JP2017089562A - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ａ／Ｆセンサを水分から保護しつつ触媒に排気ガスをできるだけ均等に当てることができる浄化装置を、できるだけ低コストで提供する。
【解決手段】触媒ケース１５の上部を構成するアッパーコーン部１７の上端に、排気マニホールド４の集合管１３，１４が接続さされている。アッパーコーン部１７に設けた穴から、Ａ／Ｆセンサ３０のセンシングロッド３０ａが内部に向けて突出している。Ａ／Ｆセンサ３０を取り付けるための中空ボス２９に、センシングロッド３０ａを覆うセンサカバー３３を設けている。センサカバー３３はアッパーコーン部１７の上端近くに設けているため、排気ガスはセンサカバー３３で２つの流れに分流され、それからセンサカバー３３の下方で合流する。このため、排気ガスの混合機能・攪拌機能に優れていて、触媒３１にできるだけ均等に当てることができる。センサカバー３３を排気ガスの整流に利用するものであるため、コストも抑制できる。
【選択図】図６

Description

本願発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置（触媒コンバータ）に関するものである。

車両用の内燃機関には、排気ガス浄化装置が搭載されている。排気ガス浄化装置は触媒ケースを備えており、触媒ケースは、一般に、ストレート状筒部の上流側端部と下流側端部とにテーパ状のコーン部に設けた形態であり、ストレート状筒部に触媒を配置している。触媒ケースがコーン部を有するのは、排気ガスの流れ抵抗しつつ排気ガスを触媒に接触させるためには、触媒を排気管よりも大径に形成せねばならないためであるが、上流側のアッパーコーン部が上窄まりであることから、排気ガスが触媒の一部に集中的に当たる現象が発生している。

そこで、排気ガスが触媒にまんべんなく当たるように、アッパーコーン部の内部で排気ガスを拡散させることが考えられており、その例として特許文献１には、アッパーコーン部の内部に円錐状（傘状）や台錘状のような山形の制御部材を配置して、この制御部材のガイド作用によって排気ガスの拡散を図ることが開示されている。

特開２０００−３０３８２７号公報

特許文献１の場合、制御部材は山形であり、触媒ケースのアッパーコーン部のうち軸心部に配置されているが、アッパーコーン部で支持するための部材を要するため、構造が複雑になって製造コストも嵩むという問題がある。また、排気ガスの拡散機能を高めるには、制御部材にはある程度の外径が必要であるが、すると、制御部材の下方の部位への排気ガスの回り込みが悪くなって、排気ガスが触媒に対してドーナツ状に当たることが懸念される。

また、アッパーコーン部の内部にはＡ／Ｆセンサ（空燃比センサ）を配置することが多いが、特許文献１の場合、制御部材の上流側にＡ／Ｆセンサを配置すると、機関停止後に排気マニホールド等で発生した水がＡ／Ｆセンサに付着したり、運転中に、排気ガスに含まれている水分（水蒸気）が付着したりして、検知精度が低下することが懸念される。逆に、Ａ／Ｆセンサを制御部材の下流側に配置すると、Ａ／Ｆセンサが触媒に近づくことにより、触媒にＡ／Ｆセンサの影になった部分ができて、排気ガスの当たりが不均一になるという問題が懸念される。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、構造をできるだけ簡単にしつつ、Ａ／Ｆセンサの保護と触媒への排気ガスの当たりの均一化とを図らんとするものである。

本願発明の排気ガス浄化装置は、触媒ケースが、触媒が格納されたストレート状筒部と、前記ストレート状筒部の上流側端部に設けられていて排気マニホールドに向けて窄まったアッパーコーン部とを有しており、前記アッパーコーン部の内部に、当該アッパーコーン部の壁から軸心の方に向けて延びる棒状のＡ／Ｆセンサと、前記Ａ／Ｆセンサを上流側から囲う樋状のセンサカバーとを設けている。

そして、前記Ａ／Ｆセンサは、先端に行くほど前記触媒に近づくように傾斜している一方、前記センサカバーは、その付け根を前記アッパーコーン部を上端近くに位置させた状態で、前記Ａ／Ｆセンサと略平行に配置されている。この場合、センサカバーの付け根をアッパーコーン部の上端に位置させて、センサカバーの付け根個所からアッパーコーン部の拡開が開始するように設定してもよい。すなわち、「上端近く」とは、上端自体も含む概念である。

