JPWO2011128950A1 - 内燃機関の排気加熱装置およびその制御方法 - Google Patents

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Abstract

第１の排気タービン式過給機およびこれよりも内燃機関の低回転領域にて主として用いられる第２の排気タービン式過給機が組み込まれた内燃機関から排気浄化装置に導かれる排気を加熱するための本発明による排気加熱装置は、第１の排気タービン式過給機の排気タービンを通って排気浄化装置へと続く第１の排気通路と、第１の排気タービン式過給機の排気タービンを迂回した状態で第２の排気タービン式過給機の排気タービンを通って排気浄化装置へと続く第２の排気通路との合流部よりも上流かつ第１の排気タービン式過給機の排気タービンよりも下流に位置する第１の排気通路に配されている。

Description

本発明は、排気浄化装置が設けられた内燃機関において、排気浄化装置を活性化および活性状態の維持のために排気の温度を高める排気加熱装置に関する。
内燃機関の出力の向上を比較的容易に実現し得る過給器は、同時に燃費の低下をもたらすという傾向がある。近年、このような過給機が組み込まれた内燃機関の燃費向上に対する強い要求に対処するため、特性の異なる２台の過給機を組み込んだ内燃機関が特許文献１や特許文献２にて提案されている。何れも、主として内燃機関の低回転領域において機能する第１の過給機と、それ以外の回転領域にて主として機能する第２の過給機とを具え、吸排気通路に対してこれらを直列または並列に配置している。
一方、内燃機関の厳しい排気規制に対処するため、内燃機関の始動時に排気浄化装置の活性化を促進させたり、内燃機関の運転中にその活性状態を維持したりすることが必要となっている。このため、排気浄化装置よりも上流側の排気通路に排気加熱装置を組み込んだ内燃機関が特許文献３などで提案されている。この排気加熱装置は、排気中に加熱ガスを生成し、この生成された加熱ガスを下流側の排気浄化装置に供給することにより、排気浄化装置の活性化を促進させたり、活性状態を維持するものである。このため、排気加熱装置は、燃料を排気通路中に供給する燃料供給弁と、この燃料を加熱して着火させることにより、加熱ガスを生成させるグロープラグなどの着火装置とを一般的に有する。さらに、この加熱ガスの昇温を図るために小型の酸化触媒を着火装置よりも下流側の排気通路に配したものも知られている。この酸化触媒は、それ自体の発熱機能と低炭素成分への燃料の改質機能とを有するものであるが、排気浄化装置の一部として用いられる酸化触媒とは構成が相違する。
特開２００８−２５５９０２号公報 特開２００９−２７０４７０号公報 特開２００６−１１２４０１号公報
出力特性および燃費とクリーンな排気とを両立させた内燃機関は、今後、重要な技術となることは明らかであり、このような観点から、上述した２段式の排気タービン式過給機が組み込まれた内燃機関に対し、排気加熱装置をさらに組み込むことが考えられている。
特許文献３に開示された排気加熱装置において、内燃機関に関する吸気流量が大きくなる運転状態の場合、排気通路を流れる排気の流速も相対的に上昇する。このため、排気加熱装置の燃料供給弁から排気通路に供給された燃料が着火装置の周囲に留まることができず、着火したとしても排気の流れによって火炎が吹き消されてしまい、未燃の燃料が排気浄化装置側へ流入してしまう可能性がある。
一方、２段式の排気タービン式過給機が組み込まれた内燃機関においては、基本的に排気流量が多くなる傾向がある。しかも、排気が２台の過給機の排気タービンをそれぞれ通過するため、外部への放熱や排気タービン自体の熱容量のために排気温が大幅に低下してしまう。この結果、上述した不具合がさらに顕著に現れることとなり、車両の減速時など、排気流量が少ない時にしか、排気加熱装置を作動させることができない。
本発明の目的は、２段式の排気タービン式過給機が組み込まれた内燃機関において、燃料の着火を安定して継続させることができる排気加熱装置を提供することにある。
本発明の第１の形態は、第１の排気タービン式過給機およびこれよりも内燃機関の低回転領域にて主として用いられる第２の排気タービン式過給機が組み込まれた内燃機関から排気浄化装置に導かれる排気を加熱するための排気加熱装置であって、この排気加熱装置は、前記第１の排気タービン式過給機の排気タービンを通って前記排気浄化装置へと続く第１の排気通路と、前記第１の排気タービン式過給機の排気タービンを迂回した状態で前記第２の排気タービン式過給機の排気タービンを通って前記排気浄化装置へと続く第２の排気通路との合流部よりも上流かつ前記第１の排気タービン式過給機の排気タービンよりも下流に位置する前記第１の排気通路に配されていることを特徴とするものである。
本発明においては、第１の排気通路に排気を導く必要がない運転状態の場合、例えば内燃機関が低回転領域にある場合、排気加熱装置を稼働させる。これによる加熱ガスは、第１の排気通路と第２の排気通路との合流部にて第２の排気通路を流れる排気と合流し、排気浄化装置へと流入する。
