JPS6138324B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関の排気系に供給する２次空気
の量を空燃比検出器の出力信号に応じて調整し三
元触媒にて排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置
に関する。

この種の装置は、所定（理論）空燃比付近で三
元触媒が最適の浄化性能を発揮することから、排
気ガスと２次空気とを混合した後の排気系におけ
る空燃比を空燃比検出器で検出し排気系の空燃比
が所定空燃比となるよう空気制御弁にて供給すべ
き２次空気の量を帰還制御していた。

ところで２次空気の供給源をなすエアポンプは
機関により駆動されるため、上記空気制御弁の変
位量つまり開度を制御したとしてもエアポンプの
吐出量が変化して２次空気量も変化し正確な空燃
比の制御ができないことにより、この問題解消の
ための空気制御弁の上下流間の差圧をエアポンプ
の吐出量とは無関係な所定の値に調整する圧力調
整手段を設けるものが提案されている。しかしな
がらこの装置においてもまだ次の問題が残されて
いる。すなわち空燃比検出器の出力信号により空
気制御弁の開度を制御したとしても、空燃比制御
弁が作動したことにより２次空気量つまり排気系
の空燃比が変化しこの変化も空燃比検出器が検出
して出力信号を出力するまでには、２次空気が空
燃比検出器まで流れる遅れ時間と空燃比検出器自
体の検出遅れ時間とが必要であり、この結果空気
制御弁を時々刻々制御するものでは空燃比検出結
果に対応した最適な２次空気量を与えることがで
きず、そのため制御される空燃比の変動幅が大き
くなつて三元触媒の浄化率の高い空燃比領域内に
排気ガスの空燃比を制御できず、排気ガスの浄化
率が悪くなるという問題がある。

本発明の目的は、上記点に鑑み、少なくとも空
燃比検出器による検出遅れ時間を考慮した所定期
間毎に空燃比の判別結果に応じて２次空気量を増
減制御することにより、排気系における空燃比の
変動幅を十分抑えて三元触媒による排気ガスの浄
化を良好にできる内燃機関の排気ガス浄化装置を
提供することにある。

そのため、本発明では内燃機関の排気系に設置
され排気ガス中の有害成分を浄化する三元触媒
と、排気系の圧力より高い圧力の２次空気を前記
三元触媒の上流側の排気系に供給する空気供給手
段と、前記２次空気の供給部位より下流側に設置
され排気ガス成分から排気系の空燃比を検出する
空燃比検出器と、この空燃比検出器の出力信号を
受け空燃比が所定空燃比より大きいか小さいかの
判別結果に応じて所定期間毎に２次空気の制御量
を加減算処理して、空燃比を所定空燃比に補正す
るための制御信号を出力する空燃比制御回路と、
この空燃比制御回路の制御信号に応じて前記空燃
比供給手段から機関の排気系に供給される２次空
気量を電磁的に制御する空気量制御装置と、この
空気量制御装置の上流側及び下流側にある２次空
気の圧力差に応じて２次空気の一部を大気にリリ
ーフしてこの２次空気の圧力差を所定値に調整す
る圧力調整手段とを備えたことを特徴とする。

