JP2009191659A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、内燃機関の制御装置に関し、低温燃焼によってリッチスパイクを行う際に、排気ガスの空燃比を迅速に低下させることができるとともに、早期着火を確実に防止することを目的とする。
【解決手段】本発明の内燃機関の制御装置は、外部ＥＧＲを行う外部ＥＧＲ装置と、内部ＥＧＲ量を可変とする内部ＥＧＲ量可変手段と、吸気弁の閉じ時期を変化させることにより実圧縮比を可変とする実圧縮比可変手段と、排気ガスの空燃比を一時的に理論空燃比以下とするリッチスパイクを実行する場合に、内部ＥＧＲ量が急増するように内部ＥＧＲ量可変手段を制御することにより、内部ＥＧＲと外部ＥＧＲとの合計による総ＥＧＲ率を、スモーク排出量がピークとなるＥＧＲ率より高い低温燃焼範囲へ移行させる低温燃焼手段と、低温燃焼手段により低温燃焼が実行される際に、実圧縮比が低下するように実圧縮比可変手段を制御する実圧縮比低減手段と、を備える。
【選択図】図６

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

ディーゼルエンジンは、通常、理論空燃比より大幅にリーンな希薄空燃比で運転される。よって、その排気ガス中には、多量の酸素が含まれている。このため、三元触媒でＮＯｘを浄化することができない。そこで、ＮＯｘ触媒を排気通路に設置し、排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ触媒に吸蔵するようにした排気浄化システムが用いられている。ＮＯｘ触媒に吸蔵できるＮＯｘの量には限界がある。このため、上述のようなシステムでは、排気ガスの空燃比を一時的に理論空燃比以下とするリッチスパイクを定期的に行うことにより、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを脱離させて還元浄化することが必要である。

リッチスパイクを実行する方法としては、従来、膨張行程あるいは排気行程において筒内インジェクタから燃料を追加的に噴射するポスト噴射や、排気系に設けた燃料添加弁によって排気ガス中に燃料を噴射する排気系燃料添加等がある。しかしながら、これらの方法では、燃費やエミッションが悪化し易いという問題がある。

特開２００４−３６０４８４号公報には、リッチスパイクを低温燃焼（低温リッチ燃焼とも呼ばれる）によって実施する技術が開示されている（同公報の「筒内リッチ」が低温燃焼に相当）。低温燃焼は、大量のＥＧＲを行うことにより、空燃比を低下（リッチ化）させるとともに、燃焼温度を、スモークが生成されないような温度まで低下させて行う燃焼である。この低温燃焼によれば、スモークを排出することなく、理論空燃比に近い空燃比、あるいは理論空燃比よりもリッチな空燃比でディーゼルエンジンを運転することができる。このため、リッチスパイクを低温燃焼によって実行することにより、燃費やエミッションの悪化を抑制することができる。

特開２００４−３６０４８４号公報 特開２００３−１４８２２５号公報 特開２００１−２００７１５号公報 特開２００４−１９４６２号公報

上記公報に開示された技術では、排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路を通して排気ガス（ＥＧＲガス）を還流させる、いわゆる外部ＥＧＲによって低温燃焼を実施するようにしている。しかしながら、リッチスパイク時に外部ＥＧＲによって低温燃焼を実施する場合には、次のようないくつかの問題がある。

低温燃焼によるリッチスパイクを開始する際には、空燃比を急速に理論空燃比以下に低下させること重要である。空燃比の低下が緩慢であると、煤が多量に生成される燃焼領域を通過することとなってスモークを大量に排出したり、ＮＯｘ触媒中のＮＯｘが浄化されないままに脱離したりするからである。空燃比を急速に低下させるには、ＥＧＲ率を瞬時に上昇させることが必要である。しかしながら、外部ＥＧＲの場合には、ＥＧＲガスがＥＧＲ通路やＥＧＲクーラ等を通過して筒内に還流するので、ＥＧＲガスが筒内に到達するまでに時間がかかる。このため、ＥＧＲ率を急上昇させることができない。よって、空燃比を急速に低下させることができず、スモークやＮＯｘを排出してしまうという問題がある。

また、ＨＣを多く含んだリッチなＥＧＲガスを大量にＥＧＲ通路に通過させることになるので、ＥＧＲ通路の内壁にＨＣ等に起因する付着物が堆積し、ＥＧＲ通路が詰まり易いという問題もある。この詰まりを防止するためには、ＥＧＲクーラの前にＨＣ除去触媒を設置する必要があるが、コスト面等の理由から実現困難である。

