WO2003018983A1 - Procede de commande du fonctionnement d'un moteur a combustion interne - Google Patents

Procede de commande du fonctionnement d'un moteur a combustion interne Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to operation control of an internal combustion engine using an EGR (including an internal combustion engine having an NO x storage catalyst in an exhaust passage), and aims at stabilizing combustion.
  • EGR including an internal combustion engine having an NO x storage catalyst in an exhaust passage
  • EGR is often used in internal combustion engines (especially GHP engines) because high thermal efficiency can be obtained by using EGR when the engine load or engine speed is high.
  • the GHP engine is the engine that drives the heat pump system.
  • An object of the present invention is to provide an operation control method for an internal combustion engine that can obtain good thermal efficiency and achieve stable combustion at a low load. (How to solve it)
  • the EGR rate is set to a minimum or zero at a low load.
  • EGR is performed after the temperature of the exhaust gas is lowered by the heat exchanger.
  • a predetermined load or less is set to a low load operation region.
  • the thermal efficiency is set to a desired value by manipulating the excess air ratio and the EGR ratio according to the invention of claim 1 or 2.
  • the operating range of the internal combustion engine 1 0 0 is to set the EGR rate at the time of low load to a minimum or zero ports, it is kept low concentration of NO x while maintaining a high thermal efficiency it can.
  • the EGR rate can raise the exhaust temperature by setting the zero port, the regeneration of the NO x storage catalyst can be carried out quickly.
  • FIG. 1 is a system schematic diagram of an internal combustion engine for carrying out the inventions of claims 1 to 6.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the engine load of the internal combustion engine and P i V which is an index indicating the degree of combustion instability.
  • Fig. 3 is a graph showing the area of transportation for shellfish using EGR and the area of optimal fre- quency without using EGR.
  • FIG. 4 is a graph showing a vehicle ⁇ 1 region using EGR and a region ⁇ 5 where EGR is not used!
  • FIG. 5 is a graph showing an operation area using EGR and an operation area not using EGR, which are different from those shown in FIGS. 3 and 4.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the New Omicron chi concentration and thermal efficiency of the exhaust gas.
  • Figure 7 is the EGR rate of 0% is a graph showing the 5% and 1 0% air at the time of setting the excess Well New Omicron chi amount of relationship.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between engine load and exhaust gas temperature.
  • EGR rate is a graph showing the relationship between temperature and Nyu_ ⁇ ⁇ concentration in the exhaust gas (EGR gas) in the case of the non-zero.
  • FIG. 1 is a system schematic diagram of an internal combustion engine 100 for carrying out the inventions of claims 1 to 6.
  • a supply pipe 7, a fuel supply pipe 9, a mixer 8 for mixing air supplied from the supply pipe 7 and the fuel supply pipe 9 with a fuel gas, and a mixture supply pipe. 1 1 etc. are connected.
  • the opening of the fuel supply amount adjustment valve 10 By adjusting the opening of the fuel supply amount adjustment valve 10, the fuel supplied to the mixer 8 The amount of air can be reduced by tl, the excess air ratio; I can be set arbitrarily. Also, by adjusting the opening of the throttle 12, the amount of air-fuel mixture supplied to the combustion chamber can be adjusted.
  • An exhaust pipe 1 (exhaust passage) is connected downstream of the combustion chamber.
  • the exhaust pipe 1 is provided with a NO x g storage catalyst 2 and a heat exchanger 6 in the order from the upstream side.
  • the exhaust pipe 1, the mixture supply pipe 11, and the exhaust gas return pipe 3, which are further downstream from the heat exchanger 6, can communicate with each other. Therefore, a part of the exhaust gas can be made to flow into the mixture supply pipe 11 (or a mixture supply branch pipe (not shown) downstream thereof) through the exhaust gas return pipe 3. I have.
  • a throttle valve 5 is provided in the exhaust gas return pipe 3.
  • the opening of the throttle valve 5 can be adjusted by the CPU 4.
  • the opening of the throttle valve 5 is reduced, the amount of exhaust gas flowing into the air-fuel mixture supply pipe 11 decreases. Conversely, increasing the opening will increase the inflow of exhaust gas.
