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JPH0828253A - 内燃機関の２次空気供給装置 - Google Patents

内燃機関の２次空気供給装置

Info

Publication number
JPH0828253A
JPH0828253A JP6163732A JP16373294A JPH0828253A JP H0828253 A JPH0828253 A JP H0828253A JP 6163732 A JP6163732 A JP 6163732A JP 16373294 A JP16373294 A JP 16373294A JP H0828253 A JPH0828253 A JP H0828253A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
exhaust gas
pipe
secondary air
exhaust
control valve
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP6163732A
Other languages
English (en)
Inventor
Kenichi Harada
健一 原田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP6163732A priority Critical patent/JPH0828253A/ja
Publication of JPH0828253A publication Critical patent/JPH0828253A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/22—Control of additional air supply only, e.g. using by-passes or variable air pump drives
    • F01N3/222—Control of additional air supply only, e.g. using by-passes or variable air pump drives using electric valves only
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/03—EGR systems specially adapted for supercharged engines with a single mechanically or electrically driven intake charge compressor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 運転状態に応じて適切な量を供給でき、かつ
浄化特性を損なうことのない２次空気供給装置を提供す
る。 【構成】 排気ガス冷却用の２次空気は、スーパーチャ
ージャ１０３の下流から取り出され空気制御弁１１９を
介して排気管１１１に設置されたベンチュリ１１３から
排気ガス中に供給される。排気管にはベンチュリをバイ
パスするバイパス管１１４が、バイパス管には排気制御
弁１１５が設置される。高回転・高負荷であるときは排
気制御弁は閉弁され、全排気ガスは排気管を通過するた
め２次空気量は増加し排気ガスを冷却する。このとき排
気ガスはエアリッチとなり三元触媒１１７における窒素
酸化物の浄化能力が低下するためＥＧＲ弁１２１を開と
して排気ガスを吸気に還流する。さらに２次空気と排気
ガスとの間で熱交換可能な構成とし、排気ガス温度を低
下させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の２次空気供給
装置に係わり、特に運転状態に応じて供給空気量を制御
することの可能な２次空気供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関から排出される排気ガス中に含
まれる一酸化炭素（ＣＯ）および炭化水素（ＨＣ）を低
減するために、ほぼ全運転領域において空燃比を理論空
燃比に維持することが普通である。しかしながら高回転
・高負荷領域においては排気ガス温度が上昇するため、
排気管あるいは触媒が高温に曝されることとなる。
【０００３】この課題を解決するために排気管あるいは
触媒を二重管構造とし、外側の管に大気を導入すること
により排気ガスあるいは触媒を冷却することが提案され
