JPH0579323A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明はエンジンの排気浄化装置に関し、二
次空気の供給によりエンジン冷間時の触媒暖機時間短縮
と暖機後減速運転時のエミッション悪化の防止とを図っ
た排気浄化装置を提供することを目的とする。 【構成】 エンジン１１の排気管１３に設けた触媒コン
バータ１４に電動エアポンプ５により二次空気を供給す
る。電子制御装置８は圧力センサ９，１１によりポンプ
５の入口と出口の差圧を検出すると共に、エアフロメー
タ１出力と燃料噴射弁２の燃料噴射量とを基に必要な二
次空気量を計算し、ポンプ５の差圧に応じてポンプへの
印加電圧を調整して二次空気量を制御する。触媒コンバ
ータ１４入口の空燃比は触媒暖機時にはリーンに、ま
た、暖機後減速時には理論空燃比よりリーンでかつ触媒
暖機時よりはリッチになるように制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、排気浄化触媒を用いた
排気浄化装置に関し、詳細には機関冷間時における触媒
温度上昇時間の短縮と暖機後減速運転時のＨＣ、ＣＯ低
減を図るための二次空気供給手段を有する排気浄化装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジンの排気通路に三元触媒を用いた
触媒コンバータを配置し、排気中のＨＣ、ＣＯの酸化と
ＮＯｘの還元とを同時に行って排気中の有害成分をＨ₂
Ｏ、ＣＯ₂ 、Ｎ₂ 等の無害成分に転化する排気浄化装置
が一般に用いられている。しかし、触媒は活性温度（約
３００℃）以下では転化率が急激に減少するため、エン
ジン始動時等で触媒温度が低下している場合には触媒の
温度を上昇させて短縮間で活性温度に到達させることが
必要となる。

【０００３】このため、エンジン冷間時には触媒コンバ
ータ上流の排気通路にエアポンプ等を用いて二次空気を
導入し触媒温度上昇（以下「触媒暖機」という）を促進
する操作が行われている。すなわち、エンジン冷間時に
はエンジンでの燃焼を安定させるため、燃料が増量さ
れ、エンジン排気は理論空燃比よりもリッチ（燃料過
剰）に保持されているが、排気空燃比がリッチ条件であ
ると排気中の酸素濃度が低く三元触媒でのＨＣ、ＣＯの
酸化反応が低下して反応熱による触媒暖機が充分に行わ
れなくなる。このため触媒上流に二次空気を導入して触
媒入口での排気空燃比（以下「二次空燃比」という）を
リーン（空気過剰）に保つことにより酸化反応を促進し
て触媒暖機時間の短縮を図っているのである。

【０００４】一方、暖機完了後においても減速運転時に
は排気系への二次空気の導入が行われる。通常、減速運
転初期にはフュエルカットが行われエンジンへの燃料供
給が停止されるため排気はリーンになる。しかし、エン
ジン回転数が所定値以下になりエンジンへの燃料供給を
再開する際には燃焼を安定させるため燃料の増量が行な
われ排気はリッチ側に移行する。このため減速時のＨ
Ｃ、ＣＯ成分の転化のため二次空気の導入が必要とな
る。

【０００５】しかし、前述の触媒暖機のための二次空燃
比は触媒暖機を最短時間で行うことを目的として設定さ
れるため、暖機後減速時の二次空燃比を冷間時の二次空
燃比と同一になるように制御したのでは二次空燃比がリ
ーンになり過ぎて触媒の還元反応が低下してしまいＮＯ
ｘの転化率が低下する問題が生じる。この問題を解決す
るため、エアポンプを用いて排気系に二次空気を供給す
る際に、冷間時にはエアポンプを高回転駆動すると共
に、暖機後の減速運転時にはエアポンプを低回転駆動す
るようにして二次空気量を低下させるようにした排気浄
化装置が提案されている（トヨタ技術公開集第３８５７
号、１９９０年９月２７日発行）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】エンジン冷間時の排気
二次空燃比は触媒暖機を最短時間で行うために理論空燃
比よりリーン側に設定する必要があるが、実験の結果、
この二次空燃比には最適値があり、二次空燃比が最適値
よりリッチ側でもリーン側でも触媒暖機に要する時間が
増大することが判明している。二次空燃比が最適値より
リッチである場合には触媒での酸化反応の低下により発
生する熱量が減少して触媒暖機に長時間を要し、一方最
適空燃比よりリーンである場合には二次空気により触媒
が冷却されるため同様に触媒暖機に長時間を要するから
である。従って冷間時には二次空燃比を最適値に正確に
制御する必要がある。

