JP7267771B2 - 自動車用内燃機関の触媒ケース - Google Patents

Description

本願発明は、自動車用内燃機関に使用する触媒ケースに関するものである。

自動車用の火花点火式内燃機関（ガソリン機関やガス機関）では、排気ガスの浄化のために三元触媒が使用されている。この三元触媒は、排気ガスが通過する多孔質材に貴金属粒子を分散担持させた構造になっており、排気ガスは、貴金属に接することによって有害成分が分解されるようになっている。

三元触媒は金属板製の触媒ケースに内蔵されており、触媒ケースは、継手を介してシリンダヘッドの排気側面に接続されたり、排気マニホールドの集合出口に接続されたり、或いは、排気ターボ過給機の出口に接続されたりしている。

そして、三元触媒は排気ガスの通過を容易にするためかなりの体積が必要であり、これに伴って触媒ケースも相当の大きさの外径にならざるを得ない一方、シリンダヘッドの排気ガス出口にしても排気マニホールドの出口部にしても断面積はさほど大きくないため、触媒ケースの上部に上窄まり部（上コーン部）を形成して、上窄まり部において排気ガスを拡散させている。

ここで問題は、排気ガスは方向性を持って上窄まり部に流入するため、必ずしも上窄まり部において均等に分散しないことであり、排気ガスが三元触媒の特定部位に集中的に当たる片当たり現象が発生しやすいことである。

この点について特許文献１には、上窄まり部に接続された排気導入管を触媒ケースの軸心に対して傾斜させると共に、排気導入管を、触媒ケースの軸心を挟んだ一方の側にずれるようにオフセットさせることにより、上窄まり部の内部で排気ガスを均等に分散させるようにした技術が開示されている。

特開２００１－７３５７１号公報

さて、自動車用内燃機関を自動車のエンジンルームに配置する場合、排気側面を自動車の前進方向に向ける前排気と、排気側面を自動車の前進方向と反対側に向ける後ろ排気との配置姿勢があり、前排気姿勢では、走行風を利用して冷却できる利点がある。

しかし、前排気姿勢で配置すると、排気管は内燃機関の下方をくぐらせて後ろに引き込む必要があるため、排気管の長さが長くなってコストや重量が増大するという問題がある。従って、内燃機関を前排気姿勢でエンジンルームに搭載する場合、排気管の短縮化のためには、触媒ケースをできるだけ機関本体（シリンダブロック）に近づけることが必要である。

この点、特許文献１の技術を使用すると、触媒ケースを機関本体に近づけて排気管を短縮化できるといえるが、特許文献１では、排気導入管が傾斜姿勢になっているため、触媒ケースの高さが低くならざるを得ないが、近年、触媒ケースは、排ガス規制強化に伴う浄化性能アップのために大型化する傾向があり、このような触媒ケースの大型化に対応し難いという問題がある。

本願発明はこのような現状を契機として成されたものであり、排気ガスの導入口を触媒ケースの軸心に対してオフセットさせる点は特許文献１と共通しつつ、より改良された形態を提供せんとするものである。

本願発明は、機関本体の排気側面に寄せて上下長手の姿勢で配置される触媒ケースに関するものであり、この触媒ケースは、基本構成として、
「三元触媒が配置される筒状本体部と、前記筒状本体部の上端に一体に設けた上窄まり部と、前記上窄まり部の上端に設けた継手とを有して、
前記継手は、シリンダヘッドに接続される横向き開口部と前記上窄まり部に接続される下向き開口部とを有していてＬ形に形成されている」
という構成を含んでいる。

更に、本願発明は、基本構成として、
「前記継手における下向き開口部の軸心は、前記筒状本体部の軸心よりも前記シリンダヘッドの側に寄るようにオフセットされており、このため、前記上窄まり部は、前記シリンダヘッドに近い部分は急傾斜部になって、前記シリンダヘッドから遠い部分は緩傾斜部になっており、
かつ、前記上窄まり部の上端部又は前記継手の下向き開口部に、内径よりも小さい高さ寸法のストレート部を形成している」
という構成を含んでいる。

