JP4200734B2

JP4200734B2 - 内燃機関の排気装置

Info

Publication number: JP4200734B2
Application number: JP2002313858A
Authority: JP
Inventors: 健寿大井; 洋渡辺
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2022-10-29
Also published as: JP2004150292A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の排気装置、特に排気マニホルドの集合部に触媒コンバータが接続された排気装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用内燃機関の排気浄化のために触媒コンバータが広く用いられているが、近年、内燃機関始動後に触媒温度を速やかに上昇させて早期に活性化させることが要請されており、触媒コンバータを排気系のより上流側に配置すべく排気マニホルドの集合部に直接取り付けた構成が多く採用される傾向にある。
【０００３】
このような構成では、シリンダヘッド側面にボルト等で固定された排気マニホルドの下端から重量物である触媒コンバータが吊り下げられる形となり、一種の片持ち梁状の振動系を構成するので、内燃機関の振動、特にロール振動に伴う触媒コンバータの振動が大きくなり、例えば車室内のこもり音の一因となる。
【０００４】
特許文献１は、このような触媒コンバータを含む排気系の振動を抑制するために、Ｖ型内燃機関において、オイルパン下方に位置する排気管合流部に支持ブラケットを設け、この支持ブラケットの先端部をオイルパンに取り付けるようにした構成を開示している。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−１１９４５７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１の技術においては、支持ブラケットを断面コ字状の剛性の高い構造とし、排気系をオイルパンに堅固に固定している。従って、排気系を強く制振できる一方で、排気系の振動がオイルパンに直に入力される形となる。
【０００７】
特に、特許文献１の構成では、重量物である触媒コンバータがオイルパンの直下にあるため、支持ブラケットを介してオイルパンに加わる力は、それほど大きくないが、触媒コンバータをシリンダブロックの側方に配置して、排気マニホルドの集合部に取り付けた構成とすると、重量物である触媒コンバータが片持ち状に大きくオーバハングした状態となるため、その振動に伴う力はより大きなものとなる。そのため、このような構成において、特許文献１のように、支持ブラケットによってオイルパンに排気系を結合すると、オイルパンの支持ブラケット取付部に、繰り返し大きな応力が発生し、好ましくない。
【０００８】
また、排気系に何らかの大きな外力が作用した場合に、支持ブラケットを介してオイルパンにも大きな力が伝達されることになり、オイルパンの耐久性能上好ましくない。
【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装置は、Ｖ型内燃機関において、シリンダブロックの各々の側方に、略円筒状をなす触媒コンバータが上下方向に沿って配置され、各バンクのシリンダヘッド側面に取り付けられた排気マニホルドの集合部が上記触媒コンバータの上端に接続されるとともに、オイルパンの下方を通る各バンクの排気管に、上記触媒コンバータの下端が各々接続されている。つまり、触媒コンバータが排気系の最も上流側の位置に配置されており、始動後、速やかに温度上昇する。
【００１０】
そして、本発明においては、重量物である触媒コンバータの振動、特に内燃機関のロール振動に伴う振動を抑制するために、最も振幅が大きな点となる触媒コンバータの下端部と上記オイルパンとが補助ステーによって接続されている。詳しくは、各々のバンクの上記排気管がオイルパンの下方において互いに連結固定されており、一方のバンクの上記触媒コンバータの下端部と上記オイルパン底面のボス部とが第１補助ステーによって接続されているとともに、この第１補助ステーは、内燃機関の幅方向に沿って延びる帯状金属板からなり、かつその中間部に、該帯状金属板を略Ｕ字形に湾曲させてなる湾曲部を備えており、他方のバンクの上記触媒コンバータの下端部と上記オイルパン底面のボス部とが第２補助ステーによって接続されているとともに、この第２補助ステーの剛性は上記第１補助ステーの剛性よりも高く構成されている。
【００１１】
