JP6405806B2

JP6405806B2 - 内燃機関の排気装置

Info

Publication number: JP6405806B2
Application number: JP2014178631A
Authority: JP
Inventors: 濱本　高行; 高行濱本; 杉山　孝伸; 孝伸杉山; 英弘藤田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2014-09-03
Filing date: 2014-09-03
Publication date: 2018-10-17
Anticipated expiration: 2034-09-03
Also published as: JP2016053311A

Description

この発明は多気筒内燃機関の排気装置に関し、特に、複数の気筒の排気が流れる集合排気管と、個々の気筒の排気が独立して流れる個別排気管と、を単一の触媒コンバータに接続してなる内燃機関の排気装置に関する。

例えば特許文献１には、直列４気筒内燃機関において、点火順序が連続しない♯２気筒と♯３気筒の排気ポートをシリンダヘッド内部で合流させる一方、♯１気筒と♯４気筒の排気ポートはそのままシリンダヘッド側面に開口させた構成の排気装置が開示されている。つまり、♯２，♯３気筒の排気ポートは一つの集合排気ポートとして構成され、♯１気筒の排気ポートと♯４気筒の排気ポートは、個々の気筒毎に独立した個別排気ポートとして構成されている。そして、♯２，♯３気筒用の集合排気ポートは、一つの集合排気管を介して触媒コンバータに接続されており、♯１気筒および♯４気筒の個別排気ポートは、各々独立した個別排気管を介して触媒コンバータに接続されている。

このように一部の気筒の排気ポートをシリンダヘッド内部で合流させた構成では、冷間始動時に、集合排気管を介して触媒コンバータに導入される排気の温度が高く得られるため、始動後の触媒の早期活性の上で有利となる。さらに特許文献１では、♯２，♯３気筒用の集合排気管の管長を♯１，♯４気筒用の個別排気管の管長よりも短くすることで、集合排気管からの放熱の抑制を図っている。

特開２００８−３８８３８号公報

上記の構成では、♯２，♯３気筒の集合排気管と♯１，♯４気筒の個別排気管とが触媒コンバータの入口部で合流するため、点火順序が連続する２つの気筒（例えば、♯１気筒と♯２気筒、あるいは♯３気筒と♯４気筒）の間での排気干渉が問題となる。この排気干渉を十分に抑制するためには、集合排気管や個別排気管の管長をより長く設定することが望ましいが、これら排気管の管長を長くすると、それだけ外気への放熱が生じやすくなり、始動後の触媒の早期活性の上では不利となる。

この発明は、複数の気筒の排気が流れる集合排気管と、個々の気筒の排気が独立して流れる個別排気管と、を単一の触媒コンバータのディフューザ部に接続してなる内燃機関の排気装置において、上記集合排気管の先端部が、上記ディフューザ部内部へ突出しており、上記個別排気管の先端部は上記ディフューザ部内部へ突出していない、構成となっている。

このように集合排気管の先端部をディフューザ部内部へ突出させると、当該集合排気管の先端開口と個別排気管の先端開口とが突出長だけ離れるので、２つの気筒間の排気通路長が突出長の２倍だけ長くなることになる。従って、仮に２つの気筒の点火順序が連続する場合に、両者間での排気干渉が効果的に抑制される。

また、ディフューザ部内部へ突出している部分では、外気による冷却作用を受けず、ここから放熱した熱は触媒の暖機に寄与するので、始動後の触媒の早期活性を損なうことがない。

この発明によれば、気筒間の排気干渉の抑制と始動後の触媒の早期活性とをより高いレベルで両立させることが可能となる。

この発明に係る排気装置の第１実施例を示す側面図。ディフューザ部を切り欠いて示す側面図。図１のＡ−Ａ線に沿った断面図。図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図。排気管先端部の突出長と残留ガスとの関係を示す特性図。排気管先端部の突出長と体積効率との関係を示す特性図。この発明に係る排気装置の第２実施例を、ディフューザ部を切り欠いて示す側面図。図７のＣ−Ｃ線に沿った断面図。

