(57)【要約】【課題】排気冷却用構成を有する内燃機関の排気冷却システムにおいて、内燃機関の低負荷運転時に、好適な排気温度の低下抑制を実現する。【解決手段】内燃機関が有する複数の気筒に対応する複数の排気枝管の集合部より下流側の排気管に排気浄化触媒が配置された、該内燃機関の排気冷却システムであって、排気枝管の集合部よりも上流側の排気通路を冷却する冷却部と、冷却部による冷却箇所より下流側の排気枝管から該冷却部への熱移動を阻害するように、複数の排気枝管に対応して構成された熱伝達阻害部であって、該熱伝達阻害部による熱移動の阻害能力は、内燃機関が所定の低負荷運転状態にあるときの温度が高い排気枝管ほど、該排気枝管に対応する該阻害能力が大きくなるように設定された熱伝達阻害部と、を備える。【選択図】図２
2015010472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関が有する複数の気筒に対応する複数の排気枝管の集合部より下流側の排気管に排気浄化触媒が配置された、該内燃機関の排気冷却システムであって、
前記排気枝管の集合部よりも上流側の排気通路を冷却する冷却部と、
前記冷却部による冷却箇所より下流側の前記排気枝管から該冷却部への熱移動を阻害するように、前記複数の排気枝管に対応して構成された熱伝達阻害部であって、該熱伝達阻害部による熱移動の阻害能力は、前記内燃機関が所定の低負荷運転状態にあるときの温度が高い排気枝管ほど、該排気枝管に対応する該阻害能力が大きくなるように設定された熱伝達阻害部と、
を備える、内燃機関の排気冷却システム。
【請求項２】
前記複数の排気枝管は、相対的に曲率の小さい曲がり部を有する、又は直線形状を有する第一排気枝管と、相対的に曲率の大きい曲がり部を有する第二排気枝管を少なくとも含み、
前記所定の低負荷運転状態における前記第二排気枝管の温度は、該所定の低負荷運転状態における前記第一排気枝管の温度より高く、且つ、前記熱伝達阻害部は、該熱伝達阻害部による該第二排気枝管に対応する阻害能力が、該熱伝達阻害部による該第一排気枝管に対応する阻害能力より大きくなるように構成される、
請求項１に記載の内燃機関の排気冷却システム。
【請求項３】
前記複数の排気枝管は、該排気枝管から周囲雰囲気への放熱条件が異なるように配置された第一排気枝管と第二排気枝管を少なくとも含み、
前記所定の低負荷運転状態における前記第二排気枝管の温度は、該所定の低負荷運転状態における前記第一排気枝管の温度より高く、且つ、前記熱伝達阻害部は、該熱伝達阻害部による該第二排気枝管に対応する阻害能力が、該熱伝達阻害部による該第一排気枝管に対応する阻害能力より大きくなるように構成される、
請求項１に記載の内燃機関の排気冷却システム。
【請求項４】
前記複数の排気枝管の集合部は、前記内燃機関のシリンダヘッドの外に位置するように構成される、
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の内燃機関の排気冷却システム。
【請求項５】
前記冷却部は、前記複数の排気枝管のそれぞれの一部を冷却する冷却アダプタであって、該冷却アダプタには、前記集合部の上流側に位置する該複数の排気枝管のそれぞれの他部が接続され、
前記熱伝達阻害部は、前記排気枝管の他部が接続される側の前記冷却アダプタの端面、該冷却アダプタに対して接続される側の該排気枝管の他部のフランジ、該冷却アダプタの端面と該フランジとの間に配置されるガスケット、該排気枝管の他部において該フランジから該集合部までの所定部位のうち少なくとも何れかに形成される、
請求項１から請求項４の何れか１項に記載の内燃機関の排気冷却システム。
【請求項６】
前記冷却部は、前記内燃機関のシリンダヘッド内に、前記複数の気筒に対応するように形成された複数の排気ポートを冷却する冷却装置であって、該複数の排気ポートを有する該シリンダヘッドには前記複数の排気枝管が接続され、
前記熱伝達阻害部は、前記排気枝管が接続される前記シリンダヘッドの接続部位、該シリンダヘッドに対して接続される側の前記排気枝管のフランジ、該接続部位と該フランジとの間に配置されるガスケット、該排気枝管において該フランジから前記集合部までの所定部位のうち少なくとも何れかに形成される、
請求項１から請求項４の何れか１項に記載の内燃機関の排気冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関が特に高負荷で運転される場合に、排気からの熱ストレスにより排気浄化触媒が劣化するのを回避するために、排気を冷却する技術が知られている。例えば、排気中に含まれる燃料量を増量させ、その気化潜熱を利用する技術が存在するが、排気中の燃料量が増量することで一酸化炭素濃度が上昇しやすくなり、エミッションの観点から好ましくない。また、排気冷却を行う別の技術として、排気管に水冷の冷却アダプタを装着する技術が存在する。このような冷却アダプタを利用することで、高負荷運転時の排気熱による触媒のストレスを軽減できるが、一方で内燃機関の冷間始動時等の排気温度が比較的低い場合でも排気が冷却されるため、排気浄化触媒の暖機が速やかに行われにくくなる。そこで、シリンダヘッドの排気ポート近傍に断熱性の部材を配置させて、排気マニホールドから冷却アダプタが設けられているシリンダヘッド側への熱移動を抑制する技術が開示されている（例えば、特許文献１、２を参照）。また、同じような目的のために、冷却アダプタと排気マニホールドの間の接触面積が小さくなるように、フランジ部分において非接触部位を形成する技術が開示されている（例えば、特許文献３を参照）。
【０００３】