上記のような湾曲部を備えた第１補助ステーは、湾曲部において撓み変形可能であるため、一種の板バネ状のものとなり、触媒コンバータからオイルパンへ入力される力が軽減される。つまり、第１補助ステーは、内燃機関の幅方向に沿って設けられ、触媒コンバータの下端部とオイルパンとを互いに連結するので、内燃機関のロール振動に伴う触媒コンバータの内燃機関幅方向に沿った振動が効果的に抑制され、かつ同時に、オイルパンの補助ステー取付部に大きな応力を生じさせることがない。
【００１２】
また、車両の衝突などにより大きな外力が排気系つまり触媒コンバータ側に加わった場合に、予め湾曲している第１補助ステーの湾曲部に応力が集中し、この部分で破断ないしは塑性変形し得ることから、第１補助ステーを介してオイルパンへ過大な力が伝達されることがなく、オイルパンの変形や破損、オイル漏れなどを抑制できる。
【００１３】
例えば、上記第１補助ステーは、オイルパンの底面に形成されたボス部に一端が取り付けられることになるが、この場合、このボス部の強度よりも低い強度に第１補助ステーが構成されていることが望ましい。これにより、排気系が大きな外力を受けたときに、ボス部の応力が限界を越える前に、第１補助ステーが破断ないしは塑性変形し、大きな外力の伝達が回避される。
【００１５】
また、本発明のＶ型内燃機関においては、内燃機関のロール振動に伴って互いに連結された左右バンクの触媒コンバータが一体に振動しようとするが、第１補助ステーのように一種の板バネ状のものを左右バンクについて用いると、ある振動数の下で大きな共振を生じる可能性がある。これに対し、他方のバンクについて、第２補助ステーとして相対的に剛性が高いものを備えているので、左右バンクの排気系の共振を回避することができる。
【００１６】
【発明の効果】
この発明に係る内燃機関の排気装置によれば、排気マニホルドの集合部に重量物である触媒コンバータが取り付けられて片持ち梁状に支持された構成において、内燃機関のロール振動に伴う触媒コンバータの振動を効果的に抑制し、例えば車両の車室内のこもり音を低減することができる。そして、その一方で、触媒コンバータの振動に伴ってオイルパンに繰り返し作用する応力を緩和でき、オイルパンの疲労破壊やシール面からのオイル漏れなどを防止できる。また、車両の衝突などにより排気系に大きな外力が作用したときに、オイルパンへ過大な力が伝達されず、オイルパンを保護することができる。
【００１７】
【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。
【００１８】
図示する実施例は、本発明をＶ型６気筒内燃機関の排気装置に適用したもので、図１は、内燃機関の後方から見た背面図、図２は、図１の左側から見た側面図を示している。ここで、図示例の内燃機関は、車両前部のエンジンルーム内に所謂横置き形式に搭載されるようになっており、図１の左方が車両前方、右方が車両後方となる。なお、内燃機関単体としては、当業者に明らかなように、クランクシャフト軸方向に沿って、図２の左方が内燃機関の前側、右方が内燃機関の後側であり、またこの前後方向と直交する図１の左右方向を、内燃機関の幅方向と呼ぶ。
【００１９】
この内燃機関は、シリンダブロック１の左右バンクの頂面にそれぞれシリンダヘッド２，３が取り付けられ、かつハーフスカート型のシリンダブロック１の底面に、オイルパン４が取り付けられている。上記オイルパン４は、シリンダブロック１下部とともにクランクケースを構成するもので、後端の略半円形をなす変速機取付部５を含めてアルミニウム合金により一体に鋳造された剛性の高い構造をなしている。そして、オイルが貯留される内燃機関前方の深底部となるタンク部６のみが金属板のプレス成形品として別体に構成され、かつボルト結合されている。
【００２０】
上記シリンダヘッド２，３のＶバンク外側となる側面には、それぞれ排気マニホルド７，８が取り付けられている。これらの排気マニホルド７，８は、例えば鋳鉄によりそれぞれ一体に鋳造されており、３つの気筒に対応した３本のブランチ部を略中央の集合部７ａ，８ａに集合させた構成となっている。特に、各排気ポートから集合部７ａ，８ａまでの通路長ができるだけ短くなるように構成されている。上記集合部７ａ，８ａは、下方を向いたフランジ部９，１０を有し、ここに、略円筒状をなす触媒コンバータ１１，１２の上端がそれぞれ接続されている。ここで、右バンク側の触媒コンバータ１２が金属板のプレス成形品からなる軽量なケーシングを有するのに対し、左バンク側の触媒コンバータ１１は金属鋳造品からなるケーシングを有しており、従って、それぞれの外形状は多少異なっている。なお、鋳造されたケーシングを有する左バンク側の触媒コンバータ１１の方が、右バンク側の触媒コンバータ１２よりも大きな重量を有している。また、左右の触媒コンバータ１１，１２は、上下方向に沿った姿勢に支持されているとともに、それぞれシリンダブロック１の側方に位置し、より具体的には、図１に示すように、クランクシャフトの左右両側となる高さ位置に配置されている。
