JP2017198104A

JP2017198104A - エンジンシステム

Info

Publication number: JP2017198104A
Application number: JP2016087720A
Authority: JP
Inventors: 松本　裕; Yutaka Matsumoto; 裕松本
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2016-04-26
Filing date: 2016-04-26
Publication date: 2017-11-02

Abstract

【課題】簡素な構造で、圧縮開放ブレーキを実行する際における筒内圧を適切に低下できるようにする。【解決手段】エンジン１０の圧縮行程時に排気バルブ１８を開弁させる圧縮開放ブレーキを作動可能な圧縮開放ブレーキ機構６０と、排気系３１に設けられたタービン４１及び、吸気系２１に設けられたコンプレッサ４２を含むターボチャージャ４０と、排気系３１のタービン４１よりも排気下流側の排気流路を流れる排気流量を調整可能な排気ブレーキバルブ７０と、圧縮開放ブレーキ機構の作動時に、排気ブレーキバルブ７０の開度を減少させるように制御するバルブ制御部１２０と、を備えるようにする。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンシステムに関し、特に、圧縮開放ブレーキ機構を備えたエンジンの吸排気系システムに関する。

従来、ディーゼルエンジン等の直噴式エンジンにおいては、圧縮行程時に燃料を噴射せずに排気バルブを開弁して筒内の圧縮圧力を開放し、ピストンが上死点を通過した後に排気バルブを閉弁して膨張行程時にピストンを押し下げる力の発生を抑制することで、エンジンブレーキ力を高めるようにした圧縮開放ブレーキが実用化されている。

筒内圧が高い状態で圧縮開放ブレーキを作動させると、動弁機構の各要素に大きな負荷が掛かり、カムの摩耗や排気バルブの破損等、エンジンの耐久性を低下させることになる。

このような課題に着目した技術として、例えば、特許文献１，２には、筒内圧が上限圧力よりも高い場合には、排気再循環ガス（以下、ＥＧＲガス）の流量を増加、或は、可変容量型ターボチャージャの可変翼の開度を増加させることで、筒内圧を上限圧力よりも低下させる技術が開示されている。

特開２０１３−２１７２３１号公報特開２０１３−２１７２３２号公報

ところで、上記従来技術では、高筒内圧時に可変容量型ターボチャージャの可変翼の開度を増加させて筒内圧を低下させているが、ターボチャージャを可変容量型としなければならず、コストの上昇等を招く課題がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、簡素な構造で、圧縮開放ブレーキを実行する際における筒内圧を適切に低下させる技術を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するため、本発明の一観点に係るエンジンシステムは、エンジンの圧縮行程時に排気バルブを開弁させる圧縮開放ブレーキを作動可能な圧縮開放ブレーキ機構と、エンジンの排気系に設けられたタービン及び、エンジンの吸気系に設けられたコンプレッサを含むターボチャージャと、排気系のタービンよりも排気下流側の排気流路を流れる排気流量を調整可能な排気ブレーキバルブと、圧縮開放ブレーキ機構の作動時に、排気ブレーキバルブの開度を減少させるように制御するバルブ制御手段と、を備える。

上記エンジンシステムにおいて、バルブ制御手段は、エンジンの回転数が所定の回転数を超える場合に、排気ブレーキバルブの開度を減少させるようにしてもよい。

また、上記エンジンシステムにおいて、エンジンの筒内の圧力状態を取得する圧力状態取得手段を更に備え、バルブ制御手段は、圧縮開放ブレーキ機構の作動時に、圧力状態取得手段によって取得される筒内の圧力状態が圧縮開放ブレーキを作動可能な所定の圧力状態となるように、排気ブレーキバルブの開度を制御するようにしてもよい。

また、上記エンジンシステムにおいて、ターボチャージャが可変翼を有しないコンベンショナルタイプのターボチャージャであってもよい。

本発明によれば、簡素な構造で、圧縮開放ブレーキを実行する際における筒内圧を適切に低下させることができる。

本発明の第一実施形態に係るエンジンシステムを示す模式的な全体構成図である。本発明の第一実施形態に係る圧縮開放ブレーキ作動時の過給圧低減制御を説明するフローチャートである。本発明の第二実施形態に係る圧縮開放ブレーキ作動時の過給圧低減制御を説明するフローチャートである。

