JPS5924247B2

JPS5924247B2 - 内燃機関の排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JPS5924247B2
Application number: JP52008892A
Authority: JP
Inventors: 隆道中瀬; 正服部; 準一郎内藤; 憲司近藤
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1977-01-28
Filing date: 1977-01-28
Publication date: 1984-06-08
Also published as: DE2802429A1; JPS5393219A; DE2802429C2; US4216653A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関し、より詳
細には三元触媒への排気ガスを二次空気によシパルス状
波に供給するとともに平均排気空燃比が最適浄化条件に
なるようにした排気ガス浄化装置に関する。

一般に、排気ガス反応器の有害成分浄化率と排気空燃比
（機関吸入空気量と二次空気量の和に対する燃料供給量
の重量比）とは密接した関係にある。

例えば、同一触媒層を触媒として排気ガス中のＣｏ、Ｈ
Ｃを酸化すると共にＮＯｘを還元してこれらの有害成分
を浄化する三元触媒を用いた場合、この三元触媒は排気
空燃比に対して第１図に示すような浄化特性を示す。

従って、このような排気ガス反応器としての三元触媒を
高効率で作用させるためには排気空燃比を第１図に示す
狭い斜線領域内に維持する必要力粉。

このだめに、排気空燃比と密接した関係にある排気ガス
中の酸素濃度を空燃比センサによって検知し、これによ
り排気系へ供給する二次空気を連続的かつ一定スピード
で制御して排気空燃比を一定に維持する装置が提案され
ている。

−しかしながら、このような制御装置では、空燃比を狭
い範囲内で一定に制御しなければならないため、構成が
複雑となシ、システムの自由度も小さいという欠点を有
する。

そこで本発明は、触媒床内での酸素０□の吸脱着作用に
着目して二次空気を供給することにより、排気空燃比を
理論空燃比を中心として所定値以上変動させ理論空燃比
よりも大きい空燃比の排気ガスと理論空燃比よりも小さ
い空燃比の排気ガスとを交互に三元触媒に供給し、排気
空燃比の大きい酸化雰囲気ではミクロな意味で触媒内に
酸素０２を吸着させることによシ触媒表面を還元雰囲気
となしてＮＯＸ浄化性能を向上させ、排気ガス空燃比の
小さい還元雰囲気では吸着されていた０２とＣＯ，Ｈ
Ｃとの酸化反応を生じさせてｃｏ、Ｈｃの浄化性能を向
上させ、これによって高浄化率領域を広げてシステムの
自由度を大きくすることを目的とする。

以下本発明を図に示す実施例について説明する。

全体構成を示す第２図において、空燃機関１は、通常の
４サイクルレシプロ機関であって気化器２で生成される
混合気が吸気マニホールド３を介して供給される。

そして、燃焼後の排気ガスは、排気マニホールド４、排
気管５に排出され、三元触媒６でＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ
等の有害成分が浄化された後大気に放出される。

気化器２は、ベンチュリ７、スロットル弁８を有する通
常のもので、理論空燃比より濃い混合気を生成するよう
調整されている。

排気管５で三元触媒６側に設けられた空燃比センサ１０
は、排気ガス成分、特に酸化濃度を検出しこれと密接し
た関係にある排気空燃比に応じて電気信号を出力するも
ので、ジルコニアｚｒＯ２等の酸素イオン導電性の固体
電解質やチタニアＴｉＯ２等の半導電性金属酸化物を主
成分とする検出素子を適用したものである。

ここで、例えばジルコニアを用いると、排気空燃比が理
論空燃比より濃い場合１０００ｍＶ〜８００ｍＶの
起電力を発生し、逆に空燃比が理論空燃比よシ薄い場合
２００〜ＯｍＶの起電力を発生する。

回転速度センサ１１は、機関１のクランク軸の回転速度
に応じて電気信号を発生するもので、本実施例では回転
速度に応じた周波数のパルス信号を発生する点火用ディ
ストリビュータが用いられている。

