JP2012112356A - 多気筒エンジンの排気構造 - Google Patents

Abstract

【課題】排気センサの付属部材への熱害を防止するとともに、排気センサによる計測を安定させることにより燃費の向上を図ることができる多気筒エンジンの排気構造を提供する。
【解決手段】シリンダヘッド２の内部に形成された排気マニホールド３の集合部６の出口６ａ近傍に、排気管８を介して触媒１０が取り付けられている。また、排気センサ１２が、触媒１０の上流側であって、一点鎖線で示したクランク軸１６の伸びる方向に対して一方側に偏って配置されている。さらに、排気マニホールド３の中心線３ａに対して、集合部６の出口６ａの中心線６ｂは、排気センサ１２の配置されているのと同じ側へオフセットしている。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気マニホールドの下流側に空燃比制御用の排気センサ（Ｏ_２センサ、Ａ／Ｆセンサ）を備えた多気筒エンジンの排気構造に関するものである。

現在、ガソリン車の排ガスを浄化するために三元触媒が多く採用されている。しかし、三元触媒は、少なくとも３００℃前後にならなければ十分な浄化性能を発揮できない。したがって、エンジンの温度が十分に上昇していない暖機運転時においては、この三元触媒の還元効果は低い。

一方で、排ガス規制が厳しくなっており、全体的に温度の低い暖機運転時においても高いレベルで浄化が行われることが求められている。このため、比較的低温（３００℃以下）で機能する触媒を三元触媒と併用することが考えられるが、この場合、部品点数が増加してしまうのでコスト面で不利となる。そこで、触媒をエンジン又はエンジンの排気口に近付けて配置することにより、上流側の高温の排気ガス又はエンジンから得られる輻射熱を利用して、エンジン始動後早期に活性領域まで温度上昇させるという構成が考えられている。この極端な例としては、排気マニホールド部分がシリンダーヘッド内に構成され、シリンダーヘッドの端面付近で排気ポートの集合部が形成された排気構造が知られている。シリンダーヘッド内に排気マニホールドを構成することにより、その集合部の出口の直ぐ近くに触媒を配置することが可能となり、暖機運転時において、効率良く触媒を活性化可能な温度領域へと移行させることが可能となる。

また、三元触媒は理論空燃比付近でないと十分な効果が得られない。したがって、空燃比を常に理論空燃比近くに保つため、燃料供給量を細かく調節する必要がある。このため、排気ガスの成分を検出する排気センサ（空燃比制御用センサ）が排気下流側に設けられる。そして、この排気センサによる検出値に基づいて空燃比が算出され、適量の燃料供給が行われる。この排気センサとしては、Ｏ_２センサやＡ／Ｆセンサが用いられる。

ここで、これら空燃比制御用の排気センサについても、上述の触媒と同様、使用温度を一定以上に保つ必要がある。一般にＯ_２センサは３００℃以上、また、Ａ／Ｆセンサは７００℃以上の環境が必要である。このため、これらセンサを早期に活性温度領域へ移行させるためにヒーターを備えたものが知られている。また、上述の触媒と同様に、エンジンの近くへ配置することによりエンジンの輻射熱および高温の排気ガスから得られる熱を利用する構成も採用されている。

図３は、従来の多気筒エンジン１００の排気構造を示した断面図であり、後者のエンジンの熱を利用して排気センサを活性温度領域へ移行させる構成を示している。この図３に示される排気マニホールド１０３は、シリンダヘッド１０２の内部に設けられ、各気筒の排気バルブ１０５ａ、１０５ｂ及び１０５ｃに繋がった排気ポート１０４ａ、１０４ｂ及び１０４ｃは、シリンダヘッド１０２内で集合部１０６を構成している。そして、この集合部１０６の出口１０６ａがシリンダヘッド１０２の端面１０２ａに形成されている。触媒１１０は、比較的短い排気管１０８を介して多気筒エンジン１００の近傍に配置されている。また、排気センサ１１２は、集合部１０６の出口１０６ａと触媒１１０との間の排気管１０８に取り付けられている。

