JP5146560B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関本体から排出された排気中に含まれる有害な成分を浄化する排気浄化触媒が排気系に配置された内燃機関の排気浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine in which an exhaust gas purification catalyst that purifies harmful components contained in exhaust gas discharged from an internal combustion engine body is disposed in an exhaust system.
従来より、自動車用内燃機関においては、排気中に含まれるHC(炭化水素)、CO(一酸化炭素)、NOx(窒素酸化物)などの有害成分を浄化するために内燃機関の排気系に排気浄化触媒が配置された排気浄化装置が知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, in an internal combustion engine for automobiles, an exhaust gas is exhausted into an exhaust system of the internal combustion engine in order to purify harmful components such as HC (hydrocarbon), CO (carbon monoxide), and NOx (nitrogen oxide) contained in the exhaust gas. An exhaust emission control device in which a purification catalyst is arranged is known.
このような排気浄化装置に使用される排気浄化触媒としては、例えば、三元触媒が広く知られている。該三元触媒は、不完全燃焼成分であるHC及びCOの酸化反応と、空気中の窒素と燃え残りの酸素とが反応して生成されるNOxの還元反応とを同時に促進し、HC、COおよびNOxの外部への排出を低減させる機能を有する。 As an exhaust purification catalyst used in such an exhaust purification device, for example, a three-way catalyst is widely known. The three-way catalyst simultaneously promotes an oxidation reaction of HC and CO, which are incomplete combustion components, and a reduction reaction of NOx produced by a reaction between nitrogen in the air and unburned oxygen, and HC, CO And a function of reducing NOx emission to the outside.
このような三元触媒に代表される排気浄化触媒の浄化性能は、一般に、使用時の排気浄化触媒の温度に大きく依存することが知られている。例えば、排気浄化触媒として貴金属触媒を使用する場合において該触媒の有する浄化性能を有効に発揮させるためには、触媒温度を、ある一定の温度、例えば約250℃以上に昇温させることが必要であることが知られている。 It is known that the purification performance of an exhaust purification catalyst represented by such a three-way catalyst generally depends greatly on the temperature of the exhaust purification catalyst in use. For example, when a noble metal catalyst is used as an exhaust purification catalyst, in order to effectively exhibit the purification performance of the catalyst, it is necessary to raise the catalyst temperature to a certain temperature, for example, about 250 ° C. or more. It is known that there is.
このため、内燃機関の始動直後から排気浄化触媒が排気浄化機能を有効に発揮できる温度(以下、触媒活性温度と称する)に暖機されるまでの機関冷間始動時においては、排気浄化触媒による排気中の有害成分の浄化は期待できず、排気エミッションの悪化を抑制すべく何らかの手段を講ずる必要がある。 For this reason, at the time of engine cold start immediately after the start of the internal combustion engine until the exhaust purification catalyst is warmed up to a temperature at which the exhaust purification function can be effectively exhibited (hereinafter referred to as catalyst activation temperature), the exhaust purification catalyst Purification of harmful components in exhaust gas cannot be expected, and it is necessary to take some measures to suppress the deterioration of exhaust emission.
例えば、内燃機関の吸気系と、排気浄化触媒よりも下流の内燃機関の排気系とを排気再循環通路(EGR通路)でつなぎ、該排気再循環通路内に制御弁(EGR弁)を配設し、該制御弁と排気通路との間の排気再循環通路内にHC吸着触媒を配設し、排気浄化触媒の不活性状態時には、排気浄化触媒が活性状態になるまで制御弁を閉弁した上で排気を排気再循環通路内に導くようにした内燃機関の排気浄化装置が知られている(特許文献1参照)。 For example, the intake system of the internal combustion engine and the exhaust system of the internal combustion engine downstream of the exhaust purification catalyst are connected by an exhaust recirculation passage (EGR passage), and a control valve (EGR valve) is disposed in the exhaust recirculation passage. The HC adsorption catalyst is disposed in the exhaust gas recirculation passage between the control valve and the exhaust passage, and when the exhaust purification catalyst is in an inactive state, the control valve is closed until the exhaust purification catalyst becomes active. There is known an exhaust purification device for an internal combustion engine in which exhaust gas is guided into an exhaust gas recirculation passage (see Patent Document 1).
しかしながら、排気浄化触媒を不活性状態から活性状態にするには相当の時間が必要であり、その期間の間、排気を大気に抜けないようにしておくことは、機関背圧が異常に高くなり内燃機関の運転に支障をきたすおそれがある。 However, it takes a considerable amount of time to change the exhaust purification catalyst from the inactive state to the active state, and keeping the exhaust gas from being released into the atmosphere during this period results in an abnormally high engine back pressure. There is a risk of hindering the operation of the internal combustion engine.
ところで、内燃機関の始動直後の機関冷間始動時における排気エミッションの改善を図る手段の一つとして、内燃機関の始動直後から排気浄化触媒の温度が触媒活性温度に達するまでの間、内燃機関本体から排出された排気の略全量を内燃機関の吸気系に再循環させ、吸気系に再循環された排気中のCO(一酸化炭素)やHC(炭化水素)を再燃焼させることで、機関冷間始動時における排気エミッションを改善することが考えられる。 By the way, as one of means for improving the exhaust emission at the time of engine cold start immediately after the start of the internal combustion engine, the internal combustion engine main body after the start of the internal combustion engine until the temperature of the exhaust purification catalyst reaches the catalyst activation temperature. By recirculating almost the entire amount of exhaust discharged from the engine to the intake system of the internal combustion engine, and re-burning CO (carbon monoxide) and HC (hydrocarbon) in the exhaust gas recirculated to the intake system, It is conceivable to improve the exhaust emission at the start of the engine.
また、内燃機関の始動直後から排気浄化触媒の温度が触媒活性温度に達するまでの間、内燃機関本体から排出された排気の略全量を内燃機関の吸気系に再循環させる場合において、機関本体から排出された排気を排気浄化触媒に通過させてから吸気系へ再循環させるように構成することで、機関本体から排出される既燃ガスの熱を排気浄化触媒の暖機に利用することを可能とし、機関冷間始動時における排気エミッションの更なる改善を図ることが考えられる。 In addition, when almost the entire amount of exhaust discharged from the internal combustion engine body is recirculated to the intake system of the internal combustion engine from immediately after the start of the internal combustion engine until the temperature of the exhaust purification catalyst reaches the catalyst activation temperature, By configuring exhausted exhaust gas to pass through the exhaust purification catalyst and then recirculating it to the intake system, it is possible to use the heat of burned gas discharged from the engine body to warm up the exhaust purification catalyst. It is conceivable to further improve the exhaust emission at the time of engine cold start.
更に、上記のように、内燃機関の始動直後から排気浄化触媒の温度が触媒活性温度に達するまでの間、排気浄化触媒よりも下流の排気系から内燃機関の吸気系に内燃機関本体から排出された排気の略全量を再循環させる場合において、内燃機関の始動直後から排気浄化触媒の温度が触媒活性温度に達するまでの間、排気浄化触媒よりも下流の排気系から内燃機関の吸気系に内燃機関本体から排出された排気を再循環させつつ、燃焼室内の燃料の燃焼による有害成分の発生が少なく且つ排気浄化触媒を迅速に昇温できるような排気エミッション上最適な運転状態にて内燃機関を運転することができれば、機関冷間始動時における排気エミッションの更なる改善が図れることなる。 Further, as described above, from the time immediately after the internal combustion engine is started until the temperature of the exhaust purification catalyst reaches the catalyst activation temperature, the exhaust system is discharged from the exhaust system downstream from the exhaust purification catalyst to the intake system of the internal combustion engine. In the case of recirculating substantially the entire amount of exhaust gas, the internal combustion engine from the exhaust system downstream of the exhaust purification catalyst to the intake system of the internal combustion engine immediately after the start of the internal combustion engine until the temperature of the exhaust purification catalyst reaches the catalyst activation temperature. Recycle the exhaust discharged from the engine body, reduce the generation of harmful components due to the combustion of fuel in the combustion chamber, and operate the internal combustion engine in an optimal operating condition for exhaust emission so that the exhaust purification catalyst can be quickly heated. If it can be operated, the exhaust emission at the time of cold engine start can be further improved.
しかしながら、機関冷間始動時における機関回転数の制約や、必要最低限トルクなどの制約から、排気エミッション上最適な運転状態にて内燃機関を運転することができない場合が起こりうる。 However, there may be a case where the internal combustion engine cannot be operated in an optimal operating state in terms of exhaust emission due to restrictions on the engine speed at the time of engine cold start and restrictions on the necessary minimum torque.
