JP6024694B2 - 過給機を備えた内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Description

本発明は、過給機を備えた内燃機関の排気浄化システムに関する。

特許文献１にターボチャージャ（過給機）を備えたディーゼルエンジン（内燃機関）の排気ガス浄化装置（以下「従来装置」）が記載されている。従来装置はパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を有する。このＤＰＦは、多孔質壁により画成された多数の通路を有するハニカム構造体により構成されている。排気がＤＰＦの通路又は多孔質壁の細孔を流れる間に、排気中のパティキュレートが多孔質壁の表面及び多孔質壁の細孔壁面上に捕集される。

特許文献１に記載のディーゼルエンジンにおいては、ターボチャージャのタービン羽根（タービンホイール）から流出した直後の排気の流れが乱流となる。そこで、従来装置においては、タービン羽根の直ぐ下流にＤＰＦが配置されている。これにより、排気がＤＰＦに均一に流入し、ＤＰＦにより排気中のパティキュレートを効率良く捕集することができる。

特開２００５−６９０８３号公報

従来装置のＤＰＦにおいて、流路全面に多孔質壁を設け、その多孔質壁の数を増やしたり、多孔質壁の細孔の径を小さくしたりすることにより、ＤＰＦによるパティキュレートの捕集率が高くなる。しかしながら、この場合、ＤＰＦにおける単位体積当たりの多孔質壁の密度が高くなるので、ＤＰＦの流路抵抗が大きくなってしまう。

このことは、排気を浄化するための排気浄化触媒であって、触媒金属を担持壁に担持させることにより構成された排気浄化触媒にも当てはまる。即ち、この排気浄化触媒において、流路全面に担持壁を設け、その担持壁の数を増やすことにより担持壁の総表面積を大きくし、より多くの触媒金属を担持壁に担持させることにより、排気浄化触媒による排気の浄化効率が高くなる。しかしながら、この場合、排気浄化触媒における単位体積当たりの担持壁の密度が高くなるので、排気浄化触媒の流路抵抗が大きくなってしまう。

このように、ＤＰＦ及び排気浄化触媒等の排気浄化装置において、流路全面に設けたＤＰＦにおける多孔質壁及び排気浄化触媒における担持壁等の「排気浄化部材」の密度を高くすれば、排気浄化装置による排気浄化の効率が高くなるが、排気浄化装置の流路抵抗が大きくなってしまう。

上記事情に鑑み、本発明の目的は、排気浄化装置が配置された領域における排気通路部の流路抵抗を過度に増大させることなく、排気浄化装置により排気を効率的に浄化することができる内燃機関の排気浄化システムを提供することにある。

本発明の排気浄化システムは、タービンホイールと同タービンホイールを収容するハウジングとを含む過給機を備えた内燃機関に適用される。前記ハウジングは、前記タービンホイールの排気吐出部に連接されたタービン出口通路を形成しており、同タービン出口通路の排気出口に排気通路部が連接されている。

更に、本発明において、排気を浄化するための排気浄化装置が前記タービン出口通路の排気出口近傍の「前記排気通路部の部分又は前記タービン出口通路」に配置されている。排気浄化装置は、例えば、「排気浄化触媒」又は「ＤＰＦ」である。

タービンホイールの排気吐出部から排出される排気は、タービンホイールの回転軸線を中心として旋回しながらタービン出口通路を流れる。特に、タービンホイールを通過する排気の流量が少ないときには、排気は旋回しながらタービン出口通路を流れる傾向が強くなる。従って、排気の流速は、タービン出口通路の中央部よりも周部において大きいので、排気の多くは、タービン出口通路の周部を流れる。その結果、排気の多くは、タービン出口通路の排気出口から排気通路部の周部に流入する。特に、タービンホイールに流入する排気の流速を調整するノズルベーンを過給機が備えている場合、ノズルベーンによりタービンホイールに流入する排気の流速が増速されるほど、排気通路部の周部を流れる排気の流量は多くなる。

このため、排気浄化装置がタービン出口通路近傍の「排気通路部又はタービン出口通路」に配置されている場合、多くの排気が、排気浄化装置の周部に同周部の上流側端部から流入する。従って、排気浄化装置が配置された領域における「排気通路部又はタービン出口通路」の流路抵抗を過剰に増大させずに、排気浄化装置により排気を効率良く浄化させるためには、排気浄化装置において排気の浄化に関与する部材（排気浄化部材）を排気浄化装置の周部において密にすればよい。排気浄化部材は、例えば、「排気浄化触媒において触媒金属を担持する担持壁」又は「ＤＰＦにおける多孔質壁」である。

従って、本発明において、前記排気浄化装置において排気の浄化に関与する排気浄化部材は、「前記排気通路部又は前記タービン出口通路」の中央部よりも周部においてより密となり且つ排気流動方向における前記排気浄化部材の単位体積当たりの流路抵抗が前記周部よりも前記中央部においてより小さいように前記排気浄化装置に配設されている。

この結果、本発明によれば、排気浄化装置が配置された領域における「排気通路部又はタービン出口通路」の流路抵抗を過剰に増大させることなく、排気浄化装置により排気を効率良く浄化することができる。

更に、本発明において、排気浄化装置の排気浄化能力は、排気浄化装置の中央部よりも周部において高い。このため、より効率良く排気を浄化するためには、排気浄化装置の周部に同周部の上流側端部から流入した排気が排気浄化装置の全長に亘りその周部を通過することが好ましい。

従って、前記排気通路部は、前記排気浄化装置の下流側端部の近傍部分から排気流動方向下流側に向かうにつれて当該排気通路部の通路断面積が大きくなるように外方に広がる形状を有するように構成されていることが好ましい。「排気浄化装置の下流側端部の近傍部分」には、排気浄化装置の下流側端部よりも「上流の部分及び下流の部分」が含まれるだけでなく、排気浄化装置の下流側端部自体も含まれる。