以下、添付図面に基づいて、本発明の各実施形態に係るエンジンシステムを説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

［第一実施形態］
まず、第一実施形態に係るエンジンシステムについて説明する。

図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジン）１０は、ピストン１４を往復移動可能に収容するシリンダ１３が設けられたシリンダブロック１１と、シリンダブロック１１の上部に図示しないボルトによって固定されたシリンダヘッド１２とを備えている。なお、図１中には、一気筒のみを示し、他の気筒については図示を省略している。また、エンジン１０は複数気筒に限定されず、単気筒であってもよい。

シリンダヘッド１２には、開閉動作により吸気ポート１５からシリンダ１３内に新気を導入させる吸気バルブ１６と、開閉動作によりシリンダ１３内から排気ポート１７に排気を排出させる排気バルブ１８が設けられている。また、シリンダヘッド１２には、筒内に燃料を直接噴射するインジェクタ１９が設けられている。さらに、シリンダヘッド１２の上部には、詳細を後述する圧縮開放ブレーキ機構６０が設けられている。

シリンダヘッド１２の一側部には吸気マニホールド２０が取り付けられ、吸気マニホールド２０には吸気通路２１が接続されている。吸気通路２１には、上流側から順に、エアフィルタ２２、ターボチャージャ４０のコンプレッサ４２、インタークーラ２３等が設けられている。また、吸気通路２１には、上流側から順に、吸気流量（ＭＡＦ）センサ８０、第一温度センサ８１、第二温度センサ８２、過給圧センサ８３等が設けられている。

シリンダヘッド１２の他側部には排気マニホールド３０が取り付けられ、排気マニホールド３０には排気通路３１が接続されている。排気通路３１には、排気上流側から順に、ターボチャージャ４０のタービン４１、排気ブレーキバルブ７０、図示しない排気浄化ユニット等が設けられている。

ターボチャージャ４０は、排気ガスにより回転駆動するタービン４１と、タービン４１と同軸に設けられて吸気を圧送するコンプレッサ４２とを備えている。本実施形態において、ターボチャージャ４０は、好ましくは、タービン４１に可変翼を有しない非可変容量型のターボチャージャ（コンベンショナルターボチャージャ）が適用されている。

ＥＧＲ装置５０は、排気通路３１を流れる排気ガスの一部を吸気通路２１に再循環させるＥＧＲ通路５１と、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ５２と、ＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲバルブ５３とを備えている。本実施形態において、ＥＧＲバルブ５３は、好ましくは、ステム部５３Ａ及び、傘部５３Ｂを有するポペットバルブとされ、ステップモータ５４によって駆動される。なお、ＥＧＲバルブ５３は、ポペットバルブに限定されず、バタフライバルブであってもよい。

圧縮開放ブレーキ機構６０は、後述する電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）１００から電磁ソレノイド６１に作動信号が入力されて油圧により通常のカム（不図示）からブレーキ用カム６２に切り替えられると、ブレーキ用カム６２がロッカアーム６３を揺動させて圧縮行程時に排気バルブ１８を開弁することで、圧縮開放ブレーキを作動させる。より詳しくは、圧縮開放ブレーキの作動は、まず、圧縮工程時にインジェクタ１９から燃料を噴射せずに上死点近傍で排気バルブ１８を開弁させて、シリンダ１３内の空気を排気通路３１に排出する。これにより、シリンダ１３内でピストン１４の運動エネルギを用いて圧縮された空気が外部に排出され、ピストン１４の運動エネルギが外部に失われる。次いで、ピストン１４が上死点を通過した膨張工程にて排気バルブ１８を閉弁する。これにより、シリンダ１３内が負圧となり、ピストン１４を引き上げる力を生じさせることで、エンジンブレーキ力が高められるようになっている。

排気ブレーキバルブ７０は、排気通路３１のターボチャージャ４０のタービン４１の下流側に配置されている。排気ブレーキバルブ７０は、例えば、バタフライバルブであり、排気通路３１を流れる排気ガスの流量を調整する。本実施形態では、排気ブレーキバルブ７０は、排気通路３１における排気ガスの流れを遮断する閉状態と、排気通路３１における排気ガスの流れを遮断しない開状態との２つの状態の間で切替えられる。なお、排気ブレーキバルブ７０は、バタフライバルブに限られない。

