(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
点火間隔が不均等な複数の気筒からなる複数のバンクと、各気筒の排気ポートから流出する排気ガスをバンク毎に集合させる複数の排気通路と、各排気通路の集合部より下流側にバンク毎に配設された排気ガス浄化用の触媒および排気ガスの空燃比を検出する酸素センサとを有し、各酸素センサの出力に基づいて機関に供給する混合気の空燃比をバンク毎に制御する多気筒内燃機関の排気浄化装置において、バンク内で次の気筒の点火までの期間が長い気筒は次の気筒の点火までの期間が短い気筒に比べて排気ポートから酸素センサまでの距離が長くなるよう各排気通路を形成したことを特徴とする多気筒内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
次の気筒の点火までの期間の比率と排気ポートから酸素センサまでの距離の比率とを略等しくしたことを特徴とする請求項４記載の多気筒内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多気筒エンジンの排気浄化装置に関し、特に酸素センサによる空燃比フィードバック制御を行い、排気低減を図る多気筒内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関の排気ガスを浄化する装置としては、排気系に三元触媒を配置し、同じく排気系に設けられた酸素センサの出力に基づいて機関に供給する混合気をストイキ（理論空燃比）付近に制御するものがある。
ところで、多気筒内燃機関の場合、各気筒の吸気マニホールドの形状差や吸気バルブの動作バラツキ、各気筒毎に設けられる燃料噴射弁の個体差等があるために、同じ空燃比制御を行なっても各気筒で多少空燃比がばらつくことが考えられる。酸素センサは、各気筒の排気ガスが集合する位置に１つ設けられ、この出力に基づいて全ての気筒の空燃比が制御されるので、特定気筒の排気ガスに対するセンサ感度（各気筒のガスが酸素センサに与える影響度のことをいう）が高い場合はその特定気筒以外の気筒の空燃比が目標値からずれ、エンジン全体としての空燃比も目標値からずれてしまう恐れがある。このため、一般的な多気筒エンジンでは、いずれの気筒からの排気ガスも均一に酸素センサに当たるようにしている。すなわち、全ての気筒について排気ガスが酸素センサを通過する際にその主流が等しくセンサ部を通るようにすることで各気筒の排気ガスに対するセンサ感度を等しくし、エンジン全体としての空燃比を目標値近傍に制御しようとしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した技術では、各気筒の排気ガスが均一に酸素センサに当たるだけであるため、十分に各気筒に対するセンサ感度を等しくすることができなかった。すなわち、酸素センサはセンサ付近にある排気ガスの酸素濃度を検出するので、ある気筒からの排気ガスがセンサ部に到達してから次の気筒からの排気ガスがセンサ部に到達するまでの間は直前の気筒の排気ガスの酸素濃度を検出し続けることになる。このため、次の気筒の排気ガスがセンサ部に到達するまでの期間が各気筒で異なると、検出結果に反映される各気筒の排気ガスの影響の割合が異なったものとなってしまうのである。
また、特開平６−２５３７５号公報に開示されたもののように、酸素センサを取り付ける位置にボリュームを設けることで各気筒から流入する排気ガスを拡散させて酸素センサがエンジン全体の排気ガスの平均的な酸素濃度を検出しようとするものもあるが、実際には十分に大きなボリュームを排気系に設けることは困難である。
