JP4392689B2 - 気筒群個別制御エンジン - Google Patents

Description

本発明は多気筒ターボ過給ディーゼルエンジンにおいて、各気筒を複数の気筒群に分け、各々の気筒群毎の燃料供給量を調節可能とすると共に、それぞれの気筒群毎の吸入空気、ＥＧＲガス及び排気ガスが互いに混合しない流れ通路の回路とし、過給装置、給気インタークーラ、ＥＧＲ装置、排出ガス後処理装置の吸排気関連制御装置は各気筒群の流れ通路の回路にそれぞれ独立して配設して気筒群毎に給気圧力、吸気量およびＥＧＲ率等の個別制御を可能とし、各気筒群は一部気筒群の休止運転を可能とすることにより、エンジンの広範囲な運転領域における熱効率の向上と排出ガスの低減が実現できる気筒群個別制御エンジンに関するものである。

現在、ガソリンエンジンについては３元触媒による排出ガス低減が主体であるが、ディーゼルエンジンについてはターボ過給化や排気ガス再循環（Exhaust Gas Re-circulation）（以下ＥＧＲという）による燃焼改善を図ると共に、更にディーゼル特有の黒煙およびディーゼル粒子状物質（Particulate Matter）（以下「ＰＭ」という）の低減のための粒子状物質除去装置（Diesel Particulate Filter）（以下ＤＰＦ装置という）やＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣの有害排出ガス（以下排出ガスという）を低減するための酸化触媒装置、ＮＯｘ吸蔵還元触媒装置（以下ＮＯｘ吸蔵触媒装置という）、尿素還元型ＮＯｘ触媒装置（Urea Selective Catalytic Reduction system）(以下尿素ＳＣＲ装置という)等のディーゼル排出ガス後処理装置（以下排出ガス後処理装置という）が研究開発されている。
従来のディーゼルエンジンでは排出ガスが多く排出されるエンジン高負荷時の排出ガス低減対策が主体であった。しかし、今後、更なる排出ガス削減を実現していくためには、新しい排出ガス低減技術の適用に加え、エンジン部分負荷時の運転条件下においても排出ガス低減の機能を十分に発揮させることが必要である。
ところで、一般に排出ガス後処理装置の触媒が十分に機能するためには、触媒の温度を一定レベル以上の高温に維持する必要がある。ＤＰＦ装置の場合、捕集したＰＭを適時、フィルタから除去してＤＰＦ装置を再生することが必要であるが、例えば触媒により捕集ＰＭを酸化除去する場合には、ＤＰＦ装置を通過する排気ガス温度を高温に維持する必要がある。また、ディーゼルエンジンにおいては、触媒で排出ガスを浄化する装置として酸化触媒装置、尿素ＳＣＲ装置、尿素ＳＣＲ装置が研究開発されている。この場合も触媒が十分に機能を果たすためには、触媒を高温に維持するためにディーゼルの排気ガス温度はエンジンの運転条件にかかわらず常に高温にする必要がある。しかし従来のディーゼルエンジンの部分負荷では排気ガス温度が低く、触媒の活性が劣ってそれらの装置の排出ガスの浄化率が著しく低下することが問題となっている。また、ターボ過給ディーゼルエンジンの部分負荷時には、排気温度と排気圧力が共に低く、排気エネルギーが少ないため、ターボ過給機によるブースト圧力の上昇が不十分となって必要な吸気量が得られず、エンジンの燃焼改善によるＰＭ等の十分な削減効果が得られていないことが問題となっている。
かかる技術に関連する資料としては排出ガス削減触媒装置付きの多気筒エンジンの部分負荷時に稼動気筒群と休止気筒群に分けて運転し、稼動気筒群の排気温度を高くして触媒装置の機能が十分に発揮できるようにしたものとして例えば無過給火花点火式エンジンに関する特許文献１があり、無過給ディーゼルエンジンに関する特許文献２がある。

特許文献１の技術は、吸気を電子スロットルにより吸気量を制御し、燃料を気筒内に直接噴射する直噴式の多気筒無過給エンジンについて、稼動気筒群と休止気筒群に分け、各気筒群に含まれる気筒の排気通路同士を集合し、その集合部の下流に、各気筒群に排出ガス後処理装置を装着し、エンジンの部分負荷運転時において、休止気筒群には燃料供給と点火を中止し、稼動気筒群には燃料供給と点火を行う。これにより、稼動気筒群から排出された高温の排気ガスは稼動気筒群の排出ガス後処理装置に導かれるため排出ガス後処理装置の温度低下が防止され、後処理装置の排出ガス削減機能が発揮されるようにしたものである。
特許文献２の技術は、多気筒無過給エンジンの吸気通路の入口側に配設する第１絞り弁とその下流に一部気筒群の吸気通路に配設する第２絞り弁を持ち、エンジンの部分負荷時には第２絞り弁の閉塞と当該一部気筒群への燃料噴射の停止し、そして当該一部気筒群以外の気筒には燃料噴射すると共に、第１絞り弁の開度調節による吸気の減圧による吸気量の削減と吸気下死点付近での排気弁の開弁による気筒内への排気ガスの再導入により、当該一部気筒群以外の気筒から排出される排気ガス温度の上昇により、後処理装置の排出ガス削減機能が発揮されるようにしたものである。
特開２００２−３４９３０４ 特開２００１−３３６４４０ 自動車技術、５３−９（１９９９）、４−９ 「エンジンテクノロジー１９９９年１１月号、Ｖｏｌ．１、Ｎｏ．５、１５頁および１６頁

