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JP2019167848A - Internal combustion engine system - Google Patents

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JP2019167848A
JP2019167848A JP2018054924A JP2018054924A JP2019167848A JP 2019167848 A JP2019167848 A JP 2019167848A JP 2018054924 A JP2018054924 A JP 2018054924A JP 2018054924 A JP2018054924 A JP 2018054924A JP 2019167848 A JP2019167848 A JP 2019167848A
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Taro Ikeda
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Takashi Ogawa
孝 小川
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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

【課題】ストイキ燃焼モードとリーン燃焼モードとの燃焼切替時の移行期間におけるエンジンからの排ガスのNOx濃度の増加を抑制するとともに、当該移行期間中の積算NOx排出量の増加を抑制できる内燃機関システムを提供する。【解決手段】内燃機関システム10は、エンジン12と、三元触媒38及びNOx還元触媒40と、排気還流装置50と、排気還流量調整弁54と、ターボチャージャ60と、タービンバイパス流路36及びウエストゲートバルブ42と、吸気絞り弁26と、エンジン12の燃焼モードを切り替える燃焼切替制御装置11と、を備える。燃焼切替制御装置11は、移行期間において、排ガス再循環率が所定の第1目標値になるようにリーン燃焼条件からストイキ燃焼条件に切り替える空燃比切替工程と、ストイキ燃焼条件を維持しながら排ガス再循環率を低減する排ガス再循環率切替工程と、を行う。【選択図】図1An internal combustion engine system capable of suppressing an increase in NOx concentration of exhaust gas from an engine during a transition period when switching between a stoichiometric combustion mode and a lean combustion mode and suppressing an increase in an integrated NOx emission amount during the transition period. I will provide a. An internal combustion engine system includes an engine, a three-way catalyst and a NOx reduction catalyst, an exhaust gas recirculation device, an exhaust gas recirculation amount adjusting valve, a turbocharger, a turbine bypass flow path, It includes a wastegate valve 42, an intake throttle valve 26, and a combustion switching control device 11 that switches the combustion mode of the engine 12. During the transition period, the combustion switching control device 11 performs an air-fuel ratio switching step of switching from the lean combustion condition to the stoichiometric combustion condition so that the exhaust gas recirculation rate becomes a predetermined first target value, and an exhaust gas recirculation process while maintaining the stoichiometric combustion condition. And an exhaust gas recirculation rate switching step of reducing the circulation rate. [Selection diagram] Fig. 1

Description

本発明は、内燃機関システムに係り、特に、排ガス浄化触媒として三元触媒及びNOx還元触媒を備える内燃機関システムに関する。   The present invention relates to an internal combustion engine system, and more particularly to an internal combustion engine system including a three-way catalyst and a NOx reduction catalyst as exhaust gas purification catalysts.

特許文献1には、有害排気ガス低減のため、三元触媒コンバータを備えた圧縮着火エンジンが記載されている。この圧縮着火エンジンにおいて、低エンジン負荷の第1モードでは、エンジンはNOxの排出を減らすために、通常のディーゼル燃焼状態で高い排ガス再循環(EGR)率で運転される。また、中間から高エンジン負荷の第2モードでは、エンジンは、三元触媒コンバータを用いてNOxの排出を低減することができる化学量論的な状態で運転される。また、非常に高いエンジン負荷及び/またはエンジン速度の第3モードでは、エンジンは最大トルクを得るために通常のディーゼル燃焼状態及び低EGR率で運転される。   Patent Document 1 describes a compression ignition engine including a three-way catalytic converter for reducing harmful exhaust gas. In this compression ignition engine, in the first mode with low engine load, the engine is operated at a high exhaust gas recirculation (EGR) rate in normal diesel combustion conditions to reduce NOx emissions. Also, in the second mode with medium to high engine load, the engine is operated in a stoichiometric state that can reduce NOx emissions using a three-way catalytic converter. Also, in a third mode with very high engine load and / or engine speed, the engine is operated at normal diesel combustion conditions and low EGR rates to obtain maximum torque.

特許文献2には、ストイキよりリッチな燃焼領域とリーン燃焼領域との間の燃焼領域切換時において、排気浄化装置下流のNOx排出量及びトルク変動量をオンラインで推定した推定値に基づき、NOx排出量及びトルク変動量を低減すべく、燃焼室に吸入される吸入空気量を通常時とは異なる態様で制御する燃焼制御手段を備えるエンジンの制御装置が記載されている。これにより、燃焼領域切換時の排気エミッションの悪化と運転性の悪化を防止するとされている。   Patent Document 2 discloses NOx emission based on estimated values obtained by online estimation of NOx emission amount and torque fluctuation amount downstream of the exhaust purification device at the time of combustion region switching between a combustion region richer than stoichiometric and lean combustion region. In order to reduce the amount and torque fluctuation amount, there is described an engine control device including combustion control means for controlling the intake air amount sucked into the combustion chamber in a manner different from that in the normal state. This is supposed to prevent deterioration of exhaust emission and operability when switching the combustion region.

特開2012−197794号公報JP 2012-197794 A 国際公開第2005/075803号パンフレットInternational Publication No. 2005/075803 Pamphlet

特許文献1の技術では、NOx還元触媒を廃止するとともに、エンジン負荷に応じてリーン燃焼モードとストイキ燃焼モードとで切り替え、ストイキ燃焼モードでは三元触媒を用いることでNOx排出量の低減を図っている。   In the technique of Patent Document 1, the NOx reduction catalyst is abolished, and the lean combustion mode and the stoichiometric combustion mode are switched according to the engine load. In the stoichiometric combustion mode, a three-way catalyst is used to reduce the NOx emission amount. Yes.

ところで、特許文献1等の従来技術では、リーン燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で切り替える際、三元触媒が機能するストイキ燃焼領域よりリーン側の燃焼領域において一時的にエンジン排ガス中のNOx濃度が増加し、積算NOx排出量が増加する問題がある。しかしながら、特許文献1には、ストイキ燃焼モードとリーン燃焼モードとの切り替え時における制御に関する言及はない。   By the way, in the prior art such as Patent Document 1, when switching between the lean combustion mode and the stoichiometric combustion mode, the NOx concentration in the engine exhaust gas temporarily in the combustion region leaner than the stoichiometric combustion region where the three-way catalyst functions. There is a problem that the accumulated NOx emission increases. However, Patent Document 1 does not mention control at the time of switching between the stoichiometric combustion mode and the lean combustion mode.

特許文献2には、ストイキよりリッチな燃焼領域とリーン燃焼領域との間の切替え時において、混合気の空燃比、エンジン回転数、トルク及びEGR量に基づくNOx排出量の推定と、例えば吸気弁のリフト量の調整により吸入空気量を制御して行う三元触媒入口の空燃比の短時間での切替えにより、NOx排出量を低減する方法が記載されている。しかしながら、特許文献2には、ストイキ燃焼領域とリーン燃焼領域とを切り替える移行期間におけるNOx排出量を低減するための制御について具体的な言及はなく、また、外部EGR装置又は過給器の制御を伴う場合についての具体的な言及もない。   Patent Document 2 discloses the estimation of NOx emission based on the air-fuel ratio of the air-fuel mixture, the engine speed, the torque, and the EGR amount at the time of switching between the combustion region richer than the stoichiometric region and the lean combustion region. Describes a method of reducing the NOx emission amount by switching the air-fuel ratio of the three-way catalyst inlet in a short time, which is performed by adjusting the intake air amount by adjusting the lift amount of the catalyst. However, Patent Document 2 does not specifically mention the control for reducing the NOx emission amount in the transition period for switching between the stoichiometric combustion region and the lean combustion region, and controls the external EGR device or the supercharger. There is no specific mention of the accompanying case.

本発明の課題は、ストイキ燃焼モードとリーン燃焼モードとの燃焼切替時の移行期間におけるエンジンからの排ガスのNOx濃度の増加を抑制するとともに、当該移行期間中の積算NOx排出量の増加を抑制できる内燃機関システムを提供することにある。   An object of the present invention is to suppress an increase in NOx concentration of exhaust gas from an engine during a transition period at the time of combustion switching between a stoichiometric combustion mode and a lean combustion mode, and to suppress an increase in accumulated NOx emission amount during the transition period. It is to provide an internal combustion engine system.

本発明に係る第1の内燃機関システムは、エンジンと、エンジンから排気された排ガスを浄化する三元触媒及びNOx還元触媒と、NOx還元触媒の温度を取得する温度取得手段と、エンジンの回転数を取得する回転数取得手段と、エンジンにおける燃料噴射量を制御する噴射制御部と、エンジンの排ガスの一部を再循環する排気還流装置と、エンジンに再循環させる排ガス量を調整する排気還流量調整装置と、エンジンに吸気される空気を過給する過給装置と、過給装置による過給圧を調整する過給圧調整装置と、吸気される空気量を調整する空気量調整装置と、温度取得手段によって取得されたNOx還元触媒温度、回転数取得手段によって取得されたエンジン回転数、及び、噴射制御部から取得された燃料噴射量に基づいて、エンジンの燃焼モードをリーン燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で切り替える燃焼切替制御部と、を備える。燃焼切替制御部は、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへ切り替える移行期間において、排気還流量調整装置、過給圧調整装置及び空気量調整装置を制御することにより、排ガス再循環率が所定の第1目標値になるように、空燃比をリーン燃焼条件からストイキ燃焼条件に切り替える空燃比切替工程と、空燃比切替工程の後、ストイキ燃焼条件を維持しながら、排ガス再循環率を第1目標値から所定の第2目標値にまで低減する排ガス再循環率切替工程と、を行う。   A first internal combustion engine system according to the present invention includes an engine, a three-way catalyst and a NOx reduction catalyst that purify exhaust gas exhausted from the engine, a temperature acquisition unit that acquires the temperature of the NOx reduction catalyst, and an engine speed. A rotation speed acquisition means for acquiring the fuel, an injection control unit for controlling the fuel injection amount in the engine, an exhaust gas recirculation device for recirculating a part of the exhaust gas of the engine, and an exhaust gas recirculation amount for adjusting the amount of exhaust gas recirculated to the engine An adjusting device, a supercharging device that supercharges air sucked into the engine, a supercharging pressure adjusting device that adjusts the supercharging pressure by the supercharging device, an air amount adjusting device that adjusts the amount of air sucked in, Based on the NOx reduction catalyst temperature acquired by the temperature acquisition means, the engine rotation speed acquired by the rotation speed acquisition means, and the fuel injection amount acquired from the injection control unit, the engine And a combustion mode switching control unit for switching between the combustion mode and the lean combustion mode and the stoichiometric combustion mode. The combustion switching control unit controls the exhaust gas recirculation amount adjusting device, the supercharging pressure adjusting device, and the air amount adjusting device during the transition period for switching from the lean combustion mode to the stoichiometric combustion mode, so that the exhaust gas recirculation rate is a predetermined first value. After the air-fuel ratio switching step of switching the air-fuel ratio from lean combustion conditions to stoichiometric combustion conditions so as to reach the target value, and after the air-fuel ratio switching step, the exhaust gas recirculation rate is maintained from the first target value while maintaining the stoichiometric combustion conditions. And an exhaust gas recirculation rate switching step for reducing to a predetermined second target value.

本発明に係る第2の内燃機関システムは、エンジンと、エンジンから排気された排ガスを浄化する三元触媒及びNOx還元触媒と、NOx還元触媒の温度を取得する温度取得手段と、エンジンの回転数を取得する回転数取得手段と、エンジンにおける燃料噴射量を制御する噴射制御部と、エンジンの排ガスの一部を再循環する排気還流装置と、エンジンに再循環させる排ガス量を調整する排気還流量調整装置と、エンジンに吸気される空気を過給する過給装置と、過給装置による過給圧を調整する過給圧調整装置と、吸気される空気量を調整する空気量調整装置と、温度取得手段によって取得されたNOx還元触媒温度、回転数取得手段によって取得されたエンジン回転数、及び、噴射制御部から取得された燃料噴射量に基づいて、エンジンの燃焼モードをリーン燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で切り替える燃焼切替制御部と、を備える。燃焼切替制御部は、ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへ切り替える燃焼切替時において、排気還流量調整装置、過給圧調整装置及び空気量調整装置を制御して、ストイキ燃焼条件を維持しながら、排ガス再循環率を所定の第1目標値にまで増加する排ガス再循環率切替工程と、排ガス再循環率切替工程の後、排ガス再循環率を第1目標値から所定の第2目標値にまで増加するとともに、空燃比をリーン燃焼条件からストイキ燃焼条件に切り替える空燃比切替工程と、を行う。   A second internal combustion engine system according to the present invention includes an engine, a three-way catalyst and a NOx reduction catalyst for purifying exhaust gas exhausted from the engine, a temperature acquisition means for acquiring the temperature of the NOx reduction catalyst, and an engine speed. A rotation speed acquisition means for acquiring the fuel, an injection control unit for controlling the fuel injection amount in the engine, an exhaust gas recirculation device for recirculating a part of the exhaust gas of the engine, and an exhaust gas recirculation amount for adjusting the amount of exhaust gas recirculated to the engine An adjusting device, a supercharging device that supercharges air sucked into the engine, a supercharging pressure adjusting device that adjusts the supercharging pressure by the supercharging device, an air amount adjusting device that adjusts the amount of air sucked in, Based on the NOx reduction catalyst temperature acquired by the temperature acquisition means, the engine rotation speed acquired by the rotation speed acquisition means, and the fuel injection amount acquired from the injection control unit, the engine And a combustion mode switching control unit for switching between the combustion mode and the lean combustion mode and the stoichiometric combustion mode. The combustion switching control unit controls the exhaust gas recirculation amount adjusting device, the supercharging pressure adjusting device, and the air amount adjusting device at the time of combustion switching to switch from the stoichiometric combustion mode to the lean combustion mode, while maintaining the stoichiometric combustion condition, After the exhaust gas recirculation rate switching step for increasing the recirculation rate to a predetermined first target value and the exhaust gas recirculation rate switching step, the exhaust gas recirculation rate is increased from the first target value to the predetermined second target value. And an air-fuel ratio switching step of switching the air-fuel ratio from the lean combustion condition to the stoichiometric combustion condition.

本発明に係る内燃機関システムによれば、NOx濃度の増加を抑制する所定の目標EGR率となるようにリーン燃焼条件とストイキ燃焼条件とを切り替える工程と、ストイキ燃焼条件を維持して三元触媒によるNOx浄化を機能させながらEGR率の調整する工程とで構成された燃焼切替制御を行うことにより、燃焼切替時の移行期間におけるエンジンからの排ガスのNOx濃度の増加を抑制することができ、その結果、当該移行期間中の積算NOx排出量の増加を抑制することができる。   According to the internal combustion engine system of the present invention, the step of switching between the lean combustion condition and the stoichiometric combustion condition so as to achieve a predetermined target EGR rate that suppresses the increase in the NOx concentration, and the stoichiometric combustion condition are maintained and the three-way catalyst is maintained. By performing the combustion switching control comprised of the step of adjusting the EGR rate while functioning NOx purification by NO, the increase in the NOx concentration of exhaust gas from the engine during the transition period at the time of combustion switching can be suppressed, As a result, an increase in the accumulated NOx emission amount during the transition period can be suppressed.

