JP5742178B2 - 内燃機関のエンジンブレーキシステム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、機械式過給機と排気ブレーキバルブを併用すると共に、機械式過給機の作動圧力比を適切に制御することによって、排気圧力が過剰になるのを防止しつつ、内燃機関の低速回転域から高い排気ブレーキ力を確保できる内燃機関のエンジンブレーキシステム及びその制御方法に関する。

大型トラックを中心に、ブレーキのランニングコストの低減、フェード現象等による制動力の低下の回避などを目的に、補助ブレーキシステムとして、排気ブレーキ、圧縮開放ブレーキ、リターダー等を使用することが一般化している。特に、近年では法規規制により、必要とされるエンジンブレーキ力の大きさが大きくなってきており、エンジンブレーキ力の強化が強く求められている。

一方で、燃費改善という観点からは内燃機関の排気量の低減が求められているが、この排気量がエンジンブレーキ力に大きな影響を与える。そのため、排気量の低減を伴う内燃機関のダウンサイジング、即ち、エンジン小型化の実現には、少ない排気量であっても大きなエンジンブレーキ力を確保できることが重要となる。

そのため、大きな制動力を確保し易い圧縮開放ブレーキの採用が進んでいる。しかし、このシステムでは、内燃機関の動弁系部品を追加する必要があり、この動弁系部品の追設に当たって、ヘッド本体の強度を確保することが必須であることから、ヘッド周りの再設計が必要になることが多い。その結果、採用には多額のコストが必要となるという問題や、圧縮開放ブレーキ自体はエンジンブレーキ力の強化にしか貢献しないため、このシステムの採用にかかる多額のコストに対して得られるメリットが少ないという問題がある。そのため、より低コストで多目的に利用可能なエンジンブレーキ力の増強システムが要求されている。

また、エンジンブレーキ力の強化方法としては、コスト的に最も安価であり、最も一般化している排気ブレーキシステムを採用する方法がある。この排気ブレーキシステムでは、ブレーキ力が必要なときに、排気管に設けた排気ブレーキバルブ等のバルブを閉弁して、排気管の流路面積を減少させることで、排気マニホールドの内部の圧力を上げて、内燃機関におけるポンプ損失（ポンピングロス）を増加させることでエンジンブレーキ力を増加させている。この排気ブレーキシステムでは、排気マニホールドの内部の圧力を上げれば上げるほど、ポンプ損失が増加して、この増加によりエンジンブレーキ力は高まる。

しかし、排気管に設けられているターボチャージャ（排気ターボ式過給機）のタービンにおいては耐圧性や耐熱性の問題があり、また、排気系ガスケット・ＥＧＲ冷却系等においても圧力限界が存在するため、排気マニホールドの内部の圧力を極端に増加することは困難であり、排気ブレーキによるエンジンブレーキ力の増強には限界が存在する。

また、排気絞り用に使用される排気ブレーキバルブは、排気管に配置されるために高温高圧の排気ガスに晒されるので、コストや信頼性を考慮すると複雑な形状にすることは困難である。そのため、一般的な吸気スロットルに用いられるような、多段階で流量を変化できる流量調整バルブは用いられず、ＯＮ／ＯＦＦ動作のみの一定開口有効面積を有する開閉バルブが用いられる。そのため、排気ブレーキシステムを用いる場合には、内燃機関の回転速度が低速回転域から高速回転域までの間で、流路面積を調整せずに流路面積の内の一定面積を絞るということが条件となる。

この排気ブレーキシステムでは、開閉バルブである排気ブレーキバルブを使用して排気圧力を高めるが、この排気圧力は、吸気量の変化、即ち、機関回転速度に大きく依存する。つまり、図７に示すように、機関回転速度が高まるにつれて排気圧力は上がっていく傾向を示し、排気ブレーキの効果は、図８に示すようになり、機関回転速度が低中速回転域では十分な排気圧力を得ることができない。なお、図８では、図の上の方が吸収トルクが大きく、エンジンブレーキ力が大きいことを示す。

