(57)【要約】【課題】排気通路に空気を供給する二次空気供給装置を備え、該二次空気供給装置の二次空気供給管内の圧力センサの上流側に堆積物の堆積が生じている場合にも、より精度良く、排気通路に供給される二次空気の流量の異常の有無を判定しうるような手段を有する内燃機関を提供すること。【解決手段】本発明の内燃機関は、二次空気供給装置により排気通路に供給される二次空気の流量の異常の有無を判定する際には、排気通路へ二次空気を供給し該二次空気による排気浄化触媒の暖機を実行するという点においては共通するが筒内に対する吸入空気量は異なる量に制御されるという第１触媒暖機制御と第２触媒暖機制御とを実行し、二次空気供給管内の圧力センサにて検出された第１触媒暖機制御時の二次空気供給管内の圧力と第２触媒暖機制御時の二次空気供給管内の圧力との差圧に基づいて、排気通路に供給される二次空気の流量の異常の有無を判定する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室の内部に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、排気通路に配置されている排気浄化触媒と、該排気浄化触媒よりも上流側の前記排気通路に空気を供給する二次空気供給装置とを備える内燃機関において、
前記二次空気供給装置は、前記排気通路に取り付けられた二次空気供給管と、該二次空気供給管に二次空気をもたらすエアポンプと、該エアポンプの下流側に位置せしめられ且つ前記二次空気供給管に配設され二次空気の通過を遮断可能な空気制御弁と、前記エアポンプと前記空気制御弁との間に配設されて前記二次空気供給管内の圧力を検出する圧力センサとを有し、
当該内燃機関は、前記排気通路に供給される二次空気の流量の異常の有無を判定する二次空気流量異常判定手段を有し、
前記二次空気流量異常判定手段は、
前記空気制御弁を開放し前記エアポンプを駆動することで前記排気通路に二次空気を供給する制御と、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比にする制御とを含む第１触媒暖機制御と、
前記空気制御弁を開放し前記エアポンプを駆動することで前記排気通路に二次空気を供給する制御と、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比として圧縮行程において前記筒内燃料噴射弁から燃料を噴射して、燃焼室の一部分の燃料濃度が上昇した高濃度領域及び該高濃度領域よりも燃料の濃度が低い低濃度領域を形成する制御と、点火時期を前記第１触媒暖機制御における点火時期よりも遅角し、筒内に対する吸入空気量を前記第１触媒暖機制御における吸入空気量よりも増量する制御とを含む第２触媒暖機制御とを実行し、
前記第１触媒暖機制御時の前記二次空気供給管内の圧力と前記第２触媒暖機制御時の前記二次空気供給管内の圧力とを前記圧力センサにて検出し、
前記第１触媒暖機制御時の前記二次空気供給管内の圧力と前記第２触媒暖機制御時の前記二次空気供給管内の圧力との差圧を算出し、該差圧に基づいて前記排気通路に供給される二次空気の流量の異常の有無を判定する、内燃機関。
【請求項２】
前記第１触媒暖機制御において、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比にする制御は、筒内全体に均質な混合気を形成して筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比にする、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記第１触媒暖機制御において、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比する制御は、筒内全体としての燃焼空燃比を第１リッチ空燃比となるようにし、
前記第２触媒暖機制御において、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比する制御は、筒内全体としての燃焼空燃比を第１リッチ空燃比よりもリッチ度合いが弱い第２リッチ空燃比となるようにする、請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記第１触媒暖機制御において、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比にする制御は、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比として圧縮行程において前記筒内燃料噴射弁から燃料を噴射して、燃焼室の一部分の燃料濃度が上昇した高濃度領域及び該高濃度領域よりも燃料の濃度が低い低濃度領域を形成し、前記高濃度領域の空燃比がリッチになる第１の成層状態を形成して、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比にし、
前記第２触媒暖機制御において、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比する制御は、前記第１触媒暖機制御における前記第１の成層状態よりも成層度の強い第２の成層状態を形成して、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比する、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、燃焼室の内部に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、排気通路に配置されている排気浄化触媒と、該排気浄化触媒よりも上流側の排気通路に空気を供給する二次空気供給装置とを備える内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関において、その排気通路に酸化機能を有する触媒を配置し、排気ガス中の一酸化炭素（以下、「ＣＯ」と称する）、ハイドロカーボン（以下、「ＨＣ」と称する）、窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」と称する）成分を低減して浄化を図るようにした排気浄化装置を設けることが知られている。さらに、排気通路に接続された開閉弁を有する二次空気供給管にエアポンプから空気を圧送することによって、排気通路内に二次空気を供給して酸素濃度を高くし、これにより、排気ガス中のＨＣ、ＣＯを酸化させて排気ガスの浄化を促進する二次空気供給装置も知られている。
