JP2021025493A - エンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】触媒が活性化された状態を保持することのできるエンジンシステムを提供する。【解決手段】エンジンシステムは、選択還元型触媒が活性状態にあり、かつ、選択還元型触媒に流入する排気ガスの温度が保温可能温度未満であるときに保温モードを選択する。保温モードにおいて、エンジンシステム制御装置は、吸気バルブには通常吸気動作を遅角させた保温排気動作を実行し、排気バルブには通常排気動作を進角させた第１昇温排気動作と第１保温排気動作よりも最大リフト量が小さくかつ開弁期間の短い第２保温排気動作とで構成されて第２保温排気動作の開弁期間が保温吸気動作の開弁期間に重なる保温排気動作を実行する。【選択図】図６

Description

本発明は、エンジンシステムに関する。

例えば特許文献１のように、エンジンを用いたエンジンシステムには、例えば排気ガスに還元剤を添加し、その添加した還元剤を用いて排気ガスのＮＯｘを還元する触媒を有する排気浄化装置が搭載されている。

特開２０１９−００７３５１号公報

上述した排気浄化装置においては、触媒が活性化された状態が保持されることが好ましい。本発明は、触媒が活性化された状態を保持することのできるエンジンシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するエンジンシステムは、燃焼室を開閉する開閉タイミングを各別に変更可能な排気バルブと吸気バルブとを有するエンジンと、前記エンジンからの排気ガスを浄化する触媒を有する排気浄化装置と、前記エンジンを制御する制御装置と、を備えたエンジンシステムであって、前記制御装置は、ドライバーからの要求トルク、前記触媒の状態、および、前記触媒に流入する排気ガスの温度である排気ガス温度を取得する取得部と、前記エンジンの出力トルクが前記要求トルクとなるように前記エンジンへの燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御部と、前記エンジンシステムの制御モードを選択するモード選択部と、前記排気バルブの開閉と吸気バルブの開閉とを制御するバルブ制御部と、を備え、前記モード選択部は、前記触媒が活性状態にあり、かつ、前記排気ガス温度が保温可能温度以上であるときに前記制御モードとして通常モードを選択し、前記触媒が活性状態にあり、かつ、前記排気ガス温度が前記保温可能温度未満であるときに前記制御モードとして保温モードを選択し、前記保温モードにおいて、前記バルブ制御部は、前記通常モードにおける通常吸気動作を遅角させた保温吸気動作を実行するとともに、前記通常モードにおける通常排気動作を進角させた第１保温排気動作と、吸入行程において開閉して前記第１保温排気動作よりも最大リフト量が小さくかつ開弁期間の短い第２保温排気動作と、で構成されて、前記第２保温排気動作の開弁期間の少なくとも一部が前記保温吸気動作の開弁期間に重なる保温排気動作を実行する。

上記構成によれば、保温モードでは、通常吸気動作を遅角させた保温吸気動作によってエンジンの吸入する空気量が低減される。そのため、エンジンが排出する排気ガスの温度である排出温度を通常モードよりも高めることができる。また、第１保温排気動作によって通常モードよりも高エンタルピの排気ガスを排気浄化装置に供給することができる。また、保温吸気動作と第２保温排気動作が重なっていることにより第２保温排気動作によってエンジンに排気ガスが吸入される。そのため、排出温度を通常モードよりも高めることができる。すなわち、上記構成によれば、通常モードよりも排気浄化装置に供給される排気エネルギーが高められ、触媒を活性状態に保持することができる。

上記構成のエンジンシステムにおいて、前記第２保温排気動作の開弁期間の全てが前記保温吸気動作の開弁期間に重なることが好ましい。上記構成によれば、エンジンにおいて空気と排気ガスとの混合度を効果的に高めることができる。

上記構成のエンジンシステムにおいて、前記モード選択部は、前記エンジンの負荷が軽負荷状態にあるときに前記保温モードを選択することが好ましい。
排気ガス温度は触媒に流入する排気ガスの温度であるため、エンジンの出力の変化に対する応答遅れが存在する。上記構成によれば、排気ガス温度が保温可能温度以下であったとしても、エンジンの負荷が軽負荷よりも大きいとき、すなわち、すぐに排気ガス温度の上昇が見込まれるときに保温モードの選択を回避することができる。

上記構成のエンジンシステムにおいて、前記保温吸気動作は、前記通常吸気動作を４０°ＣＡ〜７５°ＣＡ遅角させた開閉動作であり、前記第１保温排気動作は、前記通常排気動作を３０°ＣＡ〜４０°ＣＡ進角させた開閉動作であることが好ましい。上記構成によれば、燃料消費量の増大を効果的に抑えつつ排気浄化装置に供給される排気エネルギーを増大させることができる。

エンジンシステムの一実施形態の概略構成を示す図。 シリンダー付近におけるエンジンの断面構造の一例を模式的に示す図。 エンジンシステムの機能的構成の一例を示す機能ブロック図。 モード選択処理の一例を示すフローチャート。 通常排気動作および昇温排気動作のクランク角度とリフト量との関係の一例を示す図。 通常モードおよび保温モードにおける各開閉動作についてクランク角度とリフト量との関係の一例を示す図。 （ａ）保温モードにおける燃料消費量について行ったシミュレーションの結果の一例を示す図、（ｂ）保温モードにおける排気ガス温度について行ったシミュレーションの結果の一例を示す図。 第２保温排気動作による昇温効果について行ったシミュレーションの結果の一例を示す図。 変形例において、通常モードおよび保温モードにおける各開閉動作についてクランク角度とリフト量との関係の他の例を示す図。

