JP6444183B2 - 内燃機関の排気集合装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気集合装置に関し、特に、排気浄化装置を内蔵し、自動車の内燃機関に好適な内燃機関の排気集合装置に係る。

多気筒内燃機関に装着され、複数の排気ポートから排出される排気ガスを集約して下流側に供給する排気集合装置においては、各排気ポートから間歇的に排出される排気ガスの干渉を避け、排気慣性を利用して燃焼室から排気ガスを吸出し、燃焼室への充填効率を上げて内燃機関の出力性能を向上させる機能が求められており、各排気ポートから最初の集合部までの長さであるブランチ長をある程度長く、且つ任意に設定し得ることが求められている。特に、４気筒内燃機関において例えば第１気筒のブランチと第４気筒のブランチを集合させると共に、第２気筒のブランチと第３気筒のブランチを集合（４→２）させ、更にそれらを一つの排気管に集合（２→１）させる、所謂「４−２−１集合」の態様では、「４−２」のブランチ長だけでなく「２−１」のブランチ長（及び「４−２−１」全体の長さ）のチューニングも重要となっている。

更に、排気脈動を積極的に活用すべく、各ブランチ長や合流部の位置設定に留まらず、バルブタイミング可変機構の充実に着目し、あらゆる回転数領域で積極的に排気脈動波のマッチングを活用し、全回転数領域で充填効率向上を図ることも提案されている。例えば、下記の特許文献１には、「エンジンの低・中速域の高負荷域で、効果的にノッキングを抑制しつつ、高圧縮比エンジンによる高トルク化を達成することができる火花点火式多気筒エンジンを提供する」ことを目的とし、「エンジンの幾何学的圧縮比が１２を超える高圧縮比に設定されるとともに、各気筒の排気ポートに接続された分岐排気通路が排気順序が隣り合わない気筒同士で第１集合部により集合され、各第１集合部の下流の中間排気通路が第２集合部で集合された排気マニフォールドと、上記排気マニフォールドより下流に設けられ、かつ排気通路断面が拡大した空間部を有する複数の空洞拡大室と、排気弁の開弁時期を変更する排気バルブタイミング可変機構と、各気筒に設けられた点火プラグの点火時期を制御する点火時期制御手段と、有効圧縮比を調節する有効圧縮比調節手段と」を備えた装置が開示され、各手段を特定した装置が提案されている（特許文献１の段落〔０００９〕及び〔００１０〕に記載）。

また、下記の特許文献２には、「排気マニホールドの排気管長を自由に設定することができ、触媒の配置スペースを十分に確保して、触媒の性能を常に最高度に維持することができ、これらにより、内燃機関の高出力化と低エミッション化との両立を図ることができる多気筒内燃機関の排気系における触媒配置構造を提供する」ことを目的とし、「多気筒内燃機関の排気系における触媒配置構造であって、一端が前記内燃機関の排気ポートに接続された複数の排気管が、内燃機関本体から遠ざかる方向に延出された第１構成排気管部分と、前記第１構成排気管部分に続いて、第１の湾曲部を有し、前記内燃機関本体に近づく方向に反転する第２構成排気管部分と、前記第２構成排気管部分に続いて、第２の湾曲部を有し、前記内燃機関本体から遠ざかる方向に反転する第３構成排気管部分とを備え、前記第３構成排気管部分の下流側が、触媒に接続され、前記触媒が、前記第１構成排気管部分と前記第２構成排気管部分と前記第３構成排気管部分とにより囲まれて形成される空間に配置されたことを特徴とする多気筒内燃機関の排気系における触媒配置構造」が提案されている（特許文献２の段落〔０００７〕及び〔０００８〕に記載）。

特許第４９９３０１０号公報 特開２００１−１５２８４０号公報

上記特許文献１に記載の排気脈動を積極的に活用する排気集合装置においては、反射波が合流部で負圧波に反転して燃焼室に戻るタイミングの関係上、上記ブランチ長を等長とし、且つできるだけ長く設定することが要請されている。然し乍ら、このような要請に応えるには、排気ポートから集合部までの長さ、及びその下流側の排気ガス浄化装置（触媒コンバータ）に至るまでの距離を短くすることができず、内燃機関の性能向上要件と排気浄化性能要件が背反となっている。

つまり、内燃機関の性能向上要件を充足するためには排気集合装置の大型化を回避することは困難であり、狭小なエンジンルーム内で他部品との物理的干渉や熱の影響を避けて排気集合装置を搭載することは至難である。このことは前述の「４−２−１集合」の態様だけでなく、所謂「４−１集合」の態様でも同様である。また、排気浄化性能要件を充足するためには排気浄化装置の大型化のみならず、上流側（内燃機関側）への配置、複数個の搭載等が必要となり、搭載上及びスペース上の問題が残る。

