JP2001003744A - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 触媒コンバータやサブマフラの大きさを変更
したり、それらの搭載位置を変更することなく、簡易な
構造で排気脈動効果を向上する。 【解決手段】 排気ガスを浄化する触媒コンバータ３
と、排気騒音を低減するメインマフラ５と、前記触媒コ
ンバータ３と前記メインマフラ５との間に配置したサブ
マフラ５とからなる。前記触媒コンバータ３と前記サブ
マフラ４とを接続する排気管７Ａの流路断面積を、前記
触媒コンバータ３の上流側に接続される排気管６の流路
断面積よりも大きくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関の排気装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関を搭載した車両の排気装置は、
通常図３に示すように、内燃機関１、エキゾーストマニ
ホールド２、排気ガスを浄化する触媒コンバータ３、排
気騒音を低減するメインマフラ５及びサブマフラ４、更
にこれらを連通する排気管６，７，８から構成されてい
る。また、メインマフラ５は容量が大きく搭載が困難な
ため車両後方に配置され、サブマフラ４は触媒コンバー
タ３とメインマフラ５の間に配置されるのが一般的であ
る。更に、触媒コンバータ３での酸化及び還元反応によ
る反応熱でエネルギーが増大した騒音を消音することに
より、より有効な消音効果を得ることを目的として、触
媒コンバータ３から近接した位置にサブマフラ４を配置
することが行われている。

【０００３】一方、内燃機関１の排気の際に生じる圧力
波が排気管の開口端で反射した負圧波を利用して、内燃
機関１の排気効率を向上させることにより、内燃機関の
出力向上を達成できることが知られており、例えば、触
媒コンバータ３の入口のテーパ部（開口端）３ａで生じ
た反射負圧波を内燃機関１の排気タイミングに適合させ
ることが行われている。

【０００４】この排気効率の向上作用について図３乃至
図５により説明する。内燃機関１の燃焼室（ピストン上
死点部の空間）で爆発が終った後、内燃機関１の排気バ
ルブが開くと、燃焼室内から高温・高圧の排気ガスが燃
焼室のポートを通って接続されたエキゾーストマニホー
ルド２及びその後流排気管側へと流出する。

【０００５】このとき、前記ポート部に大きな圧力波が
発生し、この圧力波もエキゾーストマニホールド２から
音速（ガス温度に依存）で下流へ伝播していく。例えば
図４のように、第１気筒１Ａの燃焼室に接続する第１ポ
ート１ａで発生した圧力波Ａｐは、エキゾーストマニホ
ールド２の第１分岐管２Ａ内を矢印Ａのように伝播し、
他の分岐管２Ｂ〜２Ｄとの合流部に到達し、ここで矢印
Ｂのように反射（反転）して第１分岐管２Ａ内へ伝播す
る負圧波Ｂｐと、矢印Ｃに示すように第２分岐管２Ｂ、
第３分岐管２Ｃ、第４分岐管２Ｄ内へ伝播する正圧波Ｃ
ｐと、更に下流の排気管６へ矢印Ｄのように伝播する正
圧波Ｄｐとに分離する。

【０００６】これらのうち前記矢印Ｄで示す支配的な正
圧波Ｄｐは、更に下流に進行し、図５に示すように触媒
コンバータ３に到達して、該触媒コンバータ３の入口の
開口端３ａで、矢印Ｅに示すように上流側へ反射（反
転）する負圧波Ｅｐと、更に矢印Ｆのように下流に進行
する正圧波Ｆｐとに分離する。

【０００７】一方、このとき内燃機関の第１気筒１Ａは
爆発〜排気工程を終わり吸気をしつつある段階で、吸気
バルブを開いて吸気（新気）を燃焼室内へ取り入れよう
としている。つまり、吸気バルブ・排気バルブともに開
いている（オーバーラップ）状態である。

