JP7213044B2 - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本願発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関するものであり、より詳細には、排気ターボ過給機に接続される排気ガス浄化装置に関するものである。

自動車用内燃機関（ガソリン機関）では排気ガスの浄化のために、セラミック系の担体に担持された触媒が使用されており、触媒担体は金属製の触媒ケースに内蔵されている。触媒ケースは、シリンダヘッドに接続したり、排気ターボ過給機の出口に接続したり、排気マニホールドの出口に接続したりしている。いずれにしても、触媒ケースは、ケース本体とその入り口側端部に溶接で固定された継手管とを有しており、継手管が排気ターボ過給機等に接続されている。

排気ターボ過給機は回転軸が水平姿勢になっている一方、触媒ケースは軸心を略鉛直方向に向けた姿勢になっていることが多い。従って、継手管はエルボ管と同じ機能を有しており、排気ガスは、継手管の内部で下向きに方向変換して、ケース本体の内部に拡散するようになっている。

継手管の形態に関する先行文献として、特許文献１には、タービンを経由した排気ガスが当たる部分はケース本体の軸心と略平行な垂直面になって、排気ターボ過給機のウエストゲート通路から噴出した排気ガスが当たる部分は、排気ガスを垂直面に向けて方向変換させる傾斜部と成した構成が開示されている。

他方、特許文献２には、排気ターボ過給機のウエストゲート通路（バイパス通路）をケース本体に向くように傾斜させると共に、継手管の内部に、ウエストゲート通路から排出された排気ガスが衝突して触媒担体の上面に向かうように方向変換する受け部を設けることが開示されている。

特開平４－１０３８１７号公報 特開２０１２－２２５２９７号公報

さて、触媒ケースには、排気ガスを継手管内で分散させて触媒の上面にできるだけ均等に当てることと、排気ガスを継手管の内部でスムースに方向変換させて圧損を低減させること、及び、コールドスタート時に継手管からの放熱をできるだけ抑制して触媒を早期昇温させることが要請される。

そこで特許文献１を検討するに、特許文献１では、排気ターボ過給機のタービンを経由した排気ガスは鉛直面に衝突するため、排気ガスをスムースに方向変換させにくいおそれがあり、このため、排気ガスの分散機能が不十分になって、触媒の浄化効率を向上できにくいと共に圧損抑制も期待し難い問題や、鉛直面からの放熱が激しいため触媒の早期昇温・早期活性化の効果を期待し難い問題が懸念される。

また、特許文献１では、排気ターボ過給機のウエストゲート通路からリークした排気ガスは、継手管の傾斜部によって下向き方向変換をガイドされるが、傾斜部の下方に継手管の下面が位置しているため、ウエストゲートバルブが全開状態の場合は、排気ガスが継手管の下面に当たる傾向が高くなって、圧損が増大することや放熱性が増大することが懸念される。

他方、特許文献２の構成では、ウエストゲート通路から排出された排気ガスがケース本体にダイレクトに向かうため、触媒の早期活性化には貢献できるが、ウエストゲート通路の姿勢を特別の構造に変更しなければならないため、一般性に欠けるという問題がある。

更に、特許文献１，２とも継手管は全体が一体構造になっているが、継手管を鋳造で製造すると重量増大が懸念される一方、パイプ材を曲げ加工して成る板金加工品を採用すると、軽量化はできるが加工が非常に厄介になるという別の問題が現れる。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明の排気ガス浄化装置は、
「触媒担体を内蔵し入り口側端部から出口側端部に向けて排気ガスが流れるケース本体と、前記ケース本体の入り口側端部に固定されたエルボ状の継手管とを含み、
前記ケース本体は、前記入り口側端部が上で出口側下端部が下に位置した姿勢で配置されて、
前記継手管は、内燃機関の排気ターボ過給機に固定可能な一端部側に位置して前記排気ターボ過給機の内部に向けて開口した排気ガス入り口と、前記ケース本体に固定された他端部側に位置して前記ケース本体の入り口側端部全体を覆う下向き開口の拡散部と、前記排気ガス入り口と拡散部とに連通した中継通路とを備えて、
前記拡散部に、排気ガスの状態を検知するセンサが取付けられており、
前記中継通路は、前記排気ターボ過給機に取り付けた状態で当該排気ターボ過給機のウエストゲート通路に向けて開口する第１中継通路と、前記排気ターボ過給機に取付けた状態で当該排気ターボ過給機の主出口通路に向けて開口する第２中継通路とを備えて、前記第１中継通路と前記第２中継通路と前記拡散部とは上下方向に並んでいる」
という基本構成である。

