JP2014009599A - 内燃機関、それを搭載した車両、及びその制御方法 - Google Patents

内燃機関、それを搭載した車両、及びその制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】車両に掛かる荷重の増減に適用した過給を行う内燃機関、それを搭載した車両、及びその制御方法を提供する。
【解決手段】S/C15とT/C14を備え、セミトレーラ1が牽引するトレーラ3の牽引荷重W1を検知する荷重センサS1をカプラ5aに配置し、その牽引荷重W1が予め定めた牽引判定値Wnよりも重いときに、S/C15とT/C14による複合過給を行い、牽引荷重W1が牽引判定値Wn以下のときに、T/C14のみの単一過給を行う。
【選択図】図2

Description

本発明は、車両に掛かる荷重の増減に適用した過給を行う内燃機関、それを搭載した車両、及びその制御方法に関する。
近年、物流の国際化、又は大量輸送の観点から海上輸送が頻繁に行われ、海上コンテナを輸送するセミトレーラ(牽引車両)の運行が頻繁に行われている。また、コンテナ輸送は、船舶だけでなく鉄道などの公共大量輸送網を利用することで、陸上輸送では、トレーラでの輸送を限定的にすることにより地球温暖化の原因となるCOの排出を抑えることも可能である。
そのため、セミトレーラでのコンテナ輸送は、船舶からの積み卸しからコンテナヤードまでのコンテナの移動と、コンテナヤードから鉄道コンテナ基地までの輸送や、コンテナヤードから荷主までのコンテナの輸送が考えられる。
ここで従来のセミトレーラについて、図8を参照しながら説明する。セミトレーラ1Xは、コンテナ4などを積載したトレーラ3と、トレーラ3を牽引するトラクタヘッド2Xにより構成され、このトラクタヘッド2Xは、コンテナ4などを積載したトレーラ3を牽引するために、大排気量のエンジン本体11Xを含むエンジン10Xと、大型の多段ミッション21Xを含むパワートレイン20Xを搭載した車両となる。このセミトレーラ1Xの燃費向上のため、近年、エンジン10Xやパワートレイン20Xについて、ダウンサイジングやダウンスピード化が進められている。
セミトレーラ1Xによる海上コンテナ4の輸送は、他の大量輸送手段と連係した輸送を行う事により、輸送にかかるエネルギー消費を低く抑えることが可能である。しかし、トレーラ3の構造上、積載可能な荷姿が規格化された海上コンテナ4、又はそれに準じるものと限定されるため、搬送先に積荷を輸送した後は、搬送先に同様のコンテナ4、若しくはコンテナ4を積載したトレーラ3がある場合はそれらを牽引してコンテナヤード、若しくは港湾施設に戻る。しかし、それ以外はコンテナ4を積載していない状態のトレーラ3を牽引して戻るか、又は、トレーラ3を切り離してトラクタヘッド2Xのみで走行するかのどちらかの状態である。
元来、トレーラ3を牽引するトラクタヘッド2Xは、コンテナ4などを積載したトレーラ3を牽引することを目的としているため、トラクタヘッド2Xには大排気量で出力の高いエンジン10Xと、大型の多段トランスミッション21Xが搭載されている。しかし、上記のように、トラクタヘッド2Xのみの走行、又はコンテナ4を積層していない状態でのトレーラ3を牽引する状態での運行では、必要なエンジン出力はコンテナ4を搭載した状態とは明らかに異なり、エンジン10Xを、出力の低いところで使用する。このため、大型高出力のエンジン10Xや、大型の多段トランスミッション21Xに設けた、コンテナ4を積載した状態での発進時に必要となるギヤ段は、不要となる。
つまり、コンテナ4の積載時の運行では、大排気量、高出力高トルクのエンジン10Xと多段ミッション21Xが必要となり、トラクタヘッド2Xのみの運行、又はコンテナ4を積載していない状態での運行では、小排気量エンジンと小型多段ミッション(なお、ここでいう小型多段ミッションとは、トレーラにコンテナを積載した状態の発進時や過渡時(例えば、低速からの加速時など)に使用するギヤ段を廃して、より変速数の少ないトランスミッションのことをいう)で運行が可能である。
上記に関連して、ロードセンシングスイッチによって検出される積車時と空車時とに応じてブースト特性の制御パターンを選択するようにし、空車時においては約20%程度噴射量を減らしたブースト特性パターンで指示噴射量の制御を行なう装置がある(例えば、特許文献1参照)。
また、小排気量のエンジンに高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャを組み合わせた二ステージのターボシステムやVGS(可変翼ターボ機構)などの組み合わせによる小排気量、且つ高過給エンジンを用いることにより、エンジンの作動域全体で高トルクを実現して、燃費及び出力向上を図っている装置もある。
しかし、上記の過給では、排ガスエネルギーを利用するため、排ガスエネルギーが少ないアイドリングからの発進時の過給や、定常運転状態から過渡時への急な移行での過給などで、ターボチャージャの過給応答遅れすなわちターボラグが発生し、これにより発進時及び過渡時のトルク不足などの発生や、スモークの発生などの問題が生じる。これらの問題は積載量の変化が激しいセミトレーラでは特に顕著である。
ここで、発進トルクの改善や過渡過給特性の改善手段として、エンジンクランク軸より回転運動を取出して、過給するスーパーチャージャ(機械式過給装置;以下、S/Cとする)の利用が考えられる。しかし、S/Cでの過給ではエンジン運転速度が特に高速側ではS/Cの駆動損失により燃費悪化を伴う場合が発生する。
特開平10−122007号公報
