JP7013713B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に関する。

内燃機関の燃料として、液化石油ガス（ＬＰＧ）や圧縮天然ガス（ＣＮＧ）などのガス燃料を使用する内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４－３３２５７０号公報

ところで、ＣＮＧ燃料を燃料とする内燃機関の場合、ディーゼルエンジンと比較して圧縮比が低いため、熱効率が劣り、排気温度も高くなる。排気温度が高いため、排気ブレーキ作動時は大きな制動力が得られるが、圧縮比が低い分、排気温度の低下に対する排気ガスの圧力の低下幅が大きい。

したがって、排気ブレーキ作動時に、この作動を開始して時間が経過するにつれて排気ガスの温度が徐々に低下していくが、排気ガスの圧力は大きく低下するため、車両の減速に必要となる制動力の確保が困難になる虞がある。

本発明の目的は、排気ブレーキ作動時に排気ブレーキ力を常時確保することができる内燃機関を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、圧縮天然ガス燃料をその燃料として、圧縮比が軽油を燃料とするディーゼルエンジンよりも低いために排気温度の低下に対する排気ガスの圧力の低下幅が前記ディーゼルエンジンよりも大きい内燃機関の吸気通路にスロットルバルブを備えるとともに、前記内燃機関の排気通路に排気バルブを備えて構成される内燃機関において、吸気ガスの圧力を取得する圧力取得装置と、前記スロットルバルブ、及び、前記排気バルブの動作を制御する制御装置を備え、前記制御装置により前記排気バルブを制御して排気ブレーキを作動させている間に、前記圧力取得装置が取得した吸気ガスの圧力と排気ブレーキの作動を開始してから時間が経過するにつれて徐々に大きくなるように変動する目標圧力との比較に基づいて、前記制御装置により、排気ガスの温度が前記排気ブレーキの作動を開始してから時間が経過するにつれて低下することに伴う排気ガスの圧力低下分を補填するように前記スロットルバルブの開度を調整する制御を行う構成にしたことを特徴とする。

本発明によれば、排気ブレーキの作動時に、この作動を開始してから時間が経過するにつれて排気ガスの温度が低下しても、排気ガスの圧力を代用する圧力である吸気ガスの圧力が目標圧力を維持するように、スロットルバルブの開度を調整するので、排気ブレーキ力を維持することができる。

より詳細には、排気ブレーキの作動時に、この作動を開始してから時間が経過するにつれて排気ガスの温度が低下し、この排気ガスの温度低下に伴い排気ガスの圧力も低下するが、スロットルバルブの開度を徐々に大きくしてエンジンの気筒内への吸気量を増加させることで、排気ガスの温度低下に伴う圧力低下分を補填するだけの排気ガスの圧力上昇を発生させるので、必要な大きさの排気ブレーキ力を排気ブレーキの作動時の間確保することができる。

また、センサ等により吸気ガスの圧力を取得して、この取得した圧力を排気ガスの圧力として代用することで、排気通路に高い耐圧性及び耐熱性を要求される圧力センサを設ける必要がなくなるので、低コスト化を図ることができる。

本発明の内燃機関の構成を示す図である。 本発明の内燃機関を用いた制御方法の制御フローを示す図である。

以下、本発明に係る実施形態の内燃機関について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明では、ターボ式過給システムを備えたエンジン（内燃機関）１を例に説明しているが、ターボ式過給システムを備えないエンジンに対しても本発明を適用することができる。

図１に示すように、このエンジン１は、気筒（シリンダ）２の内部にピストン３が配設され、このピストン３とシリンダヘッド（気筒２の上端部）の間に燃焼室４が形成される。ピストン３はコンロッド５を介してクランク軸６に接続されている。燃焼室４には吸入される空気とＣＮＧ燃料Ｆの混合気を点火する点火プラグ７が配設される。

エンジン１には、吸気弁８を介して吸気通路９が接続される。吸気通路９には、上流側より順に、エアクリーナ１０、ターボ式過給システムのコンプレッサ１１、インタークーラ１２、スロットルバルブ１３、燃料噴射弁１４が配設される。

