JP2009156222A - ２次空気供給システムおよび車両 - Google Patents

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裕次 荒木
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Abstract

【課題】排気ガスの浄化効率を効果的に向上させることができる２次空気供給システムおよびそれを備えた車両を提供する。
【解決手段】２次空気供給システム１０００は、ＣＰＵ１６２、ＲＯＭ１６３、空気供給管７２および空気量調整弁３４を含む。空気供給管７２の一端はエアクリーナボックスに接続され、他端は排気ポート１２に接続される。エアクリーナボックス内の空気（２次空気）が空気供給管７２を介して排気ポート１２に供給される。空気供給管７２から排気ポート１２に供給される２次空気の量は、空気量調整弁３４により調整される。供給ＲＯＭ１６３には、エンジンの状態に応じた目標空燃比が記憶される。ＣＰＵ１６２は、エンジン７の状態に基づいて、排気ポート１２内の空燃比が目標空燃比になるように空気量調整弁３４を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンに２次空気を供給する２次空気供給システムおよびそれを備えた車両に関する。
従来より、車両から排出される排気ガスの浄化を目的として、排気管に２次空気を供給する技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１記載の２次空気導入装置においては、排気管に第１のチューブおよび第２のチューブが接続されている。これら第１および第２のチューブを介して排気管内に２次空気が供給される。それにより、排気管内の排気ガスが酸化され、排気ガスが浄化される。
特開２００６−１８３５１３号公報
ところで、自動二輪車等の車両においては、上記２次空気を用いた排気ガスの浄化に加えて、触媒装置を用いた排気ガスの浄化が行われる。しかしながら、排気管に供給される２次空気の量が多くなると、触媒装置に流入する酸素量が多くなり触媒装置の浄化効率が低下する。そのため、単に上記の２次空気導入装置と触媒装置とを排気管に設けても、排気ガスの浄化効率を効果的に向上させることは困難である。
本発明の目的は、排気ガスの浄化効率を効果的に向上させることができる２次空気供給システムおよびそれを備えた車両を提供することである。
（１）第１の発明に係る２次空気供給システムは、エンジンの排気通路に２次空気を供給する２次空気供給システムであって、２次空気の供給源と、供給源から排気通路に２次空気を供給する供給路と、エンジンの状態を判定する判定部と、エンジンの状態に応じて予め設定される目標空燃比を記憶する記憶部と、判定部により判定されるエンジンの状態および記憶部に記憶される目標空燃比に基づいて排気通路内が目標空燃比になるように供給路から排気通路に供給される２次空気の量を調整する調整部とを備えたものである。
この２次空気供給システムによれば、供給源から供給路を介して排気通路に２次空気が供給される。それにより、エンジンの排気ガスに含まれる未燃成分の酸化反応が促進される。その結果、排気ガスに含まれる未燃成分が除去される。
ここで、排気ガスを効率よく浄化するためには、２次空気による浄化および触媒装置による浄化を適切に組み合わせなければならない。すなわち、排気通路内の空燃比がリーンになるように排気通路に２次空気を供給した場合、排気ガス中の未燃成分（ＨＣおよびＣＯ）を効率よく除去することができるが、触媒装置による窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化効率が低下する。また、排気通路内の空燃比が理論空燃比になるように排気通路に２次空気を供給した場合、触媒装置による排気ガスの浄化効率は向上するが、２次空気による未燃成分の除去量が減少する。
そこで、この２次空気供給システムにおいては、エンジンの状態に応じて予め設定される目標空燃比が記憶部に記憶される。そして、判定部により判定されたエンジンの状態および記憶部に記憶される目標空燃比に基づいて、排気通路内の空燃比が目標空燃比になるように調整部により排気通路への２次空気の供給量が調整される。
この場合、エンジンの状態に応じた適切な目標空燃比を記憶部に記憶させておくことにより、排気通路に供給される２次空気の量を調整部により適切に調整することができる。
したがって、エンジンの状態が２次空気による未燃成分の除去量を増加させるべき状態である場合には、２次空気の供給量を増加させることにより排気通路内の空燃比をリーン側に設定することができる。それにより、排気ガス中の未燃成分の酸化反応を十分に促進することができる。その結果、排気ガス中の未燃成分が効率よく除去される。
また、エンジンの状態が触媒装置による排気ガスの浄化効率を向上させるべき状態である場合には、２次空気の供給量を調整することにより排気通路内の空燃比を理論空燃比に近づけることができる。それにより、触媒装置による排気ガスの浄化効率が向上する。
このように、この２次空気供給システムによれば、排気通路に供給される２次空気の量が、判定部により判定されるエンジンの状態に基づいて調整部により適切に調整される。それにより、２次空気による排気ガスの浄化および触媒装置による排気ガスの浄化を適切に組み合わせることができる。その結果、排気ガスの浄化効率を効果的に向上させることが可能になる。
（２）エンジンの状態は、エンジンの燃焼室から排出される窒素酸化物の量に基づいて予め設定される第１および第２の状態を含み、第１の状態における窒素酸化物の量は第２の状態における窒素酸化物の量よりも少なく、目標空燃比は、第１の状態に対応する第１の空燃比および第２の状態に対応する第２の空燃比を含み、第１の空燃比は第２の空燃比よりリーン側に設定されてもよい。
この２次空気供給システムによれば、エンジンの状態が第１の状態である場合すなわち燃焼室から排出される窒素酸化物の量が少ない場合には、排気通路内の空燃比が第１の空燃比になるように調整部により２次空気の供給量が調整される。
