JPS6121557Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は内燃機関、特に排気系に三元触媒装置
を付設した機関の空燃比制御装置に関する。

内燃機関より排気される排気中の有毒三成分、
即ち、炭化水素EC、一酸化炭素COおよび窒素酸
化物NOxを同時に効率よく低減するための手段
として三元触媒装置が知られている。この三元触
媒装置がその三元性（HC、COの酸化とNOxの還
元）を十分に発揮するためには、第１図に示す転
化率特性から明かなように吸入混合気の空燃比を
ほぼ理論空燃比（ガソリン燃料の場合Ａ／Ｆ＝
14.8）に精度よく制御する必要があり、吸入混合
気の理論空燃比より濃あるいは薄の時にはそれぞ
れ排気が還元雰囲気あるいは酸化雰囲気となり、
NOxの還元およびHC、COの酸化の両方を同時に
十分に行えなくなつてしまう。

そこで、この三元触媒の開発に伴い、該三元触
媒を有効に機能させるべく吸入混合気の空燃比を
目標値にフイードバツク制御する空燃比制御シス
テムが提案されている（例えば特開昭49−117838
号公報）。これは、第２図に例示するように、排
気通路１の三元触媒装置２前流に吸入混合気の空
燃比と密接な関係にある排気成分、つまりO₂，
HC，CO，CO₂，NOx等の濃度を検出して出力す
る排気センサ３を設ける一方、吸気系燃料供給装
置４例えば気化器の燃料通路もしくは空気導入路
（エアブリード通路）（何れも図示省略）に流量制
御用アクチユエータ５を介装し、前記排気センサ
３の検出信号に基づき電子制御装置６を介してア
クチユエータ５を作動させ、燃料供給装置４から
供給される燃料量を直接もしくは間接的に補正
し、空燃比を目標値に収束制御しようとするもの
である。前記アクチユエータ５としては、通常オ
ン（開）オフ（閉）作動型の電磁弁や通路開口面
積を変化するアナログ作動型の電磁弁等が設けら
れている。燃料供給装置４として燃料噴射装置を
用いる場合は燃料通路に設けられた燃料噴射弁が
アクチユエータ５に相当し、この噴射弁による燃
料噴射量をフイードバツク制御する。７は機関本
体である。前記フイードバツク空燃比制御は具体
的には、例えば気化器の場合予め燃料供給装置４
の各種計量ジエツト（図示省略）径等により、ア
クチユエータ５の全開時および全閉時の空燃比を
設定して、制御目標空燃比に対する空燃比の濃化
幅と稀薄幅とを設定する一方、排気センサ３が制
御目標空燃比の吸入混合気が燃焼した後の排気成
分濃度を検出した時の出力値を電子制御装置６の
比較基準値として設定する。かかる設定により、
排気センサ３の出力値が比較基準値よりも上まわ
つたり、下まわつたりした時に電子制御装置６か
らアクチユエータ５に指令信号を送つて作動制御
し、吸入混合気を前記空燃比の濃化幅と稀薄幅の
設定範囲で濃側に移行させたり、稀薄側に移行さ
せて目標値に収束制御させるのである。燃料噴射
装置の場合も略々同様である。

ところが、このようなフイードバツク空燃比制
御システムによつて、三元触媒装置２を十分に機
能させるべく、吸入混合気の空燃比が常時理論空
燃比（Ａ／Ｆ＝14.8）に維持されるようにした場
合、三元触媒装置は第１図からも明かなように
NOxおよびCO，HCのそれぞれの最高転化率で機
能なし得るものではないから、機関の最高燃焼温
度が然程高くならず、NOxの生成量が少なくあ
まり問題とならない一方、HC，COが比較的多量
に排出される運転条件、例えば機関のコールドス
タート時、アイドリング時、減速時、低速低負荷
時ではNOxに比してEC，CO対策が不十分と言え
る。まして、このようなアイドリング、減速、低
速、低負荷運転のようにスロツトルバルブ開度が
全閉若しくは小開度状態で吸気量が少ない運転状
態では、当然排出ガス量も小となると共に排気温
が低下し、三元触媒装置の活性が弱まるものであ
り、従つて、このような運転状態が長引いた場合
には、三元触媒装置が低下しその機能が失われて
HC，COを多量に大気へ放出してしまうのみなら
ず、かかる運転状態から他の運転状態に移行した
場合NOxの還元、勿論HC，COの酸化を十分に行
なえなくなつてしまう結果となる。

