(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路の触媒上流に所定の運転条件にて２次空気を導入する２次空気導入装置を備える内燃機関において、
機関の暖機状態に応じて燃料供給量の増量率を設定する第１の燃料増量率設定手段と、
２次空気導入装置による２次空気導入状態を検出する２次空気導入状態検出手段と、
アイドル運転状態を検出するアイドル運転状態検出手段と、
２次空気導入時でかつアイドル運転時に、触媒入口空燃比が理論空燃比よりもリーン側の所定値になるように燃料供給量の増量率を設定する第２の燃料増量率設定手段と、
前記第１及び第２の燃料増量率設定手段により設定される２つの増量率のうち大きい方を選択する燃料増量率選択手段と、
選択された増量率によって機関への燃料供給量を補正する燃料供給量補正手段と、
を設けたことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項２】
前記第２の燃料増量率設定手段は、機関吸入空気流量と、２次空気導入流量と、触媒入口空燃比の前記所定値とから、燃料供給量の増量率を計算するものであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項３】
前記第２の燃料増量率設定手段は、計算された燃料供給量の増量率を予め定めた上限値と比較して、燃料供給量の増量率の上限値を規制する手段を有していることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項４】
前記第２の燃料増量率設定手段は、機関冷却水温に基づいて、触媒入口空燃比が理論空燃比よりもリーン側の所定値になるような燃料供給量の増量率を推定するものであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項５】
前記第２の燃料増量率設定手段は、２次空気導入時でかつアイドル運転時の条件が成立したときに燃料供給量の増量率を触媒入口空燃比が理論空燃比よりもリーン側の所定値になるような増量率になるまで時間経過と共に漸増して設定し、前記条件が不成立になったときに燃料供給量の増量率を時間経過と共に漸減して設定するものであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、排気通路の触媒上流に所定の運転条件にて２次空気を導入する２次空気導入装置を備える内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関において、所定の運転条件にて、排気通路に２次空気を導入して排気中の有害成分であるＣＯ，ＨＣを再燃焼させると共に、その燃焼熱によって下流側の排気浄化用の触媒の早期活性化を図るようにしたものがある（特開平６−８１６９６号公報参照）。
【０００３】
このものでは、アイドル運転状態であって機関温度が低い場合に２次空気を導入し、２次空気導入時には、機関の回転変動等に基づいて安定度を検出し、安定状態である限りにおいて燃料供給量を増量補正して空燃比をリッチ化するように制御している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の内燃機関の空燃比制御装置にあっては、２次空気導入時に機関が安定状態である限りにおいて単に燃料供給量を増量補正しているだけのため、２次空気分を超える燃料増量のし過ぎにより、触媒入口空燃比がリッチ（触媒入口の空気過剰率が  １．０以下）の状態になることがあり得るため、触媒の早期活性化を達成できない恐れがあった。
【０００５】
また、内燃機関においては一般に、機関の暖機状態（冷却水温）に応じて低温時に燃料供給量を増量補正（水温増量補正）しているから、水温増量補正と２次空気対応増量補正とが重なることで、触媒入口空燃比が更にリッチ化することがあり得るという問題点があった。
