JP2008088858A - ディーゼルエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ過給機を装備したディーゼルエンジンのＥＧＲ装置において、排気と吸気通路間の差圧調整手段を併用することなく必要なＥＧＲ率を確保する。
【解決手段】ターボ過給機１を装備したディーゼルエンジン２において、排気マニホールド３とターボ過給機１のタービン１ａとを接続する排気通路４にディーゼルパティキュレートフィルタ５を配設すると共に、この排気通路４とターボ過給機１のコンプレッサ１ｂ上流側とを接続するＥＧＲ通路６を設けたことを特徴とするディーゼルエンジンの構成とする。
【選択図】図３

Description

この発明は、ディーゼルエンジンに関する。

従来では、ターボ過給機を装備したディーゼルエンジンにおいて、排気性能を向上させる手段として、吸気通路に吸気絞り手段を設けてエンジンに導入される吸入空気の空気過剰率を運転状態に応じて制御することや、排気通路と吸気通路とを連通する排気ガス再循環（以後ＥＧＲという）通路を設けて排気の一部を運転状態に応じた量だけ吸気通路に還流させるＥＧＲ装置が知られている。（例えば、特許文献１参照）
特開２００６ー１８３５５８号公報

しかしながら、このようなＥＧＲ装置において排気ガスの一部を再循環させるときに、排気通路と吸気通路間の差圧の関係から必要なＥＧＲ率（例えば、排気ガス規制への対応や部分負荷時の燃費低減等）が確保できないという状態が発生するため、この差圧の調整を行う手段として吸気絞り又は排気絞り等を併用することが不可欠な要素となり、これらを駆動及び制御するユニットを必要とすることから、コストアップやシステムの複雑化を招くことになる。

そこで本発明は、ターボ過給機を装備したディーゼルエンジンにおけるＥＧＲ装置において、差圧調整手段としての吸気絞り又は排気絞り等を併用することなく必要なＥＧＲ率を確保できるようにするものである。

請求項１の発明は、ターボ過給機（１）を装備したディーゼルエンジン（２）において、排気マニホールド（３）とターボ過給機（１）のタービン（１ａ）とを接続する排気通路（４）にディーゼルパティキュレートフィルタ（５）を配設すると共に、この排気通路（４）とターボ過給機（１）のコンプレッサ（１ｂ）上流側とを接続するＥＧＲ通路（６）を設けたことを特徴とするディーゼルエンジンの構成とする。

このような構成により、ディーゼルエンジン（２）の作動による排気は、排気マニホールド（３）から排気通路（４）を介してターボ過給機（１）のタービン（１ａ）へ流れ、該タービン（１ａ）を駆動すると共に機外への排出を行う。他方、該タービン（１ａ）によって駆動されるターボ過給機（１）のコンプレッサ（１ｂ）による吸気作用時に、排気通路（４）の適宜位置からＥＧＲ通路（６）を介して該コンプレッサ（１ｂ）の上流側に排気の一部を流すことによって、この排気を、上流側が常に負圧である該コンプレッサ（１ｂ）の吸気に対し抵抗なく合流させることが可能であり、必要なＥＧＲ率を確保することができる。

請求項２の発明は、前記ディーゼルエンジン（２）において、排気通路（４）に配設されたディーゼルパティキュレートフィルタ（５）の下流側と、ターボ過給機（１）のコンプレッサ（１ｂ）上流側とを接続するＥＧＲ通路（６）を設けたことを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの構成とする。

このような構成により、ディーゼルエンジン（２）の作動による排気は、排気マニホールド（３）から排気通路（４）を介しディーゼルパティキュレートフィルタ（５）を経てターボ過給機（１）のタービン（１ａ）へ流れ、該タービン（１ａ）を駆動すると共に機外への排出を行う。他方、該タービン（１ａ）によって駆動されるターボ過給機（１）のコンプレッサ（１ｂ）による吸気作用時に、排気通路（４）の該フィルター（５）を通過した下流側からＥＧＲ通路（６）を介して該コンプレッサ（１ｂ）の上流側に排気の一部を流すことによって、該フィルター（５）によって濾過した排気を、上流側が常に負圧である該コンプレッサ（１ｂ）の吸気に対し抵抗なく合流させることが可能であり、必要なＥＧＲ率を確保することができる。

