JP4802142B2

JP4802142B2 - ディーゼルエンジン

Info

Publication number: JP4802142B2
Application number: JP2007147819A
Authority: JP
Inventors: 祐一鎌田
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2007-06-04
Filing date: 2007-06-04
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2027-06-04
Also published as: JP2008298033A

Description

本発明は、ディーゼルエンジン、特に吸気容量を可変とする可変容量型ターボチャージャーを備えたディーゼルエンジンに関するものである。

従来、ディーゼルエンジンの排気ガスの浄化を行うため、酸化触媒、選択還元式触媒（ＳＣＲ）、触媒付きＤＰＦ等の排気後処理装置を備え、排気後処理装置を効率よく作動させるために、排気温度が低下する運転領域においても排気温度を高く維持する技術がある（例えば特許文献１参照）。

この技術は、排気ガス温度が所定値より低い場合に、ＥＧＲガスが流れるＥＧＲ通路に設置されたＥＧＲクーラをバイパスするＥＧＲバイパス通路に排気ガスを導くようにしたものである。

しかしながら、車両の運転状態において、エンジンが無負荷運転状態の場合には、燃料の噴射が停止され、排気ガス温度は低下し、低温の排気ガスが排気後処理装置に流入して排気後処理装置の温度が低下することになる。

このような場合は、排気ガス温度の低下を抑制するためには排気ガスの流量を制限することが有効であり、特にエンジンに可変容量型ターボチャージャーが備えられている場合、ノズルベーンを開くことで過給圧力を低下させて排気流量を低減することが効果的である。
特開２００５−２９７５号公報

しかしながら、エンジン無負荷時に可変容量型のターボチャージャーでノズルベーンを開きすぎると吸気マニホールド内の圧力が負圧となり、例えば、バルブステムのシール部からオイルが吸気ポートへ漏洩したり、ゴム製のホースが負圧で変形し、ホース内が閉塞する虞があり、吸気マニホールド内が正圧を維持するようにノズルベーンの開度を設定している。つまり、正圧を維持するようにノズルベーンの開度が設定されることで、排気流量を低減する観点からは一層の改善代が残っている。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、吸気マニホールド内の正圧維持と排気後処理装置の温度低下の抑制との一層の両立を図るディーゼルエンジンを提供することを目的とする。

第１の発明は、エンジンの負荷状態を検出する負荷検出手段と、排気エネルギーを利用して吸気を過給する容量可変型ターボチャージャーと、前記容量可変型ターボチャージャーの過給状態を検出する過給状態検出手段と、前記容量可変型ターボチャージャーのノズルベーンの開度を制御する制御手段とを備えるディーゼルエンジンにおいて、前記制御手段は、前記エンジンが負荷状態から無負荷状態に変化した場合に前記検出した過給状態に応じて、前記ノズルベーンの開度を前記エンジンの吸気マニホールド内の圧力が正圧を維持したまま略大気圧となるように設定される第１開度と、前記第１開度より大きい第２開度とのいずれかに制御し、前記エンジンが無負荷状態で、前記検出した過給状態が第１過給状態となった場合に、前記ノズルベーンの開度を前記第２開度に制御し、過給状態が前記第１過給状態よりも過給状態の低い第２過給状態となった場合に、前記ノズルベーンの開度を前記第２開度から前記第１開度に切り換え、前記吸気マニホールド内の圧力が正圧を維持するように制御することを特徴とするディーゼルエンジンである。

第２の発明は、第１の発明において、前記過給状態検出手段は、前記容量可変型ターボチャージャーのブースト圧を前記過給状態として検出し、前記制御手段は、エンジンが無負荷状態で、前記検出したブースト圧が第１所定値となった場合に、前記ノズルベーンの開度を前記第２開度に制御し、前記第１所定値よりブースト圧の低い第２所定値となった場合に、前記ノズルベーンの開度を前記第２開度から前記第１開度に切り換え、前記吸気マニホールド内の圧力が正圧を維持するように制御することを特徴とするディーゼルエンジンである。

