JP2019011746A - 内燃機関の排気システム - Google Patents

Abstract

【課題】バイパス排気に含まれる凝縮水が排気浄化触媒の上流側端面で沸騰した際に飛散する水分に起因する排気センサの被水を抑制することを課題とする。【解決手段】本発明は、上記した課題を解決するために、ウェストゲートバルブの開度が所定開度以上であるときにバイパス通路から流出する排気であるバイパス排気が、排気浄化触媒の上流側端面における所定部位を指向して流れるように構成され、且つタービンと排気浄化触媒との間の排気通路である特定通路に排気センサが配置される、内燃機関の排気システムにおいて、排気センサは、前記所定部位を前記排気浄化触媒の軸方向に沿って前記特定通路側へ仮想的に延長した領域（飛散領域Ｂ）に対して、前記排気浄化触媒の軸方向と直交する方向へ第一の距離以上に離間して配置される、【選択図】図５

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）と、該ターボチャージャのタービンより下流に配置される排気浄化触媒と、タービンと排気浄化触媒との間に配置される排気センサと、を備えた内燃機関に適用される排気システムに関する。

近年、ターボチャージャを具備する内燃機関では、冷間時における排気浄化触媒の早期暖機を目的として、タービンより下流の排気通路における該タービンに近接した位置に排気浄化触媒を配置する排気通路構造が一般的になっている。また、タービンを迂回するバイパス通路と該バイパス通路の通路断面積を変更するウェストゲートバルブ（以下、「ＷＧＶ」と記す）とがターボチャージャに併設される内燃機関では、バイパス通路を経由した排気（以下、「バイパス排気」と記す）が排気浄化触媒の上流側端面に直接当たるように、バイパス通路やＷＧＶ等を配置する構造も知られている。このような構造によれば、冷間時にタービンを迂回した高温な排気を排気浄化触媒の上流側端面へ直接当てることにより、排気浄化触媒の暖機を一層促進させることができる。

ところで、排気浄化触媒の浄化能力を有効利用する上では、該排気浄化触媒へ流入する排気の状態を把握することが必要である。そのため、酸素濃度センサや空燃比センサ等のように、排気に含まれる特定成分の濃度を検出するための排気センサを、排気浄化触媒より上流の排気通路に配置する排気通路構造も一般的になっている。ここで、ターボチャージャを具備する内燃機関の排気通路に排気センサを配置する場合は、タービンと排気浄化触媒との間の比較的狭い範囲において、排気浄化触媒に可能な限り近い位置に排気センサを配置することで、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。）とバイパス排気とが混合したガスが排気センサに当たるようにした構造も知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１６−１７３０４１号公報 特開２００３−２５４０５１号公報

ところで、内燃機関の排気には水分が含まれており、その水分が内燃機関の停止期間中等の冷間時に凝縮水となって、タービンより上流の排気通路、タービン、及びバイパス通路等に滞留する場合がある。それらの場所において凝縮水が発生すると、内燃機関が冷間始動された直後等において、タービンの出口部やバイパス通路の出口部から排気浄化触媒へ向けて凝縮水が流出する可能性がある。特に、バイパス排気が排気浄化触媒の上流側端面に直接当たるように構成された排気通路構造においては、バイパス排気とともにバイパス通路の出口部から流出した凝縮水が、排気浄化触媒の上流側端面に当たる可能性がある。排気浄化触媒の暖機過程において、バイパス排気に含まれる凝縮水が排気浄化触媒の上流側端面に当たると、該凝縮水が排気浄化触媒の上流側端面で沸騰する場合がある。その場合、凝縮水の一部が、排気浄化触媒の上流側端面から排気の流れ方向における上流側へ飛散する可能性がある。その際、上記の特許文献１に開示されているように、排気センサが排気浄化触媒の近傍に配置されていると、凝縮水が沸騰した際に飛散する水分が排気センサに当たって、該排気センサの異常を誘発する虞がある。

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、タービンと排気浄化触媒とが近接配置され、且つタービンと排気浄化触媒との間の排気通路に排気センサが配置される構成において、バイパス排気に含まれる凝縮水が排気浄化触媒の上流側端面で沸騰した際に飛散する水分に起因する、排気センサの被水を抑制することにある。

本発明は、上記した課題を解決するために、ウェストゲートバルブの開度が所定開度以上であるときにバイパス通路から流出する排気（バイパス排気）が排気浄化触媒の上流側端面における一部の部位である所定部位を指向して流れるように構成され、且つタービンと排気浄化触媒との間の排気通路に排気センサが配置される、内燃機関の排気システムにおいて、バイパス排気に含まれる凝縮水が排気浄化触媒の上流側端面で沸騰した際に飛散する水分が当たらない位置に、排気センサを配置するようにした。

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を具備する過給機と、前記タービンより下流の前記排気通路に配置される排気浄化触媒と、前記タービンより上流の排気通路から分岐し、該タービンを迂回して前記排気浄化触媒より上流の前記排気通路に合流するバイパス通路と、前記バイパス通路における排気の流路断面積を変更するウェストゲートバルブと、前記タービンと前記排気浄化触媒との間の前記排気通路である特定通路に配置される排気センサと、を備える、内燃機関の排気システムである。この内燃機関の排気システムでは、前記タービンと前記排気浄化触媒とは、該タービンと該排気浄化触媒とが所定の近接状態となり、且つ、該タービンの出口部の軸線の延長線が前記特定通路の壁面と交差せずに該排気浄化触媒の上流側端面と交差するように配置され、さらに、前記バイパス通路と前記ウェストゲートバルブとは、該ウェストゲートバルブの開度が所定開度以上であるときに該バイパス通路から流出する排気であるバイパス排気が、前記排気浄化触媒の上流側端面における一部の部位である所定部位を指向して流れるように構成される。そして、前記排気センサは、前記所定部位を該排気浄化触媒の軸方向に沿って前記特定通路側へ仮想的に延長した領域に対して、前記排気浄化触媒の軸方向と直交する方向へ第一の距離以上に離間して配置されるようにした。

