JP2006152962A - エンジンの空燃比制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】三元触媒を備える排気系が、エンジンのシリンダヘッドに設けられる排気ポートに接続され、排ガス中の酸素濃度に応じて空燃比がリッチおよびリーンのいずれの状態にあるかを検出する酸素センサが、その検出値を空燃比制御に反映させるべく三元触媒よりも上流側で排気系に取付けられるエンジンの空燃比制御装置において、安価な酸素センサを用いて排ガス中のＮＯX を効果的に除去する。
【解決手段】酸素センサ３３が、排気系２６の一部を構成して排気ポート２５に接続される排気管２７に、排気ポート２５の直径の１０倍以内の距離を排気ポート２５との間にあけるようにして取付けられる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、三元触媒を備える排気系が、エンジンのシリンダヘッドに設けられる排気ポートに接続され、排ガス中の酸素濃度に応じて空燃比がリッチおよびリーンのいずれの状態にあるかを検出する酸素センサが、その検出値を空燃比制御に反映させるべく、前記三元触媒よりも上流側で前記排気系に取付けられるエンジンの空燃比制御装置に関する。
三元触媒よりも上流側で排気管に取付けられる酸素センサによって空燃比を制御するようにしたものが、たとえば特許文献１および特許文献２で既に知られている。
特開昭５９−７４３６０号公報 特開２０００−３３５４６７号公報
上記特許文献１で開示された多気筒エンジンでは、排気系のうちエンジンから離隔した排気集合管部に酸素センサが取付けられ、上記特許文献２で開示された単気筒エンジンでは、メンテナンス性やセンサ保護の観点からエンジン本体とは干渉しない空きスペースで排気管に取付けられており、いずれのものでも、酸素センサはエンジン本体の排気ポートからは離れた位置に配設されている。
ところで酸素センサは、排ガス中の酸素濃度に応じて空燃比がリッチおよびリーンのいずれの状態にあるかを検出するものであり、酸素センサから出力される電圧は、図７で示すように、空燃比がリッチおよびリーンのいずれの状態にあるかに応じて変化する。この酸素センサの出力電圧を用いた空燃比制御は、図８で示すように、酸素センサの出力とは反対側に燃料供給制御量の補正項を変化させるものであり、それにより空燃比を理論空燃比付近に収束させている。
一方、三元触媒による排ガス中のＮＯX 浄化率は、リッチ側の空燃比で高くなるものであり、特に、エンジンの高負荷領域では、前記浄化率が高くなる領域がよりリッチ側にシフトするものであるので、空燃比がリッチおよびリーンのいずれの状態にあるかを検出する酸素センサを用いた上記従来の空燃比制御では、排ガス中のＮＯX 浄化率を高めることができなかった。このような課題は、リニア空燃比センサを用いることで解決可能であるが、リニア空燃比センサは高価であり、コストの増大につながってしまう。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、安価な酸素センサを用いて排ガス中のＮＯX を効果的に除去し得るようにしたエンジンの空燃比制御装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、三元触媒を備える排気系が、エンジンのシリンダヘッドに設けられる排気ポートに接続され、排ガス中の酸素濃度に応じて空燃比がリッチおよびリーンのいずれの状態にあるかを検出する酸素センサが、その検出値を空燃比制御に反映させるべく、前記三元触媒よりも上流側で前記排気系に取付けられるエンジンの空燃比制御装置において、前記酸素センサが、前記排気系の一部を構成して前記排気ポートに接続される排気管に、前記排気ポートの直径の１０倍以内の距離を前記排気ポートとの間にあけるようにして取付けられることを特徴とする。
また請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の構成に加えて、前記エンジンが搭載される自動二輪車の車体フレームは、前輪を軸支するフロントフォークを操向可能に支承するヘッドパイプと、前記エンジンの前方に配置されて前記ヘッドパイプから後下がりに延びるダウンチューブとを備え、前記酸素センサが前記ダウンチューブの近傍で前記排気管に取りつけられることを特徴とする。
