JP2007247511A - 内燃機関の排気通路構造 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス低温時には温度低下を抑制すると共に高温時には温度を低下させることが出来る内燃機関の排気通路構造を提供する。
【解決手段】本発明は、燃焼室の排気ガスが流下する排気管を備えた内燃機関の排気通路構造であって、排気管に形成され排気ガスが流れる主排気通路(E1)と、この主排気通路内の排気ガスの流れの一部を妨げるように主排気通路の内壁部から内方に突出する突出部(28)と、主排気通路の外周側に形成され、突出部より下流側の所定距離内に形成された第１連通部(24)と、この第１連通部よりさらに下流側に形成された第２連通部(26)とにより主排気通路に連通する副排気通路(E2)と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気通路構造に係り、特に、燃焼室の排気ガスが流下する排気管を備えた内燃機関の排気通路構造に関する。

特許文献１には、内管と、この内管よりも熱膨張の小さい外管とを有し、排気ガス低温時には、それらの管の間に空隙部が形成され、高温時には、それらの管が互いにほぼ密着するようになる排気通路構造が開示されている。また、特許文献２には、内管が、低温時には断面波形状を有し、排気ガスが所定温度以上になると円形状に変形して外管にほぼ密着するようになる排気通路構造が開示されている。これらの構造により、低温時には排気ガスの温度低下を抑制し、高温時には排気ガスの温度を低下させるようにして、触媒が最適な活性状態となるようにしている。

特開平０７−２７９６５７号公報 特開平２０００−０２７６３８号公報

しかしながら、上述したような従来の構造では、熱膨張による管の変形を利用しているので、管同士の接合部或いはフランジとの接合部において破損が生じ易いという問題があった。さらに、温度変化による変形を利用しているので、設計上の寸法公差を非常に小さくせざるを得ず、実用的ではない。

そこで、本発明は、上述した従来の問題を解決するためになされたものであり、より確実に、排気ガス低温時には温度低下を抑制すると共に高温時には温度を確実に低下させることが出来る内燃機関の排気通路構造を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために本発明は、燃焼室の排気ガスが流下する排気管を備えた内燃機関の排気通路構造であって、排気管に形成され排気ガスが流れる主排気通路と、この主排気通路内の排気ガスの流れの一部を妨げるように主排気通路の内壁部から内方に突出する突出部と、主排気通路の外周側に形成され、突出部より下流側の所定距離内に形成された第１連通部と、この第１連通部よりさらに下流側に形成された第２連通部とにより主排気通路に連通する副排気通路と、を有することを特徴としている。
このように構成された本発明においては、突出部により主排気通路内の排気ガスの流れの一部が妨げられるので、その突出部より下流側に負圧となる領域が生じる。本発明においては、エンジン高回転時にこのような負圧が生じる領域内（所定距離内）に副排気通路の第１連通部が設けられているので、副排気通路には、そのような負圧に引かれて第２連通部から排気ガスの一部が還流するようになる。副排気通路は主排気通路の外周側に設けられているので、そのような還流ガスが冷却される。これらの結果、排気ガスが高温となるエンジン高回転時に排気ガスの温度を低下させることが出来る。一方、エンジン低回転時には、突出部より下流側に生じる負圧の領域がエンジン高回転時より小さく（距離が短い）、また、負圧の大きさ自体もエンジン高回転時より小さい。従って、第１連通路が負圧となる領域から外れ、或いは、負圧となる領域内にあっても負圧の大きさ自体が小さいので、排気ガスの還流が起こりにくい。これらの結果、排気ガスが低温となるエンジン低回転時に排気ガスの温度が低下することを抑制することが出来る。

また、本発明において、好ましくは、突出部は主排気通路の周方向に延びる。
このように構成された本発明においては、負圧が生じる面積を大きくとることが出来るので、エンジン高回転時に排気ガスの還流をより確実に生じさせることが出来る。

また、本発明において、好ましくは、突出部と第１連通部との間の距離は、突出部の高さの４倍以下である。
このように構成された本発明においては、エンジン高回転時に排気ガスの還流をより確実に生じさせることが出来る。

