JP4241211B2

JP4241211B2 - ２次空気供給装置

Info

Publication number: JP4241211B2
Application number: JP2003174815A
Authority: JP
Inventors: 重正広岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-06-19
Filing date: 2003-06-19
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2023-06-19
Also published as: DE102004028861B4; JP2005009412A; DE102004028861A1; US20040255876A1; US7107762B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気系に配置される排気浄化装置の上流側に２次空気を供給する２次空気供給装置に関し、特に、その構成部品の異常検出が可能な２次空気供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気浄化装置として、排気系に三元触媒を配置し、排気ガス中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ成分を低減して浄化を図る装置が知られている。さらに、排気管に接続された開閉弁を有する２次空気供給通路にエアポンプから空気を圧送することで、排気管内に２次空気を供給して酸素濃度を高くして、排気ガス中のＨＣ、ＣＯを酸化させることにより排気ガスの浄化を促進する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この技術では、２次空気の供給を過不足なく行うために、エンジン停止時のエンジン冷却水温と始動時の冷却水温の差からエンジン停止時から始動時までの停止時間の長短を判定し、停止時間が短いと判定した場合には、始動時の冷却水温と吸気温との温度差に応じて、２次空気供給系の作動時間を調整するものである。
【０００４】
これにより、停止時間が短く、触媒温度が高い状態では２次空気供給系の作動時間を短くすることで、触媒の過熱を抑制し、適切な活性化を行うことができると記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２４０４３４号公報（段落００１８〜００３０、図３、図７〜図９）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、冷却水温の上昇に比べて触媒温度の上昇のほうが早く、水温が比較的低くとも触媒がすでに活性化済みである場合がある。このような場合に、２次空気供給系の作動時間が長いと、触媒の過熱やエアポンプの連続運転による損傷を招く可能性がある。
【０００７】
そこで本発明は、このように水温が比較的低い状態であっても触媒の過熱を抑制して、適切な活性化を行うことができる２次空気供給装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る２次空気供給装置は、内燃機関の排気系の排気浄化装置より上流側に２次空気を供給する２次空気供給手段と、機関冷却水温を検出する冷却水温検出手段と、吸気温を検出する吸気温検出手段と、所定の２次空気供給条件に応じて２次空気供給手段を作動させる供給制御手段と、を備える２次空気供給装置において、２次空気供給手段の作動時間を積算し記憶するとともに、２次空気供給手段を作動させる前の時点で検出した冷却水温と吸気温の差が第１の所定値以下の場合には保持している積算値をリセットする積算手段をさらに備え、供給制御手段は、積算手段の積算値が所定の上限値に達した場合には、２次空気供給手段の作動を停止させることを特徴とする。
【０００９】
吸気温は環境条件であり、機関の運転状態には左右されない。これに対して、冷却水温は前回の機関停止から十分に時間が経過しているときには、吸気温に略一致するが、機関停止から十分に時間が経過していない場合には、その温度低下は小さく、吸気温との差が大きくなる。つまり、冷却水温と吸気温の差から機関停止から時間が経過しているか否かを判定することができる。そして、このように機関停止から時間が経過していないと判定した場合には、記憶していた作動時間の積算結果から積算を開始することにより、２次空気供給装置の作動時間を制限することにより、過剰な２次空気供給を抑制して排気浄化触媒を適切に活性化することができる。
【００１０】
