JP2011032932A - Internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は内燃機関に係り、特に、排気通路に設けられた燃料噴射弁を備えた内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine, and more particularly, to an internal combustion engine provided with a fuel injection valve provided in an exhaust passage.
例えば、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気通路には、吸蔵還元型NOx触媒等の排気浄化要素が設けられている。そしてこの排気浄化要素を定期的に再生するため、排気通路に設けられた燃料噴射弁から排気通路内に燃料を噴射供給することが行われている(例えば特許文献1参照)。 For example, an exhaust purification element such as an NOx storage reduction catalyst is provided in an exhaust passage of an internal combustion engine such as a diesel engine. In order to periodically regenerate the exhaust purification element, fuel is injected and supplied into the exhaust passage from a fuel injection valve provided in the exhaust passage (see, for example, Patent Document 1).
しかし、排気通路内を流れる排気ガスの流量および酸素濃度は内燃機関の運転状態に応じて変化する。そのため、燃料噴射弁から燃料を噴射して排気ガスの空燃比を再生に適した所望のリッチ空燃比に制御するのが困難なことがある。例えば、車両加速時等に内燃機関の負荷が増大すると、吸入空気量が増大し、排気ガスの流量および酸素濃度が増大することから、これに合わせて燃料噴射量も増大する必要がある。しかし、かかる排気ガス流量および酸素濃度の増大が著しい場合、所望のリッチ化が困難なこともあり、また多大な燃料を噴射することによる燃費の悪化も招く。 However, the flow rate and oxygen concentration of the exhaust gas flowing in the exhaust passage vary depending on the operating state of the internal combustion engine. Therefore, it may be difficult to control the exhaust gas air-fuel ratio to a desired rich air-fuel ratio suitable for regeneration by injecting fuel from the fuel injection valve. For example, when the load on the internal combustion engine increases during vehicle acceleration or the like, the intake air amount increases, and the flow rate and oxygen concentration of the exhaust gas increase. Therefore, it is necessary to increase the fuel injection amount accordingly. However, when the exhaust gas flow rate and the oxygen concentration are remarkably increased, desired enrichment may be difficult, and fuel consumption may be deteriorated by injecting a large amount of fuel.
そこで本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、内燃機関の運転状態の変化に拘わらず所望の排気空燃比を安定して得ることが可能な内燃機関を提供することにある。 Accordingly, the present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide an internal combustion engine that can stably obtain a desired exhaust air-fuel ratio regardless of changes in the operating state of the internal combustion engine. There is.
本発明の一形態によれば、
排気通路に設けられた燃料噴射弁と、
前記燃料噴射弁の下流側の前記排気通路に設けられた排気浄化要素と、
前記燃料噴射弁の上流側で前記排気通路から分岐し、前記排気浄化要素の下流側で前記排気通路に合流するバイパス通路と、
分岐部から合流部までの間の前記排気通路であるメイン通路と、前記バイパス通路との開度比を変更するための開閉弁と、
を備えることを特徴とする内燃機関が提供される。
According to one aspect of the invention,
A fuel injection valve provided in the exhaust passage;
An exhaust purification element provided in the exhaust passage downstream of the fuel injection valve;
A bypass passage branched from the exhaust passage upstream of the fuel injection valve and joined to the exhaust passage downstream of the exhaust purification element;
An on-off valve for changing an opening ratio between the main passage, which is the exhaust passage between the branch portion and the junction portion, and the bypass passage;
An internal combustion engine is provided.
これによれば、開閉弁により、メイン通路とバイパス通路とを流れる各排気ガスの流量比を変更し、メイン通路を流れる排気ガス流量を変更することができる。よってエンジンの運転状態の変化があった場合でも、メイン通路における所望の排気ガス流量を容易に得られ、所望の排気空燃比を安定して得ることができる。 According to this, the flow rate ratio of each exhaust gas flowing through the main passage and the bypass passage can be changed by the opening / closing valve, and the flow rate of the exhaust gas flowing through the main passage can be changed. Therefore, even when the operating state of the engine changes, a desired exhaust gas flow rate in the main passage can be easily obtained, and a desired exhaust air-fuel ratio can be stably obtained.
好ましくは、前記内燃機関は、前記開閉弁を少なくとも、前記メイン通路を全開とし前記バイパス通路を全閉とする第1位置と、前記メイン通路および前記バイパス通路をともに部分開とする第2位置とのいずれかに制御する弁制御手段をさらに備える。 Preferably, the internal combustion engine has at least a first position in which the on-off valve is at least fully opened and the bypass passage is fully closed, and a second position in which both the main passage and the bypass passage are partially opened. It further has valve control means for controlling any of the above.
この場合、開閉弁を第2位置とすれば、第1位置とする場合に比べてメイン通路の排気ガス流量を減少することができる。 In this case, if the on-off valve is in the second position, the exhaust gas flow rate in the main passage can be reduced as compared with the case where the on-off valve is in the first position.
