JP2990362B2 - 断熱エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はターボチャージャを備えた断熱エンジンの制
御装置に関する。

（従来の技術） 近年、エンジンのシリンダライナ、シリンダヘッド、
ピストンヘッド、ピストンリング、バルブ、吸・排気口
などエンジンの燃焼室を中心とした部分にセラミックス
を採用した断熱エンジンが開発されている。

この種の断熱エンジンは、シリンダライナやシリンダ
ヘッドの冷却を必要としないため、ラヂエタ・システム
が不要となるばかりか、エンジンの構造が簡単であるの
で、エンジン全体の重量が従来のエンジンと比較して大
幅に軽くなり、その容積も従来のものと比較して小さく
なる。そしてこの種の断熱エンジンは燃焼後の排気ガス
温度が高く排気ガスエネルギーが大きいので、この排気
ガスエネルギーにて排気タービンを駆動しこの発生トル
クによりコンプレッサを動作させてエンジンを過給させ
たり、または排気タービンに発電機を取付けて排気ガス
エネルギーを電気エネルギーにて回収するような試みが
なされいる。

（発明が解決しようとする課題） 上述のような燃焼室温度が高い断熱エンジンでは燃料
の燃焼温度が高く、燃焼ガスに含まれる窒素が高温度に
さらされるためか、通常のラヂエタを有するエンジンに
比して窒素酸化物（NOx）が発生し易い。燃焼ガスの温
度が高く、圧縮された空気中に含まれる燃料がリーンな
状態であればあるほど、この傾向は顕著である。

また、燃焼ガス温度がたとえば2000℃以下であり、燃
料当量比が高いリッチな状態では、排気ガス中に黒煙が
含まれる。

このためその排気ガス中に含まれる窒素酸化物（NO
x）や、黒煙による大気汚染が問題となっている。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであ
り、その目的は排気ガス中に黒煙や窒素酸化物（NOx）
が含まれないような断熱エンジンの制御装置を提供する
ことにある。

（課題を解決するための手段） 本発明によれば、エンジンの燃焼室に断熱素材を使用
した断熱エンジンとその排気管路に設けられた排気ター
ビンによって駆動されるコンプレッサによりブースト圧
を上昇させかつ排気タービンの回転軸に発電機兼電動機
となる回転電機を設けたターボチャージャを有する断熱
エンジンの制御装置において、前記エンジンのシリンダ
壁温度を検出する壁温度検出手段と、前記エンジンの吸
気温度を検出する吸気温検出手段と、前記ブースト圧を
検出するブースト圧検出手段と、壁温度検出手段により
計測されたシリンダ壁温TWが所定温度TW1より高い場合
に壁温の上昇に従って燃料噴射タイミングを標準の噴射
角に対して遅れ側に調整する第１の燃料噴射角調整手段
と、壁温度検出手段により計測されたシリンダ壁温TWが
所定温度TW1より高い場合であって吸気温検出手段が計
測した吸気温度が高くなるに従って燃料噴射タイミング
を標準の噴射角に対して遅れ側に調整する第２の燃料噴
射角調整手段と、壁温度検出手段により計測されたシリ
ンダ壁温TWが所定温度TW1より高い場合にブースト圧検
出手段により検出されるブースト圧P CB2を所定ブース
ト圧P CBAを越えない状態に制御するブースト圧制御手
段と、を備えたことを特徴とする断熱エンジンの制御装
置が提供される。

（作用） 本発明では、断熱構造のエンジンのシリンダ壁温度
と、吸気温度とに基づいて、エンジンに供給する燃料の
噴射タイミングを調整出来るように構成する。すなわ
ち、シリンダ壁温度（及び）吸気温度が定常値より上昇
している場合には、燃料噴射のタイミングを正常タイミ
ングより遅らせ、シリンダ壁温度（及び）吸気温度が定
常値より低下している場合には、燃料噴射のタイミング
を正常タイミングより早めるように噴射タイミングを調
整する。

（実施例） つぎに本発明の実施例について図面を用いて詳細に説
明する。

第１図は本発明の一実施例の構成を示す概略ブロック
図であり、同図において１は断熱型ディーゼルエンジン
で、シリンダライナ、シリンダヘッド、ピストンヘッ
ド、ピストンリング、バルブ、吸・排気口などの燃焼室
の部分にセラミックスを使用した構造を有している。

２はターボチャージャで、エンジン１とは排気管11、
吸気管12により接続され、排気管11から排出される排気
ガスによって、排気タービンが回転駆動され、この排気
タービンのトルクにより駆動されるコンプレッサが作動
して吸気管12を介してエンジン１に過給気を圧送するも
のである。そして排気タービンとコンプレッサを連結す
る回転軸上には回転電機３が設けられている。

