JP2009041435A

JP2009041435A - 内燃機関の二次空気供給装置

Info

Publication number: JP2009041435A
Application number: JP2007206753A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Oi; 康広大井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-08-08
Filing date: 2007-08-08
Publication date: 2009-02-26
Also published as: US20090038301A1

Abstract

【課題】内燃機関の停止後に空気供給系に生じる凝縮水を効果的に排出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】二次空気供給装置２０は内燃機関１の停止中に作動可能なエアポンプ２１と、エアポンプ２１と排気通路９とを結ぶ空気通路２２とを含む空気供給系を利用して排気通路９へ空気を供給する。エアポンプ２１は内燃機関１が停止してから空気供給系に凝縮水が生じ得る時間として設定された所定時間経過後にエアポンプ２１が停止状態から作動状態へ切り替えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エアポンプを利用して内燃機関の排気通路に空気を供給する内燃機関の二次空気供給装置に関する。

内燃機関に適用される二次空気供給装置として、内燃機関の排気通路に空気を供給するためのエアポンプとそのエアポンプと排気通路とを結ぶ空気通路とを備え、内燃機関の停止を捉えてその停止時からエアポンプを所定時間だけ作動させるものが知られている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。

特開平６−１１７２３４号公報特開平６−１７６４５号公報

特許文献１の装置は内燃機関の停止に続いてエアポンプを所定時間作動させることにより、エアポンプの停止中に排気通路から逆流した排気に含まれる水分が凝縮してエアポンプ内に生じた凝縮水を排出できる。しかし、エアポンプ内の凝縮水を排出した後にエアポンプや空気通路を含む空気供給系が冷却することによって空気供給系に凝縮水が発生する場合がある。特許文献１の装置はエアポンプを内燃機関の停止に続いて所定時間作動させるに留まるため、エアポンプの作動終了後に生じ得る空気供給系の凝縮水を排出できないおそれがある。

そこで、本発明は、内燃機関の停止後に空気供給系に生じる凝縮水を効果的に排出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。

本発明の内燃機関の二次空気供給装置は、内燃機関の停止中に作動可能なエアポンプと、前記エアポンプと前記内燃機関の排気通路とを結ぶ空気通路とを含む空気供給系を利用して前記排気通路へ空気を供給できる内燃機関の二次空気供給装置において、前記内燃機関が停止してから前記空気供給系に凝縮水が生じ得る時間として設定された所定時間経過後に前記エアポンプが停止状態から作動状態へ切り替えられるように前記エアポンプを制御する空気供給制御手段を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

この二次空気供給装置によれば、内燃機関の停止後、空気供給系に凝縮水が生じ得る所定時間経過後にエアポンプが停止状態から作動状態に切り替えられる。このため、内燃機関の停止時に既に空気供給系に存在していた凝縮水のみならず内燃機関が停止後に空気供給系に生じた凝縮水をも空気供給系の外部に排出することができる。そのため、内燃機関の停止後において空気供給系に凝縮水が留まることを確実に防止できる。これにより、例えば、氷点下の外気温の環境であっても凝縮水の凍結による空気供給系の動作不良を回避できるので装置の信頼性が向上する。なお、空気供給系に生じた凝縮水の排出先は特に制限されないが、排気通路内に凝縮水を排出してもよいし、凝縮水の排出用に別途設けられた通路に排出してもよい。

本発明の一態様においては、前記内燃機関の停止後における前記空気供給系の冷却に関与する温度を取得する温度取得手段と、前記温度取得手段が取得した温度に基づいて前記所定時間を設定する時間設定手段と、を更に備えてもよい（請求項２）。空気供給系に生じる凝縮水の状態は空気供給系の冷却状態に依存して変化する。この態様によれば、空気供給系の冷却状態に見合った時間にエアポンプが停止状態から作動状態へ切り替えられる。このため、凝縮水の排出の確実性を高めるために所定時間のマージンを必要以上に長くすることを回避できるので、凝縮水の効率的な排出が可能になる。

