JP2018091270A - Exhaust emission control device for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine.
自動車等の内燃機関から排出される炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、窒素酸化物(NOx)などの有害成分を同時にかつ効率的に浄化するために、内燃機関の排気通路には触媒が設けられている。 In order to purify harmful components such as hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO), and nitrogen oxides (NOx) discharged from internal combustion engines such as automobiles simultaneously and efficiently, A catalyst is provided.
当該触媒に空気を供給すると、未燃炭化水素の再燃焼を促進できるため、過給器によって圧縮された空気を排気通路内に導入し、触媒に空気を供給する排気浄化システムが提案されている(例えば、特許文献1)。 When air is supplied to the catalyst, reburning of unburned hydrocarbons can be promoted. Therefore, an exhaust purification system that introduces air compressed by a supercharger into the exhaust passage and supplies air to the catalyst has been proposed. (For example, patent document 1).
内燃機関において炭化水素が最も多く排出されるのは、内燃機関の始動〜触媒暖機完了前であり、その要因として、始動時の燃料気化不良によるミスファイア、燃焼を安定させるための噴射燃料の増量、触媒による炭化水素の還元率が低いことが挙げられる。 The most exhausted hydrocarbons in an internal combustion engine are from the start of the internal combustion engine to the completion of catalyst warm-up, and this is caused by misfire due to poor fuel vaporization at the start, and injection fuel for stabilizing combustion. Increased amount and low reduction rate of hydrocarbons by catalyst.
特許文献1の排気浄化システムは、内燃機関の運転条件が背圧が確保できる運転条件(高負荷運転)にある場合にしか、過給器によって圧縮された空気を排気通路内に導入できない。したがって、炭化水素が最も多く排出されるにも関わらず、背圧が確保できない内燃機関の始動〜触媒暖機完了前において、炭化水素の排出を十分に低減できないおそれがある。 The exhaust gas purification system of Patent Document 1 can introduce air compressed by the supercharger into the exhaust passage only when the operation condition of the internal combustion engine is an operation condition (high load operation) that can ensure back pressure. Therefore, there is a possibility that the exhaust of hydrocarbons cannot be sufficiently reduced before the start of the internal combustion engine to the completion of catalyst warm-up, in which back pressure cannot be ensured even though the most hydrocarbons are discharged.
そこで、本明細書開示の内燃機関の排気浄化装置は、炭化水素の排出を低減することを課題とする。 Accordingly, an object of the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine disclosed in the present specification is to reduce hydrocarbon emissions.
かかる課題を解決するために、本明細書に開示された内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気を浄化する触媒と、スロットルバルブよりも上流側の吸気通路内に設置されたコンプレッサを備え、電気的に作動する電動過給器と、一端が前記コンプレッサの下流側かつ前記スロットルバルブの上流側で前記吸気通路と接続し、他端が前記内燃機関の下流側かつ前記触媒の上流側で前記排気通路と接続し、排気を前記排気通路から前記吸気通路へ還流可能な排ガス還流路と、前記排ガス還流路を流通する気体の流量を調整する流量調整弁と、前記内燃機関がクランキングを開始してから前記触媒の暖機が完了するまで、前記電動過給器を作動させ、前記流量調整弁を開弁して前記排ガス還流路を介して前記排気通路に空気を導入する制御部と、を備える。 In order to solve such a problem, an exhaust purification device for an internal combustion engine disclosed in the present specification is provided in an exhaust passage of the internal combustion engine, and in a catalyst for purifying exhaust, and an intake passage upstream of a throttle valve. An electrically operated supercharger comprising an installed compressor, one end connected to the intake passage downstream of the compressor and upstream of the throttle valve, and the other end downstream of the internal combustion engine and An exhaust gas recirculation passage that is connected to the exhaust passage upstream of the catalyst and that can recirculate exhaust gas from the exhaust passage to the intake passage; a flow rate adjustment valve that adjusts a flow rate of gas flowing through the exhaust gas recirculation passage; From the start of cranking of the internal combustion engine to the completion of warming up of the catalyst, the electric supercharger is operated, the flow rate adjustment valve is opened, and the exhaust passage is emptied through the exhaust gas recirculation path. And a control unit for introducing a.
