JP2995202B2 - エンジン排気の二次空気供給装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、三元触媒を具えた排気
系へエンジンから排出された排気に含まれている有害成
分を減少させるため、空気ポンプを用いて二次空気を供
給する装置に関するものであって、主として自動車エン
ジンの排気浄化に利用される。

【０００２】

【従来の技術】現在の自動車エンジンの排気浄化は、電
子制御により理論空燃比の混合気をエンジンに供給し排
気を三元触媒で処理するというシステムによるものが主
流を占めているが、エンジンが冷機状態で排気温度が低
く、従って三元触媒が反応温度に達しない低温状態では
炭化水素が還元されないまま大量に放出するという欠点
がある。

【０００３】一方、近い将来自動車の排気中の有害成分
排出量規制を強化する動きがあり、その主な対象は炭化
水素であって現在の規制値から更に４０％程度低減しよ
うとするものである。このような規制強化に対応するに
は三元触媒が短時間で反応温度に達するように急速に温
度上昇させる必要があり、その具体的手段として排気に
二次空気を供給して低温状態の三元触媒に導入すること
により触媒内での燃焼を活発にして急速に温度上昇させ
る、ということが考えられる。

【０００４】このように三元触媒と二次空気とを組合せ
た排気処理技術の一つとして、高濃混合気をエンジンに
供給するとともに三元触媒から放出される排気中の酸素
濃度を検出して二次空気供給量を制御することによって
エンジンから排出された高温の排気中の有害成分を燃焼
させることが提案されている（特開昭４９−１３５１５
号公報参照）。

【０００５】即ち、前記特開昭４９−１３５１５号公報
に開示されている排気処理技術は、エンジンから排出さ
れる排気が低温のときは二次空気を添加するだけでは有
害成分を充分に燃焼させることができないため三元触媒
を併用するものであるが、三元触媒で有害成分を有効に
燃焼させるためにエンジン駆動の空気ポンプで加圧した
二次空気の供給量を排気中の酸素濃度に応じて調整弁に
より制御しているので、エンジン冷機時における混合気
の空燃比即ちエンジン吸入空気量と三元触媒低温時にお
ける排気の空燃比即ち二次空気供給量とが互いに無関係
に制御される。

【０００６】従って、エンジンの冷機状態から暖機完了
までの運転状態に応じた要求空燃比の混合気をエンジン
に供給しながら低温状態の三元触媒に導入された排気中
の有害成分を充分に燃焼させて三元触媒を短時間で反応
温度に到達させることがきわめて困難である。また、エ
ンジンに高濃混合気を供給し三元触媒から放出される排
気中の有害成分を結果的に低減するというシステムであ
るので、電子制御により理論空燃比の混合気をエンジン
に供給するという現在主流のシステムに適用することが
できない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、電子制御により理論空燃比の混合気をエン
ジンに供給するというシステムの下で、運転状態に応じ
た要求空燃比の混合気をエンジンに供給することと有害
成分を充分に低減させた排気を三元触媒から放出するこ
ととを有機的に関連づけて効果的に行なう技術がなく、
殊に冷機状態のエンジンに高濃混合気を供給し低温状態
の三元触媒で排気を燃焼して有害成分低減を計りながら
短時間で反応温度に到達させることが困難である、とい
う点である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明は空気流量計および空気流量に応じて設定さ
れた流量の燃料を供給する燃料供給手段を有する吸気管
と、三元触媒を有する排気管と、吸気管の流量計下流か
ら分岐して排気管の三元触媒上流に接続された二次空気
通路と、二次空気通路に設けられて吸気管の空気の一部
を排気管に送る空気ポンプと、空気ポンプの出口側に設
けられて二次空気供給圧力を排気圧力に比例させる圧力
制御弁とを具えさせた。これにより、理論空燃比の混合
気をエンジンに供給するシステムの下で冷機状態のエン
ジンに高濃混合気を供給し低温状態の三元触媒を短時間
で反応温度に到達させ排気中の有害成分を充分に低減す
る、という目的が達成できる。

