JP2008095557A - ターボ過給機付きエンジンのサージ防止制御装置及びサージ防止制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無用のサージ防止制御を回避して運転性を悪化させないターボ過給機付きエンジンのサージ防止制御装置及びサージ防止制御方法を提供する。
【解決手段】吸入空気がターボ過給機のコンプレッサの下流側から上流側へ間欠的に逆流するサージの発生を防止するターボ過給機付きエンジンのサージ防止制御装置であって、エンジンの減速又は燃料噴射量の減量があったときにサージ防止制御の許可又は禁止を判定するサージ防止制御許可判定手段(ステップＳ８)と、サージ防止制御の禁止を判定したときはサージ防止制御を開始せず、サージ防止制御の許可を判定したときにサージ防止制御を開始するサージ防止制御開始手段(ステップＳ１３)とを有する。
【選択図】図２

Description

この発明は、ターボ過給機付きエンジンにおいて、吸入空気がターボ過給機のコンプレッサの下流側から上流側へ間欠的に逆流するサージの発生を防止する装置及び方法に関する。

排気通路に設置され排気によって駆動されるタービンと、吸気通路に設置されタービンによって駆動されるコンプレッサとを含むターボ過給機を備えるエンジンが知られている。コンプレッサの流量は、タービンの回転速度又は過給圧力に依存する。コンプレッサ流量が小さくなりすぎて許容最小流量を下回ってしまうと、吸入空気がコンプレッサの下流側から上流側へ間欠的に逆流する現象(サージ)が発生する。このサージは、燃料噴射量が減少したときのように、特定の運転状態で排気圧力が低下するときに発生しやすい。

そこで例えば特許文献１では、燃料噴射量の単位時間当たり減少量が所定量以上である特定運転状態にあるときに、タービンの回転速度を通常時よりも低下させて過給圧力を低下させるとともに、ＥＧＲ装置によるＥＧＲ量を通常時よりも減少させている。このようにすることで、コンプレッサ流量の許容最小値を減少させてサージを回避する。またＥＧＲ弁を閉弁することで、ＥＧＲ通路を介する吸入空気の逆流を防止している。
特開２００５−２４０７５６号公報

ところで、近時のエンジンには、排ガス中に含まれるパティキュレート(Particulate Matter；以下「ＰＭ」という)を捕捉するディーゼルパーティキュレートフィルタ(Diesel Particulate Filter；以下「ＤＰＦ」という)や、排気空燃比がリーンのときに流入する窒素酸化物ＮＯｘをトラップし、排気空燃比がリッチになったらトラップしていた窒素酸化物ＮＯｘを離脱浄化するＮＯｘトラップ触媒などが装着されている。ＤＰＦがＰＭを捕捉し続けると、やがて目詰まりを生じてしまう。またＮＯｘトラップ触媒は経時的に硫黄被毒する。そこでこのような場合には、排ガス温度を上昇させて、堆積したＰＭを強制的に燃焼除去してＤＰＦを再生したり、硫黄被毒を解除する必要がある。そのために燃料噴射量を増量する。そしてＤＰＦが再生したり、硫黄被毒が解除されたら、増量していた燃料を再び元の噴射量に戻す。

ところが上述の特許文献１の発明では、燃料噴射量の単位時間当たり減少量が所定量以上である特定運転状態であると判定してサージ防止制御を開始するので、ＤＰＦの再生制御や、ＮＯｘトラップ触媒の硫黄被毒解除制御が終了して燃料噴射量を元の噴射量に戻すたびに、無用のサージ防止制御を開始してしまい、運転性が悪化する。

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、無用のサージ防止制御を回避して運転性を悪化させないターボ過給機付きエンジンのサージ防止制御装置及びサージ防止制御方法を提供することを目的としている。

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。

本発明は、吸入空気がターボ過給機(４０)のコンプレッサ(４１)の下流側から上流側へ間欠的に逆流するサージの発生を防止するターボ過給機付きエンジンのサージ防止制御装置であって、エンジンの減速又は燃料噴射量の減量があったときにサージ防止制御の許可又は禁止を判定するサージ防止制御許可判定手段(ステップＳ８)と、サージ防止制御の禁止を判定したときはサージ防止制御を開始せず、サージ防止制御の許可を判定したときにサージ防止制御を開始するサージ防止制御開始手段(ステップＳ１３)とを有することを特徴とする。

