JP2008111444A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化触媒の暖機性の悪化、及び過熱を防止できる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１の排気通路６に設けられた排気浄化触媒７と、排気浄化触媒７より上流側に二次空気を供給するとともに、内燃機関１に供給する燃料量を増量して排気浄化触媒７を活性化させる触媒活性化手段１２、１３、２０と、を備えた排気浄化装置において、内燃機関１の始動時に、空燃比学習手段１２による一次空燃比の学習が完了したか否かを判別する空燃比学習判別手段１２と、一次空燃比の学習が完了したと判別されるまでは二次空気の供給及び燃料量の増量を禁止し、学習完了後に二次空気の供給及び燃料量の増量を開始させる活性化制御手段１２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の始動時に、排気通路へ二次空気を供給しつつ内燃機関へ供給する燃料量を増量して、排気浄化触媒を活性化させる内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気浄化装置として、冷間始動時における排気浄化触媒の早期活性化を図るべく排気通路に二次空気を導入するとともに内燃機関に供給する燃料量を増量し、触媒温度が所定温度を超えるような場合に二次空気の導入とそれに伴う燃料増量とを停止する装置が知られている（特許文献１参照）。その他に、本発明に関する先行技術文献として特許文献２及び３が存在する。

特開平９−１０３６４７号公報 特開平４−２３１６４９号公報 特開２０００−３５２３４５号公報

二次空気を導入して触媒を活性化させる場合、触媒付近における空気と燃料との質量比として与えられる二次空燃比を触媒の暖機に適した範囲（例えば１６付近）に制御することが必要不可欠である。その二次空燃比が適正範囲よりもリーン側にずれている場合には二次空気による触媒の冷却効果や酸化反応の減少により触媒の暖機が遅れて排気エミッションが悪化し、リッチ側にずれている場合には、酸化反応の増加により触媒の過熱による熱劣化や溶損をまねくおそれがある。

ところで、触媒付近の二次空燃比は、燃焼室における吸入空気と燃料との質量比として与えられる一次空燃比と相関しているため、二次空燃比を制御するためにはその前提として一次空燃比が明らかになっている必要がある。しかし、実際の内燃機関においては、吸入空気量の誤差や燃料噴射弁の制御指令値に対する偏差等に起因して一次空燃比がばらつくため、空燃比センサ等を利用して一次空燃比を学習し、その学習結果に基づいて一次空燃比を制御目標値に一致させるような制御が行われている。内燃機関の始動時においても、バッテリクリアや学習結果を保存するＳＲＡＭの異常等に伴う学習結果の初期化のために従前の学習結果が利用できずに新たに学習が行われることがあり、その場合、学習が完了するまでは一次空燃比を正確に把握できず、その結果として二次空燃比も適正範囲からずれて上述した問題が生じるおそれがある。また、内燃機関の始動時に利用可能な学習結果があったとしても、空燃比センサ等の故障によって学習結果が信頼できないことがあり、その場合にも二次空燃比に関して上述した問題が生じるおそれがある。

そこで、本発明は一次空燃比の学習の影響による排気浄化触媒の暖機状態の悪化や過熱を防止できる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の排気浄化装置は、燃焼室に取り込まれる空気と燃料との質量比として与えられる一次空燃比を学習する空燃比学習手段が設けられた内燃機関に適用され、該内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒より上流側に二次空気を供給するとともに、前記内燃機関に供給する燃料量を増量して前記排気浄化触媒を活性化させる触媒活性化手段と、を備えた排気浄化装置において、前記内燃機関の始動時に、前記空燃比学習手段による前記一次空燃比の学習が完了しているか否かを判別する空燃比学習判別手段と、前記一次空燃比の学習が完了していないと判別された場合には前記触媒活性化手段による前記二次空気の供給及び燃料量の増量を禁止する活性化制御手段と、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、内燃機関の始動時において一次空燃比の学習が完了していなければ二次空気の導入とそれに伴う燃料量の増量とが禁止されるので、一次空燃比が不明な段階で二次空気が導入されることによる二次空燃比の適正範囲からの逸脱を防止し、二次空気による排気浄化触媒の冷却や過剰な燃料による排気浄化触媒の過熱を防止することができる。なお、本発明においては、始動時において過去の学習結果が利用可能な状態も、「学習が完了している」場合の一態様に含まれる。

