JP2012137052A

JP2012137052A - 排気通路

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Publication number: JP2012137052A
Application number: JP2010290944A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sasajima; 崇司笹嶋; Hideo Yamashita; 英男山下; Daisaku Sawada; 大作澤田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-07-19
Also published as: DE102011089658B4; DE102011089658A1; US8756925B2; US20120159936A1

Abstract

【課題】触媒の暖機を促進させることができ、排気の温度が高温になった場合に触媒が過度に加熱されることを抑制できる排気通路を提供する。
【解決手段】排気通路（２０）は、内燃機関（１０）の排気ポート（１６）と内燃機関の排気を浄化するための触媒（４０）とを繋ぐ排気通路の内壁面の少なくとも一部に多孔質部材（３０）を備え、排気の温度が排気の熱の排気通路の外部への放出が要求される高温の場合における多孔質部材の熱伝導率が、排気の温度が触媒の暖機が要求される低温の場合における熱伝導率の１０倍以上であることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は排気通路、特に内燃機関の排気通路に関する。

従来、内燃機関の排気通路には排気浄化のための触媒が配置されている。この触媒は活性化温度以上にならないと触媒機能を十分に発揮しない。そこで、排気の熱で触媒を活性化温度以上になるまで暖める暖機が行われている。この暖機は、排気通路の熱損失を低減して排気温度を上昇させることで促進される。例えば特許文献１には、排気通路を２重管構造とすることで排気通路の内管を流れる排気の熱が外部へ放出されるのを抑制して排気温度の上昇を図る技術が開示されている。

特開２００３−２８６８４１号公報

特許文献１の技術では、暖機終了後において排気温度が十分高い状態になった場合、排気の熱によって触媒が過度に加熱されるおそれがある。この場合、触媒の性能が低下するおそれがある。

本発明は、触媒の暖機を促進させることができ、排気の温度が高温になった場合に触媒が過度に加熱されることを抑制できる排気通路を提供することを目的とする。

本発明に係る排気通路は、内燃機関の排気ポートと前記内燃機関の排気を浄化するための触媒とを繋ぐ排気通路の内壁面の少なくとも一部に多孔質部材を備え、前記排気の温度が前記排気の熱の前記排気通路の外部への放出が要求される高温の場合における前記多孔質部材の熱伝導率が、前記排気の温度が前記触媒の暖機が要求される低温の場合における前記熱伝導率の１０倍以上であることを特徴とする。

本発明に係る排気通路によれば、排気の温度が低温の場合において多孔質部材が熱伝導抑制機能を発揮することで、排気通路内の排気の熱が排気通路の外部に放出されることを抑制できる。その結果、触媒の暖機を促進することができる。また、排気の温度が高温の場合には、多孔質部材が熱伝導促進機能を発揮することで、触媒が過度に加熱されることを抑制できる。

上記構成において、前記多孔質部材の空孔率が所定の値に設定されることで、前記高温の場合における前記多孔質部材の前記熱伝導率が前記低温の場合における前記熱伝導率の１０倍以上になっていてもよい。この構成によれば、多孔質部材の空孔率以外の要素を調整することで多孔質部材の熱伝導率を調整する場合に比較して、高温の場合における多孔質部材の熱伝導率を低温の場合における熱伝導率の１０倍以上に調整することが容易になる。

上記構成は、前記排気通路の壁部のうち前記多孔質部材が配置されている部分を冷却する冷却手段をさらに備えていてもよい。この構成によれば、排気の温度が高温の場合において多孔質部材が熱伝導促進機能を発揮した場合、多孔質部材と、冷却手段によって冷却された排気通路の壁部と、によって排気通路内の排気の熱を奪うことができる。それにより、触媒が過度に加熱されることをより効果的に抑制できる。また、排気の温度が低温の場合において多孔質部材は熱伝導抑制機能を発揮していることから、冷却手段が排気通路の壁部を冷却した場合でも、多孔質部材によって排気の熱の外部への放出が抑制されている。それにより、暖機の促進が阻害されることが抑制されている。

上記構成は、前記壁部の温度に基づいて前記冷却手段を制御する制御手段をさらに備えていてもよい。この構成によれば、壁部の温度を精度よく調整することができる。上記構成において前記制御手段は、前記壁部の温度が前記触媒の活性化温度以下になるように前記冷却手段を制御してもよい。

