JP5692235B2

JP5692235B2 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP5692235B2
Application number: JP2012544073A
Authority: JP
Inventors: 知由小郷; 孝小川; 勝広伊藤; 一康岩田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2030-11-19
Also published as: EP2642102B1; EP2642102A1; EP2642102A4; JPWO2012066684A1; WO2012066684A1

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関（特にディーゼル機関）では、排ガス中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する浄化触媒、および粒子状物質（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ，以下、ＰＭと略記する）を捕集するパティキュレートフィルタ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ，以下、ＤＰＦと略記する）を有する排気浄化装置を排気通路に配置することで低エミッション化を実現している。

排気浄化装置が適切な浄化性能を発揮するためには、浄化触媒が活性状態となる温度以上にあることが要求される。そのため、排気エミッションを低減する上では、内燃機関の始動後に速やかに排気浄化装置を活性状態となる温度域まで上昇させる（暖機する）ことが重要である。このような要求に対して、ディーゼルエンジンの暖機完了前において、低出力時にはスロットル弁を閉じてＥＧＲ弁を開いて空気過剰率を目標値よりも小さく制御することで、排ガスの温度を上昇させて排気浄化装置の暖機を促進する制御についての技術が特許文献１に開示されている。

そして、その他本発明と関連性があると考えられる技術が特許文献２および３に開示されている。

特開２００３−１２９８８３号公報特開２００３−０４１９８３号公報特開２００９−１３８７３３号公報

排気浄化装置の温度を上昇させるためには、内燃機関の燃料噴射量を増大して排ガス温度を上昇させることが有効である。ここで、例えばエンジン始動後の暖機運転中など、内燃機関が低出力領域にある場合は浄化触媒が低温状態（未活性状態）にあるため排ガスを適切に浄化することができない。そのため、一般的に内燃機関の低出力領域ではエミッションの悪化を抑制するよう燃料噴射量を低減する制御がドライバーの要求トルクに影響を与えない範囲で実行されるために、排ガス温度を迅速に上昇させることが困難である。また、ディーゼル機関では、一般的に排気浄化装置の上流側に設けられた過給機において排ガスのエネルギの一部が利用されるために、排気浄化装置に流入する排ガスの温度が低下する。このような点から、排気浄化装置の温度上昇を促進することが困難であった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、排気浄化装置の温度上昇を促進することが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。

上記目的を達成するために、本発明の内燃機関の制御装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関の排ガスを浄化する排気浄化装置と、前記排気浄化装置よりも上流の前記排気通路と吸気通路とを連通し、排ガスの一部を前記吸気通路に還流させ、前記吸気通路への排ガスの還流供給量を調節するためのＥＧＲバルブが設けられたＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路の排ガス入口部分の近傍に設けられ、前記ＥＧＲ通路を遮断することで前記内燃機関の排気マニホルドと前記排気通路と前記ＥＧＲ通路との容積の和である排気系容積を縮小可能な遮断弁と、前記排気浄化装置の温度を検出する温度検出手段と、を備え、前記温度検出手段の検出結果が、前記排気浄化装置の浄化触媒が活性状態となる任意の温度である所定のしきい値未満の場合に、前記遮断弁が前記ＥＧＲ通路を遮断して前記排気系容積を縮小することで、前記排気浄化装置へ流入する排ガスの排気脈動の振幅を大きくすることを特徴とする。
上記の構成により、排気浄化装置が活性温度未満の場合に、遮断弁がＥＧＲ通路を遮断して排気系容積を縮小することで排気浄化装置へ流入する排ガスの排気脈動の振幅を大きくすることができる。よって、排気浄化装置の温度上昇を促進することができる。

そして、本発明の内燃機関の制御装置は、前記ＥＧＲ通路よりも下流で前記排気浄化装置よりも上流の前記排気通路に設けられ、排ガスのエネルギを利用して吸入空気を過給する過給機と、前記過給機における排ガスのエネルギ利用率を変更することで吸入空気の過給圧を制御する過給圧制御手段と、前記内燃機関の出力を検出する出力検出手段と、を備え、前記温度検出手段の検出結果が所定のしきい値未満で、かつ前記出力検出手段の検出結果が所定のしきい値以上の場合に、前記過給圧制御手段が前記過給機における排ガスのエネルギ利用率を低下させる構成であってもよい。
上記の構成により、排気浄化装置が活性温度未満であって、かつ内燃機関が中・高出力領域にある場合に、過給機における排ガスのエネルギ利用率を低下させて排気浄化装置により高いエネルギを有する（すなわち、より高温の）排ガスを流入させることができる。よって、排気浄化装置の温度上昇を促進することができる。