実施形態に係る内燃機関システムの全体構成を概略的に示す図である。1 is a diagram schematically showing an overall configuration of an internal combustion engine system according to an embodiment. エンジンの空燃比、NOx排出量及び過給圧の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the air fuel ratio of an engine, NOx emission amount, and supercharging pressure. エンジンの吸気酸素濃度とNOx排出量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between an engine intake oxygen concentration and NOx discharge | emission amount. 実施形態の一例に係る燃料切替制御による各パラメータの変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of each parameter by fuel change control concerning an example of an embodiment. 図1に示す内燃機関システムの燃焼切替制御装置において実行される処理の一例を示すフローチャートである。2 is a flowchart showing an example of processing executed in the combustion switching control device of the internal combustion engine system shown in FIG. 1. 実施形態の他の例に係る燃料切替制御による各パラメータの変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of each parameter by fuel change control concerning other examples of an embodiment. 図1に示す内燃機関システムの燃焼切替制御装置において実行される処理の他の例を示すフローチャートである。7 is a flowchart showing another example of processing executed in the combustion switching control device of the internal combustion engine system shown in FIG. 1.

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。   Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In this description, specific shapes, materials, numerical values, directions, and the like are examples for facilitating the understanding of the present invention, and can be appropriately changed according to the application, purpose, specification, and the like. In addition, when a plurality of embodiments and modifications are included in the following, it is assumed from the beginning that these characteristic portions are used in appropriate combinations.

また、以下においては、エンジンが圧縮点火型のディーゼルエンジンである場合について説明するが、これに限定されず、本発明は火花点火型のガソリンエンジンを含む内燃機関システムに適用されてもよい。   In the following, the case where the engine is a compression ignition type diesel engine will be described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention may be applied to an internal combustion engine system including a spark ignition type gasoline engine.

<第1実施形態>
図1は、本発明に係る第1実施形態の内燃機関システム10の全体構成を概略的に示す図である。内燃機関システム10は、エンジン12、燃焼切替制御装置(燃焼切替制御部)11、燃料噴射装置16及び噴射制御装置(噴射制御部)18を備える。本実施形態では、エンジン12は、圧縮点火型のディーゼルエンジンであり、例えば4つのシリンダ14を含む。各シリンダ14には、燃料噴射装置16がそれぞれ設置されている。各燃料噴射装置16は、燃焼切替制御装置11からの信号を受けた噴射制御装置18によって、燃料及び噴射の回数、量及び時期が制御される。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a diagram schematically showing an overall configuration of an internal combustion engine system 10 according to a first embodiment of the present invention. The internal combustion engine system 10 includes an engine 12, a combustion switching control device (combustion switching control unit) 11, a fuel injection device 16, and an injection control device (injection control unit) 18. In the present embodiment, the engine 12 is a compression ignition type diesel engine and includes, for example, four cylinders 14. Each cylinder 14 is provided with a fuel injection device 16. Each fuel injection device 16 is controlled by the injection control device 18 that has received a signal from the combustion switching control device 11 and the number of fuels, the number of injections, the amount, and the timing.

また、内燃機関システム10は、さらにエンジン12に装着された回転数センサ(回転数取得手段)20を備える。回転数センサ20は、エンジン12の各シリンダ内のピストンに連結されているクランク軸の回転数をエンジン回転数Neとして取得する機能を有する。回転数センサ20によって取得されたエンジン回転数Neは、エンジン12における燃焼モード切替等のために燃焼切替制御装置11に送信される。   The internal combustion engine system 10 further includes a rotation speed sensor (rotation speed acquisition means) 20 attached to the engine 12. The rotation speed sensor 20 has a function of acquiring the rotation speed of the crankshaft connected to the piston in each cylinder of the engine 12 as the engine rotation speed Ne. The engine rotational speed Ne acquired by the rotational speed sensor 20 is transmitted to the combustion switching control device 11 for combustion mode switching in the engine 12 or the like.

内燃機関システム10は、さらに吸気系21、排気系30、排気還流装置50、及び、ターボチャージャ(過給装置)60を備える。   The internal combustion engine system 10 further includes an intake system 21, an exhaust system 30, an exhaust gas recirculation device 50, and a turbocharger (supercharger) 60.

吸気系21は、エンジン12に空気を供給するための空気通路である。吸気系21における空気の吸気方向が矢印Aで示される。吸気系21は、第1吸気通路22及び第2吸気通路24を含む。第1吸気通路22は、一端が図示しないフィルタ等を介して大気開放され、他端がターボチャージャ60のコンプレッサ室62に接続されている。第2吸気通路24は、一端が上記コンプレッサ室62に接続され、他端がエンジン12の吸気ポートに接続されている。第2吸気通路24には、吸気絞り弁26が設けられている。   The intake system 21 is an air passage for supplying air to the engine 12. The direction of air intake in the intake system 21 is indicated by an arrow A. The intake system 21 includes a first intake passage 22 and a second intake passage 24. One end of the first intake passage 22 is opened to the atmosphere via a filter or the like (not shown), and the other end is connected to the compressor chamber 62 of the turbocharger 60. The second intake passage 24 has one end connected to the compressor chamber 62 and the other end connected to the intake port of the engine 12. An intake throttle valve 26 is provided in the second intake passage 24.

吸気絞り弁26は、エンジン12に吸気される空気量を調整する空気量調整装置であり、例えば、電磁開閉弁によって好適に構成される。本実施形態では、吸気絞り弁26はターボチャージャ60のコンプレッサ室62近傍に設置されている。吸気絞り弁26は、燃焼切替制御装置11からの信号を受けて開度調整される。   The intake throttle valve 26 is an air amount adjusting device that adjusts the amount of air taken into the engine 12, and is preferably configured by, for example, an electromagnetic on-off valve. In the present embodiment, the intake throttle valve 26 is installed in the vicinity of the compressor chamber 62 of the turbocharger 60. The intake throttle valve 26 is adjusted in opening degree in response to a signal from the combustion switching control device 11.

排気系30は、エンジン12から排気される排ガスを外部に排出するための排ガス通路である。排気系30は、第1排気通路32、第2排気通路34及びタービンバイパス流路36を含む。第1排気通路32は、一端がエンジン12の排気ポートに接続され、他端がターボチャージャ60のタービン室64に接続されている。第2排気通路34は、一端が上記タービン室64に接続され、他端が図示しないマフラ(または消音器)を介して大気開放されている。   The exhaust system 30 is an exhaust gas passage for exhausting exhaust gas exhausted from the engine 12 to the outside. The exhaust system 30 includes a first exhaust passage 32, a second exhaust passage 34, and a turbine bypass passage 36. The first exhaust passage 32 has one end connected to the exhaust port of the engine 12 and the other end connected to the turbine chamber 64 of the turbocharger 60. The second exhaust passage 34 has one end connected to the turbine chamber 64 and the other end open to the atmosphere via a muffler (or a silencer) not shown.

第2排気通路34には、三元触媒38及びNOx還元触媒40が設けられている。排ガスは、これらの三元触媒38及びNOx還元触媒40を通過する間に、HC(炭化水素)、CO(一酸化炭素)、NOx(窒素酸化物)等が排ガス中から除去・浄化されて大気排出される。なお、本実施形態では、三元触媒38及びNOx還元触媒40の他の触媒(例えば、HCトラップ触媒や微粒子フィルタ(DPF))を設けていないが、他の触媒を更に設けてもよい。   A three-way catalyst 38 and a NOx reduction catalyst 40 are provided in the second exhaust passage 34. While the exhaust gas passes through the three-way catalyst 38 and the NOx reduction catalyst 40, HC (hydrocarbon), CO (carbon monoxide), NOx (nitrogen oxide), etc. are removed and purified from the exhaust gas to the atmosphere. Discharged. In this embodiment, other catalysts (for example, HC trap catalyst and particulate filter (DPF)) of the three-way catalyst 38 and the NOx reduction catalyst 40 are not provided, but other catalysts may be further provided.

三元触媒38は、排ガス中に含まれるHC、CO、NOxを酸化・還元作用によって除去・浄化する機能を有し、その浄化効率は空燃比が化学量論比であるストイキ燃焼条件(ストイキ燃焼領域)のときに高くなり、高温でも比較的高く維持できる。これに対し、NOx還元触媒40は、主として排ガス中のNOxを還元作用によって除去・浄化する機能を有し、その浄化効率は、空燃比が化学量論比よりもリーン側であるリーン燃焼条件(リーン燃焼領域)での運転時においても非常に高いが、高温になると若干低くなる傾向にある。   The three-way catalyst 38 has a function of removing and purifying HC, CO, and NOx contained in the exhaust gas by oxidation / reduction action, and the purification efficiency is stoichiometric combustion conditions in which the air-fuel ratio is a stoichiometric ratio (stoichiometric combustion). Area) and can be kept relatively high even at high temperatures. On the other hand, the NOx reduction catalyst 40 mainly has a function of removing and purifying NOx in the exhaust gas by a reducing action, and the purification efficiency is determined based on the lean combustion condition (the lean combustion condition where the air-fuel ratio is leaner than the stoichiometric ratio). It is very high during operation in the lean combustion region), but tends to be slightly lower at higher temperatures.

本実施形態では、NOx還元触媒40として、選択還元型触媒(SCR)が好適に用いられる。ただし、これに限定されるものではなく、NOx還元触媒40は、吸蔵還元型触媒(NSR)によって構成されてもよいし、あるいは、SCRとNSRとの組合せにより構成されてもよい。なお、これらの三元触媒、SCR及びNSRには、公知または今後開発される如何なる触媒が用いられてもよい。   In the present embodiment, a selective reduction catalyst (SCR) is preferably used as the NOx reduction catalyst 40. However, the present invention is not limited to this, and the NOx reduction catalyst 40 may be constituted by an occlusion reduction type catalyst (NSR) or may be constituted by a combination of SCR and NSR. Note that any known or later-developed catalyst may be used for these three-way catalysts, SCR and NSR.

NOx還元触媒40には、温度センサ41が配置されている。温度センサ41は、NOx還元触媒40の温度Tgを取得する温度取得手段を構成する。温度センサ41は、NOx還元触媒40の内部温度を検出するように配置されるのが好ましい。温度センサ41によって取得されたNOx還元触媒40の温度Tgは、燃焼切替制御装置11に送信される。なお、本実施形態では、NOx還元触媒40の温度Tgを温度センサ41で検出する例について説明するが、これに限定されるものではなく、第1排気通路32または第2排気通路34を流れる排ガスの温度に基づいて燃焼切替制御装置11がNOx還元触媒温度Tgを予測してもよい。   A temperature sensor 41 is disposed in the NOx reduction catalyst 40. The temperature sensor 41 constitutes a temperature acquisition unit that acquires the temperature Tg of the NOx reduction catalyst 40. The temperature sensor 41 is preferably arranged so as to detect the internal temperature of the NOx reduction catalyst 40. The temperature Tg of the NOx reduction catalyst 40 acquired by the temperature sensor 41 is transmitted to the combustion switching control device 11. In this embodiment, an example in which the temperature sensor 41 detects the temperature Tg of the NOx reduction catalyst 40 will be described. However, the present invention is not limited to this, and the exhaust gas flowing through the first exhaust passage 32 or the second exhaust passage 34 is not limited thereto. The combustion switching control device 11 may predict the NOx reduction catalyst temperature Tg based on this temperature.

本実施形態では、NOx還元触媒40が、排ガス排出方向(矢印E方向)に関して、三元触媒38の下流側に配置されている。換言すれば、三元触媒38が排ガス排出方向Eに関してNOx還元触媒40の上流側に配置されている。三元触媒38は、NOx還元触媒40に比べて、高温耐性が高く、かつ、高温でもNOx等の汚染物質の浄化特性が維持されるため、より高温の排ガスに晒される上流側に配置するのが好ましい。ただし、これに限定されるものではなく、NOx還元触媒40が三元触媒38の上流側に配置されてもよい。   In the present embodiment, the NOx reduction catalyst 40 is disposed on the downstream side of the three-way catalyst 38 with respect to the exhaust gas discharge direction (arrow E direction). In other words, the three-way catalyst 38 is arranged on the upstream side of the NOx reduction catalyst 40 with respect to the exhaust gas discharge direction E. The three-way catalyst 38 has a higher high temperature resistance than the NOx reduction catalyst 40 and maintains the purification characteristics of pollutants such as NOx even at a high temperature. Therefore, the three-way catalyst 38 is disposed on the upstream side exposed to higher temperature exhaust gas. Is preferred. However, the present invention is not limited to this, and the NOx reduction catalyst 40 may be disposed upstream of the three-way catalyst 38.

タービンバイパス流路36は、ターボチャージャ60のタービン室64の上流側で第1排気通路32に接続され、他端が三元触媒38の排ガス排出方向Eの上流側で第2排気通路34に接続されている。タービンバイパス流路36には、ウエストゲートバルブ42が設けられている。ウエストゲートバルブ42は、ターボチャージャ60による吸気の過給圧を調整する機能を有する。また、ウエストゲートバルブ42は、上記過給圧が規定値以上になることを防止して、エンジン12及びターボチャージャ60が損壊しないように保護する機能を有する。   The turbine bypass passage 36 is connected to the first exhaust passage 32 on the upstream side of the turbine chamber 64 of the turbocharger 60, and the other end is connected to the second exhaust passage 34 on the upstream side in the exhaust gas discharge direction E of the three-way catalyst 38. Has been. A wastegate valve 42 is provided in the turbine bypass passage 36. The wastegate valve 42 has a function of adjusting the supercharging pressure of intake air by the turbocharger 60. Further, the wastegate valve 42 has a function of preventing the supercharging pressure from exceeding a specified value and protecting the engine 12 and the turbocharger 60 from being damaged.

