JP4864040B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明は、過給機及び排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置を有するエンジンのＥＧＲ抑制又は中断制御技術に関する。

従来、過給機及びＥＧＲ装置を有するエンジンは公知である。過給機は、エンジンへ空気を圧縮して強制的に送り込む装置である。過給機を備えるエンジンは、自然吸気エンジンに対し同じ排気量でより大きな出力・トルクを得ることができる。

ＥＧＲ装置は、排気ガスの一部を吸気側に戻して吸入空気と混ぜる装置である。また、ＥＧＲ装置は、排気側と吸気側をつないだパイプにＥＧＲ弁を備えている。このＥＧＲ弁は、開閉することによって、排気ガスを吸気側に戻す量を調整する。このようにして、ＥＧＲ装置は、エンジンの燃焼温度を下げることで、光化学スモッグの原因である窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を抑えることができる。

しかし、エンジンの過渡状態において、過給機の応答遅れ、或いは過給機自体が吸排気の絞りとなることでＥＧＲ量が過大となるため、その時点での噴射量に対する吸入空気量が極端に不足し、スモークが発生する弊害がある。

従来、このスモーク発生防止のため、いくつかのＥＧＲ量制御手段が開示されている。特許文献１は、急加速時の過渡応答でのスモーク増加防止のためＥＧＲガス量を補正する過給機付きエンジンを開示している。また、特許文献２は、アイドル運転から加速状態になったときにＥＧＲ率を１０％程度にまで下げるエンジンを開示している。さらに、特許文献３は、急加速時でのＥＧＲ弁の全閉するエンジンを開示している。
特開平０９−０２１３５６号公報 特開平０９−０７９０９２号公報 特開２００２−１６１７９１号公報

上記特許文献又は従来技術は、いずれも加速状態(すなわち、回転数増加時)でのＥＧＲ抑制又は中断であり、回転数低下時におけるＥＧＲ抑制又は中断については対象外である。
そこで、解決しようとする課題は、ポンプや発電機駆動用エンジンのように負荷増加状態が回転数の加速状態で現れないエンジンにおいて、ＥＧＲ抑制又は中断によって急激な負荷増加状態におけるスモーク発生を防止することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

すなわち、請求項１においては、過給機及び排気ガス再循環(ＥＧＲ)装置を有するエンジンで、該エンジンの回転数を無負荷(アイドル)又は軽負荷運転から高負荷(負荷増加)状態に移行したときに目標回転数をアイドル運転時と同一に保つ(アイソクロナス)制御、或いは目標回転数をアイドル運転時よりも負荷状態に応じて所定割合で減少する(ドループ)制御を行うエンジンにおいて、実回転数を検出し、所定周期前の実回転数と最新の実回転数との差が所定回数連続して第一閾値よりも大きい場合には、前記ＥＧＲ装置のＥＧＲ弁を負荷状態に対応した通常設定開度よりも所定開度分だけ絞る、或いはＥＧＲ弁を全閉とするＥＧＲ弁絞り制御を行うものである。

請求項２においては、請求項１記載のエンジンにおいて、最新の実回転数が所定回転数よりも大きい場合には、前記ＥＧＲ弁絞り制御を行わないものである。

請求項３においては、請求項１記載のエンジンにおいて、前記ＥＧＲ弁絞り制御を行うための閾値判定において初回判定時のエンジン負荷率が所定負荷率よりも大きい場合には、前記ＥＧＲ弁絞り制御を行わないものである。

請求項４においては、請求項１記載のエンジンにおいて、目標回転数と最新の実回転数との差が第二閾値よりも小さい場合には、ＥＧＲ弁開度を負荷状態に対応した通常設定開度に復帰するものである。

請求項５においては、請求項４記載のエンジンにおいて、前記ＥＧＲ弁絞り制御の開始時点から解除タイマーを作動して、目標回転数と最新の実回転数との差が第二閾値よりも小さくなっていない場合であり、かつ、該解除タイマーの計測時間が所定時間となった場合には、ＥＧＲ弁開度を負荷状態に対応した通常設定開度に復帰するものである。

