(57)【要約】【課題】  内燃機関に対する様々な要求を効率良く満足させることができる排気ターボチャージャ付き内燃機関を提供する。【解決手段】  機関排気通路上に排気ターボチャージャ１７のタービン２５と排気浄化触媒２７とが順次配置された過給機付き内燃機関において、タービンの排気上流側の排気通路部分２４と、タービンと排気浄化触媒との間の排気通路部分２６と、排気浄化触媒の排気下流側の排気通路部分２９との三つの排気通路部分のうちの少なくとも二つの排気通路部分を連通させる連通路５１、５２、５３と、連通路によって連通せしめられた排気通路部分のうちの下流側の排気通路部分から上流側の排気通路部分へと上記連通路を介して排気ガスを少なくとも部分的に逆流させる逆流手段Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３とを具備する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路上に排気ターボチャージャのタービンと排気浄化触媒とが順次配置された過給機付き内燃機関において、
上記タービンの排気上流側の排気通路部分と、該タービンと上記排気浄化触媒との間の排気通路部分と、該排気浄化触媒の排気下流側の排気通路部分との三つの排気通路部分のうちの少なくとも二つの排気通路部分を連通させる連通路と、該連通路によって連通せしめられた排気通路部分のうちの下流側の排気通路部分から上流側の排気通路部分へと上記連通路を介して排気ガスを少なくとも部分的に逆流させる逆流手段とを具備する過給機付き内燃機関。
【請求項２】
上記逆流手段は、実際の過給圧と目標過給圧との差が所定値以上となったときに作動せしめられて、上記タービンの排気下流側の排気通路部分から上記タービンの排気上流側の排気通路部分へと上記連通路を介して排気ガスを少なくとも部分的に逆流させる請求項１に記載の過給機付き内燃機関。
【請求項３】
上記逆流手段は、機関負荷が所定値未満であって且つタービンの回転数を一定回転数以上に維持すべき場合に作動せしめられて、上記タービンの排気下流側の排気通路部分から上記タービンの排気上流側の排気通路部分へと上記連通路を介して排気ガスを少なくとも部分的に逆流させる請求項１または２に記載の過給機付き内燃機関。
【請求項４】
上記逆流手段は、上記排気浄化触媒の温度が所定温度以上となったときに作動せしめられて、該排気浄化触媒の排気下流側の排気通路部分から上記排気浄化触媒の排気上流側の排気通路部分へと上記連通路を介して排気ガスを少なくとも部分的に逆流させる請求項１〜３のいずれか１項に記載の過給機付き内燃機関。
【請求項５】
内燃機関の燃焼室から排出された排気ガスの一部を再び燃焼室に流入させるＥＧＲ機構をさらに具備し、
上記逆流手段は、上記ＥＧＲ機構により排気ガスの一部を再び燃焼室に流入させる場合に作動せしめられて、上記タービンの排気下流側の排気通路部分から上記タービンの排気上流側の排気通路部分へと上記連通路を介して排気ガスを少なくとも部分的に逆流させる請求項１〜４のいずれか１項に記載の過給機付き内燃機関。
【請求項６】
上記連通路には該連通路内を流れる排気ガスの温度を低下させる冷却手段が設けられる請求項１〜５のいずれか１項に記載の過給機付き内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過給機付き内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
機関排気通路に設けられたタービンと機関吸気通路に設けられたコンプレッサとを有する排気ターボチャージャ（過給機）付き内燃機関が知られている。かかる排気ターボチャージャでは、排気通路内を流れる排気ガスのエネルギを受けてタービンが回転せしめられると共にこのタービンの回転によりコンプレッサが駆動せしめられ、コンプレッサが駆動することにより吸気ガスの過給が行われる。
【０００３】
排気ターボチャージャでは、例えば機関運転状態が低負荷状態から高負荷状態に急激に変化するような場合、それまで機関運転状態が低負荷状態であったため排気エネルギが小さく、よってタービンは十分に回転せしめられない。このため、コンプレッサも十分に回転せしめられず、機関運転状態が高負荷状態に変わってから或る程度の期間に亘って吸気ガスの十分な過給を行うことができなかった（いわゆる、ターボラグ）。
【０００４】
そこで、特許文献１に記載の装置では、機関運転状態が低負荷状態から高負荷状態に変化するような場合、すなわち内燃機関に対して加速要求がある場合に、タービンに向けられた補助空気供給孔から補助空気が供給される。これにより、タービンの排気上流側の排気通路内の圧力が高められると同時に補助空気がタービンに当てられ、よって迅速にタービンの回転数が高くなり、負荷状態が切り替わってから直ぐに高い過給圧で内燃機関の運転を行うことができる。
【０００５】
【特許文献１】実開昭６３−１５６４２８号公報
【特許文献２】特開２００２−１９５０４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、特許文献１に記載の装置によれば、内燃機関外部の外部空気のみが補助空気として採用される。外部空気の圧力は、ほぼ大気圧であるため、タービン上流側の排気通路内の排気ガス圧力よりもかなり低い。したがって、外部空気をタービン上流側の排気通路内に導入するためには外部空気をこの排気通路内の排気ガス圧力以上の圧力にまで加圧する必要があるが、外部空気の圧力と上記排気通路内の排気ガス圧力との間には大きな差があるため、加圧に必要なエネルギも大きなものとなっており、燃費悪化が生じていた。したがって、特許文献１に記載の装置では、内燃機関に対する加速要求を効率良く満足させることができなかった。