本発明の第１の排気浄化装置においては、前記空燃比学習手段は、前記内燃機関の運転状態に対応付けられた互いに異なる複数の学習領域のそれぞれにおいて前記一次空燃比を学習し、前記空燃比学習判別手段は、前記複数の学習領域のうち、少なくとも前記二次空気の供給及び燃料量の増量を実行すべき運転状態に対応した学習領域にて前記一次空燃比の学習が完了している場合に、前記学習が完了していると判別してもよい（請求項２）。
二次空気の供給及び燃料量の増量が実際に必要とされる内燃機関の運転状態を予め求めておき、その運転状態に対応させた学習領域で一次空燃比の学習が完了していれば、それ以外の運転状態に関して一次空燃比が学習されていなくても二次空気の導入による触媒の活性化処理には影響がなく、必要最小限の学習が済んでいるか否かを判別することにより、触媒活性化の処理が必要以上に禁止されるおそれをなくして排気浄化触媒を早期に活性化できる。

本発明の第２の排気浄化装置は、燃焼室に取り込まれる空気と燃料との質量比として与えられる一次空燃比を学習する空燃比学習手段が設けられた内燃機関に適用され、該内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒より上流側に二次空気を供給するとともに、前記内燃機関に供給する燃料量を増量して前記排気浄化触媒を活性化させる触媒活性化手段と、を備えた排気浄化装置において、前記内燃機関への吸入空気量と前記燃料量との比として与えられる一次空燃比の学習に使用されるセンサの異常の有無を判別する異常判別手段と、前記異常判別手段が前記センサの異常を判別した場合に前記触媒活性化手段による前記二次空気の供給及び燃料量の増量を禁止する活性化制御手段と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項３）。

本発明の第２の排気浄化装置によれば、一次空燃比の学習に使用されるセンサが異常であれば、触媒活性化の処理が禁止されるので、誤った一次空燃比を前提として二次空燃比が制御されるおそれがなく、第１の排気浄化装置と同様に、二次空気による排気浄化触媒の冷却や過剰な燃料による排気浄化触媒の過熱を防止することができる。

以上に説明したように、本発明によれば、一次空燃比の学習が完了していない場合や一次空燃比の学習に使用するセンサに異常が生じている場合に二次空気の供給及び燃料量の増量を禁止することにより、排気浄化触媒の暖機状態の悪化、及び過熱を防止することができる。

（第１の形態）
図１は本発明の排気浄化装置及びそれが適用される内燃機関の要部を示している。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。周知のように、内燃機関１の吸気通路２には、スロットルバルブ４の開度に応じた空気（一次空気）がエアフィルタ３を介して吸入され、その空気はインテークマニホールド５を介して各シリンダ（不図示）に取り込まれる。シリンダからの排気ガスは排気通路６を経て排気浄化触媒７に導かれて浄化された後、不図示の消音器を経て大気へ排出される。

排気浄化触媒７は、スタート触媒７ａと、その下流側に設けられたＮＯｘ吸蔵還元触媒７ｂとを備えている。スタート触媒７ａは、内燃機関１の冷間始動時にＮＯｘ吸蔵還元触媒７ｂが活性化されるまでの有害物質の排出量を低減することを主たる目的として設けられたものである。スタート触媒７ａは早期活性化のために内燃機関１の排気ポートになるべく近付けて配置され、かつその熱容量はＮＯｘ吸蔵還元触媒７ｂのそれよりも十分に小さく設定される。スタート触媒７ａには、ＨＣ、ＣＯを酸化する一方でＮＯｘを還元する周知の三元触媒が使用されている。ＮＯｘ吸蔵還元触媒７ｂは、所定の吸蔵材にてＮＯｘを吸蔵及び放出させ、放出されたＮＯｘを排気中のＨＣ、ＣＯにて還元するとともに、ＨＣ、ＣＯを酸化させる周知のものである。

