JP2006037782A - マニホルドコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】
触媒担体の上流、または上流と下流両方の排気流れを分流する隔壁を持つマニホルドコンバータにおいて、触媒担体と隔壁との間隙を極力抑えることを可能とした構成により、排気ガスの排気干渉を緩和して内燃機関の低中速域のトルクを確保することのできるマニホルドコンバータを提供する。
【解決手段】
マニホルドコンバータに触媒担体の上流側空間を２分割する隔壁を設け、隔壁の一部に隔壁と触媒担体との距離を正確に位置決めするためのストッパ部材を配設するよう構成した。このような構成で、ケースサブアッセンブリに配設されたストッパ部材と、コーンサブアッセンブリに配設された隔壁が接する様に位置決めすることにより、触媒担体と隔壁の距離をより少なく、またばらつきを少なく設定することが可能となった。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス中の成分を浄化する触媒コンバータに関し、特に排気マニホルド集合部近傍に触媒担体が設けられる形式のマニホルドコンバータに関するものである。

内燃機関の触媒コンバータとして、排気マニホルドと触媒担体が一体化した所謂マニホルドコンバータと呼ばれる形式の触媒コンバータがある。

このマニホルドコンバータは、燃焼室から出た排気ガスが直ちに触媒担体に導かれるため、熱損失が小さく触媒の早期暖機性能に優れ、冷間時の排気ガス浄化性能が高い。

図３に示す技術は、シングルマニホルドコンバータ形式のもので、直列４気筒の内燃機関に適用した例である。本従来技術では、各気筒から排出された排気ガス流を触媒担体上流の一つの空間に導入させ、触媒担体を通過することにより排気ガスが浄化されるようになっている。しかし乍ら本従来技術は排気干渉による圧力損失が大きく、トルクの低下が著しい場合がある。

図４は直列４気筒用のデュアルマニホルドコンバータ形式の例を示し、触媒担体を２つ有し、排気通路を２つに分けることで、排気干渉による圧力損失の防止すると共に触媒担体部での圧力損失を軽減し、比較的高出力を特徴とする内燃機関に用いられる。しかし乍ら、デュアルマニホルドコンバータ形式は、触媒担体を２つ持つことから熱容量が前記シングルマニホルドコンバータ形式と比べると大きくなるため、冷間始動直後の排気ガス浄化性能上やや不利である。

図５に示すセミデュアルマニホルドコンバータ形式は、熱容量が小さいという点で有利なシングルマニホルドコンバータ形式と同様、触媒担体は一つでありながら、排気干渉上有利なデュアルマニホルドコンバータ形式の特性を併せ持ったコンバータである。

この形式のデュアルマニホルドコンバータとして特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１には、排気ガスを２つの流路に分離させて触媒担体内を流通させることで排気干渉によるトルク低下を抑えながら、触媒担体を１つとすることで、特に冷間時の排気ガス浄化能力を確保することができる。

この形式のマニホルドコンバータは、図５に示されるように、ケース１６の内部には触媒保持を目的としたマット１７により緩衝されるかたちで触媒担体４が収容されている。ケース１６の上流側には集合部１５が外部から溶接されており、集合部１５には、排気干渉防止のための隔壁３ｅを備えている。隔壁３ｅは集合部１５と溶接により固定されてあり、隔壁３ｅと触媒担体４の間は比較的大きな隙間Ｃ１が確保されている。

このような構成をもつマニホルドコンバータにおいて、上流からの排気ガスは、集合部１５と隔壁３ｅより通路断面積が増加されながら、触媒担体４の収容されるケース１６へと案内される。そして触媒担体４の内部に案内された排気ガスは、触媒担体４に担持された触媒により成分の浄化がおこなわれ、下流側へと排出される。
特開２００１−１６４９３７

先の従来例においては、隔壁端面と触媒担体の端面間に比較的広い隙間Ｃ１が生じている。これは製造時において、溶接前の各部品の寸法ばらつきや各部品間の溶接ばらつき等を考慮して隙間を設定し、かつ集合部１５や隔壁３ｅの熱膨張による隙間の変化、或いは、実使用における冷熱や振動等による触媒担***置の変化が生じても隔壁先端と触媒の干渉がない様充分な隙間を設定しているからである。したがって、充分な間隙を製造時に確保することで、隙間部の隔壁３ｅと触媒担体４との干渉を避けることができ、触媒破損や異音の問題を回避できる。

