JP7159779B2 - 排気装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気装置に関する。

昨今の排気ガス規制に対応するため、触媒の浄化性能を向上することが求められている。例えば特許文献１では、消音装置を構成する排気チャンバ内に複数の触媒が配置されている。またその他に、触媒を大型化する等して所望の浄化性能を担保することが考えられている。

特開２０１６－１１３９２７号公報

しかしながら、特許文献１のように排気チャンバ内に触媒を配置すると、触媒を通過した後の排気ガスがチャンバ内の空間に全て開放されてしまい、特定のエンジン回転数（例えば低中回転域）において出力に谷ができやすくなってしまう。また、排気の流れを考慮して、排気ガスがマフラーに向かいやすくなるようにチャンバの容積を減らすことも考えられるが、消音性能が低下してしまうことが想定される。

本発明は係る点に鑑みてなされたものであり、消音性能の向上と出力の谷を回避することが可能な排気装置を提供することを目的とする。

本発明の排気装置は、車両用のエンジンに接続される排気管と、前記排気管の下流側に接続されるチャンバと、前記チャンバ内で車両前後方向に配置される少なくとも２つの触媒と、前記２つの触媒を接続する接続パイプと、を備え、前記接続パイプには、パンチング孔が設けられる。
本発明の一態様では、前記チャンバ内で前側に位置する一方の触媒は、軸心が車両前後方向に向けられ、前記チャンバ内で後側に位置する他方の触媒は、下流端が車両外側に向くように斜めに配置され、前記接続パイプは、前記一方の触媒から前記他方の触媒に向かって曲げられている。
本発明の別の態様では、前記接続パイプに配置される排気ガスセンサを更に備え、
前記排気ガスセンサは、前記パンチング孔の上流側に配置される。

本発明によれば、消音性能の向上と出力の谷を回避することができる。

本実施の形態に係る車両の右側面図である。 本実施の形態に係る排気装置の上面図である。 本実施の形態に係るチャンバの内部構造を示す斜視図である。 本実施の形態に係るチャンバの内部構造を示す上面図である。 変形例に係るチャンバの内部構造を示す上面図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下においては、本発明をスポーツタイプの二輪車に適用した例について説明するが、適用対象はこれに限定されることなく変更可能である。例えば、本発明を、他のタイプの車両、例えばバギータイプの三輪車、四輪車等の鞍乗型車両に適用してもよい。また、方向について、車両前方を矢印ＦＲ、車両後方を矢印ＲＥ、車両左方を矢印Ｌ、車両右方を矢印Ｒでそれぞれ示す。また、以下の各図では、説明の便宜上、一部の構成を省略している。

図１を参照して、本実施の形態に係る車両の概略構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る排気装置周辺の右側面図である。

図１に示すように、車両１は、スポーツタイプの自動二輪車であり、鋼製又はアルミ合金製の車体フレーム２にエンジン３を懸架（支持）して構成される。エンジン３は、例えば、並列４気筒エンジンで構成される。エンジン３は、クランクシャフト（不図示）等が収容されるエンジンケース３０の上部に、シリンダヘッド３１及びシリンダヘッドカバー３２を取り付けて構成される。エンジンケース３０の下部には、オイルパン３３が設けられる。

車体フレーム２は、アルミ鋳造で形成されるツインスパータイプのフレームであり、上記のようにエンジン３を懸架することで、車体全体として剛性が得られるように構成される。車体フレーム２は、全体として、前方から後方に向かって延在し、後端側で下方に向かって湾曲した形状を有している。

具体的に車体フレーム２は、ヘッドパイプ２０から後方に向かって左右二股に分岐して延びるメインフレーム２１と、メインフレーム２１の後端から下方に延びるボディフレーム２２とを備えている。メインフレーム２１の上部には、燃料タンク（不図示）が配置される。ボディフレーム２２の上下方向の略中央部分には、スイングアーム１０が揺動可能に支持されている。スイングアーム１０は、後方に向かって延びている。スイングアーム１０の後端には後輪１１が回転可能に支持されている。

