JPH0614021Y2 - 内燃機関の排気系構造 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本考案は内燃機関の排気系構造に係り、特に単一のモノ
リス触媒を有する内燃機関の排気系構造に関する。

［従来の技術］ 従来、内燃機関の排気系に介設される触媒コンバータと
しては様々なものが知られており、殊にモノリス触媒は
小型且つ安価であるという特長を有している。このモノ
リス触媒を利用した排気系構造は第１２図に示すよう
に、各排気ポート１に連結された排気マニホールド２の
各分岐管３を直接モノリス触媒４の排ガス導入側４ａに
接合して構成されている。そして本構造では各分岐管３
から導かれる排ガスを触媒４内で干渉させ、この排気干
渉を利用して触媒４内全体で効率良く変換を行なわせる
ようにしている。

［考案が解決しようとする問題点］ ところで従来の構造では、排気干渉により触媒４全体を
均一に利用して変換を達成できる反面、出力アップの障
害になるという問題があった。

そこで排気干渉を防止するために、各気筒の排気ポート
夫々に対応させて個別に触媒を設備することが考えられ
るが、個数が多くなりコストアップや設置スペースの拡
大等を招くという問題がある。

ここに第１３図に示すように、単一のモノリス触媒４
に、排ガスの流れ方向に沿って仕切板５を設けてその排
ガス導入側４ａと排ガス導出側４ｂとを複数に分割し、
干渉の起き難い気筒の分岐管３を組として夫々を分割さ
れた排ガス導入側４ａに接合し、排気干渉を防止しつつ
単一のモノリス触媒４により小型且つ安価に排気系を構
成することが考えられる。

しかしながら、第１４図及び第１５図に示すようにモノ
リス触媒４は導入側４ａが円形、楕円形等様々な外形輪
郭６で形成されており、他方排気マニホールド２の分岐
管３も個別であれ、途中で集合される場合であれ、排気
ポートに対応させた円形、方形等の通路断面形状で構成
されているため、これら分岐管３の接合開口部３ａと、
仕切板５及び外形輪郭６で区画された各分岐管３に対応
する分割された導入側４ａとは形状が一致しない。この
ため触媒４内では排ガスの流れに偏りを生じ、流量の多
い部分Ａは流速が速いことから変換が充分に行なわれな
いと共に早期に劣化する反面、流量の少ない部分Ｂの触
媒はほとんど変換に利用されないという問題があり、そ
の解決が望まれている。

即ち、触媒４の内部における流れの不均一の問題は触媒
４の利用効率を低下させる。そしてより多くの接触容量
を確保するためには触媒４の長さを長くする等、小型化
やコストの低減を妨げる不利を生じることとなる。ま
た、触媒４の一部分のみに多量の排ガスが集中すると、
その部分の劣化を早めると共に触媒担体に不利な温度分
布を生じさせ、過度な熱応力の発生による担体の亀裂破
損等を生じさせる原因ともなり、問題であった。

尚、「排気浄化用ハニカム式触媒装置」（実開昭58-163
12号公報）は触媒内を分割するものではなく、上記問題
点を解決することはできないと考えられる。

また、その他の関連技術としては、「触媒コンバータ付
排気通路構造」（特開昭54-47923号公報）が提案されて
いる。

そこで本考案は、上記事情に鑑み、安価且つ小型な構造
であって排ガスの流れ分布の均一化を達成して充分な変
換能力を発揮させつつ出力の向上が得られる内燃機関の
排気系構造を提供すべく創案されたものである。

［課題を解決するための手段］ 本考案は、モノリス触媒に排ガスの流れ方向に沿って仕
切板を設け、仕切板によって分割された排ガス導入側
に、排気マニホールドの接合開口部をその断面が排ガス
導入側の外形輪郭と仕切板とに沿った最大の開口断面形
状に形成して接合すると共に、排気マニホールドの排気
通路上流側を断面積一定で断面形状が排気ポートの形状
から開口断面形状の相似形状に次第に変化する区間と
し、その下流側を相似形状の断面積から上記開口断面形
状の断面積に次第に変化する区間としたものである。

［作用］ 上記構成によって、排気ポートからの排ガスは、排気マ
ニホールドの上流側区間において開口断面形状の相似形
状に整流され、下流側区間での流れが安定し均一な排ガ
ス流量分布が確保される。

