JP2003056392A

JP2003056392A - 筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2003056392A
Application number: JP2001247223A
Authority: JP
Inventors: Yasuki Tamura; 保樹田村; Kazuhito Kawashima; 川島　　一仁
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2001-08-16
Filing date: 2001-08-16
Publication date: 2003-02-26

Abstract

(57)【要約】【課題】２次エアによる排気系内の反応を十分に促進
させて排気浄化効率の向上を図った筒内噴射型内燃機関
の排気浄化装置を提供する。【解決手段】２次エアの導入時には(S10)、燃焼空燃
比を理論空燃比または理論空燃比よりも燃料過濃側空燃
比に設定するとともに(S14)、燃料を内燃機関の圧縮行
程で噴射し(S16)、未燃物（ＣＯ）を排気通路に排出す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、筒内噴射型内燃機
関の排気浄化装置に係り、詳しくは、理論空燃比運転ま
たはリッチ空燃比運転を行うとともに排気通路に空気を
供給して排気系内反応を促進し、筒内噴射型内燃機関か
らの有害物質の排出量を低減する技術に関する。

【０００２】

【関連する背景技術】排気中の有害物質（ＨＣ、ＣＯ、
Ｈ₂等の未燃物の他、スモーク、ＮＯx等を含む）を低減
させることを目的とした技術として、排気系（排気ポー
ト〜触媒コンバータを含む）内及び触媒上での反応を利
用した排気浄化技術が知られている。その一つとして、
燃焼空燃比をリッチ空燃比にするとともに排気ポートに
排気系外から空気（以下、２次エア）を供給して排気系
内での反応を促進し触媒の早期昇温を行い、有害物質を
低減させる技術がある。例えば、筒内噴射型エンジンの
場合には、吸気行程においてリッチ空燃比となるよう燃
料噴射（吸気行程噴射）を行うとともに排気ポートに排
気系外から２次エアを供給するようにしている。

【０００３】そして、２次エアを供給するとともに、排
気圧を上昇させることにより、例えば冷態時における触
媒の早期活性化を図る技術が特開平８−１５８８９７号
公報等に開示されている。これにより、２次エアの供給
による排気系内や触媒上での反応が促進され、排ガスの
浄化能力が増強され、浄化効率の向上及び触媒の早期活
性化が図られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、２次エアの
供給中にエンジン負荷が増加すると、排気流量が増大
し、２次エアを供給し排気圧を上昇させたとしても排気
系内での反応時間が減少し、反応が十分に促進されない
という問題がある。特に、筒内噴射型エンジンの場合に
は、エンジンの冷態時に上述の如くリッチ空燃比となる
よう吸気行程噴射を行うと、未燃燃料である炭化水素Ｈ
Ｃを多く含んだ排ガスが排気通路に排出され、このＨＣ
は一般に一酸化炭素ＣＯよりも反応し難いため、上記問
題が顕著となる。

【０００５】本発明はこのような問題点を解決するため
になされたもので、その目的とするところは、２次エア
による排気系内の反応を十分に促進させて排気浄化効率
の向上を図った筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置を提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、請求項１の発明では、燃焼室内に直接燃料を噴
射する噴射弁と、該噴射弁による燃料噴射を制御する燃
料噴射制御手段と、燃焼空燃比を制御する空燃比制御手
段と、排気通路内に空気を供給する空気供給手段とを備
えた内燃機関の排気浄化装置において、前記空気供給手
段により排気通路内に空気が供給されるとき、前記燃料
噴射制御手段は燃料を内燃機関の圧縮行程で噴射し、前
記空燃比制御手段は燃焼空燃比を理論空燃比または理論
空燃比よりも燃料過濃側空燃比に設定することを特徴と
している。

【０００７】即ち、筒内噴射型内燃機関では、従来、圧
縮行程噴射を行うと点火プラグ近傍に燃料を噴射するた
めにプラグくすぶりが発生し易いと考えられていたので
あるが、出願人が実験したところ、内燃機関が特に冷態
状態にあるときに圧縮行程噴射を行うと、噴霧形態が良
好で点火プラグのくすぶりが少なく、ＣＯが多く生成さ
れることが分かり、この事実に基づき、排気通路内に空
気を供給するとき、つまり所謂２次エアの導入時には、
燃焼空燃比が理論空燃比または理論空燃比よりも燃料過
濃側空燃比となるように燃料を内燃機関の圧縮行程で噴
射して未燃物を排気通路に排出するようにしている。

【０００８】従って、空燃比制御手段により燃焼空燃比
が理論空燃比または理論空燃比よりも燃料過濃側空燃比
に設定され、空気供給手段により排気通路内に空気が供
給されると、排ガス中の未燃物と空気中の酸素とが排気
系（排気ポート〜触媒コンバータを含む）内で反応して
排気温度が上昇することになるが、燃料噴射制御手段に
より燃料を内燃機関の圧縮行程で噴射することによっ
て、排ガス中に未燃物としてＣＯを多く含むようにで
き、このＣＯはＨＣよりも反応し易いため、排気系内で
の反応がより一層促進される。これにより、例えば触媒
コンバータの早期活性化が図られ、排気浄化効率が向上
する。

【０００９】また、請求項２の発明では、前記排気通路
に設けられ、該排気通路内の排気流動を抑制する排気流
動制御手段をさらに備え、前記空気供給手段により排気
通路内に空気が供給されるとき、前記排気流動制御手段
は排気流動を抑制することを特徴としている。従って、
排気通路内に空気が供給され、燃焼空燃比が理論空燃比
または理論空燃比よりも燃料過濃側空燃比となるように
燃料が内燃機関の圧縮行程で噴射されるときに、排気流
動制御手段によって排気流動が抑制されると、排気系内
における酸素とＣＯの滞留時間が長くなり、排気系内で
の反応がさらに促進される。