本発明の内燃機関の排気通路構造によれば、排気ガス低温時には温度低下を抑制すると共に高温時には温度を確実に低下させることが出来る。

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態による排気通路構造が適用される内燃機関の排気装置全体の構成を示す斜視図である。
図１に示すように、排気装置１は、エンジンのシリンダヘッド２（図２参照）の各気筒にフランジ３を介して接続された複数のエキゾーストマニホルド（排気管）４、これらのエキゾーストマニホルド４が集合して接続された集合排気管６、この集合排気管６の下流側に設けられた触媒装置８、この触媒装置８の下流側にミドルパイプ（連結用排気管）１０を介して設けられたプリサイレンサ１２、このプリサイレンサ１２の下流側にさらにミドルパイプ１４を介して設けられたメインサイレンサ１６を備えている。

次に、図２乃至図４により、本発明の第１実施形態による排気通路構造が適用されたエキゾーストマニホルド４の構造を説明する。図２は、第１実施形態によるエキゾーストマニホルド４の排気通路構造を示す断面図であり、図３は、第１実施形態によるエキゾーストマニホルド４の排気通路構造を側面側斜めから見た状態で示す部分切取斜視図であり、図４は、第１実施形態によるエキゾーストマニホルド４の内管において、突起部を含む部分の断面を軸線方向から見た断面図である。

図２に示すように、エキゾーストマニホルド４は、フランジ３を介してシリンダヘッド２に連結されている。エキゾーストマニホルド４は、外管２０と、内管２２とを有し、外管２０がフランジ３に溶接され、内管２２がその溶接部近傍で外管２２に溶接されている。内管２２は、その溶接部から半径方向内方且つ下流方向に向けて斜めに延び、さらに、その下流側では、ほぼ全長にわたって外管２０と平行に軸線方向（管が延びる方向）に延びている。

図２及び図３に示すように、内管２２には、開口部（連通部）２４が形成されており、この開口部２４は、管の円周方向の全周にわたって延びている。内管２２は、この開口部２４により、第１内管部分２２ａ、第２内管部分２２ｂとに分かれている。図２に示すように、第１内管部分２２ａは、外管２０との溶接部により支持され、図３に示すように、第２内管部分２２ｂは、メッシュ製のフランジ３０を介して外管２０に支持されている。

図２乃至図４に示すように、第１内管部分２２ａの内壁には、突起部２８が一体的に形成されており、この突起部２８は、管の円周方向の全周にわたって、管の半径方向内方に突出している。なお、この突起部２８は、他の部材を内管２２の内壁に溶接して形成されたものでも良い。

以上のような構成により、内管２２の半径方向内方部分は、排気ガスが主に流れる主通路Ｅ１として構成され、第１内管部分２２ａと外管２０との間は間隙部Ｅ３として構成され、第２内管部分２２ｂと外管２０との間は、排気ガスが流通可能な副通路Ｅ２として構成される。
そして、主通路Ｅ１を流れる排気ガスの流れの一部が、突起部２８により妨げられるようになっている。また、開口部２４により、副通路Ｅ２と主通路Ｅ１とが連通するようになっている。さらに、内管２２は、外管２０よりも軸線方向長さが短く形成されており、第２内管部分２２ｂの下流側の縁部により、副通路Ｅ２と主通路Ｅ１とが連通する連通部２６が形成されている。

なお、内管２２は外管２０より長くても良い。このような場合には、外管２０の下流側端部に接続される他の部品（例えば、ミドルパイプや触媒管など）と、内管２２の下流側端部との間に、副通路Ｅ２と主通路Ｅ１とが連通する連通部２６を形成しても良い。例えばこのように、外管２０、内管２２及び他の部品により、主通路Ｅ１、副通路Ｅ２及び連通部２４、２６が形成されるようにしても良い。