【０００３】
内燃機関が長期間にわたって使用される際には、内燃機関の吸気系から取り入れられた吸気ガスに混入した微粒子などが二次空気供給管の内壁等に付着し、堆積物として堆積する。また、排気ガス中の微粒子も二次空気供給管の内壁等に付着し、堆積物として堆積する場合がありうる。このような堆積物の堆積が二次空気供給管に生じると二次空気供給管の配管抵抗が増大して、二次空気供給管内の圧力は、二次空気供給管に堆積物の堆積が生じていない場合とは異なる挙動を示すことになる。そして、二次空気供給管内に配設された圧力センサにて検出された圧力に基づいて二次空気の流量を算出するような場合においては、実際には二次空気の流量は低下しているにもかかわらず、二次空気の流量が増加したものと誤って判断される可能性があり、このことに起因して内燃機関の排気エミッションに支障をきたす場合がある。そのため、二次空気供給管に堆積物の堆積が生じた場合においても、二次空気供給装置が排気通路に供給する実際の二次空気の流量の異常の有無を精度良く把握することの要望がある。
【０００４】
特許文献１においては、エアポンプ（ＡＰ）とエアスイッチングバルブ（ＡＳＶ）との間の二次空気供給管に圧力センサを有し、エアスイッチングバルブの開放時で且つエアポンプの駆動時に圧力センサが検出する圧力と、エアスイッチングバルブの閉鎖時で且つエアポンプの駆動時に圧力センサが検出する圧力と、に基づいて二次空気の流量を算出することで、二次空気供給管に堆積物の堆積が生じた場合においても、二次空気供給装置が排気通路に供給する実際の二次空気の流量を把握するように構成された二次空気供給装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１６３７０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に開示される二次空気供給装置は、二次空気供給管に堆積物の堆積が生じている場合には、二次空気供給管の配管抵抗が増加することによって二次空気供給管内に配設された圧力センサにて検出される圧力が、二次空気供給管に堆積物の堆積が生じていない場合と比較して上昇することを前提として、該前提に基づいて二次空気供給装置による排気通路への実際の二次空気の流量を導くように構成されるものである。
【０００７】
しかしながら、二次空気供給管内に配設された圧力センサにて検出される圧力は、該圧力センサの上流側に堆積物の堆積が生じている場合と、圧力センサの下流側に堆積物の堆積が生じている場合とでは異なる挙動となる。すなわち、二次空気供給管内の圧力センサの下流側に堆積物の堆積が生じている場合には、二次空気供給管の配管抵抗が増加することによって該圧力センサにて検出される圧力は、二次空気供給管に堆積物の堆積が生じていない場合と比較して上昇することになる。一方で二次空気供給管内の圧力センサの上流側に堆積物の堆積が生じている場合には、二次空気供給管の配管抵抗が増加することによって該圧力センサにて検出される圧力が、二次空気供給管に堆積物の堆積が生じていない場合と比較して低下することになる。従って、特許文献１に開示される構成は、二次空気供給管内の圧力センサの上流側に堆積物の堆積が生じている場合における二次空気供給装置による排気通路への実際の二次空気の流量の算出には適しないものとなる。
【０００８】
本発明は上記のような課題に鑑み、排気通路に空気を供給する二次空気供給装置を備え、該二次空気供給装置の二次空気供給管内に配設された圧力センサにて検出される圧力に基づいて、排気通路への二次空気の流量を算出しうるような手段を有する内燃機関であって、二次空気供給管内の圧力センサの上流側に堆積物の堆積が生じている場合にも、より精度良く排気通路への実際の二次空気の流量を算出でき排気通路に供給される二次空気の流量の異常の有無を判定しうるような手段を有して構成される内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、燃焼室の内部に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、排気通路に配置されている排気浄化触媒と、該排気浄化触媒よりも上流側の前記排気通路に空気を供給する二次空気供給装置とを備える内燃機関において、前記二次空気供給装置は、前記排気通路に取り付けられた二次空気供給管と、該二次空気供給管に二次空気をもたらすエアポンプと、該エアポンプの下流側に位置せしめられ且つ前記二次空気供給管に配設され二次空気の通過を遮断可能な空気制御弁と、前記エアポンプと前記空気制御弁との間に配設されて前記二次空気供給管内の圧力を検出する圧力センサとを有し、当該内燃機関は、前記排気通路に供給される二次空気の流量の異常の有無を判定する二次空気流量異常判定手段を有し、前記二次空気流量異常判定手段は、前記空気制御弁を開放し前記エアポンプを駆動することで前記排気通路に二次空気を供給する制御と、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比にする制御とを含む第１触媒暖機制御と、前記空気制御弁を開放し前記エアポンプを駆動することで前記排気通路に二次空気を供給する制御と、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比として圧縮行程において前記筒内燃料噴射弁から燃料を噴射して、燃焼室の一部分の燃料濃度が上昇した高濃度領域及び該高濃度領域よりも燃料の濃度が低い低濃度領域を形成する制御と、点火時期を前記第１触媒暖機制御における点火時期よりも遅角し、筒内に対する吸入空気量を前記第１触媒暖機制御における吸入空気量よりも増量する制御とを含む第２触媒暖機制御とを実行し、前記第１触媒暖機制御時の前記二次空気供給管内の圧力と前記第２触媒暖機制御時の前記二次空気供給管内の圧力とを前記圧力センサにて検出し、前記第１触媒暖機制御時の前記二次空気供給管内の圧力と前記第２触媒暖機制御時の前記二次空気供給管内の圧力との差圧を算出し、該差圧に基づいて前記排気通路に供給される二次空気の流量の異常の有無を判定する、内燃機関が提供される。
