JP2004116456A - 二次空気供給装置を備えた内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】二次空気供給装置の機能を有効に活用し、広い運転領域において排気特性の改善を図ることのできる内燃機関を提供する。
【解決手段】二次空気供給装置４０は、エンジン１の外部から取り入れた空気を二次空気として各排気ポートと排気管３３の三元触媒下流とに選択的に供給する機能を有する。エンジン１のＥＣＵ５０は、排気管３３に設けられた三元触媒が過熱した場合、エアポンプ４１を駆動する。また、圧送通路４３と触媒下流側通路４５とが連通し、排気ポート側通路４４と両通路４３，４５とが遮断された状態になるよう三方向弁４６を制御して、三元触媒の下流に二次空気を供給する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、機関燃焼に伴って発生する排気に二次空気を供給する装置を備えた内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両等に搭載される内燃機関では一般に、機関始動時等、その温度が十分に高くなっていない条件下で（冷間時に）運転を行う場合、機関燃焼に供される燃料の量を増量し（機関燃焼に供する混合気をリッチ化し）、機関燃焼の安定化や暖機の促進を図る。ところが、機関燃焼に供する混合気をリッチ化すれば、排気中の未燃燃料（ＨＣ、ＣＯ等）の量が増大することになる。しかも、このような燃料の増量が要求される条件下では、排気系に設けられた排気浄化用触媒の温度も低く、当該触媒が十分に活性化する温度（活性温度）に達していないのが通常である。このことが、冷間時における排気特性の改善を困難にしていた。
【０００３】
このような問題に対し、いわゆる二次空気供給装置が知られている（特許文献１を参照）。二次空気供給装置は、冷間始動時等、排気浄化用触媒が十分に活性化しない温度条件下で機関燃焼に供する混合気をリッチ化する場合において、各燃焼室から排出された直後の排気ガスに二次空気を混入し、排気中に含まれる未燃燃料成分（ＨＣ、ＣＯ）の酸化反応を促す。これにより、排気浄化用触媒の上流において未燃燃料成分の浄化が促進され、またその反応熱によって当該触媒の活性化が早められる。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２１７４２７号公報
【特許文献２】特開２０００−４７９７１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一方、内燃機関が高負荷状態で運転を続けた場合等、高温の排気が継続的に排気浄化用触媒と接触し、触媒が過熱される。この結果、当該触媒の排気浄化機能が低下し、また、触媒自体の寿命も縮まるようになる。このような触媒の過熱を防止する方法として、機関燃焼に供する燃料を一時的に増量することにより、燃料の気化熱を利用して排気の温度を低下させる制御（触媒過熱時の燃料増量制御）が知られている。ところが、触媒過熱時の燃料増量制御を行った場合、排気中に含まれる未燃焼の燃料成分が増大し、排気を還元雰囲気にすることで、排気浄化用触媒の下流における一酸化炭素（ＣＯ）の濃度が増大してしまう。
【０００６】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、二次空気供給装置の機能を有効に活用し、広い運転領域において排気特性の改善を図ることのできる内燃機関を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、（１）内燃機関が、機関燃焼によって排出される排気を浄化する触媒と、前記触媒を通路途中に備える排気通路と、前記排気通路における触媒の上流および下流の各々に二次空気を供給する二次空気供給装置と、を備えることを要旨とする。
【０００８】
ここで、二次空気とは、内燃機関の燃焼室において燃焼行程を経たガスに対して再度供給される空気を意味する。
【０００９】
とくに機関温度が比較的低い条件下（冷間時）において、機関始動の直後（暖機期間）には、機関燃焼のために供給される燃料の増量に伴い当該燃料の未燃成分が排気系に多量に排出されるため、排気系に導入される二次空気は、そのような未燃成分の酸化反応を促す点において極めて効果的に作用する。
【００１０】
一方、高負荷運転時等に、排気浄化用触媒が過熱された場合、機関燃焼に供する燃料を増量することで、過熱した触媒の温度を低下させることができる。しかし、機関燃焼に供する燃料を増量すると、排気中に含まれる未燃焼の燃料成分が増大し、排気を還元雰囲気にするため、排気浄化用触媒の下流における一酸化炭素（ＣＯ）の濃度が増大してしまう。
【００１１】
