JP4332705B2 - 触媒付き排気マニホールド - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒付き排気マニホールドに係り、詳しくは、一つの触媒担体を有するシングルタイプの触媒付き排気マニホールドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、触媒付き排気マニホールドには、二つの触媒担体を有するデュアルタイプの触媒付き排気マニホールドが知られている。この排気マニホールドは、点火順序が連続しない一の組の気筒からの排ガス流と他の組の気筒からの排ガス流とがそれぞれ別個の触媒担体に導入されており、これにより、排ガス同士の干渉（排気干渉）を小さくさせてエンジン出力の向上と排ガス浄化の効率化とを図っている。
【０００３】
しかし、デュアルタイプの触媒付き排気マニホールドでは、その触媒の大きさ等からコンパクト化を図れないという問題があり、この状況を打開する触媒付き排気マニホールドの技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
当該排気マニホールドでは、一つの触媒担体を有するシングルタイプを用い、エンジンの点火順序が連続しない一の組の気筒からの排ガス流と他の組の気筒からの排ガス流とをそれぞれ専用の流路に流すべく、分岐通路の集合部分にて触媒担体に向かって延出される仕切り板を設けている。これにより、排気マニホールドのコンパクト化を図ることができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０９−２２２０１４号公報（段落番号００１３〜００２０、図１等）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のデュアルタイプの触媒では、点火順序が連続しない一の組の気筒（例えば、気筒＃１と気筒＃４）からの排ガス流と他の組の気筒（例えば、気筒＃２と気筒＃３）からの排ガス流とに分割し、気筒＃１と気筒＃４からの排ガスを一の触媒担体に導入し、気筒＃２と気筒＃３からの排ガスを他の触媒担体に導入している。
【０００６】
しかし、これらの排ガスは、間欠的に触媒担体に導入されるものである。つまり、まず、気筒＃１からの排ガス流が一の触媒担体に導入され、次に、気筒＃３からの排ガス流が他の触媒担体に導入された後、気筒＃４からの排ガス流が前記一の触媒担体に導入され、そして、気筒＃２からの排ガス流が前記他の触媒担体に導入されており、各触媒担体には排ガスが断続的に導入されるので、連続的な反応は行われていない。これは、特にエンジン冷態始動時に触媒の早期活性化が図れないとの問題がある。
【０００７】
そこで、シングルタイプの触媒を用いれば、点火順序が連続しない気筒＃１と気筒＃４とからの排ガス流と、点火順序が連続しない気筒＃２と気筒＃３とからの排ガス流とに分割されたとしても、全ての排ガス流が一つの触媒担体に導入され、触媒での反応を連続的に行わせることができる。
一方、このシングルタイプの触媒を用いると、全開性能の向上化を図ることができないとの問題が生ずる。
【０００８】
すなわち、図６は、触媒付き排気マニホールドによる全開性能を示す図であり、図示のように、シングルタイプの触媒は、デュアルタイプの触媒に比して、エンジン回転速度の小さい領域にて体積効率が劣り、当該領域でのトルク（低速トルク）も劣ることが分かる。これは、上記一の組の気筒からの排ガス流と上記他の組の気筒からの排ガス流とによる排気干渉が生じるからである。
【０００９】
この場合に上記従来の技術の如く、シングルタイプの触媒を用いて分岐通路の集合部分に仕切り板を設ければ、排気干渉を防止して低速トルクの良好化を図ることが可能になる。しかし、この仕切り板の長さの設定如何では、やはりデュアルタイプの如く触媒での反応が断続的になってエンジン冷態始動時に触媒の昇温化を図れない、若しくは仕切り板を有しないシングルタイプの如く排気干渉が生じて全開性能の向上化を図れないとの問題が生じてしまう。
