JP2009008088A - 高性能排気システム - Google Patents

Abstract

【課題】 高性能排気システムの提供。
【解決手段】 エンジンの燃焼室の近傍に上流端を有し、前記上流端の反対側に下流端を有するヘッダを含む自動二輪車エンジン用排気システム。排気システムは、前記燃焼室の下流に配置され、前記燃焼室から排出される排気ガスのエミッション品質を改善するように構成された触媒コンバータを含む。排気システムは、前記ヘッダの下流端の近傍に配置され、排気通路を少なくとも部分的に画成する穿孔部位を更に含む。レゾネータ室は穿孔部位に連通する。レゾネータ室は、前記穿孔部位を介した前記排気通路の排気ガスの膨脹を可能とするよう構成される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、自動二輪車エンジン用の触媒コンバータを含む排気システムに関する。

一の構成では、本発明は、エンジンの燃焼室の近傍に上流端を有し、前記上流端の反対側に下流端を有するヘッダを含む自動二輪車エンジン用排気システムを提供する。排気システムは、前記燃焼室の下流に配置され、前記燃焼室から排出される排気ガスのエミッション品質を改善するように構成された触媒コンバータを含む。排気システムは、前記ヘッダの下流端の近傍に配置され、排気通路を少なくとも部分的に画成する穿孔部位を更に含む。レゾネータ室は穿孔部位に連通し、レゾネータ室は、前記穿孔部位を介した前記排気通路の排気ガスの膨脹を可能とするよう構成される。

その他の局面では、本発明は、エンジン及び上述の排気システムの構成要素を含む自動二輪車を提供する。

更なるその他の局面では、本発明は、エンジンとの組み合わせで用いられるマフラ組立体を提供する。マフラ組立体は、１つ以上のヘッダからの排気ガスを受けるための上流端と、大気中に排気ガスを追い出すための下流端とを有する。マフラ組立体は、前記下流端の近傍に消音部位と、エンジンからの排気ガスのエミッション品質を改善することができる触媒の量を有する触媒コンバータとを含む。排気コンジットは、前記触媒コンバータの上流側の排気通路を少なくとも部分的に画成し、１つ以上の穴を有する。レゾネータ室は、前記排気通路内における排気ガスの容積の膨脹を可能とするように構成され、前記１つ以上の穴に連通する。前記触媒コンバータは、当該マフラ組立体の上流端に位置する。

本発明の他の局面は、詳細な説明及び添付図面を考慮することで明らかになるだろう。

本発明の実施例を詳説する前に、理解されるべきこととして、本発明は、図面に図示された又は次の説明が付与された部品の構造及び配置の詳細にその用途が限定されるものでない。本発明は、他の実施例が可能であり、種々の態様で実現ないし実施されることができる。また、理解されるべきこととして、ここで用いられる専門語ないし用語は、説明の目的であり、限定としてみなされるべきでない。“含む”や“有する”及びそれらの変形は、その前に列挙されるアイテム及びその均等物のみならず、追加のアイテムを包含する意図で用いられている。特に特定ないし限定されない限り、用語“搭載される”、“接続される”、“支持される”及び“結合される”及びそれらの変形は、広い意味で用いられ、直接的及び間接的な搭載、接続、支持、及び結合を包含する。更に、“接続される”及び“結合される”は、物理的又は機械的な接続や結合に限定されない。

図１は、ツインシリンダ型のエンジン１４を有する自動二輪車１０を示す。空気と燃料の混合気は、エンジン１４の各シリンダに対する燃焼室（図示せず）内で点火される。ある燃焼室での燃焼に続いて、排気ガス（燃焼反応及び幾らかの残留分、未反応成分の混合物）は、自動二輪車の排気システム１８内に排気ポートを介して追い出される。

排気システム１８は、図１乃至図４に示すように、自動二輪車１０に搭載するためにブラケット２０を含む。排気システム１８は、対のヘッダパイプ（即ち“ヘッダ”）２２、コレクタセクション２６、触媒コンバータ３０及び消音セクション３４を含む。ヘッダ２２は、エンジン１４から直接導く排気コンジットである。コレクタセクション２６、触媒コンバータ３０及び消音セクション３４は、集合して、マフラ組立体３５を画成する。

