JP2005105903A - エンジンの排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多気筒エンジンから排気マニホルドを介して送られる排気ガスを弁機構の操作に応じて主配管又は副排気通路に対し確実に誘導制御してフロント及びリア触媒を効果的に使い分けできると共に、排気干渉を防止できるエンジンの排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】二重管構造の排気マニホルド２０と筒状ケーシング４２との間には、分岐部３０が設けられている。分岐部３０は、内管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄと筒状ケーシング４２とを気密連結するカバー材３１と、フレアー形状をなすガス誘導材３２とを備える。ガス誘導材３２には、その内側領域と外側領域とを連通させる連通孔３３が形成されている。仕切板４８は、その上流側端部４８ｃが内管２１ａ（２１ｄ）と内管２１ｂ（２１ｃ）との間に接続され、点火順序の連続する気筒の各排気ポートから排出される排気ガスを分けて仕切るようにガス誘導材３２内及び主配管４１内に配設されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、多気筒エンジンからの排気ガスを浄化処理するための触媒を具備したエンジンの排気ガス浄化装置に関する。

一般に車輌用エンジンの排気系には、エンジン本体から排出された排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ等を浄化処理するための排気ガス浄化装置が設けられている。排気ガス浄化装置の多くは触媒（つまり触媒物質を金属又はセラミックスの担体等に担持したもの）を具備するが、触媒には、所定の活性温度に達しなければ十分な浄化性能を発揮できないという特質がある一方、過度に高温の排気ガスに曝され続けると熱劣化を生じ易いという欠点がある。また、エンジンからの排気ガスの側にも、冷間始動時又はアイドリング運転時と中高速回転での高負荷運転時とでは排気ガスの温度に差があるという実情がある。それ故、二種類の触媒を排気系に設け、エンジンの運転状況に応じて各触媒への排気誘導を制御するようにした排気ガス浄化装置が提案されている。

例えば、特許文献１の排気ガス浄化装置では、第１触媒（リア触媒に相当）の上流側にその第１触媒よりも低温の活性温度を有する第２触媒（フロント触媒に相当）を配置している。そして、エンジンからの排気ガスを第２触媒へ導く通路（副排気通路に相当）と、第２触媒をバイパスして直接第１触媒に排気ガスを導くバイパス通路（主配管に相当）とを同心状に設け、バイパス通路の周囲を第２触媒が取り囲む構造としている。また、バイパス通路の上流側端部内に蝶型又はフラッパ型の開閉弁を設け、その開閉弁の操作に応じてエンジンからの排気ガスを前記バイパス通路又は第２触媒へ導く通路のいずれかに誘導している。これにより、開閉弁がバイパス通路を閉じているときには第２触媒に供給される排気ガスの熱を利用してバイパス通路を保温し、開閉弁がバイパス通路を開いたときには当該バイパス通路を流れる排気ガスが冷えるのを抑制して第１触媒の昇温又は暖気を早めている。

しかしながら、特許文献１の排気ガス浄化装置にもいくつかの欠点がある。例えば、排気マニホルドを経由して送られてくる排気ガスの大半をバイパス通路に導くべく開閉弁を開いた場合でも、バイパス通路の上流側端部内に設けられた蝶型又はフラッパ型の開閉弁自体が流通抵抗となり、排気ガスの一部が第２触媒（フロント触媒）の方へ流れ易い。それ故、排気ガスの誘導制御が不十分となって二つの触媒を効果的に使い分けることが難しい。また、多気筒エンジンの気筒の点火順序に応じてエンジンの各気筒（各排気ポート）から断続的に排出される排気ガスは、第２触媒（フロント触媒）へ導かれる通路において排気干渉が顕著なものとなり易い。
特開２０００−８８４１号公報（全文及び図１）

本発明の目的は、主排気通路の一部を構成する主配管の周囲に軸直交断面が略環状をなす副排気通路が設けられ、その副排気通路内にフロント触媒が配置されてなるエンジンの排気ガス浄化装置において、排気マニホルドを経由して送られてくる排気ガスを弁機構の操作に応じて主配管又は副排気通路に対し確実に誘導制御してフロント及びリア触媒を効果的に使い分け可能とすると共に、エンジンの各気筒（各排気ポート）から排出される排気ガスの排気干渉を防止することにある。

請求項１の発明は、内管及び外管を具備しその内外管間に空隙を有する二重管構造の排気マニホルドと、前記排気マニホルドの出口側に設けられた主排気通路及び副排気通路の分岐部と、前記分岐部から延びる主排気通路の一部を構成する主配管と、前記主配管を包囲するように設けられて当該主配管との間に軸直交断面が略環状をなす副排気通路を構築する筒状ケーシングと、前記筒状ケーシングの略環状の副排気通路内に配置されたフロント触媒と、前記主排気通路と副排気通路との合流部よりも下流に設けられたリア触媒と、前記排気マニホルドに連通した多気筒エンジンの各排気ポートから排出される排気ガスを当該排気マニホルドを経由して前記主配管又は副排気通路に選択的に導入するための弁機構とを備えたエンジンの排気ガス浄化装置において、前記主排気通路に沿って延びる仕切板は、点火順序の連続する気筒の各排気ポートから排出される排気ガスを分けて仕切るように当該主排気通路内の少なくとも一部に配設されており、前記主排気通路及び副排気通路の分岐部は、前記排気マニホルドの内管の出口側端部と前記筒状ケーシングの入口側端部とを気密に連結すると共に、前記排気マニホルドの内外管間の空隙と当該分岐部の内部とを遮断するカバー材と、前記カバー材の内側にあって前記主配管の入口側端部に設けられると共に、少なくとも一部が上流側に向かうほど拡開するフレアー形状をなしたガス誘導材と、前記ガス誘導材の内側領域と外側領域とを連通させる連通部とを具備してなることを特徴とするエンジンの排気ガス浄化装置である。

