JP2015224616A

JP2015224616A - 内燃機関の排気装置

Info

Publication number: JP2015224616A
Application number: JP2014111537A
Authority: JP
Inventors: 直之山形; Naoyuki Yamagata
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2014-05-29
Filing date: 2014-05-29
Publication date: 2015-12-14
Anticipated expiration: 2034-05-29
Also published as: JP6156651B2

Abstract

【課題】装置の複雑化やコスト上昇を招くことなく、触媒へ流入する排気ガスの温度を低下させ、触媒の劣化を抑制し耐久性を向上させることができる内燃機関の排気装置を提供する。
【解決手段】エンジン(2)の排気装置(1)は、排気ガスを浄化する排気ガス浄化触媒(24)と、排気ガス浄化触媒より上流に配置されたターボ過給機(12)と、ターボ過給機のタービン(8)の上流側から排気ガスの一部を取り出して吸気経路(4)に循環させるＥＧＲ通路(30)と、ＥＧＲ通路に流入した排気ガスを冷却する排気冷却部(32)と、一端が排気冷却部の下流側においてＥＧＲ通路に連結されると共に他端が排気ガス浄化触媒の上流側に連結された冷却排気ガス導入通路(34)とを有し、排気冷却部により冷却された排気ガスの一部は、冷却排気ガス導入通路に分岐され排気ガス浄化触媒の上流側に導入される。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気装置に係わり、特に、内燃機関から排出された排気ガスを処理する内燃機関の排気装置に関する。

ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関から排出される排気ガスに含まれる未燃焼ガス（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_Xなど）を除去して排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置が用いられている。この排気ガス浄化装置は、例えば特許文献１に示されているように、エンジンの排気ガス中の未燃焼ガス（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_Xなど）の酸化・還元を行う三元触媒や、リーン空燃比においてＮＯ_Xを除去するリーンＮＯ_X触媒などを有している。

これらの触媒には、排気ガスの浄化に適した温度範囲が存在しており、この温度範囲を外れると、排気ガスの浄化効率が低下する。従って、排気ガスを効率的に浄化するには、触媒の温度を適切な温度範囲内に維持することが必要となる。

そこで、例えば特許文献１の排気浄化処理装置では、排気管の途中に冷却エア通路を設け、この冷却エア通路に冷却装置を設置している。冷却装置は、冷却エア通路を流れるエンジンからの排気を冷却し、冷却された排気を触媒の上流側の排気管に供給する。これにより、触媒には冷却された排気が供給され、触媒温度が適切な温度に維持される。

特開２００５−３６７７０号公報

上述したような従来技術は、排気ガスの浄化効率の観点から触媒を適切な温度範囲内に保持しようとするものである。さらに、触媒が過度に高温になると、触媒の担体に担持された貴金属粒子が融合することにより触媒の表面積が減少して反応効率が低下したり、担体自体にクラックが生じたりする可能性もある。従って、このような触媒の劣化抑制や耐久性向上の観点からも、触媒へ流入する排気ガスの温度を抑制することが望ましい。

しかしながら、上述したような従来技術では、排気管の途中に冷却エア通路を設けると共に、この冷却エア通路に冷却装置を新設しなければならず、装置の複雑化やコスト上昇を招く。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、装置の複雑化やコスト上昇を招くことなく、触媒へ流入する排気ガスの温度を低下させ、触媒の劣化を抑制し耐久性を向上させることができる内燃機関の排気装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の内燃機関の排気装置は、内燃機関から排出された排気ガスを処理する内燃機関の排気装置であって、内燃機関の排気ガスを浄化する排気ガス浄化触媒と、排気ガス浄化触媒より上流に配置された、タービン及びコンプレッサを備えたターボ過給機と、ターボ過給機のタービンの上流側から排気ガスの一部を取り出して内燃機関の吸気経路に循環させる排気再循環路と、排気再循環路に設けられ、この排気再循環路に流入した排気ガスを冷却する排気冷却部と、一端が排気冷却部の下流側において排気再循環路に連結されると共に他端が排気ガス浄化触媒の上流側に連結された冷却排気ガス導入通路と、を有し、排気冷却部により冷却された排気ガスの一部は、排気再循環路を経由して内燃機関の吸気経路に循環され、排気冷却部により冷却された排気ガスの他の一部は、冷却排気ガス導入通路に分岐され排気ガス浄化触媒の上流側に導入されることを特徴とする。
このように構成された本発明においては、冷却排気ガス導入通路の一端が排気冷却部の下流側において排気再循環路に連結されると共に他端が排気ガス浄化触媒の上流側に連結され、排気冷却部により冷却された排気ガスの一部は、冷却排気ガス導入通路に分岐され排気ガス浄化触媒の上流側に導入されるので、冷却された排気ガスがタービンから流出した排気ガスと共に触媒装置に流入することにより、触媒装置へ流入する排気ガスの温度を低下させることができる。
そして、この排気冷却部は、排気再循環路から吸気経路に循環する排気ガス及び冷却排気ガス導入通路に流入する排気ガスの両方の冷却に使用できるので、冷却排気ガス導入通路に流入する排気ガスを冷却するための排気冷却部を新設する必要がなく、これにより、装置の複雑化やコスト上昇を招くことなく、触媒へ流入する排気ガスの温度を低下させ、触媒の劣化を抑制し耐久性を向上させることができる。

