(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の機関本体から排出された排気ガスを浄化する排気浄化触媒の上流側に配設され、排気ガスの状態を検出する排気ガスセンサが取り付けられた排気管であって、
流路断面積がその上流側および下流側よりも小さい絞り部が設けられ、
上記排気ガスセンサは、上記絞り部の流路断面積が最小の断面積最小部と、上記排気浄化触媒側の下流端との間に設けられ、
上記排気ガスセンサの取付部は、下流側に向かうにつれて流路断面積が大きくなる断面積拡大部に設けられ、
上記機関本体側の上流端における中心と、上記排気浄化触媒側の下流端における中心とを通る直線が、機関本体から流出する排気ガスの流れ方向に平行な方向から見ると、鉛直方向に対し傾いており、
上記排気ガスセンサは、当該排気管の内部を上流端の開口から見たとき、上記断面積最小部によって全体が隠されるように配置されていることを特徴とする内燃機関の排気管。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関の排気管において、
上記排気ガスセンサの取付部は、鉛直方向に対する傾きが上記直線の鉛直方向に対する傾きよりも大きい部分に設けられていることを特徴とする内燃機関の排気管。
【請求項３】
請求項１または２に記載の内燃機関の排気管において、
上記断面積最小部は、排気ガスの流れ方向を変化させる屈曲部に設けられていることを特徴とする内燃機関の排気管。
【請求項４】
請求項３に記載の内燃機関の排気管において、
上記屈曲部は、排気ガスの流れ方向を斜め下向きに変化させるように形成され、
上記絞り部は、上記屈曲部の機関本体に対向する部分を内方へ窪ませるように形成されていることを特徴とする内燃機関の排気管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の機関本体から排出された排気ガスを浄化する排気浄化触媒の上流側に配設され、排気ガスの状態を検出する排気ガスセンサが取り付けられた排気管に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の機関本体から排出された排気ガスは、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害成分を含有している。このため、多くの内燃機関では、機関本体から排出された排気ガスを排気浄化触媒（三元触媒、酸化触媒、ＮＯｘ吸蔵触媒等）に流入させ、排気浄化触媒においてこれら有害成分を浄化した後、排気ガスを大気中に放出するようにしている。
【０００３】
排気浄化触媒には、排気管を介して機関本体から排出された排気ガスが導入されるようになっている。内燃機関の排気管として、Ｏ2センサや、空燃比センサなどのような排気ガスセンサが取り付けられたものが知られている（例えば、特許文献１〜４参照）。また、内燃機関の排気管に関連する先行技術文献として、例えば、特許文献５〜７などがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３１４２７５号公報
【特許文献２】特開２００５−２４０６０２号公報
【特許文献３】特開平８−１２１１５５号公報
【特許文献４】特開平７−８３０４９号公報
【特許文献５】特開２００７−１３８８１１号公報
【特許文献６】特開２００２−２１３２３３号公報
【特許文献７】特開２００３−４９６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、排気ガスが排気浄化触媒の上流側端部の一部分に集中して当たると、その部分に付着物が堆積して、排気浄化触媒の目詰まりが発生し、排気浄化触媒の浄化性能が損なわれる可能性がある。例えば、使用燃料に、マンガン系添加物（ＭＭＴ：Ｍｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ  Ｍａｎｇａｎｅｓｅ  Ｔｒｉｃａｒｂｏｎｙｌ）等のようなアンチノック剤を添加しているような場合、マンガン酸化物等の付着物が排気浄化触媒に堆積しやすくなり、排気浄化触媒の目詰まりが発生しやすくなることが懸念される。