以下本発明を図に示す一実施例について説明す
る。第１図において、１は内燃機関、２は吸気
管、３は排気管である。吸気管２には気化器４が
設けられており、機関１に混合気を供給するよう
になつている。この気化器４はベンチエリ６、ス
ロツトル弁７を有している。また５はエアクリー
ナーであり、機関１に吸入される空気を清浄化す
る。９は公知の空燃比検出器で、排気管３に設け
られており、排気ガス中の酸素濃度により空燃比
を検出し第２図に示す様な空燃比に応じた出力を
出す。また空燃比検出器９の下流には三元触媒８
が設けられている。周知の通り三元触媒８は、こ
れに流入する排気ガス中のCO、HC及びNOxの酸
化還元を促進し、これらの有害成分を浄化する。
特に機関排気系の空燃比が所定（理論）空燃比１
４７附近にある時にCO、HC及びNOxの全てを高
い浄化性能で共に浄化する。１０は機関１によつ
て駆動されるエアポンプで、空気供給手段をな
す。１１は圧力調整手段をなすリリーフ弁でこの
エアポンプ１０から吐出された空気を空気制御弁
１４の入口に導く供給管路１２の途中に設けてあ
り、この供給管路１２内の圧力を調整するもので
ある。このリリーフ弁１１の一方のダイヤフラム
室１１４は管路１３を通じて前記管路１２に接続
してある。また他方のダイヤフラム室１１３は管
１７を経て空気制御弁１４下流の管路１５に接続
してある。このリリーフ弁１１は管路１２の圧力
と管路１５の圧力差を常に一定に保つ働きをす
る。空気制御弁１４は入口側が前述のように管路
１２に接続してあり、出口側が管路１５の一端に
接続してあり後述の空燃比制御回路１６の制御信
号に比例してスプールが連続的に変位される比例
電磁作動型のもので、この制御信号に比例するよ
う２次空気の量を制御する。管路１５の他方は排
気管３に接続してある。空燃比制御回路１６は前
記空燃比検出器９の出力信号を基にして空燃比が
所定（理論）空燃比より大きいか小さいかを所定
周期毎に判別しこの判別信号に応じて前の値に所
定の値を加算若しくは減算した制御信号を出力
し、この制御信号により空気制御弁１４の開度つ
まり変位量を制御する。

リリーフ弁１１の詳細な構造、機能について説
明する。リリーフ弁１１は管路１２の圧力と管路
１５の圧力が両ダイヤフラム室１１４，１１３内
に導かれ両圧力の差圧によりダイヤフラム１１１
を揺動させて弁体１１７と弁座１１９により管路
１２のエアを大気にリリーフするものである。図
中、１１０はハウジング、１１２はスプリング、
１１５はベローフラム、１１６はシヤフト、１２
０は大気に開放される圧力室である。スプリング
１１２はダイヤフラム１１１を図の左側に押える
ようにつまり弁体１１７を閉じるように力が働
く。シヤフト１１６はダイヤフラム１１１と弁体
１１７を連結する。ここで第１のダイヤフラム室
１１３と第２のダイヤフラム室１１４の受圧面積
は同じである。第１ダイヤフラム室１１３に働く
正圧の絶対値をP₂、第２ダイヤフラム室１１４に
働く正圧の絶対値をP₁とし、第１、第２のダイヤ
フラム室１１３，１１４の受圧面積をＡとすると
ダイヤフラム１１１の右側方向つまり弁体１１７
を開く方向に作用する力Ｗは Ｗ＝（P₁−P₂）×Ａ となる。いまエアポンプ側の管路１２の圧力P₁が
大きくなつたとするとダイヤフラム１１１は右側
に移動する。従つて弁体１１７が開かれる方向に
移動する。すると弁体１１７と弁座１１９との開
口面積が大きくなり管路１２の空気は圧力室１２
０を通つて大気にリリーフされる量が増加して管
路１２の圧力つまり第２ダイヤフラム室１１４の
圧力P₁は低下し、力Ｗとスプリング１１２の力Ｆ
とがつり合う所まで低下し、結局両圧力P₁，P₂の
圧力差は一定値に保持される。圧力P₁は小さくな
つた場合も同様にして圧力差を一定値に保持す
る。

