JP4333671B2

JP4333671B2 - 内燃機関の排気装置

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Publication number: JP4333671B2
Application number: JP2005354738A
Authority: JP
Inventors: 茂樹宮下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-12-08
Filing date: 2005-12-08
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2025-12-08
Also published as: US20090038293A1; WO2007066211A2; DE602006008503D1; EP1963633B1; US8099948B2; JP2007154846A; WO2007066211A3; CN101326346B; CN101326346A; EP1963633A2

Description

本発明は、内燃機関の排気装置に関する。

例えばＶ型内燃機関のような多気筒内燃機関の全気筒を二つの気筒群に分けて、それぞれに排気マニホルドを設ける場合には、各排気マニホルドから排気合流部までは、気筒群毎に排気通路が設けられる。このような多気筒内燃機関の排気装置において、一方の排気通路だけに、ターボチャージャのタービンと、タービン下流側の触媒装置とを配置すると共に、一方の排気通路のタービン上流側を他方の排気通路の連通部と連通し、他方の排気通路の連通部の下流側には制御弁を配置することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このような構成において、制御弁はターボチャージャのウェイストゲートバルブとして使用され、排気ガス量が少ない機関低負荷時には制御弁を閉弁して全気筒の排気ガスがタービンを通過するようにし、また、排気ガス量が多い機関高負荷時には制御弁を開弁することにより、他方の気筒群の排気ガスは他方の排気通路を通過して一方の気筒群の排気ガスだけがタービンを通過するようにし、こうして、ターボチャージャによる過給圧が常に設定値近傍となるようにしている。

特公平１−２７２４６実開平１−１７３４２３

ところで、車両減速時には、一般的に、燃料消費を低減するために、フューエルカットが実施される。前述の排気装置において、このフューエルカット時においても、低負荷時であるために制御弁が閉弁されて、この時の全ての気筒の排気ガスがターボチャージャのタービンを通過するようにされると、この全ての排気ガスは触媒装置を通過することとなり、触媒装置が高温度となっている場合には、フューエルカット時の酸素を多量に含む排気ガスにより、触媒装置に一般的に担持されている貴金属触媒がシンタリングにより劣化してしまう。こうして唯一の触媒装置が劣化すれば、排気ガスを浄化することができなくなる。

