JP6447813B2 - 多気筒内燃機関の排気装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気集合管に排気ガスセンサを備えた多気筒内燃機関の排気装置に関する。

多気筒内燃機関（多気筒エンジン）の排気ガスは、各気筒の排気ガス通路から排気集合管に送られ、排気浄化装置等を経て放出される。排気集合管には、排気ガス中の酸素濃度を検出して空燃比を求める排気ガスセンサ（空燃比センサ）が設けられている。多気筒エンジンでは、エンジンルームの機器のレイアウトにより、各気筒から排気集合管（空燃比センサ）までの排気ガス通路の長さや経路状況が異なっているのが現状である。

各気筒から排気集合管（空燃比センサ）までの排気ガス通路の長さや経路状況が異なっていると、排気ガスが空燃比センサの側部に強く当たる排気ガス通路、排気ガスの全量が空燃比センサの正面から強く当たる排気ガス通路、排気ガスの一部が空燃比センサの側部にあたり残りのガスが空燃比センサの脇を通過する排気ガス通路が存在することになってしまう。

空燃比センサへの排気ガスの接触が排気ガス通路毎に異なると、気筒毎の排気ガスの空燃比センサへの検出性能が不均一になり、空燃比センサの検出結果をフィードバックする際に、気筒毎に補正を行って空燃比を制御する必要があった。

このため、排気集合管の空燃比センサの上流側に棒状部材を設け、排気ガスに乱流を生じさせて排気ガスを均一にし、広い面積で空燃比センサに排気ガスを接触させる技術が従来から提案されている（特許文献１参照）。特許文献１の技術により、排気集合管の排気ガスを均一にして空燃比センサに接触させることができる。

しかし、特許文献１の技術は、排気集合管に棒状部材が設けられた構成となっているので、各気筒の排気ガス通路の状況の違いによる排気ガスの流れを均一にするためには、各気筒の排気ガスが十分に集合した後の部位に棒状部材を設置する必要がある。

このため、特許文献１の技術を使用するためには、集合部を長く設ける必要があった。集合部を長く設けると、エンジン本体と触媒の距離が離れることになり、エンジンの冷態始動時には触媒の活性化がし難く、排ガス法規をクリアするには、更なる触媒貴金属の増量が必要になる。従って、排気ガスの流れを均一にする技術が望まれているのが実情である。

特開２０１２−７７６１５号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、多気筒内燃機関の各気筒の排気ガスの単位時間当たりの流通量を均一にして、排気ガスを排気ガスセンサに接触させることができる多気筒内燃機関の排気装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の多気筒内燃機関の排気装置は、多気筒内燃機関のシリンダヘッドに設けられる各気筒の排気通路と、前記各気筒の排気通路に連通して前記シリンダヘッドに接続され、排気ガス通路を介して前記排気通路の排気ガスが集合する排気集合管と、前記シリンダヘッドと前記排気ガス通路との間に介在し、前記排気通路の部位が開口する開口部を有するガスケットと、前記排気集合管に備えられる排気ガスセンサと、前記ガスケットの前記開口部に、開口の中心に延びて設けられ、前記排気ガスセンサから遠い側の縁が、前記排気ガスセンサに近い側の縁に比べて長くされたフランジ部とを備え、長くされた前記フランジ部の部位は、排気ガスの流れの下流側に傾斜しており、前記フランジ部の前記排気ガスセンサから遠い側の縁は、前記排気ガス通路の壁面から離れていることを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、排気ガスセンサから遠い側の縁の長さを長くして開口の内側にフランジ部を配し、遠い側の排気ガスを近い側に案内して排気ガスセンサに案内される排気ガスの量を増やし、排気ガスセンサに接触する排気ガスの流通量を均一にする。
そして、長くされたフランジ部の部位が排気ガスの流れの下流側に傾斜しているので、排気ガスの流通抵抗の増加を最小限に抑えて排気ガスを排気ガスセンサに向けて案内することができる。

これにより、多気筒内燃機関で、単位時間当たりの流通量が少ない排気ガス通路が存在していても、各気筒の排気ガス通路の排気ガスの流速を均一にして、排気ガスを排気ガスセンサに接触させることが可能になる。

