DE102018115380A1

DE102018115380A1 - Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102018115380A1
Application number: DE102018115380.5A
Authority: DE
Inventors: Koichi Kimura; Yasuyuki Irisawa; Takashi Tsunooka
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-07-04
Filing date: 2018-06-26
Publication date: 2019-01-10
Also published as: US20190010854A1; CN109209621B; JP6607236B2; US10669916B2; CN109209621A; JP2019015190A

Abstract

In einer Konstruktion, in der eine Turbine und ein Abgasreinigungskatalysator nahe beieinander angeordnet sind und ein Abgassensor in einem Auslassdurchgang zwischen der Turbine und dem Abgasreinigungskatalysator angeordnet ist, wird eine Benetzung des Abgassensors mit Kondenswasser unterbunden. In einem Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine, beinhaltend einen mit einer Turbine ausgestatteten Turbolader, einen Abgasreinigungskatalysator, einen Umgehungsdurchgang, ein WGV und einen in einem bestimmten Auslassdurchgang angeordneten Abgassensor, wobei die Turbine und der Abgasreinigungskatalysator derart angeordnet sind, dass sich ein Austrittsabschnitt der Turbine und eine stromaufwärtsseitige Stirnfläche des Abgasreinigungskatalysators in einem vorbestimmten Nähezustand befinden und eine Verlängerungslinie einer Rotationsachse der Turbine die stromaufwärtsseitige Stirnfläche schneidet, ohne eine Wandoberfläche des bestimmten Auslassdurchgangs zu schneiden, ist der Abgassensor in einer Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs an einer Position mit Ausnahme eines Bereichs angeordnet, der von einem Umgehungsabgas erreicht wird, das von einer Turbinenwirbelströmung mitgeführt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine, das mit einem Abgasturbinenlader (Turbolader) zum Antreiben eines Kompressors vom Zentrifugaltyp anhand von Abgasenergie, einem Abgasreinigungskatalysator, der auf der Stromabwärtsseite einer Turbine des Turboladers angeordnet ist, und einem Abgassensor, der zwischen der Turbine und dem Abgasreinigungskatalysator angeordnet ist, versehen ist.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
In einer Konstruktion, in der eine Turbine eines Turboladers in einem Auslassdurchgang einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, kann ein Umgehungsdurchgang gebildet sein, der die Turbine umgeht. Ferner ist in Patentliteratur 1 eine Technologie offenbart, bei der ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor in einem Auslassdurchgang auf der Stromabwärtsseite einer Turbine und eines Umgehungsdurchgangs angeordnet ist. Gemäß dieser Technologie ist der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor derart angeordnet, dass noch bevor ein aus der Turbine in einen Auslassdurchgang strömendes Abgas (nachstehend mitunter als ein „Turbinenabgas“ bezeichnet) mit einem Abgas vermischt wird, das aus dem Umgehungsdurchgang in den Auslassdurchgang strömt (nachstehend mitunter als ein „Umgehungsabgas“ bezeichnet), der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor mit dem Turbinenabgas beaufschlagt wird.
Darüber hinaus ist es üblich geworden, dass ein Abgasreinigungskatalysator in einem Auslassdurchgang einer Verbrennungskraftmaschine auf der Stromabwärtsseite einer Turbine eines Turboladers und eines Umgehungsdurchgangs angeordnet ist. Ferner ist in Patentliteratur 2 eine Technologie offenbart, bei der ein Wastegate-Ventil (nachstehend mitunter als ein „WGV“ bezeichnet) in einem Umgehungsdurchgang angeordnet ist, wobei das WGV zum Zeitpunkt eines Kaltstarts einer Verbrennungskraftmaschine geöffnet ist. Gemäß dieser Technologie wird die Temperatur eines auf der Stromabwärtsseite des Umgehungsdurchgangs angeordneten Abgasreinigungskatalysators unter Verwendung eines Abgases relativ hoher Temperatur, das durch den Umgehungsdurchgang geströmt ist, angehoben.
Liste der Anführungen
Patentliteratur

Patentliteratur 1: Japanische Patentanmeldungsoffenlegung Nr. 2014-013004
Patentliteratur 2: Japanische Patentanmeldungsoffenlegung Nr. 2003-254051

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
In dem aus einer Verbrennungskraftmaschine abgeführten Abgas ist Feuchtigkeit enthalten, und wenn sich die Verbrennungskraftmaschine in einem kalten Zustand befindet, kann die Feuchtigkeit in dem Abgas in einem Auslassdurchgang zu Kondenswasser werden. Wenn dann in dem Auslassdurchgang auf der Stromaufwärtsseite einer Turbine, in der Turbine oder einem Umgehungsdurchgang Kondenswasser erzeugt wird, strömt das Kondenswasser aus einem Austrittsabschnitt der Turbine oder einem Austrittsabschnitt des Umgehungsdurchgangs in den Auslassdurchgang. Wenn dann ein in dem Auslassdurchgang angeordneter Abgassensor dem Kondenswasser ausgesetzt ist, kann in dem Abgassensor eine Abnormität auftreten.
Hingegen war bereits in der Vergangenheit bekannt, dass in einem kalten Zustand einer Verbrennungskraftmaschine die Temperatur eines Abgasreinigungskatalysators unter Verwendung eines Umgehungsabgases angehoben wird, dessen Temperatur höher ist als die eines Turbinenabgases. Um in diesem Fall die Temperatur des Abgasreinigungskatalysators so schnell wie möglich anzuheben, wurde erwogen, das Umgehungsabgas im Verhältnis zu dem Turbinenabgas soweit wie möglich zu erhöhen. Falls dabei das Umgehungsabgas soweit wie möglich erhöht wird, nimmt das aus einem Austrittsabschnitt eines Umgehungsdurchgangs in einen Auslassdurchgang strömende Kondenswasser zu. Demgemäß wird die Möglichkeit hoch, dass ein Abgassensor dem Kondenswasser ausgesetzt wird, welches zusammen mit dem Umgehungsabgas aus dem Umgehungsdurchgang ausströmt.
Weiterhin ist es gemäß den in der Literatur des Standes der Technik, etc. beschriebenen Technologien bekannt, einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (Abgassensor) an einer Position anzuordnen, an der er mit einem Turbinenabgas beaufschlagt wird, bevor dieses mit einem Umgehungsabgas vermischt wird. In diesem Fall wird davon ausgegangen, dass die Benetzung des Sensors mit Kondenswasser, das mit dem Umgehungsabgas mitströmt, unterbunden wird. In einer Konstruktion, in der eine Turbine und ein Abgasreinigungskatalysator zu dem Zweck, die Temperatur des Abgasreinigungskatalysators so schnell wie möglich anzuheben, nahe beieinander angeordnet sind, ist es jedoch schwierig, den Abgassensor an der Position anzuordnen, an der er von dem Turbinenabgas beaufschlagt wird, bevor dieses mit dem Umgehungsabgas vermischt wird.
Mit anderen Worten wird es bei der Konstruktion, in der der Abgassensor in dem Auslassdurchgang zwischen der Turbine und dem Abgasreinigungskatalysator angeordnet ist, in dem Fall, in dem die Turbine und der Abgasreinigungskatalysator nahe beieinander angeordnet sind, schwieriger, den Abgassensor an einer Position anzuordnen, an der die Benetzung des Abgassensors mit dem Kondenswasser, das mit dem Umgehungsabgas mitströmt, unterbunden werden kann, als in dem Fall, in dem diese anders angeordnet sind. Demgemäß hat sich der Erfinder der vorliegenden Erfindung der Sensorposition unter dem Gesichtspunkt einer Umfangsrichtung des Auslassdurchgangs neu angenommen.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der oben bezeichneten Probleme getätigt, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Technologie, die bei einer Konstruktion, in der eine Turbine und ein Abgasreinigungskatalysator nahe beieinander angeordnet sind und der Abgassensor in einem Auslassdurchgang zwischen der Turbine und dem Abgasreinigungskatalysator angeordnet ist, unterbinden kann, dass ein Abgassensor mit Kondenswasser benetzt wird.
