JP3774910B2

JP3774910B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine

Info

Publication number: JP3774910B2
Application number: JP12059995A
Authority: JP
Inventors: 平樹松本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1995-04-21
Filing date: 1995-04-21
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2021-05-17
Also published as: JPH08296430A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は，自動車等の内燃機関の排気浄化装置に関するものであり，特に機関冷間時の触媒の早期活性化による浄化能力の向上と，高速・高負荷時における触媒の過熱劣化防止と浄化性能の確保とを両立させる排気ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
自動車の排気ガス浄化には，従来から貴金属（白金，ロジウム等）またはその他の金属を担持した触媒装置が使われている。この触媒装置は排気ガス中の有害成分（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯ_X）を酸化，もしくは還元させることによって排気ガスを浄化する。
特にエンジン始動直後では，ＨＣやＣＯの排出量が多いにもかかわらず，排気ガス温度が低く触媒が活性温度（通常３５０〜４００℃以上）に達しないため，触媒装置によるＨＣやＣＯの浄化はほとんど行われないという問題がある。
【０００３】
そこで，内燃機関の始動後触媒コンバータを早期に昇温させるため，触媒コンバータを排気マニホールド直後に搭載し，更に，この触媒コンバータの上流に二次空気を供給して排気ガスの浄化を促進させる方法が実施されている。しかしながら，この方法によれば，高速・高負荷運転時においては触媒コンバータに流入する排気ガスの温度が高温となり過ぎ，触媒の耐熱温度約８５０〜９００℃以上となり，過熱による触媒の劣化を引き起こすという問題がある。
【０００４】
そこで，この問題に対処するために，高温・高負荷時において燃料の噴射量を増量し，未燃燃料の気化潜熱によって触媒コンバータを冷却する，いわゆるＯＴＰ（Ｏｖｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）増量制御法が提案されている。
また，特開昭５４−１２４１１４号公報では，上記二次空気の供給経路を，内燃機関の排気ポート（上流）と触媒コンバータ近傍（下流）の２系統とし，機関の高速回転時には触媒コンバータ近傍から二次空気を供給し，排気マニホールド内での燃焼反応による排気ガスの温度上昇を抑制する方法が提案されている。
【０００５】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記ＯＴＰ増量制御方では，排気ガスが理論空燃比よりもリッチな状態となるため，触媒コンバータの浄化率が低下し，十分な浄化が得られないという問題がある。
一方，前記特開昭５４−１２４１１号公報の浄化装置では，高速回転時に二次空気を排気ポートから供給せず，排気ポートでの排気ガス反応を抑制するが，触媒コンバータ内部での浄化反応熱による触媒の過熱は依然として回避することができない。
【０００６】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたものであり，機関始動後の早期活性化と，高速・高負荷時における過熱劣化防止及び高浄化率の保持とを合わせて実現することのできる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題の解決手段】
本発明は，内燃機関の排気通路に介装された排気ガス浄化装置であって，
この浄化装置は，排気通路の上流側に配置された熱容量の小さい第１触媒コンバータと，この第１触媒コンバータの下流側に配置された排気浄化容量の大きい第２触媒コンバータと，上記第１触媒コンバータの上流側の排気通路又は上記第１触媒コンバータと第２触媒コンバータとの間の排気通路に選択的に二次空気を供給することのできる二次空気供給手段と，内燃機関の燃料噴射量を増加させる燃料噴射増量手段と，排気ガスの温度又は第１触媒コンバータの温度を検出又は推定する温度判定手段と，内燃機関の運転状況検出手段と，上記温度判定手段及び運転状況検出手段の出力信号を受けて上記二次空気供給手段及び燃料噴射増量手段を操作する制御手段とを有しており，
上記第１触媒コンバータは，その胴部と排気通路の外壁との間に空隙部を生ずるよう構成されており，上記二次空気の第二供給部は上記空隙部に設けられており，
上記制御手段は，上記運転状況検出手段及び温度判定手段の出力に基づいて，上記第１触媒コンバータが活性化を既に開始し且つ過熱状態となる恐れがないと判定した場合には，第１触媒コンバータの上流側の第一供給部に二次空気を供給し，一方，上記第１触媒コンバータに悪影響を及ぼす恐れのある過熱状態にあると判定した場合には，上記第１触媒コンバータと第２触媒コンバータの間の第二供給部に二次空気を供給すると共に燃料噴射量を増加させるよう上記二次空気供給手段及び燃料噴射増量手段を操作することを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置にある。
【０００８】
本発明において最も注目すべきことの第１点は，熱容量の小さい第１触媒コンバータを上流側に配置し，容量の大きい第２触媒コンバータを下流側に配置したことである。
そして，特に注目すべき第２点は，二次空気を，第１触媒コンバータの上流側（第１供給部）と第１，第２触媒コンバータの中間（第２供給部）とに選択的に供給することのできる二次空気供給手段を有することである。
【０００９】
そして，第３点は燃料噴射増量手段を有することである。
そして，更に注目すべきことは，制御手段は，第１触媒コンバータが活性化を開始し且つ過熱状態となる恐れがないと判定した場合には，上記第１供給部から二次空気を供給し，一方，第１触媒コンバータが過熱状態にある場合には，上記第２供給部から二次空気を供給すると共に燃料噴射量を増加させる前記ＯＴＰ制御を行うことである。
【００１０】
なお，第１触媒コンバータが活性化を開始し部分活性化状態にあるときは，更に燃料噴射量を増加させることが好ましい。これによって，第１触媒コンバータの昇温が促進され，迅速に浄化率を高めることができるからである。そして，第１触媒コンバータの活性化の程度は，例えば，内燃機関の運転状況の経過を追尾する等の方法により判定することができる（後述する図４参照）。
【００１１】
また，第１触媒コンバータの上流に酸素濃度検出手段を設け，第１触媒コンバータ及び酸素濃度検出手段がいずれも活性化しており且つ第１触媒コンバータが過熱状態にない場合に，二次空気の供給と燃料噴射の増量を停止し，上記酸素濃度検出手段に基づいて空燃比制御を行うことが好ましい。
触媒コンバータが既に活性化し且つ過熱状態にない場合には，二次空気の供給や燃料噴射の増量は不要であり，触媒コンバータの浄化率が高くなるような値（理論空燃比近傍）に空燃比を制御することが適切であるからである。
