JP2015165094A - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マニホールド触媒の浄化性能及び耐久性を向上させる。【解決手段】内燃機関１の排気装置３であって、内燃機関１の各シリンダ１１０から排出された排気をまとめる排気マニホールド３１と、排気マニホールド３１に近接して設けられ、排気マニホールド３１から排出された排気を冷却しながら整流する冷却整流器３２と、冷却整流器３２に近接して設けられ、冷却整流器３２から排出された排気を浄化する触媒３３と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の排気装置に関する。

従来の内燃機関の排気装置は、排気マニホールドの集合部の形状を工夫することで、排気を偏らせずにマニホールド触媒に導いていた。

特開平１１−１４８３４５号公報

マニホールド触媒の早期活性の観点からは、マニホールド触媒を排気マニホールドにできるだけ近づけることが有効である。しかしながら、前述した従来の内燃機関の排気装置では、マニホールド触媒を排気マニホールドの出口に近づけると、排気の偏りを十分に抑制できず、また、高負荷時にはマニホールド触媒に特に高温の排気が導入されることになるため、マニホールド触媒の浄化性能が低下すると共に、マニホールド触媒が劣化するという問題点があった。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、マニホールド触媒の浄化性能を高めつつ、マニホールド触媒の劣化を抑制することを目的とする。

本発明のある態様によれば、内燃機関の各シリンダから排出された排気をまとめる排気マニホールドと、排気マニホールドに近接して設けられて排気マニホールドから排出された排気を冷却しながら整流する冷却整流器と、冷却整流器に近接して設けられて冷却整流器から排出された排気を浄化する触媒と、を備える内燃機関の排気装置が提供される。

本発明によれば、排気マニホールドによってまとめられた排気を、冷却整流器で冷却しながら整流した上でマニホールド触媒に導入する。これにより、マニホールド触媒に排気を均一に流入させることができるので、マニホールド触媒の浄化性能を高めることができる。また、高負荷時にマニホールド触媒に導入される排気の温度を下げることができるので、マニホールド触媒の劣化を防止することができる。

本発明の一実施形態による火花点火式内燃機関の概略構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態による火花点火式内燃機関（以下「エンジン」という。）１の概略構成図である。

エンジン１は、シリンダブロック１１と、シリンダヘッド１２と、を備え、車両のエンジンルーム内に搭載される。

シリンダブロック１１は、シリンダ部１１ａとクランクケース部１１ｂとを備える。

シリンダ部１１ａには、複数のシリンダ１１０が形成される。シリンダ１１０の内部には、燃焼圧力を受けてシリンダ１１０の内部を往復運動するピストン１１１が収められる。

クランクケース部１１ｂは、シリンダ部１１ａの下方に形成される。クランクケース部１１ｂは、クランクシャフト１１２を回転自在に支持する。クランクシャフト１１２は、ピストン１１１の往復運動をコンロッド１１３を介して回転運動に変換する。

シリンダヘッド１２は、シリンダブロック１１の上面に取り付けられ、シリンダ１１０及びピストン１１１とともに燃焼室１３の一部を形成する。

シリンダヘッド１２には、吸気マニホールド２４に接続されて燃焼室１３の頂壁に開口する吸気ポート１２０と、排気マニホールド３１に接続されて燃焼室１３の頂壁に開口する排気ポート１２１と、が形成され、燃焼室１３の頂壁中央に臨むように点火栓１２２が設けられる。また、シリンダヘッド１２には、燃焼室１３と吸気ポート１２０との開口を開閉する吸気弁１２３と、燃焼室１３と排気ポート１２１との開口を開閉する排気弁１２４と、が設けられる。さらに、シリンダヘッド１２には、吸気弁１２３を開閉駆動する吸気カムシャフト１２５と、排気弁１２４を開閉駆動する排気カムシャフト１２６と、が設けられる。

シリンダブロック１１のシリンダ部１１ａ及びシリンダヘッド１２には、シリンダ１１０及び燃焼室１３の周りを冷却するための冷却水が循環するウォータジャケット１１４，１２７が設けられる。

エンジン１の吸気装置２は、必要量の吸気をエンジン１に導入する装置であって、上流から順に、エアクリーナ２１と、エアフローメータ２２と、電子制御式のスロットル弁２３と、吸気マニホールド２４と、燃料噴射弁２５と、が設けられる。

