JP2007071128A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化装置の熱劣化を抑制することができる内燃機関を提供すること。
【解決手段】内燃機関１−１は、排気経路４の排気浄化装置４２よりも上流側の排気ガスにより回転するタービン５２と、このタービン５２の回転により回転するコンプレッサ５３とからなり、吸気経路３の吸入空気を過給するターボチャージャ５とボルテックスチューブ６を備える。ボルテックスチューブ６には、タービン５２の上流側の排気ガスが導入され、この排気ガスを加熱排気ガスと冷却排気ガスとに分離する。このうち加熱排気ガスを排気経路４の排気浄化装置４２よりも下流側に導入し、冷却排気ガスを排気経路４の排気浄化装置４２よりも上流側で、かつタービン５２の下流側に導入する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関に関し、さらに詳しくは、吸気経路の吸入空気を過給するターボチャージャを備えた内燃機関に関するものである。

一般的に、内燃機関に備えられるターボチャージャは、タービン、コンプレッサ、このタービンとコンプレッサとを連結するシャフトをハウジング内に収納することで構成されている。この従来のターボチャージャは、内燃機関から排気経路に排気される排気ガスによりタービンが回転し、シャフトを介してこのタービンと連結されているコンプレッサが回転し、吸気経路から内燃機関に吸気される吸入空気を過給、すなわち圧縮して供給するものである。ここで、このようなターボチャージャを備える内燃機関の排気経路には、特許文献１に示すように、内燃機関からこの排気経路に排気された排気ガスに含まれる有害物質（ＮＯ_x、ＣＯ，ＨＣ）を浄化する排気浄化装置が備えられている。この排気浄化装置には、三元触媒などの排気浄化触媒が担持されている。

このようなターボチャージャでは、吸気経路の吸入空気の過給圧が過剰に上昇することを抑制するために、ウエストゲートバルブを備える。このウエストゲートバルブは、この過給圧が所定過給圧以上となると開弁するものである。このウエストゲートバルブは、その一方の端部がタービンの上流側と連通しており、他方の端部がこのタービンの下流側と排気浄化装置との間に連通する連通通路に配置されている。従って、過給圧が所定過給圧以上となると、ウエストゲートバルブが開弁し、タービンに導入される排気ガスの一部が、連通通路を通り、このタービンを迂回して、排気浄化装置に導入されることとなる。

特開２００４−４４５０９号公報

ところで、上記過給圧が所定過給圧以上となる内燃機関の運転状態とは、高回転時および／または高負荷時である。このような、高回転時および／または高負荷時においては、内燃機関から排気経路に排気される排気ガスの温度が上昇し、高温となる。従って、排気浄化装置には、熱エネルギーがタービンを回転させることで消費され、内燃機関から排気経路に排気された直後の高温の状態からその温度が低下した排気ガスのみならず、ウエストゲートバルブが開弁することで、連通通路を通り、このタービンを迂回することで、内燃機関から排気経路に排気された直後の高温の状態のままの排気ガスも導入される。つまり、排気浄化装置には、内燃機関から排気経路に排気された直後の高温の排気ガスが導入されることとなる。従って、従来のターボチャージャを備える内燃機関では、連通通路からタービンを迂回せず直接導入される排気ガスにより、排気浄化装置が熱劣化する虞があった。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、排気浄化装置の熱劣化を抑制することができる内燃機関を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明では、排気経路の排気浄化装置よりも上流側の排気ガスにより回転するタービンと、前記タービンの回転により回転するコンプレッサとからなり、吸気経路の吸入空気を過給するターボチャージャを備える内燃機関において、前記タービンの上流側の排気ガスが導入され、当該排気ガスを加熱排気ガスと冷却排気ガスとに分離し、当該加熱排気ガスを前記排気経路の排気浄化装置よりも下流側に導入し、当該冷却排気ガスを当該排気経路の排気浄化装置よりも上流側で、かつ当該タービンの下流側に導入するボルテックスチューブを備えることを特徴とする。

この発明によれば、ボルテックスチューブは、排気ガスが導入される側がタービンの上流側と連通し、排気ガス（加熱排気ガス、冷却排気ガス）が排出される側がタービンの下流側と連通している。従って、ボルテックスチューブは、タービンの上流側と下流側とにおける排気ガスの圧力差により、内燃機関から排気経路に排気された直後（タービン上流側）の排気ガスがこの排気ガスよりも温度の高い加熱排気ガスと、この排気ガスよりも温度が低い冷却排気ガスとに分離される。そして、冷却排気ガスが排気経路の排気浄化装置の上流側に導入され、加熱排気ガスが排気経路の排気浄化装置の下流側に導入される。これにより、内燃機関から排気経路に排気された直後の排気ガスよりも温度が高い排気ガスが排気浄化装置に導入されず、内燃機関から排気経路に排気された直後の排気ガスよりも温度が低い冷却排気ガスが排気浄化装置に導入されるため、この排気浄化装置が冷却することができる。

