JP5602121B2

JP5602121B2 - 排気センサーの取付け構造

Info

Publication number: JP5602121B2
Application number: JP2011252226A
Authority: JP
Inventors: 進小川; 孝裕新開
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2031-11-18
Also published as: JP2013108373A

Description

本発明は、気筒列を有する内燃機関の、排気ガスの空燃比を検出する排気センサーの取付け構造に関する。

従来、車両用等の内燃機関を適切な空燃比（Ａ／Ｆ）で稼動させるために、排気通路に設けた排気センサー（酸素センサー、ＬＡＦセンサー等）の検出結果に基づいて燃料噴射量や吸入空気量などをフィードバック制御する空燃比制御が行われるが、排気センサーのガスセンシング性能を満足することと、排気ガス中の凝縮水が被水することによる検出異常、損傷等の不具合の発生を回避することが求められる。
多気筒内燃機関におけるものとして、気筒列を有する内燃機関の各気筒の排気ポートを、気筒列の中央部で集合させてシリンダヘッドに排気ポート集合部が形成され、排気ポート集合部が開口する排気ポート出口に排気管が接続され、排気管に排気センサーが取付けられたものが、例えば下記特許文献１に示されている。
しかし、特許文献１に示される技術は、排気ガス中の水分の凝縮で生じた凝縮水の飛散により排気センサーが被水することで生じる不具合の発生を回避することを主眼とし、そのために排気通路に排水溝を設ける等の構造を示しているが、排気ガス流れとの関係での、排気センサーのガスセンシング性能上、より好ましい排気センサーの取付け構造については特に示しておらず、また、排気センサー近傍の排気管は曲管部で構成されている。

それに対して従来、図６の上部に平面図、下部に側面図が示されるように、気筒列（図中、Ｒ方向、図示のものは４気筒）を有する内燃機関101の各気筒の排気ポート114〜117を気筒列中央部112で集合させて、シリンダヘッド111に排気ポート集合部118が形成され、排気ポート集合部118が開口する排気ポート出口119に、排気ポート出口119側から順に直管部103Ａと曲管部103Ｂを有する排気管103が接続され、排気センサー106は、曲管部103Ｂの排気ガス主流Ｍから離れた箇所に取り付けられて、排気ガスに含まれる凝縮水を被水することが回避されるようにしたものがあった。
なお、平面図においては、排気センサー106の取付け座134のみが示される。
しかし、図６に示されるものにおいては、各気筒からの排気ガスの空燃比を、気筒間のばらつき無く且つ精度良く検出しようとした場合、その配置では、排気センサー106が排気ガス主流Ｍから離れているので、排気センサー106のガスセンシング性能が不足するおそれがあった。

そこで従来、図７に示されるように、図６と同様に排気ポート出口119側から順に直管部103Ａ′と曲管部103Ｂ′を有する排気管103′が接続されたものにおいて、排気センサー106のガスセンシング性能を得るために、図６のものと異なり、排気センサー106の取り付けられた曲管部103Ｂ′を凹ませて、排気センサー106を排気管103′内に押し込んだ位置に取り付けて、曲管部103Ｂ′における排気ガス主流Ｍが排気センサー106を通過するようにしたものがあった。
図７に示されるものにおいては、したがって、気筒間のばらつき無く排気センサー106のガスセンシング性能、精度が得られたが、曲管部103′の凹ませた箇所135では、排気ガス流路が絞られるので、圧力損失が増加するおそれがあった。

