JP4394868B2

JP4394868B2 - エンジンの排気装置

Info

Publication number: JP4394868B2
Application number: JP2002221168A
Authority: JP
Inventors: 雅明芦田; 公良西沢; 勝弘柴田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2022-07-30
Also published as: US6962048B2; CN100360769C; JP2004060557A; EP1387052A1; DE60301098D1; US20040020195A1; DE60301098T2; EP1387052B1; CN1475661A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排気装置に関し、特に排気マニホールド構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のエンジンの排気装置として、例えば特開平８−６８３１６号公報に示されるように、排気マニホールドの直下に排気浄化触媒を配置することにより、エンジン始動後に触媒の早期活性化を図るものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、昨今は、エンジン始動後の触媒活性時間の更なる短縮による排気浄化性能の向上のため、ハニカム構造の触媒担体の薄壁化により、触媒担体の熱容量を減らして、昇温性能を向上させる試みがなされている。
その一方、触媒担体の薄壁化のはね返りとして、排気ガス中に含まれる粒状の異物（例えば溶接スパッタ）による風食（エロージョン）の発生、及び、排気ガスの偏った流れによる局所的な温度差に起因するクラックの発生等が懸念されている。
【０００４】
この点、前記公報に記載の排気マニホールド形状では、４気筒エンジンにおいて、各気筒の排気マニホールドブランチを比較的大きな角度で合流させた直後に、排気浄化触媒に至る拡管部が設定されており、排気ガスが触媒中心軸に対し大きな角度（大略３０°以上）をもって流入する形状となっているため、排気ガス中に混入している異物が触媒担体の入口側端面のセル壁（格子壁）に衝突する機会が増加したり、触媒担体の入口側端面に残留した異物が排ガス流入に伴い小刻みに移動することで、セル壁が削られるなど、風食が発生するという問題点があった。
【０００５】
また、各気筒からの排気ガスが合流部に流入した後、すぐさま拡管部を経て排気浄化触媒へ流入するので、触媒の端面における排気ガスの流速分布が均一とならず、偏流を生じてしまい、エンジン運転条件が急激に変化する状況、例えば最大回転付近での中高負荷から減速燃料カットに移行したような状況において、触媒担体内部の温度差（偏温）が局所的に過大となり、これに起因するクラックの発生を招くという問題点があった。
【０００６】
本発明の課題は、触媒担体の風食や、偏温による熱劣化を極力回避でき、排気性能の他、耐久性を向上させることのできるエンジンの排気装置を提供することにある。
【０００７】
このため、本発明では、４気筒エンジンの排気マニホールドにおいて、点火順序の連続しない＃１と＃４気筒の排気マニホールドブランチを合流させ、同じく＃２と＃３気筒の排気マニホールドブランチを対向する横方向に突き出して後、合流させ、＃２と＃３気筒の排気マニホールドブランチの合流位置が＃１と＃４気筒の排気マニホールドブランチの合流位置よりも上流側となり、＃２と＃３気筒の合流ブランチはその合流直後からストレートな１本の管をなすとともに、＃１と＃４気筒の合流ブランチをエンジン側、＃２と＃３気筒の合流ブランチを反エンジン側にしてほぼ平行に配置し、更に、これらの合流ブランチを合流させ、該合流ブランチの合流部から排気浄化触媒までの間に直管部を存在させ、該直管部の中心軸が、ストレートな１本の管をなす＃２と＃３気筒の合流ブランチの中心軸と平行となるように接続した構成とする。