【００１０】
すなわち、請求項１に記載の発明では、二次空気供給装置により排気通路に供給される二次空気の流量の異常の有無を判定する際には、排気通路へ二次空気を供給し該二次空気による排気浄化触媒の暖機を実行するという点においては共通するが筒内に対する吸入空気量は異なる量に制御されるという第１触媒暖機制御と第２触媒暖機制御とを実行し、第１触媒暖機制御時の二次空気供給管内の圧力と第２触媒暖機制御時の二次空気供給管内の圧力との差圧を算出し、該差圧に基づいて排気通路に供給される二次空気の流量の異常の有無を判定する。このような第１触媒暖機制御と第２触媒暖機制御とにおいては、筒内に対する吸入空気量が異なるが故に、第１触媒暖機制御時に排気通路に生じる背圧と第２触媒暖機制御時に排気通路に生じる背圧とは異なるものとなり、排気通路に供給される二次空気の流量が異なるものとなる。従って、エアポンプと空気制御弁との間に配設された圧力センサにて検出される第１触媒暖機制御時の二次空気供給管内の圧力と第２触媒暖機制御時の二次空気供給管内の圧力とには差圧が生じ、ここで留意すべき点は、該差圧は、圧力センサよりも上流側の二次空気供給管内における堆積物の堆積に起因した配管抵抗の大小に応じて異なるものとなる、ということである。
【００１１】
このような二次空気供給管内の差圧に基づけば、圧力センサよりも上流側の二次空気供給管内における堆積物の堆積に起因して配管抵抗が生じた場合においても、排気通路に供給される実際の二次空気流量を精度良く算出することができ、圧力センサよりも上流側の二次空気供給管内における堆積物の堆積に起因した二次空気の流量の異常を、誤りなく判定することが可能である。このことに着眼し、本発明においては、エアポンプと空気制御弁との間に配設された圧力センサにて検出された第１触媒暖機制御時の二次空気供給管内の圧力と第２触媒暖機制御時の二次空気供給管内の圧力との差圧に基づいて排気通路に供給される二次空気の流量の異常の有無を判定する。
【００１２】
ちなみに本発明においては、第２触媒暖機制御時の筒内に対する吸入空気量を第１触媒暖機制御時の筒内に対する吸入空気量よりも増量するものとし、これとともに、吸入空気量が増量される第２触媒暖機制御において、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比として圧縮行程において筒内燃料噴射弁から燃料を噴射して、燃焼室の一部分の燃料濃度が上昇した高濃度領域及び該高濃度領域よりも燃料の濃度が低い低濃度領域を形成する制御を行い、点火可能期間を長くし、点火時期を第１触媒暖機制御における点火時期よりも遅角する制御を行う。このような第２触媒暖機制御によれば、点火時期が遅角されることにより燃焼室から流出する排気ガスの温度を上昇させて排気浄化触媒の暖機をさらに促進させることができ、また、吸入空気量が増大されることにより、点火時期の遅角に伴う機関回転数の低下を抑制することが可能となる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、前記第１触媒暖機制御において、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比にする制御は、筒内全体に均質な混合気を形成して筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比にする、請求項１に記載の内燃機関が提供される。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、前記第１触媒暖機制御において、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比する制御は、筒内全体としての燃焼空燃比を第１リッチ空燃比となるようにし、前記第２触媒暖機制御において、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比する制御は、筒内全体としての燃焼空燃比を第１リッチ空燃比よりもリッチ度合いが弱い第２リッチ空燃比となるようにする、請求項２に記載の内燃機関が提供される。
【００１５】
請求項４に記載の発明によれば、前記第１触媒暖機制御において、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比にする制御は、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比として圧縮行程において前記筒内燃料噴射弁から燃料を噴射して、燃焼室の一部分の燃料濃度が上昇した高濃度領域及び該高濃度領域よりも燃料の濃度が低い低濃度領域を形成し、前記高濃度領域の空燃比がリッチになる第１の成層状態を形成して、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比にし、前記第２触媒暖機制御において、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比する制御は、前記第１触媒暖機制御における前記第１の成層状態よりも成層度の強い第２の成層状態を形成して、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比する、請求項１に記載の内燃機関が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
