(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の気筒のうちの少なくとも一気筒から排出されるリッチ空燃比の排気と、他の少なくとも一気筒から排出されるリーン空燃比の排気とをＮＯＸ吸蔵還元触媒装置へ導いて、ＳＯＸ被毒の回復のために前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒装置を昇温させる内燃機関の排気装置において、リッチ空燃比の排気を排出する前記気筒の第一排気経路と、リーン空燃比の排気を排出する前記気筒の第二排気経路との排気合流部の下流側には並列配置の二つの前記ＮＯＸ吸蔵還元触媒装置が配置されており、前記排気合流部の下流側は、前記排気合流部の直上流側における前記第一排気経路と前記第二排気経路との配列方向に延在する分割壁によって分割された略等しい断面積の二つの開口を有し、前記二つの開口の一方は前記二つのＮＯＸ吸蔵還元触媒装置の一方へ連通し、前記二つの開口の他方は前記二つのＮＯＸ吸蔵還元触媒装置の他方へ連通しており、前記二つの開口の各々は、前記第一排気経路からの排気と前記第二排気経路からの排気が前記二つの開口の各々にほぼ均等に流入するように構成されていることを特徴とする内燃機関の排気装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ストイキより空燃比の大きなリーン混合気を燃焼させる希薄燃焼においては、比較的多量に生成される有害なＮＯXの大気中への放出量を低減するために、機関排気系にＮＯX吸蔵還元触媒を配置することが公知である。ＮＯX吸蔵還元触媒は、排気ガス中の酸素濃度が高い時にＮＯXを硝酸塩の形態で吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低くなると吸収したＮＯXを放出すると共に、放出したＮＯXを排気ガス中のＨＣやＣＯ等の還元成分によって還元浄化させるものである。このように、ＮＯX吸蔵還元触媒は、酸素濃度が高い希薄燃焼の排気ガス中からＮＯXを良好に吸収し、定期的なリッチ混合気燃焼運転によって、排気ガス中の酸素濃度を低下させると共に排気ガス中にＨＣやＣＯ等の還元成分を存在させ、吸収したＮＯXを大気中に放出させることなく良好に浄化することができる。
【０００３】
ところで、内燃機関の燃料には硫黄が含まれており、燃焼に際してＳＯXも生成される。ＳＯXは、ＮＯX吸蔵還元触媒へＮＯXと同様に酸化されて硫酸塩の形態で吸収される。硫酸塩は、安定な物質であるために、通常のリッチ混合気燃焼運転を実施してもＮＯX吸蔵還元触媒から放出され難く、ＳＯX吸蔵量が徐々に増加してしまう。ＮＯX吸蔵還元触媒中の硝酸塩又は硫酸塩の吸蔵可能量は有限であるため、ＮＯX吸蔵還元触媒中の硫酸塩の吸蔵量が増加すれば（以下、ＳＯX被毒と称する）、硝酸塩の吸蔵可能な量がその分だけ減少することとなるので、ＮＯX吸蔵還元触媒中の硫酸塩の吸蔵量を減少（以下、ＳＯX被毒回復と称する）させなければ、遂には、全くＮＯXを吸収することができなくなってしまう。
【０００４】
硫酸塩は、ＮＯX吸蔵還元触媒が６００°Ｃ程度の高温となり、かつ周囲の酸素濃度が低下したときに、例えばＳＯ2に分解して気体として触媒から放出させることができる。それにより、ＳＯX被毒回復のためには、例えば、ＮＯX吸蔵還元触媒上でＨＣやＣＯを燃焼させてＮＯX吸蔵還元触媒を昇温させることが必要である。
【０００５】