【００１２】
また，第２触媒コンバータの下流又は第１触媒コンバータと第１触媒コンバータの間に第２の酸素濃度検出手段を設け，第１触媒コンバータが過熱状態にあり燃料噴射増量制御（ＯＴＰ制御）を行う場合には二次空気の量を調整して第２触媒コンバータに流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比近傍となるよう制御することが好ましい。触媒コンバータは，排気ガスが理論空燃比近傍であるときに最も浄化率が高いからである。
【００１３】
また，上記において，前記第１触媒コンバータを，胴部の断面積が排気ガスへの装着部よりもその下流側において小さくなるようにし，この下流側の胴部と排気ガスの外壁との間の空隙部に前記第２供給部を設けるようにすることが好ましい。
上記空隙部に二次空気を流入させることにより，二次空気によって第１触媒コンバータが冷却され，第１触媒コンバータの過熱が抑制されるからである。
【００１４】
【作用及び効果】
本発明にかかる排気ガス浄化装置においては，上流側に熱容量の小さい第１触媒コンバータが設けられている。そのため，内燃機関を始動させた後，急速に第１触媒コンバータが昇温，活性化することができる。また，第１触媒コンバータが活性化を開始した後は，二次空気が第１触媒コンバータの上流に供給されるから，排気ガスの酸化反応と第１触媒コンバータでの浄化反応が一層促進され第１触媒コンバータの昇温を一段と高めることができる。
そして，下流の第２触媒コンバータの昇温，活性も同時に促進される。
上記のように，始動後早期に触媒コンバータの昇温，活性化を達成することができる。
【００１５】
一方，第１触媒コンバータが活性化して過熱状態にある場合には，第１触媒コンバータの下流の第２供給部から二次空気を供給し，二次空気による昇温作用が第１触媒コンバータに及ばないようにすると共に，燃料噴射を増加させ，その気化潜熱によって第１触媒コンバータの過熱を抑制することができる（ＯＴＰ制御）。
【００１６】
そのため，第１触媒コンバータの過熱による不具合を抑制することが可能となる。また，第２触媒コンバータは浄化能力（容量）が大きいから，ＯＴＰ制御によって燃料噴射を増加させても充分な浄化能力を有しており，また一般に熱容量も大きいから昇温速度が遅く容易に過熱状態となることがなく，高浄化率を保持できる。
上記のように，本発明によれば，内燃機関始動後の触媒コンバータの早期活性化と，高速・高負荷時における触媒コンバータの過熱劣化防止及び高浄化率の保持とを合わせて実現することのできる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することができる。
【００１７】
【実施例】
実施例１
本例は，図１に示すように，内燃機関の排気通路４５に介装された排気ガス浄化装置１である。
浄化装置１は，排気通路４５の上流側に配置された熱容量の小さい第１触媒コンバータ１１と，第１触媒コンバータ１１の下流側に配置された排気浄化容量の大きい第２触媒コンバータ１２と，第１触媒コンバータ１１の上流側の排気通路４５１又は第１触媒コンバータ１１と第２触媒コンバータ１２との間の排気通路４５２に選択的に二次空気を供給することのできる二次空気供給手段１３と，内燃機関の燃料噴射量を増加させる燃料噴射増量手段１４と，排気ガスの温度を検出する温度判定手段（温度センサ）２１と，内燃機関４１の運転状況検出手段２２と，温度判定手段２１及び運転状況検出手段２２の出力信号を受けて二次空気供給手段１３及び燃料噴射増量手段１４を操作する制御手段３０とを有する。
【００１８】
制御手段３０は，運転状況検出手段２２及び温度判定手段２１の出力に基づいて，第１触媒コンバータ１１が活性化を既に開始し且つ過熱状態となる恐れがないと判定した場合には，第１触媒コンバータ１１の上流の第１供給部４５８に二次空気を供給すると共に燃料噴射増量手段１４を操作して燃料噴射量を増加する（図２，ステップ６１５〜６１７）。また，第１触媒コンバータ１１に悪影響を及ぼす恐れのある過熱状態にあると判定した場合には，第１触媒コンバータ１１と第２触媒コンバータ１２の間の第２供給部４５９に二次空気を供給し，燃料噴射を増加させる（図３，ステップ６２４〜６２６）。
【００１９】
また，第１触媒コンバータ１１の上流の排気通路４５１には第１の酸素濃度検出手段（Ｏ₂センサ）１５が設けられており，制御手段３０は，第１触媒コンバータ１１及び第１酸素濃度検出手段１５が活性化しており且つ第１触媒コンバータ１１が過熱状態にないと判定した場合には，二次空気の供給及び燃料噴射の増量を停止し，第１酸素濃度検出手段１５に基づいて排気ガスの空燃比制御を行う（図２，ステップ６１９）。
【００２０】
また，第１触媒コンバータ１１と第２触媒コンバータ１２の間の排気通路４５２には第２の酸素濃度検出手段（Ｏ₂センサ）１６が設けられており，二次空気供給手段１３には二次空気の量を調整する流量調整弁１３３が備えられている。そして，第１触媒コンバータ１１が過熱状態にあると判定した場合には，制御手段３０は，第２酸素濃度検出手段１６の出力に基づいて二次空気の供給量を調整し，第２触媒コンバータ１２に流入する排気ガスの酸素濃度を理論空燃比の酸素濃度に近づけるよう制御する。
【００２１】
また，図１，図５に示すように，第１触媒コンバータ１１は，胴部１９（図５）の断面積が排気通路への装着部１９１よりも下流側１９２において小さく，下流側の胴部１９２と排気通路の外壁４５７（図１）との間に空隙部４６を生ずるよう構成されている。そして，二次空気の第２供給部４５９は空隙部４６に設けられている。
【００２２】
それぞれについて説明を補足する。
第１触媒コンバータ１１の反応部１１０は，図５に示すように，胴部１９に収容されている。そしてその下流側が胴部１９に接合され，上流側は胴部１９との間に空隙４７を有する。そして，この空隙４７の断熱的作用により，反応部１１０の放熱が抑制されている。
図５において，符号１１１は，排気通路４５１に装着するためのフランジである。
【００２３】
温度判定手段２１及び第１酸素濃度検出手段１５は，内燃機関の排気マニホールドの出口付近に設置されている。
そして，燃料噴射増量手段１４は，フュエルインジェクタを制御する電磁コイルである。
二次空気供給手段１３は，図１に示すように，エアポンプ（又はコンプレッサ）１３２と，その駆動モータ１３１と，流量調節弁１３３と，３ポート２位置切換弁１３４と，第１供給部４５８及び第２供給部４５９に至る流路にそれぞれ配置された逆止弁１３５，１３６とを有する。
【００２４】
エアポンプ１３２は，排気ガスの最大圧力よりも大きな吐出圧力を有するエア駆動装置である。
制御手段３０は，マイクロプロセッサを有する電子制御装置（ＥＣＵ）である。制御手段３０は，エアポンプ１３２（モータ１３１）を駆動し，流量調節弁１３３と切換弁１３４を介して排気通路４５１，４５２に二次空気を供給する。そして逆止弁１３５，１３６は，排気ガス（二次空気）の逆流を防止する。
【００２５】
次に本例の浄化装置１の制御をフローチャートに基づいて説明する。
図２は，機関冷間時における作動を示したフローチャートである。先ず，ステップ６００で機関の回転数ＮＥ，吸入空気量ＱＮ，吸気管圧力ＰＭ，スロットル開度ＴＡ，冷却水温ＴＨＷ等のパラメータから運転状態を検出し，これに基づきステップ６１０で基本燃料噴射量を演算する。
【００２６】
