JP2007239743A - 可変容量型圧縮着火エンジンの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンオイルの希釈を抑制しつつ、パティキュレート・フィルタ再生のために排気後処理システム内の発熱反応を促進する、エンジンの制御方法を提供する。
【解決手段】パティキュレート・フィルタを再生するためにエンジンの排気後処理システム内の発熱反応を促進するための可変容量型圧縮着火エンジンの制御方法を開示する。方法は、休止気筒の少なくとも一つに燃料を噴射すると同時に、その気筒の燃焼室内の最大圧力を低下させて、噴射された燃料の着火を抑制すべく、気筒のバルブ（12、14）の少なくとも一つの作動タイミングを変更する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ディーゼルエンジンのような圧縮着火エンジンの制御方法に関し、具体的には、パティキュレート・フィルタを再生すべく、エンジンの排気後処理システム内の発熱反応を促進するための制御方法に関連する。

燃料消費や排気エミッションを低減するために、個別の気筒の作動を休止することが可能なエンジンは知られている。気筒を休止（不作動と）するためには、その気筒に対する燃料の供給を停止し、そして、吸気バルブ及び排気バルブの作動を停止させる。そうすると、気筒は、その内部に閉じ込められた空気に対してエネルギーを蓄積及び放出するバネのように機能する。そのようなエンジンは、個々の気筒を休止できるので、可変容量型エンジン（variable displacement engine: VDE）として知られている。

本発明は、特に、ディーゼルエンジンに代表される圧縮着火エンジンに関連する。ディーゼルエンジンは、排気ガス中の微粒子（soot等）を捕捉（トラップ）するパティキュレート・フィルタのような排出物制御装置を利用する。これらのフィルタは、周期的なクリーニング或いは再生を必要とする。

パティキュレート・フィルタを再生するために、排気ガス中の炭化水素（hydrocarbon: HC）の量を増加すべく燃焼後のディーゼルエンジンの気筒内に燃料を噴射することが、現在行なわれている。これは、排気後処理システム内の発熱反応を促進し、パティキュレート・フィルタの再生に役立つ。

現行方式の主要な欠点は、燃焼後に噴射される燃料の一部がシリンダー・ボアに付着してエンジン・オイルに混入し、オイル希釈をもたらすことである。オイル内に混入する燃料が過剰になると、深刻なエンジン磨耗が生じる可能性がある。

このことは、シリンダー壁面に向かって直接的に噴霧される燃料の衝突に関連すると考えられている。この衝突は、燃焼後、ピストンが或る程度気筒の下方に移動した後に燃料を噴射することによって引き起こされる。そのように噴射された燃料は、ピストン頂部の上方に噴霧されて、シリンダー壁面に直接的に衝突する。

上述の如き不具合を抑えることを目的として、本発明は、パティキュレート・フィルタを再生すべくエンジンの排気後処理システム内の発熱反応を促進するための、可変容量型圧縮着火式エンジンの制御方法において、まず、着火が起こらないようにすべく気筒の動的な圧縮比を低下させ、それによって休止させた気筒内に燃料を噴射する工程を備えており、その動的な圧縮比を、ガス交換バルブの少なくとも一つの開タイミング及び/又は閉タイミングを変えることによって、低下させるものである。

尚、気筒の動的な圧縮比というのは、幾何学的に決まる気筒の静的な圧縮比とは異なり、ガスの充填効率も考慮して、実際に気筒内で圧縮される作動ガスの体積によって決まるものである。

本発明では、休止する気筒にも燃料を噴射するので、着火が起こらないよう気筒内圧のピーク値を低下させる目的で、バルブ・タイミングが変更され得る。気筒内圧を低減することは、燃料の自着火に必要とされる温度に到達しないことを意味し、燃料を上死点及びその近傍で噴射することを可能とする。ディーゼルエンジンのような圧縮着火式エンジンは、しばしば、ピストン頭頂部に椀部を備えて設計されるので、もしも燃料噴射が上死点及びその近傍において行われれば、燃料は椀部内のみに吹きつけられ、シリンダー壁面を濡らさない。

