JP3951616B2 - Control device for internal combustion engine - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運転条件に応じて火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とを切り替える内燃機関において、NOxトラップ触媒の再生等のために排気空燃比をリッチ化制御する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年ますます高まる環境問題への配慮から、内燃機関についても燃費向上、排気低減への要求が高まっている。
ガソリンエンジンの熱効率を改善するために、混合気をリーン化することでポンプ損失を低減すると共に、作動ガスの比熱比を大きくして理論熱効率を向上する手法が知られている。
【0003】
しかしながら、従来の火花点火エンジンでは、空燃比をリーンにすると燃焼期間が長期化して、燃焼安定度が悪化する。このため、空燃比のリーン化には限界がある。
上記問題を解決する技術としては、特開平7−71279号公報に示されるように、予混合圧縮自己着火燃焼を起こさせる手段が提示されている。これは、2サイクルエンジンにおいて、排気ポート近傍に該排気ポートの開度を制御可能な排気制御弁を設け、この排気制御弁を制御することにより、筒内圧力を制御して自己着火燃焼を起こしている。
【0004】
予混合圧縮自己着火燃焼では、複数の位置から燃焼反応が起こるため、空燃比をリーン化した場合においても火花点火燃焼に比べると燃焼期間が長期化せずに、よりリーンな空燃比での燃焼が可能となる。また、空燃比がリーンのため、燃焼温度が低下し、NOxも大幅に低減できる。
一方で、排気中に含まれるNOxを排気空燃比がリーンであるときにトラップし、排気空燃比をリッチにすることでトラップされているNOxを脱離浄化するNOxトラップ触媒が知られている。この技術によれば、リーン燃焼中の排気に含まれるNOxを有効に浄化可能である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記2つの技術を組み合わせた場合、NOxトラップ触媒の再生のために排気空燃比をリッチ化する必要があり、圧縮自己着火燃焼を行いながらリッチ化制御を行った場合、圧縮自己着火燃焼の着火時期が早期化し、ノッキングを発生するという問題がある。
【0006】
また、圧縮自己着火燃焼を一旦終了し、火花点火燃焼に切り替えることも可能だが、この場合には筒内温度、筒内圧力、空燃比等を大幅にまた瞬時に切り替える必要があり、運転性の悪化を生じる可能性が高かった。また、再度圧縮自己着火燃焼を開始するためには筒内温度、筒内圧力、空燃比等を自己着火に最適な条件に整える必要があり、自己着火を開始するまでに時間がかかるため、それまでの区間では燃費の良好な圧縮自己着火燃焼を行えないため、燃費悪化を引起こすという問題がある。
【0007】
本発明は、かかる問題に鑑みてなされたもので、排気系の要求から排気空燃比をリッチ化する場合においても、圧縮自己着火燃焼を継続可能で、燃費が良く、クリーンな内燃機関を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項1の発明では、運転条件に応じて火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とを切り替える内燃機関の制御装置において、排気空燃比をリッチ化制御する要求が圧縮自己着火燃焼中にあった場合に、圧縮自己着火燃焼を継続しつつ、空燃比をリッチ化制御し、この場合のリッチ化空燃比として、リッチ化制御を行わない通常の圧縮自己着火燃焼時の着火性と等価の着火性が得られる空燃比を選択する空燃比選択手段を有することを特徴とする。
【0009】
請求項2の発明では、圧縮自己着火燃焼中に排気空燃比をリッチ化制御する場合に、リッチ化制御を行わない通常の圧縮自己着火燃焼時のエンジントルクと等価のエンジントルクが得られるように吸入空気量を減少させる吸入空気量制限手段を有することを特徴とする。
請求項3の発明では、燃料を筒内に直接噴射可能な燃料噴射弁を備え、圧縮自己着火燃焼中に排気空燃比をリッチ化制御する場合に、圧縮行程での燃料噴射時期を制御することで、リッチ化制御を行わない通常の圧縮自己着火燃焼時の着火性及びエンジントルクと等価の着火性及びエンジントルクが得られるように、筒内の一部にリッチ混合気層を形成する燃料噴射時期制御手段を有することを特徴とする。
【0010】
請求項4の発明では、圧縮自己着火燃焼中に筒内温度(吸気温度)又は筒内圧力の少なくとも一方を所定値に制御する手段を備えることを特徴とする。
請求項5の発明では、排気系に、排気空燃比がリーンのときにNOxをトラップし、排気空燃比がリッチのときにトラップされているNOxを脱離浄化するNOxトラップ触媒を備え、NOxトラップ触媒の再生のために排気空燃比をリッチ化制御することを特徴とする。
【0011】
【発明の効果】
請求項1の発明によれば、排気空燃比をリッチ化制御する要求が圧縮自己着火燃焼中にあった場合に、圧縮自己着火燃焼を継続しつつ、空燃比をリッチ化制御するので、リッチ化制御終了後も圧縮自己着火を継続できるため、好燃費を保ちつつ排気空燃比のリッチ化制御を行うことができる。
【0012】
また、圧縮自己着火燃焼中に排気空燃比をリッチ化制御する場合に、リッチ化制御を行わない通常の圧縮自己着火燃焼時の着火性と等価の着火性が得られる空燃比を選択するので、自己着火における着火時期の過早化を引起こすことなく良好な自己着火を継続しつつ排気空燃比のリッチ化制御を行うことができる。
請求項2の発明によれば、圧縮自己着火燃焼中に排気空燃比をリッチ化制御する場合に、リッチ化制御を行わない通常の圧縮自己着火燃焼時のエンジントルクと等価のエンジントルクが得られるように吸入空気量を一時的に減少させるので、運転性の悪化なく排気空燃比のリッチ化制御を行うことができる。
【0013】
請求項3の発明によれば、直噴式の燃料噴射弁を用い、圧縮自己着火燃焼中に排気空燃比をリッチ化制御する場合に、圧縮行程での燃料噴射時期を制御することで、リッチ化制御を行わない通常の圧縮自己着火燃焼時の着火性及びエンジントルクと等価の着火性及びエンジントルクが得られるように、筒内の一部にリッチ混合気層を形成するので、請求項2の発明よりも更に運転性の悪化なく排気空燃比のリッチ化制御を行うことができる。
【0014】
請求項4の発明によれば、筒内温度(吸気温度)又は筒内圧力の少なくとも一方を所定値に制御する手段を備えることで、より自己着火の発生しやすい条件に制御できる一方、等価の着火性が得られる空燃比を選択する際も、条件を合わせることで、選択誤差を少なくすることができる。
請求項5の発明によれば、NOxトラップ触媒の再生のために用いることで、NOxトラップ触媒のNOxトラップ能を常に維持し、NOx浄化効率の向上によるエミッション改善を図ることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
先ず本発明の第1実施形態について説明する。
図1は本発明の第1実施形態を示す内燃機関(以下エンジンという)のシステム図である。
【0016】
エンジン1の吸気通路2には、吸入空気量を制御する電制スロットル弁3が設けられ、また、吸入空気の温度(吸気温度)を調節可能な吸気温度調節器4が設けられ、更に、これらの下流側で各気筒へ吸入空気を分配するマニホールド部には、各気筒の吸気ポートに向けて燃料を噴射供給する燃料噴射弁5が設けられている。更に、各気筒の燃焼室には、火花点火燃焼用の点火プラグ6が設けられている。これらは、コントロールユニット(以下C/Uという)7により駆動される。
【0017】
C/U7には、アクセルペダルセンサ8からのアクセル開度信号(Aps)、クランク角センサ9からのクランク角信号(これからエンジン回転数Neを算出可能)、吸気通路2に設けたエアフローメータ10からの吸入空気量信号(Qa)、吸気温度センサ11からの吸気温度信号(Ta)、水温センサ12からのエンジン冷却水温度信号(Tw)などが入力されている。
【0018】
C/U7では、これらの入力信号に基づいて、運転条件に応じた目標トルク及び空燃比を実現するように、電制スロットル弁3の開度、燃料噴射弁5の燃料噴射量及び噴射時期を制御し、また、火花点火燃焼時には点火プラグ6の点火時期を制御している。特に燃料噴射弁5の制御に際しては、エアフローメータ10により検出される吸入空気量Qaに対し、運転条件に応じた所望の空燃比となるように、燃料噴射量を制御する。
【0019】
また、C/U7では、吸気温度センサ11からの信号に基づいて、所望の吸気温度(延いては所望の筒内温度)となるように、吸気温度調節器4を制御している。
エンジン1からの排気は排気通路13より排出されるが、この排気通路13には、各気筒からの排気を集合するマニホールド部の下流側に、三元触媒14が設けられ、更にその下流側に、NOxトラップ触媒15が設けられており、排気はこれらを通過後に大気中に排出される。
【0020】