好ましくは、前記弁制御手段は、前記燃料噴射弁から燃料を噴射するとき、前記内燃機関の負荷状態に応じて前記開閉弁を前記第1位置および前記第2位置のいずれかに制御する。 Preferably, the valve control means controls the on-off valve to either the first position or the second position according to a load state of the internal combustion engine when fuel is injected from the fuel injection valve.
これにより、内燃機関の負荷状態の変化に拘わらずメイン通路における排気ガス流量を所望流量に制御することができる。 Thereby, the exhaust gas flow rate in the main passage can be controlled to a desired flow rate regardless of the change in the load state of the internal combustion engine.
好ましくは、前記弁制御手段は、前記内燃機関の高負荷運転時に前記燃料噴射弁から燃料を噴射するとき、前記開閉弁を第2位置に制御する。 Preferably, the valve control means controls the open / close valve to the second position when fuel is injected from the fuel injection valve during high load operation of the internal combustion engine.
これによれば、内燃機関の高負荷運転時にメイン通路における排気ガス流量を減少でき、所望のリッチ空燃比を容易に実現することができる。 According to this, the exhaust gas flow rate in the main passage can be reduced during high load operation of the internal combustion engine, and a desired rich air-fuel ratio can be easily realized.
好ましくは、前記内燃機関は、前記メイン通路内に露出された前記燃料噴射弁の噴口部にエアを噴き付けるエアノズルをさらに備え、前記弁制御手段は、前記エアノズルからエアを噴射するとき、前記メイン通路を全閉とし前記バイパス通路を全開とする第3位置に前記開閉弁を制御する。 Preferably, the internal combustion engine further includes an air nozzle for injecting air to a nozzle part of the fuel injection valve exposed in the main passage, and the valve control means is configured to inject the main nozzle when injecting air from the air nozzle. The on-off valve is controlled to a third position where the passage is fully closed and the bypass passage is fully open.
これにより噴口部におけるデポジット生成を未然に防止することができる。 Thereby, the deposit production | generation in a nozzle part can be prevented beforehand.
好ましくは、前記排気浄化要素が、吸蔵還元型NOx触媒を含む。 Preferably, the exhaust purification element includes an NOx storage reduction catalyst.
好ましくは、前記内燃機関は、前記合流部の下流側の前記排気通路に設けられた別の排気浄化要素をさらに備える。 Preferably, the internal combustion engine further includes another exhaust purification element provided in the exhaust passage on the downstream side of the merging portion.
本発明は、内燃機関の運転状態の変化に拘わらず所望の排気空燃比を安定して得ることができるという、優れた効果を発揮する。 The present invention exhibits an excellent effect that a desired exhaust air-fuel ratio can be stably obtained regardless of changes in the operating state of the internal combustion engine.
以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1に、本発明の実施形態に係る内燃機関(エンジン)を示す。本実施形態のエンジン1は、自動車用且つ多気筒の圧縮着火式内燃機関、即ちディーゼルエンジンである。エンジン1はコモンレール式燃料噴射装置を備える。すなわち、燃料タンク2に貯留された燃料が、フィードポンプ3および供給ポンプ4によって高圧ポンプ5に送られ、高圧ポンプ5はその送られてきた燃料を高圧にまで加圧し、コモンレール6に圧送する。供給ポンプ4及び高圧ポンプ5はベルト等の動力伝達部材7を介してエンジン1のクランクシャフト8により駆動される。