次にステップ６１１で排ガス温度センサ２１の検出信号に基づき排ガス温度Ｔ_Eが触媒に悪影響を及ぼす高温状態を示す所定の温度Ｔ_S（Ｔ_S＝７００〜８００℃）以上かどうかを判定する。Ｔ_E＜Ｔ_Sならばステップ６１２に進む。Ｔ_E≧Ｔ_Sならば，後述する図３のステップ６２３に進む。
次にステップ６１２で第１触媒コンバータ１１の活性状態を検出あるいは推定する。ここで，第１触媒コンバータ２の活性状態検出あるいは推定手段の一例を図４に示す。
【００２７】
図４において，始めに上記機関の運転状態，すなわちステップ６００における機関回転数ＮＥ，吸入空気量ＱＮ，スロットル開度ＴＡ，冷却水温ＴＨＷ等のパラメータと機関始動後の経過時間とに基づいて，ステップ６５１で排ガス熱エネルギーの累積値Ｑを算出する。
一方，ステップ６５２において，予め計算あるいは実験的に求められた第１触媒コンバータ１１の熱容量Ｍおよび排ガスからの伝熱効率ｋが，制御手段３０に与えられる。
【００２８】
これらより，ステップ６５３において始動ｔ秒後の第１触媒コンバータ２の温度Ｔを推定する。次にステップ６５４において，上記推定温度Ｔが，触媒活性温度Ｔａ（一般的に約３００〜３５０℃）に対しＴ＜Ｔａであれば未活性であり，Ｔ≧Ｔａであれば活性化していると判定する。
【００２９】
そして，図２のステップ６１２において，第１触媒コンバータ１１が活性化していない場合は，後述するステップ６２０にスキップする。
ステップ６１２で少なくとも一部分が活性化していれば，ステップ６１３で第１Ｏ₂センサ１５の活性状態を判定する。なお，第１Ｏ₂センサ１５は，ヒータ付きＯ₂センサ１５であり，この活性状態判定手段としては，ヒータ通電時間と，予め計算あるいは実験的に求められたＯ₂センサの昇温特性から活性化状態を推定することができる（一般的には機関始動後約３０秒〜４０秒で約６００℃以上）。
【００３０】
ステップ６１３で第１Ｏ₂センサ１５が活性化していれば，ステップ６１８にスキップし，二次空気供給手段１３を停止してステップ６１９で通常のＡ／Ｆ（空燃比）フィードバック制御に入る。
一方，ステップ６１３において第１Ｏ₂センサ１５が活性化していなければ，ステップ６１４でＡ／Ｆフードバック制御は停止し，ステップ６１５で２位置流路切換え弁１３４により第１の二次空気供給路４５８を選択し，続くステップ６１６で２二次空気供給手段１３を作動させ，ステップ６１７で燃料噴射量を増量する。上記のようにステップ６１２（出力否），ステップ６１４〜６１７，あるいは６１８，６１９を経て，ステップ６２０で，最終的な燃料噴射量が決定される。
【００３１】
一方，ステップ６１１において，Ｔ_E≧Ｔ_Sの場合には，図３のステップ６２３に進み，以下に述べる触媒コンバータが過熱状態における処理を実施する。
始めに，ステップ６２３において，Ａ／Ｆフィードバック制御を停止する。次にステップ６２４において，制御手段３０は第２供給路４５９を選択し，ステップ６２５において切換え弁１３４を第２供給路４５９側に作動させる。
【００３２】
そして，ステップ６２６において，燃料噴射量を増量する（ＯＴＰ制御）。続くステップ６２７で第２酸素濃度検出手段１６の出力を見て，排気ガスの酸素濃度がリッチか否かをチェックする。
リッチであれば，ステップ６２８において，流量調節弁１３３を操作し二次空気の量を増加する。ステップ６２７で結果がリーンであれば，ステップ６２９において二次空気の量を減少させる。
【００３３】
以上の構成による本実施例の作動および効果を以下に説明する。
内燃機関の始動直後のような冷間時において，第１触媒コンバータ１１の少なくとも一部分が活性化し，且つ第１のＯ₂センサ１５が未活性のとき，ステップ６１４〜６１７に示すように燃料噴射量を増量する（暖気増量）。そして，二次空気供給手段１３を作動させ，２位置流路切換え弁１３４をポジションＡ（図１）とし，第１の二次空気供給路４５８から第１触媒コンバータ１１の上流側に二次空気を供給する。
【００３４】
これにより第１触媒コンバータ１１内での反応が促進され，急速に全域が活性化し，更にその反応熱により第１触媒コンバータ１１を通過後の排ガス温度を高め，第２触媒コンバータ１２も早期に活性化する。以上の作用により，機関始動直後から良好な排ガス浄化性能が得られる。
【００３５】
一方，高速・高負荷運転時においては，排ガス温度センサ２１により排ガス温度が，触媒に悪影響を及ぼす高温状態を示す所定の温度以上であると判定されたとき，ステップ６２３以下に示すように，燃料噴射量を増量（ＯＴＰ増量）し，余剰燃料の気化潜熱により第１触媒コンバータ１１の過熱を防止し，同時に二次空気供給手段１３を作動させ，２位置流路切換え弁１３４をポジションＢとし，第２の二次空気供給路４５９から第１触媒コンバータ１１の下流側に二次空気を供給する。
【００３６】
そして本実施例による構成では，第２の供給路４５９から供給される二次空気が，第１触媒コンバータ１１の周囲の空間部４６を回り込み，第１触媒コンバータ１１を周囲から冷却する効果も期待できる。
またこのとき，第２のＯ₂センサ１６の検出信号に基づき，第２触媒コンバータ１２に流入する排ガスの空燃比を理論空燃比近傍に維持するように流量調整弁１３３により二次空気の流量を調整することにより，大容量の第２触媒コンバータ１２で浄化率を良好とし充分な排ガス浄化能力を確保することが可能となる。
【００３７】
上記のように，本例によれば，内燃機関始動後の触媒コンバータ１１，１２の早期活性化と，高速・高負荷時における触媒コンバータ１１の過熱劣化防止及び高浄化率の保持とを合わせて実現することのできる内燃機関の排気ガス浄化装置１を提供することができる。
なお，本例では，温度判定手段２１を別個に設けたが，運転状況検出手段２２から得られる機関回転数ＮＥ，吸入空気量ＱＮ，冷却水温度ＴＨＷ等の情報から排気ガス温度あるいは触媒コンバータの温度を推定するようにしてもよい。
【００３８】
実施例２
本例は，実施例１において，第２触媒コンバータ１２の上流の酸素濃度検出手段１６に替えて第２触媒コンバータ１２の下流側の酸素濃度検出手段１７（図１）を用い，これによって第２触媒コンバータ１２に流入する排気ガスの空燃比の状態を判定し，これに基づいて二次空気の供給量を制御するようにしたもう１つの実施例である。
その他については，実施例１と同様であり，同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の排気ガス浄化装置のシステム構成図。
【図２】実施例１の浄化装置の制御フローチャート（但し触媒コンバータ温度の高温時を除く）。
【図３】実施例１の浄化装置の制御フローチャート（触媒コンバータ温度の高温時であり図２を補完するもの）。
【図４】実施例１の浄化装置において第１触媒コンバータの活性化状況を判定するための制御フローチャート。
【図５】実施例１の第１触媒コンバータの拡大断面図。
【符号の説明】
１１．．．第１触媒コンバータ，
１２．．．第２触媒コンバータ，
１３．．．二次空気供給手段，
１４．．．燃料噴射増量手段，
２１．．．温度判定手段，
２２．．．運転状況検出手段，