ウエストゲートバルブ42は、例えば、電磁開閉弁によって好適に構成される。ウエストゲートバルブ42は、燃焼切替制御装置11からの信号を受けて開度調整される。ウエストゲートバルブ42の開度が大きくなると、タービン室64内に流入することなくタービンバイパス流路36を通って第2排気通路34にバイパスされる排ガスが増加する。これにより、エンジン12及びターボチャージャ60が損壊しないように保護される。本実施形態におけるタービンバイパス流路36及びウエストゲートバルブ42は、本発明における「過給圧調整装置」に相当する。   The wastegate valve 42 is preferably configured by, for example, an electromagnetic on-off valve. The wastegate valve 42 is adjusted in opening degree in response to a signal from the combustion switching control device 11. When the opening degree of the waste gate valve 42 increases, the exhaust gas bypassed to the second exhaust passage 34 through the turbine bypass passage 36 without flowing into the turbine chamber 64 increases. As a result, the engine 12 and the turbocharger 60 are protected from damage. The turbine bypass passage 36 and the waste gate valve 42 in the present embodiment correspond to the “supercharging pressure adjusting device” in the present invention.

第2吸気通路24と第1排気通路32との間には、排気還流装置50が設けられている。排気還流装置50は、第1排気通路32と第2吸気通路24の吸気絞り弁26よりも下流側とを接続する排気還流通路52と、この排気還流通路52の途中に設置された排ガス還流量調整弁(排気還流量調整装置)54とを含む。排ガス還流量調整弁54は、燃焼切替制御装置11からの信号を受けて開度調整される。このようにして排ガス還流量調整弁54が開度調整されることで、第1排気通路32から排気還流通路52を介して第2吸気通路24に還流または再循環する排ガス量が調整される。   An exhaust gas recirculation device 50 is provided between the second intake passage 24 and the first exhaust passage 32. The exhaust gas recirculation device 50 includes an exhaust gas recirculation passage 52 that connects the first exhaust passage 32 and a downstream side of the intake throttle valve 26 of the second intake air passage 24, and an exhaust gas recirculation amount installed in the middle of the exhaust gas recirculation passage 52. And an adjusting valve (exhaust gas recirculation amount adjusting device) 54. The exhaust gas recirculation amount adjusting valve 54 is adjusted in opening degree in response to a signal from the combustion switching control device 11. By adjusting the opening degree of the exhaust gas recirculation amount adjustment valve 54 in this way, the amount of exhaust gas recirculated or recirculated from the first exhaust passage 32 to the second intake passage 24 via the exhaust recirculation passage 52 is adjusted.

ターボチャージャ60は、コンプレッサ室62に収容されたコンプレッサホイール63と、タービン室64に収容されたタービン65と、コンプレッサホイール63とタービン65とを連結するシャフト66とを備える。第1排気通路32からタービン室64内のタービン65に排ガスが噴き付けることによってタービン65が回転し、この回転動力がシャフト66を介してコンプレッサホイール63に伝達される。これにより、コンプレッサホイール63が回転駆動され、第2吸気通路24を介してエンジン12に供給される空気が加圧(すなわち過給)される構成となっている。   The turbocharger 60 includes a compressor wheel 63 accommodated in the compressor chamber 62, a turbine 65 accommodated in the turbine chamber 64, and a shaft 66 connecting the compressor wheel 63 and the turbine 65. The exhaust gas is sprayed from the first exhaust passage 32 to the turbine 65 in the turbine chamber 64, whereby the turbine 65 rotates, and this rotational power is transmitted to the compressor wheel 63 via the shaft 66. As a result, the compressor wheel 63 is driven to rotate, and the air supplied to the engine 12 via the second intake passage 24 is pressurized (ie, supercharged).

燃焼切替制御装置11は、例えば、処理装置、記憶部、及び、I/Oインターフェースなどを備えるマイクロコンピュータによって好適に構成される。処理装置は、記憶部に記憶されたプログラムやデータ等を読み出して実行する。記憶部は、RAMやROM等の記憶素子で構成され、プログラムを記憶するとともに、回転数センサ20で取得されて送信されるエンジン回転数Ne、温度センサ41によって取得されたNOx還元触媒温度Tg、マップ及び所定値等を記憶する。   The combustion switching control device 11 is preferably configured by, for example, a microcomputer including a processing device, a storage unit, and an I / O interface. The processing device reads and executes a program, data, or the like stored in the storage unit. The storage unit is configured by a storage element such as a RAM or a ROM, and stores the program, and the engine rotational speed Ne acquired and transmitted by the rotational speed sensor 20, the NOx reduction catalyst temperature Tg acquired by the temperature sensor 41, Stores map and predetermined value.

燃焼切替制御装置11は、エンジン12の各シリンダ14への燃料噴射の回数、量や噴射時期を制御するための指令信号を噴射制御装置18に送信する。また、燃焼切替制御装置11は、吸気絞り弁26、ウエストゲートバルブ42及び排ガス還流量調整弁54のそれぞれに対して開度調整信号を送信し、各弁の開度を調整する。なお、燃焼切替制御装置11は、噴射制御装置18と一体のチップとして構成されてもよいし、あるいは、別体のチップとして構成されてもよい。   The combustion switching control device 11 transmits a command signal for controlling the number, amount, and injection timing of fuel injection into each cylinder 14 of the engine 12 to the injection control device 18. Further, the combustion switching control device 11 transmits an opening degree adjustment signal to each of the intake throttle valve 26, the wastegate valve 42, and the exhaust gas recirculation amount adjustment valve 54, and adjusts the opening degree of each valve. The combustion switching control device 11 may be configured as a chip integrated with the injection control device 18 or may be configured as a separate chip.

次に、本実施形態の内燃機関システム10において燃焼切替制御装置11が実行する燃焼切替制御について、詳しく説明する。図2は、本実施形態に係る燃焼切替制御の一例を示すグラフである。図2のグラフでは、空燃比(A/F)を横軸に、エンジン12からの排出直後の排ガス(エンジン出ガス)におけるNOxの濃度(単位:g/kWh)を縦軸にそれぞれ示している。   Next, the combustion switching control executed by the combustion switching control device 11 in the internal combustion engine system 10 of the present embodiment will be described in detail. FIG. 2 is a graph showing an example of combustion switching control according to the present embodiment. In the graph of FIG. 2, the air-fuel ratio (A / F) is shown on the horizontal axis, and the NOx concentration (unit: g / kWh) in the exhaust gas immediately after being discharged from the engine 12 (engine output gas) is shown on the vertical axis. .

図2のグラフ中、A点はリーン燃焼モード、即ち本実施形態の燃焼切替制御の開始点の座標を示し、B点は本実施形態の燃焼切替制御における第1工程から第2工程への中継点(後述)の座標を示し、C点はストイキ燃焼モード、即ち本実施形態の燃焼切替制御の終了点の座標を示している。なお、図2のグラフでは、燃料噴射装置16からの燃料噴射量mは一定とされている。 In the graph of FIG. 2, point A indicates the lean combustion mode, that is, the coordinates of the start point of the combustion switching control of the present embodiment, and point B relays from the first step to the second step in the combustion switching control of the present embodiment. The coordinates of a point (described later) are shown, and the point C shows the coordinates of the stoichiometric combustion mode, that is, the end point of the combustion switching control of the present embodiment. In the graph of FIG. 2, the fuel injection amount m f from the fuel injection device 16 is constant.

リーン燃焼モード(A)とストイキ燃焼モード(C)との間の燃焼切替えは、燃料噴射装置16からの燃料噴射量mが一定である場合、吸気バルブ閉鎖(IVC)時の過給圧(吸気圧)Pと、EGR率(egr)とを調整することにより、行われる。リーン燃焼モード(A)では、排気還流装置50により所定のEGR率(egr)で排ガスが再循環され、ターボチャージャ60により所定の過給圧(P)で過給されることにより、空燃比が(A/F)に調整されるものとする。また、ストイキ燃焼モード(C)においても同様に、排気還流装置50により所定のEGR率(egr)で排ガスが再循環され、ターボチャージャ60により所定の過給圧(P)で過給されることにより、空燃比が化学量論比(14.6)である空燃比(A/F)stoichに調整されるものとする。この場合、燃料噴射量mfが一定であるため、ストイキ燃焼モード(C)のEGR率及び過給圧は共にリーン燃焼モード(A)よりも低下する(egr>egr、P>P)。その結果、図2に示すように、ストイキ燃焼モード(C)では、エンジン出ガスのNOx濃度がリーン燃焼モード(A)に比べて増加することになる。しかしながら、空燃比が化学量論比であるストイキ燃焼モード(C)では、三元触媒38が機能してエンジン出ガス中のNOxを浄化するため、三元触媒38及びNOx還元触媒40通過後のテイルパイプでの排ガスのNOx濃度は、エンジン出ガスに比して格段に低減する(図4(g)参照)。 The combustion switching between the lean combustion mode (A) and the stoichiometric combustion mode (C) is performed when the fuel injection amount m f from the fuel injection device 16 is constant and the supercharging pressure when the intake valve is closed (IVC) ( This is done by adjusting the intake pressure (P) and the EGR rate (egr). In the lean combustion mode (A), exhaust gas is recirculated by the exhaust gas recirculation device 50 at a predetermined EGR rate (egr 0 ) and is supercharged by the turbocharger 60 at a predetermined supercharging pressure (P 0 ). It is assumed that the fuel ratio is adjusted to (A / F) 0 . Similarly, in the stoichiometric combustion mode (C), the exhaust gas recirculation is recirculated by the exhaust gas recirculation device 50 at a predetermined EGR rate (egr 2 ), and is supercharged by the turbocharger 60 at a predetermined supercharging pressure (P 2 ). Thus, the air-fuel ratio is adjusted to the air-fuel ratio (A / F) stoich which is the stoichiometric ratio (14.6). In this case, since the fuel injection amount mf is constant, both the EGR rate and the supercharging pressure in the stoichiometric combustion mode (C) are lower than those in the lean combustion mode (A) (egr 0 > egr 2 , P 0 > P 2 ). As a result, as shown in FIG. 2, in the stoichiometric combustion mode (C), the NOx concentration of the engine output gas increases as compared with the lean combustion mode (A). However, in the stoichiometric combustion mode (C) in which the air-fuel ratio is the stoichiometric ratio, the three-way catalyst 38 functions and purifies NOx in the engine exhaust gas, so that after the three-way catalyst 38 and the NOx reduction catalyst 40 have passed. The NOx concentration of the exhaust gas at the tail pipe is remarkably reduced as compared with the engine exhaust gas (see FIG. 4 (g)).

ここで、図2に破線で示すように、ただ単にリーン燃焼モード(A)からストイキ燃焼モード(C)へと切り替える場合(A→C)を考える。このリーン燃焼モード(A)からストイキ燃焼モード(C)へ切り替える移行期間では、EGR率の低下に伴い、ストイキ燃焼モード(C)に近づくにつれてエンジン出ガス中のNOx濃度が増加する。ところが、当該移行期間中の空燃比は化学量論比よりも高いため、三元触媒38を適切に機能させ、エンジン出ガス中のNOxを還元により浄化することができず、排ガスはそのままのNOx濃度でテイルパイプから排出されることになる。したがって、上記の場合、リーン燃焼モード(A)からストイキ燃焼モード(C)への移行期間中の積算NOx排出量が増加してしまう。   Here, as shown by a broken line in FIG. 2, a case where only the lean combustion mode (A) is switched to the stoichiometric combustion mode (C) (A → C) will be considered. In the transition period in which the lean combustion mode (A) is switched to the stoichiometric combustion mode (C), the NOx concentration in the engine exhaust gas increases as the EGR rate decreases and as the stoichiometric combustion mode (C) approaches. However, since the air-fuel ratio during the transition period is higher than the stoichiometric ratio, the three-way catalyst 38 cannot function properly and NOx in the engine exhaust gas cannot be purified by reduction, and the exhaust gas remains as it is. It will be discharged from the tailpipe at a concentration. Therefore, in the above case, the accumulated NOx emission amount during the transition period from the lean combustion mode (A) to the stoichiometric combustion mode (C) increases.

そこで、本実施形態では、リーン燃焼モード(A)からストイキ燃焼モード(C)への燃焼切替制御を、排ガス再循環率が所定の目標値になるように、空燃比をリーン燃焼条件からストイキ燃焼条件に切り替える空燃比切替工程(以下「第1工程」と記載)と、ストイキ燃焼条件を維持しながら、排ガス再循環率を低減する排ガス再循環率切替工程(以下「第2工程」と記載)の2工程に分けて行うものとする。具体的には、図2に示すように、ストイキ燃焼条件の空燃比((A/F)stoich)であり、所定のEGR率(egr)を有する中継点(B)を設定し、EGR率及び過給圧の制御により、第1工程ではリーン燃焼モード(A)から中継点(B)に切り替え、続く第2工程では、ストイキ燃焼条件の空燃比を維持しながら中継点(B)からストイキ燃焼モード(C)へと切り替える。 Therefore, in this embodiment, the combustion switching control from the lean combustion mode (A) to the stoichiometric combustion mode (C) is performed, and the air-fuel ratio is changed from the lean combustion condition to the stoichiometric combustion so that the exhaust gas recirculation rate becomes a predetermined target value. An air-fuel ratio switching step (hereinafter referred to as “first step”) for switching to the conditions, and an exhaust gas recirculation rate switching step (hereinafter referred to as “second step”) for reducing the exhaust gas recirculation rate while maintaining the stoichiometric combustion conditions. The two steps are assumed to be performed. Specifically, as shown in FIG. 2, the relay point (B) having the predetermined EGR rate (egr 1 ), which is the air-fuel ratio ((A / F) stoichi ) of the stoichiometric combustion condition, is set, and the EGR rate is set. In addition, in the first step, the lean combustion mode (A) is switched to the relay point (B) by controlling the supercharging pressure, and in the second step, the stoichiometric point is maintained from the relay point (B) while maintaining the air-fuel ratio of the stoichiometric combustion condition. Switch to combustion mode (C).

中継点(B)のEGR率(egr)は、例えば、エンジン12に導入される吸気酸素濃度xに基づいて設定される。図3は、エンジン12の吸気酸素濃度xとエンジン出ガス中のNOx濃度との関係を示すグラフである。図3のグラフに示すように、燃料噴射量m一定、即ち等トルクである場合、エンジン出ガス中のNOx濃度と吸気酸素濃度xとは強い相関を有し、エンジン出ガス中のNOx濃度は吸気酸素濃度xによってほぼ決定されることが知られている(自動車技術会論文集、Vol.43(2012年)、No.1、109〜114頁)。そこで、例えば、第1工程の第1目標EGR率(第1目標値)として、リーン燃焼モード(A)時の吸気酸素濃度xi0に基づいて、第1工程前後の吸気酸素濃度が同等となるEGR率(egr)を設定する。すると、第1工程では、リーン燃焼モード(A)から設定したEGR率(egr)を有する中継点(B)に向けて、空燃比をストイキ燃焼条件にまで低下させる間、図2に示すように、エンジン出ガスのNOx濃度が一定となる。よって、この間の積算NOx排出量の増加が抑えられる。 EGR rate of the relay point (B) (egr 1), for example, is set based on the intake oxygen concentration x i to be introduced into the engine 12. Figure 3 is a graph showing the relationship between the intake oxygen concentration x i and the engine output NOx concentration in the gas engine 12. As shown in the graph of FIG. 3, the fuel injection amount m f constant, that is, when it is equal torque, has a strong correlation with the NOx concentration in the engine output in the gas and the intake oxygen concentration x i, NOx in the engine out gas concentrations are known to be substantially determined by the intake oxygen concentration x i (JSAE papers, Vol.43 (2012 years), pp Nanba1,109~114). Therefore, for example, as the first target EGR rate (first target value) in the first step, the intake oxygen concentrations before and after the first step are equal based on the intake oxygen concentration x i0 in the lean combustion mode (A). Set the EGR rate (egr 1 ). Then, in the first step, as shown in FIG. 2, while the air-fuel ratio is reduced to the stoichiometric combustion condition toward the relay point (B) having the EGR rate (egr 1 ) set from the lean combustion mode (A). In addition, the NOx concentration of the engine exhaust gas becomes constant. Therefore, an increase in the accumulated NOx emission amount during this period can be suppressed.

