JP6500967B2 - エンジンの排気装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排気装置に関するものである。

従来、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等の自動車エンジンの排気経路の上流に、排気ガスを浄化するための触媒が配設されることが行われている。

例えば、直列多気筒のエンジンでは、複数の気筒からの排気ガスを集合させ、触媒へ導入するために、各排気ポートに接続される複数の独立排気管と、その集合部とを備えた排気マニホールドが、排気ポートと触媒との間に接続される（例えば、特許文献１参照）。

実開平１−３９４１８号公報

ところで、特許文献１に記載されているように、一端側の気筒側から下方の触媒コンバータに向かって排気が流れるレイアウトを採用する場合、一端側の気筒からの排気流線とその他の気筒の排気流線が著しく異なって、触媒に対するガス当たりが不均一になる虞がある。

そこで、本発明は、エンジンの気筒列方向の一端側の気筒側から下方の排気浄化装置に向かって排気ガスを案内する排気マニホールドを採用する場合であっても、特に、排気浄化装置としての触媒をその中心軸が気筒列方向と平行になるように配置した場合であっても、該排気浄化装置に対するガス当たりの均等性を向上させることを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明では、排気マニホールドに前記ガス当たりの均等性を高める円弧状凹部等を設けるようにした。

ここに開示するエンジンの排気装置は、複数の気筒を備えたエンジン本体を有する直列多気筒エンジンの排気ポートに接続された排気マニホールドと、
前記排気マニホールドの排気ガス流れ方向の下流側に接続され、中心軸が気筒列方向と平行になるように配置された排気浄化装置としての触媒とを備え、
前記排気マニホールドは、
前記エンジン本体の各排気ポートに接続された複数の独立排気管と、
前記エンジン本体の気筒列方向の一端側に配置され、前記複数の独立排気管のうちの当該気筒列方向の一端側の独立排気管の先端部から下方に延びる集合管と、
前記複数の独立排気管のうちの残りの各独立排気管から流出する排気ガスを前記一端側の独立排気管の方に導いて前記集合管に案内する気筒列方向に延びた案内管と、
前記集合管の下部に形成され、排気ガスが前記排気浄化装置の上流側の端面に向かうように横方向にＬ字状に屈曲したＬ字状屈曲部と、
前記集合管の前記Ｌ字状屈曲部の下面側に形成され、該集合管における前記一端側の独立排気管の先端側から下方に続く壁面に沿って該集合管を下方に流れる排気ガスが、前記排気浄化装置の軸心まわりを旋回しながら該排気浄化装置に流入するように、該排気ガスの旋回を促進するための、前記排気浄化装置に向かって開口した前記Ｌ字状屈曲部の出口よりも半径が大きくなった円弧状凹部とを備えていることを特徴とする。

これによれば、エンジン本体の気筒列方向の一端側の排気ポートから出る排気ガスは、この一端側の独立排気管を通ってそのまま集合管に流入する。この集合管は当該独立排気管の先端部から下方に延びている。従って、その排気ガスは、当該独立排気管をその先端部に向かって流れていたときの慣性により、主として、集合管における当該独立排気管の先端側から続く壁面に沿って集合管を下方へ流れてＬ字状屈曲部に達する。このＬ字状屈曲部の下面側には前記Ｌ字状屈曲部の出口よりも半径が大きい円弧状凹部が形成されている。従って、集合管の当該独立排気管の先端側から続く壁面に沿って下方へ流れる排気ガスは、慣性によって円弧状凹部の凹んだ底壁面に沿って流れて上昇し、前記排気浄化装置の軸心まわりを旋回しながら排気浄化装置に流入していく。よって、排気ガスが排気浄化装置の上流側の端面全体にわたって均等に当たり易くなる。

一方、前記一端側の独立排気管を除く残りの独立排気管から出てくる排気ガスは、案内管を通ることにより気筒列方向に流れて集合管に流入する。従って、その排気ガスは、一端側の独立排気管から出る排気ガスとは違って、集合管における気筒列方向の一端側の壁面に沿って集合管を下方へ流れやすくなる。そのように流れる排気ガスも、集合管における前記一端側の独立排気管の先端側から続く壁面に沿って集合管を下方へ流れて円弧状凹部で旋回流となって上昇する排気ガスと合わさることにより、Ｌ字状屈曲部の下部側に集中すること、ひいては排気浄化装置の上流側の端面の下部側に排気ガスが集中することが避けられる。

以上のように、上記排気装置によれば、集合管が気筒列方向の一端側の独立排気管から下方に延びているにも拘わらず、円弧状凹部によって排気ガスの旋回流が誘起されることにより、排気浄化装置の上流側の端面全体にわたって排気ガスが均等に当たりやすくなり、排気浄化装置による排気ガスの浄化が効率良く行なわれる。

一実施形態では、前記集合管における前記気筒列方向の一端側の壁面に、前記案内管から前記集合管に流入する排気ガスの流れを前記排気浄化装置の上流側の端面の中央部に向かうように変更する、外側への膨出部を備えている。

これによれば、案内管から集合管に流入する排気ガスが排気浄化装置の上流側の端面の下部に集中することが避けられるから、排気ガスが当該上流側の端面全体にわたって均等に当たりやすくなる。

