WO2022264565A1 - 触媒昇温システムの制御装置 - Google Patents
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Definitions
- One aspect of the present disclosure relates to a catalyst heating system used in a compression self-ignition internal combustion engine.
- the catalyst temperature raising system for example, raises the temperature in order to activate the catalyst provided in the exhaust path.
- a catalyst is provided in the exhaust path, and the catalyst purifies harmful components (HC, CO, NOx) in the exhaust gas.
- harmful components HC, CO, NOx
- This method is not a method of delivering the heat generated by the combustion of fuel in the engine cylinder to the catalyst.
- heat is generated by a chemical reaction (oxidation reaction) outside the engine cylinder and in the catalyst itself or in the vicinity of the catalyst, and the heat is delivered to the catalyst.
- heat is radiated from the wall surface of the exhaust pipe before the heat reaches the catalyst.
- the latter allows the fuel components to pass through the engine cylinders with chemical energy remaining. Then, the fuel is chemically reacted in the catalyst itself or in the vicinity of the catalyst. That is, chemical energy is converted into thermal energy. Therefore, heat radiation from the exhaust pipe wall surface is suppressed as compared with the former. This allows more heat to be delivered to the catalyst.
- Japanese Patent Laid-Open No. 2012-57492 (492) divides each cylinder into a lean cylinder and a rich cylinder. Fuel with excess HC and CO is injected from the rich cylinder. Fuel with excess O2 is injected from the lean cylinder. As a whole, the stoichiometric air-fuel ratio is maintained. Specifically, the fuel injection amount is controlled so that the average of the excess air ratio of the lean cylinder and the excess air ratio of the rich cylinder becomes one. Then, the exhaust gas from each cylinder is oxidized at the collecting portion where the exhaust gas is collected.
- the number of lean cylinders is set larger than the number of rich cylinders in order to increase the amount of reaction heat while suppressing destabilization of combustion in the lean cylinders. This increases the amount of reducing components (HC, CO) without increasing the excess air ratio in the lean cylinder.
- JP 492 the internal combustion engine in JP 492 is assumed to be a gasoline engine, and is intended for a single catalyst.
- diesel engines it is common to use multiple catalysts in series.
- the front catalyst can receive heat first from the exhaust gas. Therefore, the temperature rise is completed in a relatively short time without taking any measures.
- One form of the present disclosure is a control device for a catalyst heating system for a compression self-ignition internal combustion engine.
- the system heats up a catalyst provided in an exhaust path of an internal combustion engine.
- the catalyst heating system has multiple injectors for injecting fuel into each cylinder of the internal combustion engine.
- An exhaust path is provided through which exhaust from the cylinder flows.
- the exhaust path is provided with a first catalyst capable of purifying at least hydrocarbons contained in the exhaust.
- the exhaust path is provided with a second catalyst into which the exhaust gas flowing out from the first catalyst is allowed to purify at least nitrogen oxides contained in the exhaust gas.
- the control device changes the amount of fuel to be burned in the cylinder, out of the fuel injected from the injector, according to the torque required for the internal combustion engine.
- a fuel amount calculation unit of the control device calculates or acquires a stoichiometric injection amount, which is the amount of fuel injected into each cylinder to achieve a stoichiometric air-fuel ratio with respect to the intake air amount of the internal combustion engine.
- the allowable amount calculation unit of the control device calculates or acquires an allowable amount for the first catalyst to purify hydrocarbons based on the temperature of the first catalyst.
- the catalyst temperature increase promotion unit of the control device performs injection from the intake stroke in each cylinder to the completion of the exhaust stroke that comes first after the intake stroke.
- the fuel injection from the injector is controlled so that the total injection amount, which is the total amount of fuel injected, becomes the stoichiometric injection amount calculated or acquired by the fuel amount calculation unit.
- the catalyst temperature increase promotion unit is configured so that the amount of hydrocarbon remaining in the exhaust that is not burned in the combustion stroke prior to the exhaust stroke and is discharged into the exhaust path in the exhaust stroke exceeds the allowable amount calculated or acquired by the allowable amount calculation unit. Control the fuel injection from the injector with a non-uniform injection pattern.
- the injection amount is controlled so that the stoichiometric air-fuel ratio is always achieved in all cylinders without discriminating between cylinders. Therefore, the required number of A/F sensors is one at the junction of the exhaust gases. As a result, the system can be realized with a simpler structure and at a lower cost.
- the hydrocarbons discharged into the exhaust path and the residual oxygen not combined with the hydrocarbons are intentionally supplied to the first catalyst. These are oxidized in the first catalyst to raise the temperature of the exhaust gas. Since the temperature of the exhaust gas is raised by the reaction heat, the temperature of the first catalyst can be efficiently raised in a short time. Moreover, the temperature of the second catalyst located downstream of the first catalyst can also be raised more efficiently.
- the control device determines whether it is necessary to raise the temperature of the second catalyst.
- the control device controls the injectors so that the injection pattern corresponds to the torque required for the internal combustion engine.
- the injection pattern includes a single injection, the main injection, which is the main injection, and a pilot injection, which is the single or multiple injections before the main injection.
- the injection pattern includes an after injection, which is one or more injections after the main injection, and a post injection, which is a single injection after the after injection.
- the catalyst temperature increase promotion section of the control device distributes the total injection amount to injection amounts for main injection, pilot injection, after injection, and post injection. Then, the catalyst temperature rise promoting section adjusts the injection timing of the post injection so that the amount of hydrocarbons remaining in the exhaust gas discharged into the exhaust path during the exhaust stroke does not exceed the allowable amount.
- the first catalyst is an NSR that is a NOx storage reduction catalyst that adsorbs NOx during lean combustion and purifies and discharges the adsorbed NOx during rich combustion, or a three-way catalyst, or any of the oxidation catalysts.
- the second catalyst is an SCR, which is a selective reduction catalyst that purifies NOx, or an SCR integrated with a particulate filter. Therefore, the catalyst heating system also includes a structure having NSR as the first catalyst and SCR as the second catalyst.
- FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an entire internal combustion engine system including a catalyst temperature raising system;
- FIG. 7 is a flowchart of an example of a processing procedure of overall processing;
- FIG. 10 is a flowchart of an example of a processing procedure of injection amount and injection timing determination processing;
- FIG. 9 is a flowchart of an example of a processing procedure of interval adjustment processing;
- 4 is a flowchart of an example of a procedure of injection processing; It is a figure explaining each example of NSR temperature and upper limit HC amount characteristic, and NSR temperature and temperature increase characteristic.
- FIG. 5 is a diagram illustrating an example of post-injection interval/HC amount characteristics in exhaust gas;
- FIG. 5 is a diagram for explaining the characteristics of post-injection in the injection pattern for warm-up;
- FIG. 5 is a diagram illustrating an example of post-injection interval/HC amount characteristics in exhaust gas;
- FIG. 5 is a diagram for explaining the characteristics of post-injection in the injection pattern for warm-
- FIG. 4 is a diagram showing exhaust gas temperatures at various locations after the exhaust manifold;
- FIG. 10 is a diagram showing that the catalyst warming system shortens the warm-up completion time;
- FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a post-injection interval/post-torque sensitivity characteristic;
- the internal combustion engine system 1 shown in FIG. 1 has a control device for a catalyst temperature raising system.
- the internal combustion engine 10 of the internal combustion engine system 1 is an example of a compression self-ignition combustion engine and is mounted on a vehicle.
- the internal combustion engine 10 is, for example, a diesel engine. In the following description, “warming up” includes “heating up”.
- An air cleaner (not shown) and an intake flow rate detector 21 are provided on the inflow side of the intake pipe 11A.
- the flow rate detection device 21 outputs a detection signal corresponding to the flow rate of the air taken in by the internal combustion engine 10 to the control device 50 .
- the flow rate detection device 21 is provided with an intake air temperature detection device 28A (for example, an intake air temperature sensor) and an atmospheric pressure detection device 23 (for example, an atmospheric pressure sensor).
- the temperature detection device 28A outputs a detection signal corresponding to the temperature of the intake air passing through the flow rate detection device 21 to the control device 50 .
- the atmospheric pressure detection device 23 outputs a detection signal corresponding to the surrounding atmospheric pressure to the control device 50 .
- the outflow side of the intake pipe 11A is connected to the inflow side of the compressor 35 as shown in FIG.
- the outflow side of the compressor 35 is connected to the inflow side of the intake pipe 11B.
- a compressor 35 of the turbocharger 30 is rotationally driven by a turbine 36 .
- the turbine 36 is rotationally driven by the energy of the exhaust gas.
- the compressor 35 supercharges the intake air flowing from the intake pipe 11A by pumping it to the intake pipe 11B.
- the intake pipe 11A is positioned upstream of the compressor 35 as shown in FIG.
- the intake pipe 11A is provided with a compressor upstream pressure detection device 24A (for example, a pressure sensor).
- the pressure detection device 24A outputs a detection signal to the control device 50 according to the pressure in the intake pipe 11A.
- the intake pipe 11B is positioned downstream of the compressor 35 .
- a compressor downstream pressure detection device 24B (for example, a pressure sensor) is provided in the intake pipe 11B. Specifically, the pressure sensing device 24B is located between the compressor 35 and the intercooler 16. As shown in FIG.