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、直管部の存在により、合流後の排気ガスの流れる方向を定め、排気浄化触媒の中心軸に対し平行に近い角度で流入させることにより、排気ガス中に異物が含まれていたとしても、触媒担体のセル壁に衝突することなく、セル空間に流入して通過できる確率が大となるので、風食の発生を回避できる。また、直管部により各気筒の排気ガスが混合するための助走区間を確保できることから、触媒での流速分布を比較的均一化して、偏温の発生を回避でき、耐熱性をも向上させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示すエンジン排気装置の概略正面図である。
エンジン１は、４気筒で、点火順序は＃１→＃３→＃４→＃２である。
エンジン１のシリンダヘッド側部には、各気筒の排気ポート出口に連ねて、排気マニホールド２が取付けられ、排気マニホールド２の出口側に排気浄化触媒（以下マニホールド触媒という）３が取付けられる。
【００１０】
排気マニホールド２について、図２〜図５により、更に詳細に説明する。図２は排気マニホールドの正面図、図３はその平面図、図４はその側面図、図５はその底面図である。
排気マニホールド２は、エンジン１の各気筒（＃１〜＃４）の排気ポート出口部にフランジ２１を介して接続されるブランチＢ１〜Ｂ４と、点火順序の連続しない気筒列方向外側の＃１と＃４気筒のブランチＢ１、Ｂ４を合流させた合流ブランチＷ１と、点火順序の連続しない気筒列方向内側の＃２と＃３気筒のブランチＢ２、Ｂ３を合流させた合流ブランチＷ２と、合流ブランチＷ１、Ｗ２を合流させた後にストレートに延在する直管部（直管集合部）ＳＰと、直管部ＳＰより拡径する拡管部（ディフューザ部）ＤＦとからなり、拡管部ＤＦの出口側にはフランジ２２を介してマニホールド触媒３が取付けられる。
【００１１】
ここにおいて、外側の＃１と＃４気筒のブランチＢ１、Ｂ４は、排気ポート出口部からそれぞれ内側でかつ斜め下方に延びて後、合流しており、このときの合流角（各ブランチの中心軸線の合流点において中心軸線同士がなす角度）θ１は２０°以下としてある。
また、内側の＃２と＃３気筒のブランチＢ２、Ｂ３は、正面から見て、排気ポート出口部から対向する横方向に突き出して、最短で合流しているが、仕切壁２３を設けることで、このときの合流角θ２も２０°以下としてある。
【００１２】
外側のブランチＢ１、Ｂ４の合流ブランチＷ１と、内側のブランチＢ２、Ｂ３の合流ブランチＷ２は、Ｗ１がエンジン側、Ｗ２が反エンジン側にあって、ほぼ平行をなし、特に、合流ブランチＷ２の方はより上流側で合流しているので、ストレートな１本の管をなしている。
これらの合流ブランチＷ１、Ｗ２は、平行状態を保ったまま直管部ＳＰに開口することで合流する。このときの合流角は、本実施形態では平行であるので、０°であるが、２０°以下とすればよい。つまり、点火順序が連続しない気筒同士の排気マニホールドブランチをそれぞれ合流角２０°以下で合流させて後、各合流ブランチＷ１、Ｗ２を合流角２０°以下で合流させる。
【００１３】
直管部ＳＰの中心軸Ｌとマニホールド触媒の中心軸Ｃとのなす傾斜角α（図２参照）は３０°以下とする。もちろん、傾斜角α＝０°、すなわち平行でもよい。言い換えれば、直管部ＳＰの中心軸Ｃは、排気浄化触媒の入口側端面（フランジ２２面）に対し、９０°（直角）±３０°の範囲の角度をなす。
また、直管部ＳＰには、その中間部外壁に空燃比センサ（Ｏ２センサ）取付孔２４が設けられている。尚、図１中の２５は触媒下流側に設ける空燃比センサ（Ｏ２センサ）の取付孔である。
【００１４】
拡管部ＤＦは下流側に向かって拡径するが、その拡がり角β（図２参照）は６０°以下に設定する。
