Four-stroke engine

本発明は、エンジンの排気ポートに排気管を接続し、該排気管内に触媒を配設するとともに二次空気を導入するようにした４サイクルエンジンに関する。

一般に、４サイクルエンジンの空燃比（Ａ／Ｆ）と排気ガス成分との関係においては、図１５に示すように、空燃比が１４．６（理論空燃比＝ストイキ）を境に排気ガス成分が大きく変化する。 即ち、ＣＯ，ＨＣの排出量については、空燃比が上記ストイキよりリッチ側のときには多く、リーン側になると少なくなる。 一方ＮＯ _Ｘの排出量については、ストイキ近辺では逆にリッチ側で少なく、リーン側で多くなる。

このような排気ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯ _Ｘの浄化を図るための排気ガス浄化装置を備えたエンジンとして、従来、図１１，図１２に示すものがある。 排気管３０の途中に三元触媒３１を配置するとともに、該三元触媒３１の上流側に排気ガス中の酸素濃度を検出するＯ _２センサ３２を配置し、該酸素濃度に基づいて求めた検出空燃比が理論空燃比（１４．６）となるようにエンジンへの燃料噴射量をフィードバック制御し、これによりＣＯ，ＨＣ，ＮＯ _Ｘを浄化するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

ところで、上記Ｏ _２フィードバック制御による排気ガス浄化装置では、空燃比が常に理論空燃比となるように燃料噴射量を制御する必要があることから、エンジン出力を増大するうえで不利であると言える。 このため例えば自動車に比べて排気量の小さい自動二輪車等の車両では、満足できる乗車感が得られないという懸念がある。 またＯ _２フィードバック制御を行なうためには、インジェクタを用いた燃料噴射システムが必要となり、これを実現するには燃料ポンプ，燃料レギュレータ，コントローラ等を追加しなければならずコストアップとなる。

一方、他の排気ガス浄化装置を備えたエンジンとして、図１３，図１４に示すように、排気管３０内に第１，第２触媒３５，３６を間隔をあけて配置するとともに、該排気管３０の第１，第２触媒３５，３６の間に二次空気を導入する二次空気導入管３７を接続し、第１触媒３５でＮＯ _Ｘを還元し、続いて下流側の第２触媒３６でＣＯ，ＨＣを酸化させるようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。

この第１，第２触媒３５，３６の間に二次空気を導入するようにした排気ガス浄化装置では、エンジンに供給される混合気の空燃比を上述の理論空燃比よりリッチ側に設定できることから、上述の排気量の小さい自動二輪車のエンジン出力を高めることが可能となり、乗車感を向上できるという利点がある。 また従来からのキャブレタで十分に対応でき、燃料噴射システムを採用する場合に比べてコストの点で有利である。

特開平５−９８９５５号公報

特開２００２−１６１７３７号公報

ところが、上記従来の第１，第２触媒の間に二次空気を導入するようにした排気ガス浄化装置を備えたエンジンでは、その二次空気の導入位置の如何によっては触媒の寿命が短くなるという懸念がある。 即ち、二次空気の導入によって触媒が高温状態となり、しかもその高温状態が時間的に長くなると触媒は劣化し易く、寿命が短くなる傾向にある。

また上記従来の排気ガス浄化装置では、例えばエンジンの冷機始動時には触媒の活性化が遅れがちとなることから、ＣＯ，ＨＣの浄化が十分に行なえない場合がある。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたもので、２つの触媒の間に二次空気を導入する場合の触媒の劣化を抑制でき、さらには冷機始動時の触媒の活性化を促進できる４サイクルエンジンを提供することを目的としている。

本件発明者らは、上述の触媒の劣化を抑制するための構成を見出すべく鋭意研究し、第１，第２触媒の活性化後における両者の温度差が大きくなると２つの触媒の負担が一方に偏り、結果的に劣化し易くなっていることに着目した。 そして上記第１，第２触媒の活性化後における温度差が所定値以内となるように二次空気導入位置を設定することによって触媒の劣化を抑制できることに想到し、本発明を成したものである。

