JP4850119B2 - 車両の排気装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動二輪車のような車両に搭載されてエンジンからの排気ガスを排出する排気装置に関するものである。

従来の排気装置は、マフラに触媒が内蔵され、エンジンから排出された排気ガスは、マフラに設けた触媒コンバータを用いて浄化されたのち排出されている。近年の環境に対する意識の高まりから、エンジンスタート時における排ガスの浄化を促進すべく、触媒をエンジンの排気ポートに近づけてコールドスタート直後に迅速に触媒が活性化するように、触媒コンバータを排気通路の中間部に設け、その上流側近傍に排気ガスセンサを配置したものがある（特許文献１参照）

特許第３０２６６８４号公報

しかしながら、上記の排気装置では、触媒コンバータの上流側で複数の排気通路を１本に集合しているから、複数の排気通路部分が短くなるので、エンジンの中速領域における出力向上が十分でない。そこで、触媒コンバータの上流側の排気通路を仕切り板により二つに区画することで、中速域の出力向上を図った排気装置が提案されている（特許文献２）。ところが、排気通路を仕切り板で区画すると、区画されたそれぞれの通路に排気ガスセンサを設ける必要があり、部品点数、重量およびコストの増大を招く。
特開２００６−０７７７２７号公報

本発明は、前記従来の課題に鑑みてなされたもので、複数の排気管の間に仕切り板を設けることにより、複数に区画された排気通路を十分な長さにして中速域の出力向上を図りながらも、排気ガスセンサを１つにして、部品点数、重量およびコストの増大を抑制できる車両の排気装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明にかかる車両の排気装置は、車両に搭載された複数気筒のエンジンから排気ガスを排出する排気装置であって、前記エンジンの複数の気筒に接続されて排気通路の一部を形成する複数の排気管と、前記複数の排気管を集合した集合排気管と、前記集合排気管に内蔵された触媒コンバータとを備え、互いに隣接する前記複数の排気通路の間を仕切る仕切り板に連通孔が形成され、前記連通孔に近接して前記排気ガスの成分を検出する排気ガスセンサが配置され、前記排気ガスセンサが前記触媒コンバータの上流側近傍に位置し、その先端部が前記連通孔に向かって傾斜して配置されている。

この構成によれば、仕切り板によって分けられた複数の排気通路を有しているので、この仕切り板の長さを適切に設定することにより中速領域でのエンジン出力を向上させることができる。しかも、各排気通路が連通孔により連通しているので、１つの排気ガスセンサで排気通路全体の測定を行うことができ、排気ガスセンサの数を減らすことで部品点数、重量およびコストを低減することができる。さらに、触媒コンバータに導入される直前の排気ガスの成分を検出できるので、この検出結果に基づいて、エンジンの吸気系の空燃比および排気ポートに吹き込む２次空気量等の制御を効果的に行って、触媒コンバータの浄化作用を高く維持できる。また、集合排気管の横断面形状はエンジン出力向上の面から円形状が好ましいが、この集合排気管に排気ガスセンサを取り付ける場合、排気ガスセンサの取付部にはセンサボス部を設ける必要があるために、取付部がフラットになり、その結果、集合排気管の横断面形状は一部分がフラットな非円形状になる。したがって、排気ガスセンサを１つとすることで、集合排気管の横断面形状をフラットな部分が少ない、円形に近い形状とすることができ、これにより、センサボス部の製作および取付工数を減らすことができるうえに、低速領域でのエンジン出力の低下を防ぎ、滑らかな加速を可能にする。

本発明において、好ましくは、前記仕切り板によって、前記集合排気管における触媒コンバータの上流側の排気通路が上下に仕切られた触媒導入通路とされており、上側の触媒導入通路に臨むように前記排気センサが集合排気管に取り付けられている。この構成によれば、下側の触媒導入通路に排気ガスセンサを取り付ける必要がないので、走行中に排気ガスセンサやそのカバーが障害物に接触するのを回避しつつ、バンク角を大きくことができる。また、集合排気管の下部は泥水等の影響により冷えやすく、冷却されることにより発生する排気ガスの凝縮液が排気ガスセンサに浸入し、センサに悪影響を与えることがあるが、下側の排気ガスセンサを不要とすることで、これを回避することができる。

