WO2011128950A1 - 内燃機関の排気加熱装置およびその制御方法 - Google Patents

内燃機関の排気加熱装置およびその制御方法 Download PDF

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早川剛史
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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust heating device for increasing the temperature of exhaust gas in order to activate and maintain the exhaust purification device in an internal combustion engine provided with the exhaust purification device.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 propose an internal combustion engine incorporating two superchargers having different characteristics in order to cope with a strong demand for improving fuel efficiency of an internal combustion engine incorporating such a supercharger.
  • Each includes a first supercharger that functions mainly in the low rotation region of the internal combustion engine and a second supercharger that functions mainly in the other rotation regions, and these are connected in series to the intake and exhaust passages. Or arranged in parallel.
  • Patent Document 3 proposes an internal combustion engine in which an exhaust heating device is incorporated in an exhaust passage upstream of the exhaust purification device.
  • the exhaust gas heating device generates a heating gas in the exhaust gas, and supplies the generated heating gas to the exhaust gas purification device on the downstream side, thereby promoting activation of the exhaust gas purification device or maintaining an active state. Is.
  • the exhaust heating device generally includes a fuel supply valve that supplies fuel into the exhaust passage, and an ignition device such as a glow plug that generates heated gas by heating and igniting the fuel.
  • an ignition device such as a glow plug that generates heated gas by heating and igniting the fuel.
  • a small oxidation catalyst is arranged in the exhaust passage downstream of the ignition device in order to increase the temperature of the heated gas. This oxidation catalyst has its own heat generation function and fuel reforming function to a low carbon component, but is different in configuration from the oxidation catalyst used as part of the exhaust purification device.
  • the exhaust flow rate basically tends to increase.
  • the exhaust temperature is greatly lowered due to heat radiation to the outside and the heat capacity of the exhaust turbine itself.
  • the exhaust heating device can be operated only when the exhaust gas flow rate is small, such as when the vehicle is decelerated.
  • An object of the present invention is to provide an exhaust heating apparatus capable of stably continuing the ignition of fuel in an internal combustion engine incorporating a two-stage exhaust turbine supercharger.
  • the first aspect of the present invention is an exhaust gas from an internal combustion engine in which a first exhaust turbine supercharger and a second exhaust turbine supercharger mainly used in a low speed region of the internal combustion engine are incorporated.
  • An exhaust passage and a second exhaust passage that continues to the exhaust purification device through the exhaust turbine of the second exhaust turbine supercharger while bypassing the exhaust turbine of the first exhaust turbine supercharger Is arranged in the first exhaust passage located upstream from the merging portion and downstream from the exhaust turbine of the first exhaust turbine supercharger.
  • the exhaust heating device is operated in an operating state in which it is not necessary to guide the exhaust gas to the first exhaust passage, for example, when the internal combustion engine is in the low rotation region.
  • the heated gas thereby merges with the exhaust flowing through the second exhaust passage at the joining portion of the first exhaust passage and the second exhaust passage, and flows into the exhaust purification device.
  • the fuel supply valve supplies fuel to the first exhaust passage, and the fuel supplied from the fuel supply valve to the first exhaust passage is ignited and burned.
  • an ignition means It is also effective to place an oxidation catalyst in the middle of the exhaust passage between the ignition means and the exhaust purification device.
  • the first exhaust passage and the second exhaust passage may be arranged in parallel between the internal combustion engine and the exhaust purification device.
  • a valve capable of adjusting the flow rate of the exhaust flowing through the first exhaust passage upstream of the exhaust turbine of the first exhaust turbine supercharger can be arranged.
  • the valve is configured such that when fuel is supplied from the fuel supply valve to the first exhaust passage, the flow rate of the exhaust gas flowing through the first exhaust passage is smaller than the flow rate of the exhaust gas flowing through the second exhaust passage.
  • the opening degree may be adjusted.
  • the first exhaust passage may be a bypass passage arranged in parallel with the second exhaust passage.
  • a valve capable of adjusting the flow rate of the exhaust gas flowing through the bypass passage can be arranged in the bypass passage.
  • the valve is opened so that the flow rate of the exhaust gas flowing through the first exhaust passage is smaller than the flow rate of the exhaust gas flowing through the bypass passage. The degree may be adjusted.
  • the first exhaust passage and the second exhaust passage are arranged in parallel between the internal combustion engine and the exhaust purification device, and the exhaust turbine of the first exhaust turbine supercharger is provided.