それでも敢えて最適な運転状態にて内燃機関を運転すると、例えば、この最適な運転状態での出力トルクが要求トルクを上回る場合があり、その結果、機関回転数が過剰に高くなってしまう可能性がある。この過剰に高い機関回転数は、車両の乗員に騒音として認識され、車両の商品性を損ねる結果をもたしうる。また、過剰に大きな出力トルクは、アイドル運転状態から走行状態に移る際に危険な急発進をもたらしうる。更に、最適な運転状態にて内燃機関を運転するときに、例えば、この最適な運転状態での出力トルクが要求トルクを下回る場合があり、その結果、機関のフリクションとのバランスを損ねて、エンストをもたらしうる。 Still, if the internal combustion engine is operated in an optimal operating state, for example, the output torque in the optimal operating state may exceed the required torque, and as a result, the engine speed may become excessively high. is there. This excessively high engine speed is perceived as noise by the vehicle occupant and may result in a loss of vehicle merchantability. Further, an excessively large output torque may cause a dangerous sudden start when shifting from the idle operation state to the traveling state. Further, when the internal combustion engine is operated in the optimal operating state, for example, the output torque in the optimal operating state may be lower than the required torque, and as a result, the balance with the engine friction is lost, and the engine Can bring
本発明においては上記課題に鑑み、排気浄化触媒の温度が触媒活性温度に達するまでの間、排気浄化触媒よりも下流の排気系から内燃機関の吸気系に内燃機関本体から排出された排気を再循環させているときに、内燃機関の出力トルクを要求トルクにあわせつつ、燃焼室内の燃料の燃焼による有害成分の発生が少なく且つ排気浄化触媒を迅速に昇温できるような排気エミッション上最適な運転状態にて内燃機関を運転し続けることが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。 In the present invention, in view of the above problems, the exhaust gas discharged from the internal combustion engine main body is recirculated from the exhaust system downstream of the exhaust purification catalyst to the intake system of the internal combustion engine until the temperature of the exhaust purification catalyst reaches the catalyst activation temperature. Optimum operation in terms of exhaust emission, while adjusting the output torque of the internal combustion engine to the required torque, reducing the generation of harmful components due to the combustion of fuel in the combustion chamber and allowing the exhaust purification catalyst to rise in temperature quickly It is an object of the present invention to provide an exhaust purification device for an internal combustion engine that can continue to operate the internal combustion engine in a state.
尚、引用文献1における内燃機関の排気浄化装置においては、排気浄化触媒よりも下流側の排気系から内燃機関の吸気系に排気を還流させるEGR通路が設けられており、機関本体から排出される既燃ガスの熱を排気浄化触媒の暖機に利用することが可能な構成となっている。しかしながら、引用文献1における内燃機関の排気浄化装置においては、少なくとも三元触媒が不活性状態で流路切換弁を第1状態としている場合、EGR弁を閉状態とし、排気の吸気系への再循環を遮断することが記載されており、機関冷間始動時に、排気浄化触媒よりも下流の排気系から内燃機関の吸気系に内燃機関本体から排出された排気を再循環させる構成とはなっていない。
In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine in the cited
請求項1に記載の発明によれば、内燃機関本体から排出された排気中の有害成分を浄化する排気浄化触媒が排気系に配置された内燃機関の排気浄化装置において、前記排気浄化触媒よりも下流の前記排気系と前記内燃機関の吸気系とを流体連通する排気再循環通路と、前記排気浄化触媒の温度を所定値以上に昇温すべきときに、前記内燃機関本体から排出された排気を前記排気再循環通路を介して前記吸気系に再循環させ、前記内燃機関本体から排出される既燃ガスの熱を利用して前記排気浄化触媒を暖機する触媒暖機手段と、前記触媒暖機手段による前記排気浄化触媒の暖機実行中に、前記内燃機関に駆動トルクあるいは制動トルクを付与し前記内燃機関の出力トルクを要求トルクに一致させるトルク制御手段とを具備し、前記吸気系に再循環された排気中に、少なくとも空気の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給する酸素供給手段を具備し、前記触媒暖機手段による暖機実行中、前記トルク制御手段により、前記酸素供給手段による酸素供給によりもたらされる背圧の上昇に応じた駆動トルクを前記内燃機関に付与する、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。 According to the first aspect of the present invention, in an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine in which an exhaust gas purification catalyst for purifying harmful components in exhaust gas discharged from the internal combustion engine body is disposed in an exhaust system, the exhaust gas purification catalyst is more effective than the exhaust gas purification catalyst. Exhaust gas exhausted from the internal combustion engine body when the exhaust gas recirculation passage that fluidly communicates the exhaust system downstream and the intake system of the internal combustion engine and the temperature of the exhaust purification catalyst should be raised to a predetermined value or more Is recirculated to the intake system through the exhaust gas recirculation passage, and catalyst warm-up means for warming up the exhaust gas purification catalyst using heat of burned gas discharged from the internal combustion engine body, and the catalyst A torque control means for applying a driving torque or a braking torque to the internal combustion engine to make the output torque of the internal combustion engine coincide with a required torque during the warm-up of the exhaust purification catalyst by the warm-up means, and the intake system Re In the ring has been evacuated and provided with oxygen supply means for supplying a high concentration of oxygen gas having a higher oxygen concentration than the oxygen concentration of at least air, in the warm-up by the catalyst warming-up means, by the torque control means, An exhaust purification device for an internal combustion engine is provided , wherein a drive torque corresponding to an increase in back pressure caused by oxygen supply by the oxygen supply means is applied to the internal combustion engine .
すなわち、請求項1の発明では、排気浄化触媒よりも下流の排気系と吸気系とを流体連通する排気再循環通路と、排気浄化触媒の温度を所定値以上に昇温すべきときに、内燃機関本体から排出された排気を排気再循環通路を介して吸気系に再循環させ、機関本体から排出される既燃ガスの熱を利用して排気浄化触媒を暖機する触媒暖機手段とを備える。これにより、内燃機関本体から排出された排気を内燃機関の吸気系に再循環させ、吸気系に再循環された排気中のCO(一酸化炭素)やHC(炭化水素)を再燃焼させることができ、また、機関本体から排出される既燃ガスの熱を排気浄化触媒の暖機に利用することができ、機関冷間始動時における排気エミッションの改善を図ることが可能となる。 That is, according to the first aspect of the present invention, when the temperature of the exhaust gas recirculation passage communicating the exhaust system downstream of the exhaust purification catalyst and the intake system and the exhaust purification catalyst should be raised to a predetermined value or more, the internal combustion engine A catalyst warm-up means for recirculating the exhaust discharged from the engine body to the intake system through the exhaust gas recirculation passage, and warming the exhaust purification catalyst using the heat of the burned gas discharged from the engine body; Prepare. Thereby, exhaust gas discharged from the internal combustion engine body is recirculated to the intake system of the internal combustion engine, and CO (carbon monoxide) and HC (hydrocarbon) in the exhaust gas recirculated to the intake system can be recombusted. In addition, the heat of the burned gas discharged from the engine body can be used for warming up the exhaust purification catalyst, and it becomes possible to improve exhaust emission at the time of engine cold start.
更に、請求項1の発明では、触媒暖機手段による排気浄化触媒の暖機実行中に、内燃機関の出力トルクに所望量のトルクを付加する駆動トルク、あるいは、内燃機関の出力トルクから所望量のトルクを吸収する制動トルクを内燃機関に付与し前記内燃機関の出力トルクを要求トルクに一致させるトルク制御手段を備える。これにより、排気を再循環させているときに、内燃機関の出力トルクを要求トルクにあわせつつ、燃焼室内の燃料の燃焼による有害成分の発生が少なく且つ排気浄化触媒を迅速に昇温できるような排気エミッション上最適な運転状態にて内燃機関を運転し続けることができ、排気浄化触媒の迅速な暖機及び排気エミッションの更なる改善を図ることを可能とする。 According to the first aspect of the present invention, during the warming-up of the exhaust purification catalyst by the catalyst warming-up means, a drive torque for adding a desired amount of torque to the output torque of the internal combustion engine, or a desired amount from the output torque of the internal combustion engine. And a torque control means for applying a braking torque for absorbing the torque to the internal combustion engine so that the output torque of the internal combustion engine matches the required torque. Thereby, when exhaust gas is recirculated, the output torque of the internal combustion engine is adjusted to the required torque, the generation of harmful components due to the combustion of fuel in the combustion chamber is reduced, and the exhaust purification catalyst can be quickly heated. The internal combustion engine can be continuously operated in an optimum operating state in terms of exhaust emission, and it is possible to quickly warm up the exhaust purification catalyst and further improve exhaust emission.