３０．．．制御手段，[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine such as an automobile, and more particularly to an improvement in purification capability by early activation of a catalyst when the engine is cold, prevention of overheating deterioration of the catalyst at high speed and high load, and purification performance. The present invention relates to an exhaust gas purifying device that achieves both ensuring of the above.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, catalyst devices carrying noble metals (platinum, rhodium, etc.) or other metals have been used for purifying exhaust gases of automobiles. This catalyst device purifies the exhaust gas by oxidizing or reducing harmful components (HC, CO, NO _x ) in the exhaust gas.
In particular, immediately after the engine is started, the exhaust gas temperature is low and the catalyst does not reach the activation temperature (usually 350 to 400 ° C or higher) despite the large amount of HC and CO emissions. There is a problem that it is hardly done.
[0003]
Therefore, in order to quickly raise the temperature of the catalytic converter after the internal combustion engine is started, the catalytic converter is mounted immediately after the exhaust manifold, and further, secondary air is supplied upstream of the catalytic converter to promote exhaust gas purification. Has been implemented. However, according to this method, the temperature of the exhaust gas flowing into the catalytic converter becomes too high during high-speed / high-load operation, and the heat-resistant temperature of the catalyst becomes about 850 to 900 ° C. or more, which causes deterioration of the catalyst due to overheating. There's a problem.
[0004]
Therefore, in order to cope with this problem, a so-called OTP (Over temperature) increase control method is proposed in which the fuel injection amount is increased at high temperatures and high loads, and the catalytic converter is cooled by the latent heat of vaporization of unburned fuel. Yes.
In Japanese Patent Laid-Open No. 54-124114, the secondary air supply path has two systems, an exhaust port (upstream) of the internal combustion engine and the vicinity of the catalytic converter (downstream), and from the vicinity of the catalytic converter when the engine rotates at high speed. A method has been proposed in which secondary air is supplied to suppress an increase in exhaust gas temperature due to a combustion reaction in the exhaust manifold.
[0005]
[Problems to be solved]
However, the OTP increase control method has a problem that the exhaust gas becomes richer than the stoichiometric air-fuel ratio, so that the purification rate of the catalytic converter is reduced and sufficient purification cannot be obtained.
On the other hand, in the purification device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 54-12411, secondary air is not supplied from the exhaust port during high-speed rotation, and the exhaust gas reaction at the exhaust port is suppressed. Overheating of the catalyst due to can still not be avoided.
[0006]
The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and is realized by combining early activation after engine start, prevention of overheating deterioration at high speed and high load, and maintenance of a high purification rate. It is an object of the present invention to provide an exhaust gas purifying device for an internal combustion engine.
