JP2013505395A - 過渡運転状態のエンジンの制御方法 - Google Patents

Abstract

エンジン２０に空気流を供給する機械的に駆動されるスーパーチャージャ２４を有するエンジン２０の制御方法は、エンジン２０が効率的な範囲内で通常運転する定常運転状態を規定することを含む。エンジン２０のパラメータが監視されて、エンジン２０が定常運転状態の範囲内で運転しているか、又は、定常運転状態から外れた過渡運転状態で運転しているかを判定する。エンジン２０が定常運転状態から外れた過渡運転状態で運転しているとき、エンジンへの燃料噴射率の増加に優先してスーパーチャージャ２４からの空気の流量が調整され、燃料／空気の混合気を所定の比率の範囲内に維持して、過渡運転状態でのエンジン２０の運転中にエンジン２０からの煤煙のエミッションを最小限にする。
【選択図】図３

Description

本発明の主題は、一般的には内燃エンジンの制御方法に関し、より具体的には過渡運転状態におけるディーゼルエンジンの運転中のディーゼルエンジンからの煤煙の排出を最小限にする方法に関する。

内燃エンジン、特にディーゼルエンジンは、定常運転状態中に低エミッションで効率的に運転するように設計されており、エンジンの過渡運転状態中には、多量の煤煙すなわちスモークを排出する傾向がある。過渡運転状態は、エンジンが定常運転状態から外れて運転するときに生じ、エンジン始動時、低速エンジン回転からの加速時、一定エンジン速度の維持中に負荷が増大したとき、及び、エンジン負荷が一定でエンジン速度が低下したときを含むが、これらに限定されない。

過渡運転状態は、一般的にエンジンに噴射される所与の燃料に対してエンジンに流入する燃焼空気が不足することに関係し、排気中に多量の煤煙を放出するリッチ燃焼を生じる。連邦エミッションガイドライン及び要件に適合するため、エンジンは、排出ガスから煤煙エミッションを濾過する粒子フィルタを備えることができる。しかしながら、現在入手可能な粒子フィルタは、適切な作動を維持するために定期的に再生される必要がある。

機械的に駆動されてエンジンへの空気の流量を制御するスーパーチャージャに連結された内燃エンジンの制御方法が開示されている。この制御方法は、エンジンの定常運転状態を規定すること、エンジンの制御パラメータを監視してエンジンが定常運転から外れて過渡運転状態で運転しているか否かを判定すること、及び、過渡運転状態でのエンジンの運転中にスーパーチャージャからの空気の流量を調整することを含む。スーパーチャージャから供給される空気の流量は、エンジンの燃料／空気の混合気を所定の比率の範囲内に維持して、過渡運転状態でのエンジンの運転中にエンジンからのエミッションを最小限にする。

また、機械的に駆動されてディーゼルエンジンへの空気の流量を制御するスーパーチャージャに連結されたディーゼルエンジンからのエミッションを最小限にする制御方法が開示されている。この制御方法は、エンジンの定常運転状態を規定すること、エンジンの定常状態から外れた運転としてエンジンの過渡運転状態を規定すること、エンジンの運転パラメータの値を定常運転状態に関連付けること、エンジンの運転中に運転パラメータの値を測定すること、測定された運転パラメータの値を関連付けられた運転パラメータの値の範囲と比較して、測定された運転パラメータの値が過渡運転状態にあるか否かを判定すること、及び、ディーゼルエンジンの過渡運転状態での運転中にスーパーチャージャからの空気の流量を調整することを含む。スーパーチャージャから供給される空気の流量は、ディーゼルエンジンの燃料／空気の混合気を所定の比率の範囲内に維持して、ディーゼルエンジンの過渡運転状態での運転中にディーゼルエンジンからのエミッションを最小限にする。

