JP6375808B2 - 内燃機関用吸排気装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ターボチャージャを搭載した内燃機関用吸排気装置に関する。
(従来技術)
排気タービンの下流側に、全ての排気ガスを通過させて、排気ガスの浄化を行う触媒を設けた内燃機関用吸排気装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
触媒によって排気の浄化を行うには、触媒を活性化温度に昇温させる必要がある。
触媒は、排気ガスの熱により加熱される。このため、内燃機関(以下、エンジン)の冷間始動直後の排気ガスの浄化能力を高めるには、エンジンの排出した排気ガスにより触媒を素早く加熱する必要がある。
しかし、ターボチャージャを搭載する車両では、触媒の排気上流に存在するターボチャージャが大きな熱容量を有するため、触媒を活性化温度に昇温させるのに時間を要してしまう。
その不具合を回避する目的で、特許文献1には、排気タービンを迂回するタービンバイパス路を設けるとともに、このタービンバイパス路に補助触媒を配置して、冷間始動直後にタービンバイパス路へ排気ガスを流す技術が提案されている。
この特許文献1の技術は、専用切替弁(三方切替弁)を用いて排気ガスをタービンバイパス路に流して、排気ガスの熱がターボチャージャに奪われるのを防ぐとともに、排気タービンを迂回する排気ガスの熱で補助触媒を早期に加熱させて、排気ガスの早期浄化を行うものである。
(従来技術の問題点1)
従来技術は、補助触媒を通過した排気ガスが、再び下流の触媒を通過する直列構成であったため、排気通路における圧力損失が大きくなってしまう。
(従来技術の問題点2)
従来技術は、「排気タービンを通過する排気ガスの通過路(以下、非バイパス路)」と「タービンバイパス路」との切替えを行う手段として、専用切替弁を用いていたため、コストアップの要因になる。
(従来技術の問題点3)
ターボチャージャは、過給効率を高める目的で、非バイパス路を全開にしたままの状態で、タービンバイパス路を通過する排気ガス量をコントロールする技術が望まれる。
しかし、従来技術の専用切替弁は、非バイパス路またはタービンバイパス路のいずれか一方を選択する三方切替弁であったため、非バイパス路を全開にしたままの状態で、タービンバイパス路を通過する排気ガス量をコントロールすることができない。
特開2001−050038号公報
本発明は、上記問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、(i)排気通路における圧力損失の低減を図りつつ、(ii)従来技術における専用切替弁を廃止でき、(iii)非バイパス路を全開にしたままの状態でタービンバイパス路を通過する排気ガス量をコントロールできる内燃機関用吸排気装置の提供にある。
本発明の内燃機関用吸排気装置は、排気タービン(5)を通過した排気ガス{即ち、非バイパス路(19)を通過する排気ガス}の浄化を行う第1触媒(14)とは別に、排気タービン(5)と第1触媒(14)を迂回する排気ガス{即ち、タービンバイパス路(16)を通過する排気ガス}の浄化を行う第2触媒(18)を備えるものであり、第1触媒(14)と第2触媒(18)は並列に排気ガスが流れるように設けられる。
排気タービン(5)のタービン羽根車は、非バイパス路(19)において排気抵抗として作用する。このため、早期の触媒暖機が望まれる冷間始動直後にウエストゲートバルブ(17)を大きく開くと、排気タービン(5)を迂回するタービンバイパス路(16)に優先的に排気ガスが流れる。その結果、第2触媒(18)を早期に活性化温度に昇温させることができ、排気ガスの浄化能力を早期に高めることができる。
(i)排気タービン(5)を通過した排気ガスの浄化を行う第1触媒(14)と、排気タービン(5)を迂回する排気ガスの浄化を行う第2触媒(18)とが、並列に設けられるため、従来技術に比較して排気通路における圧力損失の低減が可能になる。
(ii)非バイパス路(19)では、排気タービン(5)のタービン羽根車が排気抵抗として作用することを利用し、ウエストゲートバルブ(17)を開度調整することで、排気タービン(5)を通過する排気ガス量と、排気タービン(5)を迂回する排気ガス量との割合をコントロールすることができる。これにより、「従来技術に示した専用切替弁」を廃止することができ、車両搭載性の向上、軽量化およびコスト削減が可能になる。
(iii)上記(ii)で開示したように、ウエストゲートバルブ(17)を開度調整することで、排気タービン(5)を通過する排気ガス量と、排気タービン(5)を迂回する排気ガス量との割合をコントロールすることができる。このため、非バイパス路(19)を全開にしたままの状態{非バイパス路(19)をバルブによって絞らない状態}でタービンバイパス路(16)を通過する排気ガス量をコントロールすることとが可能になる。
即ち、上述した本発明の目的を達成することができる。
内燃機関用吸排気装置の概略図である(実施例1)。 第1触媒と第2触媒の説明図である(実施例1)。 第1触媒と第2触媒の説明図である(実施例2)。 内燃機関用吸排気装置の概略図である(実施例3)。 内燃機関用吸排気装置の概略図である(実施例4)。 内燃機関用吸排気装置の概略図である(実施例5)。 内燃機関用給排気装置の概略図である(実施例6)。
