(57)【要約】【課題】高負荷運転時における排気ガスの浄化率を向上させるに好適な内燃機関の排出ガス浄化装置を提供する。【解決手段】高負荷運転時に燃料を増量してストイキを外れた空燃比の混合気で運転されるエンジン１と、エンジン１の排気通路２の上流側及び下流側に設置されて排気ガスを浄化するマニホールド触媒３及び床下触媒４と、を備える。そして、マニホールド触媒３と床下触媒４との間に配置されて、排気通路２を通過する排気ガスを冷却してその温度が予め設定した設定温度を超えて上昇されることを抑制する排気ガス冷却装置５と、エンジン１の高負荷運転時に、排気ガス冷却装置５と床下触媒４との間に二次エアを噴射して床下触媒４に流入する排気ガスの空燃比をストイキとする空燃比補正部としての二次エア供給装置６と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高負荷運転時に燃料を増量若しくは減量してストイキを外れた空燃比の混合気で運転される内燃機関と、
前記内燃機関の排気通路の上流側及び下流側に設置されて排気ガスを浄化する上流側触媒及び下流側触媒と、
前記上流側触媒と下流側触媒との間に配置されて、排気通路を通過する排気ガスを冷却してその温度が予め設定した設定温度を超えて上昇されることを抑制する排気ガス冷却装置と、
前記内燃機関の高負荷運転時に、前記排気ガス冷却装置と下流側触媒との間に二次エア若しくは二次燃料を噴射して下流側触媒に流入する排気ガスの空燃比をストイキとする空燃比補正手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排出ガス浄化装置。
【請求項２】
前記内燃機関は、高負荷運転時に燃料を増量してストイキを外れたリッチな空燃比の混合気で運転され、
前記空燃比補正手段は、前記内燃機関の高負荷運転時に二次エアを噴射して下流側触媒に流入する排気ガスの空燃比をストイキとすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排出ガス浄化装置。
【請求項３】
前記内燃機関は、高負荷運転時に燃料を減量してストイキを外れたリーンな空燃比の混合気で運転され、
前記空燃比補正手段は、前記内燃機関の高負荷運転時に二次燃料を噴射して下流側触媒に流入する排気ガスの空燃比をストイキとすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排出ガス浄化装置。
【請求項４】
前記排気通路は、上流側触媒の下流部分と下流側触媒の上流部分とに入口及び出口が開口して排気通路をバイパスするバイパス通路を備え、
前記排気ガス冷却装置は、前記バイパス通路に設置され、前記排気通路を通過する排気ガスの温度が予め設定した設定温度に到達した場合に、前記排気通路を流れる排気の流量を絞り、前記バイパス通路に流れる排気の流量を増加させるよう前記バイパス通路に流れる排気の流量を制御するバイパス流量制御手段を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の内燃機関の排出ガス浄化装置。
【請求項５】
前記排気ガス冷却装置は、内燃機関の冷却水を循環させて排気の排熱を回収する排熱回収器により構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の内燃機関の排出ガス浄化装置。
【請求項６】
前記空燃比補正手段は、高負荷運転時に内燃機関に供給される空気量と、内燃機関から排出される排気ガスの空燃比とストイキとの偏差と、により演算した量の二次エア若しくは二次燃料を、フィードフォワード制御により噴射する過程を備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の内燃機関の排出ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排出ガス浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から排気ガスの温度が高くなる高負荷運転時における内燃機関の排気ガスを浄化する排出ガス浄化装置が提案されている（特許文献１参照）。この排気浄化装置では、触媒下流に２次空気の供給装置を配置して、高負荷運転での高温の排気ガスから触媒等の排気部品を保護するために、燃料を増量してリッチ化させた排気ガスを触媒に供給し、触媒で浄化しきれないリッチ化成分を触媒下流において２次空気の酸素と酸化反応させて浄化するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１３８８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来例では、触媒の過熱防止のため、触媒下流において排気ガスの温度を確保しつつリッチ化成分を酸化反応のみにより還元せざる得ないため、排気ガスの浄化率を向上させることには限界があった。