【０００８】ここにおいて、排気バルブが閉じる（閉じ
たあと圧縮開始）直前のタイミングに上記矢印Ｅの負圧
波Ｅｐが燃焼室内に入ってくるようにすると、第１燃焼
室１Ａ内への新気取り込みが促進され充填効率が高ま
る。すなわち、内燃機関の効率が上昇する（これを排気
脈動効果と呼ぶ）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記矢印Ｆで
示す正圧波Ｆｐは図５に示すように、触媒コンバータ３
の出口３ｂで矢印Ｇに示すように上流側へ反射する正圧
波Ｇｐと、更に下流へ矢印Ｈのように進行する正圧波Ｈ
ｐとに分離する。

【００１０】触媒コンバータ３の長さは内燃機関１の燃
焼室から触媒コンバータ３の入口３ａまでの距離に比べ
てはるかに短いため、前記Ｅの反射波と前記Ｇの反射波
のタイミング（位相）が近接し、その結果、図５のＸで
示すように、前記の有効なＥの負圧波ＥｐがＧの正圧波
Ｇｐと干渉して相殺されてしまい上記の排気脈動効果が
抑制されるという問題がある。

【００１１】この場合、触媒コンバータ３の入口の開口
端３ａの流路径φａと、触媒コンバータ３の流路径φｃ
との拡径比φｃ／φａをＫ_A とし、触媒コンバータ３の
出口開口端３ｂの流路径φｂと触媒コンバータの流路径
φｃとの縮小比φｃ／φｂをＫ_B とすると、このＫ_A ，
Ｋ_B が大きいほど反射が顕著である。

【００１２】そのため、前記従来のように、触媒コンバ
ータ３の下流側の排気管７を上流側の排気管６と同径
に、すなわち下流側の排気管の流路径φｂと触媒コンバ
ータ３の流路径φｃとの縮小比φｃ／φｂが大きいもの
においては、前記の反射が顕著となり、内燃機関のある
特定回転時において、前記矢印Ｅ方向への負圧波Ｅｐの
相殺が大きくなり、排気脈動効果が大きく低減されてし
まう問題がある。

【００１３】また、前記のように下流側の排気管７を上
流側の排気管６と同径にした場合には、サブマフラ４の
内径に対する前記下流側の排気管７の径の比率が大きく
なるため、サブマフラ４の入口の開口端４ａからの反射
波も顕著になり、これが触媒コンバータ３による反射波
と複雑に影響し合って、更に排気脈動効果が期待できな
くなる問題がある。

【００１４】ガソリン使用の内燃機関として、４気筒１
５００ｃｃを使用し、前記図３及び図５に示す上流側排
気管６と下流側排気管７を共にφ４８．６ｍｍとし、触
媒コンバータ３の流路径をφ１３０ｍｍとしてブレーク
トルクを測定した結果を図６に示す。なお、サブマフラ
４の内径をφ１２０ｍｍとし、排気管８の内径をφ３
８．１ｍｍとした。その結果、図６の細線Ｙの特性とな
り、内燃機関の回転数が約３０００ｒｐｍ域で大きく出
力低下を引き起こした。

【００１５】また、前記の干渉が発生しないように触媒
コンバータ３の出口３ｂの位置やサブマフラ４の入口４
ａの位置を変更すること、すなわち、触媒コンバータ３
及びサブマフラ４の大きさを変更することは、浄化性能
及び消音性能の点から容易に変更することができない。
また、周辺部品への動的干渉及び熟的干渉や地上高を考
慮すると、それらの搭載位置を変更することも困難であ
った。

【００１６】そこで本発明は、前記のような触媒コンバ
ータ３の出口３ｂからの正圧の反射波を低減して前記の
排気脈動効果を向上し、内燃機関の出力向上を図ること
を目的とするものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、請求項１記載の第１の発明は、排気ガスを浄化す
る触媒コンバータと、排気騒音を低減するメインマフラ
と、前記触媒コンバータと前記メインマフラとの間に配
置したサブマフラとを有する排気装置において、前記触
媒コンバータと前記サブマフラとを接続する排気管の流
路断面積を、前記触媒コンバータの上流側に接続される
排気管の流路断面積よりも大きくしたことを特徴とする
ものである。

【００１８】触媒コンバータの上流側に接続された排気
管内を下流側へ進行した正圧波は、触媒コンバータの入
口の開口端で上流側へ反射する負圧波と更に下流側に進
行す正圧波に分離する。この上流側へ反射した負圧波に
より排気脈動効果が発揮される。

