JP5299572B2

JP5299572B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP5299572B2
Application number: JP2012523440A
Authority: JP
Inventors: 千佳神庭; 英次橋本; 泰一森; 幸樹宇野; 成啓藤原; 俊一花田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2030-07-07
Also published as: CN103080493A; US20130186074A1; WO2012004831A1; EP2592247A1; JPWO2012004831A1

Description

本発明は内燃機関に係り、特に、排気温度を昇温させるためのバーナー装置を排気通路に設けた内燃機関に関する。

内燃機関の排気通路において、排気処理装置（触媒等）の上流側にバーナー装置を設け、バーナー装置で生成された加熱ガスを利用して排気温度を昇温し、排気処理装置を加熱し、排気処理装置の暖機を促進する場合がある。バーナー装置は、典型的に、排気通路内に添加された燃料を適宜な着火手段によって着火し、燃焼させるものである。

特許文献１には、燃料を噴射する添加弁と、噴射燃料を着火させるための発熱部を有する着火手段とを備えた触媒昇温装置が開示されている。添加弁と着火手段とは、添加弁から噴射された燃料が発熱部に直接接触するような位置に配設されている。

ところで、バーナー装置の着火性能は、これに供給される排気ガスの流量が増大したときに低下する傾向にある。その理由は、排気ガス流量が大きいと着火手段の雰囲気ガス温度が低下するためと、ガス流速が速くなり、着火しても火種が消えてしまうためである。

そこで本発明の一の目的は、バーナー装置に供給される排気ガス流量が増大したときでも十分な着火性能を確保することができる内燃機関を提供することにある。

特開２００６−１１２４０１号公報

本発明の一の態様によれば、
排気通路に設けられたターボチャージャと、
前記ターボチャージャのタービンの下流側の排気通路から分岐して吸気通路に接続するＥＧＲ通路と、
前記タービンと、前記ＥＧＲ通路の分岐位置との間の排気通路に設けられ、排気温度を昇温させるためのバーナー装置と、
前記タービンと前記バーナー装置との間の排気通路から分岐して前記ＥＧＲ通路に接続するバイパス通路と、
前記バイパス通路を流れる排気ガスの流量を調節するためのバイパス弁と、
を備えたことを特徴とする内燃機関が提供される。

これによれば、タービンから排出されバーナー装置に供給される排気ガスの流量が増大したときに、バイパス弁を開弁することにより、排気ガスの一部をバイパス通路にバイパスさせ、バーナー装置に供給される排気ガスの流量を低下させることができる。そしてバーナー装置の十分な着火性能を確保することが可能となる。

好ましくは、前記内燃機関は、
前記タービンから排出された排気ガスの流量を取得する取得手段と、
前記取得手段によって取得された排気ガス流量に応じて前記バイパス弁を制御するバイパス弁制御手段と、
をさらに備える。

好ましくは、前記バイパス弁制御手段は、前記取得手段によって取得された排気ガス流量が所定値より大きいときに前記バイパス弁を開弁し、前記取得手段によって取得された排気ガス流量が前記所定値以下のときに前記バイパス弁を閉弁する。

好ましくは、前記内燃機関は、
前記ＥＧＲ通路および前記バイパス通路の連通状態と前記ＥＧＲ通路の開閉状態とを切り替える切替弁と、
前記切替弁を制御する切替弁制御手段と、をさらに備え、
前記切替弁制御手段は、前記バイパス弁の閉弁時に前記ＥＧＲ通路および前記バイパス通路を非連通とすると共に前記ＥＧＲ通路を開放するよう前記切替弁を制御し、前記バイパス弁の開弁時に前記ＥＧＲ通路および前記バイパス通路を連通させると共に前記ＥＧＲ通路を閉止するよう前記切替弁を制御する。

好ましくは、前記内燃機関は、
前記バイパス通路の接続位置と前記吸気通路との間の前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁と、
前記ターボチャージャのタービンの上流側の排気通路から分岐して吸気通路に接続する第２のＥＧＲ通路と、
前記第２のＥＧＲ通路に設けられた第２のＥＧＲ弁と、
前記ＥＧＲ弁および前記第２のＥＧＲ弁を制御するＥＧＲ制御手段と、をさらに備え、
前記ＥＧＲ制御手段は、前記内燃機関が低負荷側の所定の第１運転領域にあるとき前記ＥＧＲ弁を閉弁すると共に前記第２のＥＧＲ弁を開弁し、前記内燃機関が前記第１運転領域より高負荷側の所定の第２運転領域にあるとき前記ＥＧＲ弁を開弁すると共に前記第２のＥＧＲ弁を閉弁し、且つ、前記内燃機関が前記第１運転領域にあるときであっても、前記バイパス弁の開弁時には、前記ＥＧＲ弁を開弁する。

好ましくは、前記内燃機関は、
前記バイパス通路の接続位置と前記吸気通路との間の前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲクーラと、
前記ＥＧＲクーラの冷却用通路をバイパスするクーラバイパス通路と、
前記冷却用通路および前記クーラバイパス通路の何れか一方に通路を切り替えるクーラ切替弁と、
前記クーラ切替弁を制御するクーラ制御手段と、をさらに備え、
前記クーラ制御手段は、前記バイパス弁の閉弁時に前記冷却用通路を開放して前記クーラバイパス通路を閉止し、前記バイパス弁の開弁時に前記冷却用通路を閉止して前記クーラバイパス通路を開放するよう、前記クーラ切替弁を制御する。