図１〜図８を参照して、エンジンシステムの一実施形態について説明する。まず、図１を参照してエンジンシステムの概略構成について説明する。
図１に示すように、エンジンシステムは、ディーゼルエンジン１０（以下、エンジン１０という。）を備える。エンジン１０は、複数のシリンダー１１を有するエンジンブロック１２を備える。各シリンダー１１には、コモンレールから所定圧力の燃料が供給されるインジェクター１３から燃料が噴射される。エンジンブロック１２には、インテークマニホールド１４とエキゾーストマニホールド１５とが接続されている。インテークマニホールド１４にはエンジン１０が吸入する空気が流れる吸気通路１６が接続され、エキゾーストマニホールド１５にはエンジン１０が排出した排気ガスが流れる排気通路１７が接続されている。

図２に示すように、エンジンブロック１２は、シリンダー１１が形成されたシリンダーブロック１２Ａとシリンダーブロック１２Ａに連結されるシリンダーヘッド１２Ｂとを有している。シリンダーヘッド１２Ｂは、シリンダーブロック１２Ａに形成されたシリンダー１１の開口を塞いでいる。エンジン１０は、各シリンダー１１に対して上下動可能に収容されるピストン２０を有している。シリンダーブロック１２Ａ、シリンダーヘッド１２Ｂ、および、ピストン２０で囲まれる空間は、インジェクター１３が燃料を噴射するとともに該燃料が燃焼する燃焼室２１である。ピストン２０は、コネクションロッド２２を介して図１に示すクランクシャフト２３に連結されている。クランクシャフト２３は、ピストン２０がシリンダー１１内を上下動することにより回転駆動される。シリンダーヘッド１２Ｂには、インテークマニホールド１４に接続される吸気ポート２５とエキゾーストマニホールド１５に接続される排気ポート２６とがシリンダー１１ごとに形成されている。

エンジン１０は、吸気バルブ２７と排気バルブ２８とを有している。吸気バルブ２７は、吸気側動弁機構２９によって駆動され、吸気ポート２５を開閉することによりインテークマニホールド１４に対して燃焼室２１を開閉する。排気バルブ２８は、排気側動弁機構３０によって駆動され、排気ポート２６を開閉することによりエキゾーストマニホールド１５に対して燃焼室２１を開閉する。各動弁機構２９，３０は、駆動対象のバルブのリフト量や開閉タイミングを変更可能に構成された可変バルブ機構である。各動弁機構２９，３０は、カム切り替え型の可変バルブ機構であってもよいし、電子制御式のアクチュエーターによってリフト量や開閉タイミングが変更可能な可変バルブ機構であってもよい。

図１に示すように、エンジンシステムは、ターボチャージャー３５を備えている。ターボチャージャー３５は、コンプレッサー３６、インタークーラー３７、およびタービン３８を有している。コンプレッサー３６およびインタークーラー３７は、吸気通路１６に配設されている。コンプレッサー３６はエアクリーナー３９を通過した空気を圧縮し、インタークーラー３７はコンプレッサー３６が圧縮した空気を冷却する。タービン３８は、排気通路１７に配設されている。タービン３８は、排気ガスのエネルギーである排気エネルギーを利用してコンプレッサー３６を回転させる。

エンジンシステムは、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置４０を備えている。ＥＧＲ装置４０は、エキゾーストマニホールド１５と吸気通路１６とを接続するＥＧＲ通路４１を通じて排気側から吸気側へ排気ガスを還流する外部ＥＧＲを実行可能に構成されている。ＥＧＲ通路４１には、ＥＧＲクーラー４２とＥＧＲ弁４３とが設けられている。ＥＧＲ弁４３が開状態にあるとき、シリンダー１１には、ＥＧＲガスと吸入空気との混合気体が作動ガスとして供給される。ＥＧＲ弁４３が閉状態にあるとき、シリンダー１１には、吸入空気が作動ガスとして供給される。シリンダー１１では、作動ガスとインジェクター１３が噴射した燃料との混合気が燃焼する。シリンダー１１からの排気ガスは、エキゾーストマニホールド１５を通じて排気通路１７へと流入したのちタービン３８に流入する。なお、エンジン１０が吸入する作動ガスにおけるＥＧＲガスの割合をＥＧＲ率という。

エンジンシステムは、排気浄化装置４５を備えている。排気浄化装置４５には、タービン３８を通過した排気ガスが流入する。排気浄化装置４５は、添加部４６及び選択還元型触媒４７を有している。選択還元型触媒４７は、排気通路１７を構成する拡径部１７Ａに収容されている。

添加部４６は、拡径部１７Ａに流入する排気ガスに対して還元剤を添加する。添加部４６は、還元剤を貯留するタンク４８に接続された還元剤通路４９を備える。還元剤通路４９には、ポンプ５０が配設されている。ポンプ５０は、タンク４８内の還元剤を所定圧力で添加弁５１に圧送する。添加弁５１は、弁機構を内蔵した電子制御式の噴射弁であり、弁機構が開状態にあるときに排気ガスに還元剤を添加する。