【０００７】
一方、機関排気通路上に排気浄化触媒が配置されているような場合、排気浄化触媒に流入する排気ガスの温度が高いことにより、または排気浄化触媒に流入した排気ガス中のＨＣ等の成分が排気浄化触媒上で発熱反応を起こすことにより、排気浄化触媒が過昇温してしまうことがある。このような場合、内燃機関に対しては触媒の温度を低下させることが要求される。
【０００８】
すなわち、機関運転中には内燃機関に対して加速要求や触媒温度低下要求等、様々な要求が出されるが、特許文献１に記載された内燃機関等では、これら要求を効率良く満足させることができなかった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、内燃機関に対する様々な要求を効率良く満足させることができる排気ターボチャージャ付き内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、第１の発明では、機関排気通路上に排気ターボチャージャのタービンと排気浄化触媒とが順次配置された過給機付き内燃機関において、上記タービンの排気上流側の排気通路部分と、該タービンと上記排気浄化触媒との間の排気通路部分と、該排気浄化触媒の排気下流側の排気通路部分との三つの排気通路部分のうちの少なくとも二つの排気通路部分を連通させる連通路と、該連通路によって連通せしめられた排気通路部分のうちの下流側の排気通路部分から上流側の排気通路部分へと上記連通路を介して排気ガスを少なくとも部分的に逆流させる逆流手段とを具備する。
第１の発明によれば、下流側の排気通路部分から上流側の排気通路部分へと排気ガスを部分的に逆流させることにより、タービン上流側の排気通路部分内の排気ガスの圧力および温度を高めて過給圧を迅速に高めたり、排気浄化触媒上流側の排気通路部分に比較的低温の排気ガスを導入して排気浄化触媒を冷却したりすることができるようになる。また、逆流手段は、大気中の外気を各排気通路部分に導入する場合に比べて低いエネルギで排気ガスの逆流を行うことができる。
【００１１】
第２の発明では、第１の発明において、上記逆流手段は、実際の過給圧と目標過給圧との差が所定値以上となったときに作動せしめられて、上記タービンの排気下流側の排気通路部分から上記タービンの排気上流側の排気通路部分へと上記連通路を介して排気ガスを少なくとも部分的に逆流させる。
【００１２】
第３の発明では、第１または第２の発明において、上記逆流手段は、機関負荷が所定値未満であって且つタービンの回転数を一定回転数以上に維持すべき場合に作動せしめられて、上記タービンの排気下流側の排気通路部分から上記タービンの排気上流側の排気通路部分へと上記連通路を介して排気ガスを少なくとも部分的に逆流させる。
第３の発明によれば、排気ガスを部分的に逆流させることにより、機関負荷が所定値未満であってもタービンの回転数を一定回転数以上に維持することができるため、その後機関負荷が急激に大きくなった場合でも迅速に加速を行うことができる。
【００１３】
第４の発明では、第１〜第３の発明において、上記逆流手段は、上記排気浄化触媒の温度が所定温度以上となったときに作動せしめられて、該排気浄化触媒の排気下流側の排気通路部分から上記排気浄化触媒の排気上流側の排気通路部分へと上記連通路を介して排気ガスを少なくとも部分的に逆流させる。
【００１４】
第５の発明では、第１〜第４の発明において、内燃機関の燃焼室から排出された排気ガスの一部を再び燃焼室に流入させるＥＧＲ機構をさらに具備し、上記逆流手段は、上記ＥＧＲ機構により排気ガスの一部を再び燃焼室に流入させる場合に作動せしめられて、上記タービンの排気下流側の排気通路部分から上記タービンの排気上流側の排気通路部分へと上記連通路を介して排気ガスを少なくとも部分的に逆流させる。
第５の発明によれば、ＥＧＲ機構により排気ガスの一部を再び燃焼室に流入させる場合に、タービン上流側の排気通路部分内に比較的低温の排気ガスが導入されるため、燃焼室に流入させる排気ガスの温度を低いものとすることができる。
【００１５】
第６の発明では、第１〜第５の発明において、上記連通路には該連通路内を流れる排気ガスの温度を低下させる冷却手段が設けられる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、過給圧を迅速に高めたり、排気浄化触媒を冷却したりすることができるようになると共に、低いエネルギで排気ガスの逆流を行うことができるため、内燃機関に対する様々な要求を効率良く満足させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明が適用される内燃機関の全体図である。なお、図示した内燃機関は、直噴タイプの４サイクルガソリンエンジンであるが、本発明は、例えば、ポート噴射タイプ（吸気ポートに燃料を噴射するタイプ）のガソリンエンジンやディーゼルエンジンといったその他の内燃機関にも適用可能である。
【００１８】
図１を参照すると１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火栓１０が配置され、シリンダヘッド４内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。またピストン３の頂面上には燃料噴射弁１１の下方から点火栓１０の下方まで延びるキャビティ１２が形成されている。