ここで、回転速度は、制御系の遅れ時間に対して第３図
に示すような関数関係にあり、回転速度センサ１１は機
関１の動作特性センサをなしている。

二次空気供給装置１２は、エアポンプ１３、二次空気供
給管１４，１５、制御弁１６、逆止弁１７、二次空気噴
射ノズル１８、負圧伝達用の管１９、および電磁弁２０
から構成されている。

エアポンプ１３は、ベーン式あるいはダイヤフラム式の
もので、機関１によりＶベルトで駆動される。

そして、二次空気は、エアポンプ１３によってエアクリ
ーナから二次空気供給管１４、二次空気供給管１５、制
御弁１６、逆止弁１７を介して噴射ノズル１８へ圧送さ
れ、噴射ノズル１８から排気管５へ噴射される。

制御弁１６は、負圧により作動する通常のダイヤフラム
式のもので、圧力室１６ａに管１９を介して吸気負圧が
導びかれると吸気負圧の大きさに応じてニードル１６ｂ
が開いて二次空気を大気に逃し、圧力室１６ａに大気圧
が導びかれるとニードル１６ｂが閉じて二次空気を噴射
ノズル１８へ供給する。

電磁弁２０は、管１９に接続され圧力室１６ａへの吸気
負圧を制御するもので、閉じた状態で吸気負圧を圧力室
１６ａに導き、開いた状態で吸気負圧を大気へ逃がす。

こうして、電磁弁２０の開弁時には、二次空気は吸気負
圧、すなわち吸入空気量に応じて排気ガス中に供給され
、電磁弁２０の閉弁時には二次空気はほとんど供給が停
止される。

ここで、二次空気量は二次空気の供給により排気空燃比
が交互に犬、小に変動するように設定されている。

電子制御ユニット２２は、空燃比センサ１０および回転
速度センサ１１の出力信号を入力信号とし、これらの信
号によシ排気空燃比をフィードバック補正するように電
磁弁２０にデユーティ比、周波数の変化する信号を発し
、排気空燃比の平均値が最適浄化条件である理論空燃比
になるように電磁弁２００オン、オフを制御する。

なお、この電子制御ユニット２２は、機関１のイグニッ
ションキースイッチ２３を介してバッテリ等の直流電源
２４に接続されている。

次に第４図により電子制御ユニット２２を詳細に説明す
る。

電子制御ユニット２２は、比較回路２２ａ１第１積分回
路２２ｂ１変換回路２２ｃ１第２積分回路２２ｄ１パル
ス幅変調回路２２ｅおよび定電圧回路２２ｆから構成さ
れている。

比較回路２２ａは、空燃比センサ１０の出力信号と設定
値を比較し設定値以上かどうかを判別する回路で、入力
抵抗１０１、設定値に対応する電圧を出力する分圧抵抗
１０２，１０３およびコンパレータ１０４から構成され
ている。

そして、排気空燃比が設定空燃比より濃い（小さい）と
端子Ａの出力はルベルになり逆に排気空燃比が設定空燃
比より薄い（大きい）と端子Ａの出力は０レベルになる
。

第１積分回路２２ｂは、比較回路２２ａの出力信号が入
力され、これを積分して一定の時定数の積分信号を出力
する回路で、インバータ１０５、積分信号の時定数を設
定するだめの抵抗１０６゜１０７、コンデンサ１１２、
抵抗１０６，１０７の接続をオン、オフするアナログス
イッチ１０８゜１０９、演算増幅器１１３および積分信
号の作動中心点を決定するだめの分圧抵抗１１０，１１
１から構成されている。

ここで、本実施例では抵抗１０６＝抵抗１０７、抵抗１
１０−抵抗１１１となるようにそれぞれ抵抗値が設定さ
れている。

そして、比較回路２２ａの出力がルベルにあると、アナ
ログスイッチ１０８がオンしアナログスイッチ１０９が
オフして抵抗１０６、コンデンサ１１２の一定時定数で
演算増幅器１１３が作動し、端子Ｂの出力は下降する。

