JP6155021B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本願発明は、排気系に触媒装置を設けた内燃機関に関するものである。

多気筒内燃機関のシリンダヘッドは複数の排気ポートを有するが、一般に、排気ポートは気筒に対応した数がシリンダヘッドの側面に開口しており、シリンダヘッドの側面に、複数の排気ポートを１つの集合出口に纏める排気マニホールドがボルトで固定されている。

他方、近年の内燃機関は排気を浄化するため排気通路に触媒装置を設けているが、触媒装置は内部に触媒を設けているため、排気管とは別に製造してこれを排気管に接合せねばならない。また、触媒は高温で活性化する性質があるため、排気通路のできるだけ上流部に設けるのが好ましい。そこで、排気マニホールド部の集合出口に触媒装置を取り付けることが行われているが、シール性を確保した状態で加工誤差や振動を吸収すべく、特許文献１には、ボールジョイント装置を介して触媒装置を排気マニホールド部の集合出口に取り付けることが記載されている。

特開平１１−３３６５３６号公報

さて、触媒装置はある程度の重量があるため、これをしっかりと支えておく必要がある。しかし、特許文献１のようにシリンダヘッドの側面から張り出した排気マニホールド部の先端に重い触媒装置を取り付ける構成では、排気マニホールドも高い剛性を確保せねばならないため厚肉化せねばならず、すると重量増大を招来するおそれがある。また、排気マニホールド部には触媒装置を取り付けるためのブラケットを設けねばならないため、それだけ構造が複雑化することになる。

また、排気マニホールド部はシリンダヘッドから張り出しているため、排気マニホールド部の先端ではシリンダヘッドの振動が増幅することになり、このため、触媒装置も大きく振動するおそれがあるが、すると、たとえばボールジョイント装置を使用していてもシール性を確保できない場合が発生することも考えられる。

他方、シリンダヘッドやこれに固定された排気ブロック体に排気集合通路を一体に形成している内燃機関が提案されているが、本願発明はこのような排気集合通路一体方式の内燃機関を利用して、シール性を確保しつつ触媒装置を取り付けできるようにすること等を目的とするものである。

本願発明は、
シリンダヘッド又はこれに固定された排気ブロック体に、複数の排気ポートを１つの排気出口に纏める排気集合通路が一体に形成されており、
前記シリンダヘッド又は排気ブロック体に、前記排気出口に向けて開口すると共に内部に触媒を設けた触媒ケースが、相対姿勢を変えてもシール性を確保した状態で当接状態を保持できるガスケットと筒部とを有するボールジョイント装置を介して取り付けられているという構成であって、
前記シリンダヘッド又は排気ブロック体の排気出口に、前記シリンダヘッド又は排気ブロック体の外側に突出した露出部を有する中心筒が嵌め込まれており、前記ボールジョイント装置のガスケットが、前記中心筒の露出部に外側から嵌め込まれていると共に、前記シリンダヘッド又は排気ブロック体で支持されている一方、
前記筒部は、前記シリンダヘッド又は排気ブロック体に取り付けるためのフランジを有していて、前記筒部のうち前記フランジと連接した屈曲部のみが前記ガスケットに当接しており、前記筒部の屈曲部を挟んで前記触媒ケースの側では、前記ガスケットと筒部との間に隙間が空いている。

本願発明では、触媒ケースがシリンダヘッド又は排気ブロック体にボールジョイント装置を介して近接して取り付けられているため、触媒ケースが大きく振動することを抑制してガスケットと筒部とが当接した状態をしっかりと保持できるのであり、これにより、高いシール性を確保できる。

また、触媒ケースがシリンダヘッド又は排気ブロック体に近接しているため、ボールジョイント装置の箇所に作用するモーメントは小さく、このため触媒ケースの支持安定性に優れている。その結果、触媒ケースやこれに固定された排気管を支持するブラケットやステーを無くすことが可能になり、それだけ構造を簡単化できる。更に、ガスケットは中心筒に嵌まっているため、ガスケットの位置決めを正確に行えて、シール性を確保できる。

また、シリンダヘッド又は排気ブロック体に触媒ケースが近接していることにより、シリンダヘッド又は排気ブロック体から噴出した排気ガスが直ちに触媒に到達するため、触媒の活性を高めて浄化性能を向上できる。

特に、実施形態のように触媒ケースをシリンダヘッド又は排気ブロック体の側面と略直交した姿勢に配置すると、シリンダヘッド又は排気ブロック体の排気出口から噴出した排気ガスは触媒に向けて直進するため、触媒の活性向上に有効であり、更に、例えば触媒ケースの入口がＬ形に曲がっている場合に比べて触媒ケースはその全体が均等に熱膨張するため、熱膨張によってボールジョイント装置のシール性が悪化することも防止できる。

