JP2012036760A - 発進補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストでブースト圧が迅速に上昇し確実に発進ができる発進補助装置を提供する。
【解決手段】ターボチャージャ３より排気流上流に酸化触媒装置５，６が設置され、酸化触媒装置５，６より排気流上流に排気管燃料噴射器７が設置され、車両の発進時に排気管燃料噴射器７からの排気管噴射を実行することでブースト圧を上昇させる発進補助制御部７を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャによるブースト圧の上昇を促進する発進補助装置に係り、低コストでブースト圧が迅速に上昇し確実に発進ができる発進補助装置に関する。

エンジンを搭載した車両では、変速機に対するディファレンシャルのギア比を小さくするなどして総合のギア比が小さいハイギアードにすると、ハイギアードにしていない通常の車両に比べて、同じ車速であればエンジン回転数がより低回転にて走行することになるため、燃費改良が期待できる。

反面、ハイギアードにした車両は、通常の車両に比べて大きな発進トルクがエンジンに要求されるため、発進性が悪くなるという問題がある。

例えば、エンジンとターボチャージャを搭載した車両において、エンジンへの燃料は吸入空気量に応じた量を噴射することで空燃比λを理論空燃比＝１より大きくするが、発進直前のアイドル状態ではブースト圧が低く吸入空気量が少ない。その後、アクセル開度が急に大きくなっても、ターボチャージャの応答遅れにより、ブースト圧は直ぐには上昇せず、吸入空気量の増加が遅いため、エンジンへの燃料噴射量を急速に増加させることができない。その結果、エンジンの出力トルクが必要な発進トルクにまでなかなか達しない。このため、発進の意図でアクセルを踏み込んでクラッチを繋ごうとしても、円滑に発進できない。

特開２００７−３２１７３４号公報 特開２００９−２１６０３２号公報

従来より、ハイギアードの車両における発進性を改善するため、吸排気バルブの開閉を行うカムの仕様を低速型に変更することが試みられている。低速型のカムは、エンジン低回転時に高い出力トルクが得られるように吸排気バルブの開閉時期を設定したものである。また、ターボチャージャを小型化することでブースト圧の応答を短縮することが試みられている。

しかし、これらの方策では、得られる効果が小さく、発進を円滑にさせるには不十分である。

また、ハイギアードの車両における発進性を改善する他の方策として、ターボチャージャをエンジンのクランク軸にベルトやギアを介して連結してクランク軸でターボチャージャを回転させるスーパーチャージャを搭載すること、あるいはターボチャージャに電気モータを連結して発進時に電気モータでターボチャージャを回転させる電動ターボを搭載して発進時に電気モータを作動させることも試みられている。

しかし、スーパーチャージャや電動ターボはコストが高く、また、ターボチャージャをエンジンやモータで駆動するため、燃費が悪い。

また、１燃焼サイクルにおける燃料噴射を複数回に分けて行うマルチ噴射では、１燃焼サイクル中の最後に行うポスト噴射によってブースト圧を上昇させることができる。ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）再生のときのように、ポスト噴射が他の噴射と時間的に離れていると、ポスト噴射された燃料は燃焼しないで排気管に出ていくが、メイン噴射より後の噴射、例えば、アフター噴射に対してポスト噴射を時間的に近付けると、ポスト噴射された燃料がエンジンで燃焼するため、排気ガス温度が上がりブースト圧上昇に寄与する。

しかし、エンジン制御では、吸入空気量に応じて燃料を噴射している。吸入空気量に比してあまり多くの燃料を噴射してしまうと、排気管から煙が出たり、ＣＯ、ＨＣが排出されたりするため、理論空燃比よりも燃料がリーンであるように、つまり空燃比λが１より大となるように制御している。このように、エンジン制御では空燃比λが１に近づかないよう制御することで、理論空燃比よりも燃料がリーンであることを保つ必要があるため、ポスト噴射を行っても噴射量を多くできず、排気ガス温度を急速に高めることは期待できない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、低コストでブースト圧が迅速に上昇し確実に発進ができる発進補助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、エンジンとターボチャージャとを有する車両に搭載される発進補助装置において、前記ターボチャージャより排気流上流に酸化触媒装置が設置され、前記酸化触媒装置より排気流上流に排気管燃料噴射器が設置され、車両の発進時に前記排気管燃料噴射器からの排気管噴射を実行することでブースト圧を上昇させる発進補助制御部を有するものである。