【００１０】また、請求項３の発明では、内燃機関は多
気筒内燃機関であって、該多気筒内燃機関の気筒は２つ
の気筒群に分けられ、それぞれの気筒群毎に排気通路が
独立に設けられるとともにこれら２つの排気通路は連通
路によって連通されており、前記空気供給手段は、前記
２つの気筒群の一方から排出される排気中の酸素の量を
増大させる排出酸素量増大手段と、該一方の気筒群に連
なる一方の排気通路内の圧力を上昇させるべく設けられ
た絞り手段とを有し、前記排出酸素量増大手段により一
方の気筒群から排出される酸素量を増大させるとともに
一方の排気通路内の圧力を上昇させることにより他方の
排気通路内に酸素を供給することを特徴としている。

【００１１】従って、排出酸素量増大手段により一方の
気筒群から排出される酸素量を増大させるとともに一方
の排気通路内の圧力を上昇させることにより、他方の排
気通路の排気圧が大気圧より高い場合であっても高出力
で高価なエアポンプを設けることなく他方の気筒群側、
即ち燃焼気筒群側の他方の排気通路に酸素が容易にして
確実に供給可能とされる。

【００１２】なお、この際一方の排気通路内の圧力を他
方の排気通路の排気圧よりも高くする必要があるが、好
ましくは、連通路にエアポンプを介装するのがよく、こ
れにより、一方の排気通路と他方の排気通路間の圧力差
が小さくても或いは他方の排気通路の排気圧の方が多少
高くても確実に他方の排気通路内に酸素を供給すること
が可能である。ここに、当該エアポンプは圧力差分に対
抗できる程度の小出力で廉価な小型エアポンプでよく、
コストが嵩むこともない。

【００１３】そして、この場合、一方の気筒群では酸素
量を増大させるために出力が低下するため、通常はこれ
を補うために他方の気筒群、即ち燃焼気筒群については
負荷が増加し、これにより排気流量が増大し排気系内で
の反応時間が減少することになるが、燃料を圧縮行程で
噴射することによって排気系内には反応し易いＣＯが多
く含まれることになり、排気系内での反応は低下するこ
となく十分に促進される。

【００１４】また、請求項４の発明では、排出酸素量増
大手段は、前記一方の気筒群の燃料供給を停止すること
を特徴としている。従って、一方の気筒群の燃料供給を
停止することで、一方の排気通路に吸入空気をそのまま
排出でき、連通路を介して他の排気通路に確実に酸素が
供給可能とされる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
面に基づいて説明する。先ず、実施例１について説明す
る。図１を参照すると、本発明に係る筒内噴射型内燃機
関の排気浄化装置の概略構成図が示されており、以下、
当該排気浄化装置の構成を説明する。

【００１６】同図に示すように、筒内噴射型内燃機関で
あるエンジン１は、多気筒エンジンであり、ここでは、
例えば筒内噴射型4気筒ガソリンエンジンが使用され
る。筒内噴射型のエンジン１は、燃料噴射モードとして
吸気行程で燃料噴射を行う吸気行程噴射モードと圧縮行
程で燃料噴射を行う圧縮行程噴射モードとを有してお
り、運転状態に応じて吸気行程噴射モードと圧縮行程噴
射モード間で燃料噴射モードを切換可能である。なお、
エンジン１は、リッチ空燃比運転可能であればディーゼ
ルエンジンでもよく、液体燃料エンジンに限らず気体燃
料エンジンであってもよい。

【００１７】同図に示すように、筒内噴射型のエンジン
１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４と
ともに電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、こ
れにより、燃料を燃焼室内に直接噴射可能である。点火
プラグ４には高電圧を出力する点火コイル８が接続され
ている。また、燃料噴射弁６には、燃料パイプ７を介し
て燃料タンクを擁した燃料供給装置（図示せず）が接続
されている。より詳しくは、燃料供給装置には、低圧燃
料ポンプと高圧燃料ポンプとが設けられており、これに
より、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６に対し低燃圧
或いは高燃圧で供給し、該燃料を燃料噴射弁６から燃焼
室内に向けて所望の燃圧で噴射可能である。

【００１８】シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立
方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連
通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞ
れ接続されている。なお、吸気マニホールド１０には吸
入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１４が設けら
れている。また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略
水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポート
と連通するようにして排気マニホールド１２の一端がそ
れぞれ接続されている。排気マニホールド１２として
は、ここでは、デュアル型エキゾーストマニホールドシ
ステムが採用される。

【００１９】各排気ポートには空気通路１７を介して２
次エアポンプ１６が接続され２次エアシステムが構成さ
れており、当該２次エアシステムが作動することで各排
気ポートに大気中の空気、即ち２次エアが供給可能とさ
れている（空気供給手段）。そして、排気マニホールド
１２の他端には排気管２０が接続されている。図２を参
照すると、当該エンジン１の排気系の詳細図が示されて
おり、以下同図に基づきエンジン１の排気系の構成につ
いて説明する。

【００２０】エンジン１の燃焼順序は＃１−＃３−＃４
−＃２の順である。従って、デュアル型エキゾーストマ
ニホールドシステムからなる排気マニホールド１２は、
排気干渉を避けるため、連続しない気筒同士、即ち＃１
気筒と＃４気筒（一方の気筒群）の排気通路が合流して
１本の排気通路を形成し、＃２気筒と＃３気筒（他方の
気筒群）の排気通路が合流して別の１本の排気通路を形
成している。つまり、デュアル型エキゾーストマニホー
ルドシステムからなる排気マニホールド１２は、出口に
おいて排気通路は２本である。

