JP3700221B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、詳しくは、上流側排気浄化触媒と下流側排気浄化触媒とを備えた内燃機関の排気浄化装置における２次空気の導入技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の排気２次空気による排気浄化装置としては、例えば特開平５−１６３９３６号公報に開示されるものがある。
このものは、２次空気導入開始直後は、２次空気の供給量が不安定であるので、まず、排気通路の上流側（マニホールド部等）に設けられる上流側排気浄化触媒（以下、マニ触媒とも言う）入口部より上流側の排気温度が高い部分に２次空気を導入することで、２次空気による排気の浄化（酸化、後燃え）を効果的に行なわせるようにすると共に、このマニ触媒上流側での酸化による反応熱でマニ触媒を昇温させて活性化を図れるようにする。そして、一定時間経過した後で、２次空気の供給量が安定したら、前記マニ触媒よりも下流側の車両の床下等に配設される下流側排気浄化触媒（以下、床下触媒とも言う）入口部近傍上流から２次空気を導入し、以って床下触媒に導入される排気空燃比を正確に制御し床下触媒の持つ排気浄化性能を良好に発揮させるようにしている。
【０００３】
また、加速時の燃料増量時にも、上記同様の制御を行なうようにして、加速時燃料増量中の排気浄化性能の悪化を防止できるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、マニ触媒が活性した後に、マニ触媒に２次空気を導入してしまうと、折角マニ触媒が活性しているのに、マニ触媒に流入する排気空燃比が所定値から外れて排気浄化効率が却って低下してしまうことになる。例えば、マニ触媒が三元触媒である場合には、排気空燃比がリーン化し酸化反応過多となりＮＯｘの転化効率（還元反応）が低下してしまうことになるが、上記従来の装置では、かかる点が考慮されていなかった。
【０００５】
更に、マニ触媒が活性化され高温となっているときに、マニ触媒入口部の上流に２次空気を導入してしまうと、２次空気による排気浄化時の酸化反応熱やマニ触媒での酸化反応熱により、マニ触媒が更に高温となり劣化・溶損等を被ることになるという惧れもある。
本発明は、かかる従来の実情に鑑みなされたもので、上流側排気浄化触媒と下流側排気浄化触媒を備えた排気浄化装置において、排気浄化性能を高めることができると同時に、上流側排気浄化触媒を保護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。また、本装置の高精度化、構成の簡略化、低コスト化を図ることも本発明の目的である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に記載の発明にかかる内燃機関の排気浄化装置は、図１に示すように、
排気通路に直列に上流側排気浄化触媒と下流側排気浄化触媒とを介装した内燃機関の排気浄化装置において、
排気中に導入される２次空気を供給する２次空気供給手段と、
前記２次空気供給手段から供給される２次空気を、前記上流側排気浄化触媒の上流側で排気中に導入させる第１の２次空気導入通路と、
前記第１の２次空気導入通路を連通・遮断する第１の連通・遮断手段と、
前記２次空気供給手段から供給される２次空気を、前記下流側排気浄化触媒の入口部近傍から排気中に導入させる第２の２次空気導入通路と、
前記第２の２次空気導入通路を連通・遮断する第２の連通・遮断手段と、
前記上流側排気浄化触媒の活性度合いを検出する活性度合い検出手段と、
前記活性度合い検出手段により前記上流側排気浄化触媒の活性度合いが所定以下であると検出されたときに、前記２次空気供給手段を駆動すると共に、前記第２の連通・遮断手段を介して前記第２の２次空気導入通路を遮断する一方、前記第１の連通・遮断手段を介して前記第１の２次空気導入通路を連通させ、２次空気を前記上流側排気浄化触媒の上流側で排気中に導入させる第１の２次空気導入制御手段と、
前記上流側排気浄化触媒の温度が上限となるか否かを検出する触媒温度上限検出手段と、
前記活性度合い検出手段により前記上流側排気浄化触媒の活性度合いが所定を越えていると検出され、かつ、前記触媒温度上限検出手段により前記上流側排気浄化触媒の温度が上限となると検出されたときに、前記２次空気供給手段を駆動すると共に、前記第１の連通・遮断手段を介して前記第１の２次空気導入通路を遮断する一方、前記第２の連通・遮断手段を介して前記第２の２次空気導入通路を連通させ、２次空気を前記下流側排気浄化触媒の入口部近傍から排気中に導入させる第２の２次空気導入制御手段と、
前記第２の２次空気導入制御手段により２次空気の導入が開始されてから所定時間は、前記上流側排気浄化触媒の上流における排気空燃比を理論空燃比近傍に維持すると共に、所定時間経過後に、前記排気空燃比をリッチ状態に制御する空燃比制御手段と、
を含んで構成した。
【０００７】
上記構成によれば、上流側排気浄化触媒の活性度合いが低いときには、２次空気を、第１の２次空気導入通路を介して、上流側排気浄化触媒の上流側に導入する。これにより、２次空気による後燃え（酸化）を利用して排気浄化を図れると同時に、その反応熱で上流側排気浄化触媒や下流側排気浄化触媒の早期活性化を促進することができることとなる。
【０００８】