また、比較回路２２ａの出力が第５図の折線ＡＩ、
Ａ２で示すようにルベルからＯレベルに反転するとアナ
ログスイッチ１０９がオンしアナログスイッチ１０８が
オフして抵抗１０７、コンデンサ１１２の一定時定数で
演算増幅器１１３が作動し端子Ｂの出力は上昇する。

しかして、端子Ｂの出力は第３図折線Ｃ１、Ｂ２で示す
ように三角波となる。

変換回路２２ｃは、回転速度センサ１１からのパルス信
号が入力され、これに応じた周波数のパルス信号を発生
する回路で、抵抗１１４、１１５゜１１９、コンデン
サ１１６，１１７およびトランジスタ１１８からなる波
形整形回路と、バイナリ−カウンタからなる分周回路１
２０とから構成されている。

そして、回転速度センサ１１からの信号は、波形整形回
路で方形波のパルス信号に整形され、この方形波パルス
信号は分周回路１２０で所望の周波数に分周されかつデ
ユーティ化が５０チに調整される。

第２積分回路２２ｄは、第１積分回路２２ｂと同様の回
路で、変換回路２２ｃの出力信号が入力されこれを積分
して一定の時定数の積分信号を出力する回路であり、イ
ンバータ１２１、積分信号の時定数を設定するだめの抵
抗１２２，１２３、コンデンサ１２８、抵抗１２２，１
２３の接続をオン、オフするアナログスイッチ１２４，
１２５、演算増幅器１２９および積分信号の作動中心点
を決定するための分圧抵抗１２６，１２７から構成され
ている。

ここで、本実施例では抵抗１２２＝抵抗１２３、抵抗１
２６＝抵抗１２７となるようにそれぞれ抵抗値が設定さ
れている。

そして、変換回路２２ｃの出力がルベルにあると、アナ
ログスイッチ１２４がオンしアナログスイッチ１２５が
オフして抵抗１２２、コンデンサ１２８の一定時定数で
演算増幅器１２９が作動し、端子Ｃの出力は下降する。

また、変換回路２２ｃの出力がルベルからＯレベルに反
転すると、アナログスイッチ１２５がオンしアナログス
イッチ１２４がオフして抵抗１２３、コンデンサ１２８
の一定時定数で演算増幅器１２９が作動し、端子Ｃの出
力は上昇する。

しかして、端子Ｃの出力は第３図折線Ｃ１，Ｃ２で示す
ように周期の短い三角波となる。

つまり、端子Ｃからは期間１の動作特性の一つである回
転速度に応じて周波数および振幅が変化する三角波が出
力される。

パルス幅変調回路２２ｅは、第１．第２積分回路２２ｂ
、２２ｄからの出力信号をパルス変調臥その変調信号
によシミ磁弁２０のオン、オフを制御する回路で、入力
抵抗１３０，１３１、コンパレータ１３２、ダイオード
１３３．１３４，１３６゜抵抗１３５およびトランジス
タ１３７から構成されている。

コンパレータ１３２の出力端子りの反転入力端子には第
１積分回路２２ｂの出力信号が入力され非反転入力端子
はに第２積分回路２２ｄの出力信号がされている。

そして、コンパレータ１３２の出力端子りでの出力は第
５図の折線Ｄ□。

Ｄ２で示すようになるが、ルベルにあるとトランジスタ
１３７はオンして電磁弁２０は開弁し、０レベルにある
とトランジスタ１３７はオフして電磁弁２０は閉弁する
。

定電圧回路１２ｆは、定電圧レギュレータ１３８および
コンデンサ１３９，１４０から構成され、直流電源２４
からの電圧を一定電圧に制御し各回路に加える。

上記構成において、気化器２から内燃機関１へ理論空燃
比より濃い混合気が供給され、内燃機関１からは酸素濃
度の小さい排気ガスが排出される。

これは、排気管５に設けられた空燃比センサ１０により
検出され、電子制御ユニット２２で比較回路２２ａはル
ベルの信号を出力する。

しかして、パルス幅変調回路２２ｅのコンパレータ１３
２の出力は第５図の波形り、、Ｄ２で示すようにデユー
ティ比が漸次増加する信号となり、電磁弁２０は時間の
経過と共に開弁時間が多くなる。