また、この発明では、上記内燃機関において、前記タービンの前後の排気ガスの圧力差に応じて、当該タービンの上流側と前記ボルテックスチューブとを連通する連通手段をさらに備えることを特徴とする。

この発明によれば、ボルテックスチューブは、タービンの前後の排気ガスの圧力差の増加に伴い、冷却排気ガスの温度が低下する。連通手段は、タービンの前後の排気ガスの圧力差が冷却排気ガスの温度がこの冷却排気ガスにより排気浄化装置を冷却することができる温度以下となる圧力差となることで、タービンの上流側とボルテックスチューブとを連通させることができる。これにより、排気浄化装置の冷却を確実に行うことできる。

また、この発明では、上記内燃機関において、前記連通手段は、前記ターボチャージャによる吸入空気の過給圧が所定圧力以上で開弁するウエストゲートバルブであることを特徴とする。

この発明によればウエストゲートバルブは、吸入空気の過給圧が所定圧力以上となるまで開弁しない。ここで、タービンの前後の排気ガスの圧力差は、吸入空気の過給圧の上昇、すなわちタービンの回転の上昇とともに増加する。従って、ウエストゲートバルブは、タービンの前後の排気ガスの圧力差が増加するまで開弁しない。これにより、タービンの前後の排気ガスの圧力差が増加し、排気浄化装置の冷却を確実に行うことできる。

また、この発明では、上記内燃機関において、ターボチャージャは、前記内燃機関の運転状態に応じて開度を調整する可変ノズルをさらに備え、前記可変ノズルは、前記タービン前後の排気ガスの圧力差が所定圧力差以上となるまで、前記開度が絞ることを特徴とする。

この発明によれば、可変ノズルは、その開度を絞ることで、タービンの前後の排気ガスの圧力差を、冷却排気ガスの温度がこの冷却排気ガスにより排気浄化装置を冷却することができる温度以下となる圧力差まで増加することができる。これにより、タービンの前後の排気ガスの圧力差を可変ノズルの開度を絞ることで増加させることができるので、排気浄化装置の冷却を確実に行うことができる。

この発明にかかる内燃機関は、ボルテックスチューブにより分離された内燃機関から排気経路に排気された直後の排気ガスよりも温度が低い冷却排気ガスを排気浄化装置に導入するので、排気浄化装置の熱劣化を抑制することができるという効果を奏する。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の実施例により、この発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるものあるいは実質的に同一のものが含まれる。また、以下の実施例における内燃機関は、ターボチャージャを備える内燃機関であれば、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、天然ガスエンジンなどのいずれであっても良い。

図１は、実施例１にかかる内燃機関の概略構成例を示す図である。図２−１は、ボルテックスチューブの構成例を示す図である。図２−２は、図２−１のＡ−Ａ断面図である。図１に示すように、実施例１にかかる内燃機関１−１は、内燃機関本体２と、吸気経路３と、排気経路４と、ターボチャージャ５と、ボルテックスチューブ６と、ウエストゲートバルブ７とを備えるものである。なお、８は、内燃機関１−１の運転制御を行うＥＣＵ（Engine Control Unit）である。また、９は、内燃機関１−１に燃料を供給する図示しない燃料供給装置に備えられる燃料噴射弁である。

内燃機関本体２は、図示しないシリンダブロック、シリンダヘッド、ピストン、コンロッド、クランクシャフト、点火プラグと、吸気バルブおよび排気バルブを有するバルブ装置などにより構成されており、複数の気筒からなるものである。この内燃機関本体２の図示しない各気筒には、吸気経路４から外部の空気が吸気される。また、例えば吸気経路４に配置された燃料噴射弁９から噴射された燃料が供給される。そして、この内燃機関本体２のこの図示しない各気筒内において、吸入空気と燃料の混合ガスが燃焼することにより、上記図示しないクランクシャフトを回転させるものである。