また、エンジンの状態が第２の状態である場合すなわち燃焼室から排出される窒素酸化物の量が多い場合には、排気通路内の空燃比が第２の空燃比になるように調整部により２次空気の供給量が調整される。
ここで、第１の空燃比は第２の空燃比よりリーン側に設定される。したがって、燃焼室から排出される窒素酸化物の量が少ない場合には、排気通路内に供給される２次空気の量が増加される。それにより、排気ガスに含まれる未燃成分を効率よく除去することができる。また、排気ガス中に含まれる窒素酸化物の量が少ないので、触媒装置の浄化効率が低下しても、窒素酸化物が外部に排出されることを十分に防止することができる。
以上の結果、排気ガスを効率よく浄化することができる。
（３）２次空気供給システムは、エンジンの吸気量を調整するスロットルバルブをさらに備え、判定部は、エンジンの回転速度およびスロットルバルブの開度に基づいてエンジンの状態を判定してもよい。
この場合、エンジンの回転速度およびスロットルバルブの開度に基づいてエンジンの状態を容易に判定することができる。それにより、排気ガスの浄化効率を容易に向上させることができる。
（４）判定部は、エンジンの回転速度およびエンジンの吸気ポート内の圧力に基づいてエンジンの状態を判定してもよい。この場合、第１および第２の状態を容易に判定することができる。それにより、排気ガスの浄化効率を容易に向上させることができる。
（５）２次空気供給システムは、エンジンの燃焼室から排出される窒素酸化物の量を検出する第１の検出器をさらに備え、判定部は、第１の検出器により検出された窒素酸化物の量に基づいてエンジンの状態を判定してもよい。
この場合、第１の検出器の検出結果に基づいて、エンジンの状態を確実に判定することができる。それにより、排気ガスの浄化効率を確実に向上させることができる。
（６）エンジンの状態は、エンジンにかかる負荷に基づいて予め設定される第３の状態をさらに含み、第３の状態における負荷は第１および第２の状態における負荷よりも高く、調整部は、判定部によりエンジンの状態が第３の状態であると判定された場合に供給路から排気通路への２次空気の供給を遮断してもよい。
エンジンの状態が高負荷状態である場合には、排気ガスの温度が上昇する。そこで、この２次空気供給システムでは、エンジンの状態が第３の状態すなわち高負荷状態である場合には、調整部により排気通路への２次空気の供給が遮断される。
この場合、未燃成分の酸化反応による排気ガスの温度上昇が防止されるので、排気ガスの温度が過剰に上昇することが防止される。それにより、エンジンが高負荷状態になった場合にも、触媒装置の温度が過剰に上昇することが防止される。その結果、触媒装置の浄化効率の低下および触媒装置の劣化が防止される。
（７）２次空気供給システムは、排気通路内の酸素濃度を検出する第２の検出器をさらに備え、調整部は、第２の検出器により検出される酸素濃度に基づいて供給路から排気通路への２次空気の供給量を補正してもよい。
この場合、第２の検出器により検出される酸素濃度に基づいて排気通路への２次空気の供給量が補正されるので、排気通路内の空燃比を容易に目標空燃比に近づけることができる。
（８）第１の空燃比は、１５以上に設定されてもよい。
この場合、燃焼室から排出される窒素酸化物の量が少ない場合には、排気通路内の空燃比が１５以上１９以下に設定される。それにより、排気ガス中の未燃成分の酸化反応が確実に促進される。その結果、排気ガス中の未燃成分をより確実に除去することができる。
（９）第２の空燃比は、略理論空燃比に設定されてもよい。
この場合、燃焼室から排出される窒素酸化物の量が多い場合には、排気通路内の空燃比が略理論空燃比に設定される。それにより、触媒装置の浄化効率が向上する。その結果、排気ガスを効率よく浄化することができる。
（１０）供給路はエンジンの燃焼室から５０ｍｍ以内の位置において排気通路に接続されてもよい。
この場合、供給路から排気通路に供給される２次空気の一部を燃焼室内に流入させることができる。それにより、燃焼室内における混合気の燃焼を安定させることができるとともに、エンジンの出力を安定させることができる。
（１１）第２の発明に係る車両は、エンジンと、駆動輪と、エンジンにより発生された動力を駆動輪に伝達する伝達機構と、エンジンから排出される排気ガスが流通する排気通路と、排気通路に設けられエンジンから排出される排気ガスを浄化する触媒装置と、第１の発明に係る２次空気供給システムとを備えたものである。
この車両においては、エンジンにより発生された動力が伝達機構を介して駆動輪に伝達される。それにより、車両が走行する。また、エンジンから排出される排気ガスは、排気通路内に設けられる触媒装置により浄化される。
また、この車両には、第１の発明に係る２次空気供給システムが設けられている。したがって、排気通路に供給される２次空気の量がエンジンの状態に基づいて調整部により適切に調整される。それにより、２次空気による排気ガスの浄化および触媒装置による排気ガスの浄化を適切に組み合わせることができる。その結果、排気ガスの浄化効率を効果的に向上させることが可能になる。
本発明によれば、排気通路に供給される２次空気の量がエンジンの状態に基づいて調整部により適切に調整される。それにより、２次空気による排気ガスの浄化および触媒装置による排気ガスの浄化を適切に組み合わせることができる。その結果、排気ガスの浄化効率を効果的に向上させることが可能になる。
以下、本発明の実施の形態に係る２次空気供給システムおよびそれを備えた車両について図面を用いて説明する。なお、以下の説明においては、車両の一例として自動二輪車について説明する。
（１）自動二輪車の構成
図１は、本発明の一実施の形態に係る２次空気供給システムを備えた自動二輪車を示す外観側面図である。
図１に示すように、自動二輪車１００はメインフレーム１を備える。メインフレーム１の前端部には、ヘッドパイプ２が設けられる。ヘッドパイプ２にフロントフォーク３が回動可能に設けられる。フロントフォーク３の下端に前輪４が回転可能に支持される。ヘッドパイプ２の上端には、ハンドル５が取り付けられる。
