JP4158692B2

JP4158692B2 - 二次空気供給装置の流量算出方法

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Publication number: JP4158692B2
Application number: JP2003406019A
Authority: JP
Inventors: 裕靖小山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2023-12-04
Also published as: JP2005163709A

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置よりも上流側に二次空気を供給する二次空気供給装置の二次空気の流量を算出する流量算出方法に関する。

内燃機関においては、排気通路に酸化機能を有する触媒を配置し、排気ガス中の一酸化炭素（以下、「ＣＯ」と称する）、ハイドロカーボン（以下、「ＨＣ」と称する）、窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」と称する）成分を低減して浄化を図るようにした排気浄化装置を設けることが知られている。さらに、排気通路に接続された開閉弁を有する二次空気供給通路にエアポンプから空気を圧送することによって、排気管内に二次空気を供給して酸素濃度を高くし、これにより、排気ガス中のＨＣ、ＣＯを酸化させて排気ガスの浄化を促進する二次空気供給装置が知られている。

さらに、二次空気の流量を測定することのできる二次空気供給装置が提案されている。例えば特許文献１においては、流量センサによる流量、空燃比または二次空気供給通路に絞りを設けた状態での圧力差から、二次空気の供給量を演算し、この供給量から二次空気供給装置が異常であるか否かを判断している（なお、特許文献１のほか、特許文献２および特許文献３を参照されたい）。
特開平５−２６３６３７号公報特開２００３−８３０４８号公報特開平８−２４６９２８号公報

ところで、内燃機関が長期間にわたって使用される際には、内燃機関の吸気系から取り入れられた吸気ガスに混入した微粒子ならびにポンプの潤滑部および駆動部から発生した微粒子が二次空気供給通路の内壁等に付着し、堆積物として堆積する。また、排気ガス中の微粒子も二次空気供給通路の内壁等に付着し、堆積物として堆積する。このような場合には、二次空気供給通路の配管抵抗が増加することによって二次空気供給通路内の圧力が上昇するために、実際には二次空気の流量は低下しているものの、二次空気の流量が増加したものと誤って判断される可能性がある。

また、二次空気はポンプを駆動することにより二次空気供給通路を通って内燃機関の排気系に供給されるが、ポンプを長期間使用する際には経年劣化によりポンプの吐出能力が次第に低下する。

しかしながら、特許文献１から特許文献３に記載される二次空気供給装置は二次空気供給通路に堆積物が堆積していなくてポンプの吐出能力も低下していない状態を想定している。このため、内燃機関を長期間にわたって使用することによって二次空気供給通路に堆積物が堆積したり、経年劣化によりポンプの吐出能力が低下したりする場合には、特許文献１における二次空気算出方法によって算出された二次空気の流量は二次空気供給通路を実際に流れる二次空気の流量とは異なる場合がある。

また、特許文献１においては流量センサを別途設ける必要があるので製造コストが増すことに加え、空燃比から二次空気供給量を算出する場合には二次空気供給量の精度が劣ることが考えられる。さらに、特許文献１に開示されるように二次空気供給通路に絞りを設けた場合には二次空気供給時の圧力損失が増大するので、実際の内燃機関に設けられた二次空気供給装置に使用するのは好ましくない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ポンプの吐出能力と二次空気供給通路の配管抵抗とを考慮した上での正確な二次空気の流量を算出できる二次空気供給装置の流量算出方法を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目に記載の発明によれば、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置よりも上流側に二次空気を供給する二次空気供給通路と、前記二次空気供給通路に二次空気を供給するポンプと、前記ポンプの下流に設けられていて前記二次空気供給通路を開閉する開閉手段と、前記ポンプと前記開閉手段との間に設けられていて前記二次空気供給通路の圧力を測定する圧力センサとを有する二次空気供給装置の流量算出方法において、前記開閉手段の開放時でかつ前記ポンプの駆動時に前記圧力センサにより前記二次空気供給通路における第一の圧力を計測し、前記開閉手段の閉鎖時でかつ前記ポンプの駆動時に前記圧力センサにより前記二次空気供給通路における第二の圧力を計測し、前記開閉手段の開放時でかつ前記ポンプの駆動時に前記二次空気供給通路を流れる二次空気の流量を前記第一の圧力および前記第二の圧力を用いて算出する二次空気供給装置の流量算出方法が提供される。

すなわち１番目の発明によって、二次空気供給通路の内壁等に堆積する堆積物に基づく二次空気供給通路の配管抵抗の増加度合いを第一の圧力および第二の圧力から判断するようにし、経年変化により低下するポンプの吐出能力を第二の圧力から判断しているので、ポンプの吐出能力と二次空気供給通路の配管抵抗とを考慮した上での正確な二次空気の流量を算出することが可能となる。例えば開閉手段の開放時でかつポンプの駆動時における第一の圧力が比較的大きい場合には、二次空気供給通路の内壁等に比較的多量の堆積物が堆積しているために二次空気供給通路の配管抵抗は増加していると判断し、これにより二次空気の流量は比較的小さくされる。また、開閉手段の閉鎖時でかつポンプの駆動時における第二の圧力が比較的小さい場合には、ポンプの能力が経年劣化により低下してきたと判断できるので、二次空気の流量は比較的小さくされる。なお、１番目の発明においては、第一の圧力および第二の圧力の関数としての二次空気の流量を示すマップを用意し、このマップから二次空気の流量を直接的に求めるようにしてもよい。

