(57)【要約】【課題】  排気ガス中の酸素濃度を適正に測定し、３元触媒による排気ガス中の有害成分の浄化能力を最大限に引き出す空燃比制御を提供する。【解決手段】  前記排気ガス中に含まれる酸素濃度が所定の閾値を越えるか否かを示す二値信号を出力する酸素センサと、前記酸素センサから出力された前記二値信号に基づいて空燃比を制御するための信号を出力する制御装置と、を備え、前記触媒装置は、内燃機関からの排気管を受け入れる第１膨張室と当該第１膨張室と隔された第２膨張室の少なくとも二つの膨張室を有するマフラー内に設置されると共に前記第１膨張室と前記第２膨張室間の排気ガス通路を形成し、前記排気ガス中の酸素濃度を検知する酸素センサは、前記マフラー内の第１膨張室における前記触媒装置の排気ガス流入口近傍に設置され、前記制御装置は、前記排気ガス中に含まれる酸素濃度を前記所定の閾値に対して上下動させることにより、空燃比をリッチ状態とリーン状態との間に往復振動させるように制御する。【選択図】  図３
2005307864.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス浄化のための触媒装置を備えた内燃機関において、供給空気量に対する燃料の含有比率（以下、「空燃比」という）を制御する空燃比制御装置であって、
前記排気ガス中に含まれる酸素濃度が所定の閾値を越えるか否かを示す二値信号を出力する酸素センサと、
前記酸素センサから出力された前記二値信号に基づいて空燃比を制御するための信号を出力する制御装置と、を備え、
前記触媒装置は、内燃機関からの排気管を受け入れる第１膨張室と当該第１膨張室と隔された第２膨張室の少なくとも二つの膨張室を有するマフラー内に設置されると共に前記第１膨張室と前記第２膨張室間の排気ガス通路を形成し、
前記排気ガス中の酸素濃度を検知する酸素センサは、前記マフラー内の第１膨張室における前記触媒装置の排気ガス流入口近傍に設置され、
前記制御装置は、前記排気ガス中に含まれる酸素濃度を前記所定の閾値に対して上下動させることにより、空燃比をリッチ状態とリーン状態との間に往復振動させることを特徴とする空燃比制御装置。
【請求項２】
前記触媒装置は、排気ガス中のＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘの３成分を浄化する３元触媒である請求項１に記載の空燃比制御装置。
【請求項３】
前記所定の閾値は、所定の理論空燃比に設定され、前記空燃比は、当該設定値を中心に往復振動するように制御される請求項２に記載の空燃比制御装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記酸素センサの出力信号を、内燃機関のクランク角に同期して読み取ることを特徴とする請求項１に記載の空燃比制御装置。
【請求項５】
前記第１膨張室内に挿入された内燃機関からの前記排気管は、その排気ガス流出方向が前記触媒装置の排気ガス流入方向と相反するように設置されることにより、内燃機関からの排気ガスが、前記第１膨張室内において前記触媒装置の排気ガス流入口に迂回状態で流入するように形成された請求項１に記載の空燃比制御装置。
【請求項６】
前記酸素センサは、そのセンサ素子外面が前記第１膨張室内に下向きに突き出た状態に設置され、当該センサ素子外面が前記触媒装置の前記排気ガス流入口の端面から５０乃至１００ｍｍ離隔した位置に設置されたことを特徴とする請求項1又は５に記載の空燃比制御装置。
【請求項７】
前記酸素センサの前記下向き設置角度は、重力方向に対して０乃至６０度の範囲である請求項６に記載の空燃比制御装置。
【請求項８】
内燃機関からの排気管を受け入れる第１膨張室と当該第１膨張室と隔された第２膨張室の少なくとも二つの膨張室を有するマフラーと、当該マフラー内に設置され前記第１膨張室と前記第２膨張室間の排気ガス通路を形成する触媒装置と、前記マフラー内の第１膨張室における前記触媒装置の排気ガス流入口近傍に設置されて排気ガス中の酸素濃度を検知する酸素センサとを備えた内燃機関において、供給空気量に対する燃料の含有比率（以下、「空燃比」という）を制御する方法であって、
前記第１膨張室における排気ガス中に含まれる酸素濃度が所定の閾値を越えるか否かを所定のタイミングで検知する行程と、
前記酸素濃度が前記閾値を越える場合は供給燃料量を低減又は供給空気量を増加させ、前記酸素濃度が前記閾値以下の場合は供給燃料量を増加又は供給空気量を減少させる行程と、
の各工程を繰り返すことにより、前記排気ガス中に含まれる酸素濃度を前記所定の閾値に対して上下動させ、空燃比をリッチ状態とリーン状態との間に往復振動させることを特徴とする空燃比制御方法。
【請求項９】
前記所定のタイミングは、内燃機関のクランク角に同期することを特徴とする請求項８に記載の空燃比制御方法。
【請求項１０】
内燃機関からの排気管を受け入れる第１膨張室と当該第１膨張室と隔された第２膨張室の少なくとも二つの膨張室を有するマフラーと、
前記マフラー内に設置され、前記第１膨張室と前記第２膨張室間の排気ガス通路を形成する触媒装置と、
前記マフラー内の第１膨張室における前記触媒装置の排気ガス流入口近傍に設置され、排気ガス中の酸素濃度が所定の閾値を越えるか否かを検知する酸素センサと、
前記酸素センサの出力を受信し、前記酸素濃度が前記閾値を越える場合は供給燃料量を低減又は供給空気量を増加させ、前記酸素濃度が前記閾値以下の場合は供給燃料量を増加又は供給空気量を減少させるように制御する制御装置と、
を有し、