［実施例］ 以下に本考案の好適一実施例を添付図面に従って説明す
る。

本実施例にあっては、４気筒の場合が示されている。

第１図に示すように、排気マニホールド２を構成する分
岐管３の一端は夫々各排気ポート１に連結されると共
に、他端を成す接合開口部３ａにはモノリス触媒４が接
合される。このモノリス触媒４には、排ガスの流れ方向
に沿って仕切板５が設けられ、その排ガス導入側４ａと
排ガス導出側４ｂとは夫々複数に分割されている。図示
例にあってはモノリス触媒４は円筒体状に形成され、排
ガスはその軸方向に沿って流れるように構成される。ま
た仕切板５は一枚設けられ、モノリス触媒４を軸方向に
沿って区画して内部を２つの半円筒状部分に分割し、排
ガス導入側４ａ、排ガス導出側４ｂを半円形状と成して
いる。更に、４つの分岐管３は集合されず夫々各別独立
に触媒４に連結される。

上述したように複数に分割された触媒４の導入側４ａに
は、排気マニホールド２の分岐管３の接合開口部３ａ
が、その断面が分割された半円弧状の導入側４ａの外形
輪郭６と仕切板５とに沿った半円形状の最大の開口断面
積形状に形成されて、接合される。本実施例にあって
は、４気筒分の４つの分岐管３に対し触媒４の導入側４
ａが２分割であるため、互いに排気干渉を生じ難い２つ
の分岐管３の接合開口部３ａが一組とされて分割された
各導入側４ａに接合されるように構成され、従って各分
岐管３の開口部３ａは夫々四半円形状で形成される。そ
して、分割された各導入側４ａに夫々２つずつ接合開口
部３ａを接合することにより、これら開口部３ａは導入
側４ａの外形輪郭６と仕切板５とに沿って触媒４の導入
側４ａ全体を覆うようになっている。

即ち、分岐管３の接合開口部３ａの形状を夫々分割され
た導入側４ａの形状に一致させることにより、排ガスを
導入側４ａに均一に流入させて触媒４内全体に一様に流
すようにしたものである。

更に、このような接合開口部形状を有する分岐管３自体
の通路断面形状は第１６図に示すように、モノリス触媒
４に接合される接合開口部３ａから距離Ｌまでの間にお
いて、モノリス触媒４の排ガス導入側４ａの形状と相似
形状となるように変形されている。

ここに、距離Ｌとは外形輪郭６と仕切板５とによって区
画されたモノリス触媒４の排ガス導入側４ａの形状Ｍに
外接する外接円Ｓの直径Ｄよりも長い距離（Ｌ＞Ｄ）を
意味する。分岐管３自体、現実には様々な長さのものが
使用されるが、一般的には分岐管長を２Ｌ（Ｌ＞Ｄ）と
すれば分岐管３の通路断面形状は第２図に示すように、
排ガス導入端３ｂが排気ポート１の形状に合同な形状で
形成されると共に、この分岐管長の略１／２の長さ部分
（中間位置）Ｍでは、モノリス触媒４の導入側４ａの形
状と相似形状となし、触媒４の導入側４ａで均一な排ガ
ス流量分布が得られるようになっている。

更に詳しくは、中間位置Ｍにおける分岐管３の断面形状
は、導入側４ａと相似形状で断面積は排気ポート１の断
面積に一致するように与えられる。そして中間位置Ｍか
ら触媒４側の分岐管部分は、順次断面積が拡大され、導
入側４ａの接合開口部３ａは、導入側４ａの外形輪郭６
と仕切板５とに沿った最大の開口断面形状、即ち一致し
た形状となるように設定され、流れの均一化が図られて
いる。即ち、断面積を拡大する前に中間位置Ｍで排気ポ
ート形状から導入側形状に分岐管３の通路形状を変更さ
せることにより整流効果を得ることができ、その下流側
の断面積拡大部分での流れの安定性を確保することがで
きる。

第５図及び第６図には触媒４の導入側４ａにおける流量
分布の測定結果が示されている。これは1.2〜1.8相
当の４サイクルガソリン機関における試験結果であり、
分岐管３の全長を２Ｌとし、断面積を拡大させはじめる
位置を長さＬの中間位置Ｍとした場合に、該中間位置Ｍ
が排気ポート１に一致する形状とした場合（第５図）
と、断面積が排気ポート１と同一で形状を導入側４ａの
形状に相似させた場合（第６図）とについて示されてい
る（夫々通路断面積はπＲ^２／４）。この場合管内流れ
は夫々第３図又は第４図に示すように、前者は断面円形
の流管Ｆ_１で拡がってゆくと推定され、他方後者は断面
略四半円の流管Ｆ_２で拡がってゆくと推定され、その結
果は第５図及び第６図に示すように、後者が略均等に導
入側４ａへ流入するのに対し、前者は中央部と周辺部と
で流れに偏りが生じていることが実証された。