請求項１の発明では、上記作用の如く、ターボ過給機（１）のコンプレッサ（１ｂ）による吸気作用時に、排気通路（４）からＥＧＲ通路（６）を介して該コンプレッサ（１ｂ）の上流側に排気の一部を流すことにより、この排気を、上流側が常に負圧である該コンプレッサ（１ｂ）の吸気に対し、吸気絞り又は排気絞り等の補助手段を不要とし抵抗なく合流させることができるから、コストアップやシステムの複雑化を避けることができると共に、過給圧に左右されることなく必要なＥＧＲ率を確保することができる。

請求項２の発明では、上記作用の如く、ターボ過給機（１）のコンプレッサ（１ｂ）による吸気作用時に、排気通路（４）のディーゼルパティキュレートフィルター（５）を通過した下流側から、ＥＧＲ通路（６）を介して該コンプレッサ（１ｂ）の上流側に排気の一部を流すことにより、該フィルター（５）によって濾過した排気を、上流側が常に負圧である該コンプレッサ（１ｂ）の吸気に対し、吸気絞り又は排気絞り等の補助手段を不要とし抵抗なく合流させることができるから、コストアップやシステムの複雑化を避けることができると共に、該コンプレッサ（１ｂ）を含む吸気系の汚染防止を可能とし、過給圧に左右されることなく必要なＥＧＲ率を確保することができる。

ターボ過給機１を装備したディーゼルエンジン２において、排気マニホールド３とターボ過給機１のタービン１ａとを接続する排気通路４にディーゼルパティキュレートフィルタ５を配設すると共に、この排気通路４とターボ過給機１のコンプレッサ１ｂ上流側とを接続するＥＧＲ通路６を設ける。また、該排気通路４に配設されたディーゼルパティキュレートフィルタ５の下流側と、ターボ過給機１のコンプレッサ１ｂ上流側とを接続するＥＧＲ通路６を設ける。

以下に、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。
コモンレール式ディーゼルエンジン２について、図１に示す如きシステム図によりその概要を説明する。コモンレール式（蓄圧式燃料噴射）とは、各気筒へ燃料を噴射する燃料噴射装置への燃料供給を要求された圧力とするコモンレール１０（蓄圧室）を介して行うものである。

燃料タンク１１内の燃料は吸入通路により燃料フィルタ１２を介して該エンジン２で駆動される噴射ポンプ１３に吸入され、この噴射ポンプ１３によって加圧された高圧燃料は吐出通路１４によりコモンレール１０に導かれ蓄えられる。

該コモンレール１０内の高圧燃料は各高圧燃料供給通路１６により気筒数分の燃料噴射弁１７に供給され、エンジンコントロールユニット１８（以下ＥＣＵという）からの指令に基づき、各気筒毎に燃料噴射弁１７が開弁作動して、高圧燃料がエンジンの各燃焼室内に噴射供給され、各燃料噴射弁１７での余剰燃料（リターン燃料）は各リターン通路１９により共通のリターン通路２０へ導かれ、このリターン通路２０によって燃料タンク１１へ戻される。

また、コモンレール１０内の燃料圧力（コモンレール圧）を制御するため噴射ポンプ１３に圧力制御弁２１が設けられており、この圧力制御弁２１はＥＣＵ１８からのデューティ信号によって、噴射ポンプ１３から燃料タンク１１への余剰燃料のリターン通路２０の流路面積を調整するものであり、これによりコモンレール１０側への燃料吐出量を調整してコモンレール圧を制御することができる。

具体的には、エンジン運転条件に応じて目標コモンレール圧を設定し、レール圧センサ２２により検出されるコモンレール圧が目標コモンレール圧と一致するよう、圧力制御弁２１を介してコモンレール圧をフィードバック制御する。

農作業機におけるコモンレール式ディーゼルエンジン２のＥＣＵ１８は、図２に示す如く、回転数と出力トルクの関係において走行モードＭ１と通常作業モードＭ２及び重作業モードＭ３の三種類の制御モードを設けている。

