以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
(第1実施形態)
図1は本発明の第1実施形態のディーゼルエンジン1の制御装置の概略構成図である。
吸気管2より吸入された空気(新気)は、吸気バルブ12が開いたときに、主にシリンダ3とピストン4で区画される燃焼室5に導入される。吸気バルブ12が閉じ、ピストン4が上動することによって、燃焼室5内の作動ガスが圧縮される。この圧縮されたガスに対して、燃焼室5に臨んで設けてある燃料噴射弁11より燃料を噴射供給することで、燃料が圧縮着火される。この圧縮着火されて燃焼する作動ガスの燃焼圧力がピストン4を押し下げる仕事をする。燃焼後の高温のガスは排気バルブ13を開くことによって、排気管6に排出される。
排気管6には排気中のパティキュレート(粒子状物質)を捕集するフィルタ7を備える。フィルタ7は、隣り合う通気孔が交互に閉じられたハニカム構造になっている。排気の入口に目封じされた通気孔の出口は目封じされていない。一方、排気の入口を目封じされていない通気孔の出口は目封じされている。このため、入口からフィルタ7の内部に入った排気は、通気孔を隔てる隔壁を通過して下流へと流れる。その際、隔壁には無数の孔があり、この孔を排気が追加するのであるが、この孔径をパティキュレートの径より小さくしておくことで、隔壁の上流側にパティキュレートが捕集される。パティキュレートがある程度堆積したときには排気の温度を上昇させ、堆積しているパティキュレートを燃焼させることで、フィルタ7を再生させることができる。
エンジン1には、NOx低減のためEGR装置21を備える。EGR装置21は、排気管6を流れる排気の一部を吸気管2に戻すEGR通路22、EGR通路22を流れるEGRガス量を調整可能なEGRバルブ23、EGRバルブ23を駆動するモータ25、EGRガスを冷却するEGRクーラ24で構成されている。燃焼室5内において燃料が高温で燃焼すると、空気中の窒素が酸化されてNOxが発生する。このとき、EGRバルブ23を開くことで、EGRガスと新気の混合である作動ガスが燃焼室5に流入する。燃焼室5内におけるEGRガスの分だけ燃料の燃焼が不活発となることから燃焼温度が低下し、NOxを低減することができる。
エンジンの暖機完了後にEGRガスを冷却することなく吸気管2に導入したのでは、高温のEGRガスにより空気が膨張して、吸気の充填効率が低下する。このとき、EGRクーラ24によってEGRガスを冷却することで、新気の充填効率が低下することを抑制できる。
エンジン1には、冷却装置31を備える。エンジン1の冷却装置31は、ウォータジャケット32、ラジエータ33、冷却水通路34,35、ポンプ36、バイパス通路37、サーモスタット38から構成される。
各気筒の燃焼室5を被覆するウォータジャケット32とラジエータ33とは冷却水通路34,35で接続され、冷却水の循環路が形成されている。ポンプ36を駆動することで冷却水が冷却水通路34,35を循環する。エンジン1の暖機完了後にはウォータジャケット32で高温となった冷却水がラジエータ33で冷却される。ラジエータ33で冷却された冷却水がウォータジャケット32に戻される。
サーモスタット38はバイパス通路37とラジエータ33のいずれに冷却水を流すかを切換えるものである。エンジンの冷間始動直後にはサーモスタット38が全閉状態となり、ラジエータ33をバイパスするバイパス通路37に冷却水を流す。冷間始動直後にまで冷却水をラジエータ33に導いて冷却すると、エンジン1がなかなか暖まらないのであるが、ラジエータ33をバイパスして冷却水を流すことで、エンジンの暖機を早めることができる。
エンジンの冷間状態でエンジン1の早期暖機を行うため、EGRバルブ23を所定開度で開く。この場合に、上記のEGRクーラ24は、EGRガスと熱交換を行う冷却媒体を冷却水(冷却液)とするEGRクーラである。エンジン1の冷間状態でまだ十分には暖まっていない冷却水がEGRクーラ24に導かれると、EGRクーラ24を流れる高温のEGRガスとの間で熱交換が行われる。EGRガスの熱を受け取って冷却水の温度が上昇するわけである。EGRクーラ24での冷却水への熱交換量(EGRガスからの熱回収)の分だけエンジン1が早期に暖機することとなる。
本実施形態では、エンジン1の暖機完了後にEGR領域になると、外部EGR装置に加えて、さらに内部EGR装置51を作動させることで、NOxを低減する。ここで、「外部EGR装置」とは、排気の一部をEGRガスとして吸気バルブ12上流の吸気管2(例えば吸気コレクタ2a)に導入する装置のことである。つまり、上記のEGR装置21が外部EGR装置である。以下、外部EGR装置21の作動によって、吸気管2から燃焼室5に導入されるEGRガス量を、改めて「外部EGRガス量」という。
さらに、次の式で定義される外部EGR比を導入する。
外部EGR比=外部EGRガス量/(新気量+外部EGRガス量)
…(1)
(1)式の新気量とはエアフローメータ44により検出される空気量のことである。
一方、上記の「内部EGR装置」とは、排気ポートに出た排気の一部をEGRガスとして、燃焼室5に直接再導入する装置のことである。次に、この内部EGR装置51を具体的に説明する。本実施形態では、内部EGR装置51を可変バルブ開閉機構で構成する。
まず、内部EGR装置51が適用される燃焼室及び燃焼室の周辺を先に説明すると、図2は各気筒の燃焼室5のうちの一つを下から透視した概略図である。ただし、図1に示したシリンダ3の軸が上下方向にある、つまり燃焼室5が上方にあるとする。図2に示したように、ペントルーフ状の燃焼室5には、一方のルーフに2つの吸気ポート61A,61Bが他方のルーフに2つの排気ポート63A,63Bが並んで開口している。2つの吸気ポート61A,61Bの燃焼室5への開口部62A,62Bを2つの各吸気バルブ12A,12Bが開閉する。2つの排気ポート63A,63Bの燃焼室5への開口部64A,64Bを2つの各排気バルブ13A,13Bが開閉する。以下、2つの排気バルブのうち、一方の開口部64Aを開閉する排気バルブ13Aを「第1排気バルブ」と、他方の開口部64Bを開閉する排気バルブ13Bを「第2排気バルブ」として区別する。矢印は、吸気行程で吸気バルブ12A,12Bを開いたときに燃焼室5に流入するガスによって形成されるスワールを示している。
エンジン1には、2つの各排気バルブ13A,13Bをリフトする(開く)排気行程とは別に吸気行程でも排気バルブ13,13Bを独立に再リフトする(再度開く)ことが可能な内部EGR装置51A,51Bを備える。2つの各排気バルブ13A,13Bがカム駆動である場合の内部EGR装置51A,51Bについて、図3,図4のモデル図を参照してその概略を説明する。
まず、第1排気バルブ13A用の内部EGR装置51Aから説明する。図3に示したように、第1排気バルブ用カムシャフト52Aに、第1のカム53Aと第2のカム54Aの2つのカムを並べて形成する。2つのカム53A,54Aにはバルブスプリング14Aを用いて第1排気バルブ13Aを閉弁側に付勢する。
第1のカム53Aを用いて第1排気バルブ13Aを駆動したとき、排気行程で第1排気バルブ13Aが所定のリフト量Lnrm1でリフトするように第1のカム53Aのカムプロフィールを定めておく。一方、第2のカム54Aを用いて第1排気バルブ13Aを駆動したとき、吸気行程で第1排気バルブ13Aが所定のリフト量L1(L1<Lnrm1)でリフトするように第2のカム54Aのカムプロフィールを定めておく。そして、これら2つのカム53A,54Aを、使用カム切換機構55Aを用いて切換可能に構成し、この使用カム切換機構55Aを駆動する油圧アクチュエータ56A及び油圧アクチュエータ56Aを駆動する電磁ソレノイドバルブ57Aを設けておく。
電磁ソレノイドバルブ57Aにエンジンコントローラ41からの信号が送られてないときには、排気行程で第1のカム53Aによって第1排気バルブ13Aが所定のリフト量Lnrm1でリフトするものとする。一方、電磁ソレノイドバルブ57Aがエンジンコントローラ41からの切換信号を受けると、油圧アクチュエータ56Aが駆動され、排気行程に続く吸気行程においても第2のカム54Aによって第1排気バルブ13Aが所定のリフト量L1でリフトするようにする。
次に、第2排気バルブ13B用の内部EGR装置51Bは、第1排気バルブ13A用の内部EGR装置51Aと同様の構成である。図4に示したように、第2排気バルブ用カムシャフト52Bに、第1のカム53Bと第2のカム54Bの2つのカムを並べて形成する。2つのカム53B,54Bにはバルブスプリング14Bを用いて第2排気バルブ13Bを閉弁側に付勢する。
第1のカム53Bを用いて第2排気バルブ13Bを駆動したとき、排気行程で第2排気バルブ13Bが所定のリフト量Lnrm2でリフトするように第1のカム53Bのカムプロフィールを定めておく。一方、第2のカム54Bを用いて第2排気バルブ13Bを駆動したとき、吸気行程で第2排気バルブ13Bが所定のリフト量L2(L2<Lnrm2)でリフトするように第2のカム54Bのカムプロフィールを定めておく。そして、これら2つのカム53B,54Bを、使用カム切換機構55Bを用いて切換可能に構成し、この使用カム切換機構55Bを駆動する油圧アクチュエータ56B及び油圧アクチュエータ56Bを駆動する電磁ソレノイドバルブ57Bを設けておく。
