JP2018145842A - 内燃機関の排気通路構造 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化触媒へ直接当てることができるバイパス排気の量を可能な限り多くする。【解決手段】本発明は、ターボチャージャのタービンより下流の排気通路に配置される排気浄化触媒と、ターボチャージャのタービンより上流の排気通路からタービンを迂回して、タービンより下流且つ排気浄化触媒より上流の排気通路へ排気を流すためのバイパス通路と、バイパス通路を流通するガス量を調整するウェストゲートバルブと、を備える内燃機関の排気通路構造である。そして、ウェストゲートバルブは、バイパス通路の入口に設けられる。また、バイパス通路は、該バイパス通路の出口を含む少なくとも一部の連続した部位の軸線が同一直線上に位置するように形成されるストレートポート部を備え、且つ該ストレートポート部の軸線の延長線が排気浄化触媒の上流側端面と交差するように配置される。【選択図】図２

Description

本発明は、排気エネルギを利用して遠心式のコンプレッサを駆動する排気タービン過給機（ターボチャージャ）を備えた内燃機関に適用される排気通路の構造に関し、特にターボチャージャに付設されるバイパス通路とウェストゲートバルブとを含む排気通路の構造に関する。

内燃機関の排気通路として、ターボチャージャのタービンと、タービンを迂回して排気を流すためのバイパス通路と、バイパス通路の出口を開閉する弁体を具備するウェストゲートバルブとが配置される構造が知られている。

特許文献１には、ターボチャージャのタービンより下流の排気通路に排気浄化触媒が配置される内燃機関において、ウェストゲートバルブの弁体の開度が所定開度以上のときは、バイパス通路の出口から流出した排気（以下、「バイパス排気」と称する）の大部分が排気浄化触媒の上流側端面に直接当たり、且つウェストゲートバルブの弁体の開度が前記所定開度未満のときは、バイパス排気の大部分が排気浄化触媒の上流側端面より上流に位置する排気通路の壁面等に直接当たるような配置が開示されている。また、特許文献１には、内燃機関が冷間始動された場合のように、排気浄化触媒の暖機が必要な場合は、ウェストゲートバルブの弁体の開度を前記所定開度以上に制御することで、高温なバイパス排気を排気浄化触媒に直接当てる方法が開示されている。さらに、特許文献１には、内燃機関が高負荷運転されている場合のように、排気浄化触媒が過昇温する可能性がある場合は、ウェストゲートバルブの弁体の開度を前記所定開度より小さな開度に制御することで、高温なバイパス排気が排気浄化触媒に直接当たらないようにする方法も開示されている。

特開２０１０−１８０７８１号公報 特開２００３−２５４０５１号公報 特開２０１５−０４０５２１号公報 国際公開第２０１３／１４５２７８号

ところで、排気浄化触媒の暖機中に過給要求が発生すると、タービンを経由する排気の流量を増やすためにウェストゲートバルブの開度が前記所定開度より小さな開度に変更される場合がある。そのような場合は、バイパス排気がウェストゲートバルブに干渉することで、その指向方向が排気浄化触媒の上流側端面からずれるため、高温なバイパス排気を排気浄化触媒へ直接当てることが困難となる。

本発明は、上記したような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、バイパス排気の指向方向に対するウェストゲートバルブの開度の影響を可及的に小さくすることで、排気浄化触媒へ直接当てることができるバイパス排気の量を可能な限り多くすることができる技術の提供にある。

本発明は、上記した課題を解決するために、バイパス通路の出口から流出する排気（バイパス排気）が排気浄化触媒の上流側端面を指向して流れるようにバイパス通路を形成す
るとともに、該バイパス通路の入口にウェストゲートバルブを配置することにより、ウェストゲートバルブの開度の影響によるバイパス排気の指向方向の変化を抑制することで、排気浄化触媒の上流側端面に直接当たるバイパス排気の量が可能な限り多くなるようにした。

詳細には、本発明は、内燃機関の排気通路に配置されるタービン、及び内燃機関の吸気通路に配置されるコンプレッサを具備するターボチャージャと、前記ターボチャージャのタービンより下流の排気通路に配置される排気浄化触媒と、前記ターボチャージャのタービンより上流の排気通路から前記タービンを迂回して、前記タービンより下流且つ前記排気浄化触媒より上流の排気通路へ排気を流すためのバイパス通路と、前記バイパス通路を流通するガス量を調整するウェストゲートバルブと、を備える内燃機関の排気通路構造である。そして、前記ウェストゲートバルブは、前記バイパス通路の入口に設けられる。また、前記バイパス通路は、該バイパス通路の出口を含む少なくとも一部の連続した部位の軸線が同一直線上に位置するように形成されたストレートポート部を備え、且つそのストレートポート部の軸線の延長線が前記排気浄化触媒の上流側端面と交差するように配置される。

