JP2016156316A - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒を活性温度まで早期に達するようにして、触媒の浄化性能を向上させることを目的とする。
【解決手段】内燃機関に設けられた排気ポート１７から延出されるエキゾーストパイプ２１と、エキゾーストパイプ２１により誘導される排気ガスを浄化する触媒３５と、を有する内燃機関の排気装置２０であって、エキゾーストパイプ２１の一部に沿った状態で、エキゾーストパイプ２１のうち少なくとも前部の外周を覆う包囲パイプ３０を有することを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関の排気装置に関する。特に、排気ガスを浄化する触媒を有する内燃機関の排気装置に用いられて好適である。

内燃機関を備える車両は、内燃機関からの排気ガスを外部に排出するための排気装置を備えている。排気装置は、排気ガスを浄化するための触媒コンバータ（以下、触媒という）を有する。ここで、触媒が浄化作用を発揮するには、活性温度まで達している必要がある。近年、排気ガス規制が厳しくなり、内燃機関の始動から早期に触媒を活性温度に達するようにして触媒の浄化性能を向上させることが求められている。

特許文献１には、エンジンの排気口から上流側触媒に排気ガスを導くための第１のパイプと、上流側触媒と下流側触媒とを連通するための第２のパイプと、下流側触媒から延びる第３のパイプとからなる排気管を備えた排気装置が開示されている。特許文献１の排気装置では、２個の触媒によって排気ガスをエンジン始動直後から浄化させるようにしている。また、特許文献１の排気装置では、第２のパイプに反射波と負圧波とを減衰させるためのレゾネータを取り付けることでエンジン出力向上が図られている。

特開２００８−１５１０９３号公報

しかしながら、特許文献１の排気装置では、２個の触媒によって排気ガスをエンジン始動直後から浄化させるようにしているが、排気管自体からの放熱に対しての対策が行われていない。したがって、特許文献１の排気装置の構成では、排気管から放熱されてしまい、触媒を早期に活性温度まで達する効果が十分ではないという問題がある。

本発明は、上述したような問題点に鑑みてなされたものであり、触媒を活性温度まで早期に達するようにして、触媒の浄化性能を向上させることを目的とする。

本発明の内燃機関の排気装置は、内燃機関に設けられた排気ポートから延出されるエキゾーストパイプと、前記エキゾーストパイプにより誘導される排気ガスを浄化する触媒と、を有する内燃機関の排気装置であって、前記エキゾーストパイプの一部に沿った状態で、前記エキゾーストパイプのうち少なくとも前部の外周を覆う外壁部を有することを特徴とする。

本発明によれば、エキゾーストパイプの保温性を向上させることができるので、排気ガスはエキゾーストパイプ内で冷却されるのが抑制され、高温のまま触媒に到達することができる。したがって、触媒は活性温度まで早期に達することができ、触媒の浄化性能を向上させることができる。

自動二輪車の右側面図である。 エンジンおよび排気装置の一部を示す右側面図である。 エンジンおよび排気装置の一部を示す正面図である。 エンジンおよび排気装置の一部を示す平面図である。 排気装置の一部の構成を示す平面図である。 排気装置の一部の構成を示す右側面である。 図５に示すＩ−Ｉ線の断面図である。

以下、図面に基づき、本発明に係る内燃機関の排気装置の好適な実施形態について説明する。なお、ここでは、内燃機関の排気装置を自動二輪車に適用した場合について説明する。
図１は、自動二輪車１００の右側面図である。先ず、図１を用いて自動二輪車１００の全体構成について説明する。なお、以下の説明において図１を含めた各図で、必要に応じて車体前方を矢印Ｆｒにより、車体後方を矢印Ｒｒによりそれぞれ示し、また、車体右側を矢印Ｒにより、車体左側を矢印Ｌによりそれぞれ示す。

図１の自動二輪車１００は、典型的には所謂オフロード用である。車体前方の上部にはステアリングヘッドパイプ１０１が配置されている。ステアリングヘッドパイプ１０１内には図示しないステアリング軸が回動可能に挿通している。ステアリング軸の上端にはハンドル１０２が結着されており、ステアリング軸にはフロントフォーク１０３が取り付けられている。フロントフォーク１０３の下端には操向輪である前輪１０４が回転可能に軸支されている。