エアクリーナ２１は、吸気中に含まれる砂などの異物を除去する。

エアフローメータ２２は、吸気量を検出する。

スロットル弁２３は、吸気通路２０の通路段面積を連続的又は段階的に変化させることで、各シリンダ１１０に吸入される吸気量を調整する。スロットル弁２３は、スロットルアクチュエータ２６によって開閉駆動され、スロットルセンサ２７によってその開度が検出される。

吸気マニホールド２４は、エンジン１の吸気ポート１２０に接続され、スロットル弁２３を介して流入してきた吸気を各シリンダ１１０へ均等に分配して導入する。

燃料噴射弁２５は、エンジン１の運転状態に応じて吸気ポート１２０に向けて燃料を噴射する。

エンジン１の排気装置３は、エンジン１から排出される排気中の有害物質を無害な物質に転換した上で外気に排出する装置であって、上流から順に、排気マニホールド３１と、冷却整流器３２と、マニホールド触媒３３と、床下触媒３４と、が設けられる。

排気マニホールド３１は、エンジン１の排気ポート１２１に接続され、各シリンダ１１０から排出された排気をまとめた上で、冷却整流器３２に導入する。

冷却整流器３２は、排気を冷却する冷却器３２１と、排気の流れを一定の方向に整える整流器３２２と、を一体化したものであって、排気マニホールド３１に接続される。

冷却器３２１は、両端が開口した円筒状の金属容器であって、ウォータジャケット３２１ａを備える。冷却器３２１のウォータジャケット３２１ａは、金属容器の内部に全体的に形成される。冷却器３２１は、ウォータジャケット３１ａを流れる冷却水によって整流器３２２を通過する排気を冷却する。

冷却器３２１のウォータジャケット３２１ａは、冷却水導入配管３２３によって、冷却水の入口側となるシリンダブロック１１のウォータジャケット１１４と連通しており、ウォータポンプ（図示せず）によって圧送されてシリンダブロック１１のウォータジャケット１１４に導入された冷却水の一部が冷却器３２１のウォータジャケット３２１ａに導入される。また、冷却器３２１のウォータジャケット３２１ａは、冷却水排出配管３２４によって、冷却水の出口側となるシリンダヘッド１２のウォータジャケット１２７と連通している。冷却水導入配管３２３から冷却器３２１のウォータジャケット３２１ａに導入された冷却水は、冷却水排出配管３２４を介してシリンダヘッド１２のウォータジャケット１２７に戻される。

ここで図１に示すように、冷却水導入配管３２３は、エンジン高負荷時に排気マニホールド３１内において排気が偏在しやすい側（本実施形態ではエンジン１に遠い側）の冷却器３２１のウォータジャケット３２１ａに接続される。そして、冷却水排出配管３２４は、冷却水導入配管３２３の接続位置と対向する側（本実施形態ではエンジン１に近い側）の冷却器３２１のウォータジャケット３２１ａに接続される。

整流器３２２は、冷却器３２１の軸方向に沿って形成された断面ハニカム状の貫通孔を多数備えるハニカム構造体であって、冷却器３２１内に収容される。排気マニホールド３１から冷却整流器３２に導入された排気は、整流器３２２の各貫通孔を通過することで流れ方向が均一になるように整流される。

また、整流器３２２は、ハニカム構造体の表面積（＝排気と接する部分の面積）が、後述するマニホールド触媒３３の担体の表面積（＝排気と接する三元触媒が担持された部分の面積）よりも小さくなるように構成される。つまり、整流器３２２の熱容量が、マニホールド触媒３３の熱容量よりも小さくなるようにしている。これは、整流器３２２の熱容量が大きくなると、その分マニホールド触媒３３の受熱量が少なくなって、マニホールド触媒３３の三元触媒が活性するまでに要する時間（以下「活性時間」という。）が長くなってしまうからである。

このように、冷却整流器３２は、排気マニホールド３１によってまとめられた排気を冷却しながら整流した上で、マニホールド触媒３３に導入する。

マニホールド触媒３３は、車両のエンジンルーム内に設けられると共に、冷却整流器３２に近接させて設けられる。マニホールド触媒３３は、ハニカム状の担体の表面に三元触媒を担持させたもので、排気中の炭化水素や窒素酸化物、一酸化炭素などの有害物質を、三元触媒によって無害な物質に転換して排出する。マニホールド触媒３３から排出された排気は、排気通路３０を通って床下触媒３４に導入される。

