JP2009180202A - 車両の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化触媒の性能維持を図りながら比較的低コストのキャブレターを使用した小型車両に用いることができる排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】ダーティサイド１１Ｃとクリーンサイド１１Ｄとを有し、外部からダーティサイド１１Ｃに吸入された空気を浄化してクリーンサイド１１Ｄを介してエンジン１２に供給するエアクリーナ１１と、エンジン１２の排気経路に配置される酸化触媒３０と、エアクリーナ１１のクリーンサイド１１Ｄからエンジン１２の排気ポート１２Ｂ側に対して二次空気を供給する二次空気供給機構２０とを備えた車両の排気ガス浄化装置において、車両の速度が５５ｋｍ／ｈ以下の全領域において、酸化触媒３０の手前の排気ガスの空燃比が１５以上になるように設定した。
【選択図】図１

Description

本発明は、触媒の手前に二次空気を供給する二次空気供給機構を備えた車両の排気ガス浄化装置に関する。

一般に、一酸化炭素、総炭化水素および窒素酸化物の排出ガス規制に対応する排出ガス浄化システムは、酸素センサ出力によるフィードバック制御を用いた燃料噴射システムと三元触媒とを組み合わせている。
この排出ガス浄化システムを適用した車両には、エンジン始動時に排ガス浄化用触媒の手前に二次空気を導入して排気ガスの空燃比をリーン側にし、エンジン始動時に多量に発生する炭化水素（ＨＣ）を高効率で浄化させるものがある（例えば、特許文献１参照）。この車両では、二次空気の導入時期が、エンジンクランク後から酸素センサが作動するまでの時期（概ね６０秒以内）に設定されている。
特開平５−２９３３８４号公報

ところで、排出ガス規制の対象を、総炭化水素と窒素酸化物の総量とした地域があり、かかる地域では、総炭化水素の浄化（酸化）を行う酸化触媒が十分に機能することが要求される。酸化触媒は、触媒入口の排出ガスの空燃比が理論空燃比よりも薄く、酸素が存在する状態、つまり、酸化雰囲気でないと十分に機能しないため、排出ガス中に二次空気を導入する二次空気供給機構を組み合わせることが考えられる。
しかし、燃料噴射システムに比して低コストなキャブレターで空気に燃料を混合する車両の場合、キャブレターが燃料噴射システムと比べて空燃比を正確に制御できないため、キャブレターの空燃比を理論空燃比よりも濃く（リッチに）するように設定しており、排出ガス中の酸素濃度が薄い状態になり、二次空気を多く供給する必要が生じる。
この二次供給機構に、排気圧に応じて作動するリードバルブを用いた二次空気供給機構を使用した場合には、排気脈動における負の領域が小さいエンジン回転数或いは負荷の状態になると、二次空気の供給量が低下して還元雰囲気になり易い。この還元雰囲気の状態が続くと、酸化触媒の性能の安定化が課題となる。

そこで、本発明は、酸化触媒の性能維持を図りながら比較的低コストのキャブレターを使用した小型車両に用いることができる排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。

上述課題を解決するため、本発明は、ダーティサイドとクリーンサイドとを有し、外部からダーティサイドに吸入された空気を浄化してクリーンサイドを介してエンジンに供給するエアクリーナと、エンジンの排気経路に配置される酸化触媒と、エアクリーナのクリーンサイドからエンジンの排気ポート側に対して二次空気を供給する二次空気供給機構とを備えた車両の排気ガス浄化装置において、前記車両の速度が５５ｋｍ／ｈ以下の全領域において、前記酸化触媒の手前の排気ガスの空燃比が１５以上になるように設定されたことを特徴とする。
この発明によれば、小型車両の速度が５５ｋｍ／ｈ以下の全領域において、酸化触媒の手前の排気ガスの空燃比が１５以上になるように設定したため、小型車両で比較的低コストのキャブレターを使用した場合でも、酸化触媒の性能を安定して発揮させることができる。

