(57)【要約】【課題】ターボチャージャ及び、排気管におけるターボチャージャの下流側に備えられ加熱された状態で空燃比の検出が可能となる空燃比センサを備えた内燃機関において、冷間始動時におけるタービンハウジングからの水滴の飛散を抑制し、空燃比センサが被水により破損することを抑制できる技術を提供する。【解決手段】ターボチャージャのスクロール通路２２ａの内壁の外周部に、排気中の水滴を遠心力を利用して捕捉しつつ通過させる溝部２２ｂを備え、さらに、スクロール通路２２ａの最下部分に、機関停止後の凝縮水及び溝部２２ｂに捕捉された水滴を収集する水滴収集部２２ｅを備える。そして、この水滴収集部２２ｅから排水バルブ２７を備えた排水パイプ２６を介して、スクロール通路２２ａ中の水分を空燃比センサ５の下流側の排気管１９に排水可能とした。【選択図】図４
2008208787.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路にタービンが配置されるとともに、該タービンの下流側に、加熱により活性化された状態で排気の空燃比を検出可能な空燃比センサが設けられた内燃機関のターボチャージャであって、
前記タービンのタービンハウジングに設けられ、前記内燃機関の排気をタービンロータに導くタービンスクロールと、
前記タービンスクロールの内壁の外周部に設けられ、前記タービンスクロールを通過する排気に含まれる水滴が捕捉されて通過する水滴捕捉溝と、
前記タービンハウジングの設置姿勢における前記タービンスクロールの最下部分に設けられ、前記水滴捕捉溝および／またはタービンスクロールにおける水滴が収集される収集部と、
前記収集部と前記排気通路における前記空燃比センサの下流側とを連通し、前記収集部における水分を前記排気通路に排出する排水通路と、
前記排水通路に設けられ、該排水通路の開通及び閉鎖を切換える排水弁と、
を備えることを特徴とする内燃機関のターボチャージャ。
【請求項２】
前記排水弁は、前記内燃機関の始動開始直後には開弁しており、始動開始後に前記タービンスクロールの温度が上昇して水滴が消滅した後に閉弁することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関のターボチャージャに関し、特にタービンハウジング付近の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、車両に搭載された内燃機関の出力を向上させるために用いられるターボチャージャでは、タービンハウジング内にタービンホイールが設けられ、またコンプレッサハウジング内にコンプレッサホイールが設けられ、これらのタービンホイール及びコンプレッサホイールは、ロータシャフトによって一体回転可能に連結されている。
【０００３】
そして、内燃機関の排気通路を流れる排気は、タービンハウジング内に流入すると、タービンホイールの周りのタービンスクロールを通過した後、タービンホイールに吹付けられる。この排気の吹付けによりタービンホイールが回転すると、その回転はロータシャフトを介してコンプレッサホイールに伝達され、コンプレッサホイールが回転する。このコンプレッサホイールの回転によって内燃機関に導入される空気が過給される。
【０００４】
一方、内燃機関においては、排気通路内に空燃比センサ（例えば酸素濃度センサ）を臨ませて、排気ガスの成分（例えば酸素濃度）を検出することにより、空燃比フィードバック制御を行う場合がある。
【０００５】
この場合、空燃比センサに備わったセンサ素子は、一般に、所定の活性温度以上に加熱された状態で活性化し、排気ガスの成分の測定が可能となる。従って、空燃比センサにはセンサ素子加熱用のセンサヒータが配設されている。
【０００６】
上記のようなターボチャージャと、空燃比センサとを備えた内燃機関においては、冷間始動時においてタービンスクロールを通過する排気中に、燃焼により発生した水分が含まれており、この水分が水滴となってタービンハウジングから飛散して排出され、空燃比センサに接触する場合があった。また、前回の内燃機関の停止後に、タービンスクロールに残された排気が冷却されることにより凝縮水が発生し、この凝縮水が内燃機関の冷間始動時にタービンハウジングから飛散して排出され、空燃比センサに接触する場合があった。
【０００７】
そうすると、センサヒータの加熱によって高温になったセンサ素子において、水滴が接触した部分が急激に冷却される熱衝撃により、素子割れなどの破損が発生することがあった。
【０００８】
なお、ターボチャージャのタービンスクロールに関し、異物を捕集するためのいくつかの構成が公知となっている（例えば、特許文献１〜３を参照。）が、水滴が下流側の空燃比センサに接触することを抑制するための構成については検討されていない。
【特許文献１】実開昭６３−１０５７２９号公報
【特許文献２】実開昭６４−０３９４３７号公報
【特許文献３】実開平０１−１０３７４２号公報
【特許文献４】特開平０７−０４９０３６号公報
