CN102187068B - 带增压器的内燃机的排气净化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及带增压器的内燃机的排气净化装置，其能够兼顾防止背压的过度升高以及确保废气的排放性能。其具有涡轮增压器16a，该涡轮增压器16a在排气通路14上具有通过内燃机10的排气能量而动作的涡轮16a。在排气通路14上，从上游侧按顺序具有第1前端催化剂18和第2前段催化剂20。且具有迂回绕过涡轮16a的第1排气旁通通路24和迂回绕过涡轮16a和第1前段催化剂18的第2排气旁通通路26。还具备分别承担对所述第1排气旁通通路及第2排气旁通通路26进行开闭的作用的第1废气旁通阀28及第二废气旁通阀。

Description

带增压器的内燃机的排气净化装置
技术领域
本发明涉及带增压器的内燃机的排气净化装置。 
背景技术
以往，例如在专利文献1中公开了具备所谓的双输入型涡轮增压器的内燃机的排气系统。在具备该双输入型涡轮增压器的内燃机中，在从一方的汽缸排出的废气和从另一方的汽缸排出的废气分离的状态下经由各自的涡旋通路导入到涡轮。此外，在该以往的内燃机中，作为相互独立的通路而具备两个排气旁通通路，上述两个排气旁通通路构成为从两个上述涡旋通路分别分支，迂回绕过涡轮后导入催化剂中。 
另外，申请人作为与本发明相关的内容，包含上述的文献，认识以下所记载的文献。 
专利文献1：日本实开昭63-202729号公报 
专利文献2：日本特开平9-125941号公报 
专利文献3：日本特开平11-173138号公报 
发明内容
然而，如果内燃机的背压过高，则产生如下的问题。即，如果内燃机的背压变高，则缸内的残留气体比例增加。伴随于此，压缩端温度变高，从而易于产生爆震。此外，如果背压变高，则排气温度变高。结果，为了抑制排气系统部件的温度上升而燃料喷射增量，导致燃烧效率的恶化、最大输出的下降。此外，在排气通路配置有催化剂，该催化剂用于对从缸内排出的废气进行净化。但是，这样的催化剂的存在成为背压上升的要因。 
因而，在带增压器的内燃机中，希望当通过开放用于迂回绕过涡轮的排气旁通通路来调整增压压力时，催化剂不会对废气的排放性能造成 阻碍，而能够有效地抑制背压增加。但是，上述专利文献1所记载的技术，没有充分考虑利用排气旁通通路时的背压降低，还有改善的余地。 
本发明是为了解决上述课题而研发的，其目的在于提供一种带增压器的内燃机的排气净化装置，能够使防止背压的过度上升和确保废气的排放性能适当地并存。 
第1发明提供一种带增压器的内燃机的排气净化装置，其特征在于， 
具备： 
涡轮增压器，其在排气通路上具备通过内燃机的排气能量而动作的涡轮； 
上游侧催化剂，其配置在所述排气通路上，用于净化废气； 
下游侧催化剂，其配置在相比所述上游侧催化剂而处于下游侧的所述排气通路上，用于净化废气； 
第1排气旁通通路，其是在相比所述涡轮而处于上游侧的部位开始从所述排气通路分支出，并在所述涡轮和所述上游侧催化剂之间的部位再次与所述排气通路合流； 
第2排气旁通通路，其是在相比所述涡轮而处于上游侧的部位开始从所述排气通路分支出，并在所述上游侧催化剂和所述下游侧催化剂之间的部位再次与所述排气通路合流； 
第1废气旁通阀，其承担对所述第1排气旁通通路进行开闭的作用；以及 
第2废气旁通阀，其承担对所述第2排气旁通通路进行开闭的作用。 