[0007]
[Means for solving problems]
The present invention is an exhaust gas purifying device interposed in an exhaust passage of an internal combustion engine,
The purification device includes a first catalytic converter having a small heat capacity disposed on the upstream side of the exhaust passage, a second catalytic converter having a large exhaust purification capacity disposed on the downstream side of the first catalytic converter, and the first catalyst. Secondary air supply means capable of selectively supplying secondary air to an exhaust passage upstream of the converter or an exhaust passage between the first catalytic converter and the second catalytic converter, and a fuel injection amount of the internal combustion engine The fuel injection increasing means for increasing the temperature, the temperature determining means for detecting or estimating the temperature of the exhaust gas or the temperature of the first catalytic converter, the operating condition detecting means of the internal combustion engine, and the outputs of the temperature determining means and the operating condition detecting means Control means for receiving the signal and operating the secondary air supply means and the fuel injection increasing means,
The first catalytic converter is configured to create a gap between the body and the outer wall of the exhaust passage, and the second supply portion of the secondary air is provided in the gap.
If the control means determines that the first catalytic converter has already started activation and is not likely to be in an overheated state based on the outputs of the operating condition detection means and the temperature determination means, the first catalyst When the secondary air is supplied to the first supply section on the upstream side of the converter and, on the other hand, it is determined that there is an overheating state that may adversely affect the first catalytic converter, the first catalytic converter and the second catalytic converter An exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine, wherein the secondary air supply means and the fuel injection increasing means are operated so as to increase the fuel injection amount while supplying secondary air to the second supply section between the catalytic converters. It is in.
[0008]
The first thing that should be noted most in the present invention is that the first catalytic converter having a small heat capacity is arranged on the upstream side, and the second catalytic converter having a large capacity is arranged on the downstream side.
The second point to be particularly noted is that the secondary air is selectively sent to the upstream side (first supply unit) of the first catalytic converter and between the first and second catalytic converters (second supply unit). It has secondary air supply means which can supply.
[0009]
The third point is to have fuel injection increasing means.
Further, it should be noted that the control means supplies secondary air from the first supply section when it is determined that the first catalytic converter starts to be activated and there is no risk of overheating. On the other hand, when the first catalytic converter is in an overheated state, the OTP control is performed to supply the secondary air from the second supply unit and increase the fuel injection amount.
[0010]
When the first catalytic converter starts activation and is in a partially activated state, it is preferable to further increase the fuel injection amount. This is because the temperature increase of the first catalytic converter is promoted, and the purification rate can be quickly increased. The degree of activation of the first catalytic converter can be determined by, for example, a method of tracking the progress of the operating state of the internal combustion engine (see FIG. 4 described later).
[0011]
Further, oxygen concentration detection means is provided upstream of the first catalytic converter, and when the first catalytic converter and the oxygen concentration detection means are both activated and the first catalytic converter is not in an overheated state, the supply of secondary air is performed. It is preferable to stop the increase in fuel injection and perform air-fuel ratio control based on the oxygen concentration detection means.
When the catalytic converter is already activated and not in an overheated state, no secondary air supply or fuel injection increase is required, and the air-fuel ratio is set to a value (near the theoretical air-fuel ratio) that increases the purification rate of the catalytic converter. It is because it is appropriate to control.
[0012]
Further, a second oxygen concentration detecting means is provided downstream of the second catalytic converter or between the first catalytic converter and the first catalytic converter, and the first catalytic converter is in an overheated state and performs fuel injection increase control (OTP control). In this case, it is preferable to control the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the second catalytic converter to be close to the theoretical air-fuel ratio by adjusting the amount of secondary air. This is because the catalytic converter has the highest purification rate when the exhaust gas is near the stoichiometric air-fuel ratio.
[0013]
Further, in the above, the first catalytic converter is configured such that the cross-sectional area of the body portion is smaller on the downstream side than the mounting portion to the exhaust gas, and between the downstream body portion and the outer wall of the exhaust gas. It is preferable to provide the second supply part in the gap part.
This is because by flowing the secondary air into the gap, the first catalytic converter is cooled by the secondary air, and overheating of the first catalytic converter is suppressed.
[0014]
[Action and effect]
In the exhaust gas purification apparatus according to the present invention, the first catalytic converter having a small heat capacity is provided on the upstream side. Therefore, after starting the internal combustion engine, the first catalytic converter can be rapidly heated and activated. In addition, since the secondary air is supplied upstream of the first catalytic converter after the activation of the first catalytic converter, the exhaust gas oxidation reaction and the purification reaction in the first catalytic converter are further promoted. The temperature increase of the one catalytic converter can be further increased.
And the temperature rise and activity of the downstream second catalytic converter are also promoted.
As described above, the temperature increase and activation of the catalytic converter can be achieved early after starting.
[0015]
On the other hand, when the first catalytic converter is activated and is in an overheated state, secondary air is supplied from the second supply unit downstream of the first catalytic converter, and the temperature rising action by the secondary air is applied to the first catalytic converter. In addition, the fuel injection is increased and the overheat of the first catalytic converter can be suppressed by the latent heat of vaporization (OTP control).
[0016]
Therefore, it is possible to suppress problems due to overheating of the first catalytic converter. In addition, since the second catalytic converter has a large purification capacity (capacity), it has sufficient purification capacity even if fuel injection is increased by OTP control. In general, since the heat capacity is large, the temperature rise rate is slow and it is easy to overheat. A high purification rate can be maintained without entering a state.
As described above, according to the present invention, the early activation of the catalytic converter after starting the internal combustion engine, the prevention of overheating deterioration of the catalytic converter at high speed and high load, and the maintenance of a high purification rate can be realized. An exhaust gas purification device for an internal combustion engine that can be provided can be provided.
[0017]
【Example】
Example 1
As shown in FIG. 1, the present example is an exhaust gas purification device 1 interposed in an exhaust passage 45 of an internal combustion engine.