ここで、上述のように、Ｏ_２センサやＡ／Ｆセンサなどの排気センサ１１２は、少なくとも３００℃以上の環境が必要であるが、熱害等の部品劣化を考慮すると、これら排気セ
ンサ１１２に接続されるリード線１１４や、その先に設けられるカプラ（図示せず）等の付属部品を高温に晒すのは好ましくない。したがって、排気センサ１１２は、熱気の立ち昇る触媒１１０の直上を避けて、排気管１０８の側方に偏って配置されることが多いが、スペース等の関係上、斜め上方に配置される場合もある。

このように、排気センサ１１２を多気筒エンジン１００に近い排気管１０８に取り付けることにより、エンジン始動後、早期に活性状態となり得る温度環境が得られる。しかも、排気センサ１１２は、集合部１０６の下流側に取り付けられるので、各気筒の排気センサ１１２ごとにそれぞれ設ける必要はなく、部品点数の面からコスト的にも有利である。また、排気センサ１１２に繋がるリード線１１４やカプラへの熱害も側方配置により低減することが可能である。このような構成については、特許文献１に記載例がある。

特開２０００−２５７４６６号公報

しかしながら、上述のような構成によれば、排気マニホールド１０３と排気センサ１１２との位置関係は非対称となる。すなわち、排気センサ１１２が排気管１０８の側方又は斜め上方等に偏って配置されているので、配列された排気ポート１０４ａ、１０４ｂ及び１０４ｃのうち、両外側に配置された排気ポート１０４ａ、１０４ｃ間では、排気バルブ１０５ａ、１０５ｃからそれぞれ集合部１０６の出口１０６ａを通過して排気センサ１１２に到る排気経路に違いが生じる。

図３には、両外側の排気ポート１０４ａ、１０４ｃからそれぞれ送られる排気ガスの流れが、排気流１１７及び排気流１１８として矢印で示されている。この図にて明らかなように、排気センサ１１２から遠い側に配置された排気ポート１０４ａからの排気流１１７については、排気センサ１１２へ向かう流路途中に大きな障害となる構成はなく、乱れの少ない自然な流れが形成されている。これに対して、排気センサ１１２と同じ側に配置された排気ポート１０４ｃからの排気流１１８については異なっている。この排気ポート１０４ｃから送られる排気流１１８は、排気マニホールド１０３の集合部１０６の出口１０６ａから排気管１０８内に導入され、排気管１０８の内壁へ当たった後、排気センサ１１２側へ到達する。このように、排気センサ１１２と同じ側の排気ポート１０４ｃから送られる排気ガスは、気流が乱れた状態で排気センサ１１２へ導かれる。

すなわち、排気センサ１１２と同じ側に配置された外側の排気ポート１０４ｃから送られる排気流１１８については、常に一定濃度の排気ガスを排気センサ１１２へ導くことが困難となる。この結果、排気ガスの成分検出ばらつきが大きくなり、正確な燃料供給制御が困難となる。つまり、適切な量の燃料供給が行われず、不必要な燃料供給が行われる場合も生じ、燃費の悪化を招く原因となり得る。

そこで、本発明では、排気センサの付属部材への熱害を防止するとともに、排気センサによる計測を安定させることにより燃費の向上を図ることができる多気筒エンジンの排気構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の多気筒エンジンの排気構造は、シリンダヘッド内で排気ポートの集合部が形成され、シリンダヘッドの端面に形成された集合部の出口に触媒が近接配置された多気筒エンジンの排気構造において、集合部の出口と触媒とを繋
ぐ排気管に、クランク軸の伸びる方向の何れか一方側の向きに排気センサが偏って配置され、配列された排気ポートのうち両外側の排気ポートの中心位置に対して、集合部の出口が、排気センサの偏向配置と同じ側へオフセットして形成されていることを特徴とする。