特開２０１０−００１８６９号公報（図１〜図７）

本発明は、上記の従来技術に鑑み、気筒列を有する内燃機関において、空燃比（Ａ／Ｆ）検出における気筒間のばらつきを減少できるとともに排気センサーのガスセンシング性能を満足でき、検出精度が向上し、排気ガスの圧力損失の増加を抑制でき、凝縮水による排気センサーの被水を抑制できる排気センサーの取付け構造を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、気筒列を有する内燃機関の各気筒の排気ポートを前記気筒列の中央部で集合させて、シリンダヘッドに排気ポート集合部が形成され、同排気ポート集合部が開口する排気ポート出口に、同排気ポート出口側から順に直管部と曲管部を有する排気管が接続され、同排気管に排気ガスの空燃比を検出する排気センサーが取り付けられた排気センサーの取付け構造において、前記排気センサーは、前記気筒列の中央部から等距離にある気筒の排気ポート軸線のクロスポイントよりも下流側で、前記排気ポート出口の断面積と同じ断面積を有する前記直管部に配置され、前記排気センサーは、そのセンサー中央が、凝縮水の飛散が起きる前記曲管部が始まる箇所であって、前記直管部の下流端の箇所である飛散水発生箇所より所定距離だけ上流側にあるように同直管部に配置され、前記直管部を流れる排気ガス主流が、前記排気センサーを通過するように構成されたことを特徴とする排気センサーの取付け構造である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の排気センサーの取付け構造において、前記排気ポート集合部と前記排気管とが連通して形成する空間に、前記クロスポイントまでの前記排気ポート軸線全てを含む排気ガス流路が形成されたことを特徴とする。

請求項１の発明の排気センサーの取付け構造によれば、排気センサーが、気筒列の中央部から等距離にある気筒の排気ポート軸線のクロスポイントより下流側に配置されたため、各気筒からの排気ガスが合流して、排気センサーに同等の強さで当たることができるので、検出における気筒間のばらつきを小さくできるとともに、排気ガス主流が排気センサーを通過するため、排気センサーのガスセンシング性能を満足させることができ、検出精度が向上する。
そして、排気センサーが配置された直管部は、排気ポート出口の断面積と同じ断面積を有するため、排気ガスが直管部を整流状態で流れるので、排気ガスの圧力損失の増加を抑制できる。
また、凝縮水の飛散は、主に曲管部が始まる箇所から発生するが、排気センサーを直管部に配置したため、排気センサーは飛散水の発生箇所よりも上流側となるので、凝縮水による排気センサーの被水を抑制できる。

請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加え、各気筒からの排気ガスは、排気ポート集合部と排気管とが連通して形成する空間において、各排気ポート軸線に沿って障害物に当たらずまっすぐ流れて合流するので、合流後の排気ガス主流の乱れが抑制され、排気センサーの検出精度が、より向上する。

本発明の一実施形態に係る排気センサーの取付け構造を備えた内燃機関の斜視図である。図１中、II−II矢視による、図上、気筒列を上下方向に配して示される排気ポートと排気ポート集合部、および排気管の平面図である。図２中、III−III矢視による、排気ポートと排気ポート集合部、および排気管の側面図であり、排気センサーを取り付けた状態で示す。排気管の側面断面図であり、排気センサーを取り付けた状態で示す。排気管の、図４中、V矢視に相当する斜視図であり、排気センサーを外した状態で示す。従来の排気センサーの取付け構造の一例の説明図であり、上部に図２同様に示される排気ポートと排気ポート集合部、および排気管の平面図、下部に図３同様に示される側面図を示す。従来の排気センサーの取付け構造の他の例の説明図であり、上部に図２同様に示される排気ポートと排気ポート集合部、および排気管の平面図、下部に図３同様に示される側面図を示す。

図１から図５に基づき、本発明の一実施形態に係る排気センサーの取付け構造につき説明する。
なお、本明細書の説明における上下の向きは、本実施形態に係る排気センサーの取付け構造を備えた図１に示す内燃機関１における上下の向きに従う。
前後左右の向きは、内燃機関１のシリンダヘッド11に取り付けられた排気管３へ流入する排気ガスの流れの向きに従い、シリンダヘッド11から離間する方向を「前方」とし、シリンダヘッド11側を「後方」として、「左、右方向」は、その前後方向に基づく。
また、図中矢印ＦＲは前方を、ＬＨは左方を、ＲＨは右方を、ＵＰは上方を、それぞれ示す。