走行モードＭ１は、回転数の変動で出力も変動するドループ制御として、農作業を行わず移動走行する場合に使用するものであり、例えば、ブレーキを掛けて走行速度を減速したり停止したりすると、この走行負荷の増大に伴ってエンジン回転数が低下するため走行速度の減速や停止を安全に行うことができる。

通常作業モードＭ２は、負荷が変動しても回転数が一定で出力を負荷に応じて変更するアイソクロナス制御として、通常の農作業を行う場合に使用するものであり、例えば、トラクターであれば耕耘作業時に耕地が固く耕耘刃に抵抗が掛かるとき、コンバインであれば収穫作業時に収穫物が多く負荷が増大したときでも、出力が変動して回転数を維持するのでオペレータが楽に操縦できる。

重作業モードＭ３は、通常作業モードＭ２と同様に負荷が変動しても回転数一定で出力を負荷に応じて変更するアイソクロナス制御に、負荷限界近くになると回転数を上昇させて出力を上げる重負荷制御を加えた制御で、特に、負荷限界近くで農作業を行う場合に使用するものであり、例えば、トラクターで耕耘作業を行っている際に、特に、固い耕地に遭遇してもエンジン出力が通常の限界を越えて増大するので作業を中断することがない。

これらの作業モードＭ１，Ｍ２，Ｍ３は、作業モード切替スイッチの操作、又は走行変速レバーの変速操作、作業クラッチの入り切り操作等によって切り替わるように構成する。

従来、ディーゼルエンジンでは、メイン噴射に先立って少量の燃料をパルス的に噴射するパイロット噴射を行うことにより、着火遅れを短縮してディーゼルエンジン特有の、所謂ノック音を低減することが知られている。

このパイロット噴射は、メイン噴射の前に１回乃至２回に固定して行われるものであったが、前記コモンレール１０のシステムを用いることで、エンジンの状況に応じてパイロット噴射の状態を変化させ、騒音の低減や不完全燃焼による白煙又は黒煙の発生を抑制できる。

ターボ過給機１を装備したディーゼルエンジン２において、図３に示す如く、例えば、排気マニホールド３に内装等を行った排気ガス中の粒子状物質（以後ＰＭという）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ５（以後ＤＰＦという）を、ターボ過給機１のタービン１ａ上流側に接続する排気通路４を設け、この排気通路４に配設されたＤＰＦ５の下流側からＥＧＲクーラ７を経てターボ過給機１のコンプレッサ１ｂ上流側に接続するＥＧＲ通路６を設けると共に、このＥＧＲ通路６と該コンプレッサ１ｂの上流側位置との合流部にＥＧＲバルブ８を配設し、該コンプレッサ１ｂの下流側からインタークーラ２３を経て吸気マニホールド２４に接続する吸気通路２５を設けて構成させる。

このような構成により、ディーゼルエンジン２の作動による排気は、排気マニホールド３から排気通路４によりＤＰＦ５を通りターボ過給機１のタービン１ａへ流れ、このタービン１ａを駆動すると共に機外への排出を行わせる。

他方、該タービン１ａによって駆動されるターボ過給機１のコンプレッサ１ｂによる吸気作用時に、排気通路４においてＤＰＦ５にて濾過された排気の一部をＥＧＲ通路６を介して、ＥＧＲクーラ７を通りＥＧＲバルブ８により流量の制御を行い該コンプレッサ１ｂの上流側に流すことにより、該コンプレッサ１ｂを含む吸気系の汚染を防止して、上流側が常に負圧である該コンプレッサ１ｂの吸気に対し吸気絞り弁等を用いることなく容易に合流させることができるから、システムの複雑化を避けて必要なＥＧＲ率としての排気ガス規制への対応や部分負荷時の燃費低減等の確保が可能であり、この合流させた吸気を吸気通路２５によりインタークーラ２３を経て吸気マニホールド２４へ吸気させることができる。