請求項６においては、請求項５記載のエンジンにおいて、請求項１記載のＥＧＲ絞り制御実行条件が再度成立した場合には、前記解除タイマーを再セットして再作動するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、所定の実回転数の低下が連続して発生した場合には、負荷急増と判断してＥＧＲ弁開度を所定開度分だけ絞る、或いは全閉とするため、燃料噴射量が許容最大値付近の負荷増減による回転数の変動に過剰に反応することを回避できる。つまり、適切な負荷急増時においてのみＥＧＲ量の抑制ができる。

請求項２においては、過給機が正常作動していると判断できる状況では、ＥＧＲ弁絞り制御を行わないため、不要なＥＧＲ量の抑制を回避できる。

請求項３においては、過給機が正常作動していると判断できる状況では、ＥＧＲ弁絞り制御を行わないため、不要なＥＧＲ量の抑制を回避できる。

請求項４においては、過給機が正常に作動するようになったと判断される状況では、遅滞なくＥＧＲ量を回復できる。

請求項５においては、負荷状態によって回転数が目標域まで復帰しなくとも過給機が正常に作動している場合には、不要なＥＧＲ量の抑制を続行することを回避できる。

請求項６においては、負荷急増が段階的に行われた場合にもＥＧＲ量の抑制を適切に続行することができる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明に係る過給機及びＥＧＲ装置を備えるエンジンの全体的な構成を示した構成図、図２は同じくＥＧＲ弁の絞り制御要否判断を示すフロー図、図３は同じくＥＧＲ弁の絞り制御を示すフロー図である。図４は同じくＥＧＲ弁の通常設定開度マップを示すテーブル図である。

まず、図１を用いて、過給機及びＥＧＲ装置を有するエンジンについて、簡単に説明する。なお、本実施例において、エンジン１０は、建設機械に搭載されているエンジンであって、油圧ポンプを駆動するものとしている。
図１に示すように、エンジン１０には、過給機１１及び排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置１２が備えられている。つまり、燃焼室９を構成するシリンダヘッドには、吸気管１５及び排気管１６が接続され、それぞれ吸気バルブ６及び排気バルブ７により開閉可能とされている。さらに、吸気管１５と排気管１６をバイパスするＥＧＲ通路１４が接続される。また、過給機１１のコンプレッサー１７と排気タービン１８が、それぞれ、吸気管１５にあってはＥＧＲ通路１４より上流側及び排気管１６にあってはＥＧＲ通路１４より下流側に設けられる。なお、燃焼室９とは、シリンダヘッド、ピストンヘッド及びシリンダブロックで囲まれる閉空間のことである。

過給機１１は、エンジン１０へ空気を圧縮して強制的に送り込む装置である。本実施例においては、過給機１１を公知のターボチャージャーとしている。過給機１１は、コンプレッサー１７及び排気タービン１８から構成されている。また、コンプレッサー１７と排気タービン１８とは、回転軸１９によって接続されている。このような構成とすることで、排気ガスが排出されることにより排気タービン１８が作動（回転）され、同時に、回転軸１９を介してコンプレッサー１７が駆動されて、燃焼室９に圧縮した空気を送り込むことができる。

排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置１２は、排気ガスの一部を吸気側に戻して吸入空気と混ぜる装置である。また、ＥＧＲ装置１２は、ＥＧＲ通路１４及びＥＧＲ通路１４に設けられる開閉弁であるＥＧＲ弁１３から構成されている。このＥＧＲ弁１３は、開閉時間の変更或いは開閉量の変更によって、排気ガスを吸気側に戻す量を調整する。このようにして、ＥＧＲ装置１２は、燃焼温度を下げることで、光化学スモッグの原因である窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を抑えることができる。

制御手段となるＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ（以下ＥＣＵ２０）は、エンジン運転状態を検出する回転数センサー２１、アクセル位置センサー２２、及びラック位置センサー２３等から信号を入力し、ＥＧＲ弁１３の開閉制御やラックアクチュエーターの制御等を行うユニットである。
ここで、回転数センサー２１は、エンジン１０の実回転数Ｎを検出するセンサーである。また、アクセル位置センサー２２は、エンジン１０の目標回転数Ｎｍとしてアクセル位置を検出するセンサーである。さらに、ラック位置センサー２３は、エンジン負荷すなわち燃料噴射量として燃料噴射装置（図示略）のラック位置Ｌを検出するセンサーである。このような構成とすることで、エンジン状態に応じた適正なＥＧＲ率（排気ガスを再循環させる割合）を、ＥＧＲ弁１３によって制御している。

