JP3956107B2 - Exhaust purification device for multi-cylinder internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多気筒内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、排気通路の上流側に前段触媒コンバータ(FCCまたはMCC)を有するとともに下流側に床下触媒コンバータ(UCC)を備えた排気浄化装置に関する。
【0002】
【関連する背景技術】
一般に、自動車用内燃機関(エンジン)の排気系には、例えば車両の床下に位置して床下触媒コンバータ(アンダフロアキャタライザコンバータ、以下UCCと略す)が介装されており、この床下触媒コンバータでは、主として該触媒コンバータに内蔵された三元触媒によって排ガス中のHC(炭化水素)、CO(一酸化炭素)、NOx(窒素酸化物)を浄化・低減している。また、近年、床下触媒コンバータに三元触媒とともに、酸化雰囲気でNOxを吸蔵するとともに還元雰囲気で当該吸蔵したNOxを放出し還元する吸蔵型NOx触媒(NOxトラップ触媒)を備えた車両も実用化されている。
【0003】
さらに、最近では、床下触媒コンバータ以外に、触媒の早期活性化を図るべくエンジンからの高温の燃焼ガスを受け易い排気マニホールド内や排気マニホールド直後に別途前段触媒コンバータ(マニホールドキャタライザコンバータまたはフロントキャタライザコンバータ、以下それぞれMCC、FCCと略す)を介装するようにし、エンジンの冷態始動直後からでも高い排気浄化性能を発揮可能にした排気浄化装置が開発され実用化されている。
【0004】
また、排気システムとして、点火順序の連続しない気筒同士で排気通路を例えば2本(デュアル)に纏め、排気慣性或いは排気脈動を利用して全開性能を向上させ、高出力を得るようにしたデュアル型エキゾーストマニホールドシステムが広く採用されており、当該デュアル型エキゾーストマニホールドシステムにおいては、纏めた排気通路にそれぞれ前段触媒コンバータを配設するようにしている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、床下触媒コンバータのみを介装した場合、小排気量の軽車両或いは低負荷運転時においては、特に冷態始動時において、排気管により冷却されるために床下触媒コンバータへ流入する排ガスの温度が低くなり過ぎて床下触媒コンバータを十分に活性化できないという問題があり、一方、大排気量の重車両或いは中高負荷運転時においては、床下触媒コンバータへ流入する排ガスの温度が高いために排気通路内で排ガス中のHC、CO等の未燃成分の反応が促進されてさらに排気昇温が進み、床下触媒コンバータが過昇温して吸蔵型NOx触媒の高性能範囲(例えば、350〜450℃)を超えてしまうという問題がある。また、吸蔵型NOx触媒が高性能範囲にあっても、排ガスの温度が高くなるほど還元雰囲気においてはNOxの放出速度が増大するため、HCやNOxの一部が酸化或いは還元されずに大気中に放出されるという問題もある。
【0006】
床下触媒コンバータの上流側に前段触媒コンバータを配設するようにした場合には、排ガスの熱の多くが前段触媒コンバータの昇温に使用されるため、上記床下触媒コンバータのみの場合以上に床下触媒コンバータを活性化し難いという問題があり、また、還元雰囲気にしたとしても高温の前段触媒コンバータによってHC等の還元剤(HC等)が消費されてしまうために放出されたNOxを十分に還元できず、還元雰囲気を強化すると燃料消費量が増大して燃費が悪化したり還元剤(HC等)が余剰となって大気中に放出されるという問題がある。
【0007】
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、内燃機関の出力向上を図りながら、触媒性能を十分に活用可能な多気筒内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項1の発明では、多気筒内燃機関の複数の気筒群毎に設けられた複数の上流側排気通路と、前記複数の上流側排気通路を集合して延びる下流側排気通路と、前記複数の上流側排気通路のうちの一の上流側排気通路にのみ配設され、三元触媒機能を有する上流側触媒コンバータと、前記下流側排気通路に配設され、触媒機能を有する下流側触媒コンバータと、前記複数の上流側排気通路のうち前記一の上流側排気通路以外の他の上流側排気通路に設けられた排気絞り手段とを備えることを特徴としている。
【0009】
即ち、複数の上流側排気通路のうちの一の上流側排気通路には三元触媒機能を有する上流側触媒コンバータが設けられ、一方他の上流側排気通路には触媒コンバータは設けられておらず、一の上流側排気通路を流れる排ガスについては、上流側触媒コンバータによってHC、CO等が浄化処理されるために下流側触媒コンバータに流入するHC、CO等が全体として低減され、一方、他の上流側排気通路を流れる排ガスについては、HC、CO等を含んだまま且つ触媒コンバータに熱を奪われることなく下流側触媒コンバータに流入する。
【0010】
これにより、低負荷運転時であっても他の上流側排気通路からの排ガスの熱によって床下触媒コンバータが良好に活性化され、中高負荷運転時においては、全体としてHC、CO等が低減されるために排気通路内でのHC、CO等の反応の促進が緩和されて床下触媒コンバータの昇温が抑制され、例えば吸蔵型NOx触媒が高性能範囲を超えてしまうことが防止される。また、例えば吸蔵型NOx触媒からNOxを放出する際には、還元剤(HC等)を増量して還元雰囲気を強化しなくても他の上流側排気通路からの排ガス中のHC、CO等によって良好に還元雰囲気が形成されてNOxが還元除去され、燃費の悪化やHCやNOxの大気中への放出が防止される。つまり、内燃機関の運転状態によらず触媒性能が十分に活用される。
【0011】