この結果制御弁１６は閉じ側に作動し二次空気のり９−
フ量を少なくし排気管５に供給する二次空気量を増大さ
せて、排気空燃比を大きくする。

排気空燃比が大きくなると、これが空燃比センサ１０に
より検出され電子制御ユニット２２で比較回路２２ａＩ
Ｉ″ｉ０レベル信号を出力する。

しかして、パルス幅変調回路２２ｅのコンパレータ１３
２の出力は第５図の波形Ｄ１の中央部付近で示すように
デユーティ比が漸次減少する信号となり、電磁弁２０は
時間の経過と共に閉弁時間が多くなる。

この結果、吸気負圧が圧力室１６ａに導びかれ制御弁１
６は開き側に作動し二次空気の９リーフ量を多くして排
気管５に供給する二次空気量を減少させる。

こうして、排気空燃比の小さい排気ガスと排気空燃比の
大きい排気ガスが交互に、すなわち排気空燃比がほぼ理
論空燃比を中心とし±０．５以上の変動幅とある周波数
でもって変動する排気ガスが三元触媒６に流入する。

第６図は、その周波数が４Ｈｚあるいは７Ｈｚの時の排
気空燃比の変化を示すもので、実線は三元触媒６の入口
で測定したものであシ、点線は三元触媒６の出口で測定
したものである。

この図において、三元触媒６の入口と出口とで排気空燃
比の変動幅が異なるのは触媒床でのミキシングによるも
のである。

排気空燃比の大きい酸化雰囲気ではミクロな意味で触媒
内に酸素０２が吸着されて触媒表面は還元雰囲気となシ
、ＮＯｘ浄化性能が向上する。

また、排気空燃比の小さい還元雰囲気では触媒に吸着さ
れていた０２と排気ガス中のＣＯ、ＨＣと酸化反応が
生じてＣＯ，ＨＣの浄化性能が向上する。

これを表わしたのが第７図で、実線は本実施例装置にお
ける三元触媒の浄化性能を示し、点線は従来装置におけ
る三元触媒の浄化性能を示すものである。

この図かられかるように本実施例装置は、平均排気空燃
比が理論空燃比付近にあるときには従来装置よりも浄化
率が若干低下するが、平均排気ガス空燃比の理論空燃比
よりも大きい側（希薄側）およびそれよりも小さい側（
過濃側）にあるときには従来装置よりも浄化率を向上さ
せることができ、これによって高浄化率を維持できる範
囲が広くなってシステムの自由度が大きくなり、かつ三
元触媒６を常に高浄化率領域で作動させることが可能で
ある。

また、実験によれば酸素の吸脱着作用を充分に行なわせ
るには、空燃比の小さい排気ガスと空燃比の大きい排気
ガスとの三元触媒６０入口における空燃比が変動幅が理
論空燃比を中心として±０．５以上であることが望まし
い。

従って、噴射ノズル１８の開口部から三元触媒８の入口
までの距離を短くしてミキシングによる空燃比変動幅の
減少を防止したシ、あるいはミキシングによる空燃比変
動幅の減少を考慮して混合気の空燃比や吸入空気量に対
する二次空気供給量の比率を設定する必要がある。

ところで、機関１の回転速度が小さい場合、変換回路２
２ｃの出力パルス信号はその周波数が低く、その信号を
積分する第２積分回路２２ｄは振幅が大きくかつ回転周
波数が低い第５図の波形Ｃ２で示すような三角波を出力
する。

また、この場合排気ガスの流速が遅く制御系の時間遅れ
が長くなるため、空燃比センサ１０の出力の反転周期が
長く、第１積分回路２２ｂは第５図の波形Ｂ２で示すよ
うな三角波を出力する。