三元触媒14は、排気空燃比が略ストイキのときにHC、CO、NOxを同時に効率良く浄化する特性を有している。
NOxトラップ触媒15は、排気空燃比がリーンのときにNOxをトラップし、排気空燃比がリッチのときにトラップされているNOxを脱離し、このとき触媒作用によりNOxを還元浄化する特性を有している。
【0021】
以上の構成において、暖機後においては、エンジン1は圧縮自己着火燃焼(以下単に自己着火燃焼という)を行っている。自己着火燃焼では、空燃比をリーン化可能のため、NOx排出量を火花点火燃焼と比べ大幅に低減可能であるが、前述のように更なるエミッション改善のため、三元触媒14及びNOxトラップ触媒15を設け、エンジン1から排出される有害物質の浄化処理を行っている。
【0022】
NOxトラップ触媒15では、排気空燃比がリーンのときに排気中のNOxをトラップ可能であるが、このNOxトラップを継続すると、NOxトラップ能が飽和し、やがてNOxをトラップできなくなる。この場合、排気空燃比をリッチ化することで、トラップされたNOxを脱離浄化できる。
そこで、本実施形態では、例えば図2に示すように、エンジン回転数とトルクとから単位時間毎のNOx排出量を予め求めて記憶させたNOx排出量マップを参照し、そのNOx排出量を積算することで、NOxトラップ触媒15でのNOxトラップ量を推定し、このNOxトラップ量が飽和量に近くなった時点で、NOxトラップ触媒15の飽和(トラップ限界)と判断し、排気空燃比のリッチ化制御を行う。
【0023】
次に図3に基づいて自己着火式エンジンにおける吸気温度、空燃比、着火時期(着火遅れ期間)の関係を説明する。
図3には、吸気温度を例として25℃、100℃、200℃とし、各吸気温度で、混合気の空燃比(A/F)を変化させた場合の着火時期を示している。
これによると、吸気温度が25℃の場合、混合気の空燃比がストイキ付近のときには自己着火を行うことは可能であるが、安定度限界線とほぼ一致しており、このポイントでのみ自己着火が可能である。しかし、空燃比がストイキでのみ運転可能であり、自己着火のメリットであるリーン燃焼を行えないため、実際にはこの吸気温度では運転することは燃費儲け代がないため行わない。
【0024】
吸気温度が100℃の場合、図中(1)に示すポイントは、混合気の空燃比がリーン側で且つ安定度限界線よりも下側の点であり、このポイントが空燃比がリーンで且つ安定度限界内となる通常の自己着火燃焼時の空燃比設定点である。
これに対して、混合気の空燃比をリッチ化していくと、着火時期が次第に早期化し、ノッキングを生じるようになり、ここではエンジンの破損の恐れが生じることや、また燃焼時期が早期化しすぎるため燃費のゲインが減少することから、ここで運転することは望ましくない。通常ではこの領域よりリッチ側では自己着火燃焼は難しいとして、火花点火に切り替えることが一般的である。
【0025】
しかし、更に混合気の空燃比をリッチ化していくと、燃料の気化により筒内温度が低下し着火時期が遅れる傾向と、空燃比のリッチ化により着火遅れが減少する傾向とのバランスにより、リッチ化する程、着火時期が遅れる傾向となる。
このリッチ領域では通常の運転では前述のようにリーン燃焼ではないことから、燃費的には何らゲインがない設定であるが、自己着火燃焼をべ一スとして排気空燃比をリッチ化する場合には、自己着火燃焼を継続しつつ、排気空燃比をリッチ化できるというメリットがあり、本実施形態では、図中(2)に示すポイントを排気空燃比をリッチ化する場合の空燃比設定点とすることで、リッチ化制御を行わない場合の通常の自己着火燃焼時の着火性とほぼ等価の着火性を得て、自己着火燃焼を継続しつつ、排気空燃比のリッチ化が可能となる。
【0026】
尚、着火性がほぼ等価となるような空燃比を選択するときは、着火時期の差が例えば低回転側では±5°CA程度以内、高回転側では±15°CA程度以内となるようにするのが望ましい。
従って、本実施形態では、NOxトラップ触媒15の再生のために排気空燃比をリッチ化制御する場合に、吸気温度調節器4により吸気温度を所定の温度(例えば100℃)に制御しつつ、リッチ化制御を行わない場合の通常のリーン空燃比での自己着火燃焼時の着火性とほぼ等価の着火性が得られる空燃比(図3の(2)のポイントの空燃比)を選択し、自己着火燃焼を継続しつつ、空燃比をリッチ化制御する。
【0027】
これによれば、排気空燃比をリッチ化するために、燃焼を火花点火に切り替えないため、リッチ化制御を終了した後もすぐに自己着火燃焼を行えるため、燃費が良好でクリーンな自己着火式エンジンが実現可能となる。
尚、上記の説明の中で、吸気温度はリッチスパイクのように急激な変化に追従することは難しいので、ここでは一定温度に制御しているが、必要に応じて吸気温度も合わせて変化させても構わない。
【0028】
また、図3はある運転条件での関係を示したものであるが、各運転条件についてこのようなマップを持ち、リッチ化制御の際には運転条件に応じたマップからリッチ化空燃比を参照すればよい。また、このように各運転条件毎の多数のマップを持つようにするのではなく、各運転条件毎に空燃比を示したマップを1つ用意するようにしてもよく、これによれば更に簡素化可能である。
【0029】
次に本発明の第2実施形態について説明する。
本実施形態では、前述の第1実施形態と同様に、排気空燃比をリッチ化制御する場合に、リッチ化制御を行わない自己着火燃焼時の着火性とほぼ等価の着火性が得られるようにするのみならず、電制スロットル弁3などにより吸入空気量を制限することで、リッチ化制御を行わない自己着火燃焼時のエンジントルクとほぼ等価のエンジントルクが得られるようにする。
【0030】
但し、駆動力に使用されるトルクを等価に保つよう吸入空気量を制限することで、着火性を等価に保つ空燃比の選択は、次のように行う。
図4を参照し、第1実施形態では、通常の自己着火燃焼時は図中(1)のポイントの空燃比、リッチ化制御時は図中(2)のポイントの空燃比を選択したが、本実施形態では、吸気温度を一定(例えば100℃)としても吸気絞りによる吸気制限に伴い、断熱圧縮による温度上昇が減少するため、図中上向きの矢印で示すように、着火時期がシフトする。これは図3に示した吸気温度が低下した場合とほぼ同様の現象である。このため、本実施形態では、リッチ化制御時は図中(3)に示すポイントの空燃比を選択する。
【0031】
従って、運転条件毎に、リッチ化制御時の発生トルクに見合うだけの吸入空気減少量と、その時の安定度限界に至らない空燃比とを、予め実験で求めておき、データとしてC/U7内に格納しておく。
そして、リッチ化制御が必要と判断されたとき、上記のごとく吸入空気量の制限を行う共に、吸入空気減少量に対応した空燃比であって、着火性が通常の自己着火燃焼時のポイント(1)と略等価になるポイント(3)のリッチ空燃比に制御することにより、自己着火燃焼を維持しつつ、駆動力に使用されるトルクを略一定に保ちつつ、リッチ化制御が可能となる。
【0032】
尚、吸入空気量の制限は、電制スロットル弁3によって行ってもよいし、吸気弁の作動特性を変化させても行っても構わない。また吸気温度を上昇させることによっても吸入空気量を低下させることが可能であるが、吸気温度をステップ的に変化させた場合には、それに伴いエンジンの吸気管や吸気ポート、エンジン内部の熱容量により、一次遅れ的に温度が変化するため、本実施形態には適さないと考える。
【0033】
次に本発明の第3実施形態について説明する。
本実施形態は、前述の第2実施形態の制御をベースに、より具体化し、図5〜図7に空燃比制御のフローチャートとして示したものである。
尚、かかる制御の実現のため、本実施形態では、筒内温度制御手段として、前述の吸気温度調節器4を用いる。また、筒内圧力制御手段として、図1には示していない過給機又は可変圧縮比機構を用いる。
【0034】
図5は空燃比制御のメインルーチンのフローチャートであり、先ずこれに沿って説明する。
S1では、各種センサの信号、具体的には、アクセル開度Aps、エンジン回転数Ne、吸入空気量Qa、吸気温度Ta、冷却水温度Tw等を読込む。
S2では、主にアクセル開度Apsに基づいて、運転者の要求である目標トルクTTCを算出する。
【0035】
S3では、エンジン回転数Neと目標トルクTTCとをパラメータとするマップから、運転領域に基づき、低中回転、低中負荷の自己着火燃焼領域か、高回転又は高負荷の火花点火燃焼(均質燃焼)領域かを判定し、自己着火燃焼領域の場合は燃焼フラグFCmb=0に、火花点火燃焼領域の場合は燃焼フラグFCmb=1にセットする。
【0036】
S4では、エンジン回転数Neと目標トルクTTCとをパラメータとするマップから、運転領域に基づき、燃料噴射量制御に必要な目標燃空比TFBYAを設定する。
尚、ここでいう燃空比とは、空気過剰率λの逆数で、ストイキ空燃比を14.6とすると、燃空比=14.6/空燃比となる。従って、目標空燃比がストイキのときTFBYA=1となり、リーンのときは1より小さく、リッチのときは1より大きくなる。そして、吸入空気量Qaに対するストイキ相当の燃料噴射量に対し、TFBYAを乗じることで、目標空燃比を得るための燃料噴射量を算出することができる。
