JP3322875B2 - 触媒コンバータを取付けられた過給オットー機関からの排気ガス中に特別の空気を供給する装置 - Google Patents

触媒コンバータを取付けられた過給オットー機関からの排気ガス中に特別の空気を供給する装置

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は請求項１の前文による装置に関する。
技術の水準 近年において益々厳しくなった要求が、特に環境に関
する配慮から、環境に最も有害な排気ガス中の物質の量
が従来可能であったそれより著しくより低い値に減少さ
れ得るような特性を有する機関および排気系統を開発す
るために自動車産業に課せられるにいたった。
主として、排気ガス中の有害成分の含量を減らす効率
的な触媒クリーナ（触媒排気クリーナ）を取付けられた
排気系統と組合わされたより効率的な点火および燃焼手
段を有する機関の開発のおかげで、重要な進歩がよりき
れいで、より有害でない車両排気ガスを得るこの作業に
おいて達成された。ここで言及される有害排気成分は主
として一酸化炭素、炭化水素および窒素酸化物を含み、
これらは触媒クリーナによって無害な成分の二酸化炭
素、水および窒素にそれぞれ変換されなくてはならな
い。
しかし、触媒コンバータが完全に機能することを保証
するためには、触媒コンバータ内に供給される排気ガス
は或る最低の温度と或る組成とを有することを要求され
る。
しかし、もし排気ガスが例えば或る過剰量の酸素を含
むならば、触媒コンバータ内の触媒物質（白金またはロ
ジウム）はほとんどの場合において、可燃粒子ととも
に、一酸化炭素および炭化水素の効率的燃焼を生じさせ
得るに過ぎず、一方、酸素の不足は窒素酸化物の減少を
生じさせる。他方において、触媒コンバータは明らかに
また言及された三つのすべてのタイプの有害排気成分の
効果的減少を達成することを要求される。これが達成さ
れ得ることを保証するためには機関に供給される混合気
は正確な理論混合気が得られるように制御されなくては
ならない。
従って、触媒コンバータは排気管内の酸素測定ユニッ
ト（例えば、ラムダプローブ）および燃料供給の連続微
調整のための燃料系統への電子的フィードバックによっ
て供給される。これに関連して、用語“ラムダ”は完全
燃焼のため要求される酸素に対する利用可能な酸素の比
を示す。
これまで開発された排気系統は、触媒クリーナととも
に、機関と触媒コンバータが特に運転温度の見地からそ
れらの意図された運転条件に達すると同時に極めて満足
に機能することを示した。
しかし、低温の機関、従ってまた低温の触媒コンバー
タ、が特に低温の気候において始動されるときは、機関
および触媒コンバータが意図された運転温度に達するに
は若干の時間が与えられなくてはならない。意図された
運転温度に達する前は、機関も触媒コンバータも最適条
件下で運転しておらず、従って、それは機関における燃
焼にとってより悪い条件が存在しそして排気系統内の触
媒クリーナの効率が低下していることを意味する。
実際において、触媒クリーナを備えた自動車の主排気
放出は低温始動後の初めのまたは極めて初めの数分間
に、即ち機関がラムダ＝１で運転する前に起こる。この
前置き的高放出段階の長さは実際上60−100秒のオーダ
ーである。特にこの前置き的高放出段階間における排気
ガスへの酸化追加空気の供給は従って排気ガスの放出を
激減し得る。
低温始動後は、触媒コンバータへ特別の空気を供給す
る必要は一般的にもはや無い。若干の遷移過程（最大絞
り／最大負荷）間、ある燃料濃厚化が生じ得、従って限
られた限度まで酸化のため空気が排気ガスへ供給され得
る。しかしこの効果は極めて限定されておりそして低温
始動放出物と比較されるとき一般的に無視され得る。
機関を始動した直後におけるそのような初めの運転段
階においては、機関はまだ安定したアイドリング速度に
達しておらず、そして混合気は最適ではなく“濃厚”で
ある、即ち燃焼のためシリンダ内に供給される混合気に
おいておよび触媒クリーナへ供給される排気ガスにおい
てともに酸素が不足している。この場合機関は必要とさ