従って、本発明の目的は、多気筒内燃機関の全気筒を二つの気筒群に分けて、それぞれの排気マニホルドには気筒群毎の排気通路が接続され、一方の排気通路には、ターボチャージャのタービンとタービン下流側の触媒装置とが配置され、一方の排気通路のタービン上流側の連通部と他方の排気通路の連通部とが連通され、他方の排気通路の連通部の下流側には制御弁が配置された内燃機関の排気装置において、フューエルカット時にタービン下流側の触媒装置が劣化しても、排気ガスの良好な浄化を可能とすることである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気装置は、多気筒内燃機関の全気筒を二つの気筒群に分けて、それぞれの排気マニホルドには気筒群毎の排気通路が接続され、一方の前記排気通路には、ターボチャージャのタービンとタービン下流側の触媒装置とが配置され、前記一方の排気通路のタービン上流側の連通部と他方の前記排気通路の連通部とが連通され、前記他方の排気通路の前記連通部の下流側には制御弁が配置された内燃機関の排気装置において、前記一方の排気通路の前記連通部の下流側にはもう一つの制御弁が配置され、前記他方の排気通路の前記連通部の下流側にはもう一つの触媒装置が配置され、フューエルカット時には全気筒の排気ガスが主に前記一方の排気通路の前記触媒装置を通過するように前記他方の排気通路の前記制御弁及び前記一方の排気通路の前記もう一つの制御弁が制御され、フューエルカット時に、前記触媒装置及び前記もう一つの触媒装置のそれぞれの温度が測定又は推定され、前記他方の排気通路のもう一つの触媒装置の温度が前記一方の排気通路の前記触媒装置の温度より低い場合には、全気筒の排気ガスが主に前記他方の排気通路の前記もう一つの触媒装置を通過するように前記制御弁及び前記もう一つの制御弁が制御されることを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気装置は、多気筒内燃機関の全気筒を二つの気筒群に分けて、それぞれの排気マニホルドには気筒群毎の排気通路が接続され、一方の前記排気通路には、ターボチャージャのタービンとタービン下流側の触媒装置とが配置され、前記一方の排気通路のタービン上流側の連通部と他方の前記排気通路の連通部とが連通され、前記他方の排気通路の前記連通部の下流側には制御弁が配置された内燃機関の排気装置において、前記一方の排気通路の前記連通部の下流側にはもう一つの制御弁が配置され、前記他方の排気通路の前記連通部の下流側にはもう一つの触媒装置が配置され、フューエルカット時には全気筒の排気ガスが主に前記一方の排気通路の前記触媒装置を通過するように前記他方の排気通路の前記制御弁及び前記一方の排気通路の前記もう一つの制御弁が制御され、フューエルカット時に、前記もう一つの触媒装置の温度が測定又は推定され、前記もう一つの触媒装置の温度が設定温度より低い場合には、全気筒の排気ガスが主に前記他方の排気通路の前記もう一つの触媒装置を通過するように前記制御弁及び前記もう一つの制御弁が制御されることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気装置によれば、一方の排気通路には、ターボチャージャのタービンとタービン下流側の触媒装置とが配置され、一方の排気通路のタービン上流側の連通部と他方の排気通路の連通部とが連通され、他方の排気通路の連通部の下流側には制御弁が配置された内燃機関の排気装置において、一方の排気通路の連通部の下流側にはもう一つの制御弁が配置され、他方の排気通路の連通部の下流側にはもう一つの触媒装置が配置され、フューエルカット時には全気筒の排気ガスが主に一方の排気通路の触媒装置を通過するように他方の排気通路の制御弁及び一方の排気通路のもう一つの制御弁が制御される。こうして、フューエルカット時において、全気筒の排気ガスは主に一方の排気通路の触媒装置を通過し、それにより、この触媒装置が高温度であれば排気ガス中に多量に含まれる酸素により劣化することとなるが、他方の排気通路にはもう一つの触媒装置が配置されており、フューエルカット時には、多量に酸素を含む排気ガスは、このもう一つの触媒装置を殆ど通過しないために、これが劣化することはなく、このもう一つの触媒装置を使用して排気ガスの浄化が可能となる。

また、フューエルカット時に、他方の排気通路のもう一つの触媒装置の温度が一方の排気通路の触媒装置の温度より低い場合には、全気筒の排気ガスが主に他方の排気通路のもう一つの触媒装置を通過するように制御弁及びもう一つの制御弁が制御される。それにより、一方の排気通路の触媒装置が高温度である場合にフューエルカット時の多量に酸素を含む排気ガスがこの触媒装置を通過する機会は減少され、この触媒装置はそれほど劣化することはない。また、フューエルカット時の多量の酸素を含む排気ガスがもう一つの触媒装置を通過する場合は、他方の排気通路のもう一つの触媒装置の温度が一方の排気通路の触媒装置の温度より低い時であり、この時に、このもう一つの触媒装置が高温度であることは少なく、このもう一つの触媒装置もそれほど劣化することはない。それにより、これら二つの触媒装置を使用して排気ガスの浄化が可能となる。

また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気装置によれば、フューエルカット時に、もう一つの触媒装置の温度が設定温度より低い場合には、全気筒の排気ガスが主に他方の排気通路のもう一つの触媒装置を通過するように制御弁及びもう一つの制御弁が制御される。それにより、一方の排気通路の触媒装置が高温度である場合にフューエルカット時の多量に酸素を含む排気ガスがこの触媒装置を通過する機会は減少され、この触媒装置はそれほど劣化することはない。また、フューエルカット時の多量の酸素を含む排気ガスがもう一つの触媒装置を通過する場合は、他方の排気通路のもう一つの触媒装置の温度が設定温度より低い時であり、このもう一つの触媒装置は殆ど劣化することはない。それにより、これら二つの触媒装置を使用して排気ガスの浄化が可能となる。