【０００５】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、高負荷運転時における排気ガスの浄化率を向上させるに好適な内燃機関の排出ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の内燃機関の排出ガス浄化装置は、高負荷運転時に燃料を増量若しくは減量してストイキを外れた空燃比の混合気で運転される内燃機関と、内燃機関の排気通路の上流側及び下流側に設置されて排気ガスを浄化する上流側触媒及び下流側触媒と、を備える。そして、上流側触媒と下流側触媒との間に配置されて、排気通路を通過する排気ガスを冷却してその温度が予め設定した設定温度を超えて上昇されることを抑制する排気ガス冷却装置と、内燃機関の高負荷運転時に、排気ガス冷却装置と下流側触媒との間に二次エア若しくは二次燃料を噴射して下流側触媒に流入する排気ガスの空燃比をストイキとする空燃比補正部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
したがって、本発明では、高負荷運転時に内燃機関から排出される高温の排気ガスを排気ガス冷却装置により冷却することで、その温度が予め設定した設定温度を超えて上昇することを抑制する。このため、内燃機関から排出されるストイキを外れた空燃比の排気ガスを空燃比補正部によりストイキ化させて下流側触媒に供給しても、下流側触媒を劣化させることなく排気ガスを浄化でき、排気ガスの浄化率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態を示す内燃機関の排出ガス浄化装置の概略構成図である。
【図２】床下触媒の排気ガス空燃比に対する浄化特性図である。
【図３】床下触媒の排気ガス温度に対する浄化特性図である。
【図４】排熱回収制御における流路切替弁の制御線図である。
【図５】二次エア供給制御のフローチャートである。
【図６】二次エア供給制御によるタイムチャートである。
【図７】二次エア供給制御による所定時刻間の詳細なタイムチャートである。
【図８】本発明の第２実施形態を示す内燃機関の排出ガス浄化装置の概略構成図である。
【図９】二次燃料供給制御のフローチャートである。
【図１０】二次燃料供給制御によるタイムチャートである。
【図１１】二次燃料供給制御による所定時刻間の詳細なタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の内燃機関の排出ガス浄化装置を各実施形態に基づいて説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本発明を適用した第１実施形態による内燃機関の排出ガス浄化装置の概略構成図である。
【００１１】
図１において、内燃機関の排出ガス浄化装置は、エンジン１の排気中の有害物質（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ）を無害な物質（Ｈ2Ｏ，ＣＯ2）に転換し低減させた上で外気に排出するために、排気通路２にマニホールド触媒３及び床下触媒４をこの順に配置して備える。また、内燃機関の排出ガス浄化装置は、マニホールド触媒３と床下触媒４との間に、排気ガスの温度を低下させる排気ガス冷却装置５と二次エア供給装置６とを備える。
【００１２】
マニホールド触媒３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。マニホールド触媒３は、床下触媒４よりも小容量であり排気ガス浄化可能量が小さいが、高温の排気ガスが流れると迅速に活性可能な触媒である。また、マニホールド触媒３は、触媒温度が低いときはＨＣを吸着し、触媒温度が高くなっていくと吸着したＨＣを脱離しながら二酸化炭素及び水に酸化することができる。マニホールド触媒３の入口には入口空燃比センサ４１が設けられる。
【００１３】
床下触媒４は、大容量であり排気ガス浄化容量が大きい。床下触媒４は、触媒温度が活性温度以上になると活性化して、排気中に含まれるＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを浄化する機能を備えた周知の三元触媒を内蔵する。三元触媒は、周知のように、供給される排気ガスの空燃比が、ストイキ（１４．７）である場合には、未燃焼のＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘの浄化率が最大となり、リッチ側になる場合には、未燃焼のＨＣ，ＣＯの浄化率が低下し、リーン側になる場合には窒素酸化物ＮＯｘの浄化率が低下する（図２参照）。また、三元触媒は、供給される排気ガスの温度が、例えば、４００〜９５０［℃］の温度範囲で浄化作用を発揮する（図３参照）。三元触媒は、この温度範囲を超える温度の排気を供給される場合にはその浄化が妨げられ、触媒劣化に至るため、供給する排気ガスは、上記温度範囲内の温度とする必要がある。床下触媒４の入口には排気温度センサ４２が設けられる。床下触媒４の出口にはＯ２センサ４３が設けられる。