これを実施するために、特定気筒においてリッチ空燃比で運転すると共に別の特定気筒においてリーン空燃比で運転することにより、ＮＯX吸蔵還元触媒へ特定気筒からＨＣやＣＯを供給すると同時に別の気筒からは燃焼のための酸素を供給することが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＮＯX吸蔵還元触媒は、車両搭載上の制約から、高さを低くするために二分割され、各気筒の排気合流部の下流側から分岐した排気通路のそれぞれに配置されることがある。この場合において、ＳＯX被毒回復時に前述のように、特定気筒でリッチ空燃比燃焼を実施し、別の特定気筒でリーン空燃比運転を実施すると、それぞれの排気管から排出されるＨＣやＣＯと、別の特定気筒から排出される酸素とが合流部で合流するが十分に混合されないでそれぞれのＮＯX吸蔵還元触媒に供給されてしまう。すなわち、二つのＮＯX吸蔵還元触媒の一方へはＨＣやＣＯが多く供給されるが酸素が不足し、他方では逆となり、その結果として、ＳＯX被毒回復のために二つのＮＯX吸蔵還元触媒を十分に昇温させることができない。
【０００７】
従って、本発明の目的は、二つのＮＯX吸蔵還元触媒が機関排気系に並列配置されている場合において、ＳＯX被毒回復のために、二つのＮＯX吸蔵還元触媒を良好に昇温させることができる内燃機関の排気装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１によれば、複数の気筒のうちの少なくとも一気筒から排出されるリッチ空燃比の排気と、他の少なくとも一気筒から排出されるリーン空燃比の排気とをＮＯＸ吸蔵還元触媒装置へ導いて、ＳＯＸ被毒の回復のためにＮＯＸ吸蔵還元触媒装置を昇温させる内燃機関の排気装置において、リッチ空燃比の排気を排出する気筒の第一排気経路と、リーン空燃比の排気を排出する気筒の第二排気経路との排気合流部の下流側には並列配置の二つのＮＯＸ吸蔵還元触媒装置が配置されており、排気合流部の下流側は、排気合流部の直上流側における第一排気経路と第二排気経路との配列方向に延在する分割壁によって分割された略等しい断面積の二つの開口を有し、二つの開口の一方は二つのＮＯＸ吸蔵還元触媒装置の一方へ連通し、二つの開口の他方は二つのＮＯＸ吸蔵還元触媒装置の他方へ連通しており、二つの開口の各々は、第一排気経路からの排気と第二排気経路からの排気が二つの開口の各々にほぼ均等に流入するように構成されている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。図１は、第一実施形態による内燃機関の排気装置が取り付けられた機関排気系を示す概略図である。同図において、１は本発明の排気装置を全体的に示している。本実施形態において、内燃機関は♯１〜♯４の四つの気筒（図示せず）を有するものである。これら四つの気筒の点火順序は、例えば、♯１−♯３−♯４−♯１である。また、以下、第一排気合流部１１の上流の排気通路を上流排気通路、第一排気合流部１１の下流の排気通路を下流排気通路と呼ぶ。
【００１０】
機関排気系において、♯１気筒の排気通路と♯４気筒の排気通路が第一上流排気通路２１に合流し、♯２気筒の排気通路と♯３気筒の排気通路とが第二上流排気通路２４に合流している。図１に示すように、第一上流排気通路２１と第二上流排気通路２４とが第一排気合流部１１において合流している。上流排気通路２１、２４には、それぞれ前置触媒（図示せず）が配置されている。これらの前置触媒は、比較的小型の三元触媒装置であり、機関本体近傍に設置されていることに加えて熱容量が小さいために排気ガスの熱によって機関始動直後から活性化し、機関始動時のリッチ又はストイキ混合気の燃焼に際して、排気ガスを浄化することを可能とするものである。
【００１１】
第一排気合流部１１の下流の分割部分１２は、それぞれ第一下流排気通路３１と第二下流排気通路３２に分岐している。第一下流排気通路３１には第一ＮＯX吸蔵還元触媒４１が配置されており、第二下流排気通路３２には第二ＮＯX吸蔵還元触媒４２が配置されている。第一下流排気通路３１と第二下流排気通路３２とが第二排気合流部１３において再び合流している。
【００１２】
上流排気通路２１又は２４から第一排気合流部１１に流入する排気ガスは、排気通路２１又は２４に沿って流れる傾向がある。そのため、二つの下流排気通路を単に第一排気合流部１１に接続すると、第一下流排気通路３１には、主に第二上流排気通路２４からの排気ガスが流入し、第二排気通路３２には、主に第一上流排気通路２１からの排気ガスが流入することとなる。その結果、二つのＮＯX吸蔵還元触媒の一方に流入する排気ガスがＨＣやＣＯが過剰となって酸素が不足し、また、他方はその逆となり、二つのＮＯX吸蔵還元触媒を良好に昇温させることができない。