【0037】
S5では、現在の冷却水温度Twと暖機判定用のしきい値TwLとを比較し、Tw≧TwL(暖機後)の場合は、現在の燃焼フラグFCmb及び目標燃空比TFBYAを維持するが、Tw<TwL(暖機前)の場合は、S6へ進んで、燃焼フラグFCmb=1にセットし、また目標燃空比TFBYA=1(ストイキ)にセットする。
【0038】
すなわち、S6は、Tw<TwLで、暖機前と判定された場合には、自己着火燃焼を安定して行うことが難しいため、S3の領域判定でたとえ自己着火燃焼(FCmb=0)と判定された場合においても、火花点火燃焼(FCmb=1)を行わせるために設けてある。
S7では、燃焼フラグFCmb=0(自己着火燃焼)か否かを判定し、FCmb=0の場合は、S8へ進んで、自己着火燃焼の制御に入る。
【0039】
S8では、図6の自己着火判定制御サブルーチンに従って、処理を行う。
図6の自己着火判定制御サブルーチンに沿って説明する。ここでは、先ず、自己着火燃焼領域に突入した場合に直ちに自己着火燃焼を開始できる(自己着火可能)か否かの判定を行っている。
S101では、筒内温度推定手段により時々刻々の筒内温度を推定する。具体的には、エンジン運転条件(エンジン回転数Ne、目標トルクTTC、目標燃空比TFBYA等)、吸気温度Taなどを基に、筒内温度を推定する。
【0040】
S102では、筒内圧力推定手段により時々刻々の筒内圧力を推定する。具体的には、エンジン運転条件(エンジン回転数Ne、目標トルクTTC、目標燃空比TFBYA等)、吸気温度Ta、クランク角度などを基に、筒内圧力を推定する。尚、時々刻々の筒内圧力ではなく、所定のクランク角度での筒内圧力を推定するようにしても構わない。
【0041】
S103では、前述のS4で用いたマップを参照し、エンジン回転数Neと目標トルクTTCとから、目標燃空比TFBYAを読込む。
S104では、目標燃空比TFBYA毎に、筒内温度と筒内圧力とをパラメータとして1/τ(着火遅れ期間τの逆数)を予め記憶させたマップを参照し、現在の運転状態での目標燃空比TFBYAにおける、現在の筒内温度及び筒内圧力での、1/τを求める。ここで用いるマップは、TFBYAに応じて数個用意されており、TFBYAの値を補間することで、1/τを求める。尚、図6のS104に示すマップ上の○点は、筒内温度及び筒内圧力の目標点を示している。
【0042】
S105では、S104で求めた1/τの値を積算する(∫1/τ=∫1/τ+1/τ)。
S106では、1/τの積算値(∫1/τ)が所定値(1/τth)を超えたか否かを判定する。ここで、1/τが所定値を超える場合は自己着火燃焼が行われる場合であり、1/τが所定値を超えない場合は自己着火燃焼が起こらない場合であり、判定の正確さを期すため、積算値をもって判定している。
【0043】
この判定の結果、∫1/τ<1/τth(自己着火が発生不能)の場合は、S107〜S109へ進み、自己着火を発生可能な状態にするために、以下の処理を行う。
すなわち、S107で、筒内温度制御手段(吸気温度調節器4)により筒内温度を所定値上昇させるようにし、またS111で、筒内圧力制御手段(過給機又は可変圧縮比機構)により筒内圧力を所定値上昇させるようにする。自己着火燃焼に必要なレベルまで筒内温度及び筒内圧力が上昇していないと考えられるので、筒内温度及び筒内圧力を上昇させて、自己着火が起こりやすい条件にするためである。
【0044】
更に、S109で、燃焼フラグFCmb=1にセットし、また目標燃空比TFBYA=1(ストイキ)にセットする。これは、筒内温度及び筒内圧力の上昇により自己着火可能な条件となるまで、自己着火燃焼を開始せず、火花点火燃焼を行わせるためである。
S106での判定で、∫1/τ≧1/τth(自己着火が発生可能)の場合は、S110〜S112へ進み、自己着火を発生可能な状態を維持するために、以下の処理を行う。
【0045】
すなわち、S110で、筒内温度制御手段(吸気温度調節器4)により筒内温度を所定値T1に制御し、またS111で、筒内圧力制御手段(過給機又は可変圧縮比機構)により筒内圧力を所定値P1に制御する。ここでの所定値T1,P1はそれぞれの目標値であり、これを含む所定幅の範囲内に入るように、筒内温度及び筒内圧力を制御する。
【0046】
そして、S112で、自己着火燃焼による運転を行うように指示する。このとき、筒内温度及び筒内圧力は図6のS104に示すマップ上の目標点(○点)に制御されており、着火遅れ期間が最適な状態に制御されるので、ノッキングや失火等を発生することがない。
以上で図6の自己着火判定制御サブルーチンの説明を終了し、図5のメインルーチンのフローチャートの説明に戻る。
【0047】
フロー上では省略したが、前述のS112にて自己着火燃焼による運転を指示した場合以外は、火花点火燃焼による運転を指示している。
S9では、自己着火燃焼又は火花点火燃焼を行っている状態において、NOxトラップ触媒15の再生時期か否か、すなわち、NOxトラップ触媒15のNOxトラップ量が所定値に達したか否かの判定を行う。
【0048】
すなわち、既に説明したように、エンジン回転数(Ne)とトルク(TTC)とから単位時間毎のNOx排出量を予め求めて記憶させたNOx排出量マップ(図2)を参照し、そのNOx排出量を積算することで、NOxトラップ触媒15でのNOxトラップ量を推定する。更に、運転条件毎にマップから求めたNOx排出量に対し、NOxトラップ触媒15がNOxをトラップ可能な割合(トラップ率)を乗じ、これを積算して、NOxトラップ量を求めるようにしてもよい。もちろん公知の他の方法で推定又は測定しても構わない。
【0049】
そして、このNOxトラップ量を再生時期判定用のしきい値と比較し、しきい値以上となったときに、再生時期と判定する。ここでのNOxトラップ量のしきい値は、再生処理中に排出されるNOxもトラップ可能なように、トラップ可能な量に対して例えば80%程度の値に設定してある。
この判定で、NOxトラップ触媒15の再生時期でないと判定された場合は、再生制御(排気空燃比のリッチ化制御)を行うことなく、本ルーチンを終了するが、NOxトラップ触媒15の再生時期と判定された場合は、再生制御(排気空燃比のリッチ化制御)のため、S10へ進む。
【0050】
S10では、燃焼方式に応じた再生方法を選定するため、燃焼方式が自己着火燃焼(FCmb=0)であるか、火花点火燃焼(FCmb=1)であるかの判定を行う。
この結果、自己着火燃焼(FCmb=0)の場合はS11へ進み、火花点火燃焼の場合はS12へ進む。
【0051】
S11では、図7の自己着火リッチ化制御サブルーチンに従って、所定期間、自己着火燃焼でのリッチ化制御を行う。これについては後述する。
S12では、所定期間、火花点火燃焼でのリッチ化制御を行う。この場合は、目標燃空比TFBYAを予め定めたリッチ相当のTFBYArichに設定して、通常のリッチ化制御を行えばよい。
【0052】
図7の自己着火リッチ化制御サブルーチンについて説明する。
S201では、運転条件毎に、空燃比(目標空燃比TFBYA)と着火遅れ(着火時期θ10)との関係を示したテーブルを参照し、通常の自己着火燃焼時のリーン側のTFBYA(●点)と等価な着火遅れとなるリッチ側のTFBYA(○点)を求め、目標燃空比TFBYAをこのリッチ側のTFBYA(○点)に設定する。詳しくは、第1実施形態として示した図3の(2)点、又は、第2実施形態として示した図4の(3)点に設定する。この部分がリッチ化制御時の空燃比選択手段に相当する。
【0053】
S202では、S201で求めたリッチ側のTFBYAでのエンジンの発生トルクと通常の自己着火燃焼時のエンジンの発生トルクとの差分に応じた吸入空気量の減少分を予め実験等で求めておいて、エンジン回転数Neと目標トルクTTCとをパラメータとして補正目標吸入空気量Qa’を記憶させたマップを参照し、エンジントルクを等価にするための、補正目標吸入空気量Qa’を求め、これを得るように制御する。この部分が吸入空気量制限手段に相当する。
【0054】
S203では、筒内温度制御手段(吸気温度調節器4)により筒内温度を所定値T2(但しT2>T1)に制御する。
S204では、筒内圧力制御手段(過給機又は可変圧縮比機構)により筒内圧力を所定値P2(但しP2>P1)に制御する。
このS203及びS204の動作は、筒内への吸入空気量を減少することに伴い、圧縮される作動ガス量が減少するため、筒内温度及び筒内圧力を通常の自己着火燃焼時よりも上昇させる必要があることから、行っている。従って、T2>T1、P2>P1に設定されるが、これらの値はそれぞれ使用するエンジンに応じて設定されるものである。
【0055】
以上説明してきた動作を行うことで自己着火燃焼を継続しつつ、リッチ化制御を行うことができるため、燃費のゲインが増加し、またトルクを略一定に保つように制御するため、トルク変動のない自己着火式エンジンのリッチ化制御を実現できる。
次に本発明の第4実施形態について説明する。
【0056】
構成は、第1実施形態に対し、燃料を筒内に直接噴射可能な燃料噴射弁5’(図1参照)を有する点が異なる。
