JP6414412B2

JP6414412B2 - 内燃機関の排気システム

Info

Publication number: JP6414412B2
Application number: JP2014161783A
Authority: JP
Inventors: 幸司秦
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2014-08-07
Filing date: 2014-08-07
Publication date: 2018-10-31
Anticipated expiration: 2034-08-07
Also published as: JP2016037909A

Description

本発明は、過給機（ターボチャージャ）を備える内燃機関の排気システムに関する。

ターボチャージャを備えた内燃機関（以下、「エンジン」ともいう）の排気通路には、一般的に、ターボチャージャの過給圧を調整するためのウエストゲートバルブを備えたウエストゲート通路（排気迂回通路）が備えられている。このウエストゲートバルブによってウエストゲート通路を開閉することで、例えば、過給圧の過度の上昇を抑制し、過給圧の安定性を図ると共に、エンジンやターボチャージャ自体の破損を抑制している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−４４５０９号公報

ところで、エンジンの排気通路には、排ガスを浄化するための排気浄化触媒が設けられている。ターボチャージャを備えるエンジンでは、排気浄化触媒は一般的に排気通路のターボチャージャ（タービン）よりも下流側に設けられている。また近年は、排ガス浄化性能を向上するために、排気浄化触媒をターボチャージャに近接して配置するようになってきている。

このようなエンジンの排気システムにおけるターボチャージャの仕事量は、排気通路のターボチャージャよりも上流側の第１領域と、排気通路のターボチャージャよりも下流側で排気浄化触媒よりも上流側の第２領域との圧力比（差圧）によって決まる。したがって、この第１領域の圧力が第２領域の圧力よりも大きいほど、ターボチャージャの仕事量は大きくなる。つまり排気通路の第１領域と第２領域との圧力差が大きくなれば、エンジンの出力を向上し易くなる。

しかしながら、上述のようにターボチャージャの下流側に排気浄化触媒を備えるエンジンの排気システムにおいては、排気浄化触媒の排気抵抗により排気通路の第２領域の圧力が上昇してしまう虞がある。特に、排気浄化触媒がターボチャージャに近接して配置されている場合、第２領域の圧力が上昇し易い。そしてこの圧力上昇に伴い、第１領域の圧力に拘わらず排気通路の第１領域と第２領域との圧力比が小さくなり、ターボチャージャの仕事量が小さくなってしまう虞がある。すなわちエンジンの出力を十分に高めることができない虞がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、排気通路の第１領域と第２領域との圧力比を調整して内燃機関の出力を適切に高めることができる内燃機関の排気システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、内燃機関の吸気を過給する過給機と、前記過給機の下流側の排気通路に設けられる排気浄化触媒と、前記排気通路の前記過給機よりも上流側の第１領域と前記排気通路の前記過給機よりも下流側で前記排気浄化触媒よりも上流側の第２領域とを接続すると共に第１の開閉バルブによって開閉可能に構成されるウエストゲート通路と、下流側の端部が前記排気通路の前記排気浄化触媒よりも下流側の第３領域に接続されると共に、第２の開閉バルブによって開閉可能に構成され、前記排気通路の前記第１領域と前記第２領域との圧力比を調整するための触媒バイパス通路と、を備え、前記触媒バイパス通路の上流側の端部が前記排気通路の前記第２領域に接続された内燃機関の排気システムであって、前記排気通路の圧力状態に応じて前記第１の開閉バルブ及び前記第２の開閉バルブの動作を制御するバルブ制御手段を備え、前記バルブ制御手段は、前記第１の開閉バルブ及び前記第２の開閉バルブを閉弁させている状態で、前記排気通路の前記第１領域と前記第２領域との圧力比が所定閾値よりも小さくなると、まずは前記第２の開閉バルブを開弁させることを特徴とする内燃機関の排気システムにある。