なお、図１に示すように、冷却整流器３２とマニホールド触媒３３の担体との間の排気通路３０ａは、下流に行くにしたがって通路径が徐々に拡大するように構成される。冷却器３２１は整流器３２２の外周に設けられているので、冷却器３２１の冷却効果は整流器３２２の外径部と内径部とで異なる。そのため、整流器３２２の直下では、整流器３２２の内径部から排出される排気の温度の方が、外径部から排出される排気の温度よりも高くなる傾向にあり、整流器３２２から排出された排気に温度分布が生じる。そこで、冷却整流器３２とマニホールド触媒３３の担体との間の排気通路３０ａの通路径を下流に行くにしたがって徐々に拡大させることで、整流器３２２から排出された排気を拡散させて、排気温度の均一化を図ることができる。

床下触媒３４は、車両の床下に設けられる。床下触媒３４は、マニホールド触媒３３と同様の構造をしており、マニホールド触媒３３と同様に排気中の炭化水素や窒素酸化物、一酸化炭素などの有害物質を、三元触媒によって無害な物質に転換して排出する。床下触媒３４から排出された排気は、排気騒音を低減させるマフラ（図示せず）を介して外気に排出される。

次に、本実施形態によるエンジン１の排気装置３の作用及び効果について説明する。

まず、本実施形態のように、排気マニホールド３１とマニホールド触媒３３との間に冷却整流器３２を設けなかった場合の問題点について説明する。

排気マニホールド３１に近接させてマニホールド触媒３３を設けたほうが、高温の排気をマニホールド触媒３３に導入することができるので、三元触媒の活性時間を短縮させるのには有利である。

しかしながら、シリンダ１１０から排気が排出されるタイミングは、シリンダごとに異なる。また、シリンダ１１０から排出されて排気マニホールド３１の集合部に流入する排気の流れ方向もそれぞれ異なる。そのため、排気マニホールド３１からは、各シリンダ１１０から排出されて複雑に混ざり合った排気が排出されることになる。その結果、排気マニホールド３１からは、流れ方向が様々な方向に偏った排気が排出されることになる。

したがって、排気マニホールド３１に近接させてマニホールド触媒３３を設けると、マニホールド触媒３３に排気が均一に流入せず、マニホールド触媒３３の一部に排気が偏って流入してしまうという問題点があった。

マニホールド触媒３３の一部に排気が偏って流入してしまうと、マニホールド触媒３３内の三元触媒の活性度合いに偏りが生じ、マニホールド触媒３３内の三元触媒が全体的に活性せず、部分的な活性に留まって所望の浄化性能を得ることができなくなる。また、マニホールド触媒３３の一部に排気が偏って流入してしまうと、排気温度が特に高温となる運転条件（例えばエンジン高負荷時）のときに、マニホールド触媒３３内が部分的に高温となって担体に熱歪みが生じ、マニホールド触媒３３の劣化や故障が促進される。

そのため、マニホールド触媒３３をあまり排気マニホールド３１に近接させることができなかった。なお、例えばマニホールド触媒３３内の三元触媒の活性度合いに偏りが生じたとしても所望の浄化性能が得られるように、三元触媒の担持量を増やすと、その分コストが増加してしまう。担体の強度を増やして熱歪みに対応しようとすると、重量が増加してしまうと共に、その分マニホールド触媒３３の熱容量が増加して三元触媒の活性時間が長くなってしまうし、活性時間が長くなる分、さらに三元触媒の担持量を増やす必要もある。

そこで本実施形態では、排気マニホールド３１とマニホールド触媒３３との間に冷却整流器３２を設けたのである。

本実施形態のように排気マニホールド３１とマニホールド触媒３３との間に冷却整流器３２を設けることで、排気マニホールド３１から排出された排気の流れ方向を、一定の方向に整えることができる。

そのため、マニホールド触媒３３に排気を均一に流入させることができるので、マニホールド触媒３３内の三元触媒の活性度合いに偏りが生じるのを抑制できる。よって、三元触媒を全体的に活性させることできるので、所望の浄化性能を得ることができる。