また、前記車両はキャブレターにより燃料混合気を前記エンジンに供給するものであり、前記酸化触媒は、パラジウムを主成分とするものであって、前記車両の速度が５５ｋｍ／ｈ以下の全領域において、前記酸化触媒の手前の排気ガスの空燃比が１５以上になるように、前記車両のキャブレターおよび前記二次空気供給機構を設定することが好ましい。この構成によれば、キャブレターおよび二次空気供給機構の設定により酸化触媒の性能を安定して発揮させることができる。

本発明では、車両の速度が５５ｋｍ／ｈ以下の全領域において、酸化触媒の手前の排気ガスの空燃比が１５以上になるように設定したため、小型車両で比較的低コストのキャブレターを使用した場合でも、酸化触媒の性能を安定して発揮させることができる。
また、車両はキャブレターにより燃料混合気をエンジンに供給するものであり、酸化触媒は、パラジウムを主成分とするものであって、車両の速度が５５ｋｍ／ｈ以下の全領域において、酸化触媒の手前の排気ガスの空燃比が１５以上になるように、車両のキャブレターおよび二次空気供給機構を設定したため、キャブレターや二次空気供給機構の設定により酸化触媒の性能を安定して発揮させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は本実施形態に係る自動二輪車の排気ガス浄化装置を周辺構成と共に模式的に示す図である。この排気ガス浄化装置１０は、エアクリーナ１１からエンジン（内燃機関）１２に供給される空気にキャブレター１３で燃料を混合する自動二輪車に搭載され、エアクリーナ１１から二次空気（浄化空気）をエンジン１２の排気ポート１２Ｂに供給する二次空気供給機構２０と、エンジン１２に排気管１４を介して接続された排気マフラー１５内に配置された排気ガス浄化用触媒３０とを備えている。なお、図１において、矢印Ｘは空気の流れを示し、矢印Ｙはバキュームプレッシャを示し、矢印Ｚはクランクケース内で発生したブローバイガスの流れを示している。

図１に示すように、エアクリーナ１１は、エアクリーナケース１１Ａの内部が、仕切り壁１１Ｂによってダーティサイド（外気導入室）１１Ｃとクリーンサイド（清浄空気室）１１Ｄとの２室に仕切られている。ダーティサイド１１Ｃには、外気導入口１１Ｅが設けられ、この外気導入口１１Ｅを介して外気がダーティサイド１１Ｃ内に導入される。仕切り壁１１Ｂには、ダーティサイド１１Ｃとクリーンサイド１１Ｄとを連通する開口を覆うようにフィルタエレメント１１Ｆが配置され、ダーティサイド１１Ｃ内の空気がフィルタエレメント１１Ｆを通過して浄化された後にクリーンサイド１１Ｄに導入される。クリーンサイド１１Ｄには、空気排出口１１Ｇが設けられ、この空気排出口１１Ｇは、コネクティングチューブ１６を介してキャブレター１３に連結され、このキャブレター１３を介してエンジン１２の吸気ポート１２Ａに連通される。

このエンジン１２は、自動二輪車に搭載される一般的な４サイクルエンジンであり、エンジン１２内のシリンダ孔（気筒）１２Ｃに連通する吸気ポート１２Ａを開閉する吸気バルブ１２Ｄと、シリンダ孔１２Ｃに連通する排気ポート１２Ｂを開閉する排気バルブ１２Ｅとを備え、シリンダ孔１２Ｃに摺動自在に配置されたピストン１２Ｆがコンロッド１２Ｇを介してクランクシャフト１２Ｈに連結される。このエンジン１２の吸気バルブ１２Ｄが開の状態でピストン１２Ｆが下がる吸気行程（排気バルブ１２Ｅは閉）の際に、ピストン１２Ｆの降下によって生じるエンジン１２側の負圧でエアクリーナ１１のクリーンサイド１１Ｄ内の空気がキャブレター１３を介してシリンダ孔１２Ｃのピストン１２Ｆ上方に吸い込まれると共に、キャブレター１３から燃料が供給されて燃料と空気の混合気がエンジン１２に供給される。
続いて、４サイクルエンジンの一般的な圧縮行程、燃焼工程を経た後に、排気バルブ１２Ｅが開いた状態（吸気バルブ１２Ｄは閉）でピストン１２Ｆが上昇する排気行程が実施されることにより、燃焼ガスが排気ポート１２Ｂに排出され、排気ガスとして排気管１４に排出される。