吸気経路３は、外部から空気を吸気し、ターボチャージャ５の後述するコンプレッサ２３を介して、この吸気された空気を内燃機関１−１の運転状態に応じて過給し、内燃機関本体２の図示しない各気筒に導入するものである。この吸気経路３は、エアクリーナ３１およびエアフロメータ３２と、インタークーラ３３と、スロットルバルブ３４と、インテークマニホールド３５と、エアクリーナ３１からインテークマニホールド３５までを連通する吸気通路３６とにより構成されている。エアクリーナ３１により粉塵が除去された外部の空気は、吸気通路３６、ターボチャージャ５の後述するコンプレッサ５３およびインテークマニホールド３５を介して、内燃機関本体２の図示しない各気筒に導入される。エアフロメータ３２は、図示しない各気筒に導入される吸入空気の吸入空気量を検出し、ＥＣＵ８に出力するものである。インタークーラ３３は、内燃機関本体２の図示しない各気筒に導入される吸入空気を冷却するものである。スロットルバルブ３４は、ステッピングモータなどのアクチュエータ３４ａにより駆動され、内燃機関本体２の図示しない各気筒に導入される吸入空気量を調整するものである。このスロットルバルブ３４の開度の制御、すなわちスロットルバルブ開度制御は、後述するＥＣＵ８により行われる。

排気経路４は、内燃機関本体２の図示しない各気筒から排出された排気ガスをターボチャージャ５のタービン５２を介して外部に排出するものである。この排気経路４は、エキゾーストマニホールド４１と、排気浄化装置４２と、図示しない消音装置と、エキゾーストマニホールド４１から図示しない消音装置までを連通する排気ガス通路４３とにより構成されている。内燃機関本体２から排出された排気ガスは、排気浄化装置４２に担持された浄化触媒４２ａにより有害物質が浄化される。この有害物質が浄化された排気ガスは、図示しない消音装置を介して外部に排気される。ここで、排気浄化装置４２の上流側の排気ガス通路４３には、この排気ガス通路４３に排気される排気ガスの空燃比を検出し、ＥＣＵ８に出力するＡ／Ｆセンサ４４が設けられている。なお、排気ガスの空燃比の検出は、このＡ／Ｆセンサ４４に限られず、例えばこの排気ガス通路４３に排気される排気ガスの酸素濃度を検出するＯ₂センサであっても良い。

ターボチャージャ５は、ハウジング５１と、タービン５２と、コンプレッサ５３と、シャフト５４とにより構成されている。ハウジング５１は、センターハウジング５１ａと、タービンハウジング５１ｂと、コンプレッサハウジング５１ｃとにより構成されている。このセンターハウジング５１ａは、その両端部にタービンハウジング５１ｂおよびコンプレッサハウジング５１ｃがそれぞれ固定されている。

タービン５２は、タービンハウジング５１ｂ内に収納されており、シャフト５４と連結、あるいはこのシャフト５４と一体に成型されている。ここで、タービンハウジング５１ｂは、排気経路５のエキゾーストマニホールド４１と排気浄化装置４２との間の排気ガス通路４３に配置されている。つまり、このタービンハウジング５１ｂは、タービン５２の上流側の排気ガス通路５３を介してエキゾーストマニホールド５１と連通し、タービン５２の下流側の排気ガス通路５３を介して排気浄化装置４２と連通している。このタービンハウジング５１ｂ内には、エキゾーストマニホールド４１を介して内燃機関本体２から排気された排気ガスが導入される。このタービンハウジング５１ｂ内に導入された排気ガスは、同図矢印Ｂに示すように、タービン２２の図示しないブレードを押してこのタービンハウジング５１ｂと排気浄化装置４２との間の排気ガス通路４３に流出する。これにより、タービン５２は、同図矢印Ｄに示す方向に回転する。

コンプレッサ５３は、コンプレッサハウジング５１ｃ内に収納されており、シャフト５４と連結されている。従って、タービン５２とコンプレッサ５３とは、シャフト５４により連結されている。ここで、コンプレッサハウジング５１ｃは、エアフィルタ３１とインタークーラ３３との間の吸気通路３６に配置されている。つまり、コンプレッサハウジング５１ｃは、コンプレッサ５３の上流側の吸気通路３６を介して外部と連通し、このコンプレッサ５３の下流側の吸気通路３６を介してインテークマニホールド３５と連通している。タービン５２が排気ガスにより回転すると、シャフト５４を介してコンプレッサ５３が同一方向、すなわち同図矢印Ｄ方向に回転する。コンプレッサ５３が回転することにより、外部の空気は、吸気経路３のコンプレッサ５３の上流側の吸気通路３６を介してコンプレッサ５３に吸引される。そして、コンプレッサ５３に吸引された空気は、同図矢印Ｃに示すように、このコンプレッサ５３の図示しないブレードにより圧縮されて、コンプレッサ５３の下流側の吸気通路３６およびインテークマニホールド３５を介して内燃機関本体２の図示しない各気筒に供給される。これにより、ターボチャージャ５による内燃機関１−１に吸気される吸入空気の過給が行われる。