選択還元型触媒４７は、添加部４６の添加した還元剤を利用して排気ガスに含まれるＮＯｘを窒素や水へと還元する。選択還元型触媒４７は、例えば耐熱性に優れたセラミックやステンレスを素材としたフロースルー型のモノリス担体に対して各種の触媒金属を胆持させたものである。選択還元型触媒４７は、その温度である触媒温度Ｔｃが所定の温度範囲にあるときに活性状態となる。この温度範囲の下限値は下限活性温度ＴｃＬである。

選択還元型触媒４７の一例は、尿素ＳＣＲ触媒である。この場合、添加部４６は還元剤として尿素水を添加し、選択還元型触媒４７は尿素水が加水分解したアンモニアと排気ガスに含まれるＮＯｘとを反応させてＮＯｘを窒素や水へと還元する。選択還元型触媒４７は、モノリス担体に対して、例えば銅系、鉄系、バナジウム系の各種の触媒金属を胆持させることにより構成される。選択還元型触媒４７は、例えば１５０℃〜３５０℃の温度範囲を活性温度として有する。

なお、排気浄化装置４５は、排気通路１７における添加弁５１の上流に、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉するフィルターや排気ガスに含まれている未燃燃料を酸化する前段酸化触媒などを有していてもよい。また、排気浄化装置４５は、排気通路１７における選択還元型触媒４７の下流に、選択還元型触媒４７を通過した排気ガスに含まれるアンモニアなどを酸化する後段酸化触媒などを有していてもよい。また、排気浄化装置４５は、選択還元型触媒４７として、エンジン１０の燃料である軽油を還元剤としてＮＯｘを還元する触媒、いわゆるＨＣ−ＳＣＲ触媒を備えていてもよい。

エンジンシステムは、添加弁５１とターボチャージャー３５のタービン３８との間に排気絞り弁５２を有している。排気絞り弁５２は、排気通路１７の流路断面積を変更可能に構成されている。排気絞り弁５２は、排気通路１７の流路断面積を小さくして排気抵抗を高めることで補助ブレーキの１つである排気ブレーキとして機能する。補助ブレーキは、ドライバーが操作可能な作動スイッチＳがオン状態にあるときに作動するように構成されている。作動スイッチＳは、制御装置６０に操作状況を示す操作信号を出力する。

エンジンシステムは、各種センサーを備えている。エンジンシステムは、クランク角度センサー５５、触媒温度センサー５６、アクセル開度センサー５７、排気ガス温度センサー５８、および、車速センサー５９を備えている。クランク角度センサー５５は、エンジン１０によって駆動されるクランクシャフト２３の回転角度であるクランク角度を検出する。触媒温度センサー５６は、選択還元型触媒４７の温度である触媒温度Ｔｃを検出する。アクセル開度センサー５７は、ドライバーによって操作されるアクセルペダル５７ａの踏込み量に基づくアクセル開度ＡＣＣを検出する。排気ガス温度センサー５８は、選択還元型触媒４７に流入する排気ガスの温度である排気ガス温度Ｔｅｘを検出する。車速センサー５９は、車両の速度である車速ｖを検出する。各種センサーは、検出した値を示す信号をエンジンシステムを統括制御する制御装置６０に出力する。

図３〜図６を参照して制御装置６０について説明する。制御装置６０は、ＡＳＩＣ等の１つ以上の専用のハードウェア回路、コンピュータプログラム（ソフトウェア）に従って動作する１つ以上のプロセッサ、或いは、それらの組み合わせ、を含む回路として構成し得る。プロセッサは、ＣＰＵ並びに、ＲＡＭ及びＲＯＭ等のメモリを含み、メモリは、処理をＣＰＵに実行させるように構成されたプログラムコードまたは指令を格納している。メモリすなわちコンピュータ可読媒体は、汎用または専用のコンピュータでアクセスできるあらゆる利用可能な媒体を含む。

図３に示すように、制御装置６０は、各種コンピュータプログラムの実行により機能する機能部として、取得部６１、モード選択部６２、燃料噴射制御部６３、ＥＧＲ制御部６４、添加制御部６５、バルブ制御部６６、および排気ブレーキ制御部７０を有している。

取得部６１は、図示されない入力インターフェースを通じて各種情報を取得する。取得部６１は、クランク角度センサー５５が出力した検出信号に基づきクランク角度を取得する。取得部６１は、触媒温度センサー５６が出力した検出信号に基づき触媒温度Ｔｃを選択還元型触媒４７の状態として取得する。取得部６１は、アクセル開度センサー５７が出力した検出信号に基づきアクセル開度ＡＣＣを取得する。取得部６１は、クランク角度の変化量に基づきエンジン回転数Ｎｅを演算し、その演算したエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度ＡＣＣとに基づきドライバーからの要求トルクＬを取得する。取得部６１は、排気ガス温度センサー５８が出力した検出信号に基づき排気ガス温度Ｔｅｘを取得する。取得部６１は、車速センサー５９が出力した検出信号に基づき車速ｖを取得する。取得部６１は、作動スイッチＳからの操作信号に基づき作動スイッチＳの操作状況を取得する。

