JP4649375B2 - 排気系構造 - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車等の排気ガスから熱を回収するための熱交換部を含む排気系構造に関する。

触媒コンバータに流入する排気ガスの温度を低下させるために、触媒コンバータの上流に熱交換器をバイパス可能に設ける技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−２１８０２０号公報 特許第３５８９１５１号明細書

しかしながら、上記の如き従来の技術では、熱交換器による熱交換状態と熱交換器のバイパス状態とを切り替えるために、１つ又は複数の三方弁又は四方弁を備える必要があった。

本発明は、排気熱の回収機能を備えながら部品点数を削減することができる排気系構造を得ることが目的である。

請求項１記載の発明に係る排気系構造は、内燃機関が排出する排気ガスの排出経路中に設けられ、所定温度以下の前記排気ガスから炭化水素を吸着するための吸着剤を有する吸着部と、前記吸着部に対し前記排気ガス流れ方向の下流側に設けられ、前記内燃機関を冷却するための冷却液と前記排気ガスとの熱交換を行う熱交換部と、前記熱交換部に対し前記排気ガスの流れ方向の下流側に設けられ、通過する前記排気ガスを浄化するための触媒を有する排気浄化部と、前記吸着部及び前記熱交換部をバイパスして前記排気浄化部の排気ガス流れ方向の上流側に合流するバイパス流路部と、前記バイパス流路部を開閉するための弁装置と、を備えている。

請求項１記載の排気系構造では、弁装置がバイパス流路部を閉じている状態で、排気ガスは吸着部、熱交換部、排気浄化部の順で流れ、弁装置がバイパス流路部を開放している状態で、排気ガスは吸着部及び熱交換部をバイパスして主にバイパス部、排気浄化部の順で流れる。ところで、例えば排気ガスを排出する内燃機関の始動直後等には、排気浄化部の触媒は温度が低く活性が低い一方、吸着剤は排気ガス中の炭化水素を吸着し得る。また、内燃機関の始動直後等には、早期の暖機が望まれる。

ここで、本排気系構造では、吸着部と熱交換部とが直列に配置されているため、弁装置がバイパス流路部を閉止する状態では、吸着部及び熱交換部（の排気ガス流路）に排気ガスが導入される。このため、内燃機関の始動直後等に弁装置にバイパス流路部を閉止させれば、例えば吸着部の吸着材による排気ガス中の未燃の炭化水素の吸着と、排気ガスの熱の冷却液への回収が共に果たされる。換言すれば、吸着部と熱交換部とを同じタイミングで機能させることができるので、これらに吸着部及び熱交換部に排気ガスを導入する状態に切り替えるための弁装置が共通化される。したがって、吸着部と熱交換部とで別個の弁装置を有する構成と比較して、弁装置の数を削減することができる。また、バイパス路が共通化されるので、排気系が全体としてコンパクトになる。

このように、請求項１記載の排気系構造では、排気熱の回収機能を備えながら部品点数を削減することができる。

請求項２記載の発明に係る排気系構造は、請求項１記載の排気系構造において、前記吸着部と前記熱交換部の排気ガス流路とは、共通のケース内に構成されている。

請求項２記載の排気系構造では、吸着部と、熱交換部における少なくとも排気ガス流路とが共通のケース（シェル）内に構成されているので、部品点数を一層削減することができる。

請求項３記載の発明に係る排気系構造は、請求項２記載の排気系構造において、前記排気浄化部は、筒状に形成された前記ケース内で前記吸着部及び熱交換部と同軸的に配置されている。

請求項３記載の排気系構造では、排気浄化部が上記ケースの軸心部に配置されているので、換言すれば、排気系の主要構成部品の一体化が可能になるので、部品点数の一層の削減が可能になる。

請求項４記載の発明に係る排気系構造は、請求項３記載の排気系構造において、前記吸着部と前記熱交換部の排気ガス流路とは前記ケースの長手方向に直列に配置されており、前記吸着部への排気ガス入口及び前記排気浄化部の排気ガス入口は、前記ケースの長手方向における同じ側に配置されている。