そこで請求項１の発明は、エンジンの排気ポートに排気管を接続し、該排気管内に、触媒を配設するとともに空気を導入するようにした４サイクルエンジンにおいて、上記排気管内に第１触媒を配置し、該第１触媒より下流側の排気管内に第２触媒を上記第１触媒との間に所定の間隔をあけて配置し、 上記排気管の上記第１触媒と第２触媒の間の部分に、該排気管の第１触媒及び第２触媒が配置されている部分の内径より細い内径の部分を形成し、リードバルブを備えた二次空気導入管を、上記排気管の上記第１触媒と第２触媒との間の部分に接続し、上記排気管の上記第１触媒と第２触媒との間の部分に発生する負圧で空気を上記第１触媒と第２触媒との間に導入し、上記二次空気導入管の接続部と上記第２触媒との間の距離を、上記二次空気導入管の接続部と上記第１触媒との間の距離より長くし、上記第１触媒と第２触媒のエンジン冷機始動から所定の運転時間が経過するまでの運転域における温度差を所定範囲内としたことを特徴としている。

ここで本発明において、 「運転域」とは、冷機状態でエンジンを始動して走行を開始し、第１，第２触媒が活性化温度（例えば３００℃）に達し、さらに所定の時間が経過して両触媒温度が安定するまでの運転域を意味し、具体的に例えばエンジン冷機始動から１０００〜１２００秒程度の運転域を意味する。 また「温度差が所定範囲内」とは、採用されている触媒の耐熱性や要求される耐久性等によって変化するが、具体的には例えば１００℃程度を意味している。

請求項２の発明は、エンジンの排気ポートに排気管を接続し、該記排気管内に、触媒を配設するとともに空気を導入するようにした４サイクルエンジンにおいて、上記排気管内に第１触媒を配置し、該第１触媒より下流側の排気管内に第２触媒を上記第１触媒との間に所定の間隔をあけて配置し、 上記排気管の上記第１触媒と第２触媒の間の部分に、該排気管の上記第１触媒及び第２触媒が配置されている部分の内径より細い内径の部分を形成し、リードバルブを備えた二次空気導入管を、上記排気管の上記第１触媒と第２触媒との間の部分に接続し、上記排気管の上記第１触媒と第２触媒との間の部分に発生する負圧で空気を上記第１触媒と第２触媒との間に導入し、上記二次空気導入管の接続部と上記第１触媒との間の距離を、上記二次空気導入管の接続部と上記第２触媒との間の距離より短くし、導入された空気が排気脈動により上流側の第１触媒にも作用することを特徴としている。

請求項３の発明は、請求項１又は２において、上記排気管の一部を囲む消音器を設け、上記第１触媒は上記消音器より上流側に配設され、上記第２触媒は上記消音器の内部に配設されていることを特徴としている。

請求項４の発明は、請求項１又は２において、上記排気管の一部を囲む消音器を設け、上記第１触媒は上記消音器より上流側に配設され、上記第２触媒は上記消音器の内部に配設されており、上記二次空気導入管は、排気管における、上記第２触媒より上流側でかつ上記消音器の内部に位置する部分に接続されていることを特徴としている。

請求項１の発明に係るエンジンによれば、冷機状態でエンジンを始動すると、まず上流側に配置された第１触媒が昇温開始し、少し遅れて下流側の第２触媒が昇温開始する。 そして第１触媒はエンジン始動後短時間で最高温度に達し、その後徐々に降温し、上述の運転域内において安定する。 また第２触媒はエンジン始動から徐々に昇温し、上述の運転域内において安定する。 この場合に、二次空気導入位置を上記第１，第２触媒の上記運転域における最高温度同士の差が、所定の温度範囲内となる位置に設定したので、第１，第２触媒の温度差を所定範囲に保持することができ、温度差が過大となることによる負担の偏りを抑制でき、その結果触媒の劣化を抑制して寿命を延長できる。