第３の発明は、第１の発明において、前記過給状態検出手段は、前記容量可変型ターボチャージャーの回転数を前記過給状態として検出し、前記制御手段は、エンジンが無負荷状態で、前記検出した回転数が第３所定値となった場合に、前記ノズルベーンの開度を前記第２開度に制御し、前記第３所定値より回転数の低い第４所定値となった場合に、前記ノズルベーンの開度を前記第２開度から前記第１開度に切り換え、前記吸気マニホールド内の圧力が正圧を維持するように制御することを特徴とするディーゼルエンジンである。

第４の発明は、第１の発明において、前記過給状態検出手段は、前記容量可変型ターボチャージャーのブースト圧を前記過給状態として検出し、前記制御手段は、エンジンが無負荷状態で、前記検出したブースト圧が第１所定値となった場合に、前記ノズルベーンの開度を前記第２開度に制御し、前記第１所定値に達してから所定時間が経過した場合に、前記ノズルベーンの開度を前記第２開度から前記第１開度に切り換え、前記吸気マニホールド内の圧力が正圧を維持するように制御することを特徴とするディーゼルエンジンである。

第５の発明は、第１から第４の発明のいずれか一つにおいて、前記第２開度は、エンジンが無負荷状態で、吸気マニホールド内の圧力が正圧から負圧となるように設定されることを特徴とするディーゼルエンジンである。

第１−５の発明では、エンジンが無負荷状態となったときに開度の大きい第２開度として、過給状態を弱めて、排気流量を低減し、排気後処理装置の温度低下を抑制できる。また、第２開度を維持することで吸気マニホールド内の圧力が負圧に達することになるが、負圧になる前に第２開度を第１開度に切り換えることで吸気マニホールド内の圧力を正圧に維持することができる。これにより、バルブステムのシール部からオイルが吸気ポートへ漏洩する等の課題を解決することができる。

このように、本発明では、エンジンが無負荷時における吸気マニホールド内の正圧維持と排気後処理装置の温度低下の抑制との両立を高次元で図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、可変容量型ターボチャージャーを備えたディーゼルエンジンの構成を示しており、１はディーゼルエンジン、６は吸気通路、７は排気通路、８はエアクリーナ、１１は角度可変のノズルベーン１４を備えた可変容量型ターボチャージャー（以下、単にターボチャージャーという）、３１は排気後処理装置である。

ターボチャージャー１１は、排気ガスの圧力エネルギーにより回転するタービン１２と、タービン１２と同軸上に連結されて吸気を吸気通路６に圧送するコンプレッサ１３を備える。タービン１２は、図２に示すように角度可変可能な複数のノズルベーン１４を通過した排気ガスが導入され、ノズルベーン１４は不図示のアクチュエータの作動により、ノズルベーン１４は所定の開度に制御される。タービン１２を内装するケースの内壁面とノズルベーン１４先端との間で画成される開口面積である開度は、エンジンの運転状態に応じて所定の開口面積に適宜設定される。

吸気通路６のコンプレッサ１３の下流側にインタクーラ１４が介装され、吸気を冷却する。インタクーラ１４は空冷式熱交換器であり、コンプレッサ１３によって圧縮されて温度上昇した吸気から外気への放熱を促す。なお、インタクーラ１４はこれに限らず、冷却媒体として冷却水が循環する水冷式熱交換器を用いても良い。またターボチャージャー１１によるブースト圧を検出する圧力センサ３５が吸気マニホールド１７に設置され、圧力センサ３５の出力信号がコントロールユニット３４に出力される。

排気還流装置として、排気通路７と吸気通路６の間には、両者を結ぶＥＧＲ通路３２が配設される。このＥＧＲ通路３２は、排気通路７のタービン１２より上流側の通路７ａと、吸気通路６のコンプレッサ１３より下流側の通路６ａを連通する。本実施の形態では、ＥＧＲ通路３２はエンジン１の本体に取り付けられた排気マニホールド１６と吸気マニホールド１７を連通している。