特に、前記複数の上流側排気通路のうち前記一の上流側排気通路以外の他の上流側排気通路に排気絞り手段を備えており、一の上流側排気通路では上流側触媒コンバータがあるために排気抵抗が大きく、他の上流側排気通路では触媒コンバータがないために排気抵抗が小さく、内燃機関の機関出力にばらつきによる変動が生じるのであるが、他の上流側排気通路に排気絞り手段を備えることで排気抵抗が均等になり、当該機関出力の変動が防止される。
【0012】
また、請求項2の発明では、前記排気絞り手段は触媒コンバータの担体部分であることを特徴としている。
従って、排気絞り手段として触媒コンバータの担体部分を採用することで、他の上流側排気通路においても上流側触媒コンバータの配設された一の上流側排気通路の排気抵抗と略同等の排気抵抗が得られ、機関出力の変動が良好に防止される。
【0013】
また、請求項3の発明では、前記複数の上流側排気通路は、多気筒内燃機関の各気筒のうち燃焼の連続しない複数の気筒からなる気筒群毎に設けられていることを特徴としている。
即ち、燃焼の連続しない複数の気筒からなる気筒群毎に複数の上流側排気通路の設けられた所謂デュアル型エキゾーストマニホールドシステムを採用することにより、排気慣性或いは排気脈動の効果が得られる。
【0014】
これにより、内燃機関において全開性能の向上を図り、高出力を確保しながら、床下触媒コンバータの早期活性化が図られ、燃費悪化及びHCやNOxの大気中への放出が防止され、触媒性能が十分に活用される。
また、請求項4の発明では、さらに、多気筒内燃機関の複数の気筒群毎に運転パラメータを変更する運転パラメータ変更手段を備えることを特徴としている。
【0015】
従って、一の上流側排気通路と他の上流側排気通路との間で排気抵抗や排気脈動による機関トルク差がある場合であっても、点火時期や燃料噴射時期等の運転パラメータを気筒群毎に最適に変更することで当該機関トルク差が良好に防止される。
また、例えば、一の上流側排気通路内の排気空燃比が他の上流側排気通路内の排気空燃比よりもリーン空燃比となるように燃焼空燃比を設定することにより、上流側触媒コンバータにおいてHC、CO等をより効率的に浄化することが可能となり、低負荷運転時にあっては上流側触媒コンバータにおける酸化反応熱で床下触媒コンバータがさらに良好に活性化され、中高負荷運転時にあってはHC、CO等がさらに減少して床下触媒コンバータの過昇温が確実に抑制される。
【0016】
また、例えば、低負荷運転時において、他の上流側排気通路側の気筒群毎について点火時期を遅角させたり、筒内噴射型内燃機関である場合に膨張行程以降に副噴射を実施(二段燃焼)したりすることにより、排気昇温が促進され、床下触媒コンバータがより一層良好に活性化される。
【0017】
【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、本発明に係る多気筒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。
同図に示すように、多気筒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り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4サイクル4気筒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、理論空燃比(ストイキオ)での運転の他、リッチ空燃比での運転(リッチ空燃比運転)やリーン空燃比での運転(リーン空燃比運転)を実現可能である。
【0018】
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。
【0019】
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20の一端がそれぞれ接続されている。排気マニホールド20としては、ここでは、図2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。
【0020】
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20では、#1気筒からの排気通路20aと#4気筒からの排気通路20d及び#2気筒からの排気通路20bと#3気筒からの排気通路20cがそれぞれ合流するように構成されている(燃焼順序が#1→#3→#4→#2の場合)。つまり、燃焼が連続しない#1気筒と#4気筒を一の気筒群(#1、#4気筒群)として纏め、やはり燃焼が連続しない#2気筒と#3気筒を他の気筒群(#2、#3気筒群)として纏めるようにしている。これにより、当該排気マニホールド20では、上述したように、排気干渉が少なくされ、排気慣性或いは排気脈動の大きな効果が得られる。
【0021】
排気マニホールド20の他端には、集合管22を介して排気管28が接続されており、集合管22は、排気通路20a及び排気通路20dからの排ガスが流通する集合管22aと排気通路20b及び排気通路20cからの排ガスが流通する集合管22bの2本の管路(デュアル管路)から構成されている。つまり、集合管22は、#1気筒と#4気筒からなる一の気筒群からの排ガスが集合管22aを流れ、#2気筒と#3気筒からなる他の気筒群からの排ガスが集合管22bを流れるように構成されている。
【0022】
そして、集合管22aには、前段触媒コンバータとして三元触媒(上流側触媒コンバータ、以下MCC)24が介装されている。
また、集合管22から排気管28への移行部分、即ち集合管22aと集合管22bとの集合部27には、排気センサとして、リニア空燃比センサ(λセンサ、以下LAFSと略す)29が設けられている。
【0023】
排気管28には、さらに、床下触媒コンバータ(下流側触媒コンバータ、以下UCC)30が介装されている。同図に示すように、UCC30は、上流側に三元触媒32が配設され、下流側に吸蔵型NOx触媒34が配設されて構成されている。吸蔵型NOx触媒34は、排気空燃比がリーン空燃比(酸化雰囲気)であるときにNOxを吸蔵する一方、排気空燃比がリッチ空燃比(還元雰囲気)とされると、吸蔵したNOxを放出し還元するよう構成された触媒である。