そして、上記基本構成において、
「前記第１中継通路を構成する壁部のうち前記排気ターボ過給機のウエストゲート通路と対向する側が前記ウエストゲート通路と反対側に向けて凹んだ凹所に形成されて、前記凹所の底部が偏平状の第１の壁部に形成されている一方、
前記第２中継通路を構成する壁部のうち前記排気ターボ過給機の主出口通路と対向する側は、下方に行くに従って前記排気ターボ過給機から離れるように傾斜しつつ前記拡散部に繋がった湾曲状の第２の壁部に形成されており、
前記第１の壁部と前記第２の壁部との境界部は、前記排気ターボ過給機の主出口通路に向けて突出した土手部になっている」
という構成が付加されている。

本願発明は、様々に展開できる。その例として、請求項２では、
「前記第２中継通路の上部は、前記排気ターボ過給機の回転軸心方向から見て、前記排気ターボ過給機の回転軸心を囲う略半円形に形成されている」
という構成が付加されている。

また、請求項３の発明は、請求項１又は２において、
「前記排気ターボ過給機には、前記ウエストゲート通路と前記主出口通路とに連通した上下長手の出口空間が形成されて外向きに開口している一方、
前記排気ガス入り口は前記排気ターボ過給機の出口空間と重なる上下長手の形態になっている」
という構成になっている。

請求項４の発明は、請求項１～３のうちのいずれかにおいて、
「前記第２中継通路を構成する壁部のうち、前記排気ターボ過給機の側に位置した部位は、前記側面視において前記ケース本体の軸心と略平行な上下長手部になっている」
という構成になっている。

本願発明では、排気ターボ過給機のタービンを経由して主出口通路から継手管に流入した排気ガスは、第２中継通路における湾曲した第２の壁部のガイド作用により、スムースに方向変換されて拡散部に広がっていく。従って、排気ガスの分散性を高めて触媒の使用効率を向上できると共に、圧損・放熱を抑制してコールドスタート時の触媒の早期昇温・早期活性化に貢献できる。

また、中継通路内でウエストゲート通路から排出された排気ガスが当たる部分は、偏平状の第１の壁部になっているが、ウエストゲート通路は排気ターボ過給機における排気ガス通路から分岐していて排気ガスの流速は遅いため、第１の壁部の箇所で（第１中継通路で）排気ガスが激しく拡散するようなことはない。従って、第１の壁部に当たった排気ガスは、第２中継通路に向かうように方向変換して拡散部に向けて流れていく。

また、ウエストゲートバルブが全開でも排気ガスの全量がウエストゲート通路のみを流れる訳ではなく、ウエストゲート通路が全開でも排気ガスの相当量はタービンを経由して中継通路に流れ込むため、ウエストゲート通路から第１中継通路に向けて噴出した排気ガスは、第２中継通路を流れる排気ガスの流れに引かれて拡散部に広がっていき、ケース本体の内部にスムースに導かれる。

上記で触れたように、排気ガスの相当量は、タービンを経由して主排気通路から継手管に流入するといえるが、請求項２の構成を採用すると、第１の壁部と第２の壁部とが土手部で仕切られているため、タービンを経由して主排気通路から排出された排気ガスの誘い込み機能が向上する。従って、タービンを経由した排気ガスを拡散部・ケース本体に向けてスムースに流す機能が向上して、圧損の低減や排気ガスの分散性向上に貢献できる。