【００１０】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、シングルタイプの触媒において、必須であるエンジン冷態始動時の排ガス浄化を図った上で、全開性能も保つことができる触媒付き排気マニホールドを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するべく、請求項１記載の触媒付き排気マニホールドは、多気筒エンジンの各気筒からの排ガス流を構成させる排気分岐通路と、排気分岐通路を集合させる排気集合部と、排気集合部に連結され、各気筒からの排ガス流を導入させる一つの触媒担体を有するシングルタイプの触媒コンバータとから構成され、排気集合部は、点火順序が連続しない一の組の気筒からの排ガス流と他の組の気筒からの排ガス流とに分けて触媒担体の上流側端面部に対向する下流側端面部を有する仕切り部と、下流側端面部と上流側端面部との間に形成された間隙部とを備え、間隙部は、下流側端面部の長手方向幅と、下流側端面部と上流側端面部との間に形成される上下流方向長さとによって区画された面積が、触媒担体の断面積の５％以上となるように規定され、仕切り部は、下流側端面部にて排気集合部の外側に向けて拡開される触媒浸食防止部を備えることを特徴としている。
【００１２】
このように、請求項１記載の触媒付き排気マニホールドでは、デュアルタイプの触媒で達成できる全開性能とシングルタイプの触媒で達成できる触媒の早期活性化とがトレードオフの関係にあることに着目し、シングルタイプの触媒上流側に位置する排気集合部に、下流側端面部を有する仕切り部と間隙部とを備え、この間隙部は、下流側端面部の長手方向幅と、下流側端面部と上流側端面部との間に形成される上下流方向長さとによって区画された面積が、触媒担体の断面積の５％以上となるように規定されている。
【００１３】
したがって、触媒上での反応が連続的に行われ、デュアルタイプの触媒付き排気マニホールドに比して、触媒の早期活性化を図り、必須であるエンジン冷態始動時の排ガス浄化が行われる。しかも、排気脈動による排気干渉を防止することができ、仕切り部を有しないシングルタイプの触媒付き排気マニホールドに比して、エンジンに対する吸入空気量を十分に確保して体積効率が下がることがなく、全開性能、つまり、エンジンの出力及び走行性能も確保される。
【００１４】
なお、間隙部の上下流方向長さは、直径１００ｍｍの触媒担体に対して４ｍｍ（５．１％相当）以上に規定することが好ましい。
また、請求項１記載の触媒付き排気マニホールドでは、下流側端面部の形状が、一の組の気筒からの排ガス流と他の組の気筒からの排ガス流とが下流側端面部の直下流側にて合流しないように工夫されていることから、触媒担体の上流側端面部の浸食が防止される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図１を参照すると、本発明の一参考形態に係る触媒付き排気マニホールドの概略構成図が示され、また、図２は、上記触媒付き排気マニホールドの部分拡大図が示されており、以下図１及び図２に基づいて本発明の一参考形態に係る触媒付き排気マニホールドの構成を説明する。
【００１６】
図１に示すように、本参考形態のエンジンは４気筒からなり、排気マニホールド（触媒付き排気マニホールド）１は、４気筒エンジンの各気筒（図示しない）からの排ガス流を構成させる排気分岐通路１１、１２、１３、１４と、排気分岐通路１１、１２、１３、１４を点火順序が連続しない気筒を組として集合させる排気集合部１５と、排気集合部１５に連結され、前記各気筒からの排ガス流を導入させる一つの触媒担体３１を有するシングルタイプの触媒コンバータ３０とから構成される。
【００１７】
そして、排気マニホールド１は、排気ポート側フランジ１６を介して前記エンジンに接続され、その分岐構造は、気筒＃１からの排ガス流が流れる排気分岐通路１１と、気筒＃２からの排ガス流が流れる排気分岐通路１２と、気筒＃３からの排ガス流が流れる排気分岐通路１３と、気筒＃４からの排ガス流が流れる排気分岐通路１４とから構成されており、点火順序が連続しない気筒＃１と気筒＃４とを一の組とするのに対し、同じく点火順序が連続しない気筒＃２と気筒＃３とを他の組とする。そして、排気分岐通路１１及び排気分岐通路１４による上記一の組からの排ガス流と排気分岐通路１２及び排気分岐通路１３による上記他の組からの排ガス流とは、別々に排気集合部１５に導入される。