例えば、３気筒内燃機関で、並設された３つの排気ガス通路（シリンダヘッドの排気通路、及び、排気通路と排気集合管を接続する排気ガス通路）のうち、中央の排気ガス通路に排気集合管が対向して配置され、排気集合管の中央部位に排気ガスセンサが配置された場合、排気ガスの流れは次のようになることが考えられる。

中央を挟んで両側の排気ガス通路の排気ガスは、排気ガスが湾曲した排気ガス通路を流通して排気ガスセンサに接触して通過する。中央の排気ガス通路の排気ガスは、排気ガスセンサに対して直線状で短い排気ガス通路を速い流速で通過する。

この状態で、例えば、中央の排気ガス通路の排気ガスに対する排気ガスセンサの検出状況を基準にすると、中央を挟んで両側の排気ガス通路の排気ガスに対しては、流速が相対的に単位時間当たりの流通量が少ない排気ガスの流通状況を検出することになり、排気ガスセンサの検出性能が低下することになる。

従って、排気ガスセンサを空燃比センサとして用い、中央を挟んで両側の排気ガス通路の排気ガスの検出状況に基づいて空燃比をフィードバック制御した時には、所望の空燃比に制御することができず、排気ガス性能を満足させることができない虞が生じる。

このような場合、本願発明では、中央を挟んで両側の排気ガス通路のガスケットの開口部の外側にフランジ部を配し、中央を挟んで両側の排気ガス通路の排気ガスを内側に案内して空燃比センサに案内される排気ガス量を増やし、各気筒の排気ガスの流速を均一にして、排気ガスを排気ガスセンサに接触させるようにしている。

これにより、各気筒の排気ガスの排気ガスセンサでの検出性能を均一にすることができ、フィードバック制御が的確に実施されて排ガス性能の低下をなくすことができる。

因みに、ガスケットを用いてガスの流れを所望の状態にする技術として、例えば、特開２００５−９８１９１号公報には、排気ガス還流装置の排気ガス導入口のガスケットに、上流側に突出するそらせ板を設け、吸気の流れ抵抗を増加させることなく、吸気通路内への排気ガスの導入を良好に行う技術が開示されている。

特開２００５−９８１９１号公報の技術は、排気ガスの流れをガスケットの流通部位の形状により制御する点では同じであるが、排気ガス還流装置において、吸気に対して排気ガスを導入する際の排気ガスの流れを調整する技術である。このため、排気通路の排気ガスセンサに対する排気ガスの流れを所望の状態にする本願発明とは相違する技術である。

また、請求項２に係る本発明の多気筒内燃機関の排気装置は、請求項１に記載の多気筒内燃機関の排気装置において、中央の気筒の前記排気通路に対向する前記排気ガス通路（３ｂ、６ｂ）に前記排気ガスセンサが配置され、前記中央の気筒を挟んで両側の気筒の前記排気ガス通路（３ａ、３ｃ、６ａ、６ｃ）が曲がって形成され、前記中央の気筒を挟んで両側の気筒の前記排気ガス通路（３ａ、３ｃ、６ａ、６ｃ）の長さが、前記中央の気筒の前記排気ガス通路（３ｂ、６ｂ）に比べて長く、少なくとも、前記中央の気筒を挟んで両側の気筒の前記排気ガス通路の前記ガスケットの前記開口部に、前記フランジ部が備えられ、前記排気ガスセンサとの距離に応じて、長くされた前記フランジ部の形状が異なっていることを特徴とする。
そして、前記排気ガスセンサは、前記排気ガスが接触する素子が筒状のカバーで覆われた空燃比センサであり、前記カバーの周面には前記排気ガスの流入口が形成されていることが好ましい。

