JP3680537B2

JP3680537B2 - ディーゼルエンジン

Info

Publication number: JP3680537B2
Application number: JP02741698A
Authority: JP
Inventors: 浩司夏目; 武菊地
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1998-02-09
Filing date: 1998-02-09
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2018-02-09
Also published as: JPH11229885A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変容量型ターボ過給機とＥＧＲ装置とを組み合わせてなるディーゼルエンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
タービン入口に可動ノズルベーンを有し、このノズルベーンの開度制御を行うことで過給圧（コンプレッサ吐出圧）を変化させ得る可変容量型ターボ過給機が知られている。これは特開昭61-237831 号公報等にあるように、複数のノズルベーンを連動機構で連結すると共に、この連動機構にアクチュエータ駆動力を入力することで、ノズルベーンの角度を変更し、タービン入口面積を変化させるものである。そしてアクチュエータは、電子制御ユニットであるコントローラからの制御信号に基づき動作される。コントローラには、図３に示す如きノズルベーン開度制御マップ（マップＭ１）が予めメモリされており、コントローラはエンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷ＬとからマップＭ１に従ってノズルベーン開度Ｓ₁〜Ｓ₄を決定し、このノズルベーン開度となるような制御信号を出力する。
【０００３】
マップＭ１において、ベーン開度ＳはＳ₁，Ｓ₂，Ｓ₃，Ｓ₄の４段階に変化され、全閉（開度ゼロではない）となるＳ₁から全開となるＳ₄に至るにつれその開度は順次段階的に増大される。即ち、低速・高負荷となる領域では、燃料噴射量に対し吸気量が相対的に不足しがちであるため、ベーン開度Ｓを小さく（Ｓ＝Ｓ₁）することでタービン入口での排ガス速度を上げ、タービン回転数を増し、過給圧を高めて吸気量を増大している。また、吸気量が十分な高速領域や燃料噴射量の少ない低負荷領域では、逆にベーン開度Ｓを大きく（Ｓ＝Ｓ₄）することで排圧を下げ、ポンピングロスを低減している。
【０００４】
一方、排ガスの一部を吸気中に環流することで、燃焼温度を下げ、ＮＯｘの生成を抑制するＥＧＲ装置も周知である。これは排気通路と吸気通路とをバイパス通路としてのＥＧＲ通路で結び、このＥＧＲ通路をＥＧＲ弁により開閉制御するものである。これにおいてもやはりコントローラが、図４に示す如きＥＧＲ弁開度制御マップ（マップＭ２）に従ってＥＧＲ弁開度Ｈ₀〜Ｈ₄を決定し、制御信号を出力している。
【０００５】
このマップＭ２において、ＥＧＲ弁開度ＨはＨ₀，Ｈ₁，Ｈ₂，Ｈ₃，Ｈ₄の５段階に変化され、全閉（開度ゼロ）となるＨ₀から全開となるＨ₄に至るにつれその開度は順次段階的に増大される。即ち、高負荷領域となるほど新気の量が必要となるので、弁開度Ｈを減小することによってＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を減らし、新気の量（相対量）を増して、スモークの発生を抑制しつつ、ＮＯｘの排出レベルを所定値（例えば規制値）以下に抑制している。
【０００６】
また、所定値以上の高速或いは高負荷（例えばＬ＞60(%) ）となる領域では、ＥＧＲ弁を閉鎖即ち開度ゼロとし、ＥＧＲを中止している。これによって新気のみの燃焼となり、高出力が得られるようになる。