請求項１によれば、弁機構によって主配管が、排気マニホルドにより集められた排気ガスをリア触媒に導くための通路として選択されている場合、カバー材内に位置するガス誘導材は、少なくとも一部が上流側に向かうほど拡開するフレアー形状をなしていることから、排気マニホルドからのガスを可能な限り捕捉して主配管内に誘導する。それ故、排気マニホルドからの排気ガスがもれなく、前記分岐部（特にガス誘導材の内側領域）及び主配管（主排気通路の一部）を経由してリア触媒に供給される。このとき、主排気通路に沿って延びる仕切板は、点火順序の連続する気筒の各排気ポートから排出される排気ガスを分けて仕切るように主排気通路内の少なくとも一部に配設されているため、この仕切板により、点火順序の連続する気筒の各排気ポートから排出される排気ガス同士がぶつかりあったり、排気ガスの流れが阻害されたりすることはない。その結果、多気筒エンジンの各気筒から断続的に排出される排気ガスの排気干渉が防止されるようになる。

他方、弁機構によって副排気通路が、排気マニホルドにより集められた排気ガスをリア触媒に導くための通路として選択されている場合、カバー材内に位置するフレアー形状のガス誘導材は排気マニホルドからの排気ガスを一旦捕捉するが、その排気ガスは主配管を通過できないため、ガス誘導材内において渦を巻きミキシングされる。このミキシング作用により、多気筒エンジンの各気筒から断続的に排出される排気ガスの排気干渉が防止され、ガス流の速度分布の不均一性が解消される。ガス誘導材の内側領域において流れが均一化された排気ガスは、逃げ場を求め、連通部を介してガス誘導材の外側領域（即ちカバー材の内周面とガス誘導材の外周面との間の領域）に進入し、更にそこから副排気通路に配置されたフロント触媒に導かれる。上記ミキシングの結果、軸直交断面が略環状となっている副排気通路に導入される排気ガスに流れの偏り（偏流）はなく、その断面略環状の通路の全体に排気ガスが均等に分配される。これにより、副排気通路の断面形状に対応してフロント触媒の軸直交断面が略環状をなしている場合でも、そのフロント触媒に対して特定部位への偏りを生ずることなく排気ガスが均等に分配される。こうして、偏流のない排気ガスによりフロント触媒の全体が均等に加熱されるため、フロント触媒全体が浄化機能を効率的に発揮できる。また、熱分布の不均一性に起因したフロント触媒の破損を未然に回避することができる。

更に請求項１によれば、前記分岐部を構成するカバー材は、排気マニホルドの内管の出口側端部と筒状ケーシングの入口側端部とを気密連結することで、排気マニホルドの内外管間の空隙（即ちエアギャップ）と当該分岐部の内部（即ち主配管及び副排気通路）とを遮断する遮断材としての役割をも兼ねている。このため、分岐部の内部を流れる排気ガスが排気マニホルドの内外管間の空隙内に進入（又は逆流）することがなく、二重管構造を採用したことによる排気マニホルドの高い断熱性能を維持することができる。

なお、以上説明したようなカバー材の機能を最も効果的に発現させるには「カバー材が略円錐形状であること」が好ましい。また、請求項１によれば、略環状の副排気通路が主配管を包囲することで主配管が略環状の副排気通路の中心を貫通するという二系統重合構造を採用しているため、主配管又は副排気通路のうちの一方を流れる排気ガスの余熱を利用して、ガスが流れていない他方を予熱又は保温することができ、ひいては各触媒の暖気性向上等に貢献できる。

請求項２の発明は、請求項１に記載のエンジンの排気ガス浄化装置において、前記仕切板は、前記主配管内に配設されていることを特徴とする。

請求項２によれば、仕切板が主配管内に配設されているため、弁機構によって主配管が排気マニホルドにより集められた排気ガスをリア触媒に導くための通路として選択されている場合に、主排気通路の一部を構成する主配管内において、点火順序の連続する気筒の各排気ポートから排出される排気ガスを仕切板によって確実に分けることが可能となる。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載のエンジンの排気ガス浄化装置において、前記仕切板の上流側が前記ガス誘導材のフレアー形状に対応するように形成され、当該仕切り板の上流側と前記ガス誘導材とを密着させたことを特徴とする。

請求項３によれば、仕切板の上流側の形状をガス誘導材のフレアー形状に対応するように形成し、仕切板の上流側とガス誘導材とを密着させることで、仕切板とガス誘導材との気密性が高められるため、仕切板とガス誘導材との間（連通部は除く）から排気ガスが漏出しにくい。それ故、排気ガス干渉がより確実に防止される。

請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のエンジンの排気ガス浄化装置において、前記仕切板の上流側端部は、前記排気マニホルドの内管間に接続されており、前記仕切板の下流側端部は、前記主配管の出口側端部まで延設されていることを特徴とする。

