(57)【要約】【課題】触媒の入口側端部における排気流速分布の不均一を抑制しつつ、センサ素子割れの発生を抑えることができる過給式エンジンの排気通路構造を提供する。【解決手段】ターボチャージャ３０のタービン３２よりも下流側の排気通路２０に触媒コンバータ４０を備える過給式エンジン１００の排気通路構造であって、タービン配置位置から水平に延びる水平通路２０Ａと、水平通路２０Ａの下流側から湾曲する湾曲通路２０Ｂと、湾曲通路２０Ｂの下流側から水平通路２０Ａに対して所定の角度方向に延び、触媒コンバータ４０に接続する接続通路２０Ｃと、水平通路２０Ａ内に形成され、通路内部を上下に分割する仕切板２２と、仕切板２２の下流端よりも下流側であって水平通路２０Ａの上部に配置され、エンジン運転状態を検出するセンサ２１と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボチャージャのタービンよりも下流側の排気通路に触媒コンバータを備える過給式エンジンの排気通路構造であって、
タービン配置位置から水平に延びる水平通路と、
前記水平通路の下流側から湾曲する湾曲通路と、
前記湾曲通路の下流側から前記水平通路に対して所定の角度方向に延び、前記触媒コンバータに接続する接続通路と、
前記水平通路内に形成され、通路内部を上下に分割する仕切板と、
前記仕切板の下流端よりも下流側であって前記水平通路の上部に配置され、エンジン運転状態を検出するセンサと、
を備えることを特徴とする過給式エンジンの排気通路構造。
【請求項２】
前記仕切板は、前記水平通路の軸心を水平に通るように形成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の過給式エンジンの排気通路構造。
【請求項３】
前記仕切板は、前記水平通路の軸心を水平に通るように形成される第１仕切板と、前記水平通路の軸心を垂直に通るように形成される第２仕切板とから構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の過給式エンジンの排気通路構造。
【請求項４】
前記仕切板の水平通路軸方向長さは、高負荷・高エンジン回転速度時において前記水平通路内の排気旋回流が１回転するときに水平通路軸方向に進む距離の半分よりも長く設定される、
ことを特徴とする請求項２に記載の過給式エンジンの排気通路構造。
【請求項５】
前記第１仕切板及び前記第２仕切板の水平通路軸方向長さは、高負荷・高エンジン回転速度時において水平通路内の排気旋回流が１回転するときに水平通路軸方向に進む距離の４分の１よりも長く設定される、
ことを特徴とする請求項３に記載の過給式エンジンの排気通路構造。
【請求項６】
前記接続通路は、前記水平通路に対して垂直方向に延びる、
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の過給式エンジンの排気通路構造。
【請求項７】
前記センサは、排気空燃比を検出する空燃比センサである、
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の過給式エンジンの排気通路構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボチャージャを備える過給式エンジンから排出された排気を流す排気通路の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ターボチャージャのタービン配置位置よりも下流側の排気通路に、排気浄化用の触媒コンバータを備える過給式エンジンが知られている。
【０００３】
このような過給式エンジンでは、エンジンルーム内の各種機器のレイアウトの関係から、タービン下流側の排気通路を水平にし、その後の排気通路を略垂直に曲げ、その下流側に触媒コンバータを配置することがある。過給式エンジンから排出された排気は、ターボチャージャのタービン回転によって、排気通路の水平部に沿って旋回しながら流れる旋回流となる。この旋回流は排気通路の曲り部を通過する時に排気通路内において偏った流れとなり、曲がり部内側の排気の排気流速が曲り部外側よりも速くなる。したがって、上記した排気通路構造の過給式エンジンでは、触媒コンバータの触媒の入口側端部に流入する排気の排気流速の分布が不均一となり、触媒の浄化効率が低下したり、局部的な触媒劣化が発生したりする。