【０００７】また、暖機後の減速時においても排気二次
空燃比には上記と異なる値の最適値がある。暖機後減速
時の二次空燃比は前述の理由からＮＯｘ排出量の増大を
防止するために冷間時の最適空燃比よりリッチ側に設定
する必要があるが、同時に以下の理由から理論空燃比よ
りリーン側とする必要がある。

【０００８】すなわち、触媒には、リーン条件下で酸素
を吸収し、リッチ条件下で酸素を放出することにより空
燃比の変動幅を低減して三成分の浄化効率を向上させる
目的で希土類酸化物等の酸素貯蔵成分が添加されてい
る。減速後車両を停止してそのままアイドル運転に移行
する場合や減速後再加速に移る場合には二次空気の供給
は停止されるため、上記の酸素貯蔵成分に充分な量の酸
素が貯蔵されていないと、アイドル時にいわゆる触媒臭
が発生したり、加速時に一時的にＨＣ、ＣＯ成分等が増
大する場合がある。従って、暖機後の減速時には予め上
記酸素貯蔵成分に充分な量の酸素を吸収させるために排
気二次空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定する必要
があるからである。

【０００９】上記のように、エンジン冷間時と暖機後減
速時とでは排気二次空燃比をそれぞれ異なる最適値に正
確に制御する必要がある。しかし、前述の従来技術のよ
うにエアポンプの駆動回転数を切換えて二次空気量を変
化させただけでは、エンジン冷間時と暖機後減速時とで
それぞれ最適な空燃比を得ることはできず触媒暖機時間
の増大やエミッション悪化等の問題を生じる恐れがあ
る。

【００１０】本発明は上記問題に鑑み、エンジン冷間時
と暖機後減速運転時の二次空燃比をそれぞれ最適化する
ことにより、排気浄化装置の触媒暖機時間の短縮と排気
浄化性能の向上とを図ることを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、エンジ
ンの排気通路に配置した触媒コンバータと、エンジン冷
間時と暖機後減速運転時とに前記触媒コンバータの上流
側排気通路に二次空気を供給する空気供給手段とを備え
た排気浄化装置において、前記触媒コンバータ入口での
排気空燃比がエンジン冷間時には理論空燃比よりリーン
である第一の所定値に、また暖機後の減速運転時には前
記第一の所定値よりリッチでかつ理論空燃比よりリーン
である第二の所定値になるように前記空気供給手段から
の二次空気供給量を制御する制御手段を備えたことを特
徴とするエンジンの排気浄化装置が提供される。

【００１２】

【作用】排気空燃比は、エンジン冷間時には理論空燃比
よりリーン側の第一の所定値に保たれ、触媒暖機時間が
短縮されると共に、暖機後減速時には前記第一の所定値
よりリッチでかつ理論空燃比よりリーンである第二の所
定値に保たれるため、ＮＯｘの排出量増大を防止しなが
ら触媒の酸素貯蔵効果を最大限に発揮させることができ
る。

【００１３】

【実施例】図１に本発明の排気浄化装置の一実施例構成
を示す、図において１１はエンジン、１はエンジンの吸
気通路入口に配置したエアフロメータ、２はエンジン１
１の燃焼室に燃料を供給する燃料噴射弁を示す。エンジ
ン１１の排気管１３には三元触媒を充填した触媒コンバ
ータ１４が設けられている。また排気管１３のコンバー
タ１４の上流側と下流側にはそれぞれＯ₂ センサ１５，
１６が設けられている。Ｏ₂ センサ１５，１６は排気中
の酸素成分濃度を検出し、排気空燃比が理論空燃比に対
してリーン側かリッチ側かに応じて異なる出力電圧を発
生する。Ｏ₂ センサ１５，１６はエンジン暖機後に空燃
比を理論空燃比近傍にフィードバック制御するために使
用される他、本実施例では後述のように触媒コンバータ
１４の触媒劣化を検出するために用いられる。

【００１４】エンジン排気管１３のコンバータ１４上流
側には排気逆流を防止する逆止弁３と、電磁弁から成る
遮断弁４とを介して電動エアポンプ５の吐出管が接続さ
れており、エアクリーナ６を介して吸入した空気を二次
空気として排気管に注入するようになっている。エアポ
ンプ５の吐出口と吸入口とにはそれぞれ圧力センサ９，
１０が設けられており、エアポンプ５の吸入圧と吐出圧
とに応じた電圧を発生している。