図１から図５は、本発明の一実施形態に係るものであり、図１に、本実施形態の排気センサーの取付け構造を備えた、気筒列を有する内燃機関（以下単に「内燃機関」という）１の斜視図を示す。
本実施形態の内燃機関１は、車両用の直列４気筒内燃機関であり、図示しないピストンやクランクシャフト等が収容されるシリンダブロック10と、シリンダブロック10の上部に取り付けられたシリンダヘッド11を有する。

内燃機関１は、気筒列を有し、気筒列中央部（本発明の「気筒列の中央部」）12において、気筒列方向Ｒに対して直角方向に、すなわち内燃機関１のシリンダヘッド11の一側面に、シリンダヘッド11から排気ガスを受ける排気管３が取り付けられている。
排気管３は上流端部、すなわち後端部３ａがシリンダヘッド11に締結されて、シリンダヘッド11から離間するように前方向に延出し、その前方端部３ｂにおいて下方に屈曲しており、屈曲した下端部３ｃは、接続管41を介して上下方向に配設された触媒コンバータ４に接続している。

触媒コンバータ４の下流側は、排気パイプ５が接続し、触媒コンバータ４を出た排気ガスはさらに図示しない第２触媒コンバータ、マフラに送られる。
排気管３には、内燃機関１を適切な空燃比（Ａ／Ｆ）で稼動させる制御のために、排気ガスの空燃比を検出する排気センサー６が取り付けられている。

図２、図３に示されるように、内燃機関１のシリンダヘッド11には、気筒列方向Ｒに並んだ図示しない各気筒に対応して配置された図示しない燃焼室と、各燃焼室に開口する各一対の排気口13をそれぞれ有する第１排気ポート14、第２排気ポート15、第３排気ポート16、第４排気ポート17が設けられている。

第１〜第４排気ポート（本発明の「排気ポート」）14〜17は、その下流側の排気ポート集合部18において合流しており、それらによりシリンダヘッド一体型のエキゾーストマニホルドが形成されている。
シリンダヘッド11内に形成された排気ポート集合部18は、気筒列中央部12において、気筒列方向Ｒに対して直角方向前方に、すなわち内燃機関１のシリンダヘッド11の前側面に開口して排気ポート出口19が形成されている。
排気ポート出口19には、排気管３の後端部３ａが接続する。

排気管３は、上下２枚の耐熱鋼板で管状に形成された部材であり、シリンダヘッド11に接続されるフランジ部30が後端部３ａに設けられ略水平前方に延在する直管部３Ａと、直管部３Ａに連なって形成され、略水平から下方に湾曲して、下端部３ｃが開口する曲管部３Ｂとからなる。
直管部３Ａは、その後端部３ａにおいて、排気ポート出口18に接続される流入口31を有している。直管部３Ａに接続して形成された曲管部３Ｂは、前方端部３ｂが膨出する態様で下方に湾曲し、下端部３ｃは出口開口32を形成し、接続管41に接続している。

接続管41は、触媒コンバータ４の上端の形状に適合するように、通路面積を徐々に拡大しながら下方に延在し、触媒コンバータ４の上端部に接続している（図４参照）。

排気管３には、排気ガスの空燃比を検出する排気センサー６が取り付けられている。排気センサー６は、センサーケース６ａが排気管３の直管部３Ａの上壁33を貫き、検出部６ｂが排気管３内部に露出した状態で取り付けられている。排気センサー６の検出結果は、図示しないＥＣＵ（Engine Control Unit）に送られ、内燃機関１の燃焼制御（フィードバック空燃比制御）に用いられる。
排気センサー６は、理論空燃比を境としたリーン（空気過剰）域またはリッチ（燃料過剰）域を判別するために用いられる酸素センサー、または、空燃比に比例した電流値をＥＣＵに出力するＬＡＦ（Linear Air Fuel Ratio）センサーである。
なお、図２においては、排気センサー６の取付け座34のみ示されている。

