(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の触媒上流の排気系に供給する二次空気の流量を制御する内燃機関の二次空気制御装置において、
筒内から排出される未燃燃料のエネルギーを算出する未燃燃料エネルギー算出手段と、
内燃機関の運転状態に対応させて後燃え率を導出する後燃え率導出手段と、
前記未燃燃料エネルギー算出手段により求められた未燃燃料エネルギーと、前記後燃え率導出手段により導出された後燃え率とに基づき、前記触媒の上流の空燃比が所定の範囲に収まるように前記排気系に供給すべき二次空気の流量を演算する二次空気量演算手段と、
この演算された流量になるように前記二次空気量を制御する二次空気量制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の二次空気制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気ガスの酸化を促進するための二次空気を排気系に供給するシステムにおいて、その二次空気供給量をより正確に制御する内燃機関の二次空気制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、この種の装置においては、二次空気用のエアクリーナなどの吸気側から内燃機関の排気ポートに通じる二次空気の流通路の途中に配設された二次空気制御弁を開閉することにより流量制御を行う構成となっている。そして、排気系に配設された触媒が活性化され、同触媒にて排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）などの未燃成分が十分に燃焼される状態では、上記二次空気制御弁を閉弁状態に保ち、上記排気ポートに対して二次空気を供給しない。他方、始動時などの上記触媒が活性化されていない期間には、上記二次空気制御弁の開閉制御を通じてこれを開弁状態に保ち、上記排気ポートに対して適量の二次空気を供給するようにされている。
【０００３】
ところで、このような触媒の不活性期間に排気ポートに対して積極的に二次空気を供給する制御を行えば、内燃機関の始動時を含めた運転領域の全域にわたって、その排気ガス中の未燃成分の酸化反応が促進されることにより、それら未燃成分の外部への放出が抑制されて内燃機関としての排気エミッションが改善される。さらに、加えて、こうした排気ガスの酸化反応に基づく燃焼熱によって上記触媒が早期に活性化するようにもなる。ただし、二次空気の供給に伴う上記排気ガスの酸化反応が異常に進行すると、上記燃焼熱が過大となり、ひいては上記触媒が異常な温度にまで上昇してその性能が劣化するなどの影響が生ずることとなる。そこで、例えば、特許文献１に開示された二次空気制御装置では、内燃機関の回転数と吸気圧による機関負荷との運転パラメータに基づき、予め実験などにより求めたマップから二次空気の基本流量を演算すると共に、各種センサから現在の触媒温度を演算し、該触媒が異常な温度領域にあると判断されるときには二次空気の供給量を減少するように上記二次空気制御弁の開閉制御を行うこととしている。これによって、排気ガスの酸化反応が抑制され、ひいては触媒の温度として望ましい温度領域まで低下するようになる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１７１９１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような内燃機関の二次空気制御装置において、二次空気の流量を決定するのに、特許文献１に開示されるように、内燃機関の回転数と機関負荷との運転パラメータに基づき、予め実験などにより求めたマップから二次空気の基本流量を求める形式では、運転パラメータが制限されていることから、正確に二次空気流量を決定するのは困難であるという問題があった。内燃機関の特に始動直後においてはその運転が未だ安定しておらず、他の様々な運転パラメータの影響が無視できず、また、内燃機関の個体差によっても必要とされる二次空気の流量は変動する可能性があるからである。