ている。特にターボチャージャあるいはスーパーチャー
ジャを搭載している車両にあっては、冷却用空気をター
ボチャージャあるいはスーパーチャージャ下流の過給気
とすることにより冷却効果を高めることが可能となる。
【０００４】さらに排気管にベンチュリ部を設け、この
ベンチュリ部に２次空気を導入することにより排気ガス
の温度を直接低減するものも提案されている（特開昭６
２−１１８０１９公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
技術に提案されたベンチュリ部に２次空気を供給するも
のにあっては、排ガス流によるなりゆき制御であって積
極的に２次空気量を制御することができないという課題
が生じる。さらに２次空気を導入した場合には触媒にお
いて窒素酸化物（ＮＯx ）が浄化されないという課題も
生じる。
【０００６】本発明は上記課題に鑑みなされたものであ
って、運転状態に応じて適切な量の２次空気を供給する
ことができ、かつ窒素酸化物の浄化特性を損なうことの
ない内燃機関の２次空気供給装置を提供することを目的
とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】第１の発明にかかる内燃
機関の２次空気供給装置は、内燃機関の排気管に設けら
れたベンチュリ部と、ベンチュリ部に開口する２次空気
供給管と、ベンチュリ部をバイパスするバイパス排気管
と、バイパス排気管に設置されバイパス排気管を流れる
排気ガス流量を制御する流量制御手段と、を具備する。
【０００８】第２の発明にかかる内燃機関の２次空気供
給装置は、吸気管に設置された過給器と、ベンチュリ部
を有する排気管とバイパス排気管との合流部より下流に
設置される三元触媒と、過給器下流側の吸気管から分岐
しベンチュリ部に２次空気供給を供給する２次空気供給
管と、２次空気供給管を開閉制御する空気制御弁と、ベ
ンチュリ部より上流の排気管から分岐し排気ガスを過給
器より上流の吸気管に還流する排気還流管と、排気還流
管を流れる排気ガス量を制御するＥＧＲ弁と、排気ガス
温度が過度に上昇する運転状態にあっては空気制御弁と
ＥＧＲ弁とを開弁する開弁制御手段と、をさらに具備
し、ＥＧＲ弁と２次空気供給管とを排気ガスと２次空気
との間で熱交換可能に配置したことを特徴とする。
【０００９】
【作用】第１の発明にかかる内燃機関の２次空気供給装
置にあっては、排気管に設置されたベンチュリに２次空
気が供給され排気ガス温度を低減するとともに、ベンチ
ュリをバイパスするバイパス排気管を流れる排気ガス流
量が流量制御手段により設置され制御される。
【００１０】第２の発明にかかる内燃機関の２次空気供
給装置にあっては、２次空気は過給器下流側から取り出
され、三元触媒における窒素酸化物の浄化能力の低下を
補うために排気ガスが過給器上流に還流されるととも
に、ＥＧＲ弁は２次空気で冷却される。
【００１１】
【実施例】図１は、本発明にかかる内燃機関の２次空気
供給装置の実施例の構成図であって、過給器としてスー
パーチャージャを使用した場合を示す。即ちエアクリー
ナ１０１から吸入された吸気は、スロットル弁１０２で
流量制御された後スーパーチャージャ１０３で加圧され
る。
【００１２】その後吸気はインタークラ１０４で冷却さ
れ、サージタンク１０５から吸気弁１０６を介して気筒
１０７に吸入される。なお吸気圧はサージタンク１０５
に設置された吸気圧センサ１０８によって検出され、吸
気弁１０６の上流側には燃料を噴射するインジェクタ１
０９が設置される。
【００１３】気筒１０７で発生する排気ガスは排気弁１
１０を介して排気管１１１に排気されるが、排気管１１
１には排気ガスの空燃比を検出するために酸素センサ１
１２が設置される。酸素センサ１１２の下流の排気管１
１１にはベンチュリ１１３が、ベンチュリ１１３をバイ
パスするバイパス管１１４が設置される。
【００１４】また、ベンチュリ１１３の下流においてバ
イパス管１１４は、排気管１１１に合流しするが、バイ
パス管１１４にはバイパス管１１４を流れる排気ガスの
流量を制御する排気制御弁１１５が設置される。なお排
気制御弁１１５は排気制御弁アクチュエータ１１６によ
り駆動される。さらに排気管１１１のバイパス管１１４
との合流点より下流側には、排気ガスを浄化するための
三元触媒１１７が設置される。
【００１５】インタークーラ１０４の下流、サージタン
ク１０５の上流から分岐した２次空気供給管１１８は、
電磁弁である空気制御弁１１９を介してベンチュリ１１
