JP6256015B2

JP6256015B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP6256015B2
Application number: JP2014003510A
Authority: JP
Inventors: 淳一郎新田
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2034-01-10
Also published as: JP2015132195A

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、排気バルブの開閉タイミングを変化させる可変バルブ機構を備えた内燃機関の制御装置に関する。

近年、排気ガス規制の強化に伴い、エンジンの冷却水温や潤滑油温が低い冷間運転中においても、排気エミッションを低減させる要請がある。例えば、特許文献１，２には、冷間運転時に排気バルブの開閉タイミングを進角化させることで、触媒を迅速に昇温させて早期活性化を図る技術が開示されている。

特開２０００−５４８７２号公報特開２００２−２２１０５３号公報

ところで、排気エミッションにおける特にＮＯｘを低減するためには、吸気ガス中の酸素濃度を低減すべく、多量のＥＧＲガスを導入することが望ましい。しかしながら、エンジンの冷間運転時に多量のＥＧＲガス導入を行うと、エンジンの燃焼が不安定となり、ＨＣ／ＣＯの発生による排気エミッションの悪化や、排気ガス中の水蒸気による凝結水の発生等を引き起こす可能性がある。また、触媒の早期活性化を図るために、排気系に触媒昇温用のバーナー等を設置する技術もあるが、装置のコスト上昇を招く課題がある。

本発明の目的は、冷間運転時における排気エミッションの悪化を効果的に抑止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。

上述の目的を達成するため、本発明は、排気バルブの開閉タイミングを変化させる可変バルブ機構を備えた内燃機関の制御装置であって、前記内燃機関の冷却水温を検出する冷却水温センサと、前記内燃機関の排気温度を検出する排気温度センサと、前記冷却水温センサ及び排気温度センサの検出値に基づいて、前記内燃機関が冷間運転中か否かを判定する冷間判定手段と、前記冷間判定手段が冷間運転中と判定した場合に、前記可変バルブ機構の作動を制御して前記排気バルブの開閉タイミングを膨張行程側に進角化させる進角制御手段とを備え、前記進角制御手段による前記排気バルブの進角量が前記内燃機関の回転数及び負荷に基づいて設定されることを特徴とする。

また、前記進角制御手段は、前記内燃機関の回転数及び負荷が高くなるほど前記進角量を小さく設定することが好ましい。

また、前記進角量を前記内燃機関の冷却水温及び排気温度の上昇に伴い減少補正する進角量補正手段をさらに備えてもよい。

また、前記進角制御手段によって前記排気バルブの開閉タイミングが進角化された場合に、前記内燃機関のトルク低下を抑止すべく燃料噴射量を増加させるトルク制御手段をさらに備えてもよい。

また、前記排気温度センサが前記内燃機関の排気系に設けられた排気浄化触媒の触媒温度を検出するものでもよい。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、冷間運転時における排気エミッションの悪化を効果的に抑止することができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を示す模式的な全体構成図である。本実施形態の進角量設定マップの一例を示す図である。本実施形態の進角制御による排気バルブの開閉タイミングを示す図である。本実施形態の補正量設定マップの一例を示す図である。（ａ）は、進角制御の有無による冷却水温の上昇を比較した図、（ｂ）は、進角制御の有無による触媒温度の上昇を比較した図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を説明する。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。

図１に示すように、エンジン（内燃機関）１０は、燃焼室１１（又は、吸気ポート）内に燃料を直接噴射するインジェクタ１２と、開閉動作によって吸気通路１３から燃焼室１１内に新気を導入させる吸気バルブ１４と、開閉動作によって燃焼室１１から排気通路１５に排気ガスを排出させる排気バルブ１６と、可変バルブ機構２０と、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）６０とを備えている。

なお、図１中において、符号Ｐはピストン、符号３０は排気後処理装置、符号４０は外部ＥＧＲ装置、符号５０は冷却水温センサ、符号５１は排気温度センサ、符号５２はエンジン回転センサ、符号５３はアクセル開度センサを示している。

可変バルブ機構２０は、例えば、油圧駆動式のベーン型可変バルブ機構であって、クランクシャフト１０Ａに対して図示しない排気カムシャフトを進角又は遅角させることで、排気バルブ１６の開閉タイミングを可変にする。

