JP2021025492A - エンジンシステム - Google Patents

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秀輝 加藤
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Abstract

【課題】排気バルブの開閉によって得られる制動力が高められたエンジンシステムを提供する。【解決手段】エンジンシステムは、前記触媒が活性状態にあり、かつ、前記排気ガス温度が保温可能温度以上にあり、かつ、前記要求トルクが減速要求トルクにあるときに前記制御モードとしてブレーキモードを選択する。ブレーキモードにおいて、エンジンシステムは、膨張行程に開弁期間を有して圧縮行程において圧縮された作動ガスを排出する第1ブレーキ排気動作と、少なくとも一部が排気行程に含まれる閉弁期間を経て開弁する第2ブレーキ排気動作であって第1ブレーキ排気動作よりも最大リフト量が小さくかつ開弁期間の短い前記第2ブレーキ排気動作とで構成されるブレーキ排気動作を実行する。【選択図】図6

Description

本発明は、エンジンシステムに関する。
例えば特許文献1のように、エンジンブレーキの1つとして、圧縮開放ブレーキが知られている。圧縮開放ブレーキでは、通常の排気バルブの開閉動作に加えて、圧縮行程の上死点である圧縮上死点付近において排気バルブを一時的に開弁して吸入行程で吸入した空気を排出する。こうした圧縮開放ブレーキは、圧縮行程におけるシリンダー内の圧力上昇に加えて膨張行程におけるシリンダー内の圧力低下がクランクシャフトの回転抵抗として作用することにより制動力が得られる構成となっている。
特開2008−157195号公報
圧縮開放ブレーキは、シリンダー内における圧力変化を利用して制動力を得ているため、エンジンの排気量が大きいほど、また、エンジンの回転数が高いほど高い制動力が得られる。近年では、燃料消費量の削減を目的の1つとして、エンジンのダウンサイジングやダウンスピーディングが図られている。そのため、排気バルブの開閉によって得られる制動力が小さくなる傾向にある。
本発明は、排気バルブの開閉によって得られる制動力が高められたエンジンシステムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するエンジンシステムは、燃焼室を開閉する開閉タイミングを変更可能な排気バルブを有するエンジンと、前記エンジンからの排気ガスを浄化する触媒を有する排気浄化装置と、前記エンジンを制御する制御装置と、を備えたエンジンシステムであって、前記制御装置は、ドライバーからの要求トルク、前記触媒の状態、および、前記触媒に流入する排気ガスの温度である排気ガス温度を取得する取得部と、前記エンジンの出力トルクが前記要求トルクとなるように前記エンジンへの燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御部と、前記エンジンシステムの制御モードを選択するモード選択部と、前記排気バルブの開閉を制御するバルブ制御部と、を備え、前記モード選択部は、前記触媒が活性状態にあり、かつ、前記排気ガス温度が保温可能温度以上にあり、かつ、前記要求トルクが減速要求トルクにあるときに前記制御モードとしてブレーキモードを選択し、前記ブレーキモードにおいて、前記バルブ制御部は、膨張行程に開弁期間を有する第1ブレーキ排気動作と、少なくとも一部が排気行程に含まれる閉弁期間を経て開弁する第2ブレーキ排気動作であって前記第1ブレーキ排気動作よりも最大リフト量が小さくかつ開弁期間の短い前記第2ブレーキ排気動作とで構成されるブレーキ排気動作を実行する。
上記構成において、第1ブレーキ排気動作は、圧縮行程において圧縮された作動ガスをエキゾーストマニホールドに排出し、その後、エキゾーストマニホールドの排気ガスを作動ガスとしてエンジンのシリンダーに取り込ませる。そして、第1ブレーキ排気動作によってシリンダーに取り込まれた排気ガスが、第1ブレーキ排気動作と第2ブレーキ排気動作との間の閉弁期間に圧縮されることにより制動力が得られる。該閉弁期間に圧縮された排気ガスは、第2ブレーキ排気動作によってエキゾーストマニホールドへと排出される。このように上記構成によれば、圧縮行程における作動ガスの圧縮と排気行程における作動ガスの圧縮とによって制動力が得られることで排気バルブの開閉によって得られる制動力を高めることができる。
上記構成のエンジンシステムにおいて、前記モード選択部は、前記触媒が活性状態にあり、かつ、前記排気ガス温度が保温可能温度以上であり、かつ、前記要求トルクが前記減速要求トルクでないときに前記制御モードとして通常モードを選択し、前記第1ブレーキ排気動作は、前記通常モードにおける前記排気バルブの開閉動作である通常排気動作を進角させた開閉動作であることが好ましい。
上記構成によれば、圧縮行程において圧縮された作動ガスの排出後、より多くの排気ガスを作動ガスとしてシリンダーに取り込むことができる。これにより、排気行程において得られる制動力を高めることができる。
上記構成のエンジンシステムにおいて、前記モード選択部は、前記触媒が活性状態にあり、かつ、前記排気ガス温度が保温可能温度以上であり、かつ、前記要求トルクが前記減速要求トルクでないときに前記制御モードとして通常モードを選択し、前記第1ブレーキ排気動作は、前記通常モードにおける前記排気バルブの開閉動作である通常排気動作よりも開弁期間が短く、かつ、最大リフト量が小さい開閉動作であることが好ましい。
上記構成のように、第1ブレーキ排気動作が通常開閉動作よりも開弁期間に短く、かつ、最大リフト量が小さい開閉動作であったとしても排気バルブの開閉動作によって得られる制動力を高めることができる。
