JP5724296B2 - エンジンシステム - Google Patents

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Description

本発明は、エンジンブレーキ時に、エンジンの圧縮上死点付近で排気弁を強制的に開動作し圧縮圧力を開放することで制動力を得る圧縮開放ブレーキを用いるエンジンシステムに関するものである。
一般的に、下り坂などブレーキをかける頻度が高いときにエンジンブレーキを併用することが行われている。しかし、トラックやバスなどの大型車両では、もともと車両重量が大きい上に積載荷重が加わるため、積載荷重が大きい場合や坂道が急勾配である場合には、十分なエンジンブレーキの効果が得られないことがある。
そこで、エンジンブレーキ時に、強力な制動力が得られる圧縮開放ブレーキを補助的に用いることが行われている。圧縮開放ブレーキは、エンジンの圧縮上死点付近で排気弁を強制的に開動作し圧縮圧力を開放することで、膨張行程でピストンを押し下げる力の発生を抑制して、圧縮工程で得た制動力を有効に作用させるものである。
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１〜４、非特許文献１がある。
特開２００７−２３９６５５号公報 特開平９−１０４２５９号公報 特開２００６−１７７１７１号公報 特開２０１０−２０９７３５号公報
茨木誠一、他４名、「電動アシストターボチャージャ"ハイブリッドターボ"の開発」、三菱重工技報、Ｖｏｌ．４３、Ｎｏ．３、２００６年、ｐ．３６−４０
ところで、近年、車両の燃費向上及びＣＯ2排出量の低減のために、エンジンの排気量を小さく（エンジン・ダウンサイジング）し、ターボチャージャ等の過給機で動力性能を確保する技術の開発が盛んに行われている。
しかしながら、エンジン・ダウンサイジングによりエンジンの排気量が小さくなると、圧縮開放ブレーキの制動力が減少してしまうという問題がある。
圧縮開放ブレーキの制動力を増加させるためには、圧縮圧力を大きくして圧縮工程での仕事を大きくすればよい。圧縮圧力を大きくするためには、過給圧（ブースト圧）を高めることが考えられるが、エンジンブレーキ中にはトルクを発生する燃料噴射が不可能であり、排気エネルギの上昇には限界があるため、ターボチャージャによるブースト圧の上昇には限界がある。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、エンジンブレーキ中に十分なブースト圧を確保でき、圧縮開放ブレーキの制動力を向上可能なエンジンシステムを提供することにある。
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、エンジンブレーキ時に、エンジンの圧縮上死点付近で排気弁を強制的に開動作し圧縮圧力を開放することで制動力を得る圧縮開放ブレーキを作動させる圧縮開放ブレーキ装置と、前記エンジンの排気通路に配置されて排気により駆動されるタービンと、吸気通路に配置されて前記タービンの回転トルクにより駆動されるコンプレッサと、前記コンプレッサの駆動力をアシストする電気モータと、を有する電動アシストターボチャージャと、前記圧縮開放ブレーキの作動中に、前記電気モータを駆動する電気モータ制御部と、を備えたエンジンシステムである。
前記電気モータ制御部は、前記圧縮開放ブレーキの作動中で、かつ、アクセル戻し方向のアクセル開度の変化量が予め設定した閾値よりも大きいときに、前記電気モータを駆動するように構成されてもよい。
前記電気モータ制御部は、アクセル戻し方向のアクセル開度の変化量に応じた回転数で前記電気モータを駆動するように構成されてもよい。
本発明によれば、エンジンブレーキ中に十分なブースト圧を確保でき、圧縮開放ブレーキの制動力を向上可能なエンジンシステムを提供できる。
本発明の一実施の形態に係るエンジンシステムの概略構成図である。 図１のエンジンシステムにおいて、圧縮開放ブレーキ作動時のＰＶ線図である。
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
