JP5076942B2

JP5076942B2 - エンジンの過給装置

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Publication number: JP5076942B2
Application number: JP2008028894A
Authority: JP
Inventors: 寛林原; 勇樹三村
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2008-02-08
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2028-02-08
Also published as: JP2009185767A

Description

本発明は、排気ターボ過給機と、排気通路に配設された、エンジンの排気中に含まれる微粒子を捕集する排気微粒子捕集装置とを備えたエンジンの過給装置に関する技術分野に属する。

従来より、ディーゼルエンジンの排気通路に、該エンジンの気筒内の燃焼室から排出される排気ガス中に含まれる煤等の微粒子を捕集するために、フィルタ等を備えた排気微粒子捕集装置が配設されていることは、よく知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記排気微粒子捕集装置での微粒子の捕集量が多くなると、フィルタが目詰まりすることになり、これを防止するために、特許文献１に示されているように、捕集量が所定量以上になったときに、フィルタの温度を上昇させて、該フィルタに捕集された微粒子を燃焼除去することで、排気微粒子捕集装置（フィルタ）を再生する。

上記再生のためのフィルタ温度の上昇は、特許文献１に示されているように、圧縮行程上死点付近で燃料を噴射する主噴射よりも遅れた時期に燃料を噴射するポスト噴射の実行により実現することができる。すなわち、排気微粒子捕集装置に酸化触媒を設けておき、ポスト噴射の実行により排気微粒子捕集装置に未燃燃料を酸化触媒に供給して該未燃燃料の酸化反応熱により排気微粒子捕集装置の温度を上昇させる。

或いは、ディーゼルエンジンの吸気通路には、通常、エンジンの燃焼室への吸入空気量を調節する吸気絞り弁が配設されているので、その吸気絞り弁の開度を閉方向に変更することによって、エンジンのポンプロスを増大させて排気熱エネルギーを増大させることで、フィルタの温度を上昇させる。
特開２００４−１９０６６８号公報

しかしながら、上記吸気絞り弁を閉じることで排気微粒子捕集装置の温度を上昇させる場合には、吸入空気量及び排気量が少なくなるために、排気ターボ過給機のタービンの回転数が低下し、このため、当該エンジンを搭載する車両の乗員の加速要求時に、タービン回転数が所定レベルに達するまでには時間がかかり、加速レスポンスが悪くなるという問題がある。

一方、ポスト噴射により排気微粒子捕集装置の温度を上昇させる場合には、以下のような問題がある。すなわち、排気還流通路を介して排気ガスの一部を吸気通路に還流しているときに排気微粒子捕集装置の再生を行うと、未燃燃料が排気ガスと共に排気還流通路へも送られるため、その分だけ排気微粒子捕集装置へ供給される未燃燃料が減少し、排気微粒子捕集装置の再生が確実に行えなくなる可能性が高くなる。そこで、排気微粒子捕集装置の再生時には排気還流を停止するようにしているが、こうすると、ＮＯｘ排出量が増大してしまう。

本発明は、斯かる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、排気ターボ過給機と排気微粒子捕集装置とを備えたエンジンの過給装置において、排気微粒子捕集装置の再生時又は再生完了直後の加速要求時に、加速レスポンスを向上させるようにするとともに、上記再生時のＮＯｘ排出量の増大を出来る限り抑制しようとすることにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、排気微粒子捕集装置の再生を行う際には、排気ターボ過給機のコンプレッサをバイパスする吸気バイパス通路に配設された吸気バイパス弁の開度を、エンジンの運転状態に応じて設定された非再生時の吸気バイパス弁開度よりも大きくしかつ、上記排気ターボ過給機のタービンをバイパスする排気バイパス通路に配設された排気バイパス弁の開度を、エンジンの運転状態に応じて設定された非再生時の排気バイパス弁開度と比べて同等以下にする動作を行って、該動作によるエンジンの排気温度の上昇により、排気微粒子捕集装置の温度を上昇させて、排気微粒子捕集装置の再生を行うようにした。

具体的には、請求項１の発明では、エンジンの過給装置を対象として、エンジンの吸気通路に配設されたコンプレッサと排気通路に配設されたタービンとを有する第１排気ターボ過給機と、上記第１排気ターボ過給機のコンプレッサをバイパスする吸気バイパス通路と、上記吸気バイパス通路に配設された吸気バイパス弁と、上記第１排気ターボ過給機のタービンをバイパスする排気バイパス通路と、上記排気バイパス通路に配設された排気バイパス弁と、上記吸気バイパス弁及び排気バイパス弁の開度を、上記エンジンの運転状態に応じて設定した開度にそれぞれ制御するバイパス弁制御手段と、上記排気通路における上記タービンよりも下流側に配設され、上記エンジンの排気中に含まれる微粒子を捕集する排気微粒子捕集装置と、上記排気微粒子捕集装置による微粒子の捕集量が所定量以上になったときに、該排気微粒子捕集装置の温度を上昇させて、上記捕集された微粒子を燃焼除去することで排気微粒子捕集装置を再生する再生手段とを備え、上記再生手段は、上記排気微粒子捕集装置の再生を行う際には、上記吸気バイパス弁の開度を上記バイパス弁制御手段により設定された非再生時の吸気バイパス弁開度よりも大きくしかつ上記排気バイパス弁の開度を上記バイパス弁制御手段により設定された非再生時の排気バイパス弁開度と比べて同等以下にする動作を行って、該動作による上記エンジンの排気温度の上昇により、上記排気微粒子捕集装置の温度を上昇させて、該排気微粒子捕集装置の再生を行うように構成されているものとする。

