JP3951095B2 - 内燃機関の排気浄化促進装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化促進装置に係り、詳しくは、排気中の有害物質の排出量低減効果を高める技術に関する。
【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、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。
しかしながら、当該排気浄化技術では、触媒が活性化されるまでの間にＨＣ等の未燃物が大気放出されるという問題があり、このように触媒活性化までに放出される有害物質量は、コールドモードでの全放出量の９割にも達する場合があり重要な問題となっている。
【０００３】
そこで、例えば特開平３−１１７６１１号、特開平４−１８３９２１号公報に開示されるように、排気圧上昇により冷態時の触媒を早期活性化させる技術が開発されている。
また、特開平５−２３１１９５号、特開平８−１５８８９７号公報に開示されるように、排気圧上昇と吸排気弁のオーバラップ開度の変更により内部ＥＧＲを変更し、これにより未燃物（ＨＣ等）の大気放出を抑制する技術が開発されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記特開平３−１１７６１１号、特開平４−１８３９２１号公報に開示された触媒と排気圧上昇とを組み合わせた技術の場合、実際には当該技術による効果は明確に示されておらず、本出願人の調査によれば、触媒活性効果、排気（もしくは触媒）の昇温効果はともに小さいものとなっている。
【０００５】
また、上記特開平５−２３１１９５号、特開平８−１５８８９７号公報に開示された技術の場合においても、上記触媒と排気圧上昇とを組み合わせた技術と同様に、内部ＥＧＲの増量だけでは、触媒活性効果、排気（もしくは触媒）昇温効果を十分に得られないという問題がある。この場合、吸排気弁の開閉時期を変更する高価な装置が必要となりコストが増大するという問題もある。
【０００６】
つまり、従来の技術では、触媒が活性化するまでの運転条件下において、有害物質の大気放出を十分に抑制することができず、触媒昇温中において有害物質の大気放出を抑制しつつ触媒を早期に活性化することは困難である。
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、排気系内の反応を利用して有害物質を低減させる技術において、広範囲に亘る種類のエキゾーストマニホールドシステムにおいても、また内燃機関の広範囲に亘る運転条件下においても、有害物質の低減効果を増強可能な内燃機関の排気浄化促進装置を提供することにある。
【０００７】
【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、多気筒内燃機関において、該内燃機関の排気中の有害物質の排出量を低減することを目的として、該内燃機関の冷態時に一部の気筒への燃料供給を停止するとともに残余の気筒がリッチ空燃比となるよう燃料を供給する燃料供給制御手段と、前記一部の気筒から排出される空気及び前記残余の気筒から排出される未燃物が合流する部分よりも排気下流側に設けられ、該燃料供給制御手段による前記有害物質の排出量の低減効果を高めるよう排気管の断面積を変更し排気の流動状態を制御する低減効果増強手段と、前記一部の気筒から排出される空気及び前記残余の気筒から排出される未燃物が合流する部分よりも排気下流側に設けられた触媒とを備えることを特徴とする。
【０００８】
従って、内燃機関冷態時に一部の気筒への燃料供給が停止されるとともに残余の気筒がリッチ空燃比となるよう燃料が供給されると、一部の気筒からは酸素が多量に排出される一方、残余の気筒からは未燃物が多量に排出され、これら未燃物と酸素とが排気系内において反応して排気昇温が行われることになるが、この際、低減効果増強手段により排気の流動状態が制御されて酸素が未燃物と反応し易い状態とされると、未燃物と酸素との反応が飛躍的に促進され、燃料供給制御手段による有害物質の排出量の低減効果が増強される。これにより、排気中の有害物質の排出が抑制されつつ排気温度が確実に上昇することとなり、排気系下流側に触媒を有する場合には、触媒が急速に昇温することになり、有害物質の排出量を低減しながら当該触媒を早期に活性化することが可能となる。
【０００９】
さらに、本発明では、燃料供給制御手段による有害物質の排出量の低減効果を低減効果増強手段により増強するものであるため、広範囲に亘る種類のエキゾーストマニホールドシステム（クラムシェル型、デュアル型、シングル型等）においても、また内燃機関の広範囲に亘る運転条件下（始動時、暖機運転時等）においても、有害物質の排出量の低減効果が良好に増強される。即ち、燃料供給制御手段によって排気系に未燃物が供給されると、エキゾーストマニホールドシステムの種類や内燃機関の運転条件に拘わらず、この燃料供給制御手段による操作だけで有害物質の排出量の低減効果は基本的に発生し、低減効果増強手段はこのような既に発生している低減効果を確実に増強させるよう作用することになる。
【００１０】