また、本発明の排気装置として、例えば、４気筒の前記エンジンに接続された４本の排気管を有し、前記集合排気管には単一の触媒コンバータが内蔵されており、集合排気管における前記触媒コンバータの上流側に、前記仕切り板によって、前記４本の排気管を２本ずつ集合した前記触媒導入通路が形成された構成とすることができる。この構成によれば、４気筒エンジンの排気ガスを一つの触媒コンバータにより浄化できるので、部品点数の減少とコストダウンが達成される。

本発明の車両の排気装置によれば、仕切り板によって区画された排気通路が連通孔により連通しているので、複数に区画された排気通路を長くして中速域の出力向上を図りながらも、１つの排気ガスセンサで排気通路全体の排気ガス成分を検出することができ、部品点数、重量およびコストを低減することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る排気装置を備えた自動二輪車を示す側面図である。この自動二輪車は、車体フレームＦＲの前半部を構成するメインフレーム１の前端部にフロントフォーク２が操向自在に支持され、このフロントフォーク２の下端部に前輪４が支持されている。また、フロントフォーク２の上端部を支持するアッパブラケット８にはハンドル９が取り付けられている。メインフレーム１の後端下部には、スイングアームブラケット（ピボットブラケット）１０が形成され、このスイングアームブラケット１０に、スイングアーム１１の前端部がピポット軸１２を介して上下揺動自在に支持されている。このスイングアーム１１の後端部に後輪１３が支持されている。メインフレーム１の後部に連結されたシートレール１４が車体フレームＦＲの後半部を構成している。メインフレーム１の中央下部にはエンジンＥが支持され、このエンジンＥからチェーンまたはベルトのような動力伝達部材１８を介して後輪１３を駆動するようになっている。

前記シートレール１４にはライダー用シート１９と同乗者用シート２０が支持されている。前記メインフレーム１の上部、つまり車体上部で、前記ハンドル９とライダー用シート１９との間には燃料タンク２１が取り付けられている。また、車体前部には、前記ハンドル９およびフロントフォーク２上部の前方部分や図示しないヘッドランプ、計器類等を覆う樹脂製のカウリング２２が装着されている。

前記エンジンＥは、この例では並列４気筒４サイクルエンジンであり、クランクケース２４、シリンダ２７、その上部のシリンダヘッド２８、その上部のシリンダヘッドカバー２９およびクランクケース２４の下部のオイルパン（図示せず）を有するエンジン本体２３と、変速機３１とを備えている。排気装置３６は、シリンダヘッド２８の４つの排気ポート２８ａに各々の前端部が接続されて排気ガスＧをエンジンＥの前方から下方に導く４本の排気管３２と、各２本の排気管３２の後端を集合する中間排気管３４と、この中間排気管３４の下流端部に連結された単一の集合排気管３８とを備えている。さらに、集合排気管３８の下流端部は、接続管３９を介して左右一対のマフラー３３に連結されている。排気管体であるこれら排気管３２、中間排気管３４、集合排気管３８および接続管３９と、マフラー３３とが、排気通路３７を形成している。

排気装置３６の上流部３６ａ、つまり各排気管３２の前端部がエンジンＥのシリンダヘッド２８に支持（接続）され、下流部３６ｂであるマフラー３３が、シートレール１４に取り付けられたリヤステップブラケット３０にボルトのような締結部材１６を介して支持され、接続管３９の前端近傍箇所（後述する中間部３６ｃ）に取り付けられた取付ブラケット５３が、メインフレーム１（スイングアームブラケット１０）の下部に設けた支持ブラケット５４にボルトのような締結部材１５を介して支持されている。

図２は、図１の排気装置を示す拡大平面図である。並列４気筒エンジンＥにおいて、各気筒ごとに１本ずつ設けられた合計４本の排気管３２が、２本ずつ集合されて、４本から２本へ、２本から１本へと段階的に集合される。すなわち、４本の排気管３２は、各２本の排気管３２の下流端部に１つずつ連結された上下２つの中間排気管３４によって２本に集合され、さらに、前記２つの中間排気管３４の下流端部に連結された単一の集合排気管３８によって１本に集合されている。各中間排気管３４は、その上流端が２本の排気管３２に接続され、図５に示すように、内部が上下方向に延びる隔壁５２により２つの通路に区切られ、下流端が集合排気管３８に接続されている。すなわち、集合排気管３８の入口には４本の排気管３２に対応した４つの通路が接続されている。