【００１３】
本発明の排気装置では、上流排気通路２１、２４から流入してくる排気ガスを二つの下流排気通路３１、３２にほぼ半分ずつ流入するように構成されている。以下に本発明の下流排気通路３１、３２の構成についてさらに詳細に説明する。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。本実施形態では、排気通路２１、２４は略水平に配置されている。また、分割部分１２の直上流の合流部１１の断面形状はほぼ円形である。分割部分１２の開口は、第一排気合流部１３の上流の上流排気通路２１、２４の配列方向にかつこれらの上流排気通路２１、２４を二等分に分割するように延在している平面Ｂ上に延在している分割壁５３によって、分割部分１２において半円形の第一開口５１と、半円形の第二開口５２とに分割されている。
【００１４】
このような構成により、第一上流排気通路２１又は第二上流排気通路２４から流入する排気ガスの上側半分は、水平に延在している分割壁５３の上側の開口５２を通って第二下流排気通路３２へ流入し、排気ガスの下側半分は、分割壁５３の下側の開口５１を通って第一下流排気通路３１へ流入する。すなわち、上流排気通路２１、２４は水平配置であるので上流排気通路２１、２４内の上側の排気ガスと下側の排気ガスは同量であることから、上流排気通路２１、２４から下流排気通路３１、３２にそれぞれに排気ガスが半分ずつ流入することとなる。
【００１５】
それにより、上流排気通路２１、２４のそれぞれから第一排気合流部１１へ流入してくる排気ガスが、排気通路２１又は２４に沿って分割壁５３の左側又は右側のいずれに偏流した場合でも、排気ガスは、上下半分に分割され、確実に下流排気通路３１、３２にほぼ半分ずつ流入することが保証されている。
【００１６】
次に、本発明による排気装置の作用について説明する。内燃機関における希薄燃焼において、排気ガス中には比較的多量のＮＯXが含まれている。ＮＯX吸蔵還元触媒は、この排気ガス中からＮＯXを吸蔵して還元浄化するためのものであり、例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、セリウムＣｅ、イットリウムＹのような希土類から選択された少なくとも一つの成分と、白金Ｐｔのような貴金属とを担持させたものである。
【００１７】
このようなＮＯX吸蔵還元触媒として、白金Ｐｔ及びバリウムＢａを使用した場合を例として、以下にＮＯXを吸蔵するメカニズムを説明する。まず、排気ガス中の酸素濃度が高いリーン状態の排気ガスにおいて、酸素が、Ｏ2-の形で白金Ｐｔの表面に付着し、次いで、排気ガス中のＮＯが白金Ｐｔの表面上でＯ2-と反応してＮＯ2となる。こうして生成されたＮＯ2の一部は、白金Ｐｔ上で酸化されつつＮＯX吸蔵還元触媒に吸収され、酸化バリウムＢａＯと結合しながら硝酸塩ＢａＮＯ4として硝酸イオンＮＯ3-の形で吸蔵される。
【００１８】
排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔの表面でＮＯ2が生成され、ＮＯX吸蔵還元触媒のＮＯX吸蔵能力が飽和しない限りＮＯ2が吸蔵される。しかしながら、排気ガスがリッチ状態となって酸素濃度が低下することによってＮＯ2の生成量が低下すると、逆に硝酸イオンＮＯ3-がＮＯ2の形でＮＯX吸蔵還元触媒から放出される。このＮＯ2は、リッチ状態の排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ及びＣＯと反応して還元浄化される。
【００１９】
