JP2009299537A - 過給機付きエンジンの過給圧制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン本体から排出される排ガスの一部を排気通路から過給機より上流側の吸気通路に還流させるＥＧＲ装置を備えた過給機付きエンジンの過給圧制御装置において、過給機の吸入空気温度変化に起因する過給機の破損を確実に防止する。
【解決手段】エンジン運転状態に基づいて基本目標過給圧を設定する基本目標過給圧設定手段４３と、過給機１６の吸入空気温度Ｔ１に基づいて過給機１６が破損する破損温度Ｔ２ｃに対応する過給機１６の破損過給圧Ｐ２ｃを求め、求めた破損過給圧Ｐ２ｃよりも低く最大過給圧を設定する最大過給圧設定手段４４と、基本目標過給圧設定手段４３にて設定された基本目標過給圧と最大過給圧設定手段４４にて設定された最大過給圧とのうち、小さい方の値を最終目標過給圧とする最終目標過給圧設定手段４５と、過給機１６の過給圧を前記最終目標過給圧に制御する過給圧制御手段４６と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジン本体から排出される排ガスの一部を排気通路から過給機より上流側の吸気通路に還流させるＥＧＲ装置を備えた過給機付きエンジンの過給圧制御装置に関する。

従来、ディーゼルエンジンでは、インタークーラ付きターボ、ＥＧＲやＤＰＦ等を用いて排ガスのクリーン化が行われてきた。今後の排ガス規制の強化に対応するために、様々なシステム（例えば、ＬＰ−ＥＧＲ（Low pressure EGR）、２ステージターボやカムレス動弁機構等）が検討されている。排ガス改善と燃費改善のポイントは、過給特性の改善であり、如何に空気とＥＧＲガスをシリンダに導入するかである。特に、ターボチャージャでは、ターボラグがあるので、過渡時の過給特性改善は排ガス改善における重要な課題のひとつである。

例えば、過渡時の過給特性の改善手法として用いられる機械式過給機（スーパーチャージャ）では、エンジンのエキゾーストマニホールド内の圧力が高くならないので、ＥＧＲガスを機械式過給機の上流に還流させるシステムレイアウトになる（ＬＰ−ＥＧＲ）。このシステムでは、過給圧の調整を、機械式過給機のバイパス通路に設けられるバイパスバルブの開度制御によって行う。

なお、特許文献１には、過給機付きエンジンの制御装置において、過給機の吐出空気温度が所定値を超えた場合にバイパスバルブを開くことにより、過給機の過負荷運転を防止し、過給機の破損を防止し得るものが記載されている。

特開平０１−１９０９１９号公報

一般的に過給機では、過給圧を高くすることにより過給温度（過給機の吐出空気温度）が高くなる。機械式過給機においては、過給温度が高くなる（例えば、１５０℃程度）と、高速で回転するローターの膨張により互いのローターが接触し、過給機が破損する虞がある。

ＥＧＲ装置を備えていないエンジンの場合には、機械式過給機の吸入空気温度は大気温度であり、大幅に変化しないので、実機試験等により得たデータを元に過給機の使用範囲や過給圧を設定することができる。

他方、ＥＧＲ装置を備え且つＥＧＲガス温度が高くなるエンジンの場合には、エンジン運転状態（エンジン回転数及びエンジン負荷等）、排ガスの温度や流量等が大幅に変化すると、ＥＧＲクーラの性能によってはエンジンの吸気通路に還流されるＥＧＲガスの温度も大幅に変化する。よって、ＥＧＲガスの温度に応じて機械式過給機の吸入空気温度が変化し、機械式過給機の吐出空気温度も変化する。従って、エンジンの吸気通路に還流されるＥＧＲガスの温度が高い場合には、同一の過給圧設定でも（バイパスバルブの開度が同一であっても）、機械式過給機が破損する状況が起こり得る。