好ましくは、前記ＥＧＲ通路が、前記ターボチャージャのコンプレッサの上流側の吸気通路に接続する。

好ましくは、前記取得手段が、前記タービンと、前記バイパス通路の分岐位置との間の排気通路に設けられた排気流量センサを含む。

好ましくは、前記バーナー装置が、前記排気通路内に燃料を添加する燃料添加弁と、前記燃料添加弁から添加された燃料を着火する着火手段とを含む。

好ましくは、前記バーナー装置が、前記添加燃料を酸化させるバーナー触媒と、前記添加燃料を衝突させるための衝突板との少なくとも一方を含む。

好ましくは、前記内燃機関は、前記バーナー装置の下流側の排気通路に設けられた排気処理装置をさらに備える。

好ましくは、前記排気処理装置が、前記バーナー装置と、前記ＥＧＲ通路の分岐位置との間の排気通路に設けられる。

本発明によれば、バーナー装置に供給される排気ガス流量が増大したときでも、バーナー装置の十分な着火性能を確保することができるという、優れた効果が発揮される。

図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の概略図である。図２は、バーナー装置を示す縦断側面図である。図３は、バーナー装置を上流側から見たときの縦断正面図である。図４は、排気バイパスが実行されているときの内燃機関の概略図である。図５は、ＥＧＲマップを示す。図６は、ＥＧＲ制御に関するフローチャートである。図７は、バーナー制御に関するフローチャートである。

本発明の好適な実施形態について、以下に詳細に説明する。ただし、本発明の実施態様は下記の各態様のみに限らず、本発明は、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例を含むことに注意しなければならない。実施形態に記載されている構成要素の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は本実施形態に係る内燃機関（エンジン）を示す。本実施形態におけるエンジンは、車載の直列４気筒４サイクルディーゼルエンジンである。エンジン本体１の各気筒には筒内燃料噴射弁９が設けられ、各筒内燃料噴射弁９には、コモンレール９Ａに貯留された高圧の燃料が供給される。エンジン本体１には、吸気通路をなす吸気管２および吸気マニホールド２Ａと、排気通路をなす排気マニホールド３Ａおよび排気管３とが接続されている。図中、白矢印で吸気の流れを示し、黒矢印で排気ガスの流れを示す。上流側を「前」、下流側を「後」ともいう。

排気マニホールド３Ａの下流側にターボチャージャ５が設けられている。ターボチャージャ５は、排気マニホールド３Ａの直後の位置に設けられたタービン５Ｔと、吸気管２に介設されたコンプレッサ５Ｃとを有する。なおターボチャージャ５に、可変ベーン等の可変容量機構を設けるのが好ましい。

コンプレッサ５Ｃの上流側の吸気管２には、吸気管２内を流通する吸気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ４が設けられている。このエアフローメータ４により、エンジン本体１に単位時間当たりに流入する吸入空気量（すなわち吸気流量）が検出される。エアフローメータ４の上流側には図示しないエアクリーナが設けられる。コンプレッサ５Ｃの下流側の吸気管２には、インタークーラ２５と、電子制御式のスロットルバルブ１８とが設けられている。

排気管３の終端は、図示しない消音器に接続され、消音器の出口で大気に開放されている。排気管３の途中には、酸化触媒６及びＮＯｘ触媒（図示せず）が、上流側からこの順番で直列に配置されている。

酸化触媒６は、ＨＣ，ＣＯなどの未燃成分をＯ_２と反応させてＣＯ，ＣＯ_２，Ｈ_２Ｏ等とする。触媒物質としては例えばＰｔ／ＣｅＯ_２、Ｍｎ／ＣｅＯ_２、Ｆｅ／ＣｅＯ_２、Ｎｉ／ＣｅＯ_２、Ｃｕ／ＣｅＯ_２等を用いることができる。

ＮＯｘ触媒は、好ましくは、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（NSR: NOx Storage Reduction）からなる。ＮＯｘ触媒は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元成分（例えば、燃料等）が存在するときは吸蔵していたＮＯｘを還元する機能を有する。ＮＯｘ触媒は、アルミナＡｌ_２Ｏ_３等の酸化物からなる基材表面に、触媒成分としての白金Ｐｔのような貴金属と、ＮＯｘ吸収成分とが担持されて構成されている。ＮＯｘ吸収成分は、例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ，リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つから成る。なお、ＮＯｘ触媒は選択還元型ＮＯｘ触媒（SCR: Selective Catalytic Reduction）であってもよい。

これら酸化触媒６およびＮＯｘ触媒に加えて、排気中の煤等の微粒子（ＰＭ、パティキュレート）を捕集するパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が設けられてもよい。好ましくはＤＰＦは、貴金属からなる触媒が担持され、捕集した微粒子を連続的に酸化燃焼する連続再生式のものである。好ましくはＤＰＦは、少なくとも酸化触媒６の下流側であって、且つＮＯｘ触媒の上流側若しくは下流側に配置される。なお火花点火式内燃機関（ガソリンエンジン）の場合、排気通路に三元触媒が設けられるのが好ましい。これら酸化触媒６、ＮＯｘ触媒、ＤＰＦおよび三元触媒が、本発明の排気処理装置に該当する。

タービン５Ｔと酸化触媒６との間の排気管３には、タービン５Ｔから排出された排気ガスの流量を検出するためのエアフローメータすなわち排気流量センサ２６と、排気温度を昇温させるためのバーナー装置３０とが、上流側からこの順番で設置されている。特に、排気流量センサ２６はタービン５Ｔの付近に設置され、バーナー装置３０は酸化触媒６の付近に設置されている。

図２および図３に詳しく示すように、バーナー装置３０は、燃料添加弁７と、着火手段あるいは着火装置としてのグロープラグ２１とを含む。またバーナー装置３０は、バーナー触媒８と衝突板２０をも含む。