尚、第１図に示すように、触媒４の分割された排ガス導
出側４ｂには夫々別個独立に排気管７が接続されてお
り、排気通路断面積の拡大が図られている。

以上のように構成した本考案では、触媒４への排ガス流
れ分布の均一化を図ることができる。その結果、出力向
上を確保しつつ触媒全体を有効利用でき、利用効率を高
めて触媒コンバータの小型化、担持量の少ない触媒の使
用によるコストダウンを達成できる。また、部分的な早
期の触媒劣化を防止して長期間の使用を確保できる。ま
た温度分布が均一化して担体における発生熱応力の低減
でき、破損を防止できる。更に、モノリス触媒の担体の
セルピッチ大きく、即ち、排圧の小さい触媒の使用を可
能として排圧ロスを減少でき、出力を向上させ得る。

第７図〜第１１図には夫々変形実施例が示されている。

第７図に示すものは２気筒で円筒状の触媒４を２分割し
た場合であり、開口部３ａは半円形状で形成されてい
る。

第８図は３気筒で触媒４を３分割した場合であり、開口
部３ａは三分割の扇形状で形成されている。また排気管
７は各分割された導出側４ｂに３系統設けられている。

第９図は４気筒で導入側４ａの上流側で分岐管３を２本
ずつ集合したものであり、集合部２ａは半円形状で開口
部３ａも半円形状となっている。

第１０図又は第１１図はそれぞれ６気筒で触媒４を２分
割した場合であり、前者は導入側４ａの上流側で３つの
分岐管３を集合した場合、後者は各分岐管３を直接別個
に連結した場合であり、夫々開口部３ａは半円形状、六
分割の扇形状に形成されている。

［考案の効果］ 以上要するに本考案によれば、次のような優れた結果を
発揮する。

モノリス触媒に排ガスの流れ方向に沿って仕切板を設
け、分割された排ガス導入側に排気マニホールドの接合
開口部を最大の開口断面形状に形成して接合すると共
に、排気通路上流側を開口断面形状の相似形状に変化さ
せる区間とし、下流側を開口断面形状の断面積に変化さ
せる区間としたので、排ガスの流れを整流させることで
触媒内の流量分布を確実に均一化でき、触媒全体で効率
よく変換できて出力向上を確保しつつ触媒の小型化、コ
ストダウンを達成でき、担体における発生熱応力を抑制
して構造の健全性を確保できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の好適一実施例を示す斜視図、第２図は
本考案に採用される排気マニホールドの分岐管の通路断
面形状を示す斜視図、第３図は好ましくない排ガス流れ
状態を示す説明図、第４図は好ましい排ガス流れ状態を
示す説明図、第５図は中間位置の通路断面形状を排気ポ
ート形状とした場合の排ガスの流れ分布の実験結果を示
す図、第６図は中間位置の通路断面形状を分割された導
入側形状とした場合の排ガス流れ分布の実験結果を示す
図、第７図〜第１１図は変形実施例を示す斜視図、第１
２図は従来例を示す斜視図、第１３図は検討された構造
を示す斜視図、第１４図及び第１５図は検討された構造
における排ガスの流れ状態を示す斜視図、第１６図は本
考案に採用される排気マニホールドの分岐管の通路断面
の一般的形状を示す概略斜視図である。 図中、１は排気マニホールド、３ａは接合開口部、４は
モノリス触媒、４ａは排ガス導入側、５は仕切板、６は
外形輪郭である。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】モノリス触媒に排ガスの流れ方向に沿って
   仕切板を設け、該仕切板によって分割された排ガス導入
   側に、排気マニホールドの接合開口部をその断面が該排
   ガス導入側の外形輪郭と上記仕切板とに沿った最大の開
   口断面形状に形成して接合すると共に、上記排気マニホ
   ールドの排気通路上流側を断面積一定で断面形状が排気
   ポートの形状から上記開口断面形状の相似形状に次第に
   変化する区間とし、その下流側を上記相似形状の断面積
   から上記開口断面形状の断面積に次第に変化する区間と
   したことを特徴とする内燃機関の排気系構造。