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、２次空気の導入による触媒の早期活性化を確実ならしめることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、排気通路の触媒上流に所定の運転条件にて２次空気を導入する２次空気導入装置を備える内燃機関において、図１に示すように、機関の暖機状態に応じて燃料供給量の増量率を設定する第１の燃料増量率設定手段と、２次空気導入装置による２次空気導入状態を検出する２次空気導入状態検出手段と、アイドル運転状態を検出するアイドル運転状態検出手段と、２次空気導入時でかつアイドル運転時に、触媒入口空燃比が理論空燃比よりもリーン側の所定値になるように燃料供給量の増量率を設定する第２の燃料増量率設定手段と、前記第１及び第２の燃料増量率設定手段により設定される２つの増量率のうち大きい方を選択する燃料増量率選択手段と、選択された増量率によって機関への燃料供給量を補正する燃料供給量補正手段とを設けて、内燃機関の空燃比制御装置を構成する。
【０００７】
請求項２に係る発明では、前記第２の燃料増量率設定手段は、機関吸入空気流量と、２次空気導入流量と、触媒入口空燃比の前記所定値とから、燃料供給量の増量率を計算するものであることを特徴とする。
請求項３に係る発明では、前記第２の燃料増量率設定手段は、計算された燃料供給量の増量率を予め定めた上限値と比較して、燃料供給量の増量率の上限値を規制する手段を有していることを特徴とする。
【０００８】
請求項４に係る発明では、前記第２の燃料増量率設定手段は、機関冷却水温に基づいて、触媒入口空燃比が理論空燃比よりもリーン側の所定値になるような燃料供給量の増量率を推定するものであることを特徴とする。
請求項５に係る発明では、前記第２の燃料増量率設定手段は、２次空気導入時でかつアイドル運転時の条件が成立したときに燃料供給量の増量率を触媒入口空燃比が理論空燃比よりもリーン側の所定値になるような増量率になるまで時間経過と共に漸増して設定し、前記条件が不成立になったときに燃料供給量の増量率を時間経過と共に漸減して設定するものであることを特徴とする。
【０００９】
【作用】
請求項１に係る発明では、２次空気の導入時に、特にアイドル運転時のようにガス流速が遅いときはサーマルリアクタ効果が起こるため、２次空気導入時でかつアイドル運転時に燃料供給量の増量率を増加させるように第２の増量率（２次空気対応増量率）を設定し、２次空気非導入を前提として設定された機関の暖機状態に応じた第１の増量率（一般には水温増量率）と比較して、大きい方を燃料供給量の補正に用いる。
【００１０】
そして、２次空気対応増量率の設定に際しては、触媒入口空燃比を理論空燃比よりもリーン側の所定値になるように設定し、触媒入口空燃比のリーン化により、触媒の早期活性化を図る。また、所定以上のリーンにならないため、２次空気によって熱が奪われず、排気温度の低下も少ないので、これによっても触媒の早期活性化が可能になる。
【００１１】
請求項２に係る発明では、２次空気対応増量率を、機関吸入空気流量や２次空気導入流量などから計算により設定するので、正確な制御が可能となる。
請求項３に係る発明では、計算された２次空気対応増量率の上限値を規制する。過度な増量率は機関の失火を招くからである。
請求項４に係る発明では、２次空気対応増量率を、機関冷却水温に基づいて推定するので、簡易な制御が可能となる。このような推定が可能となるのは、アイドル運転時の吸入空気流量は水温によって変化するため、触媒入口空燃比を所定値とするように、水温から２次空気対応増量率を求められるからである。
【００１２】
請求項５に係る発明では、２次空気導入時でかつアイドル運転時の条件が成立したときに、燃料供給量の増量率を時間経過と共に漸増して、触媒入口空燃比がリーン側の所定値になるような増量率まで、緩やかに変化させる。また、前記条件が不成立になったときは、燃料供給量の増量率を時間経過と共に漸減して、緩やかに変化させる。従って、水温増量率と２次空気対応増量率との切換時に、急激な増量率の変更がなく、滑らかに変化するため、機関の安定度や排気性能への影響を和らげることができる。
【００１３】
【実施例】
以下に本発明の実施例を説明する。
先ず第１の実施例について図２〜図４により説明する。
図２はシステム図である。
機関１には、エアクリーナ２から吸気通路３を通ってスロットル弁４の制御を受けつつ空気が吸入される。吸気通路３のマニホールド部分には燃料供給手段として各気筒毎に燃料噴射弁５が設けられていて、燃料が噴射供給される。
【００１４】
燃料噴射弁５は、コントロールユニット１０からの駆動パルス信号により通電されて開弁し、通電停止されて閉弁する電磁式燃料噴射弁であって、駆動パルス信号のパルス幅によって燃料噴射量が制御され、この燃料噴射量の制御により空燃比が制御される。
