JP2001012234A

JP2001012234A - 過給機付きエンジンの排気装置

Info

Publication number: JP2001012234A
Application number: JP11185289A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Saito; 陽一斉藤
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 1999-06-30
Publication date: 2001-01-16

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】運転状態に応じてリーン燃焼を行うシーケン
シャル・ツインターボ・システムにおいて、高温化した
排気ガスによるＮＯx触媒の熱劣化を有効に抑制するこ
と【解決手段】排気通路に並列に配置された過給機付き
エンジンの排気装置において、第１のターボ過給機２の
下流側に接続された第１の排気通路９ｂと、第２のター
ボ過給機３の下流側に接続されていると共に、第１の排
気通路９ｂと合流する第２の排気通路９ｃと、第１の排
気通路９ｂと第２の排気通路９ｃとを連通するバイパス
通路１５と、バイパス通路１５に設けられたＮＯx触媒
コンバータ１６と、運転状態に応じて、第２のターボ過
給機３を選択的に作動させる第１の制御バルブ１３と、
第１の排気通路９ｂに設けられた第２の制御バルブ１４
とを有している。そして、この第２の制御バルブ１４に
よって、バイパス通路１５を流れる排気ガスの流量を調
整することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、運転状態に応じて
リーン燃焼を行う過給機付きエンジンの排気装置に係
り、特に、シーケンシャル・ツインターボ・エンジンの
排気系にＮＯx触媒コンバータが設けられた排気装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】燃費の改善を図るために、空気過剰率λ
が１よりも大きな状態、すなわちリーン状態で燃焼を行
う技術が注目されている。リーン燃焼を行う際に解決す
べき課題の一つとして、排気ガスに含まれる窒素酸化物
（以下、ＮＯxという）の浄化が挙げられる。そこで、
通常の触媒（酸化触媒または三元触媒）以外に、排気ガ
ス中のＮＯxを除去するための触媒、すなわちＮＯx触媒
を、エンジンの排気系に介装することが有効である。こ
のＮＯx触媒は、リーン状態においても高いＮＯx浄化率
を有するものの、高温環境にさらされると、触媒の熱劣
化が生じやすいという問題がある。

【０００３】このような特性を有するＮＯx触媒を、運
転状態に応じてリーン燃焼を行うシーケンシャル・ツイ
ンターボ・システムに適用した場合、ＮＯx触媒の熱劣
化が顕著な問題となる。ここで、シーケンシャル・ツイ
ンターボ・システムとは、２基のターボ過給機を排気通
路に並列に設けた過給システムである。１基のターボ過
給機が作動しているリーン燃焼時において、排気ガス
は、ＮＯx触媒の劣化を生じさせる程、高温にはならな
い。このような温度状態で、ＮＯx触媒コンバータに排
気ガスを通過させることによって、排気ガス中に含まれ
る多量のＮＯxを有効に浄化することができる。これに
対して、２基のターボ過給機が作動している非リーン燃
焼（ストイキオ燃焼またはリッチ燃焼）時においては、
通常の触媒だけで排気ガスの浄化を行うことが可能であ
る。ところが、非リーン燃焼時には、排気ガスが高温に
なるため、ＮＯx触媒コンバータに排気ガスを通過させ
ると、ＮＯx触媒が高温にさらされ、ＮＯx触媒の熱劣化
が生じやすい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような従来技術の
問題点に鑑み、本発明の目的は、運転状態に応じてリー
ン燃焼を行うシーケンシャル・ツインターボ・システム
において、高温化した排気ガスによるＮＯx触媒の熱劣
化を有効に抑制することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
めに、第１の発明は、すべての運転領域で作動する第１
のターボ過給機と、運転状態に応じて選択的に作動する
第２のターボ過給機とが、排気通路に並列に配置された
過給機付きエンジンの排気装置において、第１のターボ
過給機の下流側に接続された第１の排気通路と、第２の
ターボ過給機の下流側に接続されていると共に、第１の
排気通路と合流する第２の排気通路と、第１の排気通路
と第２の排気通路との合流部よりも上流側において、第
１の排気通路と第２の排気通路とを連通するバイパス通
路と、バイパス通路に設けられたＮＯx触媒コンバータ
と、運転状態に応じて、第２のターボ過給機を選択的に
作動させる第１の制御バルブと、バイパス通路と第１の
排気通路との接合部よりも下流側で、かつ、第１の排気
通路と第２の排気通路との合流部よりも上流側におい
て、第１の排気通路に設けられた第２の制御バルブとを
有している。そして、この第２の制御バルブによって、
バイパス通路を流れる排気ガスの流量を調整することが
できる。

【０００６】ここで、上記の構成に、第１の制御バルブ
と第２の制御バルブとを制御する制御手段をさらに設け
てもよい。この制御手段は、リーン燃焼時において、第
１の制御バルブを閉じる制御を行うと共に、第２の制御
バルブを閉じる制御を行う。そして、制御手段は、リー
ン燃焼以外の燃焼時には、第２の制御バルブを開く制御
を行う。

【０００７】また、ＮＯｘ吸蔵触媒が内蔵されたＮＯｘ
触媒コンバータを用いた場合、制御手段は、ＮＯx触媒
コンバータのＮＯx浄化特性が硫黄被毒によって劣化し
たと推定されたならば、当該浄化特性の劣化を回復させ
ることが可能な排気温度領域において、第２の制御バル
ブを閉じる制御を行う。また、この場合、制御手段は、
第１の制御バルブを閉じる制御も併せて行うことが好ま
しい。なお、この制御は、上述したリーン燃焼以外の燃
焼時における通常の制御よりも優先的に行う。