一実施形態では、前記案内管は、前記気筒列方向の一端側に、前記一端側の独立排気管のエンジン本体からの突出方向に湾曲して該一端側の独立排気管の先端部に連なる湾曲部とを備えている。

これによれば、排気ガスが案内管から集合管に流入するときに、湾曲部によって、排気ガスの流れ方向が気筒列方向から一端側の独立排気管の突出方向に近づくように変わる。これにより、案内管から集合管に流入する排気ガスが、一端側の独立排気管から集合管に流入する排気ガスと同じく、該一端側の独立排気管の先端部に続く壁面に沿って集合管を下方へ流れやすくなる。よって、円弧状凹部による排気ガスの旋回流を誘起させやすくなり、排気ガスが排気浄化装置の上流側の端面全体に均等に当たりやすくなる。

一実施形態では、前記集合管における前記膨出部の下方に酸素濃度検出手段が設けられている。

集合管における膨出部の下方は、集合管の気筒列方向の一端側の壁面に沿って下方へ流れる排気ガスと円弧状凹部によって旋回して上昇する排気ガスが合わさるところであり、排気ガスの均質性が高い。よって、当該膨出部の下方での酸素濃度の検出により、その検出で得られる酸素濃度の信頼性が高くなる。

一実施形態では、前記排気浄化装置よりも排気ガス流れ方向の下流側に設けられた下流側排気浄化装置をさらに備え、
前記排気浄化装置と前記下流側排気浄化装置は、互いの中心軸が交差し、且つ前記下流側排気浄化装置の軸方向に視て、前記排気浄化装置の下流部が前記下流側排気浄化装置の上流側の端面の一部に重なる関係になるように配設されている。

これによれば、排気マニホールドから下流側触媒装置までの距離を短縮化できるから、排気装置のコンパクト化に有利になるととともに、排気ガスを温度があまり低下しない状態で下流側排気浄化装置に流入させることができ、排気ガス浄化性能の確保に有利になる。

「互いの中心軸が交差」については、両中心軸が略直交していること（両中心軸のなす角度が８０度以上１００度以下であること）が好ましい。

以上述べたように、本発明によれば、集合管が気筒列方向の一端側の独立排気管から下方に延びているにも拘わらず、円弧状凹部によって排気ガスの旋回流が誘起されることにより、排気浄化装置の上流側の端面全体にわたって排気ガスが均等に当たりやすくなり、排気浄化装置による排気ガスの浄化が効率良く行なわれる。

図１は、実施形態１に係る排気装置がエンジン本体に取り付けられた状態を右から見た側面図である。 図２は、図１の排気装置の平面図である。 図３は、図１の排気装置を右上後方から見た斜視図である。 図４は、図１の排気装置の背面図である。 図５は、図１のＶ−Ｖ線における断面図である。 図６は、図１のＶＩ−ＶＩ線における断面図である。 図７は、図４のＶＩＩ−ＶＩＩ線における断面図である。 図８は、第２気筒からの排気ガス流れの様子を模式的に示した図６相当図である。 図９は、実施形態２に係る排気装置についての図６相当図である。 図１０は、円弧状凹部及び膨出部が設けられていない排気装置についての図６相当図である。 図１１は、実施例１，２及び比較例１における各気筒からの排気ガス流れの改善指標を示したグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

（実施形態１）
＜エンジン＞
実施形態１に係る排気装置１が適用されるエンジンは、自動車に搭載された直列４気筒ガソリンエンジン（直列多気筒エンジン）である。このエンジンは、ＦＦ車両の前方に横置きされている。

なお、本発明は、４気筒のガソリンエンジンに限らず、その他の多気筒エンジンや、ディーゼルエンジンにも適用することができる。また、ＦＦ車両に限らず、例えばＲＲ車両、４ＷＤ車両等、バイクも含め種々のレイアウトを採用する車両に適用可能である。

図１に示すように、エンジンは、シリンダブロックＥ１とシリンダヘッドＥ２とを有するエンジン本体Ｅを備えている。詳細な図示は省略するが、エンジンは、シリンダブロックＥ１とシリンダヘッドＥ２とにより構成される第１気筒乃至第４気筒を備える。この第１気筒乃至第４気筒は、図１の紙面に垂直な方向に紙面の手前から奥側に向かって順に直列に配置されている。そして、シリンダブロックＥ１のシリンダボア（図示せず）と、該シリンダボア内のピストン（図示せず）と、シリンダヘッドＥ２とにより、気筒毎に燃焼室が形成されている。

シリンダヘッドＥ２には、４つの燃焼室にそれぞれ接続された４つの排気ポート（図示せず）が形成されている。燃焼室において発生した排気ガスは、この排気ポートを含む排気経路を通じて車外に排出される。

＜排気経路＞
上述の排気ポートには、図１及び図２に示すように、本実施形態に係る排気装置１が接続され、さらにその下流側に、テールパイプを有する下流側排気システム（図示せず）が接続されている。このようにエンジンの排気経路は、上述の排気ポートと、排気装置１と、下流側排気システムとにより構成されている。