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、牽引荷重又は積載荷重が重い時に、スーパーチャージャとターボチャージャによる二ステージの複合過給を行い、また、牽引荷重又は積載荷重が軽い時に、ターボチャージャのみの単一過給を行うことにより、重荷重時のトルク不足を補って、且つ軽荷重時の燃費を向上して、ダウンサイジングやダウンスピードを図ることができる内燃機関、それを搭載した車両、及びその制御方法を提供することである。
上記の目的を解決するための本発明の内燃機関は、スーパーチャージャとターボチャージャと、を備える内燃機関において、車両が牽引する牽引荷重、又は車両に積載された積載荷重に応じて、前記スーパーチャージャと前記ターボチャージャによる複合過給と、前記ターボチャージャのみの単一過給とを切り換える制御装置を備えて構成される。
この構成によれば、車両に掛かる荷重、つまり車両が牽引する牽引荷重、又は車両に積載された積載荷重に応じて、複数の過給方式を切り換えることができる。詳しくは、車両に掛かる荷重が重いとき(以下、重荷重時という)に、スーパーチャージャとターボチャージャの二ステージの複合過給を行う。一方、車両に掛かる荷重が軽いとき(以下、軽荷重時という)に、ターボチャージャのみの単一過給を行う。
これにより、重荷重時のトルク不足を補って、且つ軽荷重時の燃費を向上して、ダウンサイジングやダウンスピードを図ることができる。また、変速装置も高出力且つ高トルク用のギヤ段を不要とするため、小型化することができる。
例えば、セミトレーラを例に説明する。トラクタヘッド(牽引車両)がコンテナ(貨物)を積載したトレーラ(被牽引車両)を牽引した場合に、内燃機関の発進時や過渡時(例えば、低速からの加速時など)の負荷が高い状態では、スーパーチャージャとターボチャージャの二ステージの複合過給を用いることで、発進時や過渡時のトルクの確保及び過度過給特性の改善を図り、排ガスを低減することができる。また、トラクタヘッドがトレーラを牽引しない場合、又はトレーラにコンテナを積載していない場合に、ターボチャージャのみの単一過給を用いることで、燃費の悪化を抑制することができる。
なお、このスーパーチャージャとは機械式過給機のことであり、主に内燃機関から駆動力を得る過給機であり、ターボチャージャとは排ガスエネルギーにより駆動される過給機のことである。このターボチャージャには、VGS機構(可変翼ターボ機構)を搭載するものでもよい。
また、上記の内燃機関において、前記牽引荷重、又は前記積載荷重を検知する荷重センサを備え、前記制御装置が、前記牽引荷重又は前記積載荷重が予め定めた判定値よりも大きいか否かを判断する荷重判定手段と、前記牽引荷重又は前記積載荷重が前記判定値よりも大きい場合に、車両の運転状態に基づいて前記スーパーチャージャと前記ターボチャージャによる前記複合過給を行う複合過給手段と、前記牽引荷重又は前記積載荷重が前記判定値以下の場合に、前記ターボチャージャのみの前記単一過給を行う単一過給手段と、を備えると、荷重センサが検知する牽引荷重、又は積載荷重に応じて、複合過給と単一過給を切り換えることにより、重荷重時の発進時や過渡時のトルク不足、及びそれに伴う排ガスの増加を抑制でき、軽荷重時の燃費の悪化を防ぐことができる。
なお、荷重センサは、牽引車両の場合は、被牽引車両を牽引しているか、若しくは被牽引車両の積載状態を検知することができればよく、被牽引車両を接続する連結部であるカプラ(第五輪)に設けるとよい。また、貨物車両の場合は、軸重や輪荷重を検知することができればよく、車軸や車輪軸などに設けるとよい。
ここでいう、牽引車両とはセミトレーラやフルトレーラなどのことであり、牽引荷重とは牽引車両に掛かる荷重、つまり牽引車両が被牽引車両を牽引しているときの荷重や被牽引車両に貨物を積載したときの荷重のことを示す。また貨物車両とはトラックなどのことであり、積載荷重とは、貨物車両に掛かる荷重、つまり貨物車両に積載した貨物の荷重のことをいう。
さらに、ここでいう、車両の運転状態とは、内燃機関の回転数、指示噴射量、車速、アクセル操作、又は吸入空気量などのことを示し、例えば、ターボチャージャとスーパーチャージャの切り換えに、内燃機関の回転数と指示噴射量に基づいたマップや、吸入空気量の増減マップなどを用いてもよい。
加えて、上記の内燃機関において、前記ターボチャージャの排ガスの下流側で排ガスを還流する低圧EGRシステムと、前記ターボチャージャの排ガスの上流側で排ガスを還流する高圧EGRシステムと、を備えると共に、前記制御装置が、前記複合過給で行われる前記スーパーチャージャによる過給時と、前記単一過給で行われる前記ターボチャージャによる過給時に、前記低圧EGRシステムのみにより排ガスを還流し、前記複合過給で行われる前記ターボチャージャによる過給時に、前記車両の運転状況に基づいて前記低圧EGRシステムと前記高圧EGRシステムにより排ガスを還流する手段を備えると、上記の過給手段に合せたEGR制御を行うことができる。
詳しくは、軽荷重時を含む低負荷時は、ターボチャージャのみの単一過給を行うため、
排ガスの全量がターボチャージャのタービンを通過するように、低圧EGRシステムを用いる。また、重荷重時を含む高負荷時は、スーパーチャージャの運転領域では排ガス流量が少ないため、低圧EGRシステムを用いて、ターボチャージャの運転領域では、排ガス流量が多くなったときに高圧EGRシステムを用いる。
これにより、軽荷重時を含む低負荷時に効率よくターボチャージャを駆動させて燃費を向上することができ、また、重荷重時を含む高負荷時のスーパーチャージャの運転領域で、排ガスの全量をターボチャージャのタービンを通過させることで、早期にスーパーチャージャとターボチャージャの切り換えを図ることができる。
