JP4591255B2 - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

Description

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流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。

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。

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流路の上流側部分と並列にバイパス流路を設けるとともに、このバイパス流路に、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、バイパス流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。
特開平５−３２１６４４号公報

上記従来の排気装置では、バイパス流路は、排気マニホルドの合流点よりも下流側においてメイン流路から分岐している。つまり、多気筒内燃機関において、各気筒の排気流路が１本の流路に合流した合流点よりも下流側の部分で、メイン流路とバイパス流路とが並列に配置された構成となっている。従って、バイパス流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。

また、排気マニホルドの下流側でバイパス流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、バイパス流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。しかも、切換弁がメイン流路側を閉塞している状態においても、各気筒で順次排気行程が到来することから、一つの気筒の排気流路から他の気筒の排気流路へと排気が回り込む現象が生じる。そのため、外部へ熱が逃げやすくなり、バイパス触媒コンバータの温度上昇が阻害される。

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と、複数の気筒の上流側メイン通路が合流してなる下流側メイン通路と、この下流側メイン通路もしくはこれよりも下流の流路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から分岐するとともにバイパス触媒コンバータが介装されたバイパス通路と、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、上記上流側メイン通路を下流側端部において開閉するとともに、閉時に各上流側メイン通路相互の連通を遮断する流路切換弁と、を備えている。さらに、上記流路切換弁は、各気筒の上流側メイン通路の端部が接続される気筒毎の弁開口部が開口形成されたバルブベースと、上記弁開口部を囲むシール面に着座する弁体と、を備え、上記バルブベースには、上記シール面から軸方向に離れるように上記弁開口部周囲に沿って上流側へ延びた隔壁部が一体に形成され、この隔壁部端縁に上流側メイン通路用金属管が溶接されている。

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、メイン流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、メイン流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、バイパス流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、メイン流路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。

すなわち、冷間始動直後などには、上記流路切換弁が閉じ、上流側メイン通路と下流側メイン通路との間を遮断する。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。そして、同時に、流路切換弁は、複数の上流側メイン通路の弁開口部を個々に閉塞するので、各気筒の上流側メイン通路の相互の連通が遮断される。流路切換弁を閉状態としたときに各上流側メイン通路が互いに連通していると、各気筒で順次排気行程が到来することから、一つの気筒の上流側メイン通路から他の気筒の上流側メイン通路へと排気が回り込む現象が生じる。そのため、外部へ熱が逃げやすくなり、バイパス触媒コンバータの温度上昇が阻害される。流路切換弁の閉時に各上流側メイン通路が互いに非連通状態となるようにすることで、この回り込みの現象を回避できる。

このように各気筒の上流側メイン通路を開閉するために、上記流路切換弁は、各気筒の上流側メイン通路の端部が接続される気筒毎の弁開口部が開口形成されたバルブベースと、上記弁開口部を囲むシール面に着座する弁体と、を備えており、上記バルブベースに上流側メイン通路となる各気筒の金属管が溶接されている。ここで、上記バルブベースには、上記弁開口部周囲に沿って上流側へ延びた隔壁部が一体に形成され、この隔壁部端縁に上流側メイン通路用金属管が溶接されているので、溶接箇所がシール面から軸方向に離れ、従って、溶接時のシール面の歪み発生が防止される。これにより、上記バルブベースに上記シール面を予め加工しておくことが可能となる。なお、シール面に歪みが生じてシール性が低下すると、例えば冷間始動直後に未浄化の排気ガスが下流側へ漏洩し、好ましくない。

さらに本発明では、上記弁体は、上記バルブベースに支持された回転軸を中心に揺動動作するように構成され、上記弁開口部を上流側から開閉する。このように上流側から弁体が開閉する構成では、閉時に上下圧力差によって弁体がシール面に押し付けられ、弁体が確実にシールされる利点がある。そして、この場合、バルブベースの上流側に向かってシール面が設けられるが、金属管の溶接前にシール面の加工が可能であるため、その加工が容易となる。また複数の弁開口部が並んで設けられており、それぞれを開閉する複数の弁体が共通の回転軸に取り付けられている。

また、下流側メイン通路となる下流側の金属管は、例えば、シール面の加工前に上記バルブベースに溶接することができるが、本発明の好ましい一つの態様では、上記下流側メイン通路の上流側の端部にフランジ部が設けられており、このフランジ部が上記バルブベースにボルト結合される。このようにフランジ部を介してボルト結合する構成では、熱歪みの問題がないので、例えば、予めシール面を加工したバルブベースに上流側メイン通路用金属管を溶接し、最後に下流側の金属管を接続することが可能となる。