第1工程が終了すれば(中継点(B))、ストイキ燃焼条件となるため、三元触媒38を適切に機能させ、エンジン出ガス中のNOxを浄化することができる。そのため、EGR率をegrから第2目標EGR率(第2目標値)であるegrにまで低下させ、中継点(B)からストイキ燃焼モード(C)へと切り替える第2工程では、エンジン出ガスのNOx濃度は増加するものの、三元触媒38の浄化機能により、テイルパイプでの排ガス中のNOx濃度は低減される。このように、本実施形態に係る燃焼切替制御では、吸気酸素濃度に基づいて設定した第1目標EGR率を有する中継点(B)に向けてリーン燃焼条件からストイキ燃焼条件に切り替える第1工程と、ストイキ燃焼条件を維持しながらEGR率を第2目標EGR率にまで低下させる第2工程とを実行することにより、テイルパイプにおける積算NOx排出量の増加を抑制することができる。 When the first step is completed (relay point (B)), the stoichiometric combustion condition is established, so that the three-way catalyst 38 can function properly and the NOx in the engine exhaust gas can be purified. Therefore, in the second step of reducing the EGR rate from egr 1 to egr 2 , which is the second target EGR rate (second target value), and switching from the relay point (B) to the stoichiometric combustion mode (C), engine output is reduced. Although the NOx concentration of the gas increases, the NOx concentration in the exhaust gas at the tail pipe is reduced by the purification function of the three-way catalyst 38. Thus, in the combustion switching control according to the present embodiment, the first step of switching from the lean combustion condition to the stoichiometric combustion condition toward the relay point (B) having the first target EGR rate set based on the intake oxygen concentration, By executing the second step of reducing the EGR rate to the second target EGR rate while maintaining the stoichiometric combustion condition, an increase in the accumulated NOx emission amount in the tail pipe can be suppressed.

本実施形態に係る燃焼切替制御装置11が実行する燃焼切替制御の作用について、図4を参照しながら詳しく説明する。図4の各グラフにおいて、横軸は時間の経過を示し、縦軸は燃焼切替制御による各パラメータの変化を示している。即ち、燃焼切替制御が、時刻t0において開始し、時刻t2において終了したことを示す。図4(a)は燃焼切替制御による空燃比の変化を、図4(b)は同じくEGR率の変化を、図4(c)は同じく過給圧の変化を、図4(d)は同じく吸気酸素濃度の変化を、図4(e)は同じくエンジン出ガスのNOx濃度の変化を、図4(f)は同じく三元触媒のNOx浄化率の変化を、図4(g)は同じくテイルパイプにおける排ガスのNOx濃度の変化を、それぞれ示す。   The effect | action of the combustion switching control which the combustion switching control apparatus 11 which concerns on this embodiment performs is demonstrated in detail, referring FIG. In each graph of FIG. 4, the horizontal axis indicates the passage of time, and the vertical axis indicates the change of each parameter by the combustion switching control. That is, the combustion switching control starts at time t0 and ends at time t2. 4 (a) shows the change in the air-fuel ratio by the combustion switching control, FIG. 4 (b) shows the change in the EGR rate, FIG. 4 (c) shows the change in the supercharging pressure, and FIG. 4 (d) shows the same. FIG. 4 (e) shows the change in the NOx concentration of the engine exhaust gas, FIG. 4 (f) shows the change in the NOx purification rate of the three-way catalyst, and FIG. 4 (g) shows the tail. The change of the NOx concentration of the exhaust gas in the pipe is shown respectively.

図4の各グラフ中の実線は、本実施形態に係る燃焼切替制御による変化を示しており、時刻t0まではリーン燃焼モード(A)でエンジン12が運転され、時刻t0〜t2の移行期間において、第1工程(t0〜t1)と第2工程(t1〜t2)とで構成される燃焼切替制御が実行され、時刻t2より後、ストイキ燃焼モード(C)でエンジン12が運転されたことを示す。   The solid line in each graph of FIG. 4 shows the change due to the combustion switching control according to the present embodiment. The engine 12 is operated in the lean combustion mode (A) until time t0, and in the transition period from time t0 to t2. The combustion switching control composed of the first step (t0 to t1) and the second step (t1 to t2) is executed, and after the time t2, the engine 12 is operated in the stoichiometric combustion mode (C). Show.

リーン燃焼モード(A)では、空燃比が(A/F)であり、EGR率がegrであり、過給圧がPであり、吸気酸素濃度がxi0である。本実施形態に係る燃焼切替制御が開始されると(時刻t0)、EGR率及び過給圧を低減しながら、空燃比をストイキ燃焼条件である(A/F)stoichにまで低減する第1工程に入る。図4(a)〜(d)に示すように、第1工程では、第1目標EGR率egr及び第1目標過給圧Pに向かってEGR率及び過給圧が低減されるが、これら第1目標EGR率egr及び第1目標過給圧Pは、第1工程終了時の吸気酸素濃度xi1がリーン燃焼モード(A)の吸気酸素濃度xi0と同等に維持されるように、予め設定された値である。EGR率及び過給圧が低下して、空燃比、EGR率及び過給圧が各目標値(図2における中継点B)に到達すると、第1工程が終了する(時刻t1)。時刻t0からt1までの第1工程の間、図4(d)及び(e)に示すように吸気酸素濃度が一定に維持されるため、エンジン出ガスのNOx濃度は増加しない。よって、図4(g)に示すように、第1工程では、リーン燃焼モード(A)と同程度のテイルパイプでのNOx排出量を維持したまま、リーン燃焼条件((A/F))からストイキ燃焼条件((A/F)stoich)にエンジン12の運転条件が切り替えられる。 In the lean combustion mode (A), the air-fuel ratio is (A / F) 0 , the EGR rate is egr 0 , the supercharging pressure is P 0 , and the intake oxygen concentration is x i0 . When the combustion switching control according to the present embodiment is started (time t0), the first step of reducing the air-fuel ratio to the stoichiometric combustion condition (A / F) stoich while reducing the EGR rate and the supercharging pressure. to go into. As shown in FIGS. 4A to 4D, in the first step, the EGR rate and the supercharging pressure are reduced toward the first target EGR rate egr 1 and the first target supercharging pressure P 1 . The first target EGR rate egr 1 and the first target boost pressure P 1 are such that the intake oxygen concentration x i1 at the end of the first step is maintained equal to the intake oxygen concentration x i0 in the lean combustion mode (A). Are preset values. When the EGR rate and the supercharging pressure decrease and the air-fuel ratio, the EGR rate, and the supercharging pressure reach the respective target values (relay point B in FIG. 2), the first step is finished (time t1). During the first process from time t0 to t1, the intake oxygen concentration is kept constant as shown in FIGS. 4D and 4E, so the NOx concentration of the engine output gas does not increase. Therefore, as shown in FIG. 4G, in the first step, the lean combustion condition ((A / F) 0 ) is maintained while maintaining the NOx emission amount in the tail pipe comparable to that in the lean combustion mode (A). To the stoichiometric combustion condition ((A / F) stoic ).

続いて、空燃比をストイキ燃焼条件に維持しながらEGR率を低減する第2工程に入る。第2工程では、EGR率及び過給圧が第2目標EGR率egr及び第2目標過給圧Pのそれぞれに低減される。第2目標EGR率egrは、第2工程後のストイキ燃焼モード(C)でのEGR率であり、エンジン出ガスの温度又はNOx還元触媒温度Tg等に基づいて設定された値であり、第2目標過給圧Pは第2目標EGR率egrによって決定される。第2工程において、EGR率及び過給圧が低下して各目標値に到達すると、第2工程が終了し(時刻t2)、エンジン12はストイキ燃焼モード(C)で運転される。図4(f)に示すように、第1工程から第2工程に移る中継点(B)の周辺で空燃比が化学量論比に近い値となるため、三元触媒38が機能してエンジン出ガス中のNOxが浄化される。そのため、第2工程ではEGR率及び過給圧の低下により吸気酸素濃度が増加することに伴い、エンジン出ガスのNOx濃度が増加する(図4(e))ものの、三元触媒38の浄化機能により、テイルパイプでのNOx排出量は低減される(図4(g))。 Subsequently, the second step of reducing the EGR rate while maintaining the air-fuel ratio at the stoichiometric combustion condition is entered. In the second step, the EGR rate and the supercharging pressure are reduced to the second target EGR rate egr 2 and the second target supercharging pressure P 2 , respectively. The second target EGR rate egr 2 is the EGR rate in the stoichiometric combustion mode (C) after the second step, and is a value set based on the temperature of the engine exhaust gas or the NOx reduction catalyst temperature Tg, etc. the second target boost pressure P 2 is determined by the second target EGR rate egr 2. In the second step, when the EGR rate and the supercharging pressure reach the respective target values by decreasing, the second step ends (time t2), and the engine 12 is operated in the stoichiometric combustion mode (C). As shown in FIG. 4 (f), since the air-fuel ratio is close to the stoichiometric ratio in the vicinity of the relay point (B) from the first step to the second step, the three-way catalyst 38 functions and the engine NOx in the output gas is purified. Therefore, in the second step, the NOx concentration of the engine exhaust gas increases as the intake oxygen concentration increases due to the decrease in the EGR rate and the supercharging pressure (FIG. 4E), but the purification function of the three-way catalyst 38 As a result, the amount of NOx discharged from the tailpipe is reduced (FIG. 4G).

一方、図4の各グラフ中の破線は、本実施形態のように2工程で構成される燃焼切替制御を行わず、ただ単にリーン燃焼モード(A)からストイキ燃焼モード(C)へと切り替える制御を実行した場合の各パラメータの変化を示すものである(図2参照)。この例では、リーン燃焼モード(A)からストイキ燃焼モード(C)へと切り替える移行期間の開始時(t0)における空燃比及びEGR率の目標値をストイキ燃焼モード(C)における空燃比((A/F)stoich)及びEGR率(egr)に設定し、EGR率及び過給圧を低減する燃焼切替制御が実行される。すると、図4(a)〜(d)において破線で示すように、移行期間(t0→t2)において、EGR率及び過給圧の低下により吸気酸素濃度が増加し、これに伴い、エンジン出ガスのNOx濃度が増加する。ところが、時刻t2の近傍を除く移行期間の大部分では、空燃比が化学量論比の近傍になく(図4(a))、三元触媒がNOx浄化機能を発揮しない(図4(f))。そのため、図4(g)に示すように、エンジン出ガス中のNOx濃度が増加した分、テイルパイプにおける排ガスのNOx濃度が増加し、テイルパイプでの積算NOx排出量が増加してしまう。 On the other hand, the broken line in each graph of FIG. 4 does not perform the combustion switching control composed of two steps as in this embodiment, but simply switches from the lean combustion mode (A) to the stoichiometric combustion mode (C). The change of each parameter at the time of performing is shown (refer FIG. 2). In this example, the target values of the air-fuel ratio and the EGR rate at the start (t0) of the transition period for switching from the lean combustion mode (A) to the stoichiometric combustion mode (C) are the air-fuel ratio ((A / F) stoic ) and EGR rate (egr 2 ), and combustion switching control for reducing the EGR rate and supercharging pressure is executed. Then, as shown by the broken lines in FIGS. 4A to 4D, in the transition period (t0 → t2), the intake oxygen concentration increases due to the decrease in the EGR rate and the supercharging pressure, and accordingly, the engine output gas NOx concentration increases. However, in most of the transition period excluding the vicinity of time t2, the air-fuel ratio is not in the vicinity of the stoichiometric ratio (FIG. 4 (a)), and the three-way catalyst does not exhibit the NOx purification function (FIG. 4 (f)). ). Therefore, as shown in FIG. 4G, the NOx concentration of the exhaust gas in the tail pipe increases as the NOx concentration in the engine exhaust gas increases, and the accumulated NOx emission amount in the tail pipe increases.

それに対して、本実施形態に係る燃焼切替制御では、リーン燃焼モード(A)からストイキ燃焼モード(C)への燃焼切替時において、上述の第1工程及び第2工程とを行うことにより、単にストイキ燃焼モード(C)における空燃比及びEGR率を目標値として設定して1つの工程で燃焼モードを切り替える場合と比較して、図4(g)における破線で囲われた領域に相当する積算NOx排出量を低減することができる。   On the other hand, in the combustion switching control according to the present embodiment, when the combustion switching from the lean combustion mode (A) to the stoichiometric combustion mode (C) is performed, the above-described first step and second step are simply performed. Compared with the case where the air-fuel ratio and EGR rate in the stoichiometric combustion mode (C) are set as target values and the combustion mode is switched in one step, the integrated NOx corresponding to the region surrounded by the broken line in FIG. Emissions can be reduced.

上述の本実施形態に係る燃焼切替制御における各目標値の設定について説明する。燃焼切替制御装置11は、まず、リーン燃焼モードにおける吸気酸素濃度xi0を取得し、吸気酸素濃度xi0に基づいて第1工程の目標値となる吸気酸素濃度xi1が設定される。吸気酸素濃度xi,O2は、例えば、次式から求めることができる。
The setting of each target value in the combustion switching control according to the above-described embodiment will be described. The combustion switching control device 11 first acquires the intake oxygen concentration x i0 in the lean combustion mode, and the intake oxygen concentration x i1 that is the target value for the first step is set based on the intake oxygen concentration x i0 . The intake oxygen concentration x i, O2 can be obtained from the following equation, for example.

