JP4538976B2 - ターボ過給機付火花点火式直噴エンジン - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボ過給機付火花点火式直噴エンジンに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、自動車用の火花点火式エンジンにおいては、省エネルギあるいはCO2(二酸化炭素)排出量の低減などといったグローバルな観点から、燃費性能の向上が強く求められている。そこで、燃焼室内に燃料を直接噴射することにより燃料を点火プラグまわりに層状化(成層化)させて混合気の着火性を高める一方、空燃比を理論空燃比よりもリーンにして燃費性能を高めるようにした火花点火式直噴エンジンが急速に普及しつつある。
【0003】
また、自動車用のエンジンにおいては排気ガスがかなり高い圧力(排圧)をもつことから、この排気ガスの圧力を有効に利用して吸気圧力ないしは充填効率を高めるターボ過給機を設け、エンジン出力の向上を図るようにしたターボ過給機付エンジンも古くから知られている。そして、かかるターボ過給機付エンジンは、近年、空燃比を有効にリーン化するための手段としても注目されている。
【0004】
ところで、自動車用のエンジンの燃焼室から排出される排気ガスには、NOx(窒素酸化物)、HC(炭化水素)、CO(一酸化炭素)等の大気汚染物質が含まれているので、エンジンの排気通路には、通常、これらの大気汚染物質を浄化する排気ガス浄化触媒を用いた触媒コンバータ(排気ガス浄化装置)が介設される。かかる排気ガス浄化触媒は、一般に、その活性化温度より高温の状態では排気ガス浄化性能を発揮するが、活性化温度より低温の状態では排気ガス浄化性能を十分には発揮しないといった特性をもつ。
【0005】
したがって、エンジンの冷間始動時においては、始動直後からある程度の時間が経過しないと、排気ガス浄化触媒は活性化されない。そこで、冷間始動時においては、エンジンのエミッション性能を高めるため、排気ガス浄化触媒を迅速に昇温させ、その早期活性化を図ることが必要である。
【0006】
ところが、ターボ過給機付エンジンでは、一般に、排気通路にターボ過給機のタービンが介設され、その下流に触媒コンバータが介設される。このため、排気ガスがタービンによって冷却され(例えば、100℃程度)、冷間始動時には排気ガス浄化触媒の昇温ないしは活性化が遅れるといった問題がある。そこで、触媒コンバータをターボ過給機より上流側に配置するといった対応が考えられる。しかしながら、この場合、触媒コンバータが燃焼室のすぐ下流に位置することになるので、エンジン暖機時には排気ガス浄化触媒の温度が高くなりすぎ、熱劣化によりその耐久性が低下するといった問題が生じる。また、タービン上流の触媒コンバータが流動抵抗を生じさせるので、ターボラグが生じ、ターボ過給機の加速レスポンスが悪くなるといった問題も生じる。
【0007】
そこで、例えば、冷間始動時にはタービン回転数を低下させて排気ガスからタービンへの放熱を抑制し、排気ガス浄化触媒の昇温ないしは活性化を促進するようにした過給機付エンジンが提案されている(特開平9−100724号公報参照)。
【0008】
また、冷間始動時に、燃料噴射を、吸気行程と圧縮行程とに2分割して行うことにより、排気ガス温度を高めて排気ガス浄化触媒の昇温ないしは活性化を促進するようにした火花点火式直噴エンジンも提案されている(特開平10−212987号公報参照)。
【0009】
