JP2017137778A - エンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮開放ブレーキのブレーキ操作に対する作動応答性を効果的に向上させる。【解決手段】エンジン１０の圧縮行程時に排気バルブ１８を開弁させる圧縮開放ブレーキを作動可能な圧縮開放ブレーキ機構６０と、排気系３１に設けられたタービン４１及び、吸気系２１に設けられたコンプレッサ４２を含むターボチャージャ４０と、排気系３１のタービン４１よりも排気上流側から分岐すると共に、排気系３１のタービン４１よりも排気下流側に合流するバイパス通路７０と、バイパス通路７０に設けられて、バイパス通路７０を流れる排気流量を調整可能なバイパスバルブ７１と、過給圧センサ８３と、圧縮開放ブレーキの作動時に、過給圧センサ８３によって取得される実過給圧が上限過給圧以下となるように、バイパスバルブ７１の開度を制御するバルブ制御部１２０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンシステムに関し、特に、圧縮開放ブレーキ機構を備えたエンジンの吸排気系システムに関する。

従来、ディーゼルエンジン等の直噴式エンジンにおいては、圧縮行程時に燃料を噴射せずに排気バルブを開弁して筒内の圧縮圧力を開放し、ピストンが上死点を通過した後に排気バルブを閉弁して膨張行程時にピストンを押し下げる力の発生を抑制することで、エンジンブレーキ力を高めるようにした圧縮開放ブレーキが実用化されている。

筒内圧が高い状態で圧縮開放ブレーキを作動させると、動弁機構の各要素に大きな負荷が掛かり、カムの摩耗や排気バルブの破損等、エンジンの耐久性を低下させることになる。このため、筒内圧が圧縮開放ブレーキを作動可能な所定の上限圧力を超えた場合には、圧縮開放ブレーキを作動させることができない課題がある。

このような課題に着目した技術として、例えば、特許文献１，２には、筒内圧が上限圧力よりも高い場合には、排気再循環ガス（以下、ＥＧＲ）の流量を増加、或は、可変容量型ターボチャージャの可変翼の開度を増加させることで、筒内圧を上限圧力よりも低下させる技術が開示されている。

特開２０１３−２１７２３１号公報 特開２０１３−２１７２３２号公報

ところで、上記従来技術では、高筒内圧時にＥＧＲを増加させて筒内圧の低下を図っているが、ターボチャージャが高回転で駆動する排気流量増加時は、過給圧の上昇によって吸気圧力も高くなるため、ＥＧＲを効果的に吸気系に再循環させられない可能性がある。すなわち、圧縮開放ブレーキを作動させようとしても、筒内圧が目標とする上限圧力まで早期に低下しないため、ブレーキ操作に対する作動応答性が悪化する課題がある。また、可変容量型ターボチャージャの可変翼の開度を増加させて筒内圧を低下させているが、ターボチャージャを可変容量型とすることによるコストの上昇等を招く課題もある。

開示の技術は、簡素な構造で、圧縮開放ブレーキのブレーキ操作に対する作動応答性を効果的に向上させることを目的とする。

開示の技術は、エンジンの圧縮行程時に排気バルブを開弁させる圧縮開放ブレーキを作動可能な圧縮開放ブレーキ機構と、前記エンジンの排気系に設けられたタービン及び、前記エンジンの吸気系に設けられたコンプレッサを含むターボチャージャと、前記排気系の前記タービンよりも排気上流側から分岐すると共に、前記排気系の前記タービンよりも排気下流側に合流するバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられて、当該バイパス通路を流れる排気流量を調整可能なバイパスバルブと、前記エンジンの筒内の圧力状態を取得する圧力状態取得手段と、前記圧縮開放ブレーキ機構の作動時に、前記圧力状態取得手段によって取得される筒内の圧力状態が圧縮開放ブレーキを作動可能な所定の圧力状態となるように、前記バイパスバルブの開度を制御するバルブ制御手段とを備える。

前記排気系の前記タービンよりも排気上流側から分岐して、前記吸気系の前記コンプレッサよりも吸気下流側に合流する排気再循環通路と、前記排気再循環通路に設けられて再循環排気を冷却するクーラと、をさらに備え、前記バイパス通路が前記排気再循環流路の前記クーラよりも下流側から分岐して、前記排気系の前記タービンよりも排気下流側に合流するものでもよい。

