JP5791331B2 - 触媒コンバータの排気導入管の構造 - Google Patents

Description

本発明は、排気マニホールドの集合部と触媒コンバータとを繋ぐ、触媒コンバータの排気導入管の構造に関する。

部品点数の削減、省スペース化、触媒の早期活性化等に対応するために、シリンダヘッド内に排気マニホールドを形成する構造が知られている。

このような従来の構造の例を図４に示す。この場合、触媒コンバータ１１２はエンジン１０１の排気口１０６の直下に配置されるので、シリンダヘッド１０４と触媒コンバータ１１２の上流側との間の排気管１１０は短くなる。このような構成については、例えば、特許文献１に記載がある。

また、多気筒エンジンの場合、排気マニホールド内では各気筒から排出される排気流の向きはそれぞれ異なるため、排気マニホールドから触媒コンバータの上流側の排気管内では排気流が安定しない。

このように排気流が安定せず、排気管内で偏りが生じると、触媒コンバータの浄化効率が低下する。すなわち、図４を参照すると判るように、シリンダヘッド１０４の側面に形成された排気マニホールドの集合部の排気口１０６から排出された排気は、図中の点線矢印１２０に示されるように、急激に下方へ向きを変えられる。このため、高速で送り出される排気は、屈曲した排気管のカーブ外周面に沿って流れ、そのままエンジンから遠い側の壁に沿って触媒コンバータ１１２中を通過する。これにより、触媒担体に対して一部にのみ排気が集まり、温度分布に偏りが生じるため、活性温度に達している領域と、十分に温度が上昇していない領域とが生じる。この結果、全体として浄化効率が低下する。また、一部に排気が集中すると、過剰に温度上昇する領域が形成されるため、この一部の領域のみ熱劣化が進み、触媒コンバータの寿命を縮めることにもなり兼ねない。

これを解消するために、図５のような構成が考えられる。図５に示す構成では、触媒コンバータ２１２の上流側の排気管２１０（いわゆるコーン部分）を大きく形成することにより、排気２２０を一旦淀ませている。これにより、排気２２０が拡散されやすくなり、触媒コンバータ２１２内の触媒担体に対して一様に排気が導かれる。

一方、エンジンの排気成分を検出し、この検出値に基づくフィードバック制御により適正な燃料供給を行うために、触媒コンバータの上流側にＯ_２センサやＡ／Ｆセンサ等の排気センサが設けられている。

ところが、これら排気センサに繋がるリード線やカプラ等の部品の耐熱性は高くないため、熱気の立ち昇る触媒コンバータの直上を避け、側方または斜め上方に配置させることが多い。これに加えて、上述の理由から、触媒コンバータの上流側の排気流は一様ではないため、各気筒から送られる排気を一様に排気センサへ導くことは難しく、検出値にばらつきが生じ易い。このため、本発明者は、このばらつきに対する問題を解決すべく、排気センサが配置される側に排気マニホールドの集合部をオフセットさせることにより、何れの排気も一様に排気センサへ導くことが出来る多気筒エンジンの排気構造を発明し、特許出願（特願２０１０−２６４１０６、以下、「先の出願」という。）した。これにより、排気センサの検出値のばらつきが解消され、適正な燃料供給を行うことが可能となる。

特開２００４−５２５４６号公報

しかしながら、図５に示したような触媒コンバータ２１２では、特殊な形状で大型の排気管２１０を備えるため、コストが増大するとともに搭載スペースを圧迫する。

また、先の出願にかかる発明では、排気の流れが改善され、所定の範囲内にばらつきが抑えられるので、燃料供給の制御が安定するものの、ばらつきが完全に解消されるわけではない。したがって、空燃比が計測値として得られるＡ／Ｆセンサに対しては、適当な補正を施すことにより正確な制御が可能であるが、Ｏ_２センサの場合は、リッチ状態またはリーン状態が２値の電圧で表されるため、排気の流れの状態により生じる微妙な濃度変化に対しては鈍感である。