- the pressure detection device 24B outputs a detection signal to the control device 50 according to the pressure in the intake pipe 11B.
- an intercooler 16 is arranged upstream of the intake pipe 11B.
- a throttle device 47 is arranged in the intake pipe 11B downstream of the intercooler 16 .
- the intercooler 16 is arranged downstream of the compressor downstream pressure detection device 24B.
- An intake air temperature detection device 28B (for example, an intake air temperature sensor) is provided between the intercooler 16 and the throttle device 47 .
- the temperature detection device 28B outputs to the control device 50 a detection signal corresponding to the temperature of the intake air whose temperature has been lowered by the intercooler 16 .
- the throttle device 47 has a throttle valve 47V that adjusts the opening of the intake pipe 11B.
- the throttle valve 47V drives the throttle valve 47V based on a control signal from the control device 50, and can adjust the intake flow rate.
- the control device 50 outputs a control signal to the throttle device 47 based on the detection signal from the throttle opening detection device 47S (for example, throttle opening sensor) and the target throttle opening.
- the opening degree of the throttle valve 47V can be adjusted based on the control signal.
- the target throttle opening degree is obtained by the control device 50 based on, for example, the depression amount of the accelerator pedal, the operating state of the internal combustion engine 10, and the like.
- the depression amount of the accelerator pedal is detected based on a detection signal from an accelerator pedal depression amount detection device 25 .
- the accelerator pedal depression amount detection device 25 is, for example, an accelerator pedal depression angle sensor and is provided on the accelerator pedal.
- the control device 50 can detect the amount of depression of the accelerator pedal by the driver based on the detection signal from the accelerator pedal depression amount detection device 25 .
- the intake pipe 11B has a downstream portion downstream of the throttle device 47.
- An intake manifold pressure detection device 24C (for example, a pressure sensor) is provided downstream of the intake pipe 11B.
- the outflow side of the EGR pipe 13 is connected to the downstream portion of the intake pipe 11B.
- the outflow side of the intake pipe 11B is connected to the inflow side of the intake manifold 11C.
- the outflow side of the intake manifold 11C is connected to the inflow side of the internal combustion engine 10 .
- the intake manifold pressure detection device 24C outputs a detection signal to the control device 50 according to the pressure of the intake air immediately before it flows into the intake manifold 11C.
- An outflow portion of the EGR pipe 13 is connected to the intake pipe 11B.
- An inflow portion of the EGR pipe 13 is connected to the exhaust pipe 12B. EGR gas flows in from the inflow portion of the EGR pipe 13 and is discharged into the intake pipe 11B from the outflow portion.
- the internal combustion engine 10 has multiple (for example, four) cylinders 45A to 45D.
- Injectors 43A-43D are provided for each cylinder. Fuel is supplied to the injectors 43A-43D via a common rail 41 and fuel pipes 42A-42D. The injectors 43A-43D are driven by control signals from the control device 50. FIG. As a result, fuel is injected into each of the cylinders 45A-45D.
- the internal combustion engine 10 is provided with a crank angle detection device 22A, a cam angle detection device 22B, a coolant temperature detection device 28C, and the like.
- the crank angle detection device 22A is, for example, a rotation sensor, and outputs a detection signal corresponding to the rotation angle of the crankshaft of the internal combustion engine 10 to the control device 50.
- the cam angle detection device 22B is, for example, a rotation sensor, and outputs a detection signal corresponding to the rotation angle of the camshaft of the internal combustion engine 10 to the control device 50 .
- the control device 50 can detect the stroke and rotation angle of each cylinder based on detection signals from the crank angle detection device 22A and the cam angle detection device 22B.
- the coolant temperature detection device 28 ⁇ /b>C is, for example, a temperature sensor, and outputs a detection signal corresponding to the temperature of the cooling coolant circulating in the internal combustion engine 10 to the control device 50 .
- the exhaust side of the internal combustion engine 10 is connected to the inflow side of the exhaust manifold 12A.
- the inflow side of the exhaust pipe 12B is connected to the outflow side of the exhaust manifold 12A.
- the outflow side of the exhaust pipe 12B is connected to the inflow side of the turbine 36 .
- the outflow side of the turbine 36 is connected to the inflow side of the exhaust pipe 12C.
- the inflow side of the EGR pipe 13 is connected to the exhaust pipe 12B.
- the EGR pipe 13 communicates the exhaust pipe 12B and the intake pipe 11B.
- part of the exhaust gas in the exhaust pipe 12B (corresponding to the exhaust path) can be recirculated to the intake pipe 11B (corresponding to the intake path).
- the EGR pipe 13 is provided with an EGR cooler 15 and an EGR valve 14 .
- the EGR valve 14 adjusts the opening degree of the EGR pipe 13 based on the control signal from the control device 50 . Thereby, the flow rate of the EGR gas flowing through the EGR pipe 13 is adjusted.
- an exhaust temperature detection device 29 is provided in the exhaust pipe 12B.
- the exhaust temperature detection device 29 is, for example, an exhaust temperature sensor, and outputs a detection signal corresponding to the exhaust temperature to the control device 50 .
- the outflow side of the exhaust pipe 12B is connected to the inflow side of the turbine 36 as shown in FIG.
- the outflow side of the turbine 36 is connected to the inflow side of the exhaust pipe 12C.
- the turbine 36 is provided with a variable nozzle 33 .
- the variable nozzle 33 can adjust the opening degree of the flow path that guides the exhaust gas to the turbine 36 .
- the variable nozzle 33 can control the flow velocity of the exhaust gas led to the turbine 36 .
- the opening of the variable nozzle 33 is adjusted by the nozzle driving device 31 .
- the control device 50 outputs a control signal to the nozzle driving device 31 based on the detection signal from the nozzle opening degree detection device 32 (for example, nozzle opening degree sensor) and the target nozzle opening degree.
- the opening degree of the variable nozzle 33 can be adjusted based on the control signal.
- the exhaust pipe 12B is positioned upstream of the turbine 36 as shown in FIG.
- a turbine upstream pressure detection device 26A (for example, a pressure sensor) is provided in the exhaust pipe 12B.
- the pressure detection device 26A outputs a detection signal to the control device 50 according to the pressure inside the exhaust pipe 12B.
- the exhaust pipe 12C is positioned downstream of the turbine 36 .
- a turbine downstream pressure detection device 26B (for example, a pressure sensor) is provided in the exhaust pipe 12C.
- the pressure detection device 26B outputs a detection signal to the control device 50 according to the pressure inside the exhaust pipe 12C.
- a NOx storage reduction catalyst (NSR: NOx Storage-Reduction) 61 is arranged upstream of the exhaust pipe 12C.
- a selective reduction catalyst (SCR: Selective Catalytic Reduction) 62 is arranged downstream of the NSR 61 .
- the exhaust pipe 12C is provided with exhaust temperature detection devices (catalyst temperature detection devices) 63A and 63B (for example, exhaust temperature sensors) upstream and downstream of the NSR 61, respectively.
- the exhaust pipe 12C is provided with an A/F sensor 64 on the downstream side of the exhaust temperature detection device 63B.
- the A/F sensor 64 is arranged between the NSR 61 and the SCR 62 .
- the A/F sensor 64 outputs a detection signal corresponding to the air-fuel ratio in the exhaust gas.
- the urea solution addition valve 65 is provided downstream of the NSR 61 in the exhaust pipe 12C. Specifically, the urea water addition valve 65 is arranged between the NSR 61 and the SCR 62 . The urea water addition valve 65 adds urea water to the exhaust gas at predetermined time intervals (for example, 200 milliseconds to 400 milliseconds).
- the exhaust pipe 12C is provided with exhaust temperature detection devices 66A and 66B (for example, exhaust temperature sensors) upstream and downstream of the SCR 62, respectively.
- the vehicle speed detection device 27 is, for example, a vehicle speed detection sensor, and is provided on the wheels of the vehicle.
- the vehicle speed detection device 27 outputs a detection signal to the control device 50 according to the rotation speed of the wheels of the vehicle.
- the control device 50 has a CPU 51, a RAM 52, a storage device 53, a timer 54, and the like. Detection signals from the various detection devices described above are input to the control device 50 (CPU 51). A control device 50 (CPU 51) outputs control signals to the various actuators described above. Note that the input/output of the control device 50 is not limited to the detection devices and actuators described above. The temperature, pressure, etc. of each part may be calculated by estimation calculation without mounting the sensor.
- the control device 50 detects the operating state of the internal combustion engine 10 based on detection signals from various detection devices including the detection device described above.
- the controller 50 controls various actuators including the actuators described above based on the operating conditions.
- the storage device 53 is, for example, a storage device such as a Flash-ROM.
- the storage device 53 stores programs, data, and the like for controlling the internal combustion engine, performing self-diagnosis, and the like.
- the control device 50 (CPU 51) also has a fuel amount calculation section 51A, an allowable amount calculation section 51B, a catalyst temperature rise promotion section 51C, etc., the details of which will be described later.
- the control device 50 performs multi-stage injection, and the multi-stage injection includes main injection and pilot injection.
- Main injection is the primary fuel injection.
- a pilot injection precedes the main injection and is one or more fuel injections.