上記のような問題を解決する方法として、内部ＥＧＲを利用することによって低温燃焼を成立させる方法が考えられる。しかしながら、本発明者の知見によれば、内部ＥＧＲを用いて低温燃焼を行う場合、次のような問題がある。内部ＥＧＲでは、燃焼直後の高温の内部ＥＧＲガスが冷却されずに筒内に還流（残留）する。このため、内部ＥＧＲを大量に行うと、筒内温度が高くなるので、圧縮端温度が過度に高くなり易い。圧縮端温度が過度に高くなると、燃料の早期着火が生じ易くなり、また、本来の目的の低温燃焼領域から外れ、燃費やエミッションが悪化し、或いはスモークが増加する。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、低温燃焼によってリッチスパイクを行う際に、排気ガスの空燃比を迅速に低下させることができるとともに、早期着火を確実に防止することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
外部ＥＧＲを行う外部ＥＧＲ装置と、
内部ＥＧＲ量を可変とする内部ＥＧＲ量可変手段と、
吸気弁の閉じ時期を変化させることにより実圧縮比を可変とする実圧縮比可変手段と、
排気ガスの空燃比を一時的に理論空燃比以下とするリッチスパイクを実行する場合に、内部ＥＧＲ量が急増するように前記内部ＥＧＲ量可変手段を制御することにより、内部ＥＧＲと外部ＥＧＲとの合計による総ＥＧＲ率を、スモーク排出量がピークとなるＥＧＲ率より高い低温燃焼範囲へ移行させる低温燃焼手段と、
前記低温燃焼手段により低温燃焼が実行される際に、実圧縮比が低下するように前記実圧縮比可変手段を制御する実圧縮比低減手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記低温燃焼手段により低温燃焼が実行される際に、早期着火のおそれがあるか否かを判定する早期着火判定手段を備え、
前記実圧縮比低減手段は、早期着火のおそれがあると判定された場合に、実圧縮比を低下させることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記実圧縮比低減手段は、機関負荷が高い場合ほど、実圧縮比を小さくすることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
過給機と、
過給圧を調整する過給圧調整アクチュエータと、
前記実圧縮比低減手段によって実圧縮比が低減された場合に、過給圧が上昇するように前記過給圧調整アクチュエータを作動させる過給圧増幅手段と、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、リッチスパイクを低温燃焼によって実施することができる。このため、燃費やエミッションの悪化を抑制することができる。また、リッチスパイクを実行する場合に、内部ＥＧＲ量を急増させることにより、総ＥＧＲ率を低温燃焼閾値以上にまで急速に上昇させることができる。これにより、スモーク排出量がピークとなるＥＧＲ率領域を瞬時に通過することができるので、リッチスパイク開始時のスモークの排出を確実に抑制することができる。また、総ＥＧＲ率を急速に上昇させることができるので、空燃比を理論空燃比以下に急速に低下させることができる。このため、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘが浄化されずに離脱してしまうことを確実に防止することができる。更に、第１の発明によれば、低温燃焼が実行される際に、実圧縮比を低下させることにより、圧縮端温度を低くすることができる。このため、大量の内部ＥＧＲが実行されても、圧縮端温度が過度に高くなることがなく、燃料の早期着火を確実に防止することができる。よって、早期着火に起因する燃費やエミッションの悪化を確実に回避することができる。

第２の発明によれば、低温燃焼が実行される際に早期着火のおそれがあるか否かを判定し、早期着火のおそれがあると判定された場合に実圧縮比を低下させる。これにより、実圧縮比を低減する必要のない場合（例えば軽負荷時）には、実圧縮比を低下させる制御を回避することができるので、同制御を必要且つ十分な範囲で実行することができる。

第３の発明によれば、低温燃焼を実行する際に、機関負荷が高い場合ほど、実圧縮比を小さくすることができる。これにより、筒内温度が高くなり易い高負荷領域においても燃焼温度を十分に低下させ、低温燃焼を実現することができる。よって、低温燃焼によるリッチスパイクが可能な領域を高負荷側に拡大することができる。

第４の発明によれば、低温燃焼実行時に実圧縮比が低減された場合に、過給圧調整アクチュエータによって過給圧を上昇させることができる。実圧縮比を低減する制御は、吸気弁を遅閉じまたは早閉じさせることによって行われる。このため、筒内ガス量が減少するので、吸入空気量（新気量）も減少する。よって、特に高回転高負荷領域では、吸入空気量が不足する場合がある。吸入空気量が不足すると、空燃比がリッチ化し過ぎて燃焼が不安定になったり、スモークを排出したりする。第４の発明によれば、上記のような吸入空気量不足を確実に回避することができるので、上記のような弊害を確実に防止することができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、ディーゼルエンジン（圧縮着火内燃機関）１０を備えている。ディーゼルエンジン１０は、車両等に搭載され、その動力源とされる。図１に示すディーゼルエンジン１０は、直列４気筒型であるが、本発明では、気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。

ディーゼルエンジン１０の各気筒には、燃料を筒内に直接噴射する燃料インジェクタ１２が設置されている。各気筒の燃料インジェクタ１２は、共通のコモンレール１４に接続されている。図示しない燃料タンク内の燃料は、サプライポンプ１６によって所定の燃圧まで加圧されて、コモンレール１４内に蓄えられ、コモンレール１４から各燃料インジェクタ１２に供給される。

ディーゼルエンジン１０の各気筒から排出される排気ガスは、排気マニホールド２０により集合されて排気通路１８に流入する。本実施形態のディーゼルエンジン１０は、排気ガスのエネルギーによって過給を行うターボチャージャ２４を備えている。ターボチャージャ２４は、排気ガスのエネルギーによって回転する排気タービン２４ａと、この排気タービン２４ａに駆動されて回転する吸気コンプレッサ２４ｂとを有している。排気タービン２４ａは、排気通路１８の途中に配置されており、吸気コンプレッサ２４ｂは、吸気通路２８の途中に配置されている。

