JP2015010497A - ディーゼルエンジン及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ディーゼルエンジンにおけるエンジン加速の際に、ターボ式過給機に流入する排気ガス量を適正な範囲内に収めることができ、これにより、エンジン加速の際に、ターボ式過給機の回転数が許容回転数以上に上昇するのを回避して、ターボ式過給機の故障を防止することができるディーゼルエンジンとその制御方法を提供する。【解決手段】ＥＧＲ制御手段が、エンジン加速の際に、燃料噴射検出手段により検出された燃料噴射量の増加量が予め設定した第１閾値よりも大きく、かつ、ブースト圧検出手段によって検出されたブースト圧が予め設定した第２閾値よりも低く、かつ、エンジン運転状態検出手段により検出されたエンジン運転状態が予め設定した高回転・高負荷運転状態領域の外である場合にＥＧＲバルブを閉じてＥＧＲを停止する。【選択図】図２
Description
本発明は、ターボ式過給システムとＥＧＲシステムを備えたディーゼルエンジンにおいて、エンジン加速時にターボ式過給機の回転数が必要以上に上昇するのを回避できて、ターボ式過給機の故障を防止できるディーゼルエンジン及びその制御方法に関する。
地球環境の保全の観点から、自動車の排気ガス規制が一段と進んでいる。特に、車両搭載のディーゼルエンジンでは粒子状物質（ＰＭ）や窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減が求められており、ＮＯｘ低減では、気筒（シリンダ）から排出される排気ガスの一部を気筒に再循環して気筒内の燃焼温度を低下させることによりＮＯｘの発生量を低減するＥＧＲ（排気再循環）が行われている。
また、ディーゼルエンジンでは、ターボ式過給機を備えて、排気ガスのエネルギーで排気通路に設けられたタービンを駆動し、このタービンに連結され、吸気通路に設けられたコンプレッサで、吸入空気を圧縮して気筒内に送り込まれる空気量を多くして燃焼効率を良くするターボ過給が行われている。
このターボ過給とＥＧＲの関係に関して、内部ＥＧＲシステムのガソリンエンジンにおいて、ターボ過給の時に、ＥＧＲを行うか、又は、過給時のＥＧＲ量を過給されていないときと比較してＥＧＲ量を増加させることにより、気筒内の現サイクルのエネルギの一部を、次回以降のサイクルで使用して、次回以降のサイクルでエネルギの総量、及び、排気のエネルギを増加させてターボ式過給機の回転数を高めることで、過給圧をより速やかに上昇させて、これにより、ターボ式過給機における過給圧上昇の応答性を高めてドライバビリティの悪化を抑制する内燃機関の過給圧制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
一方、ディーゼルエンジンにおいては、気筒内への燃料噴射量を増加してエンジンを加速する場合には、エンジンの加速性能を向上させるために、ＥＧＲバルブを閉じて、気筒から排出される排気ガスの一部がＥＧＲ通路に流れないようにして、気筒から排出される排気ガスの全部をターボ式過給機に流入させることにより、ターボ式過給機への排気ガス流量を増加させて、ターボ式過給機の回転数の上昇を補助することにより、ブースト圧の上昇を促進して気筒内への新規の供給量を増加し、エンジンの加速性を向上させる制御を行っている。
しかしながら、この制御では、ＥＧＲバルブを閉じるかどうかの判定をエンジンが加速状態にあるか否かだけで、即ち、燃料噴射量が急激に増加したか否かだけで、行っているため、ターボ過給機の回転数に関係なく、ＥＧＲバルブを閉じて、更に回転数を上げようとする制御をしてしまう。
そのため、エンジン加速の際に、既にターボ式過給機の回転数が高い状態にある場合に、エンジン加速の要求に従って、燃料噴射量を増加し、ＥＧＲバルブを閉じてしまうと、ターボ式過給機に流入する排気ガス量が急増して、ターボ式過給機の回転数が許容回転数以上に急上昇してしまい、ターボ式過給機が故障するという問題がある。
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、ターボ式過給システムとＥＧＲシステムを備えたディーゼルエンジンにおいて、エンジン加速の際に、ターボ式過給機に流入する排気ガス量を適正な範囲内に収めることができ、これにより、エンジン加速の際に、ターボ式過給機の回転数が許容回転数以上に上昇するのを回避して、ターボ式過給機の故障を防止することができるディーゼルエンジンとその制御方法を提供することにある。