次に空気制御弁１４の詳細な構成、機能を説明
する。１４０，１４１はハウジングでねじにより
互いに固着されている。１４２ａは磁性体材料よ
りなる管状の支持体であり、ハウジング１４０に
固定されており、１４２ｂは磁性体材料よりなる
円板状の支持体でありハウジング１４１に固定さ
れており、また円弧状で互いに向い合い互いに内
側はＮ極、外側はＳ極に着磁してある２つの永久
磁石１４３，１４４が接着材にてハウジングに接
着固定されている。１４５はスプールでハウジン
グ１４１に固定された円筒状のシヤフト１４６の
外周上を上下に移動する。スプール１４５にはコ
イル１４７が巻装してある。１４８はスプリング
でスプール１４５を下方に押している。１４９は
コイル１４７の巻き始めのリード線であり、15０
はコイル１４７の巻き終りのリード線でいずれも
空燃比制御回路１６の出力端に接続してある。筒
状のシヤフト１４６には両側面つまり２ケ所に図
示の如き２等辺三角形状のスリツト１４６ａが穿
設してある。スプール１４５がシヤフト１４６上
を移動することによりスプール１４５によつてこ
のスリツト１４６ａの開度が変化し、管路１２に
接続される入口パイプ１５２から管路１５に接続
される出口パイプ１５３に流れる空気の量を制御
するようになつている。そしてスプール１４５の
変位量つまり移動量はスリツト１４６ａの開口面
積の平方根に比例する。

以上の構成でその作動を説明すると、いま断面
形状が円弧状の永久磁石１４３，１４４の内側を
Ｎ極、磁石１４３，１４４の外周をＳ極とすると
磁路は永久磁石１４３へ内側Ｎ極からシヤフト１
４６を通り、支持体１４２ｂ、支持体１４２ａを
通り永久磁石１４３の外側Ｓ極に達する。同様に
永久磁石１４４の内側、シヤフト１４６、支持体
１４２ｂ，１４２ａ、永久磁石１４４の外側に磁
路は形成される。従つて永久磁石１４３，１４４
の内側からシヤフト１４６の中心に向け平行磁界
がかかる。この磁界の中のコイル１４７に電流を
流すとフレシングの法則によりコイル１４７には
図の上の方向に電磁力が働く。従つてスプール１
４５は上側に移動してスプリング１４８の力とバ
ランスした所で停止する。この場合電磁力はコイ
ル１４７の巻数Ｎとコイルに流れる電流ｉの横に
比例するので、巻数Ｎは一定であり、電磁力はコ
イル１４７に流れる電流に比例する。一方スプリ
ング１４８の力は移動量とバネ定数の積となる。
よつてリード線１４９，１５０に流れる電流と移
動量は比例する。移動量はシヤフト１４６のスリ
ツトの開口面積の平方根に比例するので、つまり
供給電流はスリツトの開口面積の平方根に比例す
る。また管路１２の圧力と管路１５の圧力との差
が一定ならば該空気制御弁１４の出口の空気流量
は実験値としてスリツトの開口面積の平方根にほ
ぼ比例することが確認されている。この圧力差は
前述した様にリリーフ弁１１により一定に制御さ
れるので、結局は空気制御弁１４に入力する電流
に比例させて空気流量を制御出来る。