また、請求項1の発明では、少なくとも通常の空気の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給する酸素供給手段が備えられ、これにより、新気すなわち新しい空気を供給することなく、少なくとも通常の空気の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスにより、吸気系に再循環された排気中のCOおよびHCを再燃焼させることを可能とする。新気中には約21%の酸素しか含有されておらず、大量の排気が吸気系に再循環された場合、燃焼室に吸入される全ガス量のうち新気の占める割合は小さく制限されため、大量の再循環された排気中のCOおよびHCを再燃焼させるのに十分な酸素を排気中に供給することは現実的に困難である。そこで、請求項1の発明では、吸気系に再循環された排気中に、少なくとも新気中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給することで、新気を導入する場合と比較して、より多くの量の排気中のCOおよびHCを再燃焼させることができ、排気エミッションの改善を図ることを可能とする。
Further, the invention of
酸素供給手段により酸素が排気中に供給されると燃焼圧力が上昇し、これに伴い背圧が上昇する。そして、背圧が上昇すると、排気が吸気系に再循環される構成においては吸気圧力が上昇して筒内流入ガス量が増加し、圧縮行程における必要な圧縮力が高くなり、より大きな駆動トルクが必要となる。そこで、請求項1の発明では、トルク制御手段により、酸素供給手段による酸素供給によりもたらされる背圧の上昇に応じた駆動トルクを内燃機関に付与することで、背圧の上昇による必要駆動トルクの増加を補うことを可能とする。 When oxygen is supplied into the exhaust gas by the oxygen supply means, the combustion pressure rises, and the back pressure rises accordingly. And when the back pressure rises, in the configuration where the exhaust gas is recirculated to the intake system, the intake pressure rises and the in-cylinder inflow gas amount increases, the required compression force in the compression stroke increases, and a larger driving torque Is required. Therefore, according to the first aspect of the present invention, the torque control means gives the internal combustion engine a drive torque corresponding to the increase in the back pressure caused by the oxygen supply by the oxygen supply means, so that the required drive torque due to the increase in the back pressure can be reduced. It makes it possible to compensate for the increase.
請求項2に記載の発明によれば、前記触媒暖機手段による暖機完了後の前記内燃機関の運転中において、前記内燃機関のトルク変動が所定値よりも大きくなった場合、前記トルク制御手段により前記内燃機関に駆動トルクあるいは制動トルクを付与し、前記内燃機関のトルク変動が所定値以内となるように制御する、ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
According to the second aspect of the present invention, when the torque fluctuation of the internal combustion engine becomes larger than a predetermined value during the operation of the internal combustion engine after the warm-up by the catalyst warm-up means is completed, the torque control means 2. The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to
すなわち、請求項2の発明では、触媒暖機手段による暖機完了後の内燃機関の運転中において、トルク制御手段により内燃機関のトルク変動が所定値以内となるように制御することで、触媒暖機後における内燃機関のトルク変動を改善することを可能とする。 That is, according to the second aspect of the present invention, during the operation of the internal combustion engine after the warm-up by the catalyst warm-up means, the torque control means controls the torque fluctuation of the internal combustion engine to be within a predetermined value, thereby allowing the catalyst warm-up. It is possible to improve the torque fluctuation of the internal combustion engine after the machine.
各請求項の記載の発明によれば、機関冷間始動時のような排気浄化触媒の温度を所定値以上に昇温することが必要な時において、排気浄化触媒よりも下流の排気系から内燃機関の吸気系に内燃機関本体から排出された排気を再循環させることができ、また、排気を再循環させているときに、内燃機関の出力トルクを要求の出力トルクにあわせつつ、排気エミッション上最適な運転状態にて内燃機関を運転し続けることができ、排気浄化触媒の迅速な暖機及び排気エミッションの改善を図ることが可能となる共通の効果を奏する。 According to the invention described in each claim, when it is necessary to raise the temperature of the exhaust purification catalyst to a predetermined value or more, such as when the engine is cold-started, the internal combustion is performed from the exhaust system downstream of the exhaust purification catalyst. Exhaust gas exhausted from the internal combustion engine body can be recirculated to the engine intake system, and when exhaust gas is recirculated, the output torque of the internal combustion engine is adjusted to the required output torque while The internal combustion engine can be continuously operated in an optimal operating state, and there is a common effect that the exhaust purification catalyst can be quickly warmed up and exhaust emission can be improved.
以下、添付図面を用いて本発明に係る排気浄化装置の実施形態について説明する。
図1は、本発明の一実施形態を示す内燃機関の排気浄化装置全体の概略構成図である。図1において、1は内燃機関本体、2は燃焼室、3は点火装置、4は燃料噴射装置、5は酸素供給装置、6は排気系、7は三元触媒、8はA/Fセンサー、9は背圧センサー、10はEGR装置、11は排気再循環通路、12は排気再循環量制御バルブ、13はインタークーラー、14はH2O除去タンク、15は背圧制御バルブ、16は吸気系、17はサージタンク、18はエアフローメータ、19はスロットルバルブ、20は吸気圧センサー、21は機関回転数検出手段、22はアクセル開度検出手段、23は触媒温度検出手段、24は燃焼圧センサー、25は電子制御装置(以下、ECUと称する)、26はモータ・ジェネレータ、27はモータ・ジェネレータ制御装置、28はバッテリ、29は排気温度センサー、のそれぞれを示す。
Hereinafter, embodiments of an exhaust emission control device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an entire exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine showing an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is an internal combustion engine body, 2 is a combustion chamber, 3 is an ignition device, 4 is a fuel injection device, 5 is an oxygen supply device, 6 is an exhaust system, 7 is a three-way catalyst, 8 is an A / F sensor, 9 is a back pressure sensor, 10 is an EGR device, 11 is an exhaust gas recirculation passage, 12 is an exhaust gas recirculation control valve, 13 is an intercooler, 14 is an H 2 O removal tank, 15 is a back pressure control valve, and 16 is an intake system. , 17 is a surge tank, 18 is an air flow meter, 19 is a throttle valve, 20 is an intake pressure sensor, 21 is an engine speed detecting means, 22 is an accelerator opening detecting means, 23 is a catalyst temperature detecting means, and 24 is a combustion pressure sensor. , 25 is an electronic control unit (hereinafter referred to as ECU), 26 is a motor / generator, 27 is a motor / generator control unit, 28 is a battery, and 29 is an exhaust temperature sensor.
内燃機関本体1の燃焼室2には、点火装置3、燃料噴射装置4および燃焼圧センサー24が配設される。点火装置3は、燃焼室2内の混合気に確実に着火させるために、タイミングよく火花をスパークプラグのギャップ間で飛ばせる役割を果すものであり、点火時期は、後述するECU25にて制御される。燃料噴射装置4は、燃料を噴射する時期などを電子制御で行い、電磁噴射ノズルで燃料を燃焼室2に噴射するものであり、具体的には、後述するECU25にて最適な燃料噴射量を算出し、所定の圧力で燃料を電磁噴射ノズルで噴射するものである。燃焼圧センサー24は燃焼室2内の圧力を検出する役割を果すものである。尚、本実施形態においては、ガソリン内燃機関を想定しているが、本排気浄化装置はディーゼル内燃機関にも適用可能である。ディーゼル内燃機関の場合には、点火装置3は通常含まれない。
In the combustion chamber 2 of the internal
酸素供給装置5は、後述するEGR装置10により吸気系に再循環された排気中に、少なくとも空気中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給する役割を果すものである。
The
本発明の内燃機関の排気浄化装置においては、内燃機関始動直後の排気浄化触媒の浄化性能が期待できない機関冷間始動時において、排気浄化触媒よりも下流の排気系の排気の略全量を吸気系に戻して、該排気中に高濃度酸素ガスを供給することで、該排気中の有害成分となるCOおよびHCを再燃焼させ、排気エミッションの改善を図る。 In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present invention, at the time of engine cold start in which the purification performance of the exhaust gas purification catalyst cannot be expected immediately after the internal combustion engine is started, substantially the entire amount of exhaust gas in the exhaust system downstream from the exhaust gas purification catalyst is exhausted. Returning to step 3, the high-concentration oxygen gas is supplied into the exhaust gas, so that CO and HC, which are harmful components in the exhaust gas, are recombusted to improve exhaust emission.