前記発進補助制御部は、ギア位置が低速位置のとき、排気管噴射を実行してもよい。

前記車両にエンジン燃料噴射がマルチ噴射と通常噴射とに切り替え可能なエンジン制御部が搭載され、前記発進補助制御部は、前記車両が停止しており、かつ、前記エンジンがアイドル状態のときに、ギア位置がニュートラルから低速位置に切り替えられたとき、前記エンジン制御部に排気ガス温度を上昇させるためのマルチ噴射を開始させてもよい。

前記発進補助制御部は、排気ガス温度が前記酸化触媒装置の活性化温度に到達したとき、排気管噴射を開始してもよい。

前記発進補助制御部は、排気管噴射の開始後にブースト圧が発進許可値に到達したとき、発進が許可された旨を表示する発進許可ランプを点灯させてもよい。

前記発進補助制御部は、排気管噴射の実行中にギア位置が発進時より高速位置に切り替えられたとき、排気管噴射を停止してもよい。

前記排気管燃料噴射器は、前記エンジンの排気ポート内に設置されてもよい。

前記酸化触媒装置は、前記エンジンの排気ポートと排気マニホールドの間に設置されてもよい。

前記酸化触媒装置は、前記ターボチャージャの排気ガス入口に設置されてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）低コストである。

（２）ブースト圧が迅速上昇する。

（３）確実に発進ができる。

本発明の一実施形態を示す発進補助装置を搭載した車両のエンジン周辺要部構成図である。 本発明の発進補助装置の発進補助制御部入出力図である。 本発明の発進補助装置における発進時のタイミングチャートである。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る発進補助装置１は、エンジン２とターボチャージャ３とを有する車両に搭載される。

発進補助装置１には、ターボチャージャ３より排気流上流、例えば、エンジン２の排気ポートと排気マニホールド４の間に第一酸化触媒装置５が設置され、同じくターボチャージャ３より排気流上流、例えば、ターボチャージャ３の排気ガス入口に第二酸化触媒装置６が設置される。酸化触媒装置５，６は、公知のもので、プレターボ触媒とも呼ばれる。酸化触媒装置５，６は、高温での破損・溶損がない金属製のハニカム状に形成された担体に、白金、パラジウム等の触媒物質を保持させたものであり、例えば、２００℃の活性化温度以上の環境で燃料である炭化水素の酸化を促進させる機能を有する。

発進補助装置１には、酸化触媒装置５，６より排気流上流、例えば、エンジン２の排気ポート内に排気管燃料噴射器７が設置される。排気管燃料噴射器７には、従来よりエンジン燃料噴射に用いられているソレノイド式のインジェクタを用いてもよい。図１では、排気管燃料噴射器７は１つのみ示されているが、各気筒の排気ポートに１つずつ設けるのが好ましい。

発進補助装置１は、車両の発進時に排気管燃料噴射器７からの排気管噴射を実行することでブースト圧を上昇させる発進補助制御部８を有する。発進補助制御部８は、エンジン２内への燃料噴射（エンジン燃料噴射）を制御するエンジン制御部９と共に、エンジン制御用の電子制御装置（Electronical Control Unit；ＥＣＵ）１０内に設けられる。エンジン制御部９は、エンジン燃料噴射をマルチ噴射と通常噴射とに切り替え可能なものである。マルチ噴射の噴射回数、タイミング、噴射量分配はその目的に応じて多様であるが、ここでは、マルチ噴射には、最後のポスト噴射によって排気ガス温度を上昇させるようなタイミングと噴射量分配が採用される。通常噴射は、１燃焼サイクルに１回または２回のみの燃料噴射である。

