JP4147601B2 - ターボ過給機付エンジン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガスにより回転されるタービンでブロワを駆動して、エンジンへの過給を行うターボ過給機を装備したエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種のターボ過給機付エンジンとして、例えば特開昭５９−１２８９２０号公報に開示されるように、ターボ過給機のタービンに排気を導く第１排気通路と、タービンを迂回して下流側に排気を導く第２排気通路とを備え、上記第１排気通路を燃焼室に対して開閉する第１排気弁の開弁期間を、第２排気通路側の第２排気弁よりも早い時期に設定したものが知られている。
【０００３】
上記のものでは、第１排気弁の開弁期間が、各気筒毎に膨張行程から排気行程に移行する下死点近傍から排気行程の半ば過ぎまでに設定され、開弁と同時に第１排気通路に噴出する高圧の排気ガス（ブローダウンガス）により、エンジンの排気エネルギを極めて有効にタービンに与えることができる。一方、第２排気弁の開弁期間は、各気筒毎に排気行程の半ば過ぎから吸気行程に移行する上死点近傍までに設定されており、上記第１排気弁から排出しきれなかった排気ガスが第２排気通路によりタービンを迂回して排出される。
【０００４】
したがって、低容量の小型タービンを用いてエンジンの低回転域での過給効果を高めるようにして、低回転域でのトルク増強を図ることができるとともに、高回転域での排圧上昇による出力低下を回避することができる。
【０００５】
また、上記従来のターボ過給機付エンジンでは、第２排気通路に触媒コンバータが設けられていて、ガソリンエンジンにおいて排気行程の後半に比較的低圧になった燃焼室内から排出される未燃炭化水素（ＨＣ）を有効に浄化できるようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に、上記従来のターボ過給機付エンジンのように第１排気弁の開弁期間を第２排気弁よりも早い時期に設定した場合、エンジンの低回転域では、排気ガスの殆どが早期に開弁する第１排気通路から排出される（図３及び図４参照）。つまり、エンジンが例えばアイドル運転状態になっているときには、各気筒からの排気ガスは殆ど第１排気通路に流れていて、第２排気通路の流量は極く僅かである。
【０００７】
しかし、上記従来のターボ過給機付エンジンでは、触媒コンバータを第２排気通路に配設している。このため、例えば未暖機状態でのエンジン始動時に、排気ガスによる触媒コンバータの暖機効果が極めて低く、該触媒コンバータが本来の浄化能力を発揮する暖機状態になるまでにかなり時間がかかるので、エンジン冷間時の排気エミッションを向上させる余地がある。
【０００８】
本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、開弁時期が早期に設定された第１排気通路にタービンを配設して、低回転域でのトルク増強と高回転域での掃気性の向上とを図るようにしたターボ過給機付エンジンにおいて、触媒コンバータの配置に工夫を凝らして、エンジン冷間時の排気エミッションを向上させるることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の解決手段では、開弁時期が早期に設定され、エンジンの低回転域での排気ガス流量が大きい第１排気通路に触媒コンバータを配置することで、触媒の暖機性を向上させるようにした。
【００１０】
具体的には、請求項１記載の発明では、エンジンの気筒内燃焼室に、互いに独立する排気通路に連通する複数の排気ポートが開口されていて、該各排気ポートに互いに開弁時期が異なる複数の排気弁が配設され、そのうちの早期に開弁する排気弁に連通する第１排気通路にターボ過給機のタービンが配設されたターボ過給機付エンジンを前提とする。そして、上記早期に開弁する排気弁以外の排気弁に連通する第２排気通路は、排気ガスを蒸気タービンを迂回して排出するように設けられ、上記第１排気通路のタービン下流側に触媒コンバータが配設されている構成とする。
【００１１】
この構成によれば、触媒コンバータが第１排気通路に配設されているので、例えばアイドル運転状態等のエンジン低回転域において、殆どの排気ガスが触媒コンバータを流通することになり、このことで、エンジンの冷間始動時にも触媒コンバータを極めて早期に暖機状態にすることができる。よって、エンジン冷間時の排気エミッションを向上させるることができる。また、触媒コンバータはタービン下流側に配設されているので、信頼性も高い。
【００１２】
また、エンジン高回転域では排気ガスが第２排気通路から排出されるようになるので、上記第１排気通路における排気ガスの最大流量は余り大きくならない。このため、上記触媒コンバータとして比較的小容量のものを用いることができ、これに伴い、触媒のコスト低減、通気抵抗の低下及び早期暖機性のさらなる向上が図られる。