さらには、冷間始動時において、その初期には燃料噴射を吸気行程と圧縮行程とに2分割して行う一方、その後は燃料噴射を圧縮行程と膨張行程とに2分割して行うことにより、排気ガス温度を高めて排気ガス浄化触媒の昇温ないしは活性化を促進するようにした火花点火式直噴エンジンも提案されている(特開平2000−120471号公報参照)。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、自動車用エンジンに対するエミッション規制は近年ますます強化される傾向にあり、冷間始動時においては例えば30秒程度で排気ガス浄化触媒を活性化させることが求められている。しかしながら、例えば、特開平9−100724号公報、特開平10−212987号公報あるいは特開平2000−120471号公報に開示された従来の冷間始動時における排気ガス浄化触媒の早期活性化手法では、このように厳しいエミッション規制に対応する上で、排気ガス浄化触媒の昇温促進効果ないしは活性化促進効果が十分とはいえず、市場では、さらに有効な排気ガス浄化触媒の早期活性化手法が求められている。
【0011】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、ターボ過給機を備えた火花点火式直噴エンジンに対して、タービン下流の排気通路に配置された排気ガス浄化触媒の冷間始動時における昇温ないしは活性化を十分に促進することができる手段を提供することを解決すべき課題とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた本発明にかかるターボ過給機付火花点火式直噴エンジンは、(i)燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射装置と、上記燃料を着火させる火花点火装置と、ターボ過給機と、ターボ過給機のタービンより下流において排気通路に配置される排気ガス浄化触媒とが設けられているターボ過給機付火花点火式直噴エンジンにおいて、(ii)排気ガス浄化触媒の活性化を促進させる所定の運転状態(以下、「触媒活性化期間」という。)のときには、燃料噴射装置による燃料噴射が、吸気行程から点火時期前にかけての期間内に実行される前段燃料噴射と、点火時期後の膨張行程で実行される後段燃料噴射とに分けて行われるとともに、(iii)前段燃料噴射により噴射された燃料の燃焼時における燃焼室内の空気過剰率λ(空燃比)が2以上かつ3以下の範囲となり、かつ後段燃料噴射により噴射された燃料の燃焼時における空気過剰率λ(空燃比)が1より大きくかつ2より小さい範囲となるように、吸入空気量と燃料噴射量とが調整されることを特徴とするものである。
【0013】
このターボ過給機付火花点火式直噴エンジンにおいては、触媒活性期間内では、前段燃料噴射により噴射された燃料は、λが2〜3のリーンな空燃比の体積効率(ηv)の高い状態で燃焼する(以下、この燃焼を「前段燃焼」という。)。また、後段燃料噴射により噴射された燃料は、その燃焼時における空燃比(排気空燃比)が2>λ>1のリーンな状態であるので、有効に燃焼する(以下、この燃焼を「後段燃焼」という。)。このとき、後段燃焼により排気ガス温度が高められる。また、ターボ過給機のタービンにより排気ガスが撹拌され(以下、この撹拌を「タービン撹拌」という。)、このタービン撹拌により排気ガス中の未燃HCが酸化され(再燃焼し)、この酸化反応熱により排気ガス温度がさらに高められる。このように、後段燃焼により発生する燃焼熱と、タービン撹拌による未燃HCの酸化により発生する反応熱とにより、排気ガス温度が大幅に高められ、排気ガス浄化触媒の昇温ないしは活性化が有効に促進される。
【0014】
上記ターボ過給機付火花点火式直噴エンジンにおいては、前段燃料噴射における燃料の噴射量が要求エンジン出力に対応するように設定される一方、該燃料に対する空気過剰率λが、2≦λ≦3の範囲となるように、燃焼室入口までの吸気通路内において吸入空気量が調整(例えば、過給による吸入空気量の増量、吸気弁開閉タイミングの変更による吸入空気量の増量等)されるのが好ましい。なお、空気過剰率λは、2.3≦λ≦2.7の範囲に設定されるのがより好ましい。このようにすれば、体積効率ないしは吸気充填効率ηvを有効に高めることができる。