図２に示されるように、第１〜第４排気ポート14〜17は、その第１〜第４排気ポート軸線（本発明の「排気ポート軸線」）14ｘ〜17ｘを直線的に下流側に延在させており、気筒列中央部12から等距離にある気筒の第１排気ポート軸線14ｘと第４排気ポート軸線17ｘが、気筒列中央部12で第１クロスポイント21を形成し、第２排気ポート軸線15ｘと第３排気ポート軸線16ｘが、気筒列中央部12で第２クロスポイント22を形成している。

そして、排気ポート集合部18と排気管３は連通しており、連通して形成する空間20に、第１クロスポイント21までの第１、第４排気ポート軸線14ｘ、17ｘと、第２クロスポイント22までの第２、第３排気ポート軸線15ｘ、16ｘ全てを含む排気ガス流路が形成される。
したがって、各気筒から各排気ポート14〜17を流れる排気ガスは、排気ポート集合部18と排気管３とが連通して形成する空間20において各排気ポート軸線14ｘ〜17ｘに沿って障害物に当たらず気筒列中央部12に向けてまっすぐ流れて合流し、排気管３内の中央部で合流後の排気ガス主流Ｍを形成する。

第２排気ポート軸線15ｘと第３排気ポート軸線16ｘの第２クロスポイント22は、図２に示されるように、第１クロスポイント21よりも下流側（前方）に位置し、排気管３内に入り込むが、排気センサー６は、第２クロスポイント22よりも下流側に位置して設けられる。
そして、排気管３の直管部３Ａは、第２クロスポイント22より下流側まで形成されており、排気センサー６は少なくともセンサー中央６ｃが直管部３Ａに配置されている。

すなわち、排気センサー６は、直管部３Ａにおいて、第１、第２クロスポイント（本発明の「クロスポイント」）21、22よりも下流側に配置され、図２、図３に示されるように、排気管３のフランジ部30の前面からの、第２クロスポイント22までの距離をＸ、センサー中央６ｃまでの距離をＹ、直管部３Ａの範囲の長さをＳ、とすると、
Ｘ＜Ｙ＜Ｓ
という関係に構成されている。

また、図２、図３に示されるように、排気管３の流入口31は、シリンダヘッド11の排気ポート出口19と略一致した流路断面形状、略同断面積の開口をなすが、図５に示されるように、左右方向に幅の広い長円形状36をなしている。
直管部３Ａは流路断面積は同じで、流路断面形状も長円形状36に形成されている。
曲管部３Ｂにおいて、流路断面形状は長円形状36から真円形状37へと滑らかに変化し、出口開口32において接続管41に接続している。

したがって、図３、図４に示されるように、直管部３Ａを流れる排気ガス主流Ｍは、直管部３Ａに配置された排気センサー６のセンサー中央６ｃの下端部、すなわち検出部６ｂを流れる。
なお、図３、図４に示す排気ガス主流Ｍの矢印は、排気ガス主流Ｍの中心部を示すものであり、実効的な主流は相当の幅を有している。

以上のような本実施形態の排気センサーの取付け構造においては、排気センサー６が、気筒列中央部12から等距離にある気筒の排気ポート軸線14ｘ〜17ｘのクロスポイント21、22より下流側に配置されたため、各気筒からの排気ガスが合流し、合流後の排気ガス主流Ｍとなって排気センサー６に同等の強さで当たることができる。
したがって、検出における気筒間のばらつきを小さくできるとともに、排気ガス主流Ｍが排気センサー６を通過するため、排気センサーのガスセンシング性能を満足させることができ、検出精度が向上する。

なお且つ、排気センサー６が配置された直管部３Ａは、排気ポート出口19の断面積と略同断面積を有するため、排気ガスが直管部３Ａを整流状態で流れるので、排気ガスの圧力損失の増加を抑制できる。

