JP2006329003A

JP2006329003A - 内燃機関の二次空気供給装置

Info

Publication number: JP2006329003A
Application number: JP2005151078A
Authority: JP
Inventors: Koichi Kitaura; 浩一北浦; 衛 ▲吉▼岡; Mamoru Yoshioka
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-05-24
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2006-12-07

Abstract

【課題】大気圧や外気温等の環境条件が変化した場合でも二次空気の導入による効果を安定して得ることができる内燃機関の二次空気供給装置を提供する。
【解決手段】本発明の二次空気供給装置３０は、内燃機関１の排気浄化触媒１０よりも上流に二次空気を導く二次空気通路３２と、内燃機関１の吸気弁１６又は排気弁１７の少なくとも一方の動弁特性を変更可能な可変バルブタイミング機構２０と、を備え、二次空気の導入時に吸気弁１６と排気弁１７のバルブオーバーラップ量を増加させ、かつその増加量を大気圧又は外気温が低いほど大きくなるように変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化触媒よりも上流に二次空気を導く内燃機関の二次空気供給装置に関する。

内燃機関の二次空気供給装置として、内燃機関の暖機時に点火時期を遅角させるとともに排気弁の開弁タイミングを進角させ、かつ吸気弁と排気弁のバルブオーバーラップ量を一定量増加させることにより排気を後燃え可能な温度に昇温させ、その状態で二次空気を排気浄化触媒の上流に導くことにより後燃えを発生させて排気浄化触媒を暖機させるものがある（特許文献１）。その他、本発明と関連する先行技術文献として特許文献２及び３が存在する。

特開２００１−２６３０５０号公報特許第２９７２３８９号公報特開平８−１５８８５８号公報

大気圧や外気温等の環境条件が変化すると、その変化に伴って排気温度等の後燃えに必要な条件も変化するため、特許文献１のようにバルブオーバーラップ量を一定に増加しただけでは後燃えの発生が不確実となって排気浄化触媒の暖機効果が損なわれ、エミッションが悪化する場合がある。例えば、外気温の低下により後燃えに必要な排気温度に至らないおそれがある。また、平地よりも大気圧が低い高地の場合には空気密度が低下するため、平地と同一の機関回転数（回転速度）の維持に必要な空気量が減少するので、排気温度が低下して後燃えが不確実になるおそれがある。更に、二次空気の供給源として定容積型のエアポンプを使用した場合、高地では平地よりも気圧が低くて空気密度が減少するので、平地と同一条件で二次空気を供給するだけでは二次空気が不足して後燃えが不確実になるおそれもある。

そこで、本発明は、大気圧や外気温等の環境条件が変化した場合でも二次空気の導入による効果を安定して得ることができる内燃機関の二次空気供給装置を提供することを目的とする。

本発明の二次空気供給装置は、内燃機関の排気浄化触媒よりも上流に二次空気を導く二次空気通路と、内燃機関の吸気弁又は排気弁の少なくとも一方の動弁特性を変更可能な可変動弁機構と、前記二次空気の導入時に吸気弁と排気弁のバルブオーバーラップ量を増加させ、かつその増加量を環境条件に応じて変化させるように前記可変動弁機構を制御する制御手段と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

この発明によれば、二次空気の導入時に吸気弁と排気弁のバルブオーバーラップ量が増加するので、燃焼室内の圧力が低下して排気行程後半に排気ガスが排気ポートから燃焼室へ流入するとともに、二次空気が高温状態の排気弁の近辺や燃焼室内に流入して二次空気の供給による後燃えを促進できる。しかも、バルブオーバーラップ量の増加量が環境条件に応じて変化するので、環境条件の変化に伴う排気温度不足や二次空気の供給不足を補うことができ、二次空気の供給による効果を安定して得ることができる。なお、バルブオーバーラップ量は少なくとも排気行程上死点以前の範囲において二次空気の供給停止時に比べて増加していればよい。

本発明における環境条件は二次空気の供給による効果に影響を与え得るものであれば如何なるものでもよいが、例えば、前記制御手段は、前記増加量を前記環境条件としての大気圧に応じて変化させてもよいし（請求項２）、前記環境条件としての外気温に応じて変化させてもよい（請求項４）。これらの態様においては、更に、前記制御手段は、大気圧が低いほど前記増加量が大きくなるように変化させてよいし（請求項３）、外気温が低いほど前記増加量が大きくなるように変化させてもよい（請求項５）。

