JP4182770B2 - diesel engine - Google Patents

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JP4182770B2
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  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ディーゼルエンジンにおける触媒の暖機技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンには、排気ガスを浄化するために触媒が用いられるのが普通である。このような触媒は、一定の温度以上にならないと浄化機能を発揮することができない。そこで、通常は、ディーゼルエンジンの始動時に、触媒の床温を上昇させるための暖機運転が行われる。
【0003】
ディーゼルエンジンにおける触媒の暖機運転の技術としては、例えば特許文献1に記載されたものがある。この技術では、通常の第1のEGR通路とは別に、触媒昇温用の第2のEGR通路を設けている。この第1のEGR通路は、触媒の上流側から吸気側に排気ガスを還流させるものであり、一方、第2のEGR通路は、触媒の下流側から吸気側に排気ガスを還流させるものである。触媒が低温である場合には、第2のEGR通路を用いて触媒の下流側から排気ガスを還流させることによって、エンジンから排出される排気ガスの全量を触媒に流すようにして、触媒の温度上昇を早めている。
【0004】
【特許文献1】
特開平11ー229973号公報
【特許文献2】
特開平5−4448号公報
【特許文献3】
特開平10−274086号公報
【特許文献4】
特開平10−274087号公報
【特許文献5】
特許第3092569号公報
【特許文献6】
特許第3331935号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、触媒の暖機を行った後で直ちに通常の運転を実行すると、大量の排気によって触媒が冷却されてしまい、触媒の活性が低下してしまう場合があった。そこで、従来から、触媒の暖機を促進し、その活性を維持することのできる技術が望まれていた。
【0006】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、触媒の暖機を促進し、その活性を維持することのできる技術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およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明のディーゼルエンジンは、
燃焼室と、
前記燃焼室に燃料を噴射するための燃料噴射装置と、
前記燃焼室からの排気ガスを浄化するための触媒と、
前記燃料噴射装置を含む前記ディーゼルエンジンの複数の装置を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記触媒の暖機および活性維持のために、前記ディーゼルエンジンの始動後の早期暖気期間において第1の暖機運転モードを実行するとともに、前記早期暖機期間後の後期暖気期間において第2の暖機運転モードを実行し、
前記第1の暖機運転モードは、前記触媒を流れる排気ガスのエネルギが、前記後期暖機期間後における前記ディーゼルエンジンの通常の運転モードにおいて前記触媒を流れる排気ガスのエネルギよりも高いモードであり、
前記第2の暖機運転モードは、前記触媒を流れる排気ガスの温度が、前記通常の運転モードにおいて前記触媒を流れる排気ガスの温度よりも高い運転モードである。
【0008】
早期暖機期間では、触媒を流れる排気ガスのエネルギが通常の運転モードよりも高いので、触媒を素早く活性化することができる。また、後期暖機期間では、触媒を流れる排気ガスの温度が通常の運転モードよりも高いので、触媒を過度に冷却することなく、その活性を維持することができる。
【0009】
前記第2の暖機運転モードは、前記第1の暖機運転モードおよび前記通常の運転モードのいずれよりも前記触媒を流れる排気ガスの流量が少ないモードであるとしてもよい。
【0010】
触媒を流れる排気ガスの流量が少ないモードでは、排気ガス温度が多少低い場合にも触媒を冷却する効果が少ないので、触媒の活性を維持することが可能である。
【0011】
また、前記第2の暖機運転モードは、前記第1の暖機運転モードおよび前記通常の運転モードのいずれよりも前記燃焼室における空気過剰率が小さい運転モードであるとしてもよい。
【0012】
空気過剰率が小さい運転モードでは、排気ガス温度が高いので、触媒の活性を効率良く維持することができる。
【0013】
前記第2の暖機運転モードは、前記第1の暖機運転モードよりも燃料効率が高く、前記通常の運転モードよりも燃料効率が低いモードであるとしてもよい。
【0014】
この構成によれば、燃料効率をあまり悪化させずに、触媒の活性を維持することができる。
【0015】
前記早期暖機期間は、前記ディーゼルエンジンの冷却水温が所定の温度に達するまでの期間であるとしてもよい。
【0016】
あるいは、前記早期暖機期間は、前記触媒の温度が所定の温度に達するまでの期間であるとしてもよい。
【0017】
これらの構成によれば、早期暖機期間において触媒を十分に活性させることができる。
【0018】
前記第2の暖機運転モードは、前記ディーゼルエンジンへの要求負荷が所定値よりも低いことを含む所定の運転条件を満たしたときに実行されるものとしてもよい。
【0019】
この構成では、後期暖機期間において、比較的低負荷の場合にのみ第2の暖機運転モードが実行されるので、エンジンの運転性能や燃料効率を過度に犠牲にすることなく、触媒の活性を維持することができる。
【0020】
なお、前記第2の暖機運転モードは、低温燃焼モードであるとしてもよい。
【0021】
低温燃焼モードでは、通常運転モードに比べて燃焼排ガスがより少なく、燃焼排ガス温度がより高くなる傾向にある。したがって、第2の暖機運転モードとして低温燃焼モードを採用すれば、触媒の活性を維持することができる。
【0022】
前記制御部は、前記第1の暖機運転モードにおいて、(i)燃料噴射をパイロット噴射とメイン噴射とに分割して行うように前記燃料噴射装置を制御し、(ii)前記パイロット噴射の噴射量割合を、前記通常の運転モードにおいて実行されるパイロット噴射の噴射量割合よりも高い値に設定するとともに、(iii)前記メイン噴射の噴射時期を、前記通常の運転モードにおいて実行されるメイン噴射の噴射量時期よりも遅い時点に設定するようにすることが好ましい。
【0023】
この構成では、早期暖機期間の第1の暖機運転モードにおいてパイロット噴射の噴射量割合を高い値に設定しているので、メイン噴射前に燃焼室の温度と圧力を十分に高めることができる。この結果、メイン噴射で噴射された燃料を十分に燃焼させてHC濃度を抑制することができ、また、排気エネルギを増大させるためにメイン噴射の噴射時期を遅角させても、失火せずにエンジンを運転することができる。この結果、排気ガス中のHC濃度を抑制しつつ、触媒の暖機を促進することができる。
【0024】
なお、前記第1の暖機運転モードにおける前記パイロット噴射の噴射量割合は、前記通常の運転モードにおいて実行されるパイロット噴射の噴射量割合の約2倍ないし約5倍の範囲の値であることが好ましい。
【0025】
パイロット噴射の噴射割合をこの範囲の値に設定すれば、排気エネルギが十分に高くなる程度にメイン噴射の噴射時期を十分に遅く設定することが可能である。
【0026】
なお、前記第1の暖機運転モードの前記パイロット噴射の噴射時期は圧縮上死点手前に設定されており、前記メイン噴射の噴射時期は圧縮上死点以降に設定されていることが好ましい。
【0027】
この構成によれば、パイロット噴射を圧縮上死点手前に設定することによって、メイン噴射前に燃焼室内の温度や圧力を十分に高めることができ、また、メイン噴射を圧縮上死点以降に設定することによって、排気エネルギを高めることができる。
【0028】
上記ディーゼルエンジンは、さらに、前記触媒の床温を実質的に示す温度を検出するための温度検出部を備えており、前記制御部は、前記触媒の床温に応じて、前記第1の暖機運転モードにおける前記パイロット噴射の噴射割合と前記メイン噴射の時期とを調整するようにしてもよい。
【0029】
あるいは、上記ディーゼルエンジンは、さらに、前記燃焼室の冷却水温を実質的に示す温度を検出するための温度検出部を備えており、前記制御部は、前記冷却水温に応じて、前記第1の暖機運転モードにおける前記パイロット噴射の噴射割合と前記メイン噴射の時期とを調整するようにしてもよい。
【0030】
これらの構成によれば、暖機状態に応じた適切な燃料噴射状態を設定することができ、これによって触媒の暖機をさらに効率よく促進することが可能である。
【0031】
なお、前記第1の暖機運転モードにおける前記パイロット噴射の噴射量割合と前記メイン噴射の噴射時期は、前記メイン噴射が失火限界直前の時期に相当するように設定されていてもよい。
【0032】
メイン噴射時期を失火限界直前に設定すれば、失火させることなく、かつ、排気エネルギを可能な限り高めることができる。従って、触媒の暖機をより促進することが可能である。
【0033】
前記失火限界直前の時期は、失火限界から失火限界の手前約2°までのクランク角度の範囲であることが好ましい。
【0034】
この範囲では、排気エネルギを十分に高めることが可能である。
【0035】
上記ディーゼルエンジンは、さらに、前記燃焼室からの排気ガスを前記燃焼室への吸気流路に還流するためのEGR装置と、前記燃焼室の吸気ポートに設けられたグロープラグと、を備えており、前記制御部は、前記第1の暖機運転モードにおいて、(a)前記EGR装置による排気ガスの還流を停止するEGRカット運転と、(b)前記グロープラグによる継続的な吸気加熱運転と、(c)前記ディーゼルエンジンのアイドル回転数を前記通常の運転モードにおけるアイドル回転数よりも上昇させるアイドル回転数上昇運転と、のうちの少なくとも1つを実行するようにしてもよい。
【0036】
これらの3種類の運転は、いずれも排気エネルギの上昇に寄与するので、触媒の暖機をより促進することが可能である。
【0037】
上記ディーゼルエンジンは、さらに、前記燃焼室からの排気ガスのエネルギを用いて前記燃焼室に供給される吸気を圧縮する過給機を備え、前記過給機は、前記過給機に供給される排気の作動圧を調整することによって、前記吸気の過給圧を調整可能な可変型過給機としてもよい。このとき、前記制御部は、前記第1の暖機運転モードにおいて、前記可変型過給機の排気の作動圧を前記通常の運転モードにおける作動圧よりも高めるようにしてもよい。
【0038】
可変型過給機の排気の作動圧を高めると、ポンプ損失が増加して排気エネルギが増大する。この結果、HC濃度を増加させることなく触媒の暖機を促進することが可能である。
【0039】
上記ディーゼルエンジンは、さらに、前記燃焼室への吸気流路を絞るための吸気絞り弁を備え、前記制御部は、前記第1の暖機運転モードにおいて、さらに、前記吸気絞り弁の絞り量を前記通常の運転モードにおける絞り量よりも増加させるようにしてもよい。
【0040】
吸気絞り量を増加させるとポンプ損失が増加するので、排気エネルギが増大する。また、吸気を絞ると吸気量が低下するので、排気温度が上昇する。この結果、HC濃度を増加させることなく触媒の暖機をさらに促進することが可能である。
【0041】
上記ディーゼルエンジンは、さらに、前記燃焼室への吸気流路を絞るための吸気絞り弁を備え、前記制御部は、前記第1の暖機運転モードにおいて、前記吸気絞り弁を連続的に開閉させるようにしてもよい。
【0042】
このディーゼルエンジンでは、吸気絞り弁を連続的に開閉させるので、その機械的エネルギによって排気エネルギを増大させることができる。この結果、HC濃度を増加させることなく触媒の暖機を促進することが可能である。
【0043】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、ディーゼルエンジン(圧縮着火型内燃機関)、ディーゼルエンジンの触媒の暖機制御装置またはその方法、ディーゼルエンジンを用いた車両または移動体、等の態様で実現することができる。
【0044】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.装置の構成と動作の概要:
B.エンジン始動時の触媒の暖機促進と活性維持の考え方:
C.暖機制御の第1実施例:
D.暖機制御の第2実施例:
E.暖機制御の第3実施例:
F.暖機制御の第4実施例:
G.変形例
【0045】
A.装置の構成と動作の概要:
図1は、本発明の実施例によるディーゼルエンジン10の概略構成を示す説明図である。このディーゼルエンジン10は、いわゆる4気筒エンジンであり、4つの燃焼室#1〜#4を有している。各燃焼室には、吸気管12を介して空気が供給される。燃料噴射装置は、燃料ポンプ18とコモンレール19と燃料噴射弁14とを備えている。燃料は、燃料ポンプ18によって昇圧され、コモンレール19を介して各燃焼室の燃料噴射弁14に分配される。燃料噴射弁14は、制御ユニット30によって制御されて、適切な噴射時期および噴射量で各燃焼室内に燃料を噴射する。燃焼によって生成された排気ガスは、排気管16に排出される。なお、本実施例のディーゼルエンジン10は、車両の駆動力を発生するための原動機として使用されている。
【0046】
このエンジン10には、過給機20が設けられている。過給機20は、排気管16内に設けられたタービン21と、吸気管12内に設けられたコンプレッサ22と、両者をつなぐシャフト23と、タービン21の入口ノズル25の開口面積を調節するためのアクチュエータ26とを備えている。燃焼室から排出された燃焼排ガスが過給機20のタービン21を回すと、シャフト23を介してコンプレッサ22が回転し、空気を圧縮して各燃焼室内に供給する。なお、この過給機20は、アクチュエータ26によって排気の駆動圧を変更可能な可変型過給機であり、一般に、可変ノズルターボ(VNT)あるいは可変容量ターボと呼ばれているものである。
【0047】
コンプレッサ22の上流側にはエアクリーナ(図示せず)が設けられている。コンプレッサ22はエアクリーナを介して取り入れた空気を圧縮して各燃焼室に供給する。また、コンプレッサ22の下流側にはインタークーラ24が設けられている。コンプレッサ22で圧縮された空気は、インタークーラ24で冷却された後に各燃焼室に供給される。インタークーラ24の下流側には、スロットル弁28(吸気絞り弁)が設けられている。
【0048】
タービン21の下流側の排気管16内には、メイン触媒40が設けられている。メイン触媒40としては、例えば、燃焼排ガス中に含まれる煤やSOF(Soluble Organic Fraction)などの粒子状物質と、NOxとの両方を除去可能な触媒であるNOx吸蔵還元型触媒が利用される。
【0049】
NOx吸蔵還元型触媒は、燃焼室で燃焼反応が進行する際の空燃比が理論空燃比よりも薄い場合(いわゆるリーンな場合)には、NOxを蓄積する。また、上記空燃比が理論空燃比よりも濃い場合(いわゆるリッチな場合)あるいは理論空燃比の場合(いわゆるストイキオメトリの場合)には、蓄積したNOxを放出する。このような動作によって、燃焼排ガス中のNOxが浄化される。また、NOx吸蔵還元型触媒は、酸化触媒としての活性も備えている。燃焼排ガス中の煤およびSOFが上記触媒上で酸化されることによって、燃焼排ガスが浄化される。
【0050】
排気管16と吸気管12とはEGR流路60でつながっており、このEGR流路60を介して燃焼排ガスの一部を吸気管12に還流可能である。吸気管12に還流する排ガス量は、EGR弁62とスロットル弁28の開度とを調節することによって制御される。EGR流路60にはさらにEGRクーラ64が設けられており、このEGRクーラ64によって、吸気管12内に導入するのに先立って燃焼排ガスが冷却される。また、EGRクーラ64の上流側には、EGR触媒66が設けられている。EGR触媒66は、酸化触媒を備えており、吸気管12内に導入される燃焼排ガス中のSOFなどの粒子状物質を酸化して除去する。なお、EGR触媒66は省略してもよい。
【0051】
制御ユニット30は、エンジン回転数Neと、アクセルの踏み込み量Lと、エンジン冷却水温Tenとをそれぞれ検出するためのセンサからの測定値を受け取り、これらの測定値に応じて燃料ポンプ18や、燃料噴射弁14、EGR弁62、スロットル弁28等を制御する。センサとしては、これら以外にも種々のセンサが設けられている。例えば、コモンレール19には、燃料の圧力を検出するための圧力センサ50が設けられている。また、吸気管12のコンプレッサ22の上流側には、吸気量を検出するためのエアフロメータ52が設けられている。排気管16には、空燃比を検出するための空燃比センサ72が設けられている。さらに、メイン触媒40には、触媒床温を検出するための温度センサ42が設けられている。
【0052】