図１を参照して、エンジンには、その運転状態や運転者の要求等に応じて各種デバイスを制御するための電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）１０が設けられている。このＥＣＵ１０は、エンジン制御に係る各種演算処理を実行するＣＰＵ、その制御に必要なプログラムやデータを記憶するＲＯＭ、ＣＰＵの演算結果等を一時記憶するＲＡＭ、外部との間で信号を入・出力するための入・出力ポート等を備えて構成される。

ＥＣＵ１０には、上述したエアフローメータ４および排気流量センサ２６の他、エンジン本体１のクランク角に応じた電気信号を出力するクランク角センサ２４、アクセル開度に応じた電気信号を出力するアクセル開度センサ２５、酸化触媒６の温度（床温）に応じた電気信号を出力する触媒温度センサ２７を含む各種センサ類が、電気配線を介して接続され、これらの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。またＥＣＵ１０には、筒内燃料噴射弁９、スロットルバルブ１８、燃料添加弁７、グロープラグ２１を含む各種デバイスが電気配線を介して接続され、これらがＥＣＵ１０によって制御される。ＥＣＵ１０は、エアフローメータ４の出力値に基づいて吸入空気量を検出し、クランク角センサ２４の出力値に基づいてエンジン回転数を検出し、アクセル開度センサ２５の出力値に基づいてエンジンに対する要求負荷を検出することができる。

本実施形態では、バーナー装置３０を用いて排気ガスを加熱昇温するための昇温制御を実施する際に、ＥＣＵ１０が燃料添加弁７およびグロープラグ２１を適宜作動させる。すなわち、ＥＣＵ１０は、燃料添加弁７を適宜開弁駆動（オン）し、燃料添加弁７から適宜燃料を噴射させる。またＥＣＵ１０は、グロープラグ２１を適宜通電（オン）して十分な高温とする。

図２および図３を参照して、バーナー装置３０について詳しく説明する。

図示するように、燃料添加弁７は、排気管３内に液体の燃料（軽油）Ｆを添加或いは噴射することができ、図示しない燃料タンクおよび燃料ポンプと配管を介して接続されている。燃料添加弁７は単一の噴孔７ａを有している。なお噴孔は複数であってもよい。

燃料添加弁７は、排気管３の最上外面部に取り付けられた弁取付ボス１１に、排気管３の軸方向と垂直に下向きに挿入して固定されている。弁取付ボス１１の内部には、燃料添加弁７の内部の燃料を冷却するための冷却水が流通される冷却水通路１２が画成されている。排気管３には、燃料添加弁７から噴射された燃料Ｆを通過させるための弁穴１３が設けられている。

グロープラグ２１は、その先端部の発熱部２１ａが、燃料添加弁７よりもやや下流側に位置するように設置されている。グロープラグ２１は、図示しない昇圧回路を経て車載直流電源に接続されており、通電された際に発熱部２１ａが発熱する。発熱部２１ａで発生した熱により、燃料添加弁７から添加された燃料Ｆに着火して火炎を生じさせる。添加燃料Ｆの一部が、発熱部２１ａに直接接触して着火させられ、添加燃料Ｆの残部は発熱部２１ａを素通りする。なお着火装置としては、セラミックヒータやスパークプラグなどの他の装置、とくに電熱式または火花点火式の装置を用いることができる。

グロープラグ２１は、排気管３の側方外面部に取り付けられたプラグ取付ボス１４に、排気管３の軸方向および燃料添加弁７の軸方向と垂直に、排気管３の側方から横向きに挿入して固定され、排気管３の穴を通じて排気管３内に突出されている。

燃料添加弁７は、上方から発熱部２１ａに向けてやや下流側に向かうよう斜め下向きに燃料Ｆを噴射する。噴射された燃料Ｆは、所定の噴霧角を有する燃料経路を形成する。この燃料経路の途中に発熱部２１ａが配置されている。

添加燃料Ｆの着火が生じると、火炎を含む高温の加熱ガスが生成される。この加熱ガスは、周囲の排気ガスと混合して排気温度を昇温させる。昇温された排気ガスは、酸化触媒６及びＮＯｘ触媒に供給され、これらの暖機および活性化を促進する。

バーナー触媒８は、燃料添加弁７から添加された燃料を酸化し改質するためのものであり、燃料添加弁７およびグロープラグ２１の下流側に設けられている。バーナー触媒８は、例えばゼオライト製の担体にロジウム等を担持させた酸化触媒として構成することができる。

燃料Ｆがバーナー触媒８に供給されると、そのときバーナー触媒８が活性化していれば、バーナー触媒８内で燃料が酸化させられる。このとき発生する酸化反応熱によって、バーナー触媒８が昇温させられる。よってバーナー触媒８を通過する排気ガスを昇温することができる。

また、バーナー触媒８の温度が高くなると、燃料中の炭素数の多い炭化水素が分解して、炭素数が少なく反応性の高い炭化水素が生成され、これによって燃料が反応性の高い燃料に改質される。

換言すれば、バーナー触媒８は、一方では急速に発熱する急速発熱器を構成し、他方では、改質された燃料を排出する改質燃料排出器を構成する。

衝突板２０は、プラグ取付ボス１４に挿入して固定され、排気管３の穴を通じて排気管３内に突出されている。衝突板２０は、ＳＵＳなどの耐熱性及び耐衝撃性に優れた材料から形成することができる。本実施形態の衝突板２０は長方形とされている。

バーナー触媒８は、排気通路の一部の断面積を占めるように構成されている。本実施形態の場合、図３に示すように、排気管３およびバーナー触媒８はともに断面円形であり、互いに同軸に配置されている。そして排気管３の内径よりもバーナー触媒８の外径が小さくされている。バーナー触媒８は、上流端から下流端に直線的に延びた複数の独立セルを有する所謂ストレートフロー型である。