式(1)中、(A/F)はリーン燃焼モードにおける空燃比を、(A/F)stoichは化学量論比(14.6)を、egrはリーン燃焼モードにおけるEGR率を、ηcombは燃焼効率をそれぞれ表す。ここで式(1)は、下記のようにして導出される。まず、エンジン出ガスの酸素モル分率xe,o2を下記式(2)より求める。
In formula (1), (A / F) 0 is the air-fuel ratio in the lean combustion mode, (A / F) stoich is the stoichiometric ratio (14.6), egr 0 is the EGR rate in the lean combustion mode, η comb represents the combustion efficiency. Here, the expression (1) is derived as follows. First, the oxygen mole fraction xe, o2 of the engine output gas is obtained from the following equation (2).

式中、Wは空気の平均分子量を、Weは再循環された排ガスの平均分子量を、maはシリンダ14内の空気の質量を、meはシリンダ14内の再循環された排ガスの質量を、mfは噴射された燃料の質量を、それぞれ表す。Wa=Weとして上記式(2)を整理すると、下記式(3)が得られる。
Where W a is the average molecular weight of the air, We is the average molecular weight of the recycled exhaust gas, ma is the mass of air in the cylinder 14, me is the mass of the recycled exhaust gas in the cylinder 14, mf represents the mass of the injected fuel, respectively. When the above formula (2) is arranged with Wa = We, the following formula (3) is obtained.

上記式に、ma/mf=A/Fを代入すると、下記式(4)が得られる。
Substituting ma / mf = A / F into the above equation yields the following equation (4).

エンジン12への吸気の酸素モル分率xi,o2は、下記式(5)より求めることができる。
The oxygen mole fraction xi, o2 of the intake air to the engine 12 can be obtained from the following equation (5).

上記式(5)において、Wa=Weとし、egr=me/(ma+me)と式(4)とを代入し、さらに大気中の酸素の体積割合を21%とすることにより、上記式(1)が得られる。   In the above equation (5), by setting Wa = We, substituting egr = me / (ma + me) and equation (4), and further setting the volume ratio of oxygen in the atmosphere to 21%, the above equation (1) Is obtained.

式(1)中の空燃比A/Fは、例えば、公知の空燃比センサを用いて、または、公知の方法により推定された推定空燃比として燃焼切替制御装置11により取得される。空燃比センサは、例えば、第1排気通路32のうち、エンジン12の各シリンダ14の排出ポートから排出された排ガスが集合する部分に設けられ、検出した排ガスの酸素濃度に対応する信号を燃焼切替制御装置11に送信する。リーン燃焼モードにおけるEGR率(egr)は、例えば、リーン燃焼モード時に燃焼切替制御装置11が設定されて記憶部に記憶された値を用いることができる。或いは、第1吸気通路22、第2吸気通路24、第1排気通路32及び排気還流通路52に設けられた圧力センサ、酸素濃度センサ及び流量計等の各種センサから取得された値に基づいて、燃焼切替制御装置11によりEGR率(egr)が推定されてもよい。また、燃焼効率ηcombは、例えば、大気条件とエンジン回転と負荷からの推定式もしくはマップ値により取得される。 The air-fuel ratio A / F 0 in the equation (1) is acquired by the combustion switching control device 11 using, for example, a known air-fuel ratio sensor or an estimated air-fuel ratio estimated by a known method. For example, the air-fuel ratio sensor is provided in a portion of the first exhaust passage 32 where the exhaust gas discharged from the exhaust port of each cylinder 14 of the engine 12 collects, and a signal corresponding to the detected oxygen concentration of the exhaust gas is switched to combustion. It transmits to the control apparatus 11. As the EGR rate (egr 0 ) in the lean combustion mode, for example, a value that is set in the combustion switching control device 11 and stored in the storage unit in the lean combustion mode can be used. Alternatively, based on values obtained from various sensors such as a pressure sensor, an oxygen concentration sensor, and a flow meter provided in the first intake passage 22, the second intake passage 24, the first exhaust passage 32, and the exhaust recirculation passage 52, The EGR rate (egr 0 ) may be estimated by the combustion switching control device 11. Further, the combustion efficiency η comb is acquired by, for example, an estimation formula or map value from atmospheric conditions, engine rotation, and load.

リーン燃焼モードにおける吸気酸素濃度xi0に基づいて、燃焼切替制御装置11は、第1工程の目標値となる吸気酸素濃度xi1を設定する。図4(d)及び(e)に示すように、第1工程前後におけるエンジン出ガスのNOx濃度を同等に維持する場合は、吸気酸素濃度xi1を、取得されたリーン燃焼モードの吸気酸素濃度xi0と同じ値に設定する。また、第1工程におけるエンジン出ガスのNOx濃度をより低減させたい場合は、吸気酸素濃度xi0よりも低い値に吸気酸素濃度xi1を設定する。燃焼切替制御装置11は、例えば、第1工程前後の吸気酸素濃度の比(xi1/xi0)を予め記憶部に記憶しておき、本実施形態に係る燃焼切替制御を実行する際、それを記憶部から読み出して吸気酸素濃度xi1を設定する。 Based on the intake oxygen concentration x i0 in the lean combustion mode, the combustion switching control device 11 sets the intake oxygen concentration x i1 that is the target value of the first step. As shown in FIGS. 4D and 4E, when the NOx concentration of the engine exhaust gas before and after the first step is maintained to be equal, the intake oxygen concentration x i1 is set to the acquired intake oxygen concentration in the lean combustion mode. Set to the same value as x i0 . Further, when it is desired to further reduce the NOx concentration of the engine exhaust gas in the first step, the intake oxygen concentration x i1 is set to a value lower than the intake oxygen concentration x i0 . For example, the combustion switching control device 11 stores the ratio (x i1 / x i0 ) of the intake oxygen concentration before and after the first step in the storage unit in advance, and executes the combustion switching control according to the present embodiment. Is read from the storage unit and the inspiratory oxygen concentration x i1 is set.

燃焼切替制御装置11は、設定された吸気酸素濃度xi1に基づいて、第1工程の第1目標EGR率(egr)及び第1目標過給圧(P)を算出し、設定する。例えば、吸気酸素濃度xi1を吸気酸素濃度xi0と同値にする場合、第1目標EGR率(egr)及び第1目標過給圧(P)は下記式(6)及び(7)により求められる。
The combustion switching control device 11 calculates and sets the first target EGR rate (egr 1 ) and the first target boost pressure (P 1 ) of the first step based on the set intake oxygen concentration x i1 . For example, when the intake oxygen concentration x i1 is set equal to the intake oxygen concentration x i0 , the first target EGR rate (egr 1 ) and the first target boost pressure (P 1 ) are expressed by the following equations (6) and (7). Desired.

式(7)中、TはIVC時のシリンダ14内の温度を表し、mは燃料噴射量を表す。T0及びT1は、例えば、第1排気通路32に設けた図示しない温度センサから取得された値に基づいて、記憶部に記憶された所定のマップを参照することにより、推定することができる。また、リーン燃焼モードにおける燃料噴射量mf0は記憶部に記憶された値を用いればよい。第1工程後の燃料噴射量mf1は、図示しない上位制御装置から入力された目標トルクTqや目標エンジン回転数Ne等のエンジン12の運転条件が実現されるように、例えば、記憶部に記憶された所定のマップを参照して燃焼切替制御装置11により決定される。 In the formula (7), T represents the temperature in the cylinder 14 at the time of IVC, and m f represents the fuel injection amount. T0 and T1 can be estimated, for example, by referring to a predetermined map stored in the storage unit based on a value acquired from a temperature sensor (not shown) provided in the first exhaust passage 32. Further, the value stored in the storage unit may be used as the fuel injection amount m f0 in the lean combustion mode. The fuel injection amount m f1 after the first step is stored in, for example, a storage unit so that the operating conditions of the engine 12 such as the target torque Tq and the target engine speed Ne input from a host controller (not shown) are realized. It is determined by the combustion switching control device 11 with reference to the predetermined map.

燃焼切替制御装置11は、さらに、第2工程における第2目標EGR率(egr)を設定する。第2目標EGR率は0%であることが好ましい。第2目標EGR率が0%であると、エンジン出ガスにおけるスモークの生成が抑制され、また、ストイキ燃焼モードでの過給が不要になるためターボチャージャ60等の過給装置を小型化することができる。その一方、例えばストイキ燃焼モードで過給せずに高速条件で運転する場合に、エンジン出ガスの温度上昇により、排気系30の耐久性の低下をもたらす可能性がある。そのような場合には、エンジン出ガスの温度又はNOx還元触媒温度Tgが所定値以上であるか否かの判定に基づいて、第2目標EGR率を0%よりも大きい値に設定する。これにより、エンジン出ガスの温度低下及び排気系30の耐久性改善が図られる。 The combustion switching control device 11 further sets a second target EGR rate (egr 2 ) in the second step. The second target EGR rate is preferably 0%. When the second target EGR rate is 0%, the generation of smoke in the engine exhaust gas is suppressed, and supercharging in the stoichiometric combustion mode is not required, so the turbocharger 60 and the like are downsized. Can do. On the other hand, for example, when the engine is operated under high-speed conditions without supercharging in the stoichiometric combustion mode, the durability of the exhaust system 30 may be reduced due to the temperature rise of the engine exhaust gas. In such a case, the second target EGR rate is set to a value larger than 0% based on the determination as to whether the temperature of the engine exhaust gas or the NOx reduction catalyst temperature Tg is equal to or higher than a predetermined value. As a result, the temperature of the engine exhaust gas is lowered and the durability of the exhaust system 30 is improved.

燃焼切替制御装置11は、設定された第2目標EGR率(egr)に基づいて、第2工程の第2目標過給圧(P)を算出し、設定する。第2目標過給圧(P)は下記式(8)により求められる。
The combustion switching control device 11 calculates and sets the second target boost pressure (P 2 ) in the second step based on the set second target EGR rate (egr 2 ). The second target supercharging pressure (P 2 ) is obtained by the following formula (8).

式(8)中のT2は、例えば、第1排気通路32に設けた図示しない温度センサから取得された値に基づいて、記憶部に記憶された所定のマップを参照することにより、推定することができる。第2工程後の燃料噴射量mf2は、図示しない上位制御装置から入力された目標トルクTqや目標エンジン回転数Ne等のエンジン12の運転条件が実現されるように、例えば、記憶部に記憶された所定のマップを参照して燃焼切替制御装置11により決定される。また、第2目標EGR率(egr)が0%である場合、第2目標過給圧(P)は下記式(9)により求められる。
T2 in the equation (8) is estimated by referring to a predetermined map stored in the storage unit based on a value acquired from a temperature sensor (not shown) provided in the first exhaust passage 32, for example. Can do. The fuel injection amount mf2 after the second step is stored in, for example, a storage unit so that the operating conditions of the engine 12 such as the target torque Tq and the target engine speed Ne input from a host controller (not shown) are realized. It is determined by the combustion switching control device 11 with reference to the predetermined map. Further, when the second target EGR rate (egr 2 ) is 0%, the second target supercharging pressure (P 2 ) is obtained by the following formula (9).

次に、図5を参照して、本実施形態の内燃機関システム10の具体的な制御について説明する。図5は、図1に示した内燃機関システム10の燃焼切替制御装置11において実行される処理の一例を示すフローチャートである。   Next, specific control of the internal combustion engine system 10 of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a flowchart showing an example of processing executed in the combustion switching control device 11 of the internal combustion engine system 10 shown in FIG.

図5に示す処理は、燃焼切替制御装置11が、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへ切り替える燃焼切替制御の開始条件が成立したと判定した場合に実行される。例えば、燃料噴射の回数及び量や、吸気絞り弁26、ウエストゲートバルブ42及び排ガス還流量調整弁54の開度等に基づいて、エンジン12がリーン燃焼モードで運転されていると判定することができる。また、例えば、温度センサ41によって取得されたNOx還元触媒40のNOx還元触媒温度Tgが所定値以上の高温である場合に、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへ切り替える燃焼切替制御の開始条件が成立したと判定することができる。一方、リーン燃焼モードで運転されていると判定されない場合、或いは、NOx還元触媒温度Tgが所定値を超えていない場合は、燃焼切替制御の開始条件が成立していないと判定することができる。   The process shown in FIG. 5 is executed when the combustion switching control device 11 determines that the start condition of the combustion switching control for switching from the lean combustion mode to the stoichiometric combustion mode is satisfied. For example, it may be determined that the engine 12 is operating in the lean combustion mode based on the number and amount of fuel injections, the opening degree of the intake throttle valve 26, the wastegate valve 42, and the exhaust gas recirculation amount adjustment valve 54, and the like. it can. Further, for example, when the NOx reduction catalyst temperature Tg of the NOx reduction catalyst 40 acquired by the temperature sensor 41 is a high temperature equal to or higher than a predetermined value, the start condition for the combustion switching control for switching from the lean combustion mode to the stoichiometric combustion mode is satisfied. Can be determined. On the other hand, when it is not determined that the engine is operating in the lean combustion mode, or when the NOx reduction catalyst temperature Tg does not exceed the predetermined value, it can be determined that the start condition for the combustion switching control is not satisfied.

図5に示すように、燃焼切替制御装置11は、まずステップS1において、現在のリーン燃焼モードにおける吸気酸素濃度xi0を取得する。吸気酸素濃度xi0は、取得されたリーン燃焼モードにおける空燃比(A/F)及びEGR率egrに基づいて上記式(1)により算出することができる。 As shown in FIG. 5, the combustion switching control device 11 first acquires the intake oxygen concentration x i0 in the current lean combustion mode in step S1. The intake oxygen concentration x i0 can be calculated by the above equation (1) based on the acquired air-fuel ratio (A / F) 0 and EGR rate egr 0 in the lean combustion mode.

ステップS2では、燃焼切替制御装置11は、ステップS1で得られた吸気酸素濃度xi0に基づいて、第1工程の目標値とする吸気酸素濃度xi1を設定する。例えば、吸気酸素濃度xi1を吸気酸素濃度xi0以下の値に設定することにより、第1工程におけるエンジン出ガスのNOx濃度を維持または低減することができる。 In step S2, the combustion switching control device 11 sets the intake oxygen concentration x i1 that is the target value of the first step, based on the intake oxygen concentration x i0 obtained in step S1. For example, by setting the intake oxygen concentration x i1 to a value equal to or lower than the intake oxygen concentration x i0 , the NOx concentration of the engine exhaust gas in the first step can be maintained or reduced.

ステップS3では、燃焼切替制御装置11は、ステップS2で得られた吸気酸素濃度xi1に基づいて、第1目標EGR率(egr)及び第1目標過給圧(P)を算出し、設定する。第1目標EGR率及び第1目標過給圧は、上記式(6)及び(7)により算出することができる。 In step S3, the combustion switching control device 11 calculates the first target EGR rate (egr 1 ) and the first target boost pressure (P 1 ) based on the intake oxygen concentration x i1 obtained in step S2. Set. The first target EGR rate and the first target supercharging pressure can be calculated by the above formulas (6) and (7).