上記のように構成された内燃機関の排気システムでは、内燃機関が冷間状態にある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の開度が所定開度以上にされると、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特定通路へ流出する。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。そして、ウェストゲートバルブの開度が所定開度以上であるときにバイパス通路から特定通路へ流出する排気（バイパス排気）は、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。）の所定部位を指向して流れる。その際、タービンと排気浄化触媒とは、所定の近接状態で配置される。ここでいう「所定の近接状態」とは、バイパス排気の大部分が、特定通路の壁面等に衝突することなく上流側触媒端面の所定部位に直接当たる状態である。その結果、バイパス排気のうち、特定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。なお、バイパス排気が前記上流側触媒端面に到達する前に特定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。これに対し、タービンと排気浄化触媒とを所定の近接状態で配置することにより、バイパス排気の大部分が特定通路の壁面等に衝突することなく上流側触媒端面の所定部位に直接当たるようになると、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。

ところで、上記したバイパス排気は、内燃機関の運転停止中等に発生した凝縮水を含む
場合がある。排気浄化触媒の暖機過程において、上流側触媒端面がある程度暖まっている状態で、凝縮水を含むバイパス排気が該上流側触媒端面に当たると、該上流側触媒端面において凝縮水が沸騰する場合がある。上流側触媒端面において凝縮水が沸騰すると、該上流側触媒端面から特定通路側へ向かって飛散する水分（以下、「逆流水」と称する場合もある。）が発生する可能性がある。ここで、タービンと排気浄化触媒とを、上記したように、タービンと排気浄化触媒とが所定の近接状態となり、且つ、タービン出口部の軸線の延長線が特定通路の壁面と交差せずに上流側触媒端面と交差するように配置する場合において、つまり、特定通路を略直線状の短い通路で形成する場合において、排気センサが特定通路に不用意に配置されると、上記の逆流水によって排気センサが被水する可能性がある。なお、上記した逆流水は、排気浄化触媒の軸方向と平行に飛散し易い。言い換えると、上記した逆流水は、上流側触媒端面から特定通路へ向けて、上流側触媒端面と略垂直に飛散する傾向がある。よって、上記した逆流水は、上流側触媒端面において凝縮水が衝突する部位（所定部位）を排気浄化触媒の軸方向に沿って特定通路側へ仮想的に延長した領域（以下、「飛散領域」と称する場合もある。）に飛散すると推定することができる。そのため、排気センサが上記の飛散領域に配置されると、該排気センサが逆流水によって被水し易くなる。

上記した逆流水に起因する排気センサの被水を防止する方法として、排気浄化触媒の軸方向と平行な方向における排気センサと上流側触媒端面との距離を、逆流水の飛散距離よりも長くする方法が考えられる。ただし、このような方法を採用するためには特定通路を長くする必要がある。これに対し、上記したようなバイパス排気の熱を利用した排気浄化触媒の暖機を効率的に図るためには特定通路を可能な限り短くする必要がある。そのため、排気浄化触媒の軸方向と平行な方向における排気センサと上流側触媒端面との距離を、逆流水の飛散距離よりも十分に長くする方法は、近年の内燃機関に求められるエミッション条件に適した方法とは言えない。

そこで、本発明の内燃機関の排気システムでは、前記排気浄化触媒の軸方向と直交する方向（上流側触媒端面と平行な方向）において、前記飛散領域から第一の距離以上に離間した位置に、排気センサを配置するようにした。このような配置によれば、タービンと排気浄化触媒とが近接配置され、且つタービンと排気浄化触媒との間の特定通路に排気センサが配置される構成において、逆流水に起因する排気センサの被水を抑制することができる。つまり、バイパス排気を利用した排気浄化触媒の暖機を効率的に行えるようにした上で、逆流水に起因する排気センサの被水を抑制することが可能となる。

ところで、逆流水の一部は、排気浄化触媒の軸方向と直交する方向に拡がりながら飛散する可能性がある。そのため、上記した第一の距離は、排気浄化触媒の軸方向と直交する方向に拡がりながら飛散する逆流水が排気センサに当たらない距離に設定されてもよい。このように第一の距離が設定されると、逆流水に起因する排気センサの被水を、より確実に抑制することが可能となる。

本発明に係わる内燃機関の排気システムにおいて、前記排気センサは、前記飛散領域に対して、前記排気浄化触媒の軸方向と直交する方向へ前記第一の距離以上に離間した位置であって、さらに、前記タービンの出口部の端面を該出口部の軸方向に沿って前記特定通路側へ仮想的に延長した領域に対して、該出口部の軸方向と直交する方向へ第二の距離以上に離間した位置に配置されてもよい。

内燃機関が冷間状態にあるときに、タービン出口部から流出する排気（以下、「タービン排気」と称する場合もある。）には、バイパス排気と同様に、凝縮水が含まれる可能性がある。ここで、タービン排気の大部分は、タービンの中心軸まわりに旋回しながら螺旋状に流れる。一方、タービン排気に含まれる凝縮水は、その比重が排気より大きいため、
タービン出口部の軸方向（タービン出口部の軸線の延長線）と平行な方向へ直線的に進み易い。よって、タービン出口部の端面を該タービン出口部の軸方向に沿って前記特定通路側へ延長した領域（以下、「タービン凝縮水流通領域」と称する場合もある。）に排気センサが配置されると、タービンから特定通路へ流出した凝縮水によって排気センサが被水する可能性がある。これに対し、排気浄化触媒の軸方向と直交する方向における排気センサと前記飛散領域との離散距離が第一の距離以上となる位置であって、且つタービン出口部の軸方向と直交する方向における排気センサとタービン凝縮水流通領域との離間距離が第二の距離以上となる位置に、排気センサが配置されると、逆流水に起因する排気センサの被水に加え、タービン排気に含まれる凝縮水に起因する排気センサの被水も抑制することができる。

