JP2014234807A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】二次空気供給装置のエアポンプの異常を精度よく検出する。【解決手段】内燃機関は、筒内燃料噴射弁および二次空気供給装置を備え、二次空気供給装置は、エアポンプと、二次空気供給通路の圧力を検出する圧力検出器とを含む。内燃機関は、二次空気供給装置を駆動する第１の触媒暖機制御と、点火プラグの周りの燃料濃度を上昇させ、点火時期を遅角し、吸入空気量を増大する第２の触媒暖機制御とを実施する。内燃機関は、第１の触媒暖機制御を開始した後に第１の吸入空気量および第１の二次空気供給通路の圧力を検出し、更に第２の触媒暖機制御を開始した後に、第２の吸入空気量および第２の二次空気供給通路の圧力を検出し、これらの吸入空気量および二次空気供給通路の圧力に基づいてエアポンプの吐出性能を推定する。【選択図】図６

Description

本発明は、内燃機関に関する。

内燃機関の機関排気通路に排気浄化触媒を配置し、排気ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）または窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）等の成分を浄化することが知られている。排気浄化触媒は、排気ガスの成分を高効率で浄化することが可能になる活性化温度を有する。内燃機関を長期間停止した後に始動した直後等には、排気浄化触媒は活性化温度未満であり、早期に排気浄化触媒を活性化温度以上に昇温することが好ましい。

内燃機関の始動時等には、排気浄化触媒の暖機を促進するために、二次空気供給装置により燃焼室から流出する排気ガスに酸素を供給することが知られている。排気ガスに含まれる一酸化炭素等を酸化することにより、排気ガスの温度を上昇させて排気浄化触媒を短時間で昇温することができる。

特開２００８−０１９７９１号公報においては、エンジンの排気管に二次空気を供給する二次空気供給システムを備える内燃機関が開示されている。この内燃機関においては、二次空気供給システムのエアポンプの作動制御中に圧力センサで検出した二次空気配管内の圧力と、エアポンプの作動制御停止後に圧力センサで検出した二次空気配管内の圧力とを比較してエアポンプの異常の有無を判定することが開示されている。更に、二次空気配管に配置された制御弁を一時的に閉弁して、二次空気通路を締め切った状態でエアポンプの作動中の圧力を検出することにより、異常診断の精度を向上することができると開示されている。

特開２０１１−１９６２９５号公報では、内燃機関の二次空気供給装置において、エアスイッチングバルブが二次空気供給通路を開通している間の検出圧力の平均値がエンジンＥＣＵに記憶した学習値よりも大きい場合に、二次空気供給装置に異常が有ると判定することが開示されている。

また、特開２０１０−０７７９５７号公報では、内燃機関の二次空気供給装置において、二次空気を供給するためのＡＩ配管と、エアポンプへの印加電流を検出する電流計と、ＡＩ配管の内部圧力を検出する圧力センサとを備え、ＡＩ動作が行われている間の印加電流と内部圧力とに基づいて異常診断を実行することが開示されている。

特開２００８−０１９７９１号公報 特開２０１１−１９６２９５号公報 特開２０１０−０７７９５７号公報

二次空気供給装置には、二次空気を流通させるための二次空気供給通路にエアポンプが配置される。エアポンプは、使用期間中に故障したり、劣化したりする場合がある。このようなエアポンプの異常が生じると吐出性能が低下し、所望の量の空気を機関排気通路に供給することができなくなる。したがって、二次供給装置は、運転期間中においてエアポンプの異常を検出できることが好ましい。

上記の特開２００８−０１９７９１号公報に開示されているように、二次空気配管に配置された制御弁を一時的に閉弁して二次空気通路を締め切った状態でエアポンプの作動中圧力を検出することにより、二次空気通路の圧力が高くなり精度よくエアポンプの異常を検出することができる。

ところが、エアポンプを駆動している状態で制御弁を閉弁するとエアポンプに過大の負荷がかかってしまう。たとえば、制御弁を閉弁すると開弁していた場合よりもエアポンプのモータのブラシ温度が高くなる。このために、ブラシの摩耗が進行してエアポンプの性能が低下する時期が早くなる。または、ブラシ温度が上昇してブラシに断線等が生じて故障する虞がある。また、制御弁を閉弁した状態でエアポンプを駆動すると、エアポンプの出口が連続的に高圧状態になり、制御弁を開弁した場合よりも大きな騒音が生じるという問題がある。たとえば、エアポンプの吸気口やエアポンプに接続されている配管表面等から騒音が生じる場合がある。

