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JP2006220062A - Control device for hydrogenated internal combustion engine - Google Patents

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JP2006220062A
JP2006220062A JP2005034068A JP2005034068A JP2006220062A JP 2006220062 A JP2006220062 A JP 2006220062A JP 2005034068 A JP2005034068 A JP 2005034068A JP 2005034068 A JP2005034068 A JP 2005034068A JP 2006220062 A JP2006220062 A JP 2006220062A
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JP
Japan
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amount
combustion engine
internal combustion
air
egr
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Application number
JP2005034068A
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Japanese (ja)
Inventor
Tomohiro Shinagawa
知広 品川
Rentaro Kuroki
錬太郎 黒木
Yasushi Ito
泰志 伊藤
Makoto Suzuki
鈴木  誠
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
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Abstract

【課題】 水素添加内燃機関の制御装置に関し、水素の添加によるリーンバーン運転時、空気量の不足によるNOx生成量の増大を抑制する。
【解決手段】 リーンバーン運転時の目標空気過剰率となるように、空気量制御手段36によって吸入空気量を制御するとともに、判定手段70により目標空気過剰率の実現に必要な空気量に対する実際に供給可能な空気量の不足を判定する。そして、必要空気量に対して供給可能空気量が不足すると判定されるときには、EGR制御手段92(或いは44)によってEGR量を増加させる。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress an increase in the amount of NOx generated due to a shortage of air during a lean burn operation due to the addition of hydrogen.
SOLUTION: The intake air amount is controlled by an air amount control means 36 so that the target excess air ratio at the time of lean burn operation is obtained, and the air amount necessary for realizing the target excess air ratio is actually determined by a judging means 70. Determine the shortage of air that can be supplied. When it is determined that the supplyable air amount is insufficient with respect to the required air amount, the EGR control unit 92 (or 44) increases the EGR amount.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、液体燃料に水素を添加することでリーンバーン運転が可能な水素添加内燃機関の制御装置に関し、特に、空気過剰率の低下に伴うNOx生成量の増大を防止するための技術に関する。   The present invention relates to a control device for a hydrogenated internal combustion engine capable of performing lean burn operation by adding hydrogen to liquid fuel, and more particularly to a technique for preventing an increase in the amount of NOx generated due to a decrease in excess air ratio.

従来、例えば特許文献1に開示されるように、ガソリンとともに水素を内燃機関の燃料として使用する技術が知られている。ガソリンに水素を添加することで内燃機関のリーンバーン領域を拡大することができ、NOx生成量の低減や熱効率の向上といった顕著な効果を得られるようになる。
特開2004−116398号公報
Conventionally, as disclosed in, for example, Patent Document 1, a technique of using hydrogen as a fuel for an internal combustion engine together with gasoline is known. By adding hydrogen to gasoline, the lean burn range of the internal combustion engine can be expanded, and remarkable effects such as reduction of NOx generation amount and improvement of thermal efficiency can be obtained.
JP 2004-116398 A

しかしながら、水素を添加することによる超リーンバーン運転(水素添加リーンバーン運転)は、高負荷域での実現が難しい。スロットルバルブを開くことで吸入できる空気量には限界があるため、高負荷域では吸入空気量が不足し、負荷に応じた出力を得ることができないからである。吸入空気量の不足は筒内の燃焼温度の上昇を招き、NOxの生成量を増大させてしまう。   However, the super lean burn operation (hydrogen addition lean burn operation) by adding hydrogen is difficult to realize in a high load range. This is because there is a limit to the amount of air that can be sucked by opening the throttle valve, so that the amount of intake air is insufficient in a high load range, and an output corresponding to the load cannot be obtained. Insufficient intake air amount increases the combustion temperature in the cylinder and increases the amount of NOx produced.

高負荷域での空気量の不足を補う方法として、ターボチャージャによって吸入空気を過給することが考えられる。しかし、排気温度が低く排ガス量も少ない低回転高負荷域では、ターボチャージャを駆動する排気エネルギが不足する。このため、この運転領域ではターボチャージャの過給圧は十分に上昇せず、空気量の不足によって目標とする空気過剰率に到達できない場合がある。つまり、ターボチャージャを用いる場合であっても、目標とする空気過剰率を実現できない運転領域は依然として残ることになり、その運転領域ではNOxの生成量を十分に減少させることができない。   As a method of compensating for the shortage of air amount in a high load range, it is conceivable to supercharge intake air by a turbocharger. However, the exhaust energy for driving the turbocharger is insufficient in the low rotation high load region where the exhaust temperature is low and the amount of exhaust gas is small. For this reason, in this operating region, the turbocharger supercharging pressure does not rise sufficiently, and the target excess air ratio may not be reached due to a lack of air volume. That is, even when a turbocharger is used, there remains an operation region in which the target excess air ratio cannot be achieved, and the amount of NOx generated cannot be sufficiently reduced in the operation region.