【０００６】
また、排気管の途中に屈曲部（コーナー部）が設けられている場合、排気管を流れる排気ガスの流速分布の偏りが大きくなる可能性があり、この場合にも、上述した目詰まりが発生しやすくなる。
【０００７】
また、排気管を流れる排気ガスの流速分布の偏りが大きければ、排気ガスセンサが取り付けられた排気管の場合、排気ガスセンサのセンシング性能が排気ガスセンサの取付位置に大きく影響されるという問題もある。
【０００８】
本発明は、そのような問題点を鑑みてなされたものであり、排気浄化触媒の浄化性能の低下を抑制でき、排気ガスセンサのセンシング性能の向上を図ることができるような内燃機関の排気管を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述の課題を解決するための手段を以下のように構成している。すなわち、本発明は、内燃機関の機関本体から排出された排気ガスを浄化する排気浄化触媒の上流側に配設され、排気ガスの状態を検出する排気ガスセンサが取り付けられた排気管であって、流路断面積がその上流側および下流側よりも小さい絞り部が設けられ、上記排気ガスセンサは、上記絞り部の流路断面積が最小の断面積最小部と、上記排気浄化触媒側の下流端との間に設けられ、上記排気ガスセンサの取付部は、下流側に向かうにつれて流路断面積が大きくなる断面積拡大部に設けられ、上記機関本体側の上流端における中心と、上記排気浄化触媒側の下流端における中心とを通る直線が、機関本体から流出する排気ガスの流れ方向に平行な方向から見ると、鉛直方向に対し傾いており、上記排気ガスセンサは、当該排気管の内部を上流端の開口から見たとき、上記断面積最小部によって全体が隠されるように配置されていることを特徴としている。
【００１０】
上記構成によれば、機関本体から排気管に流入した排気ガスは、絞り部で集められ、この絞り部を通過することによって拡散される。この拡散作用によって、排気管の絞り部の下流側では、排気ガスの流速分布をできるだけ均一なものとすることができる。そして、排気浄化触媒に導入される排気ガスの流速分布の偏りを低減することができる。つまり、排気ガスが排気浄化触媒の上流側端部の一部分に集中して当たるのではなく、全体にわたって略均一に当たるようにすることができる。これにより、排気浄化触媒への付着物の堆積を抑制することができ、排気浄化触媒の目詰まりを抑制することができる。その結果、排気浄化触媒の浄化性能の低下を抑制することができる。
【００１１】
また、絞り部による排気ガスの拡散作用によって、排気ガスセンサへの排気ガスのガス当たりを良好に保つことができる。これにより、排気ガスセンサのセンシング性能の向上を図ることができる。しかも、排気ガスが排気管の絞り部を通過することにともなう消音作用も得ることができる。
【００１３】
この構成によれば、排気ガスセンサの取付部が断面積拡大部に設けられ、排気管が鉛直方向に対し傾いて設けられ、さらに、当該排気管の内部を上流端の開口から見たとき、断面積最小部によって排気ガスセンサの全体が隠されるので、冷間始動時、排気ガスセンサの被水の可能性を低減することができ、排気ガスセンサのセンシング性能の低下を抑制することができる。
【００１６】
本発明において、上記排気ガスセンサの取付部は、鉛直方向に対する傾きが上記直線の鉛直方向に対する傾きよりも大きい部分に設けられていることが好ましい。
【００１７】
この構成によれば、排気管の上流端の開口から排気管の内部を見たとき、排気ガスセンサの略全体を隠すことが可能になる。これにより、排気ガスセンサの被水の可能性をほとんどなくすことができ、排気ガスセンサのセンシング性能の低下を抑制できる。
【００１８】