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑みてなされたもので、各気筒に対する酸素センサの感度を一様にして、空燃比をエンジン全体として目標値近傍に制御することが可能となる排気浄化装置を供給することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的達成のため、請求項１記載の発明では、点火間隔が不均等な複数の気筒からなる複数のバンクと、各気筒の排気ポートから流出する排気ガスをバンク毎に集合させる複数の排気通路と、各排気通路の集合部より下流側にバンク毎に配設された排気ガス浄化用の触媒および排気ガスの空燃比を検出する酸素センサとを有し、各酸素センサの出力に基づいて機関に供給する混合気の空燃比をバンク毎に制御する多気筒内燃機関の排気浄化装置において、バンク内で次の気筒の点火までの期間が長い気筒は次の気筒の点火までの期間が短い気筒に比べて排気ポートから酸素センサまでの距離が長くなるよう各排気通路を形成したことを特徴としている。これにより、各気筒のガスがセンサ部に存在する時間が等しくなる方向に補正できるため、各気筒のセンサ感度を等しくすることができ、空燃比をエンジントータルで見た時にストイキに近づけることができる。請求項２記載の発明では、請求項１記載の多気筒内燃機関の排気浄化装置において、次の気筒の点火までの期間の比率と排気ポートから酸素センサまでの距離の比率とを略等しくしたことを特徴としている。これにより、各気筒のガスがセンサ部に存在する時間がより等しくなる方向に補正できるため、各気筒のセンサ感度を等しくすることができ、空燃比をエンジントータルで見た時にストイキに近づけることができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の参考例及び実施の形態について説明する。図１は本発明の参考例１の概略を示す図である。エンジン１はインテイクマニホールド２にインジェクタ３を有し、エキゾーストマニホールド４には酸素センサ５を有する。更に、酸素センサ５の下流にはエミッション浄化用の触媒６を有する。また、ＥＣＵ７は酸素センサ５の信号から空燃比を予測し、エンジン１の空燃比がストイキになるように燃料噴射量を制御する。また、図２にエキゾーストマニホールド４の図を具体的に示す。排気ポートから酸素センサ５までの距離は各気筒とも概略等しくなっている。
【０００６】
図１８に従来の３気筒エンジンのエキゾーストマニホールドの概略を示す。従来のエキゾーストマニホールド４０では各気筒のガスが酸素センサ５０に当たるようにするため、あるいはレイアウトの制約等もあり、各気筒の排気管は途中で合流している。さらに、各気筒、特に３番気筒（＃３気筒）のガスの主流が酸素センサ５０にあたるように酸素センサ５０は合流部からやや下流に設置されている。従って、図１９に示すように定常流試験において、各気筒からガスを流した時のセンサ部の流速はほぼ等しくなっており、酸素センサ５０への各気筒のガスの当たりは等しくなっている。
【０００７】
図２０はシミュレーションにより、センサ部のガスを分析した結果である。センサ部の流速を見ると各気筒のガスともに同様の傾向となっており、ガスの当たりはほぼ等しくなっている。しかしながら図１８に示すように従来例では、排気ポートからセンサ部までの距離が各気筒で異なっている。すなわち、＃１気筒は＃３気筒に比べて距離が長くなっている。従って、図２０に示すように排気バルブが開いてからセンサ部にガスが到達するまでの遅れ時間は各気筒で異なり、距離が長いほど遅れ時間は長くなっている。ここでセンサ部のガス濃度を見ると、センサ部ではある気筒のガスは次の気筒のガスが来るまではセンサ部に存在し、そのガスが支配的となる。従って、＃３気筒のガスは次の＃１気筒のガスが来るまではセンサ部に存在することになる。
【０００８】
従来例では、＃１気筒は排気ポートからの距離が一番長いのでセンサ部に到達するまでの遅れ時間が長いため、＃３気筒のガスはセンサ部に存在する期間が他の気筒に比べて長くなる。従って、図３に示すように、ガスがセンサ部に占める期間は各気筒でばらつくことになる。結果として、図４に示すように各気筒のセンサ感度（各気筒のガスが酸素センサ５に与える影響度のことを言う。）は＃３気筒が高くなり＃１気筒は低くなってしまい気筒間でバラツキが発生する。特定の気筒が酸素センサ５に与える影響が大きい場合には前述したようにその気筒の空燃比が支配的となり、エンジントータルの空燃比がずれる。従って、従来例では、触媒が有効に活用できないため、エミッションが悪化してしまう。