なお、低回転高負荷域の空気量の不足を補う手段として、モータによってコンプレッサの回転をアシストするモータアシスト式のターボチャージャを用いることが考えられる。しかし、モータアシスト式のターボチャージャを採用すると、通常のターボチャージャに比較してコストが大幅に増大するだけでなく、制御の複雑化も招いてしまう。したがって、通常のターボチャージャを備える内燃機関にも適用可能な技術によって、空気量の不足によるNOx生成量の増大を抑制できるようにしたい。   As a means for compensating for the shortage of the air amount in the low rotation and high load range, it is conceivable to use a motor-assisted turbocharger that assists the rotation of the compressor by a motor. However, when a motor-assist type turbocharger is employed, not only the cost is significantly increased compared to a normal turbocharger, but also control is complicated. Therefore, it is desired to suppress an increase in the amount of NOx generated due to a shortage of air by a technique applicable to an internal combustion engine equipped with a normal turbocharger.

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、水素の添加によるリーンバーン運転時、空気量の不足によるNOx生成量の増大を抑制できるようにした水素添加内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and controls a hydrogen-added internal combustion engine that can suppress an increase in the amount of NOx generated due to a shortage of air during lean burn operation due to the addition of hydrogen. An object is to provide an apparatus.

第1の発明は、上記の目的を達成するため、液体燃料に水素を添加することでリーンバーン運転が可能な水素添加内燃機関の制御装置において、
リーンバーン運転時の目標空気過剰率となるように前記内燃機関に供給される空気量を制御する空気量制御手段と、
目標空気過剰率の実現に必要な空気量に対する実際に供給可能な空気量の不足を判定する判定手段と、
必要空気量に対して供給可能空気量が不足すると判定されるときには、前記内燃機関のEGR量を増加させるEGR制御手段と、
を備えることを特徴としている。
In order to achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, there is provided a control device for a hydrogenated internal combustion engine capable of performing a lean burn operation by adding hydrogen to a liquid fuel.
An air amount control means for controlling the amount of air supplied to the internal combustion engine so as to achieve a target excess air ratio during lean burn operation;
A determination means for determining a shortage of the air amount that can actually be supplied with respect to the air amount necessary for realizing the target excess air ratio;
EGR control means for increasing the EGR amount of the internal combustion engine when it is determined that the supplyable air amount is insufficient with respect to the required air amount;
It is characterized by having.

第2の発明は、第1の発明において、前記判定手段は、前記内燃機関の回転数及び要求負荷に基づいて必要空気量に対する供給可能空気量の不足を判定することを特徴としている。   A second invention is characterized in that, in the first invention, the determination means determines the shortage of the supplyable air amount relative to the required air amount based on the rotational speed of the internal combustion engine and the required load.

第3の発明は、第1又は第2の発明において、前記内燃機関は、前記内燃機関の排気エネルギ或いは出力トルクによって駆動される過給器を備えた過給器付き内燃機関であることを特徴としている。   According to a third invention, in the first or second invention, the internal combustion engine is a supercharged internal combustion engine comprising a supercharger driven by exhaust energy or output torque of the internal combustion engine. It is said.

第1の発明によれば、必要空気量に対して供給可能空気量が不足するときにはEGR量が増加されるので、空気量の不足による熱容量の低下をEGRガスの導入による比熱の増大によって補償することができる。つまり、空気量の不足によって燃焼温度が上がりNOx生成量が増大するのを抑制することができる。   According to the first aspect, since the EGR amount is increased when the supplyable air amount is insufficient with respect to the required air amount, the decrease in the heat capacity due to the shortage of the air amount is compensated by the increase in specific heat due to the introduction of EGR gas. be able to. That is, it is possible to suppress an increase in the combustion temperature and the amount of NOx generated due to a shortage of air.

また、第2の発明によれば、回転数及び要求負荷に基づいて空気量の不足を判定することで、実際の空気量の不足に遅れることなくEGR量を増加させることができ、NOx生成量の増大を確実に抑制することができる。   Further, according to the second invention, by determining whether the air amount is insufficient based on the rotational speed and the required load, the EGR amount can be increased without delaying the actual air amount, and the amount of NOx generated Can be reliably suppressed.

また、第3の発明によれば、過給圧が不足する低回転高負荷域においてNOx生成量が増大するのを抑制することができる。   Further, according to the third aspect of the invention, it is possible to suppress an increase in the NOx generation amount in a low rotation high load region where the supercharging pressure is insufficient.

