(57)【要約】【課題】内燃機関の排気ポートの暖機が完了してから二次空空気の供給を開始するようにして、排気ポートが二次空気で冷却されることを抑制可能な二次空気供給装置を提供する。【解決手段】排気ポートの暖機を完了してから二次空気の供給を開始し、その際に、排気ポートの表面積等に基づく排気ポートの暖機判定をする。内燃機関の排気系に設置した排気浄化装置よりも上流側に二次空気を供給する二次空気供給通路と、この二次空気供給通路を開閉する開閉手段と、を備える。二次空気が供給される排気ポートの温度を推定する手段を設け、この排気ポートの温度が所定温度以上になるまでは二次空気の供給を禁止し、排気ポートが二次空気で冷却されることを抑制する。排気ポートの暖機を完了してから二次空気の供給を開始するので、二次空気供給による後燃えが有効に促進される。【選択図】図５
2004124824.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系に設置した排気浄化装置よりも上流側に二次空気を供給する二次空気供給通路と、この二次空気供給通路を開閉する開閉手段と、を備える二次空気供給装置において、
二次空気が供給される排気ポートの温度を推定する手段を設け、この排気ポートの温度が所定温度以上になるまでは二次空気の供給を禁止して、排気ポートが二次空気で冷却されることを抑制することを特徴とする二次空気供給装置。
【請求項２】
少なくとも、内燃機関の始動時からの積算吸入空気量、内燃機関の始動時からの燃料噴射量の積算噴射量、及び機関水温のうちのいずれか一つ以上と排気ポートの表面積とを考慮して、排気ポートの暖機状態を推定し、二次空気の供給時期を決定することを特徴とする請求項１に記載の二次空気供給装置。
【請求項３】
内燃機関の始動時からの積算吸気量を排気ポートの表面積で除して得られた値が、予め定めた基準値より大きいと判断されたときには、二次空気の供給を開始することを特徴とする請求項１に記載の二次空気供給装置。
【請求項４】
内燃機関の始動時からの積算燃料噴射量を排気ポートの表面積で除して得られた値が、予め定めた基準値より大きいと判断されたときには、二次空気の供給を開始することを特徴とする請求項１に記載の二次空気供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気系に設けた排気浄化装置の上流に二次空気を供給するための二次空気供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関は、混合気を燃焼させた後、この排気を気筒から排気ポート、排気マフラ側へ排出するが、排気路には排気浄化装置を配置して、排気中の一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害成分を浄化するようにしている。このような排気浄化装置は、通常、所定の温度領域でその浄化能力を発揮するものである。
【０００３】
そこで、排気浄化装置の温度が低いときは、新気を排気ポート側に導入して、排気中に含まれるＣＯ、ＨＣを再燃焼させて排気浄化装置の活性化を促進し、ＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘの排出レベルの低減を図る二次空気供給装置が知られている。
そのために、内燃機関温度が所定温度よりも低いときのみ排気ポートに新気を導入するようにして、かつ内燃機関が所定温度のより高く、暖機運転状態になった場合には、排気ポートへの新気の導入を遮断するものがある（例えば、特許文献１参照）
このように、従来は、内燃機関の始動後は、すぐに二次空気供給装置によって二次空気を排気ポートに送るとともに、燃料噴射量を理論空燃比よりも濃くすることによって、排気浄化装置の暖機をしていた。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−６２５６４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、内燃機関の状況によっては、内燃機関の始動後にすぐに二次空気を供給すると、二次空気の温度が低いために、排気中のＣＯ、ＨＣの後燃え反応、すなわち再燃焼が行われず、却って排気ポートを低温の二次空気で冷却する結果となり、また、低温の空気及び排気を排気浄化装置に送ることになって排気浄化装置の暖機遅れ、未燃燃料の大気への排出が生じる虞がある。
