JP2006249995A - 部分気筒運転を行う多気筒エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の課題は、エンジンが特定運転条件になった時に部分気筒運転を行う多気筒エンジンにおいて排気ガスの浄化効率を向上させ、信頼性があり構造が単純な排気浄化装置を提供することにある。
【解決手段】 第１排気管における第１分岐位置から分岐し第２排気管における第２触媒より上流の位置へと連通する第１連通分岐管と、第１分岐位置に配置された第１排気切替弁とを有し、第１排気切替弁は、通常運転時には、第１排気管の下流側を開放しかつ第１連通分岐管を閉塞して、排気を第２排気管へは排出させずに下流の第１排気管へ排出させ、部分気筒運転時には第１連通分岐管を開放しかつ第１排気管の下流側を閉塞して、排気を、第１排気管の下流側へは排出させずに第２排気管へ排出させることを特徴とする、排気浄化装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジンが特定運転条件になった時に部分気筒運転を行う多気筒エンジンにおいて排気ガスの浄化効率を向上させた排気浄化装置に関する。

従来、多気筒エンジンでは、アイドル時（含む始動時）や減速時等、エンジン出力を必要としない時には、燃料消費量や排気ガスを低減するために、燃料カットを行って特定気筒の運転を休止する部分気筒運転が行われている。
ところで、排気系統を２つの気筒群に分割し、各排気系統に排気浄化用触媒を設けた多気筒エンジンにおいては、始動時特に冷間始動時には、触媒が温まっておらず触媒を加熱して活性化するまでは触媒性能が十分ではないため、排気浄化が不十分である。また、一方の気筒群の稼働を休止させた部分気筒運転時に、休止気筒群から排出される新気によって休止気筒群側の触媒が冷却される。そして、休止気筒が稼働された時に該触媒は急速に加熱されるために、該触媒に繰り返し熱応力が発生し、触媒劣化が進んだり破損したりする場合がある。また、休止気筒が稼働された時に、該触媒を加熱して活性化するまでの間、触媒性能が十分ではなく、排気ガスの浄化が不十分となる。

このような課題を解決する手段として、排気系統を第１気筒群と第２気筒群に分割して部分気筒運転を行う多気筒エンジンにおいて、部分気筒運転時に稼働気筒から排出される排気ガスのみが通るように設けた第１触媒と、部分気筒運転時に該第１触媒を通った排気ガスと休止気筒から排出される新気との混合気が通るように設けた第２触媒と、部分気筒運転時に稼働気筒の燃料噴射量を、空燃比がリッチ側になるように制御する燃料噴射量制御手段とを備えることを特徴とする排気浄化装置が、特許文献１に記載されている。

これより、部分気筒運転時には、稼働気筒の空燃比がリッチ側に制御されるので、稼働気筒から排出されて第１触媒を通った後の未燃成分を含む排気ガスが、休止気筒から排出された新気と混合される。未燃成分を含む排気ガスはこの新気と反応して温度が上昇するので、第２触媒の温度低下が起こらず、触媒の温度低下に起因する浄化効率の悪化が防止される。

そして、特許文献１には、図４や段落番号〔００１１〕、〔００２５〕に以下のことが記載されている。
本願図４に特許文献１の排気浄化装置２００を示して、該記載事項を説明する。図４に示すように、排気制御弁１４と逆止弁２０により、部分気筒運転時に第１触媒８Ａを通った排気ガスは休止気筒１Ｂから排出される新気と混合され、第２触媒８Ｂを通過することにより、第１触媒８Ａで浄化されなかった成分は、第２触媒８Ｂにて再度浄化されよりクリーンな排気ガスとなる。

分割した各気筒群１Ａ、１Ｂに独立して吸気装置３Ａ、３Ｂをそれぞれ設けると共に、該吸気装置３Ａ、３Ｂの各スロットル弁４Ａ、４Ｂを独立して制御する制御装置１０を設け、この制御装置１０が、部分気筒運転時には稼働気筒群１Ａ側の吸気装置のスロットル弁４Ａを開き側に制御し、かつ、休止気筒群１Ｂ側の吸気装置のスロットル弁４Ｂを閉じ側に制御する。

これにより、部分気筒運転時に稼働気筒１Ａ側のスロットル弁４Ａが開き側に制御され、休止気筒１Ｂ側のスロットル弁が閉じ側に制御されるので、休止気筒１Ｂから排出される新気の量が減り、触媒の温度低下を更に抑えることができる。