本発明による内燃機関の排気加熱装置において、これが第１の排気通路に燃料を供給するための燃料供給弁と、この燃料供給弁から第１の排気通路に供給された燃料を着火させて燃焼させるための着火手段とを有するものであってよい。また、着火手段と排気浄化装置との間の排気通路の途中に酸化触媒を配することが有効である。
第１の排気通路と第２の排気通路とが内燃機関と排気浄化装置との間で並列に配されているものであってよい。この場合、第１の排気タービン式過給機の排気タービンよりも上流側の第１の排気通路にここを流れる排気の流量を調整し得る弁を配することができる。また、この弁は、燃料供給弁から燃料が第１の排気通路に供給される場合、第１の排気通路を流れる排気の流量が第２の排気通路を流れる排気の流量よりも少なくなるように、その開度が調整されるものであってよい。
あるいは、第１の排気通路が第２の排気通路に対して並列に配されたバイパス通路であってよい。この場合、バイパス通路には、このバイパス通路を流れる排気の流量を調整し得る弁を配することができる。また、この弁は、燃料供給弁から燃料が第１の排気通路に供給される場合、第１の排気通路を流れる排気の流量がバイパス通路を流れる排気の流量よりも少なくなるように、その開度が調整されるものであってよい。
本発明の第２の形態は、第１の排気通路と第２の排気通路とが内燃機関と排気浄化装置との間で並列に配され、第１の排気タービン式過給機の排気タービンよりも上流側の第１の排気通路にここを流れる排気の流量を調整し得る弁を配した本発明の第１の形態による排気加熱装置か、あるいは第１の排気通路が第２の排気通路に対して並列に配されたバイパス通路であって、このバイパス通路にここを流れる排気の流量を調整し得る弁を配した本発明の第１の形態による排気加熱装置の制御方法であって、内燃機関の回転速度を検出するステップと、検出された内燃機関の回転速度が所定回転速度以下か、前記第１の排気通路を塞ぐことが可能な運転状態の場合、前記第１の排気通路に所定流量の排気を流すと共に排気加熱装置を作動させるステップとを具えたことを特徴とするものである。
本発明においては、内燃機関が低回転領域にある場合や、第１の排気通路を塞ぐことが可能な運転状態の場合、弁の開度を調整して第１の排気通路に所定流量の排気を流しつつ排気加熱装置を稼働させる。これによる加熱ガスは、第１の排気通路と第２の排気通路との合流部にて第２の排気通路を流れる排気と合流し、排気浄化装置へと流入する。
本発明によると、２段式の排気タービン式過給機が組み込まれた内燃機関であっても、内燃機関が低回転領域の場合には減速時のみならず、加速時や定常走行時であっても排気加熱装置を安定して作動させることができる。これは、第１の排気通路を塞ぐことが可能な運転状態の場合においても同様である。しかも、加熱ガスを第２の排気通路との合流部にて第２の排気通路を流れる排気と効率よく混合させることができる。
着火手段と排気浄化装置との間の排気通路の途中に酸化触媒を配した場合、さらに效率よく加熱ガスを高温化させることができる。
第１の排気タービン式過給機の排気タービンよりも上流側の第１の排気通路にここを流れる排気の流量を調整し得る弁を配した場合、内燃機関が低回転領域にありさえすれば、確実に排気加熱装置を作動させることができる。特に、第１の排気通路を流れる排気の流量が第２の排気通路を流れる排気の流量よりも少なくなるように弁の開度を調整した場合、安定した加熱ガスをより確実に発生させることができる。
同様に、バイパス通路を流れる排気の流量を調整し得る弁をバイパス通路に配した場合、内燃機関が低回転領域にありさえすれば、確実に排気加熱装置を作動させることができる。特に、第１の排気通路を流れる排気の流量がバイパス通路を流れる排気の流量よりも少なくなるように弁の開度を調整した場合、安定した加熱ガスをより確実に発生させることができる。また、バイパス通路や弁として既存の２段式排気タービン式過給機に組み込まれたものを兼用させることができる。
図１は、本発明による内燃機関の排気加熱装置の一実施形態の概念図である。 図２は、図１に示した実施形態における主要部の制御ブロック図である。 図３は、エンジン回転数とタービン回転数との関係を表すグラフである。 図４は、図１に示した実施形態における排気加熱装置の制御手順を表すフローチャートである。 図５は、本発明による内燃機関の加熱装置の他の一実施形態の概念図である。 図６は、図５に示した実施形態における排気加熱装置の制御手順を表すフローチャートである。
本発明をパラレルタイプの２段式排気タービン式過給機が組み込まれた圧縮点火方式の内燃機関に応用した実施形態について、図１〜図４を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、本発明はこのような実施形態のみに限らず、要求される特性に応じてその構成を自由に変更することが可能である。例えば、ガソリンやアルコールまたはＬＮＧ（液化天然ガス）などを燃料としてこれを点火プラグにて着火させる火花点火式内燃機関に対しても本発明は有効である。