そして、上流側排気浄化触媒が活性化した後、上流側排気浄化触媒の温度が上限となる場合（触媒温度センサで検出しても良いし、請求項２に記載の発明のように、運転状態に基づいて判断しても良いし、請求項３に記載の発明のように、触媒温度を推定して検出するようにしても良い）には、排気空燃比をリッチとし、上流側排気浄化触媒が酸化反応熱により過剰に昇温し劣化が早まるという問題を確実に解決することができる。またこの時、２次空気を、第２の２次空気導入通路を介して、下流側排気浄化触媒の入口部近傍から排気中に導入させるようにしたので、下流側排気浄化触媒に流入する排気空燃比が所定値から外れ、下流側排気浄化触媒の酸化反応が低下するのを防止することができる。
【０００９】
その際、第２の２次空気導入通路を介して２次空気の導入を開始してから所定時間経過するまでは、２次空気供給手段からの２次空気の供給量が安定しないので、空燃比が所定値から外れ、下流側排気浄化触媒の排気の浄化性能が悪化したり、下流側排気浄化触媒の完全活性が遅れることになるため、第２の２次空気導入通路を介して２次空気の導入を開始してから所定時間経過後に、空燃比をリッチ状態とすることにより、これを防止することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、前記触媒温度上限検出手段を、運転状態に基づいて、前記上流側排気浄化触媒の温度が上限となるか否かを検出する手段として構成するようにした。
これにより、上流側排気浄化触媒の温度が上限となるような状態を、運転状態（機関回転速度，負荷等）に基づいて、例えば、高負荷・高回転域で運転中（燃料増量中）であり排気温度が高いこと等に基づいて、応答性よく検出できるようにしたので、上流側排気浄化触媒の温度を検出する温度センサを不要とすることができ、高応答性、構成の簡略化、コスト低減を図ることができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、前記触媒温度上限検出手段を、運転状態に基づいて前記上流側排気浄化触媒の温度を推定する触媒温度推定手段と、当該触媒温度推定手段の推定結果に基づいて前記上流側排気浄化触媒の温度が上限となるか否かを検出する手段と、を含んで構成するようにした。
これにより、運転状態に基づいて上流側排気浄化触媒の温度を推定し、その推定結果に基づいて、上流側排気浄化触媒の温度が上限となるか否かを検出できるので、請求項２に記載の発明に対し、温度センサ等を用いずに上流側排気浄化触媒の温度が上限となるか否かを、より一層高精度に検出することができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明では、請求項２に記載の触媒温度上限検出手段と、請求項３に記載の触媒温度上限検出手段と、を備え、
前記第２の２次空気導入制御手段を、前記活性度合い検出手段により前記上流側排気浄化触媒の活性度合いが所定を越えていると検出され、かつ、請求項２に記載の触媒温度上限検出手段或いは請求項３に記載の触媒温度上限検出手段の何れか一方の手段により前記上流側排気浄化触媒の温度が上限となると検出されたときに、前記２次空気供給手段を駆動すると共に、前記第１の連通・遮断手段を介して前記第１の２次空気導入通路を遮断する一方、前記第２の連通・遮断手段を介して前記第２の２次空気導入通路を連通させ、２次空気を前記下流側排気浄化触媒の入口部近傍から排気中に導入させるように構成した。
【００１３】
これにより、高応答性と高精度とを両立させて、上流側排気浄化触媒の温度が上限となるか否かを検出することができるので、以って第２の２次空気導入制御手段による２次空気導入制御を応答性よく高精度に行なわせることができ、延いては上流側排気浄化触媒の劣化の早期化等を確実に抑制することができることになる。
【００１４】
請求項５に記載の発明では、前記活性度合い検出手段を、機関温度或いは前記第１の２次空気導入制御手段による２次空気供給手段の駆動時間に基づいて、前記上流側排気浄化触媒の活性度合いを検出するように構成した。
これにより、温度センサ等を設けずとも、良好に上流側排気浄化触媒の活性度合いを検出することができる。
【００１５】
請求項６に記載の発明では、前記下流側排気浄化触媒を、排気通路に介装される消音器の下流側に配設するようにした。
また、請求項７に記載の発明では、前記上流側排気浄化触媒より下流側で排気通路に直列に介装される上流側消音器と下流側消音器との間に、前記下流側排気浄化触媒を配設すると共に、前記上流側排気浄化触媒と前記上流側消音器との間に、更に排気浄化触媒を介装するようにした。
【００１６】
請求項６，請求項７に記載の発明によれば、通常、消音器の上流側に設けられる下流側排気浄化触媒の入口部近傍の排圧に対し、下流側排気浄化触媒の入口部近傍の排圧を十分に低下させることができるので、２次空気供給手段からの２次空気の供給圧を高めなくても良好に排気中に２次空気を導入させることができるので、２次空気供給手段の大容量化等を防止できると共に第２の２次空気導入制御手段による２次空気導入制御を高精度なものとすることができる。
【００１７】
請求項８に記載の発明では、前記下流側排気浄化触媒を、前記下流側消音器の内部に配設するようにした。
これにより、例えば、下流側排気浄化触媒を保持するための触媒ケースを省略することができ、一層、構成の簡略化、コスト低減を図ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を、添付の図面に基づいて説明する。
本発明の第１の実施形態に係る全体構成を示す図２において、機関１の吸気通路の上流部には吸入空気流量Ｑａを検出するエアフローメータ２及びアクセルペダルと連動して吸入空気流量Ｑａを制御するスロットル弁が設けられ、下流のマニホールド部分には気筒毎に燃料噴射弁６が設けられている。
【００１９】
