JP3856207B2 - 多気筒内燃機関の排気装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両に搭載された多気筒内燃機関の触媒装置を備える排気装置に関し、詳細には、第１，第２気筒群を有する多気筒内燃機関において、各気筒群の複数の枝管が集合する第１，第２集合管を有する排気マニホルドの直下流に連なる第１，第２触媒装置を備えた排気装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、車両に搭載された多気筒内燃機関において、排気装置に備えられた触媒装置の触媒の活性を早めて機関始動直後から排気ガスの浄化を効果的に行うため、排気マニホルドの集合管の直下流に、速やかに活性温度に達するように熱容量が比較的小さい触媒装置、いわゆる直下型触媒装置が設けられたものがある。例えば、特開２０００−２２７０３８号公報に開示された直列４気筒内燃機関では、第１，第４気筒の排気管の排気ガスが第１合流部で合流し、第２，第３気筒の排気管の排気ガスが第２合流部で合流する。そして、第１合流部の下流側の排気通路に第１前置触媒装置が配置され、第２合流部の下流側の排気通路に第２前置触媒装置が配置される。さらに、第１，第２前置触媒装置から流出した排気ガスは第３合流部で合流し、第３合流部の下流にＮＯＸ吸蔵還元触媒装置が配置される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、車両に搭載される多気筒内燃機関では、常にコンパクト化が求められており、その一環として排気装置を構成する排気マニホルドをコンパクトにすることも求められている。一方、排気装置が直下型触媒装置を備える場合、排気ガスを触媒装置内の触媒に万遍なく接触させて浄化性能を向上させるには、触媒が担持された触媒担体の入口端面における排気ガスの流量分布が均一であることが好ましい。
【０００４】
ところで、前記従来技術では、第２合流部と第２前置触媒装置（直下型触媒装置に相当）との間の排気通路を形成する集合管の通路長は、第１合流部と第１前置触媒装置（直下型触媒装置に相当）との間の排気通路を形成する集合管の通路長よりも長いことから、第２前置触媒装置に流入する排気ガスの流量分布は、第１前置触媒装置に流入する排気ガスのそれよりも均一であると考えられる。しかしながら、排気ガスのより均一な流量分布を得るためには比較的長い通路長を要し、排気マニホルドのコンパクト化の点では改善の余地があった。さらに、第２合流部と第２前置触媒装置との間の前記集合管の通路長が長いことは、該集合管での排気の流通抵抗の増加を伴うため、機関出力の低下要因となっていた。
【０００５】
また、車両に搭載された多気筒内燃機関において、機関本体の真後ろに、排気マニホルドおよび直下型触媒装置が配置される排気装置では、走行風が、機関本体に妨げられて、排気マニホルドや直下型触媒装置に当たり難い。特に、排気管の１／２の周期で排気ガスが流れるうえ、排気成分の反応による触媒装置自体の発熱が加わる合流部下流側の集合管は、熱的に過酷な状態におかれる。このとき、前記従来技術のように、第２合流部と第２前置触媒装置との間の集合管は、第１合流部と第１前置触媒装置との間の集合管よりも長い通路長を有するために、より大きな熱容量を有し、その大きな熱容量のゆえに、第１集合管に比べて、走行風による冷却が十分に行われ難い。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、請求項１および請求項２記載の発明は、排気マニホルドの直下流に配置された触媒装置を備えた排気装置において、排気マニホルドのコンパクト化を可能とし、しかも機関出力の低下を抑制し、さらに触媒装置での排気ガスの流量分布を均一化すること、および触媒装置での排気ガスの流量分布を一層均一化することを目的とし、請求項２記載の発明は、さらに、機関本体の真後ろに配置された排気マニホルドの熱容量の大きい集合管を走行風で効果的に冷却することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
請求項１記載の発明は、第１および第２気筒群を構成する気筒が一列に配列されて、前記第１気筒群に属する複数の前記気筒の間に前記第２気筒群に属する少なくとも１つの前記気筒が配置された機関本体を有する、車両に搭載された多気筒内燃機関の排気装置であって、前記各気筒に連通する枝管、前記第１気筒群の前記各枝管が集合する第１集合管および前記第２気筒群の前記各枝管が集合する第２集合管を有する排気マニホルドと、前記第１および前記第２集合管の直下流にそれぞれ連なる第１および第２触媒装置とを備える多気筒内燃機関の排気装置において、前記第２気筒群の前記各枝管の前記第２集合管内に開口する出口部は、前記第１気筒群の前記各枝管の前記第１集合管内に開口する出口部よりも上方に位置し、前記第２集合管は、前記第１集合管よりも大きな容積を有すると共に、前記第１集合管の最小通路面積よりも大きな最小通路面積を有し、前記第１気筒群の前記各枝管の前記出口部は、前記第１集合管の旋回流形成部で排気ガスが旋回流を形成するように開口し、前記第２気筒群の前記各枝管の前記出口部は、前記第２集合管の旋回流形成部で排気ガスが旋回流を形成するように開口し、前記第２集合管の前記旋回流形成部は、前記第１集合管の前記旋回流形成部よりも長い通路長を有すると共に前記第２気筒群の前記各枝管よりも大きい通路面積を有する多気筒内燃機関の排気装置である。
【０００８】
これにより、第２気筒群の各枝管の出口部は、第１気筒群の各枝管の出口部よりも上方に位置するので、第１気筒群の複数の気筒の間に第２気筒群の少なくとも１つの気筒が配置されるにも拘わらず、第１気筒群の各枝管と第２気筒群の各枝管とを相互に干渉することなく近接させて配置することが可能となる。しかも、第２集合管は、第１集合管よりも大きな容積を有し、かつ第１集合管の最小通路面積よりも大きな最小通路面積を有するので、その通路長が長いにも拘わらず、第２集合管での排気ガスの流通抵抗を小さくすることができる共に第２触媒装置での排気ガスの流量分布が均一化される。
【０００９】
したがって、請求項１記載の発明によれば、次の効果が奏される。すなわち、第２気筒群の各枝管の出口部は、第１気筒群の各枝管の出口部よりも上方に位置することにより、第１気筒群の複数の気筒の間に第２気筒群の少なくとも１つの気筒が配置されるにも拘わらず、第１気筒群の各枝管と第２気筒群の各枝管とを相互に干渉することなく近接させて配置することが可能となるので、枝管の配置をコンパクトにすることが可能となり、ひいては排気マニホルドをコンパクトにすることが可能となる。しかも、第２集合管は、第１集合管よりも大きな容積を有し、かつ第１集合管の最小通路面積よりも大きな最小通路面積を有することにより、その通路長が長いにも拘わらず、第２集合管での排気ガスの流通抵抗を小さくすることができるので、機関出力の低下が抑制され、さらに第２触媒装置での排気ガスの流量分布が均一化されて、触媒による排気ガスの浄化率が向上する。
【００１１】
さらに、第１，第２集合管の旋回流形成部により排気ガスの旋回流が形成されるので、第１，第２集合管の直下流の第１，第２触媒装置に、旋回流となった排気ガスが流入する。また、第２集合管の旋回流形成部は、第１集合管の旋回流形成部よりも通路長が長いにも拘わらず、第２気筒群の各枝管の通路面積よりも大きな通路面積を有するので、第２集合管での排気ガスの旋回流の形成が容易になると共に、該各枝管からの排気ガスが広がって流れ、しかも第１集合管よりも大きな最小通路面積を有することにより、第２触媒装置までその旋回流が維持される。
【００１２】
