JP4471302B2

JP4471302B2 - エンジンの排気ガス浄化装置

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Publication number: JP4471302B2
Application number: JP2005517783A
Authority: JP
Inventors: 英浩西村; 修瀧井; 純一大場
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2005-02-08
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2025-02-08
Also published as: CN102434298A; EP1722089A4; TWI275699B; TW200537010A; CN1918381A; EP1722089A1; WO2005075805A1; JPWO2005075805A1

Description

本発明はエンジンの排気ガス浄化装置に関する。

Ｏ_２フィードバック式燃料供給装置を備えたエンジンの排気ガス浄化装置では、エンジンの排気管の途中に三元触媒を配置するとともに、該触媒の上流側に排気ガスの酸素濃度を検出するＯ_２センサを配置し、該Ｏ_２センサにより検出される酸素濃度に基づいて求められた検出空燃比が理論空燃比となるよう、エンジンへの燃料噴射量をフィードバック制御するのが一般的である。この種の排気ガス浄化装置は、例えば日本国特開２０００−３１０１１６号公報に開示されている。

また、日本国特開平５−３２１６５３号公報には、排気管における三元触媒より上流側に二次空気導入管を接続するとともに、三元触媒より下流側にＯ_２センサを配設し、該Ｏ_２センサによる検出値に基づいて求められた検出空燃比が理論空燃比、又はこれより僅かにリッチである空燃比となるように二次空気量をフィードバック制御することによって、ＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣの浄化率を高めるようにしたものが提案されている。

しかしながら、上記従来の排気ガス浄化装置は、いずれも空燃比が常に理論空燃比となるように燃料供給量を制御するため、理論空燃比付近の狭い範囲の空燃比でエンジンが運転される。従って、運転領域によっては必要なエンジン出力が十分に得られない場合がある。このため、例えば自動車用エンジンに比べて排気量の小さい自動二輪車等の小型車両用エンジンに上記従来の排気ガス浄化装置を適用すると、出力不足により搭乗者のフィーリングが悪化するという問題がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、排気ガス浄化を確実に行いつつ、十分なエンジン出力を得ることができるエンジンの排気ガス浄化装置を提供することにある。

また、他の目的は、触媒を通過する排気ガスの空燃比を取得するための、酸素濃度その他の基礎データを検出するＯ_２センサその他のセンサによって排気抵抗が大幅に増加することのない、エンジンの排気ガス浄化装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るエンジンの排気ガス浄化装置は、エンジンの排気ガス浄化装置において、前記エンジンの排気ポートに接続された排気管内に配設される触媒と、前記排気管における前記触媒より上流側に設けられる接続点に接続され、該接続点に生じる負圧に応じて二次空気を前記排気管内に導入する二次空気導入系と、前記排気管における前記二次空気導入系の接続点より下流側に配設され、前記触媒を通過する排気ガスの空燃比を取得するための基礎データを検出するセンサと、前記センサにより検出された基礎データに基づく空燃比が目標空燃比となるように、燃料供給装置から前記エンジンに供給される燃料量を制御する手段と、を含むことを特徴とする。

基礎データは例えば排気ガスの酸素濃度を示すデータであってもよいし、空燃比そのものを示すデータであってもよい。また、目標空燃比は理論空燃比であってもよい。さらに、エンジンは４サイクルエンジンであってもよい。また、触媒は酸化触媒又は三元触媒である。さらに、センサは触媒より下流側に設けられる。

本発明では、エンジンに供給される混合気を、空燃比１０〜１４のいわゆる出力空燃比と称されるリッチ状態に設定することができる。この結果、十分なエンジン出力を得ることができる。なお、「出力空燃比」とは、理論空燃比１４．６（λ＝１）より大幅にリッチな状態を意味する空燃比１０〜１４を意味する。

また、二次空気の導入により触媒には目標空燃比の排気ガスが供給される。従って、触媒により排気ガス中のＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣを同時に浄化することができる。この結果、エンジン出力を十分に得つつ、排気ガス浄化を確実に行うことができる。その結果、自動二輪車等の小型車両に採用した場合であっても、エンジンの出力不足によって搭乗者のフィーリングが悪化することを抑制できる。