このように構成される内燃機関の排気通路構造では、内燃機関が冷間始動された場合のように排気浄化触媒の暖機が必要な場合に、ウェストゲートバルブが開弁されると、内燃機関から排出される高温の排気の少なくとも一部がバイパス通路を経由して排気浄化触媒へ流入することになる。バイパス通路を経由する排気は、該排気の持つ熱がタービンに奪われにくいため、タービンを経由する排気よりも高温な状態になる。その際、バイパス通路の出口を含むストレートポート部の軸線の延長線が排気浄化触媒の上流側端面と交差するように、バイパス通路が配置されているため、該バイパス通路を経由した排気（バイパス排気）が排気浄化触媒の上流側端面（以下、「上流側触媒端面」と称する場合もある）を指向して流れるようになる。その結果、バイパス排気のうち、上流側触媒端面より上流に位置する排気通路の壁面等に衝突することなく前記上流側触媒端面に直接当たる排気の量が多くなる。ここで、バイパス排気が前記上流側端面に到達する前に排気通路の壁面等に衝突すると、該バイパス排気の熱が前記壁面等に伝達されるため、該バイパス排気から排気浄化触媒へ伝達される熱量が少なくなり易い。よって、バイパス排気のうち、前記上流側端面に到達する前に前記壁面等に衝突する排気の量が多くなると、バイパス排気の熱を効率的に排気浄化触媒へ伝達させることが困難となる。これに対し、上記したように、バイパス排気のうち、前記壁面等に衝突することなく前記上流側触媒端面に直接当たる排気の量が多くなると、バイパス排気の熱を効率的に排気浄化触媒へ伝達させることができる。その結果、排気浄化触媒の暖機を促進させることができる。また、本発明の内燃機関の排気通路構造によれば、ウェストゲートバルブがバイパス通路の入口に配置されるため、ウェストゲートバルブの開度によってバイパス排気の指向方向が変化し難い。よって、排気浄化触媒の暖機中におけるウェストゲートバルブの開度の影響を抑制しつつ、排気浄化触媒の暖機を効率的に行うことができる。

なお、前記バイパス通路は、前記ストレートポート部の軸線の延長線が前記上流側触媒端面の中心と交差するように配置されてもよい。ここで、前記バイパス排気は、前記上流側触媒端面に近づくにつれて径方向へ拡がる可能性がある。その際、前記ストレートポート部の軸線の延長線が前記上流側触媒端面の中心と交差するように、前記バイパス通路が配置されていると、前記バイパス排気が前記上流側触媒端面に到達する前に該バイパス排気が径方向へ拡がったとしても、その大部分の排気が前記上流側触媒端面に直接当たり易くなる。その結果、バイパス排気の熱をより効率的に排気浄化触媒へ伝達させることが可能となる。ここで、前記ストレートポート部の軸線の延長線が前記上流側触媒端面の中心と交差するように、前記バイパス通路を配置するにあたり、前記ストレートポート部の軸線と前記排気浄化触媒の軸線とが同軸に位置するようにしてもよい。その場合、前記バイ
パス排気のうち、前記上流側触媒端面に直接当たる排気の量をより確実に多くすることができる。

また、バイパス通路を流れる排気の温度をより高い温度に維持するという観点に立つと、バイパス通路の全長を短くすることが望ましい。しかしながら、バイパス通路の全長が過剰に短くなると、それに応じてストレートポート部の長さも短くなるため、バイパス通路の出口から流出したバイパス排気の指向性が弱くなり易い。バイパス排気の指向性が弱くなると、該バイパス排気がタービンを経由した排気（以下、「タービン排気」と称する場合もある）と衝突した際に、該バイパス排気の指向方向が変化したり、前記上流側端面を指向するバイパス排気の流れから剥離する排気の量が多くなったりすることで、前記上流側端面に直接当たるバイパス排気の量が少なくなる可能性がある。