【0015】
上記ターボ過給機付火花点火式直噴エンジンにおいては、後段燃料噴射により噴射された燃料の燃焼時における空気過剰率λが、1.0<λ<1.3の範囲に設定されるのがより好ましく、1.1<λ<1.2の範囲に設定されるのがさらに好ましい。このようにすれば、後段燃焼による排気ガス温度の上昇が確保され、タービン撹拌による未燃HCの酸化反応(再燃焼)が促進される。
【0016】
上記ターボ過給機付火花点火式直噴エンジンにおいては、前段燃料噴射における燃料噴射量が、後段燃料噴射における燃料噴射量以上となるように設定されるのが好ましい。このようにすれば、前段燃焼及び後段燃焼により排気ガス温度が効果的に上昇させられ、かつ後段燃焼で必要以上の未燃HCが排出されるのが防止される。
【0017】
上記ターボ過給機付火花点火式直噴エンジンにおいては、後段燃料噴射の燃料噴射開始時期がATDC30〜90°CAの範囲に設定されるのが好ましい。このようにすれば、前段燃焼及び後段燃焼により排気ガス温度が効果的に上昇させられ、かつ後段燃焼で必要以上の未燃HCが排出されるのが防止される。
【0018】
上記ターボ過給機付火花点火式直噴エンジンにおいては、火花点火装置の点火時期が圧縮上死点以前に設定されるのが好ましい。このようにすれば、燃費性能の悪化を抑制しつつ、排気ガス浄化触媒の昇温ないしは活性化を有効に促進することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
図1に示すように、本発明にかかるターボ過給機付火花点火式直噴エンジン1(以下、「エンジン1」という。)は、吸気弁2が開かれたときに、吸気通路3から燃焼室4内に燃料燃焼用のエアを吸入するようになっている。そして、この燃焼室4内のエア中に、所定のタイミングで燃料噴射弁5(燃料噴射装置)から燃料(ガソリン)が直接噴射され、混合気が形成される。
【0020】
この混合気は、ピストン6によって圧縮され、所定のタイミングで点火プラグ7(火花点火装置)により点火されて燃焼する。燃焼ガスすなわち排気ガスは、排気弁8が開かれたときに排気通路9に排出される。
【0021】
燃料噴射弁5には、燃料供給通路10を介して、高圧燃料ポンプ11によって燃料が供給される。このように、高圧燃料ポンプ11が用いられているので、燃焼室4内が高圧となる圧縮行程後半でも支障なく燃料噴射を行うことができる。燃料噴射弁5はスワール型インジェクタであって、燃料噴射孔が燃焼室4に直接臨むように配置されている。また、燃料噴射弁5は、ピストン6が上死点位置近傍に位置するときに、該ピストン6の頂部に形成されたキャビティ6a内に向けて燃料を噴射できるように配置されている。これにより、圧縮行程後半において燃料噴射弁5から噴射された燃料が、キャビティ6aによってはね返され、点火プラグ7まわりに層状化(成層化)される。このように、燃料ないしは混合気が層状化されてその着火性が高められるので、空燃比を大幅にリーンにすることができ、燃費性能が高められる。
【0022】
吸気通路3には、エア(吸気)の流れ方向にみて、上流側から順に、エアを絞るエレキスロットルバルブ12と、エアの流れを安定させるサージタンク21と、スワールを生成するために燃焼室4へのエアの流入方向を調整するガス流動制御弁13とが設けられている。ここで、エレキスロットルバルブ12は、コントロールユニット20(ECU)から出力される制御信号に応じて作動する電気式アクチュエータ12aによって駆動され、燃焼室4に流入するエア量を調節するようになっている。なお、図示していないが、エレキスロットルバルブ12より上流側において、吸気通路3には、上流側から順に、エア中のダスト等を除去するエアクリーナ(図示せず)と、エア流量を検出するエアフローセンサと、後で説明するターボ式過給機15のブロワ(ポンプ)と、ブロワにより加圧されて高温となったエアを冷却するインタクーラとが設けられている。
