JP2014190322A - エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】低速かつ低負荷での運転が継続しても、ＥＧＲクーラーにカーボンが堆積することを防止できるエンジンを提供すること。
【解決手段】制御装置は、カット条件が満たされると前記開度を全閉にするように、かつカット解除条件が満たされると前記開度を可変に制御するように、構成されている。運転領域が、回転速度およびトルクの関係を示す特性曲線によって囲まれる領域として規定されている。前記運転領域Ｒ０が、ＮＴＥ領域Ｒ１１を含む高運転領域Ｒ１と、前記高運転領域Ｒ１よりも低トルク側かつ低回転速度側に設定される低運転領域Ｒ２とからなっている。前記カット条件は、所定時間以上の間、前記回転速度および前記トルクによって特定される運転条件が前記低運転領域Ｒ２内に保たれていることである。前記カット解除条件は、前記運転条件が前記高運転領域Ｒ１に入ることである。
【選択図】図４

Description

本発明は、ＥＧＲクーラー、ＥＧＲバルブ、および前記ＥＧＲバルブの開度を制御する制御装置を備えているエンジンに関する。

従来、ＥＧＲクーラーを備えるエンジンにおいて、排気温度などに基づく補正制御に基づいて、ＥＧＲバルブの開度が制御されている。特許文献１は、このようなエンジンの一例を開示している。

特開２０１０−１９０１２７号公報

従来のエンジンでは、ＥＧＲバルブの開度は、回転速度および負荷に関係なく、可変に制御されている。このため、低速かつ低負荷での運転が継続しても、ＥＧＲバルブの開度が全閉ではないため、排気ガスがＥＧＲ経路に沿って流れる。ここで、例えば、エンジンが冷凍機の駆動源として適用され、冬期のようにエンジンの負荷率が低くても冷凍庫内の温度を目標温度に保つことができる場合に、低速かつ低負荷での運転が継続する。低速かつ低負荷での運転が継続するとき、排気ガスの温度が比較的低温である。このような場合に、ＥＧＲバルブの開度が継続的に開かれていると、排気ガスがＥＧＲクーラーによって冷却され、排気ガスに含まれる未燃成分が液化する。液化した未燃成分は排気ガスに含まれるカーボンと凝集してＥＧＲクーラー内に堆積する。カーボンの堆積は、ＥＧＲ経路を通過する排気ガスの流量を低下させる。この結果、窒素酸化物の排出量が増大する可能性がある。

任意に回転速度または負荷を変更することによって、低速かつ低負荷での運転を中断させることは可能である。しかし、上述した冷凍機の場合、制御装置が冷凍庫内の温度を目標温度に保つように自動制御を行っており、手動操作のように回転速度または負荷を任意に変更することはできない。また、冷凍庫内の温度が変更されること自体、好ましくない。

本発明の目的は、低速かつ低負荷での運転が継続しても、ＥＧＲクーラーにカーボンが堆積することを防止できるエンジンを提供することである。

本発明に係るエンジンは、ＥＧＲクーラー、ＥＧＲバルブ、および前記ＥＧＲバルブの開度を制御する制御装置を備えているエンジンであって、前記制御装置は、カット条件が満たされると前記開度を全閉にするように、かつカット解除条件が満たされると前記開度を可変に制御するように、構成されており、運転領域が、回転速度およびトルクの関係を示す特性曲線によって囲まれる領域として規定されており、前記運転領域が、ＮＴＥ領域を含む高運転領域と、前記高運転領域よりも低トルク側かつ低回転速度側に設定される低運転領域とからなっており、前記カット条件は、所定時間以上の間、前記回転速度および前記トルクによって特定される運転条件が前記低運転領域内に保たれていることであり、前記カット解除条件は、前記運転条件が前記高運転領域に入ることである。

前記エンジンは、コモンレール式の燃料噴射装置を備えており、前記制御装置は、負荷率、噴射量、およびレール圧に基づいて、３つの推定トルクを特定するように構成されており、前記カット条件および前記カット解除条件は、前記３つの推定トルクのうち最も大きな前記推定トルクを、前記運転条件を特定するための前記トルクとして利用している。