本発明によれば、触媒の暖機を促進させることができ、排気の温度が高温になった場合に触媒が過度に加熱されることを抑制できる排気通路を提供することができる。

図１は実施例１に係る内燃機関システムの模式図である。図２は実施例１に係る排気通路の一部を模式的に示す断面図である。図３（ａ）は、内燃機関の運転状態と排気の温度との関係を示す図である。図３（ｂ）は多孔質部材の熱伝導特性を説明するための図である。図４は実施例２に係る排気通路の一部を模式的に示す断面図である。図５（ａ）〜図５（ｄ）は実施例２に係る排気通路の作用効果を説明するための図である。図６は実施例２の変形例１に係る排気通路の一部を模式的に示す断面図である。図７は実施例３に係る排気通路の一部を模式的に示す断面図である。図８は実施例３に係る制御装置の制御に用いられる閾値のマップの一例を示す図である。図９は実施例３に係る制御装置のフローチャートの一例を示す図である。図１０（ａ）は空気の熱伝導率の温度による変化を示す図である。図１０（ｂ）は、空気と空気の平均自由行程との関係を説明するための図である。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。

本発明の実施例１に係る排気通路について説明する。まず、排気通路が用いられる内燃機関システム５の一例について説明し、次いで排気通路について説明する。図１は内燃機関システム５の模式図である。内燃機関システム５は、内燃機関１０と、内燃機関１０に接続された排気通路２０と、内燃機関１０の排気を浄化するための触媒４０とを備えている。

内燃機関１０の種類は特に限定されるものではなく、例えばガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等を用いることができる。内燃機関１０は、シリンダブロック１１と、シリンダブロック１１上に配置されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１内に配置されたピストン１３とを備えている。内燃機関１０には、シリンダブロック１１、シリンダヘッド１２およびピストン１３に囲まれた空間として燃焼室１４が形成されている。シリンダブロック１１には、燃焼室１４に吸気を導くための吸気ポート１５および燃焼室１４から排気を排出するための排気ポート１６が形成されている。

排気通路２０は、内燃機関１０の排気を内燃機関システム５の外部へ排出するための通路である。排気通路２０は、その上流端が内燃機関１０の排気ポート１６に接続されている。排気通路２０として、例えば金属製の管を用いることができる。排気通路２０は、排気ポート１６と触媒４０とを繋ぐ部分に、多孔質部材３０を有している。多孔質部材３０は、複数の空孔を有する部材である。多孔質部材３０の材質は特に限定されるものではないが、本実施例では一例として、アモルファスシリカを主成分とする材質を用いる。多孔質部材３０のより詳細な説明は後述する。

本実施例における排気通路２０は、第１排気通路２１と第２排気通路２２とが接続された構成を有している。第１排気通路２１の上流端は排気ポート１６に接続している。第２排気通路２２の上流端は第１排気通路２１の下流端に接続している。多孔質部材３０は第１排気通路２１の内部に配置されており、触媒４０は第２排気通路２２の内部に配置されている。

この場合、例えば多孔質部材３０を第１排気通路２１内に配置し、触媒４０を第２排気通路２２内に配置した後に、第１排気通路２１および第２排気通路２２を接続することで、排気通路２０を製造することができる。このように排気通路２０が第１排気通路２１と第２排気通路２２とが接続した構成を有することによって、多孔質部材３０および触媒４０が内部に配置された排気通路２０を容易に製造することができる。

なお、第１排気通路２１と第２排気通路２２との接続態様は特に限定されるものではない。第１排気通路２１および第２排気通路２２は、例えばフランジ継手、溶接継手等、２つの通路を接続できる公知の継手方式で接続することができる。また、排気通路２０の構成は、第１排気通路２１と第２排気通路２２とが接続した構成に限られるものではない。例えば排気通路２０は、１本の排気通路であってもよい。

触媒４０は、排気を浄化できる触媒であれば特に限定されるものではない。触媒４０として例えば三元触媒等を用いることができる。触媒４０の配置態様は特に限定されるものではない。本実施例において触媒４０は、一例として第２排気通路２２の内部の中央部（第２排気通路２２の軸線を中心とする所定範囲内の領域）に配置されている。

図２は排気通路２０の一部を模式的に示す断面図である。本実施例において、多孔質部材３０は第１排気通路２１の内壁面の一部に配置されている。具体的には、多孔質部材３０は、第１排気通路２１の下流端から第１排気通路２１の屈曲部（図２において９０°に屈曲している部分）に至るまでの範囲全体に被膜状に配置されている。但し、多孔質部材３０の配置態様はこれに限られるものではない。例えば多孔質部材３０は排気通路２０の内壁面の全部に配置されていてもよい。すなわち、多孔質部材３０は、排気通路２０の内壁面の少なくとも一部に配置されていればよい。

なお、図２において、多孔質部材３０は第１排気通路２１の中央部を空けるようにして、内壁面に沿って配置されている。但し、多孔質部材３０の配置態様はこれに限られるものではない。例えば多孔質部材３０は、さらに第１排気通路２１の中央部にも配置されていてもよい。この場合、多孔質部材３０は、第１排気通路２１の下流端から屈曲部に至る範囲を埋めるように配置される。しかしながら図２に示すように多孔質部材３０を排気通路２０の中央部を空けて排気通路２０の内壁面に沿って配置することで、排気ポート１６から触媒４０に到達するまでの排気の流れが多孔質部材３０によって阻害されることを抑制できる。