そこで、本発明に係わるバイパス通路は、前記ストレートポート部の長さが所定の距離以上となる条件の下で、該バイパス通路の全長が可能な限り短くなるように形成されてもよい。ここでいう「所定の距離」は、内燃機関が緩加速運転されるときのように、ターボチャージャに対する要求過給圧が最大過給圧より小さな所定過給圧以下であるときに、バイパス排気がタービン排気と衝突しても、そのバイパス排気の大部分が前記上流側端面に直接当たり得る指向性を持つと考えられる距離であり、予め実験やシミュレーションの結果に基づいて求められた距離である。このような構成によれば、排気浄化触媒の暖機中に内燃機関が緩加速運転されても、バイパス排気の大部分を前記上流側端面に直接当てることができるため、排気浄化触媒の暖機を効率的に行うことが可能となる。なお、内燃機関が急加速運転されるときのように、ターボチャージャに対する要求過給圧が前記所定過給圧より大きいときは、タービン排気の流量や流速が大きくなるため、バイパス排気を前記上流側端面に直接当てることが難しくなる。ただし、内燃機関が急加速運転されるときは、該内燃機関から高温且つ多量の排気が排出され、それに応じてタービン排気も高温且つ多量になるため、バイパス排気を利用しなくても排気浄化触媒を速やかに昇温させることができる。よって、上記した所定距離は、ターボチャージャに対する要求過給圧が前記所定過給圧より大きいときのバイパス排気の指向性を担保し得る距離まで長くする必要はない。なお、ここでいう「所定過給圧」は、例えば、ターボチャージャの要求過給圧が該所定過給圧より大きくなると、バイパス排気を前記上流側触媒端面に直接当てなくとも、排気浄化触媒の暖機を効率的に行えると想定される過給圧の最小値である。

ここで、バイパス通路は、前記ストレートポート部が該バイパス通路の全体に及ぶように形成されてもよい。すなわち、バイパス通路は、該バイパス通路の入口から出口にかけての軸線が同一直線上に位置するように形成されてもよい。その場合、バイパス通路の全長が前記所定の距離以上となる範囲でバイパス通路を形成すればよいので、バイパス通路の全長を短くし易くなる。

ここで、本願発明者が鋭意の実験及びシミュレーションを行った結果、ストレートポート部がバイパス通路の全体に及ぶ構成においては、上記した所定の距離を、前記バイパス通路の入口が設けられる部分における前記排気通路の通路径の２倍の長さに設定すれば、内燃機関が緩加速運転（要求過給圧が前記所定過給圧以下となる加速運転状態）された場合であっても、バイパス排気の大部分が前記上流側端面に直接当たるという知見を得た。よって、バイパス通路の全体がストレートポート部によって構成される場合は、該バイパス通路を、該バイパス通路の入口が設けられる部分における前記排気通路の通路径の２倍以上の全長を有するように形成してもよい。

また、本発明に係わるバイパス通路の出口は、該出口の端面が前記ストレートポート部の軸線に対して垂直な面となるように、前記排気通路に接続されるようにしてもよい。ここで、バイパス通路の出口側端面が前記ストレートポート部の軸線に対して傾斜した面と
なるように、該バイパス通路の出口が排気通路に接続されると、前記出口側端面において該出口側端面とバイパス通路の壁面とが鈍角となる領域及びその近傍から流出する排気が前記上流側端面の中心を指向する流れから剥離し易くなる。その結果、前記上流側端面に直接当たるバイパス排気の量が少なくなり易い。これに対し、バイパス通路の出口側端面が前記ストレートポート部の軸線に対して垂直な面となるように、該バイパス通路の出口が排気通路に接続されると、バイパス排気のうち、前記上流側端面を指向するバイパス排気の流れから剥離する排気の量を可能な限り少なく抑えることができる。その結果、前記上流側端面に直接当たるバイパス排気の量をより一層多くすることができる。

次に、本発明に係わるストレートポート部は、バイパス通路の出口寄りの通路径が該バイパス通路の入口寄りの通路径より小さくなるように形成されてもよい。その際、ストレートポート部は、該ストレートポート部の通路径がバイパス通路の入口側から出口側へ向かって徐々に小さくなるテーパ状に形成されてもよく、又は該ストレートポート部の途中で段差を介して通路径が小さくなるように形成されてもよい。このようにストレートポート部の通路径が、バイパス通路の入口側から出口側へ向かって連続的又は段階的に小さくされると、バイパス排気の密度及び流速が高められるため、該バイパス排気の指向性を高めることができる。その結果、バイパス排気のうち、前記上流側端面に直接当たる排気の量をより確実に多くすることができる。