この発明によれば、一般に排気マニホルドとして構成されるメイン流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に近い位置に配置することが可能となり、しかもメイン流路を構成する排気マニホルド等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、溶接時のシール面の歪みによるシール性低下を回避でき、バイパス通路側へ排気を案内すべく流路切換弁が閉じた状態において、メイン流路を確実に遮断することができるとともに、各気筒の上流側メイン通路の間での排気の回り込みを防止できるため、バイパス触媒コンバータの昇温性能が向上する。

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。

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、排気装置全体の構成を説明する。

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つの気筒に個々に接続された４本の上流側メイン通路２は、下流側で１本の下流側メイン通路３として合流しており、その合流部、換言すれば、上流側メイン通路２と下流側メイン通路３との境界となる部位には、４本の上流側メイン通路２を一斉に開閉する流路切換弁４が設けられている。この切換弁４は、冷間時に閉じられるものであって、閉時には、上流側メイン通路２と下流側メイン通路３との間の上下の連通を遮断するとともに、４本の上流側メイン通路２の間を互いに非連通状態とする構成となっている。

流路切換弁４から下流に延びる下流側メイン通路３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は、車両の床下に配置される容量の大きなものであって、その触媒としては、三元触媒とＨＣトラップ触媒とを含んでいる。以上の上流側メイン通路２と下流側メイン通路３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流路が構成される。

なお、メイン流路として、直列４気筒内燃機関において周知の「４−２−１」の形で集合するように、一対の上流側メイン通路２に対して１本の下流側メイン通路３をそれぞれ設け、一対の下流側メイン通路３をさらに１本の流路に合流させてメイン触媒コンバータ８を配置するようにしてもよい。この場合も、流路切換弁４は、４本の上流側メイン通路２の端部を開閉するように、下流側メイン通路３との間に設けられる。

一方、バイパス流路として、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、互いに隣接した位置にある♯１気筒の上流側バイパス通路１１と♯２気筒の上流側バイパス通路１１とが合流点１３において１本の中間バイパス通路１４として互いに合流しており、同様に互いに隣接した位置にある♯３気筒の上流側バイパス通路１１と♯４気筒の上流側バイパス通路１１とが合流点１３において１本の中間バイパス通路１４として互いに合流している。なお、各通路を模式的に示した図１では、各上流側バイパス通路１１が比較的長く描かれているが、実際には、可能な限り短くなっている。換言すれば、最短距離でもって中間バイパス通路１４として合流している。２本の中間バイパス通路１４は、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。この下流側バイパス通路１６の下流端は、下流側メイン通路３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３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、バイパス流路の中で、可能な限り上流側に配置されている。つまり、中間バイパス通路１４もできるだけ短くなっている。

なお、上記実施例では、バイパス流路全体の通路長（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ために、４本の上流側バイパス通路１１を長く引き回さずに上流側で２本の中間バイパス通路１４にまとめているが、このような構成は任意であり、例えば、バイパス触媒コンバータ１８が気筒列の一方に偏って位置する場合などには、他方の端部気筒から直線状に延ばした上流側バイパス通路に残りの気筒の上流側バイパス通路を略直角に接続することにより、全体の通路長を短くすることができる。

上記バイパス触媒コンバータ１８は、その内部に、前後に分割された２つのモノリス触媒担体つまり第１触媒１８ａと第２触媒１８ｂとを備えている。そして、これらの第１触媒１８ａと第２触媒１８ｂとの間の間隙１９に、排気還流通路２０の一端が接続されている。この排気還流通路２０の他端は、図示せぬ排気還流制御弁を介して機関吸気系へと延びている。つまり、上記間隙１９が、還流排気の取り出し口となっている。上記バイパス触媒コンバータ１８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。

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、メイン流路が遮断される。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および中間バイパス通路１４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。

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３を通り、メイン触媒コンバータ８を通過する。このときバイパス流路側は特に遮断されていないが、バイパス流路側の方がメイン流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流路側を通り、バイパス流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。またバイパス流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流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。

次に、本発明の要部である流路切換弁４の構成を図２〜図６を用いて説明する。なお、この例は、前述した直列４気筒内燃機関における周知の「４−２−１」の形で排気系を集合させるように、一対の下流側メイン通路３を備えたものであり、これらの一対の下流側メイン通路３がさらに下流側で１本の通路に合流する。