【0023】
排気通路9には、排気流れ方向にみて上流側から順に、排気ガス中の酸素濃度ひいては空燃比を検出するリニアO2センサ14(λ=1近傍で出力が逆転する普通のλO2センサでもよい)と、ターボ過給機15のタービン15aと、第1触媒コンバータ16と、第2触媒コンバータ17とが設けられている。詳しくは図示していないが、第1触媒コンバータ16は、2ベッドタイプのものであって、その上流側のベッドにはNOx、HC、CO等を浄化する三元触媒が装填され、下流側のベッドには主としてNOxを浄化するNOx浄化触媒が装填されている。なお、第1触媒コンバータ16を1ベッドタイプとして、三元触媒のみを装填するようにしてもよい。また、第2触媒コンバータ16は、1ベッドタイプのものであって、主としてNOxを浄化するNOx浄化触媒が装填されている。なお、いずれの排気ガス浄化触媒も、その温度が活性化温度以上になると十分な浄化力を発揮するが、その温度が活性化温度より低いと、十分な浄化力は得られない。
【0024】
また、エンジン1には、排気通路9内の排気ガスの一部をEGRとして吸気通路3に戻すEGR通路18が設けられ、このEGR通路18に、EGRガス流量を制御するEGR制御弁19が介設されている。なお、吸気弁2は、可変バルブタイミング機構22により、その開弁期間及び開閉タイミングを変えることができる。
【0025】
コントロールユニット20は、エンジン1の総合的な制御装置であって、各種制御情報に基づいて種々のエンジン制御を行うようになっている。具体的には、コントロールユニット20には、吸入空気量、スロットル開度、クランク角、エンジン回転数、エンジン水温(エンジン温度)、空燃比等の各種制御情報が入力される。そして、コントロールユニット20は、これらの制御情報に基づいて、燃料噴射弁5の燃料噴射量制御(空燃比制御)及び噴射タイミング制御、点火プラグ7の点火時期の制御(点火時期制御)、エレキスロットルバルブ12の開度の制御、EGR制御弁19の開度の制御、ガス流動制御弁13の開度の制御、吸気弁2の開弁期間及び開閉タイミングの制御等を行う。
【0026】
しかしながら、コントロールユニット20によるエンジン1の通常の制御は一般に知られており、またかかる通常の制御は本願発明の要旨とするところでもないのでその説明を省略し、以下では本願発明の要旨にかかるエンジン1の冷間始動時(触媒活性化期間)における燃料噴射量制御(空燃比制御)及び燃料噴射タイミング制御と、点火時期制御とについてのみ説明する。なお、ここで「冷間始動」とは、エンジン1が常温の未暖機状態から始動される場合を意味し、寒冷状態からの始動に限定されるものではない。
【0027】
上記エンジン制御においては、冷間始動時(触媒活性化期間)には、燃料噴射弁5による燃料噴射が、点火時期前の圧縮行程後半に実行される前段燃料噴射と、点火時期後の膨張行程前半で実行される後段燃料噴射とに分けて行われる。なお、前段燃料噴射は、吸気行程又は圧縮行程前半で実行されてもよい。ここで、前段燃料噴射における燃料噴射量は、後段燃料噴射における燃料噴射量以上となるように設定される。これにより、前段燃焼(前段燃料噴射によって噴射された燃料の燃焼)及び後段燃焼(後段燃料噴射によって噴射された燃料の燃焼)により排気ガス温度が効果的に上昇させられ、かつ後段燃焼で必要以上の未燃HCが排出されるのが防止される。
【0028】
ここで、後段燃料噴射の燃料噴射開始時期は、ATDC30〜90°CAの範囲に設定される。これにより、前段燃焼及び後段燃焼により排気ガス温度がさらに効果的に上昇させられ、かつ後段燃焼で必要以上の未燃HCが排出されるのがより有効に防止される。
また、点火プラグ7の点火時期は、圧縮上死点以前に設定される。これにより、燃費性能の悪化を抑制しつつ、両触媒コンバータ16、17内の排気ガス浄化触媒の昇温ないしは活性化を有効に促進することができる。