本発明によれば、バイパス排気の指向方向に対するウェストゲートバルブの開度の影響を可及的に小さくすることできるため、排気浄化触媒へ直接当てることができるバイパス排気の量を可能な限り多くすることができる。

本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。 タービンハウジングの断面図である。 バイパス排気の流れの一例を示す図である。 本実施形態に係わるバイパス通路の比較例として、バイパス通路の出口側端面が該バイパス通路の軸線に対して傾斜した面となるように構成された例を示す図である。 バイパス通路の長さを設定する方法の一例を示す図である。 バイパス通路の他の実施形態を示す第１の図である。 バイパス通路の他の実施形態を示す第２の図である。 バイパス通路の他の実施形態を示す第３の図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）、又は火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）である。

内燃機関１は、インテークマニホールド２を介して吸気管３と接続されている。吸気管３の途中には、該吸気管３内の通路断面積を調整するスロットル弁３０が配置されている。スロットル弁３０より上流の吸気管３には、ターボチャージャ５のコンプレッサハウジング５１が配置されている。コンプレッサハウジング５１とスロットル弁３０との間の吸気管３には、インタークーラ３１が配置されている。

また、内燃機関１は、エキゾーストマニホールド４を介して、ターボチャージャ５のタービンハウジング５０と接続されている。タービンハウジング５０は、触媒ケーシング６を介して、排気管７と接続されている。触媒ケーシング６は、排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）の少なくとも１つを浄化するための排気浄化触媒（例えば、三元触媒や酸化触媒等）６０を収容する。

ここで、ターボチャージャ５は、タービンハウジング５０に回転自在に収容されたタービン５０ａと、コンプレッサハウジング５１に回転自在に収容されたコンプレッサ５１ａとを一体的に連結して構成される。このように構成されたターボチャージャ５は、排気エネルギにより回転駆動されるタービン５０ａの回転力を利用して、コンプレッサ５１ａを回転させることにより、吸気を圧縮する。なお、前記コンプレッサ５１ａにより圧縮されて高温となった吸気は、前記インタークーラ３１において外気又は冷却水と熱交換されることで冷却されるようになっている。

なお、タービンハウジング５０は、図２に示すように、エキゾーストマニホールド４から流出した排気をタービン５０ａへ導くためのタービンインレット５００と、タービン５０ａを経由した後の排気を触媒ケーシング６へ向けて排出させるためのタービンアウトレット５０１と、を備えている。また、タービンハウジング５０には、エキゾーストマニホールド４から流出した排気を、タービンインレット５００とタービン５０ａとタービンアウトレット５０１とを迂回して、触媒ケーシング６へ向けて排出させるためのバイパス通路５０２が設けられる。バイパス通路５０２は、該バイパス通路５０２の入口から出口までの軸線が同一直線上に位置するように形成される。すなわち、本実施形態のバイパス通路は、ストレートポート部が全体に及ぶように形成される。そして、バイパス通路５０２は、該バイパス通路５０２の軸線の延長線（図２中の一点鎖線Ｌ１）が排気浄化触媒６０の上流側端面６０ａ（以下、「上流側触媒端面６０ａ」と称する）と交差するように配置されるものとする。

また、タービンハウジング５０は、バイパス通路５０２の入口に取り付けられて、該入口の開口面積を変更するためのウェストゲートバルブ５０３（以下、「ＷＧＶ５０３」と称する）と、タービンインレット５００に取り付けられて、該タービンインレット５００の導通と遮断とを切り替えるターボバイパスバルブ５０４（以下、「ＴＢＶ５０４」と称する）と、を備えている。これらのＷＧＶ５０３とＴＢＶ５０４とは、後述するＥＣＵ８によって電気的に制御されるようになっている。

なお、ＷＧＶ５０３が全閉状態にあり、且つＴＢＶ５０４が開弁状態にあるときは、エキゾーストマニホールド４から排出される排気の略全量がタービンインレット５００へ流入し、次いでタービン５０ａを経由した後にタービンアウトレット５０１から排出される。また、ＷＧＶ５０３及びＴＢＶ５０４の両方が開弁状態にあるときは、エキゾーストマニホールド４から排出された排気の一部がタービンインレット５００、タービン５０ａ、及びタービンアウトレット５０１を経由して流れるとともに、残りの排気がバイパス通路５０２を経由して流れることになる。つまり、エキゾーストマニホールド４から排出された排気の一部は、タービン５０ａを迂回して触媒ケーシング６へ流入することになる。その際、バイパス通路５０２を経由する排気の流量は、ＷＧＶ５０３の開度を変更することで調整される。また、ＷＧＶ５０３が開弁状態にあり、且つＴＢＶ５０４が閉弁状態にあるときは、エキゾーストマニホールド４から排出される排気の略全量がバイパス通路５０２を経由して触媒ケーシング６へ流入することになる。つまり、エキゾーストマニホールドから排出される排気の略全量がタービン５０ａを迂回して触媒ケーシング６へ流入することになる。

