JP4811366B2

JP4811366B2 - 内燃機関の排気制御装置

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Publication number: JP4811366B2
Application number: JP2007189268A
Authority: JP
Inventors: 孝小川
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Description

本発明は、吸気通路及び排気通路に直列に配置された２つの過給機を備える内燃機関の排気制御装置に関する。

従来より、排気再循環装置（ＥＧＲ装置）、ＮＯx触媒、ＮＯx触媒に還元剤を供給する還元剤添加装置などを用いて、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯx）を浄化する内燃機関の排気浄化装置の一例が特許文献１及び２に開示されている。

特許文献１に記載の内燃機関の排気浄化装置では、ＮＯx触媒を含む触媒コンバータが１つの過給機のタービンの下流に配置されている。また、この内燃機関の排気浄化装置では、エキゾーストマニホールドにおいて、還元剤添加装置と排気再循環装置とが相互に離れた位置に配置されている。これにより、還元剤添加装置から吐出された還元剤が排気再循環装置を介して吸気系に回り込むことを防止でき、内燃機関のトルク変動等の発生を防止できるとされている。

一方、特許文献２に記載の内燃機関の排気浄化装置では、ＮＯx触媒を含む触媒コンバータが２つの過給機のタービンの下流に配置されている。また、この内燃機関の排気浄化装置では、分割型排気マニホールドと、各分割排気型マニホールドの排気集合部の下流に配置されたＮＯx触媒と、ＦＧＲ装置が設けられ、還元剤添加手段は一方の排気マニホールド側に設けられ、ＥＧＲ取出口は他方の排気マニホールド側に設けられている。これにより、大量ＥＧＲ運転時に還元剤が添加されたとしても、添加された還元剤が排気脈動によりＥＧＲ管を通って吸気系へ回り込むことを最小限に抑えることができ、内燃機関のトルク変動等の発生を防止できるとされている。

なお、特許文献３乃至５には、吸気系及び排気系に２つのターボを直列に配置して構成される２段ターボシステムの例が記載されている。このような２段ターボシステムでは、エンジンの回転数等に応じて２つの低圧ターボ及び高圧ターボを使い分ける。これにより、内燃機関の全負荷領域に亘って適切な過給を得られるといった効果がある。特に、特許文献３乃至５に記載の２段ターボシステムでは、２つの低圧ターボ及び高圧ターボの使い分けを実現するために、吸気通路や排気通路に対して、低圧ターボや高圧ターボをバイパスするためのバイパス路及びそのバイパス路の開閉を制御する開閉弁が設けられる。

特開２００２−２１５３９号公報特開２００４−７６５９５号公報特開２００５−９８２５０号公報特開２００５−１４６９０６号公報実用新案登録第２５２２８０２号公報

上記の特許文献１及び２に記載の内燃機関の排気浄化装置では、それぞれ、ＮＯx触媒を含む触媒コンバータが１つ又は２つの過給機のタービンの下流に配置されているが、そのＮＯx触媒の容量について記載されていない。ここで、上記の特許文献１及び２のように過給機付きエンジンを搭載した車両では、過給機の熱容量が大きいため、過給機が排気の温度を吸収してしまい、排気によりＮＯx触媒を十分に暖めることは難しい。このような観点から、このような構成の下、エンジン始動直後の低温状態にあるＮＯx触媒の早期暖機を図るためにＮＯx触媒の容量を小さくしたような場合には、これによりＮＯx触媒において圧力損失が大きくなってしまうといった課題がある。また、ＮＯx触媒における圧力損失の増大により、過給機のタービンによる過給が低下してしまうと共に、燃費が悪化してしまうといった課題がある。

また、上記の特許文献１及び２に記載の内燃機関の排気浄化装置では、還元剤添加弁が所定の気筒の排気ポートに設けられているので、還元剤が排気再循環装置へ回り込むことをある程度防止できるものの、その防止効果は十分とはいえない。即ち、これらの内燃機関の排気浄化装置では、上記のような構成により還元剤添加弁がＥＧＲ管よりも上流に位置することになるため、ＥＧＲガスに還元剤が混入されてしまい、これによって還元剤の一部が排気再循環装置へ回り込み易くなってしまうといった課題がある。

また、この構成によれば、還元剤添加弁が所定の気筒の排気ポート（又は排気バルブの近傍）に設けられるので、還元剤添加弁は常時排気に曝されて温度が上昇し、その排気の熱により還元剤添加弁の先端又は噴射孔内に残留した還元剤が炭化して、還元剤添加弁の詰まりが生じてしまうといった課題もある。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、吸気通路及び排気通路に直列に配置された２つの過給機を備える内燃機関の排気制御装置において、圧力損失を発生させることなく触媒の早期暖機を図ること、排気再循環装置への還元剤の回り込みを防止すること、還元剤添加弁に対する還元剤の詰まりを防止すること、などを目的とする。

本発明の１つの観点では、内燃機関の排気制御装置は、吸気通路及び排気通路に配置された第１の過給機と、前記吸気通路及び前記排気通路に配置されると共に、前記第１の過給機と直列に配置された第２の過給機と、前記排気通路において、前記第１の過給機の第１のタービンの上流側と、前記第１のタービンの下流側とを連結している第１のバイパス通路と、前記第１のバイパス通路に設けられた第１のバイパス弁と、前記第１のバイパス弁の開閉状態を制御する第１のバイパス弁制御手段と、前記排気通路において、前記第２の過給機の第２のタービンの上流側と、前記第２のタービンの下流側とを連結している第２のバイパス通路と、前記第２のバイパス通路に設けられた第２のバイパス弁と、前記第２のバイパス弁の開閉状態を制御する第２のバイパス弁制御手段と、前記第２のバイパス通路に設けられた第１の触媒と、前記排気通路に対し還元剤を供給する還元剤添加弁と、を備え、前記還元剤添加弁は、前記排気通路において、前記第１のタービンと前記第２のタービンの間に設けられ、前記第１の触媒は、前記第２のタービンの上流側の前記排気通路から分岐する前記第２のバイパス通路の分岐部に配置され、前記還元剤添加弁は、前記排気通路において、前記第２のバイパス通路の前記分岐部及び前記第１の触媒に対して同軸上に配置されている。