【００１９】一方、前記の下流側に進行した正圧波は、
触媒コンバータの出口の開口端で上流側へ反射する正圧
波と更に下流側へ進行する正圧波に分離される。この上
流側へ反射する正圧波は、触媒コンバータの流路断面積
に対する触媒コンバータの出口開口端の流路断面積の比
が、触媒コンバータの流路断面積に対する触媒コンバー
タの入口開口端の流路断面積の比よりも小さく設定され
ているため、前記入口開口端での反対よりも低減する。

【００２０】したがって、触媒コンバータの出口開口端
で反射する正圧波が入口開口端で反射する負圧波と干渉
することが抑制または回避され、その負圧波が相殺され
ることが抑制または回避される。そのため、負圧波によ
る内燃機関への新気の取り込みが促進され、内燃機関の
排気脈動効果が向上し、出力の向上を図ることができ
る。

【００２１】このような排気脈動効果は、請求項２の第
２の発明のように前記触媒コンバータと前記サブマフラ
とを接続する排気管の流路断面積を、前記触媒コンバー
タの上流側に接続される排気管の流路断面積よりも３０
〜４０％大きくすると効果的である。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１及び図２に示す実施例に基い
て本発明の実施の形態について説明する。図１は内燃機
関の排気系を示すもので、その触媒コンバータ３の上流
側に接続された排気管６（これを上流側排気管とする）
の上流側は、前記図３に示すように複数のエキゾースト
マニホールド２に接続され、更にそのエキゾーストマニ
ホールド２は図３に示すように内燃機関１に接続されて
いる。

【００２３】前記触媒コンバータ３の下流側に接続され
た排気管７Ａ（これを下流側排気管とする）の下流側は
サブマフラ４の上流側に接続されている。更に、サブマ
フラ４の下流側には排気管８が接続され、該排気管８の
下流側は排気管８ａを通じてメインマフラ５に接続され
ている。該メインマフラ５はテールパイプ９を通じて大
気に開口している。

【００２４】前記の排気系において、前記触媒コンバー
タ３と前記サブマフラ４との間に接続された下流側排気
管７Ａの流路断面積、すなわち下流側排気管７Ａの内径
φｅは，前記触媒コンバータ３の上流側に接続された上
流側排気管６の流路断面積、すなわち上流側排気管６の
内径φｄよりも大きく設定されている。

【００２５】具体的には、前記下流側排気管７Ａの流路
断面積を前記上流側排気管６の流路断面積よりも３０〜
４０％大きく設定するもので、より望ましくは３４％大
きく設定する。

【００２６】前記下流側排気管７Ａの流路断面積（内
径）をφｅに設定することにより、触媒コンバータ３の
出口の開口端３ｂ及びサブマフラ４の入口の開口端４ａ
がφｅに形成され、また、前記上流側排気管６の流路断
面積（内径）をφｄに設定することにより触媒コンバー
タ３の入口の開口端３ａがφｄに形成される。したがっ
て、触媒コンバータ３の流路断面積（内径）をφｃとす
ると、φｃ／φａの拡張比Ｋ_A が大きく、反面φｃ／φ
ｂの縮小比Ｋ_B は小さくなる。

【００２７】以上のようであるから、前記のように上流
側排気管６内に矢印Ｄのように進行してきた正圧波Ｄｐ
は、前記のように触媒コンバータ３の入口の開口端３ａ
で矢印Ｅで示すように上流側へ反射（反転）する負圧波
Ｅｐと、矢印Ｆのように下流に進行する正圧波Ｆｐに分
離する。

【００２８】更に、前記矢印Ｆの正圧波Ｆｐは、触媒コ
ンバータ３の出口３ｂで矢印Ｇで示すように上流側へ反
射する正圧波Ｇｐと更に下流へ矢印Ｈのように進行する
正圧波Ｈｐに分離する。

【００２９】前記矢印Ｄの正圧波Ｄｐが触媒コンバータ
３の入口の開口端３ａで反射する負圧波Ｅｐは、前記の
ようにＫ_A の値が大きいため顕著になる。これに対し、
前記矢印Ｆの正圧波Ｆｐが触媒コンバータ３の出口の開
口端３ｂで反射する正圧波Ｇｐは、前記のようにＫ_B の
値が小さいため顕著ではない。