そこで、本発明の目的は、エンジン本体から排出される排ガスの一部を排気通路から過給機より上流側の吸気通路に還流させるＥＧＲ装置を備えた過給機付きエンジンの過給圧制御装置において、過給機の吸入空気温度変化に起因する過給機の破損を確実に防止することができる過給機付きエンジンの過給圧制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、エンジン本体から排出される排ガスの一部を排気通路から過給機より上流側の吸気通路に還流させるＥＧＲ装置を備えた過給機付きエンジンの過給圧制御装置において、エンジン運転状態に基づいて基本目標過給圧を設定する基本目標過給圧設定手段と、前記過給機の吸入空気温度に基づいて前記過給機が破損する破損温度に対応する前記過給機の破損過給圧を求め、求めた破損過給圧よりも低く最大過給圧を設定する最大過給圧設定手段と、前記基本目標過給圧設定手段にて設定された基本目標過給圧と前記最大過給圧設定手段にて設定された最大過給圧とのうち、小さい方の値を最終目標過給圧とする最終目標過給圧設定手段と、前記過給機の過給圧を前記最終目標過給圧に制御する過給圧制御手段と、備えたものである。

ここで、前記最大過給圧設定手段は、前記過給機の吸入空気温度と、前記過給機の吸入空気圧力と、前記過給機の吸入空気量、前記過給機の出入口圧力比及び前記過給機の回転数のうち、二つをパラメータとして求められる前記過給機の過給効率と、前記過給機が破損する破損温度と、から、前記過給機が破損する破損温度に対応する前記過給機の破損過給圧を求めるものであっても良い。

本発明によれば、エンジン本体から排出される排ガスの一部を排気通路から過給機より上流側の吸気通路に還流させるＥＧＲ装置を備えた過給機付きエンジンの過給圧制御装置において、過給機の吸入空気温度変化に起因する過給機の破損を確実に防止することができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の一実施形態に係る過給機付きエンジンの過給圧制御装置の概略図である。

図１中、１１は過給機付きエンジン（本実施形態では、ディーゼルエンジン）のエンジン本体、１２はインテークマニホールド、１３は吸気通路（吸気管）、１４はエキゾーストマニホールド、１５は排気通路（排気管）である。

本実施形態の過給機付きエンジンは、エンジン本体１１の吸気通路１３に設けられ、エンジン本体１１に供給する吸入空気を昇圧する過給機１６と、過給機１６より下流側の吸気通路１３に設けられ、過給機１６で昇圧した吸入空気を冷却するインタークーラ１７と、エンジン本体１１の排気通路１５に設けられ、エンジン本体１１から排出される排ガスを浄化する後処理装置１８と、エンジン本体１１から排出された排ガスの一部を排気通路１５から過給機１６より上流側の吸気通路１３に還流させるＥＧＲ装置１９とを備えている。

本実施形態の過給機１６は、機械式過給機（スーパーチャージャ）である。本実施形態では、機械式過給機１６はリショルムタイプ（スクリュータイプ）のものである。機械式過給機１６は、ケーシング２０と、ケーシング２０内に回転自在に収容された一対のローター２１、２２とを有している。一対のローター２１、２２は、互いに僅かな隙間を保ちながら高速で回転するようになっている。一対のローター２１、２２の内一方のローター２１に装着されたプーリー２３と、エンジン本体１１のクランクシャフト２４に装着されたプーリー２５とは、ベルト２６で連結されており、エンジン本体１１のクランクシャフト２４の回転は、プーリー２５、ベルト２６及びプーリー２３を介して、機械式過給機１６のローター２１、２２に伝達されるようになっている。また、機械式過給機１６とエンジン本体１１との間には電磁クラッチ（図示せず）が介設されている。

