JP2021110282A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】触媒温度や水温が低いときに気筒休止が実行されたときの排気エミッション悪化を抑制する。【解決手段】内部EGR量が少ないバルブリフト特性を有する第1気筒群#1,4と、内部EGR量が多いバルブリフト特性を有する第2気筒群#2,3と、第1および第2気筒群のバルブを選択的に休止させるよう構成された弁休止装置50と、第1および第2気筒群に共通の排気通路4に設けられた触媒24とを有する内燃機関1に適用される制御装置100が提供される。制御装置は、内燃機関の運転状態が所定の気筒休止領域にあるとき、弁休止装置により第1気筒群と第2気筒群のいずれか一方のバルブを休止させると共に、触媒の温度と、内燃機関の水温との少なくとも一方に基づき、いずれの気筒群を休止させるかを決定するように構成される。【選択図】図1
Description
本開示は内燃機関の制御装置に係り、特に、一部の気筒を休止可能な多気筒内燃機関に適用される制御装置に関する。
燃費や排気エミッション等を向上するため、全気筒のうち一部の気筒を休止可能な多気筒内燃機関が公知である(例えば特許文献1参照)。
一般に、気筒休止は、内燃機関の低負荷運転時に行われる。また、低負荷運転時に気筒休止せず全気筒運転すると、比較的低温の排気が触媒に供給され、触媒の活性が低下する虞がある。一方、低負荷運転時に気筒休止すると、稼動気筒では休止気筒分の出力を出すために燃料噴射量が増加され、排気温度が上昇される一方、休止気筒ではバルブ休止により低温の吸入空気が排気通路に排出されるのを防止できる。そのため、より高温の排気を触媒に供給でき、触媒の活性を促進して排気エミッションを向上できる。
しかし、触媒の温度や水温が低いときに気筒休止が実行されると、稼動気筒における排気温度上昇によってもなお排気温度が不足し、触媒の活性が低下し、排気エミッションが悪化する虞がある。
そこで本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、触媒の温度や水温が低いときに気筒休止が実行されたときの排気エミッション悪化を抑制することができる内燃機関の制御装置を提供することにある。
本開示の一の態様によれば、
内部EGR量が少ないバルブリフト特性を有する第1気筒群と、
内部EGR量が多いバルブリフト特性を有する第2気筒群と、
前記第1気筒群および前記第2気筒群のバルブを選択的に休止させるよう構成された弁休止装置と、
前記第1気筒群および前記第2気筒群に共通の排気通路に設けられた触媒と、
を有する内燃機関に適用される制御装置であって、
前記内燃機関の運転状態が所定の気筒休止領域にあるとき、前記弁休止装置により前記第1気筒群と前記第2気筒群のいずれか一方のバルブを休止させると共に、前記触媒の温度と、前記内燃機関の水温との少なくとも一方に基づき、いずれの気筒群を休止させるかを決定するように構成された
ことを特徴とする内燃機関の制御装置が提供される。
内部EGR量が少ないバルブリフト特性を有する第1気筒群と、
内部EGR量が多いバルブリフト特性を有する第2気筒群と、
前記第1気筒群および前記第2気筒群のバルブを選択的に休止させるよう構成された弁休止装置と、
前記第1気筒群および前記第2気筒群に共通の排気通路に設けられた触媒と、
を有する内燃機関に適用される制御装置であって、
前記内燃機関の運転状態が所定の気筒休止領域にあるとき、前記弁休止装置により前記第1気筒群と前記第2気筒群のいずれか一方のバルブを休止させると共に、前記触媒の温度と、前記内燃機関の水温との少なくとも一方に基づき、いずれの気筒群を休止させるかを決定するように構成された
ことを特徴とする内燃機関の制御装置が提供される。
好ましくは、前記制御装置は、前記触媒の温度が所定のしきい値以下という第1条件と、前記内燃機関の水温が所定のしきい値以下という第2条件との一方または両方が成立したとき、前記第1気筒群を休止させることを決定する。
好ましくは、前記内燃機関は、外部EGR装置を備え、