本発明は、二次空気供給装置を備える内燃機関において、二次空気供給装置のエアポンプの異常を精度よく検出することを目的とする。

本発明の内燃機関は、燃焼室の内部に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、機関排気通路に配置されている排気浄化触媒と、燃焼室に供給する空気量を検出する吸入空気量検出器と、排気浄化触媒よりも上流側の機関排気通路に空気を供給する二次空気供給装置とを備える。二次空気供給装置は、空気を加圧するエアポンプと、エアポンプの下流の二次空気供給通路に配置され、二次空気供給通路の圧力を検出する圧力検出器とを含む。内燃機関は、排気浄化触媒の温度上昇を促進する第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を実施するように形成されている。第１の触媒暖機制御は、二次空気供給装置により、機関排気通路に空気を供給して排気ガスに含まれる成分を酸化させて排気ガスの温度を上昇させる制御を含む。第２の触媒暖機制御は、圧縮行程において筒内燃料噴射弁から燃料を噴射して点火装置の周りの燃料濃度を上昇させる制御と、点火時期を遅角して燃焼室から流出する排気ガスの温度を上昇させる制御と、吸入空気量を増大する制御とを含む。内燃機関は、第１の触媒暖機制御を実施して第２の触媒暖機制御を停止している運転期間中に第１の吸入空気量および第１の二次空気供給通路の圧力を検出し、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を実施している運転期間中に第２の吸入空気量および第２の二次空気供給通路の圧力を検出し、第１の吸入空気量、第１の二次空気供給通路の圧力、第２の吸入空気量および第２の二次空気供給通路の圧力を用いて、エアポンプの吐出流量および吐出圧力に関する吐出性能を推定し、エアポンプの吐出性能に基づいてエアポンプが正常か否かを判別する。

上記発明においては、内燃機関を始動した時に第１の触媒暖機制御を開始して、第１の吸入空気量および第１の二次空気供給通路の圧力を検出し、第１の吸入空気量および第１の二次空気供給通路の圧力を検出した後に第２の触媒暖機制御を開始して、第２の吸入空気量および第２の二次空気供給通路の圧力を検出することができる。

上記発明においては、第１の吸入空気量、第１の二次空気供給通路の圧力、第２の吸入空気量および第２の二次空気供給通路の圧力に基づいて、二次空気供給通路を締め切ったときのエアポンプの吐出圧力を推定し、二次空気供給通路を締め切ったときのエアポンプの吐出圧力が予め定められた判定値未満の場合にエアポンプが異常であると判別することができる。

上記発明においては、要求負荷が零のアイドリング状態の期間中に、エアポンプの吐出性能に基づいてエアポンプが正常か否かを判別することができる。

本発明によれば、二次空気供給装置のエアポンプの異常を精度よく検出する内燃機関を提供することができる。

実施の形態における内燃機関の概略図である。 実施の形態における運転制御のタイムチャートである。 実施の形態における吸入空気量に対する二次空気供給通路の圧力のグラフである。 実施の形態における二次空気流量に対する二次空気供給通路の圧力のグラフである。 実施の形態における運転制御に用いられる変数を説明する二次空気供給装置の拡大模式図である。 実施の形態における運転制御のフローチャートである。

図１から図６を参照して、実施の形態における内燃機関について説明する。本実施の形態においては、車両に配置されている内燃機関を例に取り上げて説明する。

図１は、本実施の形態における内燃機関の概略図である。本実施の形態における内燃機関は、火花点火式である。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む。シリンダブロック２の内部には、ピストン３が配置されている。ピストン３は、シリンダブロック２に形成された穴部の内部で往復運動する。

本実施の形態においては、ピストン３の冠面、シリンダヘッド４およびシリンダブロック２の穴部により囲まれる空間を燃焼室という。燃焼室５は、それぞれの気筒ごとに形成されている。燃焼室５には、機関吸気通路および機関排気通路が接続されている。機関吸気通路は、燃焼室５に空気または燃料と空気との混合気を供給するための通路である。機関排気通路は、燃料の燃焼により生じた排気ガスを燃焼室５から排出するための通路である。

シリンダヘッド４には、吸気ポート７および排気ポート９が形成されている。吸気弁６は吸気ポート７の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関吸気通路を開閉可能に形成されている。排気弁８は、排気ポート９の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関排気通路を開閉可能に形成されている。シリンダヘッド４には、点火装置としての点火プラグ１０が固定されている。

本実施の形態における内燃機関は、燃焼室５の内部に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁としての燃料噴射弁１１を備える。燃料噴射弁１１は、直接的に気筒内に燃料を噴射する。本実施の形態の内燃機関は、燃料タンク内に貯蔵されている燃料を高圧燃料ポンプによって燃料噴射弁１１に供給する。ピストン３の頂面には、燃料噴射弁１１の下方から点火プラグ１０の下方まで延びるキャビティ３ａが形成されている。圧縮行程において燃料噴射弁１１から燃料を噴射することにより、キャビティ３ａに沿って燃料を含む混合気が流動する。燃料が点火プラグ１０の近傍に集まって燃料濃度を高めることができる。点火プラグ１０の周りに燃料が集まった高濃度領域を形成し、高濃度領域の周りに高濃度領域よりも燃料の濃度が低い低濃度領域を形成することができる。すなわち成層度を高めることができる。