ステップS4では、燃焼切替制御装置11は、第1工程を開始し、吸気絞り弁26、ウエストゲートバルブ42及び排ガス還流量調整弁54に対して開度調整信号を送信することにより、EGR率及び過給圧を低減する。ステップS4において、EGR率及び過給圧を調整する際、例えば、第1吸気通路22、第2吸気通路24、第1排気通路32、排気還流通路52等に設けられた圧力センサ、酸素濃度センサ及び流量計等の各種センサから取得された値に基づいて、EGR率または過給圧を補正してもよい。   In step S4, the combustion switching control device 11 starts the first step, and transmits an opening degree adjustment signal to the intake throttle valve 26, the wastegate valve 42, and the exhaust gas recirculation amount adjustment valve 54. Reduce supercharging pressure. In step S4, when adjusting the EGR rate and the supercharging pressure, for example, a pressure sensor or an oxygen concentration sensor provided in the first intake passage 22, the second intake passage 24, the first exhaust passage 32, the exhaust recirculation passage 52, or the like. The EGR rate or the supercharging pressure may be corrected based on values acquired from various sensors such as a flow meter.

ステップS5では、燃焼切替制御装置11は、第1工程が完了したか否かを判定する。具体的には、燃焼切替制御装置11は、EGR率及び過給圧を推定し、または、上記の各種センサから取得された値に基づいて算出し、得られたEGR率及び過給圧と第1目標EGR率及び第1目標過給圧との比較を行う。その結果、EGR率が第1目標EGR率よりも大きいか、または、過給圧が第1目標過給圧よりも大きく、第1工程が完了していない(NO)と判定されれば、ステップS4の処理を繰り返す。他方、EGR率が第1目標EGR率と同等であり、且つ、過給圧が第1目標過給圧と同等であり、第1工程が完了した(YES)と判定されれば、ステップS6に進む。   In step S5, the combustion switching control device 11 determines whether or not the first step is completed. Specifically, the combustion switching control device 11 estimates the EGR rate and the supercharging pressure, or calculates based on the values acquired from the various sensors described above. A comparison is made between the one target EGR rate and the first target supercharging pressure. As a result, if it is determined that the EGR rate is greater than the first target EGR rate or the supercharging pressure is greater than the first target supercharging pressure and the first step is not completed (NO), step The process of S4 is repeated. On the other hand, if it is determined that the EGR rate is equal to the first target EGR rate, the supercharging pressure is equal to the first target supercharging pressure, and the first step is completed (YES), the process proceeds to step S6. move on.

ステップS6では、燃焼切替制御装置11は、第2目標EGR率(egr)及び第2目標過給圧(P)を設定する。例えば、第2目標EGR率を0%に設定した場合、第2目標過給圧は上記式(9)により算出することができる。ステップS6において、エンジン出ガスの温度又はNOx還元触媒温度Tgが所定値以上である場合に、第2目標EGR率を0%よりも大きい値に設定してもよく、その場合、第2目標過給圧(P)は上記式(8)により算出することができる。 In step S6, the combustion switching control device 11 sets a second target EGR rate (egr 2 ) and a second target boost pressure (P 2 ). For example, when the second target EGR rate is set to 0%, the second target supercharging pressure can be calculated by the above equation (9). In step S6, when the engine exhaust gas temperature or the NOx reduction catalyst temperature Tg is equal to or higher than a predetermined value, the second target EGR rate may be set to a value larger than 0%. The supply pressure (P 2 ) can be calculated by the above equation (8).

ステップS7では、燃焼切替制御装置11は、第2工程を開始し、吸気絞り弁26、ウエストゲートバルブ42及び排ガス還流量調整弁54に対して開度調整信号を送信することにより、EGR率及び過給圧を低減する。ステップS7において、ステップS4と同様にEGR率及び過給圧を補正してもよい。   In step S7, the combustion switching control device 11 starts the second step, and transmits an opening degree adjustment signal to the intake throttle valve 26, the wastegate valve 42, and the exhaust gas recirculation amount adjustment valve 54, whereby the EGR rate and Reduce supercharging pressure. In step S7, the EGR rate and the supercharging pressure may be corrected as in step S4.

ステップS8では、燃焼切替制御装置11は、第2工程が完了したか否かを判定する。具体的には、燃焼切替制御装置11は、EGR率及び過給圧を推定し、または、上記の各種センサから取得された値に基づいて算出し、得られたEGR率及び過給圧と第2目標EGR率及び第2目標過給圧との比較を行う。その結果、EGR率が第2目標EGR率よりも大きいか、または、過給圧が第2目標過給圧よりも大きく、第2工程が完了していない(NO)と判定されれば、ステップS7の処理を繰り返す。他方、EGR率が第2目標EGR率と同等であり、且つ、過給圧が第2目標過給圧と同等であり、第2工程が完了した(YES)と判定されれば、燃焼切替制御の処理を終了し、引き続きエンジン12がストイキ燃焼モードで運転されるよう制御する。   In step S8, the combustion switching control device 11 determines whether or not the second step has been completed. Specifically, the combustion switching control device 11 estimates the EGR rate and the supercharging pressure, or calculates based on the values acquired from the various sensors described above. Comparison between the 2 target EGR rate and the second target supercharging pressure is performed. As a result, if it is determined that the EGR rate is greater than the second target EGR rate or the boost pressure is greater than the second target boost pressure and the second step is not completed (NO), step The process of S7 is repeated. On the other hand, if it is determined that the EGR rate is equal to the second target EGR rate, the boost pressure is equal to the second target boost pressure, and the second step is completed (YES), the combustion switching control is performed. Then, the engine 12 is controlled so as to be operated in the stoichiometric combustion mode.

このように、本実施形態の内燃機関システム10における燃焼切替制御では、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへの燃焼切替時において、吸気絞り弁26、ウエストゲートバルブ42及び排ガス還流量調整弁54によりEGR率及び過給圧を調整する制御を実行して、EGR率が第1目標EGR率になるように、空燃比をリーン燃焼条件からストイキ燃焼条件に切り替える第1工程と、第1工程の後、ストイキ燃焼条件を維持しながらEGR率を更に低減する第2工程とを行うことにより、燃焼モードを切り替える移行期間におけるエンジン出ガスのNOx濃度を低減することができ、ひいては、当該移行期間中のテイルパイプにおける積算NOx排出量を低減することができる。   As described above, in the combustion switching control in the internal combustion engine system 10 of the present embodiment, the EGR is performed by the intake throttle valve 26, the wastegate valve 42, and the exhaust gas recirculation amount adjustment valve 54 at the time of combustion switching from the lean combustion mode to the stoichiometric combustion mode. A first step of controlling the air-fuel ratio from the lean combustion condition to the stoichiometric combustion condition so that the EGR rate becomes the first target EGR rate by performing control for adjusting the rate and the supercharging pressure, and after the first step, By performing the second step of further reducing the EGR rate while maintaining the stoichiometric combustion conditions, it is possible to reduce the NOx concentration of the engine output gas during the transition period for switching the combustion mode, and as a result, the tail during the transition period The accumulated NOx emission amount in the pipe can be reduced.

<第2実施形態>
次に、図6及び図7を参照して、第2実施形態の内燃機関システム10の燃焼切替制御について説明する。なお、第2実施形態の内燃機関システム10は、上述した第1実施形態と同様であるため、その構成の説明については省略する。
Second Embodiment
Next, the combustion switching control of the internal combustion engine system 10 of the second embodiment will be described with reference to FIGS. In addition, since the internal combustion engine system 10 of 2nd Embodiment is the same as that of 1st Embodiment mentioned above, it abbreviate | omits about the description of the structure.

本実施形態では、ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの燃焼切替制御を、ストイキ燃焼条件を維持しながら、排ガス再循環率を所定の第1目標値にまで増加する排ガス再循環率切替工程(以下「第3工程」と記載)と、排ガス再循環率を所定の第2目標値にまで増加するとともに、空燃比をリーン燃焼条件からストイキ燃焼条件に切り替える空燃比切替工程(以下「第4工程」と記載)の2工程に分けて行う。具体的には、所定のEGR率(egr)(第1目標値)を有する中継点を設定し、EGR率及び過給圧の制御により、第3工程では、ストイキ燃焼条件の空燃比を維持しながらストイキ燃焼モードから中継点に切り替え、続く第4工程では、中継点から所定のEGR率(egr)(第2目標値)及び過給圧(P)を有するリーン燃焼モードへと切り替える。即ち、本実施形態に係るストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの燃焼切替制御は、第1実施形態のリーン燃焼モード(A)から中継点(B)を経てストイキ燃焼モード(C)へと至る(図2参照)、第1工程及び第2工程で構成された燃焼切替制御の始点と終点を逆転させたものに対応する。 In the present embodiment, the combustion switching control from the stoichiometric combustion mode to the lean combustion mode is performed in the exhaust gas recirculation rate switching step (hereinafter referred to as “reducing the exhaust gas recirculation rate” to a predetermined first target value while maintaining the stoichiometric combustion conditions). (Described as “third step”) and an air-fuel ratio switching step (hereinafter referred to as “fourth step”) that increases the exhaust gas recirculation rate to a predetermined second target value and switches the air-fuel ratio from lean combustion conditions to stoichiometric combustion conditions. 2 steps). Specifically, a relay point having a predetermined EGR rate (egr 3 ) (first target value) is set, and the air-fuel ratio under stoichiometric combustion conditions is maintained in the third step by controlling the EGR rate and the supercharging pressure. While switching from the stoichiometric combustion mode to the relay point, in the subsequent fourth step, the relay point is switched to the lean combustion mode having a predetermined EGR rate (egr 4 ) (second target value) and supercharging pressure (P 4 ). . That is, the combustion switching control from the stoichiometric combustion mode to the lean combustion mode according to the present embodiment reaches the stoichiometric combustion mode (C) through the relay point (B) from the lean combustion mode (A) of the first embodiment ( This corresponds to a case where the start point and end point of the combustion switching control configured in the first step and the second step are reversed.

本実施形態に係る燃焼切替制御の作用について、図6を参照しながら詳しく説明する。図6の各グラフにおいて横軸及び縦軸が示すパラメータは、図4と同じであるので、説明を省略する。図6の各グラフ中の実線が、本実施形態に係る燃焼切替制御による変化を示しており、時刻t0〜t2の移行期間において、第3工程(t0〜t1)と第4工程(t1〜t2)とで構成される燃焼切替制御が実行され、t0以前のストイキ燃焼モードからt2以降のリーン燃焼モードに燃焼モードが切り替えられたことを示す。   The operation of the combustion switching control according to the present embodiment will be described in detail with reference to FIG. The parameters indicated by the horizontal and vertical axes in each graph of FIG. 6 are the same as those in FIG. The solid line in each graph of FIG. 6 has shown the change by the combustion switching control which concerns on this embodiment, and in the transition period of the time t0-t2, the 3rd process (t0-t1) and the 4th process (t1-t2). ) Is executed, and the combustion mode is switched from the stoichiometric combustion mode before t0 to the lean combustion mode after t2.

本実施形態に係る燃焼切替制御が開始されると(時刻t0)、空燃比をストイキ燃焼条件である(A/F)stoichに維持しながらEGR率を増加させる第3工程に入る。第3工程では、EGR率が第3目標EGR率(egr)にまで増加し、過給圧が第3目標過給圧(P)にまで増加する。第3工程において、EGR率及び過給圧が増加して各目標値に到達すると、第3工程が終了する(時刻t1)。この第3工程により、図6(d)に示すように、吸気酸素濃度が低下し、リーン燃焼モードにおける吸気酸素濃度xi0に到達する。また、時刻t0からt1までの第3工程の間は、図6(a)に示すように空燃比が化学量論比に近い値となるため、三元触媒38が機能してエンジン出ガス中のNOxが浄化される。そのため、三元触媒38の浄化機能により、テイルパイプでのNOx排出量は低減されたままとなる(図6(g))。 When the combustion switching control according to the present embodiment is started (time t0), the third step of increasing the EGR rate while maintaining the air-fuel ratio at the stoichiometric combustion condition (A / F) stoich is entered. In the third step, the EGR rate increases to the third target EGR rate (egr 3 ), and the supercharging pressure increases to the third target supercharging pressure (P 3 ). In the third step, when the EGR rate and the supercharging pressure increase to reach each target value, the third step ends (time t1). By this third step, as shown in FIG. 6D, the intake oxygen concentration decreases and reaches the intake oxygen concentration xi0 in the lean combustion mode. Further, during the third step from time t0 to t1, the air-fuel ratio becomes a value close to the stoichiometric ratio as shown in FIG. NOx is purified. Therefore, the NOx emission amount in the tail pipe remains reduced by the purification function of the three-way catalyst 38 (FIG. 6 (g)).

続いて、吸気酸素濃度を維持しながら、EGR率及び過給圧を増加させ、空燃比をストイキ燃焼条件((A/F)stoich)からリーン燃焼条件((A/F))にまで増加させる第4工程に入る。上記の通り、第4工程の開始時(t2)にリーン燃焼モードにおける吸気酸素濃度(xi4)にまで低下している。図6(d)に示すように、第4工程では、吸気酸素濃度を維持しながら、最終目標値となる第4目標EGR率及び第4目標過給圧に向かってEGR率及び過給圧が増加する。図6(f)及び(g)に示すように、第4工程の開始直後から、空燃比が化学量論比よりも大きい値となるため、三元触媒38の浄化機能が働かなくなり、テイルパイプにおける排ガスのNOx濃度が増加する。しかしながら、第3工程の終了時には既にリーン燃焼モードにおける吸気酸素濃度xi0にまで低下しているため、第2工程におけるエンジン出ガスのNOx濃度は低く抑えられている分、テイルパイプにおけるNOx濃度の増加を抑制することができる。そして、EGR率及び過給圧が最終目標値に到達すると、第4工程が終了し(時刻t2)、エンジン12はリーン燃焼モードで運転される。 Subsequently, while maintaining the intake oxygen concentration, the EGR rate and the boost pressure are increased, and the air-fuel ratio is increased from the stoichiometric combustion condition ((A / F) stoich ) to the lean combustion condition ((A / F) 4 ). The fourth step is performed. As described above, at the start of the fourth step (t2), the intake oxygen concentration is reduced to the lean combustion mode (x i4 ). As shown in FIG. 6D, in the fourth step, while maintaining the intake oxygen concentration, the EGR rate and the supercharging pressure are increased toward the fourth target EGR rate and the fourth target supercharging pressure, which are the final target values. To increase. As shown in FIGS. 6F and 6G, since the air-fuel ratio becomes larger than the stoichiometric ratio immediately after the start of the fourth step, the purification function of the three-way catalyst 38 does not work, and the tail pipe The NOx concentration of the exhaust gas increases at. However, since the intake oxygen concentration x i0 has already decreased to the lean combustion mode at the end of the third step, the NOx concentration of the engine exhaust gas in the second step is kept low, so that the NOx concentration in the tail pipe is reduced. Increase can be suppressed. Then, when the EGR rate and the supercharging pressure reach the final target value, the fourth step ends (time t2), and the engine 12 is operated in the lean combustion mode.

