JP4697065B2 - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関からの排気を浄化する排気浄化システムに関し、特に２段の過給機を備えた内燃機関の排気浄化システムに関する。

内燃機関の排気にはＮＯxなどの有害物質が含まれている。これらの有害物質の排出を
低減するために、内燃機関の排気系に、排気中のＮＯxを浄化するＮＯx触媒を設けることが知られている。この技術において例えば吸蔵還元型ＮＯx触媒を設けた場合には、吸蔵
されたＮＯxの量が増加すると浄化能力が低下するため、リッチスパイク制御を行うこと
により吸蔵還元型ＮＯx触媒に還元剤を供給し、同触媒に吸蔵されたＮＯxを還元放出することが行われる（以下、「ＮＯx還元処理」という。）。

さらに、ＮＯx触媒に排気中のＳＯxが吸蔵され、浄化能力が低下するＳＯx被毒を解消
するために、ＮＯx触媒の床温を上昇させるとともに還元剤を供給する場合もある（以下
、「ＳＯx再生処理」という。）。このＳＯx再生処理において還元剤は、ＮＯx触媒の床
温を上昇させるためにも用いられる。

また、内燃機関の排気にはカーボンを主成分とする微粒子物質（ＰＭ：Particulate Matter）が含まれている。これらの微粒子物質の大気への放散を防止するために内燃機関の排気系に微粒子物質を捕集するパティキュレートフィルタ（以下、「フィルタ」という。）を設ける技術が知られている。

かかるフィルタにおいては、捕集された微粒子物質の堆積量が増加すると、フィルタの目詰まりによって排気における背圧が上昇し機関性能が低下するので、フィルタの温度を上昇させて捕集された微粒子物質を酸化除去することとしている（以下、「ＰＭ再生処理」という。）。この場合にも、フィルタの温度を上昇させるために、フィルタに還元剤としての燃料を供給する場合がある。

また、内燃機関における排気通路上に、排気ガスによって駆動される排気タービン駆動式過給機（以下、単純に「過給機」という。）を備えた内燃機関が知られている。この過給機は、気筒内から排出される排気ガスのエネルギーを利用してタービンを回し、タービンと同じ回転軸に取り付けられているコンプレッサによって空気を圧縮し、圧縮した空気を気筒内に送り込む装置である。さらに、より高い過給圧力を達成すべく、２段の過給機を備えた２段過給方式が採用される場合もある。

ここで、上記のＮＯx還元処理、ＳＯx回復処理またはＰＭ再生処理を実施する際には、排気中に還元剤を添加することにより還元剤を吸蔵還元型ＮＯx触媒あるいはフィルタに
供給する場合や、吸蔵還元型ＮＯx触媒あるいはフィルタに導入される排気の温度を上昇
させる場合がある。このような場合において、排気における空燃比の状態、還元剤の排気への混合状態、排気温度などが、排気の前記２段の過給機の通過の仕方によって変化する場合があった。

これに対し、直列２段過給エンジンにおいて、２つの過給機の下流側に触媒を備え、過給機のタービンをバイパスするバイパス通路を備え、排気が過給機を通過する際の温度低下を抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかし、２段の過給機を積極的に利用して、排気における空燃比の状態、還元剤の排気
への混合状態、排気温度などを積極的に制御することについては開示されていなかった。
特開２００４−１００６９４号公報 特開昭６３−３０９７２７号公報 特開２００５−３４４７１４号公報

本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、２段の過給機を備えた内燃機関において、より効率よく排気浄化装置の性能回復のための処理を行える技術を提供することである。

上記目的を達成するための本発明は、内燃機関の排気系にタービンを配置させた２つの過給機と、それぞれのタービンを独立にバイパスさせるバイパス通路とを備えており、排気浄化装置の性能回復処理時に、前記２つのタービンと、２つのバイパス通路の各々を通過する排気の量を制御して、性能回復処理を促進させることを最大の特徴とする。