メインフレーム１の前方および側方を覆うようにカウル６が設けられる。メインフレーム１の中央部には、エンジン７が設けられる。エンジン７の上方には、エアクリーナボックス８が設けられる。エアクリーナボックス８とエンジン７の吸気ポート９とを接続するように、スロットルボディ１０が設けられる。
自動二輪車１００の前部には、エアクリーナボックス８の内部と外部とを連通させる吸気通路１１がカウル６に覆われるように設けられる。吸気通路１１の一端は、カウル６の前面において開口している。それにより、外気が吸気通路１１、エアクリーナボックス８、スロットルボディ１０および吸気ポート９を介してエンジン７内に吸入される。
エンジン７の排気ポート１２には、排気管１３の一端が接続される。排気管１３には、エンジン７から排出される排気ガスを浄化するための触媒装置１３ａが介挿される。触媒装置１３ａは、例えば、三元触媒からなる。排気管１３の他端には、マフラ装置１４が接続される。エンジン７の排気ガスは、排気ポート１２、排気管１３およびマフラ装置１４を介して外部に排出される。
エンジン７の上部には、シート１５が設けられる。シート１５の下部には、自動二輪車１００の各部の動作を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit；電子制御ユニット）１６が設けられる。ＥＣＵ１６の詳細は後述する。
エンジン７の後方に延びるように、メインフレーム１にリアアーム１７が接続される。リアアーム１７は、後輪１８および後輪ドリブンスプロケット１９を回転可能に保持する。エンジン７のクランクシャフト７１の回転力は、変速機（図示せず）およびチェーン２０を介して後輪ドリブンスプロケット１９に伝達される。それにより、後輪１８が回転する。
メインフレーム１の中央部に、空気供給管７２が設けられる。空気供給管７２の一端は、排気ポート１２に接続され、他端は、エアクリーナボックス８に接続される。空気供給管７２の詳細は後述する。
（２）２次空気供給システムの構成
図２および図３は、本実施の形態に係る２次空気供給システムを示す概略図である。なお、図２にはエンジン７の縦断面図が示され、図３にはエンジン７の上面図が示されている。
図２および図３に示すように、本実施の形態に係る２次空気供給システム１０００は、エンジン７、ＥＣＵ１６、アクセル開度センサ３０、酸素センサ３１、エンジンスピードセンサ３２、スロットルセンサ３３、空気量調整弁３４、スロットルバルブ８１およびインジェクタ８２を含む。
図２に示すように、エンジン７は、シリンダ７４およびシリンダヘッド７５を有する。シリンダ７４内には、ピストン７６が上下動可能に設けられる。ピストン７６は、コンロッド７７およびクランク（図示せず）を介してクランクシャフト７１に連結される。
シリンダヘッド７５内には、混合気を燃焼させるための燃焼室７５１が形成される。また、シリンダヘッド７５には、燃焼室７５１とシリンダヘッド７５の外部とを連通させるように吸気ポート９および排気ポート１２が形成される。
吸気ポート９の下流側の開口端９ａに吸気弁７７が設けられ、排気ポート１２の上流側の開口端１２ａに排気弁７８が設けられる。シリンダヘッド７５内には、吸気弁７７を駆動するための吸気弁駆動装置７９および排気弁７８を駆動するための排気弁駆動装置８０が設けられる。なお、図２には、吸気弁駆動装置７９の１つのカムおよび排気弁駆動装置８０の１つのカムがそれぞれ示されている。スロットルバルブ８１およびインジェクタ８２は、スロットルボディ１０に設けられる。
図３に示すように、エンジン７は４つのシリンダ７４を有する。吸気ポート９、排気ポート１２、スロットルバルブ８１およびインジェクタ８２（図２参照）はシリンダ７４ごとに設けられる。各吸気ポート９のシリンダ７４側は２つの通路に分岐している。同様に、各排気ポート１２のシリンダ７４側は２つの通路に分岐している。したがって、各吸気ポート９はそれぞれ２つの開口端９ａを有し、各排気ポート１２はそれぞれ２つの開口端１２ａを有する。また、図２の吸気弁７７および排気弁７８は、シリンダ７４ごとに２つずつ設けられる。
図３に示すように、排気管１３の上流側は４つの通路１３１〜１３４に分岐している。通路１３１〜１３４は、各排気ポート１２にそれぞれ接続される。空気供給管７２の一端は、エアクリーナボックス８に接続される。空気供給管７２の他端側は、４つの通路７２１〜７２４に分岐している。
通路７２１〜７２４は、各排気ポート１２の一方の開口端１２ａの近傍にそれぞれ接続される。なお、通路７２１〜７２４と排気ポート１２との接続部は、開口端１２ａから５０ｍｍ以内の位置に設けられることが好ましい。この場合、通路７２１〜７２４から排気ポート１２に供給される２次空気の一部を燃焼室７５１内へ流入させることができる。それにより、燃焼室７５１内における混合気の燃焼を安定させることができる。
本実施の形態においては、エアクリーナボックス８内の空気が空気供給管７２を介して排気ポート１２内に供給される。なお、以下の説明においては、エアクリーナボックス８内から排気ポート１２内に供給される空気を２次空気と称する。
通路７２１〜７２４には、逆止弁３６がそれぞれ設けられる。これにより、排気ポート１２からエアクリーナボックス８への排気ガスの逆流が防止される。また、空気供給管７２の通路７２１〜７２４より上流側に空気量調整弁３４が設けられる。
アクセル開度センサ３０（図２）は、スロットルボディ１０のスロットルバルブ８１に近接する位置に設けられ、運転者によるアクセルグリップ（図示せず）の操作量（以下、アクセル開度と称する。）を検出する。酸素センサ３１は、排気管１３に設けられ、排気管１３内の酸素濃度を検出する。なお、図３に示すように、酸素センサ３１は、通路１３１〜１３４と触媒装置１３ａとの間に設けられる。
エンジンスピードセンサ３２（図２および図３）は、エンジン７（クランクシャフト７１）の回転速度（以下、エンジンスピードと称する。）を検出する。スロットルセンサ３３は、スロットルバルブ８１の開度（以下、スロットル開度と称する。）を検出する。