【０００６】
このような事態が生じるのは、二次空気が供給される排気ポートの温度が、内燃機関の始動直後では充分に上昇しておらず、上記のような後燃え反応を生じさせるには未だ低い状態であることに起因する。すなわち、本発明者は、二次空気供給を起動時から効率よく発揮させるためには、排気ポート等を暖機させ、その周辺の空気をある程度、暖める必要があることに着目して、本発明を完成したものである。
【０００７】
本発明は、内燃機関の排気ポートの暖機が完了してから二次空空気の供給を開始するようにして、排気ポートが二次空気で冷却されることを抑制可能な二次空気供給装置を提供することを技術的課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明は、排気ポートの暖機を完了してから二次空気の供給を開始し、その際に、排気ポートの表面積等に基づく排気ポートの暖機判定をするものであって、次のような構成である。
【０００９】
すなわち、内燃機関の排気系に設置した排気浄化装置よりも上流側に二次空気を供給する二次空気供給通路と、この二次空気供給通路を開閉する開閉手段と、を備える二次空気供給装置において、
二次空気が供給される排気ポートの温度を推定する手段を設け、この排気ポートの温度が所定温度以上になるまでは二次空気の供給を禁止し、排気ポートが二次空気で冷却されることを抑制することを特徴とする。
【００１０】
前記排気ポートの温度を推定する手段は、少なくとも、内燃機関の始動時からの積算吸入空気量、内燃機関の始動時からの燃料噴射量の積算噴射量、及び機関水温のうちのいずれか一つ以上と排気ポートの表面積とを考慮し、排気ポートの暖機状態を推定して、二次空気の供給時期を決定することができる。
【００１１】
具体的には、内燃機関の始動時からの積算吸気量を排気ポートの表面積で除して得られた値が、予め定めた基準値より大きいと判断されたときには、二次空気の供給を開始するようにしてもよい。
【００１２】
また、内燃機関の始動時からの積算燃料噴射量を排気ポートの表面積で除して得られた値が、予め定めた基準値より大きいと判断されたときには、二次空気の供給を開始することができる。
【００１３】
このように、内燃機関の始動時からの積算空気量、または／及び積算燃料噴射量が所定量に達すれば、排気ポートの温度が所定温度まで上昇しているものと考えられ、これを排気ポートの表面積で除することで暖機状態を示す値が得られる。この値が予め決められた基準値よりも大きければ、排気ポートの暖機がされたものと判断して、二次空気の供給を開始することが可能である。
【００１４】
本発明によれば、排気ポートの暖機を完了してから二次空気の供給を開始するので、二次空気供給による後燃えが有効に促進され、所期の触媒暖機効果を確実に発揮することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の二次空気供給装置を、図１から図５に示される実施形態について更に詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本実施の形態に係る内燃機関とその二次空気供給装置の概略構成を示す図である。
【００１７】
内燃機関１は、４つのシリンダ３０を有する４サイクル・ガソリン機関であり、各シリンダ３０のピストンの上方には、ピストンの頂面とシリンダヘッド１ａの壁面とに囲まれた燃焼室が形成されている。また、吸気系４０、排気系５０、二次空気供給系６０を備えている。
【００１８】
吸気系４０では、それぞれの吸気枝管２６に接続した吸気管４１には、スロットル弁４２が設けられており、この吸気管４１はエアフィルタ４３に接続されている。このエアフィルタ４３とスロットル弁４２の間には、吸入空気量を測定するためのエアフロメータ４４が配設されている。
【００１９】
排気系５０は、各燃焼室から排出される排気の通路である排気管５４が形成され、この排気管５４の上流から下流にかけて、排気弁５１、排気ポート５３排気枝管５２、排気管５４が順次接続されている。
【００２０】
排気管５４には排気浄化装置５が設けられ、そのケーシング中には、排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する機能を備えた三元触媒が配設されている。