アッパーコーン部は、単純な台錘状であってもよいし、見る方向によって窄まり姿勢が異なっていてもよい。例えば、排気マニホールドの集合管が１本だけの場合は、アッパーコーン部は、どの方向から見ても同一形状の単純な台錘形状になるが、例えば、排気マニホールドの集合管が２本の場合は、アッパーコーン部の始端部は小判形になるので、集合管の並び方向から見た場合と、集合管の並び方向と直交した方向から見た場合でとは窄まり形状が相違する。

なお、排気マニホールドの集合管が２本の場合は、Ａ／Ｆセンサ及びセンサカバーは、集合管の並び方向と直交した方向に向く姿勢に配置するのが好ましい。また、アッパーコーン部は、触媒コンバータに設けたボス部（台座）に取り付けることが普通であるが、センサカバーをボス部に一体に設けると、それだけ構造が簡単になる。

本願発明では、Ａ／Ｆセンサはセンサカバーで上流側から保護されているため、機関停止後に発生した凝縮水がＡ／Ｆセンサに付着したり、運転中の排気ガスに含まれていた水分（水蒸気）がＡ／Ｆセンサに付着したりすることを防止できる。このため、Ａ／Ｆセンサの検知精度を高いレベルに維持できる。その結果、内燃機関の制御を適切に行える。

また、センサカバーは、Ａ／Ｆセンサを保護する役割のみでなく、排気ガスの流れを制御する役割も果たしている。具体的には、センサカバーがＡ／Ｆセンサの内面から軸心に向けて突出しているため、排気ガスは、センサカバーによって２つに分けられて流れる分流作用を受けるが、センサカバーはアッパーコーン部の上端近くに位置しているため、センサカバーによる排気ガスの分流作用に優れている。従って、Ａ／Ｆセンサを保護する大きさのセンサカバーであっても、排気ガスの整流機能（分流機能）に優れている。

そして、アッパーコーン部によって分けられた排気ガスの流れは、アッパーコーン部の内面のガイド作用により、センサカバーの下方に戻る（合流する）ような傾向を呈する。このため、排気ガスの攪拌・混合機能に優れていて、排気ガスを触媒にできるだけ均等に当てることができる。

また、センサカバーの付け根が触媒コンバータの上端近くに位置していることから、Ａ／Ｆセンサも触媒からできるだけ上に離して配置することができる。このため、Ａ／Ｆセンサと触媒との間に十分な間隔を空けることができ、その結果、センサカバーによって分けられた排気ガスの流れをＡ／Ｆセンサの下方に向けることができて、Ａ／Ｆセンサと排気ガスとの接触性を確保できる。この面でも、Ａ／Ｆセンサの高い検知精度に貢献できる。

また、排気ガスの流れがＡ／Ｆセンサの下方に回り込むことにより、触媒にはＡ／Ｆセンサ及びセンサカバーの影になる部分ができることはなくて、全体に排気ガスをできるだけ均等に当てることができる。これにより、触媒の耐久性と浄化性能とを向上できる。

更に、センサカバーの付け根がアッパーコーン部の上端近くに位置しているため、排気ガスはセンサカバーに強く当たる傾向を呈するが、センサカバーは、先端に行くに従って触媒に近づくように傾斜しているため、排気ガスの流れを過度に阻害することはない。従って、アッパーコーン部の内部での排気ガスのスムースな流れを阻害することなく、排気ガスを混合して触媒にできるだけ均一に当てることができる。

そして、Ａ／Ｆセンサを保護するカバーを排気ガスの混合ガイドに利用するものであるため、Ａ／Ｆセンサを的確に保護できる浄化装置でありながら、構造が複雑になることはなくて、それだけコストを抑制できる。

実施形態のように、排気マニホールドが２本の集合管を有する場合、センサカバーを２本の集合管の境界の下方に配置すると、２本の集合管から排出された排気ガスの整流性に優れるため、特に好適である。

実施形態に係る内燃機関の要部をクランク軸線及びシリンダボア軸線と直交した方向から見た側面図である。 図１の右側面図である。 分離側面図である。 分離平面図である。 図２の V-V視断面図である。 図５のVI-VI 視断面図である。

(1).内燃機関の概略
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、クランク軸線方向から見た状態を正面視と定義している。従って、図１は、クランク軸線（カム軸線方向）方向及びシリンダボア軸線と直交した方向から見た側面図になっている。念のため、図４に方向を表示している。まず、内燃機関の概略を説明する。

