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JP6350304B2 - リーンバーンエンジン - Google Patents

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Description

本発明は、リーンバーンエンジンに関し、詳しくは、ターボ過給機を備えるリーンバーンエンジンに関する。
下記の特許文献1には、ターボ過給機を備えたエンジンにおいて、低中速域及び低負荷域での加速過渡時には、可変バルブタイミング機構によって排気バルブの開き時期を進角させて排気ブローダウンエネルギを増大させることで、ターボ過給機のレスポンスを向上させることが開示されている。
特開2004−183510号公報 特開2000−345889号公報
ターボ過給機のレスポンスを向上させることは、リーンバーンエンジンにもあてはまる課題である。よって、排気バルブの開き時期を進角させることで排気ブローダウンエネルギを増大させる上記従来技術の手法は、リーンバーンエンジンにも適用したい手法の1つである。
ところが、リーンバーンエンジンの特徴である理論空燃比よりも薄いリーン空燃比による燃焼は、理論空燃比による燃焼に比べてロバスト性が低い。このため、燃焼に係るパラメータを何か1つでも変更したとき、燃焼状態を一定に保つためには複雑な制御が必要となる。上記従来技術の場合、可変バルブタイミング機構によって排気バルブの開き時期を進角させると、それと同時に、排気バルブの閉じ時期も進角する。その結果、吸気バルブと排気バルブとの間のバルブオーバラップ期間が変化することになる。バルブオーバラップ期間は、吸入空気量やEGR率に影響する重要なパラメータであるため、これが変化すると燃焼状態を一定に保つことが難しくなり、燃焼状態の変動を招くおそれがある。
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、ターボ過給機を備えるリーンバーンエンジンにおいて、燃焼状態が変動することを抑えながら、排気バルブのバルブタイミングの制御によってリーン領域での過給圧の応答性を高めることを可能にする、ことを目的とする。
本発明に係るリーンバーンエンジンは、ターボ過給機を備えるリーンバーンエンジンであって、排気バルブの閉じ時期を一定にしたまま開き時期を変更可能な可変動弁機構を備える。この可変動弁機構は、好ましくは、カムシャフトの基準位置に対するリフト開始位置の角度は異なるがリフト終了位置の角度は同じである少なくとも2つのカムを備え、これら少なくとも2つのカムを切り替えるように構成される。また、本発明に係るリーンバーンエンジンは、過給圧上昇制御を実行する制御装置を備える。過給圧上昇制御は、理論空燃比よりも薄いリーン空燃比による運転が選択されるリーン領域にリーンバーンエンジンの目標動作点があり、且つ、目標過給圧よりも実過給圧が低い場合、吸気バルブの開き時期を一定に保持しつつ可変動弁機構を操作して排気バルブの閉じ時期を一定にしたまま排気バルブの開き時期を進角させる制御である。この制御によれば、燃焼への影響が大きいバルブオーバラップ期間を変えずに排気バルブの開き時期を進角することができるので、燃焼状態が変動することを抑えながら過給圧の応答性を向上させることが可能となる。
制御装置による過給圧上昇制御は、目標トルクの増大に応じて目標動作点がリーン領域内を移動し、それにより目標過給圧が増大することによって目標過給圧と実過給圧とが乖離した場合、に実行されることが好ましい。これによれば、排気ガスがもつエネルギが少ないリーン領域において目標トルクが増大した場合、目標トルクを早期に達成できるように過給圧を上昇させることができる。
また、制御装置による過給圧上昇制御は、目標トルクの増大に応じて目標動作点が理論空燃比による運転が選択される低負荷ストイキ領域からリーン領域に移動し、それにより目標過給圧が増大することによって目標過給圧と実過給圧とが乖離した場合、に実行されることも好ましい。これによれば、運転者からの加速要求によって低負荷ストイキ領域での運転からリーン過給領域での運転へ移行する場合、目標トルクを早期に達成できるように過給圧を上昇させることができる。
ただし、急加速が要求されている場合は、実過給圧が目標標過給圧に到達するまで、筒内空燃比を理論空燃比に維持することがより好ましい。これによれば、運転者からの加速要求が急加速要求である場合、過給圧の応答性をより向上させることができる。
また、制御装置による過給圧上昇制御は、目標トルクの減少に応じて目標動作点が理論空燃比による運転が選択される高負荷ストイキ領域からリーン領域に移動し、それにより目標過給圧が増大することによって目標過給圧と実過給圧とが乖離した場合、に実行されることも好ましい。これによれば、運転者からの減速要求によって高負荷ストイキ領域での運転からリーン過給領域での運転へ移行する場合、過給圧を速やかに上昇させながら、エンジンのトルクを低下させることができる。
なお、筒内空燃比を理論空燃比からリーン空燃比に切り替えるよりも前に過給圧上昇制御を実行する場合、制御装置は、点火時期遅角制御を実行することが好ましい。点火時期遅角制御は、筒内空燃比がリーン空燃比に切り替わるまで過給圧の上昇に応じて点火時期を遅角する制御であって、排気バルブの開き時期の進角による排気ポンプ損失の増大分だけ遅角量を減量する。この制御によれば、筒内空燃比が理論空燃比からリーン空燃比へ切り替わるときのトルク変動を抑えることができる。