上記構成のエンジンシステムにおいて、前記モード選択部は、前記触媒が不活性状態にあるときに前記制御モードとして昇温モードを選択し、前記昇温モードにおいて、前記バルブ制御部は、膨張行程に前記排気バルブが開弁する第1昇温排気動作と少なくとも一部が排気行程に含まれる閉弁期間を経て開弁する第2昇温排気動作とで構成されて前記第1昇温排気動作が前記第2昇温排気動作よりも最大リフト量が大きくかつ開弁期間の長い開閉動作である昇温排気動作を実行し、前記ブレーキ排気動作と前記昇温排気動作とが同じ開閉動作であることが好ましい。
上記構成によれば、昇温排気動作をそのままブレーキ排気動作として用いることができる。これにより、昇温排気動作とブレーキ排気動作とを実現する構成の簡素化を図ることができる。
上記構成のエンジンシステムにおいて、前記エンジンは、排気通路に配設されて排気ガスの流路断面積を変更可能な排気絞り部を有し、前記制御装置は、前記排気絞り部の開閉を制御する排気絞り制御部を有し、前記排気絞り部は、前記ブレーキモードにおいて前記排気絞り部を閉状態に制御することが好ましい。
上記構成によれば、ブレーキモードにおいてエキゾーストマニホールドの圧力が高められることから、第1ブレーキ排気動作によってシリンダー内に取り込まれる排気ガス量を多くすることができる。これにより、ブレーキ排気動作によって得られる制動力をさらに高めることができる。
エンジンシステムの一実施形態の概略構成を示す図。 シリンダー付近におけるエンジンの断面構造の一例を模式的に示す図。 エンジンシステムの機能的構成の一例を示す機能ブロック図。 モード選択処理の一例を示すフローチャート。 第1実施形態において、通常モードおよび昇温モードにおける排気バルブの開閉動作についてクランク角度とリフト量との関係の一例を示す図。 第1実施形態において、通常モードおよびブレーキモードにおける各開閉動作についてクランク角度とリフト量との関係の一例を示す図。 第1実施形態において、ブレーキ排気動作による制動力と従来の圧縮開放ブレーキによる制動力との比較結果の一例を示す図。 第2実施形態において、通常モードおよびブレーキモードにおける各開閉動作についてクランク角度とリフト量との関係の一例を示す図。 第2実施形態において、ブレーキ排気動作による制動力と従来の圧縮開放ブレーキによる制動力との比較結果の一例を示す図。 変形例において、ブレーキモードにおける各開閉動作についてクランク角度とリフト量との関係の一例を示す図。
(第1実施形態)
図1〜図7を参照して、エンジンシステムの第1実施形態について説明する。まず、図1を参照してエンジンシステムの概略構成について説明する。
図1に示すように、エンジンシステムは、ディーゼルエンジン10(以下、エンジン10という。)を備える。エンジン10は、複数のシリンダー11を有するエンジンブロック12を備える。各シリンダー11には、コモンレールから所定圧力の燃料が供給されるインジェクター13から燃料が噴射される。エンジンブロック12には、インテークマニホールド14とエキゾーストマニホールド15とが接続されている。インテークマニホールド14にはエンジン10が吸入する空気が流れる吸気通路16が接続され、エキゾーストマニホールド15にはエンジン10が排出した排気ガスが流れる排気通路17が接続されている。
図2に示すように、エンジンブロック12は、シリンダー11が形成されたシリンダーブロック12Aとシリンダーブロック12Aに連結されるシリンダーヘッド12Bとを有している。シリンダーヘッド12Bは、シリンダーブロック12Aに形成されたシリンダー11の開口を塞いでいる。エンジン10は、各シリンダー11に対して上下動可能に収容されるピストン20を有している。シリンダーブロック12A、シリンダーヘッド12B、および、ピストン20で囲まれる空間は、インジェクター13が燃料を噴射するとともに該燃料が燃焼する燃焼室21である。ピストン20は、コネクションロッド22を介して図1に示すクランクシャフト23に連結されている。クランクシャフト23は、ピストン20がシリンダー11内を上下動することにより回転駆動される。シリンダーヘッド12Bには、インテークマニホールド14に接続される吸気ポート25とエキゾーストマニホールド15に接続される排気ポート26とがシリンダー11ごとに形成されている。
エンジン10は、吸気バルブ27と排気バルブ28とを有している。吸気バルブ27は、吸気側動弁機構29によって駆動され、吸気ポート25を開閉することによりインテークマニホールド14に対して燃焼室21を開閉する。排気バルブ28は、排気側動弁機構30によって駆動され、排気ポート26を開閉することによりエキゾーストマニホールド15に対して燃焼室21を開閉する。各動弁機構29,30は、駆動対象のバルブのリフト量や開閉タイミングを変更可能に構成された可変バルブ機構である。各動弁機構29,30は、カム切り替え型の可変バルブ機構であってもよいし、電子制御式のアクチュエーターによってリフト量や開閉タイミングが変更可能な可変バルブ機構であってもよい。
図1に示すように、エンジンシステムは、ターボチャージャー35を備えている。ターボチャージャー35は、コンプレッサー36、インタークーラー37、およびタービン38を有している。コンプレッサー36およびインタークーラー37は、吸気通路16に配設されている。コンプレッサー36はエアクリーナー39を通過した空気を圧縮し、インタークーラー37はコンプレッサー36が圧縮した空気を冷却する。タービン38は、排気通路17に配設されている。タービン38は、排気ガスのエネルギーである排気エネルギーを利用してコンプレッサー36を回転させる。