  • the EGR rate increases as the amount of exhaust gas flowing into the air-fuel mixture supply pipe 11 increases, and the EGR rate decreases as the amount of exhaust gas decreases. Therefore, increasing the opening of the throttle valve 5 increases the EGR rate, and decreasing the opening decreases the EGR rate.
  • the CPU 4 adjusts the opening of the throttle valve 5 to set the EGR rate arbitrarily. You can do it.
  • a plurality of sensors are provided in the internal combustion engine 100. With these sensors, information such as the engine speed of the internal combustion engine 100, the engine load, the coolant temperature, the ignition timing, the excess air ratio L, and the exhaust temperature are input to the CPU 4. .
  • the CPU 4 has a memory in which an optimal combination map of the EGR ratio and the excess air ratio corresponding to the operation region is stored in advance. CPU 4 compares this map and the signal detected by the sensors, so stable combustion and good thermal efficiency One or suppressing the concentration of NO x upstream of the NO x storage catalyst is obtained, the throttle valve Change the opening of 5 and change the EGR rate.
  • FIG. 2 is an index showing the engine load of the internal combustion engine 100 and the degree of combustion instability.
  • the EGR rate is set to zero.
  • the engine load as shown in FIG. 5 is P 2, P 3 or less and the engine speed, to set the EGR rate to zero in the operating area such that N 2 or less.
  • the luck is described as "with EGR! In the ⁇ region, set the £ 01 rate to, for example, 5% to 15%.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between NO x concentration in exhaust gas and thermal efficiency.
  • the thermal efficiency e when the thermal efficiency reaches e, the increase in thermal efficiency slows down, and after that, the thermal efficiency hardly increases compared to the increase in NO x amount. Therefore, the thermal efficiency e at this time is set to the upper limit, and the CPU 4 adjusts the opening of the throttle valve 5 so that the EGR rate required for obtaining the thermal efficiency e is obtained.
  • FIG. 7 is the EGR rate of 0% is a graph showing the relationship between the 5% and the excess air ratio when set at 10% lambda and N Omicron chi amount. More vo chi amount EGR rate increases from FIG. 7 decreases, the air excess ratio I it can be seen that the vo chi amount enough becomes lean is decreased.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between engine load and exhaust gas temperature. As shown in Fig. 8, it can be seen that the exhaust temperature increases as the EGR rate is set lower.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the playback speed of the exhaust gas temperature and vo chi occluding catalyst 2.
  • Vo chi occluding catalyst 2 reaches the storage limit of vo chi, more can no longer be occluded, since it becomes impossible to perform cleansing of the exhaust gases, and Ritsuchi spike setting the excess air Ritsue to Ritsuchi An operation called is performed. This rich The spike, NO x occluded in the NO x storage catalyst 2 is reduced, storage capacity of the NO x storage catalyst 2 returns.
  • Figure 10 is a graph showing the EGR rate than zero (i.e., throttle valve condition 5 is open) the relationship between the temperature and the concentration of NO x in the exhaust gas in-out Noto return pipe 3 in the favorite gas (EGR gas) It is.
  • low load can be arbitrarily set in consideration of the operation performance of the internal combustion engine 100. For example, a load that is equal to or less than half the rated value can be set as “low load”.
  • the present invention is applicable to land and marine internal combustion engines using EGR.