ここで、タービンの出口部から流出した凝縮水の一部は、タービン出口部の軸方向と直交する方向に拡がりながら流通する可能性がある。そのため、前記第二の距離は、タービン出口部の軸方向と直交する方向に拡がりながら流通する凝縮水が排気センサに当たらない距離に設定されてもよい。このように第二の距離が設定されると、タービン排気に含まれる凝縮水に起因する排気センサの被水をより確実に抑制することが可能となる。

なお、本発明に係わる特定通路は、前記タービンから前記排気浄化触媒へ至る途中から、該特定通路の通路径が連続的に拡大するテーパ部を含むように構成されてよい。その場合、前記排気センサは、前記テーパ部に配置されてもよい。ここで、逆流水に起因する排気センサの被水や、タービン排気に含まれる凝縮水による排気センサの被水をより確実に抑制するという観点に立つと、上記の第一の距離や第二の距離は、可能な限り長く設定されることが望ましい。これに対し、上記のテーパ部は、該テーパ部より上流の特定通路よりも通路断面積が大きいため、上記の第一の距離や第二の距離を長くし易い。よって、排気センサが前記テーパ部に配置されるようにすれば、逆流水に起因する排気センサの被水や、タービン排気に含まれる凝縮水に起因する排気センサの被水を、より確実に抑制し易くなる。また、タービン出口部から見たときのテーパ部の位置は、特定通路の径方向へ奥まった位置になるため、タービン排気に含まれる凝縮水に起因する排気センサの被水を抑制し易い。

本発明によれば、タービンと排気浄化触媒とが近接配置され、且つタービンと排気浄化触媒との間の排気通路に排気センサが配置される構成において、バイパス排気に含まれる凝縮水が排気浄化触媒の上流側端面で沸騰した際に飛散する水分に起因する、排気センサの被水を抑制することができる。

本発明を適用する内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。 第一の実施形態に係るタービンハウジングの縦断面を示す図である。 第一の実施形態に係るタービンハウジングの横断面を示す図である。 図１における空燃比センサ付近の模式的な拡大断面図である。 空燃比センサの先端部近傍の縦断面図である。 第一の実施形態における空燃比センサの配置構造を示す図である。 第二の実施形態における空燃比センサの配置構造を示す図である。 第二の実施形態の変形例に係るタービンハウジングの縦断面を示す図である。 第二の実施形態の変形例に係るタービンハウジングの横断面を示す図である。 第二の実施形態の変形例における空燃比センサの配置構造を示す図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、例示的に詳しく説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（第一の実施形態）
＜内燃機関とその排気システムの構成＞
図１は、本実施形態に係る内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を備えた火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）である。ただし、本発明は、圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）にも適用することができる。内燃機関１には、各吸気ポートへ燃料を噴射する燃料噴射弁３が設けられている。なお、燃料噴射弁３は、各気筒２内へ直接燃料を噴射するように構成されてもよい。また、各気筒２には、筒内の混合気に着火するための点火プラグ（図示略）が取り付けられている。

内燃機関１は、インテークマニホールド４０と接続されている。インテークマニホールド４０には、吸気通路４が接続されている。この吸気通路４の途中には、排気のエネルギを駆動源として作動する過給機６のコンプレッサハウジング６１が設けられている。コンプレッサハウジング６１には、コンプレッサ６１ａが回転自在に収容されている。そして、コンプレッサハウジング６１よりも下流の吸気通路４には、スロットルバルブ４１が設けられている。スロットルバルブ４１は、吸気通路４における吸気の流路断面積を変更することで、内燃機関１の吸入空気量を調整する。そして、スロットルバルブ４１よりも下流の吸気通路４には、吸気と外気とで熱交換を行うインタークーラ４２が設けられている。また、コンプレッサハウジング６１よりも上流の吸気通路４には、エアフローメータ４３が設けられている。エアフローメータ４３は、吸気通路４内を流れる吸気（空気）の量（質量）に応じた電気信号を出力する。

内燃機関１は、エキゾーストマニホールド５０と接続されている。エキゾーストマニホールド５０には、排気通路５が接続されている。そして、排気通路５の途中には、排気の流れに方向の上流側から順に、過給機６のタービンハウジング６０、空燃比センサ１０、触媒ケーシング７、及び温度センサ５１が設けられている。タービンハウジング６０には、タービン６０ａが回転自在に収容されている。また、触媒ケーシング７は、排気浄化触媒７０を収容した筒状部７ａと、該筒状部７ａの上流側に配置されるコーン部７ｂ（本発明に係わる「テーパ部」に相当。）と、該筒状部７ａの下流側に配置されるコーン部７ｃとから構成される。排気浄化触媒７０は、例えば、三元触媒や酸化触媒等である。また、空燃比センサ１０は、タービン６０ａと排気浄化触媒７０との間の排気通路である特定通路５ａに配置されて、排気浄化触媒７０に流入する排気の空燃比に応じた電気信号を出力する。この空燃比センサ１０の詳細については後述する。また、温度センサ５１は、排気の温度に応じた電気信号を出力する。なお、本実施形態においては、空燃比センサ１０が、本発明に係わる排気センサに相当する。ただし、本発明に係わる排気センサは、後述するように、空燃比センサ１０に限られるものではない。

