JP2009079534A - 内燃機関の二次空気供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスの逆流による二次空気バルブ２２の固着故障や熱劣化を防止する。
【解決手段】二次空気バルブ２２は、暖機運転条件にて開弁し、エアポンプ１２からの二次空気を二次空気ギャラリ１０の吐出口１１から排気通路に供給して、触媒の活性化を促進する。本発明では、排気流量が大きい所定の高負荷運転条件にて、二次空気バルブ２２を開弁させ、二次空気を流通させる。これにより、排気ガスの逆流を押し止めると共に、冷却を図る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関において排気系に二次空気を供給する二次空気バルブの固着故障や熱劣化を防止する技術に関する。

内燃機関においては、所定の暖機運転条件にて、空燃比をリッチ化して排気通路に未燃燃料を排出させ、二次空気を供給して燃焼させることで、排気温度を上昇させ、排気浄化触媒の活性化を促進している。

二次空気の供給制御は、二次空気供給源からの二次空気通路に設けた二次空気バルブにより行うが、特許文献１では、二次空気バルブより下流側の二次空気通路に、通常運転時に二次空気バルブ側に排気ガスが流入するのを遮断すべく、感温式の逆流防止バルブを設けている。
特開２００５−０９０３９６号公報

二次空気バルブは、所定の暖機運転条件にて使用するものであり、通常運転時には閉弁状態に保持されているが、排気流量が大きくなると、排気の逆流により、高温・高圧の排気ガスに曝される。

従って、排気ガスに含まれる燃焼カス等が付着して固着故障を生じたり、熱による部品劣化を生じる恐れがある。
一方、特許文献１のように、二次空気バルブより下流側に逆流防止バルブを設けることで、二次空気バルブへの排気ガスの逆流は防止できるものの、逆流防止バルブは熱的により厳しい位置（排気系に近い位置）に置かれることから、逆流防止バルブの固着故障によるシステムダウンの確率が高まることになる。すなわち、逆流防止バルブの固着故障により、本来必要とされる場合において二次空気が供給されないことにより、排気浄化性能が悪化してしまうのである。

本発明は、このような実状に鑑み、二次空気バルブの固着故障や熱劣化をより抑制できるようにすることを目的とする。

このため、本発明では、暖機運転条件とは異なる排気流量が大きい高負荷運転条件において、二次空気供給源を駆動すると共に二次空気バルブを開弁させる構成とする。

本発明によれば、排気流量が大きい高負荷運転条件にて、二次空気供給源を駆動すると共に二次空気バルブを開弁させて二次空気を流通させることにより、二次空気バルブ側へ逆流しようとする排気ガスを押し止めて、二次空気バルブに燃焼カス等が付着するのを抑制することができ、また二次空気バルブを冷却して熱劣化を抑制することができる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す内燃機関の二次空気供給システムの構成図である。
内燃機関１は、この例ではＶ型６気筒エンジンであり、図２に各気筒の燃焼室回りの縦断面図を示す。

各気筒の燃焼室２においては、吸気ポート３から吸気弁４を介して吸入される空気と燃料噴射弁５から噴射される燃料とが混合気を形成し、点火プラグ６により点火されて燃焼する。燃焼後の排気は、排気弁７を介して排気ポート８へ排出される。

そして、バンク毎に各気筒の排気ポート８に連通させて排気マニホールド９が設けられ、排気マニホールド９の集合部下流には排気浄化触媒（図示せず）が設けられる。
ここで、排気通路の触媒上流、特に排気の高温部であるシリンダヘッド内の各気筒の排気ポート８へ二次空気を供給すべく、バンク毎にシリンダヘッドを気筒列方向に貫通する二次空気ギャラリ１０が設けられ、この二次空気ギャラリ１０から分岐して各気筒の排気ポート８へ開口する二次空気吐出通路（吐出口）１１が設けられる。尚、ここでは二次空気を排気ポート８に供給しているが、排気通路の触媒上流であればよく、また、気筒毎、気筒グループ（バンク）毎、全気筒共通のいずれでもよい。

二次空気供給源としては、電動式のエアポンプ１２が設けられる。
エアポンプ１２の吸入側は、上流側から、サブエアクリーナ１３、ホース１４、サブエアフローメータ１５、ホース１６の順で構成されている。サブエアフローメータ１５は二次空気供給システムの異常検出用である。

エアポンプ１２の吐出側は、ホース１７、エルボ１８、ホース１９、分岐管２０、ホース２１、２１、二次空気バルブ２２、２２、パイプ２３、２３の順で構成され、パイプ２３、２３がガスケット２４、２４を介して二次空気ギャラリ（ヘッド内通路）１０、１０に連通している。