本発明によれば、エンジンの減速又は燃料噴射量の減量があったときであってもサージ防止制御の許可又は禁止を判定して、禁止を判定したときはサージ防止制御を開始せず、サージ防止制御の許可を判定したときにサージ防止制御を開始するようにしたので、無用のサージ防止制御を回避でき、運転性の悪化を防止できる。

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さらに詳しく説明する。

図１は、本発明によるターボ過給機付きエンジンのサージ防止制御装置の一実施形態を示すシステム図である。

ディーゼルエンジン１０は、排気通路２３に設置され排気によって駆動されるタービン４２と、吸気通路２１に設置されタービン４２によって駆動されるコンプレッサ４１とを含むターボ過給機４０を備える。コンプレッサ４１の流量は、タービン４２の回転速度又は過給圧力に依存する。そこで可変ノズル機構４３の開度を制御してタービン４２の回転速度又は過給圧力を調整してコンプレッサ４１の流量を制御する。

ディーゼルエンジン１０には、高圧ポンプ１４で高圧化されコモンレール１３に一旦蓄圧された燃料がインジェクタ１２から噴射タイミングに応じて噴射される。

ディーゼルエンジン１０から排出され排気通路２３を通流する排ガスの一部が排ガス再循環装置(Exhaust Gas Recirculation；以下「ＥＧＲ装置」という)３０を介して吸気通路２１に還流する。ＥＧＲ装置３０は、ＥＧＲ通路３１にＥＧＲクーラ３２とＥＧＲバルブ３３とを有する。ＥＧＲクーラ３２は排気通路２３から還流する排ガスを冷却する。ＥＧＲバルブ３３は開閉してＥＧＲ量を調整する。ＥＧＲバルブ３３は、コントローラ１００によってデューティ制御される。

ディーゼル酸化触媒(Diesel Oxidative Catalyst；以下「ＤＯＣ」という)７０は、ディーゼルエンジン１０の排気通路２３に設けられ、パラジウム、白金などの触媒による酸化作用でパティキュレートを減少させる。ＤＯＣ７０に燃料の未燃成分(炭化水素ＨＣ)が流入すると、触媒反応によって高温になった排ガスがＤＯＣ７０から流出する。

ＤＰＦアッセンブリ５０は、ＤＯＣ７０のさらに下流に設けられる。ＤＰＦアッセンブリ５０は、ＤＰＦハウジング５１にＤＰＦ５２を内蔵する。ＤＰＦ５２は、例えばコージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造である。ＤＰＦ５２には、多孔質薄壁によって格子状に流路が区画される。各流路の入口は、交互に目封じされる。入口が目封じされない流路は、出口が目封じされる。ＤＰＦ５２に流入した排ガスは、各流路を区画する多孔質薄壁を透過して下流へ排出される。排ガスに含まれるＰＭは多孔質薄壁の内側表面で捕捉されて堆積する。捕捉されたＰＭの一部はＤＰＦで燃焼するものの、ＤＰＦの温度(ベッド温度)が高温でなければ燃焼量は少なく、ＰＭの燃焼量よりも堆積量のほうが多いこととなる。この状態が継続しＤＰＦがＰＭを捕捉し続けると、やがて目詰まりを生じてしまう。そこでＰＭがある程度堆積したら排ガス温度を上昇させて、堆積したＰＭを強制的に燃焼除去する。

差圧センサ６１は、ＤＰＦハウジング５１の上流室５１ａ(ＤＰＦ５２の入口)及び下流室５１ｂ(ＤＰＦ５２の出口)の差圧(圧力損失)を検出し、差圧信号をコントローラ１００に出力する。ＤＰＦ入口温度センサ６２は、ＤＰＦ５２の入口温度Ｔinを検出し、入口温度信号をコントローラ１００に出力する。ＤＰＦ出口温度センサ６３は、ＤＰＦ５２の出口温度Ｔoutを検出し、出口温度信号をコントローラ１００に出力する。クランク角センサ６４は、ディーゼルエンジン１０のクランクシャフト１１の回転速度を検出する。