本発明の一態様では、前記排気管の下流端部は消音器内に収容され、前記消音器は複数の膨張室を備え、前記センサはいずれかの前記膨張室内における前記基礎データを検出するよう設けられる。こうすれば、センサによって排気抵抗が増加することを抑制することができる。

また、本発明の他の側面に係るエンジンの排気ガス浄化装置は、エンジンの排気ガス浄化装置において、前記エンジンの排気ポートに接続された排気管内に配設される触媒と、前記排気管における前記触媒より上流側に設けられる接続点に接続され、二次空気を前記排気管内に導入する二次空気導入系と、複数の膨張室を備え、前記排気管の下流端部が内部に配置される消音器と、前記複数の膨張室のうちいずれかの内部において、前記触媒を通過する排気ガスの空燃比を取得するための基礎データを検出するセンサと、前記センサにより検出された基礎データに基づいて、前記触媒を通過する排気ガスの空燃比を制御する手段と、を含むことを特徴とする。この発明によれば、センサによって排気抵抗が増加することを抑制することができる。

本発明の一態様では、前記センサは前記複数の膨張室のうち最も上流側に設けられた膨張室内における前記基礎データを検出するよう設けられる。こうすれば、基礎データの変化をセンサによって迅速に検出することができる。

また、本発明の一態様では、前記排気管はＵ字状に屈曲する屈曲部を備え、前記排気管の下流端部は前記屈曲部とともに前記消音器内に収容され、前記センサは前記複数の膨張室のうち最も前記エンジンに近い側に設けられた膨張室内における前記基礎データを検出するよう設けられる。こうすれば、エンジンに最も近い側、且つ最も上流側の膨張室にセンサを設けることができ、センサの配線処理が容易化される。

また、本発明の一態様では、前記センサは、前記排気管から前記膨張室に排出される排気ガスの前記膨張室内における流通経路上の前記基礎データを検出するよう設けられる。こうすれば、基礎データの変化をセンサによって迅速に検出することができる。

この場合、前記センサは、前記排気管の下流端部に設けられた開口の前方（排気ガスの排出方向）における前記基礎データを検出するよう設けられてよい。こうすれば、基礎データの変化をセンサによってさらに迅速に検出することができる。

本発明の一実施形態による４サイクルエンジンの排気ガス浄化装置の模式構成図である。図１に示される排気ガス浄化装置のＯ_２センサが配設された消音器部分の断面図である。排気ガス浄化装置のＯ_２センサの他の取付例を示す模式図であり、（ａ）はＯ_２センサが配設された消音器部分の模式断面図であり、（ｂ）は消音器部分を車両前方から見た模式図である。排気ガス浄化装置のＯ_２センサのさらに他の取付例を示す模式図であり、（ａ）はＯ_２センサが配設された消音器部分の模式断面図であり、（ｂ）は消音器部分を車両前方から見た模式図である。排気ガス浄化装置のＯ_２センサのさらに他の取付例を示す模式図であり、（ａ）はＯ_２センサが配設された消音器部分の模式断面図であり、（ｂ）は消音器部分を車両前方から見た模式図である。本発明の他の実施形態による４サイクルエンジンの排気ガス浄化装置の模式構成図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１及び図２は、本発明の一実施形態による４サイクルエンジンの排気ガス浄化装置を説明するための図であり、図１は排気ガス浄化装置の模式構成図、図２はＯ_２センサが配設された消音器部分の断面図である。この排気ガス浄化装置は、例えば自動二輪車に搭載されるものである。

これらの図において、エンジン１は自動二輪車に好適な４サイクル（４ストローク）エンジンであり、該エンジン１の吸気ポート（不図示）に接続された吸気通路２には、燃料を該吸気ポートに向けて噴射供給する燃料噴射弁（燃料供給装置）３が接続されている。また、吸気通路２の上流端にはエアクリーナ４が接続されている。このエアクリーナ４はクリーナケース４ａ内を、エレメント５によって空気吸込側ａと吐出側ｂとに画成した構造となっている。