【０００８】一方、第２の発明は、すべての運転領域で
作動する第１のターボ過給機と、運転状態に応じて選択
的に作動する第２のターボ過給機とが、排気通路に並列
に配置された過給機付きエンジンの排気装置において、
第１のターボ過給機の下流側に接続された第１の排気通
路と、第２のターボ過給機の下流側に接続され、第１の
排気通路と合流する第２の排気通路と、第１の排気通路
と第２の排気通路との合流部よりも上流側において、第
１の排気通路と第２の排気通路とを連通するバイパス通
路と、バイパス通路に設けられたＮＯx触媒コンバータ
と、運転状態に応じて、第１のターボ過給機を選択的に
作動させる第１の制御バルブと、バイパス通路と第１の
排気通路との接合部よりも下流側で、かつ、第１の排気
通路と第２の排気通路との合流部よりも上流側におい
て、第１の排気通路に設けられた第２の制御バルブと、
バイパス通路に設けられた第３の制御バルブとを有して
いる。そして、第２の制御バルブと第３の制御バルブと
によって、バイパス通路を流れる排気ガスの流量を調整
することができる。

【０００９】ここで、第２の発明の構成に、第１の制御
バルブと第２の制御バルブと第３の制御バルブとを制御
する制御手段をさらに設けてもよい。この制御手段は、
リーン燃焼時において、第１の制御バルブと第２の制御
バルブとを閉じる制御を行うと共に、第３の制御バルブ
を開く制御を行う。そして、制御手段は、リーン燃焼以
外の燃焼時において、第２の制御バルブを開く制御を行
うと共に、第３の制御バルブを閉じる制御を行う。

【００１０】また、ＮＯｘ吸蔵触媒が内蔵されたＮＯｘ
触媒コンバータを用いた場合、制御手段は、ＮＯx触媒
コンバータのＮＯx浄化特性が硫黄被毒によって劣化し
たと推定されたならば、当該浄化特性の劣化を回復させ
ることが可能な排気温度領域において、第２の制御バル
ブを閉じる制御を行うと共に、第３の制御バルブを開く
制御を行う。また、この場合、制御手段は、第１の制御
バルブを閉じる制御も併せて行うことが好ましい。な
お、この制御は、リーン燃焼以外の燃焼時における通常
の制御よりも優先的に行う。

【００１１】さらに、制御手段は、走行距離が所定の値
に到達するごとに、ＮＯx触媒コンバータのＮＯx浄化特
性が硫黄被毒によって劣化したと推定するようにしても
よい。

【００１２】

【発明の実施の形態】（第１の実施例）図１は、第１の
実施例にかかるシーケンシャル・ツインターボ・エンジ
ンの一例を示した概略的な構成図である。水平対向４気
筒エンジン１における左右のバンクの近傍には、プライ
マリターボ過給機２とセカンダリターボ過給機３とがそ
れぞれ配置されている。プライマリターボ過給機２は、
すべての運転領域において作動し、セカンダリターボ過
給機３よりも小容量の過給機である。一方、セカンダリ
ターボ過給機３は、運転状態に応じて選択的に作動する
もので、具体的にはエンジン高負荷高回転時に過給作動
し、プライマリターボ過給機２よりも容量が大きい。プ
ライマリターボ過給機２のコンプレッサ２ａおよびセカ
ンダリターボ過給機３のコンプレッサ３ａは、吸気系に
介装されている。また、これらのコンプレッサ２ａ，３
ａにそれぞれ直結されたタービン２ｂ，３ｂは、排気系
に介装されている。プライマリターボ過給機２およびセ
カンダリターボ過給機３は、排気ガスの流動を利用して
タービン２ｂ，３ｂを回し、それぞれに直結したコンプ
レッサ２ａ，３ｂを回転させる。これにより、エンジン
１に空気を過剰に押し込むことができるため、エンジン
出力を向上させる。

【００１３】エンジン１の吸気系は、次のような構成を
有している。吸気管は、エアクリーナ４の下流において
２つに分岐している。分岐した吸気管の一方は、プライ
マリターボ過給機２のコンプレッサ２ａを介して、イン
タークーラ５に連通している。一方、他方の吸気管は、
セカンダリターボ過給機３のコンプレッサ３ａを介し
て、インタークーラ５に連通している。インタークーラ
５の下流側は、制御装置（ＥＣＵ）１７により制御され
る電動スロットルバルブ６を介して、エアチャンバ７に
連通されている。エアチャンバ７は、吸気マニホールド
８を介して、エンジン１の左右の吸気ポートに接続され
ている。

【００１４】一方、エンジン１の排気系は、次のような
構成を有している。エンジン１の左右の排気ポートは、
どちらも排気管９ａに連通している。この排気管９ａ
は、プライマリターボ過給機２のタービン２ａ側に連通
していると共に、第１の制御バルブ１３を介して、セカ
ンダリターボ過給機３のタービン３ｂ側に連通してい
る。セカンダリターボ過給機３の上流側に設けられた第
１の制御バルブ１３は、運転状態に応じて、セカンダリ
ターボ過給機３を選択的に作動させるためのものであ
る。一方、プライマリターボ過給機２におけるタービン
２ｂの下流側は、第１の排気通路を構成する排気管９ｂ
に連通している。この排気管９ｂには、プリ触媒コンバ
ータ１２が設けられていると共に、その触媒１２の下流
側には、第２の制御バルブ１４が介装されている。ま
た、セカンダリターボ３におけるタービン３ｂの下流側
は、第２の排気通路を構成する排気管９ｃに連通してい
る。２つの排気管９ｂ，９ｃは、合流部Ａにおいて、排
気管９ｄに連通している。この排気管９ｄには、メイン
触媒コンバータ１０とマフラ１１とが介装されている。
また、２つの排気管９ｂ，９ｃは、排気管９ｄの合流部
Ａ以外にも、合流部Ａより上流側に配設されたバイパス
通路１５によって互いに連通している。すなわち、この
バイパス通路１５の一端は、プリ触媒コンバータ１２の
下流側であって、かつ第２の制御バルブ１４の上流側に
おいて、排気管９ｂに取り付けられている。一方、バイ
パス通路１５の他端は、排気管９ｃに取り付けられてい
る。さらに、バイパス通路１５には、ＮＯx触媒コンバ
ータ１６が設けられている。なお、バイパス通路１５と
排気管９ｂとの接合部よりも下流側で、かつ、合流部Ａ
よりも上流側に設けられた第２の制御バルブ１４は、運
転状態に応じて、バイパス通路１５を流れる排気ガスの
流量を調整するためのものである。また、メイン触媒コ
ンバータ１０およびプリ触媒コンバータ１２は、一般的
な三元触媒を内蔵している。