図１は本発明による内燃機関の排気装置の実施形態を示す概略図である。同図において、１ａはＶ型内燃機関の第一バンクであり、１ｂは第二バンクである。２ａは第一バンク１ａの第一排気マニホルドであり、２ｂは第二バンク１ｂの第二排気マニホルドである。第一排気マニホルド２ａには第一排気通路３ａが接続され、第二排気マニホルド２ｂには第二排気通路３ｂが接続される。第一排気通路３ａ及び第二排気通路３ｂは排気合流部４において合流し、排気合流部４の下流側には主触媒装置５が配置されている。

本Ｖ型内燃機関は、主に理論空燃比での運転を実施するものであり、主触媒装置５としては三元触媒装置が選択される。主触媒装置５は、比較的大型化されるが、車両床下に配置されるために車両搭載性の問題はない。こうして、機関高負荷時に各気筒から排出される多量の排気ガスは主触媒装置５によって良好に浄化することができる。

しかしながら、機関低負荷時に各気筒から排出される排気ガスは、比較的低温度であり、これが主触媒装置５へ流入する時には、さらに温度低下するために、主触媒装置５を触媒活性化温度に維持することができなくなって、排気ガスの浄化が不十分となる。

そのために、本実施形態では、第一排気通路３ａには三元触媒装置としての第一副触媒装置６ａが、第二排気通路３ｂには三元触媒装置としての第二副触媒装置６ｂが、それぞれ、機関本体近くに配置されている。それにより、第一バンク１ａ及び第二バンク１ｂにおいて機関低負荷時の運転が実施されても、比較的低温度の排気ガスはそれほど温度低下することなく、機関本体近くの第一副触媒装置６ａ及び第二副触媒装置６ｂへ流入するために、それぞれに担持された触媒は活性化温度に維持され、この時の排気ガスを十分に浄化することができる。また、このように機関本体近くに配置された第一及び第二副触媒装置６ａ，６ｂは、機関始動時において早期に活性化し、機関始動後の直ぐに排気ガスを浄化することができる。

本実施形態において、第一排気通路３ａ及び第二排気通路３ｂは、それぞれの連通部７ａ及び７ｂを介して連通管７により互いに連通されている。また、第一排気通路３ａには、連通部７ａと第一副触媒装置６ａとの間において、ターボチャージャのタービン８が配置され、第一副触媒装置６ａの下流側において、第一制御弁９ａが配置されている。第一制御弁９ａは、第一排気通路３ａを通過する排気ガス量をゼロまで減少させることを可能とするものであり、連通部７ａの下流側に配置されていれば良い。

また、第二排気通路３ｂには、第二副触媒装置６ｂの下流側において、第二制御弁９ｂが配置されている。第二制御弁９ｂは、第二排気通路３ｂを通過する排気ガス量をゼロまで減少させることを可能とするものであり、連通部７ｂの下流側に配置されていれば良い。

タービン８に連結されたターボチャージャのコンプレッサ（図示せず）は、機関吸気系のスロットル弁の上流側に配置されて過給を実施する。第一制御弁９ａ及び第二制御弁９ｂの開度をそれぞれに調節することにより、第一排気通路３ａのタービン８を全く排気ガスが通過しない状態（この時には、第一制御弁９ａを全閉して第二制御弁９ｂを全開する）から、タービン８を全ての気筒の排気ガスが通過する状態（この時には、第一制御弁９ａを全開して第二制御弁９ｂを全閉する）まで任意に制御することができる。こうして、一般的にタービン８をバイパスするように設けられるウェイストゲート通路が省略されても、タービン８を通過する排気ガス量を変化させて、過給圧を機関運転状態に応じて制御することができる。

