JP4158516B2 - 内燃機関の排気管構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直列４気筒内燃機関やＶ型８気筒内燃機関のような直列に配置された４つの気筒を有するシリンダヘッドに用いられる排気管構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直列４気筒内燃機関の排気は、排気干渉を避けるために、いわゆる４−２−１の形式で合流させることが望ましいので、排気マニホルドの下流側部分を構成する排気管を、中央の隔壁によって一対の流路に区画した構成とし、かつ上流側部分のブランチ部を４本の独立した管状に構成して、各ブランチ部の下流側の端部を、２本ずつ上記排気管の各流路に接続するようにした構成が多く採用されている。なお、上記の隔壁を備えた排気管の下流側には、一般に、ディフューザ部を介して触媒コンバータが接続される。
【０００３】
このような場合に、排気系に設けられる空燃比センサ（酸素センサもしくは広域型空燃比センサ）は、単一のセンサでもって機関全体の排気を測定する必要があることから、特許文献１の図６に開示されているように、排気管の外周壁から隔壁に亘ってセンサ取付孔を切欠形成し、各流路にそれぞれ空燃比センサの一部が露出するように配置されるのが一般的である。
【０００４】
また、特許文献２には、排気干渉を避けるように設けられる排気管内の隔壁に、多数の連通孔を開口形成することが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−３２３１１９号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２００１−８２１４０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１のように、排気管の外側面から挿入される空燃比センサを隔壁上に配置した構成では、一対の流路に空燃比センサが露出したものとなるが、それぞれの流路についてみると、断面半円形をなす流路の一側部に片寄って空燃比センサが位置するので、２つの気筒の中の一方の排気のみが空燃比センサに多く接触し、他方の気筒の排気は空燃比センサにあまり接触せずに流れてしまうことになる。つまり、各流路に含まれる２つの気筒の排気を正しく測定することができず、空燃比センサによる空燃比検出精度が低下する、という不具合がある。
【０００８】
なお、特許文献２は、単に隔壁における連通孔を開示しているに過ぎず、上記のような問題を解決し得るものではない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る内燃機関の排気管構造は、直列４気筒内燃機関やＶ型８気筒内燃機関などのように、直列に配置された第１〜第４の４つの気筒の排気をそれぞれ導く４本のブランチ部と、このブランチ部の下流側に接続された下流側排気管と、を備えている。上記下流側排気管は、中央の隔壁によって断面半円形をなす一対の流路に仕切られているとともに、各流路の上流端に、点火順序が連続しない２つの気筒のブランチ部が、それぞれ四分円の領域を占めるように接続されており、上記下流側排気管の外側面から挿入された空燃比センサが、一対の流路の双方にそれぞれ部分的に露出するように上記隔壁に沿った位置に配置されている。
【００１０】
そして、上記隔壁に、上記空燃比センサより上流側の位置において、両流路を連通させる連通口が開口形成されている。この連通口は、上記隔壁の幅方向（排気流と直交する方向）において空燃比センサ寄りの位置では、相対的に下流側に開口し、かつ空燃比センサと反対側の位置では、相対的に上流側に開口している。
【００１１】
上記連通口は、上記隔壁の幅方向に細長く延びた１本もしくは複数本のスリットから構成することができ、この場合、上記スリットは、上記下流側排気管の軸方向に対し傾斜したものとなる。
【００１２】
また上記連通口を、複数個の孔から構成することもできる。
【００１３】