したがって、この制御方法は、排出ガスの流量とは関係なく過渡運転状態中にエンジンへの燃焼空気流を供給し、エンジンへの燃料噴射率の増加に優先してスーパーチャージャからエンジンに供給される空気の流量を増大することにより、適切な燃料／空気比を維持する。適切な燃料／空気比を維持することにより、過渡運転状態におけるエンジンの運転中に煤煙の排出を最小限にする。煤煙の排出が減少することにより、粒子フィルタの再生を必要とすることなく、エンジンの運転時間の延長が可能になる。

本発明の上述の特徴及び利点、並びに、他の特徴及び利点は、添付の図面に関連する以下の本発明を実施するための最良の形態の詳細な説明から容易に明らかになる。

本発明に係る内燃エンジンの第１実施形態を概略的に示す断面図である。 本発明に係る内燃エンジンの第２実施形態を概略的に示す断面図である。 本発明に係る内燃エンジンの制御方法を示すフローチャートである。

図面を参照して、いくつかの図を通して同様の参照符号は対応する部分を示しており、内燃エンジンの第１実施形態が図１に全体として符号２０で示されている。エンジン２０は、ディーゼルエンジン又はガソリンエンジンのような一般的なエンジンを含む。図１に示されるように、エンジン２０は、「スーパーターボ」過給システムに接続され、このシステムは、エンジン２０の燃焼空気の過給、すなわち、圧力を増大する互いに直列に配置されたターボチャージャ２２及びスーパーチャージャ２４の両方を含む。

ターボチャージャ２２は、公知のように、エンジン２０によって供給される排出ガスにより駆動される。スーパーチャージャ２４は、エンジン２０に機械的に連結されてエンジン２０によって駆動される。スーパーチャージャ２４は、図１に示されるように、エンジン２０とスーパーチャージャ２４とを相互に連結するクラッチ２６を含んでもよい。あるいは、図２に示すように、スーパーチャージャ１２４をエンジン１２０に直接連結して、エンジン１２０によってスーパーチャージャ１２４を連続的に運転してもよい。クラッチ２６は、スーパーチャージャ２４を選択的に結合及び離脱するように構成されている。本発明の技術的範囲内において、クラッチ２６は、車両のエンジン２０からスーパーチャージャ２４の入力軸への機械的駆動力を伝達するのに有効なあらゆる形式のクラッチ２６（例えば、結合可能な摩擦ディスククラッチ、電磁クラッチ等）を含むことを当業者は理解すべきである。また、当業者には公知のように、クラッチ２６とスーパーチャージャの入力軸との間に「ステップアップギヤ」の類の増速機構を配置することができ、一般的にそのような増速機構の増速比は約２：１から約４：１の範囲である。

この過給システムは、エンジン２０に燃焼空気を導入するように構成された複数のエアダクトを含む。これらのエアダクトは、エンジン２０へ及びエンジン２０から燃焼エアを導入する。これらのエアダクトは、入口２８を含み、この入口２８を通して燃焼空気が矢印３０によって示される方向に過給システムに入る。第１エアダクト３２は、フィルタ３４を含み、スーパーチャージャ２４の入口に流体接続される。燃焼空気は、入口２８を通って過給システムに入り、フィルタ３４を通ってスーパーチャージャ２４に向って流れる。

第２エアダクト３８は、スーパーチャージャ２４の出口をポンプ部すなわちターボチャージャ２２のコンプレッサ４２に接続する。第３エアダクト４４は、コンプレッサ４２の出口をインタークーラ４６の入口に相互に接続する。インタークーラ４６の機能は、周知であり、本発明の技術的範囲外である。したがって、インタークーラ４６の機能は、ここでは詳細に説明しない。第４エアダクト４８は、インタークーラ４６の出口をエンジン２０の燃焼室５０に相互に接続する。