前記排気ガス中に含まれる酸素濃度を前記所定の閾値に対して上下動させることにより空燃比をリッチ状態とリーン状態との間に往復振動させ、以って前記触媒装置を常に活性化させた状態に維持することを特徴とする排気ガス浄化装置。
【請求項１１】
前記触媒装置は、排気ガス中のＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘの３成分を浄化する３元触媒である請求項１０に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項１２】
前記所定の閾値は、所定の理論空燃比に設定され、前記空燃比は、当該設定値を中心に往復振動するように制御される請求項１１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項１３】
前記第１膨張室内に挿入された内燃機関からの前記排気管は、その排気ガス流出方向が前記触媒装置の排気ガス流入方向と相反するように設置されることにより、内燃機関からの排気ガスが、前記第１膨張室内において前記触媒装置の排気ガス流入口に迂回状態で流入するように形成された請求項１０に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項１４】
前記酸素センサは、そのセンサ素子外面が前記第１膨張室内に下向きに突き出た状態に設置され、当該センサ素子外面が前記触媒装置の前記排気ガス流入口の端面から５０乃至１００ｍｍ離隔した位置に設置されたことを特徴とする請求項１３に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項１５】
前記酸素センサの前記下向き設置角度は、重力方向を中心に０乃至６０度の範囲である請求項１４に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項１６】
前記マフラーは、前記第１膨張室と前記第２膨張室の他に、第３膨張室及び第４膨張室を備え、前記内燃機関からの排気管から流出した排気ガスは、当該マフラー内において前記第１膨張室、前記第２膨張室、前記第３膨張室及び前記第４膨張室の順に通過して、前記第４膨張室に接続された排気ダクトから外部に放出されるように形成された請求項１０に記載の排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関における空燃比制御装置、空燃比制御方法及び排気ガス浄化装置に関し、特に、内燃機関から排出された排気ガス中の酸素濃度を測定して内燃機関に供給される空気量に対する燃料の含有比率を制御することにより触媒の浄化能力を最大限に引き出すための空燃比制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化防止等の近年における地球環境を保護する必要性から、二輪車を含む自動車等の内燃機関（以下、適宜「エンジン」という）における最重要課題として、エンジンの燃焼効率（燃費）の向上と排気ガス中の有害成分の低減が挙げられる。
【０００３】
エンジンの燃焼効率（燃費）を向上させるためには、燃料を完全燃焼させる必要がある。一方、排気ガスに含まれるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の有害成分を極力低減させるためには、エンジンへ供給する燃料ガスにおける供給空気量に対する燃料の含有比率（以下、「空燃比」という）を最適化する必要がある。
【０００４】
エンジンから排出される排気ガスを浄化するためには、多くの場合触媒装置が使用される。排気ガス浄化のための触媒としては、排気ガス中のＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）及びＮＯｘ（窒素酸化物）を同時に高い浄化率で浄化することが可能な３元触媒が使用されている。
【０００５】
３元触媒の効果を最大限に発揮させるためには、エンジンへ供給する燃料と空気から成る燃料ガスにおける供給空気量に対する燃料の含有比率（以下、「空燃比」という）を、所定の空燃比（理論空燃比）に維持する必要があることから、エンジンに供給する燃料ガスの正確な空燃比制御が必要となる。
【０００６】
一般に、燃料ガス中の酸素濃度が低い時、即ち燃料が濃くて酸素が不足している状態（リッチ状態）の時には、排気ガス中に一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）が増加して燃費の低下と外気汚染の原因となる。これとは逆に、混合燃料ガス中の酸素濃度が高い時、即ち燃料が薄くて酸素が過剰の状態（リーン状態）の時には、余分な酸素によって窒素酸化物（ＮＯｘ）が増加し、やはり外気汚染の原因となる。また、このリーン状態の場合、過剰な酸素によって、高温の排気ガスの排気経路に設置された触媒を酸化させ、触媒の効率を低下させることにもなる。
【０００７】
このため、従来から、排気ガス中の酸素濃度を検知し、排気ガス中の酸素濃度が最適になるように、すなわち、エンジンの吸気側では燃料ガスが理論空燃比になるように、燃料ガスの空燃比を制御することが行われてきた。
【０００８】
排気ガス中の酸素濃度は、排気経路に設置された酸素センサを用いて検知することになるが、この酸素センサは、燃焼ガス中の空燃比が適正値であったか否かを検知することになることから空燃比センサとも呼ばれている。
【０００９】