請求項４によれば、仕切板の上流側端部を排気マニホルドの内管間に接続し、仕切板の下流側端部を主配管の出口側端部まで延設することにより、排気マニホルドの内管間が仕切板の上流側端部で分断されると共に、主配管内が仕切板で区画される。そして、弁機構によって主配管が排気マニホルドにより集められた排気ガスをリア触媒に導くための通路として選択されている場合に、点火順序の連続する気筒の各排気ポートから排出される排気ガスは、排気マニホルドの各内管から排出されて、仕切板によって区画された主配管内をそれぞれ流通するため、排気ガス同士がぶつかりあったり、排気ガスの流れが阻害されたりすることは全くない。また、仕切板を排気マニホルドの内管間から主配管の出口側端部まで延設することで、弁機構によって主配管が排気マニホルドにより集められた排気ガスをリア触媒に導くための通路として選択されている場合に、仕切板によって仕切られた部分では排気ガスの分配を確実に行うことができる。

以上詳述したように本発明によれば、主排気通路の一部を構成する主配管の周囲に軸直交断面が略環状をなす副排気通路が設けられ、その副排気通路内にフロント触媒が配置されてなるエンジンの排気ガス浄化装置において、排気マニホルドを経由して送られてくる排気ガスを弁機構の操作に応じて主配管又は副排気通路に対し確実に誘導制御してフロント及びリア触媒を効果的に使い分けることができると共に、エンジンの各気筒（各排気ポート）から排出される排気ガスの排気干渉を防止できる。また、分岐部を構成するフレアー形状のガス誘導材と弁機構との協働により、副排気通路内のフロント触媒に供給される排気ガスの偏流を緩和してフロント触媒の局部加熱等を防止することができる。

本発明の一実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１に示すように、多気筒エンジン１０（本例では４気筒）用の排気ガス浄化装置は、排気マニホルド２０、分岐部３０、フロント触媒コンバータ４０、弁機構５０、振動遮断機構６０及びリア触媒コンバータ７０を備えている。この４気筒のエンジン１０は、図１中の左側から順に、第１気筒１１、第２気筒１２、第３気筒１３、第４気筒１４を備えると共に、各気筒１１，１２，１３，１４に対応して排気ガスの排出される第１排気ポート１１ａ、第２排気ポート１２ａ、第３排気ポート１３ａ、第４排気ポート１４ａを有している。本実施形態において、エンジン１０の点火順序は、第１気筒１１→第３気筒１３→第４気筒１４→第２気筒１２という順に設定されており、この点火順序に対応して各排気ポート１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａから排出される排気ガスの排気順序は、第１排気ポート１１ａ→第３排気ポート１３ａ→第４排気ポート１４ａ→第２排気ポート１２ａという順になる。

図２及び図３に示すように、排気マニホルド２０は、４つの内管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ及びそれらの内管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを収容する外管２３から構成されており、各内管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄと外管２３との間に空隙（第１の空隙Ｇ１）が確保されてなる二重管構造を有している。内管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄは、各々が分担する４つの気筒（排気ポート）からの排気ガスを集めて分岐部３０に導く構造となっており、これら４つの内管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの出口側端部２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ，２１ｈは、分岐部３０の入口付近に集合配置されている（図４参照）。内管２１ａは第１気筒１１の第１排気ポート１１ａに連通し、内管２１ｂは第２気筒１２の第２排気ポート１２ａに連通し、内管２１ｃは第３気筒１３の第３排気ポート１３ａに連通し、内管２１ｄは第４気筒の第４排気ポート１４ａに連通している（図１参照）。

図１，図６及び図７に示すように、フロント触媒コンバータ４０は、その中心に位置するストレートパイプ状の主配管４１と、その主配管４１を包囲する筒状ケーシング４２とを備えている。主配管４１の外周壁と筒状ケーシング４２の内周壁との間には、中心軸線に対する軸直交断面が略環状（好ましくは円環状）となる副排気通路４３が構築されている。換言すれば、フロント触媒コンバータ４０は、副排気通路４３の中心を主配管４１が貫通するような二系統重合配管構造をなしている。そして、筒状ケーシング４２内に区画された副排気通路４３には、その副排気通路４３の断面形状に適合するフロント触媒４４が配置されている。つまりフロント触媒４４の中心を前記主配管４１が貫通している。

図２及び図３に示すように、排気マニホルド２０とフロント触媒コンバータ４０との間に介在する分岐部３０は、略円錐形状のカバー材３１（コーン）と、フレアー形状のガス誘導材３２とを備えている。

ガス誘導材３２は、前記カバー材３１の内側にあって主配管４１の入口側端部４１ａに設けられている。ガス誘導材３２の保持固定に際しては、主配管４１の入口側端部４１ａに対しガス誘導材３２の下流側端部３２ａを溶接等によって固着してもよいし、あるいはガス誘導材３２と主配管４１とが予め一体成形されてもよい。このガス誘導材３２は全体としてフレアー形状をなしている。フレアー形状とは、すり鉢や漏斗のように上端に向かうほど拡開又は拡径するような形状をいう。図３及び図４に示すように、フレアー形状のガス誘導材３２の上流側端部３２ｂは、排気マニホルドの４つの内管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの出口側端部２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ，２１ｈに対して溶接により気密連結されている。また、ガス誘導材３２の側面には複数の連通孔３３が貫通形成されている。これらの連通孔３３は、当該ガス誘導材３２及び主配管４１の中心軸線を等角度間隔で取り囲むように配列されており、ガス誘導材３２の内側領域と外側領域とを連通させる連通部として機能する。

