JP2008267237A - 内燃機関の二次空気供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明によれば、二次空気の温度を考慮して二次空気供給後の排気温度を推定することにより、未燃燃料の排出を防止する内燃機関の二次空気供給装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１の排気系に設置された排気浄化触媒装置５よりも上流側に二次空気を供給する二次空気供給系６０と、二次空気温度を推定し、この推定結果に基づいて二次空気供給後の排気温度を推定するＥＣＵ２０とを備え、ＥＣＵ２０は、排気温度の推定結果に応じて、二次空気供給系６０の二次空気の供給を開始又は禁止する。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の二次空気供給装置に関する。

内燃機関の排気系には、排気浄化触媒が設けられており、排気中に含まれる有害成分を浄化する機能を有する。このような排気浄化触媒は、通常、所定の温度領域でその排気浄化触媒の能力を発揮する。
従って、排気浄化触媒の温度が低いときには、新気を排気ポート側に流すことによって、排気中に含まれる有害成分を再燃焼させて排気浄化触媒の活性化を促進し、有害成分の排出の低減を図る二次空気供給装置が知られている（特許文献１及び２参照）。

特開２００４−１２４８２４号公報 特開平９−９６２１４号公報

しかしながら、内燃機関の始動後に直ちに二次空気を供給すると、二次空気の温度が低いため、排気中のＣＯ、ＨＣなどの再燃焼が行われない恐れがあった。この結果、かえって排気ポートを低温の二次空気で冷却することになり、排気浄化触媒を活性化することができずに、排気中の有害成分がそのまま大気へと排出される恐れがあった。特許文献１では、このような問題を解決すべく、排気ポートの温度を推定することにより、排気ポートの暖機が完了したかどうかを判断し、排気ポートの暖機が完了した場合に、二次空気の供給を開始することによって、排気ポートが二次空気で冷却されることを抑制している。

しかしながら、二次空気自体の温度を推定することにより、二次空気が供給された後の排気温度を推定する技術についは、特許文献１に開示されていない。この点に関しては、特許文献２についても同様である。

したがって本発明の目的は、二次空気の温度を考慮して二次空気供給後の排気温度を推定することにより、未燃燃料の排出を防止する内燃機関の二次空気供給装置を提供することである。

上記目的は、内燃機関の排気系に設置された排気浄化触媒よりも上流側に二次空気を供給する二次空気供給手段と、二次空気温度を推定する二次空気温度推定手段と、前記二次空気温度推定手段の推定結果に基づいて二次空気供給後の排気温度を推定する排気温推定手段とを備え、前記二次空気供給手段は、前記排気温推定手段の推定結果に応じて、二次空気の供給を開始又は禁止する、ことを特徴とする内燃機関の二次空気供給装置によって達成できる。
この構成により、二次空気温度を考慮して二次空気供給後の排気温度を推定し、この推定された排気温度に基づいて、二次空気の供給が開始又は禁止されるので、二次空気供給後の排気温度が低すぎることによる、未燃燃料が大気へ排出される恐れを防止できる。

また、上記構成において、前記二次空気温度推定手段は、吸気温度、機関冷却水の温度のうち少なくとも一つに基づいて、二次空気温度を推定する、構成を採用できる。
この構成により、二次空気温度を推定することができるので、二次空気の温度を検出するためのセンサを設ける必要はない。

また、上記構成において、前記排気温推定手段は、二次空気供給前の排気温度と、前記排気温推定手段によって推定された二次空気温度とに基づいて、二次空気供給後の排気温度を推定する、構成を採用できる。

本発明によれば、二次空気の温度を考慮して二次空気供給後の排気温度を推定することにより、未燃燃料の排出を防止する内燃機関の二次空気供給装置を提供できる。

以下、図面を参照して本発明に係る実施例について説明する。

図１は、本実施の形態に係る内燃機関とその二次空気供給装置の概略構成を示す図である。
内燃機関１は、４つのシリンダ３０を有する４サイクル・ガソリン機関であり、各シリンダ３０のピストンの上方には、ピストンの頂面とシリンダヘッド１ａの壁面とに囲まれた燃焼室が形成されている。また、吸気系４０、排気系５０、二次空気供給系６０を備えている。