上記の内燃機関の排気制御装置は、吸気通路及び排気通路に配置された第１の過給機と、吸気通路及び排気通路に配置されると共に、第１の過給機と直列に配置された第２の過給機と、を備える。好適な例では、第１の過給機が低中速域で過給能力の大きい小容量の低速型の過給機として構成され、第２の過給機が中高速域で過給能力の大きい大容量の高速型の過給機として構成される、いわゆる２段過給方式であることが好ましい。この場合、低中速域では、主に第１の過給機により過給が行われると共に、中高速域では、主に第２の過給機により過給が行われる。また、この内燃機関の排気制御装置は、排気通路において、第１の過給機の第１のタービンの上流側と、第１のタービンの下流側とを連結している第１のバイパス通路と、第１のバイパス通路に設けられた第１のバイパス弁と、第１のバイパス弁の開閉状態を制御する第１のバイパス弁制御手段と、排気通路において、第２の過給機の第２のタービンの上流側と、第２のタービンの下流側とを連結している第２のバイパス通路と、第２のバイパス通路に設けられた第２のバイパス弁と、第２のバイパス弁の開閉状態を制御する第２のバイパス弁制御手段と、第２のバイパス通路に設けられた第１の触媒と、を備える。第１の触媒は、容積の小さい小型の触媒であることが好ましく、また、窒素酸化物（ＮＯx）を吸蔵して浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒であることが好ましい。

この構成によれば、第１のバイパス弁制御手段及び第２のバイパス弁制御手段が、内燃機関の負荷状態等に応じて、第１のバイパス弁及び第２のバイパス弁の開閉状態を制御することにより、内燃機関から排気通路へ排出される排気ガスを、排気通路、第１のバイパス通路、第２のバイパス通路のうち所望の通路へ流動させることができる。よって、所望の通路を通じて前記排気ガスを第１の過給機の第１のタービン又は第２の過給機の第２のタービンへ流動させることにより、第１の過給機と第２の過給機の使い分けを行うことが可能になる。また、所望の通路を通じて前記排気ガスを第２のバイパス通路へ流動させることにより、前記排気ガスを第１の触媒へ導入することができ、第１の触媒の早期暖機を促進することができる。
また、上記の内燃機関の排気制御装置は、前記排気通路に対し還元剤を供給する還元剤添加弁を更に備え、前記還元剤添加弁は、前記排気通路において、前記第１のタービンと前記第２のタービンの間に設けられている。これにより、還元剤添加弁は、第１の過給機の第１のタービンの下流の排気通路に配置されることになるので、還元剤添加弁から排気通路に向けて噴射（添加）された還元剤が、第１の過給機の上流に位置するＥＧＲ通路へ回り込むことを防止できる。また、還元剤添加弁は、第２の過給機の第２のタービンの上流の排気通路に配置されることになるので、還元剤添加弁から排気通路に向けて噴射された還元剤が第２のタービンを通過することにより、第２のタービンにより排気ガスと還元剤の混合／攪拌が促進される。さらに、還元剤添加弁は、第１のタービンと第２のタービンの間の排気通路に比べて温度の高くなる排気マニホールド付近には配置されなくなるので、還元剤添加弁の加熱温度を下げることができ、排気ガスの熱によって還元剤添加弁の先端又は噴射孔内に残留した還元剤が炭化して、還元剤添加弁の詰まりが生じてしまうこと、或いは排気ガスの熱によって還元剤添加弁の破損が生じてしまうこと、などを防止できる。
さらに、前記第１の触媒は、前記第２のタービンの上流側の前記排気通路から分岐する前記第２のバイパス通路の分岐部に配置され、前記還元剤添加弁は、前記排気通路において、前記第２のバイパス通路の前記分岐部及び前記第１の触媒に対して同軸上に配置されている。よって、還元剤添加弁から噴射された還元剤が排気通路の内壁に衝突するまでの距離を大きくすることができる、言い換えれば、第２のバイパス通路等において還元剤の噴霧するための空間を大きくとることができる。これにより、噴射された還元剤が排気通路の内壁に対して付着してしまうことを低減できると共に、還元剤の気化の促進、及び排気ガスと還元剤の混合の促進を夫々図ることができる。

上記の内燃機関の排気制御装置の一つの態様では、前記排気通路において、前記第２のタービンの下流側の前記排気通路に対して合流する前記第２のバイパス通路の合流部より下流には、前記第１の触媒より容量の大きい第２の触媒が設けられ、前記内燃機関の始動直後において、前記内燃機関の排気温度が低い場合、及び／又は前記第２の触媒の温度が低い場合には、前記第１のバイパス弁制御手段は、前記第１のバイパス弁を閉状態に維持すると共に、前記第２のバイパス弁制御手段は、前記第２のバイパス弁を開く。ここで、第２の触媒は、窒素酸化物（ＮＯx）を吸蔵して浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒であることが好ましい。

この態様では、内燃機関から排気通路へ排出された排気ガスは、主に、第１の過給機の第１のタービン、第２のバイパス弁の分岐部、第１の触媒、第２のバイパス弁の合流部、第２の触媒と流れる。これにより、前記排気ガスの一部が第２のバイパス弁を経由して第１の触媒に流れることになるので、第１の触媒の温度を早く上昇させることができる。その結果、第１の触媒及び第２の触媒により排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯx）の浄化を行うことができる。また、かかる状態から内燃機関が高負荷になったような場合でも、第２のバイパス弁が開状態にあることにより、多くの量の排ガスが第１の触媒へ流れるので、第１の触媒の暖機がより促進される。

好適な例では、前記第２のバイパス弁制御手段は、前記内燃機関の暖機後に前記第２のバイパス弁を閉じる。これにより、前記排気ガスは、小容量の第１の触媒を通過しなくなる。よって、第１の触媒を通過することによって発生する排気圧力の上昇、及び第１の触媒において圧力損失が生じることを回避することができる。さらに、第１の触媒にて圧力損失が生じることを回避できるので、これに伴って第１の過給機の第１のタービンによる過給が低下すること、また、燃費が悪化すること、などを防止できる。また、この内燃機関の暖機後における排気制御によれば、第１の触媒が高温の排気ガスに曝されなくなるので、前記高温の排気ガスの熱による第１の触媒の劣化を防ぐことができる。