リーンバーンエンジンの排気通路にNOx触媒が設けられているのであれば、NOx触媒の温度に応じて空燃比の選択を行うことが好ましい。NOx触媒は過度に高温になると、そのNOx浄化性能が低下してNOxを浄化できなくなるからである。具体的には、NOx触媒の温度が所定温度より高い場合、筒内空燃比を理論空燃比に設定することが好ましい。
本発明に係るリーンバーンエンジンによれば、燃焼への影響が大きいバルブオーバラップ期間を変えずに排気バルブの開き時期を進角することができるので、燃焼状態が変動することを抑えながら過給圧の応答性を向上させることができる。
本発明の実施の形態のエンジンシステムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態のカムによるバルブタイミングを示す図である。 排気バルブの開き時期とトルクとの関係を示す図である。 排気バルブの開き時期と熱効率との関係を示す図である。 排気バルブの開き時期と空気量との関係を示す図である。 排気バルブの開き時期と排気温度との関係を示す図である。 排気バルブの開き時期とターボ回転数との関係を示す図である。 排気バルブの開き時期と過給圧との関係を示す図である。 エンジンの運転域の設定を示す図である。 本発明の実施の形態の制御フローを示すフローチャートである。 加速要求によるリーンNA領域からリーン過給領域への目標動作点の移動を示す図である。 加速によりリーンNA領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作を示すタイムチャートである。 加速要求による低負荷ストイキ領域からリーン過給領域への目標動作点の移動を示す図である。 緩加速により低負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作を示すタイムチャートである。 急加速により低負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作を示すタイムチャートである 減速要求による高負荷ストイキ領域からリーン過給領域への目標動作点の移動を示す図である。 減速により高負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作を示すタイムチャートである。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数にこの発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
1.エンジンシステムの構成
1−1.システム全体の構成
図1は、本発明の実施の形態のエンジンシステムの構成を示す図である。本実施の形態のエンジンシステムは、自動車に動力装置として搭載されるターボ過給機付き内燃機関
(以下、エンジンと称す)2を備える。このエンジン2は、ストイキ運転(すなわち、理論空燃比よる運転)と、リーン運転(すなわち、理論空燃比よりも薄い所定のリーン空燃比による運転)とを選択可能なリーンバーンエンジンである。リーン運転時の空燃比は、NOxが多く発生する空燃比域よりもさらにリーンな空燃比域、例えば、値が24前後の空燃比域に設定される。
エンジン2は、ピストン12が配置されたシリンダブロック4とシリンダヘッド3とを備える。エンジン2の気筒数および気筒配置は特に限定されない。シリンダヘッド3とピストン12とで挟まれた空間が燃焼室5となる。エンジン2は火花点火式エンジンであって、シリンダヘッド3には燃焼室5の頂部に突き出るように点火装置の点火プラグ18が取り付けられている。
燃焼室5には吸気ポート6と排気ポート8がそれぞれ開口している。燃焼室5と吸気ポート6との連通状態は、シリンダヘッド3に設けられた吸気バルブ14によって制御される。燃焼室5と排気ポート8との連通状態は、シリンダヘッド3に設けられた排気バルブ16によって制御される。吸気バルブ14には、バルブタイミングを可変とする吸気可変動弁機構24が設けられている。排気バルブ16には、バルブタイミングと作用角を可変とする排気可変動弁機構26が設けられている。バルブタイミングを可変とする機構には、クランクシャフトに対するカムシャフトの位相を変化させる公知の機構を用いることができる。作用角を可変とする機構については後述する。
エンジン2は、各気筒に2つずつ燃料噴射弁を備える。一つは、燃焼室5の中に燃料を直接噴射する筒内噴射弁22であり、もう一つは、吸気ポート6に燃料を噴射するポート噴射弁20である。
吸気ポート6には、サージタンク19が一体化された吸気マニホールド10が接続されている。サージタンク19には、外部から空気を吸入する吸気通路30が接続されている。吸気通路30におけるサージタンク19の近傍には、電子制御式のスロットル40が設けられている。吸気通路30の先端には、エアクリーナ31が設けられている。
排気ポート8には、排気マニホールド11が接続されている。排気マニホールド11には、排気ガスを外部に排出する排気通路32が接続されている。排気通路32には、三元触媒62とNOx触媒(NOx吸蔵還元型触媒)64が設けられている。
エンジン2は、ターボ過給機28を有している。ターボ過給機28のコンプレッサ28aは、吸気通路30におけるスロットル40の上流に設けられている。吸気通路30におけるコンプレッサ28aとスロットル40との間には、コンプレッサ28aで圧縮された吸入空気を冷却するインタークーラ36が設けられている。ターボ過給機28のタービン28bは、排気通路32における三元触媒62の上流に設けられている。タービン28bの近傍には、タービン28bの上流側と下流側とをバイパスするバイパス通路44が設けられている。バイパス通路44には、ウエストゲートバルブ46が設置されている。ウエストゲートバルブ46はダイアフラム式の負圧アクチュエータ46aにより駆動される。