ＥＣＵ１６は、Ｉ／Ｆ（インターフェース）１６１、ＣＰＵ（中央演算処理装置）１６２、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）１６３およびＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）１６４を含む。
アクセル開度センサ３０（図２）により検出されたアクセル開度、酸素センサ３１により検出された酸素濃度、エンジンスピードセンサ３２により検出されたエンジンスピード、およびスロットルセンサ３３により検出されたスロットル開度は、Ｉ／Ｆ１６１を介してＣＰＵ１６２に与えられる。ＲＯＭ１６３には、ＣＰＵ１６２の制御プログラムが記憶される。ＲＡＭ１６４には、２次空気供給システム１０００に関する種々のデータが記憶される。また、ＲＡＭ１６４は、ＣＰＵ１６２の作業領域として機能する。
ＣＰＵ１６２は、アクセル開度センサ３０の検出値に基づいてスロットルバルブ８１の開閉動作を制御する。なお、本実施の形態においては、アクセル開度とスロットル開度との関係を示すデータがＲＡＭ１６４に記憶されている。ＣＰＵ１６２は、アクセル開度センサ３０の検出値およびＲＡＭ１６４に記憶されているデータに基づいてスロットルバルブ８１を制御する。
また、本実施の形態においては、アクセルグリップ（図示せず）とスロットルバルブ８１とが機械的に連結されている。この場合、例えば、スロットルバルブ８１の開閉動作を機械的に規制することができるので、アクセルグリップの操作量に応じたスロットル開度の上限値を設定することができる。
また、ＣＰＵ１６２は、インジェクタ８２を制御することにより、燃焼室７５１内の混合気の空燃比を調整する。本実施の形態においては、ＣＰＵ１６２により燃焼室７５１内の混合気の空燃比が例えばリッチ側に設定される。
また、ＣＰＵ１６２は、エンジンスピードセンサ３２およびスロットルセンサ３３の検出値に基づいて、排気ポート１２および排気管１３内の排気ガスの最適な空燃比（以下目標空燃比と称する。）を決定する。そして、ＣＰＵ１６２は、排気ポート１２および排気管１３内の排気ガスの空燃比が目標空燃比になるように空気量調整弁３４の開度を調整する。それにより、エアクリーナボックス８から排気ポート１２へ供給される２次空気の量が調整される。
なお、本実施の形態においては、エンジンスピード、スロットル開度、および目標空燃比の関係を示す情報（以下、空燃比情報と称する。）がＲＡＭ１６４に記憶されている。ＣＰＵ１６２は、エンジンスピードセンサ３２の検出値、スロットルセンサ３３の検出値および空燃比情報に基づいて空気量調整弁３４を制御する。ＣＰＵ１６２の制御動作の詳細は後述する。
（３）エンジンの状態と目標空燃比との関係
図４は、一般的なエンジンの排気ガスに含まれるＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）、ＣＯ（一酸化炭素）、およびＯ２（酸素）の量（含有率）の一例を示す図である。なお、図４において、縦軸は排気ガス中のＨＣ、ＮＯｘ、ＣＯ、およびＯ２の量を示し、横軸はエンジンの燃焼室内の空燃比（Ａ／Ｆ）を示す。また、図４において、“△”はＨＣの量を示し、“◇”はＮＯｘの量を示し、“○”はＣＯの量を示し、“●”はＯ２の量を示す。
一般に、自動四輪車では、エンジンの燃焼室内の空燃比が理論空燃比（Ａ／Ｆ≒１４．７）になるように燃料量が制御される。この場合、図４に示すように、排気ガス中のＨＣおよびＣＯの量はＮＯｘの量に比べて少なくなる傾向がある。
一方、自動二輪車においては、エンジンの出力を大きくするとともに良好なドライバビリティを得るために、燃焼室内の混合気の空燃比がリッチ側に設定される場合がある。この場合、図４に示すように、排気ガス中のＮＯｘの量は減少するが、ＨＣおよびＣＯの量が増加する。したがって、自動二輪車の排気ガスを効率よく浄化するためには、排気ガス中のＨＣおよびＣＯを効率よく除去することが重要である。
そこで、本実施の形態に係る自動二輪車１００においては、エアクリーナボックス８から排気ポート１２内に２次空気が供給される。この２次空気により排気ガス中のＨＣおよびＣＯの酸化が促進される。それにより、ＨＣおよびＣＯが効率よく除去される。以下、本発明者らが見出した２次空気による排気ガスの浄化特性について説明する。
図５は、２次空気によるＴＨＣ（全炭化水素）およびＣＯの浄化特性を示す図である。図５において縦軸は、排気ガスに含まれるＴＨＣおよびＣＯの量を示し、横軸は排気ポート１２内に供給される２次空気量を示す。なお、２次空気量の“ａ”は排気ガスの空燃比が理論空燃比（Ａ／Ｆ≒１４．７）になる２次空気量を示し、“ｂ”は排気ガスの空燃比が１７になる２次空気量を示す。また、図５において一点鎖線はＣＯの量を示し、実線はＴＨＣの量を示す。なお、図５は、燃焼室７５１（図２）内の混合気の空燃比が１３に設定されている場合の浄化特性を示す。
図５に示すように、排気ガスに含まれるＴＨＣおよびＣＯの量は、排気ポート１２内に供給される２次空気量の増加に従って減少し、排気ガスの空燃比が約１７以上になることにより最小となる。このように、排気ポート１２内に十分に２次空気を供給することによりＣＯおよびＴＨＣを効率よく除去することができる。特に、排気ガスの空燃比を約１７に設定することによりＣＯおよびＴＨＣを確実に除去できることが分かる。
しかしながら、排気ガスの空燃比を常に１７に設定した場合、触媒装置１３ａに流入する酸素量が増加し、触媒装置１３ａによる排気ガスの浄化効率が低下する。そこで、本発明者らは、種々のシミュレーションおよび実験等に基づいて、エンジン７の状態に応じた目標空燃比を決定した。それにより、エンジン７（図１）の排気ガスを効率よく浄化しつつ、エンジン７の燃焼効率（出力）を向上させることを可能にした。以下、種々のシミュレーションおよび実験等に基づいて本発明者らが見出した目標空燃比について詳細に説明する。
