JP2007332793A - 過給器を備えるエンジン - Google Patents
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Abstract
【解決手段】タービン42軸上に複数の羽根45を備えるコンプレッサー41とタービン42からなる過給機40を有するエンジン1において、前記タービン42軸または羽根45上に少なくとも一つの指標44を設け、前記指標44の回転と複数の羽根45の回転とをそれぞれ検知するターボ角速度センサー62を設けてECU60と接続し、タービン軸の一回転あたり複数のパルスを得て角速度を演算するターボ角速度演算手段を備える。
【選択図】図2
Description
サージング領域は、過給機の特性を圧力と風量とからなる圧力曲線で表したとき、高回転・低風量領域に存在する。このサージング領域境界をサージング限界と称している。サージング限界は、圧力の高低、羽根車の設計又は過給機の機種等によって異なるものである。
また、特許文献1のターボ回転数センサーは、センサーがシャフトから信号を受け取るので1回転に1信号しか計測できない。つまり、回転変動を伴うターボサージングの検知は困難である。さらに、特許文献1のターボ回転数センサーは、信号にノイズが発生した場合を考慮して周波数分析を行ないピーク出力の高い点を回転数と定義している。このため、フィルタリングを行なう結果となるために、瞬時の回転変動を検出することは不可能である。
そこで、解決しようとする課題は、サージング限界を見極めることによってエンジンを効率良く運転することである。
また、温度センサーや圧力センサーと比較してEGR量に比例する回転数を検出するためEGR量に対する応答性が良いので、エンジンの制御性を向上できる。
図1は本発明の実施例に係る過給機を備えた4気筒ディーゼルエンジンのシステムを示す構成図、図2は本発明の実施例に係る過給機のコンプレッサーの構成を示す断面構成図、図3は本発明に係るターボ角速度検出装置の構成を示す構成図である。
図4はパルスに対するパルス間隔の変化を示すグラフ図、図5はパルスに対するパルス間隔の別の変化を示すグラフ図、図6は風量と圧力の相関よりサージング領域を示すグラフ図である。
図7はエンジン回転数とエンジン負荷とに基づく適正なターボ角速度を示すマップ図、図8はサージング回避制御のフローを示すフロー図、図9はエンジン回転数とエンジン負荷とに基づく適正な燃料噴射量を示すマップ図である。
図10はエンジン回転数とエンジン負荷とに基づく適正なターボ回転数範囲を示すマップ図、図11は過給機故障検知制御のフローを示すフロー図、図12はターボ回転数とEGR量との相関を示すグラフ図である。
図13はEGRシステムであるLPLシステムの構成を示す構成図、図14はLPLシステムにおけるターボ回転数とEGR量との相関を示すグラフ図、図15はディレーティング手段におけるエンジン回転数及びターボ回転数と時間との相関を示すグラフ図である。
図16はディレーティング手段におけるエンジン回転数及びターボ回転数と加速度との相関を示すグラフ図、図17は減筒運転中の4気筒ディーゼルエンジンのシステムを示す構成図である。
図1に示すように、ディーゼルエンジン1(以下、単にエンジンと称す)は、4個の気筒91・92・93・94を備えた4気筒エンジンである。エンジン1は、第1気筒91、第2気筒92、第3気筒93及び第4気筒94の各気筒より構成されている。
各気筒91〜94は、それぞれに燃料噴射用のインジェクタ81・82・83・84が配置されている。燃料は、燃料タンク(図示なし)に接続されたサプライポンプ2からコモンレール3にて蓄圧され、各インジェクタ81〜84に供給される。コモンレール3は、圧力調整弁4又はリリーフ配管(図示なし)への還流燃料を調整することで、コモンレール52内の燃料圧力が目標となる燃料噴射圧力とされるように調整可能である。