この結果、次の効果が奏される。すなわち、第１気筒群の各枝管の開口部は、第１集合管の旋回流形成部で排気ガスが旋回流を形成するように開口し、第２気筒群の各枝管の開口部は、第２集合管の旋回流形成部で排気ガスが旋回流を形成するように開口することにより、それら旋回流形成部で旋回流となった排気ガスが第１，第２集合管の直下流の第１，第２触媒装置に流入するので、第１，第２触媒装置での排気ガスの流量分布が一層均一化されて、触媒による排気ガスの浄化率が向上する。さらに、第２集合管の旋回流形成部は、第１集合管の旋回流形成部よりも長い通路長を有すると共に第２気筒群の各枝管よりも大きい通路面積を有することにより、第２集合管での排気ガスの旋回流の形成が容易になると共に該各枝管からの排気ガスが広がって流れ、しかも旋回流形成部が旋回流形成部よりも長い通路長を有するにも拘わらず第１集合管よりも大きな最小通路面積を有することで第２触媒装置までその旋回流が維持されるので、第２触媒装置での流量分布の均一化が容易になり、しかも旋回流により流量分布の均一化が促進されるため、排気ガスの流量分布を均一化するための通路長を短縮することができ、排気マニホルドがコンパクト化される。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の多気筒内燃機関の排気装置において、前記多気筒内燃機関は、気筒配列方向で前記機関本体の端部から順次並設された第１気筒ないし第４気筒を有する４気筒内燃機関であり、前記第１気筒群は前記第１および前記第４気筒から構成され、前記第２気筒群は前記第２および前記第３気筒から構成され、前記排気マニホルドおよび前記第１および前記第２触媒装置は、前記機関本体の真後ろに配置され、前記第１集合管よりも熱容量が大きい前記第２集合管の上部は、前記第１集合管よりも前記機関本体の最上部寄りに位置するものである。
【００１４】
これにより、機関本体の真後ろに位置するため走行風が当たり難く、特に暖機完了後の機関運転時に熱的に過酷な状態におかれる第１，第２集合管において、第１集合管の旋回流形成部よりも長い通路長を有することにより、第１集合管よりも熱容量が大きい第２集合管の上部が、機関本体の最上部を越えた走行風により冷却され易い位置を占める。
【００１５】
したがって、請求項２記載の発明によれば、引用された請求項記載の発明の効果に加えて、次の効果が奏される。すなわち、直列４気筒内燃機関の機関本体の真後ろに配置された排気マニホルドおよび第１，第２触媒装置において、第２，第３枝管の出口部が開口する第２集合管の上部は、第１集合管よりも機関本体の最上部の近くに位置することにより、機関本体の真後ろに配置されるために走行風が当たり難く、特に暖機完了後の機関運転時に熱的に過酷な状態におかれて、その大きな熱容量のゆえに第１集合管よりも冷却されにくい第２集合管は、機関本体の最上部を越えた走行風により冷却され易い位置を占めるので、第１集合管よりも熱容量が大きいにも拘わらず効果的に冷却されて、その耐久性が向上する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図１〜図４を参照して説明する。
図１〜図３を参照すると、本発明の排気装置が適用される多気筒内燃機関Ｅは、頭上カム軸型の水冷式直列４気筒４サイクル内燃機関であり、該内燃機関Ｅは、そのクランク軸が左右方向を指向する横置き配置とされて乗用車の前部に搭載される。なお、この実施例において、「上下」、「前後」および「左右」は、車両を基準としたときの「上下」、「前後」および「左右」をそれぞれ意味するものとする。
【００２０】
図２を参照すると、内燃機関Ｅの機関本体１は、それぞれピストンが摺動自在に嵌合される４つの気筒２１〜２４を有する。左右方向に一列に配列されたそれら気筒２１〜２４は、機関本体１の右端部から順に第１ないし第４気筒２１〜２４から構成される。そして、機関本体１は、図１に示されるように、各気筒２１〜２４の軸線が上部に向かって後方に傾斜するように、後傾した状態で車両に搭載される。
【００２１】
機関本体１の真ん前には、シリンダヘッドに形成された吸気ポートを介して各気筒２１〜２４に連通する吸気マニホルドを有する吸気装置（図示されず）が配置される。また、機関本体１の真後ろには、前記シリンダヘッドに形成された排気ポートを介して各気筒２１〜２４に連通する排気マニホルド10を有する排気装置が配置される。
【００２２】
図３を併せて参照すると、排気マニホルド10は、機関本体１の後面に排気マニホルド10を固定するための取付けフランジ11と、前記排気ポートを介して第１〜第４気筒２１〜２４にそれぞれ連通する第１〜第４枝管12１〜12４と、第１，第４枝管12１，12４が接続されて集合して第１，第４気筒２１，２４からの排気ガスが流れる第１集合管13１と、第２，第３枝管12２，12３が接続されて集合して第２，第３気筒２２，２３からの排気ガスが流れる第２集合管13２とを有する。そして、点火順序は、第１気筒２１、第３気筒２３、第４気筒２４、第２気筒２２の順とされて、点火時期が連続しない第１，第４気筒２１，２４が第１気筒群を構成し、気筒配列方向Ａ（この実施例では、左右方向でもある。）で第１，第４気筒２１，２４の間に位置する第２，第３気筒２２，２３が第２気筒群を構成する。
【００２３】
さらに、第１，第２集合管13１，13２には、第１，第２集合管13１，13２に流入した排気ガスが当たる位置に、各気筒２１〜２４からの排気ガスの成分、例えば酸素濃度を検出することにより、空燃比に比例した出力を発生するリニア空燃比センサ14が取り付けられる。これら空燃比センサ14の出力は、制御装置に入力されて、該制御装置による各気筒２１〜２４への燃料供給量の制御などによる空燃比の制御に反映される。
【００２４】
そして、第１，第２集合管13１，13２の後述する流出部13１c，13２cの直下流には、同一仕様の第１，第２触媒装置15１，15２がそれぞれ接続されて連なる。第１，第２触媒装置15１，15２は、上下方向でほぼ鉛直方向となる軸線L1，L2を有する円筒状のケース16と、該ケース16に収納されると共に多数のセルを有しケース16と同軸の円柱状の触媒担体17（図４参照）とを備える。
【００２５】
図３に示されるように、ほぼ同じ高さ位置で互いに近接して配置される第１，第２触媒装置15１，15２は、気筒配列方向Ａでの機関本体１の幅内に納まるように、この実施例では第２，第３気筒２２，２３のほぼ真後ろにおいて、気筒配列方向Ａにほぼ沿って、かつ気筒配列方向Ａから見て重なるように配置される。このとき、第１触媒装置15１は、第４気筒２４寄りに、かつ第２触媒装置 15 ２ よりも機関本体１の近くに位置する。
【００２６】
第１，第２触媒装置15１，15２に収納される触媒担体17は、暖機運転時の機関始動直後から高い浄化率が得られるように、排気系で第１，第２触媒装置15１，15２の下流側に配置される後述する主触媒装置に収納される触媒担体に比べて小さい容量を有する。したがって、触媒担体17の熱容量は小さく、各気筒２１〜２４からの排気ガスにより機関始動後に速やかに活性温度に達して、高い浄化率を示す。なお、触媒担体17には、暖機運転時の空燃比が比較的小さい混合気の燃焼により生成される排気ガス中に多く含まれるＨＣ、ＣＯの酸化機能を強化した三元触媒が担持される。
【００２７】
第１，第２触媒装置15１，15２を通った排気ガスは、それら触媒装置15１，15２の下流端部に接続される集合部を有する排気管18により集合される。そして、図示されないが、該排気管18に接続される主触媒装置において、残留しているＨＣ、ＣＯおよびＮＯＸが浄化されて無害化された排気ガスが、前記主触媒装置の下流側に設けられるマフラを通って大気中に放出される。なお、この主触媒装置の触媒担体は、希薄混合気での機関運転時の際に比較的多く生成されるＮＯＸの還元機能を強化した三元触媒とされる。それゆえ、前記排気装置は、排気マニホルド10および第１，第２触媒装置15１，15２、さらに前記主触媒装置および前記マフラを備える。
【００２８】
ところで、第１，第２触媒装置15１，15２の前述の配置により、第１枝管12１の通路長は第４枝管12４のそれよりも長い。そして、第１，第４枝管12１，12４は、それら枝管12１，12４の取付けフランジ11との接続部12１a，12４aとほぼ同じ高さ位置で、第１集合管13１の接続部13１aに接続される。第１集合管13１は、該接続部13１aと、接続部13１aに連なると共に第１集合管13１内に開口する第１，第４枝管12１，12４の出口部12１b，12４b（図４参照）から第１集合管13１に流入した排気ガスが当たるほぼ円筒状の旋回流形成部13１bと、旋回流形成部13１bに連なり下流側ほど徐々に拡大する通路面積を有して第１触媒装置15１が接続される下流端部となるロート状の流出部13１cとを有する。
