JP4155397B2

JP4155397B2 - 過給機付エンジンの排気還流制御装置

Info

Publication number: JP4155397B2
Application number: JP2003033175A
Authority: JP
Inventors: 原健祐菅
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: JP2004245066A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、過給機付エンジンの排気を吸気系に還流して、排気中のＮＯｘの発生を抑制する排気還流装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気中のＮＯｘの発生を抑制するために、排気を吸気系に戻す「排気還流」、所謂「ＥＧＲ」が有効な手段として用いられている。
ＥＧＲを行うためには、排気系のＥＧＲガス取り出し部の圧力が吸気系のＥＧＲ導入部圧力を上回ることが必要条件となるが、過給機を装備したエンジンにおいては、過給機効率の高い主として高速高負荷運転条件では過給圧力が排気圧力より高くなるために、ＥＧＲガス取り出し部の圧力（排気圧力）がＥＧＲ導入部圧力（吸気圧力）を下回ってしまいＥＧＲは機能しなくなる。
【０００３】
上述の問題を解決するために、図６に示すように、吸気系、若しくは排気系に絞り弁を介装し、ＥＧＲを行いたい運転条件の場合に当該絞り弁を作動させたり、吸気系統として過給機のコンプレッサを通す系統と、コンプレッサを通さない系統の２系統を設けることにより、排気系のＥＧＲガス取り出し部の圧力が吸気系のＥＧＲ導入部圧力を上回るように操作する方法（例えば、特許文献1参照）等が採られている。
【０００４】
しかし、上述したような方法では、絞りによるポンピングロスにより燃費の悪化を伴う、或いは、可変翼過給機、所謂「ＶＧＴ」で生じる絞り作用によるＥＧＲガスの増圧により、筒内圧力が上昇することが考えられ、そのためにエンジンの各部を強化する必要が生じる、又は過給機付エンジンが本来有している特徴を生かすことが出来なくなる、等のデメリットが生じる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、過給機（４）のコンプレッサ（４ｃ）後流の吸気系（２）には排気系（３）からの排気還流管（５）が連通され、その排気還流管（５）には吸気系との接続部（２ａ）近傍に開度調節可能なＥＧＲバルブ（７）が介装されている過給機付エンジン（１）の排気還流装置において、前記コンプレッサ（４ｃ）を迂回しその前後を連通する新気循環経路（８）を設けて、その新気循環経路（８）に新気循環流量調節バルブ（９）を介装し、エンジン回転数検出手段（１２）とエンジン負荷検出手段（１４）に接続して前記新気循環流量調節バルブ（９）および前記ＥＧＲバルブ（７）を制御する制御手段（１０）を設け、その制御手段(１０)は横軸にエンジン回転数、縦軸にエンジントルクをとったときに、ＥＧＲ時にエンジントルクが１つの線（ａ）以下では、新気循環流量調節バルブ（９）を閉じ、その線（ａ）以上では新気循環流量調節バルブ（９）を開くように制御するためのＥＧＲ制御マップ（ＡＭａｐ、ＢＭａｐ）を有しており、そしてその制御手段（１０）は、エンジン回転数およびエンジン負荷を検出し、その検出値から排気系のＥＧＲガス取り出し部（３ａ）の圧力が吸気系の排気環流管接続部（２ａ）の圧力より高い運転領域であるか否かの判断を行い、排気系（３ａ）の圧力が吸気系（２ａ）の圧力より低い領域であれば新気循環流量調節バルブ（９）を開き通常のＥＧＲ制御をマップ（ＢＭａｐ）に基づいて行い、排気系（３ａ）の圧力が吸気系（２ａ）の圧力より高い領域であれば通常のＥＧＲ制御をマップ（ＡＭａｐ）に基づいて行う機能を有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、ＥＧＲガスの増圧を不要とし、高圧力比対応の過給機を用いることなく高ＥＧＲ率での運転時の過給機のサージング現象を防止し、エンジンの運転条件の如何、すなわちエンジン回転数・エンジン負荷の大小に関わらず燃費の悪化を抑制出来る過給機付エンジンの排気還流制御装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の過給機付エンジンの排気還流制御装置は、過給機（４）のコンプレッサ（４ｃ）後流の吸気系（２）には排気系（３）からの排気還流管（５）が連通され、その排気還流管（５）には吸気系との接続部（２ａ）近傍に開度調節可能なＥＧＲバルブ（７）が介装されている過給機付エンジン（１）の排気還流装置において、前記コンプレッサ（４ｃ）を迂回しその前後を連通する新気循環経路（８）を設けて、その新気循環経路（８）に新気循環流量調節バルブ（９）を介装し、エンジン回転数検出手段（１２）とエンジン負荷検出手段（１４）に接続して前記新気循環流量調節バルブ（９）および前記ＥＧＲバルブ（７）を制御する制御手段（１０）を設け、その制御手段（１０）は、エンジン回転数およびエンジン負荷を検出し（Ｓ１、Ｓ２）、その検出値から排気系のＥＧＲガス取り出し部（３ａ）の圧力が吸気系の排気環流管接続部（２ａ）の圧力より高い運転領域であるか否かの判断を行い（Ｓ３）、排気系（３ａ）の圧力が吸気系（２ａ）の圧力より低い領域であれば新気循環流量調節バルブ（９）を開き通常のＥＧＲ制御をマップ（ＢＭａｐ）に基づいて行い（Ｓ５）、排気系（３ａ）の圧力が吸気系（２ａ）の圧力より高い領域であれば通常のＥＧＲ制御をマップ（ＡＭａｐ）に基づいて行う（Ｓ４）機能を有している。
【００１０】
また本発明によれば、過給機（４）のコンプレッサ（４ｃ）後流の吸気系（２）には排気系（３）からの排気還流管（５）が連通され、その排気還流管（５）には吸気系との接続部（２ａ）近傍に開度調節可能なＥＧＲバルブ（７）が介装されている過給機付エンジン（１）の排気還流装置において、前記コンプレッサ（４ｃ）を迂回しその前後を連通する新気循環経路（８）を設けて、その新気循環経路（８）に新気循環流量調節バルブ（９）を介装し、エンジン回転数検出手段（１２）とエンジン負荷検出手段（１４）に接続して前記新気循環流量調節バルブ（９）および前記ＥＧＲバルブ（７）を制御する制御手段（１０）を設け、その制御手段(１０)は横軸にエンジン回転数、縦軸にエンジントルクをとったときに、ＥＧＲ時にエンジントルクが１つの線（ａ）以下では、新気循環流量調節バルブ（９）を閉じ、その線（ａ）以上では新気循環流量調節バルブ（９）を開くように制御するためのＥＧＲ制御マップ（ＡＭａｐ、ＢＭａｐ）を有しており、そしてその制御手段（１０）は、エンジン回転数およびエンジン負荷を検出し、その検出値から排気系のＥＧＲガス取り出し部（３ａ）の圧力が吸気系の排気環流管接続部（２ａ）の圧力より高い運転領域であるか否かの判断を行い、排気系（３ａ）の圧力が吸気系（２ａ）の圧力より低い領域であれば新気循環流量調節バルブ（９）を開き通常のＥＧＲ制御をマップ（ＢＭａｐ）に基づいて行い、排気系（３ａ）の圧力が吸気系（２ａ）の圧力より高い領域であれば所定のＥＧＲ率に達しているか否かの判断をし、所定ＥＧＲ率に達していなければ前記新気循環流量調節バルブ（９）を開いて通常のＥＧＲ制御をマップ（ＢＭａｐ）に基づいて行い、達していれば通常のＥＧＲ制御をマップ（ＡＭａｐ）に基づいて行う機能を有している。
【００１１】
また、前記排気還流管（５）には、ＥＧＲクーラ（６）が介装されている。
