JP2003083061A - エンジンの排気マニホールド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 空燃比センサを装着した排気マニホールドの
気筒間の空燃比検出感度バラツキを低減し、空燃比フィ
ードバック制御性能、引いては排気浄化性能を向上す
る。 【解決手段】 ♯２気筒に接続されたブランチ管２ａ
と、隣接する♯４気筒に接続されたブランチ管２ｂとの
接合部から下流側に延びる第１の整流板９を設け、その
下流に空燃比センサ８を配設すると共に、空燃比センサ
８の検出部８ａへの排気の当たりが最も強いブランチ管
２ａ側に第１の整流板９を傾斜させて該排気の当たりを
抑制すると共に、ブランチ管２ａと♯３気筒に接続され
たブランチ管２ｄとの接合部に第１の整流板９より短い
第２の整流板１０をブランチ管２ｄ側に傾斜して設け、
前記ブランチ管２ａからの排気の逃げ量を適度に調整す
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、エンジンの空燃比
センサを装着した排気マニホールドに関する。

【０００２】

【従来の技術】空燃比フィードバック制御を行うエンジ
ンでは、排気中の成分（酸素等）から空燃比を検出する
空燃比センサ（酸素センサ、広域型空燃比センサ）を、
排気マニホールドに装着している。各気筒の排気ポート
に接続される各ブランチ管の下流端部を接合して１箇所
に集合した排気マニホールドでは、通気抵抗低減のた
め、集合部下流での排気流方向に合わせてある程度の長
さの直線部を確保する必要があり、集合部がシリンダヘ
ッドから離れた位置となる傾向がある。

【０００３】一方、排気浄化触媒の排気マニホールドへ
の取付位置は、始動直後の排気温度が低い条件での浄化
効率を向上させるため、シリンダヘッドに近づける必要
がある。以上のように、集合部と排気浄化触媒との距離
が短く制限される中で、その中間に空燃比センサを配置
しなければならないので、空燃比センサを集合部に近い
位置に配置せざるを得ない。

【０００４】このように、空燃比センサが集合部に近い
位置に配置されると、各ブランチ管の出口から集合部に
排出された排気は、十分拡散されることなく空燃比セン
サの検出部を通過することになる。この場合、空燃比セ
ンサの検出部に近い側にあるブランチ管からの排気は、
該検出部への当たりが強く（接触排気流量が多く）、検
出部から遠い側にあるブランチ管からの排気は、該検出
部への当たりが弱くなる（接触排気流量が少なくな
る）。また、ブランチ部の空燃比センサ検出部への指向
の程度によっても該検出部への当たりの強さが異なって
くる。

【０００５】このように、各ブランチ管、つまり各気筒
からの排気の空燃比センサ検出部への当たりが異なるた
め、空燃比センサの感度が気筒間でばらついてしまう。
この場合、理論的には気筒間の排気空燃比にバラツキが
なければ、感度にバラツキがあっても検出される空燃比
は同一となるので問題ないが、実際には、気筒間の燃料
噴射弁の燃料噴射量バラツキ等によって気筒間の空燃比
バラツキは避けられない。その場合、空燃比センサは、
検出感度の高い気筒（検出部への接触流量が多い気筒）
の影響を受けやすく、検出感度の低い気筒の影響は受け
にくくなるので、全体として検出感度の高い気筒の空燃
比に支配的な空燃比フィードバック制御がなされてしま
う。例えば、該検出感度の高い気筒の空燃比が全気筒平
均の空燃比に対しリーン（リッチ）側にばらついていた
場合、空燃比センサの検出値がリーン（リッチ）側にシ
フトするので、制御される空燃比は本来の目標空燃比に
対してリッチ（リーン）化されることとなる。

【０００６】空燃比センサへの気筒間の排気接触流量を
均等化する従来技術として、実公昭５−４０２５７号に
開示されるものは、排気行程が連続しないつまり排気干
渉がない気筒同士からの排気を上流側集合部で集合さ
せ、仕切り壁を経てそれより下流側の集合部で全気筒か
らの排気が集合させ、該下流側の集合部に酸素センサを
装着している。

