JP2019214944A - Exhaust structure of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の排気構造に関する。 The present invention relates to an exhaust structure of an internal combustion engine.
特許文献１の内燃機関の排気構造は、排気を流通させる排気通路を区画する排気管を備えている。排気管には、排気を浄化する触媒が取り付けられている。排気管における触媒よりも上流側の部分には、略板状のガイド部材が取り付けられている。ガイド部材には、当該ガイド部材の向きを制御するアクチュエータが連結されている。 The exhaust structure of an internal combustion engine disclosed in Patent Document 1 includes an exhaust pipe that defines an exhaust passage through which exhaust gas flows. A catalyst for purifying exhaust gas is attached to the exhaust pipe. A substantially plate-shaped guide member is attached to a portion of the exhaust pipe upstream of the catalyst. An actuator for controlling the direction of the guide member is connected to the guide member.
特許文献１の内燃機関の排気構造では、アクチュエータによってガイド部材の向きが制御されることで、触媒の中央部に向けて排気が案内される。そして、排気の熱によって触媒の中央部の温度が上昇することで触媒が活性化する。 In the exhaust structure of the internal combustion engine disclosed in Patent Document 1, the direction of the guide member is controlled by the actuator, so that the exhaust is guided toward the center of the catalyst. Then, the catalyst is activated when the temperature of the central portion of the catalyst increases due to the heat of the exhaust gas.
特許文献１の内燃機関の排気構造では、ガイド部材の向きを変更可能にするためのアクチュエータや軸受をはじめとする各種部材が必要であるため、構造が複雑化することは避けられない。そのため、特許文献１のような内燃機関の排気構造においては、簡素な構造で排気を案内することが求められる。 In the exhaust structure of the internal combustion engine of Patent Literature 1, since various members such as an actuator and a bearing for enabling the direction of the guide member to be changed are necessary, the structure is inevitably complicated. Therefore, in the exhaust structure of an internal combustion engine as in Patent Document 1, it is required to guide the exhaust with a simple structure.
上記課題を解決するための内燃機関の排気構造は、排気を流通させる排気通路を区画する排気管と、前記排気管に取り付けられ、タービンホイールが収容されるタービンハウジングと、前記排気管における前記タービンハウジングよりも下流側の部分に取り付けられ、排気を浄化する触媒とを備えている内燃機関の排気構造であって、前記タービンハウジングには、前記タービンホイールが収容される収容空間と、前記収容空間に接続されるとともに前記タービンハウジングの外部から前記収容空間に排気を導入するスクロール通路と、前記収容空間に接続されるとともに前記収容空間から前記タービンハウジングの外部に排気を排出する排出通路と、前記収容空間を迂回して前記スクロール通路及び前記排出通路に接続されるバイパス通路とが区画されており、前記排気管における前記タービンハウジングと前記触媒との間の部分には、センサが固定されており、前記センサは、当該センサの先端が前記排気管の下流側を向くように前記排気管の内面から突出しており、前記センサの先端は、前記触媒の中心軸線よりも前記センサが固定されている側に位置しており、前記触媒の中心軸線及び前記センサの先端を含む断面視において、前記センサの突出方向と前記タービンホイールの中心軸線とがなす角度のうち、上流側且つ前記センサが固定されている側の角度は、鋭角になっており、前記センサの突出方向と前記バイパス通路の出口部分の中心軸線とがなす角度のうち、上流側且つ前記センサが固定されている側の角度は、鋭角になっている。 An exhaust structure of an internal combustion engine for solving the above-mentioned problems includes an exhaust pipe defining an exhaust passage through which exhaust gas flows, a turbine housing attached to the exhaust pipe and accommodating a turbine wheel, and the turbine in the exhaust pipe. An exhaust structure of an internal combustion engine, comprising: a catalyst mounted on a downstream side of a housing and purifying exhaust gas, wherein the turbine housing includes a housing space in which the turbine wheel is housed, A scroll passage connected to the turbine housing and introducing exhaust gas from outside the turbine housing to the housing space; a discharge passage connected to the housing space and discharging exhaust gas from the housing space to the outside of the turbine housing; A bypass passage bypassing the storage space and connected to the scroll passage and the discharge passage And a sensor is fixed to a portion of the exhaust pipe between the turbine housing and the catalyst, and the sensor is configured such that a tip of the sensor faces a downstream side of the exhaust pipe. A cross section including the center axis of the catalyst and the tip of the sensor, the tip of the sensor protruding from the inner surface of the exhaust pipe, the tip of the sensor being located on the side where the sensor is fixed relative to the center axis of the catalyst. In view, of the angles formed by the sensor's projecting direction and the central axis of the turbine wheel, the angle on the upstream side and the side on which the sensor is fixed is acute, and the projecting direction of the sensor and the Among the angles formed by the center axis of the exit portion of the bypass passage, the angle on the upstream side and the side on which the sensor is fixed is an acute angle.