エンジンシステムは、EGR(Exhaust Gas Recirculation)装置40を備えている。EGR装置40は、エキゾーストマニホールド15と吸気通路16とを接続するEGR通路41を通じて排気側から吸気側へ排気ガスを還流する外部EGRを実行可能に構成されている。EGR通路41には、EGRクーラー42とEGR弁43とが設けられている。EGR弁43が開状態にあるとき、シリンダー11には、EGRガスと吸入空気との混合気体が作動ガスとして供給される。EGR弁43が閉状態にあるとき、シリンダー11には、吸入空気が作動ガスとして供給される。シリンダー11では、作動ガスとインジェクター13が噴射した燃料との混合気が燃焼する。シリンダー11からの排気ガスは、エキゾーストマニホールド15を通じて排気通路17へと流入したのちタービン38に流入する。なお、エンジン10が吸入する作動ガスにおけるEGRガスの割合をEGR率という。
エンジンシステムは、排気浄化装置45を備えている。排気浄化装置45には、タービン38を通過した排気ガスが流入する。排気浄化装置45は、添加部46及び選択還元型触媒47を有している。選択還元型触媒47は、排気通路17を構成する拡径部17Aに収容されている。
添加部46は、拡径部17Aに流入する排気ガスに対して還元剤を添加する。添加部46は、還元剤を貯留するタンク48に接続された還元剤通路49を備える。還元剤通路49には、ポンプ50が配設されている。ポンプ50は、タンク48内の還元剤を所定圧力で添加弁51に圧送する。添加弁51は、弁機構を内蔵した電子制御式の噴射弁であり、弁機構が開状態にあるときに排気ガスに還元剤を添加する。
選択還元型触媒47は、添加部46の添加した還元剤を利用して排気ガスに含まれるNOxを窒素や水へと還元する。選択還元型触媒47は、例えば耐熱性に優れたセラミックやステンレスを素材としたフロースルー型のモノリス担体に対して各種の触媒金属を胆持させたものである。選択還元型触媒47は、その温度である触媒温度Tcが所定の温度範囲にあるときに活性状態となる。この温度範囲の下限値は下限活性温度TcLである。
選択還元型触媒47の一例は、尿素SCR触媒である。この場合、添加部46は還元剤として尿素水を添加し、選択還元型触媒47は尿素水が加水分解したアンモニアと排気ガスに含まれるNOxとを反応させてNOxを窒素や水へと還元する。選択還元型触媒47は、モノリス担体に対して、例えば銅系、鉄系、バナジウム系の各種の触媒金属を胆持させることにより構成される。選択還元型触媒47は、例えば150℃〜350℃の温度範囲を活性温度として有する。
なお、排気浄化装置45は、排気通路17における添加弁51の上流に、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉するフィルターや排気ガスに含まれている未燃燃料を酸化する前段酸化触媒などを有していてもよい。また、排気浄化装置45は、排気通路17における選択還元型触媒47の下流に、選択還元型触媒47を通過した排気ガスに含まれるアンモニアなどを酸化する後段酸化触媒などを有していてもよい。また、排気浄化装置45は、選択還元型触媒47として、エンジン10の燃料である軽油を還元剤としてNOxを還元する触媒、いわゆるHC−SCR触媒を備えていてもよい。
エンジンシステムは、添加弁51とターボチャージャー35のタービン38との間に排気絞り弁52を有している。排気絞り弁52は、排気通路17の流路断面積を変更可能に構成されている。排気絞り弁52は、排気通路17の流路断面積を小さくして排気抵抗を高めることで補助ブレーキの1つである排気ブレーキとして機能する。補助ブレーキは、ドライバーが操作可能な作動スイッチSがオン状態にあるときに作動可能に構成されている。作動スイッチSは、制御装置60に操作状況を示す操作信号を出力する。
エンジンシステムは、各種センサーを備えている。エンジンシステムは、クランク角度センサー55、触媒温度センサー56、アクセル開度センサー57、排気ガス温度センサー58、および、車速センサー59を備えている。クランク角度センサー55は、エンジン10によって駆動されるクランクシャフト23の回転角度であるクランク角度を検出する。触媒温度センサー56は、選択還元型触媒47の温度である触媒温度Tcを検出する。アクセル開度センサー57は、ドライバーによって操作されるアクセルペダル57aの踏込み量に基づくアクセル開度ACCを検出する。排気ガス温度センサー58は、選択還元型触媒47に流入する排気ガスの温度である排気ガス温度Texを検出する。車速センサー59は、車両の速度である車速vを検出する。各種センサーは、検出した値を示す信号をエンジンシステムを統括制御する制御装置60に出力する。
図3〜図6を参照して制御装置60について説明する。制御装置60は、ASIC等の1つ以上の専用のハードウェア回路、コンピュータプログラム(ソフトウェア)に従って動作する1つ以上のプロセッサ、或いは、それらの組み合わせ、を含む回路として構成し得る。プロセッサは、CPU並びに、RAM及びROM等のメモリを含み、メモリは、処理をCPUに実行させるように構成されたプログラムコードまたは指令を格納している。メモリすなわちコンピュータ可読媒体は、汎用または専用のコンピュータでアクセスできるあらゆる利用可能な媒体を含む。
図3に示すように、制御装置60は、各種コンピュータプログラムの実行により機能する機能部として、取得部61、モード選択部62、燃料噴射制御部63、EGR制御部64、添加制御部65、バルブ制御部66、および排気ブレーキ制御部70を有している。