本発明の第２の態様は、第１の態様の内燃機関の排気システムであって、前記排気通路の前記排気浄化触媒の下流側に設けられる下流側排気浄化触媒をさらに備え、前記バルブ制御手段は、前記第１の開閉バルブ及び前記第２の開閉バルブを閉弁させている状態で、前記排気通路の前記第１領域と前記第２領域との圧力比が所定閾値よりも小さくなった場合でも、前記下流側排気浄化触媒が所定温度を越えるまでは、前記第２の開閉バルブの閉弁状態を維持することを特徴とする内燃機関の排気システムにある。

かかる本発明では、排気通路の第１領域と第２領域との圧力比を調整して、ターボチャージャの過給特性を改善することができる。したがって、内燃機関の出力を、例えば、車両の走行状態に応じて適切に高めることができる。

本発明の実施形態１に係る排気システムを含むエンジンの概略図である。本発明の実施形態１に係る排気システムの概略構成を示すブロック図である。本発明の実施形態１に係る排気システムの要部を示す概略図である。本発明の実施形態２に係る排気システムの要部を示す概略図である。本発明の実施形態３に係る排気システムの要部を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施形態１）
まずは本発明の実施形態１に係る排気システムを含むエンジン１０の全体構成について説明する。図１に示すように、エンジン１０を構成するエンジン本体１１は、シリンダヘッド１２とシリンダブロック１３とを有し、シリンダブロック１３内には、ピストン１４が収容されている。ピストン１４は、コンロッド１５を介してクランクシャフト１６に接続されている。このピストン１４とシリンダヘッド１２及びシリンダブロック１３とで燃焼室１７が形成されている。

シリンダヘッド１２には吸気ポート１８が形成され、吸気ポート１８には吸気マニホールド１９を含む吸気管（吸気路）２０が接続されている。吸気マニホールド１９には、吸気圧を検出する吸気圧センサ（ＭＡＰセンサ）２１及び吸気の温度を検出する吸気温センサ２２が設けられている。また吸気ポート１８内には吸気弁２３が設けられ、この吸気弁２３によって吸気ポート１８が開閉されるようになっている。さらにシリンダヘッド１２には排気ポート２４が形成され、排気ポート２４には、排気マニホールド２５を含む排気管（排気通路）２６が接続されている。排気ポート２４内には排気弁２７が設けられており、吸気ポート１８と同様に、排気ポート２４はこの排気弁２７によって開閉されるようになっている。

またエンジン本体１１には、例えば、各気筒の燃焼室１７内に燃料を噴射する燃料噴射弁２８が設けられている。なお図示は省略するが、この燃料噴射弁２８には、サプライポンプ等によって燃料タンク内の燃料が供給されるようになっている。さらにシリンダヘッド１２には気筒毎に点火プラグ３０が取り付けられている。

また吸気管２０及び排気管２６の途中には、ターボチャージャ（過給機）３１が設けられている。ターボチャージャ３１は、タービン３１ａと、コンプレッサ３１ｂとを有し、これらタービン３１ａとコンプレッサ３１ｂとはタービン軸３１ｃによって連結されている。ターボチャージャ３１内に排気ガスが流れ込むと、排気ガスの流れによってタービン３１ａが回転し、このタービン３１ａの回転に伴ってコンプレッサ３１ｂが回転する。コンプレッサ３１ｂの回転によって加圧された空気（吸気）が、吸気管２０に送り出されて、各吸気ポート１８に供給される。

ターボチャージャ３１の下流側の排気管２６には、例えば、三元触媒である上流側排気浄化用触媒（ＦＣＣ）３２及び下流側排気浄化触媒（ＵＣＣ）３３が介装されている。またコンプレッサ３１ｂの下流側の吸気管２０には、インタークーラ３４が設けられ、インタークーラ３４の下流側にはスロットルバルブ３５が設けられている。