各ヘッダ２２の上流端３６Ａは、エンジン１４のそれぞれの排気ポートからの排気ガスを受けるためにエンジン１４に結合される。ヘッダ２２は、互いに別々の排気流路を画成し、各ヘッダ２２は、下流の排気構成要素にエンジン１４の排気ポートから直接的に排気ガスを回す。各ヘッダ２２の下流端３６Ｂは、マフラ組立体３５の上流端３５Ａ内に、より具体的にはコレクタセクション２６内に入る。コレクタセクション２６は、ヘッダ２２の２つの別々の排気流路を、触媒コンバータ近傍の単一の、より大型の排気流路へと統合する２−イントゥ−１型の排気流路を画成する排気コンジットである。それ故に、双方の燃焼室からの排気ガスは、触媒コンバータにより処理される。

マフラ組立体３５の接続部位３５Ｃは、上流端３５Ａからの排気ガスを受けるために上流端３５Ａに結合され、排気ガスをエンジン１４の前側からエンジン１４の下方に沿ってマフラ組立体３５の下流端３５Ｂへと回す。

触媒コンバータ３０からは、排気ガスは、接続部位３５Ｃの第１の通路を通って消音セクション３４へと流れる。上述の如く、接続部位３５Ｃは、エンジンの下方を長手方向に延在するが、自動二輪車１０の排気構成要素の代替の形状及び配置は選択的である。排気ガスは、下流端３５Ｂに配置されるペア出口３５Ｅにてマフラ組立体３５を出る前に消音セクション３４（少なくとも２回方向を変える）を通る。ある実施例では、排気ガスの少なくとも一部は、ペア出口３５Ｅにてマフラ組立体３５を出る前に接続部位３５Ｃ内に（接続部位３５Ｃの第１の通路とは別の、レゾネータ室内に）消音セクション３４から戻って流入する。

ここで、上流端３５Ａでの排気ガスの処理に戻るに、触媒コンバータ３０は、触媒コンバータ３０内に含まれる１つ以上の公知の触媒材料（以後、単に触媒３８という）を用いてエンジン１４から出る排気ガスのエミッション品質を改善する。触媒３８は、望ましくない排気ガス成分と反応して、出口３５Ｅを介して大気中に排出される前に、より多くの望ましい生成物を生成する。具体的には、酸化窒素（ＮＯｘ）を窒素（Ｎ_２）及び酸素（Ｏ_２）に変換しつつ、一酸化炭素（ＣＯ）を二酸化炭素（ＣＯ_２）に変換することができる。

触媒３８の温度は、その性能に影響する。上述の如く望ましくない排気ガス成分を効率的に変えるために触媒コンバータ３０からの所望のレベルの性能を得るためには、最低閾値温度以上に触媒３８を暖める若しくは“ライトオフする”ことが必要である。エンジン１４のコールドスタートからは、触媒３８は、一般的に、最低閾値温度を下回り、それ故に、十分若しくは最適な性能を得るためには可能な限り速やかに触媒を加熱することが望ましい。触媒３８のより速やかなライトオフを得る１つの方法は、触媒コンバータ３０へとヘッダ２２を介して流れる高温の排気ガスを介した熱源であるエンジン１４の近くに触媒コンバータ３０を配置することである。

しかし、触媒コンバータ３０をヘッダの下流端３６に配置することは、更に下流側に配置する構成に比べて、排気ガスの圧力の動力学に望ましくない影響を与える。望ましくない作用は、並列に多数の触媒コンバータを用いることで幾分低減することができる。しかし、多数の触媒コンバータ３０の使用は、触媒ライトオフ時間（コスト、サイズ及び重量の増加に加えて）の望ましくない上昇を生む。触媒３８は、排気システム１８内での位置に無関係に、流路における実質的な障害であり、それ故に、その上流端での流れの抵抗の急激な増加を生む。これは、ヘッダ２２を介してエンジン１４に向かって反射して戻る正圧の排気波ないしパルスを生む。エンジン１４から来る排気ガス及びエンジンに向かって移動する反射波の動力学は、エンジン性能（即ち、馬力、トルク出力）に影響を与える。

