JP2007182815A - ポンピングロス低減装置及び低減方法 - Google Patents

Abstract

【課題】巡航時のような部分負荷時に不要な過剰空気の圧縮エネルギを低減して燃費の改善をはかるためのエンジンのポンピングロス低減方法及びその装置の提供。
【解決手段】エンジン（２）の回転速度を検出する回転速度検出手段（８）と、エンジン（２）への燃料供給量（ｑ）を計測する装置（８及び２０）と、排気弁（１２）のリフトを制御する排気弁リフト制御装置（１０）と、制御ユニット（６）とを備え、その制御ユニット（６）はエンジン回転数及びエンジン（２）に供給される燃料の量（ｑ）が特定の領域に存在する場合に排気弁リフト制御装置（１０）により圧縮工程（Ｃ）で圧縮される空気の１部を排気する制御を行う
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車用エンジンの部分負荷時において、ポンピングロスを低減するための技術に関する。

従来の自動車用エンジンは、全負荷時の供給燃料の量に対する空気供給量を確保するように設計されている。特にターボチャージャ、インタークーラ付きのエンジンでは、ターボチャージャの設計仕様が、このような全負荷時の供給燃料量によって決定される。

図５及び図６は、実用走行時における自動車用エンジンの回転数−トルク特性図であり、当該エンジンの使用状況を示したものである。そして図５及び図６は、自動車用エンジンは、全負荷領域での使用頻度が必ずしも高くないことを示している。

図５は縦軸をエンジンの出力トルクとし、横軸をエンジンの回転速度ｒｐｍとして、最大トルクＴｆ以内での実用時のエンジンの使用頻度を円の大きさで示した使用頻度線図である。
この図に見られるように、比較的低速なエンジン回転速度（図においてはｎ２）で且つ最大トルク曲線Ｔｆの１／２程度に最大使用頻度があり、最大トルクでの使用頻度はさほど高くはない。この理由は、例えば高速道路のような定常走行できる状態では変速シフトの段数は高くても（例えば５速）、一定速で走行するには高トルクは必要がなく、加速や或いは坂路登坂時にのみ高トルクが要求されるからである。

図６は上記の使用頻度線図に空気過剰率λを重ねたものである。
空気過剰率λが小さければ空気／燃料の比が少なくなり、その結果、ディーゼルエンジンであれば黒煙が多くなる。そのため、最大トルク曲線Ｔｆが、トルクが小さい箇所で設定される。

図６において、空気過剰率λがほぼ１．４で最大トルクが決定されると、エンジンの使用頻度が最大の位置Ｍでは、空気過剰率λはほぼ１．９となる。すなわち、空気過剰率λが１．４でよいものが、１．９となってしまう。そのため、空気の供給量が過分になる。従って、最も使用される領域Ｍでは、不要な空気（λ＝１．４と、λ＝１．９との差に相当する空気量）を吸入して、不要な圧縮エネルギを消費することになる。
従来技術においては、係る不要な圧縮エネルギ、即ちポンピングロスを低減する技術は提案されていない。

そのための従来技術として、ポンピングロスをエンジンブレーキに利用する圧縮圧開放式ブレーキにおいて、圧縮・膨張行程で排気弁或いは専用弁を微小量、開弁する技術が開示されている（例えば、非特許文献１）。
しかし、係る従来技術は、上述したポンピングロスの低減を目的とするものではない。
１９９５年６月３０日発行、発行所日産ディーゼル工業株式会社、日産ディーゼル技報 第５７号

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、例えば巡航時のような部分負荷時において、不要な過剰空気の圧縮エネルギを低減して、燃費の改善をはかることが出来るポンピングロス低減装置及び低減方法の提供を目的としている。

発明者は種々研究の結果、上述した課題の解決には、部分負荷時に圧縮行程で吸入空気の１部を排気しては圧縮エネルギ損失を避ける、即ちポンピングロスを低減する技術を発明した。

