JP2010001869A - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気装置において、排気通路において排気ガス中の水分の凝縮により生成された凝縮水の飛散を抑制し、被水による排気センサの不具合の発生を防止してその検知性および耐久性を向上させる。
【解決手段】排気通路を構成する排気ポート１５および導入コーン３と、酸素センサ３１とを備えた内燃機関の排気装置において、排気通路には、酸素センサが設けられた部位の少なくとも上流側の底部に長手方向に延びる溝部４１が設けられ、排気センサが排気通路の内部に配置される検出部３１ａを有し、当該検出部が平面視において溝部と重ならない位置に配置された構成とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、自動車のエンジン等の内燃機関の排気装置に関し、より詳細には、排気ガス中の特定ガス成分を検出する排気センサの検出素子への排気凝縮水の付着を防止する構造を備えた内燃機関の排気装置に関する。

従来、自動車では、エンジンを所望の空燃比で稼働させるために、排気通路に設けた排気センサ（エンジン制御用センサ）の検出結果に基づき燃料噴射量や吸入空気量などをフィードバック制御する空燃比制御システムが普及している。この種の空燃比制御システムでは、理論空燃比を境としたリーン域またはリッチ域を判別する酸素センサや、固体電解質中を通過する酸素イオン量に比例する電流に基づき広域かつリニアに空燃比を検出する空燃比センサ等が用いられる。この種の排気センサの検出素子は、作動温度が比較的高温（数百度）であるため、エンジン始動時等において排気ガス中の水分の凝縮により生成された凝縮水が高温の検出素子に付着すると、故障（素子割れ等）や検出異常などの不具合が生じる場合がある。そこで、検出素子の外側にセンサ保護カバーを設けて凝縮水の付着を防止する等の対策がなされている。

一方、センサ保護カバーにより凝縮水侵入を防止する方法では検出素子の感度や応答性の低下を招くという限界があるため、エンジンの排気通路における排気センサの取付構造を改良して排気センサへの被水を防止する技術が存在する。例えば、エンジンの排気通路を形成する排気マニホールドに空燃比センサを配置する構成において、排気マニホールドの排気通路が上方に立ち上がる部分の上方位置に空燃比センサを取付けた空燃比センサの取付構造が知られている（特許文献１参照）。

特開２００４−２９３４０３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来技術は、上方に立ち上がる部分を排気通路に備えていないエンジンの制御には適用できないという問題があった。

本願発明者は、鋭意検討の結果、排気センサの被水は、排気通路の底部に滞留する凝縮水が排気ガス中に飛散することに主として起因することを見出した。即ち、センサ検出素子への凝縮水の付着の防止には、センサ上流側の排気通路の底部に溜まった凝縮水の飛散を抑制することが特に有効である。

本発明は、このような従来技術の課題を鑑みて案出されたものであり、排気通路において排気ガス中の水分の凝縮により生成された凝縮水の飛散を抑制し、被水による排気センサの不具合の発生を防止してその検知性および耐久性を向上させる内燃機関の排気装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、排気通路（１５，３）における排気ガス中の特定ガス成分を検出する排気センサ（３１）を備えた内燃機関（Ｅ）の排気装置（１）であって、前記排気通路は、前記排気センサが設けられた部位の少なくとも上流側の底部（１６ａ，２３ｂ）に長手方向に延びる溝部（４１）を有し、前記排気センサは前記排気通路の内部に配置される検出部（３１ａ）を有し、当該検出部が平面視において前記溝部と重ならない位置に配置された構成とする。

上記課題を解決するためになされた第２の発明として、前記排気通路は、前記溝部の底面（４６）が下流側に向けて下方に傾斜した構成とすることができる。

上記課題を解決するためになされた第３の発明は、前記排気通路の少なくとも一方の側縁に沿って配置された構成とすることができる。

上記課題を解決するためになされた第４の発明は、前記排気通路は、下方へ湾曲する立ち下がり部を有し、前記排気センサは、前記立ち下がり部に設けられた構成とすることができる。