図６〜図８は、ＮＥＤＣ（New European Driving Cycle）モードに基づく試験結果を示す図である。図６は排気ガス中のＮＯｘの検出結果を示し、図７は排気ガス中のＨＣの検出結果を示し、図８は排気ガス中のＣＯの検出結果を示す。図６〜図８において、縦軸はスロットル開度を示し、横軸はエンジンスピードを示す。なお、図６〜図８においては、ＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯの検出結果が“○”で示される。図６〜図８に示される“○”の大きさは、各成分の検出量に比例する。したがって、例えば、図６において“○”の直径が大きくなる条件では、ＮＯｘの検出量が多くなる。
図６に示すように、エンジン７が高速かつ高負荷の状態である場合には、エンジン７から排出されるＮＯｘの量が多くなる。また、図７に示すように、エンジン７が低速または低負荷の状態である場合には、エンジン７から排出されるＨＣの量が多くなる。また、図８に示すように、エンジン７から排出されるＣＯの量は大きく変化しない。本発明者らは、これら図６〜図８に示される関係に基づいて、目標空燃比を決定した。
図９は、ＲＡＭ１６４に記憶される空燃比情報の一例を示す図である。図９において、横軸はエンジンスピードを示し、縦軸はスロットル開度を示す。また、図９中の複数の実線は、それぞれ目標空燃比の変移を示している。図９の例では、複数の実線によって形成される複数の領域のうち上側の４つの領域の目標空燃比が１４．０未満に設定されている。同様に、複数の実線により形成される他の複数の領域の目標空燃比が１４．０〜１４．５、１４．５〜１５．０、・・・、１６．０〜１６．５、および１６．５〜１７．０にそれぞれ設定されている。以下、図９に示すように目標空燃比を設定することによる効果について説明する。
上述したように、ＣＰＵ１６２は、空燃比情報に基づいて空気量調整弁３４の開度を調整する。詳細には、図９に示すように、エンジン７から排出されるＮＯｘの量が少ない領域（図６参照）においては、排気ポート１２内の空燃比がリーン側（例えば、Ａ／Ｆ＞１５）に設定されるように空気量調整弁３４の開度が調整される。
この場合、排気ガス中のＨＣおよびＣＯの酸化が促進され、ＨＣおよびＣＯが効率よく除去される。また、エンジン７から排出されるＮＯｘの量が十分に少ないので、ＮＯｘが排気管１３から外部に排出されることを防止することができる。以上の結果、排気ガスを効率よく浄化することができる。
また、ＨＣおよびＣＯの酸化が促進されることにより、排気ガスの温度が上昇する。それにより、触媒装置１３ａの温度を上昇させることができる。したがって、触媒装置１３ａの温度が低い場合（例えば、エンジン７の始動時）にも、触媒装置１３ａを短時間で活性化させることができる。それにより、排気ガスを確実に浄化することができる。
また、図９に示すように、エンジン７から排出されるＮＯｘの量が多くなる領域（図６参照）においては、排気ポート１２内の空燃比が略理論空燃比（１４．０〜１５．０）に設定される。
この場合、触媒装置１３ａの浄化効率が最大となり、排気ガス中のＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯを効率よく除去することができる。
また、図９に示すように、エンジンスピードが高速である領域およびスロットル開度が大きい領域では、排気ポート１２内の空燃比がリッチ側に設定されるように空気量調整弁３４の開度が調整される。
この場合、排気ガス中のＨＣおよびＣＯの酸化が抑制される。それにより、ＨＣおよびＣＯの酸化反応による排気ガスの温度上昇が防止される。その結果、エンジン７が高負荷状態である場合にも、触媒装置１３ａの温度が過剰に上昇することが防止され、触媒装置１３ａの浄化効率の低下および触媒装置１３ａの劣化が防止される。なお、例えば、触媒装置１３ａの温度が約９００℃以上にならないように、空気量調整弁３４の開度が調整されることが好ましい。
以上のように、エンジンスピードおよびスロットル開度に基づいて目標空燃比を設定することにより、排気ガスの浄化率を効果的に向上させることができる。
（４）ＣＰＵの制御動作
次に、ＣＰＵ１６２の制御動作について説明する。
図１０は、ＣＰＵ１６２の制御動作を示すフローチャートである。
図１０に示すように、ＣＰＵ１６２は、エンジンスピードセンサ３２（図２）およびスロットルセンサ３３（図２）からエンジンスピードおよびスロットル開度を取得する（ステップＳ１）。
次に、ＣＰＵ１６２は、ステップＳ１において取得したエンジンスピードおよびスロットル開度に基づいて、ＲＡＭ１６４に記憶される空燃比情報（図９参照）から目標空燃比を取得する（ステップＳ２）。
次に、ＣＰＵ１６２は、ステップＳ２において取得した目標空燃比に基づいてＰＩＤ（比例微分積分）制御により空気量調整弁３４の開度を調整する（ステップＳ３）。なお、ステップＳ３におけるＰＩＤ制御については後述する。
次に、ＣＰＵ１６２は、酸素センサ３１（図２）から酸素濃度を取得する（ステップＳ４）。次に、ＣＰＵ１６２は、ステップＳ４において取得した酸素濃度に基づいて排気ポート１２内の空燃比（以下、実空燃比と称する。）を算出する（ステップＳ５）。
次に、ＣＰＵ１６２は、ステップＳ２において取得した目標空燃比とステップＳ５において算出した実空燃比との差を算出する（ステップＳ６）。次に、ＣＰＵ１６２は、ステップＳ６において算出した差の絶対値がしきい値（例えば、０．１）以下であるか否かを判別する（ステップＳ７）。ステップＳ６において算出した差の絶対値がしきい値以下である場合、ＣＰＵ１６２はステップＳ１の処理に戻る。
ステップＳ７において差がしきい値以下ではないと判別された場合、ＣＰＵ１６２は、目標空燃比と実空燃比との差が小さくなるように、空気量調整弁３４の開度を補正する（ステップＳ８）。その後、ＣＰＵ１６２は、ステップＳ４の処理に戻る。ＣＰＵ１６２は、ステップＳ７において目標空燃比と実空燃比との差の絶対値がしきい値以下であると判別されるまで、ステップＳ４〜Ｓ８の処理を繰り返す。
（５）空気量調整弁のＰＩＤ制御
次に、ＰＩＤ制御による空気量調整弁３４の開度調整（図１０のステップＳ３）について説明する。
図１１〜図１３は、空気量調整弁３４のＰＩＤ制御において用いられる比例ゲイン（Ｐ項の係数）、積分ゲイン（Ｉ項の係数）および微分ゲイン（Ｄ項の係数）の一例を示す図である。