具体的には、例えば二次空気導入位置を下流の第２触媒側に近づけるほど、該第２触媒の温度がより大きく上昇し、同時に第１触媒のエンジン始動短時間後に達する最高温度が低くなり、その結果第１，第２触媒の温度差が大きくなる。 一方、二次空気導入位置を上流の第１触媒側に近づけるほど、該第１触媒の最高温度が高くなり、同時に第２触媒の温度上昇が抑えられ、その結果第１，第２触媒の温度差が小さくなる。

請求項２の発明では、二次空気導入管を二次空気が排気脈動により第１触媒に作用する位置に接続したので、二次空気の一部が第１触媒の下流側から吹き返ることとなり、該吹き返った二次空気と第１触媒とでＣＯ，ＨＣが酸化されることとなる。 このようにエンジンが冷機状態のときには、排気脈動により吹き返った二次空気と第１触媒とでＣＯ，ＨＣの酸化を行なうことができ、第１触媒の活性化を促進するするとともにエンジン冷機始動時の排気ガスの浄化性能を高めることができる。

請求項３の発明では、第２触媒を排気管の消音器内部分に配設したので、排気管全体の外観を損なうことなく第２触媒の容量の大型化が可能となり、浄化能力の高めることができる。

また第２触媒を消音器内に配設したので、排気管の第２触媒配設部分が外気により冷却されることがなく、それだけ第２触媒の活性化温度に達するまでの時間を短縮することができる。

請求項４の発明では、二次空気導入管を消音器内部分に接続したので、二次空気導入管を排気管と消音器とで支持することができ、外観を損なうことなく二次空気導入管の接続強度を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、請求項１，３，４の発明の一実施形態による４サイクルエンジンを説明するための模式構成図である。 なお、本実施形態では、本発明におけるエンジン冷機始動から触媒温度が安定するまでの「運転域」を「計測運転域」と称する。

図において、１はモータサイクル，スクータ等の自動二輪車に採用される４サイクルエンジンであり、該エンジン１の吸気ポート（不図示）には吸気通路２が接続され、該吸気通路２の途中には燃料供給装置としての気化器３が介在され、上記吸気通路２の上流端にはエアクリーナ４が接続されている。 このエアクリーナ４はクリーナケース４ａ内をエレメント５により空気吸込側ａと吐出側ｂとに画成した構造となっている。

上記気化器３は、アイドリング及び低速走行域において作動するスロー系と、中・高速走行域において作動するメイン系とを備えており、何れの運転域においても空燃比が理論空燃比よりリッチ側となるように設定されている。

上記エンジン１の排気ポート（不図示）には排気ガス通路６が接続されている。 この排気ガス通路６は上記排気ポートに接続されたエキゾーストパイプ７とこれの下流側に配設された消音器８とを備えている。 上記エキゾーストパイプ７は上流側半部７ａと概ねＵ字状に屈曲形成された下流側半部７ｂとを有し、該下流側半部７ｂは上記消音器８内に収容されている。

上記排気ガス通路６には排気ガス浄化装置が付加されている。 この排気ガス浄化装置は、上記エキゾーストパイプ７内の上流側半部７ａに主として還元作用を有する第１触媒９を配設するとともに、該第１触媒９より下流側に位置する下流側半部７ｂに主として酸化作用を有する第２触媒１０を配設し、第１，第２触媒９，１０の間に二次空気導入口７ｃを形成した構成となっている。

上記エキゾーストパイプ７の上記第１，第２触媒９，１０が配置された部分の内径ｄ１は残りの部分の内径ｄ２より大径に形成されており、この大径部内に第１，第２触媒９，１０が収容されている。