れるラムダ値１で運転していない。明らかにまた何故混
合気が過度に濃厚であり且つ／またはラムダが理想値の
１からはずれるか既に言及した理由（低温始動）以外の
理由があり得る。
そかし、結果はこれら非理想的運転条件下における車
両排気ガス中の有害物質の含量の増加である。例えば、
４気筒、２リットル機関の場合において、低温始動にお
ける触媒コンバータへの追加空気の要求量は約120リッ
トル／分と見積もられ得る。
触媒クリーナへ供給される排気ガス中の酸素の不足の
問題と取り組む一つの方法は、触媒クリーナの上流の排
気ダクト内に特別の空気を供給するように構成すること
である。例えば、米国特許第4406126号において、排気
駆動されるターボ形圧縮機を取付けられた内燃機関に特
別の空気（二次空気）をそのように供給するためのシス
テムが説明されている。しかし、この場合、ターボ形圧
縮機は使用されず、特別の空気は排気ダクト内に特別の
空気を引き入れるためにターボ形圧縮機のタービンに結
合されていない排気口からの脈動排気ガス流を使用する
ことによって供給される。他方、そのような構成は排気
ガスの背圧の故に過給機関のためには使用され得ない。
過給機関またはターボ機関においては排気ガス背圧
は、追加の空気が触媒コンバータの前の排気ガスへ供給
されるためには或る最小過剰圧力を有しなくてはならな
いくらい高い。実際において、約0.6バールの過剰圧力
が恐らく必要とされる。触媒コンバータは特にもしそれ
が電気予熱（それは将来おそらく法律的に要求されるで
あろう）を施されるならば急速にその意図された運転温
度に達しそして準備された触媒コンバータが使用される
ために酸化追加空気が機関の排気系統内に注入されなく
てはならない。非過給機関（吸排機関）の場合において
は空気は排気ガス流によって排気管内に吸引され得る
（米国特許第4406126号対照）。しかし、これは排気タ
ービン過給機関（排気駆動圧縮機付き）または過給機関
の場合においては排気ガス背圧の故に為され得ない。さ
らに、機関が、低温始動されているときそしてアイドリ
ングしているとき、低速且つ軽負荷で運転していると
き、排気ガス流が圧縮機を駆動するのに不十分であると
きは、ターボ装置の圧縮機から圧縮空気は得られない。
これに反して、機械的に駆動される圧縮機（例えば、駆
動シャフト、変速機またはベルトドライブを通じて機関
から駆動される）を取付けられた機関の場合において
は、最大空気圧力が機関がアイドリングしているときで
すら利用できる。
発明の目的 従って本発明の目的は、機関排気ガスにそれが触媒ク
リーナに達する前に供給される酸化追加空気として使用
するため−吸気マニホルドに機械的に駆動される空気圧
縮機（内部圧縮による）を有する過給オットー機関に−
簡単な手段によって圧縮空気を供給し、触媒クリーナが
濃厚な混合気および／または１からはずれるラムダ値に
もかかわらず効率的な排気ガス浄化を達成することを可
能にすることである。本発明のもう一つの目的は、より
簡単でありそして既知の構成、例えば二段圧縮機（米国
特許第4488400号対照）を有するそれら、より良好に作
用する設計に関する解決を提供することである。
本発明の基本概念はこのタイプの機関のために備えら
れる機械的に駆動される装入圧縮機であって装入空気を
発生しそしてまた触媒コンバータの最適の作用のため必
要とされる分離した追加の空気を供給するための例えば
単段ねじ圧縮機であり得るものを使用することである。
言及された目的は装置が請求項１の特徴記述部分に示
される特色を示すことにおいて本発明によって達成され
る。本発明による装置のさらなる発展は従属請求項に示
される。
本発明による装置は現存する機械的過給機（圧縮機）
がまた濃厚な混合気において且つ／または機関がラムダ
＝１で運転し得る前に触媒コンバータの最適作用のため
に要求される追加空気のための圧縮空気給源として使用
されるという主要な利点を有する。従って、本発明によ
る構成は機関が要求圧縮空気を発生するための新しい特
別の装置を取付けられることを要しないから極めて費用