図1に示すように、本実施例では、エンジン1の状態を検出するセンサーとして、コモンレール3の圧力を検出するコモンレール圧力センサー61、過給機40のコンプレッサー41のターボ回転数及びターボ角速度を検出するターボ角速度センサー62、エンジン負荷等を検出するアクセル開度センサー63、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサー64がECU60に接続されている。また、エンジン1を制御するアクチュエータとして、各インジェクタ(ソレノイド)81〜84、サプライポンプ2、圧力調製弁(ソレノイド)4及びEGRバルブ(ソレノイド)53がECU60に接続されている。
図2に示すように、ターボ角速度センサー62は、タービン軸の一回転あたり複数のパルスを得て角速度を演算するターボ角速度演算手段としている。即ち、過給機40のコンプレッサー41側の外郭43に設けられている。ターボ角速度センサー62は、高感度のギャップセンサーであってアルミ材に反応する。また、コンプレッサー41の羽根45a・45b・45c・・・45hには、各羽根45それぞれに一つアルミ製の指標44が施されている。本実施例では、8枚の羽根45に1つの指標44を施している。このような構成とすることで、ターボ角速度センサー62は、コンプレッサー41の羽根45が通過する度に、指標44を検知し羽根45の通過(回転数)を検出できる。
ここで、図4に示すように、ECU60は、ターボ角速度ωに変動があれば(後述するように過給機40の運転がサージング領域に近接したような場合)は、振幅値ωcを算出する。また、ECU60は、振幅値ωcを後述する平均角速度ωm(図4参照)に対する相対値として算出しても良いし、そのまま絶対値ωcとして算出しても良い。
さらに、図5に示すように、ECU60は、ターボ角速度ωが一定すなわちコンプレッサー41に回転変動が無ければ、振幅値ωcは一定となる。この場合は、ECU60は、ωcを積分したものを平均角速度ωmすなわちターボ回転数Ntとして算出する。
図6に示すように、サージングが発生するサージング領域は、過給機40において、過給機40の特性を圧力と風量とからなる圧力曲線で表した場合に高圧・低風量領域に存在する(図6中領域α)。このサージング領域境界をサージング限界(図6中の実線A)と称している。サージング限界は、圧力の高低、羽根車の設計又は過給機の機種等によって異なるものである。
過給機40の運転状態がサージング限界を超えサージング領域に入ると、給気圧の変動や圧力波振動による異常音が発生し、ひいてはコンプレッサー振動による損傷に至る場合もある。通常、エンジン1は、製品として性能ばらつきが存在するため、エンジン噴射量は、サージング限界から余裕代(スリッページ)をとった限界(例えば図6中破線B)にて運転するように制御されている。つまり、過給機40を使用するエンジン1では、サージング領域及びサージング境界のスリッページによって過給圧が制限されている。サージング領域によって過給圧が制限される過給機は、従来の通常の過給機であっても、可変容量式の過給機(VGT)であっても同様である。
このような構成とすることで、ECU60は、現在の過給機40のターボ角速度センサー62により検出される角速度振幅値ωLを、現在のアクセル開度センサー63によるエンジン負荷及びエンジン回転数センサー64によるエンジン回転数に基づき予め記憶された適正角速度振幅値マップ71より得られる適正な角速度振幅値ωaと比較することができる。
過給機40は、サージング領域において、激しい圧力変動及びコンプレッサー41自体の大きい震動を伴いながら、回転変動を発生する。この回転変動は、サージング境界に近接すると発生する。つまり、現在の過給機40の角速度振幅値ωcが適正な角速度振幅値ωa以上であれば、過給機40がサージング境界に近接したことを検知できる。
このようにして、過給機40の角速度振幅値を常時検出し、適正角速度振幅値マップ71と比較することで、過給機40がサージング領域に近接することを直前で検知できる。このサージング検知手段の特色は、従来のようにスリッページを考慮する必要がないことである。つまり、過給機40は、サージング境界に近接するまで運転可能であるため、過給機40の運転性能が向上できる。これらを踏まえ、エンジン1は効率良く運転ができる。