シャフト５４は、センターハウジング５１ａ内に図示しない軸受により回転自在に支持されている。

ボルテックスチューブ６は、排気経路４に配置されており、排気ガス通路４３から排気ガスが導入され、導入された排気ガスを冷却排気ガスと加熱排気ガスとに分離するものである。このボルテッスクチューブ６は、図２−１および図２−２に示すように、チューブ本体６１と、排気ガス導入通路６２と、冷却排気ガス通路６３と、加熱排気ガス通路６４とにより構成されている。

チューブ本体６１は、ケーシング６１ａの内部に排気ガス導入部６１ｂと分離部６１ｃとが形成されている。また、ケーシング６１ａの内部には、ボルテックスジェネレータ６１ｄと、バルブ６１ｅが配置されている。排気ガス導入部６１ａは、リング状の空間部であり、その外周面に上記排気ガス導入通路６２と連通する排気ガス導入開口部６１ｆが形成されている。分離部６１ｂは、円柱状の空間部であり、その一方の端部に上記冷却排気ガス通路６３と連通する冷却排気ガス側開口部６１ｇが形成され、その他方の端部に上記加熱排気ガス通路６４と連通する加熱排気ガス側開口部６１ｈが形成されている。

ボルテックスジェネレータ６１ｄは、排気ガス導入部６１ｂと分離部６１ｃとの間に複数個配置されている。このボルテックスジェネレータ６１ｄは、翼形状であり、各ボルテックスジェネレータ６１ｄとの間に所定の隙間となるように、円周上に例えば等間隔で配置されている。ここで、排気ガス導入部６１ｂに導入された排気ガスは、この各ボルテックスジェネレータ６１ｄとの間の隙間から分離部６１ｃに流入する。

バルブ６１ｅは、分離部６１ｃの他方の端部である加熱排気ガス側開口部６１ｈに配置されている。このバルブ６１ｅは、分離部６１ｃ内の排気ガスを加熱排気ガスと冷却排気ガスとに分離するものである。そして、バルブ６１ｅは、加熱排気ガスをこの加熱排気ガス側開口部６１ｈから排出させ、冷却排気ガスを一方の端部である冷却排気ガス側開口部６１ｇに押し戻すものでもある。

排気ガス導入通路６２は、その一方の端部がタービン５２の上流側、すなわちエキゾーストマニホールド４１とタービン５２との間の排気ガス通路４３と連通しており、他方の端部がチューブ本体６１の排気ガス導入開口部６１ｆと連通している。つまり、ボルテックスチューブ６は、タービン５２の上流側の排気ガスが導入される。

冷却排気ガス通路６３は、その一方の端部がタービン５２の下流側、ここではタービン５２と排気浄化装置４２との間の排気ガス通路４３と連通しており、他方の端部がチューブ本体６１の冷却排気ガス側開口部６１ｇと連通している。つまり、ボルテックスチューブ６において、排気ガスが分離することで生成された冷却排気ガスは、排気浄化装置４２の上流側に導入される。

加熱排気ガス通路６４は、その一方の端部がタービン５２の下流側、ここでは排気浄化装置４２よりも下流側の排気ガス通路４３と連通しており、他方の端部がチューブ本体６１の加熱排気ガス側開口部６１ｈと連通している。つまり、ボルテックスチューブ６において、排気ガスが分離することで生成された加熱排気ガスは、排気浄化装置４２の下流側に導入される。

ウエストゲートバルブ７は、タービン５２の上流側とボルテックスチューブ６とを連通する連通手段であり、開弁することにより、排気ガス導入通路６２を介してエキゾーストマニホールド４１とタービン５２との間の排気ガス通路４３とチューブ本体６１との連通を行うものである。このウエストゲートバルブ７は、ターボチャージャ５により過給された吸入空気の過給圧が所定過給圧以上となると、この過給圧により開弁するように構成されている。例えば、図示は省略するが、コンプレッサ５３の下流側の吸入空気の圧力（過給圧）が所定過給圧以上となると、ウエストゲートバルブ本体が矢印Ｅに示す方向に移動し、タービン５２の上流側とボルテックスチューブ６とを連通するようにしても良い。ここで、所定過給圧とは、内燃機関１−１の運転状態が高回転時および／または高負荷時であって、内燃機関本体２の図示しない各気筒に導入される吸入空気の過給圧が過剰に上昇した際の圧力をいう。