気筒内に噴射された燃料が自着火することを防ぐべく、気筒内を所定圧以下に保つためには、該気筒内に充填される空気の質量を低下させる必要がある。従来より、ディーゼルエンジンにおいては、気筒内への吸気充填量を増大すべく、吸気を絞らず、或いはターボ過給を用いて作動するものがあるが、本発明においては、充填される吸気の質量を低下させるためにバルブ・タイミングを調整し、気筒内に吸入される空気を少なくしたり、或いは一旦、吸入された空気を気筒から放出するようにしている。

吸入される空気を少なくするのは、ピストンが気筒の下方に（上死点TDCから下死点BDCに向かって）移動している間に吸気バルブを閉じることによって達成され得る。また、気筒内から空気を放出することは、ピストンが気筒内を上方に移動しているときに、吸気バルブ乃至排気バルブを開くことによって達成され得る（燃料を含む空気を吸気マニフォールドに戻すのが望ましくない場合もあるが）。

好ましい実施形態では、休止している気筒を通過させて排気系の後処理システムに燃料を送り出すことに加えて、その休止気筒を通過する空気の流量（体積）を調整すべく、吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方のバルブ・タイミングを調整するのがよい。

このとき気筒は作動しておらず、そこを通過した未燃燃料が排気後処理システムに供給されると、そこにおいて発熱反応が促進され、パティキュレート・フィルタ内に補足されている微粒子（soot等）が消散する。そうして不作動となっている気筒は、燃料を燃焼させず、未燃燃料を排気後処理システムに供給するポンプとして動いているだけなので、「膨張行程」及び「圧縮行程」という呼び方は、意図的に避けておく。

燃料は、クランク軸の回転毎に気筒内に噴射してもよく、所望の行程において噴射する場合もある。これは、ディーゼルエンジンが２ストローク・エンジンか４ストローク・エンジンかどうかには関係ない。

個々の気筒の磨耗を低減するため、及び、気筒の再始動性及び燃料霧化の両方を向上することを目的として気筒温度を維持するために、エンジンの異なる気筒をランダムに或いは周期的に選んで休止させることが好ましい。

本発明に係る可変容量形圧縮着火エンジンの制御方法によると、休止気筒の吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一つの開タイミング及び/又は閉タイミング制御して、混合気の自着火が起こらないよう気筒の動的な圧縮比を低下させ、この気筒内に噴射した燃料を未燃焼のまま排気後処理システムに供給するようにしたので、燃料のシリンダー壁面への付着に起因するオイル希釈を抑制しつつ、パティキュレート・フィルタ再生のための排気後処理システム内の発熱反応を促進できる。

可変容量エンジンとして作動するために、エンジンは、少なくとも一つの気筒の吸気バルブ及び排気バルブのタイミングが、他のバルブと独立して制御可能な可変バルブ作動システムを必要とする。本発明は、休止させた気筒を通過させて、燃料を自着火することなく、排気後処理システムへ送り出せるような可変バルブ作動システムを使用する。気筒内で混合気の自着火を引き起こすのは圧縮による熱であるから、圧縮される空気の質量を減らして気筒内を所定圧以下に維持することで、燃料の自着火を阻止できる。

パティキュレート・フィルタの再生は、エンジンの運転中に一つ以上の気筒が休止しているときにのみ、行われる。最初に行われる判定は、気筒が作動継続を可能とされているかどうかである（図１のフローチャートの最初のステップに対応する）。これは、現在のエンジン負荷及び回転速度状態に基づいて、エンジン電子制御ユニット（engine electronic control unit: ECU）によって決定される。

気筒が作動中であれば、エンジンの制御は、パティキュレート・フィルタの状態に関係なく、図１のフローチャートの左側の制御フローに従う。この場合には、燃料の完全燃焼と排気ガス中の通常のHC濃度とをもたらす、基準バルブ・タイミング及び基準噴射タイミングが採用される。一方気筒が休止していて、そしてパティキュレート・フィルタの再生が必要ならば、エンジンの制御は、図１のフローチャートの右側の制御フローに従う。つまり、気筒内圧力を、噴射された燃料が自着火しないレベルまで低下させるべく、バルブ・タイミングが変更される。もし必要であれば、燃料噴射タイミングも修正され、噴射された燃料が気筒内で燃えずに排気系に進み、排気ガスが、発熱反応を生成すべく過剰燃料を燃焼するための高いHC含有量と空気とを含むようになる。

