JP4062883B2 - In-cylinder internal combustion engine - Google Patents

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    • Y02T10/40Engine management systems

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射型内燃機関、特に排気バルブ及び/又は吸気バルブの開閉タイミングを調整しうる筒内噴射型内燃機関における触媒の昇温技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
車両の内燃機関に備えられる触媒は、排気ガス中の有害成分(HC,CO,NOx等)を浄化する効果を有している。しかしながら、この排ガス浄化効果を得るためには触媒が所定の活性化温度に達していることが必要であり、冷態始動時のように触媒温度が低い状態では十分な効果を得ることはできない。この点については近年実用化されている筒内噴射型内燃機関でも同様であるが、筒内噴射型内燃機関では、燃料噴射時期を任意に制御できるという特性を生かした種々の触媒昇温技術が提案されている。
【0003】
例えば、特開2000−240485号公報には、触媒の昇温が要求される時、空燃比が理論空燃比近傍になるように燃料を圧縮行程中に噴射して成層燃焼を行わせる技術が開示されている。この技術は、成層燃焼によって空燃比がリッチな領域とリーンな領域とを局部的に生じさせ、リッチ空燃比領域では不完全燃焼により多量のCO,H2を発生させ、リーン空燃比領域では多量の余剰O2を発生させるようにしたものである。つまり、この技術によれば、多量のCO,H2及びO2を触媒に同時に供給することができ、触媒上でのCO,H2とO2との酸化反応による反応熱によって触媒を効率的に昇温させることができる。
【0004】
また、筒内噴射型内燃機関においては、主燃料の噴射後の膨張行程中に追加燃料を噴射することによって触媒を昇温させる技術も知られている。膨張行程中に噴射された追加燃料は内燃機関の出力には寄与せず、そのエネルギの多くは熱となって排気温度を高めることになるので、この技術によれば、高温の排気ガスを触媒に供給して触媒を効率的に昇温させることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術は、何れも、燃料噴射時期を任意に制御できるという筒内噴射型内燃機関の特性を生かし、燃料噴射時期によって内燃機関の燃焼状態を制御して触媒の昇温を図っている。しかしながら、内燃機関の燃焼状態を制御するためのパラメータとしては、上記の燃料噴射時期のほかに、点火時期や排気バルブ及び吸気バルブの開閉タイミング等がある。したがって、燃料噴射時期だけでなくこれらの燃料噴射時期以外の制御パラメータも用いて内燃機関の燃焼状態を制御すれば、より効率的な触媒の昇温制御が可能になると考えられる。
【0006】
本発明はこのような課題に鑑み創案されたもので、触媒を効率的に昇温させることを可能にした筒内噴射型内燃機関を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の筒内噴射型内燃機関は、排気通路に設けられ排気ガスの浄化を行う触媒の昇温が要求されるときには、制御手段により以下の昇温制御を実行することを特徴としている。すなわち、上記触媒の昇温が要求されるときには、燃料噴射手段を駆動して空燃比が理論空燃比近傍若しくは理論空燃比よりも若干希薄空燃比になるように燃料を圧縮行程中に燃焼室内に直接噴射するとともに、バルブタイミング調整手段を駆動して排気バルブと吸気バルブとの開弁期間のオーバラップを通常運転時よりも減少させ、且つ、点火手段による点火時期を上死点後に設定している。
【0008】
通常、点火時期を遅角させるほど後燃え燃焼による排気温度の上昇が期待できるが、点火時期があまりにも遅い場合には燃焼が不安定になってトルク変動等のドライバビリティの悪化を招いてしまう虞がある。しかしながら、本発明の筒内噴射型内燃機関では、圧縮行程中に燃料を噴射することによって燃焼速度の速い成層燃焼を実現し、これにより燃焼安定性を高めている。また、開弁期間のオーバラップを減少させることによって内燃機関の内部EGRを低減し、これによっても燃焼安定性を高めている。したがって、上記のように点火時期を大きく遅角させて上死点後に設定した場合でも安定した後燃え燃焼の確保によって排気温度は確実に高められ、圧縮行程噴射により生成されるCO,H2と余剰O2の触媒上での反応と相俟って触媒を効率よく昇温させることができる。
【0009】
なお、上記触媒の昇温が要求されるときとしては、内燃機関の冷態始動時の他、アイドリングやリーン運転がある程度の時間にわたって継続したときのように上記触媒の温度が活性化温度以下まで低下したり或いは低下しそうな状況にあるとき等が挙げられる。昇温要求の有無の判定は、例えば、触媒温度を検出或いは推定し、触媒温度が所定温度以下のときに昇温要求が有ると判定してもよい。なお、上記触媒の種類には限定はなく、三元触媒の他、吸蔵型NOx触媒や選択還元型NOx触媒等も適用できる。また、上記触媒の配設位置にも限定はなく、床下触媒でもよいし近接触媒でもよい。
【0010】
上記昇温制御時の空燃比(A/F)は、リッチ過ぎる場合には不完全燃焼の度合いが高すぎて未燃HCが多量に発生するとともに、上記点火手段としての点火プラグのくすぶりの要因となり、スモークを発生させる虞がある。逆にリーン過ぎる場合にはCOの生成量が不足するとともに、燃費の悪化やドライバビリティの低下を招いてしまう。したがって、上記昇温制御時の空燃比(A/F)は、14〜18の範囲に設定するのが好ましく、より好ましくは14.5〜16の範囲に設定する。同様に上記点火手段の周囲に局所的に生成されるリッチ領域の空燃比については8〜10の範囲になるのが好ましい。また、空燃比の制御はオープンループ制御でもよいが、より好ましくは、上記触媒の上流側に設置されるO2センサが活性化した時点で空燃比のフィードバック制御を行うようにする。
【0011】
また、上記バルブタイミング調整手段は、吸気バルブの開閉タイミングを調整するものでもよく、排気バルブの開閉タイミングを調整するものでもよい。さらに、吸/排気バルブ双方の開閉タイミングを調整するものでもよい。バルブタイミングの調整機構としては、切換式,位相切換式,偏芯式或いは電磁弁式等、少なくともバルブタイミングを変更可能なものであればよい。好ましくは、ベーン式のタイミング可変機構のように連続的にバルブタイミングを変更できる機構とする。この場合、上記昇温制御時のバルブオーバラップの量は、内燃機関の水温(或いは油温)や触媒温度(或いは排気温度)の上昇度に応じて増大させるのがより好ましい。上記昇温制御時のバルブオーバラップは、少なくとも通常運転時(温態時)よりも減少していればよいが、クランク角度で0度以下、すなわちオーバラップが全く無いか或いは排気バルブも吸気バルブも開いていない期間を設けるようにしてもよい。このようにオーバラップが全く無い状態とすることで、内部EGRを完全に無くすことができる。
【0012】
また、上記昇温制御における圧縮行程噴射においては、好ましくは、同負荷,同回転速度で比較したときの通常運転時の圧縮行程噴射における噴射時期よりも圧縮行程の範囲内で噴射時期を進角させる。このように噴射時期を進角させることで、燃焼室空間が比較的広いときに燃料を噴射することができ、燃料の拡散を促進して燃焼安定性をより向上させることが可能になる。また、噴射された燃料の霧化時間が十分に確保されることにより、スモークの発生を抑制することもできる。
【0013】
また、点火時期は、上死点から上死点後30度の範囲に設定するのが好ましい。より好ましくは、上死点後5〜20度の範囲に点火時期を設定する。このような範囲内に点火時期を設定することで、燃費の悪化やドライバビリティの低下を招くことなく排気温度を上昇させることができる。さらに、点火時期の遅角による出力の低下を補うために、点火時期の遅角度合いに応じて吸入空気量を増加するのも好ましい。
【0014】
上記の筒内噴射型内燃機関において、より好ましくは、上記昇温制御の開始後の所定時点で点火時期を上死点後から上死点前に変更(空燃比,燃料噴射時期及び開弁期間のオーバラップについては、上記昇温制御の設定を維持)するように上記制御手段を構成する。上記昇温制御では、点火時期の遅角による高温排気ガスの供給と圧縮行程噴射によるCO,H2及び余剰O2の供給とにより触媒の昇温を図っているが、触媒温度がある程度まで上がり触媒の一部分でも活性化すれば、その後は圧縮行程噴射によるCO,H2及び余剰O2の供給のみによっても十分に触媒を活性化温度まで昇温させることができる。したがって、このように上記昇温制御の開始後に点火時期を上死点後から上死点前に変更(進角)することにより、点火時期の遅角に伴う燃費の低下を抑制することが可能になる。
【0015】
なお、点火時期を上死点後から上死点前に変更する所定時点としては、触媒温度が所定温度に達した時点とするのが好ましい。触媒温度は触媒から直接検出してもよく、或いは高温センサにより検出できる排気温度から推定してもよい。また、内燃機関の冷却水温(或いは油温)が所定温度に達したら点火時期を変更するようにしてもよい。さらに、上記昇温制御の開始からの経過時間と触媒温度との関係を予め実験等で求めておき、上記昇温制御の開始から所定時間(触媒温度が所定温度まで達したと推定される時間)が経過した時点で点火時期を変更するようにしてもよい。また、この場合、点火時期を上死点後から上死点前へステップ状に変更してもよいが、好ましくは上死点後から上死点前へ徐々に(より好ましくは連続的に)点火時期を進角させていくようにする。そして、さらに好ましくは、検出或いは推定された触媒温度(或いは上記昇温制御の開始からの経過時間或いは水温等)に応じて点火時期を進角させていくようにする。
【0016】
さらに、上記昇温制御の実行に先立ち、以下のような昇温開始制御(第1,第2の昇温開始制御)を実行するように上記制御手段を構成する。
まず、第1の昇温開始制御では、上記触媒の昇温が要求されるとき、上記昇温制御の実行に先立ち、所定期間に亘り、上記燃料噴射手段を駆動して吸気行程で燃料を噴射するとともに、上記点火手段による点火時期を通常運転時よりも遅角させる。このように始めの所定期間はCOの生成量の少ない吸気行程噴射を行いながら点火時期を通常運転時よりも遅角させることで、CO排出量を低減できるとともに上記触媒の活性化の早期活性化を図ることが可能になる。なお、この場合、好ましくは、排気バルブと吸気バルブとの開弁期間のオーバラップは通常運転時よりも減少させるようにする。
【0017】
また、第2の昇温開始制御では、上記触媒の昇温が要求されるとき、上記昇温制御の実行に先立ち、所定期間に亘り、上記燃料噴射手段を駆動して圧縮行程中に主燃料を噴射した後に追加燃料を膨張行程以降に噴射する。このように主燃料と追加燃料のいわゆる二段燃焼により上記触媒をある程度まで昇温させた後で上記昇温制御の実行することにより、CO排出量を低減しながら触媒を効率良く昇温させることが可能になる。なお、この場合、好ましくは、排気バルブと吸気バルブとの開弁期間のオーバラップは通常運転時よりも減少させるようにする。また、点火時期は通常運転時よりも遅角させるのが好ましい。さらに、追加燃料の噴射時期としては、膨張行程中期以降が好ましい。
また、上記燃焼室から排出された上記排気ガスを積極的に干渉させるための容積部を有する反応型排気マニホールドをそなえていることが好ましい。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
まず、本発明の第1実施形態にかかる筒内噴射型内燃機関の概要について説明すると、本筒内噴射型内燃機関は、吸気,圧縮,膨張及び排気の各行程を一作動サイクル中に備える4サイクル機関であって、火花点火式で、且つ、燃焼室内に燃料を直接噴射可能に構成されている。より具体的には、本筒内噴射式内燃機関は図1の概略構成図に示すように構成されている。
【0019】
図1に示すように、本筒内噴射式内燃機関(以下、エンジンという)1のシリンダヘッド2には、吸気通路4および排気通路5が燃焼室3に連通しうるように接続されている。吸気通路4と燃焼室3とは吸気バルブ6によって連通制御されるとともに、排気通路5と燃焼室3とは排気バルブ7によって連通制御されるようになっている。このうち吸気バルブ6には、吸気バルブ6の開閉タイミングを可変調整するバルブタイミング調整装置10が備えられている。バルブタイミング調整装置(バルブタイミング調整手段)10の機構は公知であるのでここでは詳細な説明は省略するが、例えばタイミングベルトを介してクランク軸に連結されるタイミングプーリのハウジング内にベーンロータを回動可能に設け、このベーンロータに吸気カム軸を連結することによって構成される。そして、ベーンロータに作用させる油圧を制御することでタイミングプーリに対する吸気カム軸の位相を調整し、吸気バルブ6の開閉タイミングを連続的に調整できるようになっている。
【0020】
また、シリンダヘッド2には、各気筒毎に燃料噴射弁(燃料噴射手段)9が備えられている。燃料噴射弁9は、燃焼室3内に燃料を直接噴射できるように、その開口を燃焼室3に臨ませるように配置されている。この燃料噴射弁9には、図示しない低圧燃料ポンプ及び高圧燃料ポンプにより加圧された燃料が供給されるようになっている。さらに、シリンダヘッド2の各気筒の燃焼室3の頂部中央には、点火プラグ(点火手段)8が備えられている。
【0021】
吸気通路4には、各気筒の燃焼室3内に吸入空気を導入するための吸気マニホールド11が備えられている。シリンダヘッド2には、吸気ポートが気筒毎に燃焼室3に対して比較的直立して設けられており、吸気マニホールド11は各吸気ポートと連通するようにシリンダヘッド2に接続されている。吸気マニホールド11の上流には、吸入空気量を調整するためのスロットルバルブ12が設けられている。
【0022】
一方、排気通路5には、各気筒の燃焼室3から排出された排ガスを一つに集合させる排気マニホールド17が備えられている。シリンダヘッド2には、排気ポートが気筒毎に比較的水平方向に設けられており、排気マニホールド17は各排気ポートと連通するようにシリンダヘッド2に接続されている。排気マニホールド17としては、各気筒の燃焼室3から排出される排気ガスの干渉を防止してエンジン出力の向上を図るためデュアルタイプの排気マニホールドが採用されている。また、排気マニホールド17の下流側で車両床下には触媒装置18および図示しないマフラ (消音器)が設けられている。触媒装置18は、排気ガス中の有害成分(CO,未燃HC,NOx)を浄化する装置であり、吸蔵型NOx触媒18Aの上下流に三元触媒18B,18Cを配置した構造になっている。
【0023】
さらに、車室内には、エンジン1を制御する制御手段としての電子制御ユニット(ECU)30が備えられている。ECU30は、入出力装置,ROM,RAM,CPU及びタイマカウンタ等から構成されており、入力側に接続された種々のセンサからの検出情報に基づいてエンジン1の総合制御を行っている。