取得部61は、図示されない入力インターフェースを通じて各種情報を取得する。取得部61は、クランク角度センサー55が出力した検出信号に基づきクランク角度を取得する。取得部61は、触媒温度センサー56が出力した検出信号に基づき触媒温度Tcを選択還元型触媒47の状態として取得する。取得部61は、アクセル開度センサー57が出力した検出信号に基づきアクセル開度ACCを取得する。取得部61は、クランク角度の変化量に基づきエンジン回転数Neを演算し、その演算したエンジン回転数Neとアクセル開度ACCとに基づきドライバーからの要求トルクLを取得する。取得部61は、排気ガス温度センサー58が出力した検出信号に基づき排気ガス温度Texを取得する。取得部61は、車速センサー59が出力した検出信号に基づき車速vを取得する。取得部61は、作動スイッチSからの操作信号に基づき作動スイッチSの操作状況を取得する。
モード選択部62は、エンジンシステムの制御モードを選択する。モード選択部62は、取得部61が取得した各種情報に基づいて、インジェクター13による燃料の噴射、吸気バルブ27の吸気動作、排気バルブ28の排気動作、および、排気絞り弁52の動作などについての制御モードを選択するモード選択処理を実行する。モード選択部62は、モード選択処理を通じて、昇温モード、保温モード、ブレーキモード、および、通常モードのなかから制御モードを択一的に選択する。昇温モードは、排気浄化装置45に供給される排気エネルギーを増大させて選択還元型触媒47の昇温を優先させる制御モードである。保温モードは、選択還元型触媒47の触媒温度Tcを下限活性温度TcL以上に保持する制御モードである。ブレーキモードは、吸気バルブ27や排気バルブ28の開閉を制御して制動力を発生させる制御モードである。通常モードは、排気ガスの浄化や燃料消費量の低減を優先させる制御モードである。
図4を参照して、モード選択部62が実行するモード選択処理について説明する。
図4に示すように、モード選択処理にて、モード選択部62は、取得部61が取得する触媒温度Tcが下限活性温度TcL以上であるか否かを判断する(ステップS201)。
触媒温度Tcが下限活性温度TcL未満である場合(ステップS201:NO)、モード選択部62は、例えば、要求トルクLとエンジン回転数Neとに基づくエンジン負荷ELが昇温選択負荷EL1以下であるか否かを判断する(ステップS202)。昇温選択負荷EL1は、燃料噴射量を増量したとしても排気ガスに含まれる未燃燃料が抑えられ、かつ、ドライバーからの要求トルクLを具現化可能な値に設定される。昇温選択負荷EL1は、予め行った実験やシミュレーションの結果等に基づき設定される。昇温選択負荷EL1は、例えば20%以下の値から設定されることが好ましく、その一例は15%である。エンジン負荷ELが昇温選択負荷EL1以下である場合(ステップS202:YES)、モード選択部62は、昇温モードを選択して(ステップS203)一連の処理を一旦終了する。
ステップS201において、触媒温度Tcが下限活性温度TcL以上である場合(ステップS201:YES)、モード選択部62は、取得部61が取得する排気ガス温度Texが保温可能温度Tex1以上であるか否かを判断する(ステップS204)。保温可能温度Tex1は、その温度よりも低い温度の排気ガスが選択還元型触媒47に所定期間だけ供給された場合に触媒温度Tcが下限活性温度TcLまで低下する可能性が高いと判断される温度である。保温可能温度Tex1は、例えば、下限活性温度TcL以上の値であり、かつ、エンジンシステムが備える各種センサーの1つとして外気温を検出する外気温センサーの検出値が低いほど高くなるように設定されてもよい。外気温が低いほど保温可能温度Tex1が高くなることにより、その時々の走行環境に応じた適切な保温可能温度Tex1を設定できる。その結果、触媒温度Tcが下限活性温度TcLまで低下することがより確実に抑えられる。
排気ガス温度Texが保温可能温度Tex1未満である場合(ステップS204:NO)、モード選択部62は、エンジン負荷ELが保温選択負荷EL2以下であるか否かを判断する(ステップS205)。保温選択負荷EL2は、例えばアイドリング状態などエンジン負荷ELが軽負荷であると判断される値である。保温選択負荷EL2は、昇温選択負荷EL1よりも低い値が設定される。エンジン負荷ELが保温選択負荷EL2以下である場合(ステップS205:YES)、モード選択部62は、保温モードを選択し(ステップS206)、一連の処理を一旦終了する。すなわち、保温モードは、排気ガス温度Texが触媒温度Tcを下限活性温度TcLに到達させる可能性の高い状態にあり(ステップS204:NO)、かつ、エンジン負荷ELが軽負荷にあることで排気ガス温度Texが上昇する可能性の低い状態(ステップS205:YES)において、触媒温度Tcを下限活性温度TcLよりも高い温度に保持するモードである。
一方、排気ガス温度Texが保温可能温度Tex1以上である場合(ステップS204:YES)、モード選択部62は、取得部61が取得するアクセル開度ACCが0%以上であるか否かを判断する(ステップS207)。
アクセル開度ACCが0%未満である場合(ステップS207:NO)、すなわち要求トルクLが減速を要求する減速要求トルクにある場合、モード選択部62は、補助ブレーキの作動条件が成立しているか否かを判断する(ステップS208)。作動条件は、アクセル開度ACCが0%未満にあるときに、作動スイッチSがオン状態にあり、かつ、車速vが作動速度v1以上にあることである。作動速度v1は、補助ブレーキによる制動力が有効に作用する車速vに設定される。作動速度v1の一例は、30km/hである。
作動条件が成立している場合(ステップS208:YES)、モード選択部62は、ブレーキモードを選択し(ステップS209)、一連の処理を一旦終了する。ブレーキモードにおいて、制御装置60は、補助ブレーキの1つである圧縮開放ブレーキが作動するように吸気側動弁機構29および排気側動弁機構30を制御する。