また、本発明において、好ましくは、内燃機関の排気装置は、更に、ターボ過給機のタービンの上流側と下流側とをバイパスするバイパス通路を有し、冷却排気ガス導入通路の出口は、バイパス通路に連結され、バイパス通路の上流側端部には、ターボ過給機のタービンの上流側から流入する排気ガスの流量を調節するウェイストゲートバルブが設けられ、冷却排気ガス導入通路には、この冷却排気ガス導入通路を流れる排気ガスの流量を調整する冷却排気ガス流量調整バルブが設けられ、更に、ウェイストゲートバルブ及び冷却排気ガス流量調整バルブの開度を制御するバルブ制御部を有し、バルブ制御部は、冷却排気ガス流量調整バルブを開いた後にウェイストゲートバルブを開くことを特徴とする。
このように構成された本発明においては、バルブ制御部は、冷却排気ガス流量調整バルブを開いた後にウェイストゲートバルブを開くので、ウェイストゲートバルブを経由して高温を維持したままバイパス通路に流入した排気ガスを、排気再循環路の排気冷却部により冷却され冷却排気ガス導入通路を経由してバイパス通路に流入した排気ガスと混合させて温度を低下させることができ、触媒装置へ流入する排気ガスの温度を低下させることができる。

また、本発明において、好ましくは、冷却排気ガス流量調整バルブの開口面積の最小変化量は、ウェイストゲートバルブの開口面積の最小変化量よりも小さいことを特徴とする。
このように構成された本発明においては、冷却排気ガス流量調整バルブ及びウェイストゲートバルブの両方が開く運転領域では、最小変化量の大きいウェイストゲートバルブの開度を大きくして、タービンを迂回してバイパス通路に流入する排気ガスの流量を確保しつつ、最小変化量の小さい冷却排気ガス流量調整バルブの開度を微調整することにより、ターボ過給機による過給圧や触媒装置の入口における排気ガス温度を高精度に制御することができる。

本発明による内燃機関の排気装置によれば、装置の複雑化やコスト上昇を招くことなく、触媒へ流入する排気ガスの温度を低下させ、触媒の劣化を抑制し耐久性を向上させることができる。

本発明の実施形態による排気装置のシステム構成図である。本発明の実施形態による排気装置の冷却排気ガス流量調整バルブ及びウェイストゲートバルブの開口面積の最小変化量を示した線図である。本発明の実施形態による排気装置が実行する処理の流れを示すフローチャートである。本発明の実施形態による排気装置を搭載したエンジンのトルクカーブと共に、冷却排気ガス流量調整バルブ及びウェイストゲートバルブが開く領域を示した線図である。本発明の実施形態の変形例による排気装置が実行する処理の流れを示すフローチャートである。本発明の実施形態の変形例による排気装置を搭載したエンジンのトルクカーブと共に、冷却排気ガス流量調整バルブ及びウェイストゲートバルブが開く領域を示した線図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態による内燃機関の排気装置を説明する。
まず、図１及び図２により、本発明の実施形態による内燃機関の排気装置の全体構成を説明する。図１は、本発明の実施形態による排気装置のシステム構成図であり、図２は、本発明の実施形態による排気装置の冷却排気ガス流量調整バルブ及びウェイストゲートバルブの開口面積の最小変化量を示した線図である。

まず、図１において符号１は、本発明の実施形態による内燃機関の排気装置を示す。本実施形態においては、内燃機関の排気装置１は、エンジン２の排気経路に設けられているものとする。
図１に示すように、エンジン２には、このエンジン２に空気を供給する吸気経路４と、エンジン２から排気ガスが排出される排気経路６とが接続されている。また、エンジン２は、タービン８及びコンプレッサ１０を備えたターボ過給機１２を有しており、ターボ過給機１２のタービン８は排気経路６に設けられ、コンプレッサ１０は吸気経路４に設けられている。