同構成によれば、このように排気浄化用触媒が過熱した場合、機関燃焼に供する燃料の増量と併せて、排気通路の触媒下流に二次空気を供給することができる。これより、排気浄化用触媒の下流における一酸化炭素の酸化反応（二酸化炭素の生成）が促される。すなわち、単一の装置構成を利用し、排気浄化用触媒の上流および下流に適宜二次空気を供給することにより、広い運転領域において排気特性の改善を図ることができる。
【００１２】
（２）また、前記二次空気供給装置は、空気を圧送するエアポンプと、
前記エアポンプによって圧送される空気を前記排気通路の触媒上流に移送する第１の空気通路と、前記エアポンプによって圧送される空気を前記排気通路の触媒下流に移送する第２の空気通路と、前記第１の空気通路の開度および前記第２の空気通路の開度を調整する調整弁と、前記エアポンプおよび前記調整弁を制御する制御手段と、を備えるのが好ましい。
【００１３】
同構成によれば、第１の空気通路および第２の空気通路を使い分けることにより、単一のエアポンプから圧送される空気を触媒上流あるいは触媒下流へ適宜振り分ける制御を簡易且つ正確に行うことができる。
【００１４】
（３）前記制御手段は、当該機関の冷間時には、前記第１の空気通路を開き前記第２の空気通路を閉じた状態で、前記エアポンプを駆動することによって前記排気通路の触媒上流に二次空気を供給し、前記触媒が過熱した状態で前記排気通路の触媒上流における燃料成分が増大するときには、前記第２の空気通路を開き前記第１の空気通路を閉じた状態で、前記エアポンプを駆動することによって前記排気通路の触媒下流に二次空気を供給するのが好ましい。
【００１５】
ここで、内燃機関の冷間時とは、当該機関の排気通路に設けられた排気浄化用触媒の温度が低く、当該触媒が十分に活性化していないときを意味する。
【００１６】
同構成によれば、内燃機関の冷間時、排気浄化用触媒が十分に活性化しない温度条件下で機関燃焼に供する混合気をリッチ化する場合（混合気の空燃比を低くする場合）等には、各燃焼室から排出された直後の排気ガスに第１の空気通路を通じて二次空気を混入し、排気中に含まれる未燃燃料成分（ＨＣ、ＣＯ）の酸化反応を促すことができる。また、排気浄化用触媒が過熱したとき、機関燃焼に供する燃料を一時的に増量して排気の温度を低下させる制御を行う場合等には、第２の空気通路を通じて前記排気通路の触媒下流に二次空気を供給することにより、ＣＯ等の酸化反応を促すことができる。すなわち、単一の装置構成を利用し、排気浄化用触媒の上流または下流に選択的に二次空気を供給することにより、広い運転領域において排気特性の改善を図ることができる。
【００１７】
（４）また、当該機関の排気と前記排気通路の触媒下流に供給される二次空気との間で熱交換を行う熱交換手段を備えるのが好ましい。
【００１８】
同構成によれば、排気浄化用触媒が過熱した場合に、機関燃焼に供する燃料の増量と併せて排気通路の触媒下流に二次空気を供給するにあたり、熱交換手段の機能を利用して排気浄化触媒を冷却し、しかも、当該触媒の下流に供給する二次空気の温度を上げて一酸化炭素の反応性を高めることができる。
【００１９】
（５）また、前記熱交換手段は、前記二次空気が前記排気通路の外壁を通じて該通路内の排気と熱交換を行うように、前記排気通路の外周に設けられた通路空間を備えるのが好ましい。
【００２０】
同構成によれば、当該機関の排気と前記排気通路の触媒下流に供給される二次空気との間において、簡易な構成に基づき効率的に熱交換を行うことができる。
【００２１】
（６）前記熱交換された二次空気を前記排気通路の触媒下流への供給に先立って一時的に蓄えるエアタンクを備えるのが好ましい。
【００２２】
同構成によれば、前記熱交換された二次空気を前記排気通路の触媒下流への供給に先立って一時的に蓄えることにより、前記排気通路の触媒下流へ二次空気を供給することが必要な場合、保温された二次空気を速やかに供給することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施の形態について説明する。
〔エンジンの基本構成〕
図１に示すように、ガソリンエンジンシステム（以下、エンジンと称する）１は、直列配置された４つの燃焼室（気筒）１１を形成するエンジン本体（内燃機関）１０の他、吸気系２０、排気系３０、二次空気供給装置４０及び電子制御装置（以下、ＥＣＵと称する）５０等を主要部として構成される。
【００２４】
エンジン本体１０は、シリンダブロックおよびシリンダヘッドを外郭部材とし、直列する４つの燃焼室１１を内部に備える。シリンダヘッドには、各燃焼室１１に空気及び燃料の混合気を導入するための吸気ポート２３と、各燃焼室１１から排気ガスを排出するための排気ポート３１とが形成されている。各燃焼室１１に対応する吸気ポート２３には燃料噴射弁１２が備えられている。燃料噴射弁１２は、その内部に電磁ソレノイド（図示略）を備えた電磁弁であり、ＥＣＵ５０の指令信号に応じて適宜開弁し、燃焼室１１内に燃料を噴射供給する。
