(57)【要約】【課題】  排気系に三元触媒を設けた小排気量のエンジンシステムにおいて、ドライバビリティを損なうことなく三元触媒の劣化、破損を防止する。【解決手段】  三元触媒を用いて排気ガスの浄化を行なうエンジンの排気系に２次空気を供給する２次空気供給路を設ける。２次空気供給路の途中に空気導入バルブを設ける。空気導入バルブを用いて排気系に供給される２次空気の供給量を制御する。２次空気の供給制御をクランクシャフトのサイクルに合わせて周期的に行なう。空燃比がリッチ状態の間、２次空気の供給が行われる開弁期間ｔ２のディユーティ比を供給量が三元触媒の触媒温度（Ｌ２）を所定値以下に維持する範囲、かつ供給量が三元触媒の炭素析出劣化（Ｌ３）を抑止した範囲で制御される。【選択図】        図２
2006112300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三元触媒が設けられたエンジンの排気系に２次空気を供給する２次空気供給路と、
前記２次空気供給路を介して前記排気系に供給される２次空気の供給量を制御する２次空気供給量制御装置とを備え、
空燃比がリッチ状態の間、前記供給量が前記三元触媒の触媒温度を所定値以下に維持する範囲、かつ前記供給量が前記三元触媒の炭素析出劣化を抑止する範囲で制御される
ことを特徴とする２次空気導入装置。
【請求項２】
前記２次空気の供給が周期的に行なわれ、前記２次空気の供給がデューティ比５０％未満で行なわれることを特徴とする請求項１に記載の２次空気導入装置。
【請求項３】
前記２次空気の供給がデューティ比３０％〜５％で行なわれることを特徴とする請求項２に記載の２次空気導入装置。
【請求項４】
前記２次空気の供給がデューティ比２０％〜１０％で行われることを特徴とする請求項３に記載の２次空気導入装置。
【請求項５】
前記三元触媒内の温度を検出する温度センサを備え、前記２次空気供給量制御装置が、前記温度に基づいて前記供給量を制御することを特徴とする請求項１に記載の２次空気導入装置。
【請求項６】
前記排気系の酸素濃度を検出する酸素濃度センサを備え、前記２次空気供給量制御装置が、前記酸素濃度に基づいて前記供給量を制御することを特徴とする請求項１に記載の２次空気導入装置。
【請求項７】
前記排気系の空燃比を検出する空燃比センサを備え、前記２次空気供給量制御装置が、前記空燃比に基づいて前記供給量を制御することを特徴とする請求項１に記載の２次空気導入装置。
【請求項８】
小型自動二輪車に搭載されたことを特徴とする請求項１に記載の２次空気導入装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気系に２次空気を供給する２次空気導入装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
四輪自動車では、排気ガスを浄化するために一般に三元触媒が排気系に設けられる。三元触媒に供給される排気ガスの空燃比は理論空燃比に維持されることが好ましい。しかし、空燃比はエンジンの運転状態に応じて変化するため、常に理論空燃比が維持されるものではない。このような問題に対し、排気系に２次空気を供給し、三元触媒に供給される排気ガスの空燃比を理論空燃比に維持するための２次空気導入装置が知られている（特許文献１）。
【特許文献１】実開昭６２−６７９１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
小型自動二輪車等に用いられる小排気量のエンジンにおいては、これまで排気ガスの浄化に関して考慮されておらず、排気系に三元触媒が設けられることはなかった。したがって、例えば小型自動二輪車に三元触媒を用いる場合に、特有の問題が発生し得るのか、また特有の問題が存在するとして、何が問題となるのかなどについては、考察されていない。
【０００４】