ここで、タービンハウジング６０は、図２Ａ、及び図２Ｂに示すように、排気通路５からの排気をタービン６０ａへ導くためのタービン入口部６００と、タービン６０ａを経由した排気を特定通路５ａへ導くタービン出口部６０１と、を備えている。また、タービンハウジング６０には、排気通路５からの排気を、タービン６０ａを迂回して特定通路５ａへ導くバイパス通路６０２が設けられる。そして、バイパス通路６０２は、該バイパス通路６０２の軸線の延長線（図２Ａ中の一点鎖線Ｌ１）が排気浄化触媒７０の上流側端面７０ａ（以下、「上流側触媒端面７０ａ」と称する場合もある。）における一部の部位と交
差するように構成される。なお、図２Ａに示す例では、バイパス通路６０２の軸線の延長線Ｌ１は、上流側触媒端面７０ａの中心部分と交差するように構成されているが、中心部分以外の部位と交差するように構成されてもよい。また、タービン６０ａと排気浄化触媒７０とは、タービン出口部６０１の軸線の延長線が、特定通路５ａの壁面と交差せずに上流側触媒端面７０ａと交差するように構成されている。言い換えると、タービン６０ａと排気浄化触媒７０とは、特定通路５ａが略直線状になるように構成されている。

また、タービンハウジング６０は、バイパス通路６０２の出口側に取り付けられ、バイパス通路６０２における排気の流路断面積を変更可能なウェストゲートバルブ６０３（以下、「ＷＧＶ６０３」と称する場合もある。）を備えている。このＷＧＶ６０３は、アクチュエータ６０４によって開閉駆動される。ここで、図２Ａには、ＷＧＶ６０３が全閉状態にされているときの様子（図２Ａ中の点線で示す６０３ａ）と、ＷＧＶ６０３が全開状態にされているときの様子（図２Ａ中の実線で示す６０３ｂ）とが示されている。そして、ＷＧＶ６０３が全開状態にされているときにバイパス通路６０２から特定通路５ａに流出する排気（バイパス排気）の流れ方向は、図２Ａにおいて白抜き矢印で示すように、バイパス通路６０２の軸線の延長線Ｌ１に沿った方向となる。つまり、バイパス通路６０２は、ＷＧＶ６０３が全開にされた状態において、バイパス排気の流れ方向を上流側触媒端面７０ａの中心部分へ指向させる。よって、本実施形態においてはＷＧＶ６０３の全開開度が、本発明における所定開度に相当する。

なお、本実施形態では、図２Ｂに示すように、エキゾーストマニホールド５０に接続された排気通路５は車載状態における鉛直方向の上側へ向かって延在していて、該排気通路５のエキゾーストマニホールド５０に接続された側と反対側の端部は、タービンハウジング６０に接続されている。このような排気通路５に接続されたタービンハウジング６０では、タービン６０ａがバイパス通路６０２よりも鉛直方向における上方に配置される。

また、本実施形態に係る内燃機関の排気システムでは、タービン６０ａと排気浄化触媒７０とが所定の近接状態で配置される。ここでいう「所定の近接状態」は、ＷＧＶ６０３が全開状態にあるときに、バイパス通路６０２から流出する排気であるバイパス排気の大部分が、特定通路５ａの壁面等に接触することなく、上流側触媒端面７０ａの中心部分に直接当たる程度の間隔を置いて、タービン６０ａと排気浄化触媒７０とが配置される状態をいう。このような所定の近接状態を満たす条件は、例えば、タービン出口部６０１から上流側触媒端面７０ａまでの距離の値を排気浄化触媒７０の径の値で除した値が、０．８から１．３となることである。本実施形態では、例えば、タービン出口部６０１から上流側触媒端面７０ａまでの距離の値が１００ｍｍであって、排気浄化触媒７０の径の値が１２０ｍｍである。そして、このようにタービン６０ａ及び排気浄化触媒７０が所定の近接状態で配置されると、特定通路５ａにおける排気から通路壁への放熱が抑制される。また、上述したように、ＷＧＶ６０３が全開にされた状態において、バイパス排気が上流側触媒端面７０ａの中心部分を指向して流れると、該バイパス排気が径方向へ多少拡がったとしても、その大部分の排気が前記上流側触媒端面の中心部分に直接当たるため、バイパス排気の熱を排気浄化触媒７０に効果的に伝えることができる。

ここで、図１に戻り、内燃機関１には電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０が併設されている。ＥＣＵ２０は、内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。ＥＣＵ２０には、上記の空燃比センサ１０、エアフローメータ４３、温度センサ５１に加え、クランクポジションセンサ８、やアクセル開度センサ９等の各種センサが電気的に接続されている。クランクポジションセンサ８は、内燃機関１の機関出力軸（クランクシャフト）の回転位置に相関する電気信号を出力するセンサである。アクセル開度センサ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センサである。そして、これらのセンサの出力信号がＥＣＵ２０に入力される。ＥＣＵ２０は、クランクポジションセ
ンサ８の出力信号に基づいて内燃機関１の機関回転速度を導出し、アクセル開度センサ９の出力信号に基づいて内燃機関１の機関負荷を導出する。また、ＥＣＵ２０は、エアフローメータ４３の出力値に基づいて、内燃機関１から排出される排気の流量を推定し、温度センサ５１の出力値に基づいて排気浄化触媒７０の温度を推定する。

ＥＣＵ２０は、燃料噴射弁３、スロットルバルブ４１、ＷＧＶ６０３等の各種装置と電気的に接続されている。ＥＣＵ２０によって、これら各種装置が制御される。例えば、ＥＣＵ２０は、ＷＧＶ６０３の開度を制御することによって、バイパス通路６０２を流通する排気の流量を調整することができる。

そして、ＥＣＵ２０は、内燃機関１が冷間状態にあるときには、ＷＧＶ６０３を全開状態に制御する。これにより、バイパス排気が上流側触媒端面７０ａの中心部分を指向することになり、バイパス排気の熱が排気浄化触媒７０に効果的に伝えられる。このように、ＥＣＵ２０は、内燃機関１が冷間状態にあるときにＷＧＶ６０３を全開状態に制御することによって、排気浄化触媒７０の暖機を促進させることができる。