FIG. 1 shows an internal combustion engine (engine) according to an embodiment of the present invention. The engine 1 of this embodiment is an automobile and multi-cylinder compression ignition internal combustion engine, that is, a diesel engine. The engine 1 includes a common rail fuel injection device. That is, the fuel stored in the
コモンレール6内に貯留された高圧燃料は、主燃料噴射弁としてのメインインジェクタ9の開弁時、メインインジェクタ9から燃焼室10内に直接噴射供給される。
The high-pressure fuel stored in the
燃料タンクは、添加剤ポンプを備える添加剤供給管を介して添加剤タンクに連通されている。添加剤ポンプは、不図示のコントローラにより制御され、燃料量に応じて適量の燃料添加剤を燃料タンクへ供給するように構成されている。燃焼室10から排出された排気ガスは、ターボチャージャ11のタービン11tを通過した後、その下流側の排気通路12を流れ、後述のように浄化処理された後、大気に排出される。エンジン1はEGR装置13をも含む。EGR装置は、排気通路12内(特にタービン上流側の排気マニホールド内)の排気ガスを吸気通路14に還流させるためのEGR通路15と、EGR通路15を流れるEGRガスを冷却するEGRクーラ16と、EGRガスの流量を調節するEGR弁17とを備える。吸気通路14には電子制御式の吸気絞り弁49が設けられる。
The fuel tank communicates with the additive tank via an additive supply pipe having an additive pump. The additive pump is controlled by a controller (not shown) and configured to supply an appropriate amount of fuel additive to the fuel tank in accordance with the amount of fuel. The exhaust gas discharged from the
排気通路12には、排気ガス中の未燃成分(炭化水素HC及び一酸化炭素CO)を酸化して浄化する酸化触媒18と、排気ガス中の窒素酸化物NOxを浄化する吸蔵還元型NOx触媒19と、排気ガス中の粒子状物質(微粒子PM)を捕集焼却するパティキュレートフィルタ(以下、DPFという)20とが上流側から順に直列に設けられている。これら酸化触媒18、NOx触媒19およびDPF20は、それぞれ第1、第2および第3の排気浄化要素をなす。
The
また、排気通路12には、主にNOx触媒19およびDPF20の再生を行うべく、燃料を排気通路12内に噴射する燃料噴射弁21が設けられている。以下、この燃料噴射弁21を排気インジェクタと称する。排気インジェクタ21は、酸化触媒18の上流側で且つタービン11tの下流側の排気通路12に配置されている。排気インジェクタ21の先端部には、燃料の出口となる一乃至複数の噴口(図示せず)を備えた噴口部21A(図2参照)が形成され、この噴口部21Aが排気通路12内に配置され、排気通路12内に露出されている。排気インジェクタ21には、燃料配管22を通じて供給ポンプ4から燃料が供給される。
The
また、エンジン1には制御手段としての電子制御ユニット(以下、ECUと称す)50が設けられる。ECU50はいずれも図示しないCPU、ROM、RAM、入出力ポートおよび記憶装置等を含む。前述のメインインジェクタ9、高圧ポンプ5、EGR弁17、吸気絞り弁49および排気インジェクタ21はECU50によって制御される。またECU50には、図示しないアクセル開度センサ、エンジン回転速度センサおよび空気量センサから、それぞれアクセル開度、エンジン回転速度および吸入空気量の検出信号が入力される。
The engine 1 is provided with an electronic control unit (hereinafter referred to as ECU) 50 as a control means. The
特に、本実施形態ではバイパス通路40が設けられている。このバイパス通路40は、排気インジェクタ21の上流側で排気通路12から分岐し、NOx触媒19の下流側且つDPF20の上流側で排気通路12に合流する。以下、分岐部Cから合流部Dまでの間の排気通路12をメイン通路12Mと称する。そしてメイン通路12Mと、バイパス通路40との開度比を変更するための開閉弁24が設けられている。
In particular, in the present embodiment, a
図2にも詳しく示すが、排気通路12の途中には、車載レイアウトの都合等により曲げられた曲がり部としての曲管部12Aが形成されており、この曲管部12Aに排気インジェクタ21と開閉弁24とが設けられている。開閉弁24は曲管部12Aの中に配置されている。本実施形態では曲管部12Aの曲がり角は約90°とされているが、この曲がり角は任意に設定可能である。曲管部12Aの入口部且つインコーナー側にバイパス通路40の入口部が接続する。
As shown in detail in FIG. 2, a
曲管部12Aの下流側には直線部として直管部12Bが連なっており、この直管部12Bに酸化触媒18、NOx触媒19およびDPF20が設けられている。NOx触媒19とDPF20の間隔が広げられ、そこにバイパス通路40の出口部が接続する。排気インジェクタ21は直管部12Bの中心軸にほぼ平行に、曲管部12Aの外側コーナー部に取り付けられ、排気インジェクタ21の先端の噴口部21Aを酸化触媒18に向けるように配置されている。そして排気インジェクタ21の噴口から噴射された燃料ができるだけ排気通路12の内壁に当たらずに酸化触媒18に到達できるようになっている。
A
開閉弁24は、回転軸25を有し、サーボモータ等のアクチュエータ26により回転駆動されるバタフライ式である。回転軸25は、バイパス通路分岐直後の曲管部12Aのインコーナー側に配置され、開閉弁24はこの位置を中心に回転可能となっている。そして開閉弁24は、メイン通路12Mの入口部とバイパス通路40の入口部とを交互に開閉し得るようになっている。アクチュエータ26がECU50に接続され、開閉弁24の角度位置がECU50及びアクチュエータ26により制御される。