【００２９】
旋回流形成部13１bおよび流出部13１cは、第１集合管13１と第１触媒装置15１とが接続されたとき、ケース16と同軸となる軸線L3（図１参照）を有する。そして、図４の（Ａ）に示されるように、第１枝管12１から軸線L3に対して偏心した位置を指向して流入した排気ガスの一部は、旋回流形成部13１bの円筒状の管壁に当たって偏向されて、上方から見て時計回りの方向の旋回流Ｓを形成し、同様に図４の（Ｃ）に示されるように、第４枝管12４から軸線L3に対して偏心した位置を指向して流入した排気ガスの一部は、旋回流形成部13１bの円筒状の管壁に当たって偏向されて、上方から見て反時計回りの方向の旋回流Ｓを形成する。ここで、旋回流形成部13１bの通路面積は、図２，図３に示されるように、いずれも等しい通路面積を有する第１〜第４枝管12１〜12４の通路面積にほぼ等しく設定される。
【００３０】
一方、ほぼ等しい通路長を有する第２，第３枝管12１，12２は、取付けフランジ11から第１枝管12１の真上の位置まで屈曲されて延び、第１枝管12１の上方でかつ第１枝管12１に近接した位置で第２集合管13２の接続部13２aに接続される。第２集合管13２は、該接続部13２aと、該接続部13２aに連なると共に第２集合管13２内に開口する第２，第３枝管12２，12３の出口部12２b，12３bから第２集合管13２に流入した排気ガスが当たるほぼ円筒状の旋回流形成部13２bと、旋回流形成部13２bに連なり下流側ほど徐々に拡大する通路面積を有して第２触媒装置15２が接続される下流端部となるロート状の流出部13２cとを有する。
【００３１】
旋回流形成部13２bおよび流出部13２cは、第２集合管13２と第２触媒装置15２とが接続されたとき、ケース16と同軸となる軸線L4（図１参照）を有する。そして、図４の（Ｂ）に示されるように、第２枝管12２から軸線L4に対して偏心した位置を指向して流入した排気ガスの一部は、旋回流形成部13２bの円筒状の管壁に当たって偏向されて、上方から見て時計回りの方向の旋回流Ｓを形成し、同様に図４の（Ｄ）に示されるように、第３枝管12３から軸線L4に対して偏心した位置を指向して流入した排気ガスの一部は、旋回流形成部13２bの円筒状の管壁に当たって偏向されて、上方から見て反時計回りの方向の旋回流Ｓを形成する。
【００３２】
ここで、接続部13２aが第１枝管12１の上方に位置することから、第２集合管13２内に開口する第２，第３枝管12２，12３の出口部12２b，12３bは、第１集合管13１内に開口する第１，第４枝管12１，12４の出口部12１b，12４bよりも上方に位置する。また、それら接続部13１a，13２aは各集合管13１，13２の機関本体１側に位置する。そして、第２集合管13２の最小通路面積は、第１集合管13１の最小通路面積よりも大きくなるように、それら最小通路面積を規定する各集合管13１，13２の旋回流形成部13１b，13２bについては、第２集合管13２の旋回流形成部13２bが、第２，第３枝管12２，12３の通路面積、および第１集合管13１の旋回流形成部13１bの通路面積よりも大きな通路面積を有するように設定される。さらに、図１によく示されるように、第２集合管13２の軸線方向（この実施例では、上下方向でもある。）の長さは、第１集合管13１のそれよりも長くされて、旋回流形成部13２bは、旋回流形成部13１bよりも軸線方向で長い通路長を有する。したがって、第２集合管13２は、第１集合管13１よりも大きな容積および大きな熱容量を有する。
【００３３】
それゆえ、図４に示されるように、第１集合管13１の旋回流形成部13１bにより、第１触媒装置15１の触媒担体17の入口端面17aの直上流において、第１枝管12１からの排気ガスが軸線L1回りに時計回りの方向に旋回し、第４枝管12４からの排気ガスが軸線L1回りに反時計回りの方向に旋回する。また、第２集合管13２の旋回流形成部13２bにより、第２触媒装置15２の触媒担体17の入口端面17aの直上流において、第２枝管12２からの排気ガスが軸線L2回りに時計回りの方向に旋回し、第３枝管12３からの排気ガスが軸線L2回りに反時計回りの方向に旋回する。
【００３４】
さらに、第１，第２集合管13１，13２は、機関本体１の真後ろに位置するものの、第２集合管13２のほうが第１集合管13１よりも上方まで延びて、その上部が、ボンネット20下方のエンジンルーム21に配置された機関本体１の最上部1aの近くに位置する。
【００３５】
そして、車両走行中に、エンジンルーム21内を前方から後方に向かって機関本体１を越えて流れる走行風Ｗにより、第２集合管13２は、第１集合管13１よりも冷却され易い位置にある。それゆえ、第１集合管13１よりも大きな熱容量を有する第２集合管13２は、この走行風Ｗにより、第１集合管13１よりも効果的に冷却される。
【００３６】
さらに、第２触媒装置15２の触媒担体17の入口端面17aにおける排気ガスの流量分布は、第１触媒装置15１の触媒担体17の入口端面17aでの流量分布よりも均一である。その理由は、第１集合管13１では、旋回流形成部13１bの通路長が短いため十分な旋回流Ｓが生成される前に排気ガスが入口端面17aに達するのに対して、第２集合管13２では、旋回流形成部13２bの通路長が長く、しかもその通路面積が大きいため、十分な旋回流Ｓが生成されると共に、入口端面17aの面積により近い通路面積を排気ガスが流れることによると考えられる。このため、第２触媒装置15２では、入口端面17aでの流量分布が第１触媒装置15１のそれよりもより均一であって、排気ガスが触媒担体17に万遍なく当たることから、触媒による反応熱に起因して、第２触媒装置15２は第１触媒装置15１に比べてより高温となる。
【００３７】
また、第２集合管13２は、第１枝管12１の真上から真後ろにかけて湾曲し、さらに下方に向かって延びている。第２，第３枝管12２，12３および第２集合管13２は、それぞれ第１枝管12１の下流側の部分12１cに対して近接して配置される。この近接した位置関係により、第１枝管12１は、第２，第３枝管12２，12３および第２集合管13２からの対流熱伝達および熱放射による熱により保温される位置にある。
【００３８】
次に、前述のように構成された実施例の作用および効果について説明する。
車両に搭載された内燃機関Ｅにおいて、前記第２気筒群に属する第２，第３気筒２２，２３にそれぞれ連通する第２，第３枝管12２，12３の第２集合管13２内での出口部12２b，12３bは、前記第１気筒群に属する第１，第４気筒２１，２４にそれぞれ連通する第１，第４枝管12１，12４の第１集合管13１内での出口部12１b，12４bよりも上方に位置することにより、前記第１気筒群を構成する第１，第４気筒２１，２４の間に前記第２気筒群を構成する第２，第３気筒２２，２３が配置されるにも拘わらず、第１，第４枝管12１，12４と第２，第３枝管12２，12３とを相互に干渉することなく近接させて配置することが可能となるので、各枝管12１〜１２４の配置をコンパクトにすることが可能となり、ひいては排気マニホルド10をコンパクトにすることが可能となる。
【００３９】
第２集合管13２は、第１集合管13１よりも大きな容積を有し、かつ第１集合管13１の最小通路面積よりも大きな最小通路面積を有することにより、その通路長が長いにも拘わらず、第２集合管13２での排気ガスの流通抵抗を小さくすることができるので、機関出力の低下が抑制され、さらに、第２触媒装置15２の触媒担体17の入口端面17aでの排気ガスの流量分布が均一化されて、触媒による排気ガスの浄化率が向上する。
【００４０】