なお、図１１は、エンジンスピード、スロットル開度および比例ゲインの関係を示す図である。また、図１２は、エンジンスピード、スロットル開度および積分ゲインの関係を示す図である。また、図１３は、エンジンスピード、スロットル開度および微分ゲインの関係を示す図である。図１１〜図１３に示す関係は、ＲＡＭ１６４に予め記憶される。
なお、図１１〜図１３には、１０００ｒｐｍ、１２５０ｒｐｍ、・・・、５５００ｒｐｍおよび６０００ｒｐｍ、ならびに０ｄｅｇ、３ｄｅｇおよび９０ｄｅｇに対応する各ゲインの値が示されているが、他のエンジンスピードおよび他のスロットル開度に対応するゲインの値は、線形補間によりＣＰＵ１６２によって算出される。
図１１〜図１３に示すように、本実施の形態においては、エンジンスピードおよびスロットル開度に応じて各ゲインの値が設定されている。それにより、エンジン７の状態に応じて空気量調整弁３４の開閉速度を調整することができる。
なお、各ゲインの値は、図１１〜図１３に示す値に限定されず、エンジン７の使用環境等およびエンジン７の構成等に応じて任意に設定することができる。
各ゲインの値は、例えば、エンジンスピードが低速の場合に小さくなるように設定されてもよい。この場合、空気量調整弁３４の制御安定性を向上させることができる。また、各ゲインの値は、例えば、エンジンスピードが高速の場合に大きくなるように設定されてもよい。この場合、空気量調整弁３４の制御応答性を向上させることができる。
（６）空気量調整弁の構成例
図１４は、空気量調整弁３４の一例を示す図である。
図１４に示す空気量調整弁３４は、流量調整部４１、シャフト４２およびシャフト駆動部４３を含む。
図１４に示すように、本例では、空気供給管７２内に断面略台形の通路２０１が形成されている。流量調整部４１の断面は、台形形状を有する。流量調整部４１は、通路２０１内に設けられる。なお、通路２０１の上面の面積は、流量調整部４１の上面の面積より小さい。
シャフト４２の一端は流量調整部４１の上面に接続され、他端はシャフト駆動部４３に接続される。シャフト駆動部４３はモータ等を含み、ＣＰＵ１６２の制御によりシャフト４２を上下動させる。それにより、流量調整部４１が通路２０１内で上下動する。
ここで、流量調整部４１の断面積および通路２０１の断面積はともに下方に向かって漸次拡大する。したがって、流量調整部４１が通路２０１内で上下動することにより、流量調整部４１の外周面と通路２０１の内周面との間の隙間の断面積が変化する。それにより、通路２０１内を流れる２次空気の量が調整される。その結果、エアクリーナボックス８（図３）から排気ポート１２（図３）内に供給される２次空気の量が調整される。
（７）本実施の形態の効果
以上のように、本実施の形態においては、エンジン７の状態に応じて設定される排気ポート１２内の理想的な空燃比（目標空燃比）が予めＲＡＭ１６４に記憶されている。ＲＡＭ１６４は、その目標空燃比に従って排気ポート１２内に供給される２次空気の量を調整する。詳細には、エンジン７から排出されるＮＯｘの量が少ない場合には、目標空燃比がリーン側に設定される。それにより、排気ガス中の未燃成分（ＨＣおよびＣＯ）を効率よく除去することができる。
また、２次空気により排気ガスの未燃成分を除去することができるので、触媒装置１３ａの触媒容積を低減することができる。その結果、自動二輪車１００の製造コストを低減することができる。
また、エンジン７から排出されるＮＯｘの量が多い場合には、目標空燃比が略理論空燃比に設定される。それにより、触媒装置１３ａによる排気ガスの浄化効率を向上させることができる。
また、エンジン７が高負荷となる場合には、目標空燃比がリッチ側に設定される。それにより、排気ポート１２内における未燃成分の過剰な酸化反応が防止されるので、排気ガスの温度上昇を防止することができる。その結果、触媒装置１３ａの過剰な温度上昇を防止することができるので、触媒装置１３ａの信頼性を向上させることができる。
以上の結果、排気ポート１２内の空燃比をエンジン７の状態に応じて適切に設定することができる。それにより、排気ガスの浄化効率を効果的に向上させることが可能となる。
（８）変形例
上記実施の形態では、酸素センサ３１の検出値に基づいてＣＰＵ１６２により排気ガスの空燃比が算出されるが、インジェクタ８２の燃料噴射量および燃焼室７５１内への吸入空気量に基づいて排気ガスの空燃比が算出されてもよい。なお、燃焼室７５１内への吸入空気量は、吸気ポート９に吸気圧センサを設けることにより検出することができる。
また、上記実施の形態においては、エンジンスピードおよびスロットル開度に基づいてエンジン７の状態が判別されているが、エンジン７の状態の判別方法は上記の例に限定されない。例えば、吸気ポート９内に圧力センサを設け、その圧力センサにより検出される吸気ポート９内の圧力（負圧）およびエンジンスピードに基づいてＣＰＵ１６２がエンジン７の状態を判別してもよい。なお、この場合、ＲＡＭ１６４には、エンジンスピード、吸気ポート９内の圧力および目標空燃比の関係が記憶される。
また、例えば、排気ポート１２または排気管１３にＮＯｘセンサを設け、そのＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘの量に基づいてＣＰＵ１６２がエンジン７の状態を判別してもよい。なお、この場合、ＲＡＭ１６４には、ＮＯｘの量と目標空燃比との関係が記憶される。
また、例えば、排気ポート１２の開口端１２ａ近傍に温度センサを設け、その温度センサにより検出される排気ガスの温度に基づいてＣＰＵ１６２がエンジン７の状態を判別してもよい。なお、この場合、ＲＡＭ１６４には、排気ガスの温度と目標空燃比との関係が記憶される。
また、上記実施の形態においては、スロットルバルブ８１がＣＰＵ１６２により電気的に開閉されているが、スロットルバルブ８１が機械的に開閉されてもよい。
また、上記実施の形態においては、排気管１３に１つの酸素センサ３１が設けられる場合について説明したが、シリンダ７４ごとに酸素センサ３１が設けられてもよい。例えば、各通路１３１〜１３４に酸素センサ３１が設けられてもよい。