エンジン１の排気ポート（不図示）には排気ガスを外部に排出する排気装置６が接続されている。この排気装置６は、排気ポートに接続されたエキゾーストパイプ（排気管）７と、これの下流端部７ａに接続された消音器８と、を備えている。このエキゾーストパイプ７は、図２に示すように、略Ｕ字状に屈曲形成されてなる屈曲部７ｃを備えており、この屈曲部７ｃとともに、エキゾーストパイプ７の下流端部７ａが消音器８内に収容されている。

具体的には、消音器８は内部に空洞を有しており、該空洞は隔壁３２ａ及び隔壁３２ｂによって区画され、内部に第１膨張室８ａ、第２膨張室８ｃ、第３膨張室８ｄが形成されている。そして、隔壁３２ａを貫く連通管３０ａにより、第１膨張室８ａと第２膨張室８ｃとは排気ガスが流通可能に連通している。また、隔壁３２ａ及び隔壁３２ｂを貫く連通管３０ｂにより、第２膨張室８ｃと第３膨張室８ｄとは排気ガスが流通可能に連通している。また、第３膨張室８ｄの外壁には連通管３０ｃが取り付けられており、第３膨張室８ｄ内の排気ガスが外部に放出されるようになっている。

そして、図２に示すように、排気装置６には排気ガス浄化装置が付加されている。この排気ガス浄化装置は、エキゾーストパイプ７の消音器８より上流側部分内に三元触媒１０を配設し、該エキゾーストパイプ７の三元触媒１０より上流側に二次空気導入口１１を形成し、該導入口１１に二次空気導入系を接続した構成となっている。

なお、三元触媒１０を、図２に二点鎖線で示すように、エキゾーストパイプ７の消音器８内の部分に配置してもよい。

二次空気導入系は、エアクリーナ４の吐出側ｂと二次空気導入口１１とを二次空気導入管１２で連通接続し、該二次空気導入管１２の途中に逆止弁として機能するリードバルブ１３を介在させた構成となっている。

リードバルブ１３は、エアクリーナ４側からエキゾーストパイプ７側への二次空気の流れのみを許容し、反対方向への流れを阻止する。具体的には、エンジン１の吸気バルブ及び排気バルブ（不図示）の開閉による排気脈動により、エキゾーストパイプ７内（二次空気導入口（接続点）１１の部分を含む）に負圧が発生する。そして、この負圧によりリードバルブ１３が開き、エアクリーナ４の吐出側ｂの空気がエキゾーストパイプ７内に吸引されることになる。

またエキゾーストパイプ７における二次空気導入管１２の接続点より下流側、具体的には三元触媒１０より下流側にＯ_２センサ１４が配設されている。このＯ_２センサ１４の基部は、消音器８内に第１膨張室８ａから区画して形成されたセンサ室８ｂ内に配設されており、かつＯ_２センサ１４の検出部１４ａはエキゾーストパイプ７の下流端口７ｂに対向するよう配置されている。Ｏ_２センサ１４の検出部１４ａの位置は、エキゾーストパイプ７から第１膨張室８ａに排出される排気ガスの、消音器８内における流通経路上にある。このため、Ｏ_２センサ１４の検出部１４ａには常に新しい排気ガスが接し、検出精度を向上できる。なお、ここではエキゾーストパイプ７の下流端口７ｂに対向するよう検出部１４ａを設け、Ｏ_２センサ１４により、下流端口７ｂの前方（排気ガスの排出方向）における酸素濃度を検出するようにしたが、消音器８内の他の場所に検出部１４ａを位置させてもよい。その場合も、連通管３０ａや連通管３０ｂの上流側又は下流側の端部等、消音器８内の排気ガスの流通経路上に検出部１４ａを位置させるようにすれば好適である。また、ここでは排気ガスの空燃比を取得するための基礎データを検出するためのセンサとして、酸素濃度を検出するＯ_２センサ１４を用いたが、空燃比を検出する空燃比センサであってもよい。