ＥＣＵ８は、内燃機関１−１の運転制御を行うものであり、内燃機関本体２の図示しないクランクシャフトのクランク角度（機関回転数）、エアフロメータ３２により検出された吸入空気量、Ａ／Ｆセンサ４４により検出された排気ガスの空燃比、図示しないアクセルペダルの踏み込み量からアクセル開度を検出するアクセル開度センサから検出されたアクセル開度などの入力信号が入力され、これらに基づいてスロットルバルブ３４のスロットルバルブ開度制御、燃料噴射弁９の噴射制御（燃料噴射量、噴射タイミング）を行う出力信号を出力するものである。

このＥＣＵ８には、図示は省略するが、上記入力信号や出力信号の入出力を行う入出力部（Ｉ／Ｏ）と、処理部と、記憶部とにより構成されている。この処理部は、メモリおよびＣＰＵ（Central Processing Unit）により構成され、内燃機関１−１の運転制御方法などに基づくプログラムをメモリにロードして実行することにより、この内燃機関１−１の運転制御方法を実現させるものであっても良い。また、記憶部は、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、ＲＯＭ（Read Only Memory）のような読み出しのみが可能な不揮発性のメモリあるいはＲＡＭ（Random Access Memory）のような読み書きが可能な揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。

次に、実施例１にかかる内燃機関１−１の動作、特にボルテックスチューブ６の動作について説明する。まず、このボルテックスチューブ６に排気ガスを導入するためには、ウエストゲートバルブ７を開弁することとなる。具体的には、ＥＣＵ８による運転制御により、内燃機関１−１の機関回転数および／または負荷が上昇すると、内燃機関本体２から排気経路４に排気される排気ガスの温度が上昇し、この排気ガスの流量が増加する。つまり、内燃機関１−１の運転状態が高回転時および／または高負荷時となると、内燃機関本体２から高温の排気ガスが大量に排気経路４に排気される。従って、大量の高温の排気ガスにより、タービン５２の回転が上昇し、これに伴いシャフト５４を介して連結されているコンプレッサ５３の回転も上昇する。このコンプレッサ５３の回転の上昇に伴いコンプレッサ５３の下流側の吸入空気の過給圧が上昇する。そして、ターボチャージャ５により過給された吸入空気の過給圧が所定過給圧以上となると、ウエストゲートバルブ７が開弁する。

ここで、上述のように、ＥＣＵ８による運転制御により、内燃機関１−１の機関回転数および／または負荷が上昇すると、タービン５２の回転が上昇し、このタービン５２の上流側の排気ガスの圧力Ｐ１が上昇し、タービン５２の下流側の排気ガスの圧力Ｐ２との圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が大きくなる。つまり、内燃機関１−１の運転状態が高回転時および／または高負荷時となると、この圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が十分に増加することとなる。つまり、ウエストゲートバルブ７は、ターボチャージャ５による吸入空気の過給圧が所定圧力以上で開弁することで、タービン５２の前後の排気ガスの圧力差（Ｐ１−Ｐ２）に応じて、ここではこの圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が十分に増加してから、タービン５２の上流側とボルテックスチューブ６との連通を行うこととなる。

ウエストゲートバルブ７が開弁すると、タービン５２の上流側、すなわち内燃機関本体２から排気された直後の高温の排気ガス（以下、単に「高温排気ガス」と称する）がこのタービン５２の前後の排気ガスの圧力差（Ｐ１−Ｐ２）により、排気ガス導入通路６２を介してチューブ本体６１に導入される。つまり、ウエストゲートバルブ７が開弁することで、ボルテックスチューブ６にタービン５２の上流側の排気ガスが導入される。

高温排気ガスは、図２−２に示すように、排気ガス導入通路６２および排気ガス導入開口部６１ｆを介して、排気ガス導入部６１ｂに導入される。この排気ガス導入部６１ｂに導入された高温排気ガスは、同図Ｅに示す方向に、各ボルテックスジェネレータ６１ｄとの間の隙間から分離部６１ｃに流出する。このとき、タービン５２の前後の排気ガスの圧力差（Ｐ１−Ｐ２）、すなわち排気ガス導入部６１ｂと分離部６１ｃとの圧力差（圧力比）は大きいため、各ボルテックスジェネレータ６１ｄとの間の隙間から断熱膨張に近似した状態で分離部６１ｃに流出する。従って、高温排気ガスは、分離部６１ｃに流出することで、その圧力と温度が低下し、分離部内排気ガスとなる。