２番目の発明によれば、１番目の発明において、さらに、算出された前記二次空気の流量が所定の値よりも小さい場合には、前記二次空気の流量が低下していると判断するようにした
すなわち２番目の発明によって、二次空気の流量が所定の値よりも小さい場合には二次空気供給通路の内面における堆積物が多量であるために、二次空気の流量が低下していると判断することができる。

３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、さらに、前記第一の圧力が所定の値よりも大きい場合には、前記二次空気の流量が低下していると判断するようにした。
すなわち３番目の発明によって、開閉手段の開放時でかつポンプの駆動時における第一の圧力が所定の値よりも大きい場合には、二次空気供給通路の内面における堆積物が多量であるために、二次空気の流量が低下していると判断することができる。なお、この場合には、算出される二次空気供給通路の流量も当然に小さくなる。

４番目の発明によれば、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置よりも上流側に二次空気を供給する二次空気供給通路と、前記二次空気供給通路に二次空気を供給するポンプと、前記ポンプの下流に設けられていて前記二次空気供給通路を開閉する開閉手段と、前記ポンプと前記開閉手段との間に設けられていて前記二次空気供給通路の圧力を測定する圧力センサとを具備し、前記開閉手段の開放時でかつ前記ポンプの駆動時に前記圧力センサにより計測される前記二次空気供給通路における圧力が所定の値よりも大きい場合には、前記二次空気供給通路を流れる二次空気の流量が低下していると判断するようにした二次空気供給装置が提供される。

すなわち４番目の発明によって、開閉手段の開放時でかつポンプの駆動時における第一の圧力が所定の値よりも大きい場合には、二次空気供給通路の内面における堆積物が多量であるために、二次空気の流量が低下していると判断することができる。また、開閉手段が閉鎖した状態でポンプを駆動させるとポンプおよび開閉手段に掛かる負荷が大きいが、４番目の発明においては開閉手段が閉鎖した状態でポンプを駆動させる必要がないので、ポンプおよび開閉手段に過大な負荷をかける可能性を排除できる。

各発明によれば、ポンプの吐出能力と二次空気供給通路の配管抵抗とを考慮した上での正確な二次空気の流量を算出することができるという共通の効果を奏しうる。
さらに、２番目および３番目の発明によれば、二次空気の流量が低下していると判断することができるという効果を奏しうる。
さらに、４番目の発明によれば、ポンプおよび開閉手段に過大な負荷をかける可能性を排除できるという効果を奏しうる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同一の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は、本発明に基づく二次空気供給装置を示す概略図である。本発明の二次空気供給装置３０は内燃機関１、例えば多気筒Ｖ型ガソリンエンジンに取付られている。図１に示されるように内燃機関１の左右両バンクの気筒は相互に独立した排気マニホルド４ａ、４ｂを介して排気管７ａ、７ｂにそれぞれ連結されている。また、排気管７ａ、７ｂには酸化機能を有する触媒を担持した触媒コンバータ５ａ、５ｂがそれぞれ設けられている。これら触媒コンバータ５ａ、５ｂは排気浄化装置としての役目を果たす。さらに、排気管７ａ、７ｂの触媒コンバータ５ａ、５ｂの上流側には二次空気供給口８ａ、８ｂがそれぞれ設けられている。これら二次空気供給口８ａ、８ｂは後述する二つの分岐管２３ａ、２３ｂにそれぞれ接続されている。さらに、排気管７ａ、７ｂにおいてはＯ_２センサ６ａ、６ｂが触媒コンバータ５ａ、５ｂの上流にそれぞれ設けられると共に、Ｏ_２センサ１６ａ、１６ｂが触媒コンバータ５ａ、５ｂの下流にそれぞれ設けられている。従って、触媒コンバータ５ａ、５ｂの上流および下流のＯ_２濃度を測定することによって、触媒コンバータ５ａ、５ｂにおいて消費されたＯ_２量を算出することが可能となる。一方、内燃機関の左右両バンクの気筒に吸気ガスを供給する吸気管３にはスロットル弁３ａが設けられており、この吸気管３はエアクリーナ２に接続されている。エアクリーナ２とスロットル弁３ａとの間には空気量（一次空気量）を測定するためのエアフロメータ３ｂが設けられている。さらに、吸気温度を測定するための温度センサ３ｃが吸気管３に設けられている。