そして、ＥＣＵ２０は、ラックアクチュエーターを作動させてエンジン１０の燃料噴射量を電子的に制御し、実回転数Ｎを目標回転数Ｎｍに安定させるユニットである。ここで、従来、燃料噴射量の制御手段として、アイソクロナス制御及びドループ制御が公知である。アイソクロナス制御は、エンジン１０に負荷がかかり実回転数Ｎが減少すると、減少した回転数分を復帰するように燃料噴射量を増加して、当初の目標回転数Ｎｍを維持する制御である。他方、ドループ制御は、エンジン１０に負荷がかかるとその負荷の大きさに応じて実回転数Ｎを減少させながら燃料噴射量を増加させる制御である。すなわち、目標回転数Ｎｍ自体がドループ特性により変化する。本実施例では、このようにエンジン負荷の変化に対しても所定の目標回転数Ｎｍを維持する制御を行うものとする。

ここで、図２及び図３を用いて、ＥＧＲ弁の絞り制御要否判断及びＥＧＲ弁の絞り制御について詳細に説明する。
図２に示すように、ＥＧＲ弁の絞り制御要否判断は、後述するＥＧＲ弁の絞り制御に移行して良いか否かを判断を行うものである。

まず、ＥＣＵ２０は、後述する全ての読み込み値をリセットして（Ｓ１０１）、本判断を開始する（Ｓ１０２）。次に、ＥＣＵ２０は、最新の実回転数Ｎを検出し（Ｓ１０３）、所定回転数Ｎａより大きいか否かを判定する（Ｓ１０４）。このとき、実回転数Ｎが所定回転数Ｎａより大きい場合は、Ｓ１１２へ移行する。ここで、ＥＣＵ２０は、サンプリングされた最新の実回転数Ｎを記憶する（Ｓ１１２）。なお、本実施例では、ＥＣＵ２０は、最新のサンプリングされた実回転数Ｎから３周期分以前までに周期ごとにサンプリングされた実回転数を記憶しているものとする。

ＥＣＵ２０は、実回転数Ｎが所定回転数Ｎａ以下の場合は、判定フラグｍが０であるかを判定する（Ｓ１０５）。ここで、判定フラグｍとは、後述するＳ１０７の判定を行った回数を示している。このとき、判定フラグｍが０でない場合は、Ｓ１０７へ移行する。
また、ＥＣＵ２０は、判定フラグｍが０の場合は、エンジン負荷が所定負荷率以上であるか否か、すなわちラック位置Ｌが所定位置Ｌａより大きいか否かを判定する（Ｓ１０６）。このとき、ラック位置Ｌが所定位置Ｌａより大きい場合は、Ｓ１１２へ移行する。

目標回転数Ｎｍとラック位置Ｌとで表されるエンジン性能曲線において、所定回転数Ｎａより大きい領域、或いは、所定位置Ｌａより大きい領域は、過給機１１が正常作動していると判断できる領域である。つまり、過給機１１が正常作動していると判断できる状況では、後述するＥＧＲ弁絞り制御に移行しないため、不要なＥＧＲ量の抑制を回避できる。

ＥＣＵ２０は、実回転数Ｎが所定回転数Ｎａ以下で、かつ、ラック位置Ｌが所定位置Ｌａ以下である場合は、所定周期前として１周期前にサンプリングされた実回転数Ｎ´と最新の実回転数Ｎとの差が第一閾値ΔＮ１より大きいか否かを判定する（Ｓ１０７）。ここで、実回転数Ｎ´は、例えば３周期前にサンプリングされた実回転数Ｎであっても良い。
また、ＥＣＵ２０は、前記回転数差が第一閾値ΔＮ１より大きい場合は、判定フラグｍを１増加する（Ｓ１０８）。
次に、ＥＣＵ２０は、判定フラグｍが３であるか否かを判定する（Ｓ１０９）。このとき、判定フラグｍが３でない場合は、Ｓ１１２へ移行する。また、ＥＣＵ２０は、判定フラグｍが３である場合は、ＥＧＲ弁絞り制御実行フラグｔｈを１とする（Ｓ１１０）。