本発明によれば、排気浄化装置の温度上昇を促進することができる。

図１は、実施例のエンジンシステムの一構成例を示した図である。図２は、実施例のエンジンの一気筒の構成例を示した断面図である。図３は、エンジンの吸気圧力および排気圧力とクランク角度との相関例を示している。図４は、エンジンの排気系容積と排気脈動振幅との相関例を示している。図５は、エンジンの排気系容積とエンジン出力との相関例を示している。図６は、エンジンＥＣＵの処理の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。

本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の内燃機関の制御装置を搭載したエンジンシステム１の一構成例を示した図である。なお、図１にはエンジンの一部の構成のみを示している。

図１に示すエンジンシステム１は、動力源であるエンジン１００を備えており、エンジン１００の運転動作を総括的に制御するエンジンＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）１０を備えている。エンジン１００は、排気マニホルド１３の下流側にターボチャージャ１４および排気浄化装置３０を備えており、吸気弁２２および排気弁２３のバルブタイミングを変更する電動ＶＶＴ機構２６および油圧ＶＶＴ機構２７を備えている。また、エンジン１００は、ＥＧＲ通路１６の排ガス入口部分に遮断弁１６３を備えている。そして、エンジン１００は、吸気通路１２に吸入空気量を調節するディーゼルスロットル１９を備えている。更に、エンジン１００は、排気浄化装置３０に浄化触媒３１の温度を検出する温度センサ４２を備えている。また、エンジン１００は、クランクシャフト２１軸の回転角度を検出するクランク角センサ４１を備えている。

図２は、実施例のエンジン１００の一気筒の構成例を示した断面図である。エンジン１００は、車両に搭載される多気筒ディーゼルエンジンであって、各気筒は燃焼室を構成するピストンを備えている。各燃焼室のピストンは、エンジン１００のシリンダに摺動自在に嵌合されており、それぞれコネクティングロッドを介して出力軸部材であるクランクシャフト２１に連結されている。

エンジンＥＣＵ１０は、エアフロメータ４３からの吸入空気量、クランク角センサ４１からのピストンの位置等の情報に基づき、燃料の噴射量および噴射タイミングを決定しインジェクタ１７に信号を送る。インジェクタ１７は、エンジンＥＣＵ１０の信号に従って、指示された燃料噴射量および噴射タイミングで燃焼室内に燃料を噴射する。インジェクタ１７より噴射された燃料は、燃焼室内で霧化し、吸気弁の開弁に伴って燃焼室内へ流入する吸入空気と混合気を形成する。そして、混合気は、ピストンの上昇運動により燃焼室内で圧縮されて着火することで燃焼し、燃焼室内を膨張させてピストンを下降させる。この下降運動がコネクティングロッドを介してクランクシャフト２１の軸回転に変更されることにより、エンジン１００は動力を得る。この場合、エンジン１００は、軽油を燃料とするディーゼルエンジンが好ましいが、それに限定されない。
なお、エンジン１００は、本発明の内燃機関の一構成例である。

クランクシャフト２１の軸の近傍には、クランク角センサ４１が設けられている。クランク角センサ４１は、クランクシャフト２１軸の回転角度を検出するように構成されており、検出結果をエンジンＥＣＵ１０に送信する。それにより、エンジンＥＣＵ１０は、運転時のクランクシャフト２１軸の回転数や回転角速度など、クランク角に関する情報を取得する。そして、エンジンＥＣＵ１０は、取得したクランクシャフト２１軸の回転数や回転角速度に基づきエンジン回転数やエンジントルクを算出してエンジン１００の出力を認識する。
なお、クランク角センサ４１は、本発明の出力検出手段の一構成例である。

各燃焼室には複数の吸気弁、排気弁が設けられている。図２には吸気弁、排気弁をそれぞれ１つずつ示している。燃焼室の各吸気ポートには、それぞれ吸気弁２２が配置されており、吸気弁２２を開閉駆動させるための吸気カムシャフト２４が配置されている。更に、燃焼室の各排気ポートには、それぞれ排気弁２３が配置されており、排気弁２３を開閉駆動させるための排気カムシャフト２５が配置されている。

吸気弁２２および排気弁２３はクランクシャフト２１の回転が連結機構（例えばタイミングベルト、タイミングチェーンなど）により伝達された吸気カムシャフト２４および排気カムシャフト２５の回転により開閉され、吸気ポートおよび排気ポートと燃焼室とを連通・遮断する。なお、吸気弁２２、および排気弁２３の位相は、クランク角を基準にして表される。

吸気カムシャフト２４は可変動弁機構（以下、ＶＶＴ機構という）である電動ＶＶＴ機構２６を有している。この電動ＶＶＴ機構２６はエンジンＥＣＵ１０の指示により電動モータで吸気カムシャフト２４を回転させる。それにより吸気カムシャフト２４のクランクシャフト２１に対する回転位相が変更されることから、吸気弁２２のバルブタイミングが変更される。この場合、吸気カムシャフト２４の回転位相は、吸気カム角センサ４５にて検出され、エンジンＥＣＵ１０へと出力される。それにより、エンジンＥＣＵ１０は、吸気カムシャフト２４の位相を取得することができるとともに、吸気弁２２の位相を取得することができる。また、吸気カムシャフト２４の位相は、クランク角を基準にして表される。