上記のような目的を達成するための本発明のディーゼルエンジンは、ターボ式過給システムとＥＧＲシステムを備えたディーゼルエンジンにおいて、燃料噴射量検出手段とブースト圧検出手段とエンジン運転状態検出手段とＥＧＲ制御手段を有し、該ＥＧＲ制御手段が、エンジン加速の際に、前記燃料噴射検出手段により検出された燃料噴射量の増加量が予め設定した第１閾値よりも大きく、かつ、前記ブースト圧検出手段によって検出されたブースト圧が予め設定した第２閾値よりも低く、かつ、前記エンジン運転状態検出手段により検出されたエンジン運転状態が予め設定した高回転・高負荷運転状態領域の外である場合にＥＧＲバルブを閉じてＥＧＲを停止するように構成される。
この構成によれば、エンジン加速の際に、燃料噴射量の増加量のみならず、ターボ式過給機の運転状態をブースト圧とエンジン運転状態の判定で判断しながら、ＥＧＲを行うか停止するかを判定して、ターボ式過給機の回転数が許容回転数以上になる可能性がある場合にはＥＧＲを停止するので、エンジン加速の際に、ターボ式過給機に流入する排気ガス量を適正な範囲内に収めることができ、これにより、エンジン加速の際に、ターボ式過給機の回転数が許容回転数以上に上昇するのを回避して、ターボ式過給機の故障を防止することができる。
上記のディーゼルエンジンにおいて、前記ＥＧＲ制御手段において、前記第２閾値を、エンジン回転数と燃料噴射量に基づいて設定すると、より精度よく、現在のエンジン加速の際に、ターボ式過給機の回転数が許容回転数以上になる可能性があるか否かの判定を行うことができ、ターボ式過給機の回転数が許容回転数を超えないぎりぎりの限度までＥＧＲを行うことができ、排気ガス中のＮＯｘの発生量を抑制しながら燃費を向上できる。
そして、上記の目的を達成するためのディーゼルエンジンの制御方法は、ターボ式過給システムとＥＧＲシステムを備えたディーゼルエンジンの制御方法において、エンジン加速の際に、燃料噴射量の増加量が予め設定した第１閾値よりも大きく、かつ、ブースト圧が予め設定した第２閾値よりも低く、かつ、エンジン運転状態が予め設定した高回転・高負荷運転状態領域の外である場合にＥＧＲバルブを閉じてＥＧＲを停止することを特徴とする方法である。
この方法によれば、燃料噴射量の変化のみならず、ブースト圧とエンジン運転状態を見ながら、ＥＧＲを行うか停止するかを判定するので、ターボ式過給機の回転数が許容回転数以上になる可能性がある場合にはＥＧＲを停止することができる。これにより、エンジン加速の際に、エンジン加速の際に、ターボ式過給機に流入する排気ガス量を適正な範囲内に収めることができるので、ターボ式過給機の回転数が許容回転数以上に上昇するのを回避して、ターボ式過給機の故障を防止することができる。
なお、この第１閾値や第２閾値、及び、この場合の高回転・高負荷運転状態領域は、ディーゼルエンジンの仕様やターボ式過給機の仕様によって変化するものであり、予め行われる実験結果等によって設定できるものであり、エンジン回転数や燃料噴射量等とも関係するが、数値、関数値、マップデータなどの形で設定可能である。
本発明に係るディーゼルエンジン及びその制御方法によれば、ターボ式過給システムとＥＧＲシステムを備えたディーゼルエンジンにおいて、エンジン加速の際に、燃料噴射量の変化のみならず、ブースト圧とエンジン運転状態を見ながら、ＥＧＲを行うか停止するかを判定するので、ターボ式過給機に流入する排気ガス量を適正な範囲内に収めることができ、これにより、エンジン加速の際に、ターボ式過給機の回転数が許容回転数以上に上昇するのを回避して、ターボ式過給機の故障を防止することができる。
以下、本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジン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。ここでは、ＥＧＲ通路の一部がシリンダヘッド内に設けられたＥＧＲシステムを有するディーゼルエンジンの例で示すが、これに限定されず、外部ＥＧＲシステムであっても、内部ＥＧＲシステムであってもよい。