また、特許文献２にも同じ課題に関する発明が記載されている。

特開平７−１３３７１６号公報 実開平２−１１９９１９号公報

しかし、特許文献１に記載の技術では、部分気筒運転時に稼働気筒の空燃比をわざわざリッチ側に制御するので、燃料消費量が多くなり、部分気筒運転の意義を没却するという問題があった。また前記逆止弁には、排気脈動による弁磨耗や排気中のカーボンによる弁詰まり等の深刻な問題があり、実用上大きな課題となっていた。更には、分割した各気筒群に独立して吸気装置をそれぞれ設けるため、装置容積が約２倍となり制御システムも複雑となるため信頼性、製造コストに大きな課題があった。

また、特許文献２に記載の技術では、部分気筒運転時に排気を、第１触媒および第２触媒に直列に通過させず並列に通過させているため、特許文献１に記載の技術のように、排気を二度浄化してよりクリーンな排気とすることはできない。そして、特許文献２に記載の技術は、休止気筒から排出される新気を制御することに関しては何ら言及されていない。

本発明の目的は、エンジンが特定運転条件になった時に部分気筒運転を行う多気筒エンジンにおいて排気ガスの浄化効率を向上させた排気浄化装置であって、信頼性があり構造が単純で製造コストが低減された、更にはコンパクトな排気浄化装置を提供することにある。

請求項１記載の発明によれば、
排気を第１気筒群と第２気筒群に分割し、特定運転条件時に前記第２気筒群の燃料噴射を停止して、部分気筒運転を行う多気筒エンジンにおいて、
前記第１気筒群および前記第２気筒群にそれぞれ連結され互いに独立した第１排気管および第２排気管と、
前記第１排気管および前記第２排気管の途中にそれぞれ配置された第１触媒および第２触媒と、前記第１排気管における前記第１触媒より下流の位置の第１分岐位置から分岐し前記第２排気管における前記第２触媒より上流の位置へと連通する第１連通分岐管と、
前記第１分岐位置に配置された第１排気切替弁と、を有し、
前記第１排気切替弁は、
全気筒運転を行う通常運転時には、前記第１排気管の前記第１排気切替弁より下流側を開放しかつ前記第１連通分岐管を閉塞して、前記第１気筒群から排出される排気を前記第２排気管へは排出させずに前記第１排気切替弁より下流の前記第１排気管へ排出させ、
前記部分気筒運転時には前記第１連通分岐管を開放しかつ前記第１排気管の前記第１排気切替弁より下流側を閉塞して、前記第１気筒群から排出される排気を、前記第１排気管の前記第１排気切替弁より下流側へは排出させずに前記第２排気管へ排出させることを特徴とする、排気浄化装置が提供される。

このように請求項１に記載の排気浄化装置によれば、部分気筒運転時に排気を、第１触媒および第２触媒に直列に通過させているため、排気を二度浄化してよりクリーンな排気とすることができ、更には、逆止弁を不要にしているため逆止弁の弁磨耗や弁詰まり等の問題は無くなり信頼性が向上し製造コストが低減できる。また、部分気筒運転時に、第２触媒に第１気筒群から排出される高温の排気を通過させるため、繰り返し熱応力の問題や休止気筒が稼働された時の触媒不活性化による不十分な触媒性能の問題は解決される。

請求項２記載の発明によれば、
前記第２排気管における前記第１連通分岐管との連通位置より上流の位置の第２分岐位置から分岐して前記第２触媒を迂回する第２連通分岐管と、
前記第２分岐位置に配置された第２排気切替弁と、を更に有し、
前記第２排気切替弁は、
前記通常運転時には、前記第２排気管の前記第２排気切替弁より下流側を開放しかつ前記第２連通分岐管を閉塞して、前記第２気筒群から排出される排気を前記第２連通分岐管へは排出させずに前記第２排気管の前記第２排気切替弁より下流側へ排出させ、
前記部分気筒運転時には、前記第２連通分岐管を開放しかつ前記第２排気管の前記第２排気切替弁より下流側を閉塞して、前記第２気筒群から排出される新気を前記第２排気管の前記第２排気切替弁より下流側へは排出させずに前記第２連通分岐管へ排出させることを特徴とする、請求項１に記載の排気浄化装置が提供される。