本実施形態のターボチャージャ２４は、排気タービン２４ａの入口面積を可変とする可変ノズル２４ｃを更に備えている。この可変ノズル２４ｃは、アクチュエータ２２に駆動されることで開閉する。可変ノズル２４ｃの開度を小さくするほど、排気タービン２４ａに流入する排気ガスの流速が速くなる。よって、可変ノズル２４ｃの開度を小さくすることにより、ターボチャージャ２４の回転数が上昇するので、ターボチャージャ２４による過給圧を増大させることができる。

排気タービン２４ａの下流側の排気通路１８には、ＮＯｘ触媒２６が設置されている。ディーゼルエンジン１０が希薄空燃比で通常運転しているときには、排気ガス中のＮＯｘをこのＮＯｘ触媒２６によって捕捉・吸蔵させる。これにより、大気中へのＮＯｘの排出を抑制することができる。

本システムでは、ＮＯｘ触媒２６に吸蔵されたＮＯｘを浄化するために、ＮＯｘ触媒２６に流入する排気ガスの空燃比を一時的に理論空燃比以下とするリッチスパイクを定期的に実行する。ＨＣ等の還元剤を含むリッチな排気ガスをＮＯｘ触媒２６に流入させることにより、ＮＯｘ触媒２６からＮＯｘを脱離させ、Ｎ₂へと還元浄化することができる。リッチスパイクの具体的な実施方法については後述する。

ディーゼルエンジン１０の吸気通路２８の入口付近には、エアクリーナ３０が設けられている。エアクリーナ３０を通って吸入された空気は、ターボチャージャ２４の吸気コンプレッサ２４ｂで圧縮された後、インタークーラ３２で冷却される。インタークーラ３２を通過した吸入空気は、吸気マニホールド３４を通って、各気筒内に流入する。

吸気通路２８の、インタークーラ３２と吸気マニホールド３４との間には、吸気絞り弁３６が設置されている。吸気絞り弁３６は、その開度がモータによって調整される電子制御式スロットル弁で構成されている。また、吸気通路２８の、エアクリーナ３０の下流近傍には、吸入空気量を検出するエアフローメータ３８が設置されている。

また、ディーゼルエンジン１０は、排気ガスの一部を吸気通路２８に還流させるＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)を行うための外部ＥＧＲ装置を備えている。本実施形態の外部ＥＧＲ装置は、排気マニホールド２０と吸気通路２８とを接続するＥＧＲ通路４０と、ＥＧＲ通路４０の途中に設置されたＥＧＲクーラ４２と、ＥＧＲクーラ４２の下流側に設置されたＥＧＲ弁４４とを有している。ＥＧＲ通路４０を介して排気ガス（ＥＧＲガス）を還流させることを以下「外部ＥＧＲ」と称する。また、外部ＥＧＲによるＥＧＲガス（つまり、ＥＧＲ通路４０を通って筒内に還流する排気ガス）を「外部ＥＧＲガス」と称する。

本実施形態のシステムは、車両の運転席に設けられたアクセルペダルの位置（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ４８と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０とを更に備えている。ＥＣＵ５０には、上述した各種のセンサおよびアクチュエータが電気的に接続されている。ＥＣＵ５０は、各センサの出力に基づき、所定のプログラムに従って各アクチュエータを駆動させることにより、ディーゼルエンジン１０の運転状態を制御する。

図２は、図１に示すシステムにおけるディーゼルエンジン１０の一つの気筒の断面を示す図である。以下、ディーゼルエンジン１０について更に説明する。図２に示すように、ディーゼルエンジン１０のクランク軸６０の近傍には、クランク軸６０の回転角度（クランク角）を検出するクランク角センサ６２が取り付けられている。このクランク角センサ６２は、ＥＣＵ５０に電気的に接続されている。

また、本実施形態のディーゼルエンジン１０には、吸気弁５２の開弁特性（開き時期および閉じ時期）を可変とする吸気可変動弁装置５４と、排気弁５６の開弁特性（少なくとも閉じ時期）を可変とする排気可変動弁装置５８とが備えられている。吸気可変動弁装置５４および排気可変動弁装置５８の作動は、ＥＣＵ５０により制御される。

吸気可変動弁装置５４や排気可変動弁装置５８としては、その具体的構成は特に限定されず、次に例示するような機構を用いることができる。
（１）弁を駆動するカムシャフトの位相を変化させることにより、作用角（開弁期間）を一定としたままで開き時期および閉じ時期を連続的に進角あるいは遅角することができる位相可変機構。
（２）弁とカムシャフトとの間に揺動カムなどを介在させることにより、作用角（開弁期間）を連続的に可変とする作用角可変機構。
（３）カムシャフトを電気モータによって回転駆動することにより、弁を任意の時期に開閉可能な機構。
（４）任意の時期に開閉可能な電磁駆動弁。