空燃比センサとして使用する酸素センサの多くは、上記した理論空燃比においてその出力信号の電圧値が急激に変化する特性を有するように設計されている。この特性を利用して、エンジンの燃料噴射制御や点火時期制御等を司るＥＣＵ（Electric Control Unit）は、燃料ガスが理論空燃比よりも濃いか薄いかを判定し、濃い場合は燃料に対する供給空気量を増加させ、薄い場合は燃料に対する供給空気量を減少させるフィードバック補正制御をさせている。
【００１０】
ところで、２サイクル又は４サイクルのサイクル数の違い若しくはエンジンの気筒数等の違いに拘らず、エンジンは、吸気工程、圧縮工程、燃焼行程及び排気工程の４つの工程を有し、エンジンの排気ガス経路を流れる排気ガス中の圧力は大きく変動し、酸素濃度は常に変動している。
【００１１】
このため、排気ガス中に含まれる酸素濃度を検知しその検知結果に基づくエンジンの空燃比制御においては、特に単気筒エンジンの場合においては、排気ガス経路における酸素センサの設置場所及び酸素センサ出力の読み出しのタイミングは、重要なファクタとなる。
【００１２】
多くの従来の内燃機関においては、酸素センサをエンジンの排気弁に接続される排気管（多気筒エンジンの場合は、排気管マニホルド）内に設置し、触媒装置を酸素センサの設置箇所から離れた排気管の下流側に設置している。
【００１３】
その第１の例として、特許文献１（特許第３３７８４７４号公報）は、多気筒エンジンにおいて、酸素センサ３を各シリンダからの複数の排気管１を集合した集合排気管（集合ケース２）に取り付け、当該集合排気管部の形状をベルマウス形状にすることにより酸素センサ３に低速の排気ガスが当たるようにし、触媒４を排気管集合部の下流側に設置するようにした排気マニホルドを開示している。
【００１４】
その第２の例として、特許文献２（特開２０００−１７９３８３号公報）は、単気筒４サイクルエンジンにおいて、酸素センサ３４を排気バルブ３１に近い排気管２４に、そして排気ガス浄化触媒３３を排気管２４の下流側に夫々接続し、クランクシャフト１９の回転角に同期して酸素センサ３４の出力信号を、読み取るようにした単気筒サイクルエンジンを開示している。
【００１５】
一方、特許文献３（特開２０００−３１０１１６号公報）は、車輪で跳ね上げられた飛石や跳ね水から酸素センサや排気温度センサを保護すると共に精度良く空燃比制御を行うために、排気管３８とマフラー３９の接続部近傍のマフラー上部側に酸素センサ４３を設置し、触媒４２をマフラー３９内に設けた内燃機関制御装置を開示している。
【特許文献１】特許第３３７８４７４号公報
【特許文献２】特開２０００−１７９３８３号公報
【特許文献３】特開２０００−３１０１１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかし、上記した従来技術の内、酸素センサをエンジンの排気弁に接続される排気管内に設置し、触媒装置を酸素センサの設置箇所から離れた排気管の下流側に設置する例においては、排気ガス中の酸素濃度を検知する酸素センサと触媒装置とが離隔した位置に設置されており且つ排気管内の排気ガスがエンジンの吸気工程や排気工程の繰り返しにより、人体における血管内の血流の如く常時脈動していることもあって酸素センサの出力信号を読み取るタイミングが困難であり、酸素センサの出力信号に基づいて空燃比制御を行っても触媒装置を通過する排気ガス中の酸素濃度が理論空燃比になるとは限らなかった。また、高温の排気ガスがそのまま酸素センサに吹き付けられるので、酸素センサの性能の経年的安定性に問題が生じていた。
【００１７】
一方、上記した特許文献３のように、排気管とマフラーの接続部近傍のマフラー上部側に酸素センサを設置し、触媒４２をマフラー内の下流側に設けても、排気管から排出される排気ガスが酸素センサに直接的に吹き付けられることとなり、さらに、エンジンの排気工程に続く吸気工程による負圧作用によって一旦触媒を通過した排気ガスが押し戻され再び酸素センサと接触するようになることから、触媒を通過させる前の排気ガス中の酸素濃度を正確に測定することができないという問題があった。
【００１８】
従って、本発明は、酸素センサの性能を長期間安定化させると共に、触媒装置を通過する直前の排気ガス中の酸素濃度を正確に測定しこれに基づいて最適な空燃比制御をすることにより、燃焼効率を向上させると共に、３元触媒装置の能力を安定的に最大限に引き出すことにより排気ガス中の有害成分を大きく低減させることを可能にする空燃比制御装置、空燃比制御方法及び排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
このため、本発明は、排気ガス浄化のための触媒装置を備えた内燃機関において、供給空気量に対する燃料の含有比率（以下、「空燃比」という）を制御する空燃比制御装置であって、前記排気ガス中に含まれる酸素濃度が所定の閾値を越えるか否かを示す二値信号を出力する酸素センサと、前記酸素センサから出力された前記二値信号に基づいて空燃比を制御するための信号を出力する制御装置と、を備え、前記触媒装置は、内燃機関からの排気管を受け入れる第１膨張室と当該第１膨張室と隔された第２膨張室の少なくとも二つの膨張室を有するマフラー内に設置されると共に前記第１膨張室と前記第２膨張室間の排気ガス通路を形成し、前記排気ガス中の酸素濃度を検知する酸素センサは、前記マフラー内の第１膨張室における前記触媒装置の排気ガス流入口近傍に設置され、前記制御装置は、前記排気ガス中に含まれる酸素濃度を前記所定の閾値に対して上下動させることにより、空燃比をリッチ状態とリーン状態との間に往復振動させることを特徴とする空燃比制御装置を提供するものである。ここで、前記触媒装置は、排気ガス中のＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘの３成分を浄化する３元触媒である。