エンジン２の吸気経路４において、コンプレッサ１０の上流側には、吸気経路４に吸入される外気をろ過するエアクリーナ１４が設けられている。コンプレッサ１０の下流側には、コンプレッサ１０によって圧縮され高温となった空気を冷却するインタークーラ１６が設けられている。さらに、インタークーラ１６の下流側には、インテークマニフォールド１８が接続され、このインテークマニフォールド１８は、エンジン２の各燃焼室２０の吸気ポートに接続されている。
外部から吸気経路４に流入した空気は、エアクリーナ１４によってろ過された後にコンプレッサ１０により圧縮される。コンプレッサ１０によって圧縮された空気はインタークーラ１６によって冷却され、インテークマニフォールド１８を介してエンジン２の各燃焼室２０に吸気される。

また、エンジン２の排気経路６において、エキゾーストマニフォールド２２がエンジン２の各燃焼室２０の排気ポートに接続されている。エキゾーストマニフォールド２２の下流側には、ターボ過給機１２のタービン８が設けられている。さらに、タービン８の下流側には、排気ガスに含まれる未燃焼ガス（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_Xなど）を除去する排気ガス浄化触媒２４が設けられている。この排気ガス浄化触媒２４は、例えば排気ガスの流れに沿って延びる多数のセルを有したセラミックス製あるいは金属製の担体の表面に貴金属粒子を触媒として担持させたものであり、排気ガス中の未燃焼ガス（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_Xなど）をＮ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏに分解する。

また、エンジン２の排気経路６には、ターボ過給機１２のタービン８の上流側と下流側とをバイパスするバイパス通路２６が設けられ、このバイパス通路２６の上流側端部には、ターボ過給機１２のタービン８の上流側から流入する排気ガスの流量を調節するウェイストゲートバルブ２８が設けられている。ウェイストゲートバルブ２８としては、フラップ式バルブが用いられる。バイパス通路２６の出口は、排気ガス浄化触媒２４の上流側に接続されている。

また、エンジン２は、ターボ過給機１２のタービン８の上流側から排気ガスの一部を取り出して吸気経路４に循環させる排気再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）通路３０が設けられている。ＥＧＲ通路３０の入口は、エキゾーストマニフォールド２２に接続され、このエキゾーストマニフォールド２２を流れる排気ガスの一部がＥＧＲ通路３０に流入するようになっている。ＥＧＲ通路３０の出口は、インタークーラ１６とインテークマニフォールド１８との間に接続され、ＥＧＲ通路３０に流入した排気ガスを吸気経路４に循環させるようになっている。さらに、ＥＧＲ通路３０に流入した排気ガスを冷却する排気冷却部３２が、ＥＧＲ通路３０に設けられている。

さらに、エンジン２の排気経路６には、ＥＧＲ通路３０の排気冷却部３２により冷却された排気ガスの一部を、排気ガス浄化触媒２４の上流側に導入する冷却排気ガス導入通路３４が設けられている。この冷却排気ガス導入通路３４の入口は、排気冷却部３２の下流側においてＥＧＲ通路３０に連結され、冷却排気ガス導入通路３４の出口は、排気ガス浄化触媒２４の上流側においてバイパス通路２６に連結されている。
排気ガスがタービン８を通過する際にコンプレッサ１０を回転させるための仕事（エネルギ）が取り出されることにより、タービン８の上流側と下流側との間に圧力差が生じる。排気冷却部３２により冷却された排気ガスの一部は、このタービン８の上流側と下流側との間の圧力差を利用して、冷却排気ガス導入通路３４からバイパス通路２６に流入し、タービン８から流出した排気ガスと合流して排気ガス浄化触媒２４に流入する。

ＥＧＲ通路３０において、排気冷却部３２の下流側に、このＥＧＲ通路３０から吸気経路４に循環させる排気ガスの流量を調整するＥＧＲバルブ３６が設けられている。また、冷却排気ガス導入通路３４には、この冷却排気ガス導入通路３４を流れる排気ガスの流量を調整する冷却排気ガス流量調整バルブ３８が設けられている。これらのＥＧＲバルブ３６及び冷却排気ガス流量調整バルブ３８としては、リニア駆動方式のバルブが用いられている。図２において実線で示すように、上述したフラップ式のウェイストゲートバルブ２８は、バルブ開度が大きくなるほど開口面積の増加率が大きくなる（即ち、バルブ開度が大きくなるほど、バルブの開口面積の最小変化量が増大する）のに対して、図２において１点鎖線で示すように、ＥＧＲバルブ３６及び冷却排気ガス流量調整バルブ３８は、バルブ開度と開口面積とが比例関係にある（即ち、バルブ開度の大小に関わらず開口面積の最小変化量が一定）ので、特にバルブ開度が大きい領域において、ＥＧＲバルブ３６及び冷却排気ガス流量調整バルブ３８の開口面積の最小変化量は、ウェイストゲートバルブ２８の最小変化量よりも小さくなっている。

