JP2995201B2 - 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エンジン回転速度と
一定比の駆動速度で運転され吸気管の空気の一部を排気
管へ送る空気ポンプと、二次空気通路に設けられて空気
ポンプの入口圧力を吸気管負圧に応じて制御する圧力制
御弁とを具えた。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】更に、前記手段に加えて空気ポンプの出口
側と入口側とを接続する戻し通路を二次空気通路に付設
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、エンジンの冷機時に閉止し暖機状態で開放
する温度開閉弁、のいずれかまたは両方を戻し通路に設
置し、更にまたこれらに加えてエンジンの高負荷時に閉
止する負荷開閉弁を戻し通路に設置した。これらによ
り、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
空気の一部は圧力制御弁によって吸気管負圧に応じて圧
力制御され且つ空気ポンプによってエンジン吸入空気量
に比例した流量とされ二次空気通路を通って排気管に供
給される。即ち、計量された空気がエンジンの吸入空気
と排気管の二次空気とに質量流量を正比例関係に保ちな
がら二分され、二次空気が供給されている運転状態で一
定の高濃混合気をエンジンに供給し且つ排気を三元触媒
で充分に燃焼させて急速に反応温度まで上昇させること
ができる。

【００１２】また、空気ポンプをバイパスする戻し通路
を二次空気通路に設けて二次空気制御弁、温度開閉弁に
より排気管への二次空気供給量を三元触媒での排気の燃
焼状態、エンジンの温度に応じて適正に制御する。更
に、負荷開閉弁により高負荷時に高濃混合気を供給して
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
の入口側には蝶形の圧力制御弁１５が設置されており、
吸気管３の絞り弁５の下流から負圧通路１６によって取
出した吸気管負圧が作用するダイヤフラム１７とリンク
１８によって連動し開閉動作を行なう。即ち、この圧力
制御弁１５は吸気管負圧が高いとき開度を小さくし吸気
管負圧が低いとき開度を大きくするものであり、これに
より二次空気の空気密度を吸入空気の空気密度と関連す
る値に維持する。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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１９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。

【００１９】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１９
は不要であるが、閉止弁１９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１９を設置した場合は、空気ポンプ１４の
種類によっては常時運転させておいても差支えない。

【００２０】更に、二次空気通路１３の空気ポンプ１４
の出口側で閉止弁１９の上流部分から分岐して空気ポン
プ１４の入口側で圧力制御弁１５の下流部分に接続され
た戻し通路２０が設けられている。この戻し通路２０は
途中に並列の通路部分２０ａ、２０ｂを有し、一方の通
路部分２０ａ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２１が設置
されている。

【００２１】また、もう一方の通路部分２０ｂには水温
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行なう電磁
駆動の温度開閉弁２２、および負荷開閉弁２３が設置さ
れている。負荷開閉弁２３は針形であって負圧通路１６
によって取出した吸気管負圧が作用するダイヤフラム２
４に取付けられている。

【００２２】二次空気制御弁２１は排気管７に供給する
二次空気が排気中の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２０を通って
入口側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２０を通って入口側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】温度開閉弁２２はエンジン１が冷機状態の
とき閉弁位置に固定され、温度上昇に応じて次第に大き
なデューティ比で開かれるようになり暖機完了後は開弁
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戻し通路２０を通って還流する
量を増加させて排気管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。

【００２４】このように、二次空気制御弁２１と温度開
閉弁２２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、またエンジンの運転状態に応じてエンジンと排気
管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。

【００２５】更に、負荷開閉弁２３は吸気管負圧が高い
とき即ち中・低負荷時に開いているが、吸気管負圧が低
いとき即ち高負荷時に閉じて温度開閉弁２２の開閉状態
に関係なく通路部分２０ｂを閉鎖し、排気管７への二次
空気の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。

【００２６】尚、図示の実施例では戻し通路２０に三個
の弁２１、２２、２３を設置したが、二次空気制御弁２
１と温度開閉弁２２のいずれか一方とし、或いはこれら
を直列に設置し、更にいずれかと負荷開閉弁２３とを直
列または並列に設置した構成であってもよい。

【００２７】

【発明の効果】本発明によると、空気流量計で計量した
空気の一部を吸入管負圧に応じて圧力制御しエンジン回
転速度と一定比の駆動速度の空気ポンプで排気管に供給
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、空気ポンプに戻し通路を設置して二次空気制
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は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 圧力制御弁 １９ 閉止弁 ２０ 戻し通路 ２１ 二次空気制御弁 ２２ 温度開閉弁 ２３ 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 3/20 F01N 3/22 321 F01N 3/32

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
   エンジン回転速度と一定比の駆動速度で運転され前記吸
   気管の空気の一部を前記排気管へ送る空気ポンプと、前
   記二次空気通路に設けられて前記空気ポンプの入口圧力
   を吸気管負圧に応じて制御す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、空気ポン
   プの出口側と入口側とを接続して二次空気通路に付設さ
   れた戻し通路と、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記載の構成に加えて、空気ポン
   プの出口側と入口側とを接続して二次空気通路に付設さ
   れた戻し通路と、前記戻し通路に設けられてエンジンの
   冷機時に閉止し暖機状態で開放する温度開閉弁とを具え
   たことを特徴とするエンジン排気の二次空気供給装置。
4. 【請求項４】 請求項２、３いずれか記載の構成に加え
   て、戻し通路にエンジンの高負荷時に閉止する負荷開閉
   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。
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。