JP2021025494A - エンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】黒煙の発生を抑えつつ排気ガスを昇温させることのできる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、排気側動弁機構を有するエンジンとエンジンを制御する制御装置とを備える。制御装置は、触媒が活性状態にあるときに通常モードを、触媒が不活性状態にあるときに昇温モードを選択する。排気側動弁機構は、通常モードに通常排気動作を実行させる排気用カムと、排気用カムに対して開弁期間が重なるように構成され、昇温モードにおいて膨張行程に排気バルブを開弁させる第１昇温用カムと、昇温モードにおいて第１昇温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排気バルブを開弁させる第２昇温用カムと、を有する。制御装置は、昇温モードへの切り替え時、第１昇温用カムおよび第２昇温用カムによる開閉動作を有効化してから排気用カムと第１昇温用カムとを進角させ、排気用カムによる開閉動作を無効化する。【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、エンジンを用いたエンジンシステムには、例えば排気ガスに還元剤を添加し、その添加した還元剤を用いて排気ガスのＮＯｘを還元する触媒を有する排気浄化装置が搭載されている。

特開２０１９−００７３５１号公報

上述した排気浄化装置においては、触媒が活性状態にあるときに排気ガスの浄化が可能である。そのため、触媒が不活性状態にある場合には早期に触媒を活性化することが求められる。触媒の活性化は、燃料噴射量を増量して排気ガスを昇温することにより実現されるが、燃料噴射量の増量に際して黒煙の発生を抑えることが求められる。本発明は、黒煙の発生を抑えつつ排気ガスを昇温させることのできる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、燃焼室を開閉する排気バルブの開閉タイミングを変更可能な排気側動弁機構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と前記触媒の状態と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、前記排気側動弁機構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るときに制御モードとして通常モードを選択し、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、前記排気側動弁機構は、前記通常モードにおいて通常排気動作を実行する排気用カムと、前記排気用カムに対して開弁期間が重なるように構成され、前記昇温モードにおいて膨張行程に前記排気バルブが開弁する第１昇温排気動作を実行する第１昇温用カムと、前記昇温モードにおいて前記第１昇温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前記排気バルブが開弁する第２昇温排気動作を実行する第２昇温用カムとを有し、前記バルブ制御部は、前記通常モードから前記昇温モードへの切り替え時、前記第１昇温用カムおよび前記第２昇温用カムによる開閉動作を有効化したのちに前記排気用カムと前記第１昇温用カムとを進角させ、その後、前記排気用カムによる開閉動作を無効化する。

上記構成によれば、膨張行程においては、第１昇温排気動作によって燃焼室から排気ガスが流出することでエンジンに出力損失が生じる。また、排気行程においては、第１昇温排気動作完了時に燃焼室に残っている排気ガスが閉弁期間に圧縮されることでエンジンに出力損失が生じる。そのため、要求トルクを具現化するうえで必要となる燃料噴射量をエンジンの出力損失の分だけ増量することができる。

また、第１昇温排気動作の実行中に燃焼室から流出する排気ガスは、第１昇温排気動作を実行せずに燃焼室から流出する排気ガスよりも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高エンタルピの排気ガスを排気浄化装置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、開弁期間が長いことで、より多くの高エンタルピの排気ガスを排気浄化装置に供給することができる。

また、第１昇温排気動作完了時に燃焼室に残っている排気ガスは、閉弁期間において圧縮されたのち第２昇温排気動作によって燃焼室から排出される。そのため、該排気ガスの逆流に基づく排気再循環、いわゆる内部ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）に起因するＥＧＲ率の上昇を抑えることができる。その結果、エンジンが吸入する新気量が多くなることから、より高いエンタルピの排気ガスを排気浄化装置に供給することができる。

すなわち、上記構成によれば、触媒が不活性状態にあるとき、ドライバーの要求トルクを満足しつつ排気浄化装置に供給される排気エネルギーを効果的に高めることができる。その結果、触媒を早期に活性化させることができる。