前記制御装置は、前記第1気筒群を休止させることを決定したとき、前記外部EGR装置を停止させる。
前記制御装置は、前記第1気筒群を休止させることを決定したとき、前記外部EGR装置を停止させる。
本開示によれば、触媒の温度や水温が低いときに気筒休止が実行されたときの排気エミッション悪化を抑制することができる。
以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。なお本開示は以下の実施形態に限定されない点に留意されたい。
図1は、本開示の実施形態に係る内燃機関の概略図である。内燃機関(エンジンともいう)1は、車両に搭載された多気筒の圧縮着火式内燃機関であり、具体的には直列4気筒ディーゼルエンジンである。車両はトラック等の大型車両である。但し車両および内燃機関の種類、形式、用途等に特に限定はなく、例えば車両は乗用車等の小型車両であってもよいし、エンジンは火花点火式内燃機関(例えばガソリンエンジンや天然ガスエンジン)であってもよい。
なおエンジンは、車両以外の移動体、例えば船舶、建設機械、または産業機械に搭載されたものであってもよい。またエンジンは、移動体に搭載されたものでなくてもよく、定置式のものであってもよい。
エンジン1は、エンジン本体2と、エンジン本体2に接続された吸気通路3および排気通路4とを備える。エンジン本体2は、シリンダヘッド、シリンダブロック、クランクケース等の構造部品と、その内部に収容されたピストン、クランクシャフト、吸気弁、排気弁等の可動部品とを含む。吸気と排気の流れをそれぞれ白抜き矢印と黒塗り矢印で示す。
各気筒には、シリンダ9内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁すなわちインジェクタ7が設けられる。
吸気通路3は、エンジン本体2(特にシリンダヘッド)に接続された吸気マニホールド10と、吸気マニホールド10の上流端に接続された吸気管11とにより主に画成される。吸気管11には、上流側から順に、エアクリーナ12、エアフローメータ13、ターボチャージャ14のコンプレッサ14C、インタークーラ15、および電子制御式の吸気スロットルバルブ16が設けられる。エアフローメータ13は、エンジン1の単位時間当たりの吸入空気量(吸気流量)を検出するためのセンサである。
排気通路4は、エンジン本体2(特にシリンダヘッド)に接続された排気マニホールド20と、排気マニホールド20の下流側に配置された排気管21とにより主に画成される。排気管21、もしくは排気マニホールド20と排気管21の間には、ターボチャージャ14のタービン14Tが設けられる。タービン14Tより下流側の排気管21には複数の触媒が設けられている。本実施形態では、酸化触媒22、パティキュレートフィルタ23、選択還元型NOx触媒24およびアンモニア酸化触媒26が上流側から順に設けられる。NOx触媒24の上流側には、尿素水を添加する添加弁25が設けられる。パティキュレートフィルタ23は、触媒付きの連続再生式フィルタであるため、ここでは触媒に含めるものとする。
エンジン1は外部EGR(Exhaust Gas Recirculation:排気再循環)30も備える。外部EGR装置30は、排気通路4内(特に排気マニホールド20内)の排気の一部(EGRガスという)を吸気通路3内(特に吸気マニホールド10内)に還流させるためエンジン本体2の外部に設置されたEGR通路31と、EGR通路31を流れるEGRガスを冷却するEGRクーラ32と、EGRガスの流量を調節するためのEGR弁33とを備える。
エンジン1は、それぞれ休止可能な#1〜#4の四つの気筒を備える。詳しくは後述するが、そのうちの二つの気筒すなわち#1,4気筒は、内部EGR量が少ないバルブリフト特性を有する第1気筒群を構成する。残りの二つの気筒すなわち#2,3気筒は、内部EGR量が多いバルブリフト特性を有する第2気筒群を構成する(ドット模様で示す)。全ての気筒は第1気筒群と第2気筒群に区分される。本実施形態では気筒休止を行うとき、第1気筒群と第2気筒群のいずれか一方が休止される。前述の排気通路4、タービン14Tおよび各触媒は両方の気筒群に共通である。
