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JP2020012418A - 自動二輪車の排気装置、エンジン排気系統及び自動二輪車 - Google Patents

自動二輪車の排気装置、エンジン排気系統及び自動二輪車 Download PDF

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Abstract

【課題】排熱を活用して排気浄化性能を向上させた自動二輪車の排気装置、エンジン排気系統及び自動二輪車を提供する。【解決手段】自動二輪車の排気装置50は、エンジン23のシリンダヘッド32の排気ポートに接続される上流側排気管53,54と、上流側排気管53,54の端部に接続される流入ヘッドチャンバ57と、流入ヘッドチャンバ57に流入口が開口し内部に触媒体が収納された浄化チャンバ56と、浄化チャンバ56の流出側に接続される下流側排気管55と、を備え、流入ヘッドチャンバ57及び浄化チャンバ56を有する触媒ケース52が、シリンダヘッド32の前方かつ下方であって、クランクケース34の下端よりも上方に配設された。【選択図】 図5

Description

本発明の実施形態は、自動二輪車の排気技術に関する。
エンジンのシリンダヘッドから排出される排気ガスは、シリンダヘッドに接続されるエンジン排気系統(エキゾーストシステム)によって、クリーンな空気にされてから車両後方に排出される。
エンジン排気系統は、従来の多くのタイプでは、シリンダヘッドからエンジン底部に沿って後方に延びる排気装置に、後輪付近で大気開放される消音器が接続されて構成される。排気ガスは、エンジン底部付近又はエンジンの後方部の排気装置に収納される触媒体を通過する間に大気中に排出可能なクリーンな空気に浄化される。
エンジンが多気筒エンジンの場合、各気筒に接続された排気管の一部又は全部がエンジン底部付近に配置された集合管で合流されるタイプのエンジン排気系統が使用されることが一般的である。この場合、触媒体は、集合管又はこの集合管よりも下流側に配置される。
特開2008−082191号公報
しかしながら、上述した従来の技術では、排気装置の排気浄化性能の向上に排熱を十分に活用できていないという課題があった。
高温なシリンダヘッドから排出される高温な排気ガスが、触媒体に到達するまでに降温してしまうからである。
また、多気筒エンジンの場合、集合管又はこの集合管の後方に触媒体を配置するため、触媒体に至るまでの排気径路はより長くなる傾向にある。
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、排熱を活用して排気浄化性能を向上させた自動二輪車の排気装置、エンジン排気系統及び自動二輪車を提供することを目的とする。
本実施形態に係る自動二輪車の排気装置は、エンジンのシリンダヘッドの排気ポートに接続される上流側排気管と、前記上流側排気管の端部に接続される流入ヘッドチャンバと、前記流入ヘッドチャンバに流入口が開口し内部に触媒体が収納された浄化チャンバと、前記浄化チャンバの流出側に接続される下流側排気管と、を備え、前記流入ヘッドチャンバ及び前記浄化チャンバを有する触媒ケースが、前記シリンダヘッドの前方かつ下方であって、クランクケースの下端よりも上方に配設されるものである。
本発明により、排熱を活用して排気浄化性能を向上させた自動二輪車の排気装置、エンジン排気系統及び自動二輪車が提供される。
実施形態に係るエンジン排気系統を適用可能な自動二輪車の概略右側面図。 自動二輪車のエンジン周辺の部分拡大図。 実施形態に係る排気装置を車両に取り付けられた状態で車両正面視したときの周辺機器との配置関係を表す概略図。 実施形態に係る排気装置を車両に取り付けて車両正面上方からみた排気装置の正面斜視図。 図4の排気装置を反対側の車両側からみた背面図。 実施形態に係る排気装置の触媒ケースを図5のVI−VI線に沿って切断した断面図。 実施形態に係る排気装置を下流側排気管側からみた斜視図。
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