上記の内燃機関の排気制御装置の他の態様では、前記内燃機関の暖機後であって、前記内燃機関が低負荷である場合には、前記第１のバイパス弁制御手段は前記第１のバイパス弁を閉状態に維持すると共に、前記第２のバイパス弁制御手段は前記第２のバイパス弁を閉状態に維持する。

この態様では、内燃機関から排気通路へ排出された排気ガスは、第１の過給機の第１のタービン、第２の過給機の第２のタービン、第２の触媒等と流れる。これにより、第１のタービン及び第２のタービンが回転し、その回転によるトルクが第１の過給機の第１のコンプレッサ及び第２の過給機の第２のコンプレッサに夫々伝達されて過給が行われる。この運転状態では、前記排気ガスの量は少ないので、過給は主に第１のタービンにより得られる。また、この場合、第２の触媒により排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯx）の浄化が行われる。

上記の内燃機関の排気制御装置の他の態様では、前記第１のバイパス弁制御手段は、前記内燃機関が高負荷になった場合に、前記第１のバイパス弁を開く。これは、内燃機関の暖機後であって、内燃機関が低負荷から高負荷になった場合には、前記排気ガスの量が増えるため、低中速域用の小容量の第１のタービンが抵抗となって前記排気ガスが第１のタービンを通過し難くなるためである。これにより、内燃機関から排気通路へ排出された大量の排気ガスは、主に、第１のバイパス通路、第２の過給機の第２のタービン、第２の触媒と流れる。そのため、大量の排気ガスにより第２のタービンが回転し、その回転によるトルクが第２の過給機の第２のコンプレッサに伝達されて過給が行われる。これにより、中高速域において必要な過給量、過給圧が得られる。また、この場合、第２の触媒により排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯx）の浄化が行われる。

上記の内燃機関の排気制御装置の他の態様では、前記第２のバイパス弁制御手段は、前記還元剤添加弁が前記第２のバイパス通路の前記分岐部に向けて前記還元剤を添加する際に、閉状態にある前記第２のバイパス弁を開き側に制御する。ここで、第２のバイパス弁を開き側に制御することには、第２のバイパス弁を一部開いた状態に制御すること、又は半分だけ開いた状態に制御すること、などが含まれる。また、第２のバイパス弁の開度の割合は、エンジン回転数やトルクなど車両の諸元や各種の条件に基づいて調整されることが好ましい。

この態様によれば、還元剤添加弁を通じて第２のバイパス通路に導入された還元剤は、第１の触媒によってクラッキング（化学分解反応）され、或いは一部酸化する。これにより、内燃機関の低負荷又は中負荷状態において、還元に際し適切量のクラッキングされた還元剤を第２の触媒へ供給することが可能となり、第２の触媒による、排気中の未燃燃料成分（ＣＯ、ＨＣ）に対する窒素酸化物（ＮＯx）の還元効率を向上させることができると共に、噴射された還元剤の一部を第２の過給機の第２のタービン側へ導入させることができ、第２のタービンによる排気ガスと還元剤の混合／攪拌の効果の促進を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。

［全体構成］
まず、本発明の実施形態に係る内燃機関の排気制御装置が適用されたシステムの全体構成について説明する。

図１は、本実施形態に係る内燃機関の排気制御装置が適用された車両の構成を示す概略図である。図１では、実線矢印が空気やガスの流れを示し、破線矢印が信号の入出力を示している。

車両は、主に、エアクリーナ１と、吸気通路２と、第１のターボ過給機３と、第２のターボ過給機４と、インタークーラ５と、吸気マニホールド６と、内燃機関７と、排気マニホールド８と、排気通路９と、ＥＧＲ通路１０と、ＥＧＲ弁１１と、第１のバイパス通路１２と、第１のバイパス弁１３と、第１の触媒１４と、第２のバイパス通路１５と、第２のバイパス弁１６と、第２の触媒１７と、ＥＣＵ（Engine Control Unit）５０と、を備える。

エアクリーナ１は、吸気通路２の最上流側に接続され、外部から導入された空気（吸気）を浄化して、吸気通路２へ供給する。吸気通路２の途中には、それぞれ、第２のターボ過給機４の第２のコンプレッサ４ａ、第１のターボ過給機３の第１のコンプレッサ３ａ、インタークーラ５が接続されている。

本実施形態の過給方式は、第１のターボ過給機３が低中速域で過給能力の大きい小容量の低速型の過給機として構成され、第２のターボ過給機４が中高速域で過給能力の大きい大容量の高速型の過給機として構成される、いわゆる２段過給方式であることが好ましい。この場合、低中速域では、主に第１のターボ過給機３により過給が行われると共に、中高速域では、主に第２のターボ過給機４により過給が行われる。

第１のターボ過給機３は、吸気通路２を通過する吸気を圧縮するコンプレッサ３ａを有すると共に、第２のターボ過給機４は、吸気通路２を通過する吸気を圧縮するコンプレッサ４ａを有する。第１のターボ過給機３のコンプレッサ３ａ（以下、「第１のコンプレッサ３ａ」と呼ぶ。）は、吸気通路２上で第２のターボ過給機４のコンプレッサ４ａ（以下、「第２のコンプレッサ４ａ」と呼ぶ。）の下流側に配置されている。これにより、第２のコンプレッサ４ａにて圧縮された吸気は、第１のコンプレッサ３ａにて更に圧縮される。インタークーラ５は、吸気通路２上で第１のコンプレッサ３ａの下流側に配置され、第１のコンプレッサ３ａにて圧縮された吸気を冷却する。吸気通路２の最下流側は、吸気マニホールド６に接続されている。吸気マニホールド６は、内燃機関７の気筒毎に設けられる吸気ポート（図示略）に接続されている。

内燃機関７は、吸気マニホールド６を介して吸気通路２より供給される吸気と燃料との混合気を燃焼することによって、動力を発生する装置である。内燃機関７は、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどによって構成される。