＜排気装置＞
本実施形態に係る排気装置１は、図１〜図４に示すように、エンジン本体Ｅの４つの排気ポートに接続された排気マニホールドＭと、排気マニホールドＭの下流端出口Ｍ７に接続部Ｎを介して接続された排気浄化装置Ｑと、排気ガス排出管５と、ＥＧＲガス取出管６とを備えている。

以下、各構成について詳述する。なお、排気マニホールドＭの構成については後述する。

＜方向＞
本明細書の説明において、「上下方向」及び「前後方向」とは、図１に示すように、エンジン本体Ｅを基準として、シリンダヘッドＥ２側を上側、シリンダブロックＥ１側を下側、エンジン本体Ｅ側を前側、排気マニホールドＭ側を後側とする方向をいうものとする。また、「左右方向」とは、図１及び図２に示すように、エンジン本体Ｅを基準として気筒の配列方向、言い換えると、図１の紙面に垂直であって、手前側を右側、奥側を左側とする方向をいうものとする。さらに、「上流」や「下流」は、燃焼室から排気ポートを通じて排出される排気ガスの流れる方向を基準とし、「排気ガス流れ方向上流側」や「排気ガス流れ方向下流側」と称することがある。

＜接続部＞
接続部Ｎは、排気マニホールドＭから排気ガスを触媒装置Ｑに導入する管状の部材である。

＜排気浄化装置＞
排気浄化装置Ｑは、図２〜図５に示すように、接続部Ｎの出口に接続された上流側排気浄化装置としての三元触媒２と、その下流側に配置された下流側排気浄化装置としてのＧＰＦ（ガソリンパティキュレートフィルタ）３と、これら三元触媒２とＧＰＦ３とを接続するＬ字状排気管４とを備えている。

＜三元触媒＞
三元触媒２は、排気ガス中の炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯ、窒素酸化物ＮＯｘを浄化するための触媒である。三元触媒２は、詳細な説明は省略するが、例えばＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等の貴金属を金属酸化物からなるサポート材上に担持してなる触媒成分を、ハニカム担体上にコートしてなる触媒等が挙げられる。三元触媒２としては、特に限定されるものではなく、いかなる公知のものも用いることができる。

三元触媒２は、図４及び図５に示すように、中心軸Ｌ２を有する円筒状の触媒である。三元触媒２の形状は、特に限定されるものではないが、排気経路への配設が容易であり、均一な排気ガス流れを得る観点から、筒状であることが好ましい。三元触媒２の中心軸Ｌ２に垂直な断面の形状は、特に限定されるものではなく、真円状、楕円状、矩形状、多角形状等のいかなる形状を採用することができるが、均一な排気ガス流れを得るとともに製造コストを抑える観点から、好ましくは真円状、楕円状である。

図４に示すように、三元触媒２は、中心軸Ｌ２が左右方向（気筒列方向）と平行になるように配置されている。

図５に示すように、三元触媒２の排気ガスを浄化する触媒本体は、上流側の端面２Ａと下流側の端面２Ｂを有する。便宜上、触媒本体の上流側の端面２Ａ及び触媒本体の下流側の端面２Ｂを、三元触媒２の上流側の端面２Ａ及び三元触媒２の下流側の端面２Ｂと称することがある。両端面２Ａ，２Ｂは同一径の円形である。

三元触媒２は、触媒本体として、上流側に配置された前段部２１と下流側に配置された後段部２２とを備えている。前段部２１は、エンジン本体Ｅの低負荷運転時の低温の排気ガスの浄化を行う低温活性に優れた三元触媒である。また後段部２２は、高負荷運転時等の高温の排気ガスの浄化を行う高温活性に優れた三元触媒である。なお、本実施形態において、三元触媒２は、前段部２１及び後段部２２を備えた２段構成であるが、これに限られるものではなく、単一の触媒構成であってもよいし、さらに３つ以上に分割された多段構成であってもよい。

さらに、三元触媒２は、触媒本体としての前段部２１及び後段部２２の外周全体を覆うマット２３と、そのマット２３の外周全体を覆う筒状ケース２４とを備えている。

マット２３は、高温の排気ガスに曝される環境下においても安定して触媒本体としての前段部２１及び後段部２２を保持するためのものであり、例えばセラミックなどの高耐熱性、保温性を有する材料で形成されている。

ケース２４は、触媒本体（前段部２１及び後段部２２）並びにマット２３を保持するためのものであり、例えば鉄、ステンレス鋼等の金属製である。なお、マット２３及びケース２４としては、公知のものを使用してもよい。

＜ＧＰＦ＞
図５に示すように、ＧＰＦ３は、三元触媒２の下流側に配設されており、三元触媒２を通過した排気ガス中のパティキュレートマター（以下、「ＰＭ」と称する。）をトラップするためのフィルタ本体（浄化装置本体）３３を備えている。フィルタ本体３３は、詳細な説明は省略するが、例えばハニカム担体等に目封じを施し、フィルタ機能を追加したものであり、トラップしたＰＭの燃焼を促進するため触媒コートを有するものであってもよい。排気ガス中のＰＭはフィルタ本体３３の隔壁に捕集され、ＰＭが堆積したところで、例えば、出力を得るために燃料をエンジンの燃焼室に噴射するメイン噴射の後、エンジンの膨張行程においてフィルタ本体３３の温度を高めるための燃料を燃焼室に噴射するポスト噴射を行い、フィルタ本体３３に堆積したＰＭを焼却除去する。フィルタ本体３３としては、特に限定されるものではなく、いかなる公知のものも用いることができる。

