JP6809253B2

JP6809253B2 - エンジン

Info

Publication number: JP6809253B2
Application number: JP2017011484A
Authority: JP
Inventors: 淳一郎新田
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2017-01-25
Filing date: 2017-01-25
Publication date: 2021-01-06
Anticipated expiration: 2037-01-25
Also published as: JP2018119472A

Description

本発明はエンジンに関し、更に詳しくは、圧縮解放機構及びエンジン冷却系への負担を回避しつつ、圧縮解放ブレーキの制動力を向上したエンジンに関する。

近年、ターボチャージャーやスーパーチャージャーなどの過給器を採用することにより、ベースとなるエンジンと同等の動力性能を確保しつつ、エンジンを小排気量化して燃費の改善を図るダウンサイジングが注目されている。しかし、ダウンサイジングには、排気量を削減しているため、エンジンブレーキの能力が低下してしまうという欠点がある。

このエンジンブレーキの能力低下の補完手段として、補助ブレーキである圧縮解放ブレーキを用いることが考えられる。圧縮解放ブレーキは、圧縮行程中の上死点付近で排気弁を開いてシリンダ内の高圧空気を排出すると共に、シリンダ内の圧力が低い状態で膨張行程を行わせる事で、吸収トルクを発生させて制動力を得るものである。この圧縮解放ブレーキの制動力は、過給圧の増加により圧縮行程における筒内圧力を高めて、膨張行程中の吸収仕事量を増やすことにより向上することが可能である。

しかし、過給圧の増加は、圧縮解放時の筒内圧の最大値（以下、「最大筒内圧」という。）の増加をもたらすので、動弁装置等からなる圧縮解放機構の強度の観点からは限界がある。そのため、圧縮解放ブレーキの作動時には、過給圧を十分なレベルまで低下させて、最大筒内圧を上限値未満にすることが必要である。なお、ここでいう最大筒内圧とは、排気弁の開放直前における筒内圧に相当するものである。

一方で、排ガス規制強化と燃費改善の市場要求に対して、エンジンには高過給システムの採用が必須となっている。一般的な排気ターボ型の高過給システムは、高膨張比特性を有しているため、圧縮解放ブレーキの作動時に、特に高エンジン回転数域において過給圧を十分なレベルまで低下させることが困難となり、最大筒内圧の上昇を招いてしまう。

このような問題を解決するために、圧縮解放ブレーキの作動時にＥＧＲ弁を開くことで、排ガスを吸気側に還流して過給圧を低下させることが行われている（例えば、特許文献１を参照）。しかしながら、ＥＧＲ弁を開くとエンジンの排気圧力が低下してしまうため、ポンピングロスが減少して吸収仕事量が低下してしまうことになる。また、高温の排ガスがＥＧＲクーラーを通過するため、エンジンの冷却系の負担が大きくなってしまう。

特表２００４−５２７６８６号公報

本発明の目的は、圧縮解放機構及びエンジン冷却系への負担を回避しつつ、圧縮解放ブレーキの制動力を向上することができるエンジンを提供することにある。

上記の目的を達成する本発明のエンジンは、排気通路に介設されたタービンの上流に可動ベーンを有するターボチャージャーと、気筒から前記排気通路に連通する排気口を開閉する排気弁を有する圧縮解放ブレーキ装置と、制御装置とを備えたエンジンにおいて、前
記タービンの下流側の前記排気通路に排気スロットルを設けるとともに、前記エンジンの回転数を測定する回転数センサと、該エンジンの過給圧を測定する第１圧力センサ又は前記排ガスの圧力を測定する第２圧力センサとを設置し、前記第１圧力センサを設置した場合に、前記制御装置は、前記圧縮解放ブレーキ装置の作動要求があったときは、該第１圧力センサの測定値が、エンジン回転数と最大過給圧と最大筒内圧との関係を示す予め設定された第１マップデータに基づき決定される目標過給圧になるように、又は、前記第２圧力センサを設置した場合に、前記制御装置は、前記圧縮解放ブレーキ装置の作動要求があったときは、該第２圧力センサの測定値が、エンジン回転数と最大排気圧と最大筒内圧との関係を示す第２マップデータに基づき決定される目標排気圧になるように、前記回転数センサの測定値が低中速域にある場合は、前記可動ベーンの開度のみを制御する一方で、該回転数センサの測定値が中高速域にある場合は、該可動ベーンの開度及び前記排気スロットルの開度を制御するように構成されていることを特徴とするものである。