そのうえ、通常モードから昇温モードへの切り替え時、排気バルブが閉状態に制御されることがないから、モード変更時にともなって燃料噴射量が増加したとしても黒煙の発生を抑えることができる。

上記構成のエンジンシステムにおいて、前記排気用カム、前記第１昇温用カム、および、前記第２昇温用カムが同じカムシャフトに形成されていてもよい。
上記構成のように、排気用カム、第１昇温用カム、および、第２昇温用カムを１つのカムシャフトに形成することができる。

上記構成のエンジンシステムにおいて、前記第２昇温排気動作は、進角前は前記通常モードにおける吸気バルブの開閉動作である通常吸気動作の開弁期間に最大リフト量をとる開閉動作であり、進角後は前記進角前の通常排気動作の開弁期間に最大リフト量をとる開閉動作であることが好ましい。上記構成によれば、排気バルブとピストンとの干渉をより確実に抑えつつ第２昇温排気動作を実行することができる。

上記構成のエンジンシステムにおいて、前記排気用カムおよび前記第１昇温用カムが形成されたカムシャフトと第２昇温用カムが形成されたカムシャフトとが互いに異なっていてもよい。上記構成のように、排気用カムおよび第１昇温用カムが形成されたカムシャフトと第２昇温用カムが形成されたカムシャフトとを異なるものとすることができる。

上記構成のエンジンシステムにおいて、前記通常排気動作および前記第１昇温排気動作の進角前、前記第２昇温排気動作は、前記通常排気動作の開弁期間に最大リフト量をとる開閉動作であることが好ましい。上記構成によれば、排気バルブとピストンとの干渉をより確実に抑えつつ第２昇温排気動作を実行することができる。

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、排気側動弁機構および吸気側動弁機構の概略構成を模式的に示す図。 第１実施形態において、通常排気動作、昇温排気動作、および、通常吸気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、排気側カムシャフトが進角位相に制御されたときの、通常排気動作、昇温排気動作、および、通常吸気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、昇温排気動作と通常吸気動作と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、排気側動弁機構および吸気側動弁機構の概略構成を模式的に示す図。 第２実施形態において、排気側カムシャフトが通常位相にあるときの通常排気動作、昇温排気動作、および、通常吸気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、通常排気動作が無効化された状態を示す図。 第２実施形態において、排気カムシャフトが進角位相に制御されたときの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１０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するように構成されている。作動スイッチＳは、制御装置６０に対して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いて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いて触媒温度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いてアクセル開度ＡＣＣを取得する。取得部６１は、クランク角度の変化量に基づいてエンジン回転数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とに基づいて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いて排気ガス温度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いて車速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いて作動スイッチ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。換言すれば、保温可能温度Ｔｅｘ１は、触媒温度Ｔｃを下限活性温度ＴｃＬ以上に保持することが可能な温度である。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。

図５〜図８を参照して排気側動弁機構３０について説明する。
図５に示すように、排気側動弁機構３０は、排気カムシャフト７５、排気カムフェーザー７９、および、排気側駆動部８０を有している。

排気カムシャフト７５は、クランクシャフト２３に従動回転するシャフトである。排気カムシャフト７５には、各シリンダー１１の排気バルブ２８に対応する排気用カム７６と昇温用カム７８とが形成されている。排気カムシャフト７５の一端部には、排気カムフェーザー７９が設けられている。

排気カムフェーザー７９は、排気カムシャフト７５の位相を変更可能に構成されている。排気カムフェーザー７９は、排気側駆動部８０の排気カムフェーザー駆動部８１から進角油圧が供給されることにより排気カムシャフト７５を所定の進角角度だけ進角させる。排気カムフェーザー駆動部８１は、制御装置６０のバルブ制御部６６からの制御信号を受けて排気カムシャフト７５の位相を通常位相と進角位相との間で切り替える。