図8に示すように、燃料噴射を減少させるサージング回避制御100について具体的に説明する。ECU60は、ターボ角速度センサー62より角速度振幅値ωcを検出する(S101)。また、ECU60は、エンジン回転数センサー64よりエンジン回転数Neを、アクセル開度センサー63よりエンジン負荷Acを検出し、このエンジン回転数Ne及びエンジン負荷Acから適正な角速度振幅値ωaを算出する(S102)。ここで、ECU60は、比較計算値D(D=ωc−ωa)を算出し、角速度振幅値ωcと適正な角速度振幅値ωaとを比較する(S103)。ECU60は、比較計算値Dが0以上であれば(S104)、燃料噴射量Qを減少させ(S105)、0以下であればそのままサージング回避制御を終了する(S106)。
サージング回避手段は、本実施例においては、サージング回避手段を燃料噴射量としたが、本実施例に限定されるものではない。例えば、サージング回避手段を、コモンレール3の燃料噴射圧を減少させる又は燃料噴射時期を進角させる等の排気エネルギーを減少させる手段とすることも可能である。サージング回避手段は、ターボ角速度センサー62よりサージング境界に近接したことを検知し、排気エネルギーを減少させる手段を実施すれば本実施例同様の効果が得られる。このようにして、エンジン1は、サージング回避手段を用いることで信頼性を向上できる。
ECU60は、サージング回避手段において燃料噴射量Qを減少させた場合は、この適正燃料噴射量マップ72を補正する。補正手段は、減少させた燃料噴射量Qをそのまま書き換える補正手段であっても、減少させた燃料噴射量Qに余裕率を加味してさらに減少させた値を書き換える補正手段であっても良い。また、補正範囲は、適正燃料噴射量マップ72全体を補正する補正手段であっても、サージング回避手段が実行されたエンジン負荷Ac及びエンジン回転数Neからなるエンジン状態のみであっても良い。
このようにして、サージング回避手段で施された回避手段は記憶されるため、エンジン1の信頼性を向上することができる。なお、本実施例では適正燃料噴射量マップ72についての補正手段としたが、サージング回避手段が燃料噴射圧を減少させる又は燃料噴射時期を進角させる手段であれば、それらの回避手段に応じたマップを補正するようにする。
図11に示すように、過給機故障検知手段としての過給機故障検知制御(S200)を、適正ターボ回転数範囲マップ73を用いて具体的に説明する。ECU60は、ターボ角速度センサー62よりターボ回転数Ntを検出する(S201)。また、ECU60は、エンジン回転数センサー64よりエンジン回転数Neを、アクセル開度センサー63よりエンジン負荷Acを検出し、このエンジン回転数Ne及びエンジン負荷Acから適正なターボ回転数範囲Na〜Nbを算出する(S202)。ここで、ECU60は、ターボ回転数Ntが適正なターボ回転数範囲Na〜Nb以内であれば(S203)、正常と判断して過給機故障検知制御を終了し(S204)、ターボ回転数範囲Na〜Nbの範囲にない場合は異常と判断する(S205)。
また、ECU60は、ターボ角速度センサー62を用いてターボサージング以外の異常、例えば、気筒内への燃料混入や噴射量の異常やターボ焼付きも診断することが可能である。このような異常が発生すると、気筒内への燃料混入の異常の場合は、ターボ回転数が増加し、噴射量が異常となるとターボ回転数が増減し、ターボが焼付くとターボ回転数が減少するので、それぞれの回転数異常範囲を記憶しておくことで、前記と同様のフローで異常を検知することができる。このようにして、エンジン1の信頼性を向上できる。
図12に示すように、EGR量は、ターボ回転数と比例することが分かっている。EGR量制御手段は、このEGR量とターボ回転数との相関(比例)を予め記憶しておくことで、EGR量を制御する制御手段である。つまり、ターボ角速度センサー62によるターボ回転数をEGR量の代替とする。本実施例は、具体的制御内容について特に限定しない。例えば、窒素酸化物(NOx)の低減を目的として、所定のEGR量を必ず還流させる等の制御も可能である。
