JPH0417714A - ２段過給内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、２段過給内燃機関における排気ガス浄化装
置に関する。

〔従来技術〕

実開昭６２−１１９４３５号公報は直列２段過給内燃機
関を開示している。大型ターホチャージャと小型ターボ
チャージャとがガスの流れ方向に直列に配置され、小型
ターボチャージャを迂回する排気バイパス通路に排気切
替弁を設け、小型ターホチャージャの作動域では排気切
替弁を閉鎖し、大型ターボチャージャの作動域では排気
切替弁は開放される。２段過給を行うことによりエンジ
ン回転数の小さい領域からエンジン回転数の大きい領域
までの広い範囲に渡って過給効果を得ることができる。

２段過給装置においても排気ガスの浄化のため触媒装置
を排気系に配置する必要がある。従来技術では排気ガス
中の浄化のための触媒装置は小型ターボチャージャのタ
ービン下流、及び大型ターボチャージャのタービン下流
に夫々設けられている。触媒装置に使用する触媒はエン
ジンの運転条件で最適なものが違ってくる。これは、最
適な触媒反応が排気ガス温度等のエンジン運転状態の影
響を受けるからである。即ち、エンジンの回転・低負荷
の変化によって排気ガス温度が変化し、最適な触媒が異
なってくるため、−個の触媒装置でエンジンの全ての運
転領域で理想的な触媒性能を得ることは困難である。そ
こで、２段過給装置において小型ターボチャージャ、大
型ターボチャージャに専用の触媒装置を設けているので
ある。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来技術では小型ターボチャージャの下流、大型ターボ
チャージャの下流に大型触媒装置を配置し、全量の排気
ガスがいつも上流及び下流の触媒装置を通過する配置と
なっている〆そして、低回転・低負荷時は主として小型
ターボチャージャの下流の触媒装置によって排気ガスを
浄化し、高回転・高負荷時は大型ターボチャージャの下
流の触媒装置によって排気ガスを浄化している。従来技
術の場合上流及び下流の触媒装置は双方ともも同一の容
量を持っている。それは、上流側、下流側の触媒装置と
もに全量の排気ガスが通過しており、最大の排気ガス流
量を流すことを許容する必要があるためである。大型の
触媒装置を排気系に並べて設置しているため、触媒装置
の排気系への搭載上の寸法的な制限が出る問題点がある
。

この発明は触媒装置の寸法をなるべく小さくしつつ所期
の排気ガス浄化性能を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明の２段過給内燃機関は、大型ターボチャージャ
と小型ターボチャージャとをガスの流れ方向に直列に配
置し、小型ターボチャージャを迂回する排気バイパス通
路に排気切替弁を設け、排気切替弁を開閉することによ
り小型ターボチャージャと大型ターボチャージャとで作
動域を切り替えるようにした２段過給内燃機関において
、小型ターボチャージャのタービン下流で前記排気バイ
パス通路との接合部の上流の位置に小型触媒装置を配置
し、大型ターボチャージャのタービンの下流の位置に大
型触媒装置を配置したことを特徴とする。

〔作用〕

排気切替弁の閉鎖時には小型ターボチャージャによって
過給が行われ、小型触媒装置は排気切替弁の閉鎖時にお
ける排気ガスの全量を通過、浄化せしめる。

排気切替弁の開放時には小型ターボチャージャは作動し
ないため、小型触媒装置に流入する排気ガスは少なくな
り、排気ガスの殆どは小型触媒装置を迂回し、大型触媒
装置により排気浄化処理を受ける。

〔実施例〕

第１図はこの発明の実施例を示しており、１０は内燃機
関（例えばディーゼル機関）の本体であり、吸気管１２
と排気管１４とが接続される。大型ターボチャージ１７
と小型ターボチャージャ１８とが直列に配置される。大
型ターボチャージャＩ７はコンプレッサ２０と、タービ
ン２２と、回転軸２４とから構成される。小型ターボチ
ャージャ１８はコンプレッサ２６と、タービン２８と、
回転軸２５とから構成される。

吸気管１２において吸入空気の流れ方向に、大型ターボ
チャージャ１７のコンプレッサ２０、小型ターボチャー
ジャ１８のコンプレッサ２６の順で配置され、その下流
にインタクーラ２９が配置され。排気管において排気ガ
スの流れ方向に、小型ターボチャージャ１８のタービン
２８、大型ターボチャージャ１７のタービン２２の順で
配置される。