【０００７】しかし、前記仕切り壁は酸素センサに向か
って真っ直ぐに形成され、２つの気筒群からの排気を単
に酸素センサ方向に向けて整流させるだけで、気筒間の
酸素センサ検出部への接触流量のバラツキを考慮したも
のではないので、酸素センサの気筒間の感度バラツキを
解消できるものではない。特に、近年では出力向上のた
め排気脈動を利用した共鳴過給を行う場合が多く、その
場合、各気筒からの排気管の等価管長を均等化するた
め、各排気管が様々な方向に屈曲しており、該屈曲方向
によって各排気管内での排気の主流位置が異なることに
より、酸素センサの感度が異なってくる。

【０００８】その他、実公平６−１８０３３号、実用新
案登録番号２５２２１９０号に開示される排気マニホー
ルドも、全気筒の排気を集合させる仕切り壁を設け、該
仕切り壁の直下に酸素センサを近接して配置している
が、仕切り壁両側からの排気の酸素センサ検出部への有
効接触面積は均等化されても、該検出部への接触流量の
気筒間バラツキは考慮されていないため、やはり、酸素
センサの気筒間の感度バラツキを解消できるものではな
い。

【０００９】また、特開平９−１８９２２０号に示され
るものは、排気マニホールド内部を整流板で仕切ってい
るが、該整流板は出力向上を図ったもので、酸素センサ
検出部への各気筒からの排気接触流量を均等化すること
とは関係がなく、酸素センサの気筒間の感度バラツキを
解消できるものではない。本発明は、このような従来の
課題に着目してなされたもので、空燃比センサの気筒間
の感度バラツキを解消でき、空燃比フィードバック制御
性能を向上できるようにしたエンジンの排気マニホール
ドを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１に係
る発明は、各気筒の排気ポートに接続される各ブランチ
管の下流端部を接合して１箇所に集合し、その下流に空
燃比センサを装着するエンジンの排気マニホールドであ
って、隣接する２本のブランチ管の接合部から下流側に
連なる第１の整流板を設け、該整流板の下流に空燃比セ
ンサを装着すると共に、前記第１の整流板を、前記隣接
するブランチ管からの排気の空燃比センサの検出部への
当たりを均等化する方向に傾斜して取り付けたことを特
徴とする。

【００１１】請求項１に係る発明によると、空燃比セン
サが、隣接する２本のブランチ管の接合部の下流に配設
されることにより、これら２本のブランチ管が接続され
た気筒から排出される排気のいずれかが空燃比センサの
検出部への当たりが最も強くなる。つまり、該空燃比セ
ンサの検出部への当たりが最も強い気筒の排気に対して
空燃比センサの検出感度が最も高くなる。

【００１２】そこで、第１の整流板を、前記２本のブラ
ンチ管のうち、空燃比センサの検出部への排気の当たり
がより強い側に向けて傾斜させることにより、該ブラン
チ管からの排気が空燃比センサ検出部から遠ざかる方向
に逃がされるので、該検出部への当たりを抑制すること
ができる。このようにすれば、空燃比センサの検出感度
が最も高い気筒、換言すれば感度バラツキを最も大きく
させる気筒の感度を低下させることができるため、効果
的に全気筒の感度バラツキを減少させることができ、以
って、空燃比センサの検出精度を高めて空燃比フィード
バック制御精度を高めることができ、引いては排気浄化
性能が向上する。

【００１３】また、請求項２に係る発明は、前記第１の
整流板の下流端部が、空燃比センサの検出部近傍まで延
びていることを特徴とする。請求項２に係る発明による
と、前記第１の整流板による空燃比センサ検出部への排
気の当たりを抑制する機能が高められ、特に他気筒に対
して特定気筒の当たりが強すぎる場合に、有効である。

【００１４】また、請求項３に係る発明は、空燃比セン
サの検出部を、前記隣接するブランチ管の接合部の接合
面と平行に取り付けることを特徴とする。請求項３に係
る発明によると、隣接するブランチ管の接合部の接合面
の下流側は、該接合部によって元々排気流の弱い領域と
なっているので、この領域に沿って空燃比センサの検出
部を取り付けることで、排気流に対する抵抗を最小限に
抑制することができ、出力低下を抑制できる。

