(57)【要約】【課題】過大な圧力損失を生ずることなく、触媒担体に対し均等に排気ガスを供給し得る内燃機関の排気管構造を提供する。【解決手段】触媒担体１０を内蔵する触媒コンバータ１の排気ガス導入側に連通接続される上流側排気管２が、触媒コンバータの排気ガス導入側に接合される直管部２０と、この直管部に連通接続され第１の方向に屈曲形成された第１の曲管部２１と、第１の曲管部に連通接続され第１の方向とは異なる第２の方向に屈曲形成された第２の曲管部２２とを備える。更に、第１及び第２の曲管部の少なくとも一方に連通孔を穿設し、これを囲繞するように被覆管を接合するとよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒担体を内蔵し内燃機関の排気ガスを浄化する触媒コンバータと、該触媒コンバータの排気ガス導入側に連通接続される上流側排気管とを備えた内燃機関の排気管構造において、前記上流側排気管が、前記触媒コンバータの排気ガス導入側に接合される直管部と、該直管部に連通接続され第１の方向に屈曲形成された第１の曲管部と、該第１の曲管部に連通接続され、前記第１の方向とは異なる第２の方向に屈曲形成された第２の曲管部とを備えたことを特徴とする内燃機関の排気管構造。
【請求項２】
前記直管部は、前記触媒担体の中心軸と実質的に同一の軸を有することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気管構造。
【請求項３】
前記直管部と前記第１の曲管部は、実質的に同一の流路面積を有することを特徴とすることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気管構造。
【請求項４】
前記第１の曲管部と前記第２の曲管部との間に介装される連結直管部を備えたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の内燃機関の排気管構造。
【請求項５】
前記触媒コンバータは、前記直管部に接合される排気ガス導入部を備え、該排気ガス導入部が、前記直管部から前記触媒担体に向かって拡径するように形成されたベルマウス形状を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の内燃機関の排気管構造。
【請求項６】
前記上流側排気管は、前記第１の曲管部と前記第２の曲管部の少なくとも一方に穿設される連通孔を有し、該連通孔を囲繞するように接合される被覆管を備えたことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の内燃機関の排気管構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気管構造に関し、特に、触媒コンバータを備え、自動車の内燃機関に好適な内燃機関の排気管構造に係る。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気ガスを浄化する触媒コンバータを備えた自動車の排気システムにおいては、触媒コンバータ内の触媒担体に対し排気ガスが均等に供給されることが望ましい。一方、触媒コンバータの配置等の関係上、触媒コンバータの排気ガス導入側に連通接続される上流側排気管には屈曲部が形成されているのが一般的である。特に、触媒コンバータの直前に屈曲部が形成されていると、触媒コンバータに導入されて触媒担体に供給される排気ガス流が偏向し、触媒担体の有効面積を十分に活用できないことになる。この点に鑑み、例えば、下記の特許文献１には、「排気ガス浄化体の上流側端面全域にわたり、排気ガスが均一に当たり、ムラなく均一に排気ガスを排気ガス浄化体内に流し、また、排気ガスの流速分布を一様にして、優れた浄化効率を有する排気ガス浄化装置を提供する」ことを目的とし、「排気ガス流入管と、排気ガス浄化体と、これらを接続するコーンとを備え、排気ガス流入管の軸が、排気ガス浄化体の上流側端面に対し傾斜して配置された斜流式の排気ガス浄化装置において、排気ガス浄化体の上流側端面に対し実角度４５°以下に傾斜させ、更にこの傾斜させた側へ所定量オフセットさせた軸を排気ガス流入管の軸とするとともに、前記コーンにおける少なくとも前記排気ガス流入管を傾斜させた側と反対側に、外方へ湾曲して膨出する湾曲膨出部を形成した」装置が提案されている（特許文献１の段落〔００１４〕及び〔００１５〕に記載）。
【０００３】
