JP5772567B2

JP5772567B2 - 排気管

Info

Publication number: JP5772567B2
Application number: JP2011276291A
Authority: JP
Inventors: 寛樹村上
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2031-12-16
Also published as: JP2013127210A

Description

本発明は、内燃機関の排気通路の一部を構成する排気管に係り、詳しくは酸素濃度センサーへのガス当たりを改善するための、その構造の改良に関する。

車載等の内燃機関では、排気の酸素濃度を検出する酸素濃度センサーをその排気通路に設置し、内燃機関で燃焼された混合気の空燃比等をその信号から求めている。酸素濃度センサーは、例えばジルコニアなどの固体電解質からなる検出素子を有しており、その検出素子を排気の流れの中に置くことで排気の酸素濃度を検出している。

こうした酸素濃度センサーの検出精度を確保するには、同センサーに当たる排気の流量を多くすることが、すなわち酸素濃度センサーのガス当たりを良好とするが必要となる。そして従来、酸素濃度センサーのガス当たりを改善する技術として、非特許文献１に記載の技術が提案されている。

図６に示すように、非特許文献１に記載の構成では、内燃機関の排気通路を構成する排気管５０に、ＥＧＲ（排気再循環：Exhaust Gas Recirculation）パイプ取付口５１が形成されており、このＥＧＲパイプ取付口５１に、吸気中に再循環される排気が流れるＥＧＲパイプ５２が取り付けられている。また、排気管５０のＥＧＲパイプ取付口５１の排気下流側には、排気管５０の中心軸を挟んでＥＧＲパイプ取付口５１に対向する位置に酸素センサー５３が取り付けられている。なお、この酸素センサー５３は、排気の酸素濃度が、閾値よりも高いか低いかを示す信号を出力するタイプの酸素濃度センサーであり、内燃機関で燃焼された混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチであるか、リーンであるかを確認するために用いられる。

更に、この排気管５０では、一定の長さ分、排気通路内に突き出するようにＥＧＲパイプ５２が取り付けられている。そして、そのＥＧＲパイプ５２の突き出した部分により、排気の流れを変えることで、酸素センサー５３のガス当たりを向上している。

また、非特許文献１には、図７に示すような、ＥＧＲパイプ取付口５１の排気上流における排気通路内に、酸素センサー５３に向うように排気の流れを変える邪魔板５４を溶接した構成も記載されている。この構成では、その邪魔板５４によって、煤状物質（スート）のような、排気中の異物のＥＧＲパイプ５２への侵入を抑制するようにもしている。

ちなみに、特許文献１には、酸素濃度センサー取付位置よりも排気上流側にＥＧＲ取出口を設けられた内燃機関の排気通路が記載されている。また、特許文献２には、酸素濃度センサーの排気上流に整流板を設け、酸素濃度センサーに排気が鋭角に当たるように排気の流れを整流することで、酸素濃度センサーへの凝縮水の付着を抑制したり、酸素濃度センサーに付着した凝縮水を排気の流勢で落とし易くしたりする構成が記載されている。

特開平１０−２０５３８４号公報特開２００７−３２１５９３号公報

発明協会公開技報技報番号２００８−５０５９２７号

上述の非特許文献１に記載の構成によれば、確かに、酸素センサー５３のガス当たりを改善することが可能である。しかしながら、下記のように、その改善の程に限界があったり、製造上の問題があったりするものとなっており、未だ改善の余地がある。

すなわち、図７に示したような邪魔板５４を溶接した構成では、邪魔板５４の分の部品点数の増加や、溶接のための製造工数の増加のため製造コストの増加は避けられない。また、ＥＧＲパイプ５２の近傍に取り付けられる関係上、邪魔板５４を適切な角度で排気管５０に溶接することが非常に困難となることもある。