【００１３】
さらに、第２排気通路には触媒コンバータを配設しないことで、通気抵抗を低減させてエンジン高回転域における掃気性の向上が図られる。
【００１４】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明におけるタービン下流側触媒コンバータは、少なくとも、空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン状態で排気中の窒素酸化物を浄化する機能を有するものとする。このことで、車両の運転中に常用されるエンジンの低負荷低回転領域で排気ガスの殆どがタービン下流側触媒コンバータを通過することになり、本発明を例えばディーゼルエンジンに適用すれば、低負荷低回転領域で発生し易い排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を極めて有効に浄化することができる。
【００１５】
請求項３記載の発明では、請求項１又は２記載の発明における第１排気通路と第２排気通路とは下流側で集合されていて、該集合部には排気中の未燃炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する機能を有する集合部側触媒コンバータを設けるものとする。このことで、排気下流側に別途集合部側触媒コンバータを設けることで、第１排気通路に設けるタービン下流側触媒コンバータの容量をその分小さくして、早期暖機性を一層高めることができる。
【００１６】
請求項４記載の発明では、請求項１〜３のいずれか１つに記載の発明において、タービン下流側触媒コンバータの上流側の第１排気通路内から排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気還流通路を設けるものとする。
【００１７】
このことで、車両の運転中に常用されるエンジンの低負荷低回転領域において、排気ガスの殆どが第１排気通路を流通し、タービン下流側触媒コンバータが空気絞りの働きをして、その上流の排圧が高まる。このため、吸気側との圧力差によって吸引される排気還流量を十分に確保することができる。特に、ディーゼルエンジンに適用した場合には、排気還流量を確保することで、低負荷低回転領域におけるＮＯｘ発生量の低減が図られる。
【００１８】
請求項５記載の発明では、請求項４記載の発明における排気還流通路の上流端は、タービンとタービン下流側触媒コンバータとの間の第１排気通路に接続されるものとする。
【００１９】
このことで、タービンの下流側から排気還流ガスを取り出すことで、タービンの上流側から取り出す場合と比べて排気還流ガスの温度が低くなるので、エンジンの燃焼温度を相対的に低下させることができ、ＮＯｘ発生量をさらに低減させることができる。また、排気脈動の影響による排気還流量の変動も抑制される上、タービンの上流側から取り出す場合のように排気ガスが排気還流通路に逃げることもないので、このことによる過給効率の低下を回避することができる。
【００２０】
請求項６記載の発明では、請求項５記載の発明における、早期に開弁する排気弁の開弁時期は、下死点前６０度〜下死点前７０度のクランク角範囲に設定されている。このことで、膨張行程の終期の燃焼ガスが第１排気通路を流通してタービンに供給されるので、燃焼エネルギの一部を直接的にタービンに与えることができるようになり、過給効率が極めて高いものになる。
【００２１】
請求項７記載の発明では、請求項４記載の発明における排気還流通路の上流端は、タービン上流側の第１排気通路に接続されるものとする。このことで、タービンの上流側では下流側に比べて排圧が高いので、吸気側に吸引される排気還流量をその分増大させることができる。
【００２２】
請求項８記載の発明では、請求項４記載の発明における、早期に開弁する排気弁は、他の排気弁よりも小径のものとする。このことで、他の排気弁の直径を相対的に大きくして、相対的に遅く開弁される他の排気弁の開弁時点から閉弁時点までの全開弁期間に亘る総流路断面積を十分に大きくすることができ、これにより、エンジンの掃気性の向上を図ることができる。
【００２３】
請求項９記載の発明では、請求項４記載の発明における、早期に開弁する排気弁のリフト量は、他の排気弁よりも小さいものとする。このことで、他の排気弁のリフト量を相対的に大きくして、請求項８記載の発明と同様にエンジンの掃気性の向上を図ることができる。
【００２４】
請求項１０記載の発明では、請求項４記載の発明における、早期に開弁する排気弁の開弁期間は、他の排気弁よりも短く設定されている。このことで、他の排気弁の開弁期間を相対的に長く設定して、請求項８記載の発明と同様にエンジンの掃気性の向上を図ることができる。
【００２５】