【００１４】
排気ガス冷却装置５は、マニホールド触媒３の下流の排気通路２を分岐させ、床下触媒４の入口で再び合流させるバイパス通路１１を備える。排気通路２とバイパス通路１１との分岐部には、排気通路２の開口面積を調整することにより排気通路２とバイパス通路１１とに流れる排気ガス量を調整する流路切替弁１２が配置されている。
【００１５】
流路切替弁１２は、バイパス通路１１の入口を閉じて排気通路２を全開する場合には排気ガスの全量を排気通路２に流し、排気通路２を閉じてバイパス通路１１の入口を全開する場合には排気ガスの全量をバイパス通路１１に流す。また、流路切替弁１２は、排気通路２を全開状態と全閉状態との中間開度とすることにより、排気通路２の開口割合に応じて排気通路２を流れる排気ガス量とバイパス通路１１を流れる排気ガス量とを連続的に調整することができる。流路切替弁１２の開閉位置は、排熱回収制御部１０により制御される。
【００１６】
バイパス通路１１には、排気の排熱を回収して、通過する排気ガスの温度を低下させる排熱回収器１３が配置されている。排熱回収器１３は、エンジン１の冷却水、例えば、ラジエータ１５の冷却水を図示しないポンプを介して循環させ、排熱回収器１３を通過する排気と循環する冷却水との間で熱交換して、通過する排気ガスの温度を低下させる。排熱回収制御部１０には、水温センサ４４からの冷却水温度信号と、床下触媒４の入口に設けた排気温度センサ４２よりの温度信号と、エンジン制御部７（ＥＣＵ）からエンジン１の運転状態信号とが、入力される。排熱回収器１３へ導入する冷却水量は、排熱回収制御部１０により制御される流量制御弁１４により調整される。
【００１７】
排熱回収制御部１０は、エンジン制御部７（ＥＣＵ）からエンジン１の運転状態が、高負荷燃料増量中である場合に、床下触媒４の入口に設けた排気温度センサ４２と水温センサ４４からの温度信号に基づいて、流路切替弁１２の開閉位置と流量制御弁１４の開度とを制御する。
【００１８】
即ち、床下触媒４が有効に浄化作用を発揮する排気ガス温度の範囲は、例えば、４００〜９５０［℃］の範囲であり、この温度範囲を超える場合には、床下触媒４による排気浄化が妨げられ、触媒劣化に至る。このため、排熱回収制御部１０は、床下触媒４の浄化可能温度範囲の上限温度よりも低い昇温抑制値を設定し、排気ガス温度が設定した昇温抑制値を超えて上昇する場合に、流路切替弁１２と流量制御弁１４を制御して、排気ガス温度を昇温抑制値以下に低下させる。
【００１９】
図４は、排気ガス温度と昇温抑制値との差分を縦軸とし、バイパス通路１１の全開状態を１、全閉状態を０とした流路切替弁１２の分流率を横軸とした、流路切替弁１２の制御線図である。また、図中の縦軸のＡ点は、流路切替弁１２の分流率がゼロでの排気ガス温度であり、当該Ａ点を起点として下方に向かって排気ガス温度と昇温抑制値との差分（目標低下温度）を割り当てる。そして、Ａ点から流路切替弁１２の分流率が増加するにつれて右下がりに描かれたＢ１〜Ｂ３線が流路切替弁１２の制御線図である。なお、制御線図Ｂ１〜Ｂ３が複数記載されているのは、排熱回収器１３に導入される冷却水の流量および冷却水温に応じて排気ガスと冷却水との熱交換量が増減するためであり、水温が低下するに連れて、また、流量の増加につれて、制御線図の下り勾配が、Ｂ１→Ｂ２→Ｂ３と強くなっている。
【００２０】
排熱回収制御部１０は、この制御線図に基づいて、例えば、床下触媒４の入口温度をＡ点からの差分に基づいてＣ点を求める。次いで、排熱回収器１３を循環する冷却水の水温と流量とにより設定される特性線がＢ２である場合には、流路切替弁１２の分流率はＤ点であると判定する。そして、図示しないアクチュエータにより流路切替弁１２を操作して、分流率Ｄとなるようその開度に調整する。
【００２１】
この結果、マニホールド触媒３を通過した排気ガスは、流路切替弁１２の開度で設定された分流率に基づいて、排気通路２とバイパス通路１１とに分流される。そして、バイパス通路１１を通過する排気ガスは排熱回収器１３を通過する際に冷却水と熱交換されることにより冷却され、排気ガスの温度が低下する。このため、排気通路２とバイパス通路１１との排気ガスが床下触媒４の入口で合流すると、排気通路２を通過した排気ガスとバイパス通路１１を通過して冷却された排気ガスとが混合して、昇温抑制値以下に温度低下した排気ガスが床下触媒４に供給される。床下触媒４に流入する排気ガスの温度低下量としては、例えば、１００〜１５０［℃］程度の低下が可能となるため、ストイキ状態の排気ガスを浄化させても、床下触媒４の過熱による劣化を生じる限界温度を超えることを抑制できる。