電磁ソレノイドバルブ57Bにエンジンコントローラ41からの信号が送られてないときには、排気行程で第1のカム53Bによって第2排気バルブ13Bが所定のリフト量Lnrm2でリフトするものとする。一方、電磁ソレノイドバルブ57Bがエンジンコントローラ41からの切換信号を受けると、油圧アクチュエータ56Bが駆動され、排気行程に続く吸気行程においても第2のカム54Bによって第2排気バルブ13Bが所定のリフト量L2でリフトするようにする。
図5は第1排気バルブ13Aの、図6は第2排気バルブ13Bの各リフト特性図である。比較のため、図5,図6には吸気バルブ12A,12Bのリフト特性を一点鎖線で重ねて示している。
まず、第1排気バルブ13Aのリフト特性から説明する。図5に示したように、第1のカム63Aを用いて排気行程で第1排気バルブ13Aを所定のリフト量Lnrm1でリフトさせた(図5実線参照)後に、第2のカム54Aに切換える。これによって、排気行程に続く吸気行程で第1排気バルブ13Aが所定のリフト量L1までリフトしている(図5破線参照)。吸気行程での第1排気バルブ13Aのリフト量L1は、吸気行程の直前の排気行程での第1排気バルブ13Aのリフト量Lnrm1よりも小さくしている。
次に、図6に示したように、第2排気バルブ13Bのリフト特性は、第1排気バルブ13Aのリフト特性と同様である。第1のカム63Bを用いて排気行程で第2排気バルブ13Bを所定のリフト量Lnrm2でリフトさせた(図6実線参照)後に、第2のカム54Bに切換える。これによって、排気行程に続く吸気行程で第2排気バルブ13Bが所定のリフト量L2までリフトしている(図6破線参照)。吸気行程での第2排気バルブ13Bのリフト量L2は、吸気行程の直前の排気行程での第2排気バルブ13Bのリフト量Lnrm2よりも小さくしている。
第1、第2の排気バルブ13A,13Bの各リフト特性図では、図5,図6に示したように吸気行程での第1、第2の排気バルブのリフト期間が吸気バルブのリフト期間のうちの右側(遅角側)に偏っている。これは、2つのカムを切換えるなどのメカ的な制約を受ける(例えば2つのカムを切換えるのに油圧アクチュエータを用いており、油圧アクチュエータには応答遅れがある)ために、吸気行程に移行した直後に排気バルブを再リフトさせることができないためである。
ただし、本発明としては、第1、第2の排気バルブ13A,13Bの各リフト特性が図5,図6に示した場合に限定されるものでなく、吸気行程での第1、第2の排気バルブの再リフト期間は吸気バルブのリフト期間のうちの任意の位置にあってよい。たとえば、第1実施形態の他の例の第1、第2の排気バルブ13A,13Bの各リフト特性図を、図42〜図45に示す。図42,図43に示したように吸気行程での第1、第2の排気バルブの再リフト期間が吸気バルブのリフト期間のうちの左側(進角側)に偏っていてもかまわない。同様に、図44,図45に示したように吸気行程での第1、第2の排気バルブの再リフト期間が吸気バルブのリフト期間のうちの中央にあってもかまわない。
本実施形態では、2つの排気バルブ13A,13Bを同等に扱うので、Lnrm1=Lnrm2、L1=L2であるとする。所定値L1,L2は、目標排気再導入量が得られるように設定している。ここで、吸気行程における排気バルブの再リフトに伴う排気再導入量を、改めて「内部EGRガス量」で定義する。このように排気再導入量を内部EGRガス量で定義したとき、目標排気再導入量は目標内部EGRガス量となる。
さらに、次の式で定義される内部EGR比を導入する。
内部EGR比=内部EGRガス量/排気量 …(2)
外部EGR装置21を作動させて燃焼室5に外部EGRガスを導入し、かつ内部EGR装置51A,51Bを作動させて燃焼室5に内部EGRガスを導入する運転領域としては次のように設定している。すなわち、図7は横軸をエンジン回転速度Ne、横軸をエンジンの負荷とする運転領域図である。本実施形態ではスモークが相対的に多い領域とスモークが相対的に少ない領域との2つに分割し、スモークが相対的に少ない領域で外部EGR装置21及び内部EGR装置51A,51Bを作動させて燃焼室5に外部、内部の各EGRガスを導入するようにしている。これは、スモークが相対的に多い領域ではスモークを少なくする制御を行わなければならないが、スモークが相対的に少ない領域ではスモークを少なくすることは考えなくてよいので、主にNOx低減を目的とする制御を行うことができるためである。内部EGR装置51A,51Bを作動させて燃焼室5に内部EGRガスを導入する領域を、以下「内部EGR領域」ともいう。
上記スモークが相対的に多い領域とスモークが相対的に少ない領域との2つの領域の境界は目標空気過剰率によって定めることができる。これは、スモークと目標空気過剰率とが強く相関するためである。すなわち、ディーゼルエンジンでは、負荷の相対的に小さい領域では相対的に大きい目標空気過剰率が設定される。相対的に大きい目標空気過剰率では、燃料の周囲にたくさんの空気(新気)が存在するためスモークがもともと少ない。一方、負荷の相対的に大きい領域になると、相対的に小さい目標空気過剰率が設定される。相対的に小さい目標空気過剰率では、燃料が増える分だけ燃料の周囲に存在する空気(新気)が少なくなり、燃料が燃焼する際の空気が不足してスモークが多くなる。このように、スモークと目標空気過剰率とが強く相関するため、スモークが相対的に多い領域とスモークが相対的に少ない領域との2つの領域の境界の目標空気過剰率を空気過剰率閾値として設定することができるわけである。そして、目標空気過剰率と空気過剰率閾値を比較し目標空気過剰率が空気過剰率閾値以下であるときにスモークが相対的に少ない領域(内部EGR領域)にあると、目標空気過剰率が空気過剰率閾値を超えているときにスモークが相対的に多い領域にあると判定する。
さて、上記のフィルタ7に堆積したパティキュレートを定期的に燃焼させることで、フィルタ7を再生しているのであるが、フィルタ7に目詰まりが生じたときには、フィルタ7に目詰まりが生じていないときよりフィルタ上流の排気圧が上昇する。あるいはフィルタ7を再生する直前においてはフィルタ上流の排気圧がフィルタ7にパティキュレートが堆積していないときより上昇する。
以下では、フィルタ7の目詰まりに起因してフィルタ上流の排気圧が上昇している場合を主として扱う。本実施形態では、フィルタ7上流の排気圧、詳しくは排気ポート63A,63Bからフィルタ7までの間の排気管6の圧力を「背圧」で定義する。また、フィルタ7の目詰まりに起因する背圧上昇時に対して、フィルタ7に目詰まりが生じていない状態を「基点」で定義する。1つの運転条件を定めたとき、フィルタ7に目詰まりが生じていない状態である基点での背圧(この基点での背圧を「基点背圧」ともいう。)が定まる。同じ運転条件でフィルタ7に目詰まりが生じているときの背圧は基点背圧よりも上昇することとなる。ここでは、基点時にフィルタ7に目詰まりがまったく生じていないものとして扱うので、上記のように、フィルタ7にパティキュレートが堆積している場合も、背圧が基点背圧より上昇している場合であるとして扱う。この場合に限らず、許容範囲にある目詰まり状態を基点として定めてもよい。ここで、フィルタ7の再生タイミング直前の状態で背圧が基点背圧より最も高くなるが、この場合までを許容範囲にあるとするわけである。つまり、この場合には予定しているパティキュレート堆積量以下のパティキュレートがフィルタに堆積している状態ではフィルタに目詰まりが生じていると判断しない。予定しているパティキュレート堆積量を超えるパティキュレートがフィルタに堆積している状態が、フィルタに目詰まりが生じている場合であると判断することになる。
内部EGR領域において外部、内部のEGR装置を作動させて、外部、内部のEGRガスを燃焼室5に導入している場合に、フィルタ7の目詰まりに起因して基点からの背圧上昇があると、実際の内部EGRガス量が目標内部EGRガス量よりも増えてしまう。すると、実際の内部EGRガス量と目標内部EGRガス量の差の分だけ筒内ガス温度が基点より上昇するため、目標とするNOx特性から外れてNOxが悪化してしまう、という課題がある。
上記の課題に対して、フィルタ7の目詰まりに起因する基点からの背圧上昇時に有効圧縮比の低下と内部EGR比の減少との組み合わせで筒内ガス温度を基点と同じに保つようにする比較例がある。この比較例について説明すると、図8は次の(1)〜(4)の条件のときに各パラメータがどのように変化するのかをまとめて示したものである。
(1)エンジンの運転点が基点にあるとき、
(2)基点からの背圧上昇(図8では「背圧up」で略記)時、
(3)基点からの背圧上昇時に有効圧縮比を下げ(図8では「実ε下げ」で略記)たとき、
(4)さらに内部EGR比を減らしたとき、
ここで、上記の各パラメータとしては燃焼室5内(以下「筒内」という。)のガス量、筒内EGR比、圧縮圧力(圧縮上死点における圧力)、IVC容積(吸気バルブが閉じたときの燃焼室5の容積)、筒内ガス温度を採っている。上記の「筒内EGR比」とは、次の式で定義される値である。
筒内EGR比=筒内EGRガス量/IVC容積 …(3)