前記エンジンにおいて、前記カット解除条件は、前記運転条件が前記高運転領域に入ること、上流温度が所定上流温度を超えていること、または下流温度が所定下流温度を超えていることであり、前記上流温度および前記下流温度は、前記ＥＧＲクーラーの上流側および下流側における排気ガスの温度である。

前記エンジンにおいて、前記制御装置は、前記回転速度の目標値を、低速度または高速度に設定するように構成されており、前記低速度は、前記特性曲線において前記トルクがピーク値となる前記回転速度であり、前記高速度は、前記低速度よりも高い前記回転速度であって、前記高速度における前記トルクの全体が前記高運転領域内に含まれている。

本発明に係る冷凍機は、前記エンジンと、前記エンジンによって駆動される圧縮機とを有する。

本発明に係るエンジンは、低速かつ低負荷での運転が継続しても、ＥＧＲクーラーにカーボンが堆積することを防止できる。

第１実施形態に係る冷凍機のブロック図である。 第１実施形態に係るエンジンの構成図である。 第１実施形態に係る高運転領域および低運転領域を示す図である。 第２実施形態に係る高運転領域および低運転領域を示す図である。

図１−３を参照して、第１実施形態に係る冷凍機１００を説明する。図１は、第１実施形態に係る冷凍機１００のブロック図である。図１において、冷凍機１００は、エンジン１、冷媒回路２０、および冷凍庫３０を備えている。冷媒回路２０は、圧縮機２１、凝縮器２２、膨張弁２３、および蒸発器２４を備えている。エンジン１は圧縮機２１に接続されており、圧縮機２１の駆動源として機能する。蒸発器２４は冷凍庫３０内に配置されており、冷凍庫３０内の温度を冷却する。

図２は、第１実施形態に係るエンジンの構成図である。図２において、エンジン１は、ケーシング２、吸気経路３、排気経路５、ＥＧＲ経路６、ＥＧＲバルブ７、ＥＧＲクーラー８、燃料噴射装置９、４つのピストン１０、およびクランク軸１１を備えている。ケーシング２内に４つのシリンダ２ａが形成されている。吸気経路３は外気をシリンダ２ａ内に導入する。排気経路５は、排気ガスをシリンダ２ａから外部に排出する。ＥＧＲ経路６は、排気経路５を吸気経路３に接続しており、排気ガスの一部を吸気経路３に導入する。ＥＧＲバルブ７は、ＥＧＲ経路６の開度を変更する。ＥＧＲクーラー８はＥＧＲ経路６上に配置されており、ＥＧＲ経路６を通過する排気ガスを冷却する。燃料噴射装置９は、コモンレール式を採用しており、ポンプ９ａ、レール９ｂ、および４つの噴射ノズル９ｃを備えている。ポンプ９ａはレール９ｂに燃料を供給することによって、レール９ｂ内の燃料圧力（レール圧）を制御する。各噴射ノズル９ｃは各シリンダ２ａ内に燃料を噴射する。シリンダ２ａ毎にピストン１０が配置されている。クランク軸１１は、４つのピストン１０に接続されており、ピストン１０の往復運動によって駆動される。

エンジン１は、ＥＣＵ（制御装置）５０、回転速度センサ１２、およびレール圧センサ１３を備えている。ＥＣＵ５０は、ＥＧＲバルブ７、および燃料噴射装置９を制御する。回転速度センサ１２は、クランク軸１１の回転速度を検出する。レール圧センサ１３は、レール９ｂのレール圧を検出する。ＥＣＵ５０は、エンジン１の運転条件に合わせて噴射量の目標値を作成し、この目標値に合わせて噴射ノズル９ｃを制御する。このため、ＥＣＵ５０は、噴射量を把握できる。また、現在の噴射量とエンジンが出しうる最大の噴射量との比に基づいて、負荷率が特定される。このため、ＥＣＵ５０は、負荷率を検出できる。