【００１５】ＮＯx触媒コンバータ１６は、空気過剰率
λが１を上回るリーン状態が多く占められる場合におい
て、排気ガス中のＮＯxに浄化反応を行わせることが可
能なＮＯx触媒を内蔵している。ＮＯx触媒としては、選
択還元型ＮＯx触媒（リーンＮＯx触媒）やＮＯx吸蔵触
媒等を用いることができるが、ここではＮＯx吸蔵触媒
を用いている。ＮＯx触媒は、ＮＯx浄化性能に関して、
高温環境での熱劣化が生じやすいという問題がある。熱
劣化してしまったＮＯx触媒は、ＮＯxの化学変化を助け
る機能自体が低下してしまうため、有効な温度範囲にお
いても本来のＮＯx浄化率を得ることができない。

【００１６】制御装置（ＥＣＵ）１７は、第１の制御バ
ルブ１３を駆動する第１のアクチュエータ１８に対して
制御信号を出力する。第１のアクチュエータ１８は、こ
の制御信号に応じて駆動し、第１の制御バルブ１３の開
度を設定する。同様に、制御装置１７は、第２の制御バ
ルブ１４を駆動する第２のアクチュエータ１９に対し
て、制御信号を出力する。第２のアクチュエータ１９
は、この制御信号に応じて駆動し、第２の制御バルブ１
４の開度を設定する。制御装置１７が、第１の制御バル
ブ１３と第２の制御バルブ１４とを制御する上で必要な
情報の主なものは、エンジン回転数センサ２０から得ら
れるエンジン回転数Ｎｅ、アクセル開度センサ２１から
得られるアクセル開度θ、そして排気温度センサ２２か
ら得られる排気温度Ｔが挙げられる。詳細については後
述するが、エンジン回転数Ｎｅおよびアクセル開度θ
は、燃焼形態（リーン燃焼または非リーン燃焼）の決定
や、ターボの作動状態（シングルターボまたはツインタ
ーボ）の決定にあたり用いられるパラメータである。な
お、本実施例では、エンジンの負荷の状態を判断するた
めの基本パラメータの一例として、アクセル開度θを用
いているが、他のパラメータ（エンジン負荷に応じて変
化するもの）に基づいて判断することも当然に可能であ
る。また、排気温度Ｔは、ＮＯｘ吸蔵触媒の硫黄被毒を
回復させる制御を行うか否かを判断する際に考慮される
パラメータである。

【００１７】燃焼形態には、下記の３つがある。各燃焼
形態は、２ビットのフラグ（燃焼モードフラグＦmode）
によって指示される。［Ｆmodeの設定］燃焼形態Ｆmode リーン燃焼０（＝００）ストイキオ燃焼１（＝０１）リッチ燃焼２（＝１０）

【００１８】燃焼モードフラグＦmodeは、図２に示した
燃焼モードマップを参照することにより設定される。す
なわち、燃焼形態は、エンジン回転数Ｎｅと、エンジン
の負荷状態を示す基本パラメータであるアクセル開度θ
（実際には、アクセル開度θ以外のパラメータも考慮さ
れる）とに基づいて特定される。エンジン負荷とエンジ
ン回転数とが低い領域では、空気過剰率λ＞１であるリ
ーン燃焼（Ｆmode＝０）が行われ、それ以外の領域で
は、基本的に、空気過剰率λ＝１であるストイキオ燃焼
（Ｆmode＝１）が行われる。但し、エンジン負荷とエン
ジン回転数とが特に高い領域では、空気過剰率λ＜１で
あるリッチ燃焼（Ｆmode＝２）が行われる。リッチ燃焼
を行う理由は、その領域におけるエンジンの出力アップ
を図るためである。また、リッチ燃焼を行うことで排気
温度の低減（常時９００℃以下に抑制）を図るためであ
る。さらに、詳細については後述するが、リッチ燃焼に
より、ＮＯx触媒中に蓄積された硫黄を除去できるよう
な温度環境を生じさせるためでもある。

【００１９】セカンダリターボ過給機３の作動は、１ビ
ットのフラグ（ターボフラグＦturbo）によって指示さ
れる。［Ｆturboの設定］ターボの作動状態Ｆturbo シングルターボ０ツインターボ１

【００２０】ターボフラグＦturboは、図３に示したタ
ーボ切換マップを参照することにより設定される。すな
わち、ターボ過給機２，３の動作状態は、エンジン回転
数Ｎｅと、エンジンの負荷状態を示す基本パラメータで
あるアクセル開度θ（実際には、アクセル開度θ以外の
パラメータも考慮される）とに基づいて特定される。概
略的に言うと、エンジン低負荷低回転領域は、シングル
ターボ領域（Ｆturbo＝０）であり、第１の制御バルブ
１３を閉弁してセカンダリターボ過給機３の過給作動を
停止させ、プライマリターボ過給機２のみが過給作動す
る。また、高負荷高回転領域は、ツインターボ領域（Ｆ
turbo＝１）であり、第１の制御バルブ１３を開弁させ
ることで、プライマリターボ過給機２に加えてセカンダ
リターボ過給機３が過給作動する。なお、ターボの切り
換えにおける制御の安定化を図るために、図３のマップ
にはヒステリシスが設けられている。すなわち、シング
ルターボ領域からツインターボ領域への切り換えを判断
する際には、切り換えラインＬ2が適用される。また、
ツインターボ領域からシングルターボ領域への切り換え
を判断する際には、切り換えラインＬ1が適用される。