第４エアダクト４８内には、エンジンスロットル５２が配置され、このエンジンスロットル５２は、全開位置で図１に示されている。当然のことながら、エンジンスロットル５２は、図１に示す全開位置と、全閉位置との間でいずれかの位置で制御することができ、全閉位置では、第４エアダクト４８を通る全ての空気の流れをほぼ遮断し、これにより、エンジン２０の燃焼室５０に流入する空気の流れを制限する。

また、ターボチャージャ２２は、タービン部５４を含み、このタービン部５４は、コンプレッサ４２に機械的に連結されて、これを駆動する。第５エアダクト５６は、エンジン２０の燃焼室５０をターボチャージャ２２のタービン部５４に相互に接続して、タービン部５４に排出ガスを供給する。第６エアダクト５８は、ターボチャージャ２２のタービン部５４の出口を排気出口６０に相互に接続する。排出ガスは、排気出口６０を通って矢印６２で示される方向に過給システムの外へ流れる。

第１エアダクト３２とスーパーチャージャ２４の出口との間に燃焼空気バイパスダクト６４が配置されている。この燃焼空気バイパスダクト６４内に燃焼空気バイパスバルブ６６が配置されている。燃焼空気バイパスバルブ６６は、通常は閉位置にあり、このとき、スーパーチャージャ２４は、燃焼空気を第１エアダクト３２を通してスーパーチャージャ２４に導入するように作動している。しかしながら、低レベルの過給で充分なとき、燃焼空気バイパスバルブ６６は、閉位置から開位置に向って移動して燃焼空気の一部が燃焼空気バイパスダクト６４を通って第２エアダクト３８に流入できるようにして、スーパーチャージャ２４を通る燃焼空気の流量を減少させる。

燃焼空気バイパスバルブ６６がより開いた位置へ移動することによる一つの結果として、第２エアダクト３８内の燃焼空気の過給圧は、燃焼空気バイパスバルブ６６が全閉のときの通常の過給圧よりも低くなる。車両エンジン２０が比較的高いエンジン速度に達したとき、クラッチ２６が離脱されてスーパーチャージャ２４が駆動されないようにする。同時に、ターボチャージャ２２は、第５エアダクト５６を通る排出ガスの流れによって駆動される。このモードの作動中、燃焼空気バイパスバルブ６６は、全開位置にあり、燃焼空気に対する望ましくないいかなる流通抵抗も生じないように充分大きく開かれ、この燃焼空気は、入口２８から第１エアダクト３２、燃焼空気バイパスバルブ６６、燃焼空気バイパスダクト６４及び第２エアダクト３８を通ってターボチャージャ２２のコンプレッサ４２に流入する。

排出ガスバイパスダクト６８は、第５エアダクトを第６エアダクト５８に相互に接続する。排出ガスバイパスダクト６８内に排出ガスバイパスバルブ、すなわち、ウエストゲート７０が配置されている。ウエストゲート７０は、ターボチャージャ２２の技術において公知であるように製造され、機能する。

「スーパーターボ」システムが図１に示され、以上に説明されており、これにおいては、スーパーチャージャ２４が過給システム内でターボチャージャ２２の上流に配置されているが、当然ながら、スーパーチャージャ２４とターボチャージャとの位置関係は、逆にして「ターボスーパー」過給システムを形成してもよく、これにおいては、ターボチャージャ２２が過給システム内でスーパーチャージャの上流に配置される。

図２を参照して、本発明に係るエンジンの第２実施形態が全体として符号１２０で示されている。第２実施形態のエンジン１２０において、第１実施形態のエンジン２０と同様の部分は、同じ参照符号に１００を加えている。例えば、第１実施形態のエンジン２０では参照符号３４で示されるフィルタは、第２実施形態のエンジン１２０では参照符号１３４で示される。