上記の問題を解決するための車両は、上記に記載の内燃機関を搭載して構成される。この構成によれば、車両に掛かる荷重に応じた過給を切り換える内燃機関により、上記の作用効果を得ることができる。また、ダウンサイジングやダウンスピードを図った内燃機関と、小型化した変速装置を搭載することができるので、より燃費を向上すると共に、製造コストを低減することができる。
また、上記に記載の車両において、貨物を積載する被牽引車両を牽引する牽引車両で形成し、前記被牽引車両との連結部に、前記被牽引車両をしているか否か、及び前記牽引車両に前記貨物を積載しているか否かを検知する荷重センサを配置すると、牽引荷重に応じて、複合過給と単一過給とを切り換えることができる。特に、本発明は、積載荷重の変化が激しいセミトレーラなどに好適であり、トラクタヘッドとトレーラとの連結部であるカプラ(第五輪)に荷重センサを設けるとよい。
上記の問題を解決するための内燃機関の制御方法は、スーパーチャージャとターボチャージャとを備える内燃機関の制御方法において、車両が牽引する牽引荷重、又は車両に積載される積載荷重に応じて、前記スーパーチャージャと前記ターボチャージャによる複合過給と、前記ターボチャージャのみの単一過給とを切り換えることを特徴とする方法である。
また、上記の内燃機関の制御方法において、荷重センサが検知する前記牽引荷重、又は前記積載荷重が予め定めた判定値よりも大きいか否かを判断する荷重判定工程と、前記牽引荷重又は前記積載荷重が前記判定値よりも大きい場合に、車両の運転状態に基づいて前記スーパーチャージャと前記ターボチャージャによる前記複合過給を行う複合過給工程と、前記牽引荷重又は前記積載荷重が前記判定値以下の場合に、前記ターボチャージャのみの前記単一過給を行う単一過工程と、を含むことが好ましい。
加えて、上記の内燃機関の制御方法において、前記複合過給で行われる前記スーパーチャージャによる過給時と、前記単一過給で行われる前記ターボチャージャによる過給時に、前記ターボチャージャの排ガスの下流側で排ガスを還流する低圧EGRシステムのみで排ガスを還流し、前記複合過給で行われる前記ターボチャージャによる過給時に、車両の運転状態に基づいて前記低圧EGRシステムと、前記ターボチャージャの排ガスの上流側で排ガスを還流する高圧EGRシステムにより排ガスを還流することが好ましい。
この方法によれば、スーパーチャージャと、ターボチャージャとを組み合わせた二ステージの複合過給と、ターボチャージャのみの単一過給を用いることにより、内燃機関を小排気量化しても発進時や過渡時のトルクの向上、及び燃費の向上を図ることができる。また、二つのEGRシステムを用いることにより、前述の過給方法に合わせて、排ガスを還流することができる。
本発明によれば、車両に掛かる荷重が重い重荷重時に、スーパーチャージャとターボチャージャによる二ステージの複合過給を行い、また、車両に掛かる荷重が軽い軽荷重時にターボチャージャのみの単一過給を行うことにより、重荷重時のトルク不足を補うことができ、且つ軽荷重時の燃費を向上することができる。これにより、内燃機関のダウンサイジングやダウンスピードを図ることができる。また、合せて変速装置の小型化も図ることができる。
本発明に係る実施の形態の内燃機関を搭載した車両を模式的に示した側面図であり、(a)は牽引車両が貨物を積載した被牽引車両を牽引した状態を示し、(b)は牽引車両が被牽引車両を牽引した状態を示し、(c)は牽引車両のみの状態を示す。 本発明に係る実施の形態の内燃機関を示した概略図であり、重荷重時の発進時又は過渡時の状態を示す。 図2の内燃機関の重荷重時の通常走行時の状態を示す。 本発明に係る実施の形態の内燃機関の制御方法を示したフローチャートである。 図2の内燃機関の軽荷重時の走行時の状態を示す。 本発明に係る実施の形態の内燃機関の重荷重時の過給切換マップを示す。 本発明に係る実施の形態の内燃機関の重荷重時のEGR切換マップを示す。 従来の内燃機関を搭載した車両を模式的に示した側面図である。
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関、それを搭載する車両、及びその制御方法について、図面を参照しながら説明する。この実施の形態では、図1の(a)〜(c)に示すように、セミトレーラ(車両)1は、トラクタヘッド(牽引車両)2とトレーラ(被牽引車両)3を備え、トレーラ3にコンテナ(貨物)4を積載する。この実施の形態では、セミトレーラ1を例に説明するが、本発明は、貨物を積載して運搬する車両に好適であり、例えば、牽引車両であるフルトレーラや、荷台に貨物を積載する貨物車両であるトラックなどにも適用することができる。
また、トラクタヘッド2に設けたエンジン(内燃機関)10として、直列4気筒のディーゼルエンジンを例に説明するが、本発明はディーゼルエンジンに限定せずに、ガソリンエンジンにも適用することができ、その気筒数や、気筒の配列は限定しない。なお、図面に関しては、構成が分かり易いように寸法を変化させており、各部材、各部品の板厚や幅や長さなどの比率も必ずしも実際に製造するものの比率とは一致させていない。
まず、本発明に係る実施の形態の内燃機関を搭載するセミトレーラ(車両)1について、図1を参照しながら説明する。このセミトレーラ1は、図8に示す従来のセミトレーラ1Xのエンジン10Xに換えて、図1の(a)に示す、複合過給と単一過給を切り換え可能な小排気量のエンジン10と、図8に示すパワートレイン20Xのトランスミッション21Xに換えて、図1の(a)に示すパワートレイン20の小型のトランスミッション21とを備え、加えて、連結部5のカプラ(第五輪)5aに荷重センサS1を備える。