一方、図６に示したようなＥＧＲパイプ５２を排気通路内に突き出す構成では、図８に示すように、ＥＧＲパイプ５２に当たった排気の多くが、曲面となったＥＧＲパイプ５２の側周に沿ってＥＧＲパイプ５２の両側に流れてしまい、余り多くの量の排気を酸素センサー５３に向わせられないようになっている。また、ＥＧＲパイプ５２の両側に形成される隙間がデッドスペースとなるため、排気通路内の排気の流れが悪化するようにもなる。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、酸素濃度センサーのガス当たりの改善を、より効果的、効率的に行うことにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気通路の一部を構成する排気管であって、吸気中に再循環される排気を流す排気再循環パイプが取り付けられる排気再循環パイプ取付口が設けられるとともに、その排気再循環パイプ取付口の排気下流側、かつ当該排気管の周方向において同排気再循環パイプ取付口とは異なる位置に、排気の酸素濃度に応じた信号を出力する酸素濃度センサーが取り付けられる排気管において、前記排気再循環パイプ取付口の排気上流には、排気通路内側に窪み前記排気再循環パイプ取付口と連続する凹部が一つのみ形成されており、前記凹部の排気下流側の側面は前記排気再循環パイプ取付口で構成されていることをその要旨としている。

上記構成では、排気が凹部に当たることで、その流れの方向が酸素濃度センサー側に変更されるようになる。新規の部品を追加せず、排気管の管壁に凹部を形成することで排気の流れを酸素濃度センサーに導くことができるため、部品点数を増やさずに、酸素濃度センサーのガス当たりを改善することができる。また凹部の形状は、加工上の制約により許される範囲においてある程度自由に変更できる。そのため、より良好に排気を酸素濃度センサーに導けるような形状に凹部を形成することができる。したがって、上記構成によれば、酸素濃度センサーのガス当たりの改善を、より効果的、効率的に行うことができる。

また、凹部が庇となって、排気再循環パイプの開口への排気中の異物の近接が効果的に妨げられるようになり、ＥＧＲパイプへの異物の侵入が的確に抑えられるようになる。また、ＥＧＲパイプ取付口と凹部とを同じ加工方法で成形することが容易となり、酸素濃度センサーのガス当たりの改善に係る構造の追加による製造コストの増加を抑えることができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の排気管において、排気上流側から見たときの前記凹部の形成箇所における当該排気管の内周の稜線の曲率を、当該排気管の中心軸に直交する断面における前記凹部の形成箇所以外の当該排気管の内周の曲率よりも小さくしている。

こうした場合、凹部に当たった後、排気通路中央側以外の方向に逸れてしまう排気の量を減らすことができ、凹部に当たった排気のより多くを酸素濃度センサー側に導くことができる。そのため、酸素濃度センサーのガス当たりをより効果的に改善することができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１又は２に記載の排気管において、前記凹部の形成箇所における前記排気管の内周の排気上流側を、同排気管の中心軸に直交する断面における前記凹部の形成箇所以外の同排気管の内周の曲率よりも曲率の小さい面に形成している。

こうした場合にも、凹部に当たった後、排気通路中央側以外の方向に逸れてしまう排気の量を減らすことができ、凹部に当たった排気のより多くを酸素濃度センサー側に導くことができる。そのため、酸素濃度センサーのガス当たりをより効果的に改善することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気管において、前記凹部を、前記排気再循環パイプ取付口と同時に成形している。
こうした場合、排気管の製造工数を増加させずに、酸素濃度センサーのガス当たりの改善に係る構造を追加でき、その追加による製造コストの増加を抑えることができる。

本発明に係る排気管を具体化した第１の実施の形態の適用される排気マニホールド・アッシーの斜視構造を示す斜視図。図１に円ＩＩで示された部分の斜視断面構造を示す断面図。上記排気マニホールド・アッシーのパイプ部の排気上流側から見た平面構造を示す平面図。（ａ）〜（ｅ）同パイプ部の製造に係るプレス加工の手順を示す図。同パイプ部における排気の流れを示す断面図。酸素濃度センサーのガス当たりを改善した従来の排気管についてその断面構造を示す断面図。同じく酸素濃度センサーのガス当たりを改善した従来のもう一つの排気管についてその断面構造を示す断面図。図６に示した従来の排気管における排気の流れを示す断面図。

以下、本発明の排気管を具体化した一実施の形態を、図１〜図５を参照して詳細に説明する。本実施の形態では、図１に示す排気マニホールド・アッシーに本発明に係る排気管を採用している。この排気マニホールド・アッシーは、内燃機関の排気マニホールドや触媒コンバーターを一体に組み付けた組付部品として構成されている。