【０００６】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の個体差にかかわらず、その二次空気供給量をより正確に制御することのできる内燃機関の二次空気制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明の一形態に係る内燃機関の二次空気制御装置は、内燃機関の触媒上流の排気系に供給する二次空気の流量を制御する内燃機関の二次空気制御装置において、筒内から排出される未燃燃料のエネルギーを算出する未燃燃料エネルギー算出手段と、内燃機関の運転状態に対応させて後燃え率を導出する後燃え率導出手段と、前記未燃燃料エネルギー算出手段により求められた未燃燃料エネルギーと、前記後燃え率導出手段により導出された後燃え率とに基づき、前記触媒の上流の空燃比が所定の範囲に収まるように前記排気系に供給すべき二次空気の流量を演算する二次空気量演算手段と、この演算された流量になるように前記二次空気量を制御する二次空気量制御手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
上記構成によれば、未燃燃料エネルギー算出手段により求められた未燃燃料エネルギーと、後燃え率導出手段により導出された後燃え率とに基づき、触媒の上流の空燃比が所定の範囲に収まるように上記排気系に供給すべき二次空気の流量が制御されることとなるため、触媒における酸化処理に適した正確な量の二次空気が供給される。この結果、内燃機関の個体差にかかわらず、その二次空気供給量をより正確に制御することのできる二次空気制御装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明にかかる内燃機関の二次空気制御装置の一実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
この実施の形態の二次空気制御装置は、排気ガスの酸化を促進するための二次空気供給システムを４気筒のガソリン機関の排気系に対して適用する場合を想定しており、図１に、当該システムの全体構成を模式的に示す。
【００１１】
図１に示されるように、このシステムにあって、二次空気の供給を受ける内燃機関１０（便宜上、１気筒分のみ図示する）は、シリンダブロック１２、およびシリンダヘッド１４を備えて構成されている。シリンダブロック１２の内部には、クランクシャフト１６の回転を通じて往復動するピストン１８が設けられ、このピストン１８の上面と上記シリンダヘッド１４とにより囲まれる空間によって燃焼室２０が形成される。また、このシリンダブロック１２には、ウォータジャケット２２が設けられ、これによって上記燃焼室２０内の温度が内燃機関の運転に適した温度として維持されるようにされている。
【００１２】
シリンダヘッド１４には、上記燃焼室２０に通じる吸気ポート２４、および排気ポート２６がそれぞれ形成されている。このうち、吸気ポート２４には、該ポート２４を開閉するための吸気バルブ２８が設けられ、この吸気バルブ２８は可変バルブタイミング機構３０により駆動されて、該ポート２４に連通される吸気マニホールド３２から、上記燃焼室２０に空気が導入されるタイミングなどが可変制御されるようになっている。
【００１３】
一方、排気ポート２６には、該ポート２６を開閉するための排気バルブ３４が設けられ、この排気バルブ３４は可変バルブタイミング機構３６により駆動されて、これによって排気ポート２６に連通される排気マニホールド３８へ、上記燃焼室２０から燃焼後の未燃燃料を含む排気ガス等が排出されるタイミングなどが可変制御されるようになっている。なお、こうして上記燃焼室２０から排出された排気ガスは、上記排気マニホールド３８を通じて排気管４０に至り、その途中に配設される触媒（例えば三元触媒）４２にて浄化（酸化）された後、外部へ放出される。なお、吸気バルブ２８の可変バルブタイミング機構３０および排気バルブ３４の可変バルブタイミング機構３６の構造については周知であるから詳細な説明は省略する。
