JP2006200414A - Exhaust temperature control device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、始動直後の排気浄化触媒の早期活性化などに用いる内燃機関の排気温度制御装置に関する。 The present invention relates to an exhaust gas temperature control device for an internal combustion engine used for early activation of an exhaust purification catalyst immediately after starting.
特許文献1には、排気浄化触媒の早期活性化を図る際に、一部の気筒について燃料カットを行うことで、当該気筒からの排気(空気)を二次空気として排気通路に供給し、運転気筒の排気中の未燃成分を再燃焼させて、排気温度を上昇させることが開示されている。
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、休止気筒の排気弁の開時期はそのままであるので、圧縮行程にて1回圧縮し、膨張行程にて膨張させた空気を、排気行程にて排出することになるため、排出する空気は温度が低く、HC酸化の観点でいうと好ましいものではなく、排気通路での再燃焼効果を最大限には引き出せていなかった。
本発明は、このような実状に鑑み、休止気筒から空気又は生ガス(未燃焼混合気)を高温状態で排出できるようにして、排気通路での再燃焼効果を高め、排気温度をより十分に上昇させることのできる内燃機関の排気温度制御装置を提供することを目的とする。
However, in the technique described in
In view of such a situation, the present invention makes it possible to exhaust air or raw gas (unburned gas mixture) from a deactivated cylinder at a high temperature, thereby enhancing the recombustion effect in the exhaust passage, and making the exhaust temperature more sufficient. An object of the present invention is to provide an exhaust temperature control device for an internal combustion engine that can be raised.
このため、本発明では、排気温度を上昇させるときに、一部の気筒について燃料カット又は点火カットを行い、当該気筒の排気弁をピストンの上昇により筒内圧力が高くなった状態で開き、当該気筒の燃焼室から空気又は生ガスを排気通路に排出させる構成とする。 For this reason, in the present invention, when the exhaust temperature is raised, fuel cut or ignition cut is performed for some cylinders, and the exhaust valves of the cylinders are opened in a state where the in-cylinder pressure is increased by raising the piston, Air or raw gas is discharged from the combustion chamber of the cylinder to the exhaust passage.
本発明によれば、休止気筒の排気弁を筒内圧力が高くなったときに開弁するため、断熱圧縮された高温・高圧の空気又は生ガスを排気通路に供給でき、排気通路での再燃焼効果を向上させることができる。
また、点火カットにより排気通路に生ガスを供給する場合は、燃料が入っているため、更に高い再燃焼効果を得ることができる。
According to the present invention, since the exhaust valve of the idle cylinder is opened when the in-cylinder pressure becomes high, the adiabatic-compressed high-temperature and high-pressure air or raw gas can be supplied to the exhaust passage, The combustion effect can be improved.
Further, when the raw gas is supplied to the exhaust passage by the ignition cut, since the fuel is contained, a higher reburning effect can be obtained.
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図である。
エンジン1の吸気通路2には、吸気マニホールド3の入口側に位置させて、吸入空気量を制御する電制スロットル弁4が設置されている。電制スロットル弁4は、エンジンコントロールユニット(以下ECUという)20からの信号により作動するステップモータ等により開度制御される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is an engine system diagram showing an embodiment of the present invention.
In the
吸気マニホールド3の出口側のブランチ部には、各気筒の吸気ポート5に燃料を噴射する燃料噴射弁6が取付けられている。燃料噴射弁6は、ECU20からエンジン回転に同期して出力される噴射パルス信号により、そのパルス幅によって定められる時間、ソレノイドに通電されて開弁し、所定圧力に調圧された燃料を噴射する。
電制スロットル弁4の制御を受けた空気と、燃料噴射弁6から噴射された燃料は、吸気弁7が開いたときに、エンジン1のピストン8上方の燃焼室9に吸入される。
A fuel injection valve 6 for injecting fuel into the intake port 5 of each cylinder is attached to the branch portion on the outlet side of the
The air controlled by the
燃焼室9内に吸入された空気と燃料は、混合気を形成し、ECU20により制御される点火時期にて、点火プラグ10により点火されて燃焼する。燃焼後の排気は、排気弁11を介して、排気通路12へ排出される。排気通路12の集合部には排気浄化触媒13が設けられている。
吸気弁7及び排気弁11のうち、少なくとも排気弁11には、気筒毎に、そのリフト特性(開時期など)を変更可能な可変動弁装置14が設けられている。
The air and fuel sucked into the combustion chamber 9 form an air-fuel mixture, and are ignited and burned by the
Of the intake valve 7 and the exhaust valve 11, at least the exhaust valve 11 is provided with a variable valve device 14 that can change its lift characteristics (open timing, etc.) for each cylinder.