(3)式の筒内EGRガス量は、外部EGRガス量と内部EGRガス量の合計である。簡単には、外部EGR比と内部EGR比の合計が筒内EGR比である。
第1実施形態の内部EGR装置51A,51Bは、図5,図6で前述したように吸気行程で排気バルブ13A,13Bを再リフトすることによって、内部EGRガス量を燃焼室5に導入するものである。一方、比較例の内部EGR装置の構成は、第1実施形態と相違するものである。すなわち、比較例では、吸気バルブの開閉タイミングを連続的に調整可能な可変バルブタイミング機構、排気バルブの開閉タイミングを連続的に調整可能な可変バルブタイミング機構で内部EGR装置を構成している。
これについて説明すると、図41は比較例の吸排気バルブのリフト特性図である。基点からの背圧上昇時には図41上段の破線で示したように吸気バルブの開閉タイミング(IVCやIVO)を遅角させることによって、有効圧縮比を低下させることができる。次には図41下段の破線で示したように排気バルブの開閉タイミング(EVCやEVO)を進角させることによって、吸排気バルブのオーバーラップ量を減少させることで、内部EGRガス量(つまり内部EGR比)を低下させている。
上記(1)と(2)の筒内ガス量の変化を図9に、上記(2)と(3)の筒内ガス量の変化を図10に、上記(3)と(4)の筒内ガス量の変化を図11に示す。
まず図9には左側に上記(1)の基点での、右側に上記(2)の基点からの背圧上昇時の状態を示している。フィルタ7の目詰まりで背圧が基点背圧より上昇すると、内部EGRガス量が基点より増える。内部EGRガス量が増えることによって、筒内ガス温度が上昇する。すると、筒内ガスの密度が下がるので、筒内に吸入できる作動ガスのトータルの容積が低下する。この場合、実際の筒内新気量が基点の筒内新気量(目標筒内新気量)と一致するように外部EGRバルブ開度のフィードバック制御が行われる(以下「筒内新気量が一定に保たれるように制御される」ともいう。)ため、外部EGRガス量が基点より減少する。内部EGRガス量と外部EGRガス量の合計(つまり筒内EGRガス量)は全体として基点より減ることとなり、NOxが増加する。
次に、図10には左側に上記(2)の基点からの背圧上昇時の、右側に上記(3)の基点からの背圧上昇時に有効圧縮比を低下させたときの状態を示している。基点からの背圧上昇時に有効圧縮比を下げるため、吸気バルブ12A,12Bが閉じるタイミング(IVC)を遅くする。これによって、筒内ガス量(IVC容積)が減る。すると、筒内ガス温度が低下する。筒内ガス量が減っているにも関わらず、筒内新気量が一定に保たれるように制御されるので、筒内EGR比が相対的に減ってゆく。比較例によればIVC容積を下げることによって確かに筒内ガス温度を基点の筒内ガス温度へと下げることはできるのであるが、その一方で筒内EGR比の低下が生じている。
次に図11には左側に上記(3)の基点からの背圧上昇時に有効圧縮比を低下させたときの、右側に上記(4)のさらに内部EGR比を減らしたときの状態を示している。比較例では、内部EGR比を減らすことによって、筒内ガス温度がさらに下がり、基点と同じ筒内ガス温度としている。この場合、内部EGR比を減らすと、筒内新気量が一定に保たれるように制御されるため、外部EGRガス量が増加する。基点時と比較すると、IVC容積の減少分をカバーできずに、筒内EGRガス量が減ってしまう。筒内EGRガス量の減少は筒内EGR比の低下を意味するので、基点よりNOxが悪化することとなる。
上記図9〜図11で説明したように内部EGR領域においても、実際の筒内新気量が目標筒内新気量と一致するように外部EGRバルブ開度のフィードバック制御を行う目的は、ドライバの要求するエンジントルクが得られるようにするためである。ドライバが要求するエンジントルクが得られるように、アクセル開度(アクセルペダルの踏込量)ACCとエンジン回転速度Neからドライバ要求燃料噴射量Qfを定めている。そして、このドライバ要求燃料噴射量Qfと目標空気過剰率tλとから目標筒内新気量tQaが定まる。この目標筒内新気量tQaを燃焼室5に導入しさえすれば、ドライバの要求するエンジントルクが得られるわけである。過渡的には、実際の筒内新気量が目標筒内新気量tQaから外れることがあるので、実際の筒内新気量が目標筒内新気量tQaと一致するように外部EGRバルブ開度のフィードバック補正量を算出する。そして、このフィードバック補正量で基本外部EGRバルブ開度を補正することで、内部EGR領域であっても筒内新気量を一定に保つ(つまり実際の筒内新気量が目標筒内新気量と一致させる)のである。この外部EGRバルブ開度のフィードバック制御は、第1実施形態でも実行している。
図8に戻り比較例の効果をまとめると、有効圧縮比の低下で筒内作動ガスの熱効率が悪化し燃費が悪くなる。また、有効圧縮比を低下させるためにIVC(吸気バルブ閉時期)を遅くする制御よって、筒内ガス容積が低下する。筒内ガス温度が低下すると筒内作動ガス量自体が減って、充填効率が下がる。その結果、筒内EGR比が低下して、NOxが増える。また、圧縮圧力が下がるので、筒内作動ガスの着火性が悪くなる。
そこで本発明の第1実施形態では、基点からの背圧上昇時に外部EGR装置21および内部EGR装置51A,51Bを用いて実際の筒内EGR比が目標筒内EGR比と一致するように外部EGRガス量と内部EGRガス量を制御する。さらに、内部EGR装置51A,51Bが、排気バルブ13A,13Bをリフトする(開く)排気行程とは別に吸気行程でも排気バルブ13A,13Bを再リフトする(再度開く)ことで内部EGRガス量を調整する。
これについて説明すると、図12は次の〈1〉〜〈3〉の条件のときに各パラメータがどのように変化するのかをまとめて示したものである。
〈1〉エンジンの運転点が基点にあるとき、
〈2〉基点からの背圧上昇(図12では「背圧up」で略記)時、
〈3〉基点からの背圧上昇時に外部EGR比及び内部EGR比(図12では「外部/内部EGR比」で略記)を変更したとき、
ここで、各パラメータとしては比較例と同じに、筒内ガス量、筒内EGR比、圧縮圧力、IVC容積、筒内ガス温度を採っている。
上記〈1〉と〈2〉の筒内ガス量の変化を図13に、上記〈2〉と〈3〉の筒内ガス量の変化を図14に示す。
まず図13には左側に上記〈1〉の基点での、右側に記〈2〉の基点からの背圧上昇時の状態を示している。これは比較例の図9と同じである。基点からの背圧上昇時には筒内EGR比が基点より低下することとなり、NOxが増加する。
次に、図14には左側に上記〈2〉の基点からの背圧上昇時の、右側に上記〈3〉の基点からの背圧上昇時に外部EGR比及び内部EGR比を変更したときの状態を示している。今、基点からの背圧上昇時に外部EGRバルブ開度を基点より大きくしたとする。これによって外部EGRガス量(外部EGR比)が基点より増え、燃焼室5に流入する筒内新気量が減る。外部EGRガス量が増えかつ筒内新気量が減る分、背圧が低下するため、内部EGRガス量(内部EGR比)が基点より減る。内部EGRガス量が低下すると、筒内ガス温度が低下するため、筒内ガス密度が低下する。この場合に、基点より低下した実際の筒内EGR比が基点での筒内EGR比(つまり目標EGR比)と同じになるように、外部EGRバルブ開度を設定することで、基点からの背圧上昇時であっても、目標筒内EGR比が得られることとなる。
図15は比較例と本実施形態のエンジン性能を比較したものである。図15に示したように、ここでいうエンジン性能としては燃費、NOx(筒内EGR比にほぼ等しい)、筒内ガス圧力、筒内ガス温度の4つとし、右方向にNOx、左方向に筒内ガス温度、上方向に燃費、下方向に筒内ガス圧力を採っている。図15において、丸印を付している領域のほうが×印を付している領域よりエンジン性能がよいことを表している。NOxと燃費の第1象限では、左下ほどNOxが少なくかつ燃費がよいことを示している。筒内ガス圧力とNOxの第2象限では基本的に左下ほどNOxが少なくかつ高い筒内ガス圧力が得られることを示している。筒内ガス圧力と筒内ガス温度の第3象限では、高い筒内ガス圧力と高い筒内ガス温度がともに得られる極大みたいなところが左上から右下に向けて存在していることを示している。また、比較例、本実施形態で変化する方向を矢印で示している。
ここでも比較例の場合から説明すると、背圧が基点背圧から上昇すると、その分エンジンのポンプロスが増えるので、燃費が悪くなる。基点からの背圧上昇により筒内EGR比が小さくなることでNOxが増える。筒内ガス圧力は、背圧が基点か背圧ら上昇しても基本的に変わらない。細かくいうと、筒内EGR比が下がる分だけ理論圧縮比が低下するため、筒内ガス圧力がわずかに低下する。基点からの背圧上昇で内部EGRガス量が増えるため筒内ガス温度は上がる。
この基点からの背圧上昇時に比較例では、燃費とNOxの第1象限で示したように、有効圧縮比を下げて筒内ガス温度を下げているので、熱効率が悪くなる。その分燃費が悪化してNOxがすこし減る。そこから内部EGRガス量を減少させ筒内ガス温度を下げているので、NOxは低下する。しかしながら、基点に対して筒内EGR比が下がっている分だけNOxは悪化している。筒内ガス圧力に関しては、有効圧縮比を下げている分だけ筒内ガス圧力が低下する。筒内ガス温度は基点の温度に戻る。