【００２５】
吸気系２０は、各燃焼室１１に導入される吸入空気の通路（吸気通路）をなし、空気流路の上流から下流にかけて、吸気管２１、吸気マニホールド２２及び吸気ポート２３が順次連結されて形成される。
【００２６】
吸気管２１に設けられたスロットル弁２４は、ＥＣＵ５０の指令信号に応じてその開度を変更し、吸入空気の流路面積（流量）を調整する電子制御式のバタフライ弁である。スロットル弁２４の開度は、アクセルペダル（図示略）の踏込量に、エンジン１の運転状態を反映する各種パラメータを加味して決定される。同じく吸気管２１において、スロットル弁２４の上流に設けられたエアクリーナ２５は、吸入空気に含まれる埃等を除去するフィルタである。
【００２７】
排気系３０は、各燃焼室１１から排出される排気ガスの通路（排気通路）をなし、排気流路の上流から下流にかけて、排気ポート３１、排気マニホールド３２及び排気管３３が順次連結されて形成される。排気管３３には、触媒ケーシング３４が設けられている。触媒ケーシング３４は、排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する機能を備えた周知の三元触媒を内蔵する。
【００２８】
二次空気供給装置４０は、エンジン１の外部から取り入れた空気を二次空気として各排気ポート３１に供給する機能と、同じくエンジン１の外部から取り入れた空気を二次空気として排気管３３の触媒ケーシング３４下流に供給する機能とを併せ備える。電動式エアポンプ（以下、エアポンプと称する）４１は、ＥＣＵ５０の指令信号に基づいて作動し、導入通路４２を通じて吸気管２１の途中（スロットル弁２４の上流で、且つ、エアクリーナ２５の下流にあたる部位）から空気を吸入し、圧送通路４３に圧送する。圧送通路４３は、排気ポート側通路４４と、触媒下流側通路４５とに分岐する。この分岐点には、三方向弁４６が設けられている。三方向弁４６は、ＥＣＵ５０の指令信号に基づいて動作し、（Ａ）圧送通路４３、排気ポート側通路４４および触媒下流側通路４５の相互間が遮断された状態と、（Ｂ）圧送通路４３と排気ポート側通路４４とが連通し、触媒下流側通路４５と両通路４３，４４とが遮断された状態と、（Ｃ）圧送通路４３と触媒下流側通路４５とが連通し、排気ポート側通路４４と両通路４３，４５とが遮断された状態とを切り替える。
【００２９】
排気ポート側通路４４に圧送された空気は、４本の分配管４４ａを通じて各排気ポート３１に供給される。また、触媒下流側通路４５に圧送された空気は、排気管３３の触媒ケーシング３４下流に供給される。
【００３０】
また、エンジン１の各部位には、各種センサ６１〜６５が取り付けられており、当該部位の環境条件や、エンジン１の運転状態に関する信号を出力する。例えば、吸気管に設けられたエアフロメータ６１は、吸入空気の流量（吸気量）に応じた検出信号を出力する。スロットル開度センサ６２はスロットル弁２４に取り付けられ、同弁２４の開度に応じた検出信号を出力する。クランク角センサ６３は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力する。また排気管３３の触媒ケーシング３４上流及び下流に設けられた酸素濃度センサ６４，６５は、各々の配設部位において排気中の酸素濃度に応じ連続的に変化する検出信号を出力する。酸素濃度センサ６４，６５の検出信号は、機関燃焼に供される混合気の空燃比を反映し、排気中の酸化成分（酸素（Ｏ_２）等）と還元成分（炭化水素（ＨＣ）等）の量を直接的に示す指標となる。
【００３１】
ＥＣＵ５０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、バックアップＲＡＭ及びタイマーカウンタ等の他、Ａ／Ｄ変換器を含む外部入力回路や、外部出力回路等を備える。ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ及びタイマカウンタ等と、外部入力回路や外部出力回路等とは、双方向性バスにより接続され、全体として論理演算回路を構成する。
【００３２】
このように構成されたＥＣＵ５０は、上記各種センサ６１〜６５の検出信号に基づき、燃料噴射弁１２の開閉弁動作を通じて各吸気ポート２３に燃料を噴射供給する制御（燃料噴射制御）や、三方向弁４６及びエアポンプ４１の駆動を通じて各排気ポート３１に二次空気を供給する制御（二次空気供給制御）等、エンジン１の運転状態に関する各種制御を実施する。
〔二次空気供給制御〕
次に、二次空気供給制御について、詳しく説明する。
［１］冷間時の二次空気供給制御
エンジン１では、機関始動時等、エンジン本体１０の温度が十分に高くなっていない条件下で（冷間時に）機関運転を行う場合、燃料噴射弁１２を通じて燃焼室１１内に供給する燃料の量を増量し（機関燃焼に供する混合気をリッチ化し）、機関燃焼の安定化や暖機の促進を図る。ところが、機関燃焼に供する混合気をリッチ化すれば、排気中の未燃燃料（ＨＣ、ＣＯ等）の量が増大することになる。しかも、このような燃料の増量が要求される条件下では、排気系３０に設けられた三元触媒の温度も低く、当該触媒が十分に活性化する温度（活性温度）に達していないのが通常である。
