JP2007224857A - 排気装置及び内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】過給機を備える内燃機関において、過給機の下流に設けられる浄化触媒の過熱を抑制すること。
【解決手段】内燃機関１は、過給機３と、第１浄化触媒１０と、第１浄化触媒１０をバイパスして排ガスＥｘを流す触媒バイパス通路８Ｂとを備えている。タービン３Ｔのウエストゲート弁３Ｖを開く際に、第１浄化触媒１０の温度予め定めた所定の設定温度以上である場合には、バイパス弁９の弁体９Ｖを開いてからウエストゲート弁３Ｖを開く。これによって、ウエストゲート３Ｗを通過する高温の排ガスＥｘは、第１浄化触媒１０をバイパスして流れる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、過給機と、浄化触媒をバイパスする浄化触媒のバイパス通路とを備える排気装置及び内燃機関に関する。

内燃機関が排出する排ガスを浄化する浄化触媒の過熱を抑制するため、浄化触媒をバイパスするバイパス通路を排気通路の途中に設けるものがある。例えば、特許文献１には、過給機を備え、過給機のタービンの上流側における排気通路部とタービン−浄化触媒間とを連通する第１バイパス通路部と、浄化触媒の上流と下流とを連通する第２バイパス通路部と、第１バイパス通路内に設けられる第１通路開閉手段と、第２バイパス通路内に設けられる第２通路開閉手段とを備える排気浄化装置が開示されている。

特開平５−４４４４８号公報

ところで、特許文献１に開示されている技術は、無過給かつ浄化触媒の温度が高温側の所定値以上である場合には、第１通路開閉手段及び第２通路開閉手段をともに開放させるが、開放の順序については言及されておらず、その順序によっては浄化触媒が過熱するおそれがある。また、特許文献１に開示されている技術は、浄化触媒の温度が高温側の所定値以上である場合に第２通路開閉手段を開放するが、これによってタービンの背圧が急激に低下してタービンの過回転を招くおそれもある。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、過給機を備える内燃機関において、過給機の下流に設けられる浄化触媒の過熱を抑制すること、過給機の過回転を抑制することのうち、少なくとも一つを達成できる排気装置及び内燃機関を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、この発明に係る排気装置は、内燃機関が排出する排ガスによって駆動されて前記内燃機関へ空気を供給する過給機と、前記過給機に仕事させるための前記排ガスの量を調整する排ガス量調整手段と、前記過給機の排ガスの出口よりも下流に設けられて、前記排ガスを浄化する浄化触媒と、前記浄化触媒をバイパスさせて前記排ガスを通過させる触媒バイパス通路と、前記触媒バイパス通路に設けられる触媒バイパス通路開閉手段と、を含み、前記触媒バイパス通路開閉手段を閉じている状態で、かつ前記過給機に仕事をさせるための前記排ガスの量を低下させる際に、前記浄化触媒の温度が予め定めた所定の設定温度以上である場合には、前記触媒バイパス通路開閉手段を開いてから、前記排ガス量調整手段によって前記過給機に仕事をさせる前記排ガスの量を低下させることを特徴とする。

この排気装置は、触媒バイパス通路開閉手段を閉じている状態で、かつ過給機に仕事をさせるための排ガスの量を低下させる際に、浄化触媒の温度が所定値以上である場合には、触媒バイパス通路開閉手段を開いてから過給機に仕事をさせる排ガスの量を低下させる。これによって、過給機で仕事をしなかった高温の排ガスは、過給機の下流に設けられる浄化触媒をバイパスして流れるため、前記浄化触媒の過熱を抑制できる。

次の本発明に係る排気装置は、内燃機関が排出する排ガスによって駆動されて前記内燃機関へ空気を供給する過給機と、前記過給機に仕事をさせるための前記排ガスの量を調整する排ガス量調整手段と、前記過給機の排ガスの出口よりも下流に設けられて、前記排ガスを浄化する浄化触媒と、前記浄化触媒をバイパスさせて前記排ガスを通過させる触媒バイパス通路と、前記触媒バイパス通路に設けられる触媒バイパス通路開閉手段と、を含み、前記触媒バイパス通路開閉手段を開く際に、前記過給機の回転数が予め定めた所定の回転数以上になると推定される場合には、前記排ガス量調整手段によって前記過給機に仕事をさせる前記排ガスの量を低減させてから、前記触媒バイパス通路開閉手段を開くことを特徴とする。

