(57)【要約】【課題】排気熱の損失を低減し、触媒装置の活性化温度を十分に確保することができる内燃機関の排気通路切替え装置を提供する。【解決手段】エンジン１の排気が導入される主排気通路９に設けた過給機用排気タービン装置１１と、主排気通路９のうち排気タービン装置１１の下流側に設けた触媒装置１２と、主排気通路９のうち排気タービン装置１１より上流側から分岐されるとともに排気タービン装置１１を介すことなく触媒装置１２より上流側で合流する副排気通路１３とを有するエンジン１の排気系の主排気通路９と副排気通路１３との分岐部に設けた内燃機関の排気通路切替え装置１４において、主排気通路９及び副排気通路１３のうち一方を閉塞可能な弁体１４Ａと、エンジン１の運転状態に係わる状態量を検出する状態量検出器１７と、この状態量検出器１７で検出した状態量に応じて弁体１４Ａの切替え動作を制御する切替え制御装置１５とを備える。【選択図】    図１
2004339942.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気が導入される主排気通路に設けた過給機用排気タービン装置と、前記主排気通路のうち前記過給機用排気タービン装置の下流側に設けた触媒装置と、前記主排気通路のうち前記過給機用排気タービン装置より上流側から分岐されるとともに前記過給機用排気タービン装置を介すことなく前記触媒装置より上流側で合流する副排気通路とを有する内燃機関の排気系の前記主排気通路と前記副排気通路との分岐部に設けた内燃機関の排気通路切替え装置において、
前記主排気通路及び前記副排気通路のうち一方を閉塞可能な弁体と、
前記内燃機関の運転状態に係わる状態量を検出する状態量検出手段と、
この状態量検出手段で検出した前記状態量に応じて前記弁体の切替え動作を制御する切替え制御手段と
を備えることを特徴とする内燃機関の排気通路切替え装置。
【請求項２】
請求項１記載の内燃機関の排気通路切替え装置において、前記状態量検出手段は、前記内燃機関に空気を導入する吸気通路に設けられ、前記吸気通路内の圧力を検出する圧力検出手段を備えることを特徴とする内燃機関の排気通路切替え装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の内燃機関の排気通路切替え装置において、前記切替え制御手段は、電動機の回転駆動力若しくは磁気力により前記弁体の切替え動作を制御する電気・磁気的制御手段であることを特徴とする内燃機関の排気通路切替え装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載の内燃機関の排気通路切替え装置において、前記主排気通路は、前記分岐部の前記排気タービン装置側に設けられ前記弁体が当接して前記主排気通路を閉塞するタービン側弁座部を備え、かつこのタービン側弁座部に前記弁体が当接するときに前記主排気通路のうち前記タービン側弁座部の上流側と下流側とを連通し、少量の排気を排気タービン装置に導入する漏れ通路をさらに設けたことを特徴とする内燃機関の排気通路切替え装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項記載の内燃機関の排気通路切替え装置において、前記状態量検出手段は、前記内燃機関の駆動による自走式車輌の速度を検出する速度検出手段をさらに備え、前記切替え制御手段は、前記速度検出手段で検出した速度を含む状態量に応じて前記弁体を制御することを特徴とする内燃機関の排気通路切替え装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気系に係わり、特に、排気を過給機用排気タービン装置に導入する主排気通路と過給機用排気タービン装置を介さないで触媒装置に導入する副排気通路との分岐部に設けた内燃機関の排気通路切替え装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば自動車用エンジン等の内燃機関では、より大量の空気を内燃機関の気筒内に吸入するために排気タービン過給機（ターボチャージャ）が用いられる場合がある。この排気タービン過給機は、一般に、内燃機関の排気通路に設けられ、排気を導入する渦状流路を内部に設けたタービンハウジング及びこのタービンハウジングの径方向中心部に設けた排気タービンとを配置した排気タービン装置と、内燃機関の吸気通路に吸気タービンを配置した吸気タービン装置と、これら排気タービン及び吸気タービンを連結するシャフトとを備えている。そして、内燃機関の排気により排気タービンが回転駆動されると、シャフトを介して吸気タービンが回転駆動されて吸気通路内の空気が圧縮されるので、より大量の空気を内燃機関の気筒内に導入するようになっている。