ボディフレーム２２の上端には、後上方に向かって延びるシートレール２３が設けられている。シートレール２３には、ライダーシート及びピリオンシート（共に不図示）が設けられる。

ヘッドパイプ２０には、ステアリングシャフトを介して左右一対のフロントフォークが操舵可能に支持される（共に不図示）。フロントフォークの下部には前輪（不図示）が回転可能に支持される。

また、シリンダヘッド３１の各排気ポートには、排気装置４の一部としてエキゾーストパイプ４０（排気管）が接続される。エキゾーストパイプ４０は、各排気ポートから下方に向かって複数本（本実施の形態では４本）延び、エンジン３の前下方で後方に屈曲した後、１本にまとめられ、車両後方に向かって延びている。

エキゾーストパイプ４０の後端（下流側）には、消音器としてのチャンバ４１が接続されている。チャンバ４１内には、後述する触媒４２、４３（図３及び図４参照）が配置されている。チャンバ４１の下流端には、後上方に向かって延びるマフラジョイントパイプ４４が接続されており、マフラジョイントパイプ４４の後端にはマフラ（不図示）が接続される。エンジン３からの排気ガスは、エキゾーストパイプ４０を通じてチャンバ４１内で触媒４２、４３により浄化された後、マフラジョイントパイプ４４及びマフラを通じて外部に排出される。排気装置４の詳細については後述する。

次に図２から図４を参照して、本実施の形態に係る排気装置について説明する。図２は、本実施の形態に係る排気装置の上面図である。図３は、本実施の形態に係るチャンバ周辺の構造を示す斜視図である。図４は、本実施の形態に係るチャンバ周辺の構造を示す上面図である。

図２から図４に示すように、排気装置４は、車両用のエンジン３（図１参照）に接続されるエキゾーストパイプ４０と、エキゾーストパイプ４０の下流側に接続されるチャンバ４１と、チャンバ４１内に配置される２つの触媒４２、４３と、チャンバ４１の下流側に接続されるマフラジョイントパイプ４４と、マフラ（不図示）等を含んで構成される。

図２に示すように、エキゾーストパイプ４０は、シリンダヘッド３１（図１参照）の各排気ポート（不図示）から下方に延出されている。便宜上、車幅方向左側からエキゾーストパイプ４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄと呼ぶことにする。

４つのエキゾーストパイプ４０ａ－４０ｄは、エンジンケース３０の前下方で後方に屈曲している。左側の２つのエキゾーストパイプ４０ａ、４０ｂは、第１集合パイプ４５ａに接続されて１つにまとめられ、左側の２つのエキゾーストパイプ４０ｃ、４０ｄは、第１集合パイプ４５ｂに接続されて１つにまとめられる。更に第１集合パイプ４５ａ、４５ｂはそれぞれ後方に延び、第２集合パイプ４６に接続されて１つにまとめられる。第２集合パイプ４６は、円形断面を有する。第２集合パイプ４６の後端には、第１テーパパイプ４７（コネクタパイプと呼ばれてもよい）を介してチャンバ４１が接続される。

第１テーパパイプ４７は、第２集合パイプ４６とチャンバ４１とを接続する。第１テーパパイプ４７は、軸方向断面が円形状から左右方向に長い楕円形状に変化するように、上流から下流に向かって左右方向に拡径する一方、上下方向に縮径している。第１テーパパイプ４７は、短手方向に分けられた一対の分割体を溶接して筒状に形成される。第１テーパパイプ４７の下流端は、チャンバ４１の前端を貫通した後、チャンバ４１内で楕円形状の触媒４２に接続される。

チャンバ４１は、上面視矩形状の直方体形状を有し、前後左右方向に比べて上下（高さ）方向の寸法が小さい箱型に形成される。具体的にチャンバ４１は、上下割の上半部４１ａ及び下半部４１ｂと、後端を塞ぐ蓋部材としてのテール部４１ｃとによって構成される。また、チャンバ４１は、二重箱構造を有しており、図３及び図４に示すように、内側部４１ｄと外側部４１ｅとを備えている。なお、図３及び図４では、説明の便宜上、上半部４１ａを省略しており、下半部４１ｂの二重箱構造のみを示している。これらの構成により、チャンバ４１内に排気ガスの開放空間Ｓが形成される。

