JP4627779B2 - エンジンブレーキモードにおける内燃機関の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段に記載の、エンジンブレーキモードにおける内燃機関の運転方法に関する。

特許文献１では、排気ターボ過給機が装備された内燃機関のためのエンジンブレーキ方式について記述しており、この排気ラインに配置された排気タービンには、有効タービン入口断面を可変調整するための可変ベーン機構が設けられる。エンジンブレーキモードにおいて、可変ベーン機構は、流れ断面を縮小させる閉鎖位置をとる。この結果、シリンダ出口と排気タービンとの間の管路部分内の排気背圧が増加する。排気ガスは、可変ベーン機構の案内ブレードの間の残りの流路内を高速で流れ、タービンホイールに当たり、そのため、吸気ライン内のコンプレッサが駆動されて、過圧力が増大する。これにより、入口側では、内燃機関のシリンダに増加したチャージ圧力が当たり、出口側では、シリンダ出口と排気タービンとの間で高い過圧力が優勢となり、この過圧力が、スロットル弁を介して排気ラインへと進む、シリンダ内で圧縮された空気の排出に対抗する。したがって、エンジンブレーキモードにおいて、内燃機関のピストンは、圧縮行程で、排気ライン内の高い過圧力に対抗する圧縮作業を行わなければならなくなる。これにより、高レベルの制動力が生成され得る。

大気に排出される前に排気ガスを浄化するための触媒コンバーターは、従来、排気タービンの下流の排気ライン内に置かれる。しかし、エンジンブレーキモードにおいては、高い排気背圧により、排気ライン内の温度が、触媒コンバーターを損傷させる危険性が生じる程にまで上昇する恐れがある。

このような損傷を回避するために、特許文献２に記述されている内燃機関においては、燃料が断続的に噴射され、この結果、酸化を促進する大気が排気ライン内で生成され、これが、触媒コンバーターのオーバーヒーティングが回避される一助となる。しかし、燃料噴射は、制動力に望ましくないばらつきを生じさせるような影響を制動力に及ぼす。噴射時間によって、制動力が増加したり減少したりする。

独国特許発明第１９５４３１９０Ｃ２号明細書 特開２００２−１８８４９１号公報

本発明は、簡単な対策を用いて、内燃機関のエンジンブレーキモードにおける排気ライン内の排気ガス浄化装置のオーバーヒーティングを回避することを目的とする。本明細書においては、エンジンブレーキ力は、少なくともほぼ一定に保たれることが好ましい。

前記課題は、本発明に従って、請求項１の特徴によって達成される。従属請求項には、好ましい改良形態が記載されている。

エンジンブレーキモードにおいて内燃機関を運転するための本発明による方法においては、調整可能な断面調整部材が排気ガス浄化装置の上流の排気ライン内に設けられ、さらに、内燃機関のシリンダの少なくとも１つにスロットル弁が割り当てられ、このスロットル弁は、エンジンブレーキモードにおいて開放位置に調整され、そのため、シリンダの内容物が、ピストンの圧縮行程において排気ライン内に直接排出される。同時に、断面調整部材は、自由断面を縮小させる閉鎖位置に動き、そのため、増加した圧力レベルが排気ライン内で生成され、これに対抗するために、内燃機関の圧縮行程において圧縮作業が行われなければならなくなる。

排気ガスの温度と相互に関連する特性変数が所定の限界値を超えた場合には、断面調整部材が瞬間的に開放され、その後、断面を縮小させる閉鎖位置に再び調整される。断面調整部材の一時的な開放により、高い排気背圧が放散され、この結果、排気ライン内の温度も低下する。そこで、排気ガス浄化装置内の温度が、再び非臨界限界値未満に下降し得る。断面調整部材の一時的な開放とは、エンジンブレーキモード中、断面調整部材が、基本的に閉鎖位置にあり、特性変数が予め定義された値を超えるか又はこの値未満に下降するまで、たとえば、予め定義された時間が終了するか又は車速が所定の値だけ増加するか又は温度特性変数が所定の閾値を超えるまで開放されることであると理解されたい。

断面調整部材が短時間だけ開放されるだけであるので、エンジンブレーキ力にはほとんど影響がない。断面調整部材が開放される時間がほんの瞬間的であることにより、圧力降下も限度内に保たれ、また圧力が再び急速に増大し得るので、エンジンブレーキ力のほんのわずかな変動、特にエンジンブレーキ力の一時的な降下しか予想されず、変動の度合いもほんのわずかである。これは、主に、断面調整部材が開放された時に、エンジン又は排気路内の空気の質量の移動が突然増加することによって促進される。断面調整部材が直ちに閉じられることにより、前記空気の質量が制御され、ガスの中に含まれている運動エネルギーが圧力エネルギーに変換される。