上記構成では、タービンハウジングにおける収容空間やバイパス通路を介して排出通路から排出された排気がセンサに衝突した場合に、排気が流速を過度に落とすことなく排気管の中央部側に案内される。すると、比較的に流速の速い排気が触媒の中央部近傍に案内されて、触媒が早期に活性化される。そして、この排気を案内するための構造は、センサの突出方向やセンサの先端の位置を調整することにより実現される。したがって、排気を案内するためだけに複雑な構造を採用する必要はなく、より簡素な構造で排気を案内できる。 In the above configuration, when the exhaust gas discharged from the discharge passage via the storage space or the bypass passage in the turbine housing collides with the sensor, the exhaust gas is guided toward the center of the exhaust pipe without excessively decreasing the flow velocity. Then, the exhaust gas having a relatively high flow rate is guided to the vicinity of the center of the catalyst, and the catalyst is activated early. The structure for guiding the exhaust gas is realized by adjusting the direction in which the sensor projects and the position of the tip of the sensor. Therefore, it is not necessary to adopt a complicated structure only for guiding the exhaust gas, and the exhaust gas can be guided with a simpler structure.
以下、本発明の実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。先ず、本発明の内燃機関１００の概略構造について説明する。
図１に示すように、内燃機関１００は、吸気を流通させるための吸気通路を区画する吸気管１１を備えている。吸気管１１には、燃料を吸気と混合して燃焼させる気筒１２が接続されている。気筒１２には、排気を流通させるための排気通路を区画する排気管１３が接続されている。排気管１３の内部には、排気を浄化するための触媒２１が取り付けられている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. First, the schematic structure of the internal combustion engine 100 of the present invention will be described.
As shown in FIG. 1, the internal combustion engine 100 includes an intake pipe 11 that defines an intake passage through which intake air flows. A cylinder 12 that mixes fuel with intake air and burns the fuel is connected to the intake pipe 11. The cylinder 12 is connected to an exhaust pipe 13 that defines an exhaust passage through which exhaust gas flows. Inside the exhaust pipe 13, a catalyst 21 for purifying exhaust gas is attached.
内燃機関１００は、吸気を圧縮して気筒１２に供給するためのターボチャージャ５０を備えている。ターボチャージャ５０におけるコンプレッサハウジング５１は、吸気管１１の途中に取り付けられている。また、ターボチャージャ５０におけるタービンハウジング６０は、排気管１３における触媒２１よりも上流側の部分に取り付けられている。ターボチャージャ５０におけるコンプレッサハウジング５１及びタービンハウジング６０は、ターボチャージャ５０におけるベアリングハウジング５２を介して接続されている。 The internal combustion engine 100 includes a turbocharger 50 for compressing intake air and supplying the compressed air to the cylinder 12. The compressor housing 51 of the turbocharger 50 is attached in the middle of the intake pipe 11. Further, the turbine housing 60 of the turbocharger 50 is attached to a portion of the exhaust pipe 13 on the upstream side of the catalyst 21. The compressor housing 51 and the turbine housing 60 in the turbocharger 50 are connected via a bearing housing 52 in the turbocharger 50.
タービンハウジング６０の内部には、排気の流れによって回転するタービンホイール９１が収容されている。タービンホイール９１は、当該タービンホイール９１の中心軸線９１ａを中心に回転可能になっている。タービンホイール９１には、連結シャフト９２の一端が接続されている。連結シャフト９２の中央部分は、ベアリングハウジング５２の内部に収容されている。連結シャフト９２は、図示しないベアリングによって回転可能に支持されている。連結シャフト９２の中心軸線は、タービンホイール９１の中心軸線９１ａと同軸になっている。連結シャフト９２の他端には、コンプレッサホイール９３が接続されている。コンプレッサホイール９３は、コンプレッサハウジング５１の内部に収容されている。コンプレッサホイール９３の中心軸線は、タービンホイール９１の中心軸線９１ａと同軸になっている。コンプレッサホイール９３は、タービンホイール９１の回転に伴って回転し、吸気を圧縮して気筒１２側へと供給する。 A turbine wheel 91 that is rotated by the flow of exhaust gas is housed inside the turbine housing 60. The turbine wheel 91 is rotatable around a center axis 91a of the turbine wheel 91. One end of a connection shaft 92 is connected to the turbine wheel 91. A central portion of the connection shaft 92 is housed inside the bearing housing 52. The connection shaft 92 is rotatably supported by a bearing (not shown). The center axis of the connection shaft 92 is coaxial with the center axis 91 a of the turbine wheel 91. The other end of the connection shaft 92 is connected to a compressor wheel 93. The compressor wheel 93 is housed inside the compressor housing 51. The center axis of the compressor wheel 93 is coaxial with the center axis 91 a of the turbine wheel 91. The compressor wheel 93 rotates with the rotation of the turbine wheel 91, compresses the intake air, and supplies the intake air to the cylinder 12.
次に、ターボチャージャ５０におけるタービンハウジング６０の周辺構造について具体的に説明する。
図２に示すように、タービンハウジング６０におけるハウジング本体７０の内部には、タービンホイール９１が収容される収容空間７２が区画されている。収容空間７２は、タービンホイール９１の中心軸線９１ａに沿うように延びている。収容空間７２は、延設方向に直交する断面視で略円形状になっている。収容空間７２には、タービンハウジング６０の外部（排気管１３におけるタービンハウジング６０より上流側）から収容空間７２に排気を導入するスクロール通路７１が接続されている。スクロール通路７１は、タービンホイール９１の中心軸線９１ａの軸線方向から視たときに、収容空間７２を取り囲むように全体として渦巻き状に延びている。スクロール通路７１は、排気管１３におけるタービンハウジング６０よりも上流側の排気通路に連通している。
Next, the structure around the turbine housing 60 in the turbocharger 50 will be specifically described.