可変動弁装置14としては、カムプロフィルの異なる2つのカムを備え、これらを選択的に切換えることができるカム切換装置(VVL)を用いる。
又は、カム軸とカムとの間で両者を機械的に連携するリンクの姿勢を変化させることにより、バルブ作動角(開期間)及びリフト量を連続的に変化させることができるバルブ作動角及びリフト量可変装置(VEL)と、クランク軸とカム軸との回転位相を変化させることにより、バルブ作動角の中心角位相を連続的に変化させることができるバルブタイミング可変装置(VTC)とを用いる。
As the variable valve operating device 14, a cam switching device (VVL) that includes two cams having different cam profiles and can selectively switch between them is used.
Alternatively, the valve operating angle and lift that can continuously change the valve operating angle (open period) and the lift amount by changing the posture of the link that mechanically links the cam shaft and the cam. A variable amount device (VEL) and a variable valve timing device (VTC) capable of continuously changing the central angle phase of the valve operating angle by changing the rotational phase of the crankshaft and the camshaft are used.
排気通路12は、例えば図2に示すように、4気筒エンジンで、点火順序を#1→#3→#4→#2とすると、点火順序の連続しない気筒同士をペアにして、#1、#4気筒の排気通路(枝管)を上流側で(短い距離で)合流させ(G1)、同様に、#2、#3気筒の排気通路(枝管)を上流側で(短い距離で)合流させ(G2)、この後、全体を合流させてある(G3)。
For example, as shown in FIG. 2, when the ignition order is # 1 → # 3 → # 4 → # 2 in the four-cylinder engine, the
ECU20には、アクセルペダルセンサ21により検出されるアクセル開度APO、クランク角センサ22により検出されるエンジン回転数Ne、エアフローメータ23により検出される吸入空気量Qa、水温センサ24により検出されるエンジン冷却水温Tw、空燃比センサ25により検出される排気空燃比、触媒温度センサ26により検出される触媒温度Tcなどが入力されている。この他、図示しないが、イグニッションスイッチ及びスタートスイッチを有するエンジンキースイッチからも信号が入力されている。
The ECU 20 includes an accelerator opening APO detected by an
ECU20は、これらの入力信号より検出されるエンジン運転条件に基づいて、電制スロットル弁4の開度、燃料噴射弁6の燃料噴射時期及び燃料噴射量、点火プラグ10の点火時期などを制御する。また、可変動弁装置14の作動を制御する。
次に、始動直後の排気浄化触媒13の早期活性化(暖機)のための制御について、図3のフローチャートにより説明する。
The ECU 20 controls the opening degree of the
Next, control for early activation (warming-up) of the
S1では、始動直後などで触媒昇温要求があるか否かを判定する。具体的には、触媒温度センサ26により触媒温度Tcを検出し、所定の活性温度より低いか否かを判定する。運転条件から触媒温度を予測して、活性・非活性を判定してもよい。始動直後などで触媒昇温要求がある場合、すなわち触媒13が非活性の場合は、S2、S3の処理へ進む。
S2では、部分気筒燃焼モードで運転する。具体的には、例えば、#1、#3気筒を運転気筒、#2、#4気筒を休止気筒とし、休止気筒である#2、#4気筒について、燃料カット(燃料噴射弁6による燃料噴射の停止)、又は、点火カット(点火プラグ10による点火の停止)を行う。尚、燃料カットを行う場合(空気を排出させる場合)は、点火についてはカットしても或いは行ってもいずれでもよいが、点火カットを行う場合(生ガスを排出させる場合)は、燃料を供給する。
In S1, it is determined whether there is a catalyst temperature increase request immediately after startup or the like. Specifically, the
In S2, the engine is operated in the partial cylinder combustion mode. Specifically, for example,
S3では、可変動弁装置14により、休止気筒である#2、#4気筒の排気弁11のリフト特性を図4の特性A(通常特性)から特性Bに変更する。すなわち、排気弁11の開時期を遅らせ、ピストン8の排気行程の後期(後半)に開弁するように設定する。この例では、排気行程の後期に排気TDC付近までの所定期間の間、開弁させている。