また、内燃機関のシリンダヘッドには、内燃機関の冷却を行うため冷却液流路が形成されている。この流路を流れる冷却液によって、排気通路を伝って排気の熱も奪われることになるため、排気温度の低下に起因した問題が生じ得る。そこで、例えば、特許文献４に示す技術では、二重管排気マニホールドのシリンダヘッド側への取付け構造に関し、排気マニホールド側からシリンダヘッドへ熱が伝わりにくい取付け用フランジの構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１５６５４７号公報
【特許文献２】特開２００２−１１５６０１号公報
【特許文献３】特開２０１１−１６９３１１号公報
【特許文献４】特開平９−２４２５３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒においては、そこに流れ込む排気の温度に依存して触媒温度は大きく変動する。上述した排気冷却用の構成（例えば、冷却アダプタであり、以下「排気冷却用構成」という。）を備える内燃機関では、当該排気冷却用構成により冷却された排気が排気浄化触媒に流れ込むため、当該触媒が過度に昇温することを回避することができる。一方で、内燃機関の運転状態が低負荷領域に属し内燃機関から排出された時点での排気温度が比較的低い場合には、当該排気冷却用構成により排気温度が更に低下してしまうため、排気浄化触媒の温度を排気浄化に適した温度に維持することが難しくなり、エミッションの悪化が懸念される。
【０００６】
また、従来技術では、排気温度の低下抑制の検討にあたり、内燃機関のシリンダヘッド側に設けられた排気冷却用構成による冷却能力そのものを考慮しているが十分ではない。一般には、内燃機関には複数の気筒が備えられ、各気筒に対応して排気枝管が繋がれ、それが合流し排気浄化触媒が配置される排気管が形成される。排気枝管の形状や配置等は、
内燃機関が配置される条件等によって様々であるが、本願発明者は、この度、この排気枝管の形状等がそれぞれの排気枝管の温度を決定する重要な要因であるとともに、排気枝管から排気冷却用構成への熱移動には、この排気枝管の温度が大きく影響を及ぼしていることを見出したが、従来技術においてこのような観点から排気温度の低下抑制に取り組んだ事実は皆無である。したがって、排気通路に設けられた排気浄化触媒の温度を好適に維持する観点に立てば、従来技術では十分ではない。
【０００７】
また、排気枝管から排気冷却用構成への熱移動の抑制を図るにあたり、排気枝管近傍に生じる熱応力の分布や大きさによっては、熱歪みが大きくなり、排気系の強度の観点から好ましくない状況が生まれる可能性がある。
【０００８】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、排気冷却用構成を有する内燃機関の排気冷却システムであって、内燃機関の運転状態が低負荷領域に属し内燃機関から排出された時点での排気温度が比較的低い場合に、好適な排気温度の低下抑制を実現し得る排気冷却システム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】
本発明において、上記課題を解決するために、上記の通り、排気枝管の形状や配置と排気枝管の温度との相関に着目した。これは、排気枝管の温度に応じて、排気枝管側から排気冷却用構成への熱移動の状況が変化するとともに、排気枝管近傍に生まれる熱歪みの状況が排気枝管の温度に大きく依存することを熟慮したことによる。
【００１０】
具体的には、本発明は、内燃機関が有する複数の気筒に対応する複数の排気枝管の集合部より下流側の排気管に排気浄化触媒が配置された、該内燃機関の排気冷却システムであって、前記排気枝管の集合部よりも上流側の排気通路を冷却する冷却部と、前記冷却部による冷却箇所より下流側の前記排気枝管から該冷却部への熱移動を阻害するように、前記複数の排気枝管に対応して構成された熱伝達阻害部であって、該熱伝達阻害部による熱移動の阻害能力は、前記内燃機関が所定の低負荷運転状態にあるときの温度が高い排気枝管ほど、該排気枝管に対応する該阻害能力が大きくなるように設定された熱伝達阻害部と、を備える。なお、当該所定の低負荷運転状態とは、冷却部の冷却能力によって排気温度が低下し、排気浄化触媒の活性維持が困難となる程度に機関負荷が低い状態を意味し、例えば、内燃機関がアイドル運転を行うような負荷状態が例示できる。
【００１１】
そして、上記内燃機関の排気冷却システムでは、上記冷却部により排気枝管を流れる排気が冷却され、該冷却された排気が排気浄化触媒に流れ込むように構成される。ここで、冷却部の冷却能力は、該冷却部が設置されている箇所の冷却、および冷却部と排気枝管との間の熱移動を引き起こすものであることを踏まえ、内燃機関が所定の低負荷運転を行っている際の排気冷却効果を軽減するために、排気枝管から冷却部への熱伝達を阻害する熱伝達阻害部を配置するとともに、内燃機関が所定の低負荷運転状態にあるときの排気枝管の温度に応じて、熱伝達阻害部による阻害能力が設定される。なお、その阻害の態様としては、熱伝達阻害部が存在しない場合と比べて、排気枝管から冷却部への熱移動が阻害される、すなわち鈍化されるように構成されれば様々な態様を採用することができる。例えば、熱伝達阻害部として断熱部材を採用し、当該断熱部材を冷却部と排気枝管との間に介在させてもよい。また、排気枝管において、その下流側から熱移動しにくくなるようにその形状や材質を調整してもよい。このように熱伝達阻害部が構成されることで、排気枝管から冷却部に流れ込む熱の移動が阻害され、特に、内燃機関が所定の低負荷運転状態にある場合には、熱伝達阻害部による排気枝管から冷却部への熱伝達阻害が、効果的に排気温度の低下抑制を図ることになる。
【００１２】
しかし、内燃機関の排気枝管の形状や配置は、内燃機関が配置される空間や周辺に配置