排気カムシャフト２５は油圧ＶＶＴ機構２７を有している。この油圧ＶＶＴ機構２７はエンジンＥＣＵ１０の指示によりオイルコントロールバルブ（以下、ＯＣＶという）で排気カムシャフト２５を回転させる。それにより排気カムシャフト２５のクランクシャフト２１に対する回転位相が変更されることから、排気弁２３のバルブタイミングが変更される。この場合、排気カムシャフト２５の回転位相は、排気カム角センサ４６にて検出され、エンジンＥＣＵ１０へと出力される。それにより、エンジンＥＣＵ１０は、排気カムシャフト２５の位相を取得することができるとともに、排気弁２３の位相を取得することができる。また、排気カムシャフト２５の位相は、クランク角を基準にして表される。

図１に戻り、エンジン１００は、インジェクタ１７、コモンレール１８、低圧燃料ポンプ、高圧燃料ポンプ等より構成されるコモンレール式燃料噴射システムを備えている。燃料タンクより低圧燃料ポンプにより吸引された燃料は、高圧燃料ポンプにてコモンレール１８へ高圧で吐出し蓄圧される。

コモンレール１８は、インジェクタ１７に供給する高圧燃料を蓄圧する容器である。高圧燃料ポンプから圧送された燃料は、コモンレール１８内で噴射に必要な圧力まで蓄圧され、高圧配管を通じて各燃焼室のインジェクタ１７に供給される。また、コモンレール１８にはレール圧センサおよび減圧弁が設けられている。エンジンＥＣＵ１０は、レール圧センサから出力されたコモンレール１８内部の燃圧が規定値を超えた場合に、減圧弁を開放するように指示する。そして、減圧弁より燃料を排出することで、コモンレール圧が常に規定値以下になるよう調整する。減圧弁より排出された燃料は、リリーフ配管を通って燃料タンクへと戻される。

各燃焼室には、それぞれインジェクタ１７が装着されている。コモンレール１８より高圧配管を通じて供給された燃料は、エンジンＥＣＵ１０の指示によりインジェクタ１７にてエンジン気筒内の燃焼室に噴射供給される。エンジンＥＣＵ１０は、エアフロメータ４３からの吸入空気量、およびクランク角センサ４１からのピストンの位置の情報等に基づき、燃料噴射量と噴射タイミングを決定しインジェクタ１７に信号を送る。インジェクタ１７はエンジンＥＣＵ１０の信号に従って、指示された燃料噴射量・噴射タイミングにて燃焼室内へ燃料を高圧噴射する。インジェクタ１７のリーク燃料は、リリーフ配管を通じて燃料タンクへと戻される。この場合、インジェクタ１７は、エンジン１００の仕様に応じて燃焼室の任意の位置に装着することができる。
なお、インジェクタ１７は本発明の燃料噴射弁の一構成例である。

エンジン１００の各燃焼室には、それぞれの燃焼室と連通する吸気マニホルド１１が接続されている。吸気マニホルド１１は、吸気通路１２によってエアフロメータ４３、ディーゼルスロットル１９、インタークーラ、ターボチャージャ１４のコンプレッサを介してエアクリーナに連結されており、エンジン１００の外部から取り込まれた吸入空気を各燃焼室内へ導入する。
なお、吸気マニホルド１１および吸気通路１２は、本発明の吸気通路の一構成例である。

ディーゼルスロットル１９にはスロットルポジションセンサ４４が設けられている。エアフロメータ４３およびスロットルポジションセンサ４４は、それぞれ吸気通路１２を通過する吸入空気量、およびディーゼルスロットル１９の開度を検出し、検出結果をエンジンＥＣＵ１０に送信する。エンジンＥＣＵ１０は、送信された検出結果に基づいて吸気マニホルド１１へ導入される吸入空気量を認識し、ディーゼルスロットル１９の開度を調整することでエンジン１００の運転に必要な吸入空気を燃焼室へ取り込む。
ディーゼルスロットル１９は、ステップモータを用いたスロットルバイワイヤ方式を適用することが好ましいが、ディーゼルスロットル１９の弁開度を任意に変更可能なその他の機構を適用してもよい。
なお、ディーゼルスロットル１９は、本発明のスロットル弁の一構成例である。

更に、エンジン１００の各燃焼室には、それぞれの燃焼室と連通する排気マニホルド１３が接続されている。排気マニホルド１３は、排気通路１５によってターボチャージャ１４の排気タービンを介して排気浄化装置３０に連結されており、燃焼後の排ガスをエンジン１００の外部へと排出させる。
なお、排気マニホルド１３および排気通路１５は、本発明の排気通路の一構成例である。