波形Ｂ２．Ｃ，で示す三角波は、パルス幅変調回路２２
ｅに入力され、デユーティ比がゆつく力と変死する。

即ちデユーティ変化率が遅い波形Ｄ２で示すパルス信号
が得られる。

機関１の回転速度が高くなると、変換回路２２ｃの出力
パルス信号はその周波数が高くなシ、第２積分回路２２
ｄは回転速度に逆比例して振幅が小さくかつ回転速度に
比例して周波数が高い第５図の波形Ｃ１で示すような三
角波を出力する。

この場合、排気ガスの流速が速く制御系の時間遅れが短
くなるため、空燃比センサ１０の出力の反転周期が短く
、第１積分回路２２ｂは第５図の波形Ｂ１で示すような
三角波を出力する。

波形Ｂ、、Ｃ，で示す三角波は、パルス幅変調回路２２
ｅに入力され、デユーティ比が速やかに変化する。

即ちデユーティ変化率が速い波形Ｄ１で示すパルス信
号が得られる。

このように、機関１の回転速度に応じて電磁弁２０を制
御するパルスのデユーティ比変化率が補正されるが、と
のデユーティ比変化率が小さいということは電磁弁２０
の開弁もしくは閉弁時間の変化率が小さく、デユーティ
比変化率が大きいということはその逆に開、閉時間の変
化率が大きいということである。

今、内燃機関１の吸気負圧が一定でデユーティ比変化率
が大きければ、制御弁１６の開閉を制御する負圧信号の
変動スピードも速くなシ、その結果二次空気供給量の補
正スピードも速くなり、逆に、デユーティ化変化率が小
さければ、二次空気供給量の補正スピードは遅くなる。

従って、機関１の回転速度が小さくなって系の時間遅れ
が長くなっても電磁弁２０を制御するパルス信号のデユ
ーティ変化率が小さくなり二次空気の補正スピードも遅
くなるため、排気空燃比の変動幅は系の時間遅れによら
ず一定の大きさの範囲内に収めることができる。

しかして、機関１の低負荷、低回転領域で排気空燃比の
変動幅を太き（なりすぎないように制御でき、かつ高負
荷、高速回転領域で排気空燃比の変動幅を小さくなりす
ぎないように制御できるため、三元触媒の酸素吸脱着作
用をより効果的に生じせしめることができる。

なお、制御弁１６でニードル１６ｂのストローク量が圧
力室１６ａの吸気負圧に対して第８図に示すように設定
された場合、ニードル１６ｂの駆動スピードが吸気負圧
の影響をうけるため、ニードル１６ｂに対応するバルブ
シートの形状を変えてこの開口面積を第９図に示すよう
に設定し、吸気負圧の大きいところでは開口面積の変化
度合が小さくなるように、吸気負圧の小さいところでは
開口面積の変化度合が大きくなるように設定することは
、回転速度、吸気負圧の変動に対して、はぼ一定の大き
さの範囲内に排気空燃比を保つ上で好ましい。

また、上記の実施例では、制御弁１６への負圧を電磁弁
２０により制御して二次空気量を制御したが、第１０図
に要部を示すように二次空気供給管１５に電磁弁２０を
設け、これから二次空気を大気へ逃がすようにして二次
空気量を制御するようにしてもよい。

また、遅れ時間に関係する機関１の動作特性センサとし
て回転速度センサ１１を利用したが、この他に吸気負圧
、スロットル開度、吸入空気量あるいは排気ガスの流速
などを検出するセンサを利用することもできる。

さらに、点火信号を変換回路２２ｃにより波形整形して
分周し、この分周信号を第２積分回路２２ｄに入力する
構成にしたが、三角波の振幅、周波数の変調度合は内燃
機関の系の遅れ時間特性に合致するようにすれば良く、
分周回路の代わりに平滑回路、Ｖ−Ｆ変換回路を用い第
１１図に示すように分周信号変調度合Ａに対して任意の
変調度合になるように平滑回路、Ｖ−Ｆ変調回路を調整
し出力が直線Ｂになるようにして最良の適合を行なうこ
ともできる。