しかしながら、上記特許文献１のものにあっては、多気筒エンジンの休止気筒群の排気通路は気筒群毎に独立しているが、吸気通路は全ての気筒群で共通であり、気筒群毎に独立していない。そのため、燃料噴射方式として例えばＰＦＩ（ポートフュエルインジェクション）方式を採用すると稼動気筒群と休止気筒群の吸気ポートが連通しているため、稼動気筒群の吸気ポートに噴射された燃料は休止気筒群に吸入されて未燃焼の状態で排気ガスとして大気に放出される不具合がある。上記特許文献１のものにあっては、吸気ポートに燃料噴射するＰＦＩ方式では排出ガスが悪化するため採用できない技術である。また、部分負荷において稼動気筒群から排出された高温の排気ガスは稼動気筒群の排出ガス後処理装置に導かれるため排出ガス後処理装置の温度低下が防止されるが、稼動気筒群と休止気筒群の排気通路の独立化のみで排気ガス温度の高温化は不十分であり、稼動気筒群のＥＧＲ率や吸入空気量の制御を組み合わせたエンジン燃焼による排気ガス温度の十分な高温化が図られておらず、エンジンが運転される負荷条件によっては排出ガス後処理装置の排出ガス削減機能が十分に発揮されないことも明らかである。また、エンジンの部分負荷運転時の更なる排出ガス低減のためには、排気ガス温度の高温化を図って排出ガス後処理装置の排出ガス削減機能を十分に発揮させると同時に、エンジンの稼動気筒群の各気筒の燃焼改善による有害物質の削減を図ることが必要である。しかし、上記特許文献１のものにあっては、燃焼改善が組み合わされていないため、十分な排出ガス低減ができないことが問題である。また上記特許文献１は排気ターボ過給エンジンの排気通路の独立化による排気ガス温度の高温化の形態は示されていない。

上記特許文献２のものにあっては、稼動気筒群の吸気通路に吸気絞り弁を設けて吸気量を減少して稼動気筒群の排気温度の上昇を図っている。しかし、ディーゼルエンジンにおいては吸気量の減少は新たに稼動気筒内のエンジン燃焼の悪化によるＰＭの排出増加と稼動気筒のエンジン熱効率の悪化を招くため、新たに問題が発生する不具合がある。

本発明は上記問題に鑑みて案出されたものである。排気ターボ過給機を備えた多気筒ターボ過給ディーゼルエンジンの各気筒を複数の気筒群に分け、各々の気筒群の吸入空気、ＥＧＲガス及び排気ガスが互いに混合しない流れ通路の回路とする。そして、このエンジンの吸入空気量、ＥＧＲガス量及び排気ガス浄化を制御するため、このエンジンに過給装置、給気インタークーラ、ＥＧＲ弁、ＥＧＲ通路、ＥＧＲクーラおよび排出ガス後処理装置の各吸排気関連制御装置は気筒群毎の流れ通路の回路にそれぞれ独立して配設し、気筒群毎に独立して各気筒群の運転負荷条件に最適な制御ができるようにしたものである。そして、エンジンの特定の部分負荷運転条件下では、複数の気筒群の一部の気筒群は燃料を供給して燃焼させてエンジン出力を発生させる稼動気筒群とし、他の残りの気筒群は燃料供給を中止する休止気筒群として運転する。また、高負荷運転領域では全ての気筒群には燃料供給を行って全ての気筒群を稼動気筒群として運転する。

エンジンの部分負荷運転で一部の気筒群を稼動気筒群とし、他の残りの気筒群を休止気筒群して運転する時には、稼動気筒群での各気筒内の燃焼ガスの圧力と温度は全気筒群を稼動気筒群として運転する場合に比較して高い状態で運転されるため、エンジン熱効率が高くなる。このようにエンジン部分負荷時に一部の気筒群を休止気筒群として運転することは、全気筒群で運転することに比較してエンジンを高い熱効率で運転することが可能となる。

また、吸排気関連制御装置は気筒群毎に独立して配設し、且つ独立して制御できる。そのため、吸排気関連制御装置に弁開度が制御可能なＥＧＲ弁を装着した場合には、稼動気筒群のＥＧＲ弁の弁開度を制御してＥＧＲ率を調節して稼動気筒群の燃焼改善によるＮＯｘの低減を行うことができ、稼動気筒群の排気温度を適切な温度に上昇させる燃焼制御を行って稼動気筒から排出される排気温度を上昇させることが可能となる。
また、吸排気関連制御装置に可変容量型ターボ過給機（Variable Geometry Turbocharger）（以下ＶＧターボ過給機という）を装着した場合には、稼動気筒群のＶＧターボ過給機の排気タービンノズル弁を制御して吸気量を調節して稼動気筒群の燃焼改善によるＰＭの低減を行うことができると共に、稼動気筒群の排気温度を適切な温度に上昇させる燃焼制御を行って稼動気筒から排出される排気温度を上昇させることが可能となる。
以上のように吸排気関連制御装置の制御による稼動気筒群の排気温度を上昇させることにより、その稼動気筒群に配設した触媒再生式ＤＰＦ装置の再生機能を発揮させてＰＭ捕集機能の持続的な作動を実現し、排出ガス後処理装置における排出ガス削減機能が十分に発揮されるようにする。
このように本発明は多気筒ターボ過給ディーゼルエンジンを複数の気筒群に分割し、気筒群毎に吸排気通路と吸排気関連制御装置を配設し、気筒群毎に個々の吸排気関連制御装置を制御することにより、エンジンから大気中に排出される排出ガスを十分に削減できるようにすることが目的である。

