JP2006125337A - 内燃機関の二次空気供給システムの異常診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排出ガス浄化用の触媒よりも上流側に二次空気を供給するエアポンプを備えた二次空気供給システムにおいて、エアポンプの温度上昇に伴うポンプ性能低下による二次空気供給システムの正常／異常の誤判定を防止する。
【解決手段】 二次空気供給システム１７の異常診断期間中に、エンジン排気熱の代用情報として用いる吸入空気量とエアポンプ１８の駆動時間と吸気温（又は外気温）に基づいてエアポンプ１８の温度を推定し、エアポンプ温度平均値を算出する。そして、異常診断期間のエアポンプ温度平均値に応じて二次空気供給システム１７の正常／異常の判定値を設定し、異常診断期間の二次空気圧力平均値を判定値と比較することで、二次空気供給システム１７の正常／異常を判定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気通路のうちの排出ガス浄化用の触媒よりも上流側に二次空気を供給するエアポンプを備えた内燃機関の二次空気供給システムの異常診断装置に関する発明である。

例えば、特許文献１（特開２００３−８３０４８号公報）、特許文献２（特開２００４−１１５８５号公報）に示すように、内燃機関の排気管のうちの排出ガス浄化用の触媒よりも上流側にエアポンプにより二次空気を供給して排出ガス中のＨＣ、ＣＯの浄化（酸化反応）を促進したり、その反応熱で触媒の暖機を促進する技術が知られている。

このような二次空気供給システムが故障すると、排気エミッションが悪化するため、特許文献１，２では、二次空気供給管に圧力センサを設置し、この圧力センサで検出した二次空気の圧力に基づいて二次空気供給システムの異常診断を行うようにしている。
特開２００３−８３０４８号公報 特開２００４−１１５８５号公報

ところで、二次空気を吐出するエアポンプは、駆動時間の経過に伴って駆動モータの巻線の発熱やエンジンの排気熱によって温度上昇する。また、二次空気供給通路の出口側に排気圧力が作用するため、この排気圧力が高くなるほど、エアポンプの負荷が大きくなり、エアポンプの発熱量が増加して、エアポンプの温度上昇量が増加する傾向がある。エアポンプの温度上昇は、駆動モータの巻線抵抗値を増加させてポンプ性能を低下させ、二次空気流量（圧力）を低下させる原因となる。このため、二次空気流量（圧力）を検出して二次空気供給システムの異常診断を行うと、エアポンプの温度上昇に伴うポンプ性能低下によって二次空気供給システムの正常／異常を誤判定してしまう可能性がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、エアポンプの温度上昇に伴うポンプ性能低下による二次空気供給システムの正常／異常の誤判定を防止することができる内燃機関の二次空気供給システムの異常診断装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、エアポンプから吐出する二次空気の流量又は圧力に関する情報（以下「二次空気情報」という）を二次空気情報検出手段により検出して、その二次空気情報に基づいて二次空気供給システムの異常診断を異常診断手段により行うシステムにおいて、前記エアポンプの温度に関する情報（以下「エアポンプ温度情報」という）を温度情報判定手段により検出又は推定し、そのエアポンプ温度情報に基づいて二次空気供給システムの正常／異常の判定条件を判定条件設定手段により設定又は補正するようにしたものである。このようにすれば、二次空気供給システムの異常診断期間中に、エアポンプの自己発熱やエンジンの排気熱によってエアポンプの温度が上昇してポンプ性能が低下しても、正常／異常の判定条件をエアポンプの温度上昇によるポンプ性能の低下に適合した判定条件に設定又は補正して異常診断を実施することができる。これにより、エアポンプの温度上昇に伴うポンプ性能低下による二次空気供給システムの正常／異常の誤判定を防止することができて、信頼性の高い異常診断を実施することができる。

この場合、温度情報判定手段として温度センサをエアポンプに追加して、エアポンプの温度を直接検出するようにしても良いが、温度センサを追加すれば、その分、コストアップとなる。