これによれば、排気浄化装置の周部を流れる排気は、その周部の下流側端部から外方に広がるように流出するので、「排気通路部が排気流動方向下流側において排気浄化装置の下流側端部の近傍部分から狭まる形状を有する場合」又は「排気通路部が排気流動方向において排気浄化装置の下流側端部から一定の形状を有する場合」に比べて、排気浄化装置の周部に同周部の上流側端部から流入した排気は、排気浄化装置の周部の全長に亘り同排気浄化装置を通過し易い。即ち、より多くの排気がより密な排気浄化部材の全体に亘り同周部を通過し易い。従って、排気浄化装置において、より効率良く排気が浄化される。

更に、より効率良く排気を浄化するためには、排気浄化装置の周部に同周部の上流側端部から流入する排気の量が多いこと、或いは、排気が同周部の一部に偏って流入しない（偏流していない）ことが好ましい。従って、前記排気浄化装置よりも上流側の「前記タービン出口通路の部分又は前記排気通路部の部分」は、前記タービンホイールの回転軸線と同軸的に真っ直ぐに延在していることが好ましい。

これによれば、排気浄化装置よりも上流側の「タービン出口通路の部分又は排気通路部の部分」が屈曲している場合に比べて、タービンホイールの排気吐出部から排出された排気の旋回力の低下が小さいので、排気浄化装置の周部に同周部の上流側端部から流入する排気の量が多い。従って、排気浄化装置において、より効率良く排気が浄化される。

更に、前記排気浄化装置は、排気流動方向に延在する担持壁の互いに対向する２つの壁面であって、前記排気通路部を画成する内周壁面側の壁面と、前記排気通路部の中央部側の壁面との２つの壁面に触媒金属を担持した触媒装置であり、前記担持壁が前記排気通路部の部分又は前記タービン出口通路の周部のみに配設された中空形状を有していてもよい。

これによれば、多くの排気が触媒装置の内部を流れるだけでなく、排気通路部の中央部側の触媒装置の壁面（触媒装置の中空を形成している壁面）に沿っても流れるので、排気と触媒金属との実質的な接触が増える。従って、触媒装置において、より効率良く排気が浄化される。

図１は本発明の実施形態（本実施形態）の排気浄化システムが適用された内燃機関を示す図である。 図２は本実施形態の排気浄化システムのサブ触媒及び内燃機関の過給機を示す図である。 図３（Ａ）は本実施形態のサブ触媒及びその周辺の縦断面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った横断面図である。 図４は本実施形態のサブ触媒の具体例を示す図３（Ｂ）と同様の図である。 図５（Ａ）は本実施形態のサブ触媒の別の具体例を示す図３（Ｂ）と同様の図であり、図５（Ｂ）は本実施形態のサブ触媒の更に別の具体例を示す図３（Ｂ）と同様の図であり、図５（Ｃ）は本実施形態のサブ触媒の更に別の具体例を示す図３（Ｂ）と同様の図である。 図６（Ａ）は本実施形態のメイン触媒及びその周辺の縦断面図であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った横断面図である。 図７は本実施形態のメイン触媒の具体例を示す図６（Ｂ）と同様の図である。 図８（Ａ）は本実施形態のサブ触媒の変形例の１つ及びその周辺を示す縦断面図であり、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った横断面図である。 図９（Ａ）は本実施形態のサブ触媒の別の変形例及びその周辺を示す縦断面図であり、図９（Ｂ）は図９（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った横断面図である。 図１０（Ａ）は本実施形態のサブ触媒の更に別の変形例及びその周辺を示す縦断面図であり、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った横断面図である。 図１１（Ａ）は本実施形態のサブ触媒の更に別の変形例及びその周辺を示す縦断面図であり、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った横断面図である。 図１２（Ａ）は本実施形態のサブ触媒の更に別の変形例及びその周辺を示す縦断面図であり、図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った横断面図である。 図１３（Ａ）は本実施形態のサブ触媒の更に別の変形例及びその周辺を示す縦断面図であり、図１３（Ｂ）は図１３（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った横断面図である。 図１４は本実施形態の排気浄化システムの変形例の１つを示す図２と同様の図である。 図１５は本実施形態の排気浄化システムの別の変更例を示す図２と同様の図である。 図１６（Ａ）は本実施形態のサブ触媒を流れる排気の流れを示す図３（Ａ）と同じ図であり、図１６（Ｂ）は本実施形態のサブ触媒と比較される酸化触媒及びその周辺の縦断面図である。 図１７は本実施形態の排気浄化システムの更に別の変形例を示す図３（Ａ）と同様の図である。 図１８は本実施形態の排気浄化システムの更に別の変形例を示す図３（Ａ）と同様の図である。 図１９は本実施形態の排気浄化システムの更に別の変形例を示す図３（Ａ）と図である。 図２０は本実施形態の排気浄化システムの更に別の変形例を示す図３（Ａ）と同様の図である。 図２１は本実施形態の排気浄化システムの更に別の変形例を示す図２と同様の図である。 図２２は本実施形態の排気浄化システムの更に別の変形例を示す図２と同様の図である。