そして、自己着火燃焼を行う場合には、直噴式の燃料噴射弁5’より、圧縮行程にて燃料噴射を行い、この燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段を有している。
【0057】
ここで、圧縮行程での燃料噴射時期を進角することにより、図8(a)に示すように混合気の存在する範囲(混合気層)を比較的広範囲にすることができ、また反対に遅角することにより、図8(b)に示すように混合気の存在する範囲(混合気層)を比較的狭い範囲にすることができ、燃料噴射時期の制御により、混合気範囲を可変にする構成をとっている。
【0058】
次に本実施形態の動作を説明する。
排気空燃比のリッチ化制御の判断までは、第1実施形態と同様である。本実施形態では、リッチ化制御が必要と判断された場合には、第1実施形態と同様に空燃比をリッチ化する。但し、このときにリッチ化するのは混合気の存在する範囲内の空燃比であり、筒内の平均的な空燃比ではない点が異なる。
【0059】
すなわち、リッチ化制御を行う場合には、通常の自己着火燃焼を行っている場合の燃料噴射時期を基準とすると、相対的に燃料噴射時期を遅角化することによって、図8(b)のごとく混合気の存在する範囲を狭くする、これにより仮に燃料噴射量が同一とすると、混合気の存在する範囲内の空燃比をリッチ化可能である。
【0060】
本実施形態で排気空燃比をリッチ化制御する場合には、燃料噴射量を増加させるが、この増量は、燃料噴射時期を遅角化することで、混合気の存在する範囲内の空燃比が所望の空燃比となり、且つ発生トルクとしては、通常の自己着火燃焼時と同等となるように設定される。この燃料噴射時期と燃料噴射量は予め実験で求めたものをマップとしてC/U7内に格納しておけばよい。
【0061】
ここで、混合気の存在する範囲内の空燃比はストイキよりも大幅にリッチであるため、筒内では十分に燃焼しきれないため、リーン燃焼の場合と発生トルクは大幅に変化せず、また排気まで未燃燃料が排出されるため、NOxの還元に適している。
本実施形態によれば、リッチ混合気層の着火性を通常の自己着火燃焼時と同等に維持しつつ、自己着火燃焼を継続したまま、排気空燃比をリッチ化制御できるため、燃費が良く、クリーンな自己着火式エンジンを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1実施形態を示すエンジンのシステム図
【図2】 エンジンからのNOx排出量特性を示す図
【図3】 第1実施形態として自己着火燃焼における吸気温度、空燃比、着火時期の関係を示す図
【図4】 第2実施形態として吸気を制限した場合の自己着火燃焼の特性変化を示す図
【図5】 第3実施形態の空燃比制御のメインルーチンのフローチャート
【図6】 自己着火判定制御サブルーチンのフローチャート
【図7】 自己着火リッチ化制御サブルーチンのフローチャート
【図8】 第4実施形態における混合気形成領域を示す図
【符号の説明】
1 エンジン
2 吸気通路
3 電制スロットル弁
4 吸気温度調節器
5 燃料噴射弁
5’直噴式の燃料噴射弁
6 点火プラグ
7 C/U
8 アクセル開度センサ
9 クランク角センサ
10 エアフローメータ
11 吸気温度センサ
12 冷却水温度センサ
13 排気通路
14 三元触媒
15 NOxトラップ触媒
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention Switching between spark ignition combustion and compression self-ignition combustion according to operating conditions The present invention relates to a technique for enriching control of an exhaust air-fuel ratio for regeneration of a NOx trap catalyst in an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
In view of increasing environmental problems in recent years, there is an increasing demand for internal combustion engines to improve fuel consumption and exhaust emissions.
In order to improve the thermal efficiency of a gasoline engine, a method is known in which the air-fuel mixture is leaned to reduce pump loss and to increase the specific heat ratio of the working gas to increase the theoretical thermal efficiency.
[0003]
However, in the conventional spark ignition engine, if the air-fuel ratio is made lean, the combustion period becomes longer and the combustion stability deteriorates. For this reason, there is a limit to the lean air-fuel ratio.
As a technique for solving the above problem, as shown in JP-A-7-71279, means for causing premixed compression self-ignition combustion is proposed. In a two-cycle engine, an exhaust control valve capable of controlling the opening degree of the exhaust port is provided in the vicinity of the exhaust port, and by controlling the exhaust control valve, the in-cylinder pressure is controlled to cause self-ignition combustion. ing.
[0004]
In premixed compression self-ignition combustion, combustion reactions occur from multiple positions, so even when the air-fuel ratio is made lean, the combustion period is not prolonged compared to spark ignition combustion, and combustion at a leaner air-fuel ratio is performed. Is possible. Further, since the air-fuel ratio is lean, the combustion temperature is lowered and NOx can be greatly reduced.
On the other hand, NOx trap catalysts that trap NOx contained in exhaust gas when the exhaust air-fuel ratio is lean and desorb and purify trapped NOx by making the exhaust air-fuel ratio rich are known. According to this technique, NOx contained in the exhaust gas during lean combustion can be effectively purified.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the above two technologies are combined, it is necessary to enrich the exhaust air-fuel ratio for regeneration of the NOx trap catalyst. When rich control is performed while performing compression auto-ignition combustion, compression auto-ignition combustion There is a problem that the ignition timing is advanced and knocking occurs.