また、一般に触媒には硫黄等が付着して排気浄化効率が低下するものであり（被毒）、当該被毒した触媒は主として高温下で再生されるのであるが、このように触媒が急速に昇温して高温にまで達すると、より低負荷運転域においても、有害物質を排出することなく被毒した触媒を確実に再生可能である。
【００１２】
また、低減効果増強手段により排気管の断面積が減少させられると、排気圧の上昇、排気密度の増大、排気流速の低下（増強要因）のうち少なくとも一つ以上が起こり、排気管の断面積を変更するという簡単な構成且つ低コストにして有害物質の排出量の低減効果が確実に増強される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
図１を参照すると、本発明に係る内燃機関の排気浄化促進装置の概略構成図が示されており、以下、当該排気浄化促進装置の構成を説明する。
同図に示すように、内燃機関であるエンジン本体（以下、単にエンジンという）１としては、例えば、燃料噴射モードを切換えることで吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射）とともに圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射）を実施可能な筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンが採用される。この筒内噴射型のエンジン１は、容易にして理論空燃比（ストイキ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能である。また、エンジン１として、ここでは４気筒エンジンが採用される。
【００１４】
同図に示すように、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。この際、燃料噴射量は高圧燃料ポンプの燃料吐出圧Ｐinjと燃料噴射弁６の開弁時間、即ち燃料噴射時間Ｔinjとから決定される。
【００１５】
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、図２（ａ）に示すような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。その他、排気マニホールド１２は、図２（ｂ）に示すようなシングル型エキゾーストマニホールドシステムであっても、また図２（ｃ）に示すようなクラムシェル型エキゾーストマニホールドシステムであってもよい。
【００１６】
なお、当該筒内噴射型のエンジン１は既に公知のものであるため、その構成の詳細については説明を省略する。
排気マニホールド１２の他端には排気管（排気通路）２０が接続されている。
排気管２０は、通常の１重管路であってもよいが、ここでは、全長に亘り、図
３（ａ）に縦断面で示すように、外管２０ａと当該外管２０ａよりもやや小径の内管２０ｂからなる２重管路とされており、内管２０ｂ内のみならず外管２０ａと内管２０ｂとの間の副通路をも排ガスが流通する。このように外管２０ａと内管２０ｂとの間の副通路を排ガスが流れると、当該副通路を流れる排ガスは外管２０ａを介して外気によって冷却されるものの、内管２０ｂ内を流れる排ガスの主流は直接外気と熱交換することがないので、排気温度の低下が防止され、排ガスは高温に保持される。
【００１７】
なお、２重管路の形態は、内管２０ｂ内を流れる排ガスの主流が直接外気と熱交換しないようなものであれば、図３（ｂ）のように副通路の終端が閉じたものであってもよく、また、図３（ｃ）のように副通路の始端と終端の両方を閉じて内部に単なる空気層を形成するようなものであってもよい。
また、排気管２０は、上述したように排気マニホールド１２として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ているため、デュアル部分では、＃１気筒と＃４気筒からの排気及び＃２気筒と＃３気筒からの排気がそれぞれ独立して流れる。そのため、この範囲では、通常は排気管２０が二股管路から構成されるが、ここでは、図４（ａ）に横断面で示すように、排気管２０の中央において管路が仕切られて２本の管路が構成されている。つまり、排気管２０は上流側から一定距離に亘り断面θ形状をしている。これにより、外気との熱交換が少なくされ、排気温度の低下が防止される。なお、排気管２０を上記２重管路とした場合には、図４（ｂ）のように、内管２０ｂのみが断面θ形状をしている。
【００１８】
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（Ｐｔ），ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ）のいずれかを有している。
また、同図に示すように、排気管２０には、排気圧を検出する排気圧センサ２２が配設されている。
【００１９】