エンジン１は、上流温度センサ１４および下流温度センサ１５を備えている。上流温度センサ１４は、排気経路５においてＥＧＲクーラー８の上流側における排気ガスの温度（上流温度）を検出する。下流温度センサ１５は、ＥＧＲ経路６においてＥＧＲクーラー８の下流側における排気ガスの温度（下流温度）を検出する。

次に、ＥＧＲバルブ７の制御を説明する。低速かつ低負荷での運転が行われているとき、排気ガスの温度は比較的低温に保たれている。ＥＧＲ経路６を流れる排気ガスは、ＥＧＲクーラー８によって冷却される。排気ガスの温度が比較的低温に保たれているときに、排気ガスがＥＧＲクーラー８によって冷却されると、排気ガスに含まれる未燃成分が液化し、カーボンと凝集する。ＥＣＵ５０は、このように排気ガスの温度が比較的低温である場合に、ＥＧＲバルブ７の開度を全閉にすることによって、カーボンと未燃成分の凝集を防止する。以下では、まず、低速かつ低負荷での運転を説明し、次に、ＥＧＲバルブ７の制御を切り替える条件を説明する。

図３は、第１実施形態に係る高運転領域および低運転領域を示す図である。図３において、横軸は回転速度であり、縦軸はトルクである。特性曲線Ｃは回転速度およびトルクの関係を示している。エンジン１の運転領域Ｒ０は、特性曲線Ｃによって囲まれる領域として規定されている。運転領域Ｒ０は、ＮＴＥ領域Ｒ１１を含む高運転領域Ｒ１と、高運転領域Ｒ１よりも低トルク側かつ低回転速度側に設定される低運転領域Ｒ２とからなっている。ＮＴＥ領域は、米国環境保護庁の第4次排出ガス規制（Tier4規制）で導入されるＮＴＥ(Not to Exceed)条件を満たす領域である。また、境界領域Ｒ１２は、高運転領域Ｒ１においてＮＴＥ領域Ｒ１１外の領域である。

エンジン１の運転条件は、回転速度およびトルクによって特定される。運転条件が低運転領域Ｒ２内にあるとき、低速かつ低負荷での運転が行われている。一方、運転条件が高運転領域Ｒ１内にあるとき、低速かつ低負荷での運転は行われていない。

ＥＧＲバルブ７を制御するために、カット条件およびカット解除条件が設定されている。ＥＣＵ５０は、カット条件が満たされるとＥＧＲバルブ７の開度を全閉にするように、構成されている。また、ＥＣＵ５０は、カット解除条件が満たされるとＥＧＲバルブ７の開度を可変に制御するように、構成されている。カット条件は、所定時間以上の間、運転条件が、低運転領域Ｒ２内に保たれていることである。カット解除条件は、運転条件が高運転領域Ｒ１に入ることである。カット条件およびカット解除条件について、一旦、一方の条件が満たされると、他方の条件が満たされない限り、ＥＧＲバルブ７の制御は変更されない。例えば、運転条件が低運転領域Ｒ２から高運転領域Ｒ１に入ると、直ちにカット解除条件が満たされ、この結果、ＥＧＲバルブ７の開度は可変に制御される。一方、運転条件が高運転領域Ｒ１から低運転領域Ｒ２に入っても、所定時間が経過するまでは、カット条件は満たされない。このため、所定時間が経過するまで、ＥＧＲバルブ７の開度は可変に制御される。所定時間が経過すると、カット条件が満たされるので、ＥＧＲバルブ７の開度は全閉にされる。

カット条件およびカット解除条件について、条件が満たされているか否かを判定するには、回転速度およびトルクを特定する必要がある。回転速度は、上述したように、回転速度センサ１２によって検出される。トルクと、負荷率、噴射量、およびレール圧のそれぞれとの間には、一定の対応関係がある。このため、トルクは、負荷率、噴射量、およびレール圧のそれぞれに基づいて、特定される。ＥＣＵ５０は、上述したように、負荷率、噴射量、およびレール圧を特定できる。ここで、ＥＣＵ５０は、負荷率、噴射量、およびレール圧のそれぞれが前記トルクに対応することを利用して、負荷率、噴射量、およびレール圧に基づいて、３つの推定トルクを特定するように構成されている。３つの推定トルクは、負荷率に基づく推定トルク（負荷率トルク）、噴射量に基づく推定トルク（噴射量トルク）、およびレール圧に基づく推定トルク（レール圧トルク）である。

