CN101657614B - 内燃发动机的二次空气供给***及二次空气供给方法 - Google Patents

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Abstract

一种二次空气供给***，它包括向安装在内燃发动机(1)的排气***中的排气排放控制装置(5)的上游侧供给二次空气的二次空气供给装置(60)，以及推定二次空气温度并基于推定结果推定二次空气供给后的排气温度的ECU(20)。ECU(20)根据排气温度的推定结果开始或禁止二次空气的供给。因此，能够通过考虑二次空气温度推定二次空气温度供给后的排气温度来防止未燃燃料成分的排出。

Description

内燃发动机的二次空气供给***及二次空气供给方法
技术领域
本发明涉及内燃发动机的二次空气供给***及二次空气供给方法。
背景技术
设置在内燃发动机的排气***中的排气净化催化剂具有减少或除去排气中包含的有害成分的作用。排气净化催化剂通常在规定的温度范围内发挥其排气净化能力。因此，如在例如日本专利申请公报No.2004-124824(JP-A-2004-124824)和日本专利申请公报No.9-96214(JP-A-9-96214)中公开的，已知一种二次空气供给***，其在排气净化催化剂的温度低时使新鲜空气流入排气口，以使得排气中包含的有害成分再燃烧，并促进排气净化催化剂的活性化，从而减少排出或释放到大气中的有害成分的量。
然而，如果在发动机起动后立即供给二次空气，则排气中包含的诸如CO和HC等有害成分可能会由于二次空气的温度低而无法再燃烧。在这种情况下，排气口可能会被低温二次空气冷却，使得难以或不能使排气净化催化剂活性化，排气中包含的有害成分可能会未经转化便被排出到大气中。为了解决此问题，JP-A-2004-124824提出了通过推定排气口的温度来判定排气口的预热(暖机，warm-up)是否已经完成，并且在排气口的预热完成时开始二次空气的供给，从而防止了排气口被二次空气冷却。
然而，无论是JP-A-2004-124824还是JP-A-9-96214均未公开通过推定二次空气自身的温度来推定在二次空气供给后的排气温度的技术。
发明内容
本发明提供了一种内燃发动机的二次空气供给***及二次空气供给方法，其通过考虑二次空气的温度推定二次空气供给后的排气温度来防止未燃燃料成分的排出。
根据本发明的一方面，提供了一种内燃发动机的二次空气供给***，它包括向安装在所述内燃发动机的排气***中的排气净化催化剂的上游侧供给二次空气的二次空气供给装置、推定所述二次空气的二次空气温度的二次空气温度推定装置、以及基于所述二次空气温度推定装置的推定结果，推定二次空气供给后的排气温度的排气温度推定装置，其中，所述二次空气供给装置根据所述排气温度推定装置的推定结果开始或禁止二次空气的供给。
根据本发明的另一方面，提供了一种内燃发动机的二次空气供给方法，它包括以下步骤：向安装在所述内燃发动机的排气***中的排气净化催化剂的上游侧供给二次空气；推定所述二次空气的二次空气温度；基于所述二次空气温度的推定结果，推定二次空气供给后的排气的温度；以及根据二次空气供给后的排气温度的推定结果，开始或禁止二次空气的供给。
根据如上所述的内燃发动机的二次空气供给***及二次空气供给方法，考虑二次空气温度来推定二次空气供给后的排气温度，并基于推定出的排气温度开始或禁止二次空气的供给。因此，能够防止由于二次空气供给后的排气温度低而使未燃燃料成分排出到大气中。
在如上所述的二次空气供给***中，所述二次空气温度推定装置可以基于进气温度和发动机冷却剂的温度中的至少一者，来推定所述二次空气温度。由于可以以这种方式推定二次空气温度，所以不需要提供用于检测二次空气的温度的传感器。