さらに、前記第１気筒群の第１，第４枝管12１，12４の出口部12１b，12４bは、第１集合管13１の旋回流形成部13１bで排気ガスが旋回流Ｓを形成するように第１集合管13１内に開口し、前記第２気筒群の出口部12２b，12３bは、第２集合管13２の旋回流形成部13２bで排気ガスが旋回流Ｓを形成するように第２集合管13２内に開口することにより、それら旋回流形成部13１b，13２bで旋回流Ｓとなった排気ガスが、第１，第２集合管13１，13２の直下流の第１，第２触媒装置15１，15２に流入するので、第１，第２触媒装置15１，15２の触媒担体17の入口端面17aでの排気ガスの流量分布が一層均一化されて、排気ガスが触媒担体17にほぼ万遍なく当たるようになって、触媒による排気ガスの浄化率が向上する。
【００４１】
さらに、第２集合管13２の旋回流形成部13２bは、第１集合管13１の旋回流形成部13１bよりも長い通路長を有すると共に第２，第３枝管12２，12３よりも大きい通路面積を有することにより、第２集合管13２での排気ガスの旋回流Ｓの形成が容易になると共に、第２，第３枝管12２，12３からの排気ガスが広がって流れ、しかも第１集合管13１ よりも大きな最小通路面積を有することにより、旋回流形成部13２bが旋回流形成部13１bよりも長い通路長を有するにも拘わらず第２触媒装置15２までその旋回流Ｓが維持されるので、第２触媒装置15２での流量分布の均一化が容易になり、しかも旋回流Ｓにより流量分布の均一化が促進されるため、排気ガスの流量分布を均一化するための通路長を短縮することができて、排気マニホルド10がコンパクト化される。
【００４２】
機関本体１の真後ろに配置された排気マニホルド10および第１，第２触媒装置15１，15２において、第２，第３枝管12２，12３の出口部12２b，12３bが開口する第２集合管13２の上部は、第１集合管13１よりも機関本体１の最上部1aの近くに位置することにより、第２集合管13２は、機関本体１の最上部1aを越えた走行風Ｗにより冷却され易い位置を占める。その結果、旋回流形成部13２bが、第２，第３枝管12２，12３の通路面積、および第１集合管13１の旋回流形成部13１bの通路面積よりも大きな通路面積を有し、さらに第２集合管13２の軸線方向の長さが第１集合管13１のそれよりも長くされて、旋回流形成部13２bは、旋回流形成部13１bよりも軸線方向で長い通路長を有することから、第１集合管13１よりも大きな容積および大きな熱容量を有する第２集合管13２は、機関本体１の真後ろに配置されるために走行風Ｗが当たり難く、特に暖機完了後の機関運転時に熱的に過酷な状態におかれて、その大きな熱容量のゆえに第１集合管13１よりも冷却されにくいにも拘わらず、効果的に冷却されて、その耐久性が向上する。
【００４３】
さらに、第２触媒装置15２では、入口端面17aでの流量分布が第１触媒装置15１のそれよりもより均一であって、排気ガスが触媒担体17に万遍なく当たることから、触媒による反応熱に起因して、第２触媒装置15２は第１触媒装置15１に比べて高温となものの、第２触媒装置15２からの熱が第２集合管13２を通じて放熱されるため、特に暖機完了後の機関運転時において、第２触媒装置15２の過熱を防止して、その耐久性が向上する。
【００４４】
内燃機関Ｅの第４気筒２４寄りの第１触媒装置15１が接続される第１集合管13１に接続される第１，第４枝管12１，12４のうちより長い通路長を有する第１枝管12１の下流側の部分12１cに対して、第２，第３枝管12２，12３がその部分12１cの真上で近接して位置し、かつ第２集合管13２がその部分12１cの真後ろで近接して位置することにより、特に暖機運転時において、第１枝管12１は、前記第２気筒群の第２，第３枝管12２，12３および第２集合管13２から、熱伝達および熱放射により熱を受けて、保温され、第１枝管12１を流れる排気ガスの温度低下が抑制されるので、流入する排気ガスによる第１触媒装置15１の触媒担体17の温度上昇が促進されて、第１触媒装置15１での排気ガスの浄化率が向上し、そのうえ排気マニホルド10がコンパクト化される。
【００４５】
第１，第２集合管13１，13２の接続部13１a，13２aが、各集合管13１，13２の機関本体１側に配置され、しかも第１触媒装置15１は第２触媒装置15２よりも機関本体１の近くに位置するので、旋回流Ｓを形成するような第１，第２集合管13１，13２との接続のために、一部の枝管を長くすることおよび一部の枝管を大きく屈曲させる必要性が少なくなり、枝管をコンパクトに形成することができ、ひいては排気マニホルド10がコンパクト化され、枝管での温度低下や流通抵抗も低減される。
【００４６】
以下、前述した実施例の一部の構成を変更した実施例について、変更した構成に関して説明する。
前記実施例では、機関本体１の右端部の気筒を第１気筒２１としたが、第１気筒は機関本体１の左端部の気筒であってもよい。また、排気マニホルド10および第１，第２触媒装置15１，15２は、機関本体１の真ん前に配置されていてもよい。
【００４７】
前記実施例では、多気筒内燃機関は、直列４気筒内燃機関Ｅであったが、５気筒以上の内燃機関であって、その全気筒のうちの４以上で構成される気筒が一列に配列されて、それら気筒が少なくとも２つの気筒群を構成する多気筒内燃機関であってもよい。また、各気筒群を構成する気筒数は３以上であってもよい。
【００４８】
前記実施例では、前記第１気筒群に属する２つの気筒２１，２４の間に、前記第２気筒群に属する２つの気筒２２，２３が配置されたが、第１気筒群に属する複数の気筒の間に、第２気筒群に属する少なくとも１つの気筒が配置されてもよい。
【００４９】
前記実施例では、第２触媒装置15２の触媒担体17の入口端面17aでの排気ガスの流量分布が第１触媒装置15１のそれよりもより均一であったが、例えば第１集合管13１の旋回流形成部13１bの通路面積を大きくするなどして、第１触媒装置15１での排気ガスの流量分布の均一性を向上させ、排気ガスの流量分布が、第１，第２触媒装置15１，15２でほぼ同じになるようにすることもできる。
【００５０】
第１，第２集合管13１，13２のそれぞれで形成される旋回流Ｓの方向は、前記実施例では、各集合管13１，13２に集合する２つの枝管12１，12４；12２，12３の間で逆方向であったが、同一の方向であってもよい。また、排気マニホルドは、枝管と集合管とが一体成形されて形成されたものであってもよく、その場合は枝管と集合管との境界部が接続部となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である直列４気筒内燃機関の排気装置の概略右側面図である。
【図２】図１の直列４気筒内燃機関の排気装置の概略平面図である。
【図３】図１の直列４気筒内燃機関の排気装置を右上後方から見た概略斜視図である。
【図４】図１の排気装置の集合管内での排気ガスの旋回流を説明する模式図である。
【符号の説明】
１…機関本体、1a…最上部、２１〜２４…第１〜第４気筒、
10…排気マニホルド、11…取付けフランジ、12１〜12４…第１〜第４枝管、12１b〜12４b…出口部、13１，13２…第１，第２集合管、13１b，13２b…旋回流形成部、14…空燃比センサ、15１，15２…第１，第２触媒装置、16…ケース、17…触媒担体、17a…入口端面、18…排気管、
20…ボンネット、21…エンジンルーム、
Ｅ…内燃機関、Ａ…気筒配列方向、L1〜L4…軸線、Ｓ…旋回流、Ｗ…走行風。
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両に搭載された多気筒内燃機関の触媒装置を備える排気装置に関し、詳細には、第１，第２気筒群を有する多気筒内燃機関において、各気筒群の複数の枝管が集合する第１，第２集合管を有する排気マニホルドの直下流に連なる第１，第２触媒装置を備えた排気装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、車両に搭載された多気筒内燃機関において、排気装置に備えられた触媒装置の触媒の活性を早めて機関始動直後から排気ガスの浄化を効果的に行うため、排気マニホルドの集合管の直下流に、速やかに活性温度に達するように熱容量が比較的小さい触媒装置、いわゆる直下型触媒装置が設けられたものがある。例えば、特開２０００−２２７０３８号公報に開示された直列４気筒内燃機関では、第１，第４気筒の排気管の排気ガスが第１合流部で合流し、第２，第３気筒の排気管の排気ガスが第２合流部で合流する。そして、第１合流部の下流側の排気通路に第１前置触媒装置が配置され、第２合流部の下流側の排気通路に第２前置触媒装置が配置される。さらに、第１，第２前置触媒装置から流出した排気ガスは第３合流部で合流し、第３合流部の下流にＮＯＸ吸蔵還元触媒装置が配置される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、車両に搭載される多気筒内燃機関では、常にコンパクト化が求められており、その一環として排気装置を構成する排気マニホルドをコンパクトにすることも求められている。一方、排気装置が直下型触媒装置を備える場合、排気ガスを触媒装置内の触媒に万遍なく接触させて浄化性能を向上させるには、触媒が担持された触媒担体の入口端面における排気ガスの流量分布が均一であることが好ましい。
