JP2016075264A - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気マニホルド５の排気管レイアウトに起因した管長差による集合排気管８と個別排気管６，７との排気温度の差を小さくする。【解決手段】直列４気筒内燃機関において、♯２気筒および♯３気筒の排気ポートは、シリンダヘッド内部で互いに合流し、一つの集合排気ポートとして開口する。♯１，♯４気筒は、個々の個別排気ポートとして開口する。排気マニホルド５は、♯１，♯４気筒の個別排気管６，７と、♯２，♯３気筒の集合排気管８と、を備えており、これら３本の排気管の先端が触媒コンバータ１１に接続される。相対的に短い集合排気管８は、偏平にすることで放熱面となる表面積が大きくなっている。【選択図】図３

Description

この発明は多気筒内燃機関の排気装置に関し、特に、複数の気筒の排気が流れる集合排気管と、個々の気筒の排気が独立して流れる個別排気管と、を単一の触媒コンバータに接続してなる内燃機関の排気装置に関する。

例えば特許文献１には、直列４気筒内燃機関において、点火順序が連続しない♯２気筒と♯３気筒の排気ポートをシリンダヘッド内部で合流させる一方、♯１気筒と♯４気筒の排気ポートはそのままシリンダヘッド側面に開口させた構成の排気装置が開示されている。つまり、♯２，♯３気筒の排気ポートは一つの集合排気ポートとして構成され、♯１気筒の排気ポートと♯４気筒の排気ポートは、個々の気筒毎に独立した個別排気ポートとして構成されている。そして、♯２，♯３気筒用の集合排気ポートは、一つの集合排気管を介して触媒コンバータに接続されており、♯１気筒および♯４気筒の個別排気ポートは、各々独立した個別排気管を介して触媒コンバータに接続されている。

このように一部の気筒の排気ポートをシリンダヘッド内部で合流させた構成では、冷間始動時に、集合排気管を介して触媒コンバータに導入される排気の温度が高く得られるため、始動後の触媒の早期活性の上で有利となる。さらに特許文献１では、♯２，♯３気筒用の集合排気管の管長を♯１，♯４気筒用の個別排気管の管長よりも短くすることで、集合排気管からの放熱の抑制を図っている。

特開２００８−３８８３８号公報

上記のように一部の気筒の排気ポートをシリンダヘッド内部で合流させた構成では、冷間始動後の触媒の早期活性の点で有利であるが、その反面、暖機後の高負荷運転時などに、集合排気ポートおよび集合排気管を通して触媒コンバータへ流入する排気の温度と、個別排気ポートおよび個別排気管を通して流入する排気の温度と、が異なるものとなり、例えばモノリス触媒担体として構成される触媒担体に熱歪みが生じる、等の不具合がある。特に、特許文献１のように♯２，♯３気筒の集合排気管を♯１，♯４気筒の個別排気管の下側に配置すると、集合排気管の管長が個別排気管の管長に比較して短くなり、逆に、♯２，♯３気筒の集合排気管を♯１，♯４気筒の個別排気管の上側に配置すると、集合排気管の管長が個別排気管の管長に比較して長くなる。いずれにしても、集合排気管の管長は個別排気管の管長に比較して、長いか短いかのいずれかとなり、両者の等長化は、レイアウト上、困難である。

暖機完了後の高負荷運転時の排気に対する冷却は、排気管の表面積（つまり外気に対する放熱面積）に大きく依存するので、上記のように管長が異なると、触媒コンバータへ流入する排気の温度が不均一となる一つの要因となる。

本発明は、点火順序が連続しない２つの気筒の排気ポートをシリンダヘッド内部で合流させてなる集合排気ポートと、個々の気筒毎に独立した個別排気ポートと、がシリンダヘッド側面にそれぞれ開口するとともに、
上記集合排気ポートに接続された集合排気管と、上記個別排気ポートに接続された個別排気管と、が互いに異なる管長でもって単一の触媒コンバータに接続されてなる内燃機関の排気装置において、
上記集合排気管の通路断面形状が楕円形ないし長円形をなし、その等価直径が、合流前の２つの気筒の排気ポートの等価直径よりも大きく設定されているとともに、
上記集合排気管の管長と上記個別排気管の管長との長短の関係に応じて、上記集合排気管の偏平度合いもしくは集合排気管の板厚が設定されている。