上記の背反する課題を解消するためには、特許文献２に記載の構成とすることも一法であるが、ブランチパイプ（分岐管）を製造するための複雑な曲げ加工及び困難な溶接が必要であり、コストアップが不可避となる。また、内燃機関に並設し３次元的に巻回することとしているが、ブランチ長の設定を変更するためには、３次元的な経路で４本のブランチパイプの長さを調整する必要があるので、ブランチ長の設定自由度は殆どなくなる。更に、内燃機関の振動に伴いブランチパイプが個別に振動することになるが、特許文献２に記載のような長く、曲がり箇所の多いブランチパイプは振動し易く、内燃機関の高回転時には振動を抑えることが至難である。

そこで、本発明は、内燃機関の性能向上要件と排気浄化性能要件の両要件を充足し得る内燃機関の排気集合装置を提供することを課題とする。

上記の課題を達成するため、本発明は、内燃機関の複数の排気ポートに連通接続され排気ガス浄化装置を内蔵する内燃機関の排気集合装置において、前記排気ガス浄化装置を収容する筒体と、該筒体を囲繞するように形成される容器であって、前記筒体の外面との間に前記複数の排気ポートに連通接続される複数の排気流路が形成されると共に、該複数の排気流路が前記筒体の一方の開口端に連通するように形成された容器と、前記筒体の他方の開口端に連通接続される排出管とを備え、前記複数の排気流路は、前記筒体の軸に対し直交する方向に前記容器が環状に膨出形成されて成る複数の環状流路を有し、該複数の環状流路が前記筒体に並設されている構成としたものである。

また、上記の排気集合装置において、前記容器は、前記複数の環状流路内の排気ガスを前記筒体の一方の開口端に案内する案内部を有する構成とするとよい。この案内部は、容器の一方の端部に蓋部材を接合することによって構成することができるが、蓋部材を一体的に形成することとしてもよい。

更に、上記の排気集合装置において、前記容器は、前記内燃機関のクランク軸に対し前記筒体の軸が平行となるように配置するとよい。また、前記複数の排気流路は、前記複数の環状流路と前記複数の排気ポートとを連通接続する複数の分岐管を有する構成としてもよい。更に、前記複数の分岐管は、前記内燃機関のクランク軸に対し直交する方向に並設されている構成としてもよい。

そして、上記の排気集合装置において、前記筒体が、前記排気ガス浄化装置の下流側で、排気音を低減する消音装置、排気ガスの熱を回収し車室内の暖房に供する排気熱回収装置、及び、排気ガスの熱エネルギを直接電気エネルギに変換する熱電型発電装置の少なくとも一つの装置に連通接続される構成とするとよい。

本発明は上述のように構成されているので以下の効果を奏する。即ち、本発明の内燃機関の排気集合装置においては、排気ガス浄化装置を収容する筒体と、この筒体を囲繞するように形成される容器であって、筒体の外面との間に複数の排気ポートに連通接続される複数の排気流路が形成されると共に、複数の排気流路が筒体の一方の開口端に連通するように形成された容器と、筒体の他方の開口端に連通接続される排出管とを備えており、複数の排気流路は、筒体の軸に対し直交する方向に容器が環状に膨出形成されて成る複数の環状流路を有し、複数の環状流路が筒体に並設されているので、各排気流路に必要なブランチ長を容易に確保することができ、排気浄化装置の大型化や、上流側への配置が可能となり、浄化性能や昇温速度が向上する。特に、環状流路の長さや配置を自由に設定することができ、各環状流路の長さも適宜調整することもできる。しかも、巻回される環状流路によって筒体の保温が可能となるので、運転状態に影響されることなく浄化性能を維持することができる。而して、内燃機関の性能向上要件と排気浄化性能要件の両要件を充足することができる。

また、上記の排気集合装置において、容器が、複数の環状流路内の排気ガスを筒体の一方の開口端に案内する案内部を有する構成とすれば、環状流路内の排気ガスは案内部で反転して筒体内に流入し、触媒担体の全面に亘って均一に供給されるので、所謂「一様度」が高く、所期の浄化性能を確実に維持することができる。