ターボチャージャ１４は、排ガスの運動エネルギを利用して排気タービンを回転させ、エアクリーナを通過した吸入空気を圧縮してインタークーラへと送り込む。圧縮された吸入空気は、インタークーラで冷却された後に吸気マニホルド１１へと導入される。
ターボチャージャ１４は、可変ノズル式ターボチャージャ（ＶａｒｉａｂｌｅＮｏｚｚｌｅＴｕｒｂｏ，以下、ＶＮＴと略記する）であって、排気タービン側に可変ノズルベーン機構１４１が設けられている。この可変ノズルベーン機構１４１の開度を調整することにより、タービンインペラ翼への排ガスの流入角度を制御して、吸気マニホルド１１へ導入する吸入空気の過給圧を調節する。例えば、可変ノズルベーン機構１４１の開度をより小さくすると、より多くの排ガスがタービンインペラ翼に流入するために排ガスのエネルギ利用率が高くなって過給効率が向上する。また、可変ノズルベーン機構１４１の開度をより大きくすると、タービンインペラ翼に流入する排ガス量がより少なくなるために排ガスのエネルギ利用率が低くなって過給効率が低下する。この場合、ターボチャージャ１４はＶＮＴに限られず、ウェイストゲートによって過給圧の調節（排ガスのエネルギ利用率の制御）を行う構成であってもよい。
なお、ターボチャージャ１４は、本発明の過給機の一構成例である。また、可変ノズルベーン機構１４１は、本発明の過給圧制御手段の一構成例である。

排気浄化装置３０は、エンジン１００の排ガスを浄化するものであって、排ガス中のＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯを浄化する浄化触媒３１と、煤などの粒子状物質（ＰＭ）を捕集するＤＰＦ３２とを有している。

浄化触媒３１は、ＤＰＦ３２の上流側に設けられており、コーディライトセラミックスからなる多孔質のハニカム構造の触媒担体に酸化触媒をコートしたものであって、その内部を排ガスが通過可能な周知の構成である。浄化触媒３１の触媒担体としてはコーディライトに限られず、触媒担体として周知の他のセラミックスやメタルを適用してもよい。
ＤＰＦ３２は、浄化触媒３１の下流側に設けられており、多孔質のコーディライトセラミックスからなる周知のウォールフロー型フィルタである。ＤＰＦ３２としてはコーディライトに限られず、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の他のセラミックスを適用してもよい。
この場合、排気浄化装置３０は、上流側にＤＰＦ３２を設けて下流側に浄化触媒３１を設ける構成であってもよい。また、パティキュレートフィルタにＮＯｘ吸蔵還元触媒を組み合わせたＤＰＮＲ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｌａｔｅＮＯｘＲｅｄｕｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ）を排気浄化装置３０として適用してもよい。

温度センサ４２は、排気浄化装置３０の浄化触媒３１に設けられており、浄化触媒３１の床温度を検出し、検出結果をエンジンＥＣＵ１０に送信する。エンジンＥＣＵ１０は、送信された検出結果に基づいて浄化触媒３１の実温度を認識し、浄化触媒３１の温度が活性温度に達しているか否かを判断する。この場合、温度センサ４２は、前述の設置場所に限られずに浄化触媒３１の他の位置や複数箇所に設けてもよいし、別途、ＤＰＦ３２の床温度を検出するために設けてもよい。また、例えばエンジン１００の燃料噴射量および噴射時間から浄化触媒３１の温度を算出する等、温度センサ４２に限られずに浄化触媒３１の温度を検出する他の構成を採用してもよい。
なお、温度センサ４２は、本発明の温度検出手段の一構成例である。

排気マニホルド１３は、ＥＧＲ通路１６によって吸気マニホルド１１と連通されている。ＥＧＲ通路１６へと流入した排ガスは、ＥＧＲクーラ１６１にて冷却された後にＥＧＲバルブ１６２で流量を調節されつつ吸気マニホルド１１へ進み、吸入空気とともに燃焼室内へ導入される。ＥＧＲバルブ１６２は、エンジンＥＣＵ１０の指令に従ってバルブ開度を調節することで、吸気マニホルド１１への排ガスの還流供給量を適切な量へと調節する。このように、運転状態に応じた適切な量のＥＧＲガスを吸気マニホルド１１に還流供給することにより、エンジン１００の燃焼温度を低下させてＮＯｘ排出量の低減を図ることができる。
なお、ＥＧＲ通路１６は本発明の排ガス還流通路の一構成例である。