【０００３】
従来、上記内燃機関の排気系において、上記排気タービン装置の下流側に排気浄化処理用の触媒装置を設けた構造が知られている。この触媒装置は、触媒担体に担持した触媒をエンジンからの排気熱により活性化温度以上に加熱して触媒作用を起こし、排気中の有害成分を浄化処理するようになっている。
【０００４】
ここで、上記排気タービンの回転駆動は排気の圧力及び熱エネルギーによって行われるため、排気タービン装置を通過した排気の温度は約１００℃程度低下することが知られている。また、近年排気中の有害成分の排出規制が厳しくなるに従い、アイドリング運転等のエンジン低速域（低回転域）からの排気浄化処理（触媒活性化）が要求されている。ところが、エンジン低速域においては、排気温度の絶対値が低く、さらに排気熱が触媒装置までの排気通路（例えば圧肉構造で鋳鉄製のタービンハウジング等）の昇温に費やされてしまうため、触媒装置に導入された排気温度が触媒活性化に十分な温度に達しない場合がある。
【０００５】
これに対応し、例えば、排気通路のうち排気タービンより上流側で分岐されるとともに排気タービンの下流側で合流する排気バイパス通路と、この排気バイパス通路に設けた開閉弁とを備えた構造が提唱されている（例えば、特許文献１参照）。この従来技術では、内燃機関の低速域において、開閉弁を開いて排気バイパス通路を開通し、排気のほとんどが排気バイパス通路を介し触媒装置に導入されるようになっている。
【０００６】
【特許文献１】
特許２００２−１９５０４６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には、以下の課題が存在する。
【０００８】
すなわち、上記従来技術では、排気バイパス通路のみに開閉弁を設けた構造であるため、排気タービン側の排気通路は常に開通した状態となっている。これにより、排気バイパス通路の開閉弁を開いた状態でも内燃機関からの排気の一部が排気タービン装置に導入され、その排気熱の多くが一般的に圧肉構造で鋳鉄製のタービングハウジング等の昇温に費やされてしまうため、触媒装置の活性化温度を確保することが困難となる。
【０００９】
本発明の目的は、排気熱の損失を低減し、触媒装置の活性化温度を十分に確保することができる内燃機関の排気通路切替え装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、内燃機関の排気が導入される主排気通路に設けた過給機用排気タービン装置と、主排気通路のうち前記過給機用排気タービン装置の下流側に設けた触媒装置と、前記主排気通路のうち前記過給機用排気タービン装置より上流側から分岐されるとともに前記過給機用排気タービン装置を介すことなく前記触媒装置より上流側で合流する副排気通路とを有する内燃機関の排気系の前記主排気通路と前記副排気通路との分岐部に設けた内燃機関の排気通路切替え装置において、前記主排気通路及び前記副排気通路のうち一方を閉塞可能な弁体と、前記内燃機関の運転状態に係わる状態量を検出する状態量検出手段と、この状態量検出手段で検出した前記状態量に応じて前記弁体の切替え動作を制御する切替え制御手段とを備える。
【００１１】
本発明においては、状態量検出手段で検出した状態量により内燃機関の高速域と判断されたときには、切替え制御手段により弁体を動作させて主排気通路を開通するとともに副排気通路を閉塞し、状態量検出手段で検出した状態量により内燃機関の低速域と判断されたときには、切替え制御手段により弁体を動作させて主排気通路を閉塞するとともに副排気通路を開通する。これにより、内燃機関の低速域において、排気全量が排気タービン装置を介さず触媒装置に導入されるので、排気タービン装置を構成するタービンハウジング等の昇温による排気熱の損失を低減し、触媒装置の活性化温度を十分に確保することができる。
【００１２】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記状態量検出手段は、前記内燃機関に空気を導入する吸気通路に設けられ、前記吸気通路内の圧力を検出する圧力検出手段を備える。
【００１３】
（３）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記切替え制御手段は、電動機の回転駆動力若しくは磁気力により前記弁体の切替え動作を制御する電気・磁気的制御手段である。
【００１４】
（４）上記（１）〜（３）のいずれか１つにおいて、好ましくは、前記主排気通路は、前記分岐部の前記排気タービン装置側に設けられ前記弁体が当接して前記主排気通路を閉塞するタービン側弁座部を備え、かつこのタービン側弁座部に前記弁体が当接するときに前記主排気通路のうち前記タービン側弁座部の上流側と下流側とを連通し、少量の排気を排気タービン装置に導入する漏れ通路をさらに設ける。