排気通路９の最上流側は、排気マニホールド８に接続されている。排気マニホールド８は、内燃機関７の気筒毎に設けられる排気ポート（図示略）に接続されている。このため、内燃機関７内における燃焼により発生した排気ガスは、排気マニホールド８を通じて排気通路９へ排出される。

ＥＧＲ通路１０は、一端が排気マニホールド８に接続されており、他端が吸気マニホールド６に接続されている。ＥＧＲ通路１０は、排気ガス（ＥＧＲガス）を吸気系に還流するための通路である。ＥＧＲ通路１０には、ＥＧＲ通路１０を開閉状態にするためのＥＧＲ弁１１が設けられている。ＥＧＲ弁１１は、ＥＧＲ通路１０を通過するＥＧＲガスの流量を調節する弁、言い換えると吸気系に還流させるＥＧＲガスの量を調節する弁である。ＥＧＲ弁１１は、ＥＣＵ５０から供給される制御信号Ｓ１によって開度が制御される。

排気通路９の途中には、第１のターボ過給機３のタービン３ｂ（以下、「第１のタービン３ｂ」と呼ぶ。）、第２のターボ過給機４のタービン４ｂ（以下、「第２のタービン４ｂ」と呼ぶ。）、第２の触媒１７、第１のバイパス通路１２及び第２のバイパス通路１５が設けられている。第１のタービン３ｂは、排気通路９上で第２のタービン４ｂの上流側に配置されている。第１のタービン３ｂ及び第２のタービン４ｂは、それぞれ、排気通路９を通過する排気ガスによって回転する。このような、第１のタービン３ｂ及び第２のタービン４ｂの回転によるトルクが、それぞれ、第１のターボ過給機３内の第１のコンプレッサ３ａ及び第２のターボ過給機４内の第２のコンプレッサ４ａに伝達されて回転することによって、吸気が圧縮される（即ち過給される）。

第１のバイパス通路１２は、排気通路９において、第１のターボ過給機３の第１のタービン３ｂの上流側と、第１のタービン３ｂの下流側とを連結している。第１のバイパス通路１２は、排気マニホールド８側から排気通路９へ排出された排気ガスを、第１のターボ過給機３の第１のタービン３ｂを迂回して、第１のタービン３ｂの下流側の排気通路９へ流すための通路である。第１のバイパス通路１２には、第１のバイパス弁１３が設けられている。第１のバイパス弁１３は、第１のバイパス通路１２を通過する排気ガスの流量を調節する弁である。第１のバイパス弁１３は、第１のバイパス弁１３の開閉状態を制御する、ＥＣＵ５０の第１のバイパス弁制御手段（図示略）から供給される制御信号Ｓ２によって開度が調整される。

第２のバイパス通路１５は、排気通路９において、第２のターボ過給機４の第２のタービン４ｂの上流側と、第２のタービン４ｂの下流側とを連結している。第２のバイパス通路１５は、第１のターボ過給機３の第１のタービン３ｂの下流側の排気通路９へ排出された排気ガスを、第２のターボ過給機４の第２のタービン４ｂを迂回して、第２のタービン４ｂの下流側の排気通路９へ流すための通路である。第２のバイパス通路１５には、第２のバイパス弁１６、及び第１の触媒１４が設けられている。第２のバイパス弁１６は、第２のバイパス通路１５を通過する排気ガスの流量を調節する弁である。第２のバイパス弁１６は、第２のバイパス弁１６の開閉状態を制御する、ＥＣＵ５０の第２のバイパス弁制御手段（図示略）から供給される制御信号Ｓ３によって開度が調整される。

第１の触媒１４は、容積の小さい小型の触媒であり、第２のバイパス通路１５上で第２のバイパス弁１６の上流側に配置されている。より具体的には第１の触媒１４は、第２のタービン４ｂの上流側の排気通路９から分岐する第２のバイパス通路１５の分岐部１５ａに配置されている。但し、本発明では、第１の触媒１４は、第２のバイパス通路１５上の第２のバイパス弁１６の下流側に設けられていても構わない。好適な例では、第１の触媒１４としては、ＮＯｘを吸蔵して浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒であることが好ましい。

第２の触媒１７は、第１の触媒１４よりも容積の大きい大型の触媒であり、排気通路９において、排気通路９と第２のバイパス通路１５との合流部１５ｂより下流に設けられている。好適な例では、第２の触媒１７としては、第１の触媒１４と同様に、ＮＯｘを吸蔵して浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒であることが好ましい。

ＥＣＵ５０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及びＡ／Ｄ変換器などを含んで構成される。ＥＣＵ５０は、車両内の各種センサから供給される出力等に基づいて、車両内の制御を行うと共に、本発明における第１のバイパス弁制御手段、第２のバイパス弁制御手段及び還元剤添加弁制御手段として機能する。

［内燃機関の排気制御装置］
本実施形態の内燃機関の排気制御装置は、吸気通路２及び排気通路９に配置された第１のターボ過給機３と、吸気通路２及び排気通路９に配置されると共に、第１のターボ過給機３と直列に配置された第２のターボ過給機４と、排気通路９において、第１のターボ過給機３の第１のタービン３ｂの上流側と、第１のタービン３ｂの下流側とを連結している第１のバイパス通路１２と、第１のバイパス通路１２に設けられた第１のバイパス弁１３と、第１のバイパス弁１３の開閉状態を制御する第１のバイパス弁制御手段（図示略）と、排気通路９において、第２のターボ過給機４の第２のタービン４ｂの上流側と、第２のタービン４ｂの下流側とを連結している第２のバイパス通路１５と、第２のバイパス通路１５に設けられた第２のバイパス弁１６と、第２のバイパス弁１６の開閉状態を制御する第２のバイパス弁制御手段（図示略）と、第２のバイパス弁１６に設けられた第１の触媒１４と、排気通路９において、第２のタービン４ｂの下流側の排気通路９に対して合流する第２のバイパス通路１５の合流部１５ｂより下流に設けられ、第１の触媒１４より容量の大きい第２の触媒１７と、を備えて構成される。