なお、機関１の気筒内に吸入された混合気は、各気筒の燃焼室に臨んで設けられた点火栓により点火され燃焼されるが、この点火栓は、後述するコントロールユニット５により運転状態等に応じて予め設定された点火タイミングで駆動される点火コイル（図示せず）からの高電圧を受けて、点火されるようになっている。
【００２０】
また、機関１のクランクシャフトやカムシャフトの回転と同期して所定角度毎にパルス信号を発生させてクランク位置や機関回転速度Ｎｅを検出するためのクランク角センサ３が設けられ、更に、機関温度として機関の冷却ジャケット内の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ４が設けられている。
ところで、ＲＯＭ，ＲＡＭ，入出力Ｉ／Ｆ，Ａ／Ｄ変換器等を備えたマイクロコンピュータからなるコントロールユニット５では、各種センサからの信号に基づいて機関の運転状態〔負荷（Ｔｐ或いはＱａ）、回転速度Ｎｅ、水温Ｔｗ等〕を検出すると共に、最終的な燃料噴射パルス幅（量）ＴＩを演算し、前記燃料噴射弁６へ当該演算された燃料噴射パルス幅ＴＩを送信し、機関１に燃料を噴射供給させるようになっている。
【００２１】
なお、最終的な燃料噴射パルス幅（量）ＴＩは、概略以下のようにして求められる。
ＴＩ＝Ｔｐ×ＫＭＲ×ＣＯＥＦ×ＡＬＰＨ＋ＴＳ
ただし、ＴＳは、燃料噴射弁の無効噴射パルス巾である。
Ｔｐは、基本燃料噴射パルス幅（＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ，Ｋは定数）である。本実施形態では、前述したようにエアフローメータ２の検出値Ｑａに基づき算出するが、Ｔｐは他にもスロットル弁開度ＴＶＯや機関回転速度Ｎｅ等に基づいて検出することもできる。
【００２２】
ＫＭＲは、負荷，回転速度，機関温度等により定まる空燃比補正係数である。また、加速時燃料増量係数等を含めることもできる。
ＣＯＥＦは、各種補正係数で、始動時増量補正、壁流補正、水温補正等の補正係数が含められる。
ＡＬＰＨは、空燃比センサにより検出される排気空燃比に基づいて、実際の排気空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量をフィードバック制御するための補正係数である。
【００２３】
ところで、機関１から排出される排気は、図３に示すように（ここでは、例えば、６気筒Ｖ型機関の片バンクを図示しているが、これに限るものではない）、排気マニホールド７を介して、排気通路８に導かれ、その後図示しない消音器等を通過した後、大気へ放出される。なお、前記排気マニホールド７と排気通路８との間には、排気を浄化するための上流側排気浄化触媒（マニ触媒）９が介装され、更に排気通路８の下流側（例えば車体の床下位置）にも排気を浄化するための下流側排気浄化触媒（床下触媒）１０が介装されている。
【００２４】
そして、排気に２次空気を導入するための第１の２次空気導入通路１１が設けられ、その一端側は排気マニホールド７に接続され（図示したように、気筒毎に分岐されたマニホールド部分に各々対応させて接続するのが、各気筒の排気温度の高温部分に効果的に２次空気を導入できることから望ましい）、他端側は２次空気を圧送供給する２次空気供給手段としてのエアポンプ１３に接続されている。また、当該第１の２次空気導入通路１１から分岐され、床下触媒１０の入口部近傍に接続される第２の２次空気導入通路１２が設けられるようになっている。
【００２５】
なお、前記第１の２次空気導入通路１１には、第２の２次空気導入通路１２との接続部（分岐部）と、排気マニホールド７との接続部と、の間に、第１開閉弁１４が介装されている。また、前記第２の２次空気導入通路１２には、第１の２次空気導入通路１１との接続部（分岐部）と、床下触媒１０の入口部近傍との接続部と、の間に、第２開閉弁１５が介装される。これら第１開閉弁１４、第２開閉弁１５は、コントロールユニット５からの開閉信号（連通・遮断信号）に従って駆動されるようになっている。なお、第１開閉弁１４や第２開閉弁１５に代えて、第１の２次空気導入通路１１と第２の２次空気導入通路１２の分岐部に所謂三方弁を設けるようにしてもよい。
【００２６】
前記第１開閉弁１４が本発明に係る第１の連通・遮断手段に相当し、前記第２開閉弁が本発明に係る第２の連通・遮断手段に相当する。また、前記三方弁を採用する場合には、当該三方弁が、本発明に係る第１の連通・遮断手段、第２の連通・遮断手段としての機能を備えることになる。
そして、前記コントロールユニット５では、従来同様の方法で、燃料噴射量Ｔｐやエアフローメータの信号等に基づいて、前記エアポンプ１３から供給すべき２次空気量を演算すると共に、その駆動を後述するようにして制御するようになっている。
【００２７】
ここで、本発明に係る活性度合い検出手段、第１の２次空気導入制御手段、触媒温度上限検出手段、第２の２次空気導入制御手段、空燃比制御手段としての機能をソフトウェア的に備えるコントロールユニット５が行なう制御について、図４，図５のフローチャートに従って説明する。
ステップ（図では、Ｓと記してある。以下、同様）１では、図示しないスタータＳＷ（スイッチ）がＯＮからＯＦＦにされたか、即ち始動完了したか否かを判断する。ＹＥＳの場合にはステップ２へ進み、ＮＯの場合にはステップ２９へ進む。
【００２８】
ステップ２では、空燃比補正係数（ＫＭＲ）を、例えば、図６に示すテーブル等を参照し、負荷（Ｔｐ）や機関回転速度（Ｎｅ）に基づいて設定する。
ステップ３では、水温Ｔｗ＜所定値（ＴｗＡＰ３，定数）であるか否かを判断する。ＹＥＳであれば、水温Ｔｗが、所定値（ＴｗＡＰ３）より低いので、マニ触媒９や床下触媒１０は非活性状態にあるとして、２次空気を供給して排気浄化を図る必要があるので、ステップ４へ進む。ＮＯであればステップ１１へ進む。
【００２９】