[0006]
It is also possible to end compression self-ignition combustion once and switch to spark ignition combustion, but in this case, it is necessary to switch the in-cylinder temperature, in-cylinder pressure, air-fuel ratio, etc. significantly and instantaneously, which improves operability. It was more likely to cause deterioration. In addition, in order to start compression self-ignition combustion again, it is necessary to adjust the in-cylinder temperature, in-cylinder pressure, air-fuel ratio, etc. to the optimum conditions for self-ignition, and it takes time to start self-ignition. Since there is no compression self-ignition combustion with good fuel consumption in the section up to, there is a problem of causing deterioration in fuel consumption.
[0007]
The present invention has been made in view of such a problem, and provides a clean internal combustion engine that can continue compression self-ignition combustion, has high fuel efficiency, even when the exhaust air-fuel ratio is enriched from the requirements of the exhaust system. For the purpose.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
For this reason, in the invention of claim 1, Switching between spark ignition combustion and compression self-ignition combustion according to operating conditions In an internal combustion engine control device, the exhaust air-fuel ratio is enriched and controlled. Request was during compression auto-ignition combustion In this case, the air-fuel ratio is controlled to be rich while continuing compression self-ignition combustion. In this case, the air-fuel ratio selection means for selecting an air-fuel ratio that provides an ignitability equivalent to the ignitability during normal compression self-ignition combustion without performing the enrichment control is provided as the enriched air-fuel ratio. It is characterized by that.
[0009]
Claim 2 In the invention of During compression self-ignition combustion When the exhaust air-fuel ratio is controlled to be rich, the engine torque during normal compression self-ignition combustion without rich control is Equivalent Intake air amount limiting means for reducing the intake air amount so as to obtain engine torque is provided.
Claim 3 In the invention, a fuel injection valve capable of directly injecting fuel into the cylinder is provided, During compression self-ignition combustion When the exhaust air-fuel ratio is controlled to be rich, by controlling the fuel injection timing in the compression stroke, the ignitability and engine torque during normal compression self-ignition combustion without the rich control are Equivalent It has a fuel injection timing control means for forming a rich air-fuel mixture layer in a part of the cylinder so that ignitability and engine torque can be obtained.
[0010]
Claim 4 In the invention of During compression self-ignition combustion A means for controlling at least one of the in-cylinder temperature (intake air temperature) or the in-cylinder pressure to a predetermined value is provided.
Claim 5 In this invention, the exhaust system is provided with a NOx trap catalyst that traps NOx when the exhaust air-fuel ratio is lean and desorbs and purifies NOx trapped when the exhaust air-fuel ratio is rich. Therefore, the exhaust air-fuel ratio is controlled to be enriched.
[0011]
【The invention's effect】
According to the invention of claim 1, There was a demand to enrich the exhaust air-fuel ratio during compression auto-ignition combustion In this case, the air-fuel ratio is enriched while continuing the compression self-ignition combustion, so the compression self-ignition can be continued even after the enrichment control is completed. Can do.
[0012]
Also during compression self-ignition combustion When the exhaust air-fuel ratio is controlled to be rich, the ignitability during normal compression self-ignition combustion without rich control is Equivalent Since the air-fuel ratio at which ignitability is obtained is selected, the exhaust air-fuel ratio enrichment control can be performed while continuing good self-ignition without causing premature ignition timing in self-ignition.
Claim 2 According to the invention of During compression self-ignition combustion When the exhaust air-fuel ratio is controlled to be rich, the engine torque during normal compression self-ignition combustion without rich control is Equivalent Since the intake air amount is temporarily reduced so that the engine torque can be obtained, the exhaust air-fuel ratio enrichment control can be performed without deteriorating the drivability.
[0013]
Claim 3 According to the invention, a direct injection type fuel injection valve is used, During compression self-ignition combustion When the exhaust air-fuel ratio is controlled to be rich, by controlling the fuel injection timing in the compression stroke, the ignitability and engine torque during normal compression self-ignition combustion without the rich control are Equivalent A rich mixture layer is formed in a part of the cylinder so that ignitability and engine torque can be obtained. Claim 2 The exhaust air-fuel ratio enrichment control can be performed without further deterioration of the drivability as compared with the present invention.
[0014]
Claim 4 According to the invention, by providing the means for controlling at least one of the in-cylinder temperature (intake air temperature) or the in-cylinder pressure to a predetermined value, it is possible to control the conditions so that self-ignition easily occurs, while the equivalent ignitability is obtained. When selecting the obtained air-fuel ratio, selection errors can be reduced by matching the conditions.
Claim 5 According to this invention, by using it for regeneration of the NOx trap catalyst, the NOx trap ability of the NOx trap catalyst can always be maintained, and emission can be improved by improving the NOx purification efficiency.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
First, a first embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a system diagram of an internal combustion engine (hereinafter referred to as an engine) showing a first embodiment of the present invention.
[0016]
The intake passage 2 of the engine 1 is provided with an electric throttle valve 3 that controls the amount of intake air, and an intake air temperature controller 4 that can adjust the temperature of intake air (intake air temperature). A fuel injection valve 5 for injecting and supplying fuel toward an intake port of each cylinder is provided in a manifold portion that distributes intake air to each cylinder on the downstream side. Furthermore, a spark plug 6 for spark ignition combustion is provided in the combustion chamber of each cylinder. These are driven by a control unit (hereinafter referred to as C / U) 7.
[0017]
The C / U 7 includes an accelerator opening signal (Aps) from the accelerator pedal sensor 8, a crank angle signal from the crank angle sensor 9 (from which the engine speed Ne can be calculated), and an air flow meter 10 provided in the intake passage 2. The intake air amount signal (Qa), the intake air temperature signal (Ta) from the intake air temperature sensor 11, the engine coolant temperature signal (Tw) from the water temperature sensor 12, and the like are input.
[0018]
In the C / U 7, based on these input signals, the opening degree of the electric throttle valve 3, the fuel injection amount and the injection timing of the fuel injection valve 5 are set so as to realize the target torque and the air-fuel ratio according to the operating conditions. Further, the ignition timing of the spark plug 6 is controlled at the time of spark ignition combustion. In particular, when the fuel injection valve 5 is controlled, the fuel injection amount is controlled so that the intake air amount Qa detected by the air flow meter 10 has a desired air-fuel ratio corresponding to the operating conditions.
[0019]
Further, the C / U 7 controls the intake air temperature controller 4 based on the signal from the intake air temperature sensor 11 so that the desired intake air temperature (and thus the desired in-cylinder temperature) is obtained.
Exhaust gas from the engine 1 is exhausted from an exhaust passage 13. The exhaust passage 13 is provided with a three-way catalyst 14 on the downstream side of a manifold portion that collects exhaust from each cylinder, and further on the downstream side. The NOx trap catalyst 15 is provided, and the exhaust gas is exhausted into the atmosphere after passing through these.
[0020]
The three-way catalyst 14 has a characteristic of efficiently purifying HC, CO, and NOx simultaneously when the exhaust air-fuel ratio is substantially stoichiometric.
The NOx trap catalyst 15 has a characteristic of trapping NOx when the exhaust air-fuel ratio is lean, desorbing NOx trapped when the exhaust air-fuel ratio is rich, and reducing and purifying NOx by catalytic action at this time. ing.
[0021]
In the above configuration, after warm-up, the engine 1 performs compression self-ignition combustion (hereinafter simply referred to as self-ignition combustion). In the self-ignition combustion, since the air-fuel ratio can be made lean, the NOx emission amount can be greatly reduced as compared with the spark ignition combustion. However, as described above, the three-way catalyst 14 and the NOx trap catalyst are used for further emission improvement. 15 is provided to purify harmful substances discharged from the engine 1.
[0022]
The NOx trap catalyst 15 can trap NOx in the exhaust gas when the exhaust air-fuel ratio is lean. However, if this NOx trap is continued, the NOx trapping capability is saturated, and eventually NOx cannot be trapped. In this case, the trapped NOx can be desorbed and purified by enriching the exhaust air-fuel ratio.
