JP2020002783A - エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成により触媒の昇温を迅速化したエンジンを提供する。【解決手段】排ガスにより駆動されるターボチャージャ４０と、排ガスを浄化処理する触媒コンバータＣと、燃焼室から出た排ガスをターボチャージャのタービン４１に導入する第１の排ガス流路３１と、タービンを通過した排ガスを触媒コンバータに導入する第２の排ガス流路６２とを備えるエンジン１を、排ガスを触媒コンバータの上流側の端部における中央部を指向する噴流として第２の排ガス流路内に噴出させるノズル７２と、第１の排ガス流路から分岐して設けられノズルに排ガスを導入するバイパス流路７１と、バイパス流路に設けられたバイパスバルブ７３と、触媒コンバータが所定の低温状態にあるときにバイパスバルブを開状態とする触媒昇温制御を実行する制御部１００とを備える構成とする。【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャ及び触媒コンバータを有するエンジンに関する。

例えば、自動車等に搭載されるガソリンエンジンにおいては、プラチナ、ロジウム、パラジウム等の貴金属を、アルミナ等の担体に担持させた三元触媒を用いて、排ガス中のＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣの浄化処理を行っている。
このような三元触媒は、所定の活性温度まで昇温しなければ十分な排ガス処理性能を得ることが困難であることから、エンジンの冷間始動後に迅速に触媒を昇温するため、触媒をターボチャージャのタービン直後に配置したり、始動直後に点火時期をリタード（遅延）させて排ガスの温度を高める等、触媒暖機の迅速化を図る各種の手法が導入されている。

エンジンの触媒暖機の迅速化に関する従来技術として、特許文献１には、排気通路にターボ過給機のタービンと主触媒および補助触媒が配設されたエンジンにおいて、冷機時に補助触媒を速やかに温度上昇させるため、タービンをバイパスするバイパス通路に補助触媒を設け、主触媒が活性温度に達するまではバイパス通路を開通させ、活性温度に達したときにはタービン側の排気通路を開通させることが記載されている。
特許文献２には、迂回排気通路路に設けられたプリ触媒の昇温を迅速化するため、迂回排気通路の内径が主排気通路の内径の１／３から１／２の大きさに絞られ、流速を速めることが記載されている。

特開平 ５−３２１６４３号公報 特開平１１−１４１３３１号公報

上述した先行技術は、いずれもタービンの下流側に配置される主触媒の他に、タービンをバイパスする流路に設けたサブ触媒を用いるものであるが、このような構成とした場合、主に暖機時用のサブ触媒が必要となり、排ガス処理装置の部品点数が増加して構成が複雑化し、コストも増加してしまう。またサブ触媒を設置するスペースの確保も困難である。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、簡単な構成により触媒の昇温を迅速化したエンジンを提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、排ガスにより駆動されるターボチャージャと、排ガスを浄化処理する触媒コンバータと、燃焼室から出た排ガスを前記ターボチャージャのタービンに導入する第１の排ガス流路と、前記タービンを通過した排ガスを前記触媒コンバータに導入する第２の排ガス流路とを備えるエンジンであって、排ガスを前記触媒コンバータの上流側の端部における中央部を指向する噴流として前記第２の排ガス流路内に噴出させるノズルと、前記第１の排ガス流路から分岐して設けられ前記ノズルに排ガスを導入するバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられたバイパスバルブと、前記触媒コンバータが所定の低温状態にあるときに前記バイパスバルブを開状態とする触媒昇温制御を実行する制御部とを備えることを特徴とするエンジンである。
これによれば、熱容量が大きいため冷間時に排ガスの温度を低下させやすいターボチャージャを通過する前の高温の排ガスを、触媒コンバータの上流側の端部における中央部を指向する噴流として噴出させることにより、触媒の中央部を早期に昇温させ、活性温度に到達させることができる。
また、触媒の中央部に排ガスを噴射することにより、壁面からの放熱が抑制され、触媒暖機に利用される熱量が増加して触媒暖機を促進することができる。

請求項２に係る発明は、前記ノズルは、前記排ガスを前記触媒コンバータの上流側の端部における前記中央部を指向する旋回流として噴出することを特徴とする請求項１に記載のエンジンである。
これによれば、噴出される排ガスの噴流の直進性を向上させ、触媒コンバータの中央部により多くの排ガスを当てることができ、上述した効果を促進することができる。

請求項３に係る発明は、前記タービンの上流側から下流側へ排ガスをバイパスさせるウェイストゲート流路と、前記ウェイストゲート流路に設けられたウェイストゲートバルブとを備え、前記制御部は、前記触媒昇温制御の実行時に、前記ウェイストゲートバルブを閉状態とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジンである。
これによれば、ウェイストゲートバルブを閉状態とすることによって、バイパス流路からノズルに供給される排ガス流量を増加させ、上述した効果を促進することができる。