される部品等の位置関係等に応じて様々であり、その結果、内燃機関が所定の低負荷運転状態にある場合の複数の排気枝管のそれぞれの温度は、必ずしも同一になるとは限らない。したがって、排気枝管と冷却部との間における温度差も、各排気枝管に応じて異なるため、排気枝管から冷却部への熱移動を決定付ける要素が、排気枝管ごとに異なることになる。本願発明者は、この点に着目し、熱伝達阻害部の阻害能力が、内燃機関が所定の低負荷運転状態にあるときの温度が高い排気枝管ほど、それに対応する阻害能力が高くなるように熱伝達阻害部を構成した。各排気枝管の温度の相違を考慮せずに熱伝達部阻害部による阻害能力を設定すると、例えば、該阻害能力を一律に設定すると、各排気枝管に対応する阻害能力に過不足が生じることになる。仮に、阻害能力が過度に大きくなると、冷却部への熱移動は阻害できるものの排気枝管と冷却部との間の温度差が大きくなり、排気枝管近傍での熱歪みが顕著となり得る。また、仮に阻害能力が不足すると、冷却部の冷却能力により、排気温度の低下抑制を十分に図ることが困難となる。
【００１３】
そこで、熱伝達阻害部による阻害能力を、内燃機関が所定の低負荷運転状態にあるときの排気枝管の温度に応じて設定することで、各排気枝管に対応した好適な阻害能力により、排気枝管全体から冷却部への熱移動を好適に阻害するとともに、排気枝管全体で生じる熱歪みの影響を可及的に抑制することが可能となる。より具体的には、上記の通り、所定の低負荷運転状態での温度が高い排気枝管ほど、それに対応する阻害能力が大きくなるように該阻害能力を設定することで、排気枝管全体から冷却部への熱移動の抑制と排気枝管全体における熱歪みの抑制の均衡を図ることができる。
【００１４】
ここで、上記の内燃機関の排気冷却システムにおいて、前記複数の排気枝管は、相対的に曲率の小さい曲がり部を有する、又は直線形状を有する第一排気枝管と、相対的に曲率の大きい曲がり部を有する第二排気枝管を少なくとも含むように構成されてもよい。そして、前記所定の低負荷運転状態における前記第二排気枝管の温度は、該所定の低負荷運転状態における前記第一排気枝管の温度より高くなる場合、前記熱伝達阻害部は、該熱伝達阻害部による該第二排気枝管に対応する阻害能力が、該熱伝達阻害部による該第一排気枝管に対応する阻害能力より大きくなるように構成される。
【００１５】
本願発明者は、排気枝管が排気の流れの向きを変更する曲がり部を有する場合、その曲がり部の曲率が大きいほど、排気枝管が高温化しやすいことに着目した。そして、上記のように、第一排気枝管と第二排気枝管を少なくとも有する場合、第二排気枝管の方が第一排気枝管よりも相対的に大きな曲率の曲がり部を有するため、第二排気枝管の方が高温化しやすくなる。そこで、より高温化しやすい第二排気枝管に対応する阻害能力を、第一排気枝管に対応する阻害能力より高く設定することで、排気枝管全体から冷却部への熱移動の抑制と排気枝管全体における熱歪みの抑制の均衡を図ることができる。
【００１６】
また、複数の排気枝管のうち、第一排気枝管と第二排気枝管以外の排気枝管（以降、「他の排気枝管」という）が含まれる場合、当該他の排気枝管についても、自己が有する曲がり部の曲率と、第一排気枝管や第二排気枝管における曲がり部の曲率との相関に応じて、熱伝達阻害部による他の排気枝管に対応する阻害能力を設定すればよい。更には、曲がり部の曲率が異なる排気枝管同士であっても、その曲率が比較的近い値であり、所定の低負荷運転時の排気枝管温度に大きな違いが生じない場合には、これらの排気枝管を一つのグループとして扱い、当該グループに属する排気枝管に対応する阻害能力は同一としてもよい。この場合、当該グループに属しない排気枝管に対応する阻害能力は、当該グループに属する排気枝管の曲がり部と、当該グループに属しない排気枝管の曲がり部の、それぞれの曲率の相関に応じて、各排気枝管に対応する阻害能力を設定すればよい。
【００１７】
また、上記の内燃機関の排気冷却システムにおいて、前記複数の排気枝管は、該排気枝管から周囲雰囲気への放熱条件が異なるように配置された第一排気枝管と第二排気枝管を
少なくとも含むように構成されてもよい。そして、前記所定の低負荷運転状態における前記第二排気枝管の温度は、該所定の低負荷運転状態における前記第一排気枝管の温度より高くなる場合、前記熱伝達阻害部は、該熱伝達阻害部による該第二排気枝管に対応する阻害能力が、該熱伝達阻害部による該第一排気枝管に対応する阻害能力より大きくなるように構成される。
【００１８】
本願発明者は、排気枝管が置かれた放熱条件が異なる場合、その放熱条件に依存して、内燃機関が所定の低負荷運転状態にあるときの、複数の排気枝管のそれぞれの温度に相違が生まれやすいことに着目した。そして、上記のように、第一排気枝管と第二排気枝管の放熱条件の違いから、第二排気枝管の方が高温化しやすくなる場合、より高温化しやすい第二排気枝管に対応する阻害能力を、第一排気枝管に対応する阻害能力より高く設定することで、排気枝管全体から冷却部への熱移動の抑制と排気枝管全体における熱歪みの抑制の均衡を図ることができる。なお、ここで言う放熱条件として、排気枝管同士の距離や、排気枝管とその周囲に存在する構造物との距離等が挙げられる。また、複数の排気枝管のうち、第一排気枝管と第二排気枝管以外の排気枝管、すなわち、上述した他の排気枝管が含まれる場合においては、上記曲率の異なる曲がり部を有する排気枝管を有するケースについて示した技術思想を適用することができる。
【００１９】
ここで、上述の内燃機関の排気冷却システムは、前記複数の排気枝管の集合部が、前記内燃機関のシリンダヘッドの外に位置するように構成されてもよい。この構成において、冷却部は、シリンダヘッドの外に配置されてもよく、また、シリンダヘッドの内部に組み込まれてもよい。