また排気管２６のターボチャージャ３１（タービン３１ａ）よりも上流側の第１領域２６ａと、排気管２６のターボチャージャ３１よりも下流側で上流側排気浄化触媒３２よりも上流側の第２領域２６ｂとは、ウエストゲート通路３６によって接続されている。ウエストゲート通路３６には、ウエストゲートバルブ（第１の開閉弁）３７が設けられている。ウエストゲートバルブ３７は、例えば、弁体と弁体を駆動させる電動のアクチュエータ（電動モータ）とを備えており、弁体の開度によってウエストゲート通路３６を流れる排ガス量を調整できるようになっている。つまりウエストゲートバルブ３７は、その開度を調整することで、ターボチャージャ３１の過給圧を制御できるように構成されている。

さらに本実施形態では、排気管２６の第１領域２６ａと、排気管２６の上流排気浄化触媒よりも下流側の第３領域２６ｃとは触媒バイパス通路３８によって接続されている。触媒バイパス通路３８には、触媒バイパスバルブ（第２の開閉弁）３９が設けられている。触媒バイパス通路３８は、この触媒バイパスバルブ３９によって開閉可能に構成されている。

そして、触媒バイパスバルブ３９の開閉状態を適宜制御することで、触媒バイパス通路３８によって接続されている排気管２６の第１領域２６ａと第２領域２６ｂとの圧力比が調整されるようになっている。なお排気管２６の第１領域２６ａには、第１領域２６ａの圧力（排気圧）を検出する第１の圧力センサ（第１の圧力検出手段）４０が設けられ、排気管２６の第２領域２６ｂには、第２領域２６ｂの圧力を検出する第２の圧力センサ（第２の圧力検出手段）４１が設けられている。また第１の圧力センサ４０及び第２の圧力センサ４１を設けずに、運転状態から各領域の圧力を推定するようにしてもよい。すなわち第１の圧力検出手段及び第２の圧力検出手段が、エンジンの運転状態を取得し、例えば、エンジンの運転条件と各領域の圧力との関係を規定したマップ等を参照して、各領域の圧力を推定するようにしてもよい。

このように、本発明に係る内燃機関の排気システムでは、排気管２６にウエストゲートバルブ３７を備えるウエストゲート通路３６と共に、触媒バイパスバルブ３９を備える触媒バイパス通路３８が設けられているため、排気管２６の第１領域２６ａと第２領域２６ｂとの圧力比を調整し、ターボチャージャ３１の過給特性を改善することができる。したがって、本発明に係る排気システムを採用することで、エンジン１０の出力を、例えば、車両の走行状態に応じて適切に高めることができる。

ところでエンジン１０は、図２のブロック図に示すように、電子制御ユニット（ＥＣＵ）５０を備えており、ＥＣＵ５０には、入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置、中央処理装置及びタイマやカウンタ類が備えられている。そして、このＥＣＵ５０が、上述した吸気圧センサ２１や吸気温センサ２２、第１の圧力センサ４０や第２の圧力センサ４１の他、エンジン１０の回転数を検出するクランク角センサ（回転数検出手段）４２等、各種センサ類からの情報に基づいて、エンジン１０の総合的な制御を行っている。ＥＣＵ５０は、例えば、上述したウエストゲートバルブ３７や触媒バイパスバルブ３９の作動状態も適宜制御する。すなわちＥＣＵ５０は、エンジンの排気システムの一部としても機能する。

以下、本実施形態に係る内燃機関の排気システムにおけるウエストゲートバルブ３７及び触媒バイパスバルブ３９の開閉動作の制御について説明する。

ＥＣＵ５０は、排気システムにおいてウエストゲートバルブ３７や触媒バイパスバルブ３９の開閉動作を制御するバルブ制御手段５１を備えている。本実施形態では、このバルブ制御手段５１は、エンジン１０の運転状態に応じて、ウエストゲートバルブ３７及び触媒バイパスバルブ３９の開度を適宜制御する。具体的には、バルブ制御手段５１は、第１の圧力センサ４０や第２の圧力センサ４１の検出結果に応じて、ウエストゲートバルブ３７及び触媒バイパスバルブ３９の開閉状態を制御する。

