(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに隣接する一対の気筒から成る第１気筒組、および当該第１気筒組の両側に並んで配置された一対の気筒から成る第２気筒組を機関本体内に有し、前記第１および第２の気筒組のそれぞれの前記一対の気筒において排気行程が互いに連続しないように燃焼が行われる内燃機関の排気系構造であって、
前記第１気筒組の前記一対の気筒からそれぞれ前記機関本体の外方に延び、集合部で互いに集合する一対の第１直下通路部と、
前記第２気筒組の前記一対の気筒からそれぞれ前記機関本体の外方にほぼ水平に延び、前記一対の第１直下通路部よりも緩やかな角度で、集合部で互いに対向するように集合する一対の第２直下通路部と、
前記第１および第２の直下通路部の前記集合部からそれぞれ延びる第１および第２の集合通路部と、
当該第１および第２の集合通路部の下流側端部にそれぞれ接続され、下流側に延びる第１および第２の触媒装置と、を備え、
前記一対の第１直下通路部は、前記一対の第２直下通路部よりも鋭角状に前記集合部で互いに集合しており、
前記第１集合通路部の長さは、前記第２集合通路部の長さよりも長く設定されるとともに、前記第１集合通路部の内部の空間は、前記第２集合通路部の内部の空間よりも大きく設定され、
前記第２集合通路部の長さは、前記第１集合通路部の長さよりも短く設定され、
前記第２集合通路部の中心線は、前記第２触媒装置の中心線に対して前記機関本体側にオフセットされていることを特徴とする内燃機関の排気系構造。
【請求項２】
前記第１直下通路部の前記集合部は、長円状の断面を有し、
前記一対の第１直下通路部は、前記集合部に向かって互いに集合する部分の中心線が前記集合部の前記長円の長径に対してほぼ対称になるように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気系構造。
【請求項３】
前記第１および第２の直下通路部の前記集合部の少なくとも一方に設けられ、対応する前記気筒組から排出された排気ガスの状態を検出する排気ガスセンサをさらに備え、
前記排気ガスセンサは、対応する前記触媒装置の中心線上に配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の内燃機関の排気系構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２つの気筒を一組とし、互いに隣接する第１の一対の気筒と、当該第１の一対の気筒の両側に並んで配置された第２の一対の気筒とを機関本体内に有し、前記各一対の気筒が排気行程が互いに連続しないように燃焼される内燃機関の排気系構造に関し、特に、排気通路および触媒装置の配置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の排気系構造を有する直列４気筒タイプの内燃機関において、隣接する一対の第１気筒組から延び、集合部で集合する第１直下通路部と、これらの第１気筒組の両側の一対の第２気筒組から延び、集合部で集合する第２直下通路部と、各集合部のすぐ下流側に配置された触媒装置とを備えたものが知られている。このように、集合部のすぐ下流側、すなわち内燃機関に比較的近い位置に触媒装置を配置するのは、内燃機関の始動時などにおいて低温度状態にある触媒装置内の触媒に、高温の排気ガスを当て、それにより、触媒を早期に活性化させるためである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したような従来の排気系構造によれば、それぞれの集合部までの第１および第２の直下通路部の長さが比較的短いので、集合部に流入する際の排気ガスの指向性が大きいなど、排気ガスが不安定な状態で流入しやすい。このため、各直下通路部と集合部の位置関係などによっては、集合部付近において指向性の強いスワールが生じたり、排気ガスの流れが集合部の一部分に偏ったりするという傾向がある。その結果、排気ガスが触媒装置内の触媒に均一な状態で当たりにくく、偏った状態で当たることで、触媒の排気ガス浄化能力を十分に活用することができず、触媒浄化率が低下するおそれがある。また、同じ理由から、排気ガスの熱が触媒に偏った状態で当たるため、その耐久性が低下するおそれもある。