本実施形態では、上記のようにＯ_２センサ１４を消音器８の第１膨張室８ａから画成されたセンサ室８ｂに配置したので、排気ガスの熱による影響を抑制できる。また、Ｏ_２センサ１４が外観部品として消音器８の外方に露出することができ、消音器８の周囲の見栄えが悪化するのを防止できる。また、Ｏ_２センサ１４が悪戯や外力により破損するのを防止できる。さらにまた、Ｏ_２センサ１４を消音器８内に配設したので、エキゾーストパイプ７内に配置する場合に比して、排気抵抗を小さくできる。

本実施形態に係る装置は、Ｏ_２センサ１４が検出した排気ガス中の酸素濃度に応じて空燃比が目標空燃比になるように燃料噴射量を制御するコントローラ１５を備えている。

ここで本実施形態では、二次空気導入系からの二次空気導入量は、リードバルブ１３の容量や二次空気導入管１２の通路抵抗等の機械的特性によって決定される値に固定されている。一方、燃料噴射量については、コントローラ１５がエンジン回転数、スロットル開度に基づいて基本燃料噴射量を算出する。そして、二次空気が導入された後の排気ガス中の酸素濃度に基づいて求められた混合気の空燃比が、略理論空燃比となるように補正する。そのため、エンジン１に供給される混合気の空燃比は１０〜１４のいわゆる出力空燃比となり、その結果、十分なエンジン出力を得ることができる。これにより、自動二輪車等の小型車両用エンジンに本実施形態に係る装置を提供すれば、出力不足によって搭乗者のフィーリングが悪化することを抑制できる。

また本実施形態では、エキゾーストパイプ７内に配設された三元触媒１０より上流側に二次空気導入管１２を連通接続し、排気脈動により二次空気を排気ガス中に導入し、これにより、三元触媒１０に供給される排気ガスの空燃比を略理論空燃比となるようにしている。このため、三元触媒１０により、排気ガス中のＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣの三者を同時に浄化することができ、従来と同様の排気ガス浄化性能を確保できる。

なお、図２では、消音器８内にセンサ室８ｂを設け、そこから第１膨張室８ａにＯ_２センサ１４の検出部１４ａが延出するようにしたが、図３に示すように、自動二輪車の後輪３４の側方に配置された消音器８の外側面下方に直接Ｏ_２センサ１４を設け、そこから検出部が第１膨張室８ａ内に延出するようにしてもよい。この場合も、エキゾーストパイプ７の下流端部７ａから排出される排気ガスがＯ_２センサ１４の検出部に直接吹き掛かるようにすれば好適である。

また、図４に示すように、消音器８の外側面のうち後輪３４側の部分に直接Ｏ_２センサ１４を設け、そこから検出部が第１膨張室８ａに延出するようにしてもよい。この場合、消音器８の外部に露出したＯ_２センサ１４の一部を保護するため、ガード板３６を設けることが望ましい。さらに、図５に示すように、筒状の消音器８の車両前方側の端面にＯ_２センサ１４を設け、そこから検出部が第１膨張室８ａに延出するようにしてもよい。この場合、消音器８の外側部に指示部材３８を介して保護プレート４０を設け、高温となる消音器８に搭乗者が触れないようにするとともに、さらに保護プレート４０を車両前方側に延長し、Ｏ_２センサ１４の基部を隠すようにすれば車両の美観向上に資する。なお、図３乃至図５中、図２と同一符号は同一又は相当部分を示す。

次に、図６は、本発明の他の実施形態による４サイクルエンジンの排気ガス浄化装置を説明するための模式構成図である。同図中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示す。

同図に示す排気ガスの浄化装置では、排気ポートに接続されたエキゾーストパイプ７内に三元触媒１０を配設し、該三元触媒１０より下流側にＯ_２センサ１４を配設するとともに、上流側に二次空気を導入する二次空気導入管１２を連通接続して構成されており、基本的な構造は図１のものと同様である。

