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JP2020012433A - 車載エンジンの排気構造 - Google Patents

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圭佑 粕谷
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Abstract

【課題】排気浄化装置を高温に維持しやすい車載エンジンの排気構造を提供する。【解決手段】エンジン本体２の一側に吸気通路３が配置され、他側に排気通路４が配置される車載エンジン１の排気構造であって、車載エンジン１の排気構造は、エンジン本体２の他側に配置され、排気通路４に接続されるターボチャージャ１４のタービン１４Ｔと、タービン１４Ｔより下流の排気通路４に接続される第１排気浄化装置２１と、第１排気浄化装置２１より下流の排気通路４に接続される第２排気浄化装置２２とを備え、第１排気浄化装置２１は、ターボチャージャ１４の後方に近接して配置され、第２排気浄化装置２２は、エンジン本体２の他側のシリンダブロック２ｂに近接して配置されたものである。【選択図】図２

Description

本開示は、車載エンジンの排気構造に関する。
車載エンジンの排気管には、排ガスを無害化するための排気浄化装置が設けられる。かかる排気浄化装置としては、酸化触媒、ＮＯｘ触媒及びパティキュレートフィルタ等が知られている。
特開２０１５−１６１２２５号公報 特開２００２−２８５８３６号公報 特開２０１４−１０４３９３号公報 特開２００８−１９６３２８号公報
ところで、かかる排気浄化装置は、触媒活性化温度以上になることで所期の性能を発揮する。このため、排気浄化装置が触媒活性化温度未満になったときには、排気浄化装置を触媒活性化温度以上に昇温させるためにポスト噴射又は排気管噴射が行われる。これらの噴射回数及び噴射量は、排気浄化装置の温度に応じて決定される。
しかし、ポスト噴射や排気管噴射は、燃費悪化につながるため、必要最低限に抑えられることが好ましく、そのためには、排気浄化装置が高温に維持されることが望ましい。
そこで本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、排気浄化装置を高温に維持しやすい車載エンジンの排気構造を提供することにある。
本開示の一の態様によれば、
エンジン本体の一側に吸気通路が配置され、他側に排気通路が配置される車載エンジンの排気構造であって、
前記エンジン本体の他側に配置され、前記排気通路に接続されるターボチャージャのタービンと、
前記タービンより下流の排気通路に設けられる第１排気浄化装置と、
前記第１排気浄化装置より下流の排気通路に設けられる第２排気浄化装置とを備え、
前記第１排気浄化装置は、車両前後方向における前記ターボチャージャの後方に近接して配置され、
前記第２排気浄化装置は、前記エンジン本体の他側のシリンダブロックに近接して配置された
ことを特徴とする車載エンジンの排気構造が提供される。
好ましくは、前記第１排気浄化装置は、前記ターボチャージャを前方から視たとき、前記ターボチャージャに重なって隠れるように形成される。
好ましくは、前記シリンダブロックの下部は、前記シリンダブロックの上部より側方に張り出して形成され、前記第２排気浄化装置は、前記シリンダブロックの前記上部及び前記下部間の段部の上方に近接して配置される。
好ましくは、前記エンジン本体の他側には、排気マニホールドが設けられ、前記第２排気浄化装置は、前記シリンダブロック、前記段部及び前記排気マニホールドに囲まれるように配置される。
好ましくは、前記ターボチャージャは、前記エンジン本体の前側に配置され、前記第１排気浄化装置は、前記エンジン本体の後側に配置される。
好ましくは、前記第２排気浄化装置は、前記エンジン本体の後側、かつ、前記第１排気浄化装置より下方に配置される。