このように請求項２に記載の排気浄化装置によれば、第２連通分岐管と第２排気切替弁を追加設置するのみで、前記第２気筒群から排出される新気が第２触媒を迂回することにより新気の第２触媒通過を防止することが可能となる。このため、部分気筒運転時には常に第１気筒群からの排気のみが第２触媒を通過するので、特に冷間始動時において第２触媒の温度低下が起こらず、触媒の温度低下に起因する浄化効率の悪化が防止され、第２触媒に繰り返し熱応力が掛かることも無くなる。更に、部分気筒運転時に稼働気筒の空燃比をわざわざリッチ側に制御することによる燃料消費量の増加は無く、二系列の吸気装置は一系列で済み制御システムも単純となるため、信頼性が向上し製造コストも低減し吸気装置の容積も小型化できる。

本発明によれば、エンジンが特定運転条件になった時に部分気筒運転を行う多気筒エンジンにおいて排気ガスの浄化効率を向上させた排気浄化装置であって、信頼性があり構造が単純で製造コストが低減された、更にはコンパクトな排気浄化装置を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を示す実施例を図面に基づいて説明する。本発明の実施例に係る排気浄化装置を図１から図３に示す。

図１はＶ型多気筒ガソリンエンジンにおける本発明に係る実施例の排気浄化装置１００の構成を示す全体構成図である。図において１はＶ型多気筒エンジン、１Ａ、１ＢはＶ型多気筒エンジン１のそれぞれ左バンクたる第１気筒群および右バンクたる第２気筒群、２Ａ、２Ｂは燃料噴射弁、３は吸気管、４は吸気管３内に設けられたスロットル弁、５は吸気管３内に設けられた吸入空気量センサ、６Ａは第１排気管、６ａは第１排気管下流部、６Ｂは第２排気管、６ｂは第２排気管下流部、６Ｃは第１連通分岐管、６Ｄは第２連通分岐管、７Ａ、７Ｂは排気管６Ａ、６Ｂ内にそれぞれ設けられたＯ₂ センサ、８Ａは排気管６Ａに設けられた第１触媒、８Ｂは排気管６Ｂに設けられた第２触媒、１０はエンジン１を制御するためのエンジン・コントロール・ユニット（ＥＣＵ）、１１はアクセルペダル、１１Ａはアクセルペダル１１の開度を検出するアクセルペダル開度センサ、１２はエンジン１の回転数を検出する回転数センサ、１３はエンジン１の冷却水温度を検出する水温センサである。そして、１４Ａは第１排気切替弁、１４Ｂは第２排気切替弁、１５Ａは第１分岐位置、１５Ｂは第２分岐位置である。なお、本願において第１排気管と言うときは、６Ａではなく６ａを言う場合があり、第２排気管と言うときは、６Ｂではなく６ｂを言う場合がある。

本実施例を表した図１と従来例を表した図４を比較すれば良く分かるが、本実施例は、従来例と比べ、吸気装置３、４、５が大幅に簡素化されコンパクトになっている。

ＥＣＵ１０には吸入空気量センサ５からの吸入空気量データ、Ｏ₂ センサ７Ａ、７Ｂからの空燃比制御データ、アクセルペダル開度センサ１１Ａからのアクセルペダル１１の開度データ、回転数センサ１２からのエンジン回転数データ、および水温センサ１３からの水温データ等が入力され、ＥＣＵ１０はこれらのデータに基づいて燃料噴射量を演算し、燃料噴射弁２Ａ、２Ｂへの燃料噴射信号およびスロットル弁４への開度信号を出力する。

本実施例のＶ型多気筒エンジン１は、アイドル運転時（含む始動時）や減速運転時等の特定運転状態をＥＣＵ１０が検出した時に、左バンクたる第１気筒群１Ａが稼働し、右バンクたる第２気筒群１Ｂが休止する部分気筒運転を行うものとする。

図２に、本発明の実施例に係る排気浄化装置の部分気筒運転時の排気ガスおよび新気ガスの流れを示す。なお、本願において、「新気」とは休止気筒群（本実施例では右バンク１Ｂ）から排出される燃焼ガスを含まない大気を言う。

ここで、第１排気切替弁１４Ａは、第１分岐位置１５Ａに配置されて、第１連通分岐管６Ｃを開放しかつ第１排気管６Ａの第１排気切替弁１４Ａより下流側６ａを閉塞しており、第１気筒群１Ａから排出される排気を、第１排気管６Ａの第１排気切替弁１４Ａより下流側６ａへは排出させずに前記第２排気管６Ｂへ排出するように案内する作用をする。第１排気切替弁１４Ａを第１分岐位置１５Ａに配置することにより、該切替弁１４Ａを単に９０°回転することにより排気の方向を切替えることができるため、弁構造が単純化され信頼性が確保される。

