JP2019015190A - 内燃機関の排気システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、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設けられた構成において、凝縮水による排気センサの被水を抑制することを目的とする。【解決手段】タービン６０ａを具備する過給機６と、排気浄化触媒７０と、バイパス通路６０２と、ＷＧＶ６０３と、特定排気通路５ａに設けられた空燃比センサ１０と、を備え、タービン出口部６０１と上流側端面７０ａとが所定の近接状態となるように、且つ、タービン６０ａの回転中心軸の延長線が、特定排気通路５ａの壁面と交差せず上流側端面７０ａと交差するように、タービン６０ａ及び排気浄化触媒７０が配置された内燃機関の排気システムにおいて、空燃比センサ１０が、特定排気通路５ａの周方向において、タービン旋回流によって流されたバイパス排気が到達する範囲Ａ１を除く位置に配置されていることを特徴とする。【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と、該過給機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、を備えた内燃機関の排気システムに関する。

内燃機関の排気通路に過給機のタービンが設けられた構成においては、該タービンを迂回するバイパス通路が設けられる場合がある。そして、特許文献１には、タービンおよびバイパス通路よりも下流側の排気通路に空燃比センサが設けられる技術が開示されている。当該技術によれば、タービンから排気通路に流出する排気（以下、「タービン排気」と称する場合もある。）がバイパス通路から排気通路に流出する排気（以下、「バイパス排気」と称する場合もある。）と混合する前に、空燃比センサが該タービン排気に当たるように配置されている。

また、内燃機関の排気通路において、排気浄化触媒が過給機のタービンやバイパス通路よりも下流側に設けられることが一般的になっている。そして、特許文献２には、バイパス通路にウェイストゲートバルブ（以下、「ＷＧＶ」と称する場合もある。）を設け、内燃機関の冷間始動時にＷＧＶを開弁する技術が開示されている。当該技術によれば、バイパス通路を通過した比較的高温の排気を用いて、バイパス通路よりも下流側に設けられた排気浄化触媒を昇温させている。

特開２０１４−０１３００４号公報 特開２００３−２５４０５１号公報

内燃機関から排出される排気には水分が含まれており、内燃機関が冷間状態にあるときには、排気通路において排気中の水分が凝縮水となり得る。そして、タービンよりも上流側の排気通路や、タービン、バイパス通路において凝縮水が発生すると、タービンの出口部やバイパス通路の出口部から排気通路に凝縮水が流出することになる。ここで、排気通路に設けられた排気センサが凝縮水に曝されると、該排気センサに異常が生じてしまう虞がある。

一方、従来から、内燃機関が冷間状態にあるときにおいて、タービン排気よりも温度が高いバイパス排気を用いて、排気浄化触媒を昇温させることが知られている。この場合、可及的速やかに排気浄化触媒を昇温させるために、タービン排気に対してバイパス排気を可及的に多くすることが考えられる。ここで、バイパス排気が可及的に多くされる場合には、バイパス通路の出口部から排気通路に流出する凝縮水が多くなる。したがって、排気センサは、バイパス通路からバイパス排気とともに流出する凝縮水に曝される可能性が高くなる。

そして、先行文献等に記載の技術によれば、バイパス排気との混合前のタービン排気に当たる位置に空燃比センサ（排気センサ）を配置することが知られている。この場合、バイパス排気とともに流通する凝縮水によるセンサ被水が抑制されるとも考えられる。しかしながら、排気浄化触媒を可及的速やかに昇温させることを目的として、タービンと排気
浄化触媒とが近接配置された構成においては、排気センサを、バイパス排気との混合前のタービン排気に当たる位置に配置することは困難である。

つまり、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設けられた構成において、タービンと排気浄化触媒とが近接配置される場合には、そうでない場合と比較して、バイパス排気とともに流通する凝縮水による被水を抑制し得る位置に排気センサを配置することが困難となる。そこで、本発明の発明者は、排気通路の周方向の観点からのセンサ位置について、新たに着目した。

本発明は、上記の問題点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設けられた構成において、凝縮水による排気センサの被水を抑制することができる技術の提供にある。

