JP2012225297A

JP2012225297A - エンジンの排気装置

Info

Publication number: JP2012225297A
Application number: JP2011094874A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Nagayama; 司長山; Hitoshi Uda; 等宇田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2012-11-15

Abstract

【課題】エンジン１の排気通路（３，５）の途中に過給機２０のタービンハウジング２４と触媒９とが排気ガス流れ方向に直列に設置されかつ過給機２０のタービンホイール２１をバイパスするバイパス通路３１の排出口がウェイストゲートバルブ３２で開閉される構成の排気装置において、バイパス通路３１から排出される排気ガスを高温に保ったまま触媒９に導入可能とする。
【解決手段】排気通路（３，５）においてタービンハウジング２４と触媒９との間の領域で排気通路（３，５）の周壁部の内側に、バイパス通路３１から排出される排気ガスが直接衝突する受け部３５が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気通路の途中に過給機のタービンハウジングと触媒とが排気ガス流れ方向に直列に設置されかつ前記過給機のタービンホイールをバイパスするバイパス通路の排出口がウェイストゲートバルブで開閉される構成のエンジンの排気装置に関する。

従来からエンジンの排気通路の途中に過給機のタービンハウジングと触媒とを排気ガス流れ方向に直列に設置し、前記排気通路に前記過給機のタービンホイールをバイパスするためのバイパス通路を設置し、このバイパス通路の排出口に排気ガスのバイパス量を調整するためのウェイストゲートバルブを設ける構成が知られている（例えば特許文献１参照）。なお、特許文献１には前記触媒が記載されていないが、一般に、前記触媒はタービンハウジングよりも排気ガス流れ方向の下流側に設置されている。

特開２００３−２９３７８０号公報

上記特許文献１には記載されていないが、例えば前記排気通路において前記タービンハウジングと前記触媒との間の領域が、横方向に延びてからほぼ９０度屈曲して鉛直方向下向きに延びるようなほぼ逆さＬ字形状に形成されることがある。

このような排気通路の場合には、前記バイパス通路から排出される排気ガスが触媒に直接衝突せずに排気通路の周壁部に直接衝突しやすくなる。そのような場合には、前記周壁部に排気ガスの熱の一部が伝達されることになって、この周壁部に伝達された熱が大気に放出されやすくなるので、バイパス通路から排出される排気ガスを高温に保ったまま触媒に導入させることができなくなる。

このような事情に鑑み、本発明は、エンジンの排気通路の途中に過給機のタービンハウジングと触媒とが排気ガス流れ方向に直列に設置されかつ前記過給機のタービンホイールをバイパスするバイパス通路の排出口がウェイストゲートバルブで開閉される構成のエンジンの排気装置において、前記バイパス通路から排出される排気ガスを高温に保ったまま触媒に導入可能とすることを目的としている。

本発明に係るエンジンの排気装置は、エンジンの排気通路の途中に過給機のタービンハウジングと触媒とが排気ガス流れ方向に直列に設けられ、前記排気通路に前記過給機のタービンホイールをバイパスするためのバイパス通路が設けられ、このバイパス通路の排出口に排気ガスのバイパス量を調整するためのウェイストゲートバルブが設けられ、前記排気通路において前記タービンハウジングと前記触媒との間の領域で当該排気通路の周壁部の内側に、前記バイパス通路から排出される排気ガスが直接衝突する受け部が設けられている、ことを特徴としている。

この構成では、バイパス通路から排出される排気ガスが受け部に直接衝突することになって、この排気ガスの熱の一部が受け部に伝達、蓄積されることになるので、前記バイパス通路から排出された排気ガスの熱が排気通路の周壁部から大気に放出されにくくなる。

これにより、バイパス通路から排出される排気ガスを高温に保ったまま触媒に導入させることが可能になる。なお、前記排気ガスの衝突によって受け部に伝達、蓄積される熱は後から次々と排出される排気ガスと共に触媒へと導かれるようになる。そのため、例えばエンジンを冷間始動してから触媒を比較的速やかに昇温させて活性化させることが可能になる。

好ましくは、前記受け部は、それに衝突する排気ガスを前記触媒の入口側へ向けて流すようにガイドする、ものとすることができる。

この構成では、排気ガスの熱が排気通路の周壁部に奪われにくくなるので、前記排気ガスを高温に保ったまま触媒に導入させるうえでさらに有利になる。

好ましくは、前記排気通路の周壁部で前記受け部の外側に位置する領域には断熱部材が設けられる。

この場合、排気通路の周壁部に断熱部材を設けているから、受け部が受けた熱が排気通路の周壁部を介して大気に放出されることが防止される。これにより、排気ガスの熱を効率良く触媒に導入させることが可能になる。

