JP4367253B2 - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

Description

本発明は、各気筒の排気ポートから排出される排気を、ブランチ管から排気合流部へ集めた上で排気集合管から排気浄化触媒へ導入する内燃機関の排気装置に関する。

特許文献１には、排気ガスの放熱量を低減するために、排気マニホールドの内壁面を全てセラミックス材で構成したものが開示されている。
特開平６−１１７２４４号公報

しかしながら、排気マニホールドの内壁面を全てセラミックス材で構成するとコストが高くなってしまうという問題がある。

また、排気マニホールドの内壁面を全てセラミックス材で構成した場合、エンジンからの排気温度が高温となる最大出力時等では、排気マニホールドにおける排気ガスの放熱量が少ないため過度に高温の排気が排気浄化触媒が導入されることとなり、排気浄化触媒が熱劣化してしまう虞がある。

そこで、本発明の内燃機関の排気装置は、上流側が各気筒の排気ポートに接続される複数ブランチ管と、各ブランチ管の下流側端部が接続されて各気筒からの排気が合流する排気合流部と、を有する排気マニホールドと、一端が排気合流部に接続され他端が排気浄化触媒に接続された排気集合管と、を備え、排気集合管内の排気の温度がピークとなる部分にのみ、その内周面に断熱材を設けることを特徴としている。

本発明によれば、排気集合管内の温度がピークとなる部分にのみ断熱材を設けることにより、排気集合管が局部的に排気から受熱することが回避され、排気からの熱影響に対する排気集合管の耐久性を向上させることができ、総じて排気装置の耐久性を向上させることができる。また、断熱材は、排気温度がピークとなる部分にのみ設けられているので、エンジンが最大出力点等で運転され燃焼室から排出される排気温度が高温となっている場合においては、排気集合管の断熱材が設けられていない部分や排気マニホールドの断熱されていない部分からの放熱により、過度に高温の排気が排気集合管下流側の排気系部品に導入されることはなく、排気浄化触媒等の排気集合管下流側の排気系部品の熱による破損を防止することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態における排気装置を示している。

エンジン１の各気筒の燃焼室２は、シリンダヘッド３、シリンダブロック４に形成されたシリンダ５及びシリンダ５内に配設されたピストン６によって画成されている。

このエンジン１では、各気筒の燃焼室２に、シリンダヘッド３に形成された吸気ポート７を介して吸気マニホールド８が接続されていると共に、シリンダヘッド３に形成された排気ポート９を介して金属製の排気マニホールド１０が接続されている。そして、この排気マニホールド１０と排気集合管１５とを介して、各気筒の排気が排気浄化触媒としての触媒コンバータ１１に導入されている。

また、シリンダヘッド３には、排気にいわゆる二次エアを排気に供給するべく、排気ポートに連通するよう二次エア供給通路１２が形成されている。二次エア供給通路１２には、ポンプ（図示せず）もしくは排気脈動等を利用して空気が導入されている。

排気マニホールド１０は、上流側が各気筒の排気ポート９に接続された複数のブランチ管１３と、ブランチ管１３の下流側端部が接続された排気合流部１４と、から大略構成されている。

排気集合管１５は、略管状を呈し、一端が排気合流部１４に接続され他端が触媒コンバータ１１に接続されている。尚、図１中の１８は吸気弁、１９は排気弁である。

排気集合管１５は、排気流路が直線状とはなっておらず、少なくとも一箇所以上で湾曲するよう形成されている。そして、排気集合管１５の湾曲部のうち最も曲がり大きい最大湾曲部１６の内周面には、熱伝導性を低くするために断熱材としてのセラミックス１７が設けられている。換言すれば、排気集合管１５内の排気温度がピークとなる部分の内周面にセラミックス１７がコーティングされている。

そして、セラミックス１７は、最大湾曲部１６の内周面の周方向の全周に設けられているのではなく、最大湾曲部１６の内周面のうち最大湾曲部１６の湾曲の外周側の部分にのみ設けられている。さらにいえば、この第１実施形態における排気集合管１５は、最大湾曲部１６と排気合流部１４との間の管路長が比較的短く、エンジン冷機始動時で、かつ触媒コンバータ１１内の触媒が活性化されていない状態で二次エア導入により排気温度がピークとなる部位が最大湾曲部１６と略一致しているものである。つまり、この第１実施形態においては、排気集合管１５内の排気の温度がピークとなる部分の内周面にセラミックス１７が設けられているのである。二次エア導入により排気温度がピークとなる部位は、運転条件、排気弁１９からの排気経路長さ及び二次エア供給通路１２の排気ポート９への接続位置等によって決定されるものであり、予め実験適合等によりその位置を特定可能である。

排気が流れる排気流路が湾曲している場合、排気流れの関係で湾曲部分での温度（例えば排気マニホールド１０の表面温度）が高くなり、かつ湾曲部分での放熱量も多くなるという特性がある。

