JP7103900B2 - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本願発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関するものである。

自動車用内燃機関（ガソリン機関）では排気ガスの浄化のために触媒が使用されており、触媒はセラミック系等の触媒担体に担持されて金属製の触媒ケースに内蔵されている。触媒ケースは、シリンダヘッドに接続したり、排気ターボ過給機の出口に接続したり、排気マニホールドの出口に接続したりしている。いずれにしても、触媒ケースは、触媒が内蔵されるケース本体と、その入り口側端部に設けた継手管とを有しており、継手管が排気ターボ過給機やシリンダヘッド等に接続されている。

一般に、触媒ケースは軸心を略上下方向に向けた姿勢になっている。従って、継手管はエルボ管と同じ機能を有しており、排気ガスは、継手管の内部で下向きに方向変換して、ケース本体の内部に拡散するようになっている。

継手管の形態に関する先行文献として、特許文献１には、タービンを経由した排気ガスが当たる部分はケース本体の軸心と略平行な垂直面になって、排気ターボ過給機のウエストゲート通路から噴出した排気ガスが当たる部分は、排気ガスを垂直面に向けて方向変換させる傾斜部と成した構成が開示されている。

他方、特許文献２には、継手管を２つの金属製部材で構成することが開示されている。すなわち、この特許文献２では、継手管を、クランク軸線方向から見て２つ割りした状態に形成しており、フランジ板を介してシリンダヘッドに固定される筒状の部分も、２つの部材で構成されている。

特開平４－１０３８１７号公報 特許第４６４１９５２号公報

さて、触媒ケースの継手管には、空燃比センサ（ＡＦセンサ）を配置することが一般的である。一方、特許文献１には、継手管の下端部のうち排気ターボ過給機に近い部位に温度センサを設けることが開示されており、温度センサを空燃比センサに置き換えることは可能である。

しかし、特許文献１の温度センサを空燃比センサに置き換えても、排気ガスの成分を正確に検知できるとは言い難く、ＥＧＲ制御などを正確に行い難いといえる。すなわち、空燃比センサは、シリンダヘッドから排出された排気ガスの状態をリアルタイムで正確に検知する必要があり、そのためには、継手管に流入した排気ガスを空燃比センサにダイレクトに当てることが有効であるが、特許文献１の温度センサは、排気ガスの流れから外れた部位に配置されているため、排気ガスの成分を正確に検知できるとは言い難い。

他方、特許文献２について見ると、継手管を、２つ割りされた２つの部材を接合して中空に形成することは合理的であるが、特許文献２では、フランジ板に接合される筒部も２つの部材で構成されているため、加工に手間が掛かるのみにならず、高い寸法精度をだしにくいというおそれがある。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明の排気ガス浄化装置は、
「触媒担体を内蔵し入り口側端部から出口側端部に向けて排気ガスが流れるケース本体と、前記ケース本体の入り口側端部に固定されたエルボ状の継手管とを含み、
前記継手管は、前記ケース本体と反対側に位置して当該ケース本体の軸心と交差した方向に開口した排気ガス入り口と、前記ケース本体に固定された他端部側に位置して前記ケース本体の入り口側端部全体を覆う拡散部と、前記排気ガス入り口と拡散部とに連通した中継通路とを備えており、
前記拡散部に、排気ガスの状態を検知するセンサが取付けられている」
という基本構成である。

そして、上記基本構成において、
「前記中継通路に、前記排気ガス入り口と前記センサとの間の一定範囲に亘って外側へ突出する樋状部と、前記樋状部を挟んだ両側に位置した内向き突起とが形成されている」
という構成が付加されている。

本願発明は、様々に展開できる。その例として、請求項２では、
「前記継手管は、前記ケース本体の軸心と直交するとともに前記排気ガス入り口への排気ガスの流入方向と直交した方向である側面視方向から見て、当該継手管を２つ割りした状態の第１部材と第２部材とを接合して中空構造に形成されており、
前記第１部材に前記排気ガス入り口が形成されて、前記第２部材に前記樋状部が形成されていると共に、前記拡散部は前記第１部材と第２部材との接合部で略２分されており、前記第１部材と第２部材との接合部は、前記側面視において略クランク状に曲がっている」
という構成が付加されている。