フィルタ本体３３は、図１、図２及び図５に示すように、中心軸Ｌ３を有する円筒状のものである。フィルタ本体３３の形状は、特に限定されるものではないが、排気経路への配設が容易であり、均一な排気ガス流れを得る観点から、筒状であることが好ましい。フィルタ本体３３の中心軸Ｌ３に垂直な断面の形状は、特に限定されるものではなく、真円状、楕円状、矩形状、多角形状等のいかなる形状を採用することができるが、均一な排気ガス流れを得るとともに製造コストを抑える観点から、好ましくは真円状、楕円状である。

ＧＰＦ３は、図２に示すように、中心軸Ｌ３が、前後方向、すなわち左右方向（気筒列方向）と略垂直方向となるように配置されている。

図５に示すように、ＧＰＦ３のフィルタ本体３３は、上流側の端面３Ａ及び下流側の端面３Ｂを有する。便宜上、フィルタ本体３３の上流側の端面２Ａ及びフィルタ本体３３の下流側の端面２Ｂを、ＧＰＦ３の上流側の端面２Ａ及びＧＰＦ３の下流側の端面２Ｂと称することがある。両端面３Ａ，３Ｂは同一径の円形である。

ＧＰＦ３は、三元触媒２と同様に、フィルタ本体３３と、フィルタ本体３３の外周全体を覆うマット３４と、そのマット３４の外周全体を覆う筒状ケース３５とを備えている。マット３４及びケース３５は、上述の三元触媒２のマット２３及びケース２４と同様の目的で用いられ、これらと同様の構成のものを用いることができる。

＜Ｌ字状排気管＞
Ｌ字状排気管４は、三元触媒２とＧＰＦ３とを接続するためのＬ字状に屈曲した管状部材であり、排気経路の一部を形成している。

図５に示すように、Ｌ字状排気管４は、上流側開口４Ａと、下流側開口４Ｂと、両開口４Ａ，４Ｂ間の曲がり部４Ｃとを備えている。

図５に示すように、三元触媒２は、その下流部がＬ字状排気管４に上流側開口４Ａから挿入されている。一方、ＧＰＦ３は、その上流端部がＬ字状排気管４に下流側開口４Ｂから挿入されている。

三元触媒２の下流側の端面２ＢとＧＰＦ３の上流側の端面３Ａとは、曲がり部４Ｃ内で、二面角αが約９０度となるように配置されている。この二面角αは、この角度に限定されるものではないが、三元触媒２からＧＰＦ３への排気ガス流れを十分に確保する観点から、互いに好ましくは６０度以上１２０度以下、より好ましくは７０度以上１１０度以下、特に好ましくは８０度以上１００度以下である。

加えて、三元触媒２とＧＰＦ３とは、ＧＰＦ３の軸方向に視て、三元触媒２の下流部がＧＰＦ３の上流側の端面の一部に重なる関係になるように配設されている。すなわち、三元触媒２とＧＰＦ３とに重複部分３１が形成されている。

図５は、図１におけるＶ−Ｖ断面を示す図であるが、三元触媒２の中心軸Ｌ２を含み且つＧＰＦ３の中心軸Ｌ３と平行な断面を上側から見た図である。図５に記載された断面を以下「Ｖ−Ｖ断面」（断面）と称する。図５に示すように、Ｖ−Ｖ断面上で、重複部分３１を形成する三元触媒２の側面の長さＨ３１は、三元触媒２及びＧＰＦ３をコンパクトに配置させつつ、ＧＰＦ３内の排気ガス流れを均一にする観点から、三元触媒２の全長Ｈ２の好ましくは１０％以上５０％未満である。

また、三元触媒２の側面の長さＨ３１は、図５のＶ−Ｖ断面において、三元触媒２及びＧＰＦ３をコンパクトに配置させつつ、ＧＰＦ３内の排気ガス流れを均一にする観点から、ＧＰＦの幅Ｗ３の好ましくは１０％以上５０％未満である。

このように、三元触媒２とＧＰＦ３とを互いに横方向に配置するときに、三元触媒２及びＧＰＦ３の重複部分３１を形成することで、排気マニホールドＭの下流端からＧＰＦ３までの距離を短縮化できる。また重複部分３１を形成しつつも、その範囲を上述の範囲未満に抑えることにより、排気装置１のコンパクト化を実現させるとともに、ＧＰＦ３の、特に重複部分３１の影になる部分の利用効率を向上させることができる。

＜ＧＰＦの下流側の端部＞
図５に示すように、ＧＰＦ３の下流側の端部７には、ＧＰＦ３を通過した排気ガスの出口である排気ガス排出管５と、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気側に環流するＥＧＲガス取出路管６とが取り付けられている。