Lösung des Problems
In einem Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Abgassensor an einer Position in einer Umfangsrichtung eines Auslassdurchgangs zwischen einer Turbine und einem Abgasreinigungskatalysator mit Ausnahme eines Bereichs angeordnet, der von einem Umgehungsabgas zu der Zeit erreicht wird, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine in einem kalten Zustand befindet, wobei das Umgehungsabgas von einem wirbelnden Abgas mitgeführt wird, das durch den Auslassdurchgang strömt, während es an einer Wandoberfläche desselben entlangwirbelt.
Genauer gesagt weist ein Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung auf: einen Turbolader mit einer Turbine, der in einem Auslassdurchgang der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist; einen Abgasreinigungskatalysator, der in dem Auslassdurchgang an einer Stelle stromabwärts der Turbine angeordnet ist; einen Umgehungsdurchgang, der an einer Stelle stromaufwärts der Turbine von dem Auslassdurchgang abzweigt und an einer Stelle stromaufwärts des Abgasreinigungskatalysators unter Umgehung der Turbine in den Auslassdurchgang übergeht; ein Wastegate-Ventil, das imstande ist, einen Abgaskanalquerschnitt in dem Umgehungsdurchgang zu verändern; und einen Abgassensor, der in einem bestimmten Auslassdurchgang angeordnet ist, welcher ein Abschnitt des Auslassdurchgangs zwischen der Turbine und dem Abgasreinigungskatalysator ist; wobei die Turbine und der Abgasreinigungskatalysator derart angeordnet sind, dass sich ein Austrittsabschnitt der Turbine und eine stromaufwärtsseitige Stirnfläche des Abgasreinigungskatalysators in einem vorbestimmten Nähezustand befinden und eine Verlängerungslinie einer Rotationsachse der Turbine die stromaufwärtsseitige Stirnfläche des Abgasreinigungskatalysators schneidet, ohne eine Wandoberfläche des bestimmten Auslassdurchgangs zu schneiden; und ist ferner derart aufgebaut, dass, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine in einem kalten Zustand befindet und ein Öffnungsgrad des Wastegate-Ventils ein vorbestimmter Öffnungsgrad ist, das aus dem Umgehungsdurchgang in den bestimmten Auslassdurchgang strömende Umgehungsabgas zu der stromaufwärtsseitigen Stirnfläche des Abgasreinigungskatalysators geleitet wird; und der Abgassensor an einer Position in einer Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs mit Ausnahme eines ersten Bereichs angeordnet ist, der ein Bereich ist, der von dem Umgehungsabgas zu der Zeit erreicht wird, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine in einem kalten Zustand befindet, wobei das Umgehungsabgas von einem wirbelnden Abgas mitgeführt wird, das aus der Turbine in den bestimmten Auslassdurchgang strömt und durch den bestimmten Auslassdurchgang strömt, während es an der Wandoberfläche desselben entlangwirbelt.
Bei einer derartigen Verbrennungskraftmaschine befinden sich der Austrittsabschnitt der Turbine und die stromaufwärtsseitige Stirnfläche des Abgasreinigungskatalysators in dem vorbestimmten Nähezustand, so dass in dem bestimmten Auslassdurchgang eine Wärmeabfuhr von dem Abgas auf seine Durchgangswand unterbunden wird. Hier ist der vorbestimmte Nähezustand ein Zustand, in dem die Turbine und der Abgasreinigungskatalysator derart angeordnet sind, dass ein Verhältnis zwischen einem Abstand von dem Austrittsabschnitt der Turbine zu der stromaufwärtsseitigen Stirnfläche des Abgasreinigungskatalysators und einem Durchmesser des Abgasreinigungskatalysators in einen vorbestimmten Bereich in der Nähe von 1,0 fällt. Darüber hinaus ist der Aufbau derart, dass das Umgehungsabgas zu der stromaufwärtsseitigen Stirnfläche des Abgasreinigungskatalysators geleitet wird, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine in dem kalten Zustand befindet und der Öffnungsgrad des WGV der vorbestimmte Öffnungsgrad ist, so dass die Wärme des Umgehungsabgases auf effiziente Weise auf den Abgasreinigungskatalysator übertragen wird. Mit anderen Worten ist die Verbrennungskraftmaschine derart aufgebaut, dass sie imstande ist, die Temperatur des Abgasreinigungskatalysators so schnell wie möglich anzuheben.
Anders ausgedrückt ist dabei der vorbestimmte Öffnungsgrad ein Öffnungsgrad des WGV zu der Zeit, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine in dem kalten Zustand befindet (nachstehend mitunter als ein „Kaltzeitöffnungsgrad“ bezeichnet). Weiterhin ist dieser Kaltzeitöffnungsgrad ein Öffnungsgrad, bei dem die Temperatur des Abgasreinigungskatalysators unter Verwendung des Umgehungsabgases so schnell wie möglich angehoben werden kann. Der Kaltzeitöffnungsgrad ist beispielsweise ein vollständig geöffneter Grad des WGV. In diesem Fall kann das Umgehungsabgas in Bezug auf das Turbinenabgas soweit wie möglich erhöht werden. Oder der Kaltzeitöffnungsgrad ist beispielsweise ein Öffnungsgrad, bei dem das Umgehungsabgas zu einem im Wesentlichen mittleren Abschnitt der stromaufwärtsseitigen Stirnfläche des Abgasreinigungskatalysators geleitet wird. In diesem Fall wird es einfacher, die Temperatur des Abgasreinigungskatalysators anzuheben.
Weiterhin wird, wenn der Öffnungsgrad des WGV der Kaltzeitöffnungsgrad ist, die Strömungsrate des Umgehungsabgases größer als die Strömungsrate des Turbinenabgases. Dabei neigt das aus dem Umgehungsdurchgang in den bestimmten Auslassdurchgang strömende Kondenswasser dazu, durch den bestimmten Auslassdurchgang zu strömen, während es von einem Strom des Umgehungsabgases mitgeführt wird. Aus diesem Grund wird, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine in dem kalten Zustand befindet, leicht eine Benetzung des Sensors mit dem Kondenswasser herbeigeführt, das mit dem Strom des Umgehungsabgases mitströmt. Demgemäß ist es wünschenswert, dass der Abgassensor an einer Position angeordnet ist, die nicht von dem Umgehungsabgas erreicht wird.
Hier wird das Umgehungsabgas von einem Strom von wirbelndem Abgas (nachstehend mitunter als eine „Turbinenwirbelströmung“ bezeichnet) mitgeführt, das ein Turbinenabgas ist, welches durch den bestimmten Auslassdurchgang strömt, während es an dessen Wandoberfläche entlangwirbelt. Demgemäß hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung unter Berücksichtigung des Einflusses der Turbinenwirbelströmung auf das Umgehungsabgas eine gewissenhafte Untersuchung zu einer Anordnung des Abgassensors unter dem Gesichtspunkt der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs durchgeführt.
Demzufolge wird die Strömungsrichtung des Umgehungsabgases durch die Wirbelrichtung des wirbelnden Abgases umgelenkt. Dabei ist das Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung derart aufgebaut, dass das Umgehungsabgas zu der stromaufwärtsseitigen Stirnfläche des Abgasreinigungskatalysators geleitet wird, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine in dem kalten Zustand befindet, tatsächlich jedoch kann sich das Umgehungsabgas zu diesem Zeitpunkt in gewissem Umfang zerstreuen, bevor es in die stromaufwärtsseitige Stirnfläche des Abgasreinigungskatalysators strömt. Aus diesem Grund kann das Umgehungsabgas selbst dann in die Nähe der Wandoberfläche des bestimmten Auslassdurchgangs gelangen, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine in dem kalten Zustand befindet. Dabei wird der Strom des Umgehungsabgases in der Nähe der Wandoberfläche des bestimmten Auslassdurchgangs durch die Turbinenwirbelströmung umgeleitet. Wenn sich dann die Verbrennungskraftmaschine in dem kalten Zustand befindet, erreicht das auf diese Weise durch die Turbinenwirbelströmung umgeleitete Umgehungsabgas den ersten Bereich in der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs.