以下、図1乃至図4を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図1は本発明の実施の形態1としての制御装置が適用された水素添加内燃機関の概略構成を示す図である。内燃機関2は内部にピストン8が配置されたシリンダブロック6と、シリンダブロック6に組み付けられたシリンダヘッド4を備えている。ピストン8の上面からシリンダヘッド4までの空間は燃焼室10を形成しており、この燃焼室10に連通するように吸気ポート18と排気ポート20がシリンダヘッド4に形成されている。吸気ポート18と燃焼室10との接続部には、吸気ポート18と燃焼室10との連通状態を制御する吸気バルブ12が設けられ、排気ポート20と燃焼室10との接続部には、排気ポート20と燃焼室10との連通状態を制御する排気バルブ14が設けられている。吸気バルブ12には、そのバルブタイミングを可変制御する可変バルブタイミング機構(以下、VVT)92が設けられている。吸気バルブ12のバルブタイミングを制御して、吸気バルブ12と排気バルブ14のバルブオーバーラップ期間を変更することで、燃焼室10内に残留する排気ガスの量(内部EGR量)を調整することができる。また、シリンダヘッド4には、燃焼室10の頂部から燃焼室10内に突出するように点火プラグ16が取り付けられている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a hydrogenated internal combustion engine to which a control device according to Embodiment 1 of the present invention is applied. The internal combustion engine 2 includes a cylinder block 6 in which a piston 8 is disposed, and a cylinder head 4 assembled to the cylinder block 6. A space from the upper surface of the piston 8 to the cylinder head 4 forms a combustion chamber 10, and an intake port 18 and an exhaust port 20 are formed in the cylinder head 4 so as to communicate with the combustion chamber 10. An intake valve 12 for controlling the communication state between the intake port 18 and the combustion chamber 10 is provided at a connection portion between the intake port 18 and the combustion chamber 10, and an exhaust gas is provided at a connection portion between the exhaust port 20 and the combustion chamber 10. An exhaust valve 14 for controlling the communication state between the port 20 and the combustion chamber 10 is provided. The intake valve 12 is provided with a variable valve timing mechanism (hereinafter referred to as VVT) 92 that variably controls the valve timing. By controlling the valve timing of the intake valve 12 and changing the valve overlap period between the intake valve 12 and the exhaust valve 14, the amount of exhaust gas remaining in the combustion chamber 10 (internal EGR amount) can be adjusted. it can. A spark plug 16 is attached to the cylinder head 4 so as to protrude from the top of the combustion chamber 10 into the combustion chamber 10.

シリンダヘッド4の吸気ポート18には、新気を燃焼室10内に導入するための吸気通路30が接続されている。吸気通路30の上流端にはエアクリーナ32が設けられ、新気はエアクリーナ32を介して吸気通路30内に取り込まれる。吸気通路30のエアクリーナ32の下流には、吸入空気量を測定するためのエアフローメータ76が取り付けられている。吸気通路30の下流部は気筒毎(吸気ポート18毎)に分岐しており、その分岐部にはサージタンク34が設けられている。吸気通路30のサージタンク34の上流には電子制御式のスロットルバルブ36が配置されている。   An intake passage 30 for introducing fresh air into the combustion chamber 10 is connected to the intake port 18 of the cylinder head 4. An air cleaner 32 is provided at the upstream end of the intake passage 30, and fresh air is taken into the intake passage 30 via the air cleaner 32. An air flow meter 76 for measuring the amount of intake air is attached downstream of the air cleaner 32 in the intake passage 30. A downstream portion of the intake passage 30 is branched for each cylinder (for each intake port 18), and a surge tank 34 is provided at the branched portion. An electronically controlled throttle valve 36 is disposed upstream of the surge tank 34 in the intake passage 30.

吸気通路30のサージタンク34の下流には、燃料を噴射するための2つのインジェクタ50,60が気筒毎に設けられている。一方のインジェクタ60はガソリンインジェクタであり、ガソリン通路64を介してガソリンタンク62に接続されている。ガソリン通路64にはガソリンポンプ66が配置され、ガソリンタンク62内のガソリンはガソリンポンプ66によって圧縮されてガソリンインジェクタ60に供給される。ガソリン通路64のガソリンポンプ66の下流には、ガソリンインジェクタ60に供給されるガソリンの流量を測定するガソリン流量計86が取り付けられている。   Two injectors 50 and 60 for injecting fuel are provided for each cylinder downstream of the surge tank 34 in the intake passage 30. One injector 60 is a gasoline injector and is connected to a gasoline tank 62 through a gasoline passage 64. A gasoline pump 66 is disposed in the gasoline passage 64, and the gasoline in the gasoline tank 62 is compressed by the gasoline pump 66 and supplied to the gasoline injector 60. A gasoline flow meter 86 for measuring the flow rate of gasoline supplied to the gasoline injector 60 is attached downstream of the gasoline pump 66 in the gasoline passage 64.

もう一方のインジェクタ50は水素インジェクタであり、水素通路54を介して水素タンク52に接続されている。水素通路54には水素ポンプ56が配置され、水素タンク52内の水素は水素ポンプ56によって圧縮されて水素インジェクタ50に供給される。水素通路54の水素ポンプ56の下流には、水素インジェクタ50に供給される水素の流量を測定する水素流量計82と、水素の圧力を測定する水素圧センサ84が取り付けられている。   The other injector 50 is a hydrogen injector and is connected to a hydrogen tank 52 through a hydrogen passage 54. A hydrogen pump 56 is disposed in the hydrogen passage 54, and hydrogen in the hydrogen tank 52 is compressed by the hydrogen pump 56 and supplied to the hydrogen injector 50. A hydrogen flow meter 82 for measuring the flow rate of hydrogen supplied to the hydrogen injector 50 and a hydrogen pressure sensor 84 for measuring the hydrogen pressure are attached downstream of the hydrogen pump 56 in the hydrogen passage 54.