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Description

明 細 書 内燃機関の運転制御方法 技術分野
本発明は、 EGRを利用する内燃機関 （排気通路に NOx吸蔵触媒を備えた内 燃機関を含む） の運転制御に関し、 燃焼の安定化を図るものである。 背景技術
排気ガスの一部を燃焼室に戻す E G Rを利用した従来の内燃機関では、 運転状 態によらず、 絶えず排気ガスを燃焼室に供給している。 機関負荷又は機関回転数 が大きいときに EGRを利用すると高い熱効率が得られるため、 内燃機関 （特に GHP機関） では EGRはよく利用されている。 ここで GHP機関とは、 ヒート ポンプシステムを駆動するためのエンジンである。
ところが、 機関負荷や機関回転数が小さいときに EGRを利用すると、 場合に よっては失火サイクルが増加してしまい、 燃焼が安定しなくなる。 従来の内燃機 関では EG R率 （燃焼室へ供給される空気全量に占める排気ガス量） を一定に保 つていたため、 高負荷時には良好な熱効率が得られるが、 低負荷時には燃焼が安 定しなかった。
自動車用のガソリンエンジンでは、 運転中は 1, 500〜2, 000回転くら いまで回転数がすぐに上がり、 非常に安定した燃焼が行われる。 し力 し、 GHP 機関において、 低速 (1, 000回転以下） 域では、 燃焼が安定せず、 しかも最 近はこの低速域における運転を安定して行うことができるようにとの要望が多く なってきている。 発明の開示
(発明が解決しようとする技術的課題）
本発明は、 低負荷時において良好な熱効率が得られかつ安定した燃焼が得られ る内燃機関の運転制御方法を提供することを課題としている。 (その解決方法）
上記課題を解決するため、 請求項 1の発明では、 E G Rを利用する内燃機関に おいて、 低負荷時に E G R率を最小又はゼロに設定するようにした。
請求項 2の発明では請求項 1の発明において、 熱交換器により排気ガスの温度 を下げた後に E G Rするようにした。
請求項 3の発明では請求項 1の発明において、 所定の負荷以下を低負荷運転領 域に設定した。
請求項 4の発明では請求項 1又は請求項 2の発明にぉ、て、 空気過剰率と E G R率を操作することにより、 熱効率を所望する値に設定するようにした。
請求項 5の発明では、 排気通路に N Ox吸蔵触媒を備えかつ E G Rを利用する 内燃機関において、 低負荷時に E G R率を最小又はゼロに設定し、 E G R率を最 小又はゼロにすることにより排気温度を上昇させ、 前記 N Ox吸蔵触媒の再生を 促進するようにした。
請求項 6の発明では、 排気通路に N Ox吸蔵触媒を備えかつ E G Rを利用する 内燃機関において、 低負荷時に E G R率を最小又はゼロに設定し、 リッチスパイ ク実行時には E G R率を最小又はゼロに設定するようにした。
(従来技術より有効な効果）
請求項 1の発明では、 内燃機関 1 0 0の運転領域が低負荷時においては E G R 率を最小又はゼ口に設定するようにしたので、 熱効率を高く維持しながら NOx 濃度を低く抑えることができる。
請求項 2の発明では、 熱交 で排気ガスの温度を下げるようにしたので、 N Ox濃度を減少させることができる。
請求項 3の発明では、 所定の負荷以下を低負荷運転領域に設定し、 E G R率を 設定するようにしたので、 良好な熱効率を得ると同時に燃焼を安定させ、 さらに NOx濃度を低減することができる。
請求項 4の発明では、 空気過剰率 と E G R率の組み合わせを適切に設定する ことにより、 良好な熱効率を得ることができる。 請求項 5の発明では、 E G R率をゼ口に設定することにより排気温度を上昇さ せることができ、 NOx吸蔵触媒の再生を速やかに行うことができる。
請求項 6の発明では、 リツチスパイク実行時に E G R率を最小に又はゼロに設 定することにより、 N Ox吸蔵触媒の再生を速やかに行うことができる。 図面の簡単な説明
第 1図は、 請求項 1〜 6の発明を実施する内燃機関の系統略図である。
第 2図は、 内燃機関の機関負荷と燃焼の不安定の度合を示す指標である P i V の関係を示すグラフである。
第 3図は、 E G Rを利用する運聿 貝域と E G Rを利用しない運率適域とを示す グラフである。