また、特にコールドスタート時には始動性の向
上のため、通常、理論空燃比よりも濃い混合気を
用いるため、機関から排出されるHC，CO量が多
く、また残存酸素量が極めて少ない状態となる。
加えて、三元触媒装置も暖機していないことと相
俟つてこれらHC，COが酸化されないまま大量に
大気へ放出されてしまう。しかも三元触媒装置に
おいてこのようにHC，COの酸化発熱反応が進ま
ないため、三元触媒装置の暖流が遅れ、十分に機
能し得るまで長時間を要し、従つてNOxの還元
反応開始も遅れてしまう不具合があつた。

或いは特開昭49−14809号公報に示されている
ように、排気温度を検出して、排気の低温時に排
気センサ前流に二次空気を供給するものもある
が、排温が上昇すると二次空気を小又は零とする
ことがあり、この結果、吸入混合気の空燃比は薄
くなる。薄くなると再び排温が下がり二次空気供
給、空燃比濃化となる。この繰り返しにより空燃
比は例えばアイドリング中であつても濃薄を繰り
返してしまい、機関の作動状態が安定しなくなつ
てしまう不具合を生じる。また、このように濃薄
を繰り返すと排気の性能も安定しない。つまり、
排気温度が上昇、下降を繰り返すので排気の酸化
零囲気を維持することができなくなつてしまう。

本考案はかかる事情に鑑み、NOxの生成量が
少なくあまり問題とならない一方、HC，COが比
較的多量に排出される吸気系絞り弁の小開度（全
閉も含む）運転状態では、三元触媒装置の前流に
設けられた排気センサの前流又は後流に二次空気
を供給し、又は排気センサの前流と後流と導入さ
れる二次空気量を所定割合にして、総合空燃比
（三元触媒装置に至るまでの間に機関に供給され
る全空気量と全燃料量との比）を稀薄化して、排
気を酸化雰囲気の制御することにより、該三元触
媒装置によりHC，COを高転化率の下で除去させ
総合的な排気の清浄化と同時に、HC，COの酸化
発熱反応により三元触媒装置の暖機促進、高温維
持を計るものである。

以下本考案の２つの実施例を図面と共に詳述す
る。

即ち、本考案にあつては第３図に例示するよう
に排気通路１に付設した三元触媒装置２の三元性
を十分に発揮させるべく、排気センサ３の検出信
号に基づき電子制御装置６を介して燃料供給装置
４の燃料通路もしくは空気導入路（何れも図示省
略）に介装した流量制御用アクチユエータ５を作
動させ、吸入混合気の空燃比を目標値、例えば理
論空燃比に収束制御するようにしたフイードバツ
ク空燃比制御システムにあつて、機関の最高燃焼
温度が然程高くならず、NOxの生成量が少ない
一方、HC，COの排気量が比較的多い、吸気系絞
り弁の小開度（全閉も含む）運転状態、例えば機
関冷機時、アイドリング時、減速時、減速・低負
荷時等を検出する検出手段１０と、排気センサ３
の前流又は後流に二次空気を供給して総合空燃比
を稀薄化する手段１１とを設け、前記所定の運転
状態の時に検出手段１０の検出信号に基づき二次
空気供給手段１１を作動させて排気を酸化雰囲気
に制御するようにしてある。

前記所定の運転状態の検出手段１０としては、
スロツトル開度センサS₁が用いられる。また、二
次空気供給手段としては、例えば機関回転と同期
して回転するエアポンプあるいは排気脈動により
開閉するリード弁（何れも図示省略）により、二
次空気供給通路１２を介して排気センサ３の前流
又は後流の排気通路１に二次空気を供給する二次
空気供給装置１１ａが用いられる。そして、この
二次空気供給通路１２は２系統に分岐１２ａ，１
２ｂさせ、一方の分岐通路１２ａを排気センサ３
前流の排気通路１に、他方の分岐通路１２ｂを排
気センサ３と三元触媒装置２との間の排気通路１
に接続して、二次空気を排気センサ３前流と、該
センサ３と三元触媒装置２との間に分岐して導入
し得るようにしたものである。

ここで、第３図に示す実施例は、通路１２ａ，
１２ｂの分岐点に検出手段１０の信号より電子制
御装置６を介して切換作動される分配制御弁とし
ての切換弁１５を介装してあり、例えば、機関
７、三元触媒装置２が冷機状態もしくは十分に暖
機していない状態での始動、アイドリング、減
速、低送・低負荷運転時は、通路１２ａを介して
排気センサ３前流に二次空気を導入し、また、暖
機後におけるアイドリング、減速、低速・低負荷
運転時には通路１２ｂを介して排気センサ３と三
元触媒装置２との間に二次空気を導入し得るよう
にしたもので、このように冷間時と暖機後におけ
る所定の設定運転状態で二次空気の導入を排気セ
ンサ３の前流と後流とに選択的に切換制御でき
る。