本願発明者は、三元触媒を小排気量エンジン（特に小型自動二輪車）に使用する場合に発生する問題について考察し、その特有な問題を認識するに至った。すなわち、小排気量エンジンを用いた小型自動二輪車等においては、エンジン出力が小さく加速時にトルク不足となり易いことや、高負荷時に理論空燃比でエンジンを駆動すると、熱負荷によるエンジン損傷やドライバビリティの悪化を招くことから、リッチ状態を長時間に渡って持続する必要がしばしば発生する。このような場合に、四輪自動車などに用いられる従来の２次空気導入装置と同様に単に理論空燃比のみを考慮して２次空気を供給制御すると、触媒内の温度が急上昇し、三元触媒の劣化・破損をもたらす。また、リッチ状態が長時間持続する場合に２次空気の供給量を大幅に低減すると、排気ガスの浄化が不十分になるだけではなく、三元触媒の炭素析出劣化が発生する。
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、排気系に三元触媒を設けた小排気量のエンジンシステムにおいて、三元触媒の劣化、破損を防止することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の２次空気導入装置は、三元触媒が設けられたエンジンの排気系に２次空気を供給する２次空気供給路と、２次空気供給路を介して排気系に供給される２次空気の供給量を制御する２次空気供給量制御装置とを備え、空燃比がリッチ状態の間、供給量が三元触媒の触媒温度を所定値以下に維持する範囲、かつ供給量が三元触媒の炭素析出劣化を抑止する範囲で制御されることを特徴としている。
【０００７】
２次空気の供給は、例えばデューティ比５０％未満で周期的に行なわれる。好ましくは、２次空気の供給は、更にデューティ比３０％〜５％の範囲で行なわれる。また、より好ましくは、２次空気の供給はデューティ比２０％〜１０％の範囲で行われる。
【０００８】
また、三元触媒内の温度を検出する温度センサを備えることが好ましく、２次空気供給量制御装置が、この温度に基づいて供給量を制御することが好ましい。また排気系の酸素濃度を検出する酸素濃度センサを備え、２次空気供給量制御装置が、検出された酸素濃度に基づいて供給量を制御することが好ましい。また例えば、２次空気導入装置は、排気系の空燃比を検出する空燃比センサを備え、２次空気供給量制御装置は、空燃比に基づいて供給量を制御する。また、２次空気導入装置は、例えば小型自動二輪車に搭載される。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように、本発明によれば、排気系に三元触媒を設けた小排気量のエンジンシステムにおいて、三元触媒の劣化、破損を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるエンジンシステムの概略を示すブロック図であり、例えば小排気量エンジンを搭載した自動二輪車に採用される。
【００１１】
エンジン１０のシリンダヘッド１１の吸気ポートには、吸気マニホルド等を含めた吸気系ダクト１２が取り付けられる。吸気系ダクト１２には、エアクリーナ１３、スロットルボディ１４等が接続され、これらを介して外気が吸気ポートまで導かれる。吸気ポートの手前において、吸入された空気（外気）には燃料噴射装置１５から燃料が供給される。すなわち吸入された空気は所定の空燃比の混合気とされ、その後エンジン１０内に供給される。一方、シリンダヘッド１１の排気ポートには、排気マニホルド等を含めた排気系ダクト１６が取り付けられる。エンジンシリンダ内の燃焼ガスは、排気ポートを介して排気系ダクト１６に送出され、その後排気系ダクト１６に接像された三元触媒からなる触媒コンバータ１７やマフラー（図示せず）等を介して外部へと排出される。
【００１２】
吸気系ダクト１２においてエアクリーナ１３の下流側には、２次空気供給管１８の一端が連結され、シリンダヘッド１１の排気ポートには２次空気供給管１８の他端が連結される。また、２次空気供給管１８の途中には空気導入バルブ１９が設けられる。すなわち、２次空気供給管１８は、空気導入バルブ１９を介して吸気系と排気系とを連通し、排気系に供給される２次空気量は、空気導入バルブ１９の駆動によって制御される。なお、空気導入バルブ１９には、例えば負圧を利用するものや、エアポンプを利用するものが含まれる。