次に、図２により、第１実施形態の排気通路構造の作用効果を説明する。
突起部２８は、排気ガスの流れの一部を妨げることにより、その突起部２８の下流側に負圧を生じさせる。例えば、図２に示すように、エンジンが低回転数で動作しているときには、突起部２８の下流側には、符号ＰＬで示すような領域に負圧が生じ、エンジンが高回転数で動作しているときには、突起部２８の下流側には、符号ＰＨで示すような領域に負圧が生じる。エンジン高回転時には、エンジン低回転時よりも排気ガスの流速が大きいので、負圧の領域ＰＨが、領域ＰＬよりも下流側に延びることになる。

第１実施形態においては、開口部２４の突起部２８に対する相対位置を、領域ＰＬのような負圧が及ばないが、領域ＰＨのような負圧が及ぶような位置に形成している。
従って、主通路Ｅ１を流れる排気ガスの一部は、エンジン高回転時には、連通部２６の圧力と、開口部２４の負圧との圧力差によって、図中ＦＨで示すように副通路Ｅ２を還流するようになる。副通路Ｅ２は主通路Ｅ１の外周側にあるので、このような排気ガスの還流によって、排気ガスの一部が外管２０を介して周囲の空気によって冷却される。副通路Ｅ２で冷却された排気ガスは、再び、主通路Ｅ１に導入され（２次排気ガス）、その結果、排気ガスの温度が全体的に低下する。

一方、エンジン低回転時には、開口部２４には負圧が生じていないか、或いは、生じていても小さいので、主通路Ｅ１を流れる排気ガスのほとんどは、図中ＦＬで示すようにそのまま主通路Ｅ１を下流側に流れる。従って、エンジン低回転時には、排気ガスが冷却されることが抑制される。
このような作用により、排気ガスが低温であるエンジン低回転時には温度低下を抑制し、排気ガスが高温であるエンジン高回転時には温度を低下させることが出来る。その結果、触媒装置８（図１参照）を最適な活性状態に近い状態で作動させることが出来る。

なお、上述したような作用効果は、開口部を図のＡで示すような、突起部２８に隣接した位置に設けても同様に得られる。即ち、エンジン低回転時には、流速が小さいので負圧の大きさ自体も小さく、一方、エンジン高回転時には、流速が大きいので負圧の大きさ自体が大きい。従って、負圧の大きさが大きいエンジン高回転時には、図にＦＨで示すように排気ガスが還流し、エンジン低回転時には、図にＦＬで示すように排気ガスが還流しにくいのである。

このような第１実施形態による排気通路構造の作用を確認するために、熱流体解析を行った。その解析内容及び結果を図５乃至図７により説明する。図５は、排気管の熱流体解析モデルを説明するための図であり、図６及び図７は、熱流体解析の結果として得られた排気ガスの流れを説明するための図である。

この熱流体解析では、エキゾーストマニホルド４を図５のように簡略化して、２次元対称モデルで表している。熱流体解析は、定常乱流解析（Ｋ−εモデル）である。排気ガスの入口の境界条件として、流速を、気筒の単室排気量×エンジン回転数×充填率／排気ガス通路断面積で与え、温度を、エンジン回転数が１０００ｒｐｍのときに３００℃、エンジン回転数が６０００ｒｐｍのときに８００℃として与えている。

この熱流体解析では、流体−固体熱伝達も考慮している。具体的には、管内を流れる乱流での伝熱としてGnielinskiの式を、水平円柱周りの自然対流伝熱としてChurchill等の式を用いている。また、ｎ層管の温度計算方程式として、管内径、各層の内径、各層の熱伝導率、排気ガス温度、各層の内壁側温度、管の最表面温度、大気温度、内壁熱伝達係数、外壁熱伝達係数、熱輻射率、ステファンボルツマン定数を用いた式を利用して繰り返し演算と収束判定を行い、排気管の表面温度を推定し、物性値の温度依存性を考慮した熱伝達係数を求めている。これらの式及び計算値を利用して、主通路Ｅ１の排気ガスと内管２２との間、内管２２と間隙部Ｅ３或いは副通路Ｅ２との間、間隙部Ｅ３或いは副通路Ｅ２と外管２０との間、外管２０と大気層との間、における熱伝達係数をそれぞれ求めて、熱伝達境界条件として与えている。