【００２１】
二次空気供給系６０は、内燃機関１の外部から取り入れた空気を二次空気として各排気枝管５２に供給するように構成されている。
【００２２】
二次空気供給通路６１上は、上流側からエアポンプ１３、スイッチングバルブ６２、逆止弁であるリードバルブ６３が配置されている。また、エアポンプ１３とエアスイッチングバルブ６２の間には圧力センサ６４が設けられている。前記エアスイッチングバルブ６２には、吸気管４１のスロットル弁４２の下流から延びる配管６５が接続され、この配管６５には電磁弁６６が設けられている。
【００２３】
前記エアポンプ１３は電気モータにより駆動され、このエアポンプ１３は、外部からの指示に基づいて回転駆動するモータ部と、このモータ部により回転駆動されて吸入した空気を加圧するポンプ部とを備えている。そして、空気導入通路１４を通じて吸気管４１の途中（スロットル弁の上流で、エアクリーナの下流）から空気を吸入する。エアポンプ１３から圧送される空気は、二次通路供給管６１と、この供給管６１から分岐する分配管６７を通じて排気枝管５２に供給される。
【００２４】
このような二次空気供給装置は、主として、冷間始動時等であって燃料濃度が高く、空燃比が小さく、かつ排気浄化装置が活性温度に達していない状態で、電磁弁６６を開くことで、吸気管４１内の負圧をエアスイッチングバルブ６２に導き、このエアスイッチングバルブ６２を開き、エアポンプ１３を駆動させることで、エアフィルタ４３を通過した吸気の一部を二次空気供給管６１及び分配管６７を介して、排気管５４内に導くことができる。
【００２５】
また、内燃機関１は、クランクシャフトの端部に取り付けられたタイミングロータと電磁ピックアップとからなるクランクポジションセンサ４７と、内燃機関１の内部に形成された冷却水路を流れる冷却水の温度を検出すべくシリンダブロックに取り付けられた水温センサ４６とを備えている。
【００２６】
図２には、排気ポート５３及び排気枝管５２の構造の詳細が示されており、各シリンダ３０には、二つずつの吸気弁３１及び排気弁５１が設けられている。
【００２７】
前記排気弁５１が設けられた排気ポート５３の下流には、それぞれの排気ポート５３に接続された排気枝管５２が形成され、複数の排気枝管５２は下流で一体となって、排気管５４となっている。
【００２８】
また、排気弁５１の下流側には、分配管６７に接続された二次空気供給口４が設けられている。
【００２９】
このように構成された内燃機関１には、この内燃機関１の運転状態を制御するための電子制御ユニット（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ：ＥＣＵ、以下ＥＣＵと称する）２０が併設されている。
【００３０】
このＥＣＵ２０には、エアフローメータ４４、スロットルポジションセンサ４５、水温センサ４６、クランクポジションセンサ４７、等、の各種センサが電気配線を介して接続され、ＥＣＵ２０は、クランクポジションセンサ４７から入力される信号に基づいて、燃料の噴射時期及び点火時期を演算することができる。また、内燃機関１の運転状態に関する各制御や、特にエアポンプ１３の駆動やスイッチングバルブ６２の開閉駆動を通じて各排気ポート５３に二次空気を供給する制御を実施する。
【００３１】
ここで、二次空気供給制御について説明する。
【００３２】
内燃機関１では、始動時等であって内燃機関１の温度が低い条件（冷間時）において運転をする場合、燃料噴射弁を通じて燃焼室内に供給する燃料の量を増量し、機関燃焼の安定化、暖機の促進を図るのが一般的である。ところが、燃料量を増量して混合気をリッチ化すれば、排気中の未燃燃料（ＨＣ、ＣＯ等）が増えることになる。その上、冷間時には排気浄化装置の温度が低く、触媒が充分に活性化していない。
【００３３】
そのため、冷間始動時等、触媒温度が活性温度に達していないときに混合気をリッチ化する場合には、二次空気供給制御を実施して、各燃焼室から排出された直後の排気に空気を混入させ、排気中に含まれる未燃燃料成分の酸化反応を促す。このようにして、排気浄化装置の上流において未燃燃料成分の浄化が促進さるとともに、その反応熱によて排気浄化装置の触媒の活性化が早められる。
【００３４】
次に、本発明における二次空気供給制御について具体的に説明する。
（実施の形態１）