The on-off
開閉弁24は、ECU50により、少なくとも、メイン通路12Mを全開としバイパス通路40を全閉とする図3に示す如き第1位置と、メイン通路12Mおよびバイパス通路40をともに部分開とする図4に示す如き第2位置とのいずれかに制御される。また本実施形態では開閉弁24がECU50により、メイン通路12Mを全閉としバイパス通路40を全開とする図5に示す如き第3位置にも制御される。
The on-off
図3〜図5に示すように、回転軸25の中心を通り且つ直管部12Bの軸心方向に平行な角度位置を基準位置とした場合、第1位置は角度θ1で規定され、第2位置は角度θ2で規定され、第3位置は角度θ3で規定される。但しθ1>θ2>θ3である。そしてメイン通路12Mの開度をA、バイパス通路40の開度Bとした場合(但し0≦A,B≦100)、開度比A:Bは、開閉弁24が第1位置θ1にあるときには100:0、開閉弁24が第3位置θ3にあるときには0:100、開閉弁24が第2位置θ2にあるときには例えば20:80などとされる。なお開閉弁24が第2位置θ2にあるときの開度比は任意に設定可能である。これら開度比に応じて、メイン通路12Mの排気ガス流量と、バイパス通路40の排気ガス流量との流量比もほぼ同様に変更される。
As shown in FIGS. 3 to 5, when the reference position is an angular position passing through the center of the
なおアクチュエータ26には、開閉弁24の角度位置を検出してその角度位置をフィードバック制御するため、回転エンコーダ、磁気センサ或いは光学センサといった角度センサが設けられている。
The
加えて、曲管部12Aには、メイン通路12M内に露出された排気インジェクタ21の先端の噴口部21Aに、洗浄冷却用の空気(エア)を噴き付けるエアノズル28が設けられている。エアノズル28は、その先端の空気出口が排気インジェクタ21の噴口部21A、好ましくはその噴口に向けられている。またエアノズル28は、噴口部21Aの直後の位置に配置され、排気インジェクタ21の軸心方向に対し斜めに配置されている。エアノズル28は、エア配管29を介して、加圧空気供給源としてのエアタンク30から加圧エアを供給される。エアノズル28はECU50により制御される。
In addition, the
図2に示すように、排気インジェクタ21には、その噴口部21Aの温度を検出するための温度センサ31が設けられている。そしてECU50は、詳しくは後述するが、温度センサ31により検出された噴口部温度に基づきエアノズル28を制御する。
As shown in FIG. 2, the
図1に示すように、NOx触媒19の下流側で且つバイパス通路40の合流位置より上流側のメイン通路12M内には、補助弁41が設けられている。補助弁41も開閉弁24と同様、アクチュエータ42により回転駆動されるバタフライ式であり、ECU50及びアクチュエータ26によりその角度位置が制御される。補助弁41はその設置位置でメイン通路12Mの開度を全開から全閉まで変更可能である。
As shown in FIG. 1, an
バイパス通路40の分岐位置より上流側の排気通路12には第1の排気温センサ23が設けられる。またバイパス通路40の合流位置より下流側で且つDPF20の上流側の排気通路12には第2の排気温センサ43が設けられる。これらセンサによる排気温度の検出信号がECU50に入力される。
A first exhaust temperature sensor 23 is provided in the
さて、各排気浄化要素に関して、酸化触媒18は、基材表面上のコート材に白金等の貴金属を多数分散配置させてなり、排気中のHC及びCOを酸化して浄化する。もっともディーゼルエンジンの場合、排気ガスの空燃比A/Fは理論空燃比(例えば14.6)よりも著しくリーンであり、空気過剰率λは1より大きい。よって排気中に含まれるHC及びCOの量は比較的少ない。またディーゼルエンジンの場合、排気温度が比較的低温であり、メインとなるNOx触媒19やDPF20の触媒が活性化しづらい。よって酸化触媒18においてHC及びCOの酸化熱で排気ガスを加熱し、この加熱された排気ガスでNOx触媒19及びDPF20を加熱してこれらの活性化を促進するようにしている。
Now, with respect to each exhaust purification element, the
次に、吸蔵還元型NOx触媒(LNT: Lean NOx Trap)19は、アルミナAl2O3等の酸化物からなる基材表面に、白金Pt等の貴金属とNOx吸収成分とが担持されて構成されている。NOx吸収成分は、例えばカリウムK、ナトリウムNa,リチウムLi、セシウムCs等のアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCa等のアルカリ土類、ランタンLa、イットリウムY等の希土類から選択された少なくとも一つからなる。 Next, the NOx storage reduction catalyst (LNT: Lean NOx Trap) 19 is configured by supporting a noble metal such as platinum Pt and a NOx absorbing component on the surface of a base material made of an oxide such as alumina Al 2 O 3. ing. The NOx absorption component is composed of at least one selected from alkali metals such as potassium K, sodium Na, lithium Li, and cesium Cs, alkaline earths such as barium Ba and calcium Ca, and rare earths such as lanthanum La and yttrium Y. .