【0024】
また、集合管22aからは排ガスの一部(EGRガス)を吸気系に還流させるためのEGR通路40が延びており、該EGR通路40の先端は吸気マニホールド10に接続されている。そして、EGR通路40には排ガスの還流量を調節するEGR弁42が介装されている。
電子コントロールユニット(ECU)60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を含めた排気浄化装置の総合的な制御が行われる。
【0025】
ECU60の入力側には、上述したLAFS29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。
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、EGR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、EGR量等の指令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、適切なEGR制御が行われる。
【0026】
そして、当該エンジン1では、LAFS29からの排気空燃比情報に基づき、排気空燃比が所定空燃比となるように、燃焼空燃比をフィードバック制御(空燃比F/B制御)するようにしている。
以下、上記のように構成された本発明に係る多気筒内燃機関の排気浄化装置の作用について運転状態を分けて説明する。
【0027】
「冷態始動時(低負荷運転時)」
エンジン1の冷態始動時には、MCC24がエンジン1に近い位置にあることから、集合管22aでは排ガスの熱によってMCC24の早期活性化が図られ、排気中のHC、CO等が良好に浄化される。
一方、集合管22bでは、排ガスは素通りしてHC、CO等が浄化されることなくそのまま排気管28及びUCC30を流れるため、排気管28の空冷により排ガス温度が若干低下するものの、UCC30、即ち三元触媒32及び吸蔵型NOx触媒34についても、排ガスの熱によって早期活性化が図られる。
【0028】
つまり、従来のように集合管22aとともに集合管22bにもMCCが設けられていると、エンジン1から流出する排ガスの熱の殆どがMCCの昇温活性化に使用されてUCCが十分に活性化されないのであるが、このように集合管22bについてMCCを設けないようにすることで、UCC30の早期活性化が図られる。
【0029】
ところで、集合管22aにのみMCC24を設けるようにすると、MCC24を設けた集合管22a側については排気抵抗が大きくなる一方で集合管22b側については排気抵抗が小さくなるため、排気脈動の作用と相俟って、#1、#4気筒群と#2、#3気筒群間でエンジン1の出力トルクにばらつきによる変動が生じるおそれがある。
【0030】
そこで、ここでは、ECU60からの指令により、エンジン1の点火時期や燃料噴射時期等(運転パラメータ)を気筒群毎に、即ち#1、#4気筒群と#2、#3気筒群とでそれぞれ異なる設定とし、エンジン1の出力トルク変動を抑制するようにしている(運転パラメータ変更手段)。
また、ここでは、#1、#4気筒群の燃焼空燃比(運転パラメータ)を#2、#3気筒群の燃焼空燃比よりもリーン空燃比側に設定するようにしている(運転パラメータ変更手段)。このようにすると、集合管22a内の排気空燃比がリーン空燃比となり、十分な酸素存在のもと、MCC24においてHC、CO等の酸化反応が急速に進展し、より多くの反応熱が発生する。これにより、排気管28を経てUCC30に到達する排ガスの温度がより一層高くなり、UCC30が良好に活性化される。
【0031】
なお、この場合、#2、#3気筒群について燃焼空燃比をリッチ空燃比にしたり、点火時期を遅角させたり、膨張行程以降に燃料の副噴射を実施(二段燃焼)したりするのがよく、このようにすれば集合管22bや排気管28内での反応が促進されて排気温度が上昇し、UCC30がより一層良好に活性化される(運転パラメータ変更手段)。
【0032】
なお、点火時期、燃料噴射時期、副噴射時期、燃焼空燃比等(運転パラメータ)については瞬時値であってもよいし平均値であってもよい。
「通常運転時(中高負荷運転時)」
エンジン1が冷態から温態に移行し、MCC24が活性状態にある場合には、集合管22aを流れる排ガス中のHC、CO等はMCC24によって良好に浄化される。即ち、集合管22bを経て排気管28を流れる排ガスについてはHC、CO等を含んだ状態でUCC30に供給される一方、集合管22aを経て排気管28を流れる排ガスについてはHC、CO等を殆ど含まない状態でUCC30に供給される。つまり、集合管22aにMCC24が設けられていると、MCC24がない場合に比べ、UCC30に到達するHC、CO等の量が全体として略半半分に減少する。
【0033】
このようにUCC30に到達するHC、CO等の量が全体として略半減すると、UCC30の三元触媒32でのHC、CO等の酸化反応が抑制されて反応熱の発生が低減され、UCC30の過昇温が防止される。これにより、特に三元触媒32の下流に位置する吸蔵型NOx触媒34ではNOxを浄化するのに最適な温度範囲、即ち高性能範囲(例えば、350〜450℃)が存在しているのであるが、吸蔵型NOx触媒34の温度がかかる高性能範囲を超えてしまうということが良好に防止される。また、三元触媒32や吸蔵型NOx触媒34の溶損も良好に防止される。
【0034】
なお、この場合にも、ECU60からの指令により、エンジン1の点火時期や燃料噴射時期等(運転パラメータ)を気筒群毎に、即ち#1、#4気筒群と#2、#3気筒群とでそれぞれ異なる設定とし、エンジン1の出力トルク変動を抑制するようにしている。