また、請求項３の発明は、請求項１又は２において、
「前記継手管における中継通路の外周部のうち前記排気ガス入り口に寄った部位は、前記ケース本体の軸心と略平行なストレート状壁部になっている」
という構成になっている。

本願発明では、中継通路を経由した排気ガスは、拡散部において触媒の上面全体に拡散するため、排気ガスを触媒の上面全体にできるだけ均等に当てることが可能になる。その結果、排気ガスの浄化性能を向上できると共に、触媒担体の耐久性も向上できる（排気ガスが触媒の特定部位に集中的に当たると、触媒担体が損傷しやすい。）。

そして、継手管の排気ガス入り口に横向きに流入した排気ガスの一部は、中継通路の樋状部でガイドされて方向変換してケース本体に向かい、樋状部を通過してからセンサに当たるが、樋状部を挟んで両側に設けた内向き突起が、樋状部に沿って流れる排気ガスの拡散を抑制する役割を果たすため、排気ガスをセンサに集中的に当てることができる。その結果、排気ガスの状態をセンサで正確に検知して、エンジンの制御性能を向上できる。

継手管は鋳造品を採用することも可能であるが、請求項２のように継手管を板金加工品で構成すると、鋳造品の場合に比べて強度を高めつつ軽量化できる。従って、燃費の向上に貢献できる。また、継手管は２つの部材から成っているため、加工は容易である。

そして、継手管を２つ割り状の２つの部材で構成する場合、様々な割り態様があり得るが、請求項２では、第１部材に排気ガス入り口が形成されて第２部材に樋状部が形成されているため、それら第１部材及び第２部材の重合部に排気ガス入り口や樋状部を形成する場合に比べて、加工の手間を軽減できる。

更に、２つの部材は、拡散部の箇所では、当該拡散部を二分する状態になっていることから、２つの部材の下端部は半円状に加工したら足りるため、曲げ加工の手間を抑制できる。また、継手管は排気ガスに晒されるため高温になるが、２つの部材の出口側端部の熱膨張を均等化して、熱ひずみの発生を防止又は抑制できる。

請求項３の構成を採用すると、排気ガス入り口に流入した排気ガスの一部を、樋状部と反対側において、ケース本体に向けてその軸心方向に流すことができるため、排気ガスの分散性を高めて、排気ガスの浄化性能向上に更に貢献できる。

実施形態の正面図である。 側面図である。 背面図である。 斜視図である。 図１の V-V視断面図である。 図１のVI-VI 視断面図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下では、方向を特定するため、正面視、側面視、左右方向の文言を使用するが、正面視方向は、シリンダヘッドの排気側面と直交した方向から見た方向であり、側面視方向はクランク軸線方向から見た方向である。左右方向は、クランク軸線方向と同じである。

内燃機関については、一般に、クランク軸線方向を前後方向としていることが多いが、本実施形態で使用する正面視や側面視は、一般的な用法とは相違している。上下方向は、正確には気筒の軸線方向けであるが、本実施形態は縦型の内燃機関を対象にしているので、上下方向は鉛直方向と同じである。

本実施形態の排気ガス浄化装置は、シリンダヘッドに排気集合部を内蔵した自動車用内燃機関に取り付けるものを対象にしている。すなわち、シリンダヘッドの排気側面に１つの排気出口を形成している多気筒内燃機関に使用するマニバータであり、排気ガス浄化装置１は、シリンダヘッドの排気側面に固定されるようになっている。

(1).構造の説明
排気ガス浄化装置１は、軸線を略上下長手の姿勢にしたケース本体２と、このケース本体２の上端に固定された継手管３とを有している。ケース本体２は基本的には円筒状であり、下端には下窄まりの下コーン部２ａが一体に形成されて、下コーン部２ａにストレート状の排気接続管２ｂを一体に形成している。排気接続管２ｂには、シリンダブロックに固定するためのブラケット部を一体に曲げ形成したフランジ４が固定されている。

図６に明示するように、継手管３は、シリンダヘッド５の排気側面６に重ね固定されるトレー状のフランジ板７と、フランジ板７に溶接で固定された第１部材８と、第１部材８に接合された第２部材９とで構成されており、フランジ板７と第１部材８と第２部材９とにより、中空構造体が形成されている。ケース本体２、フランジ板７、第１部材８、第２部材９は、ステンレス板等の金属板で構成されている。