本実施形態におけるエンジンシステムの主要部を模式的に図１に示し、その制御ブロックを図２に示すが、吸排気のための動弁機構やＥＧＲ装置などは便宜的に省略している。本実施形態におけるエンジン１０は、燃料である軽油を燃料噴射弁１１から圧縮状態にある燃焼室１２内に直接噴射することにより、自然着火させる圧縮点火式の多気筒（図示例では４気筒）内燃機関である。しかしながら、本発明の特性上、単気筒の内燃機関であってもかまわない。この燃料噴射弁１１から燃焼室１２内に供給される燃料の量および噴射タイミングは、運転者によるアクセルペダル１３の踏み込み量と、車両の運転状態とに基づいてＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１４により制御される。アクセルペダル１３の踏み込み量はアクセル開度センサー１５により検出され、その検出情報がＥＣＵ１４に出力され、燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量などを設定するために用いられる。
吸気マニホールド１６を介してエンジン１０に接続する吸気管１７は吸気マニホールド１６と共に吸気通路１８を画成し、その上流側と下流側とに分岐吸気管１９に対する分岐部１９ｄと合流部１９ｃとを有する。つまり、分岐吸気管１９の両端は、吸気通路１８の上流側の分岐部１９ｄと下流側の合流部１９ｃとで吸気管１７に接続している。換言すると、吸気通路１８の上流側の分岐部１９ｄと下流側の合流部１９ｃとの間に位置する吸気管１７の部分と、分岐吸気管１９とが並列に配された状態となっている。本実施形態においては、分岐吸気管１９によって画成される部分を便宜的に第１の吸気通路１８ｆと呼称し、吸気通路１８の上流側の分岐部１９ｄと下流側の合流部１９ｃとの間に位置する吸気管１７によって画成される部分を第２の吸気通路１８ｓと呼称する。
吸気通路１８の上流側の分岐部１９ｄよりもさらに上流側の吸気管１７には、エアーフローメーター２０と吸気温センサー２１とが取り付けられ、これらによって検出された吸気流量および吸気温に関する情報がＥＣＵ１４に出力される。ＥＣＵ１４は、これらエアーフローメーター２０および吸気温センサー２１からの検出情報などに基づき、燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量の補正を行う。
吸気通路１８の下流側の合流部１９ｃよりもさらに下流側の吸気管１７には、吸気通路１８を流れる吸気の充填密度を高めるために吸気を冷却するインタークーラー２２と、吸気通路１８の開度を調整するためのスロットル弁２３とが設けられている。本実施形態におけるスロットル弁２３は、運転者により踏み込み量が調整されるアクセルペダル１３の開度に対して機械的に連動するものであるが、車両の運転状態に応じて電気的に開度を補正できるようにしたものを採用することも当然可能である。
排気マニホールド２４を介してエンジン１０に接続する排気管２５は排気マニホールド２４と共に排気通路２６を画成し、上流側と下流側とに分岐排気管２７に関する分岐部２７ｄと合流部２７ｃとを有する。つまり、分岐排気管２７の両端は、排気通路２６の上流側の分岐部２７ｄと下流側の合流部２７ｃとで排気管２５に接続している。換言すると、排気通路２６の上流側の分岐部２７ｄと下流側の合流部２７ｃとの間に位置する排気管２５の部分と、分岐排気管２７とが並列に配された状態となっている。本実施形態においては、分岐排気管２７によって画成される部分が本発明の第１の排気通路２６ｆに対応する。また、排気通路２６の上流側の分岐部２７ｄと下流側の合流部２７ｃとの間に位置する排気管２５によって画成される部分が本発明における第２の排気通路２６ｓに対応する。
第１の排気タービン式過給機（以下、単に過給機と記述する）２８は、第１の吸気および排気通路１８ｆ，２６ｆに跨がって配され、そのコンプレッサー２８ａが第１の吸気通路１８ｆに位置すると共に排気タービン２８ｂが第１の排気通路２６ｆに位置する。また、第１の過給機２８よりもエンジン１０の低回転領域にて主として用いられる第２の過給機２９は、第２の吸気および排気通路１８ｓ，２６ｓに跨がって配されている。この第２の過給機２９のコンプレッサー２９ａは、第２の吸気通路１８ｓに位置すると共にその排気タービン２９ｂは第２の排気通路２６ｓに位置する。従って、上流側の分岐部２７ｄから分岐した第２の排気通路２６ｓは、第１の過給機２８の排気タービン２８ｂを迂回した状態で第２の過給機２９の排気タービン２９ｂを通って下流側の合流部２７ｃにて第１の排気通路２６ｆと合流する。排気通路２６の下流側の合流部２７ｃよりもさらに下流に位置する排気管２５には、排気浄化装置３０が連結されている。