請求項４記載の排気系構造では、吸着部の排気ガス入口及び排気浄化部の排気ガス入口がケースの長手（軸線）方向の同じ側に配置されているので、換言すれば、吸着部及びバイパス流路部の各排気ガス入口の分岐部分の近傍に排気浄化部の排気ガス入口を配置することができるので、バイパス流路を短く構成することができ、排気系（ケース）を全体としてコンパクトに構成することが可能になる。

以上説明したように本発明に係る排気系構造は、排気熱の回収機能を備えながら部品点数を削減することができるという優れた効果を有する。

本発明の一実施形態に係る排気系構造が適用された排気システム１０について、図１乃至図３に基づいて説明する。なお、以下の説明で、単に上流・下流の語を用いるときは、排気ガスの流れ方向の上流・下流を示すものとする。また、便宜上、図中矢印ＦＲにて示す方向を前側ということとするが、これは本排気システム１０の車両への搭載方向を限定するものではない。

図３には、排気システム１０の概略全体構成が模式的なフロー図にて示されている。この図に示される如く、排気システム１０は、排気ガスの流通経路を構成する排気管１２を備えている。排気管１２は、上流端１２Ａにおいて図示しない内燃機関エンジンから導入された排気ガスを下流端である大気開放端１２Ｂから系外に排出するようになっている。

排気システム１０は、排気管１２の中間部に配設され排気ガス中の炭化水素を吸着するための吸着部としてのＨＣ吸着部１４を備えている。また、排気システム１０は、ＨＣ吸着部１４の下流に配置された熱交換部としての排気熱回収部１６を備えている。排気熱回収部１６は、その排気ガス流路を通過する排気ガスとエンジン冷却水との熱交換を行うことで、排気熱をエンジン冷却水に回収する構成とされている。さらに、排気システム１０は、排気熱回収部１６の下流に配置された排気浄化部としての触媒コンバータ部１８を備えている。触媒コンバータ部１８は、通過する排気ガス中の炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物の有害成分を浄化する構成とされている。図示は省略するが、排気システム１０は、触媒コンバータ部１８の下流に配置され排気音を低減するためのマフラ（消音器）を有する。

そして、排気システム１０は、排気管１２におけるＨＣ吸着部１４の上流側から分岐すると共に、該排気管１２における排気熱回収部１６と触媒コンバータ部１８との間に合流するバイパス流路２０を備えている。すなわち、バイパス流路２０は、ＨＣ吸着部１４及び排気熱回収部１６をバイパス可能に構成されている。

また、排気システム１０は、排気ガスが排気管１２（ＨＣ吸着部１４側）を流れる状態と、排気ガスがバイパス流路２０を流れる状態とを切り替えための切替手段としての弁装置２２を備えている。この実施形態では、弁装置２２は、制御手段としての排気系ＥＣＵ２４にて制御されるアクチュエータ２５を有しており、排気系ＥＣＵ２４は、弁装置２２のアクチュエータ２５の作動を制御することで、ＨＣ吸着部１４及び排気熱回収部１６に排気ガスを流通させる状態と、主にバイパス流路２０に排気ガスを流通させる状態とを選択的（択一的）に切り替えるように構成されている。

以上説明した排気システム１０では、図１に示される如く、ＨＣ吸着部１４と排気熱回収部１６と触媒コンバータ部１８とバイパス流路２０と弁装置２２とが、サブアセンブリ化されて排気系部品５０を構成しており、排気系部品５０は、１つの部品として取り扱い可能とされている。以下、具体的に説明する。

図１に示される如く、排気系部品５０は、内部に触媒としての三元触媒２６を保持して触媒コンバータ部１８を構成する略円筒形状の触媒ケース２８を備えている。触媒ケース２８の下流端２８Ａは、後向き開口する開口端とされており、三元触媒２６の保持部分よりも絞られており、排気管１２におけるＨＣ吸着部１４よりも下流を構成する（大気開放端１２Ｂを有する）部分１２Ｃに接続されている。触媒ケース２８の上流端２８Ｂは、前向き開口する開口端とされており、下流端２８Ａと同様に絞られている。

また、排気系部品５０は、触媒ケース２８の外側に同軸的に設けられた（触媒ケース２８を外周側から覆う）略円筒形状の中間ケース３０を備えている。中間ケース３０は、後向きに開口する下流端３０Ａが触媒ケース２８の下流端２８Ａ前側に位置しており、前向きに開口する上流端３０Ｂが触媒ケース２８の上流端２８Ｂよりも前側に位置して触媒ケース２８を覆う部分よりも絞られている。