効果的である。追加空気は過剰圧力の空気から成らなく
てはならないという要求は、触媒クリーナの上流の排気
管内の排気ガス圧力もまた触媒コンバータの上流の排気
系統中に注入されるこの空気のための追加空気の圧力に
よって打ち勝たれなくてはならない過剰圧力であるとい
う事実に明らかに基づく。若干の運転の場合においては
特別の空気（追加空気）はまた−始動過程間を除いて−
鉛堆積物を焼除するため触媒コンバータに周期的に供給
され得る（ドイツ特許第3213429号対照）。
しかし、この独立した追加空気を目的とする圧縮機に
よって発生される圧縮空気流のいくらかの使用は機関速
度の減少を生じさせることを許されてはならない。空気
ブリードダクトを通る抽出圧縮空気は、もし補償手段が
同時に取られなかったならば、吸気マニホルド内に少し
減じられた空気圧力を生じさせるから、本発明はさらに
圧縮機の上流にアイドリング制御装置を準備する。
実際において、空気ブリードダクトを通じて生じる触
媒コンバータのための追加空気の抽出にもかかわらず、
吸気マニホルド内における或る最小限の過剰圧力の維持
を保証することが望ましい。従って、くびれ領域に沿っ
て発生される圧縮機の内部圧縮は少なくとも1:1.6−1:
1.8、おそらくそれより高い、にさるべきである。
電子的に制御される装置を備えて圧縮機の上流に配置
されたアイドリング制御手段は、好ましくは、圧縮機の
吸気マニホルド内に配置された空気スロットルの対立す
る区域が、空気スロットルを通過しそしてそれ自体はモ
ータによって制御される制御弁を有する分路ダクトによ
って相互に接続される構成を提供すべきであり、前記モ
ータは異なる機関パラメータセンサから制御信号を供給
される制御ユニットによって制御される。実際において
は温度センサが触媒クリーナ上に、速度センサが機関上
に、温度センサが機関上に、そしてラムダプローブが排
気マニホルド上に存在する。
空気ブリードダクトを通じる調整可能な空気抽出のた
めに、制御可能な弁が空気ブリードダクトに該ダクトを
通じて調整可能な空気抽出を生じさせるように好適に組
込まれ、前記弁は電気制御ユニットに結合された関連サ
ーボモータによって制御される。この目的のために使用
されるモータ制御される弁は（温度、ラムダ値および速
度のような）関連機関パラメータが濃厚な混合気による
状態を示すとき開く位置−またはPWM−制御弁であり得
る。“PWM−制御”弁はパルス幅の調整によって開閉す
る弁を意味する。開閉サイクルの時間はこの場合一定で
あるが、開放時間を変えることによって閉鎖時間の逆変
化が得られる。例えばより長い開放時間は変化しない全
サイクル時間を以てより短い閉鎖時間を提供する。
従って吸気マニホルド内の空気スロットルを素通りす
る分路ダクト内のモータ制御される制御弁は、触媒コン
バータへ空気ブリードダクトを通じて放出される空気流
とは無関係に許容できる機関速度を維持するアイドリン
グ制御を提供する。この目的のために好適なモータ制御
される制御弁はAIC弁または回転溝付弁である（AIC弁の
定義については後記説明を見よ）。
図面の簡単な説明 次ぎに本発明は添付図面に示される実施例を参照して
極めてより詳細に説明される。第１図は本発明による装
置を取付けられた過給オットー機関のための回路および
構成要素概略図である；第２図は若干の追加装備、なか
んずく吸気マニホルドにおける空気質量計、を備えた一
代替構成のための同様の概略図である。
実施例の説明 前記図面の両図において４気筒機関が全体として２に
よって示され、そして機関排気系統に組込まれた触媒排
気クリーナが全体として４によって示されている。前記
機関の排気側は排気マニホルド６および排気口８によっ
て触媒クリーナ４に接続されている。前記触媒クリーナ
は排気管10によって周囲大気に接続されている。前記機
関２（それはここでは燃料噴射機関であると仮定され
る）への燃焼空気は全体として12によって示される吸気
マニホルドを通じて機関シリンダ３へ供給される。この
吸気マニホルド12の上流部分は、シャフト14を介して機
関２から機械的に駆動されそして該機関の過給を生じさ