此外，第2发明，其特征在于，在第1发明中， 
所述第2废气旁通阀被设定成或被控制成：在与所述第1废气旁通阀相比所述内燃机的增压压力或者所述排气通路的压力呈更低的状况下打开。 
此外，第3发明，其特征在于，在第1发明中， 
所述排气通路包括：第1排气通路，其将从所述内燃机的一方的汽缸被排出的废气引导至所述涡轮；以及第2排气通路，其将从所述内燃机的另一方的汽缸被排出的废气引导至所述涡轮， 
所述第1排气旁通通路是从所述第1排气通路分支出的通路， 
所述第2排气旁通通路是从所述第2排气通路分支出的通路， 
所述第1废气旁通阀及所述第2废气旁通阀中的至少所述第2废气旁通阀被控制成或被设定成：在有提高所述下游侧催化剂的温度的要求的情况下打开， 
所述排气净化装置还具备空燃比控制单元，在有提高所述下游侧催化剂的温度的所述要求的情况下，该空燃比控制单元使在所述第1排气通路流动的废气的空燃比与在所述第2排气通路流动的废气的空燃比不同。 
根据第1发明，当通过开放迂回绕过涡轮的排气旁通通路来调整增压压力、排气压力时，使废气的一部分不仅迂回绕过涡轮而且也迂回绕过上游侧催化剂，由此，在利用排气旁通通路时，能够有效地降低内燃机的背压。此外，根据本发明，将迂回绕过上游催化剂后的废气引导至下游侧催化剂的上游。因此，能够抑制内燃机的背压增加，并且能够利用下游侧催化剂对迂回绕过上游侧催化剂后的废气进行净化。也就是说，根据本发明，在利用排气旁通通路时，能够使防止背压的过度上升和确保废气的排放性能适当地并存。 
根据第2发明，在仅第1废气旁通阀及第2废气旁通阀任意一方打开的状况下，与仅打开第1废气旁通阀的情况相比，能够更有效地发挥背压增加的抑制效果。 
根据第3发明，在认为具有提高下游侧催化剂的温度的要求的情况下，在下游侧催化剂的上游，在空燃比不同的废气合流的基础上，两者流入下游侧催化剂。结果，更浓厚的废气所含的未燃成分和更稀薄的废气所含的氧气，合流后在下游侧催化剂的上游或者其内部发生反应，由此下游侧催化剂的床温上升。也就是说，根据本发明，在下游侧催化剂中有效地利用从缸内排出的浓厚的废气和稀薄的废气的反应，从而使下游侧催化剂升温。 
附图说明
图1是用于说明具备本发明的实施方式1的排气净化装置的内燃机系统的构成的图。 
图2是将本发明的实施方式1的系统的动作与仅具备第1WGV的系统(为了与本实施方式的系统对比而参照的系统)的动作进行比较并说明的图。 
图3是用于说明具备本发明的实施方式2的排气净化装置的内燃机系统的构成的图。 
图4是在本发明的实施方式2中执行的例程的流程图。 
符号的说明 
10...内燃机；12...吸气通路；14、40...排气通路；14a...排气岐管；16...涡轮增压器；16a、42a...涡轮；16b、42b...压缩机；18...第1前段催化剂(S/C1)；20...第2前段催化剂(S/C2)；22...地板下催化剂(U/F)；24、46...第1排气旁通通路；26、48...第2排气旁通通路；28、50...第1废气旁通阀；30、52...第2废气旁通阀；40a...第1排气通路；40b...第2排气通路；42...双输入型涡轮增压器；44...开闭阀；54...增压压力传感器；56...ECU(Electronic Control Unit电子控制单元)；58...燃料喷射阀。 
具体实施方式
实施方式1. 