【００２２】
以上のように、排気ガス冷却装置５は、排気ガスの冷却が必要となった時点で、バイパス通路１１へ必要な量だけ流路切替弁１２により排気ガスを導入して排熱回収器１３により冷却することができる。このため、冷却が必要な時には流路切替弁１２によりバイパス通路１１を開けば即時に冷却を開始することができる。また、流路切替弁１２の開度に応じて、冷却すべき排気ガス量を調整できるため、冷却能力を即時に調整することができる。しかも、排熱回収器１３は、排気ガスが常時流れる排気通路２に設置するのでなく、排気ガスが流路切替弁１２の作動により選択的に流されるバイパス通路１１に設置しているため、排熱回収器１３を常時冷却状態に作動させても、排気ガスを過冷却することがない。
【００２３】
二次エア供給装置６は、二次エアを排気ガス中に噴射して、排気ガスの空燃比をリッチ状態からストイキ状態へ変化させるものである。二次エア供給装置６は、二次エアを溜めるタンク２１と、タンク２１に二次エアを供給するポンプ２２、二次エアを床下触媒４の入口へ供給する二次エアノズル２３、及び、二次エアポンプ２２及び二次エアノズル２３を制御する二次エア制御部２０と、を備える。二次エア制御部２０は、タンク２１に設けた圧力センサ２４よりの信号に基づいて二次エアポンプ２２を駆動して二次エアタンク２１内に常に所定圧の二次エアが充填されている状態とする。
【００２４】
二次エア制御部２０は、エンジン制御部７（ＥＣＵ）からエンジン１の運転状態が高負荷で燃料を増量中である場合に、エアフローメータよりのエンジン吸入空気量計測値（ＡＦＭ）、マニホールド触媒３の入口空燃比センサ４１からの上流触媒入口空燃比、Ｏ２センサ４３の出力値に基づいて、床下触媒４の入口へ二次エアノズル２３を介して二次エア供給を制御する。
【００２５】
図５は二次エア制御部２０で、高負荷で燃料増量中である場合に、実行される二次エア供給制御のフローチャートである。また、図６は排気ガス冷却装置５の動作も含む二次エア供給制御によるタイムチャートであり、図７は図６の時刻ｔ２から時刻ｔ３の範囲をより詳細に表現した二次エア供給制御によるタイムチャートである。以下では、二次エア供給制御の動作を、排気ガス冷却装置５における動作も含めて、図５〜図７に基づいて説明する。
【００２６】
図６は車両が、時刻ｔ１において加速を開始し、時刻ｔ３において定常走行に移行し、時刻ｔ５においてフューエルカットを伴う減速走行に移行し、時刻ｔ６で停車する各時刻における（Ｂ）〜（Ｈ）各部の夫々の変化を示すものである。図６中の（Ｂ）は排熱回収制御、（Ｃ）は床下触媒４の入口温度、（Ｄ）はマニホールド触媒３の入口空燃比、（Ｅ）はマニホールド触媒３の出口排気ガスに含まれる未浄化成分、（Ｆ）は二次エア供給装置６の動作状態、（Ｇ）は床下触媒４の入口空燃比、（Ｈ）は床下触媒４から排出される未浄化成分を示す。
【００２７】
図６において、先ず時刻ｔ１において、車両が加速走行に移行すると、エンジン負荷が上昇し、排気ガス温度が上昇される（図６（Ｃ））。図６（Ｃ）において、二点鎖線で示すマニホールド触媒３へ流入する排気ガス温度が上昇し、実線で示す床下触媒４へ流入する排気ガス温度も追従して上昇する。エンジン制御部７は、運転状態が高負荷運転状態であると判定して時刻ｔ２において燃料増量を開始すると、マニホールド触媒３へ供給される排気ガスの空燃比がストイキ状態からリッチ側に変化する（図６（Ｄ），図７（Ｂ）参照）。このため、マニホールド触媒３を通過した排気ガス中には、未浄化成分のＨＣ，ＣＯが含まれる（図６（Ｅ））。
【００２８】
本実施形態では、高負荷運転が継続されて、床下触媒４へ流入する排気ガス温度が設定した昇温抑制値を超えると、時刻ｔ２で排熱回収制御が開始され、流路切替弁１２がバイパス通路１１を開き、排気ガスの温度に応じた一部の排気ガスはバイパス通路１１へ分流される。これにより、排熱回収器１３を通過して冷却された排気ガスと排気通路２を通過した排気ガスとが床下触媒４入口で混合して冷却された（図６（Ｃ）のハッチング領域）排気ガスが床下触媒４へ供給される。このため、床下触媒４は、高負荷運転時に排気ガスの浄化を継続してもその温度上昇が抑制され、過熱による触媒劣化を抑制できる。
【００２９】
一方、二次エア供給装置６の二次エア制御部２０は、図５のステップＳ１において、高負荷で燃料噴射量を増量して空燃比をリッチ化してエンジン１を運転する高負荷燃料増量中であるか否かを判定する。図７（Ｂ）に示すように、時刻ｔ２において、高負荷運転で燃料増量中である場合、二次エア制御部２０はステップＳ２の処理を実行し、二次エアタンク２１の内圧が既定値を満たしている場合には、ステップＳ３の処理を実行する。また、ステップＳ１及びステップＳ２の判定がＮＯである場合には、今回の処理は終了する。