（内部ＥＧＲ）
ディーゼルエンジン１０では、正または負のバルブオーバーラップが生ずるように吸気可変動弁装置５４および排気可変動弁装置５８を制御することにより、内部ＥＧＲを実行することができる。図３は、正のバルブオーバーラップを設けた場合の吸気弁５２および排気弁５６の開弁特性を示す図である。この図に示すように、正のバルブオーバーラップとは、排気弁５６および吸気弁５２が吸排気上死点付近で共に開いた状態となっている期間である。吸気弁５２の開き時期を通常時より早くし、排気弁５６の閉じ時期を通常時より遅くすることにより、正のバルブオーバーラップを拡大することができる。

図４は、負のバルブオーバーラップを設けた場合の吸気弁５２および排気弁５６の開弁特性を示す図である。この図に示すように、負のバルブオーバーラップとは、排気弁５６および吸気弁５２が吸排気上死点付近で共に閉じた状態となっている期間である。排気弁５６の閉じ時期を通常時より早くして上死点より前とし、吸気弁５２の開き時期を通常時より遅くして上死点より後とすることにより、負のバルブオーバーラップを設けることができる。

ディーゼルエンジン１０では、内部ＥＧＲを実行する際には、上述したような正または負のバルブオーバーラップが生ずるように吸気可変動弁装置５４および排気可変動弁装置５８を制御する。この場合、正または負のバルブオーバーラップを大きくするほど、内部ＥＧＲ量を多くすることができる。すなわち、正または負のバルブオーバーラップの大きさを制御することにより、内部ＥＧＲ量を制御することができる。

以下、内部ＥＧＲによるＥＧＲガス（つまり、筒内に残留する排気ガス）を「内部ＥＧＲガス」と称する。

（実圧縮比可変制御）
ディーゼルエンジン１０では、吸気弁５２の閉じ時期（以下「吸気弁閉じ時期」と称する）を変更することにより、実圧縮比（実質的な圧縮比）を変化（低下）させることが可能である。図５は、実圧縮比を低下させる制御を実行する場合の吸気弁５２の開弁特性を示す図である。

吸気弁５２は、通常、下死点付近で閉じる（図５中の実線）。この場合には、ピストン６４が下降から上昇に転じるのに伴って圧縮行程が開始する。これに対し、吸気弁閉じ時期を通常より遅くした場合（以下、「吸気弁５２の遅閉じ」とも言う）には、ピストン６４が上昇に転じた後も吸気弁５２が開いているので、一旦吸入された筒内ガスの一部が吸気弁５２を通って吸気ポートに戻される。そして、吸気弁５２が閉じてから、実質的な圧縮行程が始まる。このため、通常の吸気弁閉じ時期の場合と比べ、実質的な圧縮行程が短くなり、実圧縮比が小さくなる。

また、吸気弁閉じ時期を通常より早くして下死点より前にした場合（以下、「吸気弁５２の早閉じ」とも言う）には、ピストン６４が下降している途中で吸気弁５２が閉まる。このため、吸気弁５２が閉じてから下死点までの間は、ピストン６４の下降に伴い筒内ガスが膨張する。その後、下死点を通過してピストン６４が上昇に転じ、吸気弁５２が閉じたのと同じ高さまでピストン６４が上昇した位置で、筒内ガスは元の状態に戻る。よって、この位置から上死点までが実質的な圧縮行程となる。このため、通常の吸気弁閉じ時期の場合と比べ、実質的な圧縮行程が短くなり、実圧縮比が小さくなる。

このように、ディーゼルエンジン１０では、吸気弁閉じ時期が通常より遅く、または早くなるように吸気可変動弁装置５４を制御することにより、実圧縮比を通常の圧縮比より小さくすることができる。

（低温燃焼）
前述したように、本実施形態では、ＮＯｘ触媒２６に吸蔵されたＮＯｘを還元浄化する際に、排気ガスの空燃比を一時的に理論空燃比以下とするリッチスパイクを実行する。また、ＮＯｘ触媒２６が硫黄被毒した場合にこれを再生させるためにリッチスパイクを実行する場合などもある。本実施形態では、リッチスパイクを実行する場合、低温燃焼を行うことによって、ディーゼルエンジン１０から排出される排気ガスの空燃比を低下させることとしている。この低温燃焼について、以下に説明する。

ＥＧＲガス（排気ガス）は、空気と比べて比熱が高く、従って多量の熱を吸収することができる。よって、ＥＧＲ率（ＥＧＲガス量／（ＥＧＲガス量＋吸入新気量））を増大するほど、燃焼室内における燃焼温度が低下する。燃焼温度が低下するとＮＯｘの発生量が低下する。従ってＥＧＲ率を増大すればするほどＮＯｘの発生量は低下することになる。

しかしながら、ＥＧＲ率を増大させていくと、ＥＧＲ率がある限度を超えたときに、煤の発生量、すなわちスモークが急激に増大し始める。従って、通常は、スモークが急激に増大し始めるＥＧＲ率が、ＥＧＲ率の最大許容限界であり、ＥＧＲ率はこの最大許容限界を超えない範囲内に制御される。このＥＧＲ率の最大許容限界は機関の形式や燃料によってかなり異なるがおおよそ３０％から５０％である。

