JP2944371B2

JP2944371B2 - 内燃機関の排気管内空気導入装置

Info

Publication number: JP2944371B2
Application number: JP5210370A
Authority: JP
Inventors: 建彦高橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-08-25
Filing date: 1993-08-25
Publication date: 1999-09-06
Anticipated expiration: 2014-09-06
Also published as: JPH0763049A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、内燃機関の排気管内
に空気を導入することにより、排気ガスを浄化するため
の触媒を活性化する内燃機関の排気管内空気導入装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は例えば実開昭４７−２１０１８号
公報などに示されたものと同様の従来の排気管内空気導
入装置を示す構成図である。図において、内燃機関１に
は、空気を導入するための吸気管２と、燃焼によって生
じた有害な排気ガスを大気へ排出するための排気管３と
が接続されている。吸気管２の上流部分には、大気中の
塵埃を除去するエアクリーナ４が設けられている。エア
クリーナ４の下流には、吸気管２の通路面積を変化させ
て内燃機関１に吸入される空気量を調整するためのスロ
ットル弁５が設けられている。

【０００３】排気管３の途中には、化学反応によって有
害な排気ガスを浄化する第１の三元触媒（以下、単に第
１の触媒と略称する。）を収納した第１の触媒収納部６
が設けられている。この第１の触媒収納部６の下流に
は、第１の触媒と同様に排気ガスの浄化を行う第２の三
元触媒（以下、単に第２の触媒と略称する。）を収納し
た第２の触媒収納部７が設けられている。また、吸気管
２と排気管３との間には、空気導入管８が接続されてい
る。この空気導入管８は、途中で２本に分岐され、分岐
された一方が第１の触媒収納部６の上流部分に、他方が
第２の触媒収納部７の上流部分に接続されている。

【０００４】空気導入管８の分岐部には、第１及び第２
の触媒収納部６，７の両方の上流に空気を導入するか、
第２の触媒収納部７の上流のみに空気を導入するかを切
り換える切換バルブ９が設けられている。また、空気導
入管８の切換バルブ９の上流には、排気管３内に空気を
強制的に導入するためのエアポンプ１０が設けられてい
る。このエアポンプ１０は、ベルト（図示せず）を介し
て内燃機関１により駆動される。

【０００５】第２の触媒収納部７には、第２の触媒の温
度を検出する温度センサ１１が取り付けられている。こ
の温度センサ１１及び切換バルブ９には、温度センサ１
１からの情報に応じて切換バルブ９を制御する制御部１
２が接続されている。なお、内燃機関１に燃料を供給す
るインジェクタ及びその制御系等については、ここでは
省略する。

【０００６】次に、動作について説明する。内燃機関１
の始動時のチョーク作動中には、空燃比がリッチであ
り、ＨＣ，ＣＯが多く発生するため、エアクリーナ４を
通過して浄化された空気の一部が、エアポンプ１０によ
り空気導入管８に強制的に吸い込まれ、両方の触媒収納
部６，７上流に導入される。これにより、多く発生した
ＨＣ，ＣＯは、第１及び第２の触媒収納部６，７の両方
で、酸化反応によりＨ₂ＯやＣＯ₂に変えられ、これによ
り排気ガスが浄化される。

【０００７】また、第２の触媒が高温になり活性化した
状態になると、温度センサ１１によりそれが検出され、
制御部１２により切換バルブ９が切り換えられて、第２
の触媒収納部７の上流のみに空気が導入される。この状
態では、排気ガス中のＮＯ_Xが、第１の触媒による還元
反応によりＮ₂に変えられ、またＨＣ，ＣＯは、第２の
触媒側のみでＨ₂ＯやＣＯ₂に変えられて、排気ガスの浄
化が行われる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のように構成され
た従来の排気管内空気導入装置においては、第１及び第
２の触媒が低温のときから、排気ガスよりも低温である
常温の空気を導入しているため、各触媒収納部６，７を
通過する排気ガスの温度が低下して、触媒の活性化が遅
れてしまい、これにより排気ガスの浄化効率が低下する
という問題点があった。さらに、第２の触媒の温度が設
定値に達して第１の触媒への空気の導入を停止するま
で、第１及び第２の触媒への導入空気量の分配比は一定
であるが、これに対してＮＯ_Xの排出量は内燃機関１の
温度上昇にともなって徐々に増加していくため、切換バ
ルブ９を切り換えるまでは、ＮＯ_Xを効率良く浄化でき
ないという問題点もあった。