カバー材３１にあっては、その上流側端部３１ａが排気マニホルドの４つの内管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの出口側端部２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ、２１ｈ（より正確には、４つの内管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの出口側端部２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ，２１ｈとガス誘導材３２の上流側端部３２ｂとの溶接部位）に対して溶接により気密連結されている。また、カバー材３１の下流側端部３１ｂが筒状ケーシング４２の入口側端部４２ａの周縁に対して溶接により気密連結されている。従って、カバー材３１により、前記４つの内管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの出口側端部２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ，２１ｈと筒状ケーシング４２の入口側端部４２ａとが気密連結されている。

図３に示すように、排気マニホルドの外管２３は、その出口側端部２３ａが前記４つの内管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの出口側端部２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ，２１ｈよりも更に下方の、筒状ケーシング４２の入口側端部４２ａ付近にまで延設されている。そして、その外管２３の出口側端部２３ａは、筒状ケーシング４２の入口側端部４２ａの周縁（より正確には、筒状ケーシング４２の入口側端部４２ａの周縁とカバー材３１の下流側端部３１ｂとの溶接部位）に対して溶接により気密連結されている。その結果、カバー材３１と前記延設された排気マニホルド２０の外管２３との間には、二重管構造の排気マニホルド２０が備える第１の空隙Ｇ１と連通する第２の空隙Ｇ２が構築される。そしてカバー材３１は、分岐部３０の内側領域と前記第１及び第２の空隙Ｇ１，Ｇ２とを遮断する遮断材としての役割をも担う。

図２，図３，図６及び図７に示すように、主配管４１内には、ステンレス鋼板等の金属板材からなる仕切板４８が該主配管４１内の排気ガス流路（後述する主排気通路の一部）に沿って延びるように配設されている。図５に示すように、この仕切板４８は、その先端側（上流側）が前記ガス誘導材３２（図６及び図７参照）のフレアー形状に対応するように形成されたフレアー板部４８ａと、そのフレアー板部４８ａから後端（下流側）まで真直ぐ延びるように形成された直状板部４８ｂとを備えている。図３及び図４に示すように、仕切板４８（フレアー板部４８ａ）の上流側端部４８ｃは、排気マニホルド２０の内管２１ａと内管２１ｂとの間に接続されると共に、内管２１ｄと内管２１ｃとの間に接続されており、内管２１ａの出口側端部２１ｅ，内管２１ｂの出口側端部２１ｆ，内管２１ｃの出口側端部２１ｇ及び内管２１ｄの出口側端部２１ｈと仕切板４８（フレアー板部４８ａ）の上流側端部４８ｃとが溶接によりそれぞれ接合されている。

また、図６及び図７に示すように、仕切板４８（直状板部４８ｂ）の下流側端部４８ｄは、主配管４１の出口側端部４１ｂまで延設され、仕切板４８（直状板部４８ｂ）の下流側端部４８ｄと主配管４１の出口側端部４１ｂとが溶接により接合されている。仕切板４８のフレアー板部４８ａの側面は、フレアー形状をなすガス誘導材３２の内面に密着しており、仕切板４８の直状板部４８ｂの側面も、主配管４１の内面に密着している。このようなフレアー板部４８ａの側面及びガス誘導材３２の内面の密着状態と、直状板部４８ｂの側面及び主配管４１の内面の密着状態とにより、仕切板４８とガス誘導材３２及び主配管との気密性が高められ、仕切板４８で仕切られた主排気通路では流通する排気ガスの分配が確実に行われるようになる。

図４に示すように、ガス誘導材３２内の４つの内管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄについては、仕切板４８の上流側端部４８ｃを挟んで、内管２１ａ及び内管２１ｄのグループと内管２１ｂ及び内管２１ｃのグループとの２つに分別（分断）されている。また、図３に示すように、ガス誘導材３２及び主配管４１の内部は、仕切板４８により長手方向に沿って二等分となるように区画されて、ガス誘導材３２内及び主配管内、すなわち後述する主排気通路の上流側には該通路方向に沿って２つの空間が構築される。これらの２つの空間において、一方の空間には、グループ化された内管２１ａ及び内管２１ｄが連通して内管２１ａ及び内管２１ｄからの排気ガスが流通可能となっており、他方の空間には、グループ化された内管２１ｂ及び内管２１ｃが連通して内管２１ｂ及び内管２１ｃからの排気ガスが流通可能となっている。なお、内管２１ａ及び内管２１ｄのグループと、内管２１ｂ及び内管２１ｃのグループとは、エンジン１０の点火順序（又は排気順序）が連続しない気筒の各排気ポートに連通した内管同士をそれぞれまとめたものである。

すなわち、４つの内管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを２つのグループに分別した理由は、エンジン１０の点火順序（又は排気順序）が連続する第１気筒１１の第１排気ポート１１ａと第３気筒１３の第３排気ポート１３ａとから内管２１ａ，２１ｃを経由して排出される排気ガス同士がぶつかり合うことを回避し、点火順序（又は排気順序）が連続する第３気筒１３の第３排気ポート１３ａと第４気筒１４の第４排気ポート１４ａとから内管２１ｃ，２１ｄを経由して排出される排気ガス同士がぶつかり合うことを回避し、点火順序（又は排気順序）が連続する第４気筒１４の第４排気ポート１４ａと第２気筒１２の第２排気ポート１２ａとから内管２１ｄ，２１ｂを経由して排出される排気ガス同士がぶつかり合うことを回避し、点火順序（又は排気順序）が連続する第２気筒１２の第２排気ポート１２ａと第１気筒１１の第１排気ポート１１ａとから内管２１ｂ，２１ａを経由して排出される排気ガス同士がぶつかり合うことを回避して排気干渉を防止するためである。従って、本実施形態の仕切板４８は、エンジン１０の点火順序（又は排気順序）の連続する気筒の各排気ポートから排気マニホルド２０の内管を経由して排出される排気ガスを、ガス誘導材３２内及び主配管４１内（後述する主排気通路の上流側）でのみ直接的に分けて仕切る役割を担うと同時に、該排気ガスの排気干渉を防止する役割をも担う。