ところが、近年の研究において、次のようなことが見出された。すなわち、ＥＧＲ率を最大許容限界よりも大きくすれば上述の如くスモークが急激に増大するが、このスモークの発生量にはピークが存在し、このピークを超えてＥＧＲ率を更に大きくすると今度はスモークが急激に減少し始めるのである。そして、ＥＧＲ率を、ある閾値以上（例えば７０％以上）にすると、スモークがほとんど零になる。また、このときにはＮＯｘの発生量が極めて少量となる。このようにして、ＥＧＲ率を従来の最大許容限界を超えて更に大きくすることにより、スモークおよびＮＯｘを同時に低減することのできる新たな燃焼システムのことを、低温燃焼と言う。

低温燃焼の基本は、簡単に言うと、炭化水素が煤に成長するまでの途中の段階において炭化水素の成長を停止させることにある。すなわち、実験研究を重ねた結果判明したことは、燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度がある温度以下のときには炭化水素の成長が煤に至る前の途中の段階で停止し、燃料およびその周囲のガス温度がある温度以上になると炭化水素は一気に煤まで成長してしまうということである。この場合、燃料およびその周囲のガス温度は燃料が燃焼した際の燃料周りのガスの吸熱作用が大きく影響しており、燃料燃焼時の発熱量に応じて燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって燃料およびその周囲のガス温度を制御することができる。

従って、燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制すれば煤が発生しなくなる。燃焼室内における燃焼時の燃料およびその周囲のガス温度を炭化水素の成長が途中で停止する温度以下に抑制することは、燃料周りのガスの吸熱量を調整することによって可能となる。これが低温燃焼の基本的な考え方である。

上述したような低温燃焼では、ＥＧＲ率が極めて高い状態であるので、筒内の酸素量が少ない。よって、筒内空燃比は、通常燃焼時よりも大幅に低下（リッチ化）し、理論空燃比以下とすることも可能である。従って、ディーゼルエンジン１０を低温燃焼運転することによってリッチスパイクを実行することが可能である。低温燃焼を用いてリッチスパイクを実行する場合には、排気系燃料添加やポスト噴射などの他の方法でリッチスパイクを実行する場合と比べ、エミッションや燃費の悪化を抑制することができるという利点がある。

ところで、ディーゼルエンジン１０では、通常運転状態において、エンジン出口のＮＯｘ濃度を十分に低減する必要があるため、広範囲な運転領域において、外部ＥＧＲを実行している。この場合、ＥＧＲ率は、前述した最大許容限界（例えば５０％）以下とされている。このような通常の運転状態から、低温燃焼によるリッチスパイクを実行するためには、ＥＧＲ率を、低温燃焼範囲の所定値（例えば８０％）まで上昇させる必要がある。すなわち、本実施形態では、リッチスパイクの開始時に、ＥＧＲ率を、最大許容限界以下の値から低温燃焼閾値以上にまで上昇させることが必要となる。この場合には、ＥＧＲ率を急速に上昇させることが要求される。上述したように、ＥＧＲ率の最大許容限界と低温燃焼閾値との間には、スモーク排出量のピークが存在する。このため、ＥＧＲ率の上昇が緩慢であると、そのピーク範囲を通過する時間が長くなり、スモークを大量に排出してしまうからである。

また、リッチスパイクの開始時には、空燃比を理論空燃比以下まで急速に低下させることも重要である。ＥＧＲ率の上昇と空燃比の低下とは表裏一体であるので、ＥＧＲ率の上昇が緩慢であると、空燃比の低下も緩慢となる。リッチスパイクの開始時に空燃比の低下が緩慢であると、ＮＯｘ触媒２６に吸蔵されていたＮＯｘが浄化されずに大気に放出されてしまい易い。その理由は、次の通りである。リッチスパイクの開始時に、空燃比の低下が緩慢であると、理論空燃比より若干リーンな排気ガスがＮＯｘ触媒２６に流入する時間が長くなる。ＮＯｘ触媒２６は、排気ガスの空燃比が理論空燃比以下となったときにＮＯｘを一気に離脱させるのではなく、排気ガスの空燃比が理論空燃比より若干リーンであってもＮＯｘを離脱させる性質がある。一方、ＮＯｘ触媒２６内の雰囲気が理論空燃比より若干リーンである場合には、還元剤が不足するため、離脱したＮＯｘが浄化されない。このため、理論空燃比より若干リーンな排気ガスがＮＯｘ触媒２６に流入すると、吸蔵されていたＮＯｘが浄化されずに放出されてしまう。

以上説明したように、スモークやＮＯｘの排出を抑制するためには、リッチスパイクの開始時に、ＥＧＲ率を低温燃焼閾値以上にまで、急速に上昇させることが重要である。

外部ＥＧＲの場合、ＥＧＲ量を多くするには、ＥＧＲ弁４４の開度を大きくするか、吸気絞り弁３６の開度を小さくする。この場合、外部ＥＧＲガスは、長いＥＧＲ経路（ＥＧＲ通路４０、ＥＧＲクーラ４２、吸気マニホールド３４等）を経由して筒内に還流する。このため、ＥＧＲ弁４４または吸気絞り弁３６の開度を変化させたとしても、筒内に流入する外部ＥＧＲガスが増えるのには時間がかかる。このため、リッチスパイクの開始時に、外部ＥＧＲ量を増加させることによってＥＧＲ率を低温燃焼閾値まで上昇させるようにした場合には、ＥＧＲ率の増加が緩慢となる。その結果、スモークやＮＯｘを多く排出してしまうという問題がある。