ただ、二次空気導入管１２の途中には空気ポンプ２０が介設されており、該空気ポンプ２０の下流側には流量調節弁２１が介設されている。

そして、コントローラ１５は、エンジン１に供給される混合気の空燃比が出力空燃比となるように、燃料噴射弁３からの燃料噴射量を制御するとともに、上記三元触媒１０より下流側の排気ガス中のＯ_２濃度に基づく空燃比が略理論空燃比となるように流量調節弁２１を開閉し、これによりエキゾーストパイプ７内に供給される二次空気量を制御するように構成されている。

本実施形態では、エンジン１に供給される混合気の空燃比が出力空燃比となるように燃料噴射量を制御するとともに、三元触媒１０より下流側の排気ガス中のＯ_２濃度に基づく空燃比が略理論空燃比となるように二次空気量を制御するようにしたので、十分なエンジン出力と排ガス浄化性能を得ることができる。

また、燃料噴射量だけでなく二次空気量を制御するようにしていることから、エンジンへの混合気を理論空燃比とし、二次空気の導入を停止することも可能であり、このように制御した場合には、通常の排気ガス浄化性能を維持した燃料を改善することができる。

Claims

エンジンの排気ガス浄化装置において、
前記エンジンの排気ポートに接続された排気管内に配設される触媒と、
前記排気管における前記触媒より上流側に設けられる接続点に接続され、該接続点に生じる負圧に応じて二次空気を前記排気管内に導入する二次空気導入系と、
前記触媒より下流側に配設され、前記触媒を通過した排気ガスの空燃比を取得するための基礎データを検出する空燃比制御用のセンサと、
前記センサにより検出された基礎データに基づく空燃比が目標空燃比となるように、燃料供給装置から前記エンジンに供給される燃料量を制御する手段と、
を含み、
前記排気管の下流端部は消音器内に収容され、
前記消音器は複数の膨張室を備え、
前記センサはいずれかの前記膨張室内における前記基礎データを検出するよう設けられる、
ことを特徴とするエンジンの排気ガス浄化装置。
請求の範囲第１項に記載のエンジンの排気ガス浄化装置において、
前記目標空燃比は理論空燃比である、
ことを特徴とするエンジンの排気ガス浄化装置。
エンジンの排気ガス浄化装置において、
前記エンジンの排気ポートに接続された排気管内に配設される触媒と、
前記排気管における前記触媒より上流側に設けられる接続点に接続され、二次空気を前記排気管内に導入する二次空気導入系と、
複数の膨張室を備え、前記排気管の下流端部が内部に配置される消音器と、
前記複数の膨張室のうちいずれかの内部において、前記触媒を通過した排気ガスの空燃比を取得するための基礎データを検出する空燃比制御用のセンサと、
前記センサにより検出された基礎データに基づいて、前記触媒を通過した排気ガスの空燃比を制御する手段と、
を含むことを特徴とするエンジンの排気ガス浄化装置。
請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記載のエンジンの排気ガス浄化装置において、
前記センサは前記複数の膨張室のうち最も上流側に設けられた膨張室内における前記基礎データを検出するよう設けられる、
ことを特徴とするエンジンの排気ガス浄化装置。
請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記載のエンジンの排気ガス浄化装置において、
前記排気管はＵ字状に屈曲する屈曲部を備え、
前記排気管の下流端部は前記屈曲部とともに前記消音器内に収容され、
前記センサは前記複数の膨張室のうち最も前記エンジンに近い側に設けられた膨張室内における前記基礎データを検出するよう設けられる、
ことを特徴とするエンジンの排気ガス浄化装置。
請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記載のエンジンの排気ガス浄化装置において、
前記センサは、前記排気管から前記膨張室に排出される排気ガスの前記膨張室内における流通経路上の前記基礎データを検出するよう設けられる、
ことを特徴とするエンジンの排気ガス浄化装置。
請求の範囲第６項に記載のエンジンの排気ガス浄化装置において、
前記センサは、前記排気管の下流端部に設けられた開口の前方における前記基礎データを検出するよう設けられる、
ことを特徴とするエンジンの排気ガス浄化装置。