【０００７】
なお、エンジン暖機運転中も、シリンダ内温度が低く燃焼も安定しないため、エンジン運転状態に拘らず一律に弁開度ＨをＨ₀に固定し、ＥＧＲを中止している。エンジンが暖機中か否かはコントローラがエンジン冷却水温Ｔｗの値から判断し、コントローラはエンジン冷却水温Ｔｗが所定値（例えば20℃）以下なら暖機中と判断し、ＥＧＲ装置を非作動として弁開度ＨをＨ₀に固定する。所定値を越えていれば暖機終了と判断し、ＥＧＲ装置を作動状態としてマップＭ２に従ってＥＧＲ制御を実行する。
【０００８】
ところで、可変容量型ターボ過給機とＥＧＲ装置とを組み合わせた場合は以下のような問題が発生する。即ち、一般的なノズルベーン開度制御マップＭ１は、ＥＧＲを前提としないで作成されるものであり、つまりＥＧＲ装置を非作動とした場合において、最適なベーン開度を決定し得るものである。従って、ＥＧＲ装置が作動状態にある場合には、上記マップＭ１では最適なベーン開度を得ることができず、これに基づくベーン開度制御を実行しても、スモーク及び燃費の増大を招いてしまう。
【０００９】
また、仮にＥＧＲを前提として上記マップＭ１を作成したとしても、こんどはＥＧＲ装置の非作動時に最適なベーン開度を得られず、同様な問題を生じてしまう。
【００１０】
これを詳述すると以下のようになる。図６は、一定のエンジン回転数及びエンジン負荷において、ノズルベーン開度を変化させた場合に、過給圧、排圧、燃費、A/F （空燃比）、スモークレベル及びＮＯｘレベルがいかように変化するかを調べたグラフである。図中、点線はＥＧＲ弁開度がゼロでＥＧＲが中止されている場合（閉鎖時）、実線はＥＧＲ弁が所定開度で開放されＥＧＲが実行されている場合（開放時）をそれぞれ示す。スモークのグラフにおいてレベルｄは悪化限界のレベルを示す。またA/F のグラフにおいてレベルａはスモーク悪化限界のA/F レベルを示す。
【００１１】
これによれば、燃費のグラフから、閉鎖時にはベーン開度Ｓ_Aが、開放時にはベーン開度Ｓ_Bがそれぞれ最低ピークの燃費を生じさせ、最適なベーン開度であることが分かる。なお一般的特性として、最適ベーン開度Ｓ_A又はＳ_Bよりベーン開度を大きくとると、過給圧の低下によって空気過剰率も下がり、つまり吸気量が不足し、燃焼が悪化し、スモークが急増し、燃費も悪化する。またベーン開度を小さくとると、過給圧、空気過剰率は上がるのでスモークは所定レベルｄ以下に抑制されるが、排圧が上昇するので燃費が悪化する。またＮＯｘレベルはベーン開度の変化に対しさほど変化は見られないが、ベーン開度が大きく過給圧が低い方が、燃焼時の熱発生率が低い分、ＮＯｘレベルも下がる傾向にある。
【００１２】
このように、ＥＧＲ装置の非作動時と作動時とでは、最適ノズルベーン開度が異なるため、作動時において非作動を前提としたマップに基づきベーン開度制御を行っても、またこの逆を行っても、最適なベーン開度を得られず、上記不具合が生じてしまう。
【００１３】
そこで、本出願人は、以前この問題を解決し得る提案を特願平8-328637号において行った。これはＥＧＲ装置作動時のノズルベーン開度をＥＧＲ装置非作動時の開度より小開度に制御するものである。図６によればＳ_B＜Ｓ_Aなので、この結果に基づき上記の如くノズルベーン開度制御を実行することで、ＥＧＲ装置の作動・非作動に拘らず常に最適なノズルベーン開度を得られ、スモーク及び燃費の悪化防止を図ることができる。
【００１４】
つまり、仮にＥＧＲ装置非作動時の最適ノズルベーン開度で運転中、ＥＧＲ装置を作動させ、ＥＧＲを実行したとする。すると吸気にＥＧＲガスが混入した分、吸気の新気量割合が減少する。また排気の一部が吸気にバイパスしたことによって、排気のもつエネルギが少なくなり、これによってタービンの仕事量が減り、その分過給圧が下がる。これらの理由によって、新気量が不足気味となり、スモーク増加、燃費悪化等の問題が生じる。
