JPS5810134A - 火花点火式エンジンの運転制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、火花点火式エンジンの運転制御方法に係り、
′更に詳細にはエンジン排気系にＮＯｘを還元する三元
触媒コンバータの如き触媒コンバータを備えた火花点火
式エンジンに於て、エンジンより三元触媒コンバータを
経て大気中へ放出される排気ガス中のＮＯ’χ濃度を所
定の許容値以下に保ちつつエンジンを経済運転−する運
転制御方法に係る。

エンジンより排出される排気ガス中のＮＯｘを触媒の還
元゛作用によりＮＯｘを無害成分に還元する手段が知ら
れており、これを実施するＩＩｍとして還元触媒を含む
三元触媒コンバータが知られている。

触媒によるＮＯｘの還元は、酸素を含まない還元雰囲気
中に於てのみ・行われ、このため触媒により排気ガス中
のＮＯｘを還元するためには、排気ガス中に酸素がない
こと、即ち排気ガスの空気過剰率が１以下であることを
要求され、この要求を満すためには理論空燃比或はそれ
より小さい空燃比の混合気がエンジンへ供給される必要
がある。

エンジン排気系に三元触車コンバータを備えたエンジン
に於ては、三元触媒コンバータがＨＧ。

ＣＯを酸化し、ＮＯｘを還元してこれら三成分を同時に
浄化すべく作動するよう、排気ガスの酸素製置をＯ！セ
センの如き酸素センサにより検出してエンジンへ供給す
る混合気の空燃比を理論空燃比にフィードバック制御す
ることが行われている。

上述の如きエンジンに於ては、理論空燃比の混合気が供
給されれば、触媒コンバータが有効に作動することによ
り大気中へ放出される排気ガス中のＮｏχ濃醒を所定の
許容値以下に維持することができる。

ところで、エンジンの燃料経済性はエンジンが理論空燃
比の混合気にて運転されたとき最良であるかと云うとそ
うではなく、一般的な実用火花点火式エンジンに於ては
１７〜１９といった理論空燃比より相当大きい空燃比（
Ｉｔ済空懲比）の混合気にてエンジンが運転されたとき
最良になる。従うて、火花点火式エンジンを最も経済運
転するには空燃比が１７〜１９１度の希薄間合気をエン
ジンへ供給すればよいが、しかし、このように理論空燃
比より大きい空燃比の混合気によってエンジンが運転さ
れると、排気ガスの空気過剰率が１以上になり、触媒コ
ンバータがＮＯｘを還元しなくなり、大気中へ放出され
る排気ガス中のＮＯｘ濃度が増大する。このＮＯｘ濃度
は理論空燃比より少し小さい空燃比にて最大になり、そ
れより更に空燃比が小さくなるに従って低下し、またエ
ンジン負荷の低下に伴い低下し、成る負荷運転域に於て
は上述の如き経済空燃比付近の空燃比にてエンジンが運
転されても前記ＮＯｘ濃度が前記許容−以下になる。

また火花点火式エンジンの燃料経済性は、エンジンのＩ
ＩＩ競安定性を大きく損わないＥＧＲ率にて排気ガス再
循環が実行されれば、エンジンのポンプ損失の低減や比
熱比の増大等により向上することが既に明らかにされて
いる。

本発明は火花点火式エンジンに於ける上述の如き燃料経
済特性に着目し、大気中へ放出される排気ガス中のＮＯ
ｘ濃度を所定の許容値以下に報持つつ優れた燃料［１ｉ
性にて火花点火式エンジンを運転する運転制御方法を提
供することを目的としている。

かかる目的は、本発明によれば、エンジン排気系にＮＯ
ｘを還元する触媒コンバータを備えた火花点火式エンジ
ンの運転制御方法に於て、排気ガス再循環を実行すつつ
実質的に理論空燃比である第一の空燃比の混合気により
運転された時の燃費率が、理論空燃比より大きくしかも
エンジンより排出される排気ガス中のＮＯｘ濃度が所定
の許容値以下になる第二の空燃比の混合気によりエンジ
ンが運転された時の燃費率より小さくなる運転域に毅τ
は排気ガス再循環を実行してエンジンへ前記第一の空燃
比の混合気を供給し、これ以外の運転域に於てはエンジ
ンへ前記第二の空燃比の混合気を供給せしめることを特
徴とする火花点火式エンジンの運転′制御方法によって
達成される。