モード選択部６２は、エンジンシステムの制御モードを選択する。モード選択部６２は、取得部６１が取得した各種情報に基づいて、インジェクター１３による燃料の噴射、吸気バルブ２７の吸気動作、排気バルブ２８の排気動作、および、排気絞り弁５２の動作などについての制御モードを選択するモード選択処理を実行する。モード選択部６２は、モード選択処理を通じて、昇温モード、保温モード、ブレーキモード、および、通常モードのなかから制御モードを択一的に選択する。昇温モードは、排気浄化装置４５に供給される排気エネルギーを増大させて選択還元型触媒４７の昇温を優先させる制御モードである。保温モードは、選択還元型触媒４７の触媒温度Ｔｃを下限活性温度ＴｃＬ以上に保持する制御モードである。ブレーキモードは、吸気バルブ２７や排気バルブ２８の開閉を制御して制動力を発生させる制御モードである。通常モードは、排気ガスの浄化や燃料消費量の低減を優先させる制御モードである。

図４を参照して、モード選択部６２が実行するモード選択処理について説明する。
図４に示すように、モード選択処理にて、モード選択部６２は、取得部６１が取得する触媒温度Ｔｃが下限活性温度ＴｃＬ以上であるか否かを判断する（ステップＳ２０１）。

触媒温度Ｔｃが下限活性温度ＴｃＬ未満である場合（ステップＳ２０１：ＮＯ）、モード選択部６２は、例えば、要求トルクＬとエンジン回転数Ｎｅとに基づくエンジン負荷ＥＬが昇温選択負荷ＥＬ１以下であるか否かを判断する（ステップＳ２０２）。昇温選択負荷ＥＬ１は、燃料噴射量を増量したとしても排気ガスに含まれる未燃燃料が抑えられ、かつ、ドライバーからの要求トルクＬを具現化可能な値に設定される。昇温選択負荷ＥＬ１は、予め行った実験やシミュレーションの結果等に基づき設定される。昇温選択負荷ＥＬ１は、例えば２０％以下の値から設定されることが好ましく、その一例は１５％である。エンジン負荷ＥＬが昇温選択負荷ＥＬ１以下である場合（ステップＳ２０２：ＹＥＳ）、モード選択部６２は、昇温モードを選択して（ステップＳ２０３）一連の処理を一旦終了する。

ステップＳ２０１において、触媒温度Ｔｃが下限活性温度ＴｃＬ以上である場合（ステップＳ２０１：ＹＥＳ）、モード選択部６２は、取得部６１が取得する排気ガス温度Ｔｅｘが保温可能温度Ｔｅｘ１以上であるか否かを判断する（ステップＳ２０４）。保温可能温度Ｔｅｘ１は、その温度よりも低い温度の排気ガスが選択還元型触媒４７に所定期間だけ供給された場合に触媒温度Ｔｃが下限活性温度ＴｃＬまで低下する可能性が高いと判断される温度である。保温可能温度Ｔｅｘ１は、例えば、下限活性温度ＴｃＬ以上の値であり、かつ、エンジンシステムが備える各種センサーの１つとして外気温を検出する外気温センサーの検出値が低いほど高くなるように設定されてもよい。外気温が低いほど保温可能温度Ｔｅｘ１が高くなることにより、その時々の走行環境に応じた適切な保温可能温度Ｔｅｘ１を設定できる。その結果、触媒温度Ｔｃが下限活性温度ＴｃＬまで低下することがより確実に抑えられる。

排気ガス温度Ｔｅｘが保温可能温度Ｔｅｘ１未満である場合（ステップＳ２０４：ＮＯ）、モード選択部６２は、エンジン負荷ＥＬが保温選択負荷ＥＬ２以下であるか否かを判断する（ステップＳ２０５）。保温選択負荷ＥＬ２は、例えばアイドリング状態などエンジン負荷ＥＬが軽負荷であると判断される値である。保温選択負荷ＥＬ２は、昇温選択負荷ＥＬ１よりも低い値が設定される。エンジン負荷ＥＬが保温選択負荷ＥＬ２以下である場合（ステップＳ２０５：ＹＥＳ）、モード選択部６２は、保温モードを選択し（ステップＳ２０６）、一連の処理を一旦終了する。すなわち、保温モードは、排気ガス温度Ｔｅｘが触媒温度Ｔｃを下限活性温度ＴｃＬに到達させる可能性の高い状態にあり（ステップＳ２０４：ＮＯ）、かつ、エンジン負荷ＥＬが軽負荷にあることで排気ガス温度Ｔｅｘが上昇する可能性の低い状態（ステップＳ２０５：ＹＥＳ）において、触媒温度Ｔｃを下限活性温度ＴｃＬよりも高い温度に保持するモードである。

一方、排気ガス温度Ｔｅｘが保温可能温度Ｔｅｘ１以上である場合（ステップＳ２０４：ＹＥＳ）、モード選択部６２は、取得部６１が取得するアクセル開度ＡＣＣが０％以上であるか否かを判断する（ステップＳ２０７）。

アクセル開度ＡＣＣが０％未満である場合（ステップＳ２０７：ＮＯ）、すなわち要求トルクＬが減速を要求する減速要求トルクにある場合、モード選択部６２は、補助ブレーキの作動条件が成立しているか否かを判断する（ステップＳ２０８）。作動条件は、アクセル開度ＡＣＣが０％未満にあるときに、作動スイッチＳがオン状態にあり、かつ、車速ｖが作動速度ｖ１以上にあることである。作動速度ｖ１は、補助ブレーキによる制動力が有効に作用する車速ｖに設定される。作動速度ｖ１の一例は、３０ｋｍ／ｈである。