  • the exhaust heating apparatus according to the first embodiment of the present invention in which a valve capable of adjusting the flow rate of the exhaust gas flowing therethrough is disposed in the first exhaust passage on the upstream side, or the first exhaust passage serves as the second exhaust passage.
  • a step of detecting the rotational speed of the engine, and when the detected rotational speed of the internal combustion engine is equal to or lower than a predetermined rotational speed or in an operating state capable of closing the first exhaust passage, the first exhaust passage is Let the exhaust flow at a flow rate and activate the exhaust heating device. It is characterized in that comprising the steps.
  • the opening of the valve is adjusted to provide an exhaust gas having a predetermined flow rate in the first exhaust passage.
  • the exhaust heating device is operated while flowing. The heated gas thereby merges with the exhaust flowing through the second exhaust passage at the joining portion of the first exhaust passage and the second exhaust passage, and flows into the exhaust purification device.
  • the exhaust heating device can be operated stably.
  • the heated gas can be efficiently mixed with the exhaust gas flowing through the second exhaust passage at the junction with the second exhaust passage.
  • the heating gas can be heated more efficiently.
  • the internal combustion engine only needs to be in the low speed region.
  • the exhaust heating device can be operated reliably.
  • the opening degree of the valve is adjusted so that the flow rate of the exhaust gas flowing through the first exhaust passage is smaller than the flow rate of the exhaust gas flowing through the second exhaust passage, stable heating gas can be generated more reliably. it can.
  • the exhaust heating device can be reliably operated as long as the internal combustion engine is in the low rotation region.
  • the opening degree of the valve is adjusted so that the flow rate of the exhaust gas flowing through the first exhaust passage is smaller than the flow rate of the exhaust gas flowing through the bypass passage, stable heated gas can be generated more reliably.
  • path or a valve can be combined.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of an embodiment of an exhaust heating apparatus for an internal combustion engine according to the present invention.
  • FIG. 2 is a control block diagram of the main part in the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the engine speed and the turbine speed.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a control procedure of the exhaust gas heating device in the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram of another embodiment of a heating apparatus for an internal combustion engine according to the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a control procedure of the exhaust gas heating device in the embodiment shown in FIG.
  • Embodiments in which the present invention is applied to a compression ignition internal combustion engine incorporating a parallel type two-stage exhaust turbine supercharger will be described in detail with reference to FIGS.
  • the present invention is not limited to such an embodiment, and the configuration can be freely changed according to required characteristics.
  • the present invention is also effective for a spark ignition type internal combustion engine in which gasoline, alcohol, LNG (liquefied natural gas) or the like is used as fuel and is ignited by a spark plug.
  • the main part of the engine system in the present embodiment is schematically shown in FIG. 1 and its control block is shown in FIG. 2, but the valve operating mechanism for intake and exhaust, the EGR device, and the like are omitted for convenience.
  • the engine 10 in the present embodiment is a compression ignition type multi-cylinder (four cylinders in the illustrated example) internal combustion that spontaneously ignites by directly injecting light oil as fuel into the combustion chamber 12 in a compressed state from the fuel injection valve 11. Is an institution. However, a single cylinder internal combustion engine may be used due to the characteristics of the present invention.
  • the amount of depression of the accelerator pedal 13 is detected by an accelerator opening sensor 15, and the detection information is output to the ECU 14 and used for setting the injection amount of fuel from the fuel injection valve 11.
  • the intake pipe 17 connected to the engine 10 via the intake manifold 16 defines an intake passage 18 together with the intake manifold 16, and has a branch portion 19d and a junction portion 19c for the branch intake pipe 19 on the upstream side and the downstream side thereof. . That is, both ends of the branch intake pipe 19 are connected to the intake pipe 17 at the upstream branch portion 19 d and the downstream junction portion 19 c of the intake passage 18. In other words, the portion of the intake pipe 17 located between the upstream branch portion 19d and the downstream junction portion 19c of the intake passage 18 and the branch intake pipe 19 are arranged in parallel.
  • a portion defined by the branch intake pipe 19 is referred to as a first intake passage 18f for the sake of convenience, and between the upstream branch portion 19d and the downstream junction portion 19c of the intake passage 18.
  • a portion defined by the intake pipe 17 located at the position is referred to as a second intake passage 18s.