図２は、上述した第１実施形態における排気装置における冷機始動時の排気の温度変化を模式的に示した説明図である。

図２中の実線Ａは、上述した排気集合管１５の最大湾曲部１６にセラミックス１７が設けられていないものに対して二次エア供給通路１２から二次エアを供給した場合の排気温度の変化を示しており、二次エアの作用により上昇した排気温度は、最大湾曲部１６での放熱量が多くなるため、最大湾曲部１６の途中から排気温度が大きく低下することになる。

一方、上述した第１実施形態の排気装置で、二次エア供給通路１２から二次エアを供給した場合には、最大湾曲部１６に設けられたセラミックス１７の作用によって最大湾曲部１６からの放熱量が減少するため、図２中の太点線Ｂで示すように、二次エアの作用により上昇した排気温度は、最大湾曲部１６での温度低下が大幅に抑制されている。

尚、図２中の細点線Ｃは、排気集合管１５の最大湾曲部１６にセラミックス１７が設けられていないものに対して二次エア供給通路１２から二次エアを供給しない場合を示しており、この場合における排気温度は排気経路内を進むにつれて徐々に低下していく。

このような第１実施形態における排気装置は、排気温度がピークとなる最大湾曲部１６にセラミックス１７を設けることにより、最大湾曲部１６における放熱がセラミックス１７の保温性により緩和され、二次エア導入により昇温させた排気を高温状態のまま触媒コンバータ１１に導入することができるので、触媒コンバータ１１内の触媒が活性化されていない低温時のエンジン始動時といった場面で、触媒コンバータ１１内の触媒が活性化温度に達するまでの時間を短縮させることができる。また、セラミックス１７は、排気温度がピークとなる最大湾曲部１６の内周面にのみ設けられているので、エンジン１が最大出力点等で運転され燃焼室２から排出される排気温度が高温となっている場合においては、セラミックス１７が設けられていない部分からの放熱により、過度に高温の排気が触媒コンバータ１１に導入されることはなく、触媒コンバータ１１の熱による破損を防止することができる。つまり、過度に高温の排気が排気集合管１５下流側の排気系部品に導入されることはなく、排気集合管１５下流側の排気系部品の熱による破損を防止することができる。

そして、熱伝導性が低いセラミックス１７の作用により、最大湾曲部１６が局部的に排気から受熱することが回避され、排気からの熱影響に対する最大湾曲部１６の耐久性を向上させることができる。つまり、総じて排気装置の全体の耐久性を向上させることができる。

次に、本発明の比較例について説明するが、上述した第１実施形態と同一構成となる部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

比較例における排気装置は、上述した第１実施形態の排気装置と略同一構成となっているが、図３に示すように、この比較例における排気集合管３２は、第１実施形態における排気集合管１５に対して、最大湾曲部１６よりも上流側の管路長が相対的に長くなるよう形成されている。そして、この比較例においては、排気集合管３２の排気温度がピークとなる排気温度ピーク部３３の内周面にのみ断熱材としてのセラミックス３４が設けられている。すなわち、排気温度ピーク部３３は、最大湾曲部１６よりも上流側に位置するものであって、エンジン始動時で、かつ触媒コンバータ１１内の触媒が活性化されていない状態で二次エア導入により排気温度がピークとなる部位である。

この排気温度ピーク部３３は、排気弁１９からの排気経路長さ及び二次エア供給通路１２の排気ポート９への接続位置等によって決定されるものであり、予め実験適合等により位置が決定されるものである。

また、セラミックス３４は、排気温度ピーク部３３の内周面の周方向の全周に設けられてはおらず、排気温度ピーク部３３に至る排気経路に形状（曲がり具合等）によって相対的に排気流れが強く当たる部分、この比較例においては図３における上側部分にのみ設けられている。

図４は、上述した比較例の排気装置における排気の温度変化を模式的に示した説明図である。

図４中の実線Ｄは、上述した排気集合管３２の最大湾曲部１６にのみセラミックスが設けられたものに対して二次エア供給通路１２から二次エアを供給した場合の排気温度の変化を示しており、二次エアの作用により上昇した排気温度は、排気温度ピーク部３３で最高温度に達した後大きく低下するものの、最大湾曲部１６ではセラミックスの働きにより大きな温度低下はみられない。

一方、上述した比較例の排気装置で、二次エア供給通路１２から二次エアを供給した場合には、排気温度ピーク部３３に設けられたセラミックス３４の作用によって排気温度ピーク部３３からの放熱量が減少するため、図４中の太点線Ｅで示すように、二次エアの作用により上昇した排気温度は、排気温度ピーク部３３での温度低下が大幅に抑制されている。

尚、図４中の一点鎖線Ｆは、排気集合管３２の排気温度ピーク部３３にセラミックス３４が設けられていないものに対して二次エア供給通路から二次エアを供給した場合を示しており、この場合における排気温度は、排気温度ピーク部３３及び最大湾曲部１６の双方で低下する。

また、図４中の細点線Ｇは、排気集合管３２の排気温度ピーク部３３にセラミックス３４が設けられていないものに対して二次エア供給通路から二次エアを供給しない場合を示しており、この場合における排気温度は排気経路内を進むにつれて徐々に低下していく。