エンジン1の燃焼順序は#1,3,4,2である。いずれの気筒群を休止しても、稼動気筒と休止気筒が交互に現れるので、振動抑制の点で有利である。但し両気筒群は任意の気筒で構成可能である。気筒群は一つの気筒のみで構成してもよく、便宜上この場合も気筒群と称することとする。
ここで気筒休止とは、休止する気筒の燃料噴射を停止し、かつ、吸気弁および排気弁(総称してバルブという)の少なくとも一方を作動停止して閉弁状態に維持することをいう。本実施形態では吸気弁および排気弁の両方の作動が停止される。
第1気筒群および第2気筒群の吸気弁および排気弁を選択的に休止させるよう構成された弁休止装置50が設けられる。弁休止装置50は、各気筒の吸気側および排気側にそれぞれ設けられた複数の弁休止機構51を備える。これら弁休止機構51の構成は同じである。弁休止機構51の構成については、公知のものを含め、様々なものが使用可能である。例えば、油圧の給排(オンオフ)に応じてカムシャフトからバルブへの駆動力伝達を実行・停止する油圧駆動式のものを採用可能である。
図2には、吸気弁および排気弁のバルブリフト特性を示す。概して、排気弁Veは吸気上死点TDC前の排気行程で開弁され(リフト量L>0)、吸気弁Viは吸気上死点TDC後の吸気行程で開弁される。排気弁Veと吸気弁Viの両方が開弁している期間の長さをオーバーラップ量OLという。このオーバーラップ量OLについては、エンジン出力を最大化し内部EGR量を最少化する最適な量がある。オーバーラップ量OLがこの最適量から外れると、エンジン出力的には劣るが、内部EGR量が増加し、排気エミッション上有利となる。
よって第1気筒群の#1,4気筒における吸気弁および排気弁のバルブリフト特性は、オーバーラップ量OLがその最適量に等しくなるようなバルブリフト特性に設定されている。また第2気筒群の#2,3気筒における吸気弁および排気弁のバルブリフト特性は、オーバーラップ量OLがその最適量と異なる値となるようなバルブリフト特性に設定されている。このときオーバーラップ量OLは、最適量より多くても少なくても良い。
本実施形態の制御装置は、制御ユニット、回路要素(circuitry)もしくはコントローラをなす電子制御ユニット(ECU(Electronic Control Unit)という)100を備える。ECU100には、上述のエアフローメータ13と、エンジンの回転速度(具体的には毎分当たりの回転数(rpm))を検出するための回転速度センサ40と、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ41とが電気的に接続される。またECU100には、NOx触媒24の入口側の排気温度を検出するための排気温センサ42と、NOx触媒24の出口側の排気温度を検出するための排気温センサ43と、エンジンの水温(冷却水温度)を検出するための水温センサ44とが電気的に接続される。
ECU100は、これらセンサ等により検出されたエンジン運転状態に関するパラメータに基づき、インジェクタ7、吸気スロットルバルブ16、添加弁25、EGR弁33、および弁休止機構51を制御するように構成されている。
ECU100は、排気温センサ42,43により検出された排気温に基づきNOx触媒24の温度を推定する。なおNOx触媒24に設けられた温度センサによりNOx触媒24の温度を直接検出しても構わない。これら推定と検出を総称して取得という。
またECU100は、回転速度センサ40およびアクセル開度センサ41によりそれぞれ検出されたエンジン回転数Neおよびアクセル開度Acに基づき、所定のマップ(関数でもよい。以下同様)に従って、ドライバが要求するエンジントルクの値である要求トルクTrを算出する。なお要求トルクTrはアクセル開度Acのみに基づいて算出することも可能である。要求トルクTrは、エンジンの負荷に相関する値であり、言い換えればエンジンの負荷を表す指標値である。ECU100は、要求トルクTrに等しいトルクが実際にエンジンから出力されるような燃料噴射量の目標値すなわち目標噴射量Qを算出し、この目標噴射量Qに等しい量の燃料をインジェクタ7から噴射させる。