更に、第２排気切替弁１４Ｂは、第２分岐位置１５Ｂに配置されて、第２連通分岐管６Ｄを開放しかつ第２排気管６Ｂの第２排気切替弁１４Ｂより下流側６Ｂｂを閉塞して、第２気筒群１Ｂから排出される新気を第２排気管６Ｂの第２排気切替弁１４Ｂより下流側６Ｂｂへは排出させずに第２連通分岐管６Ｄへ排出するように案内する作用をする。第２排気切替弁１４Ｂを第２分岐位置１５Ｂに配置する理由は、第１排気切替弁１４Ａの場合と同じである。

第１排気切替弁１４Ａおよび第２排気切替弁１４Ｂは、機能は同じであり、同一部品とすることも可能である。それゆえ、ここでは第１排気切替弁１４Ａの構造のみを説明をする。
第１排気切替弁１４Ａは、板部材１４Ａｂ、回動軸１４Ａａおよび回動軸１４Ａａに連結されたアクチュエータ１４Ａｃ（図示せず）から成り、アクチュエータ１４Ａｃは、エンジン運転状態の変化時（部分気筒運転から全気筒運転又はその逆）に、制御器ＥＣＵ１０から指令を受け回動軸１４Ａａを回動させ板部材１４Ａｂを指令位置に移動させる。図２において、第１排気切替弁１４Ａはあくまで模式的に描いているので、板部材１４Ａｂの先端部と排気管内径部との間に隙間が存在するように見えるが、実際は実害の生ずる程の隙間は無いように精度良く設計製作されている。ちなみに、第１排気管６Ａの下流側６ａと第２排気管６Ｂの下流側６ｂと第２連通分岐管６Ｄは、実用上、更に下流において一つの排気管に合体させても良い。

以上に述べた第１排気切替弁１４Ａの作用により、部分気筒運転時に第１気筒群から排出された高温の排気ガスは、第１排気管６Ａ、第１触媒８Ａ、第１連通分岐管６Ｃ、第２触媒８Ｂ、第２排気管下流部６ｂを通って大気に排出される。第１触媒８Ａで浄化されなかった排気成分は、第２触媒８Ｂにて再度浄化されてよりクリーンな排気ガスとなる。更に、第２触媒８Ｂは、高温の排気ガスにより温め続けられるので、繰り返し熱応力が掛かることも無く、休止気筒が稼働された時の触媒不活性化による不十分な触媒性能の問題が生じることも無い。

一方、以上に述べた第２排気切替弁１４Ｂの作用により、部分気筒運転時に第２気筒群から排出された新気ガスは、第２排気管６Ｂ、第２連通分岐管６Ｄを通って大気に排出される。このため、ほぼ大気温である新気ガスが、第２触媒８Ｂを迂回することにより該触媒８Ｂを通過することは無いため、第２触媒８Ｂが新気ガスにより冷却されることは無い。このため、第２触媒８Ｂに関し、繰り返し熱応力や触媒不活性化による不十分な触媒性能の問題は、一層生じにくくなる。

図３に、エンジン１の全気筒稼働時の排気ガスの流れを示す。

ここで、第１排気切替弁１４Ａは、ＥＣＵ１０の指令により、部分気筒運転時の位置（破線で示されている位置）から該切替弁１４Ａの回動軸１４Ａａを中心に９０°回動しており、第１排気管６Ａの第１排気切替弁１４Ａより下流側６ａを開放しかつ第１連通分岐管を閉塞しているため、第１気筒群１Ａから排出された排気を第２排気管６Ｂへは排出させずに第１排気切替弁１４Ａより下流の第１排気管６ａへ排出させるように案内する作用をする。

更に、第２排気切替弁１４Ｂは、第１排気切替弁１４Ａと同様に、ＥＣＵ１０の指令により、部分気筒運転時の位置（破線で示されている位置）から該切替弁１４Ｂの回動軸１４Ｂａを中心に９０°回動しており、第２排気管６Ｂの第２排気切替弁１４Ｂより下流側６Ｂｂを開放しかつ第２連通分岐管６Ｄを閉塞して、第２気筒群１Ｂから排出された排気を第２連通分岐管６Ｄへは排出させずに第２排気管６Ｂの前記第２排気切替弁１４Ｂより下流側６Ｂｂへ排出させる作用をする。