第１の過給機２８のコンプレッサー２８ａよりも下流側の第１の吸気通路１８ｆには、この第１の吸気通路１８ｆを開閉するための吸気開閉弁３１が配されている。吸気開閉弁３１には、開閉弁駆動モーター３２が連結され、車両の運転状態に応じてＥＣＵ１４が開閉弁駆動モーター３２の作動を制御し、吸気開閉弁３１の開閉動作を切り替える。基本的には、エンジン回転速度、つまり単位時間当たりのエンジン回転数Ｎｎが第１の過給機２８が過給能力を発揮し始める回転数ＮＲ（以下、これを燃料供給判定回転数と記述する）以上の場合、吸気開閉弁３１が全開状態となる。逆に、燃料供給判定回転数ＮＲ未満の場合には吸気開閉弁３１がほぼ全閉状態となるように制御される。このため、エンジン１０のクランク角位相がクランク角センサー３３によって検出され、その検出情報がＥＣＵ１４に出力されるようになっており、ＥＣＵ１４はこのクランク角センサー３３からの情報に基づいてエンジン回転数Ｎｎを算出する。
第１の過給機２８の排気タービン２８ｂよりも上流側の第１の排気通路２６ｆには、この第１の排気通路２６ｆを流れる排気の流量を調整し得る流量調整弁３４が配されている。また、この流量調整弁３４には、その開度を検出するための弁開度センサー３５が連結され、その検出情報がＥＣＵ１４に出力されるようになっている。流量調整弁３４には、ＥＣＵ１４により作動が制御される調整弁駆動モーター３６も連結され、車両の運転状態および弁開度センサー３５からの検出情報に基づいてその開度が調整される。後述する排気加熱装置３７の燃料供給弁３８から燃料が第１の排気通路２６ｆに供給される場合、第１の排気通路２６ｆを流れる排気の流量が第２の排気通路２６ｓを流れる排気の流量よりも少なくなるように、流量調整弁３４が制御される。より具体的には、排気加熱装置３７により第１の排気通路２６ｆ内で生ずる火炎が失火しない程度の流速の排気が第１の排気通路２６ｆを流れるように、流量調整弁３４の開度が調整弁駆動モーター３６を介してＥＣＵ１４により設定される。これにより、失火が起こらないような所定流量の排気を第１の排気通路２６ｆに流すことができ、排気加熱装置３７によって得られる加熱ガスを排気浄化装置３０へと導くことができる。
本実施形態における第１および第２の過給機２８，２９の特性を図３に示す。相対的に慣性質量の大きな第１の過給機２８は、エンジン回転数Ｎｎが燃料供給判定回転数ＮＲ以下の領域での過給能力をほとんど有していない。これに対し、相対的に慣性質量の小さな第２の過給機２９は、第１の過給機２８が機能しない低エンジン回転数の領域から過給能力を発揮するようになっている。従って、ＥＣＵ１４は、エンジン回転数Ｎｎが燃料供給判定回転数ＮＲ以下の場合、吸気開閉弁３１および流量調整弁３４を基本的にほぼ全閉状態に保持し、吸排気が第２の吸気および排気通路１８ｓ，２６ｓを流れるようにする。しかしながら、燃料供給弁３８から燃料を第１の排気通路２６ｆ内に供給する必要がある場合には、流量調整弁３４を僅かに開き、排気の一部を第１の排気通路２６ｆへと導くようにしている。
第１の排気通路２６ｆと第２の排気通路２６ｓとの合流部２７ｃよりも上流かつ第１の過給機２８の排気タービン２８ｂよりも下流に位置する第１の排気通路２６ｆには、排気加熱装置３７が配されている。この排気加熱装置３７は、加熱ガスを生成してこれを下流側に配された排気浄化装置３０に供給し、その活性化および活性状態を維持するためのものである。本実施形態における排気加熱装置３７は、燃料供給弁３８と、本発明における着火手段としてのグロープラグ３９とを上流側から順に具えている。本実施形態では、グロープラグ３９と合流部２７ｃとの間の第１の排気通路２６ｆ、補助酸化触媒４０とを上流側から順に具えている。
燃料供給弁３８は、第１の排気通路２６ｆ内に燃料を供給するためのものであり、排気浄化装置３０の活性状態の有無と車両の運転状態とに基づいてＥＣＵ１４によりその供給タイミングや供給量が制御されるようになっている。
グロープラグ３９は、燃料供給弁３８から第１の排気通路２６ｆ内に供給された燃料を着火させるためのものである。このグロープラグ３９には、これに給電するための図示しない直流電源と昇圧回路とが接続し、その表面温度がＥＣＵ１４により制御される。なお、本発明の着火手段として、グロープラグ３９に代えてセラミックヒーターなどを用いることも可能である。
燃料供給弁３８から第１の排気通路２６ｆ内への燃料の供給動作およびグロープラグ３９の加熱は、基本的にエンジン回転数Ｎｎが燃料供給判定回転数ＮＲ以下であって、かつ排気浄化装置３０が不活性状態の場合にのみ行われる。しかしながら、第１の排気通路２６ｆに排気を導く必要のない運転状態、つまり第１の過給機２８を機能させる必要のない運転状態であれば、排気加熱装置３７を何ら問題なく作動させることができる。また、排気浄化装置３０や補助酸化触媒４０が活性化している場合、エンジン回転数Ｎｎが燃料供給判定回転数ＮＲ以上であっても、第１の排気通路２６ｆに排気を導いて第１の過給機２８を機能させている運転状態であっても、必要に応じて排気加熱装置３７を作動させることが可能である。