  • An air flow meter 20 and an intake air temperature sensor 21 are attached to the intake pipe 17 further upstream than the branch portion 19d on the upstream side of the intake passage 18, and information regarding the intake air flow rate and the intake air temperature detected by these is provided in the ECU 14. Is output.
  • the ECU 14 corrects the fuel injection amount from the fuel injection valve 11 based on the detection information from the air flow meter 20 and the intake air temperature sensor 21.
  • the intake pipe 17 further downstream than the merging portion 19c on the downstream side of the intake passage 18 has an intercooler 22 for cooling the intake air in order to increase the filling density of the intake air flowing through the intake passage 18, and the opening degree of the intake passage 18
  • a throttle valve 23 for adjustment is provided.
  • the throttle valve 23 in this embodiment is mechanically interlocked with the opening degree of the accelerator pedal 13 whose amount of depression is adjusted by the driver, but the opening degree is electrically changed according to the driving state of the vehicle. Of course, it is also possible to employ a correction made.
  • the exhaust pipe 25 connected to the engine 10 via the exhaust manifold 24 defines an exhaust passage 26 together with the exhaust manifold 24, and has a branch portion 27d and a junction portion 27c related to the branch exhaust pipe 27 on the upstream side and the downstream side. That is, both ends of the branch exhaust pipe 27 are connected to the exhaust pipe 25 by the upstream branch portion 27d and the downstream junction portion 27c of the exhaust passage 26.
  • the portion of the exhaust pipe 25 located between the branch portion 27d on the upstream side of the exhaust passage 26 and the junction portion 27c on the downstream side and the branch exhaust pipe 27 are arranged in parallel.
  • the portion defined by the branch exhaust pipe 27 corresponds to the first exhaust passage 26f of the present invention.
  • the portion defined by the exhaust pipe 25 located between the upstream branching portion 27d and the downstream joining portion 27c of the exhaust passage 26 corresponds to the second exhaust passage 26s in the present invention.
  • a first exhaust turbine supercharger (hereinafter simply referred to as a supercharger) 28 is disposed across the first intake and exhaust passages 18f and 26f, and the compressor 28a is disposed in the first intake passage.
  • the exhaust turbine 28b is located in the first exhaust passage 26f.
  • the second supercharger 29 mainly used in the lower rotation region of the engine 10 than the first supercharger 28 is disposed across the second intake and exhaust passages 18s and 26s.
  • the compressor 29a of the second supercharger 29 is located in the second intake passage 18s and its exhaust turbine 29b is located in the second exhaust passage 26s.
  • the second exhaust passage 26s branched from the upstream branching portion 27d passes downstream through the exhaust turbine 29b of the second supercharger 29 in a state of bypassing the exhaust turbine 28b of the first supercharger 28. It merges with the first exhaust passage 26f at the merging portion 27c on the side.
  • An exhaust purification device 30 is connected to the exhaust pipe 25 located further downstream than the confluence portion 27 c on the downstream side of the exhaust passage 26.
  • An intake opening / closing valve 31 for opening and closing the first intake passage 18f is disposed in the first intake passage 18f on the downstream side of the compressor 28a of the first supercharger 28.
  • An open / close valve drive motor 32 is connected to the intake open / close valve 31, and the ECU 14 controls the operation of the open / close valve drive motor 32 in accordance with the driving state of the vehicle, and switches the open / close operation of the intake open / close valve 31.
  • the engine rotation speed that is, the engine rotation speed N n per unit time is determined to be the rotation speed N R at which the first supercharger 28 starts to exhibit the supercharging capability (hereinafter referred to as the fuel supply determination rotation speed).
  • the intake on / off valve 31 is fully opened.
  • a flow rate adjusting valve 34 capable of adjusting the flow rate of the exhaust gas flowing through the first exhaust passage 26f is disposed in the first exhaust passage 26f upstream of the exhaust turbine 28b of the first supercharger 28. . Further, the flow rate adjusting valve 34 is connected to a valve opening degree sensor 35 for detecting the opening degree, and the detection information is output to the ECU 14. An adjustment valve drive motor 36, the operation of which is controlled by the ECU 14, is also connected to the flow rate adjustment valve 34, and the opening degree is adjusted based on the driving state of the vehicle and detection information from the valve opening degree sensor 35.