次に第３図にて空燃比制御回路１６を詳細に説
明する。第３図において入力端子１６０は前記空
燃比検出器９の出力端子に接続してあり、他方の
入力端子１６１は前記空燃比検出器９の接地側端
子に接続してある。なお空燃比検出器９からのリ
ード線はシールド線を使用している。入力端子１
６０は抵抗１６２を介してバツフア増幅器１６４
の非反転入力に接続してある。該非反転入力と接
地側との間にノイズ吸収用のコンデンサ１６３が
挿入してある。入力端子１６１は接地してある。
バツフア増幅器１６４はRCA社製IC品番CA3130
を使用している。該バツフア増幅器１６４の反転
入力端は出力端に接続してある。また出力端は比
較器１６５の非反転入力端に接続してある。比較
器１６５の反転入力端は可変抵抗器１６６の可変
端子に接続してある。該比較器１６５の出力端は
アツプダウンカウンタ１７０のＵ／Ｄ入力端に接
続してある。可変抵抗器１６６の一方の固定端子
は定電圧Vcが印加してあり、他方の固定端子は
接地してある。１６７は無安定マルチバイブレー
ターであり、RCA社製IC品番CD4047を使用して
いる。該ICの端子のうち４、５、６、14番端子
に定電圧Vcを印加して、７、８、９、12番端子
を接地することにより無安定マルチバイブレータ
ーとして動作させている。コンデンサ１６８は
３、１番端子に、抵抗１６９は３、２番端子に接
続してあり、コンデンサ１６８と抵抗１６９の時
定数により発振周波数が決まる。該無安定マルチ
バイブレーター１６７の出力はANDゲート１７
５，１７６の一方の入力にそれぞれ接続してあ
る。アツプダウンカウンタ１７０はRCA社製IC
品番4029を２個使用しており２進アツプダウンカ
ウンタとしている。クロツク入力端CLはANDゲ
ート１７６の出力端に接続してあり、各出力端Ｑ
１，Ｑ２，Ｑ４，Ｑ５はＲ−2Rラダーネツトワ
ーク回路１７７にそれぞれ下位桁から順に接続し
てある。５入力ANDゲート１７１の各入力端は
前記アツプダウンカウンタ１７０の各出力端Ｑ
１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５にそれぞれ接続して
ある。５入力ORゲート１７２の各入力端は前記
アツプダウンカウンタ１７０の各出力端Ｑ１，Ｑ
２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５にそれぞれ接続してある。
NANDゲート１７３の一方の入力端は前記比較器
１６５の出力端に、他方の入力端は前記ANDゲ
ート１７１の出力端に接続してある。該NANDゲ
ート１７３の出力端はANDゲート１７５の他の
入力に接続してある。ORゲート１７４の一方の
入力端は前記比較器１６５の出力端に、他方の入
力端は前記のORゲート１７２に接続してある。
該ORゲート１７４の出力はANDゲート１７６の
一方の端子に接続してある。ANDゲート１７５
の出力端はANDゲート１７６の他方の入力端に
接続してある。該人ANDゲート１７６の出力は
前述したようにアツプダウンカウンタ１７０のク
ロツク入力端CLに接続してある。Ｒ−2Rラダネ
ツトワーク１７７の出力端はバツフア増幅器１７
８の非反転入力端に接続してある。該バツフア増
幅器１７８の反転入力端は出力端に接続してあ
る。該バツフア増幅器１７８の出力端は可変抵抗
器１７９の一方の固定端子に接続してある。該可
変抵抗器１７９の他方の固定端子は接地してあ
り、可変端子は抵抗１８０を介して増幅器１８１
の反転入力端に接続してある。該増幅器１８１の
出力端はトランジスタ１８２のベースに、非反転
入力端は抵抗１８３を介して前記トランジスタ１
８２のエミツタに接続してある。該トランジスタ
１８２のエミツタは抵抗１８４の一端に接続して
ある。該抵抗１８４の他端は接地してある。コン
デンサ１８５は前記トランジスタ１８２のベース
とコレクタに挿入してある。該トランジスタ１８
２のコレクタは制御回路１６の出力端子１８６を
通して前記空気制御弁１４の電磁コイル１４７の
一端に接続してある。電源入力端子１８７は接地
してあり、バツテリBaの負極に接続してある。
他方の電源入力端子１８８は自動車用キースイツ
チKSを経てバツテリBaの正極に接続してある。
該電源入力端子は定電圧IC１８９の入力端に接
続してある。該定電圧IC１８９はモトローラ社
製IC品番MC7806を使用しており一定の電圧Vcを
出力する。コンデンサ１９０はIC１８９の入力
端を接地端の間に、コンデンサ１９１は出力端と
接地端の間にノイズ除去用としてそれぞれ挿入し
てある。