【0029】
以下、このエンジン制御における空燃比ないしは空気過剰率の設定方法を説明する。
前段燃料噴射により噴射された燃料の燃焼時における燃焼室4内の空燃比(以下、「前段空燃比」という。)は、2≦λ≦3の範囲内で好ましく設定される。
より詳しくは、前段燃料噴射における燃料噴射量が、要求されるエンジン出力に対応するように設定される一方、該燃料に対する空気過剰率λが、2≦λ≦3の範囲内の好ましい値となるように、燃焼室4の入口までの吸気通路3内において、エア量(吸入空気量)が調整(増量)される。このエア量の調整(増量)は、ターボ過給機15の過給圧を調整することにより行われる。また、エレキスロットルバルブ12をほぼ全開とし(あるいは、スロットルバルブをなくして)、可変バルブタイミング機構22で、吸気弁2の開弁期間ないしは開閉タイミングを変更することによりエア量を調整するようにしてもよい。なお、前段空燃比における空気過剰率λは、2.3≦λ≦2.7の範囲内に設定するのが、より好ましい。これにより、体積効率ないしは吸気充填効率ηvを有効に高めることができる。
【0030】
また、後段燃料噴射により噴射された燃料の燃焼時における空燃比(以下、「トータル空燃比」又は「排気空燃比」という。)は、1<λ<2の範囲内で好ましく設定される(エア量と燃料噴射量とが調整される)。なお、トータル空燃比は、空気過剰率λが1.0<λ<1.3の範囲内となるように設定するのがより好ましく、1.1<λ<1.2の範囲内となるようにに設定するのがさらに好ましい。このようにすれば、後段燃焼による排気ガス温度の上昇が確保され、タービン撹拌による未燃HCの酸化反応(再燃焼)が促進される。
【0031】
図2(a)、(b)に、それぞれ、排気ガス温度及びHC排出量の、前段空燃比及びトータル空燃比に対する変化特性の一例を示す。図2(a)、(b)から明らかなとおり、前段空燃比については、λ=2.0のときよりも、λ=2.4のときの方が、タービン下流における排気ガス温度が高くなっている(タービン上流における排気ガス温度も同様)。したがって、前段空燃比については、λ=2.4に対して上側にやや大きく下側にやや小さい多少の幅(上側に0.3、下側に0.1)をもたせて、前記のとおり、2.3≦λ≦2.7とするのが好ましい。また、トータル空燃比については、1.1<λ<1.3のときに排気ガス温度が高く、さらに1.1<λ<1.2のときには排気ガス温度がとくに高くなっている。したがって、トータル空燃比については、前記のとおり、ややリッチ側に幅をもたせて、1.0<λ<1.3とするのが好ましい。さらに、1.1<λ<1.2とするのが、とくに好ましい。
【0032】
このように、冷間始動時(触媒活性化期間)において、点火時期後の膨張行程で後段燃料噴射を行うと、噴射された燃料が燃焼して排気ガス温度が上昇する。その際、燃料の一部は燃焼せず未燃HCとして排気ガス中に残留する。しかしながら、この未燃HCを含む排気ガスは、ターボ過給機15のタービン15aを通過するときにタービンによって撹拌される(タービン撹拌)。その際、このタービン撹拌の作用に起因して、未燃HCが排気ガス中の酸素によって酸化される(再燃焼する)。この未燃HCの酸化反応の生成熱により排気ガス温度がさらに上昇する。かくして、この排気ガスの温度上昇により、両触媒コンバータ16、17内の排気ガス浄化触媒の昇温ないしは活性化が促進される。
【0033】
ただし、この場合、後段燃料噴射により噴射された燃料を有効に燃焼させ、また未燃HCをタービン撹拌により有効に酸化するために、十分な酸素が必要である。そこで、冷間始動時には、前記のとおりトータル空燃比をリーンにして(前段空燃比がこれよりもリーンであるのはもちろんである。)、上記燃焼ないしは酸化に必要な酸素を確保するようにしている。なお、このように冷間始動時に空燃比を理論空燃比よりもリーンにするといった空燃比制御は、従来の空燃比制御ではみられない極めて斬新な手法である。
