JP4099274B2 - 内燃機関の排気システム - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気処理装置と、排気処理装置と内燃機関との間の排気通路に配置され、異なった排気熱損失を持つ排気通路に排気を選択的に導く温度制御デバイスとを有する、内燃機関の排気システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気処理装置は、例えば三元触媒コンバーターとするか、内燃機関のリーン・バーン運転の場合には特に三元触媒コンバーターと追加の窒素酸化物用トラップとにすることが出来る。理想的に排気を浄化するために、排気処理装置は所定の温度範囲で運転しなければならない。この処理装置の温度はそこを流れる排気の温度に影響される。排気ガス温度が低すぎるか又は高すぎると、排気の不完全な浄化を招き、高すぎる排気温度は又、排気処理装置の損傷又は早期劣化を招く可能性がある。エンジンの運転状態に応じて、内燃機関における排気温度は、摂氏約２００から１０００度の範囲で変化するので、コンバーターへ流れ込む排気の温度に影響を与えるという問題を解決するために種々の取り組みがなされてきた。排気温度への影響に関しては、エンジン内部に対してなされた取り組み（例えば人為的な空燃比のリッチ化）以外に、異なった排気熱損失を持つ排気通路に排気を選択的に導く温度制御デバイスが知られている。
【０００３】
ドイツ公開特許公報４２１８８３４号から、触媒コンバーターと内燃機関との間に異なった断面積の独立した２本の排気管を設けることが、知られている。大きな断面積の排気管では、小さな断面積の排気管におけるよりもゆっくりと排気が流れ、より多くの熱が失われる。この排気管はフラップ弁を用いて遮断することが出来る。フラップが開かれた時には、排気は大きな断面積の方に優先的に流れる。フラップが閉じられた時には、排気は小さな断面積の方を全て流れ、その中では、流れが速いことが理由で、熱損失は小さい。長い距離にわたって互いに平行でなければならない二重の排気管のために、この公報により知られた排気温度制御デバイスは大きな容積を占めて、多くの車両において組み込むことが困難となっている。
【０００４】
ヨーロッパ公開特許公報０３５５号及び国際公開特許公報９２／１８７５５号から、主コンバーターの前方でエンジン近傍の排気通路に配置され、エンジン始動後の排気浄化が素早く開始されることを狙った始動用コンバーターの、過熱をバイパス管により防止する排気システムが知られている。しかしながら、これらの明細書に開示された排気システムにおいては、主コンバーターに対する温度制御が行われていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、排気温度に効果的に影響を与えることを可能とする非常にコンパクトで強力な上述の種類の排気システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明によれば、温度制御デバイスが外排気通路及び外排気通路により囲まれた内排気通路を含み、内及び外排気通路は温度制御デバイスの流入及び流出端領域において結合し、各々共通排気通路を形成し、外排気通路に内排気通路に比較して排気温度の低下を大きく又ガス流に対する流路抵抗を大きくする手段が組み込まれ、内排気通路に、そこを通る排気流の選択的制御用の制御要素が組み込まれている。排気処理装置近傍において計測された温度が所定値よりも高くて、排気を冷却することが望ましい場合には、制御要素が内排気通路を遮断して、より多くの排気が外排気通路を通るようにされ、結果として冷却される。一方、計測された温度が所定値よりも低いときには制御要素は内排気通路を遮断せず、より低い流路抵抗のために、排気が優先的に内排気通路に沿って流れ、そこでの熱損失はより小さい。
【０００７】
本発明の好ましい実施例によれば、制御要素を内排気通路の流出端領域に配置された排気フラップ弁の形態としても良い。流出端領域に排気フラップ弁を位置させることにより、高温において閉じられて内排気通路を遮断するので、フラップが高温から保護され特に効果的である。それにより、排気フラップにおける腐食の問題が回避される。
【０００８】