図１および図２は、この発明を直列４気筒内燃機関１に適用した第１実施例を示している。内燃機関１は、シリンダブロック２およびシリンダヘッド３を備えており、各気筒の排気ポート（図示せず）が、シリンダヘッド３の一方の側面３ａに向かって延びている。ここで、♯１気筒および♯４気筒の排気ポートは、個別排気ポートとして気筒毎に独立してシリンダヘッド３の側面３ａに開口しており、♯２気筒および♯３気筒の排気ポートは、シリンダヘッド３内部で互いに合流し、一つの集合排気ポートとしてシリンダヘッド３の側面３ａに開口している。なお、♯２気筒と♯３気筒は点火時期が３６０°ＣＡ離れており、排気干渉は生じない。

シリンダヘッド３の側面３ａに取り付けられる排気マニホルド５は、♯１気筒の個別排気ポートに接続される♯１個別排気管６と、♯４気筒の個別排気ポートに接続される♯４個別排気管７と、中央の集合排気ポートに接続される集合排気管８と、を備えており、これら３本の排気管６，７，８の基端がヘッド取付フランジ９によって支持されている。♯１個別排気管６および♯４個別排気管７は、ほぼ円形の断面形状を有し、集合排気管８は、気筒列方向に延びた細長い長円形の断面形状を有している。また、集合排気管８の通路断面積は、♯１個別排気管６および♯４個別排気管７の個々の通路断面積よりも大きく設定されている。

♯１個別排気管６、♯４個別排気管７および集合排気管８の先端は、単一の触媒コンバータ１１の上流側のディフューザ部１１ａにそれぞれ接続されている。触媒コンバータ１１は、円柱状のモノリス触媒担体を円筒形金属製ケース内に収容したものであって、ディフューザ部１１ａは、触媒担体端面との間に径が徐々に拡大する空間を形成するように略円錐形に構成されている。

触媒コンバータ１１は、図１に示すように、シリンダブロック２の側方に位置し、かつ円柱状触媒担体の中心軸線Ｌが内燃機関１の気筒列方向（クランクシャフト軸方向）にほぼ平行となる姿勢に配置されている。また、気筒列方向については、シリンダヘッド３の前方寄り（つまり♯１気筒寄り）に片寄って配置されている。従って、ディフューザ部１１ａは、排気主流の流れの方向を約９０°変えるように略Ｌ字形に延びている。詳しくは、ディフューザ部１１ａの上流側部分は、気筒列方向と直交する方向に延び、かつ下流側部分が内燃機関１の前方を向くように湾曲して触媒担体端部に接続されている。

また、集合排気管８は、ヘッド取付フランジ９から気筒列方向と直交する方向に沿って直線的に延び、かつ先端部が下方を指向するように湾曲して、ディフューザ部１１ａの上流側端部に接続されている。図３に示すように、触媒コンバータ１１との接続部では、集合排気管８は、略半円形の断面形状を有している。

気筒列方向の前後に位置する♯１個別排気管６および♯４個別排気管７は、平面視でほぼ対称をなすように気筒列方向に湾曲して延び、かつ先端部が下方を指向するように湾曲して、ディフューザ部１１ａの上流側端部に接続されている。より詳しくは、♯１個別排気管６および♯４個別排気管７は、触媒コンバータ１１の直近で略Ｙ字形ないし略Ｔ字形に合流しており、合流後の１本となった接続管部１２がディフューザ部１１ａに接続されている。図３に示すように、接続管部１２は、集合排気管８端部と対称な略半円形の断面形状を有している。

図４にも示すように、集合排気管８は、内側つまり内燃機関１寄りに配置され、個別排気管６，７は、集合排気管８の上方ないし外側を通過するように配置されている。

ここで、個別排気管６，７の先端部となる接続管部１２がディフューザ部１１ａの上流側端部でディフューザ部１１ａ内部空間にそのまま開口しているのに対し、集合排気管８の先端部は、図２，図４に示すように、ディフューザ部１１ａの上流側端部を貫通して該ディフューザ部１１ａ内部の空間内に突出している。つまり、集合排気管８の先端側部分がディフューザ部１１ａ内部の空間内に突出した突出管部８ａとして構成されており、先端の開口部８ｂがディフューザ部１１ａ上流側端部よりも下流側の位置で触媒担体に向かって開口している。