本発明は、上記目的を達成するために、次のような構成を採用することとした。
すなわち、請求項１記載の発明に係る気筒群個別制御エンジンは、多気筒ターボ過給ディーゼルエンジンにおいて、各気筒を複数の気筒群に分け、上記気筒群の各気筒に空気を供給するための上記気筒群毎に独立した吸気通路を設け、上記気筒群の各気筒の排気ガスを排出するための上記気筒群毎に独立した排気通路を設け、上記多気筒ターボ過給ディーゼルエンジンにＥＧＲ弁、ＥＧＲクーラ等のＥＧＲ関連装置とＶＧターボ過給機、ウエストゲート付き過給機、吸気インタークーラ等の過給機関連装置とＤＰＦ装置、酸化触媒装置、尿素ＳＣＲ装置等の排出ガス後処理装置の吸排気関連制御装置の何れを装着する場合においても、上記吸排気関連制御装置は上記気筒群毎の上記吸気通路から上記排気通路に至る上記気筒群毎の吸排気回路の途中にそれぞれ独立して配設し、上記気筒群毎の吸入空気、ＥＧＲガスおよび排気ガスが互いに混合しない流れ通路の回路とし、エンジンECUからの信号により、上記気筒群毎に配設した上記吸排気関連制御装置の個々の装置は上記気筒群毎のそれぞれの負荷条件に従って上記気筒群毎に独立した制御を可能とし、上記気筒群への燃料供給は上記気筒群毎に独立した制御を可能として上記気筒群毎のエンジン負荷を独立して制御し、上記多気筒ターボ過給ディーゼルエンジンの特定の部分負荷運転では一部の上記気筒群に燃料供給して燃焼させてエンジン出力を発生させる稼動気筒群とした時には残りの他の上記気筒群には燃料供給を中止する休止気筒群として運転して同等のエンジン出力を全ての上記気筒群により運転する時に比較して稼動気筒群の排気ガス温度を高温化し、高負荷を含むその他のエンジン運転領域では全ての上記気筒群に燃料供給を行って全ての上記気筒群を稼動気筒群として運転して上記気筒群毎のエンジン負荷、吸気量、ＥＧＲ率を独立して制御することによって稼動気筒群の排気ガス温度を高温化し、排気ガス温度の高温化によって稼動気筒群の上記ＤＰＦ装置の再生機能向上や上記尿素ＳＣＲ装置のＮＯｘ削減機能の向上および上記酸化触媒装置の排出ガス削減機能の向上の上記排出ガス後処理装置の排出ガス低減機能を十分に発揮できるようにしたことを特徴とする。

この請求項１記載の発明では多気筒ターボ過給ディーゼルエンジンの各気筒を複数の気筒群に分ける。ここでは複数の気筒群の例として６気筒エンジンを第１気筒群と第２気筒群の２つの気筒に分けた場合について説明する。各気筒群の気筒の着火間隔は等間隔が望ましい。

例えば直列６気筒４サイクルの等間隔着火エンジンで着火の気筒順序が１−５−３−６−２−４あれば、第１気筒と第２気筒と第３気筒を第１気筒群として１−３−２の気筒順序で２４０度（クランク角度）の間隔の着火とし、第４気筒と第５気筒と第６気筒を第２気筒群として５−６−４の気筒順序で２４０度（クランク角度）の間隔の着火とする。

また、吸気通路については第１気筒群と第２気筒群の各気筒に空気を供給するためにエアクリーナ下流に第１気筒群と第２気筒群にそれぞれ独立に接続した第１気筒群吸気通路と第２気筒群吸気通路を設ける。そして排気通路については、第１気筒群と第２気筒群の各気筒の排気ガスを排出するために、排気マフラー上流に第１気筒群と第２気筒群にそれぞれ独立に接続した第１気筒群排気通路と第２気筒群排気通路を設ける。

このようにしてエアクリーナ下流から排気マフラー上流の間は、第１気筒群と第２気筒群の吸気及び排気ガスは互いに混合しない流れ通路とする。

また、本多気筒ターボ過給ディーゼルエンジンのＥＧＲ弁、ＥＧＲクーラ、ＥＧＲ通路、過給装置、給気インタークーラおよび排出ガス後処理装置（ＤＰＦ装置、酸化触媒装置、ＮＯｘ吸蔵還元装置、尿素ＳＣＲ装置等）の吸排気関連制御装置は気筒群毎に独立して配設する。第１気筒群の吸気、ＥＧＲガス、排気ガスを制御するための吸排気関連制御装置は第１気筒群吸気通路から第１気筒群排気通路に至る第１気筒群の第１気筒群吸排気回路の途中に配設し、第２気筒群の吸気、ＥＧＲガス、排気ガスを制御するための吸排気関連制御装置は第２気筒群吸気通路から第２気筒群排気通路に至る第２気筒群吸排気回路の途中に配設する。このようにして第１気筒群の吸排気回路と第２気筒群の吸排気回路のそれぞれに独立して吸排気関連制御装置を配設することにより、第１気筒群と第２気筒群の吸入空気、ＥＧＲガスおよび排気ガスが互いに混合しない流れ通路の回路とする。

このように本発明では、ＥＧＲ弁、ＥＧＲクーラ、ＥＧＲ通路等のＥＧＲ関連装置、ＶＧターボ過給機、ウエストゲート付き過給機、給気インタークーラ等の過給機関連装置、ＤＰＦ装置、酸化触媒装置、ＮＯｘ吸蔵還元装置、尿素ＳＣＲ装置等の排出ガス後処理装置を必要に応じて配設した場合には、これらの各装置を第１気筒群と第２気筒群の吸排気通路にそれぞれ独立して配設したことが特徴である。これにより、第１気筒群と第２気筒群の一方の気筒群の吸気脈動および排気脈動が他方の気筒群の各気筒の吸気通路、排気通路およびＥＧＲガス通路の圧力変動を増幅させることは回避できるようにする。

以上、複数の気筒群として６気筒エンジンを２つの気筒群に分けた場合を例にして説明したが、６気筒以上の多気筒ターボ過給ディーゼルエンジンでは３つ以上の気筒群に分けても良い。また、例えば直列４気筒４サイクルの等間隔着火エンジンで着火の気筒順序が１−２−４−３あれば、第１気筒と第４気筒を第１気筒群として１−４の順序で３６０度（クランク角度）の間隔の着火とし、第２気筒と第３気筒を第２気筒群として２−３の順序で３６０度（クランク角度）の間隔の着火とする。

そして、複数の気筒群に分けた多気筒ターボ過給ディーゼルエンジンにおいて、ディーゼルエンジンの場合には燃料噴射方式として各気筒に配設した電子制御燃料噴射ノズルにより各気筒内に直接噴射する。その場合、各気筒に噴射する燃料量が独立して制御できる電子制御燃料噴射装置を用いる。この時の電子制御燃料噴射装置としては例えば非特許文献１または非特許文献２に記載の電子制御ユニットインジェクタまたはコモンレール式ユニットインジェクタを用いる。