As shown in FIG. 2, a housing space 72 for housing the turbine wheel 91 is defined inside the housing main body 70 in the turbine housing 60. The accommodation space 72 extends along the central axis 91 a of the turbine wheel 91. The accommodation space 72 has a substantially circular shape in a sectional view orthogonal to the extending direction. The housing space 72 is connected to a scroll passage 71 for introducing exhaust gas into the housing space 72 from outside the turbine housing 60 (upstream of the turbine housing 60 in the exhaust pipe 13). The scroll passage 71 extends spirally as a whole so as to surround the housing space 72 when viewed from the axial direction of the central axis 91 a of the turbine wheel 91. The scroll passage 71 communicates with an exhaust passage in the exhaust pipe 13 upstream of the turbine housing 60.
収容空間７２には、当該収容空間７２からタービンハウジング６０の外部（排気管１３におけるタービンハウジング６０より下流側）に排気を排出する排出通路７３が接続されている。排出通路７３は、全体としてタービンホイール９１の中心軸線９１ａに沿うように延びている。排出通路７３は、排気管１３におけるタービンハウジング６０よりも下流側の排気通路に連通している。なお、タービンホイール９１の中心軸線９１ａ上には、触媒２１の中央部近傍が位置している。したがって、収容空間７２を流通した排気の大部分は、触媒２１の中央部近傍に向かって流通する。 A discharge passage 73 for discharging exhaust gas from the housing space 72 to the outside of the turbine housing 60 (downstream of the turbine housing 60 in the exhaust pipe 13) is connected to the housing space 72. The discharge passage 73 extends along the central axis 91 a of the turbine wheel 91 as a whole. The exhaust passage 73 communicates with an exhaust passage on the exhaust pipe 13 downstream of the turbine housing 60. Note that the vicinity of the center of the catalyst 21 is located on the center axis 91 a of the turbine wheel 91. Therefore, most of the exhaust gas flowing through the housing space 72 flows toward the vicinity of the center of the catalyst 21.
また、スクロール通路７１には、収容空間７２を迂回して排出通路７３に排気を流通させるバイパス通路７４が接続されている。バイパス通路７４は、スクロール通路７１から排出通路７３まで略直線状に延びている。バイパス通路７４は、延設方向に直交する断面視で略円形状になっている。バイパス通路７４における出口部分７４ａの中心軸線７４ｂは、タービンホイール９１の中心軸線９１ａとは非平行になっている。バイパス通路７４における出口部分７４ａの中心軸線７４ｂ上には、触媒２１の中央部近傍が位置している。したがって、バイパス通路７４を流通した排気の大部分は、触媒２１の中央部近傍に向かって流通する。 The scroll passage 71 is connected to a bypass passage 74 that bypasses the storage space 72 and allows exhaust gas to flow through the discharge passage 73. The bypass passage 74 extends substantially linearly from the scroll passage 71 to the discharge passage 73. The bypass passage 74 has a substantially circular shape in a cross-sectional view orthogonal to the extending direction. The central axis 74b of the outlet portion 74a in the bypass passage 74 is not parallel to the central axis 91a of the turbine wheel 91. On the central axis 74b of the outlet portion 74a in the bypass passage 74, the vicinity of the center of the catalyst 21 is located. Therefore, most of the exhaust gas flowing through the bypass passage 74 flows toward the vicinity of the center of the catalyst 21.
図２に示すように、ハウジング本体７０の外面からは、上流側フランジ７６が張り出している。上流側フランジ７６は、スクロール通路７１における上流端の外側に位置している。上流側フランジ７６には、当該上流側フランジ７６の厚み方向に複数のボルト孔７６ａが貫通している。上流側フランジ７６の各ボルト孔７６ａに図示しないボルトが挿通されることによって、上流側フランジ７６は、排気管１３におけるタービンハウジング６０よりも上流側の部分に固定されている。ハウジング本体７０の外面からは、下流側フランジ７７が張り出している。下流側フランジ７７は、排出通路７３における下流端の外側に位置している。下流側フランジ７７は、排気管１３におけるタービンハウジング６０よりも下流側の部分に固定されている。 As shown in FIG. 2, an upstream flange 76 projects from the outer surface of the housing body 70. The upstream flange 76 is located outside the upstream end of the scroll passage 71. A plurality of bolt holes 76a penetrate the upstream flange 76 in the thickness direction of the upstream flange 76. By inserting a bolt (not shown) into each bolt hole 76a of the upstream flange 76, the upstream flange 76 is fixed to a portion of the exhaust pipe 13 upstream of the turbine housing 60. A downstream flange 77 projects from the outer surface of the housing body 70. The downstream flange 77 is located outside the downstream end of the discharge passage 73. The downstream flange 77 is fixed to a portion of the exhaust pipe 13 downstream of the turbine housing 60.
