(57)【要約】【課題】エアポンプの保護を図りつつ、当該エアポンプを適正に作動させる。【解決手段】二次エア供給システムとして、排気管２４において触媒３１よりも上流側には二次エア配管３５が接続され、その二次エア配管３５の上流部には二次エアポンプ３６が設けられている。ＥＣＵ４０は、二次エアポンプ３６の作動開始前にポンプ温度を推定し、該推定したポンプ温度に基づいて二次エアポンプ３６の作動可能時間を算出する。また、作動可能時間に基づいて二次エアポンプ３６の作動を許可するかどうかを判定する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアポンプの作動により内燃機関の排気通路に二次エアを供給する内燃機関の二次エア供給システムにおいて、
前記エアポンプの作動開始前にポンプ温度を推定するポンプ温度推定手段と、
前記推定したポンプ温度に基づいてエアポンプの作動可能時間を算出する作動可能時間算出手段と、
前記算出した作動可能時間に基づいてエアポンプの作動を許可するかどうかを判定する作動許可判定手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の二次エア供給システム。
【請求項２】
前記作動可能時間算出手段は、前記エアポンプの作動開始後にポンプ温度がその時々の推定温度から所定の作動上限温度に達するまでの所要時間を、前記作動可能時間として算出する請求項１に記載の内燃機関の二次エア供給システム。
【請求項３】
その都度要求されるエアポンプの作動要求時間を設定する作動要求設定手段を更に備え、
前記作動許可判定手段は、前記作動可能時間が前記作動要求時間よりも長い場合にエアポンプの作動を許可する請求項１又は２に記載の内燃機関の二次エア供給システム。
【請求項４】
前記エアポンプを含む二次エアシステムの故障診断を実施する構成であって、前記作動要求時間設定手段は、前記故障診断に要する所要時間を作動要求時間として設定する請求項３に記載の内燃機関の二次エア供給システム。
【請求項５】
前記ポンプ温度推定手段は、ポンプ停止中の時間経過に応じてポンプ温度を逐次推定する請求項１乃至４の何れかに記載の内燃機関の二次エア供給システム。
【請求項６】
前記ポンプ温度推定手段は、エアポンプ周囲の環境温度に応じた温度勾配を設定し且つポンプ停止中の時間経過に応じてポンプ温度を逐次推定する請求項１乃至４の何れかに記載の内燃機関の二次エア供給システム。
【請求項７】
前記ポンプ温度推定手段は、ポンプ停止中の時間経過に応じて推定したポンプ温度と、内燃機関の吸入空気温度又は冷却水温度の少なくとも一方とを比較し、高い方をポンプ温度推定値とする請求項５又は６に記載の内燃機関の二次エア供給システム。
【請求項８】
ポンプ作動中の時間経過に応じてポンプ温度を逐次推定する手段を更に備えた請求項５乃至７の何れかに記載の内燃機関の二次エア供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の二次エア供給システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気管には、排気を浄化するための触媒装置が設けられており、この触媒装置の浄化効率を向上させるべく、エアポンプの作動により触媒装置の上流側に二次エアを供給する技術が従来より提案されている。
【０００３】
ここで、仮に二次エア供給が不足すると触媒装置が十分に暖機されないという不都合が生じ、同二次エア供給が過剰になると触媒装置が過熱されるという不都合が生じる。そのため、こうした不都合を回避すべくエアポンプの作動時間を設定し、その作動時間内でエアポンプを作動させる技術もある。
【０００４】
例えば特許文献１では、内燃機関の停止時の冷却水温度と次の始動時の冷却水温度との温度差に応じて内燃機関の停止から始動までの停止時間を判断し、該停止時間が短い時間であった場合に、エアポンプの作動時間を補正するようにしていた。また、特許文献２では、二次エアの供給期間の開始タイミングと終了タイミングとを機関始動時の機関温度、触媒温度、吸気温度等で設定する構成としていた。
【０００５】
上記特許文献１，２をはじめ既存の技術は、触媒活性の適正化や触媒装置の保護を図るべくエアポンプの作動時間を設定しているが、次の不都合が生じる。すなわち、エアポンプはＤＣモータ等を構成要素としており、そのエアポンプの保護や安定した作動を図るには、当該エアポンプを所定の作動温度範囲内で作動させることが必要となる。ところが既存の技術では、エアポンプの作動中に、当該エアポンプの温度が作動温度範囲を越えて過剰に上昇し、結果故障等を招くという不都合が生じる。そのため、エアポンプの保護を図るという観点もふまえて、エアポンプの作動時間を適正に設定できる技術が望まれている。