一方、アクセル開度ACCが0%以上である場合(ステップS207:YES)、エンジン負荷ELが昇温選択負荷EL1以下でない場合(ステップS202:NO)、エンジン負荷ELが保温選択値EL2以下でない場合(ステップS205:NO)、補助ブレーキの作動条件が成立していない場合(ステップS208:NO)、モード選択部62は、通常モードを選択し(ステップS210)、一連の処理を一旦終了する。
図3に示すように、燃料噴射制御部63は、図示されない出力インターフェースを通じて制御信号を出力することにより、各インジェクター13による燃料の噴射を制御する。燃料噴射制御部63は、取得部61が取得したアクセル開度ACC及びエンジン回転数Ne、ならびに、モード選択部62が選択した制御モードなどに基づいて各インジェクター13による燃料の噴射を制御する。燃料噴射制御部63は、アクセル開度ACCおよびエンジン回転数Neごとに燃料噴射量が規定された燃料マップをメモリの所定領域に保持している。燃料噴射制御部63は、通常モードにおいて使用する燃料マップである通常マップ67、昇温モードにおいて使用する燃料マップである昇温マップ68、および、保温モードにおいて使用する燃料マップである保温マップ69をメモリの所定領域に保持している。燃料噴射制御部63は、モード選択部62が選択した制御モードに対応する燃料マップを用いて燃料噴射量を制御する。燃料噴射制御部63は、要求トルクLが減速要求トルクにあるブレーキモードにおいては、エンジン回転数Neに応じて燃料の噴射を一時的に停止する燃料カット制御を実行する。
EGR制御部64は、図示されない出力インターフェースを通じて制御信号を出力することにより、EGR装置40、具体的にはEGR弁43の開度を制御する。EGR制御部64は、モード選択部62が選択した制御モードに基づいてEGR弁43を制御し、EGRガスの量であるEGR量を制御する。EGR制御部64は、制御モードが通常モードである場合、その時々のエンジン10の運転状態に適したEGR量だけ排気ガスが還流されるようにEGR弁43の開度を制御する。制御モードが昇温モード、保温モード、および、ブレーキモードのいずれかである場合、EGR制御部64は、EGR弁43を閉状態に維持することで外部EGRを禁止する。
添加制御部65は、図示されない出力インターフェースを通じて制御信号を出力することにより、排気浄化装置45の添加部46、具体的には添加弁51の開閉を制御する。添加制御部65は、モード選択部62が選択した制御モードに基づいて添加弁51による尿素水の添加量や添加タイミングを制御する。添加制御部65は、制御モードが通常モード、保温モード、および、ブレーキモードのいずれかである場合、その時々のエンジン10の運転状態に適した量の尿素水が添加されるように添加弁51の開閉を制御する。添加制御部65は、制御モードが昇温モードである場合、添加弁51を閉状態に維持することで尿素水の添加を禁止する。
バルブ制御部66は、図示されない出力インターフェースを通じて制御信号を出力することにより、吸気側動弁機構29を通じて吸気バルブ27の開閉動作を制御するとともに、排気側動弁機構30を通じて排気バルブ28の開閉動作を制御する。バルブ制御部66は、モード選択部62が選択した制御モードに基づいて吸気バルブ27および排気バルブ28の各々についてリフト量及び開閉タイミングを制御する。
バルブ制御部66は、吸気バルブ27に対し、通常モードにおいては通常吸気動作、昇温モードにおいては昇温吸気動作、保温モードにおいては保温吸気動作、ブレーキモードにおいてはブレーキ吸気動作を実行させる。バルブ制御部66は、排気バルブ28に対し、通常モードにおいては通常排気動作、昇温モードにおいては昇温排気動作、保温モードにおいては保温排気動作、ブレーキモードにおいてはブレーキ排気動作を実行させる。
排気ブレーキ制御部70は、排気絞り弁52を制御する。排気ブレーキ制御部70は、制御モードがブレーキモードにあるときは排気絞り弁52を作動状態に制御可能に構成されている。
図5および図6を参照して、通常モード、昇温モード、および、保温モードにおける吸気バルブ27および排気バルブ28の開閉動作について説明する。なお、図5,6に示されるクランク角度は、圧縮行程の上死点である圧縮上死点を基準(=0°CA)としたクランク角度を示している。また、以下に示す括弧内の記載は、各図に示されているクランク角度を示している。
図5に示すように、通常排気動作は、膨張行程の下死点である膨張下死点(=180°CA)に到達する少し前に開弁して排気行程の上死点である排気上死点(=360°CA)付近において閉弁する開閉動作である。また、通常吸気動作は、排気行程の上死点である排気上死点(=360°CA)に到達する直前に開弁して圧縮行程の前半部分において閉弁する開閉動作である。
昇温排気動作は、膨張行程に開弁する第1昇温排気動作と、少なくとも一部が排気行程に含まれる閉弁期間を経て開弁する第2昇温排気動作とで構成される。なお、昇温吸気動作の一例は、通常吸気動作である。
第1昇温排気動作は、第2昇温排気動作よりも最大リフト量が大きく、かつ、開弁期間が長い排気動作である。第1昇温排気動作は、通常排気動作よりも開弁時期が早く、かつ、開弁期間が短い開閉動作である。例えば、第1昇温排気動作は、最大リフト量及び開弁期間の各々について通常排気動作の半分以下に設定される。第1昇温排気動作は、圧縮上死点後40°CA以降に開弁し、膨張行程において閉弁する開閉動作である。第2昇温排気動作は、排気行程の後半に開弁する開閉動作であり、例えば、最大リフト量及び開弁期間の各々が第1昇温排気動作の半分以下に設定される。