＜排気ガス排出管＞
排気ガス排出管５は、ＧＰＦ３を通過した排気ガスを下流側排気システムへ導くとともに、三元触媒２及びＧＰＦ３による排気ガスの浄化に伴い発生した水分を溜めて除去するためのものである。

図５（図１のＶ−Ｖ線断面図）に示す、符号ＰＲＬ３１で示す線は、ＧＰＦ３の中心軸Ｌ３のＶ−Ｖ断面上への投影線である。また、符号Ｌ５で示す線は、排気ガス排出管５の中心軸を示している。そして、符号Ｐ５で示す点は、排気ガス排出管５の中心軸Ｌ５上の点であって、排気ガス排出管５の入口の中心を示す。

図５に示すように、排気ガス排出管５の中心位置Ｐ５は、ＧＰＦ３のＧＰＦ中心軸Ｌ３のＶ−Ｖ断面上への投影線ＰＲＬ３１よりも右側、すなわち三元触媒２側へ偏倚している。本構成によれば、ＧＰＦ３に流入した排気ガスについて、排気ガス排出管５に向かう流れが生じる。そうすると、排気ガス排出管５に向かう流れにつられて、重複部分３１の影になる部分に流れ込む排気ガス量が増加する。そうして、ＧＰＦ３の利用効率を向上させることができる。

なお、図５に示すように、排気ガス排出管５の偏倚量は、重複部分３１の影になる部分に流入する排気ガス量を十分に確保して、ＧＰＦ３の利用効率を向上させる観点から、好ましくは、Ｖ−Ｖ断面上で、排気ガス排出管５の三元触媒２側の右側面５Ａが、ＧＰＦ３の三元触媒２側のＧＰＦ側面３Ｃよりも右側、すなわち三元触媒２側に位置する程度に設定することができる。このとき、排気ガス排出管５付近の通気抵抗の増加を抑制する観点から、Ｖ−Ｖ断面上で、排気ガス排出管５の左側面５Ｂが、ＧＰＦ３の三元触媒２側のＧＰＦ側面３Ｃよりも左側に位置する程度に、排気ガス排出管５の偏倚量を設定することが好ましい。

＜ＥＧＲガス取出管＞
エンジン本体Ｅの構成として、ノッキングの発生防止や窒素酸化物ＮＯｘ量の低減を目的として、排気ガスの一部をエンジンの吸気系に再循環させるＥＧＲを採用しており、ＧＰＦ３の下流側の端部に排気ガスのＥＧＲガス取出管６が接続されている。

図５に示すように、ＥＧＲガス取出管６は、Ｖ−Ｖ断面上で、投影線ＰＲＬ３１に対して、排気ガス排出管５と反対側に、当該排気ガス排出管５と離間して配置されている。本構成によれば、ＥＧＲ用に十分な量の排気ガスを確保できるとともに、ＧＰＦ３内の排気ガスの流れを排気ガス排出管５側とＥＧＲガス取出管６側とに分散させて均一化させることができる。よって、ＧＰＦ３の利用効率・機能・性能をさらに向上させることができる。

＜排気マニホールド＞
エンジンの４つの燃焼室から排気ポートを通して排出される排気ガスは、排気マニホールドＭから接続部Ｎを介して触媒装置Ｑに送り込まれる。

図２に示すように、排気マニホールドＭは、エンジン本体Ｅの第１気筒、第２気筒、第３気筒及び第４気筒（いずれも図示せず。）の各排気ポートに接続された４つの独立排気管、すなわち、第１独立排気管Ｍ１（気筒列方向の一端側の独立排気管）、第２独立排気管Ｍ２（残りの独立排気管）、第３独立排気管Ｍ３（残りの独立排気管）及び第４独立排気管Ｍ４（残りの独立排気管）を備えている。

図１、図３及び図４に示すように、排気マニホールドＭは、エンジン本体の気筒列方向の一端側に配置され、当該気筒列方向の一端側の独立排気管Ｍ１の先端部から下方に延びる集合管Ｍ５を備えている。

排気マニホールドＭは、前記複数の独立排気管のうちの残りの各独立排気管Ｍ２〜Ｍ４から流出する排気ガスを前記一端側の独立排気管Ｍ１の方に導いて集合管Ｍ５に案内する気筒列方向に延びた案内管Ｍ６を備えている。案内管Ｍ６は、第２独立排気管Ｍ２、第３独立排気管Ｍ３及び第４独立排気管Ｍ４の先端側に接続されるとともに、第１独立排気管Ｍ１と集合管Ｍ５との接続位置に接続されている。

集合管Ｍ５の下部には、排気ガスが三元触媒２の上流側の端面２Ａに向かうように横方向（左方向）にＬ字状に曲がったＬ字状屈曲部Ｍ５０が形成されている。図６に示すように、Ｌ字状屈曲部Ｍ５０の下流端出口、すなわち、集合管Ｍ５の下流端出口Ｍ７は、接続部Ｎを介して三元触媒２と接続されている。この下流端出口Ｍ７は、円形であり、該出口Ｍ７の開口面は三元触媒２の上流側の端面２Ａと平行になっている。

図６及び図７に示すように、集合管Ｍ５のＬ字状屈曲部Ｍ５０の下面側（下半周側）には、集合管Ｍ５の下流端出口Ｍ７よりも半径が大きくなった円弧状凹部Ｍ５１が設けられている。