せる単段空気圧縮機16を組込まれている。この圧縮機は
好ましくはねじ圧縮機であるべきであるが、その他のタ
イプの圧縮機も考えられる。前記圧縮機がねじ圧縮機で
あるときは、その内部圧縮は1:1.6−1.8、おそらくそれ
より高い、のオーダーであり得る。
全体として20によって示される空気ブリードダクト
が、圧縮機16のくびれ領域の後部分に位置された抽気点
18から排気口８の上流端における点23まで延びている。
サーボモータ22によって制御される制御弁24が空気ブリ
ードダクト20内に組込まれている。弁24は、供給点23で
排気口８内に注入された後、触媒クリーナ４へブリード
ダクト20を通じて供給される空気流を制御する。サーボ
モータ22は信号ケーブル28を通じて電子制御ユニット26
から受取られる電気信号によって制御される。
ブリードダクト20を通じる空気の抽出から生じる（且
つアイドリング速度を減少させる）吸気マニホルド12内
の圧力減少に対し補償するために、電子的に制御される
アイドリング制御装置が圧縮機16の上流に配置されてい
る。このアイドリング制御補償装置は圧縮機16の上流に
位置された吸気マニホルド12の入口部分12'内に空気ス
ロットル36を組込まれている。空気スロットル36の前後
の区域は空気スロットル36を通り過ぎて延びる分路ダク
ト38を通じて相互に接続されている。この分路ダクトを
通る空気流はそれ自体はサーボモータ42によって制御さ
れる制御弁40によって制御され、前記サーボモータは制
御ケーブル43を通じて制御ユニット26から受取られる電
気信号によって制御される。分路ダクト38内に組込まれ
た制御弁40は理想的には空気ブリードダクト20を通じて
抽出される触媒コンバータ４への空気流に対し補償する
ための圧縮機16への特別空気供給を制御するAIC弁／溝
付弁である。制御弁40によって増加される圧縮機16内へ
の空気のこの流れによって、機関２の所望アイドリング
速度が、前記触媒コンバータへ放出される追加特別空気
流にもかかわらず維持され得る。AIC弁は第１に長期間
の変化に対して補償してアイドリング調整を回避し、そ
して第２に負荷の増加に伴う瞬間アイドリング速度減少
に対して補償するという二重の役目を果たす。
電子制御ユニット26が位置−またはPWM−制御弁24の
モータ22および制御弁40のモータ42を制御することを可
能にするため、前記制御ユニットはこれに関連して適切
な機関パラメータを表す制御信号を供給されなくてはな
らない。図示構成において、これらパラメータは第１に
触媒クリーナ４の温度であり、第２に機関２の速度およ
び温度であり、そして第３に排気マニホルド６の排気ガ
スの温度である。これら機関パラメータは触媒コンバー
タ４上のセンサ44、機関２上のセンサ46および48、およ
び排気マニホルド上のセンサ50によって探知される。こ
れら４個のセンサからの信号は信号ケーブル54、56、5
8、60を通じて制御ユニット26へ伝達される。
例えば、もし触媒コンバータの作用が制御されるよう
に要求されるならば、追加空気（特別空気）が瞬時に供
給され得、そして次いで触媒コンバータ４の下流の排気
管10内のラムダプローブによって、または触媒コンバー
タにおける温度測定（センサ44）によって、いかに迅速
に触媒コンバータが反応するかが決定され得る。
上に説明された構成において、さらに、可能な場合に
は信頼できる始動機能の補償が必ず要求される。従っ
て、空気ブリードダクト20はスタータモータが機能して
いるとき、即ちいわゆるスタータモータの始動間、抽気
点18およびダクト部分（20'）を通じる抽気を防止する
遮断機構を好適に取付けられている。言及された遮断機
構は好適にはその閉鎖機能が制御ユニット26によって制
御されるモータ制御弁24である。
圧縮機16の上流の空気スロットル36を有するアイドリ
ング制御装置に関して、代替的にスロットル36を圧縮機
16の後、即ちその下流、に配置することが理論的に可能
であることも言及さるべきである。しかし、この場合に
おいては、圧縮機によって発生された余剰圧縮空気を