以下において発明を実施するための形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
本発明をターボチャージャに適用した実施例を説明する。なお、以下で開示する実施例は、具体的な一例を開示するものであって、本発明が実施例に限定されないことは言うまでもない。
[実施例1]
図1、図2を参照して実施例1を説明する。
車両走行用のエンジン1(燃料の燃焼により回転動力を発生する内燃機関:燃料の種類は問わない、またレシプロエンジン、ロータリーエンジン等のエンジン形式を問わない)は、ターボチャージャ2を搭載する。
なお、図面では、4気筒のレシプロエンジンを例示するが、もちろんエンジン表記の一例であり、限定するものではない。
エンジン1は、吸気をエンジン気筒内へ導く吸気通路3を備えるとともに、気筒内で発生した排気ガスを浄化して大気中に排出する排気通路4を備える。
ターボチャージャ2は、エンジン1から排出される排気ガスのエネルギーによって、エンジン1に吸い込まれる吸気を加圧する過給器であり、エンジン1の排気ガスによって駆動される排気タービン5と、この排気タービン5により駆動されてエンジン1に吸い込まれる吸気を加圧する吸気コンプレッサ6とを備える。
さらに具体的に説明すると、排気タービン5は、エンジン1から排出された排気ガスによって回転駆動されるタービン羽根車と、このタービン羽根車を収容する渦巻形状のタービンハウジングとを備えて構成される。
また、吸気コンプレッサ6は、タービン羽根車の回転力により駆動されて吸気通路3内の吸気を加圧するコンプレッサ羽根車と、このコンプレッサ羽根車を収容する渦巻形状のコンプレッサハウジングとを備えて構成される。
そして、タービン羽根車とコンプレッサ羽根車はシャフトを介して結合されるものであり、このシャフトはセンターハウジングにより高速回転自在に支持される。
吸気通路3は、吸気管、インテークマニホールド、吸気ポートの各内部通路によって構成される。
具体的に、吸気通路3には、エンジン1に吸い込まれる吸気中に含まれる塵や埃を除去するエアクリーナ7、吸気量を計測するエアフロメータ8、ターボチャージャ2の吸気コンプレッサ6、この吸気コンプレッサ6により圧縮されて昇温した吸気を強制冷却するインタークーラ9、気筒内に吸引される吸気量の調整を行うスロットルバルブ10などが設けられている。
この実施例の吸気通路3には、吸気コンプレッサ6(具体的にはコンプレッサ羽根車)を迂回させるのコンプレッサバイパス路11と、このコンプレッサバイパス路11の開閉を行うエアバイパスバルブ12とが設けられており、スロットルバルブ10の急閉弁時などの所定の運転条件時にエアバイパスバルブ12が開かれて過給圧の過剰な上昇を防ぐように設けられている。
排気通路4は、排気ポート、エキゾーストマニホールド、排気管の各内部通路によって構成される。
具体的に、排気通路4には、ターボチャージャ2の排気タービン5、排気ガスの空燃比を計測する空燃比センサ13、排気タービン5を通過した排気ガスの浄化を行う第1触媒14、排気音を消音させて排気ガスを大気中に排出するマフラー15などが設けられている。
この実施例の排気通路4には、
・排気タービン5および第1触媒14を迂回させるタービンバイパス路16と、
・このタービンバイパス路16を開度調整するウエストゲートバルブ17と、
・タービンバイパス路16を通過する排気ガス(即ち、排気タービン5を迂回する排気ガス)の浄化を行う第2触媒18と、
が設けられている。
タービンバイパス路16は、排気タービン5の排気上流側の排気ガスを、排気タービン5と第1触媒14を迂回させて、第1触媒14の排気下流側へ導く迂回路であり、タービンバイパス路16の排気入口はエンジン1と排気タービン5の間の排気通路4に設けられ、タービンバイパス路16の排気出口は第1触媒14とマフラー15との間の排気通路4に設けられる。
即ち、排気通路4には、排気タービン5と第1触媒14を通過する非バイパス路19が設けられるとともに、ウエストゲートバルブ17と第2触媒18を通過するタービンバイパス路16が設けられており、非バイパス路19とタービンバイパス路16は並列に設けられる。
ウエストゲートバルブ17は、タービンバイパス路16を開度調整することで、少なくとも、排気タービン5をバイパスする排気ガス量の調整、および第2触媒18を通過する排気ガス量の調整を行うものである。
この実施例のウエストゲートバルブ17は、ターボチャージャ2に対して独立して設けられている。ウエストゲートバルブ17の具体的な構造は限定するものではなく、例えば、円板弁を回動操作するバタフライタイプのバルブ装置であっても良いし、傘弁を回動またはストロークさせる傘弁タイプのバルブ装置であっても良い。
また、ウエストゲートバルブ17の具体的な駆動手段も限定するものでないが、具体的な一例を開示すると、この実施例のウエストゲートバルブ17は、電動モータと減速機(駆動トルク増幅手段)とを組み合わせた電動アクチュエータにより駆動される。
電動アクチュエータと、ウエストゲートバルブ17の間には、ロッドなどを用いて、排気ガスの熱影響が電動アクチュエータに及ばないように設けられることが望ましい。