実施形態のように継手管を板金加工品で構成すると、鋳造品の場合に比べて強度を高めつつ軽量化できる。従って、燃費の向上に貢献できる。また、継手管は２つの部材から成っているため、加工は容易である。

さて、継手管を排気ターボ過給機に固定する場合、一般にフランジ接合が採用されており、継手管はフランジ板を備えている。他方、継手管を２つの金属製部材で構成する場合、排気ターボ過給機に固定される部分も２つに割ることが考えられるが、この場合は、２つの部材を接合して形成された筒状部をフランジ板に溶接で固定することになるため、加工に手間が掛かると共に、寸法精度も悪くなるおそれがある。

これに対して、実施形態を採用すると、フランジ板に接合する筒部は第１部材のみに形成したらよいため、加工が容易であると共に、寸法精度を高くしてシール性向上に貢献できる。

請求項４の構成を採用すると、ウエストゲート通路から排出された排気ガスを、第２の壁部と反対側からケース本体向かうようにガイドできるため、排気ガスの分散性を高めて、触媒の有効利用に更に貢献できる。

実施形態を示す図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。 斜視図である。 背面図である。 分離側面図である。 図１（Ａ）の V-V視断面図である。 図１（Ａ）のVI-VI 視断面図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下では、方向を特定するため、正面視、側面視、左右方向の文言を使用するが、正面視方向は、シリンダヘッドの排気側面と直交した方向から見た方向であり、側面視及び左右方向はクランク軸線方向から見た方向（請求項で定義した方向と同じ。）である。内燃機関については、一般に、クランク軸線方向を前後方向としていることが多いが、本実施形態で使用する正面視や側面視は、一般的な用法とは相違している。上下方向は正確には気筒軸線方向を意味しているが、実施形態が適用される内燃機関は縦型を前提にしているので、上下方向は鉛直方向と同じになる。

(1).構造の説明
排気ガス浄化装置（マニバータ）１は、軸線を略上下長手の姿勢にして排気ガスが上から下に向けて流れるケース本体２と、このケース本体２の上端部（入り口側端部）に固定された継手管（排気マニホールド管）３とを有している。ケース本体２は基本的には円筒状であり、下端には下窄まりの下コーン部２ａが一体に形成されて、下コーン部２ａにストレート状の排気接続管２ｂを一体に形成している。排気接続管２ｂには、シリンダブロックに固定するためのブラケット部を一体に曲げ形成したフランジ４が固定されている。

図４に明示するように、継手管３は、排気ターボ過給機５の出口フランジ６に重なるリング状のフランジ板７と、フランジ板７に溶接で固定された第１部材８と、第１部材８に接合された第２部材９とで構成されており、フランジ板７と第１部材８と第２部材９とにより、中空構造体が形成されている。ケース本体２、フランジ板７、第１部材８、第２部材９は、ステンレス板等の金属板で構成されている。

排気ターボ過給機５は、回転軸（図示せず）を水平にした姿勢で配置されており、図６に示すように、タービンハウジングに、タービンを経由した排気ガスが通過する主出口通路１０ａと、主出口通路１０ａの上に位置したウエストゲート通路１０ｂとが形成されており、両者は、上下に長い１つの出口空間１１で一体に連通している。ウエストゲート通路は、図示しないウエストゲートバルブによって開度が調節されるが、本実施形態の排気ターボ過給機は、過給圧が設定値に至るまではウエストゲートバルブが閉じている常閉タイプである。

継手管３のうちケース本体２と反対側の端部には、排気ターボ過給機５の出口空間１１と同じ形状の排気ガス入り口１２が、排気ターボ過給機５に向けて開口している。従って、排気ガス入り口１２は、排気ターボ過給機５の主出口通路１０ａに対応した部分と、ウエストゲート通路１０ｂに対応した部分とを有して上下に長い形態になっており、排気ターボ過給機５の出口空間１１と同じ形状になっている。