本発明に係る内燃機関の排気システムでは、排気センサが、タービンと排気浄化触媒との間の排気通路の周方向において、内燃機関が冷間状態にあるときのバイパス排気であって、且つ、該排気通路をその壁面に沿って旋回しながら流通する旋回排気によって流されたバイパス排気が到達する範囲を除く位置に配置される。

より詳しくは、内燃機関の排気通路に設けられた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設けられた排気浄化触媒と、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可能なウェイ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排気通路に設けられた排気センサと、を備え、前記タービンの出口部と前記排気浄化触媒の上流側端面とが所定の近接状態となるように、且つ、前記タービンの回転中心軸の延長線が、前記特定排気通路の壁面と交差せず前記排気浄化触媒の上流側端面と交差するように、前記タービン及び前記排気浄化触媒が配置されており、更に、前記内燃機関が冷間状態であって前記ウェイストゲートバルブの開度が所定開度であるときには、前記バイパス通路から前記特定排気通路に流出するバイパス排気が前記排気浄化触媒の上流側端面を指向するように構成された内燃機関の排気システムにおいて、前記排気センサが、前記特定排気通路の周方向において、前記内燃機関が冷間状態にあるときの前記バイパス排気であって、且つ、前記タービンから前記特定排気通路に流出し該特定排気通路をその壁面に沿って旋回しながら流通する旋回排気によって流された前記バイパス排気が到達する範囲である第一範囲を除く位置に配置されていることを特徴とする。

このような内燃機関では、タービンの出口部と排気浄化触媒の上流側端面とが所定の近接状態となっているため、上記の特定排気通路においては、排気から通路壁への放熱が抑制される。ここで、所定の近接状態とは、タービンの出口部から排気浄化触媒の上流側端面までの距離と、排気浄化触媒の径と、の比率が１．０近傍の所定範囲に属するように、タービンおよび排気浄化触媒が配置される状態である。また、内燃機関が冷間状態であってＷＧＶの開度が所定開度であるときには、バイパス排気が排気浄化触媒の上流側端面を指向するように構成されているため、バイパス排気の熱が排気浄化触媒に効果的に伝えられる。つまり、上記の内燃機関は、排気浄化触媒を可及的速やかに昇温させることができるように構成されている。

ここで、上記の所定開度は、言い換えれば内燃機関が冷間状態にあるときのＷＧＶの開度（以下、「冷間開度」と称する場合もある。）である。そして、この冷間開度は、バイパス排気を用いて排気浄化触媒を可及的速やかに昇温させることができる開度である。冷
間開度は、例えばＷＧＶの全開開度である。この場合、タービン排気に対してバイパス排気を可及的に多くすることができる。または、冷間開度は、例えばバイパス排気を排気浄化触媒の上流側端面の略中央部に指向する開度である。この場合、排気浄化触媒がより昇温し易くなる。

そして、ＷＧＶの開度が冷間開度にされると、タービン排気の流量よりもバイパス排気の流量の方が多くなる。ここで、バイパス通路から特定排気通路に流出する凝縮水は、バイパス排気の流れに乗って特定排気通路を流通する傾向にある。そのため、内燃機関が冷間状態にあるときには、バイパス排気の流れに乗って流通する凝縮水によるセンサ被水が生じ易くなる。したがって、排気センサは、バイパス排気が到達しない位置に配置されることが望ましい。

ここで、バイパス排気は、特定排気通路をその壁面に沿って旋回しながら流通するタービン排気である旋回排気の流れ（以下、「タービン旋回流」と称する場合もある。）によって流される。そこで、本発明の発明者は、バイパス排気に対するタービン旋回流の影響を考慮したうえで、特定排気通路の周方向の観点における排気センサの配置について鋭意検討を行った。