第1触媒14と第2触媒18は、上述したように、並列関係にある非バイパス路19とタービンバイパス路16にそれぞれ設けられるものであるため、当然、第1触媒14と第2触媒18も並列に設けられる。即ち、第1触媒14を通過した排気ガスは、第2触媒18を通過することなくマフラー15へ導かれるものであり、第2触媒18を通過した排気ガスは、第1触媒14を通過することなくマフラー15へ導かれるものである。
第1触媒14と第2触媒18は、それぞれ排気ガスの浄化を行う触媒であれば良く、構造等を限定するものではない。具体的な一例を開示すると、第1触媒14と第2触媒18は、例えばモノリス構造を採用する周知の三元触媒であり、活性化温度に昇温されることで排気ガス中に含まれる有害物質を酸化作用と還元作用により浄化する。
ここで、第1触媒14と第2触媒18は、異なるものを採用している。
具体的に第2触媒18のセル密度(即ち、ハニカムを成す格子密度)第1触媒14のセル密度より高く設けている
さらに具体的に説明すると、第1触媒14と第2触媒18は、独立して別々に車両搭載しても良いが、この実施例では、第1触媒14と第2触媒18を共通のケース20内に収容配置している。ここで、早期暖機を目的として、第2触媒18の熱が効率的に第1触媒14に伝わるように設けられる。
その具体的な一例として、第1触媒14と第2触媒18は仕切板21により区画されて、第2触媒18の熱が仕切板21を介して第1触媒14に直接的に伝わるように設けられている。
仕切板21の具体例を説明すると、第1触媒14と第2触媒18は、一体化したモノリス構造に設けられる。そして、モノリス構造の内部に仕切板21を設けて、第1触媒14と第2触媒18を実質的に区画する構造を採用する。
なお、上述した説明とは異なるが、第1触媒14と第2触媒18に熱膨張差による不具合が生じる場合には、ケース20の内部に、第1触媒14を収容する第1空間と、第2触媒18を収容する第2空間とを設け、第1触媒14と第2触媒18とを仕切板21により区画する構成を採用しても良い。この場合、仕切板21に、第1触媒14と第2触媒18の熱膨張差を吸収する機能を持たせることが好ましい。
この実施例のエンジン1には、排気ガスの一部をスロットルバルブ10の吸気下流側へ戻す高圧EGR装置30(HPL:ハイ・プレッシャ・ループの略)が搭載されている。この高圧EGR装置30は、排気通路4内と、吸気通路3における高吸気負圧発生範囲(大きな吸気負圧が発生するスロットルバルブ10の吸気下流側)とを接続して、多量のEGRガスをエンジン1へ戻すことを得意とする排気ガス再循環装置である。
具体的に、高圧EGR装置30は、排気ガスの一部をEGRガスとしてスロットルバルブ10の吸気下流側に戻す高圧EGR流路31を備えている。この高圧EGR流路31には、高圧EGR流路31の開度を調整することでEGRガスの流量調整を行なう高圧EGRバルブ32の他に、吸気側に戻されるEGRガスの冷却を行なう水冷式の高圧EGRクーラ33が設けられる。
そして、高圧EGR流路31における排気ガスの取入口31a(即ち、排気通路4における高圧EGR流路31の開口部)は、タービンバイパス路16に設けられる。
具体的にこの実施例では、上述したウエストゲートバルブ17を第2触媒18より排気上流側のタービンバイパス路16に設けるとともに、取入口31aをウエストゲートバルブ17より排気上流側のタービンバイパス路16に設ける構成を採用する。
この構成により、ウエストゲートバルブ17の開度により、高圧EGR流路31の排気ガスの取入口31aの排気圧力を調整することが可能になり、ウエストゲートバルブ17を閉じる方向に制御することで、高圧EGR装置30を介してエンジン1へ戻されるEGRガス量を増加させることが可能になる。
ウエストゲートバルブ17を駆動する電動アクチュエータは、ECU(エンジン・コントロール・ユニットの略:図示しない)により作動が制御される。
ECUは、冷間始動直後で触媒の早期暖機の要求のある運転条件の時(例えば、エンジン始動直後で冷却水温度が低い時等)に、ウエストゲートバルブ17の開度を大きくする制御を行う。
第1触媒14が配置される非バイパス路19は、排気タービン5のタービン羽根車が排気抵抗として作用するため、早期の触媒暖機が望まれる冷間始動直後にウエストゲートバルブ17を大きく開くことにより、排気タービン5を迂回するタービンバイパス路16に優先的に高温の排気ガスが流れる。その結果、第2触媒18が早期に活性化温度に達するため、排気ガスの浄化能力を早期に高めることができる。
即ち、優先的にタービンバイパス路16へ導かれた排気ガスが、素早く活性化される第2触媒18によって浄化されるため、結果的に排気ガスの浄化能力を早期に高めることができる。
また、ECUは、吸気コンプレッサ6により加圧された吸気圧力(例えば、過給圧センサによって検出される実過給圧、あるいは演算により求められる予測過給圧)が所定圧を超えないようにウエストゲートバルブ17を制御する。あるいは、ECUは、排気タービン5の排気上流側の排気圧力(例えば、タービン排気圧センサによって検出される実タービン駆動圧、あるいは演算より求められる予測タービン駆動圧)が所定圧を超えないようにウエストゲートバルブ17を制御する。