图1是用于说明具备本发明的实施方式1的排气净化装置的内燃机系统的构成的图。图1所示的内燃机10具备用于向缸内吸入空气的吸气通路12、和供从缸内排出的废气流动的排气通路14。此外，内燃机10具备涡轮增压器16。 
涡轮增压器16具有：借助废气的排气能量而动作的涡轮16a；和压缩机16b，该压缩机16b与涡轮16a一体地连结，借助输入涡轮16a废气的排气能量而旋转驱动。涡轮16a配置在上述排气通路14的中途，压缩机16b配置在上述吸气通路12的中途。 
在比涡轮16a更靠下游侧的排气通路14，从上游侧依次串联地配置有用于净化废气的第1前段催化剂(S/C1)18、第2前段催化剂(S/C2)20及地板下催化剂(U/F)22。前段催化剂18、20是在内燃机10刚起动之后 的冷作业时，为了能够迅速地净化从缸内排出来的废气，而配置在排气岐管14a的正下方的催化剂(所谓的起动催化剂)。此外，地板下催化剂22是配置在车辆的地板下面的催化剂。 
本实施方式的系统具备第1排气旁通通路24和第2排气旁通通路26。第1排气旁通通路24构成为：在比涡轮16a更靠上游侧的部位从排气通路14分支，在涡轮16a和第1前段催化剂18之间的部位再次与排气通路14合流。也就是说，第1排气旁通通路24作为旁通涡轮16a的通路而构成。 
此外，第2排气旁通通路26构成为：在比涡轮16a更靠上游侧的部位从排气通路14分支，在第1前段催化剂18和第2前段催化剂20之间的部位再次与排气通路14合流。也就是说，第2排气旁通通路26构成为以下的通路，即除了旁通涡轮16a之外还旁通第1前段催化剂18。 
进而，在第1排气旁通通路24的中途，更具体而言、在第1排气旁通通路24中的废气的上游侧的端部，设置有承担第1排气旁通通路24的开闭的第1废气旁通阀(以下简称为“第1WGV(Waste GateValve)”)28。此外，在第2排气旁通通路26的中途，更具体而言、在第2排气旁通通路26中的废气的上游侧的端部，设置有承担第2排气旁通通路26的开闭的第2废气旁通阀(以下简称为“第2WGV”)30。上述WGV28、30，此处是构成为当增压压力或者排气压力达到了预定的设定压时打开的调压式阀。根据这样构成的WGV28、30，当增压压力或者排气压力变得比上述设定压高时，从缸内排出的废气的一部分通过排气旁通通路24、26而迂回绕过涡轮16a。由此，能够进行控制以使增压压力不变得过高。 
进而，在本实施方式中，第2WGV30打开时的设定压设定为比第1WGV28打开时的设定压低。即，换言之，在本实施方式中，设定成：在涡轮16a的上游侧的排气压力逐渐变高的状况下，第2WGV30比第1WGV28先打开。 
图2是将本发明的实施方式1的系统的动作与仅具备第1WGV的系统(为了与本实施方式的系统对比而参照的系统)的动作进行比较并说明的图。更具体而言，在图2(A)、(D)及(E)中用细线示出的波形，表示仅具备第1WGV的系统(更具体而言，将本实施方式的系统除去第2排气旁通通路及第2WGV后的系统)的动作。另一方面，在图2(B)～(F)中用粗线示出的波形，表示本实施方式的系统的动作。另外，在图2中，“W/G1开度”及“W/G2开度”分别表示第1WGV28及第2WGV30的开度。此外，“T/C前压”、“S/C1前压”及“S/C2前压”，分别表示比涡轮16a更靠上游侧的排气压力、涡轮16a和第1前段催化剂18之间的部位的排气压力、以及第1前段催化剂18和第2前段催化剂20之间的部位的排气压力的波形。此外，图2的横轴是内燃机10的最大输出(吸入空气量)。 