吸気系に再循環された排気中のCOおよびHCを再燃焼させるべく該排気中に酸素を供給する方策の一つとして、後述するスロットルバルブ19を制御することにより吸気系に新気すなわち新しい空気を導入することが考えられる。
As one of the measures for supplying oxygen into the exhaust gas so as to re-combust CO and HC in the exhaust gas recirculated to the intake system, fresh air, that is, new air is supplied to the intake system by controlling a
しかしながら、大量の排気を吸気系に再循環させた場合、燃焼室2に導入される全ガス量のうち新気の占める割合は小さく制限され、また、新気中には約21%の酸素しか含有されていないため、大量の排気中のCOおよびHCを再燃焼させるのに十分な酸素を排気中に供給することは現実的に困難である。 However, when a large amount of exhaust gas is recirculated to the intake system, the proportion of fresh air in the total amount of gas introduced into the combustion chamber 2 is limited to a small amount, and only about 21% oxygen is contained in the fresh air. Since it is not contained, it is practically difficult to supply sufficient oxygen in the exhaust gas to reburn CO and HC in a large amount of exhaust gas.
そこで、本発明の排気浄化装置においては、吸気系に再循環された排気中のCOおよびHCを再燃焼させるための酸素を、少なくとも新気中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給できる酸素供給装置5により供給することで、新気を導入する場合と比較して、より多くの量の排気中のCOおよびHCを再燃焼させることができ、排気エミッションの改善を図ることを可能とする。
Therefore, in the exhaust gas purification apparatus of the present invention, oxygen for reburning CO and HC in the exhaust gas recirculated to the intake system is at least a high concentration oxygen having an oxygen concentration higher than the oxygen concentration in fresh air. By supplying with the
酸素供給装置5の構成については種々の構成が想定されるが、大量の排気が吸気系に再循環された際に、より多くの量の排気中のCOおよびHCを再燃焼させるためには、酸素供給装置5は酸素ガスのみを直接供給できるように構成されることが最適であり、本実施形態においては、例えば加圧され圧縮された酸素ガスのみを封入した酸素ボンベと、該酸素ボンベからの酸素ガスの供給量を制御する酸素供給量制御バルブとを有して構成される。しかしながら、酸素供給装置5は他の構成とされてもよく、例えば、酸素ボンベの代わりに、通常の空気の酸素濃度を越える酸素ガスをもたらすような高濃度酸素ガス発生装置が使用されてもよい。
Various configurations are assumed for the configuration of the
また、酸素供給装置5の配置については、吸気系に再循環された排気中に高濃度酸素ガスを供給できるように構成配置されていれば、大量の排気が吸気系に再循環された際に、より多くの量の排気中のCOおよびHCを再燃焼させることができ、どのような位置に配置されてもよい。
In addition, as for the arrangement of the
本実施形態においては、酸素供給装置5は、吸気系16に高濃度酸素ガスを供給できるように構成配置されている。しかしながら、酸素供給装置5は、燃焼室2内に高濃度酸素ガスを直接供給できるように構成配置されてもよい。酸素供給装置5が、燃焼室2内に高濃度酸素ガスを直接供給できるように構成配置される場合においては、内燃機関の圧縮行程において、燃焼室2内の多くの割合を占める再循環された排気に対して燃料のみならず酸素ガスをも点火プラグ近傍に集約することができ、酸素供給装置5が吸気系に高濃度酸素ガスを供給するように構成された場合と比較して、より少量の燃料で燃焼させることができる成層燃焼を可能とし、より燃費の向上の実現を図れるものとなる。
In the present embodiment, the
内燃機関本体1の排気系には排気中の有害成分を浄化するための排気浄化触媒として三元触媒7が配置されている。三元触媒7は、該三元触媒7の雰囲気が理論空燃比のときに、排気中の有害成分となるHC、COおよびNOxを最大効率で浄化する役割を果すものであり、具体的には、三元触媒雰囲気が理論空燃比のときに排気中のHCおよびCOの酸化と、NOxの還元を同時に行い、排気中のこれらの有害成分を無害なCO2(二酸化炭素)、H2O(水)およびN2(窒素)に浄化するものである。尚、本実施形態においては、内燃機関本体1の排気系に配置され排気中の有害成分の浄化をするための排気浄化触媒を三元触媒7としたが、排気中の有害成分を触媒反応により浄化しうる排気浄化触媒であればいかなる排気浄化触媒も本発明に適用可能であり、例えば、HCの浄化を目的とした選択酸化触媒なども本発明の排気浄化装置に適用可能である。
A three-way catalyst 7 is disposed in the exhaust system of the internal
また、内燃機関本体1と三元触媒7との間の排気系には空燃比センサー8(以下、A/Fセンサーと称する)が配設される。該A/Fセンサー8は、内燃機関本体1と三元触媒7との間の排気系を流れる排気の空燃比、三元触媒7に流入する排気の空燃比を検出する役割を果すものであり、排気の空燃比にほぼ比例する出力特性を有するセンサーである。
An air-fuel ratio sensor 8 (hereinafter referred to as an A / F sensor) is disposed in the exhaust system between the internal
EGR装置10は、三元触媒7よりも下流の排気系から内燃機関の吸気系に内燃機関本体1から排出された排気を再循環させる機能を果すものである。EGR装置10は、三元触媒7よりも下流の排気系と吸気系とを流体連通する排気再循環通路11を有し、該排気再循環通路11には、該排気再循環通路11を流れる排気(以下、再循環ガスと称する)の流量を制御する排気再循環量制御バルブ12と、再循環ガスを冷却するためのインタークーラー13と、再循環ガス中のH2Oが冷却されたことによりもたらされる液体のH2O(水)を貯蔵し除去するH2O除去タンク14とが配設される。排気再循環通路11が、三元触媒7よりも上流の排気系と吸気系とを流体連通するように形成されているのではなく、三元触媒7よりも下流の排気系と吸気系とを流体連通するように形成されることで、内燃機関本体1から排出された排気の熱による三元触媒温度の迅速な触媒活性温度への昇温を可能とする。よって、EGR装置10は触媒暖機手段としての役割も果すことになる。
The
EGR装置10は、更に、三元触媒7よりも下流の排気系に配置された背圧センサー9および背圧制御バルブ15を有する。背圧センサー9は、三元触媒7よりも下流の排気系の背圧を検出する役割を果すものである。ここで、背圧とは、内燃機関で仕事すなわち燃焼がされた後に吐き出されるガスの圧力を示すものであり、排気浄化触媒よりも下流の排気系の背圧とは、内燃機関で燃焼がされた後に吐き出された排気の圧力であって、排気浄化触媒よりも下流の排気系を流れる排気の圧力を示す。背圧制御バルブ15は、背圧センサー9からの検出情報に基づいて、背圧を予め定められた所定の範囲内に制御し、且つ、EGR装置10の排気再循環通路11を介して吸気系に再循環させる排気の割合を制御する役割を果すものである。本実施形態においては、背圧センサー9は、三元触媒7よりも下流の排気系から排気再循環通路11が分岐する場所と三元触媒7との間に配設される。また、背圧制御バルブ15は三元触媒7よりも下流の排気系から排気再循環通路11が分岐する場所よりも下流の排気系に配設される。
The
内燃機関の吸気系には、スロットル弁開度が電子制御されるスロットルバルブ19と、該スロットルバルブ19により調整された吸入空気流量を測定するエアフローメータ18と、該エアフローメータ18の精度に悪影響を与える吸気脈動や吸気干渉を防止するサージタンク17と、内燃機関の吸気圧を検出する吸気圧センサー20とが配置される。エアフローメータ18は、該エアフローメータ18の中を流れる空気の流量に基づいて内燃機関本体1に導入される空気量を計測する役割を果すものであって、ポテンシオメータ等を内蔵して吸入空気流量に比例したアナログ電圧の出力信号を発生するものである。
The intake system of the internal combustion engine has a
機関回転数検出手段21は、内燃機関の回転数を検出する役割を果すものであり、具体的には、内燃機関の出力軸の回転数を検出する回転速度センサーを有して構成され、該回転速度センサーにより内燃機関の回転数を検出するものである。アクセル開度検出手段22は、内燃機関運転中のアクセル開度を検出する役割を果すものである。
The engine
触媒温度検出手段23は、三元触媒温度を推定する機能を有する。三元触媒温度は、例えば、三元触媒7の内燃機関本体1に近い上流側あるいは内燃機関本体1から遠い下流側に配置された排気温度センサー29により検出された温度情報に基づいて推定される。この場合、触媒温度検出手段23は、排気温度センサー29を主要素として構成されることになる。ただし、例えば、三元触媒7と排気温度センサー29との間には多少の隔たりがあり、この隔たりにおける温度勾配等を推定すべく、回転負荷、空燃比、熱伝達係数、触媒反応速度等のパラメータを用いて補正が行われることになり、これらの各情報を検出する各要素もまた、当該触媒温度検出手段23の構成要素となる。
The catalyst
ECU25は、CPU(中央演算装置)、RAM(ランダムアクセスメモリ)、ROM(リードオンリメモリ)、入出力ポートを双方向バスで接続した公知のデジタルコンピュータからなり、各種センサーや駆動装置と信号をやり取りして機関回転数や吸入空気量などの制御に必要なパラメータを算出するとともに、算出されたパラメータに基づいて燃焼空燃比制御あるいは燃料噴射量制御や点火時期制御等の内燃機関の運転に関する種々の制御を行う役割を果すものである。