＜空燃比センサの構造＞
次に、図３及び図４に基づいて、空燃比センサ１０の構造について簡単に説明する。図３は、図１における空燃比センサ１０付近の模式的な拡大断面図である。また、図４は、空燃比センサ１０の先端部近傍の縦断面図である。

図３において、空燃比センサ１０は、後述するセンサ本体１００と、該センサ本体１００を覆う筒状の耐熱部材でありその一部が特定通路５ａに露出している保護カバー１０ａとを含んで構成される。センサ本体１００は保護カバー１０ａに覆われることでその機械的強度が担保される。

そして、図４に示すように、保護カバー１０ａは内側カバー１０ｂと外側カバー１０ｃとから成る。そして、これらカバー１０ｂ−１０ｃの表面には複数の通気孔１０ｄが形成されており、保護カバー１０ａ内外を相互に連通させている。すなわち、空燃比センサ１０は、特定通路５ａを流通する排気が、保護カバー１０ａの通気孔１０ｄを通過してセンサ本体１００に到達するように構成されている。なお、図４では保護カバー１０ａは二重構造となっているが、保護カバー１０ａは一重構造であってもよい。

次に、センサ本体１００の概略構成について説明する。センサ本体１００は酸素イオン導電性固体電解質からなるセンサ素子１１を備える。センサ素子１１は例えば酸化ジルコニウム（ジルコニア）によって構成される。そして、センサ素子１１の一方の側面には排気に曝される排気側電極１２が形成され、その他方の側面には大気に曝される大気側電極１３が形成される。これら排気側電極１２及び大気側電極１３は、白金など触媒活性の高い金属材料で構成される。このように排気側電極１２及び大気側電極１３が形成されることで、センサ素子１１は一対の電極によって挟まれる。

そして、排気側電極１２のセンサ素子１１側の側面とは反対側の側面には、拡散律速層１４が積層されている。拡散律速層１４はセラミクス等の多孔質物質で構成された部材であり、排気の拡散を律速する機能を有する。また、拡散律速層１４のセンサ素子１１側の側面とは反対側の側面には、保護層１６が積層されている。そして、センサ素子１１と拡散律速層１４との間にはガス室１５が形成されている。なお、ガス室１５は必ずしも設ける必要はなく、排気側電極１２の表面上に拡散律速層１４が直接接触するように構成されてもよい。

また、センサ素子１１の他方の側面には、ヒータ層１７が積層されている。ヒータ層１
７にはヒータ１８が埋設されていて、ヒータ１８は、図示しない外部の電気回路から電力の供給を受けることにより、センサ本体１００を加熱することができる。なお、この電気回路はＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ヒータ１８に供給される電力はＥＣＵ２０によって制御される。そして、センサ素子１１とヒータ層１７との間には大気室１９が形成されている。大気室１９は、図示しない大気孔を介して大気に連通されており、空燃比センサ１０が特定通路５ａ内に配置された状態であっても、大気側電極１３は大気に曝された状態に維持される。

このような空燃比センサ１０では、通気孔１０ｄから保護カバー１０ａ内部に導入された排気が、拡散律速層１４を通って排気側電極１２に到達する。そして、排気側電極１２と大気側電極１３との間に印加電圧が印加されると、排気中の酸素又は大気中の酸素が酸素イオンとなってセンサ素子１１を伝播する。そして、このときの飽和電流値（限界電流値）に基づいて排気の空燃比が検出される。ここで、センサ素子１１では、その温度が活性温度以上にならないと酸素イオンが伝播しない。したがって、センサ素子１１の温度が活性温度よりも低い場合には、センサ本体１００がヒータ１８によって所望の温度（例えば、７００℃）に加熱される。

＜空燃比センサの配置構造＞
上述したように、センサ素子１１の温度が活性温度よりも低い場合には、センサ素子１１において酸素イオンが伝播しない。そのため、内燃機関１が冷間状態にあるときには、センサ本体１００がヒータ１８によって加熱される。一方、内燃機関１が冷間状態にあるときには、排気通路５、特定通路５ａ、タービン６０ａ、タービンスクロール（不図示）、及びバイパス通路６０２において排気中の水分が凝縮水となり得る。ここで、仮に凝縮水によって空燃比センサ１０が被水すると、それに伴ってセンサ本体１００も被水する可能性がある。センサ本体１００が被水した場合は、ヒータ１８によって加熱されたセンサ素子１１が急冷却され、センサ素子１１が割れてしまう虞がある。また、センサ本体１００が被水した場合は、排気の空燃比を正確に検出できなくなる虞がある。このように、特定通路５ａに設けられた空燃比センサ１０が凝縮水によって被水すると、該空燃比センサ１０に異常が生じてしまう虞がある。なお、上述したような異常が発生し得るセンサは空燃比センサ１０に限られず、酸素イオン導電性固体電解質からなるセンサ素子と、該センサ素子を昇温するヒータと、を有するセンサ（例えば、酸素センサやＮＯ_Ｘセンサ）においても同様の異常が発生し得る。したがって、特定通路５ａに仮に酸素センサやＮＯ_Ｘセンサといったセンサが配置される場合においては、それらのセンサも本発明における排気センサに相当する。