エアクリーナ１０は、吸気通路９に吸気される新気（大気）に含まれる塵を除去する装置である。ターボ式過給システムは、後述するタービン１７を排気ガスＧにより回転駆動することで、このタービン１７と直結するコンプレッサ１１を駆動して吸気Ａを圧縮するシステムである。インタークーラ１２は、コンプレッサ１１で過給された吸気を冷却する装置である。スロットルバルブ１３は、燃焼室４への吸気量を調整するためのバルブである。燃料噴射弁１４は、ＣＮＧ燃料Ｆを噴射する装置である。点火プラグ７は、吸入される空気と燃料噴射弁１４で噴射されたＣＮＧ燃料Ｆの混合気を点火する装置である。

エンジン１には、排気弁１５を介して排気通路１６が接続される。排気通路１６には、上流側より順に、ターボ式過給システムのタービン１７、排気ガス浄化装置１８、排気バルブ１９、消音機２０が配設される。また、排気通路１６には、タービン１７をバイパスするバイパス通路２１が接続される。バイパス通路２１には、ウエストゲートバルブ２２が配設される。ウエストゲートバルブ２２は、専用のアクチュエータ２３に接続される。

排気バルブ１９は、エンジン１を備えた車両の制動時にエンジンブレーキを補強するための排気ブレーキを必要に応じて作動させるためのバルブである。排気ガス浄化装置１８は、三元触媒等、排気ガスＧに含まれるＮＯｘ等を浄化するための触媒を担持する装置である。消音機２０は、排気ガスＧの排気音を低減させるための装置である。

ウエストゲートバルブ２２は、開弁して排気ガスＧをバイパス通路２１側にバイパスさせて過給圧の調整をするためのバルブである。

エンジン１には、排気通路１６と吸気通路９を接続するＥＧＲ通路２４が備わる。ＥＧＲ通路２４は、排気ガスＧに含まれるＮＯｘ量の低減のために、排気ガスＧの一部をＥＧＲガスとして排気通路１６から吸気通路９に還流するための通路で、上流側より順に、ＥＧＲクーラ２５、ＥＧＲバルブ２６が配設される。ＥＧＲクーラ２５は、高温のＥＧＲガスＧｅをエンジン冷却水等の冷却媒体で低温化するための装置である。ＥＧＲバルブ２６はＥＧＲガスＧｅの還流量を調整するための装置である。

エンジン１には、ノックセンサ２７、冷却水温度センサ２８、クランク角度センサ（クランク角取得装置）２９、カム角度センサ３０、燃料温度センサ３１、燃料圧力センサ３２が備わる。ノックセンサ２７は、エンジン１にノッキングが発生しているか否かを検出するためのセンサである。冷却水温度センサ２８は、エンジン１の冷却媒体であるエンジン冷却水の温度を検出するためのセンサである。クランク角度センサ２９は、クランク軸６の角度を検出するためのセンサである。カム角度センサ３０は、吸気弁８及び排気弁１５を動作させるカムの角度を検出するためのセンサである。燃料温度センサ３１、燃料圧力センサ３２は、燃料噴射弁１４への燃料供給用の通路に備わり、燃料噴射弁１４に供給される燃料Ｆの温度、圧力を検出するためのセンサである。

エンジン１の吸気通路９には、上流側より順に、吸気温度センサ３３、吸気圧力センサ（圧力取得装置）３４が備わる。吸気温度センサ３３はスロットルバルブ１３通過後の吸気Ａの温度を検出するための装置である。吸気圧力センサ３４は、スロットルバルブ１３通過後の吸気ガスＡ＋Ｇｅの圧力を検出するための装置である。

エンジン１の排気通路１６には、上流側より順に、空燃比センサ３５、酸素センサ３６が備わる。空燃比センサ３５は排気ガスＧの空燃比を検出するための装置である。酸素センサ３６は排気ガスＧ中の酸素の量を検出する装置である。

制御装置３７は、各種情報処理を行うＣＰＵ、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されるハードウェアである。制御装置３７は、上記した吸気圧力センサ３４等の各種センサ、スロットルバルブ１３や排気バルブ１９等の各種バルブに信号線を介して電気的に接続されている。なお、図１では、図の煩雑さを避けるために、吸気圧力センサ３４、スロットルバルブ１３及び排気バルブ１９と制御装置３７の間の信号線以外の信号線は省略している。

大気より吸気通路９に流入した吸気Ａはコンプレッサ１１で過給された後、スロットルバルブ１３によりその流量を調整されてからＥＧＲガスＧｅと合流する。吸気ガスＡ＋Ｇｅは、燃料噴射弁１４より噴射された燃料Ｆと混合され、開弁した吸気弁８を介して燃焼室４に流入し、点火プラグ７で点火し、燃焼する。この燃焼によりピストン３は上下方向に往復摺動されて、この往復摺動の動力がクランク軸６の回転動力に変換されて、このクランク軸６の回転動力が車輪に伝達されることで車両は走行する。