図2は、EGR率([EGRガス量]/[EGRガス量+吸入空気量])を次第に増加させていったときに、燃焼排ガス中のNOx濃度、スモーク、CO(一酸化炭素)濃度、HC(未燃炭化水素系化合物)濃度が変化する様子を概念的に示した説明図である。図2の例において、燃焼噴射時期は一定とされている。ここで、スモークとは、排気ガス中の煤などの含炭素浮遊微粒子の濃度を表す指標であり、スモークメータと呼ばれる専用の測定装置によって計測される。排気ガスに煤などの含炭素浮遊微粒子が全く含まれていない場合にはスモークの値は0であり、微粒子の濃度が大きくなるほどスモークの値が大きくなる。図2の例では、EGR率が40%を越えるあたりから、スモークの値が増加し始めるが、EGR率をさらに増加させて約60%を越えるとスモークがほとんど発生しなくなる。また、EGR率を大きくするほどNOx濃度は減少する。すなわち、EGR率を十分に大きくすると、NOxの排出量をほとんど0(高々10ppm程度)にするとともに、スモークもほとんど0にすることができる。本明細書においては、EGR率を60%以上の値に設定してスモークおよびNOx濃度を低減する燃焼モードを、「低温燃焼」と呼ぶ。また、低温燃焼よりも低いEGR率で行われる通常の燃焼モードを、「通常燃焼」と呼ぶ。通常燃焼では、EGR率は50%以下に抑えられている。「低温燃焼」という名称は、この燃焼モードにおいては、EGRガスの働きによって燃焼室内の局所的な燃焼温度が通常よりもかなり低い温度に抑えられていることに由来している。局所的な燃焼温度が低いと、スモークとNOxの発生量が低減される傾向にあることが知られている。なお、低温燃焼については、例えば本出願人により開示された特許第3092569号に詳述されている。
【0053】
図2の最上部に示すように、空燃比はEGR率の増大に伴って減少する。一回の吸気工程で燃焼室内に供給される吸気量(吸入空気量とEGRガス量との和)が一定とすれば、EGRガス量が多くなるほど空気の吸入量は減少する。EGRガス中の酸素濃度は、通常の空気の酸素濃度より低いので、EGRガス量が増加するほど、すなわちEGR率が大きくなるほど、空燃比がリッチ側に近づいていく。図2に示されているように、低温燃焼ではEGR率が通常燃焼よりも高いので、空燃比は通常燃焼に比べてリッチ側にシフトしている。
【0054】
ディーゼルエンジンの燃焼は、通常は、リーン空燃比の下で行われる。EGRを行なう場合にも、通常燃焼では、空燃比はリーンに保たれる。さらにEGRガス量を増加させると、空燃比が理論空燃比(ストイキオメトリ)となる条件で燃焼を行なうことができる。空燃比は厳密には燃料の組成にも依存するが、理論空燃比は、ほとんどの燃料で14.7〜14.8付近の値をとる。理論空燃比の状態よりもEGRガス量をさらに増加させると、空燃比はリッチとなる。
【0055】
図3は、EGR率を変えて空燃比(A/F)を変化させたときの各種の燃焼関連特性(燃焼排ガス中のスモーク量、ディーゼルエンジンの燃費、触媒床温、および触媒入りガス温度)が変化する様子を概念的に示した説明図である。ここで、触媒床温および触媒入りガス温度とは、それぞれ、図1のメイン触媒40における触媒床温と、この触媒に流入する燃焼排ガス温度を表わす。図3に示すように、低温燃焼は、理論空燃比よりもリーン側で行なうリーン低温燃焼と、理論空燃比よりもリッチ側で行なうリッチ低温燃焼に区分される。
【0056】
リーン低温燃焼は、スモークを充分に抑えることができると共に、通常燃焼と比較しても充分に許容できる程度に優れた燃費を示す。なお、リーン低温燃焼を行なうときには、図2に示したように、通常燃焼に比べて燃焼排ガス中のHC濃度およびCO濃度が高くなる。しかしながら、低温燃焼では、通常燃焼に比べて、燃焼排ガスがより少なく、燃焼排ガス温度がより高くなる傾向にある。したがって、低温燃焼を行なうときには、触媒床温をより高く維持することができる(図3)。このように触媒床温が高く保たれることにより、外部に排出される排ガス中のHC濃度およびCO濃度を容易に低減することができる。このように、リーン低温燃焼は、メイン触媒40と組み合わせることにより、極めてクリーンな排ガスを排出することができる優れた燃焼モードである。
【0057】
低温燃焼は、上述したように、多量のEGRガスを環流させて燃焼温度を低下させる燃焼モードである。したがって、低温燃焼を採用可能なのは、実質的には低負荷時に限られることになる。すなわち、エンジンをより高い負荷で運転するためには、燃料の噴射量と吸入する空気量とを増加する必要がある。ここで、1回の吸気で燃焼室内に吸入する空気量と、吸気側への排気ガスの還流量との合計値は、原則として変わらないので、空気量が増加すれば排気ガスの還流量がその分だけ減少する。そのため、負荷が高いときには、EGR率を低温燃焼が成立する程に高い値に維持できないことになる。従って、中高負荷時には、通常燃焼が行われる。中高負荷時に通常燃焼を行なうことで発生するNOxは、NOx吸蔵還元型触媒であるメイン触媒に吸蔵される。こうして吸蔵されたNOxは、低負荷の下で低温燃焼が実行される際に排出されるHCやCOによって還元される。
【0058】
図4は、低温燃焼運転領域と通常燃焼運転領域とを示すグラフである。図4に示すように、エンジン運転条件が比較的低出力の領域R1にある場合は低温燃焼を行うことが可能であり、比較的高出力の領域R2にある場合は通常燃焼が行われる。但し、低温燃焼運転領域において通常燃焼を実行することも可能である。従って、低温燃焼運転領域では、必要に応じて低温燃焼と通常燃焼のいずれかが選択される。より具体的には、エンジン回転速度とエンジンの要求トルクとをパラメータとして、制御の目標とする排気ガス空燃比を設定したマップを、低温燃焼用のマップと、通常燃焼用のマップとしてそれぞれ記憶しておき、選択された燃焼モードにおいて、排気管16に装着した空燃比センサ72の検出する空燃比が目標空燃比となるように制御する。このようなマップは、制御ユニット30のROM(図示せず)に記憶されている。
【0059】
なお、リッチ低温燃焼は、図3に示したように燃費が悪化する燃焼モードであるため通常は用いないが、図3に示すように触媒床温を上昇させることができるため、触媒の再生のために短時間行なわれるのが普通である。すなわち、通常燃焼を継続する場合には、燃焼排ガス温度が低いために触媒床温が次第に低下し、触媒活性が低下するおそれがあるので、このような場合に短時間リッチ低温燃焼を行なうと、触媒床温を上昇させて触媒活性を回復させることができる。
【0060】
B.エンジン始動時の触媒の暖機促進と活性維持の考え方:
触媒40の暖機は、触媒40を通過する排気ガスの熱によって行われる。ここで、触媒40内の排気ガスの流れとして円管内乱流モデルを採用すると、排気ガスから触媒40への伝熱量Qは、以下の(1)式で与えられる。
【0061】
Q=C1・Re0.8・Pr1/3・(Tg−Tc)
=C2・V0.8・(Tg−Tc) …(1)
ここで、C1,C2は定数、Reはレイノズル数、Prはプラントル数、Tgは排気ガスの温度、Tcは触媒の温度、Vは排気ガスの流量である。なお、プラントル数は流体の物性値だけで決まるので、定数C2で代表されている。また、レイノルズ数Reは、排気ガスの流量Vに比例する。
【0062】
伝熱量Qが多いほど、触媒40の暖機が促進される。従って、触媒40の暖機を促進するためには、次の2つの手段を採用することが可能である。
(a)排気ガスの温度Tgを上昇させる。
(b)排気ガスの流量Vを増大させる。
【0063】
以下に説明する各種の実施例は、これらの2つの手段の少なくとも一方を利用して触媒40の暖機を促進する。また、触媒40が活性温度まで達した後も、しばらくの間は活性を維持するための運転を実行する。この触媒活性維持のための運転では、排気ガスの温度Tgを上昇させる手段が利用される。
【0064】
図5は、本発明の実施例における触媒暖機の概要を示している。横軸は、始動時(コールドスタート)からの経過時間であり、縦軸は車速と触媒床温である。グラフの上部に示されているように、暖機期間は、早期暖機期間(早期暖機フェーズ)と後期暖機期間(後期暖機フェーズ)とに分かれている。この例における車速の変化は、所定の車両性能テストパターンに適合するものである。
【0065】
早期暖機期間t0〜t1は、触媒床温を常温から活性温度(例えば約250℃)まで上昇させるための期間である。この早期暖機期間では、触媒暖機促進運転モード(後述する)が実行され、これによって、早期暖機期間の終了時には触媒床温が活性温度に達する。後期暖機期間t1〜t2は、触媒床温を活性温度以上に維持するための期間である。この後期暖機期間では、エンジンへの要求負荷が所定値よりも低いことを含む所定の運転条件を満たしたときに、触媒活性維持運転モード(後述する)が実行される。図5の例では、図の上部に示すように、触媒活性維持運転モードは、エンジンの要求負荷が低く回転数がほぼ一定である運転条件(具体的には、定速走行時とアイドリング時)に触媒活性維持運転モードが実行されている。
【0066】
後期暖機期間の後(時刻t2以降)は、通常の運転が行われる。後期暖機期間の終了時には、触媒床温が十分に上昇しており、また、エンジンの冷却水や排気経路なども十分に昇温している。従って、触媒暖機促進運転モードや触媒活性時運転モードを行わずに、通常の運転を行っても触媒床温を活性温度以上に維持することが可能である。なお、本明細書において、後期暖機期間後において通常行われる運転モードを「通常運転モード」と呼ぶ。また、早期暖機期間と後期暖機期間とをまとめて単に「暖機期間」と呼ぶことがある。
【0067】
早期暖機期間中における触媒暖機促進運転モードとしては、暖機期間後の通常運転モードに比べて触媒を流れる排気のエネルギがより高い運転モードを採用することができる。ここで、「通常運転モードに比べて」という文言は、「通常運転モードとほぼ同じエンジン負荷および回転数の場合と比べて」、という意味である。触媒暖機促進運転モードの具体例については後に詳述する。後期暖機期間中における触媒活性維持運転モードとしては、暖機期間後の通常運転モードに比べて触媒を流れる排気の温度がより高い運転モードを採用することができる。例えば、触媒活性維持運転モードとして、図2、図3で説明した低温燃焼を採用することができる。
【0068】
触媒活性維持運転モードにおいて排気ガス温度を高めるためには、一般に、通常運転モードよりも空気過剰率を低下(すなわち空燃比を低下)させれば良い。特に、触媒活性維持運転モードとして、通常運転モードと触媒暖機促進運転モードのいずれよりも空気過剰率を低下させることが好ましい。この理由は、空気過剰率が高いと多量の空気によって排気温度が低下してしまい、逆に、空気過剰率を低くすれば排気温度を高められるからである。図3に示したように、低温燃焼は空燃比がかなり低く、排気温度が通常運転モードよりも高くなるので、触媒活性維持運転モードとして採用することができる。また、触媒活性維持運転モードとして低温燃焼以外の燃焼モードを採用し、その際、空気過剰率を暖機期間後の通常運転モードよりも低下させることによって、排気温度を高めることが可能である。空気過剰率を低下させる手段としては、スロットル弁28(図1)の開度の低下や、EGR率の上昇があり、これらの2つを同時に採用することも可能である。
【0069】
また、触媒活性維持運転モードとしては、通常運転モードよりも触媒を流れる排気ガス量を低下させるモードを採用することも可能である。特に、触媒活性維持運転モードとして、通常運転モードと触媒暖機促進運転モードのいずれよりも触媒を流れる排気ガス量を低下させることが好ましい。こうすれば、多量の排気によって触媒を冷却してしまうことを防止することができるので、触媒の活性を維持することが可能である。排気ガス量を低下させる手段としては、スロットル弁28の開度の低下や、EGR率の増大を利用することができる。
【0070】
なお、触媒活性維持運転モードは、触媒40の活性温度を維持することを意図しているので、触媒暖機促進運転モードよりも触媒40に与えるエネルギは少なくて良い。従って、触媒活性維持運転モードは、通常運転モードよりも燃費は多少悪化するが、触媒暖機促進運転モードよりも燃費が良好な(燃料効率の良い)運転モードとすることが好ましい。
【0071】
C.暖機制御の第1実施例:
図6は、暖機制御の第1実施例におけるディーゼルエンジン10の運転状態を示す説明図である。図5の横軸は始動(コールドスタート)からの時間であり、縦軸は、上から順に、エンジン冷却水温、燃料噴射時期、および、EGR率である。時刻t0でエンジンが始動すると、エンジン冷却水温が所定の温度CATonに到達する時刻t1までの早期暖機期間では、触媒40を暖機するための触媒暖機促進運転(触媒暖機用燃焼)が行われる。なお、早期暖機期間は、エンジン冷却水温が所定の温度CATonに達するまでの期間として設定される。あるいは、触媒床温が所定の温度に達するまでの期間してもよい。時刻t1から時刻t2までの後期暖機期間では、触媒活性維持運転モードと通常運転モードとが行われる。本実施例では、触媒活性維持運転モードでは、図2、図3で説明した低温燃焼が行われ、通常運転モードでは通常燃焼が行われる。時刻t2以降は、暖機後の通常の運転モード(通常燃焼)が行われる。なお、図6では、後期暖機期間t1〜t2における低温燃焼と通常燃焼の期間は、図示の便宜上、簡略化されて描かれている。
【0072】
早期暖機期間t0〜t1中においては、燃料噴射は、パイロット噴射とメイン噴射とに分割して行なわれる。パイロット噴射の噴射量は、1燃焼サイクルの全噴射量の約30%に設定されており、メイン噴射の噴射量は約70%に設定されている。また、パイロット噴射の噴射時期は、圧縮上死点TDCの約10°手前(すなわちTDC−約10°)であり、メイン噴射の噴射時期は圧縮上死点TDCの約10°後ろ(すなわちTDC+約10°)に設定されている。なお、本明細書において、「噴射時期」とは噴射開始時期を意味する。暖機期間中における噴射量や噴射時期の設定値の意味については後述する。
【0073】
早期暖機期間中は、EGR率が0に設定されている。すなわち、EGR弁62が閉鎖されており、燃焼排ガスの還流がカットされている。この理由は、早期暖機期間中にEGRを行うと、EGRクーラ64(図1)によって排気温度が低下してしまうので、却って暖機が抑制される可能性があるからである。これから理解できるように、暖機期間中のEGRカット運転は、上述した(1)式における排気ガスの温度Tgを上昇させる手段として使用することができる。但し、暖機期間中に、ある程度のEGRを行うようにしても良い。例えば、加速中はEGR率を10〜20%に設定しても良い。EGR率をこのような低い値に設定することによって、触媒40の暖機を促進するとともに、EGRカットによるNOxの過度の増加を防止することができる。
【0074】
後期暖機期間t1〜t2では、比較的低負荷の運転条件において低温燃焼が行われ、比較的高負荷の運転条件では通常燃焼が行われる。図3で説明したように、低温燃焼は、通常燃焼に比べて触媒入ガス温度が高いので、触媒40の活性を維持することができる。また、触媒40は早期暖機期間中に活性温度に達しているので、後期暖機期間において低温燃焼(触媒活性維持運転)を継続的に行う必要はなく、間欠的に低温燃焼を行えば十分である。これに対して、早期暖機期間t0〜t1では、エンジンの負荷に拘わらず、触媒暖機促進運転を継続的に行うことが好ましい。なお、後期暖機期間の終了時期は、単に後期暖機期間の時間を計測して決定することができる。あるいは、触媒床温やエンジン冷却水温が所定の値に達したときに後期暖機期間を終了させるようにしてもよい。
【0075】
後期暖機期間中の通常燃焼の際にも、早期暖機期間中の触媒暖機用燃焼と同様に、パイロット噴射とメイン噴射とが行われる。但し、通常燃焼時には、パイロット噴射の噴射量は、1燃焼サイクルの全噴射量の約10%に設定され、メイン噴射の噴射量は約90%に設定される。また、パイロット噴射の噴射時期は、(TDC−約15°)であり、メイン噴射の噴射時期は(TDC+約5°)である。時刻t2以降の通常運転モードでは、後期暖機期間中と同じ通常燃焼が行われる。
【0076】
図7(A)は、早期暖機期間中の燃焼室内の圧力変化を示しており、図7(B)は熱発生量の変化を示している。図7(A),(B)の横軸はクランク角度θである。早期暖機期間中においては、パイロット噴射もメイン噴射も圧縮上死点TDCから離れた時点で行われるので、圧縮上死点TDC付近における圧力上昇率は低い。このため、いわゆる等容度が低下する。ディーゼルエンジンでは、一般に、等容度が低下すると熱効率が低下し、排気エネルギが増加することが知られている。具体的には、パイロット噴射された燃料は、圧縮上死点TDC前に燃焼して熱を発生するが、この熱はほとんど外部に対して仕事をせず、燃焼室内の温度・圧力の上昇に利用される。メイン噴射も、圧縮上死点TDCからかなり離れた時点で行われるので、その熱発生量のかなりの部分が排気の温度上昇に利用される。
【0077】
早期暖機期間中のパイロット噴射およびメイン噴射の噴射時期と噴射量とは、以下のような事項を考慮して決定されている。排気エネルギを増加させるためには、メイン噴射を圧縮上死点TDC以降のなるべく遅い時点で(すなわち、なるべく大幅に遅角させて)行うことが望ましい。但し、メイン噴射をあまり遅角させると失火する可能性がある。そこで、パイロット噴射の噴射量を増加させると燃焼室の温度が上昇するので、メイン噴射を遅角させたときに失火する可能性を低下させることができる。また、パイロット噴射とメイン噴射の噴射時期の間隔には、ある程度の好ましい値(例えばクランク角度で20°)が存在する。従って、パイロット噴射とメイン噴射の噴射時期は、失火する可能性が低く、かつ、メイン噴射の噴射時期がなるべく遅くなるように決定される。また、パイロット噴射とメイン噴射の噴射時期と噴射量は、排気エネルギの増大分を含み、かつ、要求負荷を満足するように決定される。この結果、早期暖機期間中では、通常燃焼に比べて、パイロット噴射の噴射量が多く、かつ、メイン噴射の噴射時期がより遅い時期に設定される。
【0078】