これにより、素子が筒状のカバーで覆われた空燃比センサに対し、カバーの内部に流入する排気ガスの単位時間当たりの流量を均一にすることができる。

本発明の多気筒内燃機関の排気装置は、多気筒内燃機関の各気筒の排気ガスの単位時間当たりの流通量を均一にして、排気ガスを排気ガスセンサに接触させることが可能になる。

本発明の一実施例に係る排気装置を備えた多気筒内燃機関の概略外観図である。 本発明の一実施例に係る排気装置の概略平面図である。 ガスケットの説明図である。 図３中のＩＶ−ＩＶ線矢視図である。 空燃比センサの説明図である。 他の実施例に係る排気装置の概略平面図である。

図１から図４に基づいて本発明の一実施例に係る排気装置を説明する。
図１には本発明の一実施例に係る排気装置を備えた多気筒内燃機関の要部を排気側から見た状態の概略外観状況、図２には本発明の一実施例に係る排気装置である排気通路と排気マニホールドの接続部位の平面状態の断面、図３にはガスケットの開口の状況、図４には図３中のＩＶ−ＩＶ線矢視でフランジ部の断面を示した状態、図５には空燃比センサの概略構成を示してある。

図１、図２に基づいて排気装置の全体を説明する。
図１、図２に示すように、多気筒内燃機関（多気筒エンジン）である３気筒エンジン１のシリンダヘッド２には３つの排気通路３が設けられ、排気通路３の端部が外側に向けて開口している。

シリンダヘッド２の排気通路３の部位には、ガスケット４を介して排気マニホールド５が接続されている。排気マニホールド５は、排気通路３に連続する排気ガス通路としての通路６と、通路６が集合される排気集合管７とで形成されている。そして、ガスケット４には、排気通路３と通路６を連通する開口部８が形成されている。

図２に示すように、３つの排気通路３ａ、３ｂ、３ｃに対し、排気マニホールド５の通路６ａ、６ｂ、６ｃが連通し、３つの排気通路３ａ、３ｂ、３ｃと排気マニホールド５の通路６ａ、６ｂ、６ｃとの間にガスケット４が介在している。中央の排気通路３ｂ、通路６ｂに対向して排気集合管７が配されている。排気集合管７には排気ガスセンサ（空燃比センサ）１１が設けられている。

中央の排気通路３ｂ、通路６ｂに対向する排気集合管７に空燃比センサ１１が配置されているため、排気通路３ｂ、通路６ｂの排気ガスが、空燃比センサ１１に対して略全量が強く接触して通過する。即ち、排気通路３ｂ、通路６ｂは、空燃比センサ１１に対する単位時間あたりの排気ガスの量が最大の排気通路となっている。

図３、図４に示すように、中央を挟んで両側の排気通路３ａ、３ｃ、通路６ａ、６ｃのガスケット４の開口部８ａ、８ｃの外側にフランジ部としての案内フィン１５が形成されている。案内フィン１５は、開口部８ａ、８ｃの外側の略半周の部位にわたり形成され、端部（図中上下）から中央部（図中左縁、右縁）に向かって後流方向への長さが漸次長くなっている。

排気通路３ａ、３ｃ、通路６ａ、６ｃのガスケット４の開口部８ａ、８ｃの外側は、空燃比センサ１１から遠い側の縁とされ、ガスケット４の開口部８ａ、８ｃの内側は、空燃比センサ１１に近い側の縁とされている。案内フィン１５は、空燃比センサ１１から遠い側の縁に設けられたフランジ部とされ、空燃比センサ１１に近い側の縁に比べて長くされたフランジ部に相当する。

案内フィン１５の先端（開口部８ａ、８ｃの中心側）は、排気ガスの流れの下流側（通路６ａ、６ｃ側）に傾斜している。案内フィン１５により排気ガスが空燃比センサ１１に向けて指向され、空燃比センサ１１に接触する排気ガスの量を多くしている。

中央を挟んで両側の排気通路３ａ、３ｃ、通路６ａ、６ｃの排気ガスは、排気ガス通路の長さが中央に比べて長いことと、通路が曲がっているため、圧損により流速が低下し、更に、空燃比センサ１１へは主流外側の流速が低い部位が接触して流通する。このため、中央の排気通路３ｂ、通路６ｂの排気ガスに比べて単位時間当たりの流通量が少ない状態となっている。