排気管１４の後端には排気マフラー１５が接続され、この排気マフラー１５は、排気管１４を通った高温・高圧の排気ガスを消音して外部に排出するサイレンサとして機能する。図１には、この排気マフラー１５が、複数の隔壁１５Ａ、１５Ｂによって複数の室に仕切られて各室を連通管１５Ｃ、１５Ｄ、１５Ｅで連通した多段膨張型に構成されており、最も上流側に位置する前室に排気ガス浄化用触媒３０が配置されている。
排気ガス浄化用触媒３０は、パラジウム（Ｐｄ）を主たる触媒成分とした酸化触媒であり、これにロジウム（Ｒｈ）を１０〜２０％（重量％）で加えている。すなわち、比較的高価な貴金属であるプラチナ（Ｐｔ）を主成分としない触媒を用いている。そして、多孔質のハニカム構造体に、前記触媒成分をコーティングして構成されたハニカム触媒構造、或いは、パンチングパイプに触媒成分を担持させたヒートチューブ等の触媒構造が適用される。

二次空気供給機構２０は、エアクリーナ１１のクリーンサイド１１Ｄの空気（二次空気）をエンジン１２の排気ポート１２Ｂに送る機構であり、エアクリーナのクリーンサイド１１Ｄとエンジン１２の排気ポート１２Ｂとを接続する二次空気供給管２１を備える。この二次空気供給管２１の途中には、バルブユニット２２が設けられると共に、排気ポート１２Ｂから排気ガスを二次空気供給管２１へ逆流させないためのリードバルブ２３が、バルブユニット２２と排気ポート１２Ｂとの間に設けられる。なお、図１では、リードバルブ２３の追従性向上の観点から、リードバルブ２３を、排気ポート１２Ｂにより近い位置であるエンジン１２上方に配設した状態を示している。
バルブユニット２２は、エンジン減速時に排気ポート１２Ｂへの二次空気の供給を防ぐ二次空気供給制御バルブ２４を備えており、この二次空気供給制御バルブ２４は、エンジン１２の吸気ポート１２Ａとバルブユニット２２とをつなぐ連通管２５を介して伝わる吸気ポート１２Ａのバキュームプレッシャに応じて作動するように構成されている。
また、図中符号３５は、エアクリーナ１１のクリーンサイド１１Ｄと、エンジン１２のクランクケースとを連通する連通管である。この連通管３５は、クランクケース内で発生するブローバイガスをエアクリーナ１１およびキャブレター１３を通してエンジン１２に戻し、ブローバイガスの放出を防止するクランクケースエミッション制御装置として機能する。

この排気ガス浄化装置１０は、その使用対象地域が、排出ガス規制の対象を総炭化水素と窒素酸化物の総量とした地域に適するものであり、総炭化水素の浄化（酸化）を行う排気ガス浄化用触媒（酸化触媒）３が安定して機能することが要求される。
一般的には、排気ガス浄化用触媒３０の酸化触媒をパラジウムを主成分とする場合、比較的廉価で高性能であるが、図２に示すように、長時間の試験で浄化率の変化を確認したところ、浄化率が９０％以上であったものが（特性曲線Ｌ１参照）、所定の期間経過後には、触媒入口の排出ガスの空燃比が理論空燃比よりも濃く、酸素が殆ど存在しない状態、つまり、還元雰囲気の状態では浄化性能に変化が見られる場合がある（特性曲線Ｌ２参照）。
一方、この特性曲線Ｌ２に示すように、触媒入口の排出ガスの空燃比が理論空燃比よりも薄く、酸素が存在する状態、つまり、酸化雰囲気であるほど、浄化性能が高く維持されるため、パラジウムを主たる触媒成分として使う場合、できるだけ酸化雰囲気にしておくことが重要である。

一般に、キャブレター１３を使用する場合、運転者からの加速要求にスムーズに追従するために、空燃比をリッチ側に設定するため、排気ガス中の酸素濃度も薄い状態になり易い。そこで、本実施形態では、上述の二次空気供給機構２０を設けることによって排気ガス中の酸素濃度を高めることによって、浄化機能を安定させ、例えば、後段に詳述するような国によっては設けられる排出ガス規制の耐久距離（排出ガス規制値以下の状態を維持した走行距離）を少なくとも満足するように二次空気供給機構２０およびキャブレター１３を設定した。