本発明の内燃機関の排気浄化システムの実施形態について説明する。図１に示したように、本実施形態の排気浄化システムが適用される内燃機関は、ディーゼルエンジンであり、機関本体１０と、吸気系２０と、排気系３０、過給機４０と、を有する。機関本体１０のシリンダブロック１１には、シリンダボア１２が形成されている。シリンダボア１２内には、ピストン１３が配置されている。このピストン１３の冠面と機関本体１０のシリンダヘッド１４の下壁面とシリンダボア１２の内周壁面とにより燃焼室１５が形成されている。シリンダヘッド１４には、燃焼室１５に燃料を直接噴射する燃料噴射弁１６が配設されている。更に、シリンダヘッド１４には、吸気ポート２１及び排気ポート３１が形成されている。加えて、シリンダヘッド１４には、吸気弁２２及び排気弁３２が配設されている。

吸気ポート２１には、吸気系２０が接続されている。吸気系２０には、吸気流動方向（吸気系２０における空気の流れの方向）とは逆の方向（上流に向かう方向）において順に、燃焼室１５に吸入される空気（吸気）の量を調節するためのスロットル弁２３、吸気を冷却するためのインタークーラ２４、吸気を圧縮するための過給機４０のコンプレッサ部４１、及び、吸気の量を検出するためのエアフローメータ２５が配置されている。

吸気系２０は、吸気通路部（吸気管）２６〜２８を有する。吸気通路部２６は、吸気ポート２１の吸気入口とインタークーラ２４の吸気出口とを互いに接続している。スロットル弁２３は、この吸気通路部２６に配置されている。吸気通路部２７は、インタークーラ２４の吸気入口とコンプレッサ部４１の吸気出口とを互いに接続している。吸気通路部２８は、その一端においてコンプレッサ部４１の吸気入口に連接されており、その他端において外気に開放されている。エアフローメータ２５は、この吸気通路部２８に配置されている。

排気ポート３１には、排気系３０が接続されている。排気系３０には、排気流動方向（排気系３０における排気の流れの方向）ＥＸにおいて順に、過給機４０のタービン部４２、排気中の「ＨＣ（炭化水素）並びにＣＯ（一酸化炭素）を部分的に浄化するための酸化触媒（以下「サブ触媒」）５０、及び、排気中の残りのＨＣ並びにＣＯを浄化するための酸化触媒（以下「メイン触媒」）６０が配置されている。

排気系３０は、排気通路部３３及び３４（排気管３３Ａ及び３４Ａ）を有する。排気通路部３３は、排気ポート３１の排気出口とタービン部４２の排気入口とを互いに接続している。排気通路部３４は、その一端においてタービン部４２の排気出口に連接されており、その他端において外気に開放されている。この排気通路部３４は、排気流動方向ＥＸにおいて順に、直線的に延びる直線部分（上流側直線部）３４Ｕと、屈曲した部分（屈曲部）３４Ｂと、直線的に延びる直線部分（下流側直線部）３４Ｄと、を有する。サブ触媒５０は上流側直線部３４Ｕに配置されており、メイン触媒６０は下流側直線部３４Ｄに配置されている。

過給機４０は「可変容量式過給機」又は「可変ノズル式過給機」である。図２に示したように、過給機のタービン部４２は、タービンホイール４５を収容するハウジング４２Ｈを有する。ハウジング４２Ｈの内部には、スクロール通路４３と、タービン出口通路４４と、が形成されている。スクロール通路４３とタービン出口通路４４との間にタービンホイール４５が配置されている。従って、タービン出口通路４４は、タービンホイール４５の排気吐出部４９に連接されている。更に、タービン出口通路４４は、タービンホイール４５の回転軸線ＲＡに沿って同軸的に真っ直ぐに延在している。加えて、排気通路部３４の上流側直線部３４Ｕも、タービンホイール４５の回転軸線ＲＡに沿って同軸的に真っ直ぐに延在している。

タービンホイール４５周りには、同タービンホイール４５のタービン羽根４６間に流入する排気の流速を調節するためのノズルベーン４７が等角度間隔で複数個配置されている。

排気通路部３３からタービン部４２の排気入口を介してスクロール通路４３に流入した排気は、ノズルベーン４７間の通路（ノズル）を通り、タービンホイール４５のタービン羽根４６間の空間に流入する。タービン羽根４６間の空間に流入した排気のエネルギによりタービンホイール４５が回転せしめられる。これにより、図１に示したように、シャフト４８によりタービンホイール４５に連結されているコンプレッサ部４１のインペラ（図示せず）が回転せしめられる。このインペラの回転により吸気が圧縮される。

タービン羽根４６間の空間からタービンホイール４５の排気吐出部４９を介して流出する排気は、図２及び図３に矢印１００で示したように、タービンホイール４５の回転軸線ＲＡを中心に旋回しながら、タービン出口通路４４を下流へと流れ、タービン出口通路４４の排気出口４４Ｏから排気通路部３４に排出される。

サブ触媒５０は、図２及び図３に示したように、タービン出口通路４４に隣接する排気通路部３４（より具体的には、上流側直線部３４Ｕ）の部分に配置されている。図３に示したように、サブ触媒５０は、排気通路部３４の中央部３４Ｃには配設されておらず、排気通路部３４の周部３４Ｐにのみ配設されている。本実施形態において、排気通路部３４の中央部３４Ｃは、図３（Ｂ）に示した排気通路部３４の横断面の中央領域を排気流動方向（排気系３０を排気が流れる方向）ＥＸに延在させた部分（空間）である。排気通路部３４の周部３４Ｐは、図３（Ｂ）に示した排気通路部３４の横断面の中央領域の外側の領域を排気流動方向ＥＸに延在させた部分（空間）である。

サブ触媒５０は、同触媒５０が排気通路部３４に配置された状態においてその外形形状が排気流動方向ＥＸにおいて一定である形状（即ち、一定の肉厚を有する円筒形状）を有する。前記外形形状は、図３（Ｂ）に示したサブ触媒５０の横断面においてその最も外側の部分の外壁面の形状である。