この分離部６１ｃには、分離部内排気ガスによる２つの旋回流が形成される。一方は、同図矢印Ｆに示す方向、すなわち径方向外側を回転し、排気ガス導入部６１ｂから分離部６１ｃの他方の端部である加熱排気ガス側開口部６１ｈに向かう方向の外側旋回流である。他方は、この外側旋回流の一部がバルブ６１ｅにより押し戻され、同図矢印Ｇに示す方向、すなわち径方向内側を回転し、分離部６１ｃの他方の端部である加熱排気ガス側開口部６１ｈから排気ガス導入部６１ｂに向かう方向の内側旋回流である。つまり、外側旋回流と内側旋回流とは、同じ回転方向で、反対方向に向かって流れるものである。この外側旋回流と内側旋回流との間では、内側旋回流から外側旋回流に向かって熱が移動する。つまり、外側旋回流である分離部内排気ガスが加熱され加熱排気ガスとなり、内側旋回流である分離部内排気ガスが冷却された冷却排気ガスとなることで、ボルテックスチューブ６に導入された高温排気ガスは、冷却排気ガスと加熱排気ガスとに分離される。

分離部６１ｃ内の冷却排気ガスは、冷却排気ガス側開口部６１ｇから冷却排気ガス通路６３に排出され、排気浄化装置４２の上流側に導入される。この排気浄化装置４２の上流側に導入される冷却排気ガスは、この高温排気ガスよりも十分に温度が低いものである。従って、内燃機関１−１の運転状態が高回転時および／または高負荷時となり、タービン５２を通過した高温排気ガスが排気浄化装置４２に導入されることで、この排気浄化装置４２の温度が上昇しても、冷却排気ガスが導入されることでこの排気浄化装置４２を冷却することができる。

分離部６１ｃ内の加熱排気ガスは、加熱排気ガス側開口部６１ｈから加熱排気ガス通路６４に排出され、排気浄化装置４２の下流側に導入される。この排気浄化装置４２の下流側に導入される加熱排気ガスは、この高温排気ガスよりも十分に温度が高いものである。従って、内燃機関１−１の運転状態が高回転時および／または高負荷時となり、タービン５２を通過した高温排気ガスが排気浄化装置４２に導入されることで、この排気浄化装置４２の温度が上昇した状態で、加熱排気ガスがこの排気浄化装置４２を導入されることはない。

以上のように、ボルテックスチューブ６により分離された高温排気ガスよりも温度の低い冷却排気ガスが排気浄化装置４２に導入されるため、排気浄化装置４２の冷却を行うことができ、この排気浄化装置４２の熱劣化を抑制することができる。また、ボルテックスチューブ６により分離された高温排気ガスよりも温度の高い加熱排気ガスが排気浄化装置４２に導入されないため、排気浄化装置４２の温度の上昇を抑制することができ、この排気浄化装置４２の熱劣化を抑制することができる。

また、このボルテックスチューブ６では、タービン５２の前後の排気ガスの圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が増加すると、外側旋回流および内側旋回流の流速が増加する。外側旋回流および内側旋回流の流速が増加すると、内側旋回流から外側旋回流に向かって熱が多く移動することとなる。従って、タービン５２の前後の排気ガスの圧力差（Ｐ１−Ｐ２）の増加に応じて冷却排気ガスと加熱排気ガスとの温度差が大きくなる、すなわち、冷却排気ガスの温度が高温排気ガスの温度よりもさらに低くなり、加熱排気ガスの温度が高温排気ガスの温度よりもさらに高くなる。上記実施例１にかかる内燃機関１−１では、ウエストゲートバルブ７が開弁され、高温排気ガスがボルテックスチューブ６に導入される際には、このタービン５２の前後の排気ガスの圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が十分に増加されている。つまり、ウエストゲートバルブ７は、このタービン５２の前後の排気ガスの圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が十分に増加するまでは、開弁しない。従って、連通手段であるウエストゲートバルブ７は、タービン５２の前後の排気ガスの圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が冷却排気ガスの温度をこの冷却排気ガスにより排気浄化装置４２を冷却することができる温度以下となる圧力差で、タービン５２の上流側とボルテックスチューブ６とを連通させることができる。これにより、排気浄化装置４２の冷却を確実に行うことできる。

次に、実施例２にかかる内燃機関１−２について説明する。図３は、実施例２にかかる内燃機関の概略構成例を示す図である。図３に示す実施例２にかかる内燃機関１−２が、図１に示す実施例１にかかる内燃機関１−１と異なる点は、ターボチャージャ５が内燃機関１−２の運転状態に応じて開度を制御する可変ノズル５５をさらに備える点である。なお、この実施例２にかかる内燃機関１−２は、実施例１にかかる内燃機関１−１と基本的構成の大部分共通するため、同一部分（図３において、図１と同一符号部分）の説明は省略する。