以下の実施形態では、本発明に係る自動二輪車の排気装置を2気筒の自動二輪車に適用した例で説明するが、車種はこれに限定されない。例えば、この排気装置は、4気筒等の多気筒エンジン又は単気筒であっても適用可能である。さらに、この排気装置は、自動二輪車に加え、三輪車両、四輪車両又は雪上車などの車両にも適用可能である。
なお、以下の実施形態において、上下、左右、前後の表現は、車両乗車時の運転者(ライダー)を基準にしたものである。また、各図において、適宜、車両前方を矢印FW、車両後方を矢印BW、車両左向きを矢印L、車両右向きを矢印R、車両上向きを矢印U、でそれぞれ示す。なお、各図では、簡単のため、一部の構成を適宜省略する。
まず、図1及び図2を用いて、実施形態に係るエンジン排気系統40を備える自動二輪車10について概説する。図1は、実施形態に係るエンジン排気系統40を適用可能な自動二輪車10の概略右側面図である。
実施形態に係るエンジン排気系統40が適用可能な自動二輪車10は、図1に示されるように、ヘッドパイプ11を前端に有して車両前後方向に延びる車体フレーム14を備える。
ヘッドパイプ11には、ステアリングブラケット15を介して、前輪16を回転自在に軸支するフロントフォーク17及びこの前輪16を操舵するハンドルバー18が取り付けられる。
車体フレーム14は、ヘッドパイプ11から上下に分岐されて車両側面視で1つの環状フレームを成す前部フレーム19と、前部フレーム19の後端部から車両後方に向かって後上方に延びる後部フレーム21と、を備える。
前部フレーム19で囲まれたフレーム内空間には、後輪22を駆動するエンジン23が搭載される。エンジン23の下部は、前部フレーム19を構成するダウンフレーム24に固定される。ダウンフレーム24は、ヘッドパイプ11からエンジン23に沿って後下方に延びた後にエンジン23の前側下端部で屈曲して後方に延びる。
前部フレーム19の後端の湾曲部にはピボット軸25が設けられ、このピボット軸25に、スイングアーム26が上下方向に回転自在に軸支される。スイングアーム26に軸支された後輪22は、後部フレーム21に支持されるサスペンション機構27によって衝撃荷重が緩衝される。
また、エンジン23の上方には、燃料タンク28が前部フレーム19に支持される。燃料タンク28の後方には、例えばタンデムタイプの座席シート29が後部フレーム21に支持されて設けられる。
エンジン23は、多気筒、例えば左側気筒30aと右側気筒30bとを有する4サイクル2気筒エンジンである。
また、図2は、図1の自動二輪車10のエンジン23周辺の部分拡大図である。
エンジン23の左右の気筒30a,30bは、図2に示されるように、シリンダブロック31、シリンダヘッド32、及びヘッドカバー33を有するシリンダアッセンブリ30で一体的に構成される。
シリンダブロック31(31a,31b)は、エンジン23を構成するクランクケース34の上面の前寄りに立設される。
クランクケース34の前端面には、オイルフィルタ35が前方に突出するように設けられる。また、ヘッドカバー33の前方では、ラジエタ36がダウンフレーム24に固定される。
シリンダヘッド32には、車両後方へ延設されるエンジン排気系統40が接続される。このエンジン排気系統40は、シリンダヘッド32の前部に設けられた排気ポートに接続される排気装置50と、排気装置50の排出口が接続される消音器51と、で主に構成される。
排気装置50は、図2に示されるように、上流側から順に、2本の上流側排気管53,54、触媒ケース52、及び下流側排気管55が接続されて構成される。
触媒ケース52は、気筒30a,30bと前輪16とに挟まれる位置に配置されると同時に、上下位置関係では、シリンダヘッド32の下方であって、クランクケース34の下端よりも上方に配設される。
また、図3は、実施形態に係る排気装置50を車両に取り付けられた状態で車両正面視したときの周辺機器との配置関係を表す概略図である。
触媒ケース52は、図3に示されるように、車両正面視でラジエタ36とオイルフィルタ35とに挟まれる位置に配設される。また、実施形態では、触媒ケース52は、図3に示されるように、左側気筒30a側に偏って配置される。