出口空間１１が横向き（水平方向）に開口しているため、継手管３の排気ガス入り口１２も横向きに開口している。また、ケース本体２は排気ターボ過給機５に寄せて配置されているため、ケース本体２のフランジ板７は、平面視（及び図５の底面視）で、ケース本体２の外周部と略重なるように配置されている。

このような排気ターボ過給機５と排気ガス浄化装置１との位置関係により、継手管３は、排気ターボ過給機５の側に寄った左右非対称の形態を成している。第１部材８と第２部材９とは、継手管３を側面視で左右に２つ割りした形態になっているが、継手管３が上記のような左右非対称の形態であるため、図１（Ａ）及び図４のとおり、互いに重なり合った重合縁部１３は、側面視でフランジ板７と平行な上鉛直状部１３ａと、ケース本体２の上端を左右に２分するような下鉛直状部１３ｂと、これらを繋ぐ傾斜部１３ｃとで非直線状に形成されている。

また、図５に明示するように、第１部材８と第２部材９との重合態様としては、第１部材８の縁部８ａの内部に第２部材９の縁部９ａを入り込ませており、両縁部８ａ，９ａは、外側から溶接で固定されている。なお、両部材８，９の嵌合関係は逆であってもよい。図６のとおり、第１部材８に形成した排気ガス入り口の開口縁８ｂはフランジ板７の内部に嵌まり込んでおり、両者は溶接によって固定されている。図６において符号１４で示すのは触媒担体である。

図６に示すように、継手管３には、排気ターボ過給機５から排出された排気ガスをケース本体２に流すための第２中継通路１５と、第２中継通路１５の上に位置した第１中継通路１６とが形成されている。当然ながら、両中継通路１６，１５は，排気ターボ過給機５の出口空間１１に向けて開口していると共に、上下に連通している。また、図５，６に示すように、両者は、平面視及び底面視で互いに重なるように位置関係になっている。

第２中継通路１５の上部は、排気ターボ過給機５の主出口通路１０ａと略同じ高さになっており、上半部の輪郭は、例えば図３や図１に示すように、タービンの回転軸心Ｏ１の方向から見て（正面視で）、概ねタービンの回転軸心Ｏ１を曲率半径の中心とした半円状に形成されている。

また、第２中継通路１５を構成する壁部のうち、排気ガスの噴出方向前方に向いた壁部（排気ターボ過給機５と反対側の壁部）は、側面視において、下に行くに従って排気ターボ過給機５から遠ざかるように傾斜していると共に、排気ターボ過給機５と反対側に膨らむように湾曲した第２の壁部１５ａになっている。他方、第１中継通路１６は、ウエストゲート通路１０ｂと略同じ高さに位置しており、第１中継通路１６を構成する壁部のうちウエストゲート通路１０ｂと対向した部位は、偏平状（平坦状）の第１の壁部１６ａになっている。

また、第１中継通路１６のうち第１の壁部１６ａが形成されている部分は、排気ターボ過給機５と反対側に向けて凹んだ凹所になっており（外から見ると膨らんでいる）、凹所の底部が偏平状の第１の壁部１６ａになっている。

図１（Ｂ）や図６に示すように、継手管３を構成する周壁のうち、排気ターボ過給機５に寄った壁部は、ケース本体２の軸心Ｏ２と略平行な上下長手部１７になっている。また、継手管３の第２中継通路１５は触媒担体１４よりも上に位置しており、継手管３のうち第２中継通路１５の下方の部位は、ケース本体２の上面全体を覆う拡散部１８になっていて、拡散部１８がケース本体２の上端部に溶接されている。拡散部１８の上面は、下広がりに緩く傾斜しており、拡散部１８のうち排気ターボ過給機５から遠い部位には、空燃比センサ等のセンサを取り付けるためのボス１９が溶接されている。