二次空気バルブ２２は、電磁駆動式であり、デューティ制御により開度制御（流量制御）が可能である。
ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）２５は、エンジン回転数、負荷、その他の情報を入力し、これらに応じて、燃料噴射量及び噴射時期や点火時期を制御する他、エアポンプ１２、二次空気バルブ２２の作動を制御する。尚、エアポンプ１２については、電源２６の供給をスイッチング素子２７によりＯＮ・ＯＦＦし、二次空気バルブ２２については、電源２６の供給をスイッチング素子２８によりデューティ制御する。

ここにおいて、始動直後の暖機運転時で触媒昇温要求がある場合、例えば、触媒温度センサにより検出される触媒温度が所定の活性温度より低い場合に、エンジン側の空燃比をリッチに設定して、排気ポート８に多量の未燃燃料を排出させた状態で、エアポンプ１２をＯＮにすると共に、二次空気バルブ２２を開いて、排気ポート８に二次空気を供給する。すなわち、排気ポート８に多量の未燃燃料を排出させ、これを二次空気の供給により再燃焼させることにより、排気温度を上昇させ、触媒の早期活性化を図る。

従って、通常運転中は、エアポンプ１２はＯＦＦで、二次空気バルブ２２は閉じているが、排気流量が大きい高負荷運転時には、排気ガスが二次空気通路（二次空気吐出口１１、二次空気ギャラリ１０、パイプ１１）を逆流することで、二次空気バルブ２２が高温・高圧の排気ガスに曝される。このため、図３に示すように、排気ガスに含まれる燃焼カス等が二次空気バルブ２２の弁部に付着して、固着故障の原因となったり、高温雰囲気に置かれることで熱劣化を生じる恐れがある。

そこで、本発明では、これらを防止すべく、エンジン暖機完了後に、排気流量が所定値より大きい所定の高負荷運転条件にて、二次空気バルブ２２を開いて、二次空気供給源（エアポンプ１２）からの二次空気を流通させる構成とする。

図４は本発明での二次空気制御のフローチャートである。
Ｓ１では、触媒温度などから、暖機完了後（触媒活性後）か否かを判定する。
暖機完了前（触媒未活性）の場合は、Ｓ２へ進み、所定の暖機運転条件での、触媒活性化のための二次空気制御を実施する。これについては既述の通りである。

暖機完了後（触媒活性後）は、Ｓ３へ進み、排気流量が大きい所定の高負荷運転領域か否かを判定する。
すなわち、エンジン回転数と負荷とを読込み、図５にハッチングを付して示した二次空気投入領域（高回転・高負荷領域）か否かを判定する。

より具体的には、負荷をしきい値と比較して、負荷≧しきい値か否かを判定するが、しきい値は、エンジン回転数に応じて設定し、エンジン回転数が高いほど低負荷側に設定する。負荷が一定であっても、エンジン回転数が高くなると、排気流量が増大するからである。

この判定の結果、所定の高負荷運転領域でない場合は、Ｓ４でエアポンプ１２をＯＦＦし、Ｓ５で二次空気バルブ２２を全閉状態に保持する。
所定の高負荷運転領域の場合は、Ｓ６でエアポンプ１２をＯＮし、Ｓ７で二次空気バルブ２２を開いて、二次空気を流通させる。

ここで、二次空気バルブ２２は、図６に示すように、負荷に応じてデューティ制御する。すなわち、二次空気バルブ２２は、所定の周期（１００ｍｓ程度）でＯＮ−ＯＦＦを繰り返えして、間欠的に二次空気を供給するようにするが、デューティ（ＯＮ時間割合；開時間割合）を負荷に応じて制御し、負荷が高いほどデューティ（ＯＮ時間割合；開時間割合）を大きくする。

これにより、負荷が高いほど、実質的な開度を大きくして、二次空気流量を増大させることができる。この場合、負荷の他、回転数に応じても制御し、回転数が高いほど、二次空気流量を増大させるようにしてもよい。

本実施形態によれば、二次空気供給源（エアポンプ１２）から排気通路の触媒上流への二次空気通路に設けられ、所定の暖機運転条件にて開弁して二次空気を供給する二次空気バルブ２２を備える内燃機関において、排気流量が大きい所定の高負荷運転条件にて、前記二次空気バルブ２２を開弁させて二次空気を流通させる構成とすることにより、二次空気バルブ２２側へ逆流しようとする排気ガスを押し戻して、すなわち弁部等に排気ガスに含まれる燃焼カス等が来ないようにして、図３のように二次空気バルブ２２に燃焼カス等が付着するのを防止することができる。あるいは、より積極的な二次空気の吹き付けによって、弁部等に付着した燃焼カス等を取り除くことができる。従って、二次空気バルブ２２の固着故障を防止することができる。