【００２１】図４は、本実施例におけるバルブ制御のフ
ローチャートである。このフローチャートは、所定の間
隔で繰り返し実行される（後述するフローチャートにつ
いても同様）。まず、燃焼モードフラグＦmodeが０、す
なわちリーン燃焼中であるか否かが判断される（ステッ
プ１）。リーン燃焼中である場合には、制御装置１７
は、第１の制御バルブ１３の閉制御を行うと共に（ステ
ップ２）、第２の制御バルブ１４の閉制御を行う（ステ
ップ３）。このようなバルブ制御によって、エンジン１
から排出された排気ガスは、図１１に示したような排気
通路を流れる。これにより、リーン燃焼時において、プ
ライマリターボ過給機２は作動するが、第１の制御バル
ブ１３が閉じているので、セカンダリターボ過給機３は
作動しない。また、第２の制御バルブ１４が閉じている
ので、排気ガスは、必ずＮＯx触媒コンバータ１６を通
過して排出される。これにより、リーン燃焼時に多量に
排出されるＮＯxを、ＮＯx触媒により有効に浄化するこ
とができる。

【００２２】一方、ステップ１において、燃焼モードフ
ラグＦmodeが０でない場合、すなわち非リーン燃焼時
（ストイキオ燃焼時またはリッチ燃焼時）においては、
ターボフラグＦturboが０であるか否かが判断される
（ステップ４）。ターボフラグＦturboが０、すなわち
シングルターボ時において、制御装置１７は、第１の制
御バルブ１３の閉制御を行うと共に（ステップ５）、第
２の制御バルブ１４の開制御を行う（ステップ６）。こ
のようなバルブ制御によって、エンジン１からの排気ガ
スは、図１２に示したような排気通路を流れる。この図
からわかるように、非リーン燃焼で、かつシングルター
ボモードの場合、プライマリターボ過給機２は作動する
が、第１の制御バルブ１３が閉じているので、セカンダ
リターボ過給機３は過給作動しない。また、第２の制御
バルブ１４が開いているので、大半の排気ガスは、ＮＯ
x触媒コンバータ１６を通過することなく、メイン触媒
コンバータ１０を介して排出される。従って、排気ガス
の温度がＮＯx触媒の熱劣化を生じさせるほどに高温化
していたとしても、ＮＯx触媒コンバータ１６を介さな
い排気通路が設定されているので、ＮＯx触媒が高温環
境にさらされることを阻止することができる。

【００２３】また、ステップ４において、ターボフラグ
Ｆturboが１、すなわちツインターボ時において、制御
装置１７は、第１の制御バルブ１３の開制御を行うと共
に（ステップ７）、第２の制御バルブ１４の開制御を行
う（ステップ８）。このようなバルブ制御によって、エ
ンジン１からの排気ガスは、図１３に示したような排気
通路を流れる。すなわち、非リーン燃焼で、かつツイン
ターボモードの場合、プライマリターボ過給機２とセカ
ンダリターボ過給機３との双方が作動する。その際、第
２の制御バルブ１４が開いているので、排気管９ｂ，９
ｃにおける排気ガスの大半は、ＮＯx触媒コンバータ１
６を通過することなく、メイン触媒コンバータ１０を介
して排出される。従って、排気ガスの温度がＮＯx触媒
の熱劣化を生じさせるほどに高温化していたとしても、
第２の制御バルブ１４が開いているため、ＮＯx触媒が
高温環境にさらされることを阻止できる。

【００２４】このように、運転状態に応じて制御バルブ
１４を開閉制御することによって、リーン燃焼時に多量
に排出されるＮＯxを有効に浄化することができると同
時に、ＮＯx触媒の熱劣化も有効に阻止することができ
る。一般に、ＮＯx触媒が有効にＮＯxを浄化できる温度
範囲（有効温度範囲）は、３００〜４５０℃程度であ
る。すべての排気ガスがＮＯx触媒コンバータ１６を通
過して排出されるリーン燃焼時において、排気ガスの温
度は、３００〜４００℃程度になる。従って、排気ガス
中にＮＯxが多量に含有されるリーン燃焼時において、
排気ガスをＮＯx触媒コンバータ１６を通すことで、Ｎ
Ｏxを有効に除去することができる。これに対して、非
リーン燃焼時における排気ガスの温度は、リーン燃焼時
よりもはるかに高くなりやすい。従って、ＮＯx触媒コ
ンバータ１６に排気ガスを通すと、ＮＯx触媒が高温に
さらされ、熱劣化を招いてしまう。そこで、このような
高温環境時には、ＮＯx触媒コンバータ１６を介さない
排気通路を設定することで、ＮＯx触媒の熱劣化を効果
的に抑制することが可能となる。

【００２５】ところで、燃料やエンジンの潤滑油内に含
まれる硫黄成分により、排気ガスにも硫黄成分（ＳＯ
x）が含まれている。特に、ＮＯx触媒としてＮＯx吸蔵
触媒を用いた場合、この硫黄成分もＮＯxと共に触媒中
に吸収される。吸収された硫黄成分は、空燃比をリッチ
にしてもＮＯx吸蔵触媒の温度が低い場合には放出され
ないため、経年的に見ると、硫黄成分が触媒中に徐々に
蓄積されていくことになる。蓄積された硫黄成分の量が
増大するにつれ、ＮＯx吸蔵触媒が吸収し得るＮＯxの量
が次第に低下していく。そして、最終的には、ＮＯxを
ほとんど吸収できなくなってしまう。このような現象
は、ＮＯx吸蔵触媒のＳＯx被毒として知られている（例
えば特開平６−８８５１８号公報参照）。