各請求項に記載の発明によれば、排気通路に空気を供給する二次空気供給装置を備え、該二次空気供給装置の二次空気供給管内に配設された圧力センサにて検出される圧力に基づいて、排気通路への二次空気の流量状態を把握するような内燃機関において、排気浄化触媒の暖機を実行しつつ、排気通路に供給される二次空気の流量の異常の有無の判定を行うことを可能にするとともに、圧力センサよりも上流側の二次空気供給管内に堆積物の堆積が生じている場合にも、より精度よく、排気通路に供給される二次空気の流量の異常の有無の判断を行うことを可能にする、という共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に基づく内燃機関の一実施形態を示す概略図である。
【図２】エアスイッチングバルブが開放されていて且つエアポンプが駆動されている運用状態における二次空気供給管内の長手方向における静圧分布であって、圧力センサよりも上流側の二次空気供給管内に堆積物の堆積などが生じていない通常時の静圧分布の一例を示す図である。
【図３】エアスイッチングバルブが開放されていて且つエアポンプが駆動されている運用状態における二次空気供給管内の長手方向における静圧分布であって、圧力センサよりも上流側でエアポンプよりも下流側の二次空気供給管内の堆積物の堆積に起因した配管抵抗発生時の静圧分布の一例を示す図である。
【図４】圧力センサにて検出される第１触媒暖機制御時に生じる二次空気供給管内の圧力と第２触媒暖機制御時に生じる二次空気供給管内の圧力との差圧を説明するための図である。
【図５】二次空気流量異常判定手段による第１触媒暖機制御と第２触媒暖機制御とタイムチャートの一例を示す図である。
【図６】本発明における二次空気流量異常判定手段による二次空気流量異常の有無の判定の流れの一例を示すフローチャートである。
【図７】第１触媒暖機制御時の二次空気供給管内の圧力と第２触媒暖機制御時の二次空気供給管内の圧力との差圧に基づいて二次空気流量を算出するために使用されるマップの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。各図面において同様の部材は同一の参照符号が付されている。本実施形態においては、車両に配置されている内燃機関を例に取り上げて説明する。
【００１９】
図１は、本発明に基づく内燃機関の一実施形態を示す概略図である。本実施形態における内燃機関は、火花点火式である。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む。シリンダブロック２の内部には、ピストン３が配置されている。ピストン３は、シリンダブロック２の内部で往復運動する。尚、図１に示される実施形態は、本発明に基づく内燃機関の一実施形態を示すものであり、これに限定されるものではない。
【００２０】
本実施形態においては、ピストン３が上死点に到達したときのピストン３の冠面およびシリンダヘッド４により囲まれる空間を燃焼室という。燃焼室５は、それぞれの気筒ごとに形成されている。燃焼室５には、吸気通路および排気通路が接続されている。吸気通路は、燃焼室５に空気または燃料と空気との混合気を供給するための通路である。排気通路は、燃料の燃焼により生じた排気ガスを燃焼室５から排出するための通路である。
【００２１】
シリンダヘッド４には、吸気ポート７および排気ポート９が形成されている。吸気弁６は吸気ポート７の端部に配置され、燃焼室５に連通する吸気通路を開閉可能に形成されている。排気弁８は、排気ポート９の端部に配置され、燃焼室５に連通する排気通路を開閉可能に形成されている。シリンダヘッド４には、点火装置としての点火プラグ１０が固定されている。
【００２２】
本実施の形態における内燃機関は、燃焼室５の内部に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁としての燃料噴射弁１１を備える。燃料噴射弁１１は、直接的に気筒内に燃料を噴射する。ピストン３の頂面には、燃料噴射弁１１の下方から点火プラグ１０の下方まで延びるキャビティ３ａが形成されている。圧縮行程において燃料噴射弁１１から燃料を噴射することにより、キャビティ３ａに沿って燃料を含む混合気が流動する。燃料が点火プラグ１０の近傍に集まって成層度を高めることができる。また、本実施の形態における内燃機関は、吸気通路に燃料を噴射する吸気通路燃料噴射弁としての燃料噴射弁１２を備える。本実施形態における燃料噴射弁１２は、吸気ポート７の内部に燃料を噴射するように配置されている。
【００２３】
本実施形態の内燃機関は、燃料タンク内に貯蔵されている燃料を燃料ポンプによって燃料噴射弁１１，１２に供給する。さらに、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁１１に燃料を供給する流路には燃料の圧力を上昇させるための高圧ポンプが配置されている。
【００２４】
各気筒の吸気ポート７は、対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結されている。サージタンク１４は、吸気ダクト１５を介してエアクリーナ２３に連結されている。吸気ダクト１５の内部には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１６が配置されている。吸気ダクト１５の内部には、ステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置されている。一方、各気筒の排気ポート９は、排気通路１９に連結されている。排気通路１９は、排気管２２を介して排気処理装置２１に連結されている。本実施形態における排気処理装置２１は、排気浄化触媒２０を含む。排気浄化触媒２０としては、所定の浄化率を達成するための活性化温度を有する任意の触媒を採用することができる。たとえば三元触媒、酸化触媒、またはＮＯX浄化触媒等の触媒を採用することができる。