また、特許文献２には、「内燃機関における排気管路内に排気ガス浄化用触媒コンバータが配設され、この触媒コンバータの直前に排気管路の曲がり部が形成された車両用排気管路の構造であって、前記触媒コンバータの上流側の排気ガス流を前記曲がり部の内側コーナ部側へ寄せるためのガス流変向部を曲がり部の外側コーナ部に設けた」構造が提案され（特許文献２の段落〔０００５〕に記載）、特許文献３には、「触媒コンバータの上流側排気管に曲がり部を有する触媒コンバータの上流側排気管構造であって、前記上流側排気管における前記曲がり部の下流側の前記触媒コンバータの流入口付近に整流部が形成されている」構造が提案されている（特許文献３の段落〔０００７〕に記載）。
【０００４】
更に、下記の特許文献４には、「内燃機関から排気される排気ガスが通る排気管と、前記排気管の下流に設けられ、前記排気ガスを浄化する排ガス浄化触媒を収容するハウジングと、前記ハウジングの一部をなし、前記排気ガスの流れを屈曲して前記排ガス浄化触媒に導入すると共に、前記排気管から前記ハウジングに接続する屈曲内側と、前記排気管から前記ハウジングに向けて連続的に膨出して接続することで前記排気ガスの流速を低減させる屈曲外側とを有する導入部とを備え、前記導入部の屈曲外側に、前記排気ガスの流れによって生じる圧力が高圧になる高圧部を形成させる一方、前記導入部の屈曲内側に、前記排気ガスの流れによって生じる圧力が前記高圧部と比較して低圧になる低圧部を形成させた」排気ガス浄化装置が提案されている（特許文献４の段落〔００１１〕に記載）。また、特許文献５には、「排気ガスを通過させて浄化する後処理装置を排気系に備え、この後処理装置に対し排気ガスを反転させて導入するレイアウトが採用された排気浄化装置において、後処理装置の入側端面を被包し且つ該後処理装置の軸心方向と略直交する向きから排気導入口を介して排気ガスを導き入れる導入部を備え、後処理装置の入側端面に対し離間する方向へ反り且つ排気導入口から排気ガスの導入方向へ離れるに従い後処理装置の入側端面に近接する第一の窪み部を前記導入部に形成した」排気ガス浄化装置が提案されている（特許文献５の段落〔００１５〕に記載）。
【０００５】
そして、特許文献６には、「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ている」排気管が提案されている（特許文献６の段落〔０００９〕に記載）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３３２６０７号公報
【特許文献２】特開２００６−１７０１８号公報
【特許文献３】特開２００７−２６３００３号公報
【特許文献４】特開２００７−３０３３９８号公報
【特許文献５】特開２００９−６８４１５号公報
【特許文献６】特開２０１１−１７２６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１乃至６においては、触媒コンバータに導入される排気ガス流を強制的に偏向するため、触媒コンバータの直前の排気管の屈曲部形状を変更し（特許文献１及び４）、あるいは、上流側排気管に、ガス流変向部（特許文献２）、整流部（特許文献３）、窪み部（特許文献５）、絞り部（特許文献６）等が形成されている。このため、結果的に何れも流路面積が縮小されることになり、圧力損失の発生が不可避となる。また、排気管等に３次元的な形状部分を形成することは容易ではなくコストアップ要因となる。尚、特許文献６には、排気ガスセンサの配置について提案されているが、上記の絞り部との関係が前提となっている。
【０００８】
そこで、本発明は、触媒コンバータの上流側に曲管部を有する排気管であっても、過大な圧力損失を生ずることなく、触媒担体に対し均等に排気ガスを供給し得る内燃機関の排気管構造を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を達成するため、本発明は、触媒担体を内蔵し内燃機関の排気ガスを浄化する触媒コンバータと、該触媒コンバータの排気ガス導入側に連通接続される上流側排気管とを備えた内燃機関の排気管構造において、前記上流側排気管が、前記触媒コンバータの排気ガス導入側に接合される直管部と、該直管部に連通接続され第１の方向に屈曲形成された第１の曲管部と、該第１の曲管部に連通接続され、前記第１の方向とは異なる第２の方向に屈曲形成された第２の曲管部とを備えることとしたものである。
【００１０】
上記第１及び第２の曲管部における第１及び第２の方向として、車両の上下方向で異なる方向に設定される態様、車両の左右方向で異なる方向に設定される態様、更に、両者が合成されて車両の上下及び左右方向に設定される態様がある。
【００１１】
上記の排気管構造において、前記直管部は、前記触媒担体の中心軸と実質的に同一の軸を有する構成とするとよい。また、前記直管部と前記第１の曲管部は、実質的に同一の流路面積を有する構成としてもよい。更に、前記第１の曲管部と前記第２の曲管部との間に介装される連結直管部を備えることとしてもよい。
【００１２】