請求項１１記載の発明では、請求項５記載の発明における排気還流通路に、流通する排気還流ガスを冷却する冷却手段を設けるものとする。このことで、排気還流ガスの温度を低くさせてエンジンの燃焼温度を低下させることができるので、ＮＯｘ発生量をより一層低減させることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。
【００２７】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るターボ過給機付エンジンＡの全体構成を示す。このエンジンＡは直列４気筒ディーゼルエンジンであって、エンジン回転数が約４０００回転程度で最高出力を発生するものである。
【００２８】
同図において、１は４つの気筒２，２，２，２が形成されたエンジン本体であり、図示しないが、各気筒２内にはピストンが往復動可能に嵌装されていて、このピストンにより各気筒２内に燃焼室が区画形成されている。上記エンジン本体１のシリンダヘッドの一方（図の右側）には、気筒２毎に上記燃焼室上面に開口する２つの吸気ポート３，３と、該吸気ポート３，３をそれぞれ開閉する２つの吸気弁４，４が設けられており、また他方（図の左側）には同様に第１及び第２のつの排気ポート５，６と第１及び第２の２つの排気弁７，８とが設けられている。この第２排気弁８は第１排気弁７よりも大径のものとされていて、第２排気ポート６の開弁時の流路断面積は第１排気ポート５よりも大きくなっている。上記燃焼室上面の略中央部には、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁９が設けられている。
【００２９】
また、１０は上記各気筒２に吸気を供給する吸気通路である。この吸気通路１０の下流端は４つに分岐していて、各気筒２毎に上記吸気ポート３，３により燃焼室に連通される一方、上流端は図示しないエアクリーナに接続され、その下流には後述のタービン１６により駆動されて吸気を加圧するブロワ１１と、このブロワ１１により加圧した吸気を冷却するインタークーラ１２と、サージタンク１３とが上流側から順に設けられている。
【００３０】
一方、１５及び１８はそれぞれ各気筒から排気ガスを排出する排気通路であり、第１排気通路１５の上流端は４つに分岐していて、各気筒２毎に第１排気ポート５を介して燃焼室に連通されている。この第１排気通路１には、ケーシング１６ａ内に流入する排気ガスにより回転されるタービン１６と、空燃比リーン状態でも排気中のＮＯｘを還元浄化するリーンＮＯｘ触媒（タービン下流側触媒コンバータ）１７とが配設されている。上記タービン１６及びブロワ１１からなるターボ過給機は、排気流速が低いときの過給性能が高くなるように、タービン１６の直径又は厚さ若しくはその両方が小さく設計された低速用の小型のものである。
【００３１】
また、上記リーンＮＯｘ触媒１７は、例えばハニカム状のコージェライト担体の壁表面の触媒層をゼオライトで構成し、そのゼオライトに鉄Ｆｅ、コバルトＣｏ、銅Ｃｕ、ニッケルＮｉ等の遷移金属とイリジウムＩｒ又は白金Ｐｔ等の貴金属とを担持したものが用いられ、空燃比リーン状態でも排気中のＨＣとＮＯｘとを反応させてＮＯｘを還元分解するものである。このリーンＮＯｘ触媒１７は、後述の如く昇容量のものとされている。
【００３２】
上記第２排気通路１８の上流端は、第１排気通路１５と同様に４つに分岐して各気筒２毎に第２排気ポート６を介して燃焼室に連通される一方、下流端は上記第１排気通路１５におけるリーンＮＯｘ触媒１７よりも下流側の部位に合流している。この合流部（集合部）よりも下流側の排気通路１９には、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘ並びにパティキュレートを浄化する主触媒（集合部側触媒コンバータ）２０が配設され、上記第１及び第２排気通路１５，１８からの排気ガスを浄化した後に大気中に放出するようになっている。
【００３３】
さらに、上記第１排気通路１５は、タービン１６とリーンＮＯｘ触媒１７との間で、排気ガスの一部を吸気側に還流させる排気還流通路２２の上流端に分岐接続されている。この排気還流通路２２の下流端は吸気通路１０におけるインタークーラ１２の下流側に接続され、その途中には、流通する還流排気ガスを外気と熱交換して冷却するクーラ２３と、開度調整可能な電気式の排気還流制御弁２４とが配置されていて、第１排気通路１５の排気ガスの一部をクーラ２３により冷却しつつ排気還流制御弁２４により流量調整しながら、吸気通路１０に還流させるようになっている。尚、上記排気還流通路２２の下流端を図１に点線で示すようにブロワ１１の上流に接続してもよい。
【００３４】
そして、このように構成された本発明のターボ過給機付エンジンＡでは、タービン１６の配設された第１排気通路１５を燃焼室に対して開閉する第１排気弁７，７，…の開弁期間が第２排気弁８，８，…よりも早期に設定されている。