【００２１】
図３は、内燃機関全体を下方から見た底面図であり、この図３に示すように、左バンク側の触媒コンバータ１１の下端は、オイルパン４の下方を通って車両後方へ延びる左バンク用の排気管１３に接続されており、また、右バンク側の触媒コンバータ１２の下端は、オイルパン４の下方でＵ字状に折り返す右バンク用の排気管１４に接続されている。そして、これらの左バンク用の排気管１３と右バンク用の排気管１４との下流側部分は、オイルパン４の下方で互いに平行に並べられているとともに、さらに下流の合流部１６において１本の排気管として集合し、車両後方へと延びている。そして、図１，図３に図示された範囲よりもさらに下流側の位置において、車体側から吊り下げられるようにして支持されている。左右バンクの排気管１３，１４は、互いに平行に並んだ部分で、連結用ブラケット１５によって互いに一体に連結されているものの、この図示の範囲では車体側には特に支持されていない。なお、排気管１３，１４の一部、詳しくは連結用ブラケット１５直後の部分が、可撓性を有するフレキシブルチューブとして構成されており、ここで振動の遮断が図られている。
【００２２】
上記のように触媒コンバータ１１，１２が排気マニホルド７，８とともにシリンダヘッド２，３側面から片持ち梁状に支持されていることから、内燃機関がロール振動すると、触媒コンバータ１１，１２が、内燃機関の幅方向に沿って揺動しやすい。特に、より重量の大きな左バンク側の触媒コンバータ１１において、その振動が顕著となる。また、車両の衝突の際にも、車両前方に位置する左バンク側の触媒コンバータ１１の方が大きな外力を受けやすい。そのため、この実施例では、左バンク側の触媒コンバータ１１を、第１補助ステー２１によってオイルパン４に接続してある。そして、相対的に重量が軽く、かつ衝突の際に外力を受けにくい右バンク側の触媒コンバータ１２を、より剛性の高い第２補助ステー２２によってオイルパン４に接続してある。
【００２３】
図４〜図６は、第１補助ステー２１および第２補助ステー２２の取付状態を示している。また、図７〜図９は、第１補助ステー２１のみを示し、図１０，図１１は、第２補助ステー２２のみを示している。
【００２４】
第１補助ステー２１は、一定幅の帯状金属板、例えば適宜なバネ性を有するように薄い鋼板（例えば板厚１．６ｍｍ程度のもの）からなり、一端のオイルパン側取付部２１ａと他端の触媒コンバータ側取付部２１ｂとの間の中間部に、略Ｕ字形に湾曲した湾曲部２１ｃを備えている。上記触媒コンバータ側取付部２１ｂは、この湾曲部２１ｃの略Ｕ字形の一方の辺を直線状に延ばした形状に形成されている。これに対し、オイルパン側取付部２１ａは、上記湾曲部２１ｃからＳ字形をなすように反対側へ湾曲した形に連続している。従って、オイルパン側取付部２１ａの取付面と触媒コンバータ側取付部２１ｂの取付面とは、同一平面上になく、互いに異なる方向を指向している。また、各取付部２１ａ，２１ｂに、それぞれ後述するボルトが貫通する取付孔２３，２４が開口形成されているが、取付時の位置調整を容易とするために、オイルパン側取付部２１ａの取付孔２３は第１補助ステー２１の長手方向に沿って細長い長孔として形成され、触媒コンバータ側取付部２１ｂの取付孔２４は、これと直交する方向に沿って細長い長孔として形成されている。なお、この第１補助ステー２１は、湾曲部２１ｃの弾性変形を損なうようなリブやフランジは具備しておらず、金属板を単純に湾曲させたものとなっている。
【００２５】
上記第１補助ステー２１に対し、オイルパン４底面、特に左バンク側の位置に、下方へ突出したオイルパン側ボス部２５が形成されているとともに、触媒コンバータ１１の下端部に、斜め下方へ突出した触媒コンバータ側ボス部２６が形成されており、これらのボス部２５，２６に、ボルト２７，２８によって上記第１補助ステー２１が取り付けられている。上記オイルパン側ボス部２５は、オイルパン４自体と一体に鋳造されており、その先端（下端）に、下方を向いた略水平な取付座面２５ａ（図６参照）を備えている。触媒コンバータ側ボス部２６は、触媒コンバータ１１のオイルパン４寄りの位置においてケーシングに一体に鋳造されており、その先端に、斜め下方を向いた傾斜した取付座面２６ａ（図６参照）を備えている。図６に明らかなように、それぞれのボス部２５，２６は、互いに略等しい高さ位置にあり、かつオイルパン４と触媒コンバータ１１との間の間隙を介して互いに隣接している。さらに図４に示すように、内燃機関の前後方向に見て、互いに整列した位置にある。これらのボス部２５，２６に取り付けられた第１補助ステー２１は、図５，図６に明らかなように、その湾曲部２１ｃが上方へ凸となるような姿勢で設けられており、かつ図４に示すように、クランクシャフト軸方向と直交する方向、つまり内燃機関の幅方向に沿って直線状に延びた形に配置されている。