このように構成すると、両外側の排気ポートのうち、排気センサと同じ側に配置されている排気ポートの上流側から集合部の出口にかけて形成される排気経路と、集合部の出口から触媒へ繋がる排気管へ向かう排気経路との折れ曲がりが緩和される。

これにより、排気センサ側の排気ポートから送られる排気流の、集合部の出口から触媒に繋がる排気管への入り口付近に生じる乱れが緩和されるので、排気センサにより検出される排気ガスの濃度が安定し、計測ばらつきを低減することが可能となる。

これにより、排気センサ側の排気ポートから送られる排気流が排気管に導入された直後の、流れの角度は、排気管の伸びる方向へ近付くので、排気管の内壁等に対する排気流の干渉が緩和され、流れの乱れが低減される。したがって、排気センサへ到達する排気ガスの濃度ばらつきが抑えられ、正確な計測を行うことが可能となる。

以上に述べたように、本発明によれば、熱害を避けるためにクランク軸の伸びる方向に対して一方側へ偏って配置された排気センサと同じ側へ、排気ポートの集合部の出口がオフセットして形成されるので、排気センサと同じ側の外側に位置する排気ポートから集合部を通過して触媒側へ流れる排気経路の曲がりの程度が緩和される。これにより、集合部の出口から触媒にかけての排気経路、すなわち、排気センサの周辺の排気流の乱れが緩和されるので、排気センサを通過する排気ガスの濃度が安定し、ばらつきの少ない測定が可能となる。したがって、排気センサの検出値に基づいて制御される燃料供給が安定し、正確な制御を可能とするとともに、不要な燃料供給を抑えることができるので、燃費の向上にも繋がる。

本発明の多気筒エンジンの排気構造を示す図である。 図１の排気構造における排気流を示した断面図である。 従来の多気筒エンジンの排気構造を示す図である。

以下に、本発明の多気筒エンジンの排気構造について、図を用いて説明を行う。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態における多気筒エンジンについて、排気マニホールドの周辺の排気構造を示した図である。

図１に示されるように、本実施の形態において示すエンジン１の排気マニホールド３は、シリンダヘッド２内に設けられている。排気ポート４ａ、４ｂ及び４ｃはシリンダヘッド２内で集結され集合部６が形成されている。そして、シリンダヘッド２の端面２ａに形成された集合部６の出口６ａから比較的短い排気管８を介して触媒１０（コンバーター）が接続されている。

そして、この排気管８には排気ガスの成分を検出する排気センサ１２が取り付けられている。この図１に示した排気センサ１２は、リード線１４やカプラ（図示せず）への熱害を考慮して触媒１０の直上を避けるとともに、配置スペース等を考慮して斜め上方に取り
付けられている。なお、クランク軸１６は、説明の便宜のため一点鎖線で示されている。次に、この排気構造における排気流について図２を用いて説明する。

図２は、図１の排気マニホールド３から集合部６を通過して触媒１０へ流れる排気流について示した断面図である。なお、ここでは、排気マニホールド３及び端面２ａ以外のシリンダヘッド２の構成については図示を省略している。

排気マニホールド３の中心、すなわち、両外側に配置された排気ポート４ａ及び４ｃの中心位置は、一点鎖線の中心線３ａで示されている。また、排気マニホールド３の集合部６の出口６ａの中心位置は、一点鎖線の中心線６ｂで示されている。この図に示されているように、本実施の形態における排気構造では、排気マニホールド３の中心線３ａに対して、集合部６の出口６ａの中心線６ｂは、排気センサ１２の配置されている側へオフセットして形成されている。

