JP2021131043A - エンジンの制御装置及び、制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘ生成の抑制、及び、スモーク排出の抑制を効果的に両立する。【解決手段】吸気通路２１から燃焼室内に導入する吸入空気量を調整する吸気バルブ１２の少なくとも閉弁タイミングを任意のタイミングに変更可能な可変動弁機構４０を備えるエンジン１０の制御装置１００であって、吸気バルブ１２を吸気行程の所定のタイミングで開弁させると共に、吸気行程の下死点よりも所定量遅角した圧縮行程の第１タイミングで閉弁させる制御部と、エンジン１０から排気通路２６に排出されるスモークの排出量を推定するスモーク排出量推定部１１０と、推定される排出量が所定の閾値を超えた場合に、吸気バルブ１２の閉弁タイミングを第１タイミングよりも吸気行程の下死点側に所定量進角させる進角補正部１３０とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、エンジンの制御装置及び、制御方法に関する。

従来、排気の少なくとも一部を吸気系に再循環させて排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減させる排気再循環装置（Exhaust Gas Recirculation System ：以下、ＥＧＲ装置）が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、頂部に凹設されるキャビティの容積を小さくし、筒内で燃焼させる吸気の圧縮比を高めた高圧縮比ピストンが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１６−１１３９６０号公報 特開平５−２９６０６１号公報

ところで、熱効率を向上させる目的で高圧縮比ピストンを用いると、燃焼ガスの温度が上昇することで、ＮＯｘの生成量を増加させる場合がある。このようなＮＯｘの生成を抑制すべく、ＥＧＲ装置の稼働率（ＥＧＲ率）を増加させるためには、ＥＧＲガスの温度を低下させることが有効である。しかしながら、この場合には、ＥＧＲクーラに冷却水を圧送するポンプの仕事量が増加し、エンジンの燃費性能に影響を与える可能性がある。さらに、ＥＧＲ率を増加させると、筒内の酸素濃度の低下を招き、スモーク排出量が増加するといった課題もある。

本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ＮＯｘ生成の抑制、及び、スモーク排出の抑制を効果的に両立することができるエンジンの制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。

本開示の装置は、吸気通路から燃焼室内に導入する吸入空気量を調整する吸気バルブの少なくとも閉弁タイミングを任意のタイミングに変更可能な可変動弁機構を備えるエンジンの制御装置であって、前記吸気バルブを吸気行程の所定のタイミングで開弁させると共に、吸気行程の下死点よりも所定量遅角した圧縮行程の第１タイミングで閉弁させる制御部と、前記エンジンから排気通路に排出されるスモークの排出量を推定又は取得するスモーク排出量推定取得部と、推定又は取得される前記排出量が所定の閾値を超えた場合に、前記吸気バルブの閉弁タイミングを前記第１タイミングよりも吸気行程の下死点側に所定量進角させる進角補正部と、を備えることを特徴とする。

また、前記補正部は、推定又は取得される前記排出量が大きくなるほど、前記吸気バルブの閉弁タイミングを進角させる補正量を大きく設定することが好ましい。

また、前記エンジンには、前記排気通路に排出される排気の少なくとも一部を前記吸気通路に還流させる排気再循環装置が設けられていることが好ましい。

本開示の方法は、吸気通路から燃焼室内に導入する吸入空気量を調整する吸気バルブの少なくとも閉弁タイミングを任意のタイミングに変更可能な可変動弁機構を備えるエンジンの制御方法であって、前記吸気バルブを吸気行程の所定のタイミングで開弁させると共に、吸気行程の下死点よりも所定量遅角した圧縮行程の第１タイミングで閉弁させ、前記エンジンから排気通路に排出されるスモークの排出量を推定又は取得し、推定又は取得される前記排出量が所定の閾値を超えた場合に、前記吸気バルブの閉弁タイミングを前記第１タイミングよりも吸気行程の下死点側に所定量進角させることを特徴とする。