第１の壁部１６ａは凹所の底部に形成されて、第２の壁部１５ａは下に行くに従って排気ターボ過給機５から遠ざかるように傾斜しているため、第１の壁部１６ａと第２の壁部１５ａとの境界部には、排気ガス入り口１２に向けて（排気ターボ過給機５の側に向けて）突出した土手部２０が、第２中継通路１５の上端を半円状に囲うように形成されている。土手部２０は、継手管３を構成する第２部材９を、排気ターボ過給機５の側に膨出させることによって形成されている。このため、土手部２０の箇所は、外部から見ると円弧状の凹みとして現れている。

(2).まとめ
図６に矢印で示すように、排気ターボ過給機５の主出口通路１０ａから排出された排気ガスは第２中継通路１５の湾曲した第２の壁部１５ａに当たり、第２の壁部１５ａのガイド作用により、方向を下向きにスムースに変更する。従って、排気ガスが第２中継通路１５の上部で乱流化するような不具合はなく、排気ガスは拡散部１８にスムースに導かれる。

そして、第２中継通路１５はケース本体２の軸心Ｏ２を挟んで排気ターボ過給機５の側に寄ってはいるが、第２の壁部１５ａが、下に行くに従って排気ターボ過給機５から遠ざかるように傾斜しているため、排気ガスは、直進性を有しつつ第２の壁部１５ａでガイドされることにより、拡散部１８のうち排気ターボ過給機５から遠くに位置した袋状の部位にも大きく進入し得る。また、排気ガスの一部は、第２の壁部１５ａの反らせ作用により、拡散部１８のうち排気ターボ過給機５に近い側の袋状部に入り込んでいく。

このように、中継通路１５の位置と姿勢、及び第２の壁部１５ａの形状とを利用して、排気ガスを拡散部１８の全体に分散させることができる。その結果、排気ガスを触媒担体１４の上面全体に均等に接触させて、排気ガスの浄化性能を向上できる。

他方、ウエストゲート通路１０ｂから噴出した排気ガスは第１中継通路１６に向かうが、ウエストゲート通路１０ｂは、タービン室に向かうメイン通路から分岐した長穴状になっており、排気ガスは大きく方向変換してウエストゲート通路１０ｂに流入するため、ウエストゲート通路１０ｂにおいて排気ガスの流速は大きく低下しており、従って、第１の壁部１６ａに激しく衝突する現象は発生しない。また、ウエストゲートバルブを全開にしていても、排気ガスの相当部分はタービンを経由して主出口通路１０ａに向かう。

このため、第１中継通路１６において排気ガスが当たる第１の壁部１６ａが略偏平状の形態であっても、ウエストゲート通路１０ｂから排出された排気ガスは第１の壁部１６ａによって下向きに方向変換し、次いで、主出口通路１０ａから流れてきた排気ガスと合流して、拡散部１８に入り込む。従って、ウエストゲートバルブが開いた状態であっても、排気ガスの全体を拡散部１８に広く分散させることができる。

更に、図５，６を参照して説明したとおり、第１中継通路１６と第２中継通路１５とは平面視及び底面視で重なっているため、ウエストゲート通路１０ｂから排出されて第１の壁部１６ａで下向きに方向変換された排気ガスは、第２中継通路１５の上下長手部１７にガイドされて真下に流れ、拡散部１８のうち排気ターボ過給機５に寄った部位に入り込み得る。この面においても、排気ガスを拡散部１８の全体に分散させる機能に優れている。

実施形態のように、第２中継通路１５の上端のプロフィールを強調する土手部２０が形成されていると、主出口通路１０ａから排出された排気ガスは、一部が第１中継通路１６に向かうような不具合を生じることなく、全量が第２中継通路１５に流れ込む。従って、排気ガスの流れのスムース化に一層貢献できる。

継手管３を２つの部材で構成する場合、前後に分かれるように２つ割りに形成することも可能であるが、この場合は、溶接箇所に排気ガスが集中的に当たるため、長期に亙って使用していると、熱膨張・熱収縮の繰り返しによって、溶接箇所に亀裂が入り易くなるおそれがある。また、センサ用ボス１９の取付けも面倒である。