【００３３】
このためエンジン１では、冷間始動時等、三元触媒の温度が活性温度に達していない条件下で機関燃焼に供する混合気をリッチ化する場合には、二次空気供給制御を実施することにより、各燃焼室１１から排出された直後の排気ガスに空気を混入し、排気中に含まれる未燃燃料成分（ＨＣ、ＣＯ）の酸化反応を促す。これにより、三元触媒の上流において未燃燃料成分の浄化が促進され、またその反応熱によって三元触媒の活性化が早められる。
［２］触媒過熱時の二次空気供給制御
また、エンジン１が高負荷状態で運転を続けた場合等、高温の排気が継続的に触媒ケーシング３４内の三元触媒と接触し、触媒が過熱される。このような場合、ＥＣＵ５０は、燃料噴射弁１２を通じて吸気ポート２３に供給する燃料を一時的に増量し、燃料の気化熱を利用して排気の温度を低下させる制御（燃料増量制御）を実行する。ところが、燃料増量制御を行った場合、排気中に含まれる未燃焼の燃料成分が増大し、排気を還元雰囲気にすることで、三元触媒の下流における一酸化炭素（ＣＯ）の濃度が増大してしまう。このため、燃料増量制御を行う場合には、これと併せて、二次空気供給制御を実施し、三元触媒の下流に空気を供給する。これにより、三元触媒の下流において酸化雰囲気が形成され、一酸化炭素の酸化反応が促進される。
【００３４】
ここで、触媒過熱時における燃料増量制御の具体的な手順について説明する。
【００３５】
図２は、触媒過熱時における燃料増量制御を行うための処理ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、ＥＣＵ５０を通じ所定期間毎に繰り返し実行される。
〈触媒過熱仮判定に至るプロセス（Ｓ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ５）〉
本ルーチンに処理が移行すると、ＥＣＵ５０は先ずステップＳ１において、吸気量ＧＡおよびエンジン回転数ＮＥを読み込み、これらパラメータＧＡ，ＮＥに基づきマップ（図示略）を参照して触媒ケーシング３４内の三元触媒の温度（以下、触媒温度と称する）ＴＣＡＴを推定する。エンジン回転数ＮＥは、エンジン１のクランクシャフトの回転速度に相当し、クランク角センサ６３の検出信号に基づいて演算される。
【００３６】
続くステップＳ２においては、触媒温度ＴＣＡＴが予め設定されている基準値αを上回っているか否かを判断する。そして、ステップＳ２での判断が肯定である場合には処理をステップＳ３に移行し、同ステップＳ２での判断が否定である場合には処理をステップＳ９に移行する。
【００３７】
ステップＳ３においては現在記憶している過熱期間カウンタのカウント値ＯＴＣｎ−１に「１」を加算し、最新値ＯＴＣｎとする。過熱期間カウンタは、ＥＣＵ５０に包含される回路であり、そのカウント値は、触媒温度ＴＣＡＴが基準値αを上回った状態が継続する期間に相当する。
【００３８】
続くステップＳ４においては、過熱期間カウンタのカウント値が「１」であるか否かを判断する。過熱期間カウンタのカウント値は触媒温度が基準値αを下回っている限り「０」に設定される。すなわち、過熱期間カウンタのカウント値が「１」であるということは、前回のルーチンでは基準値α以下であると判断された触媒温度ＴＣＡＴが、今回のルーチンでは基準値αを上回ったと判断されたことを意味する。このステップＳ４での判断が肯定である場合、ＥＣＵ５０は、ステップＳ５において三元触媒が過熱状態にある旨の仮判定を行い、本ルーチンを一旦抜ける。
〈触媒過熱判定および燃料増量制御に至るプロセス：Ｓ４→Ｓ６→Ｓ７→Ｓ８〉一方、上記ステップＳ４での判断が否定であった場合（ＯＴＣｎ＞１）、ＥＣＵ５０は、ステップＳ６において過熱期間カウンタのカウント値が基準値β（ただし、β＞２）であるか否かを判断する。ステップＳ６での判断が肯定である場合、ＥＣＵ５０は、三元触媒が過熱状態にある旨の（正式な）判定を行い（ステップＳ７）、燃料増量制御を開始する（ステップＳ８）。他方、ステップＳ６での判断が否定であった場合、ＥＣＵ５０は本ルーチンを一旦抜ける。
〈触媒過熱判定等の解除に至るプロセス：Ｓ２→Ｓ９〉
また、上記ステップＳ２での判断が否定であった場合（触媒温度ＴＣＡＴが基準値α以下であった場合）、ＥＣＵ５０は、三元触媒が過熱状態にある旨の判定もしくは仮判定が既になされているときには、当該判定もしくは仮判定を解除する処理を行う。また、燃料増量制御が継続しているときには、当該燃料増量を中断する。ちなみに、三元触媒が過熱状態にある旨の判定もしくは仮判定判定がなされていないときには、ＥＣＵ５０は、ステップＳ９において特段の作業を行わない。ステップＳ９を経た後、ＥＣＵ５０は本ルーチンを一旦抜ける。