グロープラグ３９と排気浄化装置３０との間の排気通路２６の途中には、補助酸化触媒４０が配されている。本実施形態では、この補助酸化触媒４０を合流部２７ｃよりも上流側の第１の排気通路２６ｆに配しているが、合流部２７ｃよりも下流側の排気通路２６に配することも可能である。補助酸化触媒４０は、第１の排気通路２６ｆの断面積よりも小さな断面積を有し、従って排気の一部がこの補助酸化触媒４０を通らずに通過することを可能にする。つまり、補助酸化触媒４０を通る排気の流速は、ここを通らない排気の流速よりも低速となり、補助酸化触媒４０を通る排気をさらに昇温させることが可能となる。補助酸化触媒４０が充分に高温、つまり活性化した状態では、グロープラグ３９に対する通電を切り、補助酸化触媒４０内で混合気を直接燃焼させることも可能である。しかしながら、エンジン１０の冷態始動時など、補助酸化触媒４０が活性化していない場合には、グロープラグ３９に対して通電を行うことが必要である。なお、補助酸化触媒４０が高温になると、未燃混合気中の炭素数の多い炭化水素が分解し、炭素数の少ない反応性の高い炭化水素に改質される。換言すれば、この補助酸化触媒４０は、一方ではそれ自体が急速に発熱する急速発熱体として機能し、他方では改質された燃料を生成させる燃料改質触媒としても機能する。
このようにして、第１の排気通路２６ｆにて加熱ガスが生成され、高温となった排気が補助酸化触媒４０を通ってさらに昇温し、未燃ガスも補助酸化触媒４０によって燃焼するか、あるいは活性の高い炭化水素に改質される。そして、これらが合流部２７ｃにて第２の排気通路２６ｓを流れる排気と混合された状態となって排気浄化装置３０に供給される。この結果、排気浄化装置３０の活性化および活性状態の維持を迅速に行うことができる。特にこの排気加熱装置３７は、エンジン１０の冷態始動直後のいわゆるコールドエミッションの状態を改善するのに極めて有利である。
なお、燃料供給弁３８から第１の排気通路２６ｆ内に噴射された燃料の着火性を高めるため、板状をなす気化促進部材を燃料供給弁３８およびグロープラグ３９と対向して設けることも有効である。この気化促進部材は、燃料供給弁３８から噴射される燃料が衝突することにより、これを飛散させて燃料の霧化、すなわち気化を促進させる機能を持つ。
排気浄化装置３０は燃焼室１２内での混合気の燃焼により生成する有害物質を無害化するためのものである。本実施形態における排気浄化装置３０は、排気通路２６の上流側から順に酸化触媒４１と三元触媒とＮＯＸ触媒とを具えているが、便宜的に最上流端側に配された酸化触媒４１のみ図示している。この酸化触媒４１にはその炉床温度を検出してこれをＥＣＵ１４に出力する触媒温度センサー４２が組み込まれている。
ＥＣＵ１４は、車両の運転状態と触媒温度センサー４２からの検出信号とに基づき、予め設定されたプログラムに従い、流量調整弁３４や排気加熱装置３７、つまり燃料供給弁３８およびグロープラグ３９の作動を制御する。本実施形態では、触媒温度センサー４２からの検出信号に基づき、触媒炉床温度Ｔｎがその活性化の指標となるＴＲ以下の場合、排気浄化装置３０が活性化していないと判断する。そして、エンジン回転数Ｎｎが第１の過給機２８が過給能力を発揮しない燃料供給判定回転数ＮＲ未満の場合、流量調整弁３４を僅かに開いた状態に保持して排気の一部を第１の排気通路２６ｆにも導く。そして、グロープラグ３９に対する通電を行うと共に燃料供給弁３８から燃料を供給し、第１の過給機２８の排気タービン２８ｂを通過する排気の昇温を行う。逆に、触媒炉床温度Ｔｎが活性化判定温度ＴＲを越えている場合、排気浄化装置３０が活性化していると判断し、燃料供給弁３８からの燃料の供給を停止すると共にグロープラグ３９に対する通電を切る。また、エンジン回転数Ｎｎが第１の過給機２８が過給能力を発揮する燃料供給判定回転数ＮＲ以上の場合には、吸気開閉弁３１および流量調整弁３４をそれぞれ全開状態に保持して第１の過給機２８による過給効果を発揮させる。この場合、燃料供給弁３８から燃料を第１の排気通路２６ｆ内に供給してグロープラグ３９により着火させても、第１の排気通路２６ｆを流れる排気の流速が高くなっているので、失火する可能性が高い。従って、この場合には排気加熱装置３７を作動させない。
このような排気加熱装置３７の制御手順を図４のフローチャートに示す。すなわち、Ｓ１１のステップにて触媒温度センサー４２によって検出される酸化触媒４１の温度Ｔｎが活性化判定基準温度ＴＲ以下であるか否かを判定する。ここで、酸化触媒４１の温度Ｔｎが活性化判定基準温度ＴＲ以下である、すなわち酸化触媒４１が不活性状態にあると判断した場合、Ｓ１２のステップに移行してエンジン回転数Ｎｎが燃料供給判定回転数ＮＲ以下であるか否かを判定する。ここで、エンジン回転数Ｎｎが燃料供給判定回転数ＮＲ以下である、つまり第１の過給機２８が過給機能を発揮させていないと判断した場合には、Ｓ１３のステップに移行してフラグがセットされているか否かを判定する。最初はフラグがセットされていないので、Ｓ１４のステップに移行してフラグをセットし、Ｓ１５のステップにてグロープラグ３９に対する通電を行う。さらに、Ｓ１６のステップにて排気の一部が第１の排気通路２６ｆを僅かに流れるように流量調整弁３４の開度を調整し、Ｓ１７のステップにて燃料供給弁３８から燃料を第１の排気通路２６ｆに噴射する。これにより、排気が僅かに流れる第１の排気通路２６ｆにて燃料の着火がなされ、得られる加熱ガスが補助酸化触媒４０によってさらに昇温することとなる。そして、第２の排気通路２６ｓとの合流部にてここから流れてくる排気と混ざり合って排気浄化装置３０へと導かれ、排気浄化装置３０の昇温が図られる。