上記空燃比制御回路の作動を説明すると、抵抗
１６２、コンデンサ１６３、バツフア増幅器１６
４の構成により入力の高インピーダンスを低イン
ピーダンスが高くて微弱な電流を比較的大きな電
流が取れるようにしている。比較器１６５により
バツフア増幅器１６４の出力電圧Vxと可変抵抗
器１６６の可変端子の設定電圧Vrとを比較し
て、Vx≧Vrのとき（つまり空燃比が所定空燃比
より小さいとき高レベルの電圧信号“１”を出力
し、Vx＜Vrのとき出力に低レベルの電圧信号
“０”を出す。電圧Vxは空燃比検出器９の出力電
圧に等しく第２図に示すと同様の特性である。比
較器１６５の出力が“１”のときアツプダウンカ
ウンタ１７０はアツプカウントになり“０”のと
きダウンカウンタになる。５入力ANDゲート１
７１はアツプダウンカウンタ１７０のオーバフロ
ーを防止するためのものでアツプダウンカウンタ
１７０の出力がすべて“１”のときANDゲート
１７１の出力は“１”になる。そしてＵ／Ｄ入力
が“１”のときはNANDゲート１７３の出力は
“０”になるのでANDゲート１７５の出力は
“０”となり発振器１６７からのクロツク信号を
停止する。一方５入力ORゲート１７２はアツプ
ダウンカウンタ１７０の出力がすべて“０”にな
つた後、さらにダウンカウントしようとした場合
にそれを防止するためのものである。アツプダウ
ンカウンタ１７０の出力がすべて“０”になると
５入力CRゲート１７２の出力は“０”となる。
そしてＵ／Ｄ入力が“０”であるのでORゲート
１７４の出力は“０”となりANDゲート１７５
からのクロツク信号をANDゲート１７６で停止
している。つまりＵ／Ｄ入力が１のときでアツプ
ダウンカウンタ１７０の出力がすべて１のときと
Ｕ／Ｄ入力が０でアツプダウンカウンタ１７０の
出力がすべて０のときにはクロツク入力端CLに
クロツクが入らないよう禁止している。その他の
場合にはクロツク信号がクロツク入力に印加され
る。なお、発振器１６７の発振周波数つまりクロ
ツク信号の周波数は約10Hzである。いま空燃比が
所定空燃比より小さく比較器１６５の出力が
“１”のときには発振器１６７からの１クロツク
毎に１個づつアツプダウンカウンタ１７０はアツ
プカウントしていま、空燃比が所定空燃比より大
きくなつて比較器１６５の出力が“０”になると
１クロツク毎にダウンカウントしていく。ラダー
ネツトワーク１７７はアツプダウンカウンタ１７
０の２進出力値をアナログ電圧に変換する公知の
Ｄ−Ａ変換器である。バツフア増幅器１７８はこ
のラダーネツトワーク１７７の出力を増幅するも
ので前記バツフア増幅器１６４と同じ作動で高入
力インピーダンスを低インピーダンスに変換して
いる。可変抵抗器１７９でバツフア増幅器１７８
の出力電圧Vrを分割してKV_Yの電圧を得る。抵
抗１８０，１８４、増幅器１８１、トランジスタ
１８２の回路構成により定電流回路を構成してお
り、入力電圧KV_Yに対応した出力定電流がトラン
ジスタ１８２のコレクタ電流として得られる。作
動は公知なので省略する。コンデンサ１８５はト
ランジスタ１８２のコレクタ負荷が電磁コイル１
４７であるので急作動した場合のノイズ吸収用で
ある。

次に上記構成装置全体の作動を説明すると、い
ま空燃比検出器９の出力電圧Vxが設定電圧Vrよ
り大きいときつまり排気系の空燃比が所定空燃比
より小さい場合には比較器１６５の出力は１とな
り、発振器１６７の一周期毎つまり0.1秒（10
Hz）毎にアツプダウンカウンタ１７０の計数値は
大きくなるのでバツフア増幅器１７８の出力電圧
Ｖ_Yはそれに対応してステツプ状に増加する。従
つて増幅器１８１の反転入力の電圧KV_Yもステツ
プ状に増加するので空気制御弁１４のコイル１４
７を流れる電流はそれに応じて大きくなる。従つ
てスプール１４５とシヤフト１４６のスリツトに
よる開口面積は比例して大きくなる。一方リリー
フ弁１１により空気制御弁１４の入力と出力の圧
力差は常に一定であるので空気制御弁１４を流れ
る２次空気の量は前記開口面積に比例するため、
排気管３に供給される２次空気の量が増加し空燃
比は大きくなり所定空燃比は近付く。すると今度
は空燃比検出器９の出力電圧は小さくなつてつい
には設定電圧Vrより小さくなる。するとアツプ
ダウンカウンタ１７０はダウンカウントして出力
値は0.1秒毎に１カウントづつ小さくなる。従つ
て空気制御弁１４を流れる２次空気の量は小さく
なつてくるので空燃比は小さくなる。このように
して排気系の空燃比を所定（理論）空燃比に収束
するように制御することになる。