なお、等負荷の運転条件では、早期暖機期間中の触媒暖機用燃焼の方が、通常燃焼よりも全噴射量は多くなる。早期暖機期間中のパイロット噴射の噴射割合(パイロット噴射量/全噴射量)は、通常燃焼におけるパイロット噴射の噴射割合の約2倍〜約5倍であることが好ましい。
【0079】
以上の説明から理解できるように、第1実施例の早期暖機期間中の燃料噴射には、以下のような特徴がある。
(1)早期暖機期間中におけるパイロット噴射の噴射量割合は、早期暖機期間後における通常燃焼において実行されるパイロット噴射の噴射量割合よりも高い。
(2)早期暖機期間中におけるメイン噴射の噴射時期は、暖機期間後における通常燃焼において実行されるメイン噴射の噴射量時期よりも遅い。
【0080】
このような制御を行うことによって、メイン噴射をかなりの遅角させて、排気エネルギを増大させることが可能であり、触媒40をより効率的に暖機することが可能である。また、パイロット噴射の噴射量が多いので、メイン噴射の際には、燃焼室内の温度と圧力がかなり上昇している。このため、メイン噴射で噴射された燃料が十分に燃焼するので、燃焼排ガス中のHC濃度を低減することができる。すなわち、第1実施例では、HC濃度を抑制しつつ、触媒の暖機を効率良く行うことが可能である。
【0081】
なお、パイロット噴射とメイン噴射の時期にはある程度の融通性があるが、触媒の暖機のためには、パイロット噴射を圧縮上死点の手前で行い、メイン噴射を圧縮上死点以降で行うことが好ましい。こうすることによって、HC濃度を抑制しつつ、触媒の暖機をより効率良く行うことが可能である。
【0082】
図8は、第1実施例に従って暖機運転(触媒暖機促進運転および触媒活性維持運転)の実行例を示している。車速の変化は図5に示したものと同じである。暖機運転を行った場合には、始動後約70秒経過した早期暖機期間の終了時t1に、触媒床温が活性温度に達しており、その後も活性温度以上に維持されている。一方、暖機運転を行わない場合には、始動後約1000秒経過した後に活性温度に到達している。これから理解できるように、第1実施例の触媒暖機運転を行うことによって、短時間で触媒40を活性化させることが可能であり、また、その後も活性を維持することができる。
【0083】
なお、後期暖機期間を行わずに、触媒が活性温度に達した後は通常燃焼(通常運転モード)を行うことも可能である。但し、図3で説明したように、通常燃焼では、触媒入りガス温度が低温燃焼よりも低く、また、EGR率が低温燃焼よりも低いので触媒40を通過する排気ガス量が多い。従って、早期暖機期間の後にすぐに通常燃焼のみで運転を行うと、図8に一点鎖線で示すように、触媒40が多量の排気ガスで冷却されて活性温度以下になる可能性がある。これに対して、本実施例では、後期暖機期間において、比較的低負荷の運転条件において低温燃焼を行うので、触媒40の活性を維持することが可能である。
【0084】
なお、図6の例では、早期暖機期間中は、パイロット噴射とメイン噴射の噴射割合および噴射時期が一定に保たれるものとしたが、暖機の程度に応じてこれらを変更するようにしてもよい。図9は、エンジン冷却水温に応じて噴射割合と噴射時期とを変更する場合の例を示すグラフである。この例では、エンジン冷却水温が上昇するにつれて、パイロット噴射の噴射割合が低下し、一方、メイン噴射の噴射時期が進角する。換言すれば、エンジン冷却水温が上昇するにつれて、通常燃焼の噴射状態に近づくように調整が行われる。こうすることによって、暖機の程度に応じた適切な噴射噴射で触媒を暖機することが可能である。なお、エンジン冷却水温の代わりに、触媒床温に応じてパイロット噴射とメイン噴射の噴射割合および噴射時期を変更するようにしてもよい。
【0085】
D.暖機制御の第2実施例:
図10は、暖機制御の第2実施例におけるディーゼルエンジン10の運転状態を示す説明図である。第2実施例では、以下に説明するように、早期暖機期間におけるパイロット噴射とメイン噴射の噴射時期および噴射量が、第1実施例よりも最適化されている。
【0086】
図11は、メイン噴射時期およびメイン噴射量と失火領域との関係を示す説明図である。この図から解るように、あるメイン噴射量のときにメイン噴射時期を遅角させると、失火限界を超えて失火領域に入ってしまう。但し、メイン噴射量が少ないほど、失火限界のクランク角度は遅角側にずれる。図11の実線は、パイロット噴射量を一定としたときに、同一のトルクを発生させるためのメイン噴射の時期と噴射量との関係を示している。一般に、メイン噴射の噴射時期を遅角させると熱効率が低下する。従って、パイロット噴射量が一定値に保たれる条件下では、メイン噴射の噴射時期を遅角させるほど、同一のトルクを発生するために必要なメイン噴射量が増大する。また、パイロット噴射量を増加させた場合には、同一のメイン噴射量でメイン噴射時期を遅角させても同一のトルクを発生することができる。
【0087】
ところで、失火限界の近傍の臨界領域では、メイン噴射が十分に遅角しているので、排気ガス温度が高められる。臨界領域における排気ガス温度は、各種の燃料噴射条件に依存している。図12は、燃料噴射条件による排気ガス温度Tgの変化を示す説明図である。図12の横軸は、メイン噴射時期であり、縦軸は燃焼排ガスの温度である。また、実線は、パイロット噴射割合Qp(全噴射量に対するパイロット噴射量の割合)が0%のときのグラフであり、一点鎖線はこれが20%、二点鎖線は40%のときのグラフである。この図から理解できるように、パイロット噴射量割合Qpを0%から20%に増加させると、失火限界となるメイン噴射時期が遅角するので、失火限界の臨界領域における排気ガス温度Tgも上昇する。ところが、パイロット噴射量割合Qpを過度に(例えば40%に)増大させると、メイン噴射量の割合が低下してしまうので、逆に排気ガス温度Tgが低下することになる。図13は、図12の関係を、パイロット噴射量割合と排気ガス温度Tgとの関係に書き直したものである。この図からも理解できるように、メイン噴射の条件を図11の臨界領域内に設定したときに、排気ガス温度Tgが最も高くなるようなパイロット噴射量割合の最適な条件が存在する。このような最適な噴射条件は、各エンジン毎に実験的に決定される。また、この最適な噴射条件はエンジンの温度にも依存するので、例えばエンジン冷却水温度に応じて変更することが好ましい。
【0088】
なお、メイン噴射量とパイロット噴射量との合計が一定であるときには、以下の2つの場合を考慮して、噴射条件を最適化することが可能である。すなわち、パイロット噴射量が多い場合には、メイン噴射量は少なくなるがメイン噴射の時期は遅らせることが可能である。一方、パイロット噴射量が少ない場合には、メイン噴射量が多くなるが、メイン噴射の時期は進める必要が生じる。排気ガス温度Tgが最も高くなるようなパイロット噴射とメイン噴射の最適な条件は、これらの2つの場合のバランスを考慮して決定される。すなわち、この最適な条件は、失火が生じない範囲においてパイロット噴射量が最大可能量となる条件と、最小可能量となる条件と、の中間に存在する。従って、これらの2つの極端な条件の中間を探索することによって、最適な条件を見いだすことが可能である。
【0089】
以上のように、第2実施例では、早期暖機期間中において、排気ガス温度Tgが最も高くなるように、パイロット噴射の噴射量割合とメイン噴射の噴射時期とが、失火限界直前の臨界領域の時期に相当するように設定されている。これによって、排気エネルギが増加し、触媒の暖機を効率的に促進することが可能である。なお、この臨界領域の範囲としては、クランク角度で失火限界から失火限界の手前約2°までの範囲とすることが好ましく、失火限界からその手前の約1°までの範囲とすることがさらに好ましい。
【0090】
第2実施例では、さらに、排気ガスの温度上昇を促進する手段として、噴射条件の調整の他に、EGRカット運転と、アイドル回転数の上昇と、グロープラグの継続使用と、の3つの手段が利用されている。
【0091】
図10に示したように、第2実施例では、第1実施例と同様に、早期暖機期間中においてEGRがカットされている。この結果、EGRクーラ64(図1)における熱損失によって排気温度が低下してしまうことを防止し、触媒の暖機を促進することが可能である。また、図10の例では、アイドル回転数は、早期暖機期間中は1200rpmに設定されており、早期暖機期間後は950rpmに設定されている。このように、早期暖機期間中にアイドル回転数を増加させると、上述した(1)式における排気ガス流量Vを増大させることができ、これによって触媒40の暖機を促進することが可能である。
【0092】
図10の最下部に示すように、早期暖機期間中は、さらに、グロープラグが継続的に利用されている。図14は、燃焼室の縦断面を示している。燃焼室110は、シリンダ壁112と、シリンダヘッド114と、ピストン116とで構成されている。シリンダヘッド114には、吸気ポート122と排気ポート124とが設けられている。吸気ポート122には吸気弁132とが設けられており、排気ポート124には排気弁134が設けられている。また、シリンダヘッド114の燃焼室のほぼ中心位置には、燃料噴射弁14が設けられており、燃料噴射弁14のノズル15に隣接した位置にはグロープラグ126が設けられている。なお、グロープラグ126は、吸気を加熱できる位置に配置されていればよく、例えば、吸気ポート122に設けられていてもよい。
【0093】
グロープラグ126は、通常は、エンジン10の始動性の向上を図るために、始動時の極く短い時間のみに利用される。これに対して、第2実施例では、早期暖機期間中において、グロープラグ126がかなり長時間の間、継続的にオン状態に保たれている。こうすることによって、排気ガス温度をさらに高めて、触媒40の暖機を促進することが可能である。
【0094】
なお、EGRカット運転と、グロープラグによる継続的な吸気加熱運転と、アイドル回転数上昇運転と、の3種類の運転は、同時に行う必要はないが、これらのうちの少なくとも1つを早期暖機期間中の少なくとも一部の期間で実行することが好ましい。また、これらの運転の程度は、エンジン冷却水温度や触媒昇温に依存して変化させることが好ましく、早期暖機期間中に必要がなくなったときにはこれらの運転を停止してもよい。
【0095】
E.暖機制御の第3実施例:
図15は、暖機制御の第3実施例におけるディーゼルエンジン10の運転状態を示す説明図である。第3実施例では、燃料噴射の時期や噴射量は図6に示した第1実施例と同じであるが、可変ノズルターボ(VNT)20の入口ノズル25(図1)と吸気絞り(スロットル弁28)の開度を早期暖機期間中に絞っている点に特徴がある。なお、早期暖機期間後は、負荷要求に応じてVNTや吸気絞りの開度が調整されるが、図15の例では簡略化して描かれている。
【0096】
図16は、VNTと吸気絞りの調整による触媒の暖機効果を説明している。VNTのノズル開度を低下させると、エンジンの背圧(排気管16の圧力)が上昇する(ブロックB2)。また、吸気絞りの開度が低下すると、吸気圧が低下する。エンジン背圧の上昇と吸気圧の低下は、エンジンのポンプ損失の増加を引き起こし(ブロックB3)、必要な動力を発生するために要する燃料を増加させる(ブロックB4)。この結果、排気エネルギが増加し(ブロックB5)、触媒の暖機を促進させることができる(ブロックB6)。なお、吸気絞りの開度低下は、吸気量を減らして吸気温度を上昇させる効果も有している。
【0097】
一方、エンジン背圧の上昇は、タービン回転数を増加させるという効果もある(ブロックB7)。タービン回転数が増加すると、これに伴って吸気圧が上昇する(ブロックB8)。また、吸気絞り弁が絞られているので、吸気管内の流速は増加する(ブロックB9)。これは吸気のエントロピが増加することを意味するので、吸気温度が上昇する(ブロックB10,B11)。この結果、排気エネルギが増加し(ブロックB5)、触媒の暖機を促進させることができる(ブロックB6)。
【0098】
このように、早期暖機期間中にVNTと吸気絞りを暖機後よりも絞ることによって、触媒の暖機を促進させることが可能である。また、これらの制御は、HC濃度を増加させる可能性が低い。従って、HC濃度を抑制しつつ触媒の暖機を促進することができる。
【0099】
F.暖機制御の第4実施例:
図17は、暖機制御の第4実施例におけるディーゼルエンジン10の運転状態を示す説明図である。第4実施例は、燃料噴射の時期や噴射量は図6に示した第1実施例と同じであるが、早期暖機期間中に吸気絞り(スロットル弁28)を高速で開閉している点に特徴がある。吸気絞りを高速で開閉すると、そのエネルギが吸気に与えられて吸気のエントロピが増加し、吸気温度が上昇する。従って、排気温度も上昇し、触媒の暖機を促進させることができる。また、この制御はHC濃度を増加させる可能性が低いので、HC濃度を抑制しつつ触媒の暖機を促進することができる。
【0100】
第3実施例や第4実施例の説明から理解できるように、早期暖機期間中に、吸気絞りやVNTの開度を調整することによって、排気温度を上昇させ、HC濃度を増加させること無く触媒の暖機を促進することが可能である。なお、第3実施例や第4実施例で採用した制御は、燃料噴射の時期や噴射量とは直接的な関係が無いので、第1および第2実施例における制御と任意に組み合わせて利用することが可能である。
【0101】
G.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【0102】
G1.変形例1:
また、本発明は、自動車に限らず、自動車以外の車両や、飛行機、船舶などの種々の移動体のエンジンにも適用可能である。
【0103】
G2.変形例2:
上記実施例では、エンジン冷却水温や触媒床温を用いて運転期間の切換を行っていたが、他の測定値を用いて運転期間の切換を行うようにしてもよい。また、ある運転期間が所定の長さに達したときに他の運転期間に切換えるようにしてもよい。
【0104】
G3.変形例3:
上記実施例では、温度センサを用いて触媒床温やエンジン冷却水温を直接測定していたが、これらの温度は間接的に測定してもよい。すなわち、触媒やエンジン冷却水以外の温度を測定して、これから触媒床温やエンジン冷却水温を推定してもよい。換言すれば、触媒の床温やエンジン冷却水温を実質的に示す温度を検出するための温度検出部を用いるようにしてもよい。
【0105】
G4.変形例4:
上記実施例で、採用した各種の設定値(例えば燃料噴射量や噴射時期)は、単なる例示であり、これ以外の種々の値を採用することが可能である。また、上述した各種の実施例に採用されている各種の運転を、様々に組み合わせて触媒の暖機を行うことが可能である。
【0106】
G5.変形例5:
上述した触媒暖機用の各種の運転(運転モード)は、暖機期間中にわたって継続して行われる必要はなく、少なくともその一部の期間において実行されていればよい。すなわち、本明細書において、「暖機期間において」あるいは「暖機期間中に」という文言は、特に断らない限り「暖機期間の少なくとも一部において」という意味を有している。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例のディーゼルエンジン10の概略構成を表わす説明図。
【図2】 EGR率を次第に増加させていったときに、燃焼排ガス中の種々の物質の濃度が変化する様子を概念的に示した説明図。
【図3】 空燃比(A/F)を変化させたときに、燃焼排ガス中のスモークと燃費が変化する様子を概念的に示した説明図。
【図4】 低温燃焼運転領域と通常燃焼運転領域とを示すグラフ。
【図5】 触媒暖機運転の概要を示す説明図。
【図6】 暖機制御の第1実施例におけるディーゼルエンジン10の運転状態を示す説明図。
【図7】 第1実施例における暖機期間中の燃焼室内の圧力変化と、熱発生量との関係を示す説明図。
【図8】 触媒暖機運転の実行結果の一例を示すグラフ。
【図9】 エンジン冷却水温に応じて噴射割合と噴射時期とを変更する場合の例を示すグラフ。
【図10】 暖機制御の第2実施例におけるディーゼルエンジン10の運転状態を示す説明図。
【図11】 メイン噴射時期およびメイン噴射量と失火領域との関係を示す説明図。
【図12】 燃料噴射条件による排気ガス温度Tgの変化を示す説明図。
【図13】 パイロット噴射量割合と排気ガス温度Tgとの関係を示す説明図。
【図14】 燃焼室の縦断面を示す説明図。
【図15】 暖機制御の第3実施例におけるディーゼルエンジン10の運転状態を示す説明図。
【図16】 VNTと吸気絞りの調整による触媒の暖機効果の説明図。
【図17】 暖機制御の第4実施例におけるディーゼルエンジン10の運転状態を示す説明図。
【符号の説明】
10…ディーゼルエンジン
12…吸気管
14…燃料噴射弁
15…ノズル
16…排気管
18…燃料ポンプ
19…コモンレール
20…過給機
21…タービン
22…コンプレッサ
23…シャフト
24…インタークーラ
25…入口ノズル
26…アクチュエータ
28…スロットル弁
30…制御ユニット
40…メイン触媒
42…温度センサ
50…圧力センサ
52…エアフロメータ
60…EGR流路
62…EGR弁
64…EGRクーラ
66…EGR触媒
72…空燃比センサ
110…燃焼室
112…シリンダ壁
114…シリンダヘッド
116…ピストン
122…吸気ポート
124…排気ポート
126…グロープラグ
132…吸気弁
134…排気弁
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a catalyst warm-up technology in a diesel engine.
[0002]
[Prior art]
