(57)【要約】【課題】高負荷高回転域において排気ガスが非常に高温化して触媒が溶損することを、簡単な構造で防止する。【解決手段】機関本体１は、クランク軸線を横向きにした姿勢でエンジンルーム４に配置されており、シリンダヘッド１の前面１ａに、排気通路の上流部を構成する集合管５が固定されている。集合管５は下向きに曲がっており、下端に触媒コンバータ９が一体に接続されている。集合管５の下向き部５ｃに、排気ガスの流れを横切る姿勢で中空パイプ１４を配置している。中空パイプ１４は前後に開口しており、内部を走行風が流れることで排気ガスを冷却する。結果として、触媒の異常昇温を防止できる。中空パイプ１４によって排気ガスが攪拌されるため、空燃比センサ１２の検知精度が高まると共に、浄化ユニットに対する排気ガスの分散性も高まる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスが流れる排気通路のうちシリンダヘッドに近い部分に触媒コンバータを配置しており、排気通路のうち前記触媒コンバータよりも上流側の部位に、曲がり部を有する略Ｌ形の集合管を形成している構成であって、
前記集合管の内部に、一端から他端に向けて冷却流体が流れる中空パイプを、前記一端と他端とが前記集合管の外側に開口した状態で配置している、
車両用内燃機関の排気装置。
【請求項２】
前記集合管は車両の側面視で下向きに曲がっていて、曲がり部の外角よりも下方に、前記中空パイプが前後方向に延びる姿勢で配置されており、かつ、前記中空パイプは、前端の断面積が後端の断面積よりも大きいテーパ状又は異径に形成されている、
請求項１に記載した車両用内燃機関の排気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、車両用内燃機関の排気装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両用の内燃機関では、排気系に排気ガス浄化装置を配置している。ガソリン機関の排気ガス浄化装置は一般に触媒コンバータが使用されており、触媒コンバータは、多孔質体に触媒（三元触媒）が担持された浄化ユニットをケースに内蔵した構造になっており、触媒コンバータを、排気通路のうちシリンダヘッドに近い上流側の部分に介在させている。また、一般に、浄化ユニットよりも上流側には空燃比センサを配置し、浄化ユニットの箇所又は下流側にＯ２センサを配置している。
【０００３】
触媒コンバータを備えた排気装置に対する要請として、排気ガスを浄化ユニットにまんべんなく当てること（排気ガスの分散化）や、排気ガスの温度を好適な範囲に制御すること（排気ガスの温度の適正化）、空燃比センサの検出値が排気ガスの実態を反映するように、排気ガスの成分を均質化させて空燃比センサに当てること（空燃比センサの精度の向上）などが挙げられる。
【０００４】
温度の適正化について補足すると、触媒は、ある程度の温度に昇温しないと浄化機能を十分に発揮しないが、過度に昇温すると溶損してしまうという特性があり、そこで、高負荷高回転域のように排気ガスの温度が著しく高くなる場合は、触媒が溶損しないように排気ガスの温度を低下させる必要がある。
【０００５】
これらの点について特許文献１には、排気ガスの分散化と排気ガスの温度の適正化とを目的として、２つの浄化ユニットを直列状に並べた浄化装置において、２つの浄化ユニットの間に中空の抵抗体を配置して、抵抗体の内部に走行風を取り込むことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２１８０１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１では、ストレート状のケースに２つの浄化ユニットを間隔を空けて配置して、２つの浄化ユニットの間に抵抗体を排気管と同心状に配置しているが、下流側の浄化ユニットに対する排気ガスの分散性は確保できても、上流側の浄化ユニットに対する排気ガスの分散性には何等貢献できない問題や、１つの浄化ユニットを使用している一般的な排気装置には適用できないという問題がある。
【０００８】
