JP7319159B2 - 自動車用内燃機関の触媒ケース - Google Patents

Description

本発明は、自動車用内燃機関の触媒ケースに関するものである。

自動車用の内燃機関（ガソリン機関）において、排気ガスの浄化のために触媒（三元触媒）が使用されており、触媒は触媒ケースに内蔵されている。触媒はある程度の容積がある一方、触媒ケースに接続される排気通路はさほどの外径はないため、触媒ケースは、触媒が収納されているストレート状部と、上流側に向けて窄まった入り口コーン部と、下流側に向けて窄まった出口コーン部とで構成されていることが多い。

他方、触媒ケースは遮熱のためにインシュレータで覆われているが、触媒ケースとインシュレータには機関の振動や車体の振動がダイレクトに伝わるため、振動に起因した異音が発生することがあった。特に、平地走行から坂道走行に移行する場合のように高負荷域に移行するときに、シャラシャラという異音が発生しやすかった。

また、機関が乗員室の前方のエンジンルームに配置されている場合は、異音が発生しても乗員には聞こえにくくなっていることも多いが、ワンボックス車のようにエンジンが床下に配置されている場合は、触媒ケースと乗員との距離が近くなるため異音が乗員に聴こえやすくなっている。

また、床下に配置されているエンジンでは、スペースの関係でシリンダボアが水平側に大きく傾くため（スラントするため）、触媒ケースも横向きに姿勢になるが、触媒ケースが横向きになると振動しやすくなるため、騒音も発生しやすくなる傾向がある。

そして、排気系部材の振動を抑制する手段として、特許文献１には、金属製のクッションリングを介してインシュレータを触媒ケースに固定することが維持されている。

特開２０１４－１４８９４１号公報

さて、本願発明者が分析したところ、触媒ケースの振動に起因した異音は、触媒ケースが弾性変形しつつ振動していることが原因であると判明した。従って、特許文献１の弾性リングを使用しても抜本的な解決策にはならないといえる。すなわち、弾性リングを使用しても触媒ケースの剛性が高くなる訳ではないため、異音の解消効果には限度があると云える。

この点については、触媒ケースを構成する鋼板を厚くしたらよいと云えるが、かくすると、触媒ケースの重量が増大してコストが嵩むと共に、燃費も悪化するという問題がある。また、触媒ケースの重量が増大すると振動によるエネルギが増大するため、連結部に対して強い負荷が作用することになり、すると、連結部の強度を高めるように設計し直さねばならなくなるという厄介な問題が連鎖的に発生することになる。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、触媒ケースの振動に起因した騒音・異音を、新たな問題を招来することなく防止しようとするものである。

本願発明の触媒ケースは、
「排気ガスの入り口側を上流側に向けて窄まった入り口コーン部に形成し、排気ガスの出口側を下流側に向けて窄まった出口コーン部に形成しており、前記入り口コーン部と出口コーン部とが、遮熱用のインシュレータによって直接に又はブラケットを介して連結されている」
という基本構成において、
「前記入り口コーン部と出口コーン部とに、軸心を挟んで反対側からそれら入り口コーン部及び出口コーン部を囲うように延びる第１ブラケットと第２ブラケットとが固定されている一方、
前記インシュレータは、軸心を挟んで反対側に配置された第１インシュレータと第２インシュレータとに分離構成されており、
前記一対ずつのブラケットとインシュレータとを周方向にずらして配置することにより、前記両インシュレータがそれぞれ２つのブラケットに跨がった状態で配置されており、 前記一対のインシュレータはそれぞれ第１ブラケットと第２ブラケットとに固定されている」
という構成が付加されている。

インシュレータはねじ止めすることが普通であるが、触媒ケースにタップ穴を形成することは現実的でないので、触媒ケースにブラケットを溶接し、このブラケットにインシュレータをボルトで固定するのが合理的である。

インシュレータの形態は、内燃機関のタイプによって選択できる。例えば車体の床下部に配置する内燃機関の場合は、インシュレータは床部への放熱を遮蔽するため触媒ケースの上に配置する必要があると共に、草地での走行に際して草等に高温の触媒ケースが接触することを防止するため、触媒ケースの下方にも配置する必要がある。縦型の内燃機関の場合は、触媒ケースを片面だけから覆ったら足りる。

本願発明では、入り口コーン部と出口コーン部とがインシュレータによって連結されていることにより、インシュレータが補強部材の役割を果たして、触媒ケースの剛性を向上できる。更に述べると、触媒ケースのコーン部は窄まっていて変形しにくい構造になっているため、インシュレータによって入り口コーン部と出口コーン部とを連結すると、触媒ケースは厚肉化しなくても全体として極めて頑丈な構造になる。

従って、本願発明では、振動によって触媒ケースが変形することを、触媒ケースの重量増大を伴わない状態で防止又は著しく抑制することができるため、インシュレータの振動に起因した異音の発生を、新たな問題を招来することなく防止できる。特に、２枚のインシュレータで触媒ケースを挟む構造を採用すると、触媒ケースの補強効果が更に高くなって好適である。