また、農作業機としてのトラクタ等では、前記コモンレール式ディーゼルエンジン２を搭載しており、図４に示す如く、該エンジン２は、燃料タンク１１，燃料フィルタ１２，噴射ポンプ１３，高圧燃料吐出通路１４，コモンレール１０，各高圧燃料供給通路１６，燃料噴射弁１７，ＥＣＵ１８，各リターン通路１９，共通リターン通路２０，圧力制御弁２１，レール圧センサ２２等によって配置構成されており、該エンジン２の上部近傍位置に、触媒を担持しないＤＰＦ５を内装したマフラー２６を配設すると共に、このマフラー２６のＤＰＦ５入口側の近傍位置に温度センサ２７を配置した構成とする。

トラクタ等に搭載した該エンジン２では、排出ガスの温度が連続的な高負荷運転により自動車等に比べ常時高温が保持できるため、ＤＰＦ５によって捕集された排気ガス中のＰＭを、通常では排出ガスの温度が低い場合に必要となる触媒を担持することなく連続再生できるよう、ＤＰＦ５の入口側近傍に配置した温度センサ２７による検出温度ｔが ｔ１＜ｔ＜ｔ２ のとき、燃料噴射タイミングを適宜量θだけ遅らせる制御を行わせる。このような制御を行うことにより、排気ガス中のＰＭを触媒なしのＤＰＦ５で連続再生が可能となるため、ＤＰＦ５のコストを大幅に低減することができる。（通常、ＰＭは５８０度付近で燃焼可能）
また、前記の如きコモンレール式ディーゼルエンジン２において、図５に示す如く、該エンジン２の上部近傍位置に、触媒を担持しないＤＰＦ５を内装したマフラー２６を配設すると共に、このマフラー２６のＤＰＦ５入口側の近傍位置に温度センサ２７及び圧力センサ２８を各々配置した構成とする。

このような構成により、ＤＰＦ５の入口側近傍に配置した温度センサ２７による検出温度ｔが ｔ１＜ｔ＜ｔ２ のとき、及び温度センサ２７に隣接して配置した圧力センサ２８による検出圧力ｐが ｐ＞ｐ１ のとき、燃料噴射タイミングを適宜量θだけ遅らせる制御を行わせる。このような制御を行うことにより、前記と同様の効果を有する。

また、前記の如きコモンレール式ディーゼルエンジン２において、図６に示す如く、該エンジン２の上部近傍位置に、触媒を担持しないＤＰＦ５を内装したマフラー２６を配設すると共に、このマフラー２６のＤＰＦ５入口側の近傍位置に温度センサ２７及び圧力センサ２８と、ＤＰＦ５出口側の近傍位置に圧力センサ２９とを各々配置した構成とする。

このような構成により、ＤＰＦ５の入口側近傍に配置した温度センサ２７による検出温度ｔが ｔ１＜ｔ＜ｔ２ のとき、及び温度センサ２７に隣接して配置した圧力センサ２８の検出圧力ｐｉに対しＤＰＦ５の出口側近傍に配置した圧力センサ２９の検出圧力ｐｏの関係が ｐ１＜ｐｉ−ｐｏ＜ｐ２ のとき、燃料噴射タイミングを適宜量θだけ遅らせる制御を行わせると共に、検出圧力の関係が、 ｐｉ−ｐｏ＞ｐ２ となったときは警報等により報知させる。このような制御を行うことにより、前記と同様の効果を有する。

また、前記の如きコモンレール式ディーゼルエンジン２において、図７に示す如く、該エンジン２の配置構成のうち、前記図４において配置している噴射ポンプ１３を電子制御タイマー付き噴射ポンプ３０に替えて配置させ、該エンジン２の上部近傍位置に、触媒を担持しないＤＰＦ５を内装したマフラー２６を配設すると共に、このマフラー２６のＤＰＦ５入口側の近傍位置に温度センサ２７を配置した構成とする。