そこで、上記課題を解決し、より安定した排気流を得るために、本発明では、コストの低減及び省スペース化を実現し得る構成で触媒担体及び排気センサへ一様に排気流を導くことのできる触媒コンバータの排気導入管の構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の触媒コンバータの排気導入管の構造は、複数且つ奇数の気筒から延びる排気マニホールドがシリンダヘッド内で形成され、この排気マニホールドの集合部を、中央に位置する前記気筒に対してクランク軸の延びる方向の何れか一方側の向きにオフセットさせたエンジンの近傍に、下流側を下方に向けて配置される触媒コンバータの排気導入管の構造であって、前記集合部の開口は前記気筒のうち両端の気筒より中央側に位置し、前記オフセットの方向に偏設された排気センサと、前記排気センサの下流側で、且つ、前記触媒コンバータの上流側近傍の上方の内壁面から下方に向けて突出した第１内突部と、前記第１内突部より上流、且つ、前記オフセットの方向と反対側の内壁面において前記排気センサと対向する位置に、前記排気センサに向けて突出した第２内突部を備え、前記オフセットと同じ方向に配置されている前記気筒からの排気は前記排気導入管に入射される際に、前記排気センサが配置されている側とは逆向きに流れることを特徴とする。

また、本発明の触媒コンバータの排気導入管の構造は、上記構成に加えて、前記集合部の開口端は、前記中央気筒の排気ポートの側壁の延長面と交差する領域に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、集合部から排出された排気が、触媒コンバータの入口に向かって下方へ進路を変える際、第１内突部に当たって拡散される。これにより、触媒コンバータの全域に排気流が広がり、触媒担体中を一様に排気が通過することが可能となる。

また、集合部から排出された排気は、第１内突部に到達する前に、排気センサ近傍を通過する際に、排気センサと反対側に形成された第２内突部に当たり、排気センサの配置されているオフセットの方向に向かって拡散される。これにより、排気センサから離れた領域を通過する排気であっても、排気センサ側に導かれるので、排気状態を安定して検出することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る触媒コンバータの排気導入管の構造を示す斜視図である。 図１の触媒コンバータの排気導入管の構造を示す部分断面平面図である。 図１の触媒コンバータの排気導入管の構造を示す右側面図である。 従来の排気管の構造を示す図である。 従来の別の排気管の構造を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態に係る触媒コンバータの排気導入管の構造について、図を用いて説明を行う。

図１は、シリンダヘッドへの取付フランジから触媒コンバータまでの構造を示した斜視図である。なお、詳しくは図２を用いて後述するが、本実施の形態において示すエンジンでは、排気マニホールドがシリンダヘッドの内部に形成されている構成を例として示す。

先ず、図１を参照して、ここでは、排気マニホールドの集合部の開口端に繋がる取付フランジから触媒コンバータ１２までの構成を示している。排気マニホールドから触媒コンバータ１２へ排気を導く排気導入管１０は、略水平に延びた後、下方に向きを変え、触媒コンバータ１２の上流側に接続されている。

触媒コンバータ１２は、下流側を下方に向けて垂設されている。また、排気導入管１０の中間には、排気センサ１４が配置されている。この排気センサ１４は、リード線１４ａの耐熱性が高くないので、高温の熱気が立ち昇る触媒コンバータ１２の直上を避け、斜め上方に配置されている。

そして、排気センサ１４の下流側、且つ触媒コンバータ１２の上流側には、排気導入管１０の内側に突出した凹部１０ａ（第１内突部）が形成されている。また、この凹部１０ａと排気センサ１４との中間の流域で、且つ、排気センサ１４に対向する側の管壁にも同様に、排気導入管１０の内側に突出する凹部１０ｂ（第２内突部）が形成されている。ここで、これら凹部１０ａと凹部１０ｂとは、一部が融合するように形成されている。次に、排気マニホールドから触媒コンバータ１２への排気の流れについて、図２を用いて説明する。

