(57)【要約】    【課題】  始動直後の排気浄化触媒１２の早期活性化のため、排気通路１１に二次空気を供給する際に、二次空気を効率的に供給して、触媒１２入口の排気温度を高める。    【解決手段】  エアポンプ１３の吐出側（遮断弁１４の出口側）を、分配弁１５を介して、２つの二次空気供給通路１６、１７に分岐する。一方の二次空気供給通路１６の二次空気供給口１６ａは、排気通路１１の比較的上流側（排気ポート１８）に開口させる。他方の二次空気供給通路１７の二次空気供給口１７ａは、排気通路１１の比較的下流側に開口させる。このように、排気通路１１への二次空気供給口１６ａ、１７ａを排気流れ方向の複数箇所に設け、これら複数箇所から同時に二次空気を供給する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に二次空気を供給する内燃機関の二次空気供給装置において、
排気通路への二次空気供給口を排気流れ方向の複数箇所に設け、
前記複数箇所の二次空気供給口から同時に二次空気を供給する構成としたことを特徴とする内燃機関の二次空気供給装置。
【請求項２】
前記複数箇所の二次空気供給口による供給空気量割合を調整する分配弁を設けた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。
【請求項３】
排気温度を検出し、これに応じて、前記供給空気量割合を調整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。
【請求項４】
冷却水温度を検出し、これに応じて、前記供給空気量割合を調整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。
【請求項５】
低温時に、上流側の二次空気供給口の供給空気量割合を多くし、高温時に、下流側の二次空気供給口の供給空気量割合を多くすることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の内燃機関の二次空気供給装置。
【請求項６】
上流側の二次空気供給口は、排気通路の内壁に開口させ、下流側の二次空気供給口は、排気通路の中心部に開口させることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の二次空気供給装置。
【請求項７】
上流側の二次空気供給口は、各気筒の排気通路が集合する前に各気筒毎に設け、下流側の二次空気供給口は、各気筒の排気通路が集合した後に全気筒共通に設けることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の内燃機関の二次空気供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、始動直後の排気浄化触媒の早期活性化などのため、排気温度を上昇させるべく、排気通路に二次空気を供給する内燃機関の二次空気供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、排気系での酸化反応を促進させるため、触媒上流の排気通路に二次空気を供給するに際し、排気通路への二次空気供給口を排気流れ方向に２つ設け、いずれか一方から選択的に二次空気を供給している。これは、酸素センサによる空燃比フィードバック制御が行われるときは、酸素センサより下流側の二次空気供給口より二次空気を供給して、空燃比の誤認識を防止するためであり、空燃比フィードバック制御が行われないときは、酸素センサより上流側の二次空気供給口より二次空気を供給して、排気温度のより高い位置にて酸化反応を促進させるためである。
【特許文献１】実開平５−００７９２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、排気通路への二次空気供給口を排気流れ方向に２つ設けているものの、いずれか一方の二次空気供給口から選択的に二次空気を供給しているため、これまでのものと同様、１箇所の二次空気供給口から二次空気の全量を供給することになるため、次のような問題があった。