本実施形態のシステムは、エンジン2の運転状態に関する情報を得るためのセンサを各所に備えている。吸気通路30におけるエアクリーナ31の直下流には、吸入空気量を計測するためのエアフローメータ34が設置されている。吸気通路30におけるインタークーラ36の直下流には、過給圧を計測するための圧力センサ38が設置されている。スロットル40の近傍には、スロットル40の開度を計測するためのスロットルポジションセンサ42が設置されている。サージタンク19には吸気管圧を計測するための圧力センサ56が設置されている。本明細書では、スロットル40の上流側の圧力を過給圧と呼び、スロットル40の下流側の圧力を吸気マニホールド圧と呼ぶ。
排気通路32における三元触媒62の直上流には、排気ガスの燃焼前の空燃比に対してリニアに変化する信号を出力する空燃比センサ70が設置されている。また、排気通路32における三元触媒62の直下流には、理論空燃比の混合気の燃焼により得られる排気ガスの酸素濃度を境にして、酸素過剰側と酸素不足側とでステップ的に変化する信号を出力する酸素センサ72が設置されている。そして、NOx触媒64には、その温度(詳しくは床温度)を計測するための温度センサ74が設置されている。
また、本実施形態のシステムは、アクセルペダルの開度を計測するためのアクセルポジションセンサ52、及び、エンジン2のクランク角度を計測するためのクランク角センサ54を有している。これらのセンサの他にも、エンジンシステムには図示しない様々なセンサが設けられている。
上述した各種のセンサ及びアクチュエータは、制御装置100に電気的に接続されている。制御装置100はECU(Electronic Control Unit)である。制御装置100は、エンジン2のシステム全体の制御を行うものであり、CPU、ROM、RAMを含むコンピュータを主体として構成されている。ROMには各種制御プログラムが記憶されている。制御装置100によってそれら制御プログラムが実行され、センサからの信号に基づいてアクチュエータが操作されることにより、エンジン2の運転が制御される。
1−2.排気可変動弁機構の構成
排気可変動弁機構26は、カムプロファイルが異なる2つの排気カム(不図示)を切り替えることによって、排気バルブ16の作用角の切り替えを行うように構成されている。排気バルブ16を駆動する切り替え可能な2つの排気カムは、カムシャフトの基準位置に対するリフト開始位置(排気バルブのリフトが開始するときの排気カムの当接点の位置)の角度は異ならせて、リフト終了位置(排気バルブのリフトが終了するときの排気カムの当接点の位置)の角度は同じにされている。このような構成により、2つの排気カムを切り替えた時には、排気バルブ16の開き時期は変化するが閉じ時期に変化は生じない。
図2は、吸気カムによって実現される吸気バルブ14のバルブタイミングと排気カムによって実現される排気バルブ16のバルブタイミングを併せて示す図である。図2において“IVO”で示す角度が吸気バルブ14の開き時期であり、“IVC”で示す角度が吸気バルブ14の閉じ時期である。そして、IVOからIVCまでの角度範囲が吸気バルブ14の作用角である。
排気バルブ16を駆動する切り替え可能な2つの排気カムを、それぞれ第1排気カムと第2排気カムと呼ぶ。図2において“EVO1”で示す角度が第1排気カムによる排気バルブ16の開き時期であり、“EVO2”で示す角度が第2排気カムによる排気バルブ16の開き時期である。“EVC”で示す角度が第1排気カムと第2排気カムに共通の排気バルブ16の閉じ時期である。EVO1からEVCまでの相対的に狭い角度範囲が第1排気カムによる排気バルブ16の作用角であり、EVO2からEVCまでの相対的に広い角度範囲が第2排気カムによる排気バルブ16の作用角である。
2つの排気カムのうち第1排気カムが通常使用する排気カムとされ、必要に応じて第2排気カムへの切り替えが行われる。第1排気カムから第2排気カムへの切り替えが行われることで、排気バルブ16の閉じ時期は“EVC”で一定のまま、開き時期のみが“EVO1”から“EVO2”へ進角される。“EVO1”はBDCよりも進角側に設定されているので、第2排気カムへの切り替えにより排気バルブ16のさらなる早開きが実現されることになる。
ここで、排気バルブ16の開き時期を進角することによる作用について図3から図8までの各グラフを用いて説明する。各グラフの横軸のEVOは排気バルブ16の開き時期を意味し、その単位はBDCからの進角度(BBDC)である。各グラフは、スロットル開度、ウエストゲートバルブ開度、吸気バルブ開き時期及び閉じ時期、排気バルブ閉じ時期等のパラメータは固定した上で、EVOが状態量に与える影響を調べたものである。
図3に示すように、EVOを進角するほどトルクは増大する。これは、次のように説明することができる。まず、図6に示すように、EVOを進角するほど排気温度は上昇する。排気バルブをBDCよりも早く開くほど、排気ガスに与えられる熱エネルギが増大するためである。排気温度の上昇は過給機のタービン仕事を増大させる。よって、図7に示すように、EVOを進角するほどターボ回転数は上昇することになる。そして、ターボ回転数が上昇すればコンプレッサによる過給圧が上昇する。このため、図8に示すように、EVOを進角するほど過給圧は上昇することになる。そして、過給圧が上昇するほど筒内に吸入される空気量は増大する。これにより、図5に示すように、EVOを進角するほど空気量は上昇することになって、結果、図3に示すようなEVOとトルクとの関係が得られる。