エアクリーナ１４の出口には、エアクリーナ１４を通過した空気の流量を検出するエアフローセンサ４０が設けられ、インテークマニフォールド１８には、コンプレッサ１０により圧縮されエンジン２の各燃焼室２０に供給される吸気の過給圧力を検出する過給圧センサ４２が設けられ、排気ガス浄化触媒２４の入口には、排気ガス浄化触媒２４に流入する排気ガスの温度を検出する排気温度センサ４４と、排気ガスの酸素濃度を検出するＯ₂センサ４６が設けられている。これらの各センサの検出値は、パワートレインコントロールユニット（ＰＣＵ）４８に出力される。

ＰＣＵ４８は、エアフローセンサ４０、過給圧センサ４２、排気温度センサ４４、Ｏ₂センサ４６から出力された検出値や、このＰＣＵ４８のメモリに格納されている制御マップ等の各種データに基づき、ＥＧＲバルブ３６、冷却排気ガス流量調整バルブ３８、及びウェイストゲートバルブ２８の開度を制御する。

次に、図３及び図４により、本発明の実施形態による排気装置１の動作を説明する。図３は、本発明の実施形態による排気装置１のＰＣＵ４８が実行する処理を示すフローチャートであり、図４は、本発明の実施形態による排気装置１を搭載したエンジン２のトルクカーブと共に、冷却排気ガス流量調整バルブ３８及びウェイストゲートバルブ２８が開く領域を示した線図である。

まず、図３の処理は、車両のイグニッションがオンにされ、ＰＣＵ４８に電源が投入された場合に起動され、繰り返し実行される。図３に示すように、処理が開始されると、ステップＳ１において、ＰＣＵ４８は、吸気流量に占める再循環された排気ガスの流量の割合（ＥＧＲ率）、過給圧、及び排気ガス温度の目標値をメモリから取得する。この目標値は、エンジン２の形式や使用環境に応じて適宜設定されるものであり、例えば、過給圧の目標値は１００ｋＰａ、排気ガス温度の目標値は８００℃である。

次に、ステップＳ２に進み、ＰＣＵ４８は、ＥＧＲバルブ３６及び冷却排気ガス流量調整バルブ３８の協調制御を行う。具体的には、ＥＧＲ率が運転状態に応じて予め設定された目標値となるように、且つ、過給圧が目標値となるように、ＥＧＲバルブ３６及び冷却排気ガス流量調整バルブ３８のそれぞれの開度を制御する。

次に、ステップＳ３に進み、ＰＣＵ４８は、ＥＧＲバルブ３６及び冷却排気ガス流量調整バルブ３８の協調制御によって過給圧を目標値に保持できるか否かを判定する。例えば、ＥＧＲバルブ３６の開度を調節してＥＧＲ率を目標値に保持しつつ、冷却排気ガス流量調整バルブ３８を全開にしても過給圧が目標値を超えてしまう場合、ＥＧＲバルブ３６及び冷却排気ガス流量調整バルブ３８の協調制御によって過給圧を目標値に保持できないと判定する。

その結果、ＥＧＲバルブ３６及び冷却排気ガス流量調整バルブ３８の協調制御によって過給圧を目標値に保持できる場合、ステップＳ４に進み、ＰＣＵ４８は、排気ガス浄化触媒２４に流入する排気ガスの温度がステップＳ１で取得した目標値以下か否かを判定する。その結果、排気ガス温度が目標値以下である場合、ＰＣＵ４８は処理を終了する。

また、ステップＳ３において、ＥＧＲバルブ３６及び冷却排気ガス流量調整バルブ３８の協調制御によって過給圧を目標値に保持できない場合、ステップＳ５に進み、ＰＣＵ４８はウェイストゲートバルブ２８を開く。

また、ステップＳ４において、排気ガス温度が目標値以下ではない（目標値を超えている）場合、ステップＳ６に進み、ＰＣＵ４８は、冷却排気ガス流量調整バルブ３８の開度を増大させる。