大気圧が低いときや外気温が低いときは、これらが高い場合に比べて吸気通路内の負圧が低下するため、バルブオーバーラップ量が一定の場合には燃焼室内に残留させる排気ガス量（内部ＥＧＲ量）が少なくなる。従って、これらの態様のように、大気圧や外気温が低いほどバルブオーバーラップ量の増加量を大きくした場合でも、大気圧や外気温が高い場合と比べて内部ＥＧＲ量が大幅に増加することはないので燃焼悪化を抑制できる。

以上説明したように、本発明によれば、二次空気の導入時に吸気弁と排気弁のバルブオーバーラップ量を増加させ、かつその増加量を環境条件に応じて変化させるようにしたので、大気圧や外気温等の環境条件が変化した場合でも二次空気の導入による効果を安定して得ることができる。

（第１の実施形態）
図１は本発明の二次空気供給装置を内燃機関に適用した一実施形態を示している。内燃機関１は例えば直列式の４気筒ガソリンエンジンとして構成されている。なお、図１では一つの気筒２に関する構造のみを示した。内燃機関１の吸気通路３には、スロットル弁５の開度に応じた空気（一次空気）がエアフィルタ４を介して吸入され、その空気は吸気マニホールド６、及び気筒２毎に設けられた吸気ポート３ａを介して各気筒２に取り込まれる。内燃機関１の排気ガスは排気通路８に導かれる。即ち、各気筒２からの排気ガスは気筒２毎に設けられた排気ポート８ａを介して排気マニホールド９へ集合されてから排気浄化触媒１０に導かれて浄化され、その後、不図示の消音器を経て大気へ排出される。排気浄化触媒１０はＨＣ、ＣＯを酸化する一方で、ＮＯｘを還元する周知の三元触媒である。

各気筒２には、放電火花を発生させる点火プラグ１１と、気筒２内を往復運動するピストン１３とが設けられ、ピストン１３の頂面と気筒２の内壁とで囲まれた空間に燃焼室１４が形成される。また、吸気ポート３ａに向かって燃料を噴射する燃料噴射弁１５が気筒２毎に設けられている。燃料噴射弁１５の燃料噴射によって燃焼室１４内に混合気が形成され、その混合気は点火プラグ１１の放電火花によって点火される。

内燃機関１の吸気弁１６と排気弁１７とは、クランク軸（不図示）の回転を駆動源とするカム軸１８、１９にて駆動される。吸気弁１６側のカム軸１８には吸気弁１６の開閉タイミング（動弁特性）を変更可能な油圧式の可変バルブタイミング機構（可変動弁機構）２０が設けられている。可変バルブタイミング機構２０は、図示しない油圧調整弁を備えており、その油圧調整弁の開度が後述するＥＣＵ２１によって制御されることで、吸気弁１６の開閉タイミングが適宜に変更される。

吸気通路３には大気圧に対応した信号を出力する圧力センサ２２、外気温に対応した信号を出力する温度センサ２３、吸入空気量に対応した信号を出力するエアフローメータ２４、スロットル弁５の開度に対応した信号を出力するスロットル開度センサ２５が、排気通路８の排気浄化触媒１０の前後には排気ガス中の酸素量に対応した信号を出力するＯ２センサ（空燃比センサでもよい。）２６、２７がそれぞれ設けられる。各センサ２２〜２７の出力信号はＥＣＵ２１に導かれる。ＥＣＵ２１はマイクロプロセッサ、及びその動作に必要なＲＯＭ、ＲＡＭ等の周辺回路を備えたコンピュータとして構成される。ＥＣＵ２１は各種のセンサの出力信号を参照して、内燃機関１の運転状態の制御に必要な各種の演算処理及び各種の機器の動作制御を実行する。例えば、ＥＣＵ２１はＯ２センサ２６、２７の出力信号に基づいて所定の空燃比の混合気が形成されるように燃料噴射弁１５の燃料噴射量を制御する。ＥＣＵ２１が参照するセンサとしては、上述した圧力センサ２２等の他にも、内燃機関１の冷却水温度に対応した信号を出力する水温センサ、クランク軸の角度に対応した信号を出力するクランク角センサ等が存在するが、それらの図示は省略した。