この排気ブレーキ力を増加するために、機械式過給機と排気ブレーキとを組み合わせて、機械式過給機を内燃機関のクランク軸に無段階変速装置を介して駆動し、エンジンブレーキ力を確保したい場合に無段階変速装置の増速比をあげることで、エンジンブレーキの効果を高める過給機付きエンジンが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、この機械式過給機と排気ブレーキを併用する場合でも、排気管に設けられているターボチャージャ（排気ターボ式過給機）のタービンの耐圧性や耐熱性の問題があり、また、排気系ガスケット・ＥＧＲ冷却系等においても圧力限界が存在するため、排気マニホールドの内部の圧力を極端に増加することは困難であり、排気ブレーキによるエンジンブレーキ力の増強には限界が存在する。

つまり、最高排気圧力は構造限界によって決まっているため、過給圧が高くなる分、吸排気圧力差が減少する。その結果、ポンプ損失が減少し、得られる制動トルクが目減りする。そして、高速回転域では吸気量の増加により排気圧力が容易に最大排気圧まで達する。そのため、過給圧を低下させるために、機械的過給機の作動圧力比を低下させる必要が生じる。

特開平０９−１０４２５９号公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、エンジンブレーキ作動の際に、機械式過給機を迂回するバイパス通路に設けた可変流量バルブの開度調整によってエンジンブレーキ力を増加させると共に、機械式過給機の作動圧力比を制御して、排気圧力が構造限界（耐久限界）を超えるのを防止しつつ、内燃機関の低速回転域から高い排気ブレーキ力を確保できる内燃機関のエンジンブレーキシステム及びその制御方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するための本発明の内燃機関のエンジンブレーキシステムは、内燃機関の吸気通路に機械式過給機を備え、排気通路に排気ブレーキバルブを備えると共に、前記機械式過給機を迂回するバイパス通路を設けて、該バイパス通路に可変流量バルブを備えた内燃機関のエンジンブレーキシステムにおいて、エンジンブレーキ作動の際に、前記排気ブレーキバルブを閉鎖して、前記機械式過給機による過給運転を行って、エンジンブレーキ力を増加する制御を行うと共に、前記可変流量バルブの開度を、前記機械式過給機の出口側に配設された圧力センサ、又は、過給圧センサの検出値が、内燃機関の回転速度に対して予め設定された目標吸気圧力となるように制御し、更に、このエンジンブレーキ作動の際に、前記機械式過給機と内燃機関の出力軸との間に設けた変速装置で前記機械式過給機を前記内燃機関の出力軸に対して一定の増減速比で駆動する制御をする制御装置を備えて構成される。

上記のような目的を達成するための本発明の内燃機関のエンジンブレーキシステムの制御方法は、内燃機関の吸気通路に機械式過給機を備え、排気通路に排気ブレーキバルブを備えると共に、前記機械式過給機を迂回するバイパス通路を設けて、該バイパス通路に可変流量バルブを備えた内燃機関のエンジンブレーキシステムの制御方法において、エンジンブレーキ作動の際に、前記排気ブレーキバルブを閉鎖して、前記機械式過給機による過給運転を行って、エンジンブレーキ力を増加する制御を行うと共に、前記可変流量バルブの開度を、前記機械式過給機の出口側に配設された圧力センサ、又は、過給圧センサの検出値が、内燃機関の回転速度に対して予め設定された目標吸気圧力となるように制御し、更に、このエンジンブレーキ作動の際に、前記機械式過給機を内燃機関の出力軸に対して一定の増減速比で駆動することを特徴とする方法である。

これらのシステム及び制御方法によれば、エンジンブレーキ作動の際に、エンジンブレーキ力に機械式過給機の過給仕事を上乗せさせて、内燃機関の低速回転域から排気（吸気）流量を機械式過給機による過給によって確保できるので、より低速回転域から高い排気圧力を確保できる。その結果、より低速回転域から高い排気ブレーキ力を確保できる。