該エンジン２では、排出ガスの温度が連続的な高負荷運転により自動車等に比べ常時高温が保持できるため、ＤＰＦ５によって捕集された排気ガス中のＰＭを、通常では排出ガスの温度が低い場合に必要となる触媒を担持することなく連続再生できるよう、ＤＰＦ５の入口側近傍に配置した温度センサ２７による検出温度ｔが ｔ１＜ｔ＜ｔ２ のとき、燃料噴射タイミングを適宜量θだけ電子制御タイマー付き噴射ポンプ３０のタイマーにより遅らせる制御を行わせる。このような制御を行うことにより、排気ガス中のＰＭを触媒なしのＤＰＦ５で連続再生が可能となるため、ＤＰＦ５のコストを大幅に低減することができる。

また、前記の如き電子制御タイマー付き噴射ポンプ３０を採用したコモンレール式ディーゼルエンジン２において、図８に示す如く、該エンジン２の上部近傍位置に、触媒を担持しないＤＰＦ５を内装したマフラー２６を配設すると共に、このマフラー２６のＤＰＦ５入口側の近傍位置に温度センサ２７及び圧力センサ２８を各々配置した構成とする。

このような構成により、ＤＰＦ５の入口側近傍に配置した温度センサ２７による検出温度ｔが ｔ１＜ｔ＜ｔ２ のとき、及び温度センサ２７に隣接して配置した圧力センサ２８による検出圧力ｐが ｐ＞ｐ１ のとき、燃料噴射タイミングを適宜量θだけ電子制御タイマー付き噴射ポンプ３０のタイマーにより遅らせる制御を行わせる。このような制御を行うことにより、前記と同様の効果を有する。

また、前記の如き電子制御タイマー付き噴射ポンプ３０を採用したコモンレール式ディーゼルエンジン２において、図９に示す如く、該エンジン２の上部近傍位置に、触媒を担持しないＤＰＦ５を内装したマフラー２６を配設すると共に、このマフラー２６のＤＰＦ５入口側の近傍位置に温度センサ２７及び圧力センサ２８と、ＤＰＦ５出口側の近傍位置に圧力センサ２９とを各々配置した構成とする。

このような構成により、ＤＰＦ５の入口側近傍に配置した温度センサ２７による検出温度ｔが ｔ１＜ｔ＜ｔ２ のとき、及び温度センサ２７に隣接して配置した圧力センサ２８の検出圧力ｐｉに対しＤＰＦ５の出口側近傍に配置した圧力センサ２９の検出圧力ｐｏの関係が ｐ１＜ｐｉ−ｐｏ＜ｐ２ のとき、燃料噴射タイミングを適宜量θだけ電子制御タイマー付き噴射ポンプ３０のタイマーにより遅らせる制御を行わせると共に、検出圧力の関係が ｐｉ−ｐｏ＞ｐ２ となったときは警報等により報知させる。このような制御を行うことにより、前記と同様の効果を有する。

また、前記の如きコモンレール式ディーゼルエンジン２において、従来では、低スロットル時に負荷が増大した場合、或る程度エンジン回転数が低下しなければトルクを発生させることができないため、トラクタ等で低アクセル開度によりロータリーを作動させたりスロー耕耘等を行うときに、エンジン回転数が低下してしまう不具合を防止することができなかった。

この不具合防止のため、図１０のフローチャートに示す如く、アクセル開度をチェックし低開度量のときは、前記ＥＣＵ１８内で使用されている要求噴射量をチェックし、この噴射量が急激に増加傾向となったときは、瞬時にアイソクロナス制御に切り替え、回転数を維持したまま燃料噴射量を増加させ負荷の増大に対応させることができるから、エンジン回転数の低下を防止して円滑な作業を行うことができる。

また、コモンレール式ディーゼルエンジン２を搭載し、手動と足踏の二系統のアクセルを備えた農作業機等において、作業時に手動アクセルを或る一定開度に固定する状態で運転を行うが、この運転時には足踏アクセルは使用されないことが多い。

このような状態において、作業時に発生する一時的な過負荷時に、図１１の線図に示す如く、手動アクセルの開度が１００％であっても足踏アクセルを一定量以上踏み込む運転を行うことで、一定時間に限定してエンジン出力を増加させる補正制御ｒを行うことが可能となり、エンジン回転数の低下を回避することができる。