このような構成をもつマニホルドコンバータは、上記の通り、その構成上隔壁３ｅと触媒担体４の間が、比較的広い隙間Ｃ１をもって製造される。まず、触媒担体４はケース１６にマット１７を介して所定の位置に挿入され、触媒サブアッセンブリとなる。これとは別に、集合部１５にその内側から隔壁３ｅを組合せてコーンサブアッセンブリを製作する。次に触媒サブアッセンブリとコーンサブアッセンブリを治具にセットし、集合部１５の外側から両部品を溶接し、コンバータサブアッセンブリとする。その後、コンバータサブアッセンブリに、各ポートやヘッドフランジや各ブラケット類を溶接または組付けて、マニホルドコンバータとなる。

触媒サブアッセンブリにおいて、マット１７と触媒担体４をケース１６へ組み付けた際にケース１６と触媒担体４の位置ばらつきは決定される。また、コーンサブアッセンブリにおいて、集合部１５や隔壁３ｅ自体の寸法ばらつきに加え、集合部１５と隔壁を溶接する形式であれば、その溶接ばらつきとにより、集合部１５に対する隔壁先端の位置ばらつきが決定される。次にコンバータサブアッセンブリを製作する際、触媒サブアッセンブリの円筒下端と、コーンサブアッセンブリの集合部下端を基準に治具にセットし、両部品を溶接する。

従って、コンバータサブアッセンブリの製作時に、隔壁３ｅと触媒担体４間の隙間を直接管理できない。つまり、隔壁と触媒間の干渉による触媒の損傷を防止する為には、それら各ばらつきを考慮した充分に広い隙間Ｃ１を設定しておく必要がある。

同様に、触媒担体の下流側の集合部においても、隔壁３ｆを設けている仕様であれば、先に述べたような、充分広い隙間を予め設定しておく必要がある。

しかし乍ら、上記従来の技術では隔壁と触媒担体との間の排気ガスの漏れが多く排気干渉を防止する機能が減少し、内燃機関のトルク向上を阻害するおそれがある。

本発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気干渉の低減により、トルクの向上ができるマニホルドコンバータ構造を提供することにある。

本発明に係るマニホルドコンバータは、触媒担体と、触媒担体を収納するケースと、内燃機関の各気筒の排気マニホルドが接続される集合部と、集合部内に設けられ、排気ガスを分離する隔壁とを備え、隔壁の端部と触媒担体の端面に接するように介挿されるストッパ部材により、隔壁の端部と触媒担体の端面とを間接的に接して間隔を規定することで、隔壁と触媒担体の間隙が極めて小さく、ばらつきの少ない構成としたものである。

第1の発明に係るマニホルドコンバータは、触媒担体と、触媒担体を収納するケースと、ケースと内燃機関の各気筒の排気マニホルドが接続される集合部と、集合部内に設けられ、連続する爆発気筒からの排気ガスを分離して触媒担体に導く上流側隔壁と、上流側ストッパ部材が上流側隔壁の下流側端部と触媒担体の上流側端面との間の少なくとも一部に介挿される様に構成される。

第２の発明に係るマニホルドコンバータは、第1の発明に加え、触媒担体の上流で上流側隔壁により分流した排気ガスが、そのまま触媒担体の下流においても分離される様に下流側隔壁を持ち、更に触媒担体の出口面と下流側隔壁の上流側端部との間に下流側ストッパ部材を備える。下流側ストッパ部材は第１の発明と同様、ケースに介装された触媒担体の下流側端面に接する様に配設され、また下流側ストッパ部材の下流側端面には、下流側集合部に接着された隔壁に接する様に配設される。

ストッパ部材は、第3の発明においては、クッション材とガイド部材からなり、第4の発明においては、クッション材からなる。

第3の発明に係るマニホルドコンバータは、ストッパ部材として、触媒担体と隔壁との間に接する様に配設されたクッション材と、クッション材の固定のためにケースの内周面に固定されたガイド部材とを備える。
第4の発明に係るマニホルドコンバータのストッパ部材は、触媒担体と隔壁との間に接する様に配設され、ケースの内周面に固定されたクッション材からなる。