請求項４に係る発明は、前記タービンの上流側から下流側へ排ガスをバイパスさせるウェイストゲート流路と、前記ウェイストゲート流路に設けられたウェイストゲートバルブとを備え、前記制御部は、前記触媒昇温制御の実行時に、排ガスの流量が所定値未満の領域では前記ウェイストゲートバルブを閉状態とし、排ガスの流量が所定値以上の領域では前記ウェイストゲートバルブを開状態とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジンである。
これによれば、排ガスの流量が所定値未満の領域ではウェイストゲートバルブを閉状態とすることによって、排ガスの全量をバイパス流路からノズルに供給することができ、上述した効果を促進することができる。
一方、排ガスの流量が所定値以上の領域ではウェイストゲートバルブを開状態とすることによって、排ガスの一部をウェイストゲート流路に導入し、バイパス流路のキャパシティを超えた排ガスを通過させて排気圧力の過度な上昇を抑制することができる。

請求項５に係る発明は、前記ウェイストゲートバルブが開状態であるときに、前記燃焼室から出る排ガスの流量の増加に応じて前記ウェイストゲートバルブの開度を増加させることを特徴とする請求項４に記載のエンジンである。
これによれば、触媒暖機促進効果と排気圧力の抑制とのバランスをとることができる。

請求項６に係る発明は、前記制御部は、エンジンの目標出力が所定値以上の領域においては、排ガスの流量に関わらず前記ウェイストゲートバルブを閉状態とすることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のエンジンである。
これによれば、エンジンの目標出力が所定値以上の領域においてはウェイストゲートバルブを閉状態とすることにより、排ガスをタービンに導入して過給圧を発生させ、エンジンの出力を向上させることができる。

請求項７に係る発明は、前記バイパス流路の流路断面積が前記ウェイストゲート流路の流路断面積よりも小さいことを特徴とする請求項３から請求項７までのいずれか１項に記載のエンジンである。
これによれば、バイパス流路は小負荷時の排ガスを通流させるキャパシティ（通流可能な流量）があれば足りることから、バイパス流路を小径化して表面積を小さくし、放熱を抑制して高温の排ガスを触媒コンバータに噴射することができる。

以上説明したように、本発明によれば、簡単な構成により触媒の昇温を迅速化したエンジンを提供することができる。

本発明を適用したエンジンの実施形態の構成を模式的に示す図である。 図１のII部拡大図である。 実施形態のエンジンのノズルの断面図である。 実施形態のエンジンのバイパスバルブ及びウェイストゲートバルブの制御概略を示すフローチャートである。 実施形態のエンジンにおける車両走行中のバイパスバルブ及びウェイストゲートバルブの状態推移の一例を示す図である。

以下、本発明を適用したエンジンの実施形態について説明する。
実施形態のエンジンは、例えば、乗用車等の自動車に走行用動力源として搭載される水平対向４気筒のガソリン直噴ターボ過給エンジンである。

図１は、実施形態のエンジンの構成を模式的に示す図である。
エンジン１は、クランクシャフト１０、シリンダブロック２０、シリンダヘッド３０、ターボチャージャ４０、インテークシステム５０、エキゾーストシステム６０、触媒暖機システム７０、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）１００等を有して構成されている。

クランクシャフト１０は、エンジン１の出力軸となる回転軸である。
クランクシャフト１０の一方の端部には、図示しない変速機等の動力伝達機構が接続されている。
クランクシャフト１０には、図示しないコネクティングロッド（コンロッド）を介して、ピストンが連結されている。
クランクシャフト１０の端部には、クランクシャフトの角度位置を検出するクランク角センサ１１が設けられている。
クランク角センサ１１は、クランクシャフト１０の回転に応じてパルス信号を出力する。
クランク角センサ１１の出力は、ＥＣＵ１００に伝達される。

シリンダブロック２０は、クランクシャフト１０を、車体に縦置き搭載する場合における左右方向から挟みこむように二分割として構成されている。
シリンダブロック２０の中央部には、クランクシャフト１０を収容するとともに、クランクシャフト１０を回転可能に支持するメインベアリングを有するクランクケース部が設けられている。
クランクケース部を挟んで左右に配置されるシリンダブロック２０の左右バンクの内部には、ピストンが挿入され内部で往復するシリンダが例えば一対ずつ（４気筒の場合）形成されている。