バーナー触媒８は、円筒状のケーシング８ａ内に配置されており、このケーシング８ａは、放射状に配置された複数のステー８ｂによって排気管３内に支持されている。バーナー触媒８の内部には触媒内通路８ｃが形成され、ケーシング８ａの外周側には円環状の触媒迂回路３ａが形成される。

バーナー触媒８はさらに、上流側に向けて突出する導入板１５を含む。導入板１５は、ケーシング８ａの前端且つ下半部に取り付けられ、ケーシング８ａから上流側に向けて突出し、断面半円の樋状に形成されている。導入板１５は、ケーシング８ａと同様、放射状に配置された複数のステー８ｂによって排気管３内に支持されている。導入板１５は、添加燃料Ｆを受け止め、排気ガスの流れも利用しつつ、添加燃料Ｆをバーナー触媒８に導入、案内する。

図２および図３に示すように、添加燃料Ｆが燃料添加弁７からバーナー触媒８に向かうよう、燃料添加弁７とバーナー触媒８とが配置されている。詳しくは、燃料添加弁７は、上方からバーナー触媒８の導入板１５の底面上に向けて、やや下流側に向かうよう斜め下向きに燃料Ｆを噴射する。噴射された燃料Ｆは所定の噴霧角を有する燃料経路を形成する。

この燃料経路の途中に、グロープラグ２１の発熱部２１ａと衝突板２０とが配置されている。衝突板２０は、発熱部２１ａに近接したやや下方の位置に配置されている。そしてグロープラグ２１と衝突板２０とは、排気管３の上部側方から排気管３内に挿入され、互いに平行に且つ水平方向に直線状に延在されている。

添加燃料Ｆは発熱部２１ａに直接衝突される。また衝突板２０については、図２に示すように前後方向においては添加燃料Ｆの全体が衝突板２０に衝突するが、図３に示すように左右方向においては添加燃料Ｆの一部（特に右側）しか添加燃料Ｆが衝突板２０に衝突しない。

従って、衝突板２０は、添加燃料Ｆの一部を途中で遮断し、添加燃料Ｆを所定割合でグロープラグ２１の発熱部２１ａに向けて反射供給する。その一方で、衝突板２０は、添加燃料Ｆの残部を遮断することなく素通りさせてバーナー触媒８に供給する。

燃料Ｆが衝突板２０に衝突すると、燃料Ｆの微粒化、霧化が促進され、分散性、拡散性が向上する。従ってグロープラグ２１による着火が促進される。グロープラグ２１は、バーナー触媒８の上方の触媒迂回路３ａとほぼ同じ高さに位置される。よって着火によってできた火炎は、主にその上方の触媒迂回路３ａの中に向かって延びることとなる。

他方、衝突板２０を素通りしてバーナー触媒８に供給された燃料は、前述したようにバーナー触媒８内で酸化、改質され、バーナー触媒８から排出される。この改質された燃料はその後、下流側の酸化触媒６内で本格的に酸化、燃焼され、排気温度の一層の昇温等に用いられる。

なおグロープラグ２１の着火によって生成された火炎や加熱ガスを利用して、バーナー触媒８の出口から排出された改質燃料を燃焼させることもできる。

このようにバーナー装置３０にバーナー触媒８と衝突板２０を設けると、バーナー装置３０の性能をより一層向上させることができる。

ところで、図１を参照して、エンジンには二つのＥＧＲ（排気環流）装置、すなわち高圧ＥＧＲ装置４０と低圧ＥＧＲ装置６０とが設けられる。高圧ＥＧＲ装置４０は、タービン５Ｔの上流側から比較的高圧の排気ガスを取り出して吸気側に環流させる高圧ＥＧＲを実行するための装置である。低圧ＥＧＲ装置６０は、タービン５Ｔの下流側から比較的低圧の排気ガスを取り出して吸気側に環流させる低圧ＥＧＲを実行するための装置である。

高圧ＥＧＲ装置４０は、タービン５Ｔの上流側の排気通路から分岐して吸気通路に接続する高圧ＥＧＲ通路４１（本発明の第２のＥＧＲ通路に相当）と、高圧ＥＧＲ通路４１に設けられた高圧ＥＧＲ弁４２（本発明の第２のＥＧＲ弁に相当）とを備える。高圧ＥＧＲ通路４１は、排気マニホールド３Ａから分岐して吸気マニホールド２Ａに接続する。高圧ＥＧＲ弁４２は、その開度が全閉から全開まで連続的に可変であり、高圧ＥＧＲ通路４１を流れる排気ガスすなわち高圧ＥＧＲガスの流量を調節する。なお高圧ＥＧＲ装置４０に、高圧ＥＧＲガスを冷却するための高圧ＥＧＲクーラを設けてもよい。

一方、低圧ＥＧＲ装置６０は、タービン５Ｔの下流側の排気通路から分岐して吸気通路に接続する低圧ＥＧＲ通路６１（本発明のＥＧＲ通路に相当）と、低圧ＥＧＲ通路６１に設けられた低圧ＥＧＲ弁６２（本発明のＥＧＲ弁に相当）とを備える。低圧ＥＧＲ通路６１は、酸化触媒６の下流側の排気管３から分岐して、エアフローメータ４とコンプレッサ５Ｃとの間の吸気管２（すなわちコンプレッサ５Ｃの上流側の吸気管２）に接続する。低圧ＥＧＲ弁６２は、その開度が全閉から全開まで連続的に可変であり、低圧ＥＧＲ通路６１を流れる排気ガスすなわち低圧ＥＧＲガスの流量を調節する。