また、凝縮水の飛散は、図４に示されるように、主に曲管部３Ｂが始まる箇所から発生するが、排気センサー６のセンサー中央６ｃを直管部３Ａに配置したため、少なくとも曲管部の始まる位置とセンサー中央６ｃの位置の間の距離Ｄ（＝Ｓ−Ｙ）だけ、排気センサー６は飛散水７の発生箇所７ａよりも上流側となるので、凝縮水からの排気センサーの被水を抑制できる。
したがって、被水による排気センサー６の検出異常や検出部６ｂの損傷等の不具合の発生を防止して、排気センサー６の検出性および耐久性を向上させることができる。

そして、図２に示されるように、排気ポート集合部18と排気管３とが連通して形成する空間20に、各クロスポイント21、22までの排気ポート軸線14ｘ〜17ｘ全てを含む排気ガス流路が形成されたため、各気筒からの排気ガスは、排気ポート集合部18と排気管３とが連通して形成する空間20において、各排気ポート軸線14ｘ〜17ｘに沿って障害物に当たらずまっすぐ流れて合流するので、合流後の排気ガス主流Ｍの乱れが抑制され、排気センサー６の検出精度が、より向上する。

以上、本発明の一実施形態につき説明したが、本発明はそれらに示されるものに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲で、多様な態様を含むことは勿論である。
たとえば、内燃機関１は、気筒列を有するものであれば４気筒以外の直列複数の気筒を備えるものであってよく、また１つのバンクが気筒列をなす複数の気筒から構成されるＶ型または水平対向型の内燃機関であってもよい。
内燃機関１は、車両に搭載されるものに限定されず、舶用あるいは定置用であってもよい。

１…内燃機関、３…排気管、３Ａ…直管部、３Ｂ…曲管部、３ａ…後端部、３ｂ…前方端部、３ｃ…下端部、４…触媒コンバータ、６…排気センサー、６ａ…センサーケース、６ｂ…検出部、６ｃ…センサー中央、７…飛散水、７ａ…発生箇所、11…シリンダヘッド、12…気筒列中央部（本発明の「気筒列の中央部」）、13…排気口、14〜17…第１〜第４排気ポート（本発明の「排気ポート」）、14ｘ〜17ｘ…第１〜第４排気ポート軸線（本発明の「排気ポート軸線」）、18…排気ポート集合部、19…排気ポート出口、20…空間、21、22…第１、第２クロスポイント（本発明の「クロスポイント」）、30…フランジ部、31…流入口、32…出口開口、33…上壁、34…取付け座、41…接続管、Ｍ…排気ガス主流、Ｒ…気筒列方向

Claims

気筒列を有する内燃機関(１)の各気筒の排気ポート(14〜17)を前記気筒列の中央部(12)で集合させて、シリンダヘッド(11)に排気ポート集合部(18)が形成され、同排気ポート集合部(18)が開口する排気ポート出口(19)に、同排気ポート出口(19)側から順に直管部(３Ａ)と曲管部(３Ｂ)を有する排気管(３)が接続され、同排気管(３)に排気ガスの空燃比を検出する排気センサー(６)が取り付けられた排気センサーの取付け構造において、
前記排気センサー(６)は、前記気筒列の中央部(12)から等距離にある気筒の排気ポート軸線(14ｘ:17ｘ、15ｘ:16ｘ)のクロスポイント(21、22)よりも下流側で、前記排気ポート出口(19)の断面積と同じ断面積を有する前記直管部(３Ａ)に配置され、
前記排気センサー(６)は、そのセンサー中央(6c)が、凝縮水の飛散が起きる前記曲管部(３Ｂ)が始まる箇所であって、前記直管部(３Ａ)の下流端の箇所である飛散水発生箇所(7a)より所定距離(D)だけ上流側にあるように同直管部(３Ａ)に配置され、
前記直管部(３Ａ)を流れる排気ガス主流(Ｍ)が、前記排気センサー(６)を通過するように構成されたことを特徴とする排気センサーの取付け構造。
前記排気ポート集合部(18)と前記排気管(３)とが連通して形成する空間(20)に、前記クロスポイント(21、22)までの前記排気ポート軸線(14ｘ〜17ｘ)全てを含む排気ガス流路が形成されたことを特徴とする請求項１記載の排気センサーの取付け構造。