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JP3733845B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine - Google Patents
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JP3733845B2 - Exhaust gas purification device for 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、内燃機関の排気浄化装置に関し、より詳細には、成層燃焼が可能な内燃機関において、成層燃焼運転時における触媒による排気浄化効果を高めるための技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、地球温暖化防止の観点から内燃機関の燃費向上の必要性が高まり、特定運転領域稀薄空燃比燃焼、すなわち、理論空燃比よりリーンで運転される内燃機関が普及しつつある。その中には、特に低負荷低回転域成層燃焼、すなわち、点火栓近傍に適度の空燃比の混合気を形成し、にその周りに多量の余剰空気が存在する状態での燃焼を行うものがある。この成層燃焼では、点火栓近傍の混合気のみが燃焼に寄与することになるため、均質燃焼の場合と比較して、空燃比を大幅にリーン化することができ、燃費向上効果が高い。
【0003】
ところで、内燃機関の排気ガス中のHC,CO,NOxといった汚染成分は、従来三元触媒を用いて浄化してい。この三元触媒は、流入する排気ガス中のHC及びCOを酸化してH2OとCO2とし、またNOxを還元してN2とすることにより、これらの汚染成分を無害化するものであり、触媒中の平均空燃比がストイキのときに転換効率が最も高く、平均空燃比がリッチ側に変化すると、触媒中の酸素濃度が低下してHC及びCOの転換効率(すなわち、酸化率)が低下し、他方、リーン側に変化すると、酸素濃度が過剰となってNOxの転換効率(すなわち、還元率)が低下してしまう。
【0004】
このような理由から、上記のようなリーン燃焼機関にあっては、三元触媒によって排気ガス中のNOxを充分な低レベルにまで浄化することは困難である。ここで、リーンな空燃比の下でNOxを浄化するための技術として、以下のものを挙げることができる。
まず、流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときに排気ガス中のNOxをトラップして保持し、に流入する排気ガスの空燃比がリッチであるときに保持されているNOxを脱離還元して浄化するNOxトラップ触媒と呼ばれるものがある(特開平6−294319号公報参照)。
【0005】
このNOxトラップ触媒をリーン燃焼機関の排気通路に設置すれば、リーン運転時燃焼室から排出されるNOxをトラップして排気ガスから除去し、触媒により保持されているNOxの量(以下、「NOx保持量」という。)が所定量以上となった場合には、空燃比を一時的にリッチ化して、保持されているNOxを脱離浄化することができる。
【0006】
また、他の技術として、リーンな排気ガスが流入する場合でもNOxを選択的に還元することができるNOx選択還元触媒と呼ばれるものがある(特開平6−285335号公報参照)。選択還元の効率を向上させるた、触媒の上流還元剤を添加することも可能である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、成層燃焼を行う内燃機関の排気ガスの浄化については、前述のいずれの触媒を適用するとしても、成層燃焼の特性に起因して、従来の構成では結果として触媒の性能が低下し、充分な排気浄化効果が得られないという問題がある。それは、の理由による。
【0008】
成層燃焼に際し、燃焼に寄与することができるのは、点火栓近傍領域に分布する可燃空燃比の混合気であり、その周辺領域に分布する不可燃空燃比の混合気は、燃焼に寄与することができない。燃焼に寄与して生成された排気ガスは、HC,CO,NOxを多く含んでおり、他方、燃焼に寄与せずに生成された排気ガスは、不可燃空燃比の混合気が燃焼せずに排出されるものであり、酸素を多く含んでいる。
【0009】
成層燃焼により発生した排気ガスを触媒を設けて浄化する従来の構成では、燃焼に寄与して生成された排気ガスと、燃焼に寄与せずに生成された排気ガスとが混ざり合った状態で触媒を通過することになる。ここで、触媒により浄化すべき成分は、実際には、燃焼に寄与して生成された排気ガスに含まれるHC,CO,NOxである。従って、触媒に対して上記のように混ざり合った状態の排気ガスが流入するのは、好ましくない。
【0010】
すなわち、燃焼に寄与して生成された排気ガスと、燃焼に寄与せずに生成された排気ガスとが混ざり合った状態で触媒に流入することにより、燃焼に寄与して生成された排気ガスが触媒中に留まることができる時間は、燃焼に寄与せずに生成された排気ガスが触媒中を流れる分だけ短くなる。このことは、触媒の空間速度(=触媒中を流れる排気ガス量/触媒の体積)が高くなるのと等価であり、触媒による転換効率(又はトラップ効率)が低下し、触媒の性能低下を来すのである。
【0011】
このような実情に鑑み、本発明は、成層燃焼運転時における触媒による転換効率(又はトラップ効率)を触媒の体積を増すことなく高めることができるようにし、比較的小型の触媒によっても充分な低レベルにまで排気ガスを浄化することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、冠面に凹凸が形成されたピストンを有し、この冠面の凹凸により形成される燃焼室内に、点火栓近傍領域が可燃空燃比となり、その周辺領域が稀薄な不可燃空燃比となる混合気層を形成して、成層燃焼を行わせることのできる内燃機関ENGの排気浄化装置であって、図1に示すように、前記成層燃焼により発生した排気ガスから実際に燃焼に寄与して生成された排気ガスを分離すべく、前記排気ガスを燃焼に寄与した排気ガスと燃焼に寄与しなかった排気ガスとに分離して、前記燃焼に寄与した排気ガスを第1の排気通路に、前記燃焼に寄与しなかった排気ガスをこの第1の排気通路に対して並列に形成された第2の排気通路に流入させる排気ガス分離手段Aと、前記第1の排気通路の途中に位置する第1の排気浄化手段Bと、を含んで構成される。
前記排気ガス分離手段Aは、前記第1の排気通路側の第1の排気弁と前記第2の排気通路側の第2の排気弁とのバルブタイミングを異ならせ、前記第1の排気弁の開時期を前記第2の排気弁の開時期より遅く設定するとともに、前記第1の排気弁の閉時期を前記第2の排気弁の閉時期より早く設定して、前記燃焼に寄与した排気ガスを前記第1の排気通路に流入させるものである(請求項1)。
また、前記排気ガス分離手段Aは、前記燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁により、前記第1の排気通路側の第1の排気弁及び前記第2の排気通路側の第2の排気弁のうち、前記第1の排気弁の方向に燃料を噴射して、前記燃焼に寄与した排気ガスを前記第1の排気通路に流入させるものである(請求項5)。
【0013】
前記第1の排気浄化手段Bは、三元触媒を有し、前記排気ガス分離手段Aは、前記燃焼に寄与した排気ガスを、その平均空燃比がストイキとなるように、前記第1の排気通路に流入させるのが好ましい(請求項)。
前記第1の排気浄化手段Bは、流入した排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のNOxをトラップして保持し、流入した排気ガスの空燃比がリッチのときに保持しているNOxを排気ガス中の還元剤成分で還元するトラップ触媒を有し、前記排気ガス分離手段Aは、前記燃焼に寄与した排気ガスを、その平均空燃比がリーンとなるように、前記第1の排気通路に流入させるのが好ましい(請求項)。
【0014】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、前記トラップ触媒によるNOx保持量が所定量以上となったときに、前記トラップ触媒に対して補助還元剤を添加可能であるのが好ましい(請求項)。
前記排気ガス分離手段Aは、前記トラップ触媒によるNOx保持量が所定量以上となったときに、前記燃焼に寄与した排気ガスを、その平均空燃比がリッチとなるように、前記第1の排気通路に流入させるのが好ましい(請求項)。
【0015】
前記第1の排気浄化手段Bは、空燃比がリーンの排気ガスを流入して、流入した排気ガス中のNOxを排気ガス中の還元剤成分で還元可能な選択還元型触媒を有し、前記排気ガス分離手段Aは、前記燃焼に寄与した排気ガスを、その平均空燃比がリーンとなるように、前記第1の排気通路に流入させるのが好ましい(請求項10)。
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、前記選択還元型触媒に対して補助還元剤を添加可能であるのが好ましい(請求項11)。
【0016】
【0017】
前記第1及び第2の排気弁のバルブタイミングにより排気ガスを分離するもの(請求項 1)では、成層燃焼運転時において、前記第1の排気弁と前記第2の排気弁とがともに開弁しているときに、前記第1の排気通路の開口部面積、前記第2の排気通路の開口部面積より大きいのが好ましい(請求項)。
前記第1の排気弁は、機関運転条件に応じてバルブタイミングを可変に設定可能であるのが好ましい(請求項)。
【0018】
前記第1の排気弁は、機関回転数及び負荷のうちの少なくとも一方の増加に応じて、弁開期間を延長するのが好ましい(請求項)。
【0019】
【0020】
前記第1の排気通路と前記第2の排気通路とは、前記第1の排気浄化手段Bより下流側で合流し、この合流部より下流側の排気通路に、第2の排気浄化手段Cを備えるのが好ましい(請求項12)。
前記排気ガス分離手段Aは、機関の始動時を含む冷機時において、前記燃焼室から排出されるべき排気ガス量に対する、前記第1の排気通路に流入する排気ガス量の比を、ほぼ1とするのが好ましい(請求項13)。
【0021】
【0022】
【発明の効果】
請求項1に係る発明によれば、次の効果を得ることができる。
本発明に係る内燃機関では、成層燃焼において、点火栓近傍領域の可燃空燃比の混合気のみが燃焼に寄与することができ、その周辺領域の余剰空気は、燃焼に寄与することはできない。従って、燃焼直後の燃焼室内には、燃焼に寄与して生成された排気ガスと、燃焼に寄与せずに生成された排気ガスとが混在している。これらのうち、前者の排気ガス中に、HC,CO,NOxの汚染成分が多く存在する。
【0023】
そこで、成層燃焼運転時において、排気ガス分離手段Aにより、燃焼によって発生した排気ガスから実際に燃焼に寄与して生成された排気ガスを分離すべく、前記排気ガスを燃焼に寄与した排気ガスと燃焼に寄与しなかった排気ガスとに分離し、これらの排気ガスのうち燃焼に寄与した排気ガスのみを第1の排気浄化手段Bに流入させることで、燃焼に寄与した排気ガスに含まれる上記汚染成分は、第1の排気浄化手段B内に、これまで以上に長く留まることができるようになる。従って、第1の排気浄化手段Bによる排気浄化効果を高めることができる
請求項1に係る発明によれば、燃焼に寄与した排気ガスは、排気ガス分離手段Aにより燃焼に寄与しなかった排気ガスから分離された後、燃焼に寄与しなかった排気ガスとは別に第1の排気通路内を流れる。従って、燃焼に寄与した排気ガスは、燃焼に寄与しなかった排気ガスと混ざることなく第1の排気浄化手段Bに流入することとなるので、第1の排気浄化手段Bによる排気浄化効果をより高めることができる。
また、前述のように、成層燃焼直後の燃焼室内には、燃焼に寄与して生成された排気ガスと、燃焼に寄与せずに生成された排気ガスとが混在しているが、前者は主に点火栓周りの燃焼室略中央に分布しており、後者は、前記燃焼に寄与して生成された排気ガス周辺の、より壁面に近いところに分布している。従って、排気時では、まず、排気弁近傍の燃焼に寄与せずに生成された排気ガスが排気され、燃焼に寄与して生成された排気ガスが続き、更に燃焼に寄与せずに生成された排気ガスが排気される。
そこで、排気時において、第1の排気弁が、第2の排気弁の開時期より遅く開き、かつ第2の排気弁の閉時期より早く閉じることで、主に燃焼室略中央に分布する燃焼に寄与して生成された排気ガスを積極的に抽出し、燃焼に寄与した排気ガスと燃焼に寄与しなかった排気ガスとの分離を良好なものとして、浄化すべき汚染成分を多く含む燃焼に寄与した排気ガスを、第1の排気浄化手段Bに流すことができる。
また、請求項5に係る発明によれば、燃料の噴射方向を第1及び第2の排気弁のうち、 第1の排気弁の方向に傾けることで、燃焼に寄与することのできる混合気は、この第1の排気弁近傍に集中的に分布されることとなる。従って、第1の排気弁と第2の排気弁とのバルブタイミングが同じであっても、燃焼に寄与して生成された排気ガスを、第2の排気通路より第1の排気通路内に多量に取り込むことができる。
【0024】
請求項に係る発明によれば、三元触媒により、成層燃焼により発生した汚染成分であるHC,CO,NOxを同時に浄化することができる。また、触媒へは、排気ガス分離手段Aにより分離された、平均空燃比がストイキの燃焼に寄与した排気ガスのみが流入するため、これに含まれる汚染成分が触媒内に長く留まることができ、触媒による転換効率が向上する。
