JP5018543B2 - 内燃機関の二次空気供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の二次空気供給装置に関し、特にその故障診断技術に関する。

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。

このための二次空気供給装置は、特許文献１に示されるように、排気通路の排気浄化触媒上流に接続される二次空気通路に、二次空気供給用のエアポンプを備え、更に、このエアポンプと排気通路への二次空気吐出口との間に、電磁開閉弁と一方向弁とを直列に配置してなる二次空気バルブ（逆止弁付きコンビバルブ）を備えている。また、二次空気通路に空気流量検出用のエアフローメータを備えている。
特開２００３−３４３２４６号公報

ところで、二次空気供給装置は、通常運転時には、電磁開閉弁を閉じて、排気の逆流を防止している。また、一方向弁（逆止弁）を設けて、電磁開閉弁が開故障した場合でも排気の逆流を防止できるようにしている。

従って、電磁開閉弁と一方向弁の両方が開故障した場合は、排気の逆流を生じるので、フェイルセーフ制御に移行する必要がある。
電磁開閉弁と一方向弁の両方が開故障した場合の排気の逆流は、エアフローメータにて検出可能であるが、電磁開閉弁が開故障し、一方向弁が正常な場合でも、排気通路内が負圧（減速運転時やアイドル運転時などに排気の脈動で生じる）の場合、排気通路に新気を取込むため、流れを生じて、エアフローメータに出力を生じる。

エアフローメータは、流れ方向を判別できないため、エアフローメータにより検出される空気流量から、電磁開閉弁と一方向弁の両方の開故障か、電磁開閉弁のみの開故障かを判別することはできない。

このように、一方向弁の故障診断はできないので、電磁開閉弁が開故障と診断された場合は、逆流を生じていなくても、フェイルセーフ制御に移行せざるを得なかった。
本発明は、このような実状に鑑み、電磁開閉弁と一方向弁の両方の開故障による排気の逆流を正しく検知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、排気通路の排気浄化触媒上流に接続される二次空気通路に、二次空気供給用のエアポンプを備え、更にエアポンプと排気通路への二次空気吐出口との間に、常閉の電磁開閉弁と一方向弁とを直列に配置してなる二次空気バルブを備える内燃機関の二次空気供給装置において、二次空気通路の二次空気バルブ上流側にて、排気凝縮水の有無を検知することにより、電磁開閉弁と一方向弁の両方の開故障による二次空気通路への排気の逆流を検知する逆流検知手段を設け、前記二次空気通路に空気流量検出用の熱線式エアフローメータを備え、前記逆流検知手段は、前記エアフローメータの熱線への排気凝縮水の付着によって熱線が過冷却されることによる前記エアフローメータの出力の異常上昇を検知することによって、排気凝縮水を検知するように構成し、前記電磁開閉弁に閉指令を与えた状態での、前記エアフローメータにより検出される空気流量に基づいて、前記電磁開閉弁の開故障を診断する故障診断手段を備え、前記故障診断手段により、前記電磁開閉弁の開故障と診断されたときに、前記逆流検知手段の検知結果に基づいて、前記一方向弁の開故障を診断する構成とする。

本発明によれば、二次空気通路の二次空気バルブ上流への排気の逆流を生じると、逆流した排気が冷却されることで、排気中の水分が凝縮する。従って、この排気凝縮水を検知することで、排気の逆流を正しく検知することができ、対応可能となる。

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車両用内燃機関の二次空気供給装置の構成図である。
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、エアクリーナ１３、ホース１４、熱線式エアフローメータ１５、ホース１６の順で構成されている。エアフローメータ１５は熱線式の空気流量計であり、二次空気供給装置の故障診断用である。

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。

従って、エアクリーナ１３、ホース１４、ホース１６、ホース１７、エルボ１８、ホース１９、分岐管２０、ホース２１、２１、パイプ２３、２３、ガスケット２４、２４、二次空気ギャラリ（ヘッド内通路）１０、１０及び二次空気吐出通路（吐出口）１１により、二次空気通路が構成され、この二次空気通路には、上流側から、熱線式エアフローメータ１５と、エアポンプ１２と、二次空気バルブ２２、２２とを備えている。