【０００４】
ところで、前記従来技術では、第２合流部と第２前置触媒装置（直下型触媒装置に相当）との間の排気通路を形成する集合管の通路長は、第１合流部と第１前置触媒装置（直下型触媒装置に相当）との間の排気通路を形成する集合管の通路長よりも長いことから、第２前置触媒装置に流入する排気ガスの流量分布は、第１前置触媒装置に流入する排気ガスのそれよりも均一であると考えられる。しかしながら、排気ガスのより均一な流量分布を得るためには比較的長い通路長を要し、排気マニホルドのコンパクト化の点では改善の余地があった。さらに、第２合流部と第２前置触媒装置との間の前記集合管の通路長が長いことは、該集合管での排気の流通抵抗の増加を伴うため、機関出力の低下要因となっていた。
【０００５】
また、車両に搭載された多気筒内燃機関において、機関本体の真後ろに、排気マニホルドおよび直下型触媒装置が配置される排気装置では、走行風が、機関本体に妨げられて、排気マニホルドや直下型触媒装置に当たり難い。特に、排気管の１／２の周期で排気ガスが流れるうえ、排気成分の反応による触媒装置自体の発熱が加わる合流部下流側の集合管は、熱的に過酷な状態におかれる。このとき、前記従来技術のように、第２合流部と第２前置触媒装置との間の集合管は、第１合流部と第１前置触媒装置との間の集合管よりも長い通路長を有するために、より大きな熱容量を有し、その大きな熱容量のゆえに、第１集合管に比べて、走行風による冷却が十分に行われ難い。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、請求項１および請求項２記載の発明は、排気マニホルドの直下流に配置された触媒装置を備えた排気装置において、排気マニホルドのコンパクト化を可能とし、しかも機関出力の低下を抑制し、さらに触媒装置での排気ガスの流量分布を均一化すること、および触媒装置での排気ガスの流量分布を一層均一化することを目的とし、請求項２記載の発明は、さらに、機関本体の真後ろに配置された排気マニホルドの熱容量の大きい集合管を走行風で効果的に冷却することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
請求項１記載の発明は、第１および第２気筒群を構成する気筒が一列に配列されて、前記第１気筒群に属する複数の前記気筒の間に前記第２気筒群に属する少なくとも１つの前記気筒が配置された機関本体を有する、車両に搭載された多気筒内燃機関の排気装置であって、前記各気筒に連通する枝管、前記第１気筒群の前記各枝管が集合する第１集合管および前記第２気筒群の前記各枝管が集合する第２集合管を有する排気マニホルドと、前記第１および前記第２集合管の直下流にそれぞれ連なる第１および第２触媒装置とを備える多気筒内燃機関の排気装置において、前記第２気筒群の前記各枝管の前記第２集合管内に開口する出口部は、前記第１気筒群の前記各枝管の前記第１集合管内に開口する出口部よりも上方に位置し、前記第２集合管は、前記第１集合管よりも大きな容積を有すると共に、前記第１集合管の最小通路面積よりも大きな最小通路面積を有し、前記第１気筒群の前記各枝管の前記出口部は、前記第１集合管の旋回流形成部で排気ガスが旋回流を形成するように開口し、前記第２気筒群の前記各枝管の前記出口部は、前記第２集合管の旋回流形成部で排気ガスが旋回流を形成するように開口し、前記第２集合管の前記旋回流形成部は、前記第１集合管の前記旋回流形成部よりも長い通路長を有すると共に前記第２気筒群の前記各枝管よりも大きい通路面積を有する多気筒内燃機関の排気装置である。
【０００８】
これにより、第２気筒群の各枝管の出口部は、第１気筒群の各枝管の出口部よりも上方に位置するので、第１気筒群の複数の気筒の間に第２気筒群の少なくとも１つの気筒が配置されるにも拘わらず、第１気筒群の各枝管と第２気筒群の各枝管とを相互に干渉することなく近接させて配置することが可能となる。しかも、第２集合管は、第１集合管よりも大きな容積を有し、かつ第１集合管の最小通路面積よりも大きな最小通路面積を有するので、その通路長が長いにも拘わらず、第２集合管での排気ガスの流通抵抗を小さくすることができる共に第２触媒装置での排気ガスの流量分布が均一化される。
【０００９】
したがって、請求項１記載の発明によれば、次の効果が奏される。すなわち、第２気筒群の各枝管の出口部は、第１気筒群の各枝管の出口部よりも上方に位置することにより、第１気筒群の複数の気筒の間に第２気筒群の少なくとも１つの気筒が配置されるにも拘わらず、第１気筒群の各枝管と第２気筒群の各枝管とを相互に干渉することなく近接させて配置することが可能となるので、枝管の配置をコンパクトにすることが可能となり、ひいては排気マニホルドをコンパクトにすることが可能となる。しかも、第２集合管は、第１集合管よりも大きな容積を有し、かつ第１集合管の最小通路面積よりも大きな最小通路面積を有することにより、その通路長が長いにも拘わらず、第２集合管での排気ガスの流通抵抗を小さくすることができるので、機関出力の低下が抑制され、さらに第２触媒装置での排気ガスの流量分布が均一化されて、触媒による排気ガスの浄化率が向上する。
【００１１】
さらに、第１，第２集合管の旋回流形成部により排気ガスの旋回流が形成されるので、第１，第２集合管の直下流の第１，第２触媒装置に、旋回流となった排気ガスが流入する。また、第２集合管の旋回流形成部は、第１集合管の旋回流形成部よりも通路長が長いにも拘わらず、第２気筒群の各枝管の通路面積よりも大きな通路面積を有するので、第２集合管での排気ガスの旋回流の形成が容易になると共に、該各枝管からの排気ガスが広がって流れ、しかも第１集合管よりも大きな最小通路面積を有することにより、第２触媒装置までその旋回流が維持される。
【００１２】
この結果、次の効果が奏される。すなわち、第１気筒群の各枝管の開口部は、第１集合管の旋回流形成部で排気ガスが旋回流を形成するように開口し、第２気筒群の各枝管の開口部は、第２集合管の旋回流形成部で排気ガスが旋回流を形成するように開口することにより、それら旋回流形成部で旋回流となった排気ガスが第１，第２集合管の直下流の第１，第２触媒装置に流入するので、第１，第２触媒装置での排気ガスの流量分布が一層均一化されて、触媒による排気ガスの浄化率が向上する。さらに、第２集合管の旋回流形成部は、第１集合管の旋回流形成部よりも長い通路長を有すると共に第２気筒群の各枝管よりも大きい通路面積を有することにより、第２集合管での排気ガスの旋回流の形成が容易になると共に該各枝管からの排気ガスが広がって流れ、しかも旋回流形成部が旋回流形成部よりも長い通路長を有するにも拘わらず第１集合管よりも大きな最小通路面積を有することで第２触媒装置までその旋回流が維持されるので、第２触媒装置での流量分布の均一化が容易になり、しかも旋回流により流量分布の均一化が促進されるため、排気ガスの流量分布を均一化するための通路長を短縮することができ、排気マニホルドがコンパクト化される。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の多気筒内燃機関の排気装置において、前記多気筒内燃機関は、気筒配列方向で前記機関本体の端部から順次並設された第１気筒ないし第４気筒を有する４気筒内燃機関であり、前記第１気筒群は前記第１および前記第４気筒から構成され、前記第２気筒群は前記第２および前記第３気筒から構成され、前記排気マニホルドおよび前記第１および前記第２触媒装置は、前記機関本体の真後ろに配置され、前記第１集合管よりも熱容量が大きい前記第２集合管の上部は、前記第１集合管よりも前記機関本体の最上部寄りに位置するものである。