エンジン本体１１の吸気通路１３には、機械式過給機１６の上下流を連通するバイパス通路（バイパス管）２７が設けられており、このバイパス通路２７には、バイパス通路２７を開閉するバイパスバルブ２８が設けられている。本実施形態では、バイパスバルブ２８として、デューティ制御弁を用いている。バイパスバルブ２８はコントローラ２９に接続されており、コントローラ２９は、機械式過給機１６の過給圧が後述する最終目標過給圧になるように、バイパスバルブ２８の開度を制御するようになっている。

本実施形態の後処理装置１８は、Ｃ−ＤＰＦ（Catalyzed Diesel Particulate Filter；触媒化ＤＰＦ）である。

本実施形態のＥＧＲ装置１９は、エンジン本体１１の排気通路１５と吸気通路１３とを連通するＥＧＲ通路（ＥＧＲ管）３０と、ＥＧＲ通路３０に設けられ、吸気通路１３に還流させる排ガス（ＥＧＲガス）を冷却するＥＧＲクーラ３１とを有している。本実施形態では、ＥＧＲ通路３０は、後処理装置１８より下流側の排気通路１５と機械式過給機１６より上流側の吸気通路１３とを連通しており、エンジン本体１１から排出されて後処理装置１８を通過した排ガスの一部が、排気通路１５から機械式過給機１６より上流側の吸気通路１３に還流されるようになっている。

排気通路１５から吸気通路１３に還流させるＥＧＲガスの量を調整するために、ＥＧＲ通路３０にはＥＧＲ通路３０を開閉するＥＧＲバルブ３２が設けられ、ＥＧＲ通路３０の吸気通路側接続口３３より上流側の吸気通路１３にはインテークスロットルバルブ３４が設けられ、ＥＧＲ通路３０の排気通路側接続口３５より下流側の排気通路１５にはエキゾーストスロットルバルブ３６が設けられている。

ＥＧＲバルブ３２、インテークスロットルバルブ３４及びエキゾーストスロットルバルブ３６は、コントローラ２９に接続されており、コントローラ２９は、エンジン本体１１の排気通路１５から吸気通路１３に還流させるＥＧＲガスの量が所定量になるように、ＥＧＲバルブ３２の開度、インテークスロットルバルブ３４の開度及びエキゾーストスロットルバルブ３６の開度をそれぞれ制御するようになっている。

エンジン本体１１には、エンジン回転数Ｎｅを計測するエンジン回転数センサ３７が設けられており、このエンジン回転数センサ３７は、エンジン回転数Ｎｅに応じた信号をコントローラ２９へ出力するようになっている。また、インテークスロットルバルブ３４より上流側の吸気通路１３には、吸入空気量ＭＡＦを計測する吸入空気量センサ３８が設けられており、この吸入空気量センサ３８は、吸入空気量ＭＡＦに応じた信号をコントローラ２９へ出力するようになっている。

機械式過給機１６より上流側の吸気通路１３には、機械式過給機１６の吸入空気温度Ｔ１を計測する第一温度センサ３９及び機械式過給機１６の吸入空気圧力Ｐ１を計測する第一圧力センサ４０が設けられており、これら第一温度センサ３９及び第一圧力センサ４０はそれぞれ、機械式過給機１６の吸入空気温度Ｔ１及び吸入空気圧力Ｐ１に応じた信号をコントローラ２９へ出力するようになっている。また、機械式過給機１６より下流側の吸気通路１３には、機械式過給機１６の吐出空気温度Ｔ２を計測する第二温度センサ４１及び機械式過給機１６の吐出空気圧力Ｐ２を計測する第二圧力センサ４２が設けられており、これら第二温度センサ４１及び第二圧力センサ４２はそれぞれ、機械式過給機１６の吐出空気温度Ｔ２及び吐出空気圧力Ｐ２に応じた信号をコントローラ２９へ出力するようになっている。