【００３０】
ステップＳ３では、噴射すべき二次エア量を演算する。即ち、高負荷燃料増量中は、床下触媒４に流入する排気ガスのリッチ成分濃度が床下触媒４の浄化能力（酸化処理能力）を超えるため、排気ガスの床下触媒４入口空燃比をストイキにするためには、二次エアの追加が必要である。床下触媒４の入口空燃比がリッチな排気ガスをストイキ化するために追加する必要なエア噴射量は、エアフローメータよりのエンジン吸入空気量計測値（ＡＦＭ）と、入口空燃比センサ４１からの上流触媒入口空燃比と、に基づいて、
二次エア量＝（１４．７−Ａ／Ｆセンサ値)×エンジン吸入空気量計測値（ＡＦＭ）
と演算する。そして、演算した空気噴射量となるよう二次エアノズル２３を制御して、二次エアを床下触媒４の入口へ供給する（図６（Ｆ）、図７（Ｃ），時刻ｔ２１）。この空気噴射量制御は、吸入空気量計測値（ＡＦＭ）と上流触媒入口空燃比とに基づいて、フィードフォワード制御（Ｆ／Ｆ制御）で実行される。
【００３１】
本実施形態では、床下触媒４の温度が予め設定した設定温度を超えてしまうことを抑制でき、さらに二次エア供給装置６によりストイキ化された排気ガスを床下触媒４に対して供給できるため、過度な温度上昇による触媒劣化を生ずることなく、排気ガスを浄化させることができる。
【００３２】
次いで、二次エア供給装置６の二次エア制御部２０は、ステップＳ４において、空気噴射量制御中に、床下触媒４出口のＯ２センサ４３の出力がリッチ状態からリーン状態に振れたか否かを判定する。そして、リーン状態とならない場合には二次エア噴射を継続し、リーン状態に振れた場合には二次エアの供給を一時停止する。
【００３３】
床下触媒４には、時刻ｔ２１から二次エアが混合された排気ガスが供給され、図７（Ｆ）に示すように、触媒の酸素ストレージ量が、リッチな排気ガスの浄化により一時的に低下する。その後ストレージ量は、二次エアの混合により排気ガス浄化により消費される分を補って徐々に増加し、時刻ｔ２２において酸素ストレージ量がＦＵＬＬ状態となる。このため、図７（Ｅ）に示すように、床下触媒４から排出される排気ガス成分がリッチ状態から急激にリーン状態に変化する。この変化により、二次エア供給装置６は、ステップＳ４でのＯ２センサ４３の測定値変化判定が満足されたとして、フィードフォワード制御（Ｆ／Ｆ制御）の二次エア噴射を停止させる。
【００３４】
この時刻ｔ２２においては、床下触媒４の酸素ストレージ量がＦＵＬＬ状態となるため、床下触媒４から排出される排気ガス中の未浄化成分として、窒素酸化物ＮＯｘ成分が若干排出される（図７（Ｇ）参照）。
【００３５】
二次エア供給装置６の二次エア制御部２０は、ステップＳ５において、減少させた噴射量による二次エアを供給し、Ｏ２センサ４３のフィードバック制御により、その出力がリッチ側に振れるまで、減少させた噴射量による二次エアを供給する。これにより、床下触媒４中の酸素ストレージ量は、減少させた二次エアによる供給量と排気ガスの浄化作用により消費される量とのバランスにより徐々に適正値まで減少され、床下触媒４出口のＯ２センサ４３の出力値が再びリッチ側に戻される（時刻ｔ３）。
【００３６】
二次エア供給装置６の二次エア制御部２０は、ステップＳ６によりＯ２センサ４３の測定値がリッチ状態に復帰したことを判定して、ステップＳ７へ進み二次エアの供給を停止させ、今回の処理を終了させる。二次エア供給装置６の二次エア制御部２０は、高負荷燃料増量中の運転状態が継続されている間においては、上記ステップＳ１〜ステップＳ７の処理を所定時間毎に実行する。
【００３７】
二次エア供給装置６のステップＳ１〜ステップＳ７の処理により、時刻ｔ２から時刻ｔ３において、床下触媒４に供給される排気ガス成分は、図６（Ｇ）の破線のリッチ状態から実線のストイキ状態とされる。このため、床下触媒４により充分に浄化されて、図６（Ｈ）の破線で示すように未浄化成分ＨＣ，ＣＯがエミッションとして排出されることを阻止できる。
【００３８】
車両が時刻ｔ３において定常走行に移行すると、エンジン制御部７は高負荷運転状態から定常運転状態となるため、燃料増量を停止させる。また、エンジン１からの排気ガス温度も徐々に低下するため、床下触媒４入口の排気ガス温度も徐々に低下される。このため、時刻ｔ４において、排熱回収制御部１０へ入力される排気ガス温度が昇温抑制値以下に低下すると、排熱回収制御部１０は、流路切替弁１２によりバイパス通路１１を閉じ、排気ガスの全量を排気通路２を経由して床下触媒４へ流入させる。
【００３９】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００４０】