第5の発明に係るマニホルドコンバータにおいて、ストッパ部材は、製造時には隔壁の端部と触媒担体の端面の間を正確に決定するために介在し、その後の内燃機関の実働による高温の排気ガスで焼失する材料又はワイヤーメッシュ状の材料で構成される。

第６の発明に係るマニホルドコンバータにおいて、集合部と隔壁が固定されたコーンサブアッセンブリと、ケースと触媒担体が固定された触媒サブアッセンブリとを持ち、隔壁の端部と触媒担体の端面の間に接する様にストッパ部材を備える。

第1の発明によれば、従来の製造方法における溶接前の各部品の寸法ばらつきや、ケースと触媒担体の嵌合位置ばらつきや、各部品間の溶接ばらつき分を考慮した隙間を予め設定する必要がなく製造可能である。これにより、隔壁と触媒担体の隙間を小さくすることができ、その隙間からの排気ガスの連通を最小に抑えることができる。

ゆえに第1の発明によれば、触媒担体の出口まで排気干渉の影響を小さくすることができ、トルクを向上させることができる。

第２の発明によれば、触媒担体の出口面と下流側隔壁の間隙を小さく設定することができ、少なくとも下流側隔壁が終える位置まで、排気干渉を抑えることができる。この場合は、第1の発明よりも長い距離の、排気干渉が防止可能な隔壁が配設されているため、更にトルクを向上させることができる。

第3の発明によれば、クッション材が隔壁端部と触媒担体に接することで、隔壁と触媒担体との間隔を正確に位置決めする働きを持つ。これにより、隔壁と触媒担体の間隙を小さく設定することができ、排気干渉が低減されるため、トルクの向上が可能となる。またクッション材が、ガイド部材によって固定されるため、触媒サブアッセンブリとコーンサブアッセンブリを溶接する際にクッション材の落下やずれ等が無く、生産性に優れる。更に、触媒サブアッセンブリとコーンサブアッセンブリを接合する際、誤って隔壁と触媒担体をぶつけてしまった際の緩衝材としても働き、触媒担体の保護となる。

第４の発明によれば、第3の発明と同様、隔壁と触媒担体の間隙を小さく設定することができ、排気干渉が低減されるため、トルクの向上が可能となる。クッション材の固定方法は、ケースに対して張力を持つものやケースに接着されるものでもよく、そこへ予め集合部に接合済みの隔壁をサポート部材に接するように組合せることで、上記効果が得られることとなる。この場合、比較的簡素な部品構成となるため、低コストでの生産が可能である。

第5の発明によれば、第3、第4の発明と同様、隔壁と触媒担体の間隙を小さく設定することができ、排気干渉が低減されるため、トルクの向上が可能となる。また、内燃機関の実働によりストッパ部材が焼失するため、ストッパ部材と触媒担体が重なる部位における排気ガスの触媒担体の孔への排気ガス流入が望めない第1至乃第4の発明よりも、より高トルクかつ触媒浄化能力の優れた構成となる。また、ワイヤーメッシュを成型した材料によるストッパ部材であれば、元来排気系のガスケットに広く使われている材料を流用することも可能となり、比較的開発が簡素である。

第６の発明によれば、ストッパ部材が、ケースサブアッセンブリと触媒サブアッセンブリの間に介挿され、ケースサブアッセンブリと触媒サブアッセンブリを接合する際の位置決めとなる。ゆえに隔壁と触媒担体の間隔を小さく設定でき、かつばらつきを小さく設定することができる。これにより、排気干渉が低減でき、トルクの向上が可能となる。

このように、製造時におけるストッパ部材の厚みと、隔壁の寸法公差のみで、隔壁と触媒の隙間が決定され、従来量産が困難であった最小隙間の隔壁を持つデュアルタイプのマニホルドコンバータが実現できる。