吸気系４０では、それぞれの吸気枝管２６に接続した吸気管４１には、スロットル弁４２が設けられており、この吸気管４１はエアフィルタ４３に接続されている。このエアフィルタ４３とスロットル弁４２の間には、吸入空気量を測定するためのエアフロメータ４４が配設されている。また、エアフィルタ４３よりも上流側には、吸気の温度を検出する吸気温センサ４８が配置されている。

排気系５０は、各燃焼室から排出される排気の通路である排気管５４が形成され、この排気管５４の上流から下流にかけて、排気弁５１、排気ポート５３排気枝管５２、排気管５４が順次接続されている。

排気管５４には排気浄化装置５が設けられ、そのケーシング中には、排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する機能を備えた三元触媒が配設されている。また、排気浄化装置５の上流側の排気管５４には、排気の空燃比を検出する空燃比センサ５５が配置されている。

二次空気供給系６０は、内燃機関１の外部から取り入れた空気を二次空気として各排気枝管５２に供給するように構成されている。

二次空気供給通路６１上は、上流側からエアポンプ１３、スイッチングバルブ６２、逆止弁であるリードバルブ６３が配置されている。また、エアポンプ１３とエアスイッチングバルブ６２の間には圧力センサ６４が設けられている。前記エアスイッチングバルブ６２には、吸気管４１のスロットル弁４２の下流から延びる配管６５が接続され、この配管６５には電磁弁６６が設けられている。

前記エアポンプ１３は電気モータにより駆動され、このエアポンプ１３は、外部からの指示に基づいて回転駆動するモータ部と、このモータ部により回転駆動されて吸入した空気を加圧するポンプ部とを備えている。そして、空気導入通路１４を通じて吸気管４１の途中（スロットル弁の上流で、エアクリーナの下流）から空気を吸入する。エアポンプ１３から圧送される空気は、二次通路供給管６１と、この供給管６１から分岐する分配管６７を通じて排気枝管５２に供給される。

このような二次空気供給装置は、主として、冷間始動時等であって燃料濃度が高く、空燃比が小さく、かつ排気浄化装置が活性温度に達していない状態で、電磁弁６６を開くことで、吸気管４１内の負圧をエアスイッチングバルブ６２に導き、このエアスイッチングバルブ６２を開き、エアポンプ１３を駆動させることで、エアフィルタ４３を通過した吸気の一部を二次空気供給管６１及び分配管６７を介して、排気管５４内に導くことができる。

また、内燃機関１は、クランクシャフトの端部に取り付けられたタイミングロータと電磁ピックアップとからなるクランクポジションセンサ４７と、内燃機関１の内部に形成された冷却水路を流れる冷却水の温度を検出すべくシリンダブロックに取り付けられた水温センサ４６とを備えている。

図２には、排気ポート５３及び排気枝管５２の構造の詳細が示されており、各シリンダ３０には、二つずつの吸気弁３１及び排気弁５１が設けられている。

前記排気弁５１が設けられた排気ポート５３の下流には、それぞれの排気ポート５３に接続された排気枝管５２が形成され、複数の排気枝管５２は下流で一体となって、排気管５４となっている。

また、排気弁５１の下流側には、分配管６７に接続された二次空気供給口４が設けられている。従って、二次空気は、排気浄化装置５の上流側に供給される。

このように構成された内燃機関１には、この内燃機関１の運転状態を制御するための電子制御ユニット（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ：ＥＣＵ、以下ＥＣＵと称する）２０が併設されている。

このＥＣＵ２０には、エアフローメータ４４、スロットルポジションセンサ４５、水温センサ４６、クランクポジションセンサ４７、等、の各種センサが電気配線を介して接続され、ＥＣＵ２０は、クランクポジションセンサ４７から入力される信号に基づいて、燃料の噴射時期及び点火時期を演算することができる。また、内燃機関１の運転状態に関する各制御や、特にエアポンプ１３の駆動やスイッチングバルブ６２の開閉駆動を通じて各排気ポート５３に二次空気を供給する制御を実施する。

ここで、二次空気供給制御について説明する。
内燃機関１では、始動時等であって内燃機関１の温度が低い条件（冷間時）において運転をする場合、燃料噴射弁を通じて燃焼室内に供給する燃料の量を増量し、機関燃焼の安定化、暖機の促進を図るのが一般的である。ところが、燃料量を増量して混合気をリッチ化すれば、排気中の未燃燃料（ＨＣ、ＣＯ等）が増えることになる。その上、冷間時には排気浄化装置の温度が低く、触媒が充分に活性化していない。