この構成によれば、第１のバイパス弁制御手段及び第２のバイパス弁制御手段が、内燃機関７の負荷状態等に応じて、第１のバイパス弁１３及び第２のバイパス弁１６の開閉状態を制御することにより、内燃機関７から排気マニホールド８を経由して排気通路９へ排出される排気ガスを、排気通路９、第１のバイパス通路１２、第２のバイパス通路１５のうち所望の通路へ流動させることができる。よって、所望の通路を通じて排気ガスを第１のターボ過給機３の第１のタービン３ｂ又は第２のターボ過給機４の第２のタービン４ｂへ流動させることにより、第１のターボ過給機３と第２のターボ過給機４の使い分けを行うことが可能になる。また、所望の通路を通じて排気ガスを第２のバイパス通路１５へ流動させることにより、排気ガスを第１の触媒１４へ導入することができ、第１の触媒１４の早期暖機を促進することができる。

[内燃機関の排気制御装置による排気制御の一例]
（内燃機関の始動直後等である場合）
内燃機関７の始動直後において、内燃機関７の排気温度が低い場合、及び／又は第２の触媒１７の温度が低い場合には、第１のバイパス弁制御手段は、第１のバイパス弁１３に制御信号Ｓ２を出力して、第１のバイパス弁１３を閉状態に維持すると共に、第２のバイパス弁制御手段は、第２のバイパス弁１６に制御信号Ｓ３を出力して、第２のバイパス弁１６を開く（即ち、閉状態から開状態とする）。

この排気制御の例によれば、内燃機関７から排気マニホールド８を経由して排気通路９へ排出された排気ガスは、主に、第１のターボ過給機３の第１のタービン３ｂ、第２のバイパス弁１６の分岐部１５ａ、第１の触媒１４、第２のバイパス弁１６の合流部１５ｂ、第２の触媒１７と流れる。これにより、排気ガスの一部が第２のバイパス弁１６の分岐部１５ａを経由して第１の触媒１４に流れることになるので、第１の触媒１４の温度を早く上昇させることができる。その結果、第１の触媒１４及び第２の触媒１７により排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯx）の浄化を行うことができる。

また、内燃機関７が高負荷になったような場合でも、第２のバイパス弁１６が開状態にあることにより、多くの量の排ガスが第１の触媒１４へと流れるので、第１の触媒１４の暖機がより促進される。なお、内燃機関７の暖機後には、排気ガスの量が増えるため、第２のバイパス弁制御手段は、第２のバイパス弁１６に制御信号Ｓ３を出力して、開状態にある第２のバイパス弁１６を閉じる（即ち、閉状態とする）。これにより、排気ガスは、小容量の第１の触媒１４を通過しなくなる。よって、第１の触媒１４を通過することによって発生する排気圧力の上昇、及び第１の触媒１４において圧力損失が生じることを回避することができる。さらに、第１の触媒１４にて圧力損失が生じることを回避できるので、これに伴って第１のターボ過給機３の第１のタービン３ｂによる過給が低下すること、また、燃費が悪化すること、などを防止できる。また、この内燃機関７の暖機後における排気制御によれば、第１の触媒１４が高温の排気ガスに曝されなくなるので、高温の排気ガスの熱による第１の触媒１４の劣化を防ぐことができる。

（内燃機関の暖機後、内燃機関が低負荷である場合）
内燃機関７の暖機後であって、内燃機関７が低負荷である場合には、第１のバイパス弁制御手段は、第１のバイパス弁１３に制御信号Ｓ２を出力して、第１のバイパス弁１３を閉状態に維持すると共に、第２のバイパス弁制御手段は、第２のバイパス弁１６に制御信号Ｓ３を出力して、第２のバイパス弁１６を閉状態に維持する。

この排気制御の例によれば、内燃機関７から排気マニホールド８を経由して排気通路９へ排出された排気ガスは、第１のターボ過給機３の第１のタービン３ｂ、第２のターボ過給機４の第２のタービン４ｂ、第２の触媒１７と流れる。これにより、第１のタービン３ｂ及び第２のタービン４ｂが回転し、その回転によるトルクが第１のコンプレッサ３ａ及び第２のコンプレッサ４ａに夫々伝達されて過給が行われる。この場合、排気ガスの量は少ないので、過給は主に第１のタービン３ｂにより得られる。また、この場合、第２の触媒１７により排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯx）の浄化が行われる。

（内燃機関の暖機後、内燃機関が高負荷である場合）
内燃機関７の暖機後であって、内燃機関７が低負荷から高負荷になった場合には、排気ガスの量が増えるため、低中速域用の小容量の第１のタービン３ｂが抵抗となって排気ガスが第１のタービン３ｂを通過し難くなる。そこで、かかる場合には、第１のバイパス弁制御手段は、第１のバイパス弁１３に制御信号Ｓ２を出力して、第１のバイパス弁１３を開く（即ち、閉状態から開状態とする）。

これにより、内燃機関７から排気マニホールド８を経由して排気通路９へ排出された大量の排気ガスは、主に、第１のバイパス通路１２、第２のターボ過給機４の第２のタービン４ｂ、第２の触媒１７と流れる。そのため、大量の排気ガスにより第２のタービン４ｂが回転し、その回転によるトルクが第２のコンプレッサ４ａに伝達されて過給が行われる。これにより、中高速域において必要な過給量、過給圧が得られる。また、この場合、第２の触媒１７により排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯx）の浄化が行われる。

［変形例１］
本発明の変形例１では、上記の内燃機関７の排気制御装置において、排気通路９に対し還元剤を供給する還元剤添加弁（排気燃料添加弁）を更に設けても良い。以下、この構成について、図２を参照して説明する。なお、以下では、上記の実施形態と同一の要素については同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。図２は、本発明の変形例１に係る内燃機関７の排気制御装置が適用された車両の構成を示す概略図である。