請求項１記載の発明によれば、排気ポートの直径の１０倍以内の距離を排気ポートとの間にあけるようにして酸素センサが排気管に取付けられるので、酸素センサが排気ポートに近い位置に配置されることになる。而して排気系を流通する排ガス中の残酸素量は、排気ポートから離れるにつれて次第に減少し、排気ポートからの距離が該排気ポートの直径の１０倍となる位置付近から下流側では前記残酸素量がほぼ一定になることを本願の発明者が確認しており、本発明に従って酸素センサの排気管への取付け位置を上述のように設定することにより、酸素センサの出力がリーン側にシフトすることになり、その酸素センサの出力を用いた空燃比制御により、リッチ側にシフトした空燃比で燃焼した排ガスが三元触媒を流通することになるので、排ガス中のＮＯX を効果的に除去することができ、しかも排気ポートに近い位置に酸素センサが配設されることによって空燃比制御の応答性を向上せしめることができる。
また請求項２記載の発明によれば、酸素センサに連なるセンサコードの取りまわしを、ダウンチューブに沿ってレイアウトすることができ、センサコードの保護が容易となるとともに配線が容易となる。
以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の一実施例に基づいて説明する。
図１は本発明を適用した自動二輪車の側面図、図２はエンジンの側面図、図３は消音器の縦断側面図、図４はエンジンの低負荷領域で三元触媒を流過した後の排ガス中のＣＯ、ＨＣおよびＮＯX の濃度を空燃比の変化に応じて示すグラフ、図５はエンジンの高負荷領域で三元触媒を流過した後の排ガス中のＣＯ、ＨＣおよびＮＯX の濃度を空燃比の変化に応じて示すグラフ、図６は排気系を流通する排ガス中の残酸素量の変化を示す図、図７は酸素センサの出力特性を示す図、図８は酸素センサの出力による燃料供給制御量の補正項の変化を示す図である。
先ず図１において、この自動二輪車の車体フレームＦは、前輪ＷＦを軸支するとともに操向ハンドル６が連結されるフロントフォーク５を操向可能に支承するヘッドパイプ７と、該ヘッドパイプ７から後下がりに延びるメインフレーム８と、該メインフレーム８よりも急傾斜で前記ヘッドパイプ７から後下がりに延びるとともに後部がほぼ水平に延びるダウンチューブ９とを備え、メインフレーム８およびダウンチューブ９の後部間を連結するピボットプレート１０に、支軸１４を介してリヤフォーク１５の前部が上下揺動可能に支承され、該リヤフォークの１５の後部に後輪ＷＲが軸支される。
また車体フレームＦの上部にはリヤクッションユニット１６の上部が連結され、このリヤクッションユニット１６の下部は、リンク機構１７を介して前記リヤフォーク１５の中間部に連結される。
車体フレームＦには、単気筒のエンジンＥおよび変速機Ｍから成るパワーユニットＰが搭載されており、該パワーユニットＰから出力される動力すなわち変速機Ｍの出力軸１８から出力される動力は、チェーン式伝動手段１９を介して後輪ＷＲに伝達される。
図２を併せて参照して、前記エンジンＥが備えるシリンダヘッド２０の後部側面に設けられる吸気ポート２１に連なる吸気系２２は、燃料噴射弁２３が付設されたスロットルボディ２４を含む。また前記シリンダヘッド２０の前部側面に設けられる排気ポート２５に連なる排気系２６は、前記排気ポート２５に上流端が接続される排気管２７と、三元触媒２８を内蔵して後輪ＷＲの右側方に配置される消音器３０と、前記排気管２７の下流端および前記消音器３０の上流端間を接続する接続管２９とを備える。
排気管２７は、シリンダヘッド２０の前部側面に設けられた排気ポート２５からパワーユニットＰの下方を通って後方に延出されるようにして彎曲形成され、後輪ＷＲの右側に配置される消音器３０に設けられるブラケット３１が、支持部材３２を介して車体フレームＦに支持される。
図３において、消音器３０のケーシング３４は、後輪ＷＲの右側で後上がりに延びる円筒状のケーシング主体３５と、前方に向かうにつれて小径となるテーパ状に形成されてケーシング主体３５の前端部に接合されるコーン部材３６と、前記ケーシング主体３５の後端に接合される蓋部材３７とを備え、前記ブラケット３１はケーシング主体３５の上部外面に設けられる。