上記第１の発明によれば、排気ガス中の水分の凝縮により生成された凝縮水を溝部に導くことで、凝縮水を底部に滞留させずにその飛散を抑制することが可能となり、被水による排気センサの不具合の発生を防止してその検出性および耐久性を向上させることができる。また、平面視において溝部と重ならない位置に検出部を配置することで、溝部に導かれた凝縮水が飛散した場合であっても、凝縮水が排気センサ方向に飛散しにくいという利点がある。また、上記第２の発明によれば、溝部に導かれた凝縮水が、その底面の傾斜により下流側に流れるめ、排気通路の底部における凝縮水の滞留をより効果的に防止することができる。また、上記第３発明によれば、排気通路の上部や側部で生成された凝縮水を溝部に導くことが容易となり、凝縮水の飛散をより効果的に抑制することができる。また、上記第４発明によれば、溝部を流れる凝縮水が立ち下がり部において下方に導かれるため、排気センサに向かう凝縮水の飛散をより効果的に防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。説明にあたり、排気装置及びその構成要素の上下方向および前後方向は、図１に矢印で示された方向とし、図１の紙面に垂直な手前および奥を左右方向とする。

図１は本発明に係る排気装置の要部を示す側面図であり、図２は図１の概略II−II線断面図である。

排気装置１は、自動車のエンジンＥの排気ガスを浄化する等の目的でエンジンＥに付設されるものであり、排気ガスを浄化する触媒コンバータ２と、エンジンＥが発生する排気ガスを触媒コンバータ２に導く導入コーン３と、触媒コンバータ２で浄化された排気ガスを下流側に導く導出コーン４とを備える。

エンジンＥは、直列４気筒内燃機関であり、図示しないピストンやクランクシャフト等が収容されるシリンダブロック１０と、このシリンダブロック１０の上部に取り付けられたシリンダヘッド１１とを有する。

シリンダヘッド１１には、図２に示すように、各気筒に対応して配置された燃焼室Ｃ１〜Ｃ４と、各燃焼室Ｃ１〜Ｃ４に開口する各１対の吸気口１２をそれぞれ有する吸気ポート１３と、各燃焼室Ｃ１〜Ｃ４に開口する各１対の排気口１４をそれぞれ有する排気ポート１５とが設けられている。排気ポート１５は、その下流側に集合部１６を有しており、これにより、シリンダヘッド一体型のエキゾーストマニホルドが形成されている。なお、シリンダヘッド１１に設けられる燃料噴射弁、点火プラグ、可変動弁機構等の周知の構成要素については、図示および説明を省略する。

触媒コンバータ２は、排出ガス中の有害物質を酸化還元浄化する三元触媒であり、例えば、排気ガスが通過する多孔状のセラミック円筒の表面に、活性アルミナをベースとして白金、パラジウム、ロジウム等を付着させたものからなる。触媒コンバータ２は耐熱鋼板からなる保護ケース２１に収容されている。保護ケース２１は、その上端が導入コーン３の下端に接続される一方、その下端が導出コーン４の上端に接続されている。

導入コーン３は、プレス加工により耐熱鋼板を管状に形成した部材であり、シリンダヘッド１１に接続されるフランジ部２２が設けられた略水平方向に延在する上部２３と、この上部２３に連なり、略水平から下方に湾曲する湾曲部２４と、この湾曲部２４に連なり、略垂直方向に延在する下部２５とからなる。上部２３は、排気ポート１５の下流端に位置する流出口２６に接続される流入口２７を有している。湾曲部２４は、後方側に膨出する態様で湾曲し、また、下部２５は、保護ケース２１の上端の形状に適合するように、通路面積を徐々に拡大しながら下方に延在する。

導入コーン３には、排ガス中の酸素濃度を検出するための酸素センサ（排気センサ）３１が設置されている。酸素センサ３１は、試験管状のジルコニア固体電解質の内外面に白金電極を設けた検出部（検出素子）３１ａを有し、その内外面における酸素濃度（酸素分圧）差に基づき生じる起電力により、理論空燃比を境としたリーン（空気過剰）域またはリッチ（燃料過剰）域を判別するために用いられる。酸素センサ３１は、その検出部３１ａが導入コーン上部２３の上壁２３ａを貫き導入コーン３内部に露出した状態で取り付けられている。また、酸素センサ３１は、図示しないヒータを内蔵しており、これにより、エンジンＥの始動後に作動温度（例えば、４５０℃）まで速やかに加熱されて、ジルコニア固体電解質が迅速に活性化される。酸素センサ３１の検出結果は、図示しないＥＣＵ（Engine Control Unit）に送られ、エンジンＥの燃焼制御（フィードバック空燃比制御）に用いられる。

後述するように、排気装置１は、排気ガス中の特定ガス成分を検出する排気センサ（ここでは、酸素センサ３１）の被水を防止するための構成を有している。

導出コーン４は、その上流端が保護ケース２１の下端に接続され、触媒コンバータ２で浄化された排気ガスを、図示しない床下触媒コンバータ、サイレンサ等が接続される下流側の排気管に導く。