これに対して、本実施形態のように、排気ターボ過給機５の回転軸心Ｏ１の方向に分かれた２つの部材８，９で構成すると、排気ガスが溶接箇所に強く当たることはないため、熱ひずみの発生を抑制して、高い耐久性を確保できるし、ボス１９の取付けも容易である。また、フランジ板７に嵌まる筒状の部分は第１部材８のみに一体に形成されるため、高い精度で加工することができる。従って、高いシール性を確保できる。

本願発明は、実際に排気ガス浄化装置に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ 排気ガス浄化装置
２ ケース本体
３ 継手管
５ 排気ターボ過給機
８ 第１部材
９ 第２部材
１０ａ 主出口通路
１０ｂ ウエストゲート通路
１１ 出口空間
１２ 排気ガス入り口
１３ 重合縁部
１４ 触媒担体
１５ 第２中継通路
１５ａ 湾曲した第２の壁部
１６ 第１中継通路
１６ａ 偏平状の第１の壁部
１７ 上下長手部
Ｏ１ タービンの回転軸心
Ｏ２ ケース本体の軸心

Claims (4)

1. 触媒担体を内蔵し入り口側端部から出口側端部に向けて排気ガスが流れるケース本体と、前記ケース本体の入り口側端部に固定されたエルボ状の継手管とを含み、
   前記ケース本体は、前記入り口側端部が上で出口側下端部が下に位置した姿勢で配置されて、
   前記継手管は、内燃機関の排気ターボ過給機に固定可能な一端部側に位置して前記排気ターボ過給機の内部に向けて開口した排気ガス入り口と、前記ケース本体に固定された他端部側に位置して前記ケース本体の入り口側端部全体を覆う下向き開口の拡散部と、前記排気ガス入り口と拡散部とに連通した中継通路とを備えて、
   前記拡散部に、排気ガスの状態を検知するセンサが取付けられており、
   前記中継通路は、前記排気ターボ過給機に取り付けた状態で当該排気ターボ過給機のウエストゲート通路に向けて開口する第１中継通路と、前記排気ターボ過給機に取付けた状態で当該排気ターボ過給機の主出口通路に向けて開口する第２中継通路とを備えて、前記第１中継通路と前記第２中継通路と前記拡散部とは上下方向に並んでいる排気ガス浄化装置であって、
   前記第１中継通路を構成する壁部のうち前記排気ターボ過給機のウエストゲート通路と対向する側が前記ウエストゲート通路と反対側に向けて凹んだ凹所に形成されて、前記凹所の底部が偏平状の第１の壁部に形成されている一方、
   前記第２中継通路を構成する壁部のうち前記排気ターボ過給機の主出口通路と対向する側は、下方に行くに従って前記排気ターボ過給機から離れるように傾斜しつつ前記拡散部に繋がった湾曲状の第２の壁部に形成されており、
   前記第１の壁部と前記第２の壁部との境界部は、前記排気ターボ過給機の主出口通路に向けて突出した土手部になっている、
   内燃機関の排気ガス浄化装置。
2. 前記第２中継通路の上部は、前記排気ターボ過給機の回転軸心方向から見て、前記排気ターボ過給機の回転軸心を囲う略半円形に形成されている、
   請求項１に記載した内燃機関の排気ガス浄化装置。
3. 前記排気ターボ過給機には、前記ウエストゲート通路と前記主出口通路とに連通した上下長手の出口空間が形成されて外向きに開口している一方、
   前記排気ガス入り口は前記排気ターボ過給機の出口空間と重なる上下長手の形態になっている、
   請求項１又は２に記載した内燃機関の排気ガス浄化装置。
4. 前記第２中継通路を構成する壁部のうち、前記排気ターボ過給機の側に位置した部位は、前記側面視において前記ケース本体の軸心と略平行な上下長手部になっている、
   請求項１～３のうちのいずれかに記載した内燃機関の排気ガス浄化装置。

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