図２において、集合排気管３８の触媒コンバータ４３よりも下流部で実質的に１本の排気管に集合され、前記下流部には２つの分岐排気管部３８ｃ、３８ｄが一体形成されており、各分岐排気管部３８ｃ、３８ｄが接続管３９に接続されている。２つの中間排気管３４、集合排気管３８およびこれらの近傍箇所が、排気装置３６の中間部３６ｃ、つまり、排気通路３７の中間部を構成している。集合排気管３８内には、排気浄化用の単一の触媒コンバータ４３が収納されている。

触媒コンバータ４３を排気装置３６の中間部３６ｃに配置した理由はつぎのとおりである。すなわち、触媒コンバータが図１の排気装置３６の下流側に設けられていると、排気ガスＧが通過中に温度が若干低下した状態で触媒コンバータに導入されることになるので、エンジンＥがコールドスタートした直後には、排気装置３６の大部分が低温であるために、これを通る排気ガスの温度低下が大きくなる結果、触媒が活性化して酸化反応するまでに時間を要し、十分な浄化機能を発揮しない場合がある。そこで、排気ガス規制値に伴い、触媒コンバータ４３を排気装置３６の上流側に移動させて中間部３６ｃに装着しており、これによって、エンジンＥのコールドスタート直後に直ちに触媒を活性化して酸化反応を起こさせるようにしている。

触媒コンバータ４３は、図２のIII −III 線断面拡大図である図３に示すように、多数の目を周方向と径方向にならべて形成したハニカム構造であり、セラミック製の環状の平板４３ａと環状の波板４３ｂとを同心状に交互に重ねて多数の目を形成した、横断面円形のハニカム構造体である。平板４３ａおよび波板４３ｂには白金およびロジウムなどの触媒を焼成して担持させている。この触媒コンバータ４３は、円柱状のハニカム構造体の軸方向、つまり目の方向を排気ガスの流動方向に合致させて配置されている。集合排気管３８内には、触媒コンバータ４３の上流側に、図２のIV −IV 線断面拡大図である図４（ａ）に示すように、ほぼ水平に延びる仕切り板５１が配置されており、この仕切り板５１によって、排気通路３７が２つの互いに平行な通路部分に区画されて、上下２つの触媒導入通路３８ａ，３８ｂが形成されている。こうして、触媒コンバータ４３とこれの上流側の仕切り板５１とにより、排気通路３７が二つに区画された区域を、図２の中間排気管３４の出口から触媒コンバータ４３の出口まで長く設定することができ、これによって、エンジンの中速領域における出力が向上する。

集合排気管３８は、いわゆる「もなか構造」を採用している。すなわち、図４（ａ）に示すように、断面半円形状の両側部に耳部４０ａ，４０ｂが折り曲げにより形成された一対の半円形プレート４０Ａ，４０Ｂを備え、各々の耳部４０ａ，４０ｂ同士を重ね合わせて、溶接により結合され、集合排気管３８が形成されている。両プレート４０Ａ，４０Ｂにより形成されている内方空間で仕切り板５１の後方に触媒コンバータ４３が配置されている。

図２に示すように、集合排気管３８における触媒コンバータ４３の収納箇所に対し上流側近傍箇所には、センサボス部４１が設けられ、このセンサボス部４１の近傍に振動抑制用のおもり４２が設けられている。図３に示すように、センサボス部４１は、集合排気管３８の上半部４０Ｂに位置し、図４（ａ）に２点鎖線で示す排気ガスセンサ４４がねじ込みにより取り付けられるねじ孔４１ａを有している。排気ガスセンサ４４は、その先端部４７が斜め下方の連通孔５１ａを向いて上側の触媒導入通路３８ａ内に臨むように傾斜して配置されている。この排気ガスセンサ４４は、図２の触媒コンバータ４３での排気ガスＧの再燃焼を円滑に行うことを目的として、排気通路３７における触媒コンバータ４３の上流側近傍箇所の排気ガスＧの成分、この例では酸素量を検出するものであり、図４（ａ）の仕切り板５１に設けられた連通孔５１ａを介して混じり合った二つの触媒導入通路３８ａ，３８ｂ内の排気ガスＧの酸素量を検出する。この排気ガスセンサ４４の検出信号は電気コード４５（リード線）を介してエンジンコントローラ（図示せず）に送られ、エンジンコントローラは、検出信号に基づき吸気系の空燃比および排気ポートに吹き込む２次空気量を制御して、触媒コンバータ４３での触媒反応を円滑に行わせる。空燃比の制御は、例えば燃料噴射量の調節によりなされる。

