(57)【要約】【課題】燃焼安定度を確保し、大きな排気温度向上効果を得ることができるエンジンの排気温度制御装置及び排気温度制御方法を提供する。【解決手段】ピストンモーションを変更可能なエンジン(１０)の排気温度を制御する装置であって、排気温度の昇温要求の有無を判定する昇温要求判定部(Ｓ１１)と、昇温要求が有る場合には、所望の負荷及び回転で運転するときの膨張行程における体積のクランク角度変化率の最大値が、昇温要求が無い場合にその所望負荷及び回転で運転するときの膨張行程における体積のクランク角度変化率の最大値に比べて小さいピストンモーションに変更するピストンモーション変更部(Ｓ１２)と、を有する。【選択図】図３
2010203385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンモーションを変更可能なエンジンの排気温度を制御する装置であって、
排気温度の昇温要求の有無を判定する昇温要求判定部と、
昇温要求が有る場合には、所望の負荷及び回転で運転するときの膨張行程における体積のクランク角度変化率の最大値が、昇温要求が無い場合にその所望負荷及び回転で運転するときの膨張行程における体積のクランク角度変化率の最大値に比べて小さいピストンモーションに変更するピストンモーション変更部と、
を有することを特徴とするエンジンの排気温度制御装置。
【請求項２】
前記ピストンモーション変更部は、昇温要求が有る場合には、所望負荷及び回転で運転するときの膨張行程における体積のクランク角度変化率の最大値を発生するクランク角度が、昇温要求が無い場合に所望負荷及び回転で運転するときの膨張行程における体積のクランク角度変化率の最大値を発生するクランク角度に比べて遅角側になるピストンモーションに変更する、
ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気温度制御装置。
【請求項３】
前記ピストンモーション変更部は、昇温要求が有る場合には、所望負荷及び回転で運転するときの膨張下死点における体積のクランク角度変化率が、昇温要求が無い場合に所望負荷及び回転で運転するときの膨張下死点における体積のクランク角度変化率に比べて大きいピストンモーションに変更する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジンの排気温度制御装置。
【請求項４】
前記ピストンモーション変更部は、昇温要求が有る場合には、昇温要求が無い場合に比較して機械圧縮比が小さいピストンモーションに変更する、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のエンジンの排気温度制御装置。
【請求項５】
前記ピストンモーション変更部は、昇温要求有りから昇温要求無しに変化した場合には、機械圧縮比が同じであって、所望負荷及び回転で運転するときの膨張行程における体積のクランク角度変化率の最大値が大きいピストンモーションに変更する、
ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のエンジンの排気温度制御装置。
【請求項６】
前記ピストンモーション変更部は、昇温要求有りから昇温要求無しに変化した場合には、機械圧縮比が同じであって、所望負荷及び回転で運転するときの膨張行程における体積のクランク角度変化率の最大値を発生するクランク角度が進角するピストンモーションに変更する、
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のエンジンの排気温度制御装置。
【請求項７】
前記ピストンモーション変更部は、昇温要求有りから昇温要求無しに変化した場合には、機械圧縮比が同じであって、所望負荷及び回転で運転するときの膨張下死点における体積のクランク角度変化率が小さいピストンモーションに変更する、
ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のエンジンの排気温度制御装置。
【請求項８】
前記ピストンモーションを変更可能なエンジンは、
シリンダー内を往復動するピストンにピストンピンを介して連結されるアッパーリンクと、
クランクシャフトのクランクピンに回転自由に装着されるとともに、前記アッパーリンクにアッパピンを介して連結されるロアーリンクと、
前記ロアーリンクにコントロールピンを介して連結され、揺動中心ピンを中心として揺動するコントロールリンクと、
前記揺動中心ピンを偏心して設けるコントロールシャフトと、
を有し、