排気系（３）から排気還流管（５）内を流過し、吸気系（２）に再循環させられるＥＧＲガスはかなりな高温となっており、そのまま吸気系（２）に流入すると吸気が暖められ、空気の充填効率が低下する。充填効率の低下はエンジン出力の低下となるため、排気還流管（５）にＥＧＲクーラ（６）を介装し、管内を流れるＥＧＲガスを冷却することが好ましい。
【００１２】
かかる構成の本発明の過給機付エンジンの排気還流制御装置によれば、吸気系（２）に新気循環流量制御バルブ（９）を介装し、過給機（４）のコンプレッサ（４ｃ）の前後を迂回する新気循環経路（８）を設け、運転状況によって新気循環流量制御バルブ（９）の開度を調節することにより、コンプレッサ（４ｃ）の前後で新気が循環するためにシリンダへの新気供給流量が減少する。その結果過給圧力が低下するため、排気還流管（５）の排気系（３）のＥＧＲガス取り出し部（３ａ）の圧力が吸気系（２）のＥＧＲ導入部圧力（２ａ）を上回りＥＧＲが可能となる。
この時、過給機（４）の仕事はコンプレッサ（４ｃ）の前後で新気が循環するために、新気循環経路（８）の損失のほかにはポンピングロスは発生しない。
したがって、従来技術で行っていたように吸気系、若しくは排気系に絞り弁を介装することもなく、絞り弁介装によるコスト上昇を抑制出来、絞りが原因のポンピングロスによる燃費の悪化も発生しない。
【００１３】
また、排気還流管（５）に開度調節可能なＥＧＲバルブ（７）を介装しており、前記制御手段（１０）が、エンジン（１）の運転状況を判断してＥＧＲバルブ（７）を、低負荷低回転領域の小開度からエンジン回転速度及びエンジン負荷が所定値の全開状態まで徐々に開度を増加させるように制御することにより、排気還流管（５）の排気系（３）のＥＧＲガス取り出し部の圧力が吸気系（２）のＥＧＲ導入部圧力を下回ることはない。すなわち、ＥＧＲを常に機能させることが出来る。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
図１〜図４を参照して実施形態を説明する。
図１において、過給機４を装備したエンジン１はその過給機４のタービン４ｔが排気管（特許請求の範囲では排気系、以降排気系を排気管と言う）３を流過する排気の運動エネルギによって回転させられ、タービン４ｔと同軸のコンプレッサ４ｃがタービン４ｔの回転エネルギで回転させられる。
【００１６】
前記排気管３の過給機４のタービン４ｔに連通する位置からエキゾーストマニフォルド１ｅの間の領域に排気を取り出すための連通部３ａが設けられている。一方、吸気管（特許請求の範囲では吸気系、以降吸気系を吸気管と言う）２のインテークマニフォルド２０近傍には、前記取り出された排気を吸気管２に再循環させるための連通部２ａが設けられている。
【００１７】
前記２箇所の連通部３ａ、２ａはＥＧＲクーラ６を介装した排気還流管５によって接続されており、その排気還流管５のＥＧＲクーラ６と前記連通部２ａとの間の領域には還流ガスの流量を制御するＥＧＲバルブ７が介装されている。
【００１８】
吸気管２において、過給機４のコンプレッサ４ｃの前後の連通部（分岐点）２ｂ、２ｃに連通し、コンプレッサ４ｃを迂回するように新気循環経路８が設けられており、その経路８の途中には新気循環流量調節バルブ９が介装されている。又、エンジン１にはコントローラ（特許請求の範囲では制御手段、以降制御手段をコントローラと言う）１０と、エンジン回転数センサ１２及びエンジン負荷センサが１４装備されている。
尚、図中符号１６は燃料噴射ポンプを示し、符号Ｌｉ１からＬｉ３は入力信号ライン、Ｌｏ１及びＬｏ２は出力信号ラインを示す。
【００１９】
前記新気循環流量調節バルブ９は、コントローラ１０がエンジン回転数センサ１２によって検出されるエンジン回転数と、エンジン負荷センサ１４によって検出される負荷情報とに基づき運転状況を把握して発信する制御信号によってバルブ開度が制御されるように構成されている。