具体的な一つの態様では、上記集合排気管の管長が上記個別排気管の管長よりも長い場合には、上記集合排気管の通路断面における短径が、合流前の各気筒の排気ポートの等価直径よりも大きいものとなっている。、
あるいは、上記集合排気管の管長が上記個別排気管の管長よりも短い場合には、上記集合排気管の通路断面における短径が、合流前の各気筒の排気ポートの等価直径よりも小さいものとなっている。

前者のように短径が合流前の排気ポートの等価直径よりも大きいものでは、集合排気管の偏平度合いは小さく、比較的に真円に近い形状となる。このような集合排気管の断面形状では、等価直径に対する表面積が相対的に小さい。従って、集合排気管の管長が個別排気管よりも長くても、集合排気管の表面積が過度に大きくならず、集合排気管を通る排気の過冷却が抑制される。これにより、暖機完了後の高負荷時等に、集合排気管から触媒コンバータへ流入する排気の温度と個別排気管から触媒コンバータへ流入する排気の温度との温度差が小さくなる。

逆に、後者のように短径が合流前の排気ポートの等価直径よりも小さいものでは、集合排気管の偏平度合いが高くなり、比較的に細長い断面形状となる。このような集合排気管の断面形状では、等価直径に対する表面積が相対的に大きく得られる。従って、集合排気管の管長が個別排気管よりも短くても、集合排気管の表面積を大きく確保でき、集合排気管を通る排気からの放熱量が大となる。これにより、暖機完了後の高負荷時等に、集合排気管から触媒コンバータへ流入する排気の温度と個別排気管から触媒コンバータへ流入する排気の温度との温度差が小さくなる。

また、他の具体的な一つの態様では、上記集合排気管の管長が上記個別排気管の管長よりも長い場合には、上記集合排気管の板厚が、上記個別排気管の板厚よりも厚いものとなっている。

あるいは、上記集合排気管の管長が上記個別排気管の管長よりも短い場合には、上記集合排気管の板厚が、上記個別排気管の板厚よりも薄いものとなっている。

集合排気管の板厚が厚いと、集合排気管内部を流れる排気からの放熱量は小さくなり、逆に、板厚が薄いと、集合排気管内部を流れる排気からの放熱量は大きくなる。

従って、集合排気管の管長の長短による影響が少なくとも部分的に相殺され、暖機完了後の高負荷時等に、集合排気管から触媒コンバータへ流入する排気の温度と個別排気管から触媒コンバータへ流入する排気の温度との温度差が小さくなる。

この発明によれば、集合排気管と個別排気管のレイアウト上生じ得る管長の差異に対し、集合排気管の偏平度合いもしくは板厚の適宜な設定により、集合排気管の管長の長短による影響を少なくとも部分的に相殺することができ、暖機完了後の高負荷時等に、集合排気管から触媒コンバータへ流入する排気の温度と個別排気管から触媒コンバータへ流入する排気の温度との温度差をより小さくすることができる。

この発明に係る排気装置を備えたシリンダヘッドの断面図。 このシリンダヘッドの排気ポート側の側面図。 シリンダヘッドに取り付けられる排気マニホルドの第１実施例の斜視図。 冷機時における排気通路の等価直径と放熱量との関係を示した特性図。 排気管の等価直径ならびに偏平化と放熱面積との関係を示した特性図。 シリンダヘッドに取り付けられる排気マニホルドの第２実施例の斜視図。 排気マニホルドの第３実施例の斜視図。 図７のＡ−Ａ線に沿った断面図。 排気マニホルドの第４実施例の斜視図。 図９のＢ−Ｂ線に沿った断面図。

図１〜図３は、この発明を直列４気筒内燃機関に適用した一実施例を示している。シリンダヘッド１においては、図１に示すように、♯１〜♯４気筒の排気ポート２ａ〜２ｄが、シリンダヘッド１の一方の側面１ａに向かって延びており、吸気ポート３ａ〜３ｄが他方の側面１ｂに向かって延びている。ここで、♯１気筒および♯４気筒の排気ポート２ａ，２ｄは、個別排気ポートとして気筒毎に独立してシリンダヘッド１の側面１ａに開口しており、♯２気筒および♯３気筒の排気ポート２ｂ，２ｃは、シリンダヘッド１内部で互いに合流し、一つの集合排気ポート２ｂｃとしてシリンダヘッド１の側面１ａに開口している。なお、♯２気筒と♯３気筒は点火時期が３６０°ＣＡ離れており、排気干渉は生じない。上記シリンダヘッド１は、排気ポート２ａ〜２ｄの周囲を囲むようにウォータジャケット４を備えており、冷却水の循環によって強制的に冷却されている。

