JP2005256832A - 内燃機関の二次エア供給システムとそれを用いた燃料噴射量制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二次エア流量を精度良く算出し、ひいては排気エミッションの改善に貢献する。
【解決手段】二次エア供給システムとして、排気管２４において触媒３１よりも上流側には二次エア配管３５が接続され、その二次エア配管３５の上流部には二次エアポンプ３６が設けられている。また、二次エアポンプ３６よりも下流側には、二次エア配管３５を開閉する開閉弁３７が設けられている。二次エアポンプ３６と開閉弁３７との間には配管内圧力を検出する圧力センサ３８が設けられている。二次エア供給時において、ＥＣＵ４０は、圧力センサ３８により検出した二次エア供給圧と、エンジン運転状態から推定した排気管内の圧力（排気圧）との差圧に基づいて二次エア流量を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の二次エア供給システムとそれを用いた燃料噴射量制御装置に関するものである。

内燃機関の排気管には、排気を浄化するための触媒等の排気浄化装置が設けられており、この排気浄化装置の浄化効率を向上させるべく、排気浄化装置の上流側に二次エアを供給する技術が従来より提案されている（例えば特許文献１参照）。

この場合、排気浄化装置に対して二次エアが適正に供給されないと、排気浄化装置の浄化効率が低下する。そのため、二次エア流量を算出することで、二次エア供給が適正に実施されているかどうかなどを監視することが考えられている。例えば、二次エア配管内の圧力が検出され、該検出された圧力に基づいて二次エア流量が算出される。

しかしながら、内燃機関の運転状態の変化すると、二次エアの供給先である排気管内の状態が変化する。そのため、二次エア流量が正しく算出できないという問題が発生する。
特開２００２−２２７６３９号公報

本発明は、二次エア流量を精度良く算出し、ひいては排気エミッションの改善に貢献することができる内燃機関の二次エア供給システムを提供することを主たる目的とするものである。

請求項１に記載の発明では、二次エア通路内の圧力と排気通路内の圧力とがそれぞれ検出され、これら各圧力に基づいて二次エア流量が算出される。この場合、二次エア通路内の圧力だけでなく、排気通路内の圧力も用いて二次エア流量が算出されるため、内燃機関の運転状態が変化すること等に起因して排気通路内の圧力が変化しても、二次エア流量を精度良く算出することができる。従って、排気エミッションの改善を図ることが可能となる。

請求項２に記載の発明では、二次エア通路内の圧力と排気通路内の圧力との差圧に基づいて二次エア流量が算出される。これら各圧力の差圧を二次エア流量の算出パラメータとすれば、大気圧の変動等に起因して圧力レベルが変化しても、その大気圧変動等に影響されることなく、二次エア流量が精度良く算出できる。

請求項３に記載の発明では、二次エア通路内の圧力に基づいてベースエア流量が算出されると共に、排気通路内の圧力に基づいてベースエア流量が補正されて二次エア流量が算出される。本構成においても、二次エア流量を精度良く算出することが可能となる。

内燃機関の運転状態に基づいて排気通路内の圧力が変化する。故に、請求項４に記載したように、内燃機関の運転状態に基づいて排気通路内の圧力を推定すると良い。

一方、内燃機関の燃料噴射量制御装置において、二次エア供給時に排気浄化装置（触媒）の入口部の雰囲気を所望の空燃比とするには、その都度の二次エア流量に応じて燃料噴射量を補正する必要があるが、既存の技術のように、排気通路内の圧力変化を考慮せずに二次エア流量を算出し、それに基づいて燃料噴射量を補正する場合、二次エア流量の算出精度が低いために燃料補正の精度も低いものとなる。これに対し、上記各発明の手法によれば排気通路内の圧力変化に関係なく二次エア流量が精度良く算出できるため、その二次エア流量に採用し燃料噴射量を補正することで好適なる燃料噴射量制御が実現できる。

請求項５に記載の発明では、排気浄化装置への二次エア供給時において、その際設定された目標空燃比と、前記流量算出手段により算出された二次エア流量（すなわち、二次エア通路内圧力と排気圧力とに基づき算出した二次エア流量）と、内燃機関の吸入空気量とに基づいて内燃機関への燃料噴射量が補正される。この場合、二次エア供給時において排気圧力の変化に起因する燃料補正の精度低下は生じない。それ故に、二次エア供給時における高精度な燃料噴射量制御が実現できる。