【００１５】また、請求項４に係る発明は、前記整流板
が連なる接合部とは異なる隣接する２本のブランチ管の
接合部から下流側に連なる第２の整流板を設けたことを
特徴とする。請求項４に係る発明によると、第１の整流
板だけでは、空燃比センサ検出部への当たりの強い排気
が検出部から遠ざかる方向に逃げすぎて検出部への当た
りが適正以上に抑えられ過ぎてしまうことがある。そこ
で、該排気の逃げすぎを、第２の整流板で規制すること
により、空燃比センサ検出部への当たりを適度な強さに
調整できる。

【００１６】また、請求項５に係る発明は、前記第２の
整流板は、前記第１の整流板より短いことを特徴とす
る。請求項５に係る発明によると、第２の整流板を第１
の整流板と同程度の長さにすると空燃比センサ検出部か
ら遠ざかる方向への排気の逃げが抑制されすぎて、再び
該排気の検出部への当たりが強くなりすぎてしまう。そ
こで、第２の整流板を、前記第１の整流板より短くする
ことで排気の逃げ量を適度に調整することができる。

【００１７】また、請求項６に係る発明は、前記第２の
整流板は、該第２の整流板が連なるブランチ管接合部の
接合面に対し傾斜して取り付けられることを特徴とす
る。請求項６に係る発明によると、第２の整流板を、傾
斜させることにより、空燃比検出部への当たりの強い排
気の逃げ量を適度に調整することができる。

【００１８】また、請求項７に係る発明は、エンジンが
４気筒エンジンであり、４本のブランチ管の下流端部が
中心軸の周りに横断面十字状に接合されていることを特
徴とする。請求項７に係る発明によると、４気筒エンジ
ンの４本のブランチ管の下流端部が中心軸の周りに横断
面十字状に接合したコンパクトタイプの排気マニホール
ドに、本発明を適用することで、最も効果的に空燃比セ
ンサの感度バラツキを抑制できる。

【００１９】また、請求項８に係る発明は、所定の２気
筒に接続される２本のブランチ管の下流端部を接合した
第１のアッセンブリと、他の２気筒に接続される２本の
ブランチ管の下流端部を接合した第２のアッセンブリの
下流端部相互を接合することを特徴とする。請求項８に
係る発明によると、２つのアッセンブリに分けて形成し
たものを結合することにより、配管レイアウトの任意性
が広がり、加工も容易になる。

【００２０】請求項９に係る発明によると、前記第１の
整流板は、前記第１のアッセンブリにおける２本のブラ
ンチ管の接合部に連なるように取り付けられ、該第１の
整流板が傾斜する側のブランチ管と隣接する第２のアッ
センブリのブランチ管との接合部から連なる第２の整流
板が設けられることを特徴とする。

【００２１】請求項９に係る発明によると、第１のアッ
センブリにおける２本のブランチ管の接合部に連なるよ
うに第１の整流板を取り付けることで、空燃比センサ検
出部への排気の当たりが最も強い気筒に対して当たりを
抑制し、それによって排気が逃げる側に第２の整流板が
設けられることにより、該逃げ量を規制して該排気の当
たりを最適に調整できる。

【００２２】また、請求項１０に係る発明は、前記第２
の整流板は、第１の整流板より短く、かつ、該第２の整
流板が連なる第２のアッセンブリのブランチ管の側に傾
斜して取り付けられることを特徴とする。請求項１０に
係る発明によると、請求項５及び請求項６で説明したよ
うに、第２の整流板を、前記第１の整流板より短くし、
かつ傾斜を持たせることで排気の逃げ量を適度に調整す
ることができる。ここで、実験的には、第２の整流板が
連なる第２のアッセンブリのブランチ管の側に傾斜させ
て、排気の逃げを許容する方が適度に調整できる場合が
多い。

【００２３】また、請求項１１に係る発明は、前記第１
のアッセンブリの下流端部と第２のアッセンブリの下流
端部との軸線方向が、各アッセンブリから流出する排気
が相互に接近する方向に形成されていることを特徴とす
る。請求項１１に係る発明によると、前記第１のアッセ
ンブリの下流端部と第２のアッセンブリの下流端部との
軸線方向の設定により、空燃比センサから遠い側にある
ブランチ管からの排気流を、空燃比センサの検出部に接
近させることができ、感度差が抑制される。