より詳しくは、内燃機関の排気通路に第１タービンを有するとともに吸気通路に第１コンプレッサを有し、前記排気通路を通過する排気により駆動されて、前記内燃機関への吸気を過給する第１過給機と、
前記内燃機関の排気通路における前記第１タービンの下流側に第２タービンを有するとともに吸気通路における前記第１コンプレッサの上流側に第２コンプレッサを有し、前記排気通路を通過する排気により駆動されて、前記内燃機関への吸気を過給する第２過給機と、
前記排気通路における前記第１タービンの上流側と、前記第１タービンと前記第２タービンとの間とを連通して前記内燃機関からの排気に前記第１タービンを迂回させる第１バイパス通路と、
前記排気通路における前記第１タービンと前記第２タービンとの間と、前記第２タービンの下流側とを連通して前記内燃機関からの排気に前記第２タービンを迂回させる第２バイパス通路と、
前記排気通路の前記第２タービンの下流側における前記第２バイパス通路との合流部よりさらに下流側に配置され、排気を浄化するとともに、昇温することおよび／または還元剤が供給されることにより、排気浄化性能を回復させる性能回復処理が行われる排気浄化装置と、
前記排気通路の前記第１タービンの上流側における前記第１バイパス通路の分岐部より上流側に配置され、前記排気通路を通過する排気に還元剤を添加する還元剤添加手段と、
前記内燃機関からの排気のうち、前記第１タービンを通過する排気の量が、前記第１バイパス通路を通過する排気の量に比較して多い過給状態と、前記内燃機関からの排気のうち、前記第１バイパス通路を通過する排気の量が、前記第１タービンを通過する排気の量に比較して多いバイパス状態のいずれかを選択可能な第１排気制御手段と、
前記内燃機関からの排気のうち、前記第２タービンを通過する排気の量が、前記第２バイパス通路を通過する排気の量に比較して多い過給状態と、前記内燃機関からの排気のうち、前記第２バイパス通路を通過する排気の量が、前記第２タービンを通過する排気の量に比較して多いバイパス状態のいずれかを選択可能な第２排気制御手段と、
前記性能回復処理が行われる際に、前記第１排気制御手段および／または前記第２排気制御手段を作動させて前記排気浄化装置の性能回復を促進する性能回復促進手段と
を備えることを特徴とする。

ここで、排気浄化装置の性能回復処理においては、前述のように還元剤添加手段から排気に還元剤を添加することにより、還元剤を排気浄化装置に供給することがある。また、
排気の温度を上昇させて排気浄化装置の温度を上昇させる場合もある。

このような場合において、内燃機関からの排気のうち、過給機のタービンを通過する排気の量を変化させることにより、排気と還元剤との混合度合いを制御することできる。また、リッチスパイクを実施する際の空燃比の変化の勾配を制御することができる。さらに、内燃機関における排気損を変化させ、排気の温度を制御することができる。

このように、排気に添加された還元剤及び排気のうち、２つの過給機のタービンを通過する排気の量と、２つのバイパス通路を通過する排気の量とを制御することによって、排気浄化装置の性能回復処理をより効率的に行うことができる。

次に、本発明において前記排気浄化装置の性能回復を促進する排気浄化システム第１の例としては、前記性能回復促進手段が、前記排気浄化装置が吸蔵還元型ＮＯx触媒を含ん
でおり、前記内燃機関の運転状態が所定の低負荷領域に属する場合において前記ＮＯx還
元処理が行われる際に、前記還元剤添加手段から還元剤が添加されるとともに、前記性能回復促進手段は、前記第１排気制御手段または前記第２排気制御手段のいずれか一方に過給状態を選択させ、他方にバイパス状態を選択させる排気浄化システムを挙げることができる。

ここで、吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、単に「ＮＯx触媒」という。）に対するＮＯx還
元処理においては、深いリッチスパイク処理を行う必要がある場合がある。すなわち、一時的に所定値以下の低い空燃比の排気をＮＯx触媒に供給することにより、ＮＯx触媒中のＮＯxを放出還元する場合である。

このような場合は、還元剤が添加された排気が過給機を通過すると、リッチな排気の部分がその前後の排気と混合され空燃比の変化がなまされることにより、リッチスパイクが薄くなってしまう場合がある。そこで、低負荷の運転状態においてＮＯx還元処理を実施
する場合は、性能回復促進手段は、第１排気制御手段または第２排気制御手段のいずれか一方に過給状態を選択させ、他方にバイパス状態を選択させるようにした。

そうすれば、還元剤が添加された排気がいずれか一の過給機のタービンを迂回することとなるので、リッチな排気の部分がその前後の排気と混合され空燃比の変化がなまされることを抑制でき、リッチスパイクが薄くなってしまうことを抑制できる。そして、充分に濃いリッチスパイクを触媒に供給し、ＮＯx触媒の浄化効率を高めることができる。