The purification device 1 includes a first catalytic converter 11 having a small heat capacity disposed on the upstream side of the exhaust passage 45, a second catalytic converter 12 having a large exhaust purification capacity disposed on the downstream side of the first catalytic converter 11, Secondary air supply means 13 capable of selectively supplying secondary air to the exhaust passage 451 upstream of the first catalytic converter 11 or the exhaust passage 452 between the first catalytic converter 11 and the second catalytic converter 12; The fuel injection increasing means 14 for increasing the fuel injection amount of the internal combustion engine, the temperature determining means (temperature sensor) 21 for detecting the temperature of the exhaust gas, the operating condition detecting means 22 for the internal combustion engine 41, the temperature determining means 21 and Control means 30 for receiving the output signal of the operating condition detecting means 22 and operating the secondary air supply means 13 and the fuel injection increasing means 14.
[0018]
When the control means 30 determines that the first catalytic converter 11 has already started activation and there is no risk of overheating based on the outputs of the operating condition detection means 22 and the temperature determination means 21, the first Secondary air is supplied to the first supply section 458 upstream of the catalytic converter 11 and the fuel injection increasing means 14 is operated to increase the fuel injection amount (FIG. 2, steps 615 to 617). In addition, when it is determined that the overheated state may adversely affect the first catalytic converter 11, the secondary air is supplied to the second supply unit 459 between the first catalytic converter 11 and the second catalytic converter 12. Then, the fuel injection is increased (steps 624 to 626 in FIG. 3).
[0019]
The exhaust passage 451 upstream of the first catalytic converter 11 is provided with first oxygen concentration detection means (O ₂ sensor) 15, and the control means 30 is configured to detect the first catalytic converter 11 and the first oxygen concentration detection. If it is determined that the means 15 is activated and the first catalytic converter 11 is not overheated, the supply of secondary air and the increase in fuel injection are stopped, and the exhaust gas is exhausted based on the first oxygen concentration detection means 15. Gas air-fuel ratio control is performed (FIG. 2, step 619).
[0020]
The exhaust passage 452 between the first catalytic converter 11 and the second catalytic converter 12 is provided with _second oxygen concentration detection means (O ₂ sensor) 16, and the secondary air supply means 13 A flow rate adjusting valve 133 for adjusting the amount of air is provided. When it is determined that the first catalytic converter 11 is in an overheated state, the control means 30 adjusts the supply amount of the secondary air based on the output of the second oxygen concentration detection means 16, and the second catalytic converter Control is performed so that the oxygen concentration of the exhaust gas flowing into the gas 12 approaches the oxygen concentration of the stoichiometric air-fuel ratio.
[0021]
As shown in FIGS. 1 and 5, the first catalytic converter 11 has a trunk portion 19 (FIG. 5) whose sectional area is smaller on the downstream side 192 than the mounting portion 191 to the exhaust passage, and the trunk portion on the downstream side. A gap 46 is formed between 192 and the outer wall 457 of the exhaust passage (FIG. 1). A secondary air second supply unit 459 is provided in the gap 46.
[0022]
The explanation is supplemented for each.
The reaction section 110 of the first catalytic converter 11 is accommodated in the body section 19 as shown in FIG. The downstream side is joined to the body part 19, and the upstream side has a gap 47 between the body part 19. The heat radiation of the reaction part 110 is suppressed by the heat insulating action of the gap 47.
In FIG. 5, reference numeral 111 denotes a flange for mounting in the exhaust passage 451.
[0023]
The temperature determination means 21 and the first oxygen concentration detection means 15 are installed near the outlet of the exhaust manifold of the internal combustion engine.
The fuel injection increasing means 14 is an electromagnetic coil that controls the fuel injector.
As shown in FIG. 1, the secondary air supply means 13 includes an air pump (or compressor) 132, its drive motor 131, a flow rate adjusting valve 133, a three-port two-position switching valve 134, a first supply unit 458, And check valves 135 and 136 respectively disposed in the flow path to the second supply unit 459.
[0024]
The air pump 132 is an air driving device having a discharge pressure larger than the maximum pressure of the exhaust gas.
The control means 30 is an electronic control unit (ECU) having a microprocessor. The control means 30 drives the air pump 132 (motor 131) and supplies secondary air to the exhaust passages 451 and 452 via the flow rate adjustment valve 133 and the switching valve 134. The check valves 135 and 136 prevent the backflow of exhaust gas (secondary air).
[0025]
Next, control of the purification apparatus 1 of this example will be described based on a flowchart.
FIG. 2 is a flowchart showing the operation when the engine is cold. First, in step 600, the operating state is detected from parameters such as the engine speed NE, the intake air amount QN, the intake pipe pressure PM, the throttle opening degree TA, and the cooling water temperature THW. Based on this, the basic fuel injection amount is determined in step 610. Calculate.
[0026]
Next, in step 611, it is determined based on the detection signal of the exhaust gas temperature sensor 21 whether the exhaust gas temperature T _E is equal to or higher than a predetermined temperature T _S (T _S = 700 to 800 ° C.) indicating a high temperature state that adversely affects the catalyst. If T _E <T _S , the process proceeds to step 612. If T _E ≧ T _S , the process proceeds to step 623 in FIG.
Next, at step 612, the active state of the first catalytic converter 11 is detected or estimated. Here, an example of the active state detection or estimation means of the first catalytic converter 2 is shown in FIG.
[0027]
In FIG. 4, first, based on the operating state of the engine, that is, based on parameters such as the engine speed NE, the intake air amount QN, the throttle opening degree TA, the cooling water temperature THW, etc. in step 600 and the elapsed time after the engine is started. In 651, the cumulative value Q of the exhaust gas thermal energy is calculated.
On the other hand, in step 652, the heat capacity M of the first catalytic converter 11 and the heat transfer efficiency k from the exhaust gas, which are calculated or experimentally obtained in advance, are given to the control means 30.
[0028]
From these, in step 653, the temperature T of the first catalytic converter 2 after t seconds from the start is estimated. Next, in step 654, the estimated temperature T is inactive if T <Ta with respect to the catalyst activation temperature Ta (generally about 300 to 350 ° C.), and activated if T ≧ Ta. judge.