【０００９】この発明は、上記のような問題点を解決す
ることを課題としてなされたものであり、触媒の活性化
を促進し、有害な排気ガスの浄化効率を向上させること
ができる内燃機関の排気管内空気導入装置を得ることを
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る内
燃機関の排気管内空気導入装置は、空気導入手段により
第１及び第２の三元触媒のそれぞれに空気を導入し、か
つ分配手段により第１及び第２の三元触媒への導入空気
を分配し、さらにヒータにより第１及び第２の三元触媒
への導入空気をそれぞれ別々に加熱し、これら空気導入
手段，分配手段及びヒータを制御部により制御するよう
にしたものである。

【００１１】請求項２の発明に係る内燃機関の排気管内
空気導入装置は、制御部が、内燃機関の吸入空気量に基
づいて導入空気量を決め、その導入空気量をインジェク
タの噴射パルス幅に基づいて補正して、空気導入手段を
制御するものである。

【００１２】請求項３の発明に係る内燃機関の排気管内
空気導入装置は、制御部が、導入空気の分配比を第１及
び第２の三元触媒の容量比に基づいて決め、内燃機関の
水温の上昇に伴って、第１の三元触媒への導入空気量を
徐々に減少させるとともに、第２の三元触媒への導入空
気量を徐々に増加させるように分配手段を制御するもの
である。

【００１３】請求項４の発明に係る内燃機関の排気管内
空気導入装置は、制御部が、導入空気の分配比を第１及
び第２の三元触媒の容量比に基づいて決め、内燃機関の
始動からの時間に伴って、第１の三元触媒への導入空気
量を徐々に減少させるとともに、第２の三元触媒への導
入空気量を徐々に増加させるように分配手段を制御する
ものである。

【００１４】請求項５の発明に係る内燃機関の排気管内
空気導入装置は、制御部が、第１の三元触媒への導入空
気量が０になる所定時間前に、第１の三元触媒への導入
空気の加熱を停止させるものである。

【００１５】

【作用】請求項１の発明においては、排気管内に導入す
る空気をヒータで加熱することにより、第１及び第２の
三元触媒に入る排気ガスの温度低下を防ぎ、第１及び第
２の三元触媒の活性化を促進する。

【００１６】請求項２の発明においては、導入空気量の
決定を内燃機関の吸入空気量に基づいて行うことによ
り、導入空気量を排気ガス量に見合ったものとし、さら
にその導入空気量をインジェクタパルス幅に基づいて補
正することにより、排気ガス中のＨＣ，ＣＯ濃度に見合
った導入空気量に調整する。

【００１７】請求項３及び請求項４の発明においては、
第１及び第２の三元触媒への導入空気の分配比を、各触
媒の容量比から決めることにより、それぞれの触媒の浄
化能力に見合った量の空気を導入し、さらに内燃機関の
水温又は始動からの時間経過に伴って、第１の三元触媒
への導入空気量を徐々に減らし、第２の三元触媒への導
入空気量を徐々に増やしていくように分配比を変化させ
ることにより、内燃機関の温度上昇に伴い内燃機関から
の排出量が増加するＮＯ_Xに対する第１の三元触媒での
浄化率を上げていき、第１の三元触媒でＮＯ_Xを、第２
の三元触媒でＨＣ，ＣＯをそれぞれ効率良く浄化する。