この際、空気制御弁１４を作動させてから、２
次空気の量がこれに対応して変化し空燃比が変化
せられたことを空燃比検出器９が検出して出力信
号を出すまでには時間がかかる。このため空気制
御弁１４をある状態に作動させてから空燃比検出
器９がこの変化を検出して出力するまでの遅れ時
間中は空気制御弁１４を保持する必要があるが、
この実施例では空燃比制御回路１６の発振器１６
７の発振周期に相当する時間つまり0.1秒毎に制
御回路１６の制御出力信号が切換るようになつて
おり、空燃比が大きく変動するという問題はな
い。

なお上記の実施例では制御回路１６の制御出力
信号の切換周期は発振器１６７の一定な発振周期
で決定したが、空気制御弁１４を通過する２次空
気の速度つまりは上記遅れ時間は内燃機関の回転
速度に応じたものであることに着目し、機関回転
に対応した周期の信号、例えばデイストリピユー
タ等の点火信号に同期した信号を発振器１６７の
発振信号に代えて用いることができる。また制御
回路としては上記実施例以外にもマイクロコンピ
ユータを用いた制御回路の使用も同様の技術思想
により可能である。また更に、上記実施例では空
気制御弁１４の上下流間の圧力差を調整する圧力
調整手段としてのリリーフ弁１１は、この圧力差
を一定にするものであつたが、機関の吸入空気量
に応じた値或いは機関の吸気負圧に応じた値に調
整する機構のものであつても勿論よい。

以上述べたように本発明では、少なくとも空燃
比検出器による検出遅れ時間を考慮した所定時間
毎に空燃比の判別結果に応じてその都度空燃比を
所定空燃比に増減補正するための制御信号を空気
量制御装置に出力し、空気供給手段からの圧力調
整された２次空気を適正量だけ排気系に供給する
ようにしているから、排気系における空燃比の変
動幅を十分抑えることができ、三元触媒による排
気ガスの浄化を良好にできるという優れた効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２
図は第１図に示す空燃比検出器の出力特性図、第
３図は第１図に示す空燃比制御回路の電気回路図
である。 １……内燃機関、３……排気管、８……三元触
媒、９……空燃比検出器、１０……空気供給手段
をなすエアポンプ、１１……圧力調整手段をなす
リリーフ弁、１４……空気制御弁、１６……空燃
比制御回路、１４５……スプール。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 内燃機関の排気系に設置され排気ガス中の有
   害成分を浄化する三元触媒と、排気系の圧力より
   高い圧力の２次空気を前記三元触媒の上流側の排
   気系に供給する管路を有する空気供給手段と、前
   記２次空気の供給部位より下流側に設置され排気
   ガス成分から排気系の空燃比を検出する空燃比検
   出器と、この空燃比検出器の出力信号を受け空燃
   比が所定空燃比より大きいか小さいかを判別した
   判別結果に応じて機関の排気系に供給されるべき
   ２次空気量を示す制御信号の増減方向を切換え、
   所定期間毎にそれ以前の制御信号に所定値を加減
   算した制御信号を出力する空燃比制御回路と、前
   記管路の途中に配置されて前記空燃比制御回路か
   らの制御信号に応じて電磁的に駆動され、前記管
   路の２次空気通路面積を前記制御信号に応じた値
   に制御して機関の排気系に供給される２次空気量
   を制御する空気量制御装置と、この空気量制御装
   置よりも上流側の前記管路に配置されて前記空気
   量制御装置の上流側および下流側の２次空気の圧
   力差によりダイヤフラムを作動させて２次空気の
   一部を大気にリリーフさせて前記２次空気の圧力
   差を所定値に調整する圧力調整手段とを備えたこ
   とを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。