WO2012081062A1 - 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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internal combustion
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直希 竹内
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トヨタ自動車株式会社
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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 a first exhaust turbine supercharger and a second exhaust turbine supercharger that is arranged upstream of the exhaust passage and is mainly used in a low speed region of an internal combustion engine. And a first bypass passage that bypasses the exhaust turbine of the first exhaust turbine supercharger and bypasses the exhaust turbine of the second exhaust turbine supercharger.
  • Exhaust heating device for heating exhaust gas led from the internal combustion engine to the exhaust gas purification device having a second bypass passage that performs and two on-off valves for independently opening and closing the first and second bypass passages
  • the exhaust heating apparatus is configured such that the exhaust passage is located upstream of the junction of the exhaust passage and the second bypass passage and downstream of the exhaust turbine of the second exhaust turbine supercharger.
  • Exhaust gas flowing through the exhaust passage is disposed in the exhaust passage downstream of the branch portion of the exhaust passage and the second bypass passage and upstream of the exhaust turbine of the second exhaust turbine supercharger.
  • the valve which can adjust the flow volume of this is arranged.
  • the opening of the valve is adjusted so that a part of the exhaust is from the second exhaust turbine supercharger. It is led to an exhaust heating device through an exhaust turbine.
  • the heated gas generated by the operation of the exhaust heating device joins with the exhaust gas flowing through the second bypass passage at the joining portion of the exhaust passage and the second bypass passage, and flows into the exhaust gas purification device.
  • the exhaust heating apparatus is configured to ignite and burn the fuel supply valve for supplying fuel to the exhaust passage and the fuel supplied from the fuel supply valve to the exhaust passage. It may have an ignition means. In this case, an oxidation catalyst can be disposed in the middle of the exhaust passage between the ignition means and the exhaust purification device. Further, when the fuel is ignited using the ignition means, the valve is configured such that the flow rate of the exhaust gas passing through the exhaust turbine of the second exhaust turbine supercharger is smaller than the flow rate of the exhaust gas flowing through the second bypass passage. Moreover, it is preferable to adjust the opening degree.
  • an exhaust heating apparatus control method according to the first aspect of the present invention described above, the step of determining whether or not the exhaust purification apparatus is activated, and the detection of the rotational speed of the internal combustion engine.
  • the opening degree of the valve in the closed state is adjusted.
  • the exhaust gas heating device is operated while the exhaust gas of a predetermined flow rate is also guided to the exhaust turbine of the second exhaust turbine supercharger.
  • the heated gas thereby joins the exhaust gas flowing through the second bypass passage at the junction of the exhaust passage and the second bypass passage, and flows into the exhaust purification device.
  • the valve when it is determined that the exhaust gas purification device is not activated, the valve is driven so that the set opening degree is reached, and the second exhaust turbine type overpressure is controlled.
  • the step of guiding the exhaust gas of a predetermined flow rate to the exhaust turbine of the feeder and operating the exhaust heating device may include a step of driving the second on-off valve so that the second bypass passage is fully opened.
  • the exhaust heating device can be stably operated by adjusting the opening of the valve.
  • the heated gas can be efficiently mixed with the exhaust flowing through the second bypass passage at the junction with the exhaust passage.
  • the heating gas can be heated more efficiently.
  • the opening of the valve is adjusted so that the flow rate of the exhaust gas passing through the exhaust turbine of the second exhaust turbine supercharger is smaller than the flow rate of the exhaust gas flowing through the second bypass passage, and the fuel is discharged using the ignition means. When ignited, stable heated gas can be generated more reliably.
  • 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.
  • Embodiments in which the present invention is applied to a compression ignition internal combustion engine in which a series type two-stage exhaust turbine supercharger is incorporated 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 a branch portion with the intake bypass pipe 20 that defines the intake bypass passage 19 on the upstream side and the downstream side thereof. 20d and merging portion 20c. That is, both ends of the intake bypass pipe 20 are connected to the intake pipe 17 by the upstream branching portion 20d and the downstream junction 20c of the intake passage 18.
  • the portion of the intake pipe 17 located between the branch portion 20d and the merge portion 20c and the intake bypass pipe 20 are arranged in parallel.
  • the intake passage 18 upstream of the branching portion 20d is referred to as a first intake passage 18f for convenience.
  • a portion defined by the intake pipe 17 between the branch portion 20d and the merge portion 20c is referred to as a second intake passage 18s for convenience.
  • An air flow meter 21 and an intake air temperature sensor 22 are attached to the intake pipe 17 further upstream than the branching portion 20d, and information on the intake air flow rate and the intake air temperature detected by these is output to the ECU 14.
  • the ECU 14 corrects the fuel injection amount from the fuel injection valve 11 based on the detection information from the air flow meter 21 and the intake air temperature sensor 22.
  • an intercooler 23 that cools intake air in order to increase the filling density of intake air flowing through the intake passage 18, and a throttle valve 24 that adjusts the opening of the intake passage 18.
  • the throttle valve 24 has an accelerator so that the opening of the intake passage 18 is corrected by the ECU 14 in accordance with the driving state of the vehicle with respect to the opening of the accelerator pedal 13 whose amount of depression is adjusted by the driver.
  • the pedal 13 is electrically connected.
  • an intake bypass valve 25 for opening and closing the intake bypass passage 19 is provided in the middle of the intake bypass pipe 20, an intake bypass valve 25 for opening and closing the intake bypass passage 19 is provided.
  • a bypass valve drive motor 26 is connected to the intake bypass valve 25, and the ECU 14 controls the operation of the bypass valve drive motor 26 in accordance with the driving state of the vehicle, and switches the opening / closing operation of the intake bypass valve 25.
  • the exhaust pipe 28 that defines the exhaust passage 27 has a branch portion 30d and a merge portion 30c with the first exhaust bypass pipe 30 that defines the first exhaust bypass passage 29 on the upstream side and the downstream side thereof. That is, both ends of the first exhaust bypass pipe 30 are connected to the exhaust pipe 28 by the upstream branching portion 30d and the downstream joining portion 30c of the exhaust passage 27.
  • a portion of the exhaust passage 27 located between the upstream branch portion 30d and the downstream junction portion 30c of the exhaust passage 27 hereinafter, this portion is referred to as a first exhaust passage 27f for convenience).
  • the first exhaust bypass passage 29 is arranged in parallel.
  • the first exhaust bypass pipe 30 is provided with a first exhaust bypass valve 31 for opening and closing the first exhaust bypass passage 29, and the opening and closing operation thereof is controlled by the ECU 14 based on the driving state of the vehicle. ing.