[0029]
In step 612 of FIG. 2, if the first catalytic converter 11 is not activated, the process skips to step 620 described later.
If at least a part is activated in step 612, the activation state of the first O ₂ sensor 15 is determined in step 613. The first O ₂ sensor 15 is an O ₂ sensor 15 with a heater, and the activation state determination means is activated from the heater energization time and the temperature rise characteristic of the O ₂ sensor obtained in advance or experimentally. The state can be estimated (generally about 600 ° C. or more in about 30 to 40 seconds after the engine is started).
[0030]
If the first O ₂ sensor 15 is activated in step 613, the process skips to step 618, stops the secondary air supply means 13, and enters normal A / F (air-fuel ratio) feedback control in step 619.
On the other hand, if the first O ₂ sensor 15 is not activated in step 613, the A / F food back control is stopped in step 614, and in step 615, the first secondary air supply path 458 is operated by the two-position flow path switching valve 134. In step 616, the secondary secondary air supply means 13 is operated, and in step 617, the fuel injection amount is increased. As described above, the final fuel injection amount is determined in step 620 through step 612 (output failure), steps 614 to 617, or 618 and 619.
[0031]
On the other hand, if T _E ≧ T _S in step 611, the process proceeds to step 623 in FIG. 3, and the catalytic converter described below performs processing in an overheated state.
First, in step 623, A / F feedback control is stopped. Next, in step 624, the control means 30 selects the second supply path 459, and in step 625, the switching valve 134 is operated to the second supply path 459 side.
[0032]
In step 626, the fuel injection amount is increased (OTP control). In subsequent step 627, the output of the second oxygen concentration detection means 16 is checked to check whether the oxygen concentration of the exhaust gas is rich.
If rich, in step 628, the flow control valve 133 is operated to increase the amount of secondary air. If the result is lean in step 627, the amount of secondary air is decreased in step 629.
[0033]
The operation and effect of the present embodiment having the above configuration will be described below.
When the internal combustion engine is cold, such as immediately after starting, when at least a part of the first catalytic converter 11 is activated and the first O ₂ sensor 15 is inactive, the fuel injection amount as shown in steps 614 to 617 Increase (increase in warm air). Then, the secondary air supply means 13 is operated, the two-position flow path switching valve 134 is set to position A (FIG. 1), and the secondary air is supplied from the first secondary air supply path 458 to the upstream side of the first catalytic converter 11. Supply.
[0034]
As a result, the reaction in the first catalytic converter 11 is promoted, the entire region is rapidly activated, and the exhaust gas temperature after passing through the first catalytic converter 11 is increased by the reaction heat, and the second catalytic converter 12 is also activated early. Turn into. With the above operation, good exhaust gas purification performance can be obtained immediately after the engine is started.
[0035]
On the other hand, during high speed / high load operation, when the exhaust gas temperature sensor 21 determines that the exhaust gas temperature is equal to or higher than a predetermined temperature indicating a high temperature state that adversely affects the catalyst, as shown in step 623 and subsequent steps, The injection amount is increased (OTP increase), the overheat of the first catalytic converter 11 is prevented by the latent heat of vaporization of the surplus fuel, the secondary air supply means 13 is operated at the same time, the two-position flow path switching valve 134 is set to position B, Secondary air is supplied from the second secondary air supply path 459 to the downstream side of the first catalytic converter 11.
[0036]
In the configuration according to the present embodiment, the secondary air supplied from the second supply path 459 wraps around the space 46 around the first catalytic converter 11 and is expected to cool the first catalytic converter 11 from the surroundings. it can.
At this time, based on the detection signal of the second O ₂ sensor 16, the flow rate of the secondary air is adjusted by the flow rate adjusting valve 133 so that the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the second catalytic converter 12 is maintained in the vicinity of the theoretical air-fuel ratio. By adjusting, it becomes possible to improve the purification rate with the large-capacity second catalytic converter 12 and to secure a sufficient exhaust gas purification capability.
[0037]
As described above, according to this example, the early activation of the catalytic converters 11 and 12 after starting the internal combustion engine, the prevention of overheating deterioration of the catalytic converter 11 at high speed and high load, and the maintenance of a high purification rate are combined. An exhaust gas purification device 1 for an internal combustion engine that can be realized can be provided.
In this example, the temperature determination means 21 is provided separately. However, the exhaust gas temperature or the catalytic converter of the catalytic converter is obtained from information such as the engine speed NE, the intake air amount QN, and the cooling water temperature THW obtained from the operating condition detection means 22. The temperature may be estimated.
[0038]
Example 2
In this embodiment, the oxygen concentration detection means 17 (FIG. 1) downstream of the second catalytic converter 12 is used in place of the oxygen concentration detection means 16 upstream of the second catalytic converter 12 in the first embodiment. This is another embodiment in which the state of the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalytic converter 12 is determined and the supply amount of secondary air is controlled based on this.
About others, it is the same as that of Example 1, and the same effect can be acquired.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system configuration diagram of an exhaust gas purifying apparatus according to a first embodiment.
FIG. 2 is a control flowchart of the purification apparatus according to the first embodiment (except when the catalytic converter temperature is high).
FIG. 3 is a control flowchart of the purification apparatus according to the first embodiment (when the catalytic converter temperature is high and complements FIG. 2).
FIG. 4 is a control flowchart for determining the activation status of the first catalytic converter in the purification apparatus of the first embodiment.
5 is an enlarged cross-sectional view of a first catalytic converter of Example 1. FIG.