上記の構成により、吸気バイパス弁の開度を、バイパス弁制御手段により設定された吸気バイパス弁開度（非再生時の吸気バイパス弁開度）よりも大きくしかつ排気バイパス弁の開度を、バイパス弁制御手段により設定された排気バイパス弁開度（非再生時の排気バイパス弁開度）と比べて同等以下にすることで、第１排気ターボ過給機のタービンを回転させながら、該タービンに無駄な仕事をさせ、これにより、エンジンに供給される空気量に対し燃料噴射量が増大して排気温度が上昇し、この結果、排気微粒子捕集装置の温度を上昇させて、排気微粒子捕集装置の再生を行うことができる。また、第１排気ターボ過給機のタービンが回転し続けることで、再生時又は再生完了直後に、乗員がアクセルペダルを踏み込んで加速要求を行ったときには、既にタービンが回転しており、この結果、例えば、吸気バイパス弁の開度を非再生時の吸気バイパス弁開度にすることで、直ぐに適切な過給を行うことができ、高い加速レスポンスが得られる。さらに、吸気通路への排気還流時に排気微粒子捕集装置の再生を行っても、ポスト噴射の実行により未燃燃料を排気微粒子捕集装置に供給する場合とは異なり、再生時の吸気バイパス弁及び排気バイパス弁の開度を適切な値にすることで、排気微粒子捕集装置の温度を十分に上昇させることが可能になる。それ故、再生時に排気還流を停止する必要はなく、非再生時と同様にＮＯｘ排出量を低減することができる。しかも、再生時においてエンジンへ供給される空気量は確保されるので、煤等の微粒子の発生を抑制することができる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、上記吸気通路における上記第１排気ターボ過給機のコンプレッサよりも下流側部分と上記排気通路における上記第１排気ターボ過給機のタービンよりも上流側部分とを接続する排気ガス還流通路と、上記排気ガス還流通路に配設された排気ガス還流弁と、上記排気ガス還流弁の開度を制御する排気ガス還流弁制御手段とを更に備え、上記排気ガス還流弁制御手段は、上記排気ガス還流弁が開状態にあるときにおいて、上記再生手段による上記排気微粒子捕集装置の再生が行われても、該排気ガス還流弁の開状態を継続するように構成されているものとする。

このことにより、排気微粒子捕集装置の再生が行われたときに、排気ガス還流弁の開状態を継続することで、再生時のＮＯｘ排出量の増大を抑制することができる。一方、排気ガス還流弁の開状態を継続しても、上述の如く排気微粒子捕集装置の温度を十分に上昇させて、排気微粒子捕集装置の再生を確実に行うことができる。

請求項３の発明では、請求項１の発明において、上記吸気通路における上記第１排気ターボ過給機のコンプレッサよりも上流側に配設されたコンプレッサと、上記排気通路における上記第１排気ターボ過給機のタービン及び上記排気浄化装置間に配設されたタービンとを有する第２排気ターボ過給機を更に備え、上記再生手段は、上記エンジン負荷が所定負荷以下の低負荷時において、上記排気微粒子捕集装置の再生を行う際に、上記動作を行って、該動作による上記エンジンの排気温度の上昇により、上記排気微粒子捕集装置の温度を上昇させて、該排気微粒子捕集装置の再生を行うように構成されているものとする。

このように２つの排気ターボ過給機を用いる場合において、特に加速レスポンスが問題となる低負荷時に、上述の如く第１排気ターボ過給機のタービンを回転させながら該タービンに無駄な仕事をさせて排気温度を上昇させることができ、これにより、排気微粒子捕集装置の再生を行うことができるとともに、加速要求時には高い加速レスポンスが得られる。

尚、第１排気ターボ過給機は、低負荷時における非再生時には、通常、作動させて、適切な過給圧が得られるようにする。このため、吸気バイパス弁及び第１排気バイパス弁は全開以外の状態とされる。一方、第２排気ターボ過給機は、低負荷時には、非再生時及び再生時共にほぼフルに作動させる（第２排気ターボ過給機のタービンをバイパスする第２排気バイパス通路及び該第２排気バイパス通路に配設された第２排気バイパス弁を備えている場合には、その第２排気バイパス弁を全閉状態か又はそれに近い開度にする）ようにすることが好ましい。こうすれば、低負荷時かつ再生時において、或る程度の過給圧が安定して得られるとともに、加速要求時には、２つの排気ターボ過給機のタービンが既に回転しているので、高い加速レスポンスが得られる。特に第２排気ターボ過給機のタービンは、通常、第１排気ターボ過給機のタービンよりもイナーシャが大きい大型化のものとなるが、この第２排気ターボ過給機のタービンを、低負荷時に常に回転しておくことで、高い加速レスポンスが確実に得られる。

請求項４の発明では、請求項３の発明において、上記排気微粒子捕集装置は、酸化触媒を含み、上記再生手段は、上記エンジン負荷が上記所定負荷よりも大きい高負荷時には、圧縮行程上死点付近で燃料を噴射する主噴射よりも遅れた時期に燃料を噴射するポスト噴射を実行することによって、上記排気微粒子捕集装置に未燃燃料を供給して該未燃燃料の酸化反応熱により上記排気微粒子捕集装置の温度を上昇させて、該排気微粒子捕集装置の再生を行うように構成されているものとする。

すなわち、高負荷時には、第１排気ターボ過給機を作動させると却って排気抵抗になるので、吸気バイパス弁及び排気バイパス弁を、通常、全開状態にし、第２排気ターボ過給機のタービンをバイパスする第２排気バイパス通路及び第２排気バイパス弁を備えている場合には、その第２排気バイパス弁を全閉状態かそれに近い開度にする（過回転を防止可能な開度）。このため、高負荷時においては、低負荷時のように、再生時に吸気バイパス弁の開度を非再生時の吸気バイパス弁開度よりも大きくすることはできない。また、加速レスポンスが低負荷時に比べて大きな問題とはならない高負荷時において、再生時に排気バイパス弁の開度を非再生時の排気バイパス弁開度よりも小さくすると排気抵抗になるので、そのようなことはことはしない方が好ましい。そこで、高負荷時においては、ポスト噴射を実行することで、排気微粒子捕集装置の再生を行う。これにより、高負荷時においても、排気微粒子捕集装置の再生を確実に行うことができる。尚、吸気バイパス弁及び排気バイパス弁は、非再生時と同じ全開状態を維持する。