  • the first exhaust bypass valve 31 in the present embodiment is connected to the previous bypass valve drive motor 26 together with the intake bypass valve 25.
  • the first exhaust bypass passage is interlocked with the opening / closing operation of the intake bypass valve 25 almost in reverse. 29 is opened and closed.
  • the exhaust pipe 28 located further upstream than the branch portion 30d with the first exhaust bypass pipe 30 is connected to the second exhaust bypass pipe 33 that defines the second exhaust bypass passage 32 on the upstream side and the downstream side thereof. It further has a branch part 33d and a junction part 33c. That is, both ends of the second exhaust bypass pipe 33 are connected to the exhaust pipe 28 by the upstream branching portion 33d and the downstream joining portion 33c of the exhaust passage 27.
  • the portion of the exhaust passage 27 located between the upstream branching portion 33d and the downstream junction portion 33c of the exhaust passage 27 (hereinafter referred to as the second exhaust passage 27s for convenience),
  • the second exhaust bypass passage 32 is arranged in parallel.
  • the second exhaust bypass pipe 33 is provided with a second exhaust bypass valve 34 for opening and closing the second exhaust bypass passage 32, and the opening and closing operation thereof is controlled by the ECU 14 based on the driving state of the vehicle.
  • the second bypass valve drive motor 35 is connected to the second exhaust bypass valve 34, and the opening / closing operation of the second exhaust bypass valve 34 is controlled via the second bypass valve drive motor 35.
  • the first supercharger 36 is disposed across the first intake passage 18f and the first exhaust passage 26f, the compressor 36a is located in the first intake passage 18f, and the exhaust turbine 36b is the first one. 1 exhaust passage 27f. Accordingly, the first exhaust bypass passage 29 that branches from the first exhaust passage 27f at the branch portion 30d is in a state where it bypasses the exhaust turbine 36b of the first supercharger 36 and is first at the junction 30c downstream thereof.
  • the exhaust passage 27f joins the exhaust passage 27 together with the exhaust passage 27f.
  • the second supercharger 37 mainly used in the low rotation region of the engine 10 than the first supercharger 36 straddles the second intake passage 18s and the second exhaust passage 26s. It is arranged.
  • the compressor 37 a of the second supercharger 37 is located in the second intake passage 18 s, and the exhaust turbine 37 b is located in the second exhaust passage 27 s defined by the second exhaust bypass pipe 33. Accordingly, the second exhaust bypass passage 32 branched from the second exhaust passage 27s at the branch portion 33d is secondly connected at the downstream junction portion 33c while bypassing the exhaust turbine 37b of the second supercharger 37. Together with the exhaust passage 27s, the exhaust passage 27 joins the upstream side of the branch portion 30d.
  • An exhaust purification device 38 for detoxifying harmful substances generated by combustion of the air-fuel mixture in the combustion chamber 12 is provided in the exhaust pipe 28 located downstream of the junction 30 c with the first exhaust bypass pipe 30. Are connected.
  • Exhaust purification apparatus of the present embodiment 38 is from the upstream side of the exhaust passage 27 and the oxidation catalyst 39 in this order and comprises a three-way catalyst and NO X catalyst, conveniently an oxidation catalyst disposed on the most upstream end 39 Only illustrated. Temperature (hereinafter, this catalyst temperature and described) in this oxidation catalyst 39 catalyst temperature sensor 40 that outputs this by detecting T n the ECU14 is incorporated.
  • the second exhaust passage 27s In the middle of the second exhaust passage 27s upstream of the exhaust turbine 37b of the second supercharger 37 and downstream of the branch portion 33d with the second exhaust bypass pipe 33, the second exhaust passage 27s is provided.
  • a flow rate adjustment valve 41 that can adjust the flow rate of the flowing exhaust gas is provided. Further, the flow rate adjustment valve 41 is connected to a valve opening degree sensor 42 for detecting the opening degree, and the detection information is output to the ECU 14.
  • An adjustment valve drive motor 43 whose operation is controlled by the ECU 14 is also connected to the flow rate adjustment valve 41, and its opening degree is adjusted based on the operating state of the vehicle and detection information from the valve opening degree sensor 42.
  • the opening / closing operation of the second exhaust bypass valve 34 by the second bypass valve drive motor 35 is basically driven in reverse to the opening / closing operation of the flow rate adjustment valve 41. More specifically, the second exhaust bypass valve 34 is held in a fully closed state only when the flow rate adjustment valve 41 is in a fully open state. On the other hand, when the exhaust gas is guided to the second exhaust bypass passage 27s, the opening degree of the second exhaust bypass valve 34 and the flow rate adjustment valve 41 is controlled so that the required supercharging pressure is achieved.
  • An exhaust heating device 44 is incorporated in the middle of the second exhaust passage 27s downstream of the exhaust turbine 37b of the second supercharger 37 and upstream of the junction 33c with the second exhaust bypass pipe 33. Yes.
  • the exhaust gas heating device 44 is for generating a heated gas and supplying it to the exhaust gas purification device 38 disposed on the downstream side to maintain its activation and active state.
  • the exhaust heating device 44 in this embodiment includes a fuel supply valve 45, a glow plug 46 as an ignition means in the present invention, and an auxiliary oxidation catalyst 47 in order from the upstream side.
  • the fuel supply valve 45 is for supplying fuel into the second exhaust passage 27s, and the ECU 14 supplies the supply timing and supply amount based on the presence / absence of the activated state of the exhaust purification device 38 and the operating state of the vehicle. Is to be controlled.
  • the fuel supply operation from the fuel supply valve 45 into the second exhaust passage 27s is performed when the exhaust purification device 38 is in an inactive state. Accordingly, the exhaust heating device 44 is operated as necessary even in an operation state in which exhaust does not need to be guided to the second exhaust passage 27s, that is, an operation state in which the second supercharger 37 is not required to function. . Further, even in an operation state in which exhaust is guided to the second exhaust passage 27s and the second supercharger 37 is functioning, the exhaust heating device 44 is operated as necessary.
  • the glow plug 46 is for igniting the fuel supplied from the fuel supply valve 45 into the second exhaust passage 27s when it does not spontaneously ignite.
  • the glow plug 46 is connected to a DC power source (not shown) for supplying power to the glow plug 46 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 46 as the ignition means of the present invention.
  • the auxiliary oxidation catalyst 47 is arranged in the middle of the exhaust passage 27 between the glow plug 46 and the exhaust purification device 38.