また、ＥＣＵ２０は、内燃機関１が冷間状態にあるときには、前述したように、ＷＧＶ６０３を全開状態に制御する。この場合、タービン６０ａから特定通路５ａに流出する排気（以下、「タービン排気」と称する場合もある。）の流量よりもバイパス排気の流量の方が多くなる。その際、バイパス通路６０２から特定通路５ａに流出する凝縮水は、バイパス排気とともに上流側触媒端面７０ａの中心部分を指向する傾向がある。そして、排気浄化触媒７０の暖機過程において、凝縮水を含むバイパス排気が該上流側触媒端面７０ａに当たると、その凝縮水が上流側触媒端面７０ａにおいて沸騰する可能性がある。上流側触媒端面７０ａにおいて凝縮水の沸騰が発生すると、一部の水分が上流側触媒端面７０ａから特定通路５ａ側へ飛散する場合がある。このように上流側触媒端面７０ａから特定通路５ａ側へ飛散する水分（逆流水）が空燃比センサ１０に当たると、上記したようなセンサ本体１００の被水が発生して、該空燃比センサ１０の異常が発生し得る。そこで、本実施形態における空燃比センサ１０は、特定通路５ａにおいて、上記の逆流水が当たらない位置に配置されるようにしている。

図５は、本実施形態に係る空燃比センサ１０の配置構造を説明するための図である。図
５には、内燃機関１の冷間状態においてＷＧＶ６０３が全開状態にあるときの、タービンハウジング６０と特定通路５ａの縦断面図を示している。そして、図５中の領域Ａは、バイパス通路６０２から特定通路５ａへ流出したバイパス排気が流通する領域（以下、「バイパス排気流通領域Ａ」と称する場合もある。）を示している。また、図５中の領域Ｂは、バイパス排気に含まれる凝縮水が上流側触媒端面７０ａで沸騰した際に発生する逆流水が飛散する領域（以下、「飛散領域Ｂ」と称する場合もある。）を示している。

ここで、ＷＧＶ６０３が全開状態にあるときにバイパス通路６０２から特定通路５ａへ流出したバイパス排気は、前述したように、上流側触媒端面７０ａの中心部分を指向して流れるが、その一部がバイパス通路６０２の軸線の延長線Ｌ１と直交する方向へ多少拡がる可能性がある。そのため、バイパス排気流通領域Ａは、バイパス通路６０２の軸線の延長線Ｌ１に沿ってテーパ状に拡がった領域となる。それに伴い、上流側触媒端面７０ａにおいてバイパス排気が当たる部位は、該上流側触媒端面７０ａの中心部分及び該中心部分の周辺を含む部位（所定部位）となる。そして、バイパス排気に含まれる凝縮水が上記の所定部位で沸騰した際に発生する逆流水は、所定部位から特定通路５ａ側へ向かって、排気浄化触媒７０の軸方向（上流側触媒端面７０ａと垂直な方向）と平行に飛散し易い。つまり、上記の逆流水は、上流側触媒端面７０ａ側から特定通路５ａ側へ向かって、上流側触媒端面７０ａと略垂直に進む傾向がある。よって、飛散領域Ｂは、上記の所定部位を排気浄化触媒７０の軸方向に沿って特定通路５ａ側へ仮想的に延長した領域となる。

したがって、本実施形態では、前記飛散領域Ｂに対して、排気浄化触媒７０の軸方向と直交する方向（上流側触媒端面７０ａと平行になる方向）へ第一の距離ｄ１以上に離間した位置に、空燃比センサ１０を配置している。その際、上記の飛散領域Ｂは、実験やシミュレーションの結果に基づいて予め特定しておくものとする。また、逆流水の一部は、排気浄化触媒７０の軸方向と直交する方向に拡がりながら飛散する可能性もある。よって、上記の第一の距離ｄ１は、排気浄化触媒７０の軸方向と直交する方向に拡がりながら飛散する逆流水が当たらない距離に設定されるものとする。このような第一の距離ｄ１についても、実験やシミュレーションの結果に基づいて予め求めておくものとする。

以上述べたように、前記特定通路５ａにおいて、排気浄化触媒７０の軸方向と直交する方向における空燃比センサ１０と飛散領域Ｂとの離散距離が第一の距離ｄ１以上となる位置に、空燃比センサ１０が配置されると、バイパス排気に含まれる凝縮水が上流側触媒端面７０ａで沸騰した際に発生する逆流水に起因する空燃比センサ１０の被水を抑制することができる。

なお、図５に示す例では、排気浄化触媒７０の軸方向と直交する方向における該空燃比センサ１０と飛散領域Ｂとの離間距離が第一の距離ｄ１以上となる領域のうち、飛散領域Ｂより上方となる位置に空燃比センサ１０が配置されているが、この配置に限定されるものではない。例えば、排気浄化触媒７０の軸方向と直交する方向における該空燃比センサ１０と飛散領域Ｂとの離間距離が第一の距離ｄ１以上となる領域であれば、飛散領域Ｂの側方となる位置等に空燃比センサ１０が配置されてもよい。ただし、排気浄化触媒７０の軸方向と直交する方向における該空燃比センサ１０と飛散領域Ｂとの離間距離が第一の距離ｄ１以上となる領域のうち、飛散領域Ｂの下方となる位置は、特定通路５ａの底部近傍に溜まった凝縮水が飛散し易い。そのため、排気浄化触媒７０の軸方向と直交する方向における該空燃比センサ１０と飛散領域Ｂとの離間距離が第一の距離ｄ１以上となる領域のうち、飛散領域Ｂの下方となる位置には、空燃比センサ１０を配置しないことが望ましい。さらに、排気浄化触媒７０の軸方向と直交する方向における該空燃比センサ１０と飛散領域Ｂとの離間距離が第一の距離ｄ１以上となる領域において、上記のバイパス排気流通領域Ａと重複する部分が存在する場合には、その重複部分にも、空燃比センサ１０を配置しないことが望ましい。このように空燃比センサ１０の配置が定められると、バイパス排
気に含まれる凝縮水に起因する空燃比センサ１０の被水も抑制することができる。