吸気通路２には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８、スロットルバルブ４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９が、排気通路６のスタート触媒７ａの上流側には空燃比に対応した信号を出力する空燃比センサ（Ｏ_２センサでもよい。）１０、スタート触媒７ａの下流側かつＮＯｘ吸蔵還元触媒７ｂの上流側には排気ガス中の酸素量に対応した信号を出力するＯ_２センサ（空燃比センサでもよい。）１１がそれぞれ設けられている。各センサ８〜１１の出力信号はＥＣＵ１２に導かれる。ＥＣＵ１２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。ＥＣＵ１２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、ＥＣＵ１２は空燃比センサ１０、Ｏ_２センサ１１の出力信号に基づいて所定の空燃比（一次空燃比）の混合気が形成されるように燃料噴射弁１３の燃料噴射量を制御する。このようなＥＣＵ１２による空燃比制御は周知の内燃機関の空燃比制御装置と同様でよく、ここでは詳細を省略する。ＥＣＵ１２が参照するセンサとしては、上述したエアフローメータ８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、吸気温に対応した信号を出力する吸気温センサ、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。

内燃機関１には二次空気供給装置２０が設けられている。二次空気供給装置２０は、空気供給源としての電動式のエアポンプ２１と、そのエアポンプ２１と排気通路６とを接続する二次空気通路２２と、二次空気通路２２を開閉するためのバキュームコントロールバルブ（ＶＳＶ）２３及びエアスイッチングバルブ（ＡＳＶ）２４とを備えている。ＶＳＶ２３はＥＣＵ１２からの指示に従って開閉される電磁弁である。ＶＳＶ２３が開くとインテークマニホールド５の負圧が通路２５を介してＡＳＶ２４に導かれてＡＳＶ２４の内部流路が開放される。ＡＳＶ２４が開放されることにより、エアフィルタ２６にて濾過された二次空気がエアポンプ２１から二次空気通路２２を介して排気通路６に供給される。なお、排気通路６への二次空気の供給位置は内燃機関１の排気ポートの直後である。

二次空気供給装置２０及び燃料噴射弁１３は、ＥＣＵ１２と組み合わされて本発明の触媒活性化手段を構成する。図２は、ＥＣＵ１２を本発明の活性化制御手段として機能させるための活性化制御ルーチンを示している。ＥＣＵ１２は内燃機関１の運転中において図２のルーチンを一定周期で繰り返し実行する。なお、以下の説明において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。

図２の活性化制御ルーチンにおいてＥＣＵ１２は、まず、ステップＳ１でＡＩ実行条件が成立しているか否かを判別する。ＡＩ実行条件は、二次空気の供給を許可する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の始動後の経過時間、回転数、冷却水温、バッテリ電圧、吸入空気量等の様々なパラメータからＡＩ実行条件が設定される。ステップＳ１でＡＩ実行条件を満足しなければステップＳ４に進んで、ＡＩ制御を禁止して今回のルーチンを終了する。

一方、ＡＩ実行条件が成立している場合にはステップＳ２へ進み、ＡＩ制御を実行すべき学習領域での一次空燃比学習更新履歴フラグがＯＮ状態であるか否かを判別する。一次空燃比学習更新履歴フラグは、後述する一次空燃比学習制御ルーチンによって、一次空燃比の学習が完了した場合にＯＮ状態にされるもので、内燃機関１の運転状態に対応付けられた互いに異なる複数の学習領域のそれぞれにこのフラグが設定されている。例えば、図３に示した内燃機関１の回転数と負荷との関係において、吸入空気量Ｇａの等高線（図３ではＧａ＝ａ、Ｇａ＝ｂ、Ｇａ＝ｃで示した線）によって定義される各領域Ａ１〜Ａ４のそれぞれにフラグが設定される。一時空燃比の学習は各学習領域Ａ１〜Ａ４にて実行され、一時空燃比の学習が完了する毎に、該当する学習領域に対応したフラグがＯＮ状態とされる。ステップＳ２では、各領域Ａ１〜Ａ４のうち予め求められたＡＩ制御を実行すべき領域（図３では領域Ａ２）に対応したフラグがＯＮ状態であるか否かが判別される。