在如上所述的二次空气供给***中，所述排气温度推定装置可以基于二次空气供给前的排气温度和由所述二次空气温度推定装置推定出的所述二次空气温度，来推定所述二次空气供给后的排气温度。
在如上所述的二次空气供给***中，所述排气温度推定装置可以基于所述发动机冷却剂的温度、发动机转速和发动机的负荷中的至少一者，来推定所述二次空气供给前的所述排气温度。
在如上所述的二次空气供给***中，所述二次空气供给装置可以包括可工作用以供给所述二次空气的空气泵，并且所述二次空气温度推定装置可以在进行修正以补偿由于所述二次空气被所述空气泵压缩而引起的所述二次空气温度的升高的同时推定所述二次空气温度。
根据如上所述的二次空气供给***，由于进行了修正以补偿由于二次空气被空气泵压缩而引起的温度升高，所以能够以更高的精度推定二次空气温度。
在如上所述的二次空气供给***中，所述二次空气温度推定装置可以在进行修正以补偿由于从所述内燃发动机接收的热而引起的所述二次空气温度的变化的同时推定所述二次空气温度。
根据如上所述的二次空气供给***，由于进行了修正以补偿由于从发动机接收的热而引起的二次空气温度变化，所以能够以更高的精度推定二次空气温度。
在如上所述的二次空气供给***中，所述排气温度推定装置可以根据所述内燃发动机的进气量来推定所述二次空气供给后的排气温度。
根据如上所述的二次空气供给***，相应于内燃发动机的进气量，能够以更高的精度推定二次空气供给后的排气温度。
在如上所述的二次空气供给***中，所述二次空气供给装置可以基于由所述排气温度推定装置推定出的所述二次空气供给后的排气温度，以及排气中的HC的浓度，开始或禁止所述二次空气的供给。
根据如上所述的二次空气供给***，基于二次空气供给后的排气温度和排气中的HC浓度开始或禁止二次空气的供给，因此，能够确保在考虑HC浓度的情况下的更适当的控制。更具体地，即使在二次空气供给后的排气温度低的情况下，如果HC浓度高，该***也能够执行允许二次空气供给的控制。这是因为，即使在排气温度或多或少有些低的情况下，当HC浓度高时，HC也很可能燃烧。在考虑了HC浓度的情况下，该***可以根据当时的状况执行适当的控制。
因此，根据本发明的内燃发动机的二次空气供给***能够通过考虑二次空气的温度推定二次空气供给后的排气温度，来防止未燃燃料成分的排出。
附图说明
当结合附图考虑时，通过阅读以下关于本发明的优选实施例的详细说明，可以更好地理解本发明的特征、优点和技术及工业重要性，附图中：
图1是示意性地示出设有根据本发明实施例的二次空气供给***的内燃发动机的结构的视图；
图2是示出图1中所示的内燃发动机的气缸之一的结构的视图；
图3是示出由控制内燃发动机的ECU执行的二次空气供给例程的示例的流程图；
图4A是示出二次空气温度和进气温度之间的关系的图；
图4B是示出变量K和冷却剂温度之间的关系的图；
图5A是当推定二次空气温度时使用的图，示出了进气量小的情况；
图5B是当推定二次空气温度时使用的图，示出了进气量大的情况；
图6是示出二次空气供给允许区域和禁止区域的图。
具体实施方式
在以下的说明和附图中，将参照示例性实施例更详细地说明本发明。
图1是示意性地示出根据本发明的内燃发动机及其二次空气供给***的结构的图。内燃发动机1为具有四个气缸30的四冲程汽油发动机，在各气缸30的活塞顶部形成燃烧室，该燃烧室被活塞的顶面和气缸盖10的壁面包围。此外，发动机1还设有进气***40、排气***50和二次空气供给***60。图2示出了图1中所示的气缸30之一的结构。
在进气***40中，节气门42设于与对应于各气缸30的进气歧管26相连接的进气管41内，进气管41与空气滤清器43相连接。用于测量进气量的空气流量计44设于空气滤清器43和节气门42之间。此外，用于检测进气温度的进气温度传感器48设于空气滤清器43的上游。