【００３９】
このようにＥＣＵ５０は、触媒温度ＴＣＡＴが基準値αを上回ると、三元触媒が過熱状態にある旨の仮判定を一旦行い、この状態が所定期間が継続した場合には、正式な判定を行うとともに燃料増量制御を開始する。
【００４０】
次に、触媒過熱時における二次空気供給制御の具体的な手順について説明する。
【００４１】
図３は、「触媒過熱時における二次空気供給制御」を行うための処理ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、ＥＣＵ５０を通じ所定期間毎に繰り返し実行される。
【００４２】
本ルーチンに処理が移行すると、ＥＣＵ５０は先ずステップＳ１０１において、三元触媒が過熱状態にある旨の正式な判定（図２のステップＳ７，Ｓ９参照）が維持されている否かを判断する。そして、その判断が肯定であれば処理をステップＳ１０２に移行し、その判断が否定であれば処理をステップＳ１０３に移行する。
【００４３】
ステップＳ１０２においてＥＣＵ５０は、エアポンプ４１を駆動する。また、圧送通路４３と触媒下流側通路４５とが連通し、排気ポート側通路４４と両通路４３，４５とが遮断された状態（Ｃ）になるよう三方向弁４６を制御する。すなわち、三元触媒の下流に二次空気を供給する。
【００４４】
一方、ステップＳ１０３においてＥＣＵ５０は、エアポンプ４１を停止する。また、圧送通路４３、排気ポート側通路４４および触媒下流側通路４５の相互間が遮断された状態（Ａ）になるよう三方向弁４６を制御する。なお、三元触媒の下流に二次空気の供給が行われていない場合、ＥＣＵ５０はステップＳ１０３において特段の作業を行わない。
【００４５】
ステップＳ１０２およびステップＳ１０３の何れかを経た後、ＥＣＵ５０は本ルーチンを一旦抜ける。
【００４６】
以上説明したように、ＥＣＵ５０は、三元触媒が過熱状態にある旨の判定に基づいて燃料増量制御を行う一方、この燃料増量制御（三元触媒が過熱状態にある旨の判定）と同期して、三元触媒の下流へ二次空気を供給する。
【００４７】
高負荷運転時等において、三元触媒が過熱された場合、燃料増量制御を実施することで、触媒温度を低下させることができる。しかし、機関燃焼に供する燃料を増量すると、排気中に含まれる未燃焼の燃料成分が増大し、排気を還元雰囲気にするため、排気浄化用触媒の下流における一酸化炭素（ＣＯ）の濃度が増大してしまう。
【００４８】
この点、エンジン１のＥＣＵ５０は、三元触媒が過熱した場合、燃料増量制御と併せて、排気管３３の触媒ケーシング３４下流に二次空気を供給する制御（触媒過熱時の二次空気供給制御）を行う。これより、三元触媒の下流における一酸化炭素の酸化反応（二酸化炭素の生成）が促される。また、このような触媒過熱時の二次空気供給制御を行うための装置構成は、冷間時においてエンジン１の排気中に含まれる未燃燃料成分（ＨＣ）の浄化を促すために使用される二次空気供給装置の機能を流用することができる。すなわち、三方向弁４６を用いて排気ポート側通路４４および触媒下流側通路４５を使い分けることにより、単一のエアポンプ４１から圧送される空気を触媒上流あるいは触媒下流へ適宜振り分ける制御を簡易且つ正確に行うことができる。
【００４９】
従って、本実施の形態によれば、単一な装置構成を利用し排気浄化用触媒の上流および下流に適宜二次空気を供給することにより、広い運転領域において排気特性の改善を図ることができる。
（第２の実施の形態）
次に、本発明を具体化した第２の実施の形態について、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。なお、第２の実施の形態にかかる内燃機関は、第１の実施の形態にかかるエンジン１とほぼ同一の基本構成を有するため、同等の構造もしくは機能を有する構成要素については同一の符号を付して、ここでの重複する説明は省略する。
【００５０】
図４は、第２の実施の形態にかかる内燃機関としてのガソリンエンジンシステム（以下、エンジンと称する）１′の概略構成を示す図である。
【００５１】
第１の実施の形態にかかるエンジン１のように、エアポンプ４１によって圧送した二次空気を、三方向弁４６から触媒下流側通路４５を通じて排気管３３の触媒ケーシング３４下流に供給する構成とは異なり、第２の実施の形態にかかるエンジン１′は、エアポンプ４１によって圧送した二次空気を、三方向弁４６から触媒下流側通路１４５を通じて一旦熱交換器１４６に送り、熱交換器１４６から供給通路１４７を通じて排気管３３の触媒ケーシング３４下流に供給する構成を採用する。熱交換器１４６は、触媒ケーシング３４の上流において排気管３３の外周を取り巻くように形成された通路空間を備える。熱交換器１４６としては、この空間と排気管３３内部との間で、できるだけ熱伝導が容易となる構成を採用するのが好ましい。また、供給通路１４７は、その通路途中に、熱交換器１４６から排気管３３の触媒ケーシング３４下流へ向かう空気の流れのみを許容する逆止弁１４８を備える。また、供給通路１４７は、その通路途中における逆止弁１４８の下流側に、ＥＣＵ５０の指令信号に基づく開度調整が可能な制御弁１４９を備える。さらに、供給通路１４７は、逆止弁１４８と制御弁１４９との間に分岐通路１５０を備える。分岐通路１５０は、ＥＣＵ５０の指令信号に基づく開度調整が可能な圧力制御弁１５１を備える。分岐通路１５０の圧力制御弁１５１下流側の開口端は、外部に解放されている。