排気側駆動部８０は、各シリンダー１１に対して各別に対応する排気用動弁部８２と昇温用動弁部８４を有している。
排気用動弁部８２は、排気用カム７６の回転にともなって揺動する図示されないロッカーアームを有するロストモーション式の動弁機構である。排気用動弁部８２は、排気バルブ２８に通常排気動作を実行させる作動状態と排気用カム７６に基づく排気バルブ２８の開閉を閉状態に維持する非作動状態とを有する。排気用動弁部８２は、制御装置６０のバルブ制御部６６からの制御信号を受けて作動状態と非作動状態とが切り替えられる。制御装置６０は、通常モードにおいて排気用動弁部８２を作動状態に制御し、昇温モード、保温モード、および、ブレーキモードにおいて非作動状態に制御する。

昇温用動弁部８４は、昇温用カム７８の回転にともなって揺動する図示されないロッカーアームの揺動を受けて昇温油圧を発生させる油圧回路を有する。昇温用動弁部８４は、その昇温油圧を排気バルブ２８に伝達することにより昇温排気動作を実行させる。昇温用動弁部８４は、排気バルブ２８が昇温排気動作を実行可能な作動状態と、排気バルブ２８を閉状態に維持する非作動状態とを有する。制御装置６０は、昇温モードおよび保温モードにおいて昇温用動弁部８４を作動状態に制御し、通常モード、および、ブレーキモードにおいて非作動状態に制御する。

なお、吸気側動弁機構２９は、吸気カムシャフト１０５、吸気カムフェーザー１０９、および、吸気側駆動部１１０を有している。吸気カムシャフト１０５は、クランクシャフト２３に従動回転するシャフトであり、各シリンダー１１の吸気バルブ２７に対応する吸気用カム１０６が形成されている。吸気カムフェーザー１０９は、吸気カムシャフト１０５の一端部に設けられており、吸気側駆動部１１０により吸気カムシャフト１０５の位相を変更可能に構成されている。

図６に示すように、通常排気動作は、排気カムフェーザー７９が通常位相にあるときに実行される開閉動作である。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）付近において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。

昇温排気動作は、排気カムフェーザー７９が進角位相にあるときに実行される開閉動作である。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。

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、圧縮行程の上死点（＝０°ＣＡ）である圧縮上死点後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、排気上死点（＝３６０°ＣＡ）付近において開閉する開閉動作である。例えば、第２昇温排気動作は、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。昇温排気動作は、排気ガスを昇温させて排気浄化装置４５に供給される排気エネルギーを増大させる。

昇温排気動作は、排気カムフェーザー７９が通常位相にあるときに実行される開閉動作である。第１昇温排気動作は、進角前の開弁期間が通常排気動作の開弁期間に重なるように構成されている。また、第２昇温排気動作は、進角前の開弁期間が通常吸気動作の開弁期間と重なるように構成されている。「開弁期間が重なる」とは、同時期に開弁させるように動作していることをいう。排気側駆動部８０は、開弁期間が重なるとき、その時々における最大リフト量だけ排気バルブ２８をリフトさせるように構成されている。すなわち、通常排気動作と進角前の第１昇温排気動作とが重なるときは通常排気動作を実行する。

図６〜図８を参照して、第１実施形態のエンジンシステムの作用、すなわち通常モードから昇温モードへの切り替え時における排気バルブ２８のリフト態様について説明する。
図６に示すように、バルブ制御部６６は、制御モードが通常モードから昇温モードに切り替わると、まず、昇温用動弁部８４を非作動状態（無効化状態）から作動状態（有効化状態）に制御する。このとき、進角前の第１昇温排気動作が通常排気動作に重なっていることから、排気バルブ２８は、通常開閉動作と進角前の第２昇温排気動作とを実行する。

図７に示すように、次に、バルブ制御部６６は、排気カムフェーザー駆動部８１を通じて、排気カムシャフト７５の位相を通常位相から進角位相に変更する。これにより、通常排気動作、第１昇温排気動作、および、第２昇温排気動作がそれぞれ進角する。

図８に示すように、最後に、バルブ制御部６６は、排気用動弁部８２を作動状態から非作動状態に制御する。これにより、進角後の通常排気動作が消失し、排気バルブ２８は第１昇温排気動作と第２昇温排気動作とで構成された昇温排気動作を実行する。

