JP2005171919A - 内燃機関の二次空気制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の二次空気制御装置として、触媒の早期活性化を損なうことなく、触媒担体の劣化や信頼性の低下を好適に抑制する。
【解決手段】電子制御ユニット１０５は、コンビバルブ１０４のデューティ制御を通じて内燃機関１１の排気管２４に設けられた触媒２５の活性を促すための二次空気の供給量を制御する。この制御に先立ち、電子制御ユニット１０５は、機関回転数と機関負荷とに基づいて二次空気の基本流量を求めるとともに、この求めた基本流量と機関温度とに基づいて触媒２５の床温を推定する。そして、この推定した床温からこれと略比例関係となる触媒２５の前後端に生じる温度差をさらに推定し、この温度差が触媒２５の劣化を抑制し得る所定の範囲に収まる値、すなわち最適値となる二次空気の供給量を予め演算する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気系に対して、排気ガスの酸化を促進するための二次空気を供給するシステムにあって、その二次空気の供給量を制御する内燃機関の二次空気制御装置に関する。

この種の装置は通常、例えば特許文献１に見られるように、エアフローセンサなどの各種センサから入力する検出信号に基づいて、二次空気用のエアクリーナなどの吸気側から内燃機関の排気ポートに通じる二次空気の流通路の途中に配設される二次空気制御弁の開閉制御を行う構成となっている。

すなわち、この二次空気制御装置は、内燃機関の排気系に配設される触媒が活性化しており、同触媒にて排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）などの未燃成分が十分に燃焼される状態では、上記二次空気制御弁の開閉制御を通じてこれを閉弁状態に保ち、上記排気ポートに対して二次空気を供給しない。他方、この二次空気制御装置は、内燃機関の始動時など、上記触媒が活性化されていない期間には、上記二次空気制御弁の開閉制御を通じてこれを開弁状態に保ち、上記排気ポートに対して二次空気を供給する。

このように、内燃機関の二次空気制御装置として、触媒が活性化されていない期間には排気ポートに対して積極的に二次空気を供給する制御を行うことで、内燃機関の始動時を含めた運転領域の全域にわたって、その排気ガス中の未燃成分の酸化反応が促進されるようになる。そしてこれにより、それら未燃成分の外部への放出が抑制されて内燃機関としての排気エミッションが改善されるようになることはもとより、こうした排気ガスの酸化反応に基づく燃焼熱によって上記触媒が早期に活性化するようにもなる。ただしこの場合、二次空気の供給に伴う上記排気ガスの酸化反応が異常に進行すると、上記燃焼熱が過大となり、ひいては上記触媒が異常な温度にまで上昇してその性能が劣化するなどの影響が生ずることとなる。そこで、この二次空気制御装置では、上記各種センサから現在の触媒温度を演算し、該触媒が異常な温度領域にあると判断されるときには二次空気の供給量を減少するように上記二次空気制御弁の開閉制御を行うこととしている。これによって、排気ガスの酸化反応が抑制され、ひいては触媒の温度として望ましい温度領域まで低下するようになる。
特開平９−１２５９４２号公報

ところで、このような内燃機関の二次空気制御装置において、二次空気は排気ポートに供給されることから、上記排気ガスの酸化反応は触媒の上流側で進行する。このため、二次空気が供給されることにより上記触媒の床温が上昇する場合には、該触媒における排気ガスの流入側および流出側の前後部で著しい温度差が発生し、この温度差に起因する熱応力が触媒担体に生じるようになる。このような熱応力の発生は、触媒担体の劣化や信頼性の低下にも繋がり、その影響が無視できないものとなる。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、触媒の早期活性化を損なうことなく、触媒担体の劣化や信頼性の低下を好適に抑制することのできる内燃機関の二次空気制御装置を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段およびその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気系に設けられた触媒の活性を促すべく、同機関の排気系に供給する二次空気の流量を制御する内燃機関の二次空気制御装置において、前記触媒の前後端に生じる温度差を求め、該求めた温度差が前記触媒の劣化を抑制し得る所定の範囲に収まる値となるように前記排気系に供給すべき二次空気の流量を演算する二次空気量演算手段と、この演算された流量にて前記排気系に供給する二次空気量を制御する制御手段とを備えることをその要旨とする。

上記構成によれば、触媒の前後端の温度差に基づいて上記排気系に供給すべき二次空気の流量が制御されることとなるため、触媒における排気ガスの流入側および流出側の前後部での著しい温度差の発生についてもこれを抑制することができるようになる。このため、内燃機関の二次空気制御装置として、触媒の早期活性化を損なうことなく、触媒担体の劣化や信頼性の低下を好適に抑制することができるようになる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の二次空気制御装置において、前記二次空気量演算手段は、前記内燃機関の回転数と負荷とに基づき前記二次空気の基本流量を求める基本流量演算手段と、この求められた二次空気の基本流量と機関温度とに基づき前記触媒の床温を推定する触媒床温推定手段とを備え、この推定される触媒の床温からこれと略比例関係にある前記触媒の前後端の温度差を演算推定して前記排気系に供給すべき二次空気の流量を演算するものであることをその要旨とする。