また、ステアリングヘッドパイプ１０１からは左右一対のメインフレーム１０５が、車体後方に向かって斜め下方に傾斜して延出すると共に、ダウンチューブ１０６が略垂直下方に延びている。ダウンチューブ１０６は下部付近でロアフレーム１０７として左右に分岐している。一対のロアフレーム１０７は下方に延びた後に、車体後方に向かって略直角に曲げられている。一対のロアフレーム１０７の後端部は、左右一対のボディフレーム１０８を介してメインフレーム１０５の各後端部に連結されている。

メインフレーム１０５、ダウンチューブ１０６、ロアフレーム１０７およびボディフレーム１０８によって囲まれる空間には、内燃機関としてエンジン１０が搭載されている。エンジン１０の上方には燃料タンク１０９が配設されている。燃料タンク１０９の燃料供給口はキャップ１１０によって栓止されている。燃料タンク１０９の後方にはシート１１１が配設されている。

車体の前後方向略中央の下部に設けられた左右一対のボディフレーム１０８には、リヤスイングアーム１１２の前端部がピボット軸１１３によって上下に揺動可能に支持されている。リヤスイングアーム１１２の後端部には駆動輪である後輪１１４が回転可能に軸支されている。リヤスイングアーム１１２は、リンク機構１１５とこれに連結されたショックアブソーバ１１６を介して車体に懸架されている。

なお、燃料タンク１０９内には図示しない燃料ポンプユニットが配置されている。燃料ポンプユニットはエンジン１０に燃料を供給する。一方、ショックアブソーバ１１６の上方にはエアクリーナボックス１１７が配置されている。エアクリーナボックス１１７とエンジン１０の間は図示しないインテークパイプを介して連結される。なお、インテークパイプはエンジン１０の後述するシリンダヘッド１４に設けられた吸気ポート１６に接続され、インテークパイプの途中に図示しないスロットルボディが配設される。スロットルボディは燃料インジェクタを有し、燃料インジェクタに対して燃料ポンプユニットから所定タイミングで所定量の燃料が供給される。

エンジン１０の後述するシリンダヘッド１４に設けられた排気ポート１７には排気装置２０が接続されている。排気装置２０は、エンジン１０で燃焼された排気ガスを外部に排出する。排気装置２０は、エキゾーストパイプ２１、マフラ３４、触媒３５、外壁部としての包囲パイプ３０を備えている。エキゾーストパイプ２１は、エンジン１０の排気ポート１７からの排気ガスをマフラ３４に誘導する。マフラ３４は、内部に図示しない複数の膨張室が形成され、排気音を低減させることができる。触媒３５は、マフラ３４内に配置され、排気ガスを浄化する。エキゾーストパイプ２１および包囲パイプ３０の構成については後述する。

次に、エンジン１０の構成について説明する。本実施形態のエンジン１０は、水冷式の４サイクル単気筒エンジンを用いている。図２〜図４は、エンジン１０および排気装置２０の一部を示す右側面図、正面図、平面図である。
エンジン１０は、クランクシャフト１２を回転可能に軸支して収容するクランクケース１１と、図示しないピストンを上下動可能に収容するシリンダブロック１３と、動弁装置を収容するシリンダヘッド１４と、シリンダヘッド１４に蓋着するシリンダヘッドカバー１５とが上下に沿って連接されている。シリンダブロック１３のシリンダ軸Ｃｙは垂直方向に対してやや前傾（傾斜角度略１５°）している。また、シリンダブロック１３のシリンダ軸Ｃｙはクランクシャフト１２のクランク軸Ｃｒに対して直交している。

シリンダヘッド１４は、後面に吸気ポート１６が設けられ、前面に排気ポート１７が設けられている。吸気ポート１６は、車体後方であって僅かに上方に向かって開口する。排気ポート１７は、車体前方であって、僅かに下方かつやや右側に向かって開口する。排気ポート１７にはエキゾーストパイプ２１が接続される。

次に、排気装置２０の構成について説明する。
図５は、排気装置２０の一部の構成を示す平面図である。図５では、包囲パイプ３０を水平方向に切断した状態を示している。図６は、排気装置２０の一部の構成を示す右側面図である。図６では、包囲パイプ３０を二点鎖線で示している。図７は、図５に示すＩ−Ｉ線の断面図である。
本実施形態では、エキゾーストパイプ２１および包囲パイプ３０を用いて、触媒３５を活性温度まで早期に達するように構成する。以下、具体的にエキゾーストパイプ２１および包囲パイプ３０の構成について説明する。