二次空気供給装置３０は、空気供給源としての電動式のエアポンプ３１と、そのエアポンプ３１から吐出される二次空気を排気通路８に導く二次空気通路３２と、二次空気通路３２を開閉するためのバキュームコントロールバルブ（ＶＳＶ）３３及びエアスイッチングバルブ（ＡＳＶ）３４とを備えている。ＶＳＶ３３はＥＣＵ２１からの指示に従って開閉される電磁弁である。ＶＳＶ３３が開くと吸気マニホールド６の負圧が通路３５を介してＡＳＶ３４に導かれてＡＳＶ３４の内部流路が開放される。ＡＳＶ３４が開放されることにより、エアフィルタ３６にて濾過された二次空気がエアポンプ３１から二次空気通路３２を介して排気通路８に供給される。なお、排気ガスの温度が排気弁１７から下流側へ離れるに従って低下する関係から、排気通路８への二次空気の供給位置はできるだけ排気弁１７に近づけることが好ましい。そのため図１の形態では、排気通路８への二次空気の供給位置は排気ポート８ａ内に設定されているが、排気浄化触媒１０よりも上流側であれば供給位置は特に制限されない。

二次空気供給装置３０による二次空気の供給及びその停止はＥＣＵ２１により制御される。図２はＥＣＵ２１が二次空気の供給を制御するために実行するＡＩ制御の手順を示すフローチャートである。このＡＩ制御では、二次空気の供給と停止の制御に加え、二次空気の導入時に吸気弁１６と排気弁１７のバルブオーバーラップ量を増加させ、かつそのバルブオーバーラップ量の増加量を環境条件としての大気圧に応じて変化させるように可変バルブタイミング機構２０が制御される。以下、ＡＩ制御の詳細を説明する。なお、本明細書において、ＡＩとは、二次空気の供給を意味するエアーインジェクションの略称である。

ＥＣＵ２１は、例えば車両のイグニッションスイッチがオンされて内燃機関１が作動可能な状態になると、図２の処理を一定の周期で繰返し実行する。ＡＩ制御では、まず、ステップＳ１で内燃機関１が始動後の状態であるか否かを判別する。例えば、内燃機関１の暖機状態に対応した冷却水温や排気温が所定の暖機完了状態を満たさないときに始動後であると判断する。ステップＳ１で始動後であると判定した場合はステップＳ２に進み、ＡＩ実行条件の成否を判定する。ＡＩ実行条件は、内燃機関１の運転状態からみて二次空気の導入が不適当か否かを判別するために設けられた条件である。例えば、内燃機関１の始動直後で排気ガス温度が上昇していないため、二次空気を供給すると却って排気浄化触媒１０が冷却されるおそれがある場合にＡＩ実行条件が不成立となり、ステップＳ２が否定判定される。ＡＩ実行条件が成立していると判定した場合は、ステップＳ３に進み、大気圧を取り込む。大気圧は圧力センサ２２の出力を参照して取得してもよいし、他のセンサの検出値に基づく学習により求めてもよい。大気圧の学習は吸入空気量とスロットル開度との関係が気圧に応じて異なることを利用して行うことができる。即ち、標準大気圧のときの吸入空気量とスロットル開度との関係を基準状態として予め取得しておき、エアフローメータ２４が検出する吸入空気量とスロットル開度センサ２５が検出するスロットル開度との関係と、基準状態とのずれに基づいて現在の大気圧を取得することができる。

ステップＳ３にて大気圧を取り込んだ後は、ステップＳ４で吸気弁１６の開弁時期の目標進角量を算出する。目標進角量は吸気弁１６と排気弁１７のバルブオーバーラップ量の増加量を決定するものである。図３に示すように、目標進角量は大気圧を変数とする関数として与えられており、大気圧が低いほど目標進角量が大きくなる。図４に吸気弁１６の開弁時期の進角量とバルブオーバーラップ量との関係を示す。破線は二次空気導入時、実線は二次空気導入停止時をそれぞれ示す。図４から明らかなように、吸気弁１６の進角量が増大すると、排気行程上死点ＴＤＣ以前の範囲内においてバルブオーバーラップ量が増加する。従って、図３の関係は、大気圧が低いほどバルブオーバーラップ量の増加量が大きくなることを意味する。ＥＣＵ２１のＲＯＭには図３の関係がマップとして記憶されている。ＥＣＵ２１はそのＲＯＭに記憶されたマップを参照して、大気圧に対応した目標進角量を取得する。