【００２１】同図に示すように、排気管２０は遮蔽板等
により排気管２０ａと排気管２０ｂの２本に分割されて
おり、排気管２０ａが＃１気筒と＃４気筒からの排気通
路に接続され、排気管２０ｂが＃２気筒と＃３気筒から
の排気通路に接続されている。そして、排気管２０に
は、排気浄化触媒装置として三元触媒３０が介装されて
いる。この三元触媒３０は、担体に活性貴金属として銅
（Ｃｕ），コバルト（Ｃｏ），銀（Ａｇ），白金（Ｐ
ｔ），ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ）のいずれ
かを有している。

【００２２】さらに、三元触媒３０の下流には、排気管
２０ａと排気管２０ｂを含め、排気管２０内の排気の流
動を制御するようにして排気流動制御装置４０が介装さ
れている。排気流動制御装置４０は、排気流動の抑制、
即ち排気圧上昇、排気密度増加及び排気流速低下の少な
くともいずれか一つを実施することが可能に構成されて
いる。具体的には、排気流動制御装置４０は排気管２０
の流路面積を調節可能な密閉型開閉弁（排気流動制御手
段）４２によって構成されている。

【００２３】密閉型開閉弁４２としては種々の方式が考
えられるが、ここでは、例えばバタフライ弁（図示せ
ず）が採用される。電子コントロールユニット（ＥＣ
Ｕ）６０は、エンジン１を含めた排気浄化装置の総合的
な制御を行うものである。ＥＣＵ６０の入力側には、各
種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検
出情報が入力される。

【００２４】一方、ＥＣＵ６０の出力側には、上述の燃
料噴射弁６、点火コイル８、スロットル弁１４、２次エ
アポンプ１６、密閉型開閉弁４２等の各種出力デバイス
が接続されており、これら各種出力デバイスには各種セ
ンサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量、
燃料噴射時期、点火時期、２次エア量、排気流動制御量
等がそれぞれ出力され、これにより、燃料噴射弁６から
適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラ
グ４により適正なタイミングで火花点火が実施され、所
望の２次エア量となるよう２次エアシステムが作動し、
所望の排気流動制御量（例えば、目標排気圧）となるよ
う適正なタイミングで密閉型開閉弁４２が開閉操作され
る。

【００２５】以下、このように構成された本発明に係る
排気浄化装置の作用、即ち２次エア制御について説明す
る。図３を参照すると、ＥＣＵ６０が実行する、２次エ
ア制御の制御ルーチンを示すフローチャートが示されて
おり、以下同フローチャートに沿い説明する。先ず、ス
テップＳ１０では、２次エアシステムが作動しているか
否か、即ち排気昇温が必要な状況であるか否かを判別す
る。排気昇温が必要な状況とは、例えばエンジン１の冷
態始動直後のように、三元触媒３０の早期活性化が必要
なときである。判別結果が偽（Ｎｏ）で排気昇温が必要
でないと判定された場合には、当該ルーチンを抜け、判
別結果が真（Ｙｅｓ）で排気昇温が必要な状況にあると
判定された場合には、ステップＳ１２に進む。

【００２６】ステップＳ１２では、１気筒当たりのエン
ジン負荷、例えば１気筒当たりの正味平均有効圧が所定
値（例えば、４．９N/cm²)より大か否かを判別する。そ
の他、スロットル開度、マニホールド圧、体積効率等が
所定値より大か否かで判別するようにしてもよい。判別
結果が偽（Ｎｏ）で１気筒当たりのエンジン負荷がそれ
ほど大きくないと判定された場合には、当該ルーチンを
抜け、一方判別結果が真（Ｙｅｓ）で、１気筒当たりの
エンジン負荷が所定値より大きいと判定された場合に
は、ステップＳ１４に進む。

【００２７】ステップＳ１４では、燃焼空燃比（燃焼Ａ
／Ｆ）をリッチ空燃比（燃料過濃側空燃比）或いは理論
空燃比に設定する。好ましくは、空燃比を値１３〜１２
程度に設定するのがよい。そして、ステップＳ１６で
は、燃料を圧縮行程で噴射するように燃料噴射モードを
圧縮行程噴射モードに切り換える。このとき、好ましく
は、圧縮行程噴射終了時期をＢＴＤＣ６０°程度に設定
するのがよい。

【００２８】このようにすると、２次エアシステムの作
動により排気通路に空気が導入され、燃焼Ａ／Ｆがリッ
チ空燃比或いは理論空燃比に設定され、排気通路には空
気中の酸素とともに過剰供給された燃料による未燃物と
が存在することになり、これら酸素と未燃物とが排気通
路内で反応して排気温度が上昇することになるのである
が、この際、燃料を圧縮行程で噴射することによって、
特にエンジン１が冷態状態にあるときには、上述したよ
うに燃料の噴霧形態が良好なものとなり点火プラグ４の
くすぶりが少なくなって排ガス中に未燃物としてＣＯが
多く含まれることになり、このＣＯはＨＣよりも反応し
易いことから、エンジン負荷が増加し排気流量が増大し
て反応時間が短くなったような場合においても、排気通
路内での反応が十分に促進される。

【００２９】実際、図４を参照すると、２次エアシステ
ムの作動時において燃料を圧縮行程で噴射した場合（実
線）の触媒下流のＨＣ濃度と排気温度との時間変化が吸
気行程で噴射した場合（破線）と比較してタイムチャー
トで示されているが、このように、２次エアシステムの
作動時に燃料を圧縮行程で噴射するようにすると、始動
直後（モータリングからファイアリングへの切換時）か
らＨＣの排出量が良好に低下し、排気温度が高くなる。

【００３０】これにより、排気温度が急速に昇温させら
れることとなり、三元触媒３０の早期活性化が図られ、
排気浄化効率が向上する。そして、ステップＳ１８で
は、密閉型開閉弁４２を閉弁側に作動させ、排気流動の
抑制を行う。これにより、排気通路内の酸素と未燃物と
の滞留時間、即ち反応時間が長くなり、排気通路内での
反応がより一層促進されて排気温度がさらに急速に昇温
することになり、三元触媒３０がより早期に活性化され
る。