作動条件が成立している場合（ステップＳ２０８：ＹＥＳ）、モード選択部６２は、ブレーキモードを選択し（ステップＳ２０９）、一連の処理を一旦終了する。ブレーキモードにおいて、制御装置６０は、補助ブレーキの１つである圧縮開放ブレーキが作動するように吸気側動弁機構２９および排気側動弁機構３０を制御する。また制御装置６０は、補助ブレーキの１つである排気ブレーキが作動するように排気絞り弁５２を閉方向に制御する。

一方、アクセル開度ＡＣＣが０％以上である場合（ステップＳ２０７：ＹＥＳ）、エンジン負荷ＥＬが昇温選択負荷ＥＬ１以下でない場合（ステップＳ２０２：ＮＯ）、エンジン負荷ＥＬが保温選択値ＥＬ２以下でない場合（ステップＳ２０５：ＮＯ）、補助ブレーキの作動条件が成立していない場合（ステップＳ２０８：ＮＯ）、モード選択部６２は、通常モードを選択し（ステップＳ２１０）、一連の処理を一旦終了する。

図３に示すように、燃料噴射制御部６３は、図示されない出力インターフェースを通じて制御信号を出力することにより、各インジェクター１３による燃料の噴射を制御する。燃料噴射制御部６３は、取得部６１が取得したアクセル開度ＡＣＣ及びエンジン回転数Ｎｅ、ならびに、モード選択部６２が選択した制御モードなどに基づいて各インジェクター１３による燃料の噴射を制御する。燃料噴射制御部６３は、アクセル開度ＡＣＣおよびエンジン回転数Ｎｅごとに燃料噴射量が規定された燃料マップをメモリの所定領域に保持している。燃料噴射制御部６３は、通常モードにおいて使用する燃料マップである通常マップ６７、昇温モードにおいて使用する燃料マップである昇温マップ６８、および、保温モードにおいて使用する燃料マップである保温マップ６９をメモリの所定領域に保持している。燃料噴射制御部６３は、モード選択部６２が選択した制御モードに対応する燃料マップを用いて燃料噴射量を制御する。燃料噴射制御部６３は、要求トルクＬが減速要求トルクにあるブレーキモードにおいては、エンジン回転数Ｎｅに応じて燃料の噴射を一時的に停止する燃料カット制御を実行する。

ＥＧＲ制御部６４は、図示されない出力インターフェースを通じて制御信号を出力することにより、ＥＧＲ装置４０、具体的にはＥＧＲ弁４３の開度を制御する。ＥＧＲ制御部６４は、モード選択部６２が選択した制御モードに基づいてＥＧＲ弁４３を制御し、ＥＧＲガスの量であるＥＧＲ量を制御する。ＥＧＲ制御部６４は、制御モードが通常モードである場合、その時々のエンジン１０の運転状態に適したＥＧＲ量だけ排気ガスが還流されるようにＥＧＲ弁４３の開度を制御する。制御モードが昇温モード、保温モード、および、ブレーキモードのいずれかである場合、ＥＧＲ制御部６４は、ＥＧＲ弁４３を閉状態に維持することで外部ＥＧＲを禁止する。

添加制御部６５は、図示されない出力インターフェースを通じて制御信号を出力することにより、排気浄化装置４５の添加部４６、具体的には添加弁５１の開閉を制御する。添加制御部６５は、モード選択部６２が選択した制御モードに基づいて添加弁５１による尿素水の添加量や添加タイミングを制御する。添加制御部６５は、制御モードが通常モード、保温モード、および、ブレーキモードのいずれかである場合、その時々のエンジン１０の運転状態に適した量の尿素水が添加されるように添加弁５１の開閉を制御する。添加制御部６５は、制御モードが昇温モードである場合、添加弁５１を閉状態に維持することで尿素水の添加を禁止する。

バルブ制御部６６は、図示されない出力インターフェースを通じて制御信号を出力することにより、吸気側動弁機構２９を通じて吸気バルブ２７の開閉動作を制御するとともに、排気側動弁機構３０を通じて排気バルブ２８の開閉動作を制御する。バルブ制御部６６は、モード選択部６２が選択した制御モードに基づいて吸気バルブ２７および排気バルブ２８の各々についてリフト量及び開閉タイミングを制御する。

バルブ制御部６６は、吸気バルブ２７に対し、通常モードにおいては通常吸気動作、昇温モードにおいては昇温吸気動作、保温モードにおいては保温吸気動作、ブレーキモードにおいてはブレーキ吸気動作を実行させる。バルブ制御部６６は、排気バルブ２８に対し、通常モードにおいては通常排気動作、昇温モードにおいては昇温排気動作、保温モードにおいては保温排気動作、ブレーキモードにおいてはブレーキ排気動作を実行させる。

排気ブレーキ制御部７０は、排気絞り弁５２を制御する。排気ブレーキ制御部７０は、制御モードがブレーキモードにあるときは排気絞り弁５２を作動状態に制御し、制御モードがブレーキモードとは異なるときは排気絞り弁５２を非作動状態に制御する。