【００２０】
ところで、前記所定の閾値は、所定の理論空燃比に設定され、前記空燃比は、当該設定値を中心に往復振動するように制御し、前記制御装置は、前記酸素センサの出力信号を、内燃機関のクランク角に同期して読み取るようにする。
【００２１】
また、前記第１膨張室内に挿入された内燃機関からの前記排気管は、その排気ガス流出方向が前記触媒装置の排気ガス流入方向と相反するように設置されることにより、内燃機関からの排気ガスが、前記第１膨張室内において前記触媒装置の排気ガス流入口に迂回状態で流入するように形成する。
【００２２】
そして、前記酸素センサは、そのセンサ素子外面が前記第１膨張室内に下向きに突き出た状態に設置され、当該センサ素子外面が前記触媒装置の前記排気ガス流入口の端面から５０乃至１００ｍｍ離隔した位置に設置すると共に、酸素センサの前記下向き設置角度は、重力方向に対して０乃至６０度の範囲とする。
【００２３】
また、本発明は、内燃機関からの排気管を受け入れる第１膨張室と当該第１膨張室と隔された第２膨張室の少なくとも二つの膨張室を有するマフラーと、当該マフラー内に設置され前記第１膨張室と前記第２膨張室間の排気ガス通路を形成する触媒装置と、前記マフラー内の第１膨張室における前記触媒装置の排気ガス流入口近傍に設置されて排気ガス中の酸素濃度を検知する酸素センサとを備えた内燃機関において、供給空気量に対する燃料の含有比率を制御する方法であって、前記第１膨張室における排気ガス中に含まれる酸素濃度が所定の閾値を越えるか否かを所定のタイミングで検知する行程と、前記酸素濃度が前記閾値を越える場合は供給燃料量を低減又は供給空気量を増加させ、前記酸素濃度が前記閾値以下の場合は供給燃料量を増加又は供給空気量を減少させる行程と、の各工程を繰り返すことにより、前記排気ガス中に含まれる酸素濃度を前記所定の閾値に対して上下動させ、空燃比をリッチ状態とリーン状態との間に往復振動させることを特徴とする空燃比制御方法を提供するものである。
【００２４】
さらに、本発明は、内燃機関からの排気管を受け入れる第１膨張室と当該第１膨張室と隔された第２膨張室の少なくとも二つの膨張室を有するマフラーと、前記マフラー内に設置され、前記第１膨張室と前記第２膨張室間の排気ガス通路を形成する触媒装置と、前記マフラー内の第１膨張室における前記触媒装置の排気ガス流入口近傍に設置され、排気ガス中の酸素濃度が所定の閾値を越えるか否かを検知する酸素センサと、前記酸素センサの出力を受信し、前記酸素濃度が前記閾値を越える場合は供給燃料量を低減又は供給空気量を増加させ、前記酸素濃度が前記閾値以下の場合は供給燃料量を増加又は供給空気量を減少させるように制御する制御装置と、を有し、前記排気ガス中に含まれる酸素濃度を前記所定の閾値に対して上下動させることにより空燃比をリッチ状態とリーン状態との間に往復振動させ、以って前記触媒装置を常に活性化させた状態に維持することを特徴とする排気ガス浄化装置を提供するものである。
【００２５】
ここで、前記マフラーは、前記第１膨張室と前記第２膨張室の他に、第３膨張室及び第４膨張室を備え、前記内燃機関からの排気管から流出した排気ガスは、当該マフラー内において前記第１膨張室、前記第２膨張室、前記第３膨張室及び前記第４膨張室の順に通過して、前記第４膨張室に接続された排気ダクトから外部に放出されるように形成する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、上記のように、触媒装置をエンジンからの排気管を受け入れる第１膨張室と当該第１膨張室と隔された第２膨張室の少なくとも二つの膨張室を有するマフラー内に設置されると共に前記第１膨張室と前記第２膨張室間の排気ガス通路を形成し、さらに、前記排気ガス中の酸素濃度を検知する酸素センサを、前記マフラー内の第１膨張室における前記触媒装置の排気ガス流入口近傍に設置されることにより、排気ガスの脈動が適当に抑制された位置で排気ガス中の酸素濃度を適正に測定し、さらに、排気ガス中に含まれる酸素濃度を前記所定の閾値に対して上下動させることにより、空燃比をリッチ状態とリーン状態との間に往復振動させることによって、３元触媒による排気ガス中の有害成分の浄化能力を最大限に引き出す空燃比制御を実現したのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２８】
図１は、本発明の実施形態に係る空燃比制御装置及び排気ガス浄化装置を含むエンジンの全体構成の例を示す。
図１に示す全体構成の例において、本発明の実施形態に係る空燃比制御装置及び排気ガス浄化装置は、エンジン１に供給される燃料ガスの空燃比を最適化するための空燃比制御手段２１（図２）を含む制御装置（ＥＣＵ）２と、エンジン１から排出される排気ガスをマフラー４に導く排気管３と、マフラー４内において排気ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサ５と、マフラー４内に設置されて外気に放出される前に排気ガスを浄化するため触媒装置（以下、適宜「触媒」という）６とにより構成され、エンジン１に燃料を供給する燃料タンク７と、エンジン１に供給する空気量を調節する吸気スロットル８と、エンジン１のクランク回転角を検知するクランク回転角センサ１５とに関連する。
【００２９】
以下、図１に示すエンジンの全体構成図の例を簡単に説明する。