【０００４】
特許文献１には、排気通路の曲り部に排気通路軸心に沿って分流板を形成し、分流板によって排気の旋回流を抑制することで、触媒の入口側端部における排気流速分布の不均一を抑制する過給式エンジンの排気通路構造が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−４９６４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、過給式エンジンの排気通路の水平部には、排気中に含まれる水分が凝縮して滞留する。この滞留水は、ターボチャージャのタービンが回転した時に排気通路内に巻き上げられる。排気通路の水平部に排気空燃比を検出する空燃比センサを設けた場合には、巻き上げられた滞留水がセンサ素子に付着して、センサ素子を急激に冷却するので、センサ素子割れが発生するおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、触媒の入口側端部における排気流速分布の不均一を抑制しつつ、センサ素子割れの発生を抑えることができる過給式エンジンの排気通路構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００８】
本発明は、ターボチャージャ（３０）のタービン（３２）よりも下流側の排気通路（２０）に触媒コンバータ（４０）を備える過給式エンジン（１００）の排気通路構造であって、タービン配置位置から水平に延びる水平通路（２０Ａ）と、水平通路（２０Ａ）の下流側から湾曲する湾曲通路（２０Ｂ）と、湾曲通路（２０Ｂ）の下流側から水平通路（２０Ａ）に対して所定の角度方向に延び、触媒コンバータ（４０）に接続する接続通路（２０Ｃ）と、水平通路（２０Ａ）内に形成され、通路内部を上下に分割する仕切板（２２）と、仕切板（２２）の下流端よりも下流側であって水平通路（２０Ａ）の上部に配置され、エンジン運転状態を検出するセンサ（２１）と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、水平通路の底部に滞留する滞留水の巻き上げが仕切板によって抑制されるので、滞留水がセンサ素子に付着しにくくなり、センサ素子割れの発生を抑制することができる。また、水平通路内を流れる排気の旋回流が仕切板によって弱められるので、触媒の入口側端部における排気流速分布の不均一を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１（Ａ）は、第１実施形態の過給式エンジンの概略構成図である。図１（Ｂ）は、過給式エンジンの排気通路構造を示す。
【００１２】
図１（Ａ）に示すように、過給式エンジン１００は、車両用の直列４気筒エンジンであって、吸気通路１０と排気通路２０とを備える。
【００１３】
吸気通路１０は、外部から取り入れた吸気を過給式エンジン１００に供給する通路であって、ターボチャージャ３０のコンプレッサ３１と、インタークーラ１１と、スロットルバルブ１２とが吸気通路上流側から順次配置される。
【００１４】
ターボチャージャ３０は、吸気通路１０に配置されるコンプレッサ３１と、排気通路２０に配置されるタービン３２と、コンプレッサ３１とタービン３２とを連結するシャフト３３とを備える。コンプレッサ３１は、排気によってタービン３２が回転することで駆動し、吸気通路１０内の吸気を過給する。ターボチャージャ３０は、コンプレッサ３１に流入する吸気の流量を調整する可変ノズル３４を有し、可変ノズル開度に応じて過給圧を調整できるように構成される。
【００１５】
インタークーラ１１は、コンプレッサ３１よりも下流側の吸気通路１０に設置される。インタークーラ１１は、コンプレッサ３１により圧縮されて高温となった吸気を冷却する。
【００１６】
スロットルバルブ１２は、インタークーラ１１よりも下流側の吸気通路１０に設置される。スロットルバルブ１２は、吸気通路１０の吸気流通面積を変化させることで、過給式エンジン１００に導入される吸気流量を調整する。スロットルバルブ１２を通過した吸気は、吸気コレクタ１３を介して過給式エンジン１００の各気筒に分配される。
【００１７】
過給式エンジン１００の各気筒において混合気燃焼後に生じる排気は、排気通路２０を通って外部に排出される。排気通路２０には、ターボチャージャ３０のタービン３２と、触媒コンバータ４０とが排気通路上流側から順次配置される。