シリンダヘッド３０は、シリンダブロック２０のクランクシャフト１０とは反対側の端部（左右端部）にそれぞれ設けられている。
シリンダヘッド３０は、燃焼室３１、点火プラグ３２、吸気ポート３３、排気ポート３４、吸気バルブ３５、排気バルブ３６、吸気カムシャフト３７、排気カムシャフト３８、インジェクタ３９等を備えて構成されている。
燃焼室３１は、シリンダヘッド３０のピストン冠面と対向する箇所を、例えばペントルーフ状に凹ませて形成されている。
点火プラグ３２は、燃焼室３１の中央に設けられ、ＥＣＵ１００からの点火信号に応じてスパークを発生し、混合気に点火するものである。

吸気ポート３３は、インテークマニホールド５７から供給される燃焼用空気（新気）を燃焼室３１に導入する流路である。
排気ポート３４は、燃焼室３１から既燃ガス（排ガス）を排出し、エキゾーストマニホールド６１に導入する流路である。
吸気バルブ３５、排気バルブ３６は、吸気ポート３３、排気バルブ３４を所定のバルブタイミングで開閉するものである。
吸気バルブ３５、排気バルブ３６は、各気筒に例えば２本ずつ設けられる。
吸気バルブ３５、排気バルブ３６は、クランクシャフト１０の１／２の回転数で回転する吸気カムシャフト３７、排気カムシャフト３８によって開閉される。
吸気カムシャフト３７、排気カムシャフト３８のカムスプロケット部には、各カムシャフトの位相を進角・遅角させて各バルブの開弁時期、閉弁時期を変化させる図示しないバルブタイミング可変機構が設けられている。
インジェクタ３９は、ＥＣＵ１００が発する開弁信号に応じて、燃焼室３１内に燃料を噴射して混合気を形成するものである。

ターボチャージャ４０は、エンジン１の排気が有するエネルギを利用して、燃焼用空気（新気）を圧縮し、過給する過給機である。
ターボチャージャ４０は、タービン４１、コンプレッサ４２、エアバイパス流路４３、エアバイパスバルブ４４、ウェイストゲート流路４５、ウェイストゲートバルブ４６等を備えている。
タービン４１は、エンジン１の排ガスによって回転駆動される。
コンプレッサ４２は、タービン４１に同軸に取り付けられ、タービン４１によって回転駆動され空気を圧縮する。

エアバイパス流路４３は、コンプレッサ４２の下流側から空気を抽出し、コンプレッサ４２の上流側に還流させるものである。
エアバイパスバルブ４４は、エアバイパス流路４３に設けられ、ＥＣＵ１００からの指令に応じてエアバイパス流路４３を閉塞する閉状態と、エアバイパス流路４３を空気が通過可能な開状態とを、二段階に切換えるものである。
エアバイパスバルブ４４は、電動アクチュエータによって開閉駆動される弁体を有する電動バルブとなっている。
エアバイパスバルブ４４は、例えば、スロットルバルブ５６を急激に閉じた場合等に、ターボチャージャ４０のサージング防止やブレードの保護等を図るため開状態とされ、コンプレッサ４２よりも下流側の吸気管内の空気をコンプレッサ４２の上流側に還流させ、余剰圧力を低減させる。

ウェイストゲート流路４５は、過給圧制御等を目的として、タービン４１の上流側から排ガスの一部を抽出し、タービン４１の下流側にバイパスさせるものである。
ウェイストゲート流路４５は、タービン４１のハウジングに一体に形成されている。
ウェイストゲートバルブ４６は、ウェイストゲート流路４５に設けられ流路を開閉する弁体を有し、ウェイストゲート流路４５を通過する排ガスの流量を制御するものである。
ウェイストゲートバルブ４６は、ＥＣＵ１００からの指令に応じて弁体を開閉駆動する電動アクチュエータを有する電動ウェイストゲートバルブである。
ウェイストゲートバルブ４６には、その開度位置を検出する位置エンコーダである位置センサ４６ａが設けられる。
位置センサ４６ａの出力は、ＥＣＵ１００に伝達される。
電動アクチュエータは、ＥＣＵ１００によって、位置センサ４６ａにより検出される位置が所定の目標位置になるようフィードバック制御される。
ウェイストゲートバルブ４６は、全開状態と全閉状態とを切換可能であるとともに、これらの中間位置においても任意の開度設定が可能となっている。

インテークシステム５０は、燃焼用の空気を導入して吸気ポート３３に導入するものである。
インテークシステム５０は、インテークダクト５１、チャンバ５２、エアクリーナ５３、エアフローメータ５４、インタークーラ５５、スロットルバルブ５６、インテークマニホールド５７、吸気圧センサ５８等を備えて構成されている。