【００１５】
そこで、ＥＧＲ装置作動時ないしＥＧＲ弁開放時には、ノズルベーン開度を絞ることで、タービンに供給するガス流速を高め、タービンの仕事量を増やし同等の過給圧を維持できる。そして新気量不足に伴うスモーク増加、燃費悪化等の問題を解消できるのである。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この先願には以下の問題が残されている。即ち、ＥＧＲ装置に何らかの異常が発生し、ＥＧＲ実行領域にも拘らずＥＧＲ弁が開弁しないで、ノズルベーン開度が絞られると、過給圧が過大となり、コンプレッサ下流にある吸気管やインタークーラ等の一次的破損、さらにはエンジン筒内圧の過剰上昇に伴う二次的破損を招くという問題がある。このようなＥＧＲ装置の異常としては、ＥＧＲ弁の固着や配線・配管の外れ等が考えられる。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るディーゼルエンジンは、可動ノズルベーンを有した可変容量型ターボ過給機と、ＥＧＲ弁を有したＥＧＲ装置と、ＥＧＲ装置の異常を検出するための検出手段と、エンジン運転状態に基づいて上記可動ノズルベーン及び上記ＥＧＲ弁の開度制御を行うためのコントローラであって、上記ＥＧＲ弁の開放時に上記可動ノズルベーンの開度を上記ＥＧＲ弁の閉鎖時の開度より小開度に制御し、且つ、上記検出手段の検出信号に基づき、上記ＥＧＲ装置を異常と判断したときには、上記可動ノズルベーンの開度を上記ＥＧＲ弁の開放時の開度より大開度に制御するコントローラとを備えたものである。
【００１８】
これによれば、ＥＧＲ装置の異常時にはノズルベーン開度を増大するので、過給圧の過剰上昇が妨げられ、一次的、二次的破損を未然に防止することが可能となる。
【００１９】
なお、上記コントローラが、上記ＥＧＲ装置を異常と判断したとき、上記可動ノズルベーンの開度を上記ＥＧＲ弁の閉鎖時の開度に制御するのが好ましい。また、上記検出手段が、上記ＥＧＲ弁の下流側に設けられた温度センサであり、上記コントローラが、上記温度センサによる検出値が予め記憶した設定値未満のとき上記ＥＧＲ装置を異常と判断するのが好ましい。また、上記設定値がエンジン運転状態に応じて変化するのが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２１】
図１は、本発明に係るディーゼルエンジンを示す構成図である。図示するように、ディーゼルエンジン１は、エンジン本体２に可変容量型ターボ過給機３とＥＧＲ装置４とを備えて主に構成されている。可変容量型ターボ過給機３は、排気通路５の途中に設けられたタービン６と、吸気通路７の途中に設けられたコンプレッサ８とを有し、特にタービン６の入口において図示しない複数の可動ノズルベーンが設けられ、タービンホイール９への排ガス供給量を適宜変化させられるようになっている。
【００２２】
ノズルベーンは図示しない連動機構を介してアクチュエータ１０により駆動されるようになっている。アクチュエータ１０は、ここではダイヤフラムを利用した負圧アクチュエータが採用されるが、その形式は特に限定されない。アクチュエータ１０は負圧配管１１ａを介して負圧ポンプ１１に接続され、供給される負圧値に応じて可動ノズルベーンを開方向に駆動する。この供給負圧の大きさを制御するのが負圧制御弁１２で、負圧制御弁１２は、電子制御ユニットであるコントローラ１３から制御信号を受けて動作される。
【００２３】