この排気装置は、触媒バイパス通路開閉手段を開く際に、過給機の回転数が所定の値以上になると推定される場合には、過給機に仕事をさせる排ガスの量を低減させてから、触媒バイパス通路開閉手段を開く。これによって、過給機の入口と出口との間における排ガスの差圧を小さく抑えることができるので、過給機の過回転を抑制することができる。

次の本発明に係る排気装置は、前記排気装置において、前記内燃機関の機関回転数が予め定めた所定の設定回転数以上、かつ前記内燃機関の負荷が予め定めた所定の設定負荷以上となった場合に、前記過給機の回転数が予め定めた所定の回転数以上になると判定することを特徴とする。

次の本発明に係る排気装置は、前記排気装置において、前記触媒バイパス通路は、前記排ガスを最初に浄化する浄化触媒に対して設けられることを特徴とする。

次の本発明に係る内燃機関は、前記排気装置を備え、排ガスを前記過給機へ供給することを特徴とする。

本発明に係る排気装置及び内燃機関は、過給機を備える内燃機関において、過給機の下流に設けられる浄化触媒の過熱を抑制すること、過給機の過回転を抑制することのうち、少なくとも一つを達成できる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。本発明は、乗用車、トラック、バスその他の車両に搭載される内燃機関に対して好適であるが、本発明の適用対象はこのような車両に限定されるものではない。また、本発明は、内燃機関の排ガスによって駆動されて、前記内燃機関へ空気を供給する過給機を備えていればよく、内燃機関の種類は問わない。

この実施形態は、次の点に特徴がある。すなわち、内燃機関の排ガスで駆動される過給機と、過給機に仕事させるための前記排ガスの量を調整する排ガス量調整手段と、内燃機関の排ガスを浄化する浄化触媒をバイパスする触媒バイパス通路と、触媒バイパス通路を開閉する触媒バイパス通路開閉手段とを備える。そして、触媒バイパス通路開閉手段を閉じている状態で、かつ過給機に仕事をさせるための排ガスの量を低下させる際に、浄化触媒の温度が所定値以上である場合には、触媒バイパス通路開閉手段を開いてから、排ガス量調整手段によって前記過給機に仕事をさせる前記排ガスの量を低下させる。

また、触媒バイパス通路開閉手段を開く際に、過給機の回転数が所定の値以上になると推定される場合には、排ガス量調整手段によって過給機に仕事をさせる前記排ガスの量を低減させてから、前記触媒バイパス通路開閉手段を開く。次に、この実施形態に係る排気装置及び内燃機関について説明する。以下の説明で下流というときには、内燃機関が排出する排ガスの流れ方向に対する下流をいうものとする。

図１は、この実施形態に係る排気装置、及びこれを備える内燃機関の構成を示す説明図である。この実施形態に係る内燃機関１は過給機３を備える。また、この実施形態に係る排気装置は、過給機３と、排ガス量調整手段であるウエストゲート弁３Ｖと、浄化触媒（第１浄化触媒１０）と、触媒バイパス通路８Ｂと、触媒バイパス通路開閉手段であるバイパス弁９の弁体９Ｖとを備える。

この実施形態においては、内燃機関１の排ガスＥｘによって駆動されるターボチャージャーを過給機３として用いる。過給機３は、内燃機関１の排ガスＥｘにより圧縮機３Ｃを駆動するタービン３Ｔと、両者を連結する回転軸３Ｓとで構成される。タービン３Ｔには、内燃機関１が排出した排気Ｅｘが供給されて、当該排気Ｅｘによってタービン３Ｔが駆動される。

過給機３のタービン３Ｔが排ガスＥｘによって駆動されると、回転軸３Ｓを介して圧縮機３Ｃが駆動される。これによって、第１空気通路２ａから圧縮機３Ｃに導入される空気Ａが圧縮される。ここで、第１空気通路２ａにはエアフローセンサ４１が取り付けられている。エアフローセンサ４１がエアクリーナ１２を通過した空気Ａの流量を測定することによって、内燃機関１に供給される空気量を取得する。

第１空気通路２ａから圧縮機３Ｃに吸入された空気Ａは、圧縮機３Ｃで圧縮されて、第２空気通路２ｂに吐出される。この空気Ａは、吸気冷却装置（熱交換器）４に送られて冷却される。吸気冷却装置４で冷却された空気Ａは、第３空気通路２ｃから吸気マニホールド５へ送られて、ここで内燃機関１の各気筒１Ｓ内に導入される。