本開示の技術によれば、ＮＯｘ生成の抑制、及び、スモーク排出の抑制を効果的に両立することができるエンジンの制御装置及び制御方法を提供することができる。

本実施形態に係るエンジンを示す模式的な全体構成図である。 本実施形態に係る制御装置及び、関連する周辺構成を示す模式的な機能ブロック図である。 （Ａ）は、本実施形態に係る制御装置による補正前の吸排気バルブの開閉タイミングを示す図であり、（Ｂ）は、本実施形態に係る制御装置による補正後の吸排気バルブの開閉タイミングを示す図である。 本実施形態に係る制御装置による制御の流れを説明するチャート図である。

以下、添付図面に基づいて、本実施形態に係るエンジンの制御装置及び、制御方法を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

［全体構成］
図１は、本実施形態に係るエンジン１０を示す模式的な全体構成図である。

エンジン１０は、主としてシリンダヘッド１１及び、シリンダブロック１６を含むエンジン本体部を有する。

エンジン１０のシリンダヘッド１１の下部には、シリンダブロック１６が設けられ、シリンダブロック１６のシリンダＣ内にはピストンＰが往復移動自在に収容されている。ピストンＰは、頂面に容積の小さいキャビティＶが凹設された高圧縮比ピストンとして構成されている。シリンダＣ内壁とシリンダヘッド１１下面とキャビティＶを有するピストンＰ頂面とにより燃焼室が区画されている。なお、エンジン１０は、高圧縮比ピストンを有するエンジンに限定されず、ピストンＰの上死点位置やストローク位置の変更により圧縮比を高める高圧縮比エンジンであってもよい。

ピストンＰには、コネクティングロッドＣＲやクランクアームＡＲ等を介してクランクシャフトＣＳが連結されており、ピストンＰの往復運動が回転運動に変換されてクランクシャフトＣＳに伝達されるようになっている。なお、図示の関係上、図１にはエンジン１０の複数気筒のうち１気筒のみを示し、他の気筒については図示を省略している。エンジン１０は、複数気筒又は単気筒の何れであってもよい。

シリンダヘッド１１には、燃焼室内に燃料を直噴するインジェクタ１５が設けられている。インジェクタ１５の燃料噴射量や噴射タイミングは、制御装置１００から入力される指示信号に応じて制御される。なお、エンジン１０は、直噴式エンジンに限定されず、予混合式エンジンであってもよい。

さらに、シリンダヘッド１１には、シリンダＣ内に吸気を導入する吸気ポート１１Ａ及び、シリンダＣ内から排気を導出する排気ポート１１Ｂが設けられている。また、シリンダヘッド１１には、可変動弁機構４０により開閉作動される吸気バルブ１２及び、図示しない動弁機構により開閉作動される排気バルブ１４が設けられている。排気バルブ１４は、例えば、通常の開閉タイミング（膨張行程の下死点ＢＤＣ近傍で開弁され、排気行程の上死点ＴＤＣ近傍で閉弁されるタイミング）で開閉作動する。

可変動弁機構４０は、吸気バルブ１２の開閉タイミングを任意の時期に変更可能に構成されている。可変動弁機構４０としては、例えば、電磁ソレノイドの電磁力により吸気バルブ１２を直接的に開閉動作させる電磁駆動式バルブタイミング機構を用いることができる。なお、可変動弁機構４０は、電磁駆動式に限定されず、カムプロフィールの異なる複数のカムを選択的に切替えることにより開閉タイミングを変更するカム切替式の動弁機構であってもよい。可変動弁機構４０は、制御装置１００から入力される指示信号に応じて制御される。なお、吸気バルブ１２の開閉制御については後述する。

シリンダヘッド１１の吸気側の側部には、吸気ポート１１Ａと連通する吸気マニホールド２０が設けられている。吸気マニホールド２０には吸気を導入する吸気通路２１が接続されている。吸気通路２１には、吸気上流側から順に、エアクリーナ２２、過給機３０のコンプレッサ３２、インタークーラ２３等が設けられている。