さらに、排気管２０の三元触媒３０よりも下流の部分には、本発明に係る低減効果増強装置（低減効果増強手段）４０が介装されている。低減効果増強装置４０は、排ガス中の有害物質（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ₂等の未燃物の他、スモーク、ＮＯx等を含む）の低減を促進させることを目的とする装置であり、排気圧、排気密度及び排気流速（増強要因）の少なくともいずれか一つを変更することが可能に構成されている。具体的には、低減効果増強装置４０は排気管２０の流路面積を調節可能な密閉型開閉弁４２が電子コントロールユニット（ＥＣＵ）６０に電気的に接続されて構成されている。
【００２０】
図５に示すように、開閉弁４２としては種々の方式が考えられる。なお、開閉弁４２はアクチュエータで作動するが、ここではアクチュエータは省略してある。
例えば、図５（ａ）に閉弁状態を示し、図５（ｂ）に開弁状態を示すように、開閉弁４２は、排気管２０を貫通する軸４３回りに円盤４４が回転することで排気管２０の流路面積を調節するバタフライ弁で構成される。
【００２１】
この場合、図５（ｃ）に示すように、全閉時において円盤４４の周縁が排気管２０（2重管路の場合には内管２０ｂ）の内面と当接するようにしておくのがよく、さらに、図５（ｄ）や図５（ｅ）に拡大して示すように、円盤４４の周縁と当接する排気管２０の内面に角溝２０ｃ或いは丸溝２０ｄを設け、円盤４４の周縁と排気管２０の内面とを面接触させるのがよい。これにより、閉弁時における流路の遮断度合いが向上する。
【００２２】
また、排気管２０（2重管路の場合には内管２０ｂ）に、図５（ｆ）、（ｇ）に示すように、閉弁時に円盤４４の周縁を受け止めるストッパ４５を内方に向けて立設するようにしてもよく、このようにしても、円盤４４の周縁とストッパ４５とが面接触し、閉弁時における流路の遮断度合いが向上する。
また、図６（ａ）に閉弁状態を示し、図６（ｂ）に開弁状態を示すように、開閉弁４２は、中央に通気口４６の設けられた円盤４４’からなるバタフライ弁であってもよい。このように通気口４６が設けられていると、全閉時において、排ガスが僅かながら通気口４６を流通することになり、エンジン１の負担が軽減される。
【００２３】
また、図７（ａ）に流路方向で視た閉弁状態を示し、図７（ｂ）に開弁状態を示すように、開閉弁４２は、円盤４７の一端が排気管２０に回動自在に支持され、円盤４７が回動することで排気管２０の流路面積を調節する一般的な開閉弁であってもよい。この場合、上記同様、円盤４７の中央には通気口４８を設けておくのがよく、また、円盤４７と排気管２０とをスプリング４９で接続しておくのがよい。このようにすると、スプリング４９の付勢方向によって、円盤４７が閉弁状態のまま固着することが防止され、或いは一定圧力以上で圧力がリリーフされてフェールセイフが図られる。
【００２４】
また、図８（ａ）に閉弁状態を示し、図８（ｂ）に開弁状態を示すように、開閉弁４２は、一方向で内部が筒状にくり抜かれた球状弁体５０が軸４３回りに回転することで排気管２０の流路面積を調節するボール型弁であってもよい。
また、図９（ａ）、（ｃ）に閉弁状態を示し、図９（ｂ）、（ｄ）に開弁状態を示すように、開閉弁４２は、排気管２０内に流路を塞ぐよう設けられた板の開口を開閉するポペット５２からなるポペット弁であってもよい。この場合、ポペット５２のステム頭部にポペット弁を開弁側に付勢するスプリング５４を設けるようにすれば、スプリング５４の付勢方向によって、ポペット５２が閉弁状態のまま固着することが防止され、或いは一定圧力以上で圧力がリリーフされてフェールセイフが図られる。
【００２５】
また、図１０に示すように、開閉弁４２をバイパスするバイパス通路２１を設け、当該バイパス通路２１に排気流量を微調整可能な微調整弁２４を介装するようにしてもよい。これにより、開閉弁４２が全閉状態とされたときでも、開閉弁４２上流の排気管２０内の排気圧、排気密度及び排気流速等を自在に調整可能である。
【００２６】
ＥＣＵ６０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えており、当該ＥＣＵ６０により、エンジン１を含めた排気浄化促進装置の総合的な制御が行われる。
ＥＣＵ４０の入力側には、上述した排気圧センサ２２等の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。
【００２７】
一方、ＥＣＵ４０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、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、低減効果増強量Ｚ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、所望の低減効果増強量Ｚとなるよう適正なタイミングで開閉弁４２が開閉操作される。
【００２８】
なお、低減効果増強量Ｚを検出するセンサ、即ち排気圧センサ２２等を設け、当該センサからの情報により、或いは低減効果増強量Ｚと相関のある指標により、低減効果増強量Ｚを補正するようにすれば、精度よく低減効果増強量Ｚ（弁開度）を変更することができる。また、排気管断面積を検出するセンサ、例えばバルブ開度センサを設け、当該バルブ開度センサの出力を当該補正に用いることで低減効果増強量Ｚ（弁開度）の精度がさらに向上する。