図３（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ図１における導入コーン３側から見たシリンダヘッド１１の排気流出部およびシリンダヘッド１１側から見た導入コーン３排気流入部の構成を示す図であり、図４は図１のIV−IV線要部断面図であり、図５は図２のV−V線要部断面図であり、図６は図２のVI−VI線要部断面図である。

図３（Ａ）に示すように、シリンダヘッド１１の流出口２６は略長円形をなし、この流出口２６が設けられた排気ポート集合部１６（図４参照）の下流部位は、流出口２６と略同一形状の断面を有する排気通路を構成する。また、図３（Ｂ）に示すように、導入コーン３の流入口２７はシリンダヘッド１１の流出口２６と同一の形状を有し、この流入口２７が設けられた導入コーン上部２３（図４参照）の上流部位は、流入口２７と略同一形状の断面を有する排気通路を構成する。

排気ポート集合部１６の下流部位は、その下壁１６ａの中央（左右側部を除く部位）に内側に突出する凸部３７ａが形成されており、これにより、凸部３７ａの左右両側に溝部４１ａが形成される。同様に、導入コーン上部２３の上流部位は、その下壁２３ｂの中央に凸部３７ａに連なる凸部３７ｂが形成されており、これにより、凸部３７ｂの左右両側に、溝部４１ａに連なり長手方向に延びる溝部４１ｂが形成される。図４および図５に示すように、導入コーン３がフランジ部２２を介してシリンダヘッド１１に接続されることで、排気通路には、集合部１６の下流部位から導入コーン上部２３の上流部位まで長手方向に延在する凸部３７（凸部３７ａ，３７ｂ）が形成され、これにより、凸部３７の左右両側には長手方向に延びる溝部４１（図４参照）が形成されることになる

このように、酸素センサ３１の上流側の排気ポート１５および導入コーン３により構成される排気通路に溝部４１を設けることで、排気ガス中の水分の凝縮により生成された凝縮水が溝部４１に導かれ、排気ポート集合部１６や導入コーン上部２３の下壁１６ａ，２３ｂに滞留することがないため、凝縮水の飛散が抑制される。従って、被水による酸素センサ３１の不具合（熱衝撃による素子割れや水の侵入による検出異常など）の発生を防止してその検出性および耐久性を向上させることができる。

導入コーン３の上壁に設けられる酸素センサ３１の取付孔４５は、図４に示すように、平面視において溝部４１と重ならない位置に配置される。これにより、溝部４１に導かれた凝縮水が万一飛散した場合であっても、その飛散した凝縮水が凝縮水が酸素センサ３１の方向に飛散しにくいという利点がある。また、酸素センサ３１は、図５に示すように、導入コーン３の立ち下がり部（湾曲部２４近傍の導入コーン上部２３の上壁２３ａ）に配置されるため、溝部４１を流れる凝縮水が立ち下がり部において下方に導かれるため、酸素センサ３１に向かう凝縮水の飛散を防止することができる。

また、溝部４１は、図６に示すように、その底面４６が下流側に向けて下方に傾斜するように形成されている。これにより、溝部４１に導かれた凝縮水が下流側に確実に排出されるため、排気ポート集合部１６の下壁１６ａおよび導入コーン上部２３の下壁２３ｂにおける凝縮水の滞留をより効果的に防止することができる。なお、本実施形態では、凸部３７の上面が略水平に形成されているが、左右の溝部４１に向けて傾斜させることで、凸部３７の上面に付着した凝縮水を溝部４１に容易に導くことができる。

上記構成の排気装置１においては、エンジンＥの始動後に発生した排ガスの主流は、図１および図２において矢印で示すように、排気ポート１５や導入コーン３、触媒コンバータ２、導出コーン４内を下流側に向けて流れる。このとき、排気通路（排気ポート１５、導入コーン３）が比較的低温状態にある場合には、排気通路を画成する壁面等において排ガス中の水分が凝縮して凝縮水が生成される。この凝縮水は、自重によって排気通路の側壁を伝って排気通路の下方（下壁１６ａ,２３ｂ側）に移動する。その後、図４に矢印で示すように、下壁１６ａ,２３ｂを下流に向けて流れる凝縮水は、凸部３７によって左右の溝部４１に導かれる。