図２及び図３は、ECUがエンジン、バルブ及び燃料噴射弁を所望の効果を達成すべく制御する方法を詳細に示す。図２のA〜E及び、図３のA〜Gの図は全て、同じ気筒の異なるクランク角における状態を示す。これは、休止（不作動と）され、エンジンの動力出力に寄与しない気筒である。この気筒に対し燃料及び空気を導入する目的は、未燃燃料及び空気中の酸素を排気系のパティキュレート・フィルタに送り出すことにある。

図２は、クランク軸（不図示）の回転毎に気筒20内に燃料を噴射する作動モードを示し、図３には、燃料をクランク軸の一回転おきに噴射するモードを示す。

図２のAにおいてピストン16は上死点にある。吸気バルブ12及び排気バルブ14は、ピストン頭頂部との衝突を避けるように閉じられている。この時点において、燃料が噴射弁10によってピストン椀部18内に噴射される。上死点において燃料を噴射することにより、気筒の壁面に衝突する燃料が実質的に存在しなくなる。

図２のBにおいて、ピストン16は下方への移動を開始する。尚、「下方」という言葉は、TDCからBDCへ向かうことを意味する。ピストンとの接触を回避し得る範囲で出来る限り早く吸気バルブ12が開かれ、空気が気筒内に吸入される。吸気ポートの形状は、気筒内に入る空気が渦流（スワール）を生成するように設計されている。これは、図２のAに示すピストン椀部18内に噴射されて霧化された燃料を、気流の流れに乗せて運ぶのに役立つ。

図２のCにおいて、ピストンは下死点に達し、気筒内の燃焼室は渦流空気と燃料との混合気で満たされている。図示されている作動モードにおいては、気筒内に最大限の空気を充填するのは望ましくないので、ピストンがBDCに達するときまで、吸気バルブは完全には閉じられず、また、排気バルブは開くようにされる。

その後、ピストン16は、図２のDに示すように上方への移動を開始し、気筒内で旋回流となっている混合気を排気系に押し出す。混合気は、他の作動気筒からの熱い排気ガスを伴っている排気ガス流の中に押し出されることになる。

排気バルブ14は、出来るだけ多くの混合気を気筒から排出することを可能とすべく、出来るだけ遅くまで開いたままとされるが、最終的には、ピストン16との衝突を避けるために閉じられる。

ピストンは、両バルブ12，14が閉じられた状態で、さらに上死点に向かって移動を続ける。気筒外に押し出されるのに十分な時間がなかった残留混合気が、幾らか圧縮されることになるが、この圧縮によって生成される圧力及び発熱は、その混合気を着火させるのに十分ではない。

最後に、図２のAと同様の同図Fにおいてサイクルが再開し、そして、ピストンが上死点に達したときに、燃料がピストン椀部18の中に噴射される。

次に、図３のA〜Gは、クランク軸の回転の一つおきに燃料を噴射する方法を示す。この作動モードは、燃料及び空気をパティキュレート・フィルタに供給するという効果の点では、上述したモードよりも効果が小さい。

図３のAにおいて、燃料は、図２のAと同じように気筒内に上死点近傍にて噴射される。図３のBでは、図２のBと同様に、吸気バルブ12が図３のCにおけるBDCに達するまで、気筒内に空気を取り込むべく開かれる。しかしながら、この実施形態において気筒がBDCに達したときには、両バルブ12，14は閉じられている。

図３のC、D及びEの間、クランク軸が一回転するが、この間、吸気バルブ12及び排気バルブ14は閉じられたままである。ピストンがTDCへ動くとき気筒内のガスは圧縮されるが、ピストンがTDCに達しても燃料は噴射されない。この期間中において気筒内のガスは、エネルギーを蓄えるためのバネとして振る舞い、そしてこのエネルギーは、ピストンが図３のEに示すBDC位置に戻るまでの間に、クランク軸へ戻される。その結果、このクランク軸の一回転の間に、気筒は最小限の正味仕事を行うことになる。

次の段階において、図３のFに示すように、ピストンは、気筒内に充填されている燃料及び空気を排気後処理システムに向けて放出すべく、再び上昇する。これは図２のDに示す作動と似ている。この行程の終盤に排気バルブが閉じられ、図３のAと同じである同図Gの位置に戻り、そして新たなサイクルが開始する。