これにより、休止気筒である#2、#4気筒の排気弁11がピストン8の上昇により筒内圧力が高くなった状態で開き、燃料カットの場合は、当該気筒の燃焼室9から断熱圧縮された高温・高圧の空気を排気通路12に排出させることができる。排出された高温・高圧の空気は、運転気筒である#1、#3気筒の排気(既燃ガス)と混合し、排気中の未燃成分(HC)を効率良く再燃焼させて、排気温度を十分に上昇させ、触媒13の早期活性化に寄与する。
In S3, the lift characteristics of the exhaust valves 11 of the # 2 and # 4 cylinders, which are idle cylinders, are changed from the characteristic A (normal characteristics) in FIG. In other words, the opening timing of the exhaust valve 11 is delayed, and the exhaust valve 11 is set to open in the latter half (second half) of the exhaust stroke of the piston 8. In this example, the valve is opened for a predetermined period up to the vicinity of the exhaust TDC in the later stage of the exhaust stroke.
As a result, the exhaust valves 11 of the # 2 and # 4 cylinders, which are idle cylinders, open in a state where the in-cylinder pressure is increased due to the rise of the piston 8, and in the case of a fuel cut, adiabatically compressed from the combustion chamber 9 of the cylinder The high-temperature and high-pressure air can be discharged to the
点火カットの場合は、当該気筒の燃焼室9から断熱圧縮された高温・高圧の生ガス(未燃焼混合気)を排気通路12に排出させることができる。排出された高温・高圧の生ガスは、運転気筒である#1、#3気筒の排気と混合しつつ燃焼し、燃焼量が多くなることから、排気温度をより十分に上昇させ、触媒13の早期活性化に大きく寄与する。
尚、部分気筒運転を行う場合、休止気筒の排気弁開時期の変更により圧縮仕事が増大する分を含め、運転気筒のトルクアップを図る必要があるので、スロットル開度増大による空気量アップを前提に、運転気筒の燃料噴射量を設定する。
In the case of ignition cut, high-temperature and high-pressure raw gas (unburned gas mixture) adiabatically compressed from the combustion chamber 9 of the cylinder can be discharged to the
When performing partial cylinder operation, it is necessary to increase the torque of the operating cylinder, including the amount of compression work that increases due to the change in the exhaust valve opening timing of the idle cylinder. Next, the fuel injection amount of the operating cylinder is set.
また、燃料カットの場合は、排気通路にて、運転気筒からの未燃成分を、休止気筒からの空気で燃焼させるため、運転気筒の燃料噴射量は空燃比的には強リッチ設定にする。点火カットの場合は、排気通路にて、休止気筒からの生ガス中の燃料(及び運転気筒からの未燃成分)を、休止気筒からの生ガス中の空気で燃焼させるため、運転気筒の燃料噴射量は空燃比的にはストイキ又は弱リッチ設定にする。 Further, in the case of fuel cut, unburned components from the operating cylinder are burned with air from the idle cylinder in the exhaust passage, so that the fuel injection amount of the operating cylinder is set to a rich rich setting in terms of air-fuel ratio. In the case of the ignition cut, the fuel in the operating cylinder is burned with the air in the raw gas from the idle cylinder (and the unburned component from the operating cylinder) from the idle cylinder in the exhaust passage. The injection amount is set to stoichiometric or slightly rich in terms of air-fuel ratio.