ここで、請求項６に記載の発明では、二次エア供給時の目標空燃比と、内燃機関の吸入空気量に対する二次エア流量の変化とに基づいて二次エア供給時用の増量補正量（後述する二次エア用補正係数ｆｓａｉに相当）が算出され、該増量補正量により燃料噴射量が補正される。この場合、二次エア供給時において燃料量の増量補正が適正に実施できる。

また、請求項７に記載したように、二次エア供給時における排気浄化装置の入口部の空燃比が理論空燃比又は該理論空燃比よりもリーンとなるよう目標空燃比が設定されると良い。これにより、排気浄化装置の早期活性化等を確実に実現することができる。

（第１の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態は、内燃機関である車載多気筒ガソリンエンジンを対象にエンジン制御システムを構築するものとしており、当該制御システムにおいては電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施することとしている。先ずは、図１を用いてエンジン制御システムの全体概略構成図を説明する。

図１に示すエンジン１０において、吸気管１１にはＤＣモータ等のアクチュエータによって開度調節されるスロットルバルブ１４と、スロットル開度を検出するためのスロットル開度センサ１５とが設けられている。スロットルバルブ１４の下流側にはサージタンク１６が設けられ、このサージタンク１６には吸気管圧力を検出するための吸気管圧力センサ１７が設けられている。また、サージタンク１６には、エンジン１０の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１８が接続されており、吸気マニホールド１８において各気筒の吸気ポート近傍には燃料を噴射供給する電磁駆動式の燃料噴射弁１９が取り付けられている。

エンジン１０の吸気ポート及び排気ポートにはそれぞれ吸気バルブ２１及び排気バルブ２２が設けられており、吸気バルブ２１の開動作により空気と燃料との混合気が燃焼室２３内に導入され、排気バルブ２２の開動作により燃焼後の排気が排気管２４に排出される。エンジン１０のシリンダヘッドには各気筒毎に点火プラグ２５が取り付けられており、点火プラグ２５には、点火コイル等よりなる図示しない点火装置を通じて、所望とする点火時期において高電圧が印加される。この高電圧の印加により、各点火プラグ２５の対向電極間に火花放電が発生し、燃焼室２３内に導入した混合気が着火され燃焼に供される。

排気管２４には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化するための三元触媒等の触媒３１が設けられ、この触媒３１の上流側には排気を検出対象として混合気の空燃比を検出するための空燃比センサ３２（リニアＡ／Ｆセンサ、Ｏ2センサ等）が設けられている。また、エンジン１０のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ３３や、エンジンの所定クランク角毎に（例えば３０°ＣＡ周期で）矩形状のクランク角信号を出力するクランク角度センサ３４が取り付けられている。

また、二次エア供給システムとして、排気管２４において触媒３１よりも上流側には二次エア配管３５が接続され、その二次エア配管３５の上流部には二次エア供給装置としての二次エアポンプ３６が設けられている。二次エアポンプ３６は例えばＤＣモータ等より構成され、図示しない車載バッテリからの給電を受けて作動する。また、二次エアポンプ３６よりも下流側には、二次エア配管３５を開放又は閉鎖する開閉弁３７が設けられている。二次エアポンプ３６と開閉弁３７との間には、二次エア配管３５内の圧力を検出する圧力センサ３８が設けられている。

上述した各種センサの出力は、エンジン制御を司るＥＣＵ４０に入力される。ＥＣＵ４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成され、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁１９の燃料噴射量や点火プラグ２５による点火時期を制御する。また、ＥＣＵ４０は、エンジン始動時の触媒３１の早期活性化などを図るべく、二次エアポンプ３６を作動させることにより二次エア供給を実施する。

本実施の形態では特に、二次エア供給制御において、圧力センサ３８により検出した二次エア配管３５内の圧力（以下、二次エア供給圧Ｐｓという）と、エンジン運転状態等より推定した排気管２４内の圧力（以下、排気圧Ｐｅｘという）とに基づいて二次エア流量Ｑａを算出することとしており、その算出式を次に示す。

なお、上記（１）式において、ρは流体密度、Ｃは係数、Ａは二次エア配管３５の管路断面積である。流体密度ρは温度特性を持つため、吸気温により流体密度ρを補正する構成とすることも可能である。