インテークダクト５１は、外気を導入して吸気ポート３３に導入する流路である。
チャンバ５２は、インテークダクト５１の入口部近傍に連通して設けられた空間部である。
エアクリーナ５３は、インテークダクト５１におけるチャンバ５２との連通箇所の下流側に設けられ、空気を濾過してダスト等を取り除くものである。
エアフローメータ５４は、エアクリーナ５３の出口近傍に設けられ、インテークダクト５１内を通過する空気流量を計測するものである。
エアフローメータ５４の出力は、ＥＣＵ１００に伝達される。
ターボチャージャ４０のコンプレッサ４２は、エアフローメータ５４の下流側に設けられている。

インタークーラ５５は、インテークダクト５１におけるコンプレッサ４２の下流側に設けられ、例えば走行風等との熱交換によって、圧縮され高温となった空気を冷却する熱交換器である。
スロットルバルブ５６は、インテークダクト５１におけるインタークーラ５５の下流側に設けられ、空気の流量を調節してエンジン１の出力を制御するバタフライバルブである。
スロットルバルブ５６は、ドライバによる図示しないアクセルペダル操作等に応じて、図示しないスロットルアクチュエータによって開閉駆動される。
また、スロットルバルブ５６には、その開度を検出するスロットルセンサが設けられ、その出力はＥＣＵ１００に伝達される。

インテークマニホールド５７は、スロットルバルブ５６の下流側に設けられ、空気を各気筒の吸気ポート３３に分配する分岐管である。
吸気圧センサ５８は、インテークマニホールド５７内の空気の圧力（吸気圧力）を検出するものである。
吸気圧センサ５８の出力は、ＥＣＵ１００に伝達される。

エキゾーストシステム６０は、排気ポート３４から排出された排ガスを外部に排出するものである。
エキゾーストシステム６０は、エキゾーストマニホールド６１、エキゾーストパイプ６２、フロント触媒６３、リア触媒６４、サイレンサ６５等を有して構成されている。
エキゾーストマニホールド６１は、各気筒の排気ポート３４から出た排ガスを集合させる集合管である。
エキゾーストマニホールド６１は、本発明にいう第１の排ガス流路として機能する。
ターボチャージャ４０のタービン４１は、エキゾーストマニホールド６１の下流側に配置されている。
エキゾーストパイプ６２は、タービン４１から出た排ガスを外部に排出する管路である。
エキゾーストパイプ６２におけるフロント触媒６３よりもタービン４１側の領域は、本発明にいう第２の排ガス流路として機能する。

フロント触媒６３、リア触媒６４は、エキゾーストパイプ６２の中間部分に設けられ、排ガス中のＨＣ、ＮＯｘ、ＣＯ等を浄化する三元触媒をそれぞれ備えている。
フロント触媒６３は、タービン４１の出口に近接して設けられ、リア触媒６４はフロント触媒の出口側に設けられている。
三元触媒Ｃは、例えばアルミナ等によって形成された担体に、プラチナ、ロジウム、パラジウム等の貴金属を担持させて構成された触媒コンバータである。
担体の外形は円筒状に形成され、エキゾーストパイプ６２に対して拡径されたハウジングの内部に収容されている。

サイレンサ６５は、エキゾーストパイプ６２の出口近傍に設けられ、排ガスの音響エネルギを低減するものである。

触媒暖機システム７０は、エンジン１の冷間始動後に、ターボチャージャ４０を通過する前の高温の排ガスをフロント触媒６３の三元触媒Ｃの上流側の端部（端面）における中央部に噴射して、三元触媒Ｃを中央部から加熱するものである。
触媒暖機システム７０は、バイパス流路７１、ノズル７２、バイパスバルブ７３等を有して構成されている。

バイパス流路７１は、エキゾーストマニホールド６１から導入される排ガスを、ノズル７２に供給する管路である。
バイパス流路７１の上流側の端部は、エキゾーストマニホールド６１の中間部から分岐した状態でエキゾーストマニホールド６１と接続され、エキゾーストマニホールド６１の内部と連通している。
バイパス流路７１の流路断面積は、例えば、冷間始動後における排ガスの全量を、ポンプ損失増加による燃費悪化等を発生させない程度の排気圧力で通流可能な程度に設定され、ウェイストゲート流路４５の流路断面積に対して小さく設定されている。

ノズル７２は、バイパス流路７１から供給される排ガスを、フロント触媒６３の三元触媒Ｃの入口側（上流側・タービン４１側）の端面における中央部を指向する噴流として噴出させるものである。
図２は、図１のII部拡大図である。
バイパス流路７１の下流側（フロント触媒６３側）の端部は、エキゾーストパイプ６２におけるフロント触媒６３の入口に近接した領域に、ノズル７２を介して接続されている。