つまり、エンジンブレーキ力となるポンプ損失を機械式過給機による過給運転によって高めて制動トルクを高める方式であるので、内燃機関の低速回転域におけるポンプ損失（ポンピングロス）を大幅に増加することが可能になり、低速回転域でもエンジンブレーキ力を大幅に増加できる。

更に、機械式過給機の出口側に配設された圧力センサ又は過給圧センサの検出値を元に、可変流量バルブの弁開度の調整制御で、機械式過給機を通過する吸気量を調整して、機械式過給機の作動圧力比を制御して、排気圧力を目標値（構造限界（耐久限界）の圧力よりも低く設定された値）以下にすることができるので、排気圧力が各機器の限界値を超えないようにすることができる。この機械式過給機による過給運転を行うことで排気流量が増加し過ぎて、排気圧力が内燃機関を構成する機器の構造的限界を超えるのを回避できる。この制御は機関回転速度が高速回転域にある場合においては特に有効である。

その上、上記の内燃機関のエンジンブレーキシステムにおいて、前記機械式過給機と内燃機関の出力軸との間を増減速比が一定の変速装置を介して接続すると、また、上記の内燃機関のエンジンブレーキシステムの制御方法において、前記機械式過給機を内燃機関の出力軸に対して一定の増減速比で駆動すると、複雑な増速比機構を有する無段階変速装置が不必要になるので、無段階変速装置を採用する場合に比べて、変速機の配置スペースが楽になり、コストが低減する。

本発明に係る内燃機関のエンジンブレーキシステム及びその制御方法によれば、エンジンブレーキ作動の際に、機械式過給機を作動させ、機械式過給機を迂回するバイパス通路に設けた可変流量バルブの開度調整によってエンジンブレーキ力を増加させると共に、機械式過給機の作動圧力比を制御して、排気圧力が構造限界（耐久限界）を超えるのを防止しつつ、内燃機関の低速回転域から高い排気ブレーキ力を確保できる。

本発明に係る実施の形態の内燃機関のエンジンブレーキシステムの構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態の内燃機関のエンジンブレーキシステムの構成の他の例を示す図である。 本発明に係る実施の形態の内燃機関のエンジンブレーキシステムの構成の他の例を示す図である。 機関回転速度とエンジンブレーキ排圧の関係を示す図である。 機関回転速度とエンジンブレーキ力の関係を示す図である。 機関回転速度と機械式過給機の作動圧力比変化（過給圧変化）の関係を示す図である。 従来技術における機関回転速度とエンジンブレーキ排圧の関係を示す図である。 従来技術における機関回転速度とエンジンブレーキ力の関係を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関のエンジンブレーキシステムとその制御方法について、図面を参照しながら説明する。

図１〜図３に示すように、本発明の実施の形態の内燃機関のエンジンブレーキシステム２０は、エンジン１０の吸気マニホールド１１に連結されている吸気通路１２に上流側から機械式過給機２１とこの機械式過給機２１を迂回するバイパス通路２２と、このバイパス通路２２に設けられた可変流量バルブ２３と、排気マニホールド１５に連結されている排気通路１６に設けた排気ブレーキバルブ２４とを有して構成される。

この機械式過給機２１は、エンジン１０と、通常のギア、あるいはベルト等（図１〜図３ではベルト２１ａ）で接続して駆動されたり、または、エンジン側発電機と電動モータによって駆動されたりする。この図１〜図３の実施の形態では、機械式過給機２１とエンジン１０の出力軸１０ａとの間の増減速比を一定とする固定増速比にして構成され、特に複雑な遊星ギアや無段階変速機などは使用しない。なお、機械式過給機２１とエンジン１０の出力軸１０ａとの間にクラッチ（図示しない）を設けて、機械式過給機２１をＯＮ／ＯＦＦ可能に構成する。