また、上記実施の形態においては、４気筒エンジンを備える２次空気供給システム１０００について説明したが、エンジン７は４気筒エンジンに限定されず、２気筒エンジン、６気筒エンジン、８気筒エンジン等であってもよい。また、エンジン７が単気筒エンジンであってもよい。
また、上記実施の形態においては、インジェクタ８２の燃料噴射量を調整することにより排気ガスの空燃比を補正しているが、スロットル開度の調整またはスロットル開度および燃料噴射量の調整により排気ガスの空燃比を補正してもよい。
また、上記実施の形態においては、２次空気の供給源としてエアクリーナボックス８を用いているが、２次空気の供給源はエアクリーナボックス８に限定されない。例えば、スロットルボディ１０を２次空気の供給源として用いてもよい。
また、上記実施の形態においては、２次空気供給システム１０００を自動二輪車１００に設けた場合について説明したが、２次空気供給システム１０００を三輪自動車または四輪自動車等の他の車両に設けてもよい。
なお、空気量調整弁３４の開閉動作には、ヒステリシス特性を持たせることが好ましい。この場合、空気量調整弁３４の不要な開閉動作を防止することができる。それにより、空気量調整弁３４の劣化が防止される。
また、排気ガスの空燃比がリッチ側（酸素不足）にならないように２次空気を供給してもよい。この場合、排気ガス中の未燃成分（ＨＣおよびＣＯ）が外部に排出されることを防止することができる。
また、排気ポート１２内の排気ガスの空燃比を調整するために、ＣＰＵ１６２が酸素センサ３１の検出値に基づいてインジェクタ８２の燃料噴射量を補正してもよい。それにより、排気ポート１２内の排気ガスの空燃比を確実に目標空燃比にすることができる。
また、エンジン７が高負荷となる領域では、ＣＰＵ１６２の制御により空気量調整弁３４が閉じられてもよい。この場合、排気ポート１２内への２次空気の供給が停止されることにより、排気ガス中のＨＣおよびＣＯの酸化が抑制される。それにより、ＨＣおよびＣＯの酸化反応による排気ガスの温度上昇が防止される。その結果、触媒装置１３ａの温度が過剰に上昇することが防止され、触媒装置１３ａの浄化効率の低下および触媒装置１３ａの劣化が防止される。なお、例えば、触媒装置１３ａの温度が約９００℃以上にならないように、空気量調整弁３４が閉じられることが好ましい。
また、図９では、排気ポート１２内の空燃比が１７以下に設定される場合について説明したが、排気ポート１２内の空燃比が１７より大きく設定されてもよい。例えば、排気ポート１２内の空燃比が１９に設定されてもよい。
（９）空気量調整弁の他の例
図１５は、空気量調整弁３４の他の例を示す図である。図１５において（ａ）は、空気量調整弁３４の分解斜視図であり、（ｂ）は空気量調整弁３４の断面図である。
図１５に示す空気量調整弁３４は、回転部材５０および固定部材６０を含む。回転部材５０は、断面円形の円柱部５１を有する。円柱部５１には、４つの貫通孔５２が形成されている。固定部材５０は、モータ等からなる回転駆動機構（図示せず）により回転される。
固定部材６０は、軸方向に延びるように形成される円柱状の穴部６１を有する。また、固定部材６０には、穴部６１の径方向に延びるように４つの貫通孔６２が形成されている。
各貫通孔５２と各貫通孔６２とがそれぞれ上下方向に重なるように、円柱部５１が穴部６１に挿入される。
本例の空気量調整弁３４は、通路７２１〜７２４（図３）に取り付けられる。詳細には、各貫通孔６２がそれぞれ通路７２１〜７２４の一部となるように空気量調整弁３４が通路７２１〜７２４に取り付けられる。
この空気量調整弁３４においては、ＣＰＵ１６２の制御により回転部材５０が回転される。それにより、図１５（ｂ）に示すように、貫通孔５２と貫通孔６２との連通部の面積が変化する。その結果、通路７２１〜７２４内を流れる２次空気の量が調整される。
（１０）空気量調整弁の制御方法の他の例
上記実施の形態においては、ＣＰＵ１６２による演算によって空気量調整弁３４が制御されているが、複数の電子回路を用いた演算により空気量調整弁３４が制御されてもよい。以下、図面を用いて説明する。
図１６は、複数の電子回路により実現される演算処理部の機能的な構成を示すブロック図である。
図１６に示すように、演算処理部３００は、空燃比演算回路３０１、ＰＩＤコントローラ３０２、バルブコントローラ３０３および演算部３１１，３１２を含む。演算処理部３００は、例えば、ＥＣＵ１６（図２）に設けられる。
なお、図１６に示すＲＡＭ１６４、酸素センサ３１および空気量調整弁３４は、図２で説明したＲＡＭ１６４、酸素センサ３１および空気量調整弁３４とそれぞれ同様の構成を有する。
また、本例においては、空気量調整弁３４の開度が開度検出センサ４０１により検出される。なお、以下の説明においては、開度検出センサ４０１により検出される空気量調整弁３４の開度を実開度と称する。
空燃比演算回路３０１は、酸素センサ３１により検出される酸素濃度に基づいて、現在の排気ポート１２（図２）内の空燃比（実空燃比）を算出する。演算部３１１は、ＲＡＭ１６４に記憶される目標空燃比と空燃比演算回路３０１により算出される実空燃比との差分値を算出する。ＰＩＤコントローラ３０２は、演算部３１１により算出される差分値に基づいてＰＩＤ演算により空気量調整弁３４の開度（以下、目標開度）を算出する。
演算部３１２は、ＰＩＤコントローラ３０２により算出される目標開度と開度検出センサ４０１により検出される実開度との差分値を算出する。バルブコントローラ３０３は、演算部３１２により算出される差分値に基づいて空気量調整弁３４の調整量を決定し、その調整量に基づいて空気量調整弁３４を制御する。
以上のように、本例の演算処理によれば、排気ポート１２内の空燃比に基づくフィードバック制御および空気量調整弁３４の開度に基づくフィードバック制御が行われる。それにより、空気量調整弁３４の信頼性の高い制御が可能になる。
（１１）請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