The
ECU25には、エアフローメータ18およびスロットルバルブ19が接続されており、エアフローメータ18からの検出情報をECU25に取り込むことができ、ECU25からの信号によってスロットルバルブ19のスロットル弁開度を制御することができるように構成されている。また、ECU25には、A/Fセンサー8、背圧センサー9、吸気圧センサー20、機関回転数検出手段21、アクセル開度検出手段22、触媒温度検出手段23、燃焼圧センサー24及び排気温度センサー29が接続されており、これらのセンサーおよび手段からの各検出情報をECU25に取り込むことができるように構成されている。更に、ECU25には、点火装置3、燃料噴射装置4、酸素供給装置5、背圧制御バルブ15、及び、排気再循環量制御バルブ12が接続されており、上記各種センサーおよび手段からの検出情報に基づいて、ECU25からの信号によって、点火装置3による点火の制御、燃料噴射装置4による燃料噴射の制御、酸素ガス供給装置5による酸素ガス供給量の制御、背圧制御バルブ15による背圧およびEGR装置10に再循環させる排気の割合の制御、及び、排気再循環量制御バルブ12による吸気系に導入する再循環ガス量の制御を行うことができるように構成されている。
The
モータ・ジェネレータ26は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機としての機能と、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電動機としての機能とを兼ね備えている。本実施形態においては、モータ・ジェネレータ26は、内燃機関の出力軸上に取付けられ、また、モータ・ジェネレータ制御装置27に接続される。モータ・ジェネレータ制御装置27は直流高圧電流を発生するバッテリ28に接続される。また、モータ・ジェネレータ制御装置27はECU25に接続され、モータ・ジェネレータ26の作動は、ECU25によって制御される。
The motor /
モータ・ジェネレータ26を電動機として駆動せしめる時には、バッテリ28の直流高電圧がモータ・ジェネレータ制御装置27にて三相交流に変換され、この三相交流がモータ・ジェネレータ26に供給される。モータ・ジェネレータ26の発生トルクすなわち駆動トルクは三相交流の電流値にほぼ比例し、この電流値はモータ・ジェネレータ26の要求駆動トルクに基づいて決定される。
When the motor /
一方、モータ・ジェネレータ26を外力により駆動する状態にすると発電機として作動せしめることができ、このときに発生した電力がバッテリ28に回生される。そして、モータ・ジェネレータを発電機として機能させることで、内燃機関に回生制動トルクを付与することができる。モータ・ジェネレータ26を発電機として作動せしめる場合には、モータ・ジェネレータ制御装置27によりモータ・ジェネレータ26によって発生せしめられた電力がバッテリ28に回生させるように制御される。
On the other hand, when the motor /
上述した各構成要素を有する図1に示す実施形態の内燃機関の排気浄化装置の作用効果について以下に説明する。
図2は、本排気浄化装置が適用された図1に示す内燃機関で実行される排気浄化処理の制御ルーチンの第一の実施形態を示すフローチャート図である。
The operational effects of the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the embodiment shown in FIG. 1 having the above-described components will be described below.
FIG. 2 is a flowchart showing a first embodiment of a control routine of an exhaust purification process executed in the internal combustion engine shown in FIG. 1 to which the present exhaust purification apparatus is applied.
図2に示す制御ルーチンでは、内燃機関始動直後から三元触媒7(以下、触媒と称する)の温度が浄化機能を発揮できる触媒活性温度に達するまでの間、EGR装置10および酸素供給装置5による排気中のCOおよびHCの浄化処理を実行する。また、機関本体から排出される既燃ガスの熱を触媒7の暖機に利用し、触媒7の暖機の促進を図る。更に、触媒7の温度が触媒活性温度に達するまでの間、排気が再循環されているときに、内燃機関の出力トルクを要求トルクにあわせつつ、燃焼室内の燃料の燃焼による有害成分の発生が少なく且つ触媒を迅速に昇温できるような排気エミッション上最適な運転状態にて内燃機関を運転し続けることができるように、モータ・ジェネレータ26によるトルク制御が実行される。
以下に各ステップの詳細について説明する。
In the control routine shown in FIG. 2, the
Details of each step will be described below.
まず、ステップ101においては、内燃機関が運転状態にあるか否かが判定され、内燃機関が運転状態にないと判定された場合には、続くステップ102において、内燃機関への始動要求の有無が確認される。具体的には、これらの判定は、機関回転数検出手段21やエアフローメータ18などからの検出情報に基づいてECU25により判定あるいは確認される。ステップ102において、内燃機関への始動要求が確認されると、続くステップ103およびステップ104へと進む。
First, in
ステップ103およびステップ104においては、ECU25からの信号により背圧制御バルブ15が全閉制御され、その後、内燃機関が始動される。内燃機関が始動される前に、背圧制御バルブ15が全閉制御されることにより、内燃機関の始動直後の内燃機関本体1から排出される略全ての排気を吸気系に再循環させるような排気の流れをもたらすことを可能とする。背圧制御バルブ15が全閉制御され、内燃機関が始動されると、続くステップ105に進む。
In
ステップ105においては、触媒温度が触媒活性温度すなわち触媒7が浄化機能を発揮することができる温度に達しているか否かの判定がなされる。具体的には、触媒温度検出手段23からの検出情報に基づいてECU25により、触媒温度が触媒活性温度に達しているか否かの判定がなされ、触媒温度が触媒活性温度に達していないと判定された場合には、続くステップ106に進む。
In
ステップ106においては、触媒7よりも下流の排気系の背圧が予め定められた目標所定値の範囲内にあるか否かの判定がなされる。具体的には、触媒7よりも下流の排気系に配設された背圧センサー9の検出情報に基づいて、ECU25にて背圧が予め定められた目標所定値の範囲内にあるか否かの判定がなされる。尚、背圧の目標所定値は、EGR装置10により再循環ガスが吸気系に再循環されている際における、背圧の安定性や排気系から燃焼室内に直接吹き戻される排気量などが考慮されて決定される。
In
内燃機関始動直後から触媒7が触媒活性温度に達するまでの間の排気エミッションの改善を図る上では、内燃機関始動直後から触媒7が触媒活性温度に達するまでの間を通して、内燃機関本体1から排出された排気の全てを再循環ガスとして吸気系に再循環させ、排気中のCOおよびHCを再燃焼させ浄化させることができるように背圧の目標所定値が決定されることが最も望ましい。
In order to improve exhaust emission from immediately after the internal combustion engine is started to when the catalyst 7 reaches the catalyst activation temperature, the exhaust gas is discharged from the internal
しかしながら、本排気浄化装置においては、後述するステップ109にて詳細に述べるが、吸気系に再循環される再循環ガス中のCOおよびHCを再燃焼させるべく、酸素供給装置5により再循環ガス量の約21%に当たる酸素ガスを付加供給するため、内燃機関始動直後から触媒7が触媒活性温度に達するまでの間を通して内燃機関本体1から排出された排気の全てを再循環ガスとして吸気系に再循環させるようにした場合、再循環ガスが吸気系に再循環される毎に、再循環ガス量が約21%ずつ増加することになる。本実施形態においては、排気再循環通路11にインタークーラー13およびH2O除去タンク14を備えることで、再循環ガス中のH2Oを液化して除去することができ、再循環ガスが排気再循環通路11を通過している間に再循環ガス量を減少させることで、上述したような酸素供給装置5による酸素ガス付加によりもたらされる再循環ガス量の増加を抑制することができる。しかしながら、再循環ガス中のH2O成分は10%であることが想定され、上述したような酸素ガス供給装置5による酸素付加によりもたらされる再循環ガス量の増加を抑制するには十分とは言えない。このことは、背圧を増加させていき、排気系から燃焼室2内に直接吹き戻される排気量の増加をもたらし、背圧を不安定とし安定した再循環ガスの再循環を阻害し、最悪の場合においては、内燃機関のストール(停止)をもたらすことにもなる。
However, in this exhaust purification device, as will be described in detail in
そこで、本排気浄化装置においては、背圧の目標所定値は、EGR装置10により再循環ガスが吸気系に再循環されている際に、背圧が安定している状態を維持することができる値であって、排気系から燃焼室2内に直接吹き戻される排気量が極端に大きくならないようにすることができる値とされ、予め実行された解析あるいは試験により得られたデータに基づいて決定される。具体的には、少なくとも、吸気系に再循環された再循環ガス量の約21%のガスについては、EGR装置10に再循環させることなく背圧制御バルブ15よりも下流の排気系に排出されるような値に、背圧の目標所定値が設定されることが想定される。これにより、内燃機関始動直後から触媒7が触媒活性温度に達するまでの間の再循環ガスの再循環を安定させることができ、排気エミッションの改善を図ることを可能とする。
Therefore, in the present exhaust purification apparatus, the target predetermined value of the back pressure can maintain a state in which the back pressure is stable when the recirculated gas is recirculated to the intake system by the