二次空気供給装置３０は吸気管３のスロットル弁３ａとエアクリーナ２との間の位置から延びる空気取入管２１を有している。空気取入管２１は電動エアポンプ９に接続されており、二次空気供給管２２が電動エアポンプ９から延びている。図示されるように二次空気供給管２２は二つの分岐管２３ａ、２３ｂに分岐しており、これら分岐管２３ａ、２３ｂは排気管７ａ、７ｂの二次空気供給口８ａ、８ｂにそれぞれ接続している。図１に示されるように分岐管２３ａには制御弁Ｖ１が設けられており、また分岐管２３ｂには制御弁Ｖ２が設けられている。さらに、二次空気供給管２２にも制御弁Ｖ０が設けられている。これら制御弁Ｖ０、Ｖ１、Ｖ２はエアスイッチングバルブ（ＡＳＶ）またはバキュームスイッチングバルブ（ＶＳＶ）であり、後述するＥＣＵ４０によって分岐管２３ａ、２３ｂおよび二次空気供給管２２内を流れる二次空気量を制御するよう開閉する。さらに、圧力センサ３３が二次空気供給管２２において制御弁Ｖ０と電動エアポンプ９との間に設けられている。つまり、図示されるように、圧力センサ３３は制御弁Ｖ０の上流に配置されている。

電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５および出力ポート４６を具備する。図１に示されるように触媒コンバータ５ａ、５ｂの上流に設けられたＯ_２センサ６ａ、６ｂおよび触媒コンバータ５ａ、５ｂの下流に設けられたＯ_２センサ１６ａ、１６ｂの出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、エアフロメータ３ｂの出力信号も、対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。さらに、二次空気供給管２２に設けられた圧力センサ３３の出力信号も、対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。さらに、吸気通路に設けられた温度センサ３ｃ、および機関冷却水の温度センサ（図示しない）からの出力信号も、対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。さらに、入力ポート４５には車速を表す車速センサ５３からの出力パルスが入力される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して内燃機関１の燃料噴射弁（図示しない）、スロットル弁３ａを制御するためのステップモータ（図示しない）、二次空気供給管２２の制御弁Ｖ０、分岐管２３ａ、２３ｂの制御弁Ｖ１、Ｖ２および電動エアポンプ９に接続される。

触媒コンバータ５ａ、５ｂ内に配置されていて酸化機能を有する触媒としては、酸化触媒、三元触媒、または吸蔵されたＮＯｘを放出し還元浄化する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を用いることができる。なお、ＮＯｘ触媒は燃焼室における平均空燃比がリッチになるとＮＯｘを放出する機能を有する。ＮＯｘ触媒は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例えばカリウムＫ、リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。

この二次空気供給装置３０は、主に冷間始動時等の燃料濃度が高く、空燃比が小さく、かつ排気浄化装置としての触媒コンバータ５ａ、５ｂが十分に昇温しておらず、その機能が十分に発揮されにくい状況において使用される。二次空気を触媒コンバータ５ａ、５ｂに供給することにより触媒コンバータ５ａ、５ｂにおける酸素濃度が高くなるので、排気ガス中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ等を浄化することができるようになる。

図２は、本発明に基づく二次空気供給装置の動作ルーチンを示すフローチャートである。図２における動作ルーチン１００のステップ１０１においては、二次空気供給制御（添付図面および以下の説明では、単に「ＡＩ」と省略する）が現在実行されているか否かが判別される。ここで、ＡＩが実行されている場合とは、下流側の制御弁Ｖ１、Ｖ２の両方が開放していると共に上流側の制御弁Ｖ０も開放しており、さらに電動エアポンプ９が駆動しているために二次空気が触媒コンバータ５ａ、５ｂに供給されている状態を意味している。ステップ１０１においてＡＩ実行中であると判定された場合にはステップ１０２に進み、また、ＡＩ実行中でないと判定された場合には後述するステップ１０５に進む。ステップ１０２においては、制御弁Ｖ０の開放時でかつ電動エアポンプ９の駆動時、つまりＡＩ実行時であるときの二次空気供給管２２の圧力Ｐｏｎが圧力センサ３３によって計測される。次いで、ステップ１０３に進み、圧力Ｐｏｎが所定の値Ｐ０よりも大きいか否か、つまりＰｏｎ＞Ｐ０であるか否かが判定される。ステップ１０３においてＡＩ実行時の圧力Ｐｏｎが所定の値Ｐ０よりも大きくないと判定された場合には、ステップ１０４に進んでＡＩ終了まで待機する。そして、ＡＩが終了すると、電動エアポンプ９が停止すると共に、上流側の制御弁Ｖ０および下流側の制御弁Ｖ１、Ｖ２が全て閉鎖され、二次空気の供給が停止される。