好ましくは、前記第１排気浄化装置は酸化触媒で構成される。
好ましくは、前記第２排気浄化装置はＮＯｘ触媒で構成される。
上記の態様によれば、排気浄化装置を高温に維持しやすい。
本開示の一実施の形態に係る車載エンジンの概略説明図である。 エンジンを車両前方から視た正面図である。 エンジンの排気側の側面図である。
以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。なお、後述する実施の形態における前後左右上下の各方向は、車両の各方向をいうものとする。
図１は、本開示に係るエンジン１の概略説明図である。図２は、エンジン１を車両前方から視た正面図である。エンジン（内燃機関）１は、車両に搭載された多気筒の圧縮着火式内燃機関、すなわちディーゼルエンジンである。図示例は直列４気筒エンジンを示すが、エンジンのシリンダ配置形式、気筒数等は任意である。
図１及び図２に示すように、エンジン１は、エンジン本体２と、エンジン本体２に接続された吸気通路３および排気通路４と、燃料噴射装置５を備える。エンジン本体２は、シリンダヘッド２ａ、シリンダブロック２ｂ、クランクケース２ｃ等の構造部品と、その内部に収容されたピストン６、クランクシャフト７、吸気バルブ８ａ、排気バルブ８ｂ等の可動部品とを含む。シリンダブロック２ｂの下部１３ａは、シリンダブロック２ｂの上部１３ｂよりも側方に張り出して形成される。そして、シリンダブロック２ｂの上部１３ｂと下部１３ａの間には、段部１３ｃが形成される。
燃料噴射装置５は、コモンレール式燃料噴射装置からなる。燃料噴射装置５は、燃料を高圧状態で貯留するコモンレール５ａと、コモンレール５ａに接続されるインジェクタ５ｂとを備える。インジェクタ５ｂは、燃料噴射弁であり、各気筒に設けられる。インジェクタ５ｂは、コモンレール５ａから供給される高圧の燃料をシリンダ９内に直接噴射する。
吸気通路３は、エンジン本体２の一側（車両における左側）に配置される。吸気通路３は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド２ａ）に設けられた吸気マニホールド１０と、吸気マニホールド１０に接続された吸気管１１とにより主に画成される。吸気マニホールド１０は、各気筒の給気ポート３ａに接続され、吸気管１１から送られてきた吸気を各気筒の吸気ポート３ａに分配供給する。吸気管１１には、上流側から順に、エアクリーナ１２、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４Ｃ、インタークーラ１５、および電子制御式の吸気スロットルバルブ１６が設けられる。
排気通路４は、エンジン本体２の他側（車両における右側）に配置される。排気通路４は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド２ａ）に設けられた排気マニホールド１７と、排気マニホールド１７に接続された排気管１８とにより主に画成される。排気マニホールド１７は、各気筒の排気ポート４ａに接続され、これら排気ポート４ａから送られてきた排ガスを集合させる。排気マニホールド１７と排気管１８の間には、ターボチャージャ１４のタービン１４Ｔが設けられる。
また、タービン１４Ｔより下流側の排気管１８には、上流側から順に、第１排気浄化装置２１、第２排気浄化装置２２、第３排気浄化装置２３が設けられる。第１排気浄化装置２１は酸化触媒（DOC: Diesel Oxidation Catalyst）で構成される。第２排気浄化装置２２はＮＯｘ触媒で構成される。第３排気浄化装置２３はパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という）で構成される。
第１排気浄化装置２１たる酸化触媒は、排気ガス中の未燃成分（炭化水素ＨＣおよび一酸化炭素ＣＯ）を酸化して浄化する。