続いて多孔質部材３０の詳細な構成について説明するが、その前に排気通路２０が多孔質部材３０を備えている背景について詳細に説明する。まず、触媒４０は、活性化温度以上にならないと活性化しない。触媒４０が活性化しないと触媒４０の排気浄化機能が十分に発揮されないことから、エミッションの悪化のおそれが生じる。そこで、触媒４０を活性化温度以上になるまで暖める処理（すなわち暖機）が必要となる。暖機は、排気の熱によって触媒４０を暖めることによって行われる。

一方、触媒４０は、所定の温度（以下、この温度を上限温度と称する）以上にまで加熱された場合、その性能が低下してしまう。したがって、暖機終了後に排気の温度が高温になった場合には、触媒４０が排気の熱によって上限温度以上になるまで加熱されることを抑制するために、排気の熱を排気通路２０の外部へ積極的に放出させることで排気の温度の上昇を抑制することが望まれる。

図３（ａ）は、内燃機関１０の運転状態と排気の温度との関係を示す図である。横軸は内燃機関１０の回転数を示し、縦軸は内燃機関１０の負荷を示している。図３（ａ）には、排気の温度の等高線として、曲線１００および曲線１０１が示されている。曲線１００は触媒４０の活性化温度である。活性化温度としては、例えば４００℃以上の温度を用いることができる。曲線１０１は触媒４０の上限温度である。上限温度としては例えば９００℃以上の温度を用いることができる。

図３（ａ）においては、排気の温度を内燃機関１０の運転状態に応じて低温領域、中温領域および高温領域の３つの領域に分けている。排気の温度が曲線１００の温度より低い領域が低温領域であり、曲線１０１より高い領域が高温領域であり、曲線１００以上曲線１０１以下までの領域が中温領域である。

低温領域は、触媒４０の暖機が要求される領域である。この領域においては、排気の熱が排気通路２０の外部に放出されることを抑制することで、暖機を促進することができる。すなわち、低温領域は、排気の熱が排気通路２０の外部へ放出されることの抑制が要求される領域でもある。高温領域は、排気の熱の排気通路２０の外部への放出が要求される領域である。この領域においては、排気の熱の外部への放出が積極的にされることで、触媒４０が上限温度以上に加熱されることが抑制され、触媒４０の性能低下が抑制される。

しかしながら、この排気の温度が低温の場合における触媒４０の暖機の促進と排気の温度が高温の場合における触媒４０の過度の加熱の抑制とを両立させることは、容易でない。例えば排気通路２０に断熱部材を配置した場合、低温時における暖機の促進を図ることは可能である。しかしながら、この場合、暖機終了後において排気の温度が上限温度以上になり易くなってしまう。その結果、触媒４０が上限温度以上に加熱され易くなってしまい、触媒４０の性能低下が生じ易くなってしまう。そこで、この低温時における触媒４０の暖機の促進と高温時における触媒４０の過度の加熱の抑制とを両立させるために、本実施例に係る排気通路２０は多孔質部材３０を備えている。

続いて多孔質部材３０の熱伝導特性について説明する。図３（ｂ）は多孔質部材３０の熱伝導特性を説明するための図である。横軸は空孔率（％）を示し、縦軸は熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）を示している。なお、空孔率とは、多孔質部材３０における空孔の占める割り合いをいう。直線１１０は、多孔質部材３０の素材の熱伝導率（例えば多孔質部材３０がアモルファスシリカの場合には、アモルファスシリカの熱伝導率）である。曲線１０２および曲線１０３は、多孔質部材３０の熱伝導率である。曲線１０２は排気が高温の場合における多孔質部材３０の熱伝導率であり、曲線１０３は排気が低温の場合における多孔質部材３０の熱伝導率である。

具体的には、曲線１０２および曲線１０３は、下記式（１）および下記式（２）に示すＷｉｌｌｉａｍｓの式に基づいて算出したものである。
λ＝（１−Φ）×λ_ｓ＋Φ×λ_ｇ＋（１−Φ）^−１×λ_ｒ・・・・（１）
λ_ｒ＝１６σ×Ｔ^３／（３Ｋ_ｅ）・・・（２）
式（１）および式（２）において、λは多孔質部材３０の熱伝導率である。λ_ｓは素材の熱伝導率であり、図３（ｂ）では一例として０．５を採用している。したがって、直線１１０は０．５の値を有している。λ_ｇは内部気体の熱伝導率であり、λ_ｒは輻射の熱伝導率であり、Φは多孔質部材３０の空孔率であり、σはステファンボルツマン定数であり、Ｋ_ｅは輻射吸収係数であり、Ｔは温度である。温度Ｔの一例として、曲線１０２では１２００Ｋを用い、曲線１０３では４００Ｋを用いた。

