JP4196334B2 - Multi-fuel engine and exhaust gas purification method for multi-fuel engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体燃料と液体燃料とのうちの少なくとも何れかを燃焼室内で燃焼させて動力を発生する多種燃料エンジンおよび多種燃料エンジンの排ガス浄化方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、例えば圧縮天然ガス(CNG)等の気体燃料やガソリン等の液体燃料等を含む複数種の燃料を切り替えて使用することができる多種燃料エンジンが知られている(例えば、特許文献1参照。)。この種の多種燃料エンジンでは、通常、ガソリンの供給が停止され、CNGのみが燃料として使用されることが多い。そして、CNGの残量が所定値を下回ると、CNGの供給が停止され、ガソリンが使用されるようになる。
【0003】
【特許文献1】
特開平11−294212号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年では、エンジンの低燃費化および高出力化という観点から、いわゆる希薄燃焼運転可能なエンジンの普及が進められており、複数種の燃料を使用する多種燃料エンジンについても、同様に、希薄燃焼運転を実行可能であることが求められるようになってきている。ここで、多種燃料エンジンにて希薄燃焼運転を実行した場合、排気ガス中のNOxを三元触媒により十分に除去することは困難である。このため、希薄燃焼運転可能な多種燃料エンジンにおいても、NOx吸蔵還元触媒に排気ガス中のNOxを吸蔵させると共に、所定のタイミングで触媒に吸蔵されたNOxを還元する必要が生じる。
【0005】
しかしながら、希薄燃焼運転される多種燃料エンジンにおいて、CNG等の気体燃料を用いてNOx還元処理を実行すると、いわゆるリッチ失火の発生により、十分なNOx還元性能を得られないことがある。また、ガソリン等の液体燃料には硫黄成分が多く含まれているので、希薄燃焼運転される多種燃料エンジンにおいて液体燃料を用いてNOx還元処理を実行すると、NOx吸蔵還元触媒を劣化させてしまうことがある。
【0006】
そこで、本発明は、NOx吸蔵還元触媒の劣化を抑制しつつ、NOx還元処理を確実に実行し得る多種燃料エンジンおよび多種燃料エンジンの排ガス浄化方法の提供を目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明による多種燃料エンジンは、気体燃料と液体燃料とのうちの少なくとも何れかを燃焼室内で燃焼させて動力を発生する多種燃料エンジンにおいて、燃焼室内に気体燃料を直接噴射可能な気体燃料用インジェクタと、燃焼室内に液体燃料を導入可能な液体燃料用インジェクタと、燃焼室からの排気ガスが導入される排気路と、排気路に設けられたNOx吸蔵還元触媒とを備え、NOx吸蔵還元触媒に対するNOx還元処理を実行するために、排気行程中にNOx還元処理に必要な量の気体燃料が気体燃料用インジェクタにより燃焼室内に噴射されることを特徴とする。
【0008】
この多種燃料エンジンは、希薄燃焼運転の実行により発生するNOxを除去するためにNOx吸蔵還元触媒を排気路に有している。そして、当該NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOxを還元処理する際、この多種燃料エンジンでは、排気行程中にNOx還元処理に必要な量の気体燃料が気体燃料用インジェクタにより燃焼室内に噴射される。すなわち、本発明では、排気行程中に燃料室内に噴射される気体燃料を燃焼室内で燃焼させることが意図されておらず、当該気体燃料は、燃焼室から排気路を介してNOx吸蔵還元触媒に還元剤として供給される。
【0009】
これにより、この多種燃料エンジンでは、いわゆるリッチ失火の問題無しで、NOx還元処理に必要な量の気体燃料をNOx吸蔵還元触媒へと確実に供給することが可能となる。この結果、リッチ失火によるエンジン構成部材や触媒の熱損傷を防止しつつ、NOx還元処理を確実に実行することが可能となる。更に、この多種燃料エンジンでは、ガソリン等の液体燃料と比較して硫黄成分の含有率が少ない気体燃料を用いてNOx還元処理が実行されるので、NOx吸蔵還元触媒の硫黄被毒を大幅に抑制することが可能となる。
【0010】
また、NOx還元処理が必要とされ、かつ、気体燃料の残量が所定値以下である場合に、液体燃料を用いたリッチスパイク運転が実行されると好ましい。
【0011】
これにより、NOx還元処理に必要な量の気体燃料を確保し得ない場合であっても、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOxを確実に還元処理することが可能となる。
【0012】
本発明による多種燃料エンジンの排ガス浄化方法は、気体燃料と液体燃料とのうちの少なくとも何れかを燃焼室内で燃焼させて動力を発生する多種燃料エンジンの排ガス浄化方法において、燃焼室からの排気ガスが導入される排気路にNOx吸蔵還元触媒を設け、NOx吸蔵還元触媒に対するNOx還元処理を実行するために、排気行程中にNOx還元処理に必要な量の気体燃料を燃焼室内に直接噴射するものである。
【0013】
本発明による他の多種燃料エンジンは、気体燃料と液体燃料とのうちの少なくとも何れかを燃焼室内で燃焼させて動力を発生する多種燃料エンジンにおいて、燃焼室からの排気ガスが導入される排気路と、排気路に設けられたNOx吸蔵還元触媒とを備え、NOx吸蔵還元触媒に対するNOx還元処理を実行するために、排気路のNOx吸蔵還元触媒よりも燃焼室側の領域に気体燃料を導入可能なことを特徴とする。
【0014】
この多種燃料エンジンも、希薄燃焼運転の実行により発生するNOxを除去するためにNOx吸蔵還元触媒を排気路に有している。そして、当該NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOxを還元処理する際、この多種燃料エンジンでは、排気路のNOx吸蔵還元触媒よりも燃焼室側の領域に気体燃料が導入される。このように、排気路を介してNOx吸蔵還元触媒に対して還元剤としての気体燃料を直接供給しても、いわゆるリッチ失火の問題無しで、NOx還元処理に必要な量の気体燃料をNOx吸蔵還元触媒へと確実に供給することが可能となる。
【0015】
従って、この多種燃料エンジンによっても、リッチ失火によるエンジン構成部材や触媒の熱損傷を防止しつつ、NOx還元処理を確実に実行することが可能となる。また、この多種燃料エンジンにおいても、ガソリン等の液体燃料と比較して硫黄成分の含有率が少ない気体燃料を用いてNOx還元処理が実行されるので、NOx吸蔵還元触媒の硫黄被毒を大幅に抑制することが可能となる。
【0016】
更に、NOx還元処理が必要とされ、かつ、気体燃料の残量が所定値以下である場合に、液体燃料を用いたリッチスパイク運転が実行されると好ましい。