【００１９】
各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連通され、サージタンク１４は吸気管１５およびインタークーラ１６を介して過給機（例えば、排気ターボチャージャ）１７のコンプレッサ１８の出口部に連結される。コンプレッサ１８の入口部は吸気管１９を介してエアクリーナ２０に連結される。吸気管１９内には、ステップモータ２１によって駆動されるスロットル弁２２が配置される。また、スロットル弁２２の吸気上流側の吸気管１９内には、燃焼室５に吸入される空気（吸気）の流量を検出するためのエアフロメータ２３が配置される。
【００２０】
一方、排気ポート９は、排気枝管２４を介して排気ターボチャージャ１７のタービン２５の入口部に連結される。タービン２５の出口部は、上流側排気管２６を介して排気浄化触媒２７を内蔵したケーシング２８に連結される。ケーシング２８の出口部は、下流側排気管２９を介してマフラ等の消音器（図示せず）に連結される。排気ポート９、排気枝管２４、上流側排気管２６および下流側排気管２９は排気通路を画成する。排気浄化触媒２７は、触媒貴金属（白金等）を担持した酸化触媒、または三元触媒である。
【００２１】
電子制御ユニット３１はディジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を具備する。エアフロメータ２３は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。サージタンク１４には吸気ガスの圧力（または過給圧）を検出するための圧力センサ４３が取付けられ、この圧力センサ４３の出力信号が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、排気枝管２４には排気枝管２４内の排気ガスの温度、すなわちタービン２５に流入する排気ガスの温度を検出するための温度センサ４４が取付けられると共に、上流側排気管２６には上流側排気管２６内を流れる排気ガスの温度、すなわち排気浄化触媒２７に流入する排気ガスの温度を検出するための温度センサ４５が取付けられ、これらセンサ４４、４５の出力信号が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００２２】
またアクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４２は例えばクランクシャフトが３０度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４２の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路３９を介して点火栓１０、燃料噴射弁１１およびステップモータ２１等に接続される。
【００２３】
図２は、内燃機関の排気通路近傍の拡大概略図である。図２から分かるように、本発明の内燃機関は、新気導入管５１と、タービン下流ガス導入管５２と、触媒下流ガス導入管５３とを具備する。新気導入管５１は、大気に通じていると共に途中で分岐しており、分岐したうちの一方の導入管（以下、「第一新気導入分岐管」と称す）５１ａは排気枝管（すなわち、タービン２５よりも排気上流側の排気通路）２４に連通し、他方の導入管（以下、「第二新気導入分岐管」と称す）５１ｂは上流側排気管（すなわち、タービン２５と排気浄化触媒２７との間の排気通路）２６に連通する。新気導入管５１の分岐部には新気導入ポンプＰ１が配置される。
【００２４】
新気導入ポンプＰ１は、新気ガスの加圧を行うことができると同時に第一新気導入分岐管５１ａおよび第二新気導入分岐管５１ｂに流入する新気ガスの流量を調整することができる。すなわち、新気導入ポンプＰ１は、新気ガスの圧力を排気枝管２４内の排気ガス圧力または上流側排気管２６内の排気ガス圧力以上にまで高めて、第一新気導入分岐管５１ａ、第二新気導入分岐管５１ｂまたはこれら両方に大気ガスを流入させることができる。このため、新気導入ポンプＰ１を作動させることにより、第一新気導入分岐管５１ａを介して新気ガスを排気枝管２４に流入させたり、第二新気導入分岐管５１ｂを介して新気ガスを上流側排気管２６に流入させたり、これら両方に新気ガスを流入させたりすることができる。なお、本実施形態では新気導入ポンプＰ１は排気枝管２４および上流側排気管２６に流入させる吸気ガスの流量を調整することができるが、新気導入ポンプＰ１にはこのような流量調整機能をもたせずに新気導入ポンプＰ１とは別体の流量調整弁を設けるようにしてもよい。
【００２５】
タービン下流ガス導入管５２は、一方の端部が排気枝管２４と連通し、他方の端部が上流側排気管２６と連通する。タービン下流ガス導入管５２には、タービン下流ガス導入ポンプＰ２が配置される。タービン下流ガス導入ポンプＰ２は、上流側排気管２６内を流れる排気ガスの一部を、排気枝管２４内の排気ガス圧力以上にまで加圧することができる。これにより、タービン下流ガス導入ポンプＰ２を作動させることにより、タービン下流ガス導入管５２を介して上流側排気管２６内の排気ガスの一部を排気枝管２４へと逆流させることができる。
【００２６】