排気管２４内では、エンジンの運転状態等に応じて排気圧Ｐｅｘが変化し、その排気圧Ｐｅｘの変化に伴い二次エア流量Ｑａが変動する。この場合、上記（１）式によれば、排気圧Ｐｅｘの変化時にも二次エア流量Ｑａが正確に算出できる。

次に、ＥＣＵ４０により実施される二次エア供給処理について説明する。図２は、二次エア供給処理を示すフローチャートであり、本処理はＥＣＵ４０により実行される。

図２において、先ずステップＳ１０１では、二次エア供給の実行条件が成立しているか否かを判別する。例えば、エンジン始動時であり、且つ水温が所定温度域にある場合に実行条件が成立したとされる。実行条件が成立していれば、後続のステップＳ１０２に進み、実行条件が成立していなければ、そのまま本処理を終了する。

ステップＳ１０２では、開閉弁３７を開放し、続くステップＳ１０３では、二次エアポンプ３６を作動させる。これにより二次エア供給が開始される。その後、ステップＳ１０４では、圧力センサ３８の検出信号から二次エア供給圧Ｐｓを検出する。ステップＳ１０５では、その都度のエンジン運転状態等に基づいて排気圧Ｐｅｘを推定する。具体的には、例えば、吸入空気量又は吸気管圧力等に基づいて排気圧Ｐｅｘを推定する。但し、排気管２４に圧力センサを設けて、該圧力センサにより検出した排気圧を排気圧Ｐｅｘとすることも可能である。その後、ステップＳ１０６では、前述した（１）式を用い、二次エア供給圧Ｐｓと排気圧Ｐｅｘとに基づいて二次エア流量Ｑａを算出する。

その後、ステップＳ１０７では、触媒３１の暖機が完了したか否かを判別する。暖機完了前であれば、ステップＳ１０４に戻り、二次エア供給圧Ｐｓ検出、排気圧Ｐｅｘ推定、二次エア流量Ｑａ算出を各々実施する（ステップＳ１０４〜Ｓ１０６）。そして、触媒３１の暖機が完了すると、ステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８では、二次エアポンプ３６を停止し、続くステップＳ１０９では、開閉弁３７を閉鎖する。これにより二次エア供給が終了される。

前記の如く算出した二次エア流量Ｑａは、二次エア供給システムの異常判定などに用いられる。ここで、二次エア供給システムの異常判定処理を図３のフローチャートを用いて説明する。この異常判定処理は、二次エア供給期間中にＥＣＵ４０により実施される。

図３において、ステップＳ２０１では、前記算出した二次エア流量Ｑａが所定の判定値Ｑｔｈ未満であるか否かを判別する。Ｑａ≧Ｑｔｈの場合、ステップＳ２０２に進んで正常判定を行う。Ｑａ＜Ｑｔｈの場合、ステップＳ２０３に進んで異常判定を行うと共に、続くステップＳ２０４でダイアグ処理を実施する。つまり、二次エア流量Ｑａが減ると、エミッション排出量が増加すると考えられるため、二次エア流量Ｑａが所定量得られない場合に異常発生と判定することとしている。ダイアグ処理として具体的には、ダイアグデータ（故障データ）をスタンバイＲＡＭに格納する他、故障警告灯（ＭＩＬ）を点灯させるなどする。

以上詳述した本実施の形態によれば、二次エア供給圧Ｐｓだけでなく排気圧Ｐｅｘも用いて二次エア流量Ｑａを算出するようにしたため、エンジン運転状態が変化すること等に起因して排気圧Ｐｅｘが変化しても、二次エア流量Ｑａを精度良く算出することができる。従って、排気エミッションの改善を図ることが可能となる。この場合特に、二次エア供給圧Ｐｓと排気圧Ｐｅｘとの差圧（Ｐｓ−Ｐｅｘ）を二次エア流量の算出パラメータとしたので、大気圧の変動等に起因して圧力レベルが変化しても、その大気圧変動等に影響されることなく、二次エア流量Ｑａが算出できる。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態では、前記の如く算出した二次エア流量Ｑａを用い、該二次エア流量Ｑａを反映させつつ実施する燃料噴射量制御について説明する。要するに、二次エア供給により触媒３１の早期活性化等を図るには、例えば触媒入口の空燃比を弱リーンとすると良く、二次エア供給時には、この弱リーン空燃比を目標空燃比として燃料噴射量制御を実施する。この場合、空燃比を空気過剰率λで表し、エンジン燃焼室で燃焼に供される燃焼ガスの空燃比（燃焼空燃比）をλ１、触媒入口の空燃比をλ２とすると共に、エンジンに吸入される吸入空気量をｇａ、二次エア流量をｇｓａｉとすると、λ１，λ２は次の（２）式の関係となる。なお、ｇａ，ｇｓａｉは共に質量流量であり、特にｇｓａｉは、上述した二次エア流量Ｑａを質量換算したものである。