センサボス部４１およびおもり４２は、集合排気管３８に溶接Ｗにより取り付けられている。センサボス部４１のねじ孔４１ａには、２点鎖線で示した排気ガスセンサ４４が取り付けられる。集合排気管３８における仕切り板５１が配置された部分の横断面形状は、センサボス部４１を除いて内径Ｄの円形状である。

仕切り板５１の連通孔５１ａは、上側の触媒導入通路３８ａと下側の触媒導入通路３８ｂとを連通させるもので、連通孔５１ａにより上側の触媒導入通路３８ａ内の排気ガスＧと下側の触媒導入通路３８ｂ内の排気ガスＧが混合され、各触媒導入通路３８ａ，３８ｂにおける連通孔５１ａの下流側では４本の排気管３２（図２）からの排気ガスＧが混合した状態となっている。ここで、一般に、エンジンＥの各気筒におけるサイクルの位相は互いにずれているから、これに起因する排気脈動の位相差により、連通孔５１ａを通った排気ガスＧの混合が促進される。これにより、排気ガスセンサ４４を連通孔５１ａの近傍またはその下流に１つ設けるだけで、排気通路全体の排気ガスＧの成分を検出することができる。

図５に示すように、連通孔５１ａは、触媒コンバータ４３から上流側へ若干離れた位置にあり、触媒コンバータ４３の前端面４３ｃの中心点C１からの距離Ｌ１が、好ましくは、集合排気管３８の前記内径Ｄに対して、０．３〜０．６Ｄ、より好ましくは、０．４〜０．５Ｄの範囲にある。連通孔５１ａを触媒コンバータ４３の前端面４３ｃから若干離したのは、触媒コンバータ４３の直前であると、排気ガスＧが連通孔５１ａを通って十分に混合される前に触媒コンバータ４３に導入されて、検出結果が排気ガスＧの混合状態を正確に示さない場合があり、これを避けるためである。排気ガスセンサ４４は、その筒形のガス導入部４６の側面４８および先端部４７の孔（図示せず）から排気ガスＧを導入して酸素量を検出するもので、排気ガスセンサ４４の先端部４７が上側の触媒導入通路３８ａにおける連通孔５１ａの近傍、あるいは連通孔５１ａと触媒コンバータ４３の間に位置するように設けられる。図５の場合は、先端部４７が連通孔５１ａの中心を向くように、ガス導入部４６の軸心を集合排気管３８の径方向に合致させており、先端部４７と仕切り板５１の上面における連通孔５１ａの中心点C２との距離Ｌ２が、集合排気管３８の内径Ｄに対し、０．１５〜０．４０Ｄ，好ましくは、０．２０〜０．３５Ｄに設定されている。先端部４７を連通孔５１ａに近づけ過ぎても遠ざけ過ぎても、先端部４７が排気ガスＧの混合が不十分な領域に入るから、排気ガスＧの成分を検出精度が低下することになるので、好ましくない。

図６は、連通孔５１ａの直径ｄが０．０７Ｄの場合と０．１４Ｄの場合の、エンジン回転数に対するトルクの大きさを示したエンジン性能の実験データであり、図７は、連通孔５１ａの直径ｄが０．１４Ｄの場合と０．１８Ｄの場合の同実験データである。図６によれば、連通孔５１ａの直径ｄが０．０７Ｄの場合は、直径０．１４Ｄの場合と比較して、中高速域でトルクの落ち込みが目立つ。特に中速域の前半部分（５０００〜６０００ｒｐｍ程度）の回転数領域において大きく落ち込んでいる。図７によれば、連通孔５１ａの直径ｄが０．１４Ｄの場合は、０．１８Ｄの場合と比較して、中速域（５０００〜８０００ｒｐｍ程度）で全般にわたってトルクの落ち込みが見られる。