また、タービン下流ガス導入ポンプＰ２には開閉弁が内蔵されている。したがって、この開閉弁が閉弁されているときにはタービン下流ガス導入管５２を介して排気ガスが流通することはできない。一方、開閉弁が開弁されているときには、タービン下流ガス導入ポンプＰ２が作動していると上述したように排気ガスの一部が逆流し、タービン下流ガス導入ポンプＰ２が作動していないと排気枝管２４内の排気ガスの一部または全部がタービン下流ガス導入管５２を介して上流側排気管２６へと流れ、よってタービン２５をバイパスする。なお、本実施形態では、タービン下流ガス導入ポンプＰ２に開閉弁が内蔵されているが、タービン下流ガス導入ポンプＰ２には開閉弁を内蔵させずに、タービン下流ガス導入ポンプＰ２と別体の開閉弁をタービン下流ガス導入管５２に設けてもよい。
【００２７】
触媒下流ガス導入管５３は、その一方の端部で下流側排気管（すなわち、排気浄化触媒２７の排気下流側の排気通路）２９に連通していると共に途中で分岐しており、分岐したうちの一方の導入管（以下、「第一触媒下流ガス導入分岐管」と称す）５３ａは排気枝管２４に連通し、他方の導入管（以下、「第二触媒下流ガス導入分岐管」と称す）５３ｂは上流側排気管２６に連通する。触媒下流ガス導入管５３の分岐部には触媒下流ガス導入ポンプＰ３が配置される。また、触媒下流ガス導入管５３の分岐していない部分には、触媒下流ガス導入管５３内を通過する排気ガスを冷却するための冷却装置５４が設けられる。
【００２８】
触媒下流ガス導入ポンプＰ３は、下流側排気管２９内を流れる排気ガスの一部を加圧することができると同時に第一触媒下流ガス導入分岐管５３ａおよび第二触媒下流ガス導入分岐管５３ｂに流入する排気ガスの流量を調整することができる。すなわち、触媒下流ガス導入ポンプＰ３は、下流側排気管２９内を流れる排気ガスの一部の圧力を排気枝管２４内の排気ガス圧力または上流側排気管２６内の排気ガス圧力以上にまで高めて、第一触媒下流ガス導入分岐管５３ａ、第二触媒下流ガス導入分岐管５３ｂまたはこれら両方に下流側排気管２９内を流れる排気ガスの一部を流入させることができる。このため、触媒下流ガス導入ポンプＰ３を作動させることにより、第一触媒下流ガス導入分岐管５３ａを介して下流側排気管２９内の排気ガスの一部を排気枝管２４に流入させたり、第二触媒下流ガス導入分岐管５３ｂを介して下流側排気管２９内の排気ガスの一部を上流側排気管２６に流入させたり、これら両方に下流側排気管２９内の排気ガスの一部を流入させたりすることができる。なお、本実施形態では、触媒下流ガス導入ポンプＰ３は排気枝管２４および上流側排気管２６に流入させる排気ガスの流量を調整することができるが、触媒下流ガス導入ポンプＰ３にはこのような流量調整機能をもたせずに触媒下流ガス導入ポンプＰ１とは別体の流量調整弁を設けるようにしてもよい。
【００２９】
ところで、排気ターボチャージャを用いた内燃機関では、過給圧が高いほど出力トルクが大きなものとなる。そして、出力トルクはスロットル開度、すなわち機関負荷に応じて変化する。このため、目標過給圧は図３に実線で示したようにスロットル開度の関数となる。すなわち、スロットル開度が小さい場合には目標過給圧は小さく、スロットル開度が大きくなるにつれて目標過給圧も大きくなり、さらにスロットル開度が大きくなると目標過給圧は高い値で一定値とされる。
【００３０】
このように、実際の過給圧（すなわち、排気ターボチャージャ１７のコンプレッサ１８下流側の吸気ガス圧力）を目標過給圧になるように制御するために、多くの排気ターボチャージャにはウエストゲートバルブ（図示せず）が設けられている。ウエストゲートバルブは、過給圧が高くなり過ぎてしまうような場合に、タービンに流入する排気ガスの一部をバイパスさせて、タービンに導かれる排気ガスのエネルギ（以下、「排気エネルギ」と称す）を小さくするようにしている。したがって、実際の過給圧が目標過給圧よりも高い場合には、ウエストゲートバルブを開弁することにより、実際の過給圧を目標過給圧にまで低下させることができる。
【００３１】
ところが、スロットル開度が急激に大きくなった場合等、実際の過給圧が目標過給圧よりも低い場合、排気ガスの流量が少なく、排気エネルギが小さいことから、上記吸気ガス圧力を迅速に目標過給圧にまで上昇させるのは困難であり、過給圧を上昇させるのに時間がかかっていた（いわゆるターボラグ）。
【００３２】
そこで、本発明では、実際の過給圧が目標過給圧よりも大幅に低い場合には、新気導入ポンプＰ１を作動させて、第一新気導入分岐管５１ａを介して大気中の新気ガスを排気枝管２４に流入させるようにしている（図２の矢印Ａ）。このように、新気ガスを排気枝管２４に流入させることにより、排気枝管２４内の排気ガス圧力が高くなり、よって排気枝管２４内の排気ガスがタービン２５を通過する際に、排気ガスからタービン２５に与えられる排気エネルギが大きくなる。これによりタービン２５の回転数が急速に増大するようになり、これに伴って排気ターボチャージャ１７のコンプレッサ１８の回転数も急速に増大し、よって過給圧も迅速に増大する。
【００３３】
また、実際の過給圧が目標過給圧よりも大幅に低い場合とは、アクセルペダル４０が急激に踏込まれた場合等、内燃機関に対して大きな出力トルクが必要とされている場合である。かかる場合には、内燃機関の燃焼室内に供給される空気と燃料との比率（以下、「吸気空燃比」と称す）は、出力空燃比とされる。この出力空燃比とは、内燃機関が最も大きな出力トルクを発生させることができるような空燃比（例えば、１２．５）であり、理論空燃比（約１４．５）よりも低い。したがって、内燃機関が出力空燃比で運転されている場合には、機関本体から排出される排気ガス中には未燃炭化水素（未燃ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）が多く存在する。