図５および図６を参照して、通常モード、昇温モード、および、保温モードにおける吸気バルブ２７および排気バルブ２８の開閉動作について説明する。なお、図５，６に示されるクランク角度は、圧縮行程の上死点である圧縮上死点を基準（＝０°ＣＡ）としたクランク角度を示している。また、以下に示す括弧内の記載は、各図に示されているクランク角度を示している。

図５に示すように、通常排気動作は、膨張行程の下死点である膨張下死点（＝１８０°ＣＡ）に到達する少し前に開弁して排気行程の上死点である排気上死点（＝３６０°ＣＡ）付近において閉弁する開閉動作である。また、通常吸気動作は、排気行程の上死点である排気上死点（＝３６０°ＣＡ）に到達する直前に開弁して圧縮行程の前半部分において閉弁する開閉動作である。

昇温排気動作は、膨張行程に開弁する第１昇温排気動作と、少なくとも一部が排気行程に含まれる閉弁期間を経て開弁する第２昇温排気動作とで構成される。昇温吸気動作の一例は、通常吸気動作である。

第１昇温排気動作は、第２昇温排気動作よりも最大リフト量が大きく、かつ、開弁期間が長い排気動作である。第１昇温排気動作は、通常排気動作よりも開弁時期が早く、かつ、開弁期間が短い開閉動作である。例えば、第１昇温排気動作は、最大リフト量及び開弁期間の各々について通常排気動作の半分以下に設定される。第１昇温排気動作は、圧縮上死点後４０°ＣＡ以降に開弁し、膨張行程において閉弁する開閉動作である。第２昇温排気動作は、排気行程の後半に開弁する開閉動作であり、例えば、最大リフト量及び開弁期間の各々が第１昇温排気動作の半分以下に設定される。

図６に示すように、保温排気動作は、通常排気動作を進角させた第１保温排気動作と、吸入行程において開閉する第２保温排気動作とによって構成される。第１保温排気動作は、膨張行程において一部の排気ガスをエキゾーストマニホールド１５に排出する開閉動作である。第１保温排気動作は、通常排気動作を進角させた開閉動作である。

第２保温排気動作は、吸入行程において開閉する開閉動作であって、エキゾーストマニホールド１５内の排気ガスの一部をシリンダー１１に導入する開閉動作、すなわち内部ＥＧＲを行う開閉動作である。第２保温排気動作は、第１保温排気動作よりも最大リフト量が小さく、かつ、開弁期間が短い開閉動作である。第２保温排気動作は、その開弁期間が保温吸気動作の開弁期間に重なる開閉動作である。「開弁期間が重なる」とは、同時期に開弁させるように動作していることをいう。第２保温排気動作は、開弁期間の全てが保温吸気動作の開弁期間に重なる。保温吸気動作は、通常吸気動作を遅角させた開閉動作である。保温吸気動作は、吸入行程において開弁し圧縮行程において閉弁する開閉動作である。

上述したエンジンシステムの作用について説明する。
膨張行程に排気バルブ２８が開弁期間を有することにより、燃焼室２１の排気ガスの一部は、ピストン２０を押下する仕事をすることなくチョーク流れとなって排気ポート２６へと流出する。そのため、燃焼室２１から流出する排気ガスの分だけエンジン１０に出力損失（以下、流出損失という。）が生じる。また、その開弁期間の終了時に燃焼室２１に残っている排気ガスは、排気行程においてピストン２０によって圧縮される。これにより、エンジン１０に出力損失（以下、圧縮損失という。）が生じる。そのため、昇温マップ６８および保温マップ６９には、予め行った実験やシミュレーションの結果等に基づいて上述した流出損失と圧縮損失とを加味したうえでドライバーの要求トルクＬを満足する燃料噴射量が規定されている。

保温モードは、昇温モードと比較して、同一条件下における流出損失が大きいものの圧縮損失が小さいため、エンジン１０の出力損失が小さい。そのため、保温マップ６９には、アクセル開度ＡＣＣとエンジン回転数Ｎｅとに基づく同一のアドレスに対し、昇温マップ６８に規定されている値以下の値が規定される。

保温モードにおいて、第１保温排気動作の実行中に燃焼室２１から流出する排気ガスは、通常排気動作によって燃焼室２１から排出される排気ガスよりもピストン２０を押下する仕事をしていない分だけエンタルピの高い排気ガスである。そのため、第１保温排気動作の実行中は、より高いエンタルピを有する排気ガスを排気浄化装置４５に供給できる。

また、第２保温排気動作によってシリンダー１１に排気ガスが導入されることから、シリンダー１１には、燃料が噴射される作動ガスとして空気と排気ガスとの混合ガスが生成される。この混合ガスは、作動ガスの全てが空気である場合に比べて、その空気の一部が排気ガスに置換される分だけ温度が高められる。これにより、同じ量の燃料を燃焼させたとき、排気ガスの導入により高められた温度の分だけ排出温度を高めることができる。こうしたことは、エンジン負荷ＥＬが軽負荷にあるときに顕著となる。

保温モードにおいて、通常吸気動作を遅角させた保温吸気動作によってシリンダー１１が吸入する空気量が低減される。その結果、排出温度を高めることができる。
図７を参照して、保温モードにおける通常排気動作の進角量および通常吸気動作の遅角量について説明する。図７（ａ）は、保温モードにおける燃料消費量について行ったシミュレーションの結果の一例を示している。図７（ｂ）は、保温モードにおける排気ガス温度について行ったシミュレーションの結果の一例を示している。このシミュレーションは、保温モードの選択条件を満たす一定のエンジン回転数（例えば８８０ｒｐｍ）および一定のエンジン負荷（例えば１０％）のもとで行った。