カット条件およびカット解除条件は、３つの推定トルクのうち最も大きな推定トルクを、運転条件を特定するためのトルクとして利用している。図３において、運転条件Ｄ１は、回転速度および負荷率トルクによって特定されており、運転条件Ｄ２は、回転速度および噴射量トルクによって特定されており、運転条件Ｄ３は、回転速度およびレール圧トルクによって特定されている。運転条件Ｄ１は低運転領域Ｒ２内に入っているが、運転条件Ｄ２、Ｄ３は高運転領域Ｒ１内に入っている。ここで、最も大きな推定トルクは、運転条件Ｄ２に含まれる噴射量トルクである。このため、噴射量トルクが、カット条件およびカット解除条件において、運転条件を特定するためのトルクとして用いられる。図３において、運転条件Ｄ２は高運転領域Ｒ１内に入っているので、カット解除条件が満たされている。

カット解除条件は、運転条件が高運転領域に入ること以外に、他の２つの条件を含んでいる。すなわち、カット解除条件は、運転条件が前記高運転領域に入ること、上流温度が所定上流温度を超えていること、または下流温度が所定下流温度を超えていることである。これら３つの条件のうち、いずれか１つの条件が満たされるとき、カット解除条件が満たされているとみなされる。上述したように、上流温度および下流温度は、ＥＧＲクーラー８の上流側および下流側における排気ガスの温度である。所定上流温度および所定下流温度は、ＥＧＲクーラー８の上流側および下流側において、排気ガスの温度が比較的高温に保たれており、カーボンと未燃成分の凝集が発生しないとみなされる温度に設定されている。

次に、図４を参照して、第２実施形態に係る冷凍機１００を説明する。第２実施形態に係る冷凍機１００は、第１実施形態に係る冷凍機１００と同一の構成を有している。第２実施形態に係るＥＧＲバルブ７の制御は、第１実施形態に係るＥＧＲバルブ７の制御から部分的に変更されている。以下では、第１実施形態と第２実施形態との間の相違点のみを説明する。

図４は、第２実施形態に係る高運転領域および低運転領域を示す図である。図４は、図３と基本的に同一の図である。第２実施形態では、ＥＣＵ５０は、回転速度の目標値を、低速度Ｖ１または高速度Ｖ２に設定するように構成されている。一方、第１実施形態では、回転速度の目標値は、２つの速度（低速度Ｖ１および高速度Ｖ２）に限定されていない。これが、第１実施形態と第２実施形態との間の相違点である。低速度Ｖ１は、特性曲線Ｃにおいてトルクがピーク値となる回転速度である。高速度Ｖ２は、低速度Ｖ１よりも高い回転速度であって、高速度Ｖ２におけるトルクの全体が高運転領域Ｒ１内に含まれている。

回転速度が高速度Ｖ２であるとき、トルクの大きさに関係なく、運転条件は高運転領域Ｒ１内に入っている。このため、回転速度が高速度Ｖ２であるとき、トルクの大きさに関係なく、カット解除条件が満たされている。一方、回転速度が低速度Ｖ１であるとき、トルクが所定トルクＴよりも小さい場合に運転条件は低運転領域Ｒ２内に入っており、トルクが所定トルクＴよりも大きい場合に運転条件は高運転領域Ｒ１内に入っている。トルクが所定トルクＴよりも小さく保たれながら所定時間が経過すると、カット条件が満たされる。

上述したように、トルクと、負荷率、噴射量、およびレール圧のそれぞれとの間には、一定の対応関係がある。トルクが所定トルクＴに到達しているとき、基本的に、負荷率は所定負荷率に到達しており、噴射量は所定噴射量に到達しており、レール圧は所定レール圧に到達している。このことを利用して、第２実施形態では、次のようにカット条件およびカット解除条件が設定されている。