また、このエンジン10は、図2に示すように、エンジン本体11、ECU(制御装置)12、クランクシャフト13、ターボチャージャ(以下、T/Cという)14、スーパーチャージャ(以下、S/Cという)15、スーパーチャージャ用クラッチ(以下、S/C用クラッチという)16a、及び吸気切換バルブ17を備える。
このエンジン10は、ECU12が、荷重センサS1の検知するトラクタヘッド2に作用する牽引荷重W1に応じて、T/C14とS/C15による二ステージの複合過給と、
T/C14のみによる単一過給とをS/C用クラッチ16aと吸気切換バルブ17により切り換える手段を備える。
図1の(a)に示すように、トラクタヘッド2がトレーラ3を牽引し、且つトレーラ3にコンテナ4を積載したとき(以下、重荷重時という)は、セミトレーラ1の発進時又は過渡時(例えば、部分負荷からの加速時、つまり低速からの加速時や、アイドリング状態からの加速時のことをいう)に、図2に示すように、吸気切換バルブ17を全閉し、S/C用クラッチ16aを接続することにより、S/C15で過給し、さらに、車両の運転状態に基づいて吸気切換バルブ17を制御して、S/C15とT/C14の両方を用いて過給する。一方、通常走行時(高速且つ高負荷域を含む)では、図3に示すように、吸気切換バルブ17を全開し、S/C用クラッチ16aを切断することにより、T/C14のみで過給する。
また、図1の(b)に示すように、トラクタヘッド2がトレーラ3を牽引するが、トレーラ3にコンテナ4を積載しないとき、又は、図1の(c)に示すように、トラクタヘッド2がトレーラ3を牽引しないとき(以下、図1の(b)と図1の(c)を合せて軽荷重時という)は、全ての運転領域をT/C14のみで過給する。
この構成によれば、荷重センサS1で検知したセミトレーラ1の牽引荷重W1に応じて、過給方式を切り換えることにより、重荷重時では、T/C14とS/C15の二ステージの複合過給を用いることで、発進トルクや加速時のトルクの確保及び過度過給特性の改善を図ることができる。また、軽荷重時では、T/C14のみの単一過給を用いることで、燃費の悪化を抑制することができる。
特に、セミトレーラ1に掛かる牽引荷重W1が重いときに、T/C14とS/C15の二ステージの複合過給を用いることで、発進トルクや加速時のトルクを確保することができるので、エンジン10のダウンサイジング(小排気量化)やダウンスピードを図ることができ、セミトレーラ1の燃費を大幅に向上することができる。
また、高トルク且つ高出力が必要な重荷重時の発進時や過渡時に、S/C15による高過給を行うことで、従来では、必須であった高トルク且つ高出力のギヤ比が必須でなくなり、トランスミッション21を小型化することもできる。
上記のエンジン10について、さらに詳しく説明する。図2に示すように、エンジン10で発生した回転エネルギーを効率よく駆動輪6に伝えるパワートレイン20に、トランスミッション21、クラッチ22、プロペラシャフト23、ディファレンシャル24、及びドライブシャフト25を備える。
また、このエンジン10は、エキゾーストマニホールド(以下、エキマニという)31、排ガスの後処理装置32、マフラー33、エアクリーナー34、吸気スロットル35、インタークーラー36、及びインレットマニホールド(インテークマニホールド;以下、インマニという)37を備える。各装置を、排気配管、又は吸気配管と呼ばれる配管によって接合し、排気通路Exと吸気通路Inを形成する。
加えて、このエンジン10は、低圧EGRシステム(低圧排気再循環システム;以下、LP−EGRという)41と、高圧EGRシステム(高圧排気再循環システム;以下、HP−EGRという)42を備える。LP−EGR41は、T/C14の排ガス下流側に設けられ、LP−EGRクーラー43とLP−EGRバルブ44を備える。HP−EGR42は、T/C14の排ガス上流側に設けられ、HP−EGRクーラー45とHP−EGRバルブ46とを備える。
さらに、エンジンコントロールユニットと呼ばれる制御装置であり、電気回路によってエンジン10の制御を担当している電気的な制御を総合的に行うマイクロコントローラであるECU12に、荷重センサS1、クランク角センサS2、吸気圧力センサS3、エキゾーストマニホールド圧力センサ(以下、エキマニ圧力センサという)S4、インレットマニホールド圧力センサ(以下、インマニ圧力センサという)S5、車速センサと加速度センサを含む車両センサS6、アクセル開度センサS7、及びブレーキセンサS8、を接続する。
T/C14は、エキマニ31の出口部に配置され、排ガスエネルギーをタービン14a側で受けて、そのエネルギーを同軸上のコンプレッサ14bに伝達して、過給を行う装置である。このT/C14に排気ガス量により過給状態を可変制御するVGS機構(可変翼ターボ機構)を搭載すると、軽荷重時の単一過給を行う場合に、セミトレーラ1の運転状態(発進時及び過度時と、通常走行時など)に合せて過給量を変えることができる。また、このT/C14にウェイストゲートを設けてもよい。
S/C15は、ベルト16b等でクランクシャフト13の回転を伝達される装置である。このS/C15とクランクシャフト13との間に、S/C用クラッチ16aを設け、そのS/C用クラッチ16aを接続、又は切断することにより、S/C15の駆動を制御することができる。なお、この実施の形態では、クランクシャフト13の回転により駆動する構成としたが、電動機により直接駆動する構成としてもよい。