次に、図2及び図3に加えて、図4〜図7を用いて、このような配置を実現するための排気装置50の構造について詳述する。
図4は、排気装置50を車両に取り付けて車両正面上方からみた排気装置50の正面斜視図である。
図5は、図4の排気装置50を車両後方側からみた背面図である。
触媒ケース52は、図4に示されるように、車両正面視で概ね長方形状をしており、その長手方向が車幅方向になるように横置きにされて配設される。
触媒ケース52の内部には、2本の上流側排気管53,54が接続される流入ヘッドチャンバ57と、流入ヘッドチャンバ57に流入口が開口して流入ヘッドチャンバ57に空間的に連通された浄化チャンバ56と、が形成される。
排気ガス69は、触媒ケース52内を、流入ヘッドチャンバ57から浄化チャンバ56に向けて流れる。このとき、触媒ケース52内の排気ガス流が車幅方向を流れるように、流入ヘッドチャンバ57と浄化チャンバ56とは車幅方向に沿って並置して配置される。
浄化チャンバ56には、図5に示されるように、長辺が車幅方向に沿うように配置された触媒体67が収納される。流入ヘッドチャンバ57に流入した排気ガス69a,69bは、拡散して、流入ヘッドチャンバ57の大きさまで広がり、均一的に広がった状態で触媒体67内に流入する。
また、触媒ケース52は、長方形の対向する1組の辺が半円状の孤を成すように外側に膨出したいわゆるレーストラック形状、又は楕円形等の長円形状の断面を有する。そして、この長円形状をした断面の長軸方向が鉛直方向で、短軸方向が車両前後方向を向くように配置される。つまり、触媒ケース52は、車両前後方向の厚みを小さくするように、扁平ボックス形状に成形されている。
2本の上流側排気管53,54のうち、左側気筒30aに接続される第1上流側排気管53(以下、左側上流管53という)は、主に鉛直方向に沿って配設される。一方、右側気筒30bに接続される第2上流側排気管54(以下、右側上流管54という)は、主に水平方向に沿って配設される。
左側上流管53は、左側気筒30aの排気ポートに接続された後に、屈曲して触媒ケース52の左端辺に接触しながら下方に垂下した後、車両正面視で時計回り(右回り)に屈曲して上方に延びて、流入ヘッドチャンバ57の下方側に接続される。
一方、右側上流管54は、右側気筒30bの排気ポートに接続された後に、車両上面視で反時計回り(左回り)に屈曲して触媒ケース52の上端面に沿って左方へ延びた後、屈曲して流入ヘッドチャンバ57の上方側に接続される。いずれの上流側排気管53,54の管長も、エンジン23の性能的に要求される管長や、触媒体67の暖機性能又は耐久温度等に合わせて形状調整がなされる。例えば、左側上流管53は、U字に屈曲しないで触媒ケース52へ接続されることもある。
また、図6は、実施形態に係る排気装置50の触媒ケース52を図5のVI−VI線に沿って切断した断面図である。図6において、触媒体67の一部は図示を省略している。
触媒体67は、例えばハニカム構造の多数の触媒孔を有し、触媒ケース52と同様に排気流方向に直交する断面の断面形状がレーストラック形状に成形されている。触媒体67は、浄化チャンバ56全域に詰められるように収納される。
このような触媒体67の上流側で、上流側排気管53,54は、図6に示されるように、浄化チャンバ56内の排気流方向に対して直交する方向から流入ヘッドチャンバ57に接続される。このような配置により、上流側排気管53,54から流入ヘッドチャンバ57に流入した排気ガス69a,69bは、直接触媒体67内に流入せずに、一旦流入ヘッドチャンバ57内で均一に広がった後に触媒体67に流入する。
また、左側上流管53は、左側上流管53の配管中心軸Cが右側上流管54の配管中心軸Cに対して偏位した状態で右側上流管54に対向して配設される。
また、上流側排気管53,54同士を対向させる一方で、それぞれの配管中心軸Cが一致しないように、この軸同士を一定距離だけ離隔させるように、又は角度を有して交差させるように配置される。
つまり、流入ヘッドチャンバ57のレーストラック形状を断面では、この断面の中心点から、上流側排気管53,54の配管中心軸Cがオフセットするように配置される。