ここで図１に戻り、上記したように構成された内燃機関１には、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）８が併設されている。ＥＣＵ８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアッ
プＲＡＭ等から構成されている。ＥＣＵ８は、アクセルポジションセンサ９、クランクポジションセンサ１０、吸気圧センサ１１、エアフローメータ３２、及び排気温度センサ７０等の各種センサと電気的に接続されている。アクセルポジションセンサ９は、アクセルペダルの操作量（アクセル開度）に相関した電気信号を出力する。クランクポジションセンサ１０は、図示しないクランクシャフトの回転位置に相関した電気信号を出力する。吸気圧センサ１１は、インテークマニホールド２に取り付けられ、該インテークマニホールド２内の吸気圧力（過給圧）に相関した電気信号を出力する。エアフローメータ３２は、コンプレッサハウジング５１より上流の吸気管３に取り付けられ、該吸気管３内を流れる吸気の質量に相関した電気信号を出力する。排気温度センサ７０は、排気管７において触媒ケーシング６の近傍に取り付けられ、触媒ケーシング６から流出する排気の温度に相関した電気信号を出力する。

ＥＣＵ８は、前述したスロットル弁３０、ＷＧＶ５０３、及びＴＢＶ５０４に加え、内燃機関１の燃料噴射弁等の各種機器と電気的に接続され、前述した各種センサの出力信号に基づいてそれらの各種機器を制御する。例えば、ＥＣＵ８は、内燃機関１の運転期間中において、排気浄化触媒６０の暖機等の必要がない場合は、ＴＢＶ５０４を開弁状態に維持する。そして、ＥＣＵ８は、クランクポジションセンサ１０の出力信号に基づいて演算される機関回転速度と、アクセルポジションセンサ９の出力信号（アクセル開度）と、をパラメータとして、目標過給圧を演算する。次いで、ＥＣＵ８は、吸気圧センサ１１により検出される過給圧が前記目標過給より小さければ、ＷＧＶ５０３の開度を現時点より小さな開度へ変更し、吸気圧センサ１１により検出される過給圧が前記目標過給圧より大きければ、ＷＧＶ５０３の開度を現時点より大きな開度へ変更する。詳細には、ＥＣＵ８は、吸気圧センサ１１により検出される過給圧が前記目標過給圧より小さい場合は、それらの差が大きくなるほどＷＧＶ５０３の開度を小さな開度に変更することで、タービン５０ａに流入する排気の量を増やす。一方、吸気圧センサ１１により検出される過給圧が前記目標過給圧より大きい場合は、ＥＣＵ８は、それらの差が大きくなるほどＷＧＶ５０３の開度を大きな開度に変更することで、タービン５０ａに流入する排気の量を減らす。

また、ＥＣＵ８は、内燃機関１が冷間始動された直後のアイドル運転時は、ＴＢＶ５０４を閉弁させるとともに、ＷＧＶ５０３を全開にさせることで、排気浄化触媒６０の暖機を促進させる。ＴＢＶ５０４が閉弁され、且つＷＧＶ５０３が全開にされると、エキゾーストマニホールド４から排出される排気の略全量がバイパス通路５０２を経由して触媒ケーシング６に流入することになる。ここで、内燃機関１が冷間始動された直後のようにタービン５０ａの温度が低いときに、エキゾーストマニホールド４から排出される排気がタービン５０ａを経由して流れると、その排気からタービン５０ａへ伝達される熱量が多くなる。そのため、タービン５０ａを経由した排気（タービン排気）が触媒ケーシング６へ流入する時点における、該タービン排気の温度が低くなる。その結果、排気浄化触媒６０の暖機を効率的に行えなくなるという問題がある。これに対し、上記したように、エキゾーストマニホールド４から排出する排気の略全量がバイパス通路５０２を経由して排気浄化触媒６０へ流入するようになると、排気の熱がタービン５０ａに伝達されにくくなるため、高温な状態の排気が触媒ケーシング６に流入することになる。