【００３５】
具体的に、各気筒２における吸気弁３，３、第１排気弁７及び第２排気弁８の開閉期間は、図２に示すように第１排気弁７の開弁時期ＥＯ１が下死点（ＢＤＣ）前６０度で、閉弁時期ＥＣ１が上死点（ＴＤＣ）前７０度に、また第２排気弁８の開弁時期ＥＯ２が下死点（ＢＤＣ）後３０度で、閉弁時期ＥＣ２が上死点（ＴＤＣ）後１０度にそれぞれ設定されている。一方、２つの吸気弁３，３の開弁時期ＩＯは両方ともに上死点（ＴＤＣ）前５度に、同じく閉弁時期ＩＣは下死点（ＢＤＣ）後４５度に設定されている。すなわち、排気行程における最初の１/３程度の期間は下死点前に開弁した第１排気弁７のみが開弁していて、この間に高圧の排気ガス（ブローダウンガス）が燃焼室から第１排気通路１５に流通してタービン１６に送られる。続く排気行程中期には、第１排気弁７及び第２排気弁８がオーバーラップして開弁する期間があり、第１排気弁７が閉弁してから後は第２排気弁８のみが開弁していて、比較的低圧になった燃焼室内の排気ガスは第２排気通路１８に流通し、タービン１６を迂回して下流側の排気通路１９に排出される。
【００３６】
このように、エネルギの蓄まっているブローダウンガスを全てタービン１６に送ってエンジンの排気エネルギを有効に回収することができる。また、第２排気弁８が大径のものとされていて、開弁時点から閉弁時点までの全開弁期間に亘る総流路断面積が十分に大きくなっており、しかも、第２排気通路１８内の排気ガスの流通抵抗が小さいので、排気行程後半の比較的低圧の排気ガスを第２排気通路１８から十分に排出することができ、エンジンの掃気性は極めて良い。さらに、この実施形態では、第１排気弁７の開弁時期ＩＯ１が下死点前のかなり早い時期に設定されているので、膨張行程の終期の燃焼エネルギをタービン１６に与えることができ、過給効率が極めて高いものになる。
ここで、上記第１及び第２排気通路１５，１８における排気流量の変化を更に詳しく説明すると、図３に示すように排気ガス総流量はエンジン回転数の上昇とともに増大するが、第１排気通路１５の排気ガス流量の増大は同図に一点鎖線で示すように途中から頭打ちになり、これに伴い第２排気通路１８の流量が増大する。これは、エンジン回転数の上昇とともに第１及び第２の各排気弁７，８の１サイクルあたりの開弁時間が短くなるためで、開弁時間が相対的に長くなるエンジンの低回転域では、排気ガスの殆どが早期に開弁する第１排気通路から排出される一方、エンジン回転数が高まり開弁時間が相対的に短くなると、第１排気通路１５から排出しきれなかった排気ガスが第２排気通路１８から排出されるようにり、その排気ガス流量が増大するのである。
【００３７】
つまり、上記第１及び第２の各排気通路１５，１８における排気ガス流量割合は、図４に示すようにエンジン回転数に応じて変化し、低回転ほど第１排気通路１５における流量割合が高くなる一方、高回転ほど第２排気通路１８における流量割合が高くなる。従って、エンジン低回転域では、排気ガスの殆どが第１排気通路１５を通ってタービン１６に供給されるようになり、小型ターボ過給機の特性を生かして低回転域でも良好なエンジンレスポンスが得られる。また、エンジン高回転域では、排気ガスの半分以上が第２排気通路１８を通りタービン１６を迂回して排出されるので、タービン１６上流での排圧の過度の上昇を抑制して、ポンピングロスの低減により出力向上が図られる。
【００３８】
さらに、第１及び第２の各排気通路１５，１８における排気ガス総流量は、エンジン負荷に応じて例えば図５に示すように変化するものであり、低負荷域では排気ガスの殆どが第１排気通路１５から排出される。
【００３９】
したがって、本発明の第１の特徴は、上述の如き排気ガス流量の変化特性を考慮して、排気系におけるリーンＮＯｘ触媒１７等の配置を決定したことにある。すなわち、リーンＮＯｘ触媒１７を第１排気通路１５に配設したことで、エンジン始動直後のアイドル運転状態等において、排気ガスの略全量をリーンＮＯｘ触媒１７に流通させることができ、このことで、エンジンの冷間始動時にもリーンＮＯｘ触媒１７を極めて早期に暖機状態にすることができるので、エンジン冷間時の排気エミッションの向上が図られる。
【００４０】
また、車両の運転中に常用されるエンジンの低負荷低回転領域でも排気ガスの殆どがリーンＮＯｘ触媒１７を通過することになり、低負荷低回転領域で発生し易い排気中のＮＯｘを十分に浄化することができる。尚、リーンＮＯｘ触媒１７におけるＮＯｘの還元浄化を促進するために、各気筒２毎に、第１排気弁７が開弁している排気行程前半において微量の燃料を噴射して、排気中のＨＣ濃度を高めるようにしている。
【００４１】
