(57)【要約】【課題】簡素な構造で排気を触媒に案内する。【解決手段】内燃機関１００の排気構造において、排気管１３におけるタービンハウジング６０と触媒２１との間には空燃比センサ３０が固定されている。空燃比センサ３０は、当該空燃比センサ３０の先端３１が排気管１３の下流側を向くように排気管１３の内面から突出している。空燃比センサ３０の先端３１は、触媒２１の中心軸線２１ａよりも空燃比センサ３０が固定されている固定孔１３ａ側に位置している。触媒２１の中心軸線２１ａ及び空燃比センサ３０の先端３１を含む断面視において、空燃比センサ３０の中心軸線３０ａとタービンホイール９１の中心軸線９１ａとがなす角度のうち、上流側且つ固定孔１３ａ側の角度Ａ、及び空燃比センサ３０の中心軸線３０ａとバイパス通路７４の出口部分７４ａの中心軸線７４ｂとがなす角度のうち、上流側且つ固定孔１３ａ側の角度Ｂは、いずれも鋭角になっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気を流通させる排気通路を区画する排気管と、前記排気管に取り付けられ、タービンホイールが収容されるタービンハウジングと、前記排気管における前記タービンハウジングよりも下流側の部分に取り付けられ、排気を浄化する触媒とを備えている内燃機関の排気構造であって、
前記タービンハウジングには、前記タービンホイールが収容される収容空間と、前記収容空間に接続されるとともに前記タービンハウジングの外部から前記収容空間に排気を導入するスクロール通路と、前記収容空間に接続されるとともに前記収容空間から前記タービンハウジングの外部に排気を排出する排出通路と、前記収容空間を迂回して前記スクロール通路及び前記排出通路に接続されるバイパス通路とが区画されており、
前記排気管における前記タービンハウジングと前記触媒との間の部分には、センサが固定されており、
前記センサは、当該センサの先端が前記排気管の下流側を向くように前記排気管の内面から突出しており、
前記センサの先端は、前記触媒の中心軸線よりも前記センサが固定されている側に位置しており、
前記触媒の中心軸線及び前記センサの先端を含む断面視において、
前記センサの突出方向と前記タービンホイールの中心軸線とがなす角度のうち、上流側且つ前記センサが固定されている側の角度は、鋭角になっており、
前記センサの突出方向と前記バイパス通路の出口部分の中心軸線とがなす角度のうち、上流側且つ前記センサが固定されている側の角度は、鋭角になっている
ことを特徴とする内燃機関の排気構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１の内燃機関の排気構造は、排気を流通させる排気通路を区画する排気管を備えている。排気管には、排気を浄化する触媒が取り付けられている。排気管における触媒よりも上流側の部分には、略板状のガイド部材が取り付けられている。ガイド部材には、当該ガイド部材の向きを制御するアクチュエータが連結されている。
【０００３】
特許文献１の内燃機関の排気構造では、アクチュエータによってガイド部材の向きが制御されることで、触媒の中央部に向けて排気が案内される。そして、排気の熱によって触媒の中央部の温度が上昇することで触媒が活性化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１４０７７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の内燃機関の排気構造では、ガイド部材の向きを変更可能にするためのアクチュエータや軸受をはじめとする各種部材が必要であるため、構造が複雑化することは避けられない。そのため、特許文献１のような内燃機関の排気構造においては、簡素な構造で排気を案内することが求められる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための内燃機関の排気構造は、排気を流通させる排気通路を区画する排気管と、前記排気管に取り付けられ、タービンホイールが収容されるタービンハウジングと、前記排気管における前記タービンハウジングよりも下流側の部分に取り付けられ、排気を浄化する触媒とを備えている内燃機関の排気構造であって、前記タービンハウジングには、前記タービンホイールが収容される収容空間と、前記収容空間に接続されるとともに前記タービンハウジングの外部から前記収容空間に排気を導入するスクロール通路と、前記収容空間に接続されるとともに前記収容空間から前記タービンハウジングの外部に排気を排出する排出通路と、前記収容空間