【００１８】
ターボチャージャ３０のタービン３２は、排気通路２０を流れる排気によって回転し、吸気通路側のコンプレッサ３１を駆動する。
【００１９】
触媒コンバータ４０は、タービン３２よりも下流側の排気通路２０に設置される。触媒コンバータ４０は、触媒収容部４１に触媒４２を担持しており、触媒４２によって過給式エンジン１００から排出された排気中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素(ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する。
【００２０】
過給式エンジン１００ではタービン３２よりも下流側の排気通路２０は、図１（Ｂ）に示すように、タービン配置位置から水平に延びる水平部２０Ａと、水平部２０Ａの下流側から湾曲する湾曲部２０Ｂと、湾曲部２０Ｂの下流側から水平部２０Ａに対して略垂直方向に延び、触媒コンバータ４０に接続する接続部２０Ｃとを形成する。排気通路２０の水平部２０Ａには、エンジン運転状態を検出するセンサとして、排気空燃比を検出する空燃比センサ２１が設けられる。
【００２１】
触媒コンバータ４０は、排気通路２０の接続部２０Ｃの下流側に配置される。触媒コンバータ４０は、排気通路２０よりも大径に形成された円筒状の触媒収容部４１に触媒４２を設ける。触媒収容部４１の上流部４１Ａは、排気通路２０の接続部２０Ｃからタービン側に湾曲するとともに、接続部２０Ｃから触媒４２の入口側端部４２Ａに向けて通路径が徐々に拡大するように形成される。また、触媒収容部４１の下流部４１Ｂは、触媒４２の出口側端部４２Ｂから通路径が徐々に小さくなるように形成される。
【００２２】
ところで、図１（Ｂ）と同様の排気通路構造を有する従来の過給式エンジン２００では、触媒コンバータ４０の触媒４２の入口側端部４２Ａに流入する排気の流速分布が不均一となる。図５は、従来の過給式エンジン２００の排気流れについて説明する図である。図５（Ａ）は排気通路２０の水平部２０Ａ内の排気の流れを示し、図５（Ｂ）は排気通路２０の湾曲部２０Ｂ通過後の接続部２０Ｃ内の排気の流れを示す。図５（Ｃ）は、触媒４２の入口側端部４２Ａにおける排気流速分布を示し、等流速線内の色が薄くなるほど排気流速が低下する。
【００２３】
従来の過給式エンジン２００ではターボチャージャ３０のタービン３２の回転によって、水平部２０Ａ内を流れる排気は、図５（Ａ）に示すように、排気通路軸心周りに旋回しながら排気通路軸方向に流れる旋回流となる。この旋回流は排気通路２０の湾曲部２０Ｂを通過する時に偏った流れとなり、接続部２０Ｃでは湾曲部内側の排気の流速が湾曲部外側よりも速くなり、図５（Ｂ）の矢印に示すように湾曲部内側の排気流量が増加する。したがって、図５（Ｃ）に示すように、触媒コンバータ４０の触媒４２の入口側端部４２Ａに流入する排気においても湾曲部内側の流速が速くなり、排気の流速分布が不均一となる。したがって、従来の過給式エンジン２００では、触媒４２の浄化効率が低下したり、局部的な触媒劣化が発生したりする。
【００２４】
また、従来の過給式エンジン２００では、エンジン始動時等において高温の排気がターボチャージャ３０のタービン３２等によって冷却され、排気中に含まれる水分が凝縮するので、タービン直後の水平部２０Ａの下側に水が滞留する。この滞留水は、ターボチャージャ３０のタービン３２が回転した時に排気通路２０の水平部２０Ａ内に巻き上げられる。巻き上げられた滞留水が水平部２０Ａに設置された空燃比センサ２１のセンサ素子に付着すると、センサ素子が急激に冷却されて、センサ素子割れが発生する。
【００２５】
そこで、本実施形態の過給式エンジン１００では、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、排気通路２０の水平部２０Ａに仕切板２２を形成することで、センサ素子割れの発生を抑制するとともに、触媒４２の入口側端部４２Ａにおける排気流速分布の均一化を図る。
【００２６】
図２（Ａ）に示すように、排気通路２０の水平部２０Ａには、水平部軸心を通り、通路内部を上側通路２３と下側通路２４に分割する仕切板２２が形成される。仕切板２２は、図２（Ｂ）に示すように、水平部２０Ａの軸心に沿って所定長さＬ1となるように形成される。このような排気通路２０に設けられる空燃比センサ２１は、水平部２０Ａの上側であって、仕切板２２の下流端よりも下流側に配置される。