【００２０】
次に、図２、図３のフローチャート、図４の制御特性図及び図５の運転状態マップを参照してＥＧＲ率を制御する場合の態様について説明する。
【００２１】
図４の制御特性図は、横軸に負荷及び／又はエンジン回転数を目盛ってあり、ＥＧＲ率（Ｅ線）を一定にしたい場合の各制御バルブ７、９の開度を示したもので、上から順に、
新気循環流量調節バルブ９を閉状態とした場合（或いは、従来技術で新気循環経路を設けていないシステムにおいて）の排気還流管５の排気管側の接続部３ａでの圧力（Ｐｊｅ線）と吸気管側の接続部２ａでの圧力（Ｐｊａ線）を比較して表したもの、
制御されるべきＥＧＲバルブ７の開度を示したＥＧＲバルブ制御開度線（β線）、
制御されるべき新気循環流量調節バルブ９の開度を示した新気循環流量調節バルブ制御開度線（α線）、
及び、ＥＧＲバルブ７と新気循環流量調節バルブ９の開度を同時に制御した場合の排気還流管５の排気管側の接続部３ａでの圧力（Ｐｅ線）と吸気管側の接続部２ａでの圧力（Ｐａ線）を比較して表したものである。
尚、図中、β線の中央から右方においてバルブ開度が全閉状態まで落ちたβｊ線は、従来技術において、高負荷域では、ＥＧＲを停止するために、ＥＧＲバルブを閉じた例。
【００２２】
図５は、横軸にエンジン回転数、縦軸にエンジントルクが目盛られており、図中ｂ線は全負荷時のトルクカーブを示し、ａ線より下方の領域はＥＧＲ時トルクがこの領域内である場合に新気循環流量調節バルブ９を閉じるように制御し（ＡＭａｐ制御）、ｂ線とａ線で囲まれた領域は、この領域内ではＥＧＲ時に新気循環流量調節バルブ９を開くように制御する（ＢＭａｐ制御）ための制御マップである。
【００２３】
図２及び図４、図５を参照してＥＧＲの制御の一例の流れを説明する。
先ずエンジン回転数センサ１２によってエンジン回転数を検出し（ステップＳ１）、エンジン負荷センサ１４によってエンジン負荷を検出する（ステップＳ２）。
【００２４】
コントローラ１０は検出されたエンジン回転数及びエンジン負荷情報に基づいてエンジン１の運転状態を把握し、ＥＧＲガス取り出し部３ａでの圧力（排気圧）がＥＧＲ導入部２ａでの圧力（吸気圧）よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ３）。
【００２５】
ＥＧＲガス取り出し部３ａでの圧力がＥＧＲ導入部２ａでの圧力よりも大きければ（ステップＳ３のＹＥＳ）、低負荷及び／又は低回転であるので、新気循環流量調節バルブ９を図４のα線の低負荷領域（図中中央から左方）のように全閉状態とし、通常のＥＧＲ制御モードであるＡＭａｐによる運転を行い（ステップＳ４）、ステップＳ１に戻る。
【００２６】
一方、ＥＧＲガス取り出し部３ａでの圧力がＥＧＲ導入部２ａでの圧力よりも小さければ（ステップＳ３のＮＯ）、新気循環流量調節バルブ９を図４のα線の高負荷領域（図中中央から右方）のように開き、通常のＥＧＲ制御モードであるＢＭａｐによる運転を行い（ステップＳ５）、ステップＳ１に戻る。
尚、その際は、ＥＧＲバルブ７を図４のβ線の中央より右に示すように、全開状態としておけば良い。ただし、ＥＧＲ率の制御上、必要があれば、両バルブの開度を調整することにより、目標とするＥＧＲ率を得る。
【００２７】
次に、他の応用例として、低負荷においても目標とするＥＧＲが稼げない場合には、新気循環流量調節バルブ９を開くことにより、ＥＧＲの取り出し部３ａと導入部２ａの圧力差を大きくすることにより、ＥＧＲ量を増加させる制御例（図３）がある。