In a diesel engine, a catalyst is usually used to purify exhaust gas. Such a catalyst cannot exhibit its purification function unless it reaches a certain temperature or higher. Therefore, normally, at the time of starting the diesel engine, a warm-up operation for increasing the bed temperature of the catalyst is performed.
[0003]
As a technology for warming up a catalyst in a diesel engine, for example, there is one described in Patent Document 1. In this technique, a second EGR passage for raising the temperature of the catalyst is provided separately from the normal first EGR passage. The first EGR passage recirculates the exhaust gas from the upstream side of the catalyst to the intake side, while the second EGR passage recirculates the exhaust gas from the downstream side of the catalyst to the intake side. . When the catalyst is at a low temperature, the exhaust gas is recirculated from the downstream side of the catalyst using the second EGR passage so that the entire amount of exhaust gas discharged from the engine flows through the catalyst. The rise has been accelerated.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-229973
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 5-4448
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-274086
[Patent Document 4]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-274087
[Patent Document 5]
Japanese Patent No. 3092569
[Patent Document 6]
Japanese Patent No. 3331935
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, if normal operation is performed immediately after the catalyst is warmed up, the catalyst may be cooled by a large amount of exhaust gas, and the activity of the catalyst may be reduced. Therefore, conventionally, there has been a demand for a technique that can promote warm-up of the catalyst and maintain its activity.
[0006]
The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a technique capable of promoting warm-up of a catalyst and maintaining its activity.
[0007]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
In order to achieve the above object, the diesel engine of the present invention provides:
A combustion chamber;
A fuel injection device for injecting fuel into the combustion chamber;
A catalyst for purifying exhaust gas from the combustion chamber;
A control unit for controlling a plurality of devices of the diesel engine including the fuel injection device;
With
The controller is
In order to warm up and maintain the activity of the catalyst, the first warm-up operation mode is executed in the early warm-up period after the diesel engine is started, and the second warm-up period is performed in the late warm-up period after the early warm-up period. Execute machine operation mode,
The first warm-up operation mode is a mode in which the energy of the exhaust gas flowing through the catalyst is higher than the energy of the exhaust gas flowing through the catalyst in the normal operation mode of the diesel engine after the late warm-up period. ,
The second warm-up operation mode is an operation mode in which the temperature of the exhaust gas flowing through the catalyst is higher than the temperature of the exhaust gas flowing through the catalyst in the normal operation mode.
[0008]
In the early warm-up period, the energy of the exhaust gas flowing through the catalyst is higher than in the normal operation mode, so that the catalyst can be activated quickly. Further, in the latter warm-up period, the temperature of the exhaust gas flowing through the catalyst is higher than that in the normal operation mode, so that the activity can be maintained without excessively cooling the catalyst.
[0009]
The second warm-up operation mode may be a mode in which the flow rate of exhaust gas flowing through the catalyst is smaller than both the first warm-up operation mode and the normal operation mode.
[0010]
In the mode in which the flow rate of the exhaust gas flowing through the catalyst is small, the effect of cooling the catalyst is small even when the exhaust gas temperature is somewhat low, so that the catalyst activity can be maintained.
[0011]
The second warm-up operation mode may be an operation mode in which the excess air ratio in the combustion chamber is smaller than both the first warm-up operation mode and the normal operation mode.
[0012]
In the operation mode in which the excess air ratio is small, the exhaust gas temperature is high, so that the activity of the catalyst can be maintained efficiently.
[0013]
The second warm-up operation mode may be a mode having higher fuel efficiency than the first warm-up operation mode and lower fuel efficiency than the normal operation mode.
[0014]
According to this configuration, the activity of the catalyst can be maintained without significantly deteriorating the fuel efficiency.
[0015]
The early warm-up period may be a period until the cooling water temperature of the diesel engine reaches a predetermined temperature.
[0016]
Alternatively, the early warm-up period may be a period until the temperature of the catalyst reaches a predetermined temperature.
[0017]
According to these configurations, the catalyst can be sufficiently activated during the early warm-up period.
[0018]
The second warm-up operation mode may be executed when a predetermined operation condition including that a required load on the diesel engine is lower than a predetermined value is satisfied.
[0019]
In this configuration, since the second warm-up operation mode is executed only at a relatively low load during the late warm-up period, the activity of the catalyst can be reduced without excessively sacrificing the engine performance and fuel efficiency. Can be maintained.
[0020]
Note that the second warm-up operation mode may be a low-temperature combustion mode.
[0021]
In the low temperature combustion mode, the combustion exhaust gas is less and the combustion exhaust gas temperature tends to be higher than in the normal operation mode. Therefore, if the low temperature combustion mode is adopted as the second warm-up operation mode, the activity of the catalyst can be maintained.
[0022]
In the first warm-up operation mode, the control unit controls the fuel injection device to perform (i) fuel injection divided into pilot injection and main injection, and (ii) injection of the pilot injection. The volume ratio is set to a value higher than the injection volume ratio of the pilot injection executed in the normal operation mode, and (iii) the main injection timing is set to the main injection executed in the normal operation mode. It is preferable to set the time point later than the injection amount time.
[0023]
In this configuration, since the injection amount ratio of the pilot injection is set to a high value in the first warm-up operation mode during the early warm-up period, the temperature and pressure of the combustion chamber can be sufficiently increased before the main injection. . As a result, the fuel injected in the main injection can be sufficiently burned to suppress the HC concentration, and even if the injection timing of the main injection is delayed to increase the exhaust energy, no misfire occurs. The engine can be operated. As a result, warming up of the catalyst can be promoted while suppressing the HC concentration in the exhaust gas.
[0024]
In addition, the injection amount ratio of the pilot injection in the first warm-up operation mode is a value in a range of about 2 to about 5 times the injection amount ratio of the pilot injection executed in the normal operation mode. Is preferred.
[0025]
If the injection ratio of pilot injection is set to a value within this range, it is possible to set the injection timing of the main injection sufficiently late so that the exhaust energy becomes sufficiently high.