前記ピストンモーション変更部は、前記コントロールシャフトを回転して前記揺動中心ピンの位置を調整することでピストンモーションを変更する、
ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のエンジンの排気温度制御装置。
【請求項９】
昇温要求が有る場合の排気弁の開弁時期が、昇温要求が無い場合の排気弁の開弁時期よりも遅角側になるバルブタイミングに変更する可変動弁機構をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載のエンジンの排気温度制御装置。
【請求項１０】
昇温要求が有る場合に、少なくとも吸気行程から圧縮行程前半と、圧縮上死点近傍との２回に燃料を分割噴射する燃料噴射制御部をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載のエンジンの排気温度制御装置。
【請求項１１】
ピストンモーションを変更可能なエンジンの排気温度を制御する方法であって、
排気温度の昇温要求の有無を判定する昇温要求判定工程と、
昇温要求が有る場合には、所望の負荷及び回転で運転するときの膨張行程における体積のクランク角度変化率の最大値が、昇温要求が無い場合にその所望負荷及び回転で運転するときの膨張行程における体積のクランク角度変化率の最大値に比べて小さくなるように、ピストンモーションを変更するピストンモーション変更工程と、
を有することを特徴とするエンジンの排気温度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エンジンの排気温度を制御する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば特許文献１では、排気の昇温要求があるときには膨張比が下がるように機械圧縮比を下げていた。また機械圧縮比が下がると燃焼安定度が悪化するおそれがあるので吸気弁作動を小さくして、実圧縮比を高めていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３２８７９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、本件発明者らによれば、単に膨張比に着目して機械圧縮比を調整しても、排気の昇温効果が小さい、ということが見いだされた。すなわち排気の昇温要求があったときは、燃焼は、上死点後に開始し膨張行程後半から排気弁開時期まで持続することが望ましい。ところが特許文献１のように、吸気弁の制御を加えて実圧縮比を最適化したとしても、膨張比に着目しているだけでは、燃焼安定度の確保による排気温度の向上効果が得られない、というのが本件発明者らの知見である。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、燃焼安定度を確保し、大きな排気温度向上効果を得ることができるエンジンの排気温度制御装置及び排気温度制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００７】
本発明は、ピストンモーションを変更可能なエンジン(１０)の排気温度を制御する装置であって、排気温度の昇温要求の有無を判定する昇温要求判定部(ステップＳ１１)と、昇温要求が有る場合には、所望の負荷及び回転で運転するときの膨張行程における体積のクランク角度変化率の最大値が、昇温要求が無い場合にその所望負荷及び回転で運転するときの膨張行程における体積のクランク角度変化率の最大値に比べて小さいピストンモーションに変更するピストンモーション変更部(ステップＳ１２)と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、昇温要求が有る場合には、所望の負荷及び回転で運転するときの膨張行程における体積のクランク角度変化率の最大値が、昇温要求が無い場合にその所望負荷及び回転で運転するときの膨張行程における体積のクランク角度変化率の最大値に比べて小さいピストンモーションに変更するようにした。このようにしたので燃焼安定度を確保でき、大きな排気温度向上効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明によるエンジンの排気温度制御を適用するエンジンの一例を示す図である。
【図２】複リンクエンジンによるピストンモーション変更方法を説明する図である。
【図３】本発明によるエンジンの排気温度制御の第１実施形態を示すフローチャートである。
