JP4561446B2 - 内燃機関の二次エア供給制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の二次エア供給制御装置に関するものである。

内燃機関の排気管には、排気を浄化するための触媒等の排気浄化装置が設けられており、この排気浄化装置の浄化効率を向上させるべく、排気浄化装置の上流側に二次エアを供給する技術が従来から提案されている。具体的には、内燃機関の排気管に二次エア配管が接続され、その二次エア配管の上流部にエアポンプが設けられている。また、二次エア配管においてエアポンプよりも下流側には当該二次エア配管を開閉するための開閉弁が設けられている。そして、例えば内燃機関の始動時において、エアポンプが駆動されるとともに開閉弁が開放されて排気管に二次エアが供給される。

また、排気管から二次エア配管に高温の排気が逆流してくると、排気熱によって二次エア配管やエアポンプ等で損傷が生じるおそれがある。そこで、二次エア配管には逆止弁が設けられている（例えば特許文献１参照）。つまり、二次エアの供給時には二次エアの供給圧により逆止弁が開放されて排気管に対して二次エアが供給される。一方、二次エア配管内の圧力よりも排気管内の圧力が大きくなった場合には逆止弁が閉鎖され、排気の逆流が防止されるようになっていた。

しかしながら、逆止弁の故障等により正常に働かなくなると、排気の逆流を防ぐことができなくなる。故に、高温の排気が二次エア配管の上流部に流れ込み、エアポンプ等の損傷を招くおそれがあった。
特開２００４−７６５９１号公報

本発明は、排気の逆流を好適に防ぎ、ひいては二次エア供給装置の保護を図ることができる内燃機関の二次エア供給制御装置を提供することを主たる目的とするものである。

本発明において、二次エア供給装置は、二次エア通路、開閉弁及びエアポンプを有しており、該二次エア供給装置により排気通路に二次エアが供給される。そして特に、二次エア供給時において、排気通路から二次エア通路への排気の逆流が生じる状態であるかどうかを判定し、排気逆流が生じる状態であると判定された場合に開閉弁を閉鎖する。かかる構成によれば、仮に二次エア通路に設けられた逆流防止用の逆止弁が故障した場合であっても、又は二次エア通路に逆止弁が設けられていない場合であっても、排気通路から二次エア通路への排気逆流が防止できる。これにより、二次エア供給装置の保護を図ることができる。
さらに、二次エア供給時に、エアポンプの吐出圧力と二次エア通路内の圧力との差圧が所定値よりも小さい場合に、排気通路から二次エア通路への排気の逆流が生じる状態であると判定すると良い。
そして、二次エア通路内の圧力を検出する圧力センサを備え、二次エア通路内の圧力は、二次エア供給中において圧力センサによって随時検出されるといった構成や、エアポンプの吐出圧力は、エアポンプが作動しかつ開閉弁が閉鎖した状態において圧力センサによって検出されるといった構成を採用することができる。

本発明のより具体的な実現手段として、排気通路内の圧力又はそれに相関する物理量を検知し、その排気通路内の圧力又はそれに相関する物理量を判定パラメータとして排気逆流が生じる状態であるかどうかを判定すると良い。例えば、排気通路内の圧力が所定値よりも大きい場合に、排気逆流が生じる状態であると判定し、前記開閉弁を閉鎖する。

また、排気通路内の圧力とエアポンプから吐出される二次エアの圧力との相対的な圧力関係によって排気逆流が生じるかどうかが決まると考えられる。故に、エアポンプの運転状態を検知し、エアポンプの運転状態を前記判定パラメータとして加えて排気逆流が生じる状態であるかどうかを判定すると良い。エアポンプの運転状態としては、ポンプ吐出圧やポンプ回転速度が含まれる。例えば、ポンプ吐出圧と排気圧力との差圧（ポンプ吐出圧−排気圧力）が所定値よりも小さい場合に、排気逆流が生じる状態であると判定し、前記開閉弁を閉鎖する。