【００１８】請求項５の発明においては、第１の三元触
媒への導入空気量が０になる前に、第１の三元触媒への
導入空気の加熱を停止させることにより、加熱手段の過
度の昇温を防止する。

【００１９】

【実施例】以下、この発明の実施例を図について説明す
る。実施例１．図１はこの発明の実施例１による内燃機関の
排気管内空気導入装置を示す構成図であり、図６と同一
又は相当部分には同一符号を付し、その説明を省略す
る。

【００２０】図において、内燃機関１の吸気管２側に
は、燃料を吸気弁（図示せず）へ向けて霧状に噴射して
燃料供給を行うためのインジェクタ２１が各気筒ごとに
設けられている。吸気管２のスロットル弁５の上流に
は、内燃機関１に吸入される空気量を検出するためのエ
アフローセンサ２２が設けられている。排気管３には、
排気ガス中に含まれる酸素濃度から内燃機関１内の空燃
比を検出するための空燃比センサ２３が設けられてい
る。

【００２１】また、この実施例１の空気導入手段である
エアポンプ２４は、例えば電動ポンプなどで構成されて
おり、内燃機関１の回転とは同期せずに回転数を独立し
て調整できるようになっている。さらに、空気導入管８
の分岐部に設けられた分配手段である分配バルブ２５
は、第１及び第２の触媒への導入空気量の分配比をリニ
アに変化させられるようになっている。空気導入管８の
分岐部より下流には、それぞれ第１及び第２の触媒に導
入される空気を加熱する加熱手段としてのヒータ２６，
２７が設けられている。これらヒータ２６，２７と分配
バルブ２５との間には、それぞれ空気の逆流を防ぐ逆止
弁２８，２９が設けられている。

【００２２】上記の各インジェクタ２１，エアフローセ
ンサ２２及び空燃比センサ２３等には、制御部（コント
ロールユニット）３０が接続されている。この制御部３
０は、エアフローセンサ２２によって検出された吸入空
気量と機関回転速度とにより基本燃料噴射パルス幅を求
め、これに水温等の温度補正を行い、さらに空燃比が理
論空燃比となるように空燃比センサ２３の出力により空
燃比フィードバック補正を行って、噴射パルス幅を決定
して、燃料噴射信号によりインジェクタ２１を駆動し燃
料制御を行う。

【００２３】また、制御部３０は、エアポンプ２４の回
転数を制御して流量を調節したり、内燃機関１の水温等
に応じて分配バルブ２５を制御し、第１及び第２の触媒
への導入空気の分配比を調節したりする。さらに、制御
部３０は、ヒータ２６，２７への通電を制御して、導入
空気の温度を調節する。

【００２４】次に、動作について説明する。内燃機関１
が始動直後で冷機状態にある場合、インジェクタ２１に
よる燃料噴射量は、制御部３０により理論空燃比よりも
リッチな状態になるようにオープンループ制御される。
従って、この場合、排気ガス中には有害物であるＨＣ，
ＣＯが多く混入している。しかし、始動直後には、第１
及び第２の触媒が両方とも不活性な状態にあるため、制
御部３０により、内燃機関１の始動と同時に、エアポン
プ２４が作動されるとともに分配バルブ２５が制御さ
れ、第１及び第２の触媒の両方に空気が導入される。ま
た、ヒータ２６，２７の両方により導入空気が加熱され
る。

【００２５】これにより、排気ガスの温度が導入空気に
より低下するのが防止され、温度低下せずに流入した排
気ガスと酸化反応による発熱とにより、第１及び第２の
触媒の活性化が促進される。この結果、導入空気中の酸
素によりＨＣ，ＣＯが効率良く酸化され、ＣＯ₂，Ｈ₂Ｏ
になる。ここで、このような始動直後の冷機状態ではＮ
Ｏ_Xが殆ど発生しないため、主にＮＯ_Xの還元用に配置さ
れている第１の触媒にも始動直後には空気を導入し、Ｈ
Ｃ，ＣＯの浄化を行わせることができる。