【００５２】
次に、このような装置構成を利用して行う第２の実施の形態にかかる（触媒過熱時の）二次空気供給制御について説明する。なお、ここでの重複説明は省略するが、第２の実施の形態にあっても、第１の実施の形態と同様の制御構造（図２参照）を採用して、三元触媒が過熱状態にある旨の判定、仮判定、燃料増量制御を行う。
【００５３】
図５は、「触媒過熱時における二次空気供給制御」を行うための処理ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、ＥＣＵ５０を通じ所定期間毎に繰り返し実行される。
【００５４】
本ルーチンに処理が移行すると、ＥＣＵ５０は先ずステップＳ２０１において、三元触媒が過熱状態にある旨の仮判定（図２のステップＳ５，Ｓ９参照）が維持されているか否かを判断する。そして、その判断が肯定であれば処理をステップＳ２０２に移行し、その判断が否定であれば処理をステップＳ２０３に移行する。ステップＳ２０２においてＥＣＵ５０は、エアポンプ４１を駆動する。また、圧送通路４３と触媒下流側通路４５とが連通し、排気ポート側通路４４と両通路４３，４５とが遮断された状態（Ｃ）になるよう三方向弁４６を制御する。
【００５５】
一方、ステップＳ２０１での判断が否定であった場合、ステップＳ２０３においてＥＣＵ５０は、三元触媒が過熱状態にある旨の正式の判定（図２のステップＳ７，Ｓ９参照）が維持されているか否かを判断する。そして、その判断が肯定であれば処理をステップＳ２０４に移行し、その判断が否定であれば処理をステップＳ２０５に移行する。ステップＳ２０４においては、エアポンプ４１の駆動を継続する。また、制御弁１４９を開いて三元触媒の下流に二次空気を供給する。
【００５６】
また、ステップＳ２０５においては、触媒過熱時の燃料増量制御の最新のルーチンを特定するとともに、当該最新のルーチンにおいて、三元触媒が過熱状態にある旨の仮判定が解除されたか否か（図２のステップＳ９参照）を判断する。そして、その判断が肯定であれば処理をステップＳ２０６に移行し、その判断が否定であれば処理をステップＳ２０７に移行する。ステップＳ２０６においては、圧力制御弁１５１を所定期間開いた状態にし、供給通路１４７内を減圧する。
【００５７】
一方、ステップＳ２０７においては、エアポンプ４１を停止する。また、圧送通路４３、排気ポート側通路４４および触媒下流側通路１４５の相互間が遮断された状態（Ａ）になるよう三方向弁４６を制御する。また、制御弁１４９を閉じる。
【００５８】
上記ステップＳ２０２，Ｓ２０４，Ｓ２０６，Ｓ２０７の何れかを経た後、ＥＣＵ５０は本ルーチンを一旦抜ける。
【００５９】
このような装置構成および制御構造に従って触媒過熱時の二次空気供給制御を行う第２の実施の形態によれば、先の第１の実施の形態による効果に加え、以下の効果を奏することができる。
【００６０】
すなわち、三元触媒が過熱した場合に、燃料増量制御と併せて排気管３３の三元触媒下流に二次空気を供給するにあたり、エアポンプ４１から圧送される空気と、三元触媒上流の排気との間で熱交換を行うことにより、三元触媒を効率的に冷却することができ、しかも、当該触媒の下流に供給する二次空気の温度を上げて一酸化炭素の反応性を高めることができる。
【００６１】
また、触媒過熱の仮判定がなされた場合、エアポンプ４１を駆動するとともに、三方向弁４６を制御して触媒下流側通路４５に空気を圧送することにより、逆止弁１４８下流の空気が加圧される。このため、触媒過熱の正式な判定がなされた場合、制御弁１４９を開くことで三元触媒の下流に速やかに二次空気を供給することができる。また、供給通路１４７の通路途中には分岐通路１５０および圧力制御弁１５１を設け、適宜、供給通路１４７内の減圧を行うようにしているため、エアポンプ４１や二次空気の通路を構成する各部材に不必要な負担を強いることもない。
（第３の実施の形態）
次に、本発明を具体化した第３の実施の形態について、第１、第２の実施の形態と異なる点を中心に説明する。なお、第３の実施の形態にかかる内燃機関は、第１、第２の実施の形態にかかるエンジン１とほぼ同一の基本構成を有するため、同等の構造もしくは機能を有する構成要素については同一の符号を付して、ここでの重複する説明は省略する。
【００６２】
