JP4326145B2 - 内燃エンジン用排気装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、特に自動車に装着する内燃エンジン用排気装置に関する。本発明は、特に排出ガス処理装置へ接続する湾曲連絡導管からなる排気装置に関する。
【０００２】
エンジンルームには、特にデザイン上の要求から種々の装置が詰め込まれ、排気装置の輪郭は、ますます低くするように制約を受けている。この結果、湾曲連絡導管を設けることがますます必要になるが、排気ガス処理装置（触媒ポット、粒子フィルタ等）の上流に位置するこのような湾曲連絡導管は、排気ガスの流れを乱し、特に排気ガスを排気ガス処理装置の一部にのみ集中させて、排気ガス処理装置の機能障害をもたらしやすいという問題がある。
【０００３】
このため、本発明の目的は、上記問題点を解決して、製作が簡単で、排気ガス処理装置へ流入する排気ガスの流れを均一にすることが可能な、排気ガス処理装置の上流に設ける、排気装置用の湾曲連絡導管の構成部品を提供することにある。
【０００４】
本発明による内燃エンジン用排気装置は、触媒ポットまたは粒子フィルタからなる排気ガス処理装置を含み、排気ガスが通過する排気ガス処理エレメントを内部に収容するカバーを有する。
【０００５】
本発明の内燃エンジン用排気装置は、上記排気ガス処理装置（５）の排気ガスの流れの方向の上流に、排気ガスを導く湾曲連絡導管（６）を設け、上記湾曲連絡導管（６）に、上記排気ガス処理エレメント（５２）を通過する排気ガスの均一な分布を可能とする変向手段を設け、
上記変向手段は、排気ガスの流れに突出する変向壁（６２）によって形成され、
上記変向壁（６２）は、排気ガスの流れの方向に位置する、第１の面（６３）と第２の面（６４）とから形成され、
上記湾曲連絡導管（６）は、Ｃ型の形状に形成され、
上記湾曲連絡導管（６）は、上記排気ガス処理装置（５）の上記カバー（５１）と一体化され、
上記変向壁（６２）は、上記湾曲連絡導管（６）の湾曲の外側の壁を変形して得られ、
上記第１の面（６３）は、略真直ぐで、２０〜５０ｍｍの長さに伸展し、上記排気ガス処理エレメント（５２）の縦方向の軸に対する角度（α）が１５°〜４５°をなし、上記第２の面（６４）は、上記第１の面（６３）から、上記排気ガス処理エレメント（５２）の入口の面の近傍迄伸展し、上記排気ガス処理エレメント（５２）の縦方向の軸に対する角度（β）が６０°〜８５°をなし、
上記第１の面（６３）と上記第２の面（６４）との継目の稜線は、上記排気ガス処理エレメント（５２）の入口の面の高さの１／８〜２／６の距離だけ、上記排気ガス処理エレメント（５２）の縦方向の軸の上方に位置し、
上記排気ガス処理エレメント（５２）の近傍に位置する上記湾曲連絡導管（６）の湾曲の内側の壁（６５）が、略真直ぐな形状を呈することを特徴とする。
【０００６】
本発明の目的、構成及び利点は、以下に記載の本発明の実施の形態を、添付図面を参照して読むことにより、より良く理解されるであろう。ただし、以下に記載の本発明の実施の形態は、例として記載されたものであり、本発明を限定するものではない。
【０００７】
図１は、本発明に係る内燃エンジン用排気装置の斜視図である。
【０００８】
図２は、図１の内燃エンジン用排気装置の、タービンを触媒ポットに接続する湾曲連絡導管を正確に示す、詳細部分断面図である。
【０００９】
本発明に係る内燃エンジン用排気装置は、自動車用内燃エンジンに適合している。本発明に係る内燃エンジン用排気装置を装着する、例として選ばれた図示しないエンジンは、４気筒直列型である。
【００１０】
図には、本発明の理解に必要な排気装置の部品のみが示されている。理解を容易にするために、両方の図において同一の部品には同一の符号が付けてある。
【００１１】
図１に戻って、排気装置は、燃焼ガスの流出方向の上流側の端に位置する、例えば４つの排気導管を１つに集合させる排気コレクタ１を有する。該排気コレクタ１は、上流側の端で、エンジンのシリンダヘッドの排気導管出口に固定される４個の管取付け口を有し、また、排気ガスを集めてターボコンプレッサ３のタービン２の入り口へ導く連絡導管から、排気ガスを下流へ流出させる。
【００１２】
ターボコンプレッサ３は、古典的に次の３部分、すなわち、排気ガスのエネルギを捕捉する求心式のタービン２と、タービン２及びコンプレッサの回転軸の軸受を支持する中央金属カバー部と、エンジンに空気を過給する遠心式のコンプレッサとから成る。
【００１３】
求心式のタービン２は、タービンホイールのブレードの周囲に排気ガスを配分する螺旋状に形成された入口渦巻からなり、そこから排気ガスはタービンホイールの中心部へ流れる。タービン２の固定部は鋳造の金属カバーからなり、該金属カバーには、タービンホイールの架構と排気ガスの流入導管及び流出導管が設けられている。