更に、上記の排気集合装置において、容器が、内燃機関のクランク軸に対し筒体の軸が平行となるように配置される構成とすれば、配置対象の空間を適切に活用することができる。また、複数の排気流路が、複数の環状流路と複数の排気ポートとを連通接続する複数の分岐管を有する構成とすれば、装着対象の空間を適切に活用することができる。更に、複数の分岐管が、内燃機関のクランク軸に対し直交する方向に並設されている構成とすれば、装着対象の空間を一層適切に活用することができる。

そして、上記の排気集合装置において、筒体が、排気ガス浄化装置の下流側で、排気音を低減する消音装置、排気ガスの熱を回収し車室内の暖房に供する排気熱回収装置、及び、排気ガスの熱エネルギを直接電気エネルギに変換する熱電型発電装置の少なくとも一つの装置に連通接続されるように構成すれば、各種機能を有する装置を含め、全体として小型化が可能となり、装着対象の空間を有効に活用することができる。

本発明の一実施形態に係る排気集合装置の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る排気集合装置の一部断面側面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の一実施形態に係る排気集合装置の分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係る排気集合装置の平面図である。 本発明の一実施形態に係る排気集合装置の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る排気集合装置の一部断面側面図である。 本発明の他の実施形態に係る排気集合装置の平面図である。 本発明の他の実施形態に係る排気集合装置の斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る排気集合装置の一部断面側面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る排気集合装置の一部断面斜視図である。 本発明の別の実施形態に係る排気集合装置の斜視図である。 本発明の更に別の実施形態に係る排気集合装置を示す斜視図である。

以下、本発明の望ましい実施形態について図面を参照して説明する。図１乃至図７は本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気集合装置を示すもので、直列４気筒の内燃機関の複数（本実施形態では四つ）の排気ポート（図示せず）に連通接続され、本実施形態の排気ガス浄化装置として、排気ガスを浄化する触媒担体１が筒体２に内蔵され、触媒担体１を巻装するように緩衝部材（マット）１ａが配設されている。本実施形態では、内燃機関（図示せず）に接合されるヘッドフランジ１０に排気孔１１乃至１４が形成されており、これらの排気孔１１乃至１４が上記四つの排気ポートに対向するように配置され、夫々に連通するように構成されているので、以下、排気孔１１乃至１４は各排気ポートと同様の趣旨で説明する。

図１乃至図７に示すように、筒体２を囲繞するように容器３が形成され、筒体２の外面との間に、複数の排気ポート（排気孔１１乃至１４）に連通接続される複数（本実施形態では四つ）の排気流路２１乃至２４が形成されると共に、これらの排気流路２１乃至２４が筒体２の一方の開口端２ａに連通するように形成され、筒体２の他方の開口端２ｂに排出管４が連通接続されている。而して、本実施形態では所謂「４−１集合」が構成されている。

複数の排気流路２１乃至２４は、筒体２の軸に対し直交する方向に容器３が環状に膨出形成されて成る複数（本実施形態では四つ）の環状流路３１乃至３４を有し、これらの環状流路３１乃至３４が筒体２の回りに並設されている。本実施形態においては、容器３の一方の端部には別体の蓋部材３ｃが接合されて閉塞され、その内側に環状流路３１乃至３４内の排気ガスを筒体２の一方の開口端２ａに案内する案内部３ａが構成されている。蓋部材３ｃは容器３と一体的に形成することとしてもよい。また、排気流路２１乃至２４は、環状流路３１乃至３４と排気孔１１乃至１４とを連通接続する分岐管（ブランチパイプ）４１乃至４４を含み、本実施形態の分岐管４１乃至４４は、図１及び図５に示すように内燃機関のクランク軸（図示せず）に対し直交する方向に平行に並設されている。尚、排出管４は容器３の他方の端部３ｂに接合されているが、排気流路２１乃至２４は排出管４には連通しておらず、筒体２内に連通するように接合されている。

本実施形態においては、更に、排気ガスの一部を吸気側に還流させる排気ガス再循環装置（図示は省略するが、ＥＧＲと略称される）が装着されており、その一部を構成する再循環流路３５が容器３の他方の端部３ｂ（排出管４側の端部）に接合され、筒体２の開口端２ｂに連通接続されている。