そこで、請求項２のように、エアポンプの駆動時間、排気熱、吸気温のうちの１つ以上又はそれに相関するパラメータに基づいてエアポンプ温度情報を推定するようにしても良い。一般に、エアポンプの駆動時間が長くなるほど、また、排気熱が多くなるほど、エアポンプの温度が上昇する。また、エアポンプ温度の初期値（エアポンプ駆動開始時の温度）は、吸気温（又は外気温）に依存するという関係がある。そして、排気熱は、吸入空気量等に基づいて算出すれば良く、また、エンジン制御用として吸気温センサ（又は外気温センサ）を搭載した車両では、吸気温（又は外気温）をエアポンプ温度の初期値を推定する情報として用いれば良い。従って、エアポンプの駆動時間、排気熱、吸気温等に基づいてエアポンプ温度情報を推定すれば、エアポンプに温度センサを追加することなく、エアポンプ温度情報を推定することが可能となり、低コスト化の要求を満たすことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてシステム全体の概略構成を説明する。内燃機関であるエンジン１１の各気筒の吸気マニホールド１２の吸気ポート近傍に、それぞれ燃料を噴射する燃料噴射弁１３が取り付けられている。一方、エンジン１１の排気管１４（排気通路）には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化する三元触媒等の触媒１５が設けられ、この触媒１５の上流側に、排出ガスの空燃比（又はリッチ／リーン）を検出する空燃比センサ１６（又は酸素センサ）が設けられている。

次に、排気管１４のうちの触媒１５よりも上流側に二次空気を供給する二次空気供給システム１７の構成を説明する。二次空気供給システム１７は、電気モータで駆動されるエアポンプ１８から吐出する二次空気を、吐出管１９を通して各気筒の二次空気供給ノズル２０に分配して各気筒の排気マニホールド（排気通路）に導入する。エアポンプ１８の吐出管１９には、該吐出管１９を開閉する制御弁２１が設けられ、該吐出管１９のうちの制御弁２１とエアポンプ１８との間には、二次空気情報検出手段として圧力センサ２２が設けられている。

この二次空気供給システム１７のエアポンプ１８と制御弁２１は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」という）２３によって制御される。このＥＣＵ２３は、エンジン運転状態を検出する各種センサ（例えば回転角センサ２４、吸気圧センサ２５、水温センサ２６、吸気温センサ２７等）の出力信号を読み込んでエンジン運転状態を検出して、エンジン運転状態に応じて燃料噴射量や点火時期を制御する。

このＥＣＵ２３は、後述する図２の二次空気制御ルーチンを実行することで、二次空気供給システム１７による二次空気の供給動作を制御すると共に、後述する図３の二次空気供給システム異常診断ルーチンを実行することで、二次空気供給システム１７の正常／異常を判定する異常診断手段として機能する。

ここで、本実施例の二次空気供給システム１７の異常診断方法を図６のタイムチャートを用いて説明する。本実施例では、二次空気供給システム１７により二次空気の供給を実行する時期は、主としてエンジン始動直後の触媒早期暖機制御中であり、運転者がイグニッションスイッチをＯＮ操作してエンジン１１を始動した時点ｔ1 で、エアポンプ１８を運転（ＯＮ）すると共に、制御弁２１を開放して二次空気の供給を開始する。

エアポンプ１８の運転（ＯＮ）開始から所定時間が経過した時点ｔ2 で、圧力センサ２２によって二次空気圧力を検出する処理を開始し、その後、所定時間が経過した時点ｔ3 で、二次空気圧力の検出処理を終了する。この二次空気圧力を検出する期間（ｔ2 〜ｔ3 ）が異常診断期間となり、この異常診断期間（ｔ2 〜ｔ3 ）中に所定周期で圧力センサ２２で検出した二次空気圧力を積算して、この異常診断期間の二次空気圧力積算値を積算回数で割り算することで、異常診断期間の二次空気圧力平均値を求める。

更に、エアポンプ１８の運転中は、エンジン排気熱の代用情報として用いる吸入空気量とエアポンプ１８の駆動時間と吸気温（又は外気温）に基づいてエアポンプ１８の温度を推定し、異常診断期間（ｔ2 〜ｔ3 ）中のエアポンプ温度平均値を算出する。具体的には、吸気温センサ２７（又は外気温センサ）で検出した吸気温（又は外気温）に基づいてエアポンプ１８の温度初期値を決定し、図４の演算周期当たりの温度上昇量ΔＴのマップを参照して、吸入空気量とエアポンプ１８の駆動時間とに基づいて演算周期当たりの温度上昇量ΔＴを算出して積算するという処理を繰り返すことで、エアポンプ温度を順次更新する。異常診断期間中は、推定したエアポンプ温度を積算して、異常診断期間のエアポンプ温度積算値を積算回数で割り算することで、異常診断期間のエアポンプ温度平均値を求める。そして、図５の判定値ｋＴＨのテーブルを参照して、異常診断期間のエアポンプ温度平均値に応じて二次空気供給システム１７の正常／異常の判定値を設定し、異常診断期間の二次空気圧力平均値を判定値と比較することで、二次空気供給システム１７の正常／異常を判定する。