この時、第１気筒群から排出された高温の排気ガスは、第１排気管６Ａ、第１触媒８Ａ、第１排気管下流部６ａを通って大気に排出される。また、第２気筒群から排出された高温の排気ガスは、第２排気管６Ｂ、第２触媒８Ｂ、第２排気管下流部６ｂを通って大気に排出される。

以上で説明したように、本実施例の排気浄化装置は、信頼性があり構造が単純で製造コストが低減された、更にはコンパクトなものであることが分かる。

Ｖ型多気筒ガソリンエンジンにおける本発明に係る実施例の排気浄化装置の構成を示す全体構成図である。 図１の排気浄化装置の部分気筒運転時の排気ガスおよび新気ガスの流れである。 図１の排気浄化装置の全気筒運転時の排気ガスの流れである。 特許文献１の排気浄化装置の構成を示す全体構成図である。

符号の説明

１Ａ 第１気筒群
１Ｂ 第２気筒群
２Ａ、２Ｂ 燃料噴射弁
３ 吸気管
４ スロットル弁
５ 吸入空気量センサ
６Ａ 第１排気管
６ａ 第１排気管下流部
６Ｂ 第２排気管
６ｂ 第２排気管下流部
６Ｃ 第１連通分岐管
６Ｄ 第２連通分岐管
７Ａ、７Ｂ Ｏ₂ センサ
８Ａ 第１触媒
８Ｂ 第２触媒
１０ エンジン・コントロール・ユニット（ＥＣＵ）
１１ アクセルペダル
１１Ａ アクセルペダル開度センサ
１２ エンジン回転数センサ
１３ 水温センサ
１４Ａ 第１排気切替弁
１４Ｂ 第２排気切替弁
１５Ａ 第１分岐位置
１５Ｂ 第２分岐位置
１００ 本発明の排気浄化装置
２００ 特許文献１の排気浄化装置

Claims (2)

1. 排気を第１気筒群と第２気筒群に分割し、特定運転条件時に前記第２気筒群の燃料噴射を停止して、部分気筒運転を行う多気筒エンジンにおいて、
   前記第１気筒群および前記第２気筒群にそれぞれ連結され互いに独立した第１排気管および第２排気管と、
   前記第１排気管および前記第２排気管の途中にそれぞれ配置された第１触媒および第２触媒と、前記第１排気管における前記第１触媒より下流の位置の第１分岐位置から分岐し前記第２排気管における前記第２触媒より上流の位置へと連通する第１連通分岐管と、
   前記第１分岐位置に配置された第１排気切替弁と、を有し、
   前記第１排気切替弁は、
   全気筒運転を行う通常運転時には、前記第１排気管の前記第１排気切替弁より下流側を開放しかつ前記第１連通分岐管を閉塞して、前記第１気筒群から排出される排気を前記第２排気管へは排出させずに前記第１排気切替弁より下流の前記第１排気管へ排出させ、
   前記部分気筒運転時には前記第１連通分岐管を開放しかつ前記第１排気管の前記第１排気切替弁より下流側を閉塞して、前記第１気筒群から排出される排気を、前記第１排気管の前記第１排気切替弁より下流側へは排出させずに前記第２排気管へ排出させることを特徴とする、排気浄化装置。
2. 前記第２排気管における前記第１連通分岐管との連通位置より上流の位置の第２分岐位置から分岐して前記第２触媒を迂回する第２連通分岐管と、
   前記第２分岐位置に配置された第２排気切替弁と、を更に有し、
   前記第２排気切替弁は、
   前記通常運転時には、前記第２排気管の前記第２排気切替弁より下流側を開放しかつ前記第２連通分岐管を閉塞して、前記第２気筒群から排出される排気を前記第２連通分岐管へは排出させずに前記第２排気管の前記第２排気切替弁より下流側へ排出させ、
   前記部分気筒運転時には、前記第２連通分岐管を開放しかつ前記第２排気管の前記第２排気切替弁より下流側を閉塞して、前記第２気筒群から排出される新気を前記第２排気管の前記第２排気切替弁より下流側へは排出させずに前記第２連通分岐管へ排出させることを特徴とする、請求項１に記載の排気浄化装置。

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