また、図５に示す例では、空燃比センサ１０は、触媒ケーシング７の上流側のコーン部７ｂに取り付けられている。ここで、コーン部７ｂにおける通路断面積は、該コーン部７ｂより上流の特定通路５ａにおける通路断面積より大きい。そのため、空燃比センサ１０がコーン部７ｂに配置するようにすると、排気浄化触媒７０の軸方向と直交する方向における該空燃比センサ１０と飛散領域Ｂとの離間距離を長くし易い。その結果、逆流水による空燃比センサ１０の被水を、より確実に抑制し易くなる。ただし、排気浄化触媒７０の軸方向と直交する方向における該空燃比センサ１０と飛散領域Ｂとの離間距離が第一の距離ｄ１以上となる領域内であれば、コーン部７ｂ以外の位置に空燃比センサ１０が配置されてもよい。

（第二の実施形態）
次に、本発明の第二の実施形態について、図６に基づいて説明する。なお、本実施形態において、前述した第一の実施形態と実質的に同一の構成については、その説明を省略する。

内燃機関１が冷間状態にあるときは、タービン６０ａやタービンスクロール（不図示）において凝縮水が発生し得る。タービン６０ａやタービンスクロール等で発生した凝縮水は、タービン出口部６０１から流出する排気（タービン排気）とともに特定通路５ａへ流出し得る。タービン６０ａから特定通路５ａへ流出した凝縮水が空燃比センサ１０に当たると、前述したような空燃比センサ１０の異常を招く可能性がある。そこで、本実施形態では、前述の逆流水が当たらない領域において、タービン出口部６０１から流出する凝縮水も当たらない位置に、空燃比センサ１０を配置するようにした。

図６は、本実施形態に係る空燃比センサ１０の配置構造を説明するための図である。図６には、内燃機関１の冷間状態においてＷＧＶ６０３が全開状態にあるときの、タービンハウジング６０と特定通路５ａの縦断面図が示されている。さらに、図６には、前述したバイパス排気流通領域Ａ及び飛散領域Ｂに加え、タービン６０ａから特定通路５ａへ流出した凝縮水が流通する領域Ｃ（以下、「タービン凝縮水流通領域Ｃ」と称する場合もある。）が示されている。

ここで、タービン６０ａから特定通路５ａへ流出した排気は、タービン６０ａの中心軸まわりに旋回しながら螺旋状に流れる。これに対し、タービン６０ａから特定通路５ａへ流出した凝縮水は、該凝縮水の比重が排気の比重より大きいため、タービン出口部６０１の軸方向と平行な方向へ直線的に進み易い。つまり、タービン６０ａから特定通路５ａへ流出した凝縮水は、タービン出口部６０１から特定通路５ａ側へ向かって、タービン出口部６０１の端面と略垂直に進む傾向がある。よって、タービン凝縮水流通領域Ｃは、タービン出口部６０１の端面を該タービン出口部６０１の軸方向に沿って特定通路５ａ側に延長した領域となる。

そこで、本実施形態では、排気浄化触媒７０の軸方向と直交する方向における空燃比センサ１０と飛散領域Ｂとの離間距離が第一の距離ｄ１以上となる領域のうち、タービン出口部６０１の軸方向と直交する方向における空燃比センサ１０とタービン凝縮水流通領域Ｃとの離間距離が第二の距離ｄ２以上となる位置に、空燃比センサ１０を配置するようにした。その際、上記のタービン凝縮水流通領域Ｃは、実験やシミュレーションの結果に基づいて予め特定しておくものとする。また、タービン６０ａから特定通路５ａへ流出した凝縮水の一部は、タービン出口部６０１の軸方向と直交する方向に拡がりながら進む可能性がある。そのため、上記の第二の距離ｄ２は、タービン出口部６０１の軸方向と直交する方向に拡がりながら進む凝縮水が空燃比センサ１０に当たらない距離に設定されるもの
とする。このような第二の距離ｄ２は、実験やシミュレーションの結果に基づいて予め設定しておくものとする。

以上述べたように、特定通路５ａにおいて、排気浄化触媒７０の軸方向と直交する方向における空燃比センサ１０と飛散領域Ｂとの離散距離が第一の距離ｄ１以上となる領域のうち、タービン出口部６０１の軸方向と直交する方向における空燃比センサ１０とタービン凝縮水流通領域Ｃとの離間距離が第二の距離ｄ２以上となる位置に、空燃比センサ１０が配置されると、逆流水に起因する空燃比センサ１０の被水に加え、タービン排気に含まれる凝縮水に起因する空燃比センサ１０の被水も抑制することができる。

なお、図６に示す例では、排気浄化触媒７０の軸方向と直交する方向における空燃比センサ１０と飛散領域Ｂとの離散距離が第一の距離ｄ１以上となる領域であって、且つタービン出口部６０１の軸方向と直交する方向における空燃比センサ１０とタービン凝縮水流通領域Ｃとの離間距離が第二の距離ｄ２以上となる領域のうち、タービン凝縮水流通領域Ｃより上方となる位置に空燃比センサ１０が配置されているが、これに限定されるものではない。例えば、排気浄化触媒７０の軸方向と直交する方向における空燃比センサ１０と飛散領域Ｂとの離散距離が第一の距離ｄ１以上となる領域であって、且つタービン出口部６０１の軸方向と直交する方向における空燃比センサ１０とタービン凝縮水流通領域Ｃとの離間距離が第二の距離ｄ２以上となる領域のうち、特定通路５ａの底部に溜まった凝縮水が当たらない位置に空燃比センサ１０が配置されれば、図６の配置例と同様の効果を得ることができる。さらに、排気浄化触媒７０の軸方向と直交する方向における空燃比センサ１０と飛散領域Ｂとの離散距離が第一の距離ｄ１以上となる領域であって、且つタービン出口部６０１の軸方向と直交する方向における空燃比センサ１０とタービン凝縮水流通領域Ｃとの離間距離が第二の距離ｄ２以上となる領域において、上記のバイパス排気流通領域Ａと重複する部分が存在する場合には、その重複部分に空燃比センサ１０を配置しないようにすることで、バイパス排気に含まれる凝縮水に起因する空燃比センサ１０の被水も抑制することができる。