第 4図は、 第 3図とは別の E G Rを利用する運車≤1域と E G Rを利用しな!/、運 皐≤5域とを示すグラフである。
第 5図は、 第 3図及び第 4図とは別の E G Rを利用する運皐^ Μ域と E G Rを利 用しない運車 域とを示すグラフである。
第 6図は、 排気ガス中の Ν Οχ濃度と熱効率の関係を示すグラフである。 第 7図は、 E G R率を 0 %， 5 %及び 1 0 %に設定した際の空気過剰率えと Ν Οχ量の関係を示すグラフである。
第 8図は、 機関負荷と排気温度の関係を示すグラフである。
第 9図は、 排気温度と Ν Οχ吸蔵触媒の再生速度の関係を示すグラフである。 第 1 0図は、 E G R率がゼロ以外のときにおける排気ガス （E G Rガス） の温 度と Ν〇χ濃度の関係を示すグラフである。 発明を実施するための最良の形態
第 1図は、 請求項 1〜6の発明を実施する内燃機関 1 0 0の系統略図である。 内燃機関 1 0 0の燃焼室より上流側には給気管 7， 燃料供給管 9及び給気管 7と 燃料供給管 9から供給される空気と燃料ガスとを混合させるミキサ 8， 混合気供 給管 1 1等が接続されている。
燃料供給量調整弁 1 0の開度を調整することにより、 ミキサ 8へ供給する燃料 の量を力 tl減することができ、 空気過剰率； Iを任意に設定することができる。 また、 スロットル 1 2の開度を調整することにより、 燃焼室へ供給する混合気の量を調 整することができる。
また、 燃焼室の下流側には排気管 1 (排気通路） が接続されている。 この排気 管 1は途中に上流側から順に N Ox g¾蔵触媒 2と熱交換器 6を備えている。 第 1 図に示すように、 熱交腿 6よりさらに下流側の排気管 1と混合気供給管 1 1と 力 排気ガス戻し管 3で連通可能となっている。 したがって、 排気ガス戻し管 3 を介して排気ガスの一部を混合気供給管 1 1内 （又は、 その下流にある図示しな い混合気供給枝管） に流入させることができるようになつている。 上記では、 排 気管 1に NOx吸蔵触媒 2を備えた例を記載したが、 N Ox吸蔵触媒 2は内燃機 関 1 0 0の運転仕様により N Oxの発生量に応じて設置する力否かを選定すると よい。
排気ガス戻し管 3の途中には絞り弁 5が設けてある。 この絞り弁 5の開度は、 C P U 4により調整可能となっている。 絞り弁 5の開度を小さくすると排気ガス の混合気供給管 1 1への流入量は少なくなる。 逆に開度を大きくすると排気ガス の流入量は多くなる。 このときの排気ガスの混合気供給管 1 1への流入量が多い ほど E G R率が大きくなり、 逆に流入量が少ないほど E G R率は小さくなる。 したがって、 絞り弁 5の開度を大きくすると E G R率は大きくなり、 開度を小 さくすると E G R率は小さくなり、 C P U 4により絞り弁 5の開度を調整するこ とにより E G R率を任意に設定することができるようになつている。
図示しない複数のセンサが内燃機関 1 0 0に設けてある。 これらの各センサに より、 C P U 4には内燃機関 1 0 0の機関回転数， 機関負荷， 冷却水温度， 点火 時期， 空気過剰率 L及び排気温度等の情報がィンプットされるようになっている。 C P U 4は運転領域に対応する E G R率と空気過剰率の最適な ,組合せのマップを 予め記憶したメモリを備えている。 C P U 4は、 各センサにより検出された信号 とこのマップとを比較し、 N Ox吸蔵触媒の上流側の N Ox濃度を低く抑えか つ安定した燃焼と良好な熱効率が得られるように、 絞り弁 5の開度を変更し E G R率を変更する。
第 2図は、 内燃機関 1 0 0の機関負荷と燃焼の不安定の度合を示す指標である P i vの関係を示すグラフである。 第 2図においては、 機関回転数は 2 O O Om i n一1に、 また、 空気過剰率 Iは L= 1. 31に設定されている。
この条件下で、 絞り弁 5の開度をゼロ （つまり、 EGR率がゼロ） に設定した 場合と、 EGR率を 10%に設定した場合とを比較すると、 機関負荷が小さくな るほど EG R率が小さい方力燃焼が安定することがわかる。 したがって、 低負荷 時には EGR率はゼロにするのが好ましい。