図２は、シリンダヘッド１の側面１ａを示しており、図示するように、♯１，♯４気筒の個別排気ポート２ａ，２ｄは、それぞれ、ほぼ真円の円形に開口している。これに対し、中央に位置する♯２，♯３気筒の集合排気ポート２ｂｃの出口部は、気筒列方向に長い楕円形ないし長円形に開口している。図示例では、両端の半円部分と中間の直線部分とからなる長円形をなしている。この集合排気ポート２ｂｃの出口部における等価直径は、合流前の♯２気筒および♯３気筒の排気ポート２ｂ，２ｃの等価直径よりも大きい。換言すれば、♯２、♯３気筒の排気ポート２ｂ，２ｃと、♯１、♯４気筒の排気ポート２ａ，２ｄは、基本的に等しい等価直径を有するので、集合排気ポート２ｂｃの出口部における等価直径は、♯１気筒の個別排気ポート２ａおよび♯４気筒の個別排気ポート２ｄの出口部における等価直径よりも大きく設定されている。

また、長円形をなす集合排気ポート２ｂｃの出口部の上下方向に沿った短径は、合流前の♯２気筒および♯３気筒の排気ポート２ｂ，２ｃの等価直径よりも小さい。なお、♯１、♯４気筒の個別排気ポート２ａ，２ｄは、♯２、♯３気筒の排気ポート２ｂ，２ｃと基本的に等しい等価直径を有し、かつほぼ真円形に開口しているので、シリンダヘッド１の側面１ａにおいては、集合排気ポート２ｂｃの出口部は、個別排気ポート２ａ，２ｄの径よりも僅かに小さい短径を有し、かつ気筒列方向に長く延びた長円形をなしている。

図３は、シリンダヘッド１の側面１ａに取り付けられる排気マニホルド５を示している。この排気マニホルド５は、♯１気筒の個別排気ポート２ａに接続される♯１個別排気管６と、♯４気筒の個別排気ポート２ｄに接続される♯４個別排気管７と、中央の集合排気ポート２ｂｃに接続される集合排気管８と、を備えており、これら３本の排気管６，７，８の基端がヘッド取付フランジ９によって支持されている。♯１個別排気管６および♯４個別排気管７は、ほぼ円形の断面形状を有しており、シリンダヘッド１の側面１ａにおける個別排気ポート２ａ，２ｄの出口部と基本的に等しい等価直径を有している。

集合排気管８は、シリンダヘッド１の側面１ａにおける出口部開口形状に対応して、気筒列方向に延びた細長い長円形の断面形状を有しており、上記出口部と基本的に等しい等価直径ならびに偏平率を有している。つまり、集合排気管８の断面形状は、合流前の♯２気筒および♯３気筒の排気ポート２ｂ，２ｃの等価直径よりも大きい等価直径を有する長円形をなし、かつ個別排気管６，７の等価直径よりも小さな短径を有する。

♯１個別排気管６、♯４個別排気管７および集合排気管８の先端は、単一の触媒コンバータ１１の上流側のディフューザ部１１ａにそれぞれ接続されている。触媒コンバータ１１は、円柱状のモノリス触媒担体を円筒形金属製ケース内に収容したものであって、ディフューザ部１１ａは、触媒担体端面との間に径が徐々に拡大する空間を形成するように略円錐形に構成されている。

集合排気管８は、ヘッド取付フランジ９から気筒列方向と直交する方向に沿って直線的に延び、かつ先端部が下方を指向するように湾曲して、ディフューザ部１１ａの上流側端部に接続されている。触媒コンバータ１１との接続部では、集合排気管８は、略半円形の断面形状を有している（図示せず）。