また、可変流量バルブ２３は、バイパス通路２２を通過する吸気Ａの流量を調整できるように流量調整可能なバルブで形成し、一方、排気ブレーキバルブ２４は高温高圧の排気ガスＧに耐えるように比較的単純な構成の流量調整しないＯＮ／ＯＦＦ動作の開閉バルブで形成する。

また、吸気通路１２には、排気ターボ式過給機１３のコンプレッサ１３ａと吸気冷却器（インタークーラー）１４が配置される。このコンプレッサ１３ａは、図１に示すように、機械式過給機２１の下流側に配置しても、図２及び図３に示すように、上流側に配置してもよい。また、図１及び図３に示すように、吸気冷却器（インタークーラー）１４は、機械式過給機２１とコンプレッサ１３ａの両方の下流側となる位置に配置しても、図２に示すように、機械式過給機２１とコンプレッサ１３ａの間に配置してもよい。更に、排気通路１６には、排気ブレーキバルブ２４の上流側に排気ターボ式過給機１３のタービン（ウェストゲートタービン）１３ｂが配置される。また、必要に応じて圧力センサ２５が機械式過給機２１の出口側に取り付けられ、過給圧センサ２６が吸気マニホールド１１又はその近傍に設けられる。

そして、圧力センサ２５と過給圧センサ２６の検出値が入力され、機械式過給機２１のＯＮ／ＯＦＦ動作、可変流量バルブ２３の弁開度調整、排気ブレーキバルブ２４のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する制御装置（図示しない）を設ける。通常は、この制御装置は、エンジン１０の運転全般を制御するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる制御装置に組み込まれて構成される。

次に、上記の構成の内燃機関のエンジンブレーキシステム２０における制御方法について説明する。

この内燃機関のエンジンブレーキシステム２０では、排気ブレーキ作動時には、従来技術通りのスキームに則り、排気通路１６に装備された排気ブレーキバルブ２４を閉鎖する。続いて、機械式過給機２１のクラッチを接続して機械式過給機２１を作動させる。この機械式過給機２１の作動後に、可変流量バルブ２３の弁開度を調整制御して機械式過給機２１による過給運転を実施する。

これにより、機械式過給機２１の過給仕事がエンジンブレーキ力に上乗せされると共に、機械式過給機２１による過給によって、低速回転域から吸気流量及び排気流量を確保することが可能となるため、排気ブレーキバルブ２４が一定開度を有する開閉バルブであっても、より低速回転域から高い排気圧力を確保することが可能となる。その結果、より低速回転域から高い排気ブレーキ力を確保できるようになる。

図４に、機械式過給機２１を併用した場合（クラッチをＯＮにした場合）Ａと併用しない場合（クラッチをＯＦＦにした場合）Ｂの機関回転速度とエンジンブレーキ排圧の関係を例示し、図５に、機械式過給機２１を併用した場合Ａと併用しない場合Ｂの機関回転速度とエンジンブレーキ力の関係を例示する。図５では、図面の上の方が吸収トルクが大きく、エンジンブレーキ力が大きいことを示す。

但し、エンジンブレーキ作動の際に、機械式過給機２１による過給運転を行うと、排気流量が増加し過ぎて排気系の圧力がエンジン１０の構造的限界を超える可能性が生じる。この可能性は、特に機関高速回転域で高くなる。そのため、図１〜図３に示すバイパス通路２２の可変流量バルブ２３を使用して、可変流量バルブ２３の弁開度を調整制御して、機械式過給機２１に流入する吸気Ａの流量を調整することで、機械式過給機２１の作動圧力比を調整し、これにより過給圧を制御する。

この作動圧力比の制御方法では、可変流量バルブ２３の開度を、機械式過給機２１の出口側に取り付けられた圧力センサ２５の検出値（信号）、あるいは、吸気マニホールド１１又はその近傍に設けた過給圧センサ２６の検出値（信号）を元に、いずれかの圧力値が機関回転速度に対して予め設定された目標値となるように制御する。この作動圧力比（過給圧）の目標値と機関回転速度との関係を図６に例示する。