【００２０】
ここで、上記の内燃機関の冷却システムにおいて、前記冷却部は、前記複数の排気枝管のそれぞれの一部を冷却する冷却アダプタであって、該冷却アダプタには、前記集合部の上流側に位置する該複数の排気枝管のそれぞれの他部が接続されてもよい。この場合、前記熱伝達阻害部は、前記排気枝管の他部が接続される側の前記冷却アダプタの端面、該冷却アダプタに対して接続される側の該排気枝管の他部のフランジ、該冷却アダプタの端面と該フランジとの間に配置されるガスケット、該排気枝管の他部において該フランジから該集合部までの所定部位のうち少なくとも何れかに形成されてもよい。
【００２１】
このように冷却アダプタによって排気枝管が冷却される場合、冷却部がシリンダヘッドの外部に配置されることになる。そこで、排気から排気枝管に伝熱し、そこから冷却部に逃げる熱の移動を効果的に阻害するために、上記５つの箇所に熱伝達阻害部が形成されるのが好ましい。なお、上記フランジ、ガスケットに熱伝達阻害部が形成される場合、フランジ、ガスケットの全体を、熱移動を阻害するように構成しても構わない。また、熱伝達阻害部が形成される上記所定部位は、排気枝管において局所的に高温化しやすい部位、例えば、上記曲がり部から冷却部への熱移動を好適に阻害できるように、当該部位とフランジとの間の排気枝管の一部、又は全部であってもよい。
【００２２】
また、別法として、上記の内燃機関の冷却システムにおいて、前記冷却部は、前記内燃機関のシリンダヘッド内に、前記複数の気筒に対応するように形成された複数の排気ポートを冷却する冷却装置であって、該複数の排気ポートを有する該シリンダヘッドには前記複数の排気枝管が接続されてもよい。この場合、前記熱伝達阻害部は、前記排気枝管が接続される前記シリンダヘッドの接続部位、該シリンダヘッドに対して接続される側の前記排気枝管のフランジ、該接続部位と該フランジとの間に配置されるガスケット、該排気枝管において該フランジから前記集合部までの所定部位のうち少なくとも何れかに形成されてもよい。これにより、排気枝管から冷却部への効果的な熱移動の阻害が実現される。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、排気冷却用構成を有する内燃機関の排気冷却システムにおいて、内燃機関の運転状態が低負荷領域に属し内燃機関から排出された時点での排気温度が比較的低い場合に、好適な排気温度の低下抑制を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る内燃機関の排冷却システムの概略構成を示す第一の図である。
【図２】図１に示す内燃機関の排気枝管周辺の構造を示す図である。
【図３】内燃機関の排気系における熱移動を概略的に示した図である。
【図４】排気枝管とシリンダブロックとの間に設けられた断熱ガスケットの断熱性と、排気枝管の壁面温度との相関を示す図である。
【図５】排気枝管の曲がり角が３０度、６０度、９０度のときの、排気枝管における排気の流れを示す図である。
【図６】排気枝管の曲がり角が３０度、９０度のときの、排気枝管壁の温度分布を示す図である。
【図７】本発明に係る内燃機関の排冷却システムにおける排気枝管の変形例を示す図である。
【図８】図１に示す内燃機関の排気枝管周辺の別の構造を示す図である。
【図９】図８に示す排気枝管構造を有する内燃機関における、各気筒に対応する排気枝管温度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【実施例１】
【００２６】
本発明に係る内燃機関の排気冷却システムの実施例について、本願明細書に添付された図に基づいて説明する。図１は、本実施例に係る内燃機関の排気冷却システムの概略構成、および当該システムを備える内燃機関の概略構成を示す図である。また、図２には、内燃機関１の排気枝管周辺の構造が概略的に示されている。内燃機関１は、４つの気筒２を有する火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）である。なお、図１においては、内燃機関１の４つの気筒のうち、一つの気筒のみが図示されているが、図２に示すように、内燃機関１には＃１〜＃４の４つの気筒が備えられており、各気筒を区別して表示する場合には、気筒の参照番号２の後に続けて気筒番号（＃１〜＃４）を記載することとする。また、内燃機関１の各気筒２には、点火プラグ３が取り付けられている。内燃機関１は、吸気ポート４と排気ポート５を備えている。吸気ポート４は、内燃機関１の気筒２内へ空気や燃料を導く通路であり、吸気バルブ６によって開閉される。排気ポート５は、気筒２内で燃焼されたガス（既燃ガス）を気筒２内から排出するための通路であり、排気バルブ７によって開閉される。
【００２７】
吸気ポート４は、図示しない吸気通路と接続され、大気中から新気（空気）が取り込まれる。そして、この吸気ポート４中に燃料噴射が行えるように、燃料噴射弁８が取り付けられている。また、各気筒２に対応する排気ポート５には、それぞれ排気枝管９が接続される。排気枝管９のそれぞれは、後述するように上流側排気枝管９ａと下流側排気枝管９ｂで形成される。なお、各気筒に対応して上流側排気枝管９ａと下流側排気枝管９ｂを表示する場合には、各排気枝管の参照番号９ａ又は９ｂの後に続けて気筒番号（＃１〜＃４）を記載する。そして、４つの気筒に対応する４つの下流側排気枝管９ｂ＃１〜９ｂ＃４は、図２に示すように集合部９ｅで合流し、その下流で排気管１２に接続されている。この排気管１２には、排気浄化を行うための排気浄化触媒２０が設けられており、排気浄化触媒２０として、たとえば酸化触媒、三元触媒、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、選択還元型ＮＯ