図３（ｂ）から、多孔質部材３０の熱伝導率は、高温の場合（曲線１０２）には素材の熱伝導率（直線１１０）よりも高くなり、低温の場合（曲線１０３）には素材の熱伝導率よりも低くなっていることが分る。これは、高温時においては輻射の熱伝導の影響が強くなり、低温時においては多孔質部材３０の空孔における気体の熱伝導の影響が強くなることによるものと考えられる。

すなわち、多孔質部材３０の熱伝導率と素材の熱伝導率とを比較した場合、排気の温度が低温の場合には多孔質部材３０の方が素材よりも熱伝導率が低くなり、排気の温度が高温の場合には多孔質部材３０の方が素材よりも熱伝導率が高くなる。したがって、多孔質部材３０を排気通路２０の内壁面に配置することで、排気の温度が低温の場合には多孔質部材３０を熱伝導を抑制する部材として機能させ、排気の温度が高温の場合には多孔質部材３０を熱伝導を促進させる部材として機能させることができる。

続いて多孔質部材３０の熱伝導率について説明する。具体的には、低温時における触媒４０の暖機の促進と高温時における触媒４０の過度の加熱の抑制とを両立させるために好適な多孔質部材３０の熱伝導率について説明する。

まず、排気の温度と、排気通路２０内の排気から排気通路２０の壁部への熱流束との関係について説明する。表１は排気の温度と熱流束との関係を説明するための表である。表１において、温度の単位は℃であり、熱伝達率の単位はＷ／ｍ^２Ｋであり、熱流束の単位はｋＷ／ｍ^２である。表１において低温領域の場合の熱流束は、排気の温度として触媒４０の活性化温度の一例である４００℃を用い、排気通路２０の壁部の温度の一例として１００℃を用い、排気の熱伝達率の一例として５０Ｗ／ｍ^２Ｋを用いて計算されたものである。表１において高温領域の場合の熱流束は、排気の温度として触媒４０の上限温度の一例である９００℃を用い、排気通路２０の壁部の温度の一例として１００℃を用い、排気の熱伝達率の一例として２５０Ｗ／ｍ^２Ｋを用いて計算されたものである。

表１から、排気の温度が高温領域の場合における熱流束（２００ｋＷ／ｍ^２）は排気の温度が低温領域の場合における熱流束（１５ｋＷ／ｍ^２）の１０倍以上の値となっていることが分る。このことから、排気の温度が高温になった場合において触媒４０の温度を上限温度より下に保つためには、排気の温度が高温になった場合における多孔質部材３０が、排気の温度が低温の場合の１０倍以上の熱流束を伝熱するのに十分な熱伝導率を有することが好ましいことが分る。

そこで、本実施例に係る多孔質部材３０の熱伝導率は、排気の温度が高温の場合における多孔質部材３０の熱伝導率が排気の温度が低温の場合における熱伝導率の１０倍以上になるように設定されている。それにより、多孔質部材３０が暖機終了後の高温時において熱伝導促進機能を発揮することで、排気の温度が触媒４０の上限温度以上になることを抑制できる。その結果、触媒４０が上限温度以上になることを抑制できる。一方、排気の温度が低温の場合には、多孔質部材３０が熱伝導抑制機能を発揮することで、触媒４０の温度を活性化温度以上に早期に上昇させることができる。

続いて、多孔質部材３０の熱伝導率の設定手法について説明する。図３（ｂ）を参照して、多孔質部材３０の熱伝導率は、空孔率によって大きく変化することが分る。具体的には曲線１０２は、空孔率が約６０％を超えた辺りから急激に上昇している。その結果、空孔率が約８５％以上の場合には、曲線１０３の値に対する曲線１０２の値の比率は約１０倍以上になっていることが分る。このことから、多孔質部材３０の空孔率を所定の値に設定することで、高温時における多孔質部材３０の熱伝導率を低温時における多孔質部材３０の熱伝導率の１０倍以上に設定できることが分る。

この多孔質部材３０の空孔率の所定の値は、正確には、上述した式（１）および式（２）を用いて算出することができる。低温の一例として４００Ｋを用い、高温の一例として１２００Ｋを用いて、式（１）および式（２）を用いた空孔率の算出方法を説明する。まず、低温の場合（Ｔ＝４００Ｋ）の熱伝導率λ_１は、式（１）および式（２）から、下記式（３）のようになる。
λ_１＝λ_ｓ×（１−Φ）＋１９／（（１−Φ）×Ｋ_ｅ）・・・（３）
高温の場合（Ｔ＝１２００Ｋ）の熱伝導率λ_２は、下記式（４）のようになる。
λ_２＝λ_ｓ×（１−Φ）＋４２０／（（１−Φ）×Ｋ_ｅ）・・・（４）