アクセルポジションセンサ６５はドライバのアクセルペダル踏込量を検出する。エアフローセンサ６６は、吸入空気量を検出する。圧力センサ６７は、ターボ(コンプレッサ４１)の上流側の圧力Ｐ１を検出する。圧力センサ６８は、ターボ(コンプレッサ４１)の下流側の圧力Ｐ２を検出する。

コントローラ１００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１００は、差圧センサ６１の差圧信号を入力し、この差圧の大小に基づいてＤＰＦ５２のＰＭ堆積量Ｍpmを推定する。コントローラ１００は、ＰＭ堆積量Ｍpmに基づいてＤＰＦ再生時期を判定する。コントローラ１００は、ＤＰＦ入口温度センサ６２の入口温度信号及びＤＰＦ出口温度センサ６３の出口温度信号を入力し、これらに基づきＤＰＦ５２のベッド温度を算出する。またコントローラ１００は、入力信号に基づいてインジェクタ１２及び高圧ポンプ１４を制御して燃料噴射量、噴射時期を調整する。コントローラ１００は、入力信号に基づいてスロットルバルブ２２の開度を調整する。コントローラ１００は、ＥＧＲバルブ３３をデューティ制御する。コントローラ１００は、これらをコントロールすることで空気過剰率（空燃比）を調整（λコントロール）して排ガス中に含まれる未燃成分(炭化水素ＨＣ)を調整し、ＤＯＣ７０から流出する排ガス温度を上昇させてＤＰＦ再生を実行する。

またコントローラ１００は、エンジンの減速又は燃料噴射量の減量があったときにサージ防止制御を開始する。ただしエンジンの減速又は燃料噴射量の減量があれば常にサージ防止制御を開始しては無用なサージ防止制御までも行ってしまう。そこでエンジンの減速又は燃料噴射量の減量があったときはサージ防止制御を許可できるか否かを判定し、許可できるときにのみ、サージ防止制御を開始する。

ここで本発明の理解を容易にするために本件発明者らの知見について説明する。上述のようにエンジンから排出されたＰＭをＤＰＦが捕捉し続けると、やがて目詰まりを生じてしまう。そこでＰＭがある程度堆積したら燃料を増量して排ガス温度を上昇させて、堆積したＰＭを強制的に燃焼除去する。

ところで、従来は、燃料噴射量の単位時間当たり減少量が所定量以上であるときに、特定運転状態であると判定してサージ防止制御を開始するので、ＤＰＦの再生制御や、ＮＯｘトラップ触媒の硫黄被毒解除制御が終了して燃料噴射量を元の噴射量に戻すたびに、無用のサージ防止制御を開始していた。本来、ＤＰＦの再生制御や、ＮＯｘトラップ触媒の硫黄被毒解除制御が終了して燃料噴射量を元の噴射量に戻したときには、サージ防止制御を実行する必要がない。しかし従来は、このようなときに無用のサージ防止制御を開始するので、運転性が悪化していた。

そこで本件発明者らは、無用のサージ防止制御をしないように、サージの発生しうる条件をさらに絞ることについて日夜研究を行った。

例えばＤＰＦの再生制御などの開始から終了までサージ防止制御を禁止するようなことが考えられる。しかしこのようにしては、ＤＰＦの再生中にサージ防止制御を実行しなければならないときまで、サージ防止制御が禁止されてしまう。

そこで本件発明者らは、吸入空気量と、ターボ(コンプレッサ)の前後圧とに着目した。そして横軸吸入空気量Ｑa、縦軸圧力比(Ｐ２／Ｐ１)としたグラフにプロットすると、サージは吸入空気量Ｑa及び前後圧力比(Ｐ２／Ｐ１)に依存しサージ発生の境界線(サージライン)が存在することが知見された。そこでサージ発生境界線のサージ発生しない側であってサージ発生境界線付近の領域(すなわち、サージ発生の可能性のある領域)でのみ、サージ防止制御を許可し、それ以外の領域では、そもそもサージが発生する可能性がないのであるからサージ防止制御を禁止しておくようにすることで、無用のサージ防止制御を回避できることを見いだしたのである。