ここで、還元剤添加弁が、過給機の上流に位置する排気マニホールド付近に配置された構成を想定すると、この構成の下では、還元剤添加弁がＥＧＲ通路の上流側に位置することになるので、還元剤添加弁から排気通路に向けて還元剤が噴射（添加）されると、ＥＧＲ通路を経由して吸気通路側に還元剤が混入されてしまうといった欠点がある反面、還元剤添加弁から噴射された還元剤が過給機のタービン側にも通過することになるので、タービンにより排気ガスと還元剤の混合／攪拌が促進されるといった利点がある。一方、還元剤添加弁を過給機の下流に配置した構成の下では、還元剤添加弁はＥＧＲ通路の下流側に位置することになるので、還元剤添加弁から排気通路に向けて還元剤が噴射された場合でも、還元剤がＥＧＲ通路へ回り込むことを防止できるといった利点がある反面、還元剤がタービンを通過しなくなるので、タービンによる排気ガスと還元剤の混合／攪拌の効果がなくなるといった欠点がある。

そこで、本発明の変形例１では、このような二律背反となる課題を一挙に解決するため、還元剤添加弁（排気燃料添加弁）１８を、排気通路９において、第１のターボ過給機３の第１のタービン３ｂと第２のターボ過給機４の第２のタービン４ｂの間に設ける。なお、還元剤添加弁１８の還元剤の噴射量、噴射時間及び噴射間隔等は、還元剤添加弁制御手段として機能するＥＣＵ５０から供給される制御信号Ｓ４に基づいて調整される。

これにより、還元剤添加弁１８は、第１のターボ過給機３の第１のタービン３ｂの下流の排気通路９に配置されることになるので、還元剤添加弁１８から排気通路９に向けて噴射された還元剤が、ＥＧＲ通路１０へ回り込むことを防止できる。また、還元剤添加弁１８は、排気通路９上において第２のターボ過給機４の第２のタービン４ｂの上流に配置されることになるので、還元剤添加弁１８から排気通路９に向けて噴射された還元剤が第２のタービン４ｂを通過することにより、第２のタービン４ｂにより排気ガスと還元剤の混合／攪拌が促進される。さらに、この構成によれば、還元剤添加弁１８は、第１のタービン３ｂと第２のタービン４ｂの間の排気通路９に比べて温度の高くなる排気マニホールド付近には配置されなくなるので、還元剤添加弁１８の加熱温度を下げることができ、排気ガスの熱によって還元剤添加弁１８の先端又は噴射孔内に残留した還元剤が炭化して、還元剤添加弁１８の詰まりが生じてしまうこと、或いは排気ガスの熱によって還元剤添加弁１８の破損が生じてしまうこと、などを防止できる。

変形例１の好適な例では、第１の触媒１４は、図２及び図３（ｂ）に示すように、第２のターボ過給機４の第２のタービン４ｂの上流側の排気通路９から分岐する第２のバイパス通路１５の分岐部１５ａに配置され、還元剤添加弁１８は、排気通路９において、第２のバイパス通路１５の分岐部１５ａ及び第１の触媒１４に対して同軸上に配置されていることが好ましい。この理由について図３を参照して説明する。

図３（ａ）は、還元剤添加弁１８を、第１のタービン３ｂと第２のタービン４ｂの間の排気通路９の一部に対して所定の角度を以って取り付けた状態の要部断面図を示す。図３（ｂ）は、図２の破線領域Ｅ１を拡大した要部断面図であり、還元剤添加弁１８を、排気通路９において第２のバイパス通路１５の分岐部１５ａ及び第１の触媒１４と同軸上に取り付け状態を示す。なお、図３（ａ）及び（ｂ）において、還元剤添加弁１８から放射状に延びる細い実線は噴射された還元剤を示している。

ここで、第２の触媒１７の暖機時や、内燃機関７が低負荷であるときに、第２のバイパス弁１６を開状態とした場合、その条件の下では内燃機関７から排出される排気ガスの温度が未だ低いので、このときに還元剤添加弁１８から排気通路９に向けて還元剤を噴射しても還元剤は気化し難く、それ故に噴射された還元剤が排気通路９の内壁に付着し易くなってしまう。特に、そのような条件下において、図３（ａ）に示す構成を採用した場合には、還元剤添加弁１８の噴射口（図示略）とそれに対向する排気通路９の内面との距離が近いので、還元剤添加弁１８から噴射された還元剤が排気通路９の内壁に衝突するまでの距離ｄ１が小さくなり、これにより還元剤が排気通路９の内壁により付着し易くなってしまう。

これに対して、図３（ｂ）に示す変形例１の好適な例のように、還元剤添加弁１８を、排気通路９において、第２のバイパス通路１５の分岐部１５ａ及び第１の触媒１４に対して同軸上に配置してやれば、還元剤添加弁１８から噴射された還元剤が排気通路９の内壁に衝突するまでの距離ｄ２（＞ｄ１）を大きくすることができる、言い換えれば、第２のバイパス通路１５等において還元剤の噴霧するための空間を大きくとることができる。これにより、噴射された還元剤が排気通路９の内壁に対して付着してしまうことを低減できると共に、還元剤の気化の促進、及び排気ガスと還元剤の混合の促進を夫々図ることができる。

また、本発明の変形例１及びその好適な例では、内燃機関７が低負荷又は中負荷状態である場合において、還元剤添加弁１８から第２のバイパス通路１５の分岐部１５ａに向けて還元剤を添加する際、第１の触媒１４の早期暖機などを図る目的で第２のバイパス弁１６の開度の割合を調整することが考えられる。

もし、このような目的で閉状態にある第２のバイパス弁１６を全開状態とした場合には、還元剤は、その殆どが第２のバイパス弁１６側へ流動してしまい、第２のターボ過給機４の第２のタービン４ｂ側へは流動しなくなってしまい、第２のタービン４ｂによる排気ガスと還元剤の混合／攪拌の効果が得られなくなってしまう。

そこで、本発明の変形例１及びその好適な例では、第２のバイパス弁制御手段は、還元剤添加弁１８が第２のバイパス通路１５の分岐部１５ａに向けて還元剤を添加する際に、閉状態にある第２のバイパス弁１６を開き側に制御することが好ましい。なお、第２のバイパス弁１６を開き側に制御することには、第２のバイパス弁１６を一部開いた状態に制御すること、又は半分だけ開いた状態に制御すること、などが含まれる。また、第２のバイパス弁１６の開度の割合は、エンジン回転数やトルクなど車両の諸元や各種の条件に基づいて調整されることが好ましい。