最初に、エンジンの吸気工程において、エンジン１の燃焼室（シリンダ又は気筒）１０には、エアフィルタ９において濾過されて塵や埃が除去された空気（外気中の空気）が、燃焼室１０内のピストンの下降動作によって生じる負圧により供給される。このとき、吸気弁１７は開かれている。この空気の供給量は、制御装置２からの制御指令を受けた吸気スロットル８の開弁角度（スロットル開度）によって制御できる。そして、吸気スロットル８のスロットル開度によって決められた空気量に見合う推定燃料量を噴射する燃料噴射制御が行われるのである。
【００３０】
一方、エンジン１の燃焼室への空気の供給と同時に、インジェクタ１３の注入口から燃料が注入される。これによって、燃焼室１０内に引き込まれる空気中に燃料が噴射された燃料ガスとなる。燃料は、燃料を貯蔵する貯蔵燃料タンク７から燃料供給パイプ１６を経由してインジェクタ１３に供給される。インジェクタ１３から供給される燃料噴射量は、制御装置（ＥＣＵ）２からの燃料供給指示パルス信号のパルス幅に応じて噴射動作するインジェクタ１３の燃料噴射時間により調節される。このようにして、供給空気量に対する燃料の含有比率である空燃比が制御される。エンジンの加速時においては、空燃比を大きく（リッチ状態）なるように制御し、エンジンの定常走行時においては空燃比を小さく（リーン状態）なるように制御する。
【００３１】
次に、エンジンの圧縮工程において、燃焼室１０内に供給される空気と燃料との混合体である燃料ガスは、ピストンの上昇動作により圧縮される。この際、吸気弁１７と排気弁１８は、閉じられている。
【００３２】
次に、燃焼（爆発）行程において、上記の圧縮工程において圧縮された燃焼ガスは、制御装置２からの所定のタイミングで点火指令を受けたイグニッションコイル１２が高電圧を発生させ、当該高電圧をスパークプラグ１１に印加させることによりスパークプラグ１１を点火して圧縮された燃料ガスを爆発させ、ピストンを急激に押し下げるのである。
【００３３】
ところで、ピストンの上下運動に伴って回転するクランク軸の回転角は、クランク回転角センサ１５によって検知され、制御装置２に送出されるので、制御装置は、常にエンジンの動作状態を把握している。
【００３４】
次に、エンジンの排気工程においては、燃焼行程において燃焼されたガスは、排気ガスとして外気中に放出される。燃焼室１０からの排気ガスの放出は、排気弁１８を開いた状態で、爆発工程において押し下げられたピストンが上昇することにより行われる。排気ガスは、排気管３を経由して、マフラー４内へと導かれて、爆発音や排気音等のノイズを低下させた後に外気に放出されるのである。
【００３５】
そして、本発明の係る装置においては、マフラー４内において排気ガス中の酸素濃度を検出し、その後排気ガスは、触媒６によって排気ガス中に含まれるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、及びＮＯｘ（窒素酸化物）が浄化されるのである。これについては、図３乃至図９において詳しく説明する。
【００３６】
尚、図１に示すように、吸気スロットル８の周辺には、スロットル開度を検出するための開度センサ、吸気の温度を測定する温度センサ、吸気圧を測定するための圧力センサ等の各種センサが設置されて、制御装置（ＥＣＵ）２に接続されている。さらに、この外にも、エンジンの温度を測定する温度センサ、外気圧を測定する圧力センサ等の各種センサやスイッチが配置され、制御装置（ＥＣＵ）２に接続されている。制御装置は、これらのセンサやスイッチからのデータに基づいて、エンジンの最適制御を行うのである。
【００３７】
図２は、本発明の実施形態に係る空燃比制御装置及び排気ガス浄化装置における制御構成図の例を示す。
制御装置（ＥＣＵ）２は、マイクロプロセッサ手段、プログラムや固定データを格納するＲＯＭや一時的なデータや演算結果を格納するＲＡＭ等のメモリ手段、各種センサやスイッチ等から入力信号を受け付けるための入力インターフェース、及びエンジンを動作される各種能動手段への出力インターフェースと、から構成される。
【００３８】
これにより、制御装置（ＥＣＵ）２は、エンジンの燃料噴射制御、吸気量制御、点火（時期）制御、ノック制御、アイドル回転制御等の各種制御を集中的に司る。そして、燃料噴射量と吸気量との比を制御することによって、本発明に係る空燃比制御が行われるのである。
【００３９】
上記のように、制御装置（ＥＣＵ）２には、酸素センサ５、エンジン温度センサ１４、クランク回転角センサ１５の他、スロットル開度センサ、吸気温度センサ、吸気圧力センサや外気圧センサ等の各種センサの他、アクセルセンサや各種スイッチ類等からの入力信号に基づいて、燃料噴射を行うインジェクタ１３、吸気スロットル８及びイグニッションコイル１２等の各種能動手段の動作制御が行われるのである。
【００４０】
図３は、本発明の実施形態に係る排気ガス浄化装置の例を示し、図３（ａ）はその側面構造（一部透視図）を示し、図３（ｂ）はその断面構造を示す。
【００４１】
また、図４は、第３図で示したマフラー４内における膨張室の構成と各膨張室内を流通してパイプＡから外部に排気される排気ガスの経路を示す。
【００４２】
本発明の係る空燃比制御装置及び排気ガス浄化装置を構成するマフラー４は、内燃機関からの排気管を受け入れる第１膨張室４１Ａと当該第１膨張室４１Ａと隔された第２膨張室４１Ｃと、の少なくとも二つの膨張室を有する。膨張室の数は、この第１膨張室４１Ａと第２膨張室４１Ｃとの二つであっても良いし、図３及び図４に示すように、それ３以上に区画されていてもよい。
【００４３】
図３に示すように、触媒装置６は、第１膨張室４１Ａと第２膨張室４１Ｃ間の排気ガス通路を形成するように設けられる。
【００４４】