この燃焼により生成された排気ガスＧは、開弁した排気弁１５を介して排気通路１６に排出される。排気通路１６に流出した排気ガスＧの一部はＥＧＲガスＧｅとして、ＥＧＲ通路２４を経由してスロットルバルブ１３より下流側の吸気通路９に還流される。残りの排気ガスＧは、タービン１７（必要に応じてバイパス通路２１）、排気ガス浄化装置１８、排気バルブ１９、消音機２０を経由して、大気へ放出される。

車両の走行中に運転者がアクセルペダルを離したとき、燃料噴射弁１４からの燃料噴射が停止され、エンジン１の動力が車両の走行に対する抵抗力となって（エンジンブレーキが発生して）、車両の制動が開始される。エンジンブレーキだけでは制動力が確保できない場合には、運転者がスイッチ等を操作することで制御装置３７により排気バルブ１９を閉弁制御して排気ブレーキを作動させるか、または、ブレーキペダルを踏んでフットブレーキを作動させることで、車両の制動力を向上させる。

排気ブレーキの作動時には、この作動を開始してから時間が経過するにつれて排気ガスＧの温度が低下し、この排気ガスＧの温度低下に伴い排気ガスＧの圧力も低下するため、排気ブレーキ力も低下する。

本発明では、排気ブレーキの作動時に、吸気圧力センサ３４が取得した吸気ガスＡ＋Ｇｅの圧力Ｐを排気ガスＧの圧力の代用値として、この代用値である吸気ガスＡ＋Ｇｅの圧力Ｐに基づいて、制御装置３７により、吸気ガスＡ＋Ｇｅの圧力Ｐが予め設定される目標圧力Ｐｔを維持するように、スロットルバルブ１３の開度を調整する制御を行うことで、排気ガスＧの温度低下に伴う圧力低下分に相当する圧力分だけ排気ガスＧの圧力を上昇させて、排気ブレーキ力を維持する。

より詳細には、排気ブレーキの作動時に、排気ガスＧの温度低下に伴う圧力低下が進行するにつれて、スロットルバルブ１３の開度を徐々に大きくしてエンジン１の気筒２内への吸気量を徐々に増加させることで、排気ガスＧの温度低下に伴う圧力低下分を補填するだけの圧力上昇を発生させて、吸気ガスＡ＋Ｇｅの圧力Ｐを目標圧力Ｐｔに維持する。このようにすることで、排気ブレーキ力を維持することができる。

なお、目標圧力Ｐｔは、排気ブレーキの作動時に、制御装置３７により、エンジン回転数に基づいて設定する変動値である。エンジン回転数は、エンジン１に備えたエンジン回転数センサにより検出してもよいし、制御装置３７にエンジン回転数の演算用のプログラムを組み込んで、このプログラムにより、クランク角度センサ２９が取得したクランク軸６の角度に基づいて算出するようにしてもよい。エンジン回転数センサ、または、エンジン回転数の演算用のプログラムが、本発明の回転数取得装置に相当する。

また、目標圧力Ｐｔには、上限値Ｐ１が予め設定される。上限値Ｐ１は、排気通路を構成する排気管やＥＧＲ通路を構成するＥＧＲ管等の排気系統の装置の破損を防止することができる最大限の値である。制御装置３７がエンジン回転数に基づいて算出した目標圧力Ｐｔが上限値Ｐ１を上回るときは、目標圧力Ｐｔを上限値Ｐ１に強制的に設定する。

本発明の内燃機関を用いた制御方法の制御フローについて図２を参照しながら説明する。図２に示す制御フローは、エンジン１の運転時に周期的に実施される制御フローである。

図２に示す制御フローがスタートすると、ステップＳ１０にて、排気ブレーキが作動しているか否かを判定する。排気ブレーキが作動している場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ２０に、作動していない場合（ＮＯ）は、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ１０からステップＳ２０に進んだ場合、ステップＳ２０にて、吸気圧力センサ３４の検出値に基づいて、吸気ガスＡ＋Ｇｅの圧力Ｐを取得する。ステップＳ２０の制御を実施後、ステップＳ３０に進む。ステップＳ３０にて、吸気ガスＡ＋Ｇｅの圧力Ｐが目標圧力Ｐｔを維持するように、スロットルバルブ１３の開度を圧力Ｐに応じて調整する制御を行う。ステップＳ３０の制御を実施後、リターンして、スタートに戻る。