サブ触媒５０は、より具体的には、図４に示したように、担持壁５１に触媒金属５２を担持させることにより構成されている。担持壁５１は、図４に示したサブ触媒５０の横断面において周方向に沿って波状の形状を有し、その両壁面（「排気通路部３４を画成する排気管３４Ａの内壁面側の担持壁５１の壁面５１Ａ」及び「排気通路部３４の中央部３４Ｃ側の担持壁５１の壁面５１Ｂ」）に触媒金属５２が担持されている。

尚、サブ触媒５０は、図５（Ａ）に示したように構成されていてもよい。このサブ触媒５０は、複数の平坦な隔壁（触媒金属を担持する担持壁）５３により画成された通路５４を複数個備えたハニカム構造体を有し、担持壁５３に触媒金属（図示せず）を担持させることにより構成されている。担持壁５３は、排気通路部３４の中央部３４Ｃには配設されておらず、排気通路部３４の周部３４Ｐにのみ配設されている。

或いは、サブ触媒５０は、図５（Ｂ）に示したように構成されていてもよい。このサブ触媒５０は、図５（Ａ）に示したサブ触媒５０と同様に、ハニカム構造体を有し、担持壁５３に触媒金属（図示せず）を担持させることにより構成されているが、図５（Ａ）に示したサブ触媒５０とは異なり、排気通路部３４の周部３４Ｐだけでなく、排気通路部３４の中央部３４Ｃにも担持壁５３が配設されている。

但し、本例においては、排気通路部３４の周部３４Ｐに配設された担持壁５３の単位体積当たりの密度（断面における単位面積あたりの密度）は、排気通路部３４の中央部３４Ｃに配設された担持壁５３の単位体積当たりの密度（断面における単位面積あたりの密度）よりも大きい。

つまり、担持壁５３は、排気通路部３４の中央部３４Ｃよりも周部３４Ｐにおいてより密となり且つ排気流動方向における担持壁の単位体積当たりの流路抵抗が排気通路部３４の周部３４Ｐよりも中央部３４Ｃにおいてより小さいようにサブ触媒５０に配設されている。

尚、図４及び図５（Ａ）に示した例においても、実質的に、担持壁５３は、排気通路部３４の中央部３４Ｃよりも周部３４Ｐにおいてより密となり且つ排気流動方向における担持壁の単位体積当たりの流路抵抗が排気通路部３４の周部３４Ｐよりも中央部３４Ｃにおいてより小さいようにサブ触媒５０に配設されている。

更に、サブ触媒５０は、図５（Ｃ）に示したように構成されてもよい。このサブ触媒５０は、その中心軸線に関して放射状にそれぞれ延在する担持壁５３Ｒと、同中心軸線を中心として周方向にそれぞれ延在する担持壁５３Ｃと、により画成された通路５４を複数個備え、担持壁５３Ｒ及び５３Ｃに触媒金属（図示せず）を担持させることにより構成されている。担持壁５３Ｒ及び５３Ｃは、排気通路部３４の中央部３４Ｃには配設されておらず、排気通路部３４の周部３４Ｐにのみ配設されている。

メイン触媒６０は、図６に示したように、排気通路部３４（より具体的には、下流側直線部３４Ｄ）の中央部３４Ｃにも周部３４Ｐにも配設されている。メイン触媒６０は、同触媒６０が排気通路部３４に配置された状態においてその外形形状が排気流動方向ＥＸにおいて一定である形状（即ち、中実円筒形状）を有する。前記外形形状は、図６（Ｂ）に示したメイン触媒６０の横断面においてその最も外側の部分の外壁面の形状である。

メイン触媒６０は、例えば、図７に示したように、複数の平坦な隔壁（触媒金属を担持する担持壁）６１により画成された通路６２を複数個備えたハニカム構造体を有し、担持壁６１に触媒金属（図示せず）を担持させることにより構成されている。担持壁６１は、排気通路部３４の中央部３４Ｃにも周部３４Ｐにも配設されている。本例においては、排気通路部３４に配設されたメイン触媒６０の担持壁６１の単位体積当たりの密度は、メイン触媒６０の全域において一定（又は略一定）である。

次に、本実施形態の排気浄化システムの作用について述べる。タービンホイール４５の排気吐出部４９から流出する排気は、図２及び図３に矢印１００で示したように、タービンホイール４５の回転の影響によりタービンホイール４５の回転軸線ＲＡを中心としてタービン出口通路４４を旋回しながら流れる。このため、図３に示したように、タービン出口通路４４において、その周部４４Ｐの排気の流速は、その中央部４４Ｃの排気の流速よりも高い。従って、排気の多くは、タービン出口通路４４の周部４４Ｐを流れるので、タービン出口通路４４の排気出口４４Ｏから排気通路部３４に排出される排気の多くは、排気通路部３４の周部３４Ｐに流入する。つまり、排気の多くは、サブ触媒５０の上流側端部５０ＵＥから同触媒５０に流入する。

尚、タービン出口通路４４の中央部４４Ｃは、同通路４４の横断面の中央領域を排気流動方向（排気系３０を排気が流れる方向）ＥＸに延在させた部分（空間）である。タービン出口通路４４の周部４４Ｐは、同通路４４の横断面の中央領域の外側の領域を排気流動方向ＥＸに延在させた部分（空間）である。

本実施形態においては、サブ触媒５０は、タービン出口通路４４に隣接した排気通路部３４の部分の周部３４Ｐにのみ配設されており、排気通路部３４の中央部３４Ｃにはサブ触媒５０が配設されていない。従って、サブ触媒５０が排気通路部３４に配置されることによる「同触媒５０が配置された領域における排気通路部３４の流路抵抗」の増大が小さい。