ノズル７２は、エキゾーストパイプ６２の外周面に形成された開口を介して、エキゾーストパイプ６２の内部に排ガスを噴出可能となっている。
ノズル７２は、その噴出方向（軸方向）を、エキゾーストパイプ６２の径方向に対して、噴流の進行方向がフロント触媒６３側に指向するように傾斜して配置されている。
ノズル７２は、その噴出孔と、フロント触媒６３の三元触媒Ｃの入側（上流側）の端面における中央部ＣＣとを結んだ直線Ｌを回転中心軸として旋回しながら進行する旋回流Ｔを形成する。

図３は、実施形態のエンジンのノズルの断面図である。
ノズル７２は、円筒部７２１、中心軸７２２、スクリュ部７２３等を有する。
円筒部７２１は、円筒状に形成された部材であって、一方の端部にバイパス流路７１が接続され、排ガスが導入される。
円筒部７２１の他方の端部は、エキゾーストパイプ６２に接続され、その内部に排ガスを噴出する。
中心軸７２２は、円筒部７２１の内径側に設けられた円柱状の部材であって、円筒部７２１と同心に配置されている。
スクリュ部７２３は、円筒部７２１の内周面と中心軸７２２の外周面との間にわたして配置された板状の部材であって、中心軸７２２の周囲にらせん状に巻き回されている。
円筒部７２１の一方の端部から導入された排ガスは、円筒部７２１と中心軸７２２との間隔を、スクリュ部７２３に沿ったらせん状に旋回しながら進行することによって、円筒部７２１の他方の端部から旋回流Ｔとして噴出する。

バイパスバルブ７３は、バイパス流路７１の中間部に設けられた電磁弁である。
バイパスバルブ７３は、ＥＣＵ１００からの指令に応じて、エキゾーストマニホールド６１とノズル７２とを連通させる開状態と、遮断する閉状態とを切り換えられる。

エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）１００は、エンジン１及びその補機類を統括的に制御するものである。
ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ等の情報処理手段、ＲＡＭやＲＯＭ等の記憶手段、入出力インターフェイス及びこれらを接続するバス等を備えて構成されている。
また、ＥＣＵ１００には、ドライバによる図示しないアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ１０１が設けられている。
ＥＣＵ１００は、アクセルペダルセンサ１０１の出力等に基づいて、ドライバ要求トルクを設定する機能を備えている。
ＥＣＵ１００は、エンジン１が実際に発生するトルクが、設定されたドライバ要求トルクとなるよう、スロットルバルブ開度、過給圧、燃料噴射量、点火時期、バルブタイミング等を制御する。

また、ＥＣＵ１００は、エンジン１の冷間始動後に、フロント触媒６３を早期に昇温させ、活性温度に到達させる触媒暖機制御を行う。
この触媒暖機制御は、例えば点火時期をリタード（遅延）させることによって排ガス温度を向上させるとともに、ターボチャージャ４０のウェイストゲートバルブ４６、及び、触媒暖機システム７０のバイパスバルブ７３の状態を以下説明するように制御することにより行われる。
図４は、実施形態のエンジンのバイパスバルブ及びウェイストゲートバルブの制御概略を示すフローチャートである。
以下、ステップ毎に順を追って説明する。

＜ステップＳ０１：イグニッションオン判断＞
ＥＣＵ１００は、エンジン１の運転が停止されたイグニッションオフ状態から、エンジン１の運転が許可されたイグニッションオン状態への推移があったか否かを検出する。
イグニッションオン状態への推移があった場合にはステップＳ０２に進み、その他の場合には一連の処理を終了する。

＜ステップＳ０２：触媒暖機要否判断＞
ＥＣＵ１００は、フロント触媒６３が暖機（昇温）を必要とする所定の低温状態であるか（活性温度に到達しているか）否かを判別する。
ＥＣＵ１００は、例えば、エンジン１の冷却水温や、前回運転時以来のソーク時間、外気温などに基づいて、触媒暖機の要否を判定する。
触媒暖機が必要であると判定された場合はステップＳ０３に進み、触媒暖機が不要であると判定された場合はステップＳ０５に進む。

＜ステップＳ０３：ウェイストゲートバルブ閉・バイパスバルブ開＞
ＥＣＵ１００は、ウェイストゲートバルブ４６を全閉状態とするとともに、バイパスバルブ７３を開状態とする。
その後、ステップＳ０４に進む。

＜ステップＳ０４：エンジン始動＞
ＥＣＵ１００は、クランキング、燃料噴射、点火を開始してエンジン１を始動する。
例えばクランクシャフト１０の回転速度が所定値以上となり、完爆（始動完了）判定が成立した後、ステップＳ０７に進む。

＜ステップＳ０５：ウェイストゲートバルブ開・バイパスバルブ閉＞
ＥＣＵ１００は、ウェイストゲートバルブ４６を全開あるいは中間開度の開状態とするとともに、バイパスバルブ７３を閉状態とする。
その後、ステップＳ０６に進む。