空燃比λ１（空気過剰率）の逆数は燃料過剰率であり、この燃料過剰率（１／λ１）が二次エア供給時の燃料増量補正係数（以下、これを二次エア用補正係数ｆｓａｉという）となる。つまり、触媒入口の空燃比λ２を目標空燃比λｔｇとする場合、前記（２）式より次の（３）式が得られる。

上記（３）式によれば、二次エア供給時における二次エア流量ｇｓａｉ、吸入空気量ｇａ及び目標空燃比λｔｇから二次エア用補正係数ｆｓａｉが算出できる。

図４は、ＥＣＵ４０により実行される燃料噴射量算出処理を示すフローチャートである。但し図４では、燃料噴射量の算出に関し、二次エア供給に関連する処理のみを示している。

図４において、先ずステップＳ３０１では、二次エア供給の実行条件が成立しているか否かを判別し、実行条件成立時において、ステップＳ３０２では、開閉弁３７を開放すると共に二次エアポンプ３６を作動させることにより二次エア供給を開始する。その後、ステップＳ３０３では、前述した通り締め切り圧Ｐ０と二次エア供給圧Ｐｓとの差圧に基づいて二次エア流量Ｑａを算出する。このとき、二次エア流量Ｑａは体積流量であるため、空気密度に応じて体積流量から質量流量に変換し、その結果を「二次エア流量ｇｓａｉ」とする。

その後、ステップＳ３０４では、エンジン回転数や吸入空気量等の運転条件パラメータを読み込む。ステップＳ３０５では、二次エア供給時用として用意された目標空燃比マップを用い、その都度のエンジン回転数や負荷等に基づいて目標空燃比λｔｇを算出する。ステップＳ３０６では、前記（３）式を用い、その時の二次エア流量ｇｓａｉ、吸入空気量ｇａ及び目標空燃比λｔｇに基づいて二次エア用補正係数ｆｓａｉを算出する。

一方、二次エア供給の実行条件不成立の場合には、ステップＳ３０７に進み、ｆｓａｉ＝１とする。

上記の如く二次エア用補正係数ｆｓａｉを算出した後、ステップＳ３０８では、エンジン回転数や吸入空気量等の運転条件パラメータに基づいて算出した基本噴射量Ｔｐに二次エア用補正係数ｆｓａｉを掛け合わせ、その積を最終噴射量ＴＡＵとする。

以上第２の実施の形態によれば、二次エア供給圧Ｐｓと排気圧Ｐｅｘとの差圧に基づき算出した二次エア流量Ｑａを用いて二次エア用補正係数ｆｓａｉを算出し、更にその二次エア用補正係数ｆｓａｉに基づいて燃料噴射量を補正するようにしたため、排気圧Ｐｅｘの変化に起因する燃料補正の精度低下が抑制できる。それ故に、二次エア供給時における高精度な燃料噴射量制御が実現できるようになる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

上記実施の形態では、前記（１）式を用い、二次エア供給圧Ｐｓと排気圧Ｐｅｘとの差圧（Ｐｓ−Ｐｅｘ）に基づいて二次エア流量Ｑａを算出する構成としたが、これに代えて、二次エア供給圧Ｐｓ、排気圧Ｐｅｘ、二次エア流量Ｑａの関係を予め求めてマップ等にて記憶しておき、そのマップを用いて二次エア流量Ｑａを算出する構成としても良い。又は、二次エア供給圧Ｐｓと排気圧Ｐｅｘとの差圧（Ｐｓ−Ｐｅｘ）に代えて、二次エア供給圧Ｐｓと排気圧Ｐｅｘとの圧力比（Ｐｓ／Ｐｅｘ）に基づいて二次エア流量Ｑａを算出しても良い。かかる場合でもあっても二次エア流量が精度良く算出できる。