本明細書開示の内燃機関の排気浄化装置は、炭化水素の排出を低減することができる。 The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine disclosed in this specification can reduce hydrocarbon emissions.
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, in the drawings, the dimensions, ratios, and the like of each part may not be shown so as to completely match the actual ones. In some cases, details are omitted in some drawings.
まず、図1を参照し、一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置が適用されたエンジンシステムについて説明する。図1は、一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置が適用されたエンジンシステム100の構成を示す概略図である。
First, an engine system to which an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to an embodiment is applied will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an
図1に示すように、エンジンシステム100は、内燃機関20、吸気通路10、及び排気通路30を備えている。
As shown in FIG. 1, the
内燃機関20は、シリンダブロック21に形成された燃焼室23の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室23内でピストン24を往復移動させることにより動力を発生する。内燃機関20は車両用多気筒エンジン(1気筒のみ図示)であり、本実施形態では、気筒#1〜#4を備える4気筒エンジンであるものとする。なお、内燃機関20が備える気筒数は、本実施形態に限定されるものではない。
The
内燃機関20のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁25と、排気ポートを開閉する排気弁26とが気筒ごとに設けられている。各吸気弁25および各排気弁26はカムシャフトによって開閉させられる。また、シリンダヘッドの頂部には、燃焼室23内の混合気に点火するための点火プラグ27が気筒ごとに取り付けられている。
The cylinder head of the
また、各気筒の吸気ポートには、燃料を吸気ポート内に噴射するインジェクタ22が設置されている。インジェクタ22から噴射された燃料は吸入空気と混合されて混合気をなし、この混合気が吸気弁25の開弁時に燃焼室23に吸入され、ピストン24で圧縮され、点火プラグ27で点火燃焼させられる。
An
吸気通路10には、上流側から順に、エアクリーナ19、インタークーラ14、電子制御式スロットルバルブ13、及びサージタンク18が設けられている。エアクリーナ19には、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ15が設置されている。サージタンク18には、吸気圧を検出する吸気圧センサ16が設置されている。各気筒の吸気ポートは吸気マニホールド17を介してサージタンク18に接続されている。
In the
また、スロットルバルブ13より上流側の吸気通路10中には、電気的に作動する過給器(電動過給器)12のコンプレッサ12aが配設されており、吸気はコンプレッサ12aの回転によって圧縮される(過給される)。
Further, in the
排気通路30には、排気マニホールド32を介して各気筒の排気ポートが接続されている。また、排気通路30には、排ガスを浄化するための触媒31が設けられている。触媒31の上流側には、排ガスの空燃比を検出する空燃比センサ35が設けられている。
An exhaust port of each cylinder is connected to the
また、排気通路30には、電動過給器12のタービン12bが設けられている。内燃機関20より排出された排ガスによりタービン12bを回転させる場合、電動過給器12においてエネルギの回生が行われる。
Further, the
また、エンジンシステム100は、排ガス(EGRガス)の一部を吸気通路10に還流させる外部EGR(Exhaust Gas Recirculation)通路40を備えている。外部EGR通路40は、排ガス還流路の一例である。外部EGR通路40の一端40aは、電動過給器12のコンプレッサ12aよりも下流側かつスロットルバルブ13よりも上流側において吸気通路10に接続されている。外部EGR通路40の他端40bは、内燃機関20よりも下流側かつ触媒31よりも上流側において排気通路30と接続されている。以下、外部EGR通路40を通って還流する排ガスのことを「外部EGRガス」と称する。
The
外部EGR通路40の途中には、外部EGRガスを冷却するためのEGRクーラ42が設けられている。外部EGR通路40におけるEGRクーラ42の下流には、EGR弁44が設けられている。EGR弁44は、流量調整弁の一例である。このEGR弁44の開度を変えることにより、外部EGR通路40を通る排ガス量、すなわち外部EGR量を調整することができる。