また、上記の排気管構造において、前記触媒コンバータは、前記直管部に接合される排気ガス導入部を備え、該排気ガス導入部が、前記直管部から前記触媒担体に向かって拡径するように形成されたベルマウス形状を有する構成とするとよい。
【００１３】
更に、上記の排気管構造において、前記上流側排気管は、前記第１の曲管部と前記第２の曲管部の少なくとも一方に穿設される連通孔を有するものとし、該連通孔を囲繞するように接合される被覆管を備えたものとするとよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は上述のように構成されているので以下の効果を奏する。即ち、本発明の内燃機関の排気管構造においては、触媒コンバータの排気ガス導入側に連通接続される上流側排気管が、触媒コンバータの排気ガス導入側に接合される直管部と、該直管部に連通接続され第１の方向に屈曲形成された第１の曲管部と、該第１の曲管部に連通接続され、第１の方向とは異なる第２の方向に屈曲形成された第２の曲管部とを備えたものであるので、過大な圧力損失を生ずることなく、触媒担体に対し均等に排気ガスを供給することができる。例えば、触媒コンバータの上流側に曲管部を有する従前の排気管に比し、本発明は、当該曲管部に対応する上記第２の曲管部に加え、上記第１の曲管部を備えており、第２の曲管部で偏流した排気ガスが第１の曲管部の内側に沿って流れ、その下流側の直管部で整流されるので、触媒担体の前方の面全体に均一に排気ガスを供給することができる。
【００１５】
上記の排気管構造において、直管部が、触媒担体の中心軸と実質的に同一の軸を有する構成とすれば、触媒担体に対し排気ガスを均等に供給する際に容易に整流することができる。そして、直管部と第１の曲管部が、実質的に同一の流路面積を有する構成とすれば、流路抵抗を最小限に抑えることができる。更に、第１の曲管部と第２の曲管部との間に介装される連結直管部を備えたものとすれば、第１及び第２の曲管部を容易に連続形成することができる。
【００１６】
また、上記の排気管構造において、触媒コンバータの排気ガス導入部が、直管部から触媒担体に向かって拡径するように形成されたベルマウス形状を有するものとすれば、触媒コンバータに導入される排気ガスは、ベルマウス形状の排気ガス導入部で円滑に案内されるので、触媒担体に供給される排気ガスの均一性を更に向上させることができる。
【００１７】
更に、上記の排気管構造において、上流側排気管を、第１の曲管部と第２の曲管部の少なくとも一方に穿設される連通孔を有するものとすれば、仮に排気ガスの凝縮水が排気管内に滞留することがあっても、これを適切に排出することができる。更に、この連通孔を囲繞するように接合される被覆管を備えたものとすれば、連通孔から凝縮水と共に排気ガスが排出されることを確実に阻止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る排気管構造を示す側面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る排気管構造の一部を拡大して示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態におけるシミュレーション結果の排気ガス流を示す断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る排気管構造を示す側面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る排気管構造の他の態様の平面（Ａ）及び側面（Ｂ）を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る排気管構造の更に他の態様の平面（Ａ）及び側面（Ｂ）を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る排気管構造の別の態様の平面（Ａ）及び側面（Ｂ）を示す図である。
【図８】本発明の更に他の実施形態に係る排気管構造の平面（Ａ）及び側面（Ｂ）を示す図である。
【図９】本発明の更に他の実施形態に係る排気管構造の一部を拡大して示す断面図である。
【図１０】本発明の別の実施形態に係る排気管構造を示す側面図である。
【図１１】本発明の別の実施形態に係る排気管構造の一部を拡大して示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の望ましい実施形態について図面を参照して説明する。図１及び図２は本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気管構造を示すもので、触媒担体１０を内蔵し内燃機関（図示せず）の排気ガスを浄化する触媒コンバータ１と、その排気ガス導入側に接合される上流側排気管２とを備えている。触媒コンバータ１の排気ガス排出側には下流側排気管３が接合されており、この下流側排気管３は消音器（図示せず）に連通接続される。更に、本実施形態においては酸素センサ４が直管部２０に装着されている。触媒コンバータ１は、触媒担体１０を内蔵する金属製筒体の本体部１１と、これと一体的に例えばコーン形状に形成される排気ガス導入部１２及び排気ガス排出部１３を有し、触媒担体１０を巻装するように緩衝部材（マット）１４が配設され、本体部１１内に触媒担体１０が安定した状態で保持されている。