以下、複数の気筒群の例として６気筒エンジンを第１気筒群と第２気筒群の２つの気筒に分けた場合について説明する。電子制御燃料噴射装置を配設した多気筒ターボ過給ディーゼルエンジンの第１気筒群と第２気筒群への燃料供給はそれぞれ独立した制御を行う。例えばエンジンの特定の部分負荷運転条件下では、第１気筒群には電子制御燃料噴射装置により燃料を供給して燃焼させる稼動気筒群としてエンジン出力を発生させ、第２気筒群には燃料供給燃料供給を停止して休止気筒群として運転する。

逆に第２気筒群を稼動気筒群とした場合には、第１気筒群を休止気筒群として運転する。一方、エンジンの高負荷運転領域では第１気筒群と第２気筒群の両方の気筒群に燃料供給を行って第１気筒群と第２気筒群の両方を稼動気筒群として運転する。このように、第１気筒群と第２気筒群は多気筒ターボ過給ディーゼルエンジンの運転条件に応じて予め定めた通りに稼動気筒群と休止気筒群のそれぞれの作動状態に切り替えてエンジンを運転できるようにする。

そして、複数の気筒群毎の吸気通路および排気通路にそれぞれ独立して配設したＥＧＲ弁、ＥＧＲクーラ、ＥＧＲ通路等のＥＧＲ関連装置、ＶＧターボ過給機、ウエストゲート付き過給機、給気インタークーラ等の過給機関連装置、ＤＰＦ装置、酸化触媒装置、ＮＯｘ吸蔵還元装置、尿素ＳＣＲ装置等の排出ガス後処理装置は、気筒群毎のそれぞれのエンジン負荷運転条件に応じて気筒群毎に独立した制御ができるようにしたことである。

以下、複数の気筒群の例として６気筒ターボ過給ディーゼルエンジンを第１気筒群と第２気筒群の２つの気筒に分けた場合について説明する。
例えば、ＶＧターボ過給機やＥＧＲ装置を装着した時にはエンジンの特定の部分負荷時において、第１気筒群を稼動気筒群とし、第２気筒群を休止気筒群として運転する場合、第１気筒群のＶＧターボ過給機は第１気筒群のエンジン負荷運転条件に応じて排気タービンノズル弁の開度を調節する。そして第１気筒群のＥＧＲ弁も第１気筒群のエンジン負荷運転条件に応じてＥＧＲ弁の開度を調節する。

一方、第２気筒群のＶＧターボ過給機の排気タービンノズル弁の開度やＥＧＲ弁の開度は、第１気筒群と異なった休止気筒群に対応した開度に調節する。

以上により、請求項１記載の発明によれば、複数の気筒群に分けた多気筒ターボ過給ディーゼルエンジンにおいて、気筒群毎に独立した吸気通路、排気通路、ＥＧＲガス通路を配設し、各気筒群毎にエンジンの吸気量、吸気ブースト圧力、ＥＧＲ率を制御し、排出ガス浄化の制御を可能とするために、ＥＧＲ弁、ＥＧＲクーラ、ＥＧＲ通路、過給装置、給気インタークーラ、排出ガス後処理装置（ＤＰＦ装置、酸化触媒装置、ＮＯｘ吸蔵還元装置、尿素ＳＣＲ装置等）の吸排気関連制御装置を気筒群毎に独立して配設している。そのため、気筒群毎の吸入空気、ＥＧＲガスおよび排気ガスが互いに混合しない流れ通路の回路となっている。
これにより一つの気筒群の吸気脈動および排気脈動が他の気筒群の吸気脈動および排気脈動に互いに干渉する不具合が防止され、すべてのエンジン運転条件下での安定した排出ガス低減に効果がある。

そして、複数の気筒群への燃料供給はそれぞれ独立した制御を行い、エンジンの特定の部分負荷運転条件下では、複数の気筒群の一部の気筒群に燃料を供給してエンジン出力を発生させる稼動気筒群とし、他の残りの気筒群には燃料供給を中止する休止気筒群として運転する。このようなエンジン部分負荷運転条件下で一部の気筒群を休止気筒群として運転する場合の稼動気筒群の各気筒では燃焼圧力と燃焼温度が高くなるためにエンジンサイクル効率が高くなり、同等のエンジン出力を全気筒群により運転する場合に比較して、エンジン全体の熱効率が向上できる効果が得られる。

また一部の気筒群の休止運転時には、稼動気筒群の排気温度が高くなるため、稼動気筒群の排出ガス後処理装置（ＤＰＦ装置、酸化触媒装置、ＮＯｘ吸蔵還元装置、尿素ＳＣＲ装置等）の排出ガス低減機能を十分に発揮させ、大きな排出ガス低減を得ることが可能となる。

そして、多気筒ターボ過給ディーゼルエンジンの部分負荷において、第１気筒群または第２気筒群の一方の気筒群を稼動気筒群とし、他の残りの気筒群を休止気筒群としてエンジンを運転した場合には、各気筒群の運転状態に応じて吸排気関連制御装置の個々の装置における制御要素の独立した制御を可能にしたことにより、互いに他の気筒群の運転状態の影響を受けること無く、第１気筒群と第２気筒群のそれぞれの吸気量、給吸ブースト圧力、ＥＧＲ率、排気ガス温度を最適に制御できるようにしたことである。
そのためエンジンの部分負荷運転時に一部の気筒群を稼動気筒群とし、他の残りの気筒群を休止気筒群として運転する時には、稼動気筒群の排気エネルギーは、休止気筒群の吸気の加圧に使われずに全て稼動気筒群の吸気の加圧に使われるため、稼動気筒群の過給効率が向上してエンジンのポンピング損失が低下し、エンジン熱効率の向上が得られる効果がある。

また、過給装置としてＶＧターボ過給機またはウエストゲート付き過給機の可変容量の過給装置を配設している場合では、稼動気筒群のＶＧターボ過給機の排気タービンノズル弁開度またはウエスゲート弁開度の調節により稼動気筒群の吸気量の制御が可能となる。これにより、過給装置の排気ガス出口の下流に配設した排出ガス後処理装置に流入する排気ガス温度の高温化することが可能である。ここで稼動気筒群に触媒作用を応用した排出ガス後処理装置（酸化触媒装置、ＮＯｘ吸蔵還元装置、尿素ＳＣＲ装置等）が配設されている場合には高温化した排気ガスの流入により排出ガスの浄化率が高くなるため、エンジン排出ガス削減に大きな効果がある。また、その稼動気筒群に触媒再生式ＤＰＦ装置が配設されている場合は、高温化した排気ガスがＤＰＦ装置に流入することにより触媒によるＤＰＦ装置の十分な再生機能を発揮されるため、触媒再生式ＤＰＦ装置のＰＭ捕集機能の持続的な作動が実現できる効果がある。