【特許文献５】実公平０７−０２３５５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的とするところは、ターボチャージャ及び、排気通路におけるターボチャー
ジャの下流側に備えられ加熱された状態で空燃比の検出が可能となる空燃比センサを備えた内燃機関において、冷間始動時におけるタービンハウジングからの水滴の飛散を抑制し、空燃比センサが被水により破損することを抑制できる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するための本発明は、ターボチャージャにおけるタービンスクロールの内壁の外周部に、排気中の水滴を遠心力を利用して捕捉しつつ通過させる水滴捕捉溝を備え、さらに、タービンスクロールの最下部分に、機関停止後の凝縮水及び水滴捕捉溝に捕捉された水滴を収集する収集部を備えることとした。また、収集部と排気通路における空燃比センサの下流側とを排水通路で連通して、タービンスクロール中の水分を空燃比センサの下流側に直接排水可能としたことを最大の特徴とする。
【００１１】
より詳しくは、内燃機関の排気通路にタービンが配置されるとともに、該タービンの下流側に、加熱により活性化された状態で排気の空燃比を検出可能な空燃比センサが設けられた内燃機関のターボチャージャであって、
前記タービンのタービンハウジングに設けられ、前記内燃機関の排気をタービンロータに導くタービンスクロールと、
前記タービンスクロールの内壁の外周部に設けられ、前記タービンスクロールを通過する排気に含まれる水滴が捕捉されて通過する水滴捕捉溝と、
前記タービンハウジングの設置姿勢における前記タービンスクロールの最下部分に設けられ、前記水滴捕捉溝および／またはタービンスクロールにおける水滴が収集される収集部と、
前記収集部と前記排気通路における前記空燃比センサの下流側とを連通し、前記収集部における水分を前記排気通路に排出する排水通路と、
前記排水通路に設けられ、該排水通路の開通及び閉鎖を切換える排水弁と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
これによれば、内燃機関の始動開始後に、機関から排出された排気において発生した水滴を、排気がタービンスクロールを通過する際の遠心力を利用して水滴捕捉溝に捕捉することができる。そして、この水滴捕捉溝を通過して、排気の流れに沿ってタービンスクロール内を移動した水分を収集部に収集することができる。また、前回の内燃機関の停止以降にタービンスクロール内に残存した排気が冷却されて発生した凝縮水も、凝縮水がタービンスクロール部の最下部分に自重で移動することを利用して、収集部において収集することができる。さらに、収集部に収集された水分を、排水通路を経由して、空燃比センサに接触させることなく排気通路に排水することができる。
【００１３】
これにより、タービンハウジングから飛散して排出される水滴が空燃比センサに接触して空燃比センサが破損することを抑制できる。また、空燃比センサの設置場所を決定する際に、被水を防止するための制限がなくなるので、空燃比を検出する上で最適の場所に決定することができる。
【００１４】
また、本発明においては、前記排水弁は、前記内燃機関の始動開始直後には開弁しており、始動開始後に前記タービンスクロールの温度が上昇して水滴が消滅した後に閉弁するようにしてもよい。
【００１５】
そうすれば、内燃機関の始動開始直後であって、タービンスクロール内に凝縮水が存在しまたは、水滴が発生し易い低温の状態においては、タービンスクロール内の水分をより確実に空燃比センサの下流側の排気通路に排水させることができる。そして、内燃機関の始動開始後、タービンクスロール内の温度が上昇してタービンスクロール内の水滴が蒸発し、空燃比センサが被水するおそれがなくなった時点で排水通路を閉鎖し、ターボチャー
ジャのタービンにおける過給効率を向上させることができる。
【００１６】
なお、本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明にあっては、ターボチャージャ及び、排気通路におけるターボチャージャの下流側に備えられ加熱された状態で空燃比の検出が可能となる空燃比センサを備えた内燃機関において、冷間始動時におけるタービンハウジングからの水滴の飛散を抑制でき、空燃比センサが被水により破損することを抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本実施例に係る内燃機関及び吸排気系、制御系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は４つの気筒２を有している。内燃機関１には、吸気枝管８が接続されており、この吸気枝管８の上流側は吸気管９と接続されている。さらに吸気管９は、ターボチャージャ２０のコンプレッサハウジング２１に接続されている。一方、内燃機関１には、排気枝管１８が接続され、この排気枝管１８は、ターボチャージャ２０のタービンハウジング２２と接続されている。また、該タービンハウジング２２は排気通路としての排気管１９と接続されている。この排気管１９は、その下流にて図示しないマフラーに接続されている。また、排気管１９には排気管１９を通過する排気の空燃比を検出する空燃比センサ５及び、排気浄化のための排気浄化触媒３０が設けられている。
