JPH0518232A - 内燃機関の二次空気制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】始動時に早期に高い転化率が得られるようにし
て、始動時におけるＣＯ，ＨＣの排出量を減少させる。 【構成】触媒温度センサで検出された触媒内の温度に基
づいて最適空燃比を設定する（Ｓ４）。前記最適空燃比
は、触媒が活性化温度に達していないときには、理論空
燃比よりもリーン側に設定されるようになっている。そ
して、前記最適空燃比と実際の空燃比とを比較する（Ｓ
５）。ここで、最適空燃比と実際の空燃比とが異なり、
最適空燃比よりも実際の空燃比がリッチであるときに
は、最適空燃比での燃焼時に対応する酸素濃度が得られ
るように、二次空気量を制御する（Ｓ６）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の二次空気制御
装置に関し、詳しくは、排気浄化用に排気通路に設けら
れる触媒の転化率を、二次空気の供給制御によって向上
させる技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、排気を浄化する目的で機関の
排気通路に触媒を配設しているものがあるが、かかる触
媒においては、触媒内での排気の化学反応を促進させ
て、所期の転化率を確保するため（触媒の活性状態を維
持するため）に、触媒の入口における排気温度を高く保
つ必要がある。そこで、従来では、触媒上流側の排気通
路に二次空気（酸素）を供給して、触媒上流の排気系に
おける燃焼（ＣＯ，ＨＣの酸化）を促進せしめ、その燃
焼熱により触媒の入口温度を高くするようにしているも
のがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、始動時に
は、速やかに触媒温度を上昇させて触媒を活性化させる
ことが、排気特性を改善する上で大きなポイントとな
り、上記の二次空気の供給を行うことによって触媒入口
温度の上昇を図ることができるが、更に、三元触媒を用
いる場合には、触媒の温度が低いときは触媒内雰囲気を
積極的にリーン状態（理論空燃比相当よりも酸素濃度の
高い状態）にすることで、温度が低いときから触媒を活
性化させることができる。

【０００４】即ち、三元触媒においては、図７に示すよ
うに、機関吸入混合気の空燃比を理論空燃比としたとき
に、ＣＯ，ＨＣの転化率とＮＯｘの転化率とを同時に高
く得ることができるが、たとえ理論空燃比で燃焼させて
いても、触媒温度が低く不活性の状態であるときには、
所期の転化率を得ることができず、ある程度まで触媒入
口温度が高くならないと、高い転化率を得ることができ
ない。しかしながら、触媒内の雰囲気をリーンにして触
媒内における酸化反応を促進させれば、図５に示すよう
に、比較的低い触媒入口温度の状態から高い転化率が得
られるようになる。

【０００５】従って、始動直後などで充分な触媒入口温
度を確保することができないときには、二次空気の供給
によって触媒内の雰囲気をリーン化させて、速やかな転
化率の上昇を図る一方、触媒が活性化されるようになっ
た後は、触媒内の雰囲気を理論空燃比相当として、酸化
反応と還元反応とが良好にバランスしてＣＯ，ＨＣ，Ｎ
Ｏｘの高い転化率が得られるようにすることが望まし
い。

【０００６】しかしながら、従来の二次空気の供給制御
では、ＣＯ，ＨＣの排出量に対応した量の二次空気を供
給するために、機関負荷や機関回転速度などの運転条件
に応じて予め二次空気量を設定することなどは行われて
いるが、かかる二次空気量の制御が触媒の活性状態（触
媒入口温度）と無関係に行われていたため、触媒が活性
化温度にまで達しているのに過剰な二次空気が供給され
て、触媒を必要以上に高温度にしてしまったり、また、
充分な二次空気量が確保されないために、二次空気の供
給によって始動時に速やかに触媒を活性化させることが
できない場合があった。

【０００７】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、触媒内の温度を監視しつつ二次空気の供給を制御
することにより、触媒を速やかに活性化させることがで
きると共に、活性化された後は、最良の転化率を確保で
きるような二次空気の供給制御を可能にした二次空気制
御装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そのため本発明にかかる
内燃機関の二次空気制御装置は、図１又は図２に示すよ
うに構成される。図１において、触媒は、機関の排気通
路に配設されて機関排気を浄化するものであり、触媒温
度検出手段は、この触媒の温度を検出する。