【0017】
また、燃焼室内に気体燃料を直接噴射可能な気体燃料用インジェクタと、気体燃料を貯留する気体燃料容器と、この気体燃料容器に接続されており、気体燃料を排気路に導入するための添加弁とを更に備え、NOx還元処理が必要とされ、かつ、添加弁における気体燃料の圧力が排気路における排気圧よりも低い場合に、排気行程中にNOx還元処理に必要な量の気体燃料が気体燃料用インジェクタにより燃焼室内に直接噴射されるか、または、液体燃料を用いたリッチスパイク運転が実行されると好ましい。
【0018】
このような構成を採用すれば、シンプルな構成により排気路に気体燃料を確実に導入可能となる。そして、かかる構成のもとでは、添加弁における気体燃料の圧力が排気路における排気圧よりも低い場合であっても、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOxを確実に還元処理することが可能となる。
【0019】
更に、排気路に導入される気体燃料は、CNGまたは気相状態のLPG燃料であると好ましい。
【0020】
本発明による他の多種燃料エンジンの排ガス浄化方法は、気体燃料と液体燃料とのうちの少なくとも何れかを燃焼室内で燃焼させて動力を発生する多種燃料エンジンの排ガス浄化方法において、燃焼室からの排気ガスが導入される排気路にNOx吸蔵還元触媒を設け、NOx吸蔵還元触媒に対するNOx還元処理を実行するために、排気路のNOx吸蔵還元触媒よりも燃焼室側の領域に気体燃料を導入するものである。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による多種燃料エンジンおよび多種燃料エンジンの排ガス浄化方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【0022】
〔第1実施形態〕
図1は、本発明による多種燃料エンジンの第1実施形態を示す概略構成図である。同図に示される多種燃料エンジン1は、圧縮天然ガス(CNG)、LPGといった気体燃料や、ガソリン等の液体燃料等を含む複数種の燃料を切り替えて使用可能な、いわゆるバイフューエルエンジンである。多種燃料エンジン1では、シリンダブロック2およびシリンダヘッド3により画成された複数の燃焼室4のそれぞれにCNG(気体燃料)あるいはガソリン(液体燃料)が直接噴射され、各燃焼室4内で混合気が燃焼してピストン5を往復移動させる結果、動力が得られる。
【0023】
このように、各燃焼室4の内部にCNGを直接噴射するために、本実施形態の多種燃料エンジン1は、シリンダヘッド3に配設された複数のガスインジェクタ(気体燃料用インジェクタ)6と、CNGを貯留するガスボンベ(気体燃料容器)7とを有する。ガスインジェクタ6は、その燃料噴出口が筒内に臨むように各燃焼室4ごとに配置されている。図1に示されるように、ガスボンベ7には、ガス供給管(気体燃料供給路)8を介してガスデリバリ管9が接続されており、このガスデリバリ管9には、各ガスインジェクタ6の燃料入口が接続されている。
【0024】
また、ガスボンベ7の燃料出口には、ガスボンベ7の内部圧力(CNG残圧)を検出する圧力センサ(CNG残圧センサ)Ptが配置されている。同様に、ガスデリバリ管9には、その内部のCNGの圧力を検出する圧力センサPdと、その内部のCNGの温度を検出する温度センサTdとが備えられている。更に、ガス供給管8には、図示されない燃料遮断弁と共に、レギュレータ10が備えられている。本実施形態において、CNGは、ガスボンベ7の内部に例えば20MPaの充填圧力で充填されており、ガスボンベ7からのCNGは、レギュレータ10により一定の調整圧(本実施形態では、例えば5MPa)にまで減圧された後、各ガスインジェクタ6に導入される。そして、多種燃料エンジン1では、CNGが、通常、この調整圧(噴射圧)で各ガスインジェクタ6から対応する燃焼室4内に直接噴射されることになる。
【0025】
上述のガスインジェクタ6に加えて、多種燃料エンジン1は、各燃焼室4の内部にガソリンを直接噴射するために、シリンダヘッド3に配設された複数のガソリンインジェクタ(液体燃料用インジェクタ)11と、ガソリンを貯留するガソリンタンク(液体燃料容器)12とを有する。ガソリンインジェクタ11も、その燃料噴出口が筒内に臨むように各燃焼室4ごとに配置されている。図1に示されるように、ガソリンタンク12には、ガソリン供給管13を介してガソリンデリバリ管14が接続されており、このガソリンデリバリ管14には、各ガソリンインジェクタ11の燃料入口が接続されている。
【0026】
また、ガソリン供給管13には、図示されない燃料ポンプが備えられており、ガソリンタンク12には、その内部に残存しているガソリンの量を検出するガソリン残量センサ15が備えられている。なお、本実施形態において、各ガソリンインジェクタ11は、対応する燃焼室4の内部にガソリンを直接噴射するものとして説明されたが、これに限られるものではない。すなわち、各ガソリンインジェクタ11は、吸気管(吸気ポート)内にガソリン(液体燃料)を噴射するように配置されるものであってもよい。
【0027】
そして、各燃焼室4に連なる吸気ポート16は、吸気マニホールド20を介してサージタンク21に接続され、サージタンク21は吸気ダクト22を介してエアクリーナ23に接続されている。サージタンク21には、その内部の圧力を検出する圧力センサPsが備えられており、吸気ダクト22内にはステッピングモータ24により駆動されるスロットルバルブ25が設置されている。一方、各燃焼室4に連なる排気ポート17は、排気マニホールド(排気路)26に接続されている。
【0028】
ところで、多種燃料エンジン1のピストン5は、図1に示されるように、いわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面には、凹部5aが形成されている。本実施形態の多種燃料エンジン1では、各燃焼室4内に空気を大量に吸入させた状態で、ガスインジェクタ6またはガソリンインジェクタ11から各ピストン5の凹部5aに向けてCNGまたはガソリンが直接噴射される。これにより、点火プラグ19の近傍に燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成(成層化)される。この結果、多種燃料エンジン1では、極めて希薄な混合気を用いて安定した燃焼を実行することが可能となり、低燃費化および低公害化を達成することができる。
【0029】
これに対して、上述のようにして成層希薄燃焼運転が実行された場合、多種燃料エンジン1の排気ガス中のNOx成分が増加する。このため、各燃焼室4に連なる排気マニホールド26に接続された排気管(排気路)27には、三元触媒を含む前段触媒装置28に加えて、NOx吸蔵還元触媒を含む後段触媒装置29が組み込まれている。
【0030】