【００２０】
一般的に、触媒コンバータ１は車両（図示せず）の床下に配置され、その上方に配設された内燃機関の排気マニホールド（図示せず）に上流側排気管２を介して連通接続される。従って、上流側排気管２には少なくとも一つの屈曲部が必要となるが、この屈曲部の直後に触媒コンバータ１を接合すると、前述の流路抵抗の増大等、種々の問題を惹起する。このため、本実施形態の上流側排気管２は以下のように構成されている。
【００２１】
即ち、本実施形態の上流側排気管２は、図１及び図２に一点鎖線で区別して示すように、触媒コンバータ１側から順に、直管部２０、連結直管部２４、第１の曲管部２１、第２の曲管部２２及び直管部２３を有する。直管部２０は触媒コンバータ１の排気ガス導入側に接合され、第１の曲管部２１は第１の方向に屈曲形成され直管部２０に連通接続され、第２の曲管部２２は第１の方向とは異なる第２の方向に屈曲形成され、連結直管部２４を介して第１の曲管部２１に連通接続されると共に、直管部２３に接合されている。
【００２２】
上記第１及び第２の曲管部２１、２２における第１及び第２の方向として、図１に示すように車両の上下方向（垂直面上）で異なる方向に設定される態様、図５に示すように車両の左右方向（水平面上）で異なる方向に設定される態様、更に、図６に示すように両者が合成されて車両の上下及び左右方向（３次元空間）に設定される態様があり、以下順次説明する。尚、各図において、管部材に対し曲げ加工が行われる部分（例えば第２の曲管部２２と直管部２３の境界）を一点鎖線で示しており、図４乃至図９においては酸素センサ４を省略している。
【００２３】
図１及び図２に示す実施形態においては、直管部２０は、触媒担体１０の中心軸と実質的に同一の軸を有し、触媒担体１０に対し排気ガスが均等に供給されるように構成されている。また、直管部２０と第１の曲管部２１は実質的に同一の流路面積を有しており、流路抵抗を最小限に抑えることができる。図３は、図１及び図２に示す実施形態に対しシミュレーションを行ったときの排気ガス流を示すもので、図３中の細線が流線を表す。
【００２４】
上記のシミュレーション結果によれば、第２の曲管部２２で外側（図３の上方）に偏流した排気ガスの主流（図３に破線で示す）が第１の曲管部２１の内側に沿って流れ、その下流側の直管部２０で整流されてセンタリングが行われ、触媒担体１０の前方の面全体に均一に排気ガスが供給されることが確認された。尚、図３に破線で示す領域で排気ガスの流速が最大となっている。そして、本実施形態の上流側排気管２においては、触媒コンバータの上流側に曲管部を有する従前の排気管に比し、触媒担体１０に供給される排気ガスの均一性を表す「一様度」が４．７％向上したことが確認された。
【００２５】
上記のように、本実施形態の上流側排気管２における直管部２０と第１の曲管部２１は実質的に同一の流路面積に設定されているが、異なる流路面積に設定してもよい。また、製造上の便宜から、第１の曲管部２１と第２の曲管部２２との間には連結直管部２４が介装されているが、第１の曲管部２１と第２の曲管部２２を連続した曲管に形成することとしてもよい。
【００２６】
図４は他の実施形態に係る触媒コンバータ１ｘを示すもので、直管部２０に接合される排気ガス導入部１２ｘが、触媒担体１０の軸に対し傾斜した軸を有するコーン形状に形成され、排気ガス導入部１２ｘの軸が直管部２０の軸と一致するように構成されている。この結果、触媒担体１０の前方の面に対し直管部２０の軸が直交しなくなるので、触媒担体１０に供給される排気ガスの均一性を考慮し、排気ガス導入部１２ｘの形状変更等の対策を講ずる必要があるが、ここでは省略する。
【００２７】
図５は、第１及び第２の曲管部２１、２２における第１及び第２の方向が車両の左右方向（水平面上）で異なる方向に設定された態様を示すもので、その平面図を（Ａ）に示し、その側面図を（Ｂ）に示すように、第１の曲管部２１は垂直面上ではなく水平面上で屈曲形成されている。このように、図５に示す態様では、第２の曲管部２２の第２の方向が車両の上下方向（垂直面上）に設定されているのに対し、第１の曲管部２１の第１の方向が車両の左右方向（水平面上）に設定されており、３次元的なセンタリングが行われることになるが、その他の構成は、図１に示す態様と同様である。
【００２８】