吸入空気量や吸入空気圧に応じて排気圧力が変化する。故に、吸入空気量や吸入空気圧に基づいて前記排気通路内の圧力を推定すると良い。

また、判定パラメータと逆流発生判定値との比較により排気逆流が生じる状態であるかどうかを判定する構成において、前記逆流発生判定値を、内燃機関の運転状態や外部環境の検出値に基づいて可変設定すると良い。これにより、排気逆流が生じるかどうかの判定の精度が高められる。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態は、内燃機関である車載多気筒ガソリンエンジンを対象にエンジン制御システムを構築するものであり、先ずは、図１を用いて本制御システムの構成の概略を説明する。

図１に示すエンジン１０において、吸気管１１には、ＤＣモータ等のアクチュエータによって開度調節されるスロットルバルブ１４が設けられており、そのスロットルバルブ１４の開度（スロットル開度）によって各気筒ヘの吸入空気量が調節される。スロットル開度はスロットル開度センサ１５によって検出される。スロットルバルブ１４の下流側にはサージタンク１６が設けられ、このサージタンク１６には吸気管圧力を検出するための吸気管圧力センサ１７が設けられている。また、サージタンク１６には、エンジン１０の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１８が接続されており、吸気マニホールド１８において各気筒の吸気ポート近傍には燃料を噴射供給する電磁駆動式の燃料噴射弁１９が取り付けられている。

エンジン１０の吸気ポート及び排気ポートにはそれぞれ吸気バルブ２１及び排気バルブ２２が設けられており、吸気バルブ２１の開動作により空気と燃料との混合気が燃焼室２３内に導入され、排気バルブ２２の開動作により燃焼後の排気が排気管２４に排出される。エンジン１０のシリンダヘッドには気筒毎に点火プラグ２５が取り付けられており、点火プラグ２５には、点火コイル等よりなる図示しない点火装置を通じて、所望とする点火時期において高電圧が印加される。この高電圧の印加により、各点火プラグ２５の対向電極間に火花放電が発生し、燃焼室２３内に導入した混合気が着火され燃焼に供される。

エンジン１０のシリンダブロックには、エンジン１０の回転に伴い所定クランク角毎に（例えば３０°ＣＡ周期で）矩形状のクランク角信号を出力するクランク角度センサ２６が取り付けられている。

二次エア供給装置として、排気管２４の排気ポート近傍には二次エア配管３０が接続され、その二次エア配管３０の上流部には二次エアポンプ３１が設けられている。二次エアポンプ３１は例えばＤＣモータ等より構成され、図示しない車載バッテリからの給電を受けて作動する。また、二次エアポンプ３１よりも下流側には、二次エア配管３０を開放又は閉鎖するための開閉弁３２が設けられている。開閉弁３２には、二次エア配管３０内の圧力を検出する圧力センサ３３が内蔵されている。

二次エア配管３０において排気管２４と開閉弁３２との間には逆止弁３４が設けられている。この場合、二次エア供給時において二次エアポンプ３１から吐出される二次エアの圧力によって逆止弁３４が開き、排気管２４に二次エアが導入される。また、排気管２４から二次エア配管３０への排気の逆流（すなわち開閉弁３２よりも上流側への逆流）が逆止弁３４によって防止されるようになっている。

吸気管１１と排気管２４との間にはターボチャージャ３５が配設されている。ターボチャージャ３５は、吸気管１１に設けられたコンプレッサインペラ３６と、排気管２４に設けられたタービンホイール３７とを有し、それらが回転軸３８にて連結されている。タービンホイール３７は、排気管２４内を流れる排気のエネルギーによって回転し、その回転エネルギーが回転軸３８を介してコンプレッサインペラ３６に伝達される。コンプレッサインペラ３６は、このエネルギーを利用して吸気管１１内を流れる吸入空気を圧縮して過給する。この過給の際、吸入空気の温度が上昇する。コンプレッサインペラ３６の下流側には、圧縮された空気を冷却するインタークーラ３９が設けられている。また、タービンホイール３７の下流側には触媒装置４０が設けられている。

その他、吸気管１１の最上流部には図示しないエアクリーナが設けられ、このエアクリーナの下流側には吸入空気の温度を検出する吸気温センサ４１と、吸入空気量を検出するエアフロメータ４２とが設けられている。