本発明のポンピングロス低減装置は、部分負荷時におけるエンジンのポンピングロス低減装置において、エンジン（２）の回転速度を検出する回転速度検出手段（８）と、エンジン（２）への燃料供給量（ｑ）を計測する装置（回転速度検出手段８及びアクセルセンサ２０、或いは、燃料噴射装置）と、排気弁（１２）のリフトを制御する排気弁リフト制御装置（１０）と、制御ユニット（６）とを備え、その制御ユニット（６）はエンジン回転数及びエンジン（２）に供給される燃料の量（ｑ）が特定の領域に存在する場合に排気弁リフト制御装置（１０）により圧縮工程（Ｃ）で圧縮される空気の１部を排気する制御を行う様に構成されている（請求項１）。

本発明の実施に際して、エンジン（２）への燃料供給量（ｑ）を計測するための装置は、エンジン（２）の回転速度を検出する回転速度検出手段（８）と、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルセンサ（２０）とを組み合わせて構成されるのが好ましい（請求項２）。

本発明のポンピングロス低減装置の実施に際しては、燃料供給装置例えば燃料噴射装置からの燃料供給量（ｑ）を直接計測する事が可能である。
すなわち、本発明の実施に際して、エンジン（２）への燃料供給量（ｑ）を計測するための装置は、燃料供給装置（例えば燃料噴射装置）そのものであるのが好ましい（請求項３）。

本発明のポンピングロス低減装置において、前記排気弁（１２）のリフトを制御する排気弁リフト制御装置（１０）はロッカアーム（３０）に付設されたアーム付きブッシュ（３２）とそのアーム付きブッシュ（３２）を作動させる油圧アクチュエータ（３４）とで構成されていることが好ましい。

また本発明のポンピングロス低減装置において、前記排気弁のリフトを制御する排気弁リフト制御装置は圧縮圧開放式ブレーキと共用であることが好ましい。
実施に際しては、周知の圧縮圧開放式ブレーキを備えているエンジンであれば、そこで使用される排気弁リフト制御装置と共用が可能である。

また、本発明のポンピングロス低減方法は、部分負荷時におけるエンジンのポンピングロス低減方法において、エンジン（２）の回転速度を検出する回転速度検出工程と、その回転速度検出工程から得られた回転速度が所定の回転速度領域（例えば８００〜２０００ｒｐｍ）にあるか否かを判定する回転速度判定工程と、エンジン（２）への燃料供給量（ｑ）を検知する燃料供給量検知工程と、その燃料供給量（ｑ）が特定の範囲にあるときにエンジン（２）の圧縮工程で圧縮される空気の１部を排気させる工程、とを有している（請求項４）。

本発明のポンピングロス低減方法において、エンジン（２）への燃料供給量（ｑ）を検知する燃料供給量検知工程は、エンジン（２）の回転速度及びアクセル開度（アクセルペダル踏み代）から燃料供給量（ｑ）を求めるのが好ましい。
或いは、エンジン（２）への燃料供給量（ｑ）を検知する燃料供給量検知工程は、燃料供給装置例えば燃料噴射装置からの燃料供給量（ｑ）を直接計測するのが好ましい。

本発明のポンピングロス低減方法の実施に際しては、燃料供給量（ｑ）はドライバが踏み込むアクセルペダルの踏み込み量を代用特性とすることがよい。ここで、エンジンへの「燃料供給量（ｑ）が特定の範囲にある」とは、最大出力トルク以内の部分負荷トルクにおける所定の領域（図１の符号ＳＢ１、ＳＢ２参照）を言う。

また本発明のポンピングロス低減方法の実施に際しては、前記回転速度判定工程で是と判定された回転速度領域内は複数の回転速度域からなっていることが好ましい。
実施に際しては、所定の回転速度領域（例えば８００〜２０００回転／分）を、例えば８００〜９００ｒｐｍ、９００〜１２００ｒｐｍ、１２００〜１８００ｒｐｍに分割して、燃料供給量（ｑ）をそれぞれの回転速度域に対して限度を設定して、空気過剰率が小さくなるように排気弁をリフトさせることが好ましい。