このように、エンジン1の低中回転時にウエストゲートバルブ17を絞り、逆にエンジン1の高回転時など、エンジン1の排出する単位時間当たりの排気ガス量が過剰の場合にウエストゲートバルブ17を大きく開くことで、低中回転時に高い過給効率を維持させて低中回転時における実用トルクを高めることが可能になり、燃費向上を図ることができる。
さらに、ECUは、エンジン1の運転状態(エンジン回転数とアクセル開度等)から目標EGR量を算出する。そして、算出した目標EGR量が得られるように、高圧EGRバルブ32とウエストゲートバルブ17を制御する。具体的には、ウエストゲートバルブ17が開いている状態で、高圧EGRバルブ32の開度制御のみでは目標EGR量が得られない場合にウエストゲートバルブ17を閉弁方向へ制御して、高圧EGR流路31の排気ガスの取入口31aの排気圧力を高めることでEGRガス量を増加させる。
このように、吸気中に運転状態に応じた量のEGRガスを戻すことで、燃焼温度を抑えて窒素酸化物の発生を抑えたり、あるいはスロットル損失の低減を図って燃費向上を図ることができる。
即ち、この実施例のECUは、「触媒の早期暖機」、「ターボチャージャ2の過給圧コントロール」、「EGRガス量の制御」に基づいてウエストゲートバルブ17の開度制御を実施するものであり、その優先順位や優先割合は、車両の性格や要求度合に基づき適宜設定されるものである。
(実施例1の効果1)
この実施例1のエンジン1に用いられる吸排気装置(吸気系と排気系のシステム)は、上述したように、排気タービン5を通過した排気ガスの浄化を行う第1触媒14と、排気タービン5を迂回する排気ガスの浄化を行う第2触媒18とが、並列に設けられる。このため、従来技術に比較して、排気通路4における圧力損失の低減が可能になる。
また、非バイパス路19では、上述したように、排気タービン5のタービン羽根車が排気抵抗として作用する。このため、ウエストゲートバルブ17を開度調整することで、排気タービン5を通過する排気ガス量と、排気タービン5を迂回する排気ガス量との割合をコントロールすることができる。これにより、「従来技術に示した専用切替弁」を廃止することができ、車両搭載性の向上、軽量化およびコスト削減が可能になる。
さらに、ウエストゲートバルブ17を開度調整することで、排気タービン5を通過する排気ガス量と、排気タービン5を迂回する排気ガス量との割合をコントロールすることができるため、非バイパス路19を全開にしたままの状態でタービンバイパス路16を通過する排気ガス量をコントロールすることとが可能になる。
即ち、過給効率を高める目的で、非バイパス路19を全開にしたままの状態で、タービンバイパス路16を通過する排気ガス量をコントロールすることができる。
このように、この実施例1を採用することにより、排気通路4における圧力損失の低減を図りつつ、従来技術における専用切替弁を廃止でき、さらに非バイパス路19を全開にしたままの状態でタービンバイパス路16を通過する排気ガス量をコントロールすることができる。
(実施例1の効果2)
この実施例1では、第1触媒14と第2触媒18を並列に設けているため、第1触媒14と第2触媒18の両方に排気ガスを同時に流すことができる。
これにより、排気ガスの浄化を第1触媒14と第2触媒18で分担させることが可能になる。そして、後述するように、第2触媒18のセル密度を高めたことで排気ガスの浄化能力を高めるとともに、第1触媒14のセル密度を低く設けたことで第1触媒14の圧力損失を抑えている。これにより、排気ガスの浄化能力の低下を防いで、非バイパス路19におけるタービン下流側の圧力損失を下げられる。
(実施例1の効果3)
この実施例1では、上述したように、第2触媒18のセル密度を第1触媒14のセル密度より高く設けている。タービンバイパス路16は、非バイパス路19に比較して圧力損失による過給効率の低下の懸念がないため、第2触媒18の圧力損失が第1触媒14より大きくても、ウエストゲートバルブ17の開度を大きくすることで、第2触媒18へ優先的に排気ガスを導くことができ、第2触媒18を短時間で活性化温度に昇温できる。
また、第2触媒18のセル密度を高めたことで、排気ガスの浄化能力を高めることができる。
(実施例1の効果4)
排気タービン5は、「上流側と下流側の差圧」と「通過する排気ガス量」とで仕事をする。このため、タービン下流の圧力損失が大きいと、上流側と下流側の差圧を確保するために、タービン上流側の圧力が大きくなり、エンジン性能(燃費、トルク)の悪化に繋がる。つまり過給効率の低下が懸念される。
しかるに、この実施例の第1触媒14は、
(i)「従来技術の下流の触媒」に比較して触媒負担を軽減できるため「従来技術の下流の触媒」より圧力損失を抑えることができるとともに、
(ii)上述したように、第1触媒14のセル密度を第2触媒18のセル密度より低く設けたことで圧力損失を抑えることができる。
また、上記効果3で記載したように、タービンバイパス路16は、非バイパス路19に比較して圧力損失による過給効率の低下の懸念がないため、第2触媒18の圧力損失を第1触媒より大きくすることで、触媒の浄化能力は確保できる。これにより、排気タービン5の下流側の圧力を下げることができ、タービン上下流の膨張比を大きくすることができる。その結果、ウエストゲートバルブ17を開いた状態であっても、過給効率の低下を防ぐ、あるいは過給効率の向上を図ることが可能になる。