而して、排気孔１１乃至１４から排出された排気ガスは、図５及び図６に破線矢印ＥＦ１で示すように、分岐管４１乃至４４を介して夫々、容器３の環状流路３１乃至３４に導入され、図６に破線矢印ＥＦ２で示すように、容器３の蓋部材３ｃ（案内部３ａ）方向に供給される。この排気ガスは、図５に破線矢印ＥＦ３で示すように、案内部３ａにて反転され、図７に示す筒体２の開口端２ａ方向に案内され、図７に破線矢印ＥＦ４で示すように、筒体２内の触媒担体１を通過し、ここで浄化された排気ガスが、破線矢印ＥＦ５で示すように、排出管４から下流側の装置（マフラー等）に排出される。このとき、浄化された排気ガスの一部が再循環用排気ガスとして、図７に破線矢印ＥＦ６で示すように、再循環流路３５を介して排気ガス再循環装置（図示せず）に供給される。尚、通常、排気ガス再循環装置に還流される再循環用排気ガスの流量を調整するためＥＧＲバルブが装着されるが、ここでは図示を省略する。

図１乃至図７から明らかなように、排気流路２１乃至２４を構成する環状流路３１乃至３４は筒体２を巻回するように形成されているので、巻回量や配置を自由に設定することができ、環状流路３１乃至３４の長さを適宜調整することもできる。従って、排気流路２１乃至２４の各々に必要な長さ（ブランチ長）を容易に確保することができる。また、排気浄化装置（触媒コンバータ）の大型化や、上流側への配置が可能となり、浄化性能や昇温速度が向上する。しかも、巻回されるブランチ（環状流路３１乃至３４）によって筒体２の保温が可能となるので、運転状態に影響されることなく浄化性能を維持（触媒を活性状態に維持）することができる。結果、前述の背反する二要件を両立させ、必要なエンジン性能及び排気浄化性能を満足させることができる。また、本実施形態の排気集合装置はコンパクトに搭載できることから、排出管４と後流排気管との締結において、ボールジョイント等の変位対応継手を用いる場合には、変位対応継手がエンジンのロール中心軸に近づくため、変位量を小さくでき、振動を抑制することができる。

更に、本実施形態の排気集合装置は、前述のように筒体２（及び容器３）の軸が内燃機関のクランク軸に平行に延在するように構成されており、比較的にスペースに余裕がある車両の前後方向に配置されるので、それ以外の方向、即ち車両の上下左右方向のスペース占有を最小限に抑えることができ、車両への搭載性も良好となる。また、内燃機関（図示せず）への装着に当っては、排出管４の形状変更のみで、車両の前後又は左右方向の何れも可能となるので、汎用性、共有性が高くなり、コスト低減に寄与する。もちろん、直列４気筒に限らず、２気筒以上の直列、Ｖ型、水平対向型等、何れの内燃機関（エンジン）にも適用可能である。また、車両駆動用の搭載に限らず、発電用エンジン（特にＥＶ車両のレンジエクステンダー）への適用も可能である。更に、農機具や船舶、定置発電装置等、車両以外のエンジンにも適用可能である。

更に、排気流路２１乃至２４を介して導入された排気ガスが集合した後、案内部３ａで反転して筒体２内に流入し、触媒担体１に到達する迄に撹拌、整流され、触媒担体１の全面に亘って均一に供給されるので、所謂「一様度」が高く、所期の浄化性能を確実に維持することができる。

図８乃至図１０は、第１気筒のブランチ（分岐管４１）と第４気筒のブランチ（分岐管４４）を集合させると共に、第２気筒のブランチ（分岐管４２）と第３気筒のブランチ（分岐管４３）を集合（４→２）させ、更にそれらを一つの排気管４に集合（２→１）させる所謂「４−２−１集合」の実施形態を示すものである。本実施形態における複数の排気流路２１乃至２４は、筒体２の軸に対し直交する方向に容器３ｘが環状に膨出形成されて成る複数（本実施形態では二つ）の環状流路３１ｘ及び３２ｘを有し、これらが筒体２ｘを囲繞するように設けられ、流路３３ｘに合流するように構成されている。従って、「４−２集合」の長さは、分岐管４１乃至４４の長さと環状流路３１ｘ及び３２ｘの長さの和によって設定され、「２−１集合」の長さは流路３３ｘの長さによって設定される。尚、本実施形態を構成する部材のうち、図１乃至図７に示す部材と実質的に同じ部材には同じ符合を付して説明を省略するが、図８乃至図１０に示す容器３ｘは前述の図１等に示す容器３より小型に形成されている。