このように、排気合流部１４と最大湾曲部１６との間の排気経路が長くなるような比較例における排気装置であっても、排気温度ピーク部３３の内周面にセラミックス３４を設けることにより、二次エアの作用により上昇した排気温度の低下を大幅に抑制することができ、触媒コンバータ１１内の触媒が活性化されていない低温時のエンジン始動時といった場面で、触媒コンバータ１１内の触媒が活性化温度に達するまでの時間を短縮させることができる。また、排気流路を構成する排気集合管３２の全ての内周面にセラミックスが設けられてはいないので、エンジン１が最大出力点等で運転され燃焼室２から排出される排気温度が高温となっている場合においては、排気マニホールド１０や排気集合管３２のセラミックスが設けられていない部分からの放熱により、過度に高温の排気が触媒コンバータ１１に導入されることはなく、触媒コンバータ１１等の排気集合管３２下流側の排気系部品の熱による破損を防止することができる。

そして、熱伝導性が低いセラミックス３４の作用により、排気温度ピーク部３３が局部的に排気から受熱することが回避され、排気からの熱影響に対する排気温度ピーク部３３の耐久性を向上させることができる。つまり、総じて排気装置の全体の耐久性を向上させることができる。

尚、上述した実施形態においては、セラミックス１７，３４が最大湾曲部１６及び排気温度ピーク３３の内周面の周方向の全周に設けられていないが、セラミックス１７，３４を最大湾曲部１６及び排気温度ピーク３３の内周面の周方向の全周に設けるようにしてもよい。

上述した実施形態から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。
（１） 内燃機関の排気装置は、上流側が各気筒の排気ポートに接続される複数ブランチ管と、各ブランチ管の下流側端部が接続されて各気筒からの排気が合流する排気合流部と、を有する排気マニホールドと、一端が排気合流部に接続され他端が排気浄化触媒に接続された排気集合管と、を備えたものであって、排気集合管内の排気の温度がピークとなる部分にのみ、その内周面に断熱材を設ける。これによって、排気集合管内の温度がピークとなる部分にのみ断熱材を設けることにより、排気集合管が局部的に排気から受熱することが回避され、排気からの熱影響に対する排気集合管の耐久性を向上させることができ、総じて排気装置の耐久性を向上させることができる。また、断熱材は、排気温度がピークとなる部分にのみ設けられているので、エンジンが最大出力点等で運転され燃焼室から排出される排気温度が高温となっている場合においては、排気集合管の断熱材が設けられていない部分や排気マニホールドの断熱されていない部分からの放熱により、過度に高温の排気が排気集合管下流側の排気系部品に導入されることはなく、排気浄化触媒等の排気集合管下流側の排気系部品の熱による破損を防止することができる。

（２） 上記（１）に記載の内燃機関の排気装置において、排気集合管内の排気の温度がピークとなる部分は、排気集合管の湾曲部のうち最も曲がりが大きい最大湾曲部である。

（３） 上記（２）に記載の内燃機関の排気装置において、排気集合管内の排気の温度がピークとなる部分は、最大湾曲部の内周面のうち外周側の部分である。

（４） 上記（１）に記載の内燃機関の排気装置において、排気集合管内の排気の温度がピークとなる部分は、エンジン始動時で、かつ排気浄化触媒が活性化されていない状態で、排気集合管よりも上流側で二次エアが供給された際に、排気集合管内の排気の昇温がピークになる部分である。これによって、二次エア導入により昇温させた排気を高温状態のまま排気浄化触媒に導入することができるので、排気浄化触媒が活性化されていない低温時のエンジン始動時といった場面で、排気浄化触媒が活性化温度に達するまでの時間を短縮させることができる。

本発明の係る排気マニホールドの第１実施形態における構成を示す説明図。 第１実施形態における排気マニホールドが適用された排気系における冷機始動時の排気の温度変化を模式的に示した説明図。 本発明の比較例に係る排気マニホールドの構成を示す説明図。 比較例における排気マニホールドが適用された排気系における冷機始動時の排気の温度変化を模式的に示した説明図。

符号の説明

９…排気ポート
１０…排気マニホールド
１１…触媒コンバータ（排気浄化触媒）
１２…二次エア供給通路
１３…ブランチ管
１４…排気合流部
１５…排気集合管
１６…最大湾曲部
１７…セラミックス

Claims (2)

1. 上流側が各気筒の排気ポートに接続される複数ブランチ管と、各ブランチ管の下流側端部が接続されて各気筒からの排気が合流する排気合流部と、を有する排気マニホールドと、一端が排気合流部に接続され他端が排気浄化触媒に接続された排気集合管と、を備えた内燃機関の排気装置において、
   上記排気集合管の湾曲部のうち最も曲がりが大きい最大湾曲部と、エンジン始動時で、かつ上記排気浄化触媒が活性化されていない状態で、上記排気集合管よりも上流側で二字エアが供給された際に、上記排気集合管内の排気温度がピークになる部分とを一致させ、当該部分の内周面にのみ断熱材を設けることを特徴とする内燃機関の排気装置。
2. 排気集合管内の排気の温度がピークとなる部分は、最大湾曲部の内周面のうち外周側の部分であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気装置。

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