ECU100は、図3に示すような予め記憶したマップに従って、気筒休止運転(または減筒運転)を行うか全気筒運転を行うかを決定する。図中、線aは回転毎の最大要求トルクTrmaxを示し、線bは回転毎のしきい値Trsを示す。要求トルクTrがしきい値Trs以下の低負荷側の領域が所定の気筒休止領域A(ハッチングで示す)である。エンジン回転数Neおよび要求トルクTrで規定されるエンジン運転状態が気筒休止領域Aにあるとき、ECU100は、第1気筒群および第2気筒群のいずれか一方の弁休止機構51とインジェクタ7をオフにし、当該気筒群を休止させて気筒休止運転を行う。
他方、要求トルクTrがしきい値Trsより大きい高負荷側の領域が所定の全気筒領域Bである。エンジン回転数Neおよび要求トルクTrで規定されるエンジン運転状態が全気筒領域Bにあるとき、ECU100は、第1気筒群および第2気筒群の両方の弁休止機構51をオンすると共に、インジェクタ7を噴射時期毎にオンし、全気筒を稼動させる全気筒運転を行う。
しきい値Trsは、実機試験等を通じて、気筒休止運転を行うメリット(燃費および排気エミッション向上)とデメリット(出力制限)とを最適にバランスさせるような最適値に設定される。
仮に、低負荷側の気筒休止領域Aで気筒休止せず全気筒運転すると、比較的低温の排気が各触媒に供給され、各触媒の活性が低下する虞がある。しかし、本実施形態のように気筒休止領域Aで気筒休止すると、稼動気筒では休止気筒分の出力を出すために燃料噴射量が増加され、排気温度が上昇される一方、休止気筒ではバルブ休止により低温の吸入空気が排気通路に排出されるのを防止できる。そのため、より高温の排気を各触媒に供給でき、各触媒の活性を促進して排気エミッションを向上できる。
一方、エンジンの冷間始動後等において触媒の温度やエンジンの水温(冷却水温度)が低いときに気筒休止が実行されると、稼動気筒における排気温度上昇によってもなお排気温度が不足し、触媒の活性が低下し、排気エミッションが悪化する虞がある。なおエンジンの水温が低いときには、暖機完了前で触媒の温度も同様に低いと推定されるため、触媒の温度が低いときと同様の問題が発生する虞がある。
そこで、本実施形態のECU100は、触媒の温度とエンジンの水温との少なくとも一方に基づき、第1気筒群および第2気筒群のうちのいずれの気筒群を休止させるかを決定するように構成されている。
特に本実施形態では、排気エミッション成分のうちNOxに着目する。ECU100は、推定したNOx触媒24の温度Tcが所定のしきい値Tcs以下という第1条件(低触媒温度条件ともいう)と、エンジンの水温Twが所定のしきい値Tws以下という第2条件(低水温条件ともいう)との一方または両方が成立したとき、第1気筒群を休止させることを決定する。
第1気筒群は、内部EGR量が少ない気筒群であり、第2気筒群は、内部EGR量が多い気筒群である。第1気筒群を休止させると、エンジンは第2気筒群のみによって稼動され、このとき、第1気筒群のみによって稼動される場合に比べ、内部EGR量を増加することができる。よって両条件の一方または両方の成立によってNOx触媒24の活性が低下した場合であっても、内部EGR量の増加によってNOxを抑制し、NOx触媒24の活性低下を補い、排気エミッション悪化を抑制することができる。
またECU100は、第1気筒群を休止させることを決定したとき、外部EGR装置30を停止させる。具体的にはEGR弁33を閉弁し、具体的には全閉にする。
両条件の一方または両方が成立するような低温条件下で、EGR弁33を開弁し、外部EGR装置30を作動させてしまうと、EGRクーラ32を通過した低温のEGRガスが吸気側に環流され、排気温度が低下してしまう。よって本実施形態では、外部EGR装置30を停止させることによって排気温度低下を抑制し、NOx触媒24の活性低下を抑制する。これによって排気エミッション悪化を一層抑制することができる。