本発明を自動車用４気筒内燃機関の排気系に用いた場合の実施形態について図６に基づき説明する。

図６は本発明が実施される形態の触媒コンバータを搭載する自動車１とその内燃機関２、及び同内燃機関２の排気系各部を示す概略図である。同図６において、自動車１に搭載された内燃機関２の排気系には、マニホルドコンバータ３が設けられている。このマニホルドコンバータ３には、触媒コンバータの１つとして触媒担体４が存在する。この触媒担体４は、内燃機関２の冷間始動直後に、同内燃機関２から排出された排気ガス中の成分をいち早く浄化するためのものである。一般に、触媒コンバータが機能するためには、所定の温度以上に温められている必要がある。触媒担体４は排気ガスによって少しでも早く温められるように、内燃機関２の間近に配置されている。

マニホルドコンバータ３の下流側には、エキゾーストパイプ８を介してもう一つの触媒コンバータであるメインコンバータ９が接続されている。このメインコンバータ９は、内燃機関２の温間時に同内燃機関２から排出された排気ガス成分の大部分を浄化するためのものである。

メインコンバータ９の下流側には、エキゾーストパイプ１０を介してサブマフラー１１が接続されている。そして、更にこのサブマフラー１１の下流側には、エキゾーストパイプ１２を介してメインマフラー１３が接続されている。これら両マフラー１１、１３は排気ガスの圧力を打ち消し、吸収させて、車外または車内に放出される音を静かにするためのものである。

メインマフラー１３の下流側には、テールパイプ１４が接続されている。

以上のように構成される排気系において、内燃機関２から排出された排気ガスは、マニホルドコンバータ３、エキゾーストパイプ８、メインコンバータ９、エキゾーストパイプ１０、サブマフラー１１、エキゾーストパイプ１２、メインマフラー１３及びテールパイプ１４を流れて外部に排出される。このように流れる排気ガスは、マニホルドコンバータ３及びメインコンバータ９においてそのガス成分が浄化され、サブマフラー１１およびメインマフラー１３において静音化される。

次にマニホルドコンバータ３及びその周辺構造につき、図１に基づき説明する。触媒担体４の上流側は４つの気筒＃１、＃２、＃３、＃４が分岐管３a、３ｂ、３c、３dにそれぞれ対応して互いに連結して形成されている。これら分岐管は触媒担体４に程近くなった部位で３ａと３ｄが互いに連通しており、一つの排気通路Ｅ１に開放されている。一方分岐管３ｂと３ｃも同様、触媒担体４に程近い部位において互いに連通しており、排気通路Ｅ２に開放されている。排気通路Ｅ１とＥ２は互いに隣りあって一体となっており、その外観は円錐や円筒状に形成されている。隣りあう排気通路Ｅ１とＥ２の間には、上流側隔壁３ｅによって２分されて、排気通路Ｅ１、Ｅ２が形成されている。つまり、分岐管３ａ、３ｄは排気通路Ｅ２に連通され、分岐管３ｂ、３ｃは排気通路Ｅ１に連通される。このように排気ガス経路を２つずつの気筒のグループに分けているのは、排気ガスを効率的に排出するためである。本実施例の直列４気筒内燃機関の場合、その点火順序は＃１−＃３―＃４―＃２―＃１の順番となっている。そして排気ガスを効率的に排出させるために、点火順序が隣り合わないタイミングで排気ガスを排出する気筒同士（＃１−＃４と＃２−＃３）を組み合わせたグループを構成し、同排気ガスの相互干渉を低減させている。

この下流側に触媒担体４が配設されるが、上流側隔壁３ｅと触媒担体４の間には、所定の間隙（図５におけるＣ１）が存在し、生産時における各部品の寸法ばらつきや溶接ばらつき、高温の排気ガスによる構成部品の熱膨張や、内燃機関振動などにより上流隔壁３ｅと触媒担体４との間で干渉することがない様、間隙を設定している。但し、隙間が大きいと排気通路Ｅ１と排気通路Ｅ２の間での連通量が多くなり、排気干渉の影響により、低中速トルクが低下するため、極力小さい隙間にする必要がある。

次に触媒担体４のケース１６への保持につき説明する。触媒担体４は、例えばアルミナファイバ製のマット１７によりケース内に緩衝される形で保持されている。触媒担体４は、径方向の断面がハニカム構造になっており、触媒担体４中を通過する排気ガス流の間では触媒担体４の径方向に圧力伝播されない構造になっている。触媒担体４に流れる排気ガスは前記孔ごとにそれぞれ流れるため、上流側隔壁３ｅによって大きく２分割された排気ガスは、触媒担体４を通過するまで分割された状態となる。