【００２６】そこで、ＮＯx吸蔵触媒における硫黄の蓄
積量が大きくなった（すなわち、硫黄被毒が進行した）
と推定されたならば、硫黄を放出できる程度に排気温度
が高温になり、かつリッチ状態になった場合、図４に示
した制御フローチャートに拘わらず、ＮＯx触媒コンバ
ータ１６を含むような排気通路を設定する。これによ
り、触媒中に蓄積された硫黄を有効に除去することがで
き、触媒のＮＯx浄化性能を回復することができる。

【００２７】図５は、ＮＯx触媒コンバータ１６に蓄積
された硫黄を除去する手順を示したフローチャートであ
る。まず、排気温度センサ２２からのセンサ信号に基づ
いて排気温度Ｔを求める（ステップ１１）。次に、硫黄
除去フラグＦclearが１か否かを判定する（ステップ１
２）。硫黄除去フラグＦclearは、ＮＯx吸蔵触媒中にお
ける硫黄の蓄積量が大きくなったと推定され、硫黄成分
の除去が必要な場合のみ１にセットされ、そうでない場
合には０がセットされている。ＮＯx触媒コンバータ１
６における硫黄の蓄積量の推移は、シミュレーション或
いは実験等に基づき知得することができる。本実施例で
は、一例として、車両の走行距離が１００００kmになる
ごとに硫黄の蓄積量が多くなったものと推定して、硫黄
除去フラグＦclearに１をセットする。上述したよう
に、リーン状態、すなわち酸素過剰環境下では、排気ガ
ス中のＳＯx（例えばＳＯ2）が触媒において酸化され
て、多量の硫酸塩が形成されている。硫黄除去フラグＦ
clearが１の場合（すなわち硫黄除去の実行が指示され
た場合）のみステップ１３に進む。それ以外の場合（硫
黄除去の完了も含む）は、リターンへ進み、本フローチ
ャートの次の実行を待つ。

【００２８】ステップ１３およびステップ１４は、蓄積
された硫黄成分を除去できる状態にあるか否かを判断す
るステップである。まず、燃焼モードフラグＦmodeが
２、すなわちリッチ燃焼中であるか否かが判断される
（ステップ１３）。ＮＯx触媒コンバータ１６中に蓄積
された硫黄成分を除去するためには、還元雰囲気（すな
わち、酸素がなくてＨＣ等の還元剤がある状態）である
ことが必要である。リッチ状態は、このような還元雰囲
気に相当する。次に、排気温度センサ２２により検出さ
れた排気温度Ｔが、所定値Ｔth（例えば６００℃）以上
であるか否かが判断される（ステップ１４）。蓄積され
た硫黄成分を除去するためには、排気ガスがある程度高
温でなければならない。

【００２９】硫黄除去が可能な環境にあると判断された
場合のみ、ステップ１５を介して（カウンタ値ＣＴの初
期値は０）、第２の制御バルブ１４の閉制御が行われる
（ステップ１６）。このステップ１６で指示された閉制
御は、図４に示した制御フローチャートよりも優先して
実行される。すなわち、図４のフローチャートにより第
２の制御バルブ１４の開制御が指示されていたとしても
（ステップ８）、図５のステップ１６により閉制御が指
示された場合には、第２の制御バルブ１４の閉制御が実
行される。ステップ１６によって、第２の制御バルブ１
４が閉じられると、排気ガスは、図１４に示したような
排気通路を流れる。これにより、硫黄を除去できる程度
に高温で、かつ還元雰囲気にある排気ガスが、ＮＯx触
媒コンバータ１６を通過する。その結果、硫酸塩として
ＮＯx吸蔵触媒に蓄積された硫黄成分は分解してＳＯ2と
なり、ＳＯ2ガスとして触媒から離脱するため、ＮＯx吸
蔵触媒を再生することができる。

【００３０】なお、ＮＯx吸蔵触媒をあまり長時間高温
にさらすと、ＮＯx触媒の熱劣化が顕著になる（これ自
体はＮＯｘ吸蔵触媒固有の問題ではない）。そこで、高
温化した排気ガスにＮＯx吸蔵触媒をさらす期間に適切
な制限を設けている。すなわち、ステップ１６における
第２の制御バルブ１４の閉制御が実行されるたびに、カ
ウンタ値ＣＴをインクリメントしていく（ステップ１
７）。そして、カウンタ値ＣＴが所定値ＣＴmax（例え
ば５分相当の値）になったら、硫黄成分の除去が完了し
たものとして、ステップ１５からステップ１８に進む。
この場合、硫黄除去フラグＦclearを１から０に変更す
ると共に（ステップ１８）、カウンタ値ＣＴをリセット
する（ステップ１９）。

【００３１】なお、ステップ１４の排気温度に上限値を
設けてもよい。硫黄成分の除去を行う排気温度に上限値
を設けることにより、ＮＯx触媒がＮＯx浄化性能の劣化
を招くような高温状態にさらされることを防止すること
ができる。

【００３２】このように、本実施例では、ＮＯx吸蔵触
媒の硫黄被毒の程度を走行距離から推定し、蓄積された
硫黄成分を除去するための制御を、所定の走行距離毎に
実施する。これにより、ＮＯx吸蔵触媒中に蓄積された
硫黄成分を有効に除去することができる。なお、硫黄被
毒を推定するパラメータとしては、走行距離に限らず、
ＮＯｘ吸蔵触媒の使用期間とともに変化するような他の
パラメータを用いてもよい。例えば、ＮＯｘ触媒コンバ
ータを流れる排気ガスの流量を積算していき、所定値に
なった場合に、ＮＯｘ吸蔵触媒の硫黄被毒が進んだもの
と推定することができる。

【００３３】また、硫黄の蓄積量は、いわゆるダブルＯ
2センサを用いて特定することもできる。この場合、Ｎ
Ｏx触媒コンバータ１６の上流側と下流側の双方に、Ｏ2
センサ等の空燃比センサを設ける。そして、２つのＯ2
センサの出力を比較することによって、触媒の劣化を検
出することができる。なお、ダブルＯ2センサ自体の詳
細については、特開平５−２８０４０２号公報や実開昭
６３−１２８２２１号公報に記載されているので参照さ
れたい。