好ましくは、前記排気通路において前記タービンハウジングと前記触媒との間の領域は、前記タービンハウジングから排出される排気ガスの排出方向に直進して、その後９０度屈曲するような形状とされ、この下向き部分は前記触媒へ向けて徐々に拡径するコーン形状とされ、前記バイパス通路からの排気ガスの排出方向が前記コーン部に向けられ、このコーン部に前記受け部が設けられる。

本発明に係るエンジンの排気装置は、エンジンの排気通路の途中に過給機のタービンハウジングと触媒とが排気ガス流れ方向に直列に設置されかつ前記過給機のタービンホイールをバイパスするバイパス通路の排出口がウェイストゲートバルブで開閉される構成において、前記バイパス通路から排出される排気ガスを高温に保ったまま触媒に導入させることが可能になる。

本発明に係るエンジンの排気装置の一実施形態の概略構成を示す図である。図１においてタービンハウジングと触媒との間の領域を拡大して示す図であって、ウェイストゲートバルブを開いた状態を示している。図２のタービンハウジングを図２のＡ方向から見た図である。図２においてウェイストゲートバルブを閉じた状態を示す図である。本発明に係るエンジンの排気装置の他実施形態で、図４に対応する図である。

以下、本発明を実施するための最良の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

図１から図４に本発明の一実施形態を示している。この実施形態で例示するエンジン１は例えば直列４気筒になっている。このエンジン１の図示していないシリンダヘッドには、各気筒に吸入空気を分配して供給するためのインテークマニホールド２と、各気筒から排出される排気ガスを集合させるためのエキゾーストマニホールド３とが取り付けられている。

インテークマニホールド２には、大気中から空気を取り込むための吸気管４が接続されている。この吸気管４の入口にはエアクリーナ６が取り付けられている。このインテークマニホールド２と吸気管４とが吸気通路を構成している。

なお、インテークマニホールド２において吸気流れ方向の上流側には、エンジン１の吸入空気量を調整するためのスロットルバルブ７が設けられている。このスロットルバルブ７は、図示していないが、スロットルモータおよびエレクトロニックコントロールユニット（ＥＣＵ）によって作動される。

一方、エキゾーストマニホールド３には、排気ガスを大気に放出するための排気管５が接続されている。これらエキゾーストマニホールド３と排気管５とが排気通路の一部を構成している。この排気管５は、「エルボ」と呼ばれる部品であって、下記タービンハウジング２４の排出口２６から排出される排気ガスの排出方向から直進して、その後ほぼ９０度屈曲して鉛直方向ほぼ下向きに延びるような逆さＬ字形状に形成されている。

この排気管５の下向き部分には、排気ガスを浄化するための触媒９が設けられている。この触媒９の直径は排気管５の前記下向き部分の直径よりも大きく設定される関係より、この排気管５の下向き部分は触媒９へ向けて徐々に拡径するコーン形状とされている。このコーン部に符号５１（図２参照）を付している。

この実施形態のエンジン１には、過給機としてターボチャージャ２０が装備されている。このターボチャージャ２０は、排気圧を利用して吸入空気を過給してエンジン１に供給するものであって、タービンホイール２１、コンプレッサインペラ２２などを備えている。

タービンホイール２１は、エキゾーストマニホールド３と排気管５との間（排気通路の途中）に設置されるタービンハウジング２４内に設けられている。コンプレッサインペラ２２は、吸気管４の途中に設置されるコンプレッサハウジング２５内に設けられている。このコンプレッサインペラ２２はタービンホイール２１と一体のタービンシャフト２３に取り付けられている。これにより、タービンホイール２１とコンプレッサインペラ２２とは一体に回転するようになっている。

このターボチャージャ２０の動作としては、エンジン１から排出される排気ガスのエネルギーによってタービンホイール２１が回転され、これと一体にコンプレッサインペラ２２が回転されることにより、吸気管４に吸入される空気が過給されて、エンジン１の各気筒の燃焼室に強制的に送り込まれるようになる。このコンプレッサインペラ２２によって過給された空気はインタークーラ８によって冷却されるようになっている。インタークーラ８は、吸気管４においてコンプレッサインペラ２２よりも吸気流れ方向の下流側に設置されている。

この実施形態のターボチャージャ２０には、バイパス通路３１、ウェイストゲートバルブ（ＷＧＶ）３２などが設けられている。

バイパス通路３１は、エンジン１から排出される排気ガスをタービンホイール２１をバイパスして触媒９に導くように、タービンハウジング２４に設けられている。つまり、このバイパス通路３１はタービンハウジング２４においてその入口側と出口側とを短絡するように設置されている。このバイパス通路３１の排出口は、図２および図３に示すように、タービンハウジング２４においてタービンホイール２１を回転駆動した排気ガスの排出口２６の隣に設けられている。