一方、本実施形態では、基点からの背圧上昇時に筒内EGR比を基点での筒内EGR比(つまり目標EGR比)と同じに維持する。かつ有効圧縮比を変えないので、NOxと筒内ガス温度の第2象限に示したようにNOxを基点へと持ってくることができる。基本的に有効圧縮比(IVC)を変更しないので、NOxと筒内ガス温度の第2象限に示したように筒内ガス圧力は基点より変化しない。筒内ガス温度についても、筒内ガス圧力と筒内ガス温度の第3象限に示したように、ほぼ基点の近くに戻すことができる。
図1に戻り、エンジンコントローラ41には、アクセルセンサ42からの信号、クランク角センサ43からの信号、水温センサ44からの信号、エアフローメータ45からの信号が入力する。ここで、アクセルセンサ42はアクセルペダル開度(アクセルペダルの踏込量)ACCを検出する。クランク角センサ43はエンジン回転速度Neを検出する。エアフローメータ44はエンジン1に吸入される新気量Qaを検出する。排気量センサ45はフィルタ7の上流を流れる排気量Qexhを検出する。背圧センサ46(背圧検出手段)は背圧を検出する。エンジンコントローラ41では、エンジンの暖機完了後に、内部EGR領域になると、これらの信号に基づいて、EGRバルブ開度指令値θcmdを算出し、算出したEGRバルブ開度指令値θcmdをモータ25に出力する。また、エンジンコントローラ41では、エンジンの暖機完了後に、内部EGR領域になると、2つの電磁ソレノイドバルブ57A,57Bに切換信号を出力する。また、エンジンコントローラ41では、内部EGR領域、非内部EGR領域に関係なく、ドライバの要求するエンジントルクが得られるように燃料噴射弁11から供給する燃料噴射量を制御すると共に、高負荷側でスモークが増大しないように制御している。
エンジンコントローラ41で実行される上記の制御を図16のフローチャートに基づいて説明する。図16のフローは外部EGRバルブ開度指令値θcmdを算出するためのもので、一定時間毎(例えば10ms毎)に実行する。
ステップ1では、エンジンの負荷とエンジン回転速度Neから図17を内容とするマップを検索することにより基本外部EGRバルブ開度θ0を算出する。フィルタ7に目詰まりがない状態で目標とするNOx特性が得られるようにエンジンの運転条件に応じた基本外部EGRバルブ開度θ0の値を決めておく。
ステップ2では、エンジンの負荷とエンジン回転速度Neで定まる運転点が内部EGR領域にあるか否かをみる。エンジンの運転点に基づくのではなく、目標空気過剰率に基づいて内部EGR領域にあるか否かを判定することであってよい。運転点が内部EGR領域にあるときにはステップ3以降に進む。ステップ3では目標空気過剰率tλと燃料噴射量Qfから次式により、目標筒内新気量tQaを算出する。
tQa=Qf×tλ×14.7 …(4)
(4)式の目標空気過剰率tλは、エンジンの負荷とエンジン回転速度Neから図18を内容とするマップを検索することにより算出する。(4)式の燃料噴射量Qfは、アクセルセンサ42により検出されるアクセル開度(アクセルペダルの踏込量)ACCとエンジン回転速度Neから図19を内容とするマップを検索することにより算出する。
ステップ4では、目標筒内新気量tQaとエアフローメータ44により検出される実筒内新気量rQaとの差分筒内新気量ΔQaを次式により算出する。
ΔQa=tQa−rQa …(5)
ここで、目標筒内新気量tQaの単位は体積量(例えば[cc]あるいは[l])である。一方、エアフローメータにより検出される新気量Qaは流量の単位(例えば[cc/s]あるいは[l/s])であるので、エンジン回転速度Neが異なれば、新気量Qaが相違する。そこで、エンジン回転速度Neを用いて、この新気量Qaを体積量の単位に変換することで、実際の筒内新気量rQa(IVCでの筒内新気量)を求めることができる。
ステップ5では、差分筒内新気量ΔQaから、図20を内容とするテーブルを検索することにより、外部EGRバルブ開度のフィードバック補正量(図16、図21では「F/B補正量」で略記)θfbを算出する。図20に示したように、フィードバック補正量θfbは差分筒内新気量ΔQaが正のとき(目標筒内新気量>実筒内新気量)、所定値a(正の値)より大きくなるほど負の値で大きくなる値である。また、フィードバック補正量θfbは差分筒内新気量ΔQaが負のとき(目標筒内新気量<実筒内新気量)、所定値b(負の値)より小さくなるほど正の値で大きくなる値である。
ここで、フィードバック補正量θfbは基本外部EGRバルブ開度θ0に加算する値で構成している(ステップ12参照)。例えば、差分筒内新気量ΔQaが負のときには、フィードバック補正量θfbの分だけ外部EGRバルブ開度を大きくすることによって外部EGRガス量を増やし、その増やした分だけ実筒内新気量rQaを減らして目標筒内新気量tQaへと戻す。一方、差分筒内新気量ΔQaが正のときには、フィードバック補正量θfbの分だけ外部EGRバルブ開度を小さくすることによって外部EGRガス量を減らし、その減らした分だけ実筒内新気量rQaを増やして目標筒内新気量tQaへと戻してやるわけである。なお、差分筒内新気量ΔQaが所定値bから所定値aまでの間にあるとき、フィードバック補正量θfbをゼロとしているのは、ヒステリシスを設けたものである。
ステップ6では、排気量センサ45により検出される排気量Qexhから図21を内容とするテーブルを検索することによりしきい値を算出する。図21において、フィルタ7に目詰まりが生じていないときの背圧(つまり基点での背圧)は、実線で示したように排気量Qexhが多くなるほど上昇する。一方、排気量が同じでもフィルタ7に目詰まりが生じていると、背圧が基点背圧より高くなるので、実線で示した基点背圧より一定値だけ高い値をしきい値として予め定めておく(破線参照)。
ステップ7で背圧センサ46により検出される実際の背圧としきい値を比較し、背圧がしきい値以上であるとき、背圧が基点背圧から上昇したと判断する。このときにはステップ8以降に進む。
ステップ8では、エンジンの負荷とエンジン回転速度Neから図22を内容とするマップを検索することにより目標筒内EGR比を算出する。フィルタ7に目詰まりがない状態で目標とするNOx特性が得られるようにエンジンの運転条件に応じた目標筒内EGR比の値を決めておく。
ステップ9では、背圧センサ46により検出される背圧から図23を内容とするテーブルを検索することにより、実筒内EGR比を算出する。図23に示したように、実筒内新気量が目標筒内新気量と一致するように外部EGRバルブ開度をフィードバック制御するとき、実筒内EGR比は背圧が高くなるほど小さくなる値である。図23の特性は実験により明らかになったものである。なお、実筒内新気量が目標筒内新気量と一致するように外部EGRバルブ開度をフィードバック制御するときを、図23では「筒内新気量一定制御の場合」で略記している。
ステップ9では背圧から実筒内EGR比を算出したが、この場合に限られるものでない。基点背圧からの圧力上昇量から実筒内EGR比を算出してもかまわない。ここで、背圧、基点背圧、基点背圧からの圧力上昇量の間には、
背圧=基点背圧+基点背圧からの圧力上昇量 …(6)
の関係がある。(6)式においてフィルタ7の目詰まりに影響されるのは、背圧と基点背圧からの圧力上昇量であるので、左辺の背圧に代えて、右辺第2項の基点背圧からの圧力上昇量を用いることができるというわけである。
ステップ10では、目標筒内EGR比と実筒内EGR比の差分筒内EGR比を次式により算出する。
差分筒内EGR比=目標筒内EGR比−実筒内EGR比 …(7)
ここでは、背圧が基点背圧より高くなるフィルタ目詰まり時に実筒内EGR比が目標筒内EGR比より小さくなるので、(7)式により差分筒内EGR比が正の値として与えられるようにしている。
ステップ11では、差分筒内EGR比から図24を内容とするテーブルを検索することにより外部EGRバルブ開度の背圧補正量θzou1を算出する。
ステップ12では、基本外部EGRバルブ開度θ0に背圧補正量θzou1とフィードバック補正量θfbを加算することによって、つまり次式により外部EGRバルブ開度指令値θcmdを算出する。
θcmd=θ0+θzou1+θfb …(8)
図24に示したように、背圧補正量θzou1は、差分筒内EGR比が大きくなるほど大きくなる値である。背圧が基点背圧より高くなるフィルタ目詰まり時にも、実筒内新気量が目標筒内新気量と一致するように外部EGRバルブ開度をフィードバック制御するので、外部EGRガス量が基点より小さくなる。そこで、背圧補正量θzou1により外部EGRバルブ開度を大きくする側に補正し、外部EGRガス量を増やすことで、実際の筒内EGR比が基点での筒内EGR比(つまり目標筒内EGR比)と同じになるようにするわけである。