図３（Ａ）は、平坦路走行時の車速と触媒入口酸素濃度との関係を示す図であり、図３（Ｂ）は、平坦路走行時の車速と触媒入口空燃比との関係を示す図である。これらの図において、特性曲線Ｍ１が二次空気供給機構２０を具備する場合（二次空気導入あり）の特性を示し、特性曲線Ｍ２が二次空気供給機構２０を具備しない場合（二次空気導入なし）の特性を示している。
これらの図に示すように、二次空気供給機構２０を備える構成では（特性曲線Ｍ１参照）、二次空気供給機構２０を備えない構成（特性曲線Ｍ２参照）よりも、触媒入口の酸素濃度および空燃比が高くなることは明らかである。
一般に、上述のリードバルブ装着型の二次空気供給機構２０では、エンジン１２の排気ポート１２Ｂから排出される排気ガスの排気脈動が負のときにリードバルブ２３が開いて二次空気が排気ガス中に供給されるため、リードバルブ２３の特性上、エンジン回転数や負荷が低い領域では、排気脈動における負の領域が大きいため、二次空気が排気ガス側に供給され易いが、エンジン回転数や負荷が高い領域では、排気脈動における負の領域が小さいため、二次空気が排気ガス側に供給されにくくなる。従って、図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、車速が約６０ｋｍ／ｈを超えると、二次空気を供給し難くなり、触媒入口の酸素濃度および空燃比を高くすることが難しくなる。

そこで、発明者らは、二次空気を十分に供給可能な速度範囲（時速６０ｋｍ／ｈ以下の低速度範囲）で、酸化触媒の性能を長期に渡って維持可能な条件を求める試験を行った。
図４は６種類の設定Ｎ１〜Ｎ６の平坦走行時の触媒入口空燃比特性（速度と触媒入口空燃比）を示す図である。これらの設定Ｎ１〜Ｎ６は、試験車両にパラジウムを主たる触媒成分として酸化触媒を装着し、キャブレター１３および二次空気供給機構２０を調整および改良して触媒入口空燃比を変更したものであり、設定Ｎ１〜Ｎ３が、車速５５ｋｍ／ｈ以下の領域において、酸化触媒入口空燃比が１５以上に設定した場合の結果であり、設定Ｎ４〜Ｎ６が、車速５５ｋｍ／ｈ以下の領域において、酸化触媒入口空燃比が１５未満に設定した場合の結果である。ここで、５５ｋｍ／ｈ以下の空燃比最小値（ＭＩＮ（Ａ／Ｆ））が、設定Ｎ１では１５．２、設定Ｎ２では１５．４、設定Ｎ３では１５．７、設定Ｎ４では１４．２、設定Ｎ５では１４．５、設定Ｎ６では１４．４とされている。これら設定Ｎ１〜Ｎ６の具体的な設定箇所は、例えば、キャブレター１３の口径、二次空気供給管２１の長さや径の設定である。なお、設定Ｎ１と設定Ｎ４と設定Ｎ６はエンジン１２の排気量が１００ｃｃの場合を示しており、設定Ｎ２およびＮ５は１２５ｃｃ、設定Ｎ３は１５０ｃｃの場合を示している。

