(57)【要約】【課題】  冷間始動した時の二次空気の供給と燃料の増量を最適に制御し排気エミッションを向上すること。【解決手段】  冷間始動と同時にエアポンプ（４１）を作動させ、二次空気制御弁（４２）を開き、二次空気を排気ポート（６）に供給する。排気ポート内の排気ガス温度TGが閾値TGaより高ければ燃料の増量をおこない、排気ポート内の排気ガス温度TGが閾値TGaより低ければ二次空気の供給はおこなうが燃料の増量をおこなわない。したがって、燃焼されない燃料が供給されて排気エミッションが悪化することが防止される。燃料の増量を伴わないで排気ポートに二次空気が供給されると、排気ガスは温度が下がり、空燃比はリーン状態になる。この温度が低くリーン状態の排気ガスが触媒（２３）に到達するが、触媒はリーン状態の方が活性化しやすいので浄化率は低下しない。【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二次空気供給装置と、
燃料噴射量を増量せしめる燃料増量手段と、
燃料増量手段の作動を制御する燃料増量手段制御手段とを具備し、
燃料増量手段制御手段は、二次空気が供給される排気通路の温度を検出する排気通路温度検出手段を含み、
冷間始動した時、二次空気供給装置を作動させると共に、排気通路温度検出手段が検出した排気通路の温度にもとづいて燃料増量手段を作動させるか、否か、を判定する、
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
燃料増量手段制御手段は、さらに、二次空気が供給される排気通路の空燃比を検出する空燃比検出手段を含み、
冷間始動した時、二次空気供給装置を作動させると共に、排気通路温度検出手段が検出した排気通路の温度と、空燃比検出手段の検出した空燃比にもとづいて、燃料増量手段を作動させるか、否か、の判定と、作動させる場合の燃料の増量値を決定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
排気通路温度検出手段は、二次空気が供給される排気通路の温度を、吸気温と、冷却水温と、大気圧から推定する、排気通路温度推定手段を含み、
少なくとも始動直後は、二次空気が供給される排気通路の温度を排気通路温度推定手段により推定する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
さらに、燃料性状を検出する燃料性状検出手段を具備し、燃料性状検出主段が検出した燃料性状にもとづいて燃料の増量値を変更する、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項５】
二次空気が排気ポートに供給される、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項６】
二次空気の供給位置よりも下流の排気通路に触媒を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関、特に二次空気供給装置を備えた車両用の内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関、特に触媒を備える内燃機関において、排気ポートに二次空気を供給し、燃焼室から排出された排気ガスを排気ポート内で、所謂、”後燃え”をさせて排気ガス温度を上昇させると共に触媒の活性化を促進させ排気エミッションの向上をねらったものがある。例えば、特許文献１に記載の装置がある。上記公報の装置では機関の温度が所定値よりも低いときのみ排気ポートに新気を供給するようにされている。ところが、機関温度が低いときに二次空気を供給しても、排気ポートの壁が充分に暖まっていないので上述の後燃えがおこなわれず排気ガスの温度が上昇せず、触媒の活性化も促進されず排気エミッションは向上しない。
また、通常、排気ガスの温度を上昇させ触媒の活性化を促進するためには二次空気の供給に応じて燃料の増量をおこなうが、この点についても言及されておらず、排気エミッションが、むしろ悪化する可能性がある。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−６２５６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上記問題に鑑み、二次空気の供給と燃料の増量を最適に制御して排気エミッションを向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明によれば、排気通路に二次空気を供給する二次空気供給装置と、