空気Ａには、各気筒１Ｓ内に導入する前、あるいは各気筒１Ｓ内で燃料が供給されて、燃料との混合気を形成して、内燃機関１の各気筒１Ｓ内で燃焼する。燃焼後の混合気は、内燃機関１を駆動した後、排ガスＥｘとなって排気通路の一部であるエキゾーストマニホールド６から排出される。この排ガスＥｘは、過給機３のタービン３Ｔへ排ガスＥｘを導く排ガス導入通路７を通ってタービン３Ｔに供給されて、タービン３Ｔを駆動する。

過給機３には、タービン３Ｔをバイパスさせてタービン３Ｔの下流側（排気通路の出口側）に排ガスＥｘを流すためのタービンバイパス通路であるウエストゲート３Ｗが設けられる。ウエストゲート３Ｗには、タービン３Ｔをバイパスさせる排ガスＥｘの量を調整するための排ガス量調整手段として、ウエストゲート弁３Ｖが設けられる。ウエストゲート弁３Ｖは、ウエストゲート弁駆動用アクチュエータ３Ａによって開閉される。ウエストゲート弁３Ｖは、開度を調整したり、開時間と閉時間との比率を変更したりすることによって、ウエストゲート３Ｗを通過する排ガスＥｘの量を調整することができる。

過給機３の下流側（排気通路の出口側）には、排気通路を構成する第１中間排ガス通路８が設けられており、タービン３Ｔを駆動した後の排ガスＥｘや、ウエストゲート３Ｗを通過した排ガスＥｘが前記第１中間排ガス通路８に放出される。第１中間排ガス通路８は、触媒側通路８Ａと触媒バイパス通路８Ｂとに分岐している。触媒側通路８Ａには、第１浄化触媒１０が設けられており、内燃機関１から排出された排ガスＥｘを浄化する。第１浄化触媒１０は、例えば三元触媒が用いられる。また、この実施形態においては、第１浄化触媒１０の温度（以下触媒温度という）を測定するための触媒温度測定手段として、触媒温度計４０が取り付けられている。

触媒バイパス通路８Ｂは、第１浄化触媒１０をバイパスさせて、第１浄化触媒１０の下流側（排気通路の出口側）に排ガスＥｘを流す。触媒バイパス通路８Ｂには、バイパス弁９が設けられる。バイパス弁９は、触媒バイパス通路８Ｂの内部に設けられて触媒バイパス通路８Ｂ内で開閉する弁体９Ｖと、触媒バイパス通路開閉手段である弁体９Ｖを開閉するバイパス弁駆動用アクチュエータ９Ａとで構成される。なお、以下の説明でバイパス弁９を開閉するということを、弁体９Ｖを開閉することと同義で用いる。

バイパス弁９の弁体９Ｖを開くと、触媒バイパス通路８Ｂ内を排ガスＥｘが流れるので、第１浄化触媒１０をバイパスして排ガスＥｘが流れる。一方、バイパス弁９の弁体９Ｖを閉じると、排ガスＥｘは第１浄化触媒１０を通り、ここで浄化される。ここで、弁体９Ｖの開度を調整することで、第１浄化触媒１０をバイパスさせる排ガスＥｘの量を調整することもできる。

触媒バイパス通路８は、過給機３の排ガスＥｘの出口（タービン出口３Ｏ）よりも下流側で、最初に排ガスＥｘを浄化する浄化触媒（この実施形態では第１浄化触媒１０）に設けることが好ましい。過給機３の出口の下流側で、最初に排ガスＥｘを浄化する浄化触媒は、高温の排ガスＥｘが流入するため過熱しやすく、また、過給機３の出口における排ガスＥｘの圧力（背圧）に大きな影響を与える。したがって、かかる浄化触媒を排ガスＥｘがバイパス、あるいは通過を切り替え可能な構成とすることで、浄化触媒の過熱や過給機３の背圧を制御することができる。

触媒側通路８Ａと触媒バイパス通路８Ｂとは、浄化触媒１０の下流側（排気通路の出口側）で集合して、第２中間排ガス通路８Ｃに接続される。第２中間排ガス通路８Ｃは、第２浄化触媒１１に接続されている。触媒側通路８Ａ、あるいは触媒バイパス通路８Ｂを通過した後の排ガスＥｘは、第２中間排ガス通路８Ｃによって第２浄化触媒１１に導かれ、ここで浄化される。第２浄化触媒１１には、例えば三元触媒を用いる。

ウエストゲート弁駆動用アクチュエータ３Ａ及びバイパス弁駆動用アクチュエータ９Ａは、機関ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０内に備えられている排気制御装置３０によって制御される。これによって、ウエストゲート弁３Ｖ及びバイパス弁９が制御される。また、排気制御装置３０は、触媒温度計４０、エアフローセンサ４１、クランク角度センサ４２からの情報を、ＥＣＵ５０を介して取得して、ウエストゲート弁３Ｖ及びバイパス弁９の制御パラメータとして使用する。次に、この実施形態に係る排気制御装置３０について説明する。