【００１５】
これにより、内燃機関の低速域において弁体をタービン側弁座部に当接した状態でも、漏れ通路により少量の排気が排気タービン装置に導入されるので、排気タービン装置を効率よく暖めておくことができる。したがって、その後内燃機関が高速域となり、排気全量が主排気通路を介し排気タービン装置に導入されるときに、タービンハウジング等の昇温による排気熱の損失を低減することができる。
【００１６】
（５）上記（１）〜（３）のいずれか１つにおいて、また好ましくは、前記状態量検出手段は、前記内燃機関の駆動による自走式車輌の速度を検出する速度検出手段をさらに備え、前記切替え制御手段は、前記速度検出手段で検出した速度を含む状態量に応じて前記弁体を制御する。
【００１７】
本発明においては、内燃機関の低速域において、速度検出手段が車輌の停止状態（車輌速度＝０）を検出したときには、上記（１）で説明したように排気全部が副排気通路を介し触媒装置に導入されるので、触媒装置の活性化温度を十分に確保することができる。
【００１８】
また、内燃機関の低速域において、速度検出手段が車輌の走行状態（予め設定した所定の速度以上）を検出したときには、例えば弁体をタービン側弁座部に対し小さな開口となるように制御する。これにより、少量の排気が排気タービン装置に導入されるので、排気タービン装置を効率よく暖めておくことができる。したがって、その後内燃機関が高速域となり、排気全量が主排気通路を介し排気タービン装置に導入されるときに、タービンハウジング等の昇温による排気熱の損失を低減することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の内燃機関の排気通路切替え装置が適用された過給機付き内燃機関の概略構成を表す図である。
【００２０】
この図１において、内燃機関のエンジン１と、このエンジン１に空気を吸入する吸気系２と、エンジン１からの排気を排出する排気系３と、これら吸気系２及び排気系３に設けた排気タービン過給機４（ターボチャージャ）とが備えられている。
【００２１】
吸気系２は、エアクリーナ５を介し空気を導入する吸気通路６と、この吸気通路６のうちエンジン１の各気筒（図示せず）に空気を導入する吸気マニホールド７と、吸気通路６に吸気タービン（図示せず）を配置した過給機用吸気タービン装置（コンプレッサ）８とを備えている。
【００２２】
排気系３は、エンジン１の排気が導入される主排気通路９と、この主排気通路９のうちエンジン１の各気筒からの排気を集合する排気マニホールド１０と、主排気通路９に排気タービン（図示せず）を配置した過給機用排気タービン装置１１と、主排気通路９のうち排気タービン装置１１より下流側に設けた触媒装置１２と、主排気通路９のうち排気タービン装置１１より上流側から分岐されるとともに排気タービン装置１１を介すことなく触媒装置１２より上流側で合流する副排気通路１３と、主排気通路９と副排気通路１３との分岐部に設けた排気通路切替え装置１４と、この排気通路切替え装置１４を切替え制御する（詳細は後述）ための切替え制御装置１５とを備えている。
【００２３】
排気タービン過給機４は、上記吸気タービン装置８と、上記排気タービン装置１１と、上記吸気タービンと排気タービンとを連結するシャフト１６とを備えている。そして、エンジン１からの排気が排気タービン装置１１に導入され排気タービンが回転駆動されると、シャフト１６を介して吸気タービンが回転駆動されて吸気通路６内の空気が圧縮されて、より大量の空気をエンジン１の各気筒内に導入するようになっている。
【００２４】
触媒装置１２は、触媒担体（図示せず）に担持した触媒をエンジン１からの排気熱により活性化温度以上に加熱して触媒作用を起こし、排気中の有害成分を浄化処理するようになっている。そして、触媒装置１２を通過した排気が、消音器等（図示せず）を介し大気へと放出されるようになっている。
【００２５】
排気通路切替え装置１４は、主排気通路９のうち副排気通路１３との分岐部の排気タービン装置１１側に設けたタービン側弁座部（図示せず）と、分岐部の触媒装置１２側（詳細には副排気通路１３の入口側）に設けた触媒側弁座部（図示せず）と、これらタービン側弁座部及び触媒側弁座部のうち一方に当接するために回動可能な弁体１４Ａとを備えている。
【００２６】
切替え制御装置１５は、エンジン１の運転状態に係わる状態量として例えばエンジン１の回転数及び負荷等を検出する状態量検出器１７からの検出信号を入力し、この検出信号に対し所定の演算処理が行われ、生成した駆動信号を電動機（図示せず）に出力するようになっている。そして、この電動機の回転駆動力（又は例えば電磁力等でもよい）により、上記排気通路切替え装置１４の弁体１４Ａが回動されタービン側弁座部及び触媒側弁座部のうち一方を当接するようになっている。