図２に戻って、ステップＳ２で一次空燃比学習更新履歴フラグがＯＮ状態でないと判別された場合、ステップＳ４に進んでＡＩ制御を禁止した後、今回のルーチンを終了する。
一方、ステップＳ２にて学習更新履歴フラグがＯＮであると判別された場合は、ステップＳ３に進んでＡＩ制御を開始し、その後に今回のルーチンを終了する。ＡＩ制御ではスタート触媒７ａにおける二次空燃比が触媒７ａの活性化に適した値（例えば１６前後）に保持されるように燃料噴射弁１３からの燃料噴射量が増量される。二次空気供給装置２０から供給される二次空気の供給量はほぼ一定であるため、ＡＩ実行時に増量される燃料量は、内燃機関１の燃焼室に取り込まれる空気と燃料との質量比として与えられる一次空燃比がＡＩ実行中における所定値（例えば１２程度）に維持されるように燃料噴射弁１３からの燃料噴射量が増量される。

次に、図４を参照して、ＥＣＵ１２を空燃比学習手段として機能させるための一次空燃比学習制御ルーチンを説明する。ＥＣＵ１２は内燃機関１の運転中において図４のルーチンを一定周期で繰り返し実行する。

図４の一次空燃比学習制御ルーチンにおいてＥＣＵ１２は、まず、ステップＳ１１で学習実行条件が成立しているか否かを判別する。学習実行条件は、一次空燃比の学習を許可するか否かを判別するために設けられた条件で、例えば、内燃機関１の冷却水温、Ｏ_２センサ１１が活性化されたことを示すリッチ信号の出力等の様々なパラメータから条件が設定される。

ステップＳ１１で学習実行条件を満足していなければ今回のルーチンを終了する。一方、学習実行条件が成立している場合にはステップＳ１２へ進み、一次空燃比の学習を実行し、図３の各学習領域Ａ１〜Ａ４のそれぞれに対応して設けられたＳＲＡＭのうち、該当する学習領域に対応したＳＲＡＭに学習値を保存する。この一次空燃比の学習は、空燃比センサ１０及びＯ_２センサ１１の出力信号に基づいて算出される燃料噴射量のフィードバック補正係数の平均値等を利用して、内燃機関１の個体差や径時的変化に起因する基本燃料噴射量の誤差を補正するために行われる。学習の具体的手順については周知の学習制御と同様でよく、ここでは詳細を省略する。

図４に戻って、ステップＳ１３では、該当する学習領域の一次空燃比学習更新履歴フラグをＯＮ状態としてＳＲＡＭに保存し、今回のルーチンを終了する。

上述の活性化制御ルーチンによれば、一次空燃比学習制御ルーチンによって実行される一次空燃比の学習が完了していなければＡＩ制御が禁止され、二次空気の導入とそれに伴う燃料量の増量とが行われないので、二次空燃比の適正範囲からの逸脱を防止できる。これにより、二次空気による排気浄化触媒７の冷却や、過剰な燃料の増量による排気浄化触媒７の過熱を防止することができる。

（第２の形態）
次に、図５を参照して、本発明を実施するための第２の形態を説明する。第２の形態においては、第１の形態と比較して、ＡＩ制御を禁止する条件が相違している。従って、第２の形態においては第１の形態と相違する部分のみ説明し、重複する部分の説明を省略する。なお、図５において図２との共通部分には同一の参照符号を付してある。

図５は、ＥＣＵ１２によって実行される活性化制御ルーチンのフローチャートを示している。このルーチンにおいて、ＥＣＵ１２は、まずステップＳ１でＡＩ実行条件が成立しているか否かを判別する。ステップＳ１でＡＩ実行条件を満足しなければステップＳ４に進んで、ＡＩ制御を禁止して今回のルーチンを終了する。ＡＩ実行条件が成立している場合にはステップＳ５へ進む。

続くステップＳ５では、図５とは別に実行される異常診断ルーチンにて空燃比センサ１０及びＯ_２センサ１１が異常と判定された場合にセットされるダイアグフラグの値を参照して、センサ１０、１１が正常か否かを判別する。なお、異常診断ルーチンには公知の種々の手順を利用でき、その詳細は省略する。空燃比センサ１０及びＯ_２センサ１１が正常と判別された場合は、ステップＳ５に進んでＡＩ制御を実行し、今回のルーチンを終了する。一方、空燃比センサ１０及びＯ_２センサ１１が正常でないと判別された場合は、ステップＳ４に進んでＡＩ制御を禁止した後、今回のルーチンを終了する。