【００２５】
本実施形態における内燃機関は、制御装置として機能する電子制御ユニット３１を備える。本実施形態における電子制御ユニット３１は、デジタルコンピュータを含む。電子制御ユニット３１は、双方向バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を含む。
【００２６】
エアフローメータ１６の出力信号は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。アクセルペダル４０には、負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１は、アクセルペダル４０の踏込量に比例した出力電圧を発生する。この出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００２７】
クランク角センサ４２は、例えば、クランクシャフトが所定の角度を回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスは入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４２の出力により、機関回転数を検出することができる。また、クランク角センサ４２の出力により、任意の時刻におけるクランク角度を検出することができる。
【００２８】
燃焼室５にて燃焼した気体を含み、排気処理装置２１より上流の排気通路等に供給された気体において、空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）と称すると、排気通路には、燃焼室５から流出する気体の排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４４が取り付けられている。また、排気浄化触媒２０の上流側の端部には、排気浄化触媒２０の上流側の端部の温度（以下、「前端温度」と称する）を検出する温度検出器として、温度センサ４３が配置されている。温度センサ４３は、前端温度を取得する温度取得手段として機能する。これらの空燃比センサ４４の出力および温度センサ４３の出力は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００２９】
電子制御ユニット３１の出力ポート３７は、それぞれの対応する駆動回路３９を介して燃料噴射弁１１，１２および点火プラグ１０に接続されている。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、燃料噴射制御や点火制御を行うように形成されている。すなわち、燃料を噴射する時期および燃料の噴射量が電子制御ユニット３１により制御される。
【００３０】
本実施形態においては、燃料噴射弁１１および燃料噴射弁１２が独立して制御されている。すなわち、燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量および噴射時期と、燃料噴射弁１２からの燃料の噴射量および噴射時期は、互いに個別に制御されている。
【００３１】
更に点火プラグ１０の点火時期が電子制御ユニット３１により制御されている。また、出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介して、スロットル弁１８を駆動するステップモータ１７に接続されている。これらの機器は、電子制御ユニット３１により制御されている。
【００３２】
本実施形態の内燃機関は、排気浄化触媒２０よりも上流側の排気通路に空気を供給する二次空気供給装置２５を備える。二次空気供給装置２５は、吸気ダクト１５と排気通路１９とを接続する二次空気供給管２６を含む。二次空気供給管２６は、吸気ダクト１５において、エアクリーナ２３の下流側およびエアフローメータ１６の上流側に接続されていてもよく、また、二次空気を大気から直接取り込む様に構成させてもよい。また、二次空気供給装置２５は、電気モータ駆動式のエアポンプ２７および空気制御弁となるエアスイッチングバルブ（ＡＳＶ）２８を含む。エアポンプ２７は、吸気ダクト１５の内部の空気を加圧して排気通路１９に供給する。また、二次空気供給管２６には、空気の逆流を防止するための逆止弁２９が配置されている。エアポンプ２７とエアスイッチングバルブ２８との間には二次空気供給管２６内の圧力を検出する圧力センサ３０が配置されている。
【００３３】
圧力センサ３０の出力は、電子制御ユニット３１に入力される。また、電子制御ユニット３１の出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介してエアポンプ２７およびエアスイッチングバルブ２８に接続されている。このように、二次空気供給装置２５は、電子制御ユニット３１に制御されている。
【００３４】
本実施形態における二次空気供給装置２５は、例えば、内燃機関の冷間始動時等に排気浄化触媒２０が十分に昇温していない状況にて用いられる。すなわち排気浄化触媒２０が活性化温度に到達していない場合に用いられる。
【００３５】
内燃機関の冷間始動時等には、エアスイッチングバルブ２８が開かれると共にエアポンプ２７が駆動する。エアクリーナ２３を通過した空気の一部が二次空気供給管２６を通って排気通路１９内に供給される。排気通路１９を流れる排気ガスに酸素が供給される。燃焼室５から流出する排気ガスには、未燃の炭化水素や一酸化炭素が含まれる。燃焼室５から流出する排気ガスは高温であり、二次空気供給装置により酸素を供給することにより、未燃の炭化水素や一酸化炭素を酸化させることができる。このときの酸化熱により排気ガスの温度を上昇させることができる。
【００３６】
高温の排気ガスを排気浄化触媒２０に供給することができて、排気浄化触媒２０の昇温を促進することができる。この結果、排気浄化触媒２０を短時間で活性化温度以上に昇温することができる。すなわち、排気浄化触媒２０にて十分に浄化できない状態で大気中に排気ガスが放出されることを抑制できる。