一方、サブ触媒５０は、排気通路部３４の周部３４Ｐにのみ配設されており、その中央部３４Ｃには配設されていないが、上述したように、タービン出口通路４４から排出された排気の多くがサブ触媒５０の上流側端部５０ＵＥから同触媒５０に流入する。サブ触媒５０に流入した排気は、図３に矢印１０１で示したように、サブ触媒５０の内部を流れると共に、排気通路部３４の中央部３４Ｃ側のサブ触媒５０の壁面５０Ｉに沿って旋回しながら流れる。

このように、多くの排気がサブ触媒５０に同触媒５０の上流側端部５０ＵＥから流入するので、排気通路部３４の中央部３４Ｃにサブ触媒５０が配設されていないことに起因する排気浄化率の低下は小さい。つまり、サブ触媒５０により効率良く排気が浄化される。

その結果、本実施形態によれば、サブ触媒５０を排気通路部３４に配置したことにより「同触媒５０が配置された領域の排気通路部３４の流路抵抗」を過剰に増大させることなく、サブ触媒５０により排気を効率良く浄化することができる。

加えて、本実施形態によれば、上述したように、サブ触媒５０をタービン部４２に近接して配置したとしても、流路抵抗を過剰に増大させることなく、排気を効率良く浄化することができるので、タービン部４２に近接してサブ触媒５０を配置することができる。このため、機関始動時（機関１０の運転を始動させたとき）において、サブ触媒５０により排気を効率良く浄化することができる。

更に、「サブ触媒５０が配置された領域の排気通路部３４の流路抵抗を過剰に増大させることなく、サブ触媒５０により排気を効率良く浄化する」という観点において、本実施形態のサブ触媒５０は、排気通路部３４の中央部３４Ｃにも周部３４Ｐと同様に触媒金属を担持した担持壁が配設されている酸化触媒（以下「比較例の酸化触媒」）に比べても有利である。

即ち、排気の多くは排気通路部の周部に流入することから、比較例の酸化触媒において、本実施形態のサブ触媒５０と同等に排気を効率良く浄化するためには、排気通路部の周部に配設される比較例の酸化触媒の担持壁の単位体積当たりの密度を、本実施形態の担持壁の単位体積当たりの密度と同程度の密度にする必要がある。しかしながら、この場合、比較例の酸化触媒においては、排気通路部の中央部に配設される担持壁の単位体積当たりの密度も、本実施形態の担持壁の単位体積当たりの密度と同程度の密度になる。このため、比較例の酸化触媒が配置された領域の排気通路部３４の流路抵抗が本実施形態における流路抵抗よりも大きくなってしまう。

逆に、比較例の酸化触媒における前記流路抵抗を本実施形態における流路抵抗と同程度の流路抵抗にするためには、比較例の酸化触媒の担持壁の単位体積当たりの密度を、本実施形態の担持壁の単位体積当たりの密度よりも小さくする必要がある。しかしながら、この場合、排気通路部の周部に配設される比較例の酸化触媒の担持壁の単位体積当たりの密度が本実施形態の担持壁の単位体積当たりの密度よりも小さくなる。このため、比較例の酸化触媒により排気を効率良く浄化することができなくなる可能性がある。

こうした理由から、「サブ触媒５０が配置された領域の排気通路部３４の流路抵抗を過剰に増大させることなく、サブ触媒５０により排気を効率良く浄化する」という観点において、本実施形態のサブ触媒５０は、比較例の酸化触媒に比べて有利である。勿論、このことは、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示した例にも同様に当てはまる。

更に、本実施形態によれば、多くの排気がサブ触媒５０の内部を流れるだけでなく、サブ触媒５０の壁面５０Ｉに沿っても流れるので、排気と触媒金属５２との実質的な接触が増える。従って、サブ触媒５０により排気をより効率良く浄化することができる。

更に、本実施形態においては、タービン出口通路４４は、図２に示したように、排気吐出口４９から排気出口４４Ｏまで、タービンホイール４５の回転軸線ＲＡと同軸的に真っ直ぐに形成されている。従って、タービン出口通路４４を流れる排気の旋回力の低下が小さく、多くの排気がサブ触媒５０に同触媒５０の上流側端部５０ＵＥから確実に流入する。このため、排気がより効率良くサブ触媒５０により浄化される。

上記実施形態において、サブ触媒５０は、その外形形状が排気流動方向ＥＸにおいて一定の形状であり且つその径方向に沿った厚み（図３に示した厚みＷ）が一定である構成を有しているが、図８〜図１３に示した構成を有する酸化触媒であってもよい。ここで、前記外形形状は、図３（Ｂ）に示したサブ触媒５０の横断面においてその最も外側の部分の外壁面の形状であり、前記径方向に沿った厚みは、サブ触媒５０が排気通路部３４に配置された状態において排気通路部３４の中心軸線を中心として径方向に沿ったサブ触媒５０の長さ（幅、即ち、サブ触媒５０の肉厚に相当）である。

図８に示したサブ触媒５０は、上記実施形態と同様に、タービン出口通路４４近傍の排気通路部３４の周部３４Ｐに配設されており、サブ触媒５０が排気通路部３４に配置された状態においてその外形形状が排気流動方向ＥＸにおいて一定の形状であるが、その径方向に沿った厚み（以下単に「厚み」）Ｗが排気流動方向ＥＸにおいて下流側に向かうにつれて徐々に薄くなる構成を有している。