上記のような構成においては、下流側排気管の各流路を交互に排気が流れることになり、圧力の脈動変化が交互に生じる。つまり、ある気筒から排気が吐出して一方の流路の圧力が高くなったときに、他方の流路は、他の気筒からの排気が通過した直後であることから、低圧となる。そのため、一方の流路の２本のブランチ部の中で空燃比センサから離れて位置する方のブランチ部から排気流が流れる際に、排気流の一部が上記連通口を通して他方の流路へと吸い出され、他方の流路において拡散しつつ流れる。そして、低圧部となる連通口が、下流側へ向かうに従って空燃比センサ寄りに開口する形となるので、上記の一方の流路を流れる排気流が、空燃比センサ寄りに引き寄せられ、流路内に拡がって流れる。従って、空燃比センサは、該空燃比センサから離れて位置する方のブランチ部からの排気に対しても、確実に反応する。
【００１４】
【発明の効果】
この発明に係る内燃機関の排気管構造によれば、４つの気筒の排気干渉を回避しつつ１つの空燃比センサでもって各気筒の排気空燃比の検出が可能であり、特に、空燃比センサから離れた位置に接続されたブランチ部からの排気が、空燃比センサ寄りに引き寄せられるようにして流れるので、その確実な検出を行うことができる。
【００１５】
また、各気筒の排気が下流側排気管の出口部では広く拡がって流出するため、下流側排気管の出口部に触媒コンバータが接続される場合に、触媒コンバータの入口の一部に片寄って排気が衝突する現象を緩和することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１は、直列４気筒内燃機関の排気系に適用した本発明の一実施例を示すもので、シリンダヘッド１の側面に排気マニホルド２が取り付けられ、かつ該排気マニホルド２の下流端に触媒コンバータ３が接続されている。上記排気マニホルド２は、４本の流路を２本の流路に集合させ、かつ触媒コンバータ３に連なる下流端の出口部で１本の流路とするものであって、図２にも示すように、シリンダヘッド１に取り付けられる第１フランジ部４に４本のブランチ部５〜８の上流端が接続され、かつ各ブランチ部５〜８の下流端が、下流側排気管９に集合している。下流側排気管９は、外観上は１本の管のような形状をなしているが、その断面の中央に沿って板状の隔壁１０が設けられており、この隔壁１０によって、内部が一対の流路１１，１２に仕切られている。つまり、各流路１１，１２は、それぞれ断面半円形をなしている。なお、上記隔壁１０は、下流側排気管９の全長に亘って設けられている。また、下流側排気管９の下流側の端部に、第２フランジ部１３が取り付けられており、ここに触媒コンバータ３のディフューザ１４の入口側フランジ部１５が接続されるようになっている。
【００１８】
ここで、下流側排気管９の一方の流路１１には、♯１気筒および♯４気筒のブランチ部５，８が接続され、他方の流路１２には、♯２気筒および♯３気筒のブランチ部６，７が接続されている。つまり、点火順序が連続しない２つの気筒の排気が、１つの流路１１，１２に集合し、これらの２つの流路１１，１２の排気が、最終的に触媒コンバータ３の入口側で１つにまとまることになる。なお、点火順序は、例えば、♯１−♯３−♯４−♯２の順である。
【００１９】
また、触媒コンバータ３よりも上流となる下流側排気管９の比較的下流側の位置に、排気空燃比を検出する空燃比センサ１６が配置されている。この空燃比センサ１６は、下流側排気管９の外側面から挿入されているが、特に、一対の流路１１，１２のそれぞれの排気と接触し得るように、隔壁１０上つまり隔壁１０に沿った位置に配置され、一対の流路１１，１２の双方に部分的に露出している。換言すれば、隔壁１０の位置に対応した下流側排気管９の外周面に図示せぬセンサ取付孔が開口形成されるとともに、隔壁１０に、空燃比センサ１６の先端部形状に対応した図示せぬ切欠部が形成され、ここに空燃比センサ１６が挿入されている。
【００２０】