【００２９】
また、低減効果増強量Ｚに基づき開閉弁４２を全閉とするときには、開閉弁４２の排気通過流量をゼロにしてもよいし、所定流量確保するようにしてもよい。
以下、このように構成された本発明に係る排気浄化促進装置の作用を説明する。
図１１を参照すると、低減効果増強量の設定手順がフローチャートで示されており、ここでは低減効果増強量が設定される。
【００３０】
ステップＳ１０ではイグニションキーがＯＮであるか否かが判別され、ＯＮである場合には、ステップＳ１２に進み、予め各システム及び運転条件（エンジン回転速度、体積効率、正味平均有効圧、排気温、吸入空気量、排気体積流量、排気質量流量、或いはこれらと相関のある指標のうちの一つ以上）によって最適化されたマップ値（固定値でも可）として低減効果増強量基準値Ｚbが設定される。
【００３１】
そして、ステップＳ１４において、低減効果増強量基準値Ｚbが各種補正に基づく補正係数Kが乗算されて補正され、これにより、低減効果増強量Zが求められる。
ここに、低減効果増強量Ｚは、例えば、排気圧上昇量、排気密度上昇量、排気流速低下量、排気管断面積減少量或いはこれらと相関のあるパラメータ量のうちの一つ以上とする。
【００３２】
補正係数Kは、各種補正係数の積としてもよく、また、各種補正係数の大きい値取り或いは小さい値取りとしてもよく、その他の方法でもよい。実際には、各種補正は、後述するように、例えば要求出力、冷態度合い等に応じて補正される。
ステップＳ１６では、低減効果増強量Zが上限値により制限（クリップ）される。上限値は、燃焼悪化限界値（例えば、排気圧で１０００mmHg。但し、エンジンの耐失火性によっては上限値は変動する。）とすることにより、マップ値及び各種補正係数をエンジン状態と独立して設定することができる。これにより、確実に失火を抑制しつつ容易にマップ値及び各種補正係数をキャリブレーションすることができる。
【００３３】
なお、当該上限値の設定においては、例えば、吸気行程噴射より圧縮行程噴射の方が耐燃焼悪化性は高いため、吸気行程噴射における上限値よりも圧縮行程噴射における上限値を大きく設定する。また、Ａ／Ｆ、点火時期、燃料噴射時期或いは環境条件によっても耐燃焼悪化性が異なるため、上限値はこれらの影響をも考慮して設定される。この場合、筒内圧センサ、トルクセンサ、エンジン角加速度センサ、エンジン回転速度センサ、Ａ／Ｆセンサ等を設け、これら各センサからの情報により燃焼状態を診断し、当該上限値を補正するようにしてもよい。
【００３４】
図１２を参照すると、本発明に係る低減効果増強制御の制御手順がフローチャートで示されており、以下説明する。
先ず、ステップＳ２０では、始動後か否か判別する。始動後であるか否かは、例えばエンジン回転速度が所定速度以上であるか否かで判別する。始動後でなければステップＳ２２において補正係数Ｋを所定値Ａ2とし、燃料供給制御手段による燃料供給制御は行わないようにする。一方、始動後であればステップＳ２４に進む。
【００３５】
ステップＳ２４では、エンジン１の要求出力Ｆdが所定値Ｆ1以下であるか否か、即ちエンジン１に高出力が要求されている状況でないか否かを判別する。ここに、要求出力Ｆdは、例えば、アクセル開度、スロットル開度或いはこれらと相関のある指標のうちの一つ以上を基に推定する。高出力が要求されている場合には、ステップＳ２６において補正係数Ｋを所定値Ａ3とする。一方、高出力が要求されていない場合には、ステップＳ２８に進む。なお、補正係数Ｋは、図１３（ａ）に示すように、予め設定された要求出力Ｆdと補正係数Ｋとの関係を示すマップに基づき設定するようにしてもよい。
【００３６】
ステップＳ２８では、エンジン１の状態が冷態か否かを判別する。冷態の判定は、例えば以下の条件及びこれらと相関のある条件のうちの一つ以上を含む条件とする。
・冷却水温＜所定温度（例えば、５０℃）
・始動後所定期間（例えば、１０sec）
・油温＜所定温度（例えば、４０℃）
・触媒流入排気温度＜所定温度（例えば、３００℃）
・触媒温度＜所定温度（例えば、３００℃）
・スロットル開度＜所定開度（例えば、２０%）
ステップＳ２８の判別により、冷態でなければステップＳ３０において補正係数Ｋを所定値Ａ4とし、一方、冷態の場合には、ステップＳ３２において補正係数Ｋを所定値Ａ1とする。なお、補正係数Ｋは、図１３（ｂ）に示すように、予め設定された冷態度合いと補正係数Ｋとの関係を示すマップに基づき設定するようにしてもよい。
【００３７】
このようにして補正係数Ｋが設定されると、上記図１１のステップＳ１４において低減効果増強量Ｚが演算される。なお、所定値Ａ1〜Ａ4は同じ値となってもよいし、所定値Ａ2〜Ａ4はゼロであってもよい。
そして、ステップＳ３４では、低減効果増強量Ｚに応じて燃料供給制御手段により燃料供給制御を実行する。詳しくは、＃１気筒乃至＃４気筒のいずれか一気筒への燃料供給を停止（燃料カット）するとともに他の三気筒については空燃比がリッチ空燃比となるように燃料供給を制御する。つまり、当該エンジン１は４気筒エンジンであるため、４サイクル毎に同一の気筒において燃料供給を停止する。例えば、＃１気筒については燃料供給を停止し、＃２気筒乃至＃４気筒についてはリッチ空燃比となるように燃料噴射弁６から燃料を噴射する。この場合、＃２気筒乃至＃４気筒への燃料噴射は吸気行程噴射であっても圧縮行程噴射であってもよい。