同図に示すように、排気マニホールド・アッシーの最も排気上流側の部分には、内燃機関の各気筒から排出された排気を合流させるマニホールド部１が設けられている。マニホールド部１の排気下流側には、排気を浄化する触媒を内蔵する触媒コンバーター２が接続されている。そして触媒コンバーター２の排気下流側には、略円管形状のパイプ部３が接続されている。ちなみに、本実施の形態では、このパイプ部３が、本発明で言うところの、内燃機関の排気通路の一部を構成する排気管に相当する構成となっている。なお、マニホールド部１、触媒コンバーター２、パイプ部３の接続は、溶接により行われている。

パイプ部３には、吸気中に再循環される排気を流すＥＧＲパイプ４が取り付けられている。また、パイプ部３には、排気の酸素濃度に応じた信号を出力する酸素濃度センサーを取り付けるための酸素センサーボス５が設けられている。更に、パイプ部３の排気下流側には、排気マニホールド・アッシーを排気管路に接続するためのフランジ６が設けられている。なお、本実施の形態では、このパイプ部３の酸素センサーボス５には、排気の酸素濃度が、内燃機関において理論空燃比の混合気が燃焼されたときの排気の酸素濃度よりも高いか低いかを示す信号を出力するタイプの酸素濃度センサー、いわゆる酸素センサーが取り付けられるようになっている。

図２に示すように、パイプ部３の管壁には、ＥＧＲパイプ４を取り付けるためのＥＧＲパイプ取付口７が形成されている。ＥＧＲパイプ取付口７には、パイプ部３の外周よりその外径方向に立ち上げられた円筒状のストレッチフランジが形成されている。そして、そのストレッチフランジにＥＧＲパイプ４を溶接等で接合することで、ＥＧＲパイプ取付口７にＥＧＲパイプ４が取り付けられている。

一方、酸素センサーボス５は、パイプ部３のＥＧＲパイプ取付口７の排気下流側に形成されたボス取付孔９に取り付けられている。ボス取付孔９は、パイプ部３の周方向において、パイプ部３の中心軸Ａを挟んでＥＧＲパイプ取付口７と略対向する位置に形成されている。すなわち、このパイプ部３において酸素センサーは、ＥＧＲパイプ取付口７の排気下流側、かつパイプ部３の周方向においてＥＧＲパイプ取付口７とは異なる位置に取り付けられるようになっている。

こうしたパイプ部３のＥＧＲパイプ取付口７の排気上流には、排気通路内側に窪んだ凹部８が形成されている。凹部８は、ＥＧＲパイプ取付口７に連続して形成されている。すなわち、凹部８は、ＥＧＲパイプ取付口７の直ぐ隣りに形成されている。また、凹部８は、図３に示すように、排気上流側から見たときの凹部８の形成箇所におけるパイプ部３の内周の稜線Ｌが略直線となるように形成されている。すなわち、上記稜線Ｌの曲率は、パイプ部３の中心軸Ａに直交する断面における凹部８の形成箇所以外のパイプ部３の内周の曲率に比して小さくされている。

また凹部８の形成箇所におけるパイプ部３の内周の排気上流側は、その排気通路中央側が排気下流側に向うように傾斜した略平面状に形成されている。すなわち、この排気上流側の面の曲率は、パイプ部３の中心軸Ａに直交する断面における凹部８の形成箇所以外のパイプ部３の内周の曲率に比して小さくされている。

次に、こうしたパイプ部３の加工プロセスを、図４を参照して説明する。パイプ部３は、同図（ａ）に示すような円管材１０にプレス加工を施して製造される。その製造手順は次の通りとなっている。

まず、同図（ｂ）に示すように、プレスによる曲げ加工を施して円管材１０を所定の形状に湾曲させる。次に、プレスによる張り出し加工によって、凹部８並びにＥＧＲパイプ取付口７の形成箇所１１、及びボス取付孔９の形成箇所１２における円管材１０の外周をそれぞれ平坦面に加工する。

続いて、プレスによる穴開け加工によって、ボス取付孔９を形成するとともに、ＥＧＲパイプ取付口７の形成箇所１１に穴１３を開ける。そして最後に、バーリング加工によって、穴１３の周囲にストレッチフランジを形成して、ＥＧＲパイプ取付口７を形成する。なお、凹部８の成形は、同図（ｂ）の張り出し加工と、このときのバーリング加工とを通じて行われる。