[0026]
It is preferable that the injection timing of the pilot injection in the first warm-up operation mode is set before the compression top dead center, and the injection timing of the main injection is set after the compression top dead center.
[0027]
According to this configuration, by setting the pilot injection before the compression top dead center, the temperature and pressure in the combustion chamber can be sufficiently increased before the main injection, and the main injection is set after the compression top dead center. By doing so, the exhaust energy can be increased.
[0028]
The diesel engine further includes a temperature detection unit for detecting a temperature that substantially indicates the bed temperature of the catalyst, and the control unit is configured to perform the first warming according to the bed temperature of the catalyst. The injection ratio of the pilot injection and the timing of the main injection in the machine operation mode may be adjusted.
[0029]
Or the said diesel engine is further provided with the temperature detection part for detecting the temperature which shows the cooling water temperature of the said combustion chamber substantially, The said control part is a said 1st according to the said cooling water temperature. The pilot injection ratio and the main injection timing in the warm-up operation mode may be adjusted.
[0030]
According to these configurations, it is possible to set an appropriate fuel injection state corresponding to the warm-up state, and thereby it is possible to further promote the warm-up of the catalyst more efficiently.
[0031]
In addition, the injection amount ratio of the pilot injection and the injection timing of the main injection in the first warm-up operation mode may be set so that the main injection corresponds to a timing immediately before the misfire limit.
[0032]
If the main injection timing is set immediately before the misfire limit, exhaust energy can be increased as much as possible without causing misfire. Therefore, it is possible to further promote the warm-up of the catalyst.
[0033]
The time immediately before the misfire limit is preferably a crank angle range from the misfire limit to about 2 ° before the misfire limit.
[0034]
In this range, the exhaust energy can be sufficiently increased.
[0035]
The diesel engine further includes an EGR device for returning exhaust gas from the combustion chamber to an intake passage to the combustion chamber, and a glow plug provided at an intake port of the combustion chamber. The control unit, in the first warm-up operation mode, (a) EGR cut operation to stop the exhaust gas recirculation by the EGR device, (b) continuous intake air heating operation by the glow plug, (C) At least one of the idling engine speed increasing operation for increasing the idling engine speed of the diesel engine to be higher than the idling engine speed in the normal operation mode may be executed.
[0036]
Since these three types of operations all contribute to an increase in exhaust energy, the warm-up of the catalyst can be further promoted.
[0037]
The diesel engine further includes a supercharger that compresses intake air supplied to the combustion chamber using energy of exhaust gas from the combustion chamber, and the supercharger is supplied to the supercharger. A variable supercharger capable of adjusting the supercharging pressure of the intake air by adjusting the exhaust working pressure may be used. At this time, in the first warm-up operation mode, the control unit may increase the operating pressure of the exhaust of the variable turbocharger more than the operating pressure in the normal operation mode.
[0038]
When the operating pressure of the exhaust of the variable turbocharger is increased, the pump loss increases and the exhaust energy increases. As a result, it is possible to promote warming up of the catalyst without increasing the HC concentration.
[0039]
The diesel engine further includes an intake throttle valve for restricting an intake passage to the combustion chamber, and the control unit further controls a throttle amount of the intake throttle valve in the first warm-up operation mode. You may make it increase more than the aperture amount in the said normal driving | operation mode.
[0040]
When the intake throttle amount is increased, the pump loss increases, so that the exhaust energy increases. Further, when the intake air is throttled, the intake air amount decreases, so that the exhaust temperature rises. As a result, it is possible to further promote the warm-up of the catalyst without increasing the HC concentration.
[0041]
The diesel engine further includes an intake throttle valve for restricting an intake passage to the combustion chamber, and the control unit continuously opens and closes the intake throttle valve in the first warm-up operation mode. You may do it.
[0042]
In this diesel engine, since the intake throttle valve is continuously opened and closed, the exhaust energy can be increased by the mechanical energy. As a result, it is possible to promote warming up of the catalyst without increasing the HC concentration.
[0043]
The present invention can be realized in various modes, for example, a diesel engine (compression ignition internal combustion engine), a diesel engine catalyst warm-up control apparatus or method, a vehicle using a diesel engine, It can be realized in a mode such as a moving body.
[0044]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Overview of device configuration and operation:
B. How to promote catalyst warm-up and maintain activity when starting the engine:
C. First example of warm-up control:
D. Second embodiment of warm-up control:
E. Third example of warm-up control:
F. Fourth example of warm-up control:
G. Modified example
[0045]
A. Overview of device configuration and operation:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a diesel engine 10 according to an embodiment of the present invention. The diesel engine 10 is a so-called four-cylinder engine and has four combustion chambers # 1 to # 4. Air is supplied to each combustion chamber via an intake pipe 12. The fuel injection device includes a fuel pump 18, a common rail 19, and a fuel injection valve 14. The fuel is boosted by the fuel pump 18 and distributed to the fuel injection valves 14 of the respective combustion chambers via the common rail 19. The fuel injection valve 14 is controlled by the control unit 30 to inject fuel into each combustion chamber at an appropriate injection timing and injection amount. The exhaust gas generated by the combustion is discharged to the exhaust pipe 16. In addition, the diesel engine 10 of a present Example is used as a motor | power_engine for generating the driving force of a vehicle.
[0046]
The engine 10 is provided with a supercharger 20. The supercharger 20 adjusts the opening area of the turbine 21 provided in the exhaust pipe 16, the compressor 22 provided in the intake pipe 12, the shaft 23 that connects both, and the inlet nozzle 25 of the turbine 21. The actuator 26 is provided. When the combustion exhaust gas discharged from the combustion chamber rotates the turbine 21 of the supercharger 20, the compressor 22 rotates through the shaft 23, compresses the air, and supplies the compressed combustion chamber to each combustion chamber. The supercharger 20 is a variable supercharger that can change the driving pressure of exhaust gas by an actuator 26, and is generally called a variable nozzle turbo (VNT) or a variable capacity turbo.
[0047]
An air cleaner (not shown) is provided on the upstream side of the compressor 22. The compressor 22 compresses the air taken in via the air cleaner and supplies it to each combustion chamber. An intercooler 24 is provided on the downstream side of the compressor 22. The air compressed by the compressor 22 is cooled by the intercooler 24 and then supplied to each combustion chamber. A throttle valve 28 (intake throttle valve) is provided on the downstream side of the intercooler 24.
[0048]
A main catalyst 40 is provided in the exhaust pipe 16 on the downstream side of the turbine 21. As the main catalyst 40, for example, a NOx occlusion reduction type catalyst which is a catalyst capable of removing both particulate matter such as soot and SOF (Soluble Organic Fraction) contained in combustion exhaust gas and NOx is used.
[0049]
The NOx occlusion reduction type catalyst accumulates NOx when the air-fuel ratio when the combustion reaction proceeds in the combustion chamber is thinner than the stoichiometric air-fuel ratio (so-called lean case). When the air-fuel ratio is higher than the stoichiometric air-fuel ratio (so-called rich) or stoichiometric air-fuel ratio (so-called stoichiometry), the accumulated NOx is released. By such an operation, NOx in the combustion exhaust gas is purified. Further, the NOx occlusion reduction type catalyst also has an activity as an oxidation catalyst. The combustion exhaust gas is purified by oxidizing soot and SOF in the combustion exhaust gas on the catalyst.
[0050]
The exhaust pipe 16 and the intake pipe 12 are connected by an EGR flow path 60, and a part of the combustion exhaust gas can be recirculated to the intake pipe 12 through the EGR flow path 60. The amount of exhaust gas recirculated to the intake pipe 12 is controlled by adjusting the opening degree of the EGR valve 62 and the throttle valve 28. An EGR cooler 64 is further provided in the EGR flow path 60, and the combustion exhaust gas is cooled by the EGR cooler 64 before being introduced into the intake pipe 12. Further, an EGR catalyst 66 is provided on the upstream side of the EGR cooler 64. The EGR catalyst 66 includes an oxidation catalyst, and oxidizes and removes particulate matter such as SOF in the combustion exhaust gas introduced into the intake pipe 12. The EGR catalyst 66 may be omitted.
[0051]
The control unit 30 receives measurement values from sensors for detecting the engine speed Ne, the accelerator depression amount L, and the engine cooling water temperature Ten, and in accordance with these measurement values, the fuel pump 18 and the fuel The injection valve 14, EGR valve 62, throttle valve 28 and the like are controlled. In addition to these, various sensors are provided as sensors. For example, the common rail 19 is provided with a pressure sensor 50 for detecting the fuel pressure. An air flow meter 52 for detecting the intake air amount is provided on the upstream side of the compressor 22 in the intake pipe 12. The exhaust pipe 16 is provided with an air-fuel ratio sensor 72 for detecting the air-fuel ratio. Further, the main catalyst 40 is provided with a temperature sensor 42 for detecting the catalyst bed temperature.
[0052]
FIG. 2 shows that when the EGR rate ([EGR gas amount] / [EGR gas amount + intake air amount]) is gradually increased, NOx concentration, smoke, CO (carbon monoxide) concentration in the combustion exhaust gas, It is explanatory drawing which showed notably the mode that HC (unburned hydrocarbon type compound) density | concentration changes. In the example of FIG. 2, the combustion injection timing is fixed. Here, the smoke is an index representing the concentration of carbon-containing suspended fine particles such as soot in the exhaust gas, and is measured by a dedicated measuring device called a smoke meter. When the exhaust gas contains no carbon-containing suspended fine particles such as soot, the smoke value is 0, and the smoke value increases as the concentration of the fine particles increases. In the example of FIG. 2, the smoke value starts to increase when the EGR rate exceeds 40%. However, when the EGR rate is further increased to exceed about 60%, smoke hardly occurs. Further, the NOx concentration decreases as the EGR rate increases. That is, if the EGR rate is sufficiently increased, the NOx emission amount can be reduced to almost 0 (about 10 ppm at most) and the smoke can also be reduced to almost 0. In the present specification, a combustion mode in which the EGR rate is set to a value of 60% or more to reduce smoke and NOx concentration is referred to as “low temperature combustion”. Further, a normal combustion mode performed at an EGR rate lower than that of low-temperature combustion is referred to as “normal combustion”. In normal combustion, the EGR rate is suppressed to 50% or less. The name “low temperature combustion” is derived from the fact that in this combustion mode, the local combustion temperature in the combustion chamber is suppressed to a considerably lower temperature than usual by the action of EGR gas. It is known that when the local combustion temperature is low, the amount of smoke and NOx generated tends to be reduced. The low temperature combustion is described in detail in, for example, Japanese Patent No. 3092569 disclosed by the present applicant.
[0053]
As shown in the uppermost part of FIG. 2, the air-fuel ratio decreases as the EGR rate increases. If the intake air amount (the sum of the intake air amount and the EGR gas amount) supplied into the combustion chamber in one intake step is constant, the air intake amount decreases as the EGR gas amount increases. Since the oxygen concentration in the EGR gas is lower than the oxygen concentration of normal air, the air-fuel ratio approaches the rich side as the EGR gas amount increases, that is, as the EGR rate increases. As shown in FIG. 2, since the EGR rate is higher in the low temperature combustion than in the normal combustion, the air-fuel ratio is shifted to the rich side as compared with the normal combustion.
[0054]
Diesel engine combustion is usually performed under a lean air-fuel ratio. Even when performing EGR, the air-fuel ratio is kept lean in normal combustion. When the EGR gas amount is further increased, combustion can be performed under the condition that the air-fuel ratio becomes the stoichiometric air-fuel ratio (stoichiometry). Strictly speaking, the air-fuel ratio depends on the composition of the fuel, but the stoichiometric air-fuel ratio takes a value in the vicinity of 14.7 to 14.8 for most fuels. If the EGR gas amount is further increased from the stoichiometric air-fuel ratio, the air-fuel ratio becomes rich.
[0055]
FIG. 3 shows various combustion-related characteristics when the EGR rate is changed and the air-fuel ratio (A / F) is changed (the amount of smoke in the combustion exhaust gas, the fuel consumption of the diesel engine, the catalyst bed temperature, and the gas temperature containing the catalyst). It is explanatory drawing which showed notably that a mode changes. Here, the catalyst bed temperature and the catalyst-containing gas temperature represent the catalyst bed temperature in the main catalyst 40 of FIG. 1 and the combustion exhaust gas temperature flowing into this catalyst, respectively. As shown in FIG. 3, low-temperature combustion is classified into lean low-temperature combustion that is performed leaner than the stoichiometric air-fuel ratio and rich low-temperature combustion that is performed richer than the stoichiometric air-fuel ratio.
[0056]
Lean low-temperature combustion can sufficiently suppress smoke, and exhibits excellent fuel efficiency to an extent that is sufficiently acceptable as compared with normal combustion. When performing lean low-temperature combustion, as shown in FIG. 2, the HC concentration and the CO concentration in the combustion exhaust gas are higher than in the normal combustion. However, in the low temperature combustion, the combustion exhaust gas is less and the combustion exhaust gas temperature tends to be higher than in the normal combustion. Therefore, when performing low temperature combustion, the catalyst bed temperature can be kept higher (FIG. 3). By keeping the catalyst bed temperature high in this way, the HC concentration and CO concentration in the exhaust gas discharged to the outside can be easily reduced. Thus, lean low-temperature combustion is an excellent combustion mode that can discharge extremely clean exhaust gas when combined with the main catalyst 40.
[0057]
As described above, low-temperature combustion is a combustion mode in which a large amount of EGR gas is circulated to lower the combustion temperature. Therefore, it is practically possible to employ low-temperature combustion only when the load is low. That is, in order to operate the engine at a higher load, it is necessary to increase the fuel injection amount and the intake air amount. Here, the total value of the amount of air sucked into the combustion chamber by one intake and the amount of exhaust gas recirculated to the intake side does not change in principle. Therefore, if the amount of air increases, the amount of exhaust gas recirculation increases. Decrease accordingly. For this reason, when the load is high, the EGR rate cannot be kept high enough to achieve low-temperature combustion. Therefore, normal combustion is performed during medium and high loads. NOx generated by performing normal combustion at medium and high loads is stored in the main catalyst, which is a NOx storage reduction catalyst. The NOx occluded in this way is reduced by HC and CO discharged when low-temperature combustion is performed under a low load.