図6に示すように、ブレーキ排気動作は、排気バルブ28の開閉動作である第1ブレーキ排気動作と第2ブレーキ排気動作とで構成される。
第1ブレーキ排気動作は、膨張行程に開弁期間を有する開閉動作である。第1実施形態の第1ブレーキ排気動作は、通常排気動作を進角させた開閉動作である。第1ブレーキ排気動作は、排気バルブ28とピストン20との干渉を回避しつつ通常排気動作をできるだけ進角させることが好ましく、その一例は圧縮上死点後10°CAにおいて開弁するように構成される。
第2ブレーキ排気動作は、第1ブレーキ排気動作の後に少なくとも一部が排気行程に含まれる閉弁期間を経て開弁する開閉動作であって第1ブレーキ排気動作よりも最大リフト量が小さくかつ開弁期間の短い開閉動作である。
第1実施形態のエンジンシステムの作用について説明する。
膨張行程に排気バルブ28が開弁期間を有することにより、燃焼室21の排気ガスの一部は、ピストン20を押下する仕事をすることなくチョーク流れとなって排気ポート26へと流出する。そのため、燃焼室21から流出する排気ガスの分だけエンジン10に出力損失(以下、流出損失という。)が生じる。また、その開弁期間の終了時に燃焼室21に残っている排気ガスは、排気行程においてピストン20によって圧縮される。これにより、エンジン10に出力損失(以下、圧縮損失という。)が生じる。
燃料噴射制御部63が保持する昇温マップ68には、予め行った実験やシミュレーションの結果等に基づいて上述した流出損失と圧縮損失とを加味したうえでドライバーの要求トルクLを満足する燃料噴射量が規定されている。すなわち、昇温マップ68には、アクセル開度ACCとエンジン回転数Neとに基づく同一のアドレスに対し、通常マップ67に規定されている値よりも大きな値が規定されている。これにより、要求トルクLが同じ場合、昇温モードにおいて排気浄化装置45に供給される排気エネルギーを通常モードよりも増大させることができる。
昇温モードにおいて、第1昇温排気動作の実行中に燃焼室21から流出する排気ガスは、通常排気動作によって燃焼室21から排出される排気ガスよりもピストン20を押下する仕事をしていない分だけエンタルピの高い排気ガスである。そのため、第1昇温排気動作の実行中は、より高いエンタルピを有する排気ガスを排気浄化装置45に供給することができる。そのうえ、第1昇温排気動作が第2昇温排気動作よりも最大リフト量が大きく、かつ、開弁期間の長い開閉動作であることにより、より多くの高エンタルピの排気ガスを排気浄化装置45に供給することができる。その結果、排気浄化装置45に供給される排気エネルギーを効果的に増大させることができる。
また、昇温モードにおいて、第1昇温排気動作完了時に燃焼室21に残っている排気ガスは、第2昇温排気動作によって燃焼室21から排気ポート26へと流出する。これにより、排気上死点における燃焼室21の圧力を低下させることができ、該排気ガスの逆流に基づくEGR、いわゆる内部EGRに起因するEGR率の上昇を抑えることができる。その結果、エンジン10が吸入する新気量が多くなることで第1昇温排気動作の実行中により高いエンタルピの排気ガスを排気浄化装置45に供給することができる。
また、昇温モードにおいて、第1昇温排気動作の実行中は、高エンタルピの排気ガスがターボチャージャー35のタービン38に流入することから、ターボチャージャー35を効率よく駆動させることができる。また、第1昇温排気動作と第2昇温排気動作との間の閉弁期間において排気ガスが圧縮されることで、第2昇温排気動作において燃焼室21から排出される排気ガスの温度である排出温度を高めることができる。これにより、ターボチャージャー35を効率よく駆動させることができる。このようにターボチャージャー35が効率よく駆動されることでエンジン10が吸入する空気量が多くなり、さらなる排気エネルギーの増大を図ることができる。
ブレーキモードにおいては、吸入行程においてシリンダー11がインテークマニホールド14から吸入した作動ガスが圧縮行程において圧縮される。これにより、シリンダー11内の圧力上昇がクランクシャフト23の回転抵抗となることで制動力が得られる。その後の第1ブレーキ排気動作では、圧縮行程において圧縮された作動ガスがエキゾーストマニホールド15に排出された後、エキゾーストマニホールド15の排気ガスが作動ガスとしてシリンダー11に取り込まれる。そして、第1ブレーキ排気動作と第2ブレーキ排気動作との間の排気バルブ28の閉弁期間では、第1ブレーキ排気動作によってシリンダー11に取り込まれた作動ガスが圧縮される。これにより、シリンダー11内の圧力上昇がクランクシャフト23の回転抵抗となることで制動力が得られる。このようにブレーキモードにおいては、排気バルブ28の開弁タイミングが圧縮上死点前に位置するように通常排気動作を進角させることにより、圧縮行程で圧縮された作動ガスを開放することによって制動力を得るとともに、排気工程の前半に排気バルブ28を閉弁させ排気行程の後半に排気バルブ28を開弁する第2昇温排気動作により制動力を得るので、シリンダー11における圧力上昇に基づく制動力が圧縮行程および排気行程の双方で得られる構成となっている。
図7を参照して、従来の圧縮開放ブレーキによって得られる制動力と第1実施形態のブレーキモードによって得られる制動力とについて行ったシミュレーションの結果について説明する。従来の圧縮開放ブレーキは、第2ブレーキ排気動作と同程度の開弁期間と最大リフト量とを有する2つの開閉動作で構成した。具体的に、従来の圧縮開放ブレーキは、圧縮上死点を開弁期間に含んで圧縮行程で圧縮された作動ガスを開放する開閉動作と、圧縮行程開始直後に開弁してエキゾーストマニホールドから排気ガスをシリンダー内に導入する開閉動作とで構成した。