熱伝導率λ_２を熱伝導率λ_１の１０倍以上にするためには、下記式（５）を満たす必要がある。
λ_２／λ_１＝（λ_ｓ×（１−Φ）^２＋４２０／Ｋ_ｅ）／（λ_ｓ×（１−Φ）^２＋１９／Ｋ_ｅ）≧１０・・・（５）
式（５）を満たす空孔率Φは、下記式（６）を満たせばよい。
Φ≧１−（２５／（λ_ｓ×Ｋ_ｅ））^１／２・・・（６）

したがって、式（６）に基づいて空孔率Φを計算することで、高温時における多孔質部材３０の熱伝導率が低温時における多孔質部材３０の熱伝導率の１０倍以上となる空孔率を算出することができる。一例として、多孔質部材３０の材質がアモルファスシリカを主成分とする場合、λ_ｓ＝１．３８Ｗ／ｍＫであり、Ｋ_ｅ＝２１００ｍ^−１であることから、式（６）からΦ≧０．９が得られる。すなわち、多孔質部材３０の材質がアモルファスシリカを主成分とする場合、多孔質部材３０の空孔率を９０％以上にすることで、高温時における多孔質部材３０の熱伝導率を低温時における多孔質部材３０の熱伝導率の１０倍以上にすることができる。

以上のように、本実施例に係る排気通路２０によれば、内燃機関１０の排気ポート１６と触媒４０とを繋ぐ排気通路２０の内壁面の少なくとも一部に多孔質部材３０を備え、排気の温度が高温の場合における多孔質部材３０の熱伝導率が低温の場合における熱伝導率の１０倍以上となっている。それにより、排気の温度が低温の場合において多孔質部材３０が熱伝導抑制機能を発揮することで、排気通路２０内の排気の熱が排気通路２０の外部に放出することを抑制できる。その結果、触媒４０の暖機を促進することができる。また、排気の温度が高温の場合には、多孔質部材３０が熱伝導促進機能を発揮することで、触媒４０が過度に加熱されることを抑制できる。より具体的には、排気の温度が高温の場合における多孔質部材３０の熱伝導率が低温の場合における熱伝導率の１０倍以上であることから、排気の温度が触媒４０の上限温度以上になることを抑制できる。その結果、触媒４０が上限温度以上になることを抑制できる。それにより、触媒４０の性能低下が抑制できる。

また、排気通路２０によれば、多孔質部材３０の空孔率が所定の値に設定されることで、高温の場合における多孔質部材３０の熱伝導率が低温の場合における熱伝導率の１０倍以上になっている。それにより、多孔質部材３０の空孔率以外の要素を調整することで多孔質部材３０の熱伝導率を調整する場合に比較して、高温の場合における多孔質部材３０の熱伝導率を低温の場合における熱伝導率の１０倍以上に調整することが容易になる。

続いて本発明の実施例２に係る排気通路２０ａについて説明する。図４は排気通路２０ａの一部を模式的に示す断面図である。排気通路２０ａは、排気通路２０ａの壁部のうち、多孔質部材３０が配置されている部分を冷却する冷却装置５０をさらに備えている点において、実施例１の排気通路２０と異なっている。排気通路２０ａのその他の構成は実施例１の排気通路２０と同様のため説明を省略する。なお、本実施例以降において、排気通路２０ａの壁部のうち多孔質部材３０が配置されている部分を壁部２３と称する。

冷却装置５０は、壁部２３を冷却できる装置であれば特に限定されるものではない。例えば冷却装置５０は、水冷式の冷却装置であってもよく、空冷式の冷却装置であってもよく、水冷式の冷却装置および空冷式の冷却装置が組み合わさった冷却装置であってもよい。

図４の冷却装置５０は水冷式の冷却装置である。この場合、冷却装置５０は、冷却水が通過するための冷却水用通路５１を壁部２３の周囲に有している。具体的には、冷却水用通路５１は、壁部２３の周囲に円筒状に設けられた管である。冷却水用通路５１内を冷却水が通過することで、壁部２３を冷却することができる。すなわち、冷却水用通路５１および冷却水は、壁部２３を冷却する冷却手段としての機能を有している。冷却水は、例えばポンプ等の冷却水送付手段によって冷却水用通路５１に送付される。

図５（ａ）〜図５（ｄ）は排気通路２０ａの作用効果を説明するための図である。図５（ａ）は、比較例として、多孔質部材を備えずかつ冷却装置も備えていない排気通路（以下、比較例に係る排気通路と称する）について、排気の温度が低温の場合における排気通路内の温度と排気通路の壁部の温度とを示している。図５（ｂ）は、排気通路２０ａについて、排気の温度が低温の場合における排気通路２０ａ内の温度と多孔質部材３０の温度と壁部２３の温度とを示している。温度Ｔ１〜Ｔ３は、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３の関係を満たしている。

図５（ｃ）は、比較例に係る排気通路について、排気の温度が高温の場合における排気通路内の温度と排気通路の壁部の温度とを示している。図５（ｄ）は、排気通路２０ａについて、排気の温度が高温の場合における排気通路２０ａ内の温度と多孔質部材３０の温度と壁部２３の温度とを示している。温度Ｔ４、Ｔ１およびＴ３は、Ｔ４＞Ｔ１＞Ｔ３の関係を満たしている。