この異常診断処理を終了した後も、触媒１５の暖機がほぼ終了するまで二次空気を供給し続け、所定時間が経過した時点ｔ4 で、エアポンプ１８をＯＦＦして制御弁２１を閉弁し、排気管１４内への二次空気の供給を終了する。

以上説明した本実施例の二次空気供給システム１７の異常診断処理は、ＥＣＵ２３によって図２及び図３の各ルーチンに従って実行される。以下、これら各ルーチンの処理内容を説明する。

図２の二次空気制御ルーチンは、イグニッションスイッチのＯＮ期間中に所定周期（例えば６４ｍｓ周期）で実行される。本ルーチンが起動されると、まずステップ１０１で、始動後経過時間ＣＳが所定時間例えば６０ｓｅｃ以下（二次空気供給期間内）であるか否かを判定し、始動後経過時間ＣＳが６０ｓｅｃを越えていれば、ステップ１０２に進み、異常診断時間ＣＯＮをカウントするタイマをクリアし、次のステップ１０３、１０４で、エアポンプ１８をＯＦＦして制御弁２１を閉弁し、排気管１４内への二次空気の供給を終了する。

これに対して、上記ステップ１０１で、始動後経過時間ＣＳが６０ｓｅｃ以下であると判定されれば、ステップ１０５に進み、二次空気制御実行条件が成立しているか否かを下記の条件(1) 〜(5) によって判定する。

(1) 二次空気制御が完了していないこと
(2) 水温センサ２６で検出した冷却水温が所定範囲内であること
(3) エンジン回転速度がアイドル領域の範囲内であること
(4) エンジン負荷がアイドル領域の範囲内であること
(5) 電気負荷の変動量が所定値以下であること（大きな電気負荷のＯＮ／ＯＦＦの切り換えがないこと）

これらの条件(1) 〜(5) を全て満たせば、二次空気制御実行条件が成立するが、いずれか１つでも満たさない条件があれば、二次空気制御実行条件が不成立となり、ステップ１０２〜１０４の処理を実行して、異常診断時間ＣＯＮのタイマをクリアし、エアポンプ１８をＯＦＦして制御弁２１を閉弁し、排気管１４内への二次空気の供給を終了する。

一方、上記条件(1) 〜(5) を全て満たして、二次空気制御実行条件が成立していれば、ステップ１０６、１０７に進み、制御弁２１を開弁してエアポンプ１８をＯＮし、排気管１４内に二次空気を供給する。

この後、ステップ１０８に進み、始動後経過時間ＣＳが所定時間例えば５ｓｅｃ以上であるか否かによって、異常診断開始時期（二次空気圧力検出開始時期）を越えた否かを判定し、始動後経過時間ＣＳが５ｓｅｃ未満（異常診断開始前）であれば、ステップ１１４に進み、エアポンプ１８の駆動時間ＣＰをカウントするカウンタの値に演算周期（例えば６４ｍｓ）を加算することで、エアポンプ１８の駆動時間ＣＰをカウントし、次のステップ１１５で、異常診断時間ＣＯＮをカウントするカウンタの値に演算周期（例えば６４ｍｓ）を加算することで、異常診断時間ＣＯＮをカウントする。更に、次のステップ１１６で、始動後経過時間ＣＳをカウントするカウンタの値に演算周期（例えば６４ｍｓ）を加算することで、始動後経過時間ＣＳをカウントする。この始動後経過時間ＣＳと異常診断時間ＣＯＮのカウンタは、エンジン始動時の初期化処理によってそれぞれ初期値が０にセットされる。

これに対して、上記ステップ１０８で、始動後経過時間ＣＳが５ｓｅｃ以上である（異常診断開始時期を越えている）と判定されれば、ステップ１１０に進み、異常診断時間ＣＯＮが所定時間例えば１３ｓｅｃ以下であるか否かを判定し、１３ｓｅｃ以下であれば、ステップ１１０に進み、異常診断時間ＣＯＮが例えば３ｓｅｃ以上であるか否かを判定する。その結果、異常診断時間ＣＯＮが３ｓｅｃ未満と判定されれば、ステップ１０４〜１０６の処理によってエアポンプ１８の駆動時間ＣＰ、異常診断時間ＣＯＮ、始動後経過時間ＣＳをカウントする。