酸化触媒は、基材表面上のコート材に白金等の貴金属を多数分散配置させてなる。酸化触媒は、ＨＣ，ＣＯの酸化時に生じた熱で排気ガスを加熱し、排気ガスを昇温する機能を有する。これにより、後段のＤＰＦおよびＮＯｘ触媒の活性化を促進することができる。特にディーゼルエンジンの場合、酸素過多の状態で燃焼が行われ、空気過剰率λは１より大きく、排気温度が比較的低温である。このため、後段のＤＰＦおよびＮＯｘ触媒が活性化しづらい。この活性化を促進する目的でも酸化触媒が設けられる。
また、酸化触媒は、排気中のＮＯをＮＯ2に酸化する機能も有する。ＮＯよりもＮＯ2の方が高い酸化能を有するため、この機能は、後段のＤＰＦに捕集された粒子状物質（ＰＭ: Particulate Matter）をより低温で酸化除去するのに有利である。また、ＮＯよりもＮＯ2の方が低温で還元されやすいため、この機能は、後段のＮＯｘ触媒における還元効率（特に活性開始温度未満（低温状態）での還元効率）を向上するのに有利である。好ましくは酸化触媒は、これから排出される排ガスのＮＯ／ＮＯ2比率を、ＮＯｘ触媒における還元効率が最も高くなる値（例えば１／２＝０．５）に調整するように構成される。
第２排気浄化装置２２たるＮＯｘ触媒は、排気ガス中の窒素酸化物ＮＯｘを浄化するための触媒である。ＮＯｘ触媒は、選択還元型ＮＯｘ触媒（SCR: Selective Catalytic Reduction）からなり、還元剤が添加されたときにＮＯｘを連続的に還元し得る。
ＮＯｘ触媒は、ゼオライト又はアルミナなどの基材表面にＰｔなどの貴金属を担持したものや、その基材表面にＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持させたもの、その基材表面にチタニヤ／バナジウム触媒（Ｖ2Ｏ5／ＷＯ3／ＴｉＯ2）を担持させたもの等が例示できる。ＮＯｘ触媒は、その触媒温度（触媒床温）が活性温度域にあり、且つ、尿素水が添加されているときにＮＯｘを還元浄化する。尿素水が添加されると、触媒上で尿素水が加水分解され、アンモニアが生成される。このアンモニアがＮＯｘと反応してＮＯｘが還元される。
第３排気浄化装置２３たるＤＰＦは、所謂連続再生式の触媒付きＤＰＦからなり、排気中に含まれる粒子状物質を捕集すると共に、捕集した粒子状物質を連続的に燃焼除去する。
さて、ターボチャージャ１４、第１排気浄化装置２１及び第２排気浄化装置２２の形状及び配置について説明する。
図２及び図３に示すように、ターボチャージャ１４は、前後に延びて形成されると共に、概ね断面円形に形成される。ターボチャージャ１４のタービン１４Ｔ及びコンプレッサ１４Ｃは概ね同径に形成される。タービン１４Ｔ及びコンプレッサ１４Ｃ間のターボチャージャ１４の中間部は、タービン１４Ｔ及びコンプレッサ１４Ｃより小径に形成される。また、ターボチャージャ１４は、エンジン本体２の他側（右側）の前側に配置される。また、ターボチャージャ１４は、コンプレッサ１４Ｃを前側に位置させ、タービン１４Ｔを後側に位置させる。タービン１４Ｔの出口１４ａは、ターボチャージャ１４の後端に後向きに形成される。
第１排気浄化装置２１は、前後に延びて形成されると共に、概ね円柱状に形成される。第１排気浄化装置２１は、図示例ではターボチャージャ１４のタービン１４Ｔ及びコンプレッサ１４Ｃより小径に形成される。なお、第１排気浄化装置２１は、ターボチャージャ１４のタービン１４Ｔ及びコンプレッサ１４Ｃより大径に形成されてもよい。また、第１排気浄化装置２１は、タービン１４Ｔと同軸状にその後方に近接して配置されると共に、排気マニホールド１７に近接して配置される。これにより、第１排気浄化装置２１は、車両前方から後方に吹く走行風に対してタービン１４Ｔの後方に隠れるように位置される。なお、第１排気浄化装置２１の形状は円柱状に限るものではなく、任意である。第１排気浄化装置２１は、ターボチャージャ１４を前方から視たとき、ターボチャージャ１４に重なってできるだけ多くの部分が隠れていることが好ましい。