ＥＧＲ装置４は、排気通路５及び吸気通路７を結ぶバイパス通路としてのＥＧＲ通路１４と、ＥＧＲ通路１４の吸気通路７側に設けられたＥＧＲ弁１５とを有している。このＥＧＲ弁１５も、アクチュエータとしてのダイヤフラムを備え、負圧によって動作されるが、その形式は限定されない。ＥＧＲ弁１５は、供給される負圧値に応じて弁体を開方向に動作させてＥＧＲ通路１４を適宜開放する。そしてＥＧＲ弁１５は、前記同様、負圧配管１６を通じて負圧ポンプ１７から負圧供給を受けると共に、その負圧値が負圧制御弁１８とコントローラ１３とによって制御される。
【００２４】
ここで、ＥＧＲ通路１４は、タービン６の上流側で排気通路５から排ガスの一部（ＥＧＲガス）を取り出し、そのＥＧＲガスを吸気通路７のコンプレッサ８下流側に、矢示方向に送り込むようになっている。そしてＥＧＲ通路１４において、ＥＧＲ弁１５のＥＧＲガス流れ方向下流側に、ＥＧＲ装置４の異常を検出するための検出手段、ここでは温度センサ２３が設けられている。温度センサ２３は、ＥＧＲ弁１５を通過してきたＥＧＲガスの温度を検出し、その温度に見合った出力信号をコントローラ１３に送出する。
【００２５】
コントローラ１３は、各種センサの出力信号に基づきエンジン運転状態を検知するようになっており、代表的には、エンジン回転数センサ１９の出力信号に基づきエンジン回転数Ｎｅを、アクセル開度センサ２０の出力信号に基づきエンジン負荷Ｌを、冷却水温センサ２１の出力信号に基づき冷却水温Ｔｗをそれぞれ検知するようになっている。
【００２６】
また、コントローラ１３には、図３、図４及び図５に示す各マップＭ１，Ｍ２，Ｍ３が予め記憶されている。これらマップＭ１，Ｍ２，Ｍ３は実機試験等を経て作成されたもので、エンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷Ｌとに応じた各最適値が入力されている。前述したように、図３に示すマップＭ１は、ＥＧＲ装置４の非作動時或いはＥＧＲ弁１５の閉鎖時のノズルベーン開度制御マップであり、これにおいてノズルベーン開度Ｓは、エンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷Ｌとの値に応じて、全閉（開度ゼロではない）となるＳ₁から全開となるＳ₄まで順次４段階に増大されるようになっている。また図４に示すマップＭ２は、ＥＧＲ装置４のＥＧＲ弁開度制御マップであり、これにおいてＥＧＲ弁１５の開度Ｈは、エンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷Ｌとの値に応じて、全閉（開度ゼロ）となるＨ₀から全開となるＨ₄まで順次５段階に増大されるようになっている。なお段数はこれらに限定されるものではない。
【００２７】
特に図５に示すマップＭ３は、ＥＧＲ装置４の作動時或いはＥＧＲ弁１５の開放時におけるノズルベーン開度制御マップである。これにおいてもマップＭ１と同様、ノズルベーン開度Ｓがエンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷Ｌとの値に応じ、全閉となるＳ₁から全開となるＳ₄まで順次４段階に増大される。ところが、このマップＭ３では、マップＭ２の弁開度Ｈ₁〜Ｈ₄となるＥＧＲ領域（図５の破線ｂで囲まれた領域）において、各ベーン開度Ｓ₁〜Ｓ₄の境界がマップＭ１における境界（破線ｃで示す）より低負荷側に引き下げられ、つまり同一のエンジン回転数Ｎｅ及びエンジン負荷Ｌに対し、ノズルベーン開度ＳがマップＭ１の場合より１段階小開度となる領域Ａ（ハッチングで示す）が形成されている。
【００２８】
これらマップＭ１，Ｍ２，Ｍ３に従い、コントローラ１３は、図２に示す制御フローチャートに沿って以下のようにベーン開度制御及びＥＧＲ弁開度制御を実行する。
【００２９】