また、路上走行モードと作業モードとを備えた農作業機等において、アクセル開度の時間変化率の上限を規定するマップＡを設け、このマップＡに、図１２の線図に示す如く、路上走行モード時は、低速側では高く、高速側では低くなるよう、例えば、段階状リミットａや直線状リミットｂに設定し、作業モード時は、一定状リミットｃにより全域で同じフィーリングとなるよう設定することにより、路上走行モードと作業モード時に、各別のアクセル開度の時間変化率リミットの設定により、フィーリングの向上を図ることができる。

また、前記の如く、アクセル開度の時間変化率の上限を規定するマップＡを設け、このマップＡに、図１３の線図に示す如く、路上走行モード時は、段階状リミットａや直線状リミットｂに設定し、作業モード時は、一定状リミットｃの設定と共に、自動アクセル制御にて使用する領域において高くなるよう、例えば、段階状リミットｄや直線状リミットｅに設定することにより、路上走行モードと作業モード時に、各別のアクセル開度の時間変化率リミットの設定により、フィーリングの向上を図ることができる。

トラクターやコンバイン等の農作業機を始め一般車両にも利用可能である。

コモンレールによる蓄圧式燃料噴射ディーゼルエンジンを示すシステム図。 三種類の制御モードによるエンジン回転数と出力トルクの関係を示す線図。 過給機付きディーゼルエンジンにおいて、タービン上流側の排気通路からコンプレッサ上流側へＥＧＲ通路を接続した状態を示す回路図。 図１のエンジンにおいて、触媒を担持しないＤＰＦを内装したマフラーに温度センサを設置した状態を示す概略図。 図１のエンジンにおいて、触媒を担持しないＤＰＦを内装したマフラーに温度センサ及び圧力センサを設置した状態を示す概略図。 図１のエンジンにおいて、触媒を担持しないＤＰＦを内装したマフラーに温度センサ及び二個の圧力センサを設置した状態を示す概略図。 噴射ポンプを変更した図１のエンジンにおいて、触媒を担持しないＤＰＦを内装したマフラーに温度センサを設置した状態を示す概略図。 噴射ポンプを変更した図１のエンジンにおいて、触媒を担持しないＤＰＦを内装したマフラーに温度センサ及び圧力センサを設置した状態を示す概略図。 噴射ポンプを変更した図１のエンジンにおいて、触媒を担持しないＤＰＦを内装したマフラーに温度センサ及び二個の圧力センサを設置した状態を示す概略図。 図１のエンジンにおいて、低アクセル開度時に要求噴射量の急激な増加により瞬時にアイソクロナス制御に切り替える手順を示すフローチャート。 図１のエンジンを搭載した農作業機において、手動アクセル１００％のとき足踏アクセルの踏み込みによる補正状態を示す線図。 アクセル開度の時間変化率の上限を規定するマップにより、路上走行モードと作業モードにおける各別の時間変化率の設定状態を示す線図。 アクセル開度の時間変化率の上限を規定するマップにより、路上走行モードと作業モードにおける各別の時間変化率の設定状態を示す線図。

符号の説明

１ ターボ過給機
１ａタービン
１ｂコンプレッサ
２ ディーゼルエンジン
３ 排気マニホールド
４ 排気通路
５ ディーゼルパティキュレートフィルタ
６ ＥＧＲ通路

Claims (2)

1. ターボ過給機（１）を装備したディーゼルエンジン（２）において、排気マニホールド（３）とターボ過給機（１）のタービン（１ａ）とを接続する排気通路（４）にディーゼルパティキュレートフィルタ（５）を配設すると共に、この排気通路（４）とターボ過給機（１）のコンプレッサ（１ｂ）上流側とを接続するＥＧＲ通路（６）を設けたことを特徴とするディーゼルエンジン。
2. 前記ディーゼルエンジン（２）において、排気通路（４）に配設されたディーゼルパティキュレートフィルタ（５）の下流側と、ターボ過給機（１）のコンプレッサ（１ｂ）上流側とを接続するＥＧＲ通路（６）を設けたことを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジン。

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