更に、多種燃料エンジン1は、制御手段として機能する電子制御ユニット(ECU)30を含む。ECU30は、CPU31、ROM32、RAM33、バックアップRAM34、入力ポート35および出力ポート36等を含むものである。上述の各ガスインジェクタ6および各ガソリンインジェクタ11は、図示されない駆動回路を介してECU30の出力ポート36に接続されており、ECU30により制御される。同様に、ECU30の出力ポート36には、点火プラグ19、スロットルバルブ25のステッピングモータ24、吸気弁18iおよび排気弁18eのための動弁機構等が適宜駆動回路等(図示省略)を介して接続されている。
【0031】
また、ECU30の入力ポート35には、ガスボンベ7の内部圧力を検出するCNG残圧センサPt、ガスデリバリ管9の圧力センサPdおよび温度センサTdが図示されないA/D変換器を介して接続されている。同様に、ガソリンタンク12のガソリン残量センサ15や、サージタンク21の圧力センサPs等も図示されないA/D変換器を介してECU30の入力ポート35に接続されている。更に、ECU30の入力ポート35には、アクセルペダルの操作量(踏込量)を検出するアクセル位置センサ40や、エンジン回転数を検出する回転数センサ41等が接続されている。
【0032】
そして、ECU30は、予め作成されている各種マップ等を用いると共に、各種センサの検出値等に基づいて、多種燃料エンジン1が所望の出力を発生するように、各ガスインジェクタ6または各ガソリンインジェクタ11からの燃料噴射量および噴射時期、スロットルバルブ25の開度、更には、各吸気弁18iおよび各排気弁18eの開閉動作等を制御する。ここで、ECU30による制御のもと、多種燃料エンジン1の成層希薄燃焼運転が実行された場合、各燃焼室4から各排気弁18eを介して排出される排気ガス中のNOxが後段触媒装置29のNOx吸蔵還元触媒によって吸蔵されるが、後段触媒装置29におけるNOxの吸蔵量には一定の限界がある。このため、ECU30は、図2に示される手順に従って、後段触媒装置29(NOx吸蔵還元触媒)に対するNOx還元処理を実行する。
【0033】
次に、図2を参照しながら、上述のように構成される多種燃料エンジン1の後段触媒装置29に対するNOx還元処理の手順について説明する。
【0034】
図2のNOx還元処理ルーチンは、ECU30によって所定時間おきに実行され、ECU30は、NOx還元処理ルーチンの実行タイミングになると、所定の運転状態検出信号等に基づいて、その時点で多種燃料エンジン1にて(成層)希薄燃料運転が実行されているか否かを判定する(S10)。図2に示されるように、S10にて希薄燃焼運転が実行されていないと判断された場合(例えば、多種燃料エンジン1にて均質燃焼運転が実行されている場合)、この段階では、後段触媒装置29に対するNOx還元処理は実行されない。
【0035】
S10にて希薄燃焼運転が実行されていると判断した場合、ECU30は、後段触媒装置29に対するNOx還元処理が必要であるか否かを判定する(S12)。本実施形態において、ECU30は、多種燃料エンジン1の稼動中に各燃料の噴射量やエンジン1の運転時間を積算しており、これらの値に基づいて所定のマップ等からNOx吸蔵還元触媒に吸蔵されているNOxの量を求める。そして、ECU30は、求めたNOxの吸蔵量が所定の閾値を上回っているか否かを判定する。図2に示されるように、S12にてNOx還元処理が必要ではないと判断された場合も、後段触媒装置29に対するNOx還元処理は実行されない。
【0036】
S12にて後段触媒装置29に対するNOx還元処理が必要であると判断した場合、ECU30は、更に、燃料としてCNGが使用されているか否かを判定する(S14)。そして、ECU30は、S14にて燃料としてCNGが使用されていると判断した場合、所定のマップ等を用いて、CNGを用いた排気行程中のリッチスパイク運転を実行する(S16)。すなわち、ECU30は、S16にて、排気行程中の比較的短時間のうちに、NOx還元処理に必要な量のCNGが各燃焼室4内に直接噴射されるように各ガスインジェクタ6を制御する(S16)。
【0037】
ここで、S16においてNOx還元処理のために排気行程中に各燃料室4の内部に噴射されるCNGは、あくまで、各燃焼室4から排気マニホールド26等の排気路を介して後段触媒装置29(NOx吸蔵還元触媒)に還元剤として供給されるものである。すなわち、S16にて各燃焼室4に噴射されるCNGは、基本的に各燃焼室4内で燃焼せず、動力の発生に寄与しないものである。
【0038】
従って、多種燃料エンジン1では、いわゆるリッチ失火の問題無しで、NOx還元処理に必要な量のCNGを後段触媒装置29(NOx吸蔵還元触媒)へと確実に供給することが可能となる。この結果、リッチ失火によるエンジン構成部材、三元触媒およびNOx吸蔵還元触媒等の熱損傷を防止しつつ、後段触媒装置29に対するNOx還元処理を確実に実行することが可能となる。また、多種燃料エンジン1では、ガソリンと比較して硫黄成分の含有率が少ないCNG用いてNOx還元処理が実行されるので、NOx吸蔵還元触媒の硫黄被毒を大幅に抑制することが可能となる。
【0039】
一方、ECU30は、S14にて燃料としてCNGが使用されておらず、ガソリンが使用されていると判断した場合、更に、CNG残圧センサPtからの信号に基づいてガスボンベ7内のCNGの残量を求める。そして、ECU30は、CNGの残量が所定値以下であるか、すなわち、CNGの残量が不足しているか否かを判定する(S18)。
【0040】
ECU30は、S18にてCNGの残量が所定値を上回っていると判断した場合、上述のS16における処理を実行する。また、ECU30は、S18にてCNGの残量が所定値以下であると判断した場合、各燃焼室4の内部に所定のタイミングでガソリンが一時的かつ過剰に供給されるように各ガソリンインジェクタ11を制御する(S20)。
【0041】
このように、多種燃料エンジン1では、後段触媒装置29に対するNOx還元処理が必要とされ、かつ、CNGの残量が所定値以下である場合に、ガソリンを用いたリッチスパイク運転が実行される(S20)。これにより、多種燃料エンジン1では、NOx還元処理に必要な量のCNGを確保し得ない場合であっても、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOxを確実に還元処理することが可能となる。
【0042】
S16またはS20の処理が完了すれば、後段触媒装置29のNOx吸蔵還元触媒に吸蔵されているNOxが還元処理されることになる。そして、次の実行タイミングになると、ECU30によって、上述のNOx還元ルーチンが再度実行されることになる。
【0043】
〔第2実施形態〕
以下、図3および図4を参照しながら、本発明による多種燃料エンジンの第2実施形態について説明する。なお、上述の第1実施形態に関連して説明されたものと同一の要素には同一の参照符号が付され、重複する説明は省略される。
【0044】