そして、本願発明は、上記の基本構成において、「前記上窄まり部の緩傾斜部に一体に形成した平坦部に、前記上窄まり部の内部に検知部を露出させたＯ２センサを配置しており、前記Ｏ２センサにおける検知部の先端を、前記継手における入口の上端と前記ストレート部の上端を結ぶ基準線の延長線よりも前記シリンダヘッドに寄ったエリアに位置させている」
という構成になっている。

本願発明では、継手はＬ形であるため、触媒ケースの高さを高くすることができる。従って、大型化の触媒ケースであっても、その下端を過剰に下げることなく配置できる。従って、触媒ケースの大型化への対応性に優れている。

また、継手は、筒状本体部の軸心に対しシリンダヘッド（及びシリンダブロック）の側にオフセットされているため、継手をできるだけ小型化しつつ、触媒ケースをシリンダブロックにできるだけ近づけることができる。これにより、内燃機関が横置き前排気姿勢で自動車に搭載されていても、排気管の長さをできるだけ短くして、コスト及び重量の低減に貢献できる。

また、シリンダヘッドから継手に流入した排気ガスは、継手の内部で下向きに方向変換して上窄まり部に流入するが、排気ガスは横向きの方向性を持ちつつ下方に方向変換する一方、ストレート部は内径よりも小さい高さであるため、排気ガスは、上窄まり部の緩傾斜部に向けて斜め方向に流れる部分と、下方に向けて流れ部分と、下向き開口部の内面で反射して急傾斜部に向かう部分とに分散する（当然ながら、それらの中間的な流れもある。）。

従って、排気ガスの直進性や反射機能を利用して、内部排気ガスを上窄まり部の内部で均等に分散させることができる。これにより、三元触媒の能力をフルに発揮させて高い浄化性能を確保できると共に、耐久性向上にも貢献できる。また、排気ガスを三元触媒に均等に接触させることができることから、三元触媒に使用する貴金属の量を低減することも可能になり、結果として、排気ガス浄化装置のコスト削減も可能になる。

さて、触媒ケースにはＯ２センサを設けており、Ｏ２センサの検知結果に基づいてスロットルバルブの開度を補正するフィードバック制御を行っている。従って、Ｏ２センサは排気ガスの成分を正確に検知できるように配置する必要がある。そのためには、検知部は、排気ガスが十分に混合している部位で、かつ、水分（水蒸気）の飛散が無い部位に望ませる必要がある。

他方、排気ガスには多少なりとも水分が蒸気として含まれており、この水分は燃焼ガスに比べて質量が大きくて直進性が高いため、継手を通過するに際して下向きには向かわずに、シリンダヘッドから遠い面に沿って下方に流れる傾向を呈する。すなわち、水分を含んだ排気ガスは、上窄まり部の緩傾斜部に沿って下方に流れる傾向を呈する。

正確には、水分を含んだ排気ガスは、継手における入口の上端とストレート部の上端を結ぶ基準線の延長線よりも緩傾斜部の側に寄ったエリアに集中的に流れる傾向を呈する。つまり、継手における入口の上端とストレート部の上端を結ぶ基準線の延長線は、排気ガスが直進して上窄まり部に流入できるエリアの境界になるものであり、水分を含んだ排気ガスは、上記延長線と緩傾斜部との間のエリア（被水エリア）に主として流れ込む。

そして、本願発明では、Ｏ２センサにおける検知部の先端は、水分を含んだ排気ガスが集中的に流入する被水エリアから内側に外れているため、Ｏ２センサが水分の影響を受けることはなく、また、上窄まり部の中心部では排気ガスの混合性も高くなっているため、酸素濃度を正確に検知できる。これにより、Ｏ２センサに基づくフィードバック制御を精度良く行うことができる。

実施形態の縦断正面図である。

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前後・左右の文言を使用するが、前後方向はクランク軸線方向であり、左右方向は、クランク軸線及びシリンダボア軸線と直交した方向である。正面視は、前後方向から見た状態である。