ECU30の入力側に接続されるセンサとして、まず吸気通路4には、そのスロットルバルブ12の配設部分に、スロットルバルブ12の開度θthを検出するためのスロットルポジションセンサ(TPS)20が付設されている。また、排気通路5には、触媒装置18の上流部分にO2センサ21と高温センサ22とが配設されている。O2センサ21は、排気ガス中の酸素濃度を検出するセンサであり、理論空燃比(ストイキオ)を境としてその出力が大きく変化するような特性を有している。高温センサ22は排気ガスの温度を検出するセンサである。さらに、その他のセンサとして、エンジン1の冷却水の水温WTを検出する水温センサ23や、クランクシャフトの回転に同期して信号を出力するクランク角センサ24や、図示しないアクセル開度センサやエアフローセンサ等が設けられている。なお、クランク角センサ24からの信号はエンジン回転速度Neの算出に用いられる。
【0024】
一方、ECU30の出力側には、点火プラグ8,燃料噴射弁9及びバルブタイミング調整装置10等が接続されている。ECU30は、上記の各種センサ20〜24からの検出情報に基づいて、点火プラグ8の点火時期や、燃料噴射弁9からの燃料噴射時期及び燃料噴射量や、バルブタイミング調整装置10による吸気バルブ6の開閉タイミング等を制御している。
【0025】
なお、本実施形態にかかるエンジン1の燃料噴射の態様(燃料噴射モード)としては、吸気行程中に燃料を噴射して予混合燃焼を行う吸気行程噴射モードと、圧縮行程中に燃料を噴射して成層燃焼を行う圧縮行程噴射モードの燃料噴射時期の異なる2つのモードが設けられている。より詳しくは、吸気行程噴射モードとして、O2センサ21からの信号を用いて空燃比がストイキオになるようにフィードバック制御する吸気O2−F/Bモード、ストイキオよりも希薄な空燃比(リーン空燃比)となるようオープンループ制御する吸気リーンモード、及び、ストイキオよりも過濃な空燃比(リッチ空燃比)となるようオープンループ制御する吸気O/Lモードが設けられている。一方、圧縮行程噴射モードとしては、吸気リーンモードよりもさらに希薄な空燃比となるようオープンループ制御する圧縮リーンモード、ストイキオよりも若干リーンなスライトリーン空燃比(A/F=15〜16)となるようオープンループ制御する圧縮スライトリーンモード(圧縮S/Lモード)が設けられている。
【0026】
上記の噴射モードのうち、各吸気行程噴射モードと圧縮リーンモードとは、通常時の燃料噴射制御に用いられ、ECU30は、アクセル開度とエンジン回転速度Neとで決まるエンジン1の運転状態に応じて適宜の燃料噴射モードを選択するようになっている。一方、圧縮S/Lモードは、後述する昇温制御時の燃料噴射制御に用いられる。昇温制御は、触媒装置18の昇温が要求される場合、すなわち触媒装置18の温度が低下しているような状況で選択されるエンジン1の制御方法であり、本実施形態にかかるエンジン1では、ECU30は、上記の燃料噴射モードに加え、点火プラグ8の点火時期と、バルブタイミング調整装置10による吸気バルブ6の開閉タイミングとを総合制御することによって実現している。
【0027】
以下、本発明の第1実施形態にかかる昇温制御について、図2のフローチャート及び図3のタイムチャートを用いて説明する。なお、ここでは、エンジン1を冷態始動させる場合の昇温制御について説明する。
まず、ステップS10では、ECU30は、始動スイッチ(例えばイグニションキー)が操作されてオン状態とされた場合、すなわちエンジン1が始動したと判定された場合に、本制御ルーチンで用いるタイマの値Tを0にリセットしてカウントを開始する〔すなわちタイマオン、図3(d)参照〕。そして、ステップS20において、エンジン回転速度Neが所定値Ne0(Ne0>アイドル回転速度)に達したと判定され、始動判定が完了したら次のステップS30に進む。なお、図3(a)に示すように、エンジン1の始動後、エンジン回転速度Neが所定値Ne0に達するまでは、始動に十分な燃料を供給すべく燃料噴射モードは吸気O/Lモードが選択される。
【0028】
ステップS30では、ECU30は、昇温制御を実行してもよいか否かを判定する。具体的には、冷却水温(単に、水温という)WT,エンジン回転速度Ne,目標平均有効圧Pe(アクセル開度とエンジン回転速度Neとから推定),車速Vがそれぞれ対応する所定値WT1,Ne1,Pe1,V1以下であるか否かを判定する。エンジン回転速度Ne,目標平均有効圧Pe,車速Vのいずれかが高い条件では、エンジン1の運転状態は圧縮行程噴射領域を外れており、排気温度が高い通常走行状態とみなすことができるので、昇温制御を用いなくても触媒装置18を昇温することができ、逆に昇温制御を実行すると排気浄化触媒装置18の過昇温を招く虞がある。また、水温センサ23により検出された冷却水温WTが、所定値、すなわちエンジン1が暖機したとみなせる暖機温度WT1以下であるか否かを判定するのは、排気浄化触媒装置18の過昇温を防止するためである。
【0029】
したがって、水温WT,エンジン回転速度Ne,目標平均有効圧Pe,車速Vのいずれかが対応する所定値WT1,Ne1,Pe1,V1よりも大きい場合(Noルート)には、ECU30は、昇温制御を実行することなく、ステップS40において通常時の制御を実行する。つまり、エンジン1の運転状態に応じた燃料噴射モード,点火時期,及び吸気バルブ6の開閉タイミングを選択する。一方、水温WT,エンジン回転速度Ne,目標平均有効圧Pe,車速Vのいずれもが対応する所定値WT1,Ne1,Pe1,V1以下の場合(Yesルート)には〔図3(e)〜図3(h)参照〕、次のステップS50に進み、昇温制御を実行する。
【0030】
昇温制御は、上述したように燃料噴射モード,点火時期,及び吸気バルブ6の開閉タイミングの総合制御によって実現される。具体的には、ECU30は、燃料噴射モードとして圧縮S/Lモードを選択し、点火時期は圧縮上死点後に遅角させる〔図3(a),図3(b)参照〕。また、吸気バルブ6の開閉タイミングは図4に示すように排気バルブ7と吸気バルブ6との開弁期間のオーバラップ(バルブオーバラップ)が通常運転時よりも減少するように遅角させる〔図3(c)参照〕。
【0031】
冷態始動時のように触媒温度が低く触媒装置18の浄化能力が低いときには、空燃比は燃焼が悪化しない範囲で極力リーン化したほうが未燃HCの低減に効果がある。その際、吸気行程噴射よりも圧縮行程噴射のほうが成層燃焼のため燃焼が早く、燃焼安定性に優れており、ドライバビリティも良好となる。加えて、空燃比をストイキオ近傍或いはストイキオよりも若干リーン寄りのスライトリーン空燃比に制御して圧縮行程噴射を行った場合には、局部的に極めて燃料濃度の濃いリッチ領域と燃料濃度の薄いリーン領域とが燃焼室3内に形成される。そして、リッチ領域では局部的に酸素が不足するために不完全燃焼が生起されて比較的多量のCO,H2が発生し、リーン領域では燃焼に寄与しないO2が余剰O2として多く存在することになる。
【0032】
したがって、上述のように燃料噴射モードとして圧縮S/Lモードが選択されることにより、反応性に富むCO,H2と余剰O2とを排気通路5を経て触媒装置18へ同時供給することができ、排気通路5及び触媒装置18内での酸化反応によるCO,H2とO2との反応熱によって触媒装置18の昇温が図られることになる。なお、空燃比がリッチ過ぎる場合には不完全燃焼の度合いが高すぎて未燃HCが多量に発生するとともに、点火プラグ8のくすぶりの要因となり、スモークを発生させる虞がある。逆に空燃比がリーン過ぎる場合にはCO,H2の生成量が不足するとともに、燃費の悪化やドライバビリティの低下を招いてしまう。したがって、昇温制御における空燃比は、14〜18の範囲に設定されるのが好ましく、より好ましくは14.5〜16の範囲とする。また、点火プラグ8の周りに局所的に生成されるリッチ領域の空燃比については8〜10の範囲が好ましい。
【0033】
また、ECU30は、燃料噴射モードとして圧縮S/Lモードを選択すると同時に、点火時期を圧縮上死点後まで遅角させている。このように点火時期が圧縮上死点後まで遅角されることによって、膨張行程での十分な後燃えが可能になり、後燃えによる排気温度の上昇によってより速やかに触媒装置18の昇温が図られることになる。特に、CO,H2とO2との反応熱のみでは、触媒18A〜18Cが全く活性していない場合や活性化度合いが低い場合、触媒18A〜18Cが活性化するまでに時間がかかるが、上記のように点火時期が圧縮上死点後まで遅角されることによって排気温度を高めることができ、触媒18A〜18C(特に18B)を十分に加熱して活性化させることができる。その結果、圧縮S/Lモードでの燃料噴射により供給されるCO,H2及びO2を触媒18A〜18C(特に18B)上で有効に反応させることができ、その反応熱によって触媒18A〜18C(特に18B)のさらなる早期活性化が図られることになる。
【0034】
ここで、図5は、冷態始動後の触媒装置18内の三元触媒18Bの入口部と中心部における温度Texの時間変化(a)を、NOx浄化効率(b),CO浄化効率(c),及びHC浄化効率(d)の時間変化と併せて、上述の昇温制御を実行した場合(実線)と昇温制御を実行することなく通常の制御を実行した場合(一点鎖線)とで比較して示したものである。本実施形態にかかる触媒装置18はエンジン1本体から遠いため排気ガスが触媒装置18に到達する前に排気温度が下がりやすく、また、デュアルタイプ排気マニホールド17は排気干渉が少ない分、排気マニホールド17内での反応が少なく、且つ熱容量が大きいと同時に表面積(放熱面積)が大きいために排気温度が下がりやすい。しかしながら、このように排気温度の維持に不利な構造であっても、これらの図5(a)〜図5(d)に示すように、冷態始動時、上述の昇温制御を実行した場合には、触媒装置18を早期に活性化温度まで上昇させ、有害物質(HC,CO及びNOx)の浄化効率を速やかに上昇させることができる。
【0035】
また、上述のように点火時期が圧縮上死点後まで遅角される場合、通常であれば燃焼が不安定になってトルク変動等のドライバビリティの悪化を招いてしまうことになるが、ECU30は、点火時期を遅角させるとともに、燃焼安定性の高い圧縮行程噴射を行っている。そして、さらに、上述のように排気バルブ7と吸気バルブ6との開弁期間のオーバラップを通常運転時よりも減少させことによってエンジン1の内部EGRを低減し、これによっても燃焼安定性を高めている。したがって、点火時期を圧縮上死点後まで大きく遅角させた場合でも、燃焼安定性の低下によってドライバビリティが悪化することがない。また、開弁期間のオーバラップを小さくすることによる燃焼安定性の向上は、リーン化に伴う燃焼安定性の悪化を補うので、より容易にリーン化を図ることも可能になる。
【0036】
つまり本実施形態にかかる昇温制御によれば、空燃比がストイキオ近傍若しくはスライトリーン空燃比になるように燃料を圧縮行程中に噴射することと、点火時期を圧縮上死点後に設定することと、排気バルブ7と吸気バルブ6との開弁期間のオーバラップを通常運転時よりも減少させることの相乗効果によって、燃焼安定性の悪化を招くことなく触媒装置18を効率的に昇温することができるという効果が得られる。
【0037】
なお、点火時期の設定は、具体的には圧縮上死点後0〜30度の範囲とする。圧縮上死点後30度を超えないのは、圧縮上死点後30度を超えるとさすがに燃焼安定性が低下してしまうからである。好ましくは圧縮上死点後5〜20度の範囲とする。この範囲の設定により十分な排気昇温効果を得ることができる。また、排気バルブ7と吸気バルブ6との開弁期間のオーバラップは、少なくとも温態時(通常運転時)の同負荷,同回転速度における設定量よりも小さければよいが、バルブタイミング調整装置10の機構上可能であれば、好ましくは0度以下の設定にする。オーバラップがある限りは燃焼安定性の低下の要因である内部EGRは多少とも存在しており、特に吸気通路4に負圧が発生している場合には、わずかでもオーバラップがあると負圧に引かれて本来排気通路5に排出されるべき排気ガスが内部EGRとして燃焼室3内に残存してしまう。したがって、上記のようにオーバラップを0度以下に設定することで内部EGRを完全に無くし、さらなる燃焼安定性の向上を図ることが可能になる。
【0038】
以上のように昇温制御を実行して触媒装置18の昇温を実施したら、ECU30は、次にステップS60の処理を行う。ステップS60では、ECU30は、タイマが所定タイマ時間T1をカウントしたか否か、即ち上記の昇温制御を所定タイマ時間T1を超えて継続したか否かを判定する。所定タイマ時間T1は、予め実験等により、例えば、冷態始動後、昇温制御の実行により触媒装置18が活性化温度に近い所定温度にまで昇温したと推定されるまでの時間に設定されている。そして、タイマが所定タイマ時間T1に達していない場合(Noルート)には、ECU30は、ステップS30の処理を経て再びステップS50において昇温制御を継続する。一方、タイマが所定タイマ時間T1をカウントした場合(Yesルート)には、次のステップS70の処理を行う。すなわち、ステップS70では、ECU30は、昇温制御を終了し〔図3(a)〜図3(c)参照〕、エンジン1の運転状態に応じた燃料噴射モード,点火時期,及び吸気バルブ6の開閉タイミングを選択して再び通常の制御を行う。
【0039】
次に、本発明の第2実施形態について図6及び図7を用いて説明する。
本実施形態は第1実施形態よりも昇温制御における制御精度の向上を図ったものである。このため、本実施形態では、エンジン1の燃料噴射の態様(燃料噴射モード)として、第1実施形態と同様の各燃料噴射モードに加え、圧縮行程噴射モードの一つとしてO2センサ21からの信号を用いて空燃比がストイキオになるようにフィードバック制御する圧縮O2−F/Bモードが設けられている。ECU30は、この圧縮O2−F/Bモードを圧縮S/Lモードと共に昇温制御時の燃料噴射制御に用いている。すなわち、本実施形態は昇温制御の方法に第1実施形態との相違があり、以下、この相違点である昇温制御の方法について重点的に説明する。なお、エンジン(筒内噴射型内燃機関)1の構成については第1実施形態と同構成であるのでここでは説明を省略し、以下、第1実施形態と同符合を用いるものとする。
【0040】
図6のフローチャートに示すように、本実施形態は、第1実施形態にかかる昇温制御の実行ステップ(ステップS50)の代わりに、ステップS51〜S53の処理を行うことを特徴としている。つまり、本実施形態では、ステップS51〜S53で昇温制御の実行ステップが構成されている。なお、他のステップについては第1実施形態と同様の処理内容なのでここでは説明を省略する。
【0041】
まず、ステップS30において、水温WT,エンジン回転速度Ne,目標平均有効圧Pe,車速Vのいずれもが対応する所定値WT1,Ne1,Pe1,V1以下と判定された場合(Yesルート)〔図7(f)〜図7(i)参照〕、ECU30は、次のステップS51に進んで、O2センサ21が活性化状態にあるか否かを判定する。O2センサ21は、ある程度の高温下でその性能を発揮するように構成されているため、低温状態では適正なフィードバック制御を行うことができない。そこで、例えばO2センサ21のリッチ空燃比における出力電圧を所定の活性判定電圧と比較することによってO2センサ21が活性化状態を判別する。そして、O2センサ21が未だ活性化状態にない(オフ)と判定された場合(Noルート)には〔図7(a)参照〕、ステップS52に進む。
【0042】
ステップS52では、ECU30は、第1実施形態と同様に、燃料噴射モードとして圧縮S/Lモードを選択し、点火時期は圧縮上死点後に遅角させ、吸気バルブ6の開閉タイミングは排気バルブ7と吸気バルブ6との開弁期間のオーバラップが通常運転時よりも小さくなるように遅角させる〔図7(b)〜図7(d)参照〕。一方、O2センサ21が活性化状態にある(オン)と判定された場合(Yesルート)には〔図7(a)参照〕、ステップS53に進む。
【0043】