図3に示される多種燃料エンジン1Aは、後段触媒装置29のNOx吸蔵還元触媒に対するNOx還元処理を実行するための還元剤添加系統50を備えている。この還元剤添加系統50は、排気管27の前段触媒装置28と後段触媒装置29(NOx吸蔵還元触媒)との間の領域にCNGを確実に導入可能なものであり、シンプルかつ低コストで構成し得るものである。
【0045】
図3に示されるように、還元剤添加系統50には、分岐管51、サージタンク52およびCNG添加弁53が含まれる。分岐管51は、ガスボンベ(気体燃料容器)7からのCNGを所定の調整圧に設定するレギュレータ10とガスデリバリ管9との間においてガス供給管8から分岐され、サージタンク52に接続されている。そして、CNG添加弁53は、その燃料噴出口が前段触媒装置28と後段触媒装置29との間で排気管27の内部に臨むように配置され、その燃料入口はサージタンク52に接続されている。これにより、分岐管51およびサージタンク52を介して、レギュレータ10により調圧されたCNGを添加弁53に供給可能となる。CNG添加弁53は、ECU30によって制御され、CNG添加弁53を開弁させれば、CNGを排気管27の内部に導入可能となる。
【0046】
また、還元剤添加系統50を構成するサージタンク52には、その内部圧力(CNG添加弁53におけるCNGの圧力)を検出する圧力センサPmが設けられている。更に、排気管27には、前段触媒装置28から後段触媒装置29へと流れ込む排気ガスの圧力を検出する圧力センサPeが設けられている。これら圧力センサPmおよびPeは、ECU30の入出力ポートに接続されており、それぞれ検出値を示す信号をECU30に与える。そして、ECU30は、所定のマップ等を用いると共に、圧力センサPmおよびPe等からの信号に基づいてCNG添加弁53を制御することにより、後段触媒装置29(NOx吸蔵還元触媒)に対するNOx還元処理を実行する。
【0047】
次に、図4を参照しながら、第2実施形態に係る多種燃料エンジン1Aの後段触媒装置29に対するNOx還元処理の手順について説明する。
【0048】
図4のNOx還元処理ルーチンも、多種燃料エンジン1AのECU30によって所定時間おきに実行され、ECU30は、NOx還元処理ルーチンの実行タイミングになると、所定の運転状態検出信号等に基づいて、その時点で多種燃料エンジン1Aにて(成層)希薄燃料運転が実行されているか否かを判定する(S30)。S30にて希薄燃焼運転が実行されていないと判断された場合(例えば、多種燃料エンジン1Aにて均質燃焼運転が実行されている場合)、この段階では、後段触媒装置29に対するNOx還元処理は実行されない。
【0049】
S30にて希薄燃焼運転が実行されていると判断した場合、ECU30は、後段触媒装置29に対するNOx還元処理が必要であるか否かを判定する(S32)。図4に示されるように、S32にてNOx還元処理が必要ではないと判断された場合も、後段触媒装置29に対するNOx還元処理は実行されない。一方、S32にて後段触媒装置29に対するNOx還元処理が必要であると判断した場合、ECU30は、更に、燃料としてCNGが使用されているか否かを判定する(S34)。
【0050】
S34にて燃料としてCNGが使用されていると判断した場合、ECU30は、更に、還元剤添加系統50のサージタンク52に設けられている圧力センサPmおよび排気管27に設けられている圧力センサPeからの信号に基づいて、サージタンク52の内部圧力(CNG添加圧、すなわち、添加弁53におけるCNGの圧力)と排気管27内の排気圧とを取得し、両者を比較する(S36)。
【0051】
S36にてサージタンク52の内部圧力が排気管27内の排気圧、すなわち、前段触媒装置28から後段触媒装置29(NOx吸蔵還元触媒)に流れこむ排気ガスの圧力を上回っていると判断した場合、ECU30は、例えば所定のマップ等を用いて、サージタンク52の内部圧力と排気管27内の排気圧との偏差と、後段触媒装置29におけるNOx吸蔵量とに応じた時間だけCNG添加弁53を開弁させる(S38)。
【0052】
これにより、サージタンク52の内部圧力(添加弁53におけるCNGの圧力)と排気管27内の排気圧との圧力差によって、添加弁53から排気管27の後段触媒装置29よりも燃焼室4側の領域(後段触媒装置29の近傍)にCNGが導入される。CNG添加弁53から排気管27の内部に導入されたCNGは、排気ガスと速やか、かつ、均一に混ざり合い、後段触媒装置29(NOx吸蔵還元触媒)へと流れ込んでいく。そして、後段触媒装置29では、導入されたCNGを還元剤として、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されているNOxが還元処理されることになる。
【0053】
このように、排気管27を介して後段触媒装置29(NOx吸蔵還元触媒)に対して還元剤としてのCNGを直接供給しても、いわゆるリッチ失火の問題無しで、NOx還元処理に必要な量のCNGを後段触媒装置29へと確実に供給することが可能となる。従って、第2実施形態の多種燃料エンジン1Aによっても、リッチ失火によるエンジン構成部材や触媒の熱損傷を防止しつつ、NOx還元処理を確実に実行することが可能となる。また、多種燃料エンジン1Aにおいても、ガソリン等の液体燃料と比較して硫黄成分の含有率が少ない気体燃料を用いてNOx還元処理が実行されるので、NOx吸蔵還元触媒の硫黄被毒を大幅に抑制することが可能となる。
【0054】
更に、本実施形態では、各燃焼室4から排出されて合流した排気ガスに対して、後段触媒装置29(NOx吸蔵還元触媒)の直前で気相状態のCNG燃料が混入される。従って、多種燃料エンジン1Aでは、濃度や温度のムラが比較的少ない排気ガスに対してCNGを均一に混ぜ合わせることが可能となり、NOx還元処理を良好に実行することができる。
【0055】
一方、ECU30は、S34にて燃料としてCNGが使用されておらず、ガソリンが使用されていると判断した場合、更に、CNG残圧センサPtからの信号に基づいてガスボンベ7内のCNGの残量を求める。そして、ECU30は、CNGの残量が所定値以下であるか、すなわち、CNGの残量が不足しているか否かを判定する(S40)。
【0056】
ECU30は、S40にてCNGの残量が所定値を上回っていると判断した場合、上述のS36における処理を実行する。また、ECU30は、S40にてCNGの残量が所定値以下であると判断した場合、各燃焼室4の内部に所定のタイミングでガソリンが一時的かつ過剰に供給されるように各ガソリンインジェクタ11を制御する(S42)。
【0057】
このように、多種燃料エンジン1Aにおいても、後段触媒装置29に対するNOx還元処理が必要とされ、かつ、CNGの残量が所定値以下である場合に、ガソリンを用いたリッチスパイク運転が実行される(S42)。これにより、多種燃料エンジン1Aでは、NOx還元処理に必要な量のCNGを確保し得ない場合であっても、NOx吸蔵還元触媒に吸蔵されたNOxを確実に還元処理することが可能となる。
【0058】