各気筒の吸気ポート７は、対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結されている。サージタンク１４は、吸気ダクト１５を介してエアクリーナ２３に連結されている。吸気ダクト１５の内部には、燃焼室に供給する空気量を検出する吸入空気量検出器としてのエアフローメータ１６が配置されている。吸気ダクト１５の内部には、ステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置されている。一方、各気筒の排気ポート９は、排気マニホールド１９に連結されている。排気マニホールド１９は、排気管２２を介して排気処理装置２１に連結されている。本実施の形態における排気処理装置２１は、排気浄化触媒２０を含む。排気浄化触媒２０としては、所定の浄化率を達成するための活性化温度を有する任意の触媒を採用することができる。たとえば三元触媒、酸化触媒、またはＮＯ_Ｘ浄化触媒等の触媒を採用することができる。

本実施の形態における内燃機関は、制御装置として機能する電子制御ユニット３１を備える。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、デジタルコンピュータを含む。電子制御ユニット３１は、双方向バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を含む。

エアフローメータ１６の出力信号は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。アクセルペダル４０には、負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１は、アクセルペダル４０の踏込量に比例した出力電圧を発生する。この出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

クランク角センサ４２は、例えば、クランクシャフトが所定の角度を回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスは入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４２の出力により、機関回転数を検出することができる。また、クランク角センサ４２の出力により、任意の時刻におけるクランク角度を検出することができる。

燃焼室５にて燃焼した気体を含み、排気処理装置２１より上流の機関排気通路等に供給された気体において、空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）と称すると、機関排気通路には、燃焼室５から流出する気体の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４４が取り付けられている。また、排気浄化触媒２０の上流には、排気ガスの温度を検出する温度センサ４３が配置されている。これらの空燃比センサ４４の出力および温度センサ４３の出力は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

電子制御ユニット３１の出力ポート３７は、それぞれの対応する駆動回路３９を介して燃料噴射弁１１および点火プラグ１０に接続されている。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、燃料噴射制御や点火制御を行うように形成されている。すなわち、燃料噴射弁１１から燃料を噴射する時期および燃料の噴射量が電子制御ユニット３１により制御される。更に点火プラグ１０の点火時期が電子制御ユニット３１により制御されている。また、出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介して、スロットル弁１８を駆動するステップモータ１７に接続されている。ステップモータ１７は、電子制御ユニット３１により制御されている。

本実施形態の内燃機関は、排気浄化触媒２０よりも上流側の機関排気通路に空気を供給する二次空気供給装置２５を備える。二次空気供給装置２５は、吸気ダクト１５と排気マニホールド１９とを接続する二次空気供給通路２６を含む。二次空気供給通路２６は、吸気ダクト１５において、エアクリーナ２３の下流側およびエアフローメータ１６の上流側に接続されている。また、二次空気供給装置２５は、電気モータ駆動式のエアポンプ２７およびエアスイッチングバルブ（ＡＳＶ）２８を含む。エアポンプ２７は、吸気ダクト１５の内部の空気を加圧して排気マニホールド１９に供給する。また、二次空気供給通路２６には、空気の逆流を防止するための逆止弁２９が配置されている。エアポンプ２７とエアスイッチングバルブ２８との間には二次空気供給通路２６内の圧力を検出する圧力検出器としての圧力センサ３０が配置されている。本実施の形態においては、エアポンプ２７の近傍に圧力センサ３０が配置されている。

圧力センサ３０の出力は、電子制御ユニット３１に入力される。また、電子制御ユニット３１の出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介してエアポンプ２７およびエアスイッチングバルブ２８に接続されている。このように、二次空気供給装置２５は、電子制御ユニット３１に制御されている。

本実施の形態における二次空気供給装置２５は、たとえば内燃機関の冷間始動時等に排気浄化触媒２０が十分に昇温していない状況にて用いられる。二次空気供給装置２５を始動する条件が成立すると機関排気通路に二次空気（ＡＩ）が供給される。本実施の形態においては、エアスイッチングバルブ２８が開かれると共にエアポンプ２７が駆動する。エアクリーナ２３を通過した空気の一部が二次空気供給通路２６を通って排気マニホールド１９内に供給される。排気マニホールド１９を流れる排気ガスに酸素が供給される。

燃焼室５から流出する排気ガスには、未燃の炭化水素や一酸化炭素が含まれる。燃焼室５から流出する排気ガスは高温であり、二次空気供給装置により酸素を供給することにより、未燃の炭化水素や一酸化炭素を酸化させることができる。このときの酸化熱により排気ガスの温度を上昇させることができる。高温の排気ガスを排気浄化触媒２０に供給することができて、排気浄化触媒２０の昇温を促進することができる。

または、排気浄化触媒２０が酸化機能を有する場合には、排気ガスに空気を供給することにより排気ガスの空燃比をリーンにして排気浄化触媒２０に供給することができる。排気浄化触媒２０において未燃の炭化水素および一酸化炭素を酸化することができて、排気浄化触媒２０の昇温を促進することができる。