コーン部材３６内には、三元触媒２８を収容した円筒状の触媒ケース３８が配置されており、この触媒ケース３８の前端部はコーン部材３６の前端部に嵌合される。また触媒ケース３８の中間部は支持筒３９でスライド可能に支持されるものであり、支持筒３９は、コーン部材３６の中間部内面に固着されるテーパ状の支持ステー４０と、コーン部材３６の後部内面に外周が固着される円板状の支持板４１で固定的に支持される。しかも前記接続管２９の下流端部が触媒ケース３８の前端部に嵌合されており、排気管２７から接続管２９を経て下流側に流れる排ガスは三元触媒２８を流過するようにして触媒ケース３８に導入される。
前記触媒ケース３８の後端部には、前記支持板４１を貫通してケーシング３４内を前後に延びる導管４２の前端部が接合されており、この導管４２の後端は、蓋部材３７の近傍に配置される。しかも複数の透孔４３，４３…が設けられた有底円筒状のキャップ４４が導管４０の後端部に嵌合、固着される。
前記ケーシング主体３５の内面には、その前後方向に間隔をあけて前方から順に第１，第２および第３隔壁板４５，４６，４７が固着されており、それらの隔壁板４５，４６，４７を貫通する前記導管４２は各隔壁板４５〜４７でスライド可能に支持される。而してケーシング３４内は、前記支持板４１と、第１、第２および第３隔壁板４５〜４７と、蓋部材３７とにより、前方側から順に第１、第２、第３および第４膨張室４８，４９，５０，５１に区画される。
導管４２の後端部は、第４膨張室５１内に配置されており、三元触媒２８を流過して導管４２内を後方に流れる排ガスは、複数の透孔４３，４３…から第４膨張室５１に流入する。しかも第３隔壁板４７には、多数の小径連通孔５２，５２…が設けられており、第４膨張室５１に流入した排ガスは、それらの小径連通孔５２，５２…を通過して第３膨張室５０に導かれる。
第１および第２隔壁板４５，４６には、両端を第１および第３膨張室４８，５０に開口する第１連絡管５３が設けられ、第１隔壁板４５には、両端を第１および第２膨張室４８，４９に開口する第２連絡管５４が設けられる。したがって第３膨張室５０に導入された排ガスは、第１連絡管５３を経て第１膨張室４８に導かれ、さらに第２連絡管５４を経て第２膨張室４９に導かれる。
第２隔壁板４６には、前端を第２膨張室４８に開口せしめるとともに第３隔壁板４７を貫通する排出管５５の前端部が固定されており、この排出管５５の後端部は、ケーシング３４における後端の蓋部材３７に支持されて後方に開口する。しかも第４膨張室５１内で排出管５５の一部は外管部材５６で覆われており、外管部材５６および排出管５５間の環状部には吸音材５７が充填され、外管部材５６に対応する部分で排出管５５の管壁には多数の小孔（図示せず）が設けられる。
再び図１および図２に注目して、排気系２６において三元触媒２８すなわち消音器３０よりも上流側には、図７で示すように排ガス中の酸素濃度に応じて空燃比がリッチおよびリーンのいずれの状態にあるかに応じて出力電圧を変化させる酸素センサ３３が、その検出値を空燃比制御に反映させるべく取付けられるものであり、排気系２６において三元触媒２８よりも上流側の排気管２７に、車体フレームＦにおけるダウンチューブ９の近傍に位置するようにして前記酸素センサ３３が取付けられる。しかも酸素センサ３３に連なるセンサコード５９は、その一部をダウンチューブ９に沿わせるようにして乗車用シート６０の下方に延出され、乗車用シート６０の下方に形成される空間に配設された制御ユニット（図示せず）に接続される。
ところで、図４および図５で示すように、三元触媒２８による排ガス中のＣＯ、ＨＣの浄化率は空燃比（Ａ／Ｆ）がリーン側になるにつれて高くなるのに対して、排ガス中のＮＯX 浄化率は空燃比（Ａ／Ｆ）がリッチ側になるにつれて高くなるものであり、特に図５で示すように、エンジンＥの高負荷領域では、ＮＯX 浄化率が高くなる領域がよりリッチ側にシフトする。
ここで、排気系２６を流通する排ガス中の残酸素量は、図４で示すように、排気ポート２５から離れるにつれて次第に減少し、排気ポート２５からの距離が該排気ポート２５の直径Ｄの１０倍となる位置付近から下流側では前記残酸素量がほぼ一定になるものであり、空燃比がリッチおよびリーンのいずれの状態にあるかを検出する酸素センサ３３を、前記残酸素量が一定となる領域に配設すると、酸素センサ３３の出力電圧を用いた空燃比制御は、図８で示すように、酸素センサ３３の出力とは反対側に燃料噴射弁２３からの燃料噴射制御量の補正項を変化させるものであり、空燃比を理論空燃比付近に収束させるものであるので、排ガス中のＮＯX 浄化率を高めることができない。