ステップ106において、触媒7よりも下流の排気系の背圧が予め定められた目標所定値の範囲内にないと判定されると、続くステップ107に進み、ステップ107においては、背圧が目標所定値の範囲内となるように制御される。具体的には、背圧センサー9の検出情報に基づいて、ECU25により背圧制御バルブ15の弁開閉を制御することで、EGR装置10に再循環されることなく背圧制御バルブ15よりも下流の排気系に排出されるガス量を制御することができ、これにより、背圧の目標所定値の範囲内への制御が可能となる。ステップ107にて背圧制御バルブ15が一定量開弁あるいは閉弁された後に、ステップ106に戻り、再び、背圧が予め定められた目標所定値の範囲内にあるか否かの判定がなされる。本ステップ107における背圧制御バルブ15の一定量の弁開閉制御は、ステップ106において背圧が予め定められた目標所定値の範囲内にあると判定されるまで繰り返し実行される。尚、背圧制御バルブ15の弁開閉制御する際の一定量の弁開閉量は、内燃機関の設計仕様に応じて適当に決定されるものである。ステップ106において、背圧が予め定められた目標所定値の範囲内にあると判定されると、続くステップ108に進む。
If it is determined in
ステップ108においては、まず、内燃機関の構成などに基づいて、内燃機関の燃焼室内の燃料の燃焼による有害成分の発生が少なく且つ触媒を迅速に昇温できるような排気エミッション上最適な運転条件、本実施形態においては最適な機関負荷が設定される。該機関負荷は、本実施形態においては出力トルクあるいは機関回転数と燃焼室内に導入されるガス量とに基づいて算出されるものとする。また、少なくともエンストをもらすことがないようなトルクであって、車両の乗員に騒音として認識され車両の商品性を損ねる結果を招くような機関回転数の過剰な上昇をもたらすことがないようなトルクが、要求トルクとして設定される。尚、運転者によりアクセルペダルが踏まれている場合には、アクセル開度検出手段22の検出情報に基づいて要求トルクが設定される。
In
次に、設定された最適な機関負荷と要求トルクとから、最適な機関負荷を実現するために必要な燃焼室内に導入される再循環ガス量がマップなどを使用してECU25にて算出され、算出された量の再循環ガスを吸気系に循環させるべく、背圧や吸気管負圧などに基づいて排気再循環量制御バルブ12の開度が制御されるとともに、スロットルバルブ19が全閉される。尚、算出された再循環ガス量が実際に再循環できるガス量よりも多い場合には、必要ガス量を満たすべくスロットルバルブ19を制御することにより不足分の量の新気を導入する。実際に再循環できるガス量は、排気再循環量制御バルブ12が全開状態での、吸気圧センサー20から検出された吸気圧、背圧センサー9から検出された背圧、および、再循環ガスが流れる排気再循環通路11の流路面積などからECU25にて算出される。
Next, from the set optimum engine load and required torque, the recirculation gas amount introduced into the combustion chamber necessary for realizing the optimum engine load is calculated by the
ところで、新気を導入することなく、再循環ガス中のCO及びHCを再燃焼させ浄化させるために、燃焼室内に導入される再循環ガス量に応じた量の酸素供給及び燃料噴射が実行される場合においては、内燃機関の出力トルクは燃焼室内に導入される再循環ガス量が多いほど大きくなり、また、機関回転数は、内燃機関の出力トルクが大きいほど高くなる。従って、算出された燃焼室内に導入される再循環ガス量が大量である場合には、出力トルクが要求トルクよりも高くなってしまい、機関回転数が過剰に高くなってしまう場合が起こりうる。この過剰に高い機関回転数は、車両の乗員に騒音として認識され、車両の商品性を損ねる結果をもたしうる。また、過剰に大きな出力トルクは、アイドル運転状態から走行状態に移る際に危険な急発進をもたらしうる。また、算出された燃焼室内に導入される再循環ガス量が少量である場合には、小さな出力トルクしたもたらされない可能性がある。例えば、該出力トルクが要求トルクを過剰に下回る場合には、機関のフリクションとのバランスを損ねて、エンストをもたらしうる。このように、機関冷間始動時における機関回転数の制約や、必要最低限トルクなどの制約から、排気エミッション上最適な運転状態にて内燃機関を運転することができない場合が起こりうる。 By the way, in order to reburn and purify CO and HC in the recirculated gas without introducing fresh air, oxygen supply and fuel injection in an amount corresponding to the amount of recirculated gas introduced into the combustion chamber are performed. In this case, the output torque of the internal combustion engine increases as the amount of recirculation gas introduced into the combustion chamber increases, and the engine speed increases as the output torque of the internal combustion engine increases. Therefore, when the calculated amount of recirculation gas introduced into the combustion chamber is large, the output torque may become higher than the required torque, and the engine speed may become excessively high. This excessively high engine speed is perceived as noise by the vehicle occupant and may result in a loss of vehicle merchantability. Further, an excessively large output torque may cause a dangerous sudden start when shifting from the idle operation state to the traveling state. Further, when the calculated amount of recirculation gas introduced into the combustion chamber is small, there is a possibility that a small output torque is not produced. For example, if the output torque is excessively lower than the required torque, the balance with the engine friction may be lost, resulting in engine stall. As described above, there may occur a case where the internal combustion engine cannot be operated in an optimum operating state in terms of exhaust emission due to the restriction on the engine speed at the time of cold start of the engine and the restriction such as the minimum necessary torque.
そこで、本排気浄化装置においては、内燃機関の出力トルクに所望量のトルクを付加する駆動トルク、あるいは、内燃機関の出力トルクから所望量のトルクを吸収する制動トルクを内燃機関に付与し内燃機関の出力トルクを要求トルクに一致させるトルク制御手段、本実施形態においてはモータ・ジェネレータ26を備えることにより、燃焼室内に導入される再循環ガス量に依存することなく、内燃機関の出力トルクを要求トルクに一致させることを可能とする。
Therefore, in the present exhaust purification apparatus, the internal combustion engine is provided with a driving torque that adds a desired amount of torque to the output torque of the internal combustion engine or a braking torque that absorbs a desired amount of torque from the output torque of the internal combustion engine. The torque control means for matching the output torque of the engine with the required torque, in this embodiment, the motor /
これにより、排気を再循環させているときに、内燃機関の出力トルクを要求トルクにあわせつつ、燃焼室内の燃料の燃焼による有害成分の発生が少なく且つ排気浄化触媒を迅速に昇温できるような排気エミッション上最適な運転状態にて内燃機関を運転し続けることができ、排気浄化触媒の迅速な暖機及び排気エミッションの更なる改善を図ることを可能とする。 Thereby, when exhaust gas is recirculated, the output torque of the internal combustion engine is adjusted to the required torque, the generation of harmful components due to the combustion of fuel in the combustion chamber is reduced, and the exhaust purification catalyst can be quickly heated. The internal combustion engine can be continuously operated in an optimum operating state in terms of exhaust emission, and it is possible to quickly warm up the exhaust purification catalyst and further improve exhaust emission.