図６は、第３の実施の形態にかかる内燃機関としてのガソリンエンジンシステム（以下、エンジンと称する）１″の概略構成を示す図である。
【００６３】
第２の実施の形態にかかるエンジン１′と同様、第３の実施の形態にかかるエンジン１″は、エアポンプ４１によって圧送した二次空気を、三方向弁４６から触媒下流側通路１４５を通じて一旦熱交換器１４６に送り、熱交換器１４６から供給通路１４７を通じて排気管３３の触媒ケーシング３４下流に供給する構成を採用する。また、供給通路１４７の通路途中に、所定量の空気を一時的に保温・収容することのできるエアタンク１４７ａを備える。また、圧力制御弁１５１を備えた分岐通路１５０は、エアタンク１４７ａに接続される。
【００６４】
次に、このような装置構成を利用して行う第３の実施の形態にかかる（触媒過熱時の）二次空気供給制御について説明する。なお、ここでの重複説明は省略するが、第３の実施の形態にあっても、第１、第２の実施の形態と同様の制御構造（図２参照）を採用して、三元触媒が過熱状態にある旨の判定、仮判定、燃料増量制御を行う。
【００６５】
図７は、「触媒過熱時における二次空気供給制御」を行うための処理ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、ＥＣＵ５０を通じ所定期間毎に繰り返し実行される。
【００６６】
本ルーチンに処理が移行すると、ＥＣＵ５０は先ずステップＳ３０１において、三元触媒が過熱状態にある旨の仮判定（図２のステップＳ５，Ｓ９参照）が維持されているか否かを判断する。そして、その判断が肯定であれば処理をステップＳ３０２に移行し、その判断が否定であれば処理をステップＳ３０３に移行する。ステップＳ３０２においてＥＣＵ５０は、エアポンプ４１を駆動する。また、圧送通路４３と触媒下流側通路４５とが連通し、排気ポート側通路４４と両通路４３，４５とが遮断された状態（Ｃ）になるよう三方向弁４６を制御する。続くステップＳ３０４においては、エアタンク１４７ａ内の圧力が所定値Ｐ１を上回っているか否かを判断する。エアタンク１４７ａ内の圧力は、圧送通路４３と触媒下流側通路４５とが連通した状態（Ｃ）でエアポンプ４１の駆動を継続した期間から推定すればよい。また、エアタンク１４７ａ内の圧力を直接検出するための圧力センサを別途設けてもよい。ステップＳ３０４での判断が肯定である場合、ＥＣＵ５０は圧力制御弁１５１を所定期間開いた状態にし、エアタンク１４７ａ内の減圧を行う（ステップＳ３０５）。他方、ステップＳ３０４での判断が否定である場合、ＥＣＵ５０は本ルーチンを一旦抜ける。
【００６７】
ステップＳ３０１での判断が否定であった場合、ステップＳ３０３においてＥＣＵ５０は、三元触媒が過熱状態にある旨の正式の判定（図２のステップＳ７，Ｓ９参照）が維持されているか否かを判断する。そして、その判断が肯定であれば処理をステップＳ３０６に移行し、その判断が否定であれば処理をステップＳ３０７に移行する。ステップＳ３０６においては、エアポンプ４１の駆動を継続する。また、制御弁１４９を開いて三元触媒の下流に二次空気を供給する。
【００６８】
ステップＳ３０３での判断が否定であった場合、ステップＳ３０７においてＥＣＵ５０は、触媒過熱時の燃料増量制御の最新のルーチンを特定するとともに、当該最新のルーチンにおいて、三元触媒が過熱状態にある旨の仮判定が解除されたか否か（図２のステップＳ９参照）を判断する。そして、その判断が肯定であれば処理をステップＳ３０８に移行し、その判断が否定であれば処理をステップＳ３０９に移行する。ステップＳ３０８においては、圧力制御弁１５１を所定期間開いた状態にし、エアタンク１４７ａ内を減圧する。
【００６９】
ステップＳ３０９においては、エアポンプ４１を停止する。また、圧送通路４３、排気ポート側通路４４および触媒下流側通路１４５の相互間が遮断された状態（Ａ）になるよう三方向弁４６を制御する。また、制御弁１４９を閉じる。
【００７０】
上記ステップＳ３０５，Ｓ３０８，Ｓ３０９の何れかを経た後、或いはステップＳ３０４で否定の判断を行った場合、ＥＣＵ５０は本ルーチンを一旦抜ける。
【００７１】
このような装置構成および制御構造に基づいて触媒過熱時の二次空気供給制御を行う第３の実施の形態によれば、第１、第２の実施の形態による効果に加え、以下の効果を奏することができる。
【００７２】
すなわち、熱交換器１４６を通じて熱交換（加熱）された二次空気を排気管３３の触媒下流への供給に先立って一時的に蓄えることにより、排気管３３の三元触媒下流へ二次空気を供給することが必要な場合、保温された二次空気を速やかに供給することができる。つまり、要求に応じた二次空気供給制御の応答性が高まり、一酸化炭素等の浄化（酸化）が一層効率的に行われるようになる。
【００７３】
なお、上記第２、第３の実施の形態で採用された電子制御式の圧力制御弁１５０に替え、供給通路１４７やエアタンク１４７ａ内の圧力がある程度上昇すると、機械的に開弁して供給通路１４７内の減圧を行う制御弁を採用してもよい。