本制御では、最初に内燃機関１を始動させるが、内燃機関１が始動しているか否かは、クランクポジションセンサ４７の発する信号により内燃機関１の作動を確認する。その信号から回転数ＮＥを演算して、この回転数ＮＥが、例えば４００回転／ｍｉｎ．に達していれば始動したものと判断する。図４に、内燃機関１の始動後、二次空気供給の前後における機関回転数、空燃比、排気ポート温度、触媒床温、未燃ＨＣの排出量等の変化をタイムチャートとして示している。
【００３５】
図４（ａ）（ｂ）に示すように、始動直後は暖機のため、燃料噴射量が増大され、内燃機関１の回転数ＮＥも高くなる。ただし、二次空気供給が開始されるまでは、燃料噴射量は一旦減少する。破線で示すものは、始動直後から二次空気を供給する場合のものである（以下、破線は同様）。
【００３６】
また、図４（ｅ）に示すように、始動後の一次Ａ／Ｆ（シリンダ内の混合気の空燃比）はリッチの状態となるが、その後、理論空燃比となる。
【００３７】
一方、二次空燃比（排気ポートにおける排気の空燃比）は、同（ｆ）に示すように、始動後はリッチの状態を経て理論空燃比となる。
【００３８】
次に、内燃機関１の温度、少なくとも排気弁５３の下流部分の温度、すなわち排気ポート５３の暖機状態を判定する。第１に、内燃機関１の始動からの積算吸入空気量（排気ポート５３を通過した空気量）を求める。これは、エアフロメータ４４によって計測された信号に基づき、ＥＣＵ２０が算出する。エアフロメータ４４は、例えば一秒間に吸入した空気量を計測するが、これを積算することで内燃機関１に吸入された総空気量を求める。
【００３９】
この積算空気量を排気ポート５３の面積で除した値αが、予め決められてＲＯＭに記憶されている基準値βと比較される（図４（ｃ）参照）。この基準値βは、実験等により求められたもので排気ポートが暖機したと判断可能な所定値である。このような判定を行うのは、二次空気供給による再燃焼の効果を引き出せるか否かは、排気ポートの表面積に依存するためである。
【００４０】
上記の値αが基準値βより大きければ、排気ポート５３の暖機がされているものと判断し、二次空気の供給を開始する（図４（ｃ））。
【００４１】
図４（ｄ）（ｅ）に示すように、二次空気の供給開始後は、一次空燃比はリッチとなり、二次空燃比はリーンとなる。これはシリンダ内ではＨＣ成分を多く含む混合気が生成されて排出されるが、二次空気の供給によって酸素が供給されてリーンに変化し、再燃焼が可能となることを示す。なお、破線は始動直後から
二次空気を供給した場合に設定される空燃比の変化を示す。
【００４２】
図４（ｇ）では、排気ポートの温度変化が示され、本発明によれば、実線で示すように排気ポートの温度上昇の速度が早い。これは、始動直後に、低温の二次空気を供給して排気ポートの温度上昇を妨げることがないからである。
【００４３】
図４（ｈ）では、触媒床温の変化を示しており、実線は本発明による場合を示し、破線は始動直後から二次空気を供給した場合を示す（以下、同様）。本発明によれば二次空気供給による再燃焼の効果が効率的に発揮されるので、触媒床温の上昇が早くなる。これに伴い、図４（ｉ）に示すように、触媒で浄化されずに排気中に存在している未燃ＨＣの量が減少する。
【００４４】
このように、排気ポート５３の暖機が行われてから二次空気の供給を開始することで、触媒床温の上昇が早くなり、また、その浄化率の向上によって未燃ＨＣの排出が大きく減少することがわかる。
【００４５】
本実施の形態による制御を、図３に示すフローチャートにより説明する。
【００４６】
二次空気供給（ＡＩ）使用判定をするための演算用のフローチャートを実行するルーチンは、予めＲＯＭに記憶されており、ＣＰＵによって所定時間毎（例えば、クランクポジションセンサ３３がパルス信号を出力する度）に繰り返し実行されるルーチンである。
【００４７】
ステップ１０１では、内燃機関１が始動される。始動後は、ステップ１０２に進み、排気ポートの暖機がされているか否かを判定する。ここでは、ＥＣＵ２０は、内燃機関の始動からの積算空気量を排気ポート５３の面積で除して得られた値α１と、基準値β１を比較する。値α１が基準値β１よりも小さければ二次空気供給はされずにこのルーチンを終了する。
【００４８】
値α１が基準値β１よりも大きければ、ステップ１０３に進み、エアポンプ１３を作動させ、次に、ステップ１０４に進んで、スイッチングバルブ６２を開いて、二次空気の供給を開始し、このルーチンを終了する。