ステップＳ５又はＳ６の後、ステップＳ７に進み、ＰＣＵ４８は、ＥＧＲバルブ３６、冷却排気ガス流量調整バルブ３８、及び、ステップＳ５でウェイストゲートバルブ２８を開いた場合にはウェイストゲートバルブ２８も含めて協調制御を行う。具体的には、ＥＧＲ率が運転状態に応じて予め設定された目標値となるように、且つ、過給圧が目標値となるように、ＥＧＲバルブ３６、冷却排気ガス流量調整バルブ３８、及びウェイストゲートバルブ２８のそれぞれの開度を制御する。

次に、ステップＳ４に進み、ＰＣＵ４８は、排気ガス温度が目標値以下か否かを判定する。以降、排気ガス温度が目標値以下になるまで、ＰＣＵ４８はステップＳ４、Ｓ６、Ｓ７を繰り返し、排気ガス温度が目標値以下になった場合、ＰＣＵ４８は処理を終了する。

次に、図４の線図において、横軸はエンジン回転数を示し、縦軸はトルクを示している。この図４における実線はスロットル全開時のトルクカーブであり、エンジン２はこのトルクカーブの下方の領域で運転される。また、図４における１点鎖線は、冷却排気ガス流量調整バルブ３８が開く最低エンジン回転数を示す線であり、破線は、ウェイストゲートバルブ２８が開く最低エンジン回転数を示す線である。

具体的には、あるスロットル開度においてエンジン回転数が増加し、１点鎖線で示す状態に達したとき、過給圧は図３のステップＳ１で取得された目標値に達する。そこで、ＰＣＵ４８は、冷却排気ガス流量調整バルブ３８を開く（ステップＳ２）。これにより、エキゾーストマニフォールド２２を流れる排気ガスの一部はＥＧＲ通路３０に流入し、排気冷却部３２から冷却排気ガス導入通路３４を経由してバイパス通路２６に流入する。即ち、ＥＧＲ通路３０に流入した排気ガスはタービン８を通過しないので、エンジン回転数の増加に伴う過給圧の上昇が抑制される。

ここで、ＥＧＲ通路３０から冷却排気ガス導入通路３４を経由してバイパス通路２６に流入した排気ガスは、ＥＧＲ通路３０の排気冷却部３２により冷却されているので、この冷却された排気ガスがタービン８から流出した排気ガスと合流して排気ガス浄化触媒２４に流入することにより、排気ガス浄化触媒２４の入口における排気ガス温度は目標値以下に保たれる。

さらにエンジン回転数が増加した場合、ＰＣＵ４８は、冷却排気ガス流量調整バルブ３８の開度を増大させ、タービン８を迂回してＥＧＲ通路３０から冷却排気ガス導入通路３４を経由してバイパス通路２６に流入する排気ガスの流量を増大させることにより、過給圧の上昇を抑制する。

さらにエンジン回転数が増加し、破線で示す状態に達したとき、冷却排気ガス流量調整バルブ３８の開度は最大に達する。即ち、タービン８を迂回してＥＧＲ通路３０から冷却排気ガス導入通路３４を経由してバイパス通路２６に流入する排気ガスの流量をこれ以上増大させることができないので、エンジン回転数がさらに増大すると過給圧が目標値を超えてしまう。そこで、ＰＣＵ４８はウェイストゲートバルブ２８を開く（ステップＳ５）。これにより、エキゾーストマニフォールド２２を流れる排気ガスの一部はバイパス通路２６に流入する。即ち、バイパス通路２６に流入した排気ガスはタービン８を通過しないので、エンジン回転数の増加に伴う過給圧の上昇が抑制される。また、ウェイストゲートバルブ２８を介してバイパス通路２６に流入した排気ガスは、ＥＧＲ通路３０の排気冷却部３２により冷却され冷却排気ガス導入通路３４を経由してバイパス通路２６に流入した排気ガスと混合することにより温度が低下するので、排気ガス浄化触媒２４の入口における排気ガス温度は目標値以下に保たれる。

さらにエンジン回転数が増加した場合、ＰＣＵ４８は、ウェイストゲートバルブ２８の開度を増大させ、タービン８を迂回してバイパス通路２６に流入する排気ガスの流量を増大させることにより、過給圧の上昇を抑制する。