３に開口する。即ちターボチャージャ１０３で加圧され
た吸気を２次空気として利用することにより、２次空気
供給用の専用ポンプを省略することが可能である。
【００１６】また内燃機関の排気ガス温度は高回転、高
負荷となるほど高温となるが、過給圧も高回転、高負荷
となるほど高圧となるため十分な冷却空気を確保するこ
とが可能となる。排気管１１１のバイパス管１１４の分
岐点上流とターボチャージャ１０３上流とは、排気ガス
を吸気に還流する排気還流管１２０によって連通されて
いる。
【００１７】なお還流される排気ガス量は排気還流管１
２０に設置されるＥＧＲ弁１２１によって制御される。
またＥＧＲ弁１２１の外側は２次空気供給管１１８によ
って覆われ、排気ガスによって高温に曝されるＥＧＲ弁
１２１を２次空気により冷却する構造としている。
【００１８】スーパチャージャ１０３は、クランクプー
リ１２２によって駆動される電磁クラッチ１２３に直結
される。また、スロットル弁１０２はスロットルアクチ
ュエータ１２４によって駆動される。本発明にかかる内
燃機関の２次空気供給装置は、マイクロコンピュータで
構成される制御部１３０によって制御されるが、吸気圧
力センサ１０８で検出される吸気圧力および酸素センサ
１１２で検出される排気ガス中の残存酸素量は制御部１
３０に読み込まれる。
【００１９】さらにインジェクタ１０９、排気制御弁ア
クチュエータ１１６、空気制御弁１１９、ＥＧＲ弁１２
１、電磁クラッチ１２３およびスロットルアクチュエー
タ１２４は制御部１３０の出力によって駆動される。図
２は制御部１３０で実行される制御ルーチンのフローチ
ャートであって、一定時間間隔毎に実行される。
【００２０】ステップ２０１で内燃機関回転数Ｎｅ、吸
気圧力ＰＭおよび排気ガス中の空燃比λを読み込む。ス
テップ２０２において空燃比λが理論空燃比λｒに等し
いか否かが判定される。ステップ２０２で肯定判定され
れば、２０３に進み２次空気冷却領域であるか否かが判
定される。
【００２１】図３は２次空気冷却領域判定用グラフであ
って、横軸に内燃機関回転数Ｎｅを、縦軸に吸気圧力Ｐ
Ｍをとる。現在の内燃機関回転数Ｎｅと吸気圧力ＰＭと
で決定される座標が斜線部にある時、即ち高回転かつ高
負荷である時は排気制御弁１１５を閉に制御し、斜線部
にない時、即ち高回転かつ高負荷でない時は排気制御弁
１１５を開に制御する。
【００２２】即ちステップ２０３で肯定判定された時、
即ち高回転かつ高負荷であると判断される時は、ステッ
プ２０４に進み排気制御弁１１５を駆動する排気制御弁
アクチュエータ１１６に全閉指令を出力する。ステップ
２０５で空気制御弁１１９のソレノイドを励磁して空気
制御弁を開弁状態とし、スーパーチャージャ１０３で加
圧された吸気を２次空気としてベンチュリ１１３から排
気管１１１に供給する。
【００２３】排気制御弁１１５が全閉に制御されると排
気ガスは全量ベンチュリ１１３を通るため、いわゆるベ
ンチュリ効果は大きくなり２次空気は十分に吸引され
る。この結果三元触媒１１７には、２次空気と排気ガス
との混合ガスが供給されることとなり、酸素センサ１１
２により排気ガスが理論空燃比であると検出されても三
元触媒１１７に供給される混合ガスはエアリッチ状態と
なり窒素酸化物の浄化が十分に行われない。
【００２４】そこでステップ２０６に進み、ＥＧＲ弁１
２１をソレノイドを励磁して開弁し排気ガスをスーパー
チャージャ１０３に上流に還流させて、気筒１０７内に
おける燃焼により生じる窒素酸化物を低減する。高回転
かつ高負荷の運転状態においては排気ガスは高温となる
ため、ＥＧＲ弁１２１は厳しい動作環境に置かれること
となる。
【００２５】そこで、２次空気管１１８を、ＥＧＲ弁１
２１を覆うように配置することにより２次空気と排気ガ
スとの熱交換を可能としてＥＧＲ弁１２１の温度上昇を
抑制する。ステップ２０７において、空燃比を理論空燃
比とするための燃料噴射量補正係数を演算して、このル
ーチンを終了する。
【００２６】ステップ２０２およびステップ２０３で否
定判定された時は、ステップ２０８で排気制御弁１１５
を全開とし、排気ガスをほぼ全量バイパス管１１４に流
す。ステップ２０９で空気制御弁１１９を閉弁し、ステ
ップ２１０でＥＧＲ弁１２１を閉弁してこのルーチンを
終了する。図４は排気制御弁の開度を示す第１のグラフ
であって、横軸に回転数Ｎｅを、縦軸に開度をとる。
【００２７】即ち内燃機関回転数ＮｅがＢ以下であれ
ば、排気制御弁１１５は全開であり排気ガスはほぼ全量
バイパス管１１４を通り、２次空気による冷却はおこな
われない。内燃機関回転数ＮｅがＢ以上となると、排気