Wenn dann der Abgassensor an einer Position mit Ausnahme des ersten Bereichs in der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs angeordnet ist, wird die Benetzung des Sensors durch das strömende Kondenswasser, das in dem Strom des Umgehungsabgases mitgeführt wird, unterbunden. Damit kann in der Konstruktion, in der die Turbine und der Abgasreinigungskatalysator nahe beieinander angeordnet sind und der Abgassensor in dem Auslassdurchgang zwischen der Turbine und dem Abgasreinigungskatalysator angeordnet ist, verhindert werden, dass der Abgassensor mit Kondenswasser benetzt wird.
Darüber hinaus kann der erste Bereich als ein Bereich einschließlich einer Region festgesetzt werden, in die eine Region um einen vorbestimmten Winkel in der Wirbelrichtung des wirbelnden Abgases bewegt wird, wenn angenommen wird, dass das Umgehungsabgas zu der Zeit, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine in dem kalten Zustand befindet, die Wandoberfläche des bestimmten Auslassdurchgangs erreicht hat, ohne von dem wirbelnden Abgas mitgeführt zu werden.
Wie oben erwähnt, wird in der Nähe der Wandoberfläche des bestimmten Auslassdurchgangs das Abgas von der Turbinenwirbelströmung umgeleitet. Konkret erreicht das Umgehungsabgas in dem Fall der Annahme, dass es nicht von der Turbinenwirbelströmung mitgeführt wird, eine vorbestimmte Region in der Wandoberfläche des bestimmten Auslassdurchgangs. Wenn im Gegensatz dazu das Umgehungsabgas von der Turbinenwirbelströmung mitgeführt wird, erreicht das Umgehungsabgas eine Region, in die die vorbestimmte Region um den vorbestimmten Winkel in der Wirbelrichtung des wirbelnden Abgases bewegt wird.
Überdies verändert sich in Anbetracht der Tatsache, dass sich das Verhältnis der Strömungsrate des Turbinenabgases und der Strömungsrate des Umgehungsabgases entsprechend dem Öffnungsgrad des WGV verändert, der Umfang, in dem das Umgehungsabgas von der Turbinenwirbelströmung mitgeführt wird, in Übereinstimmung mit dem Öffnungsgrad des WGV. Dies liegt daran, dass die Stärke der Turbinenwirbelströmung dem Einfluss der Strömungsrate des Turbinenabgases unterliegt, die sich entsprechend dem Öffnungsgrad des WGV verändert. Demgemäß wird der vorbestimmte Winkel als ein Winkel entsprechend dem vorbestimmten Öffnungsgrad definiert, welcher der Öffnungsgrad (der Kaltzeitöffnungsgrad) des WGV zu der Zeit ist, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine in dem kalten Zustand befindet.
Ferner kann der Abgassensor in dem Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung zudem in der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs an einer Position innerhalb eines Bereichs, in dem er vertikal nach unten positioniert ist, und mit Ausnahme eines Bereichs, in dem Stagnationswasser verbleibt, welches in dem bestimmten Auslassdurchgang verbleibendes Kondenswasser ist, angeordnet sein.
Hier strömt das Kondenswasser, das an der Wandoberfläche des bestimmten Auslassdurchgangs angelagert ist (darunter auch Kondenswasser, das auf der Wandoberfläche erzeugt wird), in Richtung der Schwerkraft. Darüber hinaus fällt beispielsweise ein Teil des aus dem Austrittsabschnitt der Turbine in den bestimmten Auslassdurchgang strömenden Kondenswassers in dem bestimmten Auslassdurchgang in der Richtung der Schwerkraft nach unten. Infolgedessen kann das Kondenswasser in der vorbestimmten Region in dem bestimmten Auslassdurchgang (d.h. einer Region, die sich in der vertikalen Richtung unten in dem bestimmten Auslassdurchgang befindet) verbleiben. Falls dann der Abgassensor in dieser Region angeordnet ist, steht zu befürchten, dass der Abgassensor mit Wasser benetzt wird.
Demgemäß ist es durch Anordnen des Abgassensors an einer Position mit Ausnahme des Bereichs, in dem das Stagnationswasser verbleibt, in der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs möglich, die Benetzung des Abgassensors mit dem Stagnationswasser zu unterbinden.
Darüber hinaus kann in dem Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung der Abgassensor ferner in der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs an einer Position mit Ausnahme eines Bereichs angeordnet sein, der von dem Stagnationswasser erreicht wird, das von dem wirbelnden Abgas in dessen Wirbelrichtung aufgewirbelt wird.
Wie oben beschrieben, ist das wirbelnde Abgas das Turbinenabgas, das durch den bestimmten Auslassdurchgang strömt, während es an dessen Wandoberfläche entlangwirbelt. Aus diesem Grund unterliegt nicht nur das Umgehungsabgas, sondern auch das Stagnationswasser dem Einfluss des Stroms dieses wirbelnden Abgases (der Turbinenwirbelströmung). Dabei wird das Stagnationswasser in der Wirbelrichtung des wirbelnden Abgases aufgewirbelt. Demgemäß erreicht das von dem wirbelnden Abgas aufgewirbelte Stagnationswasser einen gewissen Bereich in der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs. Nachstehend wird dieser Bereich als ein „zweiter Bereich“ bezeichnet. Falls dann der Abgassensor in dem zweiten Bereich in der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs angeordnet ist, steht zu befürchten, dass der Abgassensor mit Wasser benetzt wird.
Demgemäß ist es durch Anordnen des Abgassensors an einer Position mit Ausnahme des zweiten Bereichs in der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs möglich, die Benetzung des Abgassensors mit dem Kondenswasser zu unterbinden.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, in einer Konstruktion, in der eine Turbine und ein Abgasreinigungskatalysator nahe beieinander angeordnet sind und der Abgassensor in einem Auslassdurchgang zwischen der Turbine und dem Abgasreinigungskatalysator angeordnet ist, zu verhindern, dass ein Abgassensor mit Kondenswasser benetzt wird.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das die allgemeine Konfiguration einer Verbrennungskraftmaschine und ihres Abgassystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2A ist ein Diagramm, das einen Längsschnitt durch ein Turbinengehäuse gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2B ist ein Diagramm, das einen Querschnitt durch das Turbinengehäuse gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht im Bereich eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors in 1.
4 ist eine Längsschnittansicht im Bereich eines Kopfendes des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors.
5 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Anordnungsaufbaus des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Anordnungsaufbaus eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7A ist ein Diagramm, das einen Längsschnitt durch ein Turbinengehäuse gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
7B ist ein Diagramm, das einen Querschnitt durch das Turbinengehäuse gemäß der Modifikation der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Anordnungsaufbaus eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors gemäß der Modifikation der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Anordnungsaufbaus eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden werden Modi zum Ausführen der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichenden Zwecken unter Bezugnahme auf die Zeichnungen konkret als Ausführungsformen beschrieben. Es sollte verstanden werden, dass sofern nichts anderes angegeben ist, die Abmessungen, Materialien, Formen, relativen Anordnungen und sonstigen Merkmale der Komponenten, die in Verbindung mit den Ausführungsformen beschrieben werden, nicht dazu gedacht sind, den technischen Umfang der vorliegenden Erfindung ausschließlich auf diese zu beschränken.
<Erste Ausführungsform>
(Allgemeine Konfiguration einer Verbrennungskraftmaschine und ihres Abgassystems)
1 ist ein Diagramm, das die allgemeine Konfiguration einer Verbrennungskraftmaschine und ihres Abgassystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die in 1 gezeigte Verbrennungskraftmaschine 1 ist eine Verbrennungskraftmaschine vom Funkenzündungstyp (Benzinmotor), die mit einer vier Zylinder 2 beinhaltenden Zylindergruppe versehen ist. Jedoch ist die vorliegende Erfindung auch auf eine Verbrennungskraftmaschine vom Kompressionszündungstyp (Dieselmotor) anwendbar. An der Verbrennungskraftmaschine 1 sind Kraftstoffeinspritzventile 3 zum Einspritzen von Kraftstoff jeweils in einzelne Einlassöffnungen der Zylinder 2 montiert. Hier sei darauf hingewiesen, dass die Kraftstoffeinspritzventile 3 derart aufgebaut sein können, dass sie Kraftstoff unmittelbar in die einzelnen Zylinder 2 einspritzen. Darüber hinaus sind an den einzelnen Zylindern 2 Zündkerzen (nicht dargestellt) jeweils zum Zünden von Luft-Kraftstoff-Gemischen in den Zylindern montiert.