以上を踏まえ、コントローラ１００の動作を中心として、本発明によるターボ過給機付きエンジンのサージ防止制御装置の具体的な動作を説明する。図２は、ターボ過給機付きエンジンのサージ防止制御装置の動作を説明するメインフローチャートである。なおコントローラ１００はこの処理をＤＰＦの再生タイミングで微少時間(例えば１０ミリ秒)サイクルで繰り返し実行する。

ステップＳ１において、コントローラ１００は、アクセルペダル踏込量APOを検出する。具体的には、例えばアクセルポジションセンサ６５で検出したアクセルペダル踏込量に基づいて検出する。

ステップＳ２において、コントローラ１００は、アクセルペダル踏込量APOに基づいて減速されたか否かを判定する。減速されたときはステップＳ７へ処理を移行し、そうでなければステップＳ３へ処理を移行する。

ステップＳ３において、コントローラ１００は、燃料噴射量Ｑfを検出する。

ステップＳ４において、コントローラ１００は、燃料噴射量Ｑfが減量されたか否かを判定する。減量されたときはステップＳ７へ処理を移行し、そうでなければステップＳ５へ処理を移行する。

ステップＳ５において、コントローラ１００は、タイマをリセットする。なおこのタイマは、減速及び燃料減量噴射が継続しているときにステップＳ１１でインクリメントされるタイマである。

ステップＳ６において、コントローラ１００は、許可フラグＦperをリセットする。なおこの許可フラグＦperは、サージ防止制御が許可されているときにステップＳ１０でセットされるフラグである。

ステップＳ７において、コントローラ１００は、許可フラグＦperがセットされているか否を判定する。セットされていればステップＳ１１へ処理を移行し、そうでなければステップＳ８へ処理を移行する。

ステップＳ８において、コントローラ１００は、サージ防止制御が許可を判定する。具体的な判定方法は後述する。

ステップＳ９において、コントローラ１００は、サージ防止制御が許可されているときは、ステップＳ１０へ処理を移行し、そうでなければこの処理を一旦抜ける。

ステップＳ１０において、コントローラ１００は、許可フラグＦperをセットする。

ステップＳ１１において、コントローラ１００は、タイマをインクリメントする。なおこのタイマは、上述のように減速及び燃料減量噴射の継続時間をカウントするタイマである。

ステップＳ１２において、コントローラ１００は、タイマが所定時間よりも大きくなったか否かを判定する。大きくなるまではこの処理を一旦抜け、大きくなったらステップＳ１３へ処理を移行する。

ステップＳ１３において、コントローラ１００は、サージ防止制御を開始する。

図３はサージ防止制御を許可するか否かを判定するルーチンのフローチャートである。

ステップＳ８１において、コントローラ１００は、吸入空気量Ｑaを検出する。

ステップＳ８２において、コントローラ１００は、吸入空気量Ｑaの変化が小さいか否かを判定する。小さければステップＳ８６へ処理を移行し、そうでなければステップＳ８３へ処理を移行する。なお小さいか否かの基準値はあらかじめ実験を通じて適合されてＲＯＭに格納されている。

ステップＳ８３において、コントローラ１００は、ターボ(コンプレッサ)の下流側の圧力Ｐ２と上流側の圧力Ｐ１とを検出し、圧力比(Ｐ２／Ｐ１)を算出する。なお下流圧Ｐ２は圧力センサ６８によって検出され、上流圧Ｐ１は圧力センサ６７によって検出される。

ステップＳ８４において、コントローラ１００は、図４に示す特性マップに基づいてサージ防止制御の実施領域内であるか否かを判定する。実施領域内であればステップＳ８５へ処理を移行し、実施領域外であればステップＳ８６へ処理を移行する。なお特性マップはあらかじめ実験を通じて適合されてＲＯＭに格納されている。