請求項５の発明では、請求項４の発明において、上記吸気通路における上記第１排気ターボ過給機のコンプレッサよりも下流側部分に配設され、上記エンジンへの吸入空気量を調節する吸気絞り弁と、上記吸気絞り弁の開度を制御する吸気絞り弁制御手段とを更に備え、上記吸気絞り弁制御手段は、上記高負荷時における上記再生時に、上記吸気絞り弁の開度を小さい側に変更するように構成されているものとする。

このことにより、高負荷時における再生時に吸気絞り弁を閉方向に変更することで、エンジンのポンプロスを増大させて排気熱エネルギーを増大させることができ、これにより、ポスト噴射の実行と相俟って、排気微粒子捕集装置の温度を確実に上昇させることができる。

以上説明したように、本発明のエンジンの過給装置によると、排気微粒子捕集装置の再生を行う際には、吸気バイパス弁の開度を、エンジンの運転状態に応じて設定された非再生時の吸気バイパス弁開度よりも大きくしかつ排気バイパス弁の開度を、エンジンの運転状態に応じて設定された非再生時の排気バイパス弁開度と比べて同等以下にする動作を行って、該動作による上記エンジンの排気温度の上昇により、排気微粒子捕集装置の温度を上昇させて、排気微粒子捕集装置の再生を行うようにしたことにより、排気微粒子捕集装置の再生時又は再生完了直後の加速要求時に、加速レスポンスを向上させることができ、また、再生時に吸気通路への排気還流を停止しなくても済み、再生時のＮＯｘ排出量の増大を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る過給装置を採用したエンジン１の概略構成を示す。このエンジン１は、車両に搭載されたディーゼルエンジンであって、複数の気筒２（１つのみ図示）が設けられたシリンダブロック３と、このシリンダブロック３上に配設されたシリンダヘッド４と、シリンダブロック３の下側に配設され、潤滑油が貯溜されたオイルパン９とを有している。このエンジン１の各気筒２内には、ピストン５が往復動可能にそれぞれ嵌挿されていて、このピストン５の頂面には深皿形燃焼室６が形成されている。このピストン５は、コンロッド７を介してクランク軸８と連結されている。

上記シリンダヘッド４には、各気筒２毎に吸気ポート１２及び排気ポート１３が形成されているとともに、これら吸気ポート１２及び排気ポート１３の燃焼室６側の開口を開閉する吸気弁１４及び排気弁１５がそれぞれ配設されている。

また、上記シリンダヘッド４には、燃料を噴射するインジェクタ２０と、エンジン１の冷間時に吸入空気を暖めて燃料の着火性を高めるためのグロープラグ２５とが設けられている。上記インジェクタ２０は、その燃料噴射口が燃焼室６の天井面から該燃焼室６に臨むように配設されていて、圧縮行程上死点付近で燃焼室６に燃料を直接噴射供給するようになっている。尚、インジェクタ２０は、燃料供給管２１を介して不図示のコモンレールに連結されていて、該燃料供給管２１及びコモンレールを介して不図示の燃料タンクから燃料が供給されるように構成されている。余剰燃料は、リターン管２２を通じて燃料タンクへ戻される。

上記エンジン１の一側面には、各気筒２の吸気ポート１２に連通するように吸気通路３０が接続されている。この吸気通路３０の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ３１が配設されており、このエアクリーナ３１で濾過した吸入空気が吸気通路３０及び吸気ポート１２を介して各気筒２の燃焼室６に供給される。

上記吸気通路３０におけるエアクリーナ３１の下流側近傍には、吸入空気の流量を検出するエアフローセンサ３２が配設されている。また、吸気通路３０における下流端近傍には、サージタンク３３が配設されている。このサージタンク３３よりも下流側の吸気通路３０は、各気筒２毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒２の吸気ポート１２にそれぞれ接続されている。

さらに、上記吸気通路３０におけるエアフローセンサ３２とサージタンク３３との間には、第１排気ターボ過給機６１のコンプレッサ６１ａと第２排気ターボ過給機６２のコンプレッサ６２ａとが配設されており、第１排気ターボ過給機６１のコンプレッサ６１ａの方が第２排気ターボ過給機６２のコンプレッサ６２ａよりも下流側に位置する。これら両コンプレッサ６１ａ，６２ａの作動により吸入空気の過給を行う。そして、吸気通路３０には、第１排気ターボ過給機６１のコンプレッサ６１ａをバイパスする吸気バイパス通路６４が接続され、この吸気バイパス通路６４には、該吸気バイパス通路６４へ流れる空気量を調整するための吸気バイパス弁６５が配設されている。尚、本実施形態では、第２排気ターボ過給機６２のコンプレッサ６２ａをバイパスするバイパス通路は設けられてはいないが、このようなバイパス通路を設けるとともに、該バイパス通路に吸気バイパス弁６５と同様の弁を設けるようにしてもよい。

さらにまた、上記吸気通路３０における第１排気ターボ過給機６１のコンプレッサ６１ａとサージタンク３３との間には、上流側から順に、上記両コンプレッサ６１ａ，６２ａにより圧縮された空気を冷却するインタークーラ３５と、両コンプレッサ６１ａ，６２ａにより圧縮された空気の圧力を検出する吸気圧力センサ３６と、上記各気筒２の燃焼室６への吸入空気量を調節する吸気絞り弁３７とが配設されている。この吸気絞り弁３７は、基本的には全開状態とされるが、後述のフィルタ４３ｂの再生時（エンジン負荷が所定負荷よりも大きい高負荷時における再生時）やＮＯｘの還元時には、全開状態から閉方向に変更されて所定の開度とされる。また、吸気絞り弁３７は、エンジン１の停止時には、ショックが生じないように全閉状態とされる。