次に、こうした本実施の形態の作用を、図５を参照して説明する。
同図に示すように、ＥＧＲパイプ取付口７の排気上流に上記のような凹部８が形成されたパイプ部３では、凹部８に当たることで排気の流れ方向が変わり、酸素センサー１４に排気が導かれる。このときの凹部８のガス当たり面（排気上流側の面）は、比較的平坦な面となっている。また、排気上流側から見たパイプ部３の内周における凹部８の稜線Ｌが略直線とされており、排気通路内に突き出したＥＧＲパイプ４を排気の誘導に使用する場合のように、両側の隙間に排気が逸れてしまうことがないようになっている。そのため、このパイプ部３では、凹部８に当たった排気の多くが、他の方向に逸れることなく、酸素センサー１４に向うようになる。

また、排気通路内側に窪んだ凹部８がＥＧＲパイプ取付口７の排気上流に形成されたこのパイプ部３では、その凹部８が庇となって、ＥＧＲパイプ４の開口への排気中の異物の近接が妨げられるようにもなる。しかも、そうした凹部８がＥＧＲパイプ取付口７の直ぐ近くに設けられている。そのため、ＥＧＲパイプ４への排気中の異物の侵入が効果的に抑えられるようになる。

以上の本実施の形態の排気管によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）本実施の形態では、ＥＧＲパイプ取付口７の排気上流に、排気通路内側に窪んだ凹部８を形成することで、酸素センサー１４のガス当たりの改善している。そのため、部品点数を増やすことなくガス当たりの改善が可能となる。また加工上の制約から許される範囲において、その形状をある程度自由に変更できることから、排気をより良好に酸素センサー１４に導くことのできる形状に凹部８を形成することが可能でもある。そのため、酸素センサー１４のガス当たりの改善を、より効果的、効率的に行うことができる。

（２）凹部８により、ＥＧＲパイプ４の開口への排気中の異物の近接が妨げられるため、ＥＧＲパイプ４内への異物の侵入を好適に抑制することができる。
（３）本実施の形態では、そうした凹部８がＥＧＲパイプ取付口７と連続して形成されている。そのため、ＥＧＲパイプ取付口７と凹部８とを同じ加工方法で成形することが容易となり、酸素センサー１４のガス当たりの改善に係る構造の追加による製造コストの増加を抑えることができる。また、ＥＧＲパイプ４内への異物の侵入をより的確に抑制することが可能ともなる。

（４）本実施の形態では、排気上流側から見たときの凹部８の形成箇所におけるパイプ部３の内周の稜線Ｌが、同パイプ部３の中心軸Ａに直交する断面における凹部８の形成箇所以外の同パイプ部３の内周の曲率よりも曲率の小さい略直線に形成されている。そのため、凹部８に当たった排気のより多くを酸素センサー１４側に導くことができ、酸素センサー１４のガス当たりをより効果的に改善することができる。

（５）本実施の形態では、凹部８の形成箇所におけるパイプ部３の内周の排気上流側が、パイプ部３の中心軸Ａに直交する断面における凹部８の形成箇所以外のパイプ部３の内周の曲率よりも曲率の小さい略平面に形成されている。そのため、凹部８に当たった排気のより多くを酸素センサー１４側に導くことができ、酸素センサー１４のガス当たりをより効果的に改善することができる。

（６）本実施の形態では、凹部８とＥＧＲパイプ取付口７とをプレス加工により同時に成形している。そのため、製造工数を増加させずに、酸素センサー１４のガス当たりの改善に係る構造を追加でき、その追加による製造コストの増加を抑えることができる。

なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施の形態でのパイプ部３の製造に係るプレス加工の各工程での加工形態やその順序は、ＥＧＲパイプ取付口７や凹部８の成形が適切に行えるのであれば、任意適宜に変更しても良い。

・上記実施の形態では、プレス加工により、ＥＧＲパイプ取付口７や凹部８をパイプ部３に成形していたが、それ以外の加工方法、あるいはプレス加工とそれ以外の加工方法とを組み合わせて、それらを成形するようにしても良い。

・上記実施の形態では、ＥＧＲパイプ取付口７と同時に凹部８を成形するようにしていたが、加工上、それらの同時成形が困難であれば、それらの成形を別途に行うようにしても良い。