シリンダヘッド4の排気ポート20には、燃焼室10内の排気ガスを大気中に排出するための排気通路40が接続されている。排気通路40には触媒42が配置され、排気ガスは触媒42を通過する際に浄化されてから大気中に排出される。排気通路40の触媒42の上流には、排気ガス中の酸素濃度を測定するO2センサ74が取り付けられている。また、排気通路40には、排気通路40から排気ガスを分流するためのEGR流路46が接続されている。EGR流路46の他方の端部は吸気通路30のサージタンク34の上流に接続されている。EGR流路46と吸気通路30との接続部には、EGR流路46と吸気通路30との連通状態を制御するEGRバルブ44が設けられている。排気ガスの一部はEGR流路46を通って吸気通路30内に供給され、燃焼室10に再循環される。再循環される排気ガスの量(外部EGR量)はEGRバルブ44の開度によって調整される。 An exhaust passage 20 for exhausting the exhaust gas in the combustion chamber 10 to the atmosphere is connected to the exhaust port 20 of the cylinder head 4. A catalyst 42 is disposed in the exhaust passage 40, and the exhaust gas is purified when passing through the catalyst 42 and then discharged into the atmosphere. An O 2 sensor 74 for measuring the oxygen concentration in the exhaust gas is attached upstream of the catalyst 42 in the exhaust passage 40. Further, an EGR flow path 46 for diverting the exhaust gas from the exhaust passage 40 is connected to the exhaust passage 40. The other end of the EGR flow path 46 is connected upstream of the surge tank 34 in the intake passage 30. An EGR valve 44 that controls a communication state between the EGR flow path 46 and the intake passage 30 is provided at a connection portion between the EGR flow path 46 and the intake passage 30. A part of the exhaust gas is supplied into the intake passage 30 through the EGR flow path 46 and recirculated to the combustion chamber 10. The amount of exhaust gas recirculated (external EGR amount) is adjusted by the opening degree of the EGR valve 44.

また、この内燃機関2は、過給器であるターボチャージャ90が取り付けられた過給器付き内燃機関として構成されている。ターボチャージャ90は、一体に回転するコンプレッサとタービンを有し、コンプレッサは吸気通路30にタービンは排気通路40にそれぞれ配置されている。排気ガスが有するエネルギによってタービンが駆動されることで、吸気通路30内のコンプレッサが回転し、吸入空気の過給が行われる。   The internal combustion engine 2 is configured as a supercharged internal combustion engine to which a turbocharger 90 as a supercharger is attached. The turbocharger 90 includes a compressor and a turbine that rotate integrally, and the compressor is disposed in the intake passage 30 and the turbine is disposed in the exhaust passage 40. When the turbine is driven by the energy of the exhaust gas, the compressor in the intake passage 30 rotates, and the intake air is supercharged.

また、内燃機関2には、その制御装置としてECU(Electronic Control Unit)70が備えられている。ECU70の出力側には前述のガソリンインジェクタ60,水素インジェクタ50,スロットルバルブ36,EGRバルブ44,VVT92,点火プラグ16等の種々の機器が接続されている。ECU70の入力側には前述のエアフローメータ76,ガソリン流量計86,水素流量計82,水素圧センサ84,O2センサ74の他、アクセル開度センサ78や回転数センサ80等の種々のセンサ類が接続されている。アクセル開度センサ78は、アクセルペダルの開度に応じた信号を出力するセンサであり、回転数センサ80はクランク角の回転速度(機関回転数)に応じた信号を出力するセンサである。ECU70は、各センサの出力に基づき、所定の制御プログラムに従って各機器を駆動するようになっている。 Further, the internal combustion engine 2 is provided with an ECU (Electronic Control Unit) 70 as its control device. Various devices such as the gasoline injector 60, the hydrogen injector 50, the throttle valve 36, the EGR valve 44, the VVT 92, and the spark plug 16 are connected to the output side of the ECU 70. On the input side of the ECU 70, in addition to the air flow meter 76, the gasoline flow meter 86, the hydrogen flow meter 82, the hydrogen pressure sensor 84, the O 2 sensor 74, various sensors such as an accelerator opening sensor 78 and a rotational speed sensor 80 are provided. Is connected. The accelerator opening sensor 78 is a sensor that outputs a signal corresponding to the opening of the accelerator pedal, and the rotational speed sensor 80 is a sensor that outputs a signal corresponding to the rotational speed of the crank angle (engine rotational speed). The ECU 70 drives each device according to a predetermined control program based on the output of each sensor.

ECU70により実施される内燃機関2の制御の一つとして、ガソリンインジェクタ60からのガソリン供給量、及び水素インジェクタ50からの水素供給量を制御する燃料供給制御がある。ECU70による燃料供給制御では、内燃機関2の負荷状況に応じた運転モードが選択され、選択された運転モードに応じてガソリン供給量及び水素供給量が制御される。本実施形態では、内燃機関2の運転モードとして、少なくとも、ガソリンに水素を添加することでストイキよりも大幅にリーンな空燃比で運転を行う水素添加リーンバーン運転を選択可能である。   As one of the controls of the internal combustion engine 2 performed by the ECU 70, there is fuel supply control for controlling the gasoline supply amount from the gasoline injector 60 and the hydrogen supply amount from the hydrogen injector 50. In the fuel supply control by the ECU 70, an operation mode corresponding to the load condition of the internal combustion engine 2 is selected, and the gasoline supply amount and the hydrogen supply amount are controlled according to the selected operation mode. In the present embodiment, as the operation mode of the internal combustion engine 2, at least hydrogen addition lean burn operation in which operation is performed at an air-fuel ratio that is significantly leaner than stoichiometric by adding hydrogen to gasoline can be selected.