図３および図４は、上記隔壁１０の構成を示している。図４に示すように、下流側排気管９はその外形が断面円形をなし、中央の隔壁１０によってそれぞれ断面半円形をなす流路１１，１２が形成されている。そして、各流路１１，１２の上流端において、それぞれ四分円の領域を占めるように、各ブランチ部５〜８が接続されている。具体的には、流路１１の領域Ａに♯１気筒が、領域Ｂに♯４気筒が、領域Ｃに♯２気筒が、領域Ｄに♯３気筒が、それぞれ対応しており、空燃比センサ１６は、♯４気筒および♯３気筒の側に片寄って配置されている。従って、基本的に、反対側の♯１，♯２気筒の排気は空燃比センサ１６に接触しにくい。なお、図３、図４の境界線ｍは、各領域の間の仮想の境界を示す。
【００２１】
そのため、本実施例では、隔壁１０の空燃比センサ１６より上流側の位置に、連通口としてスリット２１が開口形成されており、このスリット２１によって、両流路１１，１２が互いに連通している。上記スリット２１は、隔壁１０の幅方向（図３、図４の左右方向）に細長く延び、かつ下流側排気管９の軸方向（図３の上下方向）に対し傾斜している。具体的には、空燃比センサ１６寄りとなるスリット２１の一方の端部２１ａが、反対側の端部２１ｂに比べて相対的に下流側に位置するように、スリット２１は傾斜している。また、空燃比センサ１６と反対側の上記の端部２１ｂは、少なくとも、♯１，♯２気筒の流路（領域Ａ，Ｃ）の中心に達する位置まで延びている。そして、空燃比センサ１６寄りの端部２１ａは、境界線ｍを越えて、♯４，♯３気筒の流路（領域Ｂ，Ｄ）の中心付近まで延びている。なお、図示例では、スリット２１は一定幅に形成されているが、各部の圧力分布の調整のために、上下の幅を適宜に変化させた形状としてもよい。
【００２２】
図５は、上記の実施例の構成における排気の流れを図示したものであり、特に、空燃比センサ１６への排気当たりが問題となる♯１気筒の排気の流れを示している。図の（Ａ）は、♯１気筒の排気が流れ込む流路１１での流れを示し、図の（Ｂ）は、反対側の流路１２での流れを示す。♯１気筒の排気がブランチ部５を通して流路１１に流れ込んだときに、この排気は流路１１内の領域Ａに沿って流れようとする。このとき、流路１２では、♯２気筒の排気が通過した直後であって、圧力が低下しているので、流路１１に対し流路１２側が低圧となる。そのため、領域Ａを流れる排気の一部は、スリット２１を通して図（Ｂ）のように流路１２側へ流れ込む。そして、スリット２１を通過する際に、排気がスリット２１の傾斜に沿って流れようとする結果、流路１２では、図（Ｂ）に示すように、空燃比センサ１６の方に拡散して排気が流れる。
【００２３】
一方、♯１気筒の排気が主に流れる流路１１側では、スリット２１が一種の低圧部となり、かつこれが下流側へ行くほど空燃比センサ１６寄りとなることから、図（Ａ）に示すように排気の流れが曲げられ、領域Ｂつまり空燃比センサ１６寄りの範囲にも拡がって流れるようになる。
【００２４】
従って、全体として、♯１気筒の排気に対する空燃比センサ１６の検出感度が高くなる。♯２気筒の排気が流れる際には、上記の♯１気筒の場合と対称となり、同様に、空燃比センサ１６寄りに拡散して排気が流れる。また、空燃比センサ１６寄りの領域Ｂ，Ｄを流れる♯４，♯３気筒の排気は、やはりその一部が、スリット２１を介して反対側の流路１２，１１へと拡散する。
【００２５】
図６は、上記のスリット２１による触媒コンバータ３への排気の当たり方の変化を説明する説明図であり、図（Ａ）はスリット２１を具備しない場合の排気の流れを示し、図（Ｂ）はスリット２１を具備した実施例の排気の流れを示す。スリット２１を具備しない場合には、（Ａ）に示すように、ある気筒から吐出された排気は、隔壁１０で仕切られた一方の流路、例えば流路１１のみを通るため、ディフューザ１４によっても片側にしか拡がらず、例えばセラミックス製モノリス担体からなる触媒担体３ａの一部にのみ排気が当たる。これは、触媒担体３ａの割れを生じる一因となり、好ましくない。これに対し、スリット２１を具備した実施例の構成では、図（Ｂ）のように、排気の一部がスリット２１を介して流路１２側へ流れ、一対の流路１１，１２の双方を通して触媒コンバータ３へと排気が流れる。そのため、ディフューザ１４によって触媒担体３ａ前端面全体により均一に拡がった形で排気が当たるようになる。