遮断弁１６３は、排気マニホルド１３とＥＧＲ通路１６との接続部位、すなわちＥＧＲ通路１６の排ガス入口部分に設けられている。遮断弁１６３は、エンジンＥＣＵ１０の指示に従ってＥＧＲ通路１６を遮断可能に構成されている。遮断弁１６３によってＥＧＲ通路１６を遮断することで、エンジン１００の排気系容積（排気マニホルド１３、排気通路１５およびＥＧＲ通路１６の容積の和）をＥＧＲ通路１６の容積分小さくすることができる。また、遮断弁１６３によってＥＧＲ通路１６を遮断することで、ターボチャージャ１４および排気浄化装置３０への排ガスの流入量を増大させることができる。この場合、遮断弁１６３はＥＧＲ通路１６の任意の位置に設けることができるが、ＥＧＲ通路１６の排ガス入口部分に設けることで、ターボチャージャ１４および排気浄化装置３０への排ガスの流入量をより迅速かつ適切に増大させることができる。
なお、遮断弁１６３は、本発明の流入制御手段の一構成例である。

エンジンＥＣＵ１０は、演算処理を行うＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）と、プログラム等を記憶するＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）と、データ等を記憶するＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）やＮＶＲＡＭ（ＮｏｎＶｏｌａｔｉｌｅＲＡＭ）と、を備えるコンピュータである。エンジンＥＣＵ１０は、エンジン１００の各部に備えられた複数のセンサの検出結果を読み込み、それら検出結果に基づいてエンジン１００の運転動作を統合的に制御する。

また、エンジンＥＣＵ１０は、電動ＶＶＴ機構２６および油圧ＶＶＴ機構２７を調節して吸気弁２２および排気弁２３のバルブオーバーラップ期間を調整し、エンジン１００の体積効率を高める制御を実行する。以下に、エンジンＥＣＵ１０が実行する体積効率の向上制御について説明する。

エンジン１００の体積効率を高める要求（例えば、車両の加速要求）があった場合に、エンジンＥＣＵ１０は、受信したクランク角センサ４１およびエアフロメータ４３の検出結果からエンジン１００の回転数および吸入空気量を認識する。そして、エンジンＥＣＵ１０は、認識したエンジン１００の回転数および吸入空気量に基づいて、以下（１）〜（２）のように電動ＶＶＴ機構２６および油圧ＶＶＴ機構２７を調節する。（１）吸気弁２２および排気弁２３の開弁時期を、エンジン１００の排気上死点（ＴＤＣ）近傍に排気脈動の谷がくるように調整する。（２）吸気弁２２および排気弁２３のバルブオーバーラップ期間を、ＴＤＣ近傍にシフトした排気脈動の谷と一致するよう調整する。この場合、エンジンＥＣＵ１０は、予め台上試験等にて作成した相関マップに基づいて電動ＶＶＴ機構２６および油圧ＶＶＴ機構２７の調節を行うことが望ましい。

図３は、エンジン１００の吸気圧力および排気圧力とクランク角度との相関例を示している。内燃機関の吸気圧力はクランク角度に関わらずほぼ一定となるのに対し、排気圧力は各燃焼室から排ガスが間欠的に排出されるのに伴って周期的に変動（脈動）する。この排気脈動の位相はエンジン回転数や吸入空気量の変化に伴って変化するが、吸気弁２２および排気弁２３の開弁時期によっても大きく変化する。例えば、排気弁２３の開弁時期が遅くなるにつれて排ガスが排気マニホルド１３内に放出されるタイミングが遅くなり、排気脈動の位相がＴＤＣ側（図３の右側）にシフトする。このように、吸気弁２２および排気弁２３の開弁時期を変更することで排気脈動の位相を制御することができる。

そして、排気上死点（ＴＤＣ）近傍にシフトした排気脈動の谷に一致するよう吸気弁２２および排気弁２３のバルブオーバーラップ期間を調整することで、バルブオーバーラップ期間において排気圧力よりも吸気圧力を高くすることができる。そのため、吸気弁２２を通じて燃焼室内に吸入空気が流入し易くなり、流入した吸入空気によって燃焼室内の排ガスが排気弁２３を通じて排出し易くなる。すなわち、掃気効果を発揮させることができる。

上記の制御に加えて、エンジンＥＣＵ１０は、ＥＧＲ通路１６を遮断するよう遮断弁１６３に指令し、エンジン１００の排気系容積をＥＧＲ通路１６の容積分小さくして排気脈動の振幅を大きくする制御を実行する。

図４はエンジン１００の排気系容積と排気脈動振幅との相関例を示しており、図５はエンジン１００の排気系容積とエンジン出力との相関例を示している。図４に示すように、遮断弁１６３によってＥＧＲ通路１６を遮断するとエンジン１００の排気脈動の振幅がより大きくなる。また、図５に示すように、遮断弁１６３によってＥＧＲ通路１６を遮断するとエンジン１００の出力がより向上する。すなわち、遮断弁１６３によってＥＧＲ通路１６を遮断する（排気系容積を小さくする）と、排気脈動の振幅が大きくなる（排気脈動が強まる）ことでエンジン１００の掃気効果が高まってエンジン出力がより向上する。つまり、エンジン１００の体積効率がより向上する。このように、エンジン１００の排気系容積を小さくすることで体積効率をより向上させることができる。この場合、エンジン１００の排気脈動をより強めるために、排気系容積をより小さくできる位置（例えば、ＥＧＲ通路１６の排ガス入口部分の近傍）に遮断弁１６３を設けることが望ましい。