而して、本実施形態においても、図１等に示す「４−１集合」の実施形態と同様の効果を奏するが、図１等に示す実施形態に比し、「２−１集合」の部分が存在するので、中低回転領域のチューニング自由度が高くなる。尚、第１気筒のブランチ（分岐管４１）と第２気筒のブランチ（分岐管４２）を集合させると共に、第３気筒のブランチ（分岐管４３）と第４気筒のブランチ（分岐管４４）を集合（４→２）させ、更にそれらを一つの排気管４に集合（２→１）させる構成としてもよく、あるいは、第１気筒のブランチ（分岐管４１）と第３気筒のブランチ（分岐管４３）を集合させると共に、第２気筒のブランチ（分岐管４２）と第４気筒のブランチ（分岐管４４）を集合（４→２）させ、更にそれらを一つの排気管４に集合（２→１）させる構成としてもよい。

図１１は、図１等と同様の筒体２内に二個の触媒担体１ｆ及び１ｒが軸方向に直列に収容されたタンデム触媒の態様を示し、上流側の触媒担体１ｆが所謂「スタート触媒」に供される。尚、図１１乃至１３において、図１乃至図７に示す部材と実質的に同じ部材には同じ符合を付して説明を省略する。

図１２に示す実施形態は、筒体２が、触媒担体１（又は１ｒ）の下流側で、排気音を低減する消音装置（図示せず）、排気ガスの熱を回収し車室内の暖房に供する排気熱回収装置（図示せず）、及び、排気ガスの熱エネルギを直接電気エネルギに変換する熱電型発電装置（図示せず）の少なくとも一つの装置に連通接続されるように構成されたものである。即ち、本実施形態の筒体２は、前述の触媒担体１と排出管４との間に筒状部２ｃを有しており、この筒状部２ｃ内に、上記の排気熱回収装置や熱電型発電装置が構成される。あるいは、拡張室や共鳴室を組み合わせて上記の消音装置を筒状部２ｃ内に構成することもでき、触媒担体１と排出管４との間には各種機能の装置を介装することができる。

図１３は、図１等と同様の筒体２に対し、低周波共鳴室を付設すべく、別体の消音器５を連通接続した実施形態を示すものである。この消音器５は特定周波数の排気音の減衰を企図するもので、消音器５内に形成される空間（共鳴室）の容積と首管（本実施形態では連通管５ａ）の径及び長さ（並びに音速）をパラメータとするヘルムホルツの共鳴室が構成されるので、減衰対象の周波数を特定することができる。尚、共鳴室を別体とせず、複数の連通管（図示せず）によって筒体２と消音器５の筐体５ｂとを連結して排気ガスの流通を許容する構成とし、通常の消音器を構成することとしてもよい。

１ 触媒担体
２，２ｘ 筒体
２ａ，２ｂ 開口端
２ｃ 筒状部
３，３ｘ 容器
３ａ 案内部
３ｂ 端部
３ｃ 蓋部材
４ 排出管
５ 消音器
１０ ヘッドフランジ
１１，１２，１３，１４ 排気孔（排気ポート）
２１，２２，２３，２４ 排気流路
３１，３２，３３，３４ 環状流路
３１ｘ，３２ｘ 環状流路
４１，４２，４３，４４ 分岐管

Claims (6)

1. 内燃機関の複数の排気ポートに連通接続され排気ガス浄化装置を内蔵する内燃機関の排気集合装置において、前記排気ガス浄化装置を収容する筒体と、該筒体を囲繞するように形成される容器であって、前記筒体の外面との間に前記複数の排気ポートに連通接続される複数の排気流路が形成されると共に、該複数の排気流路が前記筒体の一方の開口端に連通するように形成された容器と、前記筒体の他方の開口端に連通接続される排出管とを備え、前記複数の排気流路は、前記筒体の軸に対し直交する方向に前記容器が環状に膨出形成されて成る複数の環状流路を有し、該複数の環状流路が前記筒体に並設されていることを特徴とする内燃機関の排気集合装置。
2. 前記容器は、前記複数の環状流路内の排気ガスを前記筒体の一方の開口端に案内する案内部を有することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気集合装置。
3. 前記容器は、前記内燃機関のクランク軸に対し前記筒体の軸が平行となるように配置されることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気集合装置。
4. 前記複数の排気流路は、前記複数の環状流路と前記複数の排気ポートとを連通接続する複数の分岐管を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の内燃機関の排気集合装置。
5. 前記複数の分岐管は、前記内燃機関のクランク軸に対し直交する方向に並設されていることを特徴とする請求項４記載の内燃機関の排気集合装置。
6. 前記筒体は、前記排気ガス浄化装置の下流側で、排気音を低減する消音装置、排気ガスの熱を回収し車室内の暖房に供する排気熱回収装置、及び、排気ガスの熱エネルギを直接電気エネルギに変換する熱電型発電装置の少なくとも一つの装置に連通接続されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の内燃機関の排気集合装置。

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