Ein Einlasskrümmer 40 und ein Auslasskrümmer 50 sind mit der Verbrennungskraftmaschine 1 verbunden. Ein Einlassdurchgang 4 ist mit dem Einlasskrümmer 40 verbunden. In der Mitte dieses Einlassdurchgangs 4 ist ein Kompressorgehäuse 61 eines Turboladers 6 angeordnet, der mit Hilfe der Energie von Abgas als einer Antriebsquelle betrieben wird. Ein Kompressor 61a ist drehbar in dem Kompressorgehäuse 61 aufgenommen. Weiterhin ist ein Drosselventil 41 in dem Einlassdurchgang 4 auf der Stromabwärtsseite des Kompressorgehäuses 61 angeordnet. Das Drosselventil 41 dient zum Einstellen der Menge an Einlassluft in der Verbrennungskraftmaschine 1 durch Verändern der Einlassluftkanal-Querschnittsfläche des Einlassdurchgangs 4. Weiterhin ist in dem Einlassdurchgang 4 auf der Stromabwärtsseite des Drosselventils 41 ein Ladeluftkühler 42 zum Durchführen eines Wärmeaustauschs zwischen Einlassluft und Außenluft angeordnet. Auch ist ein Luftmassenmesser 43 in dem Einlassdurchgang 4 auf der Stromaufwärtsseite des Kompressorgehäuses 61 angeordnet. Der Luftmassenmesser 43 gibt ein elektrisches Signal entsprechend einer Menge (Masse) von in dem Einlassdurchgang 4 strömender Einlassluft (Luft) aus.
Hingegen ist ein Auslassdurchgang 5 mit dem Auslasskrümmer 50 verbunden. Weiterhin sind in der Mitte des Auslassdurchgangs 5 ein Turbinengehäuse 60 des Turboladers 6, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10, ein Katalysatorgehäuse 7 und ein Temperatursensor 51 in einer Reihenfolge gemäß dem Strom des Abgases angeordnet. Eine Turbine 60a ist drehbar in dem Turbinengehäuse 60 aufgenommen. Darüber hinaus ist ein Abgasreinigungskatalysator 70 in dem Katalysatorgehäuse 7 aufgenommen. Der Abgasreinigungskatalysator 70 ist beispielsweise ein Drei-Wege-Katalysator. Überdies gibt der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 ein elektrisches Signal entsprechend dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in den Abgasreinigungskatalysator 70 strömenden Abgases aus. Die Details dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 10 werden später beschrieben. Auch gibt der Temperatursensor 51 ein elektrisches Signal entsprechend der Temperatur des Abgases aus. Dabei sei darauf hingewiesen, dass der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 in dieser Ausführungsform einem Abgassensor der vorliegenden Erfindung entspricht. Jedoch ist der Abgassensor in der vorliegenden Erfindung nicht auf den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor beschränkt, wie später beschrieben wird.
Hier ist das Turbinengehäuse 60 mit einem Turbineneinlassabschnitt 600 zum Zuleiten von Abgas aus dem Auslassdurchgang 5 zu der Turbine 60a versehen sowie mit einem Turbinenaustrittsabschnitt 601 zum Zuleiten des Abgases, das durch die Turbine 60a hindurchgetreten ist, zu einem bestimmten Auslassdurchgang 5a, der ein Abschnitt des Auslassdurchgangs 5 zwischen der Turbine 60a und dem Abgasreinigungskatalysator 70 ist, wie in 2A gezeigt. Darüber hinaus ist in dem Turbinengehäuse 60 ein Umgehungsdurchgang 602 zum Zuleiten des Abgases aus dem Auslassdurchgang 5 zu dem bestimmten Auslassdurchgang 5a durch Umgehen der Turbine 60a gebildet. Weiterhin ist der Umgehungsdurchgang 602 derart aufgebaut, dass eine Verlängerungslinie (eine abwechselnd lang und kurz gestrichelte Linie L1 in 2A) der Achse des Umgehungsdurchgangs 602 eine stromaufwärtsseitige Stirnfläche 70a des Abgasreinigungskatalysators 70 (nachstehend mitunter vereinfacht als eine „stromaufwärtsseitige Stirnfläche 70a“ bezeichnet) schneidet. Auch ist er derart aufgebaut, dass eine Verlängerungslinie der Rotationsachse der Turbine 60a die stromaufwärtsseitige Stirnfläche 70a schneidet, ohne die Wandoberfläche des bestimmten Auslassdurchgangs 5a zu schneiden.
Darüber hinaus ist das Turbinengehäuse 60 mit einem Wastegate-Ventil 603 versehen (nachstehend mitunter als ein „WGV 603“ bezeichnet), das auf der Austrittsseite des Umgehungsdurchgangs 602 angeordnet ist und eine Abgaskanal-Querschnittsfläche in dem Umgehungsdurchgang 602 verändern kann. Dieses WGV 603 wird durch die ECU 20 gesteuert, die später beschrieben wird. Dabei zeigt 2A einen Zustand, in dem sich das WGV 603 in einem vollständig geschlossenen Zustand befindet (WGV 603a), und einen Zustand, in dem sich das WGV 603 in einem vollständig geöffneten Zustand befindet (WGV 603b). Weiterhin wird die Strömungsrichtung des Abgases (nachstehend mitunter als ein „Umgehungsabgas“ bezeichnet), das aus dem Umgehungsdurchgang 602 in den bestimmten Auslassdurchgang 5a strömt, wenn sich das WGV 603 in dem vollständig geöffneten Zustand befindet, zu einer Richtung entlang der Achse des Umgehungsdurchgangs 602, wie durch einen Umrisspfeil in 2A gezeigt. Mit anderen Worten lenkt der Umgehungsdurchgang 602 in dem Zustand, in dem sich das WGV 603 in dem vollständig geöffneten Zustand befindet, die Strömungsrichtung des Umgehungsabgases auf die stromaufwärtsseitige Stirnfläche 70a.
Hier sei daraufhingewiesen, dass sich in dieser Ausführungsform, wie in 2B gezeigt, der an seinem einen Ende mit dem Auslasskrümmer 50 verbundene Auslassdurchgang 5 nach oben erstreckt, und dass das andere Ende des Auslassdurchgangs 5, das der mit dem Auslasskrümmer 50 verbundenen Seite gegenüberliegt, mit dem Turbinengehäuse 60 verbunden ist. In dem mit einem solchen Auslassdurchgang 5 verbundenen Turbinengehäuse 60 ist die Turbine 60a über dem Umgehungsdurchgang 602 angeordnet.
Überdies sind in dem Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dieser Ausführungsform der Turbinenaustrittsabschnitt 601 und die stromaufwärtsseitige Stirnfläche 70a in einem vorbestimmten Nähezustand angeordnet. Dabei ist der vorbestimmte Nähezustand ein Zustand, in dem die Turbine 60a und der Abgasreinigungskatalysator 70 derart angeordnet sind, dass ein Wert, der durch Dividieren des Wertes eines Abstands von dem Turbinenaustrittsabschnitt 601 zu der stromaufwärtsseitigen Stirnfläche 70a durch den Wert eines Durchmessers des Abgasreinigungskatalysators 70 erhalten wird, zum Beispiel in einen Bereich von 0,8 bis 1,3 fällt. In dieser Ausführungsform beträgt der Wert des Abstands von dem Turbinenaustrittsabschnitt 601 zu der stromaufwärtsseitigen Stirnfläche 70a beispielsweise 100 mm, und der Wert des Durchmessers des Abgasreinigungskatalysators 70 beträgt 120 mm. Wenn dann die Turbine 60a und der Abgasreinigungskatalysator 70 derart angeordnet sind, wird eine Wärmeabfuhr von dem Abgas auf die Durchgangswand in dem bestimmten Auslassdurchgang 5a unterbunden. Darüber hinaus wird, wie oben erwähnt, das Umgehungsabgas in dem Zustand, in dem das WGV 603 vollständig geöffnet ist, auf die stromaufwärtsseitige Stirnfläche 70a geleitet. Aus diesem Grund kann dabei die Wärme des Umgehungsabgases auf effiziente Weise auf den Abgasreinigungskatalysator 70 übertragen werden.