【図４】第１実施形態における運転マップの一例を示す図である。
【図５】複リンクエンジンと単リンクエンジンとにおける膨張行程における体積のクランク角度変化率を示す図である。
【図６】第１実施形態における効果を説明する図である。
【図７】複リンクエンジンによる圧縮比変更方法を説明する図である。
【図８】複リンクエンジンによるピストンモーションを説明する図である。
【図９】本発明によるエンジンの排気温度制御の第２実施形態を示すフローチャートである。
【図１０】第２実施形態における運転マップの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明によるエンジンの排気温度制御を適用するエンジンの一例を示す図である。
【００１１】
本件発明者らは、従来から、図１に示すようなピストンとクランクシャフトとを２つのリンクで連結する複リンク機構によるエンジン(以下「複リンクエンジン」という)について鋭意研究を重ねている。通常のエンジン(以下「単リンクエンジン」という)は、ピストンとクランクシャフトとを１つのリンク(コンロッド)で連結し、ピストンモーションが不変である。しかしながら、本件発明者らが研究する複リンクエンジンでは、ピストンモーションを変更できるという特性がある。
【００１２】
まず最初にこの複リンクエンジンについて説明する。図１は、複リンクエンジンを示す図である。
【００１３】
複リンクエンジン１０は、ピストン３２とクランクシャフト３３とを２つのリンク(アッパーリンク(第１リンク)１１、ロアーリンク(第２リンク)１２)で連結するとともに、コントロールリンク(第３リンク)１３でロアーリンク１２を制御してピストンモーションを変更する。
【００１４】
アッパーリンク１１は、上端をピストンピン２１を介してピストン３２に連結し、下端を連結ピン２２を介してロアーリンク１２の一端に連結する。ピストン３２は、燃焼圧力を受け、シリンダーブロック３１のシリンダー３１ａ内を往復動する。
【００１５】
ロアーリンク１２は、一端を連結ピン２２を介してアッパーリンク１１に連結し、他端を連結ピン２３を介してコントロールリンク１３に連結する。また、ロアーリンク１２は、ほぼ中央の連結孔に、クランクシャフト３３のクランクピン３３ｂを挿入し、クランクピン３３ｂを中心軸として回転する。ロアーリンク１２は左右の２部材に分割可能に構成される。クランクシャフト３３は、複数のジャーナル３３ａとクランクピン３３ｂとを備える。ジャーナル３３ａは、シリンダーブロック３１及びラダーフレーム３４によって回転自在に支持される。クランクピン３３ｂは、ジャーナル３３ａから所定量偏心しており、ここにロアーリンク１２が回転自在に連結する。
【００１６】
コントロールリンク１３は、先端に連結ピン２３を挿入し、ロアーリンク１２に回動可能に連結する。またコントロールリンク１３は、他端を連結ピン２４を介してコントロールシャフト２５に連結する。連結ピン２４は、コントロールシャフト２５に偏心して設けられる。コントロールリンク１３は、この連結ピン２４を中心として揺動する。コントロールシャフト２５はシリンダー軸線から離れて配置される。コントロールシャフト２５にはギヤが形成されており、そのギヤがアクチュエーター５１の回転軸５２に設けられたピニオン５３に噛合する。アクチュエーター５１によってコントロールシャフト２５が回転させられ、連結ピン２４が移動する。
【００１７】
コントローラ７０はアクチュエーター５１を制御してコントロールシャフト２５を回転させてピストンモーションを変更する。またコントローラ７０は燃料噴射弁４１の燃料噴射を制御する。さらにコントローラ７０はシリンダーヘッドに設けられた点火プラグ４２の点火時期を制御する。コントローラ７０は中央演算装置(ＣＰＵ)、読み出し専用メモリ(ＲＯＭ)、ランダムアクセスメモリ(ＲＡＭ)及び入出力インタフェース(Ｉ／Ｏインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ７０を複数のマイクロコンピュータで構成してもよい。
【００１８】
排気浄化触媒１００は、排気通路の下流に配置されている。排気浄化触媒１００は、暖機されて触媒成分が活性化されるとエンジン１０から排出される排ガスを浄化可能になる。
【００１９】
図２は、複リンクエンジンによるピストンモーション変更方法を説明する図である。
【００２０】