また、集合管Ｍ５における前記気筒列方向の一端側の壁面に、案内管Ｍ６から集合管Ｍ５に流入する排気ガスの流れを三元触媒２の上流側の端面２Ａの中央部に向かうように変更する、外側への膨出部Ｍ５２が形成されている。

なお、図４、図６等に示すように、集合管Ｍ５は、右側集合管材Ｍ５Ａと左側集合管材Ｍ５Ｂを嵌合して形成されており、円弧状凹部Ｍ５１は当該嵌合部に形成されている。集合管Ｍ５は、このように複数の部品に分けて構成されてもよいし、一体成形されたものであってもよい。

＜円弧状凹部及び膨出部の機能について＞
図１０に、円弧状凹部Ｍ５１及び膨出部Ｍ５２を形成していない場合の排気ガスの流れを示す。

一般に、排気ガスなどの流体は、曲率半径の大きな曲面に沿って流れる傾向があることが知られている。そのため、気筒列方向一端側の第１独立排気管Ｍ１から排出される排気ガスは、第１独立排気管Ｍ１をその先端部に向かって流れていたときの慣性により、主として、集合管Ｍ５における第１独立排気管Ｍ１の先端側から続く壁面に沿って集合管Ｍ５を下方へ流れる。

そして、その排気ガスは、図１０に破線矢印で示すように、Ｌ字状屈曲部Ｍ５０に達して、その流れ方向が三元触媒２に向かうように変わるから、三元触媒２の上流側の端面２Ａの下側部分に当たりやすくなる。

第１独立排気管Ｍ１以外の独立排気管、例えば第２独立排気管Ｍ２から排出される排気ガスは、案内管Ｍ６を通ることにより気筒列方向に流れて集合管Ｍ５に流入する。

従って、その排気ガスは、図１０に一点鎖線矢印で示すように、主として、集合管Ｍ５における気筒列方向の一端側の壁面に沿って集合管Ｍ５を下方へ流れる。そのため、その排気ガスは、第１独立排気管Ｍ１からの排気ガス流れと同じように、Ｌ字状屈曲部Ｍ５０において、その流れ方向が三元触媒２に向かうように変わり、三元触媒２の上流側の端面２Ａの下側部分に当たりやすくなる。第３及び第４の独立排気管Ｍ３，Ｍ４から排出される排気ガスも、第２独立排気管Ｍ２から排出される排気ガスと同様の流れとなる。

図６に、集合管Ｍ５に円弧状凹部Ｍ５１及び膨出部Ｍ５２を設けた場合の排気ガス流れを示す。

図６に実線矢印に示すように、第１独立排気管Ｍ１から排出される排気ガスは、慣性により、主として、集合管Ｍ５における第１独立排気管Ｍ１の先端側から続く壁面に沿って集合管Ｍ５を下方へ流れてＬ字状屈曲部Ｍ５０に達する。

このＬ字状屈曲部Ｍ５０の下面側には集合管Ｍ５の下流端出口（Ｌ字状屈曲部Ｍ５０の下流端出口）Ｍ７よりも半径が大きい円弧状凹部Ｍ５１が形成されている。従って、Ｌ字状屈曲部Ｍ５０に達した排気ガスは、図７にも実線矢印に示すように、慣性によって円弧状凹部Ｍ５１の凹んだ底壁面に沿って流れて上昇し、三元触媒２の軸心まわりを旋回しながら、三元触媒２に流入していく。よって、排気ガスが三元触媒２の上流側の端面２Ａの全体にわたって均等に当たり易くなる。

図８に実線矢印で示すように、第２乃至第４の独立排気管Ｍ２〜Ｍ４から排出される排気ガスは、案内管Ｍ６を気筒列方向に流れて集合管Ｍ５に流入する。

従って、その排気ガスは、慣性により、主として、集合管Ｍ５における気筒列方向の一端側の壁面に沿って集合管Ｍ５を下方へ流れ、膨出部Ｍ５２の壁面に到達する。そして、その排気ガスは、膨出部Ｍ５２の壁面に案内されて流れ方向が三元触媒２の上流側の端面２Ａの中央に向かうように変更される。従って、排気ガスが三元触媒２の上流側の端面２Ａの全体にわたって均等に当たり易くなる。

＜案内管の湾曲部について＞
図２及び図３に示すように、案内管Ｍ６は、前記気筒列方向の一端側に、一端側の第１独立排気管Ｍ１のエンジン本体からの突出方向に湾曲して該第１独立排気管Ｍ１の先端部に連なる湾曲部Ｍ６１を備えている。

従って、第２乃至第４の独立排気管Ｍ２〜Ｍ４から排出される排気ガスが案内管Ｍ６から集合管Ｍ５に流入するときに、湾曲部Ｍ６１によって、排気ガスの流れ方向が気筒列方向から第１独立排気管Ｍ１の突出方向に近づくように変わることになる。