空気供給系の冷却に関与する温度は、その温度が変わることにより空気供給系の冷却速度等の冷却状態が変化するものであればどのような温度であってもよい。例えば、前記温度取得手段は、前記冷却に関与する温度として、前記内燃機関の停止時における前記空気通路の通路壁温又は外気温の少なくとも一方を取得してもよい（請求項３）。空気供給系は内燃機関の停止時における通路壁温が高いほど凝縮水が発生する温度へ低下するまでの時間が長くなり、内燃機関の停止時における外気温が低いほどその時間は短くなる。つまり、これらの温度が変化することにより、内燃機関の停止後における空気供給系の冷却状態が変化する。この態様によれば、内燃機関の停止前の状況を反映した所定時間を内燃機関の停止の度に設定することができる。

本発明の一態様においては、前記エアポンプに溜まった凝縮水を排出できる排出手段と、前記空気供給制御手段にて前記エアポンプが停止状態から作動状態へ切り替えられる前に前記エアポンプに溜まった凝縮水が排出されるように前記排出手段を制御する排出制御手段と、を更に備えてもよい（請求項４）。この態様によれば、エアポンプを作動状態へ切り替える前にエアポンプ内の凝縮水を排出されるので、エアポンプを作動状態へ切り替えた後にエアポンプ内の凝縮水が空気通路内に飛散することを防止できる。

この態様においては、前記空気通路を開閉する弁手段を更に備え、前記排出制御手段は、前記弁手段にて前記空気通路が閉じられた状態で前記エアポンプが作動するように前記弁手段及び前記エアポンプをそれぞれ制御してもよい（請求項５）。この場合には、エアポンプの作動により凝縮水をエアポンプから強制的に排出できる。そのため、エアポンプ内の凝縮水をより確実に排出することができる。

以上説明したように、本発明によれば、内燃機関の停止後、空気供給系に凝縮水が生じ得る所定時間経過後にエアポンプが停止状態から作動状態に切り替えられるため、内燃機関の停止時に既に空気供給系に存在していた凝縮水のみならず内燃機関が停止後に空気供給系に生じた凝縮水をも空気供給系の外部に排出することができる。そのため、内燃機関の停止後において空気供給系に凝縮水が留まることを確実に防止できる。これにより、例えば、氷点下の外気温の環境であっても凝縮水の凍結による空気供給系の動作不良を回避できるので装置の信頼性が向上する。

（第１の形態）
図１は本発明の一形態に係る二次空気供給装置が適用された内燃機関の要部を模式的に示している。内燃機関１は車両に走行用動力源として搭載された直列４気筒型の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に関する構造のみが示されている。内燃機関１の吸気通路３には、不図示のスロットル弁の開度に応じた空気が吸入される。その空気は吸気通路３の一部をなす吸気マニホールド４によって気筒２毎に分配されてから吸気通路３の一部をなす吸気ポート５を介して各気筒２に取り込まれる。

各気筒２には不図示の点火プラグがその先端部を気筒２内に臨ませるようにして設けられている。また、各気筒２には気筒２内を往復運動するピストン６が設けられている。ピストン６の頂面と気筒２の内壁とで囲まれた空間に燃焼室７が形成される。また、内燃機関１には吸気ポート５内に燃料を噴射する燃料噴射弁８が気筒２毎に設けられている。燃料噴射弁８の燃料噴射により燃焼室７内に混合気が導入され、その混合気は点火プラグの放電火花によって点火される。内燃機関１はその混合気の燃焼によってピストン６を動作させ、かつそのピストン６の運動を不図示のクランク軸の回転運動に変換して出力する。