さらに、図24に示したように差分筒内EGR比が相対的に大きいときには、差分筒内EGRガス比が相対的に小さいときより背圧補正量θzou1を大きくしている。これは図23の特性に基づいて定まるものである。すなわち、図23は実筒内新気量が目標筒内新気量と一致するように外部EGRバルブ開度をフィードバック制御するときに、背圧と実筒内EGR比の関係がどうなるかを示している。図23に示したように背圧が相対的に低い例えば所定値cのときには実筒内EGR比が所定値eであったものが、背圧が相対的に高い例えば所定値dのときには、実筒内EGR比が所定値fへと小さくなる。この場合、図23,図24に示したように背圧が相対的に高い所定値dのときに差分筒内EGR比が所定値hになり、背圧が相対的に低いcのとき差分筒内EGR比が所定値gになるとする。そこで、図24に示したように差分筒内EGR比がhのときには、差分筒内EGR比がgのときより外部EGRガス量を増やすため、背圧補正量θzou1を背圧が相対的に低いcのときの背圧補正量である所定値iより大きいjにしている。
一方、ステップ2で運転点が内部EGR領域にないとき、ステップ7で背圧がしきい値未満であるときには背圧補正量θzou1は必要ないと判断する。このときにはステップ13に進み、基本外部EGRバルブ開度θ0にフィードバック補正量θfbを加算することによって、つまり次式により外部EGRバルブ開度指令値θcmdを算出する。
θcmd=θ0+θfb …(9)
図示しないフローでは、運転点が内部EGR領域にありかつ背圧がしきい値以上であるときに、この外部EGRバルブ開度指令値θcmdが駆動信号に変換されてEGRバルブ23のアクチュエータであるモータ25に与えられる。これによって外部EGRバルブ開度が外部EGRバルブ開度指令値θcmdと一致するまでモータ25が外部EGRバルブ23を駆動する。
次に、図54のフローは2つの電磁ソレノイドバルブ57A,57Bに切換信号を出力するためのもので、一定時間毎(例えば10ms毎)に実行する。
ステップ41では、エンジンの負荷とエンジン回転速度Neで定まる運転点が内部EGR領域にあるか否かをみる。運転点が内部EGR領域にあるときには、ステップ42に進み、排気量センサ45により検出される排気量Qexhから図21を内容とするテーブルを検索することによりしきい値を算出する。
ステップ43では、背圧センサ46により検出される実際の背圧としきい値を比較し、背圧がしきい値以上であるとき、背圧が基点背圧から上昇したと判断する。このときには排気バルブ13A,13Bをリフトする排気行程とは別に吸気行程でも排気バルブ13A,13Bを一定量再リフトさせるため、ステップ42に進み、2つの電磁ソレノイドバルブ57A,57Bに切換信号を出力する。
一方、ステップ41で運転点が内部EGR領域にないとき、ステップ43で背圧がしきい値未満であるときにはステップ45に進み、2つの電磁ソレノイドバルブ57A,57Bに切換信号を出力しない。
ここで、本実施形態の作用効果を説明する。
本実施形態では、排気中のパティキュレートを捕集するフィルタ7を排気管6に有するディーゼルエンジンの制御装置を前提とする。この場合に、外部EGR装置21と、内部EGR装置51と、背圧センサ46(背圧検出手段)と、目標筒内新気量算出手段(41)と、フィードバック制御手段(41)と、目標筒内EGR比算出手段(41)と、EGRガス量制御手段(41)とを備える。上記外部EGR装置21は燃焼室5に流入する外部EGRガス量を調整することが可能である。上記内部EGR装置51(51A,51B)は燃焼室5に流入する内部EGRガス量を調整することが可能である。上記背圧センサ46はフィルタ7の上流の排気圧を背圧として検出する。上記目標筒内新気量算出手段(41)はエンジンの運転条件に応じて目標筒内新気量tQaを算出する。上記フィードバック制御手段(41)は実際の筒内新気量rQaが目標筒内新気量tQaと一致するように外部EGR装置21を用いて、外部EGRガス量をフィードバック制御する。上記目標筒内EGR比算出手段(41)は基点で目標のNOx特性を満足するようにエンジンの運転条件に応じて目標筒内EGR比を算出する。上記EGRガス量制御手段(41)はEGR領域において背圧が基点での背圧より上昇した場合に、外部EGR装置21及び内部EGR装置51を用いて、実際の筒内EGR比が目標筒内EGR比と一致するように外部EGRガス量と内部EGRガス量を制御する。そして、内部EGR装置51は、排気バルブ13を開く排気行程とは別に吸気行程でも排気バルブ13を再度開くことで内部EGRガス量を調整する。これによって、EGRガスを燃焼室5に導入する場合に、排気管6に備えるフィルタ7に目詰まりが生じていても、ドライバの要求するエンジントルクを得つつ、NOxの悪化を抑制することができる。
本実施形態では、内部EGR装置51は、排気バルブ13をリフトする排気行程とは別に吸気行程でも排気バルブ13を一定量再リフトするものである。これによって、排気バルブ13をリフトする排気行程とは別に吸気行程でも排気バルブ13を一定量再リフトする、簡易な内部EGR装置51を備える場合であっても、ドライバの要求するエンジントルクを得つつ、NOxの悪化を抑制することができる。
比較例では、排気ポートから排気が燃焼室5に流入し、あるいは燃焼室5を介し吸気ポートに吹き抜けた排気が再び燃焼室5に戻ることによって、内部EGRガス量が燃焼室5に導入される。一方、本実施形態では、吸気行程で排気バルブ13を再リフトすることによって、排気ポートの排気が燃焼室5に流入するだけであるので、比較例の場合より、精度良く内部EGRガス量を与えることができる。
スモークが相対的に多い領域においてもEGR制御を行うのでは制御が複雑になるのであるが、本実施形態によれば、EGR領域は、スモークが相対的に少ない領域であるので、EGR制御を簡素化することができる。
(第2実施形態)
図25は第2実施形態のディーゼルエンジンの制御装置の概略構成図である。第1実施形態の図1と同一部分には同一の符号を付している。
第1実施形態では、内部EGR領域において背圧が基点背圧より上昇した場合に、外部EGR装置21及び内部EGR装置51を用いて、実際の筒内EGR比が目標筒内EGR比と一致するように外部EGRガス量と内部EGRガス量を制御した。そして、内部EGR装置51(51A,51B)は、排気バルブをリフトする排気行程とは別に吸気行程でも排気バルブを一定量再リフトすることで内部EGRガス量を調整した。この場合、 内部EGR装置51(51A,51B)は吸気行程で2つの排気バルブ13A,13Bを再リフトするか再リフトしないかを切換えることができるだけであった。
一方、第2実施形態は、吸気行程で2つの排気バルブ13A,13Bを再リフトするか再リフトしないかを切換えることができるだけでなく、各再リフト量を連続的に変更することが可能な 内部EGR装置5151A’,51B’を設けたものである。排気バルブ13A,13Bの各再リフト量を連続的に変更し得るのであれば、目標筒内EGR比を、目標外部EGR比と目標内部EGR比とに分割して制御することができる。すなわち、第2実施形態では、目標筒内EGR比算出手段を、目標外部EGRガス量算出手段と、目標内部EGRガス量算出手段とで構成する。上記の目標外部EGRガス量算出手段では、フィルタ7に目詰まりがない状態で目標のNOx特性を満足するようにエンジンの運転条件に応じて目標外部EGRガス量を算出する。上記の目標内部EGRガス量算出手段では、フィルタ7に目詰まりがない状態で目標のNOx特性を満足するようにエンジンの運転条件に応じて目標内部EGRガス量を算出する。
そして、第2実施形態では、EGRガス量制御手段を、外部EGRバルブ開度制御手段と、再リフト量制御手段とで構成する。上記の外部EGRバルブ開度制御手段では、内部EGR領域において背圧が基点背圧より上昇した場合に、外部EGR装置21を用いて、実際の外部EGRガス量が目標外部EGRガス量と一致するように外部EGRバルブ開度を制御する。上記の再リフト量制御手段では、内部EGR領域において背圧が基点背圧より上昇した場合に、内部EGR装置51A’,51B’を用いて、実際の内部EGRガス量が目標内部EGRガス量と一致するように吸気行程における排気バルブの再リフト量を制御する。
ここで、第1実施形態の内部EGR装置51A,51Bは吸気行程で2つの排気バルブ13A,13Bを再リフトするといっても、一定量L1,L2再リフトするかまったく再リフトしないかを切換えるだけのものであった。この場合、一定量L1,L2再リフトしたときの内部EGRガス量は運転条件によって予め定まる。いま、内部EGRガス量と外部EGRガス量の合計が筒内EGRガス量であるとする。このとき、目標筒内EGRガス量から、予め定まる上記の内部EGRガス量を差し引いた差分を外部EGRバルブ開度で制御することになる。目標筒内EGRガス量と予め定まる内部EGRガス量の差分が大きいほど外部EGRバルブ開度の背圧補正量θzou1も大きくなる。しかしながら、背圧補正量θzou1には上限がある。
一方、第2実施形態では、内部EGR装置51A’,51B’によっても内部EGRガス量を連続的に調整することが可能であるので、内部EGRガス量と外部EGRガス量の割合を任意に設定することができる。このメリットは、EGRガス量を制御するに際して設計の自由度が増すことである。たとえば、背圧補正量θzou2によって外部EGEガス量を変更し得る幅をそれほど大きくしたくないという要求があるとする。このとき、再リフト減少補正量Lgenによって内部EGEガス量を変更し得る幅を広げることによって、この要求を満たすことができる。この逆に、再リフト減少補正量Lgenによって内部EGEガス量を変更し得る幅をそれほど大きくしたくないという要求があるとする。このとき、背圧補正量θzou2によって外部EGEガス量を変更し得る幅を広げることによって、この要求を満たすことができる。以下、具体的に説明する。