ステップS53では、ECU30は、点火時期は圧縮上死点後に遅角させて、吸気バルブ6の開閉タイミングは排気バルブ7と吸気バルブ6との開弁期間のオーバラップが通常運転時よりも小さくなるように遅角させたまま、燃料噴射モードとして圧縮O2−F/Bモードを選択する〔図7(b)〜図7(d)参照〕。このように、空燃比がストイキオになるようにフィードバック制御しながら圧縮行程噴射を実行することにより、圧縮S/Lモードを選択した場合と同様に成層燃焼によって比較的多量のCO,H2及び余剰O2を生成することができる。さらに、フィードバック制御であることから、圧縮S/Lモードにおけるオープンループ制御に比較して空燃比の正確な設定が可能になる。したがって、本実施形態によれば、第1実施形態よりも制御精度を高めることができ、触媒装置18をより効率よく昇温させることが可能になるという効果がある。なお、フローチャート中には示していないが、ステップS40で通常時の制御を行う場合も、O2センサ21が活性化状態にあると判定された以降は、吸気O/Lモードから吸気O2−F/Bモードへ燃料噴射モードを切り替える。
【0044】
圧縮O2−F/Bモードにおいては、通常、空燃比がストイキオとなるようにフィードバック制御を行うが、フィードバックゲイン(例えばPI制御の場合には、積分ゲイン或いは比例ゲイン)の設定を変えることによって、スライトリーン空燃比を目標空燃比としてフィードバック制御を行ってもよい。また、圧縮行程噴射では、成層燃焼に伴う局部的な不完全燃焼により排気ガス中に比較的多量のH2が発生するが、このH2はO2よりもO2センサ21のPt電極を覆うコート層を拡散する速度が速いため、O2濃度が実際よりも小さく検出されてO2センサ21の出力はややリッチ寄りとなる。したがって、ストイキオを目標空燃比としてフィードバック制御を行った場合でも、実際の空燃比は自然にストイキオよりも若干リーン寄りのスライトリーン空燃比に制御されることになる。
【0045】
また、図1ではO2センサ21は触媒装置18の上流側に配置しているが、触媒装置18の下流側に配置してもよく、さらに上下流両側に配置してもよい。さらに、O2センサ21として、リニア空燃比センサを用いることもできる。この場合には、任意の空燃比を目標空燃比としてフィードバック制御を実行することができる。
【0046】
次に、本発明の第3実施形態について図8及び図9を用いて説明する。
本実施形態は第1実施形態よりも昇温制御における燃費の向上を図ったものであり、昇温制御の方法に第1実施形態との相違がある。以下、この相違点である昇温制御の方法について重点的に説明する。なお、エンジン(筒内噴射型内燃機関)1の構成については第1実施形態と同構成であるので説明を省略し、以下、第1実施形態と同符合を用いるものとする。
【0047】
図8のフローチャートに示すように、本実施形態では、昇温制御を二段階(ステップS50,ステップS57)に分けて実行することを特徴としている。まず、第1段階の昇温制御(第1昇温制御)の実行処理(ステップS50)は第1実施形態と同様であり、ECU30は、燃料噴射モードとして圧縮S/Lモードを選択し、点火時期は圧縮上死点後に遅角させ、吸気バルブ6の開閉タイミングは排気バルブ7と吸気バルブ6との開弁期間のオーバラップが通常運転時よりも小さくなるように遅角させる〔図9(a)〜図9(c)参照〕。
【0048】
次にステップS54では、ECU30は、タイマが所定タイマ時間T2をカウントしたか否か、即ち上記の第1昇温制御を所定タイマ時間T2を超えて継続したか否かを判定する〔図9(d)参照〕。所定タイマ時間T2は、予め実験等により、例えば、冷態始動後、第1昇温制御の実行により触媒装置18が所定温度にまで昇温したと推定されるまでの時間に設定されている。そして、タイマが所定タイマ時間T2に達していない場合(Noルート)には、ECU30は、ステップS30の処理を経て再びステップS50において第1昇温制御を継続する。一方、タイマが所定タイマ時間T2をカウントした場合(Yesルート)には、次のステップS55の処理を行う。
【0049】
ステップS55では、ECU30は、第2段階の昇温制御(第2昇温制御)を実行してもよいか否かを判定する。具体的には、ステップS30と同様に、水温WT,エンジン回転速度Ne,目標平均有効圧Pe,車速Vがそれぞれ各対応する所定値WT1,Ne1,Pe1,V1以下であるか否かを判定する〔図9(e)〜図9(h)参照〕。そして、水温WT,エンジン回転速度Ne,目標平均有効圧Pe,車速Vのいずれかが対応する所定値WT1,Ne1,Pe1,V1よりも大きい場合(Noルート)には、ECU30は、第2昇温制御を実行することなく、ステップS56において通常時の制御を実行する。一方、水温WT,エンジン回転速度Ne,目標平均有効圧Pe,車速Vのいずれもが対応する所定値WT1,Ne1,Pe1,V1以下の場合(Yesルート)には、次のステップS57に進み、第2昇温制御を実行する。なお、ここでは第1昇温制御の開始判定で用いた所定値WT1,Ne1,Pe1,V1を第2昇温制御の開始判定でも用いているが、第1昇温制御とは異なる所定値WT2,Ne2,Pe2,V2を用いてもよい。
【0050】
第2昇温制御は、燃料噴射モードと吸気バルブ6の開閉タイミングの総合制御によって実現される。具体的には、ECU30は、第1昇温制御に実行時と同様に、燃料噴射モードとして圧縮S/Lモードを選択し、吸気バルブ6の開閉タイミングは排気バルブ7と吸気バルブ6との開弁期間のオーバラップが通常運転時よりも小さくなるように遅角させたままで〔図9(a),図9(c)参照〕、点火時期を通常制御時と同様に上死点前に進角させる〔図9(b)参照〕。また、ここでは点火時期は上死点前の通常制御時と同じ時期にしているが、上死点前としながら通常制御時よりも若干遅角させてもよい。これは、圧縮S/Lモードでの圧縮行程噴射を行っているため燃焼安定性が良く、多少点火時期を遅角させてもドライバビリティの悪化を招くことがないからである。
【0051】
第1昇温制御では、点火時期の遅角による高温排気ガスの供給と圧縮行程噴射によるCO,H2及びO2の同時供給とにより触媒装置18の昇温を図っているが、触媒温度がある程度まで上がり触媒装置18の一部分でも活性化すれば、その後は圧縮行程噴射によるCO,H2及びO2の供給のみによっても十分に触媒装置18を活性化温度まで昇温させることができる。したがって、このように第1昇温制御の開始後、所定時間T2が経過した時点で点火時期を上死点後から上死点前に変更(進角)することにより、点火時期の遅角に伴う燃費の低下を抑制することが可能になる。したがって、本実施形態によれば、第1実施形態よりも燃費の悪化を抑制しながら触媒装置18を昇温させることが可能になるという効果がある。なお、ここでは所定タイマ時間T2の経過により点火時期をステップ状に変化(進角)しているが、徐々に遅角量を少なくしていくようにしてもよい。
【0052】
以上のように第2昇温制御を実行して触媒装置18の昇温を実施したら、ECU30は、次にステップS61の処理を行う。ステップS61では、ECU30は、タイマが所定タイマ時間T3をカウントしたか否か、即ち上記の第1,第2昇温制御を所定タイマ時間T3を超えて継続したか否かを判定する。所定タイマ時間T3は、予め実験等により、例えば、冷態始動後、第1,第2昇温制御の実行により触媒装置18が活性化温度に近い所定温度にまで昇温したと推定されるまでの時間に設定されている。そして、タイマが所定タイマ時間T3に達していない場合(Noルート)には、ECU30は、ステップS54の処理を経て再びステップS57において第2昇温制御を継続する。一方、タイマが所定タイマ時間T3をカウントした場合(Yesルート)にはステップS70に進み、ECU30は、第2昇温制御を終了して通常時の制御を行う〔図9(a),図9(c),図9(d)参照〕。
【0053】
次に、本発明の第4実施形態について図10及び図11を用いて説明する。
本実施形態は始動直後におけるエンジン制御をより適性に行うことで、第1実施形態よりも触媒をより効率よく昇温させることを図ったものである。つまり、第1実施形態の昇温制御のように、空燃比をストイキオ近傍若しくはスライトリーン空燃比にして圧縮行程噴射を行うことにより、排気ガス中に比較的多量のCOを生成することができるが、これを触媒が十分に活性化していない状態で実施しても、生成されたCOは触媒上で反応せずにそのまま大気中に排出されてしまう虞がある。そこで、本実施形態では、図10のフローチャートに示すように、エンジン始動後の所定時間は次のような昇温開始制御(第1の昇温開始制御)を行うことによって触媒を予熱し、触媒の早期活性化を図っている。以下、第1実施形態との相違点である昇温開始制御について重点的に説明する。なお、エンジン(筒内噴射型内燃機関)の構成については第1実施形態と同構成であるのでここでも第1実施形態と同符合を用いるものとする。
【0054】
図10のフローチャートに示すように、ECU30は、ステップS20で始動判定が完了したら、次にステップS21の処理を行う。なお、ステップS10,S20の処理内容は第1実施形態と同様である。ステップS21では、ECU30は、昇温開始制御を実行してもよいか否か、具体的には、水温WT,エンジン回転速度Ne,目標平均有効圧Pe,車速Vがそれぞれ各対応する所定値以下であるか否かを判定する〔図11(e)〜図11(h)参照〕。水温WT,エンジン回転速度Ne,目標平均有効圧Pe,車速Vのいずれかが対応する所定値よりも大きい場合(Noルート)には、ECU30は、排気浄化触媒装置18を過昇温させる虞があるので昇温開始制御を実施せず、ステップS22に進んで通常時の制御を実行する。一方、水温WT,エンジン回転速度Ne,目標平均有効圧Pe,車速Vのいずれもが対応する所定値以下の場合(Yesルート)には、ステップS23に進んで以下の昇温開始制御を実行する。
【0055】
昇温開始制御では、燃料噴射モードとして吸気O/Lモードを選択した状態で、点火時期を通常運転時よりも遅角させる。このとき、吸気バルブ6の開閉タイミングは通常運転時のままでもよいが、好ましくは排気バルブ7と吸気バルブ6との開弁期間のオーバラップが通常運転時よりも小さくなるように遅角させる〔図11(a)〜図11(c)参照〕。また、空燃比の設定は好ましくはストイキオ近傍或いはスライトリーン空燃比とする。吸気O/Lモードは吸気行程噴射であるのでCOの生成量が少なく、また、点火時期を通常運転時よりも遅角させることで後燃えにより排気温度を高めることができる。したがって、触媒装置18が活性化していないエンジン始動直後、このように吸気行程噴射を行いながら点火時期を通常運転時よりも遅角させることで、CO排出量を低減しながら触媒装置18をある程度まで昇温することが可能となる。そして、触媒装置18がある程度活性化した時点で昇温制御を開始し、圧縮行程噴射により多量のCO,H2及び余剰O2を供給することにより、触媒18A〜18C上での酸化反応に伴う反応熱により触媒装置18をより効率よく昇温することが可能になる。なお、吸気行程噴射時の点火時期は、少なくとも通常運転時よりも遅角させていればよく、昇温制御時のように大きく上死点後まで遅角させる必要は無い。また、この制御では、圧縮行程噴射による燃焼安定性は得られないが、開弁期間のオーバラップが通常運転時よりも小さくなるように吸気バルブ6の開閉タイミングを調整することで、内部EGRの減少によりある程度の燃焼安定性は確保することができる。
【0056】
以上のように昇温開始制御を実行したら、ECU30は、次にステップS24の処理を行う。ステップS24では、ECU30は、タイマが所定タイマ時間T4をカウントしたか否か、即ち上記の昇温開始制御を所定タイマ時間T4を超えて継続したか否かを判定する〔図11(d)参照〕。所定タイマ時間T4は、予め実験等により、例えば触媒装置18の触媒18A〜18C上で酸化反応が開始される程度までに触媒温度が上昇したと推定される時間に設定されている。タイマが所定タイマ時間T4に達していない場合(Noルート)には、ECU30は、再びステップS23において昇温開始制御を継続し、タイマが所定タイマ時間T4をカウントした場合(Yesルート)には、昇温開始制御を終了してステップS30に進む。
【0057】
ステップS30以降の処理内容は第1実施形態と同様なのでここでは説明を省略する。なお、ステップS62のタイマ時間T5は、ここでは昇温開始制御と昇温制御の実行により触媒装置18が活性化温度に近い所定温度にまで昇温したと推定されるまでの時間に設定されている〔図11(d)参照〕。本実施形態によれば、昇温制御に先立ち昇温開始制御を実行することで触媒装置18をより効率よく昇温させることができるため、タイマ時間T5は第1実施形態のタイマ時間T1よりも短い時間に設定することができる。また、点火時期の変更の際には、いずれもステップ状に変化させているが、好ましくは徐々に(より好ましくは連続的に)変更する。そして、さらに好ましくは、検出或いは推定された触媒温度(或いは制御開始からの経過時間或いは水温等)に応じて、点火時期を変更してもよい。
【0058】
次に、本発明の第5実施形態について図12及び図13を用いて説明する。
本実施形態も第4実施形態と同様に始動直後におけるエンジン制御をより適性に行うことで、触媒をより効率よく昇温させることを図ったものである。本実施形態では、エンジン始動後の所定時間、昇温制御に先立ちいわゆる二段燃焼制御(第2の昇温開始制御)を実行することによって触媒を予熱し、触媒の早期活性化を図っている。以下、第1実施形態との相違点である二段燃焼制御について重点的に説明する。なお、エンジン(筒内噴射型内燃機関)の構成については第1実施形態と同構成であるのでここでも第1実施形態と同符合を用いるものとする。
【0059】
具体的には、図12のフローチャートに示すように、ステップS20で始動判定が完了したら、ECU30は、次にステップS25の処理を行う。なお、ステップS10,S20の処理内容は第1実施形態と同様である。ステップS25では、ECU30は、二段燃焼制御を実行してもよいか否か、具体的には、水温WT,エンジン回転速度Ne,目標平均有効圧Pe,車速Vがそれぞれ各対応する所定値以下であるか否かを判定する〔図12(e)〜図12(h)参照〕。エンジン回転速度Ne,目標平均有効圧Pe,車速V,水温WTのいずれかが対応する所定値よりも大きい場合(Noルート)には、ECU30は、排気浄化触媒装置18を過昇温させる虞があるので二段燃焼制御を実施せず、ステップS26に進んで通常時の制御を実行する。一方、水温WT,エンジン回転速度Ne,目標平均有効圧Pe,車速Vのいずれもが対応する所定値以下の場合(Yesルート)には、ステップS27に進んで以下の二段燃焼制御を実行する。
【0060】
二段燃焼制御は、圧縮行程で主燃料を噴射した後、膨張行程以降でさらに追加燃料を噴射する燃料の二段噴射を行う制御である。追加燃焼の噴射時期としては、膨張行程中期以降、特に、膨張行程中期とするのが好ましい。これにより、膨張行程の高温雰囲気に噴射された燃料が自己着火し、スモークや未燃HCの発生を低く抑えることができる。主燃料量と追加燃料量は全体での空燃比がストイキオ近傍或いはスライトリーン空燃比になるように調整されている。二段燃焼制御では、膨張行程中に噴射された追加燃料はエンジン1の出力には寄与せずに排気温度を高めることに用いられる。したがって、触媒装置18が活性化していないエンジン始動直後、このような二段燃焼制御を実行することで、触媒装置18を極めて速やかにある程度まで昇温することが可能となる。
【0061】