ステップＳ１０からステップＳ４０に進んだ場合、ステップＳ４０にて、スロットルバルブ１３をエンジン運転状態に合わせて開度を調整する。ステップＳ４０の制御を実施後、リターンして、スタートに戻る。

以上より、本発明によれば、排気ブレーキの作動時に、この作動を開始してから時間が経過するにつれて排気ガスＧの温度Ｔが低下しても、排気ガスＧの圧力を代用する吸気ガスＡ＋Ｇｅの圧力Ｐが目標圧力Ｐｔを維持するように、スロットルバルブ１３の開度を調整するので、排気ブレーキ力を維持することができる。

より詳細には、排気ブレーキの作動時に、この作動を開始してから時間が経過するにつれて排気ガスＧの温度Ｔが低下し、この排気ガスＧの温度低下に伴い排気ガスＧの圧力Ｐも低下するが、スロットルバルブ１３の開度を徐々に大きくしてエンジン１の気筒２内への吸気量を増加させることで排気ガスＧの温度低下に伴う圧力低下分を補填するだけの排気ガスＧの圧力上昇を発生させるので、必要とされる大きさの排気ブレーキ力をブレーキの作動の間確保することができる。

また、吸気通路９でセンサ等により吸気ガスＡ＋Ｇｅの圧力を取得して、この取得した圧力Ｐを排気ガスＧの圧力の代用とすることで、排気通路１６に高い耐圧性及び耐熱性を要求される圧力センサを設ける必要がなくなるので、低コスト化を図ることができる。

また、目標圧力Ｐｔをエンジン回転数に基づいて設定することで、エンジン１の運転状態に応じて必要となる排気ブレーキ力を確保することができる。

１ エンジン（内燃機関）
６ クランク軸
９ 吸気通路
１３ スロットルバルブ
１６ 排気通路
１９ 排気バルブ
２４ ＥＧＲ通路
２９ クランク角度センサ（クランク角取得装置）
３４ 吸気圧力センサ（圧力取得装置）
３７ 制御装置
Ｆ ＣＮＧ燃料
Ｇ 排気ガス
Ｐ 吸気ガスの圧力
Ｐｔ 吸気ガスの圧力の目標値（目標圧力）

Claims (4)

1. 圧縮天然ガス燃料をその燃料として、圧縮比が軽油を燃料とするディーゼルエンジンよりも低いために排気温度の低下に対する排気ガスの圧力の低下幅が前記ディーゼルエンジンよりも大きい内燃機関の吸気通路にスロットルバルブを備えるとともに、前記内燃機関の排気通路に排気バルブを備えて構成される内燃機関において、
   吸気ガスの圧力を取得する圧力取得装置と、前記スロットルバルブ、及び、前記排気バルブの動作を制御する制御装置を備え、
   前記制御装置により前記排気バルブを制御して排気ブレーキを作動させている間に、前記圧力取得装置が取得した吸気ガスの圧力と排気ブレーキの作動を開始してから時間が経過するにつれて徐々に大きくなるように変動する目標圧力との比較に基づいて、前記制御装置により、排気ガスの温度が前記排気ブレーキの作動を開始してから時間が経過するにつれて低下することに伴う排気ガスの圧力低下分を補填するように前記スロットルバルブの開度を調整する制御を行う構成にしたことを特徴とする内燃機関。
2. 前記内燃機関は前記排気通路と前記吸気通路とを接続する排気還流通路を備え、前記圧力取得装置は、吸気ガスの流れに関して前記吸気通路と前記排気還流通路との合流地点よりも下流に配置される請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記内燃機関のクランク軸の角度を取得するクランク角取得装置と、このクランク角取得装置が取得した前記クランク軸の角度に基づいて前記内燃機関の回転数を取得する回転数取得装置とを備えて、
   排気ブレーキを作動させている間に、前記制御装置により、前記目標圧力を、前記回転数取得装置が取得した前記内燃機関の回転数に基づいて変動させながら、排気ブレーキの作動を開始してから時間が経過するにつれて徐々に大きくなるように変動させる制御を行う構成にしたことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 前記目標圧力は予め設定された上限値まで変動する請求項１～３のいずれか１項に記載の内燃機関。

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