- Multi-stage injection includes after-injection and post-injection. After-injection is performed after the main injection and is one or more fuel injections. Post-injection occurs after the after-injection and is a single injection of fuel.
- the control device 50 has a plurality of injection patterns for multi-stage injection, and uses them properly according to the temperature of the catalyst and the operating state of the internal combustion engine 10 .
- the control device 50 determines the injection amount and injection timing of each injection in each of the plurality of injection patterns based on the operating state of the internal combustion engine 10 .
- the internal combustion engine system 1 has a catalyst temperature raising system.
- the catalyst temperature raising system has injectors 43A to 43D, an NSR 61, an SCR 62, and a controller .
- the catalyst temperature raising system carries out the following processing in order to raise the temperature of the SCR 62 arranged downstream of the NSR 61 in a shorter period of time.
- the control device 50 (CPU 51) activates the entire process shown in FIG. 2, for example, at predetermined time intervals (several [ms] to several tens [ms] intervals). Then, the process proceeds to step S110.
- the control device 50 acquires the temperature of the SCR 62 in step S110 of FIG. Specifically, the control device 50 detects the temperature of the exhaust gas discharged from the SCR 62 and the temperature of the exhaust gas flowing into the SCR 62 based on detection signals from the exhaust temperature detection devices 66A and 66B. The temperature of the SCR 62 is estimated from these temperature differences. Then, the process proceeds to step S120.
- control device 50 determines whether or not the SCR 62 needs to be warmed up based on the obtained temperature of the SCR 62. If warm-up is required (Yes), control device 50 proceeds to step S130. If warm-up is unnecessary (No), the process proceeds to step S160.
- the control device 50 turns ON the switching flag, and proceeds to step S140.
- the switching flag is used for switching the injection pattern. For example, a switching flag is used when determining whether to use the warm-up injection pattern or the normal injection pattern.
- the controller 50 acquires the temperature of the NSR 61 in step S140 of FIG. Specifically, the control device 50 detects the temperature of the exhaust gas discharged from the NSR 62 and the temperature of the exhaust gas flowing into the NSR 62 based on detection signals from the exhaust temperature detection devices 63A and 63B. The temperature of the NSR 62 is estimated from these temperature differences. Then, the process proceeds to step S150.
- the control device 50 acquires the upper limit HC amount and the temperature increase allowance based on the acquired temperature of the NSR 62.
- the upper limit HC amount is the amount of hydrocarbons that the NSR61 can purify.
- the temperature increase is the difference between the temperature of the exhaust gas discharged from the NSR 61 and the temperature of the exhaust gas flowing into the NSR 61 .
- the storage device 53 of the controller 50 stores the NSR temperature/upper limit HC amount characteristic and the NSR temperature/heating allowance characteristic shown in FIG.
- the control device 50 calculates the upper limit HC amount and the temperature increase allowance based on both characteristics and the temperature of the NSR 62 . Then, the processing shown in FIG. 2 ends.
- step S160 in FIG. 2 the control device 50 turns off the switching flag. Then, the processing shown in FIG. 2 ends.
- the control device 50 (CPU 51) executing the process of step S150 in FIG. 2 corresponds to the allowable amount calculation unit 51B (see FIG. 1).
- the allowable amount calculation unit 51B calculates an allowable amount for the first catalyst to purify hydrocarbons based on the temperature of the first catalyst.
- the control device 50 (CPU 51) activates the [injection amount and injection timing determination process] shown in FIG. 3, for example, at a predetermined crank angle timing. Then, the process proceeds to step S210.
- the control device 50 acquires the intake air amount of each cylinder 45A to 45D, the rotational speed of the internal combustion engine 10, the vehicle speed, and the accelerator pedal opening.
- the intake air amount of each cylinder 45A-45D is the amount of air sucked into the cylinder during the intake stroke.
- the control device 50 detects each value using the various detection devices described above. Then, the process proceeds to step S220.
- step S220 of FIG. 3 the control device 50 calculates the basic stoichiometric injection amount and the required torque based on the obtained intake air amount of each cylinder 45A to 45D, the rotational speed of the internal combustion engine 10, the vehicle speed, and the accelerator pedal opening. .
- the basic stoichiometric injection amount is the amount of fuel (light oil) that is completely combusted against the oxygen in the air sucked into a single cylinder. Then, the process proceeds to step S230.
- control device 50 acquires the A/F (air-fuel ratio) from the detection signal from the A/F sensor 64. Then, the process proceeds to step S240.
- the control device 50 calculates the corrected total injection amount by correcting the basic stoichiometric injection amount according to the acquired A/F. That is, the control device 50 performs feedback control based on the actual A/F detected by the A/F sensor 64 . This adjusts the error in the basic stoichiometric injection amount. Then, the process proceeds to step S250.
- step S250 in FIG. 3 the control device 50 determines whether or not the switching flag is ON. If the switching flag is ON (Yes), control device 50 proceeds to step S260. If the switching flag is OFF (No), the process proceeds to step S280.
- the control device 50 determines the injection amount and the injection timing according to the corrected total injection amount and the required torque. Specifically, the injection quantity and injection timing for each injection in the multi-stage injection pattern for warm-up are determined.
- the multi-stage injection pattern for warm-up is, for example, a pilot injection, a main injection, an after injection, and a post injection, all of which are injected in this order (see FIG. 8).
- Unburned fuel (hydrocarbon) may exist in the fuel injected in the post-injection.
- the unburned fuel and the residual oxygen that has not combined with the unburned fuel are supplied to the NSR 61 . As a result, an oxidation reaction occurs in the NSR 61, and the temperature of the SCR 62 rises due to the reaction heat. Then, the process proceeds to step S270.
- step S270 in FIG. 3 the control device 50 executes interval adjustment processing. Details of the interval adjustment processing (FIG. 4) will be described later. Then, the processing shown in FIG. 3 ends.
- the control device 50 determines the injection amount and the injection timing according to the corrected total injection amount and the required torque. Specifically, the injection amount and injection timing for each injection in the normal multi-stage injection pattern are determined.
- a normal multi-stage injection pattern is, for example, an existing injection pattern. Specifically, after injecting in order of pilot injection and main injection, after injection and post injection are injected as necessary. In the normal multi-stage injection pattern, unlike the multi-stage injection pattern for warm-up, all of the fuel injected in each injection is combusted in the cylinders 45A-45D. Then, the processing shown in FIG. 3 ends.
- the control device 50 (CPU 51) executing the processes of steps S220, S230, and S240 in FIG. 3 corresponds to the fuel amount calculator 51A (see FIG. 1).
- the fuel amount calculator 51A calculates a stoichiometric injection amount, which is the amount of fuel injected into each cylinder to achieve a theoretical air-fuel ratio with respect to the intake air amount of the internal combustion engine.
- the control device 50 (CPU 51) executing the processes of steps S250, S260, and S270 in FIG. 3 corresponds to the catalyst temperature increase acceleration section 51C (see FIG. 1).
- the catalyst temperature increase promotion unit 51C increases fuel injection from the injectors so that the total injection amount becomes the stoichiometric injection amount calculated by the fuel amount calculation unit.
- Control The total injection amount is the total amount of fuel injected in each cylinder from the intake stroke to the completion of the exhaust stroke that comes first after the intake stroke.
- the catalyst temperature rise promoting section 51C controls fuel injection from the injectors with an injection pattern in which the amount of hydrocarbons does not exceed the allowable amount.
- the permissible amount of hydrocarbons is calculated by the permissible amount calculating section as hydrocarbons remaining in the exhaust that are not burned in the combustion stroke preceding the exhaust stroke and are discharged into the exhaust path in the exhaust stroke.
- step S270 of the flowchart shown in FIG. 3 the control device 50 advances the process to step S310 shown in FIG.
- the controller 50 calculates the amount of HC to be supplied to the NSR 61 based on the temperature until the warm-up of the SCR 62 is completed, the upper limit HC amount, and the temperature increase allowance. Specifically, when the current temperature of the SCR 62 is high until it reaches the warm-up completion temperature, it is desirable to obtain as much oxidation reaction heat as possible. Therefore, the control device 50 uses the upper limit HC amount as the HC amount to be supplied to the NSR 61 as it is. On the other hand, when the temperature until reaching the warm-up completion temperature becomes low, it is desired to prevent the SCR 62 from being overheated by the heat of the oxidation reaction.
- the controller 50 sets the HC amount to be supplied to the NSR 61 to be less than the upper limit HC amount.
- the upper limit HC amount is not always supplied to the NSR 61, but it is desirable to adjust the HC supply amount in consideration of the temperature until the SCR 62 is completely warmed up and the amount of temperature rise. Then, the process proceeds to step S320.
- the control device 50 acquires the interval based on the amount of HC supplied to the NSR 61.
- the storage device 53 of the control device 50 stores the post-injection interval/HC amount characteristic in exhaust gas shown in FIG. 7 for each fuel amount of the post-injection.
- the control device 50 calculates the post-injection interval based on the post-injection interval/HC amount characteristic in the exhaust gas and the HC amount supplied to the NSR 61 .
- the post-injection amount is P1 and the HC amount supplied to the NSR 61 is V1.