二次空気バルブ２２の詳細構造を、図３に示す。
二次空気バルブ２２は、常閉の電磁開閉弁（カット弁）３０と、一方向弁（リード弁）３６とを直列に配置してなる。

電磁開閉弁（カット弁）３０は、弁体３１と一体動するアーマチャ３２に作用して弁体３１を閉弁位置に付勢するスプリング３３と、通電時に電磁力によりアーマチャ３２を吸引して弁体３１を開弁動作させることができる電磁コイル３４とを備えてなる。従って、電磁コイル３４への非通電時は、弁体３１及びアーマチャ３２がスプリング３３により図で上方に移動し、弁体３１が弁シート部３５に着座して閉弁状態となり、電磁コイル３４への通電時は、弁体３１及びアーマチャ３２が電磁力により図で下方に移動し、弁体３１が弁シート部３５から離れて開弁状態となる。

一方向弁（リード弁）３６は、開孔を有するベース板３７の下流側の面に、開孔を塞ぐように片持ち状態で可撓性を有するリード弁体（３６）を設けたもので、二次空気供給方向（図示矢印方向）へ流れる場合のみ開となる（通常は排圧によって閉となる）。

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（電磁開閉弁３０）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（電磁開閉弁３０）については、電源２６の供給をスイッチング素子２８によりＯＮ・ＯＦＦ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（電磁開閉弁３０）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、通常運転時は、エアポンプ１２はＯＦＦで、二次空気バルブ２２（電磁開閉弁３０）は閉じている。
次に、かかる二次空気供給装置を用いた二次空気供給制御、及び、二次空気供給装置の故障診断について、図４（及び図５）のフローチャートにより、図６のタイムチャートを参照しつつ、説明する。尚、以下の説明では、電磁開閉弁３０を「カット弁」と称し、一方向弁３６を「リード弁」と称する。

Ｓ１では、二次空気供給条件か否かを判定する。二次空気供給条件とは、始動直後の暖機運転時で触媒昇温要求がある場合であり、具体的には触媒温度やエンジン冷却水温などから判定する。その他、バッテリ電圧が所定値以上、大気圧が所定値以上であることなどを条件とする。

二次空気供給条件の場合は、Ｓ２へ進み、エアポンプ１２をＯＮにする。そして、Ｓ３へ進み、所定時間（例えば２秒）、吐出圧の立ち上がりを待つ。その後、Ｓ４へ進んで、カット弁３０をＯＮにして開とする。これにより、二次空気の供給が開始される。

二次空気の供給開始後は、Ｓ７で、触媒が活性化したか否かを判定し、触媒が活性化するまで、二次空気の供給を続ける。この間、Ｓ５で、エアフローメータ１５の出力電圧ＶＡＦＭが所定の閾値（例えば２Ｖ）未満か否か、すなわち、エアフローメータ１５により検出される空気流量が所定の閾値未満（空気流量小）か否かを判定する。この判定で、閾値未満の場合は、Ｓ６へ進んで、「カット弁閉故障」とみなし、警告灯を点灯させる等して、警告する。

触媒が活性化した場合は、Ｓ７からＳ８へ進み、カット弁３０をＯＦＦにして閉じる。
カット弁３０を閉じた後は、エアポンプ１２をＯＮ状態に保持したまま、Ｓ１２で、所定時間（例えば２秒）の時間待ちを行い、この間、Ｓ９で、エアフローメータ１５の出力電圧ＶＡＦＭが所定の閾値（例えば２Ｖ）以上か否か、すなわち、エアフローメータ１５により検出される空気流量が所定の閾値以上（空気流量大）か否かを判定する。すなわち、エアポンプ１２＝ＯＮ、カット弁３０＝ＯＦＦの条件での、空気流量が所定の閾値以上か否かを判定する。図６のタイムチャートの「第１の故障診断」の部分である。この判定は、所定時間における平均値によって行う。そして、この判定で、閾値以上の場合は、Ｓ１０へ進んで、「カット弁開故障」とみなし、故障判定回数値Ｃを１アップする（Ｃ＝Ｃ＋１）。同時に警告灯を点灯させる等して、警告する。更に、Ｓ１１へ進んで、故障バンクを特定する。