タービンハウジング６０における排出通路７３には、バイパス通路７４を開閉するウェイストゲートバルブ８０が配置されている。ウェイストゲートバルブ８０は、略円棒状のシャフト８１を備えている。シャフト８１の一方側（図２における紙面奥側）の端部は、ハウジング本体７０の壁部に回動可能に支持されている。また、シャフト８１の一方側の端部には、図示しないアクチュエータが連結されている。シャフト８１の他方側（図２における紙面手前側）の端部からは、シャフト８１の径方向外側に向かって略板状の弁板８２が突出している。図２において二点鎖線で示すように、ウェイストゲートバルブ８０は、シャフト８１が周方向一方側（図２における反時計回り側）に回動して弁板８２がバイパス通路７４の出口部分７４ａの開口を覆うことで、バイパス通路７４を閉状態にする。一方、図２において実線で示すように、ウェイストゲートバルブ８０は、シャフト８１が周方向他方側（図２における時計回り側）に回動して弁板８２がバイパス通路７４の出口部分７４ａの開口から離間することで、バイパス通路７４を開状態にする。 A waste gate valve 80 for opening and closing the bypass passage 74 is disposed in the discharge passage 73 in the turbine housing 60. The wastegate valve 80 includes a substantially rod-shaped shaft 81. An end of one side of the shaft 81 (the back side of the paper surface in FIG. 2) is rotatably supported by the wall of the housing body 70. An actuator (not shown) is connected to one end of the shaft 81. A substantially plate-shaped valve plate 82 protrudes radially outward of the shaft 81 from the other end of the shaft 81 (on the front side in FIG. 2). As shown by the two-dot chain line in FIG. 2, the waste gate valve 80 is configured such that the shaft 81 rotates to one side in the circumferential direction (counterclockwise in FIG. 2), and the valve plate 82 moves to the outlet portion 74 a of the bypass passage 74. By covering the opening, the bypass passage 74 is closed. On the other hand, as shown by a solid line in FIG. 2, the waste gate valve 80 is configured such that the shaft 81 rotates in the other circumferential direction (clockwise in FIG. 2) and the valve plate 82 opens the outlet portion 74 a of the bypass passage 74. , The bypass passage 74 is opened.
図２に示すように、排気管１３におけるタービンハウジング６０と触媒２１との間の部分は、タービンホイール９１の中心軸線９１ａに対してバイパス通路７４とは反対側（図２における上側）に向かうように湾曲している。また、排気管１３におけるタービンハウジング６０と触媒２１との間の部分には、排気の空燃比を検出する空燃比センサ３０が固定されている。空燃比センサ３０は、タービンホイール９１の中心軸線９１ａを挟んでバイパス通路７４とは反対側（図２における上側）に位置している。空燃比センサ３０は、全体として円棒状になっている。空燃比センサ３０は、排気管１３の壁部を貫通する固定孔１３ａに固定されている。空燃比センサ３０は、当該空燃比センサ３０の先端３１が排気管１３の下流側を向くように排気管１３の内面から突出している。空燃比センサ３０の先端３１は、触媒２１の中心軸線２１ａよりも固定孔１３ａ側（空燃比センサ３０が固定されている側）に位置している。空燃比センサ３０の中心軸線３０ａ上には、触媒２１の中央部近傍が位置している。また、空燃比センサ３０の先端３１は、タービンハウジング６０の下流端よりも触媒２１の上流端の近くに位置している。本実施形態では、空燃比センサ３０の先端３１と触媒２１の上流端との距離が数ｍｍ〜十数ｍｍになっている。 As shown in FIG. 2, the portion of the exhaust pipe 13 between the turbine housing 60 and the catalyst 21 is directed toward the opposite side (upper side in FIG. 2) of the center axis 91 a of the turbine wheel 91 from the bypass passage 74. It is curved. An air-fuel ratio sensor 30 for detecting an air-fuel ratio of exhaust gas is fixed to a portion of the exhaust pipe 13 between the turbine housing 60 and the catalyst 21. The air-fuel ratio sensor 30 is located on the opposite side (upper side in FIG. 2) of the bypass passage 74 with respect to the center axis 91a of the turbine wheel 91. The air-fuel ratio sensor 30 has a circular shape as a whole. The air-fuel ratio sensor 30 is fixed to a fixing hole 13 a penetrating the wall of the exhaust pipe 13. The air-fuel ratio sensor 30 protrudes from the inner surface of the exhaust pipe 13 so that the tip 31 of the air-fuel ratio sensor 30 faces the downstream side of the exhaust pipe 13. The tip 31 of the air-fuel ratio sensor 30 is located closer to the fixing hole 13a than the center axis 21a of the catalyst 21 (the side where the air-fuel ratio sensor 30 is fixed). The vicinity of the center of the catalyst 21 is located on the center axis 30a of the air-fuel ratio sensor 30. The tip 31 of the air-fuel ratio sensor 30 is located closer to the upstream end of the catalyst 21 than to the downstream end of the turbine housing 60. In the present embodiment, the distance between the tip 31 of the air-fuel ratio sensor 30 and the upstream end of the catalyst 21 is several mm to several tens mm.