[0058]
FIG. 4 is a graph showing a low temperature combustion operation region and a normal combustion operation region. As shown in FIG. 4, low-temperature combustion can be performed when the engine operating condition is in the relatively low output region R1, and normal combustion is performed when the engine operating condition is in the relatively high output region R2. However, it is also possible to perform normal combustion in the low temperature combustion operation region. Therefore, in the low temperature combustion operation region, either low temperature combustion or normal combustion is selected as necessary. More specifically, a map in which the exhaust gas air-fuel ratio targeted for control is set using the engine speed and the required torque of the engine as parameters is stored as a map for low-temperature combustion and a map for normal combustion, respectively. In the selected combustion mode, control is performed so that the air-fuel ratio detected by the air-fuel ratio sensor 72 attached to the exhaust pipe 16 becomes the target air-fuel ratio. Such a map is stored in a ROM (not shown) of the control unit 30.
[0059]
Rich low temperature combustion is not usually used because it is a combustion mode in which the fuel consumption deteriorates as shown in FIG. 3, but the catalyst bed temperature can be raised as shown in FIG. This is usually done for a short time. That is, when normal combustion is continued, since the combustion exhaust gas temperature is low, the catalyst bed temperature gradually decreases and the catalytic activity may decrease. The catalyst activity can be recovered by raising the catalyst bed temperature.
[0060]
B. How to promote catalyst warm-up and maintain activity when starting the engine:
The warming up of the catalyst 40 is performed by the heat of exhaust gas passing through the catalyst 40. Here, if a turbulent flow model in a circular pipe is adopted as the flow of exhaust gas in the catalyst 40, the heat transfer amount Q from the exhaust gas to the catalyst 40 is given by the following equation (1).
[0061]
Q = C1 · Re 0.8 ・ Pr 1/3 ・ (Tg-Tc)
= C2 ・ V 0.8 (Tg-Tc) (1)
Here, C1 and C2 are constants, Re is the number of lay nozzles, Pr is the Prandtl number, Tg is the temperature of the exhaust gas, Tc is the temperature of the catalyst, and V is the flow rate of the exhaust gas. Since the Prandtl number is determined only by the physical property value of the fluid, it is represented by a constant C2. The Reynolds number Re is proportional to the flow rate V of the exhaust gas.
[0062]
The warming up of the catalyst 40 is promoted as the heat transfer amount Q increases. Therefore, in order to promote the warming up of the catalyst 40, the following two means can be employed.
(A) Increase the temperature Tg of the exhaust gas.
(B) Increase the flow rate V of the exhaust gas.
[0063]
Various embodiments described below promote warming up of the catalyst 40 using at least one of these two means. Further, even after the catalyst 40 reaches the activation temperature, an operation for maintaining the activity for a while is performed. In the operation for maintaining the catalytic activity, means for increasing the temperature Tg of the exhaust gas is used.
[0064]
FIG. 5 shows an outline of catalyst warm-up in the embodiment of the present invention. The horizontal axis is the elapsed time from the start (cold start), and the vertical axis is the vehicle speed and the catalyst bed temperature. As shown in the upper part of the graph, the warm-up period is divided into an early warm-up period (early warm-up phase) and a late warm-up period (late warm-up phase). The change in vehicle speed in this example conforms to a predetermined vehicle performance test pattern.
[0065]
The early warm-up period t0 to t1 is a period for raising the catalyst bed temperature from the normal temperature to the activation temperature (for example, about 250 ° C.). In this early warm-up period, the catalyst warm-up promotion operation mode (described later) is executed, and thereby the catalyst bed temperature reaches the activation temperature at the end of the early warm-up period. The latter warm-up period t1 to t2 is a period for maintaining the catalyst bed temperature at the activation temperature or higher. In the latter warm-up period, the catalyst activity maintaining operation mode (described later) is executed when a predetermined operation condition including that the required load on the engine is lower than a predetermined value is satisfied. In the example of FIG. 5, as shown in the upper part of the figure, the catalyst activity maintaining operation mode is an operation condition in which the required load of the engine is low and the rotational speed is substantially constant (specifically, at constant speed running and idling). The catalyst activity maintaining operation mode is executed.
[0066]
After the late warm-up period (after time t2), normal operation is performed. At the end of the late warm-up period, the catalyst bed temperature has risen sufficiently, and the engine cooling water, the exhaust path, etc. have also risen sufficiently. Therefore, it is possible to maintain the catalyst bed temperature at the activation temperature or higher even if normal operation is performed without performing the catalyst warm-up promotion operation mode or the catalyst activation time operation mode. In the present specification, an operation mode normally performed after the late warm-up period is referred to as a “normal operation mode”. Further, the early warm-up period and the late warm-up period may be collectively referred to simply as “warm-up period”.
[0067]
As the catalyst warm-up promotion operation mode during the early warm-up period, an operation mode in which the energy of the exhaust gas flowing through the catalyst is higher than that in the normal operation mode after the warm-up period can be adopted. Here, the phrase “compared to the normal operation mode” means “compared to the case of the engine load and the rotational speed substantially the same as those in the normal operation mode”. Specific examples of the catalyst warm-up promotion operation mode will be described in detail later. As the catalyst activity maintaining operation mode during the late warm-up period, an operation mode in which the temperature of the exhaust gas flowing through the catalyst is higher than that in the normal operation mode after the warm-up period can be adopted. For example, the low-temperature combustion described with reference to FIGS. 2 and 3 can be employed as the catalyst activity maintaining operation mode.
[0068]
In order to raise the exhaust gas temperature in the catalyst activity maintaining operation mode, it is generally sufficient to lower the excess air ratio (that is, lower the air-fuel ratio) than in the normal operation mode. In particular, as the catalyst activity maintaining operation mode, it is preferable to lower the excess air ratio than both the normal operation mode and the catalyst warm-up promotion operation mode. This is because if the excess air ratio is high, the exhaust temperature is lowered by a large amount of air. Conversely, if the excess air ratio is lowered, the exhaust temperature can be increased. As shown in FIG. 3, low-temperature combustion has a considerably low air-fuel ratio, and the exhaust gas temperature is higher than that in the normal operation mode. Therefore, it can be adopted as the catalyst activity maintaining operation mode. Further, it is possible to raise the exhaust gas temperature by adopting a combustion mode other than the low temperature combustion as the catalyst activity maintaining operation mode, and lowering the excess air ratio compared to the normal operation mode after the warm-up period. Means for reducing the excess air ratio include a decrease in the opening degree of the throttle valve 28 (FIG. 1) and an increase in the EGR ratio. These two can be employed simultaneously.
[0069]
Further, as the catalyst activity maintaining operation mode, a mode in which the amount of exhaust gas flowing through the catalyst is reduced as compared with the normal operation mode can be adopted. In particular, as the catalyst activity maintaining operation mode, it is preferable to reduce the amount of exhaust gas flowing through the catalyst as compared with both the normal operation mode and the catalyst warm-up promotion operation mode. By doing so, it is possible to prevent the catalyst from being cooled by a large amount of exhaust gas, so that the activity of the catalyst can be maintained. As a means for reducing the amount of exhaust gas, a decrease in the opening of the throttle valve 28 or an increase in the EGR rate can be used.
[0070]
In addition, since the catalyst activity maintaining operation mode is intended to maintain the activation temperature of the catalyst 40, less energy may be given to the catalyst 40 than in the catalyst warm-up promotion operation mode. Therefore, it is preferable that the catalyst activity maintaining operation mode is an operation mode in which the fuel consumption is somewhat worse than the normal operation mode, but the fuel consumption is better (fuel efficiency) than the catalyst warm-up promotion operation mode.
[0071]
C. First example of warm-up control:
FIG. 6 is an explanatory diagram showing an operating state of the diesel engine 10 in the first embodiment of the warm-up control. The horizontal axis in FIG. 5 is the time from the start (cold start), and the vertical axis is the engine coolant temperature, the fuel injection timing, and the EGR rate in order from the top. When the engine is started at time t0, the catalyst warm-up promotion operation (catalyst warm-up combustion) for warming up the catalyst 40 is performed during the early warm-up period until time t1 when the engine coolant temperature reaches the predetermined temperature CATo. Done. The early warm-up period is set as a period until the engine coolant temperature reaches a predetermined temperature CATon. Alternatively, it may be a period until the catalyst bed temperature reaches a predetermined temperature. In the late warm-up period from time t1 to time t2, the catalyst activity maintaining operation mode and the normal operation mode are performed. In this embodiment, the low-temperature combustion described with reference to FIGS. 2 and 3 is performed in the catalyst activity maintaining operation mode, and the normal combustion is performed in the normal operation mode. After time t2, the normal operation mode (normal combustion) after warm-up is performed. In FIG. 6, the low-temperature combustion and normal combustion periods in the late warm-up periods t1 to t2 are illustrated in a simplified manner for convenience of illustration.
[0072]
During the early warm-up period t0 to t1, fuel injection is divided into pilot injection and main injection. The injection amount of pilot injection is set to about 30% of the total injection amount of one combustion cycle, and the injection amount of main injection is set to about 70%. The injection timing of pilot injection is about 10 ° before compression top dead center TDC (ie, TDC−about 10 °), and the injection timing of main injection is about 10 ° behind compression top dead center TDC (ie, TDC + about). 10 °). In the present specification, “injection timing” means the injection start timing. The meaning of the set value of the injection amount and the injection timing during the warm-up period will be described later.
[0073]
The EGR rate is set to 0 during the early warm-up period. That is, the EGR valve 62 is closed, and the recirculation of the combustion exhaust gas is cut off. This is because if the EGR is performed during the early warm-up period, the exhaust gas temperature is lowered by the EGR cooler 64 (FIG. 1), so that the warm-up may be suppressed. As can be understood from this, the EGR cut operation during the warm-up period can be used as means for increasing the temperature Tg of the exhaust gas in the above-described equation (1). However, a certain amount of EGR may be performed during the warm-up period. For example, the EGR rate may be set to 10 to 20% during acceleration. By setting the EGR rate to such a low value, warming up of the catalyst 40 can be promoted, and an excessive increase in NOx due to EGR cut can be prevented.
[0074]
In the late warm-up period t1 to t2, low temperature combustion is performed under relatively low load operating conditions, and normal combustion is performed under relatively high load operating conditions. As described with reference to FIG. 3, the low temperature combustion has a higher catalyst input gas temperature than the normal combustion, so that the activity of the catalyst 40 can be maintained. Further, since the catalyst 40 has reached the activation temperature during the early warm-up period, it is not necessary to continuously perform low-temperature combustion (catalyst activity maintaining operation) during the later warm-up period, and intermittent low-temperature combustion is sufficient. It is. In contrast, in the early warm-up period t0 to t1, it is preferable to continuously perform the catalyst warm-up promotion operation regardless of the engine load. The end timing of the late warm-up period can be determined by simply measuring the time of the late warm-up period. Alternatively, the late warm-up period may be terminated when the catalyst bed temperature or the engine cooling water temperature reaches a predetermined value.
[0075]
During normal combustion during the late warm-up period, pilot injection and main injection are performed as in the case of catalyst warm-up combustion during the early warm-up period. However, during normal combustion, the injection amount of pilot injection is set to about 10% of the total injection amount of one combustion cycle, and the injection amount of main injection is set to about 90%. Further, the injection timing of pilot injection is (TDC−about 15 °), and the injection timing of main injection is (TDC + about 5 °). In the normal operation mode after time t2, normal combustion is performed as in the latter warm-up period.
[0076]
FIG. 7A shows a change in pressure in the combustion chamber during the early warm-up period, and FIG. 7B shows a change in heat generation amount. The horizontal axis in FIGS. 7A and 7B is the crank angle θ. During the early warm-up period, since the pilot injection and the main injection are performed at a time away from the compression top dead center TDC, the rate of pressure increase near the compression top dead center TDC is low. For this reason, the so-called isovolume is reduced. In a diesel engine, it is generally known that when the isovolume decreases, the thermal efficiency decreases and the exhaust energy increases. More specifically, the pilot-injected fuel burns before compression top dead center TDC to generate heat, but this heat does not work to the outside and increases the temperature and pressure in the combustion chamber. Used. Since the main injection is also performed at a time far from the compression top dead center TDC, a considerable part of the heat generation amount is used for increasing the temperature of the exhaust gas.
[0077]
The injection timing and injection amount of pilot injection and main injection during the early warm-up period are determined in consideration of the following matters. In order to increase the exhaust energy, it is desirable that the main injection be performed at the latest possible time after the compression top dead center TDC (that is, by delaying as much as possible). However, if the main injection is retarded too much, misfire may occur. Therefore, if the injection amount of pilot injection is increased, the temperature of the combustion chamber rises, so that the possibility of misfire when the main injection is retarded can be reduced. Further, there is a certain preferable value (for example, 20 ° in crank angle) between the injection timings of the pilot injection and the main injection. Accordingly, the injection timings of the pilot injection and the main injection are determined so that the possibility of misfire is low and the injection timing of the main injection is as late as possible. Further, the injection timing and the injection amount of the pilot injection and the main injection are determined so as to include the increase in exhaust energy and satisfy the required load. As a result, during the early warm-up period, the amount of pilot injection is larger than that of normal combustion, and the injection timing of main injection is set later.
[0078]
Note that, under equal load operating conditions, the total amount of injection is larger in the catalyst warm-up combustion during the early warm-up period than in the normal combustion. The injection ratio (pilot injection amount / total injection quantity) of pilot injection during the early warm-up period is preferably about 2 to about 5 times the injection ratio of pilot injection in normal combustion.
[0079]
As can be understood from the above description, the fuel injection during the early warm-up period of the first embodiment has the following characteristics.
(1) The injection amount ratio of pilot injection during the early warm-up period is higher than the injection amount ratio of pilot injection executed in normal combustion after the early warm-up period.
(2) The injection timing of main injection during the early warm-up period is later than the injection amount timing of main injection executed in normal combustion after the warm-up period.
[0080]
By performing such control, it is possible to retard the main injection considerably, increase the exhaust energy, and warm up the catalyst 40 more efficiently. Further, since the amount of pilot injection is large, the temperature and pressure in the combustion chamber are considerably increased during main injection. For this reason, since the fuel injected by the main injection burns sufficiently, the HC concentration in the combustion exhaust gas can be reduced. That is, in the first embodiment, it is possible to efficiently warm up the catalyst while suppressing the HC concentration.
[0081]
Although there is some flexibility in the timing of pilot injection and main injection, pilot warm-up is performed before compression top dead center and main injection is performed after compression top dead center for warming up the catalyst. It is preferable. By doing so, it is possible to warm up the catalyst more efficiently while suppressing the HC concentration.