- the control device 50 adjusts the injection timing based on the acquired interval. Specifically, the injection timing in the post-injection in the multi-stage injection pattern for warm-up is adjusted. Then, the processing shown in FIG. 4 ends.
- the control device 50 (CPU 51) activates the injection process shown in FIG. 5, for example, at a predetermined crank angle timing. Then, the process proceeds to step S410.
- control device 50 controls the injectors 43A to 43D with the determined injection amount and injection timing. Then, the processing shown in FIG. 5 ends.
- FIG. 8 visualizes an example of a multistage injection pattern for warm-up. As shown in FIG. 8, in the example of the multistage injection pattern for warm-up, first, two pilot injections are performed. After that, a single main injection is injected. Following the main injection, three after-injections are injected. After that, another single post-injection is injected.
- the starting point for rising from OFF to ON indicates the injection timing of each injection.
- the area surrounded by lines indicates the injection quantity of each injection. Therefore, when all areas are combined, the corrected total injection amount in the [injection amount and injection timing determination process] shown in FIG. 3 is obtained.
- the fuel injected by pilot injection, main injection and after-injection is all burned in cylinders 45A-45D.
- the amount of fuel burned varies with the size of the interval.
- the interval is the time interval from the injection of the last after-injection to the injection of the post-injection.
- the amount of fuel burned decreases as the interval increases. In other words, the amount of unburned fuel (shaded area shown in FIG. 8) increases as the interval increases.
- the relationship between the interval and the amount remaining as unburned fuel (hydrocarbon) is stored as a map for each post injection amount (see FIG. 7).
- the interval is the time from after-injection to post-injection.
- the amount that remains as unburned fuel is part of the post-injection fuel and is contained in the exhaust gas.
- the control device 50 performs the interval adjustment process shown in FIG. 4 based on the post-injection interval/HC amount characteristic in exhaust gas (see FIG. 7). As much unburned fuel as possible is supplied to NSR 61 along with residual oxygen that has not combined with the unburned fuel.
- the exhaust gas discharged from the cylinders 45A to 45D has a high temperature at the beginning of discharge.
- Exhaust gas radiates heat in various places such as the exhaust manifold 12A, the turbocharger 30, or the exhaust pipe 12B connecting them.
- the temperature of the exhaust gas decreases as the distance from the cylinders 45A-45D increases. As a result, by the time the SCR 62 was reached, the temperature was insufficient for warm-up.
- the catalyst temperature raising system not all the fuel is combusted in the cylinders 45A-45D. Therefore, the temperature at the exhaust manifold 12A is lower than before.
- NSR 61 an oxidation reaction of unburned fuel and residual oxygen occurs. Therefore, the exhaust gas temperature rises.
- the exhaust gas temperature in the SCR 62 can be made higher than in the conventional case. In other words, when heat energy is generated by combustion, it is wasted on the way.
- the unburned fuel is delivered to the NSR 61 while being stored as chemical energy, and converted into thermal energy by the NSR 61 .
- the time required for the SCR 62 to reach the warm-up completion temperature T can be shortened from the conventional t2 to t1. While the SCR 62 is warming up, it is desirable to supply as much unburned fuel to the NSR 61 as possible. Therefore, the interval from after-injection to post-injection is relatively long. Therefore, as shown in FIG. 11, the longer the interval, the lower the torque sensitivity due to post-injection. Therefore, it does not affect the torque assumed in the main injection.
- the catalyst temperature raising system of one form of the present disclosure is not limited to the appearance, configuration, structure, etc. described in the present embodiment, and various modifications, additions, Can be deleted.
- NSR 61 and SCR 62 are used as a plurality of catalysts connected in series.
- a combination of other catalysts may be used.
- the NSR 61 arranged in the front stage accelerates the oxidation reaction between unburned fuel (hydrocarbon) and residual oxygen, and may be a three-way catalyst or an oxidation catalyst.
- the SCR 62 arranged in the latter stage may be integrated with a particulate filter (DPF: Diesel particulate filter).