上述の如くエンジンへ供給する混合気の空燃比が制−さ
れ、また排気ガス再循環が実行されることにより、大気
中へ放出される排気ガス中のＮＯｘ濃度を所定の許容値
以下に保ちつつエンジンが常に理論空燃比の混合気にて
運転されている時に５− 比してエンジンを経貴運転することができる。

前記第一の空燃比の混合気によりエンジンが運転された
時の燃費率が前記第二の空燃比の混合気によりエンジン
が運転された時の燃費率より小さくなる運転域はＮＯｘ
濃度の許容値は勿論のことエンジン自体の燃費特性、Ｎ
ｏχ排出特性等によって異なり、適用エンジンとＮＯｘ
濃度の許容値が決定されれば、それは実験により見出す
ことができ、従りて本発明方法の実施に際しては、その
実験により見出された運転域に従って空燃比及び排気ガ
ス再循環の制御が行われればよい。一般に前記第一の空
燃比の混合気によりエンジンが運転されだ時の燃費率が
前記第二の空燃比の混合気に壱りエンジンが運転搏れた
時の、燃費率より小さくなる運転域は中凸至高負荷運転
域であり、従って、中７！１！！幽負荷運転域に於ては
エンジンへ前記第一の空燃比の混合気を供給してしかも
排気ガス再循環を実行し、低負荷運転域に於ては前記第
二の空燃比の混合気をエンジンへ供給せしめればよい。

以下に添付の図を参照して本発明を一寅論例につ６一 いて詳細に説明する。

第１＠Ｉは本発明による運転制御方法が実施されて好適
な火花点火式エンジンの一つの実論例を示す概略構成図
である。図に於て、１は火花点火式エンジンを示してお
り、該火花森火式エンジンは気化器２、吸気マニホール
ド３を経て燃料と空気との混合気を吸入し、排気マニホ
ールド４、三元触媒コンバータ５を経て排気ガスを大気
中へ放出する。気化器２はフロート室６、ベンチュリ７
、ｍｓノズル８、スロットルバルブ９等を備えたそれ自
身周知のものであり、゛理論空燃比より小さい空燃比の
混合気を作るよう調節されている。

１０は排気ガス再循環制御装置を示しており、この排気
ガス再循環ｗ４１１１１１＠置は、排気マニホールド４
を流れる排気ガスの一部を吸気マニホールド３へ導く導
管１１と、談導管１１を流れる排気ガスの流量を制御す
る排気ガス可働ＩＩＩ制御弁１２とを含んでいる。排気
ガス再循環ｌｌｌ１Ｉ弁１２はそのダイヤフラム室１３
に導入される負圧の増大に応じて弁要素１４を持上げて
開弁量を増大するそれ自身周知のものであり、ダイヤフ
ラム室１３には吸気管負圧取出ボート１５に現われる吸
気管負圧が導管１６を経て負圧講整弁１７によって排気
ガス圧力に応じて調節されつつ導入されるようになって
いる。吸気管負圧取出ボート１５は、図示されている如
く、スロットルバルブ９がアイドリング位置にある時に
はそれの上流側に位置し、スロットルバルブ９が所定開
度以上開かれた時それの下流側に位置するように設けら
れている。