図１は下流側の排気通路Ｆ１部が排気経路を分割していない様式であり、この場合には触媒担体４の出口部で排気経路の分岐が終了する。図２には、触媒担体４の下流側についても下流側隔壁３ｆにより、下流側の排気通路Ｆ２と、排気通路Ｆ３に分岐した様式を示す。これは下流側隔壁３ｆにより、分割された排気ガスの合流が下流側隔壁３ｆの下流側端部となり、図１の様式の触媒担体４出口部が合流となる様式に対し、分割された排気ガスの合流に至るまでの経路が長いため、より排気干渉を緩和することが可能となり、いっそう内燃機関の低中速回転域のトルクを増大させることができる。仕様によっては、更に続くエキゾーストパイプの内部で排気ガスを分割する仕切り板を設定し（図示せず）、その場合は更に排気干渉の低減が可能である。

次に隔壁３ｅ部につき、図７、図８にて説明する。図７はクッション材５とガイド部材６を使用して、隔壁３ｅの先端と触媒担体４との距離Ｃ２を設定する例であり、図８はその中央断面図を示す。上流側隔壁３ｅは上流側コーン１５の内側に溶接されており、排気通路Ｅ１とＥ２間の排気ガスの連通を防いでいる。隔壁３ｅのケースに近い部位は、クッション材５を避けるための切欠き形状１８となっており、クッション材５と排気ガス流れ方向で接している。また、隔壁３ｅと接しているクッション材５の反対面には、触媒担体の排気ガスの入口面に接する構造となっており、クッション材５はガイド部材６により触媒担体の入口面に接するように固定されている。

図７における本実施例では、まずケース１６にマット１７を合わせて所定の位置に触媒担体４が配設された触媒サブアッセンブリに、クッション材５を触媒担体４の端面に合わせ、クッション材５の位置がずれないようにガイド部材６で固定する。一方、これとは別に集合部１５と隔壁３ｅを溶接したコーンサブアッセンブリを触媒サブアッセンブリに被せる形でセットする。その際、隔壁３ｅの先端がクッション材５に接するように位置決めしながら治具に固定し、ケース１６と集合部１５の溶接を行なう。本実施例では、ケース１６と触媒担体４の配設位置ばらつきや隔壁３ｅと集合部１５の溶接ばらつき、隔壁３ｅの寸法ばらつきなどによる設計隙間を予め計算に入れる必要がなく、隔壁３ｅと触媒担体４の隙間はスペーサ５の寸法ばらつきが支配的なため、０．５ｍｍ程度の極めて小さい隙間Ｃ２での生産が可能である。

本実施例によれば、隔壁３ｅと触媒担体４との間隔を極めて小さくできるので、排気干渉の影響を低減して、内燃機関のトルクを向上させることができる。

図９至乃図１０の実施例は、ストッパ部材７を使用して、隔壁３ｅの先端と触媒担体４との距離Ｃ２を設定したものであり、図１０はその中央断面図を示す。この場合のストッパ部材７はセラミック等の非金属部品で構成されても良い。或いは、ワイヤーメッシュ状の金属などでも構わない。ケース１６内に配設された触媒担体４の端面に接する様にストッパ部材７がケース１６の内面にガイド部材を用いずに固定される。なお、この場合の固定方法は、圧入や溶接、または接着などを問わない。また、ケースの内周面に対して外周側に付勢されるＣリング状のものでもよい。そこにコーンサブアッセンブリを被せる形でセットする。その際、隔壁３ｅの先端がストッパ部材７に接する様に位置決めしながら治具に固定し、ケース１７と集合部１５の溶接を行なう。

本実施例によれば、ガイド部材６を用いた実施例と同様に間隔を極めて小さくし、排気干渉の影響を低減することができる。

図９至乃図１０に示す本実施例は、ストッパ部材７が、触媒担体の全周に渡って設定された例であり、この場合は排気ガスが直接マット１７に当らない構造となっている。これにより、マット１７が、高温或いは高背圧の排気ガスにさらされることがないため、マット１７の風食を防止することが可能となる。また、マット材の劣化も抑えることができ、触媒保持という観点でも有利となる。ストッパ部材７により、マット１７の側面から短繊維がはみだして来なくなるため、新品状態時にまれに見られる短繊維の逆流によるシリンダボアのスカッフィングも防止できる。