＜ステップＳ０６：エンジン始動＞
ＥＣＵ１００は、ステップＳ０４と同様にエンジン１を始動する。
完爆判定が成立した後、ステップＳ１３に進む。

＜ステップＳ０７：排ガス流量判断＞
ＥＣＵ１００は、エンジン１から排出される排ガスの流量を推定する。
排ガスの流量は、例えば、吸入空気量、吸気管圧力、ＥＧＲ率、燃料噴射量、点火時期などから推定することができる。
ＥＣＵ１００は、推定された排ガスの流量を予め設定された閾値である所定値と比較する。
この所定値は、ウェイストゲートバルブ４６を全閉のままで、バイパス流路７１のみによって全量の排ガスを通流可能な程度の排ガス流量を考慮して設定されている。
排ガス流量が所定値以上である場合は、ステップＳ０８に進み、所定値未満である場合は、ステップＳ０９に進む。

＜ステップＳ０８：要求トルク判断＞
ＥＣＵ１００は、現在のエンジン１のドライバ要求トルクが比較的大きく、出力トルクをドライバ要求トルクと一致させるために、ターボチャージャ４０による過給を必要とする過給域であるか、過給を行わなくてもドライバ要求トルクとなる出力トルクが発生可能なＮＡ領域であるか否かを判別する。
ドライバ要求トルクが過給域である場合は、ステップＳ１１に進み、ＮＡ領域である場合はステップＳ１０に進む。

＜ステップＳ０９：ウェイストゲートバルブ閉・バイパスバルブ開＞
ＥＣＵ１００は、ウェイストゲートバルブ４６を全閉状態とし、バイパスバルブ７３を開状態とする。
これによって、排ガスは、全量がバイパス流路７１を流れ、ノズル７２からフロント触媒６３の三元触媒Ｃに噴射される。
その後、ステップＳ１２に進む。

＜ステップＳ１０：バイパスバルブ開・ウェイストゲートバルブ排ガス流量制御＞
ＥＣＵ１００は、バイパスバルブ７３及びウェイストゲートバルブ４６をともに開状態とする。
ウェイストゲートバルブ４６は、その開度を、排ガスの流量増加に応じて増加させる制御が行われる。
ウェイストゲートバルブ４６の開度は、バイパス流路７１のみでは通流させることが難しい排ガス流量を、ウェイストゲート流路４５に通流させることを考慮して設定される。
その後、ステップＳ１２に進む。

＜ステップＳ１１：バイパスバルブ閉・ウェイストゲートバルブ過給圧フィードバック制御＞
ＥＣＵ１００は、バイパスバルブ７３を閉状態とする。
ウェイストゲートバルブ４６は、ターボチャージャ４０による過給圧が、ドライバ要求トルクに応じて設定される目標過給圧となるよう過給圧フィードバック制御が行われる。
ウェイストゲートバルブ４６は、目標過給圧に対して実過給圧が低い場合には全閉とされる。
また、実過給圧が目標過給圧に達した場合には、オーバーシュートを防ぐために開状態とされ、ウェイストゲートバルブ４６の開度は、実過給圧の目標過給圧からの乖離（超過）度合に応じて適宜設定される。
その後、ステップＳ１２に進む。

＜ステップＳ１２：触媒暖機完了判断＞
ＥＣＵ１００は、フロント触媒６３の暖機が完了したか否かを判別する。
暖機が完了したか否かは、例えば、エンジン始動後における経過時間や、エンジン始動後の排ガス流量の累積値に基づいて判別することができる。
触媒暖機が未了である場合は、ステップＳ０７に戻り以降の処理を繰り返す。
触媒暖機が完了している場合は、ステップＳ１３に進む。

＜ステップＳ１３：バイパスバルブ閉・ＷＧＶ過給圧ＦＢ制御＞
ＥＣＵ１００は、バイパスバルブ７３を閉状態とし、ウェイストゲートバルブ４６は、通常の過給圧フィードバック制御を行う。
すなわち、ドライバ要求トルクがＮＡ領域である場合には、ウェイストゲートバルブ４６は全開状態とされ、過給領域である場合には、目標過給圧が実過給圧に達するように開度制御が行われる。
その後、一連の処理を終了する。

図５は、実施形態のエンジンにおける車両走行中のバイパスバルブ及びウェイストゲートバルブの状態推移の一例を示す図である。
図５において、縦軸は車速を表し、横軸は時間を表している。
図５に示すように、エンジン始動後から触媒暖機終了までは、過給域を用いる高負荷状態の場合を除き、バイパスバルブ７３を開状態とすることによって、ノズル７２からフロント触媒６２の三元触媒Ｃに高温の排ガスを噴射して触媒暖機の促進を図っている。