また、抵抗体はストレート状の排気管と同心に配置しているため、排気ガスは抵抗体の外側を流れざるを得ず、すると、抵抗体を下流側の浄化ユニットに近付けると、排気ガスが下流側の浄化ユニットの外周寄りの部分に集中的に当たって、排気ガスを分散させた状態で浄化ユニットに当てることができず、さりとて、抵抗体と浄化ユニットとの間隔を広げると、排気ガスの分散性は高くなるが浄化装置が大型化するという問題がある。
【０００９】
また、空気と燃料とが理論空燃比の割合で燃焼室に供給されて完全燃焼したら、排気ガスは全て燃焼ガスで構成されるが、実際には、燃料のリッチ化やリーン化、ＥＧＲガスの添加等の様々な要因によって排気ガスの濃度・成分は均一でないことが多く、そこで、空燃比センサの検出値を実際の排気ガスの実態に反映させるために、排気ガスを空燃比センサの上流側で攪拌混合する必要性が生じるが、特許文献１の抵抗体は２つの浄化ユニットの間に配置しているため、空燃比センサの検出値の精度向上には寄与していない。この点も、特許文献１の問題点である。
【００１０】
本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願発明の排気装置は、請求項１のとおり、排気ガスが流れる排気通路のうちシリンダヘッドに近い部分に触媒コンバータを配置しており、排気通路のうち前記触媒コンバータよりも上流側の部位に、曲がり部を有する略Ｌ形の集合管を形成している構成において、前記集合管の内部に、一端から他端に向けて冷却流体が流れる中空パイプを、前記一端と他端とが前記集合管の外側に開口した状態で配置している。
【００１２】
本願発明は、請求項２の構成も含んでいる。この発明は、請求項１において、前記集合管は車両の側面視で下向きに曲がっていて、曲がり部の外角よりも下方に、前記中空パイプが前後方向に延びる姿勢で配置されており、かつ、前記中空パイプは、前端（一端）の断面積が後端（他端）の断面積よりも大きいテーパ状又は異径に形成されている。
【００１３】
請求項２において、テーパ状は、断面積が一端から他端に向け連続的に減少していく形態を意味し、異径は、段違い状のように断面積が非連続的に減少する形態を意味している。
【発明の効果】
【００１４】
本願発明では、集合管の内部に配置された中空パイプの内部を冷却流体が通ることで、触媒コンバータに至る前の排気ガスが強制的に冷却される。このため、排気ガス及び触媒が異常な高温になることを防止又は抑制して、触媒の溶損を防止できる。
【００１５】
また、従来は、触媒の温度が過剰に上昇することを防止するため、燃料を理論空燃比よりもリッチ化して、未燃焼燃料で触媒を冷却することも行われており、この場合は、燃料を無駄に捨てて燃費が悪化するのみならず、排気ガスの浄化性能も悪化して触媒コンバータを配置した意義が減殺される問題があるが、本願発明では、燃料をリッチ化することなく排気ガスの温度上昇を抑制して触媒の異常昇温も防止できるため、燃費を改善できると共に排気ガスの浄化性能も向上させることができる。
【００１６】
また、中空パイプは排気ガスの流れを攪乱する作用も果たしており、このため、中空パイプによって排気ガスが攪拌されて、排気ガスの成分が均質化されるが、中空パイプは触媒コンバータの上流側に配置しているため、浄化ユニットの上流側に配置した空燃比センサの検出精度を向上させることができる。また、排気ガスは均質に攪拌された状態で浄化ユニットを通過するため、触媒コンバータの内部や下流側に配置したセンサ（例えばＯ２センサ）の精度も向上できる。
【００１７】
更に、集合管は曲がり部を有しているため、排気ガスは方向変換して触媒コンバータに流入するが、中空パイプは集合管に設けているため、排気ガスは、方向変換する前か、方向変換する途中か、又は方向変換してから中空パイプに当たることになり、いずれにしても、方向変換による攪拌作用と中空パイプによる攪拌作用とにより、排気ガスの攪拌性が飛躍的に高まる。その結果、空燃比センサ等のセンサの検知精度をより向上できると共に、触媒コンバータでの排気ガスの分散性も向上できる（従って、触媒コンバータの寿命アップに貢献できる。）。
【００１８】