水素添加リーンバーン運転では、予め用意されたマップを用いて、アクセル開度と機関回転数に応じた内燃機関2の負荷率(目標負荷率)と水素添加割合とが算出される。負荷率は内燃機関2の負荷状態を数値で表したものであり、無負荷のときに0%となり全負荷のときに100%となる。ECU70は、負荷率と水素添加割合とからガソリン噴射量と水素噴射量をそれぞれ算出し、各噴射量に基づいてガソリンインジェクタ60及び水素インジェクタ50をそれぞれ駆動する。   In the hydrogen addition lean burn operation, the load factor (target load factor) and the hydrogen addition rate of the internal combustion engine 2 corresponding to the accelerator opening and the engine speed are calculated using a map prepared in advance. The load factor is a numerical value representing the load state of the internal combustion engine 2, and is 0% when there is no load and 100% when there is a full load. The ECU 70 calculates the gasoline injection amount and the hydrogen injection amount from the load factor and the hydrogen addition ratio, respectively, and drives the gasoline injector 60 and the hydrogen injector 50 based on each injection amount.

また、水素添加リーンバーン運転では、目標空気過剰率が設定され、目標空気過剰率と各燃料の噴射量とに基づいて目標吸入空気量が算出される。目標空気過剰率は、超リーンバーン運転を実現するため、1(ストイキ)よりも極めて大きい値(例えば2以上)に設定されている。ECU70は、エアフローメータ76により計測される吸入空気量が目標吸入空気量になるように、スロットルバルブ36の開度を制御する。   In the hydrogen addition lean burn operation, a target excess air ratio is set, and a target intake air amount is calculated based on the target excess air ratio and the injection amount of each fuel. The target excess air ratio is set to a value (for example, 2 or more) that is extremely larger than 1 (stoichiometric) in order to realize super lean burn operation. The ECU 70 controls the opening degree of the throttle valve 36 so that the intake air amount measured by the air flow meter 76 becomes the target intake air amount.

ところで、本実施形態のようなターボチャージャ90付きの内燃機関2は、自然吸気型の内燃機関では空気量が不足する高回転高負荷域でも、ターボチャージャ90の過給によって十分な量の空気を得ることができる。しかし、排気温度が低く排気ガス量も少ない低回転高負荷域では、排気エネルギの不足によりターボチャージャ90の過給圧は十分に上昇しない。このため、スロットルバルブ36の開度を全開に設定しても、目標空気過剰率を達成するのに十分な空気量を得ることはできず、実際の空気過剰率は目標空気過剰率よりも小さくなってしまう。ここで、図4は、空気過剰率λと熱効率及びNOx生成量との関係を示すグラフである。この図に示すように、空気過剰率λが目標空気過剰率λO(例えば2)のときに熱効率は略最大になり、NOx生成量も極めて低い値に抑えられる。しかし、図中のA'点及びA点に示すように、空気過剰率λが目標空気過剰率λOよりも低下すると、熱効率の若干の低下を招くとともに、NOx生成量が大きく増加してしまう。 By the way, the internal combustion engine 2 with the turbocharger 90 as in this embodiment has a sufficient amount of air by supercharging the turbocharger 90 even in a high-rotation and high-load region where the amount of air is insufficient with a naturally aspirated internal combustion engine. Obtainable. However, the supercharging pressure of the turbocharger 90 does not rise sufficiently due to a lack of exhaust energy in a low rotation high load region where the exhaust temperature is low and the amount of exhaust gas is small. For this reason, even if the opening degree of the throttle valve 36 is set to fully open, it is not possible to obtain an air amount sufficient to achieve the target excess air ratio, and the actual excess air ratio is smaller than the target excess air ratio. turn into. Here, FIG. 4 is a graph showing the relationship between the excess air ratio λ, the thermal efficiency, and the NOx generation amount. As shown in the figure, the thermal efficiency at the time of the excess air ratio lambda is the target excess air ratio lambda O (e.g. 2) becomes approximately maximum, NOx generation amount can be suppressed to a very low value. However, as shown by points A ′ and A in the figure, if the excess air ratio λ is lower than the target excess air ratio λ O , the thermal efficiency is slightly reduced and the NOx generation amount is greatly increased. .

低回転高負荷域でのNOx生成量の増大を防止するため、本実施形態では、ECU70によって次のような制御が実施される。図2のフローチャートは、水素添加リーンバーン運転の実行時、ECU70によって実行されるルーチンを示している。このルーチンは、水素添加リーンバーン運転時のEGRガス量を制御するためのルーチンである。   In the present embodiment, the following control is performed by the ECU 70 in order to prevent an increase in the NOx generation amount in the low rotation high load region. The flowchart of FIG. 2 shows a routine executed by the ECU 70 when the hydrogen addition lean burn operation is executed. This routine is a routine for controlling the amount of EGR gas during the hydrogen addition lean burn operation.