“吹き払う”ため廃棄物ゲート弁が恐らく必要である。
言うまでもなく、圧縮機の吸引側においては絞りが行わ
れないからである。従って、圧縮機は本質的には勿論望
ましくないが同時にある場合には望ましいより早い反応
を制御に対して生じる若干量の不必要な仕事を遂行する
であろう。
次ぎに若干の補足的な装備が追加されたことにおいて
第１図に示されたそれと異なる第２図に示される代替設
計に関して言及する。下記説明は追加された構成要素お
よび部品に主として限定される。
第２図に示される構成において、空気質量計70が吸気
マニホルド12の入口部分12'に配置されている。空気質
量計は単位時間に吸気マニホルド12の入口部分12'を通
じて吸込まれる空気の質量を測定する。例えば、制御ユ
ニットにおける機関２の燃料噴射弁のための最適開放時
間は、現在の機関速度（それは速度センサ46によって得
られる）および空気質量計70によって測定される空気質
量流れに基づいて計算され得る。空気質量計70は信号ケ
ーブル90によって制御ユニット26に接続されている。燃
料はその作用が信号ケーブル94を通じて制御ユニット26
から制御される分離した燃料噴射ノズル92（第２図に概
略的に示されているに過ぎない）を通じて機関２のシリ
ンダ３内に噴射される。
触媒コンバータへの追加（特別）空気の抽出は機関シ
リンダに達する空気の量に影響を及ぼす。圧縮機の上流
に位置された空気質量計70は、圧縮機16へ供給されそし
てシリンダ３および触媒コンバータ４へ供給され得る空
気の総量を測定する。従って、シリンダに達する空気の
実際の量−それに対して燃料の供給が適合させられなく
てはならない−は抽気点18において圧縮機16から抽出さ
れる空気の量に従って空気質量計からの信号を修正する
ことによって得られ得る。
空気質量計からの流量信号の修正は制御ユニット26に
おいて好適に行われ、前記制御ユニットは圧縮機から抽
出される空気の量を空気のこの量に対応するパラメー
タ、例えば弁24の開放度または抽気点18と弁24との間の
ダクト部分20'内に組込まれた特定の空気質量計（流量
計）から受取られた出力信号、の形式で考慮に入れる。
アイドリング制御および空気質量測定は次ぎのことを
提供する：より一定の機関速度、より良い常温始動およ
び暖機特性、空気調和装置が結合されているときの増加
されたアイドリング速度、例えば、増加されたローディ
ング（例えば、パワーステアリングポンプおよび発電機
装入による）から生じる機関速度の減少に対する補償、
ならびに意図されたさらなる特性／機能。
制御弁24の下流に位置された空気ブリードダクト20上
の点72において、蓄圧器76に達するブリードダクトの形
式にされた枝管74が存在し、該蓄圧器から圧縮空気が、
制御された流量を以て、管80および制御弁82を通じて抽
出され、次いで、管84を通じて、圧縮空気によって駆動
されるまたはそれを消費する関連付属装置（米国特許第
3934413号対照）、例えば可膨ドアシール、サーボモー
タ、空気で補助された燃料噴射など、へ供給され得る。
さらに、蓄圧器76はその出力信号が信号ケーブル86を通
じて制御ユニット26へ伝達される圧力センサ78を取付け
られており、そして特別制御弁24'が枝管点72の下流に
おいて空気ブリードダクト20内に挿入されている。この
弁24'はモータ22'によって制御され、該モータは信号ケ
ーブル88を通じて制御ユニット26から制御される。
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｂ 37/00 ３０２ Ｆ０２Ｂ 37/00 ３０１Ｇ (56)参考文献 特開 昭61−129430（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−174524（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−56811（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−52213（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F01N 3/22 F01N 3/32 F02B 37/00