この一方で、ガソリン等の内燃機関の燃料には硫黄Ｓが含まれており、内燃機関における燃焼によってＳＯXが生成される。排気ガス中のＳＯXは、ＮＯXと同様なメカニズムによって硫酸イオンＳＯ42-の形でＮＯX吸蔵還元触媒に吸収され、硫酸塩ＢａＳＯ4が生成される。この硫酸塩ＢａＳＯ4は安定していて分解し難く、排気ガスがリッチ状態となっても分解されずにＮＯX吸蔵還元触媒に残留する。こうして、徐々に、ＮＯX吸蔵還元触媒の硫酸塩ＢａＳＯ4が増大する。ＮＯX吸蔵還元触媒における硝酸塩ＢａＮＯ4又は硫酸塩ＢａＳＯ4の吸蔵可能量は有限であり、硫酸塩ＢａＳＯ4の吸蔵によるＳＯX被毒によって、その分、硝酸塩ＢａＮＯ4の吸蔵可能量が減少し、遂には、全くＮＯXを吸収することができなくなる。そのため、ＮＯX吸蔵還元触媒からＳＯX被毒を良好に回復させなければならない。
【００２０】
ＳＯX被毒を良好に回復させるために、ＮＯX吸蔵還元触媒に吸蔵された硫酸塩は、ＮＯX吸蔵還元触媒を６００°Ｃ程度の高温として、かつ周囲の酸素濃度を低下させたときに、例えばＳＯ2に分解して気体として触媒から放出させることができることから、ＮＯX吸蔵還元触媒上でＨＣやＣＯを燃焼させてＮＯX吸蔵還元触媒を昇温させることが必要である。これを実施するために、特定気筒においてリッチ空燃比で運転すると共に別の特定気筒においてリーン空燃比で運転することにより、ＮＯX吸蔵還元触媒へ特定気筒からＨＣやＣＯを供給すると同時に別の気筒からは燃焼のための酸素を供給すれば良い。
【００２１】
本実施形態では、例えば、第一上流排気通路２１に通じた♯１気筒と♯４気筒のうちの少なくとも一つの気筒でリッチ空燃比（他の気筒はリッチ又はストイキ空燃比）で運転し、その一方で、第二上流排気通路２４に通じた♯２気筒と♯３気筒のうちの少なくとも一つの気筒でリーン空燃比（他の気筒はリーン又はストイキ空燃比）で運転する。それにより、第一上流排気通路２１の前置触媒にはリッチ状態の排気ガスが通過するために、前置触媒でＨＣ及びＣＯが燃焼してしまうことなく、第二上流排気通路２４の前置触媒には、リーン状態の排気ガスが通過するために、前置触媒で未燃焼酸素が燃焼してしまうことなく、それぞれ、リッチ状態及びリーン状態を維持して第一排気合流部１１へ流入する。
【００２２】
第一排気合流部１１の下流に流れる排気ガスは、分割壁５３よりも上側で流れている部分が開口５２を通して第二下流排気通路３２へ流入し、分割壁５３よりも下側で流れている部分が開口５１を通して第一下流排気通路３１へ流入する。したがって、第一上流排気通路２１からのリッチ排気ガスと第二上流排気通路２４からのリーン排気ガスは、それぞれ、ＮＯX吸蔵還元触媒４１、４２のそれぞれにほぼ半分ずつ流入し、二つのＮＯX吸蔵還元触媒４１、４２それぞれにおいてリッチ状態の排気ガス中のＨＣ及びＣＯをリーン状態の排気ガス中の酸素によって良好に燃焼させ、二つのＮＯX吸蔵還元触媒を良好に昇温させることができる。
【００２３】
次に本発明の第二実施形態について説明する。図３に示す第二実施形態では、前置触媒が配置されておらず、排気系の♯１〜♯４気筒のそれぞれに通じた略水平配置の上流排気通路２１〜２４が第一排気合流部１１において合流しているという点で第一実施形態とは異なり、分割部分１２から下流が第一実施形態と同様な構成となっている。分割部分１２の直上流の断面形状はほぼ円形である。分割壁５３は、上流排気通路２１〜２４の配列方向にかつこれらの上流排気通路２１〜２４を二等分に分割するように延在している平面上で延在しているので、上流排気通路２１〜２４から流入する排気ガスの上側半分は、分割壁５３の上の開口５２を通って第二下流排気通路３２へ流入し、排気ガスの下側半分は、分割壁５３の下の開口５１を通って第一下流排気通路３１へ流入する。すなわち、上流排気通路２１〜２４は水平配置であるので上流排気通路２１、２４内の上側の排気ガスと下側の排気ガスは同量であることから、上流排気通路２１〜２４から下流排気通路３１、３２にそれぞれに半分ずつ流入することとなる。
【００２４】
それにより、上流排気通路２１〜２４のそれぞれから流入してくる排気ガスが、排気ガス通路に沿って分割壁５３の左側又は右側のいずれに偏流していても、排気ガスを上下半分に分割するので、確実に下流排気通路３１、３２にほぼ半分ずつ流入することが保証されている。