本実施の形態における内燃機関は、冷間始動時等の排気浄化触媒２０が活性化温度未満の場合に、排気浄化触媒２０の温度上昇を促進する第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を実施する。

本実施の形態の第１の触媒暖機制御では、二次空気供給装置２５を駆動する。二次空気供給装置２５を駆動することにより、排気マニホールド１９に空気を供給することができる。排気ガスに含まれる一酸化炭素や炭化水素を酸化させることができて、排気ガスの温度を上昇させることができる。本実施の形態においては、燃焼室５における混合気の状態が均質状態であり、燃焼時の空燃比がリッチになるように制御する。たとえば、吸気行程において燃料噴射弁１１から燃料を噴射することにより、燃焼室５における混合気の状態を均質にすることができる。この結果、均質燃焼を実施することができる。また、燃焼時の空燃比がリッチになるように燃料噴射量を制御する。燃焼室５から流出する排気ガスの空燃比もリッチであり、排気ガスには未燃の炭化水素や一酸化炭素が含まれている。二次空気を供給することにより、機関排気通路において未燃の炭化水素や一酸化炭素を酸化することができる。

本実施の形態における第２の触媒暖機制御では、図１を参照して、燃焼サイクルの圧縮行程において燃料噴射弁１１から燃料を噴射する。点火プラグ１０の周りに燃料が集まる時期に燃料を噴射する。点火プラグ１０の周りの燃料濃度が上昇する。このように、成層状態を形成して点火を行う。すなわち成層燃焼を行う。成層燃焼を行うことにより、燃焼室５における点火時期を大幅に遅らせることが可能になり、点火時期を大幅に遅角させる制御を行う。たとえば、通常の運転を行っている時、第１の触媒暖機制御を行っている時、または第２の触媒暖機制御を行う前の運転状態よりも点火時期を遅くする制御を行う。この制御を行うことにより、燃焼室５から流出する排気ガスの温度を上昇させることができる。また、触媒暖機制御を切り替える前後では、機関回転数がほぼ一定に維持されることが好ましい。ここで、点火時期を大幅に遅角すると機関回転数が減少する。このために、第２の触媒暖機制御では点火時期の遅角とともに吸入空気量を増大させる制御を行っている。

本実施の形態の内燃機関は、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する期間を有する。第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する場合には、燃焼室５において成層燃焼を実施するが、燃焼室５から流出する排ガスの空燃比がリッチになるように燃料を噴射する。たとえば、燃焼室５全体における燃焼時の空燃比がリッチになるように燃料を噴射する。本実施の形態においては、圧縮行程において燃料噴射弁１１から燃料を噴射し、更に、吸気行程において燃料噴射弁１１から燃料を噴射する。二次空気供給装置２５にて排気ガスに酸素を供給することにより、燃焼室５から流出する一酸化炭素や未燃の炭化水素の酸化反応を生じさせて排気ガスの温度を上昇させることができる。

ここで、圧縮行程における燃料の噴射は、点火プラグ１０の周りに弱い成層状態が形成される時期および噴射量にて行う。点火プラグ１０の周りの燃料の濃度が高くなりすぎると点火できない虞がある。すなわち、燃焼室５全体の空燃比がリッチであり、点火プラグ１０の周りに強成層状態を形成するとリッチ度合いが高くなりすぎて点火が不安定になる。しかしながら、点火プラグ１０の周りにおいて弱成層状態を形成することにより安定して点火することができて、また、大幅に点火時期を遅角することができる。点火時期を遅角することにより、燃焼室５から流出する排気ガスの温度を上昇させることができる。

このように、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御の両方の制御を同時に行うことにより、高温の排気ガスを排気浄化触媒２０に供給することができて、短時間で排気浄化触媒２０を暖機することができる。排気浄化触媒２０が活性化温度未満の状態の時間を短くすることができて、排気ガスの性状が悪化する時間を短くすることができる。このために、排気ガスに含まれる浄化すべき成分の放出量が低減することができる。たとえば排気浄化触媒２０が酸化機能を有する場合には、触媒暖機制御の期間中に外部に放出される炭化水素の放出量を低減することができる。

図２に、本実施の形態における運転制御のタイムチャートを示す。時刻ｔ０において、内燃機関を始動している。本実施の形態においては、内燃機関の始動と共に二次空気供給装置２５を始動している。すなわち、内燃機関の始動と共に第１の触媒暖機制御を開始している。二次空気供給装置２５の始動時期としては、この形態に限られず、内燃機関を始動した後に二次空気供給装置２５を始動しても構わない。内燃機関の始動直後では、第２の触媒暖機制御は実施されていない状態である。

本実施の形態においては、内燃機関の始動と共に第１の触媒暖機制御を行うために、燃焼室５における混合気の空燃比はリッチの状態が維持されている。また、燃料噴射弁１１からは、吸気行程において燃料が噴射され、燃焼室５において均質燃焼が実施されている。点火時期は、通常の運転と点火時期と同様であり、たとえば圧縮上死点前に点火されている。二次空気供給通路２６の圧力は大気圧よりも高くなる状態が維持されている。