Ｓ１１での故障バンクの特定は、次の原理に基づいて、図５のサブルーチンによってなされる。カット弁３０が開故障して二次空気が排気通路に流入すると、排気空燃比がリーン化し、空燃比センサ出力が増大する。従って、バンク毎に排気通路に設けられる空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）の出力から故障バンクを特定する。

このため、Ｓ５１では、左右バンクのＡ／Ｆセンサの出力を検出する。具体的には、左バンクのＡ／Ｆセンサの出力をサンプリングして平均化すると共に、右バンクのＡ／Ｆセンサの出力をサンプリングして平均化する。

そして、Ｓ５２で、左右の出力を比較する。すなわち、左バンクのＡ／Ｆセンサ出力の平均値と、右バンクのＡ／Ｆセンサの出力の平均値とを比較する。
比較の結果、左＞右の場合、すなわち、左バンクのＡ／Ｆセンサ出力の平均値の方が大きい場合は、左バンクの方が二次空気の流入によりリーン化していると考えられるので、Ｓ５３へ進んで、左バンクの故障（左バンクのカット弁の開故障）と判定する。

逆に、左＜右の場合、すなわち、右バンクのＡ／Ｆセンサ出力の平均値の方が大きい場合は、右バンクの方が二次空気の流入によりリーン化していると考えられるので、Ｓ５４へ進んで、右バンクの故障（右バンクのカット弁の開故障）と判定する。

左＝右（左≒右）の場合、すなわち、左バンクのＡ／Ｆセンサ出力の平均値と右バンクのＡ／Ｆセンサ出力の平均値とがほぼ等しい場合は、両方のバンクが二次空気の流入によりリーン化していると考えられるので、Ｓ５５へ進んで、両バンクの故障（両バンクのカット弁の開故障）と判定する。

Ｓ１２での判定で所定時間（２秒）経過した場合は、Ｓ１３へ進み、エアポンプ１２をＯＦＦにして、暖機運転時の二次空気供給制御を終了させる。
Ｓ１４では、「カット弁開故障」の故障判定回数値Ｃが２以上か否かを判定し、２未満であれば、Ｓ１へ戻り、２以上であれば、Ｓ１８へ進む。

Ｓ１での判定で、二次空気供給条件でない場合、わかりやすく言えば、１トリップ１回の暖機運転時の二次空気供給を既に終了している場合は、Ｓ１５へ進む。
Ｓ１５では、エアフローメータ１５の出力電圧ＶＡＦＭが所定の閾値（例えば２Ｖ）以上か否か、すなわち、エアフローメータ１５により検出される空気流量が所定の閾値以上（空気流量大）か否かを判定する。すなわち、エアポンプ１２＝ＯＦＦ、カット弁３０＝ＯＦＦの条件での、空気流量が所定の閾値以上か否かを判定する。図６のタイムチャートの「第２の故障診断」の部分である。

所定の閾値未満の場合は、正常であり、Ｓ１へ戻る。従って、以降、Ｓ１５での判定を繰り返すことになる。
所定の閾値以上の場合は、Ｓ１６へ進んで、「カット弁開故障」とみなす。同時に警告灯を点灯させる等して、警告する。また、Ｓ１７へ進んで、故障バンクを特定する。

Ｓ１７での故障バンクの特定は、Ｓ１１での故障バンクの特定と同様に、図５のサブルーチンによってなされる。
Ｓ１５→Ｓ１６、Ｓ１７でカット弁３０の開故障と判定された場合は、Ｓ１８へ進む。

従って、Ｓ１０でカット弁３０の開故障と判定され、かつ、この判定が２回目（Ｃ＝２）の場合、又は、Ｓ１６でカット弁３０の開故障と判定された場合（この場合は１回目から）に、Ｓ１８へ進む。