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、排気ガスを触媒装置内の触媒に均一な状態で当てることができ、それにより、触媒の触媒浄化率および耐久性を向上させることができる内燃機関の排気系構造を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、請求項１による発明は、互いに隣接する一対の気筒＃２、＃３から成る第１気筒組、および第１気筒組の両側に並んで配置された一対の気筒＃１、＃４から成る第２気筒組を機関本体（実施形態における（以下、本項において同じ）エンジン本体２）内に有し、第１および第２の気筒組のそれぞれの一対の気筒において排気行程が互いに連続しないように燃焼が行われる内燃機関（エンジン１）の排気系構造であって、第１気筒組の一対の気筒＃２、＃３からそれぞれ機関本体の外方に延び、集合部１０ｃで互いに集合する一対の第１直下通路部１０ａ、１０ｂと、第２気筒組の一対の気筒＃１、＃４からそれぞれ機関本体の外方にほぼ水平に延び、一対の第１直下通路部１０ａ、１０ｂよりも緩やかな角度で、集合部２０ｃで互いに対向するように集合する一対の第２直下通路部２０ａ、２０ｂと、第１および第２の直下通路部１０ａ、１０ｂ、２０ａ、２０ｂの集合部１０ｃ、２０ｃからそれぞれ延びる第１および第２の集合通路部１１、２１と、第１および第２の集合通路部１１、２１の下流側端部にそれぞれ接続され、下流側に延びる第１および第２の触媒装置７、８と、を備え、一対の第１直下通路部１０ａ、１０ｂは、一対の第２直下通路部２０ａ、２０ｂよりも鋭角状に集合部１０ｃで互いに集合しており、第１集合通路部１１の長さＸは、第２集合通路部２１の長さＹよりも長く設定されるとともに、第１集合通路部１１の内部の空間は、第２集合通路部２１の内部の空間よりも大きく設定され、第２集合通路部２１の長さＹは、第１集合通路部１１の長さＸよりも短く設定され、第２集合通路部２１の中心線Ａは、第２触媒装置８の中心線Ｃ２に対して機関本体側にオフセットされていることを特徴とする。
【０００６】
この内燃機関の排気系構造によれば、一対の第１直下通路部が、隣接する一対の気筒からそれぞれ延びており、集合部において、一対の第２直下通路部よりも鋭角状に交わるので、この集合部では、スワールが発生しやすい。これに対して、本発明では、第１集合通路部は、第２集合通路部と比較し、その長さが長く設定されるとともに、その内部の空間が大きく設定されているので、集合部から第１触媒装置までの距離および空間が大きい。それにより、上述したスワールを、この空間内で拡散させることができるので、スワールによって排気ガスが第１触媒装置の触媒に偏った状態で当たるのを防ぎ、触媒に排気ガスを均一に当てることができる。
【０００７】
また、一対の第２直下通路部は、第１の気筒組の両側の間隔が離れた第２の気筒組の一対の気筒からほぼ水平に延び、集合部において、一対の第１直下通路部よりも緩やかな角度で、互いに対向するように集合する。それにより、排気ガスが各第２直下通路部の集合部の壁面に沿って回り込まずに、第２集合通路部に流入する。このため、集合部においては、スワールは発生しにくいものの、第２集合通路部では、排気ガスが、機関本体から遠い周壁部分側に集中して流れやすく、それにより、第２触媒装置の触媒にも偏った状態で当たりやすい。これに対して、本発明では、第２集合通路部が第２触媒装置より機関本体側へオフセットされているので、排気ガスの触媒への流入位置を機関本体側にずらし、排気ガスを触媒の中央部に導くことができ、それにより、上述した排気ガスの触媒への偏った当たりを防ぎ、触媒に排気ガスを均一に当てることができる。以上のように、第１および第２の触媒装置のそれぞれの触媒に排気ガスを均一に当てることができるので、触媒の排気ガス浄化能力を十分に活用し、触媒浄化率を向上させることができ、それにより、排気ガス特性の向上を計れるとともに、触媒の耐久性を高めることができる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関の排気系構造において、第１直下通路部１０ａ、１０ｂの集合部１０ｃは、長円状の断面を有し、一対の第１直下通路部１０ａ、１０ｂは、集合部１０ｃに向かって互いに集合する部分の中心線Ｄ、Ｅが集合部の長円の長径Ｌに対してほぼ対称になるように配置されていることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、一対の第１直下通路部が、断面が長円状の集合部に、その長径に対してある角度をもって対称に集合する。