【００１４】
従って、タービン２の金属カバーは、排気ガスの流入口と排気ガスの流出口とを有する。この排気ガスの流入口は、フランジで排気コレクタ１の出口に接続され、タービンホイールの回転軸の略半径方向に伸びている。
【００１５】
タービンホイールの回転軸の中に伸びている排気ガスの流出口は、湾曲連絡導管６を介して、排気ガス処理装置５の入口へ接続されている。排気ガスは、そこから排気ガス処理装置５の出口端７へ接続される、図示しない排気ラインを通して排出される。
【００１６】
排気ガス処理装置５は、多くの場合、触媒ポット（点火または消火触媒、酸化または還元触媒、三元触媒等）、粒子フィルタ、その他の排気ガスを通す装置（ＮＯｘトラップ等）に関するものである。以下、排気ガス処理装置５が点火触媒の触媒ポットからなる場合について記載する。
【００１７】
例として説明する触媒ポット５は、ターボコンプレッサ３に略平行に、ターボコンプレッサ３の直近に配置されている。触媒ポット５をターボコンプレッサ３の概ね横に並べて取り付けることにより、全体として自動車のエンジンルームの中に良好に填め込まれる。
【００１８】
ターボコンプレッサ３と、触媒ポット５との間の湾曲連絡導管６は、略（逆）Ｃ型の形状に形成されており、タービン２の鋳造の金属カバーと別または一体に、あるいは、図に示す例におけるように、触媒ポットのカバーと一体に形成されている。
【００１９】
図２に、円形または楕円形の断面を有する細長い封筒状のカバー５１によって形成された、触媒ポット５を詳細に示す。カバー５１は、上流側はタービン２に、下流側は上記の排気ラインに接続されている。カバー５１は、モノリス（ｍｏｍｏｌｉｔｈｅ）の呼称で周知の、単数または複数の排気ガス処理エレメント５２をその中央部に含有している。排気ガス処理エレメントであるモノリス５２は、通常、カバー５１の断面形状に概ね一致する円形または楕円形断面の筒状のブロックからなる。
【００２０】
モノリス５２は、例えばステンレス鋼板または多孔性セラミックで作られ、仕切り壁が排気ガスの処理を可能とする触媒に覆われた、縦方向に配置された蜂の巣状の多数の流路を構成する。
【００２１】
他方、カバー５１は、排気ラインに接続するための、排気ガスの出口端７を有しており、また、排気ガスの流れの方向の上流に、タービン２の出口の穴と連結するフランジ８に接続するのに適合した形状の、入り口端である湾曲連絡導管６を有する。
【００２２】
従って、湾曲連絡導管６は、タービン２の出口の穴と、略同一面内にあるモノリス５２の入口の面との、連絡を可能にする。それ故、湾曲連絡導管６は、半円形に曲がった形状の導管を構成する。
【００２３】
モノリス５２への入口の延長部において、湾曲連絡導管６の湾曲の外側の部分に排気ガスが遠心力によって自然に集中しないようにするために、湾曲連絡導管６の湾曲の外側の壁６１に、例えば型打ち（または鋳造）によって、排気ガスの流れの中に突出部を形成する変向手段である変向壁６２を設ける。
【００２４】
変向壁６２は、湾曲連絡導管６の湾曲の外側の部分の排気ガスを、モノリス５２の入口の面の内側の部分の方へ変向させるように作用する。この壁によって、モノリス５２へ流入する準均一な排気ガスの流れを得ることが可能になる。（流入する流れの係数γを次式で定義した場合、γ＞０．９である。γ＝１−∫（（ｖｉ−ｖ）／２Ｓｖ）ｄＳ、ここにｖｉは、ｉ番目のセルに流入する排気ガスの速度、ｖは、モノリス５２の流入面における排気ガスの平均速度、Ｓはモノリス５２の表面積。）
変向壁６２は、排気ガスの流れ方向から見て、第１の面６３と第２の面６４から形成される。第１の面６３は、略真直ぐで、１５〜５０ｍｍの長さに伸展し、モノリス５２の縦方向の軸に対する傾斜の角度αが１５°〜４５°となるように形成する。第２の面６４は、第１の面６３から、モノリス５２の入口の面の近傍迄まで伸展し、モノリス５２の縦方向の軸に対する傾斜の角度βが６０°〜８５°となるように形成する。
【００２５】
また、壁が平らになり過ぎないようにし、横方向の流れを減少させるために、第１の面６３と第２の面６４の、湾曲連絡導管６の残部との接続個所は丸くする（モノリス５２の縦方向の中央面に対して垂直な面内で）。
【００２６】
第１の面６３と第２の面６４との継目の稜線は、モノリス５２の軸を通る湾曲連絡導管６の中央面に略直交して伸展する。継目の稜線は、モノリス５２の入口の面の高さの１／８〜２／６の距離だけ、モノリス５２の縦方向の軸の上方に位置させる。
【００２７】