さて、本願発明のように排気集合通路をシリンダヘッド又は排気ブロック体に一体化すると、それらシリンダヘッド又は排気ブロック体は排気マニホールド方式に比べて温度が高くなるため、触媒ケースをシリンダヘッドや排気ブロック体に直接に固定していると、触媒ケースが高温になって熱変形が大きくなるのみならず、近くに配置したケーブル類が輻射熱を受けて悪影響を受けるおそれもある。

これに対して本願発明では、触媒ケースはボールジョイント装置を介して取り付けられており、触媒ケースがいわば断熱に近い状態でシリンダヘッド又は排気ブロック体に取り付けられているため、シリンダヘッド又は排気ブロック体の熱が触媒ケースに伝わることを著しく抑制できる。このため、触媒ケースが熱変形して耐久性が低下することや、触媒ケースの輻射熱がケーブル類に伝わるといった不具合を抑制できる。

第１実施形態の平断面図である。 第２実施形態の平断面である。

(1).第１実施形態
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に示す第１実施形態を説明する。

本実施形態は３気筒内燃機関に適用しており、このため、シリンダヘッド１には、シリングブロックにおける３つのシリンダボアに対応した３つの凹所２が形成されており、各凹所２には、２つずつの吸気口３と排気口４とが開口している。各吸気口３と排気口４にはそれぞれ枝吸気ポート５と枝排気ポート６が連通しており、一対ずつの枝吸気ポート５と枝排気ポート６とは、それぞれ１つの吸気集合ポート７及び排気集合ポート８に連通している。

各吸気集合ポート７はシリンダヘッド１の一側面１ａから開口しており、シリンダヘッド１の一側面１ａには、吸気を各吸気集合ポート７に分配供給する吸気マニホールド（図示せず）が固定される。他方、各排気集合ポート８は、シリンダヘッド１の内部に形成した枝集合通路９を介して排気出口１０に纏められている。従って、枝集合通路９と排気出口１０とで排気集合通路１１が構成されている。

シリンダヘッド１の他側面１ｂには、触媒Ｓを内蔵した筒状（或いはタンク状）の触媒ケース１２がボールジョイント装置１３を介して取り付けられている。ボールジョイント装置１３は、シリンダヘッド１の他側面１ｂに重ね配置したガスケット（ボール部）１４と、このガスケット１４に当接する筒部１５とを有している。敢えて述べるまでもないが、触媒ケース１２は排気出口１０よりも大きい外径である。ガスケット１４は、若干弾性変形（圧縮変形）する無機素材からなっている。

ガスケット１４はボールを一部切り取ってリング状にした形態である一方、シリンダヘッド１の排気出口１０には、シリンダヘッド１の他側面１ｂから突出した露出部を有する中心筒１６が圧入等で嵌め込み固定されており、この中心筒１６の露出部に、ガスケット１４が外側からきっちり嵌まっている。従って、ガスケット１４は、中心筒１６と同心の状態でずれ不能に保持されて、シリンダヘッド１の他側面１ｂで支持されている。ガスケット１４の外面１４ａは外向き凸の円弧状になっている（テーパ状でもよい。）。

他方、筒部１５は触媒ケース１２に溶接で固定されており、従って、触媒ケース１２に嵌まる拡径部１５ａを有しており、拡径部１５ａは、排気出口１０と略同じ内径のくびれ部１５ｂを介して広がっている。従って、筒部１５も触媒ケース１２の一部を構成していると云える。換言すると、ボールジョイント装置１３を構成する筒部１５が、触媒ケース１２に一体的に形成されている。

筒部１５にはボルト１７が嵌まるリング状のフランジ１５ｃが曲げ形成されており、フランジ１５ｃと連接した屈曲部（コーナー部）１５ｄがガスケット１４に当接している。フランジ１５ｃとシリンダヘッド１との間には若干の隙間が空いており、これにより、触媒ケース１２の姿勢変化が許容されている。また、フランジ１５ｃとボルト１７の頭１７ａとの間に圧縮コイルばね１８を介在させることにより、フランジ１５ｃをシリンダヘッド１に向けて弾性的に押え保持している。筒部１５の屈曲部１５ｄを挟んで触媒ケース１２の側では、ガスケット１４と筒部１５との間に隙間が空いている。

触媒ケース１２の終端１２ａには、排気管（図示せず）が溶接又はフランジ接合によって固定されている。ボルト１７は、周方向に沿って適宜間隔で複数本（例えば３〜６本）設けている。なお、ボルト１７はシリンダヘッド１に一杯にねじ込まれている。頭付きボルトを使用することに代えて、スタッドボルトをシリンダヘッド１にねじ込み固定して、これに螺合固定したダブルナットでばね１８を支持することも可能である。また、ばね１８に代えて、他の弾性体を使用することも可能である。