【００２７】
上記した過給式エンジン１００では、ターボチャージャ３０のタービン３２が回転しても、図２（Ｂ）に示すように、滞留水が水平部内に巻き上げられるのを仕切板２２によって抑制する。そのため、滞留水が空燃比センサ２１のセンサ素子に付着しにくくなり、空燃比センサ２１のセンサ素子割れの発生が抑制される。
【００２８】
また、過給式エンジン１００では、タービン直後の排気はタービン回転によって旋回流となるが、排気が上側通路２３及び下側通路２４を通過する時に旋回流が仕切板２２に衝突するので、排気の旋回運動エネルギーが圧力エネルギーに変換され、排気の旋回力が弱められる。このように排気の旋回力が弱められると、排気が湾曲部２０Ｂを通過しても偏った流れとなりにくく、触媒４２の入口側端部４２Ａにおける排気流速分布の不均一が抑制される。
【００２９】
なお、過給式エンジン１００においては、仕切板２２の所定長さＬ1を長くするほど、排気の旋回流の旋回力が弱まるが、排気が上側通路２３及び下側通路２４を通過する時の通気抵抗が増加する。過給式エンジン１００では仕切板２２の所定長さＬ1を、高負荷・高エンジン回転速度時において水平部２０Ａ内の排気の旋回流が１回転するときに水平部軸方向に進む距離の半分よりも長く設定することで、通気抵抗の悪化を抑えつつ、排気の旋回力を弱めることができる。
【００３０】
図３は、触媒の入口側端部における排気の流速分布を示す図である。
【００３１】
図３（Ａ）は従来の過給式エンジン２００の低エンジン回転速度時における排気流速分布を示し、図３（Ｂ）は過給式エンジン１００の低エンジン回転速度時における排気流速分布を示す。従来の過給式エンジン２００は仕切板２２を備えておらず、排気の旋回流の旋回力を低減できないので、図３（Ａ）に示すように局部的に排気流速が強くなっており、排気流速分布が不均一となっている。これに対して、過給式エンジン１００では、仕切板２２によって排気の旋回力を抑制するので、図３（Ｂ）に示すように、排気の最大流速が低下するとともに、排気流速分布が図３（Ａ）よりも均一となる。
【００３２】
また、図３（Ｃ）は従来の過給式エンジン２００の高エンジン回転速度時における排気流速分布を示し、図３（Ｄ）は過給式エンジン１００の高エンジン回転速度時における排気流速分布を示す。高エンジン回転速度時においても、従来の過給式エンジン２００では図３（Ｃ）に示すように排気流速分布が不均一となるが、過給式エンジン１００では図３（Ｄ）に示すように排気流速分布が図３（Ｃ）よりも均一となる。
【００３３】
以上により、第１実施形態の過給式エンジン１００では下記の効果を得ることができる。
【００３４】
過給式エンジン１００では、排気通路２０の水平部２０Ａに通路内部を上下に分割する仕切板２２を形成し、仕切板２２の下流端よりも下流側であって水平部２０Ａの上側に空燃比センサ２１を配置する。これにより水平部２０Ａの滞留水が空燃比センサ２１のセンサ素子に付着しにくくなるので、空燃比センサ２１のセンサ素子割れの発生を抑制することができる。また、排気の旋回流は、排気が水平部２０Ａ内の上側通路２３及び下側通路２４を通過する時に弱められるので、触媒４２の入口側端部４２Ａにおける排気流速分布の不均一を抑制することができる。
【００３５】
触媒４２の入口側端部４２Ａにおける排気流速分布を均一にするために、排気通路２０の接続部２０Ｃの通路内径を縮径することも考えられるが、この場合には接続部通過時の排気の通気抵抗が高くなりすぎて、エンジン出力性能が悪化してしまう。しかしながら、過給式エンジン１００では、仕切板２２の所定長さＬ1を、高負荷・高エンジン回転速度時において水平部２０Ａ内の排気の旋回流が１回転するときに水平部軸方向に進む距離の半分よりも長く設定するので、通気抵抗の悪化を抑えつつ、排気の旋回力を弱めることができる。
【００３６】
（第２実施形態）
第２実施形態の過給式エンジン１００の基本構成は、第１実施形態とほぼ同様であるが、排気通路２０の水平部２０Ａの仕切板２２の構成において相違する。つまり、排気通路２０の水平部２０Ａ内に、水平に配置される第１仕切板２２Ａと第１仕切板２２Ａに対して垂直に配置される第２仕切板２２Ｂとを形成するようにしたもので、以下にその相違点を中心に説明する。