一方、ステップ１０３においてＡＩ実行時の圧力Ｐｏｎが所定の値Ｐ０よりも大きいと判定された場合には、ステップ１１４に進む。ステップ１１４においては、二次空気供給管２２内を通る二次空気の量が低下しているものと判断して処理を終了する。以下、この判断について説明する。前述したように二次空気は電動エアポンプ９を駆動することによって空気取入管２１、二次空気供給管２２、および分岐管２３ａ、２３ｂを通って触媒コンバータ５ａ、５ｂまで流れる。そして、この電動エアポンプ９は所定の上限電圧で動作するように設定されている。図３を参照して後述するように所定の値Ｐ０は空気取入管２１、二次空気供給管２２および分岐管２３ａ、２３ｂの内壁に堆積物が堆積していない場合に上限電圧で電動エアポンプ９を駆動してＡＩ実行したときの二次空気供給管２２内の圧力Ｐｊａｍ０であるか、またはこの圧力Ｐｊａｍ０に近くてこの圧力Ｐｊａｍ０以下の値である。このため、ＡＩ実行時に計測された圧力Ｐｏｎが所定の値Ｐ０よりも大きい場合には、空気取入管２１、二次空気供給管２２または分岐管２３ａ、２３ｂの内壁に堆積物が堆積しているために、これら管の配管抵抗が大きくなったものと推測できる。このため、ＡＩ実行時に計測された圧力Ｐｏｎが所定の値Ｐ０よりも大きい場合には、配管系の配管抵抗が増加したために二次空気配管系を流れる二次空気の流量は実際には小さくなっていると判断できる。

次いで、ステップ１０５においてはＡＩ実行時の圧力Ｐｏｎが計測されているか否か、つまり後述するように制御弁Ｖ０を閉鎖した状態で電動エアポンプ９を駆動させる締切り動作を行うための実行条件が成立しているか否かが判定される。ＡＩ実行時の圧力Ｐｏｎが既に計測されている場合にはステップ１０６に進む。また、圧力Ｐｏｎが計測されていない場合には後述するステップ１１１に進む。

ステップ１０６においては、電動エアポンプ９を駆動させる。なお、前述したようにステップ１０６に到達したときにはＡＩ処理は既に終了しているか、またはＡＩ処理をもともと行っていないかであるので、電動エアポンプ９を駆動させるときには上流側の制御弁Ｖ０および下流側の制御弁Ｖ１、Ｖ２の全てが閉鎖している。つまり、ステップ１０６においては制御弁Ｖ０を閉鎖した状態で電動エアポンプ９を駆動させている。次いで、ステップ１０７に進んで、電動エアポンプ９を駆動させてから所定の時間が経過したか否かを判断する。ステップ１０７における所定の時間とは電動エアポンプ９を安定した状態で駆動させるのに十分な時間のことを意味する。電動エアポンプ９が安定した状態で駆動していると判断できた場合にはステップ１０８に進む。なお、ステップ１０７において所定の時間が経過していない場合には後述するステップ１１１に進む。

ステップ１０８においては制御弁Ｖ０の閉鎖時でかつ電動エアポンプ９の駆動時において制御弁Ｖ０上流における二次空気供給管２２の締切り圧力Ｐｊａｍが圧力センサ３３によって計測される。制御弁Ｖ０を閉鎖している状態で電動エアポンプ９を駆動させているので、ステップ１０８において計測される締切り圧力Ｐｊａｍは、後述するように制御弁Ｖ０の開放時でかつ電動エアポンプ９の駆動時、つまりＡＩ実行時の圧力Ｐｏｎよりもかなり大きくなる。次いで、ステップ１０９に進み、ＡＩ実行時の圧力Ｐｏｎおよび締切り圧力Ｐｊａｍを用いてＡＩ実行時に実際に流れる二次空気の流量Ｑｊａｍを算出する。

図３は本発明の二次空気供給通路における二次空気の圧力と流量との関係を示す図である。図３においては縦軸は二次空気供給管２２における二次空気の流量Ｑを示しており、横軸は二次空気の圧力Ｐを示している。以下、図３を参照しつつ、ＡＩ実行時における二次空気の実際の流量Ｑｊａｍの算出について説明する。二次空気供給通路における二次空気の圧力Ｐと流量Ｑとの間には、図３において実線Ｘ０により示されるように概ね指数関数を描くような関係がある。つまり、流量Ｑは、圧力Ｐが高くなるほど指数関数的に増大している。ところが、二次空気供給管２２などの内壁に堆積物が堆積して配管抵抗が増大した場合には同じ圧力Ｐであっても流量Ｑは小さくなるので、圧力Ｐと流量Ｑとの間の関係は破線矢印Ｚ１の方向に移動するようになる。例えば、実線Ｘ０を二次空気供給管２２などの内壁に堆積物が堆積していない状態であるとすれば、堆積物が堆積するにつれて二次空気供給管２２等の配管抵抗は増加し、これにより、実線Ｘ０は破線矢印Ｚ１の方向に例えば破線Ｘ１まで変化するようになる。