一方、図6の各グラフ中の破線は、本実施形態のように2工程で構成される燃焼切替制御を行わず、ただ単にストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへと切り替える制御を実行した場合の各パラメータの変化を示すものである(図2における破線の逆方向の制御に対応)。この例では、移行期間の開始時(t0)において、空燃比及びEGR率の目標値をリーン燃焼モードにおける空燃比((A/F))及びEGR率(egr)に設定し、EGR率及び過給圧を増加する燃焼切替制御が実行される。すると、図6(e)〜(g)に示すように、制御開始直後から三元触媒38の浄化機能が働かなくなるため、ストイキ燃焼条件からリーン側の高いNOx濃度を有するエンジン出ガスが、そのままテイルパイプから排出される。そして、時間の経過に従って、EGR率及び過給圧が増加し、エンジン出ガス及びテイルパイプにおける排ガスのNOx濃度は低下していく。このように、制御開始直後から高いNOx濃度を有する排ガスがテイルパイプから排出された分、テイルパイプでの積算NOx排出量が増加してしまう。 On the other hand, the broken line in each graph of FIG. 6 does not perform the combustion switching control composed of two steps as in the present embodiment, but simply executes the control for switching from the stoichiometric combustion mode to the lean combustion mode. This shows a change in parameters (corresponding to control in the reverse direction of the broken line in FIG. 2). In this example, at the start of the transition period (t0), the target values of the air-fuel ratio and the EGR rate are set to the air-fuel ratio ((A / F) 4 ) and the EGR rate (egr 4 ) in the lean combustion mode, and the EGR rate And the combustion switching control which increases a supercharging pressure is performed. Then, as shown in FIGS. 6 (e) to 6 (g), the purification function of the three-way catalyst 38 does not work immediately after the start of the control, so that the engine exhaust gas having a high NOx concentration on the lean side from the stoichiometric combustion condition remains as it is. Discharged from the tailpipe. As the time elapses, the EGR rate and the supercharging pressure increase, and the NOx concentration of the engine exhaust gas and the exhaust gas in the tail pipe decreases. In this way, the amount of accumulated NOx discharged from the tail pipe increases as the exhaust gas having a high NOx concentration is discharged from the tail pipe immediately after the start of control.

それに対して、本実施形態に係る燃焼切替制御では、ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの燃焼切替時において、上述の第3工程及び第4工程とを行うことにより、単にリーン燃焼モードにおける空燃比及びEGR率を目標値として設定して1つの工程で燃焼モードを切り替える場合と比較して、図6(g)における破線で囲われた領域に相当する積算NOx排出量を低減することができる。   On the other hand, in the combustion switching control according to the present embodiment, when performing the combustion switching from the stoichiometric combustion mode to the lean combustion mode, the air-fuel ratio in the lean combustion mode is simply performed by performing the third step and the fourth step described above. And compared with the case where the EGR rate is set as a target value and the combustion mode is switched in one step, the integrated NOx emission amount corresponding to the region surrounded by the broken line in FIG. 6G can be reduced.

次に、図7を参照して、本実施形態の燃焼切替制御について説明する。図7は、図1に示した内燃機関システム10の燃焼切替制御装置11において実行される処理の他の例を示すフローチャートである。   Next, the combustion switching control of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a flowchart showing another example of processing executed in the combustion switching control device 11 of the internal combustion engine system 10 shown in FIG.

図7に示す処理は、燃焼切替制御装置11が、ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへ切り替える燃焼切替制御の開始条件が成立したと判定した場合に実行される。例えば、燃料噴射の回数及び量や、吸気絞り弁26、ウエストゲートバルブ42及び排ガス還流量調整弁54の開度等に基づいて、エンジン12がストイキ燃焼モードで運転されていると判定することができる。また、例えば、温度センサ41によって取得されたNOx還元触媒40のNOx還元触媒温度Tgが所定値以下の低温である場合に、燃焼切替制御の開始条件が成立したと判定することができる。一方、ストイキ燃焼モードで運転されていると判定されない場合、或いは、NOx還元触媒温度Tgが所定値を超えている場合は、燃焼切替制御の開始条件が成立していないと判定することができる。   The process shown in FIG. 7 is executed when the combustion switching control device 11 determines that the start condition of the combustion switching control for switching from the stoichiometric combustion mode to the lean combustion mode is satisfied. For example, it may be determined that the engine 12 is operating in the stoichiometric combustion mode based on the number and amount of fuel injections, the opening degree of the intake throttle valve 26, the wastegate valve 42, and the exhaust gas recirculation amount adjustment valve 54, and the like. it can. Further, for example, when the NOx reduction catalyst temperature Tg of the NOx reduction catalyst 40 acquired by the temperature sensor 41 is a low temperature equal to or lower than a predetermined value, it can be determined that the combustion switching control start condition is satisfied. On the other hand, when it is not determined that the engine is operating in the stoichiometric combustion mode, or when the NOx reduction catalyst temperature Tg exceeds a predetermined value, it can be determined that the start condition of the combustion switching control is not satisfied.

図7に示すように、燃焼切替制御装置11は、まずステップS11において、最終目標値であるリーン燃焼モードにおける第4目標空燃比((A/F))、第4目標EGR率(egr)及び第4目標過給圧(P)を取得する。これらの目標値は、例えば、記憶部に記憶されているマップ等を参照して取得される。 As shown in FIG. 7, the combustion switching control device 11 first, in step S11, the fourth target air-fuel ratio ((A / F) 4 ) and the fourth target EGR rate (egr 4 ) in the lean combustion mode that is the final target value. ) And the fourth target boost pressure (P 4 ). These target values are acquired with reference to, for example, a map stored in the storage unit.

ステップS12では、燃焼切替制御装置11は、リーン燃焼モードにおける吸気酸素濃度となる第4目標吸気酸素濃度(xi4)を取得する。第4目標吸気酸素濃度は、ステップS11で取得された第4目標空燃比及び第4目標EGR率に基づいて上記式(1)を参照して算出することができる。 In step S12, the combustion switching control device 11 acquires the fourth target intake oxygen concentration (x i4 ) that is the intake oxygen concentration in the lean combustion mode. The fourth target intake oxygen concentration can be calculated with reference to the above equation (1) based on the fourth target air-fuel ratio and the fourth target EGR rate acquired in step S11.

ステップS13では、燃焼切替制御装置11は、ステップS12で得られた吸気酸素濃度に基づいて、第3工程の目標値とする第3目標吸気酸素濃度(xi3)を設定する。例えば、吸気酸素濃度(xi3)を吸気酸素濃度(xi4)以下の値に設定することにより、第3工程におけるエンジン出ガスのNOx濃度を維持または低減することができる。 In step S13, the combustion switching control device 11 sets a third target intake oxygen concentration (x i3 ) as a target value in the third step based on the intake oxygen concentration obtained in step S12. For example, by setting the intake oxygen concentration (x i3 ) to a value equal to or lower than the intake oxygen concentration (x i4 ), the NOx concentration of the engine exhaust gas in the third step can be maintained or reduced.

ステップS14では、燃焼切替制御装置11は、ステップS13で得られた吸気酸素濃度xi1に基づいて、第3目標EGR率(egr)及び第3目標過給圧(P)を算出し、設定する。第3目標EGR率及び第3目標過給圧は、上記式(6)及び(7)により算出することができる。 In step S14, the combustion switching control device 11 calculates the third target EGR rate (egr 3 ) and the third target boost pressure (P 3 ) based on the intake oxygen concentration x i1 obtained in step S13. Set. The third target EGR rate and the third target supercharging pressure can be calculated by the above formulas (6) and (7).

ステップS15では、燃焼切替制御装置11は、第3工程を開始し、吸気絞り弁26、ウエストゲートバルブ42及び排ガス還流量調整弁54に対して開度調整信号を送信することにより、EGR率及び過給圧を増加する制御を行う。ステップS15において、EGR率及び過給圧を調整する際、例えば、第1吸気通路22、第2吸気通路24、第1排気通路32、排気還流通路52等に設けられた圧力センサ、酸素濃度センサ及び流量計等の各種センサから取得された値に基づいて、EGR率または過給圧を補正してもよい。   In step S15, the combustion switching control device 11 starts the third step, and transmits an opening degree adjustment signal to the intake throttle valve 26, the wastegate valve 42, and the exhaust gas recirculation amount adjustment valve 54, whereby the EGR rate and Control to increase the boost pressure. In step S15, when adjusting the EGR rate and the supercharging pressure, for example, pressure sensors, oxygen concentration sensors provided in the first intake passage 22, the second intake passage 24, the first exhaust passage 32, the exhaust recirculation passage 52, and the like. The EGR rate or the supercharging pressure may be corrected based on values acquired from various sensors such as a flow meter.

ステップS16では、燃焼切替制御装置11は、第3工程が完了したか否かを判定する。具体的には、燃焼切替制御装置11は、EGR率及び過給圧を推定し、または、上記の各種センサから取得された値に基づいて算出し、得られたEGR率及び過給圧と第3目標EGR率及び第3目標過給圧との比較を行う。その結果、EGR率が第3目標EGR率よりも小さいか、または、過給圧が第3目標過給圧よりも小さく、第3工程が完了していない(NO)と判定されれば、ステップS15の処理を繰り返す。他方、EGR率が第3目標EGR率と同等であり、且つ、過給圧が第3目標過給圧と同等であり、第3工程が完了した(YES)と判定されれば、ステップS17に進む。   In step S16, the combustion switching control device 11 determines whether or not the third step has been completed. Specifically, the combustion switching control device 11 estimates the EGR rate and the supercharging pressure, or calculates based on the values acquired from the various sensors described above. A comparison is made between the 3 target EGR rate and the 3rd target boost pressure. As a result, if it is determined that the EGR rate is smaller than the third target EGR rate or the supercharging pressure is smaller than the third target supercharging pressure and the third step is not completed (NO), step The process of S15 is repeated. On the other hand, if it is determined that the EGR rate is equal to the third target EGR rate, the boost pressure is equal to the third target boost pressure, and the third step is completed (YES), the process proceeds to step S17. move on.

ステップS17では、燃焼切替制御装置11は、第4工程を開始する。第4工程では、吸気絞り弁26、ウエストゲートバルブ42及び排ガス還流量調整弁54に対して開度調整信号を送信することにより、EGR率及び過給圧を、ステップS11で取得された第4目標空燃比及び第4目標EGR率にまで増加する制御を行う。ステップS17において、ステップS14と同様にEGR率及び過給圧を補正してもよい。   In step S17, the combustion switching control device 11 starts the fourth step. In the fourth step, the EGR rate and the supercharging pressure are acquired in step S11 by transmitting an opening degree adjustment signal to the intake throttle valve 26, the wastegate valve 42, and the exhaust gas recirculation amount adjustment valve 54. Control to increase to the target air-fuel ratio and the fourth target EGR rate is performed. In step S17, the EGR rate and the supercharging pressure may be corrected similarly to step S14.

ステップS18では、燃焼切替制御装置11は、第4工程が完了したか否かを判定する。具体的には、燃焼切替制御装置11は、EGR率及び過給圧を推定し、または、上記の各種センサから取得された値に基づいて算出し、得られたEGR率及び過給圧と第4目標EGR率及び第4目標過給圧との比較を行う。その結果、EGR率が第4目標EGR率よりも小さいか、または、過給圧が第4目標過給圧よりも小さく、第2工程が完了していない(NO)と判定されれば、ステップS17の処理を繰り返す。他方、EGR率が第4目標EGR率と同等であり、且つ、過給圧が第4目標過給圧と同等であり、第4工程が完了した(YES)と判定されれば、燃焼切替制御の処理を終了し、引き続きエンジン12がリーン燃焼モードで運転されるよう制御する。   In step S18, the combustion switching control device 11 determines whether or not the fourth step has been completed. Specifically, the combustion switching control device 11 estimates the EGR rate and the supercharging pressure, or calculates based on the values acquired from the various sensors described above. A comparison is made between the 4 target EGR rate and the 4th target boost pressure. As a result, if it is determined that the EGR rate is smaller than the fourth target EGR rate, or the supercharging pressure is smaller than the fourth target supercharging pressure and the second step is not completed (NO), step The process of S17 is repeated. On the other hand, if it is determined that the EGR rate is equal to the fourth target EGR rate, the boost pressure is equal to the fourth target boost pressure, and the fourth step is completed (YES), the combustion switching control is performed. Then, the engine 12 is controlled so as to be operated in the lean combustion mode.

上述したように、本実施形態によっても、第1実施形態と対応する作用効果を奏することができる。すなわち、ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへの燃焼切替時において、吸気絞り弁26、ウエストゲートバルブ42及び排ガス還流量調整弁54によりEGR率及び過給圧を調整する制御を実行して、ストイキ燃焼条件を維持しながらEGR率を増加する第3工程と、第3工程の後、EGR率が第4目標EGR率になるように、空燃比をストイキ燃焼条件からリーン燃焼条件に切り替える第4工程とを行うことにより、燃焼モードを切り替える移行期間におけるエンジン出ガスのNOx濃度を低減することができ、ひいては、当該移行期間中のテイルパイプにおける積算NOx排出量を低減することができる。   As described above, the present embodiment can also provide the operational effects corresponding to the first embodiment. That is, when the combustion is switched from the stoichiometric combustion mode to the lean combustion mode, the control for adjusting the EGR rate and the supercharging pressure is executed by the intake throttle valve 26, the waste gate valve 42 and the exhaust gas recirculation amount adjusting valve 54, and the stoichiometric combustion is performed. A third step of increasing the EGR rate while maintaining the conditions, and a fourth step of switching the air-fuel ratio from the stoichiometric combustion condition to the lean combustion condition so that the EGR rate becomes the fourth target EGR rate after the third step, By performing the above, it is possible to reduce the NOx concentration of the engine exhaust gas during the transition period for switching the combustion mode, and consequently reduce the accumulated NOx emission amount in the tail pipe during the transition period.

なお、本発明に係る内燃機関システムは、上述した実施形態に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項及びその均等な範囲内において種々の変更や改良が可能である。   The internal combustion engine system according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and improvements can be made within the scope of matters described in the claims of the present application and the equivalent scope thereof. .