このような配置構造によって、流入ヘッドチャンバ57内には69a,69bによる渦流71が発生して、撹拌が促進される。
このような流入ヘッドチャンバ57には、排気ガスセンサの一例であるOセンサ58が挿入される。Oセンサ58のセンシングポイントは、左側上流管53の開口部と右側上流管54の開口部との中間領域に設定される。
中間領域とは、右側上流管54からの排気ガス69aと左側上流管53からの排気ガス69bが略均一に混じり合う位置である。例えば、流入ヘッドチャンバ57がレーストラック形状の断面を有する場合、中心部及びこの中心部から短軸を半径とする円内程度の範囲である。
センサ58は、図4に示されるように、流入ヘッドチャンバ57に設けられた挿入孔68から車幅方向に沿って挿入される。挿入孔68は、Oセンサ58が挿入された状態で図示しないシーリング材で密閉される。Oセンサ58によって、エンジン23から排出される排気ガス69の状態が監視される。
また、図7は、排気装置50を下流側排気管55側からみた斜視図である。
排気装置50は、図7に示されるように、下流側排気管55に触媒劣化センサ66が設けられていてもよい。触媒劣化センサ66は、例えば、Oセンサ58と同様に、触媒体67から流出する排気ガス69の酸素濃度を監視する。
触媒体67が劣化している場合には、有害ガスが触媒体67に十分に吸着されず、触媒体67の上流側と下流側とで酸素濃度の変化が小さくなる。よって、上流側及び下流側の酸素濃度等の排気ガス成分を監視することで触媒体67の劣化を検出することができる。なお、触媒劣化センサ66は、下流側排気管55上であれば、図7に示すような下流側排気管55の膨出部59に限らず、その下流側の直管部63に設けられてもよい。
次に、上記で説明してきた排気装置50によって実現可能なエンジン排気系統40について、引き続き図2及び図7を用いて説明する。
下流側排気管55は、図7に示されるように、膨出部59が、触媒ケース52の車幅方向右側の端部に接続される。膨出部59は、車幅方向に膨出して、徐々に口径を絞りながら触媒ケース52の下部に回り込んだ後、触媒ケース52の下部において後方に向かって屈曲する。そして、膨出部59に連続する直管部63が、車体中心軸に沿って後方に向かって延びて、後端で消音器51に接続される。
ところで、実施形態に係る排気装置50では、上流側排気管53,54は直管部63より上流側の触媒ケース52で合流し、触媒ケース52内で浄化もなされている。よって、図2に示されるように、直管部63を従来に比較して短小化することができる。直管部63を短小化することで、消音器51を、例えばダウンフレーム24の車幅方向内側でエンジン23の底部に沿って配置することができる。
以上の構成によって、実施形態に係るエンジン排気系統40は、以下の(1)〜(11)の効果を発揮する。
(1)触媒ケース52内の排気ガス69の流方向を車幅方向に略一致させて触媒ケース52を横置きで配設した。
これにより触媒体67の長さ方向が車幅方向となるため、触媒の長さの確保、そして排気浄化性能の向上が容易となる。または触媒ケース52の上下方向の占有領域が小さく抑えられるため、排気ポートに触媒ケース52を近づけて配置することができる。
よって、触媒体67に至るまでの排気径路を短くして、高温な排気ガス69を触媒体67に流入させることで、触媒体67を早期に暖機することができる。つまり、エンジン排気系統40の排熱を活用して触媒体67の排気浄化性能を向上させることができる。
(2)また、このようにエンジン排気系統40の排熱を活用して触媒体67の排気浄化性能を向上させることで、触媒体67の容量を削減することができる。
従来の触媒体67の大きさのままでは、オイルフィルタ35、前輪16、及びラジエタ36などの既存の機器とのクリアランスの確保が困難なため、触媒体67をこの位置に配置するのは困難であった。しかし、触媒体67をよりコンパクトにすることができるため、周辺機器との間にこれらの周辺機器のメンテナンスが可能な十分なクリアランスを確保して、排気ポートの直ぐ下流側に配置することができる。
(3)触媒ケース52が配置される排気ポート付近は、クランクケース34の底部よりも高い。