一方、電動エアポンプ９を駆動しているときに制御弁Ｖ０による二次空気供給管２２の閉鎖度合いを変化させたときの電動エアポンプ９駆動時における流量Ｑを考えると、制御弁Ｖ０が完全に閉鎖している場合には圧力Ｐは最大となり、流量Ｑは零になる。そして、制御弁Ｖ０が完全に開放している場合には流量Ｑは最大となり、圧力Ｐは零に近付く。さらに、制御弁Ｖ０が半閉じの場合であれば、流量Ｑおよび圧力Ｐのそれぞれは前述した制御弁Ｖ０完全開放時と制御弁Ｖ０完全閉鎖時との中間に位置するようになる。従って、電動エアポンプ９を駆動しているときに制御弁Ｖ０を完全に開放した状態から完全に閉鎖した状態まで徐々に変化させる場合には、圧力Ｐと流量Ｑとの間には図３に示されるＰ−Ｑ特性曲線Ｙ０のような関係が得られる。ここで、Ｐ−Ｑ特性曲線Ｙ０とＸ軸線との間の交点は締切り圧力Ｐｊａｍ０、Ｐ−Ｑ特性曲線Ｙ０とＹ軸線との間の交点は流量Ｑｏｎ０である。このＰ−Ｑ特性曲線Ｙ０が電動エアポンプ９の経年劣化が見られないときに得られるＰ−Ｑ特性曲線であるとすると、Ｐ−Ｑ特性曲線Ｙ０とＸ軸線との間の交点Ｐｊａｍ０は制御弁Ｖ０閉鎖時に電動エアポンプ９を駆動させたときに得られる締切り圧力Ｐｊａｍの最大値である。また、Ｐ−Ｑ特性曲線Ｙ０とＹ軸線との間の交点の流量Ｑｏｎ０は制御弁Ｖ０全開時に電動エアポンプ９を駆動させたときに得られる流量Ｑｏｎの理論上の最大値である。なお、制御弁Ｖ０開放時における理論上の流量Ｑは図３に示される流量Ｑｏｎ０であるが、実際には配管系の圧損などが存在するので、二次空気供給管２２等において配管抵抗の増加が見られない場合であっても、圧力Ｐと流量Ｑとは実線Ｘ０で示されるような関係となっている。

ところで、公知であるように電動エアポンプ９は経年劣化によりその吐出能力が次第に低下する。電動エアポンプ９の吐出能力が低下していくと、制御弁Ｖ０閉鎖時の締切り圧力Ｐｊａｍおよび制御弁Ｖ０開放時の流量Ｑｏｎの両方はそれぞれ図３に示される締切り圧力Ｐｊａｍ０および流量Ｑｏｎ０よりも小さくなる。つまり、図３に示されるように、電動エアポンプ９の吐出能力が低下していくことによって、Ｐ−Ｑ特性曲線Ｙ０は実線矢印Ｚ２の方向に、例えば破線で示す別のＰ−Ｑ特性曲線Ｙ１まで次第に移動するようになる。

ここで、二次空気供給管２２等の配管抵抗の増加および電動エアポンプ９の吐出能力の低下の両方が発生していない場合、例えば二次空気供給装置３０の使用を開始してからほとんど時間が経過していない場合を考える。このときには、制御弁Ｖ０開放時に電動エアポンプ９を駆動することによってＡＩ実行時の圧力Ｐｏｎ０が得られ、次いで制御弁Ｖ０閉鎖時に電動エアポンプ９を駆動することによって締切り圧力Ｐｊａｍ０が得られるものとする。そして、締切り圧力Ｐｊａｍ０が得られることによって、二次空気供給管２２等の配管抵抗の増加および電動エアポンプ９の吐出能力の低下の両方が発生していない場合における締切り圧力Ｐｊａｍ０を通るＰ−Ｑ特性曲線Ｙ０が定まる。次いで、図３から分かるように、ＡＩ実行時の圧力Ｐｏｎ０を通る垂線とＰ−Ｑ特性曲線Ｙ０との交点Ｗ００のＹ座標から、ＡＩ実行時の実際の流量Ｑｊａｍ００が定められる。流量Ｑｊａｍ００は二次空気供給管２２等の配管抵抗の増加および電動エアポンプ９の吐出能力の低下の両方が発生していない場合におけるＡＩ実行時の流量Ｑであるので、流量Ｑｊａｍ００はＡＩ実行時に実際に得られうる最大の流量である。