Therefore, in this embodiment, for example, as shown in FIG. 2, the NOx emission amount map in which the NOx emission amount per unit time is obtained and stored in advance from the engine speed and the torque is referred to, and the NOx emission amount is integrated. Thus, the NOx trap amount in the NOx trap catalyst 15 is estimated, and when the NOx trap amount approaches the saturation amount, it is determined that the NOx trap catalyst 15 is saturated (trap limit), and the exhaust air-fuel ratio is rich. Control.
[0023]
Next, the relationship among the intake air temperature, the air-fuel ratio, and the ignition timing (ignition delay period) in the self-ignition engine will be described with reference to FIG.
FIG. 3 shows ignition timings when the intake air temperature is 25 ° C., 100 ° C., and 200 ° C., for example, and the air-fuel ratio (A / F) of the air-fuel mixture is changed at each intake air temperature.
According to this, when the intake air temperature is 25 ° C., self-ignition is possible when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is close to the stoichiometric ratio, but it almost coincides with the stability limit line. Is possible. However, since the air-fuel ratio can be operated only at the stoichiometric ratio and lean combustion, which is a merit of self-ignition, cannot be performed, the actual operation at this intake air temperature is not performed because there is no fuel savings.
[0024]
When the intake air temperature is 100 ° C., the point indicated by (1) in the figure is the point where the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is on the lean side and below the stability limit line, and this point is the point where the air-fuel ratio is lean and This is the air-fuel ratio set point during normal self-ignition combustion that falls within the stability limit.
On the other hand, if the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is enriched, the ignition timing will gradually become early and knocking will occur, causing the possibility of engine damage and the combustion timing being too early. Therefore, it is not desirable to drive here because the gain of fuel consumption decreases. Usually, it is difficult to perform self-ignition combustion on the richer side than this region, and switching to spark ignition is common.
[0025]
However, when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is further enriched, the richness is caused by the balance between the tendency of the in-cylinder temperature to drop due to fuel vaporization and the ignition timing to be delayed, and the tendency to reduce the ignition delay due to the richness of the air-fuel ratio. The more it becomes, the more the ignition timing tends to be delayed.
In this rich region, since lean combustion is not performed in normal operation as described above, there is no gain in terms of fuel consumption, but when the exhaust air-fuel ratio is enriched based on self-ignition combustion, There is an advantage that the exhaust air-fuel ratio can be enriched while continuing the self-ignition combustion. In this embodiment, the point indicated by (2) in the figure is the air-fuel ratio set point when the exhaust air-fuel ratio is enriched. Thus, it is possible to obtain an ignitability that is substantially equivalent to the ignitability during normal self-ignition combustion when the enrichment control is not performed, and to enrich the exhaust air-fuel ratio while continuing the self-ignition combustion.
[0026]
When the air-fuel ratio is selected so that the ignitability is substantially equivalent, the difference in ignition timing is, for example, within about ± 5 ° CA on the low rotation side and within about ± 15 ° CA on the high rotation side. It is desirable to do.
Therefore, in the present embodiment, when the exhaust air-fuel ratio is controlled to be enriched for regeneration of the NOx trap catalyst 15, the intake air temperature is controlled to a predetermined temperature (for example, 100 ° C.) by the intake air temperature regulator 4 while the rich air / fuel ratio is controlled. The air-fuel ratio (the air-fuel ratio at the point (2) in FIG. 3) at which an ignitability substantially equivalent to the ignitability at the time of self-ignition combustion at the normal lean air-fuel ratio without performing the control is selected The air-fuel ratio is controlled to be rich while continuing the ignition combustion.
[0027]
According to this, since the combustion is not switched to spark ignition in order to enrich the exhaust air-fuel ratio, self-ignition combustion can be performed immediately after the enrichment control is finished, so that the self-ignition type with good fuel efficiency and cleanness The engine becomes feasible.
In the above description, it is difficult to follow the rapid change of the intake air temperature as in the rich spike, so the intake air temperature is controlled to be constant here, but the intake air temperature is also changed as necessary. It doesn't matter.
[0028]
FIG. 3 shows the relationship under a certain operating condition. Such a map is provided for each operating condition, and the rich air-fuel ratio is referred to from the map corresponding to the operating condition in the enrichment control. do it. In addition, instead of having a large number of maps for each operating condition as described above, one map showing the air-fuel ratio for each operating condition may be prepared. Is possible.
[0029]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
In the present embodiment, as in the first embodiment described above, when the exhaust air-fuel ratio is controlled to be enriched, an ignitability substantially equivalent to the ignitability at the time of self-ignition combustion without performing the enrichment control is obtained. In addition, by restricting the intake air amount by the electric throttle valve 3 or the like, an engine torque substantially equivalent to the engine torque at the time of self-ignition combustion without rich control is obtained.
[0030]
However, by selecting the air-fuel ratio that keeps the ignitability equivalent by limiting the amount of intake air so that the torque used for the driving force is kept equivalent, the selection is performed as follows.
Referring to FIG. 4, in the first embodiment, the air-fuel ratio at the point (1) in the figure is selected during normal self-ignition combustion, and the air-fuel ratio at the point (2) in the figure is selected during the enrichment control. In the present embodiment, even if the intake air temperature is constant (for example, 100 ° C.), the temperature rise due to adiabatic compression decreases with the intake air restriction by the intake air throttle, so the ignition timing shifts as shown by the upward arrow in the figure. This is almost the same phenomenon as when the intake air temperature shown in FIG. 3 is lowered. For this reason, in the present embodiment, the air-fuel ratio at the point indicated by (3) in the figure is selected during the enrichment control.
[0031]
Accordingly, for each operating condition, an intake air reduction amount that is commensurate with the torque generated during the enrichment control and an air-fuel ratio that does not reach the stability limit at that time are obtained in advance by experiment, and are stored in the C / U 7 as data. Store it in.
When it is determined that the enrichment control is necessary, the intake air amount is limited as described above, and the air-fuel ratio corresponding to the intake air reduction amount is obtained. By controlling to the rich air-fuel ratio at the point (3) that is substantially equivalent to 1), it becomes possible to perform enrichment control while maintaining the self-ignition combustion and maintaining the torque used for the driving force substantially constant. .
[0032]
The intake air amount may be limited by the electric throttle valve 3 or by changing the operation characteristics of the intake valve. It is also possible to reduce the amount of intake air by raising the intake air temperature. However, if the intake air temperature is changed stepwise, the intake pipe and intake port of the engine and the heat capacity inside the engine Since the temperature changes with a first order delay, it is not suitable for this embodiment.
[0033]
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
The present embodiment is more specific based on the control of the second embodiment described above, and is shown as a flowchart of the air-fuel ratio control in FIGS.
In order to realize such control, in this embodiment, the intake air temperature controller 4 described above is used as the in-cylinder temperature control means. Further, as the in-cylinder pressure control means, a supercharger or a variable compression ratio mechanism not shown in FIG. 1 is used.
[0034]
FIG. 5 is a flowchart of the main routine of air-fuel ratio control, which will be described first.
In S1, signals from various sensors, specifically, accelerator opening Aps, engine speed Ne, intake air amount Qa, intake air temperature Ta, cooling water temperature Tw, and the like are read.
In S2, a target torque TTC which is a driver's request is calculated mainly based on the accelerator opening Aps.
[0035]
In S3, from a map having the engine speed Ne and the target torque TTC as parameters, based on the operation region, a low-medium rotation, a low-medium load auto-ignition combustion region, or a high-rotation or high-load spark ignition combustion (homogeneous combustion). ) In the case of the self-ignition combustion region, the combustion flag FCmb = 0 is set, and in the case of the spark ignition combustion region, the combustion flag FCmb = 1 is set.
[0036]
In S4, a target fuel-air ratio TFBYA necessary for fuel injection amount control is set based on the operating region from a map using the engine speed Ne and the target torque TTC as parameters.
The fuel-air ratio here is the reciprocal of the excess air ratio λ, and the fuel-air ratio = 14.6 / air-fuel ratio when the stoichiometric air-fuel ratio is 14.6. Therefore, TFBYA = 1 when the target air-fuel ratio is stoichiometric, smaller than 1 when lean, and larger than 1 when rich. Then, the fuel injection amount for obtaining the target air-fuel ratio can be calculated by multiplying the fuel injection amount equivalent to the stoichiometric amount with respect to the intake air amount Qa by TFBYA.