ある動作条件下では、反射した排気パルスは、新鮮な吸気をシリンダに満たす能力だけでなく、排気スカベンジングプロセスを妨げる（これは、シリンダ内への燃料の入力にも悪影響を与える）。触媒３８で反射される排気波が、バルブオーバラップ中（吸気と排気バルブの双方が開であるとき）にいずれかの燃焼室に到着する場合、減少した容積効率に起因した顕著な性能の損失がある。燃焼室の下流側の高い排気ガス圧により、シリンダ内に新鮮な空気を引く正味の圧力差が低減される。従って、より少ない空気と燃料がシリンダに充填し、容積効率が悪くなり、馬力及びトルク出力に“ホール”を生む。低減された出力は、バルブオーバラップ中に正圧の排気波が戻るエンジン速度の範囲に亘って生ずる。一般的に、シリンダと触媒３８との間の長い距離は、低速のエンジン速度で出力損失を生み、シリンダと触媒３８との間の短い距離は、高速のエンジン速度で出力損失を生む。

排気システム１８では、触媒コンバータ３０は、エンジン１４と出口３５Ｅの間の全体の排気ガスの流れの長さの最初の半分以内に位置される。更に、図２乃至図４に示すように、コレクタセクション２６の少なくとも一部は、レゾネータ室４２内に配置される。更に、レゾネータ室４２は、触媒コンバータ３０を実質的に囲繞ないし包囲する。図示の実施例では、触媒コンバータ３０は、触媒コンバータの全長に亘ってレゾネータ室４２内に全体的に周囲が包囲されている。ある実施例では、レゾネータ室４２は、触媒コンバータを全体的には囲繞ないし包囲せず、触媒コンバータ３０の近傍にあり若しくは触媒コンバータ３０を部分的に囲繞する。１つ以上の穴ないし開口４６は、レゾネータ室４２にコレクタセクション２６の排気流路を連通する穿孔セクション５０を画成し、従って、穿孔セクション５０にて流路に膨脹部を提供する。図２乃至図４に示すように、開口４６は、円形であり、コレクタセクション２６の外周まわりに等間隔に配置される。開口４６は、他の実施例において他の形状及び／又は他の方向を有してもよい。

レゾネータ室４２は、レゾネータ室４２への通路及びレゾネータ室４２からの通路のみが開口４６である点で“袋小路”の膨脹容積として機能する。従って、開口４６を通ってレゾネータ室４２に入る全ての排気ガスは、最終的には、開口４６を通ってレゾネータ室４２から流出し、続いて、触媒コンバータ３０を通過する。他方、レゾネータ室４２に入らない排気ガスは、触媒コンバータ３０に直接入って通過することができる。触媒コンバータ３０への流れは、ヘッダ２２から真っ直ぐの触媒コンバータ３０を通る排気の流れを阻害する物理的な障害がなく、触媒コンバータの流れ抵抗特性自体だけである点で、邪魔されない。

図示の実施例では、コレクタセクション２６は、排気システム１８の実質的な長さを形成しない。これは、エンジンの後方の位置へとエンジンの横若しくは前から典型的に走る長いコレクタセクションを備える排気システムとは、対照的である。むしろ、図示の排気システム１８のコレクタセクション２６は、穿孔セクション５０及び触媒コンバータ３０が、エンジンの排気ポートと出口３５Ｅの間の全体の流れの長さの約最初の４０％以内で、ヘッダ２２のそれぞれの下流端３６に若しくはその近傍に位置する態様で、短い長さに亘ってヘッダ２２の排気ガスの流路を統合する機能をする。例えば、後方のシリンダ排気ポートから穿孔セクション５０までの長さは、約６１２ミリメートルであり、穿孔セクション５０から出口３５Ｅまでの長さは、約９５０ミリメートルである。

上述の説明は、より速やかなライトオフのために単に触媒コンバータを下流位置から取ってはるかに上流位置に移動することによる困難の幾つかを強調する。本発明のレゾネータ室４２及び穿孔セクション５０は、早いライトオフとエンジン１４の満足の行く動力出力の双方を可能とする。