また、低温燃焼時のＥＧＲをすべて外部ＥＧＲで賄うとすると、ＥＧＲ通路４０やＥＧＲクーラ４２の内部が詰まり易いという問題もある。すなわち、低温燃焼時のＥＧＲをすべて外部ＥＧＲで賄うとすると、ＨＣを多く含んだリッチなＥＧＲガスを大量にＥＧＲ通路４０に流すことになる。このため、ＨＣ等に起因する付着物が流路の内壁に堆積し、詰まりが生じ易い。この詰まりを防止するためには、ＥＧＲクーラ４２の前にＨＣ除去触媒を設置する必要があるが、コスト面等の理由から実現困難である。

上述したような問題を解決するため、本実施形態では、リッチスパイクの開始時に、内部ＥＧＲを併用することによって、ＥＧＲ率を低温燃焼閾値以上に上昇させることとした。内部ＥＧＲ量、すなわち残留ガス量は、吸気可変動弁装置５４および排気可変動弁装置５８を作動して正または負のバルブオーバーラップを拡大すれば、次のサイクルからすぐに増加する。このため、内部ＥＧＲの場合には、外部ＥＧＲの場合と比べ、極めて迅速にＥＧＲ量を増大させることができる。よって、総ＥＧＲ率（内部ＥＧＲと外部ＥＧＲとの合計によるＥＧＲ率）を急速に上昇させること、すなわち空燃比を急速に低下させることが可能となる。

例えば、外部ＥＧＲ率が５０％で内部ＥＧＲ率が０％の通常運転状態からリッチスパイクを開始する場合には、正または負のバルブオーバーラップを、例えば３０％の内部ＥＧＲ率が得られるような大きさにまで拡大させればよい。これにより、内部ＥＧＲ率は、０％から３０％に急速に増大する。従って、総ＥＧＲ率は、最大許容限界以下の５０％から、低温燃焼閾値以上の８０％にまで、急速に上昇する。よって、スモークやＮＯｘの排出を確実に抑制することができる。

また、本実施形態によれば、内部ＥＧＲを併用して低温燃焼を行うことにより、外部ＥＧＲの割合を少なくすることができる。このため、ＥＧＲ通路４０やＥＧＲクーラ４２の詰まりを確実に抑制することができる。

上述したように、本実施形態では、リッチスパイクのために低温燃焼を行う場合に、内部ＥＧＲ量を急増させることにより、空燃比を迅速に理論空燃比以下に低下させることができる。しかしながら、この場合、本発明者の知見によれば、次のような新たな問題が生ずる。内部ＥＧＲガスは、燃焼直後のガスであり、ＥＧＲクーラ４２による冷却もなされていないため、外部ＥＧＲガスと比べ、極めて高温である。よって、筒内に占める内部ＥＧＲガスの割合が多くなるほど、筒内ガス（新気＋外部ＥＧＲガス＋内部ＥＧＲガス）の温度が高くなり、その結果、圧縮端温度（圧縮上死点付近における筒内ガス温度）が高くなる。このようなことから、大量の内部ＥＧＲを伴って低温燃焼を行うと、圧縮端温度が高くなり過ぎて、燃料の早期着火（過早着火）が発生し易くなる。この早期着火により、燃費やエミッションが悪化するという問題がある。

上記のような早期着火を防止するため、本実施形態では、リッチスパイクの際に内部ＥＧＲ量を増加させるのに合わせて、実圧縮比を低下させる制御（すなわち、吸気可変動弁装置５４によって吸気弁５２を遅閉じまたは早閉じさせる制御）を実行することとした。実圧縮比を低下させることにより、圧縮端温度が低下する。このため、早期着火を確実に回避することができ、燃費やエミッションの悪化を防止することができる。

［実施の形態１における具体的処理］
図６は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図６に示すルーチンによれば、まず、リッチスパイクを実行する要求の有無が判別される（ステップ１００）。このステップ１００での判別手法は、特に限定されず、公知の手法により行うことができる。例えば、ディーゼルエンジン１０の運転状態（エンジン回転数および負荷）とＮＯｘ排出量との関係をマップとしてＥＣＵ５０に記憶しておく。このマップによれば、ＮＯｘ触媒２６に流入するＮＯｘの量を運転状態に基づいて逐次算出することができる。そして、前回のリッチスパイクが実行されてから現在までのＮＯｘ流入量を積算することにより、ＮＯｘ触媒２６のＮＯｘ吸蔵量を算出することができる。このＮＯｘ吸蔵量が所定の閾値を超えた場合には、リッチスパイクが必要であると判別することができる。