【００２４】

【発明の実施の形態】図１〜図４は、直列４気筒エンジ
ンに接続される本発明の実施形態に係る排気マニホール
ドを示す。上記排気マニホールドの上流側は、ブラケッ
ト１を介して図示しないエンジン本体の♯２気筒と♯４
気筒の排気ポートにそれぞれ接続するブランチ管２ａ、
２ｂの下流端部相互を接合して溶接した第１のアッセン
ブリ３と、同じく♯１気筒と♯３気筒の排気ポートにそ
れぞれ接続するブランチ管２ｃ、２ｄの下流端部相互を
接合して溶接した第２のアッセンブリ４とを、それぞれ
の下流端部相互を溶接結合して一体に形成されている。
ここで、第１のアッセンブリ３の下流端部と第２のアッ
センブリ４の下流端部とは、それぞれから排出された排
気流が接近する方向に所定角度（例えば２０°）傾斜し
て配設されている。なお、本エンジンの点火順序は、直
列４気筒エンジンとして一般的な♯１気筒→♯３気筒→
♯４気筒→♯２気筒に設定されており、第１のアッセン
ブリ３の♯１気筒と♯３気筒同士、また、第２のアッセ
ンブリ４の♯２気筒と♯４気筒同士は排気行程が連続し
ない。

【００２５】排気マニホールドの下流側は、排気浄化触
媒５の入口側と出口側とにそれぞれディフューザ状の導
入管６及び導出管７を溶接結合して形成され、入口側の
導入管６の入口が、前記第１のアッセンブリ３と第２の
アッセンブリ４との一体化された下流端部に溶接結合さ
れる。導出管７の出口には図示しないテールパイプが接
続される。

【００２６】前記第１のアッセンブリ３のブランチ管２
ａ、２ｂの下流端部における接合部ａの下方に位置する
導入管６壁部分に、空燃比センサ８を装着する。該空燃
比センサは、排気中の酸素濃度から空燃比のリッチ、リ
ーンをＯＮ、ＯＦＦ的に検出する酸素センサ、あるいは
空燃比を連続的に検出可能な広域型空燃比センサなど、
空燃比を検出可能なセンサであればよい。ここで、前記
空燃比センサ８（先端の検出部８ａ）は、前記ブランチ
管２ａ、２ｂの接合面と平行になるように配設される。

【００２７】そして、前記ブランチ管２ａ、２ｂの接合
部に、該接合部から空燃比センサ８の配置された下流側
に向かって延びる第１の整流板９を連結する。該第１の
整流板９は、下流端が空燃比センサ８の検出部８ａ近傍
まで延びるが、♯２気筒と♯４気筒に接続するブランチ
管２ａ、２ｂから排出される排気のうち、空燃比センサ
８の検出部８ａへの当たりが強い（接触流量が多い）方
に傾斜して設けられる。

【００２８】ここで、図１に示すような各ブランチ管２
ａ〜２ｄの形状及び取付状態を有する本実施形態で、前
記第１の整流板９及び後述する第２の整流板１０を取り
付けない状態での空燃比センサ８の各気筒からの排気別
の相対感度を実験で求めたものを、図５に白丸プロット
で示す。既述のように、相対感度は空燃比センサ８の検
出部８ａへの当たり（接触排気流量）が強いほど大きな
値として求められる。具体的な実験方法として、気筒毎
に制御空燃比を他の気筒より所定量リーン（又はリッ
チ）として空燃比フィードバック制御を行い、空燃比セ
ンサで検出されるリーン（リッチ）度合いが大きいとき
ほど、空燃比をリッチ化（リーン化）補正するフィード
バック補正量が大きくなるので、その気筒の相対感度が
高いとして評価する。なお、全気筒の空燃比をストイキ
としたとき（のフィードバック補正量）を相対感度の基
準（０）とする。