図２に示すように、触媒２１の中心軸線２１ａ及び空燃比センサ３０の先端３１を含む断面視において、空燃比センサ３０の中心軸線３０ａ（突出方向）とタービンホイール９１の中心軸線９１ａとがなす角度のうち、上流側且つ固定孔１３ａ側の角度Ａは、鋭角になっている。また、触媒２１の中心軸線２１ａ及び空燃比センサ３０の先端３１を含む断面視において、空燃比センサ３０の中心軸線３０ａ（突出方向）とバイパス通路７４の出口部分７４ａの中心軸線７４ｂとがなす角度のうち、上流側且つ固定孔１３ａ側の角度Ｂは、鋭角になっている。なお、本実施形態では、空燃比センサ３０の中心軸線３０ａが空燃比センサ３０の突出方向と平行になっているため、空燃比センサ３０の中心軸線３０ａを空燃比センサ３０の突出方向として扱っている。 As shown in FIG. 2, in a sectional view including the center axis 21 a of the catalyst 21 and the tip 31 of the air-fuel ratio sensor 30, the center axis 30 a (projection direction) of the air-fuel ratio sensor 30 and the center axis 91 a of the turbine wheel 91 are formed. Among the angles, the angle A on the upstream side and on the fixed hole 13a side is an acute angle. In a sectional view including the center axis 21a of the catalyst 21 and the tip 31 of the air-fuel ratio sensor 30, the angle formed by the center axis 30a (projection direction) of the air-fuel ratio sensor 30 and the center axis 74b of the outlet 74a of the bypass passage 74. Among them, the angle B on the upstream side and on the fixing hole 13a side is an acute angle. In the present embodiment, since the center axis 30a of the air-fuel ratio sensor 30 is parallel to the direction in which the air-fuel ratio sensor 30 projects, the center axis 30a of the air-fuel ratio sensor 30 is treated as the direction in which the air-fuel ratio sensor 30 projects. I have.
本実施形態の作用及び効果について説明する。
図２において二点鎖線で示すように、ウェイストゲートバルブ８０によってバイパス通路７４が閉状態になっていると、タービンハウジング６０におけるスクロール通路７１に導入された排気は収容空間７２を流通する。そして、図２において実線矢印で示すように、収容空間７２を流通した排気の大部分は、触媒２１の中央部近傍に向かって流通する。また、図２において破線矢印で示すように、収容空間７２を流通した排気の一部は、空燃比センサ３０に衝突しつつ流通する。
The operation and effect of the present embodiment will be described.
As shown by a two-dot chain line in FIG. 2, when the bypass passage 74 is closed by the waste gate valve 80, the exhaust gas introduced into the scroll passage 71 in the turbine housing 60 flows through the storage space 72. Then, as indicated by solid arrows in FIG. 2, most of the exhaust gas flowing through the housing space 72 flows toward the vicinity of the center of the catalyst 21. In addition, as indicated by a broken arrow in FIG. 2, part of the exhaust gas flowing through the housing space 72 flows while colliding with the air-fuel ratio sensor 30.
一方、図２において実線で示すように、ウェイストゲートバルブ８０によってバイパス通路７４が開状態になっていると、タービンハウジング６０におけるスクロール通路７１に導入された多くの排気はバイパス通路７４を流通する。そして、図２において実線矢印で示すように、バイパス通路７４を流通した排気の大部分は、触媒２１の中央部近傍に向かって流通する。また、図２において破線矢印で示すように、バイパス通路７４を流通した排気の一部は、空燃比センサ３０に衝突しつつ流通する。 On the other hand, as shown by the solid line in FIG. 2, when the bypass passage 74 is opened by the waste gate valve 80, a large amount of exhaust gas introduced into the scroll passage 71 in the turbine housing 60 flows through the bypass passage 74. Then, as indicated by solid arrows in FIG. 2, most of the exhaust gas flowing through the bypass passage 74 flows toward the vicinity of the center of the catalyst 21. Further, as indicated by a broken line arrow in FIG. 2, a part of the exhaust gas flowing through the bypass passage 74 flows while colliding with the air-fuel ratio sensor 30.
また、このようにバイパス通路７４を排気が流通することによって、収容空間７２を流通した排気は、タービンホイール９１の中心軸線９１ａに対してバイパス通路７４とは反対側（図２における上側）に向かうよう流通して空燃比センサ３０に衝突しやすくなる。 Further, by the exhaust gas flowing through the bypass passage 74 in this manner, the exhaust gas flowing through the housing space 72 is directed to the opposite side (upper side in FIG. 2) of the central axis 91 a of the turbine wheel 91 from the bypass passage 74. And the air-fuel ratio sensor 30 is likely to collide.
ここで、仮に、空燃比センサ３０の先端３１が排気管１３の上流側を向くように空燃比センサ３０が固定されていると、タービンハウジング６０における収容空間７２やバイパス通路７４を介して排出通路７３から排出された排気が空燃比センサ３０に衝突した場合に、排気の流れが妨げられて、排気の流速が相応に低下する。すると、触媒２１に向かう排気の流れが乱されたり排気の流速が低下したりして触媒２１の昇温が遅くなるため、当該触媒２１の活性化も遅くなる。 Here, if the air-fuel ratio sensor 30 is fixed such that the tip 31 of the air-fuel ratio sensor 30 is directed to the upstream side of the exhaust pipe 13, the discharge passage is provided via the housing space 72 and the bypass passage 74 in the turbine housing 60. When the exhaust gas discharged from 73 collides with the air-fuel ratio sensor 30, the flow of the exhaust gas is hindered, and the flow velocity of the exhaust gas correspondingly decreases. Then, the flow of the exhaust gas toward the catalyst 21 is disturbed or the flow velocity of the exhaust gas is reduced, so that the temperature rise of the catalyst 21 is delayed, and the activation of the catalyst 21 is also delayed.