触媒サブアッセンブリとコーンサブアッセンブリの相対位置を決める機能を製造時に利用した後に、内燃機関の実働に伴う熱で、ストッパ部材７が焼失するものや、ワイヤーメッシュを成形したものであっても良い。ワイヤーメッシュの空間に充填された材料（たとえば樹脂）が、内燃機関の実働により焼失するものであっても良い。

また、隔壁部のみにストッパ部材７があれば、隔壁３ｅと触媒担体４との間隔を得られるため、全周に渡って存在する必要はなく、一つの隔壁に２箇所存在する、集合部との接触部の片側のみに設定されていても良い。この場合やストッパ部材７が焼失するタイプはストッパ部材７による触媒担体を覆う部位が少なく設定できる為、排気ガスの浄化能力上有利となる。

本実施の形態の内燃機関の排気マニホルド構造の説明図。 本実施の形態の内燃機関の排気マニホルド構造の説明図。 従来のシングルマニホルドコンバータを採用した排気マニホルド構造の説明図。 従来のデュアルマニホルドコンバータを採用した排気マニホルド構造の説明図。 従来のセミデュアルマニホルドコンバータを採用した排気マニホルド構造の説明図。 本実施の排気マニホルドが適用される内燃機関及び排気系の概要を示す略図。 本発明に係る排気マニホルドの実施の形態の一部拡大構造を示す断面図。 図７に示す切断線における断面図 本発明に係る排気マニホルドの実施の形態の一部拡大構造を示す断面図。 図９に示す切断線における断面図。

符号の説明

２ 内燃機関
３ マニホルドコンバータ
４ 触媒担体
５ クッション材
６ ガイド部材
７ ストッパ部材
１５ 集合部
１６ ケース
１７ マット
１８ 切欠き形状
３ｅ 上流側隔壁
３ｆ 下流側隔壁

Claims (6)

1. 複数気筒を備える内燃機関の排気マニホルドを排気下流側で集合させて排気ガスを通過させることにより浄化するようにしたマニホルドコンバータにおいて、
   触媒担体と、
   触媒担体を収容するケースと、
   ケースと内燃機関の各気筒の排気マニホルドが接続される上流側集合部と、
   上流側集合部内に設けられ、連続する爆発気筒からの排気ガスを分離して触媒担体に導く上流側隔壁と、
   上流側隔壁の端部と触媒担体の端面との間の少なくとも一部に介挿される上流側ストッパ部材とからなることを特徴とするマニホルドコンバータ。
2. 請求項１において、前記マニホルドコンバータは、ケースに接続される下流側集合部と、下流側集合部内に設けられ、上流側隔壁と平行に配設された下流側隔壁と、
   下流側隔壁の上流側端部と触媒担体の下流側端面との間の少なくとも一部に介挿される下流側ストッパ部材とからなることを特徴とするマニホルドコンバータ。
3. 請求項１至乃２のマニホルドコンバータにおいて、上流側ストッパ部材および下流側ストッパ部材は、触媒担体と前記隔壁の間に接する様に配設されたクッション材と、
   クッション材の固定のためにケースの内周面に固定されたガイド部材とからなることを特徴とするマニホルドコンバータ。
4. 請求項１至乃２のマニホルドコンバータにおいて、上流側ストッパ部材および下流側ストッパ部材は、触媒担体と隔壁との間に接する様に配設され、ケースの内周面に固定されたクッション材からなることを特徴とするマニホルドコンバータ。
5. 請求項１至乃４のマニホルドコンバータにおいて、前記ストッパ部材は、排気ガスの熱により焼失される材料、またはワイヤーメッシュ状の材料からなることを特徴とするマニホルドコンバータ。
6. 複数気筒を備える内燃機関の排気マニホルドを排気下流側で集合させて排気ガスを通過させることにより浄化するようにしたマニホルドコンバータにおいて、
   集合部と隔壁が固定されたコーンサブアッセンブリと、
   ケースと触媒担体が固定された触媒サブアッセンブリと、
   隔壁の端部と触媒担体の端面との間の少なくとも一部に介挿されるストッパ部材とからなることを特徴とするマニホルドコンバータ。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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