首先，对作为比较对象的仅具备第1WGV的系统的动作进行说明。在该系统的情况下，如图2(A)所示，伴随着内燃机10的最大输出的增加而增压压力达到了第1WGV的设定压时，第1WGV打开。结果，废气的一部分迂回绕过涡轮，如图2(D)所示，T/C前压的上升与第1WGV的开阀前相比变得缓和。伴随着内燃机10的最大输出的增加而流入到涡轮的气体量逐渐增加，因此第1WGV开阀后的T/C前压随着最大输出的增加而逐渐增加。另外，在该系统的情况下，迂回绕过涡轮后的气体，在第1前段催化剂的上游与通过了涡轮的气体合流，因此S/C1前压及S/C2前压，如图2(E)及(F)所示，不论第1WGV的开闭，都随着最大输出的增加而逐渐增加。 
另一方面，在本实施方式的系统的情况下，随着内燃机10的最大输出逐渐增加，如图2(B)所示，在首先打开第2WGV30的基础上，如图2(C)所示，之后打开第1WGV28。在本实施方式的系统的情况下，通过了排气旁通通路24、26的气体，在通过第1前段催化剂18和第2前段催化剂20之间的部位的阶段，必定与在排气通路14流动的气体合流。因此，如图2(F)所示，关于S/C2前压，与仅具备第1WGV的系统的情况同样。 
对此，关于S/C1前压，在本实施方式的系统与仅具备第1WGV的系统之间产生差异。即，在本实施方式的系统的构成中仅第2WGV30打开状态下，从缸内排出的废气的一部分，不仅迂回绕过涡轮16a，而且也迂回绕过第1前段催化剂18。结果，与仅具备仅迂回绕过涡轮的第1WGV的系统相比，如图2(E)所示，能够降低S/C1前压。而且，能够降低S/C1前压(也就是说，涡轮16a的出口压力)，如图2(D)所示，与仅具备第1WGV的系统相比，能够降低进行打开WGV的控制时的T/C前压(也就是说，内燃机10的背压)。由此，能够抑制爆震发生，并且能够借助排气温度的降低而提高燃烧效率和最大输出。 
此外，在本实施方式的系统中，将作为所谓的起动催化剂发挥功能的催化剂分成两个前段催化剂18、20，在串联配置的状态设置于排气通路14。并且，迂回绕过第1前段催化剂18后的废气，导向第2前段催化剂20的上游。因此，根据本实施方式的系统，通过降低S/C1前压来抑制内燃机10的背压增加，并且能够利用作为起动催化剂的第2前段催化剂20对迂回绕过第1前段催化剂18的废气进行净化。也就是说，在利用排气旁通通路24、26时，能够使防止背压的过度上升和确保废气的排放性能适当地并存。 
此外，如上所述，在本实施方式中，设定成第2WGV30比第1WGV28先打开。与这样的设定不同，当设定成第1WGV28比第2WGV30先打开时，在仅第1WGV28打开的状态下，在与仅具备第1WGV的系统之间，无法看到与S/C1前压相关的差异。此后，通过打开第2WGV30，能够看到相对于仅具备第1WGV的系统的S/C1前压的降低效果。也就是说，第1WGV28比第2WGV30先打开的设定，与第2WGV30比第1WGV28先打开的设定相比，在图2(E)中阴影所示的区域(表示S/C1前压的降低效果的区域)减少。如以上说明的那样，在本实施方式中，通过设定成第2WGV30比第1WGV28先打开，能够更有效地发挥利用WGV28、30进行增压压力的调整时的背压增加的抑制效果。 
然而，在上述实施方式1中，说明了WGV28、30是构成为增压压力或者排气压力达到了预定的设定压时打开的调压式阀的例子。但是，本发明的第1废气旁通阀及第2废气旁通阀并不限定于此，例如，也可以是基于由增压压力传感器(省略图示)检测出的吸入空气的增压压力等来控制开闭的电动阀等。 
此外，在上述实施方式1中，对构成为两个前段催化剂18、20串联配置于排气通路14，且迂回绕过第1前段催化剂18后的废气返回到第2前段催化剂20的上游的例子进行了说明。但是，也可以代替这样的构成而构成为：例如是在具备单一的前段催化剂并且在该前段催化剂 的下游具备地板下催化剂的构成的情况下，迂回绕过前段催化剂后的废气返回到地板下催化剂的上游。 
另外，在上述实施方式1中，第1前段催化剂18相当于上述第1发明中的“上游侧催化剂”，第2前段催化剂20相当于上述第1发明中的“下游侧催化剂”。 
实施方式2. 