本発明のエンジンによれば、圧縮解放ブレーキの作動時に、エンジン回転数が中高速域にあるときは排気スロットルを用いることで、筒内圧の増加を上限値未満に抑制しつつ過給圧を最大にするようにしたので、圧縮解放機構への負担を回避しつつ、圧縮解放ブレーキの制動力を向上することができる。また、ＥＧＲ弁を開放する必要がないので、エンジン冷却系への負担を回避することができる。

本発明の第１の実施形態からなるエンジンの構成図である。本発明の第２の実施形態からなるエンジンの構成図である。本発明のエンジン及び従来のエンジンにおける過給圧を比較したグラフである。本発明のエンジン及び従来のエンジンにおける最大筒内圧を比較したグラフである。本発明のエンジン及び従来のエンジンにおける冷却水吸収熱量を比較したグラフである。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態からなるエンジンを示す。なお、図中における矢印は、流体の流れる方向を示している。

このエンジン１Ａは、車両に搭載されたディーゼルエンジンである。エンジン１Ａにおいては、吸気通路２へ吸入された空気Ａは、吸入空気３となって図示しないエアクリーナーを通過してから高過給の可変容量型ターボチャージャー４（ＶＧＳターボチャージャー）のコンプレッサー５により圧縮され、インタークーラー６で冷却された後にインテークマニホールド７を経てエンジン本体８に供給される。

エンジン本体８に供給された吸入空気３は、クランクシャフト９に連結するピストン１０とシリンダ１１とからなる気筒１２内で噴射燃料と混合・燃焼して熱エネルギーを発生させた後に、排気弁１３が設置された排気口１４を通じてエキゾーストマニホールド１５から排ガス１６となって排気通路１７へ排気される。その排ガス１６の一部は、排気通路１７から分岐してインタークーラー６の上流側或いは下流側何れかで吸気通路２に接続するＥＧＲ通路１８にＥＧＲガス１９となって分流する。ＥＧＲ通路１８には、ＥＧＲガス１９を冷却する水冷式のＥＧＲクーラー２０と、ＥＧＲガス１９の流量を調整するＥＧＲ弁２１とが、排気通路１７側から順に配置されている。

一方で、ＥＧＲ通路１８に分流しなかった排ガス１６は、ＶＧＳターボチャージャー４
のタービン２２の手前に設置された可動ベーン２３を通過してタービン２２を回転駆動させた後に、図示しない排ガス処理装置を経て排出ガスＧとして大気中へ放出される。このＶＧＳターボチャージャー４の可動ベーン２３の開度は、エンジン１Ａの運転状態に応じて、ＥＣＵなどの制御装置２４により制御される。

エンジン本体８は、冷却水２５が循環するエンジン冷却回路２６により冷却される。この冷却水２５の一部は、水冷式のＥＧＲクーラー２０におけるＥＧＲガス１９の冷却に用いられる。

また、エンジン１Ａには、圧縮解放ブレーキ装置２７が装備されている。制御装置２４は、ドライバーによる圧縮解放ブレーキ装置２７の作動要求があったときは、動弁装置（図示せず）を通じて、ピストン１０が圧縮行程の上死点付近に達したときに排気弁１３を開放する制御を行う。