他方、ECU100は、気筒休止時、両条件の一方または両方が非成立のときには、第2気筒群を休止させることを決定する。これにより、NOx触媒24の活性低下の虞が少ない温度条件下で、出力上有利な第1気筒群によりエンジンを稼動できる。また併せてECU100は、外部EGR装置30を作動させ、エンジン運転状態に応じてEGR弁33の開度を調節する。これにより外部EGR装置30を使ってNOxを好適に抑制できる。
なお、触媒温度のしきい値Tcsは、例えば、触媒温度上昇につれNOx触媒24が最初に活性化する最小活性温度に等しく設定することができる。また、水温のしきい値Twsは、例えば、水温上昇につれエンジンの暖機が最初に完了する暖機完了温度に等しく設定することができる。
次に、本実施形態における制御のルーチンを図4を参照して説明する。図示するルーチンはECU100により所定の演算周期τ(例えば10msec)毎に繰り返し実行される。
まずステップS101において、ECU100は、エンジン回転数Neおよび要求トルクTrで規定されるエンジン運転状態が、図3に示したような気筒休止領域Aにあるか否かを判断する。
気筒休止領域Aにある場合、ECU100は、ステップS102に進み、推定したNOx触媒24の温度Tcが所定のしきい値Tcs以下か否かを判断する。
しきい値Tcs以下の場合、ECU100は、ステップS103に進み、検出した水温Twが所定のしきい値Tws以下か否かを判断する。
しきい値Tws以下の場合、ECU100は、ステップS104に進み、第1気筒群を休止させると共に、第2気筒群を稼動させることを決定する。そしてこの決定に従い、実際に第1気筒群を休止させ第2気筒群を稼動させる。この場合、ステップS102,S103はAND条件で結ばれ、低触媒温度条件と低水温条件の両方の成立により第1気筒群の休止が決定される。
次にECU100は、ステップS105に進み、外部EGR装置30を停止して今回のルーチンを終了する。
他方、ECU100は、ステップS102においてNOx触媒24の温度Tcがしきい値Tcsより大きいとき、および、ステップS103において水温Twがしきい値Twsより大きいとき、ステップS106に進み、第1気筒群を稼動させると共に、第2気筒群を休止させることを決定する。そしてこの決定に従い、実際に第1気筒群を稼動させ第2気筒群を休止させる。この場合、低触媒温度条件または低水温条件の非成立により第2気筒群の休止が決定される。
次にECU100は、ステップS107に進み、外部EGR装置30を作動させて今回のルーチンを終了する。
他方、ECU100は、ステップS101においてエンジン運転状態が気筒休止領域Aにない場合、すなわち全気筒領域Bにある場合、ステップS108に進み、第1気筒群および第2気筒群の両方を稼動させ、全気筒運転を実行する。そしてステップS107に進み、外部EGR装置30を作動させて今回のルーチンを終了する。
このように本実施形態によれば、エンジン運転状態が気筒休止領域Aにあるとき、触媒温度Tcと水温Twの少なくとも一方に基づき、いずれの気筒群を休止させるかを決定するので、触媒温度Tcや水温Twが低いときに気筒休止が実行されたときの排気エミッション悪化を抑制することができる。
次に、変形例を説明する。図5は変形例の制御ルーチンを示す。ステップS201,S204〜S208は前述のステップS101,S104〜S108と同様である。ステップS202,S203は、内容自体はステップS102,S103と同様であるが、互いにOR条件で結ばれ、すなわち低触媒温度条件と低水温条件のいずれか一方の成立により第1気筒群の休止が決定される。
具体的にはECU100は、ステップS202においてNOx触媒24の温度Tcがしきい値Tcs以下の場合、ステップS204に進んで第1気筒群を休止させると共に、第2気筒群を稼動させることを決定する。
他方、NOx触媒24の温度Tcがしきい値Tcsより大きい場合、ECU100はステップS203に進んで、水温Twがしきい値Tws以下か否かを判断する。しきい値Tws以下の場合、ステップS204に進む。他方、しきい値Twsより大きい場合、ステップS206に進んで、第1気筒群を稼動させると共に、第2気筒群を休止させることを決定する。