（ア）本実施形態の内燃機関の排出ガス浄化装置は、高負荷運転時に燃料を増量してストイキを外れた空燃比の混合気で運転されるエンジン１と、エンジン１の排気通路２の上流側及び下流側に設置されて排気ガスを浄化するマニホールド触媒３及び床下触媒４と、を備える。そして、マニホールド触媒３と床下触媒４との間に配置されて、排気通路２を通過する排気ガスを冷却してその温度が予め設定した設定温度を超えて上昇されることを抑制する排気ガス冷却装置５と、エンジン１の高負荷運転時に、排気ガス冷却装置５と床下触媒４との間に二次エアを噴射して床下触媒４に流入する排気ガスの空燃比をストイキとする空燃比補正部としての二次エア供給装置６と、を備えることを特徴とする。
【００４１】
即ち、本実施形態では、高負荷運転時にエンジン１から排出される高温の排気ガスを排気ガス冷却装置５により冷却してその温度が予め設定した設定温度を超えて上昇されることを抑制する。このため、エンジン１から排出されるストイキを外れた空燃比の排気ガスを二次エアによりストイキ化させて床下触媒４に供給しても、床下触媒４は劣化されることなく排気ガスを浄化でき、排気ガスの浄化率を向上させることができる。
【００４２】
（イ）排気通路２は、マニホールド触媒３の下流部分と床下触媒４の上流部分とに入口及び出口が開口して排気通路２をバイパスするバイパス通路１１を備え、当該バイパス通路１１に排気ガス冷却装置５が設置される。そして、排気ガス冷却装置５は、排気通路２を通過する排気ガスの温度が予め設定した設定温度に到達した場合に、排気通路２を流れる排気の流量を絞り、バイパス通路１１に流れる排気の流量を増加させるようバイパス通路１１に流れる排気の流量を制御するバイパス流量制御部としての流路切替弁１２を備えることを特徴とする。
【００４３】
即ち、排気ガスの冷却が必要となった時点で、バイパス通路１１へ必要な量だけ流路切替弁１２により排気ガスを導入して排気ガス冷却装置５により冷却することができる。このため、冷却が必要な時には流路切替弁１２によりバイパス通路１１を開けば即時に冷却を開始することができる。また、流路切替弁１２の開度に応じて、冷却すべき排気ガス量を調整できるため、冷却能力を即時に調整することができる。
【００４４】
（ウ）排気ガス冷却装置５は、エンジン１の冷却水を循環させて排気の排熱を回収する排熱回収器１３により構成されていることを特徴とする。このため、エンジン１の冷却水を排気ガスの冷却に有効利用することができる。
【００４５】
（エ）空燃比補正部としての二次エア供給装置６は、高負荷運転時にエンジン１に供給される空気量と、エンジン１から排出される排気ガスの空燃比とストイキとの偏差と、により演算した量の二次エアをフィードフォワード制御により噴射するよう校正されている。このため、フィードフォワード制御により、排気ガスの空燃比を制御遅れなく補正することができる。
【００４６】
（第２実施形態）
図８〜図１１は、本発明を適用した内燃機関の排出ガス浄化装置の第２実施形態を示す。即ち、図８は内燃機関の排出ガス浄化装置の概略構成図、図９は二次燃料制御部で、高負荷でのリーン状態運転中である場合に、実行される二次燃料供給制御のフローチャートである。また、図１０は排気ガス冷却装置５の動作も含む二次燃料供給制御によるタイムチャートであり、図１１は時刻ｔ１３から時刻ｔ１４の部分をより詳細に表す二次燃料供給制御によるタイムチャートである。本実施形態においては、高負荷運転状態において、ノッキング防止等によりストイキとできずに燃料を減量してリーン状態とされる場合に対する構成を第１実施形態に追加したものである。なお、第１実施形態と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。また、二次エア供給装置６の記載は省略した。
【００４７】
図８において、本実施形態の内燃機関の排出ガス浄化装置では、高負荷運転状態において燃料を減量してリーン状態とされることに対応して、マニホールド触媒３と床下触媒４との間に、排気ガスの温度を低下させる排気ガス冷却装置５と二次燃料供給装置８とを備える。排気ガス冷却装置５は、第１実施形態と同様に構成され、エンジン制御部７（ＥＣＵ）からエンジン１が高負荷運転状態でストイキ状態から燃料噴射量を減少させて排気空燃比がリーン化される高負荷リーン運転状態中である場合に、動作するよう構成されている。
【００４８】
二次燃料供給装置８は、二次燃料を排気ガス中に噴射して、排気ガスの空燃比をリーン状態からストイキ状態へ変化させるものである。二次燃料供給装置８は、二次燃料、例えば、ガソリンを溜めるタンク３１と、二次燃料を床下触媒４の入口へ供給する二次燃料ノズル３２、及び、二次燃料ノズル３２を制御する二次燃料制御部３０と、を備える。
【００４９】