上述した本発明によれば、以下の作用効果を奏する。
（１） 高速道路その他の定常走行時に多用される部分負荷では圧縮行程で必要以上な圧縮空気が排気されるので、不要なポンピングロスが低減されて燃費が改善される利点がある。
（２） 運転条件によって上記機能が作動するので、加速や坂路登坂でのパワー不足が生じることがない。
（３） 圧縮圧開放式ブレーキを備えているエンジンであれば、そこで使用される各装置の機能を追加することで共用が可能である利点がある。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について、説明する。
先ず、図２を参照して全体構成を説明する。

図２において、エンジン２には通常の排気弁１２があり、その排気弁１２を作動させる通常のロッカアーム３０があって、そのロッカアーム３０には偏心ブッシュ３２（図４：詳細は後述）が付設されている。

ロッカアーム３０には油圧アクチュエータ３４が排気弁１２に平行してエンジン２の上部に設けられており、油圧アクチュエータ３４は偏心ブッシュ３２（図４：詳細は後述）のアーム３２ａ（図４：詳細は後述）に接触、離隔する様に構成されている。
一方、エンジン２の出力軸側（図２では右側）には、エンジンの回転速度（ｒｐｍ）を検出する回転速度検出手段の回転センサ８が設けられており、回転センサ８は信号線Ｌ８を介して制御ユニット６に接続されている。

エンジン２の上部端部、図２においては左端部には、排気弁１２の作動を制御する排気弁リフト制御装置１０が設けられており、信号線Ｌ１０で制御ユニット６に接続されている。

図示しない運転室内には、ドライバ（図示せず）が操作するアクセルペダル１８の踏み込み量を検知するアクセルセンサ２０が設けられており、アクセルセンサ２０は信号線Ｌ２０を介して制御ユニット６に接続されている。

ここで燃料噴射量ｑは、アクセルセンサ２０で計測されたアクセルペダル１８の踏み込み量（アクセル開度）及びエンジン回転数から求めることが出来る。一方、燃料噴射装置からの燃料供給量を直接計測することも可能である。
図２における信号線Ｌｑは、燃料供給装置例えば燃料噴射装置からの燃料供給量を制御ユニット６へ伝達するための信号線である。換言すれば、信号線Ｌｑは、制御ユニット６において、アクセルセンサ２０の出力信号及びエンジン回転数からエンジン２への燃料供給量ｑを算出することに代えて、燃料噴射装置から燃料供給量を直接計測する場合に設けられる信号線である。

図４は排気弁１２を開閉するロッカアーム３０を示している。
図４において、周知の外形形状をしたロッカアーム３０の内径とロッカシャフト３６の間に外周と内周の中心が偏心（オフセット）した偏心ブッシュ３２が摺動自在に設けられていて、その偏心ブッシュ３２の外部に突出したアーム３２ａが設けられている。

アーム３２ａの端部に図においては上下方向に動く油圧アクチュエータ３４が接触・離隔するように配置されている。
図４において点線で表わすロッカアーム（符号３０Ａ）は、排気弁１２が閉弁状態の場合を示している。一方、図４において実線で表わすロッカアーム（符号３０）は、油圧アクチュエータ３４により排気弁１２が開弁した状態を示している。

偏心ブッシュ３２のアーム３２ａの端部を油圧アクチュエータ３４によって上方に押上げると、偏心ブッシュ３２とロッカシャフト３６の間隔が変わって、排気弁１２用のプッシュロッド１４の頂部１４ａを支点として、ロッカアーム３０の中心Ｃｒが下方に寸法δだけ下げられる。その結果、排気弁１２が図６中の符号ｈｖで示す寸法だけ、開弁するのである。