【０００９】また、前記手段に加えて二次空気通路の空
気ポンプ出口側と吸気管とを戻し通路により接続し三元
触媒入口の排気の空燃比に応じて開閉する二次空気制御
弁を具えさせた。更に、前記各手段に加えてエンジンの
冷機時に開き暖機状態で閉止する温度開閉弁を具えさ
せ、或いはこれに加えてエンジンの高負荷時に開く負荷
開閉弁を具えさせた。これらにより、エンジンのさまざ
まな運転状態に応じた混合気の空燃比制御と排気浄化と
を互いに関連づけて効果的に行なう、という目的が達成
できる。

【００１０】尚、前記各手段に加えて二次空気通路の空
気ポンプ出口側に二次空気供給停止時に閉じる閉止弁を
設置し、排気の吸気管への逆流を防止させるのが好まし
い。

【００１１】

【作用】空気流量計が検知した空気流量に応じた燃料が
供給され、これによって基本的に理論空燃比の混合気が
エンジンに供給される。一方、空気流量計で測定された
空気の一部は空気ポンプで加圧され次で圧力制御弁で排
気圧力に比例した圧力に制御されて排気管に供給され
る。即ち、計量された空気をエンジンの吸入空気と排気
管の二次空気とに流量を正比例関係に保ちながら二分さ
せ、二次空気が供給されている運転状態で一定の高濃混
合気をエンジンに供給することによって排気中に未燃焼
成分を含有させ、これを高濃混合気を補う二次空気によ
って三元触媒で燃焼させ急速に反応温度まで上昇させる
ものである。

【００１２】また、二次空気の戻し通路を設け二次空気
制御弁で排気の空燃比に応じ、温度開閉弁でエンジン温
度に応じそれぞれ二次空気供給量を適正に制御し、更に
負荷開閉弁で高負荷時の高濃混合気供給による出力向上
と排気浄化とを行なう。

【００１３】

【実施例】図面を参照して本発明の実施例を説明する
と、図示しないエアクリーナからエンジン１に至る吸気
管３は可動ベーン式の空気流量計４、絞り弁５、燃料噴
射弁６を順に有し、またエンジン１から図示しないサイ
レンサに至る排気管７は空燃比センサ８、三元触媒９、
酸素センサ１０を有している。空気流量計４、空燃比セ
ンサ８、酸素センサ１０およびエンジン冷却水２の温度
センサ１１の出力信号は電子式制御ユニット１２に送ら
れる。また、空気流量計４が検知した空気流量に応じて
燃料噴射弁６に駆動信号を送って理論空燃比の混合気を
エンジン１に供給するシステムを基本としている。

【００１４】吸気管３の空気流量計４の下流であって絞
り弁５の上流から分岐して排気管７の空燃比センサ８よ
りも上流側に接続された二次空気通路１３が設置されて
いる。この二次空気通路１３にはルーツ式圧縮機からな
る容積形の空気ポンプ１４が設置されており、エンジン
１または図示しない電動機によってエンジン１の回転速
度と一定比の回転速度で運転され、吸気管３の空気の一
部をエンジン１の吸入空気量に比例させて分取し二次空
気通路１３を経て排気管７に供給するようになってい
る。即ち、空気ポンプ１４によって排気管７に供給され
る二次空気は、二次空気が分取された後のエンジン１に
供給される吸入空気と容積流量が比例する。

【００１５】また、二次空気通路１３の空気ポンプ１４
の出口側から分岐して吸気管３の空気流量計４と絞り弁
５との間の部分に接続された戻し通路１５と、空気ポン
プ１４の出口側から分岐して戻し通路１５に接続された
制御通路１６とが設けられており、制御通路１６には圧
力制御弁１７が設置されている。

【００１６】圧力制御弁１７は蝶形であり、空気ポンプ
１４の吐出空気圧力が作用する第一のダイヤフラム１８
およびこれよりも有効面積が大きく排気管７の三元触媒
９上流側から背圧通路２１によって取出した排気圧力が
作用する第二のダイヤフラム１９とリンク２０によって
連動し開閉動作を行なう。即ち、空気ポンプ１４によっ
てエンジン１の吸入空気量に比例した流量の空気が加圧
されて第一のダイヤフラム１８に作用し、これに対向し
て吸入空気量即ち排気量の２乗に比例した排気圧力を第
二のダイヤフラム１９に作用させるものであり、排気圧
力が上昇すると圧力制御弁１７の開度が小さくなって制
御通路１６から戻し通路１５へ放出される空気量を減少
させることにより吐出空気圧力、即ち二次空気供給圧力
を高くする。排気圧力が低下すると圧力制御弁１７の開
度が大きくなって放出空気量を増加させることにより二
次空気供給圧力を低くする。従って、二つのダイヤフラ
ム１８、１９の有効面積比を適正に設定することにより
エンジン１の吸入空気量に排気管７の二次空気量を比例
させることができるものである。この場合、二次空気供
給圧力は常に排気圧力よりも高い圧力とされることは言
うまでもない。