上記触媒の前後端に生じる温度差と同触媒の床温とは略比例関係にあることが発明者によって確認されている。このため、内燃機関の回転数と負荷とに基づき上記二次空気の基本流量を求め、この流量をもって上記二次空気を供給するとした場合において上記触媒の床温がどの程度の温度となるか、さらには同触媒の前後端にどれだけの温度差が生じるかについてもこれを、その都度の機関温度をもとに演算推定することも可能となる。これにより、内燃機関の二次空気制御装置として、上記触媒担体の劣化や信頼性の低下を抑制するために最適な二次空気量を予め予測（演算）することができるようになり、この予測（演算）した流量をもって上記二次空気を供給することで、上述した触媒担体の劣化や信頼性の低下を抑制するための二次空気の流量制御を容易かつ高い信頼性のもとに行うことができるようになる。なお、上記機関温度としては、例えば当該機関の冷却を行う冷却水の温度を用いることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の二次空気制御装置において、前記二次空気量演算手段は、前記推定される触媒の床温に対し、当該触媒の活性化温度から同触媒の劣化を抑制し得る前記所定の範囲に対応して許容領域を設定し、前記演算推定する触媒の前後端の温度差がこの設定した許容領域に入るように前記排気系に供給すべき二次空気の流量を演算することをその要旨とする。

上記構成によれば、上記演算推定する触媒の前後端の温度差が、当該触媒の活性化温度から同触媒の劣化を抑制し得る上記所定の範囲に対応して設定された許容領域に入るように、上記二次空気の流量が演算される。すなわち、上記演算推定した触媒の前後端の温度差が上記許容領域から外れることがあったとしても、該許容領域を目標値（領域）とするフィードバック補正が行われることとなり、上記演算される二次空気の流量の値もより信頼性の高いものとなる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の内燃機関の二次空気制御装置において、前記二次空気量演算手段は、前記推定される触媒の床温と前記触媒の前後端の温度差とについての予め定めた関係から前記演算推定した触媒の前後端の温度差を検証する検証手段をさらに備え、前記演算推定する触媒の前後端の温度差が前記推定される触媒の床温と前記触媒の前後端の温度差とについての予め定めた関係に対して別途設定される許容領域に入ることが前記検証手段により検証されるように前記排気系に供給すべき二次空気の流量を演算することをその要旨とする。

触媒の前後端に生じる温度差が、同触媒の床温と略比例関係にあるとはいえ、実際には、対象となる触媒の個体差やその周囲の環境によってこうした関係も変化することがある。この点、上記構成によれば、内燃機関の二次空気制御装置として、上記演算推定した触媒の前後端の温度差が、例えば実験等に基づき別途設定される許容領域に入るか否かが検証手段によって検証される。そして、同検証手段によって上記温度差がこの別途設定される許容領域に入ることが検証されるように上記排気系に供給すべき二次空気の流量が演算される。このため、上記触媒の早期活性化を損なうことなく触媒担体の劣化や信頼性の低下を抑制する流量としてこうして演算される二次空気の流量も、触媒の実状に即したより精度の高いものとなる。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の内燃機関の二次空気制御装置において、前記二次空気量演算手段は、前記演算推定した触媒の前後端の温度差が前記推定される触媒の床温と前記触媒の前後端の温度差とについての予め定めた関係に対して別途設定される許容領域を超えることが前記検証手段により検証されるとき、前記触媒の活性化温度から同触媒の劣化を抑制し得る前記所定の範囲に対応して設定した許容領域を縮小する方向に当該領域を再設定し、前記演算推定する触媒の前後端の温度差がこの再設定した許容領域に入るように前記排気系に供給すべき二次空気の流量を演算することをその要旨とする。

上記構成によれば、上記検証の結果が、上記演算推定した触媒の前後端の温度差に対するフィードバック補正に際してその目標とする値（領域）の修正に反映されることとなり、二次空気量演算手段を通じて最終的に演算される二次空気の流量も、上記目的を達成する上で極めて信頼性の高いものとなる。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の内燃機関の二次空気制御装置において、前記二次空気量演算手段は、前記演算推定する触媒の前後端の温度差が前記再設定した許容領域に入るように前記排気系に供給する二次空気の流量を制御することによって前記触媒の活性化温度を満たさなくなることが判断されるとき、前記触媒の活性化温度から同触媒の劣化を抑制し得る前記所定の範囲に対応して設定した許容領域の再設定、および前記検証手段による検証を禁止する禁止手段をさらに備えることをその要旨とする。