１つのシリンダの排気バルブ（図示せず）が開くとき、高圧波は、関連するヘッダパイプ２２を下方に伝播する。この波が穿孔セクション５０に到着するとき、その圧力は、レゾネータ室４２の膨脹により逃がされる。二次波（元の高圧波の残りの成分）は、触媒３８に当たる。排気ガスの二次波の一部は、マフラ消音セクション３４へと触媒コンバータ３０を通過する。触媒コンバータ３０を通過しない二次波の部分は、触媒３８で反射し、エンジン１４に向かって戻る。反射した波の圧力は、ヘッダ２２の上流端３６Ａに伝播する前に、反射した波が穿孔セクション５０に遭遇するときに生ずる膨脹により更に低減される。それ故に、最終的にエンジン１４に向かって戻る反射した波は、（触媒コンバータ３０を通過される部分に加えて）穿孔セクション５０にて膨脹により散逸される。散逸に加えて、波の打ち消し作用が、ある動作条件下で発生し、レゾネータ室４２内の容積のサイズ及び開口４６の数により少なくとも部分的に調整される。波の打消しの発生時、反対方向に行く２つの波は、相互に入射し、少なくとも一方の波が打ち消される。例えば、エンジン１４からの新鮮な排気ガスの波は、エンジン１４に向けてコレクタセクション２６からやってくる反射波の作用を打ち消すことができる。

双方のシリンダが単一の触媒コンバータ３０に供給する図示のツインシリンダ式のエンジン１４では、触媒３８での反射波は、コレクタセクション２６で分離され双方のヘッダパイプ２２を上り続ける。単一の触媒コンバータに供給する複数のヘッダパイプを備える任意の排気構成では、触媒での反射波は、ヘッダパイプの中のコレクタで分離される。従って、穿孔セクション５０とレゾネータ室４２の組み合わせは、図１の自動二輪車１０においてのような、ツインシリンダ式の共有排気構成において特に良好な性能を提供する。排気システム１８が示され、２−イントゥ−１構成での動作が主に説明されているが、単一シリンダのエンジン、別々の若しくは共通の排気システムを備えるマルチシリンダ式のエンジンに対しても有用である。

図５及び図６は、排気システム１８の特徴により提供される向上した性能を図示する。図５は、８００ＲＰＭのような、比較的高いエンジン速度で動作している間のエンジン１４のクランクシャフト角度と（ポートでの）排気圧の関係を表すコンピューターシミュレートされたグラフである。図５における１つの圧力プロットは、図示された排気システム１８のマフラ組立体３５における触媒コンバータ３０に類似する態様で配置される触媒コンバータを備える基本構成に対するものである。実線で示される基本構成は、穿孔セクション５０若しくはレゾネータ室４２を含んでいないが、その他は図示された排気システム１８と同一である。破線により指示された図５における第２の圧力プロットは、穿孔セクション５０及びレゾネータ室４２を含む排気システム１８を備えるエンジン１４に対する。図５のグラフの各プロットは、略上死点（ＴＤＣ，図５に示すような３６０度）あたりのバルブオーバラップ中に排気ポートに到着する反射した排気波の作用を示す。穿孔セクション５０及びレゾネータ室４２を有する排気システム１８は、バルブオーバラップ中に非常に低い排気圧を受ける。基本構成に対するバルブオーバラップ中の比較的高い排気圧は、上述の如く容積効率の減少とエンジン出力の減少をもたらす。ヘッダ２２の下流端３６近傍の触媒コンバータ３０の位置（エンジン１４と触媒３８の間の短い排気長）に起因して、反射した排気波は、これらの比較的高いエンジン速度でのバルブオーバラップ中に排気ポートに存在する。

図６は、バルブオーバラップ中に排気ポートに反射した排気波が到着する速度で動作するエンジンに対する最終的な出力損失を図示するコンピューターシミュレートされたグラフである。図６のグラフの実線は、比較のために基本として機能する、上述の理論的な基本構成を持つエンジン１４を表す。破線は、穿孔セクション５０及びレゾネータ室４２を含む図示の排気システム１８を備えるエンジン１４を表す。５５００ｒｐｍと９０００ｒｐｍの間で、排気システム１８の穿孔セクション５０及びレゾネータ室４２は、エンジンが２馬力から４馬力の間の馬力分だけ大きな馬力を生成することを可能とする。これは、（約６０００ｒｍｐで測定された）出力の約５％の増加を表す。