ｘ触媒などを挙げることができる。
【００２８】
ここで、図１に示すように、内燃機関１には、排気枝管９を流れる排気を冷却するための冷却アダプタ１０が設けられている。具体的には、冷却アダプタ１０は、その内部に冷却水が循環する冷却水路１０ａを有しており、且つ、冷却アダプタ１０の冷却面が、排気ポート５の直下流の排気枝管９の一部である上流側排気枝管９ａの外周を覆うように配置されている。冷却アダプタ１０の冷却水路１０ａは、図示しない内燃機関１の冷却水路と接続され共通する循環ポンプによって冷却水が循環されるように構成されていてもよく、また、内燃機関１の冷却水路とは独立して冷却水を循環するように構成されていてもよい。この上流側排気枝管９ａは、いわば冷却アダプタ１０によって直接に冷却される箇所となる。
【００２９】
さらに、上流側排気枝管９ａの下流側には、集合部９ｅまでの排気枝管としての排気通路を形成する下流側排気枝管９ｂが設けられている。そして、下流側排気枝管９ｂには、上流側排気枝管９ａ側に接続フランジ９ｃが設けられ、接続フランジ９ｃと上流側排気枝管９ａとの間に断熱ガスケット１１を挟んだ状態で、下流側排気枝管９ｂと上流側排気枝管９ａは接続される。なお、４つの下流側排気枝管９ｂ＃１〜９ｂ＃４に対して接続フランジ９ｃは一体として形成され、そのフランジ上に設けられた貫通孔１４と、上流側排気枝管９ａ側に設けられたネジ穴１３を利用して、接続フランジ９ｃと上流側排気枝管９ａとの接続が行われる。具体的には、ネジ穴１３に取り付けられたスタッドボルトが貫通孔１４に通されて、ナットで固定されることで両者は接続される。なお、上記断熱ガスケット１１が、本発明に係る熱伝達阻害部に相当するが、その詳細については後述する。
【００３０】
このように上流側排気枝管９ａを流れる排気を冷却する冷却アダプタ１０が備えられる内燃機関１では、内燃機関１から排出される排気温度を低下させることで、排気系に設置される部品等に掛かる熱負荷を軽減させて、部品寿命の長期化等を図ることができる。特に、排気浄化触媒２０に流れ込む排気温度の高温化を抑制することで、排気浄化触媒に含まれる貴金属の量を減量することも可能となる。なお、代替技術として排気中に含まれる燃料量を増量させて、その気化潜熱で排気温度を低下させることも可能であるが、燃費の悪化や燃料増量に起因するエミッションの悪化（例えば、一酸化炭素濃度の増加）が生じやすくなる。そのため、冷却アダプタ１０による排気冷却は、内燃機関１の排気浄化特性を向上する点からも有用である。
【００３１】
一方で、内燃機関１から排出される排気温度が比較的低い場合、すなわち内燃機関１が低負荷運転を行っている場合（例えば、排気のエンタルピーが１０〜２０ｋＷより低い場合やアイドル運転を行っている場合等）に、冷却アダプタ１０による排気冷却が行われると、排気浄化触媒２０に流れ込む排気温度が過度に低くなり、その結果、排気浄化触媒２０による排気浄化効率が著しく低下する可能性がある。そこで、本願発明では、冷却アダプタ１０によって直接冷却される上流側排気枝管９ａに対して接続され、排気浄化触媒２０に流れ込む排気が流れる下流側排気枝管９ｂからその冷却アダプタ１０への熱移動を考慮して、内燃機関１が低負荷運転されている場合に排気温度低下を抑制するための排気冷却システムを構築した。
【００３２】
ここで、図３の上段（ａ）は、冷却アダプタ１０が設けられていない場合の、排気ポート５を有するシリンダヘッド１ａと排気枝管９の通路壁との間で行われる熱移動を概略的に示した図である。この場合、シリンダヘッド１ａには、気筒２内での燃焼により発生する熱が放熱Ｑ１として移動してくるとともに、シリンダヘッド１ａが有する熱が、放熱Ｑ３として大気（周囲雰囲気）に移動する。また、排気枝管９においては、排気枝管９を流れる排気が有する熱が放熱Ｑ２として、排気から排気枝管９へと移動してくるとともに、排気枝管９が有する熱が、放熱Ｑ４として大気に移動する。内燃機関１が低負荷運転して
いる場合は、内燃機関１の機関温度の上昇は十分ではなく、一方で、排気枝管９は燃焼後の排気に晒されるため、排気枝管９の温度がシリンダヘッド１ａの温度より高くなる傾向がある。そのため、排気枝管９からシリンダヘッド１ａに、伝熱Ｑ５として熱が移動する。
【００３３】
次に、冷却アダプタ１０が設けられている場合の熱移動について、図３の下段（ｂ）に基づいて説明する。なお、模式的な図示である図３においては、冷却アダプタ１０によって直接冷却される上流側排気枝管９ａは、冷却アダプタ１０と一体とみなすことができる。したがって、熱移動を説明する図３（ｂ）では、冷却アダプタ１０側の排気枝管壁の隣に下流側排気枝管９ｂ側の排気枝管壁が配置されている。ここで、シリンダヘッド１ａにおける熱移動は、上記図３（ａ）に基づいて説明した通りであり、図３（ｂ）中の放熱Ｑ１１は、図３（ａ）中の放熱Ｑ１に相当し、図３（ｂ）中の放熱Ｑ１３は、図３（ａ）中の放熱Ｑ３に相当する。また、冷却アダプタ１０においても、上流側排気枝管９ａを流れる排気から、放熱Ｑ１６として熱が移動する。この熱移動が、冷却アダプタ１０による直接的な排気冷却となる。
【００３４】