【００２６】
上記のような構成においては、内燃機関のロール振動に伴って触媒コンバータ１１が内燃機関の幅方向に沿って振動しようとしたときに、第１補助ステー２１によって触媒コンバータ１１の動きが拘束され、その振動が確実に抑制される。これにより、触媒コンバータ１１の振動に起因する車室内のこもり音が効果的に低減する。一方、第１補助ステー２１は、一種の板バネ状のものとなっており、触媒コンバータ１１の振動に対し、上記湾曲部２１ｃにおいて弾性変形し得るので、オイルパン４に繰り返し作用する応力を緩和でき、オイルパン４の疲労破壊やシール面からのオイル漏れなどを防止できる。なお、触媒コンバータ１１は上方の点を支点として揺動するように振動するので、第１補助ステー２１の傾斜した触媒コンバータ側取付部２１ｂがその取付面に対し略垂直方向から力を受けることになり、湾曲部２１ｃが容易に弾性変形する。ここで、上記実施例の第１補助ステー２１の形状では、湾曲部２１ｃから触媒コンバータ側取付部２１ｂが直線状に連続しているため、ボルト２８で拘束されている箇所の直前位置まで板バネ状に弾性変形可能であり、両ボス部２５，２６の間の限られた長さの中で、比較的大きな変位を確保することができる。
【００２７】
さらに、車両の衝突などに際して触媒コンバータ１１に大きな外力が作用したときには、第１補助ステー２１の湾曲部２１ｃに応力が集中し、ここで塑性変形ないしは破断が生じる。そのため、オイルパン４へ過大な力が伝達されず、オイルパン４の破損を回避できる。特に、この実施例では、オイルパン４の一部として形成されているオイルパン側ボス部２５の強度よりも第１補助ステー２１の強度が低くなるように、第１補助ステー２１の寸法（板厚など）や材質が選択されており、オイルパン側ボス部２５が破損に至る前に、第１補助ステー２１が破断ないしは塑性変形し、オイルパン４を確実に保護することができる。
【００２８】
一方、右バンク側の触媒コンバータ１２を支持する第２補助ステー２２は、図１０，１１および図５に明らかなように、鋼板等の帯状金属板からなり、一端にオイルパン側取付部２２ａを有するとともに他端に触媒コンバータ側取付部２２ｂを有し、各取付部２２ａ，２２ｂに、それぞれ取付孔３１，３２が開口している。特に、この第２補助ステー２２は、触媒コンバータ側取付部２２ｂを除く大部分において、帯状金属板の一方の側縁を折り曲げてフランジ部２２ｄを形成することにより、その剛性が高められている。また触媒コンバータ側取付部２２ｂは、フランジ部２２ｄを具備していないとともに、斜めに立ち上がるように折り曲げて形成されている。なお、上記取付孔３１，３２は、やはり取付時の調整のために、内燃機関の幅方向および前後方向に沿って細長い長孔として形成されている。
【００２９】
上記第２補助ステー２２に対し、オイルパン４底面、特に右バンク側の位置に、下方へ突出したオイルパン側ボス部３３が形成されているとともに、触媒コンバータ１２の下端のフランジ部３４の一部として触媒コンバータ側ボス部３５が形成されており、これらのボス部３３，３５に、ボルト３６，３７によって上記第２補助ステー２２が取り付けられている。上記オイルパン側ボス部３３は、やはりオイルパン４自体と一体に鋳造されており、その先端の下方を向いた略水平な取付座面３３ａ（図６参照）に上記第２補助ステー２２が固定されている。ここで、この第２補助ステー２２用のオイルパン側ボス部３３は、図４に示すように、第１補助ステー２１用のオイルパン側ボス部２５の位置に対し、内燃機関の後方にオフセットした位置にある。換言すれば、両ボス部２５，３３が内燃機関の前後方向に離れて位置している。また、第２補助ステー２２用の触媒コンバータ側ボス部３５は、内燃機関の前後方向について、第１補助ステー２１用の触媒コンバータ側ボス部２６と略同じ位置にあるので、この触媒コンバータ側ボス部３５に対してもオイルパン側ボス部３３は内燃機関の後方へオフセットした位置にある。従って、第２補助ステー２２は、図４に示すように、内燃機関の幅方向に対し４５°程度傾いた斜め方向に延びている。
【００３０】