制御弁１１５は全閉となり、排気ガスはベンチュリ１１
３を通り２次空気による冷却が行われる。
【００２８】図５は排気制御弁の開度を示す第２のグラ
フであり、回転数ＮｅがＢ以上でさらに高かくなった場
合には、排気制御弁１１５を徐々に開として排気圧背圧
が上昇することを抑制する。図６は図２に示す制御ルー
チンのステップ２０４に代えて実行される排気制御処理
のフローチャートである。
【００２９】この処理を行うために、排気管１１１のバ
イパス管１１４分岐点上流に背圧センサ１３１および２
次空気流量センサ１３２が追設される。図２に示す制御
ルーチンのステップ２０３において肯定判定されると、
ステップ６１に進み、排気圧ＰＥおよび２次空気流量Ｑ
ｓを読み込む。ステップ６２において、２次空気流量Ｑ
ｓが前回処理時の２次空気流量ＱＢより所定値ε以上減
少したか否かを判定する。
【００３０】ステップ６２で否定判定されたとき、即ち
減少量が少ないときは、ステップ６３に進み２次空気流
量Ｑｓが前回処理時の２次空気流量ＱＢより所定値ε以
上増加したか否かを判定する。ステップ６３で肯定判定
されたとき、即ち増加量が大であるときは、ステップ６
４において排気ガスの背圧ＰＥが所定のしきい値圧力Ｐ
ｔ以上であるか否かを判定する。
【００３１】ステップ６４で否定判定されたときはステ
ップ６５に進み排気制御弁１１５を除開し、肯定判定さ
れたときはステップ６６に進み排気制御弁１１５を除閉
してステップ６７に進む。ステップ６２で肯定判定され
たときは、ステップ６６に直接進む。またステップ６３
で否定判定されたときは、ステップ６７に直接進む。
【００３２】ステップ６７において２次空気流量Ｑｓを
前回処理時の２次空気流量ＱＢに記憶してこのルーチン
を終了する。この制御によれば、２次空気が入り易すく
なるとともに排気管の背圧が所定以上に上昇することを
防止することが可能である。なおベンチュリ部１１３に
圧力センサ１３３を設け、２次空気流量Ｑｓに代えてベ
ンチュリ部圧力ＰＢを使用することができる。
【００３３】図７は第２の制御ルーチンのフローチャー
トであって、この処理を行うために、排気管１１１のバ
イパス管１１４分岐点上流に排気ガス温度センサ１３４
および三元触媒１１７入口に入りガス温度センサ１３５
が追設される。ステップ７０１で排気ガス温度ＴＥ、入
りガス温度ＴＣおよび排気ガス中の空燃比λを読み込
む。
【００３４】ステップ７０２において空燃比λが理論空
燃比λｒに等しいか否かが判定される。ステップ７０２
で肯定判定されれば、７０３に進み排気ガス温度ＴＥが
所定温度ＴＨ以上であるか否か、即ち２次空気冷却領域
であるか否かが判定される。ステップ７０３で肯定判定
された時は、ステップ７０４に進み空気制御弁１１９の
ソレノイドを励磁して空気制御弁を開弁状態とし、ステ
ップ７０５に進み、ＥＧＲ弁１２１をソレノイドを励磁
してＥＧＲ弁１２１を開弁状態とする。
【００３５】ステップ７０６で入りガス温度ＴＥが所定
温度ＴＬ以下であるか否かを判定する。ステップ７０６
で肯定判定されれば、ステップ７０７に進み排気制御弁
１１５を除開する。逆にステップ７０６で否定判定され
れば、ステップ７０８に進み排気制御弁１１５を除閉す
る。
【００３６】ステップ７０２およびステップ７０３で否
定判定された時は、ステップ７０９で排気制御弁１１５
を全開とする。ステップ７１０で空気制御弁１１９を閉
弁し、ステップ７１１でＥＧＲ弁１２１を閉弁してこの
ルーチンを終了する。この制御方法によれば、排気ガス
温度を直接検出して２次空気量を制御するため、制御精
度を向上することが可能である。
【００３７】さらにバイパス管１１４の分岐点下流の排
気管１１１に排気弁１３６を設置することにより、制御
性を向上することが可能である。図８は排気制御弁およ
び排気弁の開度を示す第１のグラフであって、横軸に回
転数Ｎｅを、縦軸に開度をとる。即ち回転数ＮｅがＢ以
下であれば、排気制御弁１１５および排気弁１３６をと
もに全開とする。
【００３８】回転数ＮｅがＢ以上となれば排気制御弁１
１５を全閉とし、２次空気量を増加する。その後回転数
Ｎｅの上昇の応じて排気制御弁１１５の開度を増加し
て、排気ガスの背圧の上昇を抑制する。回転数Ｎｅがさ
らに上昇してＣ以上となったときは、排気弁１３６を除
閉してベンチュリ１１３が高温に曝されることを防止す
る。
【００３９】図９は排気制御弁および排気弁の開度を示
す第２のグラフであって、回転数ＮｅがＢ以下であると
きは排気弁１３６を全閉として、三元触媒１１７が２次