ＥＧＲ通路３２の途中に電磁式のＥＧＲバルブ３３が介装される。このＥＧＲバルブ３３の開度によってＥＧＲ通路３２を流れる排気還流ガスの還流量が調節される。コントロールユニット３４はエンジン１の回転速度及び負荷等の運転状態に応じてＥＧＲバルブ３３の開度を制御し、運転状態に適した排気還流が行われる。

ＥＧＲ通路３２の途中にはＥＧＲクーラ３６が介装され、ＥＧＲ通路３２を流れる排気還流ガスを冷却するようになっている。このＥＧＲクーラ３６は冷却媒体として冷却水が循環する水冷式熱交換器であり、排気還流ガスから冷却水への放熱を促す。なお、ＥＧＲクーラ３６はこれに限らず、空冷式熱交換器を用いても良い。排気通路７の途中には排気絞り弁３９が介装され、コントロールユニット３４はエンジン１の運転状態に応じてこの排気絞り弁３９を絞ることにより排気ガスの流れを制限する構成としている。

ターボチャージャー１１のタービン１２下流の排気通路７に設置された排気後処理装置３１は、排気ガスの浄化を行うため、酸化触媒、選択還元式触媒（ＳＣＲ）、触媒付きＤＰＦ等を備えている。

このように構成されるディーゼルエンジンにおいて、エンジン１の運転状態が負荷状態から無負荷状態になると燃料の噴射が停止され、排出される排気ガスの温度が低下する。この場合、低温の排気ガスが下流に位置する排気後処理装置３１に流入して排気後処理装置３１の温度が低下し、運転状態が負荷状態に移行したときに排気ガスの浄化が十分できなくなる虞がある。そこで、本発明は、エンジンの無負荷運転状態で排気後処理装置３１の温度低下を抑制して排気ガスの浄化性能を維持するため、ノズルベーン１４の開閉をブースト圧に応じて制御する。このような制御とすることで、吸気マニホールド内の負圧の発生を防止しつつ排気流量を低減し、排気後処理装置３１の温度低下を抑制するようにした。

以下、コントロールユニット３４によって行われるノズルベーン１４の開閉制御を図３に示すフローチャートを用いて説明する。

本発明のノズルベーン１４の開閉制御は、コントロールユニット３４によりエンジンの無負荷状態が検出される毎に実施される。

まずステップＳ１でエンジン１が無負荷状態かどうかを判定する。判定方法としては、例えば不図示のセンサを用いてアクセル開度を検出し、アクセル開度がゼロ、つまりアクセルペダルが踏み込まれていない場合に無負荷状態と判定する。無負荷状態と判定される場合にはステップＳ２に進み、負荷状態の場合にはステップＳ３に進み、通常出力制御を実施する。なお、ここで、負荷状態での通常出力制御とは、エンジン１がアクセル開度に応じた出力をアウトプットするような制御をいう。

ステップＳ２では、圧力センサ３５の検出値に基づいてブースト圧を読み込み、このブースト圧と第１所定値とを比較する。ここで、第１所定値は大気圧より高い正圧であり、例えばターボチャージャー１１の最大ブースト圧に基づいて設定する圧力である。

検出したブースト圧が第１所定値以上であれば、エンジン１が無負荷状態となった後も吸入空気が過給されて排気ガスの流量が多い状態が継続し、温度の低い排気ガスが排気後処理装置３１に流入して排気後処理装置３１の温度の低下が促進されることになる。

この場合にはステップＳ２からステップＳ４に進み、ノズルベーン１４の開度を、第１開度より大きい第２開度となるように制御する。ここで、ノズルベーン１４の開度である第１開度は、吸気マニホールド内の圧力が吸気マニホールド内の圧力が負圧にならないように、つまり正圧を維持したまま略大気圧となるように設定される開度であり、第２開度は、その開度を維持することで吸気マニホールド内の圧力が正圧から負圧になる開度である。