また、場合によつて前記スロツトル開度センサ
S₁に加え機関冷却水温度、機関潤滑油温度、機関
回転数、機関吸入負圧、ベンチユリー負圧等を検
知するセンサS₂…Snを選択的に組合さることも
できる。

かかる構成により、前記吸気系絞り弁の小開度
運転状態以外の運転状態では、二次空気供給通路
１２の切換弁１５が閉弁して二次空気の導入を遮
断し、排気センサ３の検出作用により電子制御装
置６より流量制御用アクチユエータ５を作動さ
せ、燃料供給装置４から供給される燃料量を直接
もしくは間接的に補正して、吸入混合気の空燃比
を理論空燃比に収束制御する。この結果、三元触
媒装置２前流の総合空燃比も理論空燃比となつ
て、排気が還元雰囲気と酸化雰囲気の略中間の雰
囲気に制御され三元触媒装置２の三元機能を十分
に発揮させる。ところが、機関のコールドスター
ト時、アイドリング時、減速時、低速・低負荷時
等、機関の最高燃焼温度が然程高くならず、
NOx排出量が問題とならない程少ない一方、
HC，COが多く排出される吸気系絞り弁の小開度
運転状態では、前記検出手段１０の検出作用によ
り、該検出手段１０の検出信号に基づき電子制御
装置６を介して切換弁１５を開動させる。

従つて、三元触媒装置２前流の排気通路１には
所定量の二次空気が導入され、総合空燃比が理論
空燃比よりも稀薄化されて、排気が酸化雰囲気と
なり、三元触媒装置２でHC，COを最高転化率の
下で転化することができるのである。

特にコールドスタート時では、二次空気の供給
により三元触媒装置２で専らHC，COの酸化反応
を行わせるので、この酸化発熱反応により触媒の
暖機が促進され、HC，COの処理のみならずNOx
処理を開始する時期も進めることができるのであ
る。しかも、切換弁１５により通路１２ａを介し
て排気センサ３前流に二次空気を供給するため、
該排気センサ３前流でHC，COの酸化が促進され
て排気温度を上昇することができるので、該排気
センサ３の検出作用開始時期、即ちフイードバツ
ク空燃比制御開始時期を進めることができる利点
があり、特に排気センサとしてO₂センサを使用
した場合、該O₂センサはその表面でHC，COを
酸化反応させて残存O₂量を検出して空燃比の
濃、薄を判定するので、このようにHC，COの酸
化がセンサ上流で促進されることと、排気温の上
昇によりO₂センサ自体のHC，COの酸化反応が
良好に行われることにより、O₂センサの暖機も
早まり残存O₂量の真値を速かに検出することが
でき、早期から精度のよいフイードバツク制御を
行わせることができるのである。また、機関暖機
後におけるアイドリング時、減速時、低速・低負
荷時のように、スロツトバルブが全閉若しくは小
開度状態で排気温度が低くかつ排出ガス量が少な
いために三元触媒装置２の温度が下がり活性が弱
まる運転状態にあつても、前述のように二次空気
供給の下でHC，COの酸化反応を活発に行わせる
ため、この反応熱により三元触媒装置２の反応温
度が確保され、優れた浄化機能を持続できるので
ある。また、かかる運転状態では吸入混合気が濃
化されるので機関の安定性もよくなる。暖機後は
二次空気は通路１２ｂを介して排気センサ後流に
導入されるため、排気センサ３の検出作用が二次
空気導入によつて何等影響を受けないため、空燃
比を常時目標値（理論空燃比）にフイードバツク
制御できるので、二次空気導入が遮断された直後
でもただちに引続いて三元触媒装置２の三元性を
十分に発揮させ得る効果がある。

ここで、機関暖機後におけるアイドリング、減
低速・低負荷運転時では二次空気供給量が少ない
場合には正常に機能している排気センサ３の検出
作用により吸入混合気は濃化されるが総合空燃比
は理論空燃比に収束制御され、HC，COを最高転
化率の下で除去できなくなることがあるので、こ
の対策として、二次空気供給通路１２ａに設けた
オリフイス１４ａの径を任意に設定して排気温を
低下させず、しかもフイードバツク制御し切れな
い程度の多量の二次空気が導入されるように、つ
まり、アクチユエータ５の全開作動（導入空気に
よる燃料補正の場合）もしくは全開作動（燃料の
直接制御の場合）により、空燃比が設定幅で濃化
されても、センサ３前流の総合空燃比が理論空燃
比よりも稀薄（酸化雰囲気）となるように設定す
ることが望ましい。