  • the flow rate adjustment valve 34 is controlled so as to reduce the amount. More specifically, the opening degree of the flow rate adjustment valve 34 is adjusted by the exhaust heating device 37 so that the exhaust gas at a flow rate that does not cause misfire of the flame generated in the first exhaust passage 26f flows through the first exhaust passage 26f. It is set by the ECU 14 via the valve drive motor 36. As a result, exhaust at a predetermined flow rate that does not cause misfire can be caused to flow through the first exhaust passage 26 f, and the heated gas obtained by the exhaust heating device 37 can be guided to the exhaust purification device 30.
  • the characteristics of the first and second superchargers 28 and 29 in this embodiment are shown in FIG. Relatively inertial mass of the large first supercharger 28, the engine speed N n does not have little supercharging capacity in the following areas fuel supply judgment rotation speed N R.
  • the second supercharger 29 having a relatively small inertial mass exhibits a supercharging capability from a low engine speed region where the first supercharger 28 does not function. Therefore, ECU 14, when the engine speed N n is less than the fuel supply determination rotation speed N R, the intake on-off valve 31 and flow control valve 34 basically maintained substantially fully closed, intake and exhaust of the second intake And the exhaust passages 18s and 26s. However, when it is necessary to supply fuel from the fuel supply valve 38 into the first exhaust passage 26f, the flow rate adjustment valve 34 is slightly opened so that a part of the exhaust is led to the first exhaust passage 26f. I have to.
  • the first exhaust passage 26f located upstream of the junction 27c between the first exhaust passage 26f and the second exhaust passage 26s and downstream of the exhaust turbine 28b of the first supercharger 28 is provided with exhaust heating.
  • a device 37 is arranged.
  • the exhaust heating device 37 is for generating a heated gas and supplying it to the exhaust purification device 30 arranged on the downstream side to maintain its activation and active state.
  • the exhaust heating device 37 in this embodiment includes a fuel supply valve 38 and a glow plug 39 as an ignition means in the present invention in order from the upstream side.
  • the first exhaust passage 26f between the glow plug 39 and the merging portion 27c and the auxiliary oxidation catalyst 40 are sequentially provided from the upstream side.
  • the fuel supply valve 38 is for supplying fuel into the first exhaust passage 26f.
  • the ECU 14 supplies the fuel supply valve 38 with the supply timing and supply amount based on the presence / absence of the activated state of the exhaust purification device 30 and the operating state of the vehicle. Is to be controlled.
  • the glow plug 39 is for igniting the fuel supplied from the fuel supply valve 38 into the first exhaust passage 26f.
  • the glow plug 39 is connected to a DC power source (not shown) for supplying power to the glow plug 39 and a booster circuit, and its surface temperature is controlled by the ECU 14.
  • a ceramic heater or the like instead of the glow plug 39 as the ignition means of the present invention.
  • the exhaust heating device 37 can be operated without any problem in an operating state in which exhaust does not need to be led to the first exhaust passage 26f, that is, in an operating state in which the first supercharger 28 does not need to function. it can.
  • the exhaust gas purification device 30 and the auxiliary oxidation catalyst 40 is activated, even the engine rotational speed N n fuel supply determination rotation speed N R above, first direct the exhaust in the first exhaust passage 26f 1 Even in an operating state in which the supercharger 28 is functioning, the exhaust heating device 37 can be operated as necessary.
  • An auxiliary oxidation catalyst 40 is arranged in the middle of the exhaust passage 26 between the glow plug 39 and the exhaust purification device 30.
  • the auxiliary oxidation catalyst 40 is disposed in the first exhaust passage 26f on the upstream side of the merging portion 27c.
  • the auxiliary oxidation catalyst 40 may be disposed on the exhaust passage 26 on the downstream side of the merging portion 27c. is there.
  • the auxiliary oxidation catalyst 40 has a cross-sectional area that is smaller than the cross-sectional area of the first exhaust passage 26 f, and thus allows a part of the exhaust gas to pass without passing through the auxiliary oxidation catalyst 40.
  • the flow rate of the exhaust gas that passes through the auxiliary oxidation catalyst 40 is lower than the flow rate of the exhaust gas that does not pass through the auxiliary oxidation catalyst 40, and the temperature of the exhaust gas that passes through the auxiliary oxidation catalyst 40 can be further increased.
  • the auxiliary oxidation catalyst 40 is at a sufficiently high temperature, that is, in an activated state, the glow plug 39 can be de-energized and the air-fuel mixture can be directly combusted in the auxiliary oxidation catalyst 40.