気筒列方向の前後に位置する♯１個別排気管６および♯４個別排気管７は、平面視でほぼ対称をなすように気筒列方向に湾曲して延び、かつ先端部が下方を指向するように湾曲して、ディフューザ部１１ａの上流側端部に接続されている。より詳しくは、♯１個別排気管６および♯４個別排気管７は、触媒コンバータ１１の直近で略Ｙ字形ないし略Ｔ字形に合流しており、合流後の１本となった接続管部１２がディフューザ部１１ａに接続されている。触媒コンバータ１１との接続部では、接続管部１２は、集合排気管８端部と対称な略半円形の断面形状を有している（図示せず）。

図３に示すように、集合排気管８は、排気マニホルド５の内側つまりシリンダヘッド１寄りに配置され、個別排気管６，７は、集合排気管８の上方ないし外側を通過するように配置されている。従って、集合排気管８の管長は、個別排気管６，７の管長よりも短いものとなっている。

上記実施例の構成においては、♯１気筒の排気および♯４気筒の排気が個々に個別排気ポート２ａ，２ｄおよび個別排気管６，７を介して触媒コンバータ１１へ流れるのに対し、♯２気筒の排気および♯３気筒の排気は、共通の集合排気ポート２ｂｃおよび集合排気管８を介して触媒コンバータ１１へ流れる。従って、冷間始動時には、♯２，♯３気筒の排気が比較的高温を保ったまま触媒コンバータ１１に供給され、触媒の早期活性に寄与する。 ここで、上記集合排気ポート２ｂｃおよび集合排気管８は、２つの気筒の排気が同じ通路内を交互に流れることに加えて、合流前の♯２気筒および♯３気筒の排気ポート２ｂ，２ｃの等価直径よりも大きい等価直径を有するので、冷間始動時における排気からの放熱が抑制される。

すなわち、図４は、冷間始動時における排気通路の等価直径と放熱量との関係を示しており、横軸は、排気通路の等価直径を、ある基準となる等価直径Ｄ０（例えば３６ｍｍ）に対する増減の形で示しており、縦軸は、放熱量を、基準等価直径Ｄ０の放熱量に対する増減割合の形で示している。ここで、個々の特性線ａ〜ｆは、短径を２４ｍｍ〜４７ｍｍの範囲で変化させた場合の特性を示しており、偏平率によらない全体的な傾向は、各特性線ａ〜ｆ上の真円のときの点を結んだ曲線ｇでもって示されている。この図４に示すように、冷間始動後（例えばアイドル放置）の状態、つまり排気通路内壁面の温度が低く、その中を比較的少量の排気が流れるときには、排気通路の等価直径が大きいと、低温の排気通路内壁面にあまり接触せずに排気通路中心付近を少量の排気が流れることとなるので、等価直径が大きいほど放熱量が少なくなる。上記実施例では、集合排気ポート２ｂｃの等価直径が個々の排気ポート２ｂ，２ｃの等価直径よりも大きく設定されており、その中を各気筒の排気が間欠流として交互に流れるので、冷間始動後の排気ガスの冷却が抑制され、触媒の早期活性が図れる。

一方、暖機完了後の高速高負荷運転時においては、大量の排気ガスが通路内壁面に接した形で流れ、かつ通路内壁面と排気ガスとの温度差が小さくなっていることから、放熱面となる排気管外表面の表面積の大小が放熱性に大きく影響する。

ここで、図３に示す排気マニホルド５の排気管レイアウトでは、集合排気管８の方が個別排気管６，７よりも管長が短くなり、そのままでは、集合排気管８の方の冷却性が個別排気管６，７に比較して相対的に低くなる可能性がある。そのため、上記実施例では、集合排気管８の長円形の短径が、合流前の２つの気筒の排気ポート２ｂ，２ｃの等価直径よりも小さくなるようにして、偏平度合いの強い偏平形状としてある。