また、本実施形態におけるバイパス通路５０２は、前述の図２の説明で述べたように、直線状に形成され、且つ該バイパス通路５０２の軸線の延長線が排気浄化触媒６０の上流側触媒端面６０ａと交差するように配置されるため、バイパス通路５０２の出口から流出する排気（バイパス排気）が上流側触媒端面６０ａを指向して流れるようになる。その結果、バイパス排気のうち、上流側触媒端面６０ａに直接当たる排気の量を多くすることができる。ここで、バイパス排気が上流側触媒端面６０ａに到達する前に、通路壁面（例え
ば、触媒ケーシング６のコーン部の壁面等）に衝突すると、バイパス排気の熱が通路壁面に伝達されてしまう。よって、バイパス排気のうち、上流側触媒端面６０ａに到達する前に通路壁面と衝突する排気の量が多くなると、バイパス排気の熱を効率的に排気浄化触媒６０へ伝達することが困難となる。これに対し、バイパス排気のうち、上流側触媒端面６０ａに直接当たる排気の量が多くなると、バイパス排気から排気浄化触媒６０へ伝達される熱量が多くなるため、排気浄化触媒６０の暖機を効率的に行うことができる。

なお、図３に示すように、バイパス排気（図３中のＥｂ）は、上流側触媒端面６０ａに近づくにつれて、径方向へ拡がる可能性がある。このような可能性を考慮すると、バイパス通路５０２は、その軸線の延長線が上流側触媒端面６０ａの中心と交差するように配置されることが望ましい。そのような配置によれば、バイパス排気が上流側触媒端面６０ａに近づくにつれて径方向へ拡がったとしても、それらバイパス排気の大部分が上流側触媒端面６０ａに直接当たり易くなる。また、バイパス通路５０２は、前述の図２に示すように、該バイパス通路５０２の軸線と排気浄化触媒６０の軸線とが同一直線上に配置（言い換えると、同軸に配置）されるようにしてもよい。その場合、バイパス排気のうち、上流側触媒端面６０ａに直接当たる排気の量をより確実に多くすることができる。

また、バイパス通路５０２は、該バイパス通路５０２の出口側の端面（図２中の二点鎖線で示す面Ｐ１）が該バイパス通路５０２の軸線に対して垂直な面となるように構成されることが望ましい。ここで、図４は、本実施形態に係わるバイパス通路５０２の比較例として、バイパス通路の出口側端面が該バイパス通路の軸線に対して傾斜した面となるように構成された例を示す図である。すなわち、図４に示す比較例では、バイパス通路５０２’は、その出口側端面Ｐ１’が該バイパス通路５０２’の軸線Ｌ１’に対して傾斜した面となるように構成されている。このような構成によると、出口側端面Ｐ１’における該出口側端面Ｐ１’とバイパス通路５０２’の壁面とが鈍角となる領域及びその近傍（図４中のＳが示す領域）から流出する排気が、図４中の矢印で示すように、同図中の下方向へ剥離し易い。そのため、排気浄化触媒６０の上流側触媒端面６０ａに直接当たるバイパス排気の量が少なくなり易い。これに対し、図２に示したように、バイパス通路５０２の出口側端面Ｐ１が該バイパス通路５０２の軸線に対して垂直な面となるように、バイパス通路５０２が構成されると、バイパス排気のうち、上流側触媒端面６０ａを指向するバイパス排気の流れから剥離する排気の量をより確実に少なく抑えることができる。その結果、前記上流側端面に直接当たるバイパス排気の量をより確実に多くすることができる。

ところで、排気浄化触媒６０の暖機途中において、内燃機関１がアイドル運転状態から加速運転状態へ移行することで、ターボチャージャ５に対する過給要求が発生すると、ＥＣＵ８によってＴＢＶ５０４が開弁されるとともにＷＧＶ５０３の開度が絞られることになる。その際、ＷＧＶがバイパス通路の出口に配置されていると、バイパス排気がＷＧＶに干渉して、その指向方向が変化してしまう可能性がある。これに対し、本実施形態のＷＧＶ５０３は、バイパス通路５０２の入口に配置されるため、ＷＧＶ５０３の開度変更に伴う指向方向の変化が抑制される。つまり、バイパス排気の指向方向に対するＷＧＶ５０３の開度の影響を可及的に小さくすることができる。