【００３１】次に、実施例２について説明する。図５を
参照すると、実施例２に係る排気系の詳細図が示されて
おり、以下同図に基づき実施例２について説明する。当
該実施例２では、＃１気筒の排気通路と＃３気筒の排気
通路、及び＃２気筒の排気通路と＃４気筒の排気通路と
はそれぞれ細径の連通路１８、１９で接続されている。
なお、連通路１８、１９は、＃１気筒の排気ポートと＃
２気筒の排気ポート、及び＃４気筒の排気ポートと＃３
気筒の排気ポートを連通するようにシリンダヘッド２内
に形成してもよい。

【００３２】そして、排気管２０には、排気管２０ａと
排気管２０ｂのそれぞれの管路内の排気の流動を制御す
るようにして排気流動制御装置１４０が介装されてい
る。排気流動制御装置１４０は、上記排気流動制御装置
４０と同様に、排気流動の抑制、即ち排気圧上昇、排気
密度増加及び排気流速低下の少なくともいずれか一つを
実施することが可能に構成されている。具体的には、排
気流動制御装置１４０は排気管２０ａと排気管２０ｂの
それぞれの流路面積を調節可能な密閉型開閉弁（排気流
動制御手段、絞り手段）１４２によって構成されてい
る。

【００３３】密閉型開閉弁１４２としては種々の方式が
考えられるが、ここでは、例えば、図６に概略示すよう
な２連式バタフライ弁が採用される。この２連式バタフ
ライ弁は、排気管２０ａに対応する弁体４４ａと排気管
２０ｂに対応する弁体４４ｂとが独立である一方、双方
ともに回転軸４３に固定され、当該回転軸４３に同期回
転するよう構成されている。つまり、密閉型開閉弁４２
は、２連式バタフライ弁として、２つの弁体４４ａ、４
４ｂが１つの回転軸４３を共有して一体に構成されてい
る。

【００３４】そして、回転軸４３にはアクチュエータ４
５が接続されており、当該バタフライ弁は、当該アクチ
ュエータ４５で回転軸４３を回転させることにより開閉
作動する。詳しくは、回転軸４３は弁体４４ａの取り付
けられた軸体４３ａと弁体４４ｂの取り付けられた軸体
４３ｂとからなり、これら軸体４３ａと軸体４３ｂと
は、スプリング４３ｃを介し、弁体４４ａと弁体４４ｂ
とが回転軸４３回りで所定角度ずれるように直列に連結
されている。つまり、当該バタフライ弁は、回転軸４３
を閉弁側に回転させたときに、弁体４４ａによる排気管
２０ａの流路面積の絞り量の方が大きく、弁体４４ｂに
よる排気管２０ｂの流路面積の絞り量の方が小さくなる
ように構成されており、一方、回転軸４３を開弁側に全
開位置まで回転させたときには、スプリング力に抗して
弁体４４ａ、４４ｂがともに全開となるよう構成されて
いる。

【００３５】なお、ここでは２連式バタフライ弁、即ち
２つの弁体４４ａ、４４ｂを一体とした密閉型開閉弁４
２を用いるようにしているが、排気管２０ａ用の密閉型
開閉弁及びアクチュエータ（絞り手段）と排気管２０ｂ
用の密閉型開閉弁及びアクチュエータ（排気流動制御手
段）とをそれぞれ個別に設けるようにしてもよい。そし
て、排気管２０は密閉型開閉弁４２の下流で１本に合流
しており、当該合流して１本となった排気管２０に三元
触媒３０が介装されている。

【００３６】以下、このように構成された実施例２に係
る排気浄化装置の作用、即ち排気エア制御について説明
する。上記実施例１では大気中から２次エアを排気通路
に導入したが、当該実施例２では、排気昇温が必要なと
きには、上記密閉型開閉弁４２からなる排気エアシステ
ムを作動させる。

【００３７】排気エアシステムでは、先ず排気流動制御
装置１４０のアクチュエータ４５を作動させて密閉型開
閉弁１４２を閉弁状態とする。つまり、２連式バタフラ
イ弁の弁体４４ａ、４４ｂをともに閉作動させて排気管
２０ａ、２０ｂの流路面積を共に絞るようにする。そし
て、＃１気筒と＃４気筒（一方の気筒群）において燃料
カット（排出酸素量増大手段、燃料供給を停止）を行っ
て空気（以下、排気エアという）のみを排気管２０ａに
排出し、一方＃２気筒と＃３気筒（他方の気筒群）にお
いてリッチ空燃比運転或いは理論空燃比運転を行って未
燃物を排気管２０ｂに排出するようにする。

【００３８】これにより、排気管２０ａ内及び排気管２
０ｂ内の排気流動が抑制されるが、この際、上述したよ
うに密閉型開閉弁４２は弁体４４ａによる排気管２０ａ
の流路面積の絞り量の方が弁体４４ｂによる排気管２０
ｂの流路面積の絞り量よりも大きくなるように構成され
ているので、排気管２０ａ内の排気流動の抑制度合いの
方が排気管２０ｂ内の排気流動の抑制度合いよりも大き
くなり、排気管２０ａ内の排気圧の方が排気管２０ｂ内
の排気圧よりも高くなる。

【００３９】そして、この圧力差により、＃１気筒の排
気通路内の排気エアが連通路１８を通って＃３気筒の排
気通路に流入し、＃４気筒の排気通路内の排気エアが連
通路１９を通って＃２気筒の排気通路に流入し、＃１気
筒及び＃４気筒から排出された排気管２０ａ側の排気エ
アが＃２気筒及び＃３気筒の排気通路、即ち排気管２０
ｂに導入される。