図１に示すように、本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジン１０は、エンジン本体１１と吸気通路１２と排気通路１３とＥＧＲ通路１４を有して構成される。エンジン本体１１には、複数の気筒（シリンダ）１１ａとピストン１１ｂ等が設けられ、吸気通路１２には、上流側から順に、エアクリーナ１５、図示しない吸気量センサ、ターボ式過給機１６のコンプレッサ１６ａが設けられている。
また、排気通路１３には、上流側から順に、ターボ式過給機１６のタービン１６ｂ、排気ガス浄化装置１７が設けられている。ＥＧＲ通路１４は、エンジン本体１１とタービン１６ｂとの間の排気通路１３から分岐して、ＥＧＲクーラー１８、シリンダヘッド１１ｃの内部に設けた内部ＥＧＲ通路１４ａ、ＥＧＲバルブ１９を介して、コンプレッサ１６ａとエンジン本体１１との間の吸気通路１２に合流している。
この排気ガス浄化装置１７は、エンジン本体１１から排出される排気ガスＧ中のＰＭ（粒子状物質）やＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するための後処理装置であり、前段酸化触媒装置、ＰＭ捕集用フィルタ装置、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置、尿素供給ノズルと尿素ＳＣＲ装置等の幾つかの排気ガス浄化ユニットの組み合わせで構成されている。
また、ディーゼルエンジン１０の運転全般を制御する制御装置（ＥＣＭ：エンジンコントロールモジュール）３０が設けられ、図３に示すように、この制御装置３０は、燃料噴射量検出手段３１Ｓとブースト圧検出手段３２Ｓとエンジン運転状態検出手段３３ＳとＥＧＲ制御手段３４Ｓを有して構成される。
そして、ＥＧＲ制御手段３４Ｓが、エンジン加速の際に、燃料噴射検出手段３１Ｓにより検出された燃料噴射量Ｑの増加量ΔＱが予め設定した第１閾値ΔＱｃよりも大きく、かつ、ブースト圧検出手段３２Ｓは、吸気通路１２に配置されたブースト圧センサ２１を有し、このブースト圧センサ２１によって検出されたブースト圧Ｐｂが予め設定した第２閾値Ｐｂｃよりも低く、かつ、エンジン運転状態検出手段３３Ｓは、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑの値を入力し、このエンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑによりエンジン運転領域を示すマップデータ等を参照して検出されたエンジン運転状態が予め設定した高回転・高負荷運転状態領域Ｒａの外である場合にＥＧＲバルブ１９を閉じてＥＧＲを停止するように構成される。
なお、この第１閾値ΔＱｃや第２閾値Ｐｂｃ、及び、この場合の高回転・高負荷運転状態領域は、ディーゼルエンジン１０の仕様やターボ式過給機１６の仕様によって変化するため、予め実験等によって設定される値である。
第１閾値ΔＱｃは、エンジン加速状態が急加速か緩加速で有るかを判定するための閾値である。また、第２閾値Ｐｂｃは、ブースト圧Ｐｂにより、ターボ式過給機１６の現時点での回転数Ｎｔが高いか低いかを判定するための値であり、この第２閾値Ｐｂｃは、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑに基づいて設定されることが好ましく、つまり、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑの関数となる値とすることが好ましく、エンジン運転時のエンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑにより、実験等により予め設定されたマップデータ等を参照することにより、制御時には設定を済ましていることが可能な値である。図４では、この第２閾値Ｐｂｃは、領域Ｒｂと領域Ｒｃとの間の線Ｌｐで示される。
また、高回転・高負荷運転状態領域（図４に領域Ｒａで示す）も、ターボ式過給機１６の回転数Ｎｔが高いか低いかを判定するための値であり、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑに基づいて設定されることが好ましく、つまり、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑの関数となる値とすることが好ましく、エンジン運転時のエンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑにより、実験等により予め設定されたマップデータ等を参照することにより、制御時には設定可能な範囲である。図４では、この高回転・高負荷運転状態領域Ｒａの境界は、線Ｌｂと線Ｌｃで示される。