チャンバ４１内には、２つの触媒４２、４３が配置されている。触媒４２、４３は、軸方向に直交する断面が左右方向又は前後方向に長い楕円形状を有し、外筒部内にハニカム部を収容して構成される。触媒４２、４３は、例えば三元触媒で構成され、排気ガス内の汚染物質（一酸化炭素、炭化水素や窒素酸化物等）を吸着して無害な物質（二酸化炭素、水、窒素等）に変換し浄化する。２つの触媒４２、４３は、略同一形状を有しており、チャンバ４１内で車両前後方向に並んで配置される。

具体的に触媒４２は、チャンバ４１内の前側で且つ車両内側である左側に偏って配置されている。チャンバ４１内で前側に位置する一方の触媒４２の軸心は、車両前後方向に向けられている。また、触媒４２の軸心は、チャンバ４１の左右方向の幅中心よりも車両内側（左側）に配置されている。

触媒４３は、触媒４２より後方において、チャンバ４１内で車両外側である右側に偏って配置されている。触媒４３の少なくとも一部は、チャンバ４１の左右方向の幅中心よりも車両外側（右側）に配置されている。チャンバ４１内で後側に位置する他方の触媒４３は、下流端が車両外側に向くように斜めに配置されている。より具体的に触媒４３の軸心は、右後上方に向けて傾けられている。

触媒４２の下流端と触媒４３の上流端は、接続パイプ４８によって接続される。接続パイプ４８は、触媒４２、４３間の排気流路を前後方向から車両外側の後上方に向かって曲げるように形成される。すなわち、接続パイプ４８は、一方の触媒４２から他方の触媒４３に向かって曲げられている。より具体的に接続パイプ４８は、車両内側に比べて車両外側の曲率半径が大きい上面視略扇型（やや三角形に近い形状）に形成される。また、接続パイプ４８の軸方向断面は、触媒４２、４３と同様に水平方向に長い楕円形状を有する。

接続パイプ４８は、上半部と下半部（便宜上図示は省略）を溶接等で結合して筒状に形成される。このように、接続パイプ４８を上下割の構造としたことで、急激な曲げＲを有する扇状に接続パイプ４８を形成することが可能となっている。また、接続パイプ４８を急激な曲げＲで形成したことで、その前後の２つの触媒４２、４３を近接配置することが可能である。具体的に一方の触媒４２の下流端と他方の触媒４３の上流端とは、接続パイプ４８の外周側（曲げＲの大きい側）よりも内周側（曲げＲの小さい側）においてその対向間隔が小さくなっている。すなわち、触媒４２の下流端と触媒４３の上流端とは、接続パイプ４８の外周側よりも内周側の方が互いに近くなるように配置されている。

上記したように接続パイプ４８は、軸方向に直交する断面が水平方向に長い楕円形状であり、短手方向に分けられた一対の分割体（上半部及び下半部）を溶接して筒状に形成されている。すなわち、接続パイプ４８は、楕円形状の長手方向に対応する上面部４８ａと下面部（不図示）とを有している。なお、図３及び図４では、説明の便宜上、上面部４８ａのみ図示している。上面部４８ａ及び下面部は、曲率半径が十分に大きい略平坦に近い外面形状を有している。すなわち、上面部４８ａ及び下面部は、上下方向に僅かに凸となるように緩やかに湾曲した略平面形状となっている。

上面部４８ａ及び下面部には、厚み方向に貫通する複数のパンチング孔４８ｂ（下面部側は不図示）が形成されている。複数のパンチング孔４８ｂは、上面部４８ａの平面視形状に対応して等間隔で三角格子を形成するように配置される。また、複数のパンチング孔４８ｂは、チャンバ４１の平面視中央に集中して配置される。下面部も同様である。なお、パンチング孔４８ｂの形状、大きさ、配置数、配置間隔等は、要求される出力や消音性能に応じて適宜変更が可能である。