そして、触媒装置18がある程度活性化した時点で昇温制御を開始し、圧縮行程噴射により多量のCO,H2及び余剰O2を供給することにより、触媒18A〜18C上での酸化反応に伴う反応熱により触媒装置18をより効率よく昇温することが可能になる。なお、本実施形態でも、二段燃焼制御時の点火時期を通常運転時よりも遅角させてもよく、これによれば触媒装置18をさらに効率よく昇温することが可能になる。さらに、開弁期間のオーバラップが通常運転時よりも小さくなるように吸気バルブ6の開閉タイミングを調整することで、エンジン始動直後であっても燃焼安定性を確保することが可能になる。
【0062】
以上のように二段燃焼制御を実行したら、ECU30は、次のステップS28でタイマが所定タイマ時間T6をカウントしたか否かを判別する〔図13(d)参照〕。所定タイマ時間T6は、予め実験等により、例えば、触媒装置18の触媒18A〜18C上で酸化反応が開始される程度までに触媒温度が上昇したと推定される時間に設定されている。タイマが所定タイマ時間T6に達していない場合(Noルート)には、ステップS25を経てステップS27において二段燃焼制御を継続し、タイマが所定タイマ時間T6に達した場合(Yesルート)には、次のステップS30に進む。ステップS30以降の処理内容は第1実施形態と同様であるのでここでは説明を省略する。なお、ステップS63のタイマ時間T7は、ここでは二段燃焼制御と昇温制御の実行により触媒装置18が活性化温度に近い所定温度にまで昇温したと推定されるまでの時間に設定されている。本実施形態によれば、昇温制御に先立ち二段燃焼制御を実行することで触媒装置18をより効率よく昇温させることができるため、タイマ時間T7は第1実施形態のタイマ時間T1よりも短い時間に設定することができる。
【0063】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施しうるものである。例えば、上述の第2〜第5実施形態のそれぞれの特徴点を適宜組み合わせて新たな実施形態を作ることも勿論可能である。
また、上述の実施形態では、吸気バルブ6にバルブタイミング調整装置10を備えているが、排気バルブ7の開閉タイミングを調整してもよく、或いは吸気バルブ6,排気バルブ7両方の開閉タイミングを調整してもよい。さらに、上述の実施形態では、昇温制御時のバルブオーバラップの量を固定しているが、エンジン1が暖まってくるにつれ燃焼安定性も高くなるので、水温(或いは油温)の上昇に応じてオーバラップの量を通常時の量に戻していってもよい。
【0064】
また、昇温制御における圧縮行程噴射(圧縮S/Lモード及び圧縮O2−F/Bモード)の噴射時期は、通常運転時における圧縮行程噴射の噴射時期より進角させてもよい。このように噴射時期を進角させることで、燃焼室3の空間が比較的広い時に燃料を噴射することができ、燃料の拡散を促進して燃焼安定性をより向上させることができる利点がある。また、噴射された燃料の霧化時間が十分に確保されることにより、スモークの発生を抑制することができる利点もある。
【0065】
また、スロットルバルブ12が電子制御式の場合には、昇温制御時、点火時期の遅角度合いに応じてスロットルバルブ12を開き、吸入空気量を増加してもよい。点火時期を遅角させると出力が低下するので、このようにスロットルバルブ12を制御することで点火時期の遅角による出力の低下を補うことができる利点がある。
【0066】
また、エンジン1に排気再循環(EGR)装置が備えられている場合には、昇温制御時にはEGRバルブを絞るか閉弁状態とするのが好ましい。EGRは燃焼安定性の低下の原因であるので、このようにEGR装置を制御することで燃焼安定性の低下を防止することができる利点がある。
また、上述の実施形態のエンジン1は、出力の向上を図るために排気干渉の少ないデュアルタイプの排気マニホールド17を備えているが、放熱面積及び熱容量が少なく排気温度の低下防止に有利で且つ低コストのシングルタイプの排気マニホールド17を備えてもよい。さらに、積極的に排気干渉をさせるための容積部を有するクラムシェルタイプの排気マニホールド(反応型排気マニホールド)を備えてもよい。このタイプの排気マニホールドによれば、排気マニホールド内部での排気干渉に伴う未燃成分の反応によって排気温度をさらに高めることができる。
【0067】
また、上述の実施形態では、タイマを用いて昇温制御の終了時期を計測しているが、例えば図14のフローチャートに示すように、高温センサ22で検出された触媒装置18の直上流の排気温度から触媒温度Texを推定し、推定した触媒温度Texが所定温度(触媒の活性度が十分になったと判断できる温度)Tex1に達したら昇温制御を終了するようにしてもよい(ステップS64)。なお、触媒温度Texは、例えば、排気温度と触媒温度Texとの関係を記憶したマップを参照したり、排気温度をパラメータとする所定の計算式を用いたりすることによって推定したり、エンジン負荷,エンジン回転速度,車速,空燃比等に基づいて推定してもよい。また、排気温度から触媒温度Texを推定する代わりに、水温センサ23で検出された冷却水の水温WT(或いは油温)が所定温度に達したら昇温制御を終了するようにしてもよい。
【0068】
さらに、本発明は、エンジン1の冷態始動時のみならず、アイドリングやリーン運転(特にリーン化の度合いが大きい圧縮リーン運転)が比較的長時間継続したときのように、活性化していた触媒装置18(触媒18A〜18C)の温度が活性化温度以下に低下したとき或いは低下しそうなとき等の昇温制御にも適用することができる。この場合、図15のフローチャートに示すように、高温センサ22で検出された排気温度から推定される触媒温度Texが所定温度(触媒の活性度が不十分になったと判断できる温度)Tex0以下か否かを判定する(ステップS11)。そして、触媒温度Texが所定温度Tex0以下まで低下したときには(Yesルート)、ステップS30に進んで昇温制御が実行可能か否か判定し、判定結果に応じてステップS40の通常制御,或いはステップS50の昇温制御を行う。そして、ステップS65で触媒温度Texが所定温度Tex1に達したか否か判定し、触媒温度Texが所定温度Tex1以上まで上昇したら(Yesルート)、ステップS71に進んで昇温制御を行う前の制御状態での運転を継続する。
【0069】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の筒内噴射型内燃機関によれば、圧縮行程中に燃料を燃焼室内に直接噴射することによる燃焼速度の速い成層燃焼の実現と、開弁期間のオーバラップを減少させることによる内部EGRの低減とにより燃焼安定性を高め、点火時期を上死点後に設定した場合でも安定した後燃え燃焼を確保することができるので、圧縮行程噴射により生成されるCO,H2及び余剰O2の触媒上での反応との相乗効果によって触媒を効率よく昇温させることができるという効果がある。
【0070】
また、昇温制御開始後の所定時点で点火時期を上死点後から上死点前に変更する場合には、触媒を効率的に昇温させながら点火時期の遅角に伴う燃費の低下を抑制することができるという効果がある。
さらに、上記昇温制御の実行に先立ち、吸気行程で燃料を噴射するとともに点火時期を通常運転時よりも遅角させる第1の昇温開始制御を所定期間に亘って実行したり、或いは、圧縮行程中に主燃料を噴射した後に追加燃料を膨張行程以降に噴射する第2の昇温開始制御を所定期間に亘って実行したりする場合には、CO排出量を低減しながら触媒をより効率良く昇温させることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態にかかる筒内噴射型内燃機関の概略構成図である。
【図2】本発明の第1実施形態にかかる冷態始動時の昇温制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図3】図2に示す昇温制御の制御内容を示すタイムチャートであり、タイマ値(d)、水温(e)、エンジン回転速度(f)、目標有効圧力(g)、車速(h)の各時間変化と、対応する燃料噴射モード(a)、点火時期(b)、オーバラップ量(c)の各設定を示したものである。
【図4】本発明の第1実施形態にかかる開弁期間のオーバラップ量の設定を示す図である。
【図5】冷態始動後の触媒温度の時間変化(a)を、NOx浄化効率(b),CO浄化効率(c),及びHC浄化効率(d)の時間変化と併せて、昇温制御を実行した場合(実線)と通常制御を実行した場合(一点鎖線)とで比較して示したものである。
【図6】本発明の第2実施形態にかかる昇温制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図7】図6に示す昇温制御の制御内容を示すタイムチャートであり、O2センサの活性化状態の判定(a)と、タイマ値(e)、水温(f)、エンジン回転速度(g)、目標有効圧力(h)、車速(i)の各時間変化と、対応する燃料噴射モード(b)、点火時期(c)、オーバラップ量(d)の各設定を示したものである。
【図8】本発明の第3実施形態にかかる昇温制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図9】図8に示す昇温制御の制御内容を示すタイムチャートであり、タイマ値(d)、水温(e)、エンジン回転速度(f)、目標有効圧力(g)、車速(h)の各時間変化と、対応する燃料噴射モード(a)、点火時期(b)、オーバラップ量(c)の各設定を示したものである。
【図10】本発明の第4実施形態にかかる昇温制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図11】図10に示す昇温制御の制御内容を示すタイムチャートであり、タイマ値(d)、水温(e)、エンジン回転速度(f)、目標有効圧力(g)、車速(h)の各時間変化と、対応する燃料噴射モード(a)、点火時期(b)、オーバラップ量(c)の各設定を示したものである。
【図12】本発明の第5実施形態にかかる昇温制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図13】図12に示す昇温制御の制御内容を示すタイムチャートであり、タイマ値(d)、水温(e)、エンジン回転速度(f)、目標有効圧力(g)、車速(h)の各時間変化と、対応する燃料噴射モード(a)、点火時期(b)、オーバラップ量(c)の各設定を示したものである。
【図14】本発明のその他の実施形態にかかる昇温制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図15】本発明のその他の実施形態にかかる昇温制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
1 エンジン(筒内噴射型内燃機関)
2 シリンダヘッド
4 吸気通路
5 排気通路
6 吸気バルブ
7 排気バルブ
8 点火プラグ(点火手段)
9 燃料噴射弁(燃料噴射手段)
10 バルブタイミング調整装置(バルブタイミング調整手段)
12 スロットルバルブ
18 触媒装置
18A 吸蔵型NOx触媒
18B,18C 三元触媒
20 スロットルポジションセンサ
21 O2センサ
22 高温センサ
23 水温センサ
24 クランク角センサ
30 ECU(制御手段)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technology for raising the temperature of a catalyst in a direct injection internal combustion engine, particularly in a direct injection internal combustion engine capable of adjusting the opening / closing timing of an exhaust valve and / or an intake valve.
[0002]
[Prior art]
A catalyst provided in an internal combustion engine of a vehicle has an effect of purifying harmful components (HC, CO, NOx, etc.) in exhaust gas. However, in order to obtain this exhaust gas purification effect, it is necessary that the catalyst has reached a predetermined activation temperature, and a sufficient effect cannot be obtained in a state where the catalyst temperature is low as in cold start. This is the same in a cylinder injection internal combustion engine that has been put into practical use in recent years. However, in a cylinder injection internal combustion engine, there are various catalyst temperature raising techniques that take advantage of the characteristic that the fuel injection timing can be arbitrarily controlled. Proposed.
[0003]
For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-240485 discloses a technique for performing stratified combustion by injecting fuel during a compression stroke so that the air-fuel ratio is close to the stoichiometric air-fuel ratio when a temperature increase of the catalyst is required. Has been. In this technology, a region where the air-fuel ratio is rich and a region where the air-fuel ratio is rich are locally generated by stratified combustion. In the rich air-fuel ratio region, a large amount of CO, H2In the lean air-fuel ratio region.2Is generated. That is, according to this technology, a large amount of CO, H2And O2Can be supplied to the catalyst simultaneously, and CO, H on the catalyst2And O2Thus, the temperature of the catalyst can be efficiently raised by the heat of reaction due to the oxidation reaction.