上記エンジン１の他側面には、各気筒２の燃焼室６からの既燃ガス（排気ガス）を排出する排気通路４０が接続されている。この排気通路４０の上流側の部分は、各気筒２毎に分岐して排気ポート１３の外側端に接続された独立通路と該各独立通路が集合する集合部とを有する排気マニホールドによって構成されている。この排気マニホールドよりも下流側の排気通路４０に、上記第１排気ターボ過給機６１のタービン６１ｂと第２排気ターボ過給機６２のタービン６２ｂとが配設されており、第１排気ターボ過給機６１のタービン６１ｂの方が第２排気ターボ過給機６２のタービン６２ｂよりも上流側に位置する。これらタービン６１ｂ，６２ｂが排気ガス流により回転し、これらタービン６１ｂ，６２ｂの回転により、該タービン６１ｂ，６２ｂとそれぞれ連結された上記コンプレッサ６１ａ，６２ａがそれぞれ作動する。

そして、排気通路４０には、第１排気ターボ過給機６１のタービン６１ｂをバイパスする第１排気バイパス通路６７と、第２排気ターボ過給機６２のタービン６２ｂをバイパスする第２排気バイパス通路６９とが接続されている。第１排気バイパス通路６７には、該第１排気バイパス通路６７へ流れる排気量を調整するためのレギュレートバルブ６８（第１排気バイパス弁）が配設され、第２排気バイパス通路６９には、該第２排気バイパス通路６９へ流れる排気量を調整するためのウエストゲートバルブ７０（第２排気バイパス弁）が配設されている。

上記排気通路４０における上記第２排気ターボ過給機６２のタービン６２ｂよりも下流側には、排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置４３が配設されている。この排気浄化装置４３は、酸化触媒部４３ａ、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、フィルタという）４３ｂ及びリーンＮＯｘ触媒部４３ｃで構成されており、上流側から、この順に並んでいる。酸化触媒部４３ａ及びフィルタ４３ｂは１つのケース内に収容され、リーンＮＯｘ触媒部４３ｃは、酸化触媒部４３ａ及びフィルタ４３ｂを収容するケースとは別のケース内に収容されている。尚、排気通路４０の下流端（リーンＮＯｘ触媒部４３ｃよりも下流側）には、サイレンサー４８が設けられている。

上記酸化触媒部４３ａは、白金又は白金にパラジウムを加えたもの等を担持した酸化触媒を有していて、排気ガス中のＣＯ及びＨＣが酸化されてＣＯ_２及びＨ_２Ｏが生成する反応を促すものである。また、上記フィルタ４３ｂは、エンジン１の排気ガス中に含まれる煤等の微粒子を捕集するものであり、酸化触媒部４３ａ及びフィルタ４３ｂ並びにこれらを収容するケースは、排気ガス中に含まれる微粒子を捕集する排気微粒子捕集装置を構成する。尚、フィルタ４３ｂに酸化触媒をコーティングしてもよい。

上記リーンＮＯｘ触媒部４３ｃは、排気ガス中のＮＯｘを吸蔵して還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元型触媒を有していて、例えば、バリウムを主成分とし、カリウム、マグネシウム、ストロンチウム、ランタン等のアルカリ金属、アルカリ土類金属又は希土類と、白金等の化学反応触媒作用を有する貴金属とが担持されたＮＯｘ吸蔵材を内装する。このリーンＮＯｘ触媒部４３ｃは、排気ガスの空燃比状態が理論空燃比よりもリーンな状態で排気中のＮＯｘを吸蔵する一方、そのようにして吸蔵したＮＯｘを空燃比状態のリッチ化に応じて放出して、そのＮＯｘを排気ガス中のＣＯ及びＨＣと酸化還元反応させて酸素と窒素とに分解する。また、排気ガスの空燃比が理論空燃比近傍にあるときには、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを略完全に浄化する。

本実施形態のエンジン１は、ディーゼルエンジンであるため、全運転領域で、空燃比を理論空燃比よりも大きくする（λ＞１）リーン運転を行う。このリーン運転を継続すると、リーンＮＯｘ触媒部４３ｃに吸蔵されるＮＯｘ量が増加していき、やがて飽和状態になって、ＮＯｘの浄化能力が低下する。これを防止するために、吸蔵したＮＯｘを酸素と窒素とに分解放出させてＮＯｘ吸蔵能力を回復させるべく、空燃比のリッチ化を行う。具体的には、リーンＮＯｘ触媒部４３ｃに吸蔵されるＮＯｘ量は、エンジン回転数やエンジン負荷等のエンジン１の運転状態に基づいて、予め作成したＮＯｘ量排出マップにより推定することができ、その推定したＮＯｘ量の積算値が、予め設定した設定量以上になったときに、排気ガスの空燃比をリーン運転時の空燃比よりもリッチ化する（例えば理論空燃比とするか、又はそれ以上にリッチとする）。このリッチ化は、上記吸気絞り弁３７の開度を全開状態から閉方向に変更して、燃焼室６へ供給される空気量を減量することで行う。そして、リッチ化時間が所定時間を経過したときに、空燃比を元のリーンの状態に復帰させる。尚、上記所定時間は、リッチ化の度合いとの関係で、吸蔵しているＮＯｘ全て（上記設定量）が還元放出される時間に設定される。

上記排気浄化装置４３におけるフィルタ４３ｂの上流側及び下流側には、フィルタ４３ｂに流入する直前及び流出した直後の排気ガスの圧力をそれぞれ検出する上流側及び下流側圧力検出部４５，４６が設けられ、これら上流側及び下流側圧力検出部４５，４６には、該両圧力検出部４５，４６の差圧を検出する差圧センサ４７が接続されている。この差圧は、フィルタ４３ｂに捕集された微粒子量（つまり捕集量）に対応しており、差圧が大きいほど捕集量が多いことになる。この捕集量が多くなると、フィルタ４３ｂが目詰まりすることになり、これを防止するために、捕集量が所定量α（例えば最大捕集量の７０％）以上になったときに、後述の如くフィルタ４３ｂの温度を上昇させて微粒子を燃焼させることによりフィルタ４３ｂを再生する。