時刻ｔ２において、第２の触媒暖機制御を開始する。本実施の形態においては、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を同時に実施する。燃焼室５において、成層状態が形成されるように、圧縮行程において燃料噴射弁１１から燃料を噴射する。また、点火時期を大幅に遅角する。本実施の形態においては、圧縮上死点前の点火時期から圧縮上死点後の点火時期に移行している。本実施の形態においては、触媒暖機制御を切り替えた時にも、機関回転数が一定に維持されるように制御する。また、触媒暖機制御を切り替える前後では、負荷は一定である。このために、第２の触媒暖機制御の開始とともに吸入空気量を増大する。燃焼室５から排出される排気ガスの圧力が上昇し、排気マニホールド１９の圧力が上昇する。この結果、二次空気供給通路２６の圧力も上昇する。なお、図２に示す例では、第２の触媒暖機制御を開始することにより、燃焼室５における燃焼時の空燃比は上昇しているが、リッチの状態は維持するように制御されている。すなわち、燃焼室５から流出する排気ガスの空燃比がリッチになるように制御されている。

本実施の形態における運転制御では、第２の触媒暖機制御を開始する前の第１の触媒暖機制御が行われている時刻ｔ１において、エアフローメータ１６により第１の吸入空気量ＧＡ_１を検出する。また、圧力センサ３０により第１の二次空気供給通路の圧力Ｐ_ｐ１を検出する。また、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を実施している時刻ｔ３において、エアフローメータ１６により第２の吸入空気量ＧＡ_２を検出する。また、圧力センサ３０により第２の二次空気供給通路の圧力Ｐ_ｐ２を検出する。

本実施の形態の運転制御においては、第２の触媒暖機制御を実施する前後の第１の吸入空気量ＧＡ_１、第１の二次空気供給通路の圧力Ｐ_ｐ１、第２の吸入空気量ＧＡ_２および第２の二次空気供給通路の圧力Ｐ_ｐ２に基づいて、エアポンプ２７の吐出流量および吐出圧力に関する吐出性能を推定し、エアポンプの吐出性能に基づいてエアポンプ２７が正常か否かを判別する制御を行う。

図３に、本実施の形態における内燃機関の吸入空気量ＧＡに対する二次空気供給通路２６の圧力Ｐ_ｐのグラフを示す。縦軸は、二次空気供給通路２６の圧力Ｐ_ｐであり、本実施の形態においてはエアポンプ２７の吐出圧力に相等する。一点鎖線にて、排気マニホールド１９の圧力が示されている。吸入空気量ＧＡが大きくなるほど、燃焼室５から流出する排気ガスの圧力が高くなる。このために、排気マニホールド１９の圧力も高くなる。すなわち、吸入空気量ＧＡが増加するほど二次空気供給装置２５の背圧が高くなる。

図３には、破線にてエアポンプ２７が正常の場合の二次空気供給通路２６の圧力を示している。すなわち、圧力センサ３０により検出される圧力を示している。吸入空気量ＧＡが大きくなるほど、二次空気供給通路２６の圧力も高くなることが分かる。そして、吸入空気量ＧＡ_ｎｌでは、二次空気供給通路２６の圧力と排気マニホールド１９の圧力とが等しくなっている。すなわち、この状態では、エアポンプ２７の吐出圧力が排気マニホールド１９の圧力と等しくなり、排気マニホールド１９に二次空気を供給するポンプ性能の限界に達している。

図３には、実線にてエアポンプ２７が異常の場合の二次空気供給通路２６の圧力を示している。例えば、二次空気供給装置２５の使用によりエアポンプ２７が劣化した場合には、エアポンプ２７の吐出圧力が低下する。エアポンプ２７が異常である場合の二次空気供給通路２６の圧力は、エアポンプ２７が正常である場合の二次空気供給通路２６の圧力よりも低くなる。エアポンプ２７に異常がある場合には吸入空気量ＧＡ_ｄｌにおいて、二次空気供給通路２６の圧力が排気マニホールド１９の圧力と等しくなっている。吸入空気量ＧＡ_ｄｌの状態は、二次空気が排気マニホールド１９に流れなくなる状態であり、二次空気供給通路２６の出口が閉止された状態に相等する。すなわち、二次空気供給通路２６が締め切られた状態に相等する。

図４に、本実施の形態における二次空気供給装置２５の圧力を説明する拡大概略図を示す。本実施の形態においては、圧力センサ３０がエアポンプ２７の近傍に配置されており、二次空気供給通路２６の圧力Ｐ_ｐはエアポンプ２７の吐出圧力になる。二次空気供給通路２６の圧力Ｐ_ｐは、圧力センサ３０により検出される。また、二次空気を供給している期間では、排気マニホールド１９の圧力Ｐ_ｅｘが圧力Ｐ_ｐよりも小さくなる。エアポンプ２７の吐出圧力と排気マニホールド１９における圧力Ｐ_ｅｘとの間には、圧力損失ΔＰ_ｐｅが生じる。この圧力差により、二次空気が排気マニホールド１９に供給される。