- DPF may be arranged between the pre-catalyst (NSR 61, three-way catalyst, or oxidation catalyst) and the SCR 62 independently of each other.
- pilot injection (2 shots), main injection (1 shot), after injection (3 shots), and post injection (1 shot) are injected in this order.
- the number of pilot injections and after injections is not limited to this.
- one shot or two shots may be used for both the pilot injection and the after injection.
- Numerical values calculated for control in this embodiment may be acquired by the control device using a map pre-recorded in the control device.
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Abstract
内燃機関(10)の吸気量に対して理論空燃比となる各気筒(45A~45D)への燃料の量であるストイキ噴射量が算出される。NSR(61)(第1触媒)が炭化水素を浄化できる許容量がNSR(61)の温度に基づいて算出される。SCR(62)(第2触媒)の暖機が必要であるか否か判定される。暖気が必要と判定された場合に、各気筒(45A~45D)の排気行程にて排気マニホルド(12A)に排出される排気に残る炭化水素が、NSR(61)の許容量を超えないように、ストイキ噴射量が多段に分けて噴射される。ポスト噴射で噴かれた燃料の一部が、未燃燃料として残存酸素とともにNSR(61)に供給される。NSR(61)にて未燃燃料と残存酸素の酸化反応が起こり、その反応熱でSCR(62)の温度が効果的に上昇される。
Description
本開示の1つの形態は、圧縮自己着火式の内燃機関に用いられる触媒昇温システムに関する。触媒昇温システムは、例えば、排気経路に設けられた触媒を活性化させるために昇温する。
ディーゼルエンジンでは、排気経路に触媒が設けられ、触媒が排気ガス中の有害成分(HC、CO、NOx)を浄化する。触媒の浄化能力を十分に発揮させるため、エンジン始動後においては、触媒の温度をより短時間で活性化温度にまで上昇させることが重要である。
このような触媒の昇温をより短時間に行う有効な手法が従来知られている。この手法は、エンジン気筒内での燃料の燃焼により発生した熱を触媒に届ける手法ではない。例えば、エンジン気筒外でかつ触媒自身または触媒の近傍で化学反応(酸化反応)により熱を発生させ、その熱を触媒に届ける方法である。つまり、前者では、熱が触媒に届くまでに、排気管壁面からの放熱が起こってしまう。これに対し、後者では、燃料成分に化学エネルギーを残したままエンジン気筒を通過させる。そして、触媒自身または触媒の近傍で燃料を化学反応させる。すなわち、化学エネルギーが熱エネルギーに変換される。そのため、前者と比較して排気管壁面からの放熱が抑制される。これにより、より沢山の熱を触媒に届けられる。
例えば、特開2012-57492号公報(492号公報)では、各気筒をリーン気筒とリッチ気筒に分ける。リッチ気筒からはHC、COを過剰にした燃料が噴射される。リーン気筒からはO2を過剰にした燃料が噴射される。全体としては理論空燃比を維持する。具体的には、リーン気筒の空気過剰率とリッチ気筒の空気過剰率の平均が1となるように燃料噴射量を制御している。そして、各気筒からの排気が集合する集合部において酸化反応させる。このとき、リーン気筒での燃焼不安定化を抑制しつつ反応熱量を増大させるべく、リーン気筒の数をリッチ気筒の数より多く設定する。これにより、リーン気筒での空気過剰率を増大させることなく還元成分量(HC、CO)を増大させている。
しかしながら、492号公報に開示の技術では、リッチ気筒とリーン気筒の全体でストイキ(理論空燃比)の近傍に燃料噴射量を制御する必要がある。つまり、集合部における空燃比がストイキとなるように、例えば、リッチ気筒である#1気筒での空気過剰率を0.85にする。リーン気筒である#3、#4、#2気筒でのそれぞれの気筒の空気過剰率を1.05にする。全体としては空気過剰率が1となるように燃料噴射量を制御する。これを正確に実現するためには、各気筒の排気ポートのそれぞれにA/Fセンサを設けざるを得ない。そのため、エンジンの構造が複雑になるうえコスト高となってしまう。
また、492号公報の内燃機関としてはガソリンエンジンを想定しており、単一の触媒を対象としている。しかし、ディーゼルエンジンでは、複数の触媒を直列で用いるのが一般的である。前段の触媒は、排気ガスから最初に熱を受け取ることができる。そのため、何ら処置を施さなくとも比較的短時間で昇温が完了する。
一方、後段の触媒は、熱を奪われた排気ガスが流入する。そのため、昇温に時間が掛かる。ディーゼルエンジンにおいては、前段、後段を含め全ての触媒が適温になって初めて触媒としての浄化能力が十分に発揮できる。そのため、前段の触媒の昇温完了後に後段の触媒の昇温を待っていたのでは効率が悪い。
したがって、直列に繋がる第1触媒と第2触媒の昇温を、より簡易な構造で、かつ、より安価に、かつ、より効率良く短時間に実現できる触媒昇温システムの制御装置が従来必要とされている。
本開示の1つの形態は、圧縮自己着火式の内燃機関の触媒昇温システムの制御装置である。該システムは、内燃機関の排気経路に設けられた触媒を昇温する。触媒昇温システムは、内燃機関の気筒それぞれに燃料を噴射する複数のインジェクタを有する。気筒からの排気が流入する排気経路が設けられる。排気経路には、排気に含まれている少なくとも炭化水素を浄化可能な第1触媒が設けられる。さらに排気経路には、第1触媒から流出される排気が流入し、排気に含まれている少なくとも窒素酸化物を浄化可能な第2触媒が設けられる。制御装置は、インジェクタから噴射する燃料のうち、気筒内で燃焼させる燃料の量を内燃機関に対して要求されるトルクに応じて変える。制御装置の燃料量算出部は、内燃機関の吸気量に対して理論空燃比となる各気筒への燃料の量であるストイキ噴射量を算出または取得する。制御装置の許容量算出部は、第1触媒が炭化水素を浄化できる許容量を当該第1触媒の温度に基づいて算出または取得する。制御装置の触媒昇温促進部は、第2触媒の昇温が必要であると判定した場合に、各気筒における吸気行程から当該吸気行程の後に最初に到来する排気行程が完了するまでに噴射される燃料の総量である総噴射量が、燃料量算出部にて算出または取得したストイキ噴射量となるようにインジェクタからの燃料噴射を制御する。さらに触媒昇温促進部は、排気行程の前の燃焼行程にて燃焼されず排気行程にて排気経路に排出される排気に残る炭化水素が許容量算出部にて算出または取得した許容量を超えない噴射パターンでインジェクタからの燃料噴射を制御する。
したがって、気筒を区別することなく、全ての気筒において常に理論空燃比となるように噴射量を制御している。そのため、必要なA/Fセンサの数は排気の合流部に1つあればよい。その結果、より簡易な構造で、より安価にシステムを実現できる。排気経路に排出された炭化水素と当該炭化水素と結合しなかった残存酸素を敢えて第1触媒に供給する。これらは、第1触媒にて酸化反応して排気を昇温させる。その反応熱で排気ガス温度を上げるので、第1触媒を効率よく短時間に昇温させることができる。しかも、第1触媒の後段に位置する第2触媒もより効率よく昇温させることができる。
本開示の他の1つの形態において、制御装置は、第2触媒の昇温が必要であるか否か判断する。昇温が必要であると判定した場合、制御装置は、内燃機関に対して要求されるトルクに応じた噴射パターンになるようにインジェクタを制御する。噴射パターンは、単数の噴射であって主となる噴射であるメイン噴射と、メイン噴射の前の単数または複数の噴射であるパイロット噴射を有している。さらに噴射パターンは、メイン噴射の後の単数または複数の噴射であるアフタ噴射と、アフタ噴射の後の単数の噴射であるポスト噴射を有している。制御装置の触媒昇温促進部は、総噴射量を、メイン噴射と、パイロット噴射と、アフタ噴射と、ポスト噴射の各噴射の噴射量に分配する。そして触媒昇温促進部は、排気行程にて排気経路に排出される排気に残る炭化水素が許容量を超えないようにポスト噴射の噴射時期を調整する。
排気経路に排出される炭化水素の量とポスト噴射の噴射時期には相関関係がある。しかも、その相関関係は比較的複雑なものではない。したがって、例えば両者を関係付けたマップを用意すれば、マップから第1触媒に供給すべき炭化水素の量に対応するポスト噴射の噴射時期を取得できる。その結果、ポスト噴射の噴射時期の調整という簡易な制御で適切な量の炭化水素(及び酸素)を第1触媒に供給することができる。
本開示の他の1つの形態において、第1触媒は、リーン燃焼時にはNOxを吸着しリッチ燃焼時には吸着しているNOxを浄化して排出するNOx吸蔵還元触媒であるNSR、または三元触媒、または酸化触媒のいずれかである。第2触媒は、NOxを浄化する選択式還元触媒であるSCR、または微粒子捕集フィルタと一体化されたSCRである。したがって触媒昇温システムは、NSRを第1触媒、SCRを第2触媒、として有している構造も含む。
[内燃機関システム1の概略構成の例(図1)]
以下に本開示の1つの実施形態を図面を用いて説明する。図1に示す内燃機関システム1は、触媒昇温システムの制御装置を有する。内燃機関システム1の内燃機関10は、圧縮自己着火式燃機関の例であって、車両に搭載される。内燃機関10は、例えばディーゼルエンジンである。以降の説明において、「暖機」は「昇温」を含む。
以下に本開示の1つの実施形態を図面を用いて説明する。図1に示す内燃機関システム1は、触媒昇温システムの制御装置を有する。内燃機関システム1の内燃機関10は、圧縮自己着火式燃機関の例であって、車両に搭載される。内燃機関10は、例えばディーゼルエンジンである。以降の説明において、「暖機」は「昇温」を含む。