図７は、対のヘッダ８２、レゾネータ室８４、触媒コンバータ８６、ヘッダ８２のそれぞれに対応する穿孔セクション８８、及び、消音部位８９を有する排気システム８０のその他の構成を示す。コレクタセクション９０は、ヘッダ８２により画成される２つの排気流路を単一の排気流路に結合する。穿孔セクション８８は、レゾネータ室８４の内部容積にヘッダ排気通路を連通する。レゾネータ室８４は、コレクタセクション９０、穿孔セクション８８及び触媒コンバータ８６を囲繞するように構成される。代替実施例では、触媒コンバータ８６は、レゾネータ室８４の外側に配置されるか若しくはレゾネータ室８４内に部分的に配置される。

穿孔セクション８８は、ヘッダ８２のそれぞれの１つ以上の開口ないし穴９２により画成される。開口９２は、図示の実施例では、円形であり、ヘッダ８２の外周まわりに等間隔に配置されるが、他の形状及び方向も可能である。図７の排気システム８０は、図２乃至図４の排気システム１８とは、コレクタセクション２６内の単一の穿孔セクション５０ではなくヘッダ８２内に穿孔セクション８８を配置した点が異なるが、触媒コンバータ８６に対する穿孔セクション８８の位置は、実質的に排気システム１８と同一である。穿孔セクション８８がヘッダ８２の下流端に配置され、且つ、コレクタセクション９０が憂慮すべき長さに延在しないことから、触媒コンバータ８６は、穿孔セクション８８の直ぐ下流側になる。排気システム８０は、上述の排気システム１８と同様の動作及び性能を有するようにエンジン１４と共に動作する。

２つの別々の穿孔セクション８８を有することに加えて、図７の排気システム８０は、図２乃至図４の排気システム１８とは、エンジン１４の前部の下方ではなく、エンジン１４の略横並びに配置される点が異なる。エンジン１４の側部に搭載し２つの穿孔セクション８８を有する局面は、共に組み込まれる必要がないが、図７では明瞭化のために双方が含まれている。図７の設計局面のいずれか一方だけが、図２乃至図４の排気システム１８に組み込まれてもよい。

図７における矢印により指示される領域９４は、穿孔セクション８８に対する代替的な配置を表す。ヘッダ８２内に開口９２のみを形成するのではなく、追加の開口９２が、コレクタセクション９０に形成されてもよい。穿孔セクション８８のこの位置は、図２乃至図４の排気システム１８と、複数の穿孔セクション８８がコレクタセクション９０に形成される図７の排気システム８０の複合型といった程度である。

本発明を具現化する排気システムを有する自動二輪車の側面図。 図１の排気システムの部分切除した斜視図。 図１の排気システムのマフラ組立体の部分切除した上面図。 図１のマフラ組立体の部分切除した側面図。 図１の排気システムの効果を示す、クランク角度と排気圧の関係を表すグラフ。 排気システムの効果を示す、エンジン速度とエンジン出力の関係を表すグラフ。 本発明の幾つかの局面を具現化する排気システムのその他の構成の概略図。

符号の説明

１０ 自動二輪車
１４ エンジン
１８ 排気システム
２２ ヘッダ
２６ コレクタセクション
３０ 触媒コンバータ
３４ 消音セクション
３５ マフラ組立体
３８ 触媒
４２ レゾネータ室
４６ 開口
５０ 穿孔セクション

Claims (20)