このディーゼルエンジンの制御方法について、図２の制御フローを参照しながら説明する。この図２の制御フローは、ディーゼルエンジン１０の運転開始と共に、起動する上位の制御フローから繰り返し呼ばれて実行され、ディーゼルエンジン１０の運転停止と共に、制御フローを中断して上位の制御フローに戻り、上位の制御フローの停止と共に停止する制御フローとして示してある。
この図２の制御フローが上位の制御フローから呼ばれてスタートすると、ステップＳ１１で、ディーゼルエンジン１０が加速状態にあるか否かを判定する。この判定は、車両搭載のディーゼルエンジン１０の場合は、ドライバーによって操作されるアクセル開度αが予め設定されたアクセル開度閾値αｃより大きいか否かにより判定する。このステップＳ１１の判定で、アクセル開度αがアクセル開度閾値αｃより大きく、エンジン加速状態にある場合（ＹＥＳ）は、次のステップＳ１２の燃料噴射量の増加量の判定に行き、アクセル開度αがアクセル開度閾値αｃ以下で、エンジン加速状態にない場合（ＮＯ）は、ステップＳ１６のＥＧＲ停止解除に行く。
ステップＳ１２では、燃料噴射量Ｑの増加量ΔＱが第１閾値ΔＱｃよりも大きいか否かを判定し、大きい場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ１３のブースト圧の判定に行き、以下の場合（ＮＯ）は、ステップＳ１６のＥＧＲ停止解除に行く。
ステップＳ１３では、ブースト圧Ｐｂが、現在のエンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑからマップデータを参照して、第２閾値Ｐｂｃよりも大きいか否かを判定し、小さい場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ１４のエンジン運転領域の判定に行き、以上の場合（ＮＯ）は、ステップＳ１６のＥＧＲ停止解除に行く。
ステップＳ１４では、現在のエンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑからマップデータを参照して、エンジン運転領域が、高回転・高負荷運転領域Ｒａの外にあるか否かを判定し、高回転・高負荷運転領域Ｒａの外にある場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ１５のＥＧＲ停止に行き、高回転・高負荷運転領域Ｒａの内にある場合（ＮＯ）は、ステップＳ１６のＥＧＲ停止解除に行く。
ステップＳ１５では、ＥＧＲバルブ１９を閉じて、ＥＧＲを停止する。この場合は、現在、他の制御によりＥＧＲ制御が行われて、ＥＧＲバルブ１９の弁開度が制御されていても、このステップＳ１５の制御を優先して、ＥＧＲバルブ１９を閉じて、排気ガスＧの一部ＧｅがＥＧＲ通路１４に流入することを阻止する。そして、ステップＳ１１に戻る。
一方、ステップＳ１６では、ＥＧＲバルブ１９が閉じられて、ＥＧＲを停止している状態の場合には、この制御では、ＥＧＲバルブ１９を開放し、ＥＧＲを停止している状態を解除する。そして、ステップＳ１１に戻る。
このＥＧＲ停止を解除した時のＥＧＲの制御、言い換えれば、ＥＧＲバルブ１９の弁開度の制御は、この図２の制御フローによる制御とは別のＥＧＲ制御で行われ、例えば、エンジン回転数Ｎｅと燃料噴射量Ｑに基づいて、予め設定されたＥＧＲ用のマップデータ等に基づいて設定される。この制御は従来の周知技術に基づいて行われるものと同じである。
この図２の制御フローでは、ステップＳ１１〜Ｓ１５又はステップＳ１１〜Ｓ１６を繰り返し実施し、ディーゼルエンジン１０の運転停止と共に、割り込みが生じて、制御フローを中断して、リターンに行き、上位の制御フローに戻り、上位の制御フローの停止と共に停止する。
この制御により、ターボ式過給システムとＥＧＲシステムを備えたディーゼルエンジンの制御方法において、エンジン加速の際に、燃料噴射量Ｑの増加量ΔＱが予め設定した第１閾値ΔＱｃよりも大きく、かつ、ブースト圧Ｐｂが予め設定した第２閾値Ｐｂｃよりも低く、かつ、エンジン運転状態が予め設定した高回転・高負荷運転状態領域Ｒａの外である場合にＥＧＲバルブ１９を閉じてＥＧＲを停止することができる。