【００３４】
このように、機関本体から排出される排気ガス中に多量の未燃ＨＣやＣＯが含まれている状態で、新気導入ポンプＰ１を作動させて第一新気導入分岐管５１ａを介して新気ガスを排気枝管２４に流入させると、新気ガスは排気枝管２４内で未燃ＨＣやＣＯと発熱反応を起こす。このため、排気枝管２４内の排気ガスは、その温度が上昇せしめられると共にその圧力が上昇せしめられる。したがって、排気枝管２４内の排気ガスがタービン２５を通過する際に、排気ガスからタービン２５に与えられる排気エネルギが大きくなり、過給圧を迅速に増大させることができる。
【００３５】
さらに、排気枝管２４内への新気ガスの流入量を適切に調整すれば、機関本体１から排出された排気ガスの空燃比（排気通路、燃焼室５および吸気通路に供給された空気と燃料との比率）が出力空燃比であったものを、排気枝管２４から流出する際には理論空燃比にすることができる。このように、排気ガスの空燃比を理論空燃比にすることにより、排気枝管２４よりも下流側に配置された排気浄化触媒２７で排気ガスを良好に浄化することができるようになる。
【００３６】
また、本発明では、実際の過給圧が目標過給圧よりも大幅に低い場合には、タービン下流ガス導入ポンプＰ２を作動させて、タービン下流ガス導入管５２を介して上流側排気管２６内の排気ガスの一部を排気枝管２４へと逆流させるようにしている（図２の矢印Ｃ）。このように、上流側排気管２６内の排気ガスの一部を排気枝管２４へと逆流させることにより、タービンの排気下流側に位置する上流側排気管２６内の排気ガス圧力が低くなると共に、タービンの排気上流側に位置する排気枝管２４内の排気ガス圧力が高くなる。このため、排気枝管２４内の排気ガスがタービン２５を通過する際の排気ガスの流速が速くなり、よって排気ガスからタービン２５に与えられる排気エネルギが大きくなるので、過給圧を迅速に増大させることができる。
【００３７】
このように、本発明では、実際の過給圧が目標過給圧よりも大幅に低い場合には、新気導入ポンプＰ１およびタービン下流ガス導入ポンプＰ２を作動させることにより、新気ガスおよび上流側排気管２６内の排気ガスを排気枝管２４に流入させることで、過給圧を迅速に増大させ、ターボラグを解消するようにしている。
【００３８】
また、実際の過給圧が目標過給圧よりも大幅に低い場合とは、例えば、実際の過給圧が目標過給圧よりも所定値だけ低い基準過給圧以下の場合を意味し、図３の破線以下の場合を指す。この場合の所定値は、ターボラグが大きくなり過ぎないように且つ導入ポンプＰ１〜Ｐ３の作動頻度が高くなることによる燃費悪化が大きくなり過ぎないように定められる。
【００３９】
また、実際の過給圧が目標過給圧よりも大幅に低い場合に、新気ガスおよび上流側排気管２６内の排気ガスの一部を排気枝管２４に流入させる操作を必ずしも両方実行する必要はなく、新気導入ポンプＰ１のみを作動させて新気ガスのみを排気枝管２４に流入させてもよいし、タービン下流ガス導入ポンプＰ２のみを作動させて上流側排気管２６内の排気ガスの一部のみを排気枝管２４へと逆流させてもよい。また、これら操作を実行させる条件となる基準過給圧を各操作毎に異なるものとしてもよい。
【００４０】
さらに、実際の過給圧が目標過給圧よりも大幅に低い場合には、上記操作に加えてまたは上記操作を実行せずに、触媒下流ガス導入ポンプＰ３を作動させることにより、第一触媒下流ガス導入分岐管５３ａを介して下流側排気管２９内の排気ガスの一部を排気枝管２４へと逆流させるようにしてもよい（図２の矢印Ｅ）。この場合も、上述したタービン下流ガス導入ポンプＰ２を作動させた場合と同様に、タービン２５の排気下流側に位置する排気通路内の排気ガス圧力を低下させると共にタービン２５の排気上流側に位置する排気通路内の排気ガス圧力を上昇させることができ、よって過給圧を迅速に増大させることができる。
【００４１】
ところで、排気浄化触媒２７では、その温度が高くなり過ぎると、その機能が低下したり、溶損が生じたりする。かかる観点からは、排気浄化触媒２７の温度を一定温度よりも低い温度に抑える必要がある（例えば、８００℃以下）。
【００４２】
そこで、本発明では、排気浄化触媒２７に流入する排気ガスの温度が触媒基準温度以上となっている場合には、触媒下流ガス導入ポンプＰ３を作動させて、第二触媒下流ガス導入分岐管５３ｂを介して下流側排気管２９内の排気ガスの一部を上流側排気管２６へと逆流させるようにしている（図２の矢印Ｆ）。上述したように触媒下流ガス導入管５３には冷却装置５４が設けられているため、触媒下流ガス導入管５３を介して下流側排気管２９から上流側排気管２６へと逆流せしめられた排気ガスの温度は低いものとなっている。このため、下流側排気管２９内の排気ガスの一部を上流側排気管２６へと逆流させることにより、上流側排気管２６内の排気ガスの温度が低下せしめられる。これにより、排気浄化触媒２７に流入する排気ガスの温度低くなり、排気浄化触媒２７の過昇温が防止せしめられる。
【００４３】
さらに、下流側排気管２９内の排気ガスは既に排気浄化触媒２７を通過した排気ガスであるため、排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯ等は排気浄化触媒２７においてほとんど酸化、除去されており、また排気ガス中に酸素がほとんど残っていない。したがって、下流側排気管２９内の排気ガスは不活性ガスとなっており、よって下流側排気管２９内の排気ガスの一部を上流側排気管２６へと逆流させても、排気浄化触媒２７における酸化反応が増大することはなく、よって排気浄化触媒２７における発熱量が大きくなることはない。