車両減速時には、燃料を節約するために、一般的に、フューエルカットが実施される。この時には、各気筒からは空気がそのまま排気ガスとして排出され、多くの酸素を含んでいる。主触媒装置５は、機関本体から比較的遠くに位置するために、それほど高温度となることはないが、第一副触媒装置６ａ及び第二副触媒装置６ｂは、機関本体近くに位置するために、非常に高温度（約８００℃以上）となることがあり、この時に、フューエルカット時の多くの酸素を含む排気ガスが第一副触媒装置６ａ又は第二副触媒装置６ｂへ流入すると、触媒装置に一般的に担持されている白金等の貴金属触媒がシンタリングを起こして劣化してしまう。それにより、第一副触媒装置６ａ及び第二副触媒装置６ｂの両方ともが劣化してしまうと、機関低負荷時又は機関始動時において排気ガスを浄化することができなくなってしまう。

本実施形態では、図２に示す第一フローチャートに従って第一制御弁９ａ及び第二制御弁９ｂを制御し、第一副触媒装置６ａ及び第二副触媒装置６ｂの両方ともが劣化することを防止している。先ず、ステップ１０１において、フューエルカットが開始されるか否かが判断される。この判断が否定される時には、ステップ１０２において、現在の機関運転状態において各気筒から排出される排気ガス量に基づき第一制御弁９ａ及び第二制御弁９ｂのそれぞれの開度を制御し、第一排気通路３ａのタービン８を通過する排気ガス量を所望の過給圧が実現されるようにする。ここで、各気筒から排出される排気ガス量が変化しなければ、第一制御弁９ａの開度を減少するほど（好ましくは第二制御弁９ｂを全開させて）、タービン８を通過する排気ガス量は減少し、第二制御弁９ａの開度を減少するほど（好ましくは第一制御弁９ａを全開させて）、タービン８を通過する排気ガス量は増加する。

一方、フューエルカットが開始されてステップ１０１の判断が肯定される時には、ステップ１０３において、第一副触媒装置６ａの温度Ｔ１及び第二副触媒装置６ｂの温度Ｔ２が測定又は推定され、第二副触媒装置６ｂの温度Ｔ２が第一副触媒装置６ａの温度Ｔ１より低いか否かが判断される。これらの温度Ｔ１及びＴ２を推定する際には、フューエルカット直前の機関運転状態に基づく排気ガス温度と、第一副触媒装置６ａ及び第二副触媒装置６ｂをそれぞれに通過していた排気ガス量と、第一副触媒装置６ａへ流入する排気ガスはタービン８を通過して温度低下すること等とが考慮される。

この判断が肯定される時、すなわち、第二副触媒装置６ｂの温度Ｔ２が第一副触媒装置６ａの温度Ｔ１より低い時には、ステップ１０４において第一制御弁９ａを全閉し、ステップ１０５において第二制御弁９ｂを全開する。それにより、第二バンク１ｂの全ての排気ガスは、そのまま第二排気通路３ｂを通り第二副触媒装置６ｂへ流入し、また、第一バンク１ａの全ての排気ガスは、連通管７を介して第二排気通路３ｂを通り第二副触媒装置６ｂへ流入する。こうして、全気筒の排気ガスは、全て第二副触媒装置６ｂを通過するようにされる。

車両減速の直前、すなわち、フューエルカット直前の運転状態は、高い過給圧が必要な機関高負荷時であることが多く、この時には、第二制御弁９ｂは閉弁側とされ、高温の多量の排気ガスがタービン８を通過するようにされている。それにより、タービン８の下流側に位置する第一副触媒装置６ａが非常に高温度となっていることが多い。その分、第二排気通路３ｂを介して第二副触媒装置６ｂを通過する排気ガス量は少なく、第二副触媒装置６ｂは比較的低温度となっていることが多い。このような場合において、ステップ１０３の判断が肯定され、それにより、フューエルカット時に全気筒の排気ガスが全て第二副触媒装置６ｂを通過するようにされれば、非常に高温度の第一副触媒装置６ａを多くの酸素を含む排気ガスが通過することはなく、第一副触媒装置６ａが劣化することはない。また、多くの酸素を含む排気ガスが第二副触媒装置６ｂを通過することとなるが、第二副触媒装置６ｂの温度は低く、第二副触媒装置６ｂも殆ど劣化することはない。