１箇所の二次空気供給口から二次空気の全量を供給すると、供給位置よりやや下流側で一気に燃焼して、排気温度がピークとなることから、周囲温度（例えば排気通路内壁の温度）との温度差が大となり、放熱量は温度差に比例することから、その後の排気温度の低下が大きくなり、触媒入口での排気温度が低下してしまう。
【０００４】
本発明は、このような実状に鑑み、二次空気を効率的に供給して、触媒入口の排気温度を高めることができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このため、本発明では、排気通路への二次空気供給口を排気流れ方向の複数箇所に設け、複数箇所の二次空気供給口から同時に二次空気を供給する構成とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、排気流れ方向の複数箇所から、各二次空気供給口により二次空気を分割して供給することで、持続的に燃焼させ、放熱量の増大を抑えて、排気温度の低下を防止でき、触媒入口での排気温度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
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エンジンのシステム図である。
エンジン１の吸気通路２には、吸気マニホールド３の入口側に位置させて、吸入空気量を制御する電制スロットル弁４が設置されている。電制スロットル弁４は、エンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）２０からの信号により作動するステップモータ等により開度制御される。但し、アクセルペダルにワイヤ等で連結された機械式のスロットル弁を用いてもよい。
【０００８】
吸気マニホールド３の出口側のブランチ部には、各気筒の吸気ポート５に燃料を噴射する燃料噴射弁６が取付けられている。燃料噴射弁６は、ＥＣＵ２０からエンジン回転に同期して出力される噴射パルス信号により、そのパルス幅によって定められる時間、ソレノイドに通電されて開弁し、所定圧力に調圧された燃料を噴射する。
電制スロットル弁４の制御を受けた空気と、燃料噴射弁６から噴射された燃料は、吸気弁７が開いたときに、エンジン１の燃焼室８に吸入される。
【０００９】
燃焼室８内に吸入された空気と燃料は、混合気を形成し、ＥＣＵ２０により制御される点火時期にて、点火プラグ９により点火されて燃焼する。燃焼後の排気は、排気弁１０を介して、排気通路１１へ排出される。排気通路１１の集合部には排気浄化触媒１２が設けられている。
ここで、排気浄化触媒１２上流の排気通路１１へ二次空気を供給すべく、電動式エアポンプ１３が設けられ、その吐出側には遮断弁１４が設けられている。遮断弁１４の出口側は、流量比を調整可能な分配弁１５を介して、２つの二次空気供給通路１６、１７に分岐している。
【００１０】
一方の二次空気供給通路１６は、排気通路１１の比較的上流側に二次空気を供給するもので、上流側のギャラリ部から分岐して、シリンダヘッド内に気筒毎に形成されており、各気筒の二次空気供給通路１６の出口側の二次空気供給口（噴口）１６ａは、シリンダヘッド内の各気筒の排気ポート１８の内壁に開口し、排気弁１０の傘部を指向している。
他方の二次空気供給通路１７は、排気通路１１の比較的下流側に二次空気を供給するもので、各気筒の排気通路が集合した後の位置（排気マニホールドの集合部）にて、排気通路１１内にパイプ状に突出し、その出口側の二次空気供給口（噴口）１７ａは、排気通路１１の中心部に開口している。
【００１１】
ＥＣＵ２０には、アクセルペダルセンサ２１により検出されるアクセル開度ＡＰＯ、クランク角センサ２２により検出されるエンジン回転数Ｎｅ、エアフローメータ２３により検出される吸入空気量Ｑａ、水温センサ２４により検出されるエンジン冷却水温度Ｔｗ、排気温度センサ２５により検出される排気温度Ｔｅ、触媒温度センサ２６により検出される触媒温度Ｔｃなどが必要に応じて入力されている。この他、図示しないが、イグニッションスイッチ及びスタートスイッチを有するエンジンキースイッチからも信号が入力されている。