また上記エキゾーストパイプ７の第１，第２触媒９，１０の間の小径部に上記二次空気導入口７ｃが位置している。 このように第１，第２触媒９，１０が収容された大径部の間の小径部に二次空気導入口７ｃを形成したので、該部分の排気ガス流速が高くなり、いわゆるベンチュリー効果により該導入口７ｃ部分に負圧が発生し、これにより二次空気の吸引量を増やすことができる。 例えば、図１０に示すように、エキゾーストパイプ７の第１触媒９が配設された内径ｄ１部分に二次空気導入口７ｃを形成した場合にはベンチュリ効果が十分に得られず、二次空気の取り入れ量を増やすことはできない。

上記二次空気導入口７ｃには二次空気供給装置が接続されている。 この二次空気供給装置は、上記エアクリーナ４の吐出側ｂと上記二次空気導入口７ｃとを二次空気導入管１１で連通接続し、該二次空気供給管１１の途中に逆止弁として機能するリードバルブ１２を介在させた構造となっている。

このリードバルブ１２は、二次空気のエアクリーナ４側から排気ガス通路６側への流れのみを許容し、反対方向への流れを阻止する。 具体的には、エンジン１の吸気，排気バルブ（不図示）の開閉による排気脈動により排気ガス通路６内に負圧が発生するが、この負圧により上記エアクリーナ４の吐出側ｂ内の空気を吸引することとなる。 なお、リードバルブ１２の代わりに空気ポンプにより二次空気を加圧供給するようにしてもよい。

上記二次空気導入管１１は、下流側半部７ｂの消音器８の内部に位置する部分の上流端部に接続されており、該下流側半部７ｂとともに消音器８に支持固定されている。

上記第１触媒９の配置位置は、排気ガスの浄化を開始したい時刻に第１触媒９に入る排気ガスの温度，つまり入りガス温度が３００℃以上となる位置に設定されている。 この入りガス温度は第１触媒９の活性化が確実に行なわれるのに不可欠な温度の目安である。 上記第１触媒９は、具体的には、上記排気量５０ｃｃ程度のエンジンの場合には排気ポートから３００〜５００ｍｍの位置に配置されている。

上記第２触媒１０の配置位置については、該第２触媒１０に入る排気ガスの温度は上流側に位置する第１触媒９と導入される二次空気との影響を受けるのであるが、このような状況下において排気ガス浄化を開始したい時刻に第２触媒１０への入りガス温度が第１触媒９と略同様に３００℃以上となる位置に設定されている。 排気量５０ｃｃ程度のエンジンの場合、第２触媒１０は、具体的には、第１触媒９から２００ｍｍ程度の位置に配置されている。

そして上記二次空気導入口７ｃは、第１，第２触媒９，１０の計測運転域における最高温度同士の差を所定の範囲内、具体的には１００℃とする位置に設定されている。 なお上記温度差が１００℃以内となる接続位置は、実験により求めることとなる。 本実施形態では、第１触媒９から第２触媒１０の間隔の概ね１／２程度までの範囲に二次空気導入管１１を接続しており、第１触媒９の直近部分とするのがより望ましい。

本実施形態による排気ガス浄化装置によれば、第１，第２触媒９，１０の計測運転域における最高温度同士の差が１００℃以内となる位置に二次空気導入管１１を接続したので、第１，第２触媒９，１０の温度差による負担の偏りを抑制すことができ、その結果、第２触媒１０の劣化を抑制でき、寿命を延長できる。

即ち、二次空気導入管１１を第１，第２触媒９，１０の何れかの側に近づけると、その近づけた側の触媒は他方の触媒より温度が上昇する傾向にある。 このため第１，第２触媒９，１０の温度差ができるだけ小さくなる位置、具体的には第１触媒９から第２触媒１０の間隔の概ね１／２程度までの範囲に二次空気導入管１１を接続することにより、高温状態が長時間続くという状態を防止できる。