【００１７】これらにより、空気流量計４で計量された
空気がエンジン１の吸入空気と排気管７の二次空気とに
質量流量を正比例の関係に保ちながら二分され、二次空
気が供給されている運転状態で空気流量計４が計量した
空気流量に見合う燃料が燃料噴射弁６から供給されてい
ることによって一定の高濃混合気がエンジン１に供給さ
れることとなる。

【００１８】燃料は二次空気と吸入空気との合計量に対
して理論空燃比となるように供給されるので、高濃混合
気のためエンジン１で燃焼されることなく排出された排
気中の未燃焼成分は、理論上は二次空気によって完全燃
焼することとなる。高濃混合気が冷機状態のエンジン１
の回転を維持することは周知の通りであり、二次空気が
供給された排気は三元触媒９で燃焼し急速に反応温度ま
で上昇させる。

【００１９】エンジン１が暖機状態となったことは水温
センサ１１によって電子式制御ユニット１２に入力さ
れ、この信号に基いて空気ポンプ１４を停止させる。ま
た、二次空気通路１３の空気ポンプ１４の出口側に電磁
駆動の閉止弁２２が設置されており、前記の信号に基い
て二次空気通路１３を閉鎖する。即ち、これらはエンジ
ン１が暖機され高濃混合気を必要としなくなった時点で
行なわれるものであり、以後は酸素センサ１０からの電
気信号に基く燃料流量の補正を行なうフイードバック制
御の下で理論空燃比の混合気がエンジン１に供給され
る。

【００２０】尚、空気ポンプ１４を停止すればその構造
によっては二次空気通路１３を閉鎖するので閉止弁２２
は不要であるが、閉止弁２２を設置すると高圧の排気が
吸気管３へ逆流するのを完全に防止することができる。
また、閉止弁２２を設置した場合は、空気ポンプ１４の
種類によってはこれを常時運転させておいても差支えな
い。

【００２１】次に、戻し通路１５には空燃比センサ８か
ら電子式制御ユニット１２に送られる電気信号に基いて
所定デューティ比の開閉動作を行なう電磁駆動の二次空
気制御弁２３が設置されている。

【００２２】二次空気制御弁２３は排気管７に供給する
二次空気が排気中の未燃焼成分即ち有害成分に対して過
剰のとき大きなデューティ比で開くかまたは開弁位置に
固定され、空気ポンプ１４が吐出した二次空気が戻し通
路１５を通って吸気管３へ還流する量を増加させる。反
対に不足のときは小さなデューティ比で開くかまたは閉
弁位置に固定され、戻し通路１５を通って吸気管３へ還
流する量を減少させるものであり、これにより常に適正
量の二次空気を供給することができる。

【００２３】更に、二次空気通路１３の制御通路１６の
分岐個所とそれよりも下流側の閉止弁２２との間の部分
に温度開閉弁２４が設置されているとともに、この温度
開閉弁２４をバイパスさせて二次空気通路１３に設けた
分岐通路２５に負荷制御弁２６が設置されている。

【００２４】温度開閉弁２２は水温センサ１１から電子
式制御ユニット１２に送られる電気信号に基いて所定デ
ューティ比の開閉動作を電磁駆動により行なうものであ
り、エンジン１が冷機状態のとき開弁位置に固定され、
温度上昇に応じて次第に小さなデューティ比で開かれる
ようになり暖機完了後は閉弁位置に固定されるものであ
り、これによりエンジン１の温度が上昇するに従って二
次空気通路１３を通って排気管７に供給する二次空気の
量を減少させ、エンジン１に供給する混合気を高濃から
次第に理論空燃比に近づけることができる。

