JP2010285981A - ディーゼルエンジンの連続可変バルブリフトアクチュエーター制御装置及び方法 - Google Patents

ディーゼルエンジンの連続可変バルブリフトアクチュエーター制御装置及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ディーゼルエンジンにおいて、排気ガスを制御して排気ガスの清浄化及びエンジン性能の向上ができる連続可変バルブリフトアクチュエーター、およびその制御方法を提供する。
【解決手段】連続可変バルブリフトアクチュエーターは、運転情報検出部と、排気ガス温度測定部と、排気ガス中に含まれているＮＯｘ濃度測定部と、燃焼室の燃焼圧を測定する燃焼圧測定部と、吸／排気バルブの位置及び開閉タイミングを連続可変制御する制御部と、制御部の制御によって吸／排気バルブを作動させるアクチュエーターと、を有して構成される。制御方法は、運転者の運転意図と燃焼状況を認識する過程と、吸／排気バルブの目標位置及び開閉タイミングを決定する過程と、吸／排気バルブの位置及び開閉タイミングを制御する過程と、燃焼圧によって燃料量を補正する過程とでなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの連続可変バルブリフトアクチュエーター制御装置及び方法に係り、より詳細には、排気ガスを清浄にし、ディーゼルエンジン性能を向上させるディーゼルエンジンの連続可変バルブリフトアクチュエーター制御装置及び方法に関する。
一般に、内燃機関は、燃焼室で燃料及び空気の混合気を燃焼させることによって動力を発生させる。クランク軸と連結されたタイミングベルトによってカム軸が駆動され、吸／排気バルブ（ｉｎｔａｋｅ／ｅｘｈａｕｓｔ ｖａｌｖｅ）が作動して、吸気バルブの開タイミングで燃焼室に空気の吸入が行われ、排気バルブの開タイミングに燃焼室で燃焼したガスの排出が行われる。このような吸／排気バルブの動作は、エンジンの回転速度に応じてリフト及び開閉タイミングが適切に調節されて最適なエンジン性能が発揮される。
このような吸／排気バルブの開閉タイミングや作動するリフト量を可変とする可変バルブリフト装置について、例えば、低リフトカムと高リフトカムを切り替えることで吸気バルブのリフト量を２段階に変更できる可変バルブリフト装置〔特許文献１参照〕、吸気バルブや排気バルブのリフト量を連続的に変更してエンジンの燃焼安定性、排ガス性能および燃費を向上させ、エンジン出力の低下、エンジン全開性能の低下を抑制する連続可変バルブリフト装置〔特許文献２、特許文献３参照〕、出力カムの回転中心位置の変更によってバルブリフトのリフト量とバルブの開閉タイミングを変える可変バルブリフト装置〔特許文献４参照〕、コンパクトな形体にしてシリンダー内での占有空間を減らせる連続可変バルブリフト装置〔特許文献５参照〕などの提案がある。
可変バルブリフト装置には、吸／排気バルブを開閉するドライブシャフト以外に、バルブリフトを制御するためのアクチュエーター、及びアクチュエーターの制御によってドライブシャフトと連動してバルブリフトを調節するコントロールシャフトなどがさらに設けられた構成となっている。
ガソリンエンジンでは、スロットルバルブの制御によって排気ガスの制御、燃焼の制御、及び燃費の向上を図る技術が提示されているが、ディーゼルエンジンでは、可変バルブ装置の制御によって燃焼性能の向上を図り、排気ガスの清浄化を行うという基本的な方法はない。
特開２００４−２９３４８３号公報 特開２００６−３２９１３０号公報 特開２００６−３２９１３１号公報 特開２００９−１７４５１８号公報 特開２００７−１３８９１０号公報
本発明の目的は、ディーゼルエンジンにおいて、排気ガスを制御してエンジン性能を向上させるとともに、排気ガスの清浄化を行うことができる連続可変バルブリフトアクチュエーター（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｖａｒｉａｂｌｅ ｖａｌｖｅ ｌｉｆｔ ａｃｔｕａｔｏｒ；以降「ＣＶＶＡ」と記す）を提供することにある。