【0034】
以下、実験により得られたデータに基づいて、上記冷間始動時における燃料噴射制御ないしは点火時期制御の特徴ないしは効果を、具体的に説明する。
図3(a)、(b)、(c)に、それぞれ、点火時期をリタードさせずに前段燃料噴射及び後段燃料噴射を行った場合(以下、「過給・膨張行程噴射による活性化」という。)における排気ガス温度、HC濃度及びスモーク量の、後段燃料噴射の噴射時期(以下、「後段噴射時期」という。)に対する変化特性を示す。
また、図4(a)、(b)、(c)に、それぞれ、普通の分割噴射、すなわち吸気行程噴射及び圧縮行程噴射を行う一方、点火時期をMBTよりリタードさせた場合(以下、「過給・Igリタードによる活性化」という。)における、排気ガス温度、HC濃度及びスモーク量の、点火時期に対する変化特性を示す。
【0035】
図3(a)、(b)、(c)から明らかなとおり、後段噴射時期がおおむね40〜80ATDC.degであれば、タービン下流における排気ガス温度が高くなっている。したがって、冷間始動時における後段噴射時期は、前記のとおり、多少の幅をもたせて、おおむね30〜90ATDC.deg(ATDC30〜90°CA)の範囲内に設定するのが好ましい。ただし、後段噴射時期が60ATDC.degより遅角するとHC濃度が急増する。また、後段噴射時期が50ATDC.degより進角するとスモーク量が急増する。したがって、冷間始動時における後段噴射時期は、おおむね50〜60ATDC.degの範囲内に設定するのが、より好ましい。
【0036】
図4(a)、(b)、(c)から明らかなとおり、点火時期がおおむね10〜20ATDC.deg(すなわち、−10〜−20deg進角)であれば、タービン下流における排気ガス温度が高くなる。したがって、冷間始動時において、点火時期をおおむね10〜20ATDC.degの範囲内に設定すれば、その間燃費性能は若干低下するが、さらに排気ガス温度を高めることができる。ただし、点火時期が15ATDC.degより遅角するとスモーク量が急増する。したがって、点火時期は、おおむね10〜15ATDC.degの範囲内に設定するのが好ましい。
【0037】
以下、実験により得られたデータに基づいて、膨張行程噴射による排気ガス温度の上昇効果ないしはタービン撹拌による排気ガス温度の上昇効果を、具体的に説明する。
図5(a)に示すように点火時期前の圧縮行程で前段燃料噴射を行う一方、点火時期後の膨張行程で後段燃料噴射を行った場合、図5(b)にその燃焼パターンを示すように、おおむね240〜320CA.deg(クランク角)で、燃料の燃焼により熱が発生している。したがって、膨張行程で噴射された燃料も有効に燃焼されることがわかる。なお、図5(b)には、比較のため、後段燃料噴射を行わない場合の熱発生パターンも記載されている。
【0038】
図6(a)に示すように、膨張行程における後段噴射時期は、おおむね40ATDC.degまでは進角すればするほど、すなわち筒内ガス温度が高い膨張行程の上死点に近づくほど、排気ガス温度が高くなり、かつHC排出量が低減される。しかしながら、後段燃料噴射が、前段燃料噴射によって噴射された燃料の燃焼終了時点(以下、「前段燃焼終了時期」という。)より前、すなわち該燃料の燃焼中に行われると、多量のカーボンが発生し、燃料噴射弁5に異常が発生することになる。したがって、後段噴射時期は、前段燃焼終了時期の後に設定することが必要である。なお、この例では、前段燃焼終了時期は、およそ25ATDC.degである。
【0039】