このようにして、第一閾値ΔＮ１より大きい実回転数Ｎの低下が連続して３回発生した場合には、負荷急増と判断してＥＧＲ弁開度絞り制御に移行するため、燃料噴射量が許容最大値付近の負荷増減による実回転数Ｎの変動に過剰に反応することを回避できる。つまり、適切な負荷急増時においてのみ後述するＥＧＲ弁の絞り制御を実行できる。

図３に示すように、ＥＧＲ弁の絞り制御は、上述したＥＧＲ弁の絞り制御要否判断によって、ＥＧＲ弁の絞り制御要と判断された場合に、ＥＧＲ弁１３を通常設定開度Ｆｘｙよりも所定絞り開度ΔＦ分だけ絞ることでＥＧＲ量を抑制する制御である。

まず、ＥＣＵ２０は、ＥＧＲ弁の絞り制御の開始にあたって（Ｓ２０１）、ＥＧＲ弁絞り制御実行フラグｔｈが１であるか否かを判定する（Ｓ２０２）。このとき、ＥＧＲ弁絞り制御実行フラグｔｈが１でない場合は、Ｓ２１１へ移行し本制御を実行しない。
また、ＥＣＵ２０は、ＥＧＲ弁絞り制御実行フラグｔｈが１である場合は、解除タイマーＴをセットし、同時に解除タイマーＴのカウントダウンを開始する（Ｓ２０３）。
次に、ＥＣＵ２０は、ＥＧＲ弁１３の所定絞り開度ΔＦを設定し（Ｓ２０４）、ＥＧＲ弁開度Ｆを通常設定開度Ｆｘｙよりも所定絞り開度ΔＦ分だけ絞る補正を行う（Ｓ２０５）。なお、通常設定開度Ｆｘｙについて詳細は後述する。

ＥＣＵ２０は、目標回転数Ｎｍと実回転数Ｎとの回転数差が第二閾値ΔＮ２より小さいか否かを判定する（Ｓ２０６）。このとき、前記回転数差が第二閾値ΔＮ２より小さい場合は、Ｓ２１０に移行する。

目標回転数Ｎｍとは、アイソクロクロナス制御であれば、アイドル運転時の回転数設定手段によって設定された回転数であり、ドループ制御であれば、アイドル運転時の回転数設定手段によって設定された回転数からドループ特性に従って減じられた回転数をいう。また、回転数設定手段とは、アクセル又はスロットルレバーをいう。
第二閾値ΔＮ２とは、目標回転数Ｎｍ以下の所定回転数域であって、目標回転数Ｎｍに十分近づいたと判断できる目標域である。また、実回転数Ｎが十分に目標域に復帰した場合は、過給機１１が正常に作動していると判断できる。
そのため、過給機１１が正常に作動するようになったと判断される状況では、遅滞なくＥＧＲ量を回復できる。

ＥＣＵ２０は、前記回転数差が第二閾値ΔＮ２以上の場合であり、かつ、上述したＥＧＲ弁の絞り制御要否判断において再度ＥＧＲ弁の絞り制御が要であると判断された場合は（Ｓ２０７）、解除タイマーＴを再セットし、同時にカウントダウンを再開始する（Ｓ２０８）。
そのため、初回の解除タイマーＴの設定に係らずに、負荷急増が段階的に行われた場合にもＥＧＲ弁の絞り制御を適切に続行することができる。

ＥＣＵ２０は、解除タイマーＴのカウントダウンが終了したか否かを判定し（Ｓ２０９）、カウントダウンが終了していない場合はＳ２０４〜Ｓ２０８を繰り返す。
また、ＥＣＵ２０は、解除タイマーＴのカウントダウンが終了した場合は、ＥＧＲ弁絞り制御実行フラグｔｈをリセットし（Ｓ２１０）、ＥＧＲ弁開度Ｆを通常設定開度Ｆｘｙに補正する（Ｓ２１１）。
このようにして、負荷状態によって実回転数Ｎが目標域まで復帰しなくとも過給機１１が正常に作動している場合には、不要なＥＧＲ量の抑制を回避できる。