また、マニホールド触媒３３に排気を均一に流入させることで、前述した浄化性能の低下やマニホールド触媒３３の劣化を抑制することができる。その結果、冷却整流器３２を設けなかった場合と比べて、マニホールド触媒３３を排気マニホールド３１により近い位置に設けることができる。

そのため、冷却整流器３２を設けなかった場合と比べて、エンジン始動時におけるマニホールド触媒３３の三元触媒の活性時間を短くすることができる。よって、マニホールド触媒３３の浄化性能をより一層向上させることができる。

ここで、何も対策をとらずにマニホールド触媒３３を排気マニホールド３１により近い位置に設けると、マニホールド触媒３３内は、エンジン高負荷時にこれまでよりも高温の排気にさらされることになり、マニホールド触媒３３が劣化するおそれがある。これに対して本実施形態では、冷却整流器３２の冷却器３２１によって、エンジン高負荷時にマニホールド触媒３３内に導入する排気の温度をこれまでと同等の温度まで低下させることができるので、マニホールド触媒３３の劣化を抑制することができる。なお、マニホールド触媒３３の三元触媒は、エンジン始動時から数秒程度で活性に至るので、冷却整流器３２の冷却器３２１がエンジン１始動時におけるマニホールド触媒３３の三元触媒の活性時間に与える影響は軽微である。

また、本実施形態によれば、冷却水導入配管３２３を、エンジン高負荷時に排気マニホールド３１内において排気が偏在しやすい側の冷却器３２１のウォータジャケット３２１ａに接続した。そして、冷却水排出配管３２４を、冷却水導入配管３２３の接続位置と対向する側の冷却器３２１のウォータジャケット３２１ａに接続することとした。つまり、エンジン高負荷時において排気マニホールド３１から冷却整流器３２に流入してくる排気の流量が相対的に多くなる部分から冷却することとした。

これにより、冷却整流器３２から排出されてマニホールド触媒３３に導入される排気の温度の均一化を図ることができるので、マニホールド触媒３３内の三元触媒の活性度合いに偏りが生じるのを、より一層抑制することができる。

また、冷却水導入配管３２３及び冷却水排出配管３２４は、それぞれエンジン本体（シリンダブロック１１又はシリンダヘッド１２）に接続されているため、この両配管３２３，３２４に冷却整流器３２を固定支持するステーとしての機能を持たせることができる。

また、本実施形態によれば、整流器３２２のハニカム構造体の表面積をマニホールド触媒３３の担体の表面積よりも小さくして、整流器３２２の熱容量がマニホールド触媒３３の熱容量よりも小さくなるようにした。

マニホールド触媒３３の上流に冷却整流器３２を設けることで、冷却整流器３２の分だけ排気からマニホールド触媒３３の三元触媒が受ける熱量は低減するが、整流器３２２の熱容量をマニホールド触媒３３の熱容量よりも小さくすることで、その影響を最小限に抑え、マニホールド触媒３３の三元触媒の活性時間が長くなるのを抑制することができる。

また、本実施形態によれば、冷却整流器３２とマニホールド触媒３３の担体との間の通路の通路径を下流に行くにしたがって徐々に拡大させることとした。

冷却整流器３２の冷却器３２１は整流器３２２の外周に設けられているので、整流器３２２の直下では、整流器３２２の内径部から排出される排気の温度の方が、外径部から排出される排気の温度よりも高くなる傾向にあり、整流器３２２から排出された排気に温度分布が生じる。冷却整流器３２とマニホールド触媒３３の担体との間の通路の通路径を下流に行くにしたがって徐々に拡大させることで、整流器３２２から排出された排気を拡散させて、排気温度の均一化を図ることができる。

また、本実施形態によれば、マニホールド触媒３３を雰囲気温度が高温となるエンジンルーム内に設けたので、より一層マニホールド触媒３３の三元触媒の活性時間を短縮することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

上記の実施形態では、シリンダブロック１１のウォータジャケット１１４に導入された冷却水の一部が冷却器３２１のウォータジャケット３２１ａに導入されるように冷却水導入配管３２３を構成し、冷却器３２１のウォータジャケット３２１ａに導入された冷却水がシリンダヘッド１２のウォータジャケット１２７に戻されるように冷却水排出配管３２４を構成したが、これに限られるものではない。両配管３２３，３２４は、それぞれの配管長が可能な限り短くなるように、エンジン１を循環する冷却水のうち相対的に低温な冷却水が冷却器３２１のウォータジャケット３２１ａに導入されるように、また、相対的に高温な冷却水が循環しているエンジン１のウォータジャケットに冷却水が戻るように構成されれば良いものである。