41は周知の両方向性変換器である。この両方向性変換
器41は、インバータとコンバータとが並列に接続されて
おり、第１図のバッテリ４から直流が印加された場合に
はインバータが動作して所望の周期を有する交流を出力
して回転電機３に印加してこれを電動機として動作さ
せ、回転電機３が発電機として動作し両方向性変換器41
に交流が印加された場合にはコンバータが動作して所望
の電圧を有する直流を出力してバッテリ４を充電するも
のである。

エンジン１の回転数が低く、排気管11から排出される
排気ガスが少ない場合には、バッテリ４から両方向性変
換器41に直流が印加されここで直流が所定周波数の交流
電力に変換されて回転電機３に供給されると、回転電機
３が電動機駆動されて力行することによりターボチャー
ジャ２の過給作動を助勢し、エンジン１への過給気圧を
増大させることになる。エンジン１の回転数が高く、排
気管11から排出される排気ガスが多い場合には、排気タ
ービンが回転し、この回転力によって回転電機３を回転
させこれを発電機として作用させ、発電された交流を両
方向性変換器41に印加し、ここで交流が直流に変換され
てバッテリ４を充電する。なお図には示されてはいない
が、この時、バッテリ４を充電させるだけでなく、発電
された電力をもってエンジン１の回転軸に設けた電動機
を回転させ、排気エネルギをエンジン１に帰還させるこ
ともできる。

13は吸気管12に取付けられたブースト圧センサで過給
気圧を検出するもの、14は吸気温度計でエンジン１の吸
気温度を検出するもの、15は壁温温度計でシリンダに取
付けられシリンダ壁の温度を検出するもの、16はエンジ
ン回転センサでエンジン１の回転数を検出するもの、21
はタービン回転計でターボチャージャ２の回転数を検出
するものであり、これらの各種センサや温度計はそれぞ
れ検出した信号をコントローラ５に送出するよう構成さ
れている。

17は燃料供給機構であり、エンジン１に供給する燃料
流量や燃料の噴射タイミングを制御するもので、制御指
令はコントローラ５から指令される。

６はアクセルペダルで運転者の操作によりエンジン１
の運転を制御するものであり、アクセルペダル６の踏込
量を検出するアクセルセンサ61が取付けられ、検出信号
をコントローラ５に送信するよう構成されている。

コントローラ５はマイクロコンピュータからなり、演
算処理を行う中央処理装置、演算結果や制御プログラ
ム、シリンダ温度や吸入気温度に応じて燃料噴射タイミ
ングを調整するタイミングマップなどを格納する各種メ
モリ、入／出力装置などを備えており、前記のブースト
圧センサ13、吸気温度計14、壁温温度計15、エンジン回
転センサ16、タービン回転計21、アクセルセンサ61など
からの検出信号が入力されると演算処理が行われ、格納
した制御プログラムや噴射タイミングマップなどにした
がって燃料供給機構17や両方向性変換器41に制御指令を
指令する。

第２図は本実施例の作動の一例を示す処理フロー図で
あり、つぎに第２図を用いてその作動について詳細に説
明する。

第２図において、ステップ1,2ではエンジン回転セン
サ16およびアクセルセンサ61からの検出信号により、エ
ンジン１の回転数およびアクセルペダル６の踏込量を検
出し、これらに基づいてステップ３にてエンジンへの燃
料流量ＱAを決定する。

ステップ４ではブースト圧センサ13からの検出信号に
よりエンジンに供給される現在のブースト圧ＰCB1を計
測し、このブースト圧ＰCB1に相当する燃料流量ＱCB1を
ステップ５で設定する。ステップ６ではエンジン１のシ
リンダ壁温度ＴWを壁温温度計15により検出して、所定
壁温のＴW1よりＴWが低いときは初期のフローに戻る
が、ＴWがＴW1より高い場合はステップ７に進んで、コ
ントローラ５のメモリに格納されている、シリンダ壁温
度に対する燃料噴射タイミングを記憶した噴射タイミン
グマップを検索してタイミング調整を行う。

第３図はコントローラ５のメモリに格納されている噴
射タイミングマップの一例である。同マップにおいて、
横軸にエンジンのシリンダ壁温ＴWを採り、縦軸に燃料
流量に当る燃料当量比φを採る。表中の数値は、標準の
噴射角に対する噴射タイミングのずれを角度で表したも
ので、（＋）は標準の噴射角に対して進み噴射を表わ
し、（−）は標準の噴射角に対して遅れ噴射を表わす。
即ちシリング壁温の高い程タイミングは遅れ側とし、更
に燃料当量比が大きい程遅れ側とする必要がある。