この積算手段は、２次空気供給手段の停止後の冷却水温が所定温度以上の場合、または、停止後の冷却水温と吸気温の偏差が第１の所定値より大きい第２の所定値を超える場合には、保持している積算値をリセットするとよい。このような場合には暖機完了と推定されるため、積算値をリセットすることで、暖機中の状態との識別を可能とする。
【００１１】
積算手段は、２次空気供給手段の停止後、所定時間以上経過した場合には、保持している積算値をリセットするとよい。これにより、繰り返し始動時との識別を可能とする。
【００１２】
積算手段は、検出した冷却水温と吸気温の差が第１の所定値以下の場合でも、２次空気供給装置の作動中に機関が停止させられた場合には、積算値を記憶して保持することが好ましい。供給作動中に機関が停止させられた場合には、積算値を記憶して保持することで、次回始動時の２次空気供給装置の作動時間が短縮され、２次空気の過供給、エアポンプの作動時間の短縮を図ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
【００１４】
図１は、本発明に係る２次空気供給装置の故障診断装置を含む２次空気供給装置を搭載した内燃機関の構成を示す概略図である。この２次空気供給装置１は、内燃機関である多気筒ガソリンエンジン（以下、単にエンジンと呼ぶ。）２に取り付けられるものである。このエンジン２は、４サイクルエンジンである。ここで、エンジン２には吸気管２０と排気管２１とが取り付けられており、吸気管２０には、スロットル２４が配置され、吸気フィルタ２５に接続されている。吸気フィルタ２５とスロットル２４の間には、空気量（一次空気量）を測定するためのエアフローメータ２６が配置されている。また、冷却水温を測定する水温計２８と、吸気温度を測定する吸気温計２９も配置される。一方、排気管２１下流には、３元触媒からなる排気浄化装置２２が配置されており、排気浄化装置２２の上流と下流の双方に排気中の酸素濃度を検知するためのＯ₂センサ３１、３２が配置されている。なお、Ｏ₂センサに代えて、Ａ／Ｆセンサ、リニアＯ₂センサを用いてもよい。また、エンジン２には、その回転数Ｎｅを検出する回転数センサ２７が取り付けられ、その出力は、エアフローメータ２６、水温計２８、吸気温計２９の出力とともにエンジンＥＣＵ２３に入力されている。
【００１５】
２次空気供給装置１は、吸気管２０の吸気フィルタ２５とスロットル２４との間の位置と排気管２１のエンジン２と上流側Ｏ₂センサ３１との間を接続する２次空気供給通路１１を備えており、この２次空気供給通路１１上に吸気管２０側から電気モータ駆動式のエアポンプ（ＡＰ）１２、エアスイッチングバルブ（ＡＳＶ）１３、逆止弁であるリード弁（ＲＶ）１４が配置される。そして、ＡＰ１２とＡＳＶ１３との間に圧力センサ１５が配置されている。このＡＳＶ１３には、吸気管２０のスロットル２４下流から延びる配管１６が接続されており、この配管１６上には三方弁１７が配置されている。三方弁１７の他のポートは、配管１８、フィルタ１９を介して外気へと接続されている。なお、ＡＳＶ１３と三方弁１７の組み合わせに代えて、ＡＳＶ１３部分に直接、電磁弁を使用することもできる。
【００１６】
２次空気供給装置１の動作を制御する制御装置１０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ等で構成されており、エンジンを制御するエンジンＥＣＵ２３と相互に情報をやりとりできるよう接続されているほか、圧力センサ１５、Ｏ₂センサ３１、３２の出力信号が入力されるとともに、ＡＰ１２のモータ駆動と三方弁１７の開閉を制御する。なお、制御装置１０は、エンジンＥＣＵ２３の一部をなしていてもよい。この制御装置１０は、本発明に係る故障診断装置を含んでいる。なお、故障診断部を制御装置１０から独立させることも可能であり、また、別のシステム、例えば、車両の故障診断装置に組み込んでもよい。
【００１７】
この２次空気供給装置１は、所定の条件、例えば、冷間始動時等の燃料濃度が高く、空燃比（Ａ／Ｆ）が小さく、かつ、排気浄化装置２２が充分に昇温しておらずその機能が充分に発揮されにくい状態において、２次空気供給制御（以下、ＡＩ制御と称する。）を実行する。以下、その制御形態の具体例を説明する。
【００１８】
図２、図３は、第１の制御形態を示すフローチャートである。図２は、そのメイン処理のフローチャートであり、図３は、その中のＡＩ実行条件判定処理を示すフローチャートである。図２のメイン処理は、制御装置１がエンジンＥＣＵ２３と協働して車両の電源がオンにされてからオフにされるまでの間、所定のタイミングで繰り返し実行されるものであり、図３の処理は図２の処理から呼び出されて実行される。