【００１８】
排気集合部１５は、図２に示すように、その略中央部分にて触媒担体３１に向かって延出される仕切り部２０を有している。仕切り部２０は、上記一の組からの排ガス流の導入部分と上記他の組からの排ガス流の導入部分との間の中間位置（いずれも図示しない）から下流側に位置する触媒担体３１に向かって伸びる断面略長方形の延出部２１と、触媒担体３１に対向する下流側端面部２２とからなり、この下流側端面部２２と触媒担体３１との間には、間隙部１７が形成される。
【００１９】
このように、排気集合部１５では、排気分岐通路１１、１２、１３、１４からの四つの流れが、仕切り部２０によって排気分岐通路１１及び排気分岐通路１４による上記一の組からの排ガス流と排気分岐通路１２及び排気分岐通路１３による上記他の組からの排ガス流との二つの流れにまとめられ、そして、この二つの流れを一つの触媒担体３１を有する触媒コンバータ３０に到達させる。
【００２０】
触媒コンバータ３０には、触媒担体３１として三元触媒が内蔵されており、この触媒担体３１は、仕切り部２０の下流側端面部２２に対向される上流側端面部３２と、この上流側端面部３２に連なる下流側端面部３３とから構成される断面略円形のものである。そして、上記エンジンに対する空燃比制御に応じて排ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等の排ガス物質の低減を図る。浄化された排ガスは、触媒コンバータ３０に連結された排気管４０を介して外部に放出される。
【００２１】
次に、図２（ａ）に示すように、排気集合部１５の間隙部１７は、仕切り部２０の下流側端面部２２と触媒担体３１の上流側端面部３２との間の空間として形成される。そして、間隙部１７は、同図（ａ）の他、この図を９０゜回転させた方向から見た図２（ｂ）に示すように、下流側端面部２２の長手方向幅Ｂと、下流側端面部２２と上流側端面部３２との間に形成される上下流方向長さＬとによって区画された面積Ａが、触媒担体３１の断面積Ｓの５％以上となるように規定されている。
【００２２】
すなわち、間隙部１７の面積Ａは、長手方向幅Ｂと上下流方向長さＬとの積で表されるのに対し、触媒担体３１の断面積Ｓは、触媒担体３１の直径ＤとしてπＤ²／４で表されることから、面積Ａが断面積Ｓの５％以上となるよう、例えば、直径Ｄが１００ｍｍの触媒担体３１にあっては、仮に長手方向幅Ｂと直径Ｄとが略等しいとすれば、間隙部１７の上下流方向長さＬは約４ｍｍ以上と規定する。
【００２３】
なお、本参考形態では、直径Ｄが１００ｍｍの触媒担体３１を用い、間隙部１７の上下流方向長さＬは４ｍｍとしている。
図３は、排気マニホールド１による触媒の早期活性化を示す図である。なお、比較例としてデュアルタイプの触媒付き排気マニホールドを挙げる。
図示のように、本参考形態の排気マニホールド１は、エンジン始動から１２５秒間のＨＣは、デュアルタイプの触媒付き排気マニホールドに比して低減させることができ、触媒活性に要する時間もまた格段に短縮化できることが分かる。
【００２４】
これは、デュアルタイプの触媒付き排気マニホールドでは、気筒＃１からの排ガス流が一方の触媒担体に導入され、次に、気筒＃３からの排ガス流が他方の触媒担体に導入された後、気筒＃４からの排ガス流が前記一方の触媒担体に導入され、そして、気筒＃２からの排ガス流が前記他方の触媒担体に導入され、各触媒担体には排ガスが断続的に導入されるので連続的な反応を行えないからである。これに対し、本参考形態の排気マニホールド１では、例え点火順序が連続しない排気分岐通路１１及び排気分岐通路１４による上記一の組からの排ガス流と、排気分岐通路１２及び排気分岐通路１３による上記他の組からの排ガス流とに分割されたとしても、全ての排ガス流が一つの触媒担体３１に導入され、触媒担体３１上での反応を連続的に行うことができるからである。