排気後処理装置３０は、排気通路１５内に排気上流側から順に、酸化触媒３１、ディーゼル・パティキュレイト・フィルタ（以下、ＤＰＦ）３２、選択的還元触媒（以下、ＳＣＲ）３３とを備えている。酸化触媒３１よりも上流側の排気通路１５には、排気通路１５内に燃料を噴射する燃料添加弁３４が設けられている。なお、エンジン１０の多段噴射によるポスト噴射を用いる場合は、この燃料添加弁３４を省略してもよい。また、ＳＣＲ３３よりも上流側の排気通路１５には、排気通路１５内に尿素水を噴射する尿素添加弁３５が設けられている。

外部ＥＧＲ装置４０は、排気通路１５を流れる排気ガスの一部を吸気通路１３に環流させる。より詳しくは、外部ＥＧＲ装置４０は、排気通路１５と吸気通路１３とを連通するＥＧＲ通路４１と、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ４２と、ＥＧＲガス流量を調整するＥＧＲバルブ４３とを備えている。

冷却水温センサ５０は、エンジン１０の図示しない冷却水循環路内を流れる冷却水温Ｔ_Wを検出する。排気温度センサ５１は、酸化触媒３１，ＤＰＦ３２を通過してＳＣＲ３３に流入する排気温度（以下、触媒温度Ｔ_Cという）を検出する。エンジン回転センサ５２は、クランクシャフト１０Ａの回転数Ｎｅを検出する。アクセル開度センサ５３は、アクセル開度（以下、エンジン負荷Ｑという）を検出する。これら各種センサ５０〜５３で検出されるセンサ値は、電気的に接続されたＥＣＵ６０に送信される。

ＥＣＵ６０は、エンジン１０の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。また、ＥＣＵ６０は、冷間運転判定部６１と、位相早期化制御部６２と、進角量補正部６３と、エンジントルク制御部６４とを一部の機能要素として有する。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ＥＣＵ６０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。

冷間運転判定部６１は、本発明の冷間判定手段であって、冷却水温センサ５０及び排気温度センサ５１のセンサ値に基づいて、エンジン１０が冷間運転中か否かを判定する。より詳しくは、冷却水温センサ５０から入力される冷却水温Ｔ_Wが所定の暖機完了温度よりも低い場合、又は、排気温度センサ５１から入力される触媒温度Ｔ_Cが所定の触媒活性温度よりも低い場合に、冷間運転判定部６１はエンジン１０の運転状態を冷間運転中と判定する。

位相早期化制御部６２は、本発明の進角制御手段であって、冷間運転判定部６１によってエンジン１０が冷間運転中と判定された場合に、可変バルブ機構２０の作動を制御して、排気バルブ１６の開閉タイミングを膨張行程側に位相早期化（以下、進角化という）させる。

より詳しくは、ＥＣＵ６０には、図２に示すように、エンジン回転数Ｎｅ及びエンジン負荷Ｑに応じた排気バルブ１６の進角量θを設定するための進角量設定マップが予め記憶されている。この進角量設定マップにおいて、進角量θ_1〜4は、エンジン回転数Ｎｅ及びエンジン負荷Ｑが高くなるに従い小さくなるように設定されている（θ₄＜θ₁）。位相早期化制御部６２によって、進角量設定マップから読み取った進角量θ_1〜4で可変バルブ機構２０の作動が制御されると、図３に示すように、排気バルブ１６の開閉タイミングは膨張行程側に進角化される。これにより、冷間状態にあるエンジン１０においては、筒内の圧縮開始温度が大幅に昇温されると共に、筒内壁面に対する熱移動量も効果的に増加される。さらに、排気温度が昇温されて、排気エネルギ量も効果的に増加される。

なお、位相早期化制御部６２による排気バルブ１６の進角化によって、冷却水温Ｔ_Wが暖機完了温度に達し、且つ、触媒温度Ｔ_Cが所定の触媒活性温度に達した場合は、進角量を０（ゼロ）とする通常運転モードに切り替えられる。

進角量補正部６３は、本発明の進角量補正手段であって、冷却水温Ｔ_W又は触媒温度Ｔ_Cの上昇に応じて排気バルブ１６の進角量θを減少補正する。より詳しくは、ＥＣＵ６０には、図４に示すように、冷却水温Ｔ_W又は触媒温度Ｔ_Cに応じた補正量Ｃを設定するための補正量設定マップが予め記憶されている。この補正量設定マップにおいて、補正量Ｃは、冷却水温Ｔ_W又は触媒温度Ｔ_Cが高くなるほど、大きくなるように設定されている。すなわち、冷却水温Ｔ_Wや触媒温度Ｔ_Cの上昇に伴い進角量θを段階的に減少させることで、排気バルブ１６の過剰な進角化を抑止できるように構成されている。なお、可変バルブ機構２０が排気バルブ１６の進角量を連続可変することができず、ＯＮ／ＯＦＦ制御の機能しか有していない場合は、図４に示されるような補正マップを基に進角制御運転／通常運転を切り替える制御が実現されるように構成されている。