なお、図４では、突出管部８ａが集合排気管８と同じ一つの管部材から構成されているが、別部材からなる突出管部８ａを集合排気管８の本体部分の先端に接続するようにしてもよい。

上記実施例の構成によれば、♯２，♯３気筒の排気が流れる集合排気管８の実質的な管長が長くなる。特に、点火順序が連続する２つの気筒（例えば、♯１気筒と♯２気筒、あるいは♯３気筒と♯４気筒）の間の排気通路長としては、集合排気管８をディフューザ部１１ａ内部に突出させない場合に比較して、突出管部８ａの突出長の２倍だけ長くなることとなり、点火順序が連続する２つの気筒の間での排気干渉が効果的に抑制される。

図５は、突出管部８ａの突出長と内燃機関１の各気筒の残留ガスとの関係を示しており、図６は、同じく突出管部８ａの突出長と内燃機関１の各気筒の体積効率との関係を示している。これらの図に示すように、突出管部８ａの突出長を長くするほど排気干渉が抑制される結果、筒内の残留ガスが少なくなり、体積効率が向上する。

また、上記の突出管部８ａはディフューザ部１１ａ内部にあるため、外気による冷却作用を受けることがない。換言すれば、外気による冷却作用を受ける集合排気管８の長さ（外部に露出している部分の長さ）は、突出管部８ａの有無によらず変わりがないので、始動直後の排気温度を高く得ることができ、触媒の早期活性を損なうことがない。突出管部８ａから放熱された熱は、ディフューザ部１１ａ内部において、触媒の温度上昇に寄与する。

従って、上記実施例では、♯２気筒および♯３気筒の排気系を集合排気管８としたことによる触媒の早期活性と、点火順序が連続する２つの気筒の間での排気干渉の抑制と、を両立させることが可能となる。

また、上記実施例では、図２に示すように、突出管部８ａの先端開口部８ｂが触媒担体の中心軸線Ｌに対し斜めに開口している。従って、先端開口部８ｂから吐出した排気流は、ディフューザ部１１ａ内部で旋回しながら触媒担体の端面に斜めに広く拡がって流入する。そのため、触媒担体の全体を有効活用することができる。

次に、図７および図８は、この発明の第２実施例を示している。この実施例では、集合排気管８先端の突出管部８ａが、触媒担体の中心軸線Ｌに達する位置まで長く突出しており、その先端開口部８ｂが触媒担体の端面に向かって開口している。つまり触媒担体の中心軸線Ｌに沿って排気が吐出されるように、先端開口部８ｂが中心軸線Ｌと直交する平面に沿って開口している。

このような第２実施例では、突出管部８ａを出た排気が触媒担体の端面全体に均等に分散され、ガス流の偏りが抑制される。

３…シリンダヘッド
５…排気マニホルド
６，７…個別排気管
８…集合排気管
８ａ…突出管部
８ｂ…開口部
１１…触媒コンバータ
１１ａ…ディフューザ部

Claims

複数の気筒の排気が流れる集合排気管と、個々の気筒の排気が独立して流れる個別排気管と、を単一の触媒コンバータのディフューザ部に接続してなる内燃機関の排気装置において、
上記集合排気管の先端部が、上記ディフューザ部内部へ突出しており、上記個別排気管の先端部は上記ディフューザ部内部へ突出していない、内燃機関の排気装置。
内燃機関が直列４気筒内燃機関であり、♯２気筒および♯３気筒の排気ポートがシリンダヘッド内部で合流して一つの集合排気ポートを構成し、この集合排気ポートに上記集合排気管が接続されており、
♯１気筒および♯４気筒の排気ポートが各々個別排気管に接続されている、請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
ディフューザ部内部へ突出した集合排気管の先端部が、触媒担体の中心軸線上で該触媒担体の端面に向かって開口している、請求項１または２に記載の内燃機関の排気装置。
ディフューザ部内部へ突出した集合排気管の先端部が、触媒担体の中心軸線に対し斜めに開口している、請求項１または２に記載の内燃機関の排気装置。