本ルーチンの最初のステップ100では、回転数センサ80からの信号によって現在の機関回転数が取得され、アクセル開度センサ78からの信号によって現在のアクセル開度が取得される。次のステップ102では、機関回転数とアクセル開度から内燃機関2の負荷率が算出される。   In the first step 100 of this routine, the current engine speed is obtained from the signal from the speed sensor 80, and the current accelerator opening is obtained from the signal from the accelerator opening sensor 78. In the next step 102, the load factor of the internal combustion engine 2 is calculated from the engine speed and the accelerator opening.

ステップ104では、ステップ100で取得された機関回転数と、ステップ102で算出された負荷率とから、現在の運転状態が所定の低回転高負荷域にあるか否か判定される。図3に示すマップは、機関回転数と負荷率とから内燃機関2の運転モードを決定するためのマップである。このマップに示すように、水素添加リーンバーン運転が実行される領域内の低回転側で且つ高負荷側に、EGR増量領域が設定されている。ステップ104では、内燃機関2の現在の運転状態がこのEGR増量領域内にあるか否か判定される。   In step 104, it is determined from the engine speed acquired in step 100 and the load factor calculated in step 102 whether or not the current operating state is in a predetermined low rotation and high load range. The map shown in FIG. 3 is a map for determining the operation mode of the internal combustion engine 2 from the engine speed and the load factor. As shown in this map, the EGR increase region is set on the low rotation side and the high load side in the region where the hydrogen addition lean burn operation is executed. In step 104, it is determined whether or not the current operating state of the internal combustion engine 2 is within this EGR increase region.

ステップ104の判定の結果、内燃機関2の運転状態がEGR増量領域外、つまり、低回転高負荷域の外にあると判定された場合には、ステップ106の処理が実行される。ステップ106では、EGR量が水素添加リーンバーン運転時の通常量となるように、EGR量を制御する手段、つまり、VVT92とEGRバルブ44の各作動量が調整される。EGR量には、吸気バルブ12のバルブタイミングにより決まる内部EGR量と、EGRバルブ44の開度により決まる外部EGR量とがある。通常時には、EGR量を最小限に抑えるように、吸気バルブ12と排気バルブ14のバルブオーバーラップは小さく設定され、EGRバルブ44は閉じられている。   As a result of the determination in step 104, if it is determined that the operating state of the internal combustion engine 2 is outside the EGR increase region, that is, outside the low rotation high load region, the process of step 106 is executed. In step 106, means for controlling the EGR amount, that is, the respective operation amounts of the VVT 92 and the EGR valve 44 are adjusted so that the EGR amount becomes a normal amount during the hydrogen addition lean burn operation. The EGR amount includes an internal EGR amount determined by the valve timing of the intake valve 12 and an external EGR amount determined by the opening degree of the EGR valve 44. At normal times, the valve overlap between the intake valve 12 and the exhaust valve 14 is set small so that the EGR amount is minimized, and the EGR valve 44 is closed.

ステップ104の判定の結果、内燃機関2の運転状態がEGR増量領域内、つまり、低回転高負荷域にあると判定された場合には、ステップ108の処理が実行される。ステップ108では、内燃機関2のEGR量が増量される。増量するEGRガスは、内部EGRガスと外部EGRガスの何れでもよい。或いは、内部EGRガスと外部EGRガスの双方を増量するようにしてもよい。内部EGRガスを増量する場合には、VVT92によって吸気バルブ12のバルブタイミングを変更し、吸気バルブ12と排気バルブ14のバルブオーバーラップを拡大させるようにする。外部EGRガスを増量する場合には、EGRバルブ44の開度を通常時よりも大きくする。   As a result of the determination in step 104, when it is determined that the operating state of the internal combustion engine 2 is in the EGR increase region, that is, in the low rotation and high load region, the processing in step 108 is executed. In step 108, the EGR amount of the internal combustion engine 2 is increased. The EGR gas to be increased may be either an internal EGR gas or an external EGR gas. Alternatively, both the internal EGR gas and the external EGR gas may be increased. When increasing the internal EGR gas, the valve timing of the intake valve 12 is changed by the VVT 92 so that the valve overlap between the intake valve 12 and the exhaust valve 14 is expanded. When increasing the amount of external EGR gas, the opening degree of the EGR valve 44 is made larger than normal.