Hier ist, um auf 1 zurückzukommen, eine elektronische Steuereinheit (ECU) 20 in Kombination mit der Verbrennungskraftmaschine 1 vorgesehen. Diese ECU 20 ist eine Einheit, die einen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine 1, etc. steuert. Verschiedenste Arten von Sensoren, wie etwa ein Kurbelwellenpositionssensor 8, ein Gaspedalöffnungssensor 9, etc. sind zusätzlich zu dem oben erwähnten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10, Luftmassenmesser 43 und Temperatursensor 51 elektrisch mit der ECU 20 verbunden. Der Kurbelwellenpositionssensor 8 ist ein Sensor, der ein elektrisches Signal ausgibt, das mit der Drehstellung einer Maschinenabtriebswelle (Kurbelwelle) der Verbrennungskraftmaschine 1 korreliert. Der Gaspedalöffnungssensor 9 ist ein Sensor, der ein elektrisches Signal ausgibt, das mit einem Betätigungsbetrag (Gaspedalöffnung) eines Gaspedals korreliert. Dann werden die Ausgangssignale dieser Sensoren in die ECU 20 eingegeben. Die ECU 20 gewinnt basierend auf dem Ausgangssignal des Kurbelwellenpositionssensors 8 eine Maschinendrehzahl der Verbrennungskraftmaschine 1 und gewinnt ferner basierend auf dem Ausgangssignal des Gaspedalöffnungssensors 9 eine Maschinenlast der Verbrennungskraftmaschine 1. Darüber hinaus schätzt die ECU 20 eine Strömungsrate des aus der Verbrennungskraftmaschine 1 abgeführten Abgases basierend auf dem Ausgangswert des Luftmassenmessers 43 und schätzt ferner die Temperatur des Abgasreinigungskatalysators 70 basierend auf dem Ausgangswert des Temperatursensors 51.
Ferner sind verschiedenste Arten von Vorrichtungen, wie etwa die einzelnen Kraftstoffeinspritzventile 3, das Drosselventil 41, das WGV 603, etc. mit der ECU 20 elektrisch verbunden. Somit werden diese verschiedensten Arten von Vorrichtungen von der ECU 20 gesteuert. Beispielsweise kann die ECU 20 die Strömungsrate des Abgases einstellen, das durch den Umgehungsdurchgang 602 strömt, indem sie den Öffnungsgrad des WGV 603 (nachstehend mitunter als „WGV-Öffnungsgrad“ bezeichnet) steuert.
Weiterhin steuert die ECU 20 das WGV 603 in den vollständig geöffneten Zustand, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine 1 in einem kalten Zustand befindet. Damit wird das Umgehungsabgas zu der stromaufwärtsseitigen Stirnfläche 70a gelenkt, so dass die Wärme des Umgehungsabgases auf effektive Weise auf den Abgasreinigungskatalysator 70 übertragen wird. Auf diese Weise kann die ECU 20 die Temperatur des Abgasreinigungskatalysators 70 so schnell wie möglich anheben, indem sie das WGV 603 in den vollständig geöffneten Zustand steuert, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine 1 in dem kalten Zustand befindet.
(Aufbau des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors)
Als Nächstes wird der Aufbau des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 10 anhand von 3 und 4 kurz erläutert. 3 ist eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht im Bereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 10 in 1. Ferner ist 4 eine Längsschnittansicht im Bereich eines Kopfendes des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 10.
In 3 besteht der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 aus einem später zu beschreibenden Sensorkörper 100 und einer Schutzabdeckung 10a, welche ein wärmebeständiges Gehäuseelement ist, das den Sensorkörper 100 bedeckt, wobei ein Teil davon dem bestimmten Auslassdurchgang 5a ausgesetzt ist. Der Sensorkörper 100 ist mit der Schutzabdeckung 10a bedeckt, so dass seine mechanische Stabilität sichergestellt wird.
Weiterhin, wie in 4 gezeigt, besteht die Schutzabdeckung 10a aus einer inneren Abdeckung 10b und einer äußeren Abdeckung 10c. Weiterhin sind in der Oberfläche jeweils der inneren und äußeren Abdeckung 10b, 10c eine Mehrzahl von Entlüftungslöchern gebildet, so dass das Innere und Äußere der Schutzabdeckung 10a miteinander in Verbindung gebracht werden. Das heißt, der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 ist so aufgebaut, dass das Abgas, das in dem bestimmten Auslassdurchgang 5a zirkuliert oder strömt, durch die Entlüftungslöcher 10d in der Schutzabdeckung 10a hindurchtritt und den Sensorkörper 100 erreicht. Hier sei daraufhingewiesen, dass in 4 die Schutzabdeckung 10a zwar einen zweiteiligen Aufbau hat, sie jedoch einen einteiligen Aufbau haben kann.
Als Nächstes wird die allgemeine Konfiguration des Sensorkörpers 100 erläutert. Der Sensorkörper 100 ist mit einem Sensorelement 11 versehen, das aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten besteht. Das Sensorelement 11 besteht beispielsweise aus Zirkonoxid (Zirkoniumdioxid). Weiterhin ist das Sensorelement 11 auf seiner einen Seitenoberfläche mit einer abgasseitigen Elektrode 12 gebildet, die dem Abgas ausgesetzt ist, und auf seiner anderen Seitenoberfläche mit einer atmosphärenseitigen Elektrode 13, die der Atmosphäre ausgesetzt ist. Diese abgasseitige Elektrode 12 und atmosphärenseitige Elektrode 13 bestehen jeweils aus einem metallischen Material hoher katalytischer Aktivität, wie etwa Platin. Somit sind die abgasseitige Elektrode 12 und die atmosphärenseitige Elektrode 13 auf diese Weise gebildet, womit das Sensorelement 11 von einem Paar von Elektroden sandwichartig eingefasst wird.
Weiterhin ist eine diffusionsratensteuernde Schicht 14 auf eine Seitenoberfläche der abgasseitigen Elektrode 12 gegenüberliegend zu deren Seitenoberfläche, welche dem Sensorelement 11 nahe ist, auflaminiert. Die diffusionsratensteuernde Schicht 14 ist ein Element, das aus einem porösen Material wie etwa Keramik, etc. besteht und eine Funktion zum Steuern der Diffusionsrate bzw. -geschwindigkeit des Abgases besitzt. Auch ist eine Schutzschicht 16 auf eine Seitenoberfläche der diffusionsratensteuernden Schicht 14 gegenüberliegend zu deren Seitenoberfläche, welche dem Sensorelement 11 nahe ist, auflaminiert. Weiterhin ist eine Gaskammer 15 zwischen dem Sensorelement 11 und der diffusionsratensteuernden Schicht 14 gebildet. Hier sei daraufhingewiesen, dass die Gaskammer 15 nicht notwendigerweise gebildet sein muss, der Aufbau jedoch stattdessen derart sein kann, dass die diffusionsratensteuernde Schicht 14 in unmittelbarer Berührung mit der Oberfläche der abgasseitigen Elektrode 12 steht.
Darüber hinaus ist eine Heizschicht 17 auf die andere Seitenoberfläche des Sensorelements 11 auflaminiert. Eine Heizeinrichtung 18 ist in die Heizschicht 17 eingebettet, und die Heizeinrichtung 18 kann mit elektrischer Leistung aus einem nicht dargestellten externen elektrischen Stromkreis versorgt werden, so dass sie den Sensorkörper 100 aufheizen kann. Hier sei darauf hingewiesen, dass dieser elektrische Stromkreis mit der ECU 20 elektrisch verbunden ist, so dass die elektrische Leistung, die der Heizeinrichtung 18 zugeführt wird, von der ECU 20 gesteuert wird. Weiterhin ist eine Atmosphärenkammer 19 zwischen dem Sensorelement 11 und der Heizschicht 17 gebildet. Die Atmosphärenkammer 19 steht durch nicht dargestellte Atmosphärenlöcher mit der Atmosphäre in Verbindung, so dass selbst in einem Zustand, in dem der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 in dem bestimmten Auslassdurchgang 5a angeordnet ist, die atmosphärenseitige Elektrode 13 in einem Zustand gehalten wird, in dem sie der Atmosphäre ausgesetzt ist.