【０００９】
れに対して、参考例１（図１）は各気筒ともに排気ポートからセンサ部までの距離が等しいため、図３に示すように各気筒のガスがセンサ部に占める期間は等しくなる。従って、図４に示すようにセンサ感度も各気筒でほぼ等しくなる。結果として、エンジントータルの空燃比をストイキに制御できるため、触媒の有効活用が図れ、エミッションが低減できる。
【００１０】
次に参考例２について説明する。参考例２の構成は参考例１（図１）と同じである。参考例２は、レイアウト的に各気筒の排気ポートから酸素センサまでの距離を等しくすることが困難な場合の例である。図５に直列型４気筒の例を示す。この場合エキゾーストマニホールド４は熱容量を減らすために各気筒の排気管をすぐに合流させている。従って、＃２、＃３気筒は＃１、＃４気筒に比べて、センサ部がある合流部まで距離が短くなっている。従って、図７に示すように、＃１、＃４の感度は＃２、＃３気筒に比べてセンサ感度が悪くなっている。これに対して図５に示すように本参考例では酸素センサ５を下流側に移動している。こうすることによって、排気ポートから酸素センサ５までの距離の差は相対的に小さくなる。図６に排気ポートから酸素センサ５までの距離の差に対するセンサ感度のバラツキを示す。距離の差が±１０％以上になるとセンサ感度バラツキが急激に増加する。また酸素センサ５を大幅に下流側に移動すると酸素センサ５の活性までの時間が増加してしまう。従って、距離の差が±１０％以内の位置に取り付けることによって、図７に示すように酸素センサ５の活性特性をあまり悪化させずにセンサ感度のバラツキを低減することができる。
【００１１】
本発明の実施の形態１について説明する。実施の形態１の構成は参考例１（図１）と同じである。参考例１はＶ型多気筒エンジンにおいて点火順序が不規則な場合の例である。図２１にＶ８エンジンの点火順序を示す。酸素センサ５０は両バンク毎に持っているので、偶数気筒からなる右バンクに着目すると、酸素センサ５０に当たる排気ガスの順序としては、＃６→＃４→＃２→＃８となる。ここで右バンクは図２２に示すようにバンク毎に考えた場合次に気筒までの期間は各気筒で異なることになる。また、右バンクのエキゾーストマニホールド形状を図２３に示す。参考例１の従来例と同じように排気管は片側に向かって合流している。このように排気管は＃８側にそれぞれ合流しているため、各気筒の排気ポートから酸素センサ５０までの距離は異なっている。図２４に気筒の点火期間と距離の関係を示す。＃８気筒に着目すると、次の気筒の点火までの期間は他の気筒に比べて長い。更に、排気ポートから酸素センサ５０までの距離も他の気筒よりも短くなっている。従って、その相乗効果として、＃８気筒のガスはセンサ部に存在する期間が長くなる。結果として、図８に示すように、従来例では＃８気筒のセンサ感度が他の気筒よりも著しく良くなっており、センサ感度のバラツキが大きくなっている。
【００１２】
これに対して本実施の形態１を図９に示す。この実施の形態１では、各気筒の排気ポートから酸素センサ５までの長さをセンサ感度が等しくなるように変えている。＃８気筒は次に気筒の点火までの期間が長いため、距離を長くしている。また＃４、＃６気筒は逆に短くしている。こうすることによって、各気筒のガスがセンサ部に存在する期間が等しくなる方向に補正される。図１０に示すように次に気筒の点火までの期間の差を相殺するように排気ポートから酸素センサ５までの距離を設定することによって、図８に示すように各気筒のセンサ感度を等しくなるように補正することができる。
【００１３】
次に実施の形態２について説明する。実施の形態２の構成は参考例１の構成（図１）と同じである。実施の形態２は各気筒のセンサ感度をより均一にする例である。実施の形態１の場合と同様にＶ型８気筒を例に説明する。実施の形態１で説明したように、各気筒のガスがセンサ部に存在する時間を等しくするために、排気ポートから酸素センサまでの距離を最適化する。図２２に示すように＃４、＃６気筒に対して＃２気筒は期間が２倍となっている。また＃８気筒は４倍となっている。図１１に排気ポートから酸素センサ５までの距離の関係を、図１２にエキゾーストマニホールド４の概略を示す。各気筒の排気ポートから酸素センサ５までの距離は図２２の期間と同じ比率となっている。こうすることによって、各気筒のガスがセンサ部に存在する期間をより均一にすることができる。