なお、この可変流量バルブ２３の開度の制御については、予め用意したマップデータに基づいて決まる値にする制御と、吸気量センサ（ＭＡＦセンサ：図示しない）から得られた測定吸気量が機関回転速度に対して予め設定された目標吸気量とするような制御を、上記の吸気側の圧力による制御に組み合わせることで、より安全性を確保できるようになる。

これらの制御により、機械式過給機２１と排気ブレーキバルブ２４を併用して、大幅な排気ブレーキ力の増加を可能とすると共に、機械式過給機２１に流入する吸気量を調整する制御を導入することによって、吸気圧力を調整して排気圧力が過剰になることを防止しながら、低速回転域から大きなエンジンブレーキ力を確保することができるようになる。

従って、上記の構成の内燃機関のエンジンブレーキシステム及びその制御方法によれば、機械式過給機２１を作動させ、機械式過給機２１を迂回するバイパス通路２２に設けた可変流量バルブ２３の開度調整によってエンジンブレーキ力を増加させると共に、排気圧力が構造限界（耐久限界）を超えないように機械式過給機２１の作動圧力比を制御して、エンジン１０の低速回転域から高い排気ブレーキ力を確保できる。

本発明の内燃機関のエンジンブレーキシステム及びその制御方法は、エンジンブレーキ作動の際に、機械式過給機と排気ブレーキバルブを併用すると共に、機械式過給機の作動圧力比を適切に制御することによって、排気圧力が過剰になるのを防止しつつ、内燃機関の低速回転域から高い排気ブレーキ力を確保できるので、自動車搭載等の内燃機関のエンジンブレーキシステム及びその制御方法に適用できる。

１０ エンジン（内燃機関）
１２ 吸気通路
１３ 排気ターボ式過給機
１６ 排気通路
２０ エンジンブレーキシステム
２１ 機械式過給機
２２ バイパス通路
２３ 可変流量バルブ
２４ 排気ブレーキバルブ
２５ 圧力センサ
２６ 過給圧センサ
Ａ 吸気
Ｇ 排気ガス

Claims (2)

1. 内燃機関の吸気通路に機械式過給機を備え、排気通路に排気ブレーキバルブを備えると共に、前記機械式過給機を迂回するバイパス通路を設けて、該バイパス通路に可変流量バルブを備えた内燃機関のエンジンブレーキシステムにおいて、
   エンジンブレーキ作動の際に、前記排気ブレーキバルブを閉鎖して、前記機械式過給機による過給運転を行って、エンジンブレーキ力を増加する制御を行うと共に、前記可変流量バルブの開度を、前記機械式過給機の出口側に配設された圧力センサ、又は、過給圧センサの検出値が、内燃機関の回転速度に対して予め設定された目標吸気圧力となるように制御し、更に、このエンジンブレーキ作動の際に、前記機械式過給機と内燃機関の出力軸との間に設けた変速装置で前記機械式過給機を前記内燃機関の出力軸に対して一定の増減速比で駆動する制御をする制御装置を備えたことを特徴とする内燃機関のエンジンブレーキシステム。
2. 内燃機関の吸気通路に機械式過給機を備え、排気通路に排気ブレーキバルブを備えると共に、前記機械式過給機を迂回するバイパス通路を設けて、該バイパス通路に可変流量バルブを備えた内燃機関のエンジンブレーキシステムの制御方法において、
   エンジンブレーキ作動の際に、前記排気ブレーキバルブを閉鎖して、前記機械式過給機による過給運転を行って、エンジンブレーキ力を増加する制御を行うと共に、前記可変流量バルブの開度を、前記機械式過給機の出口側に配設された圧力センサ、又は、過給圧センサの検出値が、内燃機関の回転速度に対して予め設定された目標吸気圧力となるように制御し、更に、このエンジンブレーキ作動の際に、前記機械式過給機を内燃機関の出力軸に対して一定の増減速比で駆動することを特徴とする内燃機関のエンジンブレーキシステムの制御方法。