機関の暖機時には浄化ユニットは早期昇温すべきであるが、実施形態のように中空パイプに走行風を取り入れる構成を採用すると、暖機時には走行速度はさほど高くないのが普通であるため、中空パイプによる排気ガスの冷却性も高くはなく、従って、暖機運転時の早期昇温にはさしたる障害にはならない。従って、早期暖機を確保しつつ、高負荷高回転域での排気ガス及び浄化ユニットの異常昇温を抑制できる。
【００１９】
また、排気通路の始端部をシリンダヘッドに固定するに当たっては、始端部にフランジを設けて、フランジをボルト（或いはボルトとナット）でシリンダヘッドに固定しているのが一般的であるが、本願発明では、中空パイプの内部を通過した走行風をフランジに当てることで、フランジを冷却して熱害を抑制することも可能になる。
【００２０】
請求項２のように、中空パイプを、その一端の断面積が他端の断面積よりも大きいテーパ状又は異径に形成すると、走行風が強くなればなるほど中空パイプの通過性が高くなるため、暖機運転時の冷却性を抑制しつつ、高負荷高回転域での排気ガスの高い冷却性を実現できる利点がある。また、構造は簡単であるため、コストも抑制できる。
【００２１】
さて、シリンダヘッドから排出された排気ガスは直進性を持つため、排気ガスは曲がり部の外面に沿って下方に方向変換する傾向を呈しており、このため、何等の措置を講じないと、排気ガスは、触媒コンバータの浄化ユニットのうち、車両の前進方向に向いて前方側の部位に強く当たる傾向を呈する。
【００２２】
しかして、本願発明の請求項２の構成を採用すると、曲がり部の外側部分に沿って流れてきた排気ガスは、中空パイプのうち断面積が大きい前部に多く当たるため、排気ガスの冷却性を一層向上できるのみならず、排気ガスの分散性も格段に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態を示す図で、（Ａ）は一部破断平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視図である。
【図２】（Ａ）は図１（Ａ）のIIA-IIA 視断面図、（Ｂ）は変形例を示す図である。
【図３】（Ａ）は第２実施形態を示す図、（Ｂ）は第３実施形態を示す図である。
【図４】第４実施形態を示す図である。
【図５】第５実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
(1).第１実施形態の構造
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１，２に示す第１実施形態を説明する。本実施形態の内燃機関は３気筒であり、シリンダヘッド１を有する機関本体２は、クランク軸線３を横向きにした姿勢で車両前部のエンジンルーム４に配置されている。図１に示す前・後ろは、運転者から見た方向を示している。
【００２５】
シリンダヘッド１の内部には、前面１ａに開口した排気集合部（図示せず）が形成されており、シリンダヘッド１の前面１ａに、排気通路の上流部を構成する集合管５が接続されている。集合管５は、車両の側面視（クランク軸線方視）で下向きのＬ形（エルボ形）に曲がっており、従って、横向き部（上水平部）５ａと曲がり部５ｂと下向き部（縦長部）５ｃとを有している。
【００２６】
横向き部５ａの後端（集合管５の始端）にはフランジ６を固定しており、このフランジ６が、スタッドボルト７とこれに螺合したナット８とでシリンダヘッド１に固定されている。フランジ６は車両の正面視で略四角形に形成されており、各コーナー部にスタッドボルト７が嵌まっている。フランジ６の全周には、前向きのリブ６ａが曲げ形成されている。
【００２７】
集合管５における下向き部５ｃの下端（集合管５の終端）には、触媒コンバータ９を一体的に設けている。触媒コンバータ９は、触媒ケース１０の内部に浄化ユニット１１を配置した形態であり、触媒ケース１０は、ストレート状の胴部にテーパ状の上端部１０ａと下端部とを設けたコーン形に形成されている。テーパ状の上端部１０ａには、空燃比センサ１２を取付けている。
【００２８】
空燃比センサ１２は、触媒ケース１０の上端部１０ａに手前側から挿入しているが、横方向から挿入してもよい。いずれにしても、空燃比センサ１２の先端部は、できるだけ触媒ケース１０の中心部に近づけている。触媒ケース１０と触媒コンバータ９とは、薄い金属板よりなるインシュレータ１３で手前側かから覆われている。集合管５の軸心に対して触媒ケース１０の軸心を手前にずらすことも可能である。