尚、マニホールド触媒３は、ハニカム構造のセラミック担体に触媒を担持させたもので、特にセラミック担体として、薄壁担体、すなわち、ハニカム状隔壁の壁厚を、３ミル（＝３×２５．４／１０００＝０．０７６ｍｍ）以下、より具体的には、約２ミル（＝２×２５．４／１０００＝０．０５１ｍｍ）としたものを用いている。尚、１インチ²当たりのセル数は９００である。
【００１５】
次に作用を説明する。
点火順序が連続せず排気干渉による影響が小さい＃１と＃４気筒のブランチＢ１、Ｂ４、及び、＃２と＃３気筒のブランチＢ２、Ｂ３を早く合流させることにより、低中速域でのトルク低下を発生させることなく、排気管合計長の短縮を図ることができる。
【００１６】
また、特に＃２と＃３気筒については、シリンダヘッドの排気ポート出口部から対向する横方向に突き出して、最短長さで合流させる形状とすることで、そして、合流後、合流ブランチＷ２が１本の管をなすことで、排気管合計長を最小限に抑えることができる。
このようにして、排気管合計長を最小限に抑えることで、エンジン始動後のマニホールド触媒の昇温性を向上させることできる。
【００１７】
図６（ａ）は排気管合計長と排気温度（特に始動から１５秒後のマニホールド触媒直前の排気温度）との関係を示しており、本発明により排気管合計長を１２００ｍｍから９００ｍｍに短縮することが可能であるとすると、マニホールド触媒直前の排気温度を２７０℃から３２０℃程度まで上昇させることが可能となる。尚、ここで排気管合計長は、図６（ｂ）に模式的に示したように、各気筒からマニホールド触媒に至るまでの各ブランチ及び各合流ブランチの合計長で表される。また、図７は始動から１５秒後のマニホールド触媒直前の排気温度とその間の触媒出口でのＨＣ排出量との関係を示したもので、エンジン始動後のマニホールド触媒の昇温性の向上（２７０℃→３２０℃）により、触媒の活性を早めて、ＨＣ排出量を低減できることを示している。
【００１８】
また、ブランチ間の合流角を２０°以下とすることにより、排気脈動の伝播経路を回り込み難い形状とし、排気干渉をより改善することができる。
合流角が大きい場合、例えば＃１気筒のブローダウン波が合流部を回り込んで他の気筒に達し、排気干渉を生じたり、他の気筒の閉じている排気弁部より反射して自気筒の排気干渉を生じたりするが、図８に示すように、合流角６０°、３０°、０°について、＃１気筒の排気ポート出口部で排気脈動圧力を測定したところ、合流角を小さくするほど、吸気弁開時期から排気弁閉時期までのバルブオーバーラップ期間付近での排気脈動圧力が低下し、排気干渉を低減できることが確認された。そして、合流角が３０°以下であれば、合流角が０°の場合と略同等の低い排気干渉のレベルが得られることが確認された。
【００１９】
また、図９は合流角と吸気体積効率（ηｖ）との関係を示したもので、合流角３０°〜６０°の範囲では、感度−０．１７％／１０°（１０°大きくする毎に吸気体積効率が０．１７％減少）、合流角０°〜２０°の範囲では、感度−０．０５％／１０°（１０°大きくする毎に吸気体積効率が０．０５％減少）となることがわかった。つまり、合流角が０°〜２０°の範囲では、合流角を大きくしても吸気体積効率の低下にはあまり影響がなく、合流角が２０°を超えると、特に合流角が３０°を超えると、急激に落ち込むことが確認された。これらの結果より、本発明では、合流角を２０°以下とすることで、排気干渉を確実に低減するのである。
【００２０】
次に直管部ＳＰ及び拡径部ＤＦの作用を説明する。
本発明では、各気筒の排気マニホールドブランチを合流させた後、該合流部（合流ブランチＷ１、Ｗ２の合流部）からマニホールド触媒までの間に直管部ＳＰを存在させている。