各気筒２からの排気は排気通路９の一部をなす排気ポート１０に導かれ、排気ポート１０に導かれた排気は排気通路９の一部をなす排気マニホールド１１によって集合されてから排気浄化装置１２に導かれる。排気浄化装置１２は排気に含まれる炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）をそれぞれ酸化する一方で、窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元することにより、排気を浄化する三元触媒を有した周知の触媒コンバータである。排気浄化装置１２にて浄化された排気は不図示の消音器を経て大気へ放出される。また、内燃機関１には吸気ポート５を開閉する吸気弁１３と排気ポート１０を開閉する排気弁１４とがそれぞれ設けられ、これらの弁１３、１４は、クランク軸の回転を駆動源とする周知の動弁機構１５にて所定の開閉タイミングでそれぞれ駆動される。

内燃機関１には、排気に含まれるＨＣ成分を燃焼させるため、排気通路９に空気を供給する二次空気供給装置２０が設けられている。二次空気供給装置２０は不図示のバッテリを電源とする電動式のエアポンプ２１と、そのエアポンプ２１と排気通路９とを結び、エアポンプ２１から吐出された空気を排気通路９に導く空気通路２２と、その空気通路２２を開閉する弁手段としてのエアスイッチングバルブ（ＡＳＶ）２３と、排気通路９からエアポンプ２１へ向かう排気の逆流を防止するリードバルブ２４と、エアポンプ２１及びＡＳＶ等の動作を制御する制御装置２５とを備えている。

エアポンプ２１には、空気濾過用のフィルタ２７を介して空気を導く導入通路２６とエアポンプ２１の内部に溜まった凝縮水を排出するドレン通路２８とが接続されている。ドレン通路２８にはこれを開閉するための電磁駆動型のドレン弁２９が設けられている。ドレン通路２８とドレン弁２９との組み合わせが本発明に係る排出手段に相当する。ドレン弁２９は制御装置２５にて動作制御される。空気通路２２は排気通路９との接続端部が気筒２毎に分岐され、その分岐部分が各排気ポート１０に接続されている。また、空気通路２２には通路内の圧力に応じた信号を出力する圧力センサ３０と通路壁温に応じた信号を出力する温度センサ３１とがエアポンプ２１とＡＳＶ２３との間に設けられている。二次空気供給装置２０は、以上のエアポンプ２１、空気通路２２及びＡＳＶ２３にて空気供給系が構成され、その空気供給系を利用して排気通路９へ空気を供給することができる。即ち、空気通路２２がＡＳＶ２３にて開通された状態でエアポンプ２１が作動することにより、エアポンプ２１から吐出された空気が空気通路２２を経由して排気通路９（排気ポート１１）内に供給される。

