JP6291219B2 - 触媒コンバータ - Google Patents

Description

本発明は、排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置を付帯させた内燃機関に用いられる触媒コンバータに関する。

気筒内の燃焼温度を低下させてＮＯ_xの排出量を削減しつつ、ポンピングロスの低減を図るＥＧＲ装置が周知である。ＥＧＲ装置は、排気通路と吸気通路とをＥＧＲ通路を介して接続し、気筒内で発生する燃焼ガスの一部をＥＧＲ通路経由で吸気通路に還流させて吸気に混入するものである。このようなＥＧＲ装置の一例として、排気ガス浄化用の触媒を通過した排気ガスを吸気通路に還流するものが知られている（例えば、下記特許文献１を参照）。

図４では、ＥＧＲ通路１０１を形成するＥＧＲパイプ１０２、及び、このＥＧＲパイプ１０２の排気通路１０３側の端部１０４が接続される従来の触媒コンバータ１０５の断面を模式的に示している。この触媒コンバータ１０５の下流側部分においては、触媒の下流側の端部から下流側に向かって漸次縮径となるいわゆるロアコーン部１０６が形成されている。

ロアコーン部１０６の成形方法について詳述すれば、まず、板金素材にプレス等による加工を施すことにより、全体の円錐台形状が成形される。その後、円錐台形状の傾斜部１０９にパイプ取付部１０７を形成するための平面部分１１０を成形し、この平面部分１１０に対して穿孔加工及びバーリング加工を施す。このような加工によって、前記ロアコーン部１０６に、ＥＧＲパイプ１０２を取り付けるための前記平面部分１１０に直交する孔１１１と、この孔１１１の周りに立ち上がる取付ボス１１２とが形成される。

そして、前記孔１１１と取付ボス１１２とを備えたパイプ取付部１０７を介してＥＧＲパイプ１０２が触媒コンバータ１０５のロアコーン部１０６に接続される。

なお、ＥＧＲパイプ１０２を触媒コンバータ１０５に接続する際には、ＥＧＲパイプ１０２の内部に凝縮水が溜まって腐食が発生するのを防止するために、ＥＧＲパイプ１０２が水平方向よりも下方に突出するＶ字形の湾曲部１０８（図４では二点鎖線で示している）を備えないようにする必要がある。そのため、触媒コンバータ１０５の軸線１１４に対して垂直方向にＥＧＲパイプ１０２の端部１０４を取り付けなければならない。

しかして、従来の触媒コンバータ１０５は、プレス加工等により最初に形成される円錐台形状を利用してパイプ取付部１０７が成形されるものであり、しかも、前記湾曲部１０８を備えないようにＥＧＲパイプ１０２を前記軸線１１４に対して垂直に接続しなければならないため、孔１１１及び取付ボス１１２を形成するための平面部分１１０を大きく設定することが難しかった。そのため、ＥＧＲガスが流通するＥＧＲパイプ１０２の径を大きく設定することができず、ＥＧＲ量を増加させることに限界があった。

また、従来のものは、前記取付ボス１１２の上流側にロアコーン部１０６の内方に突出する凹陥部分１１３が形成されることとなる。そのため、凹陥部分１１３に応力集中が生じてロアコーン部１０６の損傷を招いたり、凹陥部分１１３によって排気の流れが妨げられたり、さらに、凹陥部分１１３に熱が集中してしまったりする等の不具合が発生していた。

特開２００４−２７８３４２号公報

本発明は、ＥＧＲパイプの径を大きく設定できるとともに、ＥＧＲパイプの接続部分における応力集中を抑制することができる触媒コンバータを提供することを目的とするものである。

本発明では、内燃機関の排気通路内の排気を浄化するための触媒が収容された筒状をなす触媒ケースの端部から下流側に向かって漸次縮径となる一方側の側面部と、この一方側の側面部よりも外方に膨出し、軸を挟んで前記一方側の側面部と対向する位置に設けられる他方側の側面部と、前記排気通路と内燃機関の吸気通路とを連通する排気ガス再循環通路を形成するパイプを前記他方側の側面部の外側から取り付けるためのパイプ取付部とを備える下流側ケースを具備し、前記他方側の側面部が、前記触媒の直下から前記パイプ取付部の下端部近傍まで略同一の径であるとともに、パイプ取付部の下端部近傍から前記一方側の側面部よりも急に縮径している触媒コンバータを構成した。