【００１４】
また、このシリンダヘッド１４の下部には、燃焼室２０に導入される空気と噴射燃料との混合気に対して点火を行うための点火プラグ４４がその一部（電極部）を上記燃焼室２０に露出するようにして設けられ、イグナイタ４６に接続されている。この噴射燃料は、吸気マニホールド３２の上記吸気ポート２４の近傍に配設されたフュエルインジェクタ４８により、該吸気ポート２４を介して燃焼室２０に導入される。
【００１５】
そして、このシステムでは、上記内燃機関１０の排気ポート２６に通じる二次空気の流通路５０をさらに備えている。なお、この二次空気の流通路５０の上流（吸気）側には二次空気用のエアクリーナ５２が設けられている。また、該流通路５０においてその途中には電動式エアポンプ５４が配設されている。そして、同ポンプ５４により上記エアクリーナ５２から二次空気が吸入されることで、上記排気ポート２６に対して二次空気が供給されるようになっている。なお、この二次空気の流通路５０の途中にはさらに、上記二次空気の流量を調量するための流量制御バルブ５６が配設されている。
【００１６】
こうしたシステムにあって、内燃機関の二次空気制御装置は、図１に示されるように、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００を中心として構成され、上記電動式エアポンプ５４の駆動制御および上記流量制御バルブ５６の開閉制御等は、このＥＣＵ１００を通じて行われる。ちなみにこの実施の形態において、ＥＣＵ１００は、フュエルインジェクタ４８による燃料噴射量や燃料噴射時期およびイグナイタ４６による点火時期や吸気バルブ２８、排気バルブ３４の開閉タイミングの制御など、内燃機関の運転状態全体の制御を司り、それら制御の一環として、上記電動式エアポンプ５４および流量制御バルブ５６に対する制御を併せ行う。
【００１７】
すなわち、ＥＣＵ１００には、例えばクランク角センサ１０２、水温センサ１０４、エアフローメータ１０６、カムポジションセンサ１０８（なお、図１には、吸気バルブ２８の可変バルブタイミング機構３０におけるカムポジションセンサは１０８in、排気バルブ３４の可変バルブタイミング機構３６におけるカムポジションセンサは１０８exとして示されている）および筒内圧センサ１１０などの各種センサからの検出信号が取り込まれる。そして、このＥＣＵ１００は、これらセンサの検出信号に基づいて現在の機関運転状態を示す各種パラメータを演算する。他方、該ＥＣＵ１００の出力には、イグナイタ４６、フュエルインジェクタ４８や電動式エアポンプ５４、流量制御バルブ５６などが接続されており、このＥＣＵ１００から出力される信号を通じてそれら各部の駆動、あるいは開閉などの制御が実行される。そして、内燃機関の二次空気制御装置として、上記触媒４２がまだ活性化されていない期間には、上記電動式エアポンプ５４および流量制御バルブ５６の制御を通じて排気ポート２６に対し積極的に二次空気を供給することで、内燃機関１０の始動時を含めた運転領域の全域にわたって、その排気ガス中の未燃成分の酸化反応が促進されるようにしている。
【００１８】
以下、本実施の形態における制御手順の一例を、ＥＣＵ１００による上記二次空気の流量制御手順を示す図２のフローチャートに基づいて詳述する。
【００１９】
制御が開始されるとＥＣＵ１００はまず、ステップＳ２０１における判定で、イグニッションスイッチＩＧＮがＯＮである、すなわち内燃機関１０が稼働中であるときのみステップＳ２０２に進む。そして、ステップＳ２０２において、例えば直近の気筒の排気行程上死点（ＴＤＣ）位置が検出されるまで待つ。本実施の形態においては、これを１番気筒とする。これは、クランク角センサ１０２からの信号により求められる。なお、以下の説明においては、この１番気筒が排気行程上死点（ＴＤＣ）位置にあるときのクランクシャフト１６の角度、すなわち、クランク角θが０°であるとする。
【００２０】