【００４４】
なお、触媒基準温度とは、排気浄化触媒２７の機能が低下したり溶損が生じたりしない限界温度（例えば、８００℃）よりも低い温度である。ただし、排気浄化触媒２７に流入する排気ガスの温度を限界温度近傍にすると、排気浄化触媒２７で酸化反応が起こることにより排気浄化触媒２７の温度が限界温度以上になってしまう可能性があるため、本実施形態では基準温度は排気浄化触媒２７の活性温度または活性温度よりも僅かに高い温度とされる。
【００４５】
また、排気浄化触媒２７に流入する排気ガスの温度が触媒基準温度以上となっている場合には、触媒下流ガス導入ポンプＰ３を作動させて、第二触媒下流ガス導入分岐管５３ａを介して下流側排気管２９内の排気ガスの一部を排気枝管２４へと逆流させるようにしてもよい（図２の矢印Ｅ）。さらに、通常、排気管を流れている間に排気ガスが冷却されるため、下流側排気管２９内の排気ガスの温度は上流側排気管２６および排気枝管２４内の排気ガスの温度よりも低いので、触媒下流ガス導入管５３には冷却装置５４を設けなくてもよく、その場合でも上記効果を得ることができる。
【００４６】
また、排気ターボチャージャ１７のタービン２５でも、その温度が高くなり過ぎると、その機能が低下したり、破損が生じたりする。かかる観点からは、タービン２５の温度を一定温度よりも低い温度に抑える必要がある（例えば、１０００℃以下）。
【００４７】
そこで、本発明では、タービン２５に流入する排気ガスの温度がタービン基準温度以上となっている場合には、触媒下流ガス導入ポンプＰ３を作動させて、第一触媒下流ガス導入分岐管５３ａを介して下流側排気管２９内の排気ガスの一部を排気枝管２４へと逆流させるようにしている（図２の矢印Ｅ）。上述したように触媒下流ガス導入管５３には冷却装置５４が設けられているため、触媒下流ガス導入管５３を介して排気枝管２４へと逆流せしめられた排気ガスの温度は低いものとなっている。このため、下流側排気管２９内の排気ガスの一部を排気枝管２４へと逆流させることにより、排気枝管２４内の排気ガスの温度が低下せしめられる。これにより、タービン２５に流入する排気ガスの温度が低くなり、タービン２５の過昇温が防止せしめられる。なお、タービン基準温度とは、タービン２５の機能が低下したり破損が生じたりしない限界温度（例えば、１０００℃）よりも低い温度である。
【００４８】
なお、タービン２５に流入する排気ガスの温度がタービン基準温度以上となっている場合には、タービン下流ガス導入ポンプＰ２を作動させて、タービン下流ガス導入管５２を介して上流側排気管２６内の排気ガスの一部を排気枝管２４へと逆流させるようにしてもよい（図２の矢印Ｃ）。さらに、通常、排気管を流れている間に排気ガスが冷却されるため、上流側排気管２６および下流側排気管２９内の排気ガスの温度は排気枝管２４内の排気ガスの温度よりも低いので、触媒下流ガス導入管５３には冷却装置５４を設けなくても上記効果を得ることができる。
【００４９】
そして、本発明では、排気浄化触媒２７に流入する排気ガスの温度が触媒基準温度以上となっており且つタービン２５に流入する排気ガスの温度がタービン基準温度以上となっている場合には、触媒下流ガス導入ポンプＰ３を作動させて、第二触媒下流ガス導入分岐管５３ｂおよび第一触媒下流ガス導入分岐管５３ａを介して、下流側排気管２９内の排気ガスの一部を上流側排気管２６および排気枝管２４へと逆流させるようにしている（図２の矢印ＦおよびＥ）。これにより、排気浄化触媒２７およびタービン２５の過昇温が防止せしめられる。この場合、上流側排気管２６および排気枝管２４へと逆流させる排気ガスの流量は、排気浄化触媒２７に流入する排気ガスの実際の温度と触媒基準温度との偏差およびタービン２５に流入する排気ガスの温度とタービン基準温度との偏差に基づいて定められる。
【００５０】
また、本実施形態の内燃機関では、燃焼室５内に排気ガスを導入して燃焼室５内における燃焼温度を低下させるために、可変動弁機構（図示せず）等により排気弁８を介して排気枝管２４内の排気ガスの一部を燃焼室５内に流入させることができる（内部ＥＧＲ）。このような内部ＥＧＲを実行する際には、燃焼室５内に流入させる排気ガス（ＥＧＲガス）の温度が低い方が好ましい。これは、ＥＧＲガスの温度が低ければ、ＥＧＲガスを燃焼室５内に導入しながらも燃焼室５内に充填されるガスの全体温度を低いものとすることができ、よって燃焼室５内での燃焼効率を高めることができるからである。
【００５１】
そこで、本発明では、可変動弁機構を制御して内部ＥＧＲが行われているときには、触媒下流ガス導入ポンプＰ３を作動させて、第一触媒下流ガス導入分岐管５３ａを介して下流側排気管２９内の排気ガスの一部を排気枝管２４へと逆流させるようにする（図２の矢印Ｅ）。これにより、上述したように排気枝管２４には比較的低温の排気ガスが流入せしめられて排気枝管２４内の排気ガスの温度が低下せしめられ、結果としてＥＧＲガスの温度も低下せしめられて、内部ＥＧＲの実行中における燃焼室５内での燃焼効率を高めることができる。
【００５２】