更に、エンジンＥＣＵ１０は、排気浄化装置３０の温度が所定のしきい値未満の場合にＥＧＲ通路１６を遮断して排気浄化装置３０の温度上昇を促進する暖機制御を実行する。以下に、エンジンＥＣＵ１０が実行する排気浄化装置３０の暖機制御について説明する。

エンジンＥＣＵ１０は、温度センサ４２の検出結果に基づいて排気浄化装置３０（特に、浄化触媒３１）の温度を認識する。そして、エンジンＥＣＵ１０は、浄化触媒３１の温度が所定のしきい値未満であるか否かを判断する。ここで、浄化触媒３１の温度のしきい値とは、浄化触媒３１が活性状態となる任意の温度（例えば２００℃）を適用することができる。

エンジンＥＣＵ１０は、浄化触媒３１の温度が所定のしきい値未満である場合に、ＥＧＲ通路１６を遮断するよう遮断弁１６３に指令し、ＥＧＲ通路１６に流入する分の排ガスを排気通路１５へ流入させる。これによって、排気通路１５を通じてターボチャージャ１４および排気浄化装置３０に流入する排ガス量を増大させて、浄化触媒３１の昇温を促進する。この場合、エンジンＥＣＵ１０は、エンジン１００の体積効率を高める要求の有無に関わらず遮断弁１６３に遮断指令を実行する。

つづいて、エンジンＥＣＵ１０は、クランク角センサ４１の検出結果からエンジン１００の出力を認識し、認識したエンジン出力が所定値未満であるか否かを判断する。ここで、エンジン１００の出力とは、クランク角センサ４１の検出結果から算出されるエンジン回転数、軸トルク等の少なくとも一つを採用することができるが、例えば排ガス温度から出力を認識する構成であってもよい。また、エンジン１００の出力の所定値は、例えばエンジン１００の排ガス温度が浄化触媒３１を活性状態まで昇温するのに充分な温度（例えば２５０℃）となる任意のエンジン出力を適用することができる。

エンジンＥＣＵ１０は、エンジン出力が所定値未満である（すなわち、低出力領域にある）場合に、ターボチャージャ１４の可変ノズルベーン機構１４１の開度を小さくする（例えば全閉とする）よう指示する。これによって、タービンインペラ翼に流入する排ガス量を増大させてターボチャージャ１４の過給効率を向上させることで、エンジン１００の吸入空気量を増大させる。つづいて、エンジンＥＣＵ１０は、エアフロメータ４３およびスロットルポジションセンサ４４の検出結果に基づいて、増大した吸入空気量に応じてディーゼルスロットル１９の弁開度を調整する。すなわち、エンジンＥＣＵ１０は、増大した吸入空気量を適切な量（燃焼室に流入する吸入空気量の目標値）に補正するよう、ディーゼルスロットル１９の弁開度を小さくする（絞る）ように指令する。これによって、ディーゼルスロットル１９の上流側と下流側との圧力差をより大きくしてエンジン１００のポンプ損失（ポンピングロス）を発生・増大させる。そして、エンジンＥＣＵ１０は、ディーゼルスロットル１９の開度を絞ることで発生したポンピングロスによるエンジン出力の低下分を補正するよう、インジェクタ１７の燃料噴射量を増大するように指令する。すなわち、ポンピングロスによって低下したエンジン１００の出力を目標出力に近づけるよう、インジェクタ１７の燃料噴射量を増大させる。この場合、ディーゼルスロットル１９の弁開度の制御は、吸入空気量を目標値に補正する分の絞り量に限られずに、排ガスの温度等に応じてより多くの絞り量を適用してもよい。また、ターボチャージャ１４の可変ノズルベーン機構１４１はその開度を変更されなくてもよい。

排気浄化装置（浄化触媒）の温度上昇を促進する、すなわち、排ガス温度を上昇させるためには燃料噴射量を増大させることが有効である。しかしながら、内燃機関が低出力領域にある場合（暖機運転中など）は、浄化触媒が低温状態（未活性状態）であるため排ガスを適切に浄化できない。そのため、一般的に内燃機関の低出力領域ではエミッションの悪化を抑制するよう燃料噴射量を低減する制御がドライバーの要求トルクに影響を与えない範囲で実行される。よって、迅速に燃料噴射量を増大させて排ガス温度を上昇させることが困難である。
そこで、本実施例のエンジンシステム１は、エンジン出力が所定値未満である場合に、遮断弁１６３によってＥＧＲ通路１６を遮断してターボチャージャ１４の過給効率を向上させつつ、ディーゼルスロットル１９の開度を小さくする。これによって、エンジン１００のポンピングロスが増大してエンジン出力が低下し、低下したエンジン出力を補正するために燃料噴射量を増大する制御を実行することが可能になる。よって、エンジン１００の低出力領域において排気浄化装置３０に流入する排ガス温度を適切に上昇させることができる。