そして、酸素センサ５は、マフラー４内の第１膨張室４１Ａにおける触媒装置６の排気ガス流入口近傍に設置される。ここで使用される酸素センサ５は、排気ガス中の酸素濃度が理論空燃比を越えるか否かを検知するデジタル出力のセンサである。理論空燃比については、後に詳しく説明する。
【００４５】
制御装置２（図１）は、この第１膨張室４１Ａの所定箇所に設置された酸素センサ５の出力を受信し、当該第１膨張室４１Ａにおいて酸素センサ５の出力信号（酸素濃度）が、理論空燃比を越える値を示した場合には、インジェクタ１３（図１）から噴射される燃料の量を予め設定された所定量だけ低減するか、又は吸気スロットル８（図１）のスロットル弁を開いて供給空気量を予め定められた所定量だけ増加させる。しかし、酸素センサ５の出力信号が、酸素濃度が理論空燃比よりも低い値を示した場合には、インジェクタ１３（図１）から噴射される燃料の量を予め設定された所定量だけ増加させるか、又は吸気スロットル８（図１）のスロットル弁を閉じて供給空気量を予め定められた所定量だけ低減させる。
【００４６】
制御装置２（図１）は、このような空燃比制御を繰り返すことにより、排気ガス中に含まれる酸素濃度を、理論空燃比を挟んで、常時上下動させることにより空燃比をリッチ状態とリーン状態との間に往復振動させるのである。
【００４７】
触媒装置６は、排気ガスが理論空燃比に合致した状態が継続すると浄化能力を低下させ、理論空燃比を挟んで常に上下動させることによりその浄化能力が活性化される特性を有しているのである。ここで使用する触媒装置６は、排気ガス中のＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘの３成分を浄化する３元触媒である。
【００４８】
ところで、制御装置２が、酸素センサ５の出力信号を読み取るタイミングは、排気弁１８（図１）から排出された排気ガスが、排気管３を経由してマフラー４内の第１膨張室４１Ａ内に排出され、触媒装置６の入口付近に到着するタイミングで行うようにする。この酸素センサ５の読取タイミングは、排気管３の長さに鑑みてクランク軸の回転角センサ１５（図１）からの信号パルスを所定数カウントすることにより行うようにすると良い。
【００４９】
マフラー４の第１膨張室４１Ａ内において、排気管３から放出される排気ガスが酸素センサ５のセンサ面に直接的に吹き付けられるのは好ましくない。酸素センサ５の読み取りのタイミングを著しく困難にすると共に、センサ出力の経年的安定性を損なうこととなるからである。
【００５０】
このため、本装置においては、第１膨張室内４１Ａに挿入された排気管３は、その排気ガス流出方向が触媒装置６の排気ガス流入口への流入方向と相反する方向に設置する。これによって、排気管３から第１膨張室４１Ａ内に放出された排気ガスは、第１膨張室内４１Ａにおいて触媒装置６の排気ガス流入口に迂回状態で流入することとなる。
【００５１】
酸素センサ５は、そのセンサ素子外面が第１膨張室内４１Ａの上壁の所定位置に下向きに突き出た状態に設置される。そして、酸素センサ５の下向き設置角度は、重力方向を中心に０乃至６０度の範囲である。これにより、酸素センサ５のセンサ素子部に水滴や燃焼による炭素粒子等の付着が軽減される。
【００５２】
また、本装置においては、このように下向きに設置された酸素センサ５のセンサ素子外面が触媒装置６の排気ガス流入口の端面から５０乃至１００ｍｍ離隔した位置になるように設置される。これにより、エンジンの排気工程に続く吸気工程による負圧作用によって一旦触媒装置６の中に入った排気ガスが膨張室４１Ａ内に押し戻されて再び酸素センサ５と接触する事態を防止でき、触媒を通過させる前の排気ガス中の酸素濃度を正確に測定することを実現したのである。
【００５３】
図３に示すマフラー４は、第１膨張室４１Ａと第２膨張室４１Ｃの他に、第１膨張室４１Ａと第２膨張室４１Ｃの間に設けられた第３膨張室４５Ｂと、第４膨張室４１Ｄとにより構成される。但し、既に述べたように、本マフラー４は、排気管３を受け入れる第１膨張室４１Ａと当該第１膨張室４１Ａと隔された第２膨張室４１Ｃとの二つの膨張室のみで構成されても良く、例えば第１膨張室４１Ａと、第２膨張室４１Ｃ及び第３膨張室４５Ｄの３つの膨張室によって構成され第３膨張室４５Ｄから外気に放出されるにしてもよい。
【００５４】
図４に示すように、本実施の形態に係るマフラー４においては、排気管３から流出した排気ガスは、マフラー４内において第１膨張室４１Ａ、第２膨張室４１Ｃ、第３膨張室４１Ｄ及び第４膨張室４１Ｂの順に通過して、第４膨張室４１Ｂに接続された排気ダクト（パイプＡ）から外部に放出される。
【００５５】
このため、第２膨張室４１Ｃと第３膨張室４１Ｄ間はパイプＢにより連通され、第３膨張室４１Ｄと第４膨張室４１Ｂ間はパイプＣにより連通されている。
【００５６】
このように、第１膨張室４１Ａに概ね１８０度程度折り曲げられ、排気管３の接続部方向に向かって放出されるので、触媒装置６の入口の前方に設置される酸素センサ５に排気ガスが直接的に吹き付けられない。ここで、第１膨張室４１Ａ内においては排気ガスの放出圧力が緩衝され、排気ガスが酸素センサ５に直接的に吹き付けられることを防止している。
【００５７】
これによって、マフラー４内に設けられ触媒装置６に入る排気ガスを所定の理想空燃比の上下０．１の幅に収めることを可能にしたのである。
【００５８】