図３を参照して、エアポンプ２７が正常な場合における吸入空気量ＧＡ_ｎｌ、およびエアポンプ２７が異常な場合の吸入空気量ＧＡ_ｄｌは、それぞれの圧力損失ΔＰ_ｐｅが零になっている状態である。

図５に、本実施の形態における二次空気流量と二次空気供給通路２６の圧力との関係を説明するグラフを示す。二次空気供給通路２６を流れる空気の二次空気流量は、エアポンプ２７の吐出流量に相等し、二次空気供給通路２６の圧力はエアポンプ２７の吐出圧力に相等する。すなわち、図５は、エアポンプ２７の吐出圧力および吐出流量の特性線（Ｐ−Ｑ線）になり、エアポンプ２７の吐出性能を示している。エアポンプ２７が異常の場合は実線で示されており、エアポンプ２７が正常の場合は破線で示されている。それぞれの特性線において、二次空気流量が零になるときの二次空気供給通路２６の圧力は、二次空気供給通路２６を締め切ったときの二次空気供給通路２６の圧力に相等する。二次空気流量が零になるときの二次空気供給通路２６の圧力は、エアポンプ２７が正常の場合よりもエアポンプ２７が異常の場合の方が小さくなる。

本実施の形態においては、二次空気流量が零になる二次空気供給通路２６の圧力Ｃを推定し、二次空気供給通路２６の圧力Ｃが予め定められた判定値未満の場合にエアポンプ２７が異常であると判別する。本実施の形態においては、第２の触媒暖機制御の実施前後において検出した吸入空気量ＧＡ_１，ＧＡ_２および二次空気供給通路２６の圧力Ｐ_ｐ１，Ｐ_ｐ２を用いて、二次空気供給通路２６の流量が零である場合の二次空気供給通路２６の圧力Ｃを推定する。次に、二次空気供給通路２６の流量が零である場合の二次空気供給通路２６の圧力Ｃの推定方法について説明する。

配管内を気体が流れる時には圧力損失が生じる。一般的に配管内の圧力損失は、流量の２乗に比例する。配管の圧力損失ΔＰは、次の式（１）にて表すことができる。

次に、吸入空気量ＧＡに対する排気マニホールドの圧力Ｐ_ｅｘは、吸入空気量ＧＡの２乗に比例する。排気マニホールドの圧力Ｐ_ｅｘは、次の式（２）にて表すことができる。

一方で、図５に示すエアポンプ２７の特性線（Ｐ−Ｑ線）を直線近似すると、二次空気供給通路２６の圧力Ｐ_ｐは二次空気流量Ｑ_ａｉに比例する。二次空気供給通路２６の圧力Ｐ_ｐは、次の式（３）で表すことができる。

さらに、二次空気供給通路２６に配置されている圧力センサ３０から排気マニホールド１９までの圧力損失ΔＰ_ｐｅは、二次空気流量Ｑ_ａｉの２乗に比例するために、次の式（４）表すことができる。

また、図４にて示したように、排気マニホールドの圧力Ｐ_ｅｘは、圧力センサ３０により検出される二次空気供給通路２６の圧力Ｐ_ｐ、圧力損失ΔＰ_ｐｅを用いて、次の式（５）にて表すことができる。

上記の式（２）から式（５）により、圧力損失ΔＰ_ｐｅと吸入空気量ＧＡとの関係は、次の式（６）になる。

さらに、二次空気供給通路２６における圧力Ｐ_ｐと吸入空気量ＧＡとの関係は、次の式（７）になる。

このように、吸入空気量ＧＡと圧力センサ３０により検出される二次空気供給通路２６の圧力Ｐ_ｐとの関係を求めることができる。

ここで、係数Ａは、排気マニホールド１９における損失係数であり、予め設定しておくことができる。係数Ｄは、圧力センサ３０から排気マニホールド１９までの二次空気供給通路２６の損失係数であり、予め設定しておくことができる。

変数Ｂは、図５に示す二次空気流量と二次空気供給通路２６の圧力とのグラフ（エアポンプ２７のＰ−Ｑ特性のグラフ）の傾きを示しており、未知の値である。また、変数Ｃは、前述の通り、二次空気流量が零になるときの二次空気供給通路２６の圧力である。

本実施の形態においては、第２の触媒暖機制御の開始前に検出した第１の吸入空気量ＧＡ_１および第１の二次空気供給通路２６の圧力Ｐ_ｐ１と、第２の触媒暖機制御の開始後に検出した第２の吸入空気量ＧＡ_２および第２の二次空気供給通路２６の圧力Ｐ_ｐ２を式（７）に代入することにより、変数Ｂおよび変数Ｃを算出することができる。すなわち、図５における現在のエアポンプ２７のＰ−Ｑ特性のグラフの傾きである変数Ｂと、縦軸の切片である変数Ｃとを推定することができる。