昇温排気動作においては、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、第１昇温排気動作を実行せずに燃焼室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。

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。

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から流出す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。

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）制御モードから昇温モードへの切り替え時、制御装置６０は、排気用動弁部８２を作動状態に維持したまま、昇温用動弁部８４を非作動状態から作動状態に制御する。そして制御装置６０は、排気カムシャフト７５の位相を通常位相から進角位相へと制御したのち、排気用動弁部８２を作動状態から非作動状態に制御する。こうした構成によれば、モード変更時における各サイクルにおいて排気バルブ２８が閉状態に制御されることがないから、吸入行程において多量の排気ガスが吸入されることがなくなる。その結果、モード変更時における黒煙の発生を抑えることができる。

（１−２）昇温排気動作は、排気カムシャフト７５の進角前、通常排気動作と開弁期間が重なる第１昇温排気動作と、通常吸気動作と開弁期間が重なる第２昇温排気動作と、によって構成されている。そのため、通常モードから昇温モードへの切り替え時における排気バルブ２８とピストン２０との干渉を防止することができる。

（１−３）排気カムシャフト７５の進角時、排気バルブ２８は、進角後の通常排気動作を仮想的な第１昇温排気動作とする開閉動作を行う。そのため、排気ガスの昇温効果をより早い時期に得ることができる。

（第２実施形態）
図９〜図１２を参照してエンジンシステムの第２実施形態について説明する。
なお、第２実施形態のエンジンシステムは、第１実施形態の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９に示すように、排気カムシャフト７５には、第１昇温排気動作用のカムプロファイルを有する第１昇温用カム７８ａが形成されている。吸気カムシャフト１０５には、第２昇温排気動作用のカムプロファイルを有する第２昇温用カム７８ｂが形成されている。

昇温用動弁部８４は、図示されない第１油圧回路と第２油圧回路とを有する。第１油圧回路は、第１昇温用カム７８ａの回転にともなって揺動する図示されないロッカーアームの揺動を受けて第１昇温排気動作が実行される第１昇温油圧を発生させる。第２油圧回路は、第２昇温用カム７８ｂの回転にともなって揺動する図示されないロッカーアームの揺動を受けて第２昇温排気動作が実行される第２昇温油圧を発生させる。

昇温用動弁部８４は、作動状態および非作動状態のほか、排気バルブ２８が第１昇温排気動作のみを実行可能な第１作動状態（第１有効化状態）と排気バルブ２８が第２昇温排気動作のみを実行可能な第２作動状態（第２有効化状態）とを有する。

図１０に示すように、第１昇温排気動作は、進角前の開弁期間が進角前の通常排気動作の開弁期間に重なるように構成されている。第２昇温排気動作は、最大リフト量を含めた大部分の開弁期間が進角前の通常排気動作の開弁期間に重なるように構成されている。

図１０〜図１２を参照して第２実施形態のエンジンシステムの作用、すなわち通常モードから昇温モードへの切り替え時の排気バルブ２８のリフト態様について説明する。
図１０に示すように、バルブ制御部６６は、制御モードが通常モードから昇温モードに切り替わると、まず、昇温用動弁部８４を非作動状態から第１作動状態および第２作動状態を含む作動状態に制御する。このとき、進角前の第１昇温排気動作が通常排気動作に重なっているから、排気バルブ２８は、主に通常開閉動作を実行する。

図１１に示すように、次に、バルブ制御部６６は、排気用動弁部８２を作動状態から非作動状態に制御する。これにより、通常排気動作が消失し、排気バルブ２８は、進角前の第１昇温排気動作と、第２昇温排気動作とを実行する。

図１２に示すように、最後に、バルブ制御部６６は、排気カムフェーザー駆動部８１を通じて、排気カムシャフト７５の位相を通常位相から進角位相に変更する。これにより、進角前の第１昇温排気動作が進角し、排気バルブ２８は、昇温排気動作を実行する。