以上述べたように本発明によれば、二次空気をフィード
バック補正して排気空燃比が大きい排気ガスと排気空燃
比が小さい排気ガスを交互に三元触媒に流入させること
により、排気空燃比の大きい酸化雰囲気ではミクロな意
味で触媒内に酸素０２が吸着することにより、触媒表面
を還元雰囲気として、ＮＯｘ浄化性能を向上させ、排気
ガス空燃比の小さい還元雰囲気では吸着されていた０２
とＣＯ、ＨＣの酸化を生じさせてＣＯ，ＨＣの浄化性能
を向上させ、理論空燃比よりも平均排気空燃比が大きい
側（希薄側）、小さい側（過濃側）において浄化率を向
上させることができ、この結果高浄化率を維持できる領
域が広がち、システムの自由度が大きくなるという優れ
た効果がある。

また、第１．第２積分回路、変換回路およびパルス幅変
調回路を制御に適用し、機関の動作特性に応じてデユー
ティ比変化率が補正されるパルス信号による電磁弁を制
御すれば、機関の広い運転領域においてほぼ理論空燃比
を中心に常に一定の排気空燃比の変動が得られ三元触媒
の酸素吸脱着作用をより効果的に生じせしめることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は三元触媒の浄化特性を示すグラフ、第２図は本
発明の一実施例を示す構成図、第３図は系の時間遅れと
回転速度の関係を示すグラフ、第４図は第２図図示の電
子制御ユニットを示す電気回路図、第５図は作動説明に
供する波形図、第６図は排気空燃比の変動を示すグラフ
、第７図は三元触媒の浄化特性を示すグラフ、第８図、
第９図は第２図図示の制御弁の制御特性を示すグラフ、
第１０図は本発明の他の実施例の要部を示す構成図、第
１１図は本発明のさらに他の実施例の制御特性を示すグ
ラフである。１・・・内燃機関、６・・・三元触媒、１０・・・空燃
比センサ、１２・・・二次空気供給装置、２０，２０’
・・電磁弁、２２・・・電子制御ユニツ）、２２ａ・・
・比較回路、２２ｂ・・・第１積分回路、２２ｃ・・・
変換回路、２２ｄ・・・第２積分回路、２２ｅ・・・パ
ルス幅変調回路。

Claims

【特許請求の範囲】１内燃機関の排気系に二次空気を供給する二次空気供
給装置と、排気ガス中の有害成分を浄化する三元触媒と
を備える内燃機関の排気ガス浄化装置において、二次空
気供給後の排気ガス成分を検出し排気空燃比に応じた信
号を出力する空燃比センサと、前記二次空気供給装置に
設けられ二次空気量を制御する電磁弁と、この電磁弁を
前記空燃比センサの出力信号に応じて作動させ二次空気
により排気空燃比がほぼ理論空燃比を中心として所定値
以上変動するように制御する電子制御ユニットとを備え
、理論空燃比よりも排気空燃比が大きい排気ガスと、理
論空燃比よりも排気空燃比が小さい排気ガスとを、前記
三元触媒に交互に流入させて、前記三元触媒にて酸素の
吸脱着作用が行なイつれるようにしたことを特徴とする
内燃機関の排気ガス浄化装置。２前記空燃比センサの出力信号を設定値と比較しそれ
に応じて信号を出力する比較回路と、この比較回路の出
力信号を積分する第１積分回路と、前記内燃機関の動作
特性に応じたパルス信号を出力する変換回路と、この変
換回路の出力信号を積分する第２積分回路と、前記第１
．第２積分回路の出力信号をパルス変調し、デユーティ
比変化率が前記内燃機関の動作特性に応じて補正される
パルス信号を出力してこのパルス信号により前記電磁弁
を制御するパルス幅変調回路とを前記電子制御ユニット
が有する特許請求の範囲第１項記載の内燃機関の排気ガ
ス浄化装置。３前記電子制御ユニットによシ前記排気空燃比がほぼ
理論空燃比を中心として０．５以上変動するように制御
される特許請求の範囲第１項または第２項記載の内燃機
関の排気ガス浄化装置。