2つの各排気バルブ13A,13Bがカム駆動である場合の内部EGR装置51A’,51B’について、図26,図27のモデル図を参照してその概略を説明する。
まず、第1排気バルブ13A用の内部EGR装置51A’から説明する。図26に示したように、第1排気バルブ用カムシャフト52Aに、第1のカム53Aと第2のカム54Aの2つのカムを並べて形成する。2つのカム53A,54Aにはバルブスプリング14Aを用いて第1排気バルブ13Aを閉弁側に付勢する。
第1のカム53Aを用いて第1排気バルブ13Aを駆動したとき、排気行程で第1排気バルブ13Aが所定のリフト量Lnrm1でリフトするように第1のカム53Aのカムプロフィールを定めておく。一方、第2のカム54Aを用いて第1排気バルブ13Aを駆動したとき、吸気行程で第1排気バルブ13Aが所定のリフト量L1(L1<Lnrm1)でリフトするように第2のカム54Aのカムプロフィールを定めておく。そして、これら2つのカム53A,54Aを、使用カム切換機構55Aを用いて切換可能に構成し、この使用カム切換機構55Aを駆動する油圧アクチュエータ56A及び油圧アクチュエータ56Aを駆動する電磁ソレノイドバルブ57Aを設けておく。
電磁ソレノイドバルブ57Aにエンジンコントローラ41からの信号が送られてないときには、排気行程で第1のカム53Aによって第1排気バルブ13Aが所定のリフト量Lnrm1でリフトするものとする。一方、電磁ソレノイドバルブ57Aがエンジンコントローラ41からの切換信号を受けると、油圧アクチュエータ56Aが駆動され、排気行程に続く吸気行程においても第2のカム54Aによって第1排気バルブ13Aが所定のリフト量L1でリフトするようにする。ここまでは第1実施形態の内部EGR装置51Aと同じである。
第2実施形態の内部EGR装置51A’では、さらに、図26に示したように、吸気行程で第2のカム54Aによって第1排気バルブ13Aをリフトするとき、そのリフト量を調整可能なリフト量調整機構58Aを備えさせる。このリフト量調整機構58Aを駆動する油圧アクチュエータ59A及び油圧アクチュエータ59Aの駆動量をデューティ制御可能な電磁ソレノイドバルブ60Aを設けておく。そして、電磁ソレノイドバルブ60Aに与えるデューティ比[%]に応じて油圧アクチュエータ59Aの駆動量、つまり第1排気バルブ13Aのリフト量を制御する。例えば、図28に示したように、デューティ比がゼロ[%]のとき第1排気バルブ13Aのリフト量がゼロ、デューティ比が100[%]のとき第1排気バルブ13Aのリフト量が最大リフト量(L1)となるよう定めておく。これによって、電磁ソレノイドバルブ60Aに与えるデューティ比により第1排気バルブ13Aのリフト量を任意の量に制御できる。
次に、第2排気バルブ13B用の内部EGR装置51B’は、第1排気バルブ13A用の内部EGR装置51A’と同様の構成である。図27に示したように、第2排気バルブ用カムシャフト52Bに、第1のカム53Bと第2のカム54Bの2つのカムを並べて形成する。2つのカム53B,54Bにはバルブスプリング14Bを用いて第2排気バルブ13Bを閉弁側に付勢する。
第1のカム53Bを用いて第2排気バルブ13Bを駆動したとき、排気行程で第2排気バルブ13Bが所定のリフト量Lnrm2でリフトするように第1のカム53Bのカムプロフィールを定めておく。一方、第2のカム54Bを用いて第2排気バルブ13Bを駆動したとき、吸気行程で第2排気バルブ13Bが所定のリフト量L2(L2<Lnrm2)でリフトするように第2のカム54Bのカムプロフィールを定めておく。そして、これら2つのカム53B,54Bを、使用カム切換機構55Bを用いて切換可能に構成し、この使用カム切換機構55Bを駆動する油圧アクチュエータ56B及び油圧アクチュエータ56Bを駆動する電磁ソレノイドバルブ57Bを設けておく。
電磁ソレノイドバルブ57Bにエンジンコントローラ41からの信号が送られてないときには、排気行程で第1のカム53Bによって第2排気バルブ13Bが所定のリフト量Lnrm2でリフトするものとする。一方、電磁ソレノイドバルブ57Bがエンジンコントローラ41からの切換信号を受けると、油圧アクチュエータ56Bが駆動され、排気行程に続く吸気行程においても第2のカム54Bによって第2排気バルブ13Bが所定のリフト量L2でリフトするようにする。ここまでは第1実施形態の内部EGR装置51Bと同じである。
第2実施形態の内部EGR装置51B’では、さらに、図27に示したように、吸気行程で第2のカム54Bによって第2排気バルブ13Bをリフトするとき、そのリフト量を調整可能なリフト量調整機構58Bを備えさせる。このリフト量調整機構58Bを駆動する油圧アクチュエータ59B及び油圧アクチュエータ59Bの駆動量をデューティ制御可能な電磁ソレノイドバルブ60Bを設けておく。そして、電磁ソレノイドバルブ60Bに与えるデューティ比[%]に応じて油圧アクチュエータ59Bの駆動量、つまり第2排気バルブ13Bのリフト量を制御する。例えば、図29に示したように、デューティ比がゼロ[%]のとき第2排気バルブ13Bのリフト量がゼロ、デューティ比が100[%]のとき第2排気バルブ13Bのリフト量が最大リフト量(L2)となるよう定めておく。これによって、電磁ソレノイドバルブ60Bに与えるデューティ比により第2排気バルブ13Bのリフト量を任意の量に制御できる。
図30は第1排気バルブ13Aの、図31は第2排気バルブ13Bの各リフト特性図である。比較のため、図30,図31には吸気バルブ12A,12Bのリフト特性を一点鎖線で重ねて示している。
まず、第1排気バルブ13Aのリフト特性から説明する。図30に示したように、内部EGR領域で第1のカム63Aを用いて排気行程で第1排気バルブ13Aを所定のリフト量Lnrm1でリフトさせた(図30実線参照)後に、第2のカム54Aに切換える。そして、排気行程に続く吸気行程で電磁ソレノイドバルブ60Aに与えるデューティ比(油圧アクチュエータ59Aに与える制御量)に応じて第1排気バルブ13Aの再リフト量を連続的に変化させることができる(図30破線参照)。
次に、図31に示したように、第2排気バルブ13Bのリフト特性は、第1排気バルブ13Aのリフト特性と同様である。内部EGR領域で第1のカム63Bを用いて排気行程で第2排気バルブ13Bを所定のリフト量Lnrm2でリフトさせた(図31実線参照)後に、第2のカム54Bに切換える。そして、排気行程に続く吸気行程で電磁ソレノイドバルブ60Bに与えるデューティ比(油圧アクチュエータ59Bに与える制御量)に応じて第2排気バルブ13Bの再リフト量を連続的に変化させることができる(図31破線参照)。
上記〈1〉と〈2〉の筒内ガス量の変化を第1実施形態の図13に、上記〈2〉と〈3〉の筒内ガス量の変化を図32に示す。なお、上記〈1〉と〈2〉の筒内ガス量の変化は第1実施形態と同じであるので、第2実施形態として改めて示すことはしていない。図32において、第1実施形態の図14と同一部分には同一の符号を付している。すなわち、図32には左側に上記〈2〉の基点からの背圧上昇時の、右側に上記〈3〉の基点からの背圧上昇時に外部EGR比及び内部EGR比(図32では「外部/内部EGR比」で略記)を変更したときの状態を示している。
基点からの背圧上昇時に内部EGRガス量が増加するが、その増加分を減らすために吸気行程での2つの排気バルブ13A,13Bの再リフト量を小さくする。これによって内部EGRガス量を基点と同じにする。一方、基点からの背圧上昇時に内部EGRガス量を減らすことによって筒内新気量が増えるが、外部EGRバルブ開度を大きくし外部EGRガス量を増やすことによって、この筒内新気量の増加を抑制し、筒内新気量を基点と同じに保つ。これによって、基点からの背圧上昇時にも筒内EGR比を基点での筒内EGR比(つまり目標筒内EGR比)と同じ状態に保つことができる。
エンジンコントローラ41で実行される上記の制御を図33A,図33Bのフローチャートに基づいて説明する。
図33A,図33Bのフローは排気バルブ再リフト量指令値Lcmd及び外部EGRバルブ開度指令値θcmdを算出するためのもので、一定時間毎(例えば10ms毎)に実行する。第1実施形態の図16のフローと同一部分には同一の符号を付している。
第1実施形態の図16のフローと異なる部分を主に説明する。図33Aのステップ21、図33Bの ステップ22〜26は排気バルブ再リフト量指令値Lcmdを算出する部分である。
まず、図33Aのステップ21では、エンジンの負荷とエンジン回転速度Neから図34を内容とするマップを検索することにより、排気バルブ13A,13Bの基本再リフト量Lcmd0を算出する。フィルタ7に目詰まりがない状態で目標とするNOx特性が得られるようにエンジンの運転条件に応じた基本再リフト量Lcmd0の値を決めておく。ここで、「基本再リフト量」とは、基点における吸気行程で2つの排気バルブ13A,13Bを再リフトするときのリフト量のことである。