第１排気浄化装置２１は、前端に入口２１ａを有し、後端に出口２１ｂを有する。第１排気浄化装置２１の入口２１ａは、タービン１４Ｔの出口１４ａと前後に延びる排気管１８を介して同軸状に接続される。なお、第１排気浄化装置２１の入口２１ａは、タービン１４Ｔの出口１４ａと直接接続されてもよい。
第２排気浄化装置２２は、左右方向の寸法が上下方向の寸法及び前後方向の寸法よりも小さい扁平形状に形成される。また、第２排気浄化装置２２は、エンジン本体２の他側（右側）の後側のシリンダブロック２ｂに近接して配置される。またさらに、第２排気浄化装置２２は、シリンダブロック２ｂの段部１３ｃの上方に近接して配置される。また、第２排気浄化装置２２は、排気マニホールド１７に近接して配置される。そして、第２排気浄化装置２２は、シリンダブロック２ｂ、段部１３ｃ及び排気マニホールド１７に囲まれるように配置される。
一般に、エンジン本体２の排気側の後部は、熱がこもり易い部分であり、レイアウト上利用し難いデッドスペースになる傾向がある。しかし、上述のように第２排気浄化装置２２をシリンダブロック２ｂ、段部１３ｃ及び排気マニホールド１７に抱え込ませるように配置することにより、デッドスペースを有効に利用できると共に、第２排気浄化装置２２を比較的高温に維持することができる。
第２排気浄化装置２２は、後端に入口２２ａを有し、前側下端に出口２２ｂを有する。第２排気浄化装置２２の入口２２ａは、Ｕ字状に屈曲された排気管１８を介して第１排気浄化装置２１の出口２１ｂに接続される。また、第２排気浄化装置２２の出口２２ｂに接続される排気管１８は、下方に延びつつ後方に屈曲される。
なお、図３の一点鎖線は、キャブの底面２４である。
次に本実施の形態の作用を述べる。
エンジン１が作動されると、エンジン本体２の各気筒で燃料が燃焼され、高温の排ガスが排気ポート４ａに排出される。これにより、エンジン本体２の他側（排気側）が高温になる。また、排ガスは、排気ポート４ａから排気マニホールド１７、タービン１４Ｔの順に流れる。これにより、排気マニホールド１７が高温となる。また、コンプレッサ１４Ｃが作動される。排ガスは、タービン１４Ｔを駆動することでエネルギーを消費する。これにより、排ガスの温度は若干低下する。この後、排ガスは、第１排気浄化装置２１、第２排気浄化装置２２、第３排気浄化装置２３の順に流れる。
このとき、第１排気浄化装置２１は排気マニホールド１７及びタービン１４Ｔに近接して配置される。このため、第１排気浄化装置２１は排気マニホールド１７及びタービン１４Ｔからの輻射熱を受ける。また、第１排気浄化装置２１は、ターボチャージャ１４のタービン１４Ｔより小径に形成され、タービン１４Ｔの後方に近接して配置される。このため、第１排気浄化装置２１は、走行風に対してタービン１４Ｔの後方に隠れることとなり、走行風が当たりにくい。また、エンジン１の上方はキャブの底面２４で覆われる。このため、走行風は、エンジン１の周囲を概ね前方から後方に流れ、第１排気浄化装置２１にはあまり当たらない。このため、第１排気浄化装置２１は、放熱を抑えられ、排気マニホールド１７及びタービン１４Ｔからの輻射熱で高温に維持されやすい。よって、第１排気浄化装置２１が触媒活性化温度未満になることを防止又は抑制することができる。そして、第１排気浄化装置２１が触媒活性化温度未満になってその昇温のためにポスト噴射や排気管噴射（排気管噴射弁がある場合）が必要となった場合であっても、その噴射量を抑制することができ、燃費を改善できる。
また、第２排気浄化装置２２は、エンジン本体２の他側（右側）の後側のシリンダブロック２ｂ、段部１３ｃ及び排気マニホールド１７に近接して配置されると共に、これらに囲まれるように配置される。そしてさらに、第２排気浄化装置２２は、左右方向の寸法が上下方向の寸法及び前後方向の寸法よりも小さい扁平形状に形成される。このため、第２排気浄化装置２２は、シリンダブロック２ｂ、段部１３ｃ及び排気マニホールド１７からの輻射熱を広い面積で受けることができ、高温に維持されやすい。よって、第２排気浄化装置２２が触媒活性化温度以下になることを防止又は抑制することができる。そして、第２排気浄化装置２２が触媒活性化温度未満になってその昇温のためにポスト噴射や排気管噴射（排気管噴射弁がある場合）が必要となった場合であってもその噴射量を抑制することができ、燃費を改善できる。