【００２９】
そして、集合管５の下向き部５ｃに前後開口の貫通穴を空けて、この貫通穴に前後長手の中空パイプ１４を挿通して、溶接又はろう付けで固定している。従って、中空パイプ１４は、排気ガスの流路を横切る姿勢に配置されている。また、中空パイプ１４は、集合管５の手前と後ろとに開口している。また、実施形態の中空パイプ１４は断面円形であり、前端（一端）が大径で後端（他端）が小径のテーパ状に形成されている。
【００３０】
インシュレータ１３には、中空パイプ１４を手前に開口させるための通風穴１５が空いているが、通風穴１５の周縁部を中空パイプ１４に向けて窄まるテーパ状集風部１６と成している。換言すると、インシュレータ１３には、中空パイプ１４に向けて窄まる椀状の凹所に通風穴１５を形成している。もとより、インシュレータ１３には、テーパ状集風部１６を設けずに、単に通風穴１５を空けただけの構成であってもよい。中空パイプ１４の後端（他端）は、集合管５のフランジ６よりも僅かに下方に位置している（中空パイプ１４とフランジ６とを、前後に重複させてもよい。）。
【００３１】
(2).第１実施形態のまとめ
上記の構成において、車両が走行すると、中空パイプ１４に走行風が入ることで、集合管５と排気ガスとが冷却され、結果として、浄化ユニット１１の異常昇温を防止又は著しく抑制できる。このため、排気ガスが異常高温化しやすい高負荷高回転域においても、燃料をリッチ化する必要はない。従って、触媒の溶損を防止しつつ、燃費を改善できると共に排気ガスの浄化性能も向上させることができる。特に、本実施形態のようにインシュレータにテーパ状集風部１６を設けると、走行風が中空パイプ１４に流入しやすいため、中空パイプ１４による冷却性能をより一層向上できる利点がある。
【００３２】
そして、中空パイプ１４はテーパ状になっているため、低速走行や中速走行で走行風がさほど強くない状態では、走行風は中空パイプ１４の後部での抵抗によって流れにくく、このため、排気ガスの冷却性は低いが、車速が例えば時速８０キロ以上のように速くなると、走行風も非常に速くなるため、走行風が中空パイプ１４の抵抗に打ち勝って中空パイプ１４の内部を高速で通過していく。
【００３３】
すなわち、走行風は低速・中速では中空パイプ１４を流れにくく、高速では流れやすい傾向を呈する、暖機運転時には一般に低速又は中速で走行することが多く、高速走行への移行は暖機終了後に行うことが多いことから、暖機時の早期昇温を図りつつ、暖機終了後における高負荷高回転域での排気ガス及び浄化ユニット１１の異常昇温を防止できるのである。
【００３４】
また、排気ガスは、集合管５を流れる過程で中空パイプ１４で攪乱されるため、排気ガスの成分を均一化して空燃比センサ１２の検出精度を向上できると共に、排気ガスの分散性を高めて、浄化ユニット１１に当たる排気ガスをできるだけ均一化できる。
【００３５】
そして、シリンダヘッド１から排出された排気ガスは直進性を持って集合管５に流入するため、多くの排気ガスが曲がり部５ｂの外角５ｂ′の側に沿って下方に方向変換する傾向を呈しており、従って、多くの排気ガスが曲がり部５ｂの外角５ｂ′の側（手前側）を通る傾向を呈するが、中空パイプ１４は手前側が大径になっているため、排気ガスの冷却性を一層向上できるのみならず、排気ガスの分散性も格段に向上できる。
【００３６】
特に、高負荷・高回転域では、排気ガスの冷却性と分散性の必要性は一層高くなるが、高負荷・高回転域では、排気ガスは直進性が高まって曲がり部５ｂの外角５ｂ′に沿って流れる傾向が強くなるため、冷却効果と拡散効果とがより強く発揮される。
【００３７】
また、中空パイプ１４を通過した走行風は、シリンダブロック１７及びシリンダヘッド１に当たってから集合管５のフランジ６にも当たるため、フランジ６のうち集合管５の裏になっていて走行風が当たりにくい部分を的確に冷却することができる。その結果、フランジ６がいびつに熱変形する不具合を抑制できる。
【００３８】