本実施形態では、空燃比センサ３０の先端３１が排気管１３の下流側を向くように空燃比センサ３０が固定されている。そのため、本実施形態では、空燃比センサ３０の先端３１が排気管１３の上流側を向くようになっている構造に比べて、タービンハウジング６０における収容空間７２やバイパス通路７４を介して排出通路７３から排出された排気が空燃比センサ３０に衝突した場合に、排気の流れが乱されにくく、排気の流速が落ちにくい。 In the present embodiment, the air-fuel ratio sensor 30 is fixed such that the tip 31 of the air-fuel ratio sensor 30 faces the downstream side of the exhaust pipe 13. Therefore, in the present embodiment, the exhaust passage 73 is provided via the housing space 72 and the bypass passage 74 in the turbine housing 60, as compared with the structure in which the tip 31 of the air-fuel ratio sensor 30 faces the upstream side of the exhaust pipe 13. When the exhaust gas discharged from the air collides with the air-fuel ratio sensor 30, the flow of the exhaust gas is not easily disturbed, and the flow velocity of the exhaust gas is not easily reduced.
また、本実施形態では、触媒２１の中心軸線２１ａ及び空燃比センサ３０の先端３１を含む断面視において、空燃比センサ３０の中心軸線３０ａとタービンホイール９１の中心軸線９１ａとがなす角度Ａ、及び空燃比センサ３０の中心軸線３０ａとバイパス通路７４の出口部分７４ａの中心軸線７４ｂとがなす角度Ｂは、いずれも鋭角になっている。そのため、本実施形態では、タービンハウジング６０における収容空間７２やバイパス通路７４を介して排出通路７３から排出された排気が空燃比センサ３０に衝突した場合に、排気管１３の中央部側に案内される。そして、比較的に流速の速い排気が触媒２１の中央部近傍に案内されて、触媒２１の中央部近傍の温度が上昇して当該触媒２１が早期に活性化される。 In the present embodiment, an angle A formed by the center axis 30a of the air-fuel ratio sensor 30 and the center axis 91a of the turbine wheel 91 in a cross-sectional view including the center axis 21a of the catalyst 21 and the tip 31 of the air-fuel ratio sensor 30, and The angle B between the center axis 30a of the air-fuel ratio sensor 30 and the center axis 74b of the outlet 74a of the bypass passage 74 is acute. Therefore, in the present embodiment, when the exhaust gas discharged from the discharge passage 73 through the storage space 72 and the bypass passage 74 in the turbine housing 60 collides with the air-fuel ratio sensor 30, the exhaust gas is guided toward the center of the exhaust pipe 13. You. Then, the exhaust gas having a relatively high flow rate is guided to the vicinity of the center of the catalyst 21, the temperature near the center of the catalyst 21 increases, and the catalyst 21 is activated early.
そして、本実施形態では、排気を案内するための構造が空燃比センサ３０の突出方向や空燃比センサ３０の先端３１の位置を調整することにより実現される。したがって、本実施形態では、排気を案内するためだけに複雑な構造を採用する必要はなく、より簡素な構造で排気を案内できる。 In the present embodiment, the structure for guiding the exhaust gas is realized by adjusting the projecting direction of the air-fuel ratio sensor 30 and the position of the tip 31 of the air-fuel ratio sensor 30. Therefore, in the present embodiment, it is not necessary to adopt a complicated structure only for guiding the exhaust gas, and the exhaust gas can be guided with a simpler structure.
ところで、排気管１３の内部では、排気に含まれる水分が凝縮して凝縮水が発生することがある。この凝縮水が空燃比センサ３０に付着して空燃比センサ３０が急激に冷却されると、空燃比センサ３０が破損するおそれがある。 By the way, in the exhaust pipe 13, the water contained in the exhaust gas may condense to generate condensed water. If the condensed water adheres to the air-fuel ratio sensor 30 and the air-fuel ratio sensor 30 is rapidly cooled, the air-fuel ratio sensor 30 may be damaged.
この点、本実施形態では、タービンハウジング６０における収容空間７２やバイパス通路７４を介して排出通路７３から排出された多くの排気が空燃比センサ３０の周囲を流通する。そのため、空燃比センサ３０に付着した凝縮水を排気の流れによって速やかに吹き飛ばすことができる。これにより、凝縮水によって空燃比センサ３０が冷却されて当該空燃比センサ３０が破損することを抑制できる。 In this regard, in this embodiment, a large amount of exhaust gas discharged from the discharge passage 73 through the housing space 72 and the bypass passage 74 in the turbine housing 60 flows around the air-fuel ratio sensor 30. Therefore, the condensed water attached to the air-fuel ratio sensor 30 can be quickly blown off by the flow of the exhaust gas. Thereby, the air-fuel ratio sensor 30 can be prevented from being cooled by the condensed water and damaged.
本実施形態では、空燃比センサ３０の先端３１は、タービンハウジング６０の下流端よりも触媒２１の上流端の近くに位置している。すなわち、空燃比センサ３０の先端３１は、排気によって温度が上昇する触媒２１の付近に位置している。そのため、空燃比センサ３０に凝縮水が付着したとしても、触媒２１から伝達される熱によって空燃比センサ３０が冷却されることを抑制できる。 In the present embodiment, the tip 31 of the air-fuel ratio sensor 30 is located closer to the upstream end of the catalyst 21 than to the downstream end of the turbine housing 60. That is, the tip 31 of the air-fuel ratio sensor 30 is located near the catalyst 21 whose temperature rises due to exhaust gas. Therefore, even if condensed water adheres to the air-fuel ratio sensor 30, it is possible to suppress the air-fuel ratio sensor 30 from being cooled by the heat transmitted from the catalyst 21.