図１は、本実施の形態に係るエンジンシステムの概略構成図である。
図１に示すように、エンジンシステム１は、エンジンＥの排気通路６に配置されて排気により駆動されるタービン３と、吸気通路７に配置されてタービン３の回転トルクにより駆動されるコンプレッサ４と、コンプレッサ４の駆動力をアシストする（タービン３の回転トルクをアシストする）電気モータ５と、を有する電動アシストターボチャージャ（ハイブリッドターボ）２を備えている。
電動アシストターボチャージャ２の電気モータ５は、タービン３とコンプレッサ４の間、より具体的には、タービン３のタービンホイール３ａとコンプレッサ４のコンプレッサホイール４ａとを連結するターボ軸８に一体に設けられる。電気モータ５は、例えばＤＣサーボモータからなる。なお、電気モータ５はターボ軸８と一体に設けられているため、電気モータ５の回転数は電動アシストターボチャージャ２の回転数（ターボ回転数）と等しくなる。電動アシストターボチャージャ２の詳細な構造は、従来技術に属するため、ここでは説明を省略する。以下、電動アシストターボチャージャ２を単にターボチャージャ２と呼称する。
排気通路６の最上流はエンジンＥの排気マニホールド９に接続され、その下流側の排気通路６には、ターボチャージャ２のタービン３、排気スロットル１１、排気ガス浄化装置１２が順次設けられ、排気通路６の最下流は大気開放される。
吸気通路７の最上流にはエアフィルタ１３が設けられ、その下流側の吸気通路７には、ターボチャージャ２のコンプレッサ４、インタークーラ（チャージエアクーラ）１４、給気スロットル１５が順次設けられ、吸気通路７の最下流はエンジンＥの吸気マニホールド１０に接続される。
また、このエンジンシステム１では、エンジンＥから排出される排気ガスの一部を吸気側に還流させるＥＧＲ制御を行うようになっている。具体的には、タービン３の上流側の排気通路６と、給気スロットル１５の下流側の吸気通路７とを接続するようにＥＧＲ管１８が設けられ、そのＥＧＲ管１８には、吸気側に還流させる排気ガスの量であるＥＧＲ量（あるいはＥＧＲ率）を調整するためのＥＧＲバルブ１６と、吸気側に還流させる排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ１７とがそれぞれ設けられる。
さらに、エンジンシステム１は、エンジンブレーキ時に、エンジンＥの圧縮上死点付近で排気弁２４を強制的に開動作し圧縮圧力を開放することで制動力を得る圧縮開放ブレーキ装置１９を備えている。圧縮開放ブレーキ装置１９は、圧縮開放ブレーキを作動させるか否かをオンオフで切り替える切替スイッチ２０と、切替スイッチ２０がオンであるとき、エンジンブレーキ作動時に圧縮上死点付近で排気弁２４を強制的に開動作する圧縮開放ブレーキ制御部２１と、を備えている。
さらにまた、エンジンシステム１は、圧縮開放ブレーキの作動中に、電気モータ５を駆動する電気モータ制御部２２を備えている。圧縮開放ブレーキ制御部２１と電気モータ制御部２２は、電子制御装置（Electronical Control Unit；ＥＣＵ）２３にプログラムとして組み込まれる。なお、ＥＣＵ２３には、エンジンＥの制御を行うため、エンジン速度や燃料噴射量、アクセル開度など、あらゆるエンジンパラメータが認識されるようになっている。
電気モータ制御部２２は、圧縮開放ブレーキの作動中で、かつ、アクセル戻し方向のアクセル開度の変化量（つまりアクセルの戻し量）が予め設定した閾値よりも大きいときに、電気モータ５を駆動するように構成される。つまり、エンジンシステム１では、アクセルの戻し量が小さいときには、電気モータ５を駆動せずに圧縮開放ブレーキのみを作動させ、アクセルの戻し量が大きいときのみ、電気モータ５を駆動して圧縮開放ブレーキの制動力を向上させるようになっている。
また、電気モータ制御部２２は、アクセル戻し方向のアクセル開度の変化量に応じた回転数で電気モータ５を駆動するように構成される。これにより、圧縮開放ブレーキの作動中にエンジンＥに供給される空気量を調節し、圧縮開放ブレーキの制動力を調節することが可能となり、アクセルの戻し量が多いほど制動力を大きくすることが可能となる。