上記目的を達成すべくなされた本発明は、ディーゼルエンジンのＣＶＶＡであり、ａ）車両の運転状況に関する運転情報を検出する運転情報検出部と、ｂ）排気ガスの温度を測定する排気ガス温度測定部と、ｃ）排気ガス中に含まれているＮＯｘの濃度を測定するＮＯｘ濃度測定部と、ｄ）燃焼室の燃焼圧を測定する燃焼圧測定部と、ｅ）吸／排気バルブの位置を検出する吸／排気バルブ位置検出部と、ｆ）運転情報から運転者の運転意図を認識し、排気ガスの温度及びＮＯｘの量によってエンジンの燃焼状況を認識した後、設定された行程表に適用して、運転意図及び燃焼状況に応じた吸／排気バルブの目標位置及び開閉タイミングを決定して、吸／排気バルブの位置及び開閉タイミングを連続可変制御する制御部と、ｇ）制御部の制御によって吸／排気バルブを作動させるアクチュエーターと、を有している。
本発明のディーゼルエンジンのＣＶＶＡの制御方法は、ａ）車両の運転状況に関する運転情報を検出し、排気ガスの温度を測定し、排気ガスに含まれているＮＯｘの濃度を測定して、運転者の運転意図と燃焼状況を認識する過程と、ｂ）運転意図とエンジンの燃焼状況を、予め設定された行程表に適用して、吸／排気バルブの目標位置及び開閉タイミングを決定する過程と、ｃ）アクチュエーターを作動させて、吸／排気バルブの位置及び開閉タイミングを制御する過程と、ｄ）燃焼圧を測定して、前記燃焼圧によって燃料量を補正する過程と、を有している。
本発明によるディーゼルエンジンのＣＶＶＡは、排気ガスを清浄化し、ディーゼルエンジン性能を向上させることができる。
本発明によるディーゼルエンジンのＣＶＶＡ制御装置が適用されるディーゼルエンジンの概略図である。 本発明のＣＶＶＡ制御装置を概略的に示したブロック図である。 本発明のＣＶＶＡ制御の手順を示したフローチャートである。 本発明のＣＶＶＡ制御による吸／排気バルブの制御位置を示した図面である。
本発明を、添付した図面を参照しつつ詳細に説明する。以下に示す実施の形態は、本発明を説明するための例であって、以下の形態以外にも多様な実施の形態が可能であり、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。図面では、本発明を説明する部分を主に描き、説明に不要な部分は省略してある。
図１は、本発明のＣＶＶＡ制御装置が適用されるディーゼルエンジンの概略図であり、エンジン２００、排気パイプ２５０、ターボチャージャー（Ｔ／Ｃ）２１０、ウォームアップ触媒コンバーター（Ｗａｒｍ−ｕｐ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ＷＣＣ）２２０、ディーゼル微粒子除去フィルター（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ；ＤＰＦ）２３０、還元剤噴射ノズル２６０、選択的還元触媒（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ＳＣＲ）２４０を主要構成要素としている。
エンジン２００は、燃料と空気が混合された混合気を燃焼させて機械的エネルギーを発生させる。すなわち、エンジン２００における燃焼室２０６には、吸気マニホールド２０２から空気が導入され、他方インジェクター２０８から燃料が噴射されて、燃焼室２０６において燃料が燃焼され、燃焼過程で発生した排気ガスを排気マニホールド２０４に集めて車両の外部に排出する。
排気パイプ２５０は、排気マニホールド２０４に連結されて、燃焼室２０６からの排気ガスの通路となり、ターボチャージャー２１０、ウォームアップ触媒コンバーター２２０、ディーゼル微粒子除去フィルター２３０、還元剤噴射ノズル２６０、選択的還元触媒２４０が順に装着され、最終的に車両の外に排出する。
ターボチャージャー２１０は、排気ガスのエネルギーを利用してタービン（図示していない）を回転させ、空気の吸入量を増加させる。
ウォームアップ触媒コンバーター２２０は、ターボチャージャー２１０の後端に接続され、排気ガスに含まれている炭化水素及び一酸化炭素（ＣＯ）を酸化して二酸化炭素（ＣＯ２）にしている。
ディーゼル微粒子除去フィルター２３０は、ウォームアップ触媒コンバーター２２０の後端に接続されて、排気ガスに含まれている粒子状物を捕集する。
還元剤噴射ノズル２６０は、ディーゼル微粒子除去フィルター２３０の後で選択的還元触媒２４０の前に装着されて、排気ガスに還元剤を噴射する。還元剤としては尿素が主に使用される。
選択的還元触媒２４０は、還元剤噴射ノズル２６０から噴射された還元剤を利用して排気ガス内の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元して窒素（Ｎ２）にしている。