さらに、#1、#4気筒群の燃焼空燃比を#2、#3気筒群の燃焼空燃比よりもリーン空燃比側に設定するようにしている。このようにすると、十分な酸素存在のもと、MCC24においてHC、CO等が十分に浄化されて確実に減少することになり、吸蔵型NOx触媒34の温度が高性能範囲を超えてしまうということがより一層良好に防止される。また、三元触媒32や吸蔵型NOx触媒34の溶損がより一層良好に防止される。
【0035】
「NOxパージ運転時」
吸蔵型NOx触媒34に吸蔵されたNOxについては定期的に放出し還元(NOxパージ)する必要があるが、NOxの吸蔵量が所定量に達したら、#1、#4気筒群の燃焼空燃比についてはそのままに#2、#3気筒群の燃焼空燃比をリッチ空燃比に設定して還元剤(HC、CO等)を吸蔵型NOx触媒34に供給する。このようにすると、集合管22bには何ら障害となる触媒コンバータがないので、集合管22bから排気管28を経て吸蔵型NOx触媒34に供給される排ガスの排気空燃比を効率よくリッチ空燃比(還元雰囲気)にでき、吸蔵型NOx触媒34のNOxパージを良好に実施することができる。
【0036】
つまり、集合管22aとともに集合管22bにもMCCが設けられていると、燃焼空燃比をリッチ空燃比に設定して排気空燃比をリッチ空燃比(還元雰囲気)としてもHC、CO等がMCCでの酸化反応に使用されて消費されてしまい、HC、CO等が吸蔵型NOx触媒34に良好に供給されず、故に燃料噴射量を増量する等して燃焼空燃比のリッチ度合いを高めて還元雰囲気を強化してやらなければならないのであるが、本発明では、このように燃焼空燃比のリッチ度合いを高める必要がなくなり、燃費の悪化が防止されるとともに、HC、CO等の不足によって還元できないNOxの大気中への放出や過剰に供給されたHC、CO等の大気中への放出が防止される。
【0037】
また、上述したようにUCC30ひいては吸蔵型NOx触媒34が過昇温することが防止されるので、触媒温度が高いほどNOxパージ時におけるNOxの放出速度が大きく、HC、CO等の不足によってNOxが還元されないおそれがあるのであるが、このようなNOxが還元されない事態が回避され、やはりNOxの大気中への放出が防止される。
【0038】
以上のように、本発明に係る排気浄化装置によれば、集合管22aにのみMCC24を配設し、集合管22bには触媒コンバータを設けないことにより、エンジン1の運転状態(低負荷運転、中高負荷運転、NOxパージ運転)によらず、MCC24とともにUCC30の触媒性能を十分に活用することが可能となる。特に、排気マニホールド20にデュアル型エキゾーストマニホールドシステムを採用し、排気慣性或いは排気脈動の効果を得るようにすることで、エンジン1の全開性能の向上を図り、高出力を確保しながら、MCC24とともにUCC30の触媒性能を十分に活用することができる。
【0039】
なお、EGR通路40の上流端を集合管22aのうちMCC24の下流部分に接続しているため、MCC24がフィルタとしての機能を果たし、EGRガス中のデポジット成分を低減することができる。
ところで、図3を参照すると、上記実施形態の変形例が示されており、同図に示すように、集合管22bに触媒コンバータの担体、即ち触媒層のない断面格子状の担体部分のみからなる触媒担体(排気絞り手段、コージライト等)26を介装するようにしてもよい。
【0040】
このように、集合管22bに触媒担体26を介装するようにすると、触媒担体26を設けない場合にはMCC24を設けた集合管22a側の排気抵抗が大きい一方で集合管22b側の排気抵抗が小さく#1、#4気筒群と#2、#3気筒群間でエンジン1の出力にばらつきによる変動が生じるのであるが、集合管22b側の排気抵抗が集合管22a側の排気抵抗と略等しくなり、エンジン1の出力変動が良好に防止され、エンジン1の出力向上が図られる。特に、排気マニホールド20にデュアル型エキゾーストマニホールドシステムを併用し、排気慣性或いは排気脈動の効果を得るようにすることで、さらにエンジン1の全開性能の向上を図り、高出力を確保しながら、MCC24とともにUCC30の触媒性能を十分に活用することができる。
【0041】
また、集合管22b側の排気抵抗を上げるためには、集合管22bの流路断面積を絞るようにしてもよく、図4に他の変形例を示すように、集合管22bに絞り弁26’を介装するようにしてもよい。この場合、集合管22b側の排気抵抗が集合管22a側の排気抵抗と略等しくなるように絞り弁26’の開度を適宜調節するようにすればよいが、集合管22b側の排気抵抗が集合管22a側の排気抵抗と略等しくなる開度に固定するようにしてもよい。
【0042】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、集合管22aのみにMCC24を配設するようにしたが、他方の集合管22bのみにMCC24を配設するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、エンジン1が4気筒であって集合管22が集合管22aと集合管22bの2本の管路(デュアル管路)から構成される場合について説明したが、エンジン1は複数気筒であればよく、また集合管22は3本以上であってもよく、この場合、いずれか一つの集合管についてのみ触媒コンバータを設けない構成にするのが好ましい。
【0043】
また、上記実施形態では、UCC30に吸蔵型NOx触媒34を備える場合について説明したが、UCC30は三元触媒32のみで構成されていてもよく、この場合であっても早期活性化等に関して十分な効果が得られる。さらに、UCC30は吸蔵型NOx触媒34のみで構成されていてもよく、吸蔵型NOx触媒34の上流と下流とに三元触媒を備えて構成されていてもよく、吸蔵型NOx触媒34の下流に三元触媒を備えて構成されていてもよい。
【0044】