【００３７】
また、排気浄化触媒２０が酸化機能を有する場合には、排気ガスに空気を供給することにより排気ガスの空燃比をリーンにして排気浄化触媒２０に供給することができる。排気浄化触媒２０において未燃の炭化水素および一酸化炭素を酸化することができて、排気浄化触媒２０の昇温を促進することができる。
【００３８】
ところで、二次空気供給管内２６に配設された圧力センサ３０にて検出される圧力は、該圧力センサ３０の上流側に堆積物の堆積が生じている場合と、圧力センサ３０の下流側に堆積物の堆積が生じている場合とでは異なる挙動を示す。
【００３９】
図２は、エアスイッチングバルブが開放されていて且つエアポンプが駆動されている運用状態における二次空気供給管内の長手方向における静圧分布であって、圧力センサよりも上流側の二次空気供給管内に堆積物の堆積などが生じていない通常時の静圧分布の一例を示す図である。一方で、図３は、エアスイッチングバルブが開放されていて且つエアポンプが駆動されている運用状態における二次空気供給管内の長手方向における静圧分布であって、圧力センサよりも上流側でエアポンプよりも下流側の二次空気供給管内の堆積物の堆積に起因した配管抵抗発生時の静圧分布の一例を示す図である。
【００４０】
図３から理解されうるごとく、圧力センサ３０よりも上流側の二次空気供給管内の堆積物の堆積が生じている場合には、堆積が生じていない場合と比較して、圧力センサ３０に至るまでの圧力低下が大きなものとなり、これに伴い、エアスイッチバルブ２８が開放されていて且つエアポンプ２７が駆動されている運用状態において圧力センサ３０にて検出される圧力は、堆積が生じていない場合と比較して、堆積が生じている場合には低下したものとして検出されることになる。
【００４１】
本発明は、圧力センサ３０にて検出される圧力の挙動が、このような挙動を示す場合であっても、排気通路１９に実際に供給される二次空気の流量の異常の有無を精度良く判定しうるような手段を有して構成される内燃機関を提供することを目的とする。すなわち、本発明は、排気通路１９に二次空気を供給する二次空気供給装置２５を備え、該二次空気供給装置の二次空気供給管２６内に配設された圧力センサ３０にて検出される圧力に基づいて、排気通路１９への二次空気の流量を算出しうるような手段を有する内燃機関であって、二次空気供給管２６内の圧力センサ３０の上流側に堆積物の堆積が生じている場合にも、より精度よく、排気通路１９に実際に供給される二次空気の流量を算出することできて排気通路に供給される二次空気の流量の異常の有無を判定しうるような手段を有して構成される内燃機関を提供することを目的とする。
【００４２】
このような内燃機関の提供を実現すべく、本発明の内燃機関は、二次空気供給装置２５により排気通路１９に供給される二次空気の流量の異常の有無を判定する際には、排気通路１９へ二次空気を供給し該二次空気による排気浄化触媒の暖機を実行するという点においては共通するが筒内に対する吸入空気量は異なる量に制御されるという第１触媒暖機制御と第２触媒暖機制御とを実行し、第１触媒暖機制御時の二次空気供給管２６内の圧力と第２触媒暖機制御時の二次空気供給管２６内の圧力との差圧を算出し、該差圧に基づいて排気通路１９に供給される二次空気の流量の異常の有無を判定する。
【００４３】
先にも述べたように、このような第１触媒暖機制御と第２触媒暖機制御とにおいては、筒内に対する吸入空気量が異なるが故に、第１触媒暖機制御時に排気通路１９に生じる背圧と第２触媒暖機制御時に排気通路１９に生じる背圧とは異なるものとなり、排気通路１９に供給される二次空気の流量が異なるものとなる。従って、エアポンプ２７と空気制御弁としてのエアスイッチングバルブ２８との間に配設された圧力センサ３０にて検出される第１触媒暖機制御時の二次空気供給管２６内の圧力と第２触媒暖機制御時の二次空気供給管２６内の圧力とには差圧が生じ、ここで留意すべき点は、該差圧は、圧力センサ３０よりも上流側の二次空気供給管２６内における堆積物の堆積に起因した配管抵抗の大小に応じて異なるものとなる、ということである。ちなみに本発明においては、第２触媒暖機制御時の筒内に対する吸入空気量を第１触媒暖機制御時の筒内に対する吸入空気量よりも増量するものとし、すなわち、第１触媒暖機制御時において排気通路に供給される二次空気の流量を、第２触媒暖機制御時と比較して、より大きいものとする。
【００４４】
図４は、圧力センサにて検出される第１触媒暖機制御時に生じる二次空気供給管内の圧力と第２触媒暖機制御時に生じる二次空気供給管内の圧力との差圧を説明するための図である。図４においては、圧力センサ３０よりも上流側の二次空気供給管２６内における堆積物の堆積に起因した配管抵抗が無い場合に検出される圧力と排気通路に供給される二次空気の流量との関係の一例が実線にて示される。一方で、圧力センサ３０よりも上流側の二次空気供給管２６内における堆積物の堆積に起因した配管抵抗が有る場合に検出される圧力と排気通路に供給される二次空気の流量との関係の一例が破線にて示される。そして、圧力センサ３０よりも上流側の二次空気供給管２６内における堆積物の堆積に起因した配管抵抗が無い場合の、第１触媒暖機制御時の二次空気供給管内の圧力と第２触媒暖機制御時の二次空気供給管内の圧力との差圧の一例が、差圧ａとして示される。一方で、圧力センサ３０よりも上流側の二次空気供給管２６内における堆積物の堆積に起因した配管抵抗が有る場合の、第１触媒暖機制御時の二次空気供給管内の圧力と第２触媒暖機制御時の二次空気供給管内の圧力の差圧であって上記差圧ａに対応する差圧が、差圧ｂとして示される。
【００４５】