また、図６に示す例では、空燃比センサ１０は、触媒ケーシング７の上流側のコーン部７ｂに設けられている。これは、コーン部７ｂにおける通路断面積が該コーン部７ｂより上流の特定通路５ａにおける通路断面積より大きいため、排気浄化触媒７０の軸方向と直交する方向における空燃比センサ１０と飛散領域Ｂとの離散距離、及びタービン出口部６０１の軸方向と直交する方向における空燃比センサ１０とタービン凝縮水流通領域Ｃとの離間距離を長くし易いためである。その結果、逆流水に起因する空燃比センサ１０の被水、及びタービン排気に含まれる凝縮水に起因する空燃比センサ１０の被水を、より確実に抑制し易くなる。さらに、タービン出口部６０１から見たときに、コーン部７ｂの位置が特定通路５ａの径方向へ奥まった位置となるため、タービン排気に含まれる凝縮水に起因するセンサ素子１１の被水をより確実に抑制しやすいという利点もある。ただし、排気浄化触媒７０の軸方向と直交する方向における空燃比センサ１０と飛散領域Ｂとの離散距離が第一の距離ｄ１以上となる領域内であって、且つタービン出口部６０１の軸方向と直交する方向における空燃比センサ１０とタービン凝縮水流通領域Ｃとの離間距離が第二の距離ｄ２以上となる領域内であれば、コーン部７ｂ以外の位置に空燃比センサ１０が配置されてもよい。

（第二の実施形態の変形例）
前述した第二の実施形態では、エキゾーストマニホールド５０に接続された排気通路５が車載状態における鉛直方向の上側へ向かって延在していて、該排気通路５のエキゾーストマニホールド５０に接続された側と反対側の端部がタービンハウジング６０に接続される構成、すなわち、タービンハウジング６０におけるタービン６０ａの位置がバイパス通路６０２よりも鉛直方向における上方に配置される構成において、凝縮水によるセンサ素
子１１の被水を抑制する例について述べた。

これに対し、図７Ａ−７Ｂに示すように、エキゾーストマニホールド５０に接続された排気通路５が鉛直方向の下方に向かって延在していて、該排気通路５のエキゾーストマニホールド５０に接続された側と反対側の端部がタービンハウジング６０に接続される構成、すなわち、タービンハウジング６０におけるタービン６０ａの位置がバイパス通路６０２よりも鉛直方向における下方に配置される構成も考えられる。

図７Ａ−７Ｂに示すような構成においても、図８に示すように、排気浄化触媒７０の軸方向と直交する方向における空燃比センサ１０と飛散領域Ｂとの離散距離が第一の距離ｄ１以上となる領域のうち、タービン出口部６０１の軸方向と直交する方向における空燃比センサ１０とタービン凝縮水流通領域Ｃとの離間距離が第二の距離ｄ２以上となる位置に、空燃比センサ１０を配置することにより、前述の第二の実施形態と同様の効果を得ることができる。

１ 内燃機関
５ 排気通路
５ａ 特定通路
６ 過給機
７ 触媒ケーシング
７ｂ コーン部（テーパ部）
１０ 空燃比センサ（排気センサ）
１０ 保護カバー
５０ エキゾーストマニホールド
６０ タービンハウジング
６０ａ タービン
７０ 排気浄化触媒
７０ａ 上流側触媒端面
６０１ タービン出口部
６０２ バイパス通路
６０３ ウェストゲートバルブ

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に配置されるタービンを具備する過給機と、
   前記タービンより下流の前記排気通路に配置される排気浄化触媒と、
   前記タービンより上流の前記排気通路から分岐し、該タービンを迂回して前記排気浄化触媒より上流の前記排気通路に合流するバイパス通路と、
   前記バイパス通路における排気の流路断面積を変更するウェストゲートバルブと、
   前記タービンと前記排気浄化触媒との間の前記排気通路である特定通路に配置される排気センサと、
   を備え、
   前記タービンと前記排気浄化触媒とは、該タービンと該排気浄化触媒とが所定の近接状態となり、且つ、該タービンの出口部の軸線の延長線が前記特定通路の壁面と交差せずに該排気浄化触媒の上流側端面と交差するように配置され、
   前記バイパス通路と前記ウェストゲートバルブとは、該ウェストゲートバルブの開度が所定開度以上であるときに該バイパス通路から流出する排気であるバイパス排気が、前記排気浄化触媒の上流側端面における一部の部位である所定部位を指向して流れるように構成される、
   内燃機関の排気システムにおいて、
   前記排気センサは、前記所定部位を前記排気浄化触媒の軸方向に沿って前記特定通路側へ仮想的に延長した領域に対して、前記排気浄化触媒の軸方向と直交する方向へ第一の距離以上に離間して配置される、
   内燃機関の排気システム。
2. 前記排気センサは、前記所定部位を前記排気浄化触媒の軸方向に沿って前記特定通路側へ仮想的に延長した領域に対して、前記排気浄化触媒の軸方向と直交する方向へ前記第一の距離以上に離間した位置であって、さらに、前記タービンの出口部の端面を該出口部の軸方向に沿って前記特定通路側へ仮想的に延長した領域に対して、該出口部の軸方向と直交する方向へ第二の距離以上に離間した位置に配置される、
   請求項１に記載の内燃機関の排気システム。
3. 前記特定通路は、前記タービンから前記排気浄化触媒へ至る途中から、該特定通路の通路径が連続的に拡大するテーパ部を含み、
   前記排気センサは、前記テーパ部に配置される、
   請求項１又は２に記載の内燃機関の排気システム。

Images