【0025】
請求項に係る発明によれば、トラップ触媒へは、排気ガス分離手段Aにより分離された、平均空燃比がリーンの燃焼に寄与した排気ガスのみが流入するため、これに含まれる汚染成分が触媒内に長く留まることができ、触媒によるトラップ効率が向上する。
請求項に係る発明によれば、次の効果を得ることができる。
【0026】
トラップ触媒へは、排気ガス分離手段Aにより分離された燃焼に寄与した排気ガスのみが流入するが、この燃焼に寄与した排気ガスは、成層燃焼により発生した排気ガス全体よりリッチな状態にある。従って、補助還元剤を添加して保持されているNOxを脱離還元することができるだけでなく、その添加量を低減してこれを行うことができる。
【0027】
請求項に係る発明によれば、燃焼に寄与した排気ガスの平均空燃比をリッチとすることで、トラップ触媒に流入する排気ガスもリッチとなる。このため、成層燃焼運転時においても、排気ガス中の還元剤成分により、保持されているNOxを脱離還元することができる。
請求項10に係る発明によれば、選択還元型触媒へは、排気ガス分離手段Aにより分離された、平均空燃比がリーンの燃焼に寄与した排気ガスのみが流入するため、これに含まれる汚染成分が触媒内に長く留まることができ、触媒による転換効率が向上する。
【0028】
請求項11に係る発明によれば、選択還元型触媒に添加される補助還元剤が触媒内に長く留まることができるため、添加する補助還元剤の量を低減することができる。
【0029】
【0030】
【0031】
請求項に係る発明によれば、第1の排気通路の排気ガス流量を、第2の排気通路の排気ガス流量よ大きくすることができるため、燃焼に寄与して生成された排気ガスは、第1の排気通路側により積極的に流入するようになる。このため、より多量の汚染成分を第1の排気浄化手段Bに流すことができる。
請求項に係る発明によれば、第1の排気弁のバルブタイミングを機関運転条件に応じて変更することで、燃焼に寄与して生成された排気ガスを効率的に抽出して排気ガスを分離することができる。
【0032】
請求項に係る発明によれば、次の効果を得ることができる。
機関回転数が増加すると、1サイクル当たりの排気の実時間は減少する。このときに、第1の排気弁の弁開期間を延長することで、第1の排気弁による排気の実時間を延長して、燃焼に寄与して生成された排気ガスの第1の排気通路への流入量を可及的に維持することができる。
【0033】
また、負荷が増加すると、これに付随して燃料噴射量も増加して、燃焼に寄与することのできる混合気の絶対量が増える。従って、この場合にも第1の排気弁の弁開期間を延長することで、燃焼に寄与して生成された排気ガスをより多く第1の排気通路に流すことができる。
【0034】
【0035】
【0036】
【0037】
請求項12に係る発明によれば、第1の排気浄化手段Bを浄化されずに通過した汚染成分と、排気ガス分離手段Aにより分離されて第2の排気通路を介した排気ガス中の汚染成分とを、第2の排気浄化手段Cにより浄化することができる。
請求項13に係る発明によれば、第1の排気浄化手段Bの暖機(活性化)のために、燃焼に寄与した排気ガスの熱に加えて燃焼に寄与しなかった排気ガスの熱をも利用することができるため、第1の排気浄化手段Bの暖機に要する時間を短縮することがきる。
【0038】
【0039】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図2は、本発明の第1の実施形態に係る内燃機関(以下、「エンジン」という。)1の構造を概略示す断面図であり、本発明に係る排気浄化装置を備えている。同図を参照して、エンジン1の構造について説明する。
【0040】
エンジン1の吸気通路2の入口には、エアクリーナ3が取り付けられている。このすぐ下流には、エアフロメータ4が設置されており、その検出信号が後述する電子制御ユニット(以下、「ECU」という。)41に送られて、エンジン1への吸入空気量Qaを測定可能となっている。
エアフロメータ4の下流の吸気通路2には、スロットル弁5が設置されており、これにより吸入空気量Qaが制御される。さらに、スロットル弁5の下流には、コレクタ6及びポート部7が接続し、スロットル弁5により流量制御された空気は、これらを介して、1気筒につき2つの吸気弁8(8a,8b)の弁開期間に、シリンダ9内の燃焼室に供給される。これらの吸気弁8a及び8bは、ECU41からの制御信号に基づいて作動する吸気側電磁アクチュエータ31により、所定のバルブタイミング吸気通路2を開く。
【0041】
シリンダ9の内部には、ピストン10が往復動自在に挿入されている。このピストン10の冠面には、タンブル制御のための凹凸11が設けられており、燃焼室内に進入した吸入空気は、この凹凸11により案内されてタンブル流を形成する。なお、ポート部7は、燃焼室に対して、このタンブル流が形成され易い角度接続されている。
【0042】
また、シリンダ9には、燃料噴射弁12が、ポート部7の開口部近傍に燃焼室内に直接臨むように設置されるとともに火栓13が、燃焼室略中央に位置するように設置されている。上記のようにしてタンブル流を形成する吸入空気に対して、燃料噴射弁12により所定のタイミングに、所定量の燃料が噴射供給され、このようにして形成された混合気は、点火栓13の作動により、所定のタイミング着火燃焼する。
【0043】
なお、燃料噴射弁12は、エンジン1の燃焼方式に応じて噴射時期が切り換えられ、燃料を燃焼室内に均一に分布させて出力を得る均質燃焼の場合には、吸気行程噴射する。一方、燃焼に寄与することのできる可燃空燃比の混合気を点火栓13の近傍に分布させて混合気を層状化して、燃費向上を狙う成層燃焼の場合には、圧縮行程噴射する。
【0044】
燃焼後、生成された排気ガスは、1気筒につき2つずつ形成されている排気ポート21(21a,21b)から排気通路22(22a,22b)を通して排気される。これらの排気通路22a及び22bをそれぞれ開閉する排気弁23(23a,23b)は、ECU41からの制御信号に基づいて作動する排気側電磁アクチュエータ32により駆動される。
【0045】
なお、排気弁23a及び23bと、排気側電磁アクチュエータ32とは、本発明の排気ガス分離手段を構成する。
図3は、シリンダ9を上方から見たところを表している。2つの排気通路22a,22bのうち第1の排気通路22aの途中には、上流側の触媒コンバータ24が設けられている。この触媒コンバータ24には、エンジン1とのマッチングに応じて三元触媒、NOxトラップ触媒及びNOx選択還元触媒のいずれをも内蔵させることができる。排気通路22aと22bとは、触媒コンバータ24より下流において合流しており、この合流部より下流の排気通路に、下流側の触媒コンバータ25設けられる。
【0046】
下流側の触媒コンバータ25は、第1の排気通路22aを通過したものの上流側の触媒コンバータ24では完全に浄化しきれなかった汚染成分や、第2の排気通路22bを通過した排気ガス中の汚染成分を、大気への放出前に浄化するためのものであり、上流側の触媒コンバータ24と同様にエンジン1とのマッチングに応じて適宜選択することができる。
【0047】
なお、上流側の触媒コンバータ24は、本発明の第1の排気浄化手段を構成し、下流側の触媒コンバータ25は、本発明の第2の排気浄化手段を構成する。
また、図2に示すように、排気通路にO2センサ51設置されており、これにより排気ガス中のO2濃度測定される。そして、エンジン1を理論空燃比で運転する際には、このO2センサ51からの情報に基づいてフィードバック制御われる
【0048】
電子制御ユニット41は、CPU、ROM、RAM、A/D変換器及び入出力インタフェースを含んで構成され、吸入空気量QaやO2濃度の他、クランク角センサ52からのクランク軸回転位置信号(これに基づいてエンジン回転数Neを算出することができる。)、アクセルセンサ53からのアクセルペダル開度信号Aps、及び水温センサ54からのエンジン冷却水温Twなどの情報を入力し、これらに基づいて吸気側電磁アクチュエータ31及び排気側電磁アクチュエータ32についての制御信号を発生する。
【0049】
次に、電子制御ユニット41の制御内容を、図4及び5に示すフローチャートを参照して説明する。まず始めに、燃焼方式選択について図4を参照して説明した後、続いて、排気側電磁アクチュエータ32の燃焼方式に応じた制御について図5を参照して説明する。
図4は、燃焼方式選択ルーチンのフローチャートである。
【0050】
まず、ステップ(以下、単に「S」という。)1で各種運転条件を読み込んだ後、続くS2で、アクセル開度Apsに基づいてマップから目標トルクTTCを求める。
S3では、エンジン回転数Neと目標トルクTTCとに基づいて燃焼フラグFcmb(0〜2)を設定する。成層燃焼により燃費向上を図るべき運転条件は、燃焼フラグFcmbは0に設定される。これ以外の運転条件では、均質燃焼が行われることとなるが、特に燃費を向上すべき領域は、均質リーン燃焼のため、燃焼フラグFcmbは1に設定される。上記2つの領域以外の領域では、均質ストイキ燃焼のため、燃焼フラグFcmbは2に設定される。
【0051】
S4では、水温Twが所定値TwL以上か否かを判定する。所定値TwL以上であると判定された場合には、本ルーチンをそのままリターンして、S3で設定された燃焼フラグFcmbを維持する。しかし、上記判定が否定的(即ち、水温Twが所定値TwL未満)と判定された場合には、S5に進んで、燃焼フラグFcmbを2に設定する。冷機時では、リーン燃焼を行う場合に安定性が得られない可能性があるため、リーン燃焼を禁止し、理論空燃比での燃焼を行うためである。
【0052】
次に、排気側電磁アクチュエータ32の燃焼方式に応じた制御について説明する。図5は、排気弁23a及び23bのバルブ作動角設定ルーチンの基本的な流れを示すフローチャートである。
まず、S11では、各種制御情報を読み込む。
S12では、水温Twが所定値TwL以上であるか、すなわち、エンジン1の暖機後であるか否かを判定する。所定値TwL以上であると判定された場合には、S14に進む。一方、上記判定が否定的である場合(冷機時)には、S13に進んで、第2の排気弁23bを停止してその閉状態を維持し、第1の排気弁23aのみによる排気を選択する。エンジン始動時を含む冷機時では、触媒温度を上げて触媒を活性化する必要があるので、そのような条件では、発生したすべての排気ガスを上流側の触媒コンバータ24に提供することにより、より多くの熱量を触媒に与え、活性時間の短縮を図るのである。
【0053】
S14では、燃焼フラグFcmbが0であるか、すなわち、選択された燃焼方式が成層燃焼であるか否かを判定する。その結果、燃焼フラグFcmbが0であると判定された場合には、S15に進んで、エンジン回転数Ne及び目標トルクTTC対応させて割り付けられたマップを用いて、排気弁23a及び23bの目標バルブ作動角を設定する。
【0054】
たとえば、運転条件が領域Aにある場合には、第1及び第2の排気弁23a,23bのリフトカーブは、それぞれ図6(a)に示すプロフィールPra1,Prb1のようになり、第1の排気弁23aの開時期は、第2の排気弁23bの開時期より遅く設定され、かつ第1の排気弁23aの閉時期は、第2の排気弁23bの閉時期より早く設定される。
【0055】
第1の排気弁23aの目標バルブ作動角は、エンジン回転数Neの変化に伴い、及び、特に目標トルクTTCの変化に伴って変更され、これらの増大に応じて目標バルブ作動角が拡大設定される(図の矢印方向)と、図6(b)に示すプロフィールPra2のように、第1の排気弁23aは、開時期が早められるとともに閉時期が遅らされて、弁開期間が延長される。
【0056】
一方、S14の判定結果が否定的、すなわち、選択された燃焼方式が均質燃焼(均質リーン燃焼又は均質ストイキ燃焼)であると判定された場合には、S16に進んで、選択された燃焼方式のための目標バルブ作動角を設定する。
図7は、成層燃焼運転時における燃焼直後の燃焼室内のCO2濃度の分布傾向を表している。
【0057】
前述のようにして燃焼方式として成層燃焼が選択された場合(即ち、燃焼フラグFcmb=0)には、点火栓13近傍の混合気のみが燃焼に寄与することができ、その周辺の混合気は稀薄な状態であって、燃焼に寄与することができない。このため、燃焼直後の燃焼室内のCO2濃度分布は、図示のように、点火栓13周りが高く、の周りは低くなる。
【0058】
このようなCO2濃度の分布傾向は、排気弁23が開いて排気が開始された後も、およそ維持される。すなわち、排気弁23が開くと、まず、排気弁23近傍の燃焼に寄与せずに生成されたCO2濃度の低い排気ガスが燃焼室から排出され、焼室中央部に集中している燃焼に寄与して生成されたCO2濃度の高い排気ガスが続き、に排気弁23から遠い位置にあるCO2濃度の低い排気ガスが排出されることとなる。従って、燃焼室から排気通路22に排出される排気ガス中のCO2濃度は、図8(a)に示すような傾向で変化する。
【0059】
排気ガス中のCO2濃度は、排気ガスの空燃比をほぼ示しているから、排気ガス中のCO2濃度、CO濃度及び排気ガスの空燃比の時間変化は、それぞれ図8(a)〜(c)のようになる。なお、COは、一般的に、空燃比がリッチな領域検出されるものであり、図示のCOの検出点は、CO2濃度変化のピーク点に対応し、このピーク点にくぼみが検出される。
【0060】
