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

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）を第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）が、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）が、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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