加えて、始動用コンバーターを内排気通路に配置すると効果的である。主コンバーターよりも小さいのが好ましいこの様な始動用コンバーターを、エンジン近傍に配置しても良い。その位置における排気温度の高さと、熱容量がより小さいこととにより、始動用コンバーターはより迅速に加熱され、冷間始動後により迅速に排気浄化が開始される。いわゆるライト・オフ特性の向上に繋がるのである。排気温度が高いと、排気フラップ弁が閉じられて、始動用コンバーターが過熱から保護される。しかし、補助的な始動用コンバーターがなかったとしても、本発明のライト・オフ性能は従来技術に比較して向上する。つまり排気処理装置を、例えばエンジンの全負荷運転における過熱が温度制御デバイスによって防止される様に、エンジンにより近づけて配置することが可能である。排気処理装置を過熱の危険性なしにエンジンに近づけて配置することが可能であるので、冷間始動後のライト・オフ性能が著しく向上する。
【０００９】
本発明の別の実施例においては、ガス流に対する流路抵抗を大きくし、排気温度の低下を大きくする冷却要素を外排気通路に設けても良く、冷却要素の回りには排気が流れ、冷却要素は温度制御デバイスの外壁と熱接触する。冷却要素を、例えば外壁と熱接触するハニカム形状の触媒キャリアー構造や、一つ以上の穴が開いたダイアフラムなどの形態としても良い。冷却要素は第１に確実に熱を除去し、第２に外排気通路における流路抵抗を増大させ、排気フラップ弁が開いた時には排気が主に内排気通路を通って流れる様にする。他方で、内排気通路は、外壁との直接の熱接触はないので、除去される熱量はかなり少ない。加えて、内排気通路における流速の方が速いので、同じ様に排気冷却効果も小さくなる。
【００１０】
温度制御デバイスの外壁における熱は、温度制御デバイスの外側に形成された冷却リブを通って回りの空気へ伝わる。温度制御デバイスは、気流による補助的冷却効果が得られる様に配置されるのが好ましい。排気からの効果的な熱の除去の結果として、本発明の温度制御デバイスは、公知のデバイスよりもかなり小さく出来る。
【００１１】
加えて、ハウジング内の温度制御デバイスを排気処理システムと一体に構成すると好ましい。この様にすると、特にコンパクトなユニットが得られる。
【００１２】
排気フラップが、排気処理装置の近傍において計測された温度に応じてアクチュエーターを介して電子エンジン制御ユニットにより開又は閉位置へと駆動される様にすることも出来る。排気温度が所定の限界値を超えると、排気フラップが閉じて、その様な限界値よりも下がると、フラップは開く。
【００１３】
この様な２段階の制御に代えて、排気フラップの位置の連続制御を行なうことも出来る。
【００１４】
以下に本発明を図面を参照してより詳細に説明する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１に示す様に、内燃機関１０からの排気は、全体として符号１４で示された温度制御デバイスの排気管１２を通される。排気は、別の排気管１６を通って、全体として符号１８によって示された排気処理装置に到達する。排気処理装置は、共通のハウジング内に、窒素酸化物用トラップ２０と主触媒コンバーター２２とを含む。浄化の後で排気は不図示の放出システムへと送られる。温度制御デバイス１４は内排気通路２４と外排気通路２６とを含み、それらは一方が他方の中で同軸状に配置されたほぼ同じ長さの２本のパイプにより実現される。外側のパイプの前方及び後方の端部には、接続用のスタッブ管２８、３０があって、２本の排気通路を再び単一の排気管１２、１４に各々合体させる。
【００１６】
内排気通路の上流領域には、始動用コンバーター３２が配置される。下流領域においては、内排気通路は排気フラップ弁３４により閉じることが出来る。排気フラップ弁３４は電子エンジン制御ユニット３６により例えば負圧アクチュエーターであるアクチュエーターを介して制御される。電子エンジン制御ユニット３６は、他の入力信号とは別に、排気処理装置１８に取り付けられた温度センサー３８からの温度信号を受信する。所定の限界温度が越えられた時には、エンジン制御ユニット３が排気フラップ弁３４を完全に閉じ、温度が所定限界より下がると完全に開くことによって、排気処理装置１８の温度を制御する。狙いの温度範囲はエンジンの運転モードにより変わり、内燃機関のリーン・バーン運転モードにおいては、窒素酸化物用トラップ２０の理想的動作温度範囲がそれであり、理論空燃比又はリッチ空燃比での場合には、三元触媒コンバーター２２の理想動作温度範囲がそれである。特定のエンジン運転条件が得られる場合には、特定の制御手法を用いることも可能である。例えば、ライト・オフ段階において、主コンバーター２２又は窒素酸化物用トラップ２０の迅速なライト・オフを可能とするために、温度センサー３８の計測値とは独立して、排気フラップ弁３４を開いたままとする様にしても良い。
【００１７】