図５（ｄ）と図５（ｃ）とを比較した場合、排気通路２０ａの壁部２３の温度（Ｔ３）の方が比較例に係る壁部の温度（Ｔ１）に比較して、低くなっている。これは、排気通路２０ａが冷却装置５０および多孔質部材３０を備えていることから、排気通路２０ａ内の排気の熱を、多孔質部材３０と冷却装置５０によって冷却された壁部２３とによって効率的に奪っていることに起因するものである。この結果、図５（ｃ）の比較例に係る排気通路内の排気の放熱量（△Ｔ）に比較して、図５（ｄ）に示す排気通路２０ａ内の排気の放熱量（△Ｔ）は、大きくなっている。このように、排気通路２０ａによれば、多孔質部材３０および冷却装置５０を備えることで高温時における触媒４０の過度の加熱をより効果的に抑制している。

図５（ｂ）と図５（ａ）とを比較した場合、排気通路２０ａの壁部２３の温度（Ｔ３）の方が比較例に係る壁部の温度（Ｔ２）に比較して低くなっている。しかしながら、排気通路２０ａは多孔質部材３０を備えていることから、冷却装置５０によって壁部２３が冷却されても、多孔質部材３０が低温時において熱伝導抑制機能を発揮することで、排気通路２０ａ内の排気の熱が壁部２３に奪われることが抑制されている。その結果、図５（ａ）の比較例に係る排気通路内の排気の放熱量（△Ｔ）に比較して、図５（ｂ）に示す排気通路２０ａ内の排気の放熱量（△Ｔ）は、小さくなっている。このように、排気通路２０ａによれば、低温時において冷却装置５０が壁部２３を冷却しても、多孔質部材３０が排気の熱の放熱を抑制することで、暖機の促進が阻害されることが抑制されている。

以上のように本実施例に係る排気通路２０ａによれば、多孔質部材３０および冷却装置５０を備えることで、低温時における暖機の促進を図りつつ高温時における触媒４０の過度の加熱をより効果的に抑制することができる。

（変形例１）
図６は実施例２の変形例１に係る排気通路２０ａの一部を模式的に示す断面図である。本変形例に係る排気通路２０ａは、水冷式の冷却装置５０に代えて空冷式の冷却装置５０ａを備えている点において、図４の排気通路２０ａと異なっている。その他の構成は図４と同様のため説明を省略する。

冷却装置５０ａは、ファン５２およびフィン５３を備えている。ファン５２は、壁部２３に向かって風を送る。ファン５２が送風することで、壁部２３を冷却することができる。なお、ファン５２の数は特に限定されるものではないが、本変形例に係る冷却装置５０ａはファン５２を２つ備えている。第１のファン５２は排気通路２０ａの一方の側に向けて送風し、第２のファン５２は排気通路２０ａの他方の側に向けて送風している。

フィン５３は、排気通路２０ａの壁部２３の外壁面に配置されている。フィン５３は壁部２３からの放熱を促進させる。このように排気通路２０ａがファン５２およびフィン５３を備えることで、いずれか一方のみ備える場合よりも壁部２３の冷却効果を高めることができる。

本変形例に係る排気通路２０ａにおいても、排気通路２０ａが多孔質部材３０および冷却装置５０ａを備えることで、低温時における暖機の促進を図りつつ高温時における触媒４０の過度の加熱を効果的に抑制することができる。

続いて本発明の実施例３に係る排気通路２０ｂについて説明する。図７は排気通路２０ｂの一部を模式的に示す断面図である。排気通路２０ｂは、冷却装置を制御する制御装置６０をさらに備えている点において実施例２に係る排気通路２０ｂと異なっている。なお、図７においては冷却装置の一例として、冷却装置５０ａが示されている。その他の構成は、実施例２と同様のため説明を省略する。

制御装置６０は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）６１、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）６２およびＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）６３を備えるマイクロコンピュータである。制御装置６０は、ＲＯＭ６２に記憶されているプログラム、マップ等に基づいてＲＡＭ６３を一時記憶メモリとして用いながらＣＰＵ６１が動作することで、冷却装置５０を制御する制御手段としての機能を有している。

具体的には、制御装置６０は、壁部２３の温度を取得し、この取得された壁部２３の温度に基づいて冷却装置５０を制御する。この制御装置６０による壁部２３の温度の取得手法は、特に限定されるものではない。壁部２３の温度は排気の温度と相関関係を有し、排気の温度は内燃機関１０の運転状態と相関関係を有することから、制御装置６０は、例えば内燃機関１０の運転状態に基づいて壁部２３の温度を取得することができる。あるいは壁部２３の温度は、壁部２３の温度を検出する温度センサの検出結果に基づいて取得されてもよい。