  • the auxiliary oxidation catalyst 40 is not activated, such as when the engine 10 is cold-started, it is necessary to energize the glow plug 39.
  • the auxiliary oxidation catalyst 40 When the auxiliary oxidation catalyst 40 reaches a high temperature, hydrocarbons with a large number of carbon atoms in the unburned mixture are decomposed and reformed into highly reactive hydrocarbons with a small number of carbon atoms.
  • the auxiliary oxidation catalyst 40 functions on the one hand as a rapid heating element that rapidly generates heat, and on the other hand as a fuel reforming catalyst that generates reformed fuel.
  • the vaporization promoting member has a function of accelerating fuel atomization, that is, vaporization by scattering the fuel injected from the fuel supply valve 38 and causing the fuel to spray.
  • the exhaust purification device 30 is for detoxifying harmful substances generated by combustion of the air-fuel mixture in the combustion chamber 12.
  • Exhaust purification apparatus 30 in this embodiment is comprises a oxidation catalyst 41 in this order and a three-way catalyst and NO X catalyst from the upstream side of the exhaust passage 26, conveniently an oxidation catalyst disposed on the most upstream end 41 Only illustrated.
  • the oxidation catalyst 41 incorporates a catalyst temperature sensor 42 that detects the hearth temperature and outputs it to the ECU 14.
  • the ECU 14 controls the operation of the flow rate adjustment valve 34 and the exhaust heating device 37, that is, the fuel supply valve 38 and the glow plug 39, in accordance with a preset program based on the driving state of the vehicle and the detection signal from the catalyst temperature sensor 42. To do.
  • the catalyst hearth temperature T n is the following cases T R as an index of its activation, the exhaust gas purification device 30 is determined not to be activated.
  • the fuel supply determination than the rotational speed N R of the engine speed N n is the first turbocharger 28 does not exhibit the supercharging capacity, and holds the flow control valve 34 to slightly open state of the exhaust one The portion is also led to the first exhaust passage 26f.
  • the glow plug 39 is energized and fuel is supplied from the fuel supply valve 38 to raise the temperature of the exhaust gas passing through the exhaust turbine 28b of the first supercharger 28.
  • the glow plug with the contrary, when the catalyst hearth temperature T n exceeds the activation determination temperature T R, and determines that the exhaust purification device 30 is activated to stop the supply of the fuel from the fuel supply valve 38 Turn off power to 39. Further, when the engine rotational speed N n is more than the fuel supply determination rotational speed N R of the first turbocharger 28 exerts supercharging capacity, holds the intake on-off valve 31 and flow control valve 34, respectively fully opened Thus, the supercharging effect by the first supercharger 28 is exhibited.
  • the control procedure of the exhaust heating device 37 is shown in the flowchart of FIG. That is, equal to or lower than the activation determination reference temperature T R is the temperature T n of the oxidation catalyst 41 detected by the catalyst temperature sensor 42 in step S11.
  • the temperature T n of the oxidation catalyst 41 is less than the activation determination reference temperature T R, that is, when the oxidation catalyst 41 is determined to be in the inactive state, the transition to the engine speed N n in step S12 It is determined whether or not the fuel supply determination rotational speed N R is equal to or less.
  • the engine speed N n is equal to or less than the fuel supply determination rotation speed N R, that is, when the first supercharger 28 is determined not to be exhibited supercharging function, proceeds to S13 in step To determine whether the flag is set.
  • the process proceeds to step S14, the flag is set, and the glow plug 39 is energized in step S15.
  • step S16 the opening of the flow rate adjustment valve 34 is adjusted so that a part of the exhaust gas slightly flows through the first exhaust passage 26f.
  • the fuel is supplied from the fuel supply valve 38 to the first fuel. It injects into the exhaust passage 26f.
  • the fuel is ignited in the first exhaust passage 26f through which the exhaust gas slightly flows, and the temperature of the obtained heated gas is further increased by the auxiliary oxidation catalyst 40. Then, the exhaust gas flowing from here is mixed with the second exhaust passage 26s and guided to the exhaust gas purification device 30 to raise the temperature of the exhaust gas purification device 30.
  • step S18 it is determined whether the temperature T n of the oxidation catalyst 41 exceeds the activation determination reference temperature T R at S18 in step.