上記吸気通路３０における上記サージタンク３３と吸気絞り弁３７との間の部分（つまり第１排気ターボ過給機６１のコンプレッサ６１ａよりも下流側部分）と、上記排気通路４０における上記排気マニホールドと第１排気ターボ過給機６１のタービン６１ｂとの間の部分（つまり第１排気ターボ過給機６１のタービン６１ｂよりも上流側部分）とは、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するための排気ガス還流通路５０によって接続されている。この排気ガス還流通路５０には、排気ガスの吸気通路３０への還流量を調整するための排気ガス還流弁５１と、排気ガスをエンジン冷却水によって冷却するためのＥＧＲクーラ５２とが配設されている。

上記第１排気ターボ過給機６１は小型のものであり、第２排気ターボ過給機６２は大型のものである。すなわち、第２排気ターボ過給機６２のタービン６２ｂの方が第１排気ターボ過給機６１のタービン６１ｂよりもイナーシャが大きい。ここで、第１排気ターボ過給機６１のＴ／Ｃ効率マップ（タービン６１ｂの回転エネルギをどれだけコンプレッサ６１ａによる圧力上昇に変換できるかを示すもの）を、図２に実線で示し、第２排気ターボ過給機６２のＴ／Ｃ効率マップを、図２で破線で示す。図２における横軸の「空気流量」は、エアフローセンサ３２により検出される空気量であり、縦軸の「圧力比」は、コンプレッサへの流入直前の空気圧力に対するコンプレッサからの流出直後の空気圧力の比である。そして、各排気ターボ過給機毎に描かれている複数の環状の線が、空気流量と圧力比との関係から求まる効率であり、中心側の線ほど効率が高くなる。図２から分かるように、大型の第２排気ターボ過給機６２の方が、高効率の領域が広い。

図３に示すように、上記エアフローセンサ３２、吸気圧力センサ３６及び差圧センサ４７による各検出値の信号が、エンジン１を制御するエンジン制御ユニット（以下、ＥＣＵという）８１に入力される。また、ＥＣＵ８１には、それらの他に、エンジン１の回転数を検出するエンジン回転数センサ７３、クランク角を検出するクランク角センサ７４、エンジン冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ７５、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ７６等の各検出値の信号が入力され、これら入力信号に基づいて、インジェクタ２０、吸気絞り弁３７，排気ガス還流弁５１、吸気バイパス弁６５、レギュレートバルブ６８及びウエストゲートバルブ７０を制御する。すなわち、ＥＣＵ８１は、吸気バイパス弁６５、レギュレートバルブ６８及びウエストゲートバルブ７０の開度を制御するバイパス弁制御手段を構成するとともに、排気ガス還流弁５１の開度を制御する排気ガス還流弁制御手段を構成することになる。また、ＥＣＵ８１は、吸気絞り弁３７の開度を制御する吸気絞り弁制御手段をも構成することになる。

上記ＥＣＵ８１は、上記吸気バイパス弁６５、レギュレートバルブ６８及びウエストゲートバルブ７０の各開度を、上記エンジン１の運転状態に応じて設定した開度にそれぞれ制御する。本実施形態では、図４に示す、エンジン回転数とエンジン負荷とをパラメータとするマップにおける低負荷かつ低回転側の領域Ａ（エンジン負荷が所定負荷（エンジ回転数が大きいほど小さくなる）以下の領域）では、第１及び第２排気ターボ過給機６１，６２の両方を作動させるようにし、こうするために、吸気バイパス弁６５及びレギュレートバルブ６８は全開以外の開度とし、ウエストゲートバルブ７０は全閉状態とする。一方、高負荷かつ高回転側の領域Ｂ（エンジン負荷が上記所定負荷よりも大きい領域）では、第１排気ターボ過給機６１が排気抵抗になるため、第２排気ターボ過給機６２のみを作動させるようにし、こうするために、吸気バイパス弁６５及びレギュレートバルブ６８は全開状態とし、ウエストゲートバルブ７０は全閉状態に近い開度にする。尚、ウエストゲートバルブ７０を常に全閉状態にしてもよい（或いは第２排気バイパス通路６９及びウエストゲートバルブ７０をなくしてもよい）が、過回転を防止するために、上記領域Ｂでは少し開き気味にしている。

上記領域Ａにおける上記吸気バイパス弁６５の開度は、エンジン１の運転状態及びアクセル開度により設定される目標吸気圧により決まる。また、レギュレートバルブ６８は、図５に示すように、高負荷（高トルク）になるに連れて開度を次第に大きくする。図５において開度が１００％のラインよりも高トルク側は、上記領域Ｂに対応する領域であり、この領域では開度は１００％となる。さらに、ウエストゲートバルブ７０の開度は、図６のようになる。図６において開度が１０％のラインよりも低トルク側は、上記領域Ａに対応する領域であり、この領域では開度は０％となる。尚、図５及び図６における実線のラインは、エンジン１に発生する最大トルクラインである。

図４において破線で示すラインを含めてそれよりも低負荷かつ低回転側の領域（上記領域Ａを含む）では、排気ガス還流弁５１が開かれて、排気ガスの一部が吸気通路３０に還流されるようになっている。以下、この領域をＥＧＲ領域という。このＥＧＲ領域における排気ガス還流弁５１の開度は、エンジン１の運転状態に応じて設定される。一方、上記ラインよりも高負荷かつ高回転側では、排気ガス還流弁５１が全閉状態とされ、排気ガスの吸気通路３０への還流は行われない。

尚、第１及び第２排気ターボ過給機６１，６２の両方を作動させる領域Ａ、第２排気ターボ過給機のみを作動させる領域Ｂ、及びＥＧＲ領域を、図２の排気ターボ過給機のＴ／Ｃ効率マップを用いて設定するようにしてもよい。すなわち、上記領域Ａに対応する領域が、図７（ａ）の太線で囲む領域であり、上記領域Ｂに対応する領域が、図７（ｂ）の太線で囲む領域であり、上記ＥＧＲ領域に対応する領域が、図７（ｃ）の太線で囲む領域である。これにより、エアフローセンサ３２により検出される空気量と、コンプレッサへの流入直前の空気圧力に対するコンプレッサからの流出直後の空気圧力の比との関係から、第１及び第２排気ターボ過給機６１，６２の両方を作動させるか、第２排気ターボ過給機６２のみを作動させるか、或いは、排気ガスの吸気通路３０への還流を行うかが決まることになる。