上記構成によれば、二次空気の流量として、触媒を活性化温度とする流量は最低限確保されるようになり、ひいては排気エミッションの悪化についてもこれを確実に抑制することができるようになる。

請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の二次空気制御装置において、前記二次空気量演算手段は、前記触媒の前後端に各々設けられた温度センサによる検出値に基づいて前記触媒の前後端に生じる温度差を求めるものであることをその要旨とする。

上記触媒の前後端に生じる温度差についてはこのように、上記２つの温度センサによる検出値に基づいて直接モニタすることもできる。この場合、上記モニタする温度差に基づき、リアルタイムにて上記二次空気の流量を制御することも可能となり、応答性並びに信頼性の面でのさらなる向上が期待される。

請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか一項に記載の内燃機関の二次空気制御装置において、当該二次空気制御装置は、前記内燃機関の排気系に供給する二次空気の流量を制御する電磁制御弁を備えて構成され、前記制御手段は、前記二次空気量演算手段にて演算された流量に対応する前記電磁制御弁のデューティ値を決定し、該決定したデューティ値にて前記電磁制御弁を制御することをその要旨とする。

上記構成によれば、制御手段によって上記電磁制御弁がいわゆるデューティ制御されることとなり、上記供給する二次空気の流量を調量することも容易となる。このため、内燃機関の二次空気制御装置として、予め予測（演算）した流量をもって上記二次空気を供給する場合はもとより、触媒の前後端の温度差を温度センサにより直接モニタしつつ上記二次空気の流量を例えば目標値に追従させるかたちで制御するような場合であっても、上記二次空気の流量を容易かつ的確に制御することができるようになる。

以下、この発明にかかる内燃機関の二次空気制御装置の一実施の形態について、図１〜図６を参照して詳細に説明する。
この実施の形態の装置は、４気筒のガソリン機関の排気系に対して、排気ガスの酸化を促進するための二次空気を供給するシステムに適用される内燃機関の二次空気制御装置を想定しており、図１に、当該システムの全体構成を模式的に示す。

同図１に示されるように、このシステムにあって、二次空気の供給を受けることとなる内燃機関１１（便宜上、１気筒分のみ図示する）は、シリンダブロック１２、およびシリンダヘッド１３を備えて構成されている。

シリンダブロック１２の内部には、クランクシャフト１４の回転を通じて往復動するピストン１５が設けられ、このピストン１５の上面と上記シリンダヘッド１３とにより囲まれる空間によって燃焼室１６が形成されている。また、このシリンダブロック１２には、ウォータジャケット１７が設けられ、これによって上記燃焼室１６内の温度が内燃機関の運転に適した温度として維持されている。

シリンダヘッド１３には、上記燃焼室１６に通じる吸気ポート１８、および排気ポート１９がそれぞれ設けられている。このうち、吸気ポート１８には、該ポート１８を開閉するための吸気バルブ２０が設けられ、これによって該ポート１８と接続される吸気マニホールド２１から、上記燃焼室１６に空気が導入されるタイミングなどが制御されるようになっている。一方、排気ポート１９には、該ポート１９を開閉するための排気バルブ２２が設けられ、これによって該排気ポート１９と接続される排気マニホールド２３へ、上記燃焼室１６から燃焼後の燃料（排気ガス）が排出されるタイミングなどが制御されるようになっている。なお、こうして上記燃焼室１６から排出された排気ガスは、上記排気マニホールド２３を通じて排気管２４に至り、その途中に配設される触媒（例えば三元触媒）２５にて浄化（酸化）された後、外部へ放出される。

また、このシリンダヘッド１３の下部には、燃焼室１６に導入される空気と噴射燃料との混合気に対して点火を行うための点火プラグ２６がその一部（電極部）を上記燃焼室１６に露出するようにして設けられている。この噴射燃料は、吸気マニホールド２１の上記吸気ポート１８の近傍に設けられるインジェクタ２７により、該吸気ポート１８を介して燃焼室１６に導入される。

そして、このシステムでは、上記内燃機関１１の排気ポート１９に通じる二次空気の流通路１０１をさらに備えている。すなわち、この二次空気の流通路１０１において上流（吸気）側には二次空気用のエアクリーナ１０２が設けられている。また、該通路１０１においてその途中には電動式エアポンプ１０３が配設されている。そして、同ポンプ１０３により上記エアクリーナ１０２から二次空気が吸入されることで、上記排気ポート１９に対して二次空気が供給されるようになっている。なお、この二次空気の流通路１０１の途中にはさらに、上記二次空気の流量を調量するためのコンビバルブ（電磁制御弁）１０４が配設されている。