触媒４３の下流端には、第２テーパパイプ４９を介してマフラジョイントパイプ４４が接続される。第２テーパパイプ４９は、触媒４３とマフラジョイントパイプ４４とを接続する。第２テーパパイプ４９は、軸方向断面が楕円形状から円形状に変化するように、上流から下流に向かって楕円形状の短手方向に拡径する一方、長手方向に縮径している。第２テーパパイプ４９は、短手方向に分けられた一対の分割体を溶接して筒状に形成される。触媒４３の下流端側の一部及び第２テーパパイプ４９は、チャンバ４１の上半部４１ａから後上方に向かって突出している。第２テーパパイプ４９の下流端には、マフラジョイントパイプ４４が接続される。マフラジョイントパイプ４４は、後輪１１に向かって後上方に延びている。マフラジョイントパイプ４４の下流端には、マフラ（不図示）が接続される。マフラは、側面視で後輪１１と重なるように配置される。

また、第１テーパパイプ４７には、触媒４２の上流側で排気流路内の排気ガス成分を検出する排気ガスセンサ５０が設けられている。排気ガスセンサ５０は、例えばジルコニア式酸素センサで構成され、所定長さの円柱形状を有する。排気ガスセンサ５０の一端側は検出部を構成し、その先端が第１テーパパイプ４７の内部に貫通するように取り付けられる。排気ガスセンサ５０の他端側には配線（不図示）が接続される。排気ガスセンサ５０の軸方向は、左右方向で他端側（配線側）が車両内側に向けられている。

排気ガスセンサ５０は、排気ガス内の酸素濃度に応じて出力（電流値）が変化し、その電流値は、配線を経由して不図示のＥＣＵ（Electronic Control Unit）に出力される。なお、排気ガスセンサ５０は、酸素センサに限らず、例えば、空燃比センサであってもよい。

このように構成される排気装置４において、エンジン３から発生する排気ガスは、エキゾーストパイプ４０を通じてチャンバ４１内に流れ込む。排気ガスがチャンバ４１に流れ込む際には、排気ガスセンサ５０の先端に排気ガスが当たることで浄化前の排気ガス中の酸素濃度を検出することができる。チャンバ４１内において、排気ガスは先ず、上流側の触媒４２に流れ込み浄化される。浄化された後の排気ガスは、接続パイプ４８を通じて触媒４３に流れ込み更に浄化される。接続パイプ４８を流れる排気ガスの一部は、複数のパンチング孔４８ｂを通じてチャンバ４１内の開放空間Ｓに拡散される。触媒４３で更に浄化された排気ガスは、マフラジョイントパイプ４４を通じてマフラにより消音され、外部に排出される。

ところで、昨今の排気ガス規制に対応するために触媒の浄化性能を向上させる必要があり、触媒を大型化したり、触媒を複数設けたりして対応している。また、車両の外観やレイアウトを考慮すると、チャンバ内に触媒を配置することが望まれている。しかし、一般的にチャンバ内に触媒を配置すると、触媒通過後の排気ガスがチャンバ内の空間に全て開放されてしまい、所定のエンジン回転数（特に低中回転域）で出力の谷ができやすくなってしまう。この場合、排気の流れをマフラーに向いやすくするためにチャンバ容積を減らすと、消音性能が低下してしまう。また、そもそもチャンバの容積には制約があるため、チャンバ内に複数の触媒を配置することが難しい。

そこで、本件発明者は、チャンバ内に複数の触媒を配置する場合の位置関係及びその接続構成に着目し、本発明に想到した。具体的に本実施の形態では、チャンバ４１内に２つの触媒４２、４３を車両前後方向に並べて配置し、２つの触媒４２、４３を接続パイプ４８で接続した。更に、接続パイプ４８に複数のパンチング孔４８ｂを形成した。

これらの構成によれば、排気ガスが複数のパンチング孔４８ｂを通じてチャンバ４１内に拡散される。すなわち、排気ガスがダイレクトにチャンバ４１内に開放されることなく、パンチング孔４８ｂを介して徐々に排気ガスをチャンバ４１内に拡散（開放）することができる。このように、排気ガスの一部をパンチング孔４８ｂから開放して消音効果を向上させつつも、排気ガスの他の一部は、接続パイプ４８を通じて下流側に円滑に流れることができる。よって、特定のエンジン回転数域での出力変動（低下）を抑制することが可能である。すなわち、消音性能の向上と出力の谷を回避することを両立することが可能である。