触媒コンバーターの入口温度は、特に、排気ガスの温度と相互に関連する特性変数として組み込まれており、断面調整部材を瞬間的に開放すべきかどうかを決定する際に考慮される。さらに、排気ガスの温度と相互に関連する特性変数はまた、内燃機関内の又は内燃機関に割り当てられたユニットの１つ内の他の状態変数又は動作変数、特にシリンダ出口と断面調整部材との間の管路部分内の排気ガスの温度、或いは他の温度変数であり得る。適宜、温度以外の変数、たとえば排気背圧も使用され得る。

断面調整部材が開放位置にある持続時間は、様々な影響変数によって決まり得る。一方では、断面調整部材が開放されている最小の時間が予め定義され得るが、これが終了した後、断面調整部材は、再び閉鎖位置に調整される。他方では、組み込まれるべき追加の条件を導入することもできる。これらの条件は、最小の時間の終了後に、断面調整部材を再び閉鎖位置に調整し得るために、それぞれ個々に又は累積的に満たされなければならない。これらの条件は、たとえば、最大の時間の終了、予め定義された値の車速の増加、又は触媒コンバーターの入口温度の閾値未満への下降を含む。

断面調整部材の一時的な開放中、スロットル弁は、断面調整部材の開放時間中にもエンジンブレーキ力が作られるよう、その開放位置に留まっていることが好ましい。

断面調整部材は、一方では、排気ガス浄化装置の上流の排気ライン内に配置されたエンジンブレーキフラップであり得る。しかし、他方では、排気ターボ過給機の一部である排気タービン内の可変ベーン機構も、断面調整部材として使用され得る。この可変ベーン機構は、排気タービン内の有効タービン入口断面を調整するよう役立つ。可変ベーン機構の閉鎖位置において、縮小した流れ断面により排気背圧が増加し、前記排気背圧は、開放位置において再び放散される。可変ベーン機構の閉鎖位置においても、排気ライン内のガスは、残りの自由な流れ断面を介してタービンホイールに当たり得るので、前記タービンホイールが推進力を受け、コンプレッサホイールも駆動される。このようにして、吸気ライン内及び排気ライン内の両方において全体に高い圧力レベルが作られ、これにより、制動力レベルが増加する。たとえば非常ブレーキ操作の場合に、エンジンブレーキ力を増加させるために、可変ベーン機構は閉鎖位置に動き得る。また、スロットル弁は最大限まで開放され得る。同時に、上死点の前に、最大限可能な燃料量が、燃焼室内に噴射され、ここで燃焼され得る。そのため、燃焼室内で圧力が生成され、これに対抗するために、上方へ動いているピストンが、作業を行わなければならなくなる。

適宜、可変ベーン機構と排気タービンの下流のエンジンブレーキフラップとの組合せも使用され得る。これにより、さらなる調整能力が作られる。

１つの好ましい実施形態においては、触媒コンバーター温度を低下させるための対策がとられたことを運転者に知らせるために、断面調整部材の一時的な開放が運転者に表示される。

さらなる利点及び好ましい実施形態が、さらなる請求項、図面についての説明、及び図面より見出されるであろう。

図１に示されている内燃機関１は、特に大型の多用途車において使用されるディーゼル機関である。しかし、火花点火機関での使用も本発明の範囲内に含まれる。

内燃機関１には、排気ライン４内の排気タービン３と吸気ライン６内のコンプレッサ５とを有する排気ターボ過給機２が割り当てられ、タービンホイールが、シャフト７により、コンプレッサホイールに回転可能に連結される。排気タービン３には、有効タービン入口断面を可変調整するための可変ベーン機構８が設けられる。可変ベーン機構は、たとえば、タービン入口断面内に設けられており、調整可能な案内ブレードを備えた案内格子、又はタービン入口断面内へと軸方向に動き得る、固定案内ブレードを備えた案内格子である。可変ベーン機構８は、断面を最小にするが完全には閉じない閉鎖位置と、断面を最大限まで開放する開放位置との間で調整される。

適宜、有効タービン入口流れ断面の調整が不可能な固定形状を有する排気タービンを使用すること、及びエンジンブレーキフラップによってのみ流れ断面を調節するような構成としても良い。

排気ライン内の流れ断面を最小にする閉鎖位置と最大限まで流れ断面を開放する開放位置との間で調整されるエンジンブレーキフラップ９が、排気ライン４内の排気タービン３の下流に設けられる。さらに、排気ガス浄化装置１０、特に触媒コンバーターが、エンジンブレーキフラップ９の下流の排気ライン４内に設けられる。