【００１５】図に８で示すのは本発明の二次空燃比制御
を行う電子制御装置（ＥＣＵ）である。ＥＣＵ８は公知
の形式のデイジタルコンピュータであり、本発明の二次
空燃比制御の他、エンジン燃料噴射量制御や点火時期制
御等の基本制御を行っている。上記制御を行うためＥＣ
Ｕ８にはエアフロメータ１からエンジン吸入空気量に応
じた電圧信号が、図示しない回転数センサからエンジン
回転数信号が、また、エアポンプ５の吐出口と吸入口と
に配置した圧力センサ９，１０からエアポンプ吐出圧と
吸入圧とに応じた電圧信号がそれぞれ入力されている
他、Ｏ₂ センサ１５，１６の出力信号が入力されてい
る。

【００１６】また、ＥＣＵ８の出力ポートは図示しない
エアポンプ５の駆動回路を介してエアポンプ５に接続さ
れ、エアポンプ５のモータの駆動電圧を制御すると共に
遮断弁４に接続されて遮断弁４の開閉制御を行ってい
る。またＥＣＵ８はエンジン１１の燃料噴射弁２に接続
され、エアフロメータ１の吸入空気量信号と、エンジン
回転数センサの回転数信号とに応じて燃料噴射弁２の開
弁時間（噴射時間）を制御する公知の燃料噴射量制御を
行っている。

【００１７】本実施例ではＥＣＵ８は排気二次空燃比を
以下の式を用いて算出する。： 二次空燃比＝（エンジン吸入空気量＋二次空気量）／燃
料供給量ここでエンジン吸入空気量はエアフロメータ１
の出力から、燃料供給量は燃料噴射弁２の噴射時間の積
算から求めることができる。従って二次空燃比を所定値
に設定するために必要な二次空気量は上式から算出する
ことができる。

【００１８】二次空気量の調節はエアポンプ５の吐出圧
力と吸入圧力との差に応じてエアポンプの電動モータに
印加する電圧を変えることにより行う。図２はエアポン
プ５の差圧（吐出圧力−吸入圧力）と印加電圧に対する
ポンプ吐出流量特性を示す。図に示すようにポンプ吐出
流量は印加電圧が一定であればポンプ差圧が小さい程、
またポンプ差圧が一定であれば印加電圧が大きい程増加
する。

【００１９】ＥＣＵ８は図２の特性をマップとしてＲＯ
Ｍ（リードオンリメモリ）に記憶しており、エアポンプ
５の吐出口と吸入口とに設けた圧力センサ９，１０の出
力の差からエアポンプの差圧を求め、上記マップからそ
の差圧条件で所要二次空気量を得るのに必要な印加電圧
を読みとり、エアポンプ５の印加電圧を制御することに
より二次空燃比を所定値に制御している。

【００２０】次にエンジン冷間時と暖機後減速時の二次
空燃比最適値について説明する。図３はエンジン冷間始
動後の排気二次空燃比と触媒が活性温度に到達するまで
の時間（触媒暖機時間）との関係を実験結果に基づいて
示した図である。触媒暖機時間は図に示すように理論空
燃比よりリーン側の空燃比で最短となり、この空燃比か
ら外れる程増加することが判明している。触媒暖機時間
を最短にする二次空燃比は理論空燃比を１４．７とした
場合例えば１５〜１８程度のリーン空燃比となるがこの
最適空燃比は触媒の種類などによっても変わる他、同一
の触媒についても触媒の劣化により経年変化する。

【００２１】図４は触媒劣化の程度と触媒暖機時の最適
空燃比との関係の一例を示した図で、図３と同様実験結
果から求めたものである。図４に示すように最適空燃比
は触媒の劣化が進むにつれてリーン側に移行して行くこ
とがわかる。次に図５は、暖機後減速時の二次空燃比と
触媒出口での排気中のＨＣ、ＣＯ成分とＮＯｘ成分濃度
との関係を示している。前述のように減速時のＨＣ、Ｃ
Ｏ排出量低減と触媒の酸素貯蔵量増大のためには減速時
の排気二次空燃比は理論空燃比よりリーンである必要が
あるが、リーン過ぎるとＮＯｘの排出量が増大してしま
う。従って減速時の二次空燃比は理論空燃比よりリーン
側であり、しかもＮＯｘの排出量が増大しない値に設定
する必要がある。この最適値は実験的に求められるが図
５にＩで示すように冷間時の最適空燃比（図５、II）よ
りリッチ側であり、触媒の劣化によっては大きな影響を
受けないことが判明している。