そのため、冷間始動時等、触媒温度が活性温度に達していないときに混合気をリッチ化する場合には、二次空気供給制御を実施して、各燃焼室から排出された直後の排気に空気を混入させ、排気中に含まれる未燃燃料成分の酸化反応を促す。このようにして、排気浄化装置の上流において未燃燃料成分の浄化が促進さるとともに、その反応熱によって排気浄化装置の触媒の活性化が早められる。

しかしながら、前述したように、例えば外気温が低い場合に、内燃機関の始動後に直ちに二次空気を供給すると、二次空気の温度が低いため、排気中のＣＯ、ＨＣなどの再燃焼が行われない恐れがあった。そこで、本実施例に係るＥＣＵ２０は、以下の処理を行う。

まず、ＥＣＵ２０は、エンジン始動時において、冷却水の水温、吸気温、機関回転数、機関の負荷状態などを検出する（ステップＳ１）。冷却水の水温は、水温センサ４６から、吸気温は、吸気温センサ４８から、機関回転数は、クランクポジションセンサ４７から、機関の負荷状態は、スロットルポジションセンサ４５などからの信号に基づいて、検出する。

次に、ＥＣＵ２０は、始動時の冷却水の水温が、所定値よりも小さいかどうかを判定する（ステップＳ２）。ここで、所定値とは、内燃機関１に暖機運転が必要かどうかの基準となる値であり、冷却水の水温が所定値よりも高い場合には、暖機運転は不要であり、低い場合には、暖機運転が必要である。

暖機運転が必要と判断された場合には、現在の機関の運転状態が、二次空気実行領域に含まれるか否かを判定する（ステップＳ３）。具体的には、ＥＣＵ２０は、機関回転数、及び機関の負荷の状態に基づいて判定する、

現在の機関の運転状態が、二次空気実行領域に含まれる場合には、ＥＣＵ２０は、前述した冷却水の水温、機関回転数、機関の負荷などに基づいて、排気ガスの温度を推定する（ステップＳ４）。

次に、ＥＣＵ２０は、吸気温、冷却水の温度などに基づいて、二次空気の温度を推定する（ステップＳ５）。具体的には、吸気温度から、二次空気温度を推定する。ここで、二次空気温度は、外気から供給される空気であるため、図４（ａ）に示すように、吸気温度と略同一とすることができる。尚、二次空気が、エアポンプ１３によって圧縮されることに伴う温度上昇分を考慮して、吸気温度に対して、１．１倍程度の温度が二次空気温度と推定するようにしてもよい。

次に、吸気温度から推定された二次空気温度を、冷却水温度に基づいて補正する。内燃機関１からの熱量を受けたことによる二次空気の温度上昇を考慮する必要があるからである。具体的には、図４（ｂ）に示すように、変数Ｋを算出する。変数Ｋは、冷却水の温度の上昇に伴って、１から増加するように規定される。冷却水の温度が高い場合には、内燃機関１から二次空気が受ける熱量も大きいはずだからである。ＥＣＵ２０は、この変数Ｋを確定した後、この変数Ｋを、吸気温度に乗法する。例えば、冷却水温度が８０℃の場合には、変数Ｋ＝１．２を、吸気温度に基づいて推定された二次空気温度にかけて、二次空気温度の最終的な推定を行う。

次に、ＥＣＵ２０は、推定された二次空気温度と、推定された、現在の排気温度とに基づいて、二次空気供給後の排気温度について推定する（ステップＳ６）。具体的には、ＥＣＵ２０は、図５に示すように、変数ΔＴを、推定された二次空気温度に基づいて算出する。この変数ΔＴは、推定された二次空気温度が高いほど、変数ΔＴも大きくなるように規定されている。この変数ΔＴは、二次空気供給前の推定された排気温度（現在の排気温度）から、この変数ΔＴを減算することにより、二次空気が供給された後の排気温度を推定するために用いられる。