また、同じように、下流側排気枝管９ｂにおいては、下流側排気枝管９ｂを流れる排気が有する熱が放熱Ｑ１２として、排気から下流側排気枝管９ｂへと移動してくるとともに、下流側排気枝管９ｂが有する熱が、放熱Ｑ１４として大気に移動することになる。ここで、冷却アダプタ１０が存在すると、その冷却能力により下流側排気枝管９ｂから冷却アダプタ１０への伝熱Ｑ１５が生じる。ここで、冷却アダプタ１０は水冷式であるためその冷却能力は比較的大きい。そのため、冷却アダプタ１０から下流側排気枝管９ｂにわたる排気通路壁での温度勾配が大きくなり、その結果、伝熱Ｑ１５の熱量は、図３（ａ）に示した伝熱Ｑ５の熱量と比べて非常に大きくなる。この結果、下流側排気枝管９ｂでの放熱が促進されることになり、上記放熱Ｑ１２およびＱ１４の熱量も、図３（ａ）に示した放熱Ｑ２、Ｑ４の熱量と比べて大きくなる傾向がある。このように、冷却アダプタ１０が存在することで、伝熱Ｑ１５を基点として、排気枝管９で生じる熱移動が排気温度の低下を促進させ得ることが理解できる。この排気温度の低下影響は、特に、排気浄化触媒２０の浄化能力の観点に立てば、内燃機関１が低負荷運転を行っている場合に顕著となりやすい。
【００３５】
このように冷却アダプタ１０を設けることで排気系部品の長寿命化や内燃機関１の排気浄化特性の向上が図られる一方で、内燃機関１の低負荷運転時における排気温度の低下が懸念される。そこで、本願発明では、図３（ｂ）に示した冷却アダプタ１０に起因する熱移動の基点となる伝熱Ｑ１５に注目して、効果的な排気温度の低下抑制が図られる。具体的には、図１に示すように、伝熱Ｑ１５を阻害するために、下流側排気枝管９ｂの接続フランジ９ｃと上流側排気枝管９ａとの間に、ガスケットとしての機能を有し、上流側排気枝管９ａおよび下流側排気枝管９ｂの材料であるＳＵＳよりも断熱能力を有する、すなわち熱貫流率が低い材料で形成された断熱ガスケット１１が設けられている。
【００３６】
ここで、断熱ガスケット１１が下流側排気枝管９ｂの通路壁面温度に及ぼす影響について、図４に基づいて詳細に説明する。図４は、図１に示す内燃機関１において上流側排気枝管９ａと下流側排気枝管９ｂとの間に断熱ガスケット１１が配置されたときの、断熱ガスケット１１の熱貫流率と下流側排気枝管９ｂの通路壁面温度との相関を表している。なお、図中線Ｌ１で示される相関は、下流側排気枝管９ｂがシュラウドで覆われている場合の相関であり、線Ｌ２で示される相関は、下流側排気枝管９ｂがシュラウドで覆われていない場合の相関である。ここで、熱貫流率は、断熱ガスケット１１を構成する一又は複数の材料の熱伝導率をその厚みで除した、材料毎の熱抵抗値（Ｒ１、・・・、Ｒｎ）から、下記の式１に従って算出される。熱貫流率の値が小さいほど、断熱性が高いことを意味する。
熱貫流率  ＝  １／Σ（Ｒ１＋・・・＋Ｒｎ）  ・・・（式１）
【００３７】
断熱ガスケット１１の断熱性が高くなると、線Ｌ１、Ｌ２で示すように下流側排気枝管９ｂの壁面温度は上昇する。このことは、下流側排気枝管９ｂの通路壁から上流側排気枝管９ａの壁へ伝わる熱移動（伝熱Ｑ１５）が断熱ガスケット１１によって阻害されることで、下流側排気枝管９ｂの壁に多くの熱が滞留することを意味する。ここで、下流側排気枝管９ｂに多くの熱が滞留すると、特に、その端部に位置する接続フランジ９ｃは高温化しやすく、熱応力の増加や熱歪みの発生が懸念される。更には、内燃機関１に備えられる４つの排気枝管９は、全て同じ熱的条件（すなわち、図３に示す放熱や伝熱に関する条件）に置かれているわけではなく、排気枝管９の形状やその配置によってそれぞれの熱的条件は異なる。そのため、内燃機関１が低負荷運転を行っている状態において、各排気枝管９の壁面温度は、その熱的条件に応じて異なり、仮に、接続フランジ９ｃと冷却部１０との間に配置される断熱ガスケット１１の断熱性を一様に所定の熱貫流率となるように設定すると、その断熱性に過不足が生じることになる。
【００３８】
例えば、断熱ガスケット１１の断熱性が一様に過度に大きくなってしまうと、冷却アダプタ１０への伝熱Ｑ１５を十分に阻害することはできるものの、接続フランジ９ｃが高温化し、熱応力等の問題が顕在化する。一方で、断熱ガスケット１１の断熱性が一様に低くなってしまうと、排気温度の低下抑制を十分に図ることが困難となる。そこで、本願発明に係る内燃機関１の排気冷却システムでは、内燃機関１が低負荷運転状態にあるとき、冷却アダプタ１０に接続される下流側排気枝管９ｂ＃１〜９ｂ＃４のそれぞれの温度に応じて、各下流側排気枝管９ｂ＃１〜９ｂ＃４と冷却アダプタ１０との間に配置される断熱ガスケット１１の断熱性を局所的に異なるように設定する。具体的には、冷却アダプタ１０と下流側排気枝管９ｂとの温度差が大きくなるほど伝熱Ｑ１５が大きくなることを考慮して、低負荷運転時に温度が高くなる下流側排気枝管９ｂほど、当該排気枝管に対応した断熱ガスケット１１の所定部位の断熱性が高くなるように設定する。この結果、低負荷運転時に温度が比較的低い下流側排気枝管９ｂに対しては、断熱ガスケット１１の断熱性が相対的に低くなるが、そこでは伝熱Ｑ１５を増大せしめる上記温度差は小さいため、排気温度の低下抑制への影響は軽減できる。一方で、このように断熱ガスケット１１において部分的に相対的に低い断熱性が設定されることで、接続フランジ９ｃ側に溜まった熱を逃がすことにもなるため、接続フランジ９ｃでの熱応力等の問題も同時に軽減することが可能となる。
【００３９】
＜具体的な断熱ガスケット１１の断熱性設定＞
以上の点を踏まえ、内燃機関１に備えられる排気枝管９（特に下流側排気枝管９ｂ＃１〜＃４）の熱的条件を考慮した、断熱ガスケット１１の断熱性設定について以下に説明する。そこで、本願発明者は、上記熱的条件として、下流側排気枝管９ｂが集合部９ｅに至るまでの間に曲がっている場合、その曲がり部の曲率が大きくなるほど通路壁の温度が高温化しやすいことを本願発明者は見出した。以下に、下流側排気枝管９ｂの曲がり部の温度と曲がり部の曲率について、図５および図６に基づいて説明する。なお、本願発明における曲がり部の入口と出口とにおける排気枝管の延在方向のズレが、曲がり部の曲がり角として定義される。図５においては、曲がり部の曲がり角が大きくなるほど、その曲率が大きくなるように構成されている。