空気により過渡に冷却されることを防止する。以上の実
施例は、過給器としてスーパーチャージャを装備する内
燃機関に対する適用例について説明したが、過給器とし
てターボチャージャを装備する内燃機関に対しても本発
明を適用することが可能である。
【００４０】図１０はターボチャージャを装備する内燃
機関に対して本発明を適用したときの構成図であって、
エアクリーナ１０１およびスロットル弁１０２の下流に
コンプレッサ１４１が設置され吸気を加圧する。コンプ
レッサ１４１は排気管１１１に設けられた排気タービン
１４２によって駆動される。
【００４１】なお図１０は排気タービン１４２はベンチ
ュリ１１３の上流側に設置されているが、ベンチュリ１
１３とバイパス管１１４との合流点より下流に設置する
ことができる。この場合は２次空気と排気ガスとの混合
ガスによって排気タービン１４２が駆動されるために、
排気タービンの温度が過度に上昇することが抑制され
る。
【００４２】
【発明の効果】第１の発明にかかる内燃機関の２次空気
供給装置によれば、ベンチュリから供給されるに２次空
気によって排気ガスの温度を低減することが可能となる
だけでなく、ベンチュリをバイパスするバイパス排気管
を流れる排気ガス流量を流量制御手段により制御するこ
とも可能となる。
【００４３】第２の発明にかかる内燃機関の２次空気供
給装置によれば、過給器下流側から２次空気を取り出す
ことにより２次空気供給用ポンプを省略すること、およ
び三元触媒における窒素酸化物の浄化能力の低下を抑制
することが可能となるだけでなく、ＥＧＲ弁が過度に高
温となることを防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、実施例の構成図である。
【図２】図２は、制御ルーチンのフローチャートであ
る。
【図３】図３は、２次空気冷却領域判定用グラフであ
る。
【図４】図４は、排気制御弁の開度を示す第１のグラフ
である。
【図５】図５は、排気制御弁の開度を示す第２のグラフ
である。
【図６】図６は、第１の排気制御処理のフローチャート
である。
【図７】図７は、第２の排気制御処理のフローチャート
である。
【図８】図８は、排気制御弁および排気弁の開度を示す
第１のグラフである。
【図９】図９は、排気制御弁および排気弁の開度を示す
第２のグラフである。
【図１０】図１０は、ターボチャージャを装備する車両
への実施例の構成図である。
【符号の説明】
１０１…エアクリーナ １０２…スロットル弁 １０３…スーパーチャージャ １０４…インタークーラ １０５…サージタンク １０６…吸気弁 １０７…気筒 １０８…吸気圧センサ １０９…インジェクタ １１０…排気弁 １１１…排気管 １１２…酸素センサ １１３…ベンチュリ １１４…バイパス管 １１５…排気制御弁 １１６…排気制御弁アクチュエータ １１７…三元触媒 １１８…２次空気供給管 １１９…空気制御弁 １２０…排気還流管 １２１…ＥＧＲ弁 １２４…スロットルアクチュエータ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内燃機関の排気管に設けられたベンチュ
    リ部と、 前記ベンチュリ部に開口する２次空気供給管と、を具備
    する内燃機関の２次空気供給装置において、 前記ベンチュリ部をバイパスするバイパス排気管と、 前記バイパス排気管に設置され、前記バイパス排気管を
    流れる排気ガス流量を制御する流量制御手段と、をさら
    に具備する内燃機関の２次空気供給装置。
  2. 【請求項２】 吸気管に設置された過給器と、 前記ベンチュリ部を有する排気管と前記バイパス排気管
    との合流部より下流に設置される三元触媒と、 前記過給器下流側の吸気管から分岐し前記ベンチュリ部
    に２次空気供給を供給する２次空気供給管と、 前記２次空気供給管を開閉制御する空気制御弁と、 前記ベンチュリ部より上流の排気管から分岐し、排気ガ
    スを前記過給器より上流の吸気管に還流する排気還流管
    と、 前記排気還流管を流れる排気ガス量を制御するＥＧＲ弁
    と、 排気ガス温度が過度に上昇する運転状態にあっては、前
    記空気制御弁と前記ＥＧＲ弁とを開弁する開弁制御手段
    と、をさらに具備し、 前記ＥＧＲ弁と前記２次空気供給管とを排気ガスと２次
    空気との間で熱交換可能に配置したことを特徴とする請
    求項１に記載の内燃機関の２次空気供給装置。
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