シリンダヘッド１１の排気側の側部には、排気ポート１１Ｂと連通する排気マニホールド２５が設けられている。排気マニホールド２５には排気を大気に導く排気通路２６が接続されている。排気通路２６には、排気上流側から順に、過給機３０のタービン３１、不図示の排気浄化装置等が設けられている。

過給機３０は、排気により駆動するタービン３１と、タービン３１と回転軸で連結されて吸気を圧送するコンプレッサ３２とを備えている。なお、過給機３０は、図示例のコンベンショナルタイプに限定されず、可変翼を備える可変容量型タイプであってもよい。

ＥＧＲ装置５０は、排気通路２６を流れる排気の少なくとも一部をＥＧＲガスとして吸気通路２１に再循環させるＥＧＲ通路５１と、ＥＧＲガスを冷却する、例えば、水冷式のＥＧＲクーラ５２と、ＥＧＲ通路５１を開閉可能なＥＧＲバルブ５３とを備えている。ＥＧＲバルブ５３は、好ましくは、ＥＧＲクーラ５２よりも下流側のＥＧＲ通路５１に設けられている。ＥＧＲバルブ５３の開度は、制御装置１００からの指令に応じて制御される。なお、ＥＧＲクーラ５２は空冷式であってもよい。また、ＥＧＲ装置５０は、図示例の高圧ＥＧＲ装置に限定されず、ＥＧＲガスをコンプレッサ３２よりも上流側の吸気通路２１に再循環させる低圧ＥＧＲ装置であってもよい。

冷却水循環装置６０は、冷却水を外気との熱交換により冷却するラジエータ６１と、シリンダブロック１６に形成されたウォータジャケット６２と、ウォータジャケット６２の出口部とラジエータ６１の冷却水入口部とを接続する上流配管６３と、ラジエータ６１の冷却水出口部とウォータジャケット６２の入口部とを接続する下流配管６４と、上流配管６３と下流配管６４とを接続してラジエータ６１を迂回するバイパス配管６５と、上流配管６３とバイパス配管６５との分岐部に設けられたサーモスタット６６と、冷却水を圧送するウォータポンプ６７と、を備えている。ウォータポンプ６７は、例えば、エンジン１０の動力で駆動する可変容量型の機械式ポンプでもよく、モータで駆動する電動式ポンプであってもよい。

上流配管６３の所定部位には、ＥＧＲクーラ５２が介装されており、ＥＧＲクーラ５２にてＥＧＲガスが冷却水との熱交換により冷却されるようになっている。なお、ＥＧＲクーラ５２は、下流配管６４の所定部位に設けられてもよい。

上流配管６３のウォータジャケット６２出口部近傍には、ウォータジャケット６２から上流配管６３に流れ込む冷却水の温度を取得する水温センサ９０が設けられている。水温センサ９０のセンサ値は、電気的に接続された制御装置１００に送信される。

吸入空気流量センサ（Mass flow sensor:以下、ＭＡＦセンサ）９１は、エアクリーナ２２から吸気通路２１に導入される吸入空気流量ｑを取得する。ブースト圧センサ９２は、コンプレッサ３２により圧送される吸気の圧力（以下、ブースト圧ＰＢ）を取得する。エンジン回転数センサ９３は、クランクシャフトＣＳから、エンジン回転数Ｎｅ（及び、クランク角ＣＡ）を取得する。アクセル開度センサ９４は、不図示のアクセルペダルの踏み込み量に応じたアクセル開度Ａｃ（インジェクタ１５への噴射指示値Ｑ）を取得する。車速センサ９５は、エンジン１０の動力を車両１の不図示の駆動輪に伝達するシャフト（例えば、プロペラシャフト）から車速Ｖを取得する。これら各センサ９１〜９５のセンサ値は、電気的に接続された制御装置１００に送信される。