また、本発明における性能回復促進手段は、この制御を、内燃機関の運転状態が所定の低負荷領域に属する場合に実行するので、排気がいずれか一の過給機のタービンを通過しなくても要求負荷が満たされなくなることを抑制できる。なお、所定の低負荷領域の運転状態とは、排気がいずれか一の過給機のタービンを通過しなくても要求負荷が満たされ得る運転状態の範囲であり、予め実験的に求められてもよい。

なお、上記の場合、前記第１過給機が、前記第１タービンが所定の小径の羽根車を有する高圧タービンであり、前記第１コンプレッサが所定の小径の羽根車を有する高圧コンプレッサである高圧過給機であり、前記第２過給機が、前記第２タービンが所定の大径の羽根車を有する低圧タービンであり、前記第２コンプレッサが所定の大径の羽根車を有する低圧コンプレッサである低圧過給機であるような２段過給機の構成をとっている場合は、性能回復促進手段は、前記第１排気制御手段に過給状態を選択させ、前記第２排気制御手段にバイパス状態を選択させるようにしてもよい。

そうすれば、２段過給機のうち、低負荷の運転状態において、比較的過給効果を得易い
高圧タービンのみに排気を通過させることができ、より効率的に過給効果を得ることができる。なお、上記において第２タービンにおける所定の大径の羽根車の径は、第１タービンにおける所定の小径の羽根車の径の１．２〜１．８倍としてもよい。第２コンプレッサにおける所定の大径の羽根車の径の、第１コンプレッサにおける所定の小径の羽根車の径に対する比も同様としてもよい。

また、上記においては、第１排気制御手段が過給状態を選択する際には、内燃機関からの排気の略全量に前記第１タービンを通過させるようにし、第２排気制御手段がバイパス状態を選択する際には、内燃機関からの排気の略全量に前記第２バイパス通路を通過させるようにしてもよい。

そうすれば、過給状態が選択される第１過給機においては、排気の略全量が第１タービンを通過するのでより効率的に過給効果を得ることができる。また、バイパス状態が選択される第２過給機においては、排気の略全量が第２バイパス通路を通過するので、より確実にリッチスパイクが薄くなることを抑制できる。

また、本発明において、前記排気浄化装置の性能回復を促進する排気浄化システムの第２の例としては、前記排気浄化装置が、吸蔵還元型ＮＯx触媒を含んでおり、ＳＯx被毒回復処理が行われる際に、前記還元剤添加手段から還元剤が添加されるとともに、前記性能回復促進手段は、前記第１排気制御手段及び前記第２排気制御手段の双方に過給状態を選択させる排気浄化システムを挙げることができる。

ここで、ＮＯx触媒に対してＳＯx被毒回復処理を行う場合には、ＮＯx触媒を昇温させ
る必要がある。この場合にも還元剤添加手段から還元剤が排気に添加される。その場合、還元剤と排気との混合が不十分な場合は、ＮＯx触媒で還元剤が充分に反応できなかった
り、液滴のままＮＯx触媒に到達した還元剤が炭化し、この炭化した還元剤によってＮＯx触媒が詰まったりする場合があった。

そこで、本発明においては、前記性能回復促進手段が、前記第１排気制御手段及び前記第２排気制御手段の双方に過給状態を選択させるようにした。それにより、２段のタービンによって排気と還元剤との混合度合いを高めることができる。その結果、ＮＯx触媒に
おける還元剤の反応を促進させ、ＮＯx触媒をより効率的に昇温させることができる。

また、本発明において、前記排気浄化装置の性能回復を促進する排気浄化システムの第３の例としては、第２の例と同様の構成を、ＰＭ再生処理におけるフィルタの昇温処理に適用する排気浄化システムを挙げることができる。

また、本発明において、前記排気浄化装置の性能回復を促進する排気浄化システムの第４の例としては、前記排気浄化装置が吸蔵還元型ＮＯx触媒を含んでおり、前記内燃機関
の運転状態が所定の中負荷領域に属する場合において前記ＮＯx還元処理が行われる際に
、前記還元剤添加手段から還元剤が添加されるとともに、前記性能回復促進手段は、前記第１排気制御手段及び前記第２排気制御手段の双方に過給状態を選択させる排気浄化システムを挙げることができる。