なお、本実施形態では、内燃機関の燃焼室５から排出された排気ガスの一部を再び燃焼室に流入させるＥＧＲ機構として内部ＥＧＲが採用されているが、外部ＥＧＲ（排気枝管２４とサージタンク１４とをＥＧＲガス導管を介して互いに連結し、このＥＧＲガス導管内にはＥＧＲガス制御弁を配置して、内燃機関の燃焼室５から排出された排気ガスの一部を再び燃焼室に流入させるＥＧＲ）が採用されてもよい。この場合も、内部ＥＧＲが採用されている場合と同様に、ＥＧＲが行われているときには、触媒下流ガス導入ポンプＰ３を作動させて下流側排気管２９内の排気ガスの一部を排気枝管２４へと逆流させる。
【００５３】
ところで、スロットル開度が零、すなわち機関負荷が零である場合には、燃焼室５内に流入する空気の流量が減少し、これに伴って燃焼室５から排出される排気ガスの排気エネルギも低減し、よってタービン２５の回転数も減少する。このように、スロットル開度を零にすることでタービン２５の回転数が減少してタービン２５が比較的低回転で回転していると、再びスロットル開度が大きくなったときにターボラグが生じる。
【００５４】
そこで、本発明では、スロットル開度が零（または零近傍の所定値以下）の場合に、タービン下流ガス導入ポンプＰ２を作動させることにより、上流側排気管２６内の排気ガスの一部を排気枝管２４へと逆流させるようにしている（図２の矢印Ｃ）。これにより、上述したように、排気枝管２４内の排気ガスがタービン２５を通過する際の排気ガスの流速が速くなり、よって排気ガスからタービン２５に与えられる排気エネルギが大きくなる。このため、タービン下流ガス導入ポンプＰ２を作動させない場合に比べてタービン２５の回転数が高く維持される。これにより、スロットル開度が大きくなったときに迅速に加速を行うことができるようになる。
【００５５】
ただし、内燃機関を搭載した車両の速度（以下、「車速」と称す）が基準速度よりも低い場合には、タービン下流ガス導入ポンプＰ２を作動させず、タービン２５の回転数を高く維持しない。これは、車速が低すぎる場合には、スロットル開度を大きくした際に急激に過給が行われてトルクショックを招く虞があるためである。
【００５６】
なお、スロットル開度が零の場合に、触媒下流ガス導入ポンプＰ３を作動させることにより、下流側排気管２９内の排気ガスの一部を排気枝管２４へと逆流させるようにしてもよい。
【００５７】
ところで、内燃機関の冷間始動時等には、排気浄化触媒２７の温度がその活性温度よりも低く、機関本体１から排出された排気ガスに対する浄化能力が低いものとなっている。このため、内燃機関の冷間始動時等には、排気浄化触媒２７を迅速に昇温する必要がある。
【００５８】
ところが、排気ターボチャージャ１７を有する内燃機関では、冷間始動時においても機関本体１から排出された排気ガスは排気浄化触媒２７を通過する前にタービン２５を通過する。タービン２５を通過する際に排気ガスはタービン２５に多量のエネルギを奪われるため、排気浄化触媒２７に到達するときには排気ガスの温度は低いものとなっており、排気浄化触媒２７の昇温を迅速に行うことができない。
【００５９】
そこで、本発明では、内燃機関の冷間始動時等には、タービン下流ガス導入管５２を開放して、排気枝管２４内の排気ガスの一部または全部がタービン２５をバイパスすることができるようにしている。これにより、機関本体１から排出された排気ガスの一部または全部がタービン２５にエネルギを奪われることなく排気浄化触媒２７に流入することになるため、排気浄化触媒２７には高温の排気ガスが流入する。このため、排気浄化触媒２７は迅速に昇温せしめられる。
【００６０】
また、内燃機関の冷間始動時等には、燃焼室５内での燃焼が不安定になる傾向があるため、燃焼室５に供給される混合気の空燃比はリッチ（例えば、１２．０）とされる。したがって、内燃機関の冷間始動時等には、機関本体１から排出される排気ガス中には未燃ＨＣやＣＯが多く存在する。
【００６１】
そこで、本発明では、内燃機関の冷間始動時等には、上記操作に加えてまたは上記操作を実行せずに、新気導入ポンプＰ１を作動させて、第二新気導入分岐管５１ｂを介して大気中の新気ガスを上流側排気管２６に流入させるようにしている（図２の矢印Ｂ）。これにより、新気ガスが上流側排気管２６内で未燃ＨＣやＣＯと発熱反応を起こす。このため、上流側排気管２６内の排気ガスの温度が上昇せしめられ、よって排気浄化触媒２７が迅速に昇温せしめられる。
【００６２】
図４および図５は、導入ポンプＰ１〜Ｐ３の作動を制御するための制御ルーチンを示している。まず、ステップ１０１では、水温計（図示せず）により検出された冷却水温Ｔｗ、負荷センサ４１により検出されたスロットル開度Ａｃｃｐ、車速センサ（図示せず）により検出された車両速度Ｓｐ、圧力センサ４３によって検出された過給圧Ｐｃ、温度センサ４４によって検出されたタービン流入排気ガス温度Ｔｔ、および温度センサ４５によって検出された触媒流入排気ガス温度Ｔｃが取得せしめられる。
【００６３】
次いで、ステップ１０２では、ステップ１０１で取得された冷却水温Ｔｗが予め定められた温度Ｔｗｓよりも低いか否か、すなわち内燃機関が冷間始動時であるか否かが判定される。冷間始動時である（Ｔｗ＜Ｔｗｓ）と判定された場合にはステップ１０３へと進み、新気導入ポンプＰ１が作動せしめられて、第二新気導入分岐管５１ｂを介して上流側排気管２６に新気ガスが導入されると（図２の矢印Ｂ）共に、タービン下流ガス導入管５２が開放されて排気枝管２４内の排気ガスが上流側排気管２６内に流入せしめられる（図２の矢印Ｄ）。
【００６４】