以上のよう特定の吸排気関連制御装置の制御による稼動気筒群の排気温度を上昇させることにより、その稼動気筒群に配設した触媒再生式ＤＰＦ装置の再生機能を発揮させてＰＭ捕集機能の持続的な作動を実現し、排出ガス後処理装置における排出ガス削減機能が十分に発揮されるようにすることが可能である。
同様に稼動気筒群にＥＧＲ弁を配設している場合でも休止気筒群の影響を受けることなく稼動気筒群のＥＧＲ率を制御することにより、稼動気筒群の燃焼改善によるエンジンから排出の排気ガスは大幅に削減することが可能となる。そのため、この稼動気筒群の燃焼改善による排出ガス低減と排出ガス後処理装置に流入する排気ガス温度の高温化と稼動気筒群の燃焼改善は、エンジンの更なる排出ガスの浄化に効果がある。

本発明の第１実施の形態について図１乃至図３に基づいて詳述する。先ず、本第１実施の形態における多気筒ターボ過給ディーゼルエンジン本体の各気筒の複数気筒群への分割と、その分割した各気筒群と吸気および排気マニホールドの接続について具体的な構成を示す模式的平面図である図１に基づいて説明する。本第１実施の形態に係る気筒群個別制御エンジンは自動車用の直列６気筒の４サイクル直噴式ターボ過給ディーゼルエンジンである。この直列６気筒エンジン本体１０の各気筒には図示のようにクーリングファン１１近くの気筒から順番に「１」〜「６」の番号を付し、それぞれを「第１気筒」〜「第６気筒」と呼ぶこととする。

第１気筒１には１本の電子制御燃料インジェクタ１３０ａ、２個の吸気弁２０ａ、１本の吸気ポート２３ａ、２個の排気弁４０ａ、１本の排気ポート４３ａが配設され、第２気筒２には１本の電子制御燃料インジェクタ１３１ａ、２個の吸気弁２１ａ、１本の吸気ポート２４ａ、２個の排気弁４１ａ、１本の排気ポート４４ａが配設され、第３気筒３には１本の電子制御燃料インジェクタ１３２ａ、２個の吸気弁２２ａ、１本の吸気ポート２５ａ、２個の排気弁４２ａ、１本の排気ポート４５ａが配設され、第４気筒４には１本の電子制御燃料インジェクタ１３０ｂ、２個の吸気弁２０ｂ、１本の吸気ポート２３ｂ、２個の排気弁４０ｂ、１本の排気ポート４３ｂが配設され、第５気筒５には１本の電子制御燃料インジェクタ１３１ｂ、２個の吸気弁２１ｂ、１本の吸気ポート２４ｂ、２個の排気弁４１ｂ、１本の排気ポート４４ｂが配設され、第６気筒６には１本の電子制御燃料インジェクタ１３２ｂ、２個の吸気弁２２ｂ、１本の吸気ポート２５ｂ、２個の排気弁４２ｂ、１本の排気ポート４５ｂが配設されている。

この直列６気筒エンジン本体１０は１２０度（クランク角度）の等間隔着火で着火の気筒順序が１−５−３−６−２−４であるたため、第１気筒１と第２気筒２と第３気筒３を第１気筒群７０ａとして１−３−２の気筒順序で２４０度（クランク角度）の間隔の着火とし、第４気筒４と第５気筒５と第６気筒６を第２気筒群７０ｂとして５−６−４の気筒順序で２４０度（クランク角度）の間隔の着火とする。

また、第１気筒群７０ａの吸気マニホールド３０ａには第１気筒群７０ａの各気筒の吸気ポート２３ａ、２４ａおよび２５ａが接続され、第２気筒群７０ｂの吸気マニホールド３０ｂには第２気筒群７０ｂの各気筒の吸気ポート２３ｂ、２４ｂおよび２５ｂが接続されている。そして第１気筒群７０ａの排気マニホールド５０ａには第１気筒群７０ａの各気筒の排気ポート４３ａ、４４ａおよび４５ａが接続され、第２気筒群７０ｂの排気マニホールド５０ｂには第２気筒群７０ｂの各気筒の排気ポート４３ｂ、４４ｂおよび４５ｂが接続されている。

次に、本第１実施の形態の多気筒ターボ過給ディーゼルエンジンのシステム全体について具体的な構成を示す模式的平面図である図２に基づいて説明する。先ず第１気筒群７０ａの吸気と排気およびＥＧＲについて説明する。エアクリーナ１１１から吸入された第１気筒群７０ａの吸気は吸気管３４ａを通り第１気筒群７０ａのＶＧターボ過給機６０ａの給気ブロア６１ａにより加圧される。この加圧されて高温高圧化した吸気は吸気管３３ａにより空冷式給気インタークーラ３２ａに導かれて冷却され、この冷却された吸気は、吸気管３１ａにより吸気マニホールド３０ａに導かれて、第１気筒群７０ａの各気筒のそれぞれの吸気ポート２３ａ、２４ａ、２５ａおよび吸気弁２０ａ，２１ａ、２２ａを介して第１気筒群７０ａの各気筒に吸入される。第１気筒群７０ａの各気筒の排気ガスは第１気筒群７０ａの各気筒のそれぞれの排気弁４０ａ，４１ａ、４２ａおよび排気ポート４３ａ、４４ａ、４５ａから排気マニホールド５０ａを通り、排気管５１ａを経て第１気筒群７０ａのＶＧターボ過給機６０ａに導かれる。