また、燃焼に寄与して生成されたCO2濃度の高い排気ガスには、燃焼時に発生したNOxが多く含まれており、一方、燃焼に寄与せずに生成されたCO2濃度の低い排気ガスに含まれるNOxは、少ない。従って、NOxを多く含む排気ガスは、主に排気行程中期に排出されることとなる。そこで、前述の構成により、第1の排気弁23aの弁開期間を排気行程中期、すなわち、燃焼に寄与して生成されたNOxを多く含む排気ガスの排出タイミングにわせて設定することで、NOxを多く含む排気ガスのみを上流側の触媒コンバータ24に流すことができる。
【0061】
ここで、上流側の触媒コンバータ24に三元触媒を内蔵させた場合には、空燃比が主にストイキ〜リッチの燃焼に寄与して生成された排気ガスを、第1の排気通路22a内に取り込むことで、第1の排気通路22a内の平均空燃比をストイキとし、三元触媒の転換効率が最も高い状態で排気ガス中のNOxを浄化することができる。
【0062】
この触媒コンバータ24ですべてのNOxを浄化しきれないとしても、下流側の触媒コンバータ25にNOxトラップ触媒や、NOx選択還元触媒を内蔵させることで、残りのNOxを浄化することができる。ここで、下流側の触媒によって浄化すべきNOxは上流側の触媒によって低減されているので、燃費やエミッションを改善することができる。
【0063】
また、上流側の触媒コンバータ24にNOxトラップ触媒を内蔵させた場合には、第1の排気通路22a内の平均空燃比は、リーンにする。
すなわち、排気ガス中のNOxをトラップするときには、第1の排気弁23aの弁開期間を図9(a−1)に示す期間Δtaとして、空燃比がストイキ〜リッチの排気ガスの排出タイミングを含む比較的長期に渡って第1の排気弁23aを開弁させる。このときの第1及び第2の排気弁23a,23bのリフトカーブは、それぞれ図9(a−2)のプロファイルPra3,Prb3のようになる。
【0064】
これに対して、NOxトラップ触媒のNOx保持量が所定量以上となった場合など、保持されているNOxを還元するときには、第1の排気弁23aの弁開期間を図9(b−1)に示す期間Δtbとして、空燃比がリッチの排気ガスの排出タイミングに合わせて第1の排気弁23aを開弁させる。このときの第1及び第2の排気弁23a,23bのリフトカーブは、それぞれ図9(b−2)のプロファイルPra4,Prb4のようになり、第1の排気弁23aの弁開期間は、NOxをトラップするときと比べて、より狭められる。
【0065】
このようにして上流側の触媒コンバータ24に流入する排気ガスの空燃比をリッチとすることで、保持されているNOxを、排気ガス中の還元剤成分によって還元浄化することができる。
また、上流側の触媒コンバータ24に三元触媒や、NOx選択還元触媒などを内蔵させる場合には、触媒コンバータ24上流の第1の排気通路22a内にNH3,H2,CO,HCなどの補助還元剤を添加して、NOxを浄化することも可能である。第1の排気通路22a内の排気ガスは、そのリーン度合いが従来よ低くなっている(よりリッチ側にある)から、補助還元剤の添加量は、従来よ少なくて済む。
【0066】
図10は、成層燃焼運転時における燃焼直後の燃焼室内のCO2濃度の分布傾向を、負荷の違い(高低)に分けて表したものである。また、図11は、負荷が低い場合と高い場合とにおける第1及び第2の排気弁23a,23bの弁開期間を、燃焼室から排出される排気ガス中のCO2濃度の時間変化に対応させて示したものである。
【0067】
低負荷側、すなわち、燃料噴射量が少ない場合には、図10(a)に示すように、CO2濃度の高い部分は点火栓13近傍のごく狭い範囲内に限られ、その周辺に形成されるCO2濃度の低い部分の占める割合が大きくなる。このため、排気ガス中のCO2濃度の時間変化は、図11(a)のように一時的なピークを形成する。前述のように、排気ガス中のCO2濃度は、排気ガスの空燃比をほぼ示しているから、第1の排気弁23aの作動角を狭めることで、燃焼に寄与して生成された排気ガスを精度良く第1の排気通路22a内に取り込むことができる。
【0068】
一方、高負荷側、すなわち、燃料噴射量が多い場合には、図10(b)に示すように、CO2濃度の高い部分は点火栓13周りの比較的広い範囲に拡大する。このため、排気ガス中のCO2濃度は、図11(b)のように高濃度値をある程度の時間維持する。従って、第1の排気弁23aの作動角を比較的広くとることで、燃焼に寄与して生成された排気ガスを、より多く第1の排気通路22a内に取り込むことができる。
【0069】
本実施形態では、吸排気弁の動弁装置として、電磁駆動式アクチュエータを利用しているので、バルブタイミングだけでなくリフト量も所望に変化させることができる。
そこで、第1の排気弁23a及び第2の排気弁23bのリフトカーブを、たとえば図12に示すプロファイルPra5,Prb5に沿うように設定して、第1及び第2の排気弁がともに開弁しているときに、第1の排気弁のリフト量が、第2の排気弁のリフト量よ大きくなるようにする。
【0070】
これにより、排気ポート21aの開口部面積が、排気ポート21bの開口部面積よ大きくなるため、第1の排気通路22aへの排気ガス流量を、第2の排気通路22bへの排気ガス流量より大きくすることができる。なお、第2の排気通路22bの流路面積を調節可能な絞り弁を設けて同様な効果を得ることができる。
【0071】
また、第1の排気弁23a及び第2の排気弁23bのリフトカーブを、図13に示すプロファイルPra6,Prb6に沿うように設定して、燃焼室から燃焼に寄与して生成された排気ガスが排出されるタイミングにわせて第1の排気弁23aを開き、これとともに第2の排気弁23bのリフト量を小さくすることも可能である。
【0072】
以上の説明では、複数の排気通路のうち特定の排気通路に対して、上流側の触媒コンバータ24を個別に設置する例を説明したが、本発明はこれに限らず、集合的な上流側の触媒コンバータを設けて、実施することもできる。
図14は、その一例を示しており、すべての排気通路が1つの上流側の触媒コンバータ124に接続されている。この触媒コンバータ124内は、格子状の通路となっているため、分離された後に混ざり合うことなく流入した排気ガス(即ち、燃焼に寄与した排気ガス及び燃焼に寄与しなかった排気ガス)は、触媒コンバータ124内においても混ざり合うことはない。上流側の触媒コンバータ124下流の排気通路には、下流側の触媒コンバータを設けることもできる。
【0073】
このように、本発明によれば、成層燃焼運転時において、燃焼に寄与して生成されたNOxを多く含む排気ガスを、積極的に第1の排気通路22a内に取り込むことができる。その結果、燃焼によって発生した排気ガスは、燃焼に寄与した排気ガスと燃焼に寄与しなかった排気ガスとに分離され、燃焼に寄与した排気ガスのみが、前記分離状態が維持されたまま上流側の触媒コンバータ24(集合的な触媒コンバータ124の一部)に流入することとなる。従って、汚染成分を多く含む排気ガスを選択的に上流側の触媒コンバータ24に流入させることができ、体積を増すことなく上流側の触媒の空間速度を低減し、その触媒による転換効率(又はトラップ効率)を高めることができる。
【0074】
本実施形態では、電磁駆動式の動弁装置を利用しているが、本発明はこれに限らず、カム駆動式の可変動弁装置を利用しても同様な効果を得ることができるし、また、所望のリフトカーブを与える固定カムを設けてもよい。
【0075】
【0076】
【0077】
なお、吸排気弁の動弁装置は、求められるエンジン性能に応じて選択することができるが、図示の例では、吸気弁8は、リフタ31を介して吸気側カム32により、排気弁23は、リフタ33を介して排気側カム34により、それぞれ駆動される。
排気ガスを燃焼に寄与した排気ガスと燃焼に寄与しなかった排気ガスとに分離する方法は、以上に示した排気弁23によるものに限られない。以下に示すように、燃料噴射弁による燃料の噴射方向により分離することも可能である。そこで、次に、本発明の第実施形態について説明する。
【0078】
15は、実施形態に係るエンジン201の構造を示す平面図である。前述のエンジン1と同一の構成部分については、図2における符号と同一の符号を付している。
このように、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁212の噴射方向を、第1の排気通路22aのポート部(排気弁)に向けて設定し、燃焼に寄与することのできる混合気を、このポート部の開口部近傍に集中させる。これにより、燃焼に寄与して生成された排気ガスを、第2の排気通路22bよ第1の排気通路22a内に多量に取り込むことができる。
【0079】
これに加えて、図16に示すように、ピストン209の冠面に形成されるピストンボウル(凹部)Cの位置を、第1の排気通路22aの開口部寄りに設定して、燃焼に寄与することのできる混合気を、この開口部近傍に集中させることとしてもよい。この場合には、燃料噴射弁212及びピストンボウルC本発明の排気ガス分離手段を構成する。
【0080】
【0081】
【0082】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の構成を示すブロック図
【図2】本発明の第1の実施形態に係る内燃機関の構成を概略示す断面図
【図3】同上内燃機関の排気系の平面図
【図4】燃焼方式選択ルーチンのフローチャート
【図5】目標バルブ作動角設定ルーチンのフローチャート
【図6】排気弁のリフトカーブの一例を示す図
【図7】成層燃焼運転時における燃焼直後の燃焼室内のCO2濃度の分布傾向を示す図
【図8】成層燃焼後に燃焼室から排出される排気ガス中のCO2濃度、CO濃度及び空燃比の時間変化を示す図
【図9】燃焼に寄与した排気ガスの空燃比の制御方法を示す図
【図10】CO2濃度分布の目標トルクに応じた変化傾向を示す図
【図11】排気弁開期間の目標トルクに応じた変化傾向を示す図
【図12】排気弁のリフトカーブの他の例を示す図
【図13】排気弁のリフトカーブの他の例を示す図
【図14】集合的な上流側の触媒コンバータの一例を示す図
【図15】本発明の第の実施形態に係る内燃機関の構成を概略示す平面図
【図16】同上内燃機関のピストン形状を示す図
【符号の説明】
1…エンジン、2…吸気通路、8…吸気弁、9…シリンダ、10…ピストン、12…燃料噴射弁、13…点火栓、21…排気ポート、22…排気通路、23…排気弁、24…上流側の触媒コンバータ、25…下流側の触媒コンバータ、31…吸気側電磁アクチュエータ、32…排気側電磁アクチュエータ、41…電子制御ユニット
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, and more particularly to a technique for enhancing an exhaust gas purification effect by a catalyst during stratified combustion operation in an internal combustion engine capable of stratified combustion.
[0002]
[Prior art]
  In recent years, the need to improve fuel economy of internal combustion engines has increased from the perspective of preventing global warming,soA lean air-fuel ratio combustion, that is, an internal combustion engine that is operated leaner than the stoichiometric air-fuel ratio is becoming widespread. Among them, especially low load and low rotation rangesoStratified combustion, that is, an air-fuel mixture with an appropriate air-fuel ratio is formed near the spark plug,FurtherSome of them perform combustion in the state where a large amount of excess air exists around them. In this stratified combustion, only the air-fuel mixture in the vicinity of the spark plug contributes to the combustion, so that the air-fuel ratio can be made lean substantially compared with the case of homogeneous combustion, and the fuel efficiency improvement effect is high.
[0003]