1. 自動二輪車エンジン用排気システムであって、
   エンジンの燃焼室の近傍に上流端を有し、前記上流端の反対側に下流端を有するヘッダと、
   前記燃焼室の下流に配置され、前記燃焼室から排出される排気ガスのエミッション品質を改善するように構成された触媒コンバータと、
   前記ヘッダの下流端の近傍に配置され、排気通路を少なくとも部分的に画成する穿孔部位と、
   前記穿孔部位と連通し、前記穿孔部位を介した前記排気通路の排気ガスの膨脹を可能とするよう構成されたレゾネータ室とを含む、排気システム。
2. 前記触媒コンバータ、前記穿孔部位及び前記レゾネータ室は、マフラ組立体のパーツであり、前記触媒コンバータは、前記マフラ組立体の前端に配置される、請求項１に記載の排気システム。
3. 前記マフラ組立体は、消音部位を含み、前記前端は、エンジンの前側に配置され、前記消音部位は、エンジンの背後に配置される、請求項２に記載の排気システム。
4. 前記触媒コンバータは、前記レゾネータ室内に少なくとも部分的に収容される、請求項１に記載の排気システム。
5. エンジンの第２の燃焼室から出る排気を方向付ける第２のヘッダと、
   前記第１及び第２のヘッダと前記触媒コンバータの間に結合されるコレクタとを更に含み、
   前記穿孔部位は前記コレクタ内にある、請求項１に記載の排気システム。
6. 前記穿孔部位は前記ヘッダ内にある、請求項１に記載の排気システム。
7. 前記穿孔部位は、前記排気通路と前記レゾネータ室の間を連通する複数の互いに離間した穴を含む、請求項１に記載の排気システム。
8. 動作中に燃焼室からの排気ガスを追い出すように構成されたエンジンと、
   前記燃焼室から出る排気を方向付けるよう構成され、エンジンの燃焼室の近傍に上流端を有し、前記燃焼室から離れた側に下流端を有するヘッダと、
   前記燃焼室の下流に配置され、排気ガスのエミッション品質を改善するように構成された触媒コンバータと、
   前記ヘッダの下流端の近傍に配置され、排気通路を少なくとも部分的に画成する穿孔部位と、
   前記穿孔部位の近傍の前記排気通路に対して膨脹容積を画成するレゾネータ室とを含む、自動二輪車。
9. 前記触媒コンバータ、前記穿孔部位及び前記レゾネータ室は、マフラ組立体のパーツであり、前記触媒コンバータは、前記マフラ組立体の前端に配置される、請求項８に記載の自動二輪車。
10. 前記マフラ組立体は、消音部位を含み、前記マフラ組立体の前端は、エンジンの前側に配置され、前記消音部位は、エンジンの背後に配置される、請求項９に記載の自動二輪車。
11. 前記触媒コンバータは、前記レゾネータ室内に少なくとも部分的に収容される、請求項８に記載の自動二輪車。
12. エンジンの第２の燃焼室から出る排気を方向付ける第２のヘッダと、
    前記第１及び第２のヘッダと前記触媒コンバータの間に結合されるコレクタとを更に含み、
    前記穿孔部位は前記コレクタ内にある、請求項８に記載の自動二輪車。
13. 前記穿孔部位は前記ヘッダ内にある、請求項８に記載の自動二輪車。
14. 前記穿孔部位は、前記排気通路と前記レゾネータ室の間を連通する複数の互いに離間した穴を含む、請求項８に記載の自動二輪車。
15. １つ以上のヘッダからの排気ガスを受けるための上流端と、大気中に排気ガスを追い出すための下流端とを有する、エンジンとの組み合わせで用いられるマフラ組立体であって、
    前記下流端の近傍に消音部位と、
    エンジンからの排気ガスのエミッション品質を改善することができる触媒の量を有する触媒コンバータと、
    前記触媒コンバータの上流側の排気通路を少なくとも部分的に画成し、１つ以上の穴を有する排気コンジットと、
    前記１つ以上の穴に連通し、前記排気通路内における排気ガスの容積の膨脹を可能とするように構成されるレゾネータ室とを含み、
    前記触媒コンバータは、当該マフラ組立体の上流端に位置する、マフラ組立体。
16. 前記レゾネータ室と前記消音部位の双方を少なくとも部分的に画成する一体型ケーシングを更に含む、請求項１５に記載のマフラ組立体。
17. 前記触媒コンバータは、前記レゾネータ室内に少なくとも部分的に収容される、請求項１５に記載のマフラ組立体。
18. 前記排気コンジットは、前記触媒コンバータに少なくとも２つのヘッダを連通するコレクタ部位を含む、請求項１５に記載のマフラ組立体。
19. 前記１つ以上の穴は、前記触媒コンバータの近傍の前記コレクタ部位の下流端に配置される、請求項１８に記載のマフラ組立体。
20. 当該マフラ組立体の前端は、エンジンの前方に配置され、当該マフラ組立体の後端は、エンジンの後方に配置され、当該マフラ組立体は、エンジンの略下方に配置され前記触媒コンバータと前記消音部位を連通する接続部位を有する、請求項１５に記載のマフラ組立体。

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