以上、本開示の実施形態を詳細に述べたが、本開示の実施形態および変形例は他にも様々考えられる。
(1)前記実施形態ではNOx触媒24の温度Tcに基づきいずれの気筒群を休止させるかを決定した。しかしながら、他の触媒の温度に基づき当該決定を行ってもよい。例えば、酸化触媒22の温度に基づいて当該決定を行ってもよい。
酸化触媒22が低温の場合、そこから排出される排気の温度が低いため、必然的にNOx触媒24に供給される排気の温度も低くなり、NOx触媒24の活性が低下する。従ってこのときに、内部EGR量が少ない第1気筒群を休止させると共に内部EGR量が多い第2気筒群を稼動させることによって、NOxを有利に抑制することができる。
(2)第1気筒群と第2気筒群への区分の仕方は様々な方法が可能である。例えば、前記実施形態では第1気筒群と第2気筒群に含まれる気筒の数を等しくし、全気筒を等分割したが、両気筒群に含まれる気筒の数を異ならせ、全気筒を不等分割してもよい。
(3)第2気筒群は、全体として第1気筒群より内部EGR量が多いバルブリフト特性を有していれば、その態様は変更可能である。例えば前記実施形態において、第1気筒群の二つの気筒(#1,4)を前記同様に構成する。そして第2気筒群の一方の気筒(#2,3の一方)を第1気筒群の気筒と同様に構成し、他方の気筒(#2,3の他方)を、第1気筒群の気筒より内部EGR量が多いバルブリフト特性とする。こうしても気筒群全体としては、第1気筒群より第2気筒群の方が内部EGR量が多くなる。そのため上記制御によって同様の作用効果を得ることができる。
本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。
1 内燃機関(エンジン)
4 排気通路
9 シリンダ
22 酸化触媒
23 パティキュレートフィルタ
24 NOx触媒
26 アンモニア酸化触媒
30 外部EGR装置
50 弁休止装置
51 弁休止機構
100 電子制御ユニット(ECU)
4 排気通路
9 シリンダ
22 酸化触媒
23 パティキュレートフィルタ
24 NOx触媒
26 アンモニア酸化触媒
30 外部EGR装置
50 弁休止装置
51 弁休止機構
100 電子制御ユニット(ECU)
Claims (3)
- 内部EGR量が少ないバルブリフト特性を有する第1気筒群と、
内部EGR量が多いバルブリフト特性を有する第2気筒群と、
前記第1気筒群および前記第2気筒群のバルブを選択的に休止させるよう構成された弁休止装置と、
前記第1気筒群および前記第2気筒群に共通の排気通路に設けられた触媒と、
を有する内燃機関に適用される制御装置であって、
前記内燃機関の運転状態が所定の気筒休止領域にあるとき、前記弁休止装置により前記第1気筒群と前記第2気筒群のいずれか一方のバルブを休止させると共に、前記触媒の温度と、前記内燃機関の水温との少なくとも一方に基づき、いずれの気筒群を休止させるかを決定するように構成された
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 前記制御装置は、前記触媒の温度が所定のしきい値以下という第1条件と、前記内燃機関の水温が所定のしきい値以下という第2条件との一方または両方が成立したとき、前記第1気筒群を休止させることを決定する
請求項1に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記内燃機関は、外部EGR装置を備え、
前記制御装置は、前記第1気筒群を休止させることを決定したとき、前記外部EGR装置を停止させる
請求項1または2に記載の内燃機関の制御装置。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Written amendment |
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