このため、直下通路部からの排気ガスが集合部の曲率の小さい壁面部分に沿って回り込まずに、曲率の大きい壁面部分に直接当たりやすくなるので、排気ガスの指向性が弱められ、スワールをさらに抑制できる。したがって、排気ガス特性をさらに向上させることができるとともに、触媒の耐久性をさらに高めることができる。また、一対の第１直下通路部が集合部の長径に対して対称に集合しているので、上記のような作用を、一対の第１直下通路部の双方で同様に得ることができる。なお、ここでの長円には、楕円および小判形状の双方が含まれる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の内燃機関の排気系構造において、第１および第２の直下通路部１０ａ、１０ｂ、２０ａ、２０ｂの集合部１０ｃ、２０ｃの少なくとも一方に設けられ、対応する気筒組から排出された排気ガスの状態を検出する排気ガスセンサ６、６をさらに備え、排気ガスセンサ６、６は、対応する触媒装置の中心線Ｃ１、Ｃ２上に配置されていることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、排気ガスセンサが、第１および／または第２の直下通路部の集合部に、対応する触媒装置の中心線上、すなわち排気ガスの流れの中心に位置するように配置されているので、排気ガスの代表的な状態を排気ガスセンサによって検出できる。したがって、各気筒の排気ガスの状態を精度良く検出することができるので、例えば、この排気ガスセンサの出力に応じて内燃機関の空燃比制御を行うことによって、排気ガス特性をさらに向上させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１〜図７は、本発明を適用した内燃機関の排気系構造を概略的に示している。図１に示すように、この内燃機関（以下「エンジン」という）１は、４つの気筒＃１〜＃４を順に併設した直列４気筒のものであり、これらの気筒＃１〜＃４を有するエンジン本体２（機関本体）と、エンジン本体２に取り付けられ、気筒＃１〜＃４から排出された排気ガスを集合させながら、下流側に導くための排気マニホルド３とを備えている。このエンジン１では、気筒＃１、＃３、＃４および＃２の順で燃焼が行われる。
【００１３】
マニホルド３は、互いに隣接する中央の一対の気筒＃２、＃３（第１気筒組）に連通する第１マニホルド部４と、これらの気筒＃２、＃３の両側の一対の気筒＃１、＃４（第２気筒組）に連通する第２マニホルド部５とを有している。これらの第１および第２マニホルド部４、５にはそれぞれ、排気ガスセンサ６、６が設けられるとともに、それぞれの下流側には、第１および第２の触媒装置７、８が設けられている。
【００１４】
第１マニホルド部４は、一対の気筒＃２、＃３に、排気ポート（図示せず）および上流端の接続口９、９を介して接続され、エンジン本体２の外方に延びるとともに、下流端部の集合部１０ｃで互いに集合する一対の第１直下通路部１０ａ、１０ｂと、この集合部１０ｃから延び、排気ガスを第１触媒装置７に導く第１集合通路部１１とを有している。
【００１５】
第１直下通路部１０ａ、１０ｂは、それぞれ湾曲した所定の形状と長さを有している。具体的には、気筒＃２に接続された第１直下通路部１０ａは、接続口９から斜め上がりに延びるとともに、平面的に見て、接続口９からエンジン本体２に対してほぼ直角に所定長さ延び、その途中から気筒＃３側に湾曲し、大きく傾斜するように延びている。気筒＃３に接続された第１直下通路部１０ｂは、第１直下通路部１０ａと同様に接続口９から斜め上がりに延びるとともに、平面的に見て、接続口９からエンジン本体２に対してほぼ直角に所定長さ延び、その途中から気筒＃４側に若干斜めに延びている。以上の結果、両第１直下通路部１０ａ、１０ｂは、集合部１０ｃにおいて比較的鋭角状に集合する。また、集合部１０ｃは、接続口９、９よりも上方に位置するとともに、平面的に見て、気筒＃３との接続口９よりも若干、気筒＃４寄りに位置している。
【００１６】