その後、異常診断時間ＣＯＮが３ｓｅｃ以上になった時点で、ステップ１１０で「Ｙｅｓ」と判定されて、ステップ１１１に進み、圧力センサ２２で検出した二次空気圧力Ｐを積算して二次空気圧力積算値ＰＳを求めた後、ステップ１１２に進み、吸入空気量とエアポンプ１８の駆動時間ＣＰと吸気温（又は外気温）に基づいて推定した推定したエアポンプ温度Ｔを積算してエアポンプ温度積算値ＴＳを求める。

この際、エアポンプ温度Ｔの推定は、次のようにして行う。まず、吸気温センサ２７（又は外気温センサ）で検出した吸気温（又は外気温）に基づいてエアポンプ温度Ｔの初期値を決定し、図４の演算周期当たりの温度上昇量ΔＴのマップを参照して、吸入空気量とエアポンプ１８の駆動時間ＣＰとに基づいて演算周期当たりの温度上昇量ΔＴを算出して積算するという処理（Ｔ＝Ｔ＋ΔＴ）を繰り返すことで、エアポンプ温度Ｔを順次更新する。そして、推定したエアポンプ温度Ｔを積算してエアポンプ温度積算値ＴＳを求める。尚、演算周期当たりの温度上昇量ΔＴは、吸入空気量（エンジン排気熱）が多くなるほど、また、エアポンプ１８の駆動時間ＣＰが長くなるほど、大きくなるように設定されている。このステップ１１２において、エアポンプ温度を推定する機能が特許請求の範囲でいう温度情報判定手段としての役割を果たす。

その後、異常診断時間ＣＯＮが１３ｓｅｃを越えると、ステップ１０９で「Ｎｏ」と判定される。これにより、異常診断期間の終了と判断して、ステップ１１３に進み、図３の二次空気供給システム異常診断ルーチンを実行して、二次空気供給システム１７の正常／異常を次のようにして判定する。

まず、ステップ２０１で、二次空気圧力積算値ＰＳを積算回数（ＣＯＮ／６４）で割り算することで、異常診断期間の二次空気圧力平均値ＰＳＡを求める。
ＰＳＡ＝ＰＳ／ＣＯＮ／６４

この後、ステップ２０２に進み、エアポンプ温度積算値ＴＳを積算回数（ＣＯＮ／６４）で割り算することで、異常診断期間のエアポンプ温度平均値ＴＳＡを求める。
ＴＳＡ＝ＴＳ／ＣＯＮ／６４

この後、ステップ２０３に進み、図５の判定値ｋＴＨのテーブルを参照して、エアポンプ温度平均値ＰＳＡに応じた判定値ｋＴＨを算出する。このステップ２０３の処理が特許請求の範囲でいう判定条件設定手段としての役割を果たす。

この後、ステップ２０４に進み、二次空気圧力平均値ＰＳＡを判定値ｋＴＨと比較し、二次空気圧力平均値ＰＳＡが判定値ｋＴＨよりも大きければ、ステップ２０５に進み、二次空気供給システム１７が正常であると判定して、本ルーチンを終了する。

これに対して、上記ステップ２０４で、二次空気圧力平均値ＰＳＡが判定値ｋＴＨ以下と判定されれば、ステップ２０６に進み、二次空気供給システム１７が異常であると判定し、次のステップ２０７で、警告ランプ（図示せず）を点灯又は点滅させたり、或は、運転席のインストルメントパネルの表示部に警告表示すると共に、次のステップ２０８で、異常コード等の異常情報をＥＣＵ２３のバックアップＲＡＭ等の書き換え可能な不揮発性メモリに記憶させて、本ルーチンを終了する。

以上説明した本実施例によれば、二次空気供給システム１７の正常／異常の判定値をエアポンプ温度（平均値ＴＳＡ）に応じて設定するようにしたので、異常診断期間中にエアポンプ１８の自己発熱やエンジン１１の排気熱によってエアポンプ１８の温度が上昇してポンプ性能が低下しても、正常／異常の判定値をエアポンプ１８の温度上昇によるポンプ性能の低下に適合した判定値に設定して異常診断を実施することができる。これにより、エアポンプ１８の温度上昇に伴うポンプ性能低下による二次空気供給システム１７の正常／異常の誤判定を防止することができて、信頼性の高い異常診断を実施できる。

しかも、本実施例では、エンジン排気熱の代用情報として用いる吸入空気量とエアポンプ１８の駆動時間と吸気温（又は外気温）に基づいてエアポンプ１８の温度を推定するようにしたので、エアポンプ１８に温度センサを追加することなく、エアポンプ温度を推定することが可能となり、低コスト化の要求を満たすことができる利点がある。