図1を参照して、システム全体について、吸気側から排気側に向かって順に説明する。吸気管11Aの流入側には、エアクリーナ(図示省略)、吸気流量検出装置21(例えば、吸気流量センサ)が設けられている。流量検出装置21は、内燃機関10が吸入した空気の流量に応じた検出信号を制御装置50に出力する。流量検出装置21には、吸気温度検出装置28A(例えば、吸気温度センサ)、大気圧検出装置23(例えば、大気圧センサ)が設けられている。温度検出装置28Aは、流量検出装置21を通過する吸気の温度に応じた検出信号を制御装置50に出力する。大気圧検出装置23は、周囲の大気圧に応じた検出信号を制御装置50に出力する。
図1に示すように吸気管11Aの流出側はコンプレッサ35の流入側に接続されている。コンプレッサ35の流出側は吸気管11Bの流入側に接続されている。ターボ過給機30のコンプレッサ35は、タービン36によって回転駆動される。タービン36は、排気ガスのエネルギーによって回転駆動される。これによりコンプレッサ35は、吸気管11Aから流入された吸気を吸気管11Bに圧送することで過給する。
図1に示すように吸気管11Aは、コンプレッサ35の上流側に位置する。吸気管11Aには、コンプレッサ上流圧力検出装置24A(例えば圧力センサ)が設けられている。圧力検出装置24Aは、吸気管11A内の圧力に応じた検出信号を制御装置50に出力する。吸気管11Bは、コンプレッサ35の下流側に位置する。吸気管11Bには、コンプレッサ下流圧力検出装置24B(例えば圧力センサ)が設けられている。具体的には、圧力検出装置24Bは、コンプレッサ35とインタークーラ16の間に位置する。圧力検出装置24Bは、吸気管11B内の圧力に応じた検出信号を制御装置50に出力する。
図1に示すように吸気管11Bの上流部にインタークーラ16が配置されている。インタークーラ16よりも下流において吸気管11Bには、スロットル装置47が配置されている。インタークーラ16は、コンプレッサ下流圧力検出装置24Bよりも下流側に配置されている。インタークーラ16とスロットル装置47との間には、吸気温度検出装置28B(例えば、吸気温度センサ)が設けられている。温度検出装置28Bは、インタークーラ16にて温度が低下された吸気の温度に応じた検出信号を制御装置50に出力する。
図1に示すようにスロットル装置47は、吸気管11Bの開度を調整するスロットルバルブ47Vを有する。スロットルバルブ47Vは、制御装置50からの制御信号に基づいてスロットルバルブ47Vを駆動し、吸気流量を調整可能である。制御装置50は、スロットル開度検出装置47S(例えば、スロットル開度センサ)からの検出信号と目標スロットル開度に基づいて、スロットル装置47に制御信号を出力する。制御信号に基づいてスロットルバルブ47Vの開度が調整可能である。目標スロットル開度は、制御装置50が、例えば、アクセルペダルの踏込量と内燃機関10の運転状態等に基づいて求められる。アクセルペダルの踏込量は、アクセルペダル踏込量検出装置25からの検出信号に基づいて検出される。
図1に示すようにアクセルペダル踏込量検出装置25は、例えばアクセルペダル踏込角度センサであり、アクセルペダルに設けられている。制御装置50は、アクセルペダル踏込量検出装置25からの検出信号に基づいて、運転者によるアクセルペダルの踏込量を検出することが可能である。
図1に示すように吸気管11Bは、スロットル装置47よりも下流の下流部を有する。吸気管11Bの下流部には、吸気マニホルド圧力検出装置24C(例えば圧力センサ)が設けられている。吸気管11Bの下流部にEGR配管13の流出側が接続されている。吸気管11Bの流出側は吸気マニホルド11Cの流入側に接続されている。吸気マニホルド11Cの流出側は内燃機関10の流入側に接続されている。吸気マニホルド圧力検出装置24Cは、吸気マニホルド11Cに流入する直前の吸気の圧力に応じた検出信号を制御装置50に出力する。EGR配管13の流出部は、吸気管11Bと接続されている。EGR配管13の流入部は、排気管12Bと接続されている。EGR配管13の流入部からEGRガスが流入し、流出部から吸気管11B内に吐出される。
図1に示すように内燃機関10は複数(例えば4つ)の気筒45A~45Dを有している。インジェクタ43A~43Dが、それぞれの気筒に設けられている。インジェクタ43A~43Dには、コモンレール41と燃料配管42A~42Dを介して燃料が供給されている。インジェクタ43A~43Dは、制御装置50からの制御信号によって駆動される。これにより、それぞれの気筒45A~45D内に燃料を噴射する。
図1に示すように内燃機関10には、クランク角度検出装置22A、カム角度検出装置22B、クーラント温度検出装置28C等が設けられている。クランク角度検出装置22Aは、例えば回転センサであり、内燃機関10のクランクシャフトの回転角度に応じた検出信号を制御装置50に出力する。カム角度検出装置22Bは、例えば回転センサであり、内燃機関10のカムシャフトの回転角度に応じた検出信号を制御装置50に出力する。制御装置50は、クランク角度検出装置22Aとカム角度検出装置22Bからの検出信号に基づいて、各シリンダの行程及び回転角度等を検出することができる。クーラント温度検出装置28Cは、例えば温度センサであり、内燃機関10内に循環されている冷却用クーラントの温度に応じた検出信号を制御装置50に出力する。
図1に示すように内燃機関10の排気側には排気マニホルド12Aの流入側が接続されている。排気マニホルド12Aの流出側には排気管12Bの流入側が接続されている。排気管12Bの流出側はタービン36の流入側に接続されている。タービン36の流出側は排気管12Cの流入側に接続されている。
図1に示すように排気管12Bには、EGR配管13の流入側が接続されている。EGR配管13は、排気管12Bと吸気管11Bとを連通する。これにより、排気管12B(排気経路に相当)の排気ガスの一部を吸気管11B(吸気経路に相当)に還流させることが可能である。EGR配管13には、EGRクーラ15、EGR弁14が設けられている。EGR弁14は、制御装置50からの制御信号に基づいて、EGR配管13の開度を調整する。これにより、EGR配管13内を流れるEGRガスの流量を調整する。
図1に示すように排気管12Bには、排気温度検出装置29が設けられている。排気温度検出装置29は、例えば排気温度センサであり、排気温度に応じた検出信号を制御装置50に出力する。
図1に示すように排気管12Bの流出側はタービン36の流入側に接続されている。タービン36の流出側は排気管12Cの流入側に接続されている。タービン36には、可変ノズル33が設けられている。可変ノズル33は、排気ガスをタービン36へ導く流路の開度を調整可能である。これにより可変ノズル33は、タービン36へ導く排気ガスの流速を制御可能である。可変ノズル33は、ノズル駆動装置31によって開度が調整される。制御装置50は、ノズル開度検出装置32(例えば、ノズル開度センサ)からの検出信号と目標ノズル開度に基づいて、ノズル駆動装置31に制御信号を出力する。制御信号に基づいて可変ノズル33の開度が調整可能である。
図1に示すように排気管12Bは、タービン36の上流側に位置する。排気管12Bには、タービン上流圧力検出装置26A(例えば圧力センサ)が設けられている。圧力検出装置26Aは、排気管12B内の圧力に応じた検出信号を制御装置50に出力する。排気管12Cは、タービン36の下流側に位置する。排気管12Cには、タービン下流圧力検出装置26B(例えば圧力センサ)が設けられている。圧力検出装置26Bは、排気管12C内の圧力に応じた検出信号を制御装置50に出力する。
図1に示すように排気管12Cの上流部にNOx吸蔵還元触媒(NSR:NOx Storage-Reduction)61が配置されている。NSR61よりも下流側に選択式還元触媒(SCR:Selective Catalytic Reduction)62が配置されている。排気管12Cには、NSR61の上流側と下流側にそれぞれに、排気温度検出装置(触媒温度検出装置)63A、63B(例えば、排気温度センサ)が設けられている。さらに、排気管12Cには、排気温度検出装置63Bの下流側にA/Fセンサ64が設けられている。具体的には、A/Fセンサ64は、NSR61とSCR62の間に配置されている。A/Fセンサ64は、排気ガス中の空燃比に応じた検出信号を出力する。
図1に示すように尿素水添加弁65は、排気管12CにおけるNSR61の下流側に設けられる。具体的には、尿素水添加弁65は、NSR61とSCR62の間に配置されている。尿素水添加弁65は、所定時間(例えば、200ミリ秒~400ミリ秒である。)毎に、排気ガス中に尿素水を添加する。排気管12Cには、SCR62の上流側と下流側にそれぞれ、排気温度検出装置66A、66B(例えば、排気温度センサ)が設けられている。
図1に示すように車速検出装置27は、例えば車両速度検出センサであり、車両の車輪等に設けられている。車速検出装置27は、車両の車輪の回転速度に応じた検出信号を制御装置50に出力する。
図1に示すように制御装置50は、CPU51、RAM52、記憶装置53、タイマ54等を有している。制御装置50(CPU51)には、上述した種々の検出装置からの検出信号が入力される。制御装置50(CPU51)は、上述した種々のアクチュエータへの制御信号を出力する。なお、制御装置50の入出力は、上記の検出装置やアクチュエータに限定されるものではない。各部の温度や圧力等はセンサを搭載せずに推定計算により算出しても良い。制御装置50は、上記の検出装置を含めた各種の検出装置からの検出信号に基づいて内燃機関10の運転状態を検出する。制御装置50は、運転状態に基づいて上記のアクチュエータを含む各種のアクチュエータを制御する。記憶装置53は、例えばFlash-ROM等の記憶装置である。記憶装置53は、内燃機関の制御や自己診断等を実行するためのプログラムやデータ等を記憶している。また制御装置50(CPU51)は、燃料量算出部51A、許容量算出部51B、触媒昇温促進部51C等を有しているが、これらの詳細については後述する。
制御装置50は、多段噴射を行い、多段噴射にはメイン噴射とパイロット噴射が含まれている。メイン噴射は、主となる燃料噴射である。パイロット噴射は、メイン噴射の前に行い、単数または複数の燃料噴射である。多段噴射には、アフタ噴射とポスト噴射も含まれている。アフタ噴射は、メイン噴射の後に行い、単数または複数の燃料噴射である。ポスト噴射は、アフタ噴射の後に行い、単数の燃料噴射である。制御装置50は、多段噴射について、複数の噴射パターンを有しており、触媒の温度や内燃機関10の運転状態に応じて使い分けている。制御装置50は、複数の噴射パターンそれぞれにおける各噴射の噴射量と噴射時期については、内燃機関10の運転状態に基づいて決定している。
[第1の実施の形態における制御装置50の処理手順(図2~図8)]