【００２９】図５に示すように、第１のアッセンブリ３
のブランチ管２ａ、２ｂが接続される♯２気筒及び♯４
気筒に対する相対感度が高く、第２のアッセンブリ４の
ブランチ管２ｃ、２ｄが接続される♯１気筒及び♯３気
筒に対する相対感度が低い。これは、ブランチ管２ａ、
２ｂは空燃比センサ８に近い側にあり、ブランチ管２
ｃ、２ｄは空燃比センサ８から遠い側にあるためであ
る。ただし、本実施形態では第１のアッセンブリ３の下
流端部と第２のアッセンブリ４の下流端部とを、それぞ
れから排出された排気流が接近する方向に所定角度傾斜
して配設したことにより、空燃比センサ８から遠い側に
あるブランチ管２ｃ、２ｄからの排気流を空燃比センサ
８の検出部に接近させることによって、できる限り感度
差を抑制している。

【００３０】相対感度が大きい♯２気筒と♯４気筒とで
比較すると、♯２気筒の方がより大きい。これは、図１
に示すようにブランチ管２ａとブランチ管２ｂとの曲げ
方向により、排気は曲率中心から離れた側を主として流
れるため、ブランチ管２ａ内の排気の主流は空燃比セン
サ８の検出部に近い集合部の外側寄りを流れ、ブランチ
管２ｂ内の排気の主流は空燃比センサ８の検出部から遠
い集合部の中心寄りを流れるためと考えられる。

【００３１】以上のように、本実施形態では、空燃比セ
ンサ８の相対感度が♯２気筒の方が♯４気筒より大きい
（検出部への当たりが強い）ので、図２、図３に明らか
に示されるように、第１の整流板９を♯２気筒の側に傾
斜して配設する。また、前記第１の整流板９が傾斜する
側のブランチ管２ａと、該ブランチ管２ａに隣接する第
２のアッセンブリのブランチ管２ｄとの接合部ｂに、該
接合部ｂから下流側に延びる第２の整流板１０を連結す
る。

【００３２】前記第２の整流板１０は、第１の整流板９
より短く、かつ、♯４気筒に接続されたブランチ管２ｃ
側に傾斜して取り付けられる。次に、本実施形態の作用
を説明する。まず、♯２気筒からブランチ管２ａを介し
て排出された排気は、前記第１の整流板９の傾斜に案内
されて隣接するブランチ管２ｄ側に逃がされるので、該
検出部への当たりが抑えられる。

【００３３】また、第１の整流板９だけでは、ブランチ
管２ａからの排気がブランチ管２ｄ側に逃げすぎて検出
部への当たりが適正以上に抑えられ過ぎてしまう。そこ
で、ブランチ管２ａからの排気のブランチ管２ｄ側への
逃げすぎを、第２の整流板１０で規制することにより、
空燃比センサ８の検出部への当たりを適度な強さに調整
でき、図５の黒丸プロットに示すように、空燃比センサ
８の♯２気筒についての相対感度を基準値０に十分近づ
けることができる。

【００３４】ここで、第２の整流板１０を第１の整流板
９より短くしたのは、同程度の長さにするとブランチ管
２ｄ側への逃げが抑制されすぎて、再び♯２気筒の感度
が高くなりすぎると共に、また、ブランチ管２ｄからの
排気の流れを阻害して、♯４気筒の感度を低下させ、か
つ、出力低下（燃費の悪化）にもつながるからである。

【００３５】また、第２の整流板１０を、ブランチ管２
ｃ側に傾斜させたのも、ある程度、ブランチ管２ａから
の排気の逃げを許容するためであり、下流側に真っ直ぐ
延びるように取り付けた場合には、排気の逃げが抑制さ
れすぎることが実験で確認された。このようにして、空
燃比センサ８の感度バラツキが最も大きい♯２気筒に対
して、上記のように検出部への当たりを適度に抑制する
ことにより、全気筒間での感度バラツキを十分に低減す
ることができ（図５黒丸プロット参照）、以って空燃比
フィードバック制御精度を高められ、引いては排気浄化
触媒の浄化効率が高められて排気浄化性能が向上する。

【００３６】なお、本実施形態のように、ブランチ管の
曲げ方向が異なるなどの理由によって、特定気筒（♯２
気筒）の空燃比検出感度が特に大きい場合には、第１の
整流板９を空燃比センサ８の検出部近傍まで延ばすこと
が有効であるが、特定気筒の空燃比検出感度がそれほど
大きくない場合は、第１の整流板９の長さを少し短くし
てもよく、また、第２の整流板１０は真っ直ぐに取り付
けたり、省略したりするなど、全気筒の感度バラツキが
最も小さくなるように選択すればよい。