また、本願発明のように、ブラケットとインシュレータとを一対ずつ設けて、１つのインシュレータを２つのブラケットに跨がった状態に配置して固定すると、入り口コーン部及び出口コーン部の全周を補強材で補強したような状態になるため、触媒ケースの変形防止効果を更に向上できて好適である。

第１実施形態において、ミッションケースを省略した状態での内燃機関の後面図である。 マニバータを下方から見た斜視図である。 要部を側方から見た斜視図である。 上部インシュレータを取り外して要部を後ろ上方から見た斜視図である。 図４に上部インシュレータを取り付けた状態の図である。 インシュレータの取り付け前の側面図である。 図６にインシュレータを取り付けた状態の図である。 （Ａ）は模式的な一部破断側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ－Ｂ視断面図、（Ｃ）はインシュレータとブラケットとの締結部の断面図である。

次に、本願発明を自動車用内燃機関に適用した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等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、タイミングチェーンやクランクプーリ（いずれも図示せず）を設けている側を前としている。上下方向は鉛直方向であり、左右方向は、鉛直方向及び前後方向と直交した方向である。念のため、図面に方向を明示している。

(1).機関の概要
まず、主として図１を参照して機関の概要を説明する。内燃機関の基本構成は従来と同様であり、機関本体の中核部材として、シリンダボア（図示せず）が複数形成されたシリンダブロック１と、その頂面に固定されたシリンダヘッド２とを備えている。

シリンダブロック１の下面には、補助クランクケース３を介してオイルパン４が固定されており、シリンダヘッド２の上面にはヘッドカバー５が固定されている。また、シリンダブロック１とシリンダヘッド２の前面（紙面の奥側）には、タイミングチェーンを覆うフロントカバーが固定されている。シリンダブロック１及びオイルパン４の後面に、ミッションケースを固定するリアリブ６が形成されている。

本実施形態の内燃機関は、排気側を下向きにしてボア軸心Ｏが水平面Ｈに近づくように大きく傾斜したスラント型内燃機関であり、ボア軸心Ｏと水平面Ｈとが成す角度（仰角）は約２５°程度（ボア軸心Ｏが鉛直線Ｖとが成す角度は６５°程度）になっている。

リアリブ６は、リングギア７を囲うように形成されている。リアリブ６に施している平行斜線は端面を表示するためのものであり、断面の表示ではない。なお、実施形態の内燃機関は４気筒である。符号８で示すのはクランク軸である。

シリンダヘッド２の排気側面には，各気筒に対応した排気出口穴が空いており、排気出口穴から排出された排気ガスは、図４に部分的に示す排気マニホールド９に集められて触媒ケース１０に入り込む。従って、本実施形態では、排気マニホールド９と触媒ケース１０とが一体に繋がったマニバータとなっている。排気マニホールド９は、図２に示すカバーように、フロントインシュレータ１１で覆われている。フロントインシュレータ１１はシリンダヘッド２に固定されている。

触媒ケース１０は、ブラケットを介してシリンダブロック１及びミッションケースに固定されている。図２では、ミッションケーケに固定するための第１支持ブラケット１２を表示している。

図示していないが、触媒ケース１０は第２支持ブラケット１２によってシリンダブロック１に固定される。第２支持ブラケットは図示していないが、図４，５に示すように、触媒ケース１０におけるストレート状部１５の上面に、第２支持ブラケットが固定される受け座１３を溶接によって設けている。図から理解できるように、第２支持ブラケットは、３点止めの状態で触媒ケース１０にボルトで締結される。

(3).リアインシュレータ
図６に示すように、触媒ケース１０は、三元触媒が内蔵されたストレート状部１５と、排気マニホールド９に溶接で固定された入り口コーン部１６と、継手管１８が溶接によって接続された出口コーン部１７とを有しており、継手管１８には、排気管を固定するためのフランジ１９を設けている。

入り口コーン部１６は上流側に向けて窄まっており、出口コーン部１７は下流側に向けて窄まっている。また、入り口コーン部１６及び出口コーン部１７はストレート状部１５よりも厚い鋼板（ステンレス板）で作られており、リング状部１６ａ，１７ａをストレート状部１５に外側から嵌め入れて、溶接によって固着している。

触媒ケース１０のうちリング状部１６ａ，１７ａの箇所はストレート状部１５と嵌まり合って二重構造になっているため、頑丈な構造になっている。

例えば図４に示すように、出口コーン部１７に、後面視で斜めに交叉した十字方向の部位に張り出し部２０を形成し、隣り合った２つの張り出し部２０の端面に、左右に分離した第１及び第２のブラケット２１，２２を差し渡して、第１及び第２のブラケット２１，２２を張り出し部２０の端面に溶接によって固定し、上下に分離構成されたリアインシュレータ２３，２４をブラケット２１，２２にボルト２７で締結している。