【００１９】
最初に、車両のイグニッション（ＩＧ）スイッチがオン状態か否かを判定する（ステップＳ１）。ＩＧスイッチがオフの場合には、その後の処理をスキップして処理を終了する。ＩＧスイッチがオンの場合には、次に、エンジン２の始動後か否かを判定する（ステップＳ３）。
【００２０】
始動前の場合には、ステップＳ５へと移行し、水温計２８で測定した始動時水温thwstと吸気温計２９で測定した始動時吸気温thastを読み込む。そして、両者の差の絶対値としきい値Ａとを比較する（ステップＳ７）。始動時水温thwstと始動時吸気温thastとの差の絶対値がしきい値Ａを超えている場合には、その後の処理をスキップして処理を終了する。始動時水温thwstと始動時吸気温thastとの差の絶対値がしきい値Ａ以下の場合には、ＡＩ実行積算時間caionsumをクリアして０にする（ステップＳ９）。
【００２１】
そして、このＡＩ実行積算時間caionsumを、制御装置１０またはその外部の不揮発性のメモリあるいは記憶媒体からなる記憶手段内に変数CAIONSUMとして格納することで記憶して（ステップＳ２５）処理を終了する。この変数CAIONSUMは、車両の電源がオフにされた状態でもその値が保持される。この記憶手段と制御装置１０により本発明に係る積算手段が構成される。
【００２２】
ステップＳ３で、エンジン２の始動後と判定された場合には、ステップＳ１１へと移行し、記憶手段内に変数CAIONSUMとして格納されているＡＩ実行積算時間を変数caionsumに読み込む。そして、ＡＩ実行条件を判定する（ステップＳ１１）。
【００２３】
このＡＩ実行条件判定処理は、図３に示されるようにステップＳ４１〜Ｓ４９の５つの条件について判定を行い、全ての条件が満たされた場合に、ＡＩ実行条件が満たされたとしてステップＳ５１でＡＩ実行フラグＸＡＩをオンにセットし、いずれかの条件が満たされない場合には、ステップＳ５３でＡＩ実行フラグＸＡＩをオフにセットして処理を終了する。ステップＳ４１〜Ｓ４９の条件判定順序は図示した順序に限られるものではなく、順序を変更してもよいし、同時に行ってもよい。
【００２４】
具体的な条件は、（１）始動時水温thwstがTHWLを超え、THWH未満の所定の範囲内にあること（ステップＳ４１）、（２）エンジン２の始動後の経過時間がしきい値Ｔを超えていること（ステップＳ４３）、（３）ＡＩ制御の継続時間であるＡＩ実行時間caionがしきい値TAI未満であること（ステップＳ４５）、（４）ＡＩ実行積算時間caionsumがしきい値TSUM未満であること（ステップＳ４７）、（５）供給した空気量の積算値がしきい値Gasum未満であること（ステップＳ４９）である。
【００２５】
このうち、（１）（２）は、ＡＩ制御を開始判定条件であって、（１）は、冷間始動の判定条件であり、（２）は、ＡＩ制御をエンジン２が確実に始動してから行うための条件であり、（３）〜（５）は、ＡＩ制御の終了判定条件であって、いずれも過供給を抑制するための条件である。ここで、TSUM≧TAIに設定される。
【００２６】
判定結果設定後は図２に示されるステップＳ１５へと移行してＸＡＩの値により分岐処理を行う。ＸＡＩがオン、つまり、ＡＩ実行条件が満たされていると判定された場合には、ステップＳ１７へと移行してＡＩ供給を行う。具体的には、三方弁１７を制御して、配管１６を吸気管２０へと連通させることにより、吸気管２０内の負圧をＡＳＶ１３に導いて、ＡＳＶ１３を開制御するとともに、ＡＰ１２を駆動させる。これにより、エアフィルタ２５を通過した空気の一部が２次空気供給通路１１を介して排気管２１内へと導かれる。この結果、排気中の酸素濃度が上昇し、そのＡ／Ｆが上がり、排気中のＨＣ、ＣＯの排気管２１における２次燃焼が促されて排気の浄化が図られるとともに、排気温度が上昇することにより排気浄化装置２２の３元触媒の昇温が促進されてエミッションの悪化が抑制される。
【００２７】
ＡＩ供給制御後は、ＡＩ停止時間caioffを０にクリアし（ステップＳ１９）、ＡＩ実行時間caionにタイムステップΔｔを加算するとともに（ステップＳ２１）、ＡＩ実行積算時間caionsumにもタイムステップΔｔを加算した（ステップＳ２３）後、このＡＩ実行積算時間caionsumを記憶手段内に変数CAIONSUMとして格納して（ステップＳ２５）処理を終了する。
【００２８】
一方、ＸＡＩがオフ、つまり、ＡＩ実行条件が満たされていない（ＡＩ開始条件が満たされていない場合とＡＩ終了条件が満たされたときのいずれかに該当する場合）と判定されたときには、ステップＳ２７に移行して、ＡＩ供給を停止する。具体的には、三方弁１７を制御して、配管１６を配管１８側へと連通させることにより、フィルタ１９を通過した外気をＡＳＶ１３に導いて、ＡＳＶ１３を閉制御するとともに、ＡＰ１２の駆動を停止させる。これにより、２次空気供給通路１１から排気管２１内への２次空気供給が遮断される。