変数Ｃは、二次空気流量が零の場合の二次空気供給通路２６の圧力に相等する。換言すると、変数Ｃは、二次空気供給通路２６を締め切ったときのエアポンプ２７の吐出圧力に相等する。図３を参照して、本実施の形態においては、吸入空気量ＧＡ_１，ＧＡ_２の時の値を用いて、吸入空気量ＧＡ_ｄｌのときの二次空気供給通路２６の圧力Ｃを推定している。

そして、図５を参照して、算出した変数Ｃが判定値以上であれば、エアポンプ２７の吐出圧力が高くて正常と判別し、変数Ｃが判定値未満であればエアポンプ２７が異常であると判別している。

このように、本実施の形態の二次空気供給装置２５のエアポンプ２７の異常判定制御は、エアスイッチングバルブ２８を開いた状態を維持して判別することができる。すなわち、エアポンプ２７が駆動した状態でエアスイッチングバルブ２８を閉止する必要がない。このため、エアポンプ２７への負担を小さくすることができて、エアポンプ２７の性能低下や破損を抑制することができる。また、エアポンプ２７に対する耐久性の要求を下げることができる。更に、エアポンプ２７の異常の有無を判別する期間中に、エアポンプ２７から発生する騒音を抑制することができる。

また、第２の触媒暖機制御を実施することにより、吸入空気量が大幅に増大し、二次空気供給通路２６の圧力も大幅に上昇する。第２の触媒暖機制御を開始する前後において吸入空気量および二次空気供給通路の圧力を検出するために、二次空気供給通路の圧力差が大きくなる２つの状態を形成することができる。このために、エアポンプ２７の異常の有無を精度よく判別することができる。

例えば、燃料噴射弁が吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関においては、要求負荷が零のアイドリング状態のときに点火時期を大幅に遅角することができず、吸入空気量を大きくすることができない。このために、アイドリングの状態のみで触媒暖機制御が終了した場合には、二次空気供給通路の圧力が大きく異なる２つの状態を生成することが困難であり、エアポンプの異常判定を精度よく行うことができない。

または、例えば内燃機関が高負荷の時には吸入空気量が増大するが、高負荷のときに二次空気供給装置を作動させると、排気浄化触媒に流入する排気ガスの温度が上昇しすぎて、排気浄化触媒が損傷する虞がある。または、二次空気供給装置の作動頻度が増加してエアポンプの負担が増加してしまうという問題がある。これに対して、本実施の形態の内燃機関においては、要求負荷が零のアイドリング状態の期間中に高精度にエアポンプの異常の有無を判別することができる。

図６に、本実施の形態の運転制御のフローチャートを示す。ステップ１２１においては、内燃機関の始動要求を検出して内燃機関を始動する。

ステップ１２２においては、第１の触媒暖機制御を開始する。すなわち、二次空気供給装置２５を始動する。本実施の形態においては、内燃機関の始動とともに第１の触媒暖機制御を開始する。

ステップ１２３においては、第１の二次空気供給通路２６の圧力Ｐ_ｐ１を検出する。ステップ１２４において、第１の吸入空気量ＧＡ_１を検出する。ステップ１２３およびステップ１２４は、いずれか一方を先に行っても構わない。または、ステップ１２３とステップ１２４とを同時に行っても構わない。

次に、ステップ１２５においては、第２の触媒暖機制御を開始する。本実施の形態においては、第１の触媒暖機制御を継続しながら第２の触媒暖機制御を開始する。

ステップ１２６においては、第２の二次空気供給通路２６の圧力Ｐ_ｐ２を検出する。ステップ１２７においては、第２の吸入空気量ＧＡ_２を検出する。ステップ１２６およびステップ１２７は、いずれか一方を先に行っても構わない。または、ステップ１２６およびステップ１２７を同時に行っても構わない。

次に、ステップ１２８においては、前述の式（７）に基づいて、変数Ｂ，Ｃを算出する。変数Ｃは、エアスイッチングバルブ２８を締め切ったときのエアポンプ２７の吐出圧力に相等する。

次に、ステップ１２９においては、算出した変数Ｃが、予め定められた判定値以上か否かを判別する。ステップ１２９において、変数Ｃが予め定められた判定値以上の場合には、二次空気供給通路２６を締め切ったときのエアポンプ２７の吐出圧力が大きいと判別することができる。すなわち、エアポンプ２７の吐出性能が高いと判別することができる。ステップ１３０においては、エアポンプ２７が正常であると判別する。

ステップ１２９において、算出した変数Ｃが、予め定められた判定値未満の場合には、ステップ１３１に移行する。この場合には、二次空気供給通路２６を締め切ったときのエアポンプ２７の吐出圧力が小さいと判別することができる。ステップ１３１においては、エアポンプ２７が異常であると判別することができる。エアポンプ２７が異常であると判別した場合には、任意の制御を行うことができる。たとえば、運転者に二次空気供給装置の異常を通知する制御を行うことができる。または、二次空気供給装置の異常を回避する制御や二次空気の供給を停止する制御等を行っても構わない。