燃料噴射量を増量せしめる燃料増量手段と、燃料増量手段の作動を制御する燃料増量手段制御手段とを具備し、燃料増量手段制御手段は、二次空気が供給される排気通路の温度を検出する排気通路温度検出手段を含み、冷間始動した時、二次空気供給装置を作動させると共に、排気通路温度検出手段が検出した排気通路の温度にもとづいて燃料増量手段を作動させるか、否か、を判定する、内燃機関が提供される。
このように構成される内燃機関では、冷間始動時、二次空気が供給されると共に、二次空気が供給される排気通路の温度にもとづいて燃料増量がおこなわれる。
【０００６】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、燃料増量手段制御手段は、さらに、二次空気が供給される排気通路の空燃比を検出する空燃比検出手段を含み、冷間始動した時、二次空気供給装置を作動させると共に、排気通路温度検出手段が検出した排気通路の温度と、空燃比検出手段の検出した空燃比にもとづいて、燃料増量手段を作動させるか、否か、の判定と、作動させる場合の燃料の増量値を決定する、ようにした内燃機関が提供される。
このように構成される内燃機関では、冷間始動時、二次空気が供給されると共に、二次空気が供給される排気通路の温度と空燃比にもとづいて燃料増量がおこなわれる。
【０００７】
請求項３の発明によれば、請求項１または２の発明において、排気通路温度検出手段は、二次空気が供給される排気通路の温度を、吸気温と、冷却水温と、大気圧から推定する、排気通路温度推定手段を含み、
少なくとも始動直後は、二次空気が供給される排気通路の温度を排気通路温度推定手段により推定する、ようにした内燃機関が提供される。
このように構成される内燃機関では、少なくとも始動直後は、二次空気が供給される排気通路の温度は、吸気温と、冷却水温と、大気圧から推定される。
【０００８】
請求項４の発明によれば、請求項１から３のいずれかの発明において、さらに、  さらに、燃料性状を検出する燃料性状検出手段を具備し、燃料性状検出主段が検出した燃料性状にもとづいて燃料の増量値を変更する、ようにした内燃機関が提供される。
このように構成される内燃機関では、燃料増量手段による燃料の増量に際して、燃料性状に応じて燃料の増量値が変更される。
【０００９】
請求項５の発明によれば、請求項１の発明において、排気弁の直後流の排気ポートに二次空気を供給するようにされている、内燃機関が提供される。
このように構成される内燃機関では、排気弁の直後流の排気ポートに二次空気が供給される。
【００１０】
請求項６の発明によれば、請求項１の発明において、二次空気の供給位置の下流の排気通路に触媒を備える、内燃機関が提供される。
このように構成される内燃機関では、二次空気の供給位置の下流の排気通路に備えた触媒の活性化が促進される。
【発明の効果】
【００１１】
各請求項に記載の発明による内燃機関では、冷間始動した時、二次空気が供給されると共に、二次空気が供給される排気通路の温度にもとづいて燃料増量がおこなわれ、排気ガス温度を適切に上昇せしめることができ、それにより、排気エミッションを向上させることができる。
特に請求項２の発明のようにすれば、排気通路温度検出手段が検出した排気通路の温度と、空燃比検出手段の検出した空燃比にもとづいて、燃料増量手段を作動させるか、否か、の判定と、作動させる場合の燃料の増量値が決定され燃料増量の精度が上がり、より精度よく排気エミッションを向上させることができる。
特に請求項３の発明のように、二次空気が供給される排気通路の温度を、吸気温と、冷却水温と、大気圧から推定すれば、始動直後に急上昇する排気通路の温度をもとめるために高価な応答性の高い温度検出装置を必要としない。
特に請求項４の発明のように、燃料性状に応じて燃料の増量値を変更すれば、燃料性状の差にもとづく燃焼の差に対応でき、より精度よく排気エミッションを向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１が本発明の各実施の形態に共通のハード構成を示す図である。