（実施の形態２）
この実施の形態では、前記の実施の形態１と異なる部分のみを説明する。
【００４９】
最初に内燃機関１を始動させるが、図５に、内燃機関１の始動後、二次空気供給の前後における機関回転数、空燃比、排気ポート温度、触媒床温、未燃ＨＣの排出量等の変化をタイムチャートとして示している。このタイムチャートは、図３に示すものと同様であるが、排気ポート５３の暖機判定をするため、実施の形態１では積算空気量を用いたが、この実施の形態２では積算燃料噴射量に基づいて算出する点が異なる。すなわち、排気ポート５３の暖機状態を判定するために、内燃機関１の始動からの積算燃料噴射量を用いる。これは、各燃料噴射弁から噴射された燃料の合計を、ＥＣＵ２０が算出することで求められる。
【００５０】
この積算燃料噴射量を排気ポート５３の面積で除した値α２が、予め決められてＲＯＭに記憶されている基準値β２と比較される（図５（ｃ）参照）。この基準値β２は、実験等により求められたもので排気ポートが暖機したと判断可能な所定値である。上記の値α２が基準値β２より大きければ、排気ポート５３の暖機がされているものと判断し、二次空気の供給を開始する（図５（ｃ））。
【００５１】
本実施の形態による二次空気供給（ＡＩ）判定のための演算を、図５に示すフローチャートにより説明する。
【００５２】
このフローチャートを実行するルーチンは、予めＲＯＭに記憶されており、ＣＰＵによって所定時間毎（例えば、クランクポジションセンサ３３がパルス信号を出力する度）に繰り返し実行されるルーチンである。
【００５３】
ステップ２０１では、内燃機関１が始動される。始動後は、ステップ２０２に進み、排気ポート５３の暖機がされているか否かを判定する。ここでは、ＥＣＵ２０は、内燃機関の始動からの積算燃料噴射量を排気ポート５３の面積で除して得られた値α２と、基準値β２を比較する。値α２が基準値β２よりも小さければ二次空気供給は開始されずに、このルーチンを終了する。
【００５４】
反対に、値α２が基準値β２よりも大きければ、ステップ２０３に進み、エアポンプ１３を作動させ、次に、ステップ２０４に進んで、スイッチングバルブ６２を開いて、二次空気の供給を開始し、このルーチンを終了する。
【００５５】
上記の実施の形態では、内燃機関１から排出される排気を浄化する浄化装置として、三元触媒を例示したが、これに替えて、他の排気成分の浄化を目的とする浄化装置を用いてもよい。
【００５６】
また、上記の各実施の形態では、ガソリンエンジンに本発明を適用する例について述べたが、これに限らず、本発明はディーゼルエンジンに適用するようにしてもよい。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、内燃機関の排気ポートの暖機が完了してから二次空空気の供給を開始するようにしたので、排気ポートが二次空気で冷却されることが抑制され、排気浄化装置の触媒床温の早期上昇が実現され、排気エミッションの改善がされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る二次空気供給装置を備えた内燃機関の概略構成図である。
【図２】シリンダ部分の構造を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１における二次空気使用判定のための演算の流れを示すフローチャート図である。
【図４】本発明の実施の形態１において、二次空気供給制御のタイムチャート図である。
【図５】本発明の実施の形態２における二次空気使用判定のための演算の流れを示すフローチャート図である。
【図６】本発明の実施の形態１において、二次空気供給制御のタイムチャート図である。
【符号の説明】
１　内燃機関
４　二次空気供給口
５　排気浄化装置
１３　エアポンプ
２０　ＥＣＵ
５１　排気弁
５２　　排気枝管
５４　　排気管
６２　スイッチングバルブ
【図１】
2004124824.tif 000003
【図２】
2004124824.tif 000004
【図３】
2004124824.tif 000005
【図４】
2004124824.tif 000006
【図５】
2004124824.tif 000007
【図６】
2004124824.tif 000008