可変ノズル５５は、ターボチャージャ５の動作領域、すなわちターボチャージャ５により吸入空気の過給を行うことができる内燃機関１−２の運転領域を広げるものであり、ノズル本体部５５ａと、ノズル駆動部５５ｂとにより構成されている。ノズル本体部５５ａは、タービン５２と、エキゾーストマニホールド４１とタービン５２との間の排気ガス通路４３との間に配置されている。タービン５２の図示しないブレードに当たる排気ガスの流量は、このノズル本体部５５ａの開度が変化することで調整されるものである。ノズル駆動部５５ｂは、このノズル本体部５５ａの開度を変更するものである。例えば、可変ノズル５５は、ノズル駆動部５５ｂにより、ノズル本体部５５ａの開度を絞ると、タービン５２の図示しないブレードに当たる排気ガスの流量が増加するため、タービン５２の前後の排気ガスの圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が増加することとなる。一方、可変ノズル５５は、ノズル駆動部５５ｂにより、ノズル本体部５５ａの開度を広げると、タービン５２の図示しないブレードに当たる排気ガスの流量が減少するため、タービン５２の前後の排気ガスの圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が減少することとなる。なお、この可変ノズル５５の開度の調整、すなわち可変ノズル開度制御は、後述するＥＣＵ８により行われる。

なお、タービン５２の上流側、すなわちエキゾーストマニホールド４１とタービン５２との間の排気ガス通路４３には、このタービン５２の上流側の排気ガスの圧力Ｐ１を検出し、ＥＣＵ８に出力する上流側圧力センサ４５が設けられている。また、タービン５２の下流側、ここではタービン５２と排気浄化装置４２との間の排気ガス通路４３には、このタービン５２の下流側の排気ガスの圧力Ｐ２を検出し、ＥＣＵ８に出力する下流側圧力センサ４６が設けられている。また、排気浄化装置４２には、この排気浄化装置４２に担持されている浄化触媒４２ａの温度Ｔを検出し、ＥＣＵ８に出力する温度センサ４７が設けられている。

次に、実施例２にかかる内燃機関の動作、特にターボチャージャ５の動作について説明する。図４は、実施例２にかかるターボチャージャの制御フローを示す図である。

まず、ＥＣＵ８は、温度センサ４７により検出された排気浄化装置４２の浄化触媒４２ａの温度Ｔが耐久限度温度Ｔ１以下であるか否かを判断する（ステップＳＴ１）。ここで、耐久限度温度Ｔ１とは、内燃機関１−２の運転状態が高回転時および／または高負荷時となり、高温排気ガスがタービン５２を介して排気浄化装置４２に導入され、この排気浄化装置４２を熱劣化させる温度をいうものである。なお、ＥＣＵ８は、検出された温度Ｔが耐久限度温度Ｔ１以下であるかと判断すると、耐久限界温度Ｔ１を超えるまで、検出された温度Ｔと耐久限度温度Ｔ１との比較を繰り返す。

次に、ＥＣＵ８は、温度センサ４７により検出された温度Ｔが耐久限度温度Ｔ１を超えると判断すると、上流側圧力センサ４５および下流側圧力センサ４６により検出されたタービン５２の前後の排気ガスの圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が所定圧力差以上であるか否かを判断する（ステップＳＴ２）。ここで、所定圧力差とは、ボルテックスチューブ６から排気浄化装置４２の上流側に導入される冷却排気ガスの温度がこの冷却排気ガスにより排気浄化装置４２を冷却することができる温度以下となる圧力差をいうものである。つまり、ＥＵＣ８は、タービン５２の前後の排気ガスの圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が冷却排気ガスにより排気浄化装置４２を冷却することができる程度に十分に増加しているか否かを判断する。