停車時から発進直後の領域Ｒ１においては、エンジン１が発生する排ガスの流量が小さく、全量をバイパス流路７１から排出することが可能であるため、ウェイストゲートバルブ４６は閉状態となっている。
なお、厳密には排ガスはタービン４１を通過することも可能であるが、タービン４１は流路抵抗、圧力損失が大きいことから、排ガスの全量はバイパス流路７１に流入する。

その後、車速が増加して領域Ｒ２に入ると、バイパス流路７１のみでは排ガスの全量を通過させることができなくなることから、ウェイストゲートバルブ４６を開いて、ウェイストゲート流路４５にも排ガスを通流させる。
このとき、ウェイストゲートバルブ４６の開度及びウェイストゲート流路４５の排ガス流量は、エンジン１が発生する排ガスの流量増加に応じて増加するようになっている。

その後、さらに車速が増加してエンジン１のドライバ要求トルクが過給域となる領域Ｒ３に入ると、過給圧を発生させるためにバイパスバルブ７３及びウェイストゲートバルブ４６が閉じられ、その後実過給圧が目標過給圧に近づくと過給圧フィードバック制御が開始される。

その後、触媒暖機が終了し、車両が定速走行や減速を行なう領域Ｒ４に入ると（エンジン負荷が低い場合）、バイパスバルブ７３は閉状態とされ、ＮＡ領域でのエンジン１の運転のため、ウェイストゲートバルブ４６は全開状態とされる。

また、触媒暖機終了後でありかつ加速時等のエンジン１の負荷が大きい領域Ｒ５に入ると、バイパスバルブ７３は閉状態とされ、ウェイストゲートバルブ４６は過給圧フィードバック制御が行われる。
以上のように、本実施形態においては、触媒の暖機状態、排ガスの流量、ドライバ要求トルク（目標過給圧）に応じて、ウェイストゲートバルブ４６及びバイパスバルブ７３を制御することによって、触媒の暖機促進とエンジン性能（出力及びドライバビリティ）とを両立することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）触媒暖機が必要である場合に、熱容量が大きいため冷間時に排ガス温度を低下させやすいターボチャージャ４０を通過する前の高温の排ガスを、バイパス流路７１によって抽出し、ノズル７２からフロント触媒６３三元触媒Ｃの上流側の端部における中央部ＣＣを指向する噴流として噴出させることにより、三元触媒Ｃの中央部ＣＣを早期に昇温させ、活性温度に到達させることができる。
また、三元触媒Ｃの中央部ＣＣに排ガスを噴射することにより、フロント触媒６３のハウジングの壁面からの放熱が抑制され、触媒暖機に利用される熱量が増加して触媒暖機を促進することができる。
（２）ノズル７２が排ガスを旋回流Ｔとして噴出することにより、噴流の直進性を向上させ、三元触媒Ｃの中央部ＣＣにより多くの排ガスを当てることができ、上述した効果を促進することができる。
（３）エンジン１の始動後、排ガスの流量が所定値未満の領域ではウェイストゲートバルブ４６を閉状態とすることによって、排ガスの全量をバイパス流路７１からノズルに供給することができ、上述した効果を促進することができる。
一方、排ガスの流量が所定値以上の領域ではウェイストゲートバルブ４６を開状態とすることによって、排ガスの一部をウェイストゲート流路４５に導入し、バイパス流路７１のキャパシティを超えた排ガスを通過させ、排気圧力の過度な上昇を抑制することができる。
（４）ウェイストゲートバルブ４６を開状態とした際の開度を、排ガスの流量増加に応じて増加させることにより、触媒暖機促進効果と排気圧力の抑制とのバランスをとることができる。
（５）ドライバ要求トルクが過給域である場合に、ウェイストゲートバルブ４６を閉状態とすることにより、排ガスをタービン４１に導入して過給圧を発生させ、エンジン１の吸入空気量を増大させ出力を向上させることができる。
（６）バイパス流路７１の流路断面積を、ウェイストゲート流路４５の流路断面積に対して小さくしたことによって、バイパス流路７１を小径化して表面積を小さくし、放熱を抑制して、高温の排ガスをフロント触媒６３に噴射して触媒暖機促進効果を高めることができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
（１）エンジンや触媒暖機システムの構成は、上述した実施形態に限定されず、適宜変更することができる。
例えば、エンジンの気筒数、シリンダレイアウト、燃料噴射方式や補器類の構成などは、実施形態に限定されず、適宜変更することが可能である。
また、実施形態においては、エンジンは火花点火式のガソリンエンジンであったが、ガソリン以外の燃料を用いる火花点火式エンジンや、予混合圧縮着火を行うエンジンにも本発明は適用することができる。
（２）実施形態は、ガソリンエンジンの三元触媒の暖機を行うものであったが、本発明は、例えばディーゼルエンジンの酸化触媒（ＤＯＣ）など、他種の触媒コンバータの昇温にも利用することが可能である。
（３）ノズルが旋回流を形成するための構成は、実施形態の構成に限定されず適宜変更することが可能である。
例えば、ノズルの少なくとも一部が、複数の管路をらせん状（ツイスト状）に撚りあわせて構成されるようにしてもよい。
また、触媒コンバータに対するノズルの配置や噴出方向も特に限定されない。
（４）実施形態において、バイパス流路はエキゾーストマニホールドから分岐して設けられる構成であったが、これに限らず、例えばシリンダヘッド内に形成される排ガス流路である排気ポートから排ガスを抽出する構成としてもよい。