発進補助制御部８は、ギア位置が低速位置のとき、排気管噴射を実行するようになっている。より具体的には、発進補助制御部８は、車両が停止しており、かつ、エンジン２がアイドル状態であるときに、ギア位置がニュートラルから低速位置に切り替えられたとき、エンジン制御部９に排気ガス温度を上昇させるためのマルチ噴射を開始させ、それによって排気ガス温度が酸化触媒装置５，６の活性化温度に到達したとき、排気管噴射を開始するようになっている。低速位置とは、本実施形態では１速位置である。

発進補助制御部８は、排気管噴射の開始後にブースト圧が発進許可値に到達したとき、発進が許可された旨を表示する発進許可ランプ（図示せず）を点灯させるようになっている。発進補助制御部８は、排気管噴射の実行中にギア位置が発進時より高速位置に、本実施形態では１速位置から２速位置に切り替えられたとき、エンジン制御部９にマルチ噴射を終了させて通常噴射に切り替えさせ、同時に排気管噴射を停止するようになっている。

エンジン２の周辺を概略説明しておく。エンジン２は、ここでは４気筒であり、各気筒の排気ポートがそれぞれ排気マニホールド４に連通している。各排気ポートと排気マニホールド４の間に第一酸化触媒装置５が設置される。排気マニホールド４の出口にはターボチャージャ３の排気ガス入口に繋がる高圧排気管が接続され、この高圧排気管に第二酸化触媒装置６が設置される。ターボチャージャ３の排気ガス出口には、低圧排気管１１が接続される。

ターボチャージャ３の吸気入口には低圧吸気管１２が接続され、低圧吸気管１２はエアフィルタ１３を介して大気へ繋がる。ターボチャージャ３の吸気出口には高圧吸気管１４が接続され、高圧吸気管１４はインタークーラ１５を介して吸気マニホールド１６に繋がる。

排気マニホールド４と吸気マニホールド１６との間はＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）配管１７で繋がれ、ＥＧＲ配管１７にはＥＧＲクーラ１８が設けられる。変速機１９には、ギア位置を検出するギアポジションセンサ（図示せず）が設けられる。ターボチャージャ３の排気ガス出口には、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ２１が設けられる。ターボチャージャ３の排気ガス入口（第二酸化触媒装置６の出口）には、排気ガス温度センサ２２が設けられる。吸気マニホールド１６には、ブースト圧を検出するブースト圧センサ２４が設けられる。

図２に示されるように、発進補助制御部８を内蔵するＥＣＵ１０には、入力として、排気ガス温度センサ２２、ブースト圧センサ２４、酸素センサ２１からの各信号が入力される。また、ＥＣＵ１０には、図１には示さなかったアクセル開度センサ、車速センサ、ギアポジションセンサからの各信号が入力される。さらに、ＥＣＵ１０には、車室内に設置された発進補助スイッチ（図示せず）からの信号が入力される。

ＥＣＵ１０からの出力には、排気管噴射器７を駆動する信号、発進可能ランプを点灯する信号、エンジン噴射器を駆動する信号などがある。発進可能ランプは、排気ガス温度が発進可能閾値以上になるか又はブースト圧が発進可能閾値以上になったときに点灯され、運転者に発進可能を知らせるものである。

以下、発進補助装置１の動作を図３に従い説明する。

まず、時間ｔ０では、車両がアイドル停止状態であるとする。すなわち車両が停止（車速＝０ｋｍ／ｈ）しており、かつ、エンジン回転数がアイドル回転数であり、かつ、変速機１９においてギア位置がニュートラルであるとする。

時間ｔ１にて、運転者がギア位置を１速位置にシフトさせると、発進補助制御部８は、エンジン制御部９に排気ガス温度を上昇させるためのマルチ噴射を開始させる。なお、これはマニュアル変速の車両の場合であり、自動変速の車両では発進補助制御部８は、発進補助スイッチが押されたとき、マルチ噴射を開始させる。