なお、この図２では、排気マニホールドの中心と集合部の中心とが一致し、ほぼ左右対称な従来の構造の一部が２点鎖線で重ねて示されている。

この２点鎖線で示された構成は、従来の排気管１０８の壁面と触媒１１０とからなる排気構造の一部である。また、この従来の排気構造中を流れる排気流のうち従来の排気センサ１１２が配置された側の最も外側の排気ポートから送られる排気ガスの流れは、排気流１１８として２点鎖線の矢印で示されている。

このように、排気センサ１２が斜め上方に偏って配置されているため、各排気ポート４ａ、４ｂ及び４ｃから排気センサ１２へ向かう流れはそれぞれ異なっている。このうち、クランク軸１６の伸びる方向に対して、排気センサ１２とは逆側に配置されている排気ポート４ａ及び中央寄りの排気ポート４ｂについては、比較的それぞれの延長線上に近い位置に排気センサ１２が配置されている。これにより、それぞれの排気ポート４ａ、４ｂから送られる排気ガスは、大きく乱れることなく排気センサ１２へと導かれる。これに対して、排気センサ１２と同じ側に配置されている排気ポート４ｃの延長線上からは、排気センサ１２の配置されている位置は大きく外れている。

ここでは、この排気ポート４ｃから送られる排気流について、本実施の形態の排気構造における排気流１８と、従来の２点鎖線で示した排気流１１８との違いについて述べる。

図２にて明らかように、従来の排気管１０８のほぼ中間位置を流れる排気流１１８は、排気管１０８の伸びる方向に対して角度αの角をなしている。これに対して、本実施の形態における排気管８のほぼ中間位置を流れる排気流１８は、排気管８の伸びる方向に対して角度αよりも小さい角度βの角をなしている。すなわち、排気センサ１２と同じ側に配置された気筒の排気バルブ５ｃと触媒１０（従来の場合は触媒１１０）とを結ぶ直線に対する排気管８（従来の場合は排気管１０８）の張り出しは、本実施の形態における排気構造の方が緩和されている。

これにより、従来の排気流１１８は排気管１０８に対して大きな角度αで当たることにより気流を乱された後、排気センサ１１２へ到達していたのに比べ、本実施の形態における排気構造では、排気流１８は排気管８に対して比較的小さい角度βで流れることができる。このため、排気管８の内壁に当たる気流の乱れも低減される。

これにより、排気ガスの流れを安定させ、濃度ばらつきの少ない排気流１８を排気センサ１２へ導くことが可能となる。したがって、ばらつきの少ない検出値を得ることができるので、燃料供給制御を正確なものとすることが可能となり、延いては、不要な燃料供給
を防止することにより燃費の向上を図ることが可能である。

なお、上記実施の形態における図１及び図２では、排気管８の斜め上方へ取り付けられた排気センサ１２の構成を例として示したが、これに限らず、クランク軸１６の伸びる方向に対して何れかの向きへ偏って配置されていれば、側方又は斜め下方へ取り付けられた構成であっても構わない。

また、上記実施の形態では、多気筒エンジンの例として３気筒エンジンの構成を示したが、これに限らず、複数の気筒を有するエンジンに対して当てはまることは言うまでもない。

１ エンジン
２ シリンダヘッド
２ａ 端面
４ａ、４ｂ、４ｃ 排気ポート
６ 集合部
６ａ 出口
８ 排気管
１０ 触媒
１２ 排気センサ
１６ クランク軸

Claims (1)

1. シリンダヘッド内で排気ポートの集合部が形成され、前記シリンダヘッドの端面に形成された前記集合部の出口に触媒が近接配置された多気筒エンジンの排気構造において、
   前記集合部の出口と前記触媒とを繋ぐ排気管に、クランク軸の伸びる方向の何れか一方側の向きに排気センサが偏って配置され、
   配列された前記排気ポートのうち両外側の排気ポートの中心位置に対して、前記集合部の出口が、前記排気センサの偏向配置と同じ側へオフセットして形成されている
   ことを特徴とする多気筒エンジンの排気構造。