排気パイプ２５０上には、車両の運転状態を検出するための複数のセンサー２１、２２、２３、２４、３１、３２が装着されているが、これについては後述する。
本発明のディーゼルエンジンのＣＶＶＡ制御装置を、概略ブロック図を図２に示す。
本発明によるディーゼルエンジンのＣＶＶＡ制御装置は、運転情報検出部１０、排気ガス温度測定部２０、ＮＯｘ濃度測定部３０、燃焼圧測定部４０、吸／排気バルブ位置検出部５０、制御部６０、及びアクチュエーター７０を含む構成である。
運転情報検出部１０は、ディーゼル車両（以降、単に「車両」と記す）の走行中の運転状況に関する情報、例えば車速、エンジン回転速度、アクセルペダル位置を検出して、その情報を制御部６０に送る。このため、運転情報検出部１０は、変速機の出力軸の回転数を測定して現在の車速を認識する車速センサー１１、クランク軸の回転速度を測定してエンジン回転速度を認識するエンジン回転速度センサー１２、運転者が作動させるアクセルペダルの位置を認識するアクセルペダル位置センサー１３でなっている。
排気ガス温度測定部２０は、排気パイプ２５０上の設定された位置で排気ガスの温度を測定して、その情報を制御部６０に送る。このため、排気ガス温度測定部２０は、ターボチャージャー２１０を通過する排気ガスの温度を測定する第１温度センサー２１、ウォームアップ触媒コンバーター２２０の入口側で排気ガスの温度を測定する第２温度センサー２２、粒子状物を捕集するディーゼル微粒子除去フィルター２３０の入口側で排気ガスの温度を測定する第３温度センサー２３、選択的還元触媒２４０の入口側の還元剤噴射位置で排気ガスの温度を測定する第４温度センサー２４でなっている。
ＮＯｘ濃度測定部３０は、排気ガスに含まれている有害物質であるＮＯｘの濃度を測定して、その情報を制御部６０に送る。このため、ＮＯｘ濃度測定部３０は、選択的還元触媒２４０の前端入口で排気ガスに含まれているＮＯｘの濃度を測定する第１ＮＯｘセンサー３１と、選択的還元触媒２４０の後端出口で排気ガスに含まれているＮＯｘの濃度を測定する第２ＮＯｘセンサー３２でなっている。
燃焼圧測定部４０は、グロープラグの近くに配置されて、燃焼室２０６の燃焼圧を測定して、その情報を制御部６０に送る。
吸／排気バルブ位置検出部５０は、ＣＶＶＡの動作によってリフトと開閉タイミングが連続的に変化する吸／排気バルブの位置を検出して、その情報を制御部６０に送る。
制御部６０は、車両の運転状況に関する情報から運転者の意図を判断し、排気パイプ２５０の設定された位置での排気ガス温度及び排気ガスに含まれているＮＯｘ濃度によってエンジン２００の燃焼状況を判断し、運転者の意図及び燃焼状況を予め設定された行程表に適用して、吸／排気バルブの目標位置及び開閉タイミングを決定し、アクチュエーター７０を作動させて、吸／排気バルブの位置及び開閉タイミングの制御を行う。
また、制御部６０は、吸／排気バルブの位置及び開閉タイミングの制御が行われている状態で、各燃焼室２０６の燃焼圧によって燃料量を補正して、排気ガスを清浄にし、エンジン性能を向上させる。そこで、制御部６０では、排気バルブの開タイミングを固定制御し、閉タイミングを短縮制御あるいは遅延制御して、リフトの変更を行う。
アクチュエーター７０は、制御部６０から印加される制御信号によって油圧式あるいはモータ式でＣＶＶＬを作動させて、吸／排気バルブの位置及び開閉タイミングの制御が行われるようにする。
上記した機能をもって構成される本発明において、ＣＶＶＡの制御によって行われる吸／排気バルブのリフト及び開閉タイミングを連続的に可変制御する動作は、以下のように実行される。
本発明が適用される車両が走行を始めると、制御部６０は、運転情報検出部１０によって車速、エンジン回転速度、アクセルペダル位置などの運転状況に関する情報を検出し（Ｓ１０１）、排気パイプ２５０の設定された位置に設置された排出ガス温度測定部２０によってターボチャージャー２１０に供給される排気ガスの温度、ウォームアップ触媒コンバーター２２０の入口側の排気ガスの温度、ディーゼル微粒子除去フィルター２３０の入口側の排気ガスの温度、選択的還元触媒２４０の入口側の排気ガスの温度など排出ガス温度を測定し（Ｓ１０２）、ＮＯｘ濃度測定部３０によって選択的還元触媒２４０に供給される排気ガスに含まれているＮＯｘ濃度及び選択的還元触媒２４０を通過した排気ガス中のＮＯｘ濃度を測定する（Ｓ１０３）。