内燃機関１のそれぞれのシリンダ１２に、エンジンブレーキモードにおいて開放位置に動く１つのスロットル弁１１がそれぞれ割り当てられ、そのため、シリンダの内容物が、直接、開放されたスロットル弁を介して排気ライン４内に逃げ得る。スロットル弁１１を上げて開放する持続時間は、調整可能であることが好ましい。

さらに、内燃機関１には、電子制御ユニット１３が割り当てられ、これにより、内燃機関の調整可能なユニット、特に、可変ベーン機構８、エンジンブレーキフラップ９、及びスロットル弁１１が、内燃機関の状態変数及び動作変数に応じて調整される。

図２は、エンジンブレーキモードにおいて触媒コンバーター温度を調節するための個々の方法ステップを示す流れ図である。方法（プロセス）ステップＰ１に従って、エンジンブレーキモードを起動するために、スロットル弁が開放され、エンジンブレーキフラップが閉鎖位置に動く。同時に、可変ベーン機構（ＶＴＧ)が閉鎖位置に動き、そのため、内燃機関のシリンダの出口と排気タービン内の入口との間の管路部分内で高い圧力が生成され、管路部分内のガスが、可変ベーン機構内の残りの自由な流れ断面を通ってタービンホイールに高速で当たる。タービンホイールの回転は、シャフトを介してコンプレッサホイールへと伝達され、そこで、燃焼用空気を吸い込み、これを圧縮して、チャージ圧力を増加させる。このようにして、吸気ライン内及び排気ライン内の両方において、増加した圧力レベルが生成される。

さらなる調整能力が、エンジンブレーキフラップにより得られ、これにより、たとえば、可変ベーン機構が開放される又は開放位置と閉鎖位置との間の中間の位置にある、同時にエンジンブレーキフラップが閉じられる、エンジンブレーキモードを実現することができる。この運転モードにおいて、排気タービン全体の比較的小さい圧力降下により、より少ないタービン出力が、したがって、吸気側での及び排気ガス側でのより低い圧力レベルも、生成される。

他方では、エンジンブレーキフラップが開放され、可変ベーン機構が閉鎖位置に動く、エンジンブレーキモードも考えられる。排気タービン全体の高い圧力降下により、高い過給機力も生成され、これに対応して、吸気側及び排気ガス側の両方において、圧力レベルが上昇する。

触媒コンバーター温度Ｔ_Ｃａｔが任意の損傷温度範囲に到達しないことを確実にするために、方法ステップＰ２で、触媒コンバーター温度Ｔ_Ｃａｔが、触媒コンバーターを損傷させる温度未満にあることが好ましい限界値Ｔ_{Ｌｉｍｉｔ}に既に到達したかどうかの検査が行われる。触媒コンバーター温度が、前記限界値Ｔ_{Ｌｉｍｉｔ}にまだ到達していないと、方法ステップＰ２の「ｎｏ」の分岐に当たる質問の開始へと戻り、この質問が周期的な間隔で繰り返される。触媒コンバーター温度Ｔ_Ｃａｔが定義された限界値Ｔ_{Ｌｉｍｉｔ}を超えた場合には、「Ｙｅｓ」の分岐に当たる次の方法ステップＰ３へと進む。

方法ステップＰ３で、エンジンブレーキフラップ及び／又は可変ベーン機構が開放され、これにより、排気背圧が放散され、したがって、排気ライン内の温度も低下する。

エンジンブレーキフラップ／可変ベーン機構の開放位置が、最小時間Δｔ_ｍｉｎ維持される。方法ステップＰ４の質問において、前記時間Δｔ_ｍｉｎがまだ経過していないことがわかると、「Ｎｏ」の分岐に移り、質問が周期的な間隔で繰り返される。Ｐ４の質問において、エンジンブレーキフラップ又は可変ベーン機構が開放されている時間Δｔが、最小時間Δｔ_ｍｉｎに既に到達したことがわかると、「Ｙｅｓ」の分岐に当たる、次の質問ブロックＰ５へと進む。

Ｐ５で、断面調整部材が開放されている持続時間Δｔが最大の時間Δｔ_ｍａｘを超えたかどうかの質問が周期的に行われる。超えた場合には、本方法は、「Ｙｅｓ」分岐に当たる次のステップへと進む。また、Ｐ５で、車速Δｖの増加が予め定義された値Δｖ_ｍｉｎより大きいかどうかの質問が行われる。大きい場合には、本方法は同様に「Ｙｅｓ」分岐に当たる次のステップへと進む。これにより、方法ステップＰ５の質問の条件の１つのみが満たされると（したがって、どれか１つのみが満たされる必要がある）、次の方法ステップＰ６へと移動することとなる。これとは異なり、いずれの条件も満たされないと、「Ｎｏ」分岐に移り、質問が周期的な間隔で繰り返される。