こうしたシステムにあって、内燃機関の二次空気制御装置は、同図１に示されるように、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０５を中心として構成され、上記電動式エアポンプ１０３の駆動制御および上記コンビバルブ１０４の開閉制御等は、この電子制御ユニット１０５を通じて行われる。ちなみにこの実施の形態において、電子制御ユニット１０５は、インジェクタ２７による燃料噴射量や燃料噴射時期の制御など、内燃機関の運転状態全体の制御を司り、それら制御の一環として、上記電動式エアポンプ１０３およびコンビバルブ１０４に対する制御を併せ行う。

すなわち、電子制御ユニット１０５には、例えばクランク角センサ１４ａ、水温センサ１７ａ、吸気圧センサ２１ａ、Ｏ２センサ２４ａなどの各種センサからの検出信号が取り込まれる。そして、この電子制御ユニット１０５は、これらセンサの検出信号に基づいて現在の機関運転状態を示す各種パラメータを演算する。他方、該電子制御ユニット１０５の出力には、インジェクタ２７や電動式エアポンプ１０３、コンビバルブ１０４などが接続されており、この電子制御ユニット１０５から出力される信号を通じてそれら各部の駆動、あるいは開閉などの制御が実行される。そして、内燃機関の二次空気制御装置として、上記触媒２５がまだ活性化されていない期間には、上記電動式エアポンプ１０３およびコンビバルブ１０４の制御を通じて排気ポート１９に対し積極的に二次空気を供給することで、内燃機関１１の始動時を含めた運転領域の全域にわたって、その排気ガス中の未燃成分の酸化反応が促進されるようにしている。ただしこの際、上記触媒２５における排気ガスの流入側および流出側の前後部で温度差が発生し、この温度差に起因する熱応力が触媒担体２５ａに生じてその劣化を促すようになることは前述した通りである。

そこで、この実施の形態では、内燃機関の二次空気制御装置を構成する電子制御ユニット１０５として、上記触媒２５の前後端に生じる温度差を求め、該求めた温度差に基づいて上記排気ポート１９に供給すべき二次空気の流量を制御することとしている。そしてこれにより、触媒２５の早期活性化を損なうことなく、触媒担体２５ａの劣化や信頼性の低下を抑制するようにしている。なお、この実施の形態においては、この電子制御ユニット１０５が、二次空気量演算手段や制御手段、さらには二次空気量演算手段を構成する基本流量演算手段、触媒床温推定手段、触媒の前後端の温度差を検証する検証手段、等々に相当する。

図２は、この電子制御ユニット１０５による上記二次空気の流量制御手順をフローチャートとして示したものであり、次に、この図２に基づいて、同制御手順について詳述する。

同制御に際し、電子制御ユニット１０５はまず、ステップＳ１の処理として、上記Ｏ２センサ２４ａからの検出信号に基づく空燃比のフィードバック制御を実施しているかどうかを判断する。この結果、上記フィードバック制御を実施していると判断された場合には、既に触媒２５は活性化状態にあり、排気ガスの未燃成分は該触媒２５にて十分に燃焼されているとして、内燃機関１１の排気ポート１９に対して二次空気を供給することなくこの制御を終了する。

他方、このステップＳ１の処理において、上記フィードバック制御を実施していないと判断された場合、電子制御ユニット１０５は、次にステップＳ１０の処理として、最適二次空気量を求めるための演算処理を実行する。この演算処理の詳細については、後に図３を参照して説明するが、ここでは基本的に、上述した触媒２５の早期活性化を損なうことなく、触媒担体２５ａの劣化や信頼性の低下を抑制し得る上記二次空気量としての最適値を求めるための処理が行われる。

こうして最適二次空気量の値が求まると、電子制御ユニット１０５は次に、ステップＳ２０の処理として、この求められた最適二次空気量の値をもとに、例えば上記コンビバルブ（電子制御弁）１０４の開度（デューティ値）を決定する。そして、この決定したコンビバルブ１０４の開度をもって、上記排気ポート１９に対し供給する二次空気量を制御する。なお、このコンビバルブ１０４の開度（制御デューティ値）の決定態様についても、後に図７を参照して詳述する。

図３、並びに図４〜図６は、上記ステップＳ１０の処理として実行される最適二次空気量の演算処理について、その演算手順並びに演算態様の詳細をフローチャートあるいはマップ特性図として示したものである。以下、これら図３、並びに図４〜図６に基づいて、この最適二次空気量の演算処理をさらに詳述する。

いま、上記ステップＳ１（図２）において、空燃比のフィードバック制御が実施されていないと判断されたとすると、電子制御ユニット１０５は上述のように、ステップＳ１０の処理として、この最適二次空気量の演算処理を開始する。