[0082]
FIG. 8 shows an execution example of the warm-up operation (catalyst warm-up promotion operation and catalyst activity maintenance operation) according to the first embodiment. The change in vehicle speed is the same as that shown in FIG. When the warm-up operation is performed, the catalyst bed temperature reaches the activation temperature at the end t1 of the early warm-up period after about 70 seconds from the start, and is maintained above the activation temperature thereafter. On the other hand, when the warm-up operation is not performed, the activation temperature is reached after about 1000 seconds have elapsed since the start. As can be understood from this, it is possible to activate the catalyst 40 in a short time by performing the catalyst warm-up operation of the first embodiment, and it is possible to maintain the activity thereafter.
[0083]
In addition, it is also possible to perform normal combustion (normal operation mode) after the catalyst reaches the activation temperature without performing the late warm-up period. However, as explained with reference to FIG. 3, in the normal combustion, the temperature of the gas containing the catalyst is lower than that in the low-temperature combustion, and the EGR rate is lower than that in the low-temperature combustion. Therefore, if the operation is performed only by normal combustion immediately after the early warm-up period, the catalyst 40 may be cooled by a large amount of exhaust gas and become below the activation temperature, as indicated by a one-dot chain line in FIG. In contrast, in the present embodiment, low temperature combustion is performed under relatively low load operating conditions during the late warm-up period, so that the activity of the catalyst 40 can be maintained.
[0084]
In the example of FIG. 6, it is assumed that the injection ratio and the injection timing of the pilot injection and the main injection are kept constant during the early warm-up period, but these are changed according to the degree of warm-up. May be. FIG. 9 is a graph showing an example in which the injection ratio and the injection timing are changed according to the engine coolant temperature. In this example, as the engine coolant temperature increases, the injection ratio of pilot injection decreases, while the injection timing of main injection advances. In other words, the adjustment is performed so as to approach the normal combustion injection state as the engine coolant temperature rises. By doing so, it is possible to warm up the catalyst with an appropriate injection according to the degree of warming up. Instead of the engine coolant temperature, the injection ratio and injection timing of pilot injection and main injection may be changed according to the catalyst bed temperature.
[0085]
D. Second embodiment of warm-up control:
FIG. 10 is an explanatory diagram showing an operation state of the diesel engine 10 in the second embodiment of the warm-up control. In the second embodiment, as described below, the injection timing and the injection amount of the pilot injection and the main injection in the early warm-up period are optimized as compared with the first embodiment.
[0086]
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the relationship between the main injection timing, the main injection amount, and the misfire region. As can be seen from this figure, if the main injection timing is retarded at a certain main injection amount, the misfire range is entered beyond the misfire limit. However, the smaller the main injection amount, the more the misfire limit crank angle shifts to the retard side. The solid line in FIG. 11 shows the relationship between the main injection timing and the injection amount for generating the same torque when the pilot injection amount is constant. Generally, when the injection timing of the main injection is retarded, the thermal efficiency is lowered. Therefore, under the condition that the pilot injection amount is maintained at a constant value, the main injection amount necessary for generating the same torque increases as the injection timing of the main injection is retarded. Further, when the pilot injection amount is increased, the same torque can be generated even if the main injection timing is retarded by the same main injection amount.
[0087]
By the way, in the critical region near the misfire limit, the main injection is sufficiently retarded, so that the exhaust gas temperature is raised. The exhaust gas temperature in the critical region depends on various fuel injection conditions. FIG. 12 is an explanatory diagram showing a change in the exhaust gas temperature Tg depending on the fuel injection condition. The horizontal axis in FIG. 12 is the main injection timing, and the vertical axis is the temperature of the combustion exhaust gas. The solid line is a graph when the pilot injection ratio Qp (the ratio of the pilot injection amount to the total injection amount) is 0%, the one-dot chain line is a graph when this is 20% and the two-dot chain line is 40%. As can be understood from this figure, when the pilot injection amount ratio Qp is increased from 0% to 20%, the main injection timing that becomes the misfire limit is retarded, so that the exhaust gas temperature Tg in the critical region of the misfire limit also increases. . However, if the pilot injection amount ratio Qp is excessively increased (for example, to 40%), the ratio of the main injection amount is decreased, so that the exhaust gas temperature Tg is decreased. FIG. 13 is a rewrite of the relationship of FIG. 12 into the relationship between the pilot injection amount ratio and the exhaust gas temperature Tg. As can be understood from this figure, there is an optimum condition of the pilot injection amount ratio such that the exhaust gas temperature Tg becomes the highest when the main injection condition is set in the critical region of FIG. Such optimum injection conditions are experimentally determined for each engine. Moreover, since this optimal injection condition also depends on the engine temperature, it is preferable to change it according to the engine coolant temperature, for example.
[0088]
When the total of the main injection amount and the pilot injection amount is constant, it is possible to optimize the injection conditions in consideration of the following two cases. That is, when the pilot injection amount is large, the main injection amount is decreased, but the timing of the main injection can be delayed. On the other hand, when the pilot injection amount is small, the main injection amount increases, but it is necessary to advance the timing of the main injection. The optimum conditions for the pilot injection and the main injection at which the exhaust gas temperature Tg becomes the highest are determined in consideration of the balance between these two cases. That is, this optimum condition exists between the condition where the pilot injection amount becomes the maximum possible amount and the condition where the pilot injection amount becomes the minimum possible amount in a range where no misfire occurs. Therefore, it is possible to find an optimum condition by searching between these two extreme conditions.
[0089]
As described above, in the second embodiment, during the early warm-up period, the injection amount ratio of the pilot injection and the injection timing of the main injection are the critical region immediately before the misfire limit so that the exhaust gas temperature Tg becomes the highest. It is set to correspond to the period of As a result, the exhaust energy increases, and it is possible to efficiently promote the warm-up of the catalyst. The range of the critical region is preferably a range from the misfire limit to about 2 ° before the misfire limit at the crank angle, and more preferably a range from the misfire limit to about 1 ° before the misfire limit. .
[0090]
In the second embodiment, in addition to adjusting the injection conditions, there are three means for promoting the temperature rise of the exhaust gas, that is, EGR cut operation, idling speed increase, and continuous use of the glow plug. Is being used.
[0091]
As shown in FIG. 10, in the second embodiment, EGR is cut during the early warm-up period, as in the first embodiment. As a result, it is possible to prevent the exhaust temperature from being lowered due to heat loss in the EGR cooler 64 (FIG. 1), and to promote warming up of the catalyst. In the example of FIG. 10, the idle speed is set to 1200 rpm during the early warm-up period, and is set to 950 rpm after the early warm-up period. As described above, when the idling speed is increased during the early warm-up period, the exhaust gas flow rate V in the above-described equation (1) can be increased, and thus the warm-up of the catalyst 40 can be promoted. is there.
[0092]
As shown in the lowermost part of FIG. 10, the glow plug is continuously used during the early warm-up period. FIG. 14 shows a longitudinal section of the combustion chamber. The combustion chamber 110 is composed of a cylinder wall 112, a cylinder head 114, and a piston 116. The cylinder head 114 is provided with an intake port 122 and an exhaust port 124. The intake port 122 is provided with an intake valve 132, and the exhaust port 124 is provided with an exhaust valve 134. A fuel injection valve 14 is provided at a substantially central position of the combustion chamber of the cylinder head 114, and a glow plug 126 is provided at a position adjacent to the nozzle 15 of the fuel injection valve 14. Note that the glow plug 126 may be disposed at a position where the intake air can be heated, and may be provided at the intake port 122, for example.
[0093]
The glow plug 126 is normally used only for a very short time at the start in order to improve the startability of the engine 10. On the other hand, in the second embodiment, the glow plug 126 is continuously kept on for a considerably long time during the early warm-up period. By doing so, it is possible to further increase the exhaust gas temperature and promote warm-up of the catalyst 40.
[0094]
It is not necessary to perform the three types of operations of the EGR cut operation, the continuous intake air heating operation by the glow plug, and the idling engine speed increasing operation at the same time, but at least one of these operations must be warmed up early. It is preferable to execute in at least a part of the period. The degree of these operations is preferably changed depending on the engine coolant temperature and the catalyst temperature rise, and these operations may be stopped when they are no longer needed during the early warm-up period.
[0095]
E. Third example of warm-up control:
FIG. 15 is an explanatory diagram showing an operating state of the diesel engine 10 in the third embodiment of the warm-up control. In the third embodiment, the fuel injection timing and injection amount are the same as in the first embodiment shown in FIG. 6, but the inlet nozzle 25 (FIG. 1) of the variable nozzle turbo (VNT) 20 and the intake throttle (throttle valve). 28) is characterized in that the opening degree is narrowed during the early warm-up period. In addition, after the early warm-up period, the opening degree of the VNT and the intake throttle is adjusted according to the load request, but in the example of FIG.
[0096]
FIG. 16 illustrates the warm-up effect of the catalyst by adjusting the VNT and the intake throttle. When the nozzle opening degree of the VNT is decreased, the engine back pressure (pressure in the exhaust pipe 16) increases (block B2). Further, when the opening of the intake throttle is decreased, the intake pressure is decreased. An increase in engine back pressure and a decrease in intake pressure cause an increase in engine pump loss (block B3) and an increase in fuel required to generate the necessary power (block B4). As a result, the exhaust energy increases (block B5), and the warm-up of the catalyst can be promoted (block B6). Note that the reduction in the intake throttle opening also has the effect of increasing the intake air temperature by reducing the intake air amount.
[0097]
On the other hand, the increase in engine back pressure also has the effect of increasing the turbine speed (block B7). As the turbine speed increases, the intake pressure increases accordingly (block B8). Further, since the intake throttle valve is throttled, the flow velocity in the intake pipe increases (block B9). This means that the entropy of intake air increases, so that the intake air temperature rises (blocks B10 and B11). As a result, the exhaust energy increases (block B5), and the warm-up of the catalyst can be promoted (block B6).
[0098]
In this way, it is possible to promote the warm-up of the catalyst during the early warm-up period by narrowing the VNT and the intake throttle more than after warm-up. These controls are also unlikely to increase HC concentration. Therefore, warming up of the catalyst can be promoted while suppressing the HC concentration.
[0099]
F. Fourth example of warm-up control:
FIG. 17 is an explanatory diagram showing an operating state of the diesel engine 10 in the fourth embodiment of the warm-up control. The fourth embodiment has the same fuel injection timing and injection amount as the first embodiment shown in FIG. 6, but the intake throttle (throttle valve 28) is opened and closed at high speed during the early warm-up period. There is a feature. When the intake throttle is opened and closed at high speed, the energy is given to the intake air, the entropy of the intake air increases, and the intake air temperature rises. Accordingly, the exhaust temperature also increases, and the warming up of the catalyst can be promoted. In addition, since this control is unlikely to increase the HC concentration, it is possible to promote the warm-up of the catalyst while suppressing the HC concentration.
[0100]
As can be understood from the description of the third and fourth embodiments, the exhaust temperature is increased and the HC concentration is not increased by adjusting the opening of the intake throttle or VNT during the early warm-up period. It is possible to promote warming up of the catalyst. Note that the control employed in the third and fourth embodiments has no direct relationship with the fuel injection timing and the injection amount, and is used in any combination with the control in the first and second embodiments. It is possible.
[0101]
G. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
[0102]
G1. Modification 1:
Further, the present invention is not limited to automobiles but can be applied to engines other than automobiles and engines of various moving bodies such as airplanes and ships.
[0103]
G2. Modification 2:
In the above embodiment, the operation period is switched using the engine cooling water temperature or the catalyst bed temperature, but the operation period may be switched using other measured values. Further, when a certain operation period reaches a predetermined length, it may be switched to another operation period.
[0104]
G3. Modification 3:
In the above embodiment, the catalyst bed temperature and the engine coolant temperature are directly measured using the temperature sensor, but these temperatures may be indirectly measured. That is, the temperature other than the catalyst and the engine coolant may be measured, and the catalyst bed temperature and the engine coolant temperature may be estimated from this temperature. In other words, you may make it use the temperature detection part for detecting the temperature which shows the bed temperature of a catalyst, or engine cooling water temperature substantially.
[0105]
G4. Modification 4:
The various set values (for example, fuel injection amount and injection timing) employed in the above embodiment are merely examples, and various other values can be employed. Moreover, it is possible to warm up the catalyst by variously combining various operations employed in the various embodiments described above.
[0106]
G5. Modification 5:
The above-described various operations for warming up the catalyst (operation mode) do not need to be continuously performed during the warm-up period, and may be performed at least during a part of the period. That is, in this specification, the words “in the warm-up period” or “during the warm-up period” mean “in at least a part of the warm-up period” unless otherwise specified.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a diesel engine 10 according to an embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram conceptually showing how the concentrations of various substances in combustion exhaust gas change when the EGR rate is gradually increased.
FIG. 3 is an explanatory diagram conceptually showing how smoke and fuel consumption in combustion exhaust gas change when the air-fuel ratio (A / F) is changed.
FIG. 4 is a graph showing a low temperature combustion operation region and a normal combustion operation region.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an overview of catalyst warm-up operation.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing an operating state of the diesel engine 10 in the first embodiment of warm-up control.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing the relationship between the pressure change in the combustion chamber during the warm-up period and the heat generation amount in the first embodiment.
FIG. 8 is a graph showing an example of an execution result of a catalyst warm-up operation.
FIG. 9 is a graph showing an example of changing the injection ratio and the injection timing according to the engine coolant temperature.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing an operating state of the diesel engine 10 in a second embodiment of warm-up control.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the relationship between the main injection timing and the main injection amount and the misfire region.
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a change in exhaust gas temperature Tg depending on fuel injection conditions.
FIG. 13 is an explanatory diagram showing a relationship between a pilot injection amount ratio and an exhaust gas temperature Tg.
FIG. 14 is an explanatory view showing a longitudinal section of a combustion chamber.
FIG. 15 is an explanatory diagram showing an operating state of the diesel engine in a third embodiment of warm-up control.
FIG. 16 is an explanatory view of the warm-up effect of the catalyst by adjusting the VNT and the intake throttle.
FIG. 17 is an explanatory diagram showing an operating state of the diesel engine 10 in a fourth embodiment of warm-up control.