内燃機関システム1は、触媒昇温システムを有している。触媒昇温システムは、インジェクタ43A~43Dと、NSR61と、SCR62と、制御装置50とを有している。触媒昇温システムは、NSR61よりも下流に配置されたSCR62をより短時間に昇温するため、以下の処理を実施する。
内燃機関システム1は、触媒昇温システムを有している。触媒昇温システムは、インジェクタ43A~43Dと、NSR61と、SCR62と、制御装置50とを有している。触媒昇温システムは、NSR61よりも下流に配置されたSCR62をより短時間に昇温するため、以下の処理を実施する。
制御装置50(CPU51)は、例えば所定時間間隔(数[ms]~数10[ms]間隔)にて、図2に示す全体処理を起動する。そして、ステップS110に処理を進める。
図2のステップS110にて制御装置50は、SCR62の温度を取得する。具体的には、制御装置50は、排気温度検出装置66A、66Bからの検出信号により、SCR62から排出される排気ガスの温度と、SCR62に流入する排気ガスの温度を検出する。これらの温度差からSCR62の温度を推定している。そして、ステップS120へ処理を進める。
図2のステップS120にて制御装置50は、取得したSCR62の温度に基づいて、SCR62の暖機が必要であるか否かを判定する。制御装置50は、暖機が必要である場合(Yes)はステップS130へ処理を進める。暖機が不要である場合(No)はステップS160へ処理を進める。
図2のステップS130へ処理を進めた場合、制御装置50は、切替フラグをONにして、ステップS140へ処理を進める。切替フラグは、噴射パターンの切り替えに用いられる。例えば、暖機用の噴射パターンを使用するか、通常の噴射パターンを使用するかを判断する際に切替フラグが用いられる。
図2のステップS140にて制御装置50は、NSR61の温度を取得する。具体的には、制御装置50は、排気温度検出装置63A、63Bからの検出信号により、NSR62から排出される排気ガスの温度と、NSR62に流入する排気ガスの温度を検出する。これら温度差からNSR62の温度を推定している。そして、ステップS150へ処理を進める。
図2のステップS150にて制御装置50は、取得したNSR62の温度に基づいて、上限HC量と昇温代を取得する。上限HC量とは、NSR61が浄化可能な炭化水素の量である。昇温代とは、NSR61より排出された排気ガスの温度と、NSR61に流入する排気ガスの温度の差である。制御装置50の記憶装置53には、図6に示すNSR温度・上限HC量特性及びNSR温度・昇温代特性が記憶されている。制御装置50は、両特性とNSR62の温度に基づいて上限HC量と昇温代を算出する。そして、図2に示す処理を終了する。
図2のステップS160へ処理を進めた場合、制御装置50は、切替フラグをOFFにする。そして、図2に示す処理を終了する。
図2のステップS150の処理を実行している制御装置50(CPU51)は、許容量算出部51B(図1参照)に相当している。許容量算出部51Bは、第1触媒が炭化水素を浄化できる許容量を当該第1触媒の温度に基づいて算出する。
[噴射量、噴射時期の決定(図3)]
制御装置50(CPU51)は、例えば所定クランク角度タイミングにて、図3に示す[噴射量、噴射時期決定処理]を起動する。そして、ステップS210に処理を進める。
制御装置50(CPU51)は、例えば所定クランク角度タイミングにて、図3に示す[噴射量、噴射時期決定処理]を起動する。そして、ステップS210に処理を進める。
図3のステップS210にて制御装置50は、各気筒45A~45Dの吸気量、内燃機関10の回転数、車速、アクセルペダル開度を取得する。各気筒45A~45Dの吸気量は、吸気行程にて当該気筒に吸い込まれる空気の量である。制御装置50は、上述した各種の検出装置を用いて各値を検出している。そしてステップS220へ処理を進める。
図3のステップS220にて制御装置50は、取得した各気筒45A~45Dの吸気量、内燃機関10の回転数、車速、アクセルペダル開度に基づいて、基本ストイキ噴射量及び要求トルクを算出する。基本ストイキ噴射量とは、ある単一の気筒に吸い込まれた空気中の酸素に対し完全燃焼する燃料(軽油)の量である。そして、ステップS230へ処理を進める。
図3のステップS230にて制御装置50は、A/Fセンサ64からの検出信号によりA/F(空燃比)を取得する。そして、ステップS240へ処理を進める。
図3のステップS240にて制御装置50は、取得したA/Fに応じて基本ストイキ噴射量を補正した補正済総噴射量を算出する。つまり、制御装置50は、A/Fセンサ64により検出した実際のA/Fに基づいてフィードバック制御を実施する。これにより、基本ストイキ噴射量の誤差を調整している。そして、ステップS250へ処理を進める。
図3のステップS250にて制御装置50は、切替フラグがONであるか否かを判定する。制御装置50は、切替フラグがONである場合(Yes)はステップS260へ処理を進める。切替フラグがOFFである場合(No)はステップS280へ処理を進める。
図3のステップS260へ処理を進めた場合、制御装置50は、補正済総噴射量と要求トルクに応じて噴射量と噴射時期を決定する。詳しくは、暖機用の多段噴射パターンでの各噴射における噴射量と噴射時期を決定する。暖機用の多段噴射パターンは、例えばパイロット噴射、メイン噴射、アフタ噴射、ポスト噴射の順に全てを噴射するものである(図8参照)。ポスト噴射にて噴射された燃料のうち、燃焼しなかった未燃燃料(炭化水素)が存在する場合がある。未燃燃料と当該未燃燃料と結合しなかった残存酸素は、NSR61に供給される。その結果、NSR61にて酸化反応が起こり、その反応熱でSCR62の温度が上昇することとなる。そしてステップS270へ処理を進める。
図3のステップS270にて制御装置50は、インターバル調整処理を実行する。インターバル調整処理(図4)の詳細については後述する。そして、図3に示す処理を終了する。
図3のステップS280へ処理を進めた場合、制御装置50は、補正済総噴射量と要求トルクに応じて噴射量と噴射時期を決定する。具体的には、通常の多段噴射パターンでの各噴射における噴射量と噴射時期を決定する。通常の多段噴射パターンは、例えば既存の噴射パターンである。具体的にはパイロット噴射、メイン噴射の順に噴射した後、必要に応じてアフタ噴射、ポスト噴射を噴射する。通常の多段噴射パターンでは、暖機用の多段噴射パターンと異なり、各噴射で噴射された燃料は、気筒45A~45Dにて全て燃焼する。そして、図3に示す処理を終了する。
図3のステップS220、S230、S240の処理を実行している制御装置50(CPU51)は、燃料量算出部51A(図1参照)に相当している。燃料量算出部51Aは、内燃機関の吸気量に対して理論空燃比となる各気筒への燃料の量であるストイキ噴射量を算出する。
図3のステップS250、S260、S270の処理を実行している制御装置50(CPU51)は、触媒昇温促進部51C(図1参照)に相当している。触媒昇温促進部51Cは、第2触媒の暖機が必要であると判定した場合に、総噴射量が、燃料量算出部にて算出したストイキ噴射量となるようにインジェクタからの燃料噴射を制御する。総噴射量は、各気筒における吸気行程から当該吸気行程の後に最初に到来する排気行程が完了するまでに噴射される燃料の総量である。加えて触媒昇温促進部51Cは、炭化水素が許容量を超えない噴射パターンでインジェクタからの燃料噴射を制御する。炭化水素の許容量は、排気行程の前の燃焼行程にて燃焼されず排気行程にて排気経路に排出される排気に残る炭化水素として許容量算出部にて算出される。
[インターバル調整処理(図4)]
図4を用いて、図3に示すフローチャートのステップS270のインターバル調整処理の詳細を説明する。SCR62をより短時間に暖機するならば、ポスト噴射にて噴射された燃料の全てを未燃燃料としてNSR61に供給する。これにより、より多くの反応熱を得られる。しかし、NSR61の浄化能力以上の炭化水素を供給することはできない、あるいは好ましくない。そのため、上限HC量に基づいてポスト噴射のインターバルを調整する。インターバルは、例えばアフタ噴射が噴射された時からポスト噴射が噴射される時までの時間である。インターバルを調整することにより、ポスト噴射された燃料のうち、どれだけの燃料が未燃燃料として残るかが決まる。例えば、インターバルが短ければポスト噴射で噴かれた燃料のほぼ全てが燃焼する。一方、インターバルが長くなればなるほど未燃燃料が増える。図3に示すフローチャートのステップS270の処理を実行する際、制御装置50は図4に示すステップS310へ処理を進める。
図4を用いて、図3に示すフローチャートのステップS270のインターバル調整処理の詳細を説明する。SCR62をより短時間に暖機するならば、ポスト噴射にて噴射された燃料の全てを未燃燃料としてNSR61に供給する。これにより、より多くの反応熱を得られる。しかし、NSR61の浄化能力以上の炭化水素を供給することはできない、あるいは好ましくない。そのため、上限HC量に基づいてポスト噴射のインターバルを調整する。インターバルは、例えばアフタ噴射が噴射された時からポスト噴射が噴射される時までの時間である。インターバルを調整することにより、ポスト噴射された燃料のうち、どれだけの燃料が未燃燃料として残るかが決まる。例えば、インターバルが短ければポスト噴射で噴かれた燃料のほぼ全てが燃焼する。一方、インターバルが長くなればなるほど未燃燃料が増える。図3に示すフローチャートのステップS270の処理を実行する際、制御装置50は図4に示すステップS310へ処理を進める。
図4のステップS310にて制御装置50は、SCR62の暖機が完了するまでの温度、上限HC量、昇温代に基づいてNSR61へ供給するHC量を算出する。具体的には、現在のSCR62が暖機完了温度に達するまでの温度が大きい場合は、できる限り沢山の酸化反応熱を得たい。そのため制御装置50は、上限HC量をそのままNSR61へ供給するHC量とする。一方で、暖機完了温度に達するまでの温度が小さくなると、酸化反応熱で勢い余ってSCR62を昇温し過ぎることを防止したい。そのため制御装置50は、上限HC量より少ない量をNSR61へ供給するHC量とする。このように、常に上限HC量をNSR61へ供給するわけではなく、SCR62の暖機が完了するまでの温度、昇温代を考慮してHCの供給量を調整することが望ましい。そしてステップS320へ処理を進める。