図２に実線で示すように、圧縮開放ブレーキの作動中に電気モータ５を駆動すると、ブースト圧が上昇して圧縮工程の始まりの圧力が高くなる。その結果、圧縮工程の終わりの圧力も高くなり、電気モータ５を駆動しない場合（破線）と比較して、反時計回りのループの面積、すなわち負の仕事量（制動力）が大きくなる。この反時計回りのループの面積は、ブースト圧により調節可能であるから、電気モータ５の駆動量を制御（例えば、電気モータ５に印加する電圧の大きさを制御）することで、所望の制動力を得ることが可能である。
以上説明したように、本実施の形態に係るエンジンシステム１では、電気モータ５を有する電動アシストターボチャージャ２を用い、圧縮開放ブレーキの作動中に、電気モータ５を駆動するようにしている。
エンジンブレーキ中は、燃料を噴射しないので排気エネルギが低下して、ターボ回転数も低下するが、本発明によれば、電気モータ５を駆動することで、エンジンブレーキ中のブースト圧を上昇し、圧縮開放ブレーキの制動力を向上して、強力な制動力を得ることが可能になる。
また、本発明によれば、エンジンを小排気量化しても十分な制動力を得ることができるため、さらなるエンジン・ダウンサイジングが可能となり、燃費をより向上させることが可能となる。
さらに、エンジンシステム１では、圧縮開放ブレーキの作動中で、かつ、アクセル戻し方向のアクセル開度の変化量が予め設定した閾値よりも大きいときに、電気モータ５を駆動するようにし、アクセル戻し方向のアクセル開度の変化量に応じた回転数で電気モータ５を駆動するようにしている。
従来のエンジンシステムでは、高速道路にて長い下り坂が続く場合、あるいは割り込みが頻繁にある場合などに、安全のために切替スイッチ２０をオン（圧縮開放ブレーキを使用するモード）に切り替えておくと、制動力が大きくなりすぎて逆にアクセルを踏む量が多くなり、燃費が悪くなるといった問題が発生していたが、本発明によれば、アクセルの戻し量に応じて制動力を調整できるので、このような不具合も解消できる。例えば、エンジン・ダウンサイジングにより圧縮開放ブレーキのみを作動させたときの制動力を現状より小さくし、かつ、アクセルの戻し量が大きいときに、電気モータ５のアシストにより現状の制動力と同等あるいはそれ以上の制動力を得られるようにすれば、上述の不具合を解消し、同時に燃費向上も実現できる。
また、電動アシストターボチャージャ２では、排気エネルギに余裕があるときには、電気モータ５を発電機として用いて回生電力を得ることもできる。
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
１ エンジンシステム
２ 電動アシストターボチャージャ
３ タービン
４ コンプレッサ
５ 電気モータ
６ 排気通路
７ 吸気通路
１９ 圧縮開放ブレーキ装置
２２ 電気モータ制御部

Claims (3)

  1. エンジンブレーキ時に、エンジンの圧縮上死点付近で排気弁を強制的に開動作し圧縮圧力を開放することで制動力を得る圧縮開放ブレーキを作動させる圧縮開放ブレーキ装置と、
    前記エンジンの排気通路に配置されて排気により駆動されるタービンと、吸気通路に配置されて前記タービンの回転トルクにより駆動されるコンプレッサと、前記タービンと前記コンプレッサとを連結するターボ軸に一体に設けられ、前記コンプレッサの駆動力をアシストする電気モータと、を有する電動アシストターボチャージャと、
    前記圧縮開放ブレーキの作動中のみに、前記電気モータを駆動する電気モータ制御部と、
    を備えたことを特徴とするエンジンシステム。
  2. 前記電気モータ制御部は、前記圧縮開放ブレーキの作動中で、かつ、アクセル戻し方向のアクセル開度の変化量が予め設定した閾値よりも大きいときのみに、前記電気モータを駆動するように構成される
    請求項１記載のエンジンシステム。
  3. 前記電気モータ制御部は、アクセル戻し方向のアクセル開度の変化量に応じた回転数で前記電気モータを駆動するように構成される
    請求項１または２記載のエンジンシステム。
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