機関１の各気筒内で混合気は点火栓（図示せず）により着火されて燃焼し、この燃焼により生じた排気は排気通路６より排出される。
【００１５】
排気通路６には、排気中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを酸化・還元して浄化するための三元触媒７が介装されている。
また、排気通路６の触媒７上流に２次空気を導入する２次空気導入装置として、電動式エアポンプ８と、このエアポンプ８からの２次空気を排気通路６の触媒７上流に導入する２次空気導入管９とが設けられている。ここにおいて、エアポンプ８はコントロールユニット１０からの指令によりオン・オフ制御され、所定の運転条件にて作動して所定流量Ｑａｐの２次空気を２次空気導入管９を介して排気通路６の触媒７上流に導入する。
【００１６】
前記燃料噴射量の制御のため、コントロールユニット１０にはエアフローメータ１１、クランク角センサ１２、水温センサ１３、アイドルスイッチ１４等から信号が入力されている。
エアフローメータ１１は、吸気通路３のスロットル弁４上流に設けられていて、吸入空気流量Ｑを検出する。
【００１７】
クランク角センサ１２は、基準クランク角信号と単位クランク角信号とを出力するもので、基準クランク角信号の周期又は単位クランク角信号の周波数から機関回転数Ｎを算出可能である。
水温センサ１３は、機関１のウォータジャケット内に臨んで、冷却水温ＴＷを検出する。
【００１８】
アイドルスイッチ１４は、スロットル弁４が全閉状態になるとＯＮとなるものである。
ここにおいて、コントロールユニット１０に内蔵のマイクロコンピュータは、図３に示す燃料噴射量演算ルーチンを実行することにより、燃料噴射量Ｔｉを定め、このＴｉに相当するパルス幅の駆動パルス信号を機関回転に同期した所定のタイミングで燃料噴射弁５に出力して、燃料噴射を行わせる。
【００１９】
図３の燃料噴射量演算ルーチンについて説明する。
ステップ１（図にはＳ１と記してある。以下同様）では、エアフローメータ１１からの信号に基づいて検出される吸入空気流量Ｑと、クランク角センサ１２からの信号に基づいて算出される機関回転数Ｎとから、機関に吸入される空気量に対応する理論空燃比相当の基本燃料噴射量Ｔｐ＝Ｋ・Ｑ／Ｎ（Ｋは定数）を算出する。
【００２０】
ステップ２では、水温センサ１３からの信号に基づいて検出される冷却水温ＴＷから、マップを参照して、第１の増量率としての水温増量率ＫＴＷを設定する。尚、水温増量率ＫＴＷは冷却水温ＴＷが低い程大きく設定される。この部分が第１の燃料増量率設定手段に相当する。
ステップ３では、エアポンプ８がＯＮ（２次空気導入状態）か否かを判定し、ＯＮの場合はステップ４へ進む。この部分が２次空気導入状態検出手段に相当する。
【００２１】
ステップ４では、アイドルスイッチ１４がＯＮ（アイドル運転状態）か否かを判定し、ＯＮの場合はステップ５へ進む。この部分がアイドル運転状態検出手段に相当する。
ステップ５では、２次空気導入時でかつアイドル運転時であるので、触媒入口空燃比が理論空燃比よりもリーン側の所定値（触媒入口の空気過剰率で所定値λ；λ＞１．０  ）になるように第２の増量率としての２次空気対応増量率ＫＡＰを演算する。この部分が第２の燃料増量率設定手段に相当する。
【００２２】
具体的には、図４に示すＫＡＰ演算サブルーチンを実行することにより、２次空気対応増量率ＫＡＰを演算する。
図４のＫＡＰ演算サブルーチンについて説明する。
ステップ１０１  では、機関吸入空気流量Ｑと、２次空気導入流量Ｑａｐ（エアポンプ８により定まる一定値）と、触媒入口の目標空気過剰率λとから、次式により、２次空気対応増量率ＫＡＰを計算する。
【００２３】
ＫＡＰ＝（Ｑ＋Ｑａｐ）／（λ・Ｑ）−１
次のステップ１０２  では、計算された２次空気対応増量率ＫＡＰを予め定めた上限値と比較して、ＫＡＰ＞上限値の場合にステップ１０３  で２次空気対応増量率ＫＡＰを上限値に規制する。過度な増量率は機関の失火に至るからである。
一方、ステップ３の判定でエアポンプ８がＯＦＦ、又はステップ４での判定でアイドルスイッチ１４がＯＦＦの場合は、ステップ６へ進み、２次空気対応増量率ＫＡＰ＝０とする。
【００２４】
これらの後は、ステップ７，８へ進む。
ステップ７では、水温増量率ＫＴＷと２次空気対応増量率ＫＡＰとから、次式に示されるように大きい方を選択して、最終的な増量率ＫＭを設定する。この部分が燃料増量率選択手段に相当する。