【００１４】
これにより、機関本体の真後ろに位置するため走行風が当たり難く、特に暖機完了後の機関運転時に熱的に過酷な状態におかれる第１，第２集合管において、第１集合管の旋回流形成部よりも長い通路長を有することにより、第１集合管よりも熱容量が大きい第２集合管の上部が、機関本体の最上部を越えた走行風により冷却され易い位置を占める。
【００１５】
したがって、請求項２記載の発明によれば、引用された請求項記載の発明の効果に加えて、次の効果が奏される。すなわち、直列４気筒内燃機関の機関本体の真後ろに配置された排気マニホルドおよび第１，第２触媒装置において、第２，第３枝管の出口部が開口する第２集合管の上部は、第１集合管よりも機関本体の最上部の近くに位置することにより、機関本体の真後ろに配置されるために走行風が当たり難く、特に暖機完了後の機関運転時に熱的に過酷な状態におかれて、その大きな熱容量のゆえに第１集合管よりも冷却されにくい第２集合管は、機関本体の最上部を越えた走行風により冷却され易い位置を占めるので、第１集合管よりも熱容量が大きいにも拘わらず効果的に冷却されて、その耐久性が向上する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図１〜図４を参照して説明する。
図１〜図３を参照すると、本発明の排気装置が適用される多気筒内燃機関Ｅは、頭上カム軸型の水冷式直列４気筒４サイクル内燃機関であり、該内燃機関Ｅは、そのクランク軸が左右方向を指向する横置き配置とされて乗用車の前部に搭載される。なお、この実施例において、「上下」、「前後」および「左右」は、車両を基準としたときの「上下」、「前後」および「左右」をそれぞれ意味するものとする。
【００２０】
図２を参照すると、内燃機関Ｅの機関本体１は、それぞれピストンが摺動自在に嵌合される４つの気筒２１〜２４を有する。左右方向に一列に配列されたそれら気筒２１〜２４は、機関本体１の右端部から順に第１ないし第４気筒２１〜２４から構成される。そして、機関本体１は、図１に示されるように、各気筒２１〜２４の軸線が上部に向かって後方に傾斜するように、後傾した状態で車両に搭載される。
【００２１】
機関本体１の真ん前には、シリンダヘッドに形成された吸気ポートを介して各気筒２１〜２４に連通する吸気マニホルドを有する吸気装置（図示されず）が配置される。また、機関本体１の真後ろには、前記シリンダヘッドに形成された排気ポートを介して各気筒２１〜２４に連通する排気マニホルド10を有する排気装置が配置される。
【００２２】
図３を併せて参照すると、排気マニホルド10は、機関本体１の後面に排気マニホルド10を固定するための取付けフランジ11と、前記排気ポートを介して第１〜第４気筒２１〜２４にそれぞれ連通する第１〜第４枝管12１〜12４と、第１，第４枝管12１，12４が接続されて集合して第１，第４気筒２１，２４からの排気ガスが流れる第１集合管13１と、第２，第３枝管12２，12３が接続されて集合して第２，第３気筒２２，２３からの排気ガスが流れる第２集合管13２とを有する。そして、点火順序は、第１気筒２１、第３気筒２３、第４気筒２４、第２気筒２２の順とされて、点火時期が連続しない第１，第４気筒２１，２４が第１気筒群を構成し、気筒配列方向Ａ（この実施例では、左右方向でもある。）で第１，第４気筒２１，２４の間に位置する第２，第３気筒２２，２３が第２気筒群を構成する。
【００２３】
さらに、第１，第２集合管13１，13２には、第１，第２集合管13１，13２に流入した排気ガスが当たる位置に、各気筒２１〜２４からの排気ガスの成分、例えば酸素濃度を検出することにより、空燃比に比例した出力を発生するリニア空燃比センサ14が取り付けられる。これら空燃比センサ14の出力は、制御装置に入力されて、該制御装置による各気筒２１〜２４への燃料供給量の制御などによる空燃比の制御に反映される。
【００２４】
そして、第１，第２集合管13１，13２の後述する流出部13１c，13２cの直下流には、同一仕様の第１，第２触媒装置15１，15２がそれぞれ接続されて連なる。第１，第２触媒装置15１，15２は、上下方向でほぼ鉛直方向となる軸線L1，L2を有する円筒状のケース16と、該ケース16に収納されると共に多数のセルを有しケース16と同軸の円柱状の触媒担体17（図４参照）とを備える。
【００２５】
図３に示されるように、ほぼ同じ高さ位置で互いに近接して配置される第１，第２触媒装置15１，15２は、気筒配列方向Ａでの機関本体１の幅内に納まるように、この実施例では第２，第３気筒２２，２３のほぼ真後ろにおいて、気筒配列方向Ａにほぼ沿って、かつ気筒配列方向Ａから見て重なるように配置される。このとき、第１触媒装置15１は、第４気筒２４寄りに、かつ第２触媒装置 15 ２ よりも機関本体１の近くに位置する。
【００２６】
第１，第２触媒装置15１，15２に収納される触媒担体17は、暖機運転時の機関始動直後から高い浄化率が得られるように、排気系で第１，第２触媒装置15１，15２の下流側に配置される後述する主触媒装置に収納される触媒担体に比べて小さい容量を有する。したがって、触媒担体17の熱容量は小さく、各気筒２１〜２４からの排気ガスにより機関始動後に速やかに活性温度に達して、高い浄化率を示す。なお、触媒担体17には、暖機運転時の空燃比が比較的小さい混合気の燃焼により生成される排気ガス中に多く含まれるＨＣ、ＣＯの酸化機能を強化した三元触媒が担持される。
【００２７】
第１，第２触媒装置15１，15２を通った排気ガスは、それら触媒装置15１，15２の下流端部に接続される集合部を有する排気管18により集合される。そして、図示されないが、該排気管18に接続される主触媒装置において、残留しているＨＣ、ＣＯおよびＮＯＸが浄化されて無害化された排気ガスが、前記主触媒装置の下流側に設けられるマフラを通って大気中に放出される。なお、この主触媒装置の触媒担体は、希薄混合気での機関運転時の際に比較的多く生成されるＮＯＸの還元機能を強化した三元触媒とされる。それゆえ、前記排気装置は、排気マニホルド10および第１，第２触媒装置15１，15２、さらに前記主触媒装置および前記マフラを備える。
【００２８】
ところで、第１，第２触媒装置15１，15２の前述の配置により、第１枝管12１の通路長は第４枝管12４のそれよりも長い。そして、第１，第４枝管12１，12４は、それら枝管12１，12４の取付けフランジ11との接続部12１a，12４aとほぼ同じ高さ位置で、第１集合管13１の接続部13１aに接続される。第１集合管13１は、該接続部13１aと、接続部13１aに連なると共に第１集合管13１内に開口する第１，第４枝管12１，12４の出口部12１b，12４b（図４参照）から第１集合管13１に流入した排気ガスが当たるほぼ円筒状の旋回流形成部13１bと、旋回流形成部13１bに連なり下流側ほど徐々に拡大する通路面積を有して第１触媒装置15１が接続される下流端部となるロート状の流出部13１cとを有する。
【００２９】
旋回流形成部13１bおよび流出部13１cは、第１集合管13１と第１触媒装置15１とが接続されたとき、ケース16と同軸となる軸線L3（図１参照）を有する。そして、図４の（Ａ）に示されるように、第１枝管12１から軸線L3に対して偏心した位置を指向して流入した排気ガスの一部は、旋回流形成部13１bの円筒状の管壁に当たって偏向されて、上方から見て時計回りの方向の旋回流Ｓを形成し、同様に図４の（Ｃ）に示されるように、第４枝管12４から軸線L3に対して偏心した位置を指向して流入した排気ガスの一部は、旋回流形成部13１bの円筒状の管壁に当たって偏向されて、上方から見て反時計回りの方向の旋回流Ｓを形成する。ここで、旋回流形成部13１bの通路面積は、図２，図３に示されるように、いずれも等しい通路面積を有する第１〜第４枝管12１〜12４の通路面積にほぼ等しく設定される。