例えば、第１領域２６ａの圧力が比較的低いエンジン１０の運転状態では、図３（ａ）に示すように、ウエストゲートバルブ３７及び触媒バイパスバルブ３９を何れも閉弁させている。この状態で、例えば、高速高負荷運転となり排ガス流量が増加し、第１の圧力センサ４０によって第１領域２６ａの圧力が所定の閾値を超えたことが検出されると、エンジン強度に余裕があるか否かを判断する。例えば、体積効率が所定値よりも低ければ、エンジン強度に余裕があると判断し、図３（ｂ）に示すように、ウエストゲートバルブ３７の閉弁状態は維持したまま、触媒バイパスバルブ３９を開弁させる。これにより、第１領域２６ａの圧力を、所定閾値を超えない程度に高く維持することができる。つまり第１領域２６ａと第２領域２６ｂとの圧力比を比較的高い状態に維持することができる。したがって、ウエストゲートバルブ３７を開く場合に比べてターボチャージャ３１の過給特性（仕事量）を改善することができ、エンジン本体１１に送り込む空気量が増大し、エンジン１０の性能（出力）を向上することができる。

一方、例えば、体積効率が所定値以上である場合には、エンジン強度に余裕が無いと判断し、図３（ｃ）に示すように、ウエストゲートバルブ３７を所定開度で開弁させて、ターボチャージャ３１の仕事量を低下させる。また上述のように触媒バイパスバルブ３９を開弁させている状態で、第１領域２６ａの圧力が所定閾値を越えた場合にも、ウエストゲートバルブ３７を開弁させて、ターボチャージャ３１の仕事量を低下させる。これにより、過給圧の過度の上昇を防止することができる。

（実施形態２）
図４は、実施形態２に係る内燃機関の排気システムの要部を示す図である。なお同一部材に同一符号を付し重複する説明は省略する。

図４に示すように、本実施形態では、触媒バイパス通路３８の上流側の端部が排気管２６の第２領域２６ｂに接続されている。すなわち、触媒バイパス通路３８によって排気管２６の第２領域２６ｂと第３領域２６ｃとが接続されている。その他の構成は、実施形態１と同様である。

このような本実施形態の構成では、バルブ制御手段５１は、ウエストゲートバルブ３７及び触媒バイパスバルブ３９を閉弁させている状態で（図４（ａ））、排気管２６の第１領域２６ａと第２領域２６ｂとの圧力比が所定閾値よりも小さくなると、触媒バイパスバルブ３９を開弁させる（図４（ｂ））。これにより、図４（ｂ）中に矢印で示すように、第２領域２６ｂの排気は、その一部が上流側排気浄化触媒３２を通過して第３領域２６ｃに流れ込むと共に、触媒バイパス通路３８を介して第３領域２６ｃに流れ込む。したがって、第２領域２６ｂの圧力が低下し、相対的に第１領域２６ａと第２領域２６ｂとの圧力比が高まる。結果的に、ターボチャージャ３１の仕事量を増加させることができる。

ただし、エンジン１０の冷態始動時等のように、下流側排気浄化触媒３３が、活性状態となる所定温度よりも低い状態では、バルブ制御手段５１は、排気管２６の第１領域２６ａと第２領域２６ｂとの圧力比が所定閾値よりも小さくなった場合でも、下流側排気浄化触媒３３が所定温度を越えるまでは、触媒バイパスバルブ３９の閉弁状態を維持することが好ましい。

これにより、排気を浄化しつつ、エンジン１０の性能（出力）を向上することができる。

（実施形態３）
図５は、実施形態３に係る内燃機関の排気システムの要部を示す図である。なお同一部材に同一符号を付し重複する説明は省略する。

本実施形態は、図５に示すように、ウエストゲート通路３６が触媒バイパス通路３８の一部を兼ねるようにした例である。具体的には、触媒バイパス通路３８の上流側の端部が、ウエストゲート通路３６に接続され、触媒バイパス通路３８とウエストゲート通路３６との接続部に、三方弁からなる触媒バイパスバルブ３９Ａが設けられている。その他の構成は、上述の実施形態と同様である。