以上のルーチンによれば、空気量が不足する低回転高負荷域において、空気量の不足による筒内ガスの熱容量の低下を比熱の高いEGRガスの増量によって補償することができ、筒内の燃焼温度の上昇を抑制することができる。特に、本実施形態のような水素添加内燃機関では、水素の燃焼によってEGRガスには多くの水蒸気が含まれているが、水蒸気の比熱は特に大きいため、EGR量の増量による燃焼温度の抑制効果は極めて高い。また、ガソリンのみを燃料とするリーンバーン運転では、燃焼温度が低下すると失火の可能性があるが、水素添加リーンバーン運転では、燃焼性に優れた水素が添加されていることで失火は防止される。これにより、EGR量が増量されることで、図4中のB'点及びB点に示すように、通常のEGR量の場合(A'点及A点)に比較して熱効率は若干低下するものの、NOx生成量の増加は効果的に抑制することが可能になる。なお、増量すべきEGR量は、EGR量の増量によるNOx生成量の低減効果と、その副作用である熱効率の低下とを勘案して決定すればよい。   According to the above routine, in the low rotation and high load region where the air amount is insufficient, the decrease in the heat capacity of the in-cylinder gas due to the insufficient air amount can be compensated by the increase in the EGR gas having a high specific heat, and the combustion in the cylinder An increase in temperature can be suppressed. In particular, in the hydrogenated internal combustion engine as in the present embodiment, the EGR gas contains a large amount of water vapor due to the combustion of hydrogen. However, since the specific heat of the water vapor is particularly large, the effect of suppressing the combustion temperature by increasing the EGR amount Is extremely expensive. In lean burn operation using only gasoline as fuel, misfiring may occur if the combustion temperature decreases, but in hydrogen-added lean burn operation, misfire is prevented by the addition of hydrogen with excellent combustibility. The As a result, as the EGR amount is increased, the thermal efficiency is slightly reduced as compared with the case of the normal EGR amount (A ′ point and A point), as indicated by points B ′ and B in FIG. However, an increase in the amount of NOx generated can be effectively suppressed. Note that the EGR amount to be increased may be determined in consideration of the NOx production reduction effect due to the increase in the EGR amount and the reduction in thermal efficiency that is a side effect thereof.

上記実施の形態では、水素添加リーンバーン運転時の目標空気過剰率を実現するようにECU70がスロットルバルブ36を制御することで、第1の発明の「空気量制御手段」が実現されている。また、ECU70により上記ルーチンのステップ100乃至104の処理が実行されることで、第1の発明の「判定手段」が実現されている。また、上記ルーチンのステップ108の処理に従ってECU70がVVT92或いはEGRバルブ44を制御することで、第1の発明の「EGR制御手段」が実現されている。   In the above embodiment, the “air amount control means” of the first invention is realized by the ECU 70 controlling the throttle valve 36 so as to achieve the target excess air ratio during the hydrogen addition lean burn operation. Further, the ECU 70 executes the processing of steps 100 to 104 of the above routine, thereby realizing the “determination means” of the first invention. Further, the ECU 70 controls the VVT 92 or the EGR valve 44 according to the processing of step 108 of the above routine, thereby realizing the “EGR control means” of the first invention.

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。   While the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the following modifications may be made.

図1の構成では、水素インジェクタ50を吸気通路30に配置することとしているが、その配置はこれに限定されるものではない。すなわち、水素インジェクタ50は、燃焼室10内に直接、水素を噴射できるようにシリンダヘッド4に組み込んでもよい。ガソリンインジェクタ60に関しても同様であり、燃焼室10内に直接、ガソリンを噴射できるようにシリンダヘッド4にガソリンインジェクタ60を組み込んでもよい。   In the configuration of FIG. 1, the hydrogen injector 50 is arranged in the intake passage 30, but the arrangement is not limited to this. That is, the hydrogen injector 50 may be incorporated in the cylinder head 4 so that hydrogen can be injected directly into the combustion chamber 10. The same applies to the gasoline injector 60, and the gasoline injector 60 may be incorporated in the cylinder head 4 so that gasoline can be injected directly into the combustion chamber 10.

図1の構成では、VVT92を吸気バルブ12に備えているが、排気バルブ14にVVTを備えてもよい。排気バルブ14のバルブタイミングを可変制御することによっても、バルブオーバーラップ期間を変更して内部EGR量を調整することができる。また、本発明においては、EGR装置とVVTは必ずしも両方必要ではなく、何れか一方が備えられていればよい。つまり、外部EGR量と内部EGR量の何れか一方を調整できるようになっていればよい。   In the configuration of FIG. 1, the VVT 92 is provided in the intake valve 12, but the exhaust valve 14 may be provided with VVT. By variably controlling the valve timing of the exhaust valve 14, the valve overlap period can be changed to adjust the internal EGR amount. In the present invention, both the EGR device and the VVT are not necessarily required, and any one of them may be provided. That is, it is only necessary to be able to adjust either the external EGR amount or the internal EGR amount.

上記実施の形態では、低回転高負荷域においてEGR量を増量しているが、これは、ターボチャージャの回転特性により、低回転高負荷域において空気量が不足すると仮定しているからである。しかし、ターボチャージャの回転特性によっては、高回転高負荷域においても空気量が不足する場合がある。そのような場合には、低回転高負荷域のみならず高回転高負荷域でもEGR量の増量を行うのが望ましい。   In the above-described embodiment, the EGR amount is increased in the low rotation high load region because it is assumed that the air amount is insufficient in the low rotation high load region due to the rotation characteristics of the turbocharger. However, depending on the rotation characteristics of the turbocharger, the amount of air may be insufficient even in a high rotation and high load range. In such a case, it is desirable to increase the EGR amount not only in the low rotation high load region but also in the high rotation high load region.