なお、本実施形態では、燃焼室4の内部にCNGが直接噴射されることから、サージタンク52の内部には、燃焼室4内に噴射可能となるようにレギュレータ10にて調圧された比較的高圧のCNG燃料が貯留されることになる。従って、一般的にはサージタンク52の内部圧力が排気管27内の排気圧よりも低くなることは殆ど無いと考えられる。ただし、S36にて、サージタンク52の内部圧力が排気管27内の排気圧以下であると判断される場合もあり得る。
【0059】
この点に鑑みて、本実施形態の多種燃料エンジン1Aでは、S36にてサージタンク52の内部圧力が排気管27内の排気圧以下であると判断された場合、S42にて、ガソリンを用いたリッチスパイク運転が実行される。また、S36にてサージタンク52の内部圧力が排気管27内の排気圧以下であると判断された場合、S42のガソリンを用いたリッチスパイク運転を実行する代わりに、排気行程中にNOx還元処理に必要な量のCNGを各燃焼室4内に導入してもよい。
【0060】
S36またはS42の処理が完了すれば、後段触媒装置29のNOx吸蔵還元触媒に吸蔵されているNOxが還元処理されることになる。そして、次の実行タイミングになると、ECU30によって、図4のNOx還元ルーチンが再度実行されることになる。
【0061】
上述のように、第2実施形態の多種燃料エンジン1Aは、気体燃料としてCNGを用いるものとして説明されたが、燃焼室4内に噴射された段階で瞬時に気化するLPG燃料が気体燃料として用いられてもよい。そして、この場合は、LPG燃料を貯留する燃料タンクの上部とサージタンク52とを連通させると好ましい。これにより、燃料タンク内の蒸気圧力を利用して、排気管27内に気相状態のLPG燃料を容易かつ確実に導入可能となる。
【0062】
【発明の効果】
以上説明されたように、本発明によれば、NOx吸蔵還元触媒に対するNOx還元処理に伴う熱損傷を防止しつつ、NOx還元処理を確実に実行し得る多種燃料エンジンおよび多種燃料エンジンの排ガス浄化方法の実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による多種燃料エンジンの第1実施形態を示す概略構成図である。
【図2】図1の多種燃料エンジンの動作を説明するためのフローチャートである。
【図3】本発明による多種燃料エンジンの第2実施形態を示す概略構成図である。
【図4】図3の多種燃料エンジンの動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
1,1A 多種燃料エンジン
2 シリンダブロック
3 シリンダヘッド
4 燃焼室
5 ピストン
5a 凹部
6 ガスインジェクタ(気体燃料用インジェクタ)
7 ガスボンベ
8 ガス供給管
9 ガスデリバリ管
10 レギュレータ
11 ガソリンインジェクタ(液体燃料用インジェクタ)
12 ガソリンタンク
13 ガソリン供給管
14 ガソリンデリバリ管
15 ガソリン残量センサ
16 吸気ポート
17 排気ポート
18e 排気弁
18i 吸気弁
19 点火プラグ
20 吸気マニホールド
21 サージタンク
22 吸気ダクト
23 エアクリーナ
24 ステッピングモータ
25 スロットルバルブ
26 排気マニホールド
27 排気管(排気路)
28 前段触媒装置
29 後段触媒装置(NOx吸蔵還元触媒)
30 ECU
40 アクセル位置センサ
41 回転数センサ
50 還元剤添加系統
51 分岐管
52 サージタンク
53 CNG添加弁
Pd,Pe,Pm,Ps,Pt 圧力センサ
Td 温度センサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a multi-fuel engine that generates power by burning at least one of gaseous fuel and liquid fuel in a combustion chamber, and an exhaust gas purification method for the multi-fuel engine.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a multi-fuel engine capable of switching and using a plurality of types of fuel including gas fuel such as compressed natural gas (CNG) and liquid fuel such as gasoline (for example, see Patent Document 1). .) In this type of multi-fuel engine, the supply of gasoline is usually stopped and only CNG is often used as fuel. When the remaining amount of CNG falls below a predetermined value, the supply of CNG is stopped and gasoline is used.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-294212
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in recent years, from the viewpoint of low fuel consumption and high output of an engine, an engine capable of so-called lean combustion operation has been popularized, and a multi-fuel engine using a plurality of types of fuel is similarly lean. It has been demanded that combustion operation can be performed. Here, when the lean combustion operation is executed in the multi-fuel engine, it is difficult to sufficiently remove NOx in the exhaust gas by the three-way catalyst. For this reason, even in a multi-fuel engine capable of lean combustion operation, it is necessary to store NOx in the exhaust gas in the NOx storage reduction catalyst and to reduce NOx stored in the catalyst at a predetermined timing.
