(57)【要約】【課題】排気システムに関し、過給機のタービンで排気エネルギを効率的に回収させつつ、排気の浄化を効果的に行う。【解決手段】エンジン１から排気を導出する排気通路１２と、排気通路１２に設けられた中空状の過給機用タービン１４ｂと、過給機用タービン１４ｂ内に設けられて排気を浄化する多孔質材の触媒層４０と、過給機用タービン１４ｂよりも排気下流側の排気通路１２から分岐して、過給機用タービン１４ｂを通過した少なくとも一部の排気を触媒層４０に導入する排気環流通路２０とを備えた。【選択図】図１
2015113711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排気を導出する第１排気通路と、
前記第１排気通路に設けられた中空状の過給機用タービンと、
前記過給機用タービン内に設けられて排気を浄化する多孔質材の触媒層と、
前記過給機用タービンよりも排気下流側の前記第１排気通路から分岐して、前記過給機用タービンを通過した少なくとも一部の排気を前記触媒層に導入する第２排気通路と、を備える
ことを特徴とする排気システム。
【請求項２】
前記過給機用タービンが、前記触媒層を収容すると共にタービン翼の外周面を形成するケース本体を有し、該ケース本体に前記第２排気通路から前記触媒層に導入した排気を前記第１排気通路に環流させる複数の貫通孔が設けられる
請求項１に記載の排気システム。
【請求項３】
前記過給機用タービンのタービン翼が前記触媒層で一体形成された
請求項１に記載の排気システム。
【請求項４】
前記第２排気通路に設けられて該第２排気通路内に取り込んだ排気を前記触媒層に圧送する圧縮機をさらに備える
請求項１から３の何れか一項に記載の排気システム。
【請求項５】
前記過給機用タービンの回転力を取り出して前記圧縮機に駆動力として伝達する動力伝達機構をさらに備える
請求項４に記載の排気システム。
【請求項６】
前記動力伝達機構が、前記エンジンの運転状態に応じて前記圧縮機への駆動力の伝達を断接するクラッチを含む
請求項５に記載の排気システム。
【請求項７】
前記過給機用タービンよりも排気下流側の前記第１排気通路に少なくとも１個以上の過給機用タービンをさらに備え、
前記第２排気通路が最下流段の過給機用タービンよりも排気下流側の前記第１排気通路から分岐する
請求項１から６の何れか一項に記載の排気システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気システムに関し、特に、吸排気系に過給機を備えた内燃機関の排気システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、排気エネルギで駆動する複数の過給機をエンジンの吸排気系に直列的に配置した多段過給システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような多段過給システムでは、複数のタービンによって排気エネルギが回収されるため、排気下流側に配置した排気浄化触媒の温度を低下させる可能性がある。
【０００３】
このような課題に着目した技術として、例えば、特許文献２には、複数の酸化触媒を各排気ポートに配置することで、排気エンタルピを有効に利用する排気浄化システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１１２３１４号公報
【特許文献２】特開２０１２−１５９０５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述の排気浄化システムでは、排気が複数の酸化触媒と反応するため、これら複数の酸化触媒よりも排気下流側のタービンに与える排気エネルギを大幅に減少させる可能性がある。すなわち、上述の多段過給システムでは排気浄化触媒の温度低下を招く課題がある一方、上述の排気浄化システムでは、過給機の過給効率低下を招く課題がある。
【０００６】
本発明の目的は、過給機のタービンで排気エネルギを効率的に回収させつつ、排気の浄化を効果的に行うことができる排気システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的を達成するため、本発明の排気システムは、内燃機関から排気を導出する第１排気通路と、前記第１排気通路に設けられた中空状の過給機用タービンと、前記過給機用タービン内に設けられて排気を浄化する多孔質材の触媒層と、前記過給機用タービンよりも排気下流側の前記第１排気通路から分岐して、前記過給機用タービンを通過した少なくとも一部の排気を前記触媒層に導入する第２排気通路とを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、前記過給機用タービンが、前記触媒層を収容すると共にタービン翼の外周面を形成するケース本体を有し、該ケース本体に前記第２排気通路から前記触媒層に導入した排気を前記第１排気通路に環流させる複数の貫通孔が設けられるものでもよい。
【０００９】
また、前記過給機用タービンのタービン翼が前記触媒層で一体形成されるものでもよい。
【００１０】
また、前記第２排気通路に設けられて該第２排気通路内に取り込んだ排気を前記触媒層に圧送する圧縮機をさらに備えるものでもよい。
【００１１】
また、前記過給機用タービンの回転力を取り出して前記圧縮機に駆動力として伝達する動力伝達機構をさらに備えるものでもよい。