を迂回して前記スクロール通路及び前記排出通路に接続されるバイパス通路とが区画されており、前記排気管における前記タービンハウジングと前記触媒との間の部分には、センサが固定されており、前記センサは、当該センサの先端が前記排気管の下流側を向くように前記排気管の内面から突出しており、前記センサの先端は、前記触媒の中心軸線よりも前記センサが固定されている側に位置しており、前記触媒の中心軸線及び前記センサの先端を含む断面視において、前記センサの突出方向と前記タービンホイールの中心軸線とがなす角度のうち、上流側且つ前記センサが固定されている側の角度は、鋭角になっており、前記センサの突出方向と前記バイパス通路の出口部分の中心軸線とがなす角度のうち、上流側且つ前記センサが固定されている側の角度は、鋭角になっている。
【０００７】
上記構成では、タービンハウジングにおける収容空間やバイパス通路を介して排出通路から排出された排気がセンサに衝突した場合に、排気が流速を過度に落とすことなく排気管の中央部側に案内される。すると、比較的に流速の速い排気が触媒の中央部近傍に案内されて、触媒が早期に活性化される。そして、この排気を案内するための構造は、センサの突出方向やセンサの先端の位置を調整することにより実現される。したがって、排気を案内するためだけに複雑な構造を採用する必要はなく、より簡素な構造で排気を案内できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】内燃機関の概略図。
【図２】タービンハウジング周辺の構造において触媒の中心軸線及び空燃比センサの先端を含む断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。先ず、本発明の内燃機関１００の概略構造について説明する。
図１に示すように、内燃機関１００は、吸気を流通させるための吸気通路を区画する吸気管１１を備えている。吸気管１１には、燃料を吸気と混合して燃焼させる気筒１２が接続されている。気筒１２には、排気を流通させるための排気通路を区画する排気管１３が接続されている。排気管１３の内部には、排気を浄化するための触媒２１が取り付けられている。
【００１０】
内燃機関１００は、吸気を圧縮して気筒１２に供給するためのターボチャージャ５０を備えている。ターボチャージャ５０におけるコンプレッサハウジング５１は、吸気管１１の途中に取り付けられている。また、ターボチャージャ５０におけるタービンハウジング６０は、排気管１３における触媒２１よりも上流側の部分に取り付けられている。ターボチャージャ５０におけるコンプレッサハウジング５１及びタービンハウジング６０は、ターボチャージャ５０におけるベアリングハウジング５２を介して接続されている。
【００１１】
タービンハウジング６０の内部には、排気の流れによって回転するタービンホイール９１が収容されている。タービンホイール９１は、当該タービンホイール９１の中心軸線９１ａを中心に回転可能になっている。タービンホイール９１には、連結シャフト９２の一端が接続されている。連結シャフト９２の中央部分は、ベアリングハウジング５２の内部に収容されている。連結シャフト９２は、図示しないベアリングによって回転可能に支持されている。連結シャフト９２の中心軸線は、タービンホイール９１の中心軸線９１ａと同軸になっている。連結シャフト９２の他端には、コンプレッサホイール９３が接続されている。コンプレッサホイール９３は、コンプレッサハウジング５１の内部に収容されている。コンプレッサホイール９３の中心軸線は、タービンホイール９１の中心軸線９１ａと同軸になっている。コンプレッサホイール９３は、タービンホイール９１の回転に伴って回転し、吸気を圧縮して気筒１２側へと供給する。
【００１２】
次に、ターボチャージャ５０におけるタービンハウジング６０の周辺構造について具体的に説明する。
図２に示すように、タービンハウジング６０におけるハウジング本体７０の内部には、タービンホイール９１が収容される収容空間７２が区画されている。収容空間７２は、タービンホイール９１の中心軸線９１ａに沿うように延びている。収容空間７２は、延設方向に直交する断面視で略円形状になっている。収容空間７２には、タービンハウジング６０の外部（排気管１３におけるタービンハウジング６０より上流側）から収容空間７２に排気を導入するスクロール通路７１が接続されている。スクロール通路７１は、タービンホイール９１の中心軸線９１ａの軸線方向から視たときに、収容空間７２を取り囲むように全体として渦巻き状に延びている。スクロール通路７１は、排気管１３におけるタービンハウジング６０よりも上流側の排気通路に連通している。