図２に示すように、集合部１０ｃは、小判状の断面形状を有している。第１直下通路部１０ａ、１０ｂの下流部は、それらの中心線Ｄ、Ｅが集合部１０ｃの小判状の断面の長径Ｌに対して所定の角度をもって互いに対称になるように、集合部１０ｃに集合している。また、集合部１０ｃの上壁の所定位置には、センサ取付孔１０ｄが形成され、このセンサ取付孔１０ｄに、前記排気ガスセンサ６が、第１触媒装置７の中心線Ｃ１上に位置するように取り付けられている（図６参照）。この排気ガスセンサ６は、排気ガス中の酸素濃度（空燃比）をリニアに検出するものである。
【００１７】
第１集合通路部１１は、その断面が一定で、集合部１０ｃの断面と同じ小判形状を有し（図１参照）、側方から見て集合部１０ｃから若干斜めに、かつ下方に比較的長く延び、所定の長さＸを有している（図３および図４参照）。このように第１集合通路部１１が比較的長いことによって、集合部１０ｃから第１触媒装置７までの間に、比較的大きな距離および空間が確保されている。
【００１８】
第１触媒装置７は、円筒状のケース３０と、このケース３０内に収容された三元触媒４１（第２触媒装置８についてのみ図示）とを有している。ケース３０は、第１集合通路部１１の下流端部に接続され、これと同心状に若干斜めに延びている。三元触媒４１は、ハニカム状の断面を有し、所定温度（例えば３００℃）以上で活性化することにより、第１触媒装置７を通過する排気ガス中の有害物質（ＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘ）を、酸化・還元作用によって浄化する。
【００１９】
第２マニホルド部５は、一対の気筒＃１、＃４に排気ポート（図示せず）および上流端の接続口９、９を介して接続され、エンジン本体２の外方に延びるとともに、下流端部の集合部２０ｃで互いに集合する一対の第２直下通路部２０ａ、２０ｂと、この集合部２０ｃから延び、排気ガスを第２触媒装置８に導く第２集合通路部２１とを有している。
【００２０】
第２直下通路部２０ａ、２０ｂは、それぞれ湾曲した所定の形状と長さを有している。具体的には、気筒＃１に接続された第２直下通路部２０ａは、ほぼ水平に延びるとともに、平面的に見て、接続口９からエンジン本体２に対してほぼ直角に若干延び、その途中から気筒＃２側に斜めに延びている。気筒＃４に接続された第２直下通路部２０ｂは、第２直下通路部２０ａと同様、ほぼ水平に延びるとともに、平面的に見て、接続口９からエンジン本体２に対してほぼ直角に若干延び、その途中から第１直下通路部１０ａ、１０ｂの下側を通って、気筒＃３側に斜めに比較的長く延びている。以上の結果、両第２直下通路部２０ａ、２０ｂは、集合部２０ｃにおいて、第１直下通路部１０ａ、１０ｂよりも緩やかな角度で、互いに対向するように集合する。また、集合部２０ｃは、接続口９、９とほぼ同じ高さに位置するとともに、平面的に見て、気筒＃２の接続口９に対向している。
【００２１】
集合部２０ｃの上壁の所定位置には、センサ取付孔２０ｄが形成され、このセンサ取付孔２０ｄに、前記排気ガスセンサ６が、第２触媒装置８の中心線Ｃ２上に位置するように取り付けられている（図７参照）。第２集合通路部２１は、下方に延びており、その長さＹは、図３に示すように、集合部２０ｃが集合部１０ｃよりも低い分だけ第１集合通路部１１の長さＸよりも短くなっている。
【００２２】
第２触媒装置８は、第１触媒装置７と同様に構成され、円筒状のケース４０と、このケース４０内に収容された三元触媒４１（図４参照）とを有している。また、図５に示すように、第２触媒装置８は、その中心線Ｃ２に対して第２集合通路部２１の中心線Ａがエンジン本体２側にオフセットするように、第２集合通路部２１に接続されている。
【００２３】
以上の構成の排気系構造によれば、エンジン１の気筒＃１〜＃４からの排気ガスは、以下のようにして排出される。すなわち、第１マニホルド部４側では、気筒＃２から排出された排気ガスは、第１直下通路部１０ａに流入した後、集合部１０ｃに、この小判形状の断面の長径Ｌに対して所定の角度をもって流入し、集合部１０ｃの曲率の小さい壁面部分に回り込まずに、曲率の大きい壁面部分に直接当たりやすくなる。それにより、排気ガスの指向性が弱められ、集合部１０ｃに流入する際のスワールが十分に抑制される。そして、排気ガスは、第２集合通路部２１よりも長い第１集合通路部１１を通過することによって、十分拡散された状態で第１触媒装置７に導かれる。以上により、排気ガスを第１触媒装置７の三元触媒に均一に当てることができる。また、上述したように、第１直下通路部１０ｂは、集合部１０ｃにおいて、集合部１０ｃの長径Ｌに対して第１直下通路部１０ａと対称に配置されているため、気筒＃３から排出された排気ガスについても同様に、集合部１０ｃに流入する際のスワールを十分に抑制するとともに、第１集合通路部１１により十分に拡散した状態で、三元触媒に均一に当てることができる。