二次燃料制御部３０は、エンジン制御部７（ＥＣＵ）からエンジン１の運転状態が高負荷リーン運転中である場合に、エアフローメータよりのエンジン吸入空気量計測値（ＡＦＭ）、マニホールド触媒３の入口空燃比センサ４１からの上流触媒入口空燃比、Ｏ２センサ４３の出力に基づいて、床下触媒４の入口へ二次燃料ノズル３２を介して二次燃料供給を制御する。
【００５０】
次に、二次燃料供給制御の動作を、排気ガス冷却装置５における動作も含めて、図９〜図１１に基づいて説明する。
【００５１】
図１０は車両が、時刻ｔ１１において加速を開始し、時刻ｔ１４において定常走行に移行し、時刻ｔ１６においてフューエルカットを伴う減速走行に移行し、時刻ｔ１７で停車する各時刻における（Ｂ）〜（Ｈ）各部の夫々の変化を示すものである。即ち、（Ｂ）は排熱回収制御、（Ｃ）は床下触媒４の入口温度、（Ｄ）はマニホールド触媒３の入口空燃比、（Ｅ）はマニホールド触媒３の出口排気ガスに含まれる未浄化成分、（Ｆ）は二次燃料供給装置８の動作状態、（Ｇ）は床下触媒４の入口空燃比、（Ｈ）は床下触媒４から排出される未浄化成分を示す。
【００５２】
図１０において、先ず時刻ｔ１１において、車両が加速走行に移行すると、エンジン負荷が上昇し、排気ガス温度が上昇する（図１０（Ｃ））。図１０（Ｃ）において、二点鎖線で示すマニホールド触媒３へ流入する排気ガス温度が上昇し、実線で示す床下触媒４へ流入する排気ガス温度も追従して上昇する。エンジン制御部７は、運転状態が高負荷運転状態であると判定して時刻ｔ１３において燃料減量が開始されると、マニホールド触媒３へ供給される排気ガスの空燃比がストイキ状態からリーン側に変化する（図１０（Ｄ），図１１（Ｂ）参照）。このため、マニホールド触媒３を通過した排気ガス中には、未浄化成分のＮＯｘが含まれる（図１０（Ｅ））。
【００５３】
また、高負荷運転が継続されて、床下触媒４へ流入する排気ガス温度が設定した昇温抑制値を超えると、排熱回収制御が開始され（図１０（Ｂ））、流路切替弁１２が作動されてバイパス通路１１が開かれ、排気ガスの温度に応じた一部の排気ガスはバイパス通路１１へ分流される。そして、排熱回収器１３を通過して冷却された排気ガスと排気通路２を通過した排気ガスとが床下触媒４入口で混合して冷却された（図１０（Ｃ）のハッチング領域）排気ガスが床下触媒４へ供給される。このため、床下触媒４は、温度上昇が抑制され、過熱による劣化が抑制される。
【００５４】
一方、二次燃料供給装置８の二次燃料制御部３０は、図９のステップＳ１１において、エンジン１が高負荷で燃料噴射量を減量して排気空燃比がリーン化される高負荷燃料減量中であるか否かを判定する。図１１（Ｂ）にも示すように、時刻ｔ１３において、エンジン１が高負荷運転での燃料減量される運転状態の場合、二次燃料制御部３０はステップＳ１２の処理を実行し、二次燃料タンク３１の燃料量が既定値を満たしている場合には、ステップＳ１３の処理を実行する。また、ステップＳ１１及びステップＳ１２の判定がＮＯである場合には、今回の処理は終了する。
【００５５】
ステップＳ１３では、二次燃料制御部３０は噴射すべき二次燃料量を演算する。即ち、高負荷燃料減量中は、床下触媒４に流入する排気ガスのリーン成分濃度が床下触媒４の浄化能力（酸化処理能力）を超えるため、床下触媒４入口における排気ガスの空燃比をストイキ化するためには、二次燃料の追加が必要である。床下触媒４入口空燃比をストイキにするために追加する必要な燃料噴射量は、エアフローメータよりのエンジン吸入空気量計測値（ＡＦＭ）と、マニホールド触媒３の入口空燃比センサ４１からの上流触媒入口空燃比と、に基づいて、
二次燃料量＝（Ａ／Ｆセンサ値−１４．７)×エンジン吸入空気量計測値（ＡＦＭ）
と演算する。そして、二次燃料制御部３０は、演算した燃料噴射量となるよう二次燃料ノズル３２を制御して、二次燃料を床下触媒４の入口へ供給させる（図１１（Ｃ），時刻ｔ３１）。この燃料噴射量制御は、吸入空気量計測値（ＡＦＭ）と上流触媒入口空燃比とに基づいて、フィードフォワード制御（Ｆ／Ｆ制御）で実行する。
【００５６】
次いで、二次燃料供給装置８の二次燃料制御部３０は、ステップＳ１４において、燃料噴射量制御中に、床下触媒４出口のＯ２センサ４３の出力値がリーン状態に変化した後、リッチ側に振れたか否かを判定し、リッチ側に振れない場合には二次燃料噴射を継続し、リッチ側に振れた場合には二次燃料の供給を一時停止する。
【００５７】
床下触媒４には、時刻ｔ３１から二次燃料が混合された排気ガスが供給されるが、図１１（Ｆ）に示すように、床下触媒４の酸素ストレージ量が、リーンな排気ガスの浄化により一時的に上昇する。そして、その後に、二次燃料の混合により排気ガス浄化により消費されて徐々に減少され、時刻ｔ３２において酸素ストレージ量がＥＭＰＴＹ状態となる。このため、図１１（Ｅ）に示すように、床下触媒４から排出される排気ガス成分がリーン状態から急激にリッチ状態に変化する。この変化により、二次燃料供給装置８の二次燃料制御部３０は、ステップＳ１４でのＯ２センサ４３の測定値変化判定が満足されたとして、フィードフォワード制御（Ｆ／Ｆ制御）の二次燃料噴射を停止させる。