この最適二次空気量の演算処理に際して、電子制御ユニット１０５はまず、ステップＳ１１の処理として、上記クランク角センサ１４ａ、水温センサ１７ａ、吸気圧センサ２１ａからの検出信号を取り込み、これら検出信号に基づいて内燃機関１１の機関回転数を演算するとともに、水温、吸気圧（機関負荷）についての値を得る。その後、ステップＳ１２の処理として、電子制御ユニット１０５は、図４に例示するマップＭ１を用いて、上記演算した機関回転数および検出された吸気圧から上記排気ポート１９に供給すべき二次空気の基本流量ＡＦを演算する。

そして次に、ステップＳ１３の処理として、電子制御ユニット１０５は、上記演算した基本流量ＡＦをもって上記二次空気を供給するとした場合、上記触媒２５の床温がどの程度の温度となるかについて、上記検出された水温をもとに推定演算する。すなわち、この電子制御ユニット１０５は、二次空気の基本流量ＡＦおよび水温に対応して触媒２５の床温Ｔを関連付けした図５に例示するマップＭ２を備えている。そして、同マップＭ２に基づいて、上記演算した二次空気の基本流量ＡＦおよび水温に対応する触媒の床温Ｔを推定演算する。

そして次に、ステップＳ１４の処理として、電子制御ユニット１０５は、上記推定した触媒の床温Ｔが、当該触媒２５の活性化温度から同触媒２５の劣化を抑制し得る許容領域（所定の範囲）に入るか否かを判断する。すなわち、上記マップＭ２（図５）においては、上記推定される触媒の床温Ｔに対し、上記触媒２５の活性化温度に相当する下限温度ＴＬ、および同触媒２５の劣化を抑制し得る上限温度ＴＵからなる許容領域が予め設定されている。そして、上記推定した触媒の床温Ｔがこの許容領域にないと判断される場合には、電子制御ユニット１０５は、次にステップＳ１５の処理として、上記推定演算する触媒の床温Ｔがこの許容領域に入るように二次空気の基本流量ＡＦを補正する。

ここで、このステップＳ１５の処理について詳述すると、例えば、図５に示されるように、例えば水温が０℃の環境下において、上記排気ポート１９に対し、二次空気を基本流量ＡＦ１をもって供給するとした場合、これら水温０℃および二次空気の基本流量ＡＦ１によって推定演算される触媒の床温Ｔ１は、上記上限温度ＴＵよりも高い。したがってこの場合、電子制御ユニット１０５は、排気ポート１９に対して供給するとした上記二次空気の基本流量ＡＦ１に対し、上記推定した触媒の床温Ｔ１と上記上限温度ＴＵとの温度差に相当する二次空気の流量分を減量補正する。また逆に、例えば水温が同じく０℃の環境下において、上記排気ポート１９に対し、二次空気を基本流量ＡＦ２をもって供給するとした場合には、これら水温０℃および二次空気の基本流量ＡＦ２によって推定される触媒の床温Ｔ２は、上記下限温度ＴＬよりも低い。したがってこの場合、電子制御ユニット１０５は、排気ポート１９に対して供給するとした上記二次空気の基本流量ＡＦ２に対し、上記推定した触媒の床温Ｔ２と上記下限温度ＴＬとの温度差に相当する二次空気の流量分を増量補正する。上記ステップＳ１５の処理ではこのように、上記推定した触媒の床温Ｔが上記許容領域から外れている場合には、該推定した触媒の床温Ｔに対し、同許容領域を目標値（領域）とするフィードバック補正が行われることとなる。

そして、このステップＳ１５の処理が終了すると、電子制御ユニット１０５は、次に上記ステップＳ１３の処理に戻り、ここで再度、上記触媒２５の床温Ｔを推定演算する。そして、この推定演算する触媒２５の床温Ｔが上記許容領域に入るようになるまで、これらステップＳ１３〜Ｓ１５の処理を繰り返し実行する。他方、例えば、図５に示されるように、水温が０℃であり、二次空気が上記排気ポート１９に対して基本流量ＡＦ３をもって供給されるとした場合には、上記推定される触媒２５の床温Ｔ３は上記許容領域に入っている。この場合には、上記ステップＳ１４の処理において、上記推定演算した触媒２５の床温Ｔが許容領域に入っていると判断され、電子制御ユニット１０５は、この判断のもとに次のステップＳ１６の処理を行う。

このステップＳ１６の処理においては、上記触媒２５の前後端に生じる温度差が演算推定される。すなわち、触媒の前後端に生じる温度差ＴＧは、同触媒２５の床温Ｔと略比例関係にあるとはいえ、実際には、対象となる触媒２５の個体差やその周囲の環境によってこうした関係も変化することがある。そこでこの実施の形態においては、上記電子制御ユニット１０５は、触媒２５の床温Ｔと触媒２５の前後端の温度差ＴＧとの実際の関係を予め実験等に基づいて定めた図６に例示するマップＭ３も併せ備えることとしている。そして、このマップＭ３に基づいて、上記推定した触媒の床温Ｔに対応する触媒の前後端の温度差ＴＧをさらに演算推定する。このため、この実施の形態では、上記触媒２５の前後端の温度差ＴＧに基づいて演算される二次空気の流量ＡＦが、同触媒２５の実状に即したより精度の高いものとなっている。なお、この図６では便宜上、触媒の前後端の温度差ＴＧが触媒の床温Ｔに対し、線形的に現われるかの如く表記しているが、実際には、例えば触媒２５の個体としての特性、あるいはその周囲の環境などに基づく様々の補正が加えられている。