図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、燃料消費量の増大を抑えつつ排気ガス温度Ｔｅｘが高められることを総合的に判断すると、保温排気動作については通常排気動作を３０°ＣＡ〜４０°ＣＡ程度進角させ、保温吸気動作については通常吸気動作を４０°ＣＡ〜７５°ＣＡ程度遅角させることが好ましいことが認められた。

図８を参照して、第２保温排気動作による昇温効果について行ったシミュレーションの結果について説明する。図８は、保温排気動作が第１保温排気動作と第２保温排気動作とで構成される場合の排出温度をＡ、保温排気動作が第１保温動作のみで構成される場合の排出温度をＢとした場合にその温度差（＝Ａ−Ｂ）を示したものである。このシミュレーションは、上述したシミュレーションと同じ条件で行った。同図８に示すように、第２保温排気動作によって排気ガス温度が高められることが認められた。また、上記通常排気動作の好適な進角量、通常吸気動作の好適な遅角量において高い昇温効果が認められた。なお、図中にドットで示した部分は、燃料消費量の低減効果が認められた箇所である。具体的には、第２保温排気動作は、ピストン２０の下降速度が大きく、かつ、筒内圧の低下率が大きい、６０°ＣＡ〜９０°ＣＡにて開弁することが好ましい。

上述したエンジンシステムの効果について説明する。
（１）第１保温排気動作によって高エンタルピの排気ガスが排気浄化装置４５に供給され、第２保温排気動作によって排出温度が高められる。また、保温吸気動作によっても排出温度が高められる。その結果、排気ガス温度Ｔｅｘが保温可能温度Ｔｅｘ１未満にあるときに排気浄化装置４５に供給される排気エネルギーが増大することから、選択還元型触媒４７を活性状態に保持することができる。

（２）第２保温排気動作の開弁期間の全てが保温吸気動作の開弁期間に重なっている。これにより、シリンダー１１における空気と排気ガスとの混合度を効果的に高めることができる。これにより、未燃燃料の低減を図りつつ排気ガスの導入による作動ガス温度の上昇を実現することができる。

（３）モード選択部６２は、エンジン負荷ＥＬが保温選択負荷ＥＬ２以下であるときに保温モードを選択する。排気ガス温度Ｔｅｘは選択還元型触媒４７に流入する排気ガスの温度であるため、エンジン１０の出力の変化に対する応答遅れが存在する。上記構成によれば、排気ガス温度Ｔｅｘが保温可能温度Ｔｅｘ１未満であったとしても、エンジン負荷ＥＬが保温選択負荷ＥＬ２よりも大きいとき、すなわち、すぐに排気ガス温度Ｔｅｘの上昇が見込まれるときに保温モードの選択を回避できる。その結果、制御モードの切替頻度の低減を図りつつ、保温モードの選択による燃料消費量の増大を抑えることができる。

（４）第１保温排気動作は、通常排気動作を３０°ＣＡ〜４０°ＣＡ進角させた開閉動作であり、保温吸気動作は、通常吸気動作を４０°ＣＡ〜７５°ＣＡ遅角させた開閉動作である。こうしたによれば、燃料消費量の増大を効果的に抑えつつ排気浄化装置４５に供給される排気エネルギーを増大させることができる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・排気側動弁機構３０がカム切り替え型の可変バルブ機構である場合、保温排気動作は次のように構成してもよい。

すなわち、排気側動弁機構３０は、通常排気動作用のカムである排気用カムと昇温排気動作用のカムである昇温用カムとを有する。また、排気側動弁機構３０は、排気用カムについては排気カムシャフトと排気カムシャフトの位相を変更可能な排気カムフェーザーとを有し、昇温用カムについては昇温用カムシャフトと昇温用カムシャフトの位相を変更可能な昇温用カムフェーザーとを有する。各カムフェーザーは、制御装置６０によって制御可能に構成される。

そして、図９に示すように、保温排気動作は排気用カムを排気カムフェーザーで進角させた通常開閉動作で構成され、第２保温排気動作は昇温用カムを昇温用カムフェーザーで遅角させた第２昇温開閉動作で構成されてもよい。この場合、遅角後の第１昇温排気動作の開弁期間の全てが第１保温排気動作の開弁期間に重なるように構成するとよい。こうした構成によれば、昇温用カムを用いて昇温モードと保温モードとが具現化可能であることから、排気側動弁機構３０の構成の複雑化を抑えることができる。

・第１保温排気動作は、通常排気動作を進角させた開閉動作であればよい。
・保温吸気動作は、通常吸気動作を遅角させた開閉動作であればよい。
・モード選択部６２は、エンジン負荷ＥＬにかかわらず、触媒温度Ｔｃが下限活性温度ＴｃＬ以上にあり、かつ、排気ガス温度Ｔｅｘが保温可能温度Ｔｅｘ１未満である場合に保温モードを選択してもよい。