[0005]
However, when a NOx reduction process is performed using a gaseous fuel such as CNG in a multi-fuel engine operated in a lean burn mode, sufficient NOx reduction performance may not be obtained due to the occurrence of so-called rich misfire. In addition, since liquid fuel such as gasoline contains a large amount of sulfur components, if a NOx reduction process is performed using liquid fuel in a multifuel engine that is operated with lean combustion, the NOx storage reduction catalyst may be deteriorated. There is.
[0006]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a multi-fuel engine and an exhaust gas purification method for a multi-fuel engine that can reliably perform a NOx reduction process while suppressing deterioration of the NOx storage reduction catalyst.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
A multi-fuel engine according to the present invention is a multi-fuel engine that generates power by burning at least one of gaseous fuel and liquid fuel in a combustion chamber, and is an injector for gaseous fuel capable of directly injecting gaseous fuel into the combustion chamber A liquid fuel injector capable of introducing liquid fuel into the combustion chamber, an exhaust passage through which exhaust gas from the combustion chamber is introduced, and a NOx storage reduction catalyst provided in the exhaust passage, In order to perform the NOx reduction process, an amount of gaseous fuel necessary for the NOx reduction process is injected into the combustion chamber by the gaseous fuel injector during the exhaust stroke.
[0008]
This multi-fuel engine has a NOx occlusion reduction catalyst in the exhaust passage in order to remove NOx generated by the execution of the lean combustion operation. When the NOx occluded in the NOx occlusion reduction catalyst is reduced, in this multi-fuel engine, an amount of gaseous fuel necessary for the NOx reduction treatment is injected into the combustion chamber by the gaseous fuel injector during the exhaust stroke. . That is, in the present invention, it is not intended that the gaseous fuel injected into the fuel chamber during the exhaust stroke is combusted in the combustion chamber, and the gaseous fuel is transferred from the combustion chamber to the NOx storage reduction catalyst via the exhaust passage. Supplied as a reducing agent.
[0009]
As a result, in this multi-fuel engine, it is possible to reliably supply the amount of gaseous fuel necessary for the NOx reduction treatment to the NOx storage reduction catalyst without the problem of so-called rich misfire. As a result, it is possible to reliably perform the NOx reduction process while preventing thermal damage to the engine components and the catalyst due to rich misfire. Furthermore, in this multi-fuel engine, NOx reduction treatment is performed using gaseous fuel having a lower sulfur content compared to liquid fuel such as gasoline, so that the sulfur poisoning of the NOx storage reduction catalyst is greatly suppressed. It becomes possible to do.
[0010]
Further, it is preferable that the rich spike operation using the liquid fuel is performed when the NOx reduction process is required and the remaining amount of the gaseous fuel is equal to or less than a predetermined value.
[0011]
As a result, even when the amount of gaseous fuel necessary for the NOx reduction process cannot be secured, the NOx stored in the NOx storage reduction catalyst can be reliably reduced.
[0012]
An exhaust gas purification method for a multi-fuel engine according to the present invention is an exhaust gas purification method for a multi-fuel engine that generates power by burning at least one of gaseous fuel and liquid fuel in a combustion chamber. NOx occlusion reduction catalyst is provided in the exhaust passage through which NOx is introduced, and in order to perform NOx reduction treatment for the NOx occlusion reduction catalyst, an amount of gaseous fuel necessary for NOx reduction treatment is directly injected into the combustion chamber during the exhaust stroke It is.
[0013]
Another multi-fuel engine according to the present invention is an multi-fuel engine that generates power by burning at least one of a gaseous fuel and a liquid fuel in a combustion chamber, and an exhaust passage through which exhaust gas from the combustion chamber is introduced. And a NOx occlusion reduction catalyst provided in the exhaust passage, and in order to perform NOx reduction treatment for the NOx occlusion reduction catalyst, gaseous fuel can be introduced into the region closer to the combustion chamber than the NOx occlusion reduction catalyst in the exhaust passage It is characterized by that.
[0014]
This multi-fuel engine also has a NOx occlusion reduction catalyst in the exhaust passage in order to remove NOx generated by the execution of the lean combustion operation. When the NOx occluded in the NOx occlusion reduction catalyst is reduced, gaseous fuel is introduced into a region closer to the combustion chamber than the NOx occlusion reduction catalyst in the exhaust passage in this multi-fuel engine. In this way, even if gaseous fuel as a reducing agent is directly supplied to the NOx occlusion reduction catalyst via the exhaust passage, the amount of gaseous fuel necessary for the NOx reduction treatment can be stored without causing the so-called rich misfire problem. It is possible to reliably supply to the reduction catalyst.
[0015]
Therefore, even with this multi-fuel engine, it is possible to reliably execute the NOx reduction process while preventing thermal damage to engine components and the catalyst due to rich misfire. Also in this multi-fuel engine, NOx reduction treatment is performed using gaseous fuel having a low content of sulfur components compared to liquid fuel such as gasoline, which significantly reduces sulfur poisoning of the NOx storage reduction catalyst. It becomes possible to suppress.
[0016]
Furthermore, it is preferable that the rich spike operation using the liquid fuel is performed when the NOx reduction process is required and the remaining amount of the gaseous fuel is equal to or less than a predetermined value.