これによると、バイパス排気は、その流れの向きが旋回排気の旋回方向に曲げられる。ここで、本発明に係る内燃機関の排気システムにおいては、内燃機関が冷間状態にあるときにバイパス排気が排気浄化触媒の上流側端面を指向するように構成されているものの、このときの実際のバイパス排気は、排気浄化触媒の上流側端面に流入する前にある程度拡散し得る。そのため、内燃機関が冷間状態にあるときであっても、バイパス排気が特定排気通路の壁面付近にも到達し得る。このとき、特定排気通路の壁面付近では、バイパス排気の流れがタービン旋回流によって曲げられることになる。そして、特定排気通路の周方向における上記の第一範囲には、内燃機関が冷間状態にあるときに、このようにタービン旋回流によって曲げられたバイパス排気が到達することになる。

そして、排気センサが、特定排気通路の周方向において、第一範囲を除く位置に配置されると、バイパス排気の流れに乗って流通する凝縮水によるセンサ被水が抑制される。これにより、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設けられた構成において、凝縮水による排気センサの被水を抑制することが可能となる。

また、前記第一範囲は、前記内燃機関が冷間状態にあるときの前記バイパス排気が前記旋回排気によって流されずに前記特定排気通路の壁面に到達したと仮定した場合の領域を、前記旋回排気の旋回方向に所定角度分移動させた領域を含む範囲として定められてもよい。

上述したように、特定排気通路の壁面付近では、排気がタービン旋回流によって曲げられる。具体的には、タービン旋回流によって流されないと仮定した場合のバイパス排気は、特定排気通路の壁面における所定領域に到達する。これに対して、バイパス排気がタービン旋回流によって流されると、バイパス排気は、上記の所定領域を旋回排気の旋回方向に所定角度分移動させた領域に到達することになる。

また、ＷＧＶの開度に応じてタービン排気の流量とバイパス排気の流量の割合が変化することに鑑みると、バイパス排気がタービン旋回流によって流される度合いは、ＷＧＶの開度に応じて変化することになる。なぜなら、タービン旋回流の強さは、ＷＧＶの開度に応じて変化するタービン排気の流量の影響を受けるからである。したがって、上記の所定角度は、内燃機関が冷間状態にあるときのＷＧＶの開度（冷間開度）である上記の所定開
度に応じた角度として定義される。

また、本発明に係る内燃機関の排気システムでは、前記排気センサが、前記特定排気通路の周方向において、更に、鉛直方向下方に位置する範囲であって、前記特定排気通路内に滞留した凝縮水である滞留水が滞留する範囲を除く位置に配置されてもよい。

ここで、特定排気通路の壁面に付着した凝縮水（該凝縮水には、壁面において生じる凝縮水も含まれる。）は、重力方向に流動する。また、例えばタービンの出口部から特定排気通路に流出する凝縮水の一部は、特定排気通路内において重力下向きに落下する。その結果、特定排気通路内の所定の領域（これは、特定排気通路内において鉛直方向下方に位置する領域である。）には凝縮水が滞留し得る。そして、仮にこの領域に排気センサが配置されると、該排気センサが被水してしまう虞がある。

そこで、排気センサを、特定排気通路の周方向における滞留水が滞留する範囲を除く位置に配置することによって、滞留水による排気センサの被水を抑制することができる。

また、本発明に係る内燃機関の排気システムでは、前記排気センサが、前記特定排気通路の周方向において、更に、前記旋回排気によって該旋回排気の旋回方向に吹き上げられた前記滞留水が到達する範囲を除く位置に配置されてもよい。

上述したように、旋回排気は、特定排気通路をその壁面に沿って旋回しながら流通するタービン排気である。そのため、バイパス排気だけでなく上記の滞留水も、この旋回排気の流れ（タービン旋回流）の影響を受ける。ここで、滞留水は、旋回排気の旋回方向に吹き上げられる。したがって、特定排気通路の周方向における或る範囲には、旋回排気によって吹き上げられた滞留水が到達することになる。以下、この範囲を「第二範囲」と称する。そして、仮に特定排気通路の周方向における第二範囲に排気センサが配置されると、該排気センサが被水してしまう虞がある。