吸気切換バルブ17は、全開するとT/C14からの過給を、全閉するとS/C15からの過給をインマニ37へ導く。T/C14のコンプレッサ14bを出た吸入空気は、S/C15へと向かう通路In1と、S/C15を通らず、直接インタークーラー36を経てインマニ37に至る通路In2に分岐し、直接インタークーラー36に至る通路に設けた吸気切換バルブ17で、通路In1とIn2の切り換えを行う。
この吸気切換バルブ17とS/C用クラッチ16aとを、吸気切換バルブ17を全開状態に保持したときに、S/C用クラッチ16aを切断するように、また、S/C用クラッチ16aの接続は吸気切換バルブ17の開閉とは無関係に行えるように設定するとよい。加えて、吸気切換バルブ17をセミトレーラ1の運転状態、例えば、クランク角センサS2の検知するエンジン回転数Neと指示噴射量Qfに基づいて制御できるように設定する。
後処理装置32は、例えば、DPF(ディーゼル微粒子捕集フィルタ)であり、車外に浄化した排ガスを放出するための装置である。この後処理装置32は、上記の構成に限定せず、例えば、DPFの上流側にDOC(ディーゼル用酸化触媒)を配置した連続再生式DPFや、DPFの下流側に尿素SCR触媒(尿素選択的還元触媒)を追加してもよい。
LP−EGR41は、重荷重時のS/C15での過給時と、軽荷重時のT/C14のみの過給時に使用されるシステムであり、HP−EGR42は、重荷重時の排ガス量の多い領域(T/C14の運転領域を含む領域)で使用されるシステムである。
これらのLP−EGR41とHP−EGR42はエンジン10の運転状態(エンジン回転数Neや指示噴射量Qfなど)や、そのEGR状態(EGR率など)に基づいて、それぞれのEGR通路に設けたLP−EGRバルブ44、又はHP−EGRバルブ46をコントロールすることにより、排ガスの還流量を調整している。
各装置の配置については上記の構成に限定しない。例えば、吸気スロットル35をイン
タークーラー36とインマニ37の間に配置してもよく、また、LP−EGR41の排ガスの還流出口をインマニ37の近傍の吸気配管に接続してもよい。
荷重センサS1は、トラクタヘッド2のトレーラ3との連結部5であるカプラ5aに内蔵され、トラクタヘッド2に掛かる荷重状態を測定するセンサである。この実施の形態では、カプラ5aに設け、トラクタヘッド2に掛かる牽引荷重W1を検知しているが、本発明をセミトレーラ1の代わりにトラックなどの貨物車両に適用する場合は、この荷重センサS1を、例えば、貨物の積載荷重の掛かる車軸や、シャーシに設けるとよい。
この荷重センサS1により、トラクタヘッド2とトレーラ3の牽引状態、又はトレーラ3のコンテナ4の積載状態を判定し、車両運行時に必要となるエンジン負荷状態(重荷重時又は軽荷重時)をECU12にて判定する。また、この実施の形態では、アクセルペダルP1とブレーキペダルP2の操作信号、及び各センサS1〜S8の検知する信号を受信し、エンジン本体11の図示しないインジェクタの指示噴射量Qf、T/C14のタービン14aを通過する排ガス量、S/C用クラッチ16aの接続と切断、吸気切換バルブ17の開閉、吸気スロットル35の開度の調整、LP−EGRバルブ44の開閉、及びHP−EGRバルブ46の開閉を制御している。
次に、本発明の実施の形態のエンジン10の動作について図2〜図7を参照しながら説明する。図4のフローチャートに示すように、まず、荷重センサS1が牽引荷重W1を取得するステップS10を行う。このステップS10は、カプラ5aにキングピン5bが連結されたときに行われるように設定するとよい。
次に、牽引荷重W1が予め定めた牽引判定値Wnよりも重いか否かを判定するステップS20を行う。この牽引判定値Wnは、トラクタヘッド2にトレーラ3が連結されたことを判定可能な基準になるように設定する。
例えば、この牽引判定値Wnを、コンテナ4を積載しないトレーラ3の荷重に設定すると、牽引荷重W1が牽引判定値Wnより小さい場合をトラクタヘッド2がトレーラ3を牽引していない状態と判定し、牽引荷重W1と牽引判定値Wnが等しい場合をトラクタヘッド2がコンテナ4を積載していないトレーラ3を牽引している状態と判定し、牽引荷重W1が牽引判定値Wnより大きい場合をトラクタヘッド2がコンテナ4を積載したトレーラ3を牽引している状態と判定することができる。
ステップS20で牽引荷重W1が牽引判定値Wnよりも軽い場合は、トラクタヘッド2にトレーラ3が連結されていない状態、つまりトレーラ3を牽引していない状態と判定され、次に、エンジン10をエンジン制御マップM1で制御するステップS30を行う。
このエンジン制御マップM1は、図5に示すように、T/C14のみの単一過給を行う単一過給手段と、LP−EGR41のみで排ガスを還流する手段とを制御するためのマップである。トレーラ3を牽引していない状態、つまり軽荷重時では、発進時の必要トルクは低く、また通常走行時や再加速時などの必要トルクも低く、セミトレーラ1に作用する負荷状態は、総じて低い状態である。
よって、吸気切換バルブ17を全開状態に保持し、S/C用クラッチ16aを切断することで、T/C14のみの単一過給を行う。このS/C用クラッチ16aの切断制御については、吸気切換バルブ17を全閉に制御し、その吸気切換バルブ17の全閉信号をECU12に取り込み、ECU12からS/C用クラッチ16aに切断信号を送るものとする。
また、このときHP−EGR42のHP−EGRバルブ46を全閉し、LP−EGR41のLP−EGRバルブ44を開いて排ガスの還流を制御すると、排ガスをT/C14に全量通過させることができ、T/C14の過給を効率よく行うことができる。