［制御装置］
図２は、本実施形態に係る制御装置１００及び、関連する周辺構成を示す模式的な機能ブロック図である。

制御装置１００は、例えば、コンピュータ等の演算を行う装置であり、互いにバス等で接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）やＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入力ポート、出力ポート等を備え、プログラムを実行する。

また、制御装置１００は、プログラムの実行により、スモーク排出量推定部１１０、バルブ開閉制御部１２０及び、進角補正部１３０を備える装置として機能する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアである制御装置１００に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

スモーク排出量推定部１１０（本開示のスモーク排出量推定取得部の一例）は、エンジン１０の運転状態に基づいて、推定スモーク排出量Ｓを演算する。ここで、エンジン１０の運転状態には、エンジン回転数センサ９３から送信されるエンジン回転数Ｎｅ、アクセル開度センサ９４から送信される噴射指示値Ｑ、ＭＡＦセンサ９１から送信される吸入空気流量ｑ、ブースト圧センサ９２から送信されるブースト圧ＰＢの少なくとも何れかが含まれる。

具体的には、制御装置１００のメモリには予め実験等により求めたエンジン１０の運転状態と推定スモーク排出量Ｓとの関係を表したスモーク排出量マップＭ１が格納されている。スモーク排出量推定部１１０は、エンジン１０の運転状態に基づいてスモーク排出量マップＭ１を参照することにより、推定スモーク排出量Ｓを演算する。なお、スモーク排出量マップＭ１は、制御装置１００のメモリにマップとして格納される必要はなく、数値データとして格納されてもよい。また、推定スモーク排出量Ｓの推定手法はスモーク排出量マップＭ１に限定されず、エンジン１０の運転状態を入力値として含むモデル式等から演算してもよい。スモーク排出量推定部１１０により演算される推定スモーク排出量Ｓは、バルブ開閉制御部１２０及び進角補正部１３０に送信される。

バルブ開閉制御部１２０は、エンジン回転数センサ９３から送信されるクランク角ＣＡに基づいて、可変動弁機構４０に指示信号を送信することにより、吸気バルブ１２の開閉タイミングを制御するバルブ開閉制御を実施する。具体的には、図３（Ａ）に示すように、バルブ開閉制御部１２０は、スモーク排出量推定部１１０により推定される推定スモーク排出量Ｓが所定の閾値以下の場合には、可変動弁機構４０に排気行程の上死点ＴＤＣ近傍のクランク角ＣＡで開弁指示信号を送信し、吸気行程の下死点ＢＤＣ近傍よりも遅角側の圧縮行程の所定の第１タイミング（例えば、吸気行程の下死点ＢＤＣから約３０度遅角させたタイミング）のクランク角ＣＡで閉弁指示信号を送信する。これにより、吸気行程で燃焼室内に流入した吸気の一部が圧縮行程で吸気マニホールド２０に噴き戻され、高圧縮比のピストンＰを用いるエンジン１０の筒内圧の過度な上昇が抑えられ、結果として、ＮＯｘ生成が抑制されるようになる。

進角補正部１３０は、スモーク排出量推定部１１０から送信される推定スモーク排出量Ｓが所定の閾値を超えた場合に、吸気バルブ１２の閉弁タイミングを、第１タイミングから吸気行程の下死点ＢＤＣ側に所定量進角させる進角補正を実施する。