次いで、制御部６０は、検出された運転情報から運転者の意図を認識し、排気ガスの温度及びＮＯｘの濃度から燃焼状況を認識した後、予め設定された行程表に適用して（Ｓ１０４）、吸／排気バルブの目標位置を計算して（Ｓ１０５）、吸／排気バルブの開閉タイミングを決定する（Ｓ１０６）。吸／排気バルブの目標位置及び開閉タイミングが決定されると、制御部６０は、アクチュエーター７０を作動させて、吸／排気バルブの位置と開閉タイミングを連続的に可変制御する（Ｓ１０７）。
吸／排気バルブの位置及び開閉タイミングの連続的な可変制御が行われている状態で、バルブ位置検出部５０によって吸／排気バルブの位置を検出して（Ｓ１０８）、目標位置に正常な制御が行われているかを判断する（Ｓ１０９）。
ここで、目標位置に正常に制御が行われている状態（Ｙｅｓ）であれば、各燃焼室２０６のグロープラグ近傍に配置された燃焼圧測定部４０によって各燃焼室の燃焼圧を測定し（Ｓ１１０）、燃焼圧によって燃料量の補正を行い（Ｓ１１１）、これにより排気ガスのＮＯｘ濃度が最少となり排気ガスが適正化される（Ｓ１１２）。一方、目標位置に正常に制御が行われていない状態（Ｎｏ）であるときには、吸／排気バルブの目標位置の計算段階（Ｓ１０５）に戻り、吸／排気バルブの位置を補正することによって、連続的な可変制御が行われる。
制御部６０の制御によるアクチュエーター７０の動作によって連続可変制御される吸／排気バルブの位置及び開閉タイミングは、図３に示されているように、状況に応じてＰ１ないしＰ５に変化し、吸気バルブの開タイミングを固定制御し、閉タイミングを遅延制御して、排気ガスの安定化及び燃費を向上させる。
また、排気バルブの開タイミングを短縮制御して排気ガスの温度を上昇させ、触媒の活性化時間を短縮制御してトルク応答性を向上させ、排気バルブの開タイミングを遅延制御して燃焼室２０６の膨張比を向上させることによって、燃費を向上させ、排気バルブの閉タイミングを短縮制御して冷始動性を向上させることができる。
本発明は、上記の構成によって、燃焼状況及び運転者の運転意図を考慮したＣＶＶＡの連続可変制御によって排気ガスの清浄化及びエンジン性能の向上を達成する効果を期待することができる。
１０；運転情報検出部
２０；排ガス温度測定部
２１；（ターボチャージャー２１０を通過する排気ガスの）第１温度センサー
２２；（ウォームアップ触媒コンバーター入口側排気ガスの）第２温度センサー
２３；（ディーゼル微粒子除去フィルターの入口側排気ガスの）第３温度センサー
２４；（選択的還元触媒の入口側排気ガスの）第４温度センサー
３０；ＮＯｘ濃度測定部
３１；（選択的還元触媒前端入口排気ガスの）第１ＮＯｘセンサー
３２；（選択的還元触媒後端出口排気ガスの）第２ＮＯｘセンサー
４０；燃焼圧測定部
５０；バルブ位置検出部
６０；制御部
７０；アクチュエーター
２００；エンジン
２０２；吸気マニホールド
２０４；排気マニホールド
２０６；燃焼室
２０８；インジェクター
２１０；ターボチャージャー
２２０；ウォームアップ触媒コンバーター
２３０；ディーゼル微粒子除去フィルター
２４０；選択的還元触媒
２５０；排気パイプ
２６０；還元剤噴射ノズル

Claims (12)

  1. 車両の運転状況に関する運転情報を検出する運転情報検出部と、
    排気ガスの温度を測定する排気ガス温度測定部と、
    排気ガス中に含まれているＮＯｘの濃度を測定するＮＯｘ濃度測定部と、
    燃焼室の燃焼圧を測定する燃焼圧測定部と、
    吸／排気バルブの位置を検出する吸／排気バルブ位置検出部と、
    前記運転情報から運転者の運転意図を認識し、排気ガスの温度及びＮＯｘの量によってエンジンの燃焼状況を認識した後、設定された行程表に適用して、前記運転意図及び前記燃焼状況に応じた前記吸／排気バルブの目標位置及び開閉タイミングを決定して、前記吸／排気バルブの位置及び開閉タイミングを連続可変制御する制御部と、
    前記制御部の制御によって前記吸／排気バルブを作動させるアクチュエーターと、を有することを特徴とするディーゼルエンジンの連続可変バルブリフトアクチュエーター制御装置。
  2. 前記運転情報検出部は、車両の速度を測定する車速センサーと、
    エンジン回転速度を測定するエンジン回転速度センサーと、
    アクセルペダルの位置を認識するアクセルペダル位置センサーと、を有してなることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの連続可変バルブリフトアクチュエーター制御装置。