【００１２】
また、前記動力伝達機構が、前記エンジンの運転状態に応じて前記圧縮機への駆動力の伝達を断接するクラッチを含むものでもよい。
【００１３】
また、前記過給機用タービンよりも排気下流側の前記第１排気通路に少なくとも１個以上の過給機用タービンをさらに備え、前記第２排気通路が最下流段の過給機用タービンよりも排気下流側の前記第１排気通路から分岐するものでもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の排気システムによれば、過給機のタービンで排気エネルギを効率的に回収させつつ、排気の浄化を効果的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る排気システムを示す模式的な全体構成図である。
【図２】本実施形態に係る高圧段タービンを示す模式的な断面図である。
【図３】（ａ）は本実施形態に係る高圧段タービンのタービン翼を示す模式的な斜視図、（ｂ）は本実施形態に係る高圧段タービンのタービン翼を示す模式的な断面図である。
【図４】本実施形態に係る高圧段タービン内の触媒層の配置例を示す模式的な断面図である。
【図５】他の実施形態に係る排気システムを示す模式的な全体構成図である。
【図６】他の実施形態に係る排気システムを示す模式的な全体構成図である。
【図７】他の実施形態に係る排気システムを示す模式的な全体構成図である。
【図８】他の実施形態に係る排気システムを示す模式的な全体構成図である。
【図９】他の実施形態に係る高圧段タービンを示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る排気システムを説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
【００１７】
まず、図１に基づいて、本実施形態の排気システム１０Ａが適用された多段過給システムから説明する。なお、図１中において、符号１１はエンジン１に吸気を導入する吸気通路、符号１２はエンジン１から排気を導出する排気通路を示している。排気通路１２は、本発明の第１排気通路の一例である。
【００１８】
多段過給システムは、エンジン１の吸排気系に低圧段過給機１３と高圧段過給機１４とを直列的に配置して構成されている。
【００１９】
低圧段過給機１３は、吸気通路１１に設けられた低圧段コンプレッサ１３ａと、排気通路１２に設けられた低圧段タービン１３ｂと、これら低圧段コンプレッサ１３ａと低圧段タービン１３ｂとを連結する回転軸１３ｃとを備えている。
【００２０】
高圧段過給機１４は、低圧段コンプレッサ１３ａよりも吸気下流側の吸気通路１１に設けられた高圧段コンプレッサ１４ａと、低圧段タービン１３ｂよりも排気上流側の排気通路１２に設けられた高圧段タービン１４ｂと、これら高圧段コンプレッサ１４ａと高圧段タービン１４ｂとを連結する回転軸１４ｃとを備えている。
【００２１】
次に、図１〜４に基づいて、本実施形態の排気システム１０Ａの詳細構成について説明する。
【００２２】
図１に示すように、排気システム１０Ａは、排気還流通路２０と、排気還流通路２０に設けられた圧縮機２１と、動力伝達機構３０と、中空状の高圧段タービン１４ｂと、排気を浄化する触媒層４０とを備えている。なお、排気環流通路２０は、本発明の第２排気通路の一例である。
【００２３】
排気還流通路２０は、その上流端を高圧段タービン１４ｂと低圧段タービン１３ｂとの間の排気通路１２に接続されており、高圧段タービン１４ｂを通過した排気の少なくとも一部を分岐させる。また、排気還流通路２０の下流端は、図２に示すように、詳細を後述する中空軸を有する出力軸３１を介して、高圧段タービン１４ｂの中空部１４ｄと連通されている。この出力軸３１は、高圧段タービン１４ｂを回転自在に軸支している。
【００２４】
圧縮機２１は、公知のターボ型圧縮機やルーツ式圧縮機等であって、排気還流通路２０内に導入された排気を圧送する。また、圧縮機２１は、その駆動軸２２を動力伝達機構３０に接続されている。
【００２５】
動力伝達機構３０は、高圧段タービン１４ｂの回転力を取り出すもので、高圧段タービン１４ｂに接続された中空状の出力軸３１と、出力軸３１と駆動軸２２とを断接するクラッチ３２と、出力軸３１に介装された減速機３３とを備えている。
【００２６】
すなわち、クラッチ３２が接続状態の場合は、高圧段タービン１４ｂから取り出した回転力が減速機３３を介して駆動軸２２に伝達されて、圧縮機２１を駆動させる。一方、クラッチ３２が切断状態の場合は、圧縮機２１を停止するように構成されている。なお、クラッチ３２の断接は、排気流量が多いエンジン１の高負荷運転時に接続し、排気流量が低下する低負荷運転時に切断することが好ましい。
【００２７】
高圧段タービン１４ｂは、図２に示すように、タービン翼の外周面を形成すると共に、その内部に触媒層４０を収容するケース本体５０を備えている。このケース本体５０の回転外周側部には、複数の貫通孔５１が形成されている。
【００２８】
すなわち、図３（ａ）に示すように、排気環流通路２０（図１，２参照）からケース本体５０内（中空部１４ｄ）に流入した排気は、触媒層４０を通過して浄化された後、貫通孔５１から排気通路１２に環流される。触媒層４０との反応により温度が低下した排気は、図３（ｂ）に示すように、貫通孔５１から高圧段タービン１４ｂ（ケース本体５０）の外周面に沿って流れ、エンジン１から排出された高温排気との間に温度境界層を形成してタービン翼に対する熱負荷を低減させる。