また、触媒４２の軸心を車両前後方向に向ける一方、触媒４３の下流端が車両外側に向くように配置し、接続パイプ４８を触媒４２から触媒４３に向かって曲げる構成とした。更に、触媒４２は、軸心がチャンバ４１の幅中心よりも車両内側に配置され、触媒４３は、少なくとも一部がチャンバ４１の幅中心よりも車両外側に配置される構成とした。これらの構成によれば、チャンバ４１内に２つの触媒４２、４３を配置した際の前後長を抑えることができ、車両におけるチャンバ４１のレイアウト性を向上することができる。また、排気流路を曲げつつも排気ガスの流れを阻害することがないため、配置ガスを下流側に円滑に流すことができ、特定のエンジン回転数域での出力低下を抑制することが可能である。

また、触媒４２の下流端と触媒４３の上流端とを近接配置したことで、触媒４２、４３間の排気流路を短くすることができる。この結果、排気上流側の触媒４２だけでなく、排気下流側の触媒４３も早期に温度活性化させることが可能である。

また、触媒４２、４３が、軸方向に直交する断面がチャンバ４１の厚み方向に短い楕円形状を有することで、触媒４２、４３を平面視で大型化しつつも、チャンバ４１の高さ寸法を抑えることが可能である。

また、接続パイプ４８が、触媒４２、４３の長手方向に対応する上面部４８ａ及び下面部を有し、複数のパンチング孔４８ｂは、上面部４８ａ及び／又は下面部にのみ形成される構成とした。すなわち、接続パイプ４８の側面には、パンチング孔が形成されていない。接続パイプ４８の側面には上半部及び下半部の溶接箇所が位置するため、当該側面にパンチング孔を設けないことで、溶接箇所から必要以上に排気ガスが漏れることを防止できる。この結果、出力の谷を抑制することが可能である。特に接続パイプ４８の外周側は、内周側に比べて流速が速く排気ガスが流れやすいので、より効果的である。また、接続パイプ４８の側面にパンチング孔を設けなくても、略平坦な上面部４８ａ及び下面部にパンチング孔４８ｂを形成するために十分な面積を確保することができる。よって、上面部４８ａ及び下面部でパンチング孔４８ｂの数をかせぐことができ、チャンバ４１の消音性能を確保することが可能である。

次に、図５を参照して変形例について説明する。図５は、変形例に係るチャンバの内部構造を示す上面図である。変形例では、第１テーパパイプ４７に設けられる排気ガスセンサ５０に加え、接続パイプ４８にも同じ排気ガスセンサ５１を配置した点で本実施の形態と相違する。

図５に示すように、接続パイプ４８の上面部４８ａには、触媒４２の下流側で排気流路内の排気ガス成分を検出する排気ガスセンサ５１が設けられている。排気ガスセンサ５１の基本構成は、上記した排気ガスセンサ５０と同じである。

排気ガスセンサ５１の先端（検出部）は、接続パイプ４８の内部に貫通するように取り付けられ、軸方向が鉛直方向に対して他端側（配線側）が車両内側且つ後方に向かって僅かに傾斜している。これにより、触媒４２で浄化された後の排気ガスの酸素濃度を検出することが可能である。触媒４２の前後の排気ガス成分を検出することで、触媒４２の劣化診断を実施することが可能である。また、触媒４２の状態から触媒４３の劣化状態も予測することが可能である。

特に排気ガスセンサ５１は、接続パイプ４８の曲げ部外側（外周側）で且つ排気上流側に配置されている。上記したように、接続パイプ４８の外周側は、内周側に比べて流速が速く排気ガスが流れやすいので、排気ガスセンサ５１の検出精度を高めることが可能である。