複リンクエンジンは、コントロールシャフト２５を回転して連結ピン２４の位置を変更することで、ピストンモーションを変更できる。たとえば図２(Ａ)に示すように、コントロールシャフト２５の回転中心に対してシリンダー軸線と同じ側である位置Ａに連結ピン２４を設定すれば、図２(Ｂ)に一点鎖線で示すように、膨張行程における体積のクランク角度変化率(dV/dθ)の最大値が大きくなる。また膨張行程における体積のクランク角度変化率(dV/dθ)の最大値を発生するクランク角度θが進角側になる。さらに膨張下死点における体積のクランク角度変化率(dV/dθ)が小さくなる。
【００２１】
一方、図２(Ａ)に示すように、コントロールシャフト２５の回転中心に対してシリンダー軸線と同じ側であって位置Ａよりも上側の位置Ｂに連結ピン２４を設定すれば、図２(Ｂ)に実線で示すように、膨張行程における体積のクランク角度変化率(dV/dθ)の最大値が小さくなる。また膨張行程における体積のクランク角度変化率(dV/dθ)の最大値を発生するクランク角度θが遅角側になる。さらに膨張下死点における体積のクランク角度変化率(dV/dθ)が大きくなる。
【００２２】
本件発明者らは、膨張行程における体積のクランク角度変化率(dV/dθ)が小さく体積変化が緩やかなほうが、また体積のクランク角度変化率(dV/dθ)のピークが遅角側であるほうが、熱がサイクル中にゆっくりと仕事に変わり、燃料が安定して燃えやすいということを見いだした。燃焼安定性に優れれば、燃焼安定度限界に達する点火時期リタード限界が遅角するので、点火時期をリタードできる。点火時期をリタードできれば排気温度が上昇する。以下ではこのようになる具体的な制御内容について説明する。
【００２３】
図３は、本発明によるエンジンの排気温度制御の第１実施形態を示すフローチャートである。
【００２４】
ステップＳ１１においてコントローラー７０は、排気を昇温する要求があるか否かを判定する。具体的には触媒温度センサーによって判定したり、冷却水温に基づいて判定すればよい。排気昇温要求があればステップＳ１２へ処理を移行し、排気昇温要求がなければステップＳ１４へ処理を移行する。
【００２５】
ステップＳ１２においてコントローラー７０は、膨張行程における体積のクランク角度変化率(dV/dθ)が小さいピストンモーションになるようにコントロールシャフト２５を回転する。
【００２６】
ステップＳ１３においてコントローラー７０は、安定限界点火時期まで点火時期をリタードして点火する。
【００２７】
ステップＳ１４においてコントローラー７０は、エンジンの負荷及び回転に応じた、膨張行程における体積のクランク角度変化率(dV/dθ)のピストンモーションになるようにコントロールシャフト２５を回転する。具体的には図４(Ｂ)に示す運転マップに基づいて膨張行程における体積のクランク角度変化率(dV/dθ)を設定してコントロールシャフト２５を回転する。なお運転マップはあらかじめ実験を通じて設定されＲＯＭに格納されている。
【００２８】
ステップＳ１５においてコントローラー７０は、通常運転点火時期で点火する。
【００２９】
次に本実施形態の効果について説明する。
【００３０】
図５に示すように複リンクエンジンは、単リンクエンジンに比較して、膨張行程における体積のクランク角度変化率(dV/dθ)が小さい。また体積のクランク角度変化率(dV/dθ)のピークが遅角側となる。
【００３１】
また本実施形態では、排気の昇温要求があったときに、排気昇温運転用ピストンモーションになるようにコントロールシャフト２５を回転するようにした。このようにすることで、膨張行程における体積のクランク角度変化率(dV/dθ)が小さくなり、膨張行程において緩やかに体積変化するようになる。また体積のクランク角度変化率(dV/dθ)のピークが遅角側となる。さらに膨張下死点における体積のクランク角度変化率(dV/dθ)が大きくなる。
【００３２】
このようになると、熱がサイクル中にゆっくりと仕事に変わり、燃料が安定して燃えやすく、燃料の未燃成分(炭化水素ＨＣ)が少なくなる。このように燃焼安定性に優れれば、図６(Ａ)に示すように、燃焼安定度限界に達する点火時期リタード限界が遅角する。点火時期リタード限界が遅角するほど、点火時期をリタードできる。点火時期をリタードすれば、燃焼が上死点後に開始し膨張行程後半から排気弁開時期まで持続するようになり、図６(Ｂ)に示すように、排気温度が上昇することとなる。また図６(Ｃ)に示すように、燃料の未燃成分(炭化水素ＨＣ)が少なくなるので、この点でも排気温度が上昇する。さらに膨張下死点における体積のクランク角度変化率(dV/dθ)が大きくなれば、膨張下死点においても筒内ガスの流動によって、クエンチングゾーンに燃料の未燃成分(炭化水素ＨＣ)が付着しにくくなり、この点からも燃料の未燃成分(炭化水素ＨＣ)が少なくなる。したがって、本実施形態のようにエンジンを制御することで、排気温度が高温になり、触媒を早期に暖機することなどを実現できるのである。