【００３０】したがって、前記正圧波Ｇｐが前記負圧波
Ｅｐと干渉して負圧波Ｅｐが相殺されることを抑制或い
は回避でき、狙い通りに負圧波Ｅｐによる排気脈動効果
を実現できる。

【００３１】更に、前記下流側排気管７Ａを下流側へ進
行した正圧波Ｈｐは、サブマフラ４の入口の開口端４ａ
に達する。この開口端４ａに達した正圧波Ｈｐは、ここ
でも反射波Ｉと進行波Ｊの分離がある。このとき、前記
下流側排気管７Ａは従来よりも大径に形成されてサブマ
フラ４の内径に近い径になっているため、入口の開口端
４ａにおける反射波Ｉの力が緩和される。ここでの反射
波Ｉは前記触媒コンバータ３の出口の開口端３ｂに達す
ると更なる反射によって力を弱める。弱まった圧力波が
触媒コンバータ３の入口の開口端３ａに達すると、前記
Ｋ_A の値が大きいため、更に触媒コンバータ３の下流側
へ大きく反射する。このため、サブマフラ４の入口の開
口端４ａから反射した圧力波の力は益々弱くなる。更
に、エキゾーストマニホールドの合流部を通過するた
め、排気ポート圧力への影響は非常に弱くなる。

【００３２】前記の上流側排気管６の内径を前記図３と
同様にφ４８．６ｍｍとし、下流側排気管７Ａの内径を
φ６５ｍｍとしてブレークトルクを測定した結果を図６
の太線Ｚで示す。

【００３３】なお、前記従来の排気系と比較するため、
内燃機関は前記と同様に４気筒１５００ｃｃのものを使
用し、サブマフラ４の内径を前記と同様にφ１２０ｍｍ
とし、排気管８を前記と同様にφ３８．１ｍｍとした。

【００３４】その結果、図８の太線Ｚの特性が得られ、
内燃機関の中低速域（３０００ｒｐｍ付近）においても
従来の特性Ｙに比べてトルク性能が向上した。

【００３５】

【発明の効果】以上のようであるから、本発明によれ
ば、触媒コンバータの下流側の排気管の内径を触媒コン
バータの上流側の排気管の内径に対して大きくすること
で内燃機関の排気脈動効果を向上できる。したがって、
触媒コンバータやサブマフラの大きさを変更したり、そ
れらの搭載位置を変更することなく排気脈動効果を向上
でき、内燃機関の出力向上を図ることができる。

【００３６】また、請求項２記載のような値に流路断面
積の比を設定すると効果的である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の排気装置を備えた排気系の実施例を示
す平面図。

【図２】本発明の排気装置における圧力波の流れを説明
する図。

【図３】従来の排気装置を備えた排気系の平面図。

【図４】内燃機関におけるエキゾーストマニホールド部
での圧力波の流れを説明する図。

【図５】従来の排気装置における圧力波の流れを説明す
る図。

【図６】本発明と従来の装置における内燃機関の回転数
に対するブレークトルクを比較した特性図。

【符号の説明】

３ 触媒コンバータ ４ サブマフラ ５ メインマフラ ６ 触媒コンバータの上流側に接続される排気管 ７Ａ 触媒コンバータとサブマフラとを接続する排気
管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排気ガスを浄化する触媒コンバータと、
   排気騒音を低減するメインマフラと、前記触媒コンバー
   タと前記メインマフラとの間に配置したサブマフラとを
   有する排気装置において、前記触媒コンバータと前記サ
   ブマフラとを接続する排気管の流路断面積を、前記触媒
   コンバータの上流側に接続される排気管の流路断面積よ
   りも大きくしたことを特徴とする内燃機関の排気装置。
2. 【請求項２】 前記触媒コンバータと前記サブマフラと
   を接続する排気管の流路断面積を、前記触媒コンバータ
   の上流側に接続される排気管の流路断面積よりも３０〜
   ４０％大きくしたことを特徴とする請求項１記載の内燃
   機関の排気装置。