このような構成とすることで、従来のλセンサー又はエアフローセンサーを用いたEGR量の検出手段に比較して以下の利点が得られる。すなわち、λセンサー又はエアフローセンサーは、例えば船舶等に搭載されるエンジンにおいて海上雰囲気にさらされるため、塩害を被り信頼性が低かった。また、排気ガスを直接計測する圧力センサー等は制御精度が悪かった。本発明のEGR量制御手段は、過給機内部に設けられるターボ角速度センサー62のみにてEGR量を検出できるため、その他のセンサーが不要である。また、ターボ角速度センサー62によるEGR量の代替えは、温度や圧力を検出するよりも精度良くEGR量を検出できる。このようにして、エンジン1の制御性を向上できる。
図14に示すように、このような構成のEGRシステムにおいて、EGR量は、ターボ回転数と反比例することが分かっている。EGR量制御手段は、このEGR量とターボ回転数との相関(反比例)を予め記憶しておくことで、EGR量を制御することができる。
このようにして、LPLシステム9のようにEGRシステムの構成が異なっている場合であっても、EGR量制御手段は同様の効果を得ることができる。
図15に示すように、ECU60は、ディレーティング手段として、時間変化によるエンジン負荷の減少及びエンジン回転数の減少を実施する。このとき、エンジン負荷の減少については、過給機40のターボ回転数の減少として代替する。つまり、ECU60は、ターボ角速度センサー62とエンジン回転数センサー64とに基づき、所定時間内にてエンジン負荷及びエンジン回転数を減速させて停止させる。
つまり、ECU60は、ターボ角速度センサー62とエンジン回転数センサー64とに基づき、所定の減速度でエンジン負荷及びエンジン回転数を減速させて停止させる。
このような構成とすることで、エンジン負荷及びエンジン回転数の双方を減少させながらエンジンを停止することができる。ディレーティング手段は、例えば前述した過給機故障検知手段にて異常と判断された場合にエンジン1を停止させるときに、とられる手段として有効である。このようにして、エンジン損傷の危険性を最小限として、エンジンの安全性を向上できる。ディレーティング手段は、特に大型船舶や大型乗用車に搭載されたエンジンにおいて、エンジンの急停止(急減速)は乗客に急激な負荷を感じさせることになるので、上記の如く徐々に減速して停止できるため、非常に有効である。
図17に示すように、例えばエンジン1のインジェクタ82(図17中の点線)に異常が発生した場合は、ECU60は、残りのインジェクタ81・82・84を使ってエンジン1を運転させる。このとき、インジェクタ同士にも性能ばらつきが存在するため、排気側でエンジン1の出力を確認することが望ましい。ECU60は、ターボ角速度センサー62によるターボ回転数に基づいて、燃料噴射制御を行なう。例えば、ECU60は、ターボ角速度センサー62によるターボ回転数が減筒前のターボ回転数と等しくなるように、残りの気筒の燃料噴射量Qを増加する。減筒運転時燃料噴射制御手段は、減筒分の出力を補うように制御するのであれば、燃料噴射圧力又は燃料噴射時期であっても同様の効果が得られる。
このような構成とすることで、簡易な手段で減筒運転時の燃料噴射制御を実施でき以下の利点が得られる。従来、減筒運転時の燃料噴射制御は、過給圧センサー又は排気温度センサーに基づいて行われてきた。過給圧センサー又は排気温度センサーは、フィードバックの応答精度が悪かった。また、過給圧センサーは、特に高地では大気圧が異なるため、信頼性が低かった。本実施例の減筒運転時燃料噴射制御手段は、これらのセンサーと比較して、簡易な手段で減筒運転時の確実に燃料噴射制御を実施できる。
40 過給機
41 コンプレッサー
42 タービン
44 指標手段
45 羽根
60 ECU
62 ターボ角速度センサー
Claims (10)
- タービン軸上に複数の羽根を備えるコンプレッサーとタービンからなる過給機を有するエンジンにおいて、
前記タービン軸または羽根上に少なくとも一つの指標手段を設け、
前記指標手段の回転と複数の羽根の回転とをそれぞれ検知する検知手段を設けて制御手段と接続し、