このことに基づいて、ステップ108においては、算出された再循環ガス量と設定された要求トルクとに基づいて、モータ・ジェネレータ26により内燃機関に付与する所望の制動トルク量あるいは駆動トルク量が算出される。ステップ108にて、再循環ガス量、要求トルク量、及び、モータ・ジェネレータ26による内燃機関に付与する所望の制動トルク量あるいは駆動トルク量が算出されると、続くステップ109に進む。
Based on this, in
ステップ109においては、燃焼室内に導入された再循環ガス量に応じて必要量の酸素ガスの供給及び燃料の噴射を実行し、着火をもたらすことで、吸気系に再循環された再循環ガス中の有害成分となるCOおよびHCを再燃焼させ浄化する。具体的には、ステップ108にて算出された再循環ガス量に応じて酸素供給装置5により必要量の酸素ガスが供給され、また、燃料噴射装置4により必要量の燃料が噴射され、点火装置3により燃焼室内の着火がもたらされる。
In
ここで、酸素供給装置5により供給する酸素の必要量とは、燃焼室内に導入された再循環ガスを燃焼させるのに必要な酸素量を意図しており、本実施形態においては、再循環ガス中に酸素成分は存在しないものと仮定して、燃焼室内に導入された再循環ガス量に対して約21%の量の酸素ガスが酸素供給装置5により供給される。尚、必要に応じて燃焼室2内に供給される新気については、該新気中には約21%の酸素が含有されているため、新気に対して酸素供給装置5により新たな酸素ガスの供給を考慮する必要はない。また燃料噴射装置4により噴射される燃料の必要量とは、燃焼室2内に導入された全ガスを燃焼させるのに必要な燃料量を意図しており、必要に応じて新気が燃焼室2内に導入された場合には、燃焼室2内に導入された再循環ガスと新気とを合わせた量のガスが燃焼室2内に導入された全ガスとなる。
Here, the necessary amount of oxygen supplied by the
また、ステップ109においては、触媒の温度が触媒活性温度に達するまでの間、算出された量の排気を再循環させているときに、内燃機関の出力トルクを要求の出力トルクにあわせつつ、燃焼室内の燃料の燃焼による有害成分の発生が少なく且つ排気浄化触媒を迅速に昇温できるような排気エミッション上最適な運転状態にて内燃機関を運転し続けることができるような、モータ・ジェネレータ26によるトルク制御が実行される。具体的には、ステップ108において算出された所望の制動トルク量あるいは駆動トルク量を内燃機関に付与するように、モータ・ジェネレータ26が制御される。
Further, in
更に、ステップ109においては、内燃機関始動直後から触媒温度が触媒活性温度に達するまでの間、内燃機関が所定の空燃比にて運転されるように、フィードバック制御が行われる。該フィードバック制御は、具体的には、内燃機関本体1と触媒7との間の排気系に配置されたA/Fセンサー8の検出情報に基づいて、酸素供給装置5による酸素ガス供給量および燃料噴射装置4よる燃料噴射量がECU25により適当にフィードバック制御されることで実行される。これにより、より確実な燃焼室2内での再循環ガス中のCOおよびHCの再燃焼をもたらすことができ、排気エミッションの向上を図ることを可能とする。
Further, in
尚、暖機実行中、モータ・ジェネレータ26により、酸素供給装置5による酸素供給によりもたらされる背圧の上昇に応じた駆動トルクが内燃機関に付与されるようにされてもよい。
During the warming-up, the motor /
酸素供給装置5により酸素が排気中に供給されると燃焼圧力が上昇し、これに伴い背圧が上昇する。そして、背圧が上昇すると、排気が吸気系に再循環される構成においては吸気圧力が上昇して筒内流入ガス量が増加し、圧縮行程における必要な圧縮力が高くなり、より大きな駆動トルクが必要となる。そこで、モータ・ジェネレータ26より、酸素供給装置5による酸素供給によりもたらされる背圧の上昇に応じた駆動トルクを内燃機関に付与することで、背圧の上昇による必要駆動トルクの増加を補うことが可能となる。
When oxygen is supplied into the exhaust gas by the
以上述べてきたステップ101からステップ109までの制御ルーチンは、内燃機関始動直後から触媒温度が触媒活性温度に達するまで繰り返し実行され、ステップ105において、触媒温度検出手段23からの検出情報に基づいて触媒温度が触媒活性温度以上となったことがECU25確認されると、すなわち、暖機が完了したことが確認されると、続くステップ110およびステップ111に進む。
The control routine from
ステップ110及びステップ111においては、現状の運転状態に適した再循環ガス量が算出され、該算出された再循環ガス量に基づいて排気再循環量制御バルブ12の開度が制御される通常のEGR制御が実行される。その際、背圧制御バルブ15が全開されるようにECU25により制御される。尚、排気再循環量制御バルブ12が全開とされ、算出された再循環ガス量に基づいて背圧制御バルブ15の開度が制御されるEGR制御が実行されてもよい。
In
図3は、本排気浄化装置が適用された図1に示す内燃機関で実行される排気浄化処理の制御ルーチンの第二の実施形態を示すフローチャート図である。 FIG. 3 is a flowchart showing a second embodiment of the control routine of the exhaust purification process executed in the internal combustion engine shown in FIG. 1 to which the present exhaust purification apparatus is applied.
図3に示す制御ルーチンでは、図2に示す始動直後の機関冷間始動時おける排気浄化処理の第一の実施形態の制御ルーチンにおいて、内燃機関の始動要求があった際に、内燃機関を始動する前に、燃焼を伴うことなくモータ・ジェネレータ26により内燃機関を駆動するモータリングを実行し、該モータリングにより加熱されたガスを触媒7に通過させてから排気再循環通路11を介して吸気系16に再循環させ触媒7を含む排気系の予備暖機を実行することで、触媒暖機の更なる促進を図ることを可能とする。
以下に各ステップの詳細について説明する。
In the control routine shown in FIG. 3, the internal combustion engine is started when there is a request for starting the internal combustion engine in the control routine of the first embodiment of the exhaust gas purification process at the time of cold engine start immediately after the start shown in FIG. Before performing the motoring, the motor /
Details of each step will be described below.
まず、ステップ201及びステップ202においては、図1に示す制御ルーチンのステップ101及びステップ102と同様に、内燃機関が運転状態にあるか否か、また、内燃機関の始動要求の有無が確認される。ステップ202において、内燃機関への始動要求が確認されると、続くステップ203へと進む。
First, in
ステップ203においては、排気温度が所定値未満であるか否かが、排気温センサー29からの検出値に基づいてECU25により判定される。ここでの所定値は、内燃機関の構成や設計仕様に基づいて適当に予め設定されるものである。そして、排気温度が所定値未満であると判定されると、続くステップ204及びステップ205へと進む。
In
ステップ204及びステップ205においては、燃焼を伴うことなくモータ・ジェネレータにより内燃機関を駆動するモータリングを実行し、該モータリングにより加熱されたガスを触媒7に通過させてから排気再循環通路11を介して吸気系16に再循環させ触媒7を含む排気系の予備暖機を実行することで、触媒暖機の更なる促進を図る。
In
まず、ステップ204において、ECU25からの信号により背圧制御バルブ15及びスロットルバルブ19が全閉され、また、排気再循環量制御バルブ12は微開とされる。そして、ステップ205において、燃焼を伴うことなくモータ・ジェネレータ26により内燃機関を駆動するモータリングが実行される。
First, in
これにより、スロットルバルブ19から背圧制御バルブ15の間に存在する空気を、大気にもらすことなく、モータリングにより排気再循環通路11を介して吸気系16と排気系6との間で循環させることができる。そして、モータリングによりピストンが往復運動されることになるが、ピストンを往復運動させるためになされるモータ・ジェネレータ26の仕事に起因してもたらされる熱により、循環している空気の温度を徐々に上昇させることができ、これにより、触媒7を含む排気系6の予備暖機が可能となる。また本実施形態においては、排気再循環量制御バルブ12は微開とし、循環している空気の通路を狭くし、ピストンを往復運動させる際のモータ・ジェネレータ26の仕事量を増加させることで、循環している空気にもたらさる熱の促進を図っている。このモータリングによる予備暖機は、排気温度が所定値以上となるまで繰り返し実行される。ステップ203において排気温度が所定値以上であると判定されると続くステップ206、ステップ207及びステップ208に進む。
As a result, air existing between the
内燃機関の始動要求があった際に、排気温度が所定値以上あった場合には、ステップ204及びステップ205に進むことがないため、ステップ206及びステップ207において、背圧制御バルブ15が全閉されているか否かが確認され、背圧制御バルブ15が全閉されていないと判定された場合には、背圧制御バルブ15が全閉され、続くステップ208に進み、内燃機関が始動される。
If there is a request for starting the internal combustion engine and the exhaust gas temperature is equal to or higher than the predetermined value, the routine does not proceed to step 204 and
ステップ208に続く、内燃機関始動後のステップ209からステップ215については、図2に示す制御ルーチンのステップ105からステップ111と同様の制御が実行されることになり、ここでの詳細な説明は省略する。
In
尚、図3に示される制御ルーチンは、内燃機関の始動要求があった際に、内燃機関を始動する前にモータリングによる予備暖機がなされるものであるが、モータリングによる暖機が、内燃機関の燃焼を伴う運転により触媒7を含む排気系6がある程度昇温された状態でなされるような制御ルーチンとされてもよい。この場合、モータリングによる暖機は、内燃機関の燃焼を伴う運転により触媒7を含む排気系6がある程度昇温された状態で、内燃機関の燃焼を伴う運転を停止し、モータリングにより、内燃機関本体から排出された既燃ガスを触媒7に通過させてから吸気系16に再循環させる。燃焼を伴う内燃機関の運転を停止しても、モータリングより排気熱を高めることができ且つ内燃機関本体から排出された既燃ガスを触媒7に通過させてから排気再循環通路11を介して吸気系16に再循環させることができるため、触媒7の昇温を継続させることができ、更に、モータリングは燃焼を伴わないため背圧の過剰な上昇及び排気エミッションの悪化を抑制することが可能となる。図4は、モータリングによる暖機が、内燃機関の燃焼を伴う運転により触媒7を含む排気系6がある程度昇温された状態でなされるような場合における触媒温度の時間推移及びモータリングによる暖機時期の一実施形態を示す図である。
In the control routine shown in FIG. 3, when the internal combustion engine is requested to start, preliminary warm-up is performed by motoring before starting the internal combustion engine. The control routine may be such that the
図5は、本排気浄化装置が適用された図1に示す内燃機関で実行される排気浄化処理の制御ルーチンの第三の実施形態を示すフローチャート図である。 FIG. 5 is a flowchart showing a third embodiment of the control routine of the exhaust purification process executed in the internal combustion engine shown in FIG. 1 to which the present exhaust purification apparatus is applied.