【００１２】
ＥＣＵ２０は、これらの入力信号より検出されるエンジン運転条件に基づいて、電制スロットル弁４の開度、燃料噴射弁６の燃料噴射時期及び燃料噴射量、点火プラグ９の点火時期などを制御する。また、エアポンプ１３、遮断弁１４、分配弁１５の作動を制御する。尚、遮断弁１４はエアポンプ１３のＯＮ時に開、ＯＦＦ時に閉とするもので、エアポンプ１３自体がＯＦＦ時の遮断機能を有しているときは省略できる。図１中のＢはエアポンプ１３の電源となるバッテリを示している。
【００１３】
次に、始動直後の排気浄化触媒１２の早期活性化（暖機）のための制御について、図２のフローチャートにより説明する。
Ｓ１では、始動直後などで触媒昇温要求があるか否かを判定する。具体的には、触媒温度センサ２６により触媒温度Ｔｃを検出し、所定の活性温度より低いか否かを判定する。運転条件から触媒温度を予測して、活性・非活性を判定してもよい。始動直後などで触媒昇温要求がある場合、すなわち触媒１２が非活性の場合は、Ｓ２〜Ｓ８の処理へ進む。
【００１４】
Ｓ２では、エンジン側の空燃比をリッチに設定する。排気通路に多量の未燃燃料を排出させて、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るためであり、リッチ失火しない範囲で空燃比をリッチ化する。
Ｓ３では、エアポンプ１３の駆動電力Ｐｐを算出する。これによって、排気通路への二次空気の総量（上流側空気量＋下流側空気量）を調整するためであり、排気浄化触媒１２に流入する排気の空燃比がストイキあるいはわずかにリーンとなるように、エアポンプ１３の駆動電力Ｐｐを設定する。
【００１５】
Ｓ４では、排気温度センサ２５により検出される排気温度Ｔｅを読込む。排気温度センサ２５により排気温度Ｔｅを検出する場合、触媒１２の直上流で検出する他、上流側の二次空気供給口１６ａと下流側の二次空気供給口１７ａとの間、あるいは排気ポート１８にて検出してもよい。排気温度センサを装備していない場合は、水温センサ２４により検出されるエンジン冷却水温度Ｔｗを読込む。
【００１６】
Ｓ５では、図３に示すようなテーブルを参照し、排気温度Ｔｅ（又は冷却水温度Ｔｗ）に基づいて、供給空気量割合Ｋを算出する。例えば、Ｋ＝上流側空気量／（上流側空気量＋下流側空気量）とする。この場合、上流側の二次空気供給口１６ａの供給空気量割合がＫとなり、下流側の二次空気供給口１７ａの供給空気量割合は１−Ｋとなる。尚、下流側の二次空気供給口１７ａ位置より上流側で上流側の二次空気供給口１６ａからの二次空気の酸素が完全に消費されたとしても排気中に未燃燃料が残存する範囲内で供給空気量割合を決定する。
【００１７】
ここで、排気温度Ｔｅが低い時は、上流側空気量の割合を増大させ、下流側空気量の割合を減少させる。逆に、排気温度Ｔｅが高い時は、上流側空気量の割合を減少させ、下流側空気量の割合を増大させる。
冷却水温度Ｔｗの場合も同様で、冷却水温度Ｔｗが低い時は、上流側空気量の割合を増大させ、下流側空気量の割合を減少させる。逆に、冷却水温度Ｔｗが高い時は、上流側空気量の割合を減少させ、下流側空気量の割合を増大させる。
【００１８】
Ｓ６では、遮断弁１４を開く。
Ｓ７では、Ｓ５にて算出された供給空気量割合Ｋに基づいて、分配弁１５を制御する。
Ｓ８では、Ｓ３にて算出された駆動電力Ｐｐに基づいて、エアポンプ１３の駆動制御を行う。
Ｓ１での判定で、触媒昇温要求がなくなった場合、すなわち触媒１２の暖機が終了した場合は、Ｓ９〜Ｓ１２の処理へ進む。
【００１９】
Ｓ９では、エンジン側の空燃比を通常設定に戻す。
Ｓ１０では、遮断弁１４を閉じる。Ｓ１１では、分配弁１５を初期位置に固定する。初期位置とは、Ｋ＝０％又はＫ＝１００％となる位置とする。Ｋ＝０％は上流側閉止位置、Ｋ＝１００％は下流側閉止位置であり、いずれかとすることで、二次空気供給通路１６と１７とが連通したままとなって排気の流れを生じたり、分配弁１５が高温の排気ガスに曝されたりするのを防止できる。そして、Ｓ１２では、エアポンプ１３を停止する。