１８はエンジン１に供給される混合気の空燃比を制御す
るための追加空気供給装置であり、この追加空気供給装
置は気化器２の空気入日部を排気ガス再循環制御弁１２
より下流側の導管１１に接続する追加空気導！１９と、
該＊＊を流れる追加空気の、流量をｔＩ４Ｉｌする空気
ｗ４御井２０とを有しているね。空気制御弁２０は弁要
素２１と該弁要素を駆動する電磁コイル２２とを含む電
磁式のものであり、電磁コイル２２に対する通電は制御
１１＠２３により、て行われるようになっている。制御
装置２３は排気マニホールド４に取付けられたＯ！セセ
ン２４が検出する排気ガス中の酸素濃′度に応じて電磁
コイル２２に対する通電を制御し、０！センサ２４が排
気ガス中に酸素を検出している時には弁ＩＩ素２１が閉
弁すべく電磁コイル２２に対する通電を制御し、これに
対しＯ！セセン２４が排気ガス中に酸素を検出していな
い時には弁要素２１が開弁すべく電磁コイル２２に通電
を行うようになっている。このように電磁コ、イル２？
！に対する通電がｍ−されて弁要ｌ１ｌＩ２１が開弁し
、エンジン吸気系に追加空気が供給されることによりエ
ンジン１に供給される混合気の空燃比は略理論空燃比に
フィードバック制御される。

また追加空気導管１９と導管１１とはバイパス導管２５
によりて空気制御弁２０をバイパスして接続されている
。バイパス導管２５の途中には開閉弁２６が設けられて
いる。ｌ！−弁２６はそのダイヤスラム室２７に所定値
以上の負圧が導入されている時には弁ｌ［衆２８が図示
されている如く左方へ移動することによりバイパス導管
２５の連通を連成し、ダイヤフラム室２７に前記所定値
以上９− の負圧が導入されていない時には弁！！１１２８が右方
へ移動することによりバイパス導！Ｉ２５の連通を遮断
するようになっている。また開閉弁２６゛には１ｌｆ２
９によって導ｌ１１６に接続され、弁１１県２８がバイ
パス導管２５の連通を確立している時には導管１９．２
５．２９を軽て導！１６に大気圧を導入し、弁要素２８
がバイパス導管２５の連通を遮断している時はこれと同
時＆：導！２９を遮断するようになっている。ダイヤス
ラム室２７は導！３０を軽て吸気管負圧取出ポート１５
に接続されている。−閉弁２６は排気ガス再循環を実行
しつつ実質的＆：ｌ論空論比燃比る空燃比の混合気によ
りエンジン１が運転された時の燃費皐が理論空燃比より
大きく、シかもエンジン１より排出される排気ガス中の
Ｎ’Ｏχ濃度が所定の許容値以下になる比較的大きい空
燃比の混合気により工゛ンジン１が運転された時の燃費
牟より小さくなる運転域とその両燃費串の関係が逆転す
る運転域との遷移点に於て生じる吸気管負圧より大きい
負圧を導入されている時のみ開弁するように゛その作動
圧が。

１０− 予め設定されている。

開閉弁２６が開弁している時にバイパス導管２５を流れ
る追加空気のＩｌ＠は較り要ｌｌｌ３１によって定めら
れ、それは開閉弁２６が開弁している運転域に於て前記
ＮＯｘ濃度が所定の許容値以下になる空燃比、例えば１
８〜１９程度の空燃比にエンジン１へ供給される混合気
の空燃比を修正するに適当な流最に定められている。

アイドリング運転時には吸気管負圧取出ポート１５に略
大気圧が導入されるため、この時には開閉弁２６が閉弁
し、また排気′ガス再循環制御弁１２も閉弁している。

従ってこの時には排気ガス再循環は行われず、０！セン
サ２４が検出する排気ガス中の酸素濃度に基いて空気制
御弁２０が作動し、追加空気導管１９を流れる追加空気
の流最が制御されることにより、エンジン１にはｗｉ理
論空燃比の混合気が供給される。尚、アイドリング運転
時に理論空燃比より大きい空燃比の希薄混合気が供給さ
れても所要の安定ｍ＊性が得られるエンジンであれば、
この時にも制御弁２６を開弁し、バイパス導管２５を経
て追加空気をエンジン吸気系へ供給することによりエン
ジン１に希薄混合気が供給されるよう構成されていても
よい。この場合には常にスロットルバルブ９の下流側に
位置すべく設けられた吸気管負圧取出ポートに現われる
負圧に応じて開閉弁２６が作動するよう構成されていれ
ばよい。アイドリンク運転時にエンジン１に希薄混合気
が供給されれば、三元触媒コンバータ５は排気ガス中の
ＮＯｘの還元を行わなくなるが、アイドリンク運転時に
はエンジン１が発生するＮＯｘが微少であり、これは所
定の許容値より遥かに少なく、ＮＯｘ上の問題を生じる
ことはない。