[0037]
In S5, the current coolant temperature Tw is compared with the warm-up determination threshold value TwL, and when Tw ≧ TwL (after warm-up), the current combustion flag FCmb and the target fuel-air ratio TFBYA are maintained. However, when Tw <TwL (before warm-up), the routine proceeds to S6, where the combustion flag FCmb = 1 is set, and the target fuel-air ratio TFBYA = 1 (stoichiometric) is set.
[0038]
That is, in S6, when Tw <TwL and it is determined that the engine is not warmed up, it is difficult to stably perform self-ignition combustion. In this case, it is provided for performing spark ignition combustion (FCmb = 1).
In S7, it is determined whether or not the combustion flag FCmb = 0 (self-ignition combustion). If FCmb = 0, the process proceeds to S8 to enter the control for self-ignition combustion.
[0039]
In S8, processing is performed according to the self-ignition determination control subroutine of FIG.
A description will be given along the self-ignition determination control subroutine of FIG. Here, first, it is determined whether or not self-ignition combustion can be started immediately (self-ignition is possible) when entering the self-ignition combustion region.
In S101, the cylinder temperature is estimated every moment by the cylinder temperature estimating means. Specifically, the in-cylinder temperature is estimated based on engine operating conditions (engine speed Ne, target torque TTC, target fuel-air ratio TFBYA, etc.), intake air temperature Ta, and the like.
[0040]
In S102, the cylinder pressure is estimated every moment by the cylinder pressure estimating means. Specifically, the in-cylinder pressure is estimated based on engine operating conditions (engine speed Ne, target torque TTC, target fuel-air ratio TFBYA, etc.), intake air temperature Ta, crank angle, and the like. Note that the in-cylinder pressure at a predetermined crank angle may be estimated instead of the in-cylinder pressure every moment.
[0041]
In S103, the target fuel-air ratio TFBYA is read from the engine speed Ne and the target torque TTC with reference to the map used in S4.
In S104, for each target fuel-air ratio TFBYA, a map in which 1 / τ (the reciprocal of the ignition delay period τ) is stored in advance with the in-cylinder temperature and the in-cylinder pressure as parameters is referred to, and the target in the current operating state is determined. Find 1 / τ at the current in-cylinder temperature and in-cylinder pressure at the fuel-air ratio TFBYA. Several maps used here are prepared according to TFBYA, and 1 / τ is obtained by interpolating the value of TFBYA. In addition, the point “◯” on the map shown in S104 of FIG. 6 indicates the target point of the in-cylinder temperature and the in-cylinder pressure.
[0042]
In S105, the values of 1 / τ obtained in S104 are integrated (∫1 / τ = ∫1 / τ + 1 / τ).
In S106, it is determined whether or not the integrated value of 1 / τ (∫1 / τ) exceeds a predetermined value (1 / τth). Here, when 1 / τ exceeds a predetermined value, self-ignition combustion is performed, and when 1 / τ does not exceed the predetermined value, self-ignition combustion does not occur. Therefore, the determination is made with the integrated value.
[0043]
As a result of this determination, if ∫1 / τ <1 / τth (self-ignition is not possible), the process proceeds to S107 to S109, and the following processing is performed in order to enable self-ignition.
That is, in S107, the in-cylinder temperature control means (intake air temperature controller 4) increases the in-cylinder temperature by a predetermined value, and in S111, the in-cylinder pressure control means (supercharger or variable compression ratio mechanism) controls the cylinder. The internal pressure is increased by a predetermined value. This is because the in-cylinder temperature and the in-cylinder pressure are considered not to rise to the levels necessary for self-ignition combustion, so that the in-cylinder temperature and the in-cylinder pressure are increased so that self-ignition easily occurs.
[0044]
Further, in S109, the combustion flag FCmb = 1 is set, and the target fuel-air ratio TFBYA = 1 (stoichiometric) is set. This is because the spark ignition combustion is performed without starting the self-ignition combustion until the self-ignition condition is reached by the increase in the in-cylinder temperature and the in-cylinder pressure.
If it is determined in S106 that ∫1 / τ ≧ 1 / τth (self-ignition can occur), the process proceeds to S110 to S112, and the following processing is performed to maintain a state in which self-ignition can be generated.
[0045]
That is, in S110, the in-cylinder temperature is controlled to a predetermined value T1 by the in-cylinder temperature control means (intake air temperature controller 4), and in S111, the in-cylinder pressure control means (supercharger or variable compression ratio mechanism) controls the cylinder. The internal pressure is controlled to a predetermined value P1. The predetermined values T1 and P1 here are respective target values, and the in-cylinder temperature and the in-cylinder pressure are controlled so as to fall within a range of a predetermined width including the target values.
[0046]
In S112, an instruction is given to perform the operation by self-ignition combustion. At this time, the in-cylinder temperature and the in-cylinder pressure are controlled at the target point (point) on the map shown in S104 of FIG. 6, and the ignition delay period is controlled to the optimum state. It does not occur.
This is the end of the description of the self-ignition determination control subroutine of FIG. 6, and the description returns to the flowchart of the main routine of FIG.
[0047]
Although omitted in the flow, the operation by the spark ignition combustion is instructed except when the operation by the self-ignition combustion is instructed in S112 described above.
In S9, it is determined whether or not it is the regeneration timing of the NOx trap catalyst 15, that is, whether or not the NOx trap amount of the NOx trap catalyst 15 has reached a predetermined value in a state where self-ignition combustion or spark ignition combustion is being performed. Do.
[0048]
That is, as already described, the NOx emission map (FIG. 2) in which the NOx emission amount per unit time is obtained in advance from the engine speed (Ne) and torque (TTC) and stored is stored (see FIG. 2). By accumulating the amount, the NOx trap amount in the NOx trap catalyst 15 is estimated. Further, the NOx emission amount obtained from the map for each operating condition may be multiplied by a ratio (trap rate) at which the NOx trap catalyst 15 can trap NOx, and this may be integrated to obtain the NOx trap amount. . Of course, it may be estimated or measured by other known methods.
[0049]
Then, the amount of NOx trap is compared with a threshold value for determining the regeneration time, and when it becomes equal to or greater than the threshold value, the regeneration time is determined. The threshold value of the NOx trap amount here is set to a value of, for example, about 80% of the trappable amount so that NOx discharged during the regeneration process can also be trapped.
If it is determined in this determination that it is not the regeneration timing of the NOx trap catalyst 15, this routine is terminated without performing regeneration control (exhaust air-fuel ratio enrichment control). If it is determined, the process proceeds to S10 for regeneration control (exhaust air-fuel ratio enrichment control).
[0050]
In S10, in order to select the regeneration method according to the combustion method, it is determined whether the combustion method is self-ignition combustion (FCmb = 0) or spark ignition combustion (FCmb = 1).
As a result, in the case of self-ignition combustion (FCmb = 0), the process proceeds to S11, and in the case of spark ignition combustion, the process proceeds to S12.
[0051]
In S11, enrichment control by self-ignition combustion is performed for a predetermined period according to the self-ignition enrichment control subroutine of FIG. This will be described later.
In S12, enrichment control by spark ignition combustion is performed for a predetermined period. In this case, normal rich control may be performed by setting the target fuel-air ratio TFBYA to a predetermined rich equivalent TFBYArich.
[0052]
The self-ignition enrichment control subroutine of FIG. 7 will be described.
In S201, for each operating condition, a table showing the relationship between the air-fuel ratio (target air-fuel ratio TFBYA) and the ignition delay (ignition timing θ10) is referred to, and the lean-side TFBYA during normal self-ignition combustion (● points) Is obtained, and the target fuel-air ratio TFBYA is set to this rich TFBYA (◯ point). Specifically, it is set at the point (2) in FIG. 3 shown as the first embodiment or the point (3) in FIG. 4 shown as the second embodiment. This portion corresponds to air-fuel ratio selection means at the time of enrichment control.