【００２０】
本実施形態によれば、排気通路への二次空気供給口を排気流れ方向に離れた複数箇所に設け、複数箇所の二次空気供給口１６ａ、１７ａから同時に二次空気を供給する構成としたため、放熱量の増大を抑えて、排気温度の低下を防止でき、触媒入口での排気温度を高めることができる。その理由を以下に説明する。
図４（Ａ）、（Ｂ）は、共に、横軸をエンジンから触媒までの排気流れ方向の位置（排気弁からの距離）、縦軸を排気温度として、排気通路での排気温度の変化を示したものである。
【００２１】
図４（Ａ）には、二次空気無しの場合の特性を点線で示し、排気通路の比較的上流の１箇所（ａ位置）から二次空気を供給した場合の特性を実線で示しており、排気通路の比較的上流の１箇所（ａ位置）から二次空気の全量を供給した場合は、二次空気無しの場合と比べれば、排温上昇効果が得られるものの、供給位置よりやや下流側で排気温度がピークとなった後、急激に温度低下して、触媒にて未燃燃料が燃焼可能な温度Ｔ１より低下してしまうことを示している。
【００２２】
図４（Ｂ）には、本発明のように、排気通路の比較的上流（ａ位置）と比較的下流（ｂ位置）とに二次空気を分割供給した場合の特性を示しており、触媒入口での排気温度の低下を抑制できることを示している。未燃燃料の量が同じで、二次空気の総量が同じであるとすれば、発熱量は理論的に同じであるので、図４（Ａ）に対し、図４（Ｂ）の特性となるのは、放熱量が少なくなることによる。
【００２３】
すなわち、図４（Ａ）のように、１箇所の二次空気供給口から二次空気の全量を供給すると、供給位置より下流側で一気に燃焼して、排気温度がピークとなることから、周囲温度（例えば排気通路内壁の温度）との温度差が大となり、放熱量は温度差に比例することから、その後の排気温度の低下が大きくなり、触媒入口での排気温度が低下してしまう。
これに対し、図４（Ｂ）のように、２箇所の二次空気供給口から二次空気を分割して供給する場合は、先ず上流側のａ位置にて二次空気の供給を受けて燃焼し、これにより排気温度が上昇するが、周囲温度との温度差が小さいため、放熱量を抑えることができ、その後の排気温度の低下を抑制できる。次いで、下流側のｂ位置にて二次空気の供給を受けて燃焼し、これにより排気温度が再び上昇し、この場合も放熱量を抑えて、その後の排気温度の低下を抑制でき、触媒入口での排気温度を未燃燃料が燃焼可能な温度Ｔ１以上とすることができる。言い換えれば、ピークを抑えたフラットな排気温度を実現し、触媒へ高い温度の排気ガスを供給できるようになる。
【００２４】
また、排気流れ方向の複数箇所から同時に二次空気を供給する構成の場合は、排気ガスと二次空気との混合が良好となり、燃焼効率が改善されて、発熱量自体を増大できる可能性もある。１箇所から二次空気を供給する構成の場合は、排気ガスと二次空気との混合がうまくいかないことがあり、燃焼効率が低下する可能性があるからである。
また、排気流れ方向の複数箇所から同時に二次空気を供給する構成の場合は、１箇所における空気供給量を減少させ得ることから、二次空気供給口１６ａ、１７ａの口径を小さくすることが可能となり、出力性能への影響を低減できる。上流側の二次空気供給口、特に排気ポート１８に開口する二次空気供給口１６ａは、口径が大きい場合、各気筒の排気通路（排気ポート１８）を連通させて、排気脈動を減衰してしまい、出力性能を低下させる要因となるが、これを回避できる。従って、図１に示されているように、上流側の二次空気供給口１６ａの口径は、下流側の二次空気供給口１７ａの口径より小さくするのが望ましい。
【００２５】
また、排気流れ方向の複数箇所から同時に二次空気を供給する構成の場合は、出力性能を低下させることなく、大量の空気供給が可能となり、エンジン側の空燃比設定をリッチ失火しない範囲で強リッチに設定可能となり、排気通路への未燃燃料の排出量を増大させて、排気温度をより上昇させることが可能となる。