本実施例における制御装置６０は、一例として内燃機関１０の運転状態に基づいて壁部２３の温度を取得する。具体的には制御装置６０は、内燃機関１０の負荷および回転数に基づいて壁部２３の温度を取得する。この場合、制御装置６０には、内燃機関１０の負荷を検出する負荷検出部７０からの検出結果と、内燃機関１０の回転数を検出する回転数検出部７１からの検出結果とが伝えられる。

内燃機関１０の負荷は、アクセル開度、燃料噴射量等に基づいて算出することができる。したがって、負荷検出部７０として、例えばアクセル開度および燃料噴射量の少なくとも一つに基づいて負荷を算出するＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）を用いることができる。回転数は、内燃機関１０のクランク角度に基づいて算出することができる。したがって、回転数検出部７１として、例えばクランク角度に基づいて回転数を算出するＥＣＵを用いることができる。

制御装置６０は、壁部２３の温度が内燃機関１０の負荷および回転数に関連付けて定められたマップを、例えばＲＯＭ６２に記憶しておく。制御装置６０は、負荷検出部７０および回転数検出部７１からの検出結果に基づいてマップから壁部２３の温度を表引き演算することで、壁部２３の温度を取得する。

壁部２３の温度を取得した制御装置６０は、取得された壁部２３の温度に基づいて冷却装置５０ａを制御する。本実施例に係る制御装置６０は、壁部２３の温度が所定の温度になるように冷却装置５０ａを制御する。具体的には、制御装置６０は、壁部２３の温度が触媒４０の活性化温度以下になるように冷却装置５０ａの風量を制御する。

より具体的には制御装置６０は、冷却装置５０ａのファン５２を作動させるか否かの判定基準となる壁部２３の温度の閾値（Ｔｃ）を、内燃機関１０の運転状態に関連付けて記憶しておく。制御装置６０は、内燃機関１０の運転状態に基づいて壁部２３の温度および閾値（Ｔｃ）を取得し、壁部２３の温度が閾値より大きい場合、冷却装置５０のファン５２を作動させることで、壁部２３の温度を触媒４０の活性化温度以下に制御する。一方、制御装置６０は、壁部２３の温度が閾値以下の場合、冷却装置５０のファン５２を停止させる。

閾値としては、例えば壁部２３の温度が閾値になったときに冷却装置５０のファン５２が作動することで、触媒４０の温度を活性化温度以下に保つことができるような値を用いることができる。閾値は、予め実験、シミュレーション等によって求めておき、例えばＲＯＭ６２に記憶させておけばよい。

図８は制御装置６０の制御に用いられる閾値のマップの一例を示す図である。横軸は内燃機関１０の回転数を示し、縦軸は内燃機関１０の負荷を示している。図８には、閾値（Ｔｃ）の等高線である曲線１０４、曲線１０５および曲線１０６が図示されている。曲線１０６の温度より曲線１０５の温度の方が高く、曲線１０５の温度より曲線１０４の温度の方が高い。制御装置６０は、負荷検出部７０の検出結果に基づいて取得した負荷および回転数検出部７１の検出結果に基づいて取得した回転数に対応する閾値を図８のマップから表引き演算することで、閾値を取得する。

図９は制御装置６０のフローチャートの一例を示す図である。制御装置６０は図９のフローチャートを所定の周期で繰り返し実行する。まず、制御装置６０は内燃機関１０の運転状態に基づいて、壁部２３の温度（Ｔ）および閾値（Ｔｃ）を取得する（ステップＳ１）。具体的には制御装置６０は、負荷検出部７０の検出結果に基づいて取得した内燃機関１０の負荷および回転数検出部７１の検出結果に基づいて取得した内燃機関１０の回転数に基づいて、壁部２３の温度に関するマップを参照することで、壁部２３の温度を取得する。また制御装置６０は、負荷および回転数に基づいて、図８で説明した閾値に関するマップを参照することで、閾値を取得する。

次いで制御装置６０は、壁部２３の温度が閾値より大きいか否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２において壁部２３の温度が閾値より大きいと判定された場合、制御装置６０は冷却装置５０のファン５２を作動させる（ステップＳ３）。なお、この場合、制御装置６０は、ファン５２の回転数を内燃機関１０の運転状態に応じて調整することで、風量を制御してもよい。例えば制御装置６０は、内燃機関１０の負荷が所定値より高くかつ回転数が所定値より高い場合には、そうでない場合に比較して風量が強くなるようにファン５２の回転数を高くしてもよい。制御装置６０はステップＳ３の後において、ステップＳ１を再度実行する。

ステップＳ２において壁部２３の温度が閾値より大きいと判定されなかった場合、制御装置６０は冷却装置５０のファン５２を停止させる（ステップＳ４）。次いで制御装置６０は、フローチャートの実行を終了する。