前記パイプ取付部は、前記他方側の側面部の外面側に成形された平面部分に設けられ、、その平面部分は内方への突出部分を有さないことが好ましい。

本発明によれば、ＥＧＲパイプの径を大きく設定できるとともに、ＥＧＲパイプの接続部分における応力集中を抑制することができる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関の全体構成を示す図。 同実施形態の触媒コンバータ及びＥＧＲ通路を示す図。 同実施形態の触媒コンバータとＥＧＲパイプとの接続部分を示す中央側断面図。 従来の触媒コンバータとＥＧＲパイプとの接続部分を示す中央側断面図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。

本実施形態における内燃機関は、火花点火式ガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、吸気絞りバルブ３６、排気ターボ過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３５、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２、排気ターボ過給機５の駆動タービン５２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。加えて、タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３、及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパス弁であるウェイストゲートバルブ４４を設けてある。ウェイストゲートバルブ４４は、アクチュエータに制御信号ｎを入力することで開閉操作することが可能な電動ウェイストゲートバルブであり、そのアクチュエータとしてＤＣサーボモータを用いている。

排気ターボ過給機５は、駆動タービン５２とコンプレッサ５１とを同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、駆動タービン５２を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサ５１にポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

本実施形態の内燃機関には、外部ＥＧＲ装置２が付帯している。外部ＥＧＲ装置２は、いわゆる低圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４におけるタービン５２の下流側と吸気通路３におけるコンプレッサ５１の上流側とを連通するＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。低圧ループＥＧＲ通路２１の圧力損失は、数百Ｐａ程度と非常に小さい。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における三元触媒４１の下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３における吸気絞りバルブ３６の下流かつコンプレッサ５１の上流の所定箇所に接続している。

低圧ループＥＧＲでは、大気圧に近い低圧の排気ガスをＥＧＲ通路２を通じて吸気通路３に還流する。そのために、ＥＧＲ通路２の出口の上流にある吸気絞りバルブ３６を絞ることで、ＥＧＲ通路２の出口の周囲を負圧化する。因みに、吸気通路３における、吸気絞りバルブ３６よりも上流側の圧力は略大気圧、またはコンプレッサ５１の稼働によって幾分負圧となる。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ（または、シフトポジションスイッチ）から出力されるシフトレンジ信号ｇ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、吸気絞りバルブ３６に対して開度操作信号ｍ、ウェイストゲートバルブ４４に対して開度操作信号ｎ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）といった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。しかして、ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、スタータモータ（セルモータ、図示せず）に制御信号ｏを入力し、スタータモータのピニオンギアをドライブプレート外周のリングギアに噛合させて機関を回転させるクランキングを行う。クランキングは、初爆から連爆へと至り、エンジン回転数が冷却水温等に応じて定まる閾値を超えたときに（完爆したものと見なして）終了する。

図２に、排気通路４の触媒４１周辺部を示すとともに、図３に、排気通路４の触媒４１より下流の部位の構造を示す。

本実施形態の排気通路４上には、前記排気マニホルド４２と、この排気マニホルド４２より下流側の排気管４５と、前記排気ターボ過給機５の駆動タービン５２より下流側の排気管４５に装着された触媒コンバータ７とを備えている。また、触媒４１の下流には、ＥＧＲ通路２１を形成するＥＧＲパイプ２４の端部が接続される。なお、ＥＧＲパイプ２４は、触媒４１の下流位置から延び、他方の端部がフランジ２５を介してエンジン本体に固定されている。詳述すれば、ＥＧＲパイプ２４は、ＥＧＲクーラ２２内で発生する凝縮水をその上流端部側から下流側の排気通路４内に排出するべく、触媒コンバータ７に向かって下降するように延びている。

触媒コンバータ７は、排気通路４内の排気を浄化するための三元触媒４１が収容された円筒状をなす触媒ケース７１と、この触媒ケース７１の下流側の端部に設けられる下流側ケース７２とを備えてなる。

触媒ケース７１は、三元触媒４１の配される円筒状をなす保持部７３と、この保持部７３の上流側（排気マニホルド４２側）に設けられ上流に向かって漸次縮径する導入部７４とを備えている。この触媒ケース７１は、薄肉構造をなす金属製のパイプであり、前記排気管４５の一部を構成している。触媒ケース７１はブラケットによりエンジン本体に固定されている。触媒ケース７１の下流側の端部７０には、前記下流側ケース７２の上流側の端部が溶接等によって接続されている。なお、図３では、触媒ケース７１を図示していない。