先ず、ステップＳＴ１では、前記センサ１９，２０，２１の出力信号に基づき、エンジン回転数Ｎｅ、エンジン負荷Ｌ及び冷却水温Ｔｗの各値を入力する。次にステップＳＴ２で、冷却水温Ｔｗが予め決められた所定値Ｔより高いか否かを判別する。Ｔｗ＞Ｔならエンジンが暖機後であると判断して、ＥＧＲ装置４が作動状態にあると判断する。Ｔｗ≦Ｔならエンジンが暖機中であると判断して、ＥＧＲ装置４が作動状態にない、つまり非作動の状態にあると判断する。即ち、このステップＳＴ２では、コントローラ１３がエンジン冷却水温Ｔｗに基づいてＥＧＲ装置４の作動・非作動を決定している。なおエンジン冷却水温Ｔｗによるのは一例で、ＥＧＲ装置４の作動条件は他の要素に基づいて定めてもよい。
【００３０】
ステップＳＴ２でＴｗ＞Ｔであると判断した場合、ステップＳＴ３に進んでマップＭ２によりＥＧＲ弁開度Ｈを決定する。そしてステップＳＴ５において、その開度Ｈに見合った制御信号（デューティ信号）を負圧制御弁１８に出力する。これによってＥＧＲ弁１５の開度が設定開度Ｈに制御される。
【００３１】
一方、ステップＳＴ２でＴｗ≦Ｔと判断した場合、ステップＳＴ４に進んでＥＧＲ弁開度Ｈを全閉であるＨ₀（＝０）に決定する。こうなるとステップＳＴ５に進んでも、負圧制御弁１８には制御信号が出力されず、これによってＥＧＲ弁１５は完全閉鎖となり、ＥＧＲ通路１４が塞がれてＥＧＲは実行されない。
【００３２】
次に、ステップＳＴ６に進みＨ≠Ｈ₀か否かを判断する。Ｈ≠Ｈ₀のときはステップＳＴ７に進み、温度センサ２３の出力信号に基づきＥＧＲガス温度Ｔｅを入力する。次にステップＳＴ８で、ＥＧＲガス温度Ｔｅが予め記憶してある設定値Ｔｊ以上か否かを判断する。ここで設定値Ｔｊは、前記マップＭ１〜Ｍ３同様、エンジン運転状態即ちエンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷Ｌとに応じたマップの形で与えられ、エンジン運転状態に応じて変化する値となっている。
【００３３】
ここでＴｅ≧Ｔｊのときは、ＥＧＲガスが適正に流れている状態、つまり現在のエンジン運転状態において、ＥＧＲ弁１５が適正な開度Ｈに開放され、適正量のＥＧＲガスがＥＧＲ弁１５を通過し、ＥＧＲ装置４が正常に作動している状態と判断する。このときはステップＳＴ９に進み、エンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷Ｌとから、マップＭ３に従ってノズルベーン開度Ｓを決定する。そしてステップＳＴ１１で開度Ｓに見合った制御信号（デューティ信号）を負圧制御弁１２に出力する。これによってノズルベーン開度がマップＭ３に基づくＥＧＲ実行時の最適開度Ｓに制御される。
【００３４】
一方、ステップＳＴ６でＨ＝Ｈ₀のときは、ＥＧＲ弁１５が閉鎖されＥＧＲが中止されている場合なので、ステップＳＴ１０でマップＭ１によりノズルベーン開度Ｓを決定した後、ステップＳＴ１１でその開度Ｓに合わせてノズルベーンを操作する。これによってノズルベーン開度がマップＭ１に基づくＥＧＲ中止時の最適開度Ｓに制御される。
【００３５】
また特に、ステップＳＴ８でＴｅ＜Ｔｊのときは、Ｈ≠Ｈ₀でＥＧＲ弁１５に開放指令を出しているにも拘らず、ＥＧＲガスが適正に流れていない状態なので、ＥＧＲ弁１５が目標開度Ｈに達してないか又は全く開放されてない、つまりＥＧＲ装置４が異常な状態であると判断し、ステップＳＴ１０でマップＭ１からノズルベーン開度Ｓを決定する。そしてステップＳＴ１１でこの開度Ｓに合わせてノズルベーンを操作する。こうすることで、ノズルベーン開度は、特にマップＭ３の領域Ａにおいて、ＥＧＲ弁開放時（ＥＧＲ実行時）の開度より大開度に制御されることとなる。
【００３６】