そして次に、電子制御ユニット１０５は、ステップＳ１７の処理として、上記演算推定した触媒の前後端の温度差ＴＧが、上記触媒の床温Ｔと触媒の前後端の温度差ＴＧとについて予め定めた関係に対して別途設定した許容領域に入るかどうかを検証する。すなわち、上記マップＭ３（図６）においては、上記触媒２５の前後端の温度差ＴＧに対し、触媒担体２５ａの劣化や信頼性の低下を抑制し得る上限温度差ＴＧＵが別途に設定されている。そして、例えば図６において示される触媒の床温Ｔ４に対応する触媒の前後端の温度差ＴＧ１のように、上記演算推定した触媒の前後端の温度差ＴＧが、上記上限温度差ＴＧＵを超えることが検証される場合、電子制御ユニット１０５は、次にステップＳ１８の処理を行う。

このステップＳ１８の処理においてはまず、上記マップＭ３（図６）に基づいて上記上限温度差ＴＧＵを触媒の床温Ｔ５に変換する。そして、先のマップＭ２（図５）において上限温度ＴＵを該変換した触媒の床温Ｔ５とする補正を行い、同マップＭ２における許容領域を再設定する。そして次に、この電子制御ユニット１０５は、上記推定する触媒の床温Ｔが上記マップＭ２において再設定された許容領域に入るまで再度、上記ステップＳ１３〜Ｓ１５の処理を行う。この結果、上記推定する触媒の床温Ｔが、上記再設定された許容領域に入ると判断されると、電子制御ユニット１０５はさらに、上記ステップＳ１６、Ｓ１７の処理についてもこれを再度実行する。このように、電子制御ユニット１０５では、上記演算推定する温度差ＴＧが上記別途設定した許容領域に入ることが検証されるようになるまで、上記排気ポート１９に供給すべき二次空気の流量ＡＦを補正する。これにより、該最適二次空気量の演算処理を通じて最終的に演算される二次空気の流量ＡＦも、触媒２５の早期活性化を損なうことなく、触媒担体２５ａの劣化や信頼性の低下を抑制する上で極めて信頼性の高い値に最適化されるようになる。

なお、上記ステップＳ１７の処理において、例えば図６に例示する触媒の床温Ｔ６に対応する触媒の前後端の温度差ＴＧ２のように、上記演算推定した触媒の前後端の温度差ＴＧが上記補正を行わずとも上記上限温度差ＴＧＵ以下であることが検証される場合には、上記求めた二次空気の流量ＡＦが既に最適化されているとして、この演算処理を終了する。

そして、電子制御ユニット１０５は、先の図２に示したように、こうした一連の処理を通じて最適二次空気流量ＡＦの値が演算されると、この最終的に演算された最適二次空気流量ＡＦの値をもって上記排気ポート１９に対する二次空気の供給が行われるように、上記コンビバルブ１０４の開度をデューティ制御する。すなわち、電子制御ユニット１０５は、上記最適二次空気流量ＡＦの値と上記コンビバルブ１０４の開度をデューティ制御する際のデューティ比とを関連付けした図７に例示するマップＭ４をさらに備えており、このマップＭ４に基づいて決定されるデューティ比にて上記電磁制御弁からなるコンビバルブ１０４の開度を制御する。例えば、同図７に示すように、上記一連の演算処理を通じて最終的に得られた最適二次空気流量の値が流量ＡＦ４であったとすると、この流量ＡＦ４に対応するデューティ比ｘにて上記コンビバルブ１０４の開度が制御される。

以上説明したように、この実施の形態にかかる内燃機関の二次空気制御装置によれば、以下に記載するような優れた効果が得られるようになる。
（１）内燃機関の二次空気制御装置として、触媒２５の活性化温度はもとより、その前後端の温度差に基づいて上記排気ポート１９に供給すべき二次空気の流量を制御することとした。このため、触媒２５の早期活性化を損なうことなく、同触媒２５の前後端での著しい温度差に起因する触媒担体２５ａの劣化や信頼性の低下を好適に抑制することができるようになる。

（２）しかも、上記触媒担体２５ａの劣化や信頼性の低下を抑制するために最適な二次空気量ＡＦを予め予測（演算）し、この予測（演算）した流量ＡＦをもって上記二次空気の供給を制御することとした。このため、触媒担体２５ａの劣化や信頼性の低下を抑制するための二次空気の流量ＡＦの制御自体が容易かつ高い信頼性のもとに行われるようになる。