本発明において、上記断面積最小部は、排気ガスの流れ方向を変化させる屈曲部に設けられていることが好ましい。この場合、上述した絞り部による排気ガスの拡散作用を有効に得る観点からは、上記屈曲部は、排気ガスの流れ方向を斜め下向きに変化させるように形成され、上記絞り部は、上記屈曲部の機関本体に対向する部分を内方へ窪ませるように形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、絞り部による排気ガスの拡散作用によって、排気ガスが排気浄化触媒の上流側端部の全体にわたって略均一に当たるようにすることができる。これにより、排気浄化触媒への付着物の堆積を抑制することができ、排気浄化触媒の目詰まりを抑制することができる。その結果、排気浄化触媒の浄化性能の低下を抑制することができる。また、絞り部による排気ガスの拡散作用によって、排気ガスセンサへの排気ガスのガス当たりを良好に保つことができる。これにより、排気ガスセンサのセンシング性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】内燃機関の全体的な構成を概略的に示す図である。
【図２】内燃機関のシリンダヘッドに形成された吸・排気ポートを模式的に示す平面図である。
【図３】実施形態に係る内燃機関の排気管を示す正面図である。
【図４】実施形態に係る内燃機関の排気管を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明を具体化した実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
【００２２】
まず、内燃機関の全体的な構成について、図１、図２を参照して説明する。
【００２３】
図１に示すように、内燃機関は、機関本体であるエンジン１０と、吸気系統３０と、排気系統４０とを有している。
【００２４】
エンジン１０は、例えば、直列４気筒のガソリンエンジンである。エンジン１０は、シリンダヘッド１１とシリンダブロック１２とが結合されて構成されている。シリンダヘッド１１は、複数の燃焼室１３と、各燃焼室１３に接続される吸気ポート１４および排気ポート１５とを有している。各燃焼室１３には、燃料を噴射するインジェクタ１６と、燃料に点火する点火プラグ１７とがそれぞれ設けられている。インジェクタ１６は、燃料蓄圧容器としてのデリバリパイプ２０に接続されており、このデリバリパイプ２０から燃料がインジェクタ１６に供給されるようになっている。
【００２５】
シリンダブロック１２は、複数のシリンダボア２１を有する。これらのシリンダボア２１は、シリンダヘッド１１側の各燃焼室１３に対応してそれぞれ設けられている。各シリンダボア２１には、ピストン２２が往復動可能に収容されている。各ピストン２２は、コネクティングロッド２３を介してクランクシャフト２４に連結されている。
【００２６】
各吸気ポート１４は、インテークマニホールド１８により１ヶ所に集められて吸気系統３０の吸気通路（吸気管）３１に接続されている。各吸気ポート１４は、吸気バルブ２５により開閉される。吸気バルブ２５は、吸気カムシャフト２６により駆動される。吸気カムシャフト２６は、クランクシャフト２４から取り出される動力がタイミングベルト等によって伝達されて回転駆動される。
【００２７】
各排気ポート１５は、エキゾーストマニホールド１９により１ヶ所に集められて排気系統４０の排気通路（排気管）４１に接続されている。各排気ポート１５は、排気バルブ２７により開閉される。排気バルブ２７は、排気カムシャフト２８により駆動される。排気カムシャフト２８は、クランクシャフト２４から取り出される動力がタイミングベルト等によって伝達されて回転駆動される。
【００２８】
エンジン１０では、空気Ａが吸気系統３０から吸気ポート１４に供給される。そして、この空気Ａが吸気バルブ２５の開弁動作にともなって燃焼室１３（シリンダボア２１）内に導入されて圧縮され、また、インジェクタ１６から燃焼室１３内に燃料が噴射されて混合気が形成される。次に、この混合気が点火プラグ１７により点火されて燃焼室１３内で燃焼し、その燃焼エネルギーによりピストン２２が駆動されてシリンダボア２１内を往復運動する。そして、このピストン２２の往復運動がクランクシャフト２４の回転運動に変換されて動力が発生する。また、燃焼室１３内の燃焼ガスは、排気ガスＥｘとなり、排気バルブ２７の開弁動作にともなって、排気ポート１５、エキゾーストマニホールド１９を介して排気系統４０側に排出される。