カット条件は、次の条件（Ａ１）、（Ａ２）、（Ａ３）、および（Ａ４）の全てが満たされる場合に、満たされる。条件（Ａ２）、（Ａ３）、および（Ａ４）の全てが満たされることは、第１実施形態に係るカット条件において、３つの推定トルクのうち最も大きな推定トルクを、運転条件を特定するためのトルクとして利用することに相当する。
（Ａ１）回転速度が低速度Ｖ１である。
（Ａ２）負荷率が所定負荷率よりも低い。
（Ａ３）噴射量が所定噴射量よりも低い。
（Ａ４）レール圧が所定レール圧よりも低い。

カット解除条件は、次の条件（Ｂ１）、（Ｂ２）、（Ｂ３）、（Ｂ４）、（Ｂ５）、および（Ｂ５）のいずれか１つが満たされる場合に、満たされる。条件（Ｂ２）、（Ｂ３）、および（Ｂ４）のいずれか１つが満たされることは、第１実施形態に係るカット解除条件において、３つの推定トルクのうち最も大きな推定トルクを、運転条件を特定するためのトルクとして利用することに相当する。
（Ｂ１）回転速度が高速度Ｖ２である。
（Ｂ２）負荷率が所定負荷率よりも高い。
（Ｂ３）噴射量が所定噴射量よりも高い。
（Ｂ４）レール圧が所定レール圧よりも高い。
（Ｂ５）上流温度が所定上流温度よりも高い。
（Ｂ６）下流温度が所定下流温度よりも高い。

本実施形態に係るエンジン１は、次の構成により、次の効果を有している。

（１）第１、第２実施形態に係るエンジン１は、ＥＧＲクーラー８、ＥＧＲバルブ７、および前記ＥＧＲバルブ７の開度を制御する制御装置（ＥＣＵ５０）を備えているエンジン１である。前記制御装置（ＥＣＵ５０）は、カット条件が満たされると前記開度を全閉にするように、かつカット解除条件が満たされると前記開度を可変に制御するように、構成されている。運転領域Ｒ０が、回転速度およびトルクの関係を示す特性曲線によって囲まれる領域として規定されている。前記運転領域Ｒ０が、ＮＴＥ領域Ｒ１１を含む高運転領域Ｒ１と、前記高運転領域よりも低トルク側かつ低回転速度側に設定される低運転領域Ｒ２とからなっている。前記カット条件は、所定時間以上の間、前記回転速度および前記トルクによって特定される運転条件が前記低運転領域Ｒ２内に保たれていることである。前記カット解除条件は、前記運転条件が前記高運転領域Ｒ１に入ることである。

第１、第２実施形態に係るエンジン１によれば、所定時間以上の間、運転条件が低運転領域Ｒ２内に保たれている場合に、ＥＧＲバルブ７の開度が全閉にされる。運転条件が低運転領域Ｒ２内に保たれている場合、低速かつ低負荷での運転が行われており、排気ガスの温度は比較的低温に保たれている。低速かつ低負荷での運転が行われているときにＥＧＲバルブ７の開度が全閉にされるので、排気ガスがＥＧＲクーラー８を流れない。この結果、排気ガス中のカーボンと未燃成分の凝集が発生しない。

このため、第１、第２実施形態に係るエンジン１は、低速かつ低負荷での運転が継続しても、ＥＧＲクーラー８にカーボンが堆積することを防止できる。

（２）第１、第２実施形態に係るエンジン１は、コモンレール式の燃料噴射装置９を備えている。前記制御装置（ＥＣＵ５０）は、負荷率、噴射量、およびレール圧に基づいて、３つの推定トルクを特定するように構成されている。前記カット条件および前記カット解除条件は、前記３つの推定トルクのうち最も大きな前記推定トルクを、前記運転条件を特定するための前記トルクとして利用している。

負荷率、噴射量、およびレール圧に基づいて、トルクに対応する３つの推定トルクが得られる。このため、第１、第２実施形態に係るエンジン１は、トルクを直接検出する代わりに、トルクの推定値としての推定トルクを用いながら、低速かつ低負荷での運転の発生を認識できる。