ところで、本装置において使用する酸素センサ５としては、ジルコニア素子又はチタニア磁器を利用したタイプのものが利用可能である。ジルコニア素子を用いた酸素センサ５は、ジルコニアを試験管状に焼結した素子の内面外面の両面に多孔質の白金電極をコーティングした構造とし、素子外面を排気ガスに接触させ、酸素濃度に応じてジルコニアの固体電池作用により電圧を発生する特性を利用している。また、チタニア磁器を用いた酸素センサ５は、チタニア（ＴｉＯ２）がｎ型半導体であることから、その抵抗値がガス中の酸素分圧に依存する性質を利用している。
【００５９】
図５は、酸素センサの出力電圧値〔ｍＶ〕と空燃比との関係をグラフで示す。
図５に示すように、酸素センサ５の出力（電圧値）は、空燃比が、理論空燃比を挟む許容幅から変位する時に、この変位を実質的に２値的な信号として示すものであり、この酸素センサ５の出力を実質的に２値的な信号として制御装置２に送出することによって、空燃比の標準的な幅を、「理論空燃比±０．１」の幅に制御することが可能となる。
【００６０】
図６は、酸素センサの応答時間を示し、図６（ａ）は、実際の空燃比がリーンからリッチになった時に酸素センサ５の出力が変化するまでの時間の例を示し、図６（ｂ）は、実際の空燃比がリッチからリーンになった時に酸素センサ５の出力が変化するまでの時間の例を示す。
【００６１】
図７は、空燃比と触媒の浄化効率との関係を示すグラフである。
図７において、横軸（Ｘ軸）は空燃比を示し、縦軸（Ｙ軸）は触媒６の浄化効率〔％〕を示す。図示のように、中心の理論空燃比１４．６０（±０．３）の幅で示される領域（制御の許容幅）よりも空燃比が小さい左側の領域は酸素量が不足するリッチの領域を示す。このリッチの領域では燃料に比べて酸素が不足するので、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生は抑えられるが、ＨＣ（炭化水素）とＣＯ（一酸化炭素）の発生量が増加する。
【００６２】
また、中心の理論空燃比１４．６０（±０．３）の幅で示される領域（制御の許容幅）よりも空燃比が大きい右側の領域はリーンの領域を示す。このリーンの領域では十分な酸素量によってＨＣ（炭化水素）とＣＯ（一酸化炭素）の発生は抑えられるが、余分な酸素によって窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量が増加することにより触媒６が酸化されやくなる。
【００６３】
なお、エンジン排気ガス中にＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、及び窒素酸化物（ＮＯｘ）が発生する理由を以下で説明する。
【００６４】
エンジン内で、燃料が完全燃焼する時の反応は、
ＣｘＨｙ＋Ｏ２＋Ｎ２  →  ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＋Ｎ２  （但し、平衡反応を示すものではない）で示される。
【００６５】
これに対し、燃料が不完全燃焼する時の反応は、
ＣｘＨｙ＋Ｏ２＋Ｎ２  →  ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＋Ｎ２＋ＣＯ＋ＨＣ＋Ｏ２／Ｈ２  （但し、空燃比に依存し、また、平衡反応を示すものではない）で示される。
【００６６】
図８は、空気過剰率と各種の排気ガス濃度との関係を示すグラフである。図８のグラフにおいて、横軸（Ｘ軸）は、空気過剰率λ（実測空燃比／理論空燃比）を示し、縦軸（Ｙ軸）は排気ガスの窒素酸化物（ＮＯｘ）、ＣＯ（一酸化炭素）、及びＨＣ（炭化水素）の濃度を示す。
【００６７】
図８に示すように、ＣＯ（一酸化炭素）は、空気過剰率λが増大するに従って低下する（但し、λが１．０を少し越えたところで低下率は大幅に低下）ものの、窒素酸化物（ＮＯｘ）は、空気過剰率λが、１．０を少し超えたところで最大となり、ＨＣ（炭化水素）は、空気過剰率λが１．２近辺で最小になる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、内燃機関から排出された排気ガス中の酸素濃度を測定して内燃機関に供給される空気量に対する燃料の含有比率を制御することにより触媒の働きを最大限に引き出すための空燃比制御方法及び空気制御装置に関するものであり、産業上の利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施形態に係る空燃比制御装置及び排気ガス浄化装置を含むエンジンの全体構成の例を示す。
【図２】本発明の実施形態に係る空燃比制御装置及び排気ガス浄化装置における制御構成図の例を示す。
【図３】本発明の実施形態に係る排気ガス浄化装置の例を示し、（ａ）はその側面構造（一部透視図）を示し、（ｂ）はその断面構造を示す。
【図４】第３図で示したマフラー４内における膨張室の構成と各膨張室内を流通してパイプＡから外部に排気される排気ガスの経路を示す。
【図５】酸素センサの出力電圧値〔ｍＶ〕と空燃比との関係をグラフで示す。
【図６】酸素センサの応答時間を示し、（ａ）部は、実際の空燃比がリーンからリッチになった時に酸素センサ５の出力が変化するまでの時間の例を示し、（ｂ）部は、実際の空燃比がリッチからリーンになった時に酸素センサ５の出力が変化するまでの時間の例を示す。
【図７】空燃比と触媒の浄化効率との関係を示すグラフである。
【図８】空気過剰率と各種の排気ガス濃度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７０】
１：内燃機関（エンジン）
２：制御装置（ＥＣＵ）
３：排気管
４：マフラー
５：酸素センサ
６：触媒装置（３元触媒）
７：燃料タンク（ポンプ）
８：吸気スロットル
９：エアフィルタ