制御装置２５は、内燃機関１の運転状態を適正に制御するためのエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３２と、停止中のＥＣＵ３２を所定の時間に起動できる起動タイマ３３とを備えている。ＥＣＵ３２はマイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺装置を備えたコンピュータとして構成されていて、内燃機関１の各種運転パラメータに関する情報が入力され、各種の処理を内燃機関１に対して実行する。ＥＣＵ３２には上述した圧力センサ３０及び温度センサ３１の他に外気温に対応する信号を出力する外気温センサ３４からの信号が入力される。更に、ＥＣＵ３２には内燃機関１の始動と停止とに伴って操作されるイグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）３５の操作状態に応じた信号が入力される。その他、ＥＣＵ３２が参照するセンサとして、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、機関回転速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２０は内燃機関１の停止後におけるエアポンプ２１等の制御に特徴がある。図２は内燃機関１の停止後におけるＥＣＵ３２、エアポンプ２１、ＡＳＶ２３及びドレン弁２９のそれぞれの状態を説明するタイミングチャートである。図２に示すように、ＩＧＳＷ３５がＯＮからＯＦＦに切り替えられて内燃機関１が停止するとそれに応じてＥＣＵ３２も停止する。その後、内燃機関１が停止状態のまま再起動時間Ｔ１が経過すると、時刻ｔ１に起動タイマ３３によりＥＣＵ３２が自動的に起動され、その起動に応じてドレン弁２９が開弁される。これにより、エアポンプ２１内に溜まった凝縮水は外部に排出される。その後、排出時間Ｔ２が経過するまでの間（例えば３０秒間）、ドレン弁２９は開弁状態に維持される。排出時間Ｔ２が経過するとドレン弁２９は閉弁状態に切り替えられる。ドレン弁２９が閉弁状態に切り替えられると時刻ｔ２にエアポンプ２１が停止状態から作動状態へ切り替えられるとともに、ＡＳＶ２３が開弁されて空気通路２２が開通する。これにより、エアポンプ２１から吐き出された空気が空気通路２２を通過するため、エアポンプ２１及び空気通路２２を含む空気供給系に生じた凝縮水を排気通路９へ排出できる。エアポンプ２１の作動時間Ｔ３は、エアポンプ２１の消費エネルギを考慮して、凝縮水の残存量が許容範囲内に収まるできるだけ短い時間（例えば２０秒間）に設定される。作動時間Ｔ３が経過するとエアポンプ２１が停止状態へ切り替えられるとともにＡＳＶ２３が閉弁状態へ切り替えられる。そしてＥＣＵ３２は停止する。なお、エアポンプ２１は、その作動期間中、圧力センサ３０の出力値と空気通路２２内の圧力の目標値との偏差が減じるようにフィードバック制御される。

内燃機関１が停止してからエアポンプ２１が停止状態から作動状態へ切り替えられるまでの時間が本発明に係る所定時間に相当する。エアポンプ２１が停止状態から作動状態へ切り替えられた時に空気供給系の凝縮水が最大量になっていることが好ましいが、少なくとも空気供給系に凝縮水が生じていればよい。即ち、再起動時間Ｔ１と排出時間Ｔ２とを合計した時間が空気供給系に凝縮水が生じ得る時間として設定されていればよい。

以上の動作を実現するため、制御装置２５は以下の制御ルーチンを実行する。図３は二次空気供給制御の制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンのプログラムはＥＣＵ３２のＲＯＭに保持されており、ＥＣＵ３２の起動に応じて読み出されて繰り返し実行される。まず、ステップＳ１において制御装置２５はＥＣＵ３２が起動タイマ３３によって起動されたか否かを判定する。起動タイマ３３によって起動された場合はステップＳ２に進み、そうでない場合はステップＳ１１に進む。ステップＳ１１では通常制御を実行する。即ち、制御装置２５は、内燃機関１の運転状態に応じて排気通路９への空気供給の可否及び空気供給量をそれぞれ決定し、その結果に応じてエアポンプ２１及びＡＳＶ２３の動作をそれぞれ制御する。

ステップＳ２では、ＥＣＵ３２の起動からの経過時間を管理するカウンタｅｃｄｒｎｖｏの値が排出時間Ｔ２未満か否かを判定する。カウンタｅｃｄｒｎｖｏの値が排出時間Ｔ２未満の場合はステップＳ３に進みドレン通路２８が開通するようにドレン弁２９を開弁する。次いで、ステップＳ４でカウンタｅｃｄｒｎｖｏをカウントアップして今回のルーチンを終了する。一方、カウンタｅｃｄｒｎｖｏの値が排出時間Ｔ２以上の場合はステップＳ５に進みドレン通路２８が閉鎖されるようにドレン弁２９を閉弁する。