図２は、この実施形態に係る排気制御装置の構成を示す概念図である。図２に示すように、排気制御装置３０は、ＥＣＵ５０に組み込まれて構成されている。ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）５０ｐと、記憶部５０ｍと、入力及び出力ポート５５、５６と、入力及び出力インターフェース５７、５８とから構成される。

なお、ＥＣＵ５０とは別個に、この実施形態に係る排気制御装置３０を用意し、これをＥＣＵ５０に接続してもよい。そして、この実施形態に係る排気制御を実現するにあたっては、ＥＣＵ５０が備えているウエストゲート弁３Ｖ及びバイパス弁９に対する制御機能を、前記排気制御装置３０が利用できるように構成してもよい。

排気制御装置３０は、運転条件判定部３１と、過給機用排ガス制御部３２と、バイパス弁制御部３３とを含んで構成される。これらが、この実施形態に係る内燃機関の始動制御を実行する部分となる。この実施形態において、排気制御装置３０は、ＥＣＵ５０を構成するＣＰＵ５０ｐの一部として構成される。また、ＣＰＵ５０ｐ内には、内燃機関１の運転制御を司る内燃機関制御部５３ｈが設けられる。ＣＰＵ５０ｐと、記憶部５０ｍとは、バス５４₁〜５４₃を介して、入力ポート５５及び出力ポート５６を介して接続される。

これにより、排気制御装置３０を構成する運転条件判定部３１と過給機用排ガス制御部３２とバイパス弁制御部３３とは、相互に制御データをやり取りしたり、一方に命令を出したりできるように構成される。また、排気制御装置３０は、内燃機関制御部５３ｈが有する内燃機関１の運転制御データを取得し、これを利用することができる。また、排気制御装置３０は、この実施形態に係る排気制御を、内燃機関制御部５３ｈが予め備えている内燃機関１の運転制御ルーチンに割り込ませたりすることができる。

入力ポート５５には、入力インターフェース５７が接続されている。入力インターフェース５７には、触媒温度計４０、エアフローセンサ４１、クランク角度センサ４２その他の、排気装置の制御に必要な情報を取得するセンサ類が接続されている。これらのセンサ類から出力される信号は、入力インターフェース５７内のＡ／Ｄコンバータ５７ａやディジタルバッファ５７ｄにより、ＣＰＵ５０ｐが利用できる信号に変換されて入力ポート５５へ送られる。これにより、ＣＰＵ５０ｐは、ウエストゲート弁３Ｖ及びバイパス弁９の制御や、内燃機関１の制御に必要な情報を取得することができる。

出力ポート５６には、出力インターフェース５８が接続されている。出力インターフェース５８には、ウエストゲート弁３Ｖ及びバイパス弁９その他の、排気制御における制御対象が接続されている。出力インターフェース５８は、制御回路５８₁、５８₂等を備えており、ＣＰＵ５０ｐで演算された制御信号に基づき、前記制御対象を動作させる。このような構成により、前記センサ類からの出力信号に基づき、ＥＣＵ５０のＣＰＵ５０ｐは、ウエストゲート弁３Ｖ及びバイパス弁９の開度を制御することができる。

記憶部５０ｍには、この実施形態に係る排気制御の処理手順を含むコンピュータプログラムや制御マップ、あるいはこの実施形態に係る排気制御に用いる、制御データマップ等が格納されている。ここで、記憶部５０ｍは、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。

上記コンピュータプログラムは、ＣＰＵ５０ｐへ既に記録されているコンピュータプログラムと組み合わせによって、この実施形態に係る排気制御の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この排気制御装置３０は、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、運転条件判定部３１、過給機用排ガス制御部３２及びバイパス弁制御部３３との機能を実現するものであってもよい。次に、この実施形態に係る排気制御を説明する。次の説明では、適宜図１〜図２を参照されたい。

図３は、この実施形態に係る排気制御装置を用いた場合における第１の排気制御の手順を示すフローチャートである。ここで、第１の排気制御は、ウエストゲート３Ｗによって過給機（具体的にはタービン）に仕事をさせる排ガスの量を調整する過給機のみならず、可変ノズル等を排ガス量調整手段として、過給機（具体的にはタービン）に仕事をさせる排ガスの量を調整する可変容量式の過給機（以下可変容量式過給機という）に対しても適用できる。