ＶＧターボ過給機６０ａに導かれた第１気筒群７０ａの排気ガスは排気タービン６２ａを駆動し、排気タービン６３ａと同軸の給気ブロア６１ａを回転させて第１気筒群７０ａに吸入される吸気を加圧する。ＶＧターボ過給機６０ａでは図示しないエンジンＥＣＵからの信号により電子制御可変排気タービンノズル弁アクチェータ６４ａにより可変排気タービンノズル弁６３ａの弁開度が調節されて排気タービン６２ａの回転数が制御される。この排気タービン６２ａの回転数の調節により、排気タービン６２ａと同軸駆動の給気ブロア６１ａで加圧される吸気のブースト圧力が調節され、第１気筒群７０ａに吸入される吸気量が調節される。

このように本第１実施の形態の気筒群個別制御エンジンでは、第１気筒群７０ａの排気ガスのエネルギーは、第１気筒群７０ａだけの吸気のブースト圧力を増加させて過給する構造となっている。

次に排気タービン６３ａから流出した第１気筒群７０ａの排気ガスは、排気管５２ａを通って酸化触媒再生式ＤＰＦ装置９０ａに流入し、排気ガス中のＰＭが酸化触媒再生式ＤＰＦ装置９０ａに捕集され、排気ガス中のＰＭは浄化される。次に酸化触媒再生式ＤＰＦ装置９０ａより流出した第１気筒群７０ａの排出ガスは、排気管５３ａを通って尿素ＳＣＲ装置１００ａに流入してＮＯｘが浄化された後、排気マフラー１１０に流入し、その後、大気に放出される。
ここで第１気筒群７０ａの排気ガス中のＮＯｘを尿素ＳＣＲ装置１００ａで還元浄化するため、図示しない尿素水タンクから供給された尿素水は尿素水加圧ポンプ１０２にて加圧され、尿素水噴射電磁弁ノズル１０１ａから尿素ＳＣＲ装置１００ａに流入する直前の排気ガス中に噴射される。この噴射された尿素水により、尿素ＳＣＲ装置１００ａ内で排気ガス中のＮＯｘは還元され、第１気筒群７０ａの排出ガスは浄化される。尿素水噴射電磁弁ノズル１０１ａから噴射する尿素水の量は、第１気筒群７０ａのエンジン負荷条件によって予め定められた通りに図示しないエンジンＥＣＵからの信号により調節される。

また、第１気筒群７０ａの排気ガスの一部を排気管５１ａに接続したＥＧＲ管８２ａによりＥＧＲガスとして分流させる。このＥＧＲガスは電子制御ＥＧＲ弁８０ａおよびＥＧＲ管８３ａを経てＥＧＲクーラ８１ａに導いて冷却し、ＥＧＲ管８４ａを経て吸気管３１ａに導き、第１気筒群７０ａの吸気中に還流させる。このＥＧＲガス量は第１気筒群７０ａのエンジン負荷条件によって予め定められた通りに図示しないエンジンＥＣＵからの信号により電子制御ＥＧＲ弁８０ａの開度を制御して調節する。

次に第１気筒群７０ａの燃料供給について説明する。図示しない燃料タンクから供給された軽油燃料は燃料サプライポンプ１２０により加圧され、高圧燃料管１２１を通じてコモンレール１２２に導かれる。このコモンレール１２２に導かれた高圧燃料は、高圧燃料管１２３ａ、１２４ａ、１２５ａを通じて第１気筒群７０ａの各気筒の燃焼室に配設した電子制御燃料インジェクタ１３０ａ、１３１ａ、１３２ａから直接、燃焼室内に噴射される。

一方、第２気筒群７０ｂの吸入空気、排気ガスおよびＥＧＲガスの流れと燃料供給については、図２に示した通り、第２気筒群７０ｂの吸気管２３ｂ、２４ｂ、２５ｂ、ＶＧターボ過給機６０ｂ、吸気マニホールド３０ｂ、排気マニホールド５０ｂ、酸化触媒再生式ＤＰＦ装置９０ｂ、尿素ＳＣＲ装置１００ｂ、尿素水噴射電磁弁ノズル１０１ｂ、排気管５１ｂ、５２ｂ、５３ｂ、ＥＧＲ管８２ｂ、８３ｂ、８４ｂ、ＥＧＲ弁８０ｂ、ＥＧＲクーラ８１ｂは第１気筒群７０ａと同様に第２気筒群７０ｂ用として独立して配設してあるのでので、説明を省略する。
なお、ＶＧターボ過給機６０ａ、６０ｂは、第１気筒群７０ａと第２気筒群７０ｂのそれぞれの気筒群の出力に適した容量のものを独立して配設する。
ただし、燃料サプライポンプ１２０、燃料コモンレール１２２および尿素水加圧ポンプ１０２、エアクリーナ１１１、排気マフラー１１０は第図２に示した通り、第１気筒群７０ａと第２気筒群７０ｂとで共用である。
以上のようにエアクリーナ１１１の下流から排気マフラー１１０上流の間において、第１気筒群７０ａと第２気筒群７０ｂの吸入空気、ＥＧＲガスおよび排気ガスの流れ通路は独立しており、エンジンの運転中の第１気筒群７０ａと第２気筒群７０ｂの吸入空気、ＥＧＲガスおよび排気ガスは互いに混合しない構造となっている。

図３は本第１実施の形態に係る気筒群個別制御エンジンの基本構成と制御信号を示すブロック図である。本第１実施の形態に係るエンジンではエアクリーナ１１１の下流から排気マフラー１１０上流の間における吸入空気、ＥＧＲガスおよび排気ガスの流れ回路は、第１気筒群吸排気系１５０およびと第２気筒群吸排気系１６０に分けられる。第１気筒群吸排気系１５０ではエアクリーナ１１１から吸入された吸気は、ＶＧターボ過給機６０ａの給気ブロア６１ａで加圧され、空冷式給気インタークーラ３２ａで冷却されてエンジン本体１０の第１気筒群７０ａの各気筒に吸入される。そして第１気筒群７０ａの排気ガスの一部分は、電子制御ＥＧＲ弁８０ａを通ってＥＧＲクーラ８１ａで冷却されて第１気筒群７０ａの各気筒にＥＧＲガスとして還流される。ＥＧＲガスとして還流させた後の残りの排気ガスは、ＶＧターボ過給機６０ａの排気タービン６２ａを回転させた後、触媒再生式ＤＰＦ装置９０ａでＰＭが捕集され、浄化される。その後、第１気筒群７０ａの排気ガスには、尿素水噴射電磁弁１０１ａから噴射されて尿素水が混合され、尿素ＳＣＲ装置１００ａを通過中にＮＯｘが還元されて浄化された排気ガスとなって排気マフラー１１０から大気中に放出される。
また第２気筒群吸排気系１６０の構成は第１気筒群吸排気系１５０から独立してはいるが、同様の吸入空気、ＥＧＲガスおよび排気ガスの流れであるため、ここでは説明を省略する。