【００３７】
図４（Ａ）は、過給式エンジンの１００の排気通路２０の水平部２０Ａに設けられる仕切板２２を示す図である。
【００３８】
第２実施形態の過給式エンジン１００においては、仕切板２２は、水平部２０Ａの軸心を水平に通って排気通路内を上下に仕切る第１仕切板と、水平部２０Ａの軸心を垂直に通って排気通路内を左右に仕切る第２仕切板とから構成される。これら第１仕切板２２Ａと第２仕切板２２Ｂとによって、排気通路２０の水平部２０Ａには４つの通路が形成される。第１仕切板２２Ａ及び第２仕切板２２Ｂは、水平部２０Ａの軸方向に所定長さＬ2となるように形成される。
【００３９】
空燃比センサ２１は、水平部２０Ａの上側であって、第１仕切板２２Ａ及び第２仕切板２２Ｂの下流端よりも下流側に配置される。
【００４０】
上記した過給式エンジン１００では、滞留水が水平部内に巻き上げられるのを第１仕切板２２Ａ及び第２仕切板２２Ｂによって抑えるので、空燃比センサ２１のセンサ素子割れの発生が抑制される。
【００４１】
また、過給式エンジン１００では、タービン直後の排気はタービン回転によって旋回流となるが、排気が水平部２０Ａ内の４つの通路を通過する時に排気の旋回運動エネルギーが圧力エネルギーに変化されるので、排気の旋回力が弱められる。特に、第２実施形態の過給式エンジン１００では水平部２０Ａを第１仕切板２２Ａと第２仕切板２２Ｂとによって仕切るので、第１実施形態よりも排気の旋回流が仕切板２２に衝突しやすくなる。
【００４２】
したがって、第２実施形態の過給式エンジン１００では、図４（Ｃ）に示すように水平部２０Ａを通過する排気の通気抵抗が第１実施形態よりも僅かに悪化するものの、図４（Ｂ）に示すように第１仕切板２２Ａ及び第２仕切板２２Ｂの所定長さＬ2を、第１実施形態における仕切板２２の所定長さＬ1よりも短く設定しても、触媒４２の入口側端部４２Ａにおける排気流速分布の均一度合を等しくすることができる。
【００４３】
なお、過給式エンジン１００では、第１仕切板２２Ａ及び第２仕切板２２Ｂの所定長さＬ2を、高負荷・高エンジン回転速度時において水平部２０Ａ内の排気の旋回流が１回転するときに通路軸方向に進む距離の４分の１よりも長く設定することで、通気抵抗の悪化を抑えつつ、排気の旋回力を弱めることができる。
【００４４】
以上により、第２実施形態の過給式エンジン１００では下記の効果を得ることができる。
【００４５】
過給式エンジン１００では、排気通路２０の水平部２０Ａに第１仕切板２２Ａ及び第２仕切板２２Ｂを形成するので、第１仕切壁と第２仕切壁の所定長さＬ2を第１実施形態よりも短く設定しても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。したがって、エンジンルーム内の各種機器のレイアウトの関係から、排気通路２０の水平部２０Ａの長さを短くせざる得ない場合であっても、空燃比センサ２１のセンサ素子割れの発生を抑えることができ、さらに触媒４２の入口側端部４２Ａにおける排気流速分布の不均一を抑制することができる。
【００４６】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】第１実施形態の過給式エンジンの概略構成図である。
【図２】過給式エンジンの排気通路の構造を示す図である。
【図３】触媒の入口側端部における排気流速分布を示す図である。
【図４】第２実施形態の過給式エンジンの排気通路の構造を示す図である。
【図５】従来の過給式エンジンの排気通路内の排気の流れを説明する図である。
【符号の説明】
【００４８】
１００  過給式エンジン
２０  排気通路
２０Ａ  水平部（水平通路）
２０Ｂ  湾曲部（湾曲通路）
２０Ｃ  接続部（接続通路）
２１  空燃比センサ
２２  仕切板
２２Ａ  第１仕切板
２２Ｂ  第２仕切板
３０  ターボチャージャ
３２  タービン
４０  触媒コンバータ
４２  触媒
４２Ａ  入口側端部
４２Ｂ  出口側端部
【図１】
2010112222.tif 000003
【図２】
2010112222.tif 000004
【図４】
2010112222.tif 000005
【図３】
2010112222.tif 000006
【図５】
2010112222.tif 000007