図２に示すように、本実施形態に係る過給圧制御装置１０は、エンジン回転数及び燃料噴射量（エンジン負荷）等のエンジン運転状態に基づいて、機械式過給機１６の基本目標過給圧を設定する基本目標過給圧設定手段４３と、機械式過給機１６の吸入空気温度に基づいて機械式過給機１６が破損する破損温度に対応する機械式過給機１６の破損過給圧を求め、求めた破損過給圧よりも低く機械式過給機１６の最大過給圧を設定する最大過給圧設定手段４４と、基本目標過給圧設定手段４３にて設定された基本目標過給圧と最大過給圧設定手段４４にて設定された最大過給圧とのうち、小さい方の値を機械式過給機１６の最終目標過給圧とする最終目標過給圧設定手段４５と、機械式過給機１６の過給圧を最終目標過給圧設定手段４５にて設定された最終目標過給圧に制御する過給圧制御手段４６とを備えている。

本実施形態では、基本目標過給圧設定手段４３はコントローラ２９からなり、コントローラ２９は、エンジン回転数センサ３７で計測したエンジン回転数Ｎｅと、燃料噴射量（最終燃料噴射量）Ｑｆｉｎとに基づいて、機械式過給機１６の基本目標過給圧を設定するようになっている。詳しくは、コントローラ２９は、エンジン回転数Ｎｅと、燃料噴射量（最終燃料噴射量）Ｑｆｉｎとをパラメータとするマップ４７から、エンジン運転状態に応じた機械式過給機１６の基本目標過給圧を求めるようになっている。

本実施形態では、最大過給圧設定手段４４はコントローラ２９からなり、コントローラ２９は、最大過給圧計算ロジック４８（詳細を図３に示す）に従って、機械式過給機１６の最大過給圧を設定するようになっている。

図３に示すように、コントローラ２９は、機械式過給機１６の吸入空気温度Ｔ１と、機械式過給機１６の吸入空気圧力Ｐ１と、機械式過給機１６の過給効率ηｃと、機械式過給機１６が破損する破損温度Ｔ２ｃとから、機械式過給機１６が破損する破損温度Ｔ２ｃに対応する機械式過給機１６の破損過給圧Ｐ２ｃを求める。本実施形態において、機械式過給機１６の破損温度Ｔ２ｃとは、高速で回転する一対のローター２１、２２の膨張により互いのローター２１、２２が接触し、これにより機械式過給機１６（ローター２１、２２）が破損するような高温の温度（例えば、１５０℃）に設定される。

機械式過給機１６の吸入空気量、機械式過給機１６の出入口圧力比（Ｐ２／Ｐ１）及び機械式過給機１６の回転数の三つのうち、二つが決まると、機械式過給機１６の過給効率ηｃを求めることができる。本実施形態では、コントローラ２９は、機械式過給機１６の吸入空気量と、機械式過給機１６の出入口圧力比（Ｐ２／Ｐ１）とに基づいて、機械式過給機１６の過給効率ηｃを求めるようになっている。詳しくは、コントローラ２９は、機械式過給機１６の吸入空気量と、機械式過給機１６の出入口圧力比（Ｐ２／Ｐ１）とをパラメータとするマップ４９から、機械式過給機１６の過給効率ηｃを求めるようになっている。

本実施形態では、コントローラ２９は、吸入空気量センサ３８で計測した吸入空気量（ＭＡＦ）と、ＥＧＲバルブ３２の開度、インテークスロットルバルブ３４の開度及びエキゾーストスロットルバルブ３６の開度等とに基づいて、機械式過給機１６の吸入空気量を推定するようになっている。なお、機械式過給機１６にセンサを設けて、機械式過給機１６の吸入空気量を直接計測するようにしても良い。また、本実施形態では、コントローラ２９は、第二圧力センサ４２で計測した機械式過給機１６の吐出空気圧力Ｐ２と、第一圧力センサ４０で計測した機械式過給機１６の吸入空気圧力Ｐ１とに基づいて、機械式過給機１６の出入口圧力比（Ｐ２／Ｐ１）を求めるようになっている。なお、機械式過給機１６の吸入空気圧力Ｐ１はほぼ大気圧であるので、機械式過給機１６の過給効率ηｃを求める際に用いる吸入空気圧力Ｐ１を一定値或いはマップから得られる推定値とすることも可能である。