【００２５】このように、二次空気制御弁２３と温度開
閉弁２４のいずれかまたは両方を用いて二次空気の供給
量を制御することにより、排気中の有害成分を充分に低
減し、またエンジン１の運転状態に応じてエンジン１と
排気管７とに空気を適切に分配し混合気の空燃比制御と
排気浄化とを効果的に行なうことができる。

【００２６】負荷開閉弁２６は針形であって、負圧路２
７によって取出した吸気管負圧が作用するダイヤフラム
２８に取付けられている。そして、吸気管負圧が高いと
き即ち中・低負荷時に閉じているが、吸気管負圧が低い
とき即ち高負荷時に開いて温度開閉弁２４の開閉状態に
関係なく分岐通路２５を開放して排気管７への二次空気
供給量を増加するとともにエンジン１への空気供給量を
減少して混合気を高濃化し出力向上を計る。

【００２７】尚、図示の実施例では二次空気制御弁２
３、温度開閉弁２４、負荷開閉弁２６の全部を設置した
が、二次空気制御弁２３と温度開閉弁２４のいずれかま
たは両方を設置し負荷開閉弁２６を使用しない構成であ
ってもよい。

【００２８】

【発明の効果】本発明によると、空気流量計で計量した
空気の一部を空気ポンプで加圧し排気圧力に比例する圧
力に制御して排気管に供給する構成であるから、計量し
た空気に応じて燃料を供給し理論空燃比の混合気をエン
ジンに供給するシステムの下で、冷機状態のエンジンに
高濃混合気を供給しエンジンの回転を維持しながら排気
に二次空気を供給して低温状態の三元触媒で充分に燃焼
させ有害成分を有効に低減するとともに急速に反応温度
まで上昇させることができる。また、二次空気制御弁、
温度開閉弁更に負荷開閉弁を適宜に設けた場合は、エン
ジンのさまざまな運転状態に応じて混合気の空燃比制御
と排気浄化更に出力向上を互いに関連づけて効果的に行
なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す配置図である。

【符号の説明】

１ エンジン ３ 吸気管 ４ 空気流量計 ６ 燃料噴射弁 ７ 排気管 ９ 三元触媒 １２ 電子式制御ユニット １３ 二次空気通路 １４ 空気ポンプ １５ 戻し通路 １７ 圧力制御弁 ２２ 閉止弁 ２３ 二次空気制御弁 ２４ 温度開閉弁 ２６ 負荷開閉弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F01N 3/22 321 F01N 3/20 F01N 3/32 301

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気流量計および空気流量に応じて設定
   された流量の燃料を供給する燃料供給手段を有する吸気
   管と、三元触媒を有する排気管と、前記吸気管の空気流
   量計下流から分岐して前記排気管の三元触媒上流側に接
   続された二次空気通路と、前記二次空気通路に設けられ
   て前記吸気管の空気の一部を前記排気管へ送る空気ポン
   プと、前記空気ポンプの出口側に設けられて二次空気供
   給圧力を排気圧力に比例させる圧力制御弁とを具えたこ
   とを特徴とするエンジン排気の二次空気供給装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の構成に加えて、二次空気
   通路の空気ポンプ出口側と吸気管とを接続した戻し通路
   と、前記戻し通路に設けられて三元触媒入口の排気の空
   燃比に応じて開閉する二次空気制御弁とを具えたことを
   特徴とするエンジン排気の二次空気供給装置。
3. 【請求項３】 請求項１、２いずれか記載の構成に加え
   て、二次空気通路の空気ポンプ出口側にエンジンの冷機
   時に開き暖機状態で閉止する温度開閉弁を具えたことを
   特徴とするエンジン排気の二次空気供給装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の構成に加えて、温度開閉
   弁をバイパスして二次空気通路に設けられた分岐通路
   と、前記分岐通路に設けられてエンジンの高負荷時に開
   く負荷開閉弁とを具えたことを特徴とするエンジン排気
   の二次空気供給装置。
5. 【請求項５】 請求項１、２、３、４いずれか記載の構
   成に加えて、二次空気通路の空気ポンプ出口側に二次空
   気供給停止時に閉じる閉止弁を具えたことを特徴とする
   エンジン排気の二次空気供給装置。