次に、二次空気供給管２２等の配管抵抗は増加していないものの、電動エアポンプ９が経年劣化していて吐出能力が低下している場合を考える。この場合には、二次空気供給管２２等の配管抵抗は増加していないので、ＡＩ実行時の圧力Ｐｏｎは図３に示される圧力Ｐｏｎ０のままである。ところが、電動エアポンプ９の吐出能力が低下しているので、制御弁Ｖ０閉鎖時に電動エアポンプ９を駆動させるときの締切り圧力Ｐｊａｍは最大締切り圧力Ｐｊａｍ０よりも小さくなっており、例えば締切り圧力Ｐｊａｍは図３に示されるような締切り圧力Ｐｊａｍ１になる。そして、新たな締切り圧力Ｐｊａｍ１が得られたために、この締切り圧力Ｐｊａｍ１を通るＰ−Ｑ特性曲線Ｙ１が定まる。このＰ−Ｑ特性曲線Ｙ１は実験などにより予め求められた複数のＰ−Ｑ特性曲線Ｙから選択される。次いで、ＡＩ実行時の圧力Ｐｏｎ０を通る垂線とＰ−Ｑ特性曲線Ｙ１との交点Ｗ１０のＹ座標から、ＡＩ実行時の実際の流量Ｑｊａｍ１０が求められる。そして当然のことながら、電動エアポンプ９の吐出能力が低下しているときの実際の流量Ｑｊａｍ１０は流量Ｑｊａｍ００よりも小さくなっている。ここで、二次空気供給管２２等の配管抵抗は増加していないが、電動エアポンプ９が経年劣化していて吐出能力が低下している場合に従来技術の流量算出方法によれば、圧力Ｐｏｎ０およびＰ−Ｑ特性曲線Ｙ０から流量Ｑｊａｍ００が実際の流量として求まることになる。しかしながら、本発明においては電動エアポンプ９の吐出能力の低下を考慮しているので、従来技術の場合よりも正確なＡＩ実行時の流量Ｑｊａｍ１０を求めることができる。

さらに、電動エアポンプ９の吐出能力は変化していないものの、二次空気供給管２２等の内壁に堆積物が堆積していて配管抵抗が増加している場合を考える。電動エアポンプ９の吐出能力が変化していないので、締切り圧力Ｐｊａｍは最大締切り圧力Ｐｊａｍ０のままである。従って、締切り圧力Ｐｊａｍ０を通るＰ−Ｑ特性曲線Ｙ０が採用される。次いで、制御弁Ｖ０開放時でかつ電動エアポンプ９の駆動時、つまりＡＩ実行時には、配管抵抗が増加しているために圧力Ｐｏｎ０よりも大きい圧力、例えば圧力Ｐｏｎ１が得られる。なお、圧力Ｐｏｎ１は当然に最大締切り圧力Ｐｊａｍ０よりも小さい。そして、電動エアポンプ９の吐出能力が低下していないときのＰ−Ｑ特性曲線Ｙ０と圧力Ｐｏｎ１を通る垂線との交点Ｗ０１のＹ座標から、ＡＩ実行時の実際の流量Ｑｊａｍ０１が求められる。そして当然のことながら、流量Ｑｊａｍ０１は流量Ｑｊａｍ００よりも小さくなっている。なお、電動エアポンプ９の吐出能力は変化していないが、二次空気供給管２２等の内壁に堆積物が堆積していて配管抵抗が増加している場合に従来技術の流量算出方法によれば、所定の式を用いて圧力Ｐｏｎ１から流量Ｑが算出されるが、本発明においては二次空気供給管２２などの配管抵抗の増加を考慮しているので、従来技術の場合よりも正確な流量Ｑｊａｍ０１を求めることができる。

最終的に、二次空気供給管２２等の配管抵抗が増加していると共に電動エアポンプ９の吐出能力も低下している場合を考えると、前述したのと同様な理由からＡＩ実行時の圧力Ｐｏｎは圧力Ｐｏｎ０よりも大きい圧力、例えば圧力Ｐｏｎ１が得られ、また締切り圧力Ｐｊａｍは最大締切り圧力Ｐｊａｍ０よりも小さい圧力、例えば締切り圧力Ｐｊａｍ１が得られる。前述した場合と同様に、締切り圧力Ｐｊａｍ１を通るＰ−Ｑ特性曲線Ｙ１と圧力Ｐｏｎ１を通る垂線との交点Ｗ１１のＹ座標から、ＡＩ実行時の実際の流量Ｑｊａｍ１１が算出される。当然のことながら、二次空気供給管２２等の配管抵抗が増加していると共に電動エアポンプ９の吐出能力も低下している場合の流量Ｑｊａｍは図３に示される流量Ｑｊａｍ００、流量Ｑｊａｍ０１および流量Ｑｊａｍ１０よりも小さくなっている。前述した場合と同様に、本発明においては電動エアポンプ９の吐出能力の低下と二次空気供給管２２などの配管抵抗の増加とを考慮しているので、従来技術の場合よりも正確な流量Ｑｊａｍ１１を求めることができる。