直管部ＳＰの存在により、合流後の排気ガスの流れる方向を定め、マニホールド触媒の中心軸Ｃに対し平行に近い角度で流入させることにより、排気ガス中に異物が含まれていたとしても、触媒担体のセル壁に衝突することなく、セル空間に流入して通過できる確率が大となるので、風食の発生を回避できる。すなわち、図１０を参照し、図示点線のように角度をもって流入する場合は、セル壁に衝突する確率が大となるが、図示実線のように平行に近い角度で流入する場合は、セル空間を通過する確率が大となるのである。これにより、排気ガス中に混入した異物と触媒担体のセル壁との衝突による風食（エロージョン）、及び、触媒担体の入口側端面に残留した異物の暴れによるセル壁の削れ等を防止することが可能となる。
【００２１】
図１１は、直管部の中心軸とマニホールド触媒の中心軸とのなす傾斜角αを変化させて、１５万キロ走行に相当する耐久試験を行った場合の風食容積（ｃｃ）を計測した結果を示したもので、許容風食容積を３ｃｃとすると、傾斜角αは３０°以下に設定すべきことが示された。
また、マニホールド触媒の端面における排気ガスの流速分布が均一とならず、偏流を生じると、運転条件によっては、触媒担体内部の温度差（偏温）が局所的に過大となり、これに起因するクラックの発生を招く恐れがあるが、本発明では、直管部ＳＰの存在により、各気筒の排気ガスが混合するための助走区間を確保できることから、触媒での流速分布を比較的均一化することができる。
【００２２】
しかも、本発明では、拡管部ＤＦの拡がり角βを６０°以下に設定して、マニホールド触媒に至る排気通路を滑らかに拡張することにより、マニホールド触媒に流入する排気ガスの流速分布をより均一とすることができ、流れの偏り（偏温）に起因する担体の亀裂を防止することが可能となる。
ここで、前述したように、点火順序が連続せず排気干渉による影響が小さい＃１と＃４気筒、及び、＃２と＃３気筒のブランチの合流位置を、＃１〜＃４気筒の排気ブランチが１本の直管部にて合流する位置よりも、上流側に設定したことも、各気筒の排気ガスが混合するための助走区間が確保できることから、マニホールド触媒に流入する排気ガスの流速分布の均一化に大きく寄与する。
【００２３】
また、前述したように、＃２と＃３気筒ついて、これらのブランチを最短長させ合流させる形状としたことも、各気筒の排気ガスが混合するための助走区間が確保できることから、マニホールド触媒に流入する排気ガスの流速分布の均一化に大きく寄与する。
図１２はマニホールド触媒の入口側端面での流速分布を各気筒（＃１〜＃４）からの排気が流入するタイミング毎に計測して示したもので、（ａ）は本実施例の場合、（ｂ）は比較例の場合である。ここでの比較例は実施例に対し各気筒のブランチの合流角が大きく、また直管部がなく、拡管部の拡がり角が大きいものである。
【００２４】
実施例（ａ）の場合は、比較例（ｂ）に比べ、流量分布の偏りが少ない。
流量分布の偏りを数値で表すため、入口側端面の各部での流速をＶｉとし、これらの平均流速をＶave とすると、
γ＝１−Σ（｜Ｖｉ−Ｖave ｜／Ｖave ）
により、偏り度合を表すことができ、γ値が小さいほど偏りが大きく、γ値が大きいほど偏りが少なく、より均一であるということになる。
【００２５】
このγ値の算出結果を、実施例（ａ）の場合と、比較例（ｂ）の場合とについて、全気筒、各気筒（＃１〜＃４）別に、図１３に示す。
この結果から、実施例（ａ）の場合は、比較例（ｂ）に比べ、γ値が大きく、流量分布の偏りが少ないことが確認された。
また、図１４は、拡管部の拡がり角βを変化させて、マニホールド触媒の入口側端面における最大温度差を計測した結果を示したもので、許容最大温度差を１３０°とすると、拡がり角βは６０°以下に設定すべきことが示された。
【００２６】
次にエンジン側の排気弁開時期の遅角化による排気干渉の低減について説明する。
排気弁開時期は、通常、下死点（ＢＤＣ）前４５°程度であるが、下死点前３０°より遅く、下死点前３０°〜下死点の範囲に設定することにより、図１５に実線で示す従来例に対し、点線で示すようにブローダウンのタイミングを遅らせる。これにより、自気筒のバルブオーバーラップ（Ｏ／Ｌ）期間に反射波が到達しないようにして、Ｏ／Ｌ期間中の排気干渉を改善し、低中速域のトルクを改善することができる。