目標進角量の取得後は図２のステップＳ５に進み、一次空気の補正空気量を算出する。補正空気量は、進角量の増大に伴う内部ＥＧＲ量の増加によって生じ得る出力トルクの低下を補償するものである。進角量が大きくなるにつれ内部ＥＧＲ量が増加し、それだけ出力トルクの低下が懸念される。そのため、図５に示すように、補正空気量は進角量を変数とする関数として与えられており、ステップＳ４で求めた目標進角量が大きいほど補正空気量が大きくなる。つまり、バルブオーバーラップ量の増加量が大きいほど補正空気量が大きくなる。ＥＣＵ２１のＲＯＭには図５の関係がマップとして記録されている。ＥＣＵ２１はそのＲＯＭに記録されたマップを参照して、進角量に対応した補正空気量を算出する。

補正空気量の算出後はステップＳ６に進み、補正空気量に基づいてスロットル開度を補正する。この補正は適宜の方法で実現できる。例えば、スロットル開度を吸入空気量に関連づけたマップをＥＣＵ２１のＲＯＭに予め記憶させておき、エアフローメータ２４が検出する吸入空気量にステップＳ５で算出した補正空気量を加えて目標空気量とし、ＲＯＭに記憶させたマップを参照してその目標空気量に対応したスロットル開度を取得することで実現してもよい。また、補正空気量に対応したスロットル開度の補正係数を算出し、その補正係数をスロットル開度に乗算してスロットル開度を補正することもできる。

スロットル開度の補正後はステップＳ７に進み、吸気弁１６の開弁時期がステップＳ４で算出した目標進角量に対応して進角するように、ＥＣＵ２１が可変バルブタイミング機構２０、つまり油圧調整弁の開度を制御する。

続くステップＳ８では、ＥＣＵ２１はＡＩオン、つまりエアポンプ３１を起動するとともに、ＡＳＶ３４が開かれるようにＶＳＶ３３を制御して二次空気を供給する。また、ステップＳ８において、ＥＣＵ２１は二次空気の供給が実行されているか否かを判別するための実行フラグＦを、二次空気の供給状態に対応した”１”にセットし、今回のＡＩ制御ルーチンを終了する。

一方、ステップＳ１又はステップＳ２のいずれかで否定判定された場合には、ステップＳ９にてＡＩオフ、つまりエアポンプ３１を停止させるとともにＡＳＶ３４が閉じられるようにＶＳＶ３３を制御し、実行フラグＦを二次空気の供給停止状態に対応した”０”にリセットし、その後今回のルーチンを終了する。

以上の実施形態によれば、バルブオーバーラップ量の増加量が大気圧が低いほど大きくなるので、平地よりも大気圧が低い高地においても後燃えを安定して発生させることができる。また、大気圧が低いほどバルブオーバーラップ量の増加量を大きくした場合でも、大気圧が高い場合と比べて内部ＥＧＲ量が大幅に増加することはないので燃焼悪化が抑制される。本実施形態においては、更に、バルブオーバーラップ量の増加に伴って空気量が補正されるので、燃焼悪化に伴う出力トルクの低下を確実に防止できる。

（第２の実施形態）
次に本発明の第２の実施形態について説明する。この実施形態は、図６のＡＩ制御を除き、第１の実施形態と同一である。従って、内燃機関１等の物理的構成については図１が参照される。また、図６のＡＩ制御においては、図２の処理と同様に、例えば車両のイグニッションスイッチがオンされて内燃機関１が作動可能な状態になると、図６の処理が一定の周期でＥＣＵ２１にて繰返し実行される。図６のＡＩ制御において図２と共通する処理については同一符号を付して重複する説明を省略し、以下図２との相違点のみを説明する。