本実施の形態では、図２の平面図に示されるように、３つの気筒８を有したエンジンを例として説明する。ただし、排気の流れが判りやすいように、シリンダヘッド４側を断面図で表している。

この図２から判るように、中央気筒８ｂの中心が位置する排気マニホールド６のセンター位置Ｃに対して、集合部６ａの開口端６ｂの中心位置Ｏは、クランク軸２の延びる方向に対して、紙面の右方向にオフセットしている。このオフセットにより、二点鎖線で示した中央気筒８ｂの延長筒面（排気ポートの側壁の延長面）６ｃは、排気導入管１０の内側に向かって延びている。これにより、バルブオーバーラップの際、排気マニホールド６の内壁で排気が反射して吸気マニホールド側へ戻ることによる異音の発生を防止することが可能である。さらに、延長筒面（排気ポートの側壁の延長面）６ｃは、排気導入管１０の中心ではなく、オフセット方向に偏っているので、排気導入管１０の終端付近で反射した排気のうち、真っ直ぐ吸気マニホールド側へ跳ね返る割合が低減される。このように、本実施の形態に係る触媒コンバータ１２の排気導入管１０の構造によれば、ＮＶ性能の低下を防止することが可能である。

次に、排気センサ１４へ向かって流れる排気流について説明する。先ず、３つの気筒８のうち、紙面左側（排気導入管１０のオフセットと反対側）に位置する気筒８ａから流れる排気は、排気導入管１０に入射した後、略その延長上に排気センサ１４が配置されているので、スムーズに排気センサ１４上を通過することができる。

また、中央気筒８ｂから排出される排気も、オフセットしているので、真っ直ぐ排気セ
ンサ１４に向かって流れるわけではないが、徐々に拡散しながらスムーズに排気センサ１４上を通過することができる。

しかし、オフセットと同じ方向に配置されている紙面右側の気筒８ｃは、排気導入管１０に入射される際、一旦、オフセットと反対側の向きに流れる。すなわち、排気センサ１４が配置されている側とは逆の向きに排気が流れる。ところが、本実施の形態に示す構成では、上述のように、排気導入管１０が中央気筒８ｂに対してオフセットしているので、排気導入管１０の延びる方向と気筒から延びる排気管との繋がりは緩やかになる。このため、一旦、排気センサ１４とは逆側に面した排気導入管１０の内壁に跳ね返って回りこみ、排気センサ１４に排気が到達することが可能となる。

ここで、さらに、凹部１０ｂが排気センサ１４の配置されるセンサ位置１６の僅かに下流側であり、且つ、排気センサ１４に対向する内壁に形成されているので、排気は、回り込んで来る途中で、内側に突出した凹部１０ｂに当たり、拡散される。これにより、図２に示したように、紙面右側へ鋭く曲がる方向成分の排気流２０が生じるので、より排気センサ１４側に排気を集め易くなる。すなわち、排気センサ１４と同じ側に配置された気筒８ｃから排出される排気も効率よく排気センサ１４へ導くことができるので、安定して排気ガスの濃度の検出を行うことができ、延いては、適正な燃料供給を可能とし、燃費の向上を実現することができる。

続いて、触媒コンバータ１２へ向かって流れる排気流について説明する。上述のように、それぞれの気筒８から排出された排気は、排気センサ１４の下流側で、且つ、触媒コンバータ１２の上流側近傍の上方の内壁の位置１８に形成された凹部１０ａに達する前に、一部、凹部１０ｂにより拡散されている。そして、さらに、凹部１０ａに到達した際、同様に拡散される。このとき、図２において、紙面の広がる方向成分の排気流が生じるとともに、下方に向かいつつ、触媒コンバータ１２の中央寄りに向かう成分の排気流２２も生じる。ここで、図３を用いて、排気流２２の高さ方向の流れについて説明する。