本実施例に係る排気通路２０ｂによれば、多孔質部材３０、冷却装置５０ａおよび制御装置６０を備えることで、実施例１および実施例２の効果に加えて、壁部２３の温度を精度よく調整することができるという効果を奏することができる。具体的には、排気通路２０ｂによれば、壁部２３の温度を触媒４０の活性化温度以下にすることができる。この場合、触媒４０の温度も活性化温度に近付けることができる。

なお、本実施例において冷却装置として空冷式の冷却装置５０ａを用いたが、冷却装置の種類はこれに限られるものではない。冷却装置として空冷式の冷却装置５０を用いてもよい。この場合、制御装置６０は、例えば冷却装置５０の冷却水を供給するポンプ、冷却水の水量を制御する流量制御弁等を制御することで、壁部２３の温度を制御してもよい。具体的には、制御装置６０は、図９のステップＳ２において壁部２３の温度が閾値より大きいと判定された場合には、ステップＳ３において冷却水用通路５１内の冷却水の流動が開始するようにポンプ、流量制御弁等を制御し、ステップＳ２において壁部２３の温度が閾値より大きいと判定されなかった場合には、ステップＳ４において冷却水用通路５１内の冷却水の流動が停止するようにポンプ、流量制御弁等を制御してもよい。

続いて本発明の実施例４に係る排気通路（以下、本実施例に係る排気通路を排気通路２０ｃと称する）について説明する。本実施例に係る排気通路２０ｃは、多孔質部材３０の空孔の平気的な大きさが空気の平均自由行程以下である点において、実施例１〜実施例３に係る排気通路と異なっている。その他の構成は実施例１〜実施例３に係る排気通路と同様のため、説明を省略する。

図１０（ａ）は空気の熱伝導率の温度による変化を示す図である。横軸は空気の温度（℃）を示し、縦軸は圧力が０．１ＭＰａにおける空気の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）を示している。図１０（ａ）から、空気の温度が上昇すると空気の熱伝導率も上昇することが分る。これは、熱の移動は空気の分子同士の衝突によっても生じ、空気の温度が上昇すると空気の分子同士の衝突が活発化するため、空気の温度上昇とともに空気の熱伝導率が上昇したものと考えられる。

図１０（ｂ）は、空気と空気の平均自由行程との関係を説明するための図である。図１０（ｂ）においては、高温側の分子８０が低温側の分子８０に衝突する様子が図示されている。多孔質部材３０の空孔の平均的な大きさ（ｄ）が空気の平均自由行程（Ｌ）より大きい場合、空気の分子８０同士の衝突による熱伝導が生じ易くなる。したがって、多孔質部材３０の空孔の平均的な大きさが空気の平均自由行程より大きい場合、排気の温度が高温になった場合に多孔質部材３０の空孔に含まれる空気の熱伝導率が大きくなり、その結果、多孔質部材３０の熱伝導率が想定以上に大きくなるおそれがある。具体的には、多孔質部材３０の熱伝導率の一例として０．１Ｗ／ｍｋ以下を想定していたとする。この場合、排気が高温になったときの多孔質部材３０の熱伝導率が、空気の熱伝導率以上になってしまい、その結果０．１Ｗ／ｍｋを超えるおそれがある。

これに対して、本実施例に係る排気通路２０ｃによれば、多孔質部材３０の空孔の平均的な大きさが空気の平均自由行程以下であることから、多孔質部材３０の空孔内における空気の分子８０同士の衝突による熱伝導を抑制することができる。それにより、実施例１〜３に係る効果に加えて、多孔質部材３０の熱伝導率が想定以上に大きくなることを抑制できるという効果を奏することができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

５内燃機関システム
１０内燃機関
１６排気ポート
２０排気通路
２１第１排気通路
２２第２排気通路
２３壁部
３０多孔質部材
４０触媒
５０冷却装置
５１冷却水用通路
５２ファン
５３フィン
６０制御装置

Claims

内燃機関の排気ポートと前記内燃機関の排気を浄化するための触媒とを繋ぐ排気通路の内壁面の少なくとも一部に多孔質部材を備え、
前記排気の温度が前記排気の熱の前記排気通路の外部への放出が要求される高温の場合における前記多孔質部材の熱伝導率が、前記排気の温度が前記触媒の暖機が要求される低温の場合における前記熱伝導率の１０倍以上であることを特徴とする排気通路。
前記多孔質部材の空孔率が所定の値に設定されることで、前記高温の場合における前記多孔質部材の前記熱伝導率が前記低温の場合における前記熱伝導率の１０倍以上になっている請求項１記載の排気通路。
前記排気通路の壁部のうち前記多孔質部材が配置されている部分を冷却する冷却手段をさらに備える請求項１または２に記載の排気通路。
前記壁部の温度に基づいて前記冷却手段を制御する制御手段をさらに備える請求項３記載の排気通路。
前記制御手段は、前記壁部の温度が前記触媒の活性化温度以下になるように前記冷却手段を制御する請求項４記載の排気通路。