次に、ＥＣＵ８は、検出されたタービン５２の前後の排気ガスの圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が所定圧力差未満であると判断すると、可変ノズル５５の開度を絞る（ステップＳＴ３）。つまり、ＥＣＵ８は、可変ノズル駆動部５５ｂに、可変ノズル本体５５ａの開度を絞る方向に変化させる信号を出力する。そして、この可変ノズル駆動部５５ｂは、このＥＣＵ８からの出力信号により、可変ノズル本体部５５ａの開度を絞る方向に変更する。これにより、可変ノズル５５の開度は絞られる。ここで、ＥＣＵ８は、検出されたタービン５２の前後の排気ガスの圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が所定圧力差以上となるまで、可変ノズル５５の開度を絞り続ける。つまり、可変ノズル５５は、排気浄化装置４２の浄化触媒４２ａの温度がこの排気浄化装置４２を熱劣化させる温度Ｔ１である場合であって、かつタービン５２の前後の排気ガスの圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が冷却排気ガスの温度がこの冷却排気ガスにより排気浄化装置４２を冷却することができる温度以下となる圧力差以上でない場合に絞られる。これにより、ＥＵＣ８により可変ノズル５５がその開度を絞ることで、タービン５２の前後の排気ガスの圧力差（Ｐ１−Ｐ２）を、冷却排気ガスの温度がこの冷却排気ガスにより排気浄化装置を冷却することができる温度以下となる圧力差まで増加することができる。

そして、ＥＣＵ８は、検出されたタービン５２の前後の排気ガスの圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が所定圧力差以上であると判断すると、可変ノズル５５の開度を絞ることを終了する。これにより、検出されたタービン５２の前後の排気ガスの圧力差（Ｐ１−Ｐ２）は所定圧力差以上に常に維持されることとなる。従って、この状態において、ウエストゲートバルブ７が開弁し、ボルテックスチューブ６に高温排気ガスが導入されれば、検出されたタービン５２の前後の排気ガスの圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が冷却排気ガスの温度がこの冷却排気ガスにより排気浄化装置４２を冷却することができる温度以下となる圧力差であるため、このボルテックスチューブ６から排気浄化装置４２に導入された冷却排気ガスによりこの排気浄化装置４２の冷却を確実に行うことができる。

以上のように、この発明にかかる内燃機関は、ターボチャージャと排気浄化装置とを備える内燃機関に有用であり、特に、排気浄化装置の熱劣化を抑制するのに適している。

実施例１にかかる内燃機関の概略構成例を示す図である。 ボルテックスチューブの構成例を示す図である。 図２−１のＡ−Ａ断面図である。 実施例２にかかる内燃機関の概略構成例を示す図である。 この実施例２にかかるターボチャージャの制御フローを示す図である。

符号の説明

１−１，１−２ 内燃機関
２ 内燃機関本体
３ 吸気経路
３１ エアクリーナ
３２ エアフロメータ
３３ インタークーラ
３４ スロットルバルブ
３５ インテークマニホールド
３６ 吸気通路
４ 排気経路
４１ エキゾーストマニホールド
４２ 排気浄化装置
４３ 排気ガス通路
４４ Ａ／Ｆセンサ
４５ 上流側圧力センサ
４６ 下流側圧力センサ
４７ 温度センサ
５ ターボチャージャ
５１ ハウジング
５２ タービン
５３ コンプレッサ
５４ シャフト
５５ 可変ノズル
５５ａ 可変ノズル本体部
５５ｂ 可変ノズル駆動部
６ ボルテックスチューブ
６１ チューブ本体
６１ａ ケーシング
６１ｂ 排気ガス導入部
６１ｃ 分離部
６１ｄ ボルテックスジェネレータ
６１ｅ バルブ
６１ｆ 排気ガス導入開口部
６１ｇ 冷却排気ガス側開口部
６１ｈ 加熱排気ガス側開口部
６２ 排気ガス導入通路
６３ 冷却排気ガス通路
６４ 加熱排気ガス通路
７ ウエストゲートバルブ
８ ＥＣＵ
９ 燃料噴射弁

Claims (4)

1. 排気経路の排気浄化装置よりも上流側の排気ガスにより回転するタービンと、前記タービンの回転により回転するコンプレッサとからなり、吸気経路の吸入空気を過給するターボチャージャを備える内燃機関において、
   前記タービンの上流側の排気ガスが導入され、当該排気ガスを加熱排気ガスと冷却排気ガスとに分離し、当該加熱排気ガスを前記排気経路の排気浄化装置よりも下流側に導入し、当該冷却排気ガスを当該排気経路の排気浄化装置よりも上流側で、かつ当該タービンの下流側に導入するボルテックスチューブを備えることを特徴とする内燃機関。
2. 前記タービンの前後の排気ガスの圧力差に応じて、当該タービンの上流側と前記ボルテックスチューブとを連通する連通手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記連通手段は、前記ターボチャージャによる吸入空気の過給圧が所定圧力以上で開弁するウエストゲートバルブであることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. ターボチャージャは、前記内燃機関の運転状態に応じて開度を調整する可変ノズルをさらに備え、
   前記可変ノズルは、前記タービン前後の排気ガスの圧力差が所定圧力差以上となるまで、前記開度を絞ることを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関。

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