[0004]
Further, in a cylinder injection type internal combustion engine, a technique for raising the temperature of a catalyst by injecting additional fuel during an expansion stroke after injection of main fuel is also known. The additional fuel injected during the expansion stroke does not contribute to the output of the internal combustion engine, and much of its energy becomes heat and raises the exhaust temperature. To efficiently raise the temperature of the catalyst.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
All of the above prior arts take advantage of the characteristics of the in-cylinder injection internal combustion engine that the fuel injection timing can be arbitrarily controlled, and control the combustion state of the internal combustion engine by the fuel injection timing to increase the temperature of the catalyst. . However, parameters for controlling the combustion state of the internal combustion engine include ignition timing, exhaust valve opening / closing timing, and intake valve timing in addition to the fuel injection timing. Therefore, it is considered that more efficient temperature rise control of the catalyst can be achieved by controlling the combustion state of the internal combustion engine using not only the fuel injection timing but also control parameters other than these fuel injection timings.
[0006]
The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a direct injection internal combustion engine that can efficiently raise the temperature of a catalyst.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the direct injection internal combustion engine of the present invention executes the following temperature increase control by the control means when the temperature increase of the catalyst provided in the exhaust passage and purifying the exhaust gas is required. It is characterized by that. That is, when the temperature of the catalyst is required to be raised, the fuel is injected into the combustion chamber during the compression stroke by driving the fuel injection means so that the air-fuel ratio is close to the stoichiometric air-fuel ratio or slightly leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. In addition to direct injection, the valve timing adjustment means is driven to reduce the overlap between the exhaust valve and the intake valve during the normal operation, and the ignition timing by the ignition means is set after the top dead center. Yes.
[0008]
Normally, the retarded ignition timing can be expected to increase the exhaust temperature due to afterburning combustion. However, if the ignition timing is too late, combustion becomes unstable and drivability such as torque fluctuations deteriorates. There is a fear. However, in the cylinder injection internal combustion engine of the present invention, stratified combustion with a high combustion speed is realized by injecting fuel during the compression stroke, thereby improving combustion stability. In addition, the internal EGR of the internal combustion engine is reduced by reducing the overlap of the valve opening period, thereby improving the combustion stability. Therefore, even when the ignition timing is largely retarded and set after the top dead center as described above, the exhaust temperature is reliably increased by ensuring stable post-combustion combustion, and the CO, H generated by the compression stroke injection2And surplus O2In combination with the reaction on the catalyst, the temperature of the catalyst can be raised efficiently.
[0009]
Note that when the temperature of the catalyst is required to be raised, the temperature of the catalyst is not more than the activation temperature, such as when idling or lean operation continues for a certain period of time in addition to the cold start of the internal combustion engine. For example, when it is reduced or is in a situation where it is likely to decrease. The determination of whether or not there is a temperature increase request may be performed by, for example, detecting or estimating the catalyst temperature and determining that there is a temperature increase request when the catalyst temperature is equal to or lower than a predetermined temperature. The type of the catalyst is not limited, and an occlusion type NOx catalyst, a selective reduction type NOx catalyst, or the like can be applied in addition to a three-way catalyst. Further, the position of the catalyst is not limited, and it may be an underfloor catalyst or a proximity catalyst.
[0010]
If the air-fuel ratio (A / F) at the time of temperature increase control is too rich, the degree of incomplete combustion is too high and a large amount of unburned HC is generated, and the cause of smoldering of the spark plug as the ignition means Therefore, there is a risk of causing smoke. On the other hand, when the amount is too lean, the amount of CO generated is insufficient, and the fuel consumption is deteriorated and the drivability is reduced. Therefore, the air-fuel ratio (A / F) at the time of temperature rise control is preferably set in the range of 14 to 18, more preferably in the range of 14.5 to 16. Similarly, the air-fuel ratio in the rich region that is locally generated around the ignition means is preferably in the range of 8-10. Further, the air-fuel ratio control may be open loop control, but more preferably, an O 2 installed upstream of the catalyst.2When the sensor is activated, feedback control of the air-fuel ratio is performed.
[0011]
Further, the valve timing adjusting means may adjust the opening / closing timing of the intake valve or may adjust the opening / closing timing of the exhaust valve. Further, the opening / closing timing of both the intake / exhaust valves may be adjusted. The valve timing adjusting mechanism may be any mechanism that can change at least the valve timing, such as a switching type, a phase switching type, an eccentric type, or an electromagnetic valve type. Preferably, a mechanism that can continuously change the valve timing, such as a vane type timing variable mechanism, is used. In this case, it is more preferable to increase the amount of valve overlap during the temperature increase control in accordance with the degree of increase in the water temperature (or oil temperature) and catalyst temperature (or exhaust temperature) of the internal combustion engine. The valve overlap at the time of temperature increase control should be at least smaller than that during normal operation (temperature state), but the crank angle is 0 degrees or less, that is, there is no overlap or the exhaust valve is also an intake valve Alternatively, an open period may be provided. In this way, the internal EGR can be completely eliminated by providing a state in which there is no overlap.
[0012]
Further, in the compression stroke injection in the temperature increase control, preferably, the injection timing is advanced within the compression stroke range in comparison with the injection timing in the compression stroke injection during the normal operation when compared with the same load and the same rotation speed. Let By advancing the injection timing in this way, fuel can be injected when the combustion chamber space is relatively wide, and it becomes possible to promote fuel diffusion and further improve combustion stability. In addition, the generation of smoke can be suppressed by ensuring a sufficient atomization time for the injected fuel.
[0013]
The ignition timing is preferably set in a range of 30 degrees from the top dead center. More preferably, the ignition timing is set in a range of 5 to 20 degrees after top dead center. By setting the ignition timing within such a range, the exhaust gas temperature can be raised without causing deterioration of fuel consumption or drivability. Furthermore, it is also preferable to increase the amount of intake air in accordance with the retarded timing of the ignition timing in order to compensate for the decrease in output due to the retarded ignition timing.
[0014]
In the above-described cylinder injection internal combustion engine, more preferably, the ignition timing is changed from the top dead center to the top dead center at a predetermined time after the start of the temperature raising control (air-fuel ratio, fuel injection timing, and valve opening period). With respect to the overlap, the control means is configured to maintain the temperature rise control setting. In the above temperature increase control, CO, H by supply of high-temperature exhaust gas by retarding the ignition timing and compression stroke injection2And surplus O2However, if the catalyst temperature rises to a certain level and even a part of the catalyst is activated, then CO, H by compression stroke injection2And surplus O2The catalyst can be sufficiently heated to the activation temperature only by supplying the catalyst. Therefore, by changing (advancing) the ignition timing from the top dead center to the top dead center after the start of the temperature raising control in this way, it is possible to suppress a decrease in fuel consumption due to the retard of the ignition timing. become.
[0015]
The predetermined time point at which the ignition timing is changed from the top dead center to the top dead center is preferably the time when the catalyst temperature reaches the predetermined temperature. The catalyst temperature may be detected directly from the catalyst, or may be estimated from the exhaust temperature that can be detected by a high temperature sensor. Further, the ignition timing may be changed when the cooling water temperature (or oil temperature) of the internal combustion engine reaches a predetermined temperature. Further, the relationship between the elapsed time from the start of the temperature increase control and the catalyst temperature is obtained in advance by experiments or the like, and a predetermined time (the time estimated that the catalyst temperature has reached the predetermined temperature) from the start of the temperature increase control is obtained. ) May be changed at the time when elapses. In this case, the ignition timing may be changed stepwise from the top dead center to the top dead center, but preferably gradually from the top dead center to the top dead center (more preferably continuously). Advance the ignition timing. More preferably, the ignition timing is advanced in accordance with the detected or estimated catalyst temperature (or the elapsed time from the start of the temperature increase control or the water temperature).
[0016]
  Further, prior to the execution of the temperature increase control, the control means is configured to execute the following temperature increase start control (first and second temperature increase start control).The
  First, in the first temperature increase start control, when the temperature increase of the catalyst is required, the fuel injection means is driven for a predetermined period to inject fuel in the intake stroke prior to the execution of the temperature increase control. At the same time, the ignition timing by the ignition means is retarded from that during normal operation. In this way, during the first predetermined period, by performing the intake stroke injection with a small amount of CO generated, the ignition timing is retarded from that during normal operation, so that the CO emission amount can be reduced and the activation of the catalyst can be activated early. Can be achieved. In this case, preferably, the overlap of the valve opening period between the exhaust valve and the intake valve is made smaller than that during normal operation.
[0017]
  Further, in the second temperature increase start control, when the temperature increase of the catalyst is required, the fuel injection means is driven for a predetermined period before the temperature increase control is executed, and the main fuel is being compressed during the compression stroke. After the fuel is injected, additional fuel is injected after the expansion stroke. In this way, the temperature of the catalyst is increased to some extent by so-called two-stage combustion of the main fuel and the additional fuel, and then the temperature increase control is executed, so that the catalyst can be efficiently heated while reducing the CO emission amount. Is possible. In this case, preferably, the overlap of the valve opening period between the exhaust valve and the intake valve is made smaller than that during normal operation. Further, it is preferable that the ignition timing is retarded from that during normal operation. Further, the injection timing of the additional fuel is preferably after the middle stage of the expansion stroke.
  Moreover, it is preferable to provide a reaction type exhaust manifold having a volume part for positively interfering with the exhaust gas discharged from the combustion chamber.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the outline of the direct injection internal combustion engine according to the first embodiment of the present invention will be described. The direct injection internal combustion engine includes intake, compression, expansion, and exhaust strokes in one operation cycle. The cycle engine is a spark ignition type and is configured to be able to directly inject fuel into the combustion chamber. More specifically, the direct injection internal combustion engine is configured as shown in the schematic configuration diagram of FIG.
[0019]
As shown in FIG. 1, an intake passage 4 and an exhaust passage 5 are connected to a cylinder head 2 of an in-cylinder injection internal combustion engine (hereinafter referred to as an engine) 1 so as to communicate with a combustion chamber 3. The intake passage 4 and the combustion chamber 3 are controlled to communicate with each other by an intake valve 6, and the exhaust passage 5 and the combustion chamber 3 are controlled to communicate with each other by an exhaust valve 7. Among these, the intake valve 6 is provided with a valve timing adjusting device 10 that variably adjusts the opening / closing timing of the intake valve 6. Since the mechanism of the valve timing adjusting device (valve timing adjusting means) 10 is well known, detailed description thereof is omitted here. For example, the vane rotor is rotated in a housing of a timing pulley connected to a crankshaft via a timing belt. The intake camshaft is connected to the vane rotor. The hydraulic pressure applied to the vane rotor is controlled to adjust the phase of the intake camshaft with respect to the timing pulley so that the opening / closing timing of the intake valve 6 can be adjusted continuously.
[0020]
The cylinder head 2 is provided with a fuel injection valve (fuel injection means) 9 for each cylinder. The fuel injection valve 9 is arranged so that its opening faces the combustion chamber 3 so that fuel can be directly injected into the combustion chamber 3. The fuel injection valve 9 is supplied with fuel pressurized by a low pressure fuel pump and a high pressure fuel pump (not shown). Further, a spark plug (ignition means) 8 is provided at the center of the top of the combustion chamber 3 of each cylinder of the cylinder head 2.
[0021]
The intake passage 4 is provided with an intake manifold 11 for introducing intake air into the combustion chamber 3 of each cylinder. The cylinder head 2 is provided with an intake port relatively upright with respect to the combustion chamber 3 for each cylinder, and the intake manifold 11 is connected to the cylinder head 2 so as to communicate with each intake port. A throttle valve 12 for adjusting the amount of intake air is provided upstream of the intake manifold 11.
[0022]
On the other hand, the exhaust passage 5 is provided with an exhaust manifold 17 that collects exhaust gases discharged from the combustion chambers 3 of the respective cylinders. The cylinder head 2 is provided with an exhaust port in a relatively horizontal direction for each cylinder, and the exhaust manifold 17 is connected to the cylinder head 2 so as to communicate with each exhaust port. As the exhaust manifold 17, a dual type exhaust manifold is employed in order to prevent interference of exhaust gas discharged from the combustion chamber 3 of each cylinder and improve engine output. Further, a catalyst device 18 and a muffler (not shown) are provided below the vehicle floor on the downstream side of the exhaust manifold 17. The catalyst device 18 is a device that purifies harmful components (CO, unburned HC, NOx) in the exhaust gas, and has a structure in which the three-way catalysts 18B, 18C are arranged upstream and downstream of the storage-type NOx catalyst 18A. .
[0023]
Further, an electronic control unit (ECU) 30 as a control means for controlling the engine 1 is provided in the vehicle interior. The ECU 30 includes an input / output device, a ROM, a RAM, a CPU, a timer counter, and the like, and performs overall control of the engine 1 based on detection information from various sensors connected to the input side.
As a sensor connected to the input side of the ECU 30, first, in the intake passage 4, a throttle position sensor (TPS) 20 for detecting the opening θth of the throttle valve 12 is attached to the portion where the throttle valve 12 is disposed. ing. Further, the exhaust passage 5 has O 2 in the upstream portion of the catalyst device 18.2A sensor 21 and a high temperature sensor 22 are provided. O2The sensor 21 is a sensor for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas, and has a characteristic that its output changes greatly with the stoichiometric air-fuel ratio (stoichio) as a boundary. The high temperature sensor 22 is a sensor that detects the temperature of the exhaust gas. Further, as other sensors, a water temperature sensor 23 for detecting the coolant temperature WT of the engine 1, a crank angle sensor 24 for outputting a signal in synchronization with rotation of the crankshaft, an accelerator opening sensor and an air flow sensor (not shown). Etc. are provided. The signal from the crank angle sensor 24 is used for calculating the engine speed Ne.
[0024]
On the other hand, an ignition plug 8, a fuel injection valve 9, a valve timing adjusting device 10 and the like are connected to the output side of the ECU 30. The ECU 30 determines the ignition timing of the spark plug 8, the fuel injection timing and fuel injection amount from the fuel injection valve 9, the intake valve 6 by the valve timing adjustment device 10 based on the detection information from the various sensors 20 to 24. Controls the opening and closing timing, etc.
[0025]
The fuel injection mode (fuel injection mode) of the engine 1 according to the present embodiment includes an intake stroke injection mode in which fuel is injected during the intake stroke and premixed combustion is performed, and fuel is injected during the compression stroke. Two modes having different fuel injection timings in the compression stroke injection mode in which stratified combustion is performed are provided. More specifically, as the intake stroke injection mode, O2Intake air O that is feedback-controlled using the signal from the sensor 21 so that the air-fuel ratio becomes stoichiometric.2-F / B mode, intake lean mode in which open-loop control is performed to obtain a leaner air-fuel ratio (lean air-fuel ratio) than stoichio, and open-loop control in which a rich air-fuel ratio (rich air-fuel ratio) is provided. An intake O / L mode is provided. On the other hand, the compression stroke injection mode includes a compression lean mode in which the open loop control is performed so that the air / fuel ratio is further leaner than that in the intake lean mode, and a slightly lean air / fuel ratio (A / F = 15 to 16) that is slightly leaner than stoichiometric. A compressed light lean mode (compressed S / L mode) for open loop control is provided.