この構成によれば、還元剤添加弁１８を通じて第２のバイパス通路１５に導入された還元剤は、第１の触媒１４によってクラッキング（化学分解反応）され、或いは一部酸化する。これにより、内燃機関７の低負荷又は中負荷状態において、還元に際し適切量のクラッキングされた還元剤を第２の触媒１７へ供給することが可能となり、第２の触媒１７による、排気中の未燃燃料成分（ＣＯ、ＨＣ）に対する窒素酸化物（ＮＯx）の還元効率を向上させることができると共に、噴射された還元剤の一部を第２のターボ過給機４の第２のタービン４ｂ側へ導入させることができ、第２のタービン４ｂによる排気ガスと還元剤の混合／攪拌の効果の促進を図ることができる。

[内燃機関の排気制御装置の他の構成例]
次に、図４を参照して、本発明の内燃機関の排気制御装置の他の構成例について説明する。なお、以下では、上記の実施形態と同一の要素については同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。図４は、本発明の内燃機関の排気制御装置の他の構成例が適用された車両の構成を示す概略図である。

本発明の内燃機関７の排気制御装置の他の構成例は、吸気通路３及び排気通路９に配置された第１のターボ過給機３と、吸気通路３及び排気通路９に配置されると共に、第１のターボ過給機３の下流に直列に配置された第２のターボ過給機４と、排気通路９において、第１のターボ過給機３の第１のタービン３ｂの上流側と、第１のタービン３ｂの下流側とを連結している第１のバイパス通路１２と、第１のバイパス通路１２に設けられた第１のバイパス弁１３と、第１のバイパス弁１３の開閉状態を制御する第１のバイパス弁制御手段（図示略）と、第１の触媒１４と、を備えて構成され、第２のバイパス通路１５及び第２のバイパス弁１６などを有しない。特に、第１の触媒１４は、第１のタービン３ｂの下流側の排気通路９に対して合流する第１のバイパス通路１２の合流部１２ｂと、第１のタービン３ｂとの間に位置する排気通路９に設けられている。但し、本発明では、第１の触媒１４は、第１のタービン３ｂの上流側の排気通路９から分岐する第１のバイパス通路１２の分岐部１２ａと、第１のタービン３ｂとの間に位置する排気通路９に設けられていても構わない。

この構成によれば、第１のバイパス弁制御手段が、内燃機関７の負荷状態等に応じて、第１のバイパス弁１３の開閉状態を制御することにより、内燃機関７から排気マニホールド８を経由して排気通路９へ排出された排気ガスを、排気通路９、第１のバイパス通路１２のうち所望の通路へと流動させることが可能となる。よって、所望の通路を通じて排気ガスを第１のターボ過給機３の第１のタービン３ｂ又は第２のターボ過給機４の第２のタービン４ｂへ流動させることにより、第１のターボ過給機３と第２のターボ過給機４の使い分けを行うことが可能になる。また、所望の通路を通じて排気ガスを第１の触媒１４へ導入することにより、第１の触媒１４の早期暖機を促進することができる。

[内燃機関の排気制御装置の他の構成例による排気制御の一例]
（内燃機関の暖機後、内燃機関が低負荷である場合）
内燃機関７の暖機後であって、内燃機関７が低負荷である場合には、第１のバイパス弁制御手段は、第１のバイパス弁１３に制御信号Ｓ２を出力して、第１のバイパス弁１３を閉状態に維持する。

この排気制御の例によれば、内燃機関７から排気マニホールド８を経由して排気通路９へ排出された排気ガスは、第１のターボ過給機３の第１のタービン３ｂ、第１の触媒１４、第２のターボ過給機４の第１のタービン４ｂ、第２の触媒１７と流れる。これにより、第１のタービン３ｂ及び第２のタービン４ｂが回転し、その回転によるトルクが第１のコンプレッサ３ａ及び第２のコンプレッサ４ａに夫々伝達されて過給が行われる。かかる状態では排気ガスの量は少ないので、過給は主に第１のタービン３ｂにより得られる。また、内燃機関が低負荷のときは排気ガスの温度が低いときであるため、排気ガスの殆どを第１の触媒１４を通過させることによって、第１の触媒１４の温度を早く上昇させることができる。その結果、第１の触媒１４及び第２の触媒１７により排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯx）の浄化を行うことができる。

（内燃機関の暖機後、内燃機関が高負荷である場合）
内燃機関７の暖機後であって、内燃機関７が低負荷から高負荷になった場合には、排気ガスの量が増えてくるため、低中速域用の小容量の第１のタービン３ｂが抵抗となって排気ガスが第１のタービン３ｂを通過し難くなる。そこで、かかる場合には、第１のバイパス弁制御手段は、第１のバイパス弁１３に制御信号Ｓ２を出力して、第１のバイパス弁１３を開く（即ち、閉状態から開状態とする）。

これにより、内燃機関７から排気マニホールド８を経由して排気通路９へ排出された大量の排気ガスは、主に、第１のバイパス通路１２、第２のターボ過給機４の第２のタービン４ｂ、第２の触媒１７と流れる。そのため、大量の排気ガスにより第２のタービン４ｂが回転し、その回転によるトルクが第２のコンプレッサ４ａに伝達されて過給が行われる。これにより、中高速域において必要な過給量、過給圧が得られる。また、この場合、排気ガスは、第１の触媒１４を通過せずに、第１のバイパス通路１２側へ流動することになるので、第１の触媒１４を通過することによって発生する排気圧力の上昇、及び第１の触媒１４において圧力損失が生じることを回避することができる。さらに、第１の触媒１４にて圧力損失が生じることを回避できるので、これに伴って第１のターボ過給機３の第１のタービン３ｂによる過給が低下すること、また、燃費が悪化すること、などを防止できる。また、この内燃機関７の暖機後における排気制御によれば、第１の触媒１４が高温の排気ガスに曝されなくなるので、前記高温の排気ガスの熱による第１の触媒１４の劣化を防ぐことができる。