上述したように、特にバルブ開度が大きい領域において、冷却排気ガス流量調整バルブ３８の開口面積の最小変化量は、ウェイストゲートバルブ２８の最小変化量よりも小さい。そこで、冷却排気ガス流量調整バルブ３８及びウェイストゲートバルブ２８の両方が開く領域では、最小変化量の大きいウェイストゲートバルブ２８の開度を大きくすることにより、タービン８を迂回してバイパス通路２６に流入する排気ガスの流量を確保しつつ、最小変化量の小さい冷却排気ガス流量調整バルブ３８の開度を微調整することにより、過給圧や排気ガス浄化触媒２４の入口における排気ガス温度を高精度に制御することができる。

次に、図５及び図６により、本発明の実施形態のさらなる変形例を説明する。図５は、本発明の実施形態の変形例による内燃機関の排気装置１のＰＣＵ４８が実行する処理を示すフローチャートであり、図６は、本発明の実施形態の変形例による内燃機関の排気装置１を搭載したエンジン２のトルクカーブと共に、冷却排気ガス流量調整バルブ３８及びウェイストゲートバルブ２８が開く領域を示した線図である。

まず、図５の処理は、図３に示した本発明の実施形態の処理と同様に、車両のイグニッションがオンにされ、ＰＣＵ４８に電源が投入された場合に起動され、繰り返し実行される。図５に示すように、処理が開始されると、ステップＳ１１において、ＰＣＵ４８は、ＥＧＲ率、過給圧（例えば１００ｋＰａ）、及び排気ガス温度の目標値（例えば８００℃）をメモリから取得する。

次に、ステップＳ１２に進み、ＰＣＵ４８は、ＥＧＲバルブ３６及びウェイストゲートバルブ２８の協調制御を行う。具体的には、ＥＧＲ率が運転状態に応じて予め設定された目標値となるように、且つ、過給圧が目標値となるように、ＥＧＲバルブ３６及びウェイストゲートバルブ２８のそれぞれの開度を制御する。

次に、ステップＳ１３に進み、ＰＣＵ４８は、ＥＧＲバルブ３６及びウェイストゲートバルブ２８の協調制御によって過給圧を目標値に保持できるか否かを判定する。例えば、ＥＧＲバルブ３６の開度を調節してＥＧＲ率を目標値に保持しつつ、ウェイストゲートバルブ２８を全開にしても過給圧が目標値を超えてしまう場合、ＥＧＲバルブ３６及びウェイストゲートバルブ２８の協調制御によって過給圧を目標値に保持できないと判定する。

その結果、ＥＧＲバルブ３６及びウェイストゲートバルブ２８の協調制御によって過給圧を目標値に保持できる場合、ステップＳ１４に進み、ＰＣＵ４８は、排気ガス浄化触媒２４に流入する排気ガスの温度がステップＳ１１で取得した目標値以下か否かを判定する。その結果、排気ガス温度が目標値以下である場合、ＰＣＵ４８は処理を終了する。

また、ステップＳ１３において、ＥＧＲバルブ３６及びウェイストゲートバルブ２８の協調制御によって過給圧を目標値に保持できない場合、ステップＳ１５に進み、ＰＣＵ４８は冷却排気ガス流量調整バルブ３８を開く。

また、ステップＳ１４において、排気ガス温度が目標値以下ではない（目標値を超えている）場合、ステップＳ１６に進み、ＰＣＵ４８は、冷却排気ガス流量調整バルブ３８が開いていない場合には冷却排気ガス流量調整バルブ３８を開き、既に冷却排気ガス流量調整バルブ３８が開いている場合には冷却排気ガス流量調整バルブ３８の開度を増大させる。

ステップＳ１５又はＳ１６の後、ステップＳ１７に進み、ＰＣＵ４８は、ＥＧＲバルブ３６、ウェイストゲートバルブ２８、及び、冷却排気ガス流量調整バルブ３８の協調制御を行う。具体的には、ＥＧＲ率が運転状態に応じて予め設定された目標値となるように、且つ、過給圧が目標値となるように、ＥＧＲバルブ３６、ウェイストゲートバルブ２８、及び、冷却排気ガス流量調整バルブ３８のそれぞれの開度を制御する。

次に、ステップＳ１４に進み、ＰＣＵ４８は、排気ガス温度が目標値以下か否かを判定する。以降、排気ガス温度が目標値以下になるまで、ＰＣＵ４８はステップＳ１４、Ｓ１６、Ｓ１７を繰り返す。

次に、図６の線図において、横軸はエンジン回転数を示し、縦軸はトルクを示している。この図６における実線はスロットル全開時のトルクカーブであり、エンジン２はこのトルクカーブの下方の領域で運転される。また、図６における破線は、ウェイストゲートバルブ２８が開く最低エンジン回転数を示す線であり、１点鎖線は、冷却排気ガス流量調整バルブ３８が開く最低エンジン回転数を示す線である。