仕切り板５１の連通孔５１ａがない場合、連通孔５１ａの直径ｄが０．１４Ｄの場合、および連通孔５１ａの直径ｄが０．１８Ｄの場合のそれぞれについて排気ガス濃度を実測したところ、次の結果が得られた。連通孔５１ａの大きさが直径０．１４Ｄのものと連通孔５１ａがないものとを比較すると、ＮＯｘ濃度は約２１％高くなるが、ＣＯ濃度が約８％、ＴＨＣ（全ＨＣ）濃度が約６％改善された。連通孔５１ａの直径ｄが０．１８Ｄのものと連通孔５１ａがないものと比較すると、ＮＯｘ濃度が約５％、ＣＯ濃度が約１６％、ＴＨＣ濃度が約１１％改善された。また、連通孔５１ａの直径ｄが０．１８Ｄのものは、連通孔５１ａの直径が０．１４Ｄのものと比較して、ＣＯ濃度は約３％高くなったが、ＴＨＣ濃度が約１０％、ＮＯｘ濃度が約２６％改善された。このことから、排気ガスＧの混合が進んで、正確な酸素量が検出された結果、空燃比および２次空気量の適切な制御により、触媒コンバータ４３の浄化能力が向上したことがわかる。

以上のエンジン性能および排気ガス濃度の実測値を考慮すると、エンジン性能の低下を抑制しながら、排気ガス浄化を達成できる連通孔５１ａの好ましい直径ｄは、０．１０〜０．２５Ｄであり、より好ましくは、０．１５〜０．２０Ｄである。

上記構成において、図１の４気筒のエンジンＥに接続された４本の排気管３２を、図４（ａ）の集合排気管３８の内部で仕切り板５１によって２つの触媒導入通路３８ａ，３８ｂに区画しているので、区画された排気通路３７が触媒コンバータ４３まで延びる結果、中速領域でのエンジン出力が向上する。しかも、触媒導入通路３８ａ，３８ｂが仕切り板５１の連通孔５１ａにより連通しているので、１つの排気ガスセンサ４４で排気通路全体の排気ガス成分を検出することができ、排気ガスセンサ４４の数を減らして部品点数、重量およびコストを低減することができる。また、排気ガスセンサ４４には泥水からの保護用のカバー４９やリード線４５等を取り付ける必要があるから、排気ガスセンサ４４を減らすことで、リード線４５の数が減り、カバー４９を小形化することができるので、さらに部品点数、重量およびコストを減らすことができる。

集合排気管３８は、一対の半円形のプレート４０Ａ，４０Ｂを結合して形成されているが、排気センサガス４４の取付部にはセンサボス部４１を接合する必要がある。排気ガスセンサ４４を１つとすることで、センサボス部４１の接合は１箇所で済み、プレート４０Ａ，４０Ｂの加工および組立ての工程が少なくなる。また、排気ガスセンサ４４が１つとなることで、図４（ａ）に示すように、集合排気管３８の横断面形状を３／４周以上にわたって円形とすることができる。センサボス部４１の内端面４１ｂはフラットな形状となるが、集合排気管の横断面形状が非円形であると、円形のものと比べて、特に低速領域でのエンジン出力が低下することが知られている。図４（ｂ）に示すように、排気ガスセンサ４４Ａを２つ設けた従来の集合排気管３８Ａでは、フラットなセンサボス部４１Ａが大きくなる結果、横断面が円形状となるのは１／２周程度であったが、本発明では、図４（ａ）に示すように、排気ガスセンサ４４を１つとしたことにより、３／４以上が円形状となり、エンジンの出力性能を向上させることができる。

さらに、下側の触媒導入通路３８ｂの排気ガスセンサを不要としたことにより、排気ガスセンサ４４およびカバー４９などが走行中に障害物に接触するのを回避しつつ、バンク角を大きくすることができる。また、集合排気管３８の下部は泥水等の影響により冷えやすく、冷却により発生した排ガスの凝縮液が下側の排気ガスセンサに浸入し、センサに悪影響を与えることがあるが、下側の排気ガスセンサが不要となったことで、これを回避することができる。