図６及び図７に示すように、フロント触媒コンバータ４０の下流側端部には、フランジ４６を介して連結ケース４７が連結されている。連結ケース４７の内側には、主配管４１の延長方向に対して横方向に後退した退避空間Ｓが確保されると共に、弁機構５０の主要部が配設されている。フランジ４６は、筒状ケーシング４２内に区画された副排気通路４３の後端に位置する連結部材であると同時に、後述する弁座部５１を提供する部材でもある。フランジ４６には、副排気通路４３と連結ケース４７の内部とを連通させるための複数のフランジ孔４６ａが形成されている。

弁機構５０は、前記フランジ４６の一部により提供される弁座部５１と、その下流側に配設された皿形の弁体５２と、アーム５３と、回動シャフト５４とを備えている。弁座部５１は、主配管４１の出口側端部４１ｂの周縁部に設けられており、当該主配管４１の出口側端部４１ｂに弁孔５１ａを区画形成する。皿形の弁体５２は、回動シャフト５４から延びるアーム５３の先端に固定されており、回動シャフト５４の回動動作に応じて、弁体５２が弁座部５１に着座して弁孔５１ａを完全に閉塞する弁孔閉塞位置（図６に示す位置）と、前記退避空間Ｓ内に設定された弁孔開放位置（図７に示す位置）との間を切替え配置可能となっている。

図１に示すように、弁機構５０の回動シャフト５４は、所定のアクチュエータ及び制御回路を含む弁駆動制御装置５５に作動連結されている。弁駆動制御装置５５は、エンジン１０の電子制御ユニットＥＣＵと電気的に接続されており、該ＥＣＵを介して提供されるエンジン１０の運転状態を反映する各種情報（例えば、吸気系に設けられたスロットルバルブの開度、エンジン回転数、ラジエータの冷却水温度、排気ガス中の酸素濃度、排気ガス温度、各触媒の温度など）に基づいて弁機構５０の開閉動作を制御する。これにより、弁機構５０は、エンジン１０の各排気ポート１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａから排出される排気ガスを排気マニホルド２０の内管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを経由して主配管４１又は副排気通路４３のいずれかに選択的に導入するという排気ガスの流通制御を行う。

図１及び図２に示すように、連結ケース４７は振動遮断機構６０（例えばベローズ）を介してリア触媒コンバータ７０に接続されている。リア触媒コンバータ７０内には円柱状のリア触媒７１が収容されている。このリア触媒７１及び前記フロント触媒４４は、通気性担体（例えばハニカム構造のセラミックス担体）に排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ等を浄化するための触媒物質を担持したものである。但し、フロント触媒４４は、リア触媒７１よりも小体積とすることで熱容量が相対的に小さくなっており、排気ガスがもたらす熱量が少ない場合でも、フロント触媒４４は直ちに昇温可能となっている。なお、フロント触媒４４を構成する通気性担体としては、ハニカム構造のセラミックス担体に代えて、金属製ハニカムコア体を採用してもよい。金属製ハニカムコア体とは、例えば、薄肉な平板状金属帯材と波板状金属帯材とを重積しこれを一括渦巻き状に巻回することで、軸方向に多数の網目状通気孔路を形成してなる金属製触媒担体のことである。

なお、本実施形態では、分岐部３０のガス誘導材３２から、主配管４１、連結ケース４７及び振動遮断機構６０を経由してリア触媒コンバータ７０に到る一連の通路によって「主排気通路」が構成される。それ故、主配管４１は主排気通路の一部を構成する。また、筒状ケーシング４２内に設けられた副排気通路４３は、分岐部３０において主排気通路から分岐すると共に前記連結ケース４７において主排気通路に再合流するというかたちで主排気通路を迂回している。このため、連結ケース４７は主排気通路と副排気通路４３との合流部に相当する。

次に、本実施形態のエンジンの排気ガス浄化装置の作用及び効果について説明する。

エンジン１０の冷間始動時及びアイドリング運転時（低負荷運転時）には、弁駆動制御装置５５により弁体５２は弁座部５１に着座する弁孔閉塞位置に配置され（図６参照）、副排気通路４３が、排気マニホルド２０の内管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄによって集められた排気ガスをリア触媒７１に導くための通路として選択される。この場合でも、カバー材３１内に位置するガス誘導材３２は、排気マニホルド２０の内管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄからの排気ガスを可能な限り多く捕捉して主配管４１内に誘導しようとするが、その排気ガスは弁機構５０の閉動作により主配管４１を通過できないため、主配管４１内及びガス誘導材３２内において渦を巻いてミキシングされる。このミキシング作用により、エンジン１０の各気筒１１，１２，１３，１４の排気ポート１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａから断続的に排出される排気ガスの排気干渉が防止され、ガス流の速度分布の不均一性が解消される。ガス誘導材３２の内側領域において流れが均一化された排気ガスは、逃げ場を求め、連通孔３３を介してガス誘導材３２の外側領域、つまりカバー材３１の内周面とガス誘導材３２の外周面との間の領域に進入し、更にそこから筒状ケーシング４２内のフロント触媒４４に導かれる。