第１の排気制御を実行するにあたり、排気制御装置３０の運転条件判定部３１は、内燃機関１の運転条件や過給機３の条件等から、過給機３（具体的にはタービン３Ｔ）に仕事をさせる排ガスＥｘの量を低減する条件か否かを判定する。この実施形態では、ウエストゲート３Ｗを開く条件か否かを判定する（ステップＳ１０１）ことによって、過給機３に仕事をさせる排ガスＥｘの量を低減する条件か否かを判定する。なお、過給機３に供給する排ガスＥｘの量を低減する条件とは、例えば、過給機３の過給圧力が目標過給圧力よりも高くなるような場合である。

ウエストゲート３Ｗを開かない場合（ステップＳ１０１：Ｎｏ）、ＳＴＡＲＴに戻り、運転条件判定部３１は、内燃機関１の運転条件や過給機３の条件等の監視を継続する。ウエストゲート３Ｗを開く場合（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、運転条件判定部３１は、触媒温度計４０から第１浄化触媒１０の温度（第１浄化触媒温度、以下ＳＣ温度）Ｔｓｃを取得する（ステップＳ１０２）。第１浄化触媒１０は、セラミックスやステンレス等の触媒床に白金やバナジウム等の貴金属を触媒として付着させている。ＳＣ温度Ｔｓｃは、触媒床に付着させた触媒自体の温度であるが、これを測定することは難しいので、触媒床の温度をＳＣ温度Ｔｓｃとみなしている。

なお、この実施形態においてはＳＣ温度Ｔｓｃを実測して求めるが、内燃機関１の運転状態から推定してもよい。例えば、内燃機関１の吸入空気量と、ＳＣ温度Ｔｓｃの単位時間あたりにおける変化量との関係から、内燃機関１の吸入空気量を求めることによりＳＣ温度Ｔｓｃを推定するものがある。

運転条件判定部３１は、取得したＳＣ温度Ｔｓｃを予め定めた所定の設定温度Ｔｓｃ＿ｌと比較する（ステップＳ１０３）。設定温度Ｔｓｃ＿ｌは、例えば、第１浄化触媒１０の最高使用温度から所定の温度（例えば数十℃）を減じた値とすることができる。ウエストゲート３Ｗを開くことにより過給機３のタービン３Ｔに供給される排ガスＥｘが減少する結果、過給機３のタービン３Ｔに仕事をさせる排ガスＥｘの量が低減する。また、可変容量式過給機である場合には、ノズルを調整することによって、過給機３に仕事をさせる排ガスＥｘの量を低減する。これによって、タービン３Ｔで熱エネルギーを奪われずに第１中間排ガス通路８へ放出される排ガスＥｘの量が増加する。その結果、高温の排ガスＥｘがウエストゲート３Ｗを通って第１浄化触媒１０に流入してＳＣ温度Ｔｓｃの急激な上昇を招き、第１浄化触媒１０のＯＴ（Over Temperature：過熱）を招くおそれがある。

この排気制御では、過給機３に仕事をさせる排ガスＥｘの量が低減する（例えば、ウエストゲート３Ｗを開く）ことに起因する第１浄化触媒１０のＯＴを抑制するためのものなので、高温の排ガスＥｘが第１浄化触媒１０に流入することによるＳＣ温度Ｔｓｃの急激な上昇を考慮して、設定温度Ｔｓｃ＿ｌを決定する。また、設定温度Ｔｓｃ＿ｌは一定の値としてもよいし、内燃機関１の運転条件や過給の条件等に応じて変化させてもよい。後者のようにすれば、例えば、高回転、高負荷の場合には設定温度Ｔｓｃ＿ｌを下げることによって、第１浄化触媒１０のＯＴをより確実に回避することができる。

Ｔｓｃ＜Ｔｓｃ＿ｌである場合（ステップＳ１０３：Ｎｏ）、ウエストゲート３Ｗを開いても第１浄化触媒１０のＯＴのおそれはない。この場合、排気制御装置３０の過給機用排ガス制御部３２は、ウエストゲート弁駆動用アクチュエータ３Ａを駆動してウエストゲート弁３Ｖを開き（ステップＳ１０４）、ウエストゲート３Ｗから第１中間排ガス通路８へ排ガスＥｘを流す。なお、このときには、バイパス弁９の弁体９Ｖは閉じたままである。