【００２９】
吸気系統３０は、吸気管３１と、エアクリーナ３２と、スロットルバルブ３３とを有している。吸気管３１は、空気Ａをエンジン１０に導入するための通路である。エアクリーナ３２は、吸気管３１の入口部に配置されて吸入空気中のゴミや塵などを除去する。スロットルバルブ３３は、吸気管３１の流路断面積を調整する流量調整弁である。この吸気系統３０では、エアクリーナ３２を通過した空気Ａが、スロットルバルブ３３を通過し、インテークマニホールド１８を介してエンジン１０に導入される。
【００３０】
排気系統４０は、排気管４１と、この排気管４１の下流側に配置される排気浄化装置４２とを有している。排気管４１は、エンジン１０からの排気ガスＥｘを外部に排出するための通路であり、例えば、ステンレス等のような金属によって形成されている。排気管４１の上流端は、エキゾーストマニホールド１９に接続されている。排気管４１には、排気ガスＥｘの状態を検出するＯ2センサ４３が取り付けられている。排気浄化装置４２は、排気ガスＥｘ中の有害成分（ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ）を無害な成分（ＣＯ2、Ｈ2Ｏ、Ｎ2）に浄化するための触媒（例えば、三元触媒、酸化触媒、ＮＯｘ吸蔵触媒など）を有している。排気浄化装置４２は、触媒担体４２ａがケース内に保持された構成となっている。排気浄化装置４２により浄化された排気ガスＥｘは、マフラー等により消音された後、大気中に放出される。
【００３１】
この実施形態では、図２に示すように、シリンダヘッド１１とエキゾーストマニホールド１９とが一体構造となっている。すなわち、シリンダヘッド１１内にエキゾーストマニホールド１９が一体形成されている。このエキゾーストマニホールド１９により、複数の排気ポート１５がシリンダヘッド１１内の１ヶ所（エキゾーストマニホールド１９の集合部１９ａ）に集められる。そして、このエキゾーストマニホールド１９と排気浄化装置４２とが排気管４１を介して連結されている。
【００３２】
このような構成では、複数の燃焼室１３からの排気ガスＥｘが、シリンダヘッド１１内に設けられたエキゾーストマニホールド１９の集合部１９ａに集められた後、排気管４１を介して排気浄化装置４２に導入される。この場合、エキゾーストマニホールドの集合部がシリンダヘッドの外部にある構成と比較すると、シリンダヘッド１１から排気浄化装置４２までの排気管４１の長さが短縮される。これにより、冷間始動時にて排気温度の低下が抑制されるので、排気浄化装置４２の暖機が迅速に行われる。また、シリンダヘッド１１とエキゾーストマニホールド１９とが一体構造を有することにより、エンジン１０の熱容量が低減される。これにより、冷間始動時にてエンジン１０の暖機が早期に行われる。
【００３３】
次に、実施形態の特徴部分について説明する。
【００３４】
この実施形態の特徴部分は、排気管４１において、流路断面積がその上流側および下流側よりも小さい絞り部４１ａが設けられており、この絞り部４１ａの流路断面積が最小の断面積最小部４１ｂと、排気浄化装置４２側の下流端４１ｅとの間にＯ2センサ４３が設けられている点にある。
【００３５】
図３、図４に示すように、排気管４１の上流端４１ｃは、フランジ４１ｄによりエンジン１０に接続され、排気管４１の内部がエキゾーストマニホールド１９の集合部１９ａに連通されている。排気管４１の下流端４１ｅは、排気浄化装置４２のケースに接続されている。排気管４１の途中には、側面視で略９０度下向きに屈曲する屈曲部４１ｆが設けられている。屈曲部４１ｆにより、排気ガスＥｘの流れ方向が下向きに変化させられるようになっている。
【００３６】
排気管４１の途中には、流路断面積がその上流側および下流側よりも小さい絞り部４１ａが設けられている。絞り部４１ａは、排気管４１の屈曲部４１ｆおよびその周辺に設けられたくびれ部分となっている。この実施形態では、絞り部４１ａは、図３に示すように、正面視で（エキゾーストマニホールド１９から流出する排気ガスＥｘの流れ方向に平行な方向から見ると、）、左右両側の部分を内方（中心側）へ窪ませた形状となっている。図３の例では、絞り部４１ａの断面積最小部４１ｂにおける幅Ｗ１が、排気浄化装置４２の触媒担体４２ａの幅Ｗ２よりも小さくなっている。