図6(b)に、エンジン出口(タービン上流の排気通路)における排気ガス温度の、前段燃料噴射により噴射された燃料の燃焼時の空燃比(前段空燃比)及び後段燃料噴射により噴射された燃料の燃焼時の空燃比(トータル空燃比)に対する変化特性を示す。図6(b)から明らかなとおり、エンジン出口における排気ガス温度は、前段空燃比及びトータル空燃比に依存する。具体的には、エンジン出口における排気ガス温度は、前段空燃比がリーンなときほど高くなる(少なくとも、λが2.4程度までは)。また、エンジン出口における排気ガス温度は、トータル空燃比が、前段空燃比に依存するある値をとるときに極大となり、それより高くてもまた低くても低下する。したがって、トータル空燃比は、エンジン出口における排気ガス温度が極大となるように、前段空燃比に応じて好ましく設定すればよい。
【0040】
図7(a)、(b)に、それぞれ、タービン撹拌を行う場合と行わない場合とについて、HC排出量とタービン下流における排気ガス温度とを測定した結果を示す。図7(a)、(b)に示すように、タービン撹拌を行う場合は、これを行わない場合に比べて、HC排出量が低くなり、かつ排気ガス温度が高くなっている。これは、タービン撹拌により、排気ガス中の未燃HCが酸化される(再燃焼する)からである。
【0041】
図8(a)に、タービン撹拌を行う場合と行わない場合とについて、タービン上流の排気ガス温度とタービン下流の排気ガス温度とを比較して示す。図8(a)から明らかなとおり、この例では、タービン撹拌による排気ガス温度の上昇効果は、およそ60℃である。
また、図8(b)に、後段燃料噴射を行う場合と点火時期をリタードさせる場合とにおける、排気ガス温度と燃料消費率との関係を示す。図8(b)から明らかなとおり、排気ガス温度が同一であれば、後段燃料噴射を行う場合の方が、点火時期をリタードさせる場合よりも燃料消費率が低い(燃費性能が良い)。また、燃料消費率が同一であれば、後段燃料噴射を行う場合の方が、点火時期をリタードさせる場合よりも排気ガス温度が高い。したがって、冷間始動時には、点火時期のリタードではなく、後段燃料噴射(膨張行程噴射)により排気ガス温度を高め、排気ガス浄化触媒の昇温ないしは活性化を促進するのが有利である。
【0042】
図9に、本発明にかかるターボ過給機付エンジン1と、従来のターボ過給機付エンジンと、従来の非過給エンジンとについて、触媒コンバータ(排気ガス浄化触媒)入口における排気ガス温度を測定した値の一例を示す。図9に示すように、本発明にかかるターボ過給機付エンジン1では、従来のターボ過給機付エンジンに比べて排気ガス温度が約140℃高められ、また従来の非過給エンジンに比べても排気ガス温度が約30℃高められている。なお、従来のターボ過給機付エンジンでは、従来の非過給エンジンに比べて、排気ガス温度が約110℃低下している。このように、本発明にかかるエンジン1では、後段燃料噴射による効果(2段燃焼効果)とタービン撹拌による効果(ターボ撹拌効果)とが相俟って、排気ガス温度が十分に高められている。
【0043】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、ターボ過給機を備えた火花点火式直噴エンジンに対して、タービン下流の排気通路に配置された排気ガス浄化触媒の冷間始動時における昇温ないしは活性化を十分に促進することができる手段を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明にかかる過給機付火花点火式直噴エンジンの構成を示す模式図である。
【図2】 (a)及び(b)は、それぞれ、エンジンの冷間始動時における、排気ガス温度及びHC排出量の、前段空燃比及びトータル空燃比に対する変化特性を示すグラフである。
【図3】 (a)、(b)及び(c)は、それぞれ、排気ガス温度、HC濃度及びスモーク量の、後段噴射時期に対する変化特性を示すグラフである。
【図4】 (a)、(b)及び(c)は、それぞれ、排気ガス温度、HC濃度及びスモーク量の、点火時期に対する変化特性を示すグラフである。