（３）上記演算推定する触媒の前後端の温度差ＴＧが、上記マップＭ２（図５）における許容領域に入るように、上記二次空気の基本流量ＡＦを演算することとした。すなわち、上記演算推定した触媒の前後端の温度差ＴＧが上記許容領域から外れることがあったとしても、該許容領域を目標値（領域）とするフィードバック補正が行われることとなり、上記演算される二次空気の流量ＡＦの値もより信頼性の高いものとなる。

（４）さらには、上記演算推定した触媒の前後端の温度差ＴＧが、上記マップＭ３（図６）において別途設定される許容領域に入るか否か検証することとした。そして、同温度差ＴＧが上記別途設定される許容領域に入ることが検証されるように上記排気系に供給すべき二次空気の流量ＡＦを演算することとした。このため、上記触媒２５の早期活性化を損なうことなく触媒担体２５ａの劣化や信頼性の低下を抑制する流量としてこうして演算される二次空気の流量ＡＦも、触媒２５の実状に即したより精度の高いものとなる。

（５）上記演算推定した触媒の前後端の温度差ＴＧが、上記マップＭ３（図６）において上限温度差ＴＧＵを超えると検証される場合には、該検証結果を反映して再設定されたマップＭ２（図５）の許容領域を満たすように、二次空気の流量ＡＦを演算することとした。これにより、上記触媒２５の早期活性化を損なうことなく触媒担体２５ａの劣化や信頼性の低下を抑制する流量として最終的に演算される二次空気の流量ＡＦが、極めて信頼性の高いものとなる。

（６）内燃機関の二次空気制御装置として、最終的に演算された基本流量ＡＦに対応するコンビバルブ１０４の制御デューティ比を決定し、該決定したデューティ比にて上記コンビバルブ１０４の開度を制御することとしたため、上記供給する二次空気の流量を調量することも容易となる。

なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施の形態では、図３に示した最適二次空気量の演算処理のステップＳ１８の処理において、上記マップＭ２（図５）において上限温度ＴＵを上記変換した触媒の床温Ｔ５とする補正を行ってステップＳ１３〜Ｓ１７の処理を繰り返すこととした。ただし、この補正した上限温度ＴＵがマップＭ２（図５）の上記下限温度ＴＬ未満となるような場合には、該補正を禁止してそのままこの演算処理を終了するようにしてもよい。これにより、触媒２５の活性化温度についてはこれを最低限確保することができるようになり、排気エミッションの悪化も確実に抑制されるようになる。なおこの場合、電子制御ユニット１０５は、上記マップＭ２（図５）における許容領域の再設定、および上記触媒２５の前後端の温度差の検証についてこれらを禁止する禁止手段としても機能する。

・上記触媒２５の前後端に生じる温度差については、例えば同触媒２５の前後端に各々設けられた２つの温度センサによる検出値に基づいて直接モニタすることもできる。この場合、リアルタイムにて上記二次空気の流量を制御することも可能となり、応答性並びに信頼性の面でのさらなる向上が期待される。ちなみに、このように温度センサを備える二次空気制御装置が二次空気の流量に対して実行する制御態様としては、例えば上記触媒２５の前後端の温度差を直接モニタしつつ上記二次空気の流量を例えば目標値に追従させる形で制御する態様が考えられる。

・内燃機関の二次空気制御装置として、上記コンビバルブ１０４の開閉制御を通じて上記二次空気の流量を制御することとしたが、この二次空気の流量の制御については、電動式エアポンプ１０３の駆動制御を通じて行うことも可能である。

・二次空気は、吸気マニホールド２１側から吸入されるものであってもよい。
・上記マップＭ２（図５）において、触媒２５の床温Ｔに対する上記演算した水温による補正は、吸気温と併せて行うこともできる。

・上記マップＭ３（図６）を用いて触媒２５の前後端に生ずる温度差ＴＧを推定演算することとしたが、該温度差ＴＧが同触媒２５の床温Ｔと略比例関係にあることに鑑みれば、上記マップＭ２において推定演算される触媒２５の床温Ｔから直接、この温度差ＴＧを推定することもできる。この場合、該温度差ＴＧの推定精度は多少低下するものの、電子制御ユニット１０５としての演算負荷は軽減されるようになる。

この発明にかかる内燃機関の二次空気制御装置の一実施の形態について、そのシステムの全体構成を模式的に示すブロック図。 同実施の形態の二次空気制御装置による二次空気の流量制御についてその制御手順を示すフローチャート。 同実施の形態の二次空気制御装置による最適二次空気流量の演算処理についてその演算手順並びに演算態様を示すフローチャート。 二次空気の基本流量と、吸気圧（機関負荷）および機関回転数との対応関係を示すグラフ（マップ）。 触媒の床温と、二次空気の基本流量および水温との対応関係を示すグラフ（マップ）。 触媒の床温と、同触媒の前後部での温度差との対応関係を示すグラフ（マップ）。 演算された二次空気の流量とコンビバルブの制御デューティ比との対応関係を示すグラフ（マップ）。