これにより、案内管Ｍ６から集合管Ｍ５に流入する排気ガスが、一端側の第１独立排気管Ｍ１から集合管Ｍ５に流入する排気ガスと同じく、該第１独立排気管Ｍ１の先端部に続く壁面に沿って集合管Ｍ５を下方へ流れやすくなる。よって、円弧状凹部Ｍ５１による排気ガスの旋回流を誘起させやすくなり、排気ガスが三元触媒２の上流側の端面２Ａの全体に均等に当たりやすくなる。

以上述べたように、円弧状凹部Ｍ５１、膨出部Ｍ５２及び湾曲部Ｍ６１によって、排気ガスが三元触媒２の上流側の端面２Ａの全体に均等に当たりやすくなるから、三元触媒２の全体が排気ガスの浄化に有効に利用され、そのため、排気ガスの浄化が進みやすくなる。

＜酸素センサについて＞
集合管Ｍ５の下流端出口Ｍ７に対向する壁面であって、膨出部Ｍ５２の下方に酸素センサ用台座Ｍ５３が形成されている。この台座Ｍ５３に酸素センサ９３（酸素濃度検出手段）が設けられて、該酸素センサ９３の酸素濃度検出部がＬ字状屈曲部Ｍ５０の内部空間に突出している。

集合管Ｍ５における膨出部Ｍ５２の下方は、集合管Ｍ５の気筒列方向の一端側の壁面に沿って下方へ流れる排気ガスと、円弧状凹部Ｍ５１によって旋回して上昇する排気ガスが合わさるところであり、排気ガスの均質性が高い。よって、当該膨出部Ｍ５２の下方での酸素濃度の検出により、その検出で得られる酸素濃度の信頼性が高くなる。

（実施形態２）
以下、本発明に係る実施形態２について詳述する。なお、実施形態２の説明において、実施形態１と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

実施形態１では、集合管Ｍ５に円弧状凹部Ｍ５１及び膨出部Ｍ５２の両方を設ける構成であったが、図９に示すように、実施形態２では、円弧状凹部Ｍ５１のみを設けている。集合管Ｍ５が膨出部Ｍ５２を備えないから、その成形が容易となる。

膨出部Ｍ５２を備えない場合、案内管Ｍ６から集合管Ｍ５に流入する排気ガスは、図９に一点鎖線矢印で示すように、集合管Ｍ５をそのまま下方へ流れようとする。しかし、そのように流れる排気ガスも、集合管Ｍ５における第１独立排気管Ｍ１の先端側から続く壁面に沿って集合管Ｍ５を下方へ流れ、円弧状凹部５１によって旋回して上昇する排気ガスと合わさることにより、Ｌ字状屈曲部Ｍ５０の下部側に集中すること、ひいては三元触媒２の上流側の端面２Ａの下部側に集中することが避けられる。

特に、実施形態２においても、湾曲部Ｍ６１が設けられているケースでは、排気ガスが案内管Ｍ６から集合管Ｍ５に流入するときに、湾曲部Ｍ６１によって、排気ガスの流れ方向が気筒列方向から第１独立排気管Ｍ１の突出方向に近づくように変わる。従って、円弧状凹部５１によって旋回して上昇する排気ガス量が多くなるため、膨出部Ｍ５２を備えない場合でも、排気ガスがＬ字状屈曲部Ｍ５０の下部側に、ひいては三元触媒２の上流側の端面２Ａの下部側に集中することが避けられる。

（その他の実施形態）
実施形態１，２では、上流側排気浄化装置が三元触媒２、下流側排気浄化装置がＧＰＦ３であったが、排気浄化装置はかかる構成に限られるものではなく、種々の浄化装置を採用することができる。例えば、排気装置１をディーゼルエンジンに適用する場合には、ＧＰＦに代えてディーゼルパティキュレートフィルタを採用してよい。また、上流側排気浄化装置として酸化触媒を採用し、下流側排気浄化装置としてＮＯｘ浄化用触媒を採用し、或いはその逆の構成としてもよい。

実施形態１，２では、排気マニホールドＭの集合管Ｍ５が第１気筒側に配置されているが、集合管Ｍ５が第４気筒側に配置されるとともに、三元触媒２の上流側の端面２Ａが左側にくるように構成されていてもよい。
（三元触媒に対するガス当たり性の評価）
数値流体力学（ＣＦＤ：Computational Fluid Dynamics）モデルを作成して解析を行った。そして、この解析結果に基づき、三元触媒２に流入する排気ガスの流速、圧力、温度等を推定し、三元触媒始端面２Ａにおける排気ガスの流速分布から、各気筒のガス当たりの均一性をガス当たり改善指標として評価した。結果を図１１に示す。

なお、比較例１、実施例１及び実施例２は、それぞれ、図１０に示す円弧状凹部Ｍ５１及び膨出部Ｍ５２のいずれも形成されていない場合、図９に示す円弧状凹部Ｍ５１のみ形成した場合、及び、図６に示す円弧状凹部Ｍ５１及び膨出部Ｍ５２の両者とも形成した場合の結果である。

図１１に示すように、比較例１に比べ実施例１及び実施例２では、１つ以上の気筒からの排気ガス当たりの均一性が改善され、全気筒からの排気ガス当たりの均質性が向上していることが判る。