Ｔｓｃ≧Ｔｓｃ＿ｌである場合（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）、ウエストゲート３Ｗを開くと第１浄化触媒１０のＯＴを招くおそれがある。この場合、排気制御装置３０のバイパス弁制御部３３は、バイパス弁駆動用アクチュエータ９Ａを駆動してバイパス弁９の弁体９Ｖを開く（ステップＳ１０５）。その後、過給機用排ガス制御部３２は、ウエストゲート弁駆動用アクチュエータ３Ａを駆動してウエストゲート弁３Ｖを開き（ステップＳ１０４）、ウエストゲート３Ｗから第１中間排ガス通路８へ排ガスＥｘを流す。これによって、過給機３に仕事をさせる排ガスＥｘの量を低減する。

このようにすることで、ウエストゲート３Ｗを通って第１中間排ガス通路８へ流入した排ガスＥｘは、触媒バイパス通路８Ｂを通って第２中間排ガス通路８Ｃへ流れる。その結果、タービン３Ｔで仕事をせずにウエストゲート３Ｗを通った高温の排ガスＥｘは、第１浄化触媒１０をバイパスして流れるので、第１浄化触媒１０のＯＴを回避することができる。

また、ウエストゲート３Ｗを排ガスＥｘが通過することによる第１中間排ガス通路８内における排ガスＥｘの温度上昇は、内燃機関１の通常の運転条件変化によるものに比べ急激である。このため、ＳＣ温度Ｔｓｃを用いたフィードバック制御によりバイパス弁９を開閉する手法では、第１中間排ガス通路８内における排ガスＥｘの温度上昇に、排ガスＥｘのバイパス弁９の開閉が追従できないおそれがある。

しかし、この実施形態に係る第１の排気制御によれば、ＳＣ温度Ｔｓｃが設定温度Ｔｓｃ＿ｌ以上になればバイパス弁９を開くので、第１中間排ガス通路８内における排ガスＥｘの急激な温度上昇に対して、速やかにバイパス弁９を開くことができる。その結果、第１浄化触媒１０のＯＴを確実に回避することができる。次に、この実施形態に係る第２の排気制御を説明する。

図４は、この実施形態に係る排気制御装置を用いた場合における第２の排気制御の手順を示すフローチャートである。ここで、第２の排気制御は、ウエストゲート３Ｗによって過給機（具体的にはタービン）に仕事をさせる排ガスの量を調整する過給機のみならず、可変ノズル等を排ガス量調整手段として、過給機（具体的にはタービン）に仕事をさせる排ガスの量を調整する可変容量式の過給機に対しても適用できる。

第２の排気制御を実行するにあたり、排気制御装置３０の運転条件判定部３１は、内燃機関１の運転条件等から、バイパス弁９の弁体９Ｖを開くことにより、第１浄化触媒１０をバイパスさせて排ガスＥｘを流す条件であるか否かを判定する（ステップＳ２０１）。第１浄化触媒１０をバイパスさせて排ガスＥｘを流す条件とは、例えば、第２浄化触媒１１の温度が活性温度に達し、第２浄化触媒１１のみでも必要十分な浄化性能が得られるようになった場合である。バイパス弁９の弁体９Ｖを開かない場合（ステップＳ２０１：Ｎｏ）、すなわち第１浄化触媒１０に排ガスＥｘを流す必要がある場合にはＳＴＡＲＴに戻り、運転条件判定部３１は、内燃機関１の運転条件等の監視を継続する。

バイパス弁９の弁体９Ｖを開く場合（ステップＳ２０１：Ｙｅｓ）、すなわち第１浄化触媒１０に排ガスＥｘを流す必要がない場合、運転条件判定部３１は、内燃機関１の機関回転数ＮＥ及び負荷ＫＬを取得する（ステップＳ２０２）。内燃機関１の機関回転数ＮＥは、クランク角度センサ４２から取得し、また、負荷ＫＬは、エアフローセンサ４１から求めた内燃機関１の吸入空気量に基づいて算出する。なお、この実施形態において、内燃機関１の負荷には、負荷率も含まれるものとする。ここで負荷率ＫＬとは、内燃機関１の吸入空気量が、当該内燃機関１の排気量と等しいときの負荷率を１００％としたときにおける、相対的な負荷の大きさをいう。

次に、運転条件判定部３１は、取得した内燃機関１の機関回転数ＮＥ及び負荷ＫＬを、予め定めた所定の設定回転数ＮＥ＿ｌ及び設定負荷ＫＬ＿ｌと比較する（ステップＳ２０３）。所定の設定回転数ＮＥ＿ｌ及び設定負荷ＫＬ＿ｌは、バイパス弁９を開いたときに、過給機３のタービン３Ｔが予め定めた所定の回転数（例えば許容回転数）以上になると推定されるか否かを判定するための指標である。機関回転数及び負荷は、内燃機関１の運転制御で用いるため、これらを用いれば、過給機３のタービン３Ｔが予め定めた所定の回転数以上になるか否かを簡易に判定することができる。なお、バイパス弁９を開いたときに、過給機３のタービン３Ｔが所定の回転数以上になると推定されるか否かは、過給機３のタービン３Ｔの回転数を取得して判定してもよい。また、吸気マニホールド５の圧力から求める過給圧から推定してもよい。