そして、ＶＧＳターボチャージャー４のタービン２２の直後の排気通路１７には、排ガス１６の流量を調整可能な排気スロットル２８が設けられている。また、エンジン１Ａのエンジン回転数を測定する回転数センサ２９が、クランクシャフト９に取り付けられている。更に、インテークマニホールド７には、エンジン１Ａの過給圧を測定する第１圧力センサ３０が設置されている。これらの排気スロットル２８、回転数センサ２９及び第１圧力センサ３０は、信号線（一点鎖線で示す）を通じて制御装置２４に接続している。

このようなエンジン１Ａにおける制御装置２４の機能を以下に説明する。

制御装置２４は、ドライバーによる圧縮解放ブレーキ装置２７の作動要求の有無を判定し、作動要求があったときは、回転数センサ２９の測定値Ｒ及び第１圧力センサ３０の測定値Ｋをそれぞれ入力する。

次に、制御装置２４は、測定値Ｒが低中速域又は中高速域のいずれかに属するかを判定する。ここで、低中速域及び中高速域とは、エンジン回転数が定格回転速度に対して、それぞれ３０〜７０％及び７０〜１００％の大きさとなる領域を指す。

そして、制御装置２４は、測定値Ｒが低中速域にある場合は、第１圧力センサ３０の測定値Ｋが、エンジン回転数と最大過給圧と最大筒内圧との関係を示す予め設定された第１マップデータに基づき決定される目標過給圧になるように、ＶＧＳターボチャージャー４の可動ベーン２３の開度のみを制御する。このとき、可動ベーン２３の開度と測定値Ｋとは、負の相関関係になる。

その一方で、制御装置２４は、測定値Ｒが中高速域にある場合は、測定値Ｋが第１マップデータに基づき決定される目標過給圧になるように、可動ベーン２３の開度及び排気スロットル２８の開度を制御する。その制御内容は、特に限定するものではないが、以下に示す２つの手法が例示される。
（ａ）排気スロットル２８の開度を、エンジン回転数から予め定まる目標開度に設定した後に、可動ベーン２３の開度を徐々に大きくする。
（ｂ）可動ベーン２３の開度を全開にした後に、排気スロットル３０の開度を徐々に小さくする。

なお、目標過給圧とは、最大筒内圧が圧縮解放機構に影響を及ぼすおそれのある上限値未満となる範囲における過給圧の最大値であり、測定値Ｒと第１マップデータとから決定される。

図２は、本発明の第２の実施形態からなるエンジンを示す。なお、図１と同じ箇所には同一の符号を付し、その説明を省略する。

このエンジン１Ｂでは、第１圧力センサ３０の代わりに、排ガス１６の圧力（排気圧）を測定する第２圧力センサ３１がエキゾーストマニホールド１５に設置されている。

このエンジン１Ｂにおける制御装置２４の機能を以下に説明する。

制御装置２４は、ドライバーによる圧縮解放ブレーキ装置２７の作動要求の有無を判定し、作動要求があったときは、回転数センサ２９の測定値Ｒ及び第２圧力センサ３１の測定値Ｈをそれぞれ入力する。

そして、制御装置２４は、測定値Ｒが低中速域にある場合は、第２圧力センサ３１の測定値Ｈが、エンジン回転数と最大排気圧と最大筒内圧との関係を示す予め設定された第２マップデータに基づき決定される目標排気圧になるように、ＶＧＳターボチャージャー４の可動ベーン２３の開度のみを制御する。このとき、可動ベーン２３の開度と測定値Ｈとは、負の相関関係となる。

その一方で、制御装置２４は、測定値Ｒが中高速域にある場合は、測定値Ｈが第２マップデータに基づき決定される目標排気圧になるように、可動ベーン２３の開度及び排気スロットル２８の開度を制御する。この制御内容については、エンジン１Ａの場合と同じく２つの手法が例示される。