まず、エキゾーストパイプ２１について説明する。エキゾーストパイプ２１は、排気ポート１７から車体前方に向かって延出した後に湾曲して、車体後方に向かって延出して形成される。ここで、エキゾーストパイプ２１は一体的に形成されているが、説明を容易にするために、図５および図６に示すようにエキゾーストパイプ２１を前部２２、中間部２３、後部２４に分けて説明する。

前部２２は、エキゾーストパイプ２１の前端を通り車体左右方向に平行な鉛直面Ｆ１から、排気ポート１７に接続される接続部２６の後端を通る車体左右方向に平行な鉛直面Ｆ２までの範囲をいうものとする。
中間部２３は、鉛直面Ｆ２から、エキゾーストパイプ２１が車体後方に向かって直線状に真直ぐな延出を開始する部位を通る車体左右方向に平行な鉛直面Ｆ３までの範囲をいうものとする。
後部２４は、鉛直面Ｆ３から、マフラ３４に接続されるエキゾーストパイプ２１の後端までの範囲をいうものとする。

前部２２は、全体として湾曲した曲部２５を構成する。曲部２５の端部には、ボルトを用いて排気ポート１７に接続するための接続部２６が設けられる。図５に示すように平面視で見て、曲部２５は略一定の曲率半径を維持した状態で、エンジン１０の右側に回り込むように湾曲する。また、図６に示すように側面視で見て、曲部２５は徐々に下方に偏倚するように中間部２３に向かって延出する。なお、排気ポート１７はやや右側に向かって開口している分だけ曲部２５の長さを短縮することができる。
曲部２５には、バイパスパイプ２７が溶接によって結合される。バイパスパイプ２７は、曲部２５の車体外側の位置に結合され、その軸線（図７に示す一点鎖線Ｌａ）が曲部２５の曲率半径の中心から略径方向、すなわち車体外側であって、やや上側に向かって指向している。バイパスパイプ２７は、エキゾーストパイプ２１内の空間２８と、包囲パイプ３０内の後述する空間３２とを連通させる。

中間部２３は、車体左右方向および車体上下方向にやや曲がりながら、エンジン１０のシリンダブロック１３およびシリンダヘッド１４の側方を経由して、車体後方に向かって形成される。具体的には、図５に示すように平面視で見て、中間部２３は徐々に車体内側、すなわち車体左側に移行しながら後部２４に向かって延出する。また、図６に示すように側面視で見て、中間部２３は徐々に上方に移行してから再び徐々に下方に移行しながら後部２４に向かって延出する。中間部２３のうち最も上方に位置する高さは、曲部２５が最も上方に位置する高さと略一致する。
後部２４は、車体後方に向かって直線状に、ある程度の長さで延出した後に、マフラ３４に向かって形成される。

次に、包囲パイプ３０について説明する。包囲パイプ３０は、エキゾーストパイプ２１の一部に沿った状態で、エキゾーストパイプ２１のうち少なくとも前部２２の外周を覆う。具体的には、包囲パイプ３０は、エキゾーストパイプ２１の前部２２から、中間部２３のうち最も上方に位置する部位までを連続して一体的に覆う。したがって、包囲パイプ３０により覆われたエキゾーストパイプ２１の一部は、包囲パイプ３０内に配置される。一方、包囲パイプ３０により覆われていないエキゾーストパイプ２１の一部は、外部に露出される。ここで、エキゾーストパイプ２１のうち外部に露出された部位を露出部２９というものとする。図４に示すように、露出部２９は車体幅方向において包囲パイプ３０の車体外側の表面（図４に示す二点鎖線Ｌｔ）よりも車体内側に配置されている。
なお、包囲パイプ３０は、上下に分割され、エキゾーストパイプ２１を上下から挟むようにして境界部３１で溶接することで構成される。また、包囲パイプ３０は、一方の端部と他端の端部とがエキゾーストパイプ２１に溶接されることで結合される。したがって、包囲パイプ３０内の空間３２はエキゾーストパイプ２１によって閉塞される。なお、エキゾーストパイプ２１および包囲パイプ３０は、容易に溶接できるように同一の材質（例えばステンレス鋼板）であることが好ましい。