上記ミキシングの結果、軸直交断面が略環状の副排気通路４３に導入される排気ガスに流れの偏り（偏流）は存在せず、その副排気通路４３の全体に排気ガスが均等に分配される。このため、副排気通路４３の断面形状に対応して軸直交断面が略環状をなすフロント触媒４４に対しても、特定箇所への偏りを生ずることなく排気ガスが均等に分配される。そして、偏流のない排気ガスによりフロント触媒４４の全体が均等に加熱され、触媒全体が浄化機能を効率的に発揮する。フロント触媒４４によって浄化処理された排気ガスは、フランジ孔４６ａ、連結ケース４７等を経由してリア触媒７１に導かれ、その後マフラー等を経て大気中に放出される。なお、図６の状態では、主配管４１を取り囲んでいるフロント触媒４４を流れる排気ガスの熱が主配管４１の管壁を介してその内側にも伝達されるため、弁機構５０の閉弁時には、フロント触媒４４の中心を貫通する主配管４１の内壁部が同時に予熱される。

他方、エンジン１０の中高速回転時（高負荷運転時）には、弁駆動制御装置５５によって弁体５２は退避空間Ｓ内の弁孔開放位置に配置され（図７参照）、弁孔５１ａが完全開放される。即ち、主排気通路の一部たる主配管４１が、排気マニホルド２０の内管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄによって集められた排気ガスをリア触媒７１に導くための通路として選択される。この場合、ガス誘導材３２は、排気マニホルド２０の内管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄからの排気ガスを可能な限り多く捕捉して主配管４１内に誘導する。このとき、ガス誘導材３２内及び主配管４１内は仕切板４８によって二等分されて（図３参照）、点火順序（又は排気順序）の連続する気筒の各排気ポートから排気マニホルド２０の内管を経由して排出される排気ガスが異なる排気流路（空間）をそれぞれ流通するため、排気ガス同士がぶつかり合ったり、排気ガスの流れが阻害されたりすることはない。その結果、第１気筒１１、第２気筒１２、第３気筒１３及び第４気筒１４を備えたエンジン１０の各気筒の排気ポート１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａから排出される排気ガスの排気干渉が防止される。

加えて、ガス誘導材３２はフレアー形状をなすため、排気マニホルド２０の内管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの出口側端部２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ，２１ｈから排出される排気ガスのうち、膨張を起こして主流流速に対し遅れた流速を持つガス成分も、もれなくガス誘導材３１により主配管４１に向けてガイドされる。故に、エンジン１０から、排気マニホルド２０、ガス誘導材３２の内側領域及び主配管４１を経由してリア触媒７１にいたるガス流れが非常に円滑化すると共に、副排気通路４３への排気ガスの進入（又は迂回）もほとんどない。なお、図７の状態では、主配管４１を流れる排気ガスの熱が主配管４１の管壁を介してその外側にも伝達されるため、弁機構５０の開弁時には、フロント触媒４４が同時に予熱される。

以上のように本実施形態によれば、排気マニホルド２０の直後に位置する主排気通路と副排気通路４３との分岐部３０を、略円錐形状のカバー材３１及びフレアー形状のガス誘導材３２で形成することにより、弁機構５０の開弁時には、排気マニホルド２０からの排気ガスを二等分された主配管４１内を経由してダイレクトにリア触媒７１に導く一方で、弁機構５０の閉弁時には、排気マニホルド２０の内管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄからの排気ガスを十分にミキシングしてから副排気通路４３内のフロント触媒４４に導くことが可能となる。従って、フロント触媒４４の全体にその浄化機能を有効に発揮させることができると共に、熱分布の不均一性に起因するフロント触媒４４の破損を未然防止することができる。

本実施形態によれば、点火順序（又は排気順序）の連続する気筒の各排気ポートから内管を経由して排出される排気ガスを、ガス誘導材３２内及び主配管４１内の仕切板４８によって区画形成された２つの排気流路（空間）にそれぞれ分けて流通させることができるため、排気ガスの排気干渉を防止することができる。また、仕切板４８の側面は、ガス誘導材３２及び主配管４１の内面に密着して気密性が高められているため、仕切板４８とガス誘導材３２及び主配管４１との間から排気ガスが漏出することを抑制でき、排気干渉の防止がより確実なものとなる。更に、仕切板４８は、その上流側端部４８ｃが内管２１ａ（２１ｄ）と内管２１ｂ（２１ｃ）との間に接続されており、その下流側端部４８ｄが主配管４１の出口側端部４１ｂまで延設されているため、当該仕切板４８によって仕切られたガス誘導材３２内及び主配管４１内の主排気通路では排気ガスの分配を確実に行うことができる。

本実施形態によれば、カバー材３１と排気マニホルド２０の外管２３との間には、二重管構造の排気マニホルド２０が備える第１の空隙Ｇ１と連通する第２の空隙Ｇ２が確保されている。この第２の空隙Ｇ２の存在により、分岐部３０の断熱性能が向上し、ひいてはフロント触媒４４の暖気性が向上する。また、カバー材３１は、排気マニホルド２０が備える第１の空隙Ｇ１と分岐部３０の内部とを遮断する遮断材としても機能するため、分岐部３０内を流れる排気ガスが前記第１の空隙Ｇ１に進入（又は逆流）することがなく、二重管構造を採用したことによる排気マニホルド２０の高い断熱性能を維持することができる。