  • the auxiliary oxidation catalyst 47 is disposed in the second exhaust passage 27s on the upstream side of the merging portion 33c, but may be disposed on the exhaust passage 27 on the downstream side of the merging portion 33c. is there.
  • the auxiliary oxidation catalyst 47 has a cross-sectional area smaller than the cross-sectional area of the second exhaust passage 27 s, and thus allows a part of the exhaust gas to pass without passing through the auxiliary oxidation catalyst 47.
  • the flow rate of the exhaust gas that passes through the auxiliary oxidation catalyst 47 is lower than the flow rate of the exhaust gas that does not pass through the auxiliary oxidation catalyst 47, and the temperature of the exhaust gas that passes through the auxiliary oxidation catalyst 47 can be further increased.
  • the auxiliary oxidation catalyst 47 is at a sufficiently high temperature, that is, in an activated state, the glow plug 46 can be turned off, and the air-fuel mixture can be directly combusted in the auxiliary oxidation catalyst 47.
  • the auxiliary oxidation catalyst 47 is not activated, such as when the engine 10 is cold-started, it is necessary to energize the glow plug 46.
  • auxiliary oxidation catalyst 47 when the auxiliary oxidation catalyst 47 reaches a high temperature, hydrocarbons having a large number of carbon atoms in the unburned mixture are decomposed and reformed into highly reactive hydrocarbons having a small number of carbon atoms.
  • the auxiliary oxidation catalyst 47 functions as a rapid heating element that generates heat rapidly on the one hand, and also functions as a fuel reforming catalyst that generates reformed fuel on the other hand.
  • an auxiliary temperature sensor 48 that detects the temperature of the auxiliary oxidation catalyst 47 (hereinafter referred to as auxiliary catalyst temperature) T Sn and outputs the detected temperature to the ECU 14 is provided.
  • the ECU 14 determines whether or not the glow plug 46 is energized based on detection information from the auxiliary temperature sensor 48.
  • the vaporization promoting member has a function of accelerating fuel atomization, that is, vaporization by scattering the fuel injected from the fuel supply valve 45 and colliding it.
  • the characteristics of the first and second superchargers 36 and 37 in this embodiment are shown in FIG.
  • Relatively inertial mass of the large first supercharger 36 describes the engine rotational speed, i.e. the engine speed per unit time N n is the predetermined rotational speed N R (hereinafter to as boost condition judgment rotation speed ) Almost no supercharging capacity in the area below.
  • the engine rotational speed N n supercharging state judgment rotation speed N R above area is an area where the first supercharger 36 exerts supercharging capacity.
  • the second supercharger 37 having a relatively small inertial mass exhibits a supercharging capability from a low engine speed region where the first supercharger 36 does not function.
  • ECU 14 when the engine speed N n is less than boost condition judgment rotation speed N R, actuating the second supercharger 37 without operating the first supercharger 36.
  • the first exhaust bypass valve 31 and the flow rate adjustment valve 41 are basically maintained in a substantially fully opened state, and the intake bypass valve 25 and the second exhaust bypass valve 34 are maintained in a fully closed state.
  • the engine rotational speed N n is in the case of more than boost condition judgment rotation speed N R actuates the first supercharger 36 without operating the second supercharger 37.
  • the first exhaust bypass valve 31 and the flow rate adjustment valve 41 are held in a fully closed state, and the intake bypass valve 25 and the second exhaust bypass valve 34 are basically held in a substantially fully opened state.
  • the crank angle phase of the engine 10 is detected by the crank angle sensor 49, and the detected information is output to the ECU 14.
  • the ECU 14 determines the engine speed N based on the information from the crank angle sensor 49. n is calculated.
  • the second exhaust bypass valve 41 is configured such that the flow rate adjustment valve 41 is slightly throttled from the fully open state or slightly opened from the fully closed state and the amount of exhaust to be supplied to the second exhaust passage 27s is guided. 34 is controlled. As a result, the fuel injected from the fuel supply valve 45 into the second exhaust passage 27s is ignited by the glow plug 46 and becomes a heated gas without misfiring at the junction 33c with the second exhaust bypass pipe 33. The exhaust gas flowing from the second exhaust bypass passage 32 is mixed. Then, activation of the exhaust purification device 38 is promoted.
  • the ECU 14 controls the operation of the intake bypass valve 25, the first and second exhaust bypass valves 31, 34, the flow rate adjustment valve 41, the exhaust heating device 44, that is, the fuel supply valve 45 and the glow plug 46. Control for these is performed as follows according to a preset program based on the driving state of the vehicle and detection signals from the auxiliary temperature sensor 48 and the catalyst temperature sensor 40. That is, based on the detection signal from the catalyst temperature sensor 40, the temperature of the temperature T n of the oxidation catalyst 39 is indicative of their activation (hereinafter referred to as the activation index temperature this) of less than T R, the exhaust gas purification It is determined that the device 38 is not activated, and the exhaust heating device 44 is activated.
  • the catalyst temperature T when n is greater than its activation index temperature T R the exhaust purification device 38 stops the operation of the exhaust heat system 44 is determined to be activated. Further, if the temperature T Sn of the auxiliary oxidation catalyst 47 is lower than the temperature that becomes an activation index (hereinafter referred to as the activation index temperature) TSR , it is determined that the auxiliary oxidation catalyst 47 is not activated. Then, the glow plug 46 is energized. Conversely, when the auxiliary catalyst temperature T Sn is equal to or higher than the activation index temperature T SR, it is determined that the auxiliary oxidation catalyst 47 is activated, and the energization to the glow plug 46 is stopped.
  • the activation index temperature the temperature that becomes an activation index
  • the engine speed N n may operate the exhaust heating device 44 in the boost state judgment rotation speed N R above state, held in the flow control valve 41 is slightly opened in a fully closed state Good. That is, the intake bypass valve 25 and the second exhaust bypass valve 34 can be kept fully open and the first exhaust bypass valve 31 can be kept fully closed. In this way, part of the exhaust gas is guided to the second exhaust passage 27s, enabling fuel to be ignited and preventing its misfire (for example, the characteristic is as indicated by arrow A in FIG. 3).
  • the opening degree of the flow rate adjusting valve 41 is adjusted so that the fuel supplied from the fuel supply valve 45 of the exhaust heating device 44 to the second exhaust passage 27s does not misfire. That is, the flow rate of the exhaust led to the second exhaust passage 27s is made smaller than the flow rate of the exhaust flowing through the second exhaust bypass passage 32. More specifically, the opening degree of the flow rate adjustment valve 41 is adjusted so that the exhaust gas having a flow rate at which the flame generated by the ignition of the fuel in the second exhaust passage 27s does not misfire flows through the second exhaust passage 27s. It is set by the ECU 14 via the valve drive motor 43. As a result, exhaust at a predetermined flow rate that does not cause misfire can be caused to flow through the second exhaust passage 27 s, and the heated gas obtained by the exhaust heating device 44 can be guided to the exhaust purification device 38.