【０００６】
また、二次エアシステムの故障診断等を実施するために機関始動時の触媒暖機時以外にもエアポンプを作動させる必要があり、こうしたエアポンプの再作動時にも、エアポンプの作動時間を適正に設定できる技術が望まれている。
【特許文献１】特開２０００−２４０４３４号公報
【特許文献１】特許第３３５１８３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、エアポンプの保護を図りつつ、当該エアポンプを適正に作動させることができる内燃機関の二次エア供給システムを提供することを主たる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明では、エアポンプの作動開始前にポンプ温度を推定し、該推定したポンプ温度に基づいてエアポンプの作動可能時間を算出する。そして、算出した作動可能時間に基づいてエアポンプの作動を許可するかどうかを判定する。この場合、作動開始前のポンプ温度が比較的低ければ作動可能時間を比較的長くし、ポンプ温度が比較的高ければ作動可能時間を比較的短くする。以上により、作動中におけるエアポンプの過剰な温度上昇を抑制し、当該エアポンプの保護を図ることができる。また、所望とする作動時間内でエアポンプを適正に作動させることができる。仮に内燃機関の運転途中でエアポンプを再作動させる場合にもエアポンプの作動条件を適正に判断できる。
【０００９】
請求項２に記載したように、エアポンプの作動開始後にポンプ温度がその時々の推定温度から所定の作動上限温度に達するまでの所要時間を、前記作動可能時間として算出すると良い。これにより、その都度可能なポンプ作動時間が的確に把握できる。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、その都度要求されるエアポンプの作動要求時間を設定し、作動可能時間が作動要求時間よりも長い場合にエアポンプの作動を許可する。この場合、所望とする作動要求時間内でエアポンプを確実に作動させることができる。また、作動可能時間が短いのにエアポンプを作動させると、その後直ぐにエアポンプの停止及び再作動が必要となり、結果としてエアポンプの作動／作動停止が繰り返される。これに対し本発明によれば、こうした不都合が回避でき、エアポンプの作動／作動停止の繰り返しによるドライバビリティの悪化が防止できる。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、エアポンプを含む二次エアシステムの故障診断を実施する際、故障診断に要する所要時間を作動要求時間として設定する。これにより、二次エアシステムの故障診断が確実に実施できる。複数の故障診断処理を選択的に実施する場合には、その都度の故障診断内容に応じて作動要求時間を適宜設定すると良い。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明では、ポンプ停止中の時間経過に応じてポンプ温度を逐次推定する。エアポンプの作動停止後、基本的には時間の経過に伴いポンプ温度が低下すると考えられる。この場合、温度センサ等の付加的な構成を要さずともポンプ停止中におけるポンプ温度の変化を確実に把握できる。
【００１３】
請求項６に記載の発明では、エアポンプ周囲の環境温度に応じた温度勾配を設定し且つポンプ停止中の時間経過に応じてポンプ温度を逐次推定する。これにより、例えばエアポンプが周囲からの受熱によりなかなか温度低下しない場合等にもポンプ温度が正確に把握できる。
【００１４】
基本的に、ポンプ温度は、ポンプ停止中において時間の経過と共に低下し続けるが、吸入空気温度又は冷却水温度まで低下すると、その付近で収束すると考えられる。故に、請求項７に記載したように、ポンプ停止中の時間経過に応じて推定したポンプ温度と、内燃機関の吸入空気温度又は冷却水温度の少なくとも一方とを比較し、高い方をポンプ温度推定値とすると良い。
【００１５】
請求項８に記載の発明では、ポンプ作動中の時間経過に応じてポンプ温度を逐次推定する。この場合、ポンプ停止中だけでなくポンプ作動中もポンプ温度の変化が逐次推定されるため、内燃機関の運転期間全般を通じてポンプ温度の監視が可能となる。なおこの場合、エアポンプ周囲の環境温度に応じた温度勾配を設定し且つポンプ作動中の時間経過に応じてポンプ温度を逐次推定すると良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態は、内燃機関である車載多気筒ガソリンエンジンを対象にエンジン制御システムを構築するものとしており、当該制御システムにおいては電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施することとしている。先ずは、図１を用いてエンジン制御システムの全体概略構成図を説明する。