図９に示したサブ触媒５０は、上記実施形態と同様に、タービン出口通路４４近傍の排気通路部３４の周部３４Ｐに配設されており、サブ触媒５０が排気通路部３４に配置された状態においてその外形形状が排気流動方向ＥＸにおいて一定の形状であるが、その厚みＷが排気流動方向ＥＸにおいて下流側に向かうにつれて徐々に厚くなる構成を有している。

図１０に示したサブ触媒５０は、上記実施形態と同様に、タービン出口通路４４近傍の排気通路部３４の周部３４Ｐに配設されており、サブ触媒５０が排気通路部３４に配置された状態においてその外形形状が排気流動方向ＥＸにおいて下流側に向かうにつれて広がる形状であるが、その厚みＷが排気流動方向ＥＸにおいて一定である構成を有している。

図１１に示したサブ触媒５０は、上記実施形態と同様に、タービン出口通路４４近傍の排気通路部３４の周部３４Ｐに配設されており、サブ触媒５０が排気通路部３４に配置された状態においてその外形形状が排気流動方向ＥＸにおいて下流側に向かうにつれて狭まる形状であるが、その厚みＷが排気流動方向ＥＸにおいて一定である構成を有している。

図１２に示したサブ触媒５０は、上記実施形態と同様に、タービン出口通路４４近傍の排気通路部３４の周部３４Ｐに配設されているが、「サブ触媒５０が排気通路部３４に配置された状態においてその外形形状が排気流動方向ＥＸにおいて一定であり且つその厚みが排気流動方向ＥＸにおいて一定である４つのサブ触媒部分５０Ａ〜５０Ｄ」から構成されている。

これらサブ触媒部分５０Ａ〜５０Ｄは、図１２（Ｂ）に示した排気通路部３４の横断面において等角度間隔で排気通路部３４の周部３４Ｐに配設されている。つまり、上記実施形態のサブ触媒５０は、排気通路部３４の横断面においてその周部３４Ｐの全周に亘って配設されているのに対し、図１２に示したサブ触媒５０は、排気通路部３４の横断面においてその周部３４Ｐの全周の一部にのみ配設されている。

更に、図１３に示したサブ触媒５０は、上記実施形態と同様に、タービン出口通路４４近傍の排気通路部３４の周部３４Ｐに配設されており、サブ触媒５０が排気通路部３４に配置された状態においてその外形形状が排気流動方向ＥＸにおいて一定であり且つその厚みＷが排気流動方向ＥＸにおいて一定であるが、その厚みＷがサブ触媒５０の周方向において変化する構成を有している。つまり、図１３に示したサブ触媒５０は、その中心軸線が排気通路部３４の中心軸線からずれた状態で排気通路部３４に配置されている。

更に、上記実施形態において、サブ触媒５０は、図１４に示したように、同触媒５０の上流側部分がタービン出口通路４４に位置し且つ同触媒５０の下流側部分が排気通路部３４に位置するように配設されてもよい。勿論、可能であれば、上記実施形態において、サブ触媒５０全体をタービン出口通路４４に配設してもよい。

更に、上記実施形態において、サブ触媒５０は、図１５に示したように、タービン出口通路４４の排気出口４４Ｏよりも所定距離だけ排気流動方向下流に離れた排気通路部３４の部分に配設されてもよい。

ところで、図１６（Ｂ）に示したように、排気通路部３４がサブ触媒５０の下流側端部５０ＤＥから排気流動方向ＥＸにおいて下流側に向かうにつれて徐々に狭まる場合、サブ触媒５０の上流側端部５０ＵＥから同触媒５０に流入してサブ触媒５０の壁面５０Ｉに沿って流れる排気（排気通路部３４の周部３４Ｐを流れる排気）がサブ触媒５０の下流側端部５０ＤＥから流出しづらく、更には、サブ触媒５０が配置された領域における排気通路部３４の中央部３４Ｃの流路抵抗がその周部３４Ｐの流路抵抗よりも低い。このため、同触媒５０の壁面５０Ｉに沿って流れる排気は、矢印１０４で示したように、排気通路部３４の中央部３４Ｃに向けてサブ触媒５０の壁面５０Ｉから剥離しやすい。

勿論、サブ触媒５０の担持壁が多孔質壁により形成されている場合には、サブ触媒５０の内部を流れる排気が多孔質壁の細孔を通って排気通路部３４の中央部３４Ｃに流出しやすい。

一方、上記実施形態において、排気通路部３４は、図１６（Ａ）に示したように、サブ触媒５０の下流側端部５０ＤＥから排気流動方向ＥＸにおいて一定の形状を有する。このため、サブ触媒５０の壁面５０Ｉに沿って流れる排気は、サブ触媒５０の下流側端部５０ＤＥから流出しやすく、従って、同排気はサブ触媒５０の壁面５０Ｉから剥離しづらい。このため、サブ触媒５０の壁面５０Ｉに沿って流れる排気は、矢印１０３で示したように、サブ触媒５０の全長に亘り同触媒５０の壁面５０Ｉに沿って流れ、サブ触媒５０の下流側端部５０ＤＥから流出する。従って、排気浄化のためにサブ触媒５０を有効に利用することができる。

勿論、サブ触媒５０の担持壁が多孔質壁により形成されている場合であっても、サブ触媒５０の内部を流れる排気は、多孔質壁の細孔を通って排気通路部３４の中央部３４Ｃに流出しづらい。このため、サブ触媒５０の内部を流れる排気は、サブ触媒５０の全長に亘り同触媒５０を流れ、サブ触媒５０の下流側端部５０Ｄから流出する。従って、排気浄化のためにサブ触媒５０を有効に利用することができる。

更に、このように排気浄化のためにサブ触媒５０を有効に利用するという観点から、上記実施形態において、サブ触媒５０下流の排気通路部３４の構成として、図１７〜図２０に示した構成の何れかが採用されてもよい。