  • the control procedure of the exhaust heating device 44 is shown in the flowchart of FIG. That is, it is determined whether the temperature T n of the oxidation catalyst 39 detected by the catalyst temperature sensor 40 in step S11 is less than its activation index temperature T R.
  • the catalyst temperature T n is the activation index temperature T R above, that is, when the oxidation catalyst 39 has determined that there is no need to operate the exhaust heating device 44 because it is in an active state, without any of the S11
  • the determination process at the step is repeated.
  • step S12 it is determined whether or not the temperature T Sn of the auxiliary oxidation catalyst 47 detected by the auxiliary temperature sensor 48 is lower than the activation index temperature T SR .
  • step S13 it is determined whether a flag for energizing the glow plug 46 is set. Initially, since this flag is not set, the process proceeds to step S14 to set the flag and energize the glow plug 46 in step S15. Then, the intake bypass valve 25, the first step of S15, the set based on the opening and closing state of the second exhaust bypass valve 31, 34 and flow control valve 41 to the engine speed N n.
  • the intake bypass valve 25 when the engine speed N n is the boost condition determination than the rotational speed N R, the intake bypass valve 25, whereas the second exhaust bypass valve 34 is in the fully closed state, the first exhaust bypass valve 31, The flow rate adjustment valve 41 is held in a fully open state. Therefore, when the fuel supplied to the second exhaust passage 27s is ignited by the glow plug 46, the opening degree of the flow rate adjustment valve 41 and the second exhaust bypass valve 34 is controlled so that the flow rate is such that it does not misfire. Is done. More specifically, the flow rate adjustment valve 41 is throttled from the fully open state, and the opening degree of the second exhaust bypass valve 34 is controlled so that a necessary amount of exhaust is guided to the second exhaust passage 27s.
  • the flow rate of the exhaust gas flowing through the second exhaust passage 27s is reduced, and the remaining exhaust gas is guided to the first exhaust bypass passage 32.
  • the intake bypass valve 25 whereas the second exhaust bypass valve 34 is in the fully open state, the first exhaust bypass valve 31 and flow rate
  • the adjustment valve 41 is held in a fully closed state. Therefore, the flow rate adjustment valve 41 is slightly opened from the fully closed state so that the fuel supplied to the second exhaust passage 27s is ignited, and part of the exhaust gas is also guided to the second exhaust passage 27s.
  • step S17 fuel is injected from the fuel supply valve 45 into the second exhaust passage 27s.
  • the fuel is ignited in the second exhaust passage 27 s through which the exhaust gas slightly flows, and the resulting heated gas is further heated by the auxiliary oxidation catalyst 47.
  • the exhaust gas flowing from here is mixed at the junction 33c with the first exhaust bypass passage 32 and guided to the exhaust gas purification device 38, whereby the temperature of the exhaust gas purification device 38 is increased.
  • the catalyst temperature T n detected by the catalyst temperature sensor 40 in S18 in step is equal to or its activation index temperature T R above.
  • the catalyst temperature T n is less than the activation index temperature T R, that is, when the oxidation catalyst 39 is determined that it is necessary to continue the operation of the exhaust heating device 44 because it is in an inactive state, the step S12 Return and repeat the previous process.
  • the catalyst temperature T n is the activation index temperature T R above, that is, when the oxidation catalyst 39 is determined that it is necessary to stop the operation of the exhaust heating device 44 so becomes activated, proceeds to step S19, To do.
  • step S19 it is determined whether or not the flag is set. If it is determined that the flag is set, the energization of the glow plug 46 is stopped in step S20, and then the step S21 is performed. Reset the flag.
  • step S22 the valve opening control in step S16 is terminated, and the process returns to the determination step in S11 again.
  • the intake bypass valve 25 and first, second exhaust bypass valve 31, 34 and flow rate The open / close state of the regulating valve 41 is controlled.
  • step S13 if the flag is set in the previous step S13, that is, if it is determined that the glow plug 46 is energized, the process proceeds to step S16 and the operation of the exhaust heating device 44 is continued.
  • step S12 it is determined that it is not necessary to energize the glow plug 46 because the auxiliary catalyst temperature T Sn is equal to or higher than the activation index temperature T SR , that is, the auxiliary oxidation catalyst 47 is in an active state. If so, the process proceeds to step S23.
  • step S23 it is determined whether or not a flag is set. If it is determined that the flag is set, that is, energization of the glow plug 46 is performed, the process proceeds to S24 to stop energization of the glow plug 46, and then the flag is reset in step S21. Thereafter, the process proceeds to step S16 and the operation of the exhaust heating device 44 is continued. On the other hand, if it is determined that the flag is not set in step S23, that is, the glow plug 46 is in a non-energized state, the process proceeds to step S16 and the operation of the exhaust heating device 44 is continued. .
  • the exhaust heating device 44 can be operated in an arbitrary operation state.