【００１７】
図１に示すエンジン１０において、吸気管１１にはＤＣモータ等のアクチュエータによって開度調節されるスロットルバルブ１４と、スロットル開度を検出するためのスロットル開度センサ１５とが設けられている。スロットルバルブ１４の下流側にはサージタンク１６が設けられ、このサージタンク１６には吸気管圧力を検出するための吸気管圧力センサ１７が設けられている。また、サージタンク１６には、エンジン１０の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１８が接続されており、吸気マニホールド１８において各気筒の吸気ポート近傍には燃料を噴射供給する電磁駆動式の燃料噴射弁１９が取り付けられている。
【００１８】
エンジン１０の吸気ポート及び排気ポートにはそれぞれ吸気バルブ２１及び排気バルブ２２が設けられており、吸気バルブ２１の開動作により空気と燃料との混合気が燃焼室２３内に導入され、排気バルブ２２の開動作により燃焼後の排ガスが排気管２４に排出される。エンジン１０のシリンダヘッドには各気筒毎に点火プラグ２５が取り付けられており、点火プラグ２５には、点火コイル等よりなる図示しない点火装置を通じて、所望とする点火時期において高電圧が印加される。この高電圧の印加により、各点火プラグ２５の対向電極間に火花放電が発生し、燃焼室２３内に導入した混合気が着火され燃焼に供される。
【００１９】
排気管２４には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化するための三元触媒等の触媒３１が設けられ、この触媒３１の上流側には排ガスを検出対象として混合気の空燃比を検出するための空燃比センサ３２（リニアＡ／Ｆセンサ、Ｏ2センサ等）が設けられている。また、エンジン１０のシリンダブロックには、エンジン冷却水の温度を検出する冷却水温センサ３３や、エンジンの所定クランク角毎に（例えば３０°ＣＡ周期で）矩形状のクランク角信号を出力するクランク角度センサ３４が取り付けられている。吸気温センサ３９は、吸気管上流部のエアクリーナ等に設けられ、吸入空気の温度を検出する。
【００２０】
また、二次エア供給システムとして、排気管２４において触媒３１よりも上流側には二次エア配管３５が接続され、その二次エア配管３５の上流部には二次エア供給装置としての二次エアポンプ３６が設けられている。二次エアポンプ３６は例えばＤＣモータ等より構成され、図示しない車載バッテリからの給電を受けて作動する。また、二次エアポンプ３６よりも下流側には、二次エア配管３５を開放又は閉鎖する開閉弁３７が設けられている。二次エアポンプ３６と開閉弁３７との間には、二次エア配管３５内の圧力を検出する圧力センサ３８が設けられている。
【００２１】
上述した各種センサの出力は、エンジン制御を司るＥＣＵ４０に入力される。ＥＣＵ４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成され、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁１９の燃料噴射量や点火プラグ２５による点火時期を制御する。また、ＥＣＵ４０は、エンジン始動時の触媒３１の早期活性化などを図るべく、二次エアポンプ３６を作動させることにより二次エア供給を実施する。
【００２２】
次に、触媒３１に対して二次エアを供給すべく二次エアポンプ３６を作動させるための制御手順について説明する。特に本実施の形態では、二次エアポンプ３６の作動停止中にポンプ温度ｔｐｍ（例えば二次エアポンプ３６を構成するＤＣモータのブラシ部温度）を推定し、そのポンプ温度ｔｐｍに基づいて二次エアポンプ３６の作動可能時間ＴＡを算出することとしている。作動可能時間ＴＡは、二次エアポンプ３６の作動開始後、ポンプ作動温度範囲の上限温度（例えば１５０℃）に達するまでの所要時間であり、作動開始時のポンプ温度ｔｐｍが低いほど長い時間に、逆に作動開始時のポンプ温度ｔｐｍが高いほど短い時間とされる。そして、作動可能時間ＴＡが、二次エアポンプ３６の作動時間として要求される作動要求時間ＴＢよりも長いことを条件に、二次エアポンプ３６の作動を許可するようにしている。
【００２３】
また本実施の形態では、エンジン運転中に二次エア供給システムの故障診断を実施することとしており、その故障診断に際して二次エアポンプ３６が再作動される。この場合、故障診断に要する時間が作動要求時間ＴＢに相当し、故障診断項目に対応させて作動要求時間ＴＢを設定する。例えば、故障診断項目として、（１）二次エアシステムの漏れ検出と、（２）二次エアポンプ３６の誤作動検出とが設定されている場合、故障診断として（１）のみ実施するか、（２）のみ実施するか、又は（１）＋（２）を実施するかなどに応じてその都度の作動要求時間ＴＢを設定すると良い。