図１７に示した構成においては、排気通路部３４は「サブ触媒５０の下流側端部５０ＤＥ」から排気流動方向ＥＸにおいて下流側に向かうにつれて徐々に広がる形状を有している。図１８に示した構成においては、排気通路部３４は「サブ触媒５０の下流側端部５０ＤＥよりも下流の部分」から排気流動方向ＥＸにおいて下流側に向かうにつれて徐々に広がる形状を有している。図１９に示した構成においては、排気通路部３４は「サブ触媒５０の下流側端部５０ＤＥよりも上流の部分」から排気流動方向ＥＸにおいて下流側に向かうにつれて徐々に広がる形状を有している。

図２０に示した構成においては、排気通路部３４は「サブ触媒５０の下流側端部５０ＤＥ」からステップ状に広がる形状を有している。図示していないが、図１８に示した例と同様に、「サブ触媒５０の下流側端部５０ＤＥよりも下流の部分」からステップ状に広がる形状を有する排気通路部が採用されてもよいし、図１９に示した例と同様に、「サブ触媒５０の下流側端部５０ＤＥよりも上流の部分」からステップ状に広がる形状を有する排気通路部が採用されてもよい。

このように、上記実施形態において、「サブ触媒５０の下流側端部５０ＤＥの近傍部分」から「排気流動方向ＥＸにおいて下流側に向かうにつれて徐々に又はステップ状に」広がる形状を有する排気通路部を採用することができる。より広くは、「サブ触媒５０の下流側端部５０ＤＥの近傍部分」から排気流動方向下流側において広がる形状を有する排気通路部を採用することができる。

この場合、「サブ触媒５０の下流側端部５０ＤＥの近傍部分」には、「サブ触媒５０の下流側端部５０ＤＥよりも下流の部分及び上流の部分」に加えて、「サブ触媒５０の下流側端部５０ＤＥ自体」も含まれる。更に、「排気流動方向下流側において広がる形状」には、上述した「排気流動方向ＥＸにおいて下流側に向かうにつれて徐々に或いはステップ状に広がる形状」に加えて、「排気流動方向ＥＸにおいて下流側に向かうにつれて階段状に広がる形状」等の種々の形状が含まれる。

上述したように、サブ触媒５０が配置された領域における排気通路部３４の中央部３４Ｃの流路抵抗はその周部３４Ｐの流路抵抗よりも低いので、サブ触媒５０の壁面５０Ｉに沿って流れる排気は、排気通路部３４の中央部３４Ｃに向けて壁面５０Ｉから剥離しやすい。一方、排気通路部３４が「サブ触媒５０の下流側端部５０ＤＥの近傍部分」から排気流動方向下流側において広がる形状を有する場合、サブ触媒５０の下流側端部５０ＤＥから排気が流出しやすい。このため、サブ触媒５０の壁面５０Ｉに沿って流れる排気は、排気通路部３４の中央部３４Ｃに向けて壁面５０Ｉから剥離せずに、サブ触媒５０の全長に亘り同触媒５０の壁面５０Ｉに沿って可能性が高い。従って、排気浄化のためにサブ触媒５０をより有効に利用することができる。

更に、上記実施形態において、タービン出口通路４４とサブ触媒５０との間の排気通路部３４の構成として、図２１に示した構成が採用されてもよい。図２１に示した構成においては、タービン出口通路４４とサブ触媒５０との間の排気通路部３４は、タービン出口通路４４の出口端部４４Ｏからサブ触媒５０の上流側端部５０ＵＥまで排気流動方向ＥＸにおいて下流側に向かうにつれて徐々に広がる形状を有している。図示していないが、「タービン出口通路４４の出口端部４４Ｏよりも下流であってサブ触媒５０よりも上流の排気通路部３４の部分」からサブ触媒５０の上流側端部５０ＵＥまで排気流動方向ＥＸにおいて下流側に向かうにつれて徐々に広がる形状を有する排気通路部が採用されてもよい。加えて、「タービン出口通路４４の出口端部４４Ｏ」又は「タービン出口通路４４の出口端部４４Ｏよりも下流であってサブ触媒５０よりも上流の排気通路部３４の部分」からステップ状に広がる形状を有する排気通路部が採用されてもよい。

このように、上記実施形態において、「タービン出口通路４４の出口端部４４Ｏの近傍部分」から「排気流動方向ＥＸにおいて下流側に向かうにつれて徐々に又はステップ状に」広がる形状を有する排気通路部を採用することができる。より広くは、「タービン出口通路４４の出口端部４４Ｏの近傍部分」から排気流動方向下流側において広がる形状を有する排気通路部を採用することができる。この場合、「タービン出口通路４４の出口端部４４Ｏの近傍部分」には、「タービン出口通路４４の出口端部４４Ｏよりも下流の部分」に加えて、「タービン出口通路４４の出口端部４４Ｏ自体」も含まれる。更に、「排気流方向下流側において広がる形状」には、上述した「排気流動方向ＥＸにおいて下流側に向かうにつれて徐々に或いはステップ状に広がる形状」に加えて、「排気流動方向ＥＸにおいて下流側に向かうにつれて階段状に広がる形状」等の種々の形状が含まれる。

或いは、上記実施形態において、図２２に示したように、サブ触媒５０及び排気通路部３４が構成されてもよい。即ち、図２に示した例においては、サブ触媒５０は、その上流側端部５０ＵＥがタービン出口通路４４に露出（対面）するように、排気通路部３４内に配置されている。一方、図２２に示した例においては、サブ触媒５０は、その上流側端部５０ＵＥがタービン出口通路４４に露出しておらず且つ排気通路部３４の中央部３４Ｃ側のサブ触媒５０の壁面５０Ｉがタービン出口通路４４の内周壁面４４Ｉに排気流動方向に一致するように、排気通路部３４内に配置されている。