在排气***50中，形成有为从各燃烧室排出的排气提供通路的排气管54，并且，自排气管54的上游端至下游端依次连接有排气门51、排气口53、排气歧管52和排气管54。
排气管54内设有排气排放控制装置5，在排气排放控制装置5的壳体内设有具有除去排气中包含的碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)的功能的三元催化剂。用于检测排气空燃比的空燃比传感器55设于排气管54的位于排气排放控制装置5上游的部分。
二次空气供给***60设置成将从发动机1的外部吸入的空气作为二次空气供给到各排气歧管52。
在二次空气供给***60的二次空气供给通路61上，自其上游端依次设置或配置有空气泵13、空气开关阀62和用作止回阀的簧片阀63。空气泵13和空气开关阀62之间设有压力传感器64。从进气管41的位于节气门42下游的部分延伸出的管道65与空气开关阀62相连接，管道65内设有电磁阀66。
由电动机驱动的空气泵13包括响应于来自外部的指令转动/驱动的电机部分，以及由电机部分转动/驱动用以加压被吸入空气泵13内的空气的泵部分。空气泵13可工作用以经由空气导入通路14从进气管41的一部分(位于节气门42的上游和空气滤清器43的下游)吸入空气。在来自空气泵13的压力下供给的空气经由二次空气供给管61及从供给管61分支出的分配管67被供给到排气歧管52。
在例如当发动机处于冷起动阶段时燃料浓度高、空燃比小且排气排放控制装置尚未达到活性化温度的主要条件下，上述二次空气供给***开启电磁阀66以便将进气管41内的负压或真空施加到空气开关阀62且打开空气开关阀62，并驱动空气泵13以使得一部分已经通过空气滤清器43的进气能够经由二次空气供给管61和分配管67被导入排气管54内。
内燃发动机1还设有曲柄位置传感器47和水温传感器46，曲柄位置传感器47包括附设于曲轴端部的正时转子和电磁拾波器，水温传感器46安装在气缸体上、用于检测在形成于发动机1内部的冷却剂通道中流动的冷却剂的温度。
图2详细示出了排气口53及排气歧管52的结构。每个气缸30均设有两个进气门31和两个排气门51。
排气歧管52形成于设有排气门51的排气口53的下游侧，使得排气歧管52与各气缸的排气口53相连接。对应于各气缸的多个排气歧管52在其下游侧成一体地集成到排气管54。
此外，在排气门51的下游侧设有与各分配管67相连接的二次空气供给口4。在这样的配置下，二次空气被供给至排气排放控制装置5的上游侧。
如上所述构造的内燃发动机1配备有用于控制发动机1的运转状态的电子控制单元(以下称为“ECU”)20。
包括例如上述空气流量计44、节气门位置传感器45、水温传感器46和曲柄位置传感器47在内的各种传感器经由电线连接至ECU 20，并且ECU 20能够基于接收到的来自曲柄位置传感器47的信号算出燃料喷射定时和点火定时。ECU 20还执行与发动机1的运转状态相关的控制操作，特别是，通过驱动空气泵13和将空气开关阀62驱动至打开/关闭位置，来执行用于向各排气口53供给二次空气的控制。
以下，将说明二次空气供给控制。当发动机1在发动机1的温度低的条件下运转时，例如，在发动机1起动时，通常会增大通过燃料喷射阀供给到燃烧室内的燃料量，以试图使得发动机稳定燃烧并加快发动机预热。然而，如果燃料量增大并致使空气-燃料混合物变浓，则排气中的未燃燃料成分(如HC和CO)增加。此外，在发动机的冷起动阶段，排气排放控制装置的温度低，且催化剂尚未完全活性化。
当催化剂温度尚未达到活性化温度时，例如在冷起动时，为了使得空气-燃料混合物浓，执行二次空气供给控制，在该控制下，在排气从各燃烧室排出后空气立即混合入排气中，以便促进排气中包含的未燃燃料成分的氧化。这样，在排气排放控制装置的上游侧位置处，促进了用于减少或除去未燃燃料成分的反应，并且反应的热促进了排气排放控制装置的催化剂的活性化。