【００２５】
よって、本参考形態の排気マニホールド１では、デュアルタイプの触媒付き排気マニホールドに比して、触媒担体３１の早期活性化を図り、エンジン冷態始動時の排ガス浄化を行うことができる。しかも、コンパクト化を図ることができる。
図４は、排気マニホールド１による全開性能等を示す図である。なお、比較例として仕切り部を有しないシングルタイプの触媒付き排気マニホールドを挙げる。
【００２６】
図示のように、本参考形態の排気マニホールド１は、最高出力及び最大トルクは、仕切り部を有しないシングルタイプの触媒付き排気マニホールドに比して劣る若しくは同等であるが、低速トルクでは格段に向上できることが分かる。また、エンジン始動から１２５秒間のＨＣ及び触媒活性に要する時間については、殆ど違いのない程度に達することが分かる。
【００２７】
これは、仕切り部を有しないシングルタイプの触媒付き排気マニホールドでは、上記のように、気筒＃１、気筒＃３、気筒＃４そして気筒＃２の順にて排ガスが触媒担体に達すると、エンジン回転速度の小さい領域にて、排気脈動によって排気干渉が生じて体積効率が減少するからである。これに対し、本参考形態の排気マニホールド１では、適切な長さの間隙部１７を持った仕切り部２０を有しており、排気干渉を防止することができるからである。また、この間隙部１７では、触媒担体３１上での反応を連続的に行うことができるからである。
【００２８】
よって、本参考形態の排気マニホールド１では、仕切り部を有しないシングルタイプの触媒付き排気マニホールドに比して、全開性能の向上化を図ることができる。しかも、この全開性能たるエンジンの出力及び走行性能は、デュアルタイプの触媒付き排気マニホールドの値に近くなる。
【００２９】
上記参考形態において、仕切り部２０は、排気集合部１５の略中央部分にて触媒担体３１に向かって延出される断面略長方形の延出部２１と、触媒担体３１の上流側端面部３２に対向する下流側端面部２２とからなるが、この形態において、上記一の組からの排ガス流と上記他の組からの排ガス流とは、仕切り部２０の下流側端面部２２の直下流側にて合流することになり、これによって触媒担体３１の上流側端面部３２が浸食（エロージョン）されることがある。これは、間隙部１７の上下方向長さＬが上記実施形態よりも短くなるに連れてより顕著になる（図５（ａ）参照）。
【００３０】
そこで、本発明の一実施形態に係る触媒付き排気マニホールドでは、図５（ｂ）に示すように、排気集合部１５の略中央部分にて、上記一の組からの排ガス流と上記他の組からの排ガス流との集合部分から触媒担体３１に向かって延出される断面略長方形の延出部２１Ａと、触媒担体３１の上流側端面部３２に対向する下流側端面部２２Ａと、下流側端面部２２Ａにて排気集合部１５の外側に向けて拡開される触媒浸食防止部２３、２４とから仕切り部２０Ａを構成するようにしている。
【００３１】
この一実施形態に係る触媒付き排気マニホールドにおいて、上記一の組からの排ガス流と上記他の組からの排ガス流とは、ともに触媒担体３１の外周側に向けて流れ、下流側端面部２２Ａの直下流側にて合流しないので、上流側端面部３２の浸食を防止することが可能になる。また、このような構成としても、間隙部１７の上下方向長さＬを設計通りに維持することが可能で、全開性能の確保及びエンジン冷態始動時の触媒早期活性化を保つことができるとの効果を奏する。
【００３２】
また、上記実施形態の排気マニホールド１の分岐構造では、排気集合部１５に導入される前に、排気分岐通路１１と排気分岐通路１４との排ガス流が予め合流され、排気分岐通路１２と排気分岐通路１３との排ガス流が予め合流されているが、この実施形態に限定されるものではなく、例えば、これらの各排ガス流を合流させずにそのまま排気集合部１５に導入させ、排気分岐通路１１及び排気分岐通路１４の排ガス流と排気分岐通路１２及び排気分岐通路１３の排ガス流とを仕切り部２０Ａによって排気集合部１５内で分けても良いものである。
【００３３】