一方、ステップ１０２で、内燃機関が冷間始動時でない（Ｔｗ≧Ｔｗｓ）と判定された場合にはステップ１０４へと進む。ステップ１０４では、ステップ１０１で取得されたスロットル開度Ａｃｃｐが零であるか否か、すなわち機関負荷が零であるか否かが判定される。機関負荷が零である（Ａｃｃｐ＝０）と判定された場合、ステップ１０５へと進む。ステップ１０５では、ステップ１０１で取得された車速Ｓｐが基準速度Ｓｐｓ以上であるか否かが判定され、車速Ｓｐが基準速度Ｓｐｓ未満である（Ｓｐ＜Ｓｐｓ）と判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。一方、車速Ｓｐが基準速度以上である（Ｓｐ≧Ｓｐｓ）と判定された場合には、ステップ１０６へと進む。ステップ１０６では、タービン下流ガス導入ポンプＰ２が作動せしめられて、タービン下流ガス導入管５２を介して上流側排気管２６から排気枝管２４へと排気ガスの一部が逆流せしめられる（図２の矢印Ｃ）。
【００６５】
一方、ステップ１０４において、機関負荷が零でない（Ａｃｃｐ≠０）と判定された場合、ステップ１０７へと進む。ステップ１０７では、ステップ１０１で取得された過給圧Ｐｃが基準過給圧Ｐｃｓ以下であるか否かが判定され、過給圧Ｐｃが基準過給圧Ｐｃｓ以下である（Ｐｃ≦Ｐｃｓ）と判定された場合にはステップ１０８へと進み、逆に過給圧Ｐｃが基準過給圧Ｐｃｓよりも高い（Ｐｃ＞Ｐｃｓ）と判定された場合にはステップ１０８がスキップされる。
【００６６】
ステップ１０８では、新気導入ポンプＰ１が作動せしめられて第一新気導入分岐管５１ａを介して新気ガスが排気枝管２４に流入せしめられる（図２の矢印Ａ）。さらに、タービン下流ガス導入ポンプＰ２が作動せしめられてタービン下流ガス導入管５２を介して上流側排気管２６内の排気ガスの一部が排気枝管２４へと逆流せしめられる。
【００６７】
次いで、ステップ１０９では、ステップ１０１で取得されたタービン流入排気ガス温度Ｔｔがタービン基準温度Ｔｔｓよりも低いか否かが判定される。タービン流入排気ガス温度Ｔｔがタービン基準温度Ｔｔｓよりも低い（Ｔｔ＜Ｔｔｓ）と判定された場合にはステップ１１０へと進む。ステップ１１０では、ステップ１０１で取得された触媒流入排気ガス温度Ｔｃが触媒基準温度Ｔｃｓよりも低いか否かが判定され、触媒基準温度Ｔｃｓよりも低い（Ｔｃ＜Ｔｃｓ）と判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップ１１０において触媒流入排気ガス温度Ｔｃが触媒基準温度Ｔｃｓ以上である（Ｔｃ≧Ｔｃｓ）と判定された場合にはステップ１１１へと進む。ステップ１１１では、触媒下流ガス導入ポンプＰ３が作動せしめられて第二触媒下流ガス導入管５３ｂを介して下流側排気管２９内の排気ガスの一部が上流側排気管２６へと逆流せしめられる（図２の矢印Ｆ）。
【００６８】
一方、ステップ１０９において、タービン流入排気ガス温度Ｔｔがタービン基準温度Ｔｔｓ以上である（Ｔｔ≧Ｔｔｓ）と判定された場合にはステップ１１２へと進む。ステップ１１２では、ステップ１１０と同様に触媒流入排気ガス温度Ｔｃが触媒基準温度Ｔｃｓよりも低いか否かが判定され、触媒基準温度Ｔｃｓよりも低い（Ｔｃ＜Ｔｃｓ）と判定された場合には、触媒下流ガス導入ポンプＰ３が作動せしめられて第一触媒下流ガス導入管５３ａを介して下流側排気管２９内の排気ガスの一部が排気枝管２４へと逆流せしめられる（図２の矢印Ｅ）。また、ステップ１１２において、触媒流入排気ガス温度Ｔｃが触媒基準温度Ｔｃｓ以上である（Ｔｃ≧Ｔｃｓ）と判定された場合には、触媒下流ガス導入ポンプＰ３が作動せしめられて第一触媒下流ガス導入管５３ａおよび第二触媒下流ガス導入管５３ｂを介して下流側排気管２９内の排気ガスの一部が排気枝管２４および上流側排気管２６へと逆流せしめられる（図２の矢印Ｅおよび矢印Ｆ）。
【００６９】
なお、排気浄化触媒２７は、酸化触媒または三元触媒ではなくてもよく、排気浄化触媒に流入する排気ガス中の未燃ＨＣおよびＣＯを酸化することができる他のタイプの触媒であってもよい。このような排気浄化触媒としては、例えば、流入する排気ガスの空燃比がリーンである場合にはＮＯXを吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチである場合には吸蔵しているＮＯXを放出して還元させる吸蔵還元型ＮＯX触媒であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の排気ターボチャージャ付き内燃機関の全体図である。
【図２】図１の排気通路近傍の概略拡大図である。
【図３】スロットル開度と目標過給圧との関係を示す図である。
【図４】導入ポンプの作動を制御するための制御ルーチンを示すフローチャートの一部である。
【図５】導入ポンプの作動を制御するための制御ルーチンを示すフローチャートの一部である。
【符号の説明】
【００７１】
２４    排気枝管
２５    タービン
２６    上流側排気管
２７    排気浄化触媒
２９    下流側排気管
５１    新気導入管
５２    タービン下流ガス導入管
５３    触媒下流ガス導入管
５４    冷却装置
Ｐ１    新気導入ポンプ
Ｐ２    タービン下流ガス導入ポンプ
Ｐ３    触媒下流ガス導入ポンプ
【図１】
2006144586.tif 000003
【図２】
2006144586.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006144586.tif 000006
【図５】
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