図３は、図示の実施形態において、排気弁１２を開閉する弁のリフト量と、クランク角θとの関係を表わしたリフト線図である。
図示の実施形態では、通常の排気弁のバルブリフトである排気弁リフトＥ１と吸気弁リフトＳの後（図３では右方）に、図３においてはＢＤＣ〜ＴＤＣ間の領域で、排気弁１２を符号Ｅ２のようにリフトして開弁させている。

油圧アクチュエータ３４は、制御ユニット６からの制御信号によって作動する排気弁リフト制御装置１０（図２）に情報的或いは信号的に接続されており、図３で示す様な排気弁のリフトを達成する様に構成されている。

排気弁リフト制御装置１０は、制御ユニット６からの制御信号によって、アクチュエータ３４に油圧を供給して、図３を参照して説明した様に排気弁１２をリフトさせる機能を有して構成されている。

制御ユニット６は、内蔵するエンジン性能データのマップを参照して、回転センサ８からのエンジン回転速度信号及びアクセルセンサ２０の出力信号から算出されたエンジンへの燃料供給量ｑとから、シリンダの圧縮圧を制御するための制御機能を有している。そして排気弁リフト制御装置１０を制御するための指示信号を発信する機能を有している。
なお、図２に関連して上述した様に、エンジンへの燃料供給量ｑは、燃料噴射装置から直接計測しても良い。

上記構成のエンジンのポンピングロス低減装置を使用したポンピングロス低減について、大型車両エンジンの場合について、図４のフローチャートを参照して説明する。

図４において、先ず、走行実用域で運転中のエンジン回転速度が８００ｒｐｍ〜２０００ｒｐｍであることを、回転センサ８からの出力信号によって、制御ユニットで確認する（回転速度検出工程、回転速度判定工程、ステップＳＡ）。そして、ステップＳＢに進む。

ステップＳＢでは、最初に、アクセルセンサ２０の検出結果を確認し、且つ、回転センサ８からの出力信号によってエンジン回転数を求め、エンジンへの燃料供給量ｑを演算する。そして、演算された燃料供給量ｑを、エンジン回転数（ｒｐｍ）によって区分して、以下に示す３つの条件の何れかに該当するか否かを確認する（燃料供給量検知工程、図１のステップＳＢの符号「ＳＢ１」参照）。

エンジン回転数が８００〜９００ｒｐｍでは燃料供給量ｑは１５０ｍｍｇ／（回転・筒・分）以下か？
エンジン回転数が９００〜１２００ｒｐｍでは燃料供給量ｑは１７０ｍｍｇ／（回転・筒・分）以下か？
エンジン回転数が１２００〜１８００ｒｐｍでは燃料供給量ｑは１５０ｍｍｇ／（回転・筒・分）以下か？
上記では回転速度域（エンジン回転数）を３領域に区分している。しかし、係る区分数を増加させても良い。回転速度（エンジン回転数）の領域の区分数を増加させれば、より緻密な制御が可能となり、ポンピングロスの更なる低減が可能となるからである。

図１のステップＳＢにおいて符号「ＳＢ２」で示す図（横軸がエンジン回転数ｒｐｍで、縦軸が燃料供給量ｑとして示されている図）においては、ハッチングを付して示した領域Ｄｃは、回転速度（エンジン回転数）について５領域に区分している。
この図（ステップＳＢにおいて符号「ＳＢ２」で示す図）において、ハッチングを付して示す領域図Ｄｃは、全負荷曲線Ｔｆ内の相当程度に低いトルク領域である。係るトルク領域は、図示の実施形態において、排気弁をリフトして筒内圧力を減少させる領域である。

ついで、ステップＳＣに進む。
ステップＳＣでは、エンジン回転速度が走行実用域の８００〜２０００ｒｐｍであり（ステップＳＡ参照）、かつ、ステップＳＢにおける符号「ＳＢ１」の条件の何れかに該当する（或いは、符号「ＳＢ２」で示す図の領域Ｄｃに該当する）か、或いは、何れかの条件を充足しないか、を判断する。