【００１３】
エンジン１０には、エンジンの温度をモニタするためのエンジン温度センサ２０とクランクの回転角を検知するクランク角度センサ２１が設けられる。排気系ダクト１６には酸素濃度をモニタするための酸素濃度センサ２２が設けられる。また触媒コンバータ１７には三元触媒の温度をモニタするための触媒温度センサ２３が設けられ、スロットルボディ１４にはスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）２４等が設けられる。センサ２０〜２４は、各々電子制御ユニット（ＥＣＵ）２５に接続されモニタされる。
【００１４】
また、ＥＣＵ２５は、燃料噴射装置１５、空気導入バルブ１９、点火装置２６に接続されており、例えば上記センサからの信号等に基づいて、燃料噴射量、２次空気供給量、点火プラグ２７の点火タイミングを制御する。
【００１５】
図２は、空燃比がリッチ状態のときの２次空気の供給タイミングと、触媒温度及び炭素析出劣化の関係を模式的に示すグラフである。図２を参照して本実施形態における２次空気供給量制御の原理について説明する。なお図２において横軸ｔは時間である。
【００１６】
上述したように、２次空気の供給量は、空気導入バルブ１９の開閉動作により制御され、空気導入バルブ１９は略周期Ｔｓで駆動される。周期Ｔｓは、閉弁され２次空気の供給が遮断される閉弁期間ｔ１と、開弁され２次空気が供給される開弁期間ｔ２とからなる。また、周期Ｔｓは例えばクランクシャフトの１サイクルに対応する。なお、図２において、矩形パルスＬ１は、空気導入バルブ１９の駆動パルスを表わし、曲線Ｌ２、Ｌ３は触媒コンバータ１７内の触媒温度と炭素析出劣化の度合いをそれぞれ模式的に示す。
【００１７】
曲線Ｌ３に示されるように、空燃比がリッチ状態のため、２次空気の供給が行なわれない閉弁期間ｔ１の間、排ガス中に残った炭素が触媒中の貴金属と結びつき炭素析出劣化が上昇する。これは、２次空気（２次エア）が供給される開弁期間ｔ２が開始するまで続く。２次空気の供給が開始され排気ガスが酸素過剰雰囲気とされると、三元触媒は次第に回復し始め、炭素析出劣化は低下する。なお、図２には、比較として、開弁期間ｔ２を設けず、２次空気を供給しない場合の炭素析出劣化の上昇を破線Ｌ４として示す。
【００１８】
一方、曲線Ｌ２に示されるように、２次空気の供給を開始すると、供給された２次空気により排気ガス中に残っている燃料が燃焼し触媒コンバータ１７内の触媒温度が急上昇する。これは、開弁期間ｔ２の間、すなわち次の周期の閉弁期間ｔ１において２次空気の供給が遮断されるまで継続する。２次空気の供給が絶たれると、排気ガス中に残った燃料の燃焼も終了するので、触媒温度は漸次低下する。
【００１９】
触媒温度に注目する場合、２次空気が供給される開弁期間ｔ２と遮断される閉弁期間ｔ１との関係は、リッチ状態が連続して持続される期間において、触媒温度が所定温度（例えば、触媒コンバータの許容最大温度）θｃを越えない範囲で決定される。例えば、閉弁期間ｔ１における単位時間当たりの平均温度上昇率をα（＜０）、開弁期間ｔ２における単位時間当たりの平均温度上昇率をβ（＞０）、小型自動二輪車において予測されるリッチ状態の持続上限期間をＴR、初期触媒温度をθ0するとき、ｔ１、ｔ２は、少なくともθｃ−θ0＞（α・ｔ１＋β・ｔ２）×ＴR／Ｔｓの関係を満たすように設定される。すなわち、ｔ１＝Ｔｓ−ｔ２の関係を上式に代入し、開弁期間のデューティ比Ｒ（＝ｔ２／Ｔｓ）に関する条件を求めると、Ｒ＜（θｃ−θ0−αＴR）／［（β−α）ＴR］となり、デューティ比Ｒはこの式を満たす範囲で決定される。
【００２０】
一般に、αの絶対値の方が、βの絶対値よりも大きいので、２次空気が供給される開弁期間のデューティ比は５０％未満である。本実施形態では、例えば３０％未満あるいは２０％未満に設定される。