前記バイパスバルブよりも上流側の前記バイパスに設けられて排気を冷却するクーラをさらに備えてもよい。

前記ターボチャージャが可変翼を有しないコンベンショナルタイプのターボチャージャであってもよい。

開示の技術によれば、簡素な構造で、圧縮開放ブレーキのブレーキ操作に対する作動応答性を効果的に向上させることができる。

本発明の第一実施形態に係るエンジンシステムを示す模式的な全体構成図である。 本発明の第一実施形態に係る圧縮開放ブレーキ作動時の過給圧低減制御を説明するフローチャート図である。 本発明の第二実施形態に係るエンジンシステムを示す模式的な全体構成図である。 本発明の他の実施形態に係るエンジンシステムを示す模式的な全体構成図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の各実施形態に係るエンジンシステムを説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

［第一実施形態］
図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジン）１０は、ピストン１４を往復移動可能に収容するシリンダ１３が設けられたシリンダブロック１１と、シリンダブロック１１の上部に図示しないボルトによって固定されたシリンダヘッド１２とを備えている。なお、図１中には、一気筒のみを示し、他の気筒については図示を省略している。また、エンジン１０は複数気筒に限定されず、単気筒であってもよい。

シリンダヘッド１２には、開閉動作により吸気ポート１５からシリンダ１３内に新気を導入させる吸気バルブ１６と、開閉動作によりシリンダ１３内から排気ポート１７に排気を排出させる排気バルブ１８が設けられている。また、シリンダヘッド１２には、筒内に燃料を直接噴射するインジェクタ１９が設けられている。さらに、シリンダヘッド１２の上部には、詳細を後述する圧縮開放ブレーキ機構６０が設けられている。

シリンダヘッド１２の一側部には吸気マニホールド２０が取り付けられ、吸気マニホールド２０には吸気通路２１が接続されている。吸気通路２１には、上流側から順に、エアフィルタ２２、ターボチャージャ４０のコンプレッサ４２、インタークーラ２３等が設けられている。また、吸気通路２１には、上流側から上流側から順に、吸気流量（ＭＡＦ）センサ８０、第一温度センサ８１、第二温度センサ８２、過給圧センサ８３等が設けられている。

シリンダヘッド１２の他側部には排気マニホールド３０が取り付けられ、排気マニホールド３０には排気通路３１が接続されている。排気通路３１には、排気上流側から順に、ターボチャージャ４０のタービン４１、図示しない排気浄化ユニット等が設けられている。

ターボチャージャ４０は、排気ガスにより回転駆動するタービン４１と、タービン４１と同軸に設けられて吸気を圧送するコンプレッサ４２とを備えている。本実施形態において、ターボチャージャ４０は、好ましくは、タービン４１に可変翼を有しない非可変容量型のターボチャージャ（コンベンショナルターボチャージャ）が適用されている。

ＥＧＲ装置５０は、排気通路３１を流れる排気ガスの一部を吸気通路２１に再循環させるＥＧＲ通路５１と、ＥＧＲを冷却するＥＧＲクーラ５２と、ＥＧＲの流量を調整するＥＧＲバルブ５３とを備えている。本実施形態において、ＥＧＲバルブ５３は、好ましくは、ステム部５３Ａ及び、傘部５３Ｂを有するポペットバルブとされ、ステップモータ５４によって駆動される。なお、ＥＧＲバルブ５３は、ポペットバルブに限定されず、バタフライバルブであってもよい。

圧縮開放ブレーキ機構６０は、後述する電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）１００から電磁ソレノイド６１に作動信号が入力されて油圧により通常のカム（不図示）からブレーキ用カム６２に切り替えられると、ブレーキ用カム６２がロッカアーム６３を揺動させて圧縮行程時に排気バルブ１８を開弁することで、圧縮開放ブレーキを作動させる。より詳しくは、圧縮開放ブレーキの作動は、まず、圧縮工程時にインジェクタ１９から燃料を噴射せずに排気バルブ１８を開弁させて、シリンダ１３内の空気を排気通路３１に排出する。これにより、シリンダ１３内で空気の圧縮が行なわれずピストン１４の運動エネルギが失われる。次いで、ピストン１４が上死点を通過した膨張工程にて排気バルブ１８を閉弁する。これにより、シリンダ１３内が負圧となり、ピストン１４を引き上げる力を生じさせることで、エンジンブレーキ力が高められるようになっている。

バイパス通路７０は、ターボチャージャ４０のタービン４１を迂回するもので、排気通路３１のタービン４１よりも上流側から分岐すると共に、排気通路３１のタービン４１よりも下流側に合流する。また、バイパス通路７０には、バイパス通路７０を流れる排気ガスの流量を調整するバイパスバルブ７１が設けられている。本実施形態において、バイパスバルブ７１は、好ましくは、ＥＧＲバルブ５３と同様に、ステム部７１Ａ及び、傘部７１Ｂを有するポペットバルブとされ、ステップモータ７２によって駆動される。なお、バイパスバルブ７１は、ポペットバルブに限定されず、バタフライバルブであってもよい。