図５は、内燃機関の暖機完了後の高速高負荷運転時における排気管の等価直径と放熱量（通路表面積）との関係を示しており、横軸は、排気管の等価直径を、ある基準となる等価直径Ｄ０（例えば３６ｍｍ）に対する増減の形で示しており、縦軸は、放熱量を、通路表面積に比例するものとして真円時の放熱量（通路表面積）に対する増減の形で示している。ここで、個々の特性線ａ〜ｆは、短径を２４ｍｍ〜４７ｍｍの範囲で変化させた場合の特性を示しており、図示するように、基本的に、偏平率によらず、等価直径が大きいほど通路表面積が大となるので、放熱量が大となる。これは、上述したように、暖機完了後の高速高負荷運転では、通路内壁面温度と排気温度との差が小さく、かつ大量の排気ガスが通路内壁面に接した形で流れるので、放熱量は、放熱面となる排気管表面の表面積の大小に依存するためである。そして、各特性線ａ〜ｆを比較すれば明らかなように、同じ等価直径であれば、偏平率が高いほど放熱量（通路表面積）が大となる。従って、上記実施例の集合排気管８のように等価直径を大きくしつつ偏平率を高くすることで、外気によって効果的な冷却が図れ、単位長さ当たりの放熱量が大となる。そのため、高速高負荷運転時において、集合排気管８の管長が個別排気管６，７よりも短いことによる影響が少なくとも部分的に相殺され、集合排気管８から触媒コンバータ１１へ流入する排気の温度と個別排気管６，７から触媒コンバータ１１へ流入する排気の温度との温度差が小さくなる。

次に、図６は、排気マニホルド５の第２実施例を示している。この第２実施例は、前述の第１実施例と同じく、♯１気筒の個別排気ポート２ａに接続される♯１個別排気管６と、♯４気筒の個別排気ポート２ｄに接続される♯４個別排気管７と、中央の集合排気ポート２ｂｃに接続される集合排気管８と、を備えており、これら３本の排気管６，７，８の基端がヘッド取付フランジ９によって支持されている。♯１個別排気管６および♯４個別排気管７は、ほぼ円形の断面形状を有しており、集合排気管８は、気筒列方向に延びた細長い長円形の断面形状を有している。

特にこの第２実施例においては、図示するように、個別排気管６，７が、排気マニホルド５の内側つまりシリンダヘッド１寄りに配置されており、集合排気管８は、個別排気管６，７の上方ないし外側を通過するように配置されている。従って、集合排気管８の管長は、個別排気管６，７の管長よりも長いものとなっている。

この第２実施例の排気マニホルド５が取り付けられるシリンダヘッド１の構成は、基本的に図１，図２に示したものと同様であるので、図示は省略するが、集合排気ポート２ｂｃの出口部の偏平度合いが第１実施例のものよりも弱いものとなっている。詳しくは、集合排気ポート２ｂｃは、その等価直径が合流前の２つの気筒の個々の排気ポート２ｂ，２ｃの等価直径よりも大きく設定されており、かつ、長円形をなす出口部の短径は、個々の排気ポート２ｂ，２ｃの等価直径よりも大きく設定されている。集合排気管８の断面形状は、この集合排気ポート２ｂｃの出口部の形状に対応しており、従って、第１実施例に比較して、集合排気管８の偏平度合いは弱い。

このような第２実施例では、図５に基づいて前述したように、集合排気管８の偏平度合いが弱いことから、同じ等価直径に対する放熱量（通路表面積）が小となる。つまり、単位長さ当たりの放熱量が比較的小さくなる。そのため、高速高負荷運転時において、集合排気管８の管長が個別排気管６，７よりも長いことによる影響が少なくとも部分的に相殺され、集合排気管８から触媒コンバータ１１へ流入する排気の温度と個別排気管６，７から触媒コンバータ１１へ流入する排気の温度との温度差が小さくなる。

なお、集合排気管８の断面形状の偏平率として、短径に対する長径の比が１．６近傍であると、冷間始動後の排気温度を最も高く維持することができる。従って、上記の比は、１．６近傍であることが望ましい。

次に、図７，図８は、排気マニホルド５の第３実施例を示している。この第３実施例は、第１実施例と同じく、集合排気管８が、排気マニホルド５の内側つまりシリンダヘッド１寄りに配置され、個別排気管６，７が、集合排気管８の上方ないし外側を通過するように配置されている構成であり、集合排気管８の管長が個別排気管６，７の管長よりも短いものとなっている。

第３実施例は、このような排気管レイアウトの排気マニホルド５において、高速高負荷運転時の放熱量の調節のために、集合排気管８の外壁の板厚と個別排気管６，７の外壁の板厚とを異ならせたものである。具体的には、図８に示すように、相対的に管長が短い集合排気管８の板厚が個別排気管６，７の板厚よりも薄く構成されている。