ステップＳ６ではドレン弁２９が閉弁してからの経過時間を管理するカウンタｅｃａｉｓｔｉｍの値が作動時間Ｔ３未満か否かを判定する。カウンタｅｃａｉｓｔｉｍの値が作動時間Ｔ３未満の場合はステップＳ７に進みエアポンプ２１を停止状態から作動状態へ切り替えるとともに、続くステップＳ８で空気通路２２が開通するようにＡＳＶ２３を開弁する。その後、ステップＳ９でカウンタｅｃａｉｓｔｉｍをカウントアップして今回のルーチンを終了する。一方、カウンタｅｃａｉｓｔｉｍの値が作動時間Ｔ３以上の場合はステップＳ１０に進んで終了処理を実行する。即ち、制御装置２５は作動中のエアポンプ２１を停止状態に切り替え、ＡＳＶを閉弁し、かつＥＣＵ３２を停止させて今回のルーチンを終了する。

制御装置２５は図３のルーチンを実行することにより本発明に係る空気供給制御手段として、図３のステップＳ３及びステップＳ４を実行することにより本発明に係る排出制御手段としてそれぞれ機能する。

以上の形態によれば、内燃機関１の停止時に既に空気供給系に存在していた凝縮水のみならず内燃機関１が停止後に空気供給系に生じた凝縮水をも排出することができる。しかも、エアポンプ２１の作動状態への切り替え前に、ドレン通路２９からエアポンプ２１内の凝縮水が排出されるため、エアポンプ２１の作動に伴って内部の凝縮水が空気通路２２等へ飛散することを防止できる。

（第２の形態）
次に、本発明の第２の形態を説明する。この形態はＥＣＵ３２の起動時間の設定方法に特徴があり、それ設定方法を除き第１の形態と同一である。従って、内燃機関１及び二次空気供給装置２０の構成や二次空気供給制御の内容については第１の形態の説明が適宜参照される。図４は再起動時間Ｔ１を設定する再起動時間設定ルーチンの一例を示したフローチャートである。このルーチンのプログラムはＥＣＵ３２のＲＯＭに保持されており、適時に読み出されて所定間隔で繰り返し実行される。まず、制御装置２５はステップＳ２１で、空気通路２２の通路壁温ｅｔｐｉｐｅを温度センサ３１からの信号に基づいて取得する。なお、通路壁温ｅｔｐｉｐｅは内燃機関１の負荷、回転速度、二次空気供給装置２０作動履歴等の各種パラメータに基づいた推定によって取得してもよい。次に、ステップＳ２２では外気温を外気温センサ３４からの信号に基づいて取得する。通路壁温ｅｔｐｉｐｅ及び外気温はいずれも内燃機関１の停止後における空気供給系の冷却に関与する。即ち、空気供給系は通路壁温ｅｔｐｉｐｅが高いほど凝縮水が発生する温度へ低下するまでの時間が長くなる。そして、空気供給系は外気温が低いほどその時間は短くなる。つまり、内燃機関１の停止時におけるこれらの温度に応じて、内燃機関１の停止後に凝縮水が発生する時間も変化する。

そこで、続くステップＳ２３において、内燃機関１が停止した、即ちＩＧＳＷ３５がＯＦＦであると判定した場合には、ステップＳ２４に進んで通路壁温ｅｔｐｉｐｅ及び外気温に基づいて再起動時間Ｔ１を算出する。再起動時間Ｔ１の算出は、通路壁温ｅｔｐｉｐｅと外気温とを変数として再起動時間Ｔ１を与えるマップを実験的に作成して予めＥＣＵ３２のＲＯＭに保持しておき、ステップＳ２１及びステップＳ２２の取得結果と併せてこのマップを参照することによって実現可能である。ステップＳ２４でＩＧＳＷ３５がＯＦＦでないと判定した場合は以後の処理をスキップして今回のルーチンを終了する。

ステップＳ２５では起動タイマ３３に再起動時間Ｔ１を設定し、今回のルーチンを終了する。これにより、停止中のＥＣＵ３２は再起動時間Ｔ１の経過と同時に起動タイマ３３にて起動される。