さらに、排気系部品５０は、中間ケース３０の外側に同軸的に設けられた（触媒ケース２８を外周側から覆う）ケースとしてのアウタケース（ハウジング）３２を備えている。アウタケース３２の前向きに開口する上流端３２Ａは、排気管１２におけるＨＣ吸着部１４よりも上流を構成する部分１２Ｄに接続された開口端とされている。アウタケース３２は、接続される排気管１２に対応して絞られた上流端３２Ａよりも後側部分が、中間ケース３０に倣うように徐々に（段階的に）拡径されると共に、中間ケース３０の長手方向中間部の近傍で縮径され、その下流端３２Ｂは触媒ケース２８の外周に気密状態で接合されている。

そして、排気系部品５０では、アウタケース３２の前部３２Ｃと中間ケース３０の前部３０Ｃとの間にＨＣ吸着剤（ＨＣ吸着触媒）３４を保持することで、ＨＣ吸着部１４が構成されている。また、排気システム１０では、アウタケース３２の後部３２Ｄと中間ケース３０の後部３０Ｄとの間の空間が、排気熱回収部１６の排気ガス流路３６とされている。さらに、排気熱回収部１６の排気ガス流路３６を構成するアウタケース３２の後部３２Ｄは、ウォータジャケット３８にて外側から覆われている。このウォータジャケット３８とアウタケース３２の後部３２Ｄとの間に排気熱回収部１６の冷却水流路４０が形成されている。

したがって、排気系部品５０では、アウタケース３２の上流端３２Ａからアウタケース３２内に導入された排気ガスは、該アウタケース３２と中間ケース３０との間からＨＣ吸着部１４、排気熱回収部１６を通過し、さらに中間ケース３０と触媒ケース２８との間を通過して触媒ケース２８の上流端２８Ｂすなわち触媒コンバータ部１８の排気ガス入口に至る第１の流路と、アウタケース３２の上流端３２Ａ、中間ケース３０の上流端３０Ｂ、触媒ケース２８の上流端２８Ｂを直線状に通過して触媒コンバータ部１８の排気ガス入口に至る第２の流路すなわちバイパス流路２０とをとり得る。

このため、排気系部品５０では、上記した第１の流路と第２の流路との分岐であるアウタケース３２の上流端３２Ａに対するバイパス流路２０側部分である中間ケース３０の上流端３０Ｂに弁装置２２が配設されている。弁装置２２は、外径が中間ケース３０の上流端３０Ｂの内径と略同等とされた略円板状のバルブ４２と、中間ケース３０の軸線との直交方向に長手とされ、長手方向の両端側で中間ケース３０の上流端３０Ｂを貫通した回動軸４４と、中間ケース３０の上流端３０Ｂの外周側にそれぞれ固定され回動軸４４を回転自在に支持する軸受４６と、回動軸４４におけるアウタケース３２の上流端３２Ａを貫通して排気系外に突出した一端部に設けられたレバー４８とを含んで構成されている。

この弁装置２２のバルブ４２は、回動軸４４廻りに回動することで、図２（Ａ）に示される如く中間ケース３０の上流端３０Ｂを閉止する閉止姿勢と、図２（Ｂ）に示される如く中間ケース３０の上流端３０Ｂを開放する開放姿勢とを切り替える構成とされている。また、弁装置２２は、例えば通常は図示しないスプリング等の付勢部材の付勢力によって、バルブ４２を開放（全開）姿勢に保持しており、制御手段としての排気系ＥＣＵ２４からの指令によって作動したアクチュエータ２５（図１、図２では図示省略）によってレバー４８における回動軸４４の軸線と離間した部分が押圧されることで、付勢部材の付勢力に抗してバルブ４２が閉止姿勢に切り替わり、かつ該閉止姿勢に保持されるように構成されている。

アクチュエータ２５は、例えばバキューム式のアクチュエータ（負圧ダイヤフラム）とすることができ、この場合、内燃機関エンジンの吸気系との間に配設された図示しないバキュームスイッチングバルブが排気系ＥＣＵ２４に指令に基づいて開閉されることで、レバー４８すなわちバルブ４２を駆動する。