ＫＭ＝ＭＡＸ（ＫＴＷ，ＫＡＰ）
ステップ８では、基本燃料噴射量Ｔｐに対し、次式のごとく、増量率ＫＭによる補正を施して、最終的な燃料噴射量Ｔｉを算出する。この部分が燃料供給量補正手段に相当する。
【００２５】
Ｔｉ＝Ｔｐ・（１＋ＫＭ）
尚、燃料噴射量Ｔｉの算出に際しては、この他に各種補正（加速補正、空燃比フィードバック補正、電圧補正等）が施されるが、ここでは説明を省略する。
このようにして燃料噴射量Ｔｉが算出されると、これが所定のレジスタにセットされ、所定の燃料噴射タイミングにてＴｉのパルス幅の駆動パルス信号が燃料噴射弁５に出力されて、燃料噴射が行われる。
【００２６】
このようにして、２次空気導入時でかつアイドル運転時には、２次空気対応増量率ＫＡＰが設定され、水温増量率ＫＴＷと比較されて、大きい方が燃料噴射量の補正に用いられる。
そして、２次空気対応増量率ＫＡＰの設定に際しては、触媒入口空燃比を理論空燃比よりもリーン側の所定値になるように設定し、触媒入口空燃比のリーン化により、触媒７の早期活性化を図ることができる。また、所定以上のリーンにならないため、２次空気によって熱が奪われず、排気温度の低下も少ないので、これによっても触媒７の早期活性化が可能になる。
【００２７】
次に第２の実施例について図５により説明する。
この実施例は、図３の燃料噴射量演算ルーチンのステップ５において、２次空気導入時でかつアイドル運転時に、触媒入口空燃比が理論空燃比よりもリーン側の所定値になるように第２の増量率としての２次空気対応増量率ＫＡＰを演算する際に、図５に示すＫＡＰ演算サブルーチンを実行することにより、２次空気対応増量率ＫＡＰを演算するようにしたものである。
【００２８】
図５のＫＡＰ演算サブルーチンについて説明する。
ステップ２０１  では、冷却水温ＴＷ（又は始動時に記憶した始動時水温ＴＷｓｔ）から、マップを参照して、触媒入口空燃比が理論空燃比よりもリーン側の所定値（触媒入口の空気過剰率で所定値λ；λ＞１．０  ）になるような２次空気対応増量率ＫＡＰを設定する。
【００２９】
アイドル運転時の吸入空気流量Ｑは水温ＴＷによって変化するため、触媒入口空燃比を所定値とするように、水温ＴＷから２次空気対応増量率ＫＡＰを求めることができるからである。ここでの２次空気対応増量率ＫＡＰは冷却水温ＴＷ（又は始動時水温ＴＷｓｔ）が高い程大きく設定される。
次に第３の実施例について図６により説明する。
【００３０】
この実施例は、図３の燃料噴射量演算ルーチンの代わりに、図６に示す燃料噴射量演算ルーチンを実行するようにしたものである。
図６の燃料噴射量演算ルーチンについて説明する。
ステップ１１では、エアフローメータ１１からの信号に基づいて検出される吸入空気流量Ｑと、クランク角センサ１２からの信号に基づいて算出される機関回転数Ｎとから、機関に吸入される空気量に対応する理論空燃比相当の基本燃料噴射量Ｔｐ＝Ｋ・Ｑ／Ｎ（Ｋは定数）を算出する。
【００３１】
ステップ１２では、水温センサ１３からの信号に基づいて検出される冷却水温ＴＷから、マップを参照して、第１の増量率としての水温増量率ＫＴＷを設定する。尚、水温増量率ＫＴＷは冷却水温ＴＷが低い程大きく設定される。この部分が第１の燃料増量率設定手段に相当する。
ステップ１３では、エアポンプ８がＯＮ（２次空気導入状態）か否かを判定し、ＯＮの場合はステップ１４へ進む。この部分が２次空気導入状態検出手段に相当する。
【００３２】
ステップ１４では、アイドルスイッチ１４がＯＮ（アイドル運転状態）か否かを判定し、ＯＮの場合はステップ１５へ進む。この部分がアイドル運転状態検出手段に相当する。
ステップ１５では、２次空気導入時でかつアイドル運転時であるので、触媒入口空燃比が理論空燃比よりもリーン側の所定値になるように２次空気対応増量率ＫＡＰを演算する。
【００３３】
具体的には、既に説明した図４又は図５に示すＫＡＰ演算サブルーチンを実行することにより、２次空気対応増量率ＫＡＰを演算する。
但し、このステップ１５で設定される２次空気対応増量率ＫＡＰを以下では「目標２次空気対応増量率」と呼び、これに基づいて過渡時を考慮して設定される２次空気対応増量率ＭＫＡＰと区別する。
【００３４】
目標２次空気対応増量率ＫＡＰの設定後は、ステップ１６へ進む。
ステップ１６では、増量率ＫＭを徐々に増大させるべく、２次空気対応増量率ＭＫＡＰを次式のごとく現在の増量率ＫＭに所定値ΔＫＡＰを加算することにより設定する。