図7に示すように、第1実施形態のブレーキモードでは、従来の圧縮開放ブレーキ以上の制動力が得られることが確認された。なお、このシミュレーションでは、第1実施形態のブレーキモードにおいて排気ブレーキを作動させた場合の制動力についても検討した。その結果、排気ブレーキを作動させると低速域では排気ブレーキなしの場合より制動力が増加し、高速域では排気ブレーキなしの場合より制動力が低下することが確認された。そのため、排気ブレーキ制御部70は、制御モードがブレーキモードにあるとき、エンジン回転数Neが低速域にある場合は排気絞り弁52を作動状態に制御し、エンジン回転数Neが高速域にある場合は排気絞り弁52を非作動状態に制御してもよい。
第1実施形態のエンジンシステムの効果について説明する。
(1−1)ブレーキモードにおいては、シリンダー11における圧力上昇に基づく制動力が圧縮行程および排気行程の双方で得られる構成となっている。その結果、排気バルブ28の開閉によって得られる制動力を高めることができる。
(1−2)第1ブレーキ排気動作が通常開閉動作を進角させた開閉動作で構成されている。これにより、空気よりも圧力の高い膨張前のエンタルピの高いガスが排出され、シリンダー11に取り込まれる量を多くすることができる。これにより、排気行程開始時におけるシリンダー11の圧力が高められ、排気行程において得られる制動力が高められる。
(1−3)また、第1ブレーキ排気動作が通常開閉動作を進角させた開閉動作で構成されていることにより、排気ブレーキを併用しなくともブレーキ排気動作を実行するだけで大きな制動力を得ることができる。そのため、例えば、作動スイッチSとは別に排気ブレーキを作動させる排気ブレーキスイッチを設けることにより、ブレーキモードにおいて得られる制動力をドライバーが選択することが可能となる。また、排気ブレーキを併用することにより、より大きな制動力を得ることができる。
(1−4)第2ブレーキ排気動作によって、排気行程にて圧縮された作動ガスをエキゾーストマニホールド15へと排出できる。これにより、その圧縮された圧縮ガスが通常吸気動作によってインテークマニホールド14に流入することが抑えられる。その結果、高圧ガスの進入時の衝撃によって発生する吸気側の振動や騒音を抑えることができる。
(第2実施形態)
図8および図9を参照して、エンジンシステムの第2実施形態において説明する。なお、第2実施形態のエンジンシステムは、第1実施形態におけるエンジンシステムと主要な構成が同じである。そのため、第2実施形態においては、第1実施形態と異なる部分について詳細に説明し、第1実施形態と同様の部分については同様の符号を付すことによりその詳細な説明は省略する。
図8に示すように、第2実施形態のブレーキモードにおいて、バルブ制御部66は、上述した昇温排気動作の第1昇温排気動作を第1ブレーキ排気動作として使用し、第2昇温排気動作を第2ブレーキ排気動作として使用する。すなわち、バルブ制御部66は、ブレーキ排気動作として昇温排気動作と同じ開閉動作を実行する。また、排気ブレーキ制御部70は、排気絞り弁52を作動状態に制御する。
図9を参照して、従来の圧縮開放ブレーキによって得られる制動力と第2実施形態のブレーキモードによって得られる制動力とについて行ったシミュレーションの結果について説明する。
図9に示すように、第1ブレーキ排気動作として第1昇温排気動作、第2ブレーキ排気動作として第2昇温排気動作を使用した場合、ブレーキ排気動作のみで得られる制動力は、従来の圧縮開放ブレーキと比較して、低中回転域においては同等程度、高回転域においては低いことが確認された。これは、ブレーキモードでは第2昇温排気動作のリフト量が小さいために、特に高速域において作動ガスが排出されにくいことに起因する。一方、ブレーキ排気動作と排気ブレーキとを併用することによりエキゾーストマニホールド15の圧力が高められ、全回転域において従来の圧縮開放ブレーキに対して2倍程度の高い制動力が得られることが確認された。
第2実施形態のエンジンシステムの効果について説明する。
(2−1)ブレーキ排気動作と排気ブレーキとを併用することにより十分な制動力を得ることができる。
(2−2)ブレーキ排気動作は、昇温排気動作と同じ開閉動作である。そのため、ブレーキ排気動作を簡素な構成のもとで具現化することができる。
第1実施形態および第2実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・第2実施形態において、排気ブレーキを使用せずとも十分な制動力が得られる場合には排気ブレーキを使用しなくともよい。
・第1および第2実施形態において、第2ブレーキ排気動作は、排気行程で圧縮された作動ガスを排出する開閉動作であればよい。そのため、第2ブレーキ排気動作は、第2昇温排気動作よりも大きな最大リフト量や長い開弁期間を有していてもよい。
・第1実施形態において、排気側動弁機構30がカム切り替え型の可変バルブ機構である場合、ブレーキ排気動作は次のように構成されてもよい。
すなわち、排気側動弁機構30は、通常排気動作用のカムである排気用カムと昇温排気動作用のカムである昇温用カムとを有する。また、排気側動弁機構30は、排気用カムについては排気カムシャフトと排気カムシャフトの位相を制御装置60が制御可能な排気カムフェーザーとを有し、昇温用カムについては昇温用カムシャフトを有する。そして、図10に示すように、ブレーキ排気動作は、排気用カムを排気カムフェーザーで進角させた第1ブレーキ排気動作と、昇温用カムによる第2ブレーキ排気動作と、によって構成されてもよい。この場合、第1ブレーキ排気動作の開弁期間に対して第1昇温排気動作の開弁期間が重なるように構成するとよい。こうした構成によれば、昇温用カムを用いて昇温モードと保温モードとが具現化可能であることから、排気側動弁機構30の構成の複雑化を抑えることができる。