また、ＥＣＵ２０は、図５に示すように、吸入空気量毎に、変数ΔＴを算出するためのマップを複数持っている。例えば、吸入空気量が少ない場合には、二次空気供給後の排気温度の低下の割合は大きいはずであり、吸入空気量が多い場合には、二次空気供給後の排気温度の低下の割合は、小さいはずである。従って、図５（ａ）に示すように、吸入空気量が少ない場合には、変数ΔＴの値が大きな値をとり、図５（ｂ）に示すように、吸入空気量が多い場合には、変数ΔＴの値は小さな値をとる。尚、吸入空気量は、エアフロメータ４４により検出することができる。

変数ΔＴを算出した後は、ＥＣＵ２０は、ステップＳ４において推定された排気温度からこの変数ΔＴを減算した値が、二次空気供給後の排気温度として推定する。

次に、ＥＣＵ２０は、上記ステップ６で推定された二次空気供給後の排気温度と、現在の空燃比とから、二次空気供給が許可される許可領域又は二次空気の供給を禁止する禁止領域であるかどうかを判定する（ステップＳ７）。空燃比は、空燃比センサ５５からの出力に基づいて、ＥＣＵ２０が検出する。

図６は、この許可領域及び禁止領域を示したマップであり、縦軸に排気中に含まれるＨＣ濃度、横軸に、推定された、二次空気供給後の排気温度を示したものである。ここで、図６に示すように、二次空気供給後の排気温度が低い場合であっても、ＨＣ濃度が高い場合には、二次空気の供給が許可される。これは、ＨＣ濃度が高い場合には、排気温度が多少低い場合であっても、ＨＣの燃焼が促進されるからである。このＨＣの濃度は、空燃比センサ５５からの出力に基づいて、ＥＣＵ２０が判定することができる。

次に、ステップＳ７において、二次空気供給許可領域にあると判定された場合には、ＥＣＵ２０は、エアポンプ１３を作動させ、スイッチングバルブ６２を開いて、二次空気の供給を開始する（ステップＳ８）。ステップＳ７において、禁止領域にあると判定された場合には、二次空気の供給は行われずにこの処理を終了する。

このように、ＥＣＵ２０は、二次空気温度を考慮して二次空気供給後の排気温度を推定し、この推定結果に応じて、二次空気の供給が開始又は禁止する。従って、二次空気供給後の排気温度が低すぎる場合には、二次空気の供給を禁止し、二次空気供給後の排気温度が十分である場合には、二次空気の供給を開始することができ、これにより、未燃燃料が大気へ排出される恐れを防止できる。

また、ＥＣＵ２０は、吸気温度、機関冷却水の温度に基づいて、二次空気温度を推定することができるので、二次空気の温度を検出するためのセンサを設ける必要はない。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

尚、排気浄化装置５よりも上流の排気管５４に配置された排気温センサからの出力に基づいて、排気温を検出して、この排気温度と、推定された二次空気温度に基づいて、二次空気供給後の排気温度を推定するように構成してもよい。

本発明の実施の形態に係る二次空気供給装置を備えた内燃機関の概略構成図である。 シリンダ部分の構造を示す図である。 ＥＣＵが実行する二次空気供給処理の一例を示したフローチャートである。 二次空気温度と吸気温度との関係を示したマップである。 二次空気温度を推定するためのマップである。 二次空気供給許可領域及び禁止領域を示したマップである。

符号の説明

１ 内燃機関
４ 二次空気供給口
５ 排気浄化装置
１３ エアポンプ
２０ ＥＣＵ（二次空気温度推定手段、排気温推定手段、二次空気供給手段）
４８ 吸気温センサ
５１ 排気弁
５２ 排気枝管
５４ 排気管
５５ 空燃比センサ
６０ 二次空気供給系（二次空気供給手段）
６２ スイッチングバルブ

Claims (2)

1. 内燃機関の排気系に設置された排気浄化触媒よりも上流側に二次空気を供給する二次空気供給手段と、
   二次空気温度を推定する二次空気温度推定手段と、
   前記二次空気温度推定手段の推定結果に基づいて二次空気供給後の排気温度を推定する排気温推定手段とを備え、
   前記二次空気供給手段は、前記排気温推定手段の推定結果に応じて、二次空気の供給を開始又は禁止する、ことを特徴とする内燃機関の二次空気供給装置。
2. 前記二次空気温度推定手段は、吸気温度、機関冷却水の温度のうち少なくとも一つに基づいて、二次空気温度を推定する、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装置。
   
   

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