[0017]
Further, an injector for gaseous fuel capable of directly injecting gaseous fuel into the combustion chamber, a gaseous fuel container for storing gaseous fuel, and an addition valve connected to the gaseous fuel container for introducing the gaseous fuel into the exhaust passage When the NOx reduction treatment is required and the pressure of the gaseous fuel in the addition valve is lower than the exhaust pressure in the exhaust passage, the amount of gaseous fuel required for the NOx reduction treatment is gas during the exhaust stroke Preferably, the fuel is injected directly into the combustion chamber by a fuel injector or a rich spike operation using liquid fuel is performed.
[0018]
By adopting such a configuration, it is possible to reliably introduce gaseous fuel into the exhaust passage with a simple configuration. Under such a configuration, even when the pressure of the gaseous fuel in the addition valve is lower than the exhaust pressure in the exhaust passage, it is possible to reliably reduce the NOx stored in the NOx storage reduction catalyst. Become.
[0019]
Further, the gaseous fuel introduced into the exhaust passage is preferably CNG or LPG fuel in a gas phase.
[0020]
According to another aspect of the present invention, there is provided an exhaust gas purification method for a multi-fuel engine, wherein at least one of a gaseous fuel and a liquid fuel is burned in a combustion chamber to generate power. A NOx occlusion reduction catalyst is provided in the exhaust passage through which the exhaust gas is introduced, and gaseous fuel is introduced into a region closer to the combustion chamber than the NOx occlusion reduction catalyst in the exhaust passage in order to perform NOx reduction treatment on the NOx occlusion reduction catalyst. Is.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of a multi-fuel engine and an exhaust gas purification method for a multi-fuel engine according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0022]
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of a multi-fuel engine according to the present invention. A multi-fuel engine 1 shown in FIG. 1 is a so-called bi-fuel engine that can be used by switching a plurality of types of fuel including gaseous fuel such as compressed natural gas (CNG) and LPG, and liquid fuel such as gasoline. In the multi-fuel engine 1, CNG (gas fuel) or gasoline (liquid fuel) is directly injected into each of the plurality of combustion chambers 4 defined by the cylinder block 2 and the
[0023]
Thus, in order to inject CNG directly into each combustion chamber 4, the multifuel engine 1 of the present embodiment includes a plurality of gas injectors (injectors for gaseous fuel) 6 disposed in the
[0024]
Further, a pressure sensor (CNG residual pressure sensor) Pt for detecting an internal pressure (CNG residual pressure) of the gas cylinder 7 is disposed at the fuel outlet of the gas cylinder 7. Similarly, the gas delivery pipe 9 is provided with a pressure sensor Pd for detecting the pressure of the CNG inside the gas delivery pipe 9 and a temperature sensor Td for detecting the temperature of the CNG inside the gas delivery pipe 9. Further, the gas supply pipe 8 is provided with a
[0025]
In addition to the gas injector 6 described above, the multi-fuel engine 1 includes a plurality of gasoline injectors (liquid fuel injectors) 11 disposed in the
[0026]
The
[0027]
The
[0028]
By the way, as shown in FIG. 1, the piston 5 of the multifuel engine 1 is configured as a so-called deep dish top surface type, and a
[0029]
In contrast, when the stratified lean combustion operation is performed as described above, the NOx component in the exhaust gas of the multi-fuel engine 1 increases. For this reason, an exhaust pipe (exhaust passage) 27 connected to the
[0030]
Furthermore, the multifuel engine 1 includes an electronic control unit (ECU) 30 that functions as control means. The
[0031]
Further, the CNG residual pressure sensor Pt for detecting the internal pressure of the gas cylinder 7, the pressure sensor Pd of the gas delivery pipe 9, and the temperature sensor Td are connected to the
[0032]
Then, the
[0033]
Next, the procedure of the NOx reduction process for the
[0034]
The NOx reduction process routine of FIG. 2 is executed by the
[0035]
When it is determined in S10 that the lean combustion operation is being performed, the
[0036]
When it is determined in S12 that the NOx reduction process is required for the
[0037]
Here, the CNG injected into the fuel chambers 4 during the exhaust stroke for the NOx reduction process in S16 is only from the respective combustion chambers 4 through the exhaust passages such as the
[0038]
Therefore, the multifuel engine 1 can reliably supply the amount of CNG necessary for the NOx reduction process to the post-catalyst device 29 (NOx storage reduction catalyst) without the problem of so-called rich misfire. As a result, it is possible to reliably perform the NOx reduction process on the rear-
[0039]
On the other hand, when the
[0040]
If the
[0041]
Thus, in the multi-fuel engine 1, when the NOx reduction process is required for the
[0042]
When the process of S16 or S20 is completed, the NOx stored in the NOx storage reduction catalyst of the
[0043]
[Second Embodiment]
Hereinafter, a second embodiment of the multi-fuel engine according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4. The same elements as those described in relation to the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0044]
The multi-fuel engine 1A shown in FIG. 3 includes a reducing
[0045]
As shown in FIG. 3, the reducing
[0046]
The
[0047]
Next, the procedure of the NOx reduction process for the
[0048]
The NOx reduction process routine of FIG. 4 is also executed by the
[0049]
When it is determined in S30 that the lean combustion operation is being executed, the
[0050]
If it is determined in S34 that CNG is used as the fuel, the
[0051]
When it is determined in S36 that the internal pressure of the
[0052]
As a result, the pressure difference between the internal pressure of the surge tank 52 (the pressure of CNG in the addition valve 53) and the exhaust pressure in the
[0053]
Thus, even if CNG as a reducing agent is directly supplied to the post-catalyst device 29 (NOx storage reduction catalyst) via the
[0054]
Furthermore, in the present embodiment, the CNG fuel in the gas phase is mixed with the exhaust gas discharged from each combustion chamber 4 and joined immediately before the post-stage catalyst device 29 (NOx storage reduction catalyst). Therefore, in the multi-fuel engine 1A, it becomes possible to uniformly mix CNG with the exhaust gas having relatively little concentration and temperature unevenness, and the NOx reduction process can be performed satisfactorily.