【００２９】
ＡＩ供給停止後は、ＡＩ実行時間caionを０にクリアし（ステップＳ２９）、ＡＩ停止時間caioffにタイムステップΔｔを加算する（ステップＳ３１）。そして、求めたＡＩ停止時間caioffをしきい値αと比較する（ステップＳ３３）。ＡＩ停止時間caioffがしきい値α未満でＡＩ供給停止から間がないと判定した場合には、ステップＳ３５へと移行して現在のエンジン冷却水温をしきい値βと比較する。エンジン冷却水温がしきい値β未満の場合には、暖機が十分には完了していないと見てそのまま処理を終了する。この場合には、記憶手段内に格納されているＡＩ実行積算時間CAIONSUMの値は保持されることになる。
【００３０】
一方、ステップＳ３３でＡＩ停止時間caioffがしきい値α以上であり、停止から十分な時間が経過したと判定された場合と、ステップＳ３３でエンジン冷却水温がしきい値β以上であり、暖機が十分に完了したと判定された場合には、ステップＳ９へと移行し、ＡＩ実行積算時間caionsumを０にリセットした後、このＡＩ実行積算時間caionsumを記憶手段内に変数CAIONSUMとして格納して（ステップＳ２５）処理を終了する。これにより、記憶手段内に格納されているＡＩ実行積算時間CAIONSUMの値は０にリセットされる。
【００３１】
２次空気供給制御において、このようにＡＩ実行時間のほか、停止時間や積算時間を用いた制御を行うことで、ＡＩ停止後にエンジン冷却水温が所定温度に達していない場合やＡＩ停止から間がない時点では、ＡＩ実行時間を積算して保持しておき（ステップＳ３３、Ｓ３５）、このＡＩ実行時間が所定時間以上の場合にはＡＩ供給を停止する（ステップＳ４７→Ｓ５３）ことで２次空気の過供給を抑制し、触媒の過熱を抑えるとともに適切な活性化を図る。また、エアポンプの断続的な連続運転を抑制するので、その損傷を効果的に防止できる。
【００３２】
ここでは、水温と吸気温の偏差を始動時に計算する例を説明したが、偏差は始動時に計算するのではなく、２次空気供給停止時から供給開始前（２次空気供給装置の作動開始）までの時点のうち作動時に近い作動前の時点で検出すれば、水温と吸気温の偏差からＡＩ停止後十分に時間が経っていることを判定できる。したがって、車両の電源がオンにされた時点やエンジン始動直後に測定を行ってもよい。
【００３３】
次に、図４に示されるフローチャートを参照して第２の制御形態を説明する。この第２の制御形態は第１の制御形態にいくつかの処理を追加することにより、ＡＩ制御状態の履歴を利用するようにしたものである。
【００３４】
具体的には、ステップＳ２５終了後およびステップＳ３５でエンジン冷却水温がしきい値β未満と判定された場合にすぐに処理を終了するのではなく、現在のＡＩ制御状態を示すフラグ値ＸＡＩをＡＩ状態の前回値であるXAIOLDに格納して（ステップＳ２６）処理を終了する。
【００３５】
また、第１の制御形態では、ステップＳ１でＩＧキーがオフと判定された場合には、そのまま処理を終了したが、本制御形態では、ステップＳ２へと移行し、このＡＩ状態の前回値XAIOLDの値を調べる。判定したXAIOLDの値に応じてＡＩ状態履歴XAIHISの値をこれと合致するよう設定した（ステップＳ４、Ｓ６）後、設定したXAIHISの値を変数CAIONSUMの場合と同様に記憶手段内に格納して（ステップＳ８）処理を終了する。これにより、エンジン停止時点におけるＡＩ制御状態がＡＩ状態履歴XAIHISに格納され、車両のエンジンスイッチがオフにされた場合でも保持される。
【００３６】
ＩＧスイッチがオンの場合の処理は基本的に第１の制御形態と同一であるが、エンジン停止中でステップＳ７において、始動時水温thwstと始動時吸気温thastとの差の絶対値がしきい値Ａ以下の場合は、直接ステップＳ９に移行するのではなく、ステップＳ１０へと移行してＡＩ状態履歴XAIHISがオフの場合にのみステップＳ９へと移行し、ＡＩ状態履歴XAIHISがオンの場合には、ステップＳ９、Ｓ２５、Ｓ２６の処理をスキップして終了することにより、ＡＩ実行積算時間CAIONSUMの値をクリアせず前回値のまま維持する。
【００３７】
このようにＡＩ実行中にエンジン２が停止された場合には、次回始動時にエンジン冷却水温と吸気温との差が小さい場合でもＡＩ実行積算時間値をクリアせず、前回の積算値からさらに積算を行うことで、ＡＩ制御の断続的な実行を抑制し、過供給による触媒２２の劣化やＡＰ１２の損傷を防止する。
【００３８】