・第２保温排気動作は、開弁期間の全てが保温吸気動作の開弁期間に重なっていなくともよく、開弁期間の一部が保温吸気動作の開弁期間に重なっていてもよい。
・第１昇温排気動作は、通常排気動作に対して最大リフト量が同じで開弁期間が短い開閉動作であってもよい。また、第１昇温排気動作は、通常排気動作に対して最大リフト量が小さく開弁期間が同じ長さの開閉動作であってもよい。

・第２昇温排気動作は、吸気バルブ２７が開弁してから排気バルブ２８が閉弁する構成であってもよい。
・燃料噴射制御部６３は、保温モードにおいて通常モードよりも燃料噴射量を増量可能な構成であればよく、燃料マップとして通常マップ６７と保温マップ６９とを保持する構成に限られない。例えば、燃料噴射制御部６３は、保温モードにおいては、通常マップ６７に規定された燃料噴射量をその時々のエンジン１０の運転状態に応じて補正することにより燃料噴射量を増量する構成であってもよい。

・排気浄化装置４５が複数の触媒を有する場合、モード選択処理における触媒温度Ｔｃに関する判断は、最上流に位置する触媒温度に基づいて行われてもよい。こうした構成によれば、少なくとも最上流に位置する触媒を作用させることができる。また、触媒温度Ｔｃに関する判断は、複数の触媒のなかから予め選択された触媒の触媒温度に基づいて行われてもよい。こうした構成によれば、予め選択された触媒において触媒を作用させることができる。

・エンジンシステムは、ターボチャージャー３５およびＥＧＲ装置４０の少なくとも一方を備えていなくてもよい。
・エンジン１０は、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンであってもよいし、ガスエンジンであってもよい。

１０…エンジン、１１…シリンダー、１２…エンジンブロック、１２Ａ…シリンダーブロック、１２Ｂ…シリンダーヘッド、１３…インジェクター、１４…インテークマニホールド、１５…エキゾーストマニホールド、１６…吸気通路、１７…排気通路、１７Ａ…拡径部、２０…ピストン、２１…燃焼室、２２…コネクションロッド、２３…クランクシャフト、２５…吸気ポート、２６…排気ポート、２７…吸気バルブ、２８…排気バルブ、２９…吸気側動弁機構、３０…排気側動弁機構、３５…ターボチャージャー、３６…コンプレッサー、３７…インタークーラー、３８…タービン、３９…エアクリーナー、４０…ＥＧＲ装置、４１…ＥＧＲ通路、４２…ＥＧＲクーラー、４３…ＥＧＲ弁、４５…排気浄化装置、４６…添加部、４７…選択還元型触媒、４８…タンク、４９…還元剤通路、５０…ポンプ、５１…添加弁、５２…排気絞り弁、５５…クランク角度センサー、５６…触媒温度センサー、５７…アクセル開度センサー、５７ａ…アクセルペダル、５８…排気ガス温度センサー、５９…車速センサー、６０…制御装置、６１…取得部、６２…モード選択部、６３…燃料噴射制御部、６４…ＥＧＲ制御部、６５…添加制御部、６６…バルブ制御部、６７…通常マップ、６８…昇温マップ、６９…保温マップ、７０…排気ブレーキ制御部。

Claims (4)

1. 燃焼室を開閉する開閉タイミングを各別に変更可能な排気バルブと吸気バルブとを有するエンジンと、
   前記エンジンからの排気ガスを浄化する触媒を有する排気浄化装置と、
   前記エンジンを制御する制御装置と、を備えたエンジンシステムであって、
   前記制御装置は、
   ドライバーからの要求トルク、前記触媒の状態、および、前記触媒に流入する排気ガスの温度である排気ガス温度を取得する取得部と、
   前記エンジンの出力トルクが前記要求トルクとなるように前記エンジンへの燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御部と、
   前記エンジンシステムの制御モードを選択するモード選択部と、
   前記排気バルブの開閉と吸気バルブの開閉とを制御するバルブ制御部と、を備え、
   前記モード選択部は、前記触媒が活性状態にあり、かつ、前記排気ガス温度が保温可能温度以上であるときに前記制御モードとして通常モードを選択し、前記触媒が活性状態にあり、かつ、前記排気ガス温度が前記保温可能温度未満であるときに前記制御モードとして保温モードを選択し、
   前記保温モードにおいて、前記バルブ制御部は、前記通常モードにおける通常吸気動作を遅角させた保温吸気動作を実行するとともに、前記通常モードにおける通常排気動作を進角させた第１保温排気動作と、吸入行程において開閉して前記第１保温排気動作よりも最大リフト量が小さくかつ開弁期間の短い第２保温排気動作と、で構成されて、前記第２保温排気動作の開弁期間の少なくとも一部が前記保温吸気動作の開弁期間に重なる保温排気動作を実行する
   エンジンシステム。
2. 前記第２保温排気動作の開弁期間の全てが前記保温吸気動作の開弁期間に重なる
   請求項１に記載のエンジンシステム。
3. 前記モード選択部は、前記エンジンの負荷が軽負荷状態にあるときに前記保温モードを選択する
   請求項１または２に記載のエンジンシステム。
4. 前記保温吸気動作は、前記通常吸気動作を４０°ＣＡ〜７５°ＣＡ遅角させた開閉動作であり、
   前記第１保温排気動作は、前記通常排気動作を３０°ＣＡ〜４０°ＣＡ進角させた開閉動作である
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のエンジンシステム。