エンジン回転速度が走行実用域の８００〜２０００ｒｐｍであり（ステップＳＡ参照）、かつ、ステップＳＢにおける符号「ＳＢ１」の条件の何れかに該当する（或いは、符号「ＳＢ２」で示す図の領域Ｄｃに該当する）のであれば（ステップＳＣがＹｅｓ）、ステップＳＤに進む。
エンジン回転速度が走行実用域の８００〜２０００ｒｐｍではなく、或いは、ステップＳＢにおける符号「ＳＢ１」の条件の何れかにも該当しない（或いは、符号「ＳＢ２」で示す図の領域Ｄｃに該当しない）のであれば（ステップＳＣがＮｏ）、ステップＳＡに戻る。

ステップＳＤでは、油圧アクチュエータ３４を作動（ＯＮ）させて、アクチュエータ３４に油圧を供給する。それにより、図３で示すように、排気弁１２を符号「Ｅ２」（図３参照）で示すようにリフトし、排気弁を開弁させて筒内圧（圧縮圧）を下げる、いわゆるデコンプさせる（圧縮される空気を排気させる工程）。

ステップＳＥは、ステップＳＤの結果を示している。
ステップＳＥ中に示すＰＶ線図において、圧縮行程を示すＣ２は排気弁１２のリフトが通常な圧縮行程の線を示している。これに対して、図示の実施形態においてデコンプさせた場合には、圧縮行程の特性は減圧状態の線「Ｃ１」で示す様になる。
なお、ステップＳＥ中に示すＰＶ線図において、符号「Ｂ」は膨張行程を示す。そしてＣ２〜Ｃ１間のハッチングされた領域ＬＣは、ポンピングロスを低減した領域を示している。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。

本発明のエンジンのポンピングロス低減方法を示すフローチャート。 本発明のエンジンのポンピングロス低減装置の構成図。 ポンピングロス低減方法における排気弁リフトを示す線図。 排気弁をリフトするロッカアームの構造図。 走行時のエンジンの使用頻度をトルクー回転速度線図上に示した図。 図５に空気過剰率をパラメータとして示した図。

符号の説明

２・・・・エンジン
６・・・・制御ユニット
８・・・・回転センサ
１０・・・排気弁のリフト制御装置
１２・・・排気弁
１４・・・プッシュロッド
１８・・・アクセルペダル
２０・・・アクセルセンサ
３０・・・ロッカアーム
３１・・・アーム端部
３２・・・偏心ブッシュ
３４・・・油圧アクチュエータ

Claims (4)

1. エンジンの回転速度を検出する回転速度検出手段と、エンジンへの燃料供給量を計測する装置と、排気弁のリフトを制御する排気弁リフト制御装置と、制御ユニットとを備え、制御ユニットは、エンジン回転数及びエンジンに供給される燃料の量が特定の領域に存在する場合に排気弁リフト制御装置により圧縮工程で圧縮される空気の１部を排気する制御を行う様に構成されていることを特徴とするポンピングロス低減装置。
2. エンジンへの燃料供給量を計測する装置は、エンジンの回転速度を検出する回転速度検出手段と、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルセンサとを組み合わせて構成される請求項１のポンピングロス低減装置。
3. エンジンへの燃料供給量を計測するための装置は、燃料供給装置そのものである請求項１のポンピングロス低減装置。
4. エンジンの回転速度を検出する回転速度検出工程と、その回転速度検出工程から得られた回転速度が所定の回転速度領域にあるか否かを判定する回転速度判定工程と、エンジンへの燃料供給量を検知する燃料供給量検知工程と、その燃料供給量が特定の範囲にあるときにエンジンの圧縮工程で圧縮される空気の１部を排気させる工程、とを有していることを特徴とするポンピングロス低減方法。

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