【００４０】つまり、当該実施例２の場合、＃１気筒と
＃４気筒（一方の気筒群）において燃料カットを行い、
且つ、排気管２０ａ内の排気圧を高めることで、２次エ
ア技術を用いることなく、燃焼気筒群（ここでは＃２気
筒及び＃３気筒）の排気通路に容易に空気を供給可能で
ある。特に、排気流動の抑制により排気管２０ｂ内の排
気圧をも高めて排気系内反応を促進させる場合、２次エ
アポンプの吐出圧が小さいと、排気圧の方が高いために
排ガス中に２次エアを十分に混流させることができない
という問題があるが、このように＃１気筒と＃４気筒
（一方の気筒群）からの排気通路内、即ち排気管２０ａ
内の排気圧と＃２気筒と＃３気筒（他方の気筒群）から
の排気通路内、即ち排気管２０ｂ内の排気圧との間に前
者が高く後者が低くなるよう圧力差を設けることによ
り、排気流動の抑制によって燃焼気筒群の排気通路内の
排気圧が上昇した場合であっても、高出力で高価な２次
エアポンプを用いることなく、確実に燃焼気筒群の排気
通路に空気を供給可能である。

【００４１】図７を参照すると、ＥＣＵ６０が実行す
る、排気エア制御の制御ルーチンを示すフローチャート
が示されており、以下同フローチャートに沿い説明す
る。なお、当該ルーチンは基本的には上記実施例１の２
次エア制御の制御ルーチンと同じである。ステップＳ１
０’では、上記排気エアシステムが作動しているか否
か、即ち排気昇温が必要な状況であるか否かを判別す
る。判別結果が偽（Ｎｏ）で排気昇温が必要でないと判
定された場合には、当該ルーチンを抜け、一方判別結果
が真（Ｙｅｓ）で排気昇温が必要な状況にあると判定さ
れた場合には、ステップＳ１２に進む。

【００４２】ステップＳ１２以降は上記２次エア制御の
制御ルーチンと同じであり、ステップＳ１２で１気筒当
たりのエンジン負荷が所定値より大か否かを判別し、ス
テップＳ１４で燃焼Ａ／Ｆをリッチ空燃比或いは理論空
燃比に設定し、ステップＳ１６で燃料を圧縮行程で噴射
するように燃料噴射モードを圧縮行程噴射モードに切り
換える。そして、ステップＳ１８で排気流動の抑制を行
う。

【００４３】なお、当該実施例２では２連式バタフライ
弁を用いており、上記排気エアシステムの作動により併
せて排気流動の抑制も同時に行われるため、ステップＳ
１８で別途排気流動の抑制を行う必要はなく、ここでは
排気管２０ａ用の密閉型開閉弁と排気管２０ｂ用の密閉
型開閉弁とをそれぞれ個別に設けた場合にのみステップ
Ｓ１８を実行する。

【００４４】これにより、当該実施例２においても、上
記実施例１の場合と同様に、排気エアシステムの作動に
より燃焼気筒群の排気通路に空気が導入され、燃焼Ａ／
Ｆがリッチ空燃比或いは理論空燃比となるよう燃料が圧
縮行程で噴射されることにより、排気通路内での反応が
十分に促進される。特に、排気エアシステムを用いる場
合、＃１気筒と＃４気筒（一方の気筒群）で燃料カット
を行うため、全体としてエンジン出力が低下しないよう
燃焼気筒群である＃２気筒と＃３気筒（他方の気筒群）
の負荷が増加し、これにより排気流量が増大し、排気系
内での反応時間が減少することになるのであるが、燃料
を圧縮行程で噴射することによって排気系内には反応し
易いＣＯが多く含まれることになり、排気系内での反応
が低下なく十分に促進される。これにより、排気流動の
抑制と相まって排気温度が急速に昇温させられることと
なり、三元触媒３０の早期活性化が図られ、排気浄化効
率が向上する。

【００４５】次に、実施例３について説明する。図８を
参照すると、実施例３に係る排気系の詳細図が示されて
おり、以下同図に基づき実施例３について説明する。当
該実施例３では、上記実施例２と同様に、＃１気筒の排
気通路と＃３気筒の排気通路、及び＃２気筒の排気通路
と＃４気筒の排気通路とはそれぞれ細径の連通路１８、
１９で接続されている。

【００４６】そして、排気管２０ａに対応する密閉型開
閉弁（絞り手段）１４２ａ’が三元触媒３０の上流に独
立に介装されている一方、排気管２０ｂに対応する密閉
型開閉弁（排気流動制御手段）１４２ｂ’が、排気管２
０ｂではなく排気管２０の三元触媒３０下流の部分に独
立に介装されている。即ち、ここでは密閉型開閉弁１４
２ａ’と密閉型開閉弁１４２ｂ’とから排気流動制御装
置１４０’が構成されている。これら密閉型開閉弁１４
２ａ’、密閉型開閉弁１４２ｂ’についても、例えばバ
タフライ弁が採用されている。

【００４７】つまり、当該実施例３では、燃焼気筒群で
ある＃２気筒及び＃３気筒からの排ガスについては、三
元触媒３０をも含めた範囲で流動が抑制される。そし
て、これら密閉型開閉弁１４２ａ’、１４２ｂ’は、密
閉型開閉弁１４２ａ’による排気管２０ａの流路面積の
絞り量の方が密閉型開閉弁１４２ｂ’による排気管２０
の三元触媒３０下流部分の流路面積の絞り量よりも大き
くなるように構成されている。

【００４８】従って、当該実施例３においても、密閉型
開閉弁１４２ａ’、１４２ｂ’をともに閉弁状態とする
と、上記実施例２の場合と同様、排気管２０ａ内の排気
流動の抑制度合いの方が排気管２０ｂ内の排気流動の抑
制度合いよりも大きくなり、この圧力差により、＃１気
筒及び＃４気筒（一方の気筒群）から排出された排気エ
アが確実に＃２気筒及び＃３気筒（他方の気筒群）の排
気通路に供給される。