マルチ噴射は排気ガス温度を上昇させる目的で行う。例えば、アフター噴射とポスト噴射とを時間的に近付けることで、ポスト噴射された燃料がエンジンで燃焼し、排気ガス温度が上昇する。

マルチ噴射によって排気ガス温度が上昇し、排気ガス温度センサ２２が検出する排気ガス温度が酸化触媒装置５，６の活性温度（２００℃〜２５０℃）に到達すると、その時間ｔ２にて、発進補助制御部８は、排気管燃料噴射器７による排気管噴射を開始する。エンジン２におけるマルチ噴射も継続されるので、マルチ噴射と排気管噴射が併せて実行されることになる。

排気管噴射された燃料が酸化触媒装置５，６において酸化することにより、排気ガス温度がさらに上昇する。排気ガス温度センサ２２が検出する排気ガス温度があらかじめ設定された発進可能閾値である５００℃に到達する。また、排気ガス温度の上昇に伴い、ターボチャージャ３の働きによりブースト圧が上昇する。ブースト圧センサ２４が検出するブースト圧があらかじめ設定された発進可能閾値に到達する。

排気ガス温度が発進可能閾値以上になるか又はブースト圧が発進可能閾値以上になったとき、その時間ｔ３にて、発進補助制御部８は、発進可能ランプを点灯させる。

時間ｔ４にて、発進可能ランプに応答して運転者がアクセルを踏み込むと、アクセル開度が全開まで増加する。エンジン制御部９では、マルチ噴射において吸入空気量に応じた量の燃料を噴射する。具体的には、エンジン制御部９は、酸素センサ２１が検出するターボチャージャ３の排気ガス出口の酸素量及び図示しないＭＡＦセンサが検出する吸入空気量を参照しつつ、空燃比λを推定し、空燃比λが理論空燃比１より大、すなわち燃料がリーンになるようエンジン２への燃料噴射量を制御する。本発明では、時間ｔ３、ｔ４ですでにブースト圧が上昇し吸入空気量が増加しているので、それに見合う量の燃料を噴射することができる。

これに伴い、エンジン２の出力トルクが上昇し、エンジン回転数が上昇する。併せて、運転者の操作又は自動変速により、図示しないクラッチが接になることで、車両が発進され始め、車速が上昇し始める。

時間ｔ５にて、運転者がギア位置を２速位置にシフトさせるか、又は自動変速によりギア位置が２速位置にシフトされると、発進補助制御部８は、エンジン制御部９にマルチ噴射を終了させて通常噴射に切り替えさせ、同時に排気管噴射を停止する。これにより、車両は、通常の燃料噴射制御に戻る。時間ｔ５では、すでに吸入空気量が十分に増加しているので、エンジン２への燃料噴射量を多くすることができる。

図３に示されるように、時間ｔ１からｔ４にかけて、マルチ噴射で酸化触媒を活性化させ、さらに排気管噴射を行うことで、排気ガス温度及びブースト圧が従来に比べ迅速に上昇している。これにより、クラッチが接になるときには十分な出力トルクが得られており、確実な発進が実現されることがわかる。

以上説明したように、本発明の発進補助装置１によれば、ターボチャージャ３より排気流上流に酸化触媒装置５，６が設置されているので、マルチ噴射（特にポスト噴射）によって排気ガス温度及びブースト圧が迅速に上昇する。さらに、酸化触媒装置５，６より排気流上流に排気管燃料噴射器７が設置されているので、排気管噴射を行うことで排気ガス温度及びブースト圧がいっそう迅速に上昇する。したがって、ハイギアードでない通常の車両はもちろん、ハイギアードの車両においても、エンジン２の出力トルクが必要な発進トルクに迅速に到達し、確実な発進が実現される。