図４から理解されうるごとく、圧力センサ３０よりも上流側の二次空気供給管２６内における堆積物の堆積に起因した配管抵抗が生じた場合においては、配管抵抗による圧損が生じ、排気通路に供給される二次空気の流量は、配管抵抗が無い場合と比較して低下することとなる。また、配管抵抗が生じた場合の圧損に起因する、圧力センサ３０にて検出される圧力の低下量は、排気通路に供給される二次空気の流量が大きいほど大きいものとなる。すなわち、第２触媒暖機制御時と比較して、より大きい流量の二次空気が供給される第１触媒暖機制御時の方が、圧力センサ３０にて検出される圧力の低下量が大きくなる。よって、図４から理解されうるごとく、圧力センサ３０よりも上流側の二次空気供給管２６内における堆積物の堆積に起因した配管抵抗が生じた場合の、第１触媒暖機制御時の二次空気供給管内の圧力と第２触媒暖機制御時の二次空気供給管内の圧力との差圧ｂは、配管抵抗が無い場合の差圧ａと比較して大きなものとなり、また、配管抵抗が大きくなればなるほど、その差も大きなものとなる。
【００４６】
このような二次空気供給管２６内の差圧に基づけば、圧力センサ３０よりも上流側の二次空気供給管２６内における堆積物の堆積に起因して配管抵抗が生じた場合においても、排気通路１９に供給される実際の二次空気の流量を精度良く算出することができ、圧力センサ３０よりも上流側の二次空気供給管２６内における堆積物の堆積に起因した二次空気の流量の異常を、誤りなく判定することが可能である。このことに着眼し、本発明においては、エアポンプ２７とエアスイッチングバルブ２８との間に配設された圧力センサ３０にて検出される第１触媒暖機制御時の二次空気供給管２６内の圧力と第２触媒暖機制御時の二次空気供給管２６内の圧力との差圧に基づいて排気通路に供給される二次空気の流量の異常の有無を判定する。
【００４７】
ちなみに本発明においては、第２触媒暖機制御時の筒内に対する吸入空気量を第１触媒暖機制御時の筒内に対する吸入空気量よりも増量するものとするが、これとともに、筒内に対する吸入空気量が増量される第２触媒暖機制御において、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比として圧縮行程において筒内燃料噴射弁から燃料を噴射して、燃焼室の一部分の燃料濃度が上昇した高濃度領域及び該高濃度領域よりも燃料の濃度が低い低濃度領域を形成する制御を行い、点火可能期間を長くし、点火時期を第１触媒暖機制御における点火時期よりも遅角する制御を行う。このような第２触媒暖機制御によれば、点火時期が遅角されることにより燃焼室から流出する排気ガスの温度を上昇させて排気浄化触媒の暖機をさらに促進させることができ、また、吸入空気量が増大されることにより、点火時期の遅角に伴う機関回転数の低下を抑制することが可能となる。尚、第２触媒暖機制御時の筒内に対する吸入空気量を第１触媒暖機制御時の筒内に対する吸入空気量よりも増量する制御は、第２触媒暖機制御時におけるスロットル弁の開度を第１触媒暖機制御時におけるスロットル弁の開度よりも増大することでなされてもよく、また、吸気弁の閉弁時期を調整可能な可変動弁機構を配設し、第２触媒暖機制御時の吸気弁の閉弁時期を第１触媒暖機制御時における吸気弁の閉弁時期よりも下死点側にすることでなされてもよい。
【００４８】
図５は、二次空気流量異常判定手段による第１触媒暖機制御と第２触媒暖機制御とタイムチャートの一例を示す図である。図６は、本発明における二次空気流量異常判定手段による二次空気流量異常の有無の判定の流れの一例を示すフローチャートである。
【００４９】
図５及び図６に示される一実施例においては、まず、第１触媒暖機制御が実行され、次に、第２触媒暖機制御が実行される。図５から理解されうるごとく、第１触媒暖機制御においては、エアスイッチングバルブ２８を開放しエアポンプ２７を駆動することで排気通路に二次空気を供給する二次空気供給制御と、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比にする制御とが実行される。一方で、第２触媒暖機制御においては、エアスイッチングバルブ２８を開放しエアポンプ２７を駆動することで排気通路に二次空気を供給する二次空気供給制御と、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比として圧縮行程において筒内燃料噴射弁から燃料を噴射して、燃焼室の一部分の燃料濃度が上昇した高濃度領域及び該高濃度領域よりも燃料の濃度が低い低濃度領域を形成する制御（所謂、成層リッチ燃焼制御）と、点火時期を第１触媒暖機制御における点火時期よりも遅角し、筒内に対する吸入空気量を第１触媒暖機制御における吸入空気量よりも増量する制御とが実行される。
【００５０】
そして、本発明においては、第１触媒暖機制御時の二次空気供給管２６内の圧力と第２触媒暖機制御時の二次空気供給管２６内の圧力との差圧を算出し、該差圧に基づいて排気通路に供給される二次空気の流量の異常の有無を判定する。
【００５１】
ちなみに、本実施例の第１触媒暖機制御において、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比にする制御は、筒内全体に均質な混合気を形成して筒内全体としての燃焼空燃比を第１リッチ空燃比にする。また、第２触媒暖機制御時に排気通路に供給される二次空気量は、第１触媒暖機制御時と比較して少ないものとなることを考慮して、第２触媒暖機制御において、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比する制御は、筒内全体としての燃焼空燃比を、第１触媒暖機制御時の第１リッチ空燃比よりもリッチ度合いが弱い第２リッチ空燃比となるようにする。このような第１触媒暖機制御及び第２触媒暖機制御によれば、排気エミッションの悪化を抑制しつつ、排気浄化触媒の暖機の促進を図ることを可能とする。
【００５２】