一方、エンジンＥＣＵ１０は、エンジン出力が所定値以上である（すなわち、中・高出力領域にある）場合に、ターボチャージャ１４の可変ノズルベーン機構１４１の開度を大きくする（例えば全開とする）よう指令する。これによって、ターボチャージャ１４における排ガスのエネルギ利用率を低下させる。

内燃機関が中・高出力領域にある場合は、燃焼室から排出される排ガスは排気浄化装置（浄化触媒）を活性状態まで昇温するのに充分な高い温度、すなわち、高いエネルギを有している。しかしながら、排ガスはターボチャージャを通過する際にエネルギの一部が回転エネルギに変換されてその温度が低下し、それによって排気浄化装置の昇温効果が低下する。
そこで、本実施例のエンジンシステム１は、エンジン出力が所定値以上である場合に、遮断弁１６３によってＥＧＲ通路１６を遮断して排気浄化装置３０に流入する排ガス量を増大させつつ、可変ノズルベーン機構１４１の開度を大きくする。これによって、ターボチャージャ１４における排ガスのエネルギ利用率を低下させて、より高いエネルギを有する（より高い温度の）排ガスを大量に排気浄化装置３０へと流入させることが可能になる。よって、エンジン１００の中・高出力領域において排気浄化装置３０の温度を適切に上昇させることができる。

このように、本実施例のエンジンシステム１は、排気浄化装置３０の温度が所定のしきい値未満の場合に、遮断弁１６３によってＥＧＲ通路１６を遮断して排気浄化装置３０の温度上昇を促進する制御を実行することができる。
なお、エンジンＥＣＵ１０は、本発明の流入制御手段、弁開度制御手段、燃料噴射量制御手段および過給圧制御手段の一構成例である。

つづいて、エンジンＥＣＵ１０の制御の流れに沿って、エンジンシステム１の動作を説明する。図６は、エンジンＥＣＵ１０の処理の一例を示すフローチャートである。本実施例のエンジンシステム１は、ＥＧＲ通路１６を遮断可能な遮断弁１６３と、排気浄化装置３０の温度を検出する温度センサ４２と、を備え、排気浄化装置３０の温度が所定のしきい値未満の場合に、遮断弁１６３によってＥＧＲ通路１６を遮断する制御をエンジンＥＣＵ１０が実行する。

エンジンＥＣＵ１０の制御は、イグニッションスイッチがＯＮされてエンジン１００が始動されると開始し、エンジン１００の運転中に以下の制御の処理を繰り返す。また、エンジンＥＣＵ１０は、その制御の処理中、クランク角センサ４１、温度センサ４２、エアフロメータ４３およびスロットルポジションセンサ４４の検出結果を常に受信する。

まず、エンジンＥＣＵ１０はステップＳ１で、受信した温度センサ４２の検出結果が所定のしきい値未満であるか否かを判断する。ここで、所定のしきい値については前述したために、その詳細な説明は省略する。温度センサ４２の検出結果が所定のしきい値未満でない場合（ステップＳ１／ＮＯ）、エンジンＥＣＵ１０は、排気浄化装置３０の温度上昇を促進する必要がないと判断し、制御の処理を終了する。温度センサ４２の検出結果が所定のしきい値未満である場合（ステップＳ１／ＹＥＳ）は、エンジンＥＣＵ１０は、排気浄化装置３０の温度上昇を促進する必要があると判断し、次のステップＳ２へ進む。

ステップＳ２で、エンジンＥＣＵ１０は、ＥＧＲ通路１６を遮断するよう遮断弁１６３に指令し、ＥＧＲ通路１６に流入する分の排ガスを排気通路１５へ流入させる。エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ２の処理を終えると、次のステップＳ３へ進む。

ステップＳ３で、エンジンＥＣＵ１０は、受信したクランク角センサ４１の検出結果からエンジン１００の出力を認識し、認識したエンジン出力が所定値未満であるか否かを判断する。ここで、エンジン出力の所定値については前述したために、その詳細な説明は省略する。エンジン出力が所定値未満でない場合（ステップＳ３／ＮＯ）、エンジンＥＣＵ１０は、エンジン１００の排ガス温度が浄化触媒３１を活性状態まで昇温するのに充分な温度に達していると判断し、ステップＳ７へ進む。エンジン出力が所定値未満である場合（ステップＳ３／ＹＥＳ）は、エンジンＥＣＵ１０は、エンジン１００の排ガス温度が浄化触媒３１を活性状態まで昇温するのに充分な温度に達していないと判断し、次のステップＳ４へ進む。