In the middle of the
エンジンシステム100は、ECU(Electronic Control Unit)50を備えている。ECU50は、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、及び記憶装置等を備える。ECU50は、ROMや記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより各種制御を行う。ECU50は、制御部の一例である。
The
ECU50には、上述の点火プラグ27、スロットルバルブ13及びインジェクタ22等が電気的に接続されている。またECU50には、前述のエアフローメータ15、吸気圧センサ16、空燃比センサ35、内燃機関20のクランク角を検出するクランク角センサのほか、アクセル開度を検出するアクセル開度センサやその他の各種センサが図示されないA/D変換器等を介して電気的に接続されている。ECU50は、各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ27、スロットルバルブ13、インジェクタ22等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。
The ECU 50 is electrically connected to the
また、ECU50は、電動過給器12を作動させて排気通路30に空気を導入することにより触媒31に空気を供給する二次空気供給制御を実行する。
In addition, the
図2は、ECU50が実行する二次空気供給制御の一例を示すフローチャートである。図2の処理は、内燃機関20がクランキングを開始すると開始される。
FIG. 2 is a flowchart showing an example of secondary air supply control executed by the
ECU50は、電動過給器12を作動させ、目標過給圧まで吸気圧を昇圧する(ステップS101)。
The
続いて、ECU50は、排ガスの空燃比が理論空燃比となるよう、EGR弁44の開度を調整する(ステップS103)。なお、このとき、ECU50は、例えば、ECU50の燃料噴射量の指令値と、過給圧及びEGR弁44の弁開度に対する流量マップから取得される空気流量と、を用いて、排ガスの空燃比を計算する。
Subsequently, the
ステップS101およびS103の処理により、電動過給器12によって外部EGR通路40を介して排気通路30に空気(二次空気)が導入され、触媒31に空気が供給される。これにより、触媒31において未燃炭化水素の再燃焼を促進できるため、炭化水素の排出を低減することができる。
By the processing in steps S101 and S103, air (secondary air) is introduced into the
続いて、ECU50は、触媒31の暖機を行う触媒暖機制御の実行を要求する触媒暖機制御要求がONであるか否かを判断する(ステップS105)。本ステップでは、触媒暖機が完了したか否かを判断している。触媒暖機制御要求がONの場合は、触媒暖機が未だ完了していないということである。
Subsequently, the
触媒暖機制御要求がONの場合(ステップS105/YES)、ECU50は、空燃比センサ35により検出された空燃比が理論空燃比に一致するように各気筒への燃料噴射量をフィードバック制御する空燃比フィードバック制御の実行を要求する空燃比フィードバック制御要求がONであるか否かを判断する(ステップS107)。本ステップでは、空燃比フィードバック制御が開始されたか否かを判断している。空燃比フィードバック制御要求がONではない場合(OFFの場合)は、空燃比フィードバック制御が未だ開始されていないということである。
When the catalyst warm-up control request is ON (step S105 / YES), the
空燃比フィードバック制御要求がONではない場合(ステップS107/NO)、ECU50は、ステップS105に戻る。一方、空燃比フィードバック制御要求がONの場合(ステップS107/YES)、ECU50は、電動過給器12による過給を停止し、EGR弁44を閉弁する(ステップS109)。すなわち、ECU50は、電動過給器12により外部EGR通路40を介して排気通路30に二次空気を導入するのを中止する。なお、空燃比フィードバック制御が開始されると、二次空気の導入を中止するのは、空燃比フィードバック制御開始時には、ある程度触媒31が暖機されていると想定され、通常の触媒31による排ガス処理を優先させるためである。なお、炭化水素等の再燃焼を優先させる場合には、空燃比フィードバック制御開始が開始されても、触媒暖機が完了するまでは、電動過給器12による排気通路30への空気の導入を継続してもよい。
If the air-fuel ratio feedback control request is not ON (step S107 / NO), the
ところで、ECU50は、触媒暖機制御要求がONでない場合(ステップS105/NO)、すなわち、触媒暖機が完了し、触媒暖機制御要求がOFFになった場合にも、ECU50は、電動過給器12による過給を停止し、EGR弁44を閉弁する(ステップS109)。すなわち、電動過給器12により外部EGR通路40を介して排気通路30に二次空気を導入するのを中止する。