大型ターホチャージャ１７のタービンを迂回して第１の
排気バイパス通路３０が排気管に接続され、第１の排気
バイパス通路３０にフラップ型弁であるウェイストゲー
ト弁３２が配置される。３４はダイヤフラムアクチュエ
ータであり、そのダイヤフラム３４ａはウェイストゲー
ト弁３２に連結される。ウェイストゲート弁３２はスプ
リング３４ｂによって通常は閉鎖するべく付勢されるが
、ダイヤフラム３４ａに加わる正圧によってスプリング
３４ｂに抗してウェイストゲート弁３２の開弁が行われ
る。

小型ターボチャージャ１８のタービン２８を迂回して第
２の排気バイパス通路３６が設けられ、この第２のバイ
パス通路３６に蝶型弁としての排気切替弁３８が設けら
れる。排気切替弁３８はそのアクチュエータ４０に連結
され、アクチュエータ４０は２段ダイャフラム機構とし
て構成される。このアクチュエータ４０は、後述のよう
に、大型ターボチャージャ１７が全過給能力を発揮する
までは排気切替弁３８を閉鎖し、大型ターボチャージャ
１７がその全過給能力を発揮するに至ると排気切替弁３
８を急速に開放せしめる特性を持っている。アクチュエ
ータ４０はダイヤフラム４０ａ、　４０ｂと、スプリン
グ４０ｃ、　４０ｄを供え、一方のダイヤフラム４０ａ
はロッド４０ｅを介して排気切替弁３８に連結され、も
う一つのダイヤフラム４０ｂはロッド４０ｆに連結され
る。ダイヤフラム４０λに過給圧を作用させるか、ダイ
ヤフラムイ・４０ｂに過給圧を作用させるかで、排気切
替弁３８のステップ的な開放特性が得られる。即ち、ダ
イヤフラム４０ｂに過給圧を作用させた場合、スプリン
グ４０ｃの力と、スプリング４０ｄと合力に抗して排気
切替弁３８を開弁させるため、開弁は緩慢に行われる。

ダイヤフラム４０ａに過給圧が作用した場合はスプリン
グ４０ｃの力のみに抗して排気切替弁３８の開弁が行わ
れため、その開弁作動は迅速となる。

小型ターボチャージャ１８のコンプレッサ２６を迂回す
る吸気バイパス通路４４が設けられ、この吸気バイパス
通路４４に吸気バイパス弁４６が配置される。

供給バイパス弁４６はダイヤフラムアクチュエータ４８
に連結され、そのダイヤフラム４８ａに加わる圧力によ
り吸気バイパス弁４６の作動が制御される。

この吸気バイパス弁４６は大型ターボチャージャ１７の
立ち上がりが完了しない小型ターボチャージャ１８の作
動域では吸気バイパス通路４４を閉鎖するも、その完了
の後は過給圧がダイヤフラム４８ａに下側から作用し、
吸気バイパス弁４６の開弁が行われる。

この実施例では内燃機関は排気ガス再循環（ＥＧＲ）装
置を供え、このＥＧＲ装置は排気ガス再循環通路（ＥＧ
Ｒ通路）５０と、ＥＧＲ通路５０上の排気ガス再循環制
御弁（ＥＧＲ弁）５２とからなり、ＥＧＲ弁５２はダイ
ヤフラム５２ａを供え、ダイヤフラム５２ａに加わる圧
力に応じてその開弁、閉弁が制御される。　ウェイスト
ゲート弁３２のアクチュエータ３２への圧力制御のため
３方電磁弁（ＶＳＶＩ　）５４が設けられ、この電磁弁
５４はダイヤフラム３４ａに大気圧を導入する位置と、
小型ターボチャージャのコンプレッサ２６の下流で、イ
ンククーラ２９の上流の位置５６の過給圧を導入する位
置とで切り替わる。大気圧導入時にスプリング３４ｂに
よってウェイストゲート弁３２は閉鎖駆動され、過給圧
導入時にスプリング３４ｂに抗してウェイストゲート弁
３２の開弁が行われる。

３方電磁弁（ＶＳＶ２）５８は排気切替弁３８のアクチ
ュエータ４０のダイヤフラム４０ａのへ圧力制御のため
設けられ、この電磁弁５８はダイヤフラム４０ａに大気
圧を導入する位置と、小型ターボチャージャ２６の出口
６０の過給圧を導入する位置とで切り替わる。