包囲パイプ３０は、エキゾーストパイプ２１の前部２２および中間部２３に沿って形成されることから、エキゾーストパイプ２１と同様に、エンジン１０の右側に回り込み、シリンダブロック１３およびシリンダヘッド１４の側方を経由するように形成される。
ここで、包囲パイプ３０は、エキゾーストパイプ２１に比べて車体外側に大きく膨出するように湾曲している。具体的には、図７に示すように、車体外側でのエキゾーストパイプ２１の表面と包囲パイプ３０の表面との間の距離Ｌ１が、車体内側でのエキゾーストパイプ２１の表面と包囲パイプ３０の表面との間の距離Ｌ２よりも大きい。換言すると、エキゾーストパイプ２１は、包囲パイプ３０内の空間３２において車体内側に偏って配置されている。

また、包囲パイプ３０は、一方の端部から他方の端部までにおいて上面の高さが略変化しないが、下面の高さがエキゾーストパイプ２１の下方への偏倚に合わせて下方にやや膨出している。換言すると、エキゾーストパイプ２１は、包囲パイプ３０内の空間３２において下側に偏って配置されている。

ここで、包囲パイプ３０内の空間３２は、エキゾーストパイプ２１内の空間２８との間で上述したバイパスパイプ２７によって連通されている。したがって、エキゾーストパイプ２１に誘導される排気ガスが包囲パイプ３０内に進入するために、包囲パイプ３０をレゾネータとして機能させることができる。ここで、バイパスパイプ２７はパイプ径やパイプ長さ（図７に示す長さＬｐ）を変化させることでレゾネータの効果を調整することができる。ここで、バイパスパイプ２７の軸線Ｌａは、包囲パイプ３０までの距離が長く確保された車体外側に向かって指向しているために、バイパスパイプ２７のパイプ長さＬｐを容易に調整することができる。したがって、エンジン１０や車体の特性に応じて包囲パイプ３０の形状を変更する必要がないために、部品の共通化および開発工程の低減を図ることができる。

上述したように構成される排気装置２０では、エンジン１０で燃焼された排気ガスは排気ポート１７からエキゾーストパイプ２１を通って触媒３５により浄化されると共に、マフラ３４で排気音が低減されて外部に排出される。
このとき、包囲パイプ３０がエキゾーストパイプ２１の外周を覆っていることで、包囲パイプ３０の空間３２内の空気によってエキゾーストパイプ２１の保温性を向上させることができる。したがって、エンジン１０から排気された排気ガスは、エキゾーストパイプ２１内で冷却されるのが抑制され、高温のまま触媒３５に到達する。そのため、触媒３５はエンジン１０の始動時から浄化作用を発揮できる活性温度まで早期に達することができ、触媒３５の浄化性能を向上させることができる。
また、包囲パイプ３０がエキゾーストパイプ２１の少なくとも前部２２を覆うことから、車体前方からの走行風によりエキゾーストパイプ２１が過冷却されるのを防止でき、より排気ガスを高温のまま触媒３５に到達させることができる。

また、エキゾーストパイプ２１の曲部２５は、車体前方から見て投影面積が大きく走行風が当たり易いために、最も冷却され易い位置である。本実施形態では、包囲パイプ３０がエキゾーストパイプ２１の曲部２５を覆うことで、車体前方からの走行風によりエキゾーストパイプ２１が過冷却されるのを防止でき、より排気ガスを高温のまま触媒３５に到達させることができる。

また、エキゾーストパイプ２１は包囲パイプ３０内の空間３２において車体内側に偏って配置されている。したがって、走行風により冷却され易い包囲パイプ３０の車体外側の表面とエキゾーストパイプ２１との間の距離を大きくすることができる。そのため、エキゾーストパイプ２１は包囲パイプ３０との間の熱伝導を抑制させることができ、より排気ガスを高温のまま触媒３５に到達させることができる。

また、エキゾーストパイプ２１のうち包囲パイプ３０から露出する露出部２９は、車体幅方向において包囲パイプ３０の車体外側の表面よりも車体内側に配置されている。したがって、車体前方から見たときに、露出部２９は包囲パイプ３０によって隠れた位置に配置されることから、走行風が露出部２９に当たり難くなる。したがって、車体前方からの走行風によりエキゾーストパイプ２１の露出部２９が冷却されるのを抑制することができる。