By the way, even when the catalyst warm-up control request is not ON (step S105 / NO), that is, when the catalyst warm-up control request is turned OFF and the catalyst warm-up control request is turned OFF, the
ステップS109の処理後、ECU50は、外部EGR通路40を介して排気通路30を流れるEGRガスの一部を吸気通路10に還流させる制御、いわゆる外部EGR制御を行う。
After the processing of step S109, the
より具体的には、ECU50は、要求された外部EGR量に基づいて、EGR要求マップからEGR弁44の開度を決定し、EGR弁44の開度を調整する(ステップS111)。なお、ECU50は、直接的にエンジン回転数及びエンジン負荷に基づいて、EGR要求マップからEGR弁44の開度を決定してもよい。
More specifically, the
続いて、ECU50は、過給が必要か否かを判断する(ステップS113)。具体的には、ECU50は、要求トルクを実現するための過給圧を計算し、現在の吸気圧が計算した過給圧未満である場合に、過給が必要であると判断する。
Subsequently, the
過給が必要な場合(ステップS113/YES)、ECU50は、要求トルクを達成するように電動過給器12を作動させる(ステップS115)。一方、過給が必要ない場合(ステップS113/NO)、ECU50は、排ガスのエネルギによって電動過給器12を駆動させ、エネルギを回生する(ステップS117)。
When supercharging is necessary (step S113 / YES), the
ステップS115およびS117の処理後は、ステップS113に戻る。 After the processes of steps S115 and S117, the process returns to step S113.
以上、詳細に説明したように、エンジンシステム100は、内燃機関20の排気通路30に設けられ、排ガスを浄化する触媒31と、スロットルバルブ13よりも上流側の吸気通路10内に設置されたコンプレッサ12aを備え、電気的に作動する電動過給器12と、一端40aがコンプレッサ12aの下流側かつスロットルバルブ13の上流側で吸気通路10と接続し、他端40bが内燃機関20の下流側かつ触媒31の上流側で排気通路30と接続し、排ガスを排気通路30から吸気通路10へ還流可能な外部EGR通路40と、外部EGR通路40を流通する気体の流量を調整するEGR弁44と、内燃機関20がクランキングを開始してから触媒31の暖機が完了するまで、電動過給器12を作動させ、EGR弁44を開弁して外部EGR通路40を介して排気通路30に空気を導入するECU50と、を備えている。これにより、炭化水素が最も多く排出されるにも関わらず、背圧が確保できない内燃機関20の始動〜触媒31の暖機完了前において、排気通路30に空気が導入されるため、触媒31に空気が供給される。したがって、触媒31における未燃炭化水素の再燃焼を促進でき、炭化水素の排出を低減することができる。また、現状のエンジンシステムの過給器に電動モータ機構を付帯させた電動過給器と、EGRガス導入用の外部EGR通路とを活用することで、エンジンシステムに大幅な変更を加えずに済む。
As described above in detail, the
なお、上記実施形態において、図3に示すように、電動過給器12に代えて、電動コンプレッサ80を設けてもよい。この場合、ECU50は、内燃機関20のクランキング開始から触媒31の暖機完了又は空燃比フィードバック制御の開始まで、電動コンプレッサ80を作動させ、EGR弁44を開弁することにより、外部EGR通路40を介して空気を排気通路30に導入すればよい。
In the above embodiment, as shown in FIG. 3, an
また、上記実施形態では、排気通路30への空気の導入通路として外部EGR通路40を用いていたが、図4に示すように、一端60aがコンプレッサ12aの下流側かつスロットルバルブ13の上流側で吸気通路10と接続され、他端60bが内燃機関20の下流側かつ触媒31の上流側で排気通路30と接続された、外部EGR通路40とは別の二次空気通路60を設けてもよい。この場合、二次空気通路60には、二次空気通路60を流通する空気の量を調整する二次空気調量弁61が設けられる。そして、ECU50は、内燃機関20のクランキング開始から触媒31の暖機完了又は空燃比フィードバック制御の開始まで、電動過給器12を作動させ、EGR弁44を閉弁し、排ガスの空燃比が理論空燃比となるように二次空気調量弁61の開度を調整する。これにより、二次空気通路60を介して排気通路30に空気を導入できるため、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、外部EGR通路40を介して排気通路30に空気を導入するために電動過給器12を用いていたが、図5に示すように、外部EGR通路40へ空気を導入するエアポンプ70を用いてもよい。この場合、一端71aがEGR弁44と排気通路30との間に接続され、他端71bがエアポンプ70に接続された通路71には、外部EGR通路40に導入する空気の量を調整する逆止弁72が設けられる。そして、ECU50は、内燃機関20のクランキング開始から触媒31の暖機完了又は空燃比フィードバック制御の開始まで、エアポンプ70を作動させ、EGR弁44を閉弁し、排ガスの空燃比が理論空燃比となるように逆止弁72の開度を調整する。これにより、外部EGR通路40を介して排気通路30に空気を導入できるため、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、図5の構成においては、電動過給器12に代えて、内燃機関20の排ガスのエネルギにより作動する過給器12Aを用いてもよい。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態において、内燃機関20が複数の気筒を備える場合には、一部の気筒への燃料噴射を停止し、当該気筒を二次空気の供給通路として用いてもよい。