【００２６】次に、図２は図１の制御部３０による分配
バルブ２５及びヒータ２６，２７の制御方法の一例を示
す関係図である。制御部３０は、例えば内燃機関１の水
温により第１の触媒の温度状況を推測し、第１の触媒が
活性化したと判断したときに分配バルブ２５を制御して
第２の触媒のみに空気を導入するようにする。このと
き、第２の触媒は第１の触媒よりも下流に配置されてい
るため、第２の触媒収納部７に入る排気ガス温度は常に
低く、従って第２の触媒の活性化は第１の触媒よりも遅
れる。そこで、第２の触媒に導入する空気は、ヒータ２
７により加熱し続ける。

【００２７】このように、第１の触媒への空気導入を停
止した後は、第２の触媒収納部７では導入空気により引
き続きＨＣ，ＣＯの浄化が行われ、また内燃機関１が暖
機されるに従って排出量が増加するＮＯ_Xは、第１の触
媒収納部６での還元作用により無害なＮ₂に変換され
る。

【００２８】この後、内燃機関１がさらに暖機されて第
２の触媒も活性化されたと判断すると、制御部３０はヒ
ータ２７への通電を停止し、これにより第２の触媒には
加熱されていない常温の空気が導入される。従って、Ｎ
Ｏ_X及び一部のＨＣ，ＣＯは第１の触媒で酸化還元反応
により浄化され、第１の触媒で浄化しきれなかったＨ
Ｃ，ＣＯは、第２の触媒で酸化反応により浄化される。

【００２９】このように、内燃機関１の始動直後に第１
及び第２の触媒に導入する空気をヒータ２６，２７によ
り加熱することにより、第１及び第２の触媒の活性化が
促進され、ＨＣ，ＣＯの浄化効率が向上する。また、従
来はエアポンプ１０が内燃機関１によりベルト等を介し
て駆動されていたため、排気管３に導入される空気量が
適切ではない場合があったが、この実施例１では、エア
ポンプ２４を内燃機関１とは別に独立して制御するよう
にしたので、第１及び第２の触媒に導入される空気量を
適切にすることができ、これによっても浄化効率は向上
する。

【００３０】実施例２．次に、この発明の実施例２につ
いて説明する。この実施例２では、上記実施例１に加え
て、制御部３０により、排気管３に導入する空気量を排
気ガス量及びＨＣ，ＣＯ濃度に見合った量に制御するこ
とによって、第１及び第２の触媒の活性化をさらに促進
し、排気ガスの浄化効率を一層向上させるものである。
即ち、排気ガス量は吸入空気量に比例しており、制御部
３０は、エアフローセンサ２２からの情報により吸入空
気量を検出し、この吸入空気量に応じてエアポンプ２４
への出力値を決定する。

【００３１】さらに、インジェクタの噴射パルス幅の値
に基づいて補正をかけることにより、空燃比フィードバ
ック有無でのＨＣ，ＣＯの排出濃度の違い、さらには空
燃比センサ２３の出力による空燃比フィードバック中の
空燃比のリッチ，リーンの変動によるＨＣ，ＣＯの排出
濃度の違いに見合った空気を排気管３に導入することが
できる。

【００３２】これを図３について説明すると、Ａ点で加
速を開始し、図１のスロットル弁５を開くと、吸入空気
量（ａ）は増加し、それに伴って排気ガス量（ｄ）も増
加するので、制御部３０は、導入空気量（ｆ）を排気ガ
ス量（ｄ）に比例して増加させる。また、吸入空気量
（ａ）が一定であっても、例えば空燃比フィードバック
を行っている場合、空燃比フィードバックモードからエ
ンリッチモードに切り替わった場合、又はその逆の場合
等、インジェクタパルス幅（ｂ）は常に変化している。
このため、Ａ／Ｆ（空燃比）（ｃ）も常に変動し、Ｈ
Ｃ，ＣＯ濃度（ｅ）も変動する。