集合排気管３８における触媒コンバータ４３の下流部は二つの分岐排気管部３８ｃ、３８ｄとなっているが、３８ｃ、３８ｄを省いて単一の排気通路としてもよく、その場合は、集合排気管３８が１本の接続管３９を介して、単一のマフラに接続される。また、必要に応じて、集合排気管３８内における触媒コンバータ４３の下流側近傍にも通路を上下に仕切る仕切り板を追加してもよい。前記実施形態において、図２の中間排気管３４を省くこともできる。

また、図４（ａ）に示す仕切り板５１を２つ以上設けて触媒導入通路３８ａ，３８ｂを３つ以上とすることもでき、その場合、いずれか１つの仕切り板５１の連通管５１ａに排気ガスセンサ４４を近接させる。

さらに、図８に示すように、鉛直方向の仕切り板５１により集合排気管３８を左右に区切って、一対の触媒導入通路３８ａ，３８ｂとすることもできる。その場合、センサボス部４１は、一方の触媒導入通路３８ａまたは３８ｂの上半部４０Ｂに配置し、排気ガスセンサ４４のガス導入部４６の先端部４７を連通孔５１ａに向かって斜め下方に傾斜させるのが、車両のバンク角を大きくできる点で望ましい。

本発明は、触媒コンバータ４３を有しない排気装置にも適用することができ、その場合、排気ガスセンサ４４（図３）は、排気ガスＧの成分を検出して空燃比を調節することにより、排気ガスＧの浄化を図る。また、排気ガスセンサ４４は、排気ガス中の酸素量や空燃比を検出するものであれば、どのようなセンサも含む。さらに、本発明は、自動二輪車に限らず、エンジンを備える他の車両の排気装置にも適用できる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成を追加、削除、変更でき、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

本発明の第１実施形態に係る排気装置を備えた自動二輪車を示す側面図である。 同上の排気装置を示す拡大平面図である。 図２のIII −III 線断面拡大図である。 （ａ）は図２のIV −IV 線断面拡大図であり、（ｂ）はその従来品である。 同上の排気装置における集合排気管の拡大斜視図である。 連通孔の直径が０．０７Dの排気装置と０．１４Dの排気装置の、エンジン回転数に対するトルクの大きさを示したエンジン性能の実験データである。 連通孔の直径が０．１４Dの排気装置と０．１８Dの排気装置の、エンジン回転数に対するトルクの大きさを示したエンジン性能の実験データである。 本発明の第２実施形態に係る排気装置の断面拡大図である。

符号の説明

３２ 排気管
３６ 排気装置
３７ 排気通路
３８ 集合排気管
３８ａ，３８ｂ 触媒導入通路
４３ 触媒コンバータ
４４ 排気ガスセンサ
５１ 仕切り板
５１ａ 連通孔
Ｅ エンジン
Ｇ 排気ガス

Claims (3)

1. 車両に搭載された複数気筒のエンジンから排気ガスを排出する排気装置であって、
   前記エンジンの複数の気筒に接続されて排気通路の一部を形成する複数の排気管と、前記複数の排気管を集合した集合排気管と、前記集合排気管に内蔵された触媒コンバータとを備え、
   互いに隣接する前記複数の排気通路の間を仕切る仕切り板に連通孔が形成され、
   前記連通孔に近接して前記排気ガスの成分を検出する排気ガスセンサが配置され、
   前記排気ガスセンサが前記触媒コンバータの上流側近傍に位置し、その先端部が前記連通孔に向かって傾斜して配置されている車両の排気装置。
2. 請求項１において、前記エンジンは４気筒であって、さらに、各気筒に接続された４つの前記排気管に対応する４つの通路が前記集合排気管に接続され、
   前記集合排気管内では、前記仕切り板および前記触媒コンバータにより、排気通路が２つに区画されている車両の排気装置。
3. 請求項１または２において、前記集合排気管は横断面円形であり、その内径をＤとすると、前記連通孔の直径ｄが、０．１０Ｄ〜０．２５Ｄである車両の排気装置。

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