ステップＳ８５において、コントローラ１００は、サージ防止制御を許可する。

ステップＳ８６において、コントローラ１００は、サージ防止制御を禁止する。

本実施形態によれば、燃料噴射量の単位時間当たり減少量が所定量以上である場合であっても、吸入空気量の変化が小さいときは、サージ防止制御を禁止するようにした。このように吸入空気量の変化が小さいときは、ＤＰＦの再生制御や、ＮＯｘトラップ触媒の硫黄被毒解除制御が終了して燃料噴射量を元の噴射量に戻したために燃料噴射量が減少した可能性が高いので、無用なサージ防止制御を行わないですむ。

またサージ発生境界線の付近の領域(すなわち、サージ発生の可能性のある領域)でのみ、サージ防止制御を許可し、それ以外の領域では、そもそもサージが発生する可能性がないのであるからサージ防止制御を禁止しておくようにしたので、無用なサージ防止制御を行わないのである。

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。

例えば、上記実施形態では、ディーゼルエンジンを例示して説明したがガソリンエンジンであってもよい。また上記した基準値や特性マップは一例にすぎず、実験を通じて適宜設定可能である。

本発明によるターボ過給機付きエンジンのサージ防止制御装置の一実施形態を示すシステム図である。 ターボ過給機付きエンジンのサージ防止制御装置の動作を説明するメインフローチャートである。 サージ防止制御を許可するか否かを判定するルーチンのフローチャートである。 サージ防止制御の実施領域内であるか否かを判定するための特性マップの一例を示す図である。

符号の説明

１０ エンジン
４０ ターボ過給機
４１ コンプレッサ
４２ タービン
４３ 可変ノズル機構
６６ エアフローセンサ
６７、６８ 圧力センサ
ステップＳ８ サージ防止制御許可判定手段
ステップＳ１３ サージ防止制御開始手段

Claims (6)

1. 吸入空気がターボ過給機のコンプレッサの下流側から上流側へ間欠的に逆流するサージの発生を防止するターボ過給機付きエンジンのサージ防止制御装置であって、
   エンジンの減速又は燃料噴射量の減量があったときにサージ防止制御の許可又は禁止を判定するサージ防止制御許可判定手段と、
   サージ防止制御の禁止を判定したときはサージ防止制御を開始せず、サージ防止制御の許可を判定したときにサージ防止制御を開始するサージ防止制御開始手段と、
   を有することを特徴とするターボ過給機付きエンジンのサージ防止制御装置。
2. 前記サージ防止制御許可判定手段は、吸入空気量の変化が小さいときにはサージ防止制御を禁止する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機付きエンジンのサージ防止制御装置。
3. 前記サージ防止制御許可判定手段は、吸入空気量と、ターボ過給機のコンプレッサの前後圧力比とが所定の領域から外れているときには、サージ防止制御を禁止する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のターボ過給機付きエンジンのサージ防止制御装置。
4. 前記所定の領域とは、横軸に吸入空気量、縦軸にターボ過給機のコンプレッサの前後圧力比をプロットしたときのサージ発生境界線のサージ発生しない側であってサージ発生境界線付近の領域である、
   ことを特徴とする請求項３に記載のターボ過給機付きエンジンのサージ防止制御装置。
5. 前記サージ防止制御開始手段は、サージ防止制御の許可を判定したときには、エンジンの減速又は燃料噴射量の減量が所定時間以上継続したときにサージ防止制御を開始する、
   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項に記載のターボ過給機付きエンジンのサージ防止制御装置。
6. 吸入空気がターボ過給機のコンプレッサの下流側から上流側へ間欠的に逆流するサージの発生を防止するターボ過給機付きエンジンのサージ防止制御方法であって、
   エンジンの減速又は燃料噴射量の減量があったときにサージ防止制御の許可又は禁止を判定するサージ防止制御許可判定工程と、
   サージ防止制御の禁止を判定したときはサージ防止制御を開始せず、サージ防止制御の許可を判定したときにサージ防止制御を開始するサージ防止制御開始工程と、
   を有することを特徴とするターボ過給機付きエンジンのサージ防止制御方法。