また、冷却水導入配管３２３及び冷却水排出配管３２４によって冷却器３２１に冷却水の導入及び排出を行う場合は、排気マニホールド３１の振動によって冷却水導入配管３２３及び冷却水排出配管３２４が劣化することがある。そこで、冷却水導入配管３２３及び冷却水排出配管３２４を設けずに、例えば排気マニホールド３１の内部にシリンダヘッド１２のウォータジャケット１２７と連通するウォータジャケットを設け、この排気マニホールド３１に設けたウォータジャケットと冷却器３２１のウォータジャケット３２１ａとを連通させることで、冷却水が循環するようにしても良い。

また、上記の実施形態では、エンジン１の冷却水の一部を冷却器３２１のウォータジャケット３２１ａに導入していたが、冷却器３２１のウォータジャケット３２１ａに冷却水を循環させる冷却装置を別途に設けても良い。

また、上記の実施形態では、整流器３２２の周囲に冷却器３２１を設けていたが、整流器３２２のハニカム構造体の内部にもウォータジャケットを設け、整流器３２２内にも冷却水が供給されるようにしても良い。

また、上記の実施形態では、火花点火式の内燃機関を例に説明したが、圧縮着火式の内燃機関であっても良い。

１ 火花点火式内燃機関（内燃機関）
１１０ シリンダ
１１４ ウォータジャケット（冷媒循環通路）
１２７ ウォータジャケット（冷媒循環通路）
３ 排気装置
３１ 排気マニホールド
３２ 冷却整流器
３２１ 冷却器
３２１ａ ウォータジャケット（冷媒通路）
３２２ 整流器
３２３ 冷媒導入配管（冷媒導入通路）
３２４ 冷媒排出配管（冷媒排出通路）
３３ マニホールド触媒（触媒）

Claims (8)

1. 内燃機関の排気装置であって、
   前記内燃機関の各シリンダから排出された排気をまとめる排気マニホールドと、
   前記排気マニホールドに近接して設けられ、前記排気マニホールドから排出された排気を冷却しながら整流する冷却整流器と、
   前記冷却整流器に近接して設けられ、前記冷却整流器から排出された排気を浄化する触媒と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気装置。
2. 前記冷却整流器は、
   前記排気マニホールドから排出された排気の流れを一定の方向に整えるハニカム構造の整流器と、
   前記整流器の外周部に設けられ、内部に形成された冷媒通路を流れる冷媒によって前記整流器を通過する排気を冷却する冷却器と、
   を備える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. 前記内燃機関の内部に形成され、前記内燃機関を冷却する冷媒が循環する冷媒循環通路と、
   相対的に低温な冷媒が流れている前記冷媒循環通路と、前記冷却器の冷媒通路と、に連通し、相対的に低温な冷媒の一部を分岐させて前記冷却器の冷媒通路に導入する冷媒導入通路と、
   相対的に高温な冷媒が流れている前記冷媒循環通路と、前記冷却器の冷媒通路と、に連通し、前記冷却器の冷媒通路に導入された冷媒を相対的に高温な冷媒が流れる前記冷媒循環通路に戻す冷媒排出通路と、
   を備える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. 前記冷媒導入通路は、
   前記内燃機関の運転時において、前記整流器に流入する排気の流量がその整流器の他の部分と比べて相対的に多くなる部分の外周に位置する前記冷却器の冷媒通路と連通する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気装置。
5. 前記冷媒導入通路及び前記冷媒排出通路は、前記内燃機関と前記冷却器とに接続される配管である、
   ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の内燃機関の排気装置。
6. 前記冷媒導入通路及び前記冷媒排出通路の一部は、前記排気マニホールドの内部に形成された通路である、
   ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の内燃機関の排気装置。
7. 前記冷却整流器と前記触媒とを接続する通路の通路径は、下流に行くほど大きい、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の内燃機関の排気装置。
8. 前記冷却整流器の熱容量は、前記触媒の熱容量よりも小さい、
   ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１つに記載の内燃機関の排気装置。

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