接着，参照图3及图4对本发明的实施方式2进行说明。 
图3是用于说明具备本发明的实施方式2的排气净化装置的内燃机系统的构成的图。在此，将内燃机10的爆发顺序设为#1→#3→#4→#2。另外，在图2中，对与上述图所示的构成要素相同的要素标注相同的符号并省略或简化对其的说明。 
本实施方式的排气通路40具备：第1排气通路40a，其将从内燃机10的一方的汽缸(#1和#4)排出的废气导向涡轮42a；和第2排气通路40b，其将从内燃机10的另一方的汽缸(#2和#3)排出的废气导向涡轮42a。本实施方式的涡轮增压器42，是经由如上述那样构成的第1排气通路40a和第2排气通路40b，从上述一方的汽缸(#1和#4)和上述另一方的汽缸(#2和#3)独立地接受废气的供给的涡轮增压器，即所谓的双输入型涡轮增压器。 
此外，如图3所示，第1排气通路40a和第2排气通路40b具有相互接近的部位。而且，在该部位配置有开闭阀44，该开闭阀44用于切换第1排气通路40a和第2排气通路40b连通的状态，和第1排气通路40a和第2排气通路40b遮断的状态。根据这样的结构，根据需要对开闭阀44的开闭进行控制，由此能够调整排气系统容积，并能够调整背压。 
在本实施方式中，具备用于迂回绕过涡轮42a的第1排气旁通通路46，和除了涡轮42a之外还迂回绕过第1前段催化剂20的第2排气旁通通路48。这些排气旁通通路46、48，在涡轮42a的上游侧分别与不同的排气通路40a、40b连接。另外，在此，例示了如下结构：第1排气旁通通路46与第2排气通路40a连接，第2排气旁通通路48与第1 排气通路40b连接。 
进而，在本实施方式中，在第1排气旁通通路46的中途，更具体而言，在第1排气旁通通路46中的废气的上游侧的端部，设置有用于承担第1排气旁通通路46的开闭的第1废气旁通阀(第1WGV)50。此外，在第2排气旁通通路48的中途，更具体而言，在第2排气旁通通路48中的废气的上游侧的端部，设置有用于承担第2排气旁通通路48的开闭的第2废气旁通阀(第2WGV)52。这些WGV50、52，在此是基于由配置在吸气通路12的增压压力传感器54检测出的增压压力来进行开闭的电动阀。 
此外，本实施方式的系统具备ECU(Electronic Control Unit)56。ECU56，除了与上述传感器连接之外，还与用于检测内燃机10的运转状态的各种传感器连接，并且除了与上述WGV50、52连接之外，还与用于对向内燃机10供给燃料的燃料喷射阀58等的内燃机10的运转状态进行控制的各种致动器连接。ECU56基于上述传感器输出对内燃机10的运转状态进行控制。 
然而，当内燃机的燃烧效率提高时，能够将投入到内燃机的燃料量有效地变换成输出。由此，排气损失降低，排气温度易于降低。结果，在原本排气温度低的低输出区域，有可能在表示催化剂高的净化率的区域无法保持催化剂的温度。此外，这种倾向对于配置在更下游侧的排气通路的催化剂而言变得更加显著。 
因此，在本实施方式中，利用具备用于双输入型涡轮增压器42的两个排气通路40a、40b，以及两个排气旁通通路46，48的结构，在具有提高第2前段催化剂20的温度的要求的情况下，进行使第2前段催化剂20升温的控制。具体而言，在具有该要求的情况下，以WGV50、52都打开的方式进行控制，并且使在第1排气通路40a流动的废气的空燃比，与在第2排气通路40b流动的废气的空燃比不同。 
图4是为了实现上述功能而在本实施方式2中由ECU56执行的例程的流程图。 
在图4所示的例程中，首先，判别是否具有提高第2前段催化剂 (S/C2)20的温度的要求(步骤100)。具体而言，能够为了检测运转状态而利用内燃机10所具备的各种传感器进行本步骤100的处理。即，使用各种传感器，例如，判断当前的运转区域是否是排气温度低的低输出区域，或者判断第2前段催化剂20的温度的推定值或检测值是否比预定值低，从而能够判断是否具有上述要求。 
在上述步骤100中，在判定为具有提高第2前段催化剂20的温度的要求的情况下，第1WGV50及第2WGV52都打开(步骤102)。接着，对于#1及#4汽缸的燃料喷射量增加预定值的量(步骤104)，并且对于#2及#3汽缸的燃料喷射量减少预定量(步骤106)。 