【００３７】
また、図４に示すように、側面視で（エンジン１０の気筒列方向に平行な方向から見ると、）、エンジン１０（エキゾーストマニホールド１９）に対向する部分を内方へ窪ませた形状となっている。図４の例では、絞り部４１ａの断面積最小部４１ｂにおけるエキゾーストマニホールド１９に対向する部分が、排気浄化触媒４２の触媒担体４２ａのエキゾーストマニホールド１９側の部分よりも内側（図４では、左側）に位置している。
【００３８】
絞り部４１ａには、流路断面積が最小の断面積最小部４１ｂが設けられている。具体的には、絞り部４１ａは、上流側から下流側にかけて、流路断面積が徐々に小さくなる断面積縮小部４１ｇと、流路断面積が最小の断面積最小部４１ｂと、流路断面積が徐々に大きくなる断面積拡大部４１ｈとが設けられている。絞り部４１ａの断面積拡大部４１ｈにＯ2センサ４３が取り付けられている。
【００３９】
排気管４１は、図３に示すように、正面視で、鉛直方向に対し傾いている。つまり、排気管４１の上流端４１ｃにおける中心Ｃ１と、下流端４１ｅにおける中心Ｃ２とを通る直線Ｌ１が鉛直方向に対し傾いている。そして、Ｏ2センサ４３は、断面積拡大部４１ｈにおいて、鉛直方向に対する傾きが直線Ｌ１の鉛直方向に対する傾きよりも大きい部分（図３では、右側の部分）に配置されている。この場合、Ｏ2センサ４３の取付角度θ１、つまり、Ｏ2センサ４３の中心軸の傾斜角度が大きくなる部分にＯ2センサ４３が配置されており、Ｏ2センサ４３が鉛直下方に近い角度で取り付けられている。
【００４０】
次に、上記構成の排気管４１による効果について説明する。
【００４１】
エンジン１０のエキゾーストマニホールド１９から排気管４１に流入した排気ガスＥｘは、絞り部４１ａで集められ、この絞り部４１ａを通過することによって拡散される。この拡散作用によって、排気管４１の絞り部４１ａの下流側では、排気ガスＥｘの流速分布をできるだけ均一なものとすることができる。そして、排気浄化装置４２の触媒担体４２ａに導入される排気ガスＥｘの流速分布の偏りを低減することができる。つまり、排気ガスＥｘが触媒担体４２ａの上流側端部の一部分に集中して当たるのではなく、全体にわたって略均一に当たるようにすることができる。これにより、触媒担体４２ａへの付着物の堆積を抑制することができ、触媒担体４２ａの目詰まりを抑制することができる。その結果、排気浄化装置４２の浄化性能の低下を抑制することができる。
【００４２】
また、絞り部４１ａによる排気ガスＥｘの拡散作用によって、Ｏ2センサ４３への排気ガスＥｘのガス当たりを良好に保つことができる。これにより、Ｏ2センサ４３のセンシング性能の向上を図ることができる。しかも、排気ガスＥｘが排気管４１の絞り部４１ａを通過することにともなう消音作用も得ることができる。なお、この実施形態では、絞り部４１ａの形状を、排気管４１のエキゾーストマニホールド１９に対向する部分を内方へ窪ませた形状としており、絞り部４１ａによる排気ガスＥｘの拡散作用を有効に得られるようにしている。
【００４３】
また、Ｏ2センサ４３の取付部を絞り部４１ａの断面積拡大部４１ｈとしているので、排気管４１の断面積最小部４１ａよりも上流側にＯ2センサ４３が設けられている場合に比べ、断面積最小部４１ｂによりＯ2センサ４３を排気管４１の上流端４１ｃの開口から隠しやすくなる。言い換えれば、排気管４１の上流端４１ｃの開口から排気管４１の内部を見たとき、断面積最小部４１ｂにより遮られることで、Ｏ2センサ４３が直接的には見えにくくなっている。これにより、冷間始動時、Ｏ2センサ４３の被水の可能性を低減することができ、Ｏ2センサ４３のセンシング性能の低下を抑制することができる。
【００４４】