排気システム１０の排気系部品５０では、上記した第１の流路の流動抵抗（排気ガスが通過する際に生じる圧力損失）が第２の流路すなわちバイパス流路２０の流動抵抗と比較して大きいので、弁装置２２のバルブ４２が開放姿勢をとる状態では、排気ガスは主に（殆ど）バイパス流路２０を通過するようになっている。一方、弁装置２２のバルブ４２が閉止姿勢をとる状態では、排気ガスは第１の流路すなわちＨＣ吸着部１４、間に排気熱回収部１６を経由して触媒コンバータ部１８に至る流路を流れるようになっている。

排気系ＥＣＵ２４は、この実施形態では、内燃機関エンジンが始動されたことに対応するエンジンスタート信号が入力されるようになっており、エンジンスタート信号が入力されると弁装置２２のアクチュエータ２５を作動させ、該エンジンスタート信号が入力された時点から所定時間経過した場合に弁装置２２のアクチュエータ２５の作動を停止するようになっている。この所定時間は、内燃機関エンジンの暖機のために要する時間として設定されており、ＨＣ吸着部１４のＨＣ吸着剤３４が炭化水素を脱離する温度に達するまでの時間よりも長く設定されている。

また、排気システム１０の排気系部品５０を構成するＨＣ吸着部１４は、ウォータジャケット３８に設けられ冷却水流路４０に連通する冷却水入口ノズル５２、冷却水出口ノズル５４を備えている。冷却水入口ノズル５２及び冷却水出口ノズル５４は、内燃機関エンジン、ラジエータ、ヒータコアを含む冷却水循環路に、少なくとも内燃機関エンジンと直列となるように接続されている。

次に、本実施形態の作用を説明する。

上記構成の排気システム１０では、内燃機関エンジンが始動されると、該内燃機関エンジンから排気管１２に排気ガスが排出（導入）される。一方、排気系ＥＣＵ２４にはエンジンスタート信号が入力され、排気系ＥＣＵ２４は弁装置２２のアクチュエータ２５を作動する。すると、弁装置２２のバルブ４２は、開放姿勢から閉止姿勢に切り替わり、中間ケース３０の上流端３０Ｂすなわちバイパス流路２０を閉止して該バイパス流路２０から触媒コンバータ部１８への排気ガスの流れを遮断（禁止）する。これにより、排気管１２に導入された排気ガスは、図２（Ａ）に示される如く、アウタケース３２の上流端３２ＡからＨＣ吸着部１４、排気熱回収部１６を経由して触媒コンバータ部１８に至る。

ところで、内燃機関エンジンの始動直後は、排気ガスに含まれる燃料の未燃焼成分の主要素である炭化水素の濃度が高い一方、三元触媒２６の温度すなわち触媒活性が低いため、三元触媒２６によっては排気ガス中の炭化水素を効果的に浄化することが困難である。他方、ＨＣ吸着部１４のＨＣ吸着剤３４は、その温度が低い場合に排気ガス中の炭化水素を吸着し、その温度が高くなると吸着した炭化水素を脱離する。また、内燃機関エンジンは、その始動後には、速やかに通常の運転温度まで昇温（暖機）されることが好ましい。

ここで、排気システム１０では、上記の通り内燃機関エンジンの始動直後に弁装置２２がバイパス流路２０を閉止するため、排気ガス中の炭化水素がＨＣ吸着部１４のＨＣ吸着部１４のＨＣ吸着剤３４に吸着される。さらに、排気ガスは排気熱回収部１６に至り、該排気熱回収部１６の排気ガス流路３６を流れる排気ガスと冷却水流路４０を流れるエンジン冷却水との熱交換によって、排気ガスの熱がエンジン冷却水に回収される。このエンジン冷却水が内燃機関エンジンを流通することで、該内燃機関エンジンの暖機が促進される。

排気熱回収部１６の排気ガス流路３６を通過した排気ガスは、触媒コンバータ部１８に至り、触媒コンバータ部１８を通過しながら三元触媒２６を昇温する。触媒コンバータ部１８を通過した排気ガスは、図示しないマフラを経由して大気開放端１２Ｂから大気開放される。この間、ＨＣ吸着剤３４、三元触媒２６の温度が共に高くなり、ＨＣ吸着剤３４は吸着した炭化水素を脱離し、三元触媒２６はＨＣ吸着剤３４から脱離された排気ガス中の炭化水素を、排気ガス中の一酸化炭素や窒素酸化物等と共に浄化する。