上記ステップ１００で、リッチスパイクが必要でないと判別された場合には、今回のルーチンの実行がそのまま終了される。

一方、上記ステップ１００で、リッチスパイクの実行が必要であると判別された場合には、内部ＥＧＲ量を増大させる制御、すなわち正または負のバルブオーバーラップを拡大する制御が実行される（ステップ１０２）。このステップ１０２では、具体的には、まず、低温燃焼時の目標総ＥＧＲ率から現在の外部ＥＧＲ率を差し引くことにより、目標内部ＥＧＲ率が算出される。次いで、その目標内部ＥＧＲ率を得るために必要な正または負のバルブオーバーラップ量がマップに基づいて算出される。そして、そのバルブオーバーラップ量が実現されるように、吸気可変動弁装置５４または排気可変動弁装置５８が制御される。

上記ステップ１０２の処理に続いて、早期着火のおそれがあるか否かが判別される（ステップ１０４）。このステップ１０４では、具体的には、次のような処理がなされる。ＥＣＵ５０には、運転状態に基づいて圧縮端温度を推定するためのマップと、内部ＥＧＲの影響による圧縮端温度の増加分を推定するためのマップとが予め記憶されている。ステップ１０４では、まず、前者のマップに基づいて、現在の運転状態に対応する圧縮端温度が算出され、次いで、後者のマップに基づいて、現在の内部ＥＧＲ率に対応する圧縮端温度の増加分が算出される。そして、その両者を足し合わせることにより、内部ＥＧＲの影響を考慮した現在の圧縮端温度推定値が算出される。この圧縮端温度推定値が所定の閾値を超えている場合には、早期着火が発生するおそれがあると判定され、同閾値を超えていない場合には、早期着火が発生するおそれはないと判定される。

上記ステップ１０４で、早期着火のおそれがあると判別された場合には、実圧縮比を低下させる制御、すなわち吸気弁５２が遅閉じまたは早閉じとなるように吸気可変動弁装置５４を作動させる制御が実行される（ステップ１０６）。この制御により、圧縮端温度を低下させることができる。よって、早期着火を確実に回避することができ、燃費やエミッションの悪化を防止することができる。

上記ステップ１０６の処理により実圧縮比が低減された場合には、次に、吸入空気量が不足であるかどうかが判別される（ステップ１０８）。ＥＣＵ５０には、運転状態と、吸入空気量の下限値との関係を定めたマップが予め記憶されている。このステップ１０８では、まず、そのマップに基づいて、現在の運転状態に対応する吸入空気量下限値が算出される。そして、エアフローメータ３８により検出される吸入空気量が、その吸入空気量下限値より少ない場合には、吸入空気量が不足であると判別される。

上記ステップ１０８で吸入空気量が不足であると判別された場合には、過給圧を増大させる制御が実行される（ステップ１１０）。このステップ１１０では、具体的には、可変ノズル２４ｃの開度を小さくする制御が実行される。これにより、ターボチャージャ２４の回転数が上昇し、過給圧を増大させることができる。過給圧が増大すると、筒内ガス量が増加するので、吸入空気量の不足を解消することができる。

上記ステップ１０６において吸気弁５２が遅閉じまたは早閉じされると、筒内ガス量が減少するので、吸入空気量（新気量）も減少する。このため、特に高回転高負荷領域では、吸入空気量が不足する場合がある。吸入空気量が不足すると、空燃比がリッチ化し過ぎて燃焼が不安定になったり、スモークを排出したりする。本実施形態によれば、上記ステップ１０８および１１０の処理により、吸入空気量不足を迅速に解消することができるので、上記のような弊害を確実に防止することができる。

なお、上記ステップ１０８で吸入空気量が十分であると判別された場合には、過給圧を増大させる必要はないので、上記ステップ１１０の処理はスキップされる。また、上記ステップ１０４で早期着火が発生するおそれがないと判別された場合には、上記１０４〜１１０の処理は必要ないので、スキップされる。

上述した処理に続いて、燃料インジェクタ１２の噴射時期を進角させる処理が実行される（ステップ１１２）。低温燃焼を行う際には、筒内に大量のＥＧＲガスが存在するため、燃料が着火しにくい場合がある。そこで、このステップ１１２によって燃料噴射時期を進角することにより、着火し易くすることができる。

以上の処理により、低温燃焼が成立する（ステップ１１４）。これにより、筒内の空燃比が理論空燃比以下となり、排気ガスの空燃比も理論空燃比以下となる。このため、ＮＯｘ触媒２６に対するリッチスパイクが実施され、吸蔵されたＮＯｘを離脱させて還元浄化することができる（ステップ１１６）。なお、このステップ１１６においては、必要に応じ、排気系燃料添加やポスト噴射等によって排気ガス中に少量の燃料を追加してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、リッチスパイクを行う際に、内部ＥＧＲ量を急増させることにより、総ＥＧＲ率を低温燃焼閾値以上まで急速に上昇させることができる。これにより、リッチスパイクの開始時に空燃比を理論空燃比以下まで急速に低下させることができる。よって、スモークやＮＯｘの排出を確実に抑制することができる。また、通常燃焼から低温燃焼に切り替える際に、外部ＥＧＲ率を大きく変化させる必要がないので、外部ＥＧＲガスの輸送遅れの影響を受けにくい。このため、通常燃焼から低温燃焼に切り替える際に、総ＥＧＲ率を精度良く制御することができる。よって、燃費、エミッション、トルク変動等が悪化することを十分に抑制することができ、円滑に低温燃焼に移行することができる。