また、上記実施形態では、一方の集合管22aのみにMCC24を配設するようにし、他方の集合管22bには触媒コンバータを設けない構成にしたが、他方の集合管22bに、MCC24よりも貴金属の担持量の少ない、即ち触媒性能の低いMCCを配設するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、エンジン1として筒内噴射型火花点火式4サイクル4気筒ガソリンエンジンを用いるようにしたが、吸気管噴射型ガソリンエンジン、2サイクルガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等であっても本発明を良好に適用可能である。
【0045】
【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の多気筒内燃機関の排気浄化装置によれば、複数の上流側排気通路のうちの一の上流側排気通路には三元触媒機能を有する上流側触媒コンバータを設け、一方他の上流側排気通路には触媒コンバータを設けないようにしたので、一の上流側排気通路を流れる排ガスについては上流側触媒コンバータでHC、CO等を浄化処理して下流側触媒コンバータに流入するHC、CO等を全体として低減させるようにでき、一方、他の上流側排気通路を流れる排ガスについてはHC、CO等を含んだまま且つ触媒コンバータに熱を奪われることなく下流側触媒コンバータに流入させるようにできる。
【0046】
これにより、低負荷運転時であっても他の上流側排気通路からの排ガスの熱によって床下触媒コンバータを良好に活性化でき、中高負荷運転時においては、全体としてHC、CO等を低減し床下触媒コンバータの昇温を抑制して例えば吸蔵型NOx触媒が高性能範囲を超えないようにでき、さらに、例えば吸蔵型NOx触媒からNOxを放出する際には、他の上流側排気通路からの排ガス中のHC、CO等によって良好に還元雰囲気を形成しNOxを還元除去して燃費の悪化やHCやNOxの大気中への放出を防止することができ、内燃機関の運転状態によらず触媒性能を十分に活用することができる。
【0047】
そして、一の上流側排気通路では上流側触媒コンバータがあるために排気抵抗が大きく、他の上流側排気通路では触媒コンバータがないために排気抵抗が小さいのであるが、他の上流側排気通路に排気絞り手段を備えることで排気抵抗を均等にでき、当該機関出力の変動を防止することができる。
【0048】
また、請求項2の多気筒内燃機関の排気浄化装置によれば、排気絞り手段として触媒コンバータの担体部分を採用するので、他の上流側排気通路においても上流側触媒コンバータの配設された一の上流側排気通路の排気抵抗と略同等の排気抵抗を得るようにでき、機関出力の変動を良好に防止することができる。
また、請求項3の多気筒内燃機関の排気浄化装置によれば、燃焼の連続しない複数の気筒からなる気筒群毎に複数の上流側排気通路の設けられた所謂デュアル型エキゾーストマニホールドシステムを採用するようにしたので、排気慣性或いは排気脈動の効果を得るようにできる。これにより、内燃機関において全開性能の向上を図り、高出力を確保しながら、床下触媒コンバータの早期活性化を図るとともに燃費悪化及びHCやNOxの大気中への放出を防止でき、触媒性能を十分に活用することができる。
【0049】
また、請求項4の多気筒内燃機関の排気浄化装置によれば、一の上流側排気通路と他の上流側排気通路との間で排気抵抗や排気脈動による機関トルク差がある場合であっても、点火時期や燃料噴射時期等の運転パラメータを気筒群毎に最適に変更することで当該機関トルク差を良好に防止でき、また、例えば、一の上流側排気通路内の排気空燃比が他の上流側排気通路内の排気空燃比よりもリーン空燃比となるように燃焼空燃比を設定することで、上流側触媒コンバータにおいてHC、CO等をより効率的に浄化することが可能となり、低負荷運転時にあっては上流側触媒コンバータにおける酸化反応熱によって床下触媒コンバータをさらに良好に活性化でき、中高負荷運転時にあってはHC、CO等をさらに減少させて床下触媒コンバータの過昇温を確実に抑制でき、また、例えば、低負荷運転時において、他の上流側排気通路側の気筒群毎について点火時期を遅角させたり、筒内噴射型内燃機関である場合に膨張行程以降に副噴射を実施(二段燃焼)したりすることで、排気昇温を促進させ、床下触媒コンバータをより一層良好に活性化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る多気筒内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図2】本発明に係るデュアル型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】本発明の変形例に係るデュアル型エキゾーストマニホールドシステムを示す図である。
【図4】本発明の他の変形例に係るデュアル型エキゾーストマニホールドシステムを示す図である。
【符号の説明】
1 エンジン
6 燃料噴射弁
20 排気マニホールド
22a、22b 集合管(上流側排気通路)
24 三元触媒(上流側触媒コンバータ、MCC)
26 触媒担体(排気絞り手段)
28 排気管(下流側排気通路)
30 床下触媒コンバータ(下流側触媒コンバータ、UCC)
32 三元触媒
34 吸蔵型NOx触媒
60 電子コントロールユニット(ECU)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification apparatus for a multi-cylinder internal combustion engine, and more specifically, an exhaust gas purification apparatus having a front-stage catalytic converter (FCC or MCC) on the upstream side of an exhaust passage and an underfloor catalytic converter (UCC) on the downstream side. About.