図４に示すように、ＥＧＲ弁１３の通常設定開度Ｆｘｙは、実回転数Ｎ毎、並びに、ラック位置Ｌ毎に表される通常設定開度マップ３２として、予めＥＣＵ２０に記憶されている。
実回転数Ｎは、Ｎ（ｘ）として、Ｎ（ｍｉｎ）〜Ｎ（ｍａｘ）まで表されている。他方、ラック位置Ｌ（ｙ）は、Ｌ（ｍｉｎ）〜Ｌ（ｍａｘ）まで表されている。つまり、実回転数Ｎのセル数×ラック位置Ｌのセル数の数だけ各通常設定開度Ｆｘｙが設定されている。
このようにして、通常運転において、エンジン１０の実回転数Ｎ並びに負荷率に応じたＥＧＲ率を設定できる。

本発明に係る過給機及びＥＧＲ装置を備えるエンジンの全体的な構成を示した構成図。 同じくＥＧＲ弁の絞り制御要否判断を示すフロー図。 同じくＥＧＲ弁の絞り制御を示すフロー図。 同じくＥＧＲ弁の通常設定開度マップを示すテーブル図。

符号の説明

１０ エンジン
１１ 過給機
１２ 排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置
１３ ＥＧＲ弁
１４ ＥＧＲ通路
１５ 吸気管
１６ 排気管
１７ コンプレッサー
１８ 排気タービン
２０ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ（ＥＣＵ）
３２ 通常設定開度マップ
ｍ 判定フラグ
ｔｈ ＥＧＲ弁絞り制御実行フラグ
Ｆｘｙ 通常設定開度
ΔＦ 所定絞り開度
Ｎ 実回転数
Ｎ´ １周期前にサンプリングされた実回転数
Ｎｍ 目標回転数
ΔＮ１ 第一閾値
ΔＮ２ 第二閾値
Ｔ 解除タイマー

Claims (6)

1. 過給機及び排気ガス再循環(ＥＧＲ)装置を有するエンジンで、該エンジンの回転数を無負荷(アイドル)又は軽負荷運転から高負荷(負荷増加)状態に移行したときに目標回転数をアイドル運転時と同一に保つ(アイソクロナス)制御、或いは目標回転数をアイドル運転時よりも負荷状態に応じて所定割合で減少する(ドループ)制御を行うエンジンにおいて、
   実回転数を検出し、所定周期前の実回転数と最新の実回転数との差が所定回数連続して第一閾値よりも大きい場合には、前記ＥＧＲ装置のＥＧＲ弁を負荷状態に対応した通常設定開度よりも所定開度分だけ絞る、或いはＥＧＲ弁を全閉とするＥＧＲ弁絞り制御を行うことを特徴とするエンジン。
2. 請求項１記載のエンジンにおいて、
   最新の実回転数が所定回転数よりも大きい場合には、前記ＥＧＲ弁絞り制御を行わないことを特徴とするエンジン。
3. 請求項１記載のエンジンにおいて、
   前記ＥＧＲ弁絞り制御を行うための閾値判定において初回判定時のエンジン負荷率が所定負荷率よりも大きい場合には、前記ＥＧＲ弁絞り制御を行わないことを特徴とするエンジン。
4. 請求項１記載のエンジンにおいて、
   目標回転数と最新の実回転数との差が第二閾値よりも小さい場合には、ＥＧＲ弁開度を負荷状態に対応した通常設定開度に復帰することを特徴とするエンジン。
5. 請求項４記載のエンジンにおいて、
   前記ＥＧＲ弁絞り制御の開始時点から解除タイマーを作動して、目標回転数と最新の実回転数との差が第二閾値よりも小さくなっていない場合であり、かつ、該解除タイマーの計測時間が所定時間となった場合には、ＥＧＲ弁開度を負荷状態に対応した通常設定開度に復帰することを特徴とするエンジン。
6. 請求項５記載のエンジンにおいて、
   請求項１記載のＥＧＲ絞り制御実行条件が再度成立した場合には、前記解除タイマーを再セットして再作動することを特徴とするエンジン。
   

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