以上、本開示の実施形態を詳細に述べたが、本開示は以下のような他の実施形態も可能である。
例えば、第１排気浄化装置２１は酸化触媒で構成され、第２排気浄化装置２２はＮＯｘ触媒で構成されるものとしたが、これに限るものではない。第１排気浄化装置２１及び第２排気浄化装置２２は、パティキュレートフィルタ等、高温に維持されることが好ましい他の排気浄化装置で構成されてもよい。
本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。
１ エンジン
２ エンジン本体
２ａ シリンダヘッド
２ｂ シリンダブロック
２ｃ クランクケース
３ 吸気通路
３ａ 吸気ポート
４ 排気通路
４ａ 排気ポート
５ 燃料噴射装置
５ａ コモンレール
５ｂ インジェクタ
６ ピストン
７ クランクシャフト
８ａ 吸気バルブ
８ｂ 排気バルブ
９ シリンダ
１０ 吸気マニホールド
１１ 吸気管
１２ エアクリーナ
１３ａ 下部
１３ｂ 上部
１３ｃ 段部
１４ ターボチャージャ
１４Ｃ コンプレッサ
１４Ｔ タービン
１４ａ 出口
１５ インタークーラ
１６ 吸気スロットルバルブ
１７ 排気マニホールド
１８ 排気管
２１ 第１排気浄化装置
２１ａ 入口
２１ｂ 出口
２２ 第２排気浄化装置
２２ａ 入口
２２ｂ 出口
２３ 第３排気浄化装置
２４ 底面

Claims (8)

  1. エンジン本体の一側に吸気通路が配置され、他側に排気通路が配置される車載エンジンの排気構造であって、
    前記エンジン本体の他側に配置され、前記排気通路に接続されるターボチャージャのタービンと、
    前記タービンより下流の排気通路に設けられる第１排気浄化装置と、
    前記第１排気浄化装置より下流の排気通路に設けられる第２排気浄化装置とを備え、
    前記第１排気浄化装置は、車両前後方向における前記ターボチャージャの後方に近接して配置され、
    前記第２排気浄化装置は、前記エンジン本体の他側のシリンダブロックに近接して配置された
    ことを特徴とする車載エンジンの排気構造。
  2. 前記第１排気浄化装置は、前記ターボチャージャを前方から視たとき、前記ターボチャージャに重なって隠れるように形成された
    請求項１に記載の車載エンジンの排気構造。
  3. 前記シリンダブロックの下部は、前記シリンダブロックの上部より側方に張り出して形成され、
    前記第２排気浄化装置は、前記シリンダブロックの前記上部及び前記下部間の段部の上方に近接して配置された
    請求項１又は２に記載の車載エンジンの排気構造。
  4. 前記エンジン本体の他側には、排気マニホールドが設けられ、
    前記第２排気浄化装置は、前記シリンダブロック、前記段部及び前記排気マニホールドに囲まれるように配置された
    請求項３に記載の車載エンジンの排気構造。
  5. 前記ターボチャージャは、前記エンジン本体の前側に配置され、
    前記第１排気浄化装置は、前記エンジン本体の後側に配置された
    請求項１から４のいずれか一項に記載の車載エンジンの排気構造。
  6. 前記第２排気浄化装置は、前記エンジン本体の後側、かつ、前記第１排気浄化装置より下方に配置された
    請求項５に記載の車載エンジンの排気構造。
  7. 前記第１排気浄化装置は酸化触媒で構成された
    請求項１から６のいずれか一項に記載の車載エンジンの排気構造。
  8. 前記第２排気浄化装置はＮＯｘ触媒で構成された
    請求項１から７のいずれか一項に記載の車載エンジンの排気構造。
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