ステップ８ではステップ３およびステップ５にて求め
た燃料流量ＱAとＱCB1との比較を行い、ＱA＞ＱCB1でな
いときにはステップ１に戻り、ＱA＞ＱCB1のときはステ
ップ９に進んでタービン回転計21によりターボチャージ
ャ２の回転数ＮT1を計測する。ついでステップ10にて両
方向性変換器41を作動させ、バッテリ４からの電力を交
流電力に変換して回転電機３に供給して電動機作動さ
せ、ステップ11にて回転電機３を駆動後の回転数ＮT2と
前記の回転数ＮT1とを比較する。そして回転数ＮT2が小
さいときはステップ12にて故障診断を行うが、ＮT2＞Ｎ
T1の場合はステップ13に進んでブースト圧センサ13によ
りブースト圧ＰCB2を計測し、ステップ14ではエンジン
回転センサ16によりエンジン回転数を計測する。

ステップ15ではこれらに基づいて燃料流量の決定を行
って噴射量の制御ラックを調整し、ステップ16〜18では
吸気温度計14による吸気温度の計測、燃料噴射タイミン
グの設定、噴射タイミングの調整を行う。

第４図はコントローラ５のメモリに格納されている、
吸気温度と噴射タイミングのずれの関係を記憶する噴射
タイミングマップの一例である。同マップにおいて、噴
射角ずれの数値は標準の噴射角に対する噴射タイミング
のずれを角度で表したもので、（＋）は標準の噴射角に
対して進み噴射を表わし、（−）は標準の噴射角に対し
て遅れ噴射を表わす。

ステップ18の噴射タイミング調整が終了した後、ステ
ップ19にてブースト圧力ＰCB2と所定ブースト圧ＰCBAと
の比較を行う。そして、ブースト圧ＰCB2が所定のＰCBA
に達しないときはステップ９以降のステップを繰返えす
が、ＰCB2＞ＰCBAの場合はインバータ41への電力を減少
させて回転電機３によるターボチャージャの助勢作動を
減らすことになる。

以上、本発明を上述の実施例によって説明したが、本
発明の主旨の範囲内で種々の変形や応用が可能であり、
これらを本発明の範囲から排除するものではない。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明は、断熱エンジン
とその排気管路に設けられた排気タービンによって駆動
されるコンプレッサによりブースト圧を上昇させかつ排
気タービンの回転軸に発電機兼電動機となる回転電機を
設けたターボチャージャを有する断熱エンジンにおい
て、シリンダ壁温TWが所定温度TW1より高い場合に壁温
の上昇に従って燃料噴射タイミングを標準の噴射角に対
して遅れ側に調整し、吸気温検出手段が計測した吸気温
度が高くなるに従って燃料噴射タイミングを標準の噴射
角に対して遅れ側に調整するとともにブースト圧ＰCB2
を所定ブースト圧ＰCBAを越えない状態に制御するよう
に構成したので、排気ガス中の黒煙や窒素酸化物の発生
が従来の断熱エンジンに比べて大幅に抑制される効果が
ある。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明の一実施例の構成を示す構成ブロック
図、第２図は、本実施例の作動の一部を示す処理フロー
図、第３図は、コントローラ５のメモリに格納されてい
る第１の噴射タイミングマップ、第４図は、吸気温度と
噴射タイミングのずれの関係を記憶する第２の噴射タイ
ミングマップである。 １……エンジン、２……ターボチャージャ、３……回転
電機、５……コントローラ、14……吸気温度計、15……
壁温温度計、61……アクセルセンサ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジンの燃焼室に断熱素材を使用した断
   熱エンジンとその排気管路に設けられた排気タービンに
   よって駆動されるコンプレッサによりブースト圧を上昇
   させかつ排気タービンの回転軸に発電機兼電動機となる
   回転電機を設けたターボチャージャを有する断熱エンジ
   ンの制御装置において、 前記エンジンのシリンダ壁温度を検出する壁温度検出手
   段と、 前記エンジンの吸気温度を検出する吸気温検出手段と、 前記ブースト圧を検出するブースト圧検出手段と、 壁温度検出手段により計測されたシリンダ壁温TWが所定
   温度TW1より高い場合に壁温の上昇に従って燃料噴射タ
   イミングを標準の噴射角に対して遅れ側に調整する第１
   の燃料噴射角調整手段と、 壁温度検出手段により計測されたシリンダ壁温TWが所定
   温度TW1より高い場合であって吸気温検出手段が計測し
   た吸気温度が高くなるに従って燃料噴射タイミングを標
   準の噴射角に対して遅れ側に調整する第２の燃料噴射角
   調整手段と、 壁温度検出手段により計測されたシリンダ壁温TWが所定
   温度TW1より高い場合にブースト圧検出手段により検出
   されるブースト圧P CB2を所定ブースト圧P CBAを越えな
   い状態に制御するブースト圧制御手段と、 を備えたことを特徴とする断熱エンジンの制御装置。