尚、第１触媒暖機制御及び第２触媒暖機制御は本実施例に限定されるものではなく、例えば、第１触媒暖機制御において筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比にする制御が、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比として圧縮行程において前記筒内燃料噴射弁から燃料を噴射して、燃焼室の一部分の燃料濃度が上昇した高濃度領域及び該高濃度領域よりも燃料の濃度が低い低濃度領域を形成し、前記高濃度領域の空燃比がリッチになる第１の成層状態を形成して、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比するようにされてもよい。そして、このように第１触媒暖機制御を所謂成層リッチ燃焼にて実行する場合、第２触媒暖機制御において、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比する制御は、第１触媒暖機制御における第１の成層状態よりも成層度の強い第２の成層状態を形成して、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比するものとする。すなわち、第１暖機触媒制御時と比較して第２触媒暖機制御時の排気通路への二次空気流が少なく、第２触媒暖機制御においては、二次空気の供給による排気浄化触媒の暖機よりも、点火時期の遅角化による排気浄化触媒の暖機が強く要求されることを考慮して、より大幅な点火時期の遅角化を可能とすべく、第１触媒暖機制御における第１の成層状態よりも成層度の強い第２の成層状態を形成して、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比するものとする。
【００５３】
図６に示される本発明における二次空気流量異常判定手段による二次空気流量異常の有無の判定の流れの一例を示すフローチャートにおいては、まず、ステップ１０１にて、エンジンすなわち内燃機関がＯＮ(駆動）され、続くステップ１０２にて、第１触媒暖機制御、すなわち、エアスイッチングバルブ２８を開放しエアポンプ２７を駆動することで排気通路に二次空気を供給する二次空気供給制御と、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比にする制御とが実行される。そして、ステップ１０２に続くステップ１０３において、第１触媒暖機制御時の二次空気供給管２６内の圧力を圧力センサ３０にて検出する。
【００５４】
ステップ１０３に続くステップ１０４においては、第２触媒暖機制御、すなわち、エアスイッチングバルブ２８を開放しエアポンプ２７を駆動することで排気通路に二次空気を供給する二次空気供給制御と、筒内全体としての燃焼空燃比をリッチ空燃比として圧縮行程において筒内燃料噴射弁から燃料を噴射して、燃焼室の一部分の燃料濃度が上昇した高濃度領域及び該高濃度領域よりも燃料の濃度が低い低濃度領域を形成する制御（所謂、成層リッチ燃焼制御）と、点火時期を第１触媒暖機制御における点火時期よりも遅角し、筒内に対する吸入空気量を第１触媒暖機制御における吸入空気量よりも増量する制御とが実行される。そして、ステップ１０４に続くステップ１０５において、第２触媒暖機制御時の二次空気供給管２６内の圧力を圧力センサ３０にて検出する。
【００５５】
ステップ１０５に続くステップ１０６においては、ステップ１０３にて検出された第１触媒暖機制御時に二次空気供給管２６内の圧力と、ステップ１０４にて検出された第２触媒暖機制御時の二次空気供給管２６内の圧力との差圧を算出し、該算出された差圧に基づいて、続くステップ１０７にて、排気通路１９に供給される実際の二次空気の流量を算出する。本実施例においては、解析評価や評価試験など基づいて予め作成されるマップであって、第１触媒暖機制御時に二次空気供給管２６内の圧力と、第２触媒暖機制御時の二次空気供給管２６内の圧力との差圧も基づいて排気通路１９に供給される実際の二次空気の流量を算出しうるようなマップを使用して、排気通路１９に供給される実際の二次空気の流量が算出される。
【００５６】
図７は、第１触媒暖機制御時の二次空気供給管内の圧力と第２触媒暖機制御時の二次空気供給管内の圧力との差圧に基づいて二次空気流量を算出するために使用されるマップの一例を示す図である。図７から理解されうるごとく、第１触媒暖機制御時に二次空気供給管２６内の圧力と、第２触媒暖機制御時の二次空気供給管２６内の圧力との差圧が大きくなるほど、排気通路１９に供給される実際の二次空気の流量は小さいものとなる。
【００５７】
ステップ１０７に続くステップ１０８においては、上記マップを使用して算出された二次空気量が、すなわち、排気通路に供給される実際の二次空気流量が、排気通路に供給される二次空気の流量の異常の有無を判定する上で予め設定された閾値以上であるか否かの判定がなされる。そして、排気通路に供給される実際の二次空気流量が、排気通路に供給される二次空気の流量の異常の有無を判定する上で予め設定された閾値以上である場合には正常であると判定され、一方で、閾値未満である場合には、排気通路に供給される二次空気の流量に異常があると判定される。
【００５８】
以上、このような本発明によれば、排気通路に空気を供給する二次空気供給装置を備え、該二次空気供給装置の二次空気供給管内に配設された圧力センサにて検出される圧力に基づいて、排気通路への二次空気の流量状態を把握するような内燃機関において、排気浄化触媒の暖機を実行しつつ、排気通路に供給される二次空気の流量の異常の有無の判定を行うことを可能にするとともに、圧力センサよりも上流側の二次空気供給管内に堆積物の堆積が生じている場合にも、より精度よく、排気通路に供給される二次空気の流量の異常の有無の判断を行うことを可能する。
【符号の説明】
【００５９】
１    機関本体
１９    排気通路
２０    排気浄化触媒
２５    二次空気供給装置
２６    二次空気供給管
２７    エアポンプ
２８    エアスイッチングバルブ（空気制御弁）
３０    圧力センサ
【図１】
2015021475.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2015021475.tif 000007
【図６】
2015021475.tif 000008
【図７】
2015021475.tif 000009