[0055]
On the other hand, when the
[0056]
When
[0057]
As described above, also in the multifuel engine 1A, the rich spike operation using gasoline is executed when the NOx reduction process for the
[0058]
In the present embodiment, since CNG is directly injected into the combustion chamber 4, a comparison is made in the
[0059]
In view of this point, in the multifuel engine 1A of the present embodiment, when it is determined in S36 that the internal pressure of the
[0060]
When the process of S36 or S42 is completed, the NOx stored in the NOx storage reduction catalyst of the
[0061]
As described above, the multifuel engine 1A of the second embodiment has been described as using CNG as the gaseous fuel, but LPG fuel that instantly vaporizes when injected into the combustion chamber 4 is used as the gaseous fuel. May be. In this case, it is preferable that the
[0062]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a multi-fuel engine and an exhaust gas purification method for a multi-fuel engine that can reliably perform a NOx reduction process while preventing thermal damage associated with the NOx reduction process for the NOx storage reduction catalyst. Can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of a multi-fuel engine according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart for explaining the operation of the multi-fuel engine of FIG. 1;
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment of a multi-fuel engine according to the present invention.
4 is a flowchart for explaining the operation of the multi-fuel engine of FIG. 3;
[Explanation of symbols]
1,1A Multi-fuel engine
2 Cylinder block
3 Cylinder head
4 Combustion chamber
5 piston
5a recess
6 Gas injector (Injector for gaseous fuel)
7 Gas cylinder
8 Gas supply pipe
9 Gas delivery pipe
10 Regulator
11 Gasoline injector (Liquid fuel injector)
12 Gasoline tank
13 Gasoline supply pipe
14 Gasoline delivery pipe
15 Fuel level sensor
16 Intake port
17 Exhaust port
18e Exhaust valve
18i Intake valve
19 Spark plug
20 Intake manifold
21 Surge tank
22 Intake duct
23 Air cleaner
24 Stepping motor
25 Throttle valve
26 Exhaust manifold
27 Exhaust pipe (exhaust passage)
28 Pre-catalyst device
29 Second-stage catalyst device (NOx storage reduction catalyst)
30 ECU
40 Accelerator position sensor
41 Rotational speed sensor
50 Reducing agent addition system
51 branch pipe
52 Surge Tank
53 CNG addition valve
Pd, Pe, Pm, Ps, Pt Pressure sensor
Td temperature sensor
Claims (8)
前記燃焼室内に気体燃料を直接噴射可能な気体燃料用インジェクタと、
前記燃焼室内に液体燃料を導入可能な液体燃料用インジェクタと、
前記燃焼室からの排気ガスが導入される排気路と、
前記排気路に設けられたNOx吸蔵還元触媒とを備え、前記NOx吸蔵還元触媒に対するNOx還元処理を実行するために、排気行程中に前記NOx還元処理に必要な量の気体燃料が前記気体燃料用インジェクタにより前記燃焼室内に噴射されることを特徴とする多種燃料エンジン。In a multi-fuel engine that generates power by burning at least one of gaseous fuel and liquid fuel in a combustion chamber,
A gaseous fuel injector capable of directly injecting gaseous fuel into the combustion chamber;
A liquid fuel injector capable of introducing liquid fuel into the combustion chamber;
An exhaust passage through which exhaust gas from the combustion chamber is introduced;
A NOx occlusion reduction catalyst provided in the exhaust passage, and an amount of gaseous fuel necessary for the NOx reduction treatment during the exhaust stroke for performing the NOx reduction treatment on the NOx occlusion reduction catalyst. A multi-fuel engine which is injected into the combustion chamber by an injector.
前記燃焼室からの排気ガスが導入される排気路にNOx吸蔵還元触媒を設け、前記NOx吸蔵還元触媒に対するNOx還元処理を実行するために、排気行程中に前記NOx還元処理に必要な量の気体燃料を前記燃焼室内に直接噴射することを特徴とする多種燃料エンジンの排ガス浄化方法。In an exhaust gas purification method for a multi-fuel engine that generates power by burning at least one of gaseous fuel and liquid fuel in a combustion chamber,
An NOx storage reduction catalyst is provided in an exhaust passage through which exhaust gas from the combustion chamber is introduced, and an amount of gas necessary for the NOx reduction process is performed during the exhaust stroke in order to perform the NOx reduction process on the NOx storage reduction catalyst. An exhaust gas purification method for a multi-fuel engine, characterized in that fuel is directly injected into the combustion chamber.
前記燃焼室からの排気ガスが導入される排気路と、
前記排気路に設けられたNOx吸蔵還元触媒とを備え、前記NOx吸蔵還元触媒に対するNOx還元処理を実行するために、前記排気路の前記NOx吸蔵還元触媒よりも前記燃焼室側の領域に気体燃料を導入可能であることを特徴とする多種燃料エンジン。In a multi-fuel engine that generates power by burning at least one of gaseous fuel and liquid fuel in a combustion chamber,
An exhaust passage through which exhaust gas from the combustion chamber is introduced;
A NOx occlusion reduction catalyst provided in the exhaust passage, and in order to perform a NOx reduction treatment on the NOx occlusion reduction catalyst, a gaseous fuel is provided in a region closer to the combustion chamber than the NOx occlusion reduction catalyst in the exhaust passage. A multi-fuel engine characterized in that it can be introduced.
前記燃焼室からの排気ガスが導入される排気路にNOx吸蔵還元触媒を設け、前記NOx吸蔵還元触媒に対するNOx還元処理を実行するために、前記排気路の前記NOx吸蔵還元触媒よりも前記燃焼室側の領域に気体燃料を導入することを特徴とする多種燃料エンジンの排ガス浄化方法。In an exhaust gas purification method for a multi-fuel engine that generates power by burning at least one of gaseous fuel and liquid fuel in a combustion chamber,
An NOx storage reduction catalyst is provided in an exhaust passage through which exhaust gas from the combustion chamber is introduced, and the combustion chamber is more disposed than the NOx storage reduction catalyst in the exhaust passage in order to perform NOx reduction processing on the NOx storage reduction catalyst. An exhaust gas purification method for a multi-fuel engine, characterized in that gaseous fuel is introduced into a side region.
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