また、本実施形態によれば、複数箇所の二次空気供給口１６ａ、１７ａによる供給空気量割合を調整する分配弁１５を設けたことにより、温度条件などに合わせて、供給空気量割合を最適に調整することが可能となる。
【００２６】
また、本実施形態によれば、排気温度を検出し、これに応じて、供給空気量割合を調整することにより、排気温度が低い場合や高すぎる場合に、供給空気量割合を調整して、最適温度にすることが可能となる。
また、本実施形態によれば、冷却水温度を検出し、これに応じて、供給空気量割合を調整することにより、エンジンの暖機状態を考慮して、排気温度の傾向を捉え、最適な排気温度を得るように調整することが可能となる。
【００２７】
また、本実施形態によれば、低温時に、上流側の二次空気供給口１６ａの供給空気量割合を多くし、高温時に、下流側の二次空気供給口１７ａの供給空気量割合を多くすることにより、排気温度や冷却水温度が変化してもフラットな排気温度を実現可能となる。
また、本実施形態によれば、上流側の二次空気供給口１６ａは、排気通路の内壁に開口させ、下流側の二次空気供給口１７ａは、排気通路の中心部に開口させることにより、上流側では、パイプ状部材の突き出しを無くして、排気抵抗となるのを防止し、出力性能の悪化を防止でき、下流側では、出力性能への影響が少なくなるので、パイプ状部材の突き出しにより、二次空気を排気通路の中心部へ供給して、排気ガスと二次空気との混合を良くし、未燃ＨＣ低減と排温上昇効果とをより一層を向上させることができる。
【００２８】
次に本発明の他の実施形態について図５及び図６により説明する。
前述の実施形態では、上流側の二次空気供給通路１６及び二次空気供給口１６ａと、下流側の二次空気供給通路１７及び二次空気供給口１７ａとを設けているが、図５の例に示すように、追加の二次空気供給通路３１、３２及び二次空気供給口３１ａ、３２ａを設けて、排気流れ方向のより多数箇所から同時に二次空気を供給するようにしてもよい。
【００２９】
また、前述の実施形態では、上流側の二次空気供給口１６ａは、各気筒の排気通路が集合する前に各気筒毎に設け、下流側の二次空気供給口１７ａ、３１ａ、３２ａは、各気筒の排気通路が集合した後に全気筒共通に設けているが、これに限るものではない。図６の例では、中間の二次空気供給通路３３及び二次空気供給口３３ａを設け、この中間の二次空気供給口３３ａは、各気筒の排気通路が集合する前（排気マニホールドのブランチ部）に各気筒毎に設けている。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図
【図２】始動直後の触媒の早期活性化のための制御のフローチャート
【図３】排気温度（又は冷却水温度）と供給空気量割合との関係を示す図
【図４】本発明の効果を説明する図
【図５】他の実施形態を示す排気系のレイアウト図
【図６】他の実施形態を示す排気系のレイアウト図
【符号の説明】
【００３１】
１  エンジン
２  吸気通路
３  吸気マニホールド
４  電制スロットル弁  
５  吸気ポート
６  燃料噴射弁
７  吸気弁
８  燃焼室
９  点火プラグ
１０  排気弁
１１  排気通路
１２  排気浄化触媒
１３  電動式エアポンプ
１４  遮断弁
１５  分配弁
１６  二次空気供給通路
１６ａ  二次空気供給口
１７  二次空気供給通路
１７ａ  二次空気供給口
１８  排気ポート
２０  ＥＣＵ
２１  アクセルペダルセンサ
２２  クランク角センサ
２３  エアフローメータ
２４  水温センサ
２５  排気温度センサ
２６  触媒温度センサ
３１、３２、３３  追加の二次空気供給通路
３１ａ、３２ａ、３３ａ  追加の二次空気供給口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2006207413.tif 000006
【図５】
2006207413.tif 000007
【図６】
2006207413.tif 000008