【００１４】
具体的な長さの例を図１３に示す。また、その効果を図１４に示す。距離の差が大きくなるほどセンサ感度のバラツキを小さくすることができる。しかしながら、距離が長くなるほどセンサ位置が下流に移動するため、酸素センサ５が活性するまでの期間が長くなる。従って、バラツキの低減とセンサ活性特性とはトレードオフの関係があるため、そのバランスから最適な距離を決めることが望ましい。
【００１５】
次に参考例３について説明する。参考例３の構成は参考例１の構成（図１）と同じである。参考例３は参考例２と同様にレイアウト等の関係から排気ポートから酸素センサまでの距離を揃えることができない場合で、更に酸素センサを下流に移動させることが困難な場合の例である。
【００１６】
図１５に従来例を示す。従来は各気筒のガスが酸素センサ５０に当たるように設置していた。このため、図１６に示すように距離が長い気筒は距離が短い気筒に比べて、酸素センサ５０の気筒感度が悪くなっており、センサ感度にバラツキが発生してしまう。これに対して本参考例では距離のによる感度の差を補正するように、距離の長い気筒は距離の短い気筒に比べて、ガスの当たりが良い位置に設定する。例えば図１５の例では、距離の長い気筒が距離の短い＃３気筒に比べてガスの当たりが良くなるように、内側に設置している。
【００１７】
こうすることにより＃３気筒のガスの当たりを抑えることができる。従って、図１６に示すように酸素センサ５に対するガスの当たりが距離の差を相殺するような傾向になるように設置することによって、各気筒のセンサ感度を均等にすることができる。なお、酸素センサ５の設置位置に関しては、ガスの流れの予測が困難な場合は、定常流実験からセンサ部の流速を測定して、ガスの当たりを求めても良い。
【００１８】
以上説明してきたように参考例１は、酸素センサを通過するガスを排出する気筒の順番で点火タイミングを考えた時に、それぞれの気筒においてある気筒から次の気筒の点火までの期間が等しい多気筒エンジン、すなわち、直列型エンジンおよび点火順序が規則的な通常のＶ型エンジンにおいて、各気筒の排気ポートから酸素センサまでの距離が概略等しくなるような位置に酸素センサを配置することを特徴としている。これにより、各気筒のガスがセンサ部に到達する時間を概略等しくすることができるため、各気筒のガスがセンサ部に存在する時間が等しくなり、各気筒のセンサ感度を等しくすることができ、空燃比をエンジントータルで見た時にストイキにすることができる。
【００１９】
参考例２は酸素センサを通過するガスを排出する気筒の順番で点火タイミングを考えた時に、それぞれの気筒においてある気筒から次の気筒の点火までの期間が等しい多気筒エンジン、すなわち、直列型エンジンおよび点火順序が規則的な通常のＶ型エンジンにおいて、直列４気筒エンジンのように排気ポートから排気管合流部までの距離を各気筒で等しくすることがレイアウト状困難な場合においては、各気筒の排気ポートから酸素センサまでの距離の差が１０％以内となる位置に酸素センサを配置することを特徴としている。これにより、排気ポートから排気管合流部までの距離を各気筒で等しくすることがレイアウト上困難な場合においても、距離を等しくするために酸素センサの位置を大幅に下流に移動し、エンジン始動後の酸素センサの活性特性を悪化させることなく、各気筒のセンサ感度を等しくすることができ、空燃比をエンジントータルで見たときにストイキにすることができる。
【００２０】