【００３４】さらに、上述した硫黄除去フローは、排気
温度センサ２２から得られる排気温度Ｔを用いている
が、これを用いずに硫黄除去環境を判断することも可能
である。図６は、この場合における燃焼モードマップで
ある。図２のマップと相違する点は、リッチ燃焼領域の
一部を硫黄除去領域（Ｆmode＝３）としていることであ
る。すなわち、リッチ燃焼領域において、硫黄成分を効
果的に除去できる排気温度の範囲を予め実験的に求め、
適切な温度範囲になるような領域において、燃焼モード
フラグＦmodeを３がセットされるようにすればよい。

【００３５】図７は、燃焼モードフラグＦmodeのみを用
いて硫黄除去を実行する手順を示したフローチャートで
ある。まず、硫黄除去フラグＦclearが１か否かを判定
する（ステップ２１）。硫黄除去フラグＦclearは、上
述したように、ＮＯx触媒中における硫黄の蓄積量が大
きくなったと推定された場合に１がセットされ、そうで
ない場合には０にセットされる。硫黄除去フラグＦclea
rが１の場合（すなわち硫黄除去の実行が指示された場
合）のみステップ２２へ進む。それ以外の場合（硫黄除
去の完了も含む）は、リターンへ進み、本フローチャー
トの次の実行を待つ。

【００３６】ステップ２２は、蓄積された硫黄を除去で
きる状態にあるか否かを判断するステップである。ま
ず、燃焼モードフラグＦmodeが３、すなわちリッチ燃焼
中で、かつ硫黄除去が可能な温度領域にあるか否かが判
断される（ステップ２２）。上述したように、燃焼モー
ドフラグＦmodeが３ということは、硫黄除去が可能な環
境にあるということである。このステップ２２で肯定判
定された場合は、ステップ２３に進み、否定判定された
場合はリターンへ進む。

【００３７】ステップ２２で肯定判定された場合は、第
２の制御バルブ１４の閉制御が行われる（ステップ２
４）。ステップ２４の制御によって、第２の制御バルブ
１４が閉じられると、硫黄を除去できる程度に高温な排
気ガスが、ＮＯx触媒１６を通過するため、蓄積された
硫黄を除去することができる。

【００３８】そして、ステップ２４による第２の制御バ
ルブ１４の閉制御が指示される毎に、カウンタ値ＣＴを
インクリメントする（ステップ２５）。カウンタ値ＣＴ
がＣＴmax（例えば５分相当の値）になったら、ステッ
プ２３からステップ２６に進む。この場合、硫黄除去フ
ラグＦclearを０にリセットすると共に（ステップ２
６）、カウンタ値ＣＴをリセットする（ステップ２
７）。これにより、ＮＯx触媒が必要以上に高温環境に
さらされることを阻止できる。

【００３９】（第２の実施例）図８は、第２の実施例に
かかるシーケンシャル・ツインターボ・エンジンの一例
を示した概略的な構成図である。この構成のうち、図１
の構成と同様の部材については、図１に示した符号と同
一符号を付することにより、説明を省略する。図１の構
成との相違点は、バイパス通路１５中に第３の制御バル
ブ３０（およびそれを駆動するアクチュエータ３１）を
設けた点である。これにより、ＮＯx触媒の熱劣化を、
一層効果的に抑制することが可能となる。

【００４０】図９は、第２の実施例におけるバルブ制御
のフローチャートである。まず、燃焼モードフラグＦmo
deが０、すなわちリーン燃焼中であるか否かが判断され
る（ステップ３１）。リーン燃焼中である場合には、ス
テップ３２〜３４の手順が実行されるため、制御バルブ
１３，１４，３０は、以下のような状態になる。［リーン燃焼時］第１の制御バルブ１３閉第２の制御バルブ１４閉第３の制御バルブ３０開

【００４１】このバルブ制御によって、エンジン１から
の排気ガスは、図１１に示したような排気通路を流れ
る。この図からわかるように、リーン燃焼時には、プラ
イマリターボ過給機２は作動するが、第１の制御バルブ
１３が閉じているので、セカンダリターボ過給機３は過
給作動しない。また、第２の制御バルブ１４が閉じてお
り、かつ、第３の制御バルブ３０が開弁されるので、排
気ガスは、必ずＮＯx触媒コンバータ１６を通過して排
出される。

【００４２】次に、ステップ３１において、燃焼モード
フラグＦmodeが０でない場合（すなわちストイキオ燃焼
またはリッチ燃焼である場合）、ターボフラグＦturbo
が０であるか否かが判断される（ステップ３５）。ター
ボフラグＦturboが０、すなわちシングルターボの場合
には、ステップ３６〜３８の手順が実行されるため、制
御バルブ１３，１４，３０は、以下のような状態にな
る。［非リーン燃焼におけるシングルターボ作動時］第１の制御バルブ１３閉第２の制御バルブ１４開第３の制御バルブ３０閉

【００４３】このバルブ制御によって、エンジン１から
の排気ガスは、図１２に示したような排気通路を流れ
る。この図からわかるように、リーン燃焼時を除くシン
グルターボモードにおいては、プライマリターボ過給機
２は作動するが、第１の制御バルブ１３が閉じているの
で、セカンダリターボ過給機３は作動しない。また、第
２の制御バルブ１４が開いており、かつ、第３の制御パ
ルブ３０は閉じているため、すべての排気ガスは、ＮＯ
x触媒コンバータ１６を通過することなく、メイン触媒
コンバータ１０を介して、排出される。ここで、第１の
実施例の場合、ＮＯx触媒コンバータ１６を通過する排
気ガスが多少存在するが（図１２における矢印ａの流
れ）、本実施例では、第３の制御バルブ３０を閉じるこ
とで、その流れを完全にシャットアウトしている。従っ
て、第１の実施例よりもＮＯx触媒の熱劣化を一層効果
的に抑制することが可能となる。