【００４９】そして、当該実施例３においても、図７の
排気エア制御の制御ルーチンを実行する。これにより、
当該実施例３においても、上記実施例２の場合と同様
に、排気エアシステムの作動により燃焼気筒群の排気通
路に空気が導入され、燃焼Ａ／Ｆがリッチ空燃比或いは
理論空燃比となるよう燃料が圧縮行程で噴射されること
により、燃焼気筒群である＃２気筒と＃３気筒（他方の
気筒群）の負荷が増加し排気流量が増大して反応時間が
短くなっても、排気通路内での反応が十分に促進され
る。

【００５０】また、当該実施例３のように密閉型開閉弁
を独立に設けると、上記実施例２の場合には密閉型開閉
弁１４２の弁体４４ａと弁体４４ｂとが回転軸４３で連
結されているために排気昇温により上昇した排気管２０
ｂ内の排気熱が弁体４４ｂから弁体４４ａに伝達されて
排気管２０ａ内の排気エアによって冷却されてしまうの
であるが、このような熱損失が防止され、排気管２０ｂ
内において良好に排気昇温が実施され、三元触媒３０を
より早期に活性化することができる。

【００５１】また、このように密閉型開閉弁１４２ｂ’
を三元触媒３０下流の部分に配設すると、排気管２０ｂ
内の排気昇温によって三元触媒３０の上流では極めて高
温であった排気が、三元触媒３０の下流では熱が三元触
媒３０の昇温に使用されることにより排気温度は低温と
なっているので、密閉型開閉弁１４２ｂ’の過熱が防止
され、密閉型開閉弁１４２ｂ’の耐久性が向上するとい
う利点もある。

【００５２】次に、実施例４について説明する。図９を
参照すると、実施例４に係るエンジン１の排気系の詳細
図が示されており、以下同図に基づき実施例４の構成及
び作用を説明する。当該実施例４では、排気管２０の三
元触媒３０の下流の部分が曲折されてその一定範囲が排
気管２０ａに沿って延びている。そして、かかる一定範
囲の部分には、排気管２０ａと排気管２０の三元触媒３
０の下流の部分のそれぞれの管路内の排気の流動を制御
するようにして排気流動制御装置１４０”が介装されて
いる。

【００５３】ここでは、排気流動制御装置１４０”とし
て上記実施例２の場合と同様に２連式バタフライ弁から
なる密閉型開閉弁（排気流動制御手段、絞り手段）１４
２”が採用されている。即ち、密閉型開閉弁１４２”
は、上記同様、排気管２０ａに対応する弁体４４ａと排
気管２０の三元触媒３０の下流の部分に対応する弁体４
４ｂとが１つの回転軸４３を共有し且つ回転軸４３回り
で所定角度ずれるようして一体に構成されている。

【００５４】従って、当該実施例４においても、密閉型
開閉弁１４２”を閉弁状態とすると、上記実施例２、３
の場合と同様、排気管２０ａ内の排気流動の抑制度合い
の方が排気管２０ｂ内の排気流動の抑制度合いよりも大
きくなり、この圧力差により、＃１気筒及び＃４気筒
（一方の気筒群）から排出された排気エアが確実に燃焼
気筒群である＃２気筒及び＃３気筒（他方の気筒群）の
排気通路に供給される。

【００５５】そして、当該実施例４においても、図７の
排気エア制御の制御ルーチンを実行する。これにより、
当該実施例４においても、上記実施例２、３の場合と同
様に、排気エアシステムの作動により排気通路に空気が
導入され、燃焼Ａ／Ｆがリッチ空燃比或いは理論空燃比
となるよう燃料が圧縮行程で噴射されることにより、燃
焼気筒群である＃２気筒と＃３気筒（他方の気筒群）の
負荷が増加し排気流量が増大して反応時間が短くなって
も、排気通路内での反応が十分に促進される。

【００５６】また、上記実施例３と同様、排気昇温によ
り上昇した排気管２０ｂ内の排気熱が排気管２０ａ側に
伝達されて冷却されることがないので、熱損失が防止さ
れ、排気管２０ｂ内において良好に排気昇温が実施さ
れ、三元触媒３０をより早期に活性化することができ
る。また、やはり上記実施例３と同様、三元触媒３０の
下流では当該排気昇温の熱が三元触媒３０の昇温に使用
されて排気温度は低下しているので、密閉型開閉弁１４
２”の過熱が防止され、密閉型開閉弁１４２”の耐久性
が向上するという利点もある。さらに、当該実施例４で
は、実施例３に対して密閉型開閉弁１４２”を別体とせ
ずに一体に構成しているので、排気昇温や耐久性等の面
で有利な効果を有しながらコスト削減を図ることができ
ることにもなる。

【００５７】次に、実施例５について説明する。図１０
を参照すると、実施例５に係るエンジン１の排気系の詳
細図が示されており、以下同図に基づき実施例５の構成
及び作用を説明する。当該実施例５では、連通路１８、
１９に吐出圧２００hPa（１５０mmHg）程度の小型のエ
アポンプ１６’が介装され排気エアシステムが構成され
ている。詳しくは、エアポンプ１６’は、＃１気筒の排
気通路から＃３気筒の排気通路へ、及び＃４気筒の排気
通路から＃２気筒の排気通路へ排気を圧送するように構
成され、配設されている。

【００５８】そして、実施例１と同様に、三元触媒３０
の下流には、排気管２０ａと排気管２０ｂを含め、排気
管２０内の排気の流動を制御するよう排気流動制御装置
４０としての密閉型開閉弁（排気流動制御手段）４２が
介装されている。このように構成された当該実施例５の
排気エアシステムでは、排気エアシステムの作動時に
は、先ず、＃１気筒と＃４気筒（一方の気筒群）におい
て燃料カットを行って排気エアを排気管２０ａに排出
し、一方＃２気筒と＃３気筒（他方の気筒群）において
リッチ空燃比運転或いは理論空燃比運転を行って未燃物
を排気管２０ｂに排出するようにする。