１０：燃焼室（シリンダ、気筒）
１１：スパークプラグ
１２：イグニッションコイル
１３：インジェクタ
１４：エンジン温度センサ
１５：クランク回転角センサ
１６：燃料管（燃料供給パイプ）
１７：吸気弁
１８：排気弁
【図１】
2005307864.tif 000003
【図２】
2005307864.tif 000004
【図３】
2005307864.tif 000005
【図４】
2005307864.tif 000006
【図５】
2005307864.tif 000007
【図６】
2005307864.tif 000008
【図７】
2005307864.tif 000009
【図８】
2005307864.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成16年5月19日(2004.5.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
排気ガス浄化のための触媒装置を備えた内燃機関において、燃料に関与する空気流量と燃料流量の比（以下、「空燃比」という）を制御する空燃比制御装置であって、
前記排気ガス中に含まれる酸素濃度が所定の閾値を越えるか否かを示す二値信号を出力する酸素センサと、
前記酸素センサから出力された前記二値信号に基づいて空燃比を制御するための信号を出力する制御装置と、を備え、
前記触媒装置は、内燃機関からの排気管を受け入れる第１膨張室と当該第１膨張室と隔された第２膨張室の少なくとも二つの膨張室を有するマフラー内に設置されると共に前記第１膨張室と前記第２膨張室間の排気ガス通路を形成し、
前記排気ガス中の酸素濃度を検知する酸素センサは、前記マフラー内の第１膨張室における前記触媒装置の排気ガス流入口近傍に設置され、
前記制御装置は、前記排気ガス中に含まれる酸素濃度を前記所定の閾値に対して上下動させることにより、空燃比をリッチ状態とリーン状態との間に往復振動させることを特徴とする空燃比制御装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項８】
内燃機関からの排気管を受け入れる第１膨張室と当該第１膨張室と隔された第２膨張室の少なくとも二つの膨張室を有するマフラーと、当該マフラー内に設置され前記第１膨張室と前記第２膨張室間の排気ガス通路を形成する触媒装置と、前記マフラー内の第１膨張室における前記触媒装置の排気ガス流入口近傍に設置されて排気ガス中の酸素濃度を検知する酸素センサとを備えた内燃機関において、燃料に関与する空気流量と燃料流量の比（以下、「空燃比」という）を制御する方法であって、
前記第１膨張室における排気ガス中に含まれる酸素濃度が所定の閾値を越えるか否かを所定のタイミングで検知する行程と、
前記酸素濃度が前記閾値を越える場合は供給燃料量を低減又は供給空気量を増加させ、前記酸素濃度が前記閾値以下の場合は供給燃料量を増加又は供給空気量を減少させる行程と、
の各工程を繰り返すことにより、前記排気ガス中に含まれる酸素濃度を前記所定の閾値に対して上下動させ、空燃比をリッチ状態とリーン状態との間に往復振動させることを特徴とする空燃比制御方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
エンジンの燃焼効率（燃費）を向上させるためには、燃料を完全燃焼させる必要がある。一方、排気ガスに含まれるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の有害成分を極力低減させるためには、燃料に関与する空気流量と燃料流量の比（以下、「空燃比」という）を最適化する必要がある。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
３元触媒の効果を最大限に発揮させるためには、空燃比を所定の値（理論空燃比）に維持する必要があることから、エンジンに供給する燃料ガスの正確な空燃比制御が必要となる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
このため、本発明は、排気ガス浄化のための触媒装置を備えた内燃機関において、燃料に関与する空気流量と燃料流量の比（以下、「空燃比」という）を制御する空燃比制御装置であって、前記排気ガス中に含まれる酸素濃度が所定の閾値を越えるか否かを示す二値信号を出力する酸素センサと、前記酸素センサから出力された前記二値信号に基づいて空燃比を制御するための信号を出力する制御装置と、を備え、前記触媒装置は、内燃機関からの排気管を受け入れる第１膨張室と当該第１膨張室と隔された第２膨張室の少なくとも二つの膨張室を有するマフラー内に設置されると共に前記第１膨張室と前記第２膨張室間の排気ガス通路を形成し、前記排気ガス中の酸素濃度を検知する酸素センサは、前記マフラー内の第１膨張室における前記触媒装置の排気ガス流入口近傍に設置され、前記制御装置は、前記排気ガス中に含まれる酸素濃度を前記所定の閾値に対して上下動させることにより、空燃比をリッチ状態とリーン状態との間に往復振動させることを特徴とする空燃比制御装置を提供するものである。ここで、前記触媒装置は、排気ガス中のＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘの３成分を浄化する３元触媒である。
【手続補正書】
【提出日】平成16年6月3日(2004.6.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2005307864.tif 000011