  3. 前記排気ガス温度測定部は、ターボチャージャーを作動させる排気ガスの温度を測定する第１温度センサーと、ウォームアップ触媒コンバーターの入口側の排気ガスの温度を測定する第２温度センサーと、ディーゼル微粒子除去フィルターの入口側の排気ガスの温度を測定する第３温度センサーと、還元剤噴射位置の排気ガスの温度を測定する第４温度センサーと、を有してなることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの連続可変バルブリフトアクチュエーター制御装置。
  4. 前記ＮＯｘ濃度測定部は、前記選択的還元触媒の前端に配置された第１ＮＯｘセンサーと、前記選択的還元触媒の後端に配置された第２ＮＯｘセンサーと、を有してなることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの連続可変バルブリフトアクチュエーター制御装置。
  5. 前記制御部は、吸／排気バルブの位置及び開閉タイミングを連続可変制御が行われている状態で、燃焼室の燃焼圧によって燃料量を補正することを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの連続可変バルブリフトアクチュエーター制御装置。
  6. 前記制御部は、吸気バルブの開タイミングを固定制御し、閉タイミングを遅延制御することを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの連続可変バルブリフトアクチュエーター制御装置。
  7. 前記制御部は、排気バルブの開タイミングを短縮制御して、排気ガスの温度の上昇、触媒の活性化時間の短縮、トルク応答性の向上をすることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの連続可変バルブリフトアクチュエーター制御装置。
  8. 前記制御部は、排気バルブの開タイミングを遅延制御して、燃焼室の膨張比を向上させることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの連続可変バルブリフトアクチュエーター制御装置。
  9. 前記制御部は、排気バルブの閉タイミングを短縮制御して、冷始動性を向上させることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの連続可変バルブリフトアクチュエーター制御装置。
  10. 車両の運転状況に関する運転情報を検出し、排気ガスの温度を測定し、排気ガスに含まれているＮＯｘ濃度を測定して、運転者の運転意図と燃焼状況を認識する過程と、
    前記運転意図とエンジンの燃焼状況を、予め設定された行程表に適用して、吸／排気バルブの目標位置及び開閉タイミングを決定する過程と、
    アクチュエーターを作動させて、前記吸／排気バルブの位置及び開閉タイミングを制御する過程と、
    燃焼圧を測定して、前記燃焼圧によって燃料量を補正する過程と、を有することを特徴とするディーゼルエンジンの連続可変バルブリフトアクチュエーター制御方法。
  11. 前記排気ガスの温度は、ターボチャージャーの前端に供給された排気ガス、ウォームアップ触媒コンバーターの前端に供給された排気ガス、ディーゼル微粒子除去フィルターの前端に供給された排気ガス、還元剤噴射位置における排気ガスのそれぞれで測定されることを特徴とする請求項１０に記載のディーゼルエンジンの連続可変バルブリフトアクチュエーター制御方法。
  12. 吸／排気バルブの前記開閉タイミングは、
    排気ガスの安定化及び燃費の向上のために吸気バルブの開タイミングを固定制御し、閉タイミングを遅延制御する過程と、
    排気ガスの温度の上昇、触媒の活性化時間の短縮、トルク応答性の向上のために排気バルブの開タイミングを短縮制御する過程と、
    燃焼室の膨張比の向上のために排気バルブの開タイミングを遅延制御する過程と、
    冷始動性の向上ために排気バルブの閉タイミングを短縮制御する過程と、を有することを特徴とする請求項１０に記載のディーゼルエンジンの連続可変バルブリフトアクチュエーター制御方法。
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