このように集合排気管８の板厚を薄くすると、内部の排気から外気に熱伝達する際の抵抗が小さくなるため、単位表面積当たりの放熱量が大きくなる。従って、高速高負荷運転時において、集合排気管８の管長が個別排気管６，７よりも短いことによる影響が少なくとも部分的に相殺され、集合排気管８から触媒コンバータ１１へ流入する排気の温度と個別排気管６，７から触媒コンバータ１１へ流入する排気の温度との温度差が小さくなる。

なお、このような板厚の設定は、第１実施例における偏平度合いの設定と組み合わせて適用することも可能である。

次に、図９，図１０は、排気マニホルド５の第４実施例を示している。この第４実施例は、第２実施例と同じく、集合排気管８が、個別排気管６，７の上方ないし外側を通過するように配置されている構成であり、集合排気管８の管長が個別排気管６，７の管長よりも長いものとなっている。

第４実施例は、このような排気管レイアウトの排気マニホルド５において、高速高負荷運転時の放熱量の調節のために、集合排気管８の外壁の板厚と個別排気管６，７の外壁の板厚とを異ならせたものである。具体的には、図１０に示すように、相対的に管長が長い集合排気管８の板厚が個別排気管６，７の板厚よりも厚く構成されている。

このように集合排気管８の板厚を厚くすると、内部の排気から外気に熱伝達する際の抵抗が大きくなるため、単位表面積当たりの放熱量が小さくなる。従って、高速高負荷運転時において、集合排気管８の管長が個別排気管６，７よりも長いことによる影響が少なくとも部分的に相殺され、集合排気管８から触媒コンバータ１１へ流入する排気の温度と個別排気管６，７から触媒コンバータ１１へ流入する排気の温度との温度差が小さくなる。

なお、このような板厚の設定は、第２実施例における偏平度合いの設定と組み合わせて適用することも可能である。

１…シリンダヘッド
２ａ，２ｄ…個別排気ポート
２ｂｃ…集合排気ポート
５…排気マニホルド
６，７…個別排気管
８…集合排気管
１１…触媒コンバータ

Claims (7)

1. 点火順序が連続しない２つの気筒の排気ポートをシリンダヘッド内部で合流させてなる集合排気ポートと、個々の気筒毎に独立した個別排気ポートと、がシリンダヘッド側面にそれぞれ開口するとともに、
   上記集合排気ポートに接続された集合排気管と、上記個別排気ポートに接続された個別排気管と、が互いに異なる管長でもって単一の触媒コンバータに接続されてなる内燃機関の排気装置において、
   上記集合排気管の通路断面形状が楕円形ないし長円形をなし、その等価直径が、合流前の２つの気筒の排気ポートの等価直径よりも大きく設定されているとともに、
   上記集合排気管の管長と上記個別排気管の管長との長短の関係に応じて、上記集合排気管の偏平度合いもしくは集合排気管の板厚が設定されている、内燃機関の排気装置。
2. 上記集合排気管の管長が上記個別排気管の管長よりも長く、
   上記集合排気管の通路断面における短径が、合流前の各気筒の排気ポートの等価直径よりも大きい、
   請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
3. 上記集合排気管の管長が上記個別排気管の管長よりも短く、
   上記集合排気管の通路断面における短径が、合流前の各気筒の排気ポートの等価直径よりも小さい、
   請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
4. 上記集合排気管の管長が上記個別排気管の管長よりも長く、
   上記集合排気管の板厚が、上記個別排気管の板厚よりも厚い、
   請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
5. 上記集合排気管の管長が上記個別排気管の管長よりも短く、
   上記集合排気管の板厚が、上記個別排気管の板厚よりも薄い、
   請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
6. 上記集合排気管の通路断面における上記短径に対する長径の比が、１．６近傍である、請求項２に記載の内燃機関の排気装置。
7. 内燃機関が直列４気筒内燃機関であり、♯２気筒および♯３気筒の排気ポートがシリンダヘッド内部で合流して上記集合排気ポートを構成し、この集合排気ポートに上記集合排気管が接続されている、請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の排気装置。

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