排気通路３ａ、３ｃ、通路６ａ、６ｃの排気ガスは、案内フィン１５により排気ガスを空燃比センサ１１に向けて指向している。これにより、主流の多くを空燃比センサ１１に案内することができ、空燃比センサ１１に接触する排気ガスの量を多くすることができる。

このため、３つの排気通路３ａ、３ｂ、３ｃ、通路６ａ、６ｂ、６ｃの排気ガスの単位時間当たりの流通量が均一になり、空燃比センサ１１への当たりが均一な状態で空燃比センサ１１に排気ガスが接触する。

図５に基づいて空燃比センサ１１の概略構成を説明する。
図５に示すように、空燃比センサ１１は、排気ガスが接触する素子２１が筒状のカバー２２で覆われて構成されている。カバー２２の下部の周面には排気ガスの流入口２３（流入部）が形成され、カバー２２の底部には排気ガスの流出口２４が形成されている。

カバー２２の内側には中筒２５が設けられ、流入口２３から流入した排気ガスは、中筒２５の外周に案内されて上部から素子２１に導かれ、素子２１に接触した排気ガスは中筒２５の内周に案内されて流出口２４に導かれる。

３つの排気通路３ａ、３ｂ、３ｃからの排気ガスは、均一の流通量でカバー２２の下部の流入口２３から導入され、素子２１に接触して流出口２４に導かれる。均一の流通量の排気ガスが素子２１に接触することにより、空燃比センサ１１の検出性能を均一にすることができる。

尚、上述した実施例では、多気筒エンジンとして３気筒エンジン１を例に挙げて説明したが、２気筒エンジン、４気筒エンジン、直列６気筒エンジン、もしくはそれ以上の気筒数の多気筒エンジンに適用することも可能である。

例えば、４気筒エンジンの場合、排気ガス通路の全て、もしくは、いずれかに、空燃比センサ１１との位置に応じて、ガスケット４の開口部の縁に案内フィンを設けることができる。

また、直列６気筒エンジンの場合、中央の２気筒を除いた両側の４気筒の排気ガス通路の全て、もしくは、いずれか１つ乃至３つに、空燃比センサ１１との位置に応じて、ガスケット４の開口部の縁に案内フィンを設けることができる。

図６に基づいて本発明の他の実施例を説明する。
図６には本発明の他の実施例に係る排気装置である排気通路と排気マニホールドの接続部位の平面状態の断面を示してある。図６に示した状態は、図２の状態に相当するため、図２に示した部材都と同一の部材には同一符号を付してある。

図６に示した実施例は、空燃比センサ１１が排気集合管７の中心からずれて配置され、ガスケット４の開口部８の案内フィンの形状が、空燃比センサ１１との距離に応じて異なっている。

空燃比センサ１１は、排気集合管７の排気通路３ａ、通路６ａに寄った部位に配置されている。このため、ガスケット４の開口部８から空燃比センサ１１までの距離は、排気通路３ｂ、通路６ｂの通路（開口部８ｂ）、排気通路３ａ、通路６ａの通路（開口部８ａ）、排気通路３ｃ、通路６ｃの通路（開口部８ｃ）の順に長い状態になっている。

ガスケット４の開口部８から空燃比センサ１１までの距離が最短の通路である、排気通路３ｂ、通路６ｂのガスケット４の開口部８ｂには、空燃比センサ１１から遠い側（図中右側）の縁に、排気ガスの流通方向の下流側に傾斜した案内フィン１６ｂが設けられている。案内フィン１６ｂは、開口部８ｂの空燃比センサ１１に近い側の縁に比べて長くされたフランジ部に相当する。

ガスケット４の開口部８から空燃比センサ１１までの距離が次に短い通路である、排気通路３ａ、通路６ａの通路のガスケット４の開口部８ａには、空燃比センサ１１から遠い側（図中左側）の縁に、排気ガスの流通方向の下流側に傾斜した案内フィン１６ａが設けられている。案内フィン１６ａは、開口部８ａの空燃比センサ１１に近い側の縁に比べて長くされたフランジ部に相当する。