図２（Ａ）の実施形態では、中空パイプ１４の一端と他端とは集合管５の外面に備えているが、図２（Ｂ）に示すように、中空パイプ１４の前後両端を集合管５の外側に突出させてもよい（前端又は後端のうちいずれか一方のみを突出させてもよい。）。このように両端を集合管５の外側に突出させると、溶接やろう付けが容易になる利点がある。インシュレータ１３を備えている場合は、前端部をインシュレータ１３の手前まで突出させたらよい。
【００３９】
(3).他の実施形態
図３（Ａ）に示す第２実施形態では、中空パイプ１４は円形のストレート状に形成しており、前端と後端とを集合管５の外側に突出させている。また、後端は端面を上向きとなるように斜めにカットしており、これにより、中空パイプ１４を通過した風を斜め上向きに方向付けできるため、フランジ６の冷却性を一層向上できる。
【００４０】
図３（Ｂ）に示す第３実施形態では、中空パイプ１４を円形のストレート状に形成しつつ、集合管５の手前に突出したはみ出し部１４ａをテーパ状に拡開形成している。このため、集風機能に優れている。
【００４１】
図４に示す第４実施形態では、中空パイプ１４は弓なりに沿った湾曲状に形成しており、前端は集合管５のうち下向き部５ｃの前面に挿通して、後端は、集合管５のうち横向き部５ａの上面に貫通させている。従って、中空パイプ１４は、曲がり部５ｂを通過する状態で集合管５の内部に配置されている。中空パイプ１４は、前後両端とも、集合管５の外側に突出させている。
【００４２】
この実施形態では、中空パイプ１４の長さが長くなるため、排気ガスの冷却性と攪乱作用とが高くなる。特に、シリンダヘッド１に近い部位においても排気ガスが冷却されるため、排気ガスの冷却性能は相当に高くなる。また、中空パイプ１４の後端が上向きに開口しているため、オリフィス効果により、走行風によって中空パイプ１４から空気が吸い出される現象が発生し、このため、中空パイプ１４を流れる空気（走行風）の流速を速くして、排気ガスの冷却性を一層向上できる。
【００４３】
この場合は、車速が低速又は中速のときにはオリフィス効果はさほど表れずに、高速走行になるとオリフィス効果が顕著に表れるため、暖機時の昇温を図りつつ、暖機終了後の高負荷・高回転時の冷却を的確に実現できる。
【００４４】
上記の各実施形態は中空パイプ１４を断面円形に形成していたが、図５に示す第５実施形態では、中空パイプ１４を小判形に形成している。中空パイプ１４の断面形状としては、この他にも、楕円形や多角形（四角形や六角形など）などを採用できる。入口は円形で出口は楕円形というように、入口と出口とで断面形状を変化させることも可能である。
【００４５】
本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、冷却流体として水を使用することも可能である。また、冷却流体の種類に関係なく、中空パイプの入口に開閉弁を設けて、浄化ユニットが所定の温度に昇温するまで中空パイプを閉じておくことも可能である。開閉弁を感熱部材よりなるバイメタル方式にして、所定温度に昇温すると自動的に開弁する構成も採用可能である。或いは、風圧で開く弁体を使用して、所定の速度に達したら、風圧で開くように構成することも可能である。
【００４６】
また、実施形態は排気ガスを集合部をシリンダヘッドの内部に設けたが、本願発明は、枝管を有する排気マニホールドをシリンダヘッドに固定したタイプにも適用できる。この場合は、排気マニホールドの集合部か又はこれに接続された集合管に中空パイプを設けたらよい。複数本の中空パイプを並列姿勢や交叉姿勢で配置することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本願発明は、実際に車両用内燃機関の排気装置に具体化できる。従って、産業上利用できる。
【符号の説明】
【００４８】
１  シリンダヘッド
２  機関本体
３  クランク軸線
４  エンジンルーム
５  集合管
５ａ  横向き部
５ｂ  曲がり部
５ｂ′  曲がり部の外角
５ｃ  下向き部
６  フランジ
９  触媒コンバータ
１０  触媒ケース
１１  浄化ユニット
１２  空燃比センサ
１３  インシュレータ
１４  中空パイプ
【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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