一方、エンジンの高回転域では、排気ガスの半分以上が第２排気通路１８を流通するので、第１排気通路１５における排気ガス流量はあまり増大しない（図３参照）。すなわち、リーンＮＯｘ触媒１７を流通する排気ガスの最大流量はそれほど大きくならないので、比較的小型の触媒を用いることができ、これに伴い、触媒のコスト低減、通気抵抗の低下及び早期暖機性のさらなる向上が図られる。しかも、エンジン高回転時の排気ガス流量があまり大きくならないことから触媒温度の過度の上昇が抑制されて耐久性が向上する。さらに、タービン１６の下流に設けられていることで、上記リーンＮＯｘ触媒１７の耐久性は一層向上する。つまり、ディーゼルエンジンにおいて、車両の運転中に常用される低負荷低回転領域で発生し易い排気中のＮＯｘを有効に浄化することができる。
【００４２】
次に、本発明の第２の特徴は、早期開弁により低回転域でも排圧が高まる第１排気通路１５から排気ガスの一部を吸気側に還流させるようにすることで、排気還流量を十分に確保してＮＯｘの排出を抑制したことである。
【００４３】
すなわち、この実施形態では、排気還流通路２２の上流端が第１排気通路１５におけるリーンＮＯｘ触媒１７の上流側に接続されており、上述の如く車両の運転中に常用されるエンジンの低負荷低回転領域では、排気ガスの殆どが上記第１排気通路１５に流れる上、リーンＮＯｘ触媒１７が空気絞りの働きをすることから、該リーンＮＯｘ触媒１７の上流側の排圧が高まり、このことで、吸気側との圧力差により吸引される排気還流量を十分に確保することができる。
【００４４】
その際、上述の如くエンジンの掃気性が高められていることから、燃焼室内の高温の残留ガスは極めて少なくなっていて、燃焼室内の温度が相対的に低下している。また、残留ガスが極めて少ないことからその分燃焼室への排気還流量が増大するので、燃焼室中の吸気の熱容量を高めて圧縮上死点近傍における燃焼温度を低下させることができる。よって、車両の運転中に常用されるエンジンの低負荷低回転領域において、排気還流量を十分に確保してＮＯｘの発生を抑制することができる。
【００４５】
ここで、一般に、排気還流ガス量を増大させ過ぎると、ＮＯｘ発生量は低減できるものの、酸素濃度の低下によりエンジン出力の低下を招く上、スモークの発生量が増大することが知られている。従って、スモークの発生を確実に回避しつつＮＯｘ低減のために排気還流量を最大限に大きくしようとすれば、排気還流量の調整を極めて高精度に行う必要がある。
【００４６】
しかし、通常、ターボ過給機付エンジンにおいては、タービン上流の排圧の上昇が排気の妨げになり、エンジンの容積効率が図６に特性ａとして示すように排圧の上昇とともに低下して、これに伴い排気還流量も低下する。つまり、タービン上流の排圧の変動により排気還流量が変動するので、この変動の分だけ余裕を持たせて、排気還流量を少なめに設定する必要があった。
【００４７】
これに対し、この実施形態では、タービン１６の上流で排圧が上昇しても燃焼室内の排気ガスは第２排気通路１８から排出されるので、上記図６に特性ｂとして示すように、エンジンの容積効率は殆ど低下せず、排圧の変化によらない略一定の値になる。従って、排圧の変化に伴う排気還流量の変動が殆どなく、スモークが発生しない範囲で排気還流量を最大限に大きく設定することができる。このことで、排気還流によるＮＯｘ発生量の低減効果を最大限に高めることができる。
【００４８】
さらに、排気還流通路２２の上流端はタービン１６の下流に接続されていて、高温高圧のブローダウンガスが直接還流されることがないので、排気還流ガスの温度はタービン１６の上流から還流させる場合と比べて相対的に低くなり、しかも、クーラ２３により冷却されて、エンジンの燃焼温度を相対的に低下させるので、ＮＯｘの発生量をさらに低減させることができる。また、排気脈動の影響による排気還流量の変動も抑制される上、タービン１６の上流側から還流させる場合のようにブローダウンガスが排気還流通路２２に逃げてしまうこともないので、このことによる過給効率の低下を回避することができる。
【００４９】
尚、この実施形態では、上述の如く排気還流通路２２の上流端を第１排気通路１５のタービン１６の下流側に接続しているが、図７に示すように、タービン１６の上流側に接続してもよい。このようにすれば、タービン１６の上流側は下流側に比べて排圧が高くなるので、上記実施形態１に比べて、より大量の排気還流を実現することができる。
（実施形態２）
図８は、本発明の実施形態２に係るターボ過給機付エンジンＡを示す（この実施形態２のエンジンＡは実施形態１のものと略同様に構成されているので、以下、同一の部分には同一の符号を付し異なる部分だけを詳細に説明する）。この実施形態２は、実施形態１のものに加えて、排気還流通路２２の上流端を第１排気通路１５におけるタービン１６の上流側又は下流側のいずれか一方に切替えて接続する還流元切替弁３０を設け、エンジンの運転状態に応じて制御手段としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）３１により上記還流元切替弁３０を切替作動させるようにしたものである。