【００５９】そして、エアポンプ１６’を作動させ、＃
１気筒と＃４気筒から排出される排気エアを２次エアと
して燃焼気筒群である＃２気筒及び＃３気筒からの排ガ
スに混入させるようにする。従って、上記実施例２、３
のように排気管２０ａの排気圧と排気管２０ｂの排気圧
との間に圧力差がなくても、燃焼気筒群の排気通路に排
気エアを容易に供給でき、排気流動の抑制によって排気
圧を上昇させたとしても、エアポンプ１６’の吸込側の
空気圧と吐出側の排気圧、即ち排気管２０ａ内の排気エ
ア圧と排気管２０ｂ内の排気圧とを同レベルに保持する
ことにより、確実に燃焼気筒群の排気通路に排気エアを
供給することができる。この場合、エアポンプ１６’は
小型であるため容易に入手でき、コストが嵩むこともな
い。

【００６０】そして、当該実施例５においても、図７の
排気エア制御の制御ルーチンを実行する。これにより、
上記実施例２、３、４の場合と同様に、排気エアシステ
ムの作動により排気通路に空気が導入され、燃焼Ａ／Ｆ
がリッチ空燃比或いは理論空燃比となるよう燃料が圧縮
行程で噴射されることにより、燃焼気筒群である＃２気
筒と＃３気筒（他方の気筒群）の負荷が増加し排気流量
が増大して反応時間が短くなっても、排気通路内での反
応が十分に促進される。

【００６１】以上で説明を終えるが、本発明は上記実施
形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態で
は、図３及び図７のステップＳ１２において、１気筒当
たりのエンジン負荷が所定値より大か否かを判別するよ
うにし、エンジン負荷が所定値より大である高負荷の場
合に燃焼Ａ／Ｆをリッチ空燃比とし、燃料を圧縮行程で
噴射するようにしたが、エンジン負荷が所定値以下の中
・低負荷域のときにも燃焼Ａ／Ｆをリッチ空燃比とし、
燃料を圧縮行程で噴射するようにしても、ＣＯが多く生
成されることにより反応が促進され、十分な効果が得ら
れる。

【００６２】また、上記実施形態では、図３及び図７の
ステップＳ１０の判別により、２次エアシステム或いは
排気エアシステムが作動している場合に燃焼Ａ／Ｆをリ
ッチ空燃比とし、燃料を圧縮行程で噴射するようにした
が、２次エアシステム或いは排気エアシステムを作動さ
せることなく燃焼Ａ／Ｆをリッチ空燃比とし、燃料を圧
縮行程で噴射するようにしても、ＣＯが多く生成される
ことで、ＨＣ排出量が低下し、排気浄化効率が向上す
る。

【００６３】また、上記実施例２〜５では、＃１気筒と
＃４気筒について燃料カットを行うようにし、＃２気筒
及び＃３気筒について燃焼運転を行うようにしたが、逆
に、＃２気筒と＃３気筒について燃料カットを行い、＃
１気筒及び＃４気筒について燃焼運転を行うようにして
もよく、また、燃料カットを行う気筒群からの排気管と
燃焼運転を行う気筒群からの排気管とを独立に構成する
ものとすれば、いずれか１気筒のみを燃料カットさせて
もよく、いずれか３気筒を燃料カットさせることも可能
である。また、エンジン１の要求出力或いは振動モード
に応じて燃料カットする気筒数を変更するようにしても
よい。さらに、所定期間毎に燃料カットを行う気筒と燃
焼運転を行う気筒とを交互に切り換えるようにすると、
各気筒の燃焼室状態や三元触媒３０の昇温状態等を均一
に保持することができる。

【００６４】また、上記実施例２〜５では、燃料カット
運転を行うことで排気エアのみを２次エアとして供給す
るようにしたが、燃料カット運転に代えてリーン空燃比
運転を行うようにし、余剰酸素を多く含む排ガスを２次
エアとして燃焼グループ側に供給するようにしてもよく
（排出酸素量増大手段）、このようにしても上記同様の
効果が得られる。

【００６５】さらに、上記実施例５におけるエアポンプ
１６’を実施例２〜４において連通路１８、１９に設け
るようにしてもよい。

【００６６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の請
求項１の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置によれば、
排気通路内に空気を供給するとき、つまり所謂２次エア
の導入時には、燃焼空燃比が理論空燃比または理論空燃
比よりも燃料過濃側空燃比となるように燃料を内燃機関
の圧縮行程で噴射して未燃物を排気通路に排出するよう
にするので、排ガス中に未燃物としてＣＯを多く含むよ
うにでき、このＣＯはＨＣよりも反応し易いことから、
排気系内での反応をより一層促進させることができる。
これにより、例えば触媒コンバータの早期活性化を図る
ことができ、排気浄化効率を向上させることができる。

【００６７】また、請求項２の筒内噴射型内燃機関の排
気浄化装置によれば、排気通路内に空気を供給し、燃焼
空燃比が理論空燃比または理論空燃比よりも燃料過濃側
空燃比となるように燃料を内燃機関の圧縮行程で噴射す
るとき、同時に排気流動をも抑制するので、排気系内に
おける酸素とＣＯの滞留時間を長くでき、排気系内での
反応をさらに促進させることができる。