そこで、本発明によれば、酸素センサ３３は、排気ポート２５の直径Ｄの１０倍以内の距離Ｌを排気ポート２５との間にあけるようにして排気管２７に取付けられ、酸素センサ３３は、残酸素量が多い側すなわちリーン側の電圧を出力することになる。
次にこの実施例の作用について説明すると、エンジンＥのシリンダヘッド２０における排気ポート２５の直径Ｄの１０倍以内の距離Ｌを排気ポート２５との間にあけるようにして酸素センサ３３が排気管２７に取付けられるので、酸素センサ３３は排気ポート２５に近い位置に配置されることになる。
而して排気系２５を流通する排ガス中の残酸素量は、排気ポート２５から離れるにつれて次第に減少し、排気ポート２５からの距離が該排気ポート２５の直径Ｄの１０倍となる位置付近から下流側では前記残酸素量がほぼ一定になるので、酸素センサ３３の排気管２７への取付け位置を上述のように設定すると、酸素センサ３３の出力がリーン側にシフトすることになり、その酸素センサ３３の出力を用いた空燃比制御により、図５の矢印で示すようにリッチ側にシフトした空燃比で燃焼した排ガスが三元触媒２８を流通することになる。
したがって高価なリニア空燃比センサを用いることなく、排ガス中の酸素濃度に応じて空燃比がリッチおよびリーンのいずれの状態にあるかを検出する従来からの安価な酸素センサ３３を用いて、排ガス中のＮＯX を三元触媒２８で効果的に除去することができ、しかも排気ポート２５に近い位置に酸素センサ３３が配設されることによって空燃比制御の応答性を向上せしめることができる。
また車体フレームＦにおけるダウンチューブ９の近傍に位置するようにして前記酸素センサ３３が排気管２７に取りつけられるので、酸素センサ３３に連なるセンサコード５９の取りまわしを、ダウンチューブ９に沿ってレイアウトすることができ、センサコード５９の保護が容易となるとともに配線が容易となる。
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行うことが可能である。
たとえば上記実施例では単気筒のエンジンＥに本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、多気筒のエンジンにも適用可能である。
自動二輪車の側面図である。 エンジンの側面図である。 消音器の縦側面図である。 エンジンの低負荷領域で三元触媒を流過した後の排ガス中のＣＯ、ＨＣおよびＮＯX の濃度を空燃比の変化に応じて示すグラフである。 エンジンの高負荷領域で三元触媒を流過した後の排ガス中のＣＯ、ＨＣおよびＮＯX の濃度を空燃比の変化に応じて示すグラフである。 排気系を流通する排ガス中の残酸素量の変化を示す図である。 酸素センサの出力特性を示す図である。 酸素センサの出力による燃料供給制御量の補正項の変化を示す図である。
符号の説明
５・・・フロントフォーク
７・・・ヘッドパイプ
９・・・ダウンチューブ
２０・・・シリンダヘッド
２５・・・排気ポート
２６・・・排気系
２７・・・排気管
２８・・・三元触媒
３３・・・酸素センサ
Ｅ・・・エンジン
Ｆ・・・車体フレーム
ＷＦ・・・前輪

Claims (2)

  1. 三元触媒（２８）を備える排気系（２６）が、エンジン（Ｅ）のシリンダヘッド（２０）に設けられる排気ポート（２５）に接続され、排ガス中の酸素濃度に応じて空燃比がリッチおよびリーンのいずれの状態にあるかを検出する酸素センサ（３３）が、その検出値を空燃比制御に反映させるべく、前記三元触媒（２８）よりも上流側で前記排気系（２６）に取付けられるエンジンの空燃比制御装置において、前記酸素センサ（３３）が、前記排気系（２６）の一部を構成して前記排気ポート（２５）に接続される排気管（２７）に、前記排気ポート（２５）の直径の１０倍以内の距離を前記排気ポート（２５）との間にあけるようにして取付けられることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
  2. 前記エンジン（Ｅ）が搭載される自動二輪車の車体フレーム（Ｆ）は、前輪（ＷＦ）を軸支するフロントフォーク（５）を操向可能に支承するヘッドパイプ（７）と、該ヘッドパイプ（７）から後下がりに延びるダウンチューブ（９）とを備え、前記酸素センサ（３３）が前記ダウンチューブ（９）の近傍で前記排気管（２７）に取りつけられることを特徴とする請求項１記載のエンジンの空燃比制御装置。
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