【００１３】
収容空間７２には、当該収容空間７２からタービンハウジング６０の外部（排気管１３におけるタービンハウジング６０より下流側）に排気を排出する排出通路７３が接続されている。排出通路７３は、全体としてタービンホイール９１の中心軸線９１ａに沿うように延びている。排出通路７３は、排気管１３におけるタービンハウジング６０よりも下流側の排気通路に連通している。なお、タービンホイール９１の中心軸線９１ａ上には、触媒２１の中央部近傍が位置している。したがって、収容空間７２を流通した排気の大部分は、触媒２１の中央部近傍に向かって流通する。
【００１４】
また、スクロール通路７１には、収容空間７２を迂回して排出通路７３に排気を流通させるバイパス通路７４が接続されている。バイパス通路７４は、スクロール通路７１から排出通路７３まで略直線状に延びている。バイパス通路７４は、延設方向に直交する断面視で略円形状になっている。バイパス通路７４における出口部分７４ａの中心軸線７４ｂは、タービンホイール９１の中心軸線９１ａとは非平行になっている。バイパス通路７４における出口部分７４ａの中心軸線７４ｂ上には、触媒２１の中央部近傍が位置している。したがって、バイパス通路７４を流通した排気の大部分は、触媒２１の中央部近傍に向かって流通する。
【００１５】
図２に示すように、ハウジング本体７０の外面からは、上流側フランジ７６が張り出している。上流側フランジ７６は、スクロール通路７１における上流端の外側に位置している。上流側フランジ７６には、当該上流側フランジ７６の厚み方向に複数のボルト孔７６ａが貫通している。上流側フランジ７６の各ボルト孔７６ａに図示しないボルトが挿通されることによって、上流側フランジ７６は、排気管１３におけるタービンハウジング６０よりも上流側の部分に固定されている。ハウジング本体７０の外面からは、下流側フランジ７７が張り出している。下流側フランジ７７は、排出通路７３における下流端の外側に位置している。下流側フランジ７７は、排気管１３におけるタービンハウジング６０よりも下流側の部分に固定されている。
【００１６】
タービンハウジング６０における排出通路７３には、バイパス通路７４を開閉するウェイストゲートバルブ８０が配置されている。ウェイストゲートバルブ８０は、略円棒状のシャフト８１を備えている。シャフト８１の一方側（図２における紙面奥側）の端部は、ハウジング本体７０の壁部に回動可能に支持されている。また、シャフト８１の一方側の端部には、図示しないアクチュエータが連結されている。シャフト８１の他方側（図２における紙面手前側）の端部からは、シャフト８１の径方向外側に向かって略板状の弁板８２が突出している。図２において二点鎖線で示すように、ウェイストゲートバルブ８０は、シャフト８１が周方向一方側（図２における反時計回り側）に回動して弁板８２がバイパス通路７４の出口部分７４ａの開口を覆うことで、バイパス通路７４を閉状態にする。一方、図２において実線で示すように、ウェイストゲートバルブ８０は、シャフト８１が周方向他方側（図２における時計回り側）に回動して弁板８２がバイパス通路７４の出口部分７４ａの開口から離間することで、バイパス通路７４を開状態にする。
【００１７】
図２に示すように、排気管１３におけるタービンハウジング６０と触媒２１との間の部分は、タービンホイール９１の中心軸線９１ａに対してバイパス通路７４とは反対側（図２における上側）に向かうように湾曲している。また、排気管１３におけるタービンハウジング６０と触媒２１との間の部分には、排気の空燃比を検出する空燃比センサ３０が固定されている。空燃比センサ３０は、タービンホイール９１の中心軸線９１ａを挟んでバイパス通路７４とは反対側（図２における上側）に位置している。空燃比センサ３０は、全体として円棒状になっている。空燃比センサ３０は、排気管１３の壁部を貫通する固定孔１３ａに固定されている。空燃比センサ３０は、当該空燃比センサ３０の先端３１が排気管１３の下流側を向くように排気管１３の内面から突出している。空燃比センサ３０の先端３１は、触媒２１の中心軸線２１ａよりも固定孔１３ａ側（空燃比センサ３０が固定されている側）に位置している。空燃比センサ３０の中心軸線３０ａ上には、触媒２１の中央部近傍が位置している。また、空燃比センサ３０の先端３１は、タービンハウジング６０の下流端よりも触媒２１の上流端の近くに位置している。本実施形態では、空燃比センサ３０の先端３１と触媒２１の上流端との距離が数ｍｍ〜十数ｍｍになっている。