例えば、上記の説明では、過給装置としてターボチャージャ60を用いる例について説明したが、過給装置はこれに限定されるものではなく、ターボチャージャ60に代えてエンジン動力によって過給動作する機械式スーパーチャージャを用いてもよく、或いは、ターボチャージャ60による過給をアシストする電動圧縮機を用いてもよい。また、ターボチャージャ、機械式スーパーチャージャ及び電動圧縮機から選択される過給装置を複数段に設けてもよい。さらに、ターボチャージャ、機械式スーパーチャージャ、電動圧縮機に加えて、圧縮空気を貯留する蓄圧タンクを設け、蓄圧タンクから供給された圧縮空気を過給に用いてもよい。これらの過給装置による過給は、燃焼切替制御装置11からの指令を受けて行われる。   For example, in the above description, an example in which the turbocharger 60 is used as the supercharging device has been described. However, the supercharging device is not limited to this, and a mechanical type that performs supercharging operation by engine power instead of the turbocharger 60 is described. A supercharger may be used, or an electric compressor that assists supercharging by the turbocharger 60 may be used. Further, a supercharging device selected from a turbocharger, a mechanical supercharger, and an electric compressor may be provided in a plurality of stages. Furthermore, in addition to the turbocharger, the mechanical supercharger, and the electric compressor, a pressure accumulation tank for storing compressed air may be provided, and the compressed air supplied from the pressure accumulation tank may be used for supercharging. Supercharging by these supercharging devices is performed in response to a command from the combustion switching control device 11.

また、内燃機関システムのターボチャージャ60は、排ガス流速を可変する可変ノズルベーン付きタービンを有してもよい。可変ノズルベーンでタービンに当たる排ガス流速を可変とすることで、ターボチャージャ60による過給圧を調整できる。可変ノズルベーンの開度調整は、燃焼切替制御装置11からの指令を受けて行われる。この構成では、ターボチャージャ60において、可変ノズルベーンによって過給圧が規定値以上になるのを防止できるので、タービンバイパス流路36及びウエストゲートバルブ42を省略できる。なお、この構成では、可変ノズルベーンが、過給圧調整装置の一部を構成する。   Further, the turbocharger 60 of the internal combustion engine system may have a turbine with a variable nozzle vane that varies the exhaust gas flow velocity. By making the exhaust gas flow velocity hitting the turbine variable with the variable nozzle vanes, the supercharging pressure by the turbocharger 60 can be adjusted. The opening adjustment of the variable nozzle vane is performed in response to a command from the combustion switching control device 11. In this configuration, in the turbocharger 60, it is possible to prevent the supercharging pressure from exceeding a specified value due to the variable nozzle vane, and therefore the turbine bypass passage 36 and the wastegate valve 42 can be omitted. In this configuration, the variable nozzle vane forms a part of the supercharging pressure adjusting device.

さらにまた、上記第1及び第2実施形態において、NOx還元触媒がSCRの場合は、その上流側に還元剤(例えば、尿素)を添加する装置を排気系30に設けることが望ましい。   Furthermore, in the first and second embodiments, when the NOx reduction catalyst is SCR, it is desirable to provide the exhaust system 30 with a device for adding a reducing agent (for example, urea) upstream thereof.

10 内燃機関システム、11 燃焼切替制御装置(燃焼切替制御部)、12 エンジン、14 シリンダ、16 燃料噴射装置、18 噴射制御装置(噴射制御部)、20 回転数センサ(回転数取得手段)、21 吸気系、22 第1吸気通路、24 第2吸気通路、26 吸気絞り弁(空気量調整装置)、30 排気系、32 第1排気通路、34 第2排気通路、36 タービンバイパス流路(過給圧調整装置)、38 三元触媒、40 NOx還元触媒、41 温度センサ、42 ウエストゲートバルブ(過給圧調整装置)、50 排気還流装置、52 排気還流通路、54 排ガス還流量調整弁(排気還流量調整装置)、60 ターボチャージャ(過給装置)、62 コンプレッサ室、63 コンプレッサホイール、64 タービン室、65 タービン、66 シャフト、A 吸気方向、E 排ガス排出方向。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Internal combustion engine system, 11 Combustion switching control apparatus (combustion switching control part), 12 Engine, 14 Cylinder, 16 Fuel injection apparatus, 18 Injection control apparatus (injection control part), 20 Speed sensor (rotation speed acquisition means), 21 Intake system, 22 First intake passage, 24 Second intake passage, 26 Intake throttle valve (air amount adjusting device), 30 Exhaust system, 32 First exhaust passage, 34 Second exhaust passage, 36 Turbine bypass passage (supercharging Pressure regulator), 38 Three-way catalyst, 40 NOx reduction catalyst, 41 Temperature sensor, 42 Wastegate valve (supercharging pressure regulator), 50 Exhaust gas recirculation device, 52 Exhaust gas recirculation passage, 54 Exhaust gas recirculation amount adjustment valve (Exhaust gas return) Flow control device), 60 turbocharger (supercharger), 62 compressor chamber, 63 compressor wheel, 64 turbine chamber, 65 tar Down, 66 shaft, A suction direction, E the exhaust gas discharge direction.

Claims (11)

エンジンと、
前記エンジンから排気された排ガスを浄化する三元触媒及びNOx還元触媒と、
前記NOx還元触媒の温度を取得する温度取得手段と、
前記エンジンの回転数を取得する回転数取得手段と、
前記エンジンにおける燃料噴射量を制御する噴射制御部と、
前記エンジンの排ガスの一部を再循環する排気還流装置と、
前記エンジンに再循環させる排ガス量を調整する排気還流量調整装置と、
前記エンジンに吸気される空気を過給する過給装置と、
前記過給装置による過給圧を調整する過給圧調整装置と、
吸気される空気量を調整する空気量調整装置と、
前記温度取得手段によって取得されたNOx還元触媒温度、前記回転数取得手段によって取得されたエンジン回転数、及び、前記噴射制御部から取得された燃料噴射量に基づいて、前記エンジンの燃焼モードをリーン燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で切り替える燃焼切替制御部と、
を備え、
前記燃焼切替制御部は、リーン燃焼モードからストイキ燃焼モードへ切り替える移行期間において、前記排気還流量調整装置、前記過給圧調整装置及び前記空気量調整装置を制御することにより、
排ガス再循環率が所定の第1目標値になるように、空燃比をリーン燃焼条件からストイキ燃焼条件に切り替える空燃比切替工程と、
前記空燃比切替工程の後、ストイキ燃焼条件を維持しながら、排ガス再循環率を前記第1目標値から所定の第2目標値にまで低減する排ガス再循環率切替工程と、を行う、
内燃機関システム。
Engine,
A three-way catalyst for purifying exhaust gas exhausted from the engine and a NOx reduction catalyst;
Temperature acquisition means for acquiring the temperature of the NOx reduction catalyst;
A rotational speed acquisition means for acquiring the rotational speed of the engine;
An injection control unit for controlling a fuel injection amount in the engine;
An exhaust gas recirculation device for recirculating part of the exhaust gas of the engine;
An exhaust gas recirculation amount adjusting device for adjusting the amount of exhaust gas recirculated to the engine;
A supercharging device for supercharging air sucked into the engine;
A supercharging pressure adjusting device for adjusting a supercharging pressure by the supercharging device;
An air amount adjusting device for adjusting the amount of air taken in, and
Based on the NOx reduction catalyst temperature acquired by the temperature acquisition means, the engine rotation speed acquired by the rotation speed acquisition means, and the fuel injection amount acquired from the injection control unit, the combustion mode of the engine is leaned. A combustion switching control unit that switches between the combustion mode and the stoichiometric combustion mode;
With
The combustion switching control unit controls the exhaust gas recirculation amount adjusting device, the supercharging pressure adjusting device, and the air amount adjusting device in a transition period for switching from the lean combustion mode to the stoichiometric combustion mode,
An air-fuel ratio switching step of switching the air-fuel ratio from the lean combustion condition to the stoichiometric combustion condition so that the exhaust gas recirculation rate becomes a predetermined first target value;
An exhaust gas recirculation rate switching step for reducing the exhaust gas recirculation rate from the first target value to a predetermined second target value while maintaining stoichiometric combustion conditions after the air-fuel ratio switching step;
Internal combustion engine system.
前記空燃比切替工程の終了時の吸気酸素濃度が前記空燃比切替工程の開始時の吸気酸素濃度を超えないように、前記排ガス再循環率の前記第1目標値が設定される、請求項1に記載の内燃機関システム。   The first target value of the exhaust gas recirculation rate is set so that the intake oxygen concentration at the end of the air-fuel ratio switching step does not exceed the intake oxygen concentration at the start of the air-fuel ratio switch step. An internal combustion engine system according to claim 1. 前記排ガス再循環率の前記第2目標値が0%である、請求項1または2に記載の内燃機関システム。   The internal combustion engine system according to claim 1 or 2, wherein the second target value of the exhaust gas recirculation rate is 0%. 前記燃焼切替制御部は、温度センサにより取得される前記NOx還元触媒の触媒温度が所定値以上であるとき、前記排ガス再循環率の前記第2目標値を0%を超える値に設定する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の内燃機関システム。   The combustion switching control unit sets the second target value of the exhaust gas recirculation rate to a value exceeding 0% when a catalyst temperature of the NOx reduction catalyst acquired by a temperature sensor is equal to or higher than a predetermined value. Item 4. The internal combustion engine system according to any one of Items 1 to 3. エンジンと、
前記エンジンから排気された排ガスを浄化する三元触媒及びNOx還元触媒と、
前記NOx還元触媒の温度を取得する温度取得手段と、
前記エンジンの回転数を取得する回転数取得手段と、
前記エンジンにおける燃料噴射量を制御する噴射制御部と、
前記エンジンの排ガスの一部を再循環する排気還流装置と、
前記エンジンに再循環させる排ガス量を調整する排気還流量調整装置と、
前記エンジンに吸気される空気を過給する過給装置と、
前記過給装置による過給圧を調整する過給圧調整装置と、
吸気される空気量を調整する空気量調整装置と、
前記温度取得手段によって取得されたNOx還元触媒温度、前記回転数取得手段によって取得されたエンジン回転数、及び、前記噴射制御部から取得された燃料噴射量に基づいて、前記エンジンの燃焼モードをリーン燃焼モードとストイキ燃焼モードとの間で切り替える燃焼切替制御部と、
を備え、
前記燃焼切替制御部は、ストイキ燃焼モードからリーン燃焼モードへ切り替える燃焼切替時において、前記排気還流量調整装置、前記過給圧調整装置及び前記空気量調整装置を制御して、
ストイキ燃焼条件を維持しながら、排ガス再循環率を所定の第1目標値にまで増加する排ガス再循環率切替工程と、
前記排ガス再循環率切替工程の後、排ガス再循環率を前記第1目標値から所定の第2目標値にまで増加するとともに、空燃比をリーン燃焼条件からストイキ燃焼条件に切り替える空燃比切替工程と、を行う、
内燃機関システム。
Engine,
A three-way catalyst for purifying exhaust gas exhausted from the engine and a NOx reduction catalyst;
Temperature acquisition means for acquiring the temperature of the NOx reduction catalyst;
A rotational speed acquisition means for acquiring the rotational speed of the engine;
An injection control unit for controlling a fuel injection amount in the engine;
An exhaust gas recirculation device for recirculating part of the exhaust gas of the engine;
An exhaust gas recirculation amount adjusting device for adjusting the amount of exhaust gas recirculated to the engine;
A supercharging device for supercharging air sucked into the engine;
A supercharging pressure adjusting device for adjusting a supercharging pressure by the supercharging device;
An air amount adjusting device for adjusting the amount of air taken in, and
Based on the NOx reduction catalyst temperature acquired by the temperature acquisition means, the engine rotation speed acquired by the rotation speed acquisition means, and the fuel injection amount acquired from the injection control unit, the combustion mode of the engine is leaned. A combustion switching control unit that switches between the combustion mode and the stoichiometric combustion mode;
With
The combustion switching control unit controls the exhaust gas recirculation amount adjusting device, the supercharging pressure adjusting device, and the air amount adjusting device at the time of combustion switching to switch from the stoichiometric combustion mode to the lean combustion mode,
An exhaust gas recirculation rate switching step for increasing the exhaust gas recirculation rate to a predetermined first target value while maintaining stoichiometric combustion conditions;
After the exhaust gas recirculation rate switching step, the exhaust gas recirculation rate is increased from the first target value to a predetermined second target value, and the air fuel ratio is switched from the lean combustion condition to the stoichiometric combustion condition; ,I do,
Internal combustion engine system.
前記空燃比切替工程の開始時の吸気酸素濃度が前記空燃比切替工程の終了時の吸気酸素濃度を超えないように、前記排ガス再循環率の前記第1目標値が設定される、請求項5に記載の内燃機関システム。   The first target value of the exhaust gas recirculation rate is set so that the intake oxygen concentration at the start of the air-fuel ratio switching step does not exceed the intake oxygen concentration at the end of the air-fuel ratio switch step. An internal combustion engine system according to claim 1. 前記過給装置は、ターボチャージャ、機械式スーパーチャージャ及び電動圧縮機の少なくとも1つで構成される、請求項1〜6のいずれか一項に記載の内燃機関システム。   The internal combustion engine system according to any one of claims 1 to 6, wherein the supercharging device includes at least one of a turbocharger, a mechanical supercharger, and an electric compressor. 前記排気還流量調整装置は、前記エンジンの吸気通路及び排気通路と接続する排気還流通路に設置された排ガス還流量調整弁である、請求項1〜7のいずれか一項に記載の内燃機関システム。   The internal combustion engine system according to any one of claims 1 to 7, wherein the exhaust gas recirculation amount adjusting device is an exhaust gas recirculation amount adjusting valve installed in an exhaust gas recirculation passage connected to an intake passage and an exhaust passage of the engine. . 前記過給圧調整装置は、前記エンジンの排気通路に設けたタービンバイパス流路及びウエストゲートバルブである、請求項1〜8のいずれか一項に記載の内燃機関システム。   The internal combustion engine system according to any one of claims 1 to 8, wherein the supercharging pressure adjusting device is a turbine bypass passage and a wastegate valve provided in an exhaust passage of the engine. 前記空気量調整装置は、前記エンジンの吸気通路に設けた吸気絞り弁である、請求項1〜9のいずれか一項に記載の内燃機関システム。   The internal combustion engine system according to any one of claims 1 to 9, wherein the air amount adjusting device is an intake throttle valve provided in an intake passage of the engine. 前記NOx還元触媒は、選択還元型触媒(SCR)及び/または吸蔵還元型触媒(NSR)である、請求項1〜10のいずれか一項に記載の内燃機関システム。   The internal combustion engine system according to any one of claims 1 to 10, wherein the NOx reduction catalyst is a selective reduction catalyst (SCR) and / or an occlusion reduction catalyst (NSR).
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