【００４４】一方、ステップ３５において、ターボフラ
グＦturboが１、すなわちツインターボの場合には、ス
テップ３９〜４１の手順が実行されるため、制御バルブ
１３，１４，３０は、以下のような状態になる。［非リーン燃焼におけるツインターボ作動時］第１の制御バルブ１３開第２の制御バルブ１４開第３の制御バルブ３０閉

【００４５】このバルブ制御によって、エンジン１から
の排気ガスは、図１３に示したような排気通路を流れ
る。この図からわかるように、リーン燃焼時を除くツイ
ンターボモードにおいて、エンジン１から排出された排
気ガスは、プライマリターボ過給機２を介して、排気管
９ｂへ流れる。それと同時に、第１の制御バルブ１３が
開いているので、排気ガスは、セカンダリターボ過給機
３を介して、排気管９ｃへ流れる。ここで、第１の実施
例の場合、ＮＯx触媒コンバータ１６を通過する排気ガ
スが多少存在するが（図１３における矢印ｂの流れ）、
本実施例では、第３の制御バルブ３０を閉じているた
め、その流れを完全にシャットアウトしている。従っ
て、第１の実施例よりもＮＯx触媒の熱劣化を一層効果
的に抑制することが可能となる。

【００４６】以上の説明から明らかなように、本実施例
では、ＮＯx触媒の熱劣化が生じやすい温度領域では、
第３の制御バルブ３０を閉じることで、排気ガスがＮＯ
x触媒コンバータ１６へ流入することを完全にカットし
ている。従って、第１の実施例と比べて、ＮＯx触媒コ
ンバータ１６の熱劣化を一層効果的に抑制することが可
能となる。

【００４７】図１０は、第２の実施例における硫黄除去
の手順を示したフローチャートである。このフローチャ
ートに示した手順の内、図５のフローチャートと同じ手
順に関しては、同一のステップ番号を付して説明を省略
する。第２の実施例では、ＮＯx触媒の熱劣化を抑制す
るために２つの制御バルブ１４，３０を用いているた
め、それに対応してステップ１６ａ，１６ｂが設けられ
ている。すなわち、硫黄除去時には、第２の制御バルブ
１４を閉じると共に、第３の制御バルブ３０を開く。こ
れにより、硫黄を除去できる程度に高温で、かつ還元雰
囲気にある排気ガスが、ＮＯx触媒コンバータ１６を通
過する。その結果、硫酸塩としてＮＯx吸蔵触媒に蓄積
された硫黄成分は分解してＳＯ2となり、ＳＯ2ガスとし
て触媒から離脱するため、ＮＯx吸蔵触媒を再生するこ
とができる。

【００４８】

【発明の効果】このように本発明によれば、排気系にＮ
Ｏx触媒コンバータが設けられたシーケンシャル・ツイ
ンターボ・エンジンにおいて、排気通路に介装された制
御バルブの開閉制御により、運転状態に応じて、排気通
路を選択的に変えている。すなわち、リーン燃焼時には
ＮＯx触媒コンバータを介した排気通路を設定して、排
気ガス中に含まれたＮＯxをＮＯx触媒により有効に除去
している。一方、非リーン燃焼時には、ＮＯx触媒コン
バータを介さない排気通路を設定することで、高温化し
た排気ガスによるＮＯx触媒の熱劣化を抑制している。
これにより、リーン燃焼時におけるＮＯx除去とＮＯx触
媒の保護とを両立させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例にかかるシーケンシャル・ツイン
ターボ・エンジンの概略的な構成図