そして、上記の構成のディーゼルエンジン１０及びその制御方法によれば、ターボ式過給システムとＥＧＲシステムを備えたディーゼルエンジン１０において、エンジン加速の際に、燃料噴射量Ｑの変化のみならず、ブースト圧Ｐｂとエンジン運転状態を見ながら、ＥＧＲを行うか停止するかを判定するので、ターボ式過給機１６に流入する排気ガス量を適正な範囲内に収めることができ、これにより、エンジン加速の際に、ターボ式過給機１６の回転数Ｎｔが許容回転数Ｎｔａ以上に上昇するのを回避して、ターボ式過給機１６の故障を防止することができる。
本発明に係るディーゼルエンジン及びその制御方法によれば、ターボ式過給システムとＥＧＲシステムを備えたディーゼルエンジンにおいて、エンジン加速の際に、ターボ式過給機の回転数が許容回転数以上に上昇するのを回避して、ターボ式過給機の故障を防止することができるので、自動車等に搭載したディーゼルエンジン及びその制御方法として利用できる。
１０ ディーゼルエンジン
１１ エンジン本体
１１ａ 気筒（シリンダ）
１１ｂ ピストン
１２ 吸気通路
１３ 排気通路
１４ ＥＧＲ通路
１４ｃ 内部ＥＧＲ通路
１５ エアクリーナ
１６ ターボ式過給機
１６ａ コンプレッサ
１６ｂ タービン
１７ 排気ガス浄化装置
１８ ＥＧＲクーラー
１９ ＥＧＲバルブ
２１ ブースト圧センサ
３０ 制御装置（ＥＣＭ）
３１Ｓ 燃料噴射量検出手段
３２Ｓ ブースト圧検出手段
３３Ｓ エンジン運転状態検出手段
３４Ｓ ＥＧＲ制御手段
Ｒａ 高回転・高負荷運転状態領域
Ｒｂ 領域（Ｐｂ≧Ｐｂｃ、かつ、領域Ｒａの外）
Ｒｃ 領域（Ｐｂ＜Ｐｂｃ、かつ、領域Ｒａの外）
Ｌｐ 領域Ｒｂと領域Ｒｃとの境界（Ｐｂｃ）
Ｌｂ、Ｌｃ 「領域Ｒａと領域Ｒｂ」と領域Ｒｃとの境界
Ｎｔ ターボ式過給機の回転数
Ｎｔａ ターボ式過給機の許容回転数
Ｎｅ エンジン回転数
Ｐｂ ブースト圧
Ｐｂｃ 第２閾値
Ｑ 燃料噴射量
ΔＱ 燃料噴射量の増加量
ΔＱｃ 第１閾値
α アクセル開度
αｃ アクセル開度閾値
１１ エンジン本体
１１ａ 気筒（シリンダ）
１１ｂ ピストン
１２ 吸気通路
１３ 排気通路
１４ ＥＧＲ通路
１４ｃ 内部ＥＧＲ通路
１５ エアクリーナ
１６ ターボ式過給機
１６ａ コンプレッサ
１６ｂ タービン
１７ 排気ガス浄化装置
１８ ＥＧＲクーラー
１９ ＥＧＲバルブ
２１ ブースト圧センサ
３０ 制御装置（ＥＣＭ）
３１Ｓ 燃料噴射量検出手段
３２Ｓ ブースト圧検出手段
３３Ｓ エンジン運転状態検出手段
３４Ｓ ＥＧＲ制御手段
Ｒａ 高回転・高負荷運転状態領域
Ｒｂ 領域（Ｐｂ≧Ｐｂｃ、かつ、領域Ｒａの外）
Ｒｃ 領域（Ｐｂ＜Ｐｂｃ、かつ、領域Ｒａの外）
Ｌｐ 領域Ｒｂと領域Ｒｃとの境界（Ｐｂｃ）
Ｌｂ、Ｌｃ 「領域Ｒａと領域Ｒｂ」と領域Ｒｃとの境界
Ｎｔ ターボ式過給機の回転数
Ｎｔａ ターボ式過給機の許容回転数
Ｎｅ エンジン回転数
Ｐｂ ブースト圧
Ｐｂｃ 第２閾値
Ｑ 燃料噴射量
ΔＱ 燃料噴射量の増加量
ΔＱｃ 第１閾値
α アクセル開度
αｃ アクセル開度閾値
Claims (3)
- ターボ式過給システムとＥＧＲシステムを備えたディーゼルエンジンにおいて、
燃料噴射量検出手段とブースト圧検出手段とエンジン運転状態検出手段とＥＧＲ制御手段を有し、
該ＥＧＲ制御手段が、エンジン加速の際に、前記燃料噴射検出手段により検出された燃料噴射量の増加量が予め設定した第１閾値よりも大きく、かつ、前記ブースト圧検出手段によって検出されたブースト圧が予め設定した第２閾値よりも低く、かつ、前記エンジン運転状態検出手段により検出されたエンジン運転状態が予め設定した高回転・高負荷運転状態領域の外である場合にＥＧＲバルブを閉じてＥＧＲを停止することを特徴とするディーゼルエンジン。 - 前記ＥＧＲ制御手段において、前記第２閾値を、エンジン回転数と燃料噴射量に基づいて設定することを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン。
- ターボ式過給システムとＥＧＲシステムを備えたディーゼルエンジンの制御方法において、
エンジン加速の際に、燃料噴射量の増加量が予め設定した第１閾値よりも大きく、かつ、ブースト圧が予め設定した第２閾値よりも低く、かつ、エンジン運転状態が予め設定した高回転・高負荷運転状態領域の外である場合にＥＧＲバルブを閉じてＥＧＲを停止することを特徴とするディーゼルエンジンの制御方法。
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