図３のフローチャートでは、図２のフローチャートに対して運転状態の判断工程（ステップＳ３）と、ＡＭａｐによる運転（ステップＳ４）工程の間に「所定のＥＧＲに達しているか」と言う論理工程（ステップＳ３４）を挿入したもので、その工程を挿入したこと以外は上述の一例（図２）と同様の制御が行われる。なお、所定のＥＧＲに達していない場合（ステップＳ３４）は、ステップＳ５において新気循環流量調節バルブ９を開いてＥＧＲの取り出し部３ａと導入部２ａの圧力差を大きくする。
【００２８】
係る制御方法及び装置を具備する本実施形態によれば、吸気管２に新気循環流量制御バルブ９を介装し、コンプレッサ４ｃの前後を迂回する新気循環経路８を設け、運転状況によって新気循環流量制御バルブ９の開度を調節することにより、コンプレッサ４ｃの前後で新気が循環するためにシリンダへの新気供給流量が減少する。
その結果過給圧力が低下するため、排気還流管５の排気管３のＥＧＲガス取り出し部３ａの圧力が吸気管２のＥＧＲ導入部２ａの圧力を上回りＥＧＲが可能となる。
この時、過給機４の仕事はコンプレッサ４ｃの前後で新気が循環するために、新気循環経路８の損失のほかにはポンピングロスは発生しない。
したがって、従来技術で行っていたように吸気系、若しくは排気系に絞り弁を介装することもなく、絞り弁介装によるコスト上昇を抑制出来、絞りが原因のポンピングロスによる燃費の悪化も発生しない。
【００２９】
また、排気還流管５に開度調整可能なＥＧＲバルブ７を介装しており、前記コントローラ１０が、エンジン１の運転状況を判断してＥＧＲバルブ７を、低負荷低回転領域の小開度からエンジン回転速度及びエンジン負荷が所定値の全開状態まで徐々に開度を増加させるように制御することにより、排気還流管５の排気管３のＥＧＲガス取り出し部の圧力が吸気管２のＥＧＲ導入部圧力を下回ることはない。すなわち、ＥＧＲを常に機能させることが出来る。
【００３０】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付言する。
例えば、図示の例では、運転状況の判断手段としてエンジン回転センサ及び負荷センサを用いているが、例えば排気系のＥＧＲ還流管連通部の上流の至近位置及び吸気管のＥＧＲ還流管連通部の上流の至近位置に介装した圧力センサの圧力差及び圧力の大小によって、新気循環流量制御バルブの開度を制御することも可能である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の作用効果を、以下に列挙する。
（１）吸気系に新気循環流量制御バルブを介装し、コンプレッサの前後を迂回する新気循環経路を設け、運転状況によって新気循環流量制御バルブの開度を調節することにより、コンプレッサの前後で新気が循環するためにシリンダへの新気供給流量が減少し、その結果、過給圧力が低下するため、排気還流管の排気系のＥＧＲガス取り出し部の圧力が吸気系のＥＧＲ導入部の圧力を上回りＥＧＲが可能となる。
（２）過給機の仕事はコンプレッサの前後で新気が循環するために、新気循環経路の損失のほかにはポンピングロスは発生しない。したがって、従来技術で行っていたように吸気系、若しくは排気系に絞り弁を介装することもなく、絞り弁介装によるコスト上昇を抑制出来、絞りが原因のポンピングロスによる燃費の悪化も発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の実施形態の制御の流れの一例を示すフローチャート。
【図３】本発明の実施形態の制御の流れの他の例を示すフローチャート。
【図４】本発明の実施形態における制御特性をしめす制御特性図
【図５】本発明の実施形態において、新気循環流量調整バルブを開いた状体と閉じた状態に制御を対応させるため二つの運転領域に区画したエンジン特性マップ図。
【図６】従来技術における過給機付エンジンの排気還流装置の構成を示す構成図。
【符号の説明】
１・・・エンジン
２・・・吸気管
３・・・排気管
４・・・過給機
４ｃ・・・コンプレッサ
４ｔ・・・タービン
５・・・排気還流管