二次エア供給圧Ｐｓに基づいてベースエア流量を算出すると共に、排気圧Ｐｅｘに応じて流量補正値を算出し、前記算出したベースエア流量を流量補正値により補正して二次エア流量Ｑａを算出するようにしても良い。例えば、流量補正値は、図５の関係に用いて決定されれば良く、排気圧Ｐｅｘが高いほど流量補正値が小さい値とされる。本構成においても、二次エア流量を精度良く算出することが可能となる。

二次エア流量Ｑａの算出パラメータとして、排気圧に代えて排気流量を用いることも可能である。つまり、二次エア供給圧と排気流量とに基づいて二次エア流量を算出する。排気流量は、流量センサにより検出したり、エンジン運転状態による推定したりすればよい。

二次エア配管３５に設けた開閉弁３７を、リニアに流量調整可能な流量制御弁に変更する。そして、二次エア供給時には、その都度の二次エア流量が目標値になるよう流量制御弁の開度を制御する用にしても良い。

上記第２の実施の形態では、二次エア供給時において弱リーン空燃比を目標空燃比として燃料噴射量制御を実施したが、この目標空燃比をストイキとしても良い。

発明の実施の形態におけるエンジン制御システムの概略を示す構成図である。 二次エア供給処理を示すフローチャートである。 異常判定処理を示すフローチャートである。 燃料噴射量算出処理を示すフローチャートである。 流量補正値を決定するための特性図である。

符号の説明

１０…内燃機関としてのエンジン、２４…排気管、３１…排気浄化装置としての触媒、３５…二次エア配管、３６…二次エア供給装置としての二次エアポンプ、３８…圧力センサ、４０…ＥＣＵ。

Claims (7)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置と、
   二次エア通路を介して前記排気浄化装置の上流側に二次エアを供給するための二次エア供給装置と、
   前記二次エア通路内の圧力を検出する第１の検出手段と、
   前記排気通路内の圧力を検出する第２の検出手段と、
   前記第１の検出手段により検出した二次エア通路内の圧力と前記第２の検出手段により検出した排気通路内の圧力とに基づいて二次エア流量を算出する流量算出手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の二次エア供給システム。
2. 前記流量算出手段は、前記第１の検出手段により検出した二次エア通路内の圧力と前記第２の検出手段により検出した排気通路内の圧力との差圧に基づいて二次エア流量を算出する請求項１記載の内燃機関の二次エア供給システム。
3. 前記流量算出手段は、前記第１の検出手段により検出した二次エア通路内の圧力に基づいてベースエア流量を算出する手段と、前記第２の検出手段により検出した排気通路内の圧力に基づいて前記ベースエア流量を補正して二次エア流量を算出する手段とを備える請求項１記載の内燃機関の二次エア供給システム。
4. 内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段を更に備え、
   前記第２の検出手段は、内燃機関の運転状態に基づいて前記排気通路内の圧力を推定する請求項１乃至３の何れかに記載の内燃機関の二次エア供給システム。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の二次エア供給システムを適用した燃料噴射量制御装置であって、
   前記排気浄化装置への二次エア供給時における目標空燃比を設定する目標空燃比設定手段と、
   前記目標空燃比設定手段により設定した二次エア供給時の目標空燃比と、前記流量算出手段により算出した二次エア流量と、内燃機関に吸入される吸入空気量とに基づいて内燃機関への燃料噴射量を補正する燃料量補正手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の燃料噴射量制御装置。
6. 前記燃料量補正手段は、二次エア供給時の目標空燃比と、内燃機関の吸入空気量に対する二次エア流量の変化とに基づいて二次エア供給時用の増量補正量を算出し、該増量補正量により燃料噴射量を補正する請求項５に記載の内燃機関の燃料噴射量制御装置。
7. 前記目標空燃比設定手段は、二次エア供給時における排気浄化装置の入口部の空燃比が理論空燃比又は該理論空燃比よりもリーンとなるよう目標空燃比を設定する請求項５又は６に記載の内燃機関の燃料噴射量制御装置。