また、包囲パイプ３０は、エンジン１０のシリンダブロック１３またはシリンダヘッド１４の側方まで延出している。したがって、エキゾーストパイプ２１の露出部２９の長さを短くすることができ、エキゾーストパイプ２１からの放熱を抑制させることができる。
また、エキゾーストパイプ２１は、エキゾーストパイプ２１内の空間２８と、包囲パイプ３０内の空間３２とを連通させるバイパスパイプ２７を有することから、包囲パイプ３０をレゾネータとして機能させることができる。包囲パイプ３０をレゾネータとして機能させることで、エキゾーストパイプ２１の長さが短くても十分な出力を得ることができるために、触媒の早期適温化に加えて、出力特性改善および排気装置２０の小型化を図ることができる。ここでの出力特性改善とは、エンジン回転数の低回転域における出力が低下しないようになることをいう。また、包囲パイプ３０をレゾネータとして機能させることで、レゾネータを固定するためのブラケットが必要なく、振動による脱落等の虞もない。

以上、本発明を上述した実施形態を用いて説明したが、本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更などが可能である。
上述した実施形態では、内燃機関の排気装置２０を自動二輪車１００に適用する場合について説明したが、この場合に限られず、自動三輪車や四輪車に適用してもよい。
上述した実施形態では、エンジン１０に水冷式の単気筒エンジンを適用する場合について説明したが、この場合に限られず、複数気筒エンジンを適用してもよい。この場合には各排気ポートに接続される各エキゾーストパイプはそれぞれ包囲パイプによって覆われることが好ましい。

上述した実施形態では、エキゾーストパイプ２１が排気ポート１７から車体前方に向かって延出した後に湾曲して、エンジン１０の側方を経由して車体後方に向かって延出するものについて説明したが、この場合に限られない。例えば、エキゾーストパイプは排気ポート１７から車体前方に向かって延出した後に湾曲して、エンジン１０の下方を経由して車体後方に向かって延出するものであってもよい。この場合にはエキゾーストパイプの外周を覆う包囲パイプを下方に向かって膨出させることで、車体前方からの走行風によるエキゾーストパイプの過冷却を防止することができる。

上述した実施形態では、シリンダヘッド１４に吸気ポート１６および排気ポート１７が設けられている場合について説明したが、この場合に限られず、シリンダブロック１３に吸気ポート１６および排気ポート１７が設けられていてもよい。

１０：エンジン １１：クランクケース １３：シリンダブロック １４：シリンダヘッド １５：シリンダヘッドカバー ２１：エキゾーストパイプ ２２：前部 ２３：中間部 ２４：後部 ２５：曲部 ２６：接続部 ２７：パイバスパイプ ２８：空間 ２９：露出部 ３０：包囲パイプ（外壁部） ３１：溶接部 ３２：空間 ３４：マフラ ３５：触媒 １００：自動二輪車

Claims (6)

1. 内燃機関に設けられた排気ポートから延出されるエキゾーストパイプと、
   前記エキゾーストパイプにより誘導される排気ガスを浄化する触媒と、を有する内燃機関の排気装置であって、
   前記エキゾーストパイプの一部に沿った状態で、前記エキゾーストパイプのうち少なくとも前部の外周を覆う外壁部を有することを特徴とする内燃機関の排気装置。
2. 前記エキゾーストパイプは、前記排気ポートから車体前方に向かって延出した後に、曲部を経て、車体後方に向かって延出して形成され、
   前記外壁部は、前記曲部を覆う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. 前記エキゾーストパイプは、前記外壁部内の空間において車体内側に偏って配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気装置。
4. 前記エキゾーストパイプのうち前記外壁部の後端から露出する露出部は、車体幅方向において前記外壁部の車体外側の表面よりも、車体内側に配置されることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の内燃機関の排気装置。
5. 前記外壁部は、前記内燃機関のシリンダブロックまたはシリンダヘッドの側方まで延出していることを特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載の内燃機関の排気装置。
6. 前記エキゾーストパイプは、該エキゾーストパイプ内の空間と、前記外壁部内の空間とを連通させるバイパスパイプを有することを特徴とする請求項１ないし５の何れか１項に記載の内燃機関の排気装置。

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