当該ステップ３が、本発明に係る活性度合い検出手段を構成している。
ステップ４では、フラグＦ１＝０〔始動直後エアポンプ（Ａ／Ｐ）作動中〕であるか否かを判断する。
ＹＥＳであればステップ５へ進み、ＮＯであればステップ５〜ステップ１０を飛ばしてステップ３８へ進む。
【００３０】
ステップ５では、タイマーのカウント値（ＴＩＭＥＲ１）＜所定値（Ｔ１）であるか否かを判断する。なお、ＴＩＭＥＲ１は、第１開閉弁１４の開弁中におけるエアポンプ１３の駆動開始からの経過時間である。Ｔ１は、図７に示すようなテーブルによって、始動時水温ＴｗＩＮＴに応じて設定するのが好ましい。
ＹＥＳであればステップ６へ進み、ＮＯであればステップ１１へ進む。
【００３１】
なお、当該ステップ５も、本発明に係る活性度合い検出手段を構成している。
ステップ６では、フラグＦ２＝１〔非活性中エアポンプ（Ａ／Ｐ）非作動〕であるか否かを判断する。ＹＥＳであればステップ７へ進み、ＮＯであればステップ７〜ステップ９を飛ばしてステップ１０へ進む。
ステップ７では、始動直後で機関温度が低いので、マニ触媒９の上流側に２次空気を導入して排気浄化とマニ触媒９の活性促進とを図るべく、第１開閉弁１４を開弁させる。
【００３２】
ステップ８では、エアポンプ１３の駆動を開始（ＯＮ）する。
ステップ９では、フラグＦ２を０〔非活性中エアポンプ（Ａ／Ｐ）作動中〕にセットする。
ステップ１０では、タイマーのカウント値（ＴＩＭＥＲ１）をＤＴずつインクリメントして、ステップ３８へ進む。
【００３３】
ところで、前記ステップ３又はステップ５でＮＯ判定されると、即ち、水温Ｔｗが所定温度以上又はエアポンプ１３の駆動時間が所定以上となり、マニ触媒９の活性状態が所定以上となっていると判断された場合には、ステップ１１へ進む。
ステップ１１では、フラグＦ２＝０〔非活性中エアポンプ（Ａ／Ｐ）作動中〕であるか否かを判断する。ＹＥＳであればステップ１２へ進み、ＮＯであればステップ１２〜ステップ１４を飛ばしてステップ１５へ進む。
【００３４】
ステップ１２では、エアポンプ１３の駆動を停止（ＯＦＦ）する。
ステップ１３では、第１開閉弁１４を閉弁させる。
ステップ１４では、フラグＦ２を１〔非活性中エアポンプ（Ａ／Ｐ）非作動〕にセットする。
次に、ステップ１５では、空燃比補正係数（ＫＭＲ）＞１であるか否かを判断する。即ち、高負荷・高回転域で運転中（燃料増量中）で、排気流量が多く排気温度が高い状態であるか否かを判断する。なお、このように前記ステップ３又はステップ５でＮＯ判定され（マニ触媒９が活性され）、排気流量が多く排気温度が高い状態で、２次空気をマニ触媒９の上流側に導入すると、マニ触媒９が過剰に昇温され劣化等が早まるので、本実施形態では、後述するステップ１６〜ステップ２３において、機関空燃比をリッチにすると共に、マニ触媒９と床下触媒１０との間に２次空気を導入させる。従って、マニ触媒９には、比較的リッチな排気が導入されるので、酸化反応は抑制され、過剰に昇温されることが抑制され、以ってマニ触媒９の劣化・溶損等を確実に抑制できることになる。
【００３５】
ＹＥＳであれば、リッチ状態の排気を、床下触媒１０に流入させたのでは、排気浄化性能が悪化する心配があるので、これに対応するために、ステップ１６へ進む。ＮＯであれば、マニ触媒９は高温でないと判断し、ステップ２４へ進む。
ステップ１６では、フラグＦ３＝１〔活性後エアポンプ（Ａ／Ｐ）非作動〕であるか否かを判断する。ＹＥＳであればステップ１７へ進み、ＮＯであればステップ１７〜ステップ１９を飛ばしてステップ２０へ進む。
【００３６】
ステップ１７では、第２開閉弁１５を開弁する。
ステップ１８では、エアポンプ１３を駆動する。
ステップ１９では、フラグＦ３を０〔活性後エアポンプ（Ａ／Ｐ）作動中〕にセットする。
ステップ２０では、タイマーのカウント値（ＴＩＭＥＲ２）＜所定値（Ｔ２）であるか否かを判断する。なお、ＴＩＭＥＲ２は、第２開閉弁１５の開弁中におけるエアポンプ１３の駆動開始からの経過時間である。ＹＥＳであればステップ２１へ進み、ＮＯであればステップ２３へ進む。
【００３７】
ステップ２１では、所定時間経過しないとエアポンプ１３からの２次空気の供給量が安定しないので、燃料増量に伴う排気空燃比のリッチ化を有効に抑制できず、排気の浄化性能が悪化するので、これを防止すべく、所定時間Ｔ２経過するまでは、空燃比補正係数（ＫＭＲ）＝１にセットする。この場合、通常の空燃比フィードバック制御（λコントロール）を行なうようにしてもよい。
【００３８】
ステップ２２では、タイマーのカウント値（ＴＩＭＥＲ２）をＤＴずつインクリメントして、ステップ３８へ進む。
なお、ステップ２３では、燃料増量する（ＫＭＲ＞１）。即ち、ステップ２３へ進む場合には、エアポンプ１３を駆動してから所定時間（Ｔ２）経過しており、エアポンプ１３からの２次空気の供給量が安定し、排気空燃比を良好に制御できるので、今度はいつまでも空燃比補正係数（ＫＭＲ）＝１にセットしておくと、マニ触媒９の温度が高温となり劣化し、さらに床下触媒１０の入口空燃比がリーンとなり、床下触媒１０の排気浄化効率が悪化するため、燃料増量（ＫＭＲ＞１）を実行して、床下触媒１０の入口空燃比を理論空燃比へ近づけるようにする。なお、これと同時に、マニ触媒９へ導入される排気空燃比はリッチ状態となるので、マニ触媒９での酸化反応が抑制され、過剰に昇温することが抑制されるので、マニ触媒９の劣化等が早まることが確実に抑制できることとなる。
【００３９】
前記ステップ２１，ステップ２３が、本発明に係る空燃比制御手段に相当する。
ステップ２４では、フラグＦ３＝０〔活性後エアポンプ（Ａ／Ｐ）作動中〕であるか否かを判断する。ＹＥＳであればステップ２５へ進み、ＮＯであればステップ２５〜ステップ２８を飛ばしてステップ３８へ進む。