このように測定値Ｈ（排気圧）を低下させることで、エンジン１Ｂの過給圧が低下する。

なお、目標排気圧とは、最大筒内圧が圧縮解放機構に影響を及ぼすおそれのある上限値未満となる範囲における排気圧の最大値であり、測定値Ｒと第２マップデータとから決定される。

以上のように、圧縮解放ブレーキの作動時に、特に過給圧を十分なレベルまで低下させることが困難となるエンジン回転数の中高速域において、排気スロットル２８を用いてタービン２２の出口圧を調整することで、筒内圧の増加を上限値未満に抑制しつつ過給圧を最大にするようにしたので、圧縮解放機構への負担を回避しつつ、圧縮解放ブレーキの制動力を向上することができるのである。また、ＥＧＲ弁２１を開放する必要がないので、エンジン冷却回路２６への負担を回避することができる。

本発明のエンジン１Ａ（実施例）と、ＥＧＲ弁の開度を制御する従来のエンジン（従来例）とにおいて、特定のエンジン回転数で圧縮解放ブレーキを作動した場合の、過給圧を比較した結果を図３に、最大筒内圧を比較した結果を図４に、冷却水２５の吸収熱量を比較した結果を図５に、それぞれ示す。

これらの結果から、実施例のエンジン１Ａは、特にエンジン回転数が中高速域にあるときは、従来例のエンジンよりも過給圧を十分なレベルまで低下させて、最大筒内圧の増加を抑制できるとともに、冷却水２５の吸収熱量が低下することが分かる。

１Ａ、１Ｂエンジン
４ＶＧＳターボチャージャー
８エンジン本体
１０ピストン
１２気筒
１３排気弁
１４排気口
１６排ガス
１７排気通路
２１ＥＧＲ弁
２２タービン
２３可動ベーン
２４制御装置
２５冷却水
２７圧縮解放ブレーキ装置
２８排気スロットル
２９回転数センサ
３０第１圧力センサ
３１第２圧力センサ

Claims

排気通路に介設されたタービンの上流に可動ベーンを有するターボチャージャーと、気筒から前記排気通路に連通する排気口を開閉する排気弁を有する圧縮解放ブレーキ装置と、制御装置とを備えたエンジンにおいて、
前記タービンの下流側の前記排気通路に排気スロットルを設けるとともに、
前記エンジンの回転数を測定する回転数センサと、該エンジンの過給圧を測定する第１圧力センサ又は前記排ガスの圧力を測定する第２圧力センサとを設置し、
前記第１圧力センサを設置した場合に、前記制御装置は、前記圧縮解放ブレーキ装置の作動要求があったときは、該第１圧力センサの測定値が、エンジン回転数と最大過給圧と最大筒内圧との関係を示す予め設定された第１マップデータに基づき決定される目標過給圧になるように、
又は、前記第２圧力センサを設置した場合に、前記制御装置は、前記圧縮解放ブレーキ装置の作動要求があったときは、該第２圧力センサの測定値が、エンジン回転数と最大排気圧と最大筒内圧との関係を示す第２マップデータに基づき決定される目標排気圧になるように、
前記回転数センサの測定値が低中速域にある場合は、前記可動ベーンの開度のみを制御する一方で、該回転数センサの測定値が中高速域にある場合は、該可動ベーンの開度及び前記排気スロットルの開度を制御するように構成されていることを特徴とするエンジン。
前記制御装置が、前記回転数センサの測定値が中高速域にある場合に、前記可動ベーンの開度及び排気スロットルの開度を制御するときは、
前記制御装置は、前記排気スロットルの開度を、エンジン回転数から予め定まる目標開度に設定した後に、前記可動ベーンの開度を制御するように構成されている請求項１に記載のエンジン。
前記制御装置が、前記回転数センサの測定値が中高速域にある場合に、前記可動ベーンの開度及び排気スロットルの開度を制御するときは、
前記制御装置は、前記可動ベーンの開度を全開に設定した後に、前記排気スロットルの開度を制御するように構成されている請求項１に記載のエンジン。