符号の説明

１１…内燃機関、１２…シリンダブロック、１３…シリンダヘッド、１４…クランクシャフト、１４ａ…クランク角センサ、１５…ピストン、１６…燃焼室、１７…ウォータジャケット、１７ａ…水温センサ、１８…吸気ポート、１９…排気ポート、２０…吸気バルブ、２１…吸気マニホールド、２１ａ…吸気圧センサ、２２…排気バルブ、２３…排気マニホールド、２４…排気管、２５…触媒、２６…点火プラグ、２７…インジェクタ、１０１…流通路、１０２…エアクリーナ、１０３…電動式エアポンプ、１０４…コンビバルブ、１０５…電子制御ユニット。

Claims (8)

1. 内燃機関の排気系に設けられた触媒の活性を促すべく、同機関の排気系に供給する二次空気の流量を制御する内燃機関の二次空気制御装置において、
   前記触媒の前後端に生じる温度差を求め、該求めた温度差が前記触媒の劣化を抑制し得る所定の範囲に収まる値となるように前記排気系に供給すべき二次空気の流量を演算する二次空気量演算手段と、この演算された流量にて前記排気系に供給する二次空気量を制御する制御手段とを備える
   ことを特徴とする内燃機関の二次空気制御装置。
2. 前記二次空気量演算手段は、前記内燃機関の回転数と負荷とに基づき前記二次空気の基本流量を求める基本流量演算手段と、この求められた二次空気の基本流量と機関温度とに基づき前記触媒の床温を推定する触媒床温推定手段とを備え、この推定される触媒の床温からこれと略比例関係にある前記触媒の前後端の温度差を演算推定して前記排気系に供給すべき二次空気の流量を演算するものである
   請求項１に記載の内燃機関の二次空気制御装置。
3. 前記二次空気量演算手段は、前記推定される触媒の床温に対し、当該触媒の活性化温度から同触媒の劣化を抑制し得る前記所定の範囲に対応して許容領域を設定し、前記演算推定する触媒の前後端の温度差がこの設定した許容領域に入るように前記排気系に供給すべき二次空気の流量を演算する
   請求項２に記載の内燃機関の二次空気制御装置。
4. 前記二次空気量演算手段は、前記推定される触媒の床温と前記触媒の前後端の温度差とについての予め定めた関係から前記演算推定した触媒の前後端の温度差を検証する検証手段をさらに備え、前記演算推定する触媒の前後端の温度差が前記推定される触媒の床温と前記触媒の前後端の温度差とについての予め定めた関係に対して別途設定される許容領域に入ることが前記検証手段により検証されるように前記排気系に供給すべき二次空気の流量を演算する
   請求項３に記載の内燃機関の二次空気制御装置。
5. 前記二次空気量演算手段は、前記演算推定した触媒の前後端の温度差が前記推定される触媒の床温と前記触媒の前後端の温度差とについての予め定めた関係に対して別途設定される許容領域を超えることが前記検証手段により検証されるとき、前記触媒の活性化温度から同触媒の劣化を抑制し得る前記所定の範囲に対応して設定した許容領域を縮小する方向に当該領域を再設定し、前記演算推定する触媒の前後端の温度差がこの再設定した許容領域に入るように前記排気系に供給すべき二次空気の流量を演算する
   請求項４に記載の内燃機関の二次空気制御装置。
6. 前記二次空気量演算手段は、前記演算推定する触媒の前後端の温度差が前記再設定した許容領域に入るように前記排気系に供給する二次空気の流量を制御することによって前記触媒の活性化温度を満たさなくなることが判断されるとき、前記触媒の活性化温度から同触媒の劣化を抑制し得る前記所定の範囲に対応して設定した許容領域の再設定、および前記検証手段による検証を禁止する禁止手段をさらに備える
   請求項５に記載の内燃機関の二次空気制御装置。
7. 前記二次空気量演算手段は、前記触媒の前後端に各々設けられた温度センサによる検出値に基づいて前記触媒の前後端に生じる温度差を求めるものである
   請求項１に記載の内燃機関の二次空気制御装置。
8. 当該二次空気制御装置は、前記内燃機関の排気系に供給する二次空気の流量を制御する電磁制御弁を備えて構成され、前記制御手段は、前記二次空気量演算手段にて演算された流量に対応する前記電磁制御弁のデューティ値を決定し、該決定したデューティ値にて前記電磁制御弁を制御する
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の内燃機関の二次空気制御装置。

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