よって、車両の最低地上高さを高くすることができる。従って、触媒ケース52に路上の障害物や飛来物が衝突することを回避することができる。また、冠水路走行や水はねによる触媒体67の温度の低下も低減することができ、触媒体67の触媒機能の低下を防止することができる。なお、触媒ケース52の上下方向の占有領域を小さく抑えたことからも、同様の効果が得られる。
(4)左側上流管53を鉛直方向に垂下させてから屈曲させて流入ヘッドチャンバ57の下方側に接続させた。
よって、右側上流管54との長さ関係に合わせた長さ調節が容易になり、最適な長さで触媒ケース52に接続することができる。長さ調整が容易になったことで、最適な長さ関係を維持して触媒ケース52を横置きに配置することができる。よって、エンジン23の出力特性を容易に向上させることができる。
また、左側上流管53を流入ヘッドチャンバ57に下方側から接続することで、車幅方向から接続した場合と比較して、触媒ケース52を横置きする場合であっても排気装置50をコンパクトに維持することができる。
(5)右側上流管54を触媒ケース52の上流側端辺に沿わせることで、触媒ケース52の前後方向の厚さ、上下方向の長さを小さくすることができる。
よって、触媒ケース52を一層上方に配置できるため、触媒ケース52容積の確保がしやすくなる。さらに、触媒ケース52下方の空間が広がり、車両の最低地上高の確保、路上の障害物との衝突回避ができるとともに、冠水路や水はねによる触媒温度低下等を防ぐことができる。また、この位置では、Oセンサ58も冠水時の急冷による機能低下や飛来物等との接触のリスクが少ない。
(6)触媒ケース52を長円形状の断面を有する前後方向に扁平なボックス形状にしたことで、前輪16とのクリアランスを維持しながら、排気ガス69の浄化に十分な容量を確保することができる。つまり、触媒ケース52は、車両上下方向に広がることで、前後方向に扁平であっても、内部の触媒体67の体積を確保することができる。
(7)Oセンサ58を触媒ケース52に設けることで、1つのOセンサ58で、排気ガス69の状態を監視することができる。
(8)上流側排気管53,54の流入ヘッドチャンバ57への接続態様により、触媒ケース52内の上流部空間(流入ヘッドチャンバ57)で渦流71が発生し、流入ヘッドチャンバ57内で排気ガス69a,69bが撹拌されて混ざり合い易くなる。
これにより流入ヘッドチャンバ57内の排気ガス69a,69bの成分が均一になるため、Oセンサ58等による排気ガス成分の検出精度が向上する。
特に、2つの上流側排気管53,54の配管中心軸Cを偏位させることで、流入ヘッドチャンバ57内に渦流71を発生させることで、各上流側排気管53,54からの排気ガス69a,69bを効果的に均一にすることができる。
(9)さらに流入ヘッドチャンバ57内で排気ガス69が撹拌されることで、成分が均等化された排気ガス69が触媒体67の中心側から外周側まで行き渡り易くなるため、触媒通過時の浄化作用が効率よく行われる。
(10)従来触媒を配置していたエンジン23下の空間に消音器51を配置することができる。よって、2名搭乗時や停車中の歩行者に対する火傷等の熱害が低減される。
また、この位置では、ダウンフレーム24よりも車両中心側に消音器51を配置することができるので、転倒時の消音器51の損傷を防止することができる。さらに、車体後部側面にも消音器51を配置することで、静粛性を向上させることもできる。
(11)上流側排気管53,54の少なくとも一部と触媒ケース52とを一体的にプレス成形することで、部品点数・溶接箇所の削減による生産性の向上を図ることができる。
以上のように、実施形態に係る排気装置50によれば、排熱を活用して排気浄化性能を向上させることができる。
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
例えば、実施形態では2つの気筒のそれぞれに1本ずつ、合計で2本の上流側排出管を接続する一例で説明したが、上流側排出管は1本又は3本以上であってもよい。
さらに、