  By the way, pollutant components such as HC, CO, NOx in the exhaust gas of the internal combustion engine have been conventionally used.,Purifying using a three-way catalystRu. This three-way catalyst oxidizes HC and CO in the inflowing exhaust gas to produce H2O and CO2And also,NOx is reduced to N2Thus, these polluting components are rendered harmless, and the conversion efficiency is highest when the average air-fuel ratio in the catalyst is stoichiometric, and when the average air-fuel ratio changes to the rich side, the oxygen concentration in the catalyst Reduced HC and CO conversion efficiency (Ie, Oxidation rate)On the other hand,When changing to the lean side, the oxygen concentration becomes excessive and the NOx conversion efficiency (SnowThat is, the reduction rate) decreases.
[0004]
  For these reasons, it is difficult for the above-described lean combustion engine to purify NOx in the exhaust gas to a sufficiently low level by the three-way catalyst. Here, the following can be mentioned as techniques for purifying NOx under a lean air-fuel ratio.
  First, trap and hold NOx in the exhaust gas when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean,FurtherThere is a so-called NOx trap catalyst for desorbing and purifying NOx retained when the air-fuel ratio of exhaust gas flowing into the exhaust gas is rich (Japanese Patent Laid-Open06-294319).
[0005]
  If this NOx trap catalyst is installed in the exhaust passage of a lean combustion engine, during lean operationInWhen NOx discharged from the combustion chamber is trapped and removed from the exhaust gas, and the amount of NOx retained by the catalyst (hereinafter referred to as “NOx retention amount”) exceeds a predetermined amount, the air-fuel ratio Can be temporarily enriched to desorb and purify the retained NOx.
[0006]
  As another technique, there is a so-called NOx selective reduction catalyst capable of selectively reducing NOx even when lean exhaust gas flows (Japanese Patent Laid-Open No. Hei.0No. 6-285335). Improve selective reduction efficiencyLetRutaMeUpstream of the catalystsoIt is also possible to add a reducing agent.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
  However, for the purification of exhaust gas from an internal combustion engine that performs stratified combustion, even if any of the above-mentioned catalysts is applied, due to the characteristics of stratified combustion, the performance of the catalyst is reduced as a result of the conventional configuration, which is sufficient. There is a problem that an effective exhaust purification effect cannot be obtained. that is,NextBecause of the reason.
[0008]
  For stratified combustionBy the wayA combustible air-fuel ratio mixture distributed in the vicinity of the spark plug can contribute to combustion, and an incombustible air-fuel ratio mixture distributed in the surrounding area cannot contribute to combustion. Exhaust gas generated by contributing to combustion contains a lot of HC, CO, and NOx.On the other handThe exhaust gas generated without contributing to combustion is exhausted without burning the non-combustible air-fuel ratio mixture, and contains a large amount of oxygen.
[0009]
  Exhaust gas generated by stratified combustion,In the conventional configuration in which the catalyst is provided and purified, the exhaust gas generated by contributing to combustion and the exhaust gas generated without contributing to combustion pass through the catalyst in a mixed state. Here, the components to be purified by the catalyst are actually HC, CO, and NOx contained in the exhaust gas generated by contributing to combustion. Therefore, it is not preferable that the exhaust gas mixed as described above flows into the catalyst.
[0010]
  In other words, exhaust gas generated by contributing to combustion flows into the catalyst in a state where exhaust gas generated by contributing to combustion and exhaust gas generated without contributing to combustion are mixed. The time that can remain in the catalyst is shortened by the amount of exhaust gas produced without contributing to combustion flowing in the catalyst. This is equivalent to an increase in the space velocity of the catalyst (= the amount of exhaust gas flowing through the catalyst / the volume of the catalyst). It is.
[0011]
  In view of such circumstances, the present invention makes it possible to increase the conversion efficiency (or trap efficiency) by the catalyst during the stratified combustion operation without increasing the volume of the catalyst, and is sufficiently low even with a relatively small catalyst. An object of the present invention is to provide an exhaust gas purification device for an internal combustion engine that can purify exhaust gas to a level.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
  An internal combustion engine exhaust gas purification apparatus according to the present invention includes:It has a piston with irregularities on the crown surface and is formed by the irregularities on this crown surfaceAn exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine ENG capable of performing stratified combustion by forming an air-fuel mixture layer in which a region near a spark plug becomes a combustible air-fuel ratio and a peripheral region becomes a lean incombustible air-fuel ratio in the combustion chamber As shown in FIG. 1, in order to separate the exhaust gas actually generated by contributing to combustion from the exhaust gas generated by the stratified combustion, the exhaust gas contributes to combustion and the exhaust gas that contributes to combustion. Not separated into exhaust gasThen, the exhaust gas that has contributed to the combustion flows into the first exhaust passage, and the exhaust gas that has not contributed to the combustion flows into the second exhaust passage that is formed in parallel with the first exhaust passage.Exhaust gas separation means A, andLocated in the middle of the first exhaust passageFirst exhaust purification means B.