【００１８】
図２に示すように、触媒２１の中心軸線２１ａ及び空燃比センサ３０の先端３１を含む断面視において、空燃比センサ３０の中心軸線３０ａ（突出方向）とタービンホイール９１の中心軸線９１ａとがなす角度のうち、上流側且つ固定孔１３ａ側の角度Ａは、鋭角になっている。また、触媒２１の中心軸線２１ａ及び空燃比センサ３０の先端３１を含む断面視において、空燃比センサ３０の中心軸線３０ａ（突出方向）とバイパス通路７４の出口部分７４ａの中心軸線７４ｂとがなす角度のうち、上流側且つ固定孔１３ａ側の角度Ｂは、鋭角になっている。なお、本実施形態では、空燃比センサ３０の中心軸線３０ａが空燃比センサ３０の突出方向と平行になっているため、空燃比センサ３０の中心軸線３０ａを空燃比センサ３０の突出方向として扱っている。
【００１９】
本実施形態の作用及び効果について説明する。
図２において二点鎖線で示すように、ウェイストゲートバルブ８０によってバイパス通路７４が閉状態になっていると、タービンハウジング６０におけるスクロール通路７１に導入された排気は収容空間７２を流通する。そして、図２において実線矢印で示すように、収容空間７２を流通した排気の大部分は、触媒２１の中央部近傍に向かって流通する。また、図２において破線矢印で示すように、収容空間７２を流通した排気の一部は、空燃比センサ３０に衝突しつつ流通する。
【００２０】
一方、図２において実線で示すように、ウェイストゲートバルブ８０によってバイパス通路７４が開状態になっていると、タービンハウジング６０におけるスクロール通路７１に導入された多くの排気はバイパス通路７４を流通する。そして、図２において実線矢印で示すように、バイパス通路７４を流通した排気の大部分は、触媒２１の中央部近傍に向かって流通する。また、図２において破線矢印で示すように、バイパス通路７４を流通した排気の一部は、空燃比センサ３０に衝突しつつ流通する。
【００２１】
また、このようにバイパス通路７４を排気が流通することによって、収容空間７２を流通した排気は、タービンホイール９１の中心軸線９１ａに対してバイパス通路７４とは反対側（図２における上側）に向かうよう流通して空燃比センサ３０に衝突しやすくなる。
【００２２】
ここで、仮に、空燃比センサ３０の先端３１が排気管１３の上流側を向くように空燃比センサ３０が固定されていると、タービンハウジング６０における収容空間７２やバイパス通路７４を介して排出通路７３から排出された排気が空燃比センサ３０に衝突した場合に、排気の流れが妨げられて、排気の流速が相応に低下する。すると、触媒２１に向かう排気の流れが乱されたり排気の流速が低下したりして触媒２１の昇温が遅くなるため、当該触媒２１の活性化も遅くなる。
【００２３】
本実施形態では、空燃比センサ３０の先端３１が排気管１３の下流側を向くように空燃比センサ３０が固定されている。そのため、本実施形態では、空燃比センサ３０の先端３１が排気管１３の上流側を向くようになっている構造に比べて、タービンハウジング６０における収容空間７２やバイパス通路７４を介して排出通路７３から排出された排気が空燃比センサ３０に衝突した場合に、排気の流れが乱されにくく、排気の流速が落ちにくい。
【００２４】
また、本実施形態では、触媒２１の中心軸線２１ａ及び空燃比センサ３０の先端３１を含む断面視において、空燃比センサ３０の中心軸線３０ａとタービンホイール９１の中心軸線９１ａとがなす角度Ａ、及び空燃比センサ３０の中心軸線３０ａとバイパス通路７４の出口部分７４ａの中心軸線７４ｂとがなす角度Ｂは、いずれも鋭角になっている。そのため、本実施形態では、タービンハウジング６０における収容空間７２やバイパス通路７４を介して排出通路７３から排出された排気が空燃比センサ３０に衝突した場合に、排気管１３の中央部側に案内される。そして、比較的に流速の速い排気が触媒２１の中央部近傍に案内されて、触媒２１の中央部近傍の温度が上昇して当該触媒２１が早期に活性化される。
【００２５】
そして、本実施形態では、排気を案内するための構造が空燃比センサ３０の突出方向や空燃比センサ３０の先端３１の位置を調整することにより実現される。したがって、本実施形態では、排気を案内するためだけに複雑な構造を採用する必要はなく、より簡素な構造で排気を案内できる。
【００２６】
ところで、排気管１３の内部では、排気に含まれる水分が凝縮して凝縮水が発生することがある。この凝縮水が空燃比センサ３０に付着して空燃比センサ３０が急激に冷却されると、空燃比センサ３０が破損するおそれがある。
【００２７】