６・・・ＥＧＲクーラ
７・・・ＥＧＲバルブ
８・・・新気循環経路
９・・・新気循環流量調節バルブ
１０・・・コントローラ／制御手段
１２・・・エンジン回転数センサ
１４・・・エンジン負荷センサ
１６・・・燃料噴射ポンプ

Claims

過給機（４）のコンプレッサ（４ｃ）後流の吸気系（２）には排気系（３）からの排気還流管（５）が連通され、その排気還流管（５）には吸気系との接続部（２ａ）近傍に開度調節可能なＥＧＲバルブ（７）が介装されている過給機付エンジン（１）の排気還流装置において、前記コンプレッサ（４ｃ）を迂回しその前後を連通する新気循環経路（８）を設けて、その新気循環経路（８）に新気循環流量調節バルブ（９）を介装し、エンジン回転数検出手段（１２）とエンジン負荷検出手段（１４）に接続して前記新気循環流量調節バルブ（９）および前記ＥＧＲバルブ（７）を制御する制御手段（１０）を設け、その制御手段(１０)は横軸にエンジン回転数、縦軸にエンジントルクをとったときに、ＥＧＲ時にエンジントルクが１つの線（ａ）以下では、新気循環流量調節バルブ（９）を閉じ、その線（ａ）以上では新気循環流量調節バルブ（９）を開くように制御するためのＥＧＲ制御マップ（ＡＭａｐ、ＢＭａｐ）を有しており、そしてその制御手段（１０）は、エンジン回転数およびエンジン負荷を検出し、その検出値から排気系のＥＧＲガス取り出し部（３ａ）の圧力が吸気系の排気環流管接続部（２ａ）の圧力より高い運転領域であるか否かの判断を行い、排気系（３ａ）の圧力が吸気系（２ａ）の圧力より低い領域であれば新気循環流量調節バルブ（９）を開き通常のＥＧＲ制御をマップ（ＢＭａｐ）に基づいて行い、排気系（３ａ）の圧力が吸気系（２ａ）の圧力より高い領域であれば通常のＥＧＲ制御をマップ（ＡＭａｐ）に基づいて行う機能を有していることを特徴とする過給機付エンジンの排気還流制御装置。
過給機（４）のコンプレッサ（４ｃ）後流の吸気系（２）には排気系（３）からの排気還流管（５）が連通され、その排気還流管（５）には吸気系との接続部（２ａ）近傍に開度調節可能なＥＧＲバルブ（７）が介装されている過給機付エンジン（１）の排気還流装置において、前記コンプレッサ（４ｃ）を迂回しその前後を連通する新気循環経路（８）を設けて、その新気循環経路（８）に新気循環流量調節バルブ（９）を介装し、エンジン回転数検出手段（１２）とエンジン負荷検出手段（１４）に接続して前記新気循環流量調節バルブ（９）および前記ＥＧＲバルブ（７）を制御する制御手段（１０）を設け、その制御手段(１０)は横軸にエンジン回転数、縦軸にエンジントルクをとったときに、ＥＧＲ時にエンジントルクが１つの線（ａ）以下では、新気循環流量調節バルブ（９）を閉じ、その線（ａ）以上では新気循環流量調節バルブ（９）を開くように制御するためのＥＧＲ制御マップ（ＡＭａｐ、ＢＭａｐ）を有しており、そしてその制御手段（１０）は、エンジン回転数およびエンジン負荷を検出し、その検出値から排気系のＥＧＲガス取り出し部（３ａ）の圧力が吸気系の排気環流管接続部（２ａ）の圧力より高い運転領域であるか否かの判断を行い、排気系（３ａ）の圧力が吸気系（２ａ）の圧力より低い領域であれば新気循環流量調節バルブ（９）を開き通常のＥＧＲ制御をマップ（ＢＭａｐ）に基づいて行い、排気系（３ａ）の圧力が吸気系（２ａ）の圧力より高い領域であれば所定のＥＧＲ率に達しているか否かの判断をし、所定ＥＧＲ率に達していなければ前記新気循環流量調節バルブ（９）を開いて通常のＥＧＲ制御をマップ（ＢＭａｐ）に基づいて行い、達していれば通常のＥＧＲ制御をマップ（ＡＭａｐ）に基づいて行う機能を有していることを特徴とする過給機付エンジンの排気還流制御装置。
前記排気還流管（５）には、ＥＧＲクーラ（６）が介装されている請求項１または２に記載の過給機付エンジンの排気還流制御装置。