然而，当外部温度低时，如果在发动机起动后立即供给二次空气，则由于二次空气的温度低，诸如CO和HC等未燃燃料成分的再燃烧可能不会发生。考虑到这种情况，本实施例中的ECU 20执行以下处理。
起初，在发动机起动时，ECU 20检测冷却剂的水温、进气温度、发动机转速、发动机的负荷条件等(步骤S1)。更具体地，ECU 20基于来自水温传感器46的信号检测冷却剂的水温，基于来自进气温度传感器48的信号检测进气温度，基于来自曲柄位置传感器47的信号检测发动机转速，以及基于来自节气门位置传感器45的信号检测发动机负荷条件，等等。
接着，ECU 20判定发动机起动时检测到的冷却剂的水温是否等于或小于预定值(步骤S2)。这里，预定值是基准值——基于该基准值判定发动机1是否需要预热。如果冷却剂的水温高于预定值，则发动机1不需要预热。如果冷却剂的水温等于或低于预定值，则发动机1需要预热。
如果判定出发动机1需要预热，则判定当前的发动机运转状态是否在可供给二次空气的二次空气供给执行区域内(步骤S3)。更具体地，ECU20基于发动机转速和发动机的负荷条件进行此判定。
如果当前的发动机运转状态在二次空气供给执行区域内，则ECU 20基于冷却剂的水温、发动机转速、发动机负荷和其他参数中的至少一者或基于这些参数的全部，来推定排气的温度(步骤S4)。
接下来，ECU 20基于进气温度、冷却剂温度和其他参数来推定二次空气的温度(步骤S5)。在本实施例中，ECU 20由进气温度推定二次空气温度。由于二次空气是从外部空气供给的，所以可认为二次空气温度大致等于进气温度，如图4A所示。考虑到由于二次空气被空气泵13压缩而引起的温度上升，还可以推定二次空气温度约为进气温度的1.1倍。
接下来，由于有必要考虑由于从发动机1接收热而引起的二次空气温度的升高，基于冷却剂温度修正由进气温度推定出的二次空气温度。更具体地，如图4B所示，计算随着冷却剂温度升高而从1开始增大的变量K。由于冷却剂温度越高，二次空气从发动机1接收的热量越大，因此，变量K被限定成如图4B中所示。在确定了变量K后，ECU 20用变量K乘以二次空气温度。例如，当冷却剂温度为80℃时，ECU 20用变量K＝1.2乘以基于进气温度推定出的二次空气温度，以进行二次空气温度的最终推定。
接着，ECU 20基于推定出的二次空气温度和在步骤S4中推定的当前排气温度来推定二次空气供给后的排气温度(步骤S6)。更具体地，如图5A、5B所示，ECU 20基于推定出的二次空气温度计算变量ΔT。变量ΔT被限定成该变量ΔT随着二次空气温度升高而增大。利用变量ΔT，更具体地，通过从二次空气供给前推定出的排气温度(当前排气温度)中减去变量ΔT，来推定二次空气供给后的排气温度。
此外，ECU 20具有两个或更多用于针对各进气量计算变量ΔT的图。例如，当进气量小时，二次空气供给后的排气温度的降低速度一定大，当进气量大时，二次空气供给后的排气温度的降低速度一定小。因此，如图5A所示，当进气量小时，变量ΔT的取值相对大；如图5B所示，当进气量大时，变量ΔT的取值相对小。关于这点，可以通过空气流量计44来检测进气量。
在算出变量ΔT后，ECU 20将二次空气供给后的排气温度推定为等于通过从在步骤S4中推定出的排气温度减去变量ΔT而得到的值。
接着，ECU 20基于在步骤S6中推定出的二次空气供给后的排气温度，以及当前空燃比，来判定当前发动机1的运转状态是在可供给二次空气的允许区域内，还是在禁止供给二次空气的禁止区域内(步骤S7)。ECU 20基于来自空燃比传感器55的输出信号检测空燃比。
图6是示出允许区域和禁止区域的图。在图6中，纵轴表示排气中的HC的浓度，横轴表示推定出的二次空气供给后的排气温度。如图6所示，即使在二次空气供给后的排气温度低的情况下，如果HC的浓度高，也允许供给二次空气。这是因为，当HC浓度高时，即使排气温度或多或少有些低，HC也很可能燃烧。ECU 20基于来自空燃比传感器55的输出信号确定HC的浓度。