排気系ＥＣＵ２４は、エンジンスタート信号が入力されてから所定時間が経過すると、アクチュエータ２５の作動を停止する。すると、弁装置２２のバルブ４２は、付勢部材に付勢力にて開放位置に復帰し、バイパス流路２０（中間ケース３０の上流端３０Ｂ）が開放される。すると、図２（Ｂ）に示される如く、排気管１２に導入された排気ガスは、主にバイパス流路２０を経由して触媒コンバータ部１８に至り、該触媒コンバータ部１８にて浄化されて大気開放端１２Ｂから大気開放される。これにより、排気システム１０では、バイパス流路２０を閉止している場合と比較して、内燃機関エンジンの排気ガス排出に伴う背圧が低減され、また排気ガスから不要な熱を回収してラジエータの負荷を増大させることが防止される。

以上説明したように排気システム１０では、ＨＣ吸着部１４、排気熱回収部１６を機能させる時期を、共に内燃機関エンジンの始動直後からの一定期間とすることで、これらＨＣ吸着部１４、排気熱回収部１６に排気ガスを供給するように流路を切り替えるための弁装置２２（バルブ４２）を共通化することができた。これにより、これらＨＣ吸着部１４、排気熱回収部１６に個別に排気ガスを供給し得るようにした構成と比較して、弁装置２２の数すなわち部品点数を削減することができる。また、ＨＣ吸着部１４、排気熱回収部１６に個別に排気ガスを供給し得るようにした構成では、これらを独立してバイパスするための複数のバイパス経路が必要になるが、排気システム１０では、ＨＣ吸着部１４と排気熱回収部１６とで共通のバイパス流路２０を備えれば足り、全体構成が簡素化される。

また、排気システム１０では、ＨＣ吸着部１４、排気熱回収部１６、触媒コンバータ部１８、弁装置２２（の機械部分）が、全体として共通のケースとして把握可能なアウタケース３２内に一体的に構成された排気系部品５０を備えるため、取り扱いが容易である。そして、排気システム１０の排気系部品５０では、上記の如く弁装置２２、バイパス流路２０が共通化されているので、全体としてコンパクトに一体化された構成が実現されている。

特に、排気システム１０では、図３に示される如く排気ガス流れに対し（フロー的に）直列に配置されるＨＣ吸着部１４と排気熱回収部１６とが、排気系部品５０においてアウタケース３２の長手方向に（機械的にも）直列に配置され、かつこれらの軸心部に触媒コンバータ部１８が配置されるので、排気系部品５０（主にアウタケース３２）の全長を短く抑えてコンパクトな構成とされている。また特に、排気系部品５０では、触媒コンバータ部１８の排気ガス入口である触媒ケース２８の上流端２８Ｂが、ＨＣ吸着部１４の排気ガス入口（バイパス流路２０との分岐）を成すアウタケース３２の上流端３２Ａと同じ側に位置するため、バイパス流路２０を短く構成することができる。この実施形態では、バイパス流路２０は、実質的にバルブ４２の動作スペースを確保しうる程度の中間ケース３０の上流端３０Ｂで足り、排気システム１０を一層コンパクトに構成することができる。

なお、上記実施形態では、ＨＣ吸着部１４、排気熱回収部１６の軸心部に触媒コンバータ部１８を配置して排気システム１０を構成した例を示したが、本発明はこれに限定されず、図３に示すフロー図でモデル化される構成であれば如何なる構成としても良い。したがって例えば、ＨＣ吸着部１４、排気熱回収部１６、触媒コンバータ部１８、弁装置２２等の各構成要素を個別に排気管１２（排気ガス排出経路）に配設することもでき、また例えば、図４に示す如き変形例に係る排気システム６０とすることも可能である。