【００４０】
ステップ２５では、エアポンプ１３の駆動を停止（ＯＦＦ）する。
ステップ２６では、第２開閉弁１５を閉弁する。
ステップ２７では、タイマーのカウント値（ＴＩＭＥＲ２）を０にリセットする。
ステップ２８では、フラグＦ３を１〔活性後エアポンプ（Ａ／Ｐ）非作動〕にセットして、ステップ３８へ進む。
【００４１】
なお、ステップ１でＮＯ判定されると、即ち、スタータによる始動（クランキング）中であると判定された場合には、ステップ２９へ進むが、ステップ２９では、始動直後の２次空気制御を行なうための準備として、タイマーのカウント値（ＴＩＭＥＲ１）を０にリセットする。
ステップ３０では、始動時水温（ＴｗＩＮＴ）が、低所定値（ＴｗＡＰ１，定数）＜ＴｗＩＮＴ＜高所定値（ＴｗＡＰ２，定数）であるか否かを判断する。ＹＥＳであればステップ３１へ進み、ＮＯであればステップ３３へ進む。
【００４２】
ステップ３１では、例えば、図７に示すテーブル等を参照し、始動時水温（ＴｗＩＮＴ）に応じてエアポンプ１３の作動時間Ｔ１を設定する。
ステップ３２では、フラグＦ１を０〔始動直後エアポンプ（Ａ／Ｐ）作動中〕にセットし、ステップ３４へ進む。
一方、ステップ３３では、氷結等によりエアポンプ１３の作動が困難な条件である、或いは機関温度がある程度高いのでマニ触媒９の活性は既に促進されている条件であるので、始動直後の２次空気導入制御を行なわないと判断して、フラグＦ１を１〔始動直後エアポンプ（Ａ／Ｐ）非作動〕にセットし、ステップ３４へ進む。
【００４３】
ステップ３４では、第１開閉弁１４を閉弁する。
ステップ３５では、第２開閉弁１５を閉弁する。
ステップ３６では、フラグＦ２を１〔非活性中エアポンプ（Ａ／Ｐ）非作動〕にセットする。
ステップ３７では、タイマーのカウント値（ＴＩＭＥＲ２）を０にリセットして、ステップ３８へ進む。
【００４４】
ステップ３８では、燃料噴射パルス幅（燃料噴射量）ＴＩを演算する。
ステップ３９では、燃料噴射弁６に燃料噴射パルス幅ＴＩに応じた駆動信号を送り、本フローを終了する。
このように、第１の実施形態によれば、マニ触媒９が非活性中は、マニ触媒９の上流側に２次空気を導入し（ステップ７〜ステップ１０）、後燃えにより排気を効果的に浄化すると共に、排気の昇温を利用してマニ触媒９や床下触媒１０の早期活性化を図ることができる。そして、マニ触媒９が活性化されると（ステップ３又はステップ５で判断）、今度は、排気流量が多く排気温度が高い状態（例えば、加速時など）では、マニ触媒９が過剰に昇温され劣化等が早まるので、ステップ１６〜ステップ２３において、機関空燃比をリッチ化するため、マニ触媒９での酸化反応が抑制されて、過剰に昇温されることを抑制でき、以ってマニ触媒９の劣化・溶損等を確実に抑制できることになる。ただし、機関空燃比をリッチ化したままだと、床下触媒１０での酸化反応も抑制され、エミッションが悪化するため、マニ触媒９と床下触媒１０の間に２次空気を導入させ、床下触媒９の入口空燃比を理論空燃比に近づけるようにしたので、エミッションの悪化が抑制できる。
【００４５】
しかも、所定時間Ｔ２経過しないと、エアポンプ１３からの２次空気の供給量が安定しないので、排気空燃比のリッチ化により床下触媒１０の排気の浄化性能が悪化するため、これを防止すべく、所定時間Ｔ２経過するまでは、空燃比補正係数（ＫＭＲ）＝１にセットし、その後、燃料増量（空燃比のリッチ化）を図るようにしたので、排気浄化性能の悪化を極力抑制することができる。
【００４６】
また、マニ触媒９の温度が過剰となるような状態を、ステップ１５において、空燃比補正係数、即ち運転状態により検出できるようにしたので、マニ触媒９の温度状態を検出するための温度センサが不要とでき、コスト低減を図ることができる。即ち、前記ステップ１５が、本発明に係る触媒温度上限検出手段を構成する。
【００４７】
次に、第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態は、第１の実施形態の図４，図５のフローチャートに対し、下記の点で異なっている。それ以外は、概略同様である。
即ち、
▲１▼機関回転速度Ｎｅ，負荷Ｔｐに基づいて、マニ触媒９の温度Ｔｃを予測する。
【００４８】
▲２▼Ｔｃが所定値ＴＣＣＨ以上となり、燃料増量（リッチ化）要求があったら、第２開閉弁１５を開弁させてエアポンプ１３を駆動すると共に、一定時間（Ｔ２）、ＫＭＲを１にセットする。若しくは一定時間（Ｔ２）、排気空燃比を理論空燃比に制御するための所謂空燃比フィードバック制御（λコントロール）を行なう。
【００４９】
▲３▼Ｔ２経過後、燃料の増量を行ない、マニ触媒９の過剰な昇温等を抑制すべく、空燃比をリッチ化する。
▲４▼Ｔｃ≦Ｔｃｍ、かつ、燃料増量域（ＫＭＲ＞１）から外れた場合には、エアポンプ１３の駆動を停止して第２開閉弁１５を閉弁し、通常の燃料噴射（例えば、空燃比フィードバック制御）へ移行させる。
【００５０】
ここで、第２の実施形態におけるコントロールユニット５が行なう制御を、図８〜図１０のフローチャートに従って説明する。なお、第１の実施形態の図４，図５のフローチャートと同一部分についての説明は省略する。
第１の実施形態の場合と同様にして、ステップ２でＫＭＲを設定した後は、ステップ５０へ進むが、ステップ５０では、推定触媒平衡温度ＴＣＡを、下式に従って求める。
【００５１】
ＴＣＡ＝ｆ（Ｔｐ，ＮＲＰＭ）−（ＫＭＲＣＨ−ＫＭＲ）×ＤＴＣＡ
即ち、推定触媒平衡温度ＴＣＡを、基本燃料噴射量Ｔｐ、機関回転速度ＮＲＰＭ、マニ触媒９の昇温抑制のための燃料増量係数（量）ＫＭＲＣＨ，燃料増量係数（量）に対する触媒温度低下代ＤＴＣＡに基づいて求める。なお、図１１に示すようなテーブルを参照して、推定触媒平衡温度ＴＣＡを求めることもできる。