本実施の形態においては、第２の触媒暖機制御の開始前と開始後の吸入空気量および二次空気供給通路の圧力を用いて、二次空気流量が零になったときの二次空気供給通路の圧力、すなわちエアポンプの吐出圧力を算出しているが、この形態に限られず、任意の制御によりエアポンプの吐出性能を推定し、エアポンプの吐出性能に基づいて、エアポンプが正常か否かを判別することができる。

例えば、図５を参照して、予め定められた二次空気流量における二次空気供給通路の圧力を算出し、二次空気供給通路の圧力の判定値よりも大きな場合に、エアポンプが正常であると判別しても構わない。または、二次空気供給通路の圧力が零になる二次空気流量を算出し、二次空気流量の判定値よりも大きな場合にエアポンプが正常であると判別しても構わない。

また、本実施の形態においては、内燃機関を始動した時に第１の触媒暖機制御を開始して、第１の吸入空気量および第１の二次空気供給通路の圧力を検出し、第１の吸入空気量および第１の二次空気供給通路の圧力を検出した後に第２の触媒暖機制御を開始して、第２の吸入空気量および第２の二次空気供給通路の圧力を検出しているが、この形態に限られず、第１の触媒暖機制御を実施して第２の触媒暖機制御を停止している運転期間中に第１の吸入空気量および第１の二次空気供給通路の圧力を検出し、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を実施している運転期間中に第２の吸入空気量および第２の二次空気供給通路の圧力を検出することができる。

たとえば、内燃機関の始動直後に第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を実施して、第２の吸入空気量および第２の二次空気供給通路の圧力を検出し、その後に第２の触媒暖機制御を停止して、第１の吸入空気量および第１の二次空気供給通路の圧力を検出しても構わない。

上述のそれぞれの制御においては、機能および作用が変更されない範囲において適宜ステップの順序を変更することができる。

上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される変更が含まれている。

１ 機関本体
３ ピストン
３ａ キャビティ
５ 燃焼室
１０ 点火プラグ
１１ 燃料噴射弁
１６ エアフローメータ
１９ 排気マニホールド
２０ 排気浄化触媒
２５ 二次空気供給装置
２６ 二次空気供給通路
２７ エアポンプ
３０ 圧力センサ
３１ 電子制御ユニット

Claims (4)

1. 燃焼室の内部に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、
   機関排気通路に配置されている排気浄化触媒と、
   燃焼室に供給する空気量を検出する吸入空気量検出器と、
   排気浄化触媒よりも上流側の機関排気通路に空気を供給する二次空気供給装置とを備え、
   二次空気供給装置は、空気を加圧するエアポンプと、エアポンプの下流の二次空気供給通路に配置され、二次空気供給通路の圧力を検出する圧力検出器とを含み、
   排気浄化触媒の温度上昇を促進する第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を実施するように形成されており、
   第１の触媒暖機制御は、二次空気供給装置により、機関排気通路に空気を供給して排気ガスに含まれる成分を酸化させて排気ガスの温度を上昇させる制御を含み、
   第２の触媒暖機制御は、圧縮行程において筒内燃料噴射弁から燃料を噴射して点火装置の周りの燃料濃度を上昇させる制御と、点火時期を遅角して燃焼室から流出する排気ガスの温度を上昇させる制御と、吸入空気量を増大する制御とを含み、
   第１の触媒暖機制御を実施して第２の触媒暖機制御を停止している運転期間中に第１の吸入空気量および第１の二次空気供給通路の圧力を検出し、第１の触媒暖機制御および第２の触媒暖機制御を実施している運転期間中に第２の吸入空気量および第２の二次空気供給通路の圧力を検出し、
   第１の吸入空気量、第１の二次空気供給通路の圧力、第２の吸入空気量および第２の二次空気供給通路の圧力を用いて、エアポンプの吐出流量および吐出圧力に関する吐出性能を推定し、エアポンプの吐出性能に基づいてエアポンプが正常か否かを判別する、内燃機関。
2. 内燃機関を始動した時に第１の触媒暖機制御を開始して、第１の吸入空気量および第１の二次空気供給通路の圧力を検出し、第１の吸入空気量および第１の二次空気供給通路の圧力を検出した後に第２の触媒暖機制御を開始して、第２の吸入空気量および第２の二次空気供給通路の圧力を検出する、請求項１に記載の内燃機関。
3. 第１の吸入空気量、第１の二次空気供給通路の圧力、第２の吸入空気量および第２の二次空気供給通路の圧力に基づいて、二次空気供給通路を締め切ったときのエアポンプの吐出圧力を推定し、二次空気供給通路を締め切ったときのエアポンプの吐出圧力が予め定められた判定値未満の場合にエアポンプが異常であると判別する、請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 要求負荷が零のアイドリング状態の期間中に、エアポンプの吐出性能に基づいてエアポンプが正常か否かを判別する、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関。

Images