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Abstract

　第１の過給機(３６)およびこれよりも排気通路(２７)の上流側に配されて内燃機関の低回転領域にて用いられる第２の過給機(３７)が直列に組み込まれ、第１の過給機の排気タービン(３６ｂ)を迂回する第１のバイパス通路(２９)と、第２の過給機の排気タービン(３７ｂ)を迂回する第２のバイパス通路(３２)と、これら第１および第２のバイパス通路をそれぞれ開閉するための２つの開閉弁(３１，３４)とを有する内燃機関から排気浄化装置(３８)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(４４)は、排気通路と第２のバイパス通路との合流部(３３ｃ)よりも上流かつ第２の過給機の排気タービンよりも下流に位置する排気通路(２７ｓ)に配され、排気通路と第２のバイパス通路との分岐部(３３ｄ)よりも下流かつ第２の過給機の排気タービンよりも上流の排気通路にここを流れる排気の流量を調整し得る弁(４１)を配した。

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排気通路の上流側に配されて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前記排気通路中に直列に組み込まれ、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する第１のバイパス通路と、前記第２の排気タービン式過給機の排気タービンを迂回する第２のバイパス通路と、これら第１および第２のバイパス通路をそれぞれ独立に開閉するための２つの開閉弁とを有する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、前記排気通路と前記第２のバイパス通路との合流部よりも上流かつ前記第２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排気通路に配され、前記排気通路と前記第２のバイパス通路との分岐部よりも下流かつ前記第２の排気タービン式過給機の排気タービンよりも上流の前記排気通路には、こ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ものである。
　本発明において排気加熱装置を作動させる必要がある場合、排気の大部分を第２のバイパス通路に導き、弁の開度を調整して排気の一部が第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加熱装置へと導かれるようにする。この排気加熱装置の作動によって生ずる加熱ガスは、排気通路と第２のバイパス通路との合流部にて第２のバイパス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、排気加熱装置は、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。この場合、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できる。また、着火手段を用いて燃料を着火させる場合、弁は、第２の排気タービン式過給機の排気タービンを通過する排気の流量が第２の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、その開度を調整することが好ましい。
　本発明の第２の形態は、上述した本発明の第１の形態による排気加熱装置の制御方法であって、排気浄化装置の活性化の有無を判定するステップと、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に基づいて前記弁の開度を設定するステップと、前記排気浄化装置が活性化していないと判断した場合、設定された開度となるように前記弁を駆動して前記第２の排気タービン式過給機の排気タービンに所定流量の排気を導く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、第２の排気タービン式過給機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以外の領域にある場合、閉弁状態にある弁の開度を調整して第２の排気タービン式過給機の排気タービンにも所定流量の排気が導かれるように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、排気通路と第２のバイパス通路との合流部にて第２のバイパス通路を流れる排気と合流し、排気浄化装置へと流入する。
　本発明の第２の形態による排気加熱装置の制御方法において、排気浄化装置が活性化していないと判断した場合、設定された開度となるように弁を駆動して第２の排気タービン式過給機の排気タービンに所定流量の排気を導くと共に排気加熱装置を作動させるステップは、第２のバイパス通路が全開状態となるように、第２の開閉弁を駆動するステップを含むことができる。
　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、弁の開度を調整することにより排気加熱装置を安定して作動させることができる。しかも、加熱ガスを排気通路との合流部にて第２のバイパス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。
　第２の排気タービン式過給機の排気タービンを通過する排気の流量が第２の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、着火手段を用いて燃料を着火させた場合、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。
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。
　本発明をシリーズタイプの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、その上流側および下流側に吸気バイパス通路１９を画成する吸気バイパス管２０との分岐部２０ｄおよび合流部２０ｃを有する。つまり、吸気バイパス管２０の両端は、吸気通路１８の上流側の分岐部２０ｄと下流側の合流部２０ｃとで吸気管１７に接続している。換言すると、分岐部２０ｄと合流部２０ｃとの間に位置する吸気管１７の部分と、吸気バイパス管２０とが並列に配された状態となっている。以下、分岐部２０ｄ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、分岐部２０ｄと合流部２０ｃとの間の吸気管１７によって画成される部分を便宜的に第２の吸気通路１８ｓと呼称する。
　分岐部２０ｄ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２１と吸気温センサー２２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２１および吸気温センサー２２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。
　合流部２０ｃ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２３と、吸気通路１８の開度を調整するためのスロットル弁２４とが設けられている。本実施形態におけるスロットル弁２４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、車両の運転状態に応じて吸気通路１８の開度がＥＣＵ１４によって補正されるように、アクセルペダル１３に対して電気的に接続されている。しかしながら、このアクセルペダル１３の開度に対して吸気通路１８の開度が正確に対応するように、アクセルペダル１３に対して機械的に接続されるスロットル弁２４を採用することも当然可能である。
　吸気バイパス管２０の途中には、吸気バイパス通路１９を開閉するための吸気バイパス弁２５が設けられている。この吸気バイパス弁２５には、バイパス弁駆動モーター２６が連結され、車両の運転状態に応じてＥＣＵ１４がバイパス弁駆動モーター２６の作動を制御し、吸気バイパス弁２５の開閉動作を切り替える。