本発明の実施の形態１は酸素センサを通過するガスを排出する気筒の順番で点火タイミングを考えた時に、それぞれの気筒においてある気筒から次の気筒の点火までの期間が異なる多気筒エンジン、すなわち、点火順序が不規則的なＶ型エンジンにおいて、次の気筒の点火までの期間が長い気筒は次の点火までが短い気筒に対して、排気ポートから酸素センサまでの距離を長くなるような位置に酸素センサを配置したことを特徴としている。これにより各気筒のガスがセンサ部に存在する時間が等しくなる方向に補正できるため、各気筒のセンサ感度を等しくすることができ、空燃比をエンジントータルで見た時にストイキに近づけることができる。
【００２１】
実施の形態２は酸素センサを通過するガスを排出する気筒の順番で点火タイミングを考えた時に、それぞれの気筒においてある気筒から次の気筒の点火までの期間が異なる多気筒エンジン、すなわち、点火順序が不規則的なＶ型エンジンにおいて、各気筒の排気ポートから酸素センサまでの距離の関係が、各気筒の次の気筒の点火までの期間の関係と同じ比率となる位置に酸素センサを配置したことを特徴としている。これにより各気筒のガスがセンサ部に存在する時間がより等しくなる方向に補正できるため、各気筒のセンサ感度を等しくすることができ、空燃比をエンジントータルで見た時にストイキに近づけることができる。
【００２２】
参考例３は、酸素センサを通過するガスを排出する気筒の順番で点火タイミングを考えた時に、それぞれの気筒においてある気筒の点火から次の気筒の点火までの期間が等しい多気筒エンジンにおいて、各気筒の排気ポートから集合部までの距離が異なるエキゾーストマニホールドを有する場合、距離の長い気筒は距離の短い気筒に比べて、酸素センサへ各気筒の排気ガスの当たりが良くなる位置に酸素センサを配置したことを特徴としている。これにより各気筒のセンサ感度を等しくすることができ、空燃比をエンジントータルで見た時にストイキにすることができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明に係る多気筒内燃期間の排気浄化装置によれば、各気筒の排気ガスがセンサ部に存在する期間を等しくすることができるため、各気筒のセンサ感度を等しくでき、このため、空燃比をエンジントータルで見た時にストイキにすることができ、エミッションを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例１の構成図である。
【図２】図１のエキゾーストマニホールドを具体的に示した図である。
【図３】各気筒のガスが占める期間を示す図である。
【図４】各気筒のセンサ感度を示す図である。
【図５】参考例２を説明する図である。
【図６】距離の差とセンサ感度バラツキの関係を示す図である。
【図７】参考例２の効果を説明する図である。
【図８】実施の形態１の効果を示す図である。
【図９】実施の形態１を説明する図である。
【図１０】実施の形態１における各気筒の次の気筒の点火するまでの期間及び排気ポートから酸素センサまでの距離を示す図である。
【図１１】実施の形態２の各気筒の排気ポートから酸素センサまでの距離の関係を示す図である。
【図１２】実施の形態２のエキゾーストマニホールド形状を示す図である。
【図１３】実施の形態２の具体的な排気管の長さを示した図である。
【図１４】酸素センサの活性期間とセンサ感度バラツキのトレードオフの関係を示す図である。
【図１５】参考例３の酸素センサ取り付け位置を説明する図である。
【図１６】参考例３の効果を示す図である。
【図１７】従来例の構成図である。
【図１８】参考例１を説明するための従来例の構成図である。
【図１９】酸素センサに対するガスの当たりを示す図である。
【図２０】従来例のセンサ感度を説明する図である。
【図２１】Ｖ８エンジンの点火順序を示す図である。
【図２２】Ｖ８エンジンにおける各気筒の次の気筒の点火までの期間を示した図である。
【図２３】従来例を説明する図である。
【図２４】従来例における各気筒の次の気筒の点火するまでの期間及び排気ポートからまでの距離を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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