また、二次空気の流通（吹き込み）により、二次空気バルブ２２を冷却することで、熱環境を緩和して、熱劣化を防止することができる。
また、熱環境を緩和できることから、二次空気バルブ２２の構造の簡素化を図ることも可能となる。

すなわち、従来においては、二次空気バルブ２２を２分割し、排気ガスに曝される側を耐熱性の高い鉄製とし、反対側（空気側）をアルミ製とすることも行われていたが、二次空気による冷却によりアルミ製の一体構造とすることが可能となり、コスト低減を図ることができる。

また、従来においては、二次空気バルブ２２を冷却水により冷却することも行われていたが、これも不要となる。但し、冷却水による冷却と二次空気による冷却とを併用して、冷却効果を高めるようにしてもよい。

また、本制御は、新たにセンサ、デバイスを追加することなく、既存のシステムのままで実施でき、コスト増大を招くこともない。
尚、二次空気供給用のエアポンプ１２は、暖機運転条件にて使用するものであることから、小容量であり、また、二次空気バブル２２の保護のために二次空気を投入する領域は、高負荷運転領域であり、排気流量が大きいので、エアポンプ１２を全力で運転したとしても、排気中に投入される二次空気の割合は僅かである。また、二次空気の投入によって二次空気バルブ２２側に排気ガスが逆流するのを押し止める作用を奏すれば良いので、必要とする二次空気の量も僅かである。従って、二次空気の供給による弊害（高負荷運転時に排気温度を過度に上昇させてしまう恐れ）は、ほとんどないと言える。

また、本実施形態によれば、前記所定の高負荷運転条件は、エンジン負荷が所定のしきい値以上の条件とし、前記しきい値はエンジン回転数に応じ高回転側ほど低負荷側に設定することにより、エンジン回転数と負荷とから、排気流量が所定値以上となる領域を確実に検出して、この領域で確実に二次空気を供給することができる。

また、本実施形態によれば、前記所定の高負荷運転条件にて、エンジン負荷に応じて、二次空気流量を制御することにより、負荷が高いほど、二次空気流量を大きくして、効率の良い冷却等を行うことができる。

また、本実施形態によれば、前記二次空気流量の制御は、前記二次空気バルブ２２を周期的に開閉し、開時間と閉時間との比率を制御することによって行うことにより、簡単な制御（デューティ制御）で、二次空気流量を制御することができる。

本発明の一実施形態を示す内燃機関の二次空気供給システムの構成図 内燃機関の燃焼室回り縦断面図 二次空気バルブの詳細図 二次空気制御のフローチャート 二次空気投入領域の説明図 二次空気流量制御の説明図

符号の説明

１ 内燃機関（エンジン）
２ 燃焼室
７ 排気弁
８ 排気ポート
９ 排気マニホールド
１０ 二次空気ギャラリ（ヘッド内通路）
１１ 二次空気吐出通路（吐出口）
１２ エアポンプ
１３ サブエアクリーナ
２２ 二次空気バルブ
２３ パイプ
２５ ＥＣＵ
２６ 電源
２７、２８ スイッチング素子

Claims (4)

1. 排気通路に設けられて機関からの排気ガスを浄化する触媒と、該触媒上流に接続される二次空気通路に設けられる二次空気供給源と二次空気バルブとを備え、機関の暖機運転条件にて前記二次空気供給源を駆動すると共に前記二次空気バルブを開弁して触媒上流の排気通路に二次空気を供給する内燃機関の二次空気供給装置において、
   前記暖機運転条件とは異なる排気流量が大きい高負荷運転条件にて、前記二次空気供給源を駆動すると共に前記二次空気バルブを開弁させることを特徴とする内燃機関の二次空気供給装置。
2. 前記高負荷運転条件は、機関負荷が所定のしきい値以上の条件であり、前記しきい値は機関回転数に応じ高回転側ほど低負荷側に設定されることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の二次空気供給装置。
3. 前記高負荷運転条件にて、機関負荷に応じて、二次空気流量を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の二次空気供給装置。
4. 前記二次空気流量の制御は、前記二次空気バルブを周期的に開閉し、開時間と閉時間との比率を制御することによって行うことを特徴とする請求項３記載の内燃機関の二次空気供給装置。

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