ステップＳ４で、エンジン無負荷時に第１開度より大きい第２開度を設定するノズルベーン１４の開閉制御により、ターボチャージャー１１によるブースト圧が低下して排気後処理装置３１へ流入する排気流量を低減し、排気後処理装置３１の温度低下を抑制することができる。

ステップＳ２で検出したブースト圧が第１所定値未満であれば、ステップＳ５に進み、読み込んだブースト圧を第２所定値と比較する。ここで第２所定値は、第１所定値より小さい大気圧に近い正圧の値とする。

ブースト圧が第２所定値以下であれば、現状のノズルベーン１４の開度が第２開度であれば、吸気マニホールド内の圧力が負圧となる可能性があるため、ステップＳ６でノズルベーン１４の開度を第１開度に復帰させる。つまり、ノズルベーン１４の開度を絞るように制御する。このように第２所定値以下の場合には、ノズルベーン１４の開度を第２開度より小さい第１開度に復帰させることで吸気マニホールド内の圧力が負圧になることを抑制する。言い換えると第２所定値は、第１開度に復帰した後に吸気マニホールド内の圧力が正圧を維持、または略大気圧となるように設定される。

一方、ブースト圧が第２所定値を超える場合には、ステップＳ７に進み、現状のノズルベーン１４の開度を維持する。

次に、本発明のノズルベーン１４の開閉制御の効果を図４を用いて以下に述べる。

図４は、時系列での排気後処理装置３１に流入する排気の流量の変化と、同様に吸気マニホールド圧の変化と、及びノズルベーン１４の開度の変化を示している。図中、Ａで示す特性は本発明での特性を示し、Ｂで示す特性は従来のノズルベーン１４の開閉特性、つまり第１開度（図中Ｏ₁）での特性を示し、Ｃで示す特性は時刻Ｔ２でノズルベーン１４の開度を第２開度（図中Ｏ₂）から第１開度に復帰しなかった場合、つまり第２開度を維持した場合の特性を示す。

時刻Ｔ１でエンジン１が負荷状態から無負荷状態に変化し、ブースト圧が第１所定値Ｐ₁以上であると判定されると、ノズルベーン１４の開度が吸気マニホールド内の圧力が正圧を維持したまま大気圧となるように設定した第１開度Ｏ₁より大きい第２開度Ｏ₂へ設定される。このように、ノズルベーン１４の開度をより開度の大きい第２開度Ｏ₂に設定することで、ターボチャージャー１１のブースト圧を下げ、排気流量を第１開度Ｏ₁の場合に比して急速に低下させることができる。しかしながら、第２開度Ｏ₂を維持すると、特性Ｃに示すように、吸気マニホールド内の圧力が負圧となるため、前述のようなバルブステムのシール部からオイルが吸気ポートへ漏洩する等の不具合が生じることになる。そこで、本発明では、時刻Ｔ２でブースト圧が第１所定値Ｐ₁より低い第２所定値Ｐ₂に達したら、ノズルベーン１４の開度を第２開度Ｏ₂から第１開度Ｏ₁へと切り換える。開度の小さい第１開度Ｏ₁へ切り換えることにより吸気マニホールド内の圧力が負圧になることを抑制する。

このように本発明では、エンジン１の負荷状態から無負荷状態への変化時にノズルベーン１４の開度を吸気マニホールド内に負圧が生じうる第２開度Ｏ₂に設定し、負圧が生じる前に第２所定値Ｐ₂で第２開度Ｏ₂から負圧が生じない第１開度Ｏ₁へと切り換えることにより、吸気マニホールド内の圧力を正圧に維持したまま、図中斜線部で示す排気流量を低減し、排気後処理装置３１の温度低下を抑制することができる。

なお、本実施形態では２種類のノズルベーン１４の開度を切り換えるノズルベーン１４の開閉制御を説明したが、例えば、さらに多段階に、特に吸気マニホールド内の圧力が負圧となるような開度を多段階に切り換えて、一層排気流量を低減するようにしてもよい。