  The exhaust gas separation means A makes the valve timing of the first exhaust valve on the first exhaust passage side different from that of the second exhaust valve on the second exhaust passage side, Exhaust gas that contributes to the combustion by setting the opening timing later than the opening timing of the second exhaust valve and setting the closing timing of the first exhaust valve earlier than the closing timing of the second exhaust valve Into the first exhaust passage (claim 1).
  Further, the exhaust gas separating means A includes a first exhaust valve on the first exhaust passage side and a second exhaust on the second exhaust passage side by a fuel injection valve that directly injects fuel into the combustion chamber. Among the valves, fuel is injected in the direction of the first exhaust valve, and exhaust gas that contributes to the combustion flows into the first exhaust passage (Claim 5).
[0013]
  The first exhaust purification means B has a three-way catalyst, and the exhaust gas separation means A is an exhaust gas that has contributed to the combustion.TheSo that the average air-fuel ratio becomes stoichiometric.Flowing into the first exhaust passageAre preferred (claims)6).
  The first exhaust purification means B traps and holds NOx in the exhaust gas when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean, and holds it when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is rich. The exhaust gas separation means A has a trap catalyst that reduces NOx with a reducing agent component in the exhaust gas, and the exhaust gas separation means A contributes to the combustion.TheSo that the average air-fuel ratio becomes leanFlowing into the first exhaust passageAre preferred (claims)7).
[0014]
  The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention is preferably capable of adding an auxiliary reducing agent to the trap catalyst when the amount of NOx retained by the trap catalyst becomes equal to or greater than a predetermined amount.8).
  The exhaust gas separation means A is configured to provide an exhaust gas that contributes to the combustion when the amount of NOx retained by the trap catalyst exceeds a predetermined amount.TheSo that the average air-fuel ratio becomes richAnd flowing into the first exhaust passageAre preferred (claims)9).
[0015]
  The first exhaust purification means B has a selective reduction type catalyst that can flow exhaust gas having a lean air-fuel ratio and reduce NOx in the exhaust gas that has flowed in with a reducing agent component in the exhaust gas, The exhaust gas separation means A is an exhaust gas that contributes to the combustion.TheSo that the average air-fuel ratio becomes leanFlowing into the first exhaust passageAre preferred (claims)10).
  In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, it is preferable that an auxiliary reducing agent can be added to the selective catalytic reduction catalyst.11).
[0016]
[0017]
  The exhaust gas is separated by the valve timing of the first and second exhaust valves. 1)During stratified combustion operationHeyWhen the first exhaust valve and the second exhaust valve are both open, the opening area of the first exhaust passageButThe opening area of the second exhaust passage is preferably larger than that of the second exhaust passage.2).
  It is preferable that the valve timing of the first exhaust valve can be variably set according to engine operating conditions.3).
[0018]
  Preferably, the first exhaust valve extends the valve opening period in accordance with an increase in at least one of engine speed and load.4).
[0019]
[0020]
  The first exhaust passage and the second exhaust passage join downstream from the first exhaust purification means B,thisIt is preferable that the second exhaust purification means C is provided in the exhaust passage downstream of the junction.12).
  The exhaust gas separation means A provides the first exhaust with respect to the amount of exhaust gas to be exhausted from the combustion chamber when the engine is cold, including when the engine is started.aisleIt is preferable that the ratio of the amount of exhaust gas flowing into the engine is approximately 1.13).
[0021]
[0022]
【The invention's effect】
  According to the invention which concerns on Claim 1, the following effect can be acquired.
  In the internal combustion engine according to the present invention,Stratified combustionInOnly the combustible air-fuel ratio mixture in the region near the spark plug can contribute to combustion, and the surplus air in the peripheral region cannot contribute to combustion. Therefore, in the combustion chamber immediately after combustion, exhaust gas generated by contributing to combustion and exhaust gas generated without contributing to combustion are mixed. Of these, many HC, CO, and NOx pollutants are present in the former exhaust gas.
[0023]
  Therefore, during stratified combustion operationHeyThus, the exhaust gas separation means A did not contribute to combustion with the exhaust gas that contributed to combustion, in order to separate the exhaust gas actually generated and contributed to combustion from the exhaust gas generated by combustion. By separating only the exhaust gas that has contributed to combustion out of these exhaust gases into the first exhaust purification means B, the pollutant component contained in the exhaust gas that has contributed to combustion is the first The exhaust gas purification means B can stay longer than before. Therefore, the exhaust purification effect by the first exhaust purification means B is enhanced.Can.
  According to the first aspect of the present invention, after the exhaust gas that has contributed to combustion is separated from the exhaust gas that has not contributed to combustion by the exhaust gas separation means A, the exhaust gas that has not contributed to combustion is separated from the exhaust gas that has not contributed to combustion. 1 flows in the exhaust passage. Therefore, the exhaust gas that has contributed to the combustion flows into the first exhaust gas purification means B without being mixed with the exhaust gas that has not contributed to the combustion, so that the exhaust gas purification effect by the first exhaust gas purification means B is further increased. Can be increased.
  In addition, as described above, in the combustion chamber immediately after stratified combustion, exhaust gas generated by contributing to combustion and exhaust gas generated without contributing to combustion are mixed, but the former is mainly used. In the combustion chamber around the spark plug, and the latter is distributed near the wall surface around the exhaust gas generated by contributing to the combustion. Therefore, at the time of exhaust, first, exhaust gas generated without contributing to combustion in the vicinity of the exhaust valve is exhausted, followed by exhaust gas generated contributing to combustion, and further generated without contributing to combustion. Exhaust gas is exhausted.
  Therefore, during exhaust, the first exhaust valve opens more late than the opening timing of the second exhaust valve and closes earlier than the closing timing of the second exhaust valve, so that combustion mainly distributed in the approximate center of the combustion chamber. The exhaust gas generated by contributing to the combustion is positively extracted, and the separation of the exhaust gas that has contributed to the combustion and the exhaust gas that has not contributed to the combustion is made favorable so that the combustion contains a lot of pollutant components to be purified. The contributed exhaust gas can flow to the first exhaust purification means B.
  Moreover, according to the invention which concerns on Claim 5, the fuel injection direction is made into the 1st and 2nd exhaust valve, By inclining in the direction of the first exhaust valve, the air-fuel mixture that can contribute to combustion is intensively distributed in the vicinity of the first exhaust valve. Therefore, even if the valve timings of the first exhaust valve and the second exhaust valve are the same, a large amount of exhaust gas generated by contributing to combustion is introduced into the first exhaust passage from the second exhaust passage. Can be imported.
[0024]
  Claim6According to the invention, the three-way catalyst can simultaneously purify HC, CO, and NOx that are pollutants generated by stratified combustion. Further, since only the exhaust gas whose average air-fuel ratio contributed to the combustion of the stoichiometric gas separated by the exhaust gas separation means A flows into the catalyst, the polluted components contained therein can stay in the catalyst for a long time, The conversion efficiency by the catalyst is improved.
[0025]
  Claim7According to the invention, since only the exhaust gas that has been separated by the exhaust gas separation means A and contributed to the lean combustion of the average air-fuel ratio flows into the trap catalyst, the polluted components contained therein are contained in the catalyst. It can stay for a long time, and the trapping efficiency by the catalyst is improved.
  Claim8According to the invention concerning, the following effect can be acquired.
[0026]
  Only the exhaust gas contributing to the combustion separated by the exhaust gas separation means A flows into the trap catalyst, but the exhaust gas contributing to this combustion is in a richer state than the entire exhaust gas generated by the stratified combustion. Therefore, it is possible not only to desorb and reduce the retained NOx by adding an auxiliary reducing agent, but also to reduce the amount of addition and perform this.
[0027]
  Claim9According to this invention, the exhaust gas flowing into the trap catalyst becomes rich by making the average air-fuel ratio of the exhaust gas contributing to combustion rich. For this reason, even during stratified combustion operation, the retained NOx can be desorbed and reduced by the reducing agent component in the exhaust gas.
  Claim10According to the invention according to the present invention, since only the exhaust gas that has been separated by the exhaust gas separation means A and contributes to the lean combustion of the average air-fuel ratio flows into the selective reduction catalyst, the pollutant component contained therein is the catalyst. The conversion efficiency by the catalyst is improved.
[0028]
  Claim11According to the invention, since the auxiliary reducing agent added to the selective catalytic reduction catalyst can stay in the catalyst for a long time, the amount of the auxiliary reducing agent to be added can be reduced.
[0029]
[0030]
[0031]
  Claim2According to the invention relating to this, the exhaust gas flow rate in the first exhaust passage is equal to the exhaust gas flow rate in the second exhaust passage.RSince it can be increased, the exhaust gas generated by contributing to the combustion will more actively flow into the first exhaust passage side. For this reason, a larger amount of contaminating components can be flowed to the first exhaust purification means B.
  Claim3According to the present invention, the valve timing of the first exhaust valve is changed according to the engine operating condition, so that the exhaust gas generated by contributing to combustion can be efficiently extracted to separate the exhaust gas. Can do.
[0032]
  Claim4According to the invention concerning, the following effect can be acquired.
  As the engine speed increases, the actual exhaust time per cycle decreases. At this time, the first exhaust passage of the exhaust gas generated by contributing to the combustion is extended by extending the valve opening period of the first exhaust valve, thereby extending the real time of exhaust by the first exhaust valve. The amount of inflow to the can be maintained as much as possible.
[0033]
  Further, when the load increases, the amount of fuel injection increases accordingly, and the absolute amount of the air-fuel mixture that can contribute to combustion increases. Therefore, in this case as well, by extending the valve opening period of the first exhaust valve, it is possible to flow more exhaust gas generated by contributing to combustion to the first exhaust passage.
[0034]
[0035]
[0036]
[0037]
  Claim12According to the invention, the pollutant component that has passed through the first exhaust gas purification unit B without being purified and the pollutant component in the exhaust gas that has been separated by the exhaust gas separation unit A and passed through the second exhaust passage. It can be purified by the second exhaust purification means C.
  Claim13According to the present invention, in order to warm up (activate) the first exhaust gas purification means B, the heat of the exhaust gas that has not contributed to the combustion is also used in addition to the heat of the exhaust gas that has contributed to the combustion. Therefore, the time required for warming up the first exhaust purification means B can be shortened.
[0038]
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
  FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the internal combustion engine (hereinafter referred to as “engine”) 1 according to the first embodiment of the present invention, and includes the exhaust purification device according to the present invention. The structure of the engine 1 will be described with reference to FIG.