【００３０】
一方、ほぼ等しい通路長を有する第２，第３枝管12１，12２は、取付けフランジ11から第１枝管12１の真上の位置まで屈曲されて延び、第１枝管12１の上方でかつ第１枝管12１に近接した位置で第２集合管13２の接続部13２aに接続される。第２集合管13２は、該接続部13２aと、該接続部13２aに連なると共に第２集合管13２内に開口する第２，第３枝管12２，12３の出口部12２b，12３bから第２集合管13２に流入した排気ガスが当たるほぼ円筒状の旋回流形成部13２bと、旋回流形成部13２bに連なり下流側ほど徐々に拡大する通路面積を有して第２触媒装置15２が接続される下流端部となるロート状の流出部13２cとを有する。
【００３１】
旋回流形成部13２bおよび流出部13２cは、第２集合管13２と第２触媒装置15２とが接続されたとき、ケース16と同軸となる軸線L4（図１参照）を有する。そして、図４の（Ｂ）に示されるように、第２枝管12２から軸線L4に対して偏心した位置を指向して流入した排気ガスの一部は、旋回流形成部13２bの円筒状の管壁に当たって偏向されて、上方から見て時計回りの方向の旋回流Ｓを形成し、同様に図４の（Ｄ）に示されるように、第３枝管12３から軸線L4に対して偏心した位置を指向して流入した排気ガスの一部は、旋回流形成部13２bの円筒状の管壁に当たって偏向されて、上方から見て反時計回りの方向の旋回流Ｓを形成する。
【００３２】
ここで、接続部13２aが第１枝管12１の上方に位置することから、第２集合管13２内に開口する第２，第３枝管12２，12３の出口部12２b，12３bは、第１集合管13１内に開口する第１，第４枝管12１，12４の出口部12１b，12４bよりも上方に位置する。また、それら接続部13１a，13２aは各集合管13１，13２の機関本体１側に位置する。そして、第２集合管13２の最小通路面積は、第１集合管13１の最小通路面積よりも大きくなるように、それら最小通路面積を規定する各集合管13１，13２の旋回流形成部13１b，13２bについては、第２集合管13２の旋回流形成部13２bが、第２，第３枝管12２，12３の通路面積、および第１集合管13１の旋回流形成部13１bの通路面積よりも大きな通路面積を有するように設定される。さらに、図１によく示されるように、第２集合管13２の軸線方向（この実施例では、上下方向でもある。）の長さは、第１集合管13１のそれよりも長くされて、旋回流形成部13２bは、旋回流形成部13１bよりも軸線方向で長い通路長を有する。したがって、第２集合管13２は、第１集合管13１よりも大きな容積および大きな熱容量を有する。
【００３３】
それゆえ、図４に示されるように、第１集合管13１の旋回流形成部13１bにより、第１触媒装置15１の触媒担体17の入口端面17aの直上流において、第１枝管12１からの排気ガスが軸線L1回りに時計回りの方向に旋回し、第４枝管12４からの排気ガスが軸線L1回りに反時計回りの方向に旋回する。また、第２集合管13２の旋回流形成部13２bにより、第２触媒装置15２の触媒担体17の入口端面17aの直上流において、第２枝管12２からの排気ガスが軸線L2回りに時計回りの方向に旋回し、第３枝管12３からの排気ガスが軸線L2回りに反時計回りの方向に旋回する。
【００３４】
さらに、第１，第２集合管13１，13２は、機関本体１の真後ろに位置するものの、第２集合管13２のほうが第１集合管13１よりも上方まで延びて、その上部が、ボンネット20下方のエンジンルーム21に配置された機関本体１の最上部1aの近くに位置する。
【００３５】
そして、車両走行中に、エンジンルーム21内を前方から後方に向かって機関本体１を越えて流れる走行風Ｗにより、第２集合管13２は、第１集合管13１よりも冷却され易い位置にある。それゆえ、第１集合管13１よりも大きな熱容量を有する第２集合管13２は、この走行風Ｗにより、第１集合管13１よりも効果的に冷却される。
【００３６】
さらに、第２触媒装置15２の触媒担体17の入口端面17aにおける排気ガスの流量分布は、第１触媒装置15１の触媒担体17の入口端面17aでの流量分布よりも均一である。その理由は、第１集合管13１では、旋回流形成部13１bの通路長が短いため十分な旋回流Ｓが生成される前に排気ガスが入口端面17aに達するのに対して、第２集合管13２では、旋回流形成部13２bの通路長が長く、しかもその通路面積が大きいため、十分な旋回流Ｓが生成されると共に、入口端面17aの面積により近い通路面積を排気ガスが流れることによると考えられる。このため、第２触媒装置15２では、入口端面17aでの流量分布が第１触媒装置15１のそれよりもより均一であって、排気ガスが触媒担体17に万遍なく当たることから、触媒による反応熱に起因して、第２触媒装置15２は第１触媒装置15１に比べてより高温となる。
【００３７】
また、第２集合管13２は、第１枝管12１の真上から真後ろにかけて湾曲し、さらに下方に向かって延びている。第２，第３枝管12２，12３および第２集合管13２は、それぞれ第１枝管12１の下流側の部分12１cに対して近接して配置される。この近接した位置関係により、第１枝管12１は、第２，第３枝管12２，12３および第２集合管13２からの対流熱伝達および熱放射による熱により保温される位置にある。
【００３８】
次に、前述のように構成された実施例の作用および効果について説明する。
車両に搭載された内燃機関Ｅにおいて、前記第２気筒群に属する第２，第３気筒２２，２３にそれぞれ連通する第２，第３枝管12２，12３の第２集合管13２内での出口部12２b，12３bは、前記第１気筒群に属する第１，第４気筒２１，２４にそれぞれ連通する第１，第４枝管12１，12４の第１集合管13１内での出口部12１b，12４bよりも上方に位置することにより、前記第１気筒群を構成する第１，第４気筒２１，２４の間に前記第２気筒群を構成する第２，第３気筒２２，２３が配置されるにも拘わらず、第１，第４枝管12１，12４と第２，第３枝管12２，12３とを相互に干渉することなく近接させて配置することが可能となるので、各枝管12１〜１２４の配置をコンパクトにすることが可能となり、ひいては排気マニホルド10をコンパクトにすることが可能となる。
【００３９】
第２集合管13２は、第１集合管13１よりも大きな容積を有し、かつ第１集合管13１の最小通路面積よりも大きな最小通路面積を有することにより、その通路長が長いにも拘わらず、第２集合管13２での排気ガスの流通抵抗を小さくすることができるので、機関出力の低下が抑制され、さらに、第２触媒装置15２の触媒担体17の入口端面17aでの排気ガスの流量分布が均一化されて、触媒による排気ガスの浄化率が向上する。
【００４０】
さらに、前記第１気筒群の第１，第４枝管12１，12４の出口部12１b，12４bは、第１集合管13１の旋回流形成部13１bで排気ガスが旋回流Ｓを形成するように第１集合管13１内に開口し、前記第２気筒群の出口部12２b，12３bは、第２集合管13２の旋回流形成部13２bで排気ガスが旋回流Ｓを形成するように第２集合管13２内に開口することにより、それら旋回流形成部13１b，13２bで旋回流Ｓとなった排気ガスが、第１，第２集合管13１，13２の直下流の第１，第２触媒装置15１，15２に流入するので、第１，第２触媒装置15１，15２の触媒担体17の入口端面17aでの排気ガスの流量分布が一層均一化されて、排気ガスが触媒担体17にほぼ万遍なく当たるようになって、触媒による排気ガスの浄化率が向上する。
【００４１】
さらに、第２集合管13２の旋回流形成部13２bは、第１集合管13１の旋回流形成部13１bよりも長い通路長を有すると共に第２，第３枝管12２，12３よりも大きい通路面積を有することにより、第２集合管13２での排気ガスの旋回流Ｓの形成が容易になると共に、第２，第３枝管12２，12３からの排気ガスが広がって流れ、しかも第１集合管13１ よりも大きな最小通路面積を有することにより、旋回流形成部13２bが旋回流形成部13１bよりも長い通路長を有するにも拘わらず第２触媒装置15２までその旋回流Ｓが維持されるので、第２触媒装置15２での流量分布の均一化が容易になり、しかも旋回流Ｓにより流量分布の均一化が促進されるため、排気ガスの流量分布を均一化するための通路長を短縮することができて、排気マニホルド10がコンパクト化される。