Ｓ１８では、熱線式エアフローメータ１５の出力電圧ＶＡＦＭに基づいて、排気凝縮水の有無を検出することにより、二次空気通路への排気の逆流の有無を判定する。
これは次の原理による。二次空気通路の二次空気バルブ２２上流への排気の逆流を生じると、逆流した排気が冷却されることで、排気中の水分が凝縮する。特に排気ポート８から熱線式エアフローメータ１５までには距離があり、その間に排気ガス温度が低下して、排気凝縮水を生じ、排気凝縮水が熱線式エアフローメータ１５に付着する。そして、排気凝縮水がエアフローメータ１５の熱線に付着すると、熱線が過冷却されることから、ブリッジ回路における平衡電流が急増することで、出力電圧が瞬間的に増大する（スパイク電圧を生じる）。よって、この出力電圧の異常上昇を検知することで、排気凝縮水を検知し、排気の逆流を検知することができる。

従って、ここでは、エアフローメータ１５の出力電圧ＶＡＦＭが排気凝縮水の付着による異常上昇とみなすことができる閾値（例えば５Ｖ）を超えたか否かを、繰り返し判定する。図６のタイムチャートの「逆流検知」の部分である。

この閾値（５Ｖ）は、第１及び第２の故障診断（Ｓ９、Ｓ１５）での閾値（２Ｖ）より大きな値であり、また、エアポンプ１２が最大吐出量のときのエアフローメータ１５の出力電圧ＶＡＦＭの最大値（３．５Ｖ程度）より大きな値である。

この判定の結果、エアフローメータ１５の出力電圧ＶＡＦＭが排気凝縮水付着相当の閾値（５Ｖ）を超えたときは、Ｓ１９へ進んで、「リード弁開故障」、すなわち、カット弁３０とリード弁３６の両方の開故障（排気の逆流）と判定する。

そして、このときは、Ｓ２０へ進んで、フェイルセーフ制御に移行する。具体的には、エンジン回転数規制、及び／又は、アクセル開度規制を行って、リンプホーム走行のみを可能にする。尚、エンジン回転数規制は、エンジン回転数が規制値以上になった場合に燃料カットを行って、エンジン回転数を規制する。アクセル開度規制は、アクセル開度に基づいてスロットル開度制御などを行う場合に、実際のアクセル開度を低い側に補正してスロットル開度制御を行う。

本実施形態によれば、二次空気通路の二次空気バルブ２２上流側にて、排気凝縮水の有無を検知することにより、カット弁３０とリード弁３６の両方の開故障による二次空気通路への排気の逆流を検知する逆流検知手段を設けたことにより、排気の逆流を正しく検知することができる。

また、本実施形態によれば、二次空気通路に備えられる空気流量検出用の熱線式エアフローメータ１５を利用し、エアフローメータ１５の熱線への排気凝縮水の付着によって熱線が過冷却されることによるエアフローメータ１５の出力の異常上昇を検知することによって、排気凝縮水を検知するように構成したことにより、新たにセンサを追加することなく、実施することができる。

また、本実施形態によれば、カット弁３０に閉指令を与えた状態での、エアフローメータ１５により検出される空気流量に基づいて、カット弁３０の開故障を診断する故障診断手段を備え、これにより、カット弁３０の開故障と診断されたときに、逆流検知手段の検知結果に基づいて、リード弁３６の開故障を診断する構成としたことにより、２段階の診断で、カット弁３０とリード弁３６の両方の開故障を正しく診断することができる。

また、本実施形態によれば、前記故障検出手段として、エアポンプ１２を作動させて、カット弁３０に閉指令を与えた状態での、エアフローメータ１５により検出される空気流量に基づいて、カット弁３０の開故障を診断する第１の故障診断手段と、エアポンプ１２を停止させて、カット弁３０に閉指令を与えた状態での、エアフローメータ１５により検出される空気流量に基づいて、カット弁３０の開故障を診断する第２の故障診断手段と、を備え、これら第１及び第２の故障診断手段のいずれか一方により、カット弁３０の開故障と診断されたときに、逆流検知手段の検知結果に基づいて、リード弁３６の開故障を診断することにより、カット弁３０とリード弁３６の両方の開故障を正確かつ迅速に診断することができる。