上記ＥＣＵ８１の内部には、上記フィルタ４３ｂに捕集された微粒子量（捕集量）が上記所定量α以上になったときに、フィルタ４３ｂの再生を行う再生手段として機能するフィルタ再生部８１ａが設けられており、このフィルタ再生部８１ａにてフィルタ４３ｂの再生が行われる。

具体的には、フィルタ再生部８１ａは、上記領域Ａでは、吸気バイパス弁６５の開度を、上記エンジン１の運転状態に応じて設定した吸気バイパス弁開度（非再生時の吸気バイパス弁開度）よりも大きくしかつレギュレートバルブ６８の開度を、上記エンジン１の運転状態に応じて設定したレギュレートバルブ開度（非再生時のレギュレートバルブ開度）と比べて同等以下にすることで、フィルタ４３ｂの温度を上昇させてフィルタ４３ｂの再生を行う。このとき、ウエストゲートバルブ７０については、非再生時と同じ全閉状態とする。

このように吸気バイパス弁６５の開度を非再生時の吸気バイパス弁開度よりも大きくしかつレギュレートバルブ６８の開度を非再生時のレギュレートバルブ開度と比べて同等以下にすることで、第１排気ターボ過給機６１のタービン６１ｂを回転させながら、該タービン６１ｂに無駄な仕事をさせ、これにより、燃焼室６に供給される空気量に対し燃料噴射量が増大して排気温度が上昇し、この結果、フィルタ４３ｂの温度を上昇させてフィルタ４３ｂの再生を行うことができる。

また、第１排気ターボ過給機６１のタービン６１ｂが回転し続けることで、上記再生時又は再生完了直後に乗員がアクセルペダルを踏み込んで加速要求を行ったとき、つまりアクセル開度センサ７６により検出されるアクセル開度の変化率が所定以上であるときには、既にタービン６１ｂが回転しており、これにより、吸気バイパス弁６５の開度を上記非再生時の吸気バイパス弁開度にすることで、直ぐに適切な過給を行うことができ、高い加速レスポンスが得られるようになる。

上記再生時のレギュレートバルブ６８の開度は、上記非再生時のレギュレートバルブ開度と同じか又はそれよりも小さい範囲で、フィルタ４３ｂに十分な排気熱エネルギを供給することができかつ高い加速レスポンスが得られる観点から適宜設定すればよいが、第１排気ターボ過給機６１のタービン６１ｂが所定回転速度以上の回転速度で回転するような開度にすることが好ましい。このことから、再生時のレギュレートバルブ６８の開度は、上記非再生時のレギュレートバルブ開度と同様に、エンジン負荷が大きいほど、大きいことが好ましい。本実施形態では、非再生時にレギュレートバルブ６８が全閉状態にあれば、再生時にも全閉状態とし、非再生時にレギュレートバルブ６８が全閉状態でなければ、再生時には、レギュレートバルブ６８の開度を非再生時のレギュレートバルブ開度に対して一定割合だけ小さくする。

ここで、上記領域Ａでは、排気ガス還流弁５１が開状態にあるが、フィルタ４３ｂの再生が行われても、排気ガス還流弁５１の開状態を維持し（本実施形態では、非再生時とそのまま同じ開度とし、変更しない）、全閉状態とはしない。

上記領域Ｂにおいては、上述の如く非再生時に吸気バイパス弁６５及びレギュレートバルブ６８を全開状態にしていて、第１排気ターボ過給機６１を作動させていないので、再生時に、吸気バイパス弁６５を開く方向に変更することはできない。また、加速レスポンスが領域Ａに比べて大きな問題とはならない領域Ｂにおいて、再生時にレギュレートバルブ６８の開度を非再生時のレギュレートバルブ開度よりも小さくすると排気抵抗になるので、そのようなことはことはしない方が好ましい。そこで、フィルタ再生部８１ａは、上記領域Ｂにおいては、吸気バイパス弁６５、レギュレートバルブ６８及びウエストゲートバルブ７０の各開度は変更せずに、圧縮行程上死点付近で燃料を噴射する主噴射よりも遅れた時期（膨張行程又は排気行程）に燃料を噴射するポスト噴射を実行することによって、上記フィルタ４３ｂに未燃燃料を供給して該未燃燃料の酸化反応熱によりフィルタ４３ｂの温度を上昇させてフィルタ４３ｂの再生を行う。このポスト噴射は、複数回に分けての分割噴射が好ましい。

この領域Ｂにおける再生時には、排気ガス還流弁５１が開状態にあれば、全閉状態とし、既に全閉状態であれば、そのまま全閉状態を維持する。これにより、未燃燃料が排気ガス還流通路５０へ流れるのを防止する。このようにしても、この領域Ｂでは、元々排気ガス還流弁５１が全閉状態かそれに近い開度になっていることが多く、ＮＯｘ排出量にそれ程悪影響を与えることはない。

また、上記領域Ｂにおける再生時には、吸気絞り弁３７の開度を全開状態から小さい側（閉方向）の所定の開度に変更することによって、エンジンのポンプロスを増大させて排気熱エネルギーを増大させることで、ポスト噴射の実行と相俟って、フィルタ４３ｂの温度を確実に上昇させるようにする。尚、このように領域Ｂにおける再生時に吸気絞り弁３７の開度を変更する必要は必ずしもない。

ここで、上記ＥＣＵ８１における、吸気絞り弁３７、排気ガス還流弁５１、吸気バイパス弁６５、レギュレートバルブ６８及びウエストゲートバルブ７０の制御動作について、図８のフローチャートに基づいて説明する。

最初のステップＳ１では、各種センサからの入力信号を読み込み、次のステップＳ２で、目標吸気圧並びに吸気絞り弁３７、排気ガス還流弁５１、吸気バイパス弁６５、レギュレートバルブ６８及びウエストゲートバルブ７０の目標開度（上記非再生時の開度）を設定する。