[変形例２]
本発明の変形例２では、上記の内燃機関７の排気制御装置の他の構成例において、排気通路９に対し還元剤を供給する還元剤添加弁（排気燃料添加弁）を更に備えて構成されていてもよい。以下、この構成について、図５を参照して説明する。なお、以下では、上記の実施形態と同一の要素については同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。図５は、本発明の変形例２に係る内燃機関７の排気制御装置の他の構成例が適用された車両の構成を示す概略図である。

本発明の変形例２では、上記の変形例１において述べた課題を踏まえ、還元剤添加弁（排気燃料添加弁）１８は、排気通路９において、第１のバイパス通路１２の分岐部１２ａと第１のバイパス通路１２の合流部１２ｂとの間に設けられている。この変形例２の一例では、還元剤添加弁１８は、第１のバイパス通路１２の分岐部１２ａと第１のターボ過給機３の第１のタービン３ｂとの間に設けられている。これにより、還元剤添加弁１８は、第１のターボ過給機３の第１のタービン３ｂの下流の排気通路９に配置されることになるので、還元剤添加弁１８から排気通路９に向けて噴射された還元剤が、ＥＧＲ通路１０へ回り込むことを防止できる。また、還元剤添加弁１８は、第２のターボ過給機４の第２のタービン４ｂの上流の排気通路９に配置されることになるので、還元剤添加弁１８から排気通路９に向けて噴射された還元剤が第２のタービン４ｂを通過することにより、第２のタービン４ｂにより排気ガスと還元剤の混合／攪拌が促進される。さらに、この構成によれば、還元剤添加弁１８は、第１のタービン３ｂと第２のタービン４ｂの間の排気通路９に比べて温度の高くなる排気マニホールド付近には配置されなくなるので、還元剤添加弁１８の加熱温度を下げることができ、排気ガスの熱によって還元剤添加弁１８の先端又は噴射孔内に残留した還元剤が炭化して、還元剤添加弁１８の詰まりが生じてしまうこと、或いは排気ガスの熱によって還元剤添加弁１８の破損が生じてしまうこと、などを防止できる。

なお、本発明では、還元剤添加弁１８は、第１のターボ過給機３の第１のタービン３ｂと第１の触媒１４との間に設けられても構わない。また、本発明において、第１の触媒１４を第１のバイパス通路１２の分岐部１２ａと、第１のタービン３ｂとの間に位置する排気通路９に設けた場合には、還元剤添加弁１８は、第１のバイパス通路１２の分岐部１２ａと第１の触媒１４の間に位置する排気通路９に設けられていることが好ましい。これにより、上記した変形例２に係る作用効果を得ることができる。

本実施形態に係る内燃機関の排気制御装置が適用された車両の概略構成を示す図である。変形例１に係る内燃機関の排気制御装置が適用された車両の概略構成を示す図である。変形例１の好適な例等に係る、還元剤添加弁と第２のバイパス通路及び第１の触媒との位置関係を示す要部断面図である。本発明の内燃機関の排気制御装置の他の構成例が適用された車両の概略構成を示す図である。変形例２に係る内燃機関の排気制御装置の他の構成例が適用された車両の概略構成を示す図である。

符号の説明

２吸気通路
３第１のターボ過給機
３ｂ第１のタービン
４第２のターボ過給機
４ｂ第２のタービン
７内燃機関
８排気マニホールド
９排気通路
１０ＥＧＲ通路
１１ＥＧＲ弁
１２第１のバイパス通路
１３第１のバイパス弁
１４第１の触媒
１５第２のバイパス通路
１６第２のバイパス弁
１７第２の触媒
１８還元剤添加弁
５０ＥＣＵ

Claims

吸気通路及び排気通路に配置された第１の過給機と、
前記吸気通路及び前記排気通路に配置されると共に、前記第１の過給機と直列に配置された第２の過給機と、
前記排気通路において、前記第１の過給機の第１のタービンの上流側と、前記第１のタービンの下流側とを連結している第１のバイパス通路と、
前記第１のバイパス通路に設けられた第１のバイパス弁と、
前記第１のバイパス弁の開閉状態を制御する第１のバイパス弁制御手段と、
前記排気通路において、前記第２の過給機の第２のタービンの上流側と、前記第２のタービンの下流側とを連結している第２のバイパス通路と、
前記第２のバイパス通路に設けられた第２のバイパス弁と、
前記第２のバイパス弁の開閉状態を制御する第２のバイパス弁制御手段と、
前記第２のバイパス通路に設けられた第１の触媒と、
前記排気通路に対し還元剤を供給する還元剤添加弁と、を備え、
前記還元剤添加弁は、前記排気通路において、前記第１のタービンと前記第２のタービンの間に設けられ、
前記第１の触媒は、前記第２のタービンの上流側の前記排気通路から分岐する前記第２のバイパス通路の分岐部に配置され、
前記還元剤添加弁は、前記排気通路において、前記第２のバイパス通路の前記分岐部及び前記第１の触媒に対して同軸上に配置されていることを特徴とする内燃機関の排気制御装置。
前記排気通路において、前記第２のタービンの下流側の前記排気通路に対して合流する前記第２のバイパス通路の合流部より下流には、前記第１の触媒より容量の大きい第２の触媒が設けられ、
前記内燃機関の始動直後において、前記内燃機関の排気温度が低い場合、及び／又は前記第２の触媒の温度が低い場合には、前記第１のバイパス弁制御手段は、前記第１のバイパス弁を閉状態に維持すると共に、前記第２のバイパス弁制御手段は、前記第２のバイパス弁を開くことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気制御装置。
前記第２のバイパス弁制御手段は、前記内燃機関の暖機後に前記第２のバイパス弁を閉じることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気制御装置。
前記内燃機関の暖機後であって、前記内燃機関が低負荷である場合には、前記第１のバイパス弁制御手段は前記第１のバイパス弁を閉状態に維持すると共に、前記第２のバイパス弁制御手段は前記第２のバイパス弁を閉状態に維持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制御装置。
前記第１のバイパス弁制御手段は、前記内燃機関が高負荷になった場合に、前記第１のバイパス弁を開くことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気制御装置。
前記第２のバイパス弁制御手段は、前記還元剤添加弁が前記第２のバイパス通路の前記分岐部に向けて前記還元剤を添加する際に、閉状態にある前記第２のバイパス弁を開き側に制御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制御装置。