In the above-described embodiment, when the
上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。 The above-described embodiments are merely examples for carrying out the present invention, and the present invention is not limited to these. Various modifications of these embodiments are within the scope of the present invention, and It is apparent from the above description that various other embodiments are possible within the scope.
10 吸気通路
12 電動過給器
13 スロットルバルブ
12a コンプレッサ
20 内燃機関
30 排気通路
31 触媒
40 外部EGR通路(排ガス還流路)
40a 外部EGR通路の一端
40b 外部EGR通路の他端
44 EGR弁(流量調整弁)
50 ECU(制御部)
100 エンジンシステム
DESCRIPTION OF
40a One end of the
50 ECU (control unit)
100 engine system
Claims (1)
スロットルバルブよりも上流側の吸気通路内に設置されたコンプレッサを備え、電気的に作動する電動過給器と、
一端が前記コンプレッサの下流側かつ前記スロットルバルブの上流側で前記吸気通路と接続し、他端が前記内燃機関の下流側かつ前記触媒の上流側で前記排気通路と接続し、排気を前記排気通路から前記吸気通路へ還流可能な排ガス還流路と、
前記排ガス還流路を流通する気体の流量を調整する流量調整弁と、
前記内燃機関がクランキングを開始してから前記触媒の暖機が完了するまで、前記電動過給器を作動させ、前記流量調整弁を開弁して前記排ガス還流路を介して前記排気通路に空気を導入する制御部と、
を備える内燃機関の排気浄化装置。 A catalyst provided in an exhaust passage of the internal combustion engine for purifying exhaust;
An electric supercharger having a compressor installed in the intake passage upstream of the throttle valve and electrically operating;
One end is connected to the intake passage on the downstream side of the compressor and upstream of the throttle valve, and the other end is connected to the exhaust passage on the downstream side of the internal combustion engine and upstream of the catalyst. An exhaust gas recirculation passage capable of recirculation from the exhaust passage to the intake passage;
A flow rate adjusting valve for adjusting the flow rate of the gas flowing through the exhaust gas recirculation path;
From the start of cranking of the internal combustion engine until the warm-up of the catalyst is completed, the electric supercharger is operated, the flow rate adjustment valve is opened, and the exhaust passage through the exhaust gas recirculation passage is opened. A control unit for introducing air;
An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine.
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