[0026]
Of the above-described injection modes, the intake stroke injection mode and the compression lean mode are used for fuel injection control during normal times, and the ECU 30 responds to the operating state of the engine 1 determined by the accelerator opening and the engine rotational speed Ne. Thus, an appropriate fuel injection mode is selected. On the other hand, the compression S / L mode is used for fuel injection control during temperature increase control, which will be described later. The temperature increase control is a control method of the engine 1 that is selected when a temperature increase of the catalyst device 18 is required, that is, in a situation where the temperature of the catalyst device 18 is lowered, and the engine 1 according to the present embodiment. The ECU 30 is realized by comprehensively controlling the ignition timing of the spark plug 8 and the opening / closing timing of the intake valve 6 by the valve timing adjusting device 10 in addition to the fuel injection mode.
[0027]
Hereinafter, the temperature rise control according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG. 2 and the time chart of FIG. Here, temperature increase control when the engine 1 is cold-started will be described.
First, in step S10, the ECU 30 sets a timer value T used in this control routine when a start switch (for example, an ignition key) is operated to turn it on, that is, when it is determined that the engine 1 has started. Reset to 0 to start counting [ie, timer on, see FIG. 3 (d)]. In step S20, it is determined that the engine rotational speed Ne has reached a predetermined value Ne0 (Ne0> idle rotational speed). When the start determination is completed, the process proceeds to the next step S30. As shown in FIG. 3A, after the engine 1 is started, until the engine speed Ne reaches a predetermined value Ne0, the fuel injection mode is the intake O / L mode to supply sufficient fuel for starting. Selected.
[0028]
In step S30, the ECU 30 determines whether or not the temperature increase control may be executed. Specifically, the cooling water temperature (simply referred to as the water temperature) WT, the engine rotational speed Ne, the target average effective pressure Pe (estimated from the accelerator opening and the engine rotational speed Ne), and the vehicle speed V respectively correspond to predetermined values WT1, Ne1. , Pe1, V1 or less. Under the condition that any one of the engine rotational speed Ne, the target average effective pressure Pe, and the vehicle speed V is high, the operating state of the engine 1 is out of the compression stroke injection region and can be regarded as a normal traveling state where the exhaust temperature is high. The temperature of the catalyst device 18 can be increased without using the temperature increase control. Conversely, if the temperature increase control is executed, the exhaust purification catalyst device 18 may be excessively heated. Further, it is determined whether or not the coolant temperature WT detected by the water temperature sensor 23 is equal to or lower than a predetermined value, that is, the warm-up temperature WT1 at which the engine 1 is warmed up. This is to prevent temperature.
[0029]
Therefore, when any of the water temperature WT, the engine rotational speed Ne, the target average effective pressure Pe, and the vehicle speed V is larger than the corresponding predetermined values WT1, Ne1, Pe1, and V1 (No route), the ECU 30 controls the temperature increase. In step S40, the normal control is executed. That is, the fuel injection mode, the ignition timing, and the intake valve 6 opening / closing timing corresponding to the operating state of the engine 1 are selected. On the other hand, when the water temperature WT, the engine rotational speed Ne, the target average effective pressure Pe, and the vehicle speed V are equal to or less than the corresponding predetermined values WT1, Ne1, Pe1, V1 (Yes route) [FIG. 3 (h)], the process proceeds to the next step S50, and the temperature rise control is executed.
[0030]
As described above, the temperature raising control is realized by the overall control of the fuel injection mode, the ignition timing, and the opening / closing timing of the intake valve 6. Specifically, the ECU 30 selects the compression S / L mode as the fuel injection mode, and retards the ignition timing after the compression top dead center (see FIGS. 3A and 3B). Further, as shown in FIG. 4, the opening / closing timing of the intake valve 6 is retarded so that the overlap (valve overlap) of the valve opening period between the exhaust valve 7 and the intake valve 6 is smaller than that during normal operation [FIG. 3 (c)].
[0031]
When the catalyst temperature is low and the purification capacity of the catalyst device 18 is low as in the cold start, it is more effective to reduce the unburned HC by making the air-fuel ratio lean as much as possible within a range where the combustion does not deteriorate. At that time, the compression stroke injection is faster than the intake stroke injection because of the stratified combustion, and the combustion stability is excellent, and the drivability is also good. In addition, when the compression stroke injection is performed by controlling the air-fuel ratio to near the stoichio or slightly leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, the rich region where the fuel concentration is extremely high and the lean region where the fuel concentration is low. A region is formed in the combustion chamber 3. In the rich region, oxygen is locally insufficient, so incomplete combustion occurs and a relatively large amount of CO, H2O, which does not contribute to combustion in the lean region2Is surplus O2As many will exist.
[0032]
Therefore, by selecting the compression S / L mode as the fuel injection mode as described above, the highly reactive CO, H2And surplus O2Can be simultaneously supplied to the catalyst device 18 via the exhaust passage 5, and CO, H due to an oxidation reaction in the exhaust passage 5 and the catalyst device 18.2And O2The temperature of the catalyst device 18 is increased by the reaction heat. If the air-fuel ratio is too rich, the degree of incomplete combustion is too high and a large amount of unburned HC is generated, which may cause smoldering of the spark plug 8 and generate smoke. Conversely, if the air-fuel ratio is too lean, CO, H2As a result, the generation amount of the fuel becomes insufficient, and the fuel consumption deteriorates and the drivability decreases. Therefore, the air-fuel ratio in the temperature rise control is preferably set in the range of 14 to 18, more preferably in the range of 14.5 to 16. The air-fuel ratio in the rich region that is locally generated around the spark plug 8 is preferably in the range of 8-10.
[0033]
Further, the ECU 30 selects the compression S / L mode as the fuel injection mode, and at the same time, retards the ignition timing until after the compression top dead center. In this way, the ignition timing is retarded until after the compression top dead center, so that sufficient afterburning in the expansion stroke becomes possible, and the temperature of the catalyst device 18 is more quickly raised by the rise in the exhaust temperature due to afterburning. It will be illustrated. In particular, CO, H2And O2When the catalysts 18A to 18C are not activated at all or the degree of activation is low, it takes time until the catalysts 18A to 18C are activated, but the ignition timing is increased as described above. The exhaust temperature can be increased by being retarded until after the dead center, and the catalysts 18A to 18C (particularly 18B) can be sufficiently heated and activated. As a result, CO, H supplied by fuel injection in the compressed S / L mode2And O2Can be effectively reacted on the catalysts 18A to 18C (especially 18B), and the heat of reaction enables further early activation of the catalysts 18A to 18C (especially 18B).
[0034]
Here, FIG. 5 shows the time variation (a) of the temperature Tex at the inlet and the center of the three-way catalyst 18B in the catalytic device 18 after the cold start, NOx purification efficiency (b), CO purification efficiency (c ), And the time variation of the HC purification efficiency (d), when the above temperature increase control is executed (solid line) and when the normal control is executed without executing the temperature increase control (dashed line) It is shown in comparison. Since the catalyst device 18 according to the present embodiment is far from the main body of the engine 1, the exhaust temperature tends to decrease before the exhaust gas reaches the catalyst device 18, and the dual type exhaust manifold 17 has a small amount of exhaust interference, so The exhaust gas temperature is likely to be lowered because of the small reaction and the large heat capacity and the large surface area (heat radiation area). However, even when such a structure is disadvantageous for maintaining the exhaust temperature, as shown in FIGS. 5 (a) to 5 (d), when the above-described temperature increase control is executed at the cold start. The catalyst device 18 can be raised to the activation temperature at an early stage, and the purification efficiency of harmful substances (HC, CO, and NOx) can be quickly increased.
[0035]
Further, when the ignition timing is retarded until after the compression top dead center as described above, normally, combustion becomes unstable and drivability such as torque fluctuation is deteriorated. Performs the compression stroke injection with retarded ignition timing and high combustion stability. Further, as described above, the internal EGR of the engine 1 is reduced by reducing the overlap of the valve opening period of the exhaust valve 7 and the intake valve 6 as compared with the normal operation, thereby improving the combustion stability. ing. Therefore, even when the ignition timing is greatly retarded until after the compression top dead center, drivability is not deteriorated due to a decrease in combustion stability. Further, the improvement in combustion stability by reducing the overlap in the valve opening period compensates for the deterioration in combustion stability associated with leaning, and therefore leaning can be achieved more easily.
[0036]
That is, according to the temperature increase control according to the present embodiment, the fuel is injected during the compression stroke so that the air-fuel ratio becomes near the stoichiometric or the lean lean air-fuel ratio, and the ignition timing is set after the compression top dead center. In addition, the synergistic effect of reducing the overlap of the valve opening period between the exhaust valve 7 and the intake valve 6 as compared with that in the normal operation can efficiently raise the temperature of the catalyst device 18 without deteriorating the combustion stability. The effect of being able to be obtained.
[0037]
The ignition timing is specifically set within a range of 0 to 30 degrees after compression top dead center. The reason why the temperature does not exceed 30 degrees after the compression top dead center is that, if it exceeds 30 degrees after the compression top dead center, the combustion stability is deteriorated. Preferably, the range is 5 to 20 degrees after compression top dead center. By setting this range, a sufficient exhaust gas temperature raising effect can be obtained. Further, the overlap of the valve opening period of the exhaust valve 7 and the intake valve 6 should be at least smaller than the set amount at the same load and the same rotational speed in the warm state (during normal operation). If possible, the setting is preferably 0 degree or less. As long as there is an overlap, there is some internal EGR that is a factor of lowering the combustion stability. In particular, when a negative pressure is generated in the intake passage 4, if there is a slight overlap, a negative pressure is present. The exhaust gas that should be drawn to the exhaust passage 5 and remain in the combustion chamber 3 as internal EGR. Therefore, by setting the overlap to 0 degrees or less as described above, it is possible to completely eliminate internal EGR and further improve the combustion stability.
[0038]
When the temperature raising control is executed as described above to raise the temperature of the catalyst device 18, the ECU 30 next performs a process of step S60. In step S60, the ECU 30 determines whether or not the timer has counted a predetermined timer time T1, that is, whether or not the temperature increase control has been continued beyond the predetermined timer time T1. The predetermined timer time T1 is set in advance by an experiment or the like until, for example, it is estimated that the temperature of the catalyst device 18 has been raised to a predetermined temperature close to the activation temperature after the start of cooling. ing. When the timer does not reach the predetermined timer time T1 (No route), the ECU 30 continues the temperature increase control again in step S50 through the process of step S30. On the other hand, when the timer counts the predetermined timer time T1 (Yes route), the process of the next step S70 is performed. That is, in step S70, the ECU 30 ends the temperature raising control (see FIGS. 3A to 3C), and the fuel injection mode, the ignition timing, and the intake valve 6 according to the operating state of the engine 1 are determined. Select the opening / closing timing and perform normal control again.
[0039]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
This embodiment is intended to improve the control accuracy in the temperature raising control as compared with the first embodiment. For this reason, in this embodiment, as a fuel injection mode (fuel injection mode) of the engine 1, in addition to each fuel injection mode similar to the first embodiment, O as one of the compression stroke injection modes.2Compression O that feedback-controls the air-fuel ratio to be stoichiometric using a signal from the sensor 212-F / B mode is provided. The ECU 30 performs this compression O2The -F / B mode is used for fuel injection control during temperature raising control together with the compression S / L mode. That is, the present embodiment is different from the first embodiment in the method of temperature increase control, and hereinafter, the method of temperature increase control that is the difference will be described mainly. The configuration of the engine (cylinder injection type internal combustion engine) 1 is the same as that of the first embodiment, and therefore the description thereof will be omitted here. The same reference numerals as those of the first embodiment will be used hereinafter.
[0040]
As shown in the flowchart of FIG. 6, the present embodiment is characterized in that the processes of steps S51 to S53 are performed instead of the step of executing the temperature increase control (step S50) according to the first embodiment. That is, in this embodiment, the execution step of temperature rising control is comprised by step S51-S53. The other steps are the same as those in the first embodiment, and the description thereof is omitted here.
[0041]
First, in step S30, when it is determined that all of the water temperature WT, the engine speed Ne, the target average effective pressure Pe, and the vehicle speed V are equal to or less than the corresponding predetermined values WT1, Ne1, Pe1, and V1 (Yes route) [FIG. (F) to FIG. 7 (i)], the ECU 30 proceeds to the next step S51, where O2It is determined whether or not the sensor 21 is in an activated state. O2Since the sensor 21 is configured to exhibit its performance at a certain high temperature, it cannot perform proper feedback control in a low temperature state. So, for example, O2By comparing the output voltage at the rich air-fuel ratio of the sensor 21 with a predetermined activation determination voltage, O2The sensor 21 determines the activation state. And O2When it is determined that the sensor 21 is not yet activated (off) (No route) [see FIG. 7A], the process proceeds to step S52.
[0042]
In step S52, as in the first embodiment, the ECU 30 selects the compression S / L mode as the fuel injection mode, retards the ignition timing after compression top dead center, and sets the opening / closing timing of the intake valve 6 to the exhaust valve 7 And the intake valve 6 are retarded so that the overlap of the valve opening period is smaller than that during normal operation (see FIGS. 7B to 7D). On the other hand, O2When it is determined that the sensor 21 is in an activated state (ON) (Yes route) [see FIG. 7A], the process proceeds to step S53.
[0043]
In step S53, the ECU 30 delays the ignition timing after the compression top dead center, and the opening / closing timing of the intake valve 6 is smaller in the overlap of the opening period of the exhaust valve 7 and the intake valve 6 than in the normal operation. With the retarded angle, the fuel injection mode is compressed O2-The F / B mode is selected (see FIGS. 7B to 7D). In this way, by executing the compression stroke injection while performing feedback control so that the air-fuel ratio becomes stoichiometric, a relatively large amount of CO, H is obtained by stratified combustion as in the case where the compression S / L mode is selected.2And surplus O2Can be generated. Furthermore, since the feedback control is performed, the air-fuel ratio can be set accurately as compared with the open loop control in the compression S / L mode. Therefore, according to the present embodiment, the control accuracy can be increased as compared with the first embodiment, and the temperature of the catalyst device 18 can be raised more efficiently. Although not shown in the flowchart, the normal control is also performed in step S40.2After it is determined that the sensor 21 is in the activated state, the intake O / L mode is changed to the intake O / L mode.2-Switch the fuel injection mode to F / B mode.