そこで、排気センサを、特定排気通路の周方向における第二範囲を除く位置に配置することによって、凝縮水による排気センサの被水を抑制することができる。

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設けられた構成において、凝縮水による排気センサの被水を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る内燃機関とその排気システムの概略構成を示す図である。 本発明の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。 本発明の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。 本発明の第一の実施形態に係る空燃比センサの配置構造を説明するための図である。 本発明の第二の実施形態に係る空燃比センサの配置構造を説明するための図である。 本発明の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。 本発明の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。 本発明の第二の実施形態の変形例に係る空燃比センサの配置構造を説明するための図である。 本発明の第三の実施形態に係る空燃比センサの配置構造を説明するための図である。

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システム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を含む気筒群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およびエキゾーストマニホールド５０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。

一方、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、排気の流れに従って順に過給機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、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には、排気浄化触媒７０が収容されている。排気浄化触媒７０は、例えば三元触媒である。また、空燃比センサ１０は排気浄化触媒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、本発明における排気センサに相当する。ただし、本発明における排気センサは、後述するように空燃比センサに限られない。

ここで、タービンハウジング６０は、図２Ａ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、タービン６０ａと排気浄化触媒７０との間の排気通路５である特定排気通路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を迂回して特定排気通路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、「上流側端面７０ａ」と称する場合もある。）と交差するように構成されている。また、タービン６０ａの回転中心軸の延長線が、特定排気通路５ａの壁面と交差せず上流側端面７０ａと交差す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イストゲートバルブ６０３（以下、「ＷＧＶ６０３」と称する場合もある。）を備えている。このＷＧＶ６０３は、後述するＥＣＵ２０によって制御される。ここで、図２Ａには、ＷＧＶ６０３が全閉状態にされているときの様子（ＷＧＶ６０３ａ）と、ＷＧＶ６０３が全開状態にされているときの様子（ＷＧＶ６０３ｂ）とを表している。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から特定排気通路５ａに流出する排気（以下、「バイパス排気」と称する場合もある。）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端面７０ａへ指向させる。

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は上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よりも上方に配置されている。

また、本実施形態に係る内燃機関の排気システムでは、タービン出口部６０１と上流側端面７０ａとが所定の近接状態となっている。ここで、所定の近接状態とは、タービン出口部６０１から上流側端面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、例えば０．８から１．３となるように、タービン６０ａおよび排気浄化触媒７０が配置される状態である。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および排気浄化触媒７０が配置されると、特定排気通路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端面７０ａを指向する。そのため、このときには、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に戻ると、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、および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。

また、ＥＣＵ２０には、燃料噴射弁３、スロットルバルブ４１、ＷＧＶ６０３等の各種装置が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（以下、「ＷＧＶ開度」と称する場合もある。）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端面７０ａ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を可及的速やかに昇温させることができる。

＜空燃比センサの構造＞
次に、図３および図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を覆う耐熱性のハウジング部材でありその一部が特定排気通路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、特定排気通路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および大気側電極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および大気側電極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１７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が特定排気通路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、排気中の酸素また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、特定排気通路５ａ、タービン６０ａ、タービンスクロール（不図示）、およびバイパス通路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センサ本体１００が被水してしまうと、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、仮に凝縮水によってセンサ本体１００が被水してしまうと、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、特定排気通路５ａに設けられた空燃比センサ１０が凝縮水に曝されると、該空燃比センサ１０に異常が生じてしまう虞がある。なお、上述したようなセンサ素子の割れが生じ得る排気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ＮＯｘセンサ）においても生じ得る。したがって、特定排気通路５ａに仮に酸素センサやＮＯｘセンサといったセンサが設けられた場合、こ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、ＷＧＶ６０３を全開状態に制御する。この場合、タービン６０ａから特定排気通路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。ここで、バイパス通路６０２から特定排気通路５ａに流出する凝縮水は、バイパス排気の流れに乗って特定排気通路５ａを流通する傾向にある。そのため、内燃機関１が冷間状態にあるときには、バイパス排気の流れに乗って流通する凝縮水によるセンサ被水が生じ易くなる。更に、バイパス排気は、特定排気通路５ａをその壁面に沿って旋回しながら流通するタービン排気である旋回排気の流れ（以下、「タービン旋回流」と称する場合もある。）によって流される。そこで、本実施形態では、空燃比センサ１０が、特定排気通路５ａの周方向において、タービン旋回流によって流されたバイパス排気が到達する範囲を除く位置に配置される。なお、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。