【００２０】
この空燃比センサ５におけるセンサ素子（不図示）は、ジルコニア管等から形成されており、加熱されて例えば４００℃以上に昇温することにより活性化し、排気ガスの酸素濃度検出が可能な状態になる。
【００２１】
また、センサ素子の内部には、センサヒータ（不図示）が備えられている。排気ガス中の酸素濃度検出前には、ＥＣＵ３５からの指令によりセンサヒータに通電され、センサ素子が加熱される。
【００２２】
以上のような内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）３５が併設されている。このＥＣＵ３５は、内燃機関１
の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。
【００２３】
ＥＣＵ３５には、図示しないエアフローメータ、アクセルポジションセンサ、クランクポジションセンサなどの他、前述の空燃比センサ５などのセンサ類が電気配線を介して接続され、出力信号がＥＣＵ３５に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ３５には、図示しない燃料噴射弁などが電気配線を介して接続され、ＥＣＵ３５によって制御されるようになっている。
【００２４】
また、ＥＣＵ３５には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等が備えられており、ＲＯＭには、内燃機関１の種々の制御を行うためのプログラムや、データを格納したマップが記憶されている。
【００２５】
ここで、一般的な構造のターボチャージャについて説明する。この種のターボチャージャにおいては、例えば図２に示すように、センターハウジング２３の両側にタービンハウ
ジング２２とコンプレッサハウジング２１が設けられている。排気枝管１８を介して内燃機関１からタービンハウジング２２内に導入された排気はタービンホイール２５を回転駆動する。そうすると、タービンホイール２５と連結されたコンプレッサハウジング２１内のインペラ（不図示）が回転駆動される。
【００２６】
ターボチャージャ２０のタービンハウジング２２内部には、タービンホイール２５に排気を流入させるタービンスクロールとしてのスクロール通路２２ａが形成されている。このスクロール通路２２ａは巻き始めから巻き終りにかけて流路面積が徐々に小さくなり、タービンホイール２５に圧縮された排気を吹き付けることが可能な構成となっている。
【００２７】
ここで、内燃機関１の冷間始動時には、内燃機関１からの排気は、前述のようにタービンハウジング２２に導入されてタービンホイール２５に吹き付けられる。その際、タービンハウジング２２の温度が低いために、内燃機関１における燃焼反応により発生した水分が蒸発せず、排気中に水滴が発生する場合があった。そうすると、この水滴はタービンホイール２５の回転の遠心力によってスクロール通路２２ａの外周部を伝わって移動し、最終的にはタービンハウジング２２の排出口から飛散して、空燃比センサ５に接触する場合があった。そうすると、加熱により高温となった状態で低温の水滴が接触した熱衝撃によって、空燃比センサ５が破損する場合があった。
【００２８】
そこで、本実施例においては、内燃機関１の冷間始動時において、空燃比センサ５に水滴が接触しないように、タービンハウジング２２に、排気中の水滴が捕捉され、空燃比センサ５に接触せずに、排気管１９における空燃比センサ５の下流側に排水するための構成を付加することとした。
【００２９】
図３には、本実施例におけるタービンハウジング２２の概略構成を示す。図３（ａ）にはタービンハウジング２２の、タービンホイール２５の回転軸方向から見た断面図を示す。図３（ｂ）には、Ａ−Ａ断面の拡大図を示す。
【００３０】
図３に示すように、本実施例においては、スクロール通路２２ａの内壁の外周部に水滴捕捉溝としての溝部２２ｂをスクロール通路２２ａの方向に沿って形成した。この溝部２２ｂの断面の曲率は、図３（ｂ）に示すようにスクロール通路２２ａの流路の曲率より大きく設定されており、スクロール通路２２ａの外周中央部に設けられている。また、この溝部２２ｂは、スクロール通路２２ａの導入口２２ｃ付近から、タービンハウジング２２の設置姿勢におけるスクロール通路２２ａの最下部分２２ｄまでの範囲で形成されている。
【００３１】
また、本実施例においては、スクロール通路２２ａの最下部分２２ｄにおいては、収集部としての水滴収集部２２ｅが設けられている。この水滴収集部２２ｅには、水滴を収集または貯留可能な貯留部２２ｆと、貯留部２２ｆ内の水滴をタービンハウジング２２の外部に排出可能な排出口２２ｇを有している。
【００３２】