【図２】燃焼モードマップを説明するための図

【図３】ターボ切換マップを説明するための図

【図４】第１の実施例におけるバルブ制御のフローチャ
ート

【図５】ＮＯx触媒コンバータに蓄積された硫黄除去の
フローチャート

【図６】硫黄除去の変形例における燃焼モードマップを
説明するための図

【図７】硫黄除去の変形例におけるフローチャート

【図８】第２の実施例におけるシーケンシャル・ツイン
ターボ・エンジンの概略的な構成図

【図９】第２の実施例にかかるバルブ制御のフローチャ
ート

【図１０】ＮＯx触媒コンバータに蓄積された硫黄除去
のフローチャート

【図１１】リーン燃焼時における排気ガスの排気通路流
れを示した図

【図１２】非リーン燃焼におけるシングルターボモード
時の排気ガスの流れを示した図

【図１３】非リーン燃焼におけるツインターボモード時
の排気ガスの流れを示した図

【図１４】硫黄除去時の排気ガスの流れを示した図

【符号の説明】

１エンジン、２プライマリタ
ーボ過給機、３セカンダリターボ過給機、２
ａ，３ａコンプレッサ、２ｂ，３ｂタービン、
４エアクリーナ、５インタークーラ、
６電動スロットルバルブ、７エアチャン
バ、８吸気マニホールド、９ａ，９
ｂ，９ｃ，９ｄ排気管、１０メイン触媒コンバー
タ、１１マフラー、１２プリ触
媒コンバータ、１３第１の制御バルブ、１
４第２の制御バルブ、１５バイパス通路、
１６ＮＯx触媒コンバータ、１７制御装置
（ＥＣＵ）、１８，１９，３１アクチュエータ、２０
エンジン回転数センサ、２１アクセル開度セ
ンサ、２２排気温度センサ、３０第３
の制御バルブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０１Ｎ 3/20 Ｆ０１Ｎ 3/20 Ｕ 3/28 ３０１ 3/28 ３０１Ｆ３０１ＨＦ０２Ｂ 37/007 Ｆ０２Ｂ 37/12 ３０２Ｚ 37/12 ３０２Ｆ０２Ｄ 41/02 ３０１ＥＦ０２Ｄ 41/02 ３０１ 41/04 ３０５Ｃ 41/04 ３０５Ｆ０２Ｂ 37/00 ３０１ＥＦターム(参考） 3G005 EA04 EA16 EA24 EA26 FA35 GA02 GB24 GD13 GD14 GD17 GD18 HA18 JA16 JA39 JB02 3G091 AA02 AA10 AA12 AA17 AA28 AA29 AB03 AB05 AB06 BA04 BA10 BA11 BA14 CA12 CA13 CB07 CB08 DA01 DA02 DA03 DA05 DA09 DB06 DB10 EA01 EA07 EA17 EA30 EA34 EA38 FB03 FB10 FB11 FB12 FC02 FC08 HA36 HA37 HA42 HB02 HB03 HB06 3G301 HA08 HA11 LA01 LC03 MA01 NA04 NA08 NC02 NC08 ND01 NE14 NE15 PA16Z PA17Z PD09A PD09Z PD11Z PE01Z PF00Z PF03Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】すべての運転領域で作動する第１のターボ
過給機と、運転状態に応じて選択的に作動する第２のタ
ーボ過給機とが、排気通路に並列に配置された過給機付
きエンジンの排気装置において、前記第１のターボ過給機の下流側に接続された第１の排
気通路と、前記第２のターボ過給機の下流側に接続されていると共
に、前記第１の排気通路と合流する第２の排気通路と、前記第１の排気通路と前記第２の排気通路との合流部よ
りも上流側において、前記第１の排気通路と前記第２の
排気通路とを連通するバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられたＮＯx触媒コンバータ
と、運転状態に応じて、前記第２のターボ過給機を選択的に
作動させる第１の制御バルブと、前記バイパス通路と前記第１の排気通路との接合部より
も下流側で、かつ、前記第１の排気通路と前記第２の排
気通路との合流部よりも上流側において、前記第１の排
気通路に設けられた第２の制御バルブとを有し、前記第２の制御バルブによって、前記バイパス通路を流
れる排気ガスの流量を調整することができることを特徴
とする過給機付きエンジンの排気装置。
【請求項２】前記第１の制御バルブと前記第２の制御バ
ルブとを制御する制御手段をさらに有し、前記制御手段は、リーン燃焼時において、前記第１の制
御バルブを閉じる制御を行うと共に、前記第２の制御バ
ルブを閉じる制御を行い、かつ、前記リーン燃焼以外の燃焼時において、前記第２の制御
バルブを開く制御を行うことを特徴とする請求項１に記
載された過給機付きエンジンの排気装置。
【請求項３】前記ＮＯx触媒コンバータは、ＮＯｘ吸蔵
触媒を内蔵しており、前記制御手段は、前記ＮＯx触媒コンバータのＮＯx浄化
特性が硫黄被毒によって劣化したと推定された場合、当
該浄化特性の劣化を回復させることが可能な排気温度領
域において、前記第２の制御バルブを閉じる制御を行う
ことを特徴とする請求項２に記載された過給機付きエン
ジンの排気装置。
【請求項４】すべての運転領域で作動する第１のターボ
過給機と、運転状態に応じて選択的に作動する第２のタ
ーボ過給機とが、排気通路に並列に配置された過給機付
きエンジンの排気装置において、前記第１のターボ過給機の下流側に接続された第１の排
気通路と、前記第２のターボ過給機の下流側に接続され、前記第１
の排気通路と合流する第２の排気通路と、前記第１の排気通路と前記第２の排気通路との合流部よ
りも上流側において、前記第１の排気通路と前記第２の
排気通路とを連通するバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられたＮＯx触媒コンバータ
と、運転状態に応じて、前記第２のターボ過給機を選択的に
作動させる第１の制御バルブと、前記バイパス通路と前記第１の排気通路との接合部より
も下流側で、かつ、前記第１の排気通路と前記第２の排
気通路との合流部よりも上流側において、前記第１の排
気通路に設けられた第２の制御バルブと、前記バイパス通路に設けられた第３の制御バルブとを有
し、前記第２の制御バルブと前記第３の制御バルブとによっ
て、前記バイパス通路を流れる排気ガスの流量を調整す
ることができることを特徴とする過給機付きエンジンの
排気装置。
【請求項５】前記第１の制御バルブと前記第２の制御バ
ルブと第３の制御バルブとを制御する制御手段をさらに
有し、前記制御手段は、リーン燃焼時において、前記第１の制
御バルブと前記第２の制御バルブとを閉じる制御を行う
と共に、前記第３の制御バルブを開く制御を行い、前記リーン燃焼以外の燃焼時において、前記第２の制御
バルブを開く制御を行うと共に、前記第３の制御バルブ
を閉じる制御を行うことを特徴とする請求項４に記載さ
れた過給機付きエンジンの排気装置。
【請求項６】前記ＮＯx触媒コンバータは、ＮＯｘ吸蔵
触媒を内蔵しており、前記制御手段は、前記ＮＯx触媒コンバータのＮＯx浄化
特性が硫黄被毒によって劣化したと推定された場合、当
該浄化特性の劣化を回復させることが可能な排気温度領
域において、前記第２の制御バルブを閉じる制御を行う
と共に、前記第３の制御バルブを開く制御を行うことを
特徴とする請求項５に記載された過給機付きエンジンの
排気装置。
【請求項７】前記制御手段は、前記ＮＯx触媒コンバー
タのＮＯx浄化特性が硫黄被毒によって劣化したと推定
された場合、当該浄化特性の劣化を回復させることが可
能な排気温度領域において、第１の制御バルブを閉じる
制御を行うことを特徴とする請求項３または６に記載さ
れた過給機付きエンジンの排気装置。
【請求項８】前記制御手段は、走行距離が所定の値に到
達するごとに、前記ＮＯx触媒コンバータのＮＯx浄化特
性が硫黄被毒によって劣化したと推定することを特徴と
する請求項３，６または７に記載された過給機付きエン
ジンの排気装置。