図33Aのステップ7で背圧センサ46により検出される背圧としきい値を比較し、背圧がしきい値以上であるときに、背圧が基点背圧から上昇したと判断する。このときには図33Bのステップ22以降に進む。
図33Bのステップ22では、エンジンの負荷とエンジン回転速度Neから図35を内容とするマップを検索することにより、目標内部EGRガス量を算出する。フィルタ7に目詰まりがない状態で目標とするNOx特性が得られるようにエンジンの運転条件に応じた目標内部EGRガス量も、その値を決めておく。
ステップ23では、背圧センサ46により検出される背圧、吸気行程での排気バルブ13A,13Bの再リフト量、吸気コレクタ圧センサ47により検出される吸気コレクタ圧から実内部EGRガス量を算出する。ここで、背圧、吸気行程での排気バルブ13A,13Bの再リフト量、吸気コレクタ圧は、実内部EGRガス量に影響するパラメータである。これらのパラメータを変化させたときの実内部EGRガス量をシミュレーションや実験により予め求めてマップやテーブルにしておく。そして、背圧、吸気行程での排気バルブ13A,13Bの再リフト量、吸気コレクタ圧からそれらマップやテーブルを検索することにより、実内部EGRガス量を算出する。なお、上記の吸気行程での排気バルブ13A,13Bの再リフト量としては、図33A,図33Bのフローで前回に算出されている再リフト量指令値Lcmdを用いればよい。
ステップ24では、実内部EGRガス量と目標内部EGRガス量の差分内部EGRガス量を次式により算出する。
差分内部EGRガス量=実内部EGRガス量−目標内部EGRガス量
…(10)
ここでは、背圧が基点背圧より高くなるフィルタ目詰まり時には実内部EGRガス量が目標内部EGRガス量より大きくなるので、(10)式により差分内部EGRガス量が正の値として与えられるようにしている。
ステップ25では、差分内部EGRガス量から図36を内容とするテーブルを検索することにより再リフト減少補正量Lgenを算出する。
ステップ26では、基本再リフト量Lcmd0から再リフト減少補正量Lgenを減算することにより、つまり次式により排気バルブ再リフト量指令値Lcmdを算出する。
Lcmd=Lcmd0−Lgen …(11)
図36に示したように、再リフト減少補正量Lgenは、差分内部EGRガス量が大きくなるほど小さくなる値である。背圧が基点背圧より高くなるフィルタ目詰まり時には内部EGRガス量が基点より大きくなる。そこで、内部EGRガス量が基点より大きくなるときに、再リフト減少補正量により吸気行程での排気バルブ再リフト量を小さくする側に補正することで、内部EGRガス量を減らして基点と同じになるようにするわけである。
さらに、図36に示したように差分内部EGRガス量が相対的に大きいときには、差分内部EGRガス量が相対的に小さいときより再リフト減少補正量を小さくしている。これは図37の特性に基づいて定まるものである。すなわち、図37は実筒内新気量が目標筒内新気量と一致するように外部EGRバルブ開度をフィードバック制御するときに、背圧と内部EGRガス量の関係がどうなるかを示している。なお、実筒内新気量が目標筒内新気量と一致するように外部EGRバルブ開度をフィードバック制御するときを、図37では「筒内新気量一定制御の場合」で略記している。図37に示したように背圧が相対的に低い例えば所定値cのときには内部EGRガス量が所定値iであったものが、背圧が相対的に高い例えば所定値dのときには、内部EGRガス量が所定値jへと大きくなる。この場合、図37,図36に示したように背圧が相対的に高い所定値dのときに差分内部EGRガス量が所定値lになり、背圧が相対的に低い所定値cのとき差分内部EGRガス量が所定値kになるとする。そこで、図36に示したように差分内部EGRガス量がlのときには、差分内部EGRガス量がkのときより内部EGRガス量を減らすため、再リフト減少補正量Lgenを背圧が相対的に低いcのときの再リフト減少補正量であるnより小さいmにしている。
次に、ステップ27〜31は外部EGRバルブ開度指令値θcmdを算出する部分である。
まず、ステップ27では、エンジンの負荷とエンジン回転速度Neから図38を内容とするマップを検索することにより、目標外部EGRガス量を算出する。フィルタ7に目詰まりがない状態で目標とするNOx特性が得られるようにエンジンの運転条件に応じた目標外部EGRガス量の値を決めておく。
ステップ28では背圧センサ46により検出される背圧、吸気コレクタ圧センサ47により検出される吸気コレクタ圧、温度センサ48により検出されるEGRクーラ24下流の外部EGRガス温度から実外部EGRガス量を算出する。ここで、背圧、吸気コレクタ圧、外部EGRガス温度は、実外部EGRガス量に影響するパラメータである。これらのパラメータを変化させたときの実外部EGRガス量をシミュレーションや実験により予め求めてマップやテーブルにしておく。そして、背圧、吸気コレクタ圧、外部EGRガス温度からそれらマップやテーブルを検索することにより、外内部EGRガス量を算出する。
ステップ29では、目標外部EGRガス量と実外部EGRガス量の差分外部EGRガス量を次式により算出する。
差分外部EGRガス量=目標外部EGRガス量−実外部EGRガス量
…(12)
ここでは、背圧が基点背圧より高くなるフィルタ目詰まり時には実外部EGRガス量が目標内部EGRガス量より小さくなるので、(12)式により差分外部EGRガス量が正の値として与えられるようにしている。
ステップ30では、差分外部EGRガス量から図39を内容とするテーブルを検索することにより外部EGRバルブ開度の背圧補正量θzou2を算出する。
ステップ31では、次式により外部EGRバルブ開度指令値θcmdを算出する。
θcmd=θ0+θzou2+θfb …(13)
図39に示したように、背圧補正量θzou2は、差分外部EGRガス量が大きくなるほど大きくなる値である。背圧が基点背圧より高くなるフィルタ目詰まり時にも、実筒内新気量が目標筒内新気量と一致するように外部EGRバルブ開度をフィードバック制御するので、外部EGRガス量が基点より小さくなる。そこで、背圧補正量θzou2により外部EGRバルブ開度を大きくする側に補正し、外部EGRガス量を増やすことで、実際の外部EGR比が基点での外部EGR比(つまり目標外部EGR比)と同じになるようにするわけである。
さらに、図39に示したように差分外部EGRガス量が相対的に大きいときには、差分外部EGRガス量が相対的に小さいときより背圧補正量θzou2を大きくしている。これは図40の特性に基づいて定まるものである。すなわち、図40は実筒内新気量が目標筒内新気量と一致するように外部EGRバルブ開度をフィードバック制御するときに、背圧と外部EGRガス量の関係がどうなるかを示している。なお、実筒内新気量が目標筒内新気量と一致するように外部EGRバルブ開度をフィードバック制御するときを、図40では「筒内新気量一定制御の場合」で略記している。図40に示したように背圧が相対的に低い例えば所定値cのときには外部EGRガス量が所定値pであったものが、背圧が相対的に高い例えば所定値dのときには、外部EGRガス量が所定値qへと小さくなる。この場合、図40,図39に示したように背圧が相対的に高い所定値dのときに差分外部EGRガス量が所定値sになり、背圧が相対的に低い所定値cのとき差分外部EGRガス量が所定値rになるとする。そこで、図39に示したように差分外部EGRガス量がsのときには、差分外部EGRガス量がrのときより外部EGRガス量を増やすため、外部EGRバルブ開度補正量θzou2を背圧が相対的に低いcのときの背圧補正量であるtより大きいuにしている。
一方、図33Aのステップ2で運転点が内部EGR領域にないとき、図33Aのステップ7で背圧がしきい値未満であるときには再リフト減少補正量Lgen及び背圧補正量θzou2は必要ないと判断する。このときには図33Bのステップ32に進み、基本再リフト量Lcmd0をそのまま排気バルブ再リフト量指令値Lcmdとする。ステップ13では基本外部EGRバルブ開度θ0にフィードバック補正量θfbを加算することによって、つまり次式により外部EGRバルブ開度指令値θcmdを算出する。
θcmd=θ0+θfb …(14)
図54のフローは第1、第2の実施形態に共通である。すなわち、図54のフローは第2実施形態の2つの電磁ソレノイドバルブ57A,57Bに切換信号を出力するためのものでもあり、一定時間毎(例えば10ms毎)に実行する。
ステップ41では、エンジンの負荷とエンジン回転速度Neで定まる運転点が内部EGR領域にあるか否かをみる。運転点が内部EGR領域にあるときには、ステップ42に進み、排気量センサ45により検出される排気量Qexhから図21を内容とするテーブルを検索することによりしきい値を算出する。
ステップ43では、背圧センサ46により検出される実際の背圧としきい値を比較し、背圧がしきい値以上であるとき、背圧が基点背圧から上昇したと判断する。このときには排気バルブ13A,13Bをリフトする排気行程とは別に吸気行程でも排気バルブ13A,13Bを一定量再リフトさせるため、ステップ42に進み、2つの電磁ソレノイドバルブ57A,57Bに切換信号を出力する。