【００２７】
図２は、上記切替え制御装置１５の制御手順を表すフローチャートである。
【００２８】
この図２において、まずステップ１００では、状態量検出器１７で検出した検出信号（例えばエンジン１の回転数及び負荷等）を入力する。そして、ステップ１１０で、エンジン１が低速域にあるかどうかを、エンジン１の回転数及び負荷が所定値（例えば、その運転状態におけるエンジン１の排気温度が触媒装置１２の活性化に不十分となる場合の数値等）未満であるかどうかで判定する。
【００２９】
エンジン１が低速域にある（言い換えれば、エンジン１の回転数及び負荷が所定値未満である）場合は、ステップ１１０の判定が満たされ、ステップ１２０に移る。ステップ１２０では、弁体１４Ａがタービン側弁座部に当接するように回動されて、主排気通路９を閉塞し副排気通路１３を開通する。ステップ１２０が終了すると、ステップ１００に戻って上記同様の手順を繰り返す。
【００３０】
一方、エンジン１が高速域にある（言い換えれば、エンジン１の回転数及び負荷が所定値以上である）場合には、ステップ１１０の判定が満たされず、ステップ１３０に移る。ステップ１３０では、弁体１４Ａが触媒側弁座部に当接するように回動されて、主排気通路９を開通し副排気通路１３を閉塞する。そして、ステップ１３０が終了すると、ステップ１００に戻って上記同様の手順を繰り返す。
【００３１】
なお、上記において、状態量検出器１７は、各請求項記載の内燃機関の運転状態に係わる状態量を検出する状態量検出手段を構成し、切替え制御装置１５は、各請求項記載の状態量検出手段で検出した状態量に応じて弁体の切替え動作を制御する切替え制御手段を構成し、かつ電動機の回転駆動力若しくは磁気力により弁体の切替え動作を制御する電気・磁気的制御手段を構成する。
【００３２】
次に、本実施形態の動作及び作用・効果を説明する。
【００３３】
例えばエンジン１搭載の自動車を走行させる場合、まず運転者がエンジン１を始動しアイドリング運転すると、ステップ１００及び１１０において切替え制御装置１５は状態量検出器１７からの検出信号（エンジン１の回転数エンジン）によりエンジン１の低速域と判定し、ステップ１２０において弁体１４Ａをタービン側弁座部に当接するように回動させて主排気通路９を閉塞するとともに副排気通路１３を開通する。これにより、エンジン１の排気全量が排気タービン装置１１を介さず副排気通路１３を介して触媒装置１２に導入される。
【００３４】
そして、運転者がアクセルを踏み込み自動車を走行させて、エンジン１の回転数が上昇すると、ステップ１００及び１１０において切替え制御装置１５は状態量検出器１７からの検出信号によりエンジン１の高速域と判定し、ステップ１３０において弁体１４Ａを触媒側弁座部に当接するように回動させて主排気通路９を開通するとともに副排気通路１３を閉塞する。これにより、エンジン１の排気全量が主排気通路９を介し排気タービン装置１１に導入され、排気タービン及び吸気タービンが回転駆動するとともに、排気タービン装置１１からの排気が触媒装置１２に導入される。
【００３５】
このように本実施形態においては、エンジン１の低速域において、排気全量が排気タービン装置１１を介さず触媒装置１２に導入されるので、排気タービン装置１１を構成するタービンハウジング等の昇温による排気熱の損失を低減し、触媒装置１２の活性化温度を十分に確保することができる。
【００３６】
なお、上記一実施形態では、エンジン１の運転状態に係わる状態量としてエンジン１の回転数及び負荷を検出し、この検出結果に応じて切替え制御装置１５が弁体１４Ａを切替え制御する構成を例に取り説明したが、これに限らない。すなわち、例えばエンジン１の運転状態に係わる状態量として、エンジン１の回転数及び負荷に代えて、これらに対応する吸気通路６内の圧力を検出する圧力検出手段を設け、この圧力検出手段で検出した圧力に応じて切替え制御装置１５が弁体１４Ａを切替え制御するような構成でもよい。また、この変形例において、切替え制御装置１５は、ダイアフラム等の圧力応答薄膜等を用いた空圧制御手段としてもよい。これらの場合も上記一実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３７】