【００４２】
機関本体１の真後ろに配置された排気マニホルド10および第１，第２触媒装置15１，15２において、第２，第３枝管12２，12３の出口部12２b，12３bが開口する第２集合管13２の上部は、第１集合管13１よりも機関本体１の最上部1aの近くに位置することにより、第２集合管13２は、機関本体１の最上部1aを越えた走行風Ｗにより冷却され易い位置を占める。その結果、旋回流形成部13２bが、第２，第３枝管12２，12３の通路面積、および第１集合管13１の旋回流形成部13１bの通路面積よりも大きな通路面積を有し、さらに第２集合管13２の軸線方向の長さが第１集合管13１のそれよりも長くされて、旋回流形成部13２bは、旋回流形成部13１bよりも軸線方向で長い通路長を有することから、第１集合管13１よりも大きな容積および大きな熱容量を有する第２集合管13２は、機関本体１の真後ろに配置されるために走行風Ｗが当たり難く、特に暖機完了後の機関運転時に熱的に過酷な状態におかれて、その大きな熱容量のゆえに第１集合管13１よりも冷却されにくいにも拘わらず、効果的に冷却されて、その耐久性が向上する。
【００４３】
さらに、第２触媒装置15２では、入口端面17aでの流量分布が第１触媒装置15１のそれよりもより均一であって、排気ガスが触媒担体17に万遍なく当たることから、触媒による反応熱に起因して、第２触媒装置15２は第１触媒装置15１に比べて高温となものの、第２触媒装置15２からの熱が第２集合管13２を通じて放熱されるため、特に暖機完了後の機関運転時において、第２触媒装置15２の過熱を防止して、その耐久性が向上する。
【００４４】
内燃機関Ｅの第４気筒２４寄りの第１触媒装置15１が接続される第１集合管13１に接続される第１，第４枝管12１，12４のうちより長い通路長を有する第１枝管12１の下流側の部分12１cに対して、第２，第３枝管12２，12３がその部分12１cの真上で近接して位置し、かつ第２集合管13２がその部分12１cの真後ろで近接して位置することにより、特に暖機運転時において、第１枝管12１は、前記第２気筒群の第２，第３枝管12２，12３および第２集合管13２から、熱伝達および熱放射により熱を受けて、保温され、第１枝管12１を流れる排気ガスの温度低下が抑制されるので、流入する排気ガスによる第１触媒装置15１の触媒担体17の温度上昇が促進されて、第１触媒装置15１での排気ガスの浄化率が向上し、そのうえ排気マニホルド10がコンパクト化される。
【００４５】
第１，第２集合管13１，13２の接続部13１a，13２aが、各集合管13１，13２の機関本体１側に配置され、しかも第１触媒装置15１は第２触媒装置15２よりも機関本体１の近くに位置するので、旋回流Ｓを形成するような第１，第２集合管13１，13２との接続のために、一部の枝管を長くすることおよび一部の枝管を大きく屈曲させる必要性が少なくなり、枝管をコンパクトに形成することができ、ひいては排気マニホルド10がコンパクト化され、枝管での温度低下や流通抵抗も低減される。
【００４６】
以下、前述した実施例の一部の構成を変更した実施例について、変更した構成に関して説明する。
前記実施例では、機関本体１の右端部の気筒を第１気筒２１としたが、第１気筒は機関本体１の左端部の気筒であってもよい。また、排気マニホルド10および第１，第２触媒装置15１，15２は、機関本体１の真ん前に配置されていてもよい。
【００４７】
前記実施例では、多気筒内燃機関は、直列４気筒内燃機関Ｅであったが、５気筒以上の内燃機関であって、その全気筒のうちの４以上で構成される気筒が一列に配列されて、それら気筒が少なくとも２つの気筒群を構成する多気筒内燃機関であってもよい。また、各気筒群を構成する気筒数は３以上であってもよい。
【００４８】
前記実施例では、前記第１気筒群に属する２つの気筒２１，２４の間に、前記第２気筒群に属する２つの気筒２２，２３が配置されたが、第１気筒群に属する複数の気筒の間に、第２気筒群に属する少なくとも１つの気筒が配置されてもよい。
【００４９】
前記実施例では、第２触媒装置15２の触媒担体17の入口端面17aでの排気ガスの流量分布が第１触媒装置15１のそれよりもより均一であったが、例えば第１集合管13１の旋回流形成部13１bの通路面積を大きくするなどして、第１触媒装置15１での排気ガスの流量分布の均一性を向上させ、排気ガスの流量分布が、第１，第２触媒装置15１，15２でほぼ同じになるようにすることもできる。
【００５０】
第１，第２集合管13１，13２のそれぞれで形成される旋回流Ｓの方向は、前記実施例では、各集合管13１，13２に集合する２つの枝管12１，12４；12２，12３の間で逆方向であったが、同一の方向であってもよい。また、排気マニホルドは、枝管と集合管とが一体成形されて形成されたものであってもよく、その場合は枝管と集合管との境界部が接続部となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である直列４気筒内燃機関の排気装置の概略右側面図である。
【図２】図１の直列４気筒内燃機関の排気装置の概略平面図である。
【図３】図１の直列４気筒内燃機関の排気装置を右上後方から見た概略斜視図である。
【図４】図１の排気装置の集合管内での排気ガスの旋回流を説明する模式図である。
【符号の説明】
１…機関本体、1a…最上部、２１〜２４…第１〜第４気筒、
10…排気マニホルド、11…取付けフランジ、12１〜12４…第１〜第４枝管、12１b〜12４b…出口部、13１，13２…第１，第２集合管、13１b，13２b…旋回流形成部、14…空燃比センサ、15１，15２…第１，第２触媒装置、16…ケース、17…触媒担体、17a…入口端面、18…排気管、
20…ボンネット、21…エンジンルーム、
Ｅ…内燃機関、Ａ…気筒配列方向、L1〜L4…軸線、Ｓ…旋回流、Ｗ…走行風。
Claims (2)
- 第１および第２気筒群を構成する気筒が一列に配列されて、前記第１気筒群に属する複数の前記気筒の間に前記第２気筒群に属する少なくとも１つの前記気筒が配置された機関本体を有する、車両に搭載された多気筒内燃機関の排気装置であって、前記各気筒に連通する枝管、前記第１気筒群の前記各枝管が集合する第１集合管および前記第２気筒群の前記各枝管が集合する第２集合管を有する排気マニホルドと、前記第１および前記第２集合管の直下流にそれぞれ連なる第１および第２触媒装置とを備える多気筒内燃機関の排気装置において、
前記第２気筒群の前記各枝管の前記第２集合管内に開口する出口部は、前記第１気筒群の前記各枝管の前記第１集合管内に開口する出口部よりも上方に位置し、前記第２集合管は、前記第１集合管よりも大きな容積を有すると共に、前記第１集合管の最小通路面積よりも大きな最小通路面積を有し、
前記第１気筒群の前記各枝管の前記出口部は、前記第１集合管の旋回流形成部で排気ガスが旋回流を形成するように開口し、前記第２気筒群の前記各枝管の前記出口部は、前記第２集合管の旋回流形成部で排気ガスが旋回流を形成するように開口し、前記第２集合管の前記旋回流形成部は、前記第１集合管の前記旋回流形成部よりも長い通路長を有すると共に前記第２気筒群の前記各枝管よりも大きい通路面積を有することを特徴とする多気筒内燃機関の排気装置。 - 前記多気筒内燃機関は、気筒配列方向で前記機関本体の端部から順次並設された第１気筒ないし第４気筒を有する４気筒内燃機関であり、前記第１気筒群は前記第１および前記第４気筒から構成され、前記第２気筒群は前記第２および前記第３気筒から構成され、前記排気マニホルドおよび前記第１および前記第２触媒装置は、前記機関本体の真後ろに配置され、前記第１集合管よりも熱容量が大きい前記第２集合管の上部は、前記第１集合管よりも前記機関本体の最上部寄りに位置することを特徴とする請求項１記載の多気筒内燃機関の排気装置。
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