また低圧ＥＧＲ装置６０は、異物トラッパ６３と、ＥＧＲフィルタ６４と、ＥＧＲクーラ６５（本発明のＥＧＲクーラに相当）とを備える。これらは、低圧ＥＧＲ通路６１に上流側からこの順番で設置されている。またこれらは、低圧ＥＧＲ通路６１の分岐位置ないし上流端から、低圧ＥＧＲ弁６２の位置までの間に設けられる。

酸化触媒６の下流側から排気ガスを取り出して吸気系に戻すようにすると、酸化触媒６の経年劣化により酸化触媒６から排出された異物（溶接カスや担体カスを含む）が、各部材、特にコンプレッサ５Ｃを損傷させる可能性がある。そこで、このような異物を捕集して除去するため、異物トラッパ６３が最上流部に設けられている。異物トラッパ６３は、異物を捕集するためのフィルタ（例えば網）を含む。

ＥＧＲフィルタ６４は、前記ＤＰＦ同様、低圧ＥＧＲガス中の煤等の微粒子を捕集するためのフィルタであり、異物トラッパ６３よりも微細なフィルタである。このＥＧＲフィルタ６４も、貴金属からなる触媒が担持された連続再生式であるのが好ましい。本実施形態の場合、ＥＧＲフィルタ６４とＥＧＲクーラ６５とが一体化され、ＥＧＲクーラ６５の直前にＥＧＲフィルタ６４が設けられている。

ＥＧＲクーラ６５は低圧ＥＧＲガスを冷却するためのものであり、低圧ＥＧＲガスを流通させる冷却用通路としてのメイン通路６６を有する。但し本実施形態のＥＧＲクーラ６５には、メイン通路６６をバイパスするクーラバイパス通路６７と、メイン通路６６およびクーラバイパス通路６７の何れか一方に通路を切り替えるクーラ切替弁６８とが一体的に設けられている。クーラ切替弁６８は、図１に示すような、メイン通路６６を開放してクーラバイパス通路６７を閉止するクーラ位置と、図４に示すような、メイン通路６６を閉止してクーラバイパス通路６７を開放するクーラバイパス位置との何れか一方に切替可能である。

高圧ＥＧＲ装置４０は、従来から一般的に用いられてきたＥＧＲ装置と同種のものである。これに加え、低圧ＥＧＲ装置６０を設けた理由は、一つには高圧ＥＧＲ装置４０によっては好適にＥＧＲを行えないエンジン運転領域でも好適にＥＧＲを行うためであり、ＥＧＲ可能なエンジン運転領域を拡大するためである。例えば、低圧ＥＧＲガスは高圧ＥＧＲガスよりも低温であり、高密度である。よって同一体積または流量で比較した場合により大量のＥＧＲが可能である。もう一つには、高圧ＥＧＲ装置４０はタービン５Ｔの手前で排気ガスを取り出すため、ターボチャージャ５の仕事量を減少させたりエンジン出力低下を招いたりする可能性があるが、低圧ＥＧＲ装置６０はこのようなことがない。よって低圧ＥＧＲ装置６０は高負荷運転領域での使用に適している。

ところで、本実施形態では、タービン５Ｔとバーナー装置３０との間の排気管３から分岐して低圧ＥＧＲ通路６１に接続するバイパス通路７０（本発明のバイパス通路に相当）と、バイパス通路７０を流れる排気ガスすなわちバイパスガスの流量を調節するためのバイパス弁７１（本発明のバイパス弁に相当）とが設けられている。

バイパス通路７０は、排気流量センサ２６とバーナー装置３０との間の位置で排気管３から分岐し、異物トラッパ６３とＥＧＲフィルタ６４との間の位置で低圧ＥＧＲ通路６１に接続する。バイパス弁７１は、その開度が全閉から全開まで連続的に可変であり、バイパス通路７０を流れるバイパスガスの流量を調節する。

加えて、低圧ＥＧＲ通路６１およびバイパス通路７０の連通状態と、低圧ＥＧＲ通路６１の開閉状態とを切り替える切替弁７２（本発明の切替弁に相当）が設けられる。切替弁７２は、低圧ＥＧＲ通路６１およびバイパス通路７０の接続位置に設けられ、例えばバタフライ弁で構成されるが、シャッター弁やスプール弁等の他の形式の弁で構成されてもよい。切替弁７２は、図１に示されるような、低圧ＥＧＲ通路６１およびバイパス通路７０を非連通とすると共に低圧ＥＧＲ通路６１を開放するバイパス閉位置と、図４に示されるような、低圧ＥＧＲ通路６１およびバイパス通路７０を連通させると共に低圧ＥＧＲ通路６１を閉止するバイパス開位置との何れか一方に切替可能である。

上記の高圧ＥＧＲ弁４２、低圧ＥＧＲ弁６２、クーラ切替弁６８、バイパス弁７１および切替弁７２は、全てＥＣＵ１０に接続され、ＥＣＵ１０によって制御される。

さて、上述したように、バーナー装置３０の着火性能は、これに供給される排気ガス流量が増大したときに低下する傾向にある。その理由は、排気ガス流量が大きいと、着火手段たるグロープラグ２１の雰囲気ガス温度が低下するためと、ガス流速が速くなり、着火しても火種が吹き消えてしまうためである。

例えば、排気ガス流量が１４ｇ／ｓよりも増大したときバーナー装置３０の着火性能は低下する傾向にある。このような高流量時に良好な着火燃焼を得るには、グロープラグ２１の雰囲気にある排気ガスの温度として１５０℃以上が必要である。しかし、かかる排気ガス流量の条件下でそのような排気ガス温度を得るのは実際上困難である。