【００５０】
すなわち、上記排気還流通路２２の上流端は２つに分岐されていて、一方の分岐路２２ａが第１排気通路１５におけるタービン１６の上流側に接続され、また他方の分岐路２２ｂがタービン１６の下流に接続されており、上記分岐部に配設された還流元切替弁３０の切替作動により、上記第１排気通路１５におけるタービン１６の上流側又は下流側のいずれか一方に選択的に連通されるようになっている。
【００５１】
また、上記ＥＣＵ３１は、マイクロコンピュータ等により構成され、エンジン回転数を検出する回転数センサ３２、運転者のアクセル操作量を検出するアクセルセンサ３３等からの各出力信号が入力される一方、上記還流元切替弁３０に対して制御信号を出力するものである。
【００５２】
上記ＥＣＵ３１による具体的な制御を図９に基づいて説明すると、まずステップＳＡ１では、エンジンが排気還流領域にあるか否かを判定する。この排気還流量域は、図１０に示すように、回転数センサ３２により検出されるエンジン回転数、及びアクセルセンサ３３により検出されるアクセル操作量に基づいて予め設定されたもので、ターボ過給が行われないエンジンの低負荷低回転領域（非過給領域）、及びターボ過給が行われるもののその過給度合が極めて低い領域である。この排気還流量域では、過給によるＮＯｘ発生量の低減があまり期待できないので、排気還流によってＮＯｘ発生量の低減を図るようにしている。
【００５３】
そして、排気還流量域でないＮＯと判定されればリターンする一方、排気還流量域であるＹＥＳと判定されればステップＳＡ２に進み、今度は非過給領域であるか否かを上記ステップＳＡ１と同様にして判定する。そして、非過給領域であるＹＥＳと判定されればステップＳＡ３に進んで、還流元切替弁３０の作動により排気還流通路２２の上流端を第１排気通路１５におけるタービン１６の下流側に接続する一方、非過給領域でないＮＯと判定されればステップＳＡ４に進んで、還流元切替弁３０の作動により排気還流通路２２の上流端を第１排気通路１５におけるタービン１６の上流側に接続するようになっている。
【００５４】
したがって、上記実施形態２によれば、非過給領域において、還流元切替弁３０の作動によりタービン１６下流側の第１排気通路１５内から排気還流ガスを取り出して、吸気通路１０のブロワ１１下流側に還流させるようにしており、ブロワ１１下流側の吸気通路１０内の吸気圧が低いので、タービン１６の下流側からでも十分な流量の排気還流ガスを吸引することができる。また、上記実施形態１と同様、排気還流ガスの温度が相対的に低くなるので、エンジンの燃焼温度の低下によるＮＯｘ発生量の低減が図られ、排気脈動の影響による排気還流量の変動も抑制され、さらに、過給効率の低下が回避される。
【００５５】
一方、ターボ過給領域では、ブロワ１１下流側吸気通路１０の吸気圧が高くなるので、第１排気通路１５において、下流側に比べて排圧の高いタービン１６上流側から排気還流ガスを取り出して還流させることで、ターボ過給領域であっても排気還流量を確保することができ、よって、排気還流によるＮＯｘ発生量の低減が図られる。
（実施形態３）
図１１は、本発明の実施形態３に係るターボ過給機付エンジンＡを示す（この実施形態３のエンジンＡは実施形態１又は２のものと略同様に構成されているので、以下、同一の部分には同一の符号を付し異なる部分だけを詳細に説明する）。この実施形態３は、実施形態２のものに加えて、排気還流通路２２の下流端を吸気通路１０におけるブロワ１１の上流側又は下流側のいずれか一方に切替えて接続する還流先切替手段を設け、エンジンの運転状態に応じてＥＣＵ（Electronic Control Unit）３１により切替作動させるようにしたものである。
【００５６】
すなわち、上記排気還流通路２２は、排気還流制御弁２４の下流側で２つに分岐されていて、一方の分岐路２２ｃが吸気通路１０におけるブロワ１１の上流側に接続され、また他方の分岐路２２ｄがブロワ１１の下流に接続されており、加えて、上記排気還流制御弁２４が、排気還流ガスの流量を調整するとともに、その流通する先を上記分岐路２２ｃ，２２ｄのいずれか一方に切替える還流先切替手段としての構成を有している。さらに、上記ＥＣＵ３１は、還流元切替弁３０と同様に上記排気還流制御弁２４に対しても制御信号を出力するものである。
【００５７】
上記ＥＣＵ３１による具体的な制御を図１２に基づいて説明すると、同図におけるステップＳＢ１及びステップＳＢ２は、実施形態２におけるステップＳＡ１及びステップＳＡ２と同様であり、上記ステップＳＢ２で非過給領域であるＹＥＳと判定されて進んだステップＳＢ３では、還流元切替弁３０の作動により排気還流通路２２の上流端を第１排気通路１５におけるタービン１６の下流側に接続し、続くステップＳＢ４で、排気還流制御弁２４により排気還流ガスを吸気通路１０におけるブロワ１１の下流側に還流させるようにする。