[0002]
[Related background]
In general, in an exhaust system of an automobile internal combustion engine (engine), for example, an underfloor catalytic converter (underfloor catalyzer converter, hereinafter abbreviated as UCC) is interposed under the floor of a vehicle. In this underfloor catalytic converter, HC (hydrocarbon), CO (carbon monoxide), and NOx (nitrogen oxide) in the exhaust gas are mainly purified and reduced by a three-way catalyst built in the catalytic converter. Further, in recent years, a vehicle including a three-way catalyst in an underfloor catalytic converter and a storage type NOx catalyst (NOx trap catalyst) that stores NOx in an oxidizing atmosphere and releases and reduces the stored NOx in a reducing atmosphere has been put into practical use. ing.
[0003]
Furthermore, recently, in addition to the underfloor catalytic converter, a separate pre-stage catalytic converter (manifold catalyzer converter or front catalyzer converter, in the exhaust manifold that is susceptible to high-temperature combustion gas from the engine or immediately after the exhaust manifold in order to activate the catalyst early. In the following, exhaust gas purifiers that are capable of exhibiting high exhaust gas purifying performance even immediately after the cold start of the engine have been developed and put into practical use.
[0004]
In addition, as an exhaust system, a dual type in which exhaust passages are combined into, for example, two (dual) between cylinders whose ignition order is not continuous, and exhaust performance or exhaust pulsation is used to improve full-open performance and obtain high output. Exhaust manifold systems are widely adopted, and in the dual type exhaust manifold system, a pre-stage catalytic converter is disposed in each collected exhaust passage.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when only the underfloor catalytic converter is installed, the temperature of the exhaust gas flowing into the underfloor catalytic converter because it is cooled by the exhaust pipe, especially in the case of a light vehicle with a small displacement or low load operation, especially at the cold start. Has a problem that the underfloor catalytic converter cannot be sufficiently activated due to excessively low temperature. On the other hand, in heavy vehicles with a large displacement or during medium and high load operation, the exhaust passage flows into the underfloor catalytic converter because the temperature of the exhaust gas flowing into the underfloor catalytic converter is high. The reaction of unburned components such as HC and CO in the exhaust gas is promoted in the exhaust gas, and the exhaust gas temperature rises further. The underfloor catalytic converter overheats and the high performance range of the storage type NOx catalyst (for example, 350 to 450 ° C.) ) Is exceeded. Even if the storage type NOx catalyst is in the high performance range, the higher the exhaust gas temperature, the higher the NOx release rate in the reducing atmosphere. Therefore, a part of HC and NOx is not oxidized or reduced in the atmosphere. There is also the problem of being released.
[0006]
When the upstream catalytic converter is arranged upstream of the underfloor catalytic converter, most of the heat of the exhaust gas is used to raise the temperature of the upstream catalytic converter. There is a problem that it is difficult to activate the converter, and even if a reducing atmosphere is used, the reducing agent (HC, etc.) such as HC is consumed by the high-temperature pre-stage catalytic converter, so that the released NOx cannot be reduced sufficiently. However, if the reducing atmosphere is strengthened, there is a problem that fuel consumption increases and fuel consumption deteriorates, or reducing agent (HC or the like) becomes excessive and is released into the atmosphere.
[0007]
The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide an exhaust emission control device for a multi-cylinder internal combustion engine that can fully utilize the catalyst performance while improving the output of the internal combustion engine. Is to provide.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a plurality of upstream exhaust passages provided for each of a plurality of cylinder groups of a multi-cylinder internal combustion engine and the plurality of upstream exhaust passages are collectively extended. A downstream exhaust passage and an upstream exhaust passage of only one of the plurality of upstream exhaust passages, an upstream catalytic converter having a three-way catalytic function, and a downstream exhaust passage; A downstream catalytic converter having a catalytic function; An exhaust throttle means provided in an upstream exhaust passage other than the one upstream exhaust passage among the plurality of upstream exhaust passages; It is characterized by having.
[0009]
That is, one upstream exhaust passage of the plurality of upstream exhaust passages is provided with an upstream catalytic converter having a three-way catalytic function, while the other upstream exhaust passage is not provided with a catalytic converter. As for the exhaust gas flowing through one upstream exhaust passage, HC, CO, etc. flowing into the downstream catalytic converter are reduced as a whole because HC, CO, etc. are purified by the upstream catalytic converter, while other The exhaust gas flowing through the upstream exhaust passage flows into the downstream catalytic converter while containing HC, CO, etc. and without taking heat away from the catalytic converter.