ガスケット４の開口部８から空燃比センサ１１までの距離が最長の通路である、排気通路３ｃ、通路６ｃの通路のガスケット４の開口部８ｃには、空燃比センサ１１から遠い側（図中右側）の縁に、排気ガスの流通方向の下流側に傾斜した案内フィン１６ｃが設けられている。案内フィン１６ｃは、開口部８ｃの空燃比センサ１１に近い側の縁に比べて長くされたフランジ部に相当する。

案内フィン１６は、開口部８から空燃比センサ１１までの距離に応じ、距離が最短の通路の案内フィン１６ｂの長さが最も短く設定され、次に短い通路の案内フィン１６ａが案内フィン１６ｂよりも長く設定されている。更に、距離が最長の通路の案内フィン１６ｃが案内フィン１６ａよりも長く設定されて、最長の長さとなっている。

つまり、案内フィン１６は、開口部８から空燃比センサ１１までの距離が長くなる順に（案内フィン１６ｂ、１６ａ、１６ｃの順に）、長さが漸次長く設定されている。

このため、空燃比センサ１１までの距離が長い流路の排気ガスの主流が、案内フィン１６により、より多く空燃比センサ１１に案内され、空燃比センサ１１までの距離が長い流路であっても、空燃比センサ１１に接触する排気ガスの量を多くすることができる。

従って、３つの排気通路３ａ、３ｂ、３ｃ、通路６ａ、６ｂ、６ｃの排気ガスの流速を均一にして、空燃比センサ１１への当たりを均一な状態にすることが可能になる（流速を均一にした状態にすることが可能になる）。

そして、空燃比センサ１１の位置に応じて、ガスケット４の案内フィン１６の長さを設定することで、空燃比センサ１１の配置状況に拘わらず、空燃比センサ１１への排気ガスの接触の状況を改善して検出性能を均一にすることができる。

本発明は、排気集合管に排気ガスセンサを備えた多気筒内燃機関の排気装置の産業分野で利用することができる。

１ ３気筒エンジン
２ シリンダヘッド
３ 排気通路
４ ガスケット
５ 排気マニホールド
６ 通路
７ 排気集合管
８ 開口部
１１ 排気ガスセンサ（空燃比センサ）
１５、１６ 案内フィン
２１ 素子
２２ カバー
２３ 流入口
２４ 流出口
２５ 中筒

Claims (2)

1. 多気筒内燃機関のシリンダヘッドに設けられる各気筒の排気通路と、
   前記各気筒の排気通路に連通して前記シリンダヘッドに接続され、排気ガス通路を介して前記排気通路の排気ガスが集合する排気集合管と、
   前記シリンダヘッドと前記排気ガス通路との間に介在し、前記排気通路の部位が開口する開口部を有するガスケットと、
   前記排気集合管に備えられる排気ガスセンサと、
   前記ガスケットの前記開口部に、開口の中心に延びて設けられ、前記排気ガスセンサから遠い側の縁が、前記排気ガスセンサに近い側の縁に比べて長くされたフランジ部とを備え、
   長くされた前記フランジ部の部位は、排気ガスの流れの下流側に傾斜しており、
   前記フランジ部の前記排気ガスセンサから遠い側の縁は、前記排気ガス通路の壁面から離れている
   ことを特徴とする多気筒内燃機関の排気装置。
2. 請求項１に記載の多気筒内燃機関の排気装置において、
   中央の気筒の前記排気通路に対向する前記排気集合管に前記排気ガスセンサが配置され、
   前記中央の気筒を挟んで両側の気筒の前記排気ガス通路が曲がって形成され、
   前記中央の気筒を挟んで両側の気筒の前記排気ガス通路の長さが、前記中央の気筒の前記排気ガス通路に比べて長く、
   少なくとも、前記中央の気筒を挟んで両側の気筒の前記排気ガス通路の前記ガスケットの前記開口部に、前記フランジ部が備えられ、
   前記排気ガスセンサとの距離に応じて、長くされた前記フランジ部の形状が異なっている
   ことを特徴とする多気筒内燃機関の排気装置。

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