エンジントルク制御部６４は、本発明のトルク制御手段であって、排気バルブ１６の開閉タイミングが進角化された場合に、インジェクタ１２による燃料噴射量を増加させて、エンジン１０を目標トルクに維持させる。燃料噴射の増加量は、排気バルブ１６の進角量θが大きくなるほど増加するように設定される。これにより、進角制御によるエンジン１０のトルク低下が効果的に防止される。

次に、本実施形態の内燃機関の制御装置による作用効果について説明する。

本実施形態の内燃機関の制御装置によれば、エンジン１０の冷間運転時は、排気バルブ１６の開閉タイミングが膨張行程側に進角化される。すなわち、排気バルブ１６の閉弁タイミングが通常運転時よりも進角化され、燃焼室１１内にトラップされる残留ガスによって圧縮開始温度を大幅に昇温できるため、冷間運転中であってもＨＣ／ＣＯの大量発生を誘発することなく外部ＥＧＲガスの導入が可能となる。その結果、ＮＯｘ低減に必要な筒内酸素濃度の低減が効果的に促進されて、エンジンアウトのＮＯｘ値を大幅に低減することが可能になる。

また、燃焼室１１内の残留ガスによって筒内壁面に対する熱移動量が増加するため、筒内壁面温度及びウォータジャケット（不図示）を流れる冷却水温度を短時間で昇温することができる。その結果、燃焼の安定性確保と暖機時間の短縮化が可能となり（図５（ａ）参照）、冷間運転から通常運転モードへの切り替え時間の短縮化を図ることができる。

また、排気バルブ１６の開弁タイミングの進角化により、高温の燃焼ガスが排気通路１５内に排出されるため、排気温度の昇温及び排気エネルギの増加が促進されて、触媒温度を早期に活性温度まで上昇することができる（図５（ｂ）参照）。その結果、冷間運転時における排気エミッションを効果的に低減することが可能になる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、可変バルブ機構２０は、ベーン型に限定されず、カムレス機構等の他の可変バルブ機構を適用することもできる。また、ＮＯｘ浄化触媒はＳＣＲ３３に限定されず、ＬＮＴ等であってもよい。これら何れの場合も、上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

１０エンジン（内燃機関）
１２インジェクタ
１３吸気通路
１４吸気バルブ
１５排気通路
１６排気バルブ
２０可変バルブ機構
３０排気後処理装置
３３ＳＣＲ
４０外部ＥＧＲ装置
５０冷却水温センサ
５１排気温度センサ
５２エンジン回転センサ
５３アクセル開度センサ
６０ＥＣＵ
６１冷間運転判定部
６２位相早期化制御部
６３進角量補正部
６４エンジントルク制御部

Claims

排気バルブの開閉タイミングを変化させる可変バルブ機構を備えた内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関の冷却水温を検出する冷却水温センサと、
前記内燃機関の排気温度を検出する排気温度センサと、
前記冷却水温センサ及び排気温度センサの検出値に基づいて、前記内燃機関が冷間運転中か否かを判定する冷間判定手段と、
前記冷間判定手段が冷間運転中と判定した場合に、前記可変バルブ機構の作動を制御して前記排気バルブの開閉タイミングを膨張行程側に進角化させる進角制御手段と、を備え、
前記進角制御手段による前記排気バルブの進角量が前記内燃機関の回転数及び負荷に基づいて設定され、
前記進角制御手段は、前記内燃機関の回転数及び負荷が高くなるほど前記進角量を小さく設定する
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記進角量を前記内燃機関の冷却水温及び排気温度の上昇に伴い減少補正する進角量補正手段をさらに備える
請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
前記進角制御手段によって前記排気バルブの開閉タイミングが進角化された場合に、前記内燃機関のトルク低下を抑止すべく燃料噴射量を増加させるトルク制御手段をさらに備える
請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
前記排気温度センサが前記内燃機関の排気系に設けられた排気浄化触媒の触媒温度を検出するものである
請求項１から３の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置。