尚、本実施形態の排気浄化システムは、タービンホイール４５の排気吐出部４９から排出された排気が旋回しつつタービン出口通路及び排気通路部を流れることを利用して、効率良く排気を浄化するシリンダであるので、当然のことながら、サブ触媒５０が配置される位置は、タービンホイール４５の排気吐出部４９から排出された排気の旋回が残存する位置に限定される。

上記実施形態のサブ触媒（酸化触媒）の横断面における外形形状は、概ね円形であるが、本発明は、円形以外の外形形状を有する酸化触媒にも適用可能である。加えて、本発明は、サブ触媒（酸化触媒）の代わりに、ＤＰＦ、ＮＯｘ触媒、三元触媒等の排気浄化装置を備えた排気浄化システムにも適用可能である。

以上の説明から明らかなように、本発明は、タービンホイール４５と同タービンホイールを収容するハウジング４２Ｈとを含む過給機４０を備えた内燃機関に適用され、前記ハウジングは、前記タービンホイールの排気吐出部４９に連接されたタービン出口通路４４を形成しており、同タービン出口通路の排気出口４４Ｏに排気通路部３４（上流側直線部３４Ｕ）が連接されている排気浄化システムに関し、排気を浄化するための排気浄化装置（サブ触媒５０）が前記タービン出口通路の排気出口近傍の前記排気通路部の部分又は前記タービン出口通路に配置されている。更に、前記排気浄化装置において排気の浄化に関与する排気浄化部材（担持壁５１、５３）は、前記排気通路部又は前記タービン出口通路の中央部３４Ｃ、４４Ｃよりも周部３４Ｐ、４４Ｐにおいてより密となり且つ排気流動方向における前記排気浄化部材の単位体積当たりの流路抵抗が前記周部よりも前記中央部においてより小さいように前記排気浄化装置に配設されている。

更に、前記排気通路部３４（上流側直線部３４Ｕ）は、排気流動方向ＥＸ下流側において前記排気浄化装置（サブ触媒５０）の下流側端部５０ＤＥの近傍部分から広がる形状を有することが好ましい。

更に、前記排気浄化装置（サブ触媒５０）よりも上流側の前記タービン出口通路４４の部分又は前記排気通路部３４（上流側直線部３４Ｕ）の部分は、前記タービンホイール４５の回転軸線ＲＡと同軸的に真っ直ぐに延在している。

更に、前記排気浄化装置は、触媒金属５２を担持壁５１の両壁面５１Ａ、５１Ｂに担持した触媒装置（サブ触媒５０）であり、前記担持壁が前記排気通路部（上流側直線部３４Ｕ）の部分又は前記タービン出口通路４４の周部３４Ｐ、４４Ｐのみに配設された中空形状を有する。

従って、各実施形態及び各変形例の排気浄化システムは、排気浄化装置（サブ触媒５０）が配置された領域における「排気通路部３４（上流側直線部３４Ｕ）又はタービン出口通路４４」の流路抵抗を過剰に増大させることなく、排気浄化装置により排気を効率良く浄化することができる。

３４…排気通路部、３４Ｃ…排気通路部の中央部、３４Ｐ…排気通路部の周部、３４Ｕ…上流側直線部、４０…過給機、４２…過給機のタービン部、４２Ｈ…タービン部のハウジング、４４…タービン部のタービン出口通路、４４Ｏ…タービン出口通路の排気出口、４５…タービンホイール、４９…タービン部の排気吐出部、５０…酸化触媒（サブ触媒）、５０ＤＥ…サブ触媒の下流側端部、５１、５３…担持壁、ＲＡ…タービンホイールの回転軸線

Claims (4)

1. タービンホイールと同タービンホイールを収容するハウジングとを含む過給機を備えた内燃機関に適用され、前記ハウジングは、前記タービンホイールの排気吐出部に連接されたタービン出口通路を形成しており、同タービン出口通路の排気出口に排気通路部が連接されている排気浄化システムにおいて、
   排気を浄化するための排気浄化装置が前記タービン出口通路の排気出口近傍の前記排気通路部の部分又は前記タービン出口通路に配置されており、
   前記排気浄化装置において排気の浄化に関与する排気浄化部材は、前記排気通路部又は前記タービン出口通路の中央部よりも周部においてより密となり且つ排気流動方向における前記排気浄化部材の単位体積当たりの流路抵抗が前記周部よりも前記中央部においてより小さいように前記排気浄化装置に配設されている、
   排気浄化システム。
2. 請求項１に記載の排気浄化システムにおいて、
   前記排気通路部は、前記排気浄化装置の下流側端部の近傍部分から排気流動方向下流側に向かうにつれて当該排気通路部の通路断面積が大きくなるように外方に広がる形状を有する、排気浄化システム。
   
3. 請求項１又は請求項２に記載の排気浄化システムにおいて、
   前記タービンホイールの前記排気吐出部から前記排気浄化装置までの前記タービン出口通路の部分及び／又は前記排気通路の部分は、前記タービンホイールの回転軸線と同軸的に真っ直ぐに延在している、排気浄化システム。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の排気浄化システムにおいて、
   前記排気浄化装置は、排気流動方向に延在する担持壁の互いに対向する２つの壁面であって、前記排気通路部を画成する内周壁面側の壁面と、前記排気通路部の中央部側の壁面との２つの壁面に触媒金属を担持した触媒装置であり、前記担持壁が前記排気通路部の部分又は前記タービン出口通路の周部のみに配設された中空形状を有する、排気浄化システム。
   

Images