  • the fuel supply valve 38 moves to step S19 The fuel supply is stopped and the opening degree control of the flow rate adjustment valve 34 is stopped. Then, substantially or fully closed flow control valve 34 according to the engine speed N n, or switched to the fully opened state. Further, after the energization of the glow plug 39 is stopped, the process proceeds to step S20, the flag is reset, and a series of control is finished.
  • step S18 the temperature T n of the oxidation catalyst 41 is less than the activation determination reference temperature T R, that is, when the oxidation catalyst 41 is judged not yet activated, the flow returns to step S12. Then, the engine speed N n is equal to or less than the fuel supply determination rotation speed N R, only when the engine speed N n is less than the fuel supply determination rotation speed N R, continuous first Fuel is supplied to the exhaust passage 26f to activate the oxidation catalyst 41. If the flag is set in step S13, that is, if it is determined that the fuel is supplied from the fuel supply valve 38 for the second time or later, the process proceeds to step S17 and the fuel supply is continued. .
  • the process proceeds to step S19 and the supply of fuel from the fuel supply valve 38 is performed. Stop.
  • the opening degree control of the flow rate adjusting valve 34 is stopped and switched to the fully open state.
  • the intake on-off valve 31 is also switched to the fully open state.
  • step S21 If it is determined in step S21 that the flag is not set, that is, fuel is not supplied from the fuel supply valve 38, this control flow is terminated without doing anything. Further, the temperature T n of the oxidation catalyst 41 at step S11 exceeds the activation determination reference temperature T R, i.e. the same when the oxidation catalyst 41 is determined to be activated.
  • the present invention can also be applied to an engine system in which the above-described first and second superchargers 28 and 29 are arranged in series with respect to the exhaust passage 26.
  • Such another embodiment of the present invention is schematically shown in FIG. 5, but elements having the same functions as those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. That is, the intake pipe 17 that defines the intake passage 18 has a branching portion 43d and a merging portion 43c related to the intake bypass pipe 43 on the upstream side and the downstream side thereof. That is, both ends of the intake bypass pipe 43 are connected to the intake pipe 17 by the upstream branching portion 43d and the downstream junction portion 43c of the intake passage 18.
  • the portion of the intake pipe 17 positioned between the upstream branching portion 43d and the downstream junction portion 43c of the intake passage 18 and the intake bypass pipe 43 are arranged in parallel.
  • the intake passage 18 on the upstream side of the intake bypass pipe 43 is referred to as a first intake passage 18f for convenience.
  • a portion defined by the intake pipe 17 located between the upstream branching portion 43d and the downstream junction portion 43c of the intake passage 18 is referred to as a second intake passage 18s.
  • An intake bypass valve 44 for opening and closing the inside of the intake bypass pipe 43 is attached in the middle of the intake bypass pipe 43, and the opening and closing operation thereof is controlled by the ECU 14 via an intake bypass valve drive motor (not shown) according to the driving state of the vehicle. Controlled by
  • the exhaust pipe 25 that defines the intake passage 18 has a branch portion 45d and a junction portion 45c related to the first exhaust bypass pipe 45 on the upstream side and the downstream side thereof. That is, both ends of the first exhaust bypass pipe 45 are connected to the exhaust pipe 25 by the upstream branching portion 45d and the downstream joining portion 45c of the exhaust passage 26. In other words, the portion of the exhaust pipe 25 located between the upstream branching portion 45d and the downstream joining portion 45c of the exhaust passage 26 and the first exhaust bypass pipe 45 are arranged in parallel. Yes.
  • An exhaust purification device 30 is connected to the exhaust pipe 25 located downstream of the first exhaust bypass pipe 45.
  • the exhaust pipe 25 located further upstream than the first exhaust bypass pipe 45 further includes a branching portion 46d and a joining portion 46c related to the second exhaust bypass pipe 46 on the upstream side and the downstream side thereof. That is, both ends of the second exhaust bypass pipe 46 are connected to the exhaust pipe 25 by the upstream branching portion 46d and the downstream joining portion 46c of the exhaust passage 26.
  • the portion of the exhaust pipe 25 located between the upstream branching portion 46d and the downstream joining portion 46c of the exhaust passage 26 and the second exhaust bypass pipe 46 are arranged in parallel. Yes.
  • a portion defined by the exhaust pipe 25 located between the upstream branching portion 45d and the downstream junction 45c with respect to the first exhaust bypass pipe 45 is the first exhaust passage in the present invention.