Bei einem solchen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 tritt das aus den Entlüftungslöchern 10d in das Innere der Schutzabdeckung 10a eingeleitete Abgas durch die diffusionsratensteuernde Schicht 14 und erreicht die abgasseitige Elektrode 12. Wenn dann zwischen der abgasseitigen Elektrode 12 und der atmosphärenseitigen Elektrode 13 eine Anlegespannung angelegt wird, wird Sauerstoff in dem Abgas oder Sauerstoff in der Atmosphäre zu Sauerstoffionen, die sich durch das Sensorelement 11 ausbreiten. Dann wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases basierend auf einem Sättigungsstromwert (Grenzstromwert) zu diesem Zeitpunkt erfasst. Hier breiten sich Sauerstoffionen in dem Sensorelement 11 erst aus, wenn die Temperatur des Sensorelements 11 größer oder gleich dessen Aktivierungstemperatur wird. Wenn demgemäß die Temperatur des Sensorelements 11 niedriger ist als die Aktivierungstemperatur, wird der Sensorkörper 100 mittels der Heizeinrichtung 18 auf eine gewünschte Temperatur (z.B. 700 Grad C) aufgeheizt.
(Anordnungsaufbau des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors)
Falls, wie oben erwähnt, die Temperatur des Sensorelements 11 niedriger als dessen Aktivierungstemperatur ist, breiten sich Sauerstoffionen nicht in dem Sensorelement 11 aus. Aus diesem Grund wird, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine 1 in dem kalten Zustand befindet, der Sensorkörper 100 durch die Heizeinrichtung 18 aufgeheizt. Hingegen kann in dem Auslassdurchgang 5, dem bestimmten Auslassdurchgang 5a, der Turbine 60a, einer Turbinenschnecke (nicht gezeigt) und dem Umgehungsdurchgang 602, Feuchtigkeit in dem Abgas zu Kondenswasser werden, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine 1 in dem kalten Zustand befindet. Hier wird, falls der Sensorkörper 100 mit dem Kondenswasser benetzt wurde, das von der Heizeinrichtung 18 aufgeheizte Sensorelement 11 rasch abgekühlt, womit zu befürchten steht, dass das Sensorelement 11 reißen oder brechen kann. Falls der Sensorkörper 100 mit dem Kondenswasser benetzt wurde, kann es darüber hinaus unmöglich werden, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases genau zu erfassen. Somit steht zu befürchten, dass in dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 eine Abnormität auftreten kann, wenn der in dem bestimmten Auslassdurchgang 5a angeordnete Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 dem Kondenswasser ausgesetzt ist. Es sei hier darauf hingewiesen, dass ein Abgassensor, bei dem der Riss oder Bruch des Sensorelements wie oben erwähnt auftreten kann, nicht auf den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 beschränkt ist, sondern der gleiche Riss oder Bruch auch bei einem Sensor (z.B. einem Sauerstoffsensor, einem NOx-Sensor oder dergleichen) auftreten kann, der ein Sensorelement aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten und eine Heizeinrichtung zum Anheben der Temperatur des Sensorelements aufweist. Demgemäß entspricht in jenen Fällen, in denen Sensoren wie etwa der Sauerstoffsensor, der NOx-Sensor, etc. in dem bestimmten Auslassdurchgang 5a angeordnet sind, jeder dieser Sensoren auch einem Abgassensor in der vorliegenden Erfindung.
Darüber hinaus steuert die ECU 20 das WGV 603 in den vollständig geöffneten Zustand, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine 1 in dem kalten Zustand befindet. In diesem Fall wird die Strömungsrate des Umgehungsabgases größer als die Strömungsrate des Abgases, das aus der Turbine 60a in den bestimmten Auslassdurchgang 5a strömt (nachstehend mitunter als ein „Turbinenabgas“ bezeichnet). Dabei tendiert das aus dem Umgehungsdurchgang 602 in den bestimmten Auslassdurchgang 5a ausströmende Abgas dazu, durch den bestimmten Auslassdurchgang 5a zu strömen, während es von dem Strom des Umgehungsabgases mitgeführt wird. Aus diesem Grund wird, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine 1 in dem kalten Zustand befindet, leicht eine Benetzung des Sensors mit dem Kondenswasser herbeigeführt, welches mit dem Strom des Umgehungsabgases mitströmt. Ferner wird das Umgehungsabgas von einem Strom wirbelnden Abgases (nachstehend mitunter als eine „Turbinenwirbelströmung“ bezeichnet) mitgeführt, das ein Turbinenabgas ist, welches durch den bestimmten Auslassdurchgang 5a strömt, während es an dessen Wandoberfläche entlangwirbelt. Demgemäß ist in dieser Ausführungsform der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 in der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs 5a an einer Position mit Ausnahme eines Bereichs angeordnet, der von dem Umgehungsabgas erreicht wird, das von der Turbinenwirbelströmung mitgeführt wird. Hier sei darauf hingewiesen, dass in dieser Ausführungsform der vollständig geöffnete Grad des WGV 603 einem vorbestimmten Öffnungsgrad in der vorliegenden Erfindung entspricht.
5 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Anordnungsaufbaus des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 10 gemäß dieser Ausführungsform. In 5 ist die Turbinenwirbelströmung in dem Querschnitt durch einen Verbindungsabschnitt des Turbinengehäuses 60 mit dem bestimmten Auslassdurchgang 5a gezeigt, der in der oben erwähnten 2B dargestellt ist (wobei dieser als gleich dem Querschnitt durch den bestimmten Auslassdurchgang 5a gelten kann). Überdies ist in 5 die Strömungsrichtung des Umgehungsabgases, die von dem Umgehungsdurchgang 602 oder dem WGV 603 gelenkt wird (d.h. die Strömungsrichtung des Umgehungsabgases in dem Fall der Annahme, dass sie nicht dem Einfluss der Turbinenwirbelströmung unterliegt) als ein Pfeil C1 gezeigt. Hier wird in 5 angenommen, dass sich die Verbrennungskraftmaschine 1 in dem kalten Zustand befindet und das WGV 603 in den vollständig geöffneten Zustand gesteuert ist.
Hier wird die Strömungsrichtung des Umgehungsabgases durch die Wirbelrichtung des wirbelnden Abgases umgelenkt. In diesem Fall wird, wenn sich das Umgehungsabgas der Wandoberfläche des bestimmten Auslassdurchgangs 5a nähert, die Strömungsrichtung des von dem Strom des wirbelnden Abgases (der Turbinenwirbelströmung) mitgeführten Umgehungsabgases in die Wirbelrichtung des wirbelnden Abgases umgelenkt, bezogen auf die von dem Umgehungsdurchgang 602 oder dem WGV 603 gelenkte Strömungsrichtung des Umgehungsabgases (Pfeil C1), wie in 5 durch einen Pfeil C2 gezeigt. Überdies ist in dieser Ausführungsform der Aufbau derart, dass sich das Umgehungsabgas dann, wenn das WGV 603 in den vollständig geöffneten Zustand gesteuert ist, zwar zu der stromaufwärtsseitigen Stirnfläche 70a begeben kann, sich tatsächlich jedoch in dem Querschnitt des bestimmten Auslassdurchgangs 5a zu diesem Zeitpunkt ein Umgehungsabgas in gewissem Umfang in der Richtung der Wandoberfläche des bestimmten Auslassdurchgangs 5a auf der Seite gegenüberliegend zu der Seite, auf der der Austrittsabschnitt des Umgehungsdurchgangs 602 angeordnet ist, zerstreuen kann, bevor es in die stromaufwärtsseitige Stirnfläche 70a strömt. Angesichts des Vorstehenden wird bei Fokussierung auf den Querschnitt des bestimmten Auslassdurchgangs 5a eine Zirkulationsregion des Umgehungsabgases durch eine in 5 gezeigte Region R1 angegeben.