【００３３】従って、図３のＣ〜Ｆに示すように、Ａ／
Ｆが１４．７（理論空燃比）となるインジェクタパルス
幅を１００％として、そこから増減したインジェクタパ
ルス幅（ｂ）に見合った値で、吸入空気量（ａ）から求
めた導入空気量（ｂ）に補正をかけることで、ＨＣ，Ｃ
Ｏ濃度（ｅ）に見合った空気量を導入することができ
る。

【００３４】実施例３．次に、この発明の実施例３につ
いて説明する。この実施例３では、制御部３０により、
分配バルブ２５における導入空気の分配比を、例えば図
４に示すように、内燃機関１の水温に応じて連続的に変
化させるものである。即ち、内燃機関１の始動直後は、
上記の分配比を第１及び第２の触媒の容量比にしてお
き、その後内燃機関１の水温の上昇に伴って、第１の触
媒への導入空気量を徐々に減少させるとともに第２の触
媒への導入空気量を徐々に増加させ、第１の触媒が活性
化したと判断される水温に達したとき、第１の触媒への
導入量がゼロになるように設定する。

【００３５】このような分配バルブ２５の制御を制御部
３０により行うことによって、内燃機関１の暖機が進む
に従って増加するＮＯ_Xの排出量に対して、この排出量
の増加に伴って第１の触媒でのＮＯ_Xの浄化率を上げる
ことができ、これによりＮＯ_Xの排出量を一定値以下に
制限することができる。

【００３６】実施例４．なお、上記実施例３では、第１
及び第２の触媒への導入空気の分配比を内燃機関１の水
温に応じて変化させたが、例えば図５に示すように、内
燃機関１の始動からの時間経過に伴って変化させるよう
にしてもよく、上記実施例３と同様の効果が得られる。

【００３７】実施例５．次に、この発明の実施例５につ
いて説明する。この実施例５では、上記実施例３．４に
加えて、図４及び図５のヒータ通電の関係図に示すよう
に、第１の触媒への導入空気分配比が０になる点Ｂより
も早い時点Ａにおいて、内燃機関１の水温（図４）又は
始動からの時間（図５）により、第１の触媒への導入空
気を加熱するヒータ２６への通電を停止する。

【００３８】これにより、空気流量が減少することによ
りヒータ２６が過度に昇温するのを防止して、断線等の
故障が生じるのを防止することができる。また、ヒータ
２６停止後の導入空気は、ヒータ２６の余熱により加熱
されるので、導入空気により排気ガスが冷却されること
はない。逆に、余熱により加熱できるように、Ａ，Ｂ間
の時間を設定すればよい。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明の
内燃機関の排気管内空気導入装置は、ヒータにより第１
及び第２の三元触媒への導入空気をそれぞれ別々に加熱
するようにしたので、各触媒の活性化を促進し、有害な
排気ガスの浄化効率を向上させることができるという効
果を奏する。

【００４０】また、請求項２の発明の内燃機関の排気管
内空気導入装置は、制御部が、内燃機関の吸入空気量に
基づいて導入空気量を決め、その導入空気量をインジェ
クタの噴射パルス幅に基づいて補正して、空気導入手段
を制御するので、上記請求項１の発明と同様の効果に加
えて、導入空気量を排気ガス量及び排気ガス中のＨＣ，
ＣＯ濃度に見合った量にすることができ、浄化効率を一
層向上させることができるという効果を奏する。