一方、ステップ41で運転点が内部EGR領域にないとき、ステップ43で背圧がしきい値未満であるときにはステップ45に進み、2つの電磁ソレノイドバルブ57A,57Bに切換信号を出力しない。
図示しないフローでは、運転点が内部EGR領域にありかつ背圧がしきい値以上であるときに、上記排気バルブ再リフト量指令値がデューティ比に変換されて電磁ソレノイドバルブ60A,60Bに与えられる。これによって、吸気行程における第1、第2の排気バルブ13A,13Bのリフト量が排気バルブ再リフト量指令値となるように油圧アクチュエータ59A,59Bが第1、第2の排気バルブ13A,13Bのリフト量を制御する。図示しないフローでは、運転点が内部EGR領域にありかつ背圧がしきい値以上であるときに、上記外部EGRバルブ開度指令値θcmdが駆動信号に変換されてEGRバルブ23のアクチュエータであるモータ25に与えられる。これによって外部EGRバルブ開度が外部EGRバルブ開度指令値θcmdと一致するまでモータ25が外部EGRバルブ23を駆動する。
第2実施形態では、外部EGR装置21は、排気の一部を吸気バルブ上流の吸気管2に導入するEGR通路22、該EGR通路22の流量を調整可能なEGRバルブ23、該EGRバルブ23を駆動するアクチュエータ25で構成される。内部EGR装置51’(51A’,51B’)は、排気バルブ13をリフトする排気行程とは別に吸気行程でも排気バルブ13を再リフトすると共に、前記再リフト量を連続的に変更し得るものである。目標筒内EGR比算出手段(41)は、目標外部EGRガス量算出手段(41)と、目標内部EGRガス量算出手段(41)とで構成される。上記目標外部EGRガス量算出手段(41)は、基点で目標のNOx特性を満足するようにエンジンの運転条件に応じて目標外部EGRガス量を算出する。上記目標内部EGRガス量算出手段(41)は、基点で目標のNOx特性を満足するようにエンジンの運転条件に応じて目標内部EGRガス量を算出する。EGRガス量制御手段(41)は、EGRバルブ開度制御手段(41)と、再リフト量制御手段(41)とで構成される。上記EGRバルブ開度制御手段(41)は、EGR領域において背圧が基点での背圧より上昇した場合に、外部EGR装置21を用いて、実際の外部EGRガス量が目標外部EGRガス量と一致するようにEGRバルブ開度を制御する。上記再リフト量制御手段(41)は、EGR領域において背圧が基点での背圧より上昇した場合に、内部EGR装置51’(51A’,51B’)を用いて、実際の内部EGRガス量が目標内部EGRガス量と一致するように前記再リフト量を制御する。これによって、吸気行程でも排気バルブ13を再リフトすると共に、前記再リフト量を可変に調整し得る内部EGR装置(51’)を備える場合であっても、ドライバの要求するエンジントルクを得つつ、NOxの悪化を抑制することができる。
また、燃焼室5に流入するEGRガス量を連続的に変更し得るEGR装置が2つあるので、内部EGRガス量と外部EGRガス量の割合を任意に設定することができ、設計の自由度を高めることができる。
(第3実施形態)
図46,図47は第3実施形態の第1、第2の吸気バルブ12A,12Bの各リフト特性図である。比較のため、図46,図47には排気バルブ13A,13Bのリフト特性を一点鎖線で重ねて示している。
第3実施形態でも、内部EGR装置が適用される燃焼室5及び燃焼室5の周辺は第1実施形態の図2と同じであるとする。この場合、2つの吸気バルブ12A,12Bのうち、一方の開口部62Aを開閉する吸気バルブ12Aを「第1吸気バルブ」と、他方の開口部62Bを開閉する吸気バルブ12Bを「第2吸気バルブ」として区別する。
第1実施形態では、内部EGR装置51(51A,51B)が、排気バルブ13(13A,13B)をリフトする排気行程とは別に吸気行程でも排気バルブ13(13A,13B)を一定量再リフトすることで内部EGRガスを燃焼室5に導入するものであった。一方、第3実施形態は、内部EGR装置が、吸気バルブをリフトする(図46,図47の一点鎖線参照)吸気行程とは別に排気行程でも吸気バルブを一定量再リフトする(図46,図47の破線参照)ことで内部EGRガスを燃焼室5に導入するものである。これを図2を参照して説明する。図2において、排気行程で吸気バルブ12A,12Bを再リフトすると、排気ポート63A,63Bの排気圧と吸気ポート61A,61Bの吸気圧の差の圧力に応じて排気ポート63A,63Bから吸気ポート61A,61Bへと排気が吹き抜ける。排気行程における吸気バルブ12A,12Bの再リフトと、排気行程における排気バルブ13A,13Bのリフトとが終了したタイミングで、燃焼室5に排気(つまり内部EGRガス)が残留する。この内部EGRガス量は、上記排気ポート63A,63Bの排気圧と吸気ポート61A,61Bの吸気圧の差の圧力が一定とすれば、排気行程における吸気バルブの再リフト量によって決まる。
ここで、第1、第2の吸気バルブ12A,12Bの各リフト特性図では、図46,図47に示したように排気行程での第1、第2の吸気バルブのリフト期間が排気バルブのリフト期間のうちの左側(進角側)に偏っている。これは、内部EGR装置を第1実施形態の図3,図4と同様に構成したとき、2つのカムを切換えるなどのメカ的な制約を受ける(例えば2つのカムを切換えるのに油圧アクチュエータを用いており、油圧アクチュエータには応答遅れがある)ためである。排気行程のうちの進角側で吸気バルブの再リフトを終了させておかないと、吸気行程に移行した直後に吸気バルブをリフトさせることができなくなるためである。
ただし、本発明としては、第1、第2の吸気バルブ12A,12Bの各リフト特性が図46,図47に示した場合に限定されるものでなく、排気行程での第1、第2の吸気バルブの再リフト期間は排気バルブのリフト期間のうちの任意の位置にあってよい。たとえば、第3実施形態の他の例の第1、第2の吸気バルブ12A,12Bの各リフト特性図を、図48〜図51に示す。図48,図49に示したように排気行程での第1、第2の吸気バルブの再リフト期間が排気バルブのリフト期間のうちの右側(遅角側)に偏っていてもかまわない。同様に、図50,図51に示したように排気行程での第1、第2の吸気バルブの再リフト期間が排気バルブのリフト期間のうちの中央にあってもかまわない。
このように、吸気バルブをリフトする吸気行程とは別に排気行程でも吸気バルブを一定量再リフトする内部EGR装置を備える第3実施形態でも、第1実施形態と同様の作用効果を奏する。
(第4実施形態)
図52,図53は第4実施形態の第1、第2の吸気バルブ12A,12Bの各リフト特性図である。比較のため、図52,図53には排気バルブ13A,13Bのリフト特性を一点鎖線で重ねて示している。
第2実施形態では、吸気行程で2つの排気バルブ13A,13Bを再リフトするか再リフトしないかを切換えることができるだけでなく、各再リフト量を連続的に変更することが可能な内部EGR装置51A’,51B’を設けた。一方、第4実施形態は、排気行程で2つの吸気バルブ12A,12Bを再リフトするか再リフトしないかを切換えることができるだけでなく、各再リフト量を連続的に変更することが可能な内部EGR装置を設けるものである。内部EGR装置の具体的な構成は、第2実施形態の内部EGR装置51A’,51B’を示す図26,図27と同様である。
まず、第1吸気バルブ12Aのリフト特性から説明する。運転点が内部EGR領域にありかつ背圧がしきい値以上であるときに、図52に示したように、排気行程の直前に第2のカムに切換える。そして、当該排気行程では電磁ソレノイドバルブに与えるデューティ比(油圧アクチュエータに与える制御量)に応じて第1吸気バルブ12Aの再リフト量を連続的に変化させることができる(図52破線参照)。上記のように排気ポートの排気圧と吸気ポートの吸気圧の差の圧力が一定とすれば、内部EGRガス量は排気行程における第1吸気バルブ12Aの再リフト量によって決まるため、第1吸気バルブ12Aの再リフト量に応じて内部EGRガス量が変化する。当該排気行程に続く吸気行程では第1のカムに切換える。第1のカムを用いて吸気行程で第1吸気バルブ12Aを所定のリフト量でリフトさせる(図52実線参照)。
次に、図53に示したように、第2吸気バルブ12Bのリフト特性は、第1吸気バルブ12Aのリフト特性と同様である。運転点が内部EGR領域にありかつ背圧がしきい値以上であるときに、排気行程の直前に第2のカムに切換える。そして、当該排気行程では電磁ソレノイドバルブに与えるデューティ比(油圧アクチュエータに与える制御量)に応じて第2吸気バルブ12Bの再リフト量を連続的に変化させることができる(図53破線参照)。上記のように排気ポートの排気圧と吸気ポートの吸気圧の差の圧力が一定とすれば、内部EGRガス量は排気行程における第2吸気バルブ12Bの再リフト量によって決まるため、第2吸気バルブ12Bの再リフト量に応じて内部EGRガス量が変化する。当該排気行程に続く吸気行程では第1のカムに切換える。第1のカムを用いて第2吸気バルブ12Bを所定のリフト量でリフトさせる(図53実線参照)。
このように、2つの吸気バルブをリフトする吸気行程とは別に排気行程でも2つの吸気バルブを再リフトすると共に、各再リフト量を連続的に変更し得る内部EGR装置を備える第4実施形態でも、第2実施形態と同様の作用効果を奏する。