ステップＳ４で、エンジンＥＣＵ１０は、可変ノズルベーン機構１４１を全閉とするよう指令し、ターボチャージャ１４の過給効率を向上させて吸入空気量を増大させる。エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ４の処理を終えると、次のステップＳ５へ進む。

ステップＳ５で、エンジンＥＣＵ１０は、エアフロメータ４３およびスロットルポジションセンサ４４の検出結果に基づいて、増大した吸入空気量を目標値に補正するよう、ディーゼルスロットル１９の弁開度を閉鎖する方向へ調節するように指令する。エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ５の処理を終えると、次のステップＳ６へ進む。

ステップＳ６で、エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ５の処理によって発生したポンピングロスによるエンジン１００の出力低下をクランク角センサ４１の検出結果から認識する。そして、エンジンＥＣＵ１０は、エンジン１００の出力を目標値に補正するよう、燃料噴射量を増大する方向へ調節するようにインジェクタ１７に指令する。エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ６の処理を終えると、制御の処理を終了する。

ステップＳ３の判断がＮＯの場合、エンジンＥＣＵ１０はステップＳ７へ進む。ステップＳ７で、エンジンＥＣＵ１０は、可変ノズルベーン機構１４１を全開とするよう指令し、ターボチャージャ１４における排ガスのエネルギ利用率を低下させる。エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ７の処理を終えると、制御の処理を終了する。

この制御を実行することで、浄化触媒３１が未活性状態の場合に遮断弁１６３によってＥＧＲ通路１６を遮断することで、排気浄化装置３０の温度上昇を適切に促進することができる。よって、排気系容積を可変とする内燃機関において排気浄化装置の暖機を促進することができる。
なお、エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ４の処理を実行しなくてもよい。

以上のように、本実施例のエンジンシステムは、エンジンＥＣＵと、ＥＧＲ通路を遮断可能な遮断弁と、排気浄化装置の温度を検出する温度センサと、を備え、排気浄化装置の温度が所定のしきい値未満の場合に、遮断弁によってＥＧＲ通路を遮断する。これによって、排気浄化装置の温度上昇を促進することができる。

また、本実施例のエンジンシステムは、エンジンの出力が所定値未満の場合にディーゼルスロットルの弁開度を小さくしてインジェクタの燃料噴射量を増大させる。これによって、エンジンの低出力領域において排気浄化装置の温度上昇をより効果的に促進することができる。一方、エンジンの出力が所定値以上の場合はターボチャージャの可変ノズルベーン機構の開度を大きくする。これによって、エンジンの中・高出力領域において排気浄化装置の温度上昇をより効果的に促進することができる。

上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、本発明の適用範囲はＶＶＴ等の可変動弁機構を備えた内燃機関に限定されるものではない。すなわち、体積効率の向上制御を実行する内燃機関に限られない。

１エンジンシステム
１０エンジンＥＣＵ（流入制御手段，弁開度制御手段，燃料噴射量制御手段，過給圧制御手段）
１３排気マニホルド
１４ターボチャージャ（過給機）
１５排気通路
１６ＥＧＲ通路
１７インジェクタ（燃料噴射弁）
１９ディーゼルスロットル（スロットル弁）
３０排気浄化装置
３１浄化触媒
４１クランク角センサ（出力検出手段）
４２温度センサ（温度検出手段）
１００エンジン
１４１可変ノズルベーン機構（エネルギ回収率調節手段）
１６３遮断弁（流入制御手段）

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関の排ガスを浄化する排気浄化装置と、
前記排気浄化装置よりも上流の前記排気通路と吸気通路とを連通し、排ガスの一部を前記吸気通路に還流させ、前記吸気通路への排ガスの還流供給量を調節するためのＥＧＲバルブが設けられたＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路の排ガス入口部分の近傍に設けられ、前記ＥＧＲ通路を遮断することで前記内燃機関の排気マニホルドと前記排気通路と前記ＥＧＲ通路との容積の和である排気系容積を縮小可能な遮断弁と、
前記排気浄化装置の温度を検出する温度検出手段と、を備え、
前記温度検出手段の検出結果が、前記排気浄化装置の浄化触媒が活性状態となる任意の温度である所定のしきい値未満の場合に、前記遮断弁が前記ＥＧＲ通路を遮断して前記排気系容積を縮小することで、前記排気浄化装置へ流入する排ガスの排気脈動の振幅を大きくすることを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記ＥＧＲ通路よりも下流で前記排気浄化装置よりも上流の前記排気通路に設けられ、排ガスのエネルギを利用して吸入空気を過給する過給機と、
前記過給機における排ガスのエネルギ利用率を変更することで吸入空気の過給圧を制御する過給圧制御手段と、
前記内燃機関の出力を検出する出力検出手段と、を備え、
前記温度検出手段の検出結果が前記所定のしきい値未満で、かつ前記出力検出手段の検出結果が所定のしきい値以上の場合に、前記過給圧制御手段が前記過給機における排ガスのエネルギ利用率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。