ＥＣＵ（電子制御ユニット）５０は、周知の通りＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成され、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、その都度のエンジン運転状態に応じてエンジン１０の各種制御を実施する。すなわち、ＥＣＵ５０には、前述した各種センサから各々検出信号が入力される。そして、ＥＣＵ５０は、随時入力される各種の検出信号に基づいて燃料噴射量や点火時期等を演算し、燃料噴射弁１９や点火装置等の駆動を制御する。また、ＥＣＵ５０は、エンジン始動時の触媒４０の早期活性化などを図るべく、二次エアポンプ３１を作動させることにより二次エア供給を実施する。

ところで、前述のとおり二次エア配管３０には逆止弁３４が設けられており、二次エア供給時には逆止弁３４によって二次エア配管３０を通じての排気の逆流が防止されるが、この逆止弁３４が故障した場合には排気の逆流が防止できず、高温の排気が二次エアポンプ３１側に流れ込んでしまう。そして、排気熱によって二次エア配管３０や二次エアポンプ３１で損傷が生じることが考えられる。

そこで本実施の形態では、二次エア供給に際して排気管２４内の圧力（以下、排気圧力という）をモニタし、排気圧力が所定値よりも高くなった場合に開閉弁３２を閉鎖する。これにより、仮に逆止弁３４が故障したとしても、排気の逆流（二次エア配管３０上流部への流入）を抑制するようにしている。排気圧力は、ＥＣＵ５０によって吸入空気量や吸気管負圧等をパラメータとして推定演算される。ただし、排気管２４に圧力センサを設置し、該センサにより排気圧力を計測することも可能である。

次に、ＥＣＵ５０により実施される二次エア供給処理について説明する。図２は、二次エア供給処理を示すフローチャートであり、本処理はＥＣＵ５０により実行される。

図２において、ステップＳ１０１では、二次エア供給の実行条件が成立しているか否かを判定する。例えば、エンジン始動時でありかつ水温が所定温度域にある場合に実行条件が成立したとされる。実行条件が成立していれば、後続のステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、排気圧力が所定値以上であるか否かを判定する。このとき、所定値は、排気の逆流（二次エア配管３０上流部への流入）が生じるかどうかを判定するための判定値であり、排気圧力＜所定値であれば排気逆流が発生しないと判定され、排気圧力≧所定値であれば排気逆流が発生する可能性があると判定される。

前記所定値を、排気圧力の変化要因である下記パラメータに応じて適宜補正することも可能である。すなわち、排気温、大気圧、水温、吸気温、点火時期、燃料噴射量、ターボチャージャの過給圧（他の過給装置でも可）、ターボチャージャに設けられたウエストゲートバルブの開度、排気系における通路切替の状態（触媒を複数直列に設ける構成においていずれかの触媒をバイパスする通路の開閉状態）等を補正パラメータとして前記所定値を補正する。

通常の二次エア供給状態では排気圧力＜所定値であり、ステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０３では二次エアポンプ３１を作動させ、続くステップＳ１０４では開閉弁３２を開放する。これにより、排気管２４への二次エア供給が実行される。

また、二次エア供給の実行条件が不成立となる場合や排気圧力≧所定値となる場合には、ステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５では開閉弁３２を閉鎖し、続くステップＳ１０６では二次エアポンプ３１を停止する。

以上詳述した本実施の形態によれば、二次エア供給時において、排気圧力を判定パラメータとして排気逆流が生じる状態であるかどうかを判定し、排気逆流が生じる状態であると判定された場合に開閉弁３２を閉鎖する構成としたため、仮に逆止弁３４が故障した場合であっても、二次エア配管３０の上流部側への排気逆流を防止することができる。これにより、エアポンプ３１等の保護を図ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

上記実施の形態では、排気圧力と所定値との比較により逆流発生の可能性を判定したが、これを以下の（１）〜（４）のように変更する。

（１）二次エアポンプ３１の運転状態としてポンプ吐出圧を推定し、ポンプ吐出圧と排気圧力との差圧（ポンプ吐出圧−排気圧力）が所定値よりも小さい場合に、排気逆流が生じる状態であると判定し、開閉弁３２を閉鎖する。なお、二次エアポンプ３１の運転状態としてポンプ回転速度を用いることも可能である。この場合、その都度の排気圧力をポンプ回転速度に基づいて補正し、該補正後の排気圧力により排気逆流が生じる状態であるかどうかを判定する。