また、上記実施の形態では、機関回転数と負荷率とから空気量の不足を判定しているが、他の方法によって判定することもできる。例えば、エアフローメータ76により計測される吸入空気量と、目標空気過剰率を実現するのに必要な吸入空気量との差によって空気量の不足を判定してもよい。或いは、ターボチャージャ90の過給圧を測定し、過給圧から空気量の不足を判定してもよい。   Further, in the above embodiment, the lack of air amount is determined from the engine speed and the load factor, but it can also be determined by other methods. For example, the shortage of air amount may be determined based on the difference between the intake air amount measured by the air flow meter 76 and the intake air amount necessary to achieve the target excess air ratio. Alternatively, the supercharging pressure of the turbocharger 90 may be measured and the lack of air amount determined from the supercharging pressure.

また、上記実施の形態では、本発明をターボチャージャ付きの内燃機関に適用しているが、機械式のスーパーチャージャ等、内燃機関の排気エネルギ或いは出力トルクによって駆動される過給器を備えた他の過給器付き内燃機関にも本発明を適用することができる。また、本発明は過給器を備えない自然吸気型の内燃機関にも適用することができる。何れの形式の内燃機関でも、空気量が不足する運転領域でEGR量を増量することで、空気量の不足によるNOx生成量の増大を抑制することができる。   In the above-described embodiment, the present invention is applied to an internal combustion engine with a turbocharger. However, other than a supercharger that is driven by exhaust energy or output torque of the internal combustion engine, such as a mechanical supercharger. The present invention can also be applied to an internal combustion engine with a supercharger. The present invention can also be applied to a naturally aspirated internal combustion engine that does not include a supercharger. In any type of internal combustion engine, by increasing the EGR amount in the operating region where the air amount is insufficient, it is possible to suppress an increase in the NOx generation amount due to the insufficient air amount.

本発明の実施の形態としての制御装置が適用された水素添加内燃機関の概略構成を示す図である。1 is a diagram showing a schematic configuration of a hydrogenated internal combustion engine to which a control device as an embodiment of the present invention is applied. 本発明の実施の形態において実行されるEGR量制御ルーチンについて示すフローチャートである。It is a flowchart shown about the EGR amount control routine performed in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態において運転モードの選択に用いられるマップである。It is a map used for selection of an operation mode in an embodiment of the invention. 図2に示すルーチンによる効果を空気過剰率と熱効率及びNOx生成量との関係を用いて説明するための図である。It is a figure for demonstrating the effect by the routine shown in FIG. 2 using the relationship between an excess air ratio, thermal efficiency, and NOx production amount.

符号の説明Explanation of symbols

2 内燃機関
10 燃焼室
12 吸気バルブ
14 排気バルブ
30 吸気通路
36 スロットルバルブ
40 排気通路
42 触媒
44 EGRバルブ
46 EGR流路
50 水素インジェクタ
60 ガソリンインジェクタ
70 ECU(Electronic Control Unit)
76 エアフローメータ
78 アクセル開度センサ
80 回転数センサ
90 ターボチャージャ
92 可変バルブタイミング機構(VVT)
2 Internal combustion engine 10 Combustion chamber 12 Intake valve 14 Exhaust valve 30 Intake passage 36 Throttle valve 40 Exhaust passage 42 Catalyst 44 EGR valve 46 EGR passage 50 Hydrogen injector 60 Gasoline injector 70 ECU (Electronic Control Unit)
76 Airflow meter 78 Accelerator opening sensor 80 Rotation speed sensor 90 Turbocharger 92 Variable valve timing mechanism (VVT)

Claims (3)

液体燃料に水素を添加することでリーンバーン運転が可能な水素添加内燃機関の制御装置において、
リーンバーン運転時の目標空気過剰率となるように前記内燃機関に供給される空気量を制御する空気量制御手段と、
目標空気過剰率の実現に必要な空気量に対する実際に供給可能な空気量の不足を判定する判定手段と、
必要空気量に対して供給可能空気量が不足すると判定されるときには、前記内燃機関のEGR量を増加させるEGR制御手段と、
を備えることを特徴とする水素添加内燃機関の制御装置。
In a control device for a hydrogenated internal combustion engine capable of lean burn operation by adding hydrogen to liquid fuel,
An air amount control means for controlling the amount of air supplied to the internal combustion engine so as to achieve a target excess air ratio during lean burn operation;
A determination means for determining a shortage of the air amount that can actually be supplied with respect to the air amount necessary for realizing the target excess air ratio;
EGR control means for increasing the EGR amount of the internal combustion engine when it is determined that the supplyable air amount is insufficient with respect to the required air amount;
A control apparatus for a hydrogenated internal combustion engine, comprising:
前記判定手段は、前記内燃機関の回転数及び要求負荷に基づいて必要空気量に対する供給可能空気量の不足を判定することを特徴とする請求項1記載の水素添加内燃機関の制御装置。   2. The control device for a hydrogenated internal combustion engine according to claim 1, wherein the determination unit determines whether the supplyable air amount is insufficient with respect to the required air amount based on a rotational speed of the internal combustion engine and a required load. 前記内燃機関は、前記内燃機関の排気エネルギ或いは出力トルクによって駆動される過給器を備えた過給器付き内燃機関であることを特徴とする請求項1又は2記載の水素添加内燃機関の制御装置。   3. The control of a hydrogenated internal combustion engine according to claim 1, wherein the internal combustion engine is a supercharged internal combustion engine including a supercharger that is driven by exhaust energy or output torque of the internal combustion engine. apparatus.
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