【００２４】
また、第２マニホルド部５側では、気筒＃１および＃４から排出された排気ガスは、対応する第２直下通路部２０ａ、２０ｂに流入した後、集合部２０ｃを経て、第２集合通路部２１のエンジン本体２から遠い周壁部分側に集中して流れる。前述したように、第２集合通路部２１が第２触媒装置８よりもエンジン本体２側にオフセットされているので、第２集合通路部２１から第２触媒装置８の三元触媒４１への排気ガスの流入位置をエンジン本体２側にずらし、排気ガスを三元触媒４１の中央部に導くことができる。以上により、排気ガスを三元触媒４１に均一に当てることができる。
【００２５】
以上の結果、第１および第２触媒装置７、８のそれぞれの三元触媒４１、４１に排気ガスを均一に当てることができるので、各三元触媒４１の排気ガス浄化能力を十分に活用し、触媒浄化率の向上により、排気ガス特性を向上させることができるとともに、各三元触媒４１の耐久性を高めることができる。
【００２６】
また、排気ガスセンサ６、６が、集合部１０ｃ、２０ｃに、第１および第２の触媒装置７、８の中心線Ｃ１、Ｃ２上、すなわち排気ガスの流れの中心にそれぞれ位置するように配置されているので、排気ガスの代表的な状態を排気ガスセンサ６、６によって検出できる。したがって、気筒＃１〜＃４の排気ガスの状態を精度良く検出することができるので、例えば、各排気ガスセンサ６の出力に応じてエンジン１の空燃比制御を行うことによって、排気ガス特性をさらに向上させることができる。
【００２７】
なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、本実施形態では、集合部１０ｃの断面を小判形状に形成しているが、これを楕円状に形成してもよい。また、第１および第２のマニホルド部４、５の双方に設けた排気ガスセンサ６を、これらのいずれか一方に設けてもよい。さらに、実施形態は、本発明を直列４気筒の内燃機関に適用した例であるが、本発明は、他の適当なタイプのものにも適用することが可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明の内燃機関の排気系構造によれば、排気ガスを触媒装置内の触媒に均一な状態で当てることができ、それにより、触媒の触媒浄化率および耐久性を向上させることができるなどの効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排気系構造を適用した内燃機関の部分概略斜視図である。
【図２】マニホルドならびに第１および第２触媒装置の平面図である。
【図３】マニホルドならびに第１および第２触媒装置の正面図である。
【図４】マニホルドならびに第１および第２触媒装置の側面図である。
【図５】マニホルドならびに第１および第２触媒装置の部分側面図である。
【図６】第１マニホルド部および第１触媒装置の部分斜視図である。
【図７】第２マニホルド部および第２触媒装置の部分正面図である。
【符号の説明】
１  内燃機関
２  エンジン本体（機関本体）
＃２、＃３  一対の気筒（第１の気筒組）
＃１、＃４  一対の気筒（第２の気筒組）
６  排気ガスセンサ
７  第１触媒装置
８  第２触媒装置
１０ａ、１０ｂ  第１直下通路部
１０ｃ  集合部
１１  第１集合通路部
２０ａ、２０ｂ  第２直下通路部
２０ｃ  集合部
２１  第２集合通路部
Ｘ  第１集合通路部の長さ
Ｙ  第２集合通路部の長さ
Ａ  第２集合通路部の中心線
Ｃ２  第２触媒装置の中心線
Ｄ  第１直下通路部の下流部の中心線
Ｅ  第１直下通路部の下流部の中心線
Ｌ  集合部の断面の長径
Ｃ１  第１触媒装置の中心線
【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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