【０００９】一方、二次空気量調整手段は、前記触媒の
上流側の排気通路に供給する二次空気量を調整するもの
であり、触媒温度に基づく制御手段は、前記検出された
触媒の温度に基づいてこの二次空気量調整手段を制御す
る。また、図２において、触媒，触媒温度検出手段、二
次空気量調整手段は、前記図１に示した発明と共通に設
けられており、ここでは以下のような独自の構成を備え
ている。

【００１０】即ち、最適空燃比設定手段は、触媒温度検
出手段で検出された触媒の温度に基づいて空燃比の最適
値を可変設定する。そして、最適空燃比に基づく制御手
段は、前記設定された最適空燃比と、空燃比検知手段で
検知された実際の空燃比との比較に基づいて二次空気量
調整手段を制御する。

【００１１】

【作用】かかる構成によると、触媒の温度が検出され、
この温度に応じて二次空気量が調整されるから、触媒の
活性・非活性に対応して二次空気量を変化させることが
でき、非活性状態のときには触媒温度（転化率）の速や
かな上昇を図れる二次空気量制御を行わせ、活性後は高
い転化率を維持できる二次空気量制御を行わせることが
可能となる。

【００１２】また、触媒温度に基づいて空燃比の最適値
を設定して、この最適空燃比と実際の空燃比との比較に
基づいて二次空気量を調整すれば、上記のように触媒の
活性・非活性に対応する二次空気量の制御を、空燃比状
態に対応する必要量に従って行わせることが可能とな
る。

【００１３】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。一実施例
を示す図３において、内燃機関１にはエアクリーナ２か
ら吸気ダクト３，スロットル弁４及び吸気マニホールド
５を介して空気が吸入される。吸気マニホールド５の各
ブランチ部には、各気筒別に燃料噴射弁６が設けられて
いる。この燃料噴射弁６は、ソレノイドに通電されて開
弁し、通電停止されて閉弁する電磁式燃料噴射弁であっ
て、後述するコントロールユニット12からの駆動パルス
信号により通電されて開弁し、図示しない燃料ポンプか
ら圧送されてプレッシャレギュレータにより所定の圧力
に調整された燃料を、機関１に噴射供給する。

【００１４】機関１の各燃焼室には点火栓７が設けられ
ていて、これにより火花点火して混合気を着火燃焼させ
る。そして、機関１からは、排気マニホールド８，排気
ダクト９，排気浄化用としての三元触媒10及びマフラー
11を介して機関１の排気が排出される。コントロールユ
ニット12は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及
び入出力インタフェイス等を含んで構成されるマイクロ
コンピュータを備え、各種のセンサからの入力信号を受
け、後述の如く演算処理して、燃料噴射弁６の作動（機
関への燃料供給量）を制御する。

【００１５】前記各種のセンサとしては、吸気ダクト３
中にエアフローメータ13が設けられていて、機関１の吸
入空気流量Ｑに応じた信号を出力する。また、クランク
角センサ14が設けられていて、本実施例の４気筒の場
合、クランク角180 °毎の基準信号ＲＥＦと、クランク
角１°又は２°毎の単位信号ＰＯＳとを出力する。ここ
で、基準信号ＲＥＦの周期、或いは、所定時間内におけ
る単位信号ＰＯＳの発生数を計測することにより、機関
回転速度Ｎを算出できる。

【００１６】また、機関１のウォータジャケットの冷却
水温度Ｔｗを検出する水温センサ15が設けられている。
また、排気マニホールド８の集合部に酸素センサ16が設
けられている。この酸素センサ16は、排気中の酸素濃度
に感応して出力値が変化する公知のセンサであり、例え
ば大気に対する排気中の酸素濃度比に応じた起電力を発
生する構成となっている。排気中の酸素濃度は、図６に
示すように理論空燃比を境に急変するから、前記酸素セ
ンサ16の出力値に基づいて機関吸入混合気の空燃比が、
理論空燃比に対してリッチであるかリーンであるかを判
別できる。