【００２９】
触媒層４０は、例えば、セラミックス等の多孔質材料の担体表面に酸化触媒を担持して形成されており、ケース本体５０内に導入された排気中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化窒素（ＮＯ）、及び一酸化炭素（ＣＯ）を浄化する。なお、触媒層４０の配置例としては、図４に示すように、活性温度の異なる各触媒層Ａ，Ｂをケース本体５０内の温度分布に応じて適宜最適な位置に配置することが好ましい。
【００３０】
次に、本実施形態の排気システム１０Ａによる作用効果を説明する。
【００３１】
本実施形態の排気システム１０Ａでは、エンジン１から排気通路１２を介して排出される排気は、高圧段タービン１４ｂを通過した後、その一部が排気環流通路２０によって分岐される。そして、排気環流通路２０に導入された排気は、圧縮機２１によって圧縮昇温され、中空状の出力軸３１を介して高圧段タービン１４ｂ内の触媒層４０に供給される。すなわち、エンジン１から導出された高温排気の排気エネルギを高圧段タービン１４ｂで効率的に回収させつつ、高圧段タービン１４ｂを通過した排気の一部を触媒層４０に供給して効果的に浄化するように構成されている。
【００３２】
したがって、本実施形態の排気システム１０Ａによれば、触媒層４０による排気の浄化を可能にしつつ、高圧段過給機１４の過給効率を効果的に維持することができる。
【００３３】
また、本実施形態の排気システム１０Ａでは、高圧段タービン１４ｂで排気エネルギを回収された排気は圧縮機２１によって触媒層４０に圧送され、触媒層４０との反応により温度を低下させた後、ケース本体５０の貫通孔５１から排気通路１２内に環流される。そして、貫通孔５１から環流された低温の排気が、高圧段タービン１４ｂの外周面に沿って流れることで、エンジン１から排出された高温排気との間に温度境界層を形成するように構成されている。
【００３４】
したがって、本実施形態の排気システム１０Ａによれば、高圧段タービン１４ｂのタービン翼への熱負荷が効果的に低減されて、タービン翼の熱劣化を防止することができる。
【００３５】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
【００３６】
例えば、図５に示すように、排気システム１０Ａを低圧段過給機１３及び高圧段過給機１４の各段に別体に設けて構成してもよい。このように、排気システム１０Ａを各段に適用すれば、各段のタービン１３ｂ，１４ｂを熱負荷から効果的に保護しつつ、触媒層４０の増加によって排気浄化性能を確実に向上することができる。
【００３７】
また、図６に示すように、排気還流通路２０の上流端を低圧段タービン１３ｂよりも排気下流側の排気通路１２から分岐させると共に、動力伝達機構３０の出力軸３１を低圧段タービン１３ｂに接続して構成してもよい。さらに、図７に示すように、排気還流通路２０に、圧縮機２１を複数（図示例では２個）配置すると共に、これら圧縮機２１を低圧段タービン１３ｂ及び高圧段タービン１４ｂの回転力でそれぞれ駆動するように構成してもよい。この場合は、動力伝達機構３０を複数（図示例では２個）設けて、その出力軸３１を低圧段タービン１３ｂ及び高圧段タービン１４ｂにそれぞれ接続すればよい。
【００３８】
また、圧縮機２１の回転動力は、低圧段タービン１３ｂ及び高圧段タービン１４ｂの回転力に限定されず、図８に示すように、外付けのモータＭ等を用いるように構成してもよい。
【００３９】
また、触媒層４０は高圧段タービン１４ｂのケース本体５０内に収容されるものとして説明したが、例えば、図９に示すように、高圧段タービン１４ｂのタービン翼全体を触媒層４０で成型してもよい。触媒層４０が剥離しない場合は、高温の空気と接触することで、触媒反応を効果的に促進させることができる。
【００４０】
また、触媒層４０は酸化触媒に限定されず、ＮＯｘ触媒やディーゼル・パティキュレイト・フィルタ等であってもよい。また、排気システムは、多段過給システムに適用されるものとして説明したが、一段過給システムにも適用することが可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１  エンジン
１０Ａ  排気システム
１１  吸気通路
１２  排気通路（第１排気通路）
１３  低圧段過給機
１３ａ  低圧段コンプレッサ
１３ｂ  低圧段タービン（過給機用タービン）
１４  高圧段過給機
１４ａ  高圧段コンプレッサ
１４ｂ  高圧段タービン（過給機用タービン）
２０  排気環流通路
２１  圧縮機
２２  駆動軸
３０  動力伝達機構
３１  出力軸
３２  クラッチ
３３  減速機
４０  触媒層
５０  ケース本体
５１  貫通孔
【図１】
2015113711.tif 000003
【図２】
2015113711.tif 000004
【図３】
2015113711.tif 000005
【図４】
2015113711.tif 000006
【図５】
2015113711.tif 000007
【図６】
2015113711.tif 000008
【図７】
2015113711.tif 000009
【図８】
2015113711.tif 000010
【図９】
2015113711.tif 000011