その一方で、図4に示すように、EVOには熱効率が最大となる角度が存在する(図4の例ではBBDC30度)。熱効率が最大となる角度よりもEVOを遅角するほど、押し出し損失の増大によって熱効率は低下する。逆に、熱効率が最大となる角度よりもEVOを進角するほど、吹き出し損失の増大によって熱効率は低下する。つまり、EVOを進角するほど、ターボ仕事を増大させて過給圧の上昇を促すことができるが、その反面、熱効率を低下させ燃費を悪化させてしまう。図4に示す矢印Aは、許容される熱効率の低下量を示している。
第1排気カムによる排気バルブ16の開き時期(EVO1)は、図4において、熱効率が最大となる角度に設定されている。第2排気カムによる排気バルブ16の開き時期(EVO2)は、許容される熱効率の範囲内で最も進角したときの角度に設定されている。よって、通常使用するカムを第1排気カムとすることによって、高い燃費性能を得ることができる。そして、必要に応じて第1排気カムから第2排気カムへ切り替えることで、燃費性能の低下を許容範囲にとどめながら、ターボ仕事を増大させて過給圧を速やかに上昇させることができる。
次に、第1排気カムから第2排気カムへの切り替えの前後において、排気バルブ16の閉じ時期を一定とすることによる作用について説明する。図2には、排気バルブ16の開期間と吸気バルブ14の開期間とが重なっている様子が示されている。IVOからEVCまでの角度範囲が、排気バルブ16と吸気バルブ14との間のバルブオーバラップ期間である。
排気可変動弁機構26によれば、EVOは第1排気カムと第2排気カムで共通であることから、第1排気カムから第2排気カムへ切り替えたときにバルブオーバラップ期間に変化は生じない。つまり、バルブオーバラップ期間を一定に保ったまま、排気バルブ16の開き時期を進角することができる。バルブオーバラップ期間は、吸入空気量やEGR率に影響するパラメータであるので、これを一定に保つことによって燃焼状態は一定に保たれるようになる。その効果は、特に、リーン空燃比による燃焼が行われているときに発揮される。リーン空燃比による燃焼は、理論空燃比による燃焼に比べてロバスト性が低いためである。要するに、排気可変動弁機構26によれば、燃焼への影響が大きいバルブオーバラップ期間を変えずに排気バルブ16の開き時期を進角することができるので、特にリーン空燃比による燃焼が行われている場合において、燃焼状態が変動することを抑えながら過給圧の応答性を向上させることができる。
2.エンジンシステムの動作
2−1.エンジンの運転域の設定
図9は、エンジン2の運転域の設定を示す図である。エンジン2の運転は、トルクとエンジン回転速度とを軸とする2次元平面上に設定された運転域にしたがって行われる。図9には、エンジンの運転域として、低負荷ストイキ領域、リーン領域、及び、高負荷ストイキ領域が設定されている。リーン領域と高負荷ストイキ領域は、それぞれ自然吸気領域(以下、NA領域という)と過給領域とに分けられる。
リーン領域は、リーン空燃比による運転が可能な運転域であり、燃費性能を向上させるために、できるかぎり広く設定されている。リーン領域は、自然吸気領域(以下、NA領域という)と過給領域とに分けられる。NA領域はターボ過給機28による過給が行われていない領域であり、過給領域はターボ過給機28による過給が行われている領域である。過給が行われているかどうかは、過給圧が大気圧よりも大きくなっているかどうかで判断することができる。リーン領域では、均質性の高い混合気が得られるポート噴射によって、或いはポート噴射を主とするポート噴射と筒内噴射との組み合わせによってリーン空燃比による運転が行われる。ただし、リッチスパイクの実行時や急加速時等、リーン領域であっても、理論空燃比或いは理論空燃比よりも濃いリッチ空燃比による運転が行われる場合もある。
リーン空燃比による運転ができない或いは難しい運転域が、低負荷ストイキ領域或いは高負荷ストイキ領域として設定されている。低負荷ストイキ領域は、リーン空燃比では燃焼が不安定となる領域である。低負荷ストイキ領域では、ポート噴射によるストイキ運転が行われる。低負荷ストイキ領域は、NA領域である。
高負荷ストイキ領域は、リーン空燃比による運転では所望の出力を得ることができない領域である。高負荷ストイキ領域は、NA領域と過給領域とに分けられる。高負荷ストイキ領域では、筒内噴射による運転、或いは、筒内噴射を主とするポート噴射と筒内噴射との組み合わせによるストイキ運転が行われる。
アクセルペダル開度から目標エンジン出力が決まり、目標エンジン出力から目標トルクと目標エンジン回転速度が決まる。目標トルクと目標エンジン回転速度とで定まる動作点がエンジン2の目標動作点であり、目標動作点がどの運転域に位置するか、また、目標動作点がどのような経路で移動したか、によってエンジン2の制御内容が決まる。
2−2.制御装置によるエンジン制御
図10は、制御装置100により行われるエンジン制御のフローを示すフローチャートである。制御装置100は、このフローチャートに示す手順にしたがってエンジン制御を行う。ステップS2では、目標トルクと目標エンジン回転速度とで定まるエンジン2の目標動作点がリーン領域にあるかどうかの判定が行われる。目標動作点がリーン領域にない場合には、ステップS10の処理が選択される。ステップS10では、理論空燃比によるストイキ運転が行われる。