【００１７】コントロールユニット12は、前記エアフロ
ーメータ13で検出される吸入空気流量Ｑとクランク角セ
ンサ14からの信号に基づいて算出された機関回転速度Ｎ
とに基づいて基本燃料噴射量Ｔｐ（＝Ｋ×Ｑ／Ｎ；Ｋは
定数）を演算する一方、所定のフィードバック制御条件
が成立しているときには前記酸素センサ16を介して検出
される空燃比を理論空燃比にフィードバック制御するた
めの空燃比フィードバック補正係数ＬＭＤを設定し、ま
た、水温センサ15で検出される冷却水温度に基づいて冷
機時に空燃比をリッチ化させる基本補正係数や、始動時
や高負荷時に空燃比を理論空燃比よりもリッチ化させる
ための増量係数などを含む各種補正係数ＣＯＥＦ、更
に、バッテリ電圧の変化による燃料噴射弁６の有効開弁
時間の変化を補正するための補正分Ｔｓを設定し、これ
らに基づいて前記基本燃料噴射量Ｔｐを補正することに
より最終的な燃料噴射量Ｔｉを設定する。

【００１８】そして、所定の燃料噴射タイミングにおい
て、最新に演算された前記燃料噴射量Ｔｉに相当するパ
ルス幅の駆動パルス信号を燃料噴射弁に出力して、燃料
噴射弁６による燃料噴射量を制御する。また、本実施例
における内燃機関１には二次空気制御装置が備えられて
おり、酸素センサ16よりも下流側で三元触媒10よりも上
流側の排気ダクト９（排気通路）に、二次空気パイプ17
の一端が接続されており、この二次空気パイプ17の他端
にはサブエアクリーナ18が介装されている。そして、前
記二次空気パイプ17の途中には、上流側から順に、エア
ポンプ19，プレッシャレギュレータ20，二次空気量調整
手段としての電磁式コントロールバルブ21が設けられて
おり、サブエアクリーナ18でろ過されて機関駆動される
エアポンプ19によって圧送された二次空気が、プレッシ
ャレギュレータ20で所定圧力に調整された後、コントロ
ールバルブ21の開度に応じて調整された所定量の二次空
気が三元触媒10の上流側に供給されるようになってい
る。

【００１９】また、三元触媒10には、該触媒の温度を検
出する触媒温度検出手段としての触媒温度センサ22が設
けられている。尚、上記触媒温度センサ22は、触媒内の
温度を検出するものの他、触媒入口温度，触媒出口温度
を検出するものであっても良い。前記コントロールバル
ブ21は、コントロールユニット12から送られるデューテ
ィ信号によってその開度が調整されるようになってお
り、コントロールユニット12は図４のフローチャートに
示すようにして、前記デューティ信号のデューティ比
（二次空気量）を決定する。尚、前記図４のフローチャ
ートに示すように、触媒温度に基づく制御手段，最適空
燃比設定手段，空燃比検知手段，最適空燃比に基づく制
御手段としての機能は、コントロールユニット12がソフ
トウェア的に備えている。

【００２０】図４のフローチャートにおいて、まず、ス
テップ１（図中ではＳ１としてある。以下同様）では、
前記触媒温度センサ22で検出される触媒温度を読み込
む。そして、次のステップ２では、前記ステップ１で読
み込んだ触媒温度と、所定の最高温度とを比較する。こ
こで、触媒温度が所定以上に高くなっているときには、
二次空気の供給による酸化反応の促進によって触媒が過
熱されないように、ステップ３へ進んで、コントロール
バルブ21を介して供給される二次空気量をゼロとすべ
く、コントロールバルブ21に送る信号のデューティ比を
全閉相当値とする。