ここで、内燃機関の運転状態が中負荷以上である場合は、燃焼室における燃焼によって排出されるＮＯxの量が多くなるので、ＮＯx還元処理において必要な還元剤量も多くなる。このような場合、リッチスパイクは充分濃いが、還元剤添加弁からの還元剤の添加量が多いため、還元剤と排気との混合度合いが不十分になるおそれがあった。

そこで、本発明においては、上記のような場合には、性能回復促進手段は、前記第１排
気制御手段及び前記第２排気制御手段の双方に過給状態を選択させ、還元剤が添加された排気に２つのタービンを通過させ、還元剤と排気の混合度合いを向上させることとした。

そうすれば、還元剤のＮＯx触媒における反応を促進することができ、ＮＯx還元処理の効率を向上させることができる。なお、上記において所定の中負荷の運転状態とは、内燃機関から排出されるＮＯxが多くなり、且つ排気の温度が高過ぎてＮＯx還元の効率が低下するほど高負荷でない運転状態であり、予め実験的に求められる。

また、本発明において、前記排気浄化装置の性能回復を促進する排気浄化システムの第５の例としては、前記排気浄化装置は吸蔵還元型ＮＯx触媒を含み、前記内燃機関の運転
状態が所定の高負荷領域に属する場合において前記ＳＯx被毒回復処理が行われる際に、
前記還元剤添加手段から還元剤が添加されるとともに、前記性能回復促進手段は、前記第１排気制御手段及び前記第２排気制御手段の双方に過給状態を選択させる排気浄化システムを挙げることができる。

ここで、従来、上述したような２段構成の過給機を備えた内燃機関においては、高負荷の運転状態においては、排気に、特に上流側の第１タービンを迂回させて第１バイパス通路を通過させることにより、流量の多い排気が第１タービンで絞られてしまうことを避け、これにより燃費が低下することを抑制する場合が多い。

しかし、ＳＯx被毒再生におけるＮＯx触媒の昇温制御においては、ＮＯx触媒の昇温に
時間がかかると逆に燃費が悪化してしまうおそれがあった。そこで、本発明においては、内燃機関の運転状態が所定の高負荷領域に属する場合において前記ＳＯx被毒回復処理が
行われる際に、前記還元剤添加手段から還元剤が添加されるとともに、前記性能回復促進手段は、前記第１排気制御手段及び前記第２排気制御手段の双方に過給状態を選択させることとした。

そうすれば、内燃機関の排気マニホールドにおける背圧を上昇させることができ、排気損を増加させることができる。その結果、内燃機関本体の負荷が増加し、排気温度を上昇させることができる。これにより、ＮＯx触媒の昇温を加速することができる。また、還
元剤が添加された排気に２つのタービンを通過させることができ、還元剤と排気との混合を促進して触媒での反応を促進し、このことによっても昇温を加速することができる。結果として、ＮＯx触媒の昇温に係る燃費を低減することができる。

また、本発明において、前記排気浄化装置の性能回復を促進する排気浄化システムの第６の例としては、第５の例と同様の構成を、ＰＭ再生処理におけるフィルタの昇温処理に適用する排気浄化システムを挙げることができる。

また、前記第１過給機が、前記第１タービンが所定の小径の羽根車を有する高圧タービンであり、前記第１コンプレッサが所定の小径の羽根車を有する高圧コンプレッサである高圧過給機であり、前記第２過給機が、前記第２タービンが所定の大径の羽根車を有する低圧タービンであり、前記第２コンプレッサが所定の大径の羽根車を有する低圧コンプレッサである低圧過給機であるような２段過給機の構成をとっている場合に、上記の発明を適用してもよい。

特に、上記第５及び第６の例においては、多くの排気に、上流側に設けられた小径の羽根車を有する高圧タービンを通過させることができるので、排気マニホールドにおける背圧をより上昇させることができ、より効率的にＮＯx触媒及びフィルタの昇温を加速する
ことができる。

なお、上記した本発明の課題を解決する手段については、可能なかぎり組み合わせて用いることができる。

本発明にあっては、２つの過給機を備えた内燃機関において、より効率よく排気浄化装置の性能回復のための処理を行うことができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。

先ず、図１を用いて、本実施例における内燃機関及び吸排気系について説明する。本実施例における内燃機関１には、吸気通路２及び排気通路３が接続されている。図中における排気の流れについて矢印で示す。