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、上記の図２Ｂに示したタービンハウジング６０の特定排気通路５ａとの接続部の横断面（これは、特定排気通路５ａの横断面と同視し得る。）における、タービン旋回流が示されている。更に、図５には、バイパス通路６０２またはＷＧＶ６０３によって指向されるバイパス排気の流れ方向（つまり、タービン旋回流の影響を受けないと仮定した場合のバイパス排気の流れ方向）が、矢印Ｃ１として示されている。なお、図５では、内燃
機関１が冷間状態にあって、ＷＧＶ６０３が全開状態に制御されているものとする。

ここで、バイパス排気は、その流れの向きが旋回排気の旋回方向に曲げられる。そうすると、旋回排気の流れ（タービン旋回流）によって流されたバイパス排気の流れ方向は、図５に示す矢印Ｃ２によって表されるように、バイパス通路６０２またはＷＧＶ６０３によって指向されるバイパス排気の流れ方向（矢印Ｃ１）に対して、特定排気通路５ａの壁面に近づくにつれて旋回排気の旋回方向に曲げられたものとなる。また、本実施形態では、ＷＧＶ６０３が全開状態に制御されているときには、バイパス排気が上流側端面７０ａを指向するように構成されているものの、このときの実際のバイパス排気は、上流側端面７０ａに流入する前に、特定排気通路５ａの横断面においてバイパス通路６０２の出口部が設けられた側と反対側の該特定排気通路５ａの壁面方向にある程度拡散し得る。以上に鑑みると、特定排気通路５ａの横断面に着目したときのバイパス排気の流通領域は、図５に示す領域Ｒ１によって表されることになる。

以上について、図５に基づいて、特定排気通路５ａの周方向の観点から整理する。ここで、タービン旋回流によって流されないと仮定した場合のバイパス排気は、特定排気通路５ａの壁面における所定領域Ｒ０に到達する。これに対して、実際のバイパス排気は、タービン排気の旋回中心軸（特定排気通路５ａの横断面においては、点Ｐ１で表される。）を中心として排気の旋回方向に所定角度Ｄ１流される。そうすると、特定排気通路５ａの周方向におけるバイパス排気が到達する範囲は、所定領域Ｒ０を旋回排気の旋回方向に所定角度Ｄ１分移動させた領域を含む範囲Ａ１として定められる。そして、この範囲Ａ１には、バイパス排気の流れに乗って流通する凝縮水が到達し得る。なお、所定角度Ｄ１は、このときのＷＧＶ開度（つまり、内燃機関１が冷間状態にあるときのＷＧＶ開度であって、ＷＧＶ６０３の全開開度）に応じた角度として定められる。なぜなら、バイパス排気に影響を及ぼすタービン旋回流の強さが、ＷＧＶ開度に応じて変化するからである。

そして、空燃比センサ１０が、特定排気通路５ａの周方向において、範囲Ａ１を除く範囲、つまり図５における範囲Ａ２に属する位置に配置されると、バイパス排気の流れに乗って流通する凝縮水によるセンサ被水が抑制される。なお、空燃比センサ１０が、特定排気通路５ａの周方向において、範囲Ａ２に属する位置に配置されても、該空燃比センサ１０はタービン排気に曝されることになる。そのため、空燃比センサ１０の排気側電極１２には排気が導入されることになり、該空燃比センサ１０による排気の空燃比の検出が可能となる。

以上に述べた空燃比センサ１０の配置構造によれば、タービン出口部６０１と排気浄化触媒７０の上流側端面７０ａとが近接配置され且つ特定排気通路５ａに空燃比センサ１０が設けられた構成において、凝縮水による空燃比センサ１０の被水を抑制することが可能となる。

（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、上述した第一の実施形態と実質的に同一の構成、実質的に同一の制御処理については、その詳細な説明を省略する。