図4のステップS320にて制御装置50は、NSR61へ供給するHC量に基づいてインターバルを取得する。制御装置50の記憶装置53には、図7に示すポスト噴射インターバル・排ガス中HC量特性がポスト噴射の燃料量ごとに記憶されている。制御装置50は、ポスト噴射インターバル・排ガス中HC量特性とNSR61へ供給するHC量に基づいてポスト噴射のインターバルを算出する。例えば、ポスト噴射量がP1であり、NSR61へ供給するHC量がV1である場合がある。この場合、記憶装置53に記憶されたマップのうちポスト噴射量=P1のマップを抽出する。抽出したマップから、排ガス中HC量がV1となるポスト噴射のインターバルである「A」を取得する。
図4のステップS330にて制御装置50は、取得したインターバルに基づいて噴射時期を調整する。具体的には、暖機用の多段噴射パターンでのポスト噴射における噴射時期を調整する。そして、図4に示す処理を終了する。
[噴射処理(図5)]
制御装置50(CPU51)は、例えば所定クランク角度タイミングにて、図5に示す噴射処理を起動する。そして、ステップS410に処理を進める。
制御装置50(CPU51)は、例えば所定クランク角度タイミングにて、図5に示す噴射処理を起動する。そして、ステップS410に処理を進める。
図5のステップS410にて制御装置50は、決定した噴射量と噴射時期でインジェクタ43A~43Dを制御する。そして、図5に示す処理を終了する。
[インターバルと未燃燃料の関係(図8)]
図8は、横軸をクランク角度、縦軸をインジェクタ43A~43Dの開弁度合として有している。開弁度合いのONはバルブが全開、OFFはバルブが全閉である。図8は、暖機用の多段噴射パターンの例を視覚化したものである。図8に示すように、暖機用の多段噴射パターンの例では、まず、2発のパイロット噴射を行う。その後、単発のメイン噴射が噴かれる。メイン噴射に続いて、3発のアフタ噴射が噴かれる。その後、さらに単発のポスト噴射が噴かれる。
図8は、横軸をクランク角度、縦軸をインジェクタ43A~43Dの開弁度合として有している。開弁度合いのONはバルブが全開、OFFはバルブが全閉である。図8は、暖機用の多段噴射パターンの例を視覚化したものである。図8に示すように、暖機用の多段噴射パターンの例では、まず、2発のパイロット噴射を行う。その後、単発のメイン噴射が噴かれる。メイン噴射に続いて、3発のアフタ噴射が噴かれる。その後、さらに単発のポスト噴射が噴かれる。
図8において、OFFからONに立ち上がる起点は、各噴射の噴射時期を示している。線に囲まれた領域は、各噴射の噴射量を示している。したがって、全ての領域を合わせると、図3に示す[噴射量、噴射時期決定処理]における補正済総噴射量となる。
このような暖機用の多段噴射パターンにおいて、パイロット噴射、メイン噴射、アフタ噴射で噴かれた燃料は気筒45A~45Dにて全て燃焼する。一方、ポスト噴射で噴かれた燃料は一部のみが燃焼する。具体的には、燃焼する燃料の量は、インターバルの大きさによって変わる。インターバルは、最後のアフタ噴射が噴かれてからポスト噴射を噴くまでの時間間隔である。燃焼する燃料の量はインターバルが大きいほど少なくなる。言い換えれば、未燃燃料(図8に示す網掛け部)の量は、インターバルが大きいほど多くなる。
図8に示すように、例えば、アフタ噴射からAだけインターバルをとって噴かれたポスト噴射では、未燃燃料がV1だけ残る。これに対し、Aよりも長いBだけインターバルをとったポスト噴射では、V1より多いV2の未燃燃料が残る。
制御装置50の記憶装置53には、インターバルと未燃燃料(炭化水素)として残る量の関係がマップとしてポスト噴射量ごとに記憶されている(図7参照)。上述するようにインターバルは、アフタ噴射からポスト噴射までの時間である。未燃燃料として残る量は、ポスト噴射の燃料の一部であって、排気ガス中に含まれている。制御装置50は、このポスト噴射インターバル・排ガス中HC量特性(図7参照)に基づいて、図4に示すインターバル調整処理を行う。できる限り多くの未燃燃料が、当該未燃燃料と結合しなかった残存酸素とともにNSR61に供給される。
[触媒昇温システムの作用・効果(図9~図11)]
触媒昇温システムでは、ポスト噴射で噴かれた燃料の一部について気筒45A~45Dで燃焼させることなく、敢えて未燃燃料として残存酸素とともにNSR61に供給している。NSR61は、白金等の触媒物質が含まれており三元触媒としても機能する。そのため、未燃燃料と残存酸素の酸化反応が起こる。その反応熱でSCR62の温度を効果的に上昇させることができる。
触媒昇温システムでは、ポスト噴射で噴かれた燃料の一部について気筒45A~45Dで燃焼させることなく、敢えて未燃燃料として残存酸素とともにNSR61に供給している。NSR61は、白金等の触媒物質が含まれており三元触媒としても機能する。そのため、未燃燃料と残存酸素の酸化反応が起こる。その反応熱でSCR62の温度を効果的に上昇させることができる。
具体的には、図9に示すように、従来、気筒45A~45Dから排出された排気ガスは、排出当初は高温である。排気マニホルド12Aやターボ過給機30、あるいは、これらを繋ぐ排気管12B等、各所にて排気ガスが放熱する。気筒45A~45Dからの距離が離れるにつれ、排気ガスの温度は下がる。その結果、SCR62に届くころには、暖機には不十分な温度となっていた。
これに対し、本開示の1つの形態に係る触媒昇温システムによれば、気筒45A~45Dにて全ての燃料が燃焼しない。そのため、排気マニホルド12Aでの温度は従来と比較して低い。しかし、NSR61にて未燃燃料と残存酸素の酸化反応が起こる。そのため排気ガス温度が上昇する。その結果、SCR62における排気ガス温度を従来と比較してより高くすることができる。つまり、燃焼により熱エネルギーを発生させると途中で無駄に捨てられてしまう。これに対し、本形態では、化学エネルギーとして保存したまま未燃燃料がNSR61まで届けられ、NSR61にて熱エネルギーに変換されている。
その結果、図10に示すように、SCR62が暖機完了温度Tに達するまでの時間を従来のt2からt1まで短縮することができる。なお、SCR62の暖機中は、できる限りNSR61へ多くの未燃燃料を供給したい。そのため、アフタ噴射からポスト噴射までのインターバルが比較的長くとられる。よって、図11に示すように、インターバルが長くなればなるほどポスト噴射によるトルク感度は低くなる。そのため、メイン噴射で想定したトルクに影響を与えることはない。
本開示の1つの形態の触媒昇温システムは、本実施の形態で説明した外観、構成、構造等に限定されず、本開示の1つの形態の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。例えば、上記実施形態では、直列に繋がる複数の触媒としてNSR61とSCR62を有している。これに代えて、他の触媒を組み合わせたものであっても良い。具体的には、前段に配置されるNSR61は、未燃燃料(炭化水素)と残存酸素の酸化反応を促進させるもので、三元触媒または酸化触媒としても良い。後段に配置されるSCR62は、微粒子捕集フィルタ(DPF:Diesel particulate filter)と一体にしたものであっても良い。あるいは、それぞれ独立にしたうえで、前段触媒(NSR61、または、三元触媒、または、酸化触媒)とSCR62の中間にDPFを配置しても良い。
本実施形態において、暖機用の多段噴射パターンの例として、パイロット噴射(2発)、メイン噴射(1発)、アフタ噴射(3発)、ポスト噴射(1発)の順に噴くものである。しかし、パイロット噴射とアフタ噴射の数はこれに限定されない。例えば、パイロット噴射、アフタ噴射ともに1発、あるいは、2発でも良い。本実施形態において制御のために算出している数値は、制御装置に予め記録されたマップを用いて制御装置が取得してもよい。
Claims (3)
- 圧縮自己着火式の内燃機関の排気経路に設けられた触媒を昇温する触媒昇温システムの制御装置であって、前記触媒昇温システムは、
前記内燃機関の気筒それぞれに燃料を噴射する複数のインジェクタと、
前記気筒からの排気が流入する排気経路に設けられ、かつ排気に含まれている少なくとも炭化水素を浄化可能な第1触媒と、
前記第1触媒から流出される排気が流入する排気経路に設けられ、かつ排気に含まれている少なくとも窒素酸化物を浄化可能な第2触媒と、
前記インジェクタから噴射する燃料のうち、前記気筒内で燃焼させる燃料の量を前記内燃機関に対して要求されるトルクに応じて変える制御装置と、を有しており、
前記制御装置は、
前記内燃機関の吸気量に対して理論空燃比となる各前記気筒への燃料の量であるストイキ噴射量を算出または取得する燃料量算出部と、
前記第1触媒が炭化水素を浄化できる許容量を当該第1触媒の温度に基づいて算出または取得する許容量算出部と、
前記第2触媒の昇温が必要であると判定した場合に、
各前記気筒における吸気行程から当該吸気行程の後に最初に到来する排気行程が完了するまでに噴射される燃料の総量である総噴射量が、前記燃料量算出部にて算出または取得した前記ストイキ噴射量となるように前記インジェクタからの燃料噴射を制御するとともに、前記排気行程の前の燃焼行程にて燃焼されず前記排気行程にて前記排気経路に排出される排気に残る炭化水素が前記許容量算出部にて算出または取得した許容量を超えない噴射パターンで前記インジェクタからの燃料噴射を制御する、触媒昇温促進部と、
を有している、
触媒昇温システムの制御装置。 - 請求項1に記載の触媒昇温システムの制御装置であって、
前記制御装置は、前記第2触媒の昇温が必要であるか否か判断し、
前記制御装置は、前記第2触媒の昇温が必要であると判定した場合、前記内燃機関に対して要求されるトルクに応じた噴射パターンになるように前記インジェクタを制御し、
前記噴射パターンは、単数の噴射であって主となる噴射であるメイン噴射と、前記メイン噴射の前の単数または複数の噴射であるパイロット噴射と、前記メイン噴射の後の単数または複数の噴射であるアフタ噴射と、前記アフタ噴射の後の単数の噴射であるポスト噴射、を有しており、
前記制御装置の前記触媒昇温促進部は、前記総噴射量を、前記メイン噴射と、前記パイロット噴射と、前記アフタ噴射と、前記ポスト噴射の各噴射の噴射量に分配し、
前記触媒昇温促進部は、前記排気行程にて前記排気経路に排出される排気に残る炭化水素が前記許容量を超えないように前記ポスト噴射の噴射時期を調整する、
触媒昇温システムの制御装置。 - 請求項1または2に記載の触媒昇温システムの制御装置であって、
前記第1触媒は、リーン燃焼時にはNOxを吸着しリッチ燃焼時には吸着しているNOxを浄化して排出するNOx吸蔵還元触媒であるNSR、または三元触媒、または酸化触媒のいずれかであり、
前記第2触媒は、NOxを浄化する選択式還元触媒であるSCR、または微粒子捕集フィルタと一体化されたSCRである、
触媒昇温システムの制御装置。
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