【００５２】
ステップ５１では、推定触媒温度ＴＣを、下式に従って求める。
ＴＣ＝（ｎ−１）／ｎ×ＴＣ＋１／ｎ×ＴＣＡ
その後は、第１の実施形態の場合と同様、ステップ３へ進む。
当該ステップ５０，ステップ５１が、請求項３に記載の触媒温度推定手段を構成する。
【００５３】
そして、第１の実施形態の場合と同様、ステップ１５において、空燃比補正係数（ＫＭＲ）＞１であるか否かが判断され、ＹＥＳであれば、第１の実施形態の場合と同様、ステップ１６〜ステップ２２、ステップ６０へ進む。一方、ＮＯの場合、即ち燃料増量要求がないときには、ステップ５２側へ進む。
ステップ５２では、ステップ５１で求めた推定触媒温度ＴＣ＞高所定値（ＴＣＣＨ）であるか否かを判断する。ＹＥＳであれば、マニ触媒９が過剰に昇温し劣化等が早まるのを抑制すると共に、床下触媒１０の活性化等を図るべく、ステップ５３へ進む。ＮＯであれば、マニ触媒９は過剰に昇温していないと判断して、第１の実施形態と同様に、ステップ２４〜ステップ２８，ステップ６０へ進む。
【００５４】
当該ステップ５２が、請求項３に記載の触媒温度上限検出手段を構成する。
ステップ５３では、マニ触媒９が高温となっているので、機関空燃比をリッチ化してマニ触媒９の温度上昇を抑制するが、床下触媒１０の転化率（浄化効率）が悪化するのを防止するため、床下触媒１０の入口近傍に２次空気を導入させるべく、まず、フラグＦ３＝１〔活性後エアポンプ（Ａ／Ｐ）非作動〕であるか否かを判断する。ＹＥＳであればステップ５４へ進み、ＮＯであれば既に作動中であるのでステップ５４〜ステップ５６を飛ばしてステップ５７へ進む。
【００５５】
ステップ５４では、第２開閉弁１５を開弁する。
ステップ５５では、エアポンプ１３を駆動する。
ステップ５６では、フラグＦ３を０〔活性後エアポンプ（Ａ／Ｐ）作動中〕にセットする。
ステップ５７では、タイマーのカウント値（ＴＩＭＥＲ２）＜所定値（Ｔ２）であるか否かを判断する。なお、ＴＩＭＥＲ２は、第２開閉弁１５の開弁中におけるエアポンプ１３の駆動開始からの経過時間である。ＹＥＳであればステップ５８へ進み、ＮＯであればステップ５９へ進む。ところで、前記Ｔ２の値は、ステップ２０のＴ２と異ならせるようにしてもよい。
【００５６】
ステップ５８では、タイマーのカウント値（ＴＩＭＥＲ２）をＤＴずつインクリメントして、ステップ６０へ進む。
前記ステップ５７で、ＮＯ判定されると、エアポンプ１３の２次空気の供給量は安定したと判断し、ステップ５９で、マニ触媒９の温度低下を図るべく、燃料増量する（ＫＭＲ＝ＫＭＲＣＨ）。即ち、ステップ５９へ進む場合には、エアポンプ１３を駆動してから所定時間（Ｔ２）経過しており、エアポンプ１３からの２次空気の供給量が安定し、排気空燃比を良好に制御できるので、今度はいつまでも空燃比補正係数（ＫＭＲ）＝１にセットしておくと、マニ触媒９の温度が高温となり劣化し、さらに床下触媒１０の入口空燃比がリーンとなり、床下触媒１０の排気浄化効率が悪化するため、燃料増量（ＫＭＲ＞１）を実行して、床下触媒１０の入口空燃比を理論空燃比へ近づけるようにする。なお、これと同時に、マニ触媒９へ導入される排気空燃比はリッチ状態となるので、マニ触媒９での酸化反応が抑制され、過剰に昇温することが抑制されるので、マニ触媒９の劣化等が早まることが確実に抑制できることとなる。
【００５７】
ステップ５９を実行した後は、ステップ６０を飛ばして、ステップ３８へ進む。
なお、ステップ６０では、前記燃料増量係数（量）ＫＭＲＣＨが０にセットされ、マニ触媒９の過剰な昇温防止等のための燃料増量は停止されるようになっている。
【００５８】
また、ステップ１で、クランキング中と判断されると、ステップ２９側へ進むが、第１の実施形態に対し、ステップ６１，ステップ６２が新たに付加されている。その他は、第１の実施形態と同様である。
なお、ステップ６１は、推定触媒温度ＴＣを初期値ＴｗＩＮＴにセットするステップであり、ステップ６２は燃料増量係数（量）ＫＭＲＣＨを１にセットするステップである。
【００５９】
このように、第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を奏しつつ、更に、第１の実施形態に対し、高負荷・高回転域で運転中（燃料増量中）、即ち排気流量が多く排気温度が高くなる状態を検出して、マニ触媒９が過剰に昇温され劣化等が早まる状態を検出すること（ステップ１５で判断）に加え、ステップ５１で、マニ触媒９の温度を推定し、その推定結果に基づいて、ステップ５２で、マニ触媒９が過剰に昇温されているか否かを判断できるようにしたので、より一層確実に、マニ触媒９が過剰に昇温され劣化が早まることを防止できるようにしつつ、床下触媒１０の早期活性化を図ることができる。
【００６０】
つづけて、第３の実施形態について説明する。
第３の実施形態では、図１２に示すように、通常の床下触媒１０の下流（センターマフラー１６とメインマフラー１７との間）に、リア触媒１８を追加し、そのすぐ上流に第２の２次空気導入通路１２を接続させるようにしてある。この場合、リア触媒１８が本発明に係る下流側排気浄化触媒に相当することになる。
【００６１】
なお、２次空気の導入制御は、第１の実施形態或いは第２の実施形態で説明した図４，図５のフローチャート或いは図８〜図１０のフローチャートと同様のものを用いる。
この第３の実施形態によれば、以下のような作用効果を奏することができる。