ＭＫＡＰ＝ＫＭ＋ΔＫＡＰ
次にステップ１７では、２次空気対応増量率ＭＫＡＰを目標２次空気対応増量率ＫＡＰと比較し、ＭＫＡＰ＞ＫＡＰの場合にステップ１８で２次空気対応増量率ＭＫＡＰ＝ＫＡＰに固定する。
【００３５】
一方、ステップ１３の判定でエアポンプ８がＯＦＦ、又はステップ１４での判定でアイドルスイッチ１４がＯＦＦの場合は、ステップ１９へ進む。
ステップ１９では、増量率ＫＭを徐々に減少させるべく、２次空気対応増量率ＭＫＡＰを次式のごとく現在の増量率ＫＭから所定値ΔＫＡＰを減算することにより設定する。
【００３６】
ＭＫＡＰ＝ＫＭ−ΔＫＡＰ
ここで、ステップ１５〜１９の部分が第２の燃料増量率設定手段に相当する。
これらの後は、ステップ２０，２１へ進む。
ステップ２０では、水温増量率ＫＴＷと２次空気対応増量率ＭＫＡＰとから、次式に示されるように大きい方を選択して、最終的な増量率ＫＭを設定する。この部分が燃料増量率選択手段に相当する。
【００３７】
ＫＭ＝ＭＡＸ（ＫＴＷ，ＭＫＡＰ）
ステップ２１では、基本燃料噴射量Ｔｐに対し、次式のごとく、増量率ＫＭによる補正を施して、最終的な燃料噴射量Ｔｉを算出する。この部分が燃料供給量補正手段に相当する。
Ｔｉ＝Ｔｐ・（１＋ＫＭ）
このようにして燃料噴射量Ｔｉが算出されると、これが所定のレジスタにセットされ、所定の燃料噴射タイミングにてＴｉのパルス幅の駆動パルス信号が燃料噴射弁５に出力されて、燃料噴射が行われる。
【００３８】
この実施例においては、図７に示すように、２次空気導入時でかつアイドル運転時の条件が成立したときに、燃料供給量の増量率ＫＭを時間経過と共に漸増して、触媒入口空燃比がリーン側の所定値になるような増量率ＫＡＰまで、緩やかに変化させる。また、前記条件が不成立になったときは、燃料供給量の増量率ＫＭを時間経過と共に漸減して、緩やかにＫＭ＝ＫＴＷまで変化させる。従って、水温増量率ＴＷと目標２次空気対応増量率ＫＡＰとの切換時に、急激な増量率の変更がなく、滑らかに変化するため、機関の安定度や排気性能への影響を和らげることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に係る発明によれば、２次空気導入時でかつアイドル運転時に触媒入口空燃比を理論空燃比よりもリーン側の所定値になるように設定し、触媒入口空燃比のリーン化により、触媒の早期活性化を図ることができ、また、所定以上のリーンにならないため、２次空気によって熱が奪われず、排気温度の低下も少ないので、これによっても触媒の早期活性化が可能になるという効果が得られる。
【００４０】
請求項２に係る発明によれば、２次空気対応増量率を、機関吸入空気流量や２次空気導入流量などから計算により設定するので、正確な制御が可能となるという効果が得られる。
請求項３に係る発明によれば、計算された２次空気対応増量率の上限値を規制するので、過度な増量による機関の失火を防止できるという効果が得られる。
【００４１】
請求項４に係る発明によれば、２次空気対応増量率を、機関冷却水温に基づいて推定するので、簡易な制御が可能となるという効果が得られる。
請求項５に係る発明によれば、増量率の切換時に、増量率が滑らかに変化するため、機関の安定度や排気性能への影響を和らげることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成を示す機能ブロック図
【図２】本発明の第１の実施例を示すシステム図
【図３】燃料噴射量演算ルーチンのフローチャート
【図４】ＫＡＰ演算サブルーチンのフローチャート
【図５】第２の実施例を示すＫＡＰ演算サブルーチンのフローチャート
【図６】第３の実施例を示す燃料噴射量演算ルーチンのフローチャート
【図７】燃料増量率の変化の様子を示す図
【符号の説明】
１  機関
２  エアクリーナ
３  吸気通路
４  スロットル弁
５  燃料噴射弁
６  排気通路
７  三元触媒
８  エアポンプ
９  ２次空気導入管
１０  コントロールユニット
１１  エアフローメータ
１２  クランク角センサ
１３  水温センサ
１４  アイドルスイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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