更に、本発明によれば、通常燃焼から低温燃焼に瞬時に切り替えることができるので、リッチスパイクのタイミングでのみ低温燃焼を実施すればよい。このため、低温燃焼の継続時間を最小限とすることができるので、燃費やエミッションの悪化を最低限に抑えることができる。

また、本発明によれば、内部ＥＧＲを伴った低温燃焼時に、実圧縮比を通常時より小さくすることにより、圧縮端温度が過度に高くなることを確実に回避することができる。このため、早期着火が発生することを確実に防止することができる。

また、本発明によれば、低温燃焼時に実圧縮比を通常時より小さくすることにより、低温燃焼が可能な領域を高負荷側に拡大することができるという利点もある。従来、高負荷域では、筒内温度が高くなるため、燃焼温度も高くなり、低温燃焼の成立が困難である。これに対し、本発明によれば、実圧縮比を低減することにより、燃焼温度を低下させることができるので、高負荷域であっても低温燃焼が可能となる。よって、高負荷域においても、低温燃焼を利用したリッチスパイクを実行することができる。なお、本実施形態では、上記ステップ１０６において、エンジン負荷が高い場合ほど実圧縮比が小さくなるように制御しても良い。これにより、低温燃焼可能な領域をより高負荷側に拡大させることができる。

なお、本実施形態では、内部ＥＧＲ量を増加させるために正または負のバルブオーバーラップを拡大する際に、吸気弁５２および排気弁５６の双方の開弁特性を変化させるようにしているが、本発明では、何れか一方の開弁特性を変化させることによって正または負のバルブオーバーラップを拡大するようにしてもよい。

また、本実施形態では、上記ステップ１１０において、可変ノズル２４ｃの開度を小さくすることによって過給圧を増大させているが、本発明では、過給圧を増大させる手段はこれに限定されるものではない。例えば、電気モータによるアシスト機構を備えたターボチャージャの場合には、その電気モータを作動させることによって過給圧を増大させるようにしてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、吸気可変動弁装置５４および排気可変動弁装置５８が前記第１の発明における「内部ＥＧＲ量可変手段」に、吸気可変動弁装置５４が前記第１の発明における「実圧縮比可変手段」に、可変ノズル２４ｃおよびアクチュエータ２２が前記第４の発明における「過給圧調整アクチュエータ」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより前記第１の発明における「低温燃焼手段」が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「実圧縮比低減手段」が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第２の発明における「早期着火判定手段」が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより前記第４の発明における「過給圧増幅手段」が、それぞれ実現されている。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 図１に示すシステムにおけるディーゼルエンジンの一つの気筒の断面を示す図である。 正のバルブオーバーラップを設けた場合の吸気弁および排気弁の開弁特性を示す図である。 負のバルブオーバーラップを設けた場合の吸気弁および排気弁の開弁特性を示す図である。 実圧縮比を低下させる制御を実行する場合の吸気弁の開弁特性を示す図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ ディーゼルエンジン
１２ 燃料インジェクタ
１４ コモンレール
１８ 排気通路
２０ 排気マニホールド
２２ アクチュエータ
２４ ターボチャージャ
２４ｃ 可変ノズル
２６ ＮＯｘ触媒
２８ 吸気通路
３４ 吸気マニホールド
３６ 吸気絞り弁
３８ エアフローメータ
４０ ＥＧＲ通路
４４ ＥＧＲ弁
５０ ＥＣＵ
５２ 吸気弁
５６ 排気弁
６２ クランク角センサ
６４ ピストン

Claims (4)

1. 外部ＥＧＲを行う外部ＥＧＲ装置と、
   内部ＥＧＲ量を可変とする内部ＥＧＲ量可変手段と、
   吸気弁の閉じ時期を変化させることにより実圧縮比を可変とする実圧縮比可変手段と、
   排気ガスの空燃比を一時的に理論空燃比以下とするリッチスパイクを実行する場合に、内部ＥＧＲ量が急増するように前記内部ＥＧＲ量可変手段を制御することにより、内部ＥＧＲと外部ＥＧＲとの合計による総ＥＧＲ率を、スモーク排出量がピークとなるＥＧＲ率より高い低温燃焼範囲へ移行させる低温燃焼手段と、
   前記低温燃焼手段により低温燃焼が実行される際に、実圧縮比が低下するように前記実圧縮比可変手段を制御する実圧縮比低減手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記低温燃焼手段により低温燃焼が実行される際に、早期着火のおそれがあるか否かを判定する早期着火判定手段を備え、
   前記実圧縮比低減手段は、早期着火のおそれがあると判定された場合に、実圧縮比を低下させることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記実圧縮比低減手段は、機関負荷が高い場合ほど、実圧縮比を小さくすることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。
4. 過給機と、
   過給圧を調整する過給圧調整アクチュエータと、
   前記実圧縮比低減手段によって実圧縮比が低減された場合に、過給圧が上昇するように前記過給圧調整アクチュエータを作動させる過給圧増幅手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。

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