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態において、空燃比センサ３０の形状は適宜変更できる。例えば、空燃比センサ３０は、全体として円錐形状であってもよいし、全体として多角形棒状であってもよい。
This embodiment can be implemented with the following modifications. The present embodiment and the following modifications can be implemented in combination with each other within a technically consistent range.
-In the said embodiment, the shape of the air-fuel ratio sensor 30 can be changed suitably. For example, the air-fuel ratio sensor 30 may have a conical shape as a whole or a polygonal rod shape as a whole.
・上記実施形態において、排気管１３におけるタービンハウジング６０と触媒２１との間に固定されるセンサは、空燃比センサ３０に限らない。例えば、空燃比センサ３０に代えて、排気中の酸素濃度を検出する酸素センサや、排気の温度を検出する温度センサ等が固定されていてもよい。この場合にも、センサの先端が排気管１３の内面から突出していれば、上記の技術を適用できる。 In the above embodiment, the sensor fixed between the turbine housing 60 and the catalyst 21 in the exhaust pipe 13 is not limited to the air-fuel ratio sensor 30. For example, instead of the air-fuel ratio sensor 30, an oxygen sensor that detects the oxygen concentration in the exhaust gas, a temperature sensor that detects the temperature of the exhaust gas, or the like may be fixed. In this case, if the tip of the sensor protrudes from the inner surface of the exhaust pipe 13, the above technique can be applied.
・さらに、上記センサとして複数のセンサが排気管１３に固定されていてもよい。この場合、上記実施形態におけるセンサの突出方向に関する構成は、複数のセンサすべてに適用してもよいし、複数のセンサのうちのいずれかのみに適用してもよい。 -Further, a plurality of sensors may be fixed to the exhaust pipe 13 as the above sensors. In this case, the configuration relating to the sensor projection direction in the above embodiment may be applied to all of the plurality of sensors, or may be applied to only one of the plurality of sensors.
・上記実施形態において、図２で図示した角度Ａ及び角度Ｂが鋭角であるならば、触媒２１に対する空燃比センサ３０の突出方向は変更できる。例えば、排気管１３におけるタービンハウジング６０と触媒２１との間の部分が延びる方向や空燃比センサ３０の固定位置によっては、空燃比センサ３０の中心軸線３０ａ上に触媒２１の中心部近傍が位置していなくても、空燃比センサ３０に衝突した排気を触媒２１側に案内できることもある。 In the above embodiment, if the angles A and B shown in FIG. 2 are acute angles, the direction in which the air-fuel ratio sensor 30 projects from the catalyst 21 can be changed. For example, depending on the direction in which the portion of the exhaust pipe 13 between the turbine housing 60 and the catalyst 21 extends and the position at which the air-fuel ratio sensor 30 is fixed, the vicinity of the center of the catalyst 21 is located on the center axis 30 a of the air-fuel ratio sensor 30. Even if it is not, exhaust gas that has collided with the air-fuel ratio sensor 30 may be guided to the catalyst 21 side in some cases.
・上記実施形態において、空燃比センサ３０の先端３１は、触媒２１の上流端よりもタービンハウジング６０の下流端の近くに位置していてもよい。この場合にも、空燃比センサ３０に衝突した排気を触媒２１側に案内することはできる。 In the above embodiment, the tip 31 of the air-fuel ratio sensor 30 may be located closer to the downstream end of the turbine housing 60 than to the upstream end of the catalyst 21. Also in this case, the exhaust gas that has collided with the air-fuel ratio sensor 30 can be guided to the catalyst 21 side.
・上記実施形態において、タービンハウジング６０におけるスクロール通路７１、収容空間７２、排出通路７３、及びバイパス通路７４の形状は変更してもよい。例えば、バイパス通路７４は、スクロール通路７１から排出通路７３まで湾曲するように延びていてもよい。また、ウェイストゲートバルブ８０の構成も、バイパス通路７４を開閉できるのであれば問わない。 In the above embodiment, the shapes of the scroll passage 71, the accommodation space 72, the discharge passage 73, and the bypass passage 74 in the turbine housing 60 may be changed. For example, the bypass passage 74 may extend to be curved from the scroll passage 71 to the discharge passage 73. Also, the configuration of the waste gate valve 80 is not limited as long as the bypass passage 74 can be opened and closed.
・上記実施形態において、空燃比センサ３０の中心軸線３０ａ（突出方向）とタービンホイール９１の中心軸線９１ａとがなす角度のうち、上流側且つ固定孔１３ａ側（空燃比センサ３０が固定されている側）の角度Ａは、鋭角の範囲で変更してもよい。この場合には、空燃比センサ３０を介して触媒２１の中央部近傍に案内される排気の流通量が多くなるように、上記の角度Ａを実験やシミュレーション等によって決定することが好ましい。 In the above embodiment, of the angle formed by the center axis 30a (projection direction) of the air-fuel ratio sensor 30 and the center axis 91a of the turbine wheel 91, the upstream side and the fixed hole 13a side (the air-fuel ratio sensor 30 is fixed). The angle A on the side) may be changed within an acute angle range. In this case, it is preferable to determine the angle A by an experiment, simulation, or the like so that the amount of exhaust gas guided to the vicinity of the center of the catalyst 21 via the air-fuel ratio sensor 30 increases.