本実施形態では、上下のリアインシュレータ２３，２４が、請求項に記載したインシュレータになる。上部リアインシュレータ２３と下部リアインシュレータ２４とは、請求項との関係では、いずれか一方が第１インシュレータになって、他方が第２インシュレータになる。

ブラケット２１，２２にボス部２５を外向きに突設して、ボス部２５の内面に、図８（Ｃ）に示すようにナット２６を固定し、ボルト２７をナット２６にねじ込んでいる。ナット２６を使用せずに、ボス部２５にバーリング部を形成し、このバーリング部にタップ穴を形成してもよい。

上下一対のリアインシュレータ２３，２４と左右一対のブラケット２１，２２とは、上下と左右との文言から理解できるように、周方向に略９０°ずらして配置されており、上部リアインシュレータ２３は、左右ブラケット２１，２２の上部に固定され、下部リアインシュレータ２４は、左右ブラケット２１，２２の下部に固定されている。従って、ブラケット２１，２２とリアインシュレータ２３，２４とでリング体を構成し、このリング体を出口コーン部１７に固定したような状態になっている。

入り口コーン部１６にも左右のブラケット２１，２２が固定されて、これに上下のリアインシュレータ２３，２４がボルト２７で固定されている。但し、入り口コーン部１６には張り出し部２０は形成しておらず、ブラケット２１，２２は、入り口コーン部１６のリング状部１６ａに固定されている。入り口コーン部１６に張り出し部２０を設けていないのは、入り口コーン部１６には、センサ取り付け口２８を設ける必要があることなど、加工上の制約が大きいためである。

従って、加工上の制約や排気ガスの流れなどについて問題がなければ、入り口コーン部１６にも張り出し部２０を形成することは可能であるし、逆に、出口コーン部１７に張り出し部２０を設けないことも可能である。

リアインシュレータ２３，２４の前部と後部は、コーン部１６，１７に対応して窄まっている。また、リアインシュレータ２３，２４には、軸方向や周方向に延びる補強リブ２９を形成している。また、上部リアインシュレータ２３には、第２支持ブラケットの受け座１３を露出させるための逃がし穴３０が形成されている。また、ボルト２７でブラケット２１，２２に固定される部位は、外向きに膨れた膨出部３１になっている。

図８（Ｃ）に示すように、リアインシュレータ２３，２４は、圧縮変形する金属メッシュ製の制振材３２を介してブラケット２１，２２に固定されている。

以上のように、入り口コーン部１６と出口コーン部１７とがリアインシュレータ２３，２４を介して繋がっているため、触媒ケース１０の剛性を格段に向上できる。このため、登坂路などで機関に大きな負荷が掛かって触媒ケース１０に激しい振動が作用しても、触媒ケース１０が変形して異音が発生することはない。

ブラケット２１，２２はリアインシュレータ２３，２４の傾斜面に固定することも可能であるが、実施形態のように張り出し部２０やリング状部１６ａに固定すると、強度的に最も強い部位に固定されるため、触媒ケース１０の補強効果を確実化できて好適である。また、溶接等の加工も容易である。

車体の床下に配置する内燃機関では、自動車が草地を走行又は停止しているとき、乾燥した草に触媒ケース１０が触れて草が燃えるということが有り得るが、本実施形態のように触媒ケース１０を下方からも下部リアインシュレータ２４で覆うと、触媒ケース１０の熱によって草が燃えることを確実に防止できる利点がある。また、走行によって飛散した小石に対するカバーの役割も発揮できる。

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。例えは、本願発明は、シリンダボアが全く又は殆どスラントしていない内燃機関の触媒ケースにも適用できる。

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。

Ｏ ボア軸心
１ シリンダブロック
２ シリンダヘッド
９ 排気マニホールド
１０ 触媒ケース
１１ フロントインシュレータ
１２ 第１支持ブラケット
１５ ストレート状部
１６ 入り口コーン部
１７ 出口コーン部
１８ 継手管
２０ 張り出し部
２１，２２ ブラケット
２３，２４ リアインシュレータ（請求項のインシュレータ）
２５ ボス部
２６ ナット
２７ ボルト

Claims (1)

1. 排気ガスの入り口側を上流側に向けて窄まった入り口コーン部に形成し、排気ガスの出口側を下流側に向けて窄まった出口コーン部に形成しており、前記入り口コーン部と出口コーン部とが、遮熱用のインシュレータによって直接に又はブラケットを介して連結されている自動車用内燃機関の触媒ケースであって、
   前記入り口コーン部と出口コーン部とに、軸心を挟んで反対側からそれら入り口コーン部及び出口コーン部を囲うように延びる第１ブラケットと第２ブラケットとが固定されている一方、
   前記インシュレータは、軸心を挟んで反対側に配置された第１インシュレータと第２インシュレータとに分離構成されており、
   前記一対ずつのブラケットとインシュレータとを周方向にずらして配置することにより、前記両インシュレータがそれぞれ２つのブラケットに跨がった状態で配置されており、 前記一対のインシュレータはそれぞれ第１ブラケットと第２ブラケットとに固定されている、
   自動車用内燃機関の触媒ケース。

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