NOx触媒19はNOxの吸放出作用を有する。すなわち、触媒に供給される排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンのとき(触媒が酸素過剰雰囲気にあって空気過剰率λが1より大きいとき)、触媒は排気ガス中のNOxを硝酸塩の形で吸蔵する。他方、触媒に供給される排気ガスの空燃比が理論空燃比又はこれよりリッチのとき(触媒が酸素不足雰囲気にあって空気過剰率λが1以下のとき)、触媒は吸蔵したNOxを放出する。この放出されたNOxは雰囲気ガスに含まれる還元剤(主にHC)と触媒内で反応し、N2に還元される。これによりNOxの大気への排出が防止される。
The
NOx触媒19は、飽和状態(満杯)までNOxを吸蔵するとそれ以上NOxを吸蔵できない。そのため、NOx触媒19のNOx吸蔵能を回復又は維持すべく、NOx触媒から吸蔵NOxを放出させるNOx再生が定期的に実行される。このとき、排気インジェクタ21から燃料を噴射して排気ガスの空燃比をリッチ化する(即ち、排気ガスの空燃比を理論空燃比より小さくする)リッチスパイクが実行される。
When the
他方、燃料に含まれる硫黄(S)分に起因して、NOx触媒19が排気ガス中の硫黄成分をBaSO4などの硫酸塩として吸蔵し、被毒(S被毒)してしまうことがある。S被毒が生じるとNOx吸蔵能が低下してしまう。そこで硫酸塩をNOx触媒から脱離させるS被毒再生或いはSパージが実行される。このときにも、排気インジェクタ21から燃料を噴射して排気ガスの空燃比をリッチ化する。但し、硫酸塩は硝酸塩に比べて安定なため、排気空燃比をリッチ化しただけでは触媒から脱離されない。硫酸塩を脱離させるためには、NOx触媒を高温(例えば400℃以上)とした上でリッチ雰囲気におく必要がある。よってこの高温リッチ化を目的とするリッチスパイクを高温リッチスパイクと称する。なお脱離した硫酸塩は触媒内で硫黄酸化物(SOx)に分解される。NOx再生はS被毒再生よりも低温で可能なので(例えば200〜300℃程度)、S被毒再生を行うとNOx再生も同時に実行される。
On the other hand, due to the sulfur (S) content contained in the fuel, the
次に、DPF20は、排気中に含まれる粒子状物質(PM)を捕集して除去するものであり、ハニカム形状の耐熱性基材の両端開口を互い違いに市松状に閉塞した所謂ウォールフロータイプのもの、あるいは網の目構造のフォーム形状のものなど、PMを物理的に捕集するあらゆるタイプのフィルタを用いることができる。本実施形態では、DPF内部にPt等の貴金属を担持させた所謂連続再生式の触媒付きDPFを用いている。この場合、DPFに供給された排気中のHCが触媒作用で酸化、燃焼し、このとき同時にDPF内部に堆積しているPMが燃焼除去される。
Next, the
DPFは比較的低温下でも作動し得るが、堆積PM量が所定量を超えたときには、そのPMを強制的に燃焼除去してPM捕集能を回復させるフィルタ再生を行う必要がある。このフィルタ再生を行う際にも、排気インジェクタ21から燃料を噴射して排気ガスの空燃比をリッチ化する。なおDPF20に堆積したPM量は、図1に示した差圧センサ32の検出値に基づき、ECU50により推定される。
The DPF can operate even at a relatively low temperature. However, when the amount of accumulated PM exceeds a predetermined amount, it is necessary to perform filter regeneration for forcibly removing the PM to recover the PM collecting ability. When performing this filter regeneration, fuel is injected from the
さて、本実施形態における作動を概略的に述べると、エンジンの通常運転時には図3に示すように、開閉弁24は第1位置θ1に制御され、補助弁41は全開位置に制御される。するとあたかもバイパス通路40が無いかの如く、排気ガスはその全量が排気通路12内(特にメイン通路12M内)を流れる。このとき酸化触媒18では排気中のHC、COが酸化されると同時に排気ガスが加熱、昇温される。そしてNOx触媒19では排気中のNOxが吸蔵され、DPF20では排気中のPMが捕集される。
Now, the operation of the present embodiment will be described briefly. During normal operation of the engine, as shown in FIG. 3, the on-off
NOx再生時およびフィルタ再生時にも同様に、開閉弁24は第1位置θ1に制御され、補助弁41は全開位置に制御される。そして排気インジェクタ21から燃料が噴射される。
Similarly, at the time of NOx regeneration and filter regeneration, the on-off
NOx再生時には排気インジェクタ21から比較的短時間(例えば10数秒程度)の間、燃料が噴射される。他方、フィルタ再生時にはそれよりも長時間の間、排気インジェクタ21から間欠的に燃料が噴射される。燃料噴射が行われたとき、排気中のHCの一部が先ず酸化触媒18で酸化、燃焼され、残部のHCを含むリッチな高温排気ガスが酸化触媒18から排出される。このリッチな高温排気ガスがNOx触媒19を通過した後、DPF20に至り、これによりDPF20が加熱され、DPF20に供給されたHCがDPF20内で燃焼するのと同時に堆積PMが燃焼させられる。堆積PMの燃焼にはある程度の酸素が必要なので、排気インジェクタ21から間欠的に燃料を噴射するようにしている。燃料噴射中の排気空燃比はリッチであるが、フィルタ再生実行時間全体の平均でみれば排気空燃比はリーン(λ>1、例えば2程度)である。
During NOx regeneration, fuel is injected from the
他方、S被毒再生或いはSパージ実行時、開閉弁24はエンジンの負荷に応じて第1位置θ1および第2位置θ2のいずれかに制御され、補助弁41は開閉弁24のこのような動作に連動して図3に示すような全開位置および図4に示すような部分開位置のいずれかに制御される。そして排気インジェクタ21から燃料が噴射される。
On the other hand, at the time of S poison regeneration or S purge execution, the on-off
このS被毒再生時には、排気インジェクタ21から比較的長時間(例えば10数分程度)の間、間欠的に燃料が噴射される。するとフィルタ再生時と同様の原理でNOx触媒19が加熱され、高温となり、NOx触媒19に吸蔵されていた硫酸塩がHCにより脱離分解される。このS被毒再生時には、フィルタ再生時よりも排気ガスをリッチな状態にする必要がある。S被毒再生時間全体の平均でみても、排気空燃比はリッチ(λ<1、例えば0.95程度)である。但し、NOx触媒を継続的にリッチ雰囲気(還元雰囲気)におくと触媒温度が低下する虞があるため、燃料を間欠的に供給するのが好ましい。なお、S被毒は前段の酸化触媒18にも生じ得るが、後段のNOx触媒19のS被毒再生と同時に酸化触媒18もS被毒再生される。