一方、ステップ１０３の判断が否定される時、すなわち、第二副触媒装置６ｂの温度Ｔ２が第一副触媒装置６ａの温度Ｔ１以上である時には、ステップ１０６において第一制御弁９ａを全開し、ステップ１０７において第二制御弁９ｂを全閉する。それにより、第一バンク１ａの全ての排気ガスは、そのまま第一排気通路３ａを通り第一副触媒装置６ａへ流入し、また、第二バンク１ｂの全ての排気ガスは、連通管７を介して第一排気通路３ａを通り第一副触媒装置６ａへ流入する。こうして、全気筒の排気ガスは、全て第一副触媒装置６ａを通過するようにされる。

この時には、フューエルカット直前の運転状態において、第二排気通路３ｂを通過する排気ガス量が比較的多くされ、すなわち、それほど高い過給圧が必要とされていない低中負荷時であり、排気ガス温度はそれほど高くないために、第二副触媒装置６ｂの温度Ｔ２以下である第一副触媒装置６ａの温度Ｔ１が非常に高温度である可能性は低く、全気筒の排気ガスが全て第一副触媒装置６ａを通過するようにしても第一副触媒装置６ａはそれほど劣化することはない。もちろん、排気ガスが通過しない第二副触媒装置６ｂも劣化することはない。こうして、第一副触媒装置６ａ及び第二副触媒装置６ｂの両方ともが劣化して、機関低負荷時及び機関始動時に排気ガスを浄化することができなくことは抑制される。

図３は、第一副触媒装置６ａ及び第二副触媒装置６ｂの両方ともが劣化することを防止するように第一制御弁９ａ及び第二制御弁９ｂを制御するための第一フローチャートとは異なる第二フローチャートである。第一フローチャートとの違いについてのみ以下に説明する。本フローチャートでは、ステップ２０３において、第二副触媒装置６ｂの温度Ｔ２だけが測定又は推定され、この温度Ｔ２が、空気を通過させても貴金属触媒がシンタリングを起こさない設定温度Ｔ’より低いか否かが判断される。この判断が肯定される時にだけ、ステップ２０４において第一制御弁９ａを全閉し、ステップ２０５において第二制御弁９ｂを全開し、全ての気筒の排気ガスが第二副触媒装置９ｂを通過するようにさせられる。

こうして、第二副触媒装置９ｂは確実に劣化することはなく、また、フューエルカット時に全ての気筒の排気ガスが第二副触媒装置９ｂを通過するようにされられる場合には、第一副触媒装置６ａが劣化することはないために、第一副触媒装置６ａが劣化するのは、フューエルカット直前の機関運転状態において、第一副触媒装置６ａの温度Ｔ１及び第二副触媒装置６ｂの温度Ｔ２のいずれもが設定温度Ｔ’を超えている場合だけであり、この機会はそれほど多くない。こうして、第一副触媒装置６ａ及び第二副触媒装置６ｂの両方ともが劣化して、機関低負荷時及び機関始動時に排気ガスを浄化することができなくことは抑制される。

第一フローチャート及び第二フローチャートにおいて、フューエルカット時に第一制御弁９ａ及び第二制御弁９ｂの一方を全閉したが、もちろん、僅かに開弁して僅かな排気ガスが第一副触媒装置６ａ及び第二副触媒装置６ｂの一方を通過するようにしても、全気筒の排気ガスが主に第一副触媒装置６ａ及び第二副触媒装置６ｂの他方を通過するようにすれば特に問題とはならない。

また、第一フローチャート及び第二フローチャートにおいて、フューエルカット開始時に、第二副触媒装置６ｂの温度Ｔ２等を測定又は推定するようにしたが、フューエルカット開始時には、このような測定又は推定をすることなく、常に、第一制御弁９ａを全開し、第二制御弁９ｂを全閉するようにしても良い。それにより、フューエルカット時において、多くの酸素を含む排気ガスは、全て第一副触媒装置６ａを通過するようになり、もし、第一副触媒装置６ａの温度が非常に高ければ、第一副触媒装置６ａは劣化することとなるが、その代わりに、第二副触媒装置６ｂは全く劣化することはなく、少なくとも第二副触媒装置６ｂを使用して機関低負荷時及び機関始動時の排気ガスを浄化することができる。