ウェイストゲートバルブ３２は、バイパス通路３１の排出口側に開閉可能に設置されており、このバイパス通路３１の開度を調整して排気ガスのバイパス量を調整するものである。この排気ガスのバイパス量を調整することにより、例えば過給圧を制御することが可能になる他、エンジン１の冷間始動時に速やかに触媒９を活性化することが可能になる。

このウェイストゲートバルブ３２は、例えば円形に形成されていて、その外周所定位置が支軸３３に回転一体に取り付けられている。この支軸３３には図示していないが駆動源が動力伝達機構を介して連結されており、前記駆動源で発生する駆動力を動力伝達機構で支軸３３を回転させるための回転動力に変換し、当該回転動力を支軸３３に伝達することにより当該支軸３３と回転一体のウェイストゲートバルブ３２を開閉動作させるようになっている。

このウェイストゲートバルブ３２、支軸３３、前記動力伝達機構ならびに前記駆動源がウェイストゲートバルブユニットを構成している。なお、前記駆動源は例えばモータやバキューム・レギュレーティング・バルブなどとすることが可能である。また、前記動力伝達機構は例えばリンク機構、あるいは歯車機構などすることが可能である。

そして、図２から図４に示すように、排気管５においてタービンハウジング２４と触媒９との間の領域には、バイパス通路３１から排出される排気ガスの受け部３５が設けられている。

この受け部３５は、特にバイパス通路３１から排出される排気ガスが直接衝突するような位置に配置されている。具体的に、この受け部３５は、バイパス通路２７から排出される排気ガスの排出方向の延長線上に配置されている。この実施形態では、バイパス通路２７から排出される排気ガスが図２の太線で示すように前記排出方向に直進して流れるように設定されているので、前記受け部３５が前記直線的な排気ガスの流れに当たる位置に配置されている。さらに、この受け部３５は、当該受け部３５に衝突する排気ガスを触媒９の入口側へ向けて流すようにガイドするような状態で設置されている。

なお、図２および図４に示すように、受け部３５よりも排気ガス流れ方向の下流側には、Ａ／Ｆセンサ１０が設けられている。このＡ／Ｆセンサ１０は、その先端部分（素子配置部分）に前記受け部３５に衝突した排気ガスが当たるように設置されている。

具体的に、バイパス通路３１から排出される排気ガスは排気管５のコーン部５１の最小径部分の外側角部に向けられている。受け部３５は、この実施形態において排気管５と別体で板状に形成されており、排気管５においてコーン部５１の最小径部分の外側角部に触媒９側へ向けて突出するように取り付けられている。この受け部３５の素材は、一般に知られている適宜の耐熱性金属、あるいはセラミックスなどとすることが可能である。

さらに、排気管５の周壁部において受け部３５の外側に位置する領域（この実施形態では排気管５の外側へ向けて出っ張る湾曲部分の外面）には、断熱部材３６が設けられている。この断熱部材３６は、例えばシート状とされ、前記領域に貼り付けられている。この断熱部材３６の素材は、一般に知られている適宜の断熱材料とすることが可能である。

このような構成を備える実施形態では、次のような作用、効果が得られる。

まず、ウェイストゲートバルブ３２を開いた場合には、例えば図２に示すように、バイパス通路３１から排出される排気ガスが受け部３５に直接衝突することになって、この排気ガスの熱の一部が受け部３５に伝達、蓄積されることになるので、バイパス通路３１から排出された排気ガスの熱が排気管５の周壁部から大気に放出されにくくなる。これにより、バイパス通路３１から排出される排気ガスを高温に保ったまま触媒９に導入させることが可能になる。しかも、前記排気ガスの衝突によって受け部３５に伝達、蓄積される熱は後から次々と排出される排気ガスと共に触媒９へと導かれるようになる。そのため、例えばエンジン１を冷間始動してから触媒９を比較的速やかに昇温させて活性化させることが可能になる。

特に、この実施形態の受け部３５は、それに衝突する排気ガスを触媒９の入口側へ向けて流すようにガイドする状態で設置されているから、例えば受け部３５を備えていないことによってバイパス通路３１から排出される排気ガスが排気管５の周壁部に直接衝突するようになっている場合に比べて、バイパス通路３１から排出される排気ガスの熱が排気管５の周壁部に奪われにくくなるので、バイパス通路３１から排出される排気ガスを高温に保ったまま触媒９に導入させるうえでさらに有利になる。

また、この実施形態では、排気管５の周壁部で受け部３５の外側に位置する領域に設置している断熱部材３６でもって、受け部３５に蓄積した熱が排気管５の周壁部から大気に放出されることを防止することが可能になる。そのため、排気ガスを高温に保ったまま触媒９に導入させるうえでさらに有利になる。