During this S poisoning regeneration, the fuel is intermittently injected from the
フィルタ再生時およびS被毒再生時において、所望の排気空燃比を実現し或いは必要な酸素を供給するため、エアノズル28からエアを噴射してもよい。
At the time of filter regeneration and S poisoning regeneration, air may be injected from the
エンジンの低負荷運転時(例えばアイドル時)および中負荷運転時、開閉弁24は第1位置θ1に制御される。このときには吸入空気量が比較的少なく、従ってエンジンから排出される排気ガスの流量および酸素濃度も比較的低く、排気インジェクタ21からの燃料噴射のみで再生に適した所望の触媒温度および排気空燃比を容易に実現できるからである。他方、エンジンの高負荷運転時には、開閉弁24は第2位置θ2に制御される。このときには吸入空気量が比較的多く、従ってエンジンから排出される排気ガスの流量および酸素濃度も比較的高く、排気インジェクタ21からの燃料噴射のみでは所望の触媒温度および排気空燃比を実現するのが困難だからである。
The opening / closing
図4に示すように、開閉弁24が第2位置θ2に制御されると、排気ガスの一部のみが開閉弁24を通過してメイン通路12Mを流れ、酸化触媒18およびNOx触媒19を流れる排気ガスの流量およびその通過速度が、第1位置θ1の場合と比較して減少させられる。よって、排気インジェクタ21からの燃料噴射のみで所望の触媒温度および排気空燃比を容易に実現できるようになる。また大量の燃料噴射を行わなくて済むため、燃費の悪化も防止できる。補助弁41も部分開位置に制御されるので、このことによっても排気ガス流量低減が促進される。
As shown in FIG. 4, when the on-off
開閉弁24が第2位置θ2にあるときの当該位置自体、および前述の開度比A:Bは、このような所望の触媒温度および排気空燃比を得られるように設定するのがよい。
The position itself when the on-off
なお、排気ガスの残部はバイパス通路40を流れ、酸化触媒18およびNOx触媒19を迂回させられる。排気ガスの一部と残部とは合流部Dで合流し、DPF20に供給される。
The remainder of the exhaust gas flows through the
こうして、エンジンの運転状態の変化に拘わらず所望の排気空燃比を安定して得ることができるようになる。 Thus, a desired exhaust air-fuel ratio can be stably obtained regardless of changes in the operating state of the engine.
ところで、これら再生直後、開閉弁24は図5に示すような第3位置θ3に制御される。そしてエアノズル28から排気インジェクタ21の噴口部21Aに加圧エアが噴射供給される。この加圧エアにより、噴口部21Aに付着した燃料が吹き飛ばされると共に、噴口部21Aが冷却される。これにより、噴口部21Aの残留燃料に起因する固形炭化物すなわちデポジットの生成を抑制することができる。なお補助弁41は図5に示すような部分開位置、または全開位置に制御される。
By the way, immediately after the regeneration, the on-off
通常時に噴口部21Aが排気ガスに晒されているため、噴口部21Aの内部或いはその外壁に残留した燃料が、排気ガスで加熱されて炭化し、固形炭化物すなわちデポジットとなることがある。このデポジットは、噴口を詰まらせたり針弁等の動きを妨げるなどして、燃料噴射を阻害する原因となり得る。
Since the
そこで上述のように噴口部21Aの残留燃料を吹き飛ばせば、その後噴口部21Aが排気ガスに晒されたときのデポジット生成を抑制できる。なお、デポジット生成をさらに抑制するため、排気インジェクタ21に水冷機構を設けるのが好ましい。
Therefore, if the residual fuel in the
特に、温度センサ31により所定値以上の噴口部温度が検出されたときにエアノズル28を作動させるのが好ましい。これにより噴口部21Aを常に所定値未満の温度に制御でき、噴口部21Aの加熱ひいてはこれによるデポジット生成を一層抑制することができる。
In particular, it is preferable to operate the
以下、図6を参照しつつ、本実施形態における制御の一例の手順を説明する。本制御はECU50により実行される。ここではフィルタ再生後に連続してS被毒再生すなわちSパージを実行する場合を説明する。この場合、先のフィルタ再生によってNOx触媒19を予熱できると同時に堆積PMを燃焼除去でき、後のSパージによってDPF20が高温となり、堆積PMが一気に燃焼してDPF20が溶損してしまうことを防止できるメリットがある。
Hereinafter, a procedure of an example of control in the present embodiment will be described with reference to FIG. This control is executed by the
本制御は、エンジン始動と同時に開始される。最初のステップS10では、開閉弁24が第1位置θ1に制御される。
This control is started simultaneously with the engine start. In the first step S10, the on-off
ステップS12では、排気温センサ23の検出値に基づきECU50により推定されたいずれかの排気浄化要素(例えばNOx触媒19)の温度Teが所定温度Tesを超えているか否かが判断される。所定温度Tesは、酸化触媒18、NOx触媒19及びDPF20の全てが活性化するような温度のうちの最低温度付近に設定されている。Te≦Tesの場合、ステップS10に戻り、Te>Tesの場合、ステップS14に進む。
In step S12, it is determined whether or not the temperature Te of any exhaust purification element (for example, the NOx catalyst 19) estimated by the
ステップS14では、ECU50に予め設定ないしプログラムされている制御モードが、DPF20の再生とNOx触媒19のSパージとを連続的に行うDPF再生/Sパージモードに移行したか否かが判断される。この移行は所定条件が成立したときになされる。制御モードがDPF再生/Sパージモードに移行していなければ、ステップS10に戻り、制御モードがDPF再生/Sパージモードに移行したならば、ステップS16に進む。
In step S14, it is determined whether or not the control mode preset or programmed in the
ステップS16ではDPF再生が実行され、排気インジェクタ21から前述の如く燃料が噴射される。
In step S16, DPF regeneration is executed, and fuel is injected from the