目標動作点がリーン領域にある場合、次に、ステップS4の判定が行われる。ステップS4では、目標過給圧と実過給圧とが比較される。目標過給圧は、ROMに記憶されたマップを参照して目標トルクと目標エンジン回転速度とに基づいて決定される。制御装置100は、制御量の目標値や操作量を決定するためのマップを運転域ごとに備えている。実過給圧は圧力センサ38によって計測される。実過給圧が目標過給圧以上になっている場合、ステップS12の処理が選択される。ステップS12では、所定のリーン空燃比によるリーン運転が行われる。
実過給圧が目標過給圧より低い場合、実過給圧を目標過給圧まで早期に上昇させるための制御が行われる。その制御の内容を選択するため、まず、ステップS6の判定が行われる。ステップS6では、温度センサ74により計測されるNOx触媒64の温度がウインドウの上限温度より高くなっているかどうか判定される。ウインドウはNOx触媒64の浄化性能が担保される温度範囲に設定されている。NOx触媒64がこの上限温度を超えて高温になっているかどうかで、次の処理の内容は変わる。
NOx触媒64が高温になっていない場合、次に、ステップS14の判定が行われる。ステップS14では、運転者より急加速が要求されているかどうか判定される。運転者より要求されている加速の大きさは、例えば、アクセルペダル開度の加速度から判断される。また、目標トルクの増大速度から急加速の要求を判断してもよい。急加速が要求されていない場合(例えば、アクセルペダル開度の加速度が閾値以下の場合)、ステップS16の処理が選択される。急加速が要求されている場合、ステップS8の処理が選択される。
ステップS16の処理が選択された場合、所定のリーン空燃比によるリーン運転が行われる。そして、排気バルブ16の開き時期の進角によって過給圧を上昇させる過給圧上昇制御が実行される。排気バルブ16の開き時期の進角は、第1排気カムから第2排気カムへの切り替えによって達成されるため、排気バルブ16の閉じ時期は一定とされる。
ステップS8の処理が選択された場合、目標動作点はリーン領域にあるにも関わらず、理論空燃比によるストイキ運転が行われる。ストイキ運転によれば、リーン運転よりもより大きな排気エネルギを得ることができるので、ターボ仕事を増大させて過給圧を上昇させることができる。さらに、必要に応じて、第1排気カムから第2排気カムへの切り替えが行われ、排気バルブ16の開き時期の進角によって過給圧を上昇させる過給圧上昇制御も併せて実行される。
ステップS8の処理は、NOx触媒64が高温になっている場合にも選択される。NOx触媒64が高温になっている場合には、十分なNOx浄化性能を得ることができない。このような場合には、NOx触媒64を必要とするリーン運転ではなく、三元触媒62によって排気ガスの浄化が可能なストイキ運転を選択することによって、排気ガス性能の悪化を防ぐことができる。
3.エンジンシステムの動作
3−1.加速によりリーンNA領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作
まず、図11に示すように、エンジン2の目標動作点がリーンNA領域にある状態において、加速要求(急加速要求ではない)によって目標トルクが増大し、目標動作点がリーンNA領域からリーン過給領域へ移動した場合の動作について説明する。この例は、図10に示す制御フローにおいて、ステップS16の処理が選択された場合に該当する。
図12は、加速によりリーンNA領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作を示すタイムチャートである。タイムチャートには、エンジントルク、過給圧、吸気マニホールド圧、排気バルブ開き時期(EVO)、スロットル開度、ウエストゲートバルブ開度(WGV開度)、NOx触媒温度、筒内空燃比(A/F)、及び、点火時期の時刻による変化が示されている。また、タイムチャートには、本実施の形態による動作が実線で描かれ、比較例の動作が破線で描かれている。比較例では、排気バルブ16の開き時期の進角によって過給圧を上昇させる過給圧上昇制御は行われていない。
加速の開始時(時刻t10)、目標トルクの増大により、目標動作点がリーンNA領域からリーン過給領域へ移動することで、目標過給圧は、大気圧から目標トルクに応じた値に離散的に増大する。その結果、目標過給圧と過給圧(実過給圧)との間に乖離が生じ、それを解消するようにWGV開度は全閉にされる。同時に、吸気マニホールド圧を最大速度で上昇させるべく、スロットル開度は全開にされる。
過給圧上昇制御が行われない比較例の場合、リーンNA領域では排気ガスが持っているエネルギは小さいため、WGV開度を全閉にしたところで過給圧は速やかには上昇していかない。その結果、スロットル開度が全開になっていても吸気マニホールド圧の上昇速度は遅く、トルクが目標トルクに到達するまでに時間を要する(時刻t12)。
一方、本実施の形態によれば、目標過給圧と実過給圧との間に乖離が生じている場合には、過給圧上昇制御が行われる。過給圧上昇制御により排気バルブ16の開き時期が進角されることで、排気温度が上昇し、ターボ仕事の増大によって過給圧は速やかに上昇する。そして、過給圧が速やかに上昇することで、トルクが目標トルクに到達するまでの時間は短縮される(時刻t11)。
過給圧上昇制御による排気バルブ16の開き時期の進角は、過給圧が目標過給圧に到達するまで継続される。過給圧の目標過給圧への到達後、第2排気カムから第1排気カムへの切り替えにより、排気バルブ16の開き時期は通常の角度まで遅角される。WGV開度は、過給圧が目標過給圧に到達するまでは全閉に維持され、過給圧が目標過給圧に到達した後は、目標トルクに応じた開度に調整される。スロットル開度は、リーン過給領域では全開に維持される。つまり、リーン過給領域ではWGV開度によってトルク制御が行われる。