ステップＳ２０２において、１番気筒が排気行程上死点（ＴＤＣ）位置（θ＝０°）にあると判定されると、ステップＳ２０３に進みバルブタイミング情報が取得される。このバルブタイミング情報としては、上述のカムポジションセンサ１０８（１０８in、１０８ex）によって、可変バルブタイミング機構３０および３６における吸気バルブ２８および排気バルブ３４をそれぞれ駆動するカムシャフトの基準位置からの位相シフト位置が検出される。そして、次のステップＳ２０４においては、クランク角センサ１０２からの信号によりクランク角θが取得され、さらに次のステップＳ２０５において、筒内圧センサ１１０からの検出信号により筒内圧Ｐｃが取得される。そして、次のステップＳ２０６に進み、ステップＳ２０３にて取得したバルブタイミング情報を参照して、クランク角θが吸気バルブ２８の閉時期（以下、ＩＶＣと称す）にある（例えば、θ＝１９０°）か否かが判定される。クランク角θがＩＶＣに未だに到達していないときは、ステップＳ２０４に戻り、吸気バルブ２８が閉じられるまで上述のステップＳ２０５およびステップＳ２０６が繰り返される。クランク角θがＩＶＣになると、ステップＳ２０７に進み、燃料噴射量Ｇｆが取得される。
【００２１】
なお、この燃料噴射量Ｇｆは、別に実行されている燃料噴射制御ルーチンにおいて求められるものであり、上記クランク角センサ１０２、水温センサ１０４、エアフローメータ１０６からの検出信号を取り込み、これら検出信号に基づいて求められる。より詳しく述べると、クランク角センサ１０２からの検出信号に基づいて内燃機関１０の機関回転数Ｎeが演算されるとともに、水温センサ１０４から水温、エアフローメータ１０６から吸入空気量Ｇaについての値を得て、その後、マップを用いて、上記演算した機関回転数Ｎeおよび検出された吸入空気量Ｇaから供給すべき基本燃料噴射量が求められ、そしてこれが水温に対応させて補正され最終の燃料噴射量Ｇｆが演算されるのである。
【００２２】
次に、ステップＳ２０８に進み、再度、クランク角センサ１０２からの信号によりクランク角θが取得され、さらに次のステップＳ２０９において、筒内圧センサ１１０からの検出信号により筒内圧Ｐｃが取得される。そして、次のステップＳ２１０において、筒内での加熱率ｄＱが算出される。この加熱率ｄＱは筒内での燃焼により発生される発熱量により気体である混合気が単位時間当たりに加熱される割合を意味し、次式（１）にて表される。  
ｄＱ＝１／（κ−１）×{κ×Ｐｃ×ｄＶ−Ｖ×ｄＰｃ}・・・（１）
【００２３】
ここで、κは筒内混合気の比熱比（一定値＝１．３２）、Ｖは筒内容積でありクランク角θの関数である。
【００２４】
そして、次のステップＳ２１１においては、上記ステップＳ２１０において求められた加熱率ｄＱが積分され、累積加熱量Ｑが次式（２）により算出され、記憶される。さらに、ステップＳ２１２において、ステップＳ２０３にて取得したバルブタイミング情報を参照して、クランク角θが排気バルブ３４の開時期（以下、ＥＶＯと称す）にある（例えば、θ＝５３０°）か否かが判定される。クランク角θがＥＶＯに未だに到達していないときは、ステップＳ２０８に戻り、排気バルブ３４が開かれるまで上述のステップＳ２０８およびステップＳ２１１が繰り返される。換言すると、吸気バルブ２８が閉じられてから排気バルブ３４が開かれるまでの、圧縮行程、燃焼・膨張行程を経ての排気行程開始までの筒内における累積加熱量Ｑが求められるのである。この繰返しのルーチンサイクルにおいては、ステップＳ２０９で求められる筒内圧Ｐｃがその都度更新されると共に、ステップＳ２１０における加熱率ｄＱの算出に必要なｄＶおよびｄＰｃが演算により求められる。
【００２５】
【数１】
0004635866.tif 000002
【００２６】
ここで、上述のクランク角θと累積加熱量Ｑとの関係をグラフに表すと図３に示すようになる。
【００２７】
次に、ステップＳ２１２において、クランク角θが排気バルブ３４の開位置ＥＶＯにあると判定されるとステップＳ２１３に進み、ステップＳ２１１において累積された加熱量Ｑの最大値Ｑmax、換言すると、１番気筒においてその燃焼・膨張行程により発生された最終的な発熱量が算出されると共に、その筒内において燃焼されなかった燃料、すなわち、未燃燃料のエネルギーＱuが次式（３）により求められる。  