接下来，如果在步骤S7中判定出当前的发动机运转状态在二次空气供给允许区域内，则ECU 20致动空气泵13并打开空气开关阀62，从而开始二次空气的供给(步骤S8)。如果在步骤S7中判定出当前的发动机运转状态在禁止区域内，则不供给二次空气，图3的处理完成。
如上所示，ECU 20考虑二次空气温度推定二次空气供给后的排气温度，并根据推定结果开始或禁止二次空气的供给。因此，当二次空气供给后的排气温度过低时可以禁止二次空气的供给，当二次空气供给后的排气温度足够高时可以开始二次空气的供给，从而防止了未燃燃料成分排出或释放到大气中。
此外，由于ECU 20能够基于进气温度和发动机冷却剂的温度推定二次空气温度，因此不需要提供用于检测二次空气的温度的传感器。
以上已经详细说明了本发明的优选实施例，但本发明不限于特定实施例，还可以用包含在如所附权利要求所限定的本发明的原理范围内的各种变型或变化来实施。
二次空气供给***可以配置成基于设于排气管54的位于排气排放控制装置5上游的部分内的排气温度传感器的输出信号来检测排气温度，并基于检测到的排气温度和推定出的二次空气温度来推定二次空气供给后的排气温度。

Claims (7)

1.一种内燃发动机(1)的二次空气供给***，包括：
二次空气供给装置(60)，所述二次空气供给装置向安装在所述内燃发动机(1)的排气***中的排气净化催化剂(5)的上游侧供给二次空气；
二次空气温度推定装置(20)，所述二次空气温度推定装置基于进气温度和发动机冷却剂的温度中的至少一者，推定所述二次空气的二次空气温度；以及
排气温度推定装置(20)，所述排气温度推定装置基于二次空气供给前的排气温度和由所述二次空气温度推定装置(20)推定出的所述二次空气温度，推定二次空气供给后的排气温度，其中
所述二次空气供给装置(60)根据所述排气温度推定装置(20)的推定结果，开始或禁止二次空气的供给。
2.根据权利要求1所述的二次空气供给***，其特征在于，所述排气温度推定装置(20)基于所述发动机冷却剂的温度、发动机转速和发动机的负荷中的至少一者，来推定所述二次空气供给前的排气温度。
3.根据权利要求1或2所述的二次空气供给***，其特征在于，所述二次空气供给装置(60)包括可工作用以供给所述二次空气的空气泵，以及所述二次空气温度推定装置(20)在进行修正以补偿由于所述二次空气被所述空气泵压缩而引起的所述二次空气温度的升高的同时推定所述二次空气温度。
4.根据权利要求1或2所述的二次空气供给***，其特征在于，所述二次空气温度推定装置(20)在进行修正以补偿由于从所述内燃发动机(1)接收的热而引起的所述二次空气温度的变化的同时推定所述二次空气温度。
5.根据权利要求1或2所述的二次空气供给***，其特征在于，所述排气温度推定装置(20)根据所述内燃发动机(1)的进气量来推定所述二次空气供给后的排气温度。
6.根据权利要求1或2所述的二次空气供给***，其特征在于，所述二次空气供给装置(60)基于由所述排气温度推定装置(20)推定出的所述二次空气供给后的排气温度，以及排气中的HC的浓度，开始或禁止二次空气的供给。
7.一种内燃发动机的二次空气供给方法，包括：
向安装在所述内燃发动机(1)的排气***中的排气净化催化剂(5)的上游侧供给二次空气；
基于进气温度和发动机冷却剂的温度中的至少一者，推定所述二次空气的二次空气温度；
基于二次空气供给前的排气温度和所述二次空气温度的推定结果，推定二次空气供给后的排气温度；以及
根据所述二次空气供给后的排气温度的推定结果，开始或禁止二次空气的供给。
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