以上の活性化制御ルーチンを実行した場合には、空燃比センサ１０及びＯ_２センサ１１が正常でないと判別された場合にＡＩ制御が禁止されるので、誤った一次空燃比を前提として二次空燃比が制御されることを防止できる。これにより、二次空気による排気浄化触媒７の冷却や、過剰な燃料の増量による排気浄化触媒７の過熱を防止することができる。

上述した形態では、図２、図５の活性化制御ルーチン、及び図４の一次空燃比学習制御ルーチンのうち、ＥＣＵ１２がステップＳ２を実行することにより空燃比学習判別手段として、ステップＳ５を実行することにより異常判別手段として、ステップＳ１２を実行することにより空燃比学習手段として、それぞれ機能する。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施してよい。例えば、排気浄化触媒７は、スタート触媒７ａ及びＮＯｘ吸蔵還元触媒７ｂを備える形態に限定されない。本発明の活性化制御手段によって、排気浄化触媒の暖機性の悪化、及び過熱を防止する限りにおいては、排気浄化触媒の個数及び配置は適宜に変更してよい。一次空燃比の学習領域の設定は、内燃機関の運転状態に対応付けて設定する限りは領域Ａ１〜Ａ４に限定されず、適宜に設定してよい。また、図２の処理と図５の処理とを併用してもよい。

本発明の排気浄化装置及びそれが適用される内燃機関の要部を示す図。 図１のＥＣＵにて実行される活性化制御ルーチンの一形態を示すフローチャート。 内燃機関の回転数と負荷とに対応付けられた学習領域の一例を示す図。 図１のＥＣＵにて実行される一次空燃比学習制御ルーチンの他の形態を示すフローチャート。 図１のＥＣＵにて実行される活性化制御ルーチンの他の形態を示すフローチャート。

符号の説明

１ 内燃機関
６ 排気通路
７ 排気浄化触媒
７ａ スタート触媒
７ｂ ＮＯｘ吸蔵還元触媒
１０ 空燃比センサ
１１ Ｏ_２センサ
１２ ＥＣＵ（活性化制御手段、前記空燃比学習手段、空燃比学習判別手段、異常判別手段、触媒活性化手段）
１３ 燃料噴射弁（触媒活性化手段）
２０ 二次空気供給装置（触媒活性化手段）

Claims (3)

1. 燃焼室に取り込まれる空気と燃料との質量比として与えられる一次空燃比を学習する空燃比学習手段が設けられた内燃機関に適用され、該内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒より上流側に二次空気を供給するとともに、前記内燃機関に供給する燃料量を増量して前記排気浄化触媒を活性化させる触媒活性化手段と、を備えた排気浄化装置において、
   前記内燃機関の始動時に、前記空燃比学習手段による前記一次空燃比の学習が完了しているか否かを判別する空燃比学習判別手段と、
   前記一次空燃比の学習が完了していないと判別された場合には前記触媒活性化手段による前記二次空気の供給及び燃料量の増量を禁止する活性化制御手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記空燃比学習手段は、前記内燃機関の運転状態に対応付けられた互いに異なる複数の学習領域のそれぞれにおいて前記一次空燃比を学習し、
   前記空燃比学習判別手段は、前記複数の学習領域のうち、少なくとも前記二次空気の供給及び燃料量の増量を実行すべき運転状態に対応した学習領域にて前記一次空燃比の学習が完了している場合に、前記学習が完了していると判別することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 燃焼室に取り込まれる空気と燃料との質量比として与えられる一次空燃比を学習する空燃比学習手段が設けられた内燃機関に適用され、該内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒より上流側に二次空気を供給するとともに、前記内燃機関に供給する燃料量を増量して前記排気浄化触媒を活性化させる触媒活性化手段と、を備えた排気浄化装置において、
   前記内燃機関への吸入空気量と前記燃料量との比として与えられる一次空燃比の学習に使用されるセンサの異常の有無を判別する異常判別手段と、
   前記異常判別手段が前記センサの異常を判別した場合に前記触媒活性化手段による前記二次空気の供給及び燃料量の増量を禁止する活性化制御手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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