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、上記の図５に示したバイパス排気の流通領域Ｒ１とともに、凝縮水の滞留領域Ｒ２が示されている。このように、特定排気通路５ａ内の鉛直方向下方に位置する領域には凝縮水が滞留し得る。ここで、特定排気通路５ａ内に滞留した凝縮水（以下、「滞留水」と称する場合もある。）は、例えば図６に示すように、バイパス通路６０２がタービン６０ａよりも下方に設けられている場合、バイパス通路６０２の出口部の下端に達するまで
滞留する。この場合、特定排気通路５ａの周方向における範囲Ａ３には、滞留水が存在することになる。

そして、第一の実施形態で述べた範囲Ａ１に空燃比センサ１０が配置される場合だけではなく、上記の範囲Ａ３に空燃比センサ１０が配置される場合にも、該空燃比センサ１０が被水してしまう虞がある。そこで、本実施形態では、空燃比センサ１０が、特定排気通路５ａの周方向において、範囲Ａ１および範囲Ａ３を除く範囲、つまり図６における範囲Ａ４および範囲Ａ５に属する位置に配置される。

これにより、バイパス排気に含まれる凝縮水によるセンサ被水が抑制されるだけでなく、滞留水によるセンサ被水も抑制されることになる。つまり、本実施形態に係る空燃比センサ１０の配置構造によっても、タービン出口部６０１と排気浄化触媒７０の上流側端面７０ａとが近接配置され且つ特定排気通路５ａに空燃比センサ１０が設けられた構成において、凝縮水による空燃比センサ１０の被水を抑制することが可能となる。

（第二の実施形態の変形例）
次に、上述した第二の実施形態の変形例について、図７Ａ、図７Ｂ、および図８に基づいて説明する。なお、本変形例において、上述した第一の実施形態および第二の実施形態と実質的に同一の構成、実質的に同一の制御処理については、その詳細な説明を省略する。

図７Ａに示すように、本変形例に係るタービンハウジング６０には、上記の図２Ａと同様に、タービン入口部６００と、タービン出口部６０１と、バイパス通路６０２と、が設けられる。また、バイパス通路６０２の出口側にＷＧＶ６０３が備えられ、ＷＧＶ６０３が全開にされた状態において、バイパス排気の流れが上流側端面７０ａを指向する。そして、本変形例では、図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は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よりも下方に配置されている。

そして、このような排気システムにおける空燃比センサ１０の配置について以下に説明する。図８は、本変形例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８には、上記の図６と同様に、バイパス排気の流通領域である領域Ｒ１´、および凝縮水の滞留領域である領域Ｒ２´が示されている。なお、本変形例では、滞留水は、タービン出口部６０１の下端に達するまで滞留し得る。

ここで、図８に示す排気システムでは、特定排気通路５ａの壁面付近において領域Ｒ１´と領域Ｒ２´とが重なっていて、特定排気通路５ａの周方向におけるバイパス排気が到達し得る範囲（この範囲は、図８において範囲Ａ１´として表される。）は、特定排気通路５ａの周方向における滞留水が存在し得る範囲Ａ３´に含まれる。したがって、特定排気通路５ａの周方向における範囲Ａ３´に空燃比センサ１０が配置されると、該空燃比センサ１０が被水してしまう虞がある。そこで、本変形例では、空燃比センサ１０が、特定排気通路５ａの周方向において、範囲Ａ３´を除く範囲、つまり図８における範囲Ａ４´に属する位置に配置される。

そして、本変形例に係る空燃比センサ１０の配置構造によっても、タービン出口部６０１と排気浄化触媒７０の上流側端面７０ａとが近接配置され且つ特定排気通路５ａに空燃比センサ１０が設けられた構成において、凝縮水による空燃比センサ１０の被水を抑制することが可能となる。

（第三の実施形態）
次に、本発明の第三の実施形態について、図９に基づいて説明する。なお、本実施形態において、上述した第一の実施形態および第二の実施形態と実質的に同一の構成、実質的に同一の制御処理については、その詳細な説明を省略する。