ステップS20で牽引荷重W1が牽引判定値Wnと等しい場合は、図4に示すように、トラクタヘッド2にコンテナ4を積載していないトレーラ3が連結されている状態と判定され、次に、エンジン10をエンジン制御マップM2で制御するステップS40を行う。
このエンジン制御マップM2は、図5に示すように、T/C14のみの単一過給を行う単一過給手段と、LP−EGR41のみで排ガスを還流する手段とを制御するためのマップである。コンテナ4を積載していない状態では、前述のエンジン制御マップM1で説明したように、発進時の必要トルクは低く、また通常走行時や再加速時などの必要トルクも低く、セミトレーラ1に作用する負荷状態は、積載状態と比較して低くなる。
そこで、吸気切換バルブ17を全開状態に保持し、S/C用クラッチ16aを切断して、T/C14のみの単一過給を行う。このS/C用クラッチ16aの切断制御については、吸気切換バルブ17を全閉に制御し、その吸気切換バルブ17の全閉信号をECU12に取り込み、ECU12からS/C用クラッチ16aに切断信号を送るものとする。
また、このときHP−EGR42のHP−EGRバルブ46を全閉し、LP−EGR41のLP−EGRバルブ44を開いて排ガスの還流を制御する。これによれば、排ガスをT/C14に全量通過させることができる。
ステップS20で牽引荷重W1が牽引判定値Wnよりも重い場合は、トレーラ3にコンテナ4を積載した状態と判定され、次に、エンジン10をエンジン制御マップM3で制御するステップS50を行う。
このエンジン制御マップM3は、図2と図3に示すように、S/C15とT/C14による二ステージの複合過給を行う複合過給手段と、LP−EGR41とHP−EGR42による二ステージの排ガスを還流する手段とを制御するためのマップである。
このS/C15とT/C14による二ステージの複合過給は、図2に示すように、重荷重時の発進時及び過渡時のS/C15による過給と、図3に示すように、重荷重時の通常走行時のT/C14による過給である。また、LP−EGR41とHP−EGR42による二ステージの排ガスの還流は、図2に示す排ガス流量の少ないときのLP−EGR41による排ガスの還流と、図5に示す排ガス流量の多いときのHP−EGR42による排ガスの還流である。
まず、重荷重時の発進時及び過渡時について、図2を参照しながら説明する。重荷重時の発進時、及び過渡時は、排ガス流量が少なく、排ガスのエネルギーが低いため、T/C14では十分な過給ができない。そこで、S/C用クラッチ16aを接続することにより、S/C15による過給を行う。
好ましくは、エンジン10の停止時からの発進時には、吸気切換バルブ17を全閉して、S/C用クラッチ16aを接続するとよく、エンジン10のアイドル状態や低速側からの加速時には、吸気切換バルブ17の開閉角度に関わらずにS/C16aを接続するとよい。
また、ECU12がLP−EGRバルブ44を開き、HP−EGRバルブ46を閉じて、T/C14のタービン14aを通過し、後処理装置32で処理されたEGRガスをエンジン本体11に供給する。このとき、EGRガス量を、EGR率に基づいたEGRマップに応じて、吸気スロット35とLP−EGRバルブ44の開度によって調整する。
次に、重荷重時の通常走行時について、図3を参照しながら説明する。重荷重時の通常走行時、若しくは高速走行時は、排ガス流量が多く、排ガスのエネルギーが高いため、T/C14のみで過給する。そこで、ECU12が、吸気切換バルブ17を全開にし、S/C用クラッチ16aが切断される。このとき、T/C14に設けたVGS機構により過給圧を制御するとよい。
また、ECU12が、セミトレーラ1の運転状態、例えば、エンジン回転数Neと指示噴射量Qfに基づいてLP−EGRバルブ44を閉じ、HP−EGRバルブ46を開いて、HP−EGR42でEGRガスをエンジン本体11に供給する。
ここで、S/C15の過給とT/C14の過給の切り換えについて、図6を参照しながら補足する。このマップM4は、エンジン回転数Neと指示噴射量Qfとをベースとする過給機切換マップM4であり、S/C15とT/C14との同時運転領域であるA1、及びT/C14の運転領域であるA2を示す。
運転領域A1では、S/C用クラッチ16aを接続した状態で、吸気切換バルブ17を制御して、開閉コントロールによりS/C15とT/C14の過給状態を制御している。このときの吸気切換バルブ17を、T/C14のタービン14aを通過する排ガス流量に合せて制御するとよく、例えば、エンジン回転数Ne又は指示噴射量Qfが低い場合は全閉側に、エンジン回転数Ne又は指示噴射量Qfが高い場合は全開側に制御するとよい。
この実施の形態では、クランク角センサS2の検知する信号から算出されるエンジン回転数Neと、指示噴射量Qfが、過給機切換マップM4のどの領域にあるかを判定して、S/C用クラッチ16aと吸気切換バルブ17とを制御している。
次に、LP−EGR41とHP−EGR42の切り換えについて、図7を参照しながら補足する。このマップM5は、EGR切換マップM5を示し、LP−EGR41の作動領域であるB1とHP−EGR42の作動領域であるB2を示す。
この作動領域B1と作動領域B2との境界は、エキマニ圧力センサS4で検知するエキマニ内圧力と、インマニ圧力センサS5で検知するインマニ内圧力とが等しくなる状態である。つまり、LP−EGR41からHP−EGR42に切り換えるタイミングは、エキマニ内圧力がインマニ内圧力よりも大きくなったときとなる。これにより、排ガス流量の少ない状態では、LP−EGR41でEGRガスを供給し、排ガス流量の多い状態では、HP−EGR42でEGRガスを供給することができる。