【００２２】本実施例ではＥＣＵ８はエンジン冷間時と
暖機後減速時とでそれぞれ異なる最適二次空燃比を達成
するように二次空気量を調節している他、触媒の劣化を
検出してエンジン冷間時には触媒の劣化の度合に応じて
最適二次空燃比を変更している。すなわち、ＥＣＵ８は
ＲＯＭに図４の触媒劣化特性をマップとして記憶してお
り検出した触媒劣化度合に応じて冷間時の最適空燃比を
設定する。

【００２３】触媒の劣化度合の検出はエンジンの空燃比
フィードバック制御中に、触媒コンバータ１４の入口と
出口に配置したＯ₂ センサ１５，１６の出力を比較し
て、特開昭６１−２８６５５０号に開示された方法で行
う。すなわち、エンジンの空燃比フィードバック制御中
は排気空燃比は理論空燃比を中心にリッチ側とリーン側
に周期的に変動しており、触媒入口側のＯ₂ センサ１５
の出力も図６（ａ）に示すように理論空燃比を中心にリ
ッチ出力とリーン出力との間を周期的に変動している。

【００２４】しかし、触媒出口側のＯ₂ センサ１６の出
力は入口側のような変動は示さず、図６（ｂ）に示すよ
うに略理論空燃比付近に保持される。これは触媒には前
述の酸素貯蔵能力が付与されており、触媒入口での空燃
比がリッチ側に変動した場合には触媒に吸収された酸素
を放出し、リーン側に変動した場合には余剰酸素を吸収
する作用を行い、入口側で空燃比の変動があっても出口
側では空燃比は略一定に保持されるためである。

【００２５】しかし、触媒が劣化してくると、上記酸素
貯蔵能力も低下して、触媒に吸収（貯蔵）できる酸素量
が低下する。このため触媒劣化時には出口側Ｏ₂ センサ
の出力は図６（ｃ）に示すような変動を行う。すなわ
ち、空燃比がリーン側に変動を開始すると図６（ｃ）区
間Ｉに示すように変動開始後或る時間までは触媒で酸素
の吸収が行われるため出口側での空燃比は理論空燃比付
近に保持されるが、触媒での酸素貯蔵能力が低下してい
るため区間Ｉの終期では触媒の酸素吸収能力が飽和して
しまいこれ以上酸素を吸収できなくなる。従ってこの後
は触媒出口での空燃比もリーン側に変動しＯ₂ センサ１
６の出口も図６（ｃ）区間IIに示すようにリーン側に振
れることになる。同様に入口側空燃比がリッチ側に変動
した場合も或る時間は触媒からの酸素放出により出口側
での空燃比は変動しないが（区間III)触媒に吸収した酸
素を放出した後は出口側空燃比はリッチ側に変動する
（区間IV）。

【００２６】触媒の劣化の度合が進むにつれて酸素貯蔵
能力が低下するため、出口側Ｏ₂ センサ１６がリーン又
はリッチ出力を示す時間（図６（ｃ）Ｔ₁ ）及び出力変
動幅（図６（ｃ）ΔＶ₁ ）は触媒の劣化と共に増大して
行く。従って上記Ｔ₁ 又はΔＶ₁ と入口側Ｏ₂ センサ１
５の出力周期（図６（ａ）Ｔ₀ ）又は変動幅（図６
（ａ）ΔＶ₀ ）との比Ｔ₁ ／Ｔ₀ 、ΔＶ₁ ／ΔＶ₀ を計
算することにより触媒劣化の度合を検出することができ
る。

【００２７】本実施例ではＥＣＵ８は二次空気供給を行
わない空燃比フィードバック制御中に上述の触媒劣化度
合を一定時間毎に検出しており、ＥＣＵ８のバックアッ
プＲＡＭに最新の値を常時記憶して本発明の二次空気量
制御や他の制御に使用している。図７と図８はＥＣＵ８
による二次空気量制御動作を示すフローチャートであ
る。