また、本実施形態によれば、前記第１及び第２の故障診断手段は、エアフローメータ１５の出力電圧ＶＡＦＭをそれぞれ所定の閾値（例えば２Ｖ）と比較して診断を行い、前記逆流検知手段は、エアフローメータ１５の出力電圧を、前記第１及び第２の故障診断手段での前記閾値（２Ｖ）より大きい別の閾値（例えば５Ｖ）と比較して排気凝縮水の有無を検知することにより、同じパラメータを用いながらも、それぞれを確実に診断／検知できる。

また、本実施形態によれば、前記逆流検知手段により排気の逆流が検知されたときに、車両の運転を制限するフェイルセーフ制御手段を設けたことにより、排気の逆流を生じたまま通常運転がなされるのを防止できる。その一方、排気の逆流が検知されない場合、すなわち、カット弁３０の故障を生じてもリード弁３６が正常である限りは、フェイルセーフ制御に移行せず、通常運転を可能とすることで、必要以上の運転性の悪化を防止することができる。

本発明の一実施形態を示す内燃機関の二次空気供給装置の構成図 内燃機関の燃焼室回りの縦断面図 二次空気バルブ（カット弁＋リード弁）の詳細図 二次空気供給制御及び故障診断のフローチャート 故障バンク特定サブルーチンのフローチャート 二次空気供給制御及び故障診断のタイムチャート

符号の説明

１ 内燃機関（エンジン）
２ 燃焼室
３ 吸気ポート
４ 吸気弁
５ 燃料噴射弁
６ 点火プラグ
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 エアクリーナ
１５ 熱線式エアフローメータ
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
３０ 電磁開閉弁（カット弁）
３１ 弁体
３２ アーマチャ
３３ スプリング
３４ 電磁コイル
３５ 弁シート部
３６ 一方向弁（リード弁）
３７ ベース板

Claims (4)

1. 排気通路の排気浄化触媒上流に接続される二次空気通路に、二次空気供給用のエアポンプを備え、更にエアポンプと排気通路への二次空気吐出口との間に、常閉の電磁開閉弁と一方向弁とを直列に配置してなる二次空気バルブを備える内燃機関の二次空気供給装置において、
   二次空気通路の二次空気バルブ上流側にて、排気凝縮水の有無を検知することにより、電磁開閉弁と一方向弁の両方の開故障による二次空気通路への排気の逆流を検知する逆流検知手段を設け、
   前記二次空気通路に空気流量検出用の熱線式エアフローメータを備え、
   前記逆流検知手段は、前記エアフローメータの熱線への排気凝縮水の付着によって熱線が過冷却されることによる前記エアフローメータの出力の異常上昇を検知することによって、排気凝縮水を検知するように構成し、
   前記電磁開閉弁に閉指令を与えた状態での、前記エアフローメータにより検出される空気流量に基づいて、前記電磁開閉弁の開故障を診断する故障診断手段を備え、
   前記故障診断手段により、前記電磁開閉弁の開故障と診断されたときに、前記逆流検知手段の検知結果に基づいて、前記一方向弁の開故障を診断することを特徴とする内燃機関の二次空気供給装置。
2. 前記故障検出手段として、前記エアポンプを作動させて、前記電磁開閉弁に閉指令を与えた状態での、前記エアフローメータにより検出される空気流量に基づいて、前記電磁開閉弁の開故障を診断する第１の故障診断手段と、前記エアポンプを停止させて、前記電磁開閉弁に閉指令を与えた状態での、前記エアフローメータにより検出される空気流量に基づいて、前記電磁開閉弁の開故障を診断する第２の故障診断手段と、を備え、
   前記第１及び第２の故障診断手段のいずれか一方により、前記電磁開閉弁の開故障と診断されたときに、前記逆流検知手段の検知結果に基づいて、前記一方向弁の開故障を診断す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. 前記第１及び第２の故障診断手段は、前記エアフローメータの出力電圧をそれぞれ所定の閾値と比較して診断を行い、
   前記逆流検知手段は、前記エアフローメータの出力電圧を、前記第１及び第２の故障診断手段での前記閾値より大きい別の閾値と比較して排気凝縮水の有無を検知することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の二次空気供給装置。
4. 前記逆流検知手段により排気の逆流が検知されたときに、車両の運転を制限するフェイルセーフ制御手段を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の二次空気供給装置。

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