本第１実施の形態に係る多気筒ターボ過給ディーゼルエンジンでは、自動車のアクセルペダル位置１３０の信号と第１気筒群７０ａおよび第２気筒群７０ｂのエンジン運転状態の信号がエンジンＥＣＵ１４０に入力される。これら入力信号に基づいてエンジンＥＣＵ１４０の記憶データおよびプログラムに従ってエンジンＥＣＵ１４０から第１気筒群吸排気系１５０およびと第２気筒群吸排気系１６０の各吸排気関連制御装置に制御信号が出力される。

エンジンＥＣＵ１４０から第１気筒群７０ａと第２気筒群７０ｂには燃料噴射の信号が出力され、アクセルペダル位置１３０に対応した第１気筒群７０ａと第２気筒群７０ｂへの燃料供給量の制御が行われる。また、エンジンＥＣＵ１４０から電子制御ＥＧＲ弁８０ａおよび８０ｂにはそれぞれのＥＧＲ弁の開度信号が出力され、アクセルペダル位置１３０に対応した第１気筒群７０ａと第２気筒群７０ｂのそれぞれの気筒群のＥＧＲ率に制御される。

またエンジンＥＣＵ１４０からＶＧターボ過給機６０ａ、６０ｂの電子制御可変排気タービンノズル弁アクチェータ６４ａ、６４ｂにはアクセルペダル位置１３０に対応した可変排気タービンノズル弁６３ａ、６３ｂの排気タービンノズル弁の開度を調節する信号を出力して排気タービン６２ａおよび６２ｂの回転数を制御して第１気筒群吸排気系１５０およびと第２気筒群吸排気系１６０のそれぞれの吸気のブースト圧力の最適化の制御を行う。

また尿素水噴射電磁弁１０１ａおよび１０１ｂにはエンジンＥＣＵ１４０からアクセルペダル位置１３０に対応した尿素水噴射量を調節する信号を出力して、第１気筒群吸排気系１５０および第２気筒群吸排気系１６０の排気ガスに混合する尿素水量を最適化に制御する。

そのため、例えばエンジンの部分負荷運転条件下で第１気筒群７０ａを稼動気筒群として運転して第２気筒群７０ｂを休止気筒群として運転する時には稼動気筒群のＶＧターボ過給機６０ａが過給機として作動し、ＶＧターボ過給機６０ｂは過給機として作動しない状態となる。このようにエンジンの部分負荷運転条件下で第１気筒群７０ａを稼動気筒群として運転する場合の第１気筒群７０ａのＶＧターボ過給機６０ａの過給機効率は、同等の出力を第１気筒群７０ａと第２気筒群７０ｂの両方の気筒群による運転する時に比較して高くなる結果、エンジンのポンピング損失が低下し、エンジンの高い熱効率が得られる効果がある。

更に、第１気筒群７０ａと第２気筒群７０ｂにＶＧターボ過給機６０ａ、６０ｂと空冷式給気インタークーラ３２ａ、３２ｂをそれぞれ独立して配設しているため、エンジンの部分負荷運転条件下で一部の気筒群を休止気筒群として運転するときには、稼動気筒群の排気エネルギーは、休止気筒群の吸気の加圧に使われずに全て稼動気筒群の吸気の加圧に有効に使うことができ、稼動気筒群の過給効率が向上してエンジンのポンピング損失を更に低下させ、エンジンの熱効率が向上できる効果もある。

また、第１気筒群吸排気系１５０およびと第２気筒群吸排気系１６０のそれぞれにはＶＧターボ過給機６０ａおよび６０ｂが独立して配設され、第１気筒群と第２気筒群７０ｂのブースト圧力はそれぞれ独立して制御できるため、第１気筒群７０ａと第２気筒群７０ｂのそれぞれのエンジン負荷条件に最適な状態でターボ過給機を作動させることが可能となり、十分なエンジンの排出ガス低減および燃費低減を図ることができる。

例えばエンジンの部分負荷運転条件下で第１気筒群７０ａを稼動気筒群とし、第２気筒群７０ｂを休止気筒群として運転するときには、第１気筒群７０ａのＶＧターボ過給機６０ａは第１気筒群７０ａのエンジン負荷条件に最適なブースト圧力になるように可変排気タービンノズル弁６３ａを制御し、第２気筒群７０ｂのＶＧターボ過給機６０ｂは休止気筒群に最適なポンピング損失を最小にするように第２気筒群７０ｂの可変排気タービンノズル弁６３ｂを制御する。このようなエンジンの部分負荷運転条件では一部気筒群の休止運転気により排出ガスの低減と高い熱効率のエンジン運転を実現することが可能となる。エンジン部分負荷運転での一部気筒群の休止運転は、同等の負荷運転で全気筒群を稼動気筒群として運転する場合に比較して、稼動気筒群の排気温度を大幅に高くすることが可能となる。

以上のように第１気筒群７０ａと第２気筒群７０ｂのエンジン負荷を独立して制御し、それぞれの気筒群の吸気量、ＥＧＲ率、排気ガス温度を独立して制御することにより、稼動気筒群の燃焼改善による排出ガスの削減が容易となる。また、稼動気筒群の排気ガス温度の高温化の実現は、稼動気筒群の尿素ＳＣＲ装置１００ａまたは１００ｂの触媒機能の向上によるＮＯｘ低減率の向上に加え、エンジンの部分負荷の長時間継続運転時においても触媒再生式ＤＰＦ装置９０ａまたは９０ｂが十分に再生可能となるために、当該ＤＰＦ装置のＰＭの過剰捕集によるエンジン停止や捕集ＰＭの異常燃焼によるフィルタ溶損が回避できる効果がある。