また、上記したように、排気浄化触媒６０の暖機途中でＴＢＶ５０４が開弁されると、エキゾーストマニホールド４から排出される排気の一部がタービン５０ａを経由して流れることになる。そのため、バイパス排気が上流側触媒端面６０ａに到達する前に、該バイパス排気がタービン排気と衝突する可能性がある。このように、バイパス排気がタービン排気と衝突すると、該バイパス排気の指向方向が上流側触媒端面６０ａからずれたり、上流側触媒端面６０ａを指向するバイパス排気の流れから剥離する排気の量が多くなったりすることで、上流側触媒端面６０ａに直接当たるバイパス排気の量が少なくなる可能性がある。

上記した問題に対し、バイパス通路５０２の長さを可能限り長く設定することで、バイパス排気の指向性を強める方法が考えられる。しかしながら、バイパス通路５０２の長さが過剰に長くなると、排気がバイパス通路５０２を流れているときに該排気から放熱される熱量が多くなり易い。そのため、バイパス通路５０２を経由する排気の温度をより高い温度に維持するという観点に立つと、バイパス通路５０２の長さを可能な限り短くすることが望ましい。

そこで、本実施形態では、内燃機関１がアイドル運転状態から緩加速運転状態へ移行した場合のように、目標過給圧が比較的小さい場合におけるバイパス排気の指向性を担保し得る範囲において、バイパス通路５０２の長さを可能な限り短く抑えるようにした。これは、内燃機関１がアイドル運転状態から急加速運転状態へ移行した場合のように、目標過給圧が比較的大きい場合は、タービン排気の流量や流速が大きくなるため、バイパス排気を前記上流側触媒端面６０ａに直接当てることが難しくなることに加え、内燃機関１から高温且つ多量の排気が排出されることで、タービン排気も高温且つ多量になるため、バイパス排気を利用しなくとも排気浄化触媒６０を速やかに昇温させることができることに因る。つまり、バイパス通路５０２の長さは、ターボチャージャ５に対する要求過給圧が比較的大きくなるときのバイパス排気の指向性を担保し得る長さまで長くする必要はない。よって、本実施形態では、目標過給圧が所定過給圧以下である場合に、バイパス排気の大部分が上流側触媒端面６０ａに直接当たる程度の指向性をバイパス排気が持つように、バイパス通路５０２の長さを設定する。ここでいう「所定過給圧」は、目標過給圧が該所定過給圧より大きくなると、バイパス排気を上流側触媒端面６０ａに直接当てなくとも、排気浄化触媒６０の暖機を効率的に行える過給圧の最小値である。このようにバイパス通路５０２の長さが設定されると、排気浄化触媒６０の暖機途中で内燃機関１がアイドル運転状態から緩加速運転状態へ移行した場合のように、目標過給圧が前記所定過給圧以下となる範囲でターボチャージャ５の過給要求が発生した場合に、バイパス排気がタービン排気と衝突しても、そのバイパス排気の大部分が上流側触媒端面６０ａに直接当たるようになる。なお、上記した条件を満たすバイパス通路５０２の長さの下限値としては、例えば、図５に示すように、バイパス通路５０２の入口が設けられる部分におけるエキゾーストマニホールド４の通路径Ｄの２倍の長さｌを例示することができる。

以上述べた実施形態によれば、排気浄化触媒６０の暖機途中で内燃機関１がアイドル運転状態から緩加速運転状態へ移行した場合のように、ＷＧＶ５０３の開度が変更された場合であっても、高温のバイパス排気を上流側触媒端面６０ａに直接当てることができる。その結果、内燃機関１がアイドル運転状態にある場合に加え、内燃機関１が緩加速運転状態にある場合においても、排気浄化触媒６０の暖機を効率的に行うことが可能となる。

＜他の実施形態＞
前述した実施形態では、バイパス通路５０２の入口から出口までの通路径が一定となる例について述べたが、バイパス通路５０２の出口寄りの通路径が入口寄りの通路径より小さくなるように、バイパス通路５０２が形成されてもよい。その場合、例えば、バイパス通路５０２は、図６に示すように、該バイパス通路５０２の通路径が入口側から出口側にかけて徐々に小さくなるテーパ状に形成されてもよい。なお、図６中の矢印は、排気の流れ方向を示すものとする。また、バイパス通路５０２は、図７に示すように、該バイパス通路５０２の入口から出口へ向かう途中において、該バイパス通路５０２の通路径が段差を介して小さくなるように形成されてもよい。このように、バイパス通路５０２の通路径が出口側から入口側にかけて連続的又は段階的に小さくされると、バイパス排気の密度及び流速が高められるため、該バイパス排気の指向性を高めることができる。その結果、バイパス排気のうち、前記上流側触媒端面６０ａに直接当たる排気の量をより確実に多くすることができる。