S1での判定で、触媒昇温要求がなくなった場合、すなわち触媒13の暖機が終了した場合は、S4、S5の処理へ進む。
S4では、全気筒燃焼モードで運転する。すなわち、全ての気筒の燃料噴射量を通常設定とし、全ての気筒に点火を行う。
S5では、可変動弁装置14により、#2、#4気筒の排気弁11のリフト特性を図4の特性Bから特性A(通常特性)に戻す。尚、#1、#3気筒の排気弁11のリフト特性は常に特性A(通常特性)である。
If it is determined in S1 that there is no catalyst temperature increase request, that is, if the
In S4, the operation is performed in the all-cylinder combustion mode. That is, the fuel injection amounts of all the cylinders are set to the normal setting, and all the cylinders are ignited.
In S5, the variable valve device 14 returns the lift characteristics of the exhaust valves 11 of the # 2 and # 4 cylinders from the characteristic B of FIG. 4 to the characteristic A (normal characteristic). Note that the lift characteristics of the exhaust valves 11 of the # 1 and # 3 cylinders are always the characteristic A (normal characteristics).
次に本発明の他の実施形態について説明する。
上記の実施形態では、図4の排気弁リフト特性に従って、休止気筒の排気弁の開時期を遅らせて、排気行程の後期に設定することにより、当該気筒の燃焼室から高温・高圧の空気又は生ガスを排気通路へ排出しているが、他の実施形態として、図5の排気弁リフト特性を用いて、次のように制御してもよい。
Next, another embodiment of the present invention will be described.
In the above embodiment, according to the exhaust valve lift characteristics of FIG. 4, the opening timing of the exhaust valve of the idle cylinder is delayed and set to the latter stage of the exhaust stroke, so that high-temperature / high-pressure air or raw gas is generated from the combustion chamber of the cylinder. Although the gas is discharged to the exhaust passage, as another embodiment, the following control may be performed using the exhaust valve lift characteristic of FIG.
部分気筒燃焼モードで運転する際に、図3のフローのS2にて、可変動弁装置(特にVEL及びVTC)14により、休止気筒である#2、#4気筒の排気弁11のリフト特性を図5の特性A(通常設定)から特性Bに変更する。すなわち、排気弁11の開時期を大幅に早め、ピストン8の圧縮行程の後期に開弁するように設定する。この例では、圧縮行程から膨張行程にかけての圧縮TDC付近の所定期間の間、開弁させている。このようにしても、断熱圧縮された高温・高圧の空気又は生ガスを排気通路12に排出させることができ、同様の効果が得られる。
When operating in the partial cylinder combustion mode, the lift characteristics of the exhaust valves 11 of the # 2 and # 4 cylinders, which are idle cylinders, are controlled by the variable valve device (especially VEL and VTC) 14 in S2 of the flow of FIG. The characteristic A (normal setting) in FIG. In other words, the opening timing of the exhaust valve 11 is set to be greatly advanced so that it opens in the later stage of the compression stroke of the piston 8. In this example, the valve is opened for a predetermined period near the compression TDC from the compression stroke to the expansion stroke. Even in this case, adiabatic-compressed high-temperature and high-pressure air or raw gas can be discharged to the
尚、以上の実施形態では、#1、#3の気筒グループと、#2、#4の気筒グループとに分け、一方を運転気筒(燃焼気筒)、他方を休止気筒(空気又は生ガスの排出気筒)としている。
これは、図2に示したような排気系レイアウトを前提に、運転気筒と休止気筒とをペアにして、ペア気筒の排気通路を他の排気通路よりも上流側で(短い距離で)合流させることにより、高温度で燃焼させ、効果的に排温を上昇させるためである。
In the above embodiment, the cylinder groups are divided into # 1 and # 3 cylinder groups and # 2 and # 4 cylinder groups, one of which is an operating cylinder (combustion cylinder) and the other is an idle cylinder (exhaust of air or raw gas). Cylinder).