ＮＥ≧ＮＥ＿ｌかつＫＬ≧ＫＬ＿ｌである場合には、内燃機関１は高回転かつ高負荷で運転されている。内燃機関１が高回転かつ高負荷で運転されている場合、高温の排ガスＥｘが多量に生み出される。このとき、バイパス弁９を開くと、それまで第１浄化触媒１０を通過していた排ガスＥｘが第１浄化触媒１０をバイパスして触媒バイパス通路８Ｂを流れるため、過給機３が備えるタービン３Ｔの背圧（タービン３Ｔの出口３Ｏにおける圧力）が急激に低下する。

タービン３Ｔの効率は、タービン３Ｔの入口（タービン入口）３Ｉにおける圧力とタービン出口３Ｏにおける圧力との圧力差（入口−出口間圧力差）が大きくなるほど向上するので、タービン３Ｔの背圧が急激に低下すると、入口−出口間圧力差が急激に大きくなる。その結果、タービン３Ｔの効率が向上してタービン３Ｔの回転数が急激に上昇して、タービン３Ｔの耐久性を低下させるおそれがある。

そこで、この実施形態では、内燃機関１が高回転かつ高負荷で運転されている場合にバイパス弁９を開く場合には、まずウエストゲート弁３Ｖを開く。これによって、内燃機関１の排ガスＥｘはウエストゲート３Ｗを通過するので、過給機３のタービン３Ｔで仕事をする排ガスＥｘの量が低減する。この状態でバイパス弁９を開けば、タービン３Ｔの背圧が低下しても入口−出口間圧力差の急激な上昇が抑制されるので、タービン３Ｔの回転数が急激に上昇することを抑制できる。その結果、タービン３Ｔの耐久性低下を回避できる。

ＮＥ＜ＮＥ＿ｌ又はＫＬ＜ＫＬ＿ｌである場合（ステップＳ２０３：Ｎｏ）、バイパス弁９を開いても、タービン３Ｔの入口−出口間圧力差が急激に上昇することはない。このため、バイパス弁制御部３３は、バイパス弁駆動用アクチュエータ９Ａを駆動してバイパス弁９の弁体９Ｖを開く（ステップＳ２０４）。

ＮＥ≧ＮＥ＿ｌかつＫＬ≧ＫＬ＿ｌである場合（ステップＳ２０３：Ｙｅｓ）、バイパス弁９を開くと、タービン３Ｔの入口−出口間圧力差が急激に上昇してタービン３Ｔが過回転となるおそれがある。この場合、過給機用排ガス制御部３２は、ウエストゲート弁駆動用アクチュエータ３Ａを駆動してウエストゲート弁３Ｖを開き（ステップＳ２０５）、ウエストゲート３Ｗから第１中間排ガス通路８へ排ガスＥｘを流す。その後、バイパス弁制御部３３は、バイパス弁駆動用アクチュエータ９Ａを駆動してバイパス弁９の弁体９Ｖを開く（ステップＳ２０４）。

これによって、タービン３Ｔの背圧が低下しても入口−出口間圧力差の急激な上昇が抑制される。その結果、タービン３Ｔの回転数が急激に上昇することを抑制して、タービン３Ｔの耐久性低下を回避できる。なお、ウエストゲート３Ｗとバイパス弁９とは同時に開いてもよい。すなわちステップＳ２０５とステップＳ２０４とは同時であってもよい。

また、内燃機関１が排出する排ガスＥｘが変化したときには、過給機３の過給圧をフィードバック制御することによってウエストゲート３Ｗを開き、過給機３に仕事をさせる排ガスＥｘの量を低減することによって、タービン３Ｔの過回転を回避する。しかし、バイパス弁９を開いたときの背圧変化は急激であるため、過給圧をフィードバック制御では、過給機３に仕事をさせる排ガスＥｘの量を低減する制御が追従できないおそれがある。しかし、この実施形態に係る第２の排気制御によれば、バイパス弁９を開いたときに、過給機３のタービン３Ｔが所定の回転数以上になると推定される場合にウエストゲート３Ｗを開く。これによって、タービン３Ｔの回転数が急激に上昇することを抑制して、タービン３Ｔの耐久性低下をより確実に回避できる。