【００３８】
なお、ここではいずれか一気筒のみについて燃料供給を停止するようにしたが、いずれか二気筒について２サイクル毎に燃料供給を停止するようにしてもよい。
つまり、ここでは、一の気筒において燃料供給を停止した後、次の気筒については空燃比をリッチ空燃比として燃料が供給されるように燃料供給を制御する。
【００３９】
このように、一部の気筒において燃料供給を停止する一方、残余の気筒で空燃比がリッチ空燃比となるよう燃料を供給すると、燃料供給を停止した一部の気筒からは空気のみが排気マニホールド１２に排出され、一方、リッチ空燃比となるよう過剰の燃料を供給した残余の気筒からは不完全燃焼により多量の未燃物（ＨＣ、ＣＯ等）が排気マニホールド１２に排出される。つまり、排気マニホールド１２には空気中の酸素と未燃物とが略同時に供給されることになる。
【００４０】
酸素と未燃物とが排気マニホールド１２に供給されると、十分な酸素存在のもとに未燃物は排気マニホールド１２内や排気管２０内、即ち排気系において良好に反応して酸化する。そして、この酸素と未燃物との反応は、発生する反応熱によって連鎖的に促進され、これにより排気昇温の効果が生ずる。
この場合、低減効果増強量Ｚが所定量以上であれば当該燃料供給制御を実施する一方、所定量より少なければ当該燃料供給制御を行わないようにしてもよく、また低減効果増強量Ｚに応じて、残余の気筒の空燃比のリッチ度合いを調整し、当該残余の気筒への燃料供給量を連続的に変更するようにしてもよい。
【００４１】
そして、ステップＳ３６において、低減効果増強量Ｚに応じて開閉弁４２の開度が調節される。詳しくは、補正係数Ｋが所定値Ａ1であって、エンジン１に高出力が要求されておらず且つエンジン１が冷態状態であるときには、低減効果増強量Ｚが大きくされ、開閉弁４２の開度、即ち排気管断面積が減少させられる。これにより、開閉弁４２よりも上流の排気系の排気圧が高められ、排気密度が上昇し、排気流速が低下する。
【００４２】
このように、燃料供給制御手段により酸素と未燃物が排気系に供給され、且つ、低減効果増強手段により排気系の排気圧が高められ、排気密度が上昇し、排気流速が低下すると、未燃物は酸素と反応し易くなり、即ち排気系内での反応が促進されることになり、排気圧を高めることのみ等では十分ではなかった排気中のＨＣ、ＣＯ等の有害物質の低減効果が増強されて排気浄化が促進され、且つ、排気昇温作用が促進されて三元触媒３０の早期活性化が図られる。
【００４３】
図１４を参照すると、上記低減効果増強制御を実施した場合の実験結果、即ち上記低減効果増強制御を実施した場合の三元触媒３０直下流、即ち触媒出口での排ガスのＨＣ濃度、排気マニホールド１２の出口（エキマニ出口）での排気温度の実測値（実線）が、排気圧を高めない場合（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、上記燃料供給制御を実施して酸素と未燃物とを排気系に供給するとともに有害物質の低減効果を増強すべく排気圧を高圧（例えば、８００mmHg）まで上昇させることにより、始動直後（ファイアリング直後）から、排気温度を高めて三元触媒３０の早期活性化を図りながらＨＣ濃度を低く抑えることができ、大気中に放出されるＨＣ、即ち有害物質を低減することができる。これにより、三元触媒３０が活性化されるまでの間においても、大気中に放出される排ガスをクリーンなものにできる。
【００４４】
また、当該実施形態では、上述の如く排気管２０として２重管路、断面θ形状の管路を採用しているので、通常の一重管路や二股管路を使用する場合に比べて、排ガスを保温する効果が高く、さらに効果が増大する。特に、デュアル型エキゾーストマニホールドシステムでは、図１５に示すように、デュアル部分の冷却速度が大きいため、当該デュアル部に２重管路、断面θ形状の管路を採用する効果は大きい。
【００４５】
一方、補正係数Ｋが所定値Ａ２〜Ａ4であって、エンジン１が始動後でない場合や、エンジン１に高出力が要求されている場合或いはエンジン１が冷態状態でない場合には、低減効果増強量Ｚは小さくされ、開閉弁４２の開度は小さく制限される。つまり、このような場合は、排気浄化を促進しなくてもＨＣ、ＣＯ等の有害物質が大気中に放出されないような状況とみなすことができ、低減効果を増強せず、つまり排気圧を高めたり、排気密度を上昇させたり、排気流速を低下させたりすることなく排ガスを流通させる。
【００４６】
また、図１６を参照すると、低減効果増強装置４０が作動する場合の点火時期、吸入空気量、Ａ／Ｆの設定手順がフローチャートで示されている。
ステップＳ４０では、低減効果増強量Ｚを読み込み、ステップＳ４２〜ステップＳ４６で点火時期、吸入空気量、Ａ／Ｆに対して低減効果増強量Ｚに応じた補正を行う。詳しくは、基準点火時期、基準吸入空気量、基準Ａ／Ｆにそれぞれ補正係数Ｋsa、Kq、Kafを乗算して点火時期、吸入空気量、Ａ／Ｆを求める。ここに、基準Ａ／Ｆは上述したようにリッチ空燃比である。
【００４７】