熱流体解析の結果を図６及び図７に示す。
図６に示すように、エンジン低回転時（１０００ｒｐｍ）には、排気ガスの流速が小さいので、突起部２８による排気ガスの流れの乱れが比較的小さいこと、連通部２６を介して副通路Ｅ２に還流する排気ガスがほとんど無いこと、従って、開口部２４を流通する排気ガスもほとんど無いことが分かる。
一方、図７に示すように、エンジン高回転時（６０００ｒｐｍ）には、排気ガスの流速が大きいので、突起部２８による排気ガスの流れの乱れが、エンジン低回転時より大きいこと、主通路Ｅ１を流通する排気ガスの一部が連通部２６を介して副通路Ｅ２に還流していること、従って、副通路Ｅ２から開口部２４を介して主通路Ｅ１に再度流れ込む排気ガス（２次排気ガス）が生じていること等が分かる。

次に、図８乃至図１０に、上述した熱流体解析と同様の手法によりエキゾーストマニホルド４の出口における排気ガスの温度ついて解析した解析結果の例を示す。図８乃至図１０は、解析の一例として、排気量２．３Ｌ或いは２．０Ｌの４気筒エンジン、外管の径が３６ｍｍ、内管の径が３２ｍｍ、突起部２８の幅（管の軸線方向に対する長さ）が２ｍｍ、突起部の内管に対する高さｈが２〜４ｍｍ、突起部２８と開口部２４との相対距離ｄを変化させ、開口部の幅（管の軸線方向に対する長さ）が２ｍｍ、第２内管部分２２ｂの軸線方向長さが８６〜２５０ｍｍの条件下で解析されたものである。突起部２８と開口部２４との相対距離ｄは、突起部２８の下流側の縁と、開口部２４の上流側の縁との距離である。

図８乃至図１０により、エンジン低回転時（各図において（ｂ）で示す図）よりもエンジン高回転時（各図において（ａ）で示す図）の方が、エキゾーストマニホルド４の出口における排気ガスの温度が低下していることが分かる。また、突起部２８と開口部２４との相対距離ｄがほぼ４倍以下であれば、温度低下が大きくなることが分かる。例えば、相対距離ｄが０、即ち、突起部２８に隣接して開口部２４を設けても、エンジン高回転時に排気ガスの温度を低下させ、エンジン低回転時に排気ガスの温度を低下させないようにすることが出来ることも分かる。なお、開口部２４の幅によらず同様な値が得られることが確認されている。例えば、開口部の幅が、２ｍｍでも１０ｍｍでも同様な値が得られる。

以上説明したように、第１実施形態による排気通路構造により、エンジン高回転時に排気ガスの温度を低下させ、エンジン低回転時に排気ガスの温度を低下させないようにすることが出来ることが解析により確認されている。

次に、図１１により第２実施形態を説明する。図１１は、第２実施形態によるエキゾーストマニホルド４の内管を側面側斜めから見た状態で示す部分切取斜視図である。この第２実施形態は、内管の構造以外の構造は第１実施形態と同様である。ここでは、主に第１実施形態と異なる構造に関してのみ説明する。図１１に示すように、第２実施形態による内管４２には、管の円周方向に間隔をおいて形成された複数の開口部４４が形成されている。突起部４８は、第１実施形態と同様に円周方向の全周にわたって延びている。開口部４４の円周方向の長さは、任意に調整して良い。この第２実施形態による排気通路構造によっても、第１実施形態で説明したような作用効果が得られる。そして、この第２実施形態によれば、第１実施形態における第１内管部分２２ａと第２内管部分２２ｂとが一体に形成されるので、製造コストが低減される。