[0040]
  An air cleaner 3 is attached to the inlet of the intake passage 2 of the engine 1. Immediately downstream of this, an air flow meter 4 is installed, and a detection signal thereof is sent to an electronic control unit (hereinafter referred to as “ECU”) 41, which will be described later, so that an intake air amount Qa to the engine 1 can be measured. It has become.
  A throttle valve 5 is installed in the intake passage 2 downstream of the air flow meter 4, thereby controlling the intake air amount Qa. Further, a collector 6 and a port section 7 are connected downstream of the throttle valve 5, and air whose flow rate is controlled by the throttle valve 5 passes through these two intake valves 8 (8 a, 8 b) per cylinder. Valve opening periodIn addition,It is supplied to the combustion chamber in the cylinder 9. These intake valves 8a and 8b are controlled signals from the ECU 41.On the basis of theBy the intake side electromagnetic actuator 31 that operates, a predetermined valve timing is obtained.soOpen the intake passage 2.
[0041]
  A piston 10 is inserted into the cylinder 9 so as to be capable of reciprocating. The crown surface of the piston 10 is provided with irregularities 11 for tumble control, and the intake air that has entered the combustion chamber is guided by the irregularities 11 to form a tumble flow. In addition, the port part 7 isthisAngle at which tumble flow is likely to formsoConnectionIsing.
[0042]
  The cylinder 9 has a fuel injection valve 12 in the vicinity of the opening of the port portion 7.,It is installed so as to face the combustion chamber directlyAnd,pointThe fire hydrant 13 is installed so as to be positioned substantially in the center of the combustion chamber. The fuel injection valve 12 injects and supplies a predetermined amount of fuel to the intake air that forms the tumble flow as described above, and the air-fuel mixture thus formed is By operation, predetermined timingsoIgnite and burn.
[0043]
  The fuel injection valve 12 is switched in the injection timing according to the combustion method of the engine 1, and in the case of homogeneous combustion in which the fuel is uniformly distributed in the combustion chamber to obtain an output, the intake strokesoSpray. On the other hand, in the case of stratified combustion that aims to improve fuel efficiency by distributing a mixture of combustible air-fuel ratio that can contribute to combustion in the vicinity of the spark plug 13 and stratifying the mixture, the compression strokesoSpray.
[0044]
  After combustion, the generated exhaust gas is exhausted through the exhaust passage 22 (22a, 22b) from the exhaust ports 21 (21a, 21b) formed by two for each cylinder. Exhaust valves 23 (23a, 23b) for opening and closing the exhaust passages 22a and 22b, respectively, are controlled by a control signal from the ECU 41.On the basis of theIt is driven by the exhaust side electromagnetic actuator 32 which operates.
[0045]
  The exhaust valves 23a and 23b and the exhaust side electromagnetic actuator 32 constitute exhaust gas separation means of the present invention.
  FIG. 3 shows the cylinder 9 as viewed from above. An upstream catalytic converter 24 is provided in the middle of the first exhaust passage 22a of the two exhaust passages 22a and 22b.Ising. The catalytic converter 24 can incorporate any of a three-way catalyst, a NOx trap catalyst, and a NOx selective reduction catalyst according to matching with the engine 1. The exhaust passages 22a and 22b merge downstream of the catalytic converter 24,thisA downstream catalytic converter 25 is connected to the exhaust passage downstream from the junction.ButEstablishmentIsTheNoThe
[0046]
  The downstream catalytic converter 25 passes through the first exhaust passage 22a but is upstream of the catalytic converter 24.ThenIt is for purifying the pollutant components that could not be completely purified and the pollutant components in the exhaust gas that passed through the second exhaust passage 22b before being released to the atmosphere,Similar to upstream catalytic converter 24It can be appropriately selected according to matching with the engine 1.
[0047]
  The upstream catalytic converter 24 constitutes the first exhaust purification means of the present invention, and the downstream catalytic converter 25 constitutes the second exhaust purification means of the present invention.
  In addition, as shown in FIG.2Sensor 51ButInstallationHas beenThis causes O in exhaust gas2concentrationButMeasurementIsThe When the engine 1 is operated at the stoichiometric air-fuel ratio, this O2Information from sensor 51On the basis of theFeedback controlButlineBe called.
[0048]
  The electronic control unit 41 includes a CPU, a ROM, a RAM, an A / D converter, and an input / output interface, and includes an intake air amount Qa and O2In addition to the concentration, the crankshaft rotation position signal from the crank angle sensor 52 (based on this, the engine speed Ne can be calculated), the accelerator pedal opening signal Aps from the accelerator sensor 53, and the water temperature sensor 54 Enter information such as engine coolant temperature TwOn the basis of theControl signals for the intake side electromagnetic actuator 31 and the exhaust side electromagnetic actuator 32 are generated.
[0049]
  Next, the control contents of the electronic control unit 41 will be described with reference to the flowcharts shown in FIGS. First, the combustion method selection will be described with reference to FIG. 4, and then control according to the combustion method of the exhaust side electromagnetic actuator 32 will be described with reference to FIG.
  FIG. 4 is a flowchart of a combustion method selection routine.
[0050]
  First, after reading various operating conditions in step (hereinafter simply referred to as “S”) 1, the accelerator opening Aps is read in subsequent S2.On the basis of theA target torque TTC is obtained from the map.
  In S3, the engine speed Ne, the target torque TTC,On the basis of theA combustion flag Fcmb (0 to 2) is set. Operating conditions that should improve fuel efficiency through stratified combustionsoThe combustion flag Fcmb is set to 0. In other operating conditions, homogeneous combustion will occur, but in particular areas where fuel economy should be improved.soThe combustion flag Fcmb is set to 1 for homogeneous lean combustion. In a region other than the above two regions, the combustion flag Fcmb is set to 2 for homogeneous stoichiometric combustion.
[0051]
  In S4, it is determined whether or not the water temperature Tw is equal to or higher than a predetermined value TwL. When it is determined that the value is equal to or greater than the predetermined value TwL, the routine returns as it is, and the combustion flag Fcmb set in S3 is maintained. However, if the above determination is negative (that is, the water temperature Tw is less than the predetermined value TwL), the process proceeds to S5 and the combustion flag Fcmb is set to 2. This is because when the engine is cold, there is a possibility that stability may not be obtained when performing lean combustion, so lean combustion is prohibited and combustion is performed at the stoichiometric air-fuel ratio.
[0052]
  Next, control according to the combustion method of the exhaust side electromagnetic actuator 32 will be described. FIG. 5 is a flowchart showing a basic flow of a valve operating angle setting routine for the exhaust valves 23a and 23b.
  First, in S11, various control information is read.
  In S12, it is determined whether the water temperature Tw is equal to or higher than a predetermined value TwL, that is, whether the engine 1 has been warmed up. If it is determined that the value is equal to or greater than the predetermined value TwL, the process proceeds to S14. On the other hand, if the above determination is negative (during cold operation), the process proceeds to S13, the second exhaust valve 23b is stopped and kept closed, and the exhaust by only the first exhaust valve 23a is selected. To do. When the engine is cold, including when the engine is started, it is necessary to increase the catalyst temperature to activate the catalyst.like thatconditionsThenBy providing all the generated exhaust gas to the catalytic converter 24 on the upstream side, a larger amount of heat is given to the catalyst, and the activation time is shortened.
[0053]
  In S14, it is determined whether or not the combustion flag Fcmb is 0, that is, whether or not the selected combustion method is stratified combustion. As a result, when it is determined that the combustion flag Fcmb is 0, the routine proceeds to S15, where the engine speed Ne.as well asTarget torque TTCInThe target valve operating angles of the exhaust valves 23a and 23b are set using the maps assigned in correspondence.
[0054]
  AndFor example, when the operating condition is in the region A, the lift curves of the first and second exhaust valves 23a and 23b are as shown in the profiles Pra1 and Prb1 shown in FIG. The opening timing of the valve 23a is set later than the opening timing of the second exhaust valve 23b, and the closing timing of the first exhaust valve 23a is set earlier than the closing timing of the second exhaust valve 23b.
[0055]
  The target valve operating angle of the first exhaust valve 23a is changed with the change of the engine speed Ne, and particularly with the change of the target torque TTC. (FigureDuring ~And the profile Pra2 shown in FIG. 6B, the opening timing of the first exhaust valve 23a is advanced while the closing timing is delayed and the valve opening period is extended.
[0056]
  On the other hand, when the determination result of S14 is negative, that is, when it is determined that the selected combustion method is homogeneous combustion (homogeneous lean combustion or homogeneous stoichiometric combustion), the process proceeds to S16 and the selected combustion method is selected. Set target valve operating angle for
  FIG. 7 shows CO in the combustion chamber immediately after combustion during stratified charge combustion operation.2It represents the concentration distribution trend.
[0057]
  When stratified combustion is selected as the combustion method as described above (that is, the combustion flag Fcmb = 0), only the air-fuel mixture in the vicinity of the spark plug 13 can contribute to combustion, and the air-fuel mixture in the vicinity thereof is It is a lean state and cannot contribute to combustion. For this reason, CO in the combustion chamber immediately after combustion2As shown in the figure, the concentration distribution is high around the spark plug 13,SoThe surroundings are low.
[0058]
  Such CO2The concentration distribution tendency is substantially maintained even after the exhaust valve 23 is opened and exhaust is started. That is, when the exhaust valve 23 is opened, first, CO generated without contributing to the combustion in the vicinity of the exhaust valve 23 is generated.2Low-concentration exhaust gas is discharged from the combustion chamber,BurningCO generated by contributing to the combustion concentrated in the center of the firing chamber2Concentrated exhaust gas continues,FurtherAt a position far from the exhaust valve 232The exhaust gas having a low concentration will be discharged. Therefore, CO in the exhaust gas discharged from the combustion chamber to the exhaust passage 22 is obtained.2The concentration changes with a tendency as shown in FIG.
[0059]
  CO in exhaust gas2Since the concentration substantially indicates the air-fuel ratio of the exhaust gas, the CO in the exhaust gas2Changes over time in the concentration, the CO concentration, and the air-fuel ratio of the exhaust gas are as shown in FIGS. CO is generally a region where the air-fuel ratio is rich.soThe CO detection point shown in FIG.2Corresponding to the peak point of concentration change,thisA depression is detected at the peak point.