図６は、第１及び第２の曲管部２１、２２における第１及び第２の方向が車両の上下及び左右方向（３次元空間）に設定された態様を示すもので、第１及び第２の曲管部２１、２２は非同一面内で屈曲形成されており、この態様でも３次元的なセンタリングが行われることになる。この態様の側面図は（Ｂ）に示すように図１と同様であるが、図６の平面図は（Ａ）に示すように、図１に示す態様の平面図（これは省略しているが、後述する図８の（Ａ）と同様の平面図）とは異なっている。
【００２９】
図７は、第１及び第２の曲管部２１、２２に加え、更に第３の曲管部２５を備えた態様を示すもので、その平面図を（Ａ）に示し、その側面図を（Ｂ）に示している。即ち、上記の各図に記載の上流側排気管２は、第１及び第２の曲管部２１、２２の二つの曲管部を有する態様であるが、図７に示すように更に第３の曲管部２５を形成することとしてもよい。この態様によれば、第３の曲管部２５にて排気ガスの流速を低下させて触媒担体１０に供給される均一性を一層向上させることができるが、圧力損失は増加することになる。
【００３０】
図８は、本発明の更に他の実施形態に係る触媒コンバータ１ｙを示すもので、その平面図を（Ａ）に示し、その側面図を（Ｂ）に示している。本実施形態においては、図９に拡大して示すように、直管部２０に接合される排気ガス導入部１２ｙが、直管部２０から触媒担体１０に向かって拡径するように形成されたベルマウス形状を有する。即ち、流路抵抗を低減するために鐘型に形成された管端部の形状を有する。而して、触媒コンバータ１ｙに導入される排気ガスは、ベルマウス形状の排気ガス導入部１２ｙにて円滑に案内されるので、触媒担体１０に供給される排気ガスの均一性が更に向上することになる。尚、上記の排気ガス導入部１２ｙを前述の各態様の上流側排気管２に接合すれば、均一性の向上に関し相乗効果を奏することができる。
【００３１】
図１０及び図１１は、本発明の別の実施形態を示すもので、図１０に全体の側面を示し、図１１に一部を拡大した断面を示している。前述の図１及び図２に示す実施形態においては、上流側排気管２の車両への搭載状況によっては、第１の曲管部２１又は第２の曲管部２２に排気ガスの凝縮水が滞留する場合があり得る。このような凝縮水は、通常、内燃機関（図示せず）の始動時に排気ガスの圧力によって排気ガスと共に排出されるので然程問題とはならないが、本実施形態のように直管部２０に酸素センサ４が設けられる態様では、排気ガスと共に排出される際に飛散した水が酸素センサ４に付着することを回避するため、何らかの対策を講ずることが望ましい。
【００３２】
このため、本実施形態においては、図１１に拡大して示すように、第１及び第２の曲管部２１、２２のうち何れか一方、特に最下方に位置する曲管部（図では第２の曲管部２２）に水抜き用の連通孔６が設けられている。更に、この連通孔６から凝縮水と共に排気ガスが排出されることを阻止するため、この連通孔６を被覆する被覆管５が上流側排気管２に接合されている。本実施形態の被覆管５は、第１及び第２の曲管部２１、２２の両者を含み直管部２０及び排気ガス導入部１２を被覆するように構成され、略半円形断面の上側部材５１及び下側部材５２が相互に接合されると共に、触媒コンバータ１及び上流側排気管２に接合されている。更に、連通孔６を首管とし被覆管５を共鳴室として機能させてヘルムホルツ共鳴室を構成すれば、消音にも寄与させることができる。
【００３３】
而して、上記何れの実施形態及び態様も、内燃機関の排気システム（図示せず）の何れの部位に適用しても、触媒担体１０に供給される排気ガスの均一性を確保することができる。例えば、内燃機関の排気マニホールド（図示せず）部分に触媒コンバータ１が装着される場合には、その上流側にある排気管（即ちブランチ管）に適用してもよく、上記の各態様の適用、あるいはそれらの組み合わせも可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１、１ｘ、１ｙ  触媒コンバータ
２  上流側排気管
３  下流側排気管
４  酸素センサ
５  被覆管
６  連通孔
１０  触媒担体
１１  本体部
１２、１２ｘ、１２ｙ  排気ガス導入部
２０  直管部
２１  第１の曲管部
２２  第２の曲管部
２３  直管部
２４  連結直管部
２５  第３の曲管部
【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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【図１０】
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【図１１】
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