ここで、内燃機関１からの排気がスクロール部２２ａを通過中に水滴が発生した場合には、発生した水滴は遠心力によってスクロール通路２２ａの外周側に寄せられるが、その際に溝部２２ｂに捕捉され（溝部２２ｂ上を優先的に流動する）るので、水滴がスクロール通路２２ａ内の他の部分を通過する場合と比較して流路が安定し、スクロール通路２２ａ内を飛散しづらくなる。
【００３３】
そして、溝部２２ｂに捕捉された水滴は、排気の流れに沿って溝部２２ｂ上を移動し、水滴収集部２２ｅに到る。水滴収集部２２ｅに到った水滴は貯留部２２ｆに自重と遠心力により安定して貯留されあるいは、排出口２２ｇから排出されるため、タービンハウジン
グ２２内をさらにスクロール通路２２ａの下流側に水滴が移動し、排気管１９に飛散することを抑制できる。その結果、空燃比センサ５に水滴が接触することを抑制できる。
【００３４】
また、前回の内燃機関１の機関停止後に、タービンハウジング２２内に残存した排気が冷却されて発生した凝縮水についても、自重で水滴収集部２２ｅに収集されるので、内燃機関１の次の始動時において凝縮水がタービンハウジング２２から排気管１９に飛散し、空燃比センサ５に接触することを抑制できる。
【００３５】
次に、図４を用いて、本実施例におけるタービンハウジング２２及び、下流側の排気管１９付近を含めた概略構成を示す。
【００３６】
図４に示すように、本実施例においては、水滴収集部２２ｅの排出口２２ｇと、排気管１９における空燃比センサ５の下流側であって、排気浄化触媒３０の上流側の部分との間を排水通路としての排水バイプ２６によって連通している。そして、排水パイプ２６の途中には、排水パイプ２６の開通または遮断を制御する排水弁としての排水バルブ２７が設けられている。なお、排出口２２ｇと排水パイプ２６との接合部は、ネジ込み式でもよいし溶接されていてもよい。
【００３７】
そして、本実施例においては、内燃機関１の停止時及び始動開始時においては、排水バルブ２７を開弁状態としておき、内燃機関１の始動開始後の所定時間ｔ１が経過後に排水バルブ２７を閉弁制御することとしている。ここで所定時間ｔ１は、内燃機関１の始動開始後この時間が経過すると、充分にタービンハウジング２２の内部が高温になるため、内部の水滴が蒸発し、水滴が空燃比センサ５に接触することがなくなると考えられる時間であり、予め実験などにより求められる。
【００３８】
すなわち本実施例によれば、内燃機関１の停止中は、排水バルブ２７が開弁しているために、内燃機関１の前回の停止後において発生した凝縮水については、内燃機関１の停止中に確実に水滴収集部２２ｅの排出口２２ｇから排水パイプ２６を介して、空燃比センサ５の下流側の排気管１９に排水することができる。また、内燃機関１の始動開始後に所定時間ｔ１が経過するまでも、排水バルブ２７が開弁しているので、内燃機関１の始動時においてスクロール通路２２ａで発生する水滴についても、同様に水滴収集部２２ｅの排出口２２ｇから排水パイプ２６を介して、空燃比センサ５の下流側の排気管１９に排水することができる。
【００３９】
さらに、内燃機関１の始動開始後の所定時間ｔ１が経過した後は、排水バルブ２７を閉弁制御するので、タービンハウジング２２内の温度が充分に上昇し、スクロール通路２２ａ内に水滴が存在し得ない状態となった場合には、タービンハウジング２２の密閉性を高めることができ、効率的にタービンロータ２５を回転させることが可能となる。その結果、過給効率を向上させることができる。
【００４０】
なお、この排水バルブ２７は、ＥＣＵ３５によって制御される電気式バルブであってもよいし、コンプレッサハウジング２１下流における過給圧の上昇を検出して閉弁する正圧アクチュエータを利用したものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施例における内燃機関の吸排気系及び制御系の概略構成を示す図である。
【図２】従来のターボチャージャの概略構成について示す図である。
【図３】本発明の実施例におけるタービンハウジングのスクロール通路付近について示す図である。
【図４】本発明の実施例におけるタービン及び空燃比センサ付近の概略構成について示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１・・・内燃機関
２・・・気筒
５・・・空燃比センサ
８・・・吸気枝管
９・・・吸気管
１８・・・排気枝管
１９・・・排気管
２０・・・ターボチャージャ
２１・・・コンプレッサハウジング
２２・・・タービンハウジング
２２ａ・・・スクロール通路
２２ｂ・・・溝部
２２ｃ・・・導入口
２２ｄ・・・最下部分
２２ｅ・・・水滴収集部
２２ｆ・・・貯留部
２２ｇ・・・排出口
２５・・・タービンロータ
２６・・・排出パイプ
２７・・・排出バルブ
３０・・・排気浄化触媒
３５・・・ＥＣＵ
【図１】
2008208787.tif 000003
【図２】
2008208787.tif 000004
【図３】
2008208787.tif 000005
【図４】
2008208787.tif 000006