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）制御モードから昇温モードへの切り替え時、制御装置６０は、排気用動弁部８２を作動状態に維持したまま、昇温用動弁部８４を作動状態に制御する。そして制御装置６０は、排気用動弁部８２を非作動状態に制御したのち、排気カムシャフト７５の位相を通常位相から進角位相へと制御する。こうした構成によれば、モード変更時における各サイクルにおいて排気バルブ２８が閉状態に制御されることがないから、吸入行程において多量の排気ガスが吸入されることがなくなる。その結果、モード変更時における黒煙の発生を抑えることができる。

（２−２）昇温排気動作は、排気カムシャフト７５の進角前、通常排気動作と開弁期間が重なる第１昇温排気動作と、通常排気動作の開弁期間に最大リフト量を有する第２昇温排気動作と、によって構成されている。そのため、通常モードから昇温モードへの切り替え時における排気バルブ２８とピストン２０との干渉を防止することができる。

（２−３）排気カムシャフト７５に排気用カム７６と第１昇温用カム７８ａとが配設され、吸気カムシャフト１０５に第２昇温用カム７８ｂが配設されている。これにより、排気用カム７６の状態変化、第１昇温用カム７８ａの状態変化、および、第２昇温用カム７８ｂの状態変化、これらを２つのカムシャフトで実現することができる。その結果、排気側動弁機構３０の構成の簡素化を図ることができる。

上述した実施形態は、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。
・排気用カム７６、第１昇温用カム７８ａ、および、第２昇温用カム７８ｂは、互いに異なるカムシャフトに形成されていてもよい。

・排気浄化装置４５が複数の触媒を有する場合、モード選択処理の触媒温度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を作用させることができる。

・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。
・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…シリンダー、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、７５…排気カムシャフト、７６…排気用カム、７７…ブレーキ用カム、７８…昇温用カム、７８ａ…第１昇温用カム、７８ｂ…第２昇温用カム、７９…排気カムフェーザー、８０…排気側駆動部、８１…排気カムフェーザー駆動部、８２…排気用動弁部、８４…昇温用動弁部、１０５…吸気カムシャフト、１０６…吸気用カム、１０９…吸気カムフェーザー、１１０…吸気側駆動部。

Claims (5)

1. 燃焼室を開閉する排気バルブの開閉タイミングを変更可能な排気側動弁機構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と前記触媒の状態と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、
   前記排気側動弁機構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るときに制御モードとして通常モードを選択し、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、
   前記排気側動弁機構は、
   前記通常モードにおいて通常排気動作を実行する排気用カムと、
   前記排気用カムに対して開弁期間が重なるように構成され、前記昇温モードにおいて膨張行程に前記排気バルブが開弁する第１昇温排気動作を実行する第１昇温用カムと、
   前記昇温モードにおいて前記第１昇温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前記排気バルブが開弁する第２昇温排気動作を実行する第２昇温用カムと、を有し、
   前記バルブ制御部は、
   前記通常モードから前記昇温モードへの切り替え時、前記第１昇温用カムおよび前記第２昇温用カムによる開閉動作を有効化したのちに前記排気用カムと前記第１昇温用カムとを進角させ、その後、前記排気用カムによる開閉動作を無効化する
   エンジンシステム。
2. 前記排気用カム、前記第１昇温用カム、および、前記第２昇温用カムが同じカムシャフトに形成されている
   請求項１に記載のエンジンシステム。
3. 前記第２昇温排気動作は、進角前は前記通常モードにおける吸気バルブの開閉動作である通常吸気動作の開弁期間に最大リフト量をとる開閉動作であり、進角後は前記進角前の通常排気動作の開弁期間に最大リフト量をとる開閉動作である
   請求項２に記載のエンジンシステム。
4. 前記排気用カムおよび前記第１昇温用カムが形成されたカムシャフトと第２昇温用カムが形成されたカムシャフトとが互いに異なる
   請求項１に記載のエンジンシステム。
5. 前記通常排気動作および前記第１昇温排気動作の進角前、前記第２昇温排気動作は、前記通常排気動作の開弁期間に最大リフト量をとる開閉動作である
   請求項４に記載のエンジンシステム。