根据以上说明的图4所示的例程的处理，在认为具有提高第2前段催化剂20的温度的要求的情况下，对于#1及#4汽缸的燃料喷射量增加预定值的量，从而能够将从上述汽缸排出至第1排气通路40a的废气的空燃比变更为更浓厚侧的值。此外，在该情况下，对于#2及#3汽缸的燃料喷射量减少预定值的量，从而能够将从上述汽缸排出至第2排气通路40b的废气的空燃比变更为更稀薄侧的值。 
然后，根据上述例程的处理，在认为具有上述要求的情况下，打开第1WGV50。由此，在第1排气通路40a流动的浓厚的废气的一部分通过涡轮42a后排出到第1前段催化剂18的下游，此外，该浓厚的废气余下部分通过第1排气旁通通路46而迂回绕过涡轮42a后，排出到第1前段催化剂18的下游。进而，根据上述例程的处理，在认为具有上述要求的情况下，打开第2WGV52。由此，在第2排气通路40b流动的稀薄的废气的一部分通过第2排气旁通通路48而迂回绕过涡轮42a及第1前段催化剂18后，排出到第2前段催化剂20的上游。 
根据以上的控制，在第2前段催化剂20的上游处浓厚的废气和稀薄的废气合流后，两者流入第2前段催化剂20。结果，浓厚的废气所含的未燃成分和稀薄的废气所含的氧气，合流后在第2前段催化剂20的上游或其内部发生反应，由此第2前段催化剂20的床温上升。也就是说，根据上述例程的处理，在下游侧的第2前段催化剂20中有效地利用从缸内排出的浓厚的废气和稀薄的废气的反应，从而使第2前段催化剂20升温。 
如上所述，配置在比第1前段催化剂18更靠下游侧的第2前段催化剂20温度易于变得比第1前段催化剂18的温度低。根据以上说明的本实施方式的处理，能够像这样将配置在温度不利的环境的第2前段催化剂20的温度良好地保持较高。由此，能够防止随着第2前段催化剂20的温度下降而导致废气的排放性能的恶化。 
然而，在上述实施方式2中，在认为具有提高第2前段催化剂20的温度的要求的情况下，以打开第1WGV50及第2WGV52的双方的方式进行控制。由此，在为了双输入型涡轮增压器42而独立地具备第1排气通路40a和第2排气通路40b的系统中，能够在上述一方的汽缸(#1和#4)和上述另一方的汽缸(#2和#3)之间不会产生背压差地，在第2前段催化剂20的上游使浓厚的废气和稀薄的废气合流。但是，为了在第2前段催化剂20的上游使浓厚的废气和稀薄的废气合流，如果控制成打开第2WGV52，则也可以不控制成一定打开第1WGV50。 
此外，在上述实施方式2中，具备电动式的WGV50、52，在认为具有提高第2前段催化剂20的温度的要求的情况下，以打开第1WGV50及第2WGV52的双方的方式进行控制。但是，本发明中的废气旁通阀，并不限定于这样的电动式等的WGV，例如也可以是在认为具有上述要求的运转区域下设定为打开的调压式阀。 
另外，在述实施方式2中，通过ECU56执行上述步骤100、104、及106的处理而实现上述第3发明中的“空燃比控制单元”。 

Claims (1)

1.一种带增压器的内燃机的排气净化装置，其特征在于，具备：
涡轮增压器，其在排气通路上具备通过内燃机的排气能量而动作的涡轮；
上游侧催化剂，其配置在所述排气通路上，用于净化废气；
下游侧催化剂，其配置在相比所述上游侧催化剂而处于下游侧的所述排气通路上，用于净化废气；
第1排气旁通通路，其是在相比所述涡轮而处于上游侧的部位开始从所述排气通路分支出，并在所述涡轮和所述上游侧催化剂之间的部位再次与所述排气通路合流；
第2排气旁通通路，其是在相比所述涡轮而处于上游侧的部位开始从所述排气通路分支出，并在所述上游侧催化剂和所述下游侧催化剂之间的部位再次与所述排气通路合流；
第1废气旁通阀，其承担对所述第1排气旁通通路进行开闭的作用；以及
第2废气旁通阀，其承担对所述第2排气旁通通路进行开闭的作用，
所述第2废气旁通阀被设定成或被控制成：在与所述第1废气旁通阀相比所述内燃机的增压压力或者所述排气通路的压力呈更低的状况下打开。
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