触媒7の暖機完了後すなわち触媒温度が活性温度以上となった後に、内燃機関を燃費面にて最適な運転状態とする場合であって、燃費面にて最適な運転状態とするために大量の再循環ガスが燃焼室内に導入された場合、再循環ガスには多くのCO2が含まれているために燃焼速度が低下し燃焼が不安定となり、これに伴いトルク変動が増加し、ドライバビリティの悪化がもたらされうる。 After the catalyst 7 has been warmed up, that is, after the catalyst temperature has become equal to or higher than the activation temperature, the internal combustion engine is brought into an optimum operating state in terms of fuel consumption, and a large amount in order to obtain an optimum operating state in terms of fuel consumption. When the recirculation gas is introduced into the combustion chamber, the recirculation gas contains a large amount of CO 2, so the combustion speed decreases and the combustion becomes unstable. Deterioration can be brought about.
そこで、図5に示す制御ルーチンでは、図2に示す機関冷間始動時おける排気浄化処理の第一の実施形態の制御ルーチンにおける触媒7の暖機完了後すなわち触媒温度が活性温度以上となった後において、内燃機関を燃費面にて最適な運転状態とし、必要に応じてモータ・ジェネレータ26により駆動トルクあるいは制動トルクを内燃機関に付与することで、機関運転中のトルク変動を低減してドライバビリティの悪化させることなく、燃費上最適な運転状態にて内燃機関を運転することを可能とする。
以下に各ステップの詳細について説明する。
Therefore, in the control routine shown in FIG. 5, after the warm-up of the catalyst 7 in the control routine of the first embodiment of the exhaust gas purification process at the time of engine cold start shown in FIG. 2, that is, the catalyst temperature becomes equal to or higher than the activation temperature. Later, the internal combustion engine is put into an optimum operating state in terms of fuel consumption, and a driving torque or a braking torque is applied to the internal combustion engine by the motor /
Details of each step will be described below.
図5に示す制御ルーチンにおいて、触媒温度が活性温度に達する前のステップ301からステップ309については図2に示す制御ルーチンのステップ101からステップ109と同様の制御が実行されることになり、ここでの詳細な説明は省略する。
In the control routine shown in FIG. 5, the same control as that in
ステップ305において、触媒温度が活性温度以上であると判定されると、ステップ310及びステップ311に進み、現機関運転状態での燃費面から見て最適な再循環ガス量が算出され、算出された量の再循環ガスを燃焼室内に導入させるように、背圧制御バルブ15及び排気再循環量制御バルブ12の開度がECU25により制御される。また、この際、算出された再循環ガス量に基づいて、酸素供給量及び燃料噴射量も算出される。
If it is determined in
ステップ311にて、背圧制御バルブ15及び排気再循環量制御バルブ12の開度がECU25により制御されると、続くステップ312にて、内燃機関のトルク変動が所定値を越えているか否かがECU25により判定され、トルク変動値が所定値よりも大きいと判定された場合には、続くステップ313に進み、モータ・ジェネレータ26によるトルク変動低減制御が実行される。具体的は、モータ・ジェネレータ26により、適当な駆動トルクあるいは制動トルクを内燃機関に付与することで、トルク変動値を所定値内に入るように制御する。
When the opening degree of the back
これにより、触媒温度が活性温度以上となった後において、内燃機関を燃費面にて最適な運転状態とするために大量の再循環ガスが燃焼室内に導入された場合であっても、トルク変動を低減してドライバビリティの悪化を抑制しつつ、燃費上最適な運転状態にて内燃機関を運転することが可能となる。 As a result, even after a large amount of recirculated gas is introduced into the combustion chamber in order to bring the internal combustion engine into an optimum operating state in terms of fuel consumption after the catalyst temperature becomes equal to or higher than the activation temperature, the torque fluctuations It is possible to drive the internal combustion engine in an optimum driving state in terms of fuel efficiency while reducing the deterioration of drivability.
1 内燃機関本体
2 燃焼室
3 点火装置
4 燃料噴射装置
5 酸素供給装置
6 排気系
7 三元触媒
8 A/Fセンサー
9 背圧センサー
10 EGR装置
11 排気再循環通路
12 排気再循環量制御バルブ
13 インタークーラー
14 H2O除去タンク
15 背圧制御バルブ
16 吸気系
17 サージタンク
18 エアフローメータ
19 スロットルバルブ
20 吸気圧センサー
21 機関回転数検出手段
22 アクセル開度検出手段
23 触媒温度検出手段
24 燃焼圧センサー
25 ECU
26 モータ・ジェネレータ
27 モータ・ジェネレータ制御装置
28 バッテリ
29 排気温センサー
DESCRIPTION OF
26 Motor /
Claims (2)
前記排気浄化触媒よりも下流の前記排気系と前記内燃機関の吸気系とを流体連通する排気再循環通路と、
前記排気浄化触媒の温度を所定値以上に昇温すべきときに、前記内燃機関本体から排出された排気を前記排気再循環通路を介して前記吸気系に再循環させ、前記内燃機関本体から排出される既燃ガスの熱を利用して前記排気浄化触媒を暖機する触媒暖機手段と、
前記触媒暖機手段による前記排気浄化触媒の暖機実行中に、前記内燃機関に駆動トルクあるいは制動トルクを付与し前記内燃機関の出力トルクを要求トルクに一致させるトルク制御手段とを具備し、
前記吸気系に再循環された排気中に、少なくとも空気の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度酸素ガスを供給する酸素供給手段を具備し、
前記触媒暖機手段による暖機実行中、前記トルク制御手段により、前記酸素供給手段による酸素供給によりもたらされる背圧の上昇に応じた駆動トルクを前記内燃機関に付与する、ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 In an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine in which an exhaust gas purification catalyst for purifying harmful components in exhaust gas discharged from the internal combustion engine body is disposed in an exhaust system,
An exhaust gas recirculation passage in fluid communication between the exhaust system downstream of the exhaust purification catalyst and the intake system of the internal combustion engine;
When the temperature of the exhaust purification catalyst is to be raised to a predetermined value or higher, the exhaust gas discharged from the internal combustion engine body is recirculated to the intake system via the exhaust gas recirculation passage, and is discharged from the internal combustion engine body. Catalyst warm-up means for warming up the exhaust purification catalyst using the heat of burned gas,
Torque control means for applying driving torque or braking torque to the internal combustion engine and matching the output torque of the internal combustion engine with the required torque during the warming-up of the exhaust purification catalyst by the catalyst warm-up means,
Oxygen supply means for supplying high concentration oxygen gas having an oxygen concentration higher than the oxygen concentration of air into the exhaust gas recirculated to the intake system ;
The internal combustion engine is characterized in that during the warming-up by the catalyst warm-up means, the torque control means applies a driving torque to the internal combustion engine in accordance with an increase in back pressure caused by the oxygen supply by the oxygen supply means. Engine exhaust purification system.
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