上記実施の形態では、排気ポート１２および排気管１３が排気通路の例であり、エアクリーナボックス８またはスロットルボディ１０が供給源の例であり、空気供給管７２が供給路の例であり、ＣＰＵ１６２が判定部の例であり、ＲＯＭ１６３またはＲＡＭ１６４が記憶部の例であり、ＣＰＵ１６２および空気量調整弁３４または演算処理部３００および空気量調整弁３４が調整部の例であり、ＮＯｘセンサが第１の検出器の例であり、酸素センサ３１が第２の検出器の例であり、後輪１８が駆動輪の例であり、後輪ドリブンスプロケット１９およびチェーン２０が伝達機構の例である。
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
本発明は、自動二輪車、自動三輪車および自動四輪車等の種々の車両に有効に利用することができる。
本発明の一実施の形態に係る２次空気供給システムを備えた自動二輪車を示す外観側面図である。 ２次空気供給システムを示す概略図である。 ２次空気供給システムを示す概略図である。 排気ガスに含まれるＨＣ、ＮＯｘ、ＣＯ、およびＯ２の量の一例を示す図である。 ２次空気によるＴＨＣおよびＣＯの浄化特性を示す図である。 ＮＥＤＣモードに基づく試験結果を示す図である。 ＮＥＤＣモードに基づく試験結果を示す図である。 ＮＥＤＣモードに基づく試験結果を示す図である。 ＲＡＭに記憶される空燃比情報の一例を示す図である。 ＣＰＵの制御動作を示すフローチャートである。 比例ゲインの一例を示す図である。 積分ゲインの一例を示す図である。 微分ゲインの一例を示す図である。 空気量調整弁の一例を示す図である。 空気量調整弁の他の例を示す図である。 演算処理部の機能的な構成を示すブロック図である。
符号の説明
７ エンジン
８ エアクリーナボックス
９ 吸気ポート
１０ スロットルボディ
１２ 排気ポート
１３ 排気管
１３ａ 触媒装置
１６ ＥＣＵ
３０ アクセル開度センサ
３１ 酸素センサ
３２ エンジンスピードセンサ
３３ スロットルセンサ
３４ 空気量調整弁
７２ 空気供給管
８１ スロットルバルブ
８２ インジェクタ
１６２ ＣＰＵ
１６３ ＲＯＭ
１６４ ＲＡＭ
３００ 演算処理部
７５１ 燃焼室
１０００ ２次空気供給システム

Claims (11)

  1. エンジンの排気通路に２次空気を供給する２次空気供給システムであって、
    ２次空気の供給源と、
    前記供給源から前記排気通路に２次空気を供給する供給路と、
    前記エンジンの状態を判定する判定部と、
    前記エンジンの状態に応じて予め設定される目標空燃比を記憶する記憶部と、
    前記判定部により判定される前記エンジンの状態および前記記憶部に記憶される目標空燃比に基づいて前記排気通路内が目標空燃比になるように前記供給路から前記排気通路に供給される２次空気の量を調整する調整部とを備えることを特徴とする２次空気供給システム。
  2. 前記エンジンの状態は、前記エンジンの燃焼室から排出される窒素酸化物の量に基づいて予め設定される第１および第２の状態を含み、前記第１の状態における窒素酸化物の量は前記第２の状態における窒素酸化物の量よりも少なく、
    前記目標空燃比は、前記第１の状態に対応する第１の空燃比および前記第２の状態に対応する第２の空燃比を含み、前記第１の空燃比は前記第２の空燃比よりリーン側に設定されることを特徴とする請求項１記載の２次空気供給システム。
  3. 前記エンジンの吸気量を調整するスロットルバルブをさらに備え、
    前記判定部は、前記エンジンの回転速度および前記スロットルバルブの開度に基づいて前記エンジンの状態を判定することを特徴とする請求項２記載の２次空気供給システム。
  4. 前記判定部は、前記エンジンの回転速度および前記エンジンの吸気ポート内の圧力に基づいて前記エンジンの状態を判定することを特徴とする請求項２記載の２次空気供給システム。
  5. 前記エンジンの燃焼室から排出される窒素酸化物の量を検出する第１の検出器をさらに備え、
    前記判定部は、前記第１の検出器により検出された窒素酸化物の量に基づいて前記エンジンの状態を判定することを特徴とする請求項２記載の２次空気供給システム。
  6. 前記エンジンの状態は、前記エンジンにかかる負荷に基づいて予め設定される第３の状態をさらに含み、
    前記第３の状態における負荷は前記第１および第２の状態における負荷よりも高く、
    前記調整部は、前記判定部により前記エンジンの状態が前記第３の状態であると判定された場合に前記供給路から前記排気通路への２次空気の供給を遮断することを特徴とする２〜５のいずれかに記載の２次空気供給システム。
  7. 前記排気通路内の酸素濃度を検出する第２の検出器をさらに備え、
    前記調整部は、前記第２の検出器により検出される酸素濃度に基づいて前記供給路から前記排気通路への２次空気の供給量を補正することを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の２次空気供給システム。
  8. 前記第１の空燃比は、１５以上に設定されることを特徴とする請求項２〜７のいずれかに記載の２次空気供給システム。
  9. 前記第２の空燃比は、略理論空燃比に設定されることを特徴とする請求項２〜８のいずれかに記載の２次空気供給システム。
  10. 前記供給路は前記エンジンの燃焼室から５０ｍｍ以内の位置において前記排気通路に接続されることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の２次空気供給システム。
  11. エンジンと、
    駆動輪と、
    前記エンジンにより発生された動力を前記駆動輪に伝達する伝達機構と、
    前記エンジンから排出される排気ガスが流通する排気通路と、
    前記排気通路に設けられ前記エンジンから排出される排気ガスを浄化する触媒装置と、
    前記排気通路に２次空気を供給する請求項１〜１０のいずれかに記載の２次空気供給システムとを備えたことを特徴とする車両。
JP2007337492A 2007-12-27 2007-12-27 ２次空気供給システムおよび車両 Pending JP2009156222A (ja)

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