また、バーナー装置３０は、例えば酸化触媒６の温度が所定値以下であるとき、典型的には酸化触媒６が暖機過程にあるとき、その暖機を促進するために作動される。そして、バーナー装置３０は、酸化触媒６の温度が低下中であるとき、その温度低下を防止する目的で作動させるのが好ましい。酸化触媒６の温度低下が生じるのは主にエンジン減速中である。このときには比較的低温の排気ガスあるいは新気（フューエルカット実行中の場合）が比較的高流量で酸化触媒６に供給されるからである。

しかし、このような低排気温且つ高排気流量の条件下では、上述したようにバーナー装置３０の着火性能が不十分であり、バーナー装置３０を作動させられない場合がある。従ってバーナー装置３０の使用範囲が制限され、その有効活用を図れない問題もある。

バーナー装置３０を作動させて酸化触媒６の温度を一旦上昇させた後、エンジン減速等により低排気温且つ高排気流量の条件が整い、酸化触媒６の温度が低下したときも同様に、バーナー装置３０を作動させられない場合がある。このようにバーナー装置３０を作動させられないと、酸化触媒６の昇温および暖機促進を行えず、エミッションとしてのＣＯ排出量が増加する問題もある。

そこで本実施形態では、これらの問題を解決するため、上記の構成を採用している。すなわち、バーナー装置３０の手前で排気管３から分岐し低圧ＥＧＲ通路６１に接続するバイパス通路７０を設け、このバイパス通路７０にバイパスガス流量を調節するためのバイパス弁７１を設けている。

こうすると、タービン５Ｔから排出されバーナー装置３０に供給される排気ガスの流量が増大したときに、バイパス弁７１を開弁することにより、排気ガスの一部をバイパス通路７０にバイパスさせ、バーナー装置３０に供給される排気ガスの流量を低下させることができる。そしてバーナー装置３０の十分な着火性能を確保することが可能となる。

特に本実施形態では、排気流量センサ２６によって検出された排気ガス流量に応じて、ＥＣＵ１０がバイパス弁７１を制御する。ＥＣＵ１０は、検出された排気ガス流量が所定値（例えば１４ｇ／ｓ）より大きいときにバイパス弁７１を開弁し、検出された排気ガス流量が前記所定値以下のときにバイパス弁７１を閉弁する。これにより、排気流量増大時に排気バイパスを確実に実行することができ、バーナー装置３０の十分な着火性能を確実に確保することが可能となる。他方、排気流量増大時以外は排気バイパスを実行せず、通常状態を維持することができる。

またＥＣＵ１０は、バイパス弁７１の閉弁時には切替弁７２をバイパス閉位置に制御し、バイパス弁７１の開弁時には切替弁７２をバイパス開位置に制御する。これにより、排気バイパスの実行時以外にはバイパス通路７０を閉じ、低圧ＥＧＲ通路６１を開いて通常状態を維持することができ、排気バイパスの実行時にはバイパスガスを低圧ＥＧＲ通路６１に導入できる。

次に、本実施形態におけるＥＧＲ制御と、バーナー装置の制御（バーナー制御）について説明する。

図５には、ＥＧＲ制御で使用するＥＧＲマップを示す。このＥＧＲマップにおいては、回転数とトルク（エンジン出力トルクまたは目標トルク）で規定されるエンジンの全運転領域が、低負荷側から順に第１領域Ｉ、第２領域ＩＩおよび第３領域ＩＩＩに分けられる。最も低負荷側の第１領域Ｉは高圧ＥＧＲのみを実行する領域である（本発明の第１の運転領域に相当）。最も高負荷側の第３領域ＩＩＩは低圧ＥＧＲのみを実行する領域である（本発明の第２の運転領域に相当）。これら第１領域Ｉおよび第３領域ＩＩＩの間の中負荷相当の第２領域ＩＩは、高圧ＥＧＲと低圧ＥＧＲとを併用する領域である。

第１領域Ｉでは、高圧ＥＧＲ弁４２のみが開弁可能であり、低圧ＥＧＲ弁６２は開弁されない。第３領域ＩＩＩでは、低圧ＥＧＲ弁６２のみが開弁可能であり、高圧ＥＧＲ弁４２は開弁されない。第２領域ＩＩでは、低圧ＥＧＲ弁６２と高圧ＥＧＲ弁４２の両方が開弁可能である。

各領域毎に、回転数とトルクに対応したＥＧＲ弁４２，６２の目標開度が定められ、この目標開度に実際の開度が一致するようＥＧＲ弁４２，６２が制御される。すなわちＥＣＵ１０は、クランク角センサ２４の出力から検出したエンジン回転数と、アクセル開度センサ２５の出力から検出した要求負荷に対応する目標トルクとに基づき、予め記憶されたＥＧＲマップに従って、ＥＧＲ弁４２，６２の目標開度を決定し、且つこの目標開度に実際の開度が一致するようＥＧＲ弁４２，６２を制御する。目標開度は、目標となるＥＧＲ率が実現されるように設定されている。

図６には、ＥＧＲ制御に関するルーチンのフローチャートを示す。当該ルーチンはＥＣＵ１０により所定の演算周期（例えば１６ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、エンジンの運転状態が第１領域Ｉにあるか否かが判断される。第１領域Ｉにあると判断された場合、ステップＳ１０２に進んで高圧ＥＧＲ弁４２のみが適宜開弁され、低圧ＥＧＲ弁６２は閉弁される。これにより高圧ＥＧＲのみが実行される。

他方、エンジンの運転状態が第１領域Ｉにないと判断された場合、ステップＳ１０３に進んで、エンジンの運転状態が第２領域ＩＩにあるか否かが判断される。第２領域ＩＩにあると判断された場合、ステップＳ１０４に進んで、高圧ＥＧＲ弁４２と低圧ＥＧＲ弁６２が適宜開弁される。これにより高圧ＥＧＲと低圧ＥＧＲの両者が実行される。