Nun wird das Vorstehende anhand von 5 unter einem Gesichtspunkt der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs 5a betrachtet oder geprüft. So erreicht das Umgehungsabgas in dem Fall der Annahme, dass es nicht von der Turbinenwirbelströmung mitgeführt wird, eine vorbestimmte Region R0 in der Wandoberfläche des bestimmten Auslassdurchgangs 5a. Tatsächlich hingegen wird das Umgehungsabgas um einen vorbestimmten Winkel D1 in der Wirbelrichtung des Abgases um eine Wirbelachse des Turbinenabgases (durch einen Punkt P1 auf dem Querschnitt durch den bestimmten Auslassdurchgang 5a angegeben) mitgeführt. In diesem Fall wird ein Bereich in der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs 5a, der von dem Umgehungsabgas erreicht wird, als ein Bereich A1 festgelegt, der eine Region beinhaltet, in die die vorbestimmte Region R0 um den vorbestimmten Winkel D1 in der Wirbelrichtung des wirbelnden Abgases bewegt wird. Dann kann das strömende Kondenswasser, das in dem Strom des Umgehungsabgases mitgeführt wird, diesen Bereich A1 erreichen. Hier sei daraufhingewiesen, dass der vorbestimmte Winkel D1 als ein Winkel festgesetzt ist, der einem WGV-Öffnungsgrad zu diesem Zeitpunkt entspricht (mit anderen Worten einem WGV-Öffnungsgrad zu der Zeit, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine 1 in dem kalten Zustand befindet und sich das WGV 603 in seinem vollständig geöffneten Grad befindet). Dies liegt daran, dass sich die Stärke der Turbinenwirbelströmung, die einen Einfluss auf das Umgehungsabgas hat, je nach dem WGV-Öffnungsgrad verändert.
Wenn dann der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 an einer Position innerhalb eines Bereichs mit Ausnahme des Bereichs A1, d.h. innerhalb eines Bereichs A2 in 5, in der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs 5a angeordnet ist, kann die Benetzung des Sensors mit dem strömenden Kondenswasser, das in dem Strom des Umgehungsabgases mitgeführt wird, unterbunden werden. Hier sei darauf hingewiesen, dass der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 dem Turbinenabgas selbst dann ausgesetzt ist, wenn der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 an einer Position innerhalb des Bereichs A2 in der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs 5a angeordnet ist. Aus diesem Grund wird das Abgas in die abgasseitige Elektrode 12 des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 10 eingeleitet, so dass es möglich wird, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases mittels des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 10 zu erfassen.
Gemäß dem oben angegebenen Anordnungsaufbau des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 10 wird es in der Konstruktion, in der der Turbinenaustrittsabschnitt 601 und die stromaufwärtsseitige Stirnfläche 70a des Abgasreinigungskatalysators 70 nahe beieinander angeordnet sind und der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 in dem bestimmten Auslassdurchgang 5a angeordnet ist, möglich, die Benetzung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 10 mit dem Kondenswasser zu unterbinden.
<Zweite Ausführungsform>
Als Nächstes wird anhand von 6 auf eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Bezug genommen. Hier sei darauf hingewiesen, dass in dieser zweiten Ausführungsform eine detaillierte Erläuterung der im Wesentlichen gleichen Konstruktion und der im Wesentlichen gleichen Steuerungsverarbeitung wie in der obengenannten ersten Ausführungsform entfällt.
6 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Anordnungsaufbaus des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 10 gemäß dieser zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 6 ist eine Stagnationsregion R2 des Kondenswassers zusammen mit einer in der obengenannten 5 gezeigten Zirkulationsregion R1 des Umgehungsabgases gezeigt. Somit kann das Kondenswasser in einer Region, welche sich innerhalb des bestimmten Auslassdurchgangs 5a in einer vertikalen Abwärtsrichtung befindet, stagnieren oder verbleiben. Dabei verbleibt in Fällen, in denen der Umgehungsdurchgang 602 unterhalb der Turbine 60a gebildet ist, wie beispielsweise in 6 gezeigt, das in dem bestimmten Auslassdurchgang 5a stagnierende oder verbleibende Kondenswasser (nachstehend mitunter als „Stagnationswasser“ bezeichnet) so lange, bis es ein unteres Ende des Austrittsabschnitts des Umgehungsdurchgangs 602 erreicht. In diesem Fall ist das Stagnationswasser in einem Bereich A3 in der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassabschnitts 5a vorhanden.
Weiterhin, und zwar nicht nur dann, wenn der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 in dem in der ersten Ausführungsform beschriebenen Bereich A1 angeordnet ist, sondern auch dann, wenn der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 in dem oben erwähnten Bereich A3 angeordnet ist, steht zu befürchten, dass der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 mit Wasser benetzt wird. Demgemäß ist in dieser zweiten Ausführungsform der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 in der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs 5a an einer Position mit Ausnahme des Bereichs A1 und des Bereichs A3 angeordnet, d.h. an einer Position, die in einen Bereich A4 und einen Bereich A5 in 6 fällt.
Infolgedessen wird nicht nur die Benetzung des Sensors mit dem in dem Umgehungsabgas enthaltenen Kondenswasser, sondern auch die Benetzung des Sensors mit dem Stagnationswasser unterbunden. Das heißt, auch gemäß dem Anordnungsaufbau des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 10 dieser zweiten Ausführungsform wird es bei der Konstruktion, in der der Turbinenaustrittsabschnitt 601 und die stromaufwärtsseitige Stirnfläche 70a des Abgasreinigungskatalysators 70 nahe beieinander angeordnet sind und der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 in dem bestimmten Auslassdurchgang 5a angeordnet ist, möglich, die Benetzung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 10 mit dem Kondenswasser zu unterbinden.
<Modifikation der zweiten Ausführungsform>
Als Nächstes wird anhand von 7A, 7B und 8 auf eine Modifikation der obengenannten zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Bezug genommen. Hier sei darauf hingewiesen, dass bei dieser Modifikation eine detaillierte Erläuterung der im Wesentlichen gleichen Konstruktion und der im Wesentlichen gleichen Steuerungsverarbeitung wie in der obengenannten ersten und zweiten Ausführungsform entfällt.
Wie in 7A gezeigt, ist das Turbinengehäuse 60 gemäß dieser Modifikation mit dem Turbineneinlassabschnitt 600, dem Turbinenaustrittsabschnitt 601 und dem Umgehungsdurchgang 602 versehen, wie in der obengenannten 2A. Darüber hinaus ist das WGV 603 auf der Austrittsseite des Umgehungsdurchgangs 602 angeordnet, so dass in dem Zustand, in dem sich das WGV 603 in dem vollständig geöffneten Zustand befindet, der Strom des Umgehungsabgases zu der stromaufwärtsseitigen Stirnfläche 70a geleitet wird. Weiterhin erstreckt sich in dieser Modifikation, wie in 7B gezeigt, der Auslassdurchgang 5, der an seinem einen Ende mit dem Auslasskrümmer 50 verbunden ist, nach unten, und das andere Ende des Auslassdurchgangs 5, welches der mit dem Auslasskrümmer 50 verbundenen Seite gegenüberliegt, ist mit dem Turbinengehäuse 60 verbunden. In dem Turbinengehäuse 60, das mit einem derartigen Auslassdurchgang 5 verbunden ist, ist die Turbine 60a unterhalb des Umgehungsdurchgangs 602 angeordnet.
Weiterhin erfolgt nachstehend eine Erläuterung einer Anordnung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 10 in einem solchen Abgassystem. 8 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Anordnungsaufbaus des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 10 gemäß dieser Modifikation der zweiten Ausführungsform. In 8 sind, genau wie in der obengenannten 6, eine Region R1', die eine Zirkulationsregion des Umgehungsabgases ist, und eine Region R2' gezeigt, die eine Stagnationsregion des Kondenswassers ist. Hier sei darauf hingewiesen, dass in dieser Modifikation das Stagnationswasser verbleiben kann, bis es das untere Ende des Turbinenaustrittsabschnitts 601 erreicht.