なお、ここでは、点火時期、吸入空気量、Ａ／Ｆの全てについて補正しているが、いずれか一つ以上の補正であってもよい。また、ここでは、基準値に対して補正しているが、その他の設定方法、例えば直接設定するような方法であってもよい。
このように、排気圧、排気密度、排気流速、排気断面積或いはこれらと相関のある指標のうち一つ以上に応じて点火時期、吸入空気量、Ａ／Ｆのうち一つ以上を変更することにより、低減効果増強装置４０の作動によるトルク変動を抑制することができ、運転フィーリングが改善される。また、各変更時に、低減効果増強量Ｚの変化に応じてテーリングを行うことで、より一層運転フィーリングが改善される。
【００４８】
また、図１７を参照すると、排気管断面積変更可否判断を行うルーチンのフローチャートが示されており、これにより、低減効果増強量Ｚに応じて排気管断面積、即ち開閉弁４２の開度を変更してもよい状況か否かが判断される。
ステップＳ５０では、排気圧Ｐが所定圧Ｐ1より小さいか否かを判別し、排気圧Ｐが所定圧Ｐ1より小さい場合には、ステップＳ５２において、排気管断面積の変更、即ち低減効果増強量Ｚに応じた開閉弁４２の開度変更を許容する。
【００４９】
一方、排気圧Ｐが所定圧Ｐ1以上である場合には、排気圧Ｐが、所定圧Ｐ1より小さくなるまで排気管断面積、即ち開閉弁４２の開度を変更しないようにする。
このようにすると、主として開閉弁４２の開放時において、排気圧の変化によるトルク変動を低減でき、運転フィリーングの悪化を抑制することができる。
なお、所定圧Ｐ1は、例えば予め各システム及び運転条件（エンジン回転速度、体積効率、正味平均有効圧、排気温、吸入空気量、排気体積流量、排気質量流量、或いはこれらと相関のある指標のうち一つ以上）によって最適化された値（固定値でも可）とする。この場合、目標排気断面積は変更する一方、実排気断面積は上記のように排気圧Ｐに応じて変更するようにしてもよい。
【００５０】
ところで、排気系上流で反応促進により高温となった排ガスは、下流の三元触媒３０に到達するまでに冷却により排ガス温度が低下する。その温度低下は触媒上流容積が大きいほど大きくなる。さらに、低減効果増強量Ｚの一つが排気流速低下量である場合には、触媒に到達するまでの時間が長くなるためにより冷却量が増大する。この場合、低減効果増強装置４０を作動させている期間は排気管内での反応が促進されてＨＣ、ＣＯ等の大気放出は十分抑制されるものの、三元触媒３０が活性化する前に高出力の要求等により低減効果増強装置４０の作動が解除される確率が高くなるため、有害排ガスが十分浄化されずに大気放出されるという問題が生じるおそれがある。
【００５１】
そこで、本実施例では、排気管２０内の反応により排ガスが昇温した後、一時的に低減効果増強量Ｚ（少なくとも排気流速低下量を含む）を低下させて高温ガスを早期に触媒に供給させるようにしている。
図１８を参照すると、排気ポートから触媒までの容積（以下、触媒上流容積という）が大きい排気系における触媒の早期活性化手法の制御手順がフローチャートで示されており、以下説明する。具体的には、当該制御は、デュアル型エキゾーストマニホールドシステムとＵＣＣからなるシステム、即ち本実施例におけるデュアル型エキゾーストマニホールドシステムと三元触媒３０からなるシステムに燃料供給制御手段及び低減効果増強手段とを適用させる場合の触媒早期活性化手法である。
【００５２】
先ず、ステップＳ６０では、低減効果増強量Ｚを一時的に低下させるためのカウンタＮをリセットする。そして、次のステップＳ６２では、冷態か否かを判別し、冷態でなければ、ステップＳ６４において上記補正係数Ｋを所定値Ａ7とする。この場合、所定値Ａ7はゼロであってもよい。一方、冷態であれば、ステップＳ６６においてカウンタＮをカウントアップし、ステップＳ６８に進む。
【００５３】
ステップＳ６８では、カウンタＮが所定範囲内（０≦Ｎ＜Ｎ1）であるか否かを判別する。所定範囲内であればステップＳ７０に進み、補正係数Ｋを所定値Ａ5とする。一方、所定範囲外であれば、ステップＳ７２に進む。
ステップＳ７２では、さらにカウンタＮが所定範囲（Ｎ1≦Ｎ＜Ｎ2）であるか否かを判別する。所定範囲内であれば、ステップＳ７４に進み、補正係数Ｋを所定値Ａ6とする。一方、所定範囲外であれば、ステップＳ７６に進み、カウンタＮをリセットする。以下ステップＳ６２以降を繰り返す。なお、所定値Ａ6＜所定値Ａ5とする。また、所定値Ａ6をゼロにしてもよい。
【００５４】
これにより、高温ガスを早期に触媒に供給させるようにでき、触媒を早期に活性化させることができる。
また、ここでは、排気管２０として２重管路、断面θ形状の管路を採用しているので、通常の一重管路や二股管路を使用する場合に比べて、排ガスを保温する効果が高く、さらに効果が増大する。特に、デュアル部に２重管路、断面θ形状の管路を採用することによる効果は大きい。
【００５５】
図１９を参照すると、図１２で示した低減効果増強制御の変形例、即ち上記燃料供給制御を実施した後、トータルＡ／Ｆをスライトリーン空燃比とする低減効果増強制御のルーチンがフローチャートで示されており、以下説明する。