(実施例1の効果5
この実施例1では、上述したように、第1触媒14と第2触媒18を共通のケース20内に収容配置し、第2触媒18の熱が効率的に第1触媒14に伝わるように設けている。これにより、冷間始動時に第2触媒18に優先的に排気ガスを流して第2触媒18を急速加熱した際に、第2触媒18の熱により第1触媒14も素早く加熱できる。このため、第1触媒14の暖機時間の短縮を図ることが可能になり、第1触媒14を通過する排気ガスの浄化能力を早期に高めることができる。
(実施例1の効果6
この実施例1では、上述したように、ウエストゲートバルブ17を第2触媒18より排気上流側に設けるとともに、高圧EGR流路31における排気ガスの取入口31aをウエストゲートバルブ17より排気上流側に設ける構成を採用する。
この構成を採用することで、ウエストゲートバルブ17の開度を絞ることにより、高圧EGR流路31における排気ガスの取入口31aの圧力を上昇させることができる。このため、ECUが高い目標EGRガス量を求めた際に、ウエストゲートバルブ17の開度を絞ることで、ECUが求める多量のEGRガスをエンジン1に戻すことが可能になる。
また、ウエストゲートバルブ17の開度を絞ることで、高圧EGR流路31における排気ガスの取入口31aの圧力を上昇できるため、高圧EGRバルブ32の開度調整に伴うEGRガス量の応答性を高めることができる。
(実施例1の効果7
この実施例1では、上述したように、ウエストゲートバルブ17をターボチャージャ2から独立して設けている。
ウエストゲートバルブ17をターボチャージャ2に一体化する場合は、タービンハウジングの内部構造が複雑化するが、ウエストゲートバルブ17を独立させたことで、タービンハウジングを簡素化することができる。
(実施例1の変形例1)
この実施例1のウエストゲートバルブ17は、エンジン1から排出された高温の排気ガスの流れる部位に装着される。このため、ウエストゲートバルブ17を構成する部品は、ニッケル基を多く含む耐熱金属によって設けられる。すると、ウエストゲートバルブ17の製造コストの上昇を招く懸念がある。
そこで、車両で循環する冷却水(例えば、エンジン1を循環する冷却水、ターボチャージャ2を冷却する冷却水、高圧EGRクーラ33に供給される冷却水等)を用いてウエストゲートバルブ17の高温化を防ぎ、製造コストの削減を図っても良い。
(実施例1の変形例2)
この実施例1では、ウエストゲートバルブ17と高圧EGRバルブ32をそれぞれ独立して設けたが、ウエストゲートバルブ17と高圧EGRバルブ32を一体化し、共通のアクチュエータで駆動させても良い。
あるいは、ウエストゲートバルブ17と高圧EGRバルブ32を共通化し、共通化した1つのバルブ装置によりEGRガス量と、第2触媒18を通過する排ガス量とのコントロールを行うように設けても良い。
[実施例2]
図3を参照して実施例2を説明する。なお、以下の各実施例において、上記実施例1と同一符合は同一機能物を示すものである。
この実施例2は、共通のケース20の内部に第1触媒14と第2触媒18を収容する他の実施例を示すものであり、円筒形状を呈する第2触媒18の中心部に第1触媒14を同軸的に配置する構成を採用するものである。
(実施例2の効果)
このように設けることで、早期暖機された第2触媒18の熱を、効率よく第1触媒14の全体に伝えることが可能になる。その結果、第2触媒18を優先に暖機しても、第1触媒14を素早く昇温できるため、第1触媒14の暖機時間の短縮を図ることが可能になり、第1触媒14を通過する排気ガスの浄化能力を早期に高めることができる。
なお、図3とは異なり、円筒形状を呈する第1触媒14の中心部に第2触媒18を同軸的に配置する構成を採用しても、同様の効果を得ることができる。
[実施例3]
図4を参照して実施例3を説明する。
この実施例3は、ウエストゲートバルブ17を第2触媒18より排気下流側のタービンバイパス路16に配置するとともに、高圧EGR流路31における排気ガスの取入口31aを第2触媒18の排気下流側で、且つウエストゲートバルブ17より排気上流側のタービンバイパス路16に設けるものである。
(実施例3の効果1)
この実施例3では、上述したように、ウエストゲートバルブ17を第2触媒18の排気下流側に配置するため、エンジン1から排出された高温の排気ガスは、第2触媒18を通過して温度が下がってからウエストゲートバルブ17に導かれる。
これにより、ウエストゲートバルブ17を構成する部品の耐熱性能を下げることが可能になり、ウエストゲートバルブ17の製造コストを抑えることができる。
また、第2触媒18を通過して排気ガスに含まれる酸化物質が還元された後にウエストゲートバルブ17に導かれる。
これにより、ウエストゲートバルブ17を構成する部品の耐酸化性能を下げることが可能になり、ウエストゲートバルブ17の製造コストを抑えることができる。
(実施例3の効果2)
この実施例3では、上述したように、ウエストゲートバルブ17を第2触媒18の排気下流側に設ける。第2触媒18の下流側は、第2触媒18の上流側に比較して排気圧力が低い。このため、高圧EGR流路31の上流側(排気通路4側)と下流側(吸気通路3側)との差圧が小さくなる。その結果、高圧EGRバルブ32を開いても、目標EGRガス量が不足する懸念がある。