制御装置１００のメモリには、予め実験等により求めた推定スモーク排出量Ｓと第１タイミングから圧縮行程の進角側への進角補正量ΔＡとの関係を表した進角補正量マップＭ２が格納されている。進角補正部１３０は、スモーク排出量推定部１１０から送信される推定スモーク排出量Ｓが所定の閾値を超えた場合に、推定スモーク排出量Ｓに基づいて進角補正量マップＭ２を参照することにより、進角補正量ΔＡを算出する。進角補正量マップＭ２においては、吸気バルブ１２の閉弁タイミングが、第１タイミングよりも圧縮行程の進角側、かつ、吸気行程の下死点ＢＤＣよりも遅角側の第２タイミングとなるように進角補正量ΔＡが設定されている。さらに、進角補正量マップＭ２は、推定スモーク排出量Ｓが大きいほど、進角補正量ΔＡが大きくなり、推定スモーク排出量Ｓが小さいほど、進角補正量ΔＡが小さくなるように設定されている。なお、進角補正量マップＭ２は、制御装置１００のメモリにマップとして格納される必要はなく、数値データとして格納されてもよい。

図３（Ｂ）に示すように、進角補正部１３０は、吸気バルブ１２の閉弁タイミングを、第１タイミング（例えば、吸気行程の下死点ＢＤＣから約３０度遅角させたタイミング）から吸気行程の下死点ＢＤＣ側に進角補正量ΔＡだけ進角させた第２タイミング（例えば、吸気行程の下死点ＢＤＣから約１５度遅角させたタイミング）とする進角補正を実施する。

このように、スモーク排出量が増加すると予想される運転状態において、吸気バルブ１２の閉弁タイミングを第１タイミングから所定量進角させる進角補正を実施することにより、吸気マニホールド２０に噴き戻される吸気量が減少するようになる。これにより、スモーク排出量が増加するような運転状態において、燃焼室内の酸素濃度の極端な低下が抑えられるようになり、スモーク排出量の増加を効果的に抑制することが可能になる。

次に、図４のフロー図を参照して、本実施形態に係る制御装置１００による制御の流れを説明する。本制御は、例えば、イグニッションスイッチのＯＮ操作と同時に開始され、イグニッションスイッチのＯＦＦ操作により終了する。

ステップＳ１１０では、エンジン１０の運転状態に基づいて、推定スモーク排出量Ｓを演算する。

ステップＳ１２０では、スモーク排出量推定部１１０から送信される推定スモーク排出量Ｓが、所定の閾値を超えているか否かを判定する。肯定（Ｙｅｓ）の場合、本制御はステップＳ１４０に進み、否定（Ｎｏ）の場合、本制御はステップＳ１３０に進む。

ステップＳ１３０では、可変動弁機構４０に開弁指示信号及び閉弁指示信号を送信することにより、吸気バルブ１２を排気行程の上死点ＴＤＣ近傍で開弁し、吸気行程の下死点ＢＤＣ近傍よりも遅角側の圧縮行程の所定の第１タイミングで閉弁させるバルブ開閉制御を実施する。その後、本制御はステップＳ１１０に戻る。

ステップＳ１４０では、吸気バルブ１２の閉弁タイミングを、第１タイミングから吸気行程の下死点ＢＤＣよりも遅角側、かつ、第１タイミングよりも圧縮行程の進角側の第２タイミングに補正する進角補正を実施する。

ステップＳ１５０では、可変動弁機構４０に開弁指示信号及び閉弁指示信号を送信することにより、吸気バルブ１２を排気行程の上死点ＴＤＣ近傍で開弁し、第１タイミングよりも圧縮行程の進角側、かつ、吸気行程の下死点ＢＤＣよりも遅角側の第２タイミングで閉弁させるバルブ開閉制御を実施する。その後、本制御はステップＳ１１０に戻る。すなわち、推定スモーク排出量Ｓが、所定の閾値未満となるまで進角補正が実施されるようになっている。以降、本制御は、上述のイグニッションスイッチのＯＦＦ操作が行われるまで各ステップを繰り返し実施する。