ここで、ポンプ吐出圧は、圧力センサ３３による圧力検出値に基づいて算出される。具体的には、例えば二次エア供給の開始直前や終了直後において二次エアポンプ３１が作動しかつ開閉弁３２が閉鎖した状態での圧力センサ３３による圧力検出値が読み込まれ、その圧力検出値がポンプ吐出圧としてメモリに記憶される。二次エア供給の終了直後にポンプ吐出圧が検出される場合にはその検出値がバックアップＲＡＭ等に記憶され、次回トリップにて使用される。ポンプ吐出圧は、バッテリ電圧、吸気温、外気温、ポンプ温度等により適宜補正されると良い。

（２）ポンプ吐出圧と二次エア配管内の圧力との差圧（ポンプ吐出圧−二次エア配管内圧力）が所定値よりも小さい場合に、排気逆流が生じる状態であると判定し、開閉弁３２を閉鎖する。二次エア配管内圧力は、二次エア供給中において圧力センサ３３によって随時検出される。

（３）吸入空気量又は吸気管負圧に基づいて排気逆流が生じる状態であるかどうかを判定する。つまり、吸入空気量や吸気管負圧は排気圧力に相関する物理量に相当し、吸入空気量や吸気管負圧に応じて排気圧力が変化する。この場合、吸入空気量又は吸気管負圧が所定値よりも大きい場合に、排気逆流が生じる状態であると判定し、開閉弁３２を閉鎖する。

（４）大気圧と吸気管負圧との差圧（大気圧−吸気管負圧）が所定値よりも小さい場合に、排気逆流が生じる状態であると判定し、開閉弁３２を閉鎖する。

上記（１）〜（４）では、前記同様、仮に逆止弁３４が故障した場合であっても、二次エア配管３０の上流部側への排気逆流を防止することができる。これにより、エアポンプ３１等の保護を図ることができる。

上記実施の形態では、二次エア供給時における排気圧力の上昇時に、開閉弁３２の閉鎖と二次エアポンプ３１の作動停止とを実施したが（図２参照）、開閉弁３２の閉鎖のみを実施しても良い。これにより、排気圧力の上昇（排気逆流が生じる状態）が一時的なものであり、その後二次エア供給が再開できるようになる場合において、いち早く二次エア供給が再開できる。

上記実施の形態では、二次エア配管３０に逆止弁３４を設ける構成としたが、この逆止弁３４を無くした構成であっても良い。かかる構成であっても、上記のとおり排気逆流が生じる状態であると判定された場合に開閉弁３２を閉鎖することで、二次エア配管３０の上流部側への排気逆流が防止できる。これにより、エアポンプ３１等の保護を図ることができる。またこの場合、逆止弁を不要とすることにより、二次エア供給システムとして構成の簡素化を図ることができる。

発明の実施の形態におけるエンジン制御システムの概略を示す構成図である。 二次エア供給処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…エンジン、２４…排気管、３０…二次エア配管、３１…二次エアポンプ、３２…開閉弁、５０…ＥＣＵ。

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に接続された二次エア通路と、該二次エア通路に設けられた開閉弁及びエアポンプと、を有してなる二次エア供給装置を備えた内燃機関に適用され、該二次エア供給装置により前記排気通路に二次エアを供給する二次エア供給制御装置において、
   二次エア供給時に、前記エアポンプの吐出圧力と前記二次エア通路内の圧力との差圧が所定値よりも小さい場合に、前記排気通路から前記二次エア通路への排気の逆流が生じる状態であると判定する判定手段と、
   該判定手段により排気逆流が生じる状態であると判定された場合に前記開閉弁を閉鎖する開閉弁制御手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の二次エア供給制御装置。
2. 前記二次エア通路内の圧力を検出する圧力センサを備え、前記二次エア通路内の圧力は、二次エア供給中において前記圧力センサによって随時検出されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の二次エア供給制御装置。
3. 前記二次エア通路内の圧力を検出する圧力センサを備え、前記エアポンプの吐出圧力は、前記エアポンプが作動しかつ前記開閉弁が閉鎖した状態において前記圧力センサによって検出され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エア供給制御装置。

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