この懸念を解消する手段として、排気通路4の下流側に「排気絞り弁」を設ける技術が提案されている。この「排気絞り弁」で排気通路4の下流側を絞ることで、高圧EGR流路31の排気ガスの取入口31aの排気圧力を高めて、EGRガス量の不足を解消するものである。
しかし、「排気絞り弁」を設ける技術は、排気通路4の下流側を絞ることで、排気タービン5の下流側の圧力も上がってしまい、過給効率の低下を招いてしまう。
この実施例3のウエストゲートバルブ17は、上述した「排気絞り弁」と同様の作用を奏することができる。即ち、ウエストゲートバルブ17の開度を絞ることで、高圧EGR流路31の排気ガスの取入口31aの排気圧力を高めて、EGRガス量の不足を解消することができる。
さらに、この実施例3におけるウエストゲートバルブ17は、上述した「排気絞り弁」とは異なり、排気タービン5の下流側の圧力を上昇させない。このため、EGRガス量を増やすためにウエストゲートバルブ17を絞った場合であっても、過給効率の低下を招かない。
[実施例4]
図5を参照して実施例4を説明する。
この実施例4のエンジン1には、排気ガスの一部を吸気コンプレッサ6の吸気上流側へ戻す低圧EGR装置40(LPL:ロー・プレッシャ・ループの略)が搭載されている。この低圧EGR装置40は、排気通路4における低排気圧範囲(高い排気圧が得られない触媒下流側)と、吸気通路3における低吸気負圧発生範囲(吸気コンプレッサ6の吸気上流側で、吸気負圧が発生し難い範囲)とを接続して、少量のEGRガスをエンジン1に戻すことを得意とする排気ガス再循環装置である。
低圧EGR装置40は、排気ガスの一部をEGRガスとして吸気コンプレッサ6の吸気上流側に戻す低圧EGR流路41を備えている。この低圧EGR流路41には、低圧EGR流路41の開度を調整することでEGRガスの流量調整を行なう低圧EGRバルブ42の他に、吸気側に戻されるEGRガスの冷却を行なう低圧EGRクーラ43が設けられている。
低圧EGR装置40は、低排気圧範囲のEGRガスを、低吸気負圧発生範囲に戻すものであるため、少量のEGRガスをエンジン1に戻すことを得意とする。しかるに、低圧EGR装置40を用いて多量のEGRガスをエンジン1へ戻したい運転領域が存在しても、低吸気負圧発生範囲にEGRガスを戻す構造の低圧EGR装置40では多量のEGRガスをエンジン1へ戻すことが困難である。
そこで、従来技術では、吸気通路3のうち、EGRガスを戻す箇所(低圧EGR流路41の合流箇所)に吸気負圧を発生させる「吸気絞り弁」を設ける技術が提案されている。この「吸気絞り弁」は、低圧EGR装置40において大きなEGR量を得たい運転領域で絞られるものであり、「吸気絞り弁」を絞ることで、EGRガスを戻す吸気通路3に吸気負圧を発生させて、低圧EGR装置40によって多量のEGRガスを吸気通路3へ導くものである。
しかし、低圧EGR装置40を用いる場合、専用の「吸気絞り弁」を設けることで大幅なコストアップの要因になってしまう。また、「吸気絞り弁」は吸気通路3を絞るものであるため、吸気通路3の圧力損失を大きくする不具合がある。
上記に対し、この実施例4は、ウエストゲートバルブ17を第2触媒18より排気下流側のタービンバイパス路16に配置するとともに、低圧EGR流路41における排気ガスの取入口41aを第2触媒18の排気下流側で、且つウエストゲートバルブ17より排気上流側のタービンバイパス路16に設けるものである。
(実施例4の効果1)
このように設けることで、この実施例4のウエストゲートバルブ17は、上記実施例3で開示した「排気絞り弁」と同様の作用を奏することができる。即ち、ウエストゲートバルブ17の開度を絞ることで、低圧EGR流路41の排気ガスの取入口41aの排気圧力を高めることができ、低圧EGR装置40であっても多量のEGRガスを吸気通路3へ戻すことができる。
このため、従来技術に用いられていた低圧EGR装置40に専用の「吸気絞り弁」や「排気絞り弁」を廃止することができ、低圧EGR装置40の安価に提供することが可能になる。
(実施例4の効果2)
この実施例4におけるウエストゲートバルブ17は、上記実施例3と同様、上述した「排気絞り弁」とは異なり、排気タービン5の下流側の圧力を高める不具合がないため、EGRガス量を増やすためにウエストゲートバルブ17を絞った場合であっても、過給効率の低下を招かない。
また、吸気通路3から「吸気絞り弁」を廃止できるため、吸気通路3の圧力損失を抑えることができ、エンジン性能の向上を図ることができる。
[実施例5]
図6を参照して実施例5を説明する。
この実施例5は、上記実施例1〜4で開示した第1触媒14の下流側に排気ガス中に含まれる微粒子物質の通過を阻止する第1パティキュレートフィルタ51を設置するとともに、上記実施例1〜4で開示した第2触媒18の下流側に排気ガス中に含まれる微粒子物質の通過を阻止する第2パティキュレートフィルタ52を配置するものである。
このように設けても、前述の実施例1と同等の作用効果を奏することができる。