　排気通路２７を画成する排気管２８は、その上流側および下流側に第１排気バイパス通路２９を画成する第１排気バイパス管３０との分岐部３０ｄおよび合流部３０ｃを有する。つまり、第１排気バイパス管３０の両端は、排気通路２７の上流側の分岐部３０ｄと下流側の合流部３０ｃとで排気管２８に接続している。換言すると、排気通路２７の上流側の分岐部３０ｄと下流側の合流部３０ｃとの間に位置する排気通路２７の部分（以下、この部分を便宜的に第１排気通路２７ｆと記述する）と、第１排気バイパス通路２９とが並列に配された状態となっている。この第１排気バイパス管３０には、第１排気バイパス通路２９を開閉するための第１排気バイパス弁３１が設けられ、その開閉動作が車両の運転状態に基づいてＥＣＵ１４により制御されるようになっている。本実施形態における第１排気バイパス弁３１には、先のバイパス弁駆動モーター２６が吸気バイパス弁２５と共に連結され、この吸気バイパス弁２５の開閉動作にほぼ逆に連動して第１の排気バイパス通路２９を開閉するようになっている。しかしながら、この第１排気バイパス弁３１に対して個別のアクチュエーターを連結し、吸気バイパス弁２５に対して独立に第１の排気バイパス通路２９の開閉操作を行うようにすることも可能である。
　第１排気バイパス管３０との分岐部３０ｄよりもさらに上流側に位置する排気管２８には、その上流側および下流側に第２排気バイパス通路３２を画成する第２排気バイパス管３３との分岐部３３ｄおよび合流部３３ｃをさらに有する。つまり、第２排気バイパス管３３の両端は、排気通路２７の上流側の分岐部３３ｄと下流側の合流部３３ｃとで排気管２８に接続している。換言すると、排気通路２７の上流側の分岐部３３ｄと下流側の合流部３３ｃとの間に位置する排気通路２７の部分（以下、これを便宜的に第２排気通路２７ｓと記述する）と、第２排気バイパス通路３２とが並列に配された状態となっている。この第２排気バイパス管３３には、第２排気バイパス通路３２を開閉するための第２排気バイパス弁３４が設けられ、その開閉動作が車両の運転状態に基づいてＥＣＵ１４により制御される。本実施形態では、第２バイパス弁駆動モーター３５がこの第２排気バイパス弁３４に連結され、この第２バイパス弁駆動モーター３５を介して第２排気バイパス弁３４の開閉動作が制御される。
　第１の過給機３６は、第１の吸気通路１８ｆと第１の排気通路２６ｆとに跨がって配され、そのコンプレッサー３６ａが第１の吸気通路１８ｆに位置すると共に排気タービン３６ｂが第１の排気通路２７ｆに位置する。従って、分岐部３０ｄにて第１排気通路２７ｆから分岐する第１排気バイパス通路２９は、第１の過給機３６の排気タービン３６ｂを迂回した状態でその下流側の合流部３０ｃにて第１排気通路２７ｆと共に排気通路２７に合流する。また、第１の過給機３６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３７は、第２の吸気通路１８ｓと第２の排気通路２６ｓとに跨がって配されている。この第２の過給機３７のコンプレッサー３７ａは、第２の吸気通路１８ｓに位置し、その排気タービン３７ｂは第２排気バイパス管３３によって画成される第２の排気通路２７ｓに位置する。従って、分岐部３３ｄにて第２排気通路２７ｓから分岐する第２排気バイパス通路３２は、第２の過給機３７の排気タービン３７ｂを迂回した状態でその下流側の合流部３３ｃにて第２排気通路２７ｓと共に分岐部３０ｄよりも上流側の排気通路２７に合流する。
　前記第１排気バイパス管３０との合流部３０ｃよりも下流側に位置する排気管２８には、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排気浄化装置３８が連結されている。本実施形態における排気浄化装置３８は、排気通路２７の上流側から順に酸化触媒３９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３９のみ図示している。この酸化触媒３９にはその温度（以下、これを触媒温度と記述する）Ｔｎを検出してこれをＥＣＵ１４に出力する触媒温度センサー４０が組み込まれている。
　第２の過給機３７の排気タービン３７ｂよりも上流かつ第２排気バイパス管３３との分岐部３３ｄよりも下流側の第２の排気通路２７ｓの途中には、この第２の排気通路２７ｓを流れる排気の流量を調整し得る流量調整弁４１が設けられている。また、この流量調整弁４１には、その開度を検出するための弁開度センサー４２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４１には、ＥＣＵ１４により作動が制御される調整弁駆動モーター４３も連結され、車両の運転状態および弁開度センサー４２からの検出情報に基づいてその開度が調整される。
　なお、第２バイパス弁駆動モーター３５による先の第２排気バイパス弁３４の開閉動作は、流量調整弁４１の開閉動作に対して基本的に逆に駆動されるようになっている。より具体的には、流量調整弁４１が全開状態の場合にのみ第２排気バイパス弁３４が全閉状態に保持される。これに対し、第２排気バイパス通路２７ｓに排気が導かれる場合には、必要とされる過給圧が達成されるように、第２排気バイパス弁３４および流量調整弁４１の開度が制御される。
　第２の過給機３７の排気タービン３７ｂよりも下流かつ第２排気バイパス管３３との合流部３３ｃよりも上流側の第２の排気通路２７ｓの途中には、排気加熱装置４４が組み込まれている。この排気加熱装置４４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３８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４４は、燃料供給弁４５と、本発明における着火手段としてのグロープラグ４６と、補助酸化触媒４７とを上流側から順に具えている。
　燃料供給弁４５は、第２の排気通路２７ｓ内に燃料を供給するためのものであり、排気浄化装置３８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。この燃料供給弁４５から第２の排気通路２７ｓ内への燃料の供給動作は、排気浄化装置３８が不活性状態の場合に行われる。従って、第２の排気通路２７ｓに排気を導く必要のない運転状態、つまり第２の過給機３７を機能させる必要のない運転状態であっても、必要に応じて排気加熱装置４４を作動させる。また、第２の排気通路２７ｓに排気を導いて第２の過給機３７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４４を作動させるようにしている。
　グロープラグ４６は、燃料供給弁４５から第２の排気通路２７ｓ内に供給された燃料が自然着火しないような場合にこれを着火させるためのものである。このグロープラグ４６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４６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。
　補助酸化触媒４７は、グロープラグ４６と排気浄化装置３８との間の排気通路２７の途中に配されている。本実施形態では、この補助酸化触媒４７を合流部３３ｃよりも上流側の第２の排気通路２７ｓに配しているが、合流部３３ｃよりも下流側の排気通路２７に配することも可能である。補助酸化触媒４７は、第２の排気通路２７ｓ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４７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４７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４７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４７が充分に高温、つまり活性化した状態では、グロープラグ４６に対する通電を切り、補助酸化触媒４７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４７が活性化していない場合には、グロープラグ４６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４７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４７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。本実施形態では、補助酸化触媒４７の温度（以下、これを補助触媒温度と記述する）ＴＳｎを検出してこれをＥＣＵ１４に出力する補助温度センサー４８が設けられている。そして、この補助温度センサー４８からの検出情報に基づいてグロープラグ４６に対する通電の有無がＥＣＵ１４にて決定される。