即ち、ＫＭＲ＞１となるときには、排気温度が高温で、かつ排気流量が多いので、排圧が高くなるので、センターマフラー１６より上流側に配設される床下触媒１０の入口部近傍に２次空気を導入するのでは、２次空気の供給圧を高める必要があり、エアポンプ１３の容量の大型化や２次空気の導入制御が困難となるが、第３の実施形態では、より排圧が低い床下触媒１０の下流側で、かつリア触媒１８の上流側に第２の２次空気導入通路１２を接続させたので、２次空気の供給圧を低く維持することができ、以ってエアポンプ１３の容量を小さくできると共に２次空気の導入制御を容易にして、２次空気導入による排気浄化性能の改善を良好に促進することができる。
【００６２】
なお、排気浄化性能や活性化特性が所望のものにできれば、床下触媒１０を排除するようにしても構わない。
また、触媒ケースを省略して構成の簡略化を図れるように、リア触媒１８を、メインマフラー１７の内部に配設するようにしてもよい。
更に、リア触媒１８を設けずとも、図３で示した床下触媒１０、即ち下流側排気浄化触媒１０を、通常、この図３で示した下流側排気浄化触媒１０の下流側に設けられる少なくとも何れかのマフラーより下流側に設けるようにするだけでも、排圧を低減することができ、上記と同様の作用効果を奏することができるものである。
【００６３】
ところで、上記各実施形態では、活性度合い検出手段や触媒温度上限検出手段として、直接上流側排気浄化触媒の温度等を温度センサで検出しないように工夫して構成の簡略化、コスト低減を図っているが、温度センサで上流側排気浄化触媒の温度や上流側排気浄化触媒からの排気温度を検出し、活性度合い検出手段や触媒温度上限検出手段を構成するようにしてもよいことは勿論である。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、上流側排気浄化触媒の活性度合いが低いときには、２次空気を、第１の２次空気導入通路を介して、上流側排気浄化触媒の上流側に導入し、これにより、２次空気による後燃え（酸化）を利用して排気浄化を図れると同時に、その反応熱で上流側排気浄化触媒や下流側排気浄化触媒の早期活性化を促進することができる。
【００６５】
そして、上流側排気浄化触媒が活性化した後、上流側排気浄化触媒の温度が上限となる場合には、機関空燃比をリッチとし、上流側排気浄化触媒が酸化反応熱により過剰に昇温し劣化が早まるという問題を確実に解決することができる。またこの時、２次空気を、第２の２次空気導入通路を介して、下流側排気浄化触媒の入口部近傍から排気中に導入させるようにしたので、下流側排気浄化触媒に流入する排気空燃比が所定値から外れ、下流側排気浄化触媒の酸化反応が低下するのを防止することができる。
【００６６】
その際、第２の２次空気導入通路を介して２次空気の導入を開始してから所定時間経過するまでは、２次空気供給手段からの２次空気の供給量が安定しないので、空燃比が所定値から外れ、下流側排気浄化触媒の排気の浄化性能が悪化したり、下流側排気浄化触媒の完全活性が遅れることになるため、第２の２次空気導入通路を介して２次空気の導入を開始してから所定時間経過後に、空燃比をリッチ状態とすることにより、これを防止することができる。
【００６７】
なお、請求項２に記載の発明によれば、上流側排気浄化触媒の温度が上限となるような状態を、運転状態に基づいて応答性よく検出できるようにしたので、上流側排気浄化触媒の温度を検出する別個新たな温度センサを設けなくて済むので、高応答性で、構成の簡略化、コスト低減を図ることができる。
請求項３に記載の発明によれば、運転状態に基づいて上流側排気浄化触媒の温度を推定し、その推定結果に基づいて、上流側排気浄化触媒の温度が上限となるか否かを検出できるので、請求項２に記載の発明に対し、温度センサ等を用いずに上流側排気浄化触媒の温度が上限となるか否かを、より一層高精度に検出することができる。
【００６８】
請求項４に記載の発明によれば、高応答性と高精度とを両立させて、上流側排気浄化触媒の温度が上限となるか否かを検出することができるので、以って第２の２次空気導入制御手段による２次空気導入制御を応答性よく高精度に行なわせることができ、延いては上流側排気浄化触媒の劣化の早期化等を確実に抑制することができる。
【００６９】
請求項５に記載の発明によれば、別個新たに温度センサ等を設けずとも、良好に上流側排気浄化触媒の活性度合いを検出することができる。
請求項６，請求項７に記載の発明によれば、通常、消音器の上流側に設けられる下流側排気浄化触媒の入口部近傍の排圧に対し、下流側排気浄化触媒の入口部近傍の排圧を十分に低下させることができるので、２次空気供給手段からの２次空気の供給圧を高めなくても良好に排気中に２次空気を導入させることができるので、２次空気供給手段の大容量化等を防止できると共に第２の２次空気導入制御手段による２次空気導入制御を高精度なものとすることができる。
【００７０】
請求項８に記載の発明によれば、例えば、下流側排気浄化触媒を保持するための触媒ケースを省略することができ、一層、構成の簡略化、コスト低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１に記載の発明の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の第１の実施形態の全体構成図。
【図３】同上実施形態の排気系の全体構成図。
【図４】同上実施形態の制御プログラムを説明するフローチャート（その１）。
【図５】同上実施形態の制御プログラムを説明するフローチャート（その２）。
【図６】同上実施形態において空燃比補正係数（ＫＭＲ）を設定するためのテーブルの一例。
【図７】同上実施形態において所定時間Ｔ１を設定するためのテーブルの一例。
【図８】本発明の第２の実施形態の制御プログラムを説明するためのフローチャート（その１）。
【図９】本発明の第２の実施形態の制御プログラムを説明するためのフローチャート（その２）。