本実施形態では、第２触媒１０をエキゾースパイプ７の下流側半部７ｂが収納された消音器８内に配設したので、外観を損なうことなく第２触媒１０の容量の大型化が可能となり、浄化能力の高めることができる。

また上記第２触媒１０を消音器８内に配設したので、第２触媒１０が外気により冷却されることがなくなり、エンジン１の冷機始動時に第２触媒１０が活性化温度に達するまでの時間を短縮することができる。

本実施形態では、二次空気導入管１１を消音器８の内部に位置する下流側半部７ｂに接続したので、二次空気導入管１１をエキゾーストパイプ７と消音器８とで支持固定することができ、外観を損なうことなく二次空気導入管１１の接続強度を高めることができる。

次に本実施形態の効果を確認するために行なった実験について説明する。

本実験は、第１，第２触媒９，１０の計測運転域における最高温度差を１００℃以内とする二次空気導入口管１１の接続位置を見出すために行なった。 この実験では、上記実施形態と同様の構造の排気ガス浄化装置を採用し、予め設定された走行パターンに従って走行時間と走行速度を調整する，いわゆるＥＣＥ４０試験法を採用した。 具体的には、走行速度を略１５Ｋｍ／ｈ，３０Ｋｍ／ｈ，５０Ｋｍ／ｈと変化させる２００秒の走行パターンを６回繰り返して合計１２００秒走行し、ＣＯの排出量及び第１，第２触媒の温度変化を測定した（図３，図５，図７の（ａ）〜（ｃ）参照）。 また上記１２００秒間に導入した二次空気量は約３７０〜４００リットルとした。

そして実験例１では、二次空気導入管１１を第１触媒９の後端面から２０ｍｍ下流側の位置に接続して行なった（図２参照）。 また、実験例２では、二次空気導入管１１を第１触媒９の後端面から６０ｍｍ下流側の位置に接続し（図４参照）、実験例３では、二次空気導入管１１を第１触媒９の後端面から１２０ｍｍ下流側の位置に接続して行なった（図６参照）。 そして第１，第２触媒９，１０のそれぞれの温度変化を測定するとともに、ＣＯ量を測定した。 なお、本実験例１〜３において、第１，第２触媒９，１０の容量及びエンジン仕様については同一とした。

図８（ａ），（ｂ）は、各触媒９，１０の温度計測方法を示している。 エキゾーストパイプ７及び触媒９，１０に外方から半径方向に３ｍｍφ程度の孔をあけ、この孔内にシースＫ型熱電対１５を該熱電対１５の先端が触媒９，１０の中心に位置するように挿入固定した。 また他の計測方法としては、図８（ｂ）に二点鎖線で示すように、熱電対１５を触媒９，１０の軸芯方向に挿入して行なってもよい。

実験例１〜３の何れにおいても、第１，第２触媒の最高温度同士の差は２０℃，６０℃，９０℃と１００℃以内となっており、またＣＯ排出量も満足できる値が得られている。 即ち、触媒を活性化させたい時刻と入りガス温度から第１，第２触媒９，１０の配置位置を設定し、続いて第１，第２触媒９，１０の最高温度差が１００℃以内となるように二次空気導入管１１の接続位置を設定することにより、触媒の劣化を抑制できることがわかる。

また実験例１と実験例３とを比較すると、実験例１のように二次空気導管１１を第１触媒９の下流側直近に接続した場合には、ＣＯの浄化が促進されていることがわかる。 これは二次空気が第１触媒９の下流側から吹き返ることとなり、エンジン冷機時に排出される多量のＣＯと吹き返った空気が酸化反応し、その結果ＣＯの浄化が促進されたものと思われる。