本実施形態では、フロント触媒４４の上流側に弁機構５０が存在しないため、排気マニホルド２０によって集められた排気ガスが、弁機構等によって熱を奪われることなく直ちにフロント触媒４４に導入される。このため、排気ガスが持つ熱量をフロント触媒４４の加熱に有効利用して、フロント触媒４４を所要の活性温度に早期に到達させることができる。

高負荷運転時にエンジン１０から排出される排気ガスの温度は低負荷運転時よりも一般に高温であることに加えて、主配管４１の内壁部が前記低負荷運転時における予熱により暖められているので、弁機構５０の閉弁状態から開弁状態になった直後でも、エンジン１０からの排気ガスは、主配管４１を経由することで温度を低下させることはなく、高温のままリア触媒７１に導かれる。従って、リア触媒７１は、直ちに排気ガス中の環境負荷物質（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ等）を浄化処理することができる。

弁機構５０は主配管４１の後端に配置され、又、その回動シャフト５４も退避空間Ｓの片隅に収まっており主配管４１を横断していない（図６参照）。故に、回動シャフト５４が高温の排気ガスによって焼き付くことがない。また、弁体５２が弁孔開放位置に配置される場合にはアーム５３が退避空間Ｓ内に退避するため、弁機構５０の開弁時に、弁機構５０自体が排気ガス流通の障害物とならない。それ故、従来よりも排気抵抗が低減され、エンジン性能の向上が図られる。弁機構５０を構成する弁体５２を皿形とし、弁座部５１に対し面的に着座可能としたので弁孔５１ａのガスシール性に優れている。それ故、弁機構５０の閉弁時に、フロント触媒４４によって処理されない排気ガスが当該弁機構５０を漏れ出て下流側に垂れ流しになることがない。

（変更例）本発明の実施形態を以下のように変更してもよい。

・前記実施形態では、フレアー形状のガス誘導材３２の内側領域と外側領域とを連通させる連通部として、ガス誘導材３２に貫通形成した連通孔３３を採用したが、連通部の形態はこれに限定されるものではない。例えば、ガス誘導材３２の上流側端部３２ｂを排気マニホルド２０の内管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの出口側端部２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ，２１ｈに連結することなく、当該上流側端部３２ｂとカバー材３１の内周面との間に所定幅の環状クリアランスを確保し、その環状クリアランスを連通部として機能させてもよい。

・前記実施形態では、仕切板４８にフレアー板部４８ａと直状板部４８ｂとを備えているが、仕切板の形状は、この形状に特に限定されるものではない。

・前記実施形態では、仕切板４８の下流側端部４８ｄを主配管４１の出口側端部４１ｂまで延設したが、当該部分まで延設しなくてよい。例えば、仕切板４８の下流側端部を主配管４１の上流側又は中流側の部分まで設けるようにしてもよい。また、仕切板を主配管４１内に配設せずに、ガス誘導材３２内にのみ配設してもよい。

（付記項）他に、特許請求の範囲の各請求項に記載されないものであって、前記実施形態等から把握される技術的思想について、以下にその作用効果と共に記載する。

（ａ）前記排気マニホルドの外管の出口側端部が、前記筒状ケーシングの入口側端部付近にまで延設されると共にその筒状ケーシングの入口側端部に対して連結されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。

上記（ａ）によれば、前記分岐部を構成するカバー材が排気マニホルドの内管の出口側端部と筒状ケーシングの入口側端部とを気密連結していることに加えて、排気マニホルドの外管の出口側端部が筒状ケーシングの入口側端部付近にまで延設され且つその筒状ケーシングの入口側端部に対して連結されることで、カバー材と前記延設された排気マニホルド外管との間には、第２の空隙（この第２の空隙Ｇ２は二重管構造の排気マニホルドが備える第１の空隙Ｇ１と連なる）が構築される。この第２の空隙は、前記カバー材を含む分岐部における断熱性能を向上させることができ、ひいてはフロント触媒の暖気性を向上させることができる。

（ｂ）前記ガス誘導材の上流側端部は、前記排気マニホルドの内管の出口側端部又は前記カバー材の内周面に接続されており、
前記連通部は、前記ガス誘導材に貫通形成された少なくとも一つの連通孔により構成されることを特徴とする請求項１から請求項４及び上記（ａ）のいずれか一項に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。

上記（ｂ）によれば、ガス誘導材の上流側端部が排気マニホルドの内管の出口側端部又はカバー材の内周面に接続されることで、排気ポートから排出される排気ガスを排気マニホルドを介して主配管内に誘導し易くなる。その一方で、ガス誘導材に貫通形成された少なくとも一つの開口（連通孔）によって、ガス誘導材の内側領域と外側領域との連通が確保される。

（ｃ）前記弁機構は、前記主配管の出口側端部に弁孔を区画すべく設けられた弁座部と、その弁座部の下流側にあって当該弁座部に着脱可能な皿形の弁体とを備えており、
前記皿形の弁体は、当該弁体が前記弁座部に着座する弁孔閉塞位置と、前記弁座部から離れる弁孔開放位置との間を切替え配置可能に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４、上記（ａ）及び上記（ｂ）のいずれか一項に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。