[0010]
As a result, even under low load operation, the underfloor catalytic converter is favorably activated by the heat of the exhaust gas from the other upstream exhaust passages, and HC, CO, etc. are reduced as a whole during medium and high load operation. Therefore, the acceleration of the reaction of HC, CO, etc. in the exhaust passage is mitigated and the temperature rise of the underfloor catalytic converter is suppressed, and for example, the storage NOx catalyst is prevented from exceeding the high performance range. For example, when NOx is released from the storage-type NOx catalyst, HC, CO, etc. in the exhaust gas from other upstream exhaust passages can be used without increasing the reducing agent (HC, etc.) and strengthening the reducing atmosphere. A good reducing atmosphere is formed and NOx is reduced and removed, thereby preventing deterioration of fuel consumption and release of HC and NOx into the atmosphere. That is, the catalyst performance is fully utilized regardless of the operating state of the internal combustion engine.
[0011]
In particular The exhaust throttle means is provided in an upstream exhaust passage other than the one upstream exhaust passage among the plurality of upstream exhaust passages. And In one upstream exhaust passage, there is an upstream catalytic converter, so the exhaust resistance is large, and in the other upstream exhaust passage, there is no catalytic converter, so the exhaust resistance is small, and the engine output of the internal combustion engine fluctuates due to variations. However, by providing the exhaust throttle means in the other upstream exhaust passage, the exhaust resistance becomes uniform and fluctuations in the engine output are prevented.
[0012]
Therefore, by adopting the carrier portion of the catalytic converter as the exhaust throttle means, the exhaust resistance substantially equal to the exhaust resistance of one upstream exhaust passage in which the upstream catalytic converter is disposed also in other upstream exhaust passages. As a result, fluctuations in the engine output are satisfactorily prevented.
[0013]
In other words, by adopting a so-called dual type exhaust manifold system in which a plurality of upstream exhaust passages are provided for each cylinder group consisting of a plurality of cylinders that do not continue combustion, the effect of exhaust inertia or exhaust pulsation can be obtained.
[0014]
As a result, the fully open performance of the internal combustion engine is improved, the underfloor catalytic converter is activated early while ensuring high output, the deterioration of fuel consumption and the release of HC and NOx into the atmosphere are prevented, and the catalyst performance is improved. Fully utilized.
[0015]
Therefore, even if there is a difference in engine torque due to exhaust resistance or exhaust pulsation between one upstream exhaust passage and the other upstream exhaust passage, operating parameters such as ignition timing and fuel injection timing are set for each cylinder group. The engine torque difference can be satisfactorily prevented by optimally changing the engine torque.
In addition, in the upstream catalytic converter, for example, by setting the combustion air-fuel ratio so that the exhaust air-fuel ratio in one upstream exhaust passage becomes a leaner air-fuel ratio than the exhaust air-fuel ratio in the other upstream exhaust passage. HC, CO, etc. can be purified more efficiently. During low-load operation, the underfloor catalytic converter is further activated by the oxidation reaction heat in the upstream catalytic converter, and during medium-high load operation. HC, CO, etc. are further reduced, and excessive temperature rise of the underfloor catalytic converter is reliably suppressed.
[0016]
Further, for example, during low load operation, the ignition timing is retarded for each cylinder group on the other upstream exhaust passage side, or sub-injection is performed after the expansion stroke in the case of a cylinder injection internal combustion engine (two (Stage combustion) or the like, the temperature rise of the exhaust gas is promoted, and the underfloor catalytic converter is activated even better.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
Referring to FIG. 1, there is shown a schematic configuration diagram of an exhaust emission control device for a multi-cylinder internal combustion engine according to the present invention, and the configuration of the exhaust emission control device will be described below.
As shown in the figure, an engine main body (hereinafter simply referred to as an engine) 1 that is a multi-cylinder internal combustion engine, for example, in a compression stroke together with fuel injection in an intake stroke (intake stroke injection) by switching a fuel injection mode. An in-cylinder injection type spark ignition type 4-cycle 4-cylinder gasoline engine capable of performing the fuel injection (compression stroke injection) is employed. The in-cylinder
[0018]
As shown in the figure, the
An
[0019]
An intake port is formed in the
Further, an exhaust port is formed in the
[0020]
In the
[0021]
An
[0022]
A three-way catalyst (upstream catalytic converter, hereinafter referred to as MCC) 24 is interposed in the collecting
In addition, a linear air-fuel ratio sensor (λ sensor, hereinafter abbreviated as LAFS) 29 is provided as an exhaust sensor at a transition portion from the collecting
[0023]
Further, an underfloor catalytic converter (downstream catalytic converter, hereinafter referred to as UCC) 30 is interposed in the
[0024]
Further, an
The electronic control unit (ECU) 60 includes an input / output device, a storage device (ROM, RAM, non-volatile RAM, etc.), a central processing unit (CPU), a timer counter, and the like. Overall control of the exhaust emission control device is performed.
[0025]
Various sensors such as the
On the other hand, various output devices such as the fuel injection valve 6, the
[0026]
In the
Hereinafter, the operation of the exhaust gas purification apparatus for a multi-cylinder internal combustion engine according to the present invention configured as described above will be described by dividing the operating state.