基本的にはS/C15とT/C14の二ステージの複合過給の領域では、LP−EGR41で排ガスを還流し、T/C14のみの単一過給の領域では、HP−EGR42で排ガスを還流する。これは、S/C15の過給領域では、機械的に過給を行うため、インマニ内圧力がエキマニ内圧力より高くなり、HP−EGR42では排ガスを十分に還流することができないからである。
また、T/C14の過給領域の高速高負荷域でLP−EGR41での排ガスを還流すると、エキマニ内圧力の上昇により、エンジン本体11のポンピングロスが上昇する。そのため、HP−EGR42によりエキマニ内圧力を下げる必要がある。このEGR切換マップM5による切り換えは、T/C14の選定により異なる場合がある。
次に、前述の補足を踏まえた上で、重荷重時のアイドル状態から加速し、通常走行に移行する状態を例に説明する。まず、アイドル状態では、吸気切換バルブ17を全閉し、S/C用クラッチ16aを切断した状態であり、S/C15は回転していない状態である。次に、アクセルペダルP1に設置したアクセル開度センサS7によりアクセルONを検知すると、この信号がECU12に伝達され、ECU12によりS/C用クラッチ16aを接続する信号を伝達する。
次に、アクセルペダルP1の操作によりエンジン回転数Neの上昇と共にS/C15による過給が直ちに開始され、過給圧が上昇する。また、このとき、S/C15の運転領域では、LP−EGR41を用いることとし、EGR率に基づいたEGRマップに応じて、LP−EGRバルブ44の開度によって調整する。
これにより、重荷重時の発進時や過渡時の排ガス流量が少ない状態のときに、S/C15による過給を行うことができるので、過給の応答遅れ、即ちターボラグの発生を抑制し、発進時のトルクの向上や極低速からの加速性の向上を図ることができる。
エンジン回転数Neが大きくなると、エンジン回転数Neと指示噴射量Qfとをベースとする過給切換マップM4に応じて、吸気切換バルブ17を制御する。エンジン回転数Ne、及び指示噴射量Qfが高くなり、それに伴い排ガスエネルギーが高い状態になると、ECU12が吸気切換バルブ17をさらに開け、吸気切換バルブ17が全開になると、S/C用クラッチ16aを切断する。
これにより、T/C14のみによる過給を行う。また、排ガス流量が多くなると、EGR切換マップM5に応じて、ECU12がLP−EGRバルブ44を閉じ、HP−EGRバルブ46を開いて、HP−EGRシステム42でEGRガスを還流する。
また、排ガス流量の多い領域では、S/C15ではなく排ガスエネルギーで駆動するT/C14を用いることができ、S/C15を駆動し続けることで発生する燃費の悪化を抑制することができる。加えて、排ガスエネルギーの高い状態では、LP−EGR41よりも安定してEGRガスを供給することができるHP−EGR42を用いることができる。
このHP−EGR42は、T/C14の排ガス下流側に設けたLP−EGR41に比べて、T/C14の排ガス上流側で、且つEGRガスの供給ルートが短いため、T/C14のコンプレサーや排気管の内部腐食を防ぎ、加えて、燃費の悪化を防ぐことができる。
アクセルペダルP1の操作などにより、通常運行状態から加速運行に移行する場合は、その状態によりS/C用クラッチ16aを接続し、S/C15での過給、若しくは吸気切換バルブ17のコントロールにより、S/C15とT/C14による二ステージの複合過給を行う。
上記の動作によれば、セミトレーラ1の牽引荷重W1に応じて、重荷重時と軽荷重時を判定し、重荷重時の発進時及び過渡時には、S/C15による過給を行い、重荷重時の通常走行時と軽荷重時の走行時には、T/C14による過給を行うことで、エンジン10のダウンサイジングを図ることができる。また、トランスミッション21の最適化も可能となる。
詳しくは、重荷重時に、S/C15とT/C14の二ステージの複合過給を行うことにより、発進トルク及び低速側でのトルク増大を図ることができ、排ガスを低減することができる。また、軽荷重時に、S/C15を駆動するS/C用クラッチ16aを切断することにより、S/C15の駆動に必要となる駆動力がなくなるため、燃費改善を達成するこ
とができる。
なお、この実施の形態では、クランク角センサS2の検知する信号から算出されるエンジン回転数Neと、インジェクタから噴射する指示噴射量Qfをベースとする過給切換マップM4から、吸気切換バルブ17とを制御しているが、この過給機の運転を切り換える方法は、上記の方法に限定しない。例えば、指示噴射量Qfを、吸気スロットル35の開度や空燃比などから算出する方法を用いてもよい。
また、吸気切換バルブ17については、ブレーキペダルP2に設けたブレーキセンサS8によりブレーキONを検知すると、若しくは車両センサS6により車速がゼロになったことを検知すると、全閉するように制御する。これにより、アイドル状態などから再始動する際に円滑に上記の動作を行うことができる。
加えて、T/C14のみの単一過給を行うときに、T/C14に設けたVGS機構により、セミトレーラ1の運転状態に合せた過給を行うことが好ましい。
さらに、セミトレーラ1が牽引する牽引荷重W1を判定する荷重判定手段として、この実施の形態では、牽引荷重W1と予め定めた牽引判定値Wnとを比較して判定したが、例えば、トラクタヘッド2がトレーラ3を牽引しているか否かを判定するステップと、トレーラ3にコンテナ4を積載しているか否かを判定するステップの複数の判定方法を用いてもよい。また、トラックなどの貨物車両の場合は、予め定めた積載判定値を用いて判定するが、この場合は、貨物を積載しているか否かのみを判定することができればよい。