第２実施形態のエンジン１２０は、ターボチャージャ２２及び関連するエアダクトを取除いた第１実施形態のエンジン２０と同様である。換言すると、第２実施形態のエンジン１２０の過給システムは、スーパーチャージャ１２４のみを含み、ターボチャージャ２２を含まない。このため、第１実施形態のエンジン２０と第２実施形態のエンジン１２０との間の相違点のみを以下に説明する。したがって、入口１２８、入口１２８に流入する空気流を表す矢印１３０、第４エアダクト１４８、スロットル１５２、排気出口１６０からの空気流を示す矢印１６２及び燃焼空気バイパスバルブ１６６を含む図２に示される第２実施形態のエンジン１２０の構成は、それぞれ第１実施形態のエンジン２０における対応する構成と同様に作動し、以下に詳細には説明しない。

さらに、第２実施形態のエンジン１２０は、スーパーチャージャ１２４とエンジン１２０とを相互に連結するクラッチ２６を含まない。したがって、スーパーチャージャ１２４は、エンジン１２０に直接連結されて、エンジン１２０によって連続的に作動する。

第２実施形態のエンジン１２０において、第７エアダクト１７２はスーパーチャージャ１２４の出口とインタークーラ１４６の入口とを相互に接続し、燃焼空気バイパスダクト１６４は第１エアダクト１３２と第７エアダクト１７２とを相互に接続し、また、第８エアダクト１７４はエンジン１２０と排気出口１６０とを相互に接続して排出ガスをエンジン１２０の燃焼室１５０から排気出口１６０へ導く。

図３を参照すると、内燃エンジン２０、１２０の制御方法が示されている。好ましくは、エンジン２０、１２０は、ディーゼルエンジンを含む。この制御方法は、エンジン２０、１２０の定常運転状態を規定することを含む（ブロック７６）。エンジン２０、１２０の定常運転状態の規定は、更に、エンジンを経時的に変化することなく運転する運転範囲を規定することを含む。換言すると、この定常運転状態は、エンジン２０、１２０を長時間、高効率で正常に運転する運転状態の範囲を含む。

この運転範囲の規定は、更に、例えば５００から７０００ｒｐｍの間のようなエンジン運転速度範囲を規定することを含んでもよい。しかし、当然ながら、具体的な運転速度範囲は、個々のエンジン２０、１２０及びエンジン２０、１２０の適用の相違により、変化する。

この制御方法は、更に、エンジン２０、１２０の過渡運転状態を規定することを含む（ブロック７８）。エンジン２０、１２０の過渡運転状態は、エンジン２０、１２０の定常運転状態から外れた運転として規定することができる。このエンジン２０、１２０の過渡運転状態は、エンジン２０、１２０の１つ以上の経時的な運転パラメータの変化に対応する。エンジン２０、１２０の運転パラメータは、エンジン２０、１２０を定常運転状態で運転している間、ほぼ一定に留まる。しかしながら、定常運転状態から外れると、エンジン２０、１２０の運転パラメータは、経時的に変化する。

運転パラメータは、燃料／空気比、エンジン２０、１２０の速度、エンジン２０、１２０の排出ガスエミッションレベル、エンジン２０、１２０の燃料噴射タイミング及び燃焼空気の流量を含む運転パラメータのグループから選択されたエンジン２０、１２０の１つ以上の運転パラメータを含むことができる。当然ながら、エンジン２０、１２０の運転パラメータは、ここに記述されない他のパラメータを含んでもよい。

この制御方法は、更に、１つ以上の運転パラメータ値の範囲を定常運転状態に関連付けることを含む（ブロック８０）。したがって、その運転パラメータの値の範囲内でのエンジン２０、１２０の運転が、定常運転状態の範囲内のエンジン２０、１２０の運転に対応するのに対して、その運転パラメータの値の範囲外でのエンジン２０、１２０の運転が、定常運転状態から外れた、すなわち、過渡運転状態での運転に対応する。