下流側ケース７２は、前記触媒ケース７１の端部７０から下流側に向かって漸次縮径となる一方側の側面部７５と、この一方側の側面部７５よりも外方に膨出し、軸８０を挟んで前記一方側の側面部７５と対向する位置に設けられる他方側の側面部７６と、この他方側の側面部７６の外側からＥＧＲパイプ２４を取り付けるためのパイプ取付部７７と、前記両側面部７５、７６の下流側に設けられる接続部７８とを備えてなる。この下流側ケース７２は、薄肉構造をなす金属製のパイプであり、前記排気管４５の一部を構成している。

詳述すれば、一方側の側面部７５は、軸８０を中心とするコーン形状（円錐台形状）に形成されたもので、三元触媒４１の直下から徐々に縮径している。一方側の側面部７５の傾斜度合いは、従来のコーン形状部分の傾斜度合いに準じて形成されている。

他方側の側面部７６は、外方に滑らかに突出して形成されたもので、三元触媒４１の直下から前記パイプ取付部７７の下端部近傍までは略同一の径であるとともに、前記パイプ取付部７７の下端部近傍から前記接続部７８に向かって前記一方側の側面部７５よりも急に縮径している。そのため、他方側の側面部７６における前記接続部７８近傍の軸線８０に対する傾斜度合いは、前記一方側の側面部７５の軸線８０に対する傾斜度合いよりも大きく設定されている。この他方側の側面部７６の一部には、前記パイプ取付部７７が設けられている。

パイプ取付部７７は、前記排気通路４と前記吸気通路３とを連通するＥＧＲ通路２１を形成するＥＧＲパイプ２４を前記他方側の側面部７６の外側から取り付けるためのものであって、具体的には、前記他方側の側面部７６の外面側に設けられた平面部分７７０に垂直方向に穿設される孔７７１と、この孔７７１の周りに設けられ前記平面部分７７０に対して垂直にバーリング加工が施された取付ボス７７２とを備えている。

詳述すれば、孔７７１は、前記軸８０に対して略垂直に設けられている。取付ボス７７２は、前記平面部分７７０から外側へ立ち上がるように形成されるもので、下流側ケース７２に一体に形成されている。この取付ボス７７２の周辺に存在する平面部分７７０は、前記他方側の側面部７６の内部空間に突出しないように設定されている。そして、取付ボス７７２の上流側の平面部分７７０は、前記触媒ケース７１の端部７０との間に内方への突出部分を有さないように当該触媒ケース７１に接続される。

接続部７８は、当該下流側ケース７２の下流側に配される排気管４５と接続されるものであって、前記両側面部７５、７６の端部に滑らかに連続している。接続部７８は、円筒形状をなすもので、下流側の端部には排気の吐出口７９が設けられている。

なお、前記吐出口７９は、触媒ケース７１に対して前記一方側の側面部７５側に曲げられている。すなわち、本実施形態の触媒コンバータ７は、前記吐出口７９の軸線８２が、前記触媒ケース７１の軸線８１に対して傾斜している。換言すれば、（前記下流側ケース７２のさらに下流側に接続される排気管４５の軸線８３と一致する）前記下流側ケース７２の下流側の端部における軸線８２が、前記触媒ケース７１の軸線８１（及びこの軸線８１と一致する下流側ケース７２の前記接続部７８以外の軸線８０）に対して、前記パイプ取付部７７と反対側に傾斜している。

次に、この下流側ケース７２の成形方法について説明すれば、以下の通りである。

まず、板金素材にプレス等による加工を施すことにより、前記円錐台形状の一部をなす一方側の側面部７５と、この一方側の側面部７５に対向する他方側の側面部７６と、これら両側面部７５、７６の下流側に位置する接続部７８とが成形される。その後、前記他方側の側面部７６の一部であって触媒ケース７１寄りの箇所に、前記平面部分７７０を成形する。そして、この平面部分７７０に対して穿孔加工及びバーリング加工を施す。このような加工によって、前記下流側ケース７２に、ＥＧＲパイプ２４を取り付けるための前記孔７７１と、この孔７７１の周りに立ち上がる取付ボス７７２とが形成される。

しかして、この取付ボス７７２の内周に前記ＥＧＲパイプ２４の端部が挿入され、溶接等により接続される。その際、ＥＧＲパイプ２４の排気ガス取出口である排気通路側開口部２６が、他方側の側面部７６の内部空間に突出しないように設定されている。

このような構成により、エンジンから排出されて触媒コンバータ７によって浄化された排気ガスは、その大部分が前記接続部７８を経て下流側の排気管４５に導出される一方、他の排気ガスは、下流側ケース７２の取付ボス７７２側に分流されＥＧＲパイプ２４に導出されて吸気通路３に還流されることになる。