また、排気ガスセンサ５１は、パンチング孔４８ｂの上流側に配置されている。すなわち、排気ガスセンサ５１の排気下流側にパンチング孔４８ｂが配置されている。この構成によれば、パンチング孔４８ｂから排気ガスが拡散される前に排気ガスセンサ５１に排気ガスを当てることができるため、排気ガスセンサ５１の検出精度が損なわれることがない。なお、複数のパンチング孔４８ｂは、要求される出力や消音性能に応じて形状、大きさ、配置数、配置間隔等を適宜変更可能である。例えば、接続パイプ４８の内周側から外周側に向かうに従ってパンチング孔４８ｂの個数や密度、大きさを徐々に小さくしたり大きくしたりすることで、出力や消音性能を調整することが可能である。

なお、上記の実施形態では、並列４気筒のエンジン３を例にして説明したが、この構成に限定されない。例えば、エンジン３は、単気筒や２気筒、３気筒、更には５気筒以上のエンジンで構成されてもよく、各気筒の配置も適宜変更が可能である。

また、上記の実施形態では、マフラが車両の右方に配置される構成としたが、この構成に限定されない。マフラは、エンジン３の左方に配置されてもよい。

また、上記の実施形態では、２つの触媒４２、４３がチャンバ４１内に配置される構成としたが、この構成に限定されない。触媒は、チャンバ４１内に３つ以上配置されてもよい。

また、複数の実施形態及び変形例を説明したが、本発明の他の実施の形態として、上記実施の形態及び変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。

また、本発明の実施の形態は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。更には、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施形態をカバーしている。

以上説明したように、本発明は、消音性能の向上と出力の谷を回避することができるという効果を有し、特に、自動二輪車の排気装置に有用である。

１ ：車両
３ ：エンジン
４ ：排気装置
４０ ：エキゾーストパイプ
４１ ：チャンバ
４１ａ ：上半部
４１ｂ ：下半部
４１ｃ ：テール部
４１ｄ ：内側部
４１ｅ ：外側部
４２ ：触媒
４３ ：触媒
４８ ：接続パイプ
４８ａ ：上面部
４８ｂ ：パンチング孔
５０ ：排気ガスセンサ
５１ ：排気ガスセンサ
Ｓ ：開放空間

Claims (8)

1. 車両用のエンジンに接続される排気管と、
   前記排気管の下流側に接続されるチャンバと、
   前記チャンバ内で車両前後方向に配置される少なくとも２つの触媒と、
   前記２つの触媒を接続する接続パイプと、を備え、
   前記接続パイプには、パンチング孔が設けられ、
   前記チャンバ内で前側に位置する一方の触媒は、軸心が車両前後方向に向けられ、
   前記チャンバ内で後側に位置する他方の触媒は、下流端が車両外側に向くように斜めに配置され、
   前記接続パイプは、前記一方の触媒から前記他方の触媒に向かって曲げられていることを特徴とする排気装置。
2. 車両用のエンジンに接続される排気管と、
   前記排気管の下流側に接続されるチャンバと、
   前記チャンバ内で車両前後方向に配置される少なくとも２つの触媒と、
   前記２つの触媒を接続する接続パイプと、を備え、
   前記接続パイプには、パンチング孔が設けられ、
   前記接続パイプに配置される排気ガスセンサを更に備え、
   前記排気ガスセンサは、前記パンチング孔の上流側に配置されることを特徴とする排気装置。
3. 一方の前記触媒は、前記軸心が前記チャンバの幅中心よりも車両内側に配置され、
   他方の前記触媒は、少なくとも一部が前記チャンバの幅中心よりも車両外側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の排気装置。
4. 前記一方の触媒の下流端と前記他方の触媒の上流端とは、近接して配置されることを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の排気装置。
5. 前記触媒は、軸方向に直交する断面が前記チャンバの厚み方向に短い楕円形状を有する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の排気装置。
6. 前記接続パイプは、前記触媒の楕円形状の長手方向に対応する上面部と下面部とを有し、
   前記パンチング孔は、前記上面部及び／又は前記下面部に形成されることを特徴とする請求項５に記載の排気装置。
7. 前記パンチング孔は、前記チャンバの中央に集中して複数配置されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の排気装置。
8. 前記排気ガスセンサは、前記接続パイプの曲げ部外側に配置されることを特徴とする請求項２に記載の排気装置。

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