【００２５】
このような構成の排気系において、ＮＯX吸蔵還元触媒のＳＯX被毒を回復させる場合には、二つのＮＯX吸蔵還元触媒を良好に昇温させるために、♯１〜♯４気筒のうちの少なくとも一気筒でリッチ空燃比で運転し、残りの少なくとも一気筒でリーン空燃比で運転し、♯１〜♯４気筒からの排気ガスを第一排気合流部１１へ直接流入させる。
【００２６】
第一排気合流部１１の下流に流れる排気ガスは、分割壁５３よりも上側で流れている部分が開口５２を通して第二下流排気通路３２へ流入し、分割壁５３よりも下側で流れている部分が開口５１を通して第一下流排気通路３１へ流入する。したがって、上流排気通路２１〜２４からの排気ガスは、それぞれ、ＮＯX吸蔵還元触媒４１、４２のそれぞれにほぼ半分ずつ流入する。それにより、二つのＮＯX吸蔵還元触媒４１、４２それぞれにおいてリッチ状態の排気ガス中のＨＣ及びＣＯをリーン状態の排気ガス中の酸素によって良好に燃焼させ、二つのＮＯX吸蔵還元触媒を良好に昇温させることができる。
【００２７】
以上のように、気筒と第一排気合流部の間の排気経路は、第一実施形態のように第一排気合流部の上流で合流した構成でも、第二実施形態のように各気筒の排気通路が第一排気合流部で直接的に合流した構成のいずれでもよい。
【００２８】
本実施形態において、四気筒内燃機関の場合を示したが、本発明を限定するものではない。また、本実施形態では、排気通路の合流部は円形断面であるが、分割壁に対して対称な形状であれば、他の任意の形状でもよい。さらに、本実施形態では、第一排気合流部１１と分割部分１２が隣接した配置であるが、第一排気合流部１１と分割部分１２の間に通路が設けられた場合でも、各気筒からの排気ガスを分割壁によって半分ずつに分割してそれぞれのＮＯX吸蔵還元触媒に導入することができ、二つのＮＯX吸蔵還元触媒を良好に昇温できる。
【００２９】
【発明の効果】
このように請求項１に記載の発明にかかる内燃機関の排気装置によれば、複数の気筒のうちの少なくとも一気筒から排出されるリッチ空燃比の排気と、他の少なくとも一気筒から排出されるリーン空燃比の排気とをＮＯX吸蔵還元触媒装置へ導いて、ＳＯX被毒の回復のためにＮＯX吸蔵還元触媒装置を昇温させる内燃機関の排気装置において、リッチ空燃比の排気を排出する気筒の第一排気経路と、リーン空燃比の排気を排出する気筒の第二排気経路との排気合流部の下流側には並列配置の二つのＮＯX吸蔵還元触媒装置が配置されており、排気合流部の下流側は、排気合流部の直上流側における第一排気経路と第二排気経路との配列方向に延在する分割壁によって分割された略等しい断面積の二つの開口を有し、二つの開口の一方は二つのＮＯX吸蔵還元触媒装置の一方へ連通し、二つの開口の他方は二つのＮＯX吸蔵還元触媒装置の他方へ連通している。それにより、各気筒から流入する排気は、ＮＯX吸蔵還元触媒に連通した二つの開口のそれぞれにほぼ等しく流入し、この二つのＮＯX吸蔵還元触媒にはＨＣやＣＯ及び酸素が過不足なく供給されるので、ＳＯX被毒回復時に機関排気系に並列配置された二つのＮＯX吸蔵還元触媒を良好に昇温させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態の内燃機関の排気装置が取り付けられた機関排気系を示す概略図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の第二実施形態の内燃機関の排気装置が取り付けられた機関排気系を示す概略図である。
【符号の説明】
１…排気装置
１１…排気合流部
１２…分割部分
２１…第一排気経路
２４…第二排気経路
４１…ＮＯX吸蔵還元触媒
４２…ＮＯX吸蔵還元触媒
５３…分割壁
【図１】
0003815213.tif 000002
【図２】
0003815213.tif 000003
【図３】
0003815213.tif 000004