ステップS18では、DPF再生開始時からECU50により計測されている経過時間tdが所定時間tds以上となったか否かが判断される。経過時間tdが所定時間tds以上となっていなければステップS16に戻る。他方、経過時間tdが所定時間tds以上となっていれば、ステップS20に進んで、DPF再生が終了させられると同時にSパージが開始される。これにより排気インジェクタ21から前述の如く燃料が噴射される。
In step S18, it is determined whether or not the elapsed time td measured by the
次いでステップS22では、エンジン負荷が高負荷であるか否か、具体的にはエンジン負荷を表すパラメータの値が所定値以上となっているか否かが判断される。すなわちECU50は、例えばエンジン回転速度Neとアクセル開度Acの検出値に基づき、図7に示すようなマップから、メインインジェクタ9から噴射すべき燃料噴射量Qを決定する。そして決定された燃料噴射量Qが、現時点でのエンジン回転速度Neに対応する高負荷相当の噴射量閾値Qs以上となっていれば、エンジン負荷が高負荷であると判断する。この場合、エンジン負荷を表すパラメータは燃料噴射量Qであり、所定値は噴射量閾値Qsである。
Next, in step S22, it is determined whether or not the engine load is high, specifically, whether or not a parameter value representing the engine load is a predetermined value or more. That is, the
或いは、所謂トルク制御を行う場合、ECU50は、例えばエンジン回転速度Neの検出値と決定された燃料噴射量Qに基づき、図8に示すようなマップから、エンジンが出力すべき目標トルクtrqを決定する。そして決定された目標トルクtrqが、現時点でのエンジン回転速度Neに対応する高負荷相当のトルク閾値trqs以上となっていれば、エンジン負荷が高負荷であると判断する。この場合、エンジン負荷を表すパラメータは目標トルクtrqであり、所定値はトルク閾値trqsである。
Alternatively, when performing so-called torque control, the
ステップS22でエンジン負荷が高負荷でないと判断された場合、即ちエンジン負荷が低中負荷であると判断された場合、ステップS24に進んで開閉弁24は第1位置θ1に制御される。他方、ステップS22でエンジン負荷が高負荷であると判断された場合、ステップS26に進んで開閉弁24は第2位置θ2に制御される。
If it is determined in step S22 that the engine load is not high, that is, if it is determined that the engine load is low or medium load, the routine proceeds to step S24, where the on-off
次いで、ステップS28で、Sパージ開始時からECU50により計測されている経過時間tpが所定時間tps以上となったか否かが判断される。経過時間tpが所定時間tps以上となっていなければステップS20に戻る。他方、経過時間tpが所定時間tps以上となっていれば、ステップS30に進んで、Sパージが終了させられる。
Next, in step S28, it is determined whether or not the elapsed time tp measured by the
次に、ステップS32で、開閉弁24が第3位置θ3に制御される。そしてステップS34でエアノズル28が所定時間作動される。するとエアノズル28から噴射された加圧エアにより、噴口部21Aに付着した燃料が吹き飛ばされ、同時に噴口部21Aが冷却される。なおエアノズル28は連続的に作動させても、間欠的に作動させてもよい。
Next, in step S32, the on-off
次いでステップS36では、温度センサ31により検出された排気インジェクタ21の噴口部21Aの温度Tiが所定温度Tis未満となっているか否かが判断される。この所定温度Tisは、噴口部21Aにデポジットが生じる可能性のある最低温度付近に設定されている。
Next, in step S36, it is determined whether or not the temperature Ti of the
噴口部温度Tiが所定温度Tis以上となっている場合、ステップS32に戻る。他方、噴口部温度Tiが所定温度Tis未満となっているときには、開閉弁24が第1位置θ1に戻され、制御が終了される。
When the nozzle part temperature Ti is equal to or higher than the predetermined temperature Tis, the process returns to step S32. On the other hand, when the nozzle part temperature Ti is lower than the predetermined temperature Tis, the on-off
このように本実施形態によれば、メイン通路12Mとバイパス通路40の開度比を変更するための開閉弁24が設けられているので、メイン通路12Mを流れる排気ガスの流量を変更ないし減少することができる。よってエンジンの運転状態の変化、特にエンジン負荷の増大があった場合でも、所望の排気ガス流量を容易に得ることができ、所望の排気空燃比を安定して得ることができる。
As described above, according to the present embodiment, since the on-off
ところで、排気インジェクタ21と開閉弁24とエアノズル28を曲管部12Aに設けた場合には次の利点がある。すなわち、排気通路にこれら複数の別部品を取り付ける場合、その取付部は剛性及び取付精度確保等の観点から鋳鉄製とするのが好ましい。このとき取付部を直管部とすると取付部自体が大きく重くなってコスト上も不利である。しかし、本実施形態の如く取付部を曲管部とすれば、取付部を小型化、軽量化でき、コスト上も有利である。
By the way, when the
上記制御では開閉弁24を第3位置に移動させた後にエアノズル28を作動させている。このため、供給エアを開閉弁24で跳ね返らせて排気インジェクタ21にぶつけると共に、開閉弁24からエアノズル28までの半閉空間にエアを供給できる。よって、加圧エアを効率的に使用することができ、冷却効率および洗浄効率を向上することができる。
In the above control, the