スロットルバルブ９が吸気管負圧取出ポート１５を越え
て開かれ、エンジン１が低負荷運転されると、吸気管負
圧取出ポート１５に比較的大きい負圧が導入される。こ
れにより■閉弁２６が開弁しバイパスＩＩ’２５の連通
が確立される。従ってこの時には絞り要素３１によって
流最を調整されつつバイパス導管２５を経て追加空気が
エンジン吸気系へ供給され、エンジン１には理論空燃比
より大きく、しかもエンジン１より排出される排気ガス
中のＮＯｘ濃度が所定の許容値以下になる比較的大きい
空燃比の希薄混合気が供給される。尚、この時には導！
２９がバイパス導管２５に接続され、これより大気圧が
導入されることにより排気ガス再循環制御弁１２は閉弁
し続け、排気ガス再循環は実行されない。

スロットルバルブ９の開度が増大し、それに伴いエンジ
ン負荷が増大すると、吸気管負圧取出ポート１５に現わ
れる吸気管負圧は減少し、前記遷移点に於て吸気管負圧
取出ポート１５に現われる負圧は開閉弁２６の設定圧よ
り小さくなり、開閉弁２６は開弁する。この時には追加
空気導！１９を経て追加空気が空気制御弁２０によりそ
の流最を調整されつつエンジン吸気系へ導入されること
←より、エンジン１には略理論空燃比の混合気が供給さ
れるようになる。又この時には吸気管負圧取出ポート１
５に現われる負圧が排気ガス再循環制御弁１２のダイヤ
フラム室１３に導入され、排１３− 気ガス再循環制御弁１２が開弁し、排気ガス再循環が実
行される。この時には三元触媒コンバータ５を通過する
排気ガスの空気過剰率が略１になることにより三元触媒
コンバータ５はＨＣｌＧｏを酸化し又これと同時にＮＯ
ｘを還元する。このようにエンジンより排出された排気
ガス中のＮＯｘが三元触媒コンバータ５により還元され
ることにより大気中へ放出される排気ガス中のＮＯｘ濃
度は所定の許容値以下になる。

第２図は一般的な自動車用火花点火式エンジンに於ける
空燃比に対する燃費率特性及び三元触媒コンバータ通過
後の排気ガス中のＮＯｘ濃度特性を示している。このグ
ラフに於て、Ｆ　ｔ　”−Ｆｓは各々燃費率、を、Ｎ　
ｔ　”−Ｎ　４は各々ＮＯｘ濃度を示している。Ｆｌは
高負荷運転時に於ける燃費率な、又Ｎｔはその時のＮＯ
ｘ濃度を、Ｆ！はＦｔにて示された燃費率に於けるエン
ジン負荷と同じ高負荷運転時にて排気ガス再循環が実行
された時の燃費率を、又Ｎ冨はその時のＮＯｘ濃度を、
Ｆ書は成る低負萄運転時に於ける燃費率を、又Ｎ・はそ
１４− の時のＮＯｘ濃度を、Ｆ４はＦｓにて示された燃費率に
於けるエンジン負荷とｌｌｉ！ｌＵ低負荷運転時にて排
気ガス再循環が実行された時の燃費率を、又Ｎ４はその
時のＮＯｘｌＩ痕を示している。Ｎ１及びＮ！で示され
ている如き高角萄運転域に於て、Ｎ０１ｍｍが所定の許
容値以下になる空燃比は三元触媒コンバータがＮＯｘの
還元作用を行う理論空燃比及びそれ以下の空燃比とエン
ジンより排出される排気ガス中のＮＯχ濃陵自体が前記
許容値以下になる空燃比、このグラフに於ては２１であ
る。空燃比２１の混合気にてエンジン１が運転された時
の燃費率はＢａである。これに対しエンジン１に供給さ
れる混合気の空燃比が理論空燃比で排気ガス再循環が実
行されない時の燃費率は前記９ａより小さいＢｂであり
、更に′エンジン１に供給される空燃比が理論空燃比で
しかも排気ガス再循環が実行された時の燃費率は前記Ｂ
ｂより更に小さい９ｃである。従ってこの負荷運転に於
て、大気中へ放出されるＮＯｘ濃度を許容値以下に保つ
た上で燃費率を最小にして燃料経済性をよくするには、
エンジン１は排気ガス再循環を実行され、実質的に理論
空燃比の空燃比で運転された時であり、本発明による運
転制御方法によれば、この負荷運転域に於てはエンジン
１に略瑠論空燃比の混合気が供給され、しかも排気ガス
再循環が実行される。Ｎ６及びＮ４で示されている如き
低負荷運転域に於て、ＮＯｘ濃度が前記許容値以下にな
る空燃比は理論空燃比と１８．５程度の空燃比の時であ
り、空燃比が１８．５の時に於ける燃費率はＢｄであり
、これに対しエンジンに理論空燃比の混合気が供給され
、しかも排気ガス再循環が実行された時に於ける燃費率
はＢｅであり、ａｄ　＆ｔ８ｅより小さい。従ってこの
運転域に於てＮＯｘ濃度を許容値以下に保ちつつエンジ
ン１を経済゛運転するには理論空燃比より大きい１８．
５程度の空燃比にて運転されればよく、本発明による運
転制御方法によれば、この負荷運転域に於てはエンジン
１に１８．５程度の空燃比の混合気が供給される。