Ｑu＝Ｇｆ×ＬＨＶ−Ｑmax・・・（３）
【００２８】
ここで、ＬＨＶは使用される燃料の低位発熱量である。ＧｆはステップＳ２０７で取得された燃料噴射量であり、Ｇｆ×ＬＨＶは筒内に供給された燃料が完全燃焼したときに得られる発熱量を意味する。
【００２９】
そして、引続くステップＳ２１４、ステップＳ２１５およびステップＳ２１６において、順に、機関回転数Ｎe、吸入空気量Ｇaおよび点火時期Ｓaがそれぞれ取得される。さらに、ステップＳ２１７に進み後燃え率Ｒｂが算出される。
【００３０】
この後燃え率Ｒｂとは、筒内に供給された燃料の燃焼・膨張・排気行程に亘る全燃焼量に対して燃焼・膨張行程を過ぎた後での燃焼量の割合を意味し、例えば、機関回転数Ｎe、吸入空気量Ｇa、空燃比Ａ／Ｆ（＝Ｇa／Ｇｆ）および点火時期Ｓaなどの運転パラメータ毎に対応する率がそれぞれ知られている。これらは、図４（Ａ）ないし（Ｄ）に示すように、マップ化されてＥＣＵ１００の記憶装置に保管されている。例えば、図４（Ａ）に示すように、機関回転数Ｎeが高くなるに従い後燃え率が多くなるのに対し、図４（Ｄ）に示すように、点火時期Ｓaが進角する程、後燃え率は少なくなる傾向にある。
【００３１】
そこで、ステップＳ２１７においては、エアフローメータ１０６からの吸入空気量Ｇaと燃料噴射量Ｇｆとから筒内の空燃比Ａ／Ｆが算出され、この算出された空燃比Ａ／Ｆ、および、ステップＳ２１４ないしステップＳ２１６において取得された機関回転数Ｎe、吸入空気量Ｇaおよび点火時期Ｓaのそれぞれに対する後燃え率（Ｒｂ-Ｎe、Ｒｂ-Ｇa、Ｒｂ-Ａ／Ｆ、Ｒｂ-Ｓa）が各々、図４（Ａ）ないし（Ｄ）に示すマップから求められる。そして、これらを乗じて最終的な後燃え率Ｒｂが算出される。
【００３２】
次に、ＥＣＵ１００は、ステップＳ２１８に進み、最適二次空気量を求めるための演算処理を実行する。この演算処理においては、要求二次空気量Ｍreqが次式（４）により求められる。  
Ｍreq＝Ｑu／ＬＨＶ  ×  １／Ｒｂ  ×Ｇa／Ｇｆ・・・（４）
【００３３】
この要求二次空気量Ｍreqは、触媒４２の上流の空燃比が酸化に適した所定の範囲に収まる、より好ましくは理論空燃比になるための最適値として設定されている。
【００３４】
こうして要求二次空気量Ｍreqの値が求まると、ＥＣＵ１００は次にステップＳ２１９に進み、この求められた要求二次空気量Ｍreqの値をもとに、例えば流量制御バルブ（電子制御弁）５６の開度（デューティ値）を決定する。そして、この決定した流量制御バルブ５６の開度をもって、排気ポート２６に対し供給する二次空気量を制御する。
【００３５】
かくて、１番気筒に対するＥＣＵ１００による上記二次空気の流量制御がその１サイクルに亘って図２のフローチャートに従って実行され、同様に、点火順序に従い、例えば３番、４番、２番の順に実行されることになる。このように、本実施の形態においては、ステップＳ２０７ないしステップＳ２１３における処理で構成される未燃燃料エネルギー算出手段により求められた未燃燃料エネルギーＱuと、ステップＳ２１４ないしステップＳ２１７における処理で構成される後燃え率導出手段により導出された後燃え率Ｒｂという排気直前および直後の燃焼情報に基づき、触媒４２の上流の空燃比が所定の範囲に収まる、より好ましくは理論空燃比になるように上記排気系に供給すべき二次空気の流量が制御されることとなるため、触媒４２における酸化処理に適した正確な量の二次空気が供給される。この結果、内燃機関１０の個体差にかかわらず、その二次空気供給量をより正確に制御することのできる二次空気制御装置を得ることができる。
【００３６】