次に、図１２及び図１３により第３実施形態を説明する。図１２は、第３実施形態によるエキゾーストマニホルド４の内管を側面側斜めから見た状態で示す部分切取斜視図であり、図１３は、第３実施形態によるエキゾーストマニホルド４の内管において、突起部を含む部分の断面を軸線方向から見た断面図である。この第３実施形態は、内管の構造以外の構造は第１実施形態と同様である。ここでは、主に第１実施形態と異なる構造に関してのみ説明する。図１２に示すように、第３実施形態による内管５２には、管の円周方向に間隔をおいて形成された複数の開口部５４が形成されている。また、図１２及び図１３に示すように、この第３実施形態では、管の円周方向に間隔をおいて形成された複数の突起部５８が形成されている。各突起部５８と各開口部５４とは、互いに対向するように、即ち、管の軸線方向において揃う位置に形成されている。突起部５８及び開口部５４の円周方向の長さは、任意に調整して良い。この第３実施形態による排気通路構造によっても、第１実施形態で説明したような作用効果が得られる。

次に、図１４により第４実施形態を説明する。図１４は、第４実施形態によるエキゾーストマニホルド４の排気通路構造を示す断面図である。この第４実施形態では、第１実施形態のように外管２０及び内管２２による二重管構造はとらず、外管６０による一重管構造をとっている。外管６０は、フランジ３を介して第１実施形態と同様にシリンダヘッド２に接続されている。さらに、主に第１実施形態と異なる構造に関して説明する。図１４に示すように、第４実施形態による外管６０には、管の円周方向の全周にわたって延びる突起部６８が形成されている。さらに、図１４に示すように、この断面上に表れているように、２つの分岐管６５が設けられている。各分岐管６５は、開口部６４及び開口部６６を介して外管６０に接続されている。なお、このような分岐管６５は、一つでも良く、或いは、２つ以上でも良い。この第４実施形態においても、突起部６８と開口部６４との相対距離を第１実施形態と同様の考え方で規定している。開口部６４と開口部６６との相対距離や分岐管６５の長さは、第１実施形態において第２内管部分２２ｂの長さと同様に考えて規定している。開口部６４、６６の大きさも同様である。

この第４実施形態による排気通路構造によっても、突起部６８により生じる負圧により、エンジン高回転時において、図１４にＦで示すように、開口部６６から排気ガスが分岐管６５に還流して、開口部６４から再度、外管６０内に流入する。この第４実施形態では、外管６０が主通路の役割を果たし、分岐管６５が副通路の役割を果たしている。この第４実施形態においても、第１実施形態で説明したような作用効果が得られる。このような排気構造は、図１に示すような排気装置に用いることも可能であり、例えば、エキゾーストマニホルド４から集合管を介さずに直接的に触媒装置に接続するようなタイプ（触媒までの距離が短いもの）のエンジンに用いるのも有効である。

次に、図１５により第５実施形態を説明する。図１５は、第５実施形態によるエキゾーストマニホルド４の排気通路構造を示す断面図である。この第５実施形態では、外管７０が蛇腹状に形成された一重管構造をとっている。主に第１実施形態と異なる構造に関して説明する。図１５に示すように、第５実施形態による外管７０には、蛇腹状に形成された外管７０の一部の蛇腹７８が、他の蛇腹よりも管の半径方向内方に突出して形成されている。つまり、第１実施形態の突出部２２と同様に、排気ガスの流れの一部を妨げる機能を有する突出部７８として形成されている。さらに、上述した第４実施形態（図１４参照）と同様に、２つの分岐管７５が、開口部７４及び開口部７６を介して外管７０に接続されている。この第５実施形態においても、突起部７８、開口部７４、開口部７６，分岐管７６などの相対距離や長さが、上述したように第１実施形態と同様に規定されている。

この第５実施形態による排気通路構造によっても、突起部７８により生じる負圧により、エンジン高回転時において、開口部７６から排気ガスが分岐管７５に還流して、開口部７４から再度、外管７０内に流入する。この第５実施形態では、外管７０が主通路の役割を果たし、分岐管７５が副通路の役割を果たしている。この第４実施形態においても、第１実施形態で説明したような作用効果が得られる。なお、この第５実施形態のような蛇腹による突出部７８を第１実施形態に適用、即ち、内管２２を蛇腹状に形成し、突起部２８の代わり蛇腹の一部による突出部７８を設けることも可能である。