具体的には、比較例１を基準として、第１気筒では、実施例１及び実施例２において、ガス当たり改善指標はそれぞれ約３割及び約５割改善した。

第２気筒では、実施例１及び実施例２において、ガス当たり改善指標はそれぞれ約５割及び約７．５割改善した。

なお、第３気筒では、実施例１及び実施例２において、ガス当たり改善指標はそれぞれ約１６０％低下及び同等であった。

第４気筒では、実施例１において、ガス当たり改善指標はほぼ同等であったのに対し、実施例２において、約１割改善した。

また、ガス当たり改善指標の最大値と最小値との差を評価すると、比較例１を基準として、実施例１及び実施例２では、それぞれ約５割及び約７割差が小さくなっており、前記等からの排気ガス当たりの均質性が向上した。

このように、特に実施例１の第３気筒では、ガス当たりの均一性に低下が見られたものの、全気筒からの排気ガス流れの三元触媒始端面２Ａに対するガス当たりは大きく均質化されることが判った。

本発明は、エンジンの排気装置において、排気浄化装置に対するガス当たりの均一性を向上させることができるので、極めて有用である。

１ エンジンの排気装置
２ 三元触媒（上流側排気浄化装置）
２Ａ 三元触媒の上流側の端面
２Ｂ 三元触媒の下流側の端面
３ ＧＰＦ（下流側排気浄化装置）
３Ａ ＧＰＦの上流側の端面
３Ｂ ＧＰＦの下流側の端面
４ Ｌ字状排気管
４Ａ 上流側開口
４Ｂ 下流側開口
４Ｃ 曲がり部
５ 排気ガス排出管
６ ＥＧＲガス取出管
３１ 重複部分
３３ フィルタ本体（浄化装置本体）
Ｅ エンジン
Ｌ２ 三元触媒の中心軸
Ｌ３ ＧＰＦの中心軸
Ｌ５ 排気ガス排出管の中心軸
Ｍ 排気マニホールド
Ｍ１ 第１独立排気管（一端側の独立排気管）
Ｍ２ 第２独立排気管（残りの独立排気管）
Ｍ３ 第３独立排気管（残りの独立排気管）
Ｍ４ 第４独立排気管（残りの独立排気管）
Ｍ５ 集合管
Ｍ６ 案内管
Ｍ７ 下流端出口
Ｍ５０ Ｌ字状屈曲部
Ｍ５１ 円弧状凹部
Ｍ５２ 膨出部
Ｍ６１ 湾曲部
Ｎ 接続部

Claims (5)

1. 複数の気筒を備えたエンジン本体を有する直列多気筒エンジンの排気ポートに接続された排気マニホールドと、
   前記排気マニホールドの排気ガス流れ方向の下流側に接続され、中心軸が気筒列方向と平行になるように配置された排気浄化装置としての触媒とを備えたエンジンの排気装置であって、
   前記排気マニホールドは、
   前記エンジン本体の各排気ポートに接続された複数の独立排気管と、
   前記エンジン本体の気筒列方向の一端側に配置され、前記複数の独立排気管のうちの当該気筒列方向の一端側の独立排気管の先端部から下方に延びる集合管と、
   前記複数の独立排気管のうちの残りの各独立排気管から流出する排気ガスを前記一端側の独立排気管の方に導いて前記集合管に案内する気筒列方向に延びた案内管と、
   前記集合管の下部に形成され、排気ガスが前記排気浄化装置の上流側の端面に向かうように横方向にＬ字状に屈曲したＬ字状屈曲部と、
   前記集合管の前記Ｌ字状屈曲部の下面側に形成され、該集合管における前記一端側の独立排気管の先端側から下方に続く壁面に沿って該集合管を下方に流れる排気ガスが、前記排気浄化装置の軸心まわりを旋回しながら該排気浄化装置に流入するように、該排気ガスの旋回を促進するための、前記排気浄化装置に向かって開口した前記Ｌ字状屈曲部の出口よりも半径が大きくなった円弧状凹部とを備えていることを特徴とするエンジンの排気装置。
2. 請求項１において、
   前記集合管における前記気筒列方向の一端側の壁面に、前記案内管から前記集合管に流入する排気ガスの流れを前記排気浄化装置の上流側の端面の中央部に向かうように変更する、外側への膨出部を備えていることを特徴とするエンジンの排気装置。
3. 請求項１又は請求項２において、
   前記案内管は、前記気筒列方向の一端側に、前記一端側の独立排気管のエンジン本体からの突出方向に湾曲して該一端側の独立排気管の先端部に連なる湾曲部とを備えていることを特徴とするエンジンの排気装置。
4. 請求項２、又は請求項２を引用する請求項３において、
   前記集合管における前記膨出部の下方に酸素濃度検出手段が設けられていることを特徴とするエンジンの排気装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
   前記排気浄化装置よりも排気ガス流れ方向の下流側に設けられた下流側排気浄化装置をさらに備え、
   前記排気浄化装置と前記下流側排気浄化装置は、互いの中心軸が略直交し、且つ前記下流側排気浄化装置の軸方向に視て、前記排気浄化装置の下流部が前記下流側排気浄化装置の上流側の端面の一部に重なる関係になるように配設されていることを特徴とするエンジンの排気装置。

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