[Explanation of symbols]
10 ... Diesel engine
12 ... Intake pipe
14 ... Fuel injection valve
15 ... Nozzle
16 ... exhaust pipe
18 ... Fuel pump
19 ... Common rail
20 ... supercharger
21 ... Turbine
22 ... Compressor
23 ... Shaft
24 ... Intercooler
25 ... Inlet nozzle
26 ... Actuator
28 ... Throttle valve
30 ... Control unit
40 ... Main catalyst
42 ... Temperature sensor
50 ... Pressure sensor
52 ... Air flow meter
60 ... EGR flow path
62 ... EGR valve
64 ... EGR cooler
66 ... EGR catalyst
72 ... Air-fuel ratio sensor
110 ... Combustion chamber
112 ... Cylinder wall
114 ... Cylinder head
116 ... Piston
122 ... Intake port
124 ... Exhaust port
126 ... Glow plug
132 ... Intake valve
134. Exhaust valve

Claims (18)

ディーゼルエンジンであって、
燃焼室と、
前記燃焼室に燃料を噴射するための燃料噴射装置と、
前記燃焼室からの排気ガスを浄化するための触媒と、
前記燃料噴射装置を含む前記ディーゼルエンジンを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記触媒の暖機および活性維持のために、前記ディーゼルエンジンの始動後の早期暖気期間において第1の暖機運転モードを実行するとともに、前記早期暖機期間後の後期暖気期間において第2の暖機運転モードを実行し、
前記第1の暖機運転モードは、前記触媒を流れる排気ガスのエネルギが、前記後期暖機期間後における前記ディーゼルエンジンの通常の運転モードにおいて前記触媒を流れる排気ガスのエネルギよりも高いモードであり、
前記第2の暖機運転モードは、前記触媒を流れる排気ガスの温度が、前記通常の運転モードにおいて前記触媒を流れる排気ガスの温度よりも高い運転モードであって、かつ、前記第1の暖機運転モードおよび前記通常の運転モードのいずれよりも前記触媒を流れる排気ガスの流量が少ないモードである、ディーゼルエンジン。
A diesel engine,
A combustion chamber;
A fuel injection device for injecting fuel into the combustion chamber;
A catalyst for purifying exhaust gas from the combustion chamber;
A control unit for controlling the diesel engine comprising the fuel injector,
With
The controller is
In order to warm up and maintain the activity of the catalyst, the first warm-up operation mode is executed in the early warm-up period after the diesel engine is started, and the second warm-up period is performed in the late warm-up period after the early warm-up period. Execute machine operation mode,
The first warm-up operation mode, the thermal energy of the exhaust gas flowing in the catalyst is generally greater than the thermal energy of the exhaust gas flowing through the catalytic mode in the operation mode of the diesel engine after the late warm-up period And
The second warm-up operation mode, the temperature of the exhaust gas flowing in the catalyst, Oh I at high operating mode than the temperature of the exhaust gas flowing through the catalyst in the normal operating mode, and the first A diesel engine, which is a mode in which the flow rate of exhaust gas flowing through the catalyst is smaller than in both the warm-up operation mode and the normal operation mode .
請求項記載のディーゼルエンジンであって、
前記第2の暖機運転モードは、前記第1の暖機運転モードおよび前記通常の運転モードのいずれよりも前記燃焼室における空気過剰率が小さいモードである、ディーゼルエンジン。
The diesel engine according to claim 1 ,
The diesel engine in which the second warm-up operation mode is a mode in which an excess air ratio in the combustion chamber is smaller than both the first warm-up operation mode and the normal operation mode.
請求項1又は2記載のディーゼルエンジンであって、
前記第2の暖機運転モードは、前記第1の暖機運転モードよりも燃料効率が高く、前記通常の運転モードよりも燃料効率が低いモードである、ディーゼルエンジン。
The diesel engine according to claim 1 or 2 ,
The diesel engine in which the second warm-up operation mode is a mode in which the fuel efficiency is higher than that in the first warm-up operation mode and the fuel efficiency is lower than that in the normal operation mode.
請求項1ないしのいずれかに記載のディーゼルエンジンであって、
前記早期暖機期間は、前記ディーゼルエンジンの冷却水温が所定の温度に達するまでの期間である、ディーゼルエンジン。
The diesel engine according to any one of claims 1 to 3 ,
The early warm-up period is a diesel engine, which is a period until the cooling water temperature of the diesel engine reaches a predetermined temperature.
請求項1ないしのいずれかに記載のディーゼルエンジンであって、
前記早期暖機期間は、前記触媒の温度が所定の温度に達するまでの期間である、ディーゼルエンジン。
The diesel engine according to any one of claims 1 to 3 ,
The early warm-up period is a diesel engine that is a period until the temperature of the catalyst reaches a predetermined temperature.
請求項1ないしのいずれかに記載のディーゼルエンジンであって、
前記第2の暖機運転モードは、前記ディーゼルエンジンへの要求負荷が所定値よりも低いことを含む所定の運転条件を満たしたときに実行される、ディーゼルエンジン。
The diesel engine according to any one of claims 1 to 5 ,
The second warm-up operation mode is a diesel engine that is executed when a predetermined operation condition including that a required load on the diesel engine is lower than a predetermined value is satisfied.
請求項6記載のディーゼルエンジンであって、
前記第2の暖機運転モードは、低温燃焼モードである、ディーゼルエンジン。
The diesel engine according to claim 6, wherein
The diesel engine, wherein the second warm-up operation mode is a low-temperature combustion mode.
ディーゼルエンジンであって、
燃焼室と、
前記燃焼室に燃料を噴射するための燃料噴射装置と、
前記燃焼室からの排気ガスを浄化するための触媒と、
前記燃料噴射装置を含む前記ディーゼルエンジンを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記触媒の暖機および活性維持のために、前記ディーゼルエンジンの始動後の早期暖気期間において第1の暖機運転モードを実行するとともに、前記早期暖機期間後の後期暖気期間において第2の暖機運転モードを実行し、
前記第1の暖機運転モードは、前記触媒を流れる排気ガスの熱エネルギが、前記後期暖機期間後における前記ディーゼルエンジンの通常の運転モードにおいて前記触媒を流れる排気ガスの熱エネルギよりも高いモードであり、
前記第2の暖機運転モードは、前記触媒を流れる排気ガスの温度が、前記通常の運転モ ードにおいて前記触媒を流れる排気ガスの温度よりも高い運転モードであり、
前記制御部は、前記第1の暖機運転モードにおいて、
(i)燃料噴射をパイロット噴射とメイン噴射とに分割して行うように前記燃料噴射装置を制御し、
(ii)前記パイロット噴射の噴射量割合を、前記通常の運転モードにおいて実行されるパイロット噴射の噴射量割合よりも高い値に設定するとともに、
(iii)前記メイン噴射の噴射時期を、前記通常の運転状態において実行されるメイン噴射の噴射量時期よりも遅い時点に設定する、
ディーゼルエンジン。
A diesel engine,
A combustion chamber;
A fuel injection device for injecting fuel into the combustion chamber;
A catalyst for purifying exhaust gas from the combustion chamber;
A control unit for controlling the diesel engine including the fuel injection device;
With
The controller is
In order to warm up and maintain the activity of the catalyst, the first warm-up operation mode is executed in the early warm-up period after the diesel engine is started, and the second warm-up period is performed in the late warm-up period after the early warm-up period. Execute machine operation mode,
The first warm-up operation mode is a mode in which the thermal energy of the exhaust gas flowing through the catalyst is higher than the thermal energy of the exhaust gas flowing through the catalyst in the normal operation mode of the diesel engine after the late warm-up period. And
The second warm-up operation mode, the temperature of the exhaust gas flowing through the catalyst is a high operating mode than the temperature of the exhaust gas flowing through the catalyst in the normal operating mode,
The control unit, in the first warm-up operation mode,
(I) controlling the fuel injection device so that the fuel injection is divided into pilot injection and main injection;
(Ii) setting the injection amount ratio of the pilot injection to a value higher than the injection amount ratio of the pilot injection executed in the normal operation mode;
(Iii) The injection timing of the main injection is set to a time point later than the injection amount timing of the main injection executed in the normal operation state.
diesel engine.
請求項記載のディーゼルエンジンであって、
前記第1の暖機運転モードにおける前記パイロット噴射の噴射量割合は、前記通常の運転モードにおいて実行されるパイロット噴射の噴射量割合の約2倍ないし約5倍の範囲の値である、ディーゼルエンジン。
The diesel engine according to claim 8 , wherein
The diesel engine injection amount ratio in the first warm-up operation mode is a value in a range of about 2 to about 5 times the injection amount ratio of pilot injection executed in the normal operation mode. .
請求項8または9記載のディーゼルエンジンであって、
前記第1の暖機運転モードにおける前記パイロット噴射の噴射時期は圧縮上死点手前に設定されており、前記メイン噴射の噴射時期は圧縮上死点以降に設定されている、ディーゼルエンジン。
The diesel engine according to claim 8 or 9 , wherein
The diesel engine, wherein the injection timing of the pilot injection in the first warm-up operation mode is set before the compression top dead center, and the injection timing of the main injection is set after the compression top dead center.
請求項8ないし10のいずれかに記載のディーゼルエンジンであって、さらに、
前記触媒の床温を実質的に示す温度を検出するための温度検出部を備えており、
前記制御部は、前記触媒の床温に応じて、前記第1の暖機運転モードにおける前記パイロット噴射の噴射割合と前記メイン噴射の時期とを調整する、ディーゼルエンジン。
The diesel engine according to any one of claims 8 to 10 , further comprising:
A temperature detector for detecting a temperature substantially indicating the bed temperature of the catalyst;
The control unit is a diesel engine that adjusts an injection ratio of the pilot injection and a timing of the main injection in the first warm-up operation mode according to a bed temperature of the catalyst.
請求項8ないし10のいずれかに記載のディーゼルエンジンであって、さらに、
前記燃焼室の冷却水温を実質的に示す温度を検出するための温度検出部を備えており、
前記制御部は、前記冷却水温に応じて、前記第1の暖機運転モードにおける前記パイロット噴射の噴射割合と前記メイン噴射の時期とを調整する、ディーゼルエンジン。
The diesel engine according to any one of claims 8 to 10 , further comprising:
A temperature detection unit for detecting a temperature substantially indicating the cooling water temperature of the combustion chamber;
The control unit is a diesel engine that adjusts an injection ratio of the pilot injection and a timing of the main injection in the first warm-up operation mode according to the cooling water temperature.
請求項記載のディーゼルエンジンであって、
前記第1の暖機運転モードにおける前記パイロット噴射の噴射量割合と前記メイン噴射の噴射時期は、前記メイン噴射が失火限界直前の時期に相当するように設定されている、ディーゼルエンジン。
The diesel engine according to claim 8 , wherein
The diesel engine in which the injection amount ratio of the pilot injection and the injection timing of the main injection in the first warm-up operation mode are set so that the main injection corresponds to a timing immediately before the misfire limit.
請求項13記載のディーゼルエンジンであって、
前記失火限界直前の時期は、失火限界から失火限界の手前約2°までのクランク角度の範囲である、ディーゼルエンジン。
The diesel engine according to claim 13 ,
The diesel engine, wherein the time immediately before the misfire limit is a crank angle range from the misfire limit to approximately 2 ° before the misfire limit.
請求項13または14記載のディーゼルエンジンであって、さらに、
前記燃焼室からの排気ガスを前記燃焼室への吸気流路に還流するためのEGR装置と、
前記燃焼室の吸気ポートに設けられたグロープラグと、
を備えており、
前記制御部は、前記第1の暖機運転モードにおいて、
(a)前記EGR装置による排気ガスの還流を停止するEGRカット運転と、
(b)前記グロープラグによる継続的な吸気加熱運転と、
(c)前記ディーゼルエンジンのアイドル回転数を前記通常の運転モードにおけるアイドル回転数よりも上昇させるアイドル回転数上昇運転と、
のうちの少なくとも1つを実行する、ディーゼルエンジン。
The diesel engine according to claim 13 or 14 , further comprising:
An EGR device for recirculating exhaust gas from the combustion chamber to an intake passage to the combustion chamber;
A glow plug provided in the intake port of the combustion chamber;
With
The control unit, in the first warm-up operation mode,
(A) an EGR cut operation for stopping recirculation of exhaust gas by the EGR device;
(B) continuous intake air heating operation by the glow plug;
(C) Idle speed increasing operation for increasing the idle speed of the diesel engine higher than the idle speed in the normal operation mode;
A diesel engine running at least one of the above.
請求項8ないし15のいずれかに記載のディーゼルエンジンであって、さらに、
前記燃焼室からの排気ガスのエネルギを用いて前記燃焼室に供給される吸気を圧縮する過給機を備え、
前記過給機は、前記過給機に供給される排気の作動圧を調整することによって、前記吸気の過給圧を調整可能な可変型過給機であり、
前記制御部は、前記第1の暖機運転モードにおいて、前記可変型過給機の排気の作動圧を前記通常の運転モードにおける作動圧よりも高めることを特徴とするディーゼルエンジン。
The diesel engine according to any one of claims 8 to 15 , further comprising:
A supercharger that compresses intake air supplied to the combustion chamber using thermal energy of exhaust gas from the combustion chamber;
The supercharger is a variable supercharger capable of adjusting a supercharging pressure of the intake air by adjusting a working pressure of exhaust gas supplied to the supercharger,
In the first warm-up operation mode, the control unit raises the operating pressure of the exhaust of the variable turbocharger higher than the operating pressure in the normal operation mode.
請求項16記載のディーゼルエンジンであって、さらに、
前記燃焼室への吸気流路を絞るための吸気絞り弁を備え、
前記制御部は、前記第1の暖機運転モードにおいて、さらに、前記吸気絞り弁の絞り量を前記通常の運転モードにおける絞り量よりも増加させる、ディーゼルエンジン。
The diesel engine according to claim 16 , further comprising:
An intake throttle valve for restricting an intake passage to the combustion chamber;
In the first warm-up operation mode, the control unit further increases the throttle amount of the intake throttle valve more than the throttle amount in the normal operation mode.
請求項16記載のディーゼルエンジンであって、さらに、
前記燃焼室への吸気流路を絞るための吸気絞り弁を備え、
前記制御部は、前記第1の暖機運転モードにおいて、前記吸気絞り弁を連続的に開閉させることを特徴とするディーゼルエンジン。
The diesel engine according to claim 16 , further comprising:
An intake throttle valve for restricting an intake passage to the combustion chamber;
The diesel engine according to claim 1, wherein the controller continuously opens and closes the intake throttle valve in the first warm-up operation mode.
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