【００４０】
ここで、図５には、それぞれ３０度、６０度、９０度の曲がり角を有する曲がり部９ｄを有し、排気の流れに対する断面積が同一の下流側排気枝管９ｂが記載されるとともに、各図の下流側排気枝管９ｂにおいて、内燃機関１が低負荷運転しているときの所定エンタルピーの排気が流れている場合の、排気流速の様子が示されている。具体的には、各図の曲がり部９ｄは、図に向かって左側が内側曲がり部であり、図に向かって右側が外側曲がり部である。そして、曲がり部９ｄにおいては、排気流速が濃淡表示され、且つ排気流速
が高くなるほど濃く表示されている。
【００４１】
図５を見て理解できるように、内側曲がり部に隣接する領域に、排気流速が相対的に高くなる領域が形成され、当該領域は、曲がり角が大きくなるに従い大きくなっていく。その結果、曲がり部９ｄの下流側では、排気流速が相対的に低くなる領域Ｒ１と、相対的に高くなる領域Ｒ２が形成される。そして、この排気流速が相対的に低くなる領域Ｒ１は、曲がり部９ｄの曲がり角が大きくなるほど拡大していき、曲がり角が９０度になると排気流れの剥離が生じ、図５（ｃ）で斜線で示される領域Ｒ１では、逆流が生まれることになる。
【００４２】
そして、曲がり部９ｄの曲がり角が大きくなるほど、内側曲がり部の内壁面に当たる排気の垂直成分が大きくなり、また、図５に示すように内側曲がり部の内壁面近傍に高速の排気流れが形成される。そのため、内側曲がり部が特に高温化しやすくなる。また、上記の通り、曲がり角が大きくなり排気流れの剥離が生じると、内側曲がり部の出口で排気の流れに乱れが生じ、その上流側の内側曲がり部の高温化を招く要因となっているとも考えられる。そこで、図６に、曲がり角が３０度の曲がり部９ｄの排気枝管壁における熱分布、および曲がり角が９０度の曲がり部９ｄの排気枝管壁における熱分布を示す。なお、両図における熱分布は、高温であるほど濃く記載される。図６からも理解できるように、曲がり部９ｄの曲がり角が小さい場合には、内側曲がり部と外側曲がり部では、枝管壁面の温度差はそれほど大きくないが、曲がり部９ｄの曲がり角が大きくなると、内側曲がり部の枝管壁面の温度が、外側曲がり部の枝管壁面の温度よりも高くなる傾向がある。
【００４３】
このように下流側排気枝管９ｂの曲がり部９ｄの曲率又は曲がり角が大きくなると、内側曲がり部の枝管壁面温度の高温化が顕著となる。そして、下流側排気枝管９ｂを形成する壁面の温度が高温化することで、冷却アダプタ１０と下流側排気枝管９ｂとの温度差が大きくなる。そこで、このような内燃機関１の下流側排気枝管９ｂの熱的条件を考慮し、上述した本願発明の技術思想に基づき、断熱ガスケット１１の断熱性が設定される。具体的には、図２に示すように、内燃機関１では気筒２が直列に４つ並んでおり、排気枝管９の集合部９ｅがその一列の気筒群の概ね中央に位置するように、各下流側排気枝管９ｂの形状や配置が設計されている。そのため、最も外側に位置する下流側排気枝管９ｂ＃１、９ｂ＃４の曲がり部の曲率は相対的に大きく、内側に位置する下流側排気枝管９ｂ＃２、９ｂ＃３の曲がり部の曲率は相対的に小さくなる。このような排気枝管形状の違いにより、内燃機関１が低負荷運転を行ったときに、下流側排気枝管９ｂ＃１、９ｂ＃４の温度が下流側排気枝管９ｂ＃２、９ｂ＃３の温度より高くなる。
【００４４】
そこで、断熱ガスケット１１のうち、下流側排気枝管９ｂ＃１に対応する部位１１ａおよび下流側排気枝管９ｂ＃４に対応する部位１１ｃの断熱性を相対的に高くし、下流側排気枝管９ｂ＃２、９ｂ＃３に対応する部位１１ｂの断熱性を相対的に低く設定する。例えば、部位１１ａ、１１ｃを断熱性が比較的高いダンマで形成し、部位１１ｂを断熱性が比較的低いセラミックで形成する。このような断熱性の設定を行うことで、排気枝管全体から冷却アダプタ１０への熱移動（伝熱Ｑ１５）の抑制と、排気枝管、特に接続フランジ９ｃでの熱応力等の抑制をバランス良く図ることができる。なお、断熱ガスケット１１は、部位１１ａ、１１ｂ、１１ｃを一体的に含むように形成されてもよく、又は各部位に分けて個別に形成されてもよい。
【００４５】
＜変形例１＞
上述までの実施例においては、熱伝達阻害部として断熱ガスケット１１が用いられているが、その別法として、以下に示す形態も採用することができる。先ず、下流側排気枝管９ｂの接続フランジ９ｃが接続される、冷却アダプタ１０の端面１０ｂを、断熱ガスケット１１の部位１１ａ、１１ｂ、１１ｃに対応した断熱性が得られるように形成してもよい
。具体的には、当該端面１０ｂを、設定すべき断熱性を有する所定の断熱部材により形成したり、接続フランジ９ｃとの接触面積を調整したりすることで、下流側排気枝管９ｂからの熱流入に対する熱貫流率を調整する。同様に、冷却アダプタ１０に対して接続される接続フランジ９ｃについても、断熱ガスケット１１の部位１１ａ、１１ｂ、１１ｃに対応した断熱性が得られるように形成してもよい。
【００４６】
また、下流側排気枝管９ｂにおいて、接続フランジ９ｃと集合部９ｅまでの間の枝管壁壁の所定部位の断熱性を高めることで、下流側排気枝管９ｂから冷却アダプタ１０への伝熱Ｑ１５を阻害してもよい。具体的には、図７に示すように、接続フランジ９ｃ近傍の排気枝管の所定部位９ｆの排気枝管壁の厚さＴ１を、他の部位の排気枝管壁の厚さＴ２より薄くすることで、伝熱Ｑ１５の阻害能力を調整してもよい。例えば、Ｔ１を小さくするほど、伝熱Ｑ１５の阻害能力が大きくなり、また、所定部位９ｆの長さＬ１０を長くするほど、伝熱Ｑ１５の阻害能力が大きくなる。そこで、Ｔ１やＬ１０の大きさをパラメータとして、上記本願発明の技術思想に従い、低負荷運転時の下流側排気枝管９ｂの温度に応じた伝熱Ｑ１５の阻害能力を設定することができる。