(1).構造の説明
図１は、触媒ケース１をクランク軸線と直交した平面で切断した縦断正面図である。シリンダヘッド３は断面表示しているが、シリンダブロック２の断面は表示していない。内燃機関は、クランク軸線を車両の車幅方向に長い姿勢として、排気側面を車両の前進方向に向けた前排気姿勢でエンジンルームに搭載されている（車両の前後方向と内燃機関の前後方向とは、９０°相違している。）。

シリンダヘッド３には、各排気ポート（図示せず）が連通した排気集合通路４を形成しており、排気集合通路４に連通した１つの排気出口穴５が排気側面６に開口して、この排気出口穴５に、継手７を介して触媒ケース１が接続されている。

触媒ケース１は、内部に三元触媒８を配置した円筒状の筒状本体部９と、筒状本体部９の上端に溶接で接合された上窄まり部（上コーン部）１０と、筒状本体部９の下端に設けた下窄まり部（下コーン部、図示せず）とを有しており、上窄まり部１０の上端に継手７が溶接によって接合されている。

上窄まり部１０の上端には、円筒状のストレート部１１が一体に形成されている。他方、継手７は、フランジ板１２を介してシリンダヘッド３に固定された横向き開口部１３と、横向き開口部１３の先端に連続した下向き開口部１４とで構成されており、従って、エルボ状になっている。ストレート部１１の高さ（上下長さ）Ｈは、当該ストレート部１１の半径Ｒよりも小さい寸法になっている。

なお、図では、ストレート部１１が下向き開口部１４の内部に嵌め込まれているが、ストレート部１１の内部に下向き開口部１４を嵌め込むことも可能である。

そして、継手７の下向き開口部１４と上窄まり部１０のストレート部１１とを嵌め合わせて溶接によって接合しているが、ストレート部１１と下向き開口部１４の軸心１５を、筒状本体部９の軸心１６に対してシリンダヘッド３の側にある程度の寸法Ｅだけオフセットさせている。オフセット寸法Ｅは、ストレート部１１の高さＨよりも大きくて、ストレート部１１の半径Ｒと同じ程度の寸法になっているが、他の寸法も採用できる。

継手７をシリンダヘッド３（及びシリンダブロック２）の側にオフセットさせたことにより、上窄まり部１０のうちシリンダヘッド３に近い部位は、筒状本体部９の軸心１６との交差角度が小さい急傾斜部１７になって、シリンダヘッド３から離れた部位は、筒状本体部９の軸心１６との交差角度が大きい緩傾斜部１８になっている。従って、上窄まり部１０は、縦断正面視で左右非対称になっている（縦断側面視では前後対称になっている。）。

上窄まり部１０の緩傾斜部１８には平坦部１９を一体に形成して、この平坦部１９にＯ２センサ２０を固定している。Ｏ２センサ２０は上窄まり部１０の内部に突出した検知部２１を有しているが、検知部２１の先端は、縦断正面視において、継手７における横向き開口部１３の入口の上端２２とストレート部１１の上端（下コーナー部）２３とを結ぶ基準線２４の延長線２４ａよりもシリンダヘッド３の側に突出させている。

(2).まとめ
以上の構成において、継手７の下向き開口部１４を筒状本体部９の軸心１６に対してシリンダヘッド３に近づくようにオフセットさせているため、継手７を小型化しつつ、触媒ケース１をシリンダブロック２にできるだけ近づけることができる。従って、排気管の長さを短くしてコストダウンと軽量化に貢献できる。

既述のとおり、筒状本体部９の下端には下窄まり部を設けており、下窄まり部の下端の出口管に排気管が接続されているが、下窄まり部の出口管もシリンダヘッド３の側にオフセットさせると、排気管の短縮化に更に貢献できて好適である。

本実施形態では、継手７はエルボタイプであり、継手７と上窄まり部１０との接続部に上下方向の軸心を有するストレート部１１が形成されているため、シリンダヘッド３から横向きに（水平方向に）排出された排気ガスは、継手７によって下向きに方向変換するが、ストレート部１１の上下高さ寸法は小さいため、排気ガスの一部は、直進性が強く発揮されて、矢印２６で示すように、継手７のうちシリンダヘッド３から最も離れた外端部７ａと上窄まり部１０の緩傾斜部１８とに沿った流れになる。