１は火花点火式の内燃機関（以下、単に機関という）を示し、機関１はシリンダヘッド１ａとシリンダブロック１ｂとを備えて成る。シリンダヘッド１ａは吸気ポート５、排気ポート６、吸気弁７、排気弁８、および、点火栓３０を備え、点火栓３０には点火コイル３１から高圧電流が供給される。シリンダブロック１ｂ内をクランク軸３とコンロッド４を介して連結されているピストン２が往復動し、ピストン２とシリンダヘッド１ａの間に燃焼室１ｃが形成される。
また、シリンダブロック１ｂには冷却水温を検出する水温センサ５１が取付けられている。
【００１３】
吸気ポート５には吸気マニホールド１０が接続され、排気ポート６には排気管マニホールドホールド２０が接続されている。吸気管マニホールド１０には、上流に向けて、サージタンク１１、吸気管１２が順次接続され、最上流端にはエアクリーナ１３が取付けられている。
【００１４】
吸気マニホールド１０には燃料噴射弁３２が配設され、燃料噴射弁３２には図示しない燃料タンクから燃料パイプ３３を介して燃料が送給される。吸気管１２にはスロットルバルブ１４が介装されている。アクセルペダル１５にアクセルペダル１５の踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ５２が付設されていて、アクセルペダルセンサ５２が検出したアクセルペダル１５の踏み込み量に対応して、スロットルモータ１４ａによりスロットルバルブ１４の開度が変更せしめられる。スロットルバルブ１４の開度はスロットル開度センサ５３により検出される。
【００１５】
吸入空気は、エアクリーナ１３、吸気管１２、サージタンク１１、吸気マニホールド１０を通り、吸気マニホールド１０で燃料噴射弁３２から噴射される燃料と混合されて混合気となり、吸気弁７で流路が開閉される吸気ポート５を経て燃焼室１ｃ内に供給される。吸入空気量はエアクリーナ１３の出口に付設されているエアフローメータ５４により検出される。エアフローメータ５４の近傍に吸気温度を検出する吸気温度センサ５５、大気圧を検出するための圧力センサ５６が設けられている。
【００１６】
排気ポート６には排気マニホールド２０が接続され、排気マニホールド２０には下流に向かって第１排気管２１、第２排気管２２が順次接続されている。第１排気管２１の内部には三元触媒２３が配設されている。三元触媒２３の上流側近傍には第１空燃比センサ２４が配設され、三元触媒２１の下流側近傍には第２空燃比センサ２５が配設されている。
そして、排気ポート６には排気ポート６内の排気ガス温度を検出する排気ガス温度センサ５７が付設されている。
【００１７】
燃焼室１ａで発生した排気ガスは排気弁８で流路が開閉される排気ポート６を経て、排気マニホールド２０に導かれ、さらに第１排気管２１内で三元触媒２３によって浄化されてから第２排気管２２を通って排出される。第１空燃比センサ２４と第２空燃比センサ２５の出力に基いて所定の空燃比が得られるように燃料噴射弁３２から噴射される燃料噴射量がフィードバック制御される。
【００１８】
二次空気供給管４１がエアクリーナ１３と排気ポート２０の間を結ぶように設けられている。二次空気供給管４１には上流から下流に向かって二次空気を圧送するためのエアポンプ４２、二次空気供給管４１の通路の開閉制御をおこなう二次空気制御弁４３、排気ガスの逆流を防止する逆止弁４４が設けられている。ＥＣＵ１００からの指令によりエアポンプ４１、二次空気制御弁４３を作動せしめて排気マニホールド２０に始動時に二次空気を供給する。
二次空気供給管４１、エアポンプ４２、二次空気制御弁４３、逆止弁４４を二次空気供給装置４０と称する。
【００１９】
ＥＣＵ１００は入力ポート１０１、出力ポート１０２、ＣＰＵ１０３、ＲＯＭ１０４、ＲＡＭ１０５等を共通バス１０６で相互に接続してなる。ＥＣＵ１００には各センサの検出した信号が入力され、本発明に関わる制御をおこなう制御信号が各アクチュエータ類に送出される。
【００２０】
以下、上記のようなハード構成でおこなわれる各実施の形態について説明する。
先ず、第１の実施の形態について説明する。図２が、この第１の実施の形態の、始動時における作動を説明するタイムチャートである。
始動と同時にエアポンプ４２が作動され、二次空気制御弁４３が開かれ排気ポート６へ二次空気が供給される。
【００２１】
排気ポート６内の排気ガス温度TGは、一旦、上昇するが、すぐに降下して、その後、緩やかに上昇する。この様に、排気ポート６内の排気ガス温度TGが始動直後に、一旦、上昇するのは、始動時に、スロットルバルブ１４よりも下流の、すなわち絞られない、サージタンク１１内の空気が大量に燃焼室へ供給され、燃料も所謂始動時増量で大量に燃焼室へ供給されるからである。