これにより、凝縮水は排気通路の底面に滞留することなく、凝縮水の飛散が効果的に抑制される。また、凝縮水は、平面視において、排気通路の幅方向中央に配置された酸素センサ３１を迂回するようにして湾曲部２４内に流れ込む。これにより、酸素センサ３１を排気ガス流れの主流（排気通路の幅方向中央）に配置してその検出精度や応答性を維持しながら、その検出部３１ａへの凝縮水の付着を防止することができる。

図７は図４に示した溝部４１の構成の変形例を示す図である。図７では、溝部４１が一方側（幅方向左側）の側縁のみに配置される点において、図４に示した溝部４１の構成とは異なる。図７に矢印で示すように、下壁１６ａ,２３ｂを下流に向けて流れる凝縮水は、凸部３７によって一方側の溝部４１に導かれる。この場合、酸素センサ３１は、図４の場合とは異なり、他方側（幅方向右側）に配置されており、凝縮水は、平面視において、酸素センサ３１を迂回するようにして、湾曲部２４内に流れ込む。これにより、平面視における溝部４１と酸素センサ３１の取付孔４５との距離を大きく確保することができ、検出部３１ａへの凝縮水の付着を防止する効果が高まるという利点がある。

本発明を特定の実施形態に基づいて詳細に説明したが、これらの実施形態はあくまでも例示であって本発明はこれらの実施形態によって限定されるものではない。例えば、本発明に係る排気装置は、実施形態で示した構成のエンジンに限らず、種々の内燃機関に適用することができる。また、排気通路の構成は、本発明が適用される内燃機関に応じて種々の変更が可能である。例えば、実施形態では、エキゾーストマニホルドをシリンダヘッドと一体に設けた場合を示したが、エキゾーストマニホルドをシリンダヘッドと別部材として形成し、そのエキゾーストマニホルドの下流端に導入コーン３を接続する構成も可能となる。実施形態で示した溝部（凸部）は、複数の排気通路（シリンダヘッド１１、導入コーン３）に設けられるが、排気通路における排気センサが設けられた部位の少なくとも上流側の底部に設けられていればよく、排気装置の構成によっては単一の部材に設けることも可能である。また、排気センサとしては、酸素センサに限らず、例えば、ジルコニア固体電解質中を通過する酸素イオン量に基づき空燃比に比例した電流値をＥＣＵに出力するＬＡＦ（Linear Air Fuel Ratio）センサを用いてもよい。その場合、エンジンＥの燃焼制御の精度を高めるべく、導出コーン４に酸素センサを別途設けることができる。排気センサの取付位置は、導入コーンの上壁に限らず湾曲部の頂部付近でもよい。なお、本発明は、自動車のエンジンに限らず、船舶推進用エンジン等の種々の内燃機関に適用が可能である。

本発明に係る排気装置の要部を示す側面図 図１の概略II−II線断面図 （Ａ）図１のシリンダヘッド１１の排気流出側の構成および（Ｂ）導入コーン３の排気流入側の構成を示す図 図１のIV−IV線要部断面図 図２のV−V線要部断面図 図２のVI−VI線要部断面図 図４に示した溝部４１の構成の変形例を示す図

符号の説明

１ 排気装置
２ 触媒コンバータ
３ 導入コーン
４ 導出コーン
１０ シリンダブロック
１１ シリンダヘッド
１３ 吸気ポート
１５ 排気ポート
１６ 集合部
１６ａ 下壁
２１ 保護ケース
２２ フランジ部
２３ 上部
２３ａ 上壁
２３ｂ 下壁
２４ 湾曲部
２５ 下部
２６ 流出口
２７ 流入口
３１ 酸素センサ
３１ａ 検出部
３７ 凸部
４１ 溝部
４５ 取付孔
４６ 底面
Ｃ１〜Ｃ４ 燃焼室
Ｅ エンジン

Claims (4)

1. 排気通路における排気ガス中の特定ガス成分を検出する排気センサを備えた内燃機関の排気装置であって、
   前記排気通路は、前記排気センサが設けられた部位の少なくとも上流側の底部に長手方向に延びる溝部を有し、
   前記排気センサは前記排気通路の内部に配置される検出部を有し、当該検出部が平面視において前記溝部と重ならない位置に配置されたことを特徴とする内燃機関の排気装置。
2. 前記排気通路は、前記溝部の底面が下流側に向けて下方に傾斜したことを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
3. 前記溝部は、前記排気通路の少なくとも一方の側縁に沿って配置されたことを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関の排気装置。
4. 前記排気通路は、下方へ湾曲する立ち下がり部を有し、
   前記排気センサは、前記立ち下がり部に設けられたことを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれかに記載の内燃機関の排気装置。

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