以上、締切り圧力Ｐｊａｍがポンプの吐出能力低下により締切り圧力Ｐｊａｍ１まで低下した場合、および／またはＡＩ実行時における圧力Ｐｏｎが二次空気供給管２２の配管抵抗増加により圧力Ｐｏｎ１まで増加した場合について説明したが、締切り圧力Ｐｊａｍおよび圧力Ｐｏｎは電動エアポンプ９の吐出能力の低下度合いおよび／または二次空気供給管２２の配管抵抗の増加度合いに応じて異なり、そのたびに異なるＰ−Ｑ特性曲線Ｙが使用されることは明らかである。従って、図３においては流量Ｑｊａｍ０１、流量Ｑｊａｍ１０、流量Ｑｊａｍ１１の順番で流量が小さくなっているが、電動エアポンプ９の吐出能力の低下度合いおよび／または配管抵抗の増加の度合いによってはこれら流量の大きさの順番が変わる場合もある。

このように本発明においては、制御弁Ｖ０閉鎖時でかつ電動エアポンプ９の駆動時に得られる締切り圧力Ｐｊａｍによって電動エアポンプ９の吐出能力の低下度合いが判断され、また、制御弁Ｖ０開放時でかつ電動エアポンプ９の駆動時、つまりＡＩ実行時に得られる圧力Ｐｏｎと締切り圧力Ｐｊａｍとによって二次空気供給管２２の配管抵抗の増加度合いが判断された上でＡＩ実行時の実際の流量Ｑｊａｍを算出している。このため、これら二つの要素（電動エアポンプ９の吐出能力の低下度合いおよび二次空気供給管２２の配管抵抗の増加度合い）を考慮していない従来技術の場合よりも正確にＡＩ実行時の実際の流量Ｑｊａｍを算出することが可能になる。

また、図３を参照して説明したように予め求めたＰ−Ｑ特性曲線Ｙ、例えばＰ−Ｑ特性曲線Ｙ１に基づいて流量Ｑｊａｍを算出してもよいが、例えば図４に示されるようにＡＩ実行時の実際の流量ＱｊａｍをＡＩ実行時の圧力Ｐｏｎおよび締切り圧力Ｐｊａｍの関数としてマップの形でＲＯＭに記憶させるようにしてもよい。この場合には、前述したような演算を行うことなしに、ＡＩ実行時の実際の流量Ｑｊａｍを直接的に求めることができる。

再び図２を参照すると、ステップ１０９において流量Ｑｊａｍを求めた後にステップ１１０に進んで、電動エアポンプ９を停止させる。なお、電動エアポンプ９はステップ１０８において締切り圧力Ｐｊａｍを計測した後に停止させてもよい。次いで、ステップ１１１に進み、流量Ｑｊａｍが算出されているか否か、つまり実際の流量Ｑｊａｍを判定できる実行条件が成立しているか否かが判定される。流量Ｑｊａｍが算出されている場合にはステップ１１２に進み、算出されていない場合には処理を終了する。

ステップ１１２においては、ＡＩ実行時の流量Ｑｊａｍが所定の流量Ｑ０よりも大きいか否か、つまりＱｊａｍ＞Ｑ０であるか否かが判定される。ここで、所定の流量Ｑ０は、二次空気供給管２２等の配管抵抗の増加および電動エアポンプ９の吐出能力の低下の両方が発生していない場合の流量Ｑｊａｍ００よりも小さくて流量Ｑｊａｍ００に比較的近い値であるか、または所定の流量Ｑ０が流量Ｑｊａｍ００に等しい値でありうる。ステップ１１２において流量Ｑｊａｍが所定の流量Ｑ０よりも大きいと判定された場合にはステップ１１３に進み、二次空気の流量は正常であると判断して処理を終了する。この場合には、算出された流量Ｑｊａｍが流量Ｑｊａｍ００よりは小さい事態でありうるが、配管抵抗の増加および／または電動エアポンプ９の吐出能力の低下は無視できるものとして正常判断を行う。

一方、ステップ１１２において流量Ｑｊａｍが所定の流量Ｑ０よりも大きくないと判定された場合には、ステップ１１４に進み、配管抵抗の増加および／または電動エアポンプ９の吐出能力の低下が発生しているために、二次空気の流量は低下しているものと判断して処理を終了する。

なお、締切り圧力Ｐｊａｍは制御弁Ｖ０閉鎖時でかつ電動エアポンプ９駆動時に計測されるので、計測時には制御弁Ｖ０および電動エアポンプ９に過大な負荷がかかりうる。このため、締切り圧力Ｐｊａｍを頻繁に測定するような場合には制御弁Ｖ０および電動エアポンプ９が破損することもありうるが、図２のステップ１０３で圧力ＰｏｎがＹＥＳ判定された場合には締切り圧力Ｐｊａｍを計測する必要はないので、前述したような負荷が制御弁Ｖ０および電動エアポンプ９にかかるのを避けることができる。なお、図２に示されるフローチャートにおいてはステップ１０３でＮＯ判定されると、二次空気の流量が低下していると判断して処理を終了しているが、ステップ１０３でＮＯ判定された後に、ステップ１０７に進んで、ＡＩ実行時の実際の流量Ｑｊａｍを算出した上で改めてステップ１１２において流量Ｑｊａｍが低下しているか否かの判定をするようにしてもよい。このような場合であっても、本発明の範囲に含まれるのは明らかである。