図３のCからDへの移行に対応するピストン・ストロークにおいては、気筒内に空気及び燃料の混合気が存在するのでこの、混合気が自着火することがないよう、TDCにおける気筒内圧力を所定以下に確実に維持することが重要である。これは、図３の実施形態において、吸気バルブの開タイミングを遅らせるか、或いはピストンがBDCに到達する前に吸気バルブを閉じて、気筒内に空気が入る時間を短縮することによって、達成される。これの代替例は、図３のCからDへピストンが移動するとき、ピストンの最初の上方へのストローク（図３のD）によって気筒内の吸気の一部が排出され、残りが二番目の上方ストロークにおいて排出されるように、排気バルブを開くことであろう。

公知のVDE技術に沿って、休止気筒は、エンジンの全ての利用可能な気筒の間で交替するのが望ましい。これは、全気筒にわたって磨耗状態を略均一にすることができる。同じ気筒の休止が長引いて温度低下をもたらすときに、この気筒の作動を再開することもまた、有益である。温度低下は、気筒が再起動した後、通常の作動温度になるまでの間、エミッション特性の悪化や騒音等、望ましくない影響を生じるからである。

どの気筒を休止すべきか選択できるようにするため、全ての気筒に可変バルブ駆動システムを備えることが望ましい。それにより、いずれの気筒も本発明の方法に従った機能を備えることが可能となる。

本発明の実施形態に係る電子制御ユニットの制御方法を示すフローチャートである。 クランク軸の回転毎に燃料を噴射する作動モードの説明図である。 クランク軸の２回転毎に燃料を噴射する作動モードの説明図である。

符号の説明

10. 燃料噴射弁
12. 吸気バルブ
14. 排気バルブ
16. ピストン
18. ピストン椀部

Claims (8)

1. 排気後処理システムにおける発熱反応を促進して、パティキュレート・フィルタを再生するようにした可変容量型圧縮着火エンジンの制御方法であって、
   着火を抑制すべく上記エンジンの気筒の動的な圧縮比を低下させて、該気筒を不作動としながら、該気筒内に燃料を噴射する工程を備え、
   上記気筒のガス交換を行うバルブの少なくとも一つの開タイミング及び/又は閉タイミングを変更することによって、当該気筒の動的な圧縮比を低下させる、ことを特徴とする制御方法。
2. 上記燃料噴射のタイミングを、上記気筒内においてピストンが上死点或いはその近傍に位置するときに設定する、請求項１に記載の制御方法。
3. 上記エンジンが上記ガス交換バルブとしての吸気バルブを備えており、
   該吸気バルブの開タイミング及び/又は閉タイミングを、上記気筒内に導入されるガスの質量が減少するように修正することによって、該気筒内の最大圧力を低下させる、
   請求項１又は２のいずれかに記載の制御方法。
4. 上記エンジンが、上記ガス交換バルブとして吸気バルブ及び排気バルブを備えており、
   上記気筒内に一旦、導入されたガスの一部がその圧縮に先立って放出されるように、上記吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方の開タイミング及び/又は閉タイミングを修正することによって、該気筒内の最大圧力を低下させる、
   請求項１又は２のいずれかに記載の制御方法。
5. 上記エンジンのクランク軸の一回転毎に上記気筒内に燃料を噴射して、その後、該気筒から上記排気後処理システムに向けて排出させる、請求項１乃至４のいずれか一つに記載の制御方法。
6. 上記エンジンのクランク軸の複数回転毎に一回、上記気筒内に燃料を噴射して、その後、該気筒から上記排気後処理システムに向けて排出させる、請求項１乃至４のいずれか一つに記載の制御方法。
7. 上記エンジンに複数の気筒が備えられ、それらをランダムに或いは順番に不作動気筒として選択する、請求項１乃至６のいずれか一つに記載の制御方法。
8. 上記エンジンが、上記ガス交換バルブとして吸気バルブ及び排気バルブを備えており、
   上記不作動気筒を通過するガスの体積を調整するために、上記吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方を制御する、
   請求項１又は２のいずれかに記載の制御方法。

Images