（３）第１、第２実施形態に係るエンジン１において、前記カット解除条件は、前記運転条件が前記高運転領域Ｒ１に入ること、上流温度が所定上流温度を超えていること、または下流温度が所定下流温度を超えていることである。前記上流温度および前記下流温度は、前記ＥＧＲクーラー８の上流側および下流側における排気ガスの温度である。

このため、第１、第２実施形態に係るエンジン１は、排気ガス中のカーボンと未燃成分との凝集が発生する虞がない場合に、ＥＧＲバルブ７が全閉されることを防止できる。

（４）第２実施形態に係るエンジン１において、前記制御装置（ＥＣＵ５０）は、前記回転速度の目標値を、低速度Ｖ１または高速度Ｖ２に設定するように構成されている。前記低速度Ｖ１は、前記特性曲線Ｃにおいて前記トルクがピーク値となる前記回転速度である。前記高速度Ｖ２は、前記低速度Ｖ１よりも高い前記回転速度であって、前記高速度Ｖ２における前記トルクの全体が前記高運転領域Ｒ１内に含まれている。

回転速度が低速度Ｖ１にあるときのみ、運転条件が低運転領域Ｒ２にあるか否かの判定が行われる。このため、第２実施形態に係るエンジン１は、制御において必要な負荷を軽減できる。

（５）第１、第２実施形態に係る冷凍機１００は、前記エンジン１と、前記エンジン１によって駆動される圧縮機２１とを有している。

このため、第１、第２実施形態に係る冷凍機１００は、低速かつ低負荷での運転が継続しても、ＥＧＲクーラー８にカーボンが堆積することを防止できる。

１ エンジン
７ ＥＧＲバルブ
８ ＥＧＲクーラー
１２ 回転速度センサ
１３ レール圧センサ
１４ 上流温度センサ
１５ 下流温度センサ
５０ ＥＣＵ（制御装置）
Ｃ 特性曲線
Ｒ０ 運転領域
Ｒ１ 高運転領域
Ｒ２ 低運転領域
Ｒ１１ ＮＴＥ領域
Ｖ１ 低速度
Ｖ２ 高速度

Claims (5)

1. ＥＧＲクーラー、ＥＧＲバルブ、および前記ＥＧＲバルブの開度を制御する制御装置を備えているエンジンであって、
   前記制御装置は、カット条件が満たされると前記開度を全閉にするように、かつカット解除条件が満たされると前記開度を可変に制御するように、構成されており、
   運転領域が、回転速度およびトルクの関係を示す特性曲線によって囲まれる領域として規定されており、
   前記運転領域が、ＮＴＥ領域を含む高運転領域と、前記高運転領域よりも低トルク側かつ低回転速度側に設定される低運転領域とからなっており、
   前記カット条件は、所定時間以上の間、前記回転速度および前記トルクによって特定される運転条件が前記低運転領域内に保たれていることであり、
   前記カット解除条件は、前記運転条件が前記高運転領域に入ることである、エンジン。
2. コモンレール式の燃料噴射装置を備えており、
   前記制御装置は、負荷率、噴射量、およびレール圧に基づいて、３つの推定トルクを特定するように構成されており、
   前記カット条件および前記カット解除条件は、前記３つの推定トルクのうち最も大きな前記推定トルクを、前記運転条件を特定するための前記トルクとして利用している、請求項１に記載のエンジン。
3. 前記カット解除条件は、前記運転条件が前記高運転領域に入ること、上流温度が所定上流温度を超えていること、または下流温度が所定下流温度を超えていることであり、
   前記上流温度および前記下流温度は、前記ＥＧＲクーラーの上流側および下流側における排気ガスの温度である、請求項２に記載のエンジン。
4. 前記制御装置は、前記回転速度の目標値を、低速度または高速度に設定するように構成されており、
   前記低速度は、前記特性曲線において前記トルクがピーク値となる前記回転速度であり、
   前記高速度は、前記低速度よりも高い前記回転速度であって、前記高速度における前記トルクの全体が前記高運転領域内に含まれている、請求項３に記載のエンジン。
5. 請求項１−４のいずれか１つに記載のエンジンと、前記エンジンによって駆動される圧縮機とを有する冷凍機。

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