【００２４】
なお、前記（１）の漏れ検出では、開閉弁３７を閉鎖して二次エアポンプ３６を所定時間（例えば５秒程度）作動させ、その時の圧力変化（圧力センサ３８の検出値）や空燃比変化（空燃比センサ３２の検出値）に基づいて漏れ検出を実施する。また、前記（２）の誤作動検出では、開閉弁３７を閉鎖して二次エアポンプ３６を所定時間（例えば１秒程度）作動させ、その時の圧力変化（圧力センサ３８の検出値）に基づいてポンプ誤作動検出を実施する。
【００２５】
次に、ＥＣＵ４０により実行されるポンプ温度ｔｐｍの推定処理と、二次エアポンプ３６の作動許可判定処理とを説明する。図２は、ポンプ温度推定処理を示すフローチャートであり、図３は、エアポンプ作動許可判定処理を示すフローチャートである。これらの処理は所定の時間周期にてＥＣＵ４０により実行される。
【００２６】
図２において、先ずステップＳ１０１では、吸気温センサ３９の検出値より算出した吸気温ｔａと、水温センサ３３の検出値より算出したエンジン水温ｔｗとを読み込む。続くステップＳ１０２では、今現在、二次エアポンプ３６が作動中であるか否かを判別する。ポンプ作動中の場合、ステップＳ１０３に進んでポンプ温度ベース値ｔｂａｓｅを算出し、ポンプ停止中の場合、ステップＳ１０４に進んでポンプ温度ベース値ｔｂａｓｅを算出する。
【００２７】
このとき、ステップＳ１０３では、ポンプ温度ｔｐｍの前回値にΔｔ１を加算してｔｂａｓｅの今回値を算出する（ｔｂａｓｅ＝ｔｐｍ前回値＋Δｔ１）。Δｔ１は、ポンプ作動中の吸気温ｔａやエンジン水温ｔｗに基づいて可変設定される温度勾配であり、例えば図４（ａ）のΔｔ１設定マップを参照して設定される。同マップでは、吸気温が高いほど又は水温が高いほど、Δｔ１が大きい値とされる。このステップＳ１０３により、ポンプ作動中の時間経過に伴う温度上昇が逐次推定できる。
【００２８】
また、ステップＳ１０４では、ポンプ温度ｔｐｍの前回値からΔｔ２を減算してｔｂａｓｅの今回値を算出する（ｔｂａｓｅ＝ｔｐｍ前回値−Δｔ２）。Δｔ２は、ポンプ停止中の吸気温ｔａやエンジン水温ｔｗに基づいて可変設定される温度勾配であり、例えば図４（ｂ）のΔｔ２設定マップを参照して設定される。同マップでは、吸気温が低いほど又は水温が低いほど、Δｔ２が大きい値とされる。このステップＳ１０４により、ポンプ停止中の時間経過に伴う温度下降が逐次推定できる。
【００２９】
ポンプ温度ベース値ｔｂａｓｅの算出後、ステップＳ１０５では、吸気温ｔａ、エンジン水温ｔｗ、ポンプ温度ベース値ｔｂａｓｅを比較し、その中で最も高い温度をポンプ温度ｔｐｍとして推定する。
【００３０】
次に図３において、ステップＳ２０１では、今現在、二次エアポンプ３６が停止しているか否かを判別し、ステップＳ２０２では、二次エアポンプ３６の作動が許可されているか否かを判別する。ポンプ停止中であり且つポンプ作動非許可であれば、ステップＳ２０３に進み、二次エアポンプ３６の作動要求時間ＴＢを設定する。このとき、エンジン始動時における触媒暖機時間に応じて作動要求時間ＴＢを設定する。又は、例えば次に実行される故障診断項目に対応させて作動要求時間ＴＢを設定する。
【００３１】
その後、ステップＳ２０４は、前記図２の処理にて推定したポンプ温度ｔｐｍを読み込み、続くステップＳ２０５では、ポンプ温度ｔｐｍに基づいて二次エアポンプ３６の作動可能時間ＴＡを算出する。この作動可能時間ＴＡは、例えば図５の関係に基づき、ポンプ温度ｔｐｍが高いほど短く、逆にポンプ温度ｔｐｍが低いほど長くなるよう算出される。
【００３２】
その後、ステップＳ２０６では、作動可能時間ＴＡが作動要求時間ＴＢよりも長いか否かを判別する。そして、ＴＡ＞ＴＢであれば、ステップＳ２０７で二次エアポンプ３６の作動を許可する。ＴＡ≦ＴＢであれば、ステップＳ２０８で二次エアポンプ３６の作動を非許可とする。
【００３３】
二次エアポンプ３６の作動が許可された後は、ステップＳ２０２がＹＥＳとなり、ステップＳ２０９で作動要求時間ＴＢをセットする。これにより、二次エアポンプ３６の作動が開始される。
【００３４】
また、二次エアポンプ３６の作動中はステップＳ２０１からステップＳ２１０に移行し、作動終了のタイミングとなったか否かを判別する。所望とする故障診断等が完了していれば、或いは二次エアポンプ３６の作動開始からの経過時間が作動要求時間ＴＢに達していれば、ステップＳ２１０を肯定判別してステップＳ２０８に進み、二次エアポンプ３６の作動を非許可とする。
【００３５】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。