過給圧上昇制御では、排気バルブ16の閉じ時期は一定に保たれるため、バルブオーバラップ期間は変化しない。燃焼への影響が大きいバルブオーバラップ期間が一定とされることで、燃焼状態の変動は抑えられる。燃焼状態が安定することで、加速の開始から終了まで筒内空燃比と点火時期を一定に保つことが可能となり、制御性が向上する。
以上述べたように、本実施の形態によれば、排気ガスがもつエネルギが少ないリーン領域において目標トルクが増大した場合に、燃焼状態が変動することを抑えながら、目標トルクを早期に達成できるように過給圧を上昇させることができる。以上の動作は、目標動作点がリーン過給領域内にあるときに、目標トルクの増大によって目標過給圧がさらに増大したような場合にも当てはまる。
なお、タイムチャートでは、NOx触媒温度は終始ウインドウ内に収まっている。しかし、過給圧上昇制御によれば排気温度が上昇するため、NOx触媒温度がウインドウの上限を超える可能性はある。NOx触媒温度が上限を超えた場合、図10に示す制御フローにしたがい、リーン運転からストイキ運転への切り替えが行われる。
3−2.緩加速により低負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作
図13に示すように、エンジン2の目標動作点が低負荷ストイキ領域にある状態において、加速要求によって目標トルクが増大し、目標動作点が低負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移動した場合の動作について説明する。最初に、加速要求が急加速要求でなかった場合の例から説明する。この例は、図10に示す制御フローにおいて、ステップS16の処理が選択された場合に該当する。
図14は、緩加速により低負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作を示すタイムチャートである。タイムチャートの項目は図12と同じである。また、タイムチャートには、本実施の形態による動作が実線で描かれ、比較例の動作が破線で描かれている。
加速の開始時(時刻t20)、筒内空燃比は理論空燃比から所定のリーン空燃比に離散的に切り替えられる。同時に、筒内空燃比の変化に伴うMBTの変化に合わせて、点火時期はリーン空燃比対応のMBTまで離散的に進角される。また、目標動作点が低負荷ストイキ領域(ストイキNA領域)からリーン過給領域へ移動することで、目標過給圧は、大気圧から目標トルクに応じた値に離散的に増大する。その結果、目標過給圧と過給圧との間に乖離が生じ、それを解消するようにWGV開度は全閉にされる。同時に、吸気マニホールド圧を最大速度で上昇させるべく、スロットルは全開にされる。
空燃比が理論空燃比からリーン空燃比に切り替えられるため、比較例では、WGV開度を全閉にしたところで過給圧は速やかには上昇していかない。リーン空燃比のもとでは排気ガスが有するエネルギが大きく減少するためである。このため、スロットル開度が全開になっていても吸気マニホールド圧の上昇速度は遅く、トルクが目標トルクに到達するまでに時間を要する(時刻t22)。
一方、本実施の形態によれば、筒内空燃比の切り替えによる排気ガスのエネルギの減少は、過給圧上昇制御により排気バルブ16の開き時期が進角されることで補われる。このため、過給圧は速やかに上昇し、トルクが目標トルクに到達するまでの時間は短縮される(時刻t21)。過給圧の目標過給圧への到達後、第2排気カムから第1排気カムへの切り替えにより、排気バルブ16の開き時期は通常の角度まで遅角される。過給圧が目標過給圧に到達した後のリーン過給領域におけるスロットル開度及びWGV開度の動作は、図12を用いて説明した通りである。
また、加速の開始から終了まで、燃焼への影響が大きいバルブオーバラップ期間は一定とされるため、燃焼状態の変動は抑えられる。燃焼状態が安定することで、筒内空燃比を理論空燃比からリーン空燃比に切り替えた後は、筒内空燃比と点火時期を一定に保つことが可能となり、制御性が向上する。なお、この例においても、リーン過給領域への移行の途中にNOx触媒温度がウインドウの上限を超えた場合、図10に示す制御フローにしたがい、リーン運転からストイキ運転への切り替えが行われる。
3−3.急加速により低負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作
次に、エンジン2の目標動作点が低負荷ストイキ領域にある状態において、急加速要求によって目標トルクが増大し、目標動作点が低負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移動した場合の動について説明する。この例は、図10に示す制御フローにおいて、ステップS8の処理が選択された場合に該当する。
図15は、急加速により低負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作を示すタイムチャートである。タイムチャートの項目は図12及び図14と同じである。また、タイムチャートには、本実施の形態による動作が実線で描かれ、比較例の動作が破線で描かれている。