【００２８】図７は冷間時最適空燃比算出ルーチンを示
す。本ルーチンはＥＣＵ８により触媒劣化検出と同時に
行われる、図７においてステップ７１０ではＥＣＵ８の
バックアップＲＡＭに記憶された触媒の劣化度合が読み
出され、ステップ７２０で図４のマップから触媒劣化度
合に応じた冷間時最適空燃比が決定される。次いでステ
ップ７３０で決定した冷間時最適空燃比をＥＣＵ８のバ
ックアップＲＡＭに記憶してルーチンを終わる。本ルー
チンによりＥＣＵ８のバックアップＲＡＭには常時触媒
の劣化度合に応じた最新の冷間時最適空燃比が保持され
る。

【００２９】次に図８は二次空気量制御ルーチンを示
す。本ルーチンは運転条件に応じて二次空気量を変更す
るため一定時間毎（例えば４ミリ秒毎）又は一定クラン
ク回転角毎（例えば１８０度毎）にＥＣＵ８により実行
される。図８においてルーチンがスタートするとステッ
プ８１０ではエンジン冷間時か否かの判定が行われる。
この判定は例えばエンジン冷却水温度が所定値以下か否
かにより行われ、冷間時と判断された場合にはステップ
８２０に進み、バックアップＲＡＭから図７で算出した
冷間時最適空燃比を読出し、二次空燃比の設定値として
セットする。ステップ８１０でエンジン冷間時でないと
判定された場合はステップ８３０に進み、暖機後減速運
転中か否かを判定する。減速運転中であった場合はステ
ップ８４０に進み、ＥＣＵ８のＲＯＭに記憶された暖機
後減速運転時の最適空燃比を二次空燃比の設定値として
セットする。また、ステップ８３０で減速運転中でない
と判断された場合にはステップ８５０でエアポンプをＯ
ＦＦにして遮断弁４を閉じてルーチンを終了する。ステ
ップ８６０は二次空燃比の設定値に基づく二次空気量の
算出を示す。二次空気量は前述のように（燃料量）・
（設定二次空燃比）−（エンジン吸入空気量）の形で計
算される。要求二次空気量が算出されるとステップ８７
０では圧力センサ９，１０の出力差からエアポンプ５の
差圧が算出され、ステップ８８０では図２のマップから
要求二次空気量とエアポンプ差圧を用いてエアポンプ５
の印加電圧が決定され、ステップ８９０でエアポンプの
駆動回路に決定した印加電圧値が出力される。

【００３０】上述のように本実施例では、エンジン冷間
時の最適空燃比は触媒の劣化度合に応じて決定されると
共に、冷間時及び暖機後減速時それぞれの場合に応じて
排気二次空燃比が最適値になるように二次空気量が正確
に制御される。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、エンジン冷間時と暖機
後減速時それぞれの場合に二次空燃比が最適な値に保た
れるため触媒暖機時間の短縮と暖機後の排気性状の改善
とを同時に達成できる。また、二次空気量は最適二次空
燃比を達成するために必要な量だけが供給されるため、
エアポンプが必要以上に作動することがなくエアポンプ
駆動電力の低減と耐久性の向上、更には作動騒音の低減
を図ることができる。

【図画の簡単な説明】

【図１】本発明の排気浄化装置の一実施例構成を示す略
示図である。

【図２】エアポンプの流量特性の一例を示す図である。

【図３】エンジン冷間時の二次空燃比の最適値を説明す
る図である。

【図４】エンジン冷間時の最適二次空燃比と触媒劣化と
の関係を説明する図である。

【図５】暖機後減速運転時の最適二次空燃比を説明する
図である。

【図６】触媒劣化度合の検出方法を説明する図である。

【図７】エンジン冷間時の最適二次空燃比算出動作を示
すフローチャートである。

【図８】二次空気量制御動作を示すフローチャートであ
る。

【符号の説明】

２…燃料噴射弁 ５…電動エアポンプ ８…電子制御装置（ＥＣＵ） ９，１０…圧力センサ １１…エンジン １３…排気管 １４…触媒コンバータ １５，１６…Ｏ₂ センサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジンの排気通路に配置した触媒コンバ
   ータと、エンジン冷間時と暖機後減速運転時とに前記触
   媒コンバータの上流側排気通路に二次空気を供給する空
   気供給手段とを備えた排気浄化装置において、前記触媒
   コンバータ入口での排気空燃比がエンジン冷間時には理
   論空燃比よりリーンである第一の所定値に、また暖機後
   の減速運転時には前記第一の所定値よりリッチでかつ理
   論空燃比よりリーンである第二の所定値になるように前
   記空気供給手段からの二次空気供給量を制御する制御手
   段を備えたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。