【００７４】
また、上記各実施の形態においては、機関燃焼によって排出される排気を浄化する触媒として、三元触媒を採用することにした。しかし、三元触媒に替え、或いは三元触媒に加えて、他の排気に含まれる成分の酸化や還元を促す他の触媒を採用することもできる。
【００７５】
また、上記各実施の形態では、ガソリンエンジンに本発明を適用することとしたが、これに限らず、例えばディーゼルエンジンに本発明を適用してもよい。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、簡易な装置構成を利用して、内燃機関の排気浄化用触媒の上流および下流に適宜二次空気を供給することにより、広い運転領域において排気特性の改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかるエンジンの基本構成を示す略図。
【図２】第１の実施の形態において、触媒過熱の判定、仮判定、燃料増量制御を行うための手順を示すフローチャート。
【図３】第１の実施の形態において、触媒過熱時の二次空気供給制御を行うための手順を示すフローチャート。
【図４】本発明の第２の実施の形態にかかるエンジンの基本構成を示す略図。
【図５】第２の実施の形態において、触媒過熱時の二次空気供給制御を行うための手順を示すフローチャート。
【図６】本発明の第３の実施の形態にかかるエンジンの基本構成を示す略図。
【図７】第３の実施の形態において、触媒過熱時の二次空気供給制御を行うための手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
１　エンジン
１０　エンジン本体
１１　燃焼室
１２　燃料噴射弁
２０　吸気系
２１　吸気管
２２　吸気マニホールド
２３　吸気ポート
２４　スロットル弁
２５　エアクリーナ
３０　排気系（排気通路）
３１　排気ポート
３３　排気管
３４　触媒ケーシング
４０　二次空気供給装置
４１　エアポンプ
４２　導入通路
４３　圧送通路
４４　排気ポート側通路（第１の空気通路を構成）
４４ａ　分配管（第１の空気通路を構成）
４５　触媒下流側通路（第２の空気通路を構成）
４６　三方向弁
５０　電子制御装置（ＥＣＵ）
６１　エアフロメータ
６２　スロットル開度センサ
６３　クランク角センサ
６４，６５　酸素濃度センサ
６６　圧力センサ
１４５　触媒下流側通路
１４６　熱交換器
１４７　供給通路
１４７ａ　エアタンク
１４８　逆止弁
１４９　制御弁
１５０　分岐通路
１５１　圧力制御弁

Claims (6)

1. 機関燃焼によって排出される排気を浄化する触媒と、
   前記触媒を通路途中に備える排気通路と、
   前記排気通路における触媒の上流および下流の各々に二次空気を供給する二次空気供給装置と、
   を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 前記二次空気供給装置は、空気を圧送するエアポンプと、
   前記エアポンプによって圧送される空気を前記排気通路の触媒上流に移送する第１の空気通路と、
   前記エアポンプによって圧送される空気を前記排気通路の触媒下流に移送する第２の空気通路と、
   前記第１の空気通路の開度および前記第２の空気通路の開度を調整する調整弁と、
   前記エアポンプおよび前記調整弁を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
3. 前記制御手段は、当該機関の冷間時には、前記第１の空気通路を開き前記第２の空気通路を閉じた状態で、前記エアポンプを駆動することによって前記排気通路の触媒上流に二次空気を供給し、
   前記触媒が過熱した状態で前記排気通路の触媒上流における燃料成分が増大するときには、前記第２の空気通路を開き前記第１の空気通路を閉じた状態で、前記エアポンプを駆動することによって前記排気通路の触媒下流に二次空気を供給する
   ことを特徴とする請求項２記載の内燃機関。
4. 当該機関の排気と前記排気通路の触媒下流に供給される二次空気との間で熱交換を行う熱交換手段を備える
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の内燃機関。
5. 前記熱交換手段は、前記二次空気が前記排気通路の外壁を通じて該通路内の排気と熱交換を行うように、前記排気通路の外周に設けられた通路空間を備える
   ことを特徴とする請求項４記載の内燃機関。
6. 前記熱交換された二次空気を前記排気通路の触媒下流への供給に先立って一時的に蓄えるエアタンクを備える
   ことを特徴とする請求項４又は５記載の内燃機関。

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