また、第2パティキュレートフィルタ52に高温の排気ガスを直接与えることで、第2パティキュレートフィルタ52の捕らえた微粒子物質を、高温の排気ガスの熱で自己燃焼させる自己再生手段が採用可能になる。
あるいは、第2パティキュレートフィルタ52に高温の排気ガスを直接与えることで、第2パティキュレートフィルタ52を極めて高温にできるため、第2パティキュレートフィルタ52が捕らえた微粒子物質をポスト噴射を行って燃焼させる燃焼再生手段を採用する場合であっても、ポスト噴射量を低減できる。
一方、高温の排気ガスを受けて高温に加熱される第2パティキュレートフィルタ52が第1パティキュレートフィルタ51を加熱するため、第2パティキュレートフィルタ52における微粒子物質の燃焼熱により、第1パティキュレートフィルタ51の捕らえた微粒子物質を燃焼させる自己再生手段も採用可能になる。
あるいは、高温の排気ガスを受ける第2パティキュレートフィルタ52が第1パティキュレートフィルタ51を加熱するため、第1パティキュレートフィルタ51が捕らえた微粒子物質をポスト噴射を行って燃焼させる燃焼再生手段を採用する場合であっても、ポスト噴射量の低減効果が期待できる。
なお、図6とは異なり、実施例1の第1触媒14を第1パティキュレートフィルタ51に置き代え、第2触媒18を第2パティキュレートフィルタ52に置き代えた例であっても、上述したポスト噴射量を低減する効果を得ることができる。例えば、ディーゼルエンジンの場合でも、同等の効果を得ることができる。
[実施例6]
図7を参照して実施例6を説明する。
上記実施例1〜5で開示したターボチャージャ2は、シングルスクロールタイプであり、排気タービン5に繋がる非バイパス路19が単一のものであった。
これに対し、この実施例6は、ツインスクロールターボチャージャ2aを用いるものであり、非バイパス路19に切替弁50が設けられる。
非バイパス路19は、切替弁50の下流側(排気タービン5側)で、第1分流路19aと、第2分流路19bに分岐する。そして、第1分流路19aを通過した排気ガスと、第2分流路19bを通過した排気ガスとは、別々に排気タービン5へ流入し、同一のタービン羽根車を回転させる。ここで、第1分流路19aは、第2分流路19bに比べて、排気ガスの圧力が低い場合にタービン羽根車を回転させることに適している。また、第2分流路19bは、第1分流路19aに比べて、排気ガスの圧力が高い場合にタービン羽根車を回転させることに適している。
切替弁50は、少なくとも第2分流路19bを開閉可能なものであり、ECUにより制御される。
このようなツインスクロールターボチャージャ2aを採用する場合、ECUはエンジンの運転状態に応じて切替弁50を制御して、排気ガスの圧力が低い場合には第1分流路19aを通じて過給を行い、排気ガスの圧力が高い場合には第1分流路19aと第2分流路19bとを通じて過給を行うことで、効率よく過給を行うことができる。
その上、上記実施例1〜5と同様の作用効果も奏することができる。特に、排気ガスの圧力が低い場合において、ツインスクロールターボチャージャ2aと前述の実施例1〜5の構成を組み合わせることで、更に圧力損失の低減を図ることができる。
上記の実施例では、タービンバイパス路16が排気タービン5の全てを迂回する例を示したが、限定するものではなく、タービンバイパス路16が排気タービン5の少なくとも一部を迂回するものであっても良い。具体的には、ターボチャージャ2と一体的に設けられる既存のウエストゲートバルブ17を採用して本発明を実現しても良い。この場合、第2触媒18の早期暖機時に、排気タービン5の一部を迂回させることであっても、排気タービン5に奪われる熱量を下げることができ、第2触媒18の早期暖機効果が得られるため、早期に排気浄化能力を高めることが可能になる。
1 エンジン(内燃機関)
2 ターボチャージャ
5 排気タービン
6 吸気コンプレッサ
14 第1触媒
16 タービンバイパス路
17 ウエストゲートバルブ
18 第2触媒

Claims (7)

  1. 内燃機関(1)の排気ガスにより駆動される排気タービン(5)を備えるとともに、この排気タービン(5)により駆動されて前記内燃機関(1)に吸い込まれる吸気を加圧する吸気コンプレッサ(6)を備えるターボチャージャ(2)と、
    前記排気タービン(5)を通過した排気ガスの浄化を行う第1触媒(14)と、
    前記排気タービン(5)の排気上流側の排気ガスを、前記排気タービン(5)および前記第1触媒(14)を迂回させて、前記第1触媒(14)の排気下流側へ導くタービンバイパス路(16)と、
    このタービンバイパス路(16)を開度調整するウエストゲートバルブ(17)と、
    前記タービンバイパス路(16)を通過する排気ガスの浄化を行う第2触媒(18)と、
    を具備し、
    前記第2触媒(18)のセル密度は、前記第1触媒(14)のセル密度より高く設けられており、
    前記第1触媒(14)の圧力損失は、前記第2触媒(18)の圧力損失より少ないことを特徴とする内燃機関用吸排気装置。
  2. 請求項1に記載の内燃機関用吸排気装置において、
    前記第1触媒(14)と前記第2触媒(18)は、共通のケース(20)内に収容配置されていることを特徴とする内燃機関用吸排気装置。