シリンダヘッド５の排気出口１０が横向き（略水平方向）に開口していることに対応して、継手管３の排気ガス入り口１１も、ケース本体２の軸心Ｏと交差した方向である横向きに開口している。また、ケース本体２はシリンダヘッド５に寄せて配置されるため、ケース本体２のフランジ板７は、平面視（及び図５の底面視）で、ケース本体２の外周部に近接するように配置されている。

このようなシリンダヘッド５とケース本体２との位置関係により、例えば図６のとおり、継手管３は、シリンダヘッド５の側に寄った左右非対称の形態を成しており、継手管３の上部に、既述の排気ガス入り口１１が、ケース本体２の軸心Ｏを挟んで一方の側に偏って設けられている一方、継手管３の下部は、ケース本体の上面全体を覆う拡散部１２になっていて、前記排気ガス入り口１１と拡散部１２とは、排気ガスを下向きに方向変換させる中継通路１３によって連通している。

拡散部１２の上面は、下広がりに緩く傾斜している。そして、図６に示すように、拡散部１２のうち中継通路１３を挟んで排気ガス入り口１１と反対側の部位に、筒状のボス１４が溶接によって固定されており、このボス１４に、請求項に記載したセンサの一例として空燃比センサ１５を装着している。例えば図４に示すように、拡散部１２には、中継通路１３に形成した樋状部１３ａと連続する上向き膨出部１２ａが形成されており、上向き膨出部１２ａにボス１４を取り付けている。

第１部材８と第２部材９とは、継手管３を２つ割りした形態になっているが、継手管３が上記のような左右非対称の形態であるため、図２や図４に示すとおり、互いに重なり合った重合縁部１６は、クランク軸線方向（側面視方向）から見て、側面視でフランジ板７と平行な上鉛直状部１６ａと、拡散部１２を左右に二分する位置にある下鉛直状部１６ｂと、これらを繋ぐ傾斜部１６ｃとで非直線状に形成されている。従って、重合縁部１６は、側面視で略クランク状の形態を成している。

図５に明示するように、第１部材８と第２部材９との重合態様としては、第１部材８の縁部８ａの内部に第２部材９の縁部９ａを入り込ませており、両縁部８ａ，９ａは、外側から溶接で固定されている。なお、両部材８，９の嵌合関係は逆であってもよい。図６のとおり、第１部材８の開口縁部８ｂは、フランジ板７に形成した筒部７ａに嵌まり込んでおり、両者は溶接によって固定されている。図６において、触媒担体を符号１７で示している。

図６に示すように、中継通路１３のうち排気ガス入り口１１と反対側の部位は、下に行くに従って排気ガス入り口から遠ざかるように傾斜した（湾曲した）樋状部１３ａになっている。この樋状部１３ａは、排気ガス入り口１１と反対側に向けて突出しており（膨らんでいる。）、樋状部１３ａは、図４から容易に理解できるように、平断面視において円弧状の形態を成している。正面視において、上端の輪郭は半円状の形態を成している。

図１に示すように、樋状部１３ａの最大左右幅は中継通路１３の左右幅の半分弱程度になっている。従って、排気ガス入り口１１に流入した排気ガスは、樋状部１３ａの左右両側の部位においても下方に流れるが、樋状部１３ａの下端部の左右両側に、球を切ったような形態の（ディンプル状の）内向き突起１８を形成している。図２や図６に示すように、継手管３の外周部のうちシリンダヘッド５に寄った部位は、ケース本体２の軸心Ｏと略平行なストレート状壁部１９になっている。図５に示すように、ストレート状壁部１９は平断面視で平坦状になっているが、平断面視で円弧状の形態であってもよい。

(2).まとめ
図６に矢印で示すように、シリンダヘッド５の排気出口１０から継手管３の排気ガス入り口１１に流入した排気ガスは、継手管３の中継通路１３によって下向きに方向変換してケース本体２に向かい、拡散部１２で拡散して触媒担体１７の上面全体に向かう。このため、排気ガス入り口１１を偏らせて配置していても、触媒担体１７の全体を均等に使用して排気ガスの浄化性能を向上できる。