ステップＳ１３では、ＥＣＵ２１は外気温を取り込む。外気温は温度センサ２３の出力を参照して取得できる。続くステップＳ１４では、吸気弁１６の開弁時期の目標進角量を算出する。目標進角量は吸気弁１６と排気弁１７のバルブオーバーラップ量の増加量を決定するものである。図７に示すように、目標進角量は外気温を変数とする関数として与えられており、外気温が低いほど目標進角量が大きくなる。つまり、図３の関係は、外気温が低いほどバルブオーバーラップ量の増加量が大きくなることを意味する。ＥＣＵ２１のＲＯＭには図７の関係がマップとして記憶されている。ＥＣＵ２１はそのＲＯＭに記憶されたマップを参照して、外気温に対応した目標進角量を取得する。

以上の形態によれば、バルブオーバーラップ量の増加量が外気温が低いほど大きくなるので、常温時よりも条件が悪化する低温時においても後燃えを安定して発生させることができる。また、外気温が低いほどバルブオーバーラップ量の増加量を大きくした場合でも、内部ＥＧＲ量が大幅に増加することはないので燃焼悪化が抑制され、その上、バルブオーバーラップ量の増加に伴って空気量が補正されるので、燃焼悪化に伴う出力トルクの低下を完全に防止できる。更に、低温時は常温時よりも燃料噴射弁１５から噴射される燃料噴霧の気化が悪化するが、外気温が低いほどバルブオーバーラップ量の増加量が大きくされるので、吸気通路３側への吹き返しにより燃料噴霧の微粒化が促進される。これにより内部ＥＧＲ量の増加等の燃焼悪化要因を上回る燃焼改善効果が期待できる。

以上の実施形態においては、ＥＣＵ２１が本発明の制御手段として機能する。但し、本発明は制御手段をＥＣＵ１２とは別に設けられたコンピュータにより実現してもよい。

本発明はバルブオーバーラップ量の増加量の拡大に応じた空気量の補正（図２、図６のステップＳ５、Ｓ６）を必須とするものではなく、その補正は必要に応じて適宜設ければよい。また、本発明は排気行程上死点以前の範囲でバルブオーバラップ量が増加していればよい。従って、上死点後の範囲におけるバルブオーバーラップ量の増加は必ずしも必要でない。以上の実施形態においては、可変バルブタイミング機構２０を吸気弁１６側に設けたが、これに加えて排気弁１７側に設けてもよい。バルブオーバーラップ量を変化させる方法は、上述した形態に限定されず、排気弁１７の閉弁時期と吸気弁１７の開弁時期の一方、又は両方を変化させてもよい。また、可変動弁機構としては、上述した油圧式のバルブタイミング機構２０に限定されず、吸気弁及び排気弁の少なくと一方の動弁特性を変更可能なものであれば如何なる機構を用いても構わない。

本発明の二次空気供給装置及びそれが適用される内燃機関の概要を示す図。図１のＥＣＵにて実行されるＡＩ制御の手順を示すフローチャート。図２のＡＩ制御において参照される大気圧と目標進角量との対応関係を記述したマップの一例を示す図。吸気弁の開弁時期の進角量とバルブオーバーラップ量との関係を説明する説明図。図２（図６）のＡＩ制御において参照される進角量と補正空気量との対応関係を記述したマップの一例を示す図。第２の実施形態に係るＡＩ制御の手順を示すフローチャート。図６のＡＩ制御において参照される外気温と目標進角量との対応関係を記述したマップの一例を示す図。

符号の説明

１内燃機関
１０排気浄化触媒
１６吸気弁
１７排気弁
２０可変バルブタイミング機構（可変動弁機構）
２１ＥＣＵ（制御手段）
３０二次空気供給装置
３２二次空気通路

Claims

内燃機関の排気浄化触媒よりも上流に二次空気を導く二次空気通路と、内燃機関の吸気弁又は排気弁の少なくとも一方の動弁特性を変更可能な可変動弁機構と、前記二次空気の導入時に吸気弁と排気弁のバルブオーバーラップ量を増加させ、かつその増加量を環境条件に応じて変化させるように前記可変動弁機構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供給装置。
前記制御手段は、前記増加量を前記環境条件としての大気圧に応じて変化させ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装置。
前記制御手段は、大気圧が低いほど前記増加量が大きくなるように変化させることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の二次空気供給装置。
前記制御手段は、前記増加量を前記環境条件としての外気温に応じて変化させ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装置。
前記制御手段は、外気温が低いほど前記増加量が大きくなるように変化させることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の二次空気供給装置。