次に、Ｓ１８のステップにて酸化触媒４１の温度Ｔｎが活性化判定基準温度ＴＲを越えているか否かを判定する。ここで酸化触媒４１の温度Ｔｎが活性化判定基準温度ＴＲを越えている、すなわち酸化触媒４１が活性化していると判断した場合には、Ｓ１９のステップに移行して燃料供給弁３８からの燃料の供給を停止すると共に流量調整弁３４の開度制御を停止する。そして、エンジン回転数Ｎｎに応じて流量調整弁３４をほぼ全閉状態か、または全開状態に切り替える。さらにグロープラグ３９に対する通電を停止した後、Ｓ２０のステップに移行してフラグをリセットして、一連の制御を終了する。
先のＳ１８のステップにて酸化触媒４１の温度Ｔｎが活性化判定基準温度ＴＲ以下である、すなわち酸化触媒４１がまだ活性化していないと判断した場合には、Ｓ１２のステップに戻る。そして、エンジン回転数Ｎｎが燃料供給判定回転数ＮＲ以下であるか否かを判定し、エンジン回転数Ｎｎが燃料供給判定回転数ＮＲ以下の場合にのみ、継続的に第１の排気通路２６ｆに燃料の供給を行い、酸化触媒４１の活性化を図る。なお、Ｓ１３のステップにてフラグがセットされている、すなわち燃料供給弁３８からの燃料の供給が２回目以降であると判断した場合には、Ｓ１７のステップに移行して燃料の供給を継続する。
Ｓ１２のステップにてエンジン回転数Ｎｎが燃料供給判定回転数ＮＲを越えている、すなわち第１の過給機２８が過給状態にあると判断した場合には、Ｓ２１のステップに移行してフラグがセットされているか否かを判定する。ここで、フラグがセットされている、すなわち燃料供給弁３８からの燃料の供給が２回目以降であると判断した場合には、Ｓ１９のステップに移行して燃料供給弁３８からの燃料の供給を停止する。さらに、流量調整弁３４の開度制御を停止してこれを全開状態に切り替える。なお、エンジン回転数Ｎｎが燃料供給判定回転数ＮＲを越えた場合、吸気開閉弁３１も全開状態に切り替えられる。
Ｓ２１のステップにてフラグがセットされていない、すなわち燃料供給弁３８からの燃料の供給がなされていないと判断した場合には、何もせずにこの制御フローを終了する。また、Ｓ１１のステップにて酸化触媒４１の温度Ｔｎが活性化判定基準温度ＴＲを越えている、すなわち酸化触媒４１が活性化していると判断した場合も同様である。
上述した実施形態では、エンジン回転数Ｎｎが燃料供給判定回転数ＮＲ以下の場合、第１の排気通路２６ｆに燃料を供給するようにした。しかしながら、流量調整弁３４を閉じて第１の排気通路２６ｆに排気が流れないようにする運転状態の場合に、第１の排気通路２６ｆに燃料を供給するようにしてもよい。この場合には、流量調整弁３４を少し開いて第１の排気通路２６ｆに排気を導くことが好ましい。
上述した第１および第２の過給機２８，２９を排気通路２６に対して直列に配したエンジンシステムにおいても本発明を適用することができる。このような本発明の他の一実施例を模式的に図５に示すが、先の実施形態と同一機能の要素にはこれと同一符号を記すに止め、重複する説明は省略する。すなわち、吸気通路１８を画成する吸気管１７は、その上流側と下流側とに吸気バイパス管４３に関する分岐部４３ｄと合流部４３ｃとを有する。つまり、吸気バイパス管４３の両端は、吸気通路１８の上流側の分岐部４３ｄと下流側の合流部４３ｃとで吸気管１７に接続している。換言すると、吸気通路１８の上流側の分岐部４３ｄと下流側の合流部４３ｃとの間に位置する吸気管１７の部分と、吸気バイパス管４３とが並列に配された状態となっている。本実施形態においては、吸気バイパス管４３よりも上流側の吸気通路１８を便宜的に第１の吸気通路１８ｆと呼称する。また、吸気通路１８の上流側の分岐部４３ｄと下流側の合流部４３ｃとの間に位置する吸気管１７によって画成される部分を第２の吸気通路１８ｓと呼称する。
吸気バイパス管４３の途中には、この吸気バイパス管４３内を開閉するための吸気バイパス弁４４が取り付けられ、その開閉動作は車両の運転状態に応じて図示しない吸気バイパス弁駆動モーターを介してＥＣＵ１４により制御される。
吸気通路１８を画成する排気管２５は、その上流側と下流側とに第１排気バイパス管４５に関する分岐部４５ｄと合流部４５ｃとを有する。つまり、第１排気バイパス管４５の両端は、排気通路２６の上流側の分岐部４５ｄと下流側の合流部４５ｃとで排気管２５に接続している。換言すると、排気通路２６の上流側の分岐部４５ｄと下流側の合流部４５ｃとの間に位置する排気管２５の部分と、第１排気バイパス管４５とが並列に配された状態となっている。第１排気バイパス管４５よりも下流側に位置する排気管２５には、排気浄化装置３０が連結されている。第１排気バイパス管４５よりもさらに上流側に位置する排気管２５には、その上流側と下流側とに第２排気バイパス管４６に関する分岐部４６ｄと合流部４６ｃとをさらに有する。つまり、第２排気バイパス管４６の両端は、排気通路２６の上流側の分岐部４６ｄと下流側の合流部４６ｃとで排気管２５に接続している。換言すると、排気通路２６の上流側の分岐部４６ｄと下流側の合流部４６ｃとの間に位置する排気管２５の部分と、第２排気バイパス管４６とが並列に配された状態となっている。本実施形態においては、第１排気バイパス管４５に関する上流側の分岐部４５ｄと下流側の合流部４５ｃとの間に位置する排気管２５によって画成される部分が本発明における第１の排気通路２６ｆとして対応する。また、第２排気バイパス管４６に関する分岐部４６ｄから第１排気バイパス管４５に関する分岐部４５ｄに至る排気管２５の部分と第１排気バイパス管４５とが本発明の第２の排気通路２６ｓとして対応する。