し力 し、 得られる熱効率との兼合いで、 低負荷時の EG R率を一律にゼロにす るのは好ましくないので、 内燃機関 100の運転性能を予め調査しておき、 第 3 図に示すような機関負荷 以下においては EGR率をゼロに設定する。 同様に 第 4図， 第 5図に示すように機関負荷が P2， P3以下でかつ機関回転数が , N2以下となるような運転領域において EGR率をゼロに設定する。 第 3図〜第 5図において、 「EGRあり」 と記載した運！^域においては、 例えば 5%〜1 5%に£01率を設定する。
第 6図は、 排気ガス中の NOx濃度と熱効率の関係を示すグラフである。 EG R率を高めると良好な熱効率が得られる反面、 発生する NOx量 （NOx濃度） も増加する傾向がある。 ただし、 第 6図に示すように熱効率が eに達すると、 熱 効率の増加は緩やかになり、 それ以上は NOx量の増加量に比べ、 熱効率はほと んど増加しなくなることがわかる。 したがって、 このときの熱効率 eを上限に設 定し、 熱効率 eを得るために必要な EGR率となるように CPU4は絞り弁 5の 開度を調整する。
第 7図は、 E G R率を 0 %, 5 %及び 10 %に設定した際の空気過剰率 λと N Οχ量の関係を示すグラフである。 第 7図から EGR率が高くなるほど ΝΟχ量 は減少し、 空気過剰率 Iがリーンになるほど ΝΟχ量が減少することがわかる。 第 8図は、 機関負荷と排気温度の関係を示すグラフである。 第 8図に示すよう に、 EGR率を小さく設定するほど排気温度が高くなることがわかる。
また、 第 9図は排気温度と ΝΟχ吸蔵触媒 2の再生速度の関係を示すグラフで ある。 ΝΟχ吸蔵触媒 2は、 ΝΟχの吸蔵限界に達すると、 それ以上は吸蔵する ことができなくなり、 排気ガスの净化を行うことができなくなるので、 空気過剰 率えをリツチに設定するリツチスパイクと呼ばれる操作が行われる。 このリッチ スパイクにより、 NOx吸蔵触媒 2に吸蔵された NOxは還元され、 NOx吸蔵 触媒 2の吸蔵容量は元に戻る。
NOx吸蔵触媒 2の NOx吸蔵容量を元に戻す作業を再生と呼ぶ。 第 9図から 再生速度は、 排気温度が上昇するほど速くなる傾向があることがわかる。 したが つて、 NOx吸蔵触媒 2の再生中は、 EGR率をゼロに設定することにより 気 温度を上昇させ、 早期に NOx吸蔵触媒 2を再生させることができる。
第 10図は、 EGR率がゼロ以外 （つまり、 絞り弁 5が開いている状態） のと きにおける排気ガス戻し管 3内のお気ガス （EGRガス） の温度と NOx濃度の 関係を示すグラフである。
第 10図力 ら、 EGRガス温度が高くなるほど NOx濃度が高くなることがわ 力る。 つまり、 EGRガス温度は低いほど NOx濃度の低減化を図ることができ るので、 熱交換器 6により排気ガスの温度を低下させ、 温度が低下した排気ガス (EGRガス） を混合気供給管 11へ供給するようにする。
以上の説明中、 「低負荷」 は内燃機関 100の運転性能を勘案して任意に設定 することができるが、 例えば、 定格値の半分以下の負荷を 「低負荷」 とすること ができる。 産業上の利用の可能性
本発明は、 E G Rを利用する陸用及び舶用の内燃機関に適用することができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1. EGRを利用する內燃機関において、 低負荷時に EG R率を最小又はゼロ に設定することを特徴とする内燃機関の運転制御方法。
2. 熱交換器により排気ガスの温度を下げた後に EGRする請求項 1に記載の 内燃機関の運転制御方法。
3. 所定の負荷以下を低負荷運転領域に設定した請求項 1に記載の内燃機関の 運転制御方法。
4. 空気過剰率と EGR率を操作することにより、 熱効率を所望する値に設定 する請求項 1又は請求項 2のいずれかに記載の内燃機関の運転制御方法。
5. 排気通路に NOx吸蔵触媒を備えかつ EGRを利用する内燃機関において、 低負荷時に E G R率を最小又はゼロに設定し、 E GR率を最小又はゼロにするこ とにより排気温度を上昇させ、 前記 NOx吸蔵触媒の再生を促進することを特徴 とする内燃機関の運転制御方法。
6. 排気通路に NOx吸蔵触媒を備え力 EGRを利用する内燃機関において、 低負荷時に EG R率を最小又はゼロに設定し、 リツチスパイク実行時には EGR 率を最小又はゼロに設定することを特徴とする内燃機関の運転制御方法。
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