上記のエンジン10を搭載するセミトレーラ1は、セミトレーラ1に掛かる牽引荷重W1に応じて過給方式を切り換えることにより、上記の作用効果を得ることができる。また、ダウンサイジングやダウンスピードを図ったエンジン10と、小型化したトランスミッション21を搭載することができるので、より燃費を向上すると共に、製造コストを低減することができる。
本発明は、貨物を積載し、その積載状態の変化の大きい平ボディタイプのトラックなどにも適用することができる。
本発明の内燃機関は、車両が牽引する牽引荷重、又は車両に積載された積載荷重に応じて、スーパーチャージャとターボチャージャによる複合過給と、ターボチャージャのみの単一過給とを切り換えることで、内燃機関のダウンサイジングを図ることができるので、特に、積載状態の変化の大きいセミトレーラや、平ボディタイプのトラックなどの車両に利用することができる。
1 セミトレーラ(車両)
2 トラクタヘッド(牽引車両)
3 トレーラ(被牽引車両)
4 コンテナ(貨物)
5 連結部
5a カプラ(第五輪)
5b キングピン
10 エンジン(内燃機関)
11 エンジン本体
12 ECU(制御装置)
13 クランクシャフト
14 ターボチャージャ(T/C)
15 スーパーチャージャ(S/C)
16a スーパーチャージャ用クラッチ(S/C用クラッチ)
17 吸気切換バルブ
20 パワートレイン
21 トランスミッション(変速装置)
31 エキゾーストマニホールド(エキマニ)
32 排ガス後処理装置
33 マフラー
34 エアクリーナー
35 吸気スロットル
36 インタークーラー
37 インレットマニホールド(インマニ)
41 LP−EGR(低圧EGRシステム)
42 HP−EGR(高圧EGRシステム)
43 LP−EGRクーラー(第1EGRクーラー)
44 LP−EGRバルブ(第1EGRバルブ)
45 HP−EGRクーラー(第2EGRクーラー)
46 HP−EGRバルブ(第2EGRバルブ)
S1 荷重センサ

Claims (8)

  1. スーパーチャージャとターボチャージャと、を備える内燃機関において、
    車両が牽引する牽引荷重、又は車両に積載された積載荷重に応じて、前記スーパーチャージャと前記ターボチャージャによる複合過給と、前記ターボチャージャのみの単一過給とを切り換える制御装置を備えることを特徴とする内燃機関。
  2. 前記牽引荷重、又は前記積載荷重を検知する荷重センサを備え、
    前記制御装置が、
    前記牽引荷重又は前記積載荷重が予め定めた判定値よりも大きいか否かを判断する荷重判定手段と、
    前記牽引荷重又は前記積載荷重が前記判定値よりも大きい場合に、車両の運転状態に基づいて前記スーパーチャージャと前記ターボチャージャによる前記複合過給を行う複合過給手段と、
    前記牽引荷重又は前記積載荷重が前記判定値以下の場合に、前記ターボチャージャのみの前記単一過給を行う単一過給手段と、を備えることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。
  3. 前記ターボチャージャの排ガスの下流側で排ガスを還流する低圧EGRシステムと、前記ターボチャージャの排ガスの上流側で排ガスを還流する高圧EGRシステムと、を備えると共に、
    前記制御装置が、
    前記複合過給で行われる前記スーパーチャージャによる過給時と、前記単一過給で行われる前記ターボチャージャによる過給時に、前記低圧EGRシステムのみにより排ガスを還流し、
    前記複合過給で行われる前記ターボチャージャによる過給時に、前記車両の運転状況に基づいて前記低圧EGRシステムと前記高圧EGRシステムにより排ガスを還流する手段を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の内燃機関を搭載することを特徴とする車両。
  5. 請求項4に記載の車両を、貨物を積載する被牽引車両を牽引する牽引車両で形成し、
    前記被牽引車両との連結部に、前記被牽引車両をしているか否か、又は前記牽引車両に前記貨物を積載しているか否かを検知する荷重センサを配置することを特徴とする車両。
  6. スーパーチャージャとターボチャージャとを備える内燃機関の制御方法において、
    車両が牽引する牽引荷重、又は車両に積載される積載荷重に応じて、前記スーパーチャージャと前記ターボチャージャによる複合過給と、前記ターボチャージャのみの単一過給とを切り換えることを特徴とする内燃機関の制御方法。
  7. 荷重センサが検知する前記牽引荷重、又は前記積載荷重が予め定めた判定値よりも大きいか否かを判断する荷重判定工程と、
    前記牽引荷重又は前記積載荷重が前記判定値よりも大きい場合に、車両の運転状態に基づいて前記スーパーチャージャと前記ターボチャージャによる前記複合過給を行う複合過給工程と、
    前記牽引荷重又は前記積載荷重が前記判定値以下の場合に、前記ターボチャージャのみの前記単一過給を行う単一過工程と、を含むことを特徴とする請求項6に記載の内燃機関の制御方法。
  8. 前記複合過給で行われる前記スーパーチャージャによる過給時と、前記単一過給で行わ
    れる前記ターボチャージャによる過給時に、前記ターボチャージャの排ガスの下流側で排ガスを還流する低圧EGRシステムのみで排ガスを還流し、
    前記複合過給で行われる前記ターボチャージャによる過給時に、車両の運転状態に基づいて前記低圧EGRシステムと、前記ターボチャージャの排ガスの上流側で排ガスを還流する高圧EGRシステムにより排ガスを還流することを特徴とする請求項6又は7に記載の内燃機関の制御方法。
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