本実施例の吸排気系には、第１ターボチャージャ１０と第２ターボチャージャ２０の２つのターボチャージャが備えられている。第１ターボチャージャ１０の第１タービン１０ａは排気通路３に配置されている。第２ターボチャージャ２０の第２タービン２０ａは、排気通路３における第１タービン１０ａの下流側に配置されている。第１ターボチャージャ１０の第１タービン１０ａの羽根車の直径は第２ターボチャージャ２０の第２タービン２０ａの羽根車の直径より小さく設定されている。

排気通路３には、第１タービン１０ａの上流側と下流側を連通し、排気に第１タービン１０ａを迂回させるための第１バイパス通路１１が設けられている。同様に、第２タービン２０ａの上流側と下流側とを連通し、排気に第２タービン２０ａを迂回させるための第２バイパス通路２１が設けられている。ここで、第１バイパス通路１１の下流側と、第２バイパス通路２１の上流側は接続されて共有バイパス通路３１を形成している。この共有バイパス通路３１と排気通路３との合流部には、三方弁１３が設けられており、第１タービン１０ａの下流側と、共有バイパス通路３１と、第２タービン２０ａの上流側のうちのいずれを接続させるかを制御可能になっている。

また、第１バイパス通路１１には、流量制御弁１５が設けられており、この流量制御弁１５を閉弁することにより、内燃機関１から排出された排気の全てに第１タービン１０ａを通過させることができる。

また、第１バイパス通路１１の上流側の排気通路３には、排気通路３を通過する排気に還元剤としての燃料を添加する燃料添加弁５が備えられている。さらに、第２バイパス通路２１が第２タービン２０ａの下流側において排気通路３と合流する箇所のさらに下流側においては、排気を浄化する排気浄化装置７が備えられている。

この排気浄化装置７には、吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、単にＮＯx触媒）７ａと、多孔質の基材からなるウォールフロー型のパティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタ）７ｂとが直列に配置されている。

以上述べたように構成された内燃機関１及びその排気系には、該内燃機関１及び排気系を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）２５が併設さ
れている。このＥＣＵ２５は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御する他、内燃機関１の排気浄化装置７に係る制御を行うユニットである。

ＥＣＵ２５には、図示しないクランクポジションセンサや、アクセルポジションセンサ、吸入空気量を検出するエアフローメータなどの内燃機関１の運転状態の制御に係るセンサ類が電気配線を介して接続され、出力信号がＥＣＵ２５に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ２５には、内燃機関１内の図示しない燃料噴射弁等が電気配線を介して接続される他、本実施例における燃料添加弁５、流量制御弁１５、三方弁１３が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ２５によって制御されるようになっている。

また、ＥＣＵ２５には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等が備えられており、ＲＯＭには、内燃機関１の種々の制御を行うためのプログラムや、データを格納したマップが記憶されている。

ここで、排気浄化装置７のＮＯx触媒７ａに対して所謂ＮＯx還元処理を実施する際の制御について説明する。

この場合は、まず燃料添加弁５から燃料を排気中に添加するリッチスパイク処理を実施する。その際、内燃機関１の運転状態が低負荷の運転状態である場合には、流量制御弁１５を閉弁するとともに、三方弁１３を制御して、三方弁１３の上流側と下流側の排気通路３及び、共通バイパス通路３１の全てを連通させる。このことにより、燃料が添加された排気の略全量に第１タービン１０ａを通過させる。そして、第１タービン１０ａを通過した排気の略全量に流路抵抗の低い第２バイパス通路２１を通過させ、第２タービン２０ａを迂回させる。そしてその状態の排気を排気浄化装置７に導入させる。

ここで、リッチスパイクを実行して、燃料添加弁５によって燃料が添加された状態の排気に、第１タービン１０ａ及び第２タービン２０ａの両方を通過させた場合には、その際にリッチな排気部分がその前後の排気と混合され、空燃比の変化がなまされてしまう。換言するとリッチスパイクが薄くなってしまうおそれがある。しかし、上記のように、リッチスパイクを実行する際には、燃料と混合された排気に少なくとも１つのタービンを迂回させることで、添加燃料と排気の過度の混合を避けて、充分に濃いリッチスパイクが行われた排気を排気浄化装置７のＮＯx触媒７ａに導入させることができる。