１ エンジン １０ クランクシャフト
１１ クランク角センサ ２０ シリンダブロック
３０ シリンダヘッド ３１ 燃焼室
３２ 点火プラグ ３３ 吸気ポート
３４ 排気ポート ３５ 吸気バルブ
３６ 排気バルブ ３７ 吸気カムシャフト
３８ 排気カムシャフト ３９ インジェクタ
４０ ターボチャージャ
４１ タービン ４２ コンプレッサ
４３ エアバイパス流路 ４４ エアバイパスバルブ
４５ ウェイストゲート流路 ４６ ウェイストゲートバルブ
４６ａ 位置センサ
５０ インテークシステム ５１ インテークダクト
５２ チャンバ ５３ エアクリーナ
５４ エアフローメータ ５５ インタークーラ
５６ スロットルバルブ ５７ インテークマニホールド
５８ 吸気圧センサ
６０ エキゾーストシステム ６１ エキゾーストマニホールド
６２ エキゾーストパイプ ６３ フロント触媒
６４ リア触媒 ６５ サイレンサ
Ｃ 三元触媒 ＣＣ 中央部
Ｔ 旋回流
７０ 触媒暖機システム ７１ バイパス流路
７２ ノズル ７２１ 円筒部
７２２ 中心軸 ７２３ スクリュ部
７３ バイパスバルブ
１００ エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）
１０１ アクセルペダルセンサ

Claims (7)

1. 排ガスにより駆動されるターボチャージャと、
   排ガスを浄化処理する触媒コンバータと、
   燃焼室から出た排ガスを前記ターボチャージャのタービンに導入する第１の排ガス流路と、
   前記タービンを通過した排ガスを前記触媒コンバータに導入する第２の排ガス流路と
   を備えるエンジンであって、
   排ガスを前記触媒コンバータの上流側の端部における中央部を指向する噴流として前記第２の排ガス流路内に噴出させるノズルと、
   前記第１の排ガス流路から分岐して設けられ前記ノズルに排ガスを導入するバイパス流路と、
   前記バイパス流路に設けられたバイパスバルブと、
   前記触媒コンバータが所定の低温状態にあるときに前記バイパスバルブを開状態とする触媒昇温制御を実行する制御部と
   を備えることを特徴とするエンジン。
2. 前記ノズルは、前記排ガスを前記触媒コンバータの上流側の端部における前記中央部を指向する旋回流として噴出すること
   を特徴とする請求項１に記載のエンジン。
3. 前記タービンの上流側から下流側へ排ガスをバイパスさせるウェイストゲート流路と、
   前記ウェイストゲート流路に設けられたウェイストゲートバルブと
   を備え、
   前記制御部は、前記触媒昇温制御の実行時に、前記ウェイストゲートバルブを閉状態とすること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジン。
4. 前記タービンの上流側から下流側へ排ガスをバイパスさせるウェイストゲート流路と、
   前記ウェイストゲート流路に設けられたウェイストゲートバルブと
   を備え、
   前記制御部は、前記触媒昇温制御の実行時に、排ガスの流量が所定値未満の領域では前記ウェイストゲートバルブを閉状態とし、排ガスの流量が所定値以上の領域では前記ウェイストゲートバルブを開状態とすること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジン。
5. 前記制御部は、前記ウェイストゲートバルブが開状態であるときに、前記燃焼室から出る排ガスの流量の増加に応じて前記ウェイストゲートバルブの開度を増加させること
   を特徴とする請求項４に記載のエンジン。
6. 前記制御部は、エンジンの目標出力が所定値以上の領域においては、排ガスの流量に関わらず前記ウェイストゲートバルブを閉状態とすること
   を特徴とする請求項４又は請求項５に記載のエンジン。
7. 前記バイパス流路の流路断面積が前記ウェイストゲート流路の流路断面積よりも小さいこと
   を特徴とする請求項３から請求項７までのいずれか１項に記載のエンジン。

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