方法ブロックＰ６で、さらなる質問が行われる。Ｐ６で、触媒コンバーターの入口温度Ｔ_Ｃａｔが、定義された閾値Ｔ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}未満に降下したかどうかの検査が行われる。前記閾値は、温度限界値Ｔ_{Ｌｉｍｉｔ}に対応し得るが、これはまた、適宜、前記値から逸脱し得る。これは、特に、限界値Ｔ_{Ｌｉｍｉｔ}より低い場合があり得る。この限界値を超えると、断面調整部材が開放位置に動く。方法ブロックＰ６の質問が満たされると、つまり触媒コンバーターの入口温度Ｔ_Ｃａｔが定義された閾値未満に降下すると、本方法は、「Ｙｅｓ」分岐に当たる、次の方法ステップＰ７へと進む。そうでない場合には、Ｐ６の質問が周期的な間隔で繰り返される。

次いで、触媒コンバーター温度の調節が終了し、Ｐ７に従って、エンジンブレーキフラップ及び／又は可変ベーン機構ＶＴＧが現在の負荷要求に対応する閉位置をとる、通常のエンジンブレーキモードへと戻る。次いで、触媒コンバーター温度が新しく上昇したことを周期的な間隔で検査するために、方法ステップＰ２へと戻る。

運転者がエンジンブレーキに対応する運転操作を停止することにより、エンジンブレーキモードが終了する。

排気ターボ過給機と排気タービンの下流、触媒コンバーターの上流のエンジンブレーキフラップとを備えた内燃機関を示す概略図である。 エンジンブレーキモードにおいて内燃機関を運転するための個々の方法ステップを示す流れ図である。

Claims (11)

1. 内燃機関（１）の排気ライン（４）に設けられる排気ガス浄化装置（１０）と、
   前記排気ライン（４）の流れ断面を調節するために前記排気ガス浄化装置（１０）の上流の前記排気ライン（４）に設けられる調整可能断面調整部材（８、９）と、
   前記内燃機関（１）のシリンダ（１２）に割り当てられた少なくとも１つのスロットル弁（１１）を有し、
   エンジンブレーキモードにおいて、前記スロットル弁（１１）が開放され、前記断面調整部材（８、９）が、流れ断面を縮小させる閉鎖位置に動く、エンジンブレーキモードにおける内燃機関の運転方法において、 排気ガスの温度と相互に関連する特性変数（Ｔ_Ｃａｔ）が限界値（Ｔ_{Ｌｉｍｉｔ}）を超えた場合に、前記スロットル弁（１１）の開放を継続しながら、前記断面調整部材（８、９）を一時的に開放し、その後前記閉鎖位置に再び調整することを特徴とする運転方法。
2. 前記特性変数として、触媒コンバーターの入口温度（Ｔ_Ｃａｔ)が用いられることを特徴とする請求項１に記載の運転方法。
3. 前記断面調整部材（８、９)が、前記特性変数（Ｔ_Ｃａｔ)が閾値（Ｔ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}）未満に降下した後に、再び前記閉鎖位置に調整されることを特徴とする請求項１又は２に記載の運転方法。
4. 前記断面調整部材（８、９)が、最小の時間（Δｔ_ｍｉｎ）、開放されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の運転方法。
5. 前記断面調整部材（８、９)が、予め定義された時間（Δｔ_ｍａｘ）が終了した後に、前記閉鎖位置に再び調整されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の運転方法。
6. 前記断面調整部材（８、９)が、車速が予め定義された値（Δｖ_ｍｉｎ）だけ増加するまで開放されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の運転方法。
7. 前記断面調整部材（８、９)の一時的な開放されている際に、前記スロットル弁（１１)も開放されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の運転方法。
8. 前記断面調整部材が、エンジンブレーキフラップ（９)であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の運転方法。
9. 前記排気ライン（４)に配置される排気タービン（３)と、吸気ライン（６)に配置されるコンプレッサ（５)を有する排気ターボ過給機（２)が設けられることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の運転方法。
10. 前記断面調整部材が、前記排気タービン（３)の有効タービン入口断面を可変調整するための可変ベーン機構（８)であり、エンジンブレーキモードにおいて、前記可変ベーン機構（８)が、前記断面を縮小させる閉鎖位置に動くことを特徴とする請求項９に記載の運転方法。
11. 前記断面調整部材の一時的な開放が、運転者に表示されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の運転方法。

Images