他方、エンジンの運転状態が第２領域ＩＩにないと判断された場合、ステップＳ１０５に進んで低圧ＥＧＲ弁６２のみが適宜開弁され、高圧ＥＧＲ弁４２は閉弁される。これにより低圧ＥＧＲのみが実行される。

図７には、バーナー制御に関するルーチンのフローチャートを示す。当該ルーチンもＥＣＵ１０により所定の演算周期（例えば１６ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

まずステップＳ２０１では、触媒温度センサ２７によって検出された酸化触媒６の温度Ｔｃが低下中であるか否かが判断される。低下中でないときには、ステップＳ２１２に進んでバーナー装置３０が非作動状態とされ、すなわち燃料添加弁７がオフされて燃料添加非実行とされると共に、グロープラグ２１もオフされる。減速等に伴う触媒温度低下が発生していないとき、すなわち触媒温度が維持あるいは上昇中であるときには、敢えてバーナー装置３０を作動させる必要はないし、バーナー装置３０を作動させない方が燃費上も有利だからである。

他方、触媒温度Ｔｃが低下中と判断された場合、ステップＳ２０２に進んで、触媒温度Ｔｃが所定値Ｔｃ１（例えば２００℃）以下か否かが判断される。

触媒温度Ｔｃが所定値Ｔｃ１以下と判断された場合、酸化触媒６は暖機中とみなされ、ステップＳ２０３において、排気流量センサ２６により検出された排気流量Ｇｅが所定値Ｇｅ１（例えば１４ｇ／ｓ）以下か否かが判断される。

排気流量Ｇｅが所定値Ｇｅ１以下と判断された場合、ステップＳ２０４に進んでバイパス弁７１が閉弁ないし全閉され、ステップＳ２０５において切替弁７２がバイパス閉位置（図１参照）に制御され、ステップＳ２０６においてクーラ切替弁６８がクーラ位置に制御される。すなわち、このような低排気流量時にはバーナー装置３０の上流側での排気バイパスは実行されず、通常状態とされ、エンジン運転状態に応じて適宜低圧ＥＧＲが実行可能な状態とされる。

そしてステップＳ２０７においてバーナー装置３０が作動状態とされ、すなわち燃料添加弁７がオンされて燃料添加が実行されると共に、グロープラグ２１もオンされる。

他方、ステップＳ２０３において排気流量Ｇｅが所定値Ｇｅ１より大きいと判断された場合、ステップＳ２０８に進んでバイパス弁７１が開弁され、ステップＳ２０９において切替弁７２がバイパス開位置（図４参照）に制御され、ステップＳ２１０においてクーラ切替弁６８がクーラバイパス位置に制御され、ステップＳ２１１において低圧ＥＧＲ弁６２が開弁される。そしてステップＳ２０７においてバーナー装置３０が作動状態とされる。

すなわち、このような高排気流量時にはバーナー装置３０の上流側で排気バイパスが実行され、バーナー装置３０に供給される排気ガス流量が低減される。また切替弁７２によって低圧ＥＧＲ通路６１が途中で閉止されるので、酸化触媒６の下流側から取り出した排気ガスによる低圧ＥＧＲは実行されない。

但し、バイパスガスは、バイパス通路７０および低圧ＥＧＲ通路６１を通じて吸気通路に戻される。これも一種の低圧ＥＧＲである。このときバイパスガスは、ＥＧＲクーラ６５のメイン通路６６を通過せず、クーラバイパス通路６７を通過する。よってバイパスガスがＥＧＲクーラ６５によって冷却されることはなく、バイパスガスは比較的高温の状態で吸気通路に戻される。

すると、ＥＧＲクーラ６５によって冷却された場合に比べ、吸気温度が上昇し、排気温度も上昇し、特にバーナー装置３０に供給される排気ガスの温度が上昇する。これはバーナー装置３０の着火性能向上に大変有利である。

ステップＳ２０８において、好ましくは、バイパス弁７１の開度が、検出された排気流量Ｇｅに応じて変更される。すなわちバイパス弁７１の開度は、検出された排気流量Ｇｅが多いほど増大させられる。これにより排気流量Ｇｅが多いほど排気バイパス流量を増大し、所定値Ｇｅ１以下の流量の排気ガスをバーナー装置３０に供給し続けることが可能となる。

ここでステップＳ２１１に関し、仮に上記ＥＧＲ制御に従うとすれば、エンジン運転状態が第１領域Ｉにあるとき低圧ＥＧＲ弁６２は開弁されない。しかしながらここでは、上記ＥＧＲ制御に従わず、エンジン運転状態が第１領域Ｉにあるときであっても低圧ＥＧＲ弁６２が開弁される。バーナー制御はＥＧＲ制御に優先する。よって、エンジン運転状態が第１領域Ｉにあり且つ減速中という、低排気温且つ高排気流量の条件が成立しやすい状況下において、バイパスガスを用いた低圧ＥＧＲを実行し、バーナー装置３０に供給される排気ガスの温度を昇温することができる。このこともバーナー装置３０の着火性能向上に極めて有利である。

なお、エンジン運転状態が第１領域Ｉにあるときにバイパスガスを用いた低圧ＥＧＲを実行すると、本来行われない低圧ＥＧＲが高圧ＥＧＲに追加されるので、トータルのＥＧＲガス量が過剰になることが考えられる。そこでこの対策として、ＥＧＲガス量の増加分を打ち消すよう、高圧ＥＧＲ弁４２の開度を減少させるのが好ましい。また、この場合も含め、バイパスガスを用いた低圧ＥＧＲを実行するときには、別途マップ等を用意し、高圧ＥＧＲ弁４２、低圧ＥＧＲ弁６２およびバイパス弁７１の開度を、所望のＥＧＲガス量が得られるように制御するのが好ましい。