【００４７】
このように示す熱伝達阻害部としての具体的な形態については、必ずしも一つに限定する必要はなく、複数の形態を同時に採用することもできる。
【００４８】
＜変形例２＞
上記の実施例においては、冷却部（冷却アダプタ）１０は、シリンダヘッド１ａの外部に装着されているが、この態様に代えて、冷却部がシリンダヘッド１ａに組み込まれる態様を採用することもできる。この場合、組み込まれた冷却部によって、排気ポート５内を流れる排気の冷却が行われることになる。そして、排気ポート５と接続される排気枝管９との間に、本発明に係る伝熱阻害部が配置される。このような構成においても、排気ポート５と排気枝管９との間に、本願発明に係る熱伝達阻害部に相当する構成、すなわち、低負荷運転時の排気枝管温度に応じて断熱性が設定された断熱部材や図７に示す排気枝管の構成を適用することで、排気枝管全体から冷却アダプタ１０への熱移動（伝熱Ｑ１５）の抑制と、排気枝管、特に接続フランジ９ｃでの熱応力等の抑制をバランス良く図ることができる。
【００４９】
＜変形例３＞
上述までの実施例では、断熱ガスケット１１における、下流側排気枝管９ｂの温度が相対的に低くなる下流側排気枝管９ｂ＃２、９ｂ＃３に対応する部位１１ｂの断熱性は、相対的に小さくなるよう設定されているが、排気温度の低下抑制が十分な限りにおいては、当該部位１１ｂにおいて断熱ガスケットが配置されないようにしてもよい。この場合、下流側排気枝管９ｂ＃１、９ｂ＃４に対応する部位１１ａ、１１ｃにのみ、断熱ガスケット１が配置されることになる。
【実施例２】
【００５０】
上記実施例では、排気枝管９の有する曲がり部の曲率に起因する熱的条件を考慮した断熱ガスケット１１の断熱性の設定等について言及したが、本実施例では、他の熱的条件を考慮した当該断熱性の設定について、図８および図９に基づいて説明する。なお、図８は、図２と同様に排気枝管周辺の概略構成を示す図であり、図２と同一の構成については同一の参照番号を付して、その詳細な説明は割愛する。また、図９は、シリンダヘッド１ａ内の排気ポートの形状が異なる２つのパターンに対応した、各下流側排気枝管９ｂの温度を示す図である。なお、パターン１では、各気筒の排気ポート形状を概ね同一として各ポートからの排気温度が概ね同一となるように各ポートが構成されており、パターン２では、内燃機関１において外側に位置する気筒の排気ポートからの排気温度が、内側に位置する気筒の排気ポートからの排気温度よりも低くなるように各ポートが構成されている。
【００５１】
ここで、それぞれの下流側排気枝管９ｂの温度は、一群の下流側排気枝管９ｂ＃１〜９ｂ＃４の配置の中での、各下流側排気枝管９ｂの放熱条件に大きく影響される。一般には、図８に示すように、内燃機関１において気筒２が直列に配置される場合、下流側排気枝管同士の距離が非常に接近した状態となったり、下流側排気枝管群の設計的な要因（例えば、強度や製造のしやすさ等）により下流側排気枝管同士が接続され一体的に形成されたりする。その結果、一群の中で外側に位置する下流側排気枝管９ｂ＃１、９ｂ＃４からの輻射熱により、一群の中で内側に位置する下流側排気枝管９ｂ＃２、９ｂ＃３の放熱が緩慢となる傾向がある。
【００５２】
図９に示すように、排気ポートの形状が異なる２つのパターンにおいては、仮に内燃機関１の運転条件が同一であっても、排気ポートの形状の違いにより、下流側排気枝管９ｂに流れ込む排気温度が気筒ごとに異なってくる。しかし、何れのパターンであっても、一群の中で内側に位置する下流側排気枝管９ｂ＃２、９ｂ＃３の放熱が緩慢となった結果、その排気枝管温度が、下流側排気枝管９ｂ＃１、９ｂ＃４の排気枝管温度より高くなる傾向を見出せる。
【００５３】
そこで、このような各下流側排気枝管９ｂ＃１〜９ｂ＃４の放熱条件の違いによって生じる排気枝管温度の違いに応じて、断熱ガスケット１１の断熱性を設定してもよい。具体的には、断熱ガスケット１１のうち、高温化の傾向がある内側の下流側排気枝管９ｂ＃２、９ｂ＃３に対応する部位１１ｅの断熱性を相対的に高く設定するとともに、下流側排気枝管９ｂ＃１に対応する部位１１ｄおよび下流側排気枝管９ｂ＃４に対応する部位１１ｆの断熱性を相対的に低く設定する。例えば、部位１１ｅを断熱性が比較的高いダンマで形成し、部位１１ｄ、１１ｆを断熱性が比較的低いセラミックで形成する。このような断熱性の設定を行うことで、排気枝管全体から冷却アダプタ１０への熱移動（伝熱Ｑ１５）の抑制と、排気枝管、特に接続フランジ９ｃでの熱応力等の抑制をバランス良く図ることができる。なお、断熱ガスケット１１は、部位１１ｄ、１１ｅ、１１ｆを一体的に含むように形成されてもよく、又は各部位に分けて個別に形成されてもよい。
【００５４】
また、上述した本願発明に係る熱伝達阻害部としての具体的な形態を、各下流側排気枝管９ｂ＃１〜９ｂ＃４の放熱条件の違いに応じて適宜、適用してもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１    内燃機関
２    気筒
３    点火プラグ
４    吸気ポート
５    排気ポート
８    燃料噴射弁
９    排気枝管
９ａ  上流側排気枝管
９ｂ  下流側排気枝管
９ｃ  接続フランジ
９ｄ  曲がり部
９ｅ  集合部
１０  冷却アダプタ
１１  断熱ガスケット
１２  排気管
２０  排気浄化触媒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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