10…自動二輪車、11…ヘッドパイプ、14…車体フレーム、15…ステアリングブラケット、16…前輪、17…フロントフォーク、18…ハンドルバー、19…前部フレーム、21…後部フレーム、22…後輪、23…エンジン、24…ダウンフレーム、25…ピボット軸、26…スイングアーム、27…サスペンション機構、28…燃料タンク、29…座席シート、30…シリンダアッセンブリ(気筒)、30a…左側気筒、30b…右側気筒、31…シリンダブロック、32…シリンダヘッド、33…ヘッドカバー、34…クランクケース、35…オイルフィルタ、36…ラジエタ、40…エンジン排気系統、50…排気装置、51…消音器、52…触媒ケース、53…第1上流側排気管(左側上流管)、54…第2上流側排気管(右側上流管)、55…下流側排気管、56…浄化チャンバ、57…流入ヘッドチャンバ、58…Oセンサ、59…膨出部、63…直管部、66…触媒劣化センサ、67…触媒体、68…挿入孔、69(69a,69b)…排気ガス、71…渦流。

Claims (12)

  1. エンジンのシリンダヘッドの排気ポートに接続される上流側排気管と、
    前記上流側排気管の端部に接続される流入ヘッドチャンバと、
    前記流入ヘッドチャンバに流入口が開口し内部に触媒体が収納された浄化チャンバと、
    前記浄化チャンバの流出側に接続される下流側排気管と、を備え、
    前記流入ヘッドチャンバ及び前記浄化チャンバを有する触媒ケースが、前記シリンダヘッドの前方かつ下方であって、クランクケースの下端よりも上方に配設された自動二輪車の排気装置。
  2. 前記浄化チャンバは、内部の排気流方向が車幅方向になるように配置される請求項1に記載の自動二輪車の排気装置。
  3. 複数の前記上流側排気管が前記流入ヘッドチャンバに接続される請求項1又は請求項2に記載の自動二輪車の排気装置。
  4. 前記エンジンは、第1シリンダヘッド及び第2シリンダヘッドを含む多気筒エンジンであり、
    前記複数の上流側排気管は、
    前記第1シリンダヘッドから下方に延びて前記流入ヘッドチャンバの下方側に接続される第1上流側排気管と、
    前記第2シリンダヘッドから車幅方向に延びて前記流入ヘッドチャンバの上方側に接続される第2上流側排気管と、を含む請求項3に記載の自動二輪車の排気装置。
  5. 前記第2上流側排気管は、車幅方向に水平に延びる請求項4に記載の自動二輪車の排気装置。
  6. 前記第1上流側排気管は前記触媒ケースの車幅方向端辺に接触しながら垂下した後に屈曲して前記流入ヘッドチャンバの前記下方側に接続される請求項4又は請求項5に記載の自動二輪車の排気装置。
  7. 前記第1上流側排気管は、前記第1上流側排気管の排気管中心軸が前記第2上流側排気管の排気管中心軸に対して偏位した状態で前記第2上流側排気管に対向して配設される請求項4から請求項6のいずれか1項に記載の自動二輪車の排気装置。
  8. 前記触媒ケースは、第1上流側排気管の開口部と第2上流側排気管の開口部との中間領域にセンシングポイントが配置される排気ガスセンサを備える請求項4から請求項7のいずれか1項に記載の自動二輪車の排気装置。
  9. 前記上流側排気管は、前記浄化チャンバの内部の排気流線方向に対して直交する方向から前記流入ヘッドチャンバに接続される請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の自動二輪車の排気装置。
  10. 前記浄化チャンバの排気流線方向に直交する断面は、長軸方向が鉛直方向及び短軸方向が車両前後方向を有する長円形状である請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の自動二輪車の排気装置。
  11. 請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の自動二輪車の排気装置と、
    前記排気装置の下流側に接続される消音器と、を備えるエンジン排気系統。
  12. 請求項11に記載のエンジン排気系統を備える自動二輪車。
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