本実施形態の内燃機関は車両用のものであり、従来と同様に、シリンダボア（図示せず）を設けたシンリダブロック１と、その上面に固定したシリンダヘッド２とを有しており、シリンダヘッド２の排気側面２ａには、鋳造製の水冷式排気アダプタ３を介して排気マニホールド４が固定されている。内燃機関は４気筒であり、そこで、図３のとおり、シリンダヘッド２の排気側面２ａには、端から順に、第１〜第４の４つの排気ポート５〜８が一列に並んで開口している。各排気ポート５〜８は、前後長手の小判形になっている。

排気マニホールド４は、４つの排気ポート５〜８に対応して第１〜第４の４つのブランチ管９〜１２を有しており、各ブランチ管９〜１２の始端はフランジ板４ａに固定されている。そして、第１ブランチ管９と第４ブランチ管９，１２とは第１集合管１３に集合し、第２ブランチ管１０と第３ブランチ管１１とは第２集合管１４に集合しており、これら２本の集合管１３，１４は、触媒ケース１５の上端に接続されている。

第１ブランチ管９と第４ブランチ管１２とは、三方継手１６を介して第１集合１３に接続されており、第２ブランチ管１０は、第３ブランチ管１１の中途部に溶接されている。従って、第２集合管１４は、第３ブランチ管１１の終端部で構成されている。三方継手１６と第１及び第４のブランチ管９，１２との態様が実施形態の中核であるが、この点は後述する。

触媒ケース１５は、三元触媒が格納されたストレート部１５ａを有しており、上部は上窄まり（下広がり）のアッパーコーン部１７になっていて、下部は下窄まりのロアコーン部１８になっている。ロアコーン部１８の下端にストレート状の排気接続管１９が接続されており、排気接続管１９に、固定用のブラケット２０を一体に固着している。また、ロアコーン部１８には、排気ガスの一部を吸気系に還流させるためのＥＧＲパイプ２１を接続している。

２本の集合管１３，１４は、シリンダヘッド２の排気側面２ａと直交した左右方向に並んでいる。そこで、触媒ケース１５のアッパーコーン部１７の上端部は左右方向に長い形態になっていて、この上端部に２本の集合管１３，１４が接続されている。

排気アダプタ３には、各排気ポート５〜８及びブランチ管９〜１２に対応して、第１〜第４の排気ガス通路２２〜２５が形成されている。また、排気アダプタ３は、図３に黒丸で示す取り付け穴２６の個所において、シリンダヘッド２にボルト及びナットで固定されており、排気マニホールド４のフランジ板４ａは、図３にハッチングで表示した取り付け穴２７の個所において、排気アダプタ３にボルトで固定されている。

(2).Ａ／Ｆセンサ及びセンサカバー
２本の集合管１３，１４は、シリンダヘッド２の排気側面２ａと直交した左右方向に並んでいる。そこで、触媒ケース１５におけるアッパーコーン部１７の上端は左右方向に長い小判形の形態になっていて、この上端に、２本の集合管１３，１４が接続されている。従って、アッパーコーン部１７は、その下端は円形になっているが上端は小判形になっている。このため、アッパーコーン部１７は、全体的に上窄まりではあるものの、図１の側面視に表示した上窄まりの程度が、図２に示した上窄まりの程度よりもきつい角度になっている。

換言すると、アッパーコーン部１７は、左右面は緩傾斜面１７ａになって、前後面は急傾斜面１７ｂになっており、２つの傾斜面１７ａ，１７ｂは下端に向けて円形に収束している。そして、一つの急傾斜面１７に中空ボス（台座）２９を溶接で固定して、中空ボス２９に、Ａ／Ｆセンサ（空燃比センサ）３０をねじ込みによって取り付けている。Ａ／Ｆセンサ３０は、アッパーコーン部１７の内部に突出したセンシングロッド３０ａを有している。ストレート状筒部１５ａには、触媒３１が配置されている。

図６に明示するように、中空ボス２９は、第１集合管１３と第２集合管１４との境界部の下方に位置している。また、中空ボス２９は、アッパーコーン部１７の上部に位置しており、中空ボス２９の上端はアッパーコーン部１７の上端近くに位置している。