This is based on the exhaust system layout as shown in FIG. 2, and the operating cylinder and the non-operating cylinder are paired, and the exhaust passages of the paired cylinders are joined upstream (with a short distance) from the other exhaust passages. This is for burning at a high temperature and effectively raising the exhaust temperature.
しかし、このようにすると、点火順序が#1→#3→#4→#2の場合、燃焼−燃焼−休止−休止となって、安定性の面で不利と考えられるので、燃焼−休止−燃焼−休止となるように、#1、#4の気筒グループと、#2、#3の気筒グループとに分け、一方を運転気筒(燃焼気筒)、他方を休止気筒(空気又は生ガスの排出気筒)としてもよい。全気筒の排気通路が1点で合流する場合には、合流部に、排気と空気又は生ガスとが交互に流入するので、後燃えの点でも有利となる。 However, in this case, when the ignition order is # 1 → # 3 → # 4 → # 2, combustion-combustion-pause-pause is considered disadvantageous in terms of stability, so combustion-pause- The cylinder group of # 1, # 4 and the cylinder group of # 2, # 3 are divided so as to be combustion-pause, one is an operating cylinder (combustion cylinder), and the other is an idle cylinder (exhaust of air or raw gas) Cylinder). When the exhaust passages of all the cylinders merge at one point, exhaust and air or raw gas alternately flow into the junction, which is advantageous in terms of afterburning.
また、部分気筒運転の際に、全気筒の半数を休止させる必要はなく、少なくとも1気筒を休止させ、当該気筒から空気又は生ガスを排出させればよい。
また、排気通路への空気又は生ガスの排出による排気温度上昇のため制御は、限られた条件において実施するようにしてもよい。
すなわち、二次空気供給用の電動式エアポンプを備え、このポンプにより排気通路(特に排気ポート)に二次空気を供給できる場合は、クランキング中で、バッテリ消費の観点からエアポンプを作動させることができない期間、クランキング終了後に、バッテリ電圧が安定するまでの期間、エアポンプの作動開始後、吐出量が安定するまでの期間などに、限って、一部の気筒の燃料カット又は点火カットと、当該気筒の排気弁開時期の変更とを行って、当該気筒からの排出空気又は生ガスを利用するようにしてもよい。
In the partial cylinder operation, it is not necessary to deactivate half of all cylinders, and at least one cylinder may be deactivated and air or raw gas may be discharged from the cylinder.
Further, the control may be performed under limited conditions for increasing the exhaust temperature due to the discharge of air or raw gas into the exhaust passage.
That is, when an electric air pump for supplying secondary air is provided and secondary air can be supplied to the exhaust passage (especially the exhaust port) by this pump, the air pump can be operated from the viewpoint of battery consumption during cranking. In the period when the battery voltage is stabilized after the end of cranking, the period until the battery voltage is stabilized, the period until the discharge amount is stabilized after the start of the air pump operation, the fuel cut or ignition cut of some cylinders, The exhaust valve opening timing of the cylinder may be changed to use exhaust air or raw gas from the cylinder.
1 エンジン
2 吸気通路
3 吸気マニホールド
4 電制スロットル弁
5 吸気ポート
6 燃料噴射弁
7 吸気弁
8 ピストン
9 燃焼室
10 点火プラグ
11 排気弁
12 排気通路
13 排気浄化触媒
14 可変動弁装置
20 ECU
21 アクセルペダルセンサ
22 クランク角センサ
23 エアフローメータ
24 水温センサ
25 空燃比センサ
26 触媒温度センサ
1 engine
2 Intake passage
3 Intake manifold
4 Electric throttle valve
5 Intake port
6 Fuel injection valve
7 Intake valve
8 Piston
9 Combustion chamber
10 Spark plug
11 Exhaust valve
12 Exhaust passage
13 Exhaust gas purification catalyst
14 Variable valve gear
20 ECU
21 Accelerator pedal sensor
22 Crank angle sensor
23 Air Flow Meter
24 Water temperature sensor
25 Air-fuel ratio sensor
26 Catalyst temperature sensor
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