この制御方法は、更に、エンジン２０、１２０の１つ以上の運転パラメータを監視することを含み、エンジン２０、１２０が定常運転状態の範囲内か、過渡運転状態で定常運転状態から外れているかを判定する（ブロック８２）。運転パラメータの監視は、更に、運転パラメータ値の測定として規定することができる。したがって、この車両は、運転パラメータ値を検出する１つ以上のセンサを含むことができる。

この制御方法は、更に、運転パラメータの測定値を運転パラメータ値が関連付けられた範囲と比較して、運転パラメータの測定値が関連付けられた運転パラメータ値の範囲から外れているか否かを判定する（ブロック８４）。運転パラメータの測定値が定常運転状態に関連付けられた値の範囲内である場合、エンジン２０、１２０は、定常運転状態の範囲で運転している。しかしながら、運転パラメータの測定値が定常運転状態に関連付けられた値の範囲から外れている場合、エンジン２０、１２０は、過渡運転状態の範囲で運転している。

この制御方法は、過渡運転状態におけるエンジン２０、１２０の運転中、スーパーチャージャ２４、１２４からの空気の流量を調整することを含む（ブロック８６）。スーパーチャージャ２４、１２４の調整により、エンジン２０、１２０の燃焼室１５０に充分な流量で空気の流れを連続的に供給して、ほぼ所定の比率の適切な燃料／空気の混合気を維持する。この所定の比率は、エンジン２０、１２０の効率的な運転に対応し、エンジン２０、１２０は、過剰なリッチ状態、すなわち、供給可能な燃焼空気の量に対して過剰な燃料量で運転しない。エンジン２０、１２０の過渡運転中に、燃料／空気の混合気を所定の比率の範囲に維持することにより、エンジン２０、１２０からの煤煙の排出を最小限にする。エンジン２０、１２０からの煤煙の排出を最小限にすることにより、排出ガスから煤煙を濾過するのに使用される粒子フィルタ（図示せず）の再生の時間間隔が増大する、すなわち、エンジン２０、１２０が生成する排出ガス中の煤煙が減少して、粒子フィルタがより長く持続する。

スーパーチャージャ２４からの空気の流量の調整は、更に、エンジン２０、１２０が過渡運転状態において運転している間にスーパーチャージャ２４、１２４を調整することを含み、過渡運転状態におけるエンジン２０、１２０の運転中に、エンジン２０、１２０への適切な燃焼空気の流量を確保する。上述のように、エンジン２０、１２０の燃焼室５０、１５０への適切な空気の流量を維持することにより、適切な燃料／空気比が確実に維持されるようにし、この比は、エンジン２０、１２０、特にディーゼルエンジンからの煤煙の排出を最小限にする。

この制御方法は、更に、ブロック８８に示されるように、エンジン２０、１２０が過渡運転状態で運転しているとき、スーパーチャージャ２４、１２４からの燃焼空気の流量を維持している間、エンジン２０、１２０への入力を調整することを含む。エンジン２０、１２０への入力の調整は、燃料／空気の混合気を所定の比率の範囲に維持するのを補助する。エンジン２０、１２０への入力の調整は、更に、エンジン２０、１２０の燃料噴射タイミングの調整として規定することができる。燃料噴射タイミングの調整は、更に、燃料噴射率、すなわち、エンジンに噴射される燃料の流量の調整として規定することができる。当然のことながら、エンジンへの入力は、ここでは説明されない何らかの他の入力を含んでもよい。