タービン軸の一回転あたり複数のパルスを得て角速度を演算するターボ角速度演算手段
を備えることを特徴とする過給器を備えるエンジン。 - 請求項1記載のターボ角速度検出手段において、
前記検知手段により得られたパルスの大きさをターボ角速度として算出し、
前記ターボ角速度が一定であればターボ回転数(ターボ平均角速度)を算出する
ことを特徴とする過給器を備えるエンジン。 - 請求項2記載のターボ角速度検出手段において、
前記ターボ角速度を、該ターボ角速度の絶対値とする又はターボ平均角速度の相対値とする制御手段、
を備えたことを特徴とする過給器を備えるエンジン。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載のエンジンであって、
前記ターボ角速度振幅値が所定閾値を超えた場合は前記過給機がサージング領域に接近したと判断する過給機サージング検出手段
を備えたことを特徴とする過給器を備えるエンジン。 - 請求項4に記載のエンジンであって、
エンジン負荷を検出するエンジン負荷検出手段と、
エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、
エンジン負荷とエンジン回転数とに基づき前記ターボ角速度の所定閾値を記憶した適正角速度振幅値マップと、
前記ターボ角速度が、前記適正角速度振幅値を超えた場合は、前記過給機の運転がサージング領域に接近したと判断する制御手段、
を備えたことを特徴とする過給器を備えるエンジン。 - 請求項4又は5に記載のエンジンであって、
過給機の運転がサージング領域に接近したと判断した場合は、燃料噴射量、燃料噴射圧力又は燃料噴射時期のうち少なくとも一つを排気流量が減少するように制御するサージング回避手段
を備えたことを特徴とする過給器を備えるエンジン。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載のエンジンであって、
エンジン負荷を検出するエンジン負荷検出手段と、
エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、
エンジン負荷とエンジン回転数によりあらかじめ設定された適正ターボ回転数閾値と、
前記エンジン負荷検出手段によるエンジン負荷と前記エンジン回転数検出手段によるエンジン回転数とに基づくエンジン状態での前記ターボ角速度検出手段によるターボ回転数が、前記適正ターボ回転数閾値外であれば異常と判断する過給機故障検知手段と、
を備えたことを特徴とする過給器を備えるエンジン。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載のエンジンであって、
排気ガス還流システムと、
前記ターボ角速度検出手段によるターボ回転数に基づいて排気ガス還流システムの還流量を制御する排気ガス還流量制御手段と、
を備えたことを特徴とする過給器を備えるエンジン。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載のエンジンであって、
前記エンジン回転数検出手段と、
前記エンジン回転数検出手段によるエンジン回転数と前記ターボ角速度検出手段によるターボ回転数とに基づいて、異常を検知したとき、任意の時間内にエンジン回転数及び負荷を減少させるディフレーティング手段と、
を備えたことを特徴とする過給器を備えるエンジン。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載のエンジンであって、
少なくとも2つ以上の気筒と、
ある気筒に異常が発生すれば該気筒の運転を停止して、該気筒以外の残気筒で運転を継続する減筒運転手段と、
前記減筒運転時には前記ターボ角速度検出手段によるターボ回転数に基づいて前記残気筒の燃料噴射量、燃料噴射圧力又は燃料噴射時期のうち少なくとも一つの制御を行なう減筒運転時燃料噴射制御手段と、
を備えたことを特徴とする過給器を備えるエンジン。
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