される。
【００２８】
要は、排気ポート２からの放熱を抑制するように、空気層を形成することができればよい。例えば、二次空気供給口が、底部７ａ１や７ｂ１から外れた位置に設けられる場合であっても、二次空気の噴射角度を第１溝部７ａや第２溝部７ｂに沿って二次空気が流通する角度として、空気層を形成するようにしてもよい。
【００２９】
（第３実施形態）
つぎに、図１１（Ａ）乃至（Ｃ）を参照して、第３実施形態について説明する。第３実施形態は、二次空気供給口１０の開口位置の、排気ポート２の上壁面２ａからの距離を変更した例である。具体的に、二次空気供給口１９は、第１溝部７ａの開放縁部７ａ２の近傍に開口している。図面には現れていないが、第２溝部７ｂの開放縁部７ａ２の近傍にも開口している。ここで、開放縁部７ａ２の近傍とは、排気冷却フィン３ａ、３ｂ及び３ｃが、二次空気供給口から噴射された二次空気によって形成される空気層によって覆われる位置である。このため、二次空気供給口１９は、少なくとも、排気冷却フィン３ａ、３ｂ及び３ｃの高さ方向の中央部よりも開放縁部７ａ２に開口させる。二次空気により形成される空気層によって排気冷却フィン３ａ、３ｂ及び３ｃを覆うことにより、排気と排気冷却フィン３ａ、３ｂ及び３ｃとの熱交換を抑制することができる。この結果、触媒暖機性を向上させることができる。
【００３０】
なお、二次空気供給口１９が開口する位置は、排気ポート２の形状等を考慮して種々変更することができる。開口位置を変更することにより、空気層を形成し、二次空気の流れが排気ポート２の内周面や排気冷却フィン３ａ、３ｂ及び３ｃの表面から剥離することを抑制する。図７に示すような空気デリバリ１３を用い、開放縁部７ａ２の近傍に二次空気供給口を開口させてもよい。
【００３１】
（第４実施形態）
つぎに、第４実施形態について説明する。図１２は、排気触媒５へ導入される排気温度（触媒入りガス温度）の時間変化を示している。図１２中、領域Ａは、触媒５の速やかな暖機が要求される領域である。領域Ｂは、触媒５の継続的な暖機と、内燃機関の暖機促進が要求される領域である。具体的に、触媒５の温度が暖機完了と判断される温度よりも高く、内燃機関内を循環し排気ポートの外側を流通する冷却水の温度が内燃機関の暖機完了と判断される温度よりも低い領域である。領域Ｃは、触媒の冷却水の温度が内燃機関の暖機完了と判断される温度よりも低い領域である。
【００３２】
領域Ａは、触媒５を暖機させるために二次空気を導入する。二次空気を導入することにより、排気との酸化反応による発熱、二次空気により形成される空気層と相俟って、触媒暖機性が向上し、迅速な触媒暖機が行われる。
【００３３】
領域Ｂについて、さらに詳細に説明する。触媒５が暖機完了と判断される温度まで昇温した後、未だ冷却水の昇温が完了していない状態で即座に二次空気の導入を完全に停止すると、排気が冷却水により冷却されてしまう。二次空気の導入を完全に停止すると、空気層が消滅し、排気が排気ポート２の外部へ放熱してしまうからである。
【００３４】
そこで、領域Ｂでは、ＥＣＵ３０の指令により空気ポンプ８を制御し、二次空気供給口１０から噴射される二次空気の量を減量して二次空気の噴射を継続する。二次空気の量は、空気層が形成されない程度にまで減量する。噴射された二次空気は、排気との酸化反応により生じた熱は、冷却水の昇温と排気自体の温度維持に利用される。すなわち、酸化反応により昇温した排気は、排気ポート２を通じてウォータジャケット１１内を流通する冷却水へ熱を付与することができる。また、排気は、触媒５の暖機状態を維持することができる。
【００３５】
領域Ｃは、触媒５が安定する状態まで昇温しており、冷却水温の昇温だけが要求される領域である。領域Ｃでは、二次空気の導入を停止する。
【００３６】
ＥＣＵ３０は、空気ポンプ８による噴射量制御と併せて、図１３に示す案内弁２１を駆動してもよい。案内弁は、ＥＣＵ３０の指令によって駆動される。領域Ａのときは、図１３（Ａ）に示すように、案内弁２１は、大きく開放した状態とされる。これにより、二次空気供給口１０から噴射された二次空気は、上壁面２ａに沿って流れ、空気層を形成する。これにより、排気と二次空気の酸化反応による昇温と、空気層による断熱効果により、触媒暖機性が向上する。
【００３７】
領域Ｂのときは、図１３（Ｂ）に示すように、案内弁２１は、半開の状態とされる。これにより、二次空気は、空気層を形成することなく、排気との酸化反応を行う。空気層が形成されていないことから、昇温した排気は、排気ポート２の外部へ伝熱し易く、冷却水を昇温することができる。
【００３８】
上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１  二次空気供給装置
２  排気ポート
３ａ、３ｂ、３ｃ  排気冷却フィン
４  エキゾーストマニホールド
５  排気触媒
６  排気弁
７ａ  第１溝部
７ａ１  底部
７ｂ  第２溝部
７ｂ１  底部
８  空気ポンプ
９  ＡＩ供給ポート
１０、１４、１５  二次空気供給口
１１  ウォータジャケット
１２  空気層
１３  空気デリバリ
１３ａ  二次空気供給口
１６  噴射ノズル
２１  案内弁
３０  ＥＣＵ
【図１】
2013227917.tif 000003
【図２】
2013227917.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2013227917.tif 000011
【図１０】
2013227917.tif 000012
【図１１】
2013227917.tif 000013
【図１２】
2013227917.tif 000014
【図１３】
2013227917.tif 000015