図３は、図２の排気構造を右側から見た側面図であるが、シリンダヘッド４は省略している。また、触媒コンバータ１２へ導かれる排気流２２について説明するため、便宜的に、凹部１０ｂと、これにより拡散される排気流２０についても省略している。

図３から判るように、排気導入管１０を流れてきた排気流２２は、略直進位置に上方から突出するように形成されている凹部１０ａにより拡散されている。このように、凹部１０ａの管内の突出側は、略球面状に形成されているので、これに当たった排気流２２は、あらゆる方向へ拡散される。そして、拡散された排気流２２は、触媒コンバータ１２内へ導かれるが、上記拡散により、一方側に偏らず、一様に広がっている。

このように、本実施の形態に係る排気導入管の構造によれば、単に、外部から排気導入管の効果的な位置に球面状の凹部を形成するだけという低コストな改良により、排気センサへ向かう気流を生じさせ、また、触媒コンバータに一様に導入される気流を生じさせることが可能となる。

さらに、凹部を形成することにより、その周辺の強度が向上するという効果も合わせて得ることが可能である。

また、従来では、触媒コンバータの上流側で、一旦、排気流の淀みをつくるために排気導入管の容積を拡大するといった構成も考えられているが、それに比べて本実施の形態に示す構成では、同様の効果を省スペースで得ることが可能であるため、設計自由度が広がり有利である。

尚、上記実施の形態では、凹部１０ａ及び１０ｂは共に球面の一部を形成している構成を例として示したが、これに限らず、排気導入管の内側へ突出する構成であれば、異なる内部突出形状であっても構わない。

また、上記実施の形態では、排気導入管の外部から凹み形状を形成することにより、排気導入管の内側に凹部１０ａ及び１０ｂによる突出構造を設ける例を示したが、内部に突出部が形成されていれば良く、外部に凹部が形成されている必要はない。

さらに、上記実施の形態では、２つの凹部１０ａ及び１０ｂは、一部が融合するように重なっている構成を例として示したが、２つは分離されていても構わない。

また、上記実施の形態では、排気センサ１４に向かって排気流を拡散させる凹部１０ｂが、排気センサ１４より下流側に形成されている例を示したが、これに限らず、排気センサ１４に対向する位置であれば、上流側でもよく、さらに、排気センサ１４の下方側に形成されていても構わない。

１ エンジン
２ クランク軸
４ シリンダヘッド
６ 排気マニホールド
６ａ 集合部
６ｂ 開口端
６ｃ 延長筒面
８ 気筒
８ｂ 中央気筒
１０ 排気導入管
１０ａ 凹部（第１内突部）
１０ｂ 凹部（第２内突部）
１０ｃ 内壁面
１２ 触媒コンバータ
１４ 排気センサ
１６ センサ位置

Claims (2)

1. 複数且つ奇数の気筒から延びる排気マニホールドがシリンダヘッド内で形成され、この排気マニホールドの集合部を、中央に位置する前記気筒に対してクランク軸の延びる方向の何れか一方側の向きにオフセットさせたエンジンの近傍に、下流側を下方に向けて配置される触媒コンバータの排気導入管の構造であって、
   前記集合部の開口は前記気筒のうち両端の気筒より中央側に位置し、
   前記オフセットの方向に偏設された排気センサと、
   前記排気センサの下流側で、且つ、前記触媒コンバータの上流側近傍の上方の内壁面から下方に向けて突出した第１内突部と、
   前記第１内突部より上流、且つ、前記オフセットの方向と反対側の内壁面において前記排気センサと対向する位置に、前記排気センサに向けて突出した第２内突部を備え、
   前記オフセットと同じ方向に配置されている前記気筒からの排気は前記排気導入管に入射される際に、前記排気センサが配置されている側とは逆向きに流れることを特徴とする触媒コンバータの排気導入管の構造。
2. 前記集合部の開口端は、前記中央気筒の排気ポートの側壁の延長面と交差する領域に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の触媒コンバータの排気導入管の構造。