同様に、空燃比センサ３０の中心軸線３０ａ（突出方向）とバイパス通路７４の出口部分７４ａの中心軸線７４ｂとがなす角度のうち、上流側且つ固定孔１３ａ側の角度Ｂは、鋭角の範囲で変更してもよい。 Similarly, of the angle formed by the center axis 30a (projecting direction) of the air-fuel ratio sensor 30 and the center axis 74b of the outlet portion 74a of the bypass passage 74, the angle B on the upstream side and the fixed hole 13a side is an acute angle range. May be changed.
Ａ…角度、Ｂ…角度、１１…吸気管、１２…気筒、１３…排気管、１３ａ…固定孔、２１…触媒、２１ａ…中心軸線、３０…空燃比センサ、３０ａ…中心軸線、３１…先端、５０…ターボチャージャ、５１…コンプレッサハウジング、５２…ベアリングハウジング、６０…タービンハウジング、７０…ハウジング本体、７１…スクロール通路、７２…収容空間、７３…排出通路、７４…バイパス通路、７４ａ…出口部分、７４ｂ…中心軸線、７６…上流側フランジ、７６ａ…ボルト孔、７７…下流側フランジ、８０…ウェイストゲートバルブ、８１…シャフト、８２…弁板、９１…タービンホイール、９１ａ…中心軸線、９２…連結シャフト、９３…コンプレッサホイール、１００…内燃機関。 A: angle, B: angle, 11: intake pipe, 12: cylinder, 13: exhaust pipe, 13a: fixing hole, 21: catalyst, 21a: central axis, 30: air-fuel ratio sensor, 30a: central axis, 31: tip , 50: turbocharger, 51: compressor housing, 52: bearing housing, 60: turbine housing, 70: housing body, 71: scroll passage, 72: housing space, 73: discharge passage, 74: bypass passage, 74a: outlet portion , 74b: central axis, 76: upstream flange, 76a: bolt hole, 77: downstream flange, 80: wastegate valve, 81: shaft, 82: valve plate, 91: turbine wheel, 91a: central axis, 92 ... Connection shaft, 93: compressor wheel, 100: internal combustion engine.
Claims (1)
前記タービンハウジングには、前記タービンホイールが収容される収容空間と、前記収容空間に接続されるとともに前記タービンハウジングの外部から前記収容空間に排気を導入するスクロール通路と、前記収容空間に接続されるとともに前記収容空間から前記タービンハウジングの外部に排気を排出する排出通路と、前記収容空間を迂回して前記スクロール通路及び前記排出通路に接続されるバイパス通路とが区画されており、
前記排気管における前記タービンハウジングと前記触媒との間の部分には、センサが固定されており、
前記センサは、当該センサの先端が前記排気管の下流側を向くように前記排気管の内面から突出しており、
前記センサの先端は、前記触媒の中心軸線よりも前記センサが固定されている側に位置しており、
前記触媒の中心軸線及び前記センサの先端を含む断面視において、
前記センサの突出方向と前記タービンホイールの中心軸線とがなす角度のうち、上流側且つ前記センサが固定されている側の角度は、鋭角になっており、
前記センサの突出方向と前記バイパス通路の出口部分の中心軸線とがなす角度のうち、上流側且つ前記センサが固定されている側の角度は、鋭角になっている
ことを特徴とする内燃機関の排気構造。 An exhaust pipe that defines an exhaust passage through which exhaust gas flows, a turbine housing attached to the exhaust pipe and accommodating a turbine wheel, and an exhaust pipe attached to a portion of the exhaust pipe downstream of the turbine housing to purify exhaust gas. An exhaust structure of an internal combustion engine, comprising:
The turbine housing has a housing space in which the turbine wheel is housed, a scroll passage connected to the housing space and introducing exhaust gas from outside the turbine housing into the housing space, and connected to the housing space. A discharge passage that discharges exhaust gas from the housing space to the outside of the turbine housing, and a bypass passage that bypasses the housing space and is connected to the scroll passage and the discharge passage are defined.
A sensor is fixed to a portion of the exhaust pipe between the turbine housing and the catalyst,
The sensor projects from the inner surface of the exhaust pipe so that the tip of the sensor faces the downstream side of the exhaust pipe,
The tip of the sensor is located on the side where the sensor is fixed with respect to the center axis of the catalyst,
In a sectional view including the center axis of the catalyst and the tip of the sensor,
Of the angles formed by the projecting direction of the sensor and the central axis of the turbine wheel, the angle on the upstream side and the side on which the sensor is fixed is an acute angle,
Among the angles formed by the projecting direction of the sensor and the central axis of the outlet of the bypass passage, the angle on the upstream side and the side on which the sensor is fixed is an acute angle. Exhaust structure.
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| WO2022038653A1 (en) * | 2020-08-17 | 2022-02-24 | 三菱重工エンジン＆ターボチャージャ株式会社 | Waste gate valve device, turbine, and turbocharger |
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