以上詳述した本実施形態によれば、スモーク排出量推定部１１０から送信される推定スモーク排出量Ｓが所定の閾値以下の場合には、吸気バルブ１２を圧縮行程の第１タイミングで閉弁させるバルブ開閉制御が実施されるように構成されている。これにより、エンジン１０の圧縮比の過度な上昇が抑えられ、燃焼室内の温度上昇を抑えられるようになり、ＮＯｘ生成を効果的に抑制することが可能になる。また、ＮＯｘ生成が抑制されることで、ＥＧＲ率を低く抑えることができるようになり、ウォータポンプ６７の仕事量の増加に伴うエンジン１０の燃費性能の悪化を効果的に抑止することも可能になる。

一方、スモーク排出量推定部１１０から送信される推定スモーク排出量Ｓが所定の閾値を超えた場合には、吸気バルブ１２の閉弁タイミングを、第１タイミングから吸気行程の下死点ＢＤＣ側に所定量進角させる進角補正を実施するように構成されている。これにより、スモークの増加が予想される運転状態において、吸気マニホールド２０に噴き戻される吸気量が低減され、燃焼室内の酸素濃度の極端な低下が抑止されるようになる。この結果、スモーク排出量を効果的に抑制することが可能になる。

［その他］
なお、本開示は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜に変形して実施することが可能である。

例えば、上記実施形態においては、エンジン１０の運転状態に基づいて、推定スモーク排出量Ｓを演算しているが、排気通路２６に排気中の粒子状物質（Particulate Matter:ＰＭ）の値を取得するＰＭセンサを設け、ＰＭセンサのセンサ値に基づいて排気中のスモーク排出量を取得してもよい。

１０ エンジン
１１Ａ 吸気ポート
１１Ｂ 排気ポート
１２ 吸気バルブ
１４ 排気バルブ
２０ 吸気マニホールド
２１ 吸気通路
２５ 排気マニホールド
２６ 排気通路
３０ 過給機
４０ 可変動弁機構
５０ ＥＧＲ装置
５２ ＥＧＲクーラ
６０ 冷却水循環装置
６７ ウォータポンプ
１００ 制御装置
１１０ スモーク排出量推定部（スモーク排出量推定取得部）
１２０ バルブ開閉制御部
１３０ 進角補正部

Claims (4)

1. 吸気通路から燃焼室内に導入する吸入空気量を調整する吸気バルブの少なくとも閉弁タイミングを任意のタイミングに変更可能な可変動弁機構を備えるエンジンの制御装置であって、
   前記吸気バルブを吸気行程の所定のタイミングで開弁させると共に、吸気行程の下死点よりも所定量遅角した圧縮行程の第１タイミングで閉弁させる制御部と、
   前記エンジンから排気通路に排出されるスモークの排出量を推定又は取得するスモーク排出量推定取得部と、
   推定又は取得される前記排出量が所定の閾値を超えた場合に、前記吸気バルブの閉弁タイミングを前記第１タイミングよりも吸気行程の下死点側に所定量進角させる進角補正部と、を備える
   ことを特徴とするエンジンの制御装置。
2. 前記補正部は、推定又は取得される前記排出量が大きくなるほど、前記吸気バルブの閉弁タイミングを進角させる補正量を大きく設定する
   請求項１に記載のエンジンの制御装置。
3. 前記エンジンには、前記排気通路に排出される排気の少なくとも一部を前記吸気通路に還流させる排気再循環装置が設けられている
   請求項１又は請求項２に記載のエンジンの制御装置。
4. 吸気通路から燃焼室内に導入する吸入空気量を調整する吸気バルブの少なくとも閉弁タイミングを任意のタイミングに変更可能な可変動弁機構を備えるエンジンの制御方法であって、
   前記吸気バルブを吸気行程の所定のタイミングで開弁させると共に、吸気行程の下死点よりも所定量遅角した圧縮行程の第１タイミングで閉弁させ、
   前記エンジンから排気通路に排出されるスモークの排出量を推定又は取得し、
   推定又は取得される前記排出量が所定の閾値を超えた場合に、前記吸気バルブの閉弁タイミングを前記第１タイミングよりも吸気行程の下死点側に所定量進角させる
   ことを特徴とするエンジンの制御方法。

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