この点について詳しく説明すると、例えば、冬場のような低温の環境下での始動時などには、エンジン１０のガス出口（エキゾーストマニホールド１９のガス出口）に水滴が溜まり、その水滴がガス出口から流出した排気ガスＥｘによって吹き飛ばされる。そして、水滴は、自重により下方に落下しながら排気ガスＥｘの流れに乗って排気管４１の内部へ飛散される。ここで、Ｏ2センサ４３が排気管４１の上流端４１ｃの開口から見える位置に設けられていれば、Ｏ2センサ４３に水滴がかかりやすくなり、被水の可能性が高くなる。その結果、Ｏ2センサ４３のセンシング性能に悪影響を及ぼすことになる。
【００４５】
この実施形態では、Ｏ2センサ４３の取付部を絞り部４１ａの断面積拡大部４１ｈとして、Ｏ2センサ４３の被水の可能性ができるだけ低くなるようにしている。この場合、排気管４１を鉛直方向に対し傾けて設置しているので、傾けない場合に比べ、Ｏ2センサ４３の先端部と排気管４１の上流端４１ｃの開口軸線Ｌ２（図３）との距離Ｄ１を大きくすることができる。これにより、Ｏ2センサ４３の被水の可能性がさらに低くなる。
【００４６】
しかも、絞り部４１ａの断面積拡大部４１ｈにおいて、取付角度θ１（図３）が大きくなるような位置にＯ2センサ４３を配置しているので、排気管４１の上流端４１ｃの開口から排気管４１の内部を見たとき、Ｏ2センサ４３の略全体を隠すことが可能になる。これにより、Ｏ2センサ４３の被水の可能性をほとんどなくすことができ、Ｏ2センサ４３のセンシング性能の低下を抑制できる。
【００４７】
−他の実施形態−
以上、本発明の実施形態について説明したが、ここに示した実施形態は一例であり、さまざまに変形することが可能である。
【００４８】
上記実施形態では、排気ガスセンサの例としてＯ2センサを挙げたが、Ｏ2センサに替えて排気ガスの状態を検出する他のセンサ（例えば、空燃比センサ）を用いる構成としてもよい。
【００４９】
上記実施形態では、排気管が下方に屈曲している例を挙げて説明したが、排気管の屈曲方向および屈曲角度は特に限定されず、任意の屈曲方向および屈曲角度の排気管に本発明を適用することが可能である。また、直管形状の排気管に対しても同様に本発明を適用することが可能である。
【００５０】
また、上記実施形態では、排気管が鉛直方向に対し傾いている例を挙げて説明したが、排気管の傾斜角度については特に限定されない。なお、排気ガスセンサの被水を防ぐ観点からは、上述したように、排気管が鉛直方向に対し傾いていることが好ましいが、鉛直方向に沿って延びる排気管に対しても本発明を適用することは可能である。
【００５１】
上記実施形態では、機関本体のシリンダヘッドにエキゾーストマニホールドが一体的に内蔵されている例を挙げて説明したが、エキゾーストマニホールドが機関本体のシリンダヘッドと別体である場合にも本発明を適用することが可能である。この場合、エキゾーストマニホールドと排気浄化触媒との間に設けられる排気管に絞り部を設ける構成とすればよい。
【００５２】
以上では、内燃機関の機関本体が直列４気筒のガソリンエンジンである例を挙げて説明した。内燃機関の機関本体の気筒数、エンジン形式は、特に限定されず、他の気筒数、他のエンジン形式のガソリンエンジンについても本発明を適用することが可能である。また、内燃機関の機関本体がディーゼルエンジンである場合にも同様に本発明を適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、内燃機関の機関本体から排出された排気ガスを浄化する排気浄化触媒の上流側に配設され、排気ガスの状態を検出する排気ガスセンサが取り付けられた排気管に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１０    エンジン
１９    エキゾーストマニホールド
４０    排気系統
４１    排気管
４１ａ    絞り部
４１ｂ    断面積最小部
４１ｃ    上流端
４１ｅ    下流端
４１ｆ    屈曲部
４１ｇ    断面積縮小部
４１ｈ    断面積拡大部
４２    排気浄化装置
４３    Ｏ2センサ
Ｅｘ    排気ガス
【図１】
0005381426.tif 000002
【図２】
0005381426.tif 000003
【図３】
0005381426.tif 000004
【図４】
0005381426.tif 000005