図５は、本発明の第２の実施形態を説明するためのフローチャートである。第１の実施形態ではブースト圧に基づいてノズルベーン１４の開度を切り換えるようにしたが、この実施形態では、ターボチャージャー１１の回転数に基づいてノズルベーン１４の開度を切り換えるようにしたことに特徴を備える。以下、フローチャートに基づき説明する。

本実施形態のノズルベーン１４の開閉制御は、コントロールユニット３４によりエンジンの無負荷状態が検出される毎に実施される。

まずステップＳ１でエンジン１が無負荷状態かどうかを判定する。無負荷状態と判定される場合にはステップＳ１１に進み、負荷状態の場合にはステップＳ３に進み、通常出力制御を実施する。

ステップＳ１１では、ターボチャージャー１１の回転数を読み込み、この回転数と第３所定値とを比較する。ここで、第３所定値は、例えばターボチャージャー１１の最大回転数に基づいて設定する圧力である。

検出した回転数が第３所定値以上であれば、エンジン１が無負荷状態となった後も吸入空気が過給されて排気ガスの流量が多い状態が継続し、温度の低い排気ガスが排気後処理装置３１に流入して排気後処理装置３１の温度の低下が促進されることになる。

この場合にはステップＳ１１からステップＳ４に進み、ノズルベーン１４の開度を、第１開度より大きい第２開度となるように制御する。

ステップＳ１１で検出したブースト圧が第１所定値未満であれば、ステップＳ１２に進み、読み込んだ回転数を第４所定値と比較する。ここで第４所定値は、第３所定値より小さい回転数の値とする。

回転数が第４所定値以下であれば、現状のノズルベーン１４の開度が第２開度であれば、吸気マニホールド内の圧力が負圧となる可能性があるため、ステップＳ６でノズルベーン１４の開度を第１開度に復帰させる。つまり、ノズルベーン１４の開度を絞るように制御する。このように第４所定値以下の場合には、ノズルベーン１４の開度を第２開度より小さい第１開度に復帰させることで吸気マニホールド内の圧力が負圧になることを抑制する。言い換えると第４所定値は、第１開度に復帰した後に吸気マニホールド内の圧力が正圧を維持、または略大気圧となるように設定される。

一方、回転数が第４所定値を超える場合には、ステップＳ７に進み、現状のノズルベーン１４の開度を維持する。

このように、ターボチャージャー１１の回転数の変化に基づいてノズルベーン１４の開度を切り換えることにより、より精度よく吸気マニホールド内の負圧の発生を抑制し、排気流量の低減を図ることができる。

図６は、本発明の第３の実施形態を説明するためのフローチャートである。第１の実施形態ではブースト圧に基づいてノズルベーン１４の開度を第２開度から第１開度に切り換えるようにしたが、この実施形態では、第２開度への切り換え後に一定時間経過した場合にノズルベーン１４の開度を第１開度へと切り換えるようにした点に特徴を有する。以下、フローチャートに基づき説明する。

まずステップＳ２１でエンジン１が無負荷状態かどうかを判定する。無負荷状態と判定される場合にはステップＳ２２に進み、負荷状態の場合にはステップＳ２３に進み、通常出力制御を実施する。

ステップＳ２２では、圧力センサ３５の検出値に基づいてブースト圧を読み込み、このブースト圧と第１所定値とを比較する。

この場合にはステップＳ２２からステップＳ２４に進み、ノズルベーン１４の開度を、第１開度より大きい第２開度となるように制御する。

ステップＳ２４で、エンジン無負荷時に第１開度より大きい第２開度を設定するノズルベーン１４の開閉制御により、ターボチャージャー１１によるブースト圧が低下して排気後処理装置３１へ流入する排気流量を低減し、排気後処理装置３１の温度低下を抑制することができる。