この制御方法は、更に、各過渡運転状態の中で複数の中間運転状態を規定することを含む。換言すると、各過渡運転状態は、複数の中間運転状態に分割され、すなわち、複数の中間運転状態を含む。過渡運転状態が分割されて複数の中間運転状態が規定されている場合、過渡運転状態におけるエンジン２０、１２０の運転中のスーパーチャージャ２４、１２４からの空気の流量の調整は、更に、その過渡運転状態の中で規定された複数の中間運転状態の１つを達成するためのスーパーチャージャ２４、１２４からの空気の流量の調整として規定される。加えて、この制御方法は、更に、エンジン２０、１２０の燃料噴射タイミング、すなわち、燃料流量の調整を含み、過渡運転状態の中で規定された複数の中間運転状態の１つを達成する。この燃料噴射率は、その過渡運転状態の中で規定された複数の中間運転状態の１つを達成するようにスーパーチャージャ２４、１２４からの空気の流量が調整された後に調整される。このため、複数の中間運転状態が規定されている場合、１番面の中間運転状態を達成するように空気の流量が調整され、その後、その１番目の中間運転状態の燃料流量が調整される。１番目の中間運転状態が達成された後、２番目の中間運転状態に合せてスーパーチャージャからの空気の流量が調整され、その後、２番目の中間運転状態を達成するように燃料流量が調整される。このようにして、エンジン２０、１２０が定常運転状態の範囲内で運転するまで、各中間運転状態を通してエンジンの運転が進行する。

本発明を実行するための最良の形態について詳細に説明してきたが、本発明に関連する当業者は、添付の特許請求の範囲の技術的範囲内において、本発明を実行するための様々な設計及び実施形態の変更を認識するであろう。

Claims (11)

1. 機械的に駆動されてエンジンへの空気の流量を制御するスーパーチャージャ（２４）に連結された内燃エンジン（２０）の制御方法であって、
   前記エンジン（２０）の定常運転状態を規定し、
   前記エンジン（２０）の運転パラメータを監視して、該エンジン（２０）が前記定常運転状態から外れて過渡運転状態で運転しているか否かを判定し、更に、
   前記過渡運転状態における前記エンジン（２０）の運転中に前記スーパーチャージャ（２４）からの空気の流量を調整し、燃料／空気の混合気を所定の比率に維持して、前記過渡運転状態における前記エンジン（２０）の運転中における前記エンジン（２０）からのエミッションを最小限にすることを含む制御方法。
2. 更に、前記エンジン（２０）が前記過渡運転状態で運転しているとき、前記スーパーチャージャ（２４）からの燃焼空気の流量を調整した後、前記エンジン（２０）への入力を調整して、前記燃料／空気の混合気を所定の比率の範囲内に維持することを含む請求項１に記載の制御方法。
3. 前記エンジン（２０）への入力の調整は、更に、前記エンジン（２０）の燃料噴射タイミングの調整として規定されることを特徴とする請求項２に記載の制御方法。
4. 更に、前記運転パラメータの値の範囲を前記定常運転状態に関連付けすることを含む請求項１に記載の制御方法。
5. 運転パラメータを監視することは、該運転パラメータの値を測定することとして規定される請求項４に記載の制御方法。
6. 更に、前記運転パラメータの測定値を前記運転パラメータの値の関連付けられた範囲と比較して、前記運転パラメータの測定値が前記定常運転状態に関連付けられた前記運転パラメータの値の範囲外であるか否かを判定することを含む請求項５に記載の制御方法。
7. 前記運転パラメータは、前記エンジン（２０）内の燃料／空気混合比、前記エンジン（２０）の速度、前記エンジン（２０）の排出ガスエミッションレベル、前記エンジン（２０）の燃料噴射タイミング及び燃焼空気の流量を含む運転パラメータのグループから選択された前記エンジン（２０）の運転パラメータを含むことを特徴とする請求項６に記載の制御方法。
8. 前記定常運転状態の規定は、更に、エンジン（２０）が経時的な変化なく運転する運転範囲として規定されることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
9. 運転範囲は、更に、エンジン（２０）の運転速度の範囲として規定されることを特徴とする請求項８に記載の制御法。
10. 更に、前記定常運転状態を外れたエンジン（２０）の運転としてエンジン（２０）の過渡運転状態を規定することを含む請求項８に記載の制御方法。
11. 前記エンジン（２０）は、ディーゼルエンジンを含むことを特徴とする請求項１に記載の制御方法。

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