【００２７】
尚、排気弁開時期の変更は、排気弁駆動カムの作動角縮小、可変動弁装置での排気弁作動角の可変、排気弁作動角とリフト量の可変、排気弁作動中心角の可変等により実現できる。
また、排気弁の作動角を縮小した場合、そのはね返りとして、高速域でのトルク低下を生じることもあるが、この点は、拡径部の拡がり角βを６０°以下としたことにより、更には、排気マニホールドのブランチの管径に対する曲げＲの比を１．５以上とすることにより、排気マニホールドの通気抵抗を改善することで、リカバー可能である。あるいは、可変動弁装置を用いる場合は、排気弁開時期の遅角を低中速域（例えば４０００ｒｐｍ以下）において限定的に行うようにしてもよい。
【００２８】
次に空燃比センサの取付位置について説明する。
各気筒からの排気マニホールドブランチの合流後に直管部ＳＰを設定し、この直管部ＳＰに空燃比センサを取付ける構造とすることにより、空燃比センサの気筒感度の最適位置を明確にするための、チューニング要素の絞り込みが容易となり、比較的少ない工数で、空燃比センサの最適位置を明確にすることが可能となる。具体的には、空燃比センサを図４の左右方向に位置調整して、各位置での＃１と＃４気筒側の位置感度、及び、＃２と＃３気筒側の位置感度をそれぞれ確認することにより、両方を満足する最適位置を見出して、その位置に空燃比センサ取付孔２４を設定する。
【００２９】
本実施形態によれば、各気筒の排気マニホールドブランチを合流させた後、該合流部からマニホールド触媒までの間に直管部を存在させ、この直管部の中心軸とマニホールド触媒の中心軸とのなす傾斜角を３０°以下とすることにより、マニホールド触媒の対風食性の向上を図ることができる。
また、本実施形態によれば、直管部とマニホールドとの間の拡管部の拡がり角を６０°以下とすることにより、触媒での流速分布を比較的均一化して、偏温の発生を回避でき、耐熱性をも向上させることができる。
【００３０】
また、本実施形態によれば、触媒担体が壁厚３ミル以下の薄壁担体の場合に適用することで、風食の発生等を回避しつつ、熱容量低減による触媒活性時間の短縮化を図ることができる。
また、本実施形態によれば、４気筒エンジンにおいて、点火順序の連続しない＃１と＃４気筒、及び、＃２と＃３気筒の排気マニホールドブランチをそれぞれ合流角２０°以下で合流させた後、各合流ブランチを合流させることにより、すなわち、排気ガスの圧力波による排気干渉が問題とならない気筒の排気マニホールドブランチを比較的上流側で合流させること、及びそのときの合流角を排気ガスの圧力波の回り込みを防止できる２０°以下とすることにより、自気筒を含む排気干渉を大幅に低減して、低中速域でのトルク低下を防止しつつ、排気管の独立部分を極力少なくして、排気管合計長の短縮を図り、エンジン始動後のマニホールド触媒の昇温性を向上させることが可能となる。
【００３１】
また、本実施形態によれば、各合流ブランチの合流角も２０°以下とすることにより、合流ブランチの合流箇所での排気ガスの圧力波の回り込みも確実に防止でき、自気筒を含む排気干渉を大幅に低減して、低中速域でのトルク低下を防止することができる。
また、本実施形態によれば、＃２と＃３気筒の排気マニホールドブランチの合流位置を＃１と＃４気筒の排気マニホールドブランチの合流位置より上流側にすることにより、すなわち、レイアウト的により上流側での合流が可能な内側の気筒同士（＃２と＃３気筒）を先に合流させることで、排気干渉による低中速域でのトルク低下を防止しつつ、排気管の独立部分を極力少なくして、排気管合計長の短縮を図り、エンジン始動後のマニホールド触媒の昇温性を向上させることが可能となる。
【００３２】
また、本実施形態によれば、＃２と＃３気筒の排気マニホールドブランチを対向する横方向に突き出して後、合流させることにより、＃２と＃３気筒の排気マニホールドブランチを最短距離で合流させることができ、排気管合計長を最小限にして、触媒活性時間を更に短縮することができる。