・第1実施形態および第2実施形態において、排気浄化装置45が複数の触媒を有する場合、モード選択処理における触媒温度Tcに関する判断は、最上流に位置する触媒温度に基づいて行われてもよい。こうした構成によれば、少なくとも最上流に位置する触媒を作用させることができる。また、触媒温度Tcに関する判断は、複数の触媒のなかから予め選択された触媒の触媒温度に基づいて行われてもよい。こうした構成によれば、予め選択された触媒において触媒を作用させることができる。
・第1実施形態および第2実施形態において、エンジンシステムは、ターボチャージャー35およびEGR装置40の少なくとも一方を備えていなくてもよい。
・第1実施形態および第2実施形態において、エンジン10は、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンであってもよいし、ガスエンジンであってもよい。
10…エンジン、11…シリンダ、12…エンジンブロック、12A…シリンダーブロック、12B…シリンダーヘッド、13…インジェクター、14…インテークマニホールド、15…エキゾーストマニホールド、16…吸気通路、17…排気通路、17A…拡径部、20…ピストン、21…燃焼室、22…コネクションロッド、23…クランクシャフト、25…吸気ポート、26…排気ポート、27…吸気バルブ、28…排気バルブ、29…吸気側動弁機構、30…排気側動弁機構、35…ターボチャージャー、36…コンプレッサー、37…インタークーラー、38…タービン、39…エアクリーナー、40…EGR装置、41…EGR通路、42…EGRクーラー、43…EGR弁、45…排気浄化装置、46…添加部、47…選択還元型触媒、48…タンク、49…還元剤通路、50…ポンプ、51…添加弁、52…排気絞り弁、55…クランク角度センサー、56…触媒温度センサー、57…アクセル開度センサー、57a…アクセルペダル、58…排気ガス温度センサー、59…車速センサー、60…制御装置、61…取得部、62…モード選択部、63…燃料噴射制御部、64…EGR制御部、65…添加制御部、66…バルブ制御部、67…通常マップ、68…昇温マップ、69…保温マップ、70…排気ブレーキ制御部。

Claims (5)

  1. 燃焼室を開閉する開閉タイミングを変更可能な排気バルブを有するエンジンと、
    前記エンジンからの排気ガスを浄化する触媒を有する排気浄化装置と、
    前記エンジンを制御する制御装置と、を備えたエンジンシステムであって、
    前記制御装置は、
    ドライバーからの要求トルク、前記触媒の状態、および、前記触媒に流入する排気ガスの温度である排気ガス温度を取得する取得部と、
    前記エンジンの出力トルクが前記要求トルクとなるように前記エンジンへの燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御部と、
    前記エンジンシステムの制御モードを選択するモード選択部と、
    前記排気バルブの開閉を制御するバルブ制御部と、を備え、
    前記モード選択部は、前記触媒が活性状態にあり、かつ、前記排気ガス温度が保温可能温度以上にあり、かつ、前記要求トルクが減速要求トルクにあるときに前記制御モードとしてブレーキモードを選択し、
    前記ブレーキモードにおいて、前記バルブ制御部は、膨張行程に開弁期間を有する第1ブレーキ排気動作と、少なくとも一部が排気行程に含まれる閉弁期間を経て開弁する第2ブレーキ排気動作であって前記第1ブレーキ排気動作よりも最大リフト量が小さくかつ開弁期間の短い前記第2ブレーキ排気動作とで構成されるブレーキ排気動作を実行する
    エンジンシステム。
  2. 前記モード選択部は、前記触媒が活性状態にあり、かつ、前記排気ガス温度が保温可能温度以上であり、かつ、前記要求トルクが前記減速要求トルクでないときに前記制御モードとして通常モードを選択し、
    前記第1ブレーキ排気動作は、前記通常モードにおける前記排気バルブの開閉動作である通常排気動作を進角させた開閉動作である
    請求項1に記載のエンジンシステム。
  3. 前記モード選択部は、前記触媒が活性状態にあり、かつ、前記排気ガス温度が保温可能温度以上であり、かつ、前記要求トルクが前記減速要求トルクでないときに前記制御モードとして通常モードを選択し、
    前記第1ブレーキ排気動作は、前記通常モードにおける前記排気バルブの開閉動作である通常排気動作よりも開弁期間が短く、かつ、最大リフト量が小さい開閉動作である
    請求項1に記載のエンジンシステム。
  4. 前記モード選択部は、前記触媒が不活性状態にあるときに前記制御モードとして昇温モードを選択し、
    前記昇温モードにおいて、前記バルブ制御部は、膨張行程に前記排気バルブが開弁する第1昇温排気動作と少なくとも一部が排気行程に含まれる閉弁期間を経て開弁する第2昇温排気動作とで構成されて前記第1昇温排気動作が前記第2昇温排気動作よりも最大リフト量が大きくかつ開弁期間の長い開閉動作である昇温排気動作を実行し、
    前記ブレーキ排気動作と前記昇温排気動作とが同じ開閉動作である
    請求項3に記載のエンジンシステム。
  5. 前記エンジンは、排気通路に配設されて排気ガスの流路断面積を変更可能な排気絞り部を有し、
    前記制御装置は、前記排気絞り部の開閉を制御する排気絞り制御部を有し、
    前記排気絞り部は、前記ブレーキモードにおいて前記排気絞り部を閉状態に制御する
    請求項1〜4のいずれか一項に記載のエンジンシステム。
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