【００３７】また、一般的には、前記第１の整流板９、
第２の整流板１０の上流端部を前記接合部に溶接結合す
ればよいが、ブランチ管２ａ〜２ｄのいずれかの下流端
部を開口端から延長するように一体成形することも可能
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態における排気マニホールドの正面図。

【図２】上記排気マニホールドの要部横断面図。

【図３】上記排気マニホールドの要部縦断面図。

【図４】上記排気マニホールドの上記とは異なる方向の
要部縦断面図。

【図５】実施形態における空燃比センサの感度バラツキ
を整流板を設けない場合と比較して示した図。

【符号の説明】

２ａ〜２ｄ ブランチ管 ３ 第１のアッセンブリ ４ 第２のアッセンブリ ５ 排気浄化触媒 ８ 空燃比センサ ８ａ 検出部 ９ 第１の整流板 １０ 第２の整流板 ａ，ｂ 接合部

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】各気筒の排気ポートに接続される各ブラン
   チ管の下流端部を接合して１箇所に集合し、その下流に
   空燃比センサを装着するエンジンの排気マニホールドで
   あって、 隣接する２本のブランチ管の接合部から下流側に連なる
   第１の整流板を設け、該整流板の下流に空燃比センサを
   装着すると共に、前記第１の整流板を、前記隣接するブ
   ランチ管からの排気の空燃比センサの検出部への当たり
   を均等化する方向に傾斜して取り付けたことを特徴とす
   る請求項１に記載のエンジンの排気マニホールド。
2. 【請求項２】前記第１の整流板の下流端部が、空燃比セ
   ンサの検出部近傍まで延びていることを特徴とする請求
   項１に記載のエンジンの排気マニホールド。
3. 【請求項３】空燃比センサの検出部を、前記隣接するブ
   ランチ管の接合部の接合面と平行に取り付けることを特
   徴とする請求項１または請求項２に記載のエンジンの排
   気マニホールド。
4. 【請求項４】前記整流板が連なる接合部とは異なる隣接
   する２本のブランチ管の接合部から下流側に連なる第２
   の整流板を設けた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マニホールド。
5. 【請求項５】前記第２の整流板は、前記第１の整流板よ
   り短いことを特徴とする請求項４に記載のエンジンの排
   気マニホールド。
6. 【請求項６】前記第２の整流板は、該第２の整流板が連
   なるブランチ管接合部の接合面に対し傾斜して取り付け
   られることを特徴とする請求項５に記載のエンジンの排
   気マニホールド。
7. 【請求項７】エンジンが４気筒エンジンであり、４本の
   ブランチ管の下流端部が中心軸の周りに横断面十字状に
   接合されていることを特徴とする請求項１〜請求項６の
   いずれか１つに記載のエンジンの排気マニホールド。
8. 【請求項８】所定の２気筒に接続される２本のブランチ
   管の下流端部を接合した第１のアッセンブリと、他の２
   気筒に接続される２本のブランチ管の下流端部を接合し
   た第２のアッセンブリの下流端部相互を接合することを
   特徴とする請求項７に記載のエンジンの排気マニホール
   ド。
9. 【請求項９】前記第１の整流板は、前記第１のアッセン
   ブリにおける２本のブランチ管の接合部に連なるように
   取り付けられ、該第１の整流板が傾斜する側のブランチ
   管と隣接する第２のアッセンブリのブランチ管との接合
   部から連なる第２の整流板が設けられることを特徴とす
   る請求項８に記載のエンジンの排気マニホールド。
10. 【請求項１０】前記第２の整流板は、第１の整流板より
    短く、かつ、該第２の整流板が連なる第２のアッセンブ
    リのブランチ管の側に傾斜して取り付けられることを特
    徴とする請求項９に記載のエンジンの排気マニホール
    ド。
11. 【請求項１１】前記第１のアッセンブリの下流端部と第
    ２のアッセンブリの下流端部との軸線方向が、各アッセ
    ンブリから流出する排気が相互に接近する方向に形成さ
    れていることを特徴とする請求項９または請求項１０に
    記載のエンジンの排気マニホールド。