その結果、より効率よくＮＯx触媒７ａのＮＯx還元処理を行うことができる。また、本実施例においては、排気に、２つのタービンのうち、小径の羽根車を有する第１タービン１０ａのみを通過させているので、低負荷の運転状態であってもより大きな過給効果を得ることができる。

なお、上記においては、内燃機関１からの排気の略全量が第１タービン１０ａを通過し、第２バイパス通路２１を通過することとしたが、排気の通過の態様はこれらに限られない。例えば、内燃機関１からの排気の半分以上が第１タービン１０ａを通過し、残りは第１バイパス通路１１を通過し、また、排気の半分以上が第２バイパス通路２１を通過し、残りは第２タービン２０ａを通過するようにしてもよい。これによっても、原理的には本実施例と同傾向の効果を得ることができる。以下の実施例においても同様である。

次に、排気浄化装置７のＮＯx触媒７ａのＳＯx回復処理、フィルタ７ｂのＰＭ再生処理における昇温処理について説明する。本実施例における内燃機関及び吸排気系の構成は、図１に示したものと同等である。

ここで、排気浄化装置７のＮＯx触媒７ａのＳＯx回復処理、フィルタ７ｂのＰＭ再生処理を実施する場合には、排気浄化装置７の温度上昇のために、還元剤としての燃料を燃料
添加弁５から排気に添加する場合がある。

この場合、燃料と排気との混合度合いが不十分であれば、排気浄化装置７のＮＯx触媒
７ａで燃料が充分に酸化されなかったり、炭化した燃料によってＮＯx触媒７ａが詰まっ
たりするおそれがあった。

これに対し、本実施例においては、排気浄化装置７の昇温処理を行う際にはまず、燃料添加弁５から排気への燃料添加を実施する。そして、流量制御弁１５を閉弁することによって排気の全量に第１タービン１０ａを通過させる。また、三方弁１３を制御して三方弁１３の上流側と下流側の排気通路３ｂを連通するとともに共通バイパス通路３１は遮断し、排気の略全量に第２タービン２０ａを通過させる。そして、その排気を排気浄化装置７に導入させる。

そうすれば、燃料が添加された排気が第１タービン１０ａと第２タービン２０ａの２つのタービンを通過するために、排気と充分に混合されるので、排気浄化装置７におけるＮＯx触媒７ａで酸化され易く、効率よく昇温を行うことができる。そのことによりフィル
タ７ｂをも効率よく昇温させることができる。また、液滴のまま排気浄化装置７に導入された燃料がＮＯx触媒７ａにおいて炭化することを抑制でき、排気浄化装置７の詰まりを
抑制することができる。

次に本発明における実施例３について説明する。本実施例においては、内燃機関の中負荷の運転状態において排気浄化装置のＮＯx還元処理を行う際に、燃料と排気との混合度
合いを向上させる例について説明する。本実施例における内燃機関及び吸排気系の構成は図１に示したものと同等である。

排気浄化装置７のＮＯx触媒７ａに対してＮＯx還元処理を行う場合には、先ず、燃料添加弁５から排気に燃料が添加される。ここで、内燃機関１の運転状態が中負荷の運転状態である場合は、内燃機関１における燃焼の燃焼温度が上昇することから、排出されるＮＯxの量が多くなる。従って、燃料添加弁５から添加されるべき燃料の量は増量される。そ
うすると、排気浄化装置７に導入される排気において、排気と排気に添加された燃料の混合度合いが不十分になるおそれがあった。

それに対し、本実施例においては、内燃機関１の中負荷もしくはそれ以上の運転状態においてＮＯx還元処理を行う場合には、流量制御弁１５を閉弁して排気の略全量に第１タ
ービン１０ａを通過させる。また、三方弁１３を制御して三方弁１３の上流側と下流側の排気通路３を連通させるとともに共通バイパス通路３１は遮断し、排気の略全量に第２タービン２０ａを通過させる。そうすれば、燃料添加弁５から増量して添加された燃料と排気とを充分に混合させることができ、排気浄化装置７内のＮＯx触媒７ａで効率よくＮＯx還元処理を行うことができる。

また、その際、ＮＯx触媒７ａ内の酸素が燃料によって効率よく消費されるので、この
ことによってもＮＯx触媒７ａにおける還元効率を高めることができる。

次に、本実施例における実施例４について説明する。本実施例においては、特に内燃機関の運転状態が高負荷の運転状態である場合に、排気浄化装置を効率よく昇温する例について説明する。本実施例における内燃機関及び吸排気系の構成は図１に示したものと同等である。