【００２１】
一方、炭素析出劣化に注目する場合、２次空気が供給される開弁期間ｔ２と遮断される閉弁期間ｔ１との関係は、リッチ状態が連続して持続される期間において、炭素析出劣化が所定劣化度（例えば、三元触媒の許容最大炭素析出劣化度）Ｑｃを越えない範囲で決定される。例えば、閉弁期間ｔ１における単位時間当たりの平均炭素析出劣化上昇率をγ（＞０）、開弁期間ｔ２における単位時間当たりの平均炭素析出劣化上昇率をδ（＜０）、初期劣化度をＱ0するとき、ｔ１、ｔ２は、少なくともＱｃ−Ｑ0＞（γ・ｔ１＋δ・ｔ２）×ＴR／Ｔｓの関係を満たすように設定される。すなわち、開弁期間のデューティ比Ｒは、Ｒ＞（Ｑｃ−Ｑ0−γＴR）／［（δ−γ）ＴR］を満たす範囲で決定される。
【００２２】
なお、本実施形態では、触媒温度及び炭素析出劣化を考慮し、例えば、デューティ比Ｒは、３０％〜５％、あるいは２０％〜１０％に設定される。これらの値は、回転数やスロットル弁開度等をパラメータとして、予め上記条件のもと設定されており、例えばＥＣＵ２５に接続されたメモリに記憶されている。また、デューティ比Ｒは、上記条件を満たす所定の固定値（所定時間）に設定されてもよい。
【００２３】
以上のように、本実施形態によれば、小排気量のエンジンを搭載した小型自動二輪車のように、長時間に渡ってリッチ状態が継続する場合においても、触媒温度の上昇を抑えるとともに炭素析出劣化を防止することができるので、ドライバビリティを損なうことなく、排気ガスの浄化を行なうことができる。
【００２４】
なお、例えば、触媒温度センサにおいて検知された触媒温度に基づいて、開弁期間のデューティ比をフィードバック制御することも可能である。また、酸素濃度センサにより検知される排気系の酸素濃度を更にフィードバックに加えることも可能である。
【００２５】
また、排気系に空燃比を検出する空燃比センサを設けてもよい。例えば、図１の触媒温度センサ２３を空燃比センサに置き換え、あるいは触媒コンバータ１７内に空燃比センサを併設し、触媒コンバータ１７内の空燃比に基づいて２次空気の供給量を制御してもよい。例えば、検出された空燃比が所定値以上の場合に２次空気の供給を行い、所定値以下の場合に供給を行なわないとすることもでき、これらの所定値は例えば１４．７±３の範囲の値に設定される。例えば、２次空気の供給をオンする場合の閾値（所定値）は約１１に設定され、オフする場合の閾値（所定値）は約１７と設定される。
【００２６】
なお、２次空気導入管が２次空気を供給する位置は、排気系の触媒上流であればよく排気ポートに限定されるものではない。２次空気の取り入れ口も、吸気系ダクトのエアクリーナ下流側に限らず、独立して外気を取り入れる構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態であるエンジンシステムの概略を示すブロック図。
【図２】空燃比がリッチ状態のときの２次空気の供給タイミングと、触媒温度及び炭素析出劣化の関係を模式的に示すグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１０  エンジン
１１  シリンダヘッド
１２  吸気系ダクト
１３  エアクリーナ
１４  スロットルボディ
１５  燃料噴射装置
１６  排気系ダクト
１７  触媒コンバータ
１８  ２次空気供給管
１９  空気導入バルブ
２０  エンジン温度センサ
２１  クランク角度センサ
２２  酸素濃度センサ
２３  触媒温度センサ
２４  スロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）
２５  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
【図１】
2006112300.tif 000003
【図２】
2006112300.tif 000004