急加速の場合、加速の開始時(時刻t20)、WGV開度は全閉にされてスロットル開度は全開にされる。ただし、緩加速の場合と異なり、筒内空燃比は理論空燃比に維持される。WGV開度やスロットル開度の動作に対する過給圧の応答性は、リーン運転よりもストイキ運転のほうが優れるためである。筒内空燃比の理論空燃比からリーン空燃比への切り替えは、過給圧が上昇して目標過給圧に到達した時点で行なわれる。また、筒内空燃比を切り替えたときにトルク段差が生じることを防ぐため、加速の開始から筒内空燃比の切り替えが行われるまでの間は、過給圧の上昇に応じて点火時期を徐々に遅角する点火時期遅角制御が行われる。そして、筒内空燃比の切り替えに合わせて、点火時期はリーン空燃比対応のMBTまで離散的に進角される。
ストイキ運転を維持しながらWGV開度を全閉にするため、リーン運転に切り替えてからWGV開度を全閉にする緩加速時に比べれば、比較例でも、過給圧は速やかに上昇する。しかし、本実施の形態によれば、加速の開始時から、過給圧上昇制御がストイキ運転と並行して実行される。過給圧上昇制御により排気バルブ16の開き時期が進角されることで、排気温度はさらに上昇する。これにより、過給圧はより速やかに上昇し、トルクが目標トルクに到達する時刻(時刻t31)は、比較例においてトルクが目標トルクに到達する時刻(時刻t32)よりも大きく短縮される。過給圧の目標過給圧への到達後、第2排気カムから第1排気カムへの切り替えにより、排気バルブ16の開き時期は通常の角度まで遅角される。過給圧が目標過給圧に到達した後のリーン過給領域におけるスロットル開度及びWGV開度の動作は、図12を用いて説明した通りである。
また、本実施の形態によれば、過給圧上昇制御により排気バルブ16の開き時期が進角されることで、排気ポンプ損失が増大する。このため、トルクを低下させるために必要とされる点火時期の遅角量は、過給圧上昇制御を実行しない場合に比較して、排気ポンプ損失の増大分だけ減量される。ストイキ運転時の点火時期の遅角量が少なくなれば、その分だけ、筒内空燃比を切り替えるときの点火時期の進角量を少なくすることができる。点火時期を変化させることは、それ自体がトルク変動の要因であることから、点火時期の進角量を少なくできれば、その分だけトルク変動の可能性を低減することができる。
また、ストイキ運転において排気ガスに与えられるエネルギは大きいため、加速の開始後、NOx触媒温度はトルクの増大に応じて上昇していく。ストイキ運転を継続する期間が長ければ、それだけNOx触媒温度も上昇し続けることになり、ウインドウの上限を超えるおそれが出てくる。NOx触媒温度がウインドウの上限を超えてしまうと、過給圧が目標過給圧に達したとしても、リーン運転への切り替えはできなくなる。この点に関し、本実施の形態によれば、過給圧を目標過給圧に早期に到達させることができるので、ストイキ運転を継続する期間を短くし、早期のリーン運転への切り替えによりNOx触媒温度を低下させることができる。
3−4.減速により高負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作
最後に、図16に示すように、エンジン2の目標動作点が高負荷ストイキ領域にある状態において、減速要求によって目標トルクが減少し、目標動作点が高負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移動した場合の動作について説明する。ただし、図10に示す制御フローは目標トルクが増大した場合に実行される制御フローであり、この例のように目標トルクが減少した場合には図10に示す制御フローとは別の制御フローに従ってエンジン制御が行われる。その制御フローによるエンジン制御の内容は以下に説明する動作に現れているので、フローチャートを用いた制御フローの説明は省略する。
図17は、減速により高負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作を示すタイムチャートである。タイムチャートの項目は図12、図14及び図15と同じである。また、タイムチャートには、本実施の形態による動作が実線で描かれ、比較例の動作が破線で描かれている。
減速の開始時(時刻t40)、目標トルクの減少により、目標動作点が高負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移動することで、目標過給圧は、大気圧から目標トルクに応じた値に離散的に増大する。その結果、目標過給圧と過給圧との間に乖離が生じ、それを解消するようにWGV開度は全閉にされる。同時に、吸気マニホールド圧を最大速度で上昇させるべく、スロットルは全開にされる。
ストイキ運転を維持しながらWGV開度を全閉にするため、比較例でも過給圧の上昇は見られる。しかし、過給圧が目標過給圧に到達する時刻(時刻t43)までは、筒内空燃比をリーン空燃比へ切り替えることはできない。リーン空燃比への切り替えによる排気エネルギの減少によって、過給圧の上昇が抑えられてしまうためである。このため、比較例の場合、筒内空燃比のリーン空燃比への切り替えが遅れることで、トルクが目標トルクまで低下する時刻も遅くなり、運転者は期待する減速感を十分に得ることができない。なお、筒内空燃比を切り替えたときにトルク段差が生じることを防ぐため、減速の開始から筒内空燃比の切り替えが行われるまでの間は、点火時期を徐々に遅角してトルクを低減させておくことが行われる。筒内空燃比の切り替えに合わせて、点火時期はリーン空燃比対応のMBTまで離散的に進角される。