ここで、従来より、内燃機関１の運転状態が高負荷の運転状態である場合は、流量制御弁１５を開弁して排気に第１バイパス通路１１を通過させ、多量の排気が第１タービン１０ａを通過して絞られることを抑制し、燃費が悪化することを抑制することが多い。

しかし、本実施例における排気浄化装置７のＮＯx触媒７ａのＳＯx被毒回復処理またはフィルタ７ｂのＰＭ再生処理の際には、流量制御弁１５を閉弁して排気の略全量に第１タービン１０ａを通過させる。また、三方弁１３を制御して三方弁１３の上流側と下流側の排気通路３を連通させるとともに共通バイパス通路３１は遮断し、排気の略全量に第２タービン２０ａを通過させる。

そうすれば、小径の羽根車を有する容量の小さい第１タービン１０ａに多量の排気を通過させることにより、排気通路３の上流の図示しない排気マニホールドにおける背圧を上昇させることができ、排気損を増加させることができる。そうすると、内燃機関１の負荷が増加するために排気温度を上昇させることができ、より効率的に排気浄化装置７のＮＯx触媒７ａまたはフィルタ７ｂを昇温させることができる。その結果、排気浄化装置７の
昇温時間を短縮することができ、燃費を向上させることができる。

なお、上記の実施例において、ＮＯx還元処理、ＳＯx被毒回復処理、ＰＭ再生処理は性能回復処理に相当する。また、流量制御弁１５は第１排気制御手段を構成する。また、流量制御弁１５と三方弁１３の組合せは第２排気制御手段を構成する。さらに、ＥＣＵ２５は性能回復促進手段を構成する。

本発明の実施例に係る内燃機関及び吸排気系の概略構成を示す図である。

符号の説明

１・・・内燃機関
２・・・吸気通路
３・・・排気通路
５・・・燃料添加弁
７・・・排気浄化装置
７ａ・・・ＮＯx触媒
７ｂ・・・フィルタ
１０・・・第１ターボチャージャ
１０ａ・・・第１タービン
１１・・・第１バイパス通路
１３・・・三方弁
１５・・・流量制御弁
２０・・・第２ターボチャージャ
２０ａ・・・第２タービン
２５・・・ＥＣＵ
３１・・・共通バイパス通路

Claims (10)