このようにして、排気ガスの流れの中に突出する変向壁６２は、排気ガスの流れが湾曲しているにもかかわらず、モノリス５２全体への排気ガスの著しく均一な配分を可能にし（γ＞０．９６が可能）、触媒ポットの効率を向上し、触媒ポットにおける抵抗損失を減少し、モノリス５２における排気ガスの不良な分布による触媒全体の過早な老化と不均質化とを回避することを可能とする。
【００２８】
従って、このような変向壁６２を用いることにより、極めて短い湾曲連絡導管６を有する触媒ポット５の場合にも、触媒ポット５への入口を分散させなくてもよい。このように、この配置によって、触媒ポット５をタービン２の直近へ配置することが可能となり、従って、ターボコンプレッサと触媒ポット５との組合せの全体を極めてコンパクトにすることが可能となる。
【００２９】
また、モノリス５２の入口における排気ガスの流れを更に改善し、湾曲連絡導管６における抵抗損失を減少させるために、湾曲連絡導管６の湾曲の内側の壁６５が、モノリス５２の近傍で真っ直になるように形成する。
【００３０】
この配置は、内側面がモノリス５２へ向き、外側面が変向壁６２へ向いた、真直ぐな管を挿入することによって得られる。この配置は、モノリス５２の上流部の湾曲をなくして流れを導いて整え、当該個所における再循環ゾーンの発生を防ぐという効果がある。
【００３１】
さらに、この真直ぐな管の長さは１０〜４０ｍｍとし、モノリス５２の軸に対して４５〜６５°の角度δをなすようにする。また、この真直ぐな管の中心線が、モノリス５２の入口の面内にあってモノリス５２の軸の、例えば３〜８ｍｍの値εだけ、上方に位置する点を指向するようにする。
【００３２】
湾曲連絡導管６の流れを更に改善し、湾曲連絡導管６における抵抗損失を減少させるために、望ましくは、湾曲連絡導管６の外側と内側の少なくとも一方の曲率半径を一定にし、内側の曲率半径を最大に増大させる。
【００３３】
勿論、本発明は、ここに説明した、例として示した実施の形態に限定されるものではない。
【００３４】
反対に、本発明は、ここに説明した手段と同等の技術及びそれらの精神に従って実施された手段の組み合わせも同様に含むものである。
【００３５】
従って、本発明は、点火装置による点火または圧縮点火、燃料直接噴射または間接噴射、液体燃料供給またはガス状燃料供給、過給付きまたは過給無し等の、あらゆる型の内燃エンジンに適用可能である。
【００３６】
同様に、本発明は、モノリスの断面が円形、楕円形等のものにも適用可能である。
【００３７】
同様に、変向壁６２に適した型を予め用意し、変向壁６２を作成するために変形し、変向壁６２上のガスの分布を最適化することも可能である。
【００３８】
同様に、触媒ポット５は、他のタイプの排気ガス処理装置を除外するものではなく、粒子フィルタやいわゆる点火触媒に関するものでもよい。

Claims (1)

1. 触媒ポットまたは粒子フィルタからなる排気ガス処理装置（５）を含み、排気ガスが通過する排気ガス処理エレメント（５２）を内部に収容するカバー（５１）を有する、内燃エンジン用の排気装置において、
   上記排気ガス処理装置（５）の排気ガスの流れの方向の上流に、排気ガスを導く湾曲連絡導管（６）を設け、上記湾曲連絡導管（６）に、上記排気ガス処理エレメント（５２）を通過する排気ガスの均一な分布を可能とする変向手段を設け、
   上記変向手段は、排気ガスの流れに突出する変向壁（６２）によって形成され、
   上記変向壁（６２）は、排気ガスの流れの方向に位置する、第１の面（６３）と第２の面（６４）とから形成され、
   上記湾曲連絡導管（６）は、Ｃ型の形状に形成され、
   上記湾曲連絡導管（６）は、上記排気ガス処理装置（５）の上記カバー（５１）と一体化され、
   上記変向壁（６２）は、上記湾曲連絡導管（６）の湾曲の外側の壁を変形して得られ、
   上記第１の面（６３）は、略真直ぐで、２０〜５０ｍｍの長さに伸展し、上記排気ガス処理エレメント（５２）の縦方向の軸に対する角度（α）が１５°〜４５°をなし、上記第２の面（６４）は、上記第１の面（６３）から、上記排気ガス処理エレメント（５２）の入口の面の近傍迄伸展し、上記排気ガス処理エレメント（５２）の縦方向の軸に対する角度（β）が６０°〜８５°をなし、
   上記第１の面（６３）と上記第２の面（６４）との継目の稜線は、上記排気ガス処理エレメント（５２）の入口の面の高さの１／８〜２／６の距離だけ、上記排気ガス処理エレメント（５２）の縦方向の軸の上方に位置し、
   上記排気ガス処理エレメント（５２）の近傍に位置する上記湾曲連絡導管（６）の湾曲の内側の壁（６５）が、略真直ぐな形状を呈することを特徴とする内燃エンジン用排気装置。

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