[0044]
Compression O2In the -F / B mode, feedback control is usually performed so that the air-fuel ratio becomes stoichiometric, but by changing the setting of the feedback gain (for example, integral gain or proportional gain in the case of PI control), the lean lean Feedback control may be performed using the air-fuel ratio as the target air-fuel ratio. In the compression stroke injection, a relatively large amount of H is contained in the exhaust gas due to local incomplete combustion accompanying stratified combustion.2Will occur, but this H2Is O2Than O2Since the speed of diffusing the coating layer covering the Pt electrode of the sensor 21 is high, O2Concentration is detected to be smaller than actual and O2The output of the sensor 21 is slightly rich. Therefore, even when feedback control is performed using stoichio as the target air-fuel ratio, the actual air-fuel ratio is naturally controlled to a slightly lean air-fuel ratio that is slightly leaner than stoichio.
[0045]
In FIG.2The sensor 21 is disposed on the upstream side of the catalyst device 18, but may be disposed on the downstream side of the catalyst device 18, and may be disposed on both the upstream and downstream sides. In addition, O2As the sensor 21, a linear air-fuel ratio sensor can also be used. In this case, feedback control can be executed with any air-fuel ratio as the target air-fuel ratio.
[0046]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The present embodiment is intended to improve the fuel efficiency in the temperature raising control as compared with the first embodiment, and the temperature raising control method is different from the first embodiment. Hereinafter, the method of temperature increase control which is this difference will be described mainly. The configuration of the engine (in-cylinder injection type internal combustion engine) 1 is the same as that of the first embodiment, and thus the description thereof will be omitted. Hereinafter, the same reference numerals as those of the first embodiment are used.
[0047]
As shown in the flowchart of FIG. 8, the present embodiment is characterized in that the temperature increase control is executed in two stages (step S50, step S57). First, the execution process (step S50) of the first stage temperature increase control (first temperature increase control) is the same as that in the first embodiment, and the ECU 30 selects the compression S / L mode as the fuel injection mode and performs ignition. The timing is retarded after compression top dead center, and the opening / closing timing of the intake valve 6 is retarded so that the overlap of the opening period of the exhaust valve 7 and the intake valve 6 is smaller than that during normal operation [FIG. a) to FIG. 9 (c)].
[0048]
Next, in step S54, the ECU 30 determines whether or not the timer has counted a predetermined timer time T2, that is, whether or not the first temperature increase control has been continued beyond the predetermined timer time T2 [FIG. d)]. The predetermined timer time T2 is set in advance by, for example, an experiment or the like until, for example, it is estimated that the temperature of the catalyst device 18 has been raised to a predetermined temperature by executing the first temperature increase control after the cold start. If the timer has not reached the predetermined timer time T2 (No route), the ECU 30 continues the first temperature increase control in step S50 again through step S30. On the other hand, when the timer counts the predetermined timer time T2 (Yes route), the process of the next step S55 is performed.
[0049]
In step S55, the ECU 30 determines whether or not the second-stage temperature increase control (second temperature increase control) may be executed. Specifically, as in step S30, it is determined whether or not the water temperature WT, the engine speed Ne, the target average effective pressure Pe, and the vehicle speed V are equal to or less than the corresponding predetermined values WT1, Ne1, Pe1, and V1, respectively. [Refer to Drawing 9 (e)-Drawing 9 (h)). When any of the water temperature WT, the engine rotational speed Ne, the target average effective pressure Pe, and the vehicle speed V is larger than the corresponding predetermined values WT1, Ne1, Pe1, and V1 (No route), the ECU 30 causes the second increase. The normal control is executed in step S56 without executing the temperature control. On the other hand, if all of the water temperature WT, the engine rotational speed Ne, the target average effective pressure Pe, and the vehicle speed V are equal to or less than the corresponding predetermined values WT1, Ne1, Pe1, and V1 (Yes route), the process proceeds to the next step S57. The second temperature increase control is executed. Here, the predetermined values WT1, Ne1, Pe1, and V1 used in the start determination of the first temperature rise control are also used in the start determination of the second temperature increase control, but the predetermined value WT2 different from the first temperature increase control. , Ne2, Pe2, V2 may be used.
[0050]
The second temperature raising control is realized by comprehensive control of the fuel injection mode and the opening / closing timing of the intake valve 6. Specifically, the ECU 30 selects the compression S / L mode as the fuel injection mode in the same manner as when executing the first temperature increase control, and the opening / closing timing of the intake valve 6 is the opening / closing timing of the exhaust valve 7 and the intake valve 6. The ignition timing is advanced to the top dead center in the same manner as in the normal control while the valve period is kept retarded so that the overlap of the valve period is smaller than that in the normal operation (see FIGS. 9A and 9C). [Refer FIG.9 (b)]. Here, the ignition timing is the same as that at the time of normal control before top dead center, but may be slightly retarded from that at the time of normal control while being before top dead center. This is because the compression stroke injection in the compression S / L mode is performed, so that the combustion stability is good, and the drivability is not deteriorated even if the ignition timing is somewhat retarded.
[0051]
In the first temperature rise control, high-temperature exhaust gas is supplied by retarding the ignition timing, and CO, H by compression stroke injection are used.2And O2However, if the catalyst temperature rises to a certain level and even a part of the catalyst device 18 is activated, then CO, H by compression stroke injection are used.2And O2The catalyst device 18 can be sufficiently heated to the activation temperature only by supplying the catalyst. Therefore, the ignition timing is retarded by changing (advancing) the ignition timing from the top dead center to the top dead center when the predetermined time T2 has elapsed after the start of the first temperature raising control. It is possible to suppress the accompanying reduction in fuel consumption. Therefore, according to the present embodiment, there is an effect that it is possible to raise the temperature of the catalyst device 18 while suppressing deterioration of fuel consumption more than in the first embodiment. Here, the ignition timing is changed stepwise (advanced) as the predetermined timer time T2 elapses, but the amount of retardation may be gradually decreased.
[0052]
When the second temperature raising control is executed as described above to raise the temperature of the catalyst device 18, the ECU 30 next performs a process of step S61. In step S61, the ECU 30 determines whether or not the timer has counted a predetermined timer time T3, that is, whether or not the first and second temperature raising controls have been continued beyond the predetermined timer time T3. The predetermined timer time T3 is determined in advance through experiments or the like until, for example, it is estimated that the temperature of the catalyst device 18 has been raised to a predetermined temperature close to the activation temperature by performing the first and second temperature increase control after the cold start. Is set to time. If the timer has not reached the predetermined timer time T3 (No route), the ECU 30 continues the second temperature increase control in step S57 again through the process of step S54. On the other hand, when the timer counts the predetermined timer time T3 (Yes route), the process proceeds to step S70, where the ECU 30 ends the second temperature rise control and performs normal control [FIGS. 9 (a), 9]. (See (c), FIG. 9 (d)).
[0053]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the present embodiment, the temperature of the catalyst is increased more efficiently than in the first embodiment by performing engine control immediately after starting more appropriately. That is, a relatively large amount of CO can be generated in the exhaust gas by performing the compression stroke injection with the air / fuel ratio in the vicinity of stoichiometric or the lean lean air / fuel ratio as in the temperature raising control of the first embodiment. Even if this is carried out in a state where the catalyst is not sufficiently activated, the produced CO may not be reacted on the catalyst and may be discharged into the atmosphere as it is. Therefore, in the present embodiment, as shown in the flowchart of FIG. 10, the catalyst is preheated by performing the following temperature rise start control (first temperature rise start control) for a predetermined time after the engine is started. We are trying to activate early. Hereinafter, temperature rise start control, which is a difference from the first embodiment, will be described mainly. Since the configuration of the engine (cylinder injection type internal combustion engine) is the same as that of the first embodiment, the same reference numerals as those of the first embodiment are used here.
[0054]
As shown in the flowchart of FIG. 10, when the start determination is completed in step S20, the ECU 30 next performs a process of step S21. In addition, the processing content of step S10, S20 is the same as that of 1st Embodiment. In step S21, the ECU 30 determines whether or not the temperature raising start control may be executed. Specifically, the water temperature WT, the engine rotational speed Ne, the target average effective pressure Pe, and the vehicle speed V are respectively equal to or less than predetermined values. [See FIG. 11 (e) to FIG. 11 (h)]. When any one of the water temperature WT, the engine rotational speed Ne, the target average effective pressure Pe, and the vehicle speed V is larger than a corresponding predetermined value (No route), the ECU 30 may overheat the exhaust purification catalyst device 18. Therefore, the temperature increase start control is not performed, and the process proceeds to step S22 to execute the normal control. On the other hand, when all of the water temperature WT, the engine rotation speed Ne, the target average effective pressure Pe, and the vehicle speed V are equal to or less than the corresponding predetermined values (Yes route), the process proceeds to step S23 and the following temperature increase start control is executed. .
[0055]
In the temperature rise start control, the ignition timing is retarded from the normal operation in the state where the intake O / L mode is selected as the fuel injection mode. At this time, the opening / closing timing of the intake valve 6 may be maintained during normal operation, but is preferably retarded so that the overlap of the valve opening period between the exhaust valve 7 and the intake valve 6 is smaller than that during normal operation [ FIG. 11 (a) to FIG. 11 (c)]. The air-fuel ratio is preferably set in the vicinity of stoichiometric or slightly lean air-fuel ratio. Since the intake O / L mode is intake stroke injection, the amount of CO generated is small, and the exhaust temperature can be increased by afterburning by retarding the ignition timing from that during normal operation. Therefore, immediately after starting the engine in which the catalytic device 18 is not activated, the ignition timing is retarded from the normal operation while performing the intake stroke injection in this manner, thereby reducing the CO emission amount to a certain extent. The temperature can be raised. Then, when the catalyst device 18 is activated to some extent, temperature increase control is started, and a large amount of CO, H is produced by the compression stroke injection.2And surplus O2By supplying the catalyst, the temperature of the catalyst device 18 can be raised more efficiently by the reaction heat accompanying the oxidation reaction on the catalysts 18A to 18C. It should be noted that the ignition timing at the time of intake stroke injection need only be retarded at least as compared with that during normal operation, and need not be retarded until after top dead center as in the temperature rise control. In this control, combustion stability due to compression stroke injection cannot be obtained, but by adjusting the opening / closing timing of the intake valve 6 so that the overlap of the valve opening period is smaller than that during normal operation, the internal EGR is controlled. A certain degree of combustion stability can be ensured by the reduction.
[0056]
After executing the temperature rise start control as described above, the ECU 30 next performs a process of step S24. In step S24, the ECU 30 determines whether or not the timer has counted a predetermined timer time T4, that is, whether or not the temperature increase start control has been continued beyond the predetermined timer time T4 [see FIG. 11 (d). ]. For example, the predetermined timer time T4 is set to a time during which it is estimated that the catalyst temperature has risen to the extent that the oxidation reaction is started on the catalysts 18A to 18C of the catalyst device 18, for example. If the timer has not reached the predetermined timer time T4 (No route), the ECU 30 continues the temperature rise start control again in step S23, and if the timer has counted the predetermined timer time T4 (Yes route), The temperature increase start control is terminated and the process proceeds to step S30.
[0057]
Since the processing content after step S30 is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted here. Note that the timer time T5 of step S62 is set to a time until it is estimated here that the temperature of the catalyst device 18 has been raised to a predetermined temperature close to the activation temperature by executing the temperature rise start control and the temperature rise control. [See FIG. 11 (d)]. According to the present embodiment, the temperature of the catalyst device 18 can be increased more efficiently by executing the temperature increase start control prior to the temperature increase control, so that the timer time T5 is greater than the timer time T1 of the first embodiment. Can be set to a short time. Further, when changing the ignition timing, all of them are changed stepwise, but preferably gradually (more preferably continuously). More preferably, the ignition timing may be changed in accordance with the detected or estimated catalyst temperature (or the elapsed time from the start of control or the water temperature).
[0058]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the present embodiment, similarly to the fourth embodiment, the temperature of the catalyst is increased more efficiently by performing the engine control immediately after starting more appropriately. In the present embodiment, the catalyst is preheated by executing so-called two-stage combustion control (second temperature rise start control) for a predetermined time after engine startup and prior to the temperature rise control, thereby achieving early activation of the catalyst. . Hereinafter, the two-stage combustion control, which is the difference from the first embodiment, will be described mainly. Since the configuration of the engine (cylinder injection type internal combustion engine) is the same as that of the first embodiment, the same reference numerals as those of the first embodiment are used here.
[0059]
Specifically, as shown in the flowchart of FIG. 12, when the start determination is completed in step S20, the ECU 30 next performs a process of step S25. In addition, the processing content of step S10, S20 is the same as that of 1st Embodiment. In step S25, the ECU 30 determines whether or not the two-stage combustion control may be executed. Specifically, the water temperature WT, the engine rotational speed Ne, the target average effective pressure Pe, and the vehicle speed V are respectively equal to or less than the corresponding predetermined values. [See FIG. 12 (e) to FIG. 12 (h)]. When any one of the engine speed Ne, the target average effective pressure Pe, the vehicle speed V, and the water temperature WT is larger than the corresponding predetermined value (No route), the ECU 30 may overheat the exhaust purification catalyst device 18. Therefore, the two-stage combustion control is not carried out, and the routine proceeds to step S26 where the normal control is executed. On the other hand, when all of the water temperature WT, the engine rotational speed Ne, the target average effective pressure Pe, and the vehicle speed V are equal to or lower than the corresponding predetermined values (Yes route), the process proceeds to step S27 and the following two-stage combustion control is executed. .
[0060]
The two-stage combustion control is a control for performing two-stage injection of fuel for injecting additional fuel after the expansion stroke after injecting the main fuel in the compression stroke. As the injection timing of the additional combustion, it is preferable to be in the middle of the expansion stroke, particularly in the middle of the expansion stroke. Thereby, the fuel injected into the high temperature atmosphere in the expansion stroke is self-ignited, and the generation of smoke and unburned HC can be suppressed low. The main fuel amount and the additional fuel amount are adjusted so that the overall air-fuel ratio is close to stoichiometric or a slight lean air-fuel ratio. In the two-stage combustion control, the additional fuel injected during the expansion stroke is used to increase the exhaust temperature without contributing to the output of the engine 1. Therefore, immediately after starting the engine in which the catalyst device 18 is not activated, it is possible to raise the temperature of the catalyst device 18 to a certain extent by executing such two-stage combustion control.