【００２２】
排気ガス温度TGが高ければ排気ポート６の壁面の温度も高くなり燃料を増量しても後燃えが発生して排気エミッションは悪化しない。しかし、排気ガス温度TGが低ければ燃料を増量すると後燃えが発生せずエミッションが悪化する。そこで、この第１の実施の形態では排気ガス温度TGが高ければ燃料の増量をおこない、排気ガス温度TGが低ければ燃料の増量をおこなわないようにされている。
【００２３】
具体的には、一点鎖線で示される二次空気の供給に対応して燃料の増量をすべきか、否か、を判定するための排気ポート６内の排気ガス温度TGの閾値TGaをＥＣＵ１００に記憶しておき、排気温センサ５７で検出された排気ポート６内の排気ガス温度TGが閾値TGaよりも高ければ燃料の増量をおこない、排気ガス温度TGが閾値TGaよりも低ければ燃料の増量をおこなわない。閾値TGaは開発段階で実験結果にもとづき決定される。
【００２４】
排気ガス温度TGが閾値TGaよりも低く燃料の増量がおこなわれない状態で排気ポート６に二次空気が供給されると、排気ガスは温度は上がりにくく空燃比はリーン状態になる。このリーン状態の排気ガスが触媒２３に到達するが、触媒は図３に示すようにリーン状態の方が活性化しやすい（低い温度から活性化する）ので触媒２３の浄化率は低下しない。
【００２５】
次に、第２の実施の形態を説明する。
第１の実施の形態では二次空気の供給をおこなっているときに燃料の増量をすべきか、否か、の判定を、排気ポート６内の排気ガス温度TGのみにもとづいておこなっているが、この第２の実施の形態は上記の判定を、排気ポート６内の排気ガス温度TGのみならず、排気ガス温度TGと排気ガスの空燃比AFとにもとづいておこなう。
【００２６】
図４がこの第２の実施の形態を説明する図であって、縦軸は二次空気の供給位置における排気ガスの温度TG、横軸は触媒入り口の空燃比AFである。
一点鎖線で示されるのは第１の実施の形態で説明した排気ガス温度の閾値TGaであって、一点鎖線より下側の領域は、温度的に二次空気の供給に対応して燃料の増量をおこなうべきではない領域である。そして、垂直に近い破線より右側の領域は過リッチで排気エミッションが許容できない領域である。
【００２７】
そして、左下がりのハッチングがされている領域は二次空気の供給によって前述した後燃えによる燃焼反応が発生する領域である。この領域を二次空気燃焼反応発生領域と称する。したがって、この第２の実施の形態では二次空気燃焼反応発生領域内にあるように燃料の増量をおこなう。
【００２８】
図１に示したように、機関１を始動すると直後に排気ポート６内の排気ガス温度TGは上昇し、前述の閾値TGaを超えるが一旦降下し、その後、緩やかに上昇し再び閾値TGaを超える。そして、閾値TGaを超えたところで燃料の増量をおこなうが、その増量値TAUAIは増量をおこなう時点での、排気ガス温度TGと空燃比AFにもとづき図５のマップから決定される。このマップはクロスハッチングされた領域内でのみ値を有し、二次空気燃焼反応発生領域と近ければ小さく、遠ければ大きくなるように設定されている。クロスハッチングされた領域以外では増量が不要であるので値はゼロである。
【００２９】
図４のＡは始動直後の増量がおこなわれる点を示し、図４のＢは温度が一旦下がった後に再び上昇して閾値TGaを超えたところで実施する増量を示しており、矢印の長さが図５からもとめた増量値TAUAIの大きさを示している。
【００３０】
図４に破線で示されるのは始動後の軌跡であって、始動後、Ａに達し、Ａで燃料増量後に、一旦、二次空気燃焼反応発生領域内に入る。その後、温度降下に伴い二次空気燃焼反応発生領域から外れて閾値TGaの下側まで一旦降下する。その後、徐々に、温度上昇して閾値TGaの上側に出てＢに到達し、Ｂで燃料増量されて再び、二次空気燃焼反応発生領域内に入る。図３の”ａ”、”ｂ”、”ｃ”は、それぞれ、図１の”ａ”、”ｂ”、”ｃ”に対応する。
【００３１】
第２の実施の形態は上記のように作動し、燃料の増量の要否、および、増量値が排気ポート６内の排気ガス温度TGのみではなくて、排気ガス温度TGと空燃比AFにもとづいて決定されるので、過不足なく適切に燃料が増量されて第１の実施の形態よりも排気エミッションを高い精度で向上することができる。
【００３２】
次に第３の実施の形態について説明する。