そして、中継通路１３に傾斜状（湾曲状）の樋状部１３ａを形成しているため、排気ガスの一部は樋状部１３ａで方向性を付与されて空燃比センサ１５に向かうが、内向き突起１８の存在により、樋状部１３ａの下部の深さが深くなったのと同じ状態になり、樋状部１３ａから側方への排気ガスの放散が規制されるので、樋状部１３ａを流れる排気ガスに高い方向性（直進性）が付与される。従って、排気ガスの一部を勢い良く空燃比センサ１５に当てて、排気ガスの成分を正確に検知することができる。

また、排気ガスは中継通路１３を経由して拡散部１２に向かうが、中継通路１３の内周のうち排気ガス入り口１１の側に位置した部位は上下長手のストレート状壁部１９になっているため、排気ガスは、拡散部１２のうち排気ガス入り口１１に寄った部位にも容易に入り込む。この面でも、排気ガスの分散性を向上させて、排気ガスの高い浄化性能を確保できる。

継手管３を２つの部材で構成する場合、２つの部材は前後方向に分かれる状態に２つ割りすることも可能であるが、この場合は、溶接箇所に排気ガスが集中的に当たるため、長期に亙って使用していると、熱膨張・熱収縮の繰り返しによって、溶接箇所に亀裂が入り易くなるおそれがある。また、重合部にセンサ取付け用のボス１４を取付けることは、面倒である。

これに対して、本実施形態のように、継手管３を左右に分かれた２つの部材８，９で構成すると、排気ガスが溶接箇所に強く当たることはないため、熱ひずみの発生を抑制して高い耐久性を確保できるし、ボス１４の取付けも容易である。また、フランジ板７に嵌まる部分は第１部材８に一体に形成されるため、高い精度で容易に加工することができる。従って、高いシール性を確保できる。

実施形態では、拡散部に空燃比センサを取付けたが、他のセンサを取付けることも可能である。また、本願発明の排気ガス浄化装置は、排気ターボ過給機の出口に接続したり、排気マニホールドの集合部に接続したりすることも可能である。

本願発明は、実際に排気ガス浄化装置に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ 排気ガス浄化装置
２ ケース本体
３ 継手管
５ シリンダヘッド
７ フランジ板
８ 第１部材
９ 第２部材
１０ 排気出口
１１ 排気ガス入り口
１２ 拡散部
１３ 中継通路
１３ａ 樋状部
１５ 空燃比センサ
１６ 重合縁部
１７ 触媒担体
１８ 内向き突起
１９ ストレート状壁部
Ｏ ケース本体の軸心

Claims (3)

1. 触媒担体を内蔵し入り口側端部から出口側端部に向けて排気ガスが流れるケース本体と、前記ケース本体の入り口側端部に固定されたエルボ状の継手管とを含み、
   前記継手管は、前記ケース本体と反対側に位置して当該ケース本体の軸心と交差した方向に開口した排気ガス入り口と、前記ケース本体に固定された他端部側に位置して前記ケース本体の入り口側端部全体を覆う拡散部と、前記排気ガス入り口と拡散部とに連通した中継通路とを備えており、
   前記拡散部に、排気ガスの状態を検知するセンサが取付けられている排気ガス浄化装置であって、
   前記中継通路に、前記排気ガス入り口と前記センサとの間の一定範囲に亘って外側へ突出する樋状部と、前記樋状部を挟んだ両側に位置した内向き突起とが形成されている、
   内燃機関の排気ガス浄化装置。
2. 前記継手管は、前記ケース本体の軸心と直交するとともに前記排気ガス入り口への排気ガスの流入方向と直交した方向である側面視方向から見て、当該継手管を２つ割りした状態の第１部材と第２部材とを接合して中空構造に形成されており、
   前記第１部材に前記排気ガス入り口が形成されて、前記第２部材に前記樋状部が形成されていると共に、前記拡散部は前記第１部材と第２部材との接合部で略２分されており、前記第１部材と第２部材との接合部は、前記側面視において略クランク状に曲がっている、
   請求項１に記載した内燃機関の排気ガス浄化装置。
3. 前記継手管における中継通路の外周部のうち前記排気ガス入り口に寄った部位は、前記ケース本体の軸心と略平行なストレート状壁部になっている、
   請求項１又は２に記載した内燃機関の排気ガス浄化装置。

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