また、上記一実施形態では、弁体１４Ａがタービン側弁座部及び触媒側弁座部のいずれかに当接して、主排気通路９及び副排気通路１３のうち一方を必ず閉塞する構造について説明したが、これに限らない。すなわち、例えば主排気通路９のうちタービン側弁座部の上流側と下流側とを連通した漏れ通路（例えば弁体１４Ａに設けた貫通孔又は主排気通路９に設けたバイパス通路等）を設け、エンジン１の低速域において弁体１４Ａがタービン側弁座部に当接した状態でも前記漏れ通路により少量の排気が排気タービン装置１１に導入される構造としてもよい。このような変形例においては、エンジン１の低速域において少量の排気が導入され排気タービン装置１１を効率よく暖めておくことができるので、その後エンジン１が高速域となり、排気全量が主排気通路９を介し排気タービン装置１１に導入されたときに、タービンハウジング等の昇温による排気熱の損失を低減することができる。
【００３８】
また、例えばエンジン１の運転状態に係わる状態量としてエンジン１の駆動による自走式車輌の速度を検出する速度検出手段をさらに設け、この速度検出手段で検出した車輌速度に応じて切替え制御装置１５が弁体１４Ａを微小開閉制御してもよい。このような変形例を図３により説明する。
【００３９】
図３は本変形例による切替え制御装置１５の制御手順を表すフローチャートである。
【００４０】
本変形例においては、まずステップ２００では、状態量検出器１７で検出した検出信号（例えばエンジン１の回転数及び負荷等）を入力する。そして、ステップ２１０で、エンジン１が低速域にあるかどうかを、エンジン１の回転数及び負荷が所定値未満であるかどうかで判定する。エンジン１が低速域にある場合は、ステップ２１０の判定が満たされ、ステップ２２０に移る。ステップ２２０では、上記速度検出手段で検出した車輌速度を検出信号として入力する。そして、ステップ２３０で、自動車が走行状態であるかどうかを、車輌速度がしきい値以上であるかどうかで判定する。
【００４１】
自動車が停止状態である（言い換えれば、車輌速度がしきい値未満である）場合は、ステップ２３０の判定が満たされず、ステップ２４０に移る。ステップ２４０では、弁体１４Ａがタービン側弁座部に当接するように回動されて、主排気通路９を閉塞し副排気通路１３を開通する。ステップ２４０が終了すると、ステップ２００に戻って上記同様の手順を繰り返す。
【００４２】
一方、自動車が走行状態である（言い換えれば、車輌速度がしきい値以上である）場合は、ステップ２３０の判定が満たされて、ステップ２５０に移る。ステップ２５０では、弁体１４Ａがタービン側弁座部に対し小さな開口となるように回動される。ステップ２５０が終了すると、ステップ２００に戻って上記同様の手順を繰り返す。
【００４３】
ステップ２１０で、エンジン１が高速域にある場合は、その判定が満たされず、ステップ２６０に移る。ステップ２６０では、弁体１４Ａが触媒側弁座部に当接するように回動されて、主排気通路９を開通し副排気通路１３を閉塞する。ステップ２６０が終了すると、ステップ２００に戻って上記同様の手順を繰り返す。
【００４４】
このように本変形例においては、エンジン１の低速域において速度検出手段が例えば自動車の停止状態（車輌速度＝０）を検出したときには、上記一実施形態同様、排気全量が排気タービン装置１１を介さず副排気通路１３を介し触媒装置１２に導入されるので、排気熱の損失を低減し、触媒装置１２の活性化温度を十分に確保することができる。また、エンジン１の低速域において速度検出手段が車輌の走行状態を検出したときには、少量の排気が排気タービン装置１１に導入されるので、排気タービン装置１１を効率よく暖めておくことができる。したがって、その後エンジン１が高速域となり、排気全量が主排気通路９を介し排気タービン装置１１に導入されるときに、タービンハウジング等の昇温による排気熱の損失を低減することができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、排気熱の損失を低減し、触媒装置の活性化温度を十分に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関の排気通路切替え装置の一実施形態が適用された過給機付き内燃機関の概略構成を表す図である。
【図２】本発明の内燃機関の排気通路切替え装置の一実施形態を構成する切替え制御装置の制御手順を表すフローチャートである。
【図３】本発明の内燃機関の排気通路切替え装置の変形例を構成する切替え制御装置の制御手順を表すフローチャートである。
【符号の説明】
１      エンジン
９      主排気通路
１１    排気タービン装置
１２    触媒装置
１３    副排気通路
１４    排気通路切替え装置
１４Ａ  弁体
１５    切替え制御装置（切替え制御手段、電気・磁気的制御手段）
１７    状態量検出器（状態量検出器）
【図１】
2004339942.tif 000003
【図２】
2004339942.tif 000004
【図３】
2004339942.tif 000005