さらに、上記実施形態の仕切り部２０Ａは、触媒担体３１の上流側に位置する排気集合部１５に設けられているが、この実施形態の他、さらに、触媒担体３１の下流側に位置する排気管４０にも適宜の長さを持って設けられていても良く、この場合にも排気干渉を防止して低速トルクの向上化を図ることができる。
なお、上記実施形態は、４気筒エンジンに関して説明したものであるが、この４気筒エンジンに限定されるものではなく、各種の多気筒エンジンに対する触媒付き排気マニホールドに用いることが可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、請求項１記載の本発明の触媒付き排気マニホールドによれば、デュアルタイプの触媒で達成できる全開性能とシングルタイプの触媒で達成できる触媒の早期活性化とがトレードオフの関係にあることに着目し、シングルタイプの触媒上流側に位置する排気集合部に、下流側端面部を有する仕切り部と間隙部とを備え、この間隙部は、下流側端面部の長手方向幅と、下流側端面部と上流側端面部との間に形成される上下流方向長さとによって区画された面積が、触媒担体の断面積の５％以上となるように規定されている。
【００３５】
したがって、触媒上での反応が連続的に行われ、デュアルタイプの触媒付き排気マニホールドに比して、触媒の早期活性化を図り、必須であるエンジン冷態始動時の排ガス浄化を行うことができる。しかも、排気脈動による排気干渉を防止することができ、仕切り部を有しないシングルタイプの触媒付き排気マニホールドに比して、エンジンに対する吸入空気量を十分に確保して体積効率が下がることがなく、全開性能、つまり、エンジンの出力及び走行性能も確保することができる。
【００３６】
また、この請求項１記載の発明によれば、下流側端面部の形状が、一の組の気筒からの排ガス流と他の組の気筒からの排ガス流とが下流側端面部の直下流側にて合流しないように工夫されていることから、触媒担体の上流側端面部の浸食が防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一参考形態に係る触媒付き排気マニホールドの概略構成図である。
【図２】 図１の触媒付き排気マニホールドの部分拡大図である。
【図３】 図１の触媒付き排気マニホールドによる触媒の早期活性化を示す図である。
【図４】 図１の触媒付き排気マニホールドによる全開性能等を示す図である。
【図５】 本発明の参考形態による触媒付き排気マニホールドにおいて触媒担体が浸食された状態の部分拡大図（ａ）及び本発明の一実施形態に係る触媒付き排気マニホールドの部分拡大図（ｂ）である。
【図６】 従来の触媒付き排気マニホールドによる全開性能を示す図である。
【符号の説明】
１ 排気マニホールド（触媒付き排気マニホールド）
１１ 排気分岐通路
１２ 排気分岐通路
１３ 排気分岐通路
１４ 排気分岐通路
１５ 排気集合部
１７ 間隙部
２０ 仕切り部
２０Ａ 仕切り部
２２ 下流側端面部
２２Ａ 下流側端面部
２３ 触媒浸食防止部
２４ 触媒浸食防止部
３０ 触媒コンバータ
３１ 触媒担体
３２ 上流側端面部

Claims (1)

1. 多気筒エンジンの各気筒からの排ガス流を構成させる排気分岐通路と、
   該排気分岐通路を集合させる排気集合部と、
   該排気集合部に連結され、前記各気筒からの排ガス流を導入させる一つの触媒担体を有するシングルタイプの触媒コンバータとから構成され、
   前記排気集合部は、点火順序が連続しない一の組の気筒からの排ガス流と他の組の気筒からの排ガス流とに分けて前記触媒担体の上流側端面部に対向する下流側端面部を有する仕切り部と、前記下流側端面部と前記上流側端面部との間に形成された間隙部とを備え、
   該間隙部は、前記下流側端面部の長手方向幅と、該下流側端面部と前記上流側端面部との間に形成される上下流方向長さとによって区画された面積が、前記触媒担体の断面積の５％以上となるように規定され、
   前記仕切り部は、前記下流側端面部にて前記排気集合部の外側に向けて拡開される触媒浸食防止部を備えることを特徴とする触媒付き排気マニホールド。

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