なお、ＥＧＲ装置を設ける場合は、ＥＧＲ通路は触媒ケース１２の適当な部位（例えば終端部）に接続したらよい。

図面から容易に理解できるように、各排気口４から排出された排気ガスは、排気集合通路１１を介して排気出口１０から触媒ケース１２に向けて噴出し、触媒Ｓで浄化されてから排気管から排出される。そして、触媒ケース１２はシリンダヘッド１に取り付けているため、それだけ構造を簡素化してコスト抑制やコンパクト化に貢献できる。また、触媒ケース１２はシリンダヘッド１に近接しているため、振動によって触媒ケース１２が大きく触れ動くことはない。このため、触媒ケース１２が多少振動してもガスケット１４と筒部１５とが全周にわたって密接した状態を保持して、シール性を確保することができる。

また、触媒ケース１２がシリンダヘッド１に取り付けれていることで触媒ケース１２の支持強度が高くなっているため、触媒ケース１２や排気管を支持するブラケットやステーなどを不要とすることも可能であり、これにより、部材点数を削減してコスト抑制に貢献できる。

本実施形態のように中心筒１６を設けると、ガスケット１４の位置決めを正確に行えることができるため、シール性の確保にとってより好適である。中心筒１６はシリンダヘッド１に一体化してもよいし、別部材とした場合はねじ込みによって取り付けてもよい。

本実施形態では触媒ケース１２はシリンダヘッド１の他側面１ｂと略直交した姿勢になっている。換言すると、触媒ケース１２の軸心が排気ガスの噴出方向に延びている。このため、排気出口１０から噴出した排気ガスは触媒Ｓに向けてダイレクトに当たる。このため、熱の放散を抑制して浄化効率を向上できる。また、触媒ケース１２は全体にわたって均等に熱収縮するため、筒部１５がその全周にわたってガスケット１４に密着した状態を保持できる。この面においてもシール性を向上できる。

(2).第２実施形態
図２に示す第２実施形態では、シリンダヘッド１の他側面１ｂに排気ブロック体２０をボルト）図示せず）で固定し、この排気ブロック体２０に触媒ケース１２がボールジョイント装置１３を介して取り付けられている。排気ブロック体２０には、排気集合ポート８と排気集合通路１１とが一体に形成されている。

この実施形態の排気ブロック体２０はシリンダヘッド１と同一視できるものであり、従って、上記した第１実施形態と同じ作用効果を発揮する。また、この第２実施形態のように排気ブロック体２０を設けると、シリンダヘッド１の加工が容易になる利点がある（シリンダヘッド１と排気ブロック体２０との合わせ面にＥＧＲ通路を設けることも容易に実現できる。）。

本願発明は、上記の２つの実施形態の他にも様々に具体化できる。

本願発明は内燃機関に実際に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダヘッド
４ 排気口
６ 排気枝ポート
８ 排気集合ポート
９ 枝集合通路
１０ 排気出口
１１ 排気集合通路
１２ 触媒ケース
１３ ボールジョイント装置
１４ ガスケット
１５ 筒部
１５ｃ フランジ
１５ｄ 屈曲部
１６ 中心筒
１７ ボルト
１８ 弾性体の一例としてのばね
Ｓ 触媒

Claims (1)

1. シリンダヘッド又はこれに固定された排気ブロック体に、複数の排気ポートを１つの排気出口に纏める排気集合通路が一体に形成されており、
   前記シリンダヘッド又は排気ブロック体に、前記排気出口に向けて開口すると共に内部に触媒を設けた触媒ケースが、相対姿勢を変えてもシール性を確保した状態で当接状態を保持できるガスケットと筒部とを有するボールジョイント装置を介して取り付けられているという構成であって、
   前記シリンダヘッド又は排気ブロック体の排気出口に、前記シリンダヘッド又は排気ブロック体の外側に突出した露出部を有する中心筒が嵌め込まれており、前記ボールジョイント装置のガスケットが、前記中心筒の露出部に外側から嵌め込まれていると共に、前記シリンダヘッド又は排気ブロック体で支持されている一方、
   前記筒部は、前記シリンダヘッド又は排気ブロック体に取り付けるためのフランジを有していて、前記筒部のうち前記フランジと連接した屈曲部のみが前記ガスケットに当接しており、前記筒部の屈曲部を挟んで前記触媒ケースの側では、前記ガスケットと筒部との間に隙間が空いている、
   内燃機関。

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