[0053]
In S202, an amount of reduction of the intake air amount corresponding to the difference between the engine generated torque in the rich TTFYA determined in S201 and the engine generated torque during normal self-ignition combustion is obtained in advance through experiments or the like. The correction target intake air amount Qa ′ for equalizing the engine torque is obtained by referring to a map storing the corrected target intake air amount Qa ′ using the engine speed Ne and the target torque TTC as parameters. Control to get. This portion corresponds to intake air amount limiting means.
[0054]
In S203, the in-cylinder temperature is controlled to a predetermined value T2 (where T2> T1) by the in-cylinder temperature control means (intake air temperature controller 4).
In S204, the in-cylinder pressure is controlled to a predetermined value P2 (where P2> P1) by the in-cylinder pressure control means (supercharger or variable compression ratio mechanism).
The operations of S203 and S204 increase the in-cylinder temperature and the in-cylinder pressure as compared with normal self-ignition combustion because the amount of compressed working gas decreases as the intake air amount into the cylinder decreases. Because it is necessary to let go. Accordingly, T2> T1 and P2> P1 are set, but these values are set according to the engine used.
[0055]
By performing the above-described operation, it is possible to perform enrichment control while continuing self-ignition combustion, so that the fuel efficiency gain increases and the torque is controlled to be kept substantially constant. Can realize rich control of self-igniting engine.
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
[0056]
The configuration is different from the first embodiment in that a fuel injection valve 5 ′ (see FIG. 1) capable of directly injecting fuel into the cylinder is provided.
When self-ignition combustion is performed, fuel injection timing control means is provided for controlling the fuel injection timing by performing fuel injection from the direct injection fuel injection valve 5 'in the compression stroke.
[0057]
Here, by advancing the fuel injection timing in the compression stroke, the range in which the air-fuel mixture exists (air-fuel mixture layer) can be made relatively wide as shown in FIG. By retarding, the range in which the air-fuel mixture exists (air-fuel mixture layer) can be made relatively narrow as shown in FIG. 8B, and the air-fuel mixture range can be made variable by controlling the fuel injection timing. The structure to be taken is taken.
[0058]
Next, the operation of this embodiment will be described.
The process up to the determination of the exhaust air-fuel ratio enrichment control is the same as in the first embodiment. In this embodiment, when it is determined that the enrichment control is necessary, the air-fuel ratio is enriched as in the first embodiment. However, the air-fuel ratio in the range where the air-fuel mixture exists is enriched at this time, and is not the average air-fuel ratio in the cylinder.
[0059]
That is, when the enrichment control is performed, based on the fuel injection timing in the case where normal self-ignition combustion is performed, the fuel injection timing is relatively retarded, so that in FIG. As described above, if the range in which the air-fuel mixture exists is narrowed, and thus the fuel injection amount is the same, the air-fuel ratio in the range in which the air-fuel mixture exists can be enriched.
[0060]
In the present embodiment, when the exhaust air-fuel ratio is controlled to be enriched, the fuel injection amount is increased. This increase is caused by retarding the fuel injection timing so that the air-fuel ratio within the range where the air-fuel mixture exists is increased. The desired air-fuel ratio is set, and the generated torque is set to be equivalent to that during normal self-ignition combustion. The fuel injection timing and the fuel injection amount may be stored in the C / U 7 as a map obtained in advance by experiments.
[0061]
Here, since the air-fuel ratio in the range where the air-fuel mixture exists is much richer than stoichiometric, it cannot be fully combusted in the cylinder, so the generated torque does not change significantly from the case of lean combustion, and Since unburned fuel is discharged up to the exhaust, it is suitable for NOx reduction.
According to the present embodiment, the exhaust air-fuel ratio can be enriched and controlled while the self-ignition combustion is continued while maintaining the ignitability of the rich air-fuel mixture equivalent to that during normal self-ignition combustion. A clean self-ignition engine can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system diagram of an engine showing a first embodiment.
FIG. 2 is a graph showing the characteristics of NOx emissions from the engine
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between intake air temperature, air-fuel ratio, and ignition timing in self-ignition combustion as the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a change in characteristics of self-ignition combustion when intake air is limited as a second embodiment.
FIG. 5 is a flowchart of a main routine of air-fuel ratio control according to the third embodiment.
FIG. 6 is a flowchart of a self-ignition determination control subroutine.
FIG. 7 is a flowchart of a self-ignition enrichment control subroutine.
FIG. 8 is a diagram showing an air-fuel mixture formation region in the fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
1 engine
2 Intake passage
3 Electric throttle valve
4 Intake air temperature controller
5 Fuel injection valve
5 'direct fuel injection valve
6 Spark plug
7 C / U
8 Accelerator position sensor
9 Crank angle sensor
10 Air flow meter
11 Intake air temperature sensor
12 Cooling water temperature sensor
13 Exhaust passage
14 Three-way catalyst
15 NOx trap catalyst

Claims (5)

運転条件に応じて火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とを切り替える内燃機関において、
排気空燃比をリッチ化制御する要求が圧縮自己着火燃焼中にあった場合に、圧縮自己着火燃焼を継続しつつ、空燃比をリッチ化制御し、
この場合のリッチ化空燃比として、リッチ化制御を行わない通常の圧縮自己着火燃焼時の着火性と等価の着火性が得られる空燃比を選択する空燃比選択手段を有することを特徴とする内燃機関の制御装置。
In an internal combustion engine that switches between spark ignition combustion and compression self-ignition combustion according to operating conditions ,
When there is a request to enrich the exhaust air-fuel ratio during the compression auto-ignition combustion, the air-fuel ratio is enriched and controlled while continuing the compression auto-ignition combustion ,
An internal combustion engine characterized by comprising an air-fuel ratio selection means for selecting an air-fuel ratio that provides an ignitability equivalent to that in normal compression self-ignition combustion without performing enrichment control as the enriched air-fuel ratio in this case Engine control device.
圧縮自己着火燃焼中に排気空燃比をリッチ化制御する場合に、リッチ化制御を行わない通常の圧縮自己着火燃焼時のエンジントルクと等価のエンジントルクが得られるように吸入空気量を減少させる吸入空気量制限手段を有することを特徴とする請求項1記載の内燃機関の制御装置。 When the exhaust air-fuel ratio is controlled to be enriched during compressed self-ignition combustion, the intake air amount is reduced so that the engine torque equivalent to the engine torque during normal compression self-ignition combustion without enrichment control is obtained. 2. The control apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, further comprising air amount limiting means. 燃料を筒内に直接噴射可能な燃料噴射弁を備え、圧縮自己着火燃焼中に排気空燃比をリッチ化制御する場合に、圧縮行程での燃料噴射時期を制御することで、リッチ化制御を行わない通常の圧縮自己着火燃焼時の着火性及びエンジントルクと等価の着火性及びエンジントルクが得られるように、筒内の一部にリッチ混合気層を形成する燃料噴射時期制御手段を有することを特徴とする請求項1記載の内燃機関の制御装置。A fuel injection valve capable of directly injecting fuel into the cylinder is provided, and when the exhaust air-fuel ratio is enriched during compression self-ignition combustion , the enrichment control is performed by controlling the fuel injection timing in the compression stroke It has fuel injection timing control means for forming a rich air-fuel mixture layer in a part of the cylinder so as to obtain ignitability during normal compression self-ignition combustion and engine torque equivalent to engine torque. 2. The control apparatus for an internal combustion engine according to claim 1 , wherein the control apparatus is an internal combustion engine. 圧縮自己着火燃焼中に筒内温度又は筒内圧力の少なくとも一方を所定値に制御する手段を備えることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載の内燃機関の制御装置。The control device for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3 , further comprising means for controlling at least one of the in-cylinder temperature and the in-cylinder pressure to a predetermined value during the compression self-ignition combustion. . 排気系に、排気空燃比がリーンのときにNOxをトラップし、排気空燃比がリッチのときにトラップされているNOxを脱離浄化するNOxトラップ触媒を備え、NOxトラップ触媒の再生のために排気空燃比をリッチ化制御することを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載の内燃機関の制御装置。The exhaust system includes a NOx trap catalyst that traps NOx when the exhaust air-fuel ratio is lean, and desorbs and purifies NOx trapped when the exhaust air-fuel ratio is rich, and exhausts the NOx trap catalyst for regeneration. The control apparatus for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4 , wherein the air-fuel ratio is controlled to be enriched.
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