一方、本実施の形態によれば、減速の開始と同時に、過給圧上昇制御がストイキ運転と並行して実行される。そして、過給圧が目標過給圧には到達していないがある程度の大きさまで上昇した時刻(時刻t41)において、筒内空燃比の理論空燃比からリーン空燃比への切り替えが行われる。過給圧上昇制御により排気バルブ16の開き時期が進角されることで、排気温度が大きく上昇する。このため、筒内空燃比をリーン空燃比へ切り替えた場合でも、ターボ過給機を駆動して過給圧を上昇させるのに必要な排気エネルギを得ることができる。
また、排気バルブ16の開き時期が進角されることで排気ポンプ損失が増大する。このため、必要とされる点火時期の遅角量は、過給圧上昇制御を実行しない場合に比較して、排気ポンプ損失の増大分だけ減量される。ストイキ運転時の点火時期の遅角量が少なくなれば、その分だけ、筒内空燃比を切り替えるときの点火時期の進角量を少なくすることができる。点火時期を変化させることは、それ自体がトルク変動の要因であることから、点火時期の進角量を少なくできれば、その分だけトルク変動の可能性を低減することができる。
なお、NOx触媒温度について言えば、本実施の形態において筒内空燃比の理論空燃比からリーン空燃比への切り替えが行われる時刻t41までは、本実施の形態と比較例とでNOx触媒温度の変化に大きな差は生じない。しかし、ストイキ運転が継続される比較例では、NOx触媒温度がウインドウの上限を超えた状態が続くのに対し、本実施の形態によれば、時刻t41においてリーン運転への切り替えが行われることにより、NOx触媒温度は大きく低下してウインドウ内に収まるようになる。
筒内空燃比の切り替え後も過給圧上昇制御は継続されるので、過給圧は速やかに上昇し続ける。これにより、過給圧が目標過給圧に到達するまでの時間は短縮され、トルクが目標トルクまで低下する時刻(時刻t42)は、比較例においてトルクが目標トルクまで低下する時刻(時刻t43)よりも大きく短縮される。過給圧の目標過給圧への到達後、第2排気カムから第1排気カムへの切り替えにより、排気バルブ16の開き時期は通常の角度まで遅角される。過給圧が目標過給圧に到達した後のリーン過給領域におけるスロットル開度及びWGV開度の動作は、図12を用いて説明した通りである。
2 エンジン
5 燃焼室
20 ポート噴射弁
22 筒内噴射弁
24 吸気可変動弁機構
26 排気可変動弁機構
28 ターボ過給機
28a コンプレッサ
28b タービン
30 吸気通路
32 排気通路
40 スロットル
46 ウエストゲートバルブ
64 NOx触媒
100 制御装置

Claims (8)

  1. ターボ過給機を備えるリーンバーンエンジンにおいて、
    排気バルブの閉じ時期を一定にしたまま開き時期を変更可能な可変動弁機構と、
    理論空燃比よりも薄いリーン空燃比による運転が選択されるリーン領域に前記リーンバーンエンジンの目標動作点があり、且つ、目標過給圧よりも実過給圧が低い場合、吸気バルブの開き時期を一定に保持しつつ前記可変動弁機構を操作して前記排気バルブの閉じ時期を一定にしたまま前記排気バルブの開き時期を進角させる過給圧上昇制御を実行する制御装置と、
    を備えることを特徴とするリーンバーンエンジン。
  2. 前記制御装置は、目標トルクの増大に応じて前記目標動作点が前記リーン領域内を移動し、それにより前記目標過給圧が増大することによって前記目標過給圧と前記実過給圧とが乖離した場合、前記過給圧上昇制御を実行する、ことを特徴とする請求項1に記載のリーンバーンエンジン。
  3. 前記制御装置は、目標トルクの増大に応じて前記目標動作点が前記理論空燃比による運転が選択される低負荷ストイキ領域から前記リーン領域に移動し、それにより前記目標過給圧が増大することによって前記目標過給圧と前記実過給圧とが乖離した場合、前記過給圧上昇制御を実行する、ことを特徴とする請求項1に記載のリーンバーンエンジン。
  4. 前記制御装置は、急加速が要求されている場合、前記実過給圧が前記目標過給圧に到達するまで、筒内空燃比を前記理論空燃比に維持する、ことを特徴とする請求項3に記載のリーンバーンエンジン。
  5. 前記制御装置は、目標トルクの減少に応じて前記目標動作点が前記理論空燃比による運転が選択される高負荷ストイキ領域から前記リーン領域に移動し、それにより前記目標過給圧が増大することによって前記目標過給圧と前記実過給圧とが乖離した場合、前記過給圧上昇制御を実行する、ことを特徴とする請求項1に記載のリーンバーンエンジン。
  6. 前記制御装置は、筒内空燃比を前記理論空燃比から前記リーン空燃比に切り替えるよりも前に前記過給圧上昇制御を実行する場合、前記筒内空燃比が前記リーン空燃比に切り替わるまで過給圧の上昇に応じて点火時期を遅角する点火時期遅角制御を実行し、
    前記制御装置は、前記点火時期遅角制御では、前記排気バルブの開き時期の進角による排気ポンプ損失の増大分だけ遅角量を減量する、ことを特徴とする請求項4又は5に記載のリーンバーンエンジン。
  7. 前記リーンバーンエンジンは、排気通路に設けられたNOx触媒を備え、
    前記制御装置は、前記NOx触媒の温度が所定温度より高い場合、筒内空燃比を前記理論空燃比に設定する、ことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載のリーンバーンエンジン。
  8. 前記可変動弁機構は、カムシャフトの基準位置に対するリフト開始位置の角度は異なるがリフト終了位置の角度は同じである少なくとも2つのカムを備え、前記少なくとも2つのカムを切り替えるように構成されている、ことを特徴とする請求項1乃至7の何れか1項に記載のリーンバーンエンジン。
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