以上、本発明の実施形態を詳細に述べたが、本発明は他の実施形態を採用することも可能である。例えば、内燃機関は火花点火式内燃機関、とりわけ直噴リーンバーンガソリンエンジンであってもよい。開閉弁の位置は連続的に可変であっても構わない。この場合、エンジン負荷状態に応じて開閉弁の位置を連続的に可変制御するのが好ましい。開閉弁は複数の弁、例えばメイン通路とバイパス通路にそれぞれ配置された二つの弁から構成してもよい。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described in detail, this invention can also employ | adopt other embodiment. For example, the internal combustion engine may be a spark ignition internal combustion engine, in particular a direct injection lean burn gasoline engine. The position of the on-off valve may be continuously variable. In this case, it is preferable to continuously variably control the position of the on-off valve according to the engine load state. The on-off valve may be composed of a plurality of valves, for example, two valves respectively disposed in the main passage and the bypass passage.
1 内燃機関
12 排気通路
12M メイン通路
18 酸化触媒
19 NOx触媒
20 パティキュレートフィルタ(DPF)
21 燃料噴射弁(排気インジェクタ)
21A 噴口部
24 開閉弁
28 エアノズル
40 バイパス通路
50 電子制御ユニット(ECU)
1
21 Fuel injection valve (exhaust injector)
Claims (7)
前記燃料噴射弁の下流側の前記排気通路に設けられた排気浄化要素と、
前記燃料噴射弁の上流側で前記排気通路から分岐し、前記排気浄化要素の下流側で前記排気通路に合流するバイパス通路と、
分岐部から合流部までの間の前記排気通路であるメイン通路と、前記バイパス通路との開度比を変更するための開閉弁と、
を備えることを特徴とする内燃機関。 A fuel injection valve provided in the exhaust passage;
An exhaust purification element provided in the exhaust passage downstream of the fuel injection valve;
A bypass passage branched from the exhaust passage upstream of the fuel injection valve and joined to the exhaust passage downstream of the exhaust purification element;
An on-off valve for changing an opening ratio between the main passage, which is the exhaust passage between the branch portion and the junction portion, and the bypass passage;
An internal combustion engine comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。 A valve that controls the on-off valve to at least one of a first position in which the main passage is fully opened and the bypass passage is fully closed, and a second position in which both the main passage and the bypass passage are partially opened. The internal combustion engine according to claim 1, further comprising a control unit.
ことを特徴とする請求項2に記載の内燃機関。 When the fuel is injected from the fuel injection valve, the valve control means controls the open / close valve to either the first position or the second position according to a load state of the internal combustion engine. The internal combustion engine according to claim 2.
ことを特徴とする請求項2に記載の内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 2, wherein the valve control means controls the open / close valve to a second position when fuel is injected from the fuel injection valve during high load operation of the internal combustion engine.
ことを特徴とする請求項2〜4のいずれか一項に記載の内燃機関。 An air nozzle for injecting air to a nozzle portion of the fuel injection valve exposed in the main passage; The internal combustion engine according to any one of claims 2 to 4, wherein the on-off valve is controlled to a third position in which the valve is fully opened.
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の内燃機関。 The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5, wherein the exhaust purification element includes an NOx storage reduction catalyst.
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の内燃機関。 The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 6, further comprising another exhaust purification element provided in the exhaust passage on the downstream side of the merging portion.
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