具体的には、あるスロットル開度においてエンジン回転数が増加し、破線で示す状態に達したとき、過給圧は図５のステップＳ１１で取得された目標値に達する。そこで、ＰＣＵ４８は、ウェイストゲートバルブ２８を開く（ステップＳ１２）。これにより、エキゾーストマニフォールド２２を流れる排気ガスの一部はウェイストゲートバルブ２８を経由してバイパス通路２６に流入する。即ち、バイパス通路２６に流入した排気ガスはタービン８を通過しないので、エンジン回転数の増加に伴う過給圧の上昇が抑制される。

さらにエンジン回転数が増加した場合、ＰＣＵ４８は、ウェイストゲートバルブ２８の開度を増大させ、タービン８を迂回してウェイストゲートバルブ２８を経由してバイパス通路２６に流入する排気ガスの流量を増大させることにより、過給圧の上昇を抑制する。

さらにエンジン回転数が増加し、１点鎖線で示す状態に達したとき、ウェイストゲートバルブ２８の開度は最大に達する。即ち、タービン８を迂回してウェイストゲートバルブ２８を経由してバイパス通路２６に流入する排気ガスの流量をこれ以上増大させることができないので、エンジン回転数がさらに増大すると過給圧が目標値を超えてしまう。そこで、ＰＣＵ４８は冷却排気ガス流量調整バルブ３８を開く（ステップＳ１５）。これにより、エキゾーストマニフォールド２２を流れる排気ガスの一部は、ＥＧＲ通路３０から冷却排気ガス導入通路３４を経由してバイパス通路２６に流入する。即ち、ＥＧＲ通路３０に流入した排気ガスはタービン８を通過しないので、エンジン回転数の増加に伴う過給圧の上昇が抑制される。

また、ウェイストゲートバルブ２８の開度が増大すると、タービン８を迂回して高温を維持したまま触媒入口まで流入する排気ガスの流量が増大し、触媒入口における排気ガス温度が上昇する。しかし、図５のステップＳ１５又はＳ１６で冷却排気ガス流量調整バルブ３８を開くことにより、ウェイストゲートバルブ２８を経由してバイパス通路２６に流入した排気ガスは、ＥＧＲ通路３０の排気冷却部３２により冷却され冷却排気ガス導入通路３４を経由してバイパス通路２６に流入した排気ガスと混合することにより温度が低下するので、排気ガス浄化触媒２４の入口における排気ガス温度は目標値以下に保たれる。

また、上述した実施形態では、ウェイストゲートを備えた固定容量型のターボ過給機１２を搭載したエンジン２に本発明の排気装置１を適用した場合を例示したが、ウェイストゲートを持たない可変容量型のターボ過給機１２を搭載したエンジン２にも本発明の排気装置１を適用することができる。
この場合、冷却排気ガス導入通路３４の出口は、タービン８の出口と合流して排気ガス浄化触媒２４に入口に接続される。この冷却排気ガス導入通路３４により、排気冷却部３２により冷却された排気ガスの一部が、排気ガス浄化触媒２４に流入する排気ガスに導入されるので、この冷却された排気ガスがタービン８から流出した排気ガスと合流して排気ガス浄化触媒２４に流入することにより、排気ガス浄化触媒２４へ流入する排気ガスの温度を低下させる。

また、上述した実施形態では、バイパス通路２６の出口は、排気ガス浄化触媒２４の上流側に接続され、冷却排気ガス導入通路３４の出口は、排気ガス浄化触媒２４の上流側においてバイパス通路２６に連結されていると説明したが、これとは異なる構成であっても、排気冷却部３２により冷却された排気ガスが排気ガス浄化触媒２４に流入するように構成されていればよい。
例えば、タービン８の出口とバイパス通路２６の出口とが、それぞれ独立して排気ガス浄化触媒２４の上流側に接続され、冷却排気ガス導入通路３４の出口が、バイパス通路２６に連結されるように構成してもよい。あるいは、タービン８の出口、バイパス通路２６の出口、及び冷却排気ガス導入通路３４の出口が、それぞれ独立して排気ガス浄化触媒２４の上流側に接続されるように構成してもよい。