[0061]
Then, when the catalyst device 18 is activated to some extent, temperature increase control is started, and a large amount of CO, H is produced by the compression stroke injection.2And surplus O2By supplying the catalyst, the temperature of the catalyst device 18 can be raised more efficiently by the reaction heat accompanying the oxidation reaction on the catalysts 18A to 18C. Also in this embodiment, the ignition timing at the time of the two-stage combustion control may be retarded from that during the normal operation, and according to this, the temperature of the catalyst device 18 can be raised more efficiently. Furthermore, by adjusting the opening / closing timing of the intake valve 6 so that the overlap during the valve opening period is smaller than that during normal operation, combustion stability can be ensured even immediately after the engine is started.
[0062]
When the two-stage combustion control is executed as described above, the ECU 30 determines whether or not the timer has counted a predetermined timer time T6 in the next step S28 [see FIG. 13 (d)]. For example, the predetermined timer time T6 is set to a time during which it is estimated that the catalyst temperature has risen to the extent that the oxidation reaction is started on the catalysts 18A to 18C of the catalyst device 18, for example, through experiments. When the timer does not reach the predetermined timer time T6 (No route), the two-stage combustion control is continued in Step S27 through Step S25, and when the timer reaches the predetermined timer time T6 (Yes route), Proceed to the next Step S30. Since the processing content after step S30 is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted here. Note that the timer time T7 in step S63 is set to a time until it is estimated that the catalyst device 18 has been heated to a predetermined temperature close to the activation temperature by executing the two-stage combustion control and the temperature increase control. Yes. According to the present embodiment, the temperature of the catalyst device 18 can be increased more efficiently by executing the two-stage combustion control prior to the temperature increase control, so the timer time T7 is greater than the timer time T1 of the first embodiment. Can be set to a short time.
[0063]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, it is of course possible to make a new embodiment by appropriately combining the feature points of the above-described second to fifth embodiments.
In the above-described embodiment, the intake valve 6 includes the valve timing adjusting device 10. However, the opening / closing timing of the exhaust valve 7 may be adjusted, or the opening / closing timing of both the intake valve 6 and the exhaust valve 7 may be adjusted. May be. Furthermore, in the above-described embodiment, the amount of valve overlap at the time of temperature rise control is fixed. However, as the engine 1 warms up, the combustion stability also increases, so that the temperature of the water (or oil temperature) increases. The overlap amount may be returned to the normal amount.
[0064]
Further, the compression stroke injection in the temperature rise control (compression S / L mode and compression O2-F / B mode) injection timing may be advanced from the injection timing of compression stroke injection during normal operation. By advancing the injection timing in this way, fuel can be injected when the space of the combustion chamber 3 is relatively wide, and there is an advantage that fuel diffusion can be promoted and combustion stability can be further improved. . Moreover, there is also an advantage that the generation of smoke can be suppressed by sufficiently securing the atomization time of the injected fuel.
[0065]
In the case where the throttle valve 12 is electronically controlled, the throttle valve 12 may be opened in accordance with the retarded degree of the ignition timing to increase the intake air amount during the temperature rise control. Since the output decreases when the ignition timing is retarded, there is an advantage that the decrease in the output due to the retard of the ignition timing can be compensated by controlling the throttle valve 12 in this way.
[0066]
Further, when the engine 1 is provided with an exhaust gas recirculation (EGR) device, it is preferable that the EGR valve is throttled or closed during temperature increase control. Since EGR is a cause of a decrease in combustion stability, there is an advantage that a decrease in combustion stability can be prevented by controlling the EGR device in this way.
In addition, the engine 1 of the above-described embodiment includes the dual type exhaust manifold 17 with less exhaust interference in order to improve the output, but has a small heat radiation area and heat capacity, which is advantageous and low in preventing the exhaust temperature from decreasing. A single exhaust manifold 17 of cost may be provided. Furthermore, you may provide the clamshell type exhaust manifold (reaction type exhaust manifold) which has the volume part for making exhaust interference actively. According to this type of exhaust manifold, the exhaust temperature can be further increased by reaction of unburned components accompanying exhaust interference inside the exhaust manifold.
[0067]
In the above-described embodiment, the end time of the temperature raising control is measured using a timer. For example, as shown in the flowchart of FIG. 14, the exhaust immediately upstream of the catalyst device 18 detected by the high temperature sensor 22. The catalyst temperature Tex is estimated from the temperature, and the temperature increase control may be terminated when the estimated catalyst temperature Tex reaches a predetermined temperature (a temperature at which it can be determined that the activity of the catalyst has become sufficient) Tex1 (step S64). . The catalyst temperature Tex is estimated by, for example, referring to a map storing the relationship between the exhaust gas temperature and the catalyst temperature Tex, using a predetermined calculation formula using the exhaust gas temperature as a parameter, The estimation may be based on the engine speed, the vehicle speed, the air-fuel ratio, and the like. Further, instead of estimating the catalyst temperature Tex from the exhaust temperature, the temperature rise control may be terminated when the coolant temperature WT (or oil temperature) detected by the water temperature sensor 23 reaches a predetermined temperature.
[0068]
Further, the present invention is not only at the time of cold start of the engine 1 but also an activated catalyst such as when idling or lean operation (especially compression lean operation with a high degree of leaning) continues for a relatively long time. The present invention can also be applied to temperature increase control such as when the temperature of the device 18 (catalysts 18A to 18C) is lowered or less than the activation temperature. In this case, as shown in the flowchart of FIG. 15, whether or not the catalyst temperature Tex estimated from the exhaust temperature detected by the high temperature sensor 22 is equal to or lower than a predetermined temperature (a temperature at which it can be determined that the catalyst activity is insufficient). Is determined (step S11). When the catalyst temperature Tex falls below the predetermined temperature Tex0 (Yes route), the process proceeds to step S30 to determine whether or not the temperature increase control can be executed, and depending on the determination result, normal control in step S40 or step S50. The temperature rise control is performed. Then, in step S65, it is determined whether or not the catalyst temperature Tex has reached the predetermined temperature Tex1, and when the catalyst temperature Tex rises to the predetermined temperature Tex1 or more (Yes route), the control before proceeding to step S71 and performing the temperature increase control. Continue driving in the state.
[0069]
【The invention's effect】
As described in detail above, the direct injection internal combustion engine of the present invention realizes stratified combustion with a high combustion speed by directly injecting fuel into the combustion chamber during the compression stroke, and overlaps the valve opening period. By reducing the internal EGR by reducing the EGR, combustion stability is improved, and even after the ignition timing is set after top dead center, stable combustion after combustion can be ensured, so that CO, generated by compression stroke injection, H2And surplus O2There is an effect that the temperature of the catalyst can be efficiently raised by a synergistic effect with the reaction on the catalyst.
[0070]
Also, if the ignition timing is changed from the top dead center to the top dead center at a predetermined time after the start of the temperature raising control, the fuel consumption is reduced due to the retardation of the ignition timing while the temperature of the catalyst is efficiently raised. There is an effect that it can be suppressed.
Further, prior to the execution of the temperature increase control, the first temperature increase start control for injecting fuel in the intake stroke and retarding the ignition timing from that during the normal operation is performed over a predetermined period, or the compression is performed. When the second temperature rise start control in which the additional fuel is injected after the expansion stroke after the main fuel is injected during the stroke is performed over a predetermined period, the catalyst is made more efficient while reducing the CO emission amount. There is an effect of raising the temperature well.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a direct injection internal combustion engine according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing a control routine of temperature rise control at the time of cold start according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a time chart showing the control contents of temperature increase control shown in FIG. 2; timer value (d), water temperature (e), engine speed (f), target effective pressure (g), vehicle speed (h) And changes in the corresponding fuel injection mode (a), ignition timing (b), and overlap amount (c) are shown.
FIG. 4 is a diagram illustrating setting of an overlap amount during a valve opening period according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows temperature rise control (a) of the catalyst temperature after cold start, together with time changes of NOx purification efficiency (b), CO purification efficiency (c), and HC purification efficiency (d). This is a comparison between the case of executing (solid line) and the case of executing normal control (dashed line).
FIG. 6 is a flowchart showing a control routine of temperature increase control according to the second embodiment of the present invention.
7 is a time chart showing the control content of temperature increase control shown in FIG.2Sensor activation state determination (a), timer value (e), water temperature (f), engine rotation speed (g), target effective pressure (h), vehicle speed (i), and changes in time and corresponding fuel Each setting of injection mode (b), ignition timing (c), and overlap amount (d) is shown.
FIG. 8 is a flowchart showing a control routine of temperature increase control according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a time chart showing the control contents of the temperature increase control shown in FIG. 8; timer value (d), water temperature (e), engine speed (f), target effective pressure (g), vehicle speed (h) And changes in the corresponding fuel injection mode (a), ignition timing (b), and overlap amount (c) are shown.
FIG. 10 is a flowchart showing a control routine of temperature increase control according to a fourth embodiment of the present invention.
11 is a time chart showing the control contents of the temperature raising control shown in FIG. 10; timer value (d), water temperature (e), engine speed (f), target effective pressure (g), vehicle speed (h) And changes in the corresponding fuel injection mode (a), ignition timing (b), and overlap amount (c) are shown.
FIG. 12 is a flowchart showing a control routine of temperature increase control according to the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a time chart showing the control contents of the temperature raising control shown in FIG. 12; timer value (d), water temperature (e), engine speed (f), target effective pressure (g), vehicle speed (h) And changes in the corresponding fuel injection mode (a), ignition timing (b), and overlap amount (c) are shown.
FIG. 14 is a flowchart showing a control routine of temperature increase control according to another embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a flowchart showing a control routine of temperature increase control according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Engine (Cylinder injection type internal combustion engine)
2 Cylinder head
4 Intake passage
5 Exhaust passage
6 Intake valve
7 Exhaust valve
8 Spark plug (ignition means)
9 Fuel injection valve (fuel injection means)
10 Valve timing adjusting device (valve timing adjusting means)
12 Throttle valve
18 Catalytic device
18A NOx storage catalyst
18B, 18C Three-way catalyst
20 Throttle position sensor
21 O2Sensor
22 High temperature sensor
23 Water temperature sensor
24 Crank angle sensor
30 ECU (control means)

Claims (4)

排気通路に設けられ排気ガスの浄化を行う触媒と、
燃料を燃焼室内に直接噴射しうる燃料噴射手段と、
排気バルブ及び/又は吸気バルブの開閉タイミングを調整するバルブタイミング調整手段と、
上記燃焼室内の混合気に点火しうる点火手段と、
上記触媒の昇温が要求されるとき、上記燃料噴射手段を駆動して吸気行程で燃料を噴射するとともに上記点火手段による点火時期を通常運転時よりも遅角させる昇温開始制御を所定期間に亘って実行し、その後、上記燃料噴射手段を駆動して空燃比が理論空燃比近傍若しくは理論空燃比よりも若干希薄空燃比になるように燃料を圧縮行程中に噴射するとともに、上記バルブタイミング調整手段を駆動して上記排気バルブと上記吸気バルブとの開弁期間のオーバラップを通常運転時よりも減少させ、且つ、上記点火手段による点火時期を上死点後に設定する、昇温制御を実行する制御手段とを備えた
ことを特徴とする、筒内噴射型内燃機関。
A catalyst for purifying exhaust gas provided in the exhaust passage;
Fuel injection means capable of directly injecting fuel into the combustion chamber;
Valve timing adjusting means for adjusting the opening and closing timing of the exhaust valve and / or the intake valve;
Ignition means capable of igniting the air-fuel mixture in the combustion chamber;
When temperature rise of the catalyst is required, temperature rise start control for driving the fuel injection means to inject fuel in the intake stroke and retarding the ignition timing by the ignition means from the normal operation is performed for a predetermined period. over run, then with air by driving the fuel injection means injects the fuel during the compression stroke so as to slightly lean air-fuel ratio than the stoichiometric air-fuel ratio near or stoichiometric air-fuel ratio, the valve timing control The temperature rise control is executed to reduce the overlap of the valve opening period of the exhaust valve and the intake valve from that during normal operation and set the ignition timing by the ignition means after top dead center. A cylinder injection type internal combustion engine.
排気通路に設けられ排気ガスの浄化を行う触媒と、
燃料を燃焼室内に直接噴射しうる燃料噴射手段と、
排気バルブ及び/又は吸気バルブの開閉タイミングを調整するバルブタイミング調整手段と、
上記燃焼室内の混合気に点火しうる点火手段と、
上記触媒の昇温が要求されるとき、上記燃料噴射手段を駆動して圧縮行程中に主燃料を噴射した後に追加燃料を膨張行程以降に噴射する昇温開始制御を所定期間に亘って実行し、その後、上記燃料噴射手段を駆動して空燃比が理論空燃比近傍若しくは理論空燃比よりも若干希薄空燃比になるように燃料を圧縮行程中に噴射するとともに、上記バルブタイミング調整手段を駆動して上記排気バルブと上記吸気バルブとの開弁期間のオーバラップを通常運転時よりも減少させ、且つ、上記点火手段による点火時期を上死点後に設定する、昇温制御を実行する制御手段とを備えた
ことを特徴とする、筒内噴射型内燃機関。
A catalyst for purifying exhaust gas provided in the exhaust passage;
Fuel injection means capable of directly injecting fuel into the combustion chamber;
Valve timing adjusting means for adjusting the opening and closing timing of the exhaust valve and / or the intake valve;
Ignition means capable of igniting the air-fuel mixture in the combustion chamber;
When temperature rise of the catalyst is required, temperature rise start control is executed over a predetermined period of time after the fuel injection means is driven and main fuel is injected during the compression stroke and then additional fuel is injected after the expansion stroke. Thereafter, the fuel injection means is driven to inject fuel during the compression stroke so that the air-fuel ratio is close to the stoichiometric air-fuel ratio or slightly leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, and the valve timing adjusting means is driven. Control means for performing temperature increase control, wherein the overlap of the valve opening period of the exhaust valve and the intake valve is reduced from that during normal operation, and the ignition timing by the ignition means is set after top dead center An in-cylinder internal combustion engine characterized by comprising:
上記制御手段は、上記昇温制御の開始後の所定時点で上記点火手段による点火時期を上死点後から上死点前に変更する
ことを特徴とする、請求項1又は2記載の筒内噴射型内燃機関。
3. The in-cylinder according to claim 1, wherein the control means changes the ignition timing of the ignition means from after top dead center to before top dead center at a predetermined time after the start of temperature rise control. Injection type internal combustion engine.
上記燃焼室から排出された上記排気ガスを積極的に干渉させるための容積部を有する反応型排気マニホールドをそなえている
ことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の筒内噴射型内燃機関。
And wherein the <br/> that includes a reactive exhaust manifold having a volume portion for interfering actively the exhaust gas discharged from the combustion chamber, any one of claims 1 to 3 A cylinder injection type internal combustion engine as described in 1.
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