このように、ここではＥＧＲ弁１５の閉鎖時と開放時とで、異なるマップＭ１，Ｍ３に基づき、ノズルベーン開度制御を実行している。そしてＥＧＲ弁１５の開放時のノズルベーン開度を、ＥＧＲ弁１５の閉鎖時の開度より小開度に制御することで、具体的には領域Ａを形成したマップＭ３を用いることで、ＥＧＲ実行時のノズルベーン開度Ｓを最適化し、スモーク及び燃費の悪化防止を図ることができる。延いては、ＥＧＲ弁１５の閉鎖時においても最適なベーン開度を得られ、結局、ＥＧＲ弁１５の開放・閉鎖或いはＥＧＲ装置４の作動・非作動に拘らず常に最適なノズルベーン開度制御が可能となる。勿論、ＥＧＲの実行によりＮＯｘの低減効果も発揮される。
【００３７】
一方、ここではＥＧＲ装置４の異常を判断したとき、マップＭ１に基づきノズルベーン開度Ｓを制御している。即ち、特にマップＭ３の領域Ａに相当するエンジン運転状態おいて、ノズルベーン開度Ｓを、ＥＧＲ弁開放時の開度より大開度に制御している。こうすることで、ＥＧＲ装置４の異常時にノズルベーン開度Ｓが絞られて過給圧が過剰上昇するようなことがなくなり、コンプレッサ下流にある吸気管やインタークーラ（本実施形態では省略）等の一次的破損、さらにはエンジン筒内圧の過剰上昇に伴う二次的破損を未然に防止することができる。
【００３８】
ここで、ＥＧＲ装置４の異常時にマップＭ１を用いるのはマップの共用化、制御の簡略化のためである。しかしながら、ノズルベーン開度Ｓを大開度に制御できさえすれば、別のマップを用いたり、マップＭ３で得られる開度値に所定値を加算したりしてもよい。
【００３９】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されず他の様々な実施の形態を採ることも可能である。例えば、検出手段として過給圧センサ、Ｏ₂センサ、吸気量センサ又はＥＧＲ弁開度センサ等を用い、これらの検出値に基づきＥＧＲ装置の異常判断を行うようにしてもよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、ＥＧＲ装置の異常時に過給圧の過剰上昇を未然に防止できるという、優れた効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るディーゼルエンジンを示す構成図である。
【図２】ノズルベーン及びＥＧＲ弁の開度制御を行うための制御フローチャートである。
【図３】ＥＧＲ弁閉鎖時のノズルベーン開度制御マップである。
【図４】ＥＧＲ弁開度制御マップである。
【図５】ＥＧＲ弁開放時のノズルベーン開度制御マップである。
【図６】ノズルベーン開度と各特性値との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ディーゼルエンジン
３可変容量型ターボ過給機
４ＥＧＲ装置
１３コントローラ
１５ＥＧＲ弁
２３温度センサ
Ｌエンジン負荷
Ｎｅエンジン回転数
Ｓノズルベーンの開度
ＴｅＥＧＲガス温度（温度センサによる検出値）
Ｔｊ設定値

Claims

可動ノズルベーンを有した可変容量型ターボ過給機と、ＥＧＲ弁を有したＥＧＲ装置と、該ＥＧＲ装置の異常を検出するための検出手段と、エンジン運転状態に基づいて上記可動ノズルベーン及び上記ＥＧＲ弁の開度制御を行うためのコントローラであって、上記ＥＧＲ弁の開放時に上記可動ノズルベーンの開度を上記ＥＧＲ弁の閉鎖時の開度より小開度に制御し、且つ、上記検出手段の検出信号に基づき、上記ＥＧＲ装置を異常と判断したときには、上記可動ノズルベーンの開度を上記ＥＧＲ弁の開放時の開度より大開度に制御するコントローラとを備えたことを特徴とするディーゼルエンジン。
上記コントローラが、上記ＥＧＲ装置を異常と判断したとき、上記可動ノズルベーンの開度を上記ＥＧＲ弁の閉鎖時の開度に制御する請求項１記載のディーゼルエンジン。
上記検出手段が、上記ＥＧＲ弁の下流側に設けられた温度センサであり、上記コントローラが、上記温度センサによる検出値が予め記憶した設定値未満のとき上記ＥＧＲ装置を異常と判断する請求項１又は２記載のディーゼルエンジン。
上記設定値がエンジン運転状態に応じて変化する請求項３記載のディーゼルエンジン。