この第１触媒９の一部がＣＯの浄化を促進している点については、第１，第２触媒９，１０が十分活性化している状態、例えば経過時間で１０００秒以降において第１実験例と第３実験例とを比較すると明らかである。 即ち、実験例１のＣＯの排出レベルは２００ｐｐｍ程度（図３（ｂ）参照）であり、実験例３の４００ｐｐｍ程度（図７（ｂ）参照）に比べて少なくなっている。 第１，第２触媒の活性状態が略同じで、かつ同等の二次空気が供給されている状態でＣＯの浄化レベルに差が生じるのは触媒の容量を変えた場合だけと考えられるが、本実験例１，３の第１触媒は同一のものであるので、第１触媒の一部がＣＯの浄化に貢献していることは明らかである。

図９は、上記実験例１〜３によるモード排気ガス値をまとめた図である。 同図において、触媒なしの場合と比べると、実験例１〜３の何れもＣＯ，ＨＣの浄化率は７５〜８０％と高く、またＮＯ _Ｘの浄化率についても７０〜７５％と高い結果が得られている。

なお、上記実施形態では、第１，第２触媒の最高温度差が所定の温度範囲（例えば１００℃）内となる位置に二次空気導入管を接続した場合を説明したが、本発明では、二次空気導入管を導入された二次空気が排気脈動により第１触媒にも作用する位置に接続してもよく、このように構成したのが請求項２の発明である。

具体的には、上記二次空気導入管を第１触媒の下流側直近，もしくは第１，第２触媒の間隔の第１触媒側１／３程度の範囲に接続する。 このように構成することによって、二次空気の一部が第１触媒の下流側から吹き返ることとなり、該吹き返った二次空気と第１触媒とでＣＯ，ＨＣが酸化されることとなる。 このようにエンジンが冷機状態のときには、排気脈動により吹き返った二次空気と第１触媒とでＣＯ，ＨＣの酸化を行なうことができ、第１触媒の活性化を促進することができるととにも、エンジン冷機時の排気ガスの浄化を高めることができる。 この点は上記第１実験例と第３実験例との比較において述べたことからも明らかである。

また上記実施形態では、気化器により燃料をリッチ側に計量してエンジンに供給するようにした場合を例に説明したが、本発明は、排気ガス中の酸素濃度を検出し、該酸素濃度に基づいて求めた空燃比が目標空燃比となるようにエンジンへの燃料噴射量をフィードバック制御するようにした４サイクルエンジンにも適用可能であり、要は二次空気導入管を第１，第２触媒の最高温度同士の差が例えば１００℃以内となる位置に接続することにより、上記実施形態と略同様の効果が得られる。

［図１］請求項１，３，４の発明の一実施形態による排気ガス浄化装置を備えた４サイクルエンジンの概略構成図である。
［図２］上記実施形態の効果を確認するために行なった実験例１の説明図である。
［図３］上記実験例１の特性を示す図である。
［図４］上記実施形態の効果を確認するために行なった実験例２の説明図である。
［図５］上記実験例２の特性を示す図である。
［図６］上記実施形態の効果を確認するために行なった実験例３の説明図である。
［図７］上記実験例３の特性を示す図である。
［図８］上記実験例に採用した触媒の温度計測方法を示す図である。
［図９］上記実験結果を示す特性図である。
［図１０］上記実施形態の排気ガス通路の比較例を示す図である。
［図１１］従来の一般的なＯ _２フィードバック制御による排気ガス浄化装置を備えた４サイクルエンジンの模式構成図である。
［図１２］上記排気ガス浄化装置の特性図である。
［図１３］従来の一般的な第１，第２触媒と二次空気による排気ガス浄化装置の模式構成図である。
［図１４］上記排気ガス浄化装置の特性図である。
［図１５］一般的な４サイクルエンジンの空燃比と排気ガスとの関係を示す特性図である。

符号の説明

１ ４サイクルエンジン ６ 排気管 ７ エキゾーストパイプ ８ 消音器 ９ 第１触媒 １０ 第２触媒 １１ 二次空気導入管