また、ダイヤフラム４０ｂには小型ターボチャージャ出
口６０の圧力が常時導入されている。

吸気バイパス弁４６のアクチュエータ４８への圧力制御
のため二つの３方電磁弁６４．６６が設けられる。

３方電磁弁ｆｖｓＶ３）６４は吸気バイパス弁４６のア
クチュエータアクチュエータ４８のダイヤフラム４８ａ
の上側へ圧力制御のため設けられ、この電磁弁６４はダ
イヤフラム４８ａの上側に大気圧を導入する位置と、小
型ターボチャージャ１８のコンプレッサ出口６０の過給
圧を導入する位置とで切り替わる。また、３方電磁弁（
ＶＳＶ４　）６６は吸気バイパス弁４６のアクチュエー
タ４８のダイヤフラム４８ａの下側への圧力制御のため
設けられ、この電磁弁６６はエンジンにより駆動される
負圧ポンプ６７からの負圧を導入する位置と、小型ター
ボチャージャのコンプレッサ２６のコンプレッサ出口６
０の過給圧を導入する位置とで切り替わる。３方電磁弁
（ＶＳＶ５）７０はＥＧＲ弁５２の作動制御のため設け
られ、この電磁弁７０はダイヤフラム５２ａに大気圧を
導入する位置と、負圧ポンプ６７からの負圧を導入する
位置とで切り替わる。

制御回路７２はこの発明における過給制御のため設けら
れ、各電磁弁５４　（ＶＳＶＩ　）、　５８　（ＶＳＶ
２＞、　６４　（ＶＳＶ３）。

６６（ＶＳＶ４）、　７０（ＶＳＶ５）の駆動を行う。

そして、制御回路７２にはこの発明に従った制御を実行
するため各種のセンサに接続される。まず、大型ターボ
チャージャ１７のコンプレッサ２０の出口圧力Ｐｌを検
出するため第１の圧力センサ７８が設けられ、また小型
ターボチャージャ１８のコンプレッサ２６の出口圧力Ｐ
２を検出するため第２の圧力センサ８０が設けられる。

第１の触媒装置８４は、小型ターボチャージャ１８のタ
ービン２８とバイパス通路３６とを結ぶ管路８５に配置
される。第１の触媒装置８４はエンジン低回転時の排気
ガス流量が少ないときのの排気ガスの浄化を行うもので
あり、排気ガスの流量は少ないので触媒装置８４は容量
としては小型のものである。

そして、小型触媒装置８４に使用する触媒は排気ガス温
度が低い低回転・低負荷時に最高の浄化性能を発揮する
ようにその材料が選定されている。大型ターボチャージ
ャのタービン２２の下流に大型触媒装置８６が配置され
る。大型触媒装置８６は排気ガスの流量が大きいときの
排気ガスの浄化を主として意図しており、排気ガス温度
が高い、高回転・高負荷時に最高の浄化性能を発揮する
ようにその材料が選定されている。

第２図のフローチャートは制御回路７２の作動を説明し
ている。ステップ１００では小型ターボチャージャ１８
のコンプレッサ出口圧力Ｐ２　＞大型ターボチャージャ
１７のコンプレッサ出口圧力　Ｐ、が成立するか否か判
別される。第３図はアクセルペダルの開度を一定に固定
した場合におけるエンジン回転数ＮＥと過給圧（ターボ
チャージャ出口圧力）との関係を示しており、小型ター
ボチャージャ出口圧力Ｐ２の立ち上がりが大型ターボチ
ャージャ出口圧力Ｐ１の立ち上がりより早くなっている
。

したがって、エンジンの回転がまだ上がっていない状態
ではＰ２＞Ｐ、が成立し、ステップ１０２で電磁弁５４
（ＶＳＶＩ）がＯＦＦされ、ダイヤ７５ム３４ａに大気
圧が導入され、スプリング３４ａ＋３４ｂの力　によっ
てウェイストゲート弁３２は閉鎖方向に付勢される。ス
テップ１０４で排気切替弁３８を制御する電磁弁５８（
ＶＳＶ２）がＯＦＦされる。そのため、アクチュエータ
４０のダイヤフラム４０ａに大気圧が作用する。

一方、ダイヤフラム４０ｂには小型ターボチャージャ１
８のコンプレッサ出口圧力が常に導入されているため、
スプリング４０ｃ、　４０ｄの合力に応じたスプリング
力に対抗する小型ターボチャージャ１８のコンプレッサ
出口圧力によって排気切替弁３８の作動が制御される。

即ち、スプリング力が過給圧Ｐ２に優勢であるかぎりは
、排気切替弁３８は全閉を維持するが、過給圧Ｐ２が所
定値ＰｓＬ！工に到達する回転数（第３図のＮＥ、）で
排気切替弁３８はスプリング４０ｃ、　４０ｄの合力で
ある閉鎖付勢力に打ち勝って徐々に開弁を開始すること
になる。低回転時の吸気バイパス弁４６の作動について
いうと、ステップ１０６テ電磁弁６４　　（ＶＳＶ３）
　ハＯＮとなり小型ターボチャージャ１８のコンプレッ
サ出口圧Ｐ２がダイヤフラム４８ａの上側に作用するた
め吸気バイパス弁４６は閉鎖される。また、ステップ１
０８では電磁弁６６（ＶＳＶ４）がＯＦＦされ、負圧ポ
ンプ６７からの負圧がダイヤフラム４８ａの下側に作用
するため、ダイヤフラム４８ａは下側に引っ張られ、吸
気バイパス弁４６の閉鎖力を上げ、その確実な閉弁を確
保している。