この点、本実施形態では、タービンハウジング６０における収容空間７２やバイパス通路７４を介して排出通路７３から排出された多くの排気が空燃比センサ３０の周囲を流通する。そのため、空燃比センサ３０に付着した凝縮水を排気の流れによって速やかに吹き飛ばすことができる。これにより、凝縮水によって空燃比センサ３０が冷却されて当該空燃比センサ３０が破損することを抑制できる。
【００２８】
本実施形態では、空燃比センサ３０の先端３１は、タービンハウジング６０の下流端よりも触媒２１の上流端の近くに位置している。すなわち、空燃比センサ３０の先端３１は、排気によって温度が上昇する触媒２１の付近に位置している。そのため、空燃比センサ３０に凝縮水が付着したとしても、触媒２１から伝達される熱によって空燃比センサ３０が冷却されることを抑制できる。
【００２９】
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態において、空燃比センサ３０の形状は適宜変更できる。例えば、空燃比センサ３０は、全体として円錐形状であってもよいし、全体として多角形棒状であってもよい。
【００３０】
・上記実施形態において、排気管１３におけるタービンハウジング６０と触媒２１との間に固定されるセンサは、空燃比センサ３０に限らない。例えば、空燃比センサ３０に代えて、排気中の酸素濃度を検出する酸素センサや、排気の温度を検出する温度センサ等が固定されていてもよい。この場合にも、センサの先端が排気管１３の内面から突出していれば、上記の技術を適用できる。
【００３１】
・さらに、上記センサとして複数のセンサが排気管１３に固定されていてもよい。この場合、上記実施形態におけるセンサの突出方向に関する構成は、複数のセンサすべてに適用してもよいし、複数のセンサのうちのいずれかのみに適用してもよい。
【００３２】
・上記実施形態において、図２で図示した角度Ａ及び角度Ｂが鋭角であるならば、触媒２１に対する空燃比センサ３０の突出方向は変更できる。例えば、排気管１３におけるタービンハウジング６０と触媒２１との間の部分が延びる方向や空燃比センサ３０の固定位置によっては、空燃比センサ３０の中心軸線３０ａ上に触媒２１の中心部近傍が位置していなくても、空燃比センサ３０に衝突した排気を触媒２１側に案内できることもある。
【００３３】
・上記実施形態において、空燃比センサ３０の先端３１は、触媒２１の上流端よりもタービンハウジング６０の下流端の近くに位置していてもよい。この場合にも、空燃比センサ３０に衝突した排気を触媒２１側に案内することはできる。
【００３４】
・上記実施形態において、タービンハウジング６０におけるスクロール通路７１、収容空間７２、排出通路７３、及びバイパス通路７４の形状は変更してもよい。例えば、バイパス通路７４は、スクロール通路７１から排出通路７３まで湾曲するように延びていてもよい。また、ウェイストゲートバルブ８０の構成も、バイパス通路７４を開閉できるのであれば問わない。
【００３５】
・上記実施形態において、空燃比センサ３０の中心軸線３０ａ（突出方向）とタービンホイール９１の中心軸線９１ａとがなす角度のうち、上流側且つ固定孔１３ａ側（空燃比センサ３０が固定されている側）の角度Ａは、鋭角の範囲で変更してもよい。この場合には、空燃比センサ３０を介して触媒２１の中央部近傍に案内される排気の流通量が多くなるように、上記の角度Ａを実験やシミュレーション等によって決定することが好ましい。
【００３６】
同様に、空燃比センサ３０の中心軸線３０ａ（突出方向）とバイパス通路７４の出口部分７４ａの中心軸線７４ｂとがなす角度のうち、上流側且つ固定孔１３ａ側の角度Ｂは、鋭角の範囲で変更してもよい。
【符号の説明】
【００３７】
Ａ…角度、Ｂ…角度、１１…吸気管、１２…気筒、１３…排気管、１３ａ…固定孔、２１…触媒、２１ａ…中心軸線、３０…空燃比センサ、３０ａ…中心軸線、３１…先端、５０…ターボチャージャ、５１…コンプレッサハウジング、５２…ベアリングハウジング、６０…タービンハウジング、７０…ハウジング本体、７１…スクロール通路、７２…収容空間、７３…排出通路、７４…バイパス通路、７４ａ…出口部分、７４ｂ…中心軸線、７６…上流側フランジ、７６ａ…ボルト孔、７７…下流側フランジ、８０…ウェイストゲートバルブ、８１…シャフト、８２…弁板、９１…タービンホイール、９１ａ…中心軸線、９２…連結シャフト、９３…コンプレッサホイール、１００…内燃機関。
【図１】
2019214944.tif 000003
【図２】
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