図１を参照して本発明の二次空気供給装置３０について説明したが、二次空気供給装置３０を搭載できる内燃機関は図１に示されるような左右両バンクに分けられる多気筒Ｖ型ガソリンエンジンに限定されない。図５は、本発明の二次空気供給装置を搭載可能な他の内燃機関を示す図である。図５に示されるように、この場合の内燃機関１は単一のバンクとなる構成であり、吸気管３から延びる吸気マニホルド３ｄが内燃機関１の一側に接続されていると共に排気マニホルド４が内燃機関１の他側に接続されている。図５における二次空気供給装置３０’は空気取入管２１と電動エアポンプ９と二次空気供給管２２とを備えており、二次空気供給管２２には圧力センサ３３と制御弁Ｖ０とが上流側から順番に設けられている。さらに、二次空気供給管２２には制御弁Ｖ３が制御弁Ｖ０の下流に設けられており、二次空気供給管２２は内燃機関１の排気管７に接続している。図示されるように排気管７には酸化機能を有する触媒を担持した触媒コンバータ５が設けられており、Ｏ_２センサ６、１６が触媒コンバータ５の上流および下流に設けられている。なお、図５においては理解を容易にするためにＥＣＵ４０を省略している。図５に示されるような構成の内燃機関１および二次空気供給装置３０’の場合であっても、下流側の制御弁Ｖ３を開放しつつ上流側の制御弁Ｖ０を閉鎖した状態で電動エアポンプ９を駆動することにより締切り圧力Ｐｊａｍを計測し、また下流側の制御弁Ｖ３および上流側の制御弁Ｖ０を開放した状態で電動エアポンプ９を駆動することにより圧力Ｐｏｎを計測できるので、このような内燃機関の場合であっても、図２を参照して前述した動作ルーチン１００からＡＩ実行時の実際の流量Ｑｊａｍを正確に算出することが可能となる。

また、前述したように動作ルーチン１００は、下流側の制御弁Ｖ１、Ｖ２（図１を参照されたい）、および制御弁Ｖ３（図５を参照されたい）が開放している状態で行われるために、これら制御弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３が設けられていない場合であっても二次空気供給装置３０の動作ルーチン１００が実施可能であるのは明らかであり、このような場合も本発明の範囲に含まれる。

本発明に基づく二次空気供給装置を示す概略図である。本発明に基づく二次空気供給装置の動作ルーチンを示すフローチャートである。本発明の二次空気供給通路における二次空気の圧力と流量との関係を示す図である。ＡＩ実行時の実際の流量Ｑｊａｍのマップを示す図である。本発明の二次空気供給装置を使用可能な他の内燃機関を示す図である。

符号の説明

１…内燃機関
５ａ、５ｂ…触媒コンバータ
７ａ、７ｂ…排気管
９…電動エアポンプ
２１…空気取入管
２２…二次空気供給管
２３ａ、２３ｂ…分岐管
３０、３０’…二次空気供給装置
Ｐｊａｍ…締切り圧力
Ｐｏｎ…ＡＩ実行時の圧力
Ｑｊａｍ…ＡＩ実行時の実際の流量
Ｖ０…制御弁

Claims

内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置よりも上流側に二次空気を供給する二次空気供給通路と、前記二次空気供給通路に二次空気を供給するポンプと、前記ポンプの下流に設けられていて前記二次空気供給通路を開閉する開閉手段と、前記ポンプと前記開閉手段との間に設けられていて前記二次空気供給通路の圧力を測定する圧力センサとを有する二次空気供給装置の流量算出方法において、
前記開閉手段の開放時でかつ前記ポンプの駆動時に前記圧力センサにより前記二次空気供給通路における第一の圧力を計測し、
前記開閉手段の閉鎖時でかつ前記ポンプの駆動時に前記圧力センサにより前記二次空気供給通路における第二の圧力を計測し、
前記開閉手段の開放時でかつ前記ポンプの駆動時に前記二次空気供給通路を流れる二次空気の流量を前記第一の圧力および前記第二の圧力を用いて算出する二次空気供給装置の流量算出方法。
さらに、算出された前記二次空気の流量が所定の値よりも小さい場合には、前記二次空気の流量が低下していると判断するようにした請求項１に記載の二次空気供給装置の流量算出方法。
さらに、前記第一の圧力が所定の値よりも大きい場合には、前記二次空気の流量が低下していると判断するようにした請求項１または２に記載の二次空気供給装置の流量算出方法。
前記第一の圧力が所定の値よりも大きい場合には、前記二次空気供給通路を流れる二次空気の流量が低下していると判断する、請求項１に記載の二次空気供給装置の流量算出方法。