  3. 内燃機関(1)の排気ガスにより駆動される排気タービン(5)を備えるとともに、この排気タービン(5)により駆動されて前記内燃機関(1)に吸い込まれる吸気を加圧する吸気コンプレッサ(6)を備えるターボチャージャ(2)と、
    前記排気タービン(5)を通過した排気ガスの浄化を行う第1触媒(14)と、
    前記排気タービン(5)の排気上流側の排気ガスを、前記排気タービン(5)および前記第1触媒(14)を迂回させて、前記第1触媒(14)の排気下流側へ導くタービンバイパス路(16)と、
    このタービンバイパス路(16)を開度調整するウエストゲートバルブ(17)と、
    前記タービンバイパス路(16)を通過する排気ガスの浄化を行う第2触媒(18)と、
    を具備する内燃機関用吸排気装置において、
    この内燃機関用吸排気装置は、前記内燃機関の排気ガスの一部をスロットルバルブ(10)の吸気下流側へ導く高圧EGR流路(31)を有する高圧EGR装置(30)を搭載するものであり、
    前記ウエストゲートバルブ(17)は、前記第2触媒(18)より排気上流側の前記タービンバイパス路(16)に設けられており、
    前記高圧EGR流路(31)における排気ガスの取入口(31a)は、前記ウエストゲートバルブ(17)より排気上流側の前記タービンバイパス路(16)に設けられていることを特徴とする内燃機関用吸排気装置。
  4. 内燃機関(1)の排気ガスにより駆動される排気タービン(5)を備えるとともに、この排気タービン(5)により駆動されて前記内燃機関(1)に吸い込まれる吸気を加圧する吸気コンプレッサ(6)を備えるターボチャージャ(2)と、
    前記排気タービン(5)を通過した排気ガスの浄化を行う第1触媒(14)と、
    前記排気タービン(5)の排気上流側の排気ガスを、前記排気タービン(5)および前記第1触媒(14)を迂回させて、前記第1触媒(14)の排気下流側へ導くタービンバイパス路(16)と、
    このタービンバイパス路(16)を開度調整するウエストゲートバルブ(17)と、
    前記タービンバイパス路(16)を通過する排気ガスの浄化を行う第2触媒(18)と、
    を具備する内燃機関用吸排気装置において、
    この内燃機関用吸排気装置は、前記内燃機関の排気ガスの一部をスロットルバルブ(10)の吸気下流側へ導く高圧EGR流路(31)を有する高圧EGR装置(30)を搭載するものであり、
    前記ウエストゲートバルブ(17)は、前記第2触媒(18)より排気下流側の前記タービンバイパス路(16)に設けられており、
    前記高圧EGR流路(31)における排気ガスの取入口(31a)は、前記第2触媒(18)より排気下流側で、且つ前記ウエストゲートバルブ(17)より排気上流側の前記タービンバイパス路(16)に設けられていることを特徴とする内燃機関用吸排気装置。
  5. 内燃機関(1)の排気ガスにより駆動される排気タービン(5)を備えるとともに、この排気タービン(5)により駆動されて前記内燃機関(1)に吸い込まれる吸気を加圧する吸気コンプレッサ(6)を備えるターボチャージャ(2)と、
    前記排気タービン(5)を通過した排気ガスの浄化を行う第1触媒(14)と、
    前記排気タービン(5)の排気上流側の排気ガスを、前記排気タービン(5)および前記第1触媒(14)を迂回させて、前記第1触媒(14)の排気下流側へ導くタービンバイパス路(16)と、
    このタービンバイパス路(16)を開度調整するウエストゲートバルブ(17)と、
    前記タービンバイパス路(16)を通過する排気ガスの浄化を行う第2触媒(18)と、
    を具備する内燃機関用吸排気装置において、
    この内燃機関用吸排気装置は、前記内燃機関の排気ガスの一部を上記吸気コンプレッサ(6)の吸気上流側へ導く低圧EGR流路(41)を有する低圧EGR装置(40)を搭載するものであり、
    前記ウエストゲートバルブ(17)は、前記第2触媒(18)より排気下流側の前記タービンバイパス路(16)に設けられており、
    前記低圧EGR流路(41)における排気ガスの取入口(41a)は、前記第2触媒(18)より排気下流側で、且つ前記ウエストゲートバルブ(17)より排気上流側の前記タービンバイパス路(16)に設けられていることを特徴とする内燃機関用吸排気装置。
  6. 請求項1〜請求項5のいずれか1つに記載の内燃機関用吸排気装置において、
    前記第1触媒(14)、排気ガス中に含まれる微粒子物質の通過を阻止する第1パティキュレートフィルタ(51)に置き代えられており
    前記第2触媒(18)、排気ガス中に含まれる微粒子物質の通過を阻止する第2パティキュレートフィルタ(52)に置き代えられていることを特徴とする内燃機関用吸排気装置。
  7. 請求項1〜請求項6のいずれか1つに記載の内燃機関用吸排気装置において、
    前記排気タービン(5)に排気ガスを導く排気ガスの経路は、第1分流路(19a)と第2分流路に分岐して設けられており
    前記第2分流路(19b)は、切替弁(50)によって開閉可能に設けられていることを特徴とする内燃機関用吸排気装置。
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