先ず、ステップＳ９０では、始動後か否かを判別し、始動後でなければステップＳ９２において補正係数Ｋを所定値Ａ2とする。一方、始動後であれば、ステップＳ９４に進む。
【００５６】
ステップＳ９４では、出力変化ΔＦ（絶対値）が大きいか否か判別する。出力変化ΔＦは、例えばアクセル開度変化、スロットル開度変化或いはこれらと相関のある指標のうち一つ以上を基に推定する。出力変化ΔＦが大きい場合には、ステップＳ９６において補正係数Ｋを所定値Ａ3とする。これにより、低減効果増強量Ｚの変化に伴うトルク変動に起因した運転フィーリングの悪化を緩和させることができる。一方、出力変化ΔＦが小さい場合には、ステップＳ９８に進む。
【００５７】
ステップＳ９８では、始動後所定期間ｔ1が経過したか否かを判別し、所定期間ｔ1が経過していなければ、ステップＳ１００で上記燃料供給制御手段により燃料供給制御を行う。即ち、例えば＃１気筒乃至＃４気筒のいずれか一気筒への燃料供給を停止（燃料カット）するとともに他の三気筒については空燃比がリッチ空燃比となるように燃料供給を制御する。なお、始動後所定期間ｔ1の経過判定に代えて低水温判定、低油温判定、低触媒流入排気温度判定、低触媒温度判定を行うようにしてもよいし、これらの判定を併用してもよい。
【００５８】
ステップＳ１０２では、補正係数Ｋを所定値Ａ1とする。そして、ステップＳ１０４において、低減効果増強量Ｚに応じて開閉弁４２の開度を調節する。これにより、上記図１２の場合と同様に、燃料等の有害物質の大気放出が抑制されつつ三元触媒３０が早期に活性化される。
一方、ステップＳ９８の判別により、始動後所定期間ｔ1の経過後であれば、ステップＳ１０６に進み、上記燃料供給制御手段による燃料供給制御を中止した後、ステップＳ１０８において、冷却水温Ｔwが所定温度Ｔ1よりも小さいか否かを判別する。なお、低水温判定に代えて始動後所定期間経過判定、低油温判定、低触媒流入排気温度判定、低触媒温度判定を行うようにしてもよいし、これらの判定を併用してもよい。
【００５９】
ステップＳ１０８の判別により、冷却水温Ｔwが所定温度Ｔ1よりも小さければ、ステップＳ１１０において、燃料噴射を圧縮行程で実施し、Ａ／Ｆをスライトリーン空燃比（ストイキを含む弱リーン空燃比）に設定し、ステップＳ１１２において、補正係数Ｋを所定値Ａ4とする。
これにより、燃料消費の大きくなるリッチ空燃比での運転期間を最小限に抑制しつつ、触媒が再び不活性となる運転条件においても、触媒の活性状態をそのまま維持しながら、有害物質の大気放出を確実に抑制することができる。
【００６０】
一方、ステップＳ１０８の判別により、冷却水温Ｔwが所定温度Ｔ1以上であれば、スライトリーン空燃比での運転を中止し、ステップＳ１１６において、補正係数Ｋを所定値Ａ5とする。
ここに、所定値Ａ1〜Ａ5は同じ値となってもよいし、所定値Ａ2〜Ａ5はゼロであってもよい。
【００６１】
また、ここでは、排気管２０として２重管路、断面θ形状の管路を採用しているので、通常の一重管路や二股管路を使用する場合に比べて、排ガスを保温する効果が高く、さらに効果が増大する。特に、デュアル部に２重管路、断面θ形状の管路を採用することによる効果は大きい。
なお、ここでは、上記燃料供給制御を実施した後、スライトリーン空燃比での運転を行うようにしたが、これに代えて、上記燃料供給制御を実施した後、高周波高振幅でのＡ／Ｆ変調を行ってもよい。高周波高振幅でのＡ／Ｆ変調を行うと、浄化効率が常に適正な状態に維持されることになり、スライトリーン空燃比での運転と同様の効果が得られる。
【００６２】
なお、上記実施例では、図１に示すように、低減効果増強装置４０を三元触媒３０の直下流に設けた場合について説明したが、これに限られず、低減効果増強装置４０の耐熱温度が低い場合には、図２０に示すように、低減効果増強装置４０をできるだけ排気管２０の下流に設け、低減効果増強装置４０の上流に排ガス温度を低下させる冷却装置２８を配置するようにしてもよい。これにより、低減効果増強装置４０の耐久性を向上させながら、有害物質の低減効果を増強することができる。なお、冷却装置２８は、排気管２０の放熱面積を拡大させたもの、例えば排気管２０にフィンを取り付けたもの、排気管２０をジャバラ管にしたもの（図示）、或いはこれらを併用したものを用いる。
【００６３】
一方、低減効果増強装置４０の耐熱性が高い場合は、低減効果増強装置４０を触媒上流に設けるようにしてもよく、この場合、排ガス低減装置４０の上流の排気系容積が減少するため、低減効果増強量Ｚの応答性が改善されるという利点がある。
また、上記実施例では、低減効果増強装置４０として開閉弁４２を用いるようにしたが、吸排気系にターボチャージャを備える場合には、当該ターボチャージャのウエストゲートバルブを開閉弁４２の代わりに使用することもできる。つまり、ウエストゲートバルブは開閉弁４２と同様の弁機能を有しているため、低減効果増強量Ｚに応じて当該ウエストゲートバルブを制御するようにしても上記同様の効果が得られる。
【００６４】
以上で説明を終えるが、上記各ルーチンに基づく制御は、単独で行ってもよいし、２以上を併用してもよい。
また、触媒は、ここでは三元触媒を用いたが、リーンＮＯx触媒、ＨＣ吸着触媒等いかなる触媒であってもよく、ＭＣＣ、ＦＣＣ、ＵＣＣのいずれであってもよい。