次いで、コントローラ２９は、求めた機械式過給機１６の過給効率ηｃと、第一温度センサ３９で計測した機械式過給機１６の吸入空気温度Ｔ１と、第一圧力センサ４０で計測した機械式過給機１６の吸入空気圧力Ｐ１と、機械式過給機１６の破損温度Ｔ２ｃ（一定値或いはマップから得られる推定値）と、機械式過給機１６への吸入空気の比熱比γ（一定値）とに基づいて、図３中に示す式（１）から、機械式過給機１６の破損過給圧Ｐ２ｃを求めるようになっている。なお、機械式過給機１６の吸入空気圧力Ｐ１はほぼ大気圧であるので、機械式過給機１６の破損過給圧Ｐ２ｃを求める際に用いる吸入空気圧力Ｐ１を一定値或いはマップから得られる推定値とすることも可能である。また、機械式過給機１６への吸入空気の比熱比γは、ＥＧＲ率や機械式過給機１６の吸入空気温度Ｔ１によって多少変化するが、大幅に変化はしないので一定値としても問題はない。

そして、コントローラ２９は、求めた機械式過給機１６の破損過給圧Ｐ２ｃに所定の安全率を加算して（或いは乗じて）、機械式過給機１６の破損過給圧Ｐ２ｃに所定の安全率を加算して（或いは乗じて）得た値を最大過給圧とするようになっている。

図２に示すように、本実施形態では、最終目標過給圧設定手段４５は、コントローラ２９からなり、コントローラ２９は、基本目標過給圧と最大過給圧とのうち、小さい方の値を最終目標過給圧に設定するようになっている。

本実施形態では、過給圧制御手段４６は、コントローラ２９と、バイパスバルブ２８とから構成されており、コントローラ２９は、フィードバック制御により、機械式過給機１６の過給圧が最終目標過給圧になるように過給圧制御を行う。詳しくは、コントローラ２９は、機械式過給機１６の過給圧が最終目標過給圧になるようにバイパスバルブ２８の開度を制御（デューティ制御）することにより、機械式過給機１６の過給圧を制御するようになっている。

ここで、機械式過給機１６では、過給温度が高くなると（例えば、１５０℃程度）ローター２１、２２の膨張により互いのローター２１、２２が接触し、これにより機械式過給機１６が破損する虞がある。機械式過給機１６が大気のみを吸入する場合には機械式過給機１６の吸入空気温度（大気温度）は大幅に変化しないが、機械式過給機１６が大気に加えてＥＧＲガスを吸入する場合には、機械式過給機１６の吸入空気温度は大幅に変化して高くなる可能性があり、機械式過給機１６の吐出空気温度も吸入空気温度に応じて大幅に変化して高くなる可能性がある。

なお、機械式過給機１６の破損を防止する方法としては、機械式過給機１６の吐出空気温度Ｔ２を直接モニタリングして、機械式過給機１６の吐出空気温度Ｔ２に応じて機械式過給機１６の過給圧を制限することが考えられる。しかしながら、この方法では、過給結果をモニタリングしているので応答が遅く、機械式過給機１６の吐出空気温度がオーバーシュートして温度上限値を超えて、機械式過給機１６が破損する虞がある。

そこで、本実施形態では、機械式過給機１６の吸入空気温度Ｔ１に基づいて、機械式過給機１６が破損する破損温度Ｔ２ｃに対応する破損過給圧Ｐ２ｃを求め、求めた破損過給圧Ｐ２ｃよりも低く、運転時の上限値である最大過給圧を設定することで、機械式過給機１６の吸入空気温度Ｔ１が高い場合には、機械式過給機１６の過給圧を上記最大過給圧に制限することができ、機械式過給機１６の破損を予防することができる。即ち、本実施形態では、機械式過給機１６の吸入空気温度Ｔ１が所定温度（過給すると吐出空気温度Ｔ２が破損温度Ｔ２ｃを超えるような温度）より高い時点で機械式過給機１６の過給圧が上記最大過給圧に制限されるので、応答が速く、機械式過給機１６の吐出空気温度がオーバーシュートして温度上限値を超える虞はない。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