そして、ウェイストゲートバルブ３２を閉めている場合には、例えば図４に示すように、エンジン１から排出される排気ガスのすべてがタービンホイール２１に向けて導入されることになり、このタービンホイール２１を回転駆動した排気ガスがタービンハウジング２４の排出口２６から排気管５に排出されることになる。このとき、排気ガスは排気管５の内面や受け部３５により案内されて触媒９に導入されるようになる。

以上説明したように本発明を適用した実施形態では、バイパス通路３１から排出される排気ガスの温度低下を防止して、可及的に高温に保ったまま触媒９に導入させることが可能になるから、触媒９の早期活性化を図ることが可能になる。しかも、受け部３５と断熱部材３６とを設けるだけの比較的簡易な構成で事足りるから、設備コストを可及的に低く抑えることが可能になる。

なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲内で適宜に変更することが可能である。

（１）上記実施形態で説明した排気装置の適用対象となるエンジン１は、ディーゼルエンジンあるいはガソリンエンジンのどちらでもよい。ディーゼルエンジンとする場合だと触媒９は例えばディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）などとされ、また、ガソリンエンジンとする場合だと触媒９は例えば三元触媒とされる。

（２）上記実施形態では排気管５に断熱部材３６を設けるようにした例を挙げているが、本発明はこれに限定されるものではなく、前記断熱部材３６を省略した構成も本発明に含まれる。

（３）図５には本発明の他の実施形態を示している。この実施形態では、バイパス通路３１から排出される排気ガスが排気管５のコーン部５１において最小径部分の内角部に衝突するようになる場合に好適となるように、受け部３５の設置位置を設定している。

具体的に、受け部３５は、前記バイパス通路３１から排出される排気ガスが衝突する位置、つまり排気管５のコーン部５１において最小径部分の内角部に取り付けられていて、その自由端が、コーン部５１において最小径部分の外角部側に向けて横方向斜め下向きに突出されている。

この場合には、バイパス通路３１から排出される排気ガスが受け部３５に直接衝突することになって、この排気ガスの熱の一部が受け部３５に伝達、蓄積されることになるので、バイパス通路３１から排出された排気ガスの熱は排気管５の周壁部から大気に放出されにくくなる。この受け部３５に伝達された熱は次々と排出される排気ガスと共に触媒９へと導かれるようになる。これにより、例えばエンジン１を冷間始動してから触媒９を比較的速やかに昇温させて活性化させることが可能になる。

しかも、この受け部３５は、それに衝突する排気ガスをコーン部５１の中央側から触媒９の入口側へ向けて流すようにガイドするようになる。そのため、バイパス通路３１から排出される排気ガスの熱が排気管５の周壁部に奪われにくくなるので、バイパス通路３１から排出される排気ガスを高温に保ったまま触媒９に導入させるうえでさらに有利になる。

本発明は、エンジンの排気通路の途中に過給機のタービンハウジングと触媒とが排気ガス流れ方向に直列に設置されかつ前記タービンハウジングをバイパスするバイパス通路の排出口がウェイストゲートバルブで開閉される構成の排気装置に好適に利用することが可能である。

１エンジン
２インテークマニホールド
３エキゾーストマニホールド（排気通路の一部）
４吸気管
５排気管（排気通路の一部）
５１コーン部
２０ターボチャージャ
２１タービンホイール
２２コンプレッサインペラ
２４タービンハウジング
２６排出口
３１バイパス通路
３２ウェイストゲートバルブ
３３支軸
３５受け部
３６断熱部材

Claims

エンジンの排気通路の途中に過給機のタービンハウジングと触媒とが排気ガス流れ方向に直列に設けられ、
前記排気通路に前記過給機のタービンホイールをバイパスするためのバイパス通路が設けられ、このバイパス通路の排出口に排気ガスのバイパス量を調整するためのウェイストゲートバルブが設けられ、
前記排気通路において前記タービンハウジングと前記触媒との間の領域で当該排気通路の周壁部の内側に、前記バイパス通路から排出される排気ガスが直接衝突する受け部が設けられている、ことを特徴とするエンジンの排気装置。
請求項１に記載のエンジンの排気装置において、
前記受け部は、それに衝突する排気ガスを前記触媒の入口側へ向けて流すようにガイドする、ことを特徴とするエンジンの排気装置。
請求項１または２に記載のエンジンの排気装置において、
前記排気通路の周壁部で前記受け部の外側に位置する領域には断熱部材が設けられる、ことを特徴とするエンジンの排気装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載のエンジンの排気装置において、
前記排気通路において前記タービンハウジングと前記触媒との間の領域は、前記タービンハウジングから排出される排気ガスの排出方向に直進して、その後９０度屈曲するような形状とされ、この下向き部分は前記触媒へ向けて徐々に拡径するコーン形状とされ、前記バイパス通路からの排気ガスの排出方向が前記コーン部に向けられ、このコーン部に前記受け部が設けられる、ことを特徴とするエンジンの排気装置。