ところで上記各実施形態の各エンジンに配設した吸排気関連制御装置の個々の装置は、エンジン出力値の適正化、排出ガスの低減やエンジン製造コストの低減を満足させるため、他の装置に変更するか、若しくは新たな排出ガス低減の後処理装置を配設しても良い。例えば、本第１実施の形態に係るエンジンでは、過給装置としてＶＧターボ過給機に替えてウエストゲート付ターボ過給機を使用することや、尿素ＳＣＲ装置に替えてＮＯｘ吸蔵還元装置を使用することや、尿素ＳＣＲ装置を省いても良い。

本第１実施の形態におけるエンジン本体の各気筒を複数気筒群への分割と吸気および排気マニホールドへの接続についての具体的な構成を示す模式的平面図である。 本第１実施の形態の多気筒ターボ過給ディーゼルエンジンの全体について、具体的な構成を示す模式的平面図である。 本第１実施の形態の多気筒ターボ過給ディーゼルエンジンの基本構成と制御信号を示すブロック図である。

１ 第１気筒
２ 第２気筒
３ 第３気筒
４ 第４気筒
５ 第５気筒
６ 第６気筒
１０ 直列６気筒エンジン本体
１１ クーリングファン
２０ａ、２１ａ、２２ａ、２０ｂ、２１ｂ、２２ｂ 吸気弁
２３ａ、２４ａ、２５ａ、２３ｂ、２４ｂ、２５ｂ 吸気ポート
３０ａ、３０ｂ 吸気マニホールド
３１ａ、３１ｂ 吸気管
３２ａ、３２ｂ 空冷式給気インタークーラ
３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂ 吸気管
４０ａ、４１ａ、４２ａ、４０ｂ、４１ｂ、４２ｂ 排気弁
４３ａ、４３ｂ、４４ａ、４４ｂ、４５ａ、４５ｂ 排気ポート
５０ａ、５０ｂ 排気マニホールド
５１ａ、５２ａ、５３ａ、５１ｂ、５２ｂ、５３ｂ 排気管
６０ａ、６０ｂ ＶＧターボ過給機
６１ａ、６１ｂ 給気ブロア
６２ａ、６２ｂ 排気タービン
６３ａ、６３ｂ 可変排気タービンノズル弁
６４ａ、６４ｂ 電子制御可変排気タービンノズル弁アクチェータ
７０ａ 第１気筒群
７０ｂ 第２気筒群
８０ａ、８０ｂ 電子制御ＥＧＲ弁
８１ａ、８１ｂ ＥＧＲクーラ
８２ａ、８３ａ、８４ａ、８２ｂ、８３ｂ、８４ｂ ＥＧＲ管
９０ａ、９０ｂ 酸化触媒再生式ＤＰＦ装置
１００ａ、１００ｂ 尿素ＳＣＲ装置
１０１ａ、１０１ｂ 尿素水噴射電磁弁ノズル
１０２ 尿素水加圧ポンプ
１１０ 排気マフラー
１１１ エアクリーナ
１２０ 燃料サプライポンプ
１２１ 高圧燃料管
１２２ コモンレール
１２３ａ、１２４ａ、１２５ａ、１２３ｂ、１２４ｂ、１２５ｂ 高圧燃料管
１３０ アクセルペダル位置
１３０ａ、１３１ａ、１３２ａ 電子制御燃料インジェクタ
１３０ｂ、１３１ｂ、１３２ｂ 電子制御燃料インジェクタ
１４０ エンジンＥＣＵ
１５０ 第１気筒群吸排気系
１６０ 第２気筒群吸排気系

Claims (1)

1. 多気筒ターボ過給ディーゼルエンジンにおいて、各気筒を複数の気筒群に分け、上記気筒群の各気筒に空気を供給するための上記気筒群毎に独立した吸気通路を設け、上記気筒群の各気筒の排気ガスを排出するための上記気筒群毎に独立した排気通路を設け、上記多気筒ターボ過給ディーゼルエンジンにＥＧＲ弁、ＥＧＲクーラ等のＥＧＲ関連装置とＶＧターボ過給機、ウエストゲート付き過給機、吸気インタークーラ等の過給機関連装置とＤＰＦ装置、酸化触媒装置、尿素ＳＣＲ装置等の排出ガス後処理装置の吸排気関連制御装置の何れを装着する場合においても、上記吸排気関連制御装置は上記気筒群毎の上記吸気通路から上記排気通路に至る上記気筒群毎の吸排気回路の途中にそれぞれ独立して配設し、上記気筒群毎の吸入空気、ＥＧＲガスおよび排気ガスが互いに混合しない流れ通路の回路とし、エンジンECUからの信号により、上記気筒群毎に配設した上記吸排気関連制御装置の個々の装置は上記気筒群毎のそれぞれの負荷条件に従って上記気筒群毎に独立した制御を可能とし、上記気筒群への燃料供給は上記気筒群毎に独立した制御を可能として上記気筒群毎のエンジン負荷を独立して制御し、上記多気筒ターボ過給ディーゼルエンジンの特定の部分負荷運転では一部の上記気筒群に燃料供給して燃焼させてエンジン出力を発生させる稼動気筒群とした時には残りの他の上記気筒群には燃料供給を中止する休止気筒群として運転して同等のエンジン出力を全ての上記気筒群により運転する時に比較して稼動気筒群の排気ガス温度を高温化し、高負荷を含むその他のエンジン運転領域では全ての上記気筒群に燃料供給を行って全ての上記気筒群を稼動気筒群として運転して上記気筒群毎のエンジン負荷、吸気量、ＥＧＲ率を独立して制御することによって稼動気筒群の排気ガス温度を高温化し、排気ガス温度の高温化によって稼動気筒群の上記ＤＰＦ装置の再生機能向上や上記尿素ＳＣＲ装置のＮＯｘ削減機能の向上および上記酸化触媒装置の排出ガス削減機能の向上の上記排出ガス後処理装置の排出ガス低減機能を十分に発揮できるようにしたことを特徴とする気筒群個別制御エンジン。

Images