【００５８】
つまり、非過給領域はエンジンの低負荷域に相当していて、タービン１６の上流側であっても排気脈動の影響が比較的小さいので、第１排気通路１５におけるタービン１６上流側から排気還流ガスを大量に取り出すことができる。このことで、ターボ過給によるＮＯｘ発生量の低減が期待できないエンジンの低負荷低回転領域において、排気還流によるＮＯｘ低減効果が高められる。
【００５９】
一方、上記ステップＳＢ２で非過給領域でないＮＯと判定されて進んだステップＳＢ５では、還流元切替弁３０の作動により排気還流通路２２の上流端を第１排気通路１５におけるタービン１６の上流側に接続し、続くステップＳＢ６で、排気還流制御弁２４により排気還流ガスを吸気通路１０におけるブロワ１１の上流側に還流させるようにする。
【００６０】
つまり、相対的に排気脈動の影響が大きくなるエンジンの高負荷域では、排気還流ガスをタービン１６の上流側から取り出した場合、吸気側へ還流させる排気還流ガス量の変動幅が大きくなり、制御性が悪化する虞れがある。そこで、この実施形態では、ターボ過給領域ではタービン１６の下流側から排気還流ガスを取り出すことで、上記排気脈動の影響による排気還流量の変動を防止するようにしている。
【００６１】
その際、ターボ過給によりブロワ１１下流側の吸気通路１０内の吸気圧が高くなり、タービン１６の下流側からでは十分に排気還流ガスを吸引できないので、排気還流制御弁２４により排気還流ガスを上記ブロワ１１の上流側に還流させるようにして、排気還流量を確保するようにしている。
【００６２】
したがって、上記実施形態３によれば、非過給領域において排気脈動の影響による排気還流量の制御性の悪化を防止しつつ、過給領域において排気還流量を確保することができる。
【００６３】
尚、本発明は上記各実施形態限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、上記各実施形態では、ターボ過給機付エンジンとしてディーゼルエンジンを用いているが、これに限らず、例えばガソリンエンジン等を用いてもよい。
【００６４】
また、上記各実施形態では、排気還流通路２２により排気ガスの一部を吸気側に還流させるようにしているが、これを行わないようにしてもよい。
【００６５】
さらに、上記各実施形態では、第２排気弁８，８，…を第１排気弁７，７，…よりも大径のものとしてエンジン１の掃気性の向上を図っているが、これに限らず、両排気弁７，８の弁径を同一として排気弁の共通化を図るとともに、例えばカム形状の変更により、第２排気弁８の開弁期間ないし開弁リフト量の少なくとも一方を第１排気弁７よりも大きく設定することで、第２排気弁８の開弁時点から閉弁時点までの全開弁期間に亘る総流路断面積を十分に大きくして、エンジン１の掃気性の向上を図るようにしてもよい。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明におけるターボ過給機付エンジンによれば、触媒コンバータを第１排気通路に配設することで、エンジンの冷間始動時にも触媒コンバータを極めて早期に暖機状態にすることができるので、エンジン冷間時の排気エミッションを向上させるることができる。また、上記触媒コンバータとして比較的小容量のものを用いることができるので、触媒のコスト低減、通気抵抗の低下及び早期暖機性のさらなる向上が図られる。さらに、第２排気通路には触媒コンバータが配設されず、このことで、エンジン高回転域における掃気性の向上が図られる。
【００６７】
請求項２記載の発明によれば、例えばディーゼルエンジンの低負荷低回転領域で発生し易い排気中の窒素酸化物を極めて有効に浄化することができる。
【００６８】
請求項３記載の発明によれば、タービン下流側触媒コンバータの容量を一層小さくして、早期暖機性をさらに高めることができる。
【００６９】
請求項４記載の発明によれば、車両の運転中に常用されるエンジンの低負荷低回転領域において、排気還流量を十分に確保することができ、特にディーゼルエンジンに適用した場合に有効な効果が得られる。
【００７０】
請求項５記載の発明によれば、排気還流ガスの温度を相対的に低くして、排気還流によるＮＯｘ低減効果を高めることができ、また排気脈動の影響による排気還流量の変動を抑制することができ、さらに過給効率の低下を回避することができる。
【００７１】
請求項６記載の発明によれば、燃焼エネルギの一部を直接的にタービンに与えることができるので、過給効率が極めて高いものになる。
【００７２】
請求項７記載の発明によれば、排気還流ガスをタービンの下流側から取り出す場合に比べて排気還流量を増大させることができる。
【００７３】
請求項８記載の発明によれば、他の排気弁の直径を相対的に大きくすることで、また請求項９記載の発明によれば、上記他の排気弁のリフト量を相対的に大きくすることで、さらに請求項１０記載の発明によれば、上記他の排気弁の開弁期間を相対的に長く設定することで、それぞれエンジンの掃気性の向上を図ることができる。