【００２１】一方、ステップ２で、触媒温度が所定の最
高温度に達していないと判別されたときには、ステップ
４へ進む。ステップ４では、予め触媒温度に応じた最適
空燃比を記憶したマップから、現在の触媒温度に対応す
る最適空燃比（最適排気空燃比）を検索して求める。前
記最適空燃比とは、図５に示すように、触媒10内の雰囲
気をリーン側に制御すれば、たとえ触媒入口温度が低く
ても、触媒入口温度が高いときと同様な転化率を得るこ
とができることに基づいて設定されている。即ち、始動
時などで触媒入口温度が低いときには、所期の転化率を
得ることができず、機関が徐々に暖機されて触媒入口温
度が高くなってくると転化率も高くなるが、かかる触媒
入口温度と転化率との関係は、図５に示すように排気の
空燃比状態（酸素濃度）によって異なり、リーン空燃比
で酸化反応が促進されるときには比較的触媒入口温度が
低くても、触媒内での酸化反応によって触媒が活性化さ
れて、早くから高い転化率を得ることができるようにな
る。但し、暖機が進み、触媒入口温度が充分に高くなっ
た場合には、ＮＯｘの転化率を確保するために、排気空
燃比をリーン化させることは好ましくなく、理論空燃比
に制御させることが必要となる（図７参照）。

【００２２】従って、ステップ４では、触媒温度が触媒
の活性化温度にまで達していないときには、最適空燃比
として理論空燃比よりもリーンな空燃比が設定され、か
かる最適空燃比状態を二次空気の供給によって排気系で
実現することで酸化反応を促進し、早期に高い転化率が
確保されるようにしてあり、また、触媒温度が活性化温
度にまで達した後は、最適空燃比を理論空燃比（空気過
剰率λ＝１）として図７に示すようにＣＯ，ＨＣ，ＮＯ
ｘの高い転化率が得られるようにしている。

【００２３】次のステップ５では、前記ステップ４で設
定された最適空燃比と、機関吸入混合気の実際の空燃比
とを比較する。前記実際の空燃比は、吸入空気流量Ｑ，
機関回転速度Ｎ，燃料噴射量Ｔｉの情報から演算によっ
て求めることができるが、前記酸素センサ16が理論空燃
比以外の空燃比も検出することができる広域空燃比セン
サである場合には、酸素センサ16によって検出される酸
素濃度から実際の空燃比を求めることができる。

【００２４】従って、本実施例のように広域空燃比セン
サを備えずに、吸入空気量と燃料量とから演算で空燃比
を求める場合には、エアフローメータ13，クランク角セ
ンサ14，コントロールユニット12が空燃比検知手段に相
当する。ステップ５で、機関吸入混合気の空燃比が、ス
テップ４で触媒温度に基づいて設定した最適空燃比以上
の場合、換言すれば、最適空燃比よりもリーンの場合に
は、排気空燃比状態を前記最適空燃比状態に一致させる
ための二次空気供給は必要がないので、ステップ３へ進
み、二次空気量をゼロに制御する。

【００２５】前述の実際の空燃比が前記最適空燃比以上
の場合とは、例えば、機関の完暖状態でステップ４で最
適空燃比として理論空燃比が設定され、然も、空燃比フ
ィードバック補正制御により理論空燃比にフィードバッ
ク制御されている場合などである。一方、触媒温度が低
く、然も、空燃比が理論空燃比よりもリッチ側に制御さ
れる始動時などでは、ステップ５で実際の空燃比が最適
空燃比未満である（最適空燃比よりもリッチである）と
判別されて、ステップ６へ進む。

【００２６】ステップ６では、エアフローメータ13で検
出される吸入空気流量Ｑと、最適空燃比と実際の空燃比
との偏差と、に対応させて二次空気量（コントロールバ
ルブ21へ送る信号のデューティ比）を予め記憶したマッ
プから、現状の前記偏差及び吸入空気流量Ｑに対応する
二次空気量を検索して求め、この検索された二次空気量
に対応するデューティ比の信号をコントロールバルブ21
に送って、前記検索された二次空気量が得られる開度に
コントロールバルブ21を制御する。前記マップの二次空
気量は、二次空気量を供給しない場合の排気中の酸素濃
度を、最適空燃比に見合った酸素濃度に増大させるため
に必要な二次空気量として設定されている。

【００２７】例えば始動直後では、燃料噴射量の設定は
理論空燃比よりもリッチ側に設定されるから、機関排気
中にＣＯ，ＨＣが多量に含まれることになるが（図６参
照）、触媒入口温度が比較的高くなるまで高い転化率を
得ることができないから（図５参照）、多量のＣＯ，Ｈ
Ｃがそのまま排出されることになってしまう。しかしな
がら、触媒温度が低いときほどリーンな空燃比状態が排
気系で得られるように（ステップ４参照）、ステップ６
で二次空気量を制御すれば、二次空気の供給による酸化
反応の促進によって、図５に示すように、比較的触媒入
口温度が低い状態から高い転化率を確保することがで
き、始動時のリッチ空燃比での燃焼で発生する多量のＣ
Ｏ，ＨＣを早期に転化させることができ、始動直後にお
けるＣＯ，ＨＣの排出量を低下させることができる。