　このように、第２の排気通路２７ｓ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４７を通ってさらに昇温し、未燃ガスも補助酸化触媒４７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３３ｃにて第２の排気バイパス通路３２を流れる排気と混合された状態となって排気浄化装置３８側へと供給される。この結果、車両が走行中であっても排気浄化装置３８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。
　なお、燃料供給弁４５から第２の排気通路２７ｓ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４５およびグロープラグ４６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４５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。
　本実施形態における第１および第２の過給機３６，３７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３６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が所定回転数ＮＲ（以下、これを過給状態判定回転数と記述する）未満の領域での過給能力をほとんど有していない。つまり、エンジン回転数Ｎｎが過給状態判定回転数ＮＲ以上の領域は、第１の過給機３６が過給能力を発揮する領域である。これに対し、相対的に慣性質量が小さい第２の過給機３７は、第１の過給機３６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が過給状態判定回転数ＮＲ未満の場合、第１の過給機３６を作動させずに第２の過給機３７を作動させる。具体的には、第１排気バイパス弁３１および流量調整弁４１を基本的にほぼ全開状態に保持し、吸気バイパス弁２５および第２排気バイパス弁３４を全閉状態に保持する。また、エンジン回転数Ｎｎが過給状態判定回転数ＮＲ以上の場合には、第２の過給機３７を作動させずに第１の過給機３６を作動させる。具体的には、第１排気バイパス弁３１および流量調整弁４１を全閉状態に保持し、吸気バイパス弁２５および第２排気バイパス弁３４を基本的にほぼ全開状態に保持する。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４９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４９からの情報に基づいてエンジン回転数Ｎｎを算出する。
　排気浄化装置３８の活性化を図るため、燃料供給弁４５から燃料を第２の排気通路２７ｓに供給する必要がある場合、排気の一部のみが第２の排気通路２７ｓへと流れるようにする。具体的には、流量調整弁４１を全開状態から少し絞るか、あるいは全閉状態から僅かに開けると共に第２の排気通路２７ｓに供給すべき量の排気が導かれるように、第２排気バイパス弁３４の開度を制御する。これにより、燃料供給弁４５から第２の排気通路２７ｓに噴射される燃料は、グロープラグ４６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２排気バイパス管３３との合流部３３ｃにて第２の排気バイパス通路３２から流れ込む排気と混合される。そして、排気浄化装置３８の活性化が促進される。
　ＥＣＵ１４は、吸気バイパス弁２５および第１，第２排気バイパス弁３１，３４ならびに流量調整弁４１や排気加熱装置４４、つまり燃料供給弁４５およびグロープラグ４６の作動を制御する。これらに対する制御は、車両の運転状態と補助温度センサー４８および触媒温度センサー４０からの検出信号に基づき、予め設定されたプログラムに従って次のように行われる。すなわち、触媒温度センサー４０からの検出信号に基づき、酸化触媒３９の温度Ｔｎがその活性化の指標となる温度（以下、これを活性化指標温度と記述する）ＴＲ未満の場合、排気浄化装置３８が活性化していないと判断し、排気加熱装置４４を作動させる。逆に、触媒温度Ｔｎがその活性化指標温度ＴＲ以上の場合、排気浄化装置３８が活性化していると判断して排気加熱装置４４の作動を停止する。また、補助酸化触媒４７の温度ＴＳｎがその活性化の指標となる温度（以下、これを活性化指標温度と記述する）ＴＳＲ未満の場合、補助酸化触媒４７が活性化していないと判断してグロープラグ４６に対する通電を行う。逆に、補助触媒温度ＴＳｎが活性化指標温度ＴＳＲ以上の場合、補助酸化触媒４７が活性化していると判断してグロープラグ４６に対する通電を停止する。一方、エンジン回転数Ｎｎが過給状態判定回転数ＮＲ以上の状態にて排気加熱装置４４を作動させる場合、全閉状態にある流量調整弁４１を僅かに開いた状態に保持するだけでよい。つまり、吸気バイパス弁２５，第２排気バイパス弁３４を全開状態および第１排気バイパス弁３１を全閉状態に保持したままにすることができる。このようにして、排気の一部を第２の排気通路２７ｓに導き、燃料の着火を可能にすると共にその失火を防止する（一例として、図３の矢視Ａのような特性になる）。逆に、エンジン回転数Ｎｎが過給状態判定回転数ＮＲ未満の場合、吸気バイパス弁２５，第２排気バイパス弁３４を全閉状態および第１排気バイパス弁３１，流量調整弁４１を全開状態に保持したままでは、燃料が着火しなかったり、失火してしまう可能性がある。従って、この場合には第２の排気通路２７ｓに供給すべき量の排気か導かれるように、流量調整弁４１を全開状態から僅かに開いた状態に保持すると共に全閉状態にある第２排気バイパス弁３４の開度を制御する。これにより、排気の大部分を第２排気バイパス通路３２に導き、第２の排気通路２７ｓに供給される燃料の失火が起こらないようにする（一例として、図３の矢視Ｂのような特性になる）。
　このように、上述した排気加熱装置４４の燃料供給弁４５から第２の排気通路２７ｓに供給される燃料が失火しないように、先の流量調整弁４１の開度が調整される。つまり、第２の排気通路２７ｓに導かれる排気の流量を第２排気バイパス通路３２を流れる排気の流量よりも少なくする。より具体的には、第２の排気通路２７ｓ内での燃料の着火により生ずる火炎が失火しない程度の流速の排気が第２の排気通路２７ｓを流れるように、流量調整弁４１の開度が調整弁駆動モーター４３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２の排気通路２７ｓに流すことができ、排気加熱装置４４によって得られる加熱ガスを排気浄化装置３８へと導くことができる。
　このような排気加熱装置４４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４０によって検出される酸化触媒３９の温度Ｔｎがその活性化指標温度ＴＲ未満であるか否かを判定する。ここで、触媒温度Ｔｎが活性化指標温度ＴＲ以上である、すなわち酸化触媒３９が活性状態にあるので排気加熱装置４４を作動させる必要がないと判断した場合、何もせずにこのＳ１１のステップでの判定処理を反復する。また、Ｓ１１のステップにて触媒温度Ｔｎが活性化指標温度ＴＲ未満である、すなわち酸化触媒３９が不活性状態にあるので排気加熱装置４４を作動させる必要があると判断した場合、Ｓ１２のステップに移行する。このＳ１２のステップでは、補助温度センサー４８によって検出される補助酸化触媒４７の温度ＴＳｎがその活性化指標温度ＴＳＲ未満であるか否かを判定する。ここで、補助触媒温度ＴＳｎが活性化指標温度ＴＳＲ未満である、すなわち補助酸化触媒４７が不活性状態にあるので、グロープラグ４６に対する通電を行う必要があると判断した場合、Ｓ１３のステップに移行する。このＳ１３のステップでは、グロープラグ４６への通電のためのフラグがセットされているか否かを判定する。最初はこの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すると共にＳ１５のステップにてグロープラグ４６に対する通電を行う。そして、Ｓ１５のステップにて吸気バイパス弁２５や第１，第２排気バイパス弁３１，３４および流量調整弁４１の開閉状態をエンジン回転数Ｎｎに基づいて設定する。