すでに説明したように、始動直後は急激に温度が上昇する。そこで、温度測定には非常に高い応答性が要求される。しかし、そのような高い応答性を有する温度センサは非常に高価である。
そこで、第３の実施の形態では、温度センサ５７は高い応答性のものとはせずに、始動時の、吸気温度TA、冷却水温TW、及び、大気圧PATMを検出し、それらの値にもとづき、図６に示す三次元的なマップから、始動直後（例えば、始動から５秒経過後まで）の排気ガス温度TGの変化TGSを推定し、それに基き、第２の実施の形態のようにして、二次空気供給時の燃料増量の時期、及び、量を決定する。
【００３３】
なお、始動直後以外の排気ガス温度TGは急激な変化をしないので高い応答性を有しない温度センサ５７で検出する。
上記のようにすることにより、この第３の実施の形態では、温度センサ５７を非常に高い応答性を有する高価なものにすることなく、精度の高い制御をおこなうことができる。なお、この方法は、第１の実施の形態にも適用できる。
【００３４】
なお、第３の実施の形態は、上記のように始動直後の排気ガス温度TGの変化の推定に際して大気圧PATMの検出値を利用しているので、推定される始動直後の排気ガス温度TGの変化には、高度変化にともなう始動時の燃焼の変化が織り込まれることになり、その点も精度がよい。すなわち、高地で始動される場合は大気圧が低いので吸入空気量が少なくガス温度は低くなり、低地で始動される場合は大気圧が高いので吸入空気量が多くガス温度は高い、ということが反映される。
【００３５】
次に、第４の実施の形態について説明する。
燃料には、揮発しやすい成分を多く含む軽質燃料と揮発しにくい成分を多く含む重室燃料があり、重質燃料は冷間時に壁面に付着しやすく実際に燃焼室に導入される燃料は軽質燃料の場合よりも少ない。したがって、増量に際して、軽質燃料よりも多く増量しないと、軽質燃料と同等に燃焼ガス温度を上昇せしめることができない。
そこで、この第４の実施の形態は、第３の実施の形態に対して、さらに、燃料性状検出装置を備え、燃料性状検出手段が検出した燃料性状により燃料増量値を変更する。
【００３６】
例えば、図５の増量値は軽質燃料の場合のものを記憶しておき、燃料が重質である場合には、それに適切な係数α（＞１）を乗算したものを使用する。図７がこの制御を説明するフローチャートであり、ステップＳ４で増量値TAUAIに係数αが乗算される。
なお、燃料性状検出装置は図１において燃料パイプ３３に付設され参照符号５８で示されているものである。具体的には、例えば、特開２００４−８４５００号公報に記載されているように、燃料の密度を検出し、密度が大きければ重質であると判定し、密度が小さければ軽質と判定する。
第４の実施の形態は上記のように燃料性状を加味して排気ガス温度TGが推定されるのでさらに精度がよくなる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は内燃機関に適用でき、特に触媒を備えた内燃機関に適用すると有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態のハード構成を示す図である。
【図２】第１の実施の形態を説明する図である。
【図３】空燃比による触媒の活性温度の変化を示す図である。
【図４】第２の実施の形態を説明する図である。
【図５】第２の実施の形態における予め記憶されている排気ガス温度と空燃比に対する増量値を説明する図である。
【図６】第３の実施の形態における、冷却水温、吸気温度、大気圧にもとづく始動後の排ガス温度の変化の推定を説明する図である。
【図７】第４の実施の形態を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００３９】
６    排気ポート
１１    サージタンク
４０    二次空気供給装置
４１    二次空気供給管
４２    エアポンプ
４３    二次空気制御弁
４４    逆止弁
５１    水温センサ
５５    吸気温センサ
５６    圧力センサ
５７    排気ガス温度センサ
５８    燃料性状検出装置
１００    ＥＣＵ（電子制御ユニット）
【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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