本発明の発進補助装置１によれば、スーパーチャージャや電動ターボのようなコストが高い部材を用いないので、低コストで実現できる。

本発明の発進補助装置１によれば、発進補助制御部８は、車両が停止しており、かつ、エンジン２がアイドル状態であるときに、ギア位置がニュートラルから低速位置に切り替えられたとき、エンジン制御部９に排気ガス温度を上昇させるためのマルチ噴射を開始させ、それによって排気ガス温度が酸化触媒装置５，６の活性化温度に到達したとき、排気管噴射を開始するので、運転者のアクセル踏み込みやクラッチ接に先んじてブースト圧を高めることができ、円滑な発進に寄与する。

本発明の発進補助装置１によれば、発進補助制御部８は、排気管噴射の開始後にブースト圧が発進許可値に到達したとき、発進が許可された旨を表示する発進許可ランプを点灯させるので、運転者の発進操作が容易になる。

本実施形態では、発進補助を行うギア位置を１速位置とした。トラック等の商業車の場合、踏切や交差点内からの緊急脱出に際して１速位置を使用することがあり、１速位置での発進を確実にできたことは、非常に有用である。しかし、本発明は、これに限らず、発進補助を行うギア位置として、車種に応じた発進に好適なギア位置、例えば、２速位置を含めてもよい。

本実施形態では、第一酸化触媒装置５と第二酸化触媒装置６とを設置したが、いずれか一方の酸化触媒装置を設置するだけでも、排気ガス温度を上昇させる効果が得られる。また、第一酸化触媒装置５の設置箇所は排気ポートと排気マニホールド４の間に限らず、それより排気流下流であっても排気ガス温度を上昇させる効果が得られる。また、排気管燃料噴射器７の設置箇所は排気ポート内に限らず、酸化触媒装置５，６より排気流上流であればよい。

１ 発進補助装置
２ エンジン
３ ターボチャージャ
４ 排気マニホールド
５ 第一酸化触媒装置
６ 第二酸化触媒装置
７ 排気管燃料噴射器
８ 発進補助制御部
９ エンジン制御部
１０ 電子制御装置（ＥＣＵ）

Claims (9)

1. エンジンとターボチャージャとを有する車両に搭載される発進補助装置において、
   前記ターボチャージャより排気流上流に酸化触媒装置が設置され、
   前記酸化触媒装置より排気流上流に排気管燃料噴射器が設置され、
   車両の発進時に前記排気管燃料噴射器からの排気管噴射を実行することでブースト圧を上昇させる発進補助制御部を有することを特徴とする発進補助装置。
2. 前記発進補助制御部は、ギア位置が低速位置のとき、排気管噴射を実行することを特徴とする請求項１記載の発進補助装置。
3. 前記車両にエンジン燃料噴射がマルチ噴射と通常噴射とに切り替え可能なエンジン制御部が搭載され、
   前記発進補助制御部は、前記車両が停止しており、かつ、前記エンジンがアイドル状態のときに、ギア位置がニュートラルから低速位置に切り替えられたとき、前記エンジン制御部に排気ガス温度を上昇させるためのマルチ噴射を開始させることを特徴とする請求項１又は２記載の発進補助装置。
4. 前記発進補助制御部は、排気ガス温度が前記酸化触媒装置の活性化温度に到達したとき、排気管噴射を開始することを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の発進補助装置。
5. 前記発進補助制御部は、排気管噴射の開始後にブースト圧が発進許可値に到達したとき、発進が許可された旨を表示する発進許可ランプを点灯させることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の発進補助装置。
6. 前記発進補助制御部は、排気管噴射の実行中にギア位置が発進時より高速位置に切り替えられたとき、排気管噴射を停止することを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の発進補助装置。
7. 前記排気管燃料噴射器は、前記エンジンの排気ポート内に設置されることを特徴とする請求項１〜６いずれか記載の発進補助装置。
8. 前記酸化触媒装置は、前記エンジンの排気ポートと排気マニホールドの間に設置されることを特徴とする請求項１〜７いずれか記載の発進補助装置。
9. 前記酸化触媒装置は、前記ターボチャージャの排気ガス入口に設置されることを特徴とする請求項１〜８いずれか記載の発進補助装置。

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