ＥＣＵ１００は、エンジン１０の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。これら各種制御を行うため、ＥＣＵ１００には、ＭＡＦセンサ８０、第一温度センサ８１、第二温度センサ８２、過給圧センサ８３、エンジン回転数センサ、アクセル開度センサ等の各種センサ類のセンサ値が入力される。また、ＥＣＵ１００は、ブレーキ作動制御部１１０と、バイパスバルブ制御部１２０とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ１００に含まれるものとして説明するが、これらの何れか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

ブレーキ作動制御部１１０は、運転者による図示しないブレーキ操作装置のＯＮ操作に応じて、圧縮開放ブレーキ機構６０に作動信号を出力することで、圧縮開放ブレーキの作動を制御する。より詳しくは、ＥＣＵ１００には、予め実験等により取得した筒内圧を圧縮開放ブレーキの作動可能な上限筒内圧よりも上昇させる上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}が記憶されている。ブレーキ作動制御部１１０は、ブレーキ操作装置（不図示）がＯＮ操作された際に、過給圧センサ８３で検出される実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}が上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}以下であれば、圧縮開放ブレーキ機構６０に作動信号を出力する。一方、ブレーキ操作装置（不図示）がＯＮ操作された際に、過給圧センサ８３で検出される実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}が上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}を超えていれば、ブレーキ作動制御部１１０は、圧縮開放ブレーキ機構６０への作動信号の出力を禁止するようになっている。

なお、圧縮開放ブレーキの作動又は禁止の処理は、上述したような実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}と上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}との比較に限定されず、例えば、各種センサ類８０〜８４等によって取得される機関運転状態から推定される筒内圧を上限筒内圧と比較することで行ってもよい。また、筒内圧を直接的に取得する筒内圧センサ（不図示）を用いることもできる。

バイパスバルブ制御部１２０は、運転者によってブレーキ操作装置（不図示）がＯＮ操作された際に、過給圧センサ８３で検出される実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}が上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}を超えている場合には、バイパスバルブ７１を開側に制御してタービン４１を迂回する排気ガスの流量を増加させることで、ターボチャージャ４０の駆動を低下させ、実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}を上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘｘ}以下に低減させる過給圧低減制御を実施する。本実施形態において、過給圧低減制御によるバイパスバルブ７１の開度調整は、例えば、過給圧センサ８３で検出される実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}と目標値である上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}との差に基づいてフィードバック制御される。

このように、実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}が上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}を超えている場合には、排気通路３１内で圧力差の大きいタービン４１の上流側と下流側とをバイパス通路７０によって連通させることで、排気ガスの大部分がバイパス通路７０を流されるようになる。これにより、タービン４１の回転が急速に低下すると共に、過給圧も急速に低減するようになり、筒内圧は圧縮開放ブレーキを作動可能な上限筒内圧以下に早期に低下される。

次に、図２に基づいて、本実施形態に係る圧縮開放ブレーキ作動時の過給圧低減制御のフローを説明する。

ステップＳ１００では、運転者によってブレーキ操作装置（不図示）がＯＮ操作されたか否かが判定される。ＯＮ操作された場合（肯定）は、ステップＳ１１０に進み、過給圧センサ８３で検出される実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}が上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}を超えているか否かが判定される。

ステップＳ１１０にて、実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}が上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}を超えている場合（肯定）は、筒内圧が圧縮開放ブレーキを作動可能な上限筒内圧を超えているため、ステップＳ１２０に進み過給圧低減制御が実施される。一方、ステップＳ１１０にて、実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}が上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}以下の場合（否定）は、筒内圧が圧縮開放ブレーキを作動可能な状態にあるため、ステップＳ１２０〜１３０の過給圧低減制御をスキップしてステップＳ１４０に進む。

ステップＳ１２０では、バイパスバルブ７１を開側に制御してタービン４１を迂回する排気ガスの流量を増加させ、実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}を上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘｘ}以下に低減させる過給圧低減制御が実施される。

次いで、ステップＳ１３０では、過給圧センサ８３で検出される実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}が過給圧低減制御によって上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}以下に低下したか否かが判定される。実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}が上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}以下に低下された場合（肯定）は、筒内圧が圧縮開放ブレーキを作動できる状態まで低下しているため、圧縮開放ブレーキを作動させるべくステップＳ１４０に進む。一方、実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}が上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}以下に低下していない場合（否定）は、ステップＳ１２０に戻されて過給圧低減制御が継続される。