　例えば、エンジン回転数Ｎｎが過給状態判定回転数ＮＲ未満の場合、吸気バイパス弁２５，第２排気バイパス弁３４が全閉状態となっているのに対し、第１排気バイパス弁３１，流量調整弁４１が全開状態に保持されている。従って、第２の排気通路２７ｓに供給された燃料をグロープラグ４６によって着火させた場合にこれが失火しない程度の流速となるように、流量調整弁４１および第２排気バイパス弁３４の開度が制御される。より具体的には、流量調整弁４１を全開状態から絞ると共に第２排気バイパス弁３４の開度を制御し、必要な量の排気が第２の排気通路２７ｓに導かれるようにする。これにより、第２の排気通路２７ｓを流れる排気の流量が絞られ、残りの排気を第１排気バイパス通路３２へと導く。また、エンジン回転数Ｎｎが過給状態判定回転数ＮＲ以上の場合、吸気バイパス弁２５，第２排気バイパス弁３４が全開状態となっているのに対し、第１排気バイパス弁３１および流量調整弁４１が全閉状態に保持されている。従って、第２の排気通路２７ｓに供給された燃料が着火するように、流量調整弁４１を全閉状態から少し開き、排気の一部を第２の排気通路２７ｓにも導かれるようにする。
　次に、Ｓ１７のステップにて燃料供給弁４５から燃料を第２の排気通路２７ｓに噴射する。これにより、排気が僅かに流れる第２の排気通路２７ｓ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４７によってさらに昇温することとなる。そして、第１排気バイパス通路３２との合流部３３ｃ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３８へと導かれ、排気浄化装置３８の昇温が図られる。次いで、Ｓ１８のステップにて触媒温度センサー４０によって検出される触媒温度Ｔｎがその活性化指標温度ＴＲ以上であるか否かを判定する。ここで、触媒温度Ｔｎが活性化指標温度ＴＲ未満である、すなわち酸化触媒３９が不活性状態にあるので排気加熱装置４４の作動を継続させる必要があると判断した場合、Ｓ１２のステップに戻って先の処理を繰り返す。また、触媒温度Ｔｎが活性化指標温度ＴＲ以上である、すなわち酸化触媒３９が活性状態になったので排気加熱装置４４の作動を停止させる必要があると判断した場合、Ｓ１９のステップに移行する。このＳ１９のステップでは、フラグのセットがなされているか否かを判定し、フラグがセットされていると判断した場合には、Ｓ２０のステップにてグロープラグ４６に対する通電を止め、次いでＳ２１のステップにてフラグをリセットする。しかる後、Ｓ２２のステップにて燃料供給弁４５からの燃料の供給を停止すると共にＳ１６のステップでの弁開度制御を終了し、再びＳ１１の判定ステップに戻る。これにより、第１および第２の過給機３６，３７がエンジン回転数Ｎｎに応じて最も効率よく作動するように、吸気バイパス弁２５や第１，第２排気バイパス弁３１，３４および流量調整弁４１の開閉状態が制御されることとなる。
　一方、先のＳ１３のステップにてフラグがセットされている、つまりグロープラグ４６が通電状態であると判断した場合には、そのままＳ１６のステップに移行して排気加熱装置４４の作動を継続する。
　また、先のＳ１２のステップにて補助触媒温度ＴＳｎが活性化指標温度ＴＳＲ以上である、すなわち補助酸化触媒４７が活性状態にあるので、グロープラグ４６に対する通電を行う必要がないと判断した場合、Ｓ２３のステップに移行する。このＳ２３のステップでは、フラグがセットされているか否かが判定される。ここでフラグがセットされている、つまりグロープラグ４６に対する通電が行われていると判断した場合、Ｓ２４に移行してグロープラグ４６に対する通電を止め、次いでＳ２１のステップにてフラグをリセットする。しかる後、先のＳ１６のステップに移行して排気加熱装置４４の作動を継続する。これに対し、Ｓ２３のステップにてフラグがセットされていない、つまりグロープラグ４６が非通電状態であると判断した場合には、そのままＳ１６のステップに移行して排気加熱装置４４の作動を継続する。
　なお、燃料供給弁４５から第２の排気通路２７ｓに噴射される燃料が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４４を作動させることができることに注意されたい。
　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　吸気バイパス通路
　２０　吸気バイパス管
　２０ｄ　分岐部
　２０ｃ　合流部
　２１　エアーフローメーター
　２２　吸気温センサー
　２３　インタークーラー
　２４　スロットル弁
　２５　吸気バイパス弁
　２６　バイパス弁駆動モーター
　２７　排気通路
　２７ｆ　第１排気通路
　２７ｓ　第２排気通路
　２８　排気管
　２９　第１排気バイパス通路
　３０　第１排気バイパス管
　３０ｄ　分岐部
　３０ｃ　合流部
　３１　第１排気バイパス弁
　３２　第２排気バイパス通路
　３３　第２排気バイパス管
　３３ｄ　分岐部
　３３ｃ　合流部
　３４　第２排気バイパス弁
　３５　第２バイパス弁駆動モーター
　３６　第１の過給機
　３６ａ　コンプレッサー
　３６ｂ　排気タービン
　３７　第２の過給機
　３７ａ　コンプレッサー
　３７ｂ　排気タービン
　３８　排気浄化装置
　３９　酸化触媒
　４０　触媒温度センサー
　４１　流量調整弁
　４２　弁開度センサー
　４３　調整弁駆動モーター
　４４　排気加熱装置
　４５　燃料供給弁
　４６　グロープラグ
　４７　補助酸化触媒
　４８　補助温度センサー
　４９　クランク角センサー
　Ｎｎ　エンジン回転数
　ＮＲ　過給状態判定回転数
　Ｔｎ　触媒温度
　ＴＲ　活性化指標温度
　ＴＳｎ　補助触媒温度
　ＴＳＲ　活性化指標温度

Claims (6)

  1. 　第１の排気タービン式過給機およびこれよりも排気通路の上流側に配されて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前記排気通路中に直列に組み込まれ、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する第１のバイパス通路と、前記第２の排気タービン式過給機の排気タービンを迂回する第２のバイパス通路と、これら第１および第２のバイパス通路をそれぞれ独立に開閉するための２つの開閉弁とを有する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、
    　前記排気通路と前記第２のバイパス通路との合流部よりも上流かつ前記第２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排気通路に配され、
    　前記排気通路と前記第２のバイパス通路との分岐部よりも下流かつ前記第２の排気タービン式過給機の排気タービンよりも上流の前記排気通路には、こ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内燃機関の排気加熱装置。
  2. 　排気加熱装置は、前記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前記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. 　前記着火手段を用いて燃料を着火させる場合、前記弁は、前記第２の排気タービン式過給機の排気タービンを通過する排気の流量が前記第２の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２または請求項３に記載の内燃機関の排気加熱装置。
  5. 　請求項１から請求項４の何れかに記載の排気加熱装置の制御方法であって、
    　排気浄化装置の活性化の有無を判定するステップと、
    　内燃機関の回転速度を検出するステップと、
    　検出された前記内燃機関の回転速度に基づいて前記弁の開度を設定するステップと、
    　前記排気浄化装置が活性化していないと判断した場合、設定された開度となるように前記弁を駆動して前記第２の排気タービン式過給機の排気タービンに所定流量の排気を導く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。
  6. 　前記排気浄化装置が活性化していないと判断した場合、設定された開度となるように前記弁を駆動して前記第２の排気タービン式過給機の排気タービンに所定流量の排気を導くと共に排気加熱装置を作動させるステップは、前記第２のバイパス通路が全開状態となるように、前記第２の開閉弁を駆動するステップを含むことを特徴とする請求項５に記載の排気加熱装置の制御方法。
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