[0027]
“At cold start (low load operation)”
Since the
On the other hand, in the collecting
[0028]
In other words, if the MCC is provided in the collecting
[0029]
By the way, if the
[0030]
Therefore, here, in accordance with a command from the
Here, the combustion air-fuel ratio (operation parameter) of the # 1, # 4 cylinder group is set to a lean air-fuel ratio side with respect to the combustion air-fuel ratio of the # 2, # 3 cylinder group (operation parameter changing means). ). In this way, the exhaust air-fuel ratio in the collecting
[0031]
In this case, for the # 2 and # 3 cylinder groups, the combustion air-fuel ratio is made rich, the ignition timing is retarded, or the sub-injection of fuel is performed after the expansion stroke (two-stage combustion). In this way, the reaction in the collecting
[0032]
Note that the ignition timing, fuel injection timing, sub-injection timing, combustion air-fuel ratio, etc. (operating parameters) may be instantaneous values or average values.
“During normal operation (medium / high load operation)”
When the
[0033]
Thus, when the amount of HC, CO, etc. reaching the
[0034]
Also in this case, the ignition timing and fuel injection timing (operation parameters) of the
Further, the combustion air-fuel ratio of the # 1, # 4 cylinder group is set to the lean air-fuel ratio side with respect to the combustion air-fuel ratio of the # 2, # 3 cylinder group. In this way, in the presence of sufficient oxygen, HC, CO, etc. are sufficiently purified in the
[0035]
"NOx purge operation"
The NOx stored in the storage
[0036]
That is, if MCC is provided in both the collecting
[0037]
Further, as described above, the
[0038]
As described above, according to the exhaust gas purification apparatus according to the present invention, the
[0039]
Since the upstream end of the
By the way, referring to FIG. 3, a modification of the above embodiment is shown. As shown in FIG. 3, the collecting
[0040]
As described above, when the
[0041]
Further, in order to increase the exhaust resistance on the collecting
[0042]
The description of the embodiment is finished as above, but the present invention is not limited to the above embodiment.
For example, in the above embodiment, the
In the above-described embodiment, the case where the
[0043]
Moreover, although the case where the storage
[0044]
In the above embodiment, the
In the above-described embodiment, a cylinder injection type spark ignition type four-cycle four-cylinder gasoline engine is used as the
[0045]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the exhaust purification device for a multi-cylinder internal combustion engine of
[0046]
As a result, the underfloor catalytic converter can be satisfactorily activated by the heat of exhaust gas from other upstream exhaust passages even during low-load operation, and the HC, CO, etc. can be reduced as a whole during mid-high load operation. The temperature rise of the catalytic converter can be suppressed so that, for example, the storage-type NOx catalyst does not exceed the high-performance range, and further, for example, when NOx is released from the storage-type NOx catalyst, the exhaust gas from other upstream exhaust passages HC, CO, etc. in the interior form a reducing atmosphere and NOx can be reduced and removed to prevent fuel consumption deterioration and release of HC and NOx into the atmosphere. Can be fully utilized.
[0047]
And In one upstream exhaust passage, the exhaust resistance is large because of the upstream catalytic converter, and in the other upstream exhaust passage, the exhaust resistance is small because there is no catalytic converter. By providing the throttle means, exhaust resistance can be made uniform, and fluctuations in the engine output can be prevented.
[0048]
[0049]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an exhaust emission control device for a multi-cylinder internal combustion engine according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a dual type exhaust manifold system according to the present invention.
FIG. 3 is a view showing a dual type exhaust manifold system according to a modification of the present invention.
FIG. 4 is a view showing a dual type exhaust manifold system according to another modification of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 engine
6 Fuel injection valve
20 Exhaust manifold
22a, 22b Collecting pipe (upstream exhaust passage)
24 Three-way catalyst (upstream catalytic converter, MCC)
26 Catalyst carrier (exhaust throttle means)
28 Exhaust pipe (downstream exhaust passage)
30 Underfloor catalytic converter (downstream catalytic converter, UCC)
32 Three-way catalyst
34 NOx storage type catalyst
60 Electronic control unit (ECU)
Claims (4)
前記複数の上流側排気通路を集合して延びる下流側排気通路と、
前記複数の上流側排気通路のうちの一の上流側排気通路にのみ配設され、三元触媒機能を有する上流側触媒コンバータと、
前記下流側排気通路に配設され、触媒機能を有する下流側触媒コンバータと、
前記複数の上流側排気通路のうち前記一の上流側排気通路以外の他の上流側排気通路に設けられた排気絞り手段と、
を備えることを特徴とする多気筒内燃機関の排気浄化装置。A plurality of upstream exhaust passages provided for a plurality of cylinder groups of the multi-cylinder internal combustion engine;
A downstream exhaust passage extending from the plurality of upstream exhaust passages;
An upstream catalytic converter disposed only in one upstream exhaust passage of the plurality of upstream exhaust passages and having a three-way catalytic function;
A downstream catalytic converter disposed in the downstream exhaust passage and having a catalytic function;
Exhaust throttle means provided in an upstream exhaust passage other than the one upstream exhaust passage among the plurality of upstream exhaust passages;
An exhaust emission control device for a multi-cylinder internal combustion engine.
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