なお、上述の実施形態においては、最終的な後燃え率Ｒｂを、機関回転数Ｎe、吸入空気量Ｇa、空燃比Ａ／Ｆおよび点火時期Ｓaのそれぞれに対する後燃え率（Ｒｂ-Ｎe、Ｒｂ-Ｇa、Ｒｂ-Ａ／Ｆ、Ｒｂ-Ｓa）として各々マップから読み出し、それらに基づき決定するようにしたが、以下に説明するように、排気バルブ３４の開時（ＥＶＯ）における筒内ガス温度Ｔevoをパラメータとして求めるようにしてもよい。なお、この排気バルブ３４の開時（ＥＶＯ）における筒内ガス温度Ｔevoは次式（５）により算出される。  
Ｔevo＝Ｐevo×Ｖevo／（１＋Ｇｆ／Ｇa＋Ｆｄ）Ｇa×Ｒ・・・（５）
【００３７】
ここで、Ｆｄは筒内に残留するガスの割合であり、機関回転数Ｎeおよび吸入空気量Ｇaの変化に対する割合を示す図５（Ａ）のマップ、および吸気バルブ２８と排気バルブ３４とのバルブオーバーラップＯＬの変化に対する割合を示す図５（Ｂ）のマップからそれぞれ求められ、加重平均されて最終の筒内残留ガス割合Ｆｄとして算出される。このバルブオーバーラップＯＬは上述のカムポジションセンサ１０８（１０８in、１０８ex）によって検出される、可変バルブタイミング機構３０および３６における吸気バルブ２８および排気バルブ３４をそれぞれ駆動するカムシャフトの位相位置に基づき算出される。また、Ｐevoは排気バルブ３４の開時（ＥＶＯ）における筒内圧力であり、筒内圧センサ１１０からの検出信号により検知され、Ｖevoは排気バルブ３４の開時（ＥＶＯ）における筒内容積であり、前述のように、クランク角θの関数としてクランク角センサ１０２からの検出信号に基づき算出される。なお、ＧｆおよびＧaは既に述べたように、燃料噴射量および吸入空気量であり、Ｒはガス定数である。
【００３８】
上記式（５）により所定の気筒（例えば、１番気筒）のＥＶＯ時の筒内ガス温度Ｔevoが算出されると、その筒内ガス温度Ｔevoに対応する後燃え率Ｒｂが図５（Ｃ）に示すマップから読み出されて求められる。
【００３９】
このように、本実施の形態では、各気筒のＥＶＯ時の筒内ガス温度Ｔevoを前実施形態と同様に点火順序に従ってそれぞれ算出し、これに基づき、後燃え率Ｒｂが決定される。後燃え率Ｒｂの決定後の要求二次空気量Ｍreqの算出およびその後の二次空気量の制御は前実施の形態と同じであるから重複説明は避ける。
【００４０】
本実施形態によれば、各気筒の排気ポートに温度センサを設けた場合における検出遅れやその分のコスト上昇を伴うことなく各気筒毎のＥＶＯ時の筒内ガス温度Ｔevoを算出することができるので、その二次空気供給量を廉価且つより正確に制御することのできる二次空気制御装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明にかかる内燃機関の二次空気制御装置の一実施の形態について、そのシステムの全体構成を示す模式図である。
【図２】同実施の形態の二次空気制御装置による二次空気の流量制御手順の一例を示すフローチャートである。
【図３】クランク角θと筒内での累積加熱量Ｑとの関係を示すグラフである。
【図４】運転パラメータと後燃え率Ｒｂとの対応関係を示すグラフ（マップ）であり、（Ａ）は機関回転数Ｎe、（Ｂ）は吸入空気量Ｇa、（Ｃ）は空燃比Ａ／Ｆ、（Ｄ）は点火時期Ｓaとの関係である。
【図５】運転パラメータと残留ガス割合Ｆｄまたは後燃え率Ｒｂとの対応関係を示すグラフ（マップ）であり、（Ａ）は機関回転数Ｎeおよび吸入空気量Ｇaと残留ガス割合Ｆｄ、（Ｂ）はバルブオーバーラップＯＬと残留ガス割合Ｆｄ、（Ｃ）はＥＶＯ時の筒内ガス温度Ｔevoと後燃え率Ｒｂとの関係である。
【符号の説明】
【００４２】
１０    内燃機関
２０    燃焼室
２４    吸気ポート
２６    排気ポート
２８    吸気バルブ
３４    排気バルブ
４２    三元触媒
４４    点火プラグ
４８    フュエルインジェクタ
５０    二次空気流通路
５６    流量制御バルブ
１００    電子制御ユニット（ＥＣＵ）
【図１】
0004635866.tif 000003
【図２】
0004635866.tif 000004
【図３】
0004635866.tif 000005
【図４】
0004635866.tif 000006
【図５】
0004635866.tif 000007