次のステップＳ３では、エンジン１の運転状態がＥＧＲ領域にあるか否かを判定し、このステップＳ３の判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ４に進んで、排気ガス還流弁５１（図８では、ＥＧＲ弁と記載）の開度を、エンジン１の運転状態に応じた開度（上記設定した目標開度）とし、しかる後にステップＳ６に進む。一方、ステップＳ３の判定がＮＯであるときには、ステップＳ５に進んで、排気ガス還流弁５１を全閉状態にし、しかる後にステップＳ６に進む。

上記ステップＳ６では、差圧センサ４７により検出された差圧から、フィルタ４３ｂに捕集された微粒子量（捕集量）を推定し、次のステップＳ７で、その捕集量が上記所定量α以上であるか否かを判定し、このステップＳ７の判定がＮＯであるときには、そのままリターンする一方、ステップＳ７の判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ８に進む。

上記ステップＳ８では、エンジン１の運転状態が領域Ａにあるか否かを判定し、このステップＳ８の判定がＮＯであるとき、つまりエンジン１の運転状態が領域Ｂにあるときには、ステップＳ９に進んで、吸気絞り弁３７の開度を閉方向に変更するとともに、排気ガス還流弁５１を全閉状態にし、次のステップＳ１０で、フィルタ再生部８１ａにおいてポスト噴射を実行して、しかる後にリターンする。

一方、上記ステップＳ８の判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ１１に進んで、フィルタ再生部８１ａにおいて、吸気バイパス弁６５の開度を、上記ステップＳ２で設定した吸気バイパス弁開度に対して大きい側（開方向）に変更するとともに、レギュレートバルブ６８の開度を、上記ステップＳ２で設定したレギュレートバルブ開度に対して一定割合だけ小さい側（閉方向）に変更する（尚、ステップＳ２で設定したレギュレートバルブ開度が０であるときには、そのまま０とする）。但し、目標吸気圧は一定にしておく。また、排気ガス還流弁５１の開度はそのまま維持する。

上記ステップＳ１１に続く次のステップＳ１２では、アクセル開度センサ７６により検出されるアクセル開度の変化率（今回検出されたアクセル開度から前回検出されたアクセル開度を引いた値を、検出時間間隔で割った値）が所定以上であるか否か、つまり乗員が加速要求しているか否かを判定する。

上記ステップＳ１２の判定がＮＯであるときには、そのままリターンする一方、ステップＳ１２の判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ１３に進んで、吸気バイパス弁６５の開度を上記非再生時の開度に変更し、しかる後にリターンする。

したがって、本実施形態では、エンジン負荷が所定負荷以下の低負荷時において、フィルタ４３ｂを再生するべく、吸気バイパス弁６５の開度を、エンジン１の運転状態に応じて設定した吸気バイパス弁開度（非再生時の吸気バイパス弁開度）よりも大きくしかつレギュレートバルブ６８の開度を、エンジン１の運転状態に応じて設定したレギュレートバルブ開度（非再生時のレギュレートバルブ開度）と比べて同等以下にしたので、第１排気ターボ過給機６１のタービン６１ｂを回転させながら、該タービン６１ｂに無駄な仕事をさせて排気温度を上昇させることができ、これにより、フィルタ４３ｂの温度を上昇させてフィルタ４３ｂの再生を行うことができるとともに、加速要求時の加速レスポンスを向上させることができる。

また、上記低負荷時における上記再生時には、ウエストゲートバルブ７０が全閉状態にあるので、吸気バイパス弁６５の開度を大きくしたとしても、或る程度の過給圧が安定して得られるとともに、加速要求時には、大型の第２排気ターボ過給機６２のタービン６２ｂも既に回転しているので、高い加速レスポンスが確実に得られる。

さらに、上記フィルタ４３ｂの再生時には、排気ガス還流弁５１の開状態を継続するが、このようにしても、再生時の吸気バイパス弁６５及びレギュレートバルブ６８の開度を適切な値にすることで、フィルタ４３ｂの温度を十分に上昇させることが可能になる。そして、排気ガス還流弁５１の開状態を継続することにより、非再生時と同様にＮＯｘ排出量を低減することができる。

さらにまた、再生時において燃焼室６へ供給される空気量は確保されるので、煤等の微粒子の発生を抑制することができる。

また、エンジン負荷が上記所定負荷よりも大きい高負荷時においては、吸気絞り弁３７の開度を閉方向に変更しかつ排気ガス還流弁５１を全閉にした状態で、ポスト噴射を実行するようにしたので、吸気バイパス弁６５の開度の調節では再生を行えない高負荷時においても、フィルタ４３ｂの再生を確実に行うことができる。このとき、排気ガス還流弁５１を全閉状態にしても、ＮＯｘ排出量にそれ程悪影響を与えることはない。

尚、上記実施形態では、２つの排気ターボ過給機６１，６２により吸入空気の過給（２段過給）を行うようにしたが、第１排気ターボ過給機６１のみで吸入空気の過給を行うことも可能である。この場合の第１排気ターボ過給機６１のイナーシャ等の特性は、上記実施形態の第１排気ターボ過給機６１と同じである必要はなく、上記実施形態の第２排気ターボ過給機６２と同じであってもよく、上記実施形態の第１及び第２排気ターボ過給機６１，６２の中間の特性であってもよい。そして、上記実施形態と同様に、その第１排気ターボ過給機６１を作動させるエンジン運転状態にあるとき（エンジン１の運転状態に応じて設定した吸気バイパス弁開度及びレギュレートバルブ開度が１００％でないとき）において、吸気バイパス弁６５の開度を、エンジン１の運転状態に応じて設定した吸気バイパス弁開度よりも大きくしかつレギュレートバルブ６８の開度を、エンジン１の運転状態に応じて設定したレギュレートバルブ開度と比べて同等以下にすることで、フィルタ４３ｂの温度を上昇させてフィルタ４３ｂの再生を行うようにすればよい。また、排気ガス還流弁５１が開状態にあるときにおいて、上記再生が行われても、該排気ガス還流弁５１の開状態を継続するようにすればよい。