【００４１】さらに、請求項３及び請求項４の発明の内
燃機関の排気管内空気導入装置は、制御部が、導入空気
の分配比を第１及び第２の三元触媒の容量比に基づいて
決め、内燃機関の水温の上昇又は始動からの時間に伴っ
て、第１の三元触媒への導入空気量を徐々に減少させる
とともに、第２の三元触媒への導入空気量を徐々に増加
させるように分配手段を制御するので、上記請求項１の
発明と同様の効果に加えて、それぞれの触媒の浄化能力
に見合った量の空気を導入することができるとともに、
内燃機関の温度上昇に伴うＮＯ_Xの排出量増加を防止す
ることができ、浄化効率を一層向上させることができる
という効果を奏する。

【００４２】さらにまた、請求項５の発明の内燃機関の
排気管内空気導入装置は、制御部により、第１の三元触
媒への導入空気量が０になる所定時間前に、第１の三元
触媒への導入空気の加熱を停止させるので、上記請求項
１の発明と同様の効果に加えて、空気のない状態で加熱
することにより加熱手段が過度に昇温するのを防止する
ことができ、加熱手段の故障を防止することができると
いう効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１による内燃機関の排気管内
空気導入装置を示す構成図である。

【図２】図１の制御部による分配バルブ及びヒータの制
御方法の一例を示す関係図である。

【図３】この発明の実施例２による制御部を用いた場合
の吸入空気量，インジェクタパルス幅，空燃比，排気ガ
ス量，ＨＣ，ＣＯ濃度及び導入空気量の時間変化を示す
関係図である。

【図４】この発明の実施例３及び実施例５による制御部
を用いた場合の内燃機関の水温，導入空気分配比及びヒ
ータ通電状態の時間変化を示す関係図である。

【図５】この発明の実施例４及び実施例５による制御部
を用いた場合の導入空気分配比及びヒータ通電状態の時
間変化を示す関係図である。

【図６】従来の内燃機関の排気管内空気導入装置の一例
を示す構成図である。

【符号の説明】

１内燃機関３排気管６第１の触媒収納部７第２の触媒収納部２１インジェクタ２４エアポンプ（空気導入手段）２５分配バルブ（分配手段）２６ヒータ（加熱手段）２７ヒータ（加熱手段）３０制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F01N 3/30 F01N 3/22 F01N 3/32 F01N 3/20

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気管に互いに直列に配置さ
れた第１及び第２の三元触媒にそれぞれ空気を導入する
空気導入手段と、上記第１及び第２の三元触媒への導入
空気を分配する分配手段と、上記第１及び第２の三元触
媒への導入空気をそれぞれ別々に加熱するヒータと、上
記空気導入手段，上記分配手段及び上記ヒータを制御す
る制御部とを備えていることを特徴とする内燃機関の排
気管内空気導入装置。
【請求項２】制御部は、内燃機関の吸入空気量に基づ
いて導入空気量を決め、その導入空気量をインジェクタ
の噴射パルス幅に基づいて補正して、空気導入手段を制
御するようになっていることを特徴とする請求項１記載
の内燃機関の排気管内空気導入装置。
【請求項３】制御部は、導入空気の分配比を第１及び
第２の三元触媒の容量比に基づいて決め、内燃機関の水
温の上昇に伴って、上記第１の三元触媒への導入空気量
を徐々に減少させるとともに、上記第２の三元触媒への
導入空気量を徐々に増加させるように分配手段を制御す
るようになっていることを特徴とする請求項１又は請求
項２記載の内燃機関の排気管内空気導入装置。
【請求項４】制御部は、導入空気の分配比を第１及び
第２の三元触媒の容量比に基づいて決め、内燃機関の始
動からの時間に伴って、上記第１の三元触媒への導入空
気量を徐々に減少させるとともに、上記第２の三元触媒
への導入空気量を徐々に増加させるように分配手段を制
御するようになっていることを特徴とする請求項１又は
請求項２記載の内燃機関の排気管内空気導入装置。
【請求項５】制御部は、第１の三元触媒への導入空気
量が０になる所定時間前に、上記第１の三元触媒への導
入空気の加熱を停止させるようになっていることを特徴
とする請求項３又は請求項４記載の内燃機関の排気管内
導入装置。