また、前述した実施形態では、バイパス通路５０２の入口から出口までの軸線が同一直線上に位置するように、バイパス通路５０２が形成される例（すなわち、ストレートポート部が全体に及ぶように、バイパス通路５０２が形成される例）について述べたが、バイパス通路５０２の出口を含む少なくとも一部の連続した部位のみがストレートポート部で構成されるように、バイパス通路５０２を形成してもよい。例えば、バイパス通路５０２は、図８に示すように、該バイパス通路５０２の途中で曲がるように形成されてよい。その際、バイパス通路５０２の途中から出口までの部位５０２ａは、軸線が同一直線上に位置するストレートポート部となるように形成され、且つ該部位５０２ａの軸線の延長線Ｌ１が排気浄化触媒６０の上流側触媒端面６０ａの中心と交差するように形成されるものとする。さらに、前記部位５０２ａの長さは、目標過給圧が所定過給圧以下である場合に、バイパス排気の大部分が上流側触媒端面６０ａに直接当たる程度の指向性をバイパス排気が持つように設定されるものとする。

１ 内燃機関
２ インテークマニホールド
３ 吸気管
４ エキゾーストマニホールド
５ ターボチャージャ
６ 触媒ケーシング
６ａ 上流側通路壁面
７ 排気管
５０ タービンハウジング
５０ａ タービン
６０ 排気浄化触媒
６０ａ 上流側触媒端面
５００ タービンインレット
５０１ タービンアウトレット
５０２ バイパス通路
５０３ ＷＧＶ
５０４ ＴＢＶ

Claims (8)

1. 内燃機関の排気通路に配置されるタービン、及び内燃機関の吸気通路に配置されるコンプレッサを具備するターボチャージャと、
   前記ターボチャージャのタービンより下流の排気通路に配置される排気浄化触媒と、
   前記ターボチャージャのタービンより上流の排気通路から前記タービンを迂回して、前記タービンより下流且つ前記排気浄化触媒より上流の排気通路へ排気を流すためのバイパス通路と、
   前記バイパス通路を流通するガス量を調整するウェストゲートバルブと、
   を備える、内燃機関の排気通路構造であって、
   前記ウェストゲートバルブは、前記バイパス通路の入口に設けられ、
   前記バイパス通路は、該バイパス通路の出口を含む少なくとも一部の連続した部位の軸線が同一直線上に位置するように形成されたストレートポート部を備え、且つそのストレートポート部の軸線の延長線が前記排気浄化触媒の上流側端面と交差するように配置される、内燃機関の排気通路構造。
2. 前記バイパス通路は、前記ストレートポート部の軸線の延長線が前記排気浄化触媒の上流側端面の中心と交差するように配置される、請求項１に記載の内燃機関の排気通路構造。
3. 前記バイパス通路は、前記ストレートポート部の軸線と前記排気浄化触媒の軸線とが同軸に位置するように配置される、請求項２に記載の内燃機関の排気通路構造。
4. 前記ストレートポート部は、前記ターボチャージャに対する要求過給圧が最大過給圧より小さな所定過給圧以下であるときに、該バイパス通路の出口から流出した排気が前記排気浄化触媒の上流側端面を指向する長さを有する、請求項１〜３の何れか一項に記載の内燃機関の排気通路構造。
5. 前記バイパス通路は、前記ストレートポート部が該バイパス通路の全体に及ぶように形成される、請求項４に記載の内燃機関の排気通路構造。
6. 前記バイパス通路は、該バイパス通路の入口が設けられる部分における前記排気通路の通路径の２倍以上の全長を有するように形成される、請求項５に記載の内燃機関の排気通路構造。
7. 前記バイパス通路の出口は、該出口の端面が前記ストレートポート部の軸線に対して垂直な面となるように、前記排気通路に接続される、請求項１〜６の何れか一項に記載の内燃機関の排気通路構造。
8. 前記ストレートポート部は、前記バイパス通路の出口寄りの通路径が該バイパス通路の入口寄りの通路径より小さくなるように形成される、請求項１〜７の何れか一項に記載の内燃機関の排気通路構造。

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