[0060]
  In addition, CO produced by contributing to combustion2High-concentration exhaust gas contains a large amount of NOx generated during combustion, while CO produced without contributing to combustion.2NOx contained in the exhaust gas having a low concentration is small. Therefore, the exhaust gas containing a large amount of NOx is mainly discharged in the middle of the exhaust stroke. Therefore, with the above-described configuration, the valve opening period of the first exhaust valve 23a is set to the middle stage of the exhaust stroke, that is, the exhaust timing of exhaust gas containing a large amount of NOx generated by contributing to combustion.TogetherAccordingly, only the exhaust gas containing a large amount of NOx can flow to the upstream catalytic converter 24.
[0061]
  Here, when the three-way catalyst is built in the upstream catalytic converter 24, the exhaust gas generated mainly contributing to the stoichiometric to rich combustion of the air-fuel ratio is introduced into the first exhaust passage 22a. By taking in, the average air-fuel ratio in the first exhaust passage 22a can be stoichiometric, and NOx in the exhaust gas can be purified with the highest conversion efficiency of the three-way catalyst.
[0062]
  Even if not all of the NOx can be purified by the catalytic converter 24, the remaining NOx can be purified by incorporating the NOx trap catalyst or NOx selective reduction catalyst in the downstream catalytic converter 25. ThisHereSince NOx to be purified by the downstream catalyst is reduced by the upstream catalyst, fuel consumption and emission can be improved.
[0063]
  When the NOx trap catalyst is built in the upstream catalytic converter 24, the average air-fuel ratio in the first exhaust passage 22a is made lean.
  That is, when trapping NOx in the exhaust gas, the valve opening period of the first exhaust valve 23a is shown in FIG. 9 (a-1).periodAs Δta, the first exhaust valve 23a is opened for a relatively long period including the exhaust gas exhaust timing when the air-fuel ratio is stoichiometric to rich. The lift curves of the first and second exhaust valves 23a and 23b at this time are as shown by profiles Pra3 and Prb3 in FIG. 9A-2, respectively.
[0064]
  On the other hand, when reducing the retained NOx, such as when the NOx retention amount of the NOx trap catalyst becomes equal to or greater than a predetermined amount, the valve opening period of the first exhaust valve 23a is set as shown in FIG. 9 (b-1). Shown inperiodAs Δtb, the exhaust gas with rich air-fuel ratio is dischargedTogetherThus, the first exhaust valve 23a is opened. The lift curves of the first and second exhaust valves 23a and 23b at this time are as shown in the profiles Pra4 and Prb4 of FIG. 9B-2, respectively, and the opening period of the first exhaust valve 23a is NOx. It is narrower than when trapping.
[0065]
  In this way, by making the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the upstream catalytic converter 24 rich, the retained NOx can be reduced and purified by the reducing agent component in the exhaust gas.
  Further, when a three-way catalyst, a NOx selective reduction catalyst, or the like is built in the upstream catalytic converter 24, NH is placed in the first exhaust passage 22a upstream of the catalytic converter 24.Three, H2It is also possible to purify NOx by adding auxiliary reducing agents such as CO, HC and the like. The exhaust gas in the first exhaust passage 22a has a conventional lean degree.RSince it is lower (on the rich side), the amount of auxiliary reducing agent added isRLess is enough.
[0066]
  FIG. 10 shows CO in the combustion chamber immediately after combustion in the stratified combustion operation.2The distribution tendency of concentration is expressed by dividing the difference in load (high and low). FIG. 11 shows the valve open periods of the first and second exhaust valves 23a and 23b when the load is low and when the load is high, and the CO in the exhaust gas discharged from the combustion chamber.2This is shown in correspondence with the change in concentration over time.
[0067]
  On the low load side, that is, when the fuel injection amount is small, as shown in FIG.2The high-concentration part is limited to a very narrow range near the spark plug 13, and the CO formed around it.2The proportion of the low density portion is increased. For this reason, CO in the exhaust gas2The change in concentration with time forms a temporary peak as shown in FIG. As mentioned above, CO in exhaust gas2Since the concentration substantially indicates the air-fuel ratio of the exhaust gas, by narrowing the operating angle of the first exhaust valve 23a, the exhaust gas generated by contributing to the combustion is accurately put into the first exhaust passage 22a. Can be captured.
[0068]
  On the other hand, on the high load side, that is, when the fuel injection amount is large, as shown in FIG.2The high concentration portion expands to a relatively wide range around the spark plug 13. For this reason, CO in the exhaust gas2The density is maintained at a high density value for a certain period of time as shown in FIG. Therefore, by taking a relatively wide operating angle of the first exhaust valve 23a, more exhaust gas generated by contributing to combustion can be taken into the first exhaust passage 22a.
[0069]
  In this embodiment, since an electromagnetically driven actuator is used as the valve operating device for the intake and exhaust valves, not only the valve timing but also the lift amount can be changed as desired.
  Therefore, the lift curves of the first exhaust valve 23a and the second exhaust valve 23b areAndFor example,When the first and second exhaust valves are set to open along the profiles Pra5 and Prb5 shown in FIG. 12, the lift amount of the first exhaust valve is the same as that of the second exhaust valve. Lift amountRMake it bigger.
[0070]
  Thereby, the opening area of the exhaust port 21a is equal to the opening area of the exhaust port 21b.RBecause it growsExhaust gas flow rate to the first exhaust passage 22a,Exhaust gas flow rate to the second exhaust passage 22bLargeCan be A throttle valve that can adjust the flow area of the second exhaust passage 22b is provided.AlsoSimilar effects can be obtained.
[0071]
  AlsoThe lift curves of the first exhaust valve 23a and the second exhaust valve 23b are set so as to follow the profiles Pra6 and Prb6 shown in FIG. 13, and exhaust gas generated by contributing to combustion is discharged from the combustion chamber. At the timingTogetherIt is also possible to open the first exhaust valve 23a and reduce the lift amount of the second exhaust valve 23b.
[0072]
  In the above description, an example in which the upstream catalytic converter 24 is individually installed for a specific exhaust passage among the plurality of exhaust passages has been described. A catalytic converter may be provided for implementation.
  FIG. 14 shows an example in which all exhaust passages are connected to one upstream catalytic converter 124. Since the catalytic converter 124 has a grid-like passage, the exhaust gas that flows without being mixed after being separated (that is, the exhaust gas that contributes to combustion and the exhaust gas that does not contribute to combustion) There is no mixing in the catalytic converter 124. A downstream catalytic converter may be provided in the exhaust passage downstream of the upstream catalytic converter 124.
[0073]
  Thus, according to the present invention, during stratified charge combustion operation, exhaust gas containing a large amount of NOx that contributes to combustion is actively removed.FirstIt can be taken into the exhaust passage 22a. As a result, the exhaust gas generated by the combustion is separated into the exhaust gas that has contributed to the combustion and the exhaust gas that has not contributed to the combustion, and only the exhaust gas that has contributed to the combustion remains upstream while maintaining the separated state. To the catalytic converter 24 (a part of the collective catalytic converter 124). Therefore, exhaust gas containing a large amount of pollutant can be selectively introduced into the upstream catalytic converter 24, the space velocity of the upstream catalyst can be reduced without increasing the volume, and the conversion efficiency (or trap) by the catalyst can be reduced. Efficiency).
[0074]
  In this embodiment, an electromagnetically driven valve operating device is used, but the present invention is not limited to this, and the same effect can be obtained even if a cam driven variable valve operating device is used. Moreover, you may provide the fixed cam which gives a desired lift curve.
[0075]
[0076]
[0077]
  In addition, although the valve operating apparatus of the intake / exhaust valve can be selected according to the required engine performance, in the illustrated example, the intake valve 8 is connected to the intake side cam 32 via the lifter 31, and the exhaust valve 23 is The exhaust side cam 34 is driven through the lifter 33.
  The method of separating the exhaust gas into exhaust gas that has contributed to combustion and exhaust gas that has not contributed to combustion is the exhaust valve 2 shown above.To 3It is not limited to that. As will be described below, the fuel can be separated depending on the fuel injection direction by the fuel injection valve. Then, next, the first of the present invention.2Embodiments will be described.
[0078]
  Figure15These are top views which show the structure of the engine 201 which concerns on embodiment. The same components as those of the engine 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
  In this way, the injection direction of the fuel injection valve 212 that directly injects fuel into the combustion chamber is set toward the port portion (exhaust valve) of the first exhaust passage 22a, and an air-fuel mixture that can contribute to combustion is set. , Concentrate in the vicinity of the opening of the port. As a result, the exhaust gas generated by contributing to the combustion is sent to the second exhaust passage 22b.RFirst exhaustaisleA large amount can be taken into 22a.
[0079]
  In addition to this, figure16As shown in FIG. 2, the position of the piston bowl (concave portion) C formed on the crown surface of the piston 209 is set closer to the opening of the first exhaust passage 22a, and the air-fuel mixture that can contribute to combustion isthisIt is good also as concentrating in the opening part vicinity. ThisIn Case of, Fuel injection valve 212 and piston bowl CButThe exhaust gas separation means of the present invention is configured.
[0080]
[0081]
[0082]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view schematically showing the configuration of the internal combustion engine according to the first embodiment of the invention.
FIG. 3 is a plan view of the exhaust system of the internal combustion engine.
FIG. 4 is a flowchart of a combustion method selection routine.
FIG. 5 is a flowchart of a target valve operating angle setting routine.
FIG. 6 is a diagram showing an example of a lift curve of an exhaust valve
FIG. 7 shows CO in the combustion chamber immediately after combustion during stratified charge combustion operation.2Figure showing the concentration distribution trend
FIG. 8 shows CO in exhaust gas discharged from the combustion chamber after stratified combustion.2The figure which shows the time change of concentration, CO concentration and air fuel ratio
FIG. 9 is a diagram showing a method for controlling the air-fuel ratio of exhaust gas contributing to combustion.
FIG. 10 CO2The figure which shows the change tendency according to the target torque of concentration distribution
FIG. 11 is a graph showing a change trend according to a target torque during an exhaust valve opening period.
FIG. 12 is a diagram showing another example of the lift curve of the exhaust valve
FIG. 13 is a view showing another example of the lift curve of the exhaust valve.
FIG. 14 shows an example of a collective upstream catalytic converter.
FIG. 15First of the present invention2The top view which shows schematically the structure of the internal combustion engine which concerns on embodiment of this
FIG. 16The figure which shows the piston shape of an internal combustion engine same as the above
[Explanation of symbols]
  DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Engine, 2 ... Intake passage, 8 ... Intake valve, 9 ... Cylinder, 10 ... Piston, 12 ... Fuel injection valve, 13 ... Spark plug, 21 ... Exhaust port, 22 ... Exhaust passage, 23 ... Exhaust valve, 24 ... Upstream catalytic converter, 25 ... downstream catalytic converter, 31 ... intake side electromagnetic actuator, 32 ... exhaust side electromagnetic actuator, 41 ... electronic control unit.