加速状態において、エンジンの回転数ＮＥがＮＥ２まで
上昇し、大型ターボチャージャエフのコンプレッサ出口
圧力Ｐ１の立ち上がりが小型ターボチャージャ１８のコ
ンプレッサ出口圧力Ｐ２に追いつき、Ｐ　２　＝　Ｐ　
＋　となるとステップ１００よりステップ１１０で進み
電磁弁５４（ＶＳＶＩ）がＯＮされ、ダイヤフラム３４
ａに位置５６からの過給圧が導入され、スプリング３４
ｂに抗してウェイストゲート弁３２は開放方向に付勢さ
れる。ステップ１１２で排気切替弁３８の作動用電磁弁
５８（ＶＳＶ２）がＯＮされる。そのため、ダイヤフラ
ム４０ａに過給圧が作用し、過給圧に対抗する排気切替
弁３８を閉じる力にスプリング４０ｂは関与しなくなり
、スプリング４０ｃの弱い付勢力のみが閉じる力に関与
する。そのため、アクチュエータ４０は排気切替弁３８
を一気に開弁に至らしめる。

ステップ１１４では電磁弁６４　（ＶＳＶ３）がＯＦＦ
されるため大気圧がダイヤフラム４８ａの上側に作用し
、ステップ１１６で電磁弁８６（ＶＳＶ４）がＯＮされ
、過給圧がダイヤフラム４８ｂの下側に作用するため、
ダイヤフラム４８ａは上方に押圧され、吸気バイパス弁
４６は一気に開弁される。

第２図に関して説明したようにエンジンの低負荷・低回
転時は排気切替弁３８は閉鎖し、排気ガスはその全量が
小型ターボチャージャ１８のタービン２８を介して小型
触媒装置８４に導入される。そのため、低回転時は排気
ガスは小型触媒装置８８によって効率的に浄化すること
ができる。

高負荷運転時は排気切替弁３８は開放されるため排気ガ
スは実質的に第１の触媒装置８４を通過することがない
。そして、排気ガスの浄化は大型触媒装置８６によって
行われる。

〔効果〕

小型ターボチャージャのタービン下流で前記排気バイパ
ス通路との接合部の上流の位置に小型触媒装置を配置す
ることで、２段過給が行われる低回転、低負荷時は小型
触媒装置によって効果的に排気ガスの浄化が行われ、大
型ターボチャージャのタービンの下流の位置に大型触媒
装置を配置したことで１段過給が行われる高回転・高負
荷時は大型触媒装置によって効率的な排気ガスの浄化が
可能である。

小型ターボチャージャ用の触媒装置が小型化されるため
その分排気系への設置の場合の空間的、場所的制約を軽
くすることができる。

小型ターボチャージャの下流の触媒装置を小型化するこ
とで、エンジンの低温走行時の触媒活性を促進すること
ができる。即ち、低温走行時は主として２段過給域であ
り、この場合全量の排気ガスが小型の触媒装置を通過す
ることにより、その低熱容量により触媒装置を急速に活
性化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例の構成を示す図。 第２図は過給作動を説明するフローチャート。 第３図は２段過給装置による回転数に対する過給圧特性
図。 １０・・・エンジン本体、１２・・・吸気管、１４・・
・排気管、１７・・・大型ターボチャージャ、１８・・
・小型ターボチャージャ、 ３０−・・第１排気バイパス通路、 ３２・・・ウェイストゲート弁、 ３６・・・第２排気バイパス通路、 ３８・・・排気切替弁、４４・・・吸気バイパス弁、５
０・＝ＥＧＲ通路、５４．５８，６４．６６−・・電磁
弁（ＶＳＶ）、７８．８０−−・圧力センサ、８４・・
・小型酸化触媒装置、８５・−・管路、８６・・・大型
触媒装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　大型ターボチャージャと小型ターボチャージャとをガ
   スの流れ方向に直列に配置し、小型ターボチャージャを
   迂回する排気バイパス通路に排気切替弁を設け、排気切
   替弁を開閉することにより小型ターボチャージャと大型
   ターボチャージャとで作動域を切り替えるようにした２
   段過給内燃機関において、小型ターボチャージャのター
   ビン下流で前記排気バイパス通路との接合部の上流の位
   置に小型触媒装置を配置し、大型ターボチャージャのタ
   ービンの下流の位置に大型触媒装置を配置したことを特
   徴とする２段過給内燃機関の排気ガス浄化装置。