以上、本発明の好適実施形態を詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば、バーナー装置３０からバーナー触媒８および衝突板２０の少なくとも一方を省略してもよい。本実施形態ではタービン５Ｔから排出された排気ガスの流量を排気流量センサ２６で直接検出するようにしたが、当該排気流量を推定してもよい。このときの推定方法としては、エアフローメータ４により検出された吸入空気量と、ＥＧＲ弁４２，６２およびバイパス弁７１の開度とに基づく推定などが考えられる。これら検出及び推定を含めて取得という。

バーナー装置の制御に用いる排気処理装置の温度は、本実施形態のように最も上流側に位置する排気処理装置（酸化触媒６）の温度であるのが好ましいが、上流側から２番目あるいは３番目等に位置する排気処理装置の温度であってもよい。

バーナー触媒及び排気管のうち少なくとも一方は、断面が楕円形や長円形など、非円形であってもよい。バーナー触媒よりも下流側に存在する排気処理装置の種類や配列順序は任意である。内燃機関の用途、形式等も任意であり、車載用等に限定されない。

以上、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、クレームされた発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。本発明の実施態様は上述の各態様のみに限らず、本発明は、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例を含む。したがって本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。

Claims

排気通路に設けられたターボチャージャと、
前記ターボチャージャのタービンの下流側の排気通路から分岐して吸気通路に接続するＥＧＲ通路と、
前記タービンと、前記ＥＧＲ通路の分岐位置との間の排気通路に設けられ、排気温度を昇温させるためのバーナー装置と、
前記タービンと前記バーナー装置との間の排気通路から分岐して前記ＥＧＲ通路に接続するバイパス通路と、
前記バイパス通路を流れる排気ガスの流量を調節するためのバイパス弁と、
を備えたことを特徴とする内燃機関。
前記タービンから排出された排気ガスの流量を取得する取得手段と、
前記取得手段によって取得された排気ガス流量に応じて前記バイパス弁を制御するバイパス弁制御手段と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
前記バイパス弁制御手段は、前記取得手段によって取得された排気ガス流量が所定値より大きいときに前記バイパス弁を開弁し、前記取得手段によって取得された排気ガス流量が前記所定値以下のときに前記バイパス弁を閉弁する
ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
前記ＥＧＲ通路および前記バイパス通路の連通状態と前記ＥＧＲ通路の開閉状態とを切り替える切替弁と、
前記切替弁を制御する切替弁制御手段と、をさらに備え、
前記切替弁制御手段は、前記バイパス弁の閉弁時に前記ＥＧＲ通路および前記バイパス通路を非連通とすると共に前記ＥＧＲ通路を開放するよう前記切替弁を制御し、前記バイパス弁の開弁時に前記ＥＧＲ通路および前記バイパス通路を連通させると共に前記ＥＧＲ通路を閉止するよう前記切替弁を制御する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関。
前記バイパス通路の接続位置と前記吸気通路との間の前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁と、
前記ターボチャージャのタービンの上流側の排気通路から分岐して吸気通路に接続する第２のＥＧＲ通路と、
前記第２のＥＧＲ通路に設けられた第２のＥＧＲ弁と、
前記ＥＧＲ弁および前記第２のＥＧＲ弁を制御するＥＧＲ制御手段と、をさらに備え、
前記ＥＧＲ制御手段は、前記内燃機関が低負荷側の所定の第１運転領域にあるとき前記ＥＧＲ弁を閉弁すると共に前記第２のＥＧＲ弁を開弁し、前記内燃機関が前記第１運転領域より高負荷側の所定の第２運転領域にあるとき前記ＥＧＲ弁を開弁すると共に前記第２のＥＧＲ弁を閉弁し、且つ、前記内燃機関が前記第１運転領域にあるときであっても、前記バイパス弁の開弁時には、前記ＥＧＲ弁を開弁する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関。
前記バイパス通路の接続位置と前記吸気通路との間の前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲクーラと、
前記ＥＧＲクーラの冷却用通路をバイパスするクーラバイパス通路と、
前記冷却用通路および前記クーラバイパス通路の何れか一方に通路を切り替えるクーラ切替弁と、
前記クーラ切替弁を制御するクーラ制御手段と、をさらに備え、
前記クーラ制御手段は、前記バイパス弁の閉弁時に前記冷却用通路を開放して前記クーラバイパス通路を閉止し、前記バイパス弁の開弁時に前記冷却用通路を閉止して前記クーラバイパス通路を開放するよう、前記クーラ切替弁を制御する
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関。
前記ＥＧＲ通路が、前記ターボチャージャのコンプレッサの上流側の吸気通路に接続する
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関。
前記取得手段が、前記タービンと、前記バイパス通路の分岐位置との間の排気通路に設けられた排気流量センサを含む
ことを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関。
前記バーナー装置が、前記排気通路内に燃料を添加する燃料添加弁と、前記燃料添加弁から添加された燃料を着火する着火手段とを含む
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の内燃機関。
前記バーナー装置が、前記添加燃料を酸化させるバーナー触媒と、前記添加燃料を衝突させるための衝突板との少なくとも一方を含む
ことを特徴とする請求項９に記載の内燃機関。
前記バーナー装置の下流側の排気通路に設けられた排気処理装置をさらに備える
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の内燃機関。
前記排気処理装置が、前記バーナー装置と、前記ＥＧＲ通路の分岐位置との間の排気通路に設けられる
ことを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関。