【００２８】また、触媒温度が活性温度に達した後は、
最適空燃比として理論空燃比が設定されるから、たとえ
空燃比フィードバック制御がオープン制御となって、空
燃比が理論空燃比よりもリッチ側に制御されるようにな
り、酸素不足でＣＯ，ＨＣの転化率が低下するときに
（図７参照）、前記ステップ４，５，６の制御によって
排気空燃比を理論空燃比とする二次空気の供給が行われ
て、前記ＣＯ，ＨＣの転化率を向上させることができる
ようになる。

【００２９】また、触媒10が活性化温度まで達し、然
も、空燃比フィードバック制御によって理論空燃比に制
御されているときには、二次空気の供給は停止されるか
ら、無用な二次空気の供給によってＮＯｘの転化率を低
下させてしまうこともない。尚、上記実施例では、酸素
センサ16を備え、この酸素センサ16で検出される空燃比
に基づいて空燃比のフィードバック制御を行う機能を有
する構成であったが、かかる空燃比フィードバック制御
機能を備えないものであっても良い。

【００３０】また、本実施例では、二次空気量をフィー
ドホワード制御によって調整する構成としたが、二次空
気が排気中に混入する部位よりも下流側で、かつ、触媒
10よりも上流側の位置で、理論空燃比以外の酸素濃度状
態を検出できる空燃比センサを設け、この空燃比センサ
で検出される酸素濃度が最適空燃比相当になるように二
次空気量をフィードバック制御するようにしても良い。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によると、触
媒温度に基づいて二次空気量を制御するようにしたの
で、始動時などの触媒温度が低いときには二次空気の供
給によって酸化反応を積極的に促進させて、早期から触
媒の高い転化率を得ることができるようになり、始動時
におけるＣＯ，ＨＣの排出量を低減させることができる
という効果がある。また、触媒温度に基づいて設定した
最適空燃比と、実際の空燃比との比較に基づいて二次空
気量を制御することで、必要量のみを供給させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本構成を示すブロック図。

【図２】本発明の基本構成を示すブロック図。

【図３】本発明の一実施例を示すシステム概略図。

【図４】二次空気量の制御内容を示すフローチャート。

【図５】触媒入口温度と転化率との関係を示す線図。

【図６】空燃比と排気成分濃度との関係を示す線図。

【図７】空燃比と三元触媒における転化率との関係を示
す線図。

【符号の説明】

１ 機関 ６ 燃料噴射弁 ９ 排気ダクト 10 三元触媒 12 コントロールユニット 13 エアフローメータ 14 クランク角センサ 17 二次空気パイプ 18 サブエアクリーナ 19 エアポンプ 20 プレッシャレギュレータ 21 コントロールバルブ 22 触媒温度センサ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機関の排気通路に配設されて機関排気を浄
   化する触媒と、 前記触媒の上流側の排気通路に供給する二次空気量を調
   整する二次空気量調整手段と、 前記触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、 該触媒温度検出手段で検出される前記触媒の温度に基づ
   いて前記二次空気量調整手段を制御する触媒温度に基づ
   く制御手段と、 を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関の二次空
   気制御装置。
2. 【請求項２】機関の排気通路に配設されて機関排気を浄
   化する触媒と、 該触媒の上流側の排気通路に供給する二次空気量を調整
   する二次空気量調整手段と、 前記触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、 機関吸入混合気の空燃比を検知する空燃比検知手段と、 前記触媒温度検出手段で検出された触媒の温度に基づい
   て空燃比の最適値を設定する最適空燃比設定手段と、 該最適空燃比設定手段で設定された最適空燃比と前記空
   燃比検知手段で検知された空燃比との比較に基づいて前
   記二次空気量調整手段を制御する最適空燃比に基づく制
   御手段と、 を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関の二次空
   気制御装置。