以上説明したように、本実施形態では、内燃機関の排気通路４内の排気を浄化するための触媒４１が収容された円筒状をなす触媒ケース７１の端部７０から下流側に向かって漸次縮径となる一方側の側面部７５と、この一方側の側面部７５よりも外方に膨出し、軸８０を挟んで前記一方側の側面部７５と対向する位置に設けられる他方側の側面部７６と、前記排気通路４と前記吸気通路３とを連通するＥＧＲ通路２１を形成するＥＧＲパイプ２４を前記他方側の側面部７６の外側から取り付けるためのパイプ取付部７７とを備える下流側ケース７２を具備することを特徴とする触媒コンバータ７を構成した。

そのため、従来のものに比べて、ＥＧＲパイプ２４を取り付けるための孔７７１及び取付ボス７７２を形成するための平面部分７７０を大きく設定することが可能となる。そして、ＥＧＲガスが流通するＥＧＲパイプ２４の径を大きく設定すれば、ＥＧＲ量を増加させて燃費を向上させることができる。

また、従来パイプ取付部を形成することによって生じていた凹陥部分をなくすことができる。したがって、凹陥部分に生じる応力集中をなくして、内燃機関の振動が伝達されるＥＧＲ装置２や触媒コンバータ７の剛性を担保することができる。また、前記凹陥部分がないため、従来のものよりも排気ガスをより滑らかにＥＧＲパイプ２４へ導くことができる。さらに、凹陥部分がないため、熱応力を低減でき、凹陥部分に熱が集中してしまう不具合の発生も抑制できる。

特に、本実施形態の下流側ケース７２は、全体として内側方向に突出する凹みを抑制しているので、下流側ケース７２の端部からさらに下流側の排気管４５へと流れていく排気ガスの圧力損失を低減することができる。

また、前記下流側ケース７２の下流側に設けられる排気の吐出口７９が、前記一方側の側面部７５側に曲げられており、前記吐出口７９の軸線８２が、前記触媒ケース７１の軸線８１に対して傾斜しているので、パイプ取付部７７の下流側部分の水平方向に対する傾斜を前記一方側の側面部７５の水平方向に対する傾斜よりも小さくすることができ、この部分を通る排気ガスの流れをより滑らかにすることが可能となる。

しかも、本実施形態のパイプ取付部７７は、前記ＥＧＲパイプ２４の端部が前記触媒ケース７１の軸心８１に対して略垂直に取り付けられるように設けられているので、従来のものよりもＥＧＲパイプ２４の開口部２６を排気通路４の下流側に傾斜させることができる。したがって、ＥＧＲパイプ２４内に凝縮水が溜まることを防止できる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。

本発明の触媒コンバータは、排気ターボ過給機を備えない内燃機関に適用してもよい。この場合には、ＥＧＲ通路の入口は、排気通路における触媒コンバータの下流側ケースに接続するとともに、ＥＧＲ通路の出口は、例えば、吸気通路におけるスロットルバルブの上流の所定箇所や、サージタンク等に接続すればよい。

下流側ケースは、傾斜部と膨出部とを一体に成形したものに限られず、傾斜部を形成する第１のケース部材と、膨出部を形成する第２のケース部材とを別々に成形した後に溶接等により接続して構成されるものであってもよい。

その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両に搭載される内燃機関に適用することができる。

２１…排気ガス再循環通路（ＥＧＲ通路）
３…吸気通路
４…排気通路
４１…触媒
７…触媒コンバータ
７１…触媒ケース
７２…下流側ケース
７５…一方側の側面部
７６…他方側の側面部
７７…パイプ取付部
７９…吐出口
８０…軸
８１…軸線
８２…軸線

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路内の排気を浄化するための触媒が収容された筒状をなす触媒ケースの端部から下流側に向かって漸次縮径となる一方側の側面部と、
   この一方側の側面部よりも外方に膨出し、軸を挟んで前記一方側の側面部と対向する位置に設けられる他方側の側面部と、
   前記排気通路と内燃機関の吸気通路とを連通する排気ガス再循環通路を形成するパイプを前記他方側の側面部の外側から取り付けるためのパイプ取付部と
   を備える下流側ケースを具備し、
   前記他方側の側面部が、前記触媒の直下から前記パイプ取付部の下端部近傍まで略同一の径であるとともに、パイプ取付部の下端部近傍から前記一方側の側面部よりも急に縮径している触媒コンバータ。
2. 前記他方側の側面部の外面側に成形された平面部分に前記パイプ取付部が設けられ、その平面部分は内方への突出部分を有さない請求項１記載の触媒コンバータ。

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