1. 内燃機関の排気通路に第１タービンを有するとともに吸気通路に第１コンプレッサを有し、前記排気通路を通過する排気により駆動されて、前記内燃機関への吸気を過給する第１過給機と、
   前記内燃機関の排気通路における前記第１タービンの下流側に第２タービンを有するとともに吸気通路における前記第１コンプレッサの上流側に第２コンプレッサを有し、前記排気通路を通過する排気により駆動されて、前記内燃機関への吸気を過給する第２過給機と、
   前記排気通路における前記第１タービンの上流側と、前記第１タービンと前記第２タービンとの間とを連通して前記内燃機関からの排気に前記第１タービンを迂回させる第１バイパス通路と、
   前記排気通路における前記第１タービンと前記第２タービンとの間と、前記第２タービンの下流側とを連通して前記内燃機関からの排気に前記第２タービンを迂回させる第２バイパス通路と、
   前記排気通路の前記第２タービンの下流側における前記第２バイパス通路との合流部よりさらに下流側に配置され、排気を浄化するとともに、昇温することおよび／または還元剤が供給されることにより、排気浄化性能を回復させる性能回復処理が行われる排気浄化装置と、
   前記排気通路の前記第１タービンの上流側における前記第１バイパス通路の分岐部より上流側に配置され、前記排気通路を通過する排気に還元剤を添加する還元剤添加手段と、
   前記内燃機関からの排気のうち、前記第１タービンを通過する排気の量が、前記第１バイパス通路を通過する排気の量に比較して多い過給状態と、前記内燃機関からの排気のうち、前記第１バイパス通路を通過する排気の量が、前記第１タービンを通過する排気の量に比較して多いバイパス状態のいずれかを選択可能な第１排気制御手段と、
   前記内燃機関からの排気のうち、前記第２タービンを通過する排気の量が、前記第２バイパス通路を通過する排気の量に比較して多い過給状態と、前記内燃機関からの排気のうち、前記第２バイパス通路を通過する排気の量が、前記第２タービンを通過する排気の量に比較して多いバイパス状態のいずれかを選択可能な第２排気制御手段と、
   前記性能回復処理が行われる際に、前記第１排気制御手段および／または前記第２排気制御手段を作動させて前記排気浄化装置の性能回復を促進する性能回復促進手段と、
   を備え、
   前記排気浄化装置は吸蔵還元型ＮＯx触媒を含み、
   前記性能回復処理は前記吸蔵還元型ＮＯx触媒のＮＯxを還元放出させるＮＯx還元処理
   を含み、
   前記内燃機関の運転状態が所定の低負荷領域に属する場合において前記ＮＯx還元処理
   が行われる際に、
   前記還元剤添加手段から還元剤が添加されるとともに、
   前記性能回復促進手段は、前記第１排気制御手段または前記第２排気制御手段のいずれか一方に過給状態を選択させ、他方にバイパス状態を選択させることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 前記第１過給機は、前記第１タービンが所定の小径の羽根車を有する高圧タービンであり、前記第１コンプレッサが所定の小径の羽根車を有する高圧コンプレッサである高圧過給機であり、
   前記第２過給機は、前記第２タービンが所定の大径の羽根車を有する低圧タービンであり、前記第２コンプレッサが所定の大径の羽根車を有する低圧コンプレッサである低圧過給機であり、
   前記性能回復促進手段は、前記第１排気制御手段に過給状態を選択させ、前記第２排気制御手段にバイパス状態を選択させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
3. 前記第１排気制御手段は過給状態を選択する際に、内燃機関からの排気の略全量に前記第１タービンを通過させ、
   前記第２排気制御手段は、バイパス状態を選択する際に、内燃機関からの排気の略全量に前記第２バイパス通路を通過させることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
4. 前記性能回復処理は前記吸蔵還元型ＮＯx触媒のＳＯxを還元放出させるＳＯx被毒回復
   処理を含み、
   前記ＳＯx被毒回復処理が行われる際に、
   前記還元剤添加手段から還元剤が添加されるとともに、
   前記性能回復促進手段は、前記第１排気制御手段及び前記第２排気制御手段の双方に過給状態を選択させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
5. 前記排気浄化装置は排気中の微粒子物質を捕集するフィルタを含み、
   前記性能回復処理は前記フィルタの微粒子物質を酸化除去するＰＭ再生処理を含み、
   前記ＰＭ再生処理が行われる際に、
   前記還元剤添加手段から還元剤が添加されるとともに、
   前記性能回復促進手段は、前記第１排気制御手段及び前記第２排気制御手段の双方に過給状態を選択させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
6. 前記内燃機関の運転状態が所定の中負荷領域に属する場合において前記ＮＯx還元処理
   が行われる際に、
   前記還元剤添加手段から還元剤が添加されるとともに、
   前記性能回復促進手段は、前記第１排気制御手段及び前記第２排気制御手段の双方に過給状態を選択させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
7. 前記内燃機関の運転状態が所定の高負荷領域に属する場合において前記ＳＯx被毒回復
   処理が行われる際に、
   前記還元剤添加手段から還元剤が添加されるとともに、
   前記性能回復促進手段は、前記第１排気制御手段及び前記第２排気制御手段の双方に過
   給状態を選択させることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化システム。
8. 前記内燃機関の運転状態が所定の高負荷領域に属する場合において前記ＰＭ再生処理が行われる際に、
   前記還元剤添加手段から還元剤が添加されるとともに、
   前記性能回復促進手段は、前記第１排気制御手段及び前記第２排気制御手段の双方に過給状態を選択させることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化システム。
9. 前記第１過給機は、前記第１タービンが所定の小径の羽根車を有する高圧タービンであり、前記第１コンプレッサが所定の小径の羽根車を有する高圧コンプレッサである高圧過給機であり、
   前記第２過給機は、前記第２タービンが所定の大径の羽根車を有する低圧タービンであり、前記第２コンプレッサが所定の大径の羽根車を有する低圧コンプレッサである低圧過給機であることを特徴とする請求項４から８のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化システム。
10. 前記第１排気制御手段は、過給状態を選択する際に、内燃機関からの排気の略全量に前記第１タービンを通過させ、
    前記第２排気制御手段は、過給状態を選択する際に、内燃機関からの排気の略全量に前記第２タービンを通過させることを特徴とする請求項４から８のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化システム。

Images