尚、吸気温センサ（又は外気温センサ）を持たない車両では、水温センサ２６で検出した冷却水温に基づいてエアポンプ温度Ｔの初期値を決定するようにしても良い。或は、吸入空気量とエンジン回転速度とをエンジン排気熱の代用情報として用いるようにしても良い。
勿論、温度情報判定手段として温度センサをエアポンプ１８に追加して、エアポンプ温度を直接検出するようにしても良い。

また、本実施例では、二次空気供給システム１７の正常／異常の判定値をエアポンプ温度（平均値ＴＳＡ）に応じて設定するようにしたが、この代わりに、二次空気圧力（平均値ＰＳＡ）をエアポンプ温度に応じて補正するようにしても良い。

その他、本発明は、二次空気供給システム１７の異常診断方法を適宜変更しても良い。例えば、図７に示すように、運転者がイグニッションスイッチをＯＮしてエアポンプ１８の運転を開始した時点ｔ1 から所定時間が経過した時点ｔ2 で、制御弁２１を閉弁して排気管１４内への二次空気の供給を停止するが、この後も、二次空気供給システム１７の異常診断のためにエアポンプ１８を所定時間だけ運転し続ける。以下、エアポンプ１８の運転開始時から制御弁２１を閉弁するまでの期間（ｔ1 〜ｔ2 ）を“第１の検出期間”と呼び、その後、エアポンプ１８の運転を停止するまでの期間（ｔ2 〜ｔ3 ）を“第２の検出期間”と呼ぶ。

そして、第１の検出期間（ｔ1 〜ｔ2 ）中に、所定周期で圧力センサ２２で検出した二次空気圧力を積算して、第１の検出期間の二次空気圧力積算値を積算回数で割り算することで、第１の検出期間の二次空気圧力平均値を求める。その後、第２の検出期間（ｔ2 〜ｔ3 ）中に、所定周期で圧力センサ２２で検出した二次空気圧力を積算して、第２の検出期間の二次空気圧力積算値を積算回数で割り算することで、第２の検出期間の二次空気圧力平均値を求める。その後、第２の検出期間の二次空気圧力平均値と第１の検出期間の二次空気圧力平均値との圧力差を算出し、この圧力差が判定値以上であるか否かで二次空気供給システム１７の正常／異常を判定する。この際、判定値をエアポンプ温度平均値に応じて設定する。エアポンプ温度平均値は上記実施例と同様の方法で算出すれば良い。

尚、上記実施例では、二次空気情報として、圧力センサ２２で二次空気圧力を検出するようにしたが、エアポンプ１８から吐出される二次空気の流量を検出するようにしても良い。

本発明の一実施例における主要部の概略構成図である。 二次空気制御ルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。 二次空気供給システム異常診断ルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。 演算周期当たりの温度上昇量ΔＴのマップの一例を示す図である。 判定値ｋＴＨのテーブルの一例を示す図である。 異常診断処理の一例を説明するタイムチャートである。 異常診断処理の他の例を説明するタイムチャートである。

符号の説明

１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気マニホールド、１４…排気管（排気通路）、１５…触媒、１７…二次空気供給システム、１８…エアポンプ、１９…吐出管、２０…二次空気供給ノズル、２２…圧力センサ（二次空気情報検出手段）、２３…ＥＣＵ（異常診断手段，判定条件設定手段，温度情報判定手段）、２７…吸気温センサ

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路のうちの排出ガス浄化用の触媒よりも上流側に二次空気を供給するエアポンプを備えた内燃機関の二次空気供給システムにおいて、
   前記エアポンプから吐出する二次空気の流量又は圧力に関する情報（以下「二次空気情報」という）を検出する二次空気情報検出手段と、
   前記二次空気情報検出手段で検出した二次空気情報に基づいて前記二次空気供給システムの異常診断を行う異常診断手段と、
   前記エアポンプの温度に関する情報（以下「エアポンプ温度情報」という）を検出又は推定する温度情報判定手段と、
   前記温度情報判定手段で検出又は推定したエアポンプ温度情報に基づいて前記二次空気供給システムの正常／異常の判定条件を設定又は補正する判定条件設定手段と
   を備えていることを特徴とする内燃機関の二次空気供給システムの異常診断装置。
2. 前記温度情報判定手段は、前記エアポンプの駆動時間、排気熱、吸気温のうちの１つ以上又はそれに相関するパラメータに基づいてエアポンプ温度情報を推定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の二次空気供給システムの異常診断装置。

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