ステップＳ２２で検出したブースト圧が第１所定値未満であれば、ステップＳ２５に進み、通常出力制御を実施する。

ステップＳ２４に続くステップＳ２６で第２開度への切り換え後に第２開度を一定時間継続し、ステップＳ２７でノズルベーン１４の開度を第１開度に復帰させる。

このように所定時間経過後にノズルベーン１４の開度を第２開度から第１開度へ切り換えるようにすることで、コントロールユニット３４の演算負荷を低減することができる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明の実施の形態を示す排気浄化装置の構成図。ノズルベーンの形状を示す概略図。同じく制御内容を示すフローチャート。本発明の効果を説明する図。他の実施形態の制御内容を示すフローチャート。同じく他の実施形態の制御内容を示すフローチャート。

符号の説明

１エンジン
６吸気通路
６ａ通路
７排気通路
７ａ通路
１１ターボチャージャー
１２タービン
１３コンプレッサ
１４ノズルベーン
１６排気マニホールド
１７吸気マニホールド
３１排気後処理装置
３３ＥＧＲバルブ
３４コントロールユニット
３５圧力センサ

Claims

エンジンの負荷状態を検出する負荷検出手段と、
排気エネルギーを利用して吸気を過給する容量可変型ターボチャージャーと、
前記容量可変型ターボチャージャーの過給状態を検出する過給状態検出手段と、
前記容量可変型ターボチャージャーのノズルベーンの開度を制御する制御手段とを備えるディーゼルエンジンにおいて、
前記制御手段は、前記エンジンが負荷状態から無負荷状態に変化した場合に前記検出した過給状態に応じて、前記ノズルベーンの開度を前記エンジンの吸気マニホールド内の圧力が正圧を維持したまま略大気圧となるように設定される第１開度と、前記第１開度より大きい第２開度とのいずれかに制御し、
前記エンジンが無負荷状態で、前記検出した過給状態が第１過給状態となった場合に、前記ノズルベーンの開度を前記第２開度に制御し、
過給状態が前記第１過給状態よりも過給状態の低い第２過給状態となった場合に、前記ノズルベーンの開度を前記第２開度から前記第１開度に切り換え、前記吸気マニホールド内の圧力が正圧を維持するように制御することを特徴とするディーゼルエンジン。
前記過給状態検出手段は、前記容量可変型ターボチャージャーのブースト圧を前記過給状態として検出し、
前記制御手段は、エンジンが無負荷状態で、前記検出したブースト圧が第１所定値となった場合に、前記ノズルベーンの開度を前記第２開度に制御し、
前記第１所定値よりブースト圧の低い第２所定値となった場合に、前記ノズルベーンの開度を前記第２開度から前記第１開度に切り換え、前記吸気マニホールド内の圧力が正圧を維持するように制御することを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン。
前記過給状態検出手段は、前記容量可変型ターボチャージャーの回転数を前記過給状態として検出し、
前記制御手段は、エンジンが無負荷状態で、前記検出した回転数が第３所定値となった場合に、前記ノズルベーンの開度を前記第２開度に制御し、
前記第３所定値より回転数の低い第４所定値となった場合に、前記ノズルベーンの開度を前記第２開度から前記第１開度に切り換え、前記吸気マニホールド内の圧力が正圧を維持するように制御することを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン。
前記過給状態検出手段は、前記容量可変型ターボチャージャーのブースト圧を前記過給状態として検出し、
前記制御手段は、エンジンが無負荷状態で、前記検出したブースト圧が第１所定値となった場合に、前記ノズルベーンの開度を前記第２開度に制御し、
前記第１所定値に達してから所定時間が経過した場合に、前記ノズルベーンの開度を前記第２開度から前記第１開度に切り換え、前記吸気マニホールド内の圧力が正圧を維持するように制御することを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン。
前記第２開度は、エンジンが無負荷状態で、吸気マニホールド内の圧力が正圧から負圧となるように設定されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のディーゼルエンジン。