この実施例では、４気筒分の流路切換弁４が一つのバルブユニットとして一体化されており、図２は、その要部の斜視図、図３は、要部の断面図である。図示するように、流路切換弁４は、流れと直交する面に沿った略矩形の板状をなすバルブベース２１を主体とし、その一方の面に上流側メイン通路用金属管２２がそれぞれ溶接され、他方の面に下流側メイン通路用金属管２３がそれぞれ溶接されている。

上記バルブベース２１には、４個の円形の弁開口部２５が、２列に並んで、つまり正方形の頂点となる位置に、それぞれ開口形成されており、この弁開口部２５を円盤状の弁体２６が上流側から開閉している。上記弁開口部２５の上流側の開口縁は、弁体２６の外周縁が接するテーパ状のシール面２５ａとして機械加工されている。上記弁体２６は、回転軸２７とともに揺動するアーム２８の先端に取り付けられており、その外周縁は、上記シール面２５ａに対応したテーパ形状をなしている。なお、図示するように、上流側メイン通路用金属管２２の側壁に、開位置にあるときの弁体２６を収容するための凹部２９が形成されている。

上記回転軸２７は、図２に示すように、２つの気筒に共通なものであり、１つの回転軸２７に２つの弁体２６が取り付けられている。従って、流路切換弁４全体としては、２本の回転軸２７を備えている。この２本の回転軸２７は、適宜なリンク機構等の図示しない連動機構を介して互いに連動しており、図示せぬ１つのアクチュエータでもって同時に対称的に開閉動作する。つまり、４つの弁体２６が一斉に開閉する。

図４および図５は、バルブベース２１を単体で示しており、図示するように、回転軸２７を回転自在に支持するために、各々の回転軸２７に対し、バルブベース２１の両端部および中間部の計３箇所に軸受部３１，３２，３３が一体に形成されている。また、バルブベース２１の上流側の面には、各々の弁開口部２５の周囲に沿って上流側へ延びた隔壁部３５が一体に形成されている。この隔壁部３５は、一つの弁開口部２５について見ると、回転軸２７側の部分は軸受部３１，３２，３３に連続するように直線状をなし、回転軸２７と反対側の部分では弁開口部２５に沿った円弧状をなし、つまり、一つの弁開口部２５を回転軸２７側に向かって開いた略Ｕ字形に囲っている。そして、バルブベース２１全体としては、４つの弁開口部２５を囲む隔壁部３５が、バルブベース２１の中央部において略十字形に連続している。

上記隔壁部３５の上流側の端縁に、上流側メイン通路用金属管２２の端部が溶接されている。詳しくは、上記上流側メイン通路用金属管２２の端部は、図６にも示すように、弁体２６を収容する拡大部を構成するための第１ハウジング部４１と、前述した凹部２９部分を構成する第２ハウジング部４２と、を有しており、これらの第１，第２ハウジング部４１，４２が予め上流側メイン通路用金属管２２の一部として溶接されている。そして、このように一体化された上流側メイン通路用金属管２２が、溶接線４３として示す箇所でもってバルブベース２１の隔壁部３５に溶接されている。なお、第２ハウジング部４２の一部４２ａは、回転軸２７の周面に沿うように延び、軸受部３１，３２，３３に溶接されている。

一方、上記バルブベース２１の下流側の面には、図５に示すように、下流側メイン通路用金属管２３を位置決めするための短い筒状部３７が一体に形成されており、ここに、図３に示すように、下流側メイン通路用金属管２３がそれぞれ溶接される。なお、下流側メイン通路用金属管２３は、Ｙ字形の流路を構成しており、回転軸２７が共通の隣接した一対の弁開口部２５からの排気が直下で合流している。望ましくは、４つの気筒の中で、♯１，♯４気筒が一方の回転軸２７を共用し、かつ、♯２，♯３気筒が他方の回転軸２７を共用するように、それぞれの弁開口部２５が配置される。

上記構成の流路切換弁４の加工・組立の手順としては、先ず、鋳造等により形成されたバルブベース２１に、下流側メイン通路用金属管２３を溶接する。次に、弁開口部２５のシール面２５ａを高精度に仕上げ加工し、かつ回転軸２７および弁体２６をバルブベース２１に組み付ける。一方、上流側メイン通路用金属管２２には、予め、第１，第２ハウジング部４１，４２を一体に溶接する。そして、最後に、この上流側メイン通路用金属管２２を、バルブベース２１に溶接する。