【図5】 (a)は冷間始動時における燃料噴射タイミングを示す図であり、(b)は(a)に示すタイミングで燃料を噴射した場合の熱発生パターンを示す図である。
【図6】 (a)は排気ガス温度及びHC排出量の、後段燃料噴射時期に対する変化特性を示すグラフであり、(b)はエンジン出口における排気ガス温度の、前段空燃比及びトータル空燃比に対する変化特性を示すグラフである。
【図7】 (a)はタービン撹拌を行う場合と行わない場合とにおける、HC排出量のトータル空燃比に対する変化特性を示すグラフであり、(b)はタービン撹拌を行う場合と行わない場合とにおける、排気ガス温度のトータル空燃比に対する変化特性を示すグラフである。
【図8】 (a)はタービン撹拌を行う場合と行わない場合とについて、タービン上流及びタービン下流における排気ガス温度を比較して示すグラフであり、(b)は後段燃料噴射を行う場合と点火時期をリタードさせる場合とについて、排気ガス温度と燃料消費率との関係を示すグラフである。
【図9】 本発明にかかるターボ過給機付エンジンと、従来のターボ過給機付エンジンと、従来の非過給エンジンとについて、触媒コンバータ入口における排気ガス温度を比較して示すグラフである。
【符号の説明】
1…エンジン、2…吸気弁、3…吸気通路、4…燃焼室、5…燃料噴射弁、6…ピストン、7…点火プラグ、8…排気弁、9…排気通路、10…燃料供給通路、11…高圧燃料ポンプ、12…エレキスロットルバルブ、12a…電気式アクチュエータ、13…ガス流動制御弁、14…リニアO2センサ、15…ターボ過給機、15a…タービン、16…第1触媒コンバータ、17…第2触媒コンバータ、18…EGR通路、19…EGR制御弁、20…コントロールユニット、21…サージタンク、22…可変バルブタイミング機構。
Claims (5)
- 燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射装置と、上記燃料を着火させる火花点火装置と、ターボ過給機と、ターボ過給機のタービンより下流において排気通路に配置される排気ガス浄化触媒とが設けられているターボ過給機付火花点火式直噴エンジンにおいて、
排気ガス浄化触媒の活性化を促進させる所定の運転状態のときには、
燃料噴射装置による燃料噴射が、吸気行程から点火時期前にかけての期間内に実行される前段燃料噴射と、点火時期後の膨張行程で実行される後段燃料噴射とに分けて行われるとともに、
前段燃料噴射により噴射された燃料の燃焼時における燃焼室内の空気過剰率λが2以上かつ3以下の範囲となり、かつ後段燃料噴射により噴射された燃料の燃焼時における空気過剰率λが1より大きくかつ2より小さい範囲となるように、吸入空気量と燃料噴射量とが調整されることを特徴とするターボ過給機付火花点火式直噴エンジン。 - 前段燃料噴射における燃料の噴射量が要求エンジン出力に対応するように設定される一方、該燃料に対する空気過剰率λが2〜3の範囲となるように、燃焼室入口までの吸気通路内において吸入空気量が調整されることを特徴とする請求項1に記載のターボ過給機付火花点火式直噴エンジン。
- 前段燃料噴射における燃料噴射量が、後段燃料噴射における燃料噴射量以上となるように設定されることを特徴とする請求項1又は2に記載のターボ過給機付火花点火式直噴エンジン。
- 後段燃料噴射の燃料噴射開始時期がATDC30〜90°CAの範囲に設定されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載のターボ過給機付火花点火式直噴エンジン。
- 火花点火装置の点火時期が圧縮上死点以前に設定されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載のターボ過給機付火花点火式直噴エンジン。
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