排気システム６０では、排気系部品５０に代えて排気系部品７０を備えている。この排気系部品７０では、触媒ケース２８の上流端２８Ｂにバイパス流路２０を構成するバイパス管６２の下流端が接続されており、バイパス管６２の外側にＨＣ吸着部１４、排気熱回収部１６を構成するアウタケース３２が接合されている。バイパス管６２における弁装置２２の前側にはＨＣ吸着部１４に連通する窓部６４が形成され、バイパス管６２における下流端３２Ｂの近傍には窓部６６が形成されている。したがって、排気系部品７０を備えた排気システム６０では、触媒コンバータ部１８の前方にＨＣ吸着部１４、排気熱回収部１６が配置され、弁装置２２によるバイパス流路２０の閉止状態では、窓部６４からＨＣ吸着部１４に排気ガスが流入し、排気熱回収部１６の排気ガス流路３６を通過した排気ガスは窓部６６から触媒コンバータ部１８に至る構成とされている。

変形例に係る排気システム６０の他の構成は排気システム１０の対応する構成と同じであり、この排気システム６０によっても、触媒コンバータ部１８がＨＣ吸着部１４、排気熱回収部１６の軸心部に配置されることによる効果を除いて、排気システム１０と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。また、排気システム６０では、排気システム１０の排気系部品５０と比較して、排気系部品７０の全長が長くなる一方、外径を小さく抑えることができる。

なお、上記実施形態及び変形例では、バキューム式のアクチュエータ２５を備えた例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、モータ式のアクチュエータを用いても良い。

また、上記実施形態では、排気系ＥＣＵ２４がエンジン始動から所定時間が経過するまでアクチュエータ２５を作動させる制御例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えばエンジン冷却水温が所定温度以上になるまでアクチュエータ２５を作動させる制御とすることも可能である。さらに、排気系ＥＣＵ２４を備える構成に代えて、例えば、エンジン冷却水温が上昇した場合に膨張するワックスによって弁装置２２のレバー４８を駆動するサーもアクチュエータを設け、制御することなくバイパス流路２０の開閉を自動的に切り替えるようにしても良い。

本発明の実施形態に係る排気システムの要部を示す側断面図である。 本発明の実施形態に係る排気システムの排気ガス流れを示す図であって、（Ａ）はエンジン始動直後の排気ガス流れを示す側断面図、（Ｂ）はエンジンの通常運転温度での時の排気ガス流れを示す側断面図である。 本発明の実施形態に係る排気システムの概略全体構成を示すフロー図である。 本発明の実施形態に係る排気システムの変形例を示す側断面図である。

符号の説明

１０ 排気システム（排気系構造）
１２ 排気管（排気ガスの排出経路）
１４ ＨＣ吸着部（吸着部）
１６ 排気熱回収部（熱交換部）
１８ 触媒コンバータ部（排気浄化部）
２０ バイパス流路（バイパス流路部）
２２ 弁装置
２６ 三元触媒（触媒）
３２ アウタケース（ケース）
３４ 吸着剤
６０ 排気システム（排気系構造）

Claims (4)

1. 内燃機関が排出する排気ガスの排出経路中に設けられ、所定温度以下の前記排気ガスから炭化水素を吸着するための吸着剤を有する吸着部と、
   前記吸着部に対し前記排気ガス流れ方向の下流側に設けられ、前記内燃機関を冷却するための冷却液と前記排気ガスとの熱交換を行う熱交換部と、
   前記熱交換部に対し前記排気ガスの流れ方向の下流側に設けられ、通過する前記排気ガスを浄化するための触媒を有する排気浄化部と、
   前記吸着部及び前記熱交換部をバイパスして前記排気浄化部の排気ガス流れ方向の上流側に合流するバイパス流路部と、
   前記バイパス流路部を開閉するための弁装置と、
   を備えた排気系構造。
2. 前記吸着部と前記熱交換部の排気ガス流路とは、共通のケース内に構成されている請求項１記載の排気系構造。
3. 前記排気浄化部は、筒状に形成された前記ケース内で前記吸着部及び熱交換部と同軸的に配置されている請求項２記載の排気系構造。
4. 前記吸着部と前記熱交換部の排気ガス流路とは前記ケースの長手方向に直列に配置されており、
   前記吸着部への排気ガス入口及び前記排気浄化部の排気ガス入口は、前記ケースの長手方向における同じ側に配置されている請求項３記載の排気系構造。
   

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