図９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９には、上記の図６に示したバイパス排気の流通領域Ｒ１、および凝縮水の滞留領域Ｒ２が示されている。ここで、特定排気通路５ａ内に滞留した凝縮水（滞留水）は、旋回排気の流れ（タービン旋回流）の影響を受ける。詳しくは、滞留水は、旋回排気の旋回方向に吹き上げられる。このとき、例えば図９に示すように、滞留水は、該滞留水の水面（図９においてＳ１として表される。）から最大で高さＨ１上方に吹き上げられる。そうすると、滞留水は、特定排気通路５ａの周方向における範囲Ａ６に到達することになる。なお、範囲Ａ６は、ＷＧＶ開度に応じた範囲として定められる。なぜなら、滞留水の吹き上げに影響を及ぼすタービン旋回流の強さが、ＷＧＶ開度に応じて変化するからである。詳しくは、ＷＧＶ開度が小さいときは大きいときよりもタービン旋回流が強くなる。したがって、ＷＧＶ開度が小さくなるほど滞留水が吹き上げられる最大高さが高くなり、上記の範囲Ａ６が大きくなる傾向にある。

そして、範囲Ａ６に空燃比センサ１０が配置される場合にも、該空燃比センサ１０が被水してしまう虞がある。そこで、本実施形態では、空燃比センサ１０が、特定排気通路５ａの周方向において、範囲Ａ１、範囲Ａ３、および範囲Ａ６を除く範囲、つまり図９における範囲Ａ４および範囲Ａ７に属する位置に配置される。これにより、空燃比センサ１０の被水が抑制される。なお、上述したように範囲Ａ６はＷＧＶ開度に応じた範囲として定められるため、このように空燃比センサ１０が配置されると、ＷＧＶ開度に応じて変化する滞留水の最大吹き上げ高さに合わせて、空燃比センサ１０が配置されることになる。

つまり、本実施形態に係る空燃比センサ１０の配置構造によっても、タービン出口部６０１と排気浄化触媒７０の上流側端面７０ａとが近接配置され且つ特定排気通路５ａに空燃比センサ１０が設けられた構成において、凝縮水による空燃比センサ１０の被水を抑制することが可能となる。

１・・・内燃機関
５・・・排気通路
５ａ・・特定排気通路
６・・・過給機
１０・・空燃比センサ
６０ａ・タービン
７０・・排気浄化触媒
７０ａ・上流側端面
６０１・タービン出口部
６０２・バイパス通路
６０３・ウェイストゲートバルブ（ＷＧＶ）

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた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設けられた排気浄化触媒と、
   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可能なウェイ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排気通路に設けられた排気センサと、を備え、
   前記タービンの出口部と前記排気浄化触媒の上流側端面とが所定の近接状態となるように、且つ、前記タービンの回転中心軸の延長線が、前記特定排気通路の壁面と交差せず前記排気浄化触媒の上流側端面と交差するように、前記タービン及び前記排気浄化触媒が配置されており、
   更に、前記内燃機関が冷間状態であって前記ウェイストゲートバルブの開度が所定開度であるときには、前記バイパス通路から前記特定排気通路に流出するバイパス排気が前記排気浄化触媒の上流側端面を指向するように構成された内燃機関の排気システムにおいて、
   前記排気センサが、前記特定排気通路の周方向において、前記内燃機関が冷間状態にあるときの前記バイパス排気であって、且つ、前記タービンから前記特定排気通路に流出し該特定排気通路をその壁面に沿って旋回しながら流通する旋回排気によって流された前記バイパス排気が到達する範囲である第一範囲を除く位置に配置されていることを特徴とする内燃機関の排気システム。
2. 前記第一範囲は、前記内燃機関が冷間状態にあるときの前記バイパス排気が前記旋回排気によって流されずに前記特定排気通路の壁面に到達したと仮定した場合の領域を、前記旋回排気の旋回方向に所定角度分移動させた領域を含む範囲である、
   請求項１に記載の内燃機関の排気システム。
3. 前記排気センサが、前記特定排気通路の周方向において、更に、鉛直方向下方に位置する範囲であって、前記特定排気通路内に滞留した凝縮水である滞留水が滞留する範囲を除く位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気システム。
4. 前記排気センサが、前記特定排気通路の周方向において、更に、前記旋回排気によって該旋回排気の旋回方向に吹き上げられた前記滞留水が到達する範囲を除く位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気システム。

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