なお、上述した実施例では、突起部及び開口部を軸線方向に一対設けていたが、図１６に示すように、複数の対で設けるようにしても良い。図１６は、第１実施形態の内管２２の開口部２４及び突起部２８をそれぞれ複数箇所に形成した変形例である。
なお、以上説明した各実施形態による排気通路構造は、ミドルパイプ１２、１４に適用することも可能である。

本発明の第１実施形態による排気通路構造が適用される内燃機関の排気装置全体の構成を示す斜視図である。 第１実施形態によるエキゾーストマニホルドの排気通路構造を示す断面図である。 第１実施形態によるエキゾーストマニホルドの排気通路構造を側面側斜めから見た状態で示す部分切取斜視図である。 第１実施形態によるエキゾーストマニホルドの内管において、突起部を含む部分の断面を軸線方向から見た断面図である。 排気管の熱流体解析モデルを説明するための図である。 熱流体解析の結果として得られた排気ガスの流れを説明するための図であり、エンジン低回転時の結果の一例を示している。 熱流体解析の結果として得られた排気ガスの流れを説明するための図であり、エンジン高回転時の結果の一例を示している。 エキゾーストマニホルドの出口における排気ガスの温度ついて解析した解析結果の例であり、図８（ａ）はエンジン高回転時、図８（ｂ）はエンジン低回転時を示す。 エキゾーストマニホルドの出口における排気ガスの温度ついて解析した解析結果の例であり、図９（ａ）はエンジン高回転時、図９（ｂ）はエンジン低回転時を示す。 エキゾーストマニホルドの出口における排気ガスの温度ついて解析した解析結果の例であり、図１０（ａ）はエンジン高回転時、図１０（ｂ）はエンジン低回転時を示す。 第２実施形態によるエキゾーストマニホルドの内管を側面側斜めから見た状態で示す部分切取斜視図である。 第３実施形態によるエキゾーストマニホルドの内管を側面側斜めから見た状態で示す部分切取斜視図である。 第３実施形態によるエキゾーストマニホルドの内管において、突起部を含む部分の断面を軸線方向から見た断面図である。 第４実施形態によるエキゾーストマニホルドの排気通路構造を示す断面図である。 第５実施形態によるエキゾーストマニホルドの排気通路構造を示す断面図である。 第１実施形態の内管の開口部及び突起部をそれぞれ複数箇所に形成した変形例である。

符号の説明

Ｅ１ 主通路（主排気通路）
Ｅ２ 副通路（副排気通路）
１ 排気装置
２ シリンダヘッド
３ フランジ
４ エキゾーストマニホルド
２０、６０、７０ 外管
２２、４２、５２ 内管
２４、４４、５４、６４、７４ 開口部（連通部）
２６、４６、５６、６６，７６ 開口部（連通部）
２８、４８、５８、６８、７８ 突起部（突出部）
６５、７５ 分岐管（副通路）

Claims (3)

1. 燃焼室の排気ガスが流下する排気管を備えた内燃機関の排気通路構造であって、
   上記排気管に形成され排気ガスが流れる主排気通路と、
   この主排気通路内の排気ガスの流れの一部を妨げるように上記主排気通路の内壁部から内方に突出する突出部と、
   上記主排気通路の外周側に形成され、上記突出部より下流側の所定距離内に形成された第１連通部と、この第１連通部よりさらに下流側に形成された第２連通部とにより上記主排気通路に連通する副排気通路と、
   を有することを特徴とする内燃機関の排気通路構造。
2. 上記突出部は、上記主排気通路の周方向に延びる請求項１に記載の内燃機関の排気通路構造。
3. 上記突出部と上記第１連通部との間の距離は、上記突出部の高さの４倍以下である請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の排気通路構造。

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