第１の過給機２８は、第１の吸気および排気通路１８ｆ，２６ｆに跨がって配され、そのコンプレッサー２８ａが第１の吸気通路１８ｆに位置すると共に排気タービン２８ｂが第１の排気通路２６ｆに位置する。また、第１の過給機２８よりもエンジン１０の低回転領域にて主として用いられる第２の過給機２９は、第２の吸気および排気通路１８ｓ，２６ｓに跨がって配されている。この第２の過給機２９のコンプレッサー２９ａは、第２の吸気通路１８ｓに位置し、その排気タービン２９ｂは第２排気バイパス管４６に関する分岐部４６ｄと合流部４６ｃとの間の第２の排気通路２６ｓに位置する。従って、第２の過給機２９の排気タービン２９ｂを通る第２の排気通路２６ｓは、第１排気バイパス管４５により第１の過給機２８の排気タービン２８ｂを迂回した状態で下流側の合流部４５ｃにて第１の排気通路２６ｆと合流する。
第１の過給機２８の排気タービン２８ｂよりも下流かつ第１排気バイパス管４５との合流部４５ｃよりも上流側の第２の排気通路２６ｓの途中には、排気加熱装置３７が組み込まれている。また、第１排気バイパス管４５との合流部４５ｃよりも下流側の排気通路２６には排気浄化装置３０が配されている。
第１排気バイパス管４５および第２排気バイパス管４６には、それぞれこれらを開閉し得る第１排気バイパス弁４７および第２排気バイパス弁４８が組み込まれている。これらの開閉動作は、それぞれ図示しない第１排気バイパス弁駆動モーターおよび第２排気バイパス弁駆動モーターを介してＥＣＵ１４によりそれぞれ制御される。本実施形態においては、第２の排気通路２６ｓ内に排気の一部が流れるように、第１排気バイパス弁４７の開度を制御し得るようになっており、これに伴って弁開度センサー３５が第１排気バイパス弁４７に取り付けられている。つまり、第１排気バイパス弁４７は先の実施形態における流量調整弁３４に対応するものである。
従って、燃料供給弁３８から燃料が第１の排気通路２６ｆに供給される場合、第１排気バイパス弁４７は、第１の排気通路２６ｆを流れる排気の流量が第２の排気通路２６ｓを流れる排気の流量よりも少なくなるようにその開度が制御される。より具体的には、排気加熱装置３７により第１の排気通路２６ｆ内で生ずる火炎が失火しない程度の流速の排気が第１の排気通路２６ｆを流れるように、第１排気バイパス弁４７の開度が第１排気バイパス弁駆動モーターを介してＥＣＵ１４により設定される。
本実施形態における第１および第２の過給機２８，２９の特性を図６に示す。相対的に慣性質量の大きな第１の過給機２８は、エンジン回転数Ｎｎが燃料供給判定回転数ＮＲ以下の領域での過給能力をほとんど有していない。これに対し、相対的に慣性質量が小さい第２の過給機２９は、第１の過給機２８が機能しない低エンジン回転数の領域から過給能力を発揮するようになっている。従って、ＥＣＵ１４は、エンジン回転数Ｎｎが燃料供給判定回転数ＮＲ以下の場合、吸気バイパス弁４４および第２排気バイパス弁４８を基本的にほぼ全閉状態に保持し、第１排気バイパス弁４７を全開状態に保持する。また、エンジン回転数Ｎｎが燃料供給判定回転数ＮＲを越えた場合には第２排気バイパス弁４８をほぼ全閉状態に保持する。さらにエンジン回転数Ｎｎが第２過給機停止判定回転数ＮＳを越えた場合には、吸気バイパス弁４４および第２排気バイパス弁４８を全開状態に保持し、第２の過給機２９による過給を抑制する。
燃料供給弁３８から燃料を第１の排気通路２６ｆ内に供給する必要がある場合、第１排気バイパス弁４７を全開状態から少し絞り、排気の一部を第１の排気通路２６ｆへと導くようにする。ただし、この操作はエンジン回転数Ｎｎが燃料供給判定回転数ＮＲ以下の領域にある第１排気バイパス弁４７が全開状態の場合にのみ実行される。これにより、燃料供給弁３８から第１の排気通路２６ｆに噴射される燃料は、グロープラグ３９によって点火され、失火することなく加熱ガスとなって第１排気バイパス管４５との合流部４５ｃにて第２の排気通路２６ｓから流れ込む排気と混合される。そして、排気浄化装置３０の活性化が促進される。
先にも述べたように、燃料供給弁３８から噴射される燃料が第１の排気通路２６ｆ内で失火しても問題がない場合には、任意の運転状態で排気加熱装置３７を作動させることができることに注意されたい。
なお、本発明はその特許請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のないあらゆる構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。
１０ エンジン
１１ 燃料噴射弁
１２ 燃焼室
１３ アクセルペダル
１４ ＥＣＵ