図４のルーチンによれば、内燃機関１の停止前の状況に応じて再起動時間Ｔ１が内燃機関１の停止の度に設定される。従って、内燃機関１の停止前の状況を考慮した再起動時間Ｔ１が的確に設定されるので、図３の二次空気供給制御のルーチンの実行によって空気供給系の凝縮水を効率的に排出できるようになる。この形態では、再起動時間Ｔ１と上述した排出時間Ｔ２との合計が本発明に係る所定時間に相当する。なお、通路壁温及び外気温はいずれも空気供給系の冷却に関与する温度であるから、通路壁温又は外気温の少なくとも一方に基づいて所定時間を設定することもできる。

制御装置２５は図４のステップＳ２１及びステップＳ２２を実行することにより、本発明に係る温度取得手段として、ステップＳ２４を実行し、かつ図３のルーチンを実行することにより、本発明に係る時間設定手段としてそれぞれ機能する。

本発明は以上の各形態に限定されず、種々の形態にて実施することができる。上記の形態では、エアポンプ２１の作動状態への切り替え前にドレン弁２９を操作してエアポンプ２１内の凝縮水を排出したがこの操作を行うことは必須ではない。従って、この操作を行わずに内燃機関１の停止後、所定時間経過後にエアポンプ２１を停止状態から作動状態へ切り替えてもよい。

また、上述した排出時間Ｔ２及び作動時間Ｔ１は一定値であってもよいし、内燃機関１の停止後の凝縮水の生成量に応じて変化させることもできる。

また、エアポンプ２１内の凝縮水を排出する際に、ドレン弁２９の開弁状態を維持しつつ所定時間経過後に、ＡＳＶ２３を閉弁させた状態でエアポンプ２１を作動させてもよい。この場合には、エアポンプ２１の作動により凝縮水をドレン通路２９から強制的に排出できるので、エアポンプ２１内の凝縮水をより確実に排出することができる。

本発明の一形態に係る二次空気供給装置が適用された内燃機関の要部を模式的に示した図。内燃機関の停止後におけるＥＣＵ、エアポンプ、ＡＳＶ及びドレン弁のそれぞれの状態を説明するタイミングチャート。二次空気供給制御の制御ルーチンの一例を示すフローチャート。第２の形態に係る再起動時間設定ルーチンの一例を示したフローチャート。

符号の説明

１内燃機関
９排気通路
２０二次空気供給装置
２１エアポンプ
２２空気通路
２３ＡＳＶ（弁手段）
２５制御装置（空気供給制御手段、温度取得手段、時間設定手段）
２８ドレン通路（排出手段）
２９ドレン弁（排出手段）

Claims

内燃機関の停止中に作動可能なエアポンプと、前記エアポンプと前記内燃機関の排気通路とを結ぶ空気通路とを含む空気供給系を利用して前記排気通路へ空気を供給できる内燃機関の二次空気供給装置において、
前記内燃機関が停止してから前記空気供給系に凝縮水が生じ得る時間として設定された所定時間経過後に前記エアポンプが停止状態から作動状態へ切り替えられるように前記エアポンプを制御する空気供給制御手段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。
前記内燃機関の停止後における前記空気供給系の冷却に関与する温度を取得する温度取得手段と、前記温度取得手段が取得した温度に基づいて前記所定時間を設定する時間設定手段と、を更に備え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。
前記温度取得手段は、前記冷却に関与する温度として、前記内燃機関の停止時における前記空気通路の通路壁温又は外気温の少なくとも一方を取得す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。
前記エアポンプに溜まった凝縮水を排出できる排出手段と、前記空気供給制御手段にて前記エアポンプが停止状態から作動状態へ切り替えられる前に前記エアポンプに溜まった凝縮水が排出されるように前記排出手段を制御する排出制御手段と、を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の二次空気供給装置。
前記空気通路を開閉する弁手段を更に備え、
前記排出制御手段は、前記弁手段にて前記空気通路が閉じられた状態で前記エアポンプが作動するように前記弁手段及び前記エアポンプをそれぞれ制御す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。