このような本実施形態の構成では、ウエストゲートバルブ３７及び触媒バイパスバルブ３９Ａの開閉状態を適宜制御することで、排気管２６の第１領域２６ａと第２領域２６ｂ、第１領域２６ａと第３領域２６ｃ、第２領域２６ｂと第３領域２６ｃ、をそれぞれ接続させることができる。したがって、排気システムをエンジン１０の小型化を図りつつ、上述の実施形態と同様にエンジン１０の性能を向上することができる。なお本実施形態では、ウエストゲートバルブ３７によってウエストゲート通路３６の流量を調整するようにしているが、ウエストゲートバルブ３７を設けずに、触媒バイパスバルブ３９Ａによってウエストゲート通路３６の流量を調整するように構成することもできる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明は、これら実施形態１から３の構成に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、エンジンの構成のみを例示しているが、本願発明は、例えば、電気モータを備えるハイブリッド車両のエンジン等にも、勿論、適用することができる。

１０エンジン（内燃機関）
１１エンジン本体
１２シリンダヘッド
１３シリンダブロック
１４ピストン
１５コンロッド
１６クランクシャフト
１７燃焼室
１８吸気ポート
１９吸気マニホールド
２０吸気管
２１吸気圧センサ
２２吸気温センサ
２３吸気弁
２４排気ポート
２５排気マニホールド
２６排気管
２６ａ第１領域
２６ｂ第２領域
２６ｃ第３領域
２７排気弁
２８燃料噴射弁
３０点火プラグ
３１ターボチャージャ
３１ａタービン
３１ｂコンプレッサ
３１ｃタービン軸
３２上流側排気浄化触媒
３３下流側排気浄化触媒
３４インタークーラ
３５スロットルバルブ
３６ウエストゲート通路
３７ウエストゲートバルブ
３８触媒バイパス通路
３９触媒バイパスバルブ
４０第１の圧力センサ
４１第２の圧力センサ
４２クランク角センサ
５０ＥＣＵ

Claims

内燃機関の吸気を過給する過給機と、
前記過給機の下流側の排気通路に設けられる排気浄化触媒と、
前記排気通路の前記過給機よりも上流側の第１領域と前記排気通路の前記過給機よりも下流側で前記排気浄化触媒よりも上流側の第２領域とを接続すると共に第１の開閉バルブによって開閉可能に構成されるウエストゲート通路と、
下流側の端部が前記排気通路の前記排気浄化触媒よりも下流側の第３領域に接続されると共に、第２の開閉バルブによって開閉可能に構成され、前記排気通路の前記第１領域と前記第２領域との圧力比を調整するための触媒バイパス通路と、を備え、
前記触媒バイパス通路の上流側の端部が前記排気通路の前記第２領域に接続された内燃機関の排気システムであって、
前記排気通路の圧力状態に応じて前記第１の開閉バルブ及び前記第２の開閉バルブの動作を制御するバルブ制御手段を備え、
前記バルブ制御手段は、前記第１の開閉バルブ及び前記第２の開閉バルブを閉弁させている状態で、前記排気通路の前記第１領域と前記第２領域との圧力比が所定閾値よりも小さくなると、まずは前記第２の開閉バルブを開弁させることを特徴とする内燃機関の排気システム。
請求項１に記載の内燃機関の排気システムであって、
前記排気通路の前記排気浄化触媒の下流側に設けられる下流側排気浄化触媒をさらに備え、
前記バルブ制御手段は、前記第１の開閉バルブ及び前記第２の開閉バルブを閉弁させている状態で、前記排気通路の前記第１領域と前記第２領域との圧力比が所定閾値よりも小さくなった場合でも、前記下流側排気浄化触媒が所定温度を越えるまでは、前記第２の開閉バルブの閉弁状態を維持することを特徴とする内燃機関の排気システム。