【図１０】本発明の第２の実施形態の制御プログラムを説明するためのフローチャート（その３）。
【図１１】同上実施形態において推定触媒平衡温度ＴＣＡを求めるためのテーブルの一例。
【図１２】本発明の第３の実施形態の排気系の全体構成図。
【符号の説明】
１ 内燃機関
２ エアフローメータ
３ クランク角センサ
４ 水温センサ
５ コントロールユニット
６ 燃料噴射弁
７ 排気マニホールド
８ 排気通路
９ 上流側排気浄化触媒（マニ触媒）
１０ 下流側排気浄化触媒（床下触媒）
１１ 第１の２次空気導入通路
１２ 第２の２次空気導入通路
１３ エアポンプ
１４ 第１開閉弁
１５ 第２開閉弁
１６ センターマフラー
１７ メインマフラー
１８ リア触媒

Claims (8)

1. 排気通路に直列に上流側排気浄化触媒と下流側排気浄化触媒とを介装した内燃機関の排気浄化装置において、
   排気中に導入される２次空気を供給する２次空気供給手段と、
   前記２次空気供給手段から供給される２次空気を、前記上流側排気浄化触媒の上流側で排気中に導入させる第１の２次空気導入通路と、
   前記第１の２次空気導入通路を連通・遮断する第１の連通・遮断手段と、
   前記２次空気供給手段から供給される２次空気を、前記下流側排気浄化触媒の入口部近傍から排気中に導入させる第２の２次空気導入通路と、
   前記第２の２次空気導入通路を連通・遮断する第２の連通・遮断手段と、
   前記上流側排気浄化触媒の活性度合いを検出する活性度合い検出手段と、
   前記活性度合い検出手段により前記上流側排気浄化触媒の活性度合いが所定以下であると検出されたときに、前記２次空気供給手段を駆動すると共に、前記第２の連通・遮断手段を介して前記第２の２次空気導入通路を遮断する一方、前記第１の連通・遮断手段を介して前記第１の２次空気導入通路を連通させ、２次空気を前記上流側排気浄化触媒の上流側で排気中に導入させる第１の２次空気導入制御手段と、
   前記上流側排気浄化触媒の温度が上限となるか否かを検出する触媒温度上限検出手段と、
   前記活性度合い検出手段により前記上流側排気浄化触媒の活性度合いが所定を越えていると検出され、かつ、前記触媒温度上限検出手段により前記上流側排気浄化触媒の温度が上限となると検出されたときに、前記２次空気供給手段を駆動すると共に、前記第１の連通・遮断手段を介して前記第１の２次空気導入通路を遮断する一方、前記第２の連通・遮断手段を介して前記第２の２次空気導入通路を連通させ、２次空気を前記下流側排気浄化触媒の入口部近傍から排気中に導入させる第２の２次空気導入制御手段と、
   前記第２の２次空気導入制御手段により２次空気の導入が開始されてから所定時間は、前記上流側排気浄化触媒の上流における排気空燃比を理論空燃比近傍に維持すると共に、所定時間経過後に、前記排気空燃比をリッチ状態に制御する空燃比制御手段と、
   を含んで構成したことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記触媒温度上限検出手段が、運転状態に基づいて、前記上流側排気浄化触媒の温度が上限となるか否かを検出する手段であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記触媒温度上限検出手段が、運転状態に基づいて前記上流側排気浄化触媒の温度を推定する触媒温度推定手段と、当該触媒温度推定手段の推定結果に基づいて前記上流側排気浄化触媒の温度が上限となるか否かを検出する手段と、を含んで構成されたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 請求項２に記載の触媒温度上限検出手段と、請求項３に記載の触媒温度上限検出手段と、を備え、
   前記第２の２次空気導入制御手段を、前記活性度合い検出手段により前記上流側排気浄化触媒の活性度合いが所定を越えていると検出され、かつ、請求項２に記載の触媒温度上限検出手段或いは請求項３に記載の触媒温度上限検出手段の何れか一方の手段により前記上流側排気浄化触媒の温度が上限となると検出されたときに、前記２次空気供給手段を駆動すると共に、前記第１の連通・遮断手段を介して前記第１の２次空気導入通路を遮断する一方、前記第２の連通・遮断手段を介して前記第２の２次空気導入通路を連通させ、２次空気を前記下流側排気浄化触媒の入口部近傍から排気中に導入させるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記活性度合い検出手段が、機関温度或いは前記第１の２次空気導入制御手段による２次空気供給手段の駆動時間に基づいて、前記上流側排気浄化触媒の活性度合いを検出することを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記下流側排気浄化触媒を、排気通路に介装される消音器の下流側に配設するようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記上流側排気浄化触媒より下流側で排気通路に直列に介装される上流側消音器と下流側消音器との間に、前記下流側排気浄化触媒を配設すると共に、前記上流側排気浄化触媒と前記上流側消音器との間に、更に排気浄化触媒を介装したことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記下流側排気浄化触媒を、前記下流側消音器の内部に配設したことを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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