１５ アクセル開度センサー
１６ 吸気マニホールド
１７ 吸気管
１８ 吸気通路
１８ｆ 第１の吸気通路
１８ｓ 第２の吸気通路
１９ 分岐吸気管
１９ｄ 分岐部
１９ｃ 合流部
２０ エアーフローメーター
２１ 吸気温センサー
２２ インタークーラー
２３ スロットル弁
２４ 排気マニホールド
２５ 排気管
２６ 排気通路
２６ｆ 第１の排気通路
２６ｓ 第２の排気通路
２７ 分岐排気管
２７ｄ 分岐部
２７ｃ 合流部
２８ 第１の過給機
２８ａ コンプレッサー
２８ｂ 排気タービン
２９ 第２の過給機
２９ａ コンプレッサー
２９ｂ 排気タービン
３０ 排気浄化装置
３１ 吸気開閉弁
３２ 開閉弁駆動モーター
３３ クランク角センサー
３４ 流量調整弁
３５ 弁開度センサー
３６ 調整弁駆動モーター
３７ 排気加熱装置
３８ 燃料供給弁
３９ グロープラグ
４０ 補助酸化触媒
４１ 酸化触媒
４２ 触媒温度センサー
４３ 吸気バイパス管
４３ｄ 分岐部
４３ｃ 合流部
４４ 吸気バイパス弁
４５ 第１排気バイパス管
４５ｄ 分岐部
４５ｃ 合流部
４６ 第２排気バイパス管
４６ｄ 分岐部
４６ｃ 合流部
４７ 第１排気バイパス弁
４８ 第２排気バイパス弁
Ｎｎ エンジン回転数
ＮＲ 燃料供給判定回転数
ＮＳ 第２過給機停止判定回転数
Ｔｎ 触媒炉床温度
ＴＲ 活性化判定温度

Claims (10)

  1. 第１の排気タービン式過給機およびこれよりも内燃機関の低回転領域にて主として用いられる第２の排気タービン式過給機が組み込まれた内燃機関から排気浄化装置に導かれる排気を加熱するための排気加熱装置であって、この排気加熱装置は、
    前記第１の排気タービン式過給機の排気タービンを通って前記排気浄化装置へと続く第１の排気通路と、前記第１の排気タービン式過給機の排気タービンを迂回した状態で前記第２の排気タービン式過給機の排気タービンを通って前記排気浄化装置へと続く第２の排気通路との合流部よりも上流かつ前記第１の排気タービン式過給機の排気タービンよりも下流に位置する前記第１の排気通路に配されていることを特徴とする内燃機関の排気加熱装置。
  2. 排気加熱装置は、前記第１の排気通路に燃料を供給するための燃料供給弁と、この燃料供給弁から前記第１の排気通路に供給された燃料を着火させて燃焼させるための着火手段とを有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気加熱装置。
  3. 前記着火手段と前記排気浄化装置との間の排気通路の途中に酸化触媒を配したことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気加熱装置。
  4. 前記第１の排気通路と前記第２の排気通路とが前記内燃機関と前記排気浄化装置との間で並列に配されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の内燃機関の排気加熱装置。
  5. 前記第１の排気タービン式過給機の排気タービンよりも上流側の前記第１の排気通路には、この第１の排気通路を流れる排気の流量を調整し得る弁が配されていることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気加熱装置。
  6. 前記燃料供給弁から燃料が第１の排気通路に供給される場合、前記弁は、前記第１の排気通路を流れる排気の流量が前記第２の排気通路を流れる排気の流量よりも少なくなるように、その開度が調整されることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気加熱装置。
  7. 前記第２の排気通路は、前記第１の排気通路に対して並列に配されたバイパス通路であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の内燃機関の排気加熱装置。
  8. 前記バイパス通路には、このバイパス通路を流れる排気の流量を調整し得る弁が配されていることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気加熱装置。
  9. 前記燃料供給弁から燃料が第１の排気通路に供給される場合、前記弁は、前記第１の排気通路を流れる排気の流量が前記バイパス通路を流れる排気の流量よりも少なくなるように、その開度が調整されることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の排気加熱装置。
  10. 請求項５または請求項８に記載の排気加熱装置の制御方法であって、
    内燃機関の回転速度を検出するステップと、
    検出された内燃機関の回転速度が所定回転速度以下か、前記第１の排気通路を塞ぐことが可能な運転状態の場合に前記第１の排気通路に所定流量の排気を流すと共に排気加熱装置を作動させるステップと
    を具えたことを特徴とする排気加熱装置の制御方法。
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