図５は、総炭化窒素＋窒素酸化物の量（Ｅ／Ｍ値）と走行距離との関係を示す図である。この図において、符号Ｐは排出ガス規制値であり、符号Ｑは所定の小型車両に課した触媒の性能を安定して発揮できる距離であり、例えば、インド国の法規（Ｂｈａｒａｔ ＳｔａｇｅＩＩ又はＩＩＩ）に適合するものである。
図５に示すように、時速５５ｋｍ／ｈ以下の空燃比最小値が高い設定ほど、排出ガス規制値Ｐ以下の状態を維持可能な走行距離、つまり、耐久距離が長くなることが判り、発明者らの実験によると、エンジン排気量によらず、時速５５ｋｍ／ｈ以下の速度範囲において、空燃比が１５以上あれば、耐久距離Ｑを満足できることが判った。
また、この実験結果に基づき、発明者らが時速５５ｋｍ／ｈ以下の空燃比最小値と走行距離との関係を示す特性曲線ＬＬを求めたところ、図６に示すように、この特性曲線ＬＬは、空燃比最小値が１５を境にその傾きが大きくなる。すなわち、空燃比最小値が１５以下の領域では、空燃比の変化に対してその距離への影響が大きくなる一方、空燃比最小値が１５以上の領域では、空燃比の変化に対する距離への影響が小さくなる。従って、エンジン排気量が１００ｃｃ〜１５０ｃｃの小型車両において、車速５５ｋｍ／ｈ以下において、空燃比最小値を１５以下にすることで、触媒の性能を安定して維持できることを見出した。

上記検討により、時速５５ｋｍ／ｈ以下の全領域において、触媒入口空燃比が１５以上になるようにキャブレター１３および二次空気供給機構２０を設定することによって、小型車両で比較的低コストのキャブレターを使用した場合でも、空燃比を薄くすることによるドライバビリティの不良を回避しつつ、酸化触媒の耐久劣化を排出ガス規制の要求レベル内に抑えることができ、酸化触媒の性能を長期に渡って安定させることができることが判った。
この設定条件により、キャブレター１３を用いた廉価な小型自動二輪車においても、パラジウムを主成分とする触媒を用いて浄化性能を安定させることができる。従って、電子式の燃料噴射装置や、プラチナを主成分とする触媒を用いずに浄化性能を確保することができる。

以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものでなく、種々の設計変形を行うことができる。例えば、上述の実施形態では、排気ガス浄化用触媒（酸化触媒）３０を排気マフラー１５に設ける場合について説明したが、これに限らず、排気管１４に設けてもよく、要は、エンジン１２の排気経路に設ければよい。

本実施形態に係る自動二輪車の排気ガス浄化装置を周辺構成と共に示す模式図である。 排気ガス浄化用触媒（酸化触媒）の浄化率を示す図である。 （Ａ）は平坦路走行時の車速と触媒入口酸素濃度との関係を示す図であり、（Ｂ）は平坦路走行時の車速と触媒入口空燃比との関係を示す図である。 設定Ｎ１〜Ｎ６の平坦走行時の触媒入口空燃比特性（速度と触媒入口空燃比）を示す図である。 総炭化窒素＋窒素酸化物の量（Ｅ／Ｍ値）と走行距離との関係を示す図である。 空燃比と耐久距離との関係を示す特性曲線を示す図である。

符号の説明

１０ 排気ガス浄化装置
１１ エアクリーナ
１１Ａ エアクリーナケース
１１Ｃ ダーティサイド（外気導入室）
１１Ｄ クリーンサイド（清浄空気室）
１１Ｆ フィルタエレメント
１２ エンジン
１３ キャブレター
１４ 排気管
１５ 排気マフラー
２０ 二次空気供給機構
３０ 排気ガス浄化用触媒（酸化触媒）

Claims (2)

1. ダーティサイドとクリーンサイドとを有し、外部からダーティサイドに吸入された空気を浄化してクリーンサイドを介してエンジンに供給するエアクリーナと、エンジンの排気経路に配置される酸化触媒と、エアクリーナのクリーンサイドからエンジンの排気ポート側に対して二次空気を供給する二次空気供給機構とを備えた車両の排気ガス浄化装置において、
   前記車両の速度が５５ｋｍ／ｈ以下の全領域において、前記酸化触媒の手前の排気ガスの空燃比が１５以上になるように設定されたことを特徴とする車両の排気ガス浄化装置。
2. 前記車両はキャブレターにより燃料混合気を前記エンジンに供給するものであり、前記酸化触媒は、パラジウムを主成分とするものであって、前記車両の速度が５５ｋｍ／ｈ以下の全領域において、前記酸化触媒の手前の排気ガスの空燃比が１５以上になるように、前記車両のキャブレターおよび前記二次空気供給機構を設定したことを特徴とする請求項１に記載の車両の排気ガス浄化装置。

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