【００６８】また、請求項３の筒内噴射型内燃機関の排
気浄化装置によれば、多気筒内燃機関において、気筒を
２つの気筒群に分け、それぞれの気筒群毎に排気通路を
独立に設けるとともにこれら２つの排気通路を連通路に
よって連通し、さらに２つの気筒群の一方から排出され
る排気中の酸素の量を増大させ、該一方の気筒群に連な
る一方の排気通路内の圧力を絞り手段により上昇させる
ようにするので、他方の排気通路の排気圧が大気圧より
高い場合であっても高出力で高価なエアポンプを設ける
ことなく他方の気筒群側、即ち燃焼気筒群側の他方の排
気通路に酸素を容易にして確実に供給することができ
る。また、連通路にエアポンプを介装したとしても出力
の小さな廉価な小型エアポンプでよく、コストを抑える
ことができる。

【００６９】そして、この場合、一方の気筒群の出力低
下を補うため、通常他方の気筒群、即ち燃焼気筒群につ
いて負荷が増加し、これにより排気流量が増大し排気系
内での反応時間が減少することになるが、燃料を圧縮行
程で噴射することによって排気系内に反応し易いＣＯを
多く含ませることができ、排気系内での反応を低下なく
十分に促進させることができる。

【００７０】また、請求項４の筒内噴射型内燃機関の排
気浄化装置によれば、一方の気筒群の燃料供給を停止す
ることで、一方の排気通路に吸入空気をそのまま排出で
き、連通路を介して他の排気通路に確実に酸素を供給す
ることができ、排気系内での反応を十分に促進させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る筒内噴射型内燃機関の排気浄化装
置の概略構成図である。

【図２】実施例１に係るエンジンの排気系の詳細図であ
る。

【図３】２次エア制御の制御ルーチンを示すフローチャ
ートである。

【図４】２次エアシステムの作動時に燃料を圧縮行程で
噴射した場合（実線）の触媒下流のＨＣ濃度と排気温度
との時間変化を吸気行程で噴射した場合（破線）と比較
して示したタイムチャートである。

【図５】実施例２に係るエンジンの排気系の詳細図であ
る。

【図６】実施例２に係る排気流動制御装置としての２連
式バタフライ弁を示す図である。

【図７】排気エア制御の制御ルーチンを示すフローチャ
ートである。

【図８】実施例３に係るエンジンの排気系の詳細図であ
る。

【図９】実施例４に係るエンジンの排気系の詳細図であ
る。

【図１０】実施例５に係るエンジンの排気系の詳細図で
ある。

【符号の説明】

１エンジン６燃料噴射弁１２排気マニホールド１６２次エアポンプ（空気供給手段）１６’ エアポンプ１７空気通路１８連通路１９連通路２０排気管２０ａ排気管２０ｂ排気管３０三元触媒４２密閉型開閉弁（排気流動制御手段）６０ＥＣＵ（電子コントロールユニット）１４２、１４２” 密閉型開閉弁（排気流動制御手段、
絞り手段）１４２ａ’ 密閉型開閉弁（絞り手段）１４２ｂ’ 密閉型開閉弁（排気流動制御手段）

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｄ 9/04 Ｆ０２Ｄ 9/04 Ｃ３Ｇ３０１Ｅ 17/02 17/02 ＧＰ 41/02 ３０１ 41/02 ３０１Ｈ３１０３１０Ａ 41/34 41/34 ＨＦターム(参考） 3G004 AA01 BA06 BA09 DA24 EA02 3G065 AA04 AA09 AA10 CA12 DA04 EA07 GA01 GA41 HA06 KA02 3G084 BA09 BA13 BA19 BA25 DA10 EB11 FA07 FA26 3G091 AA02 AA13 AA17 AA28 AB03 BA03 CA23 DA02 DC01 EA24 EA34 FA01 FA04 FB02 FB11 FB12 FC04 FC07 HA37 HA46 HB07 3G092 AA01 AA06 AA14 AB02 BA07 BB01 BB10 CA04 CB05 DC12 DC16 DE03S DF08 EA05 EC01 FA15 GA01 GA02 HD04X HD09Z 3G301 HA01 HA04 HA07 HA18 JA21 KA01 KA05 LB04 LC01 MA01 MA26 ND01 NE01 PD01A PD14A

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼室内に直接燃料を噴射する噴射弁
と、該噴射弁による燃料噴射を制御する燃料噴射制御手
段と、燃焼空燃比を制御する空燃比制御手段と、排気通
路内に空気を供給する空気供給手段とを備えた筒内噴射
型内燃機関の排気浄化装置において、前記空気供給手段により排気通路内に空気が供給される
とき、前記燃料噴射制御手段は燃料を内燃機関の圧縮行
程で噴射し、前記空燃比制御手段は燃焼空燃比を理論空
燃比または理論空燃比よりも燃料過濃側空燃比に設定す
ることを特徴とする筒内噴射型内燃機関の排気浄化装
置。
【請求項２】前記排気通路に設けられ、該排気通路内
の排気流動を抑制する排気流動制御手段をさらに備え、前記空気供給手段により排気通路内に空気が供給される
とき、前記排気流動制御手段は排気流動を抑制すること
を特徴とする、請求項１記載の筒内噴射型内燃機関の排
気浄化装置。
【請求項３】内燃機関は多気筒内燃機関であって、該
多気筒内燃機関の気筒は２つの気筒群に分けられ、それ
ぞれの気筒群毎に排気通路が独立に設けられるとともに
これら２つの排気通路は連通路によって連通されてお
り、前記空気供給手段は、前記２つの気筒群の一方から排出
される排気中の酸素の量を増大させる排出酸素量増大手
段と、該一方の気筒群に連なる一方の排気通路内の圧力
を上昇させるべく設けられた絞り手段とを有し、前記排
出酸素量増大手段により一方の気筒群から排出される酸
素量を増大させるとともに一方の排気通路内の圧力を上
昇させることにより他方の排気通路内に酸素を供給する
ことを特徴とする、請求項１または２記載の筒内噴射型
内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】排出酸素量増大手段は、前記一方の気筒
群の燃料供給を停止することを特徴とする、請求項３記
載の筒内噴射型内燃機関の排気浄化装置。