[Explanation of symbols]
11. . . First catalytic converter,
12 . . Second catalytic converter,
13. . . Secondary air supply means,
14 . . Fuel injection increase means,
21. . . Temperature judgment means,
22. . . Operation status detection means,
30. . . Control means,

Claims

内燃機関の排気通路に介装された排気ガス浄化装置であって，
この浄化装置は，排気通路の上流側に配置された熱容量の小さい第１触媒コンバータと，この第１触媒コンバータの下流側に配置された排気浄化容量の大きい第２触媒コンバータと，上記第１触媒コンバータの上流側の排気通路又は上記第１触媒コンバータと第２触媒コンバータとの間の排気通路に選択的に二次空気を供給することのできる二次空気供給手段と，内燃機関の燃料噴射量を増加させる燃料噴射増量手段と，排気ガスの温度又は第１触媒コンバータの温度を検出又は推定する温度判定手段と，内燃機関の運転状況検出手段と，上記温度判定手段及び運転状況検出手段の出力信号を受けて上記二次空気供給手段及び燃料噴射増量手段を操作する制御手段とを有しており，
上記第１触媒コンバータは，その胴部と排気通路の外壁との間に空隙部を生ずるよう構成されており，上記二次空気の第二供給部は上記空隙部に設けられており，
上記制御手段は，上記運転状況検出手段及び温度判定手段の出力に基づいて，上記第１触媒コンバータが活性化を既に開始し且つ過熱状態となる恐れがないと判定した場合には，第１触媒コンバータの上流側の第一供給部に二次空気を供給し，一方，上記第１触媒コンバータに悪影響を及ぼす恐れのある過熱状態にあると判定した場合には，上記第１触媒コンバータと第２触媒コンバータの間の第二供給部に二次空気を供給すると共に燃料噴射量を増加させるよう上記二次空気供給手段及び燃料噴射増量手段を操作することを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。An exhaust gas purification device interposed in an exhaust passage of an internal combustion engine,
The purification device includes a first catalytic converter having a small heat capacity disposed on the upstream side of the exhaust passage, a second catalytic converter having a large exhaust purification capacity disposed on the downstream side of the first catalytic converter, and the first catalyst. Secondary air supply means capable of selectively supplying secondary air to an exhaust passage upstream of the converter or an exhaust passage between the first catalytic converter and the second catalytic converter, and a fuel injection amount of the internal combustion engine The fuel injection increasing means for increasing the temperature, the temperature determining means for detecting or estimating the temperature of the exhaust gas or the temperature of the first catalytic converter, the operating condition detecting means of the internal combustion engine, and the outputs of the temperature determining means and the operating condition detecting means Control means for receiving the signal and operating the secondary air supply means and the fuel injection increase means,
The first catalytic converter is configured to create a gap between the body and the outer wall of the exhaust passage, and the second supply portion of the secondary air is provided in the gap.
If the control means determines that the first catalytic converter has already started activation and is not likely to be in an overheated state based on the outputs of the operating condition detection means and the temperature determination means, the first catalyst When the secondary air is supplied to the first supply section on the upstream side of the converter and, on the other hand, it is determined that there is an overheating state that may adversely affect the first catalytic converter, the first catalytic converter and the second catalytic converter An exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine, wherein the secondary air supply means and the fuel injection increasing means are operated so as to increase the fuel injection amount while supplying secondary air to the second supply section between the catalytic converters. .

請求項１において，前記制御手段は，前記第１触媒コンバータが部分活性化状態にあると判定する場合には，前記燃料噴射増量手段を操作し燃料噴射量を増加させることを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。 2. The internal combustion engine according to claim 1, wherein, when it is determined that the first catalytic converter is in a partially activated state, the control means operates the fuel injection increasing means to increase the fuel injection amount. Exhaust gas purification device.

請求項１又は請求項２において，前記第１触媒コンバータの上流の排気通路には第一の酸素濃度検出手段が設けられており，
前記制御手段は，上記第１触媒コンバータ及び第一酸素濃度検出手段が活性化しており且つ第１触媒コンバータが前記過熱状態にないと判定した場合には，二次空気の供給及び燃料噴射の増量を停止し，上記第一酸素濃度検出手段の出力信号に基づいて，排気ガスの酸素濃度が理論空燃比近傍の値となるよう空燃比制御を行うことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。In Claim 1 or Claim 2, the first oxygen concentration detection means is provided in the exhaust passage upstream of the first catalytic converter,
When the first catalytic converter and the first oxygen concentration detecting means are activated and the first catalytic converter is not in the overheated state, the control means increases the supply of secondary air and the fuel injection. And the air-fuel ratio control is performed so that the oxygen concentration of the exhaust gas becomes a value near the stoichiometric air-fuel ratio based on the output signal of the first oxygen concentration detecting means. .

請求項１，請求項２又は請求項３において，前記第１触媒コンバータと第２触媒コンバータの間の排気通路又は第２触媒コンバータの下流の排気通路には第二の酸素濃度検出手段が設けられており，また前記二次空気供給手段には供給する二次空気の量を調整することのできる量調節手段が備えられており，
前記制御手段は，上記第１触媒コンバータが前記過熱状態にあると判定した場合には，上記第二酸素濃度検出手段の出力に基づいて二次空気の供給量を調節し，第２触媒コンバータに流入する排気ガスの酸素濃度を理論空燃比近傍の酸素濃度に近づけるよう制御することを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。The second oxygen concentration detection means is provided in the exhaust passage between the first catalytic converter and the second catalytic converter or in the exhaust passage downstream of the second catalytic converter. And the secondary air supply means is provided with an amount adjusting means capable of adjusting the amount of secondary air to be supplied,
When the control means determines that the first catalytic converter is in the overheated state, the control means adjusts the supply amount of secondary air based on the output of the second oxygen concentration detection means, An exhaust gas purification device for an internal combustion engine, wherein the oxygen concentration of the exhaust gas flowing in is controlled to approach the oxygen concentration in the vicinity of the theoretical air-fuel ratio.

請求項１から請求項４のいずれか１項において，前記第１触媒コンバータは，胴部の断面積が排気通路への装着部よりもその下流側において小さくなっており，前記空隙部は，当該第１触媒コンバータの下流側の胴部と排気通路の外壁との間に形成されていることを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。5. The first catalytic converter according to claim 1, wherein a cross-sectional area of the body portion is smaller on the downstream side than a mounting portion to the exhaust passage, and the gap portion is An exhaust gas purification device for an internal combustion engine, which is formed between a body portion on the downstream side of the first catalytic converter and an outer wall of the exhaust passage .