・上記実施の形態では、凹部８のガス当たり面、すなわち凹部８の形成箇所におけるパイプ部３の内周の排気上流側を略平面となるように凹部８を形成していた。加工上、そうした略平面の形成が困難な場合、凹部８のガス当たり面の曲率が、パイプ部３の中心軸Ａに直交する断面における凹部８の形成箇所以外のパイプ部３の内周の曲率以上とならざるを得ないこともある。そうした場合であれ、酸素センサー１４のガス当たりを、部品点数を増やさずに改善することは可能である。また、ガス当たり面の曲率がある程度大きくなっても、凹部８の形状や大きさを工夫することで、酸素センサー１４のガス当たりを良好に改善することが可能である。

・上記実施の形態では、排気上流側から見たときの凹部８の形成箇所におけるパイプ部３の内周の稜線Ｌが略直線となるように凹部８を形成していた。加工上、そうした略直線の稜線Ｌの形成が困難な場合、上記稜線Ｌの曲率が、パイプ部３の中心軸Ａに直交する断面における凹部８の形成箇所以外のパイプ部３の内周の曲率以上とならざるを得ないこともある。そうした場合であれ、酸素センサー１４のガス当たりを、部品点数を増やさずに改善することは可能である。また、稜線Ｌの曲率がある程度大きくなっても、凹部８の形状や大きさを工夫することで、酸素センサー１４のガス当たりを良好に改善することが可能である。

・上記実施の形態では、凹部８をＥＧＲパイプ取付口７と連続して形成していたが、凹部８とＥＧＲパイプ取付口７とを一定の間隔を置いて形成するようにしても良い。そうした場合であれ、それらの間隔がある程度よりも小さければ、ＥＧＲパイプ４への異物の侵入をある程度に抑えることが可能である。また、そうした場合にも、加工の仕方によっては、凹部８とＥＧＲパイプ取付口７との同時成形も可能である。

・上記実施の形態では、排気マニホールド・アッシーのパイプ部３に本発明の排気管を適用した場合を説明したが、ＥＧＲパイプ取付口７の排気下流に酸素センサー１４が取り付けられる排気管であれば、上記実施形態におけるパイプ部３と同様、あるいはそれに準じた態様で、本発明を適用することが可能である。

・上記実施の形態では、排気管に取り付けられる酸素濃度センサーとして、排気の酸素濃度が閾値よりも高いか低いかを示す信号を出力する酸素センサー１４を採用する場合を説明した。尤も本発明は、排気の酸素濃度に応じたレベルの信号を出力して、内燃機関で燃焼された混合気の空燃比を確認するために用いられる、いわゆる空燃比センサーが酸素濃度センサーとして取り付けられる排気管にも適用することができる。

１…マニホールド部、２…触媒コンバーター、３…パイプ部（排気管）、４…ＥＧＲパイプ（排気再循環パイプ）、５…酸素濃度センサーボス、６…フランジ、７…ＥＧＲパイプ取付口（排気再循環パイプ取付口）、８…凹部、９…ボス取付孔、１０…円管材、１１…形成箇所、１２…形成箇所、１３…穴、１４…酸素センサー、５０…排気管、５１…ＥＧＲパイプ取付口、５２…ＥＧＲパイプ、５３…酸素センサー、５４…邪魔板。

Claims

内燃機関の排気通路の一部を構成する排気管であって、吸気中に再循環される排気を流す排気再循環パイプが取り付けられる排気再循環パイプ取付口が設けられるとともに、その排気再循環パイプ取付口の排気下流側、かつ当該排気管の周方向において同排気再循環パイプ取付口とは異なる位置に、排気の酸素濃度に応じた信号を出力する酸素濃度センサーが取り付けられる排気管において、
前記排気再循環パイプ取付口の排気上流には、排気通路内側に窪み前記排気再循環パイプ取付口と連続する凹部が一つのみ形成されており、
前記凹部の排気下流側の側面は前記排気再循環パイプ取付口で構成されている
ことを特徴とする排気管。
排気上流側から見たときの前記凹部の形成箇所における当該排気管の内周の稜線の曲率が、当該排気管の中心軸に直交する断面における前記凹部の形成箇所以外の当該排気管の内周の曲率よりも小さくされてなる
ことを特徴とする請求項１に記載の排気管。
前記凹部の形成箇所における前記排気管の内周の排気上流側が、同排気管の中心軸に直交する断面における前記凹部の形成箇所以外の同排気管の内周の曲率よりも曲率の小さい面に形成されてなる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気管。
前記凹部は、前記排気再循環パイプ取付口と同時に成形されてなる
請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気管。