図５は、この第２の制御形態を実行した場合のエンジン始動状態、ＡＩ制御フラグＸＡＩ、ＡＩ状態履歴XAIHIS、ＡＩ実行時間caion、ＡＩ実行積算時間CAIONSUM、水温、吸気温の時間変化例を示すタイミングチャートである。
【００３９】
図に示されるように本制御形態によれば、ＡＩ作動中にエンジンを停止させたような場合（時刻t₁〜t₂）や水温と吸気温の差が所定温度以上の場合（時刻t₃〜t₄）には、ＡＩ実行積算時間CAIONSUMの値を保持して、その後のＡＩ作動時に保持した値から積算を行うことで、断続的なＡＩ作動時にＡＩ作動時間が長時間に及ぶのを防止する。これにより、過供給による触媒２２の劣化やＡＰ１２の損傷を防止する。
【００４０】
ここでは、ステップＳ３５では、水温をしきい値と比較したが、冷却水温と吸気温の偏差をしきい値Ａ（第１の所定値）より大きなしきい値Ｃ（第２の所定値）と比較し、しきい値Ｃより大きい場合に、暖機が十分に進んだとみて積算時間をクリアしてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、２次空気供給の積算時間をカウントし、冷却水温と吸気温の差が第１の所定値を超える場合には積算値を記憶して保持し、積算値が所定値に達したら２次空気供給の作動を停止することにより過供給を抑制して、触媒の過熱やエアポンプの過負荷発生を抑制し、触媒の適切な活性化を図ることができる。
【００４２】
さらに、２次空気供給停止後の冷却水温が所定以上の場合や、冷却水温と吸気温の差が第２の所定値以上の場合、供給停止後所定時間以上経過した場合には積算値をリセットすることでさらに適切な活性化と触媒の過熱やエアポンプの過負荷発生の抑制が可能となる。
【００４３】
そして、冷却水温と吸気温の差が第１の所定値以下の場合でも、２次空気供給中にエンジンを停止させた場合には積算値のリセットを行わずその値を保持すれば、エアポンプの断続的な連続運転が抑制されるのでその損傷を防止する効果がより高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る２次空気供給装置を搭載した内燃機関の構成を示す概略図である。
【図２】図１の装置の第１の制御形態の処理を示すフローチャートである。
【図３】図２の処理中のＡＩ実行判定処理を示すフローチャートである。
【図４】図１の装置の第２の制御形態の処理を示すフローチャートである。
【図５】図４の制御時の車両状態量、制御量の変化を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…２次空気供給装置、２…エンジン、１０…制御装置、１１…２次空気供給通路、１２…エアポンプ（ＡＰ）、１３…エアスイッチングバルブ（ＡＳＶ）、１４…リード弁（ＲＶ）、１５…圧力センサ、１６…配管、１７…三方弁、１８…配管、１９…フィルタ、２０…吸気管、２１…排気管、２２…排気浄化装置、２３…エンジンＥＣＵ、２４…スロットル、２５…吸気フィルタ、２６…エアフローメータ、２７…回転数センサ、２８…水温計、２９…吸気温計、３１、３２…Ｏ₂センサ。

Claims

内燃機関の排気系の排気浄化装置より上流側に２次空気を供給する２次空気供給手段と、機関冷却水温を検出する冷却水温検出手段と、吸気温を検出する吸気温検出手段と、所定の２次空気供給条件に応じて前記２次空気供給手段を作動させる供給制御手段と、を備える２次空気供給装置において、
前記２次空気供給手段の作動時間を積算し記憶するとともに、前記２次空気供給手段を作動させる前の時点で検出した冷却水温と吸気温の差が第１の所定値以下の場合には保持している積算値をリセットする積算手段をさらに備え、
前記供給制御手段は、前記積算手段の積算値が所定の上限値に達した場合には、前記２次空気供給手段の作動を停止させることを特徴とする２次空気供給装置。
前記積算手段は、前記２次空気供給手段の停止後の冷却水温が所定温度以上の場合、または、停止後の冷却水温と吸気温の偏差が前記第１の所定値より大きい第２の所定値を超える場合には、保持している積算値をリセットすることを特徴とする請求項１記載の２次空気供給装置。
前記積算手段は、前記２次空気供給手段の停止後、所定時間以上経過した場合には、保持している積算値をリセットすることを特徴とする請求項１または２に記載の２次空気供給装置。
前記積算手段は、検出した冷却水温と吸気温の差が第１の所定値以下の場合でも、前記２次空気供給装置の作動中に機関が停止させられた場合には、前記積算値を記憶して保持することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の２次空気供給装置。