また、本実施形態によれば、＃２と＃３気筒の排気マニホールドブランチの合流後の合流ブランチは、ストレートな１本の管をなすようにすることで、排気管合計長の短縮を更に図り、エンジン始動後のマニホールド触媒の昇温性をより向上させることが可能となる。
【００３３】
また、本実施形態によれば、エンジンの排気弁開時期を下死点前３０度より遅いタイミングに設定することで、排気弁開時期の遅角化により、ブローダウンのタイミングを遅らせることにより、バルブオーバーラップ中の排気干渉を改善し、低中速域のトルクを改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すエンジン排気装置の概略正面図
【図２】排気マニホールドの正面図
【図３】排気マニホールドの平面図
【図４】排気マニホールドの側面図
【図５】排気マニホールドの底面図
【図６】排気管合計長と排気温度との関係を示す図
【図７】排気温度とＨＣ排出量との関係を示す図
【図８】合流角による排気脈動圧力への影響を示す図
【図９】合流角と吸気体積効率との関係を示す図
【図１０】風食回避の様子を示す図
【図１１】傾斜角と風食容積との関係を示す図
【図１２】触媒の端面での流速分布を示す図
【図１３】流れの偏り度合を示す図
【図１４】拡がり角と最大温度差との関係を示す図
【図１５】排気弁開時期遅角による効果を示す図
【符号の説明】
１エンジン
２排気マニホールド
３マニホールド触媒
Ｂ１〜Ｂ４ブランチ
Ｗ１、Ｗ２合流ブランチ
ＳＰ直管部（直管集合部）
ＤＦ拡管部（ディフューザ部）
２１、２２フランジ
２３仕切壁
２４、２５空燃比センサ取付孔

Claims

４気筒エンジンの排気マニホールドにおいて、
点火順序の連続しない＃１と＃４気筒の排気マニホールドブランチを合流させ、同じく＃２と＃３気筒の排気マニホールドブランチを対向する横方向に突き出して後、合流させ、＃２と＃３気筒の排気マニホールドブランチの合流位置が＃１と＃４気筒の排気マニホールドブランチの合流位置よりも上流側となり、
＃２と＃３気筒の合流ブランチはその合流直後からストレートな１本の管をなすとともに、＃１と＃４気筒の合流ブランチをエンジン側、＃２と＃３気筒の合流ブランチを反エンジン側にしてほぼ平行に配置し、
更に、これらの合流ブランチを合流させ、該合流ブランチの合流部から排気浄化触媒までの間に直管部を存在させ、該直管部の中心軸が、ストレートな１本の管をなす＃２と＃３気筒の合流ブランチの中心軸と平行となるように接続したことを特徴とするエンジンの排気装置。
前記直管部の中心軸と排気浄化触媒の中心軸とのなす傾斜角が３０°以下であることを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気装置。
前記直管部と排気浄化触媒との間に、排気浄化触媒に向かって拡径する拡管部が形成され、その拡がり角は６０°以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のエンジンの排気装置。
排気浄化触媒の触媒担体は、セラミック製で、壁厚３ミル（＝０．０７６ｍｍ）以下の薄壁担体であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のエンジンの排気装置。
点火順序の連続しない＃１と＃４気筒、及び、＃２と＃３気筒の排気マニホールドブランチをそれぞれ合流角２０°以下で合流させたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のエンジンの排気装置。
エンジンの排気弁開時期を下死点前３０度より遅いタイミングに設定することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のエンジンの排気装置。