また、排気ガスの一部は、継手７がＬ形であることによる方向変換作用を受けて、矢印２７で示すように、概ね下向きの流れとなる。更に、排気ガスの一部は、継手７の外端部７ａに対する衝突の反作用として、矢印２８で示すように、急傾斜部１７に向いた流れになる。

つまり、排気ガスは、直進性と継手７の方向変換機能とにより、上窄まり部１０の内部に広く拡散して流れ込むのであり、これにより、排気ガスを三元触媒８に満遍なく当てることができる。その結果、高い浄化性能を長期に亙って確保できると共に、三元触媒８に使用する貴金属の量を低減してコストダウンすることも可能になる。

さて、排気ガスに水分が含まれていると、水分は質量が大きくて直進性が高いため、継手７の外端部７ａと上窄まり部１０の緩傾斜部１８とに沿って流れる傾向を呈する。この場合、継手７における横向き開口部１３の入口の上端２２とストレート部１１の上端（下コーナー部）２３とを結ぶ基準線２４の延長線２４ａが、水分を含んだ排気ガスが上窄まり部１０に直進する下限であり、水分を含んだ排気ガスは、上記延長線２４ａと緩傾斜部１８との間のエリアに流入する。換言すると、延長線２４ａと緩傾斜部１８との間の部分が被水エリア２９になっている。

そして、Ｏ２センサ２０の検知部２１は被水エリア２９を越えてシリンダヘッド３に近いエリアに内向き突出しているため、Ｏ２センサ２０の検知性能が水分によって悪化することはない。また、上窄まり部１０では、内部ほど排気ガスの混合性は高くなっているため、酸素濃度の検知精度も優れている。これら２つの効果により、Ｏ２センサ２０は高い検知性能を発揮できる。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、ストレート部１１の上下高さＨや継手７のオフセット寸法Ｅは、排気ガスの分散効果を損なわない範囲で任意に設定できる。

本願発明は、自動車用内燃機関の触媒ケースに具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ 触媒ケース
２ シリンダブロック
３ シリンダヘッド
５ 排気出口穴
７ 継手
７ａ シリンダヘッドから遠くに位置した外端部
８ 三元触媒
９ 筒状本体部
１０ 上窄まり部
１１ ストレート部
１３ 横向き開口部
１４ 下向き開口部
１５ ストレート部及び下向き開口部の軸心
１６ 筒状本体部の軸心
２０ Ｏ２センサ
２１ Ｏ２センサの検知部
２２ 継手の入口の上端
２３ ストレート部の内側の上端
２４ 被水エリアを画定する基準線
２４ａ 基準線の延長線
２６～２８ 排気ガスの分流方向を示す線
２９ 被水エリア

Claims (1)

1. 機関本体の排気側面に寄せて上下長手の姿勢で配置される触媒ケースであって、
   三元触媒が配置される筒状本体部と、前記筒状本体部の上端に一体に設けた上窄まり部と、前記上窄まり部の上端に設けた継手とを有して、
   前記継手は、シリンダヘッドに接続される横向き開口部と前記上窄まり部に接続される下向き開口部とを有していてＬ形に形成されて、
   前記継手における下向き開口部の軸心は、前記筒状本体部の軸心よりも前記シリンダヘッドの側に寄るようにオフセットされており、このため、前記上窄まり部は、前記シリンダヘッドに近い部分は急傾斜部になって、前記シリンダヘッドから遠い部分は緩傾斜部になっており、
   かつ、前記上窄まり部の上端部又は前記継手の下向き開口部に、内径よりも小さい高さ寸法のストレート部を形成している構成において、
   前記上窄まり部の緩傾斜部に一体に形成した平坦部に、前記上窄まり部の内部に検知部を露出させたＯ２センサを配置しており、前記Ｏ２センサにおける検知部の先端を、前記継手における入口の上端と前記ストレート部の上端を結ぶ基準線の延長線よりも前記シリンダヘッドに寄ったエリアに位置させている、
   自動車用内燃機関の触媒ケース。

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