前述した実施形態において、主触媒装置８は三元触媒装置としたが、内燃機関がリーンバーン運転を実施するものである場合には、ＮＯ_X触媒装置としても良い。この場合において、例えば、極高負荷時等に理論空燃比又はリッチ空燃比での運転が実施される場合には、主触媒装置５としては、直列に配置された三元触媒装置及びＮＯ_X触媒装置とすることが好ましい。

内燃機関はＶ型としたが、これは本発明を限定するものではなく、複数気筒が直列配置されるものでも、二つの気筒群に分けられてそれぞれに排気マニホルドが設けられる内燃機関であれば、本発明を適用可能である。また、複数の気筒群が三つ以上に分けられる場合においても、排気合流部の上流側の三つ以上の排気通路を大きく二つに分けて考えて本発明を適用すれば良い。

本発明による内燃機関の排気装置の実施形態を示す概略図である。第一制御弁及び第二制御弁の制御のための第一フローチャートである。第一制御弁及び第二制御弁の制御のための第二フローチャートである。

符号の説明

１ａ第一バンク
１ｂ第二バンク
２ａ第一排気マニホルド
２ｂ第二排気マニホルド
３ａ第一排気通路
３ｂ第二排気通路
４排気合流部
５主触媒装置
６ａ第一副触媒装置
６ｂ第二副触媒装置
７連通管
８タービン
９ａ第一制御弁
９ｂ第二制御弁

Claims

多気筒内燃機関の全気筒を二つの気筒群に分けて、それぞれの排気マニホルドには気筒群毎の排気通路が接続され、一方の前記排気通路には、ターボチャージャのタービンとタービン下流側の触媒装置とが配置され、前記一方の排気通路のタービン上流側の連通部と他方の前記排気通路の連通部とが連通され、前記他方の排気通路の前記連通部の下流側には制御弁が配置された内燃機関の排気装置において、前記一方の排気通路の前記連通部の下流側にはもう一つの制御弁が配置され、前記他方の排気通路の前記連通部の下流側にはもう一つの触媒装置が配置され、フューエルカット時には全気筒の排気ガスが主に前記一方の排気通路の前記触媒装置を通過するように前記他方の排気通路の前記制御弁及び前記一方の排気通路の前記もう一つの制御弁が制御され、フューエルカット時に、前記触媒装置及び前記もう一つの触媒装置のそれぞれの温度が測定又は推定され、前記他方の排気通路のもう一つの触媒装置の温度が前記一方の排気通路の前記触媒装置の温度より低い場合には、全気筒の排気ガスが主に前記他方の排気通路の前記もう一つの触媒装置を通過するように前記制御弁及び前記もう一つの制御弁が制御されることを特徴とする内燃機関の排気装置。
多気筒内燃機関の全気筒を二つの気筒群に分けて、それぞれの排気マニホルドには気筒群毎の排気通路が接続され、一方の前記排気通路には、ターボチャージャのタービンとタービン下流側の触媒装置とが配置され、前記一方の排気通路のタービン上流側の連通部と他方の前記排気通路の連通部とが連通され、前記他方の排気通路の前記連通部の下流側には制御弁が配置された内燃機関の排気装置において、前記一方の排気通路の前記連通部の下流側にはもう一つの制御弁が配置され、前記他方の排気通路の前記連通部の下流側にはもう一つの触媒装置が配置され、フューエルカット時には全気筒の排気ガスが主に前記一方の排気通路の前記触媒装置を通過するように前記他方の排気通路の前記制御弁及び前記一方の排気通路の前記もう一つの制御弁が制御され、フューエルカット時に、前記もう一つの触媒装置の温度が測定又は推定され、前記もう一つの触媒装置の温度が設定温度より低い場合には、全気筒の排気ガスが主に前記他方の排気通路の前記もう一つの触媒装置を通過するように前記制御弁及び前記もう一つの制御弁が制御されることを特徴とする内燃機関の排気装置。