上記（ｃ）によれば、弁機構を構成する弁座部及び皿形の弁体は、主配管の出口側端部に存在しており、前記分岐部やフロント触媒の上流側には存在しないので、弁機構がフロント触媒に導かれる排気ガスから熱を奪い取ることがない。それ故、フロント触媒の暖気性を向上させることができる。また、弁機構を排気マニホルド及び前記分岐部から遠ざけたこと（即ちできるだけ下流側に配置したこと）で、弁機構が高温の排気ガスに直接曝されることが回避され、弁機構が焼き付き等を起こすのを防止できる。加えて、弁体は皿形をしており、弁孔の周縁を区画する弁座部に着座する際には弁座部に対して面接触となる。このため、従来例よりも明らかに閉弁時におけるガスシール性が高められ、閉弁時（副排気通路の選択時）において、排気ガスの一部がフロント触媒を経由せずに未処理のまま下流に向けて漏洩する事態を確実に防止できる。

なお、上記（ｃ）において、「前記弁孔開放位置が、前記主配管の延長方向に対して横方向に後退した退避空間内に設定されていること」は好ましい。この場合、弁体が弁孔閉塞位置から弁孔開放位置に切替えられると（つまり主配管が選択されると）、その弁体は主配管の延長方向に対して横方向に後退した退避空間内に退避し、主配管の延長経路内（即ち主排気通路内）に居座らない。このため、当該弁体は主排気通路における排気ガス流通の障害物とならず、排気抵抗が低減され、ひいてはエンジン性能が向上する。また、弁体が退避空間内に退避している間、弁体が高温の排気ガス流のまっただ中に曝されることがなく、弁体が過熱状態に陥るのを回避できる。

一実施形態における排気ガス浄化装置の全体概要を示す図である。 排気マニホルド、分岐部及びフロント触媒コンバータの概略斜視図である。 分岐部付近の拡大断面図である。 排気マニホルドにおける内管の出口側端部付近を示す断面図である。 仕切板を示す平面図（又は底面図）である。 フロント触媒コンバータ付近の閉弁時における断面図である。 フロント触媒コンバータ付近の開弁時における断面図である。

符号の説明

１０ エンジン
１１ 第１気筒
１１ａ 第１排気ポート
１２ 第２気筒
１２ａ 第２排気ポート
１３ 第３気筒
１３ａ 第３排気ポート
１４ 第４気筒
１４ａ 第４排気ポート
２０ 排気マニホルド
２１ａ 内管
２１ｂ 内管
２１ｃ 内管
２１ｄ 内管
２１ｅ 内管（２１ａ）の出口側端部
２１ｆ 内管（２１ｂ）の出口側端部
２１ｇ 内管（２１ｃ）の出口側端部
２１ｈ 内管（２１ｄ）の出口側端部
２３ 外管
２３ａ 外管の出口側端部
３０ 分岐部
３１ カバー材
３２ ガス誘導材
３２ａ ガス誘導材の下流側端部
３２ｂ ガス誘導材の上流側端部
３３ 連通孔（連通部）
４０ フロント触媒コンバータ
４１ 主配管（主排気通路の一部）
４１ａ 主配管の入口側端部
４１ｂ 主配管の出口側端部
４２ 筒状ケーシング
４２ａ 筒状ケーシングの入口側端部
４３ 副排気通路
４４ フロント触媒
４７ 連結ケース（合流部）
４８ 仕切板
４８ａ フレアー板部
４８ｂ 直状板部
４８ｃ 仕切板の上流側端部
４８ｄ 仕切板の下流側端部
５０ 弁機構
５１ 弁座部
５１ａ 弁孔
５２ 皿形の弁体
５５ 弁駆動制御装置
７０ リア触媒コンバータ
７１ リア触媒
Ｇ１ 第１の空隙
Ｇ２ 第２の空隙
Ｓ 退避空間

Claims (4)

1. 内管及び外管を具備しその内外管間に空隙を有する二重管構造の排気マニホルドと、
   前記排気マニホルドの出口側に設けられた主排気通路及び副排気通路の分岐部と、
   前記分岐部から延びる主排気通路の一部を構成する主配管と、
   前記主配管を包囲するように設けられて当該主配管との間に軸直交断面が略環状をなす副排気通路を構築する筒状ケーシングと、
   前記筒状ケーシングの略環状の副排気通路内に配置されたフロント触媒と、
   前記主排気通路と副排気通路との合流部よりも下流に設けられたリア触媒と、
   前記排気マニホルドに連通した多気筒エンジンの各排気ポートから排出される排気ガスを当該排気マニホルドを経由して前記主配管又は副排気通路に選択的に導入するための弁機構とを備えたエンジンの排気ガス浄化装置において、
   前記主排気通路に沿って延びる仕切板は、点火順序の連続する気筒の各排気ポートから排出される排気ガスを分けて仕切るように当該主排気通路内の少なくとも一部に配設されており、
   前記主排気通路及び副排気通路の分岐部は、
   前記排気マニホルドの内管の出口側端部と前記筒状ケーシングの入口側端部とを気密に連結すると共に、前記排気マニホルドの内外管間の空隙と当該分岐部の内部とを遮断するカバー材と、
   前記カバー材の内側にあって前記主配管の入口側端部に設けられると共に、少なくとも一部が上流側に向かうほど拡開するフレアー形状をなしたガス誘導材と、
   前記ガス誘導材の内側領域と外側領域とを連通させる連通部と
   を具備してなることを特徴とするエンジンの排気ガス浄化装置。
2. 前記仕切板は、前記主配管内に配設されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
3. 前記仕切板の上流側が前記ガス誘導材のフレアー形状に対応するように形成され、当該仕切り板の上流側と前記ガス誘導材とを密着させたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
4. 前記仕切板の上流側端部は、前記排気マニホルドの内管間に接続されており、前記仕切板の下流側端部は、前記主配管の出口側端部まで延設されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
   

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