例えば、機械式過給機１６はルーツブロアタイプのものであっても良い。

また、図４に示すように、過給機は排気タービン式過給機（ターボチャージャ）５０であっても良い。例えば、排気タービン式過給機５０は、排ガスにより駆動されるタービン５１と、このタービン５１により駆動されるコンプレッサ５２とを有する。吸気通路１３には、コンプレッサ５２の上下流を連通するバイパス通路（バイパス管）５３が設けられ、このバイパス通路５３には、バイパス通路５３を開閉するバイパスバルブ５４が設けられる。排気通路１５には、タービン５１の上下流を連通する排気バイパス通路（排気バイパス管）５５が設けられ、この排気バイパス通路５５には、ウエストゲートバルブ５６が設けられる。過給機の吐出空気温度制限は、図１に示すような機械式過給機１６に限らず、図４に示すような排気タービン式過給機５０でも存在する（例えば、１５０〜２４０℃程度）ので、ＥＧＲ装置（ＬＰ−ＥＧＲ）１９及び排気タービン式過給機５０を備える過給機付エンジンにおいても本発明に係る過給圧制御は有効である。

図１は、本発明の一実施形態に係る過給機付きエンジンの過給圧制御装置の概略図である。 図２は、最終目標過給圧設定ロジックの一例を示す図である。 図３は、最大過給圧設定ロジックの一例を示す図である。 図４は、他の実施形態に係る過給機付きエンジンの過給圧制御装置の概略図である。

符号の説明

１０ 過給圧制御装置
１１ エンジン本体
１３ 吸気通路（吸気管）
１５ 排気通路（排気管）
１６ 過給機（機械式過給機）
１９ ＥＧＲ装置
２８ バイパスバルブ（過給圧制御手段）
２９ コントローラ（基本目標過給圧設定手段、最大過給圧設定手段、最終目標過給圧設定手段、過給圧制御手段）
４３ 基本目標過給圧設定手段
４４ 最大過給圧設定手段
４５ 最終目標過給圧設定手段
４６ 過給圧制御手段
５０ 過給機（排気タービン式過給機）
５４ バイパスバルブ（過給圧制御手段）

Claims (2)

1. エンジン本体から排出される排ガスの一部を排気通路から過給機より上流側の吸気通路に還流させるＥＧＲ装置を備えた過給機付きエンジンの過給圧制御装置において、
   エンジン運転状態に基づいて基本目標過給圧を設定する基本目標過給圧設定手段と、
   前記過給機の吸入空気温度に基づいて前記過給機が破損する破損温度に対応する前記過給機の破損過給圧を求め、求めた破損過給圧よりも低く最大過給圧を設定する最大過給圧設定手段と、
   前記基本目標過給圧設定手段にて設定された基本目標過給圧と前記最大過給圧設定手段にて設定された最大過給圧とのうち、小さい方の値を最終目標過給圧とする最終目標過給圧設定手段と、
   前記過給機の過給圧を前記最終目標過給圧に制御する過給圧制御手段と、
   を備えたことを特徴とする過給機付きエンジンの過給圧制御装置。
2. 前記最大過給圧設定手段は、
   前記過給機の吸入空気温度と、
   前記過給機の吸入空気圧力と、
   前記過給機の吸入空気量、前記過給機の出入口圧力比及び前記過給機の回転数のうち、二つをパラメータとして求められる前記過給機の過給効率と、
   前記過給機が破損する破損温度と、
   から、前記過給機が破損する破損温度に対応する前記過給機の破損過給圧を求める請求項１に記載の過給機付きエンジンの過給圧制御装置。

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