  • the portion of the exhaust pipe 25 extending from the branch portion 46d related to the second exhaust bypass pipe 46 to the branch portion 45d related to the first exhaust bypass pipe 45 and the first exhaust bypass pipe 45 correspond to the second exhaust passage 26s of the present invention. To do.
  • the first supercharger 28 is disposed across the first intake and exhaust passages 18f and 26f, the compressor 28a is located in the first intake passage 18f, and the exhaust turbine 28b is disposed in the first exhaust passage. 26f.
  • the second supercharger 29 mainly used in the lower rotation region of the engine 10 than the first supercharger 28 is disposed across the second intake and exhaust passages 18s and 26s.
  • the compressor 29a of the second supercharger 29 is located in the second intake passage 18s, and the exhaust turbine 29b is a second exhaust between the branching portion 46d and the merging portion 46c with respect to the second exhaust bypass pipe 46.
  • the second exhaust passage 26s passing through the exhaust turbine 29b of the second supercharger 29 joins the downstream side with the first exhaust bypass pipe 45 bypassing the exhaust turbine 28b of the first supercharger 28.
  • the portion 45c joins the first exhaust passage 26f.
  • An exhaust heating device 37 is incorporated in the middle of the second exhaust passage 26s downstream of the exhaust turbine 28b of the first supercharger 28 and upstream of the junction 45c with the first exhaust bypass pipe 45. Yes.
  • An exhaust purification device 30 is disposed in the exhaust passage 26 on the downstream side of the joining portion 45 c with the first exhaust bypass pipe 45.
  • the first exhaust bypass pipe 45 and the second exhaust bypass pipe 46 are incorporated with a first exhaust bypass valve 47 and a second exhaust bypass valve 48 that can open and close them, respectively. These opening / closing operations are respectively controlled by the ECU 14 via a first exhaust bypass valve drive motor and a second exhaust bypass valve drive motor (not shown).
  • the opening degree of the first exhaust bypass valve 47 can be controlled so that a part of the exhaust gas flows in the second exhaust passage 26s, and accordingly, the valve opening degree sensor 35 is attached to the first exhaust bypass valve 47. That is, the first exhaust bypass valve 47 corresponds to the flow rate adjustment valve 34 in the previous embodiment.
  • the first exhaust bypass valve 47 is configured to exhaust the flow rate of the exhaust gas flowing through the first exhaust passage 26f through the second exhaust passage 26s.
  • the opening degree is controlled so as to be smaller than the flow rate. More specifically, the opening degree of the first exhaust bypass valve 47 is such that the exhaust gas is flowed through the first exhaust passage 26f at such a flow rate that the flame generated in the first exhaust passage 26f by the exhaust heating device 37 does not misfire. Is set by the ECU 14 via the first exhaust bypass valve drive motor.
  • the characteristics of the first and second superchargers 28 and 29 in this embodiment are shown in FIG. Relatively inertial mass of the large first supercharger 28, the engine speed N n does not have little supercharging capacity in the following areas fuel supply judgment rotation speed N R.
  • the second supercharger 29 having a relatively small inertial mass exhibits supercharging capability from the low engine speed region where the first supercharger 28 does not function. Therefore, ECU 14, when the engine speed N n is less than the fuel supply determination rotation speed N R, essentially retains substantially fully closed the intake bypass valve 44 and the second exhaust bypass valve 48, the first exhaust bypass valve 47 is kept fully open.
  • the first exhaust bypass valve 47 When it is necessary to supply fuel from the fuel supply valve 38 into the first exhaust passage 26f, the first exhaust bypass valve 47 is slightly throttled from the fully opened state so that a part of the exhaust is led to the first exhaust passage 26f. To. However, this operation is performed only if the first exhaust bypass valve 47 to the engine rotational speed N n is in the following areas fuel supply judgment rotation speed N R is fully open. As a result, the fuel injected from the fuel supply valve 38 to the first exhaust passage 26f is ignited by the glow plug 39 and becomes a heated gas without misfiring at the junction 45c with the first exhaust bypass pipe 45. The exhaust gas is mixed with the exhaust gas flowing from the second exhaust passage 26s. Then, activation of the exhaust purification device 30 is promoted.
  • the exhaust heating device 37 is operated in an arbitrary operation state. Note that you can.

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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

内燃機関の排気加熱装置およびその制御方法
　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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