上記の第２補助ステー２２は、第１補助ステー２１と同様に、内燃機関のロール振動に伴って触媒コンバータ１２が内燃機関の幅方向に沿って振動しようとしたときに、触媒コンバータ１２の動きを拘束し、その振動を確実に抑制する。そして、この第２補助ステー２２は、フランジ部２２ｄの形成などにより全体として第１補助ステー２１よりも高い剛性を有しているため、これらの補助ステー２１，２２を振動系におけるバネとしてみたときに、左バンクの排気マニホルド７と触媒コンバータ１１とからなる振動系の共振周波数と、右バンクの排気マニホルド８と触媒コンバータ１２とからなる振動系の共振周波数と、が互いに異なるものとなる。従って、下方の排気管１３，１４を介して一体に連結されている左右バンクの排気系が、特定の周波数において大きく共振する現象を回避できる。しかも、左右バンクの排気系からの力の入力点となる一対のオイルパン側ボス部２５，３３が、ロール振動に沿った直線上に並んでおらず、内燃機関の前後にずれて位置するので、左右バンクの排気系全体の共振がより一層生じにくい。また、一対のオイルパン側ボス部２５，３３が前後に離れて位置することで、オイルパン４の一部に応力が集中することを回避でき、この点でも有利となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る排気系を備えたＶ型内燃機関全体の背面図。
【図２】図１の左側から見た側面図。
【図３】同じく底面図。
【図４】触媒コンバータとオイルパンとの補助ステーによる接続状態を示す底面図。
【図５】同じく斜め下方から見た斜視図。
【図６】同じくオイルパンを断面で示した背面図。
【図７】第１補助ステーを単体状態で示す正面図。
【図８】図７の下側から見た底面図。
【図９】図７の矢印Ａ方向から見た図。
【図１０】第２補助ステーを単体状態で示す底面図。
【図１１】図１０の矢印Ｂ方向から見た図。
【符号の説明】
４…オイルパン
１１，１２…触媒コンバータ
２１…第１補助ステー
２１ｃ…湾曲部
２２…第２補助ステー
２５，３３…オイルパン側ボス部
２６，３５…触媒コンバータ側ボス部

Claims

Ｖ型内燃機関において、シリンダブロックの各々の側方に、略円筒状をなす触媒コンバータが上下方向に沿って配置され、各バンクのシリンダヘッド側面に取り付けられた排気マニホルドの集合部が上記触媒コンバータの上端に接続されるとともに、オイルパンの下方を通る各バンクの排気管に、上記触媒コンバータの下端が各々接続されてなる内燃機関の排気装置において、
各々のバンクの上記排気管がオイルパンの下方において互いに連結固定されており、
一方のバンクの上記触媒コンバータの下端部と上記オイルパン底面のボス部とが第１補助ステーによって接続されているとともに、この第１補助ステーは、内燃機関の幅方向に沿って延びる帯状金属板からなり、かつその中間部に、該帯状金属板を略Ｕ字形に湾曲させてなる湾曲部を備えており、
他方のバンクの上記触媒コンバータの下端部と上記オイルパン底面のボス部とが第２補助ステーによって接続されているとともに、この第２補助ステーの剛性は上記第１補助ステーの剛性よりも高く構成されていることを特徴とする内燃機関の排気装置。
上記第１補助ステーは、上記ボス部の強度よりも低い強度に構成され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装置。
内燃機関の幅方向に沿った触媒コンバータの振動に対し上記第１補助ステーが上記湾曲部において弾性変形するように構成されてい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。
略等しい高さ位置で互いに隣接するようにオイルパンの底面と触媒コンバータの下端部とにそれぞれボス部が形成され、かつオイルパン側ボス部は、下方を向いた略水平な取付座面を有し、触媒コンバータ側ボス部は、斜め下方を向いた傾斜した取付座面を有し、上記第１補助ステーの湾曲部からＳ字形をなすように延びた一端部が上記オイルパン側ボス部に取り付けられているとともに、上記湾曲部から直線状に延びた他端部が上記触媒コンバータ側ボス部に取り付けられ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装置。
オイルパンの底面の各バンク側にそれぞれ形成された第１補助ステー用のボス部と第２補助ステー用のボス部とが、内燃機関の前後方向に離れた位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の排気装置。
上記第１補助ステーは、側縁にフランジ部を具備しない湾曲した帯状金属板から構成され、上記第２補助ステーは、側縁を折り曲げてフランジ部を形成した帯状金属板から構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の排気装置。