Dabei überlappen in dem in 8 gezeigten Abgassystem die Region R1' und die Region R2' einander in der Nähe der Wandoberfläche des bestimmten Auslassdurchgangs 5a, und ein Bereich in der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs 5a, der von dem Umgehungsabgas erreicht werden kann (wobei dieser Bereich in 8 als ein Bereich A1' angegeben ist), ist in einem Bereich A3' beinhaltet, in dem das Stagnationswasser in der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs 5a vorhanden sein kann. Falls demgemäß der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 in dem Bereich A3' in der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs 5a angeordnet ist, steht zu befürchten, dass der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 mit Wasser benetzt werden kann. Somit ist der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 in dieser Modifikation in der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs 5a an einer Position mit Ausnahme des Bereichs A3' angeordnet, d.h. an einer Position, die in einen Bereich A4' in 8 fällt.
Weiterhin wird es auch gemäß dem Anordnungsaufbau des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 10 dieser Modifikation bei der Konstruktion, in der der Turbinenaustrittsabschnitt 601 und die stromaufwärtsseitige Stirnfläche 70a des Abgasreinigungskatalysators 70 nahe beieinander angeordnet sind und der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 in dem bestimmten Auslassdurchgang 5a angeordnet ist, möglich, die Benetzung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 10 mit dem Kondenswasser zu unterbinden.
<Dritte Ausführungsform>
Als Nächstes wird anhand von 9 auf eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Bezug genommen. Hier sei darauf hingewiesen, dass in dieser dritten Ausführungsform eine detaillierte Erläuterung der im Wesentlichen gleichen Konstruktion und der im Wesentlichen gleichen Steuerungsverarbeitung wie in der obengenannten ersten und zweiten Ausführungsform entfällt.
9 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Anordnungsaufbaus des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 10 gemäß dieser dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 9 sind eine Zirkulationsregion R1 des Umgehungsabgases und eine in 6 gezeigte Stagnationsregion R2 des Kondenswassers gezeigt. Hier unterliegt das in dem bestimmten Auslassdurchgang 5a stehende oder verbleibende Kondenswasser (Stagnationswasser) dem Einfluss des Stroms des wirbelnden Abgases (Turbinenwirbelströmung). Konkret wird das Stagnationswasser in der Wirbelrichtung des wirbelnden Abgases aufgewirbelt. Dabei wird, wie in 9 gezeigt, das Stagnationswasser bis zu einer maximalen Höhe H1 ab der Wasseroberfläche des Stagnationswassers (in 9 mit S1 gekennzeichnet) aufgewirbelt. In diesem Fall erreicht das Stagnationswasser einen Bereich A6 in der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs 5a. Hier sei darauf hingewiesen, dass der Bereich A6 als ein Bereich entsprechend dem WGV-Öffnungsgrad festgesetzt wird. Dies liegt daran, dass sich die Stärke der Turbinenwirbelströmung, die einen Einfluss auf die Aufwirbelung des Stagnationswassers hat, entsprechend dem WGV-Öffnungsgrad verändert. Konkret wird die Turbinenwirbelströmung größer, wenn der WGV-Öffnungsgrad klein ist, als wenn er groß ist. Demgemäß wird die maximale Höhe, bis zu der das Stagnationswasser aufgewirbelt wird, tendenziell umso höher und der obengenannte Bereich A6 umso größer, je kleiner der WGV-Öffnungsgrad ist.
Weiterhin steht auch dann, wenn der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 in der Region A6 angeordnet ist, zu befürchten, dass der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 mit Wasser benetzt werden kann. Demgemäß ist in dieser dritten Ausführungsform der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 in der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs 5a an einer Position mit Ausnahme des Bereichs A1, des Bereichs A3 und des Bereichs A6 angeordnet, d.h. an einer Position, die in den Bereich A4 und einen Bereich A7 in 9 fällt. Infolgedessen wird die Benetzung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 10 unterbunden. Hier sei darauf hingewiesen, dass der Bereich A6, wie oben erwähnt, als ein Bereich entsprechend dem WGV-Öffnungsgrad festgesetzt wird und dass bei einer solchen Auslegung der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 mithin in Übereinstimmung mit einer maximalen Aufwirbelungshöhe des Stagnationswassers, welche sich entsprechend dem WGV-Öffnungsgrad verändert, angeordnet wird.
Mit anderen Worten wird es gemäß dem Anordnungsaufbau des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 10 dieser dritten Ausführungsform bei der Konstruktion, in der der Turbinenaustrittsabschnitt 601 und die stromaufwärtsseitige Stirnfläche 70a des Abgasreinigungskatalysators 70 nahe beieinander angeordnet sind und der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 in dem bestimmten Auslassdurchgang 5a angeordnet ist, möglich, die Benetzung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 10 mit dem Kondenswasser zu unterbinden.
Bezugszeichenliste

1:: Verbrennungskraftmaschine
5:: Auslassdurchgang
5a:: bestimmter Auslassdurchgang
6:: Turbolader
10:: ECU
60a:: Turbine
70:: Abgasreinigungskatalysator
70a:: stromaufwärtsseitige Stirnfläche
601:: Turbinenaustrittsabschnitt
602:: Umgehungsdurchgang
603:: Wastegate-Ventil (WGV)

Claims

Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine, das aufweist: einen Turbolader mit einer Turbine, der in einem Auslassdurchgang der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist; einen Abgasreinigungskatalysator, der in dem Auslassdurchgang an einer Stelle stromabwärts der Turbine angeordnet ist; einen Umgehungsdurchgang, der an einer Stelle stromaufwärts der Turbine von dem Auslassdurchgang abzweigt und an einer Stelle stromaufwärts des Abgasreinigungskatalysators unter Umgehung der Turbine in den Auslassdurchgang übergeht; ein Wastegate-Ventil, das imstande ist, einen Abgaskanalquerschnitt in dem Umgehungsdurchgang zu verändern; und einen Abgassensor, der in einem bestimmten Auslassdurchgang angeordnet ist, welcher ein Abschnitt des Auslassdurchgangs zwischen der Turbine und dem Abgasreinigungskatalysator ist; wobei die Turbine und der Abgasreinigungskatalysator derart angeordnet sind, dass sich ein Austrittsabschnitt der Turbine und eine stromaufwärtsseitige Stirnfläche des Abgasreinigungskatalysators in einem vorbestimmten Nähezustand befinden und eine Verlängerungslinie einer Rotationsachse der Turbine die stromaufwärtsseitige Stirnfläche des Abgasreinigungskatalysators schneidet, ohne eine Wandoberfläche des bestimmten Auslassdurchgangs zu schneiden; und ferner derart aufgebaut ist, dass, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine in einem kalten Zustand befindet und ein Öffnungsgrad des Wastegate-Ventils ein vorbestimmter Öffnungsgrad ist, das aus dem Umgehungsdurchgang in den bestimmten Auslassdurchgang strömende Umgehungsabgas zu der stromaufwärtsseitigen Stirnfläche des Abgasreinigungskatalysators geleitet wird; und der Abgassensor an einer Position in einer Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs mit Ausnahme eines ersten Bereichs angeordnet ist, der ein Bereich ist, der von dem Umgehungsabgas zu der Zeit erreicht wird, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine in einem kalten Zustand befindet, wobei das Umgehungsabgas von einem wirbelnden Abgas mitgeführt wird, das aus der Turbine in den bestimmten Auslassdurchgang strömt und durch den bestimmten Auslassdurchgang strömt, während es an dessen Wandoberfläche entlangwirbelt.
Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, wobei der erste Bereich eine Region beinhaltet, in die eine Region um einen vorbestimmten Winkel in der Wirbelrichtung des wirbelnden Abgases bewegt wird, wenn angenommen wird, dass das Umgehungsabgas zu der Zeit, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine in dem kalten Zustand befindet, die Wandoberfläche des bestimmten Auslassdurchgangs erreicht hat, ohne von dem wirbelnden Abgas mitgeführt zu werden.
Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Abgassensor ferner in der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs an einer Position innerhalb eines Bereichs, in dem er vertikal nach unten positioniert ist, und mit Ausnahme eines Bereichs, in dem Stagnationswasser verbleibt, welches in dem bestimmten Auslassdurchgang verbleibendes Kondenswasser ist, angeordnet ist.
Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 3, wobei der Abgassensor ferner in der Umfangsrichtung des bestimmten Auslassdurchgangs an einer Position mit Ausnahme eines Bereichs, der von dem Stagnationswasser erreicht wird, das von dem wirbelnden Abgas in dessen Wirbelrichtung aufgewirbelt wird, angeordnet ist.