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】その吸気マニホルド（12）が過給を生じさ
    せるように意図された機械的に駆動される内部圧縮によ
    る空気圧縮機（16）を組込まれた過給オットー機関
    （２）のための触媒排気クリーナ（４）を取付けられた
    排気系統内に空気を注入する装置において、空気ブリー
    ドダクト（20）が空気圧縮機（16）のくびれ領域からの
    空気の調整可能の抽出およびこの空気の触媒クリーナ
    （４）への追加空気としての供給のために据付けられて
    おり、前記空気ブリードダクト（20）が前記くびれ領域
    に位置される抽気点（18）から触媒クリーナの上流に位
    置される排気系統における供給点（23）まで延びてお
    り、アイドリング制御のための電子的に制御される装置
    （36、38、40、42）が圧縮機（16）の上流に配置されて
    いることを特徴とする排気系統内に空気を注入する装
    置。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の装置において、抽気点
    （18）が空気圧縮機（16）のくびれ領域の後部分に位置
    されていることと、前記くびれ領域における前記圧縮機
    の内部圧縮が少なくとも1:1.6−1.8であることを特徴と
    する装置。
  3. 【請求項３】請求項１または２に記載の装置において、
    空気圧縮機（16）が単段圧縮機であることを特徴とする
    装置。
  4. 【請求項４】請求項１から３までのいずれか一つの項に
    記載の装置において、前記圧縮機の吸気マニホルド（1
    2）内に配置された空気スロットル（36）の反対両側の
    区域が前記空気スロットルを通り過ぎる分路ダクト（3
    8）を通じて互いに接続されており、前記ダクトがモー
    タ（42）によって制御される制御弁（40）を組込まれて
    おり、前記モータが異なる機関パラメータセンサ（44、
    46、48、50）から制御信号を供給される制御ユニット
    （26）によって制御されることを特徴とする装置。
  5. 【請求項５】請求項１から４までのいずれか一つの項に
    記載の装置において、機関（２）内に噴射される燃料の
    量を制御するため使用される空気質量計（70）が、アイ
    ドリング制御装置（36、38、40、42）の前に位置される
    一点において、空気圧縮機（16）の上流に位置される吸
    気マニホルド（12）の入口部分（12'）に配置されてい
    ることを特徴とする装置。
  6. 【請求項６】請求項５に記載の装置において、制御でき
    る弁（24）がダクト（20）を通じる調整可能の空気の抽
    出を生じさせるため空気ブリードダクト（20）内に挿入
    されており、前記弁が電気的制御ユニット（26）に接続
    された関連サーボモータ（22）によって制御されること
    を特徴とする装置。
  7. 【請求項７】請求項６に記載の装置において、空気ブリ
    ードダクト（20）がスタータモータが働いているとき機
    関始動段階（スタータモータ始動）間に抽気点（18）お
    よびダクト（20）を通じる空気の抽出を防止するように
    配置された遮断機構例えば制御できる弁（24）を取付け
    られていることを特徴とする装置。
JP50177593A 1991-07-08 1992-07-03 触媒コンバータを取付けられた過給オットー機関からの排気ガス中に特別の空気を供給する装置 Expired - Lifetime JP3322875B2 (ja)

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