Claims (13)

冠面に凹凸が形成されたピストンを有し、
この冠面の凹凸により形成される燃焼室内に、点火栓近傍領域が可燃空燃比となり、その周辺領域が稀薄な不可燃空燃比となる混合気層を形成して、成層燃焼を行わせることのできる内燃機関の排気浄化装置であって、
前記成層燃焼により発生した排気ガスから実際に燃焼に寄与して生成された排気ガスを分離すべく、前記排気ガスを燃焼に寄与した排気ガスと燃焼に寄与しなかった排気ガスとに分離して、前記燃焼に寄与した排気ガスを第1の排気通路に、前記燃焼に寄与しなかった排気ガスをこの第1の排気通路に対して並列に形成された第2の排気通路に流入させる排気ガス分離手段と、
前記第1の排気通路の途中に位置する第1の排気浄化手段と、を含んで構成され
前記排気ガス分離手段は、前記第1の排気通路側の第1の排気弁と前記第2の排気通路側の第2の排気弁とのバルブタイミングを異ならせ、前記第1の排気弁の開時期を前記第2の排気弁の開時期より遅く設定するとともに、前記第1の排気弁の閉時期を前記第2の排気弁の閉時期より早く設定して、前記燃焼に寄与した排気ガスを前記第1の排気通路に流入させる内燃機関の排気浄化装置。
It has a piston with irregularities formed on the crown surface,
In the combustion chamber formed by the irregularities of the crown surface , a stratified combustion is performed by forming an air-fuel mixture layer in which the region near the spark plug becomes a combustible air-fuel ratio and the peripheral region becomes a lean incombustible air-fuel ratio. An exhaust purification device for an internal combustion engine,
Wherein in order to separate the actual exhaust gas produced contributes to the combustion of the exhaust gas generated by stratified combustion, it is separated into an exhaust gas which has not contributed to the combustion exhaust gas that has contributed to the exhaust gas to the combustion The exhaust gas that contributes to the combustion flows into the first exhaust passage, and the exhaust gas that does not contribute to the combustion flows into the second exhaust passage formed in parallel to the first exhaust passage. Separating means;
First exhaust gas purification means located in the middle of the first exhaust passage ,
The exhaust gas separating means makes the valve timing of the first exhaust valve on the first exhaust passage side different from that of the second exhaust valve on the second exhaust passage side to open the first exhaust valve. The timing is set later than the opening timing of the second exhaust valve, the closing timing of the first exhaust valve is set earlier than the closing timing of the second exhaust valve, and the exhaust gas contributing to the combustion is exhaust purifying apparatus for an internal combustion engine Ru allowed to flow into the first exhaust passage.
成層燃焼運転時において、前記第1の排気弁と前記第2の排気弁とがともに開弁しているときに、前記第1の排気通路の開口部面積は、前記第2の排気通路の開口部面積より大きいことを特徴とする請求項1記載の内燃機関の排気浄化装置。During the stratified combustion operation, when both the first exhaust valve and the second exhaust valve are open, the opening area of the first exhaust passage is the opening of the second exhaust passage. 2. The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the exhaust gas purification apparatus is larger than a partial area. 前記第1の排気弁は、機関運転条件に応じてバルブタイミングを可変に設定可能であることを特徴とする請求項1又は2記載の内燃機関の排気浄化装置。The exhaust purification device for an internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein the first exhaust valve can be variably set in valve timing according to engine operating conditions. 前記第1の排気弁は、機関回転数及び負荷のうちの少なくとも一方の増加に応じて、弁開期間が延長されることを特徴とする請求項3記載の内燃機関の排気浄化装置。The exhaust purification device for an internal combustion engine according to claim 3, wherein the first exhaust valve has a valve opening period extended in accordance with an increase in at least one of an engine speed and a load. 冠面に凹凸が形成されたピストンを有し、It has a piston with irregularities formed on the crown surface,
この冠面の凹凸により形成される燃焼室内に、点火栓近傍領域が可燃空燃比となり、その周辺領域が稀薄な不可燃空燃比となる混合気層を形成して、成層燃焼を行わせることのできる内燃機関の排気浄化装置であって、In the combustion chamber formed by the unevenness of the crown surface, a mixture layer in which the region near the spark plug becomes a combustible air-fuel ratio and the peripheral region becomes a lean incombustible air-fuel ratio is formed, and stratified combustion is performed. An exhaust purification device for an internal combustion engine,
前記成層燃焼により発生した排気ガスから実際に燃焼に寄与して生成された排気ガスを分離すべく、前記排気ガスを燃焼に寄与した排気ガスと燃焼に寄与しなかった排気ガスとに分離して、前記燃焼に寄与した排気ガスを第1の排気通路に、前記燃焼に寄与しなかった排気ガスをこの第1の排気通路に対して並列に形成された第2の排気通路に流入させる排気ガス分離手段と、In order to separate the exhaust gas generated by actually contributing to combustion from the exhaust gas generated by the stratified combustion, the exhaust gas is separated into exhaust gas that has contributed to combustion and exhaust gas that has not contributed to combustion. The exhaust gas that contributes to the combustion flows into the first exhaust passage, and the exhaust gas that does not contribute to the combustion flows into the second exhaust passage formed in parallel to the first exhaust passage. Separating means;
前記第1の排気通路の途中に位置する第1の排気浄化手段と、を含んで構成され、First exhaust purification means located in the middle of the first exhaust passage,
前記排気ガス分離手段は、前記燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁により、前記第1の排気通路側の第1の排気弁及び前記第2の排気通路側の第2の排気弁のうち、前記第1の排気弁の方向に燃料を噴射して、前記燃焼に寄与した排気ガスを前記第1の排気通路に流入させる内燃機関の排気浄化装置。The exhaust gas separation means includes a fuel injection valve that directly injects fuel into the combustion chamber, and includes a first exhaust valve on the first exhaust passage side and a second exhaust valve on the second exhaust passage side. An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine that injects fuel in the direction of the first exhaust valve and causes the exhaust gas contributing to the combustion to flow into the first exhaust passage.
前記第1の排気浄化手段は、三元触媒を有し、
前記排気ガス分離手段は、前記燃焼に寄与した排気ガスを、その平均空燃比がストイキとなるように、前記第1の排気通路に流入させることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
The first exhaust purification means has a three-way catalyst,
The exhaust gas separating means, the exhaust gas that has contributed to the combustion, so that the average air-fuel ratio of that is stoichiometric, claim 1-5, characterized in that to flow into the first exhaust passage An exhaust emission control device for an internal combustion engine according to one .
前記第1の排気浄化手段は、流入した排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のNOxをトラップして保持し、流入した排気ガスの空燃比がリッチのときに保持しているNOxを排気ガス中の還元剤成分で還元するトラップ触媒を有し、
前記排気ガス分離手段は、前記燃焼に寄与した排気ガスを、その平均空燃比がリーンとなるように、前記第1の排気通路に流入させることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
The first exhaust gas purification means traps and holds NOx in the exhaust gas when the air-fuel ratio of the exhaust gas that has flowed is lean and holds NOx when the air-fuel ratio of the exhaust gas that has flowed is rich A trap catalyst that reduces the exhaust gas with the reducing agent component in the exhaust gas,
The exhaust gas separating means, the exhaust gas that has contributed to the combustion, so that the average air-fuel ratio of that is lean, claim 1-5, characterized in that to flow into the first exhaust passage An exhaust emission control device for an internal combustion engine according to one .
前記トラップ触媒によるNOx保持量が所定量以上となったときに、前記トラップ触媒に対して補助還元剤を添加可能であることを特徴とする請求項記載の内燃機関の排気浄化装置。8. The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 7 , wherein an auxiliary reducing agent can be added to the trap catalyst when the amount of NOx retained by the trap catalyst becomes a predetermined amount or more. 前記排気ガス分離手段は、前記トラップ触媒によるNOx保持量が所定量以上となったときに、前記燃焼に寄与した排気ガスを、その平均空燃比がリッチとなるように、前記第1の排気通路に流入させることを特徴とする請求項7又は8記載の内燃機関の排気浄化装置。The exhaust gas separating means, when the NOx holding amount by the trap catalyst becomes equal to or greater than a predetermined amount, the exhaust gas that has contributed to the combustion, so that the average air-fuel ratio of that is rich, the first exhaust The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 7 or 8 , wherein the exhaust gas is caused to flow into the passage . 前記第1の排気浄化手段は、空燃比がリーンの排気ガスを流入して、流入した排気ガス中のNOxを排気ガス中の還元剤成分で還元可能な選択還元型触媒を有し、
前記排気ガス分離手段は、前記燃焼に寄与した排気ガスを、その平均空燃比がリーンとなるように、前記第1の排気通路に流入させることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
The first exhaust purification means has a selective reduction catalyst capable of flowing exhaust gas having a lean air-fuel ratio and reducing NOx in the exhaust gas that has flowed in with a reducing agent component in the exhaust gas,
The exhaust gas separating means, the exhaust gas that has contributed to the combustion, so that the average air-fuel ratio of that is lean, claim 1-5, characterized in that to flow into the first exhaust passage An exhaust emission control device for an internal combustion engine according to one .
前記選択還元型触媒に対して補助還元剤を添加可能であることを特徴とする請求項10記載の内燃機関の排気浄化装置。11. The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 10, wherein an auxiliary reducing agent can be added to the selective reduction catalyst. 前記第1の排気通路と前記第2の排気通路とは、前記第1の排気浄化手段より下流側で合流し、この合流部より下流側の排気通路に、第2の排気浄化手段を備えることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1つに記載の内燃機関の排気浄化装置。Wherein the first exhaust passage and the second exhaust passage, and merge at the downstream side of the first exhaust gas purification device, the exhaust passage downstream from the merging portion, be provided with a second exhaust gas purification unit The exhaust emission control device for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 11 , wherein 前記排気ガス分離手段は、機関の始動時を含む冷機時において、前記燃焼室から排出されるべき排気ガス量に対する、前記第1の排気通路に流入する排気ガス量の比を、ほぼ1とすることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1つに記載の内燃機関の排気浄化装置。The exhaust gas separation means sets the ratio of the amount of exhaust gas flowing into the first exhaust passage to the amount of exhaust gas to be exhausted from the combustion chamber at a cold time including when the engine is started to be approximately 1. The exhaust emission control device for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 12 , wherein the exhaust gas purification device is an internal combustion engine.
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