本発明は、排気ターボ過給機と排気微粒子捕集装置とを備えたエンジンの過給装置に有用であり、特に２つの排気ターボ過給機を備えたものに有用である。

本発明の実施形態に係る過給装置を採用したエンジンの構成を示す概略図である。第１及び第２排気ターボ過給機のＴ／Ｃ効率マップである。過給装置の概略構成を示すブロック図である。第１及び第２排気ターボ過給機並びに排気ガス還流弁の作動マップである。レギュレートバルブの開度を示すマップである。ウエストゲートバルブの開度を示すマップである。第１及び第２排気ターボ過給機並びに排気ガス還流弁の、図４とは別の作動マップである。エンジン制御ユニットにおける、吸気絞り弁、排気ガス還流弁、吸気バイパス弁、レギュレートバルブ及びウエストゲートバルブの制御動作を示すフローチャートである。

１エンジン
３０吸気通路
３７吸気絞り弁
４０排気通路
４３排気浄化装置
４３ａ酸化触媒部（排気微粒子捕集装置）
４３ｂディーゼルパティキュレートフィルタ（排気微粒子捕集装置）
５０排気ガス還流通路
５１排気ガス還流弁
６１第１排気ターボ過給機
６１ａコンプレッサ
６１ｂタービン
６２第２排気ターボ過給機
６２ａコンプレッサ
６２ｂタービン
６４吸気バイパス通路
６５吸気バイパス弁
６７第１排気バイパス通路
６８レギュレートバルブ（第１排気バイパス弁）
８１エンジン制御ユニット（バイパス弁制御手段）
（排気ガス還流弁制御手段）（吸気絞り弁制御手段）
８１ａフィルタ再生部（再生手段）

Claims

エンジンの吸気通路に配設されたコンプレッサと排気通路に配設されたタービンとを有する第１排気ターボ過給機と、
上記第１排気ターボ過給機のコンプレッサをバイパスする吸気バイパス通路と、
上記吸気バイパス通路に配設された吸気バイパス弁と、
上記第１排気ターボ過給機のタービンをバイパスする排気バイパス通路と、
上記排気バイパス通路に配設された排気バイパス弁と、
上記吸気バイパス弁及び排気バイパス弁の開度を、上記エンジンの運転状態に応じて設定した開度にそれぞれ制御するバイパス弁制御手段と、
上記排気通路における上記タービンよりも下流側に配設され、上記エンジンの排気中に含まれる微粒子を捕集する排気微粒子捕集装置と、
上記排気微粒子捕集装置による微粒子の捕集量が所定量以上になったときに、該排気微粒子捕集装置の温度を上昇させて、上記捕集された微粒子を燃焼除去することで排気微粒子捕集装置を再生する再生手段とを備え、
上記再生手段は、上記排気微粒子捕集装置の再生を行う際には、上記吸気バイパス弁の開度を上記バイパス弁制御手段により設定された非再生時の吸気バイパス弁開度よりも大きくしかつ上記排気バイパス弁の開度を上記バイパス弁制御手段により設定された非再生時の排気バイパス弁開度と比べて同等以下にする動作を行って、該動作による上記エンジンの排気温度の上昇により、上記排気微粒子捕集装置の温度を上昇させて、該排気微粒子捕集装置の再生を行うように構成されていることを特徴とするエンジンの過給装置。
請求項１記載のエンジンの過給装置において、
上記吸気通路における上記第１排気ターボ過給機のコンプレッサよりも下流側部分と上記排気通路における上記第１排気ターボ過給機のタービンよりも上流側部分とを接続する排気ガス還流通路と、
上記排気ガス還流通路に配設された排気ガス還流弁と、
上記排気ガス還流弁の開度を制御する排気ガス還流弁制御手段とを更に備え、
上記排気ガス還流弁制御手段は、上記排気ガス還流弁が開状態にあるときにおいて、上記再生手段による上記排気微粒子捕集装置の再生が行われても、該排気ガス還流弁の開状態を継続するように構成されていることを特徴とするエンジンの過給装置。
請求項１記載のエンジンの過給装置において、
上記吸気通路における上記第１排気ターボ過給機のコンプレッサよりも上流側に配設されたコンプレッサと、上記排気通路における上記第１排気ターボ過給機のタービン及び上記排気浄化装置間に配設されたタービンとを有する第２排気ターボ過給機を更に備え、
上記再生手段は、上記エンジン負荷が所定負荷以下の低負荷時において、上記排気微粒子捕集装置の再生を行う際に、上記動作を行って、該動作による上記エンジンの排気温度の上昇により、上記排気微粒子捕集装置の温度を上昇させて、該排気微粒子捕集装置の再生を行うように構成されていることを特徴とするエンジンの過給装置。
請求項３記載のエンジンの過給装置において、
上記排気微粒子捕集装置は、酸化触媒を含み、
上記再生手段は、上記エンジン負荷が上記所定負荷よりも大きい高負荷時には、圧縮行程上死点付近で燃料を噴射する主噴射よりも遅れた時期に燃料を噴射するポスト噴射を実行することによって、上記排気微粒子捕集装置に未燃燃料を供給して該未燃燃料の酸化反応熱により上記排気微粒子捕集装置の温度を上昇させて、該排気微粒子捕集装置の再生を行うように構成されていることを特徴とするエンジンの過給装置。
請求項４記載のエンジンの過給装置において、
上記吸気通路における上記第１排気ターボ過給機のコンプレッサよりも下流側部分に配設され、上記エンジンへの吸入空気量を調節する吸気絞り弁と、
上記吸気絞り弁の開度を制御する吸気絞り弁制御手段とを更に備え、
上記吸気絞り弁制御手段は、上記高負荷時における上記再生時に、上記吸気絞り弁の開度を小さい側に変更するように構成されていることを特徴とするエンジンの過給装置。