上記の構成によれば、上流側メイン通路用金属管２２を溶接するための隔壁部３５がシール面２５ａから上流側へ延びており、バルブベース２１と上流側メイン通路用金属管２２との間の溶接線４３がシール面２５ａから上流側へ離れて位置するので、予め高精度に加工されたシール面２５ａが、溶接作業の際に歪みを生じることがない。なお、下流側メイン通路用金属管２３は、シール面２５ａの加工前にバルブベース２１に溶接されるので、その溶接歪みが問題となることはない。

従って、溶接歪みによる流路切換弁４のシール性低下が回避される。しかも、上記構成によれば、弁体２６が、メイン流路を閉塞する際に、テーパ状のシール面２５ａに対し、上流側から下流側へ向かって着座する。このように弁体２６がメイン流路を閉塞すると、排気流によって弁体２６の上下に圧力差が生じ、この上下圧力差によって弁体２６はシール面２５ａにさらに押し付けられるため、より良好なシール性が得られる。また各気筒の排気脈動が上流側から弁体２６に作用しても、脈動の位相が異なる２つの気筒の弁体２６が共通の回転軸２７に連結されていることから、上記の上下圧力差によって、脈動による開閉が確実に阻止される。

そのため、冷間始動直後などに流路切換弁４が閉じているときに、メイン流路側での漏洩が防止され、排気の全量がバイパス流路側へ確実に案内される。これにより、バイパス触媒コンバータ１８の早期昇温がより確実となる。

また上記構成では、隔壁部３５により溶接線４３がシール面２５ａから軸方向に離れるので、４本の上流側メイン通路用金属管２２を互いに接近させて集合させたレイアウトでもってバルブベース２１に溶接することができ、排気装置全体の大型化を抑制できる。

次に、図７は、流路切換弁４の異なる実施例を示している。この実施例においては、下流側メイン通路用金属管２３の上流側の端部に、板状のフランジ部５１が溶接されており、このフランジ部５１に対応して、上記バルブベース２１の下流側の面にも、予め板状のフランジ部５２が溶接されている。そして、これらの２つのフランジ部５１，５２が、互いに重ね合わされ、かつボルト結合されている。なお、板状のバルブベース２１自体に貫通孔を形成して、下流側メイン通路用金属管２３のフランジ部５１を直接にボルト結合するようにしてもよい。

この実施例の構成によれば、下流側メイン通路用金属管２３がバルブベース２１にボルト結合されるので、バルブベース２１と上流側メイン通路用金属管２２とを溶接した後に、下流側メイン通路用金属管２３を組み付けることが可能となる。

この発明に係る排気装置の一実施例を示す構成説明図。 流路切換弁の斜視図。 流路切換弁の断面図。 バルブベースの斜視図。 バルブベースの裏面側の斜視図。 溶接箇所を示す流路切換弁要部の拡大斜視図。 流路切換弁の異なる実施例を示す断面図。

符号の説明

２…上流側メイン通路
３…下流側メイン通路
４…流路切換弁
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
２１…バルブベース
２６…弁体
３５…隔壁部

Claims (4)

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と、
   複数の気筒の上流側メイン通路が合流してなる下流側メイン通路と、
   この下流側メイン通路もしくはこれよりも下流の流路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から分岐するとともにバイパス触媒コンバータが介装されたバイパス通路と、
   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、上記上流側メイン通路を下流側端部において開閉するとともに、閉時に各上流側メイン通路相互の連通を遮断する流路切換弁と、
   を備え、
   上記流路切換弁は、各気筒の上流側メイン通路の端部が接続される気筒毎の弁開口部が開口形成されたバルブベースと、上記弁開口部を囲むシール面に着座する弁体と、を備え、上記バルブベースには、上記シール面から軸方向に離れるように上記弁開口部周囲に沿って上流側へ延びた隔壁部が一体に形成され、この隔壁部端縁に上流側メイン通路用金属管が溶接されており、
   上記弁体は、上記バルブベースに支持された回転軸を中心に揺動動作するように構成され、上記弁開口部を上流側から開閉するとともに、
   複数の弁開口部が並んで設けられ、それぞれを開閉する複数の弁体が共通の回転軸に取り付けられていることを特徴とする内燃機関の排気装置。
2. 上記バルブベースに上記シール面が予め加工さ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。
3. 上記下流側メイン通路の上流側の端部にフランジ部が設けられており、このフランジ部が上記バルブベースにボルト結合され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。
4. ４つの気筒に対応した４つの弁開口部が２列に並んで設けられ、上記隔壁部は上記バルブベースの中央部において略十字形に連続してい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。

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