以上述べたとおり、第３図に示す実施例は、
HC，COの効果的な除去の他、排気センサ３の早
期の活性化によるフイードバツク制御開始時期の
促進、三元触媒装置２の暖機促進、三元触媒装置
２の反応温度の確保並に暖機後における前記設定
運転状態から通常運転に移行した際の三元触媒装
置２の三元性の持続等を実現できるのである。

第４図に示す実施例は、通路１２ａ，１２ｂの
分岐点に検出手段１０の信号により電子制御装置
６を介して開動して、両通路１２ａ，１２ｂに所
定分配割合で二次空気を供給する分配制御弁とし
ての分配装置１６を介装したもので、両通路１２
ａ，１２ｂから導入される二次空気量は三元触媒
装置２前流の総合空燃比が理論空燃比よりも稀薄
となつて排気が酸化雰囲気となるように任意の設
定の下で供給するのは前述の実施例の場合と同様
であるが、運転条件により通路１２ａ，１２ｂか
ら排気センサ３前流に供給される二次空気量を任
意に撰定することにより、吸入混合気の空燃比を
適切にフイードバツク制御して当該設定運転状態
にあつても燃費、出力性能を向上させ、なおかつ
総合的な排気対策を実現し得る。

第３図，４図中１４ａ，１４ｂは分岐通路１２
ａ，１２ｂに介装した計量オリフイスである。

以上要するに本考案によれば、機関の最高燃焼
温度が然程高くなく、NOx排気量が問題となら
ない程少ない一方、HC，COが比較的多く排出さ
れる排気系絞り弁の小開度運転状態では、排気系
の三元触媒装置の前流に設けられた排気センサの
前流又は後流に二次空気を供給し、又は排気セン
サの前流と後流とに導入される二次空気量を所定
割合にして総合空燃比を稀薄化するので、つまり
排気を酸化雰囲気側に移行させるので三元触媒装
置によりHC，COを最高転化率の下で除去させ
て、三元触媒装置を有効に機能させることにでき
るのであり、しかもかかる運転状態として代表さ
れるコールドスタート時には、三元触媒装置の暖
機促進と、排気温度の上昇促進による排気センサ
の検出作用開始時期の促進によりフイードバツク
空燃比制御並びに三元触媒装置の三元機能を早期
から行わせることができる。またアイドリング、
減速、低速・低負荷運転時が長引くような場合に
あつても三元触媒装置の反応温度を十分に確保さ
せることができ、全運転域に亘つて総合的な排気
対策を実現し得るという多大な効果を有する。更
に本願考案では、吸気系の絞り弁開度を検出し
て、絞り弁の全開（アイドル、減速）、小開度
（低負荷）のときには空燃比は所定の値に濃化さ
れ、濃薄を繰り返すことなく機関の作動状態がき
わめて安定し、拝気を酸化雰囲気に維持すること
ができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はNOx，HC，COの転化率特性を示す説
明図、第２図はフイードバツク空燃比制御システ
ムの略示的説明図、第３図は本考案装置の実施例
の略示的説明図、第４図は他の実施例の略示的説
明図である。 １……排気通路、５……流量制御用アクチユエ
ータ、２……三元触媒装置、３……排気センサ、
４……燃料供給装置、６……電子制御装置、１０
……運転状態検出手段、１１……二次空気供給手
段、１１ａ……二次空気供給装置、１２……二次
空気供給通路、１５……切換弁、１６……分配装
置。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 排気系に三元触媒装置を付設した内燃機関にお
   いて、吸気系燃料供給装置の燃料通路もしくは空
   気導入路に流量制御用アクチユエータを介装する
   と共に、排気系の三元触媒装置前流に排気成分濃
   度を検出する排気センサを設け、該排気センサの
   検出信号に基づき電子制御装置を介して前記アク
   チユエータを作動させ、吸入混合気の空燃比を目
   標値にフイードバツク制御するように構成する一
   方、二次空気供給通路を２系統に分岐して前記排
   気センサの前流と後流とに接続し、前記二次空気
   供給通路の分岐点に分配制御弁を設けると共に、
   機関運転状態検出手段を設け、該手段の出力に応
   じて前記分配制御弁を作動させて、前記排気セン
   サの前流と後流とへの二次空気分配割合を制御す
   ることを特徴とする空燃比制御装置。