更に、中空ボス２９は、アッパーコーン部１７の緩傾斜面１７ａに穴を空けてこれに溶接で固着しており、このため、Ａ／Ｆセンサ３０におけるセンシングロッド３０ａは、先端に行くに従って触媒３１に近づくように傾斜している。また、センシングロッド３０ａの先端は、おおむね触媒ケース１５の軸心３２の当たりに位置している。

中空ボス２９には、Ａ／Ｆセンサ３０のセンシングロッド３０ａを上から覆うセンサカバー３３を一体に設けている。センサカバー３３は半円形の樋状であり、センシングロッド３０ａの軸心と略同心の形態になっている。また、センサカバー３３は、センシングロッド３０ａと略平行になっている。更に、センサカバー３３は、センシングロッド３０ａを先端まで完全に覆う長さになっている。

以上の構成において、Ａ／Ｆセンサ３０のセンシングロッド３０ａはセンサカバー３３で覆われているため、水滴や水蒸気の付着を防止して、高い検出精度を維持できる。この場合、センサカバー３３は中空ボス２９に一体に設けているため、構造は簡単で、コストを抑制できる。

また、センサカバー３３がアッパーコーン部１７の上端近くに位置しているため、図６に矢印で示すように、第１集合管１３から排出された排気ガスも第２集合管１４から排出された排気ガスも、２つの流れに分流されるような作用を受ける。そして、センサカバー３３の下方には大きな空間が空いているため、センサカバー３３によって分けられた排気ガスの流れは、アッパーコーン部１７の急傾斜面１７ｂの内面に沿って流れてから、センサカバー３３の下方で合流する傾向を呈する。

このため、排気ガスの混合性が高くて、排気ガスを触媒３１にまんべんなく当てることができる。また、センサカバー３３で分けられた排気ガスの流れは、合流してセンシングロッド３０ａに向かう傾向を呈するため、センシングロッド３０ａには十分に混合された排気ガスが接触する。この点においても、Ａ／Ｆセンサ３０は高い検出精度を確保できる。

機関の回転数が高くなると、第１集合管１３と第２集合管１４との両方から同時に排気ガスが排出される状態になるが、この場合も、図６の状態で、排気ガスの流れがセンサカバー３３で左右２つに分けられてから、アッパーコーン部１７の下部で合流する傾向を呈するため、排気ガスの高い攪拌・混合機能を発揮する。従って、排気ガスを、触媒３１にできるだけまんべんなく当てることができる。

また、２本の集合管１３，１４の並び方向から見た図５の状態では、センサカバー３３は斜め下向きに傾斜しているため、センサカバー３３が排気ガスの流れに対して過度の抵抗になることはない。このため、センサカバー３３をアッパーコーン部１７の上端近くに設けても、排気ガスの流れのスムース性は損なわれない。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、センサカバーは半円状に限らず、三角形や台形の樋状であってもよい。センサカバーを、触媒ケースの軸心を越えて長く延ばすことも可能である。また、アッパーコーン部は単純な台錘形状であってもよい。敢えて述べるまでもないが、排気アダプタを設けずに、排気マニホールドをシリンダヘッドに直接取付けてもよい。

本願発明は、実際に内燃機関の排気ガス浄化装置に具体化できる。従って、産業上利用できる。

２ シリンダヘッド
３ 排気アダプタ
４ 排気マニホールド
９〜１２ ブランチ管
１３，１４ 集合管
１５ 触媒ケース
１５ａ ストレート状筒部
１７ アッパーコーン部
２９ 中空ボス（台座）
３０ Ａ／Ｆセンサ
３０ａ センシングロッド
３１ 触媒
３３ センサカバー

Claims (1)

1. 触媒ケースが、触媒が格納されたストレート状筒部と、前記ストレート状筒部の上流側端部に設けられていて排気マニホールドに向けて窄まったアッパーコーン部とを有しており、前記アッパーコーン部の内部に、当該アッパーコーン部の壁から軸心の方に向けて延びる棒状のＡ／Ｆセンサと、前記Ａ／Ｆセンサを上流側から囲う樋状のセンサカバーとを設けている構成であって、
   前記Ａ／Ｆセンサは、先端に行くほど前記触媒に近づくように傾斜している一方、
   前記センサカバーは、その付け根を前記アッパーコーン部を上端近くに位置させた状態で、前記Ａ／Ｆセンサと略平行に配置されている、
   内燃機関の排気ガス浄化装置。

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