【００５８】
この時刻ｔ３２においては、床下触媒４の酸素ストレージ量がＥＭＰＴＹ状態となるため、床下触媒４から排出される排気ガス中の未浄化成分として、ＨＣ，ＣＯ成分が若干排出される（図１１（Ｇ）参照）。
【００５９】
次いで、ステップＳ１５に進み、減少させた噴射量による二次燃料を供給し、Ｏ２センサ４３のフィードバック制御により、その出力がリッチ側に振れるまで、減少させた噴射量により二次燃料を供給する。これにより、床下触媒４中の酸素ストレージ量は、減少させた二次燃料供給量と排気ガスの浄化作用により消費される量とのバランスにより徐々に適正値まで増加され、床下触媒４出口のＯ２センサ４３の出力値が再びリッチ側に戻される（時刻ｔ１４）。
【００６０】
二次燃料供給装置８の二次燃料制御部３０は、ステップＳ１６によりＯ２センサ４３の測定値がリッチ状態に復帰したことを判定して、ステップＳ１７へ進み二次燃料の供給を停止させ、今回の処理を終了させる。二次燃料供給装置８の二次燃料制御部３０は、エンジン１の運転状態が高負荷燃料減量が継続されている間においては、上記ステップＳ１１〜ステップＳ１７の処理を所定時間毎に実行する。
【００６１】
二次燃料供給装置８のステップＳ１１〜ステップＳ１７の処理により、床下触媒４に供給される排気ガス成分は、図１０（Ｇ）の破線のリーン状態から実線のストイキ状態とされるため、床下触媒４により充分に浄化されて、図１０（Ｈ）の破線で示すように未浄化成分ＮＯｘがエミッションとして排出されることを阻止できる。
【００６２】
車両が時刻ｔ１４において定常走行に移行すると、エンジン制御部７は高負荷運転状態から定常運転状態となるため、燃料減量を停止させる。また、エンジン１からの排気ガス温度も徐々に低下するため、床下触媒４入口の排気ガス温度も徐々に低下される。このため、時刻ｔ１５において、排熱回収制御部１０へ入力される排気ガス温度が昇温抑制値以下に低下すると、流路切替弁１２によりバイパス通路１１を閉じ、排気ガスの全量を排気通路２を経由して床下触媒４へ流入させる。
【００６３】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（イ）、（ウ）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。
【００６４】
（オ）本実施形態の内燃機関の排出ガス浄化装置は、高負荷運転時に燃料を減量してストイキを外れた空燃比の混合気で運転されるエンジン１と、エンジン１の排気通路２の上流側及び下流側に設置されて排気ガスを浄化するマニホールド触媒３及び床下触媒４と、を備える。そして、マニホールド触媒３と床下触媒４との間に配置されて、排気通路２を通過する排気ガスを冷却してその温度が予め設定した設定温度を超えて上昇されることを抑制する排気ガス冷却装置５と、エンジン１の高負荷運転時に、排気ガス冷却装置５と床下触媒４との間に二次燃料を噴射して床下触媒４に流入する排気ガスの空燃比をストイキとする空燃比補正部としての二次燃料供給装置８と、を備えることを特徴とする。
【００６５】
即ち、高負荷運転時にエンジン１から排出される高温の排気ガスを排気ガス冷却装置５により冷却してその温度が予め設定した設定温度を超えて上昇されることを抑制する。このため、エンジン１から排出されるストイキを外れた空燃比の排気ガスを二次燃料によりストイキ化させて床下触媒４に供給しても、床下触媒４は劣化されることなく排気ガスを浄化でき、排気ガスの浄化率を向上させることができる。
【００６６】
（カ）空燃比補正部は、高負荷運転時にエンジン１に供給される空気量と、エンジン１から排出される排気ガスの空燃比とストイキとの偏差と、により演算した量の二次燃料をフィードフォワード制御により噴射する過程を備えることを特徴とする。このため、フィードフォワード制御により、排気ガスの空燃比を制御遅れなく補正することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１  エンジン（内燃機関）
２  排気通路
３  マニホールド触媒（上流側触媒）
４  床下触媒（下流側触媒）
５  排気ガス冷却装置
６  二次エア供給装置(空燃比補正手段)
７  エンジン制御部７
８  二次燃料供給装置(空燃比補正手段)
１０  排熱回収制御部
１１  バイパス通路
１２  流路切替弁（バイパス流量制御部）
１３  排熱回収器
１４  流量制御弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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