上述した実施例に於ては、エンジンに供給される混合気
の空燃比の制御がエンジン吸気系へ供給する追加空気の
流量により行われたが、本発明はこれに限定されるもの
ではなく、空燃比制御は気化器方式のエンジンであれば
、これ以外に気化器のエアブリード＠−１燃料流量制−
により行われてもよく、また電子制御式燃料噴射式のエ
ンジンに於てはその燃料噴射量により行われてよい。

以上に於ては、本発明を特定の実施例について詳細に説
明だが、本発明はこれに限定されるものではなく本発明
の範囲内にて種々の実施例が可能であることは当業者に
とって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による運転制御方法が実施されて好適な
火花点火式エンジンの一つの実施例を示す概略構成図、
１２図は空燃比に対する燃費率特性及びＮＯｘ濃度特性
を示すグラフである。 １・・・エンジン、２・・・気化器、３・・・吸気マニ
ホールド、４・・・排気マニホールド、５・・・三元触
媒コンバータ、６・・・フロート室、７・・・ベンチュ
リ、８・・・燃料ノズル、９・・・スロットルバルブ、
１０・・・排気１７− ガス再循環制御装置、１１・・・導管、１２−・・排気
ガス再循環制御弁、１３・・・ダイヤフラム室、１４・
・・弁要素、１５・・・吸気管負圧取出ポート、１６・
・・導管、１７・・・負圧調整弁、１８・・・追加空気
供給装置。 １９・・・追加空気導管、２０−・・空気＠御弁、２１
・・・弁要素、２２−・・電磁コイル、２３・・・制御
装置、２４・・・０！センサ、２５・・・バイパス導管
、２６・・・開閉弁、２７−・・ダイヤフラム室、２８
・・・弁要素、２９．３０・・・導管、３１・・・絞り
要素特許出願人　　　　　トヨタ自＊＊工業株式会社代
　　理　　人　　　　　　　　弁理士　　　明　　石　
　昌　　毅１８−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. エンジン排気系にＮＯｘを還元する触媒コンバータを備
   えた火花点火式エンジンの運転制御方法に於τ、排気ガ
   ス再循環を実行しつつ実質的に理論空燃比である第一の
   空燃比の混合気により運転された時の燃費率が、理論空
   燃比より大きくしかもエンジンより排出される排気ガス
   中のＮＯｘ濃度が所定の許容値以下になる第二の空燃比
   の混合気によりエンジンが運転さ社た時の燃費率より小
   さくなる運転域に於ては排気ガス再循環を実行してエン
   ジンへ前記第一の空燃比の混合気を供給し、これ以外の
   運転域に於てはエンジンへ前記第二の空燃比の混合気を
   供給せしめることを特許とする火花点火式エンジンの運
   転−′御方法。