ステップＳ１４０では、圧縮開放ブレーキを作動させるべく、圧縮開放ブレーキ機構６０に作動信号が出力される。すなわち、通常のカムからブレーキ用カム６２への切り替えにより排気バルブ１８を圧縮行程時に開弁する圧縮開放ブレーキが作動し、その後、本制御はリターンされる。

以上詳述したように、本実施形態によると、圧縮開放ブレーキの作動時に筒内圧が圧縮開放ブレーキを作動可能な上限筒内圧を超えている場合には、排気通路３１内で圧力差の大きいタービン４１の上流側と下流側とをバイパス通路７０によって連通させることで、排気ガスの大部分がタービン４１を迂回するバイパス通路７０に急激に流されるようになり、過給圧も急速に低減される。これにより、圧力差の小さい吸気系にＥＧＲを再循環させる従来技術に比べ、筒内圧を圧縮開放ブレーキが作動可能な上限筒内圧以下に早期に低下させることが可能となり、圧縮開放ブレーキの操作に対する作動応答性を確実に向上することができる。

また、圧力差の大きいバイパス通路７０によって排気ガスをタービン４１から急速且つ大量に迂回させることができるため、ターボチャージャ４０が可変翼を有しないコンベンショナルタイプであっても、過給圧の早期低減が実現されるようになり、圧縮開放ブレーキの作動応答性を確実に向上することができる。すなわち、ターボチャージャ４０を高価な可変容量型にする必要がなくなり、搭載制約や装置全体のコスト上昇等を効果的に防止することができる。

［第二実施形態］
次に、図３に基づいて、本発明の第二実施形態に係るエンジンシステムについて説明する。第二実施形態のエンジンシステムは、バイパス通路７０がＥＧＲ通路５１のＥＧＲクーラ５２よりも下流側（出口部）と、排気通路３１のタービン４１よりも下流側とを接続するように構成したものである。

このように、ＥＧＲクーラ５２によって冷却された排気ガスをバイパス通路７０に流すようにすることで、ステップモータ７２の被熱による故障等を効果的に防止することが可能になる。また、バイパス排気の冷却に既存のＥＧＲクーラ５２を用いることで、新たなクーラ等を新設する必要がなくなり、コストの上昇も効果的に防止することができる。

なお、本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、図４に示すように、第一実施形態において、バイパス通路７０のバイパスバルブ７１よりも上流側に水冷式のクーラ７８をさらに備えて構成してもよい。このようにクーラ７８を設ければ、第二実施形態と同様に、ステップモータ７２の被熱による故障等を効果的に防止することができる。

また、エンジン１０はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等、他のエンジンにも広く適用することが可能である。

１０ エンジン
２１ 吸気通路
３１ 排気通路
４０ ターボチャージャ
４１ タービン
４２ コンプレッサ
５０ ＥＧＲ装置
６０ 圧縮開放ブレーキ機構
７０ バイパス通路
７１ バイパスバルブ
８３ 過給圧センサ
１００ ＥＣＵ

Claims (4)

1. エンジンの圧縮行程時に排気バルブを開弁させる圧縮開放ブレーキを作動可能な圧縮開放ブレーキ機構と、
   前記エンジンの排気系に設けられたタービン及び、前記エンジンの吸気系に設けられたコンプレッサを含むターボチャージャと、
   前記排気系の前記タービンよりも排気上流側から分岐すると共に、前記排気系の前記タービンよりも排気下流側に合流するバイパス通路と、
   前記バイパス通路に設けられて、当該バイパス通路を流れる排気流量を調整可能なバイパスバルブと、
   前記エンジンの筒内の圧力状態を取得する圧力状態取得手段と、
   前記圧縮開放ブレーキ機構の作動時に、前記圧力状態取得手段によって取得される筒内の圧力状態が圧縮開放ブレーキを作動可能な所定の圧力状態となるように、前記バイパスバルブの開度を制御するバルブ制御手段と、を備える
   エンジンシステム。
2. 前記排気系の前記タービンよりも排気上流側から分岐して、前記吸気系の前記コンプレッサよりも吸気下流側に合流する排気再循環通路と、
   前記排気再循環通路に設けられて再循環排気を冷却するクーラと、をさらに備え、
   前記バイパス通路が前記排気再循環流路の前記クーラよりも下流側から分岐して、前記排気系の前記タービンよりも排気下流側に合流する
   請求項１に記載のエンジンシステム。
3. 前記バイパスバルブよりも上流側の前記バイパスに設けられて排気を冷却するクーラをさらに備える
   請求項１に記載のエンジンシステム。
4. 前記ターボチャージャが可変翼を有しないコンベンショナルタイプのターボチャージャである
   請求項１から３の何れか一項に記載のエンジンシステム。

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