図２には、温度制御デバイスの断面が示されている。外排気通路２６の中には、第１に排気の熱を温度制御デバイス１４の外壁へ導き、第２に内排気通路２４に比較して流路抵抗を増加させる冷却要素としての波形金属シート５０がある。このシート５０も又内パイプを支持する。外壁に届いた熱を取り除くために、冷却リブ５２がその外面に設けられる。図２に示された排気フラップ弁３４は、負圧アクチュエーター５４により、外排気通路を通って延びる軸を用いて、動かされる。
【００１８】
【発明の効果】
排気を冷却することが望ましい場合には、内排気通路を流れる排気流が制御要素により減らされて、より多くの排気が外排気通路を通るようにされ、結果として冷却される。内排気通路に沿っての排気の流れが減らされない場合には、より低い流路抵抗のために、排気が優先的に内排気通路に沿って流れ、そこでの熱損失はより小さい。排気からの効果的な熱の除去の結果として、本発明の温度制御デバイスは、公知のデバイスよりもかなり小さく出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による排気システムの概略図である。
【図２】 図１の線Ａ−Ａに沿う、温度制御デバイスの断面図である。
【符号の説明】
１０ 内燃機関
１４ 温度制御デバイス
１８ 排気処理装置
２４ 内排気通路
２６ 外排気通路
２８ 流入端領域
３０ 流出端領域
３２ 始動用コンバーター
３４ 制御要素（排気フラップ弁）
３６ 電子エンジン制御ユニット
５０ 波形金属シート（排気温度の低下を大きく又ガス流に対する流路抵抗を大きくする手段）
５２ 冷却リブ
５４ アクチュエーター

Claims (8)

  1. 排気処理装置（１８）と、
    該排気処理装置と内燃機関との間の排気通路に配置され、異なった排気熱損失を持つ排気通路に排気を選択的に導く温度制御デバイス（１４）とを有し、
    該温度制御デバイス（１４）が、外排気通路（２６）及び該外排気通路により囲まれた内排気通路（２４）を含み、
    該内及び外排気通路は温度制御デバイスの流入及び流出端領域（２８、３０）において結合し、各々共通排気通路（１２、１６）を形成し、
    上記外排気通路（２６）に、上記内排気通路（２４）に比較して排気温度の低下を大きく又ガス流に対する流路抵抗を大きくする手段（５０）が組み込まれ、
    上記内排気通路（２４）に、そこを通る排気流の選択的制御用の制御要素（３４）が組み込まれ、
    上記制御要素（３４）は、上記排気処理装置（１８）近傍において計測された温度が所定値よりも低いときには上記内排気通路（２４）を遮断せず、所定値よりも高いときには該内排気通路（２４）を遮断する
    内燃機関（１０）の排気システム。
  2. 上記制御要素は上記内排気通路（２４）の流出端領域に位置する排気フラップ弁（３４）の形態であることを特徴とする請求項１に記載の排気システム。
  3. 上記内排気通路（２４）に始動用コンバーター（３２）が配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気システム。
  4. 上記外排気通路には、その回りを排気が流れるように設けられて、ガス流に対する流路抵抗を大きくするとともに、上記温度制御デバイスの外壁と熱接触していて、排気温度の低下を大きくする冷却要素（５０）が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の排気システム。
  5. 上記温度制御デバイスの外側には冷却リブ（５２）が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の排気システム。
  6. 上記温度制御デバイス（１４）がハウジング内で上記排気処理装置（１８）と一体に配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の排気システム。
  7. 記排気フラップ弁（３４）はアクチュエーター（５４）を介して上記排気処理装置近傍において計測された温度に応じて電子エンジン制御ユニット（３６）により開又は閉位置へと動かされることを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載の排気システム。
  8. 上記排気フラップ弁（３４）はアクチュエーター（５４）を介して上記排気処理装置近傍において計測された温度に応じて電子エンジン制御ユニット（３６）により開位置と閉位置との間で連続的に動かされることを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載の排気システム。
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