【００３３】
（第２実施形態）
図７は、複リンクエンジンによる圧縮比変更方法を説明する図である。
【００３４】
なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００３５】
図１に示した複リンクエンジンによれば、上述のようにピストンモーションを変更することができる。それに伴ってピストンの上死点位置が変わり、圧縮比を調整できる。
【００３６】
すなわち図７(Ｃ)に示すように連結ピン２４を位置Ａにすれば、図７(Ａ)に示すように上死点位置(ＴＤＣ)が高くなり、圧縮比が高くなる。
【００３７】
また図７(Ｃ)に示すように連結ピン２４を位置Ｂにすれば、コントロールリンク１３が上方へ押し上げられ、連結ピン２３の位置が上がる。これによりロアーリンク１２はクランクピン３３ｂを中心として反時計方向に回転し、連結ピン２２が下がり、図７(Ｂ)に示すようにピストン上死点(ＴＤＣ)におけるピストン３２の位置が下降し、圧縮比が低くなる。
【００３８】
さらに図７(Ｃ)に示すように連結ピン２４を位置Ｃすると、圧縮比は図７(Ｂ)の場合と同様になる。
【００３９】
図８は、複リンクエンジンによるピストンモーションを説明する図である。
【００４０】
連結ピン２４が位置Ｃのときのピストンモーションは、図８(Ｂ)に一点鎖線で示した位置Ａのときのピストンモーションよりも、位置Ｂのときのピストンモーションに似ていることが分かる。また膨張行程における体積のクランク角度変化率(dV/dθ)の最大値は位置Ｂと同様になる。このように図１に示した複リンクエンジンによれば、同じ機械圧縮比であっても、異なるピストンモーションにすることができる。
【００４１】
そこで本実施形態では、排気昇温要求がないときは、より高い熱効率が得られるピストンモーションになるようにコントロールシャフト２５を回転するようにした。
【００４２】
図９は、本発明によるエンジンの排気温度制御の第２実施形態を示すフローチャートである。
【００４３】
ステップＳ１１〜Ｓ１３，Ｓ１５は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００４４】
ステップＳ２１においてコントローラー７０は、エンジンの負荷及び回転に応じて圧縮比を設定する。具体的には図１０(Ｂ)に示す運転マップに基づいて圧縮比を設定する。なお運転マップはあらかじめ実験を通じて設定されＲＯＭに格納されている。
【００４５】
ステップＳ２２においてコントローラー７０は、設定した圧縮比を実現するとともに熱効率の良い、膨張行程における体積のクランク角度変化率(dV/dθ)のピストンモーションになるようにコントロールシャフト２５を回転する。具体的には、図８(Ａ)に示すように、連結ピン２４がコントロールシャフト２５の回転中心を挟んでシリンダー軸線の反対側である位置Ｃ(低圧縮比)から位置Ｄ(高圧縮比)になるようにコントロールシャフト２５を回転する。
【００４６】
本実施形態によれば、排気昇温要求がないときは、良好な熱効率でエンジンを運転でき、したがって燃費が向上する。
【００４７】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
【００４８】
たとえば、排気弁の開弁時期を変更可能な可変動弁機構を備え、昇温要求があるときに開弁時期を遅角するようにしてもよい。このように排気弁の開弁時期を遅角することで、排気温度をさらに昇温しやすくなる。
【００４９】
また昇温要求があるときには、少なくとも吸気行程から圧縮行程前半と、圧縮上死点近傍との２回に燃料を分割噴射するようにしてもよい。このように燃料を２回に分けて噴射することで、排気温度をさらに昇温しやすくなる。
【符号の説明】
【００５０】
１０  複リンクエンジン
１１  アッパーリンク(第１リンク)
１２  ロアーリンク(第２リンク)
１３  コントロールリンク(第３リンク)
２４  連結ピン
２５  コントロールシャフト
７０  コントローラー
ステップＳ１１  昇温要求判定部／昇温要求判定工程
ステップＳ１２  ピストンモーション変更部／ピストンモーション変更工程
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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