【００３６】
二次エアポンプ３６の作動停止中に推定したポンプ温度ｔｐｍに基づいて二次エアポンプ３６の作動可能時間ＴＡを算出し、該作動可能時間ＴＡとその都度の作動要求時間ＴＢとの比較により二次エアポンプ３６の作動を許可するかどうかを判定するようにした。これにより、作動中における二次エアポンプ３６の過剰な温度上昇を抑制し、当該エアポンプ３６の保護を図ることができる。また、所望とする作動要求時間ＴＢ内で二次エアポンプ３６を適正に作動させることができる。
【００３７】
この場合、エンジン運転中には、エンジンからの受熱等によりポンプ温度が変化するため、既存の技術のようにエンジン始動時の水温等から二次エアポンプ３６の作動時間を設定する構成では、二次エアポンプ３６を十分に保護することができない。これに対して本実施の形態によれば、ポンプ温度を常時監視しそのポンプ温度から二次エアポンプ３６の作動時間を設定するため、二次エアポンプ３６を十分に保護できる。エンジンの運転途中で二次エアポンプ３６を再作動させる場合にも二次エアポンプ３６を適正に作動させることができる。従って、二次エアシステムの故障診断のために二次エアポンプ３６を再作動する場合にも、二次エアポンプ３６の保護を図りつつ、二次エアシステムの故障診断が確実に実施できる。
【００３８】
作動可能時間ＴＡ＞作動要求時間ＴＢであることを条件に二次エアポンプ３６の作動を許可するため、二次エアポンプ３６が不要に再作動される（すなわち作動／作動停止が繰り返される）といった不都合が回避でき、その不要なポンプ再作動によるドライバビリティの悪化等が防止できる。
【００３９】
また、二次エアポンプ３６の作動中及び作動停止中において、その都度の水温や吸気温に応じて設定した温度勾配に基づき、時間経過に応じてポンプ温度ｔｐｍを逐次推定するようにしたため、温度センサ等の付加的な構成を要さずともポンプ作動中及び停止中におけるポンプ温度ｔｐｍの変化を確実に把握できる。
【００４０】
なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。
【００４１】
作動要求時間ＴＢを固定時間として設定することも可能である。この場合、二次エアポンプ３６の作動条件として最も厳しい条件（例えば、作動時間が最長となる条件）を基準に固定の作動要求時間ＴＢを設定すると良い。
【００４２】
二次エアシステムの故障診断のために二次エアポンプ３６を再作動させる場合、診断実施のための最短の時間周期を決めておき、その時間周期に達したことと、作動可能時間ＴＡ＞作動要求時間ＴＢであることとが両方満たされた場合に、二次エアポンプ３６の再作動を許可するように構成しても良い。
【００４３】
上記実施の形態では、二次エアポンプ３６の作動中、作動停止中の何れの場合にもポンプ温度ｔｐｍを継続的に推定したが、これに代えて、二次エアポンプ３６の作動停止中にのみポンプ温度ｔｐｍを継続的に推定するようにしても良い。本構成においても、次のポンプ作動時における二次エアポンプ３６の過熱が抑制できる。この場合、例えば、二次エアポンプ３６の作動停止タイミングでは作動上限温度（例えば１５０℃）をその時のポンプ温度ｔｐｍとして推定すると良い。
【００４４】
エンジン始動時において、前回のエンジン停止時における水温と今回のエンジン始動時における水温とを比較することにより、ポンプ温度を推定しても良い。なおこのとき、バッテリクリア等により前回のエンジン停止時における水温が不明であれば、二次エアポンプ３６の許容限界温度を代わりに用いると良い。
【００４５】
二次エアポンプ３６に温度センサを付設し、該温度センサの検出信号に基づいてポンプ温度を求めても良い。この場合、温度センサを新たに要件となるが、二次エアポンプ３６の保護を図りつつ、当該エアポンプ３６を適正に作動させるといった本発明の目的は達せられる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】発明の実施の形態におけるエンジン制御システムの概略を示す構成図である。
【図２】ポンプ温度の推定処理を示すフローチャートである。
【図３】二次エアポンプの作動許可判定処理を示すフローチャートである。
【図４】Δｔ１，Δｔ２の設定マップを示す図である。
【図５】ポンプ温度と作動可能時間との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０…エンジン、２４…排気管、３１…触媒、３６…二次エアポンプ、４０…ＥＣＵ。
【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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