【００２６】
図７は、この発明の異なる実施例を示すもので、隔壁１０に、連通口として例えば３個の孔２２，２３，２４が開口形成されている。これらの孔２２，２３，２４は、隔壁１０の幅方向に沿った列をなすように並べられており、かつ中央の孔２３が境界線ｍ上に位置しているとともに、空燃比センサ１６寄りに位置する孔２２が、中央の孔２３よりも下流側に位置し、かつ反対側に位置する孔２４が、中央の孔２３よりも上流側に位置している。また、孔２４は領域Ａ，Ｃの中心付近に、孔２２は領域Ｂ，Ｄの中心付近に、それぞれ位置している。つまり、前述したスリット２１と実質的に等価なものとなるように、一列に並べられている。
【００２７】
このような構成においても、上記のスリット２１の場合と同様の作用が得られ、♯１，♯２気筒の排気に対する空燃比センサ１６の検出感度が向上するとともに、触媒担体３ａへの排気の当たりが均一化する。なお、図示例では、３個の孔２２，２３，２４の径が等しいが、圧力分布などを考慮して異なる大きさの孔を配置してもよく、さらに、より多数の孔を列状に配置することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る排気管構造の一実施例を示す側面図。
【図２】その排気マニホルド部分を示す斜視図。
【図３】隔壁の構成を示す説明図。
【図４】図３のＸ−Ｘ線断面に相当する下流側排気管の断面説明図。
【図５】下流側排気管内での♯１気筒の排気の流れを示す説明図。
【図６】触媒担体への排気の当たりを説明する説明図であって、（Ａ）スリットを具備しない場合と（Ｂ）具備する場合とを対比した説明図。
【図７】連通口の異なる実施例を示す説明図。
【符号の説明】
５〜８…ブランチ部
９…下流側排気管
１０…隔壁
１１，１２…流路
１６…空燃比センサ
２１…スリット
２２〜２４…孔

Claims (5)

1. 直列に配置された第１〜第４の４つの気筒の排気をそれぞれ導く４本のブランチ部と、このブランチ部の下流側に接続された下流側排気管と、を備えてなり、
   上記下流側排気管は、中央の隔壁によって断面半円形をなす一対の流路に仕切られているとともに、各流路の上流端に、点火順序が連続しない２つの気筒のブランチ部が、それぞれ四分円の領域を占めるように接続されており、
   上記下流側排気管の外側面から挿入された空燃比センサが、一対の流路の双方にそれぞれ部分的に露出するように上記隔壁に沿った位置に配置されてなる内燃機関の排気管構造において、
   上記隔壁に、上記空燃比センサより上流側の位置において、両流路を連通させる連通口が開口形成されており、この連通口は、該隔壁の幅方向において空燃比センサ寄りの位置では、相対的に下流側に開口し、かつ空燃比センサと反対側の位置では、相対的に上流側に開口していることを特徴とする内燃機関の排気管構造。
2. 上記連通口は、上記隔壁の幅方向に細長く延び、かつ上記下流側排気管の軸方向に対し傾斜したスリットからなることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気管構造。
3. 上記連通口は、複数個の孔からなり、上記隔壁の幅方向において空燃比センサに近い孔が、相対的に下流側に位置していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気管構造。
4. 各流路に接続された２本のブランチ部の中で空燃比センサから離れて位置する方のブランチ部からの排気流が通過する領域に、上記連通口の一部が開口していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の排気管構造。
5. 他方のブランチ部からの排気流が通過する領域に、上記連通口の一部が開口していることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気管構造。

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