【００６５】
また、エンジンはガソリンエンジンに限られるものではなく、ディーゼルエンジンであってもよい。
【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の内燃機関の排気浄化促進装置によれば、一部の気筒への燃料供給を停止して当該一部の気筒から酸素を多量に排出し、残余の気筒がリッチ空燃比となるよう燃料を供給して当該残余の気筒から未燃物を多量に排出し、低減効果増強手段により排気の流動状態を制御して酸素を未燃物と反応し易い状態とするので、未燃物と酸素との反応を飛躍的に促進させるようにでき、広範囲に亘る種類のエキゾーストマニホールドシステム（クラムシェル型、デュアル型、シングル型等）においても、また内燃機関の広範囲に亘る運転条件下（始動時、暖機運転時等）においても、燃料供給制御手段による有害物質の排出量の低減効果を増強させることができる。これにより、排気中の有害物質の排出を抑制しつつ排気温度を確実に上昇させることができ、排気系下流側に触媒を有する場合には、触媒を急速に昇温させることができ、有害物質の排出量を低減しながら触媒を早期に活性化することができる。
【００６８】
また、低減効果増強手段により排気管の断面積を減少させることで、排気圧の上昇、排気密度の増大、排気流速の低下のうち少なくとも一つ以上を生起させることができ、排気管の断面積を変更するという簡単な構成且つ低コストにして有害物質の排出量の低減効果を確実に増強させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化促進装置の概略構成図である。
【図２】各種エキゾーストマニホールドシステムを示す図である。
【図３】２重管路を示す図である。
【図４】デュアル型エキゾーストマニホールドシステムのデュアル部分の断面形状を示す図である。
【図５】低減効果増強装置の密閉型開閉弁としてのバタフライ弁を示す図である。
【図６】低減効果増強装置の密閉型開閉弁としての通気口を有するバタフライ弁を示す図である。
【図７】低減効果増強装置の密閉型開閉弁としての通気口を有する一般的な開閉弁を示す図である。
【図８】低減効果増強装置の密閉型開閉弁としてのボール型弁を示す図である。
【図９】低減効果増強装置の密閉型開閉弁としてのポペット弁を示す図である。
【図１０】密閉型開閉弁をバイパスするバイパス通路に排気流量を微調整可能な微調整弁を設けた場合の図である。
【図１１】低減効果増強量の設定手順を示すフローチャートである。
【図１２】低減効果増強制御の制御手順を示すフローチャートである。
【図１３】要求出力、冷態度合いと補正係数Ｋとの関係を示すマップである。
【図１４】本発明に係る低減効果増強制御を実施した場合の効果を示す図であって、低減効果増強制御を実施した場合の三元触媒直下流、即ち触媒出口での排ガスのＨＣ濃度、排気マニホールド出口での排気温度の実測値（実線）を、排気圧を高めない場合（破線）と比較して示したタイムチャートである。
【図１５】デュアル型エキゾーストマニホールドシステムのデュアル部分の冷却速度を説明する図である。
【図１６】低減効果増強装置が作動する場合の点火時期、吸入空気量、Ａ／Ｆの設定手順を示すフローチャートである。
【図１７】排気管断面積変更可否判断を行うルーチンを示すフローチャートである。
【図１８】排気ポートから触媒までの容積（以下、触媒上流容積という）が大きい排気系における触媒の早期活性化手法の制御手順を示すフローチャートである。
【図１９】低減効果増強制御の変形例、即ち燃料供給制御手段による燃料供給制御を実施した後、トータルＡ／Ｆをスライトリーン空燃比とする低減効果増強制御のルーチンを示すフローチャートである。
【図２０】低減効果増強装置をできるだけ排気管の下流に設け、低減効果増強装置の上流に冷却装置を配置した例を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン本体
６ 燃料噴射弁
１２ 排気マニホールド
２０ 排気管
２８ 冷却装置
３０ 三元触媒
４０ 低減効果増強装置（低減効果増強手段）
４２ 密閉型開閉弁
６０ ＥＣＵ（電子コントロールユニット）

Claims (1)

1. 多気筒内燃機関において、
   該内燃機関の排気中の有害物質の排出量を低減することを目的として、該内燃機関の冷態時に一部の気筒への燃料供給を停止するとともに残余の気筒がリッチ空燃比となるよう燃料を供給する燃料供給制御手段と、
   前記一部の気筒から排出される空気及び前記残余の気筒から排出される未燃物が合流する部分よりも排気下流側に設けられ、該燃料供給制御手段による前記有害物質の排出量の低減効果を高めるよう排気管の断面積を変更し排気の流動状態を制御する低減効果増強手段と、
   前記一部の気筒から排出される空気及び前記残余の気筒から排出される未燃物が合流する部分よりも排気下流側に設けられた触媒と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化促進装置。

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