【００７４】
請求項１１記載の発明によれば、排気還流ガスを冷却することでエンジンの燃焼温度を低下させて、ＮＯｘ発生量をより一層低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１の全体構成を示す模式図である。
【図２】 吸気弁、第１排気弁及び第２排気弁の開弁期間を示す説明図である。
【図３】 エンジン回転数の変化に対する第１排気通路及び第２排気通路の排気ガス流量の変化特性を示す説明図である。
【図４】 エンジン回転数の変化に対する第１排気通路及び第２排気通路の排気ガス流量割合の変化を示す説明図である。
【図５】 エンジン負荷の変化に対する第１排気通路及び第２排気通路の排気ガス流量の変化特性を示す説明図である。
【図６】 ターボ過給機付エンジンにおける、排圧及び容積効率の変化を対応づけて示す説明図である。
【図７】 実施形態１の変形例に係る図１相当図である。
【図８】 実施形態２に係る図１相当図である。
【図９】 排気還流通路の上流端の第１排気通路への接続部位を切り換える手順を示すフローチャート図である。
【図１０】 排気還流領域及び非過給領域をそれぞれ示す説明図である。
【図１１】 実施形態３に係る図１相当図である。
【図１２】 実施形態３に係る図９相当図である。
【符号の説明】
Ａ ターボ過給機付エンジン
５，６ 排気ポート
７ 第１排気弁（早期に開弁する排気弁）
８ 第２排気弁（他の排気弁）
１０ 吸気通路
１１ ブロワ
１５ 第１排気通路
１６ タービン
１７ リーンＮＯｘ触媒（タービン側触媒コンバータ）
１８ 第２排気通路
１９ 下流側の排気通路（集合部）
２０ 主触媒（集合部側触媒コンバータ）
２２ 排気還流通路
２３ クーラ（冷却手段）
２４ 排気還流制御弁（還流先切替手段）
３０ 還流元切替手段
３１ ＥＣＵ（制御手段）

Claims (11)

1. エンジンの気筒内燃焼室に、互いに独立する排気通路に連通する複数の排気ポートが開口されていて、該各排気ポートに互いに開弁時期が異なる複数の排気弁が配設され、そのうちの早期に開弁する排気弁に連通する第１排気通路にターボ過給機のタービンが配設されたターボ過給機付エンジンにおいて、
   上記早期に開弁する排気弁以外の排気弁に連通する第２排気通路は、排気ガスを上記タービンを迂回して排出するように設けられ、
   上記第１排気通路のタービン下流側に触媒コンバータが配設されていることを特徴とするターボ過給機付エンジン。
2. 請求項１において、
   タービン下流側触媒コンバータは、少なくとも、空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン状態で排気中の窒素酸化物を浄化する機能を有するものであることを特徴とするターボ過給機付エンジン。
3. 請求項１又は２において、
   第１排気通路と第２排気通路とは下流側で集合されていて、該集合部には、排気中の未燃炭化水素、一酸化炭素及び窒素酸化物を浄化する機能を有する集合部側触媒コンバータが設けられていることを特徴とするターボ過給機付エンジン。
4. 請求項１〜３のいずれか１つにおいて、
   タービン下流側触媒コンバータの上流側の第１排気通路内から排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気還流通路が設けられていることを特徴とするターボ過給機付エンジン。
5. 請求項４において、
   排気還流通路の上流端は、タービンとタービン下流側触媒コンバータとの間の第１排気通路に接続されていることを特徴とするターボ過給機付エンジン。
6. 請求項５において、
   早期に開弁する排気弁の開弁時期は、下死点前６０度〜下死点前７０度のクランク角範囲に設定されていることを特徴とするターボ過給機付エンジン。
7. 請求項４において、
   排気還流通路の上流端は、タービン上流側の第１排気通路に接続されていることを特徴とするターボ過給機付エンジン。
8. 請求項４において、
   早期に開弁する排気弁は他の排気弁よりも小径であることを特徴とするターボ過給機付エンジン。
9. 請求項４において、
   早期に開弁する排気弁のリフト量は他の排気弁よりも小さいことを特徴とするターボ過給機付エンジン。
10. 請求項４において、
    早期に開弁する排気弁の開弁期間は他の排気弁よりも短く設定されていることを特徴とするターボ過給機付エンジン。
11. 請求項５において、
    排気還流通路には、流通する排気還流ガスを冷却する冷却手段が設けられていることを特徴とするターボ過給機付エンジン。

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