以上、この実施形態では、触媒バイパス通路開閉手段を閉じている状態で、かつ過給機に仕事をさせるための排ガスの量を低下させる際に、浄化触媒の温度が所定値以上である場合には、触媒バイパス通路開閉手段を開いてから過給機に仕事をさせる前記排ガスの量を低下させる。これによって、過給機で仕事をしなかった高温の排ガスは、過給機の下流に設けられる浄化触媒をバイパスして流れるため、前記浄化触媒の過熱を抑制できる。

また、この実施形態では、触媒バイパス通路開閉手段を開く際に、過給機の回転数が所定の値以上になると推定される場合には、排ガス量調整手段によって過給機に仕事をさせる排ガスの量を低減させてから、触媒バイパス通路開閉手段を開く。これによって、過給機の入口と出口との間における排ガスの差圧を小さく抑えることができるので、過給機の過回転を抑制することができる。なお、この実施形態で開示した構成と同様の構成を備えるものは、この実施形態と同様の作用、効果を奏する。

以上のように、本発明に係る排気装置及び内燃機関は、過給機及び浄化触媒をバイパスするバイパス通路を有するものに対して有用であり、特に、過給機の下流に設けられる浄化触媒の過熱を抑制すること、あるいは過給機の過回転を抑制することに適している。

この実施形態に係る排気装置、及びこれを備える内燃機関の構成を示す説明図である。 この実施形態に係る排気制御装置の構成を示す概念図である。 この実施形態に係る排気制御装置を用いた場合における第１の排気制御の手順を示すフローチャートである。 この実施形態に係る排気制御装置を用いた場合における第２の排気制御の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 過給機
３Ａ ウエストゲート弁駆動用アクチュエータ
３Ｃ 圧縮機
３Ｉ タービン入口
３Ｏ タービン出口
３Ｓ 回転軸
３Ｔ タービン
３Ｖウエストゲート弁
３Ｗ ウエストゲート
８Ａ 触媒側通路
８Ｂ 触媒バイパス通路
９ バイパス弁
９Ａ バイパス弁駆動用アクチュエータ
９Ｖ 弁体
１０ 第１浄化触媒
１１ 第２浄化触媒
３０ 排気制御装置
３１ 運転条件判定部
３２ 過給機用排ガス制御部
３３ バイパス弁制御部

Claims (5)

1. 内燃機関が排出する排ガスによって駆動されて前記内燃機関へ空気を供給する過給機と、
   前記過給機に仕事させるための前記排ガスの量を調整する排ガス量調整手段と、
   前記過給機の排ガスの出口よりも下流に設けられて、前記排ガスを浄化する浄化触媒と、
   前記浄化触媒をバイパスさせて前記排ガスを通過させる触媒バイパス通路と、
   前記触媒バイパス通路に設けられる触媒バイパス通路開閉手段と、を含み、
   前記触媒バイパス通路開閉手段を閉じている状態で、かつ前記過給機に仕事をさせるための前記排ガスの量を低下させる際に、前記浄化触媒の温度が予め定めた所定の設定温度以上である場合には、前記触媒バイパス通路開閉手段を開いてから、前記排ガス量調整手段によって前記過給機に仕事をさせる前記排ガスの量を低下させることを特徴とする排気装置。
2. 内燃機関が排出する排ガスによって駆動されて前記内燃機関へ空気を供給する過給機と、
   前記過給機に仕事をさせるための前記排ガスの量を調整する排ガス量調整手段と、
   前記過給機の排ガスの出口よりも下流に設けられて、前記排ガスを浄化する浄化触媒と、
   前記浄化触媒をバイパスさせて前記排ガスを通過させる触媒バイパス通路と、
   前記触媒バイパス通路に設けられる触媒バイパス通路開閉手段と、を含み、
   前記触媒バイパス通路開閉手段を開く際に、前記過給機の回転数が予め定めた所定の回転数以上になると推定される場合には、前記排ガス量調整手段によって前記過給機に仕事をさせる前記排ガスの量を低減させてから、前記触媒バイパス通路開閉手段を開くことを特徴とする排気装置。
3. 前記内燃機関の機関回転数が予め定めた所定の設定回転数以上、かつ前記内燃機関の負荷が予め定めた所定の設定負荷以上となった場合に、前記過給機の回転数が予め定めた所定の回転数以上になると判定することを特徴とする請求項２に記載の排気装置。
4. 前記触媒バイパス通路は、前記排ガスを最初に浄化する浄化触媒に対して設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の排気装置を備え、排ガスを前記過給機へ供給することを特徴とする内燃機関。
   

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