次に、上述した本発明の実施形態及び本発明の実施形態の変形例による排気装置１の作用効果を説明する。

まず、冷却排気ガス導入通路３４の入口が排気冷却部３２の下流側においてＥＧＲ通路３０に連結されると共に出口が排気ガス浄化触媒２４の上流側に連結され、排気冷却部３２により冷却された排気ガスの一部は、冷却排気ガス導入通路３４に分岐され排気ガス浄化触媒２４の上流側に導入されるので、冷却された排気ガスがタービン８から流出した排気ガスと共に排気ガス浄化触媒２４に流入することにより、排気ガス浄化触媒２４へ流入する排気ガスの温度を低下させることができる。
そして、この排気冷却部３２は、ＥＧＲ通路３０から吸気経路４に循環する排気ガス及び冷却排気ガス導入通路３４に流入する排気ガスの両方の冷却に使用できるので、冷却排気ガス導入通路３４に流入する排気ガスを冷却するための排気冷却部３２を新設する必要がなく、これにより、装置の複雑化やコスト上昇を招くことなく、触媒へ流入する排気ガスの温度を低下させ、触媒の劣化を抑制し耐久性を向上させることができる。

また、ＰＣＵ４８は、冷却排気ガス導入通路３４を流れる冷却排気ガスの流量を調整する冷却排気ガス流量調整バルブ３８を開いた後にウェイストゲートバルブ２８を開くので、ウェイストゲートバルブ２８を経由して高温を維持したままバイパス通路２６に流入した排気ガスを、ＥＧＲ通路３０の排気冷却部３２により冷却され冷却排気ガス導入通路３４を経由してバイパス通路２６に流入した排気ガスと混合させて温度を低下させることができ、排気ガス浄化触媒２４へ流入する排気ガスの温度を低下させることができる。

特に、冷却排気ガス流量調整バルブ３８の開口面積の最小変化量は、ウェイストゲートバルブ２８の開口面積の最小変化量よりも小さいので、冷却排気ガス流量調整バルブ３８及びウェイストゲートバルブ２８の両方が開く運転領域では、最小変化量の大きいウェイストゲートバルブ２８の開度を大きくして、タービン８を迂回してバイパス通路２６に流入する排気ガスの流量を確保しつつ、最小変化量の小さい冷却排気ガス流量調整バルブ３８の開度を微調整することにより、過給圧や排気ガス浄化触媒２４の入口における排気ガス温度を高精度に制御することができる。

１排気装置
２エンジン
４吸気経路
６排気経路
８タービン
１０コンプレッサ
１２ターボ過給機
２４排気ガス浄化触媒
２６バイパス通路
２８ウェイストゲートバルブ
３０ＥＧＲ通路
３２排気冷却部
３４冷却排気ガス導入通路
３６ＥＧＲバルブ
３８冷却排気ガス流量調整バルブ
４８ＰＣＵ

Claims

内燃機関から排出された排気ガスを処理する内燃機関の排気装置であって、
上記内燃機関の排気ガスを浄化する排気ガス浄化触媒と、
上記排気ガス浄化触媒より上流に配置された、タービン及びコンプレッサを備えたターボ過給機と、
上記ターボ過給機の上記タービンの上流側から排気ガスの一部を取り出して上記内燃機関の吸気経路に循環させる排気再循環路と、
上記排気再循環路に設けられ、この排気再循環路に流入した排気ガスを冷却する排気冷却部と、
一端が上記排気冷却部の下流側において上記排気再循環路に連結されると共に他端が上記排気ガス浄化触媒の上流側に連結された冷却排気ガス導入通路と、を有し、
上記排気冷却部により冷却された排気ガスの一部は、上記排気再循環路を経由して上記内燃機関の吸気経路に循環され、上記排気冷却部により冷却された排気ガスの他の一部は、上記冷却排気ガス導入通路に分岐され上記排気ガス浄化触媒の上流側に導入されることを特徴とする内燃機関の排気装置。
更に、上記ターボ過給機の上記タービンの上流側と下流側とをバイパスするバイパス通路を有し、
上記冷却排気ガス導入通路の出口は、上記バイパス通路に連結され、
上記バイパス通路の上流側端部には、上記ターボ過給機の上記タービンの上流側から流入する排気ガスの流量を調節するウェイストゲートバルブが設けられ、
上記冷却排気ガス導入通路には、この冷却排気ガス導入通路を流れる排気ガスの流量を調整する冷却排気ガス流量調整バルブが設けられ、
更に、上記ウェイストゲートバルブ及び上記冷却排気ガス流量調整バルブの開度を制御するバルブ制御部を有し、
上記バルブ制御部は、上記冷却排気ガス流量調整バルブを開いた後に上記ウェイストゲートバルブを開くことを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
上記冷却排気ガス流量調整バルブの開口面積の最小変化量は、上記ウェイストゲートバルブの開口面積の最小変化量よりも小さいことを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関の排気装置。