ＥＣＵ１００は、エンジン１０の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。これら各種制御を行うため、ＥＣＵ１００には、ＭＡＦセンサ８０、第一温度センサ８１、第二温度センサ８２、過給圧センサ８３、エンジン回転数センサ８４、アクセル開度センサ等の各種センサ類のセンサ値が入力される。また、ＥＣＵ１００は、ブレーキ作動制御部１１０と、バルブ制御手段の一例としてのバルブ制御部１２０とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ１００に含まれるものとして説明するが、これらの何れか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

ブレーキ作動制御部１１０は、運転者による図示しないブレーキ操作装置のＯＮ操作に応じて、圧縮開放ブレーキ機構６０に作動信号を出力することで、圧縮開放ブレーキの作動を制御する。

バルブ制御部１２０は、運転者によってブレーキ操作装置（不図示）がＯＮ操作された際に、エンジン回転数センサ８４で検出される実エンジン回転数Ｎｅ_＿ａｃｔが上限エンジン回転数Ｎｅ_＿ｍａｘを超えている場合には、排気ブレーキバルブ７０を閉状態、すなわち、開度を減少させるように制御して、タービン４１の下流側の排圧を上昇させることので、ターボチャージャ４０の駆動を低下させ、実過給圧を低減させる過給圧低減制御を実施する。ここで、上限エンジン回転数Ｎｅ_＿ｍａｘとは、排気ブレーキバルブ７０を閉状態としないと、実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}が上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}に到達してしまうこととなる場合におけるエンジン回転数である。

このように、実エンジン回転数Ｎｅ_＿ａｃｔが上限エンジン回転数Ｎｅ_＿ｍａｘを超えている場合には、タービン４１の下流側の排圧を高くすることで、タービン４１を回転させて下流側に流れる排気ガスの量が低下する。これにより、タービン４１の回転が急速に低下すると共に、過給圧も急速に低減するようになり、筒内圧が早期に低下される。

次に、図２に基づいて、本実施形態に係る圧縮開放ブレーキ作動時の過給圧低減制御処理を説明する。

バルブ制御部１２０は、運転者によってブレーキ操作装置（不図示）がＯＮ操作されたか否かを判定する（ステップＳ１００）。この結果、ＯＮ操作された場合（ステップＳ１００：肯定）は、バルブ制御部１２０は、エンジン回転数センサ８４で検出される実エンジン回転数Ｎｅ_＿ａｃｔが上限エンジン回転数Ｎｅ_＿ｍａｘを超えているか否かを判定する（ステップＳ１１０）。

この結果、実エンジン回転数Ｎｅ_＿ａｃｔが上限エンジン回転数Ｎｅ_＿ｍａｘを超えている場合（ステップＳ１１０：肯定）は、筒内圧が所定の上限筒内圧を超える可能性があるため、バルブ制御部１２０は、過給圧低減制御を実施する（ステップＳ１２０）。一方、ステップＳ１１０にて、実エンジン回転数Ｎｅ_＿ａｃｔが上限エンジン回転数Ｎｅ_＿ｍａｘ以下の場合（否定）は、筒内圧を上限筒内圧以下に抑えられるため、バルブ制御部１２０は、ステップＳ１２０の過給圧低減制御をスキップさせてステップＳ１３０に処理を進める。

ステップＳ１２０では、バルブ制御部１２０は、排気ブレーキバルブ７０を閉状態に制御してタービン４１から排出される排気ガスの流量を減少させ、筒内圧を低減させる過給圧低減制御を実施する。

ステップＳ１３０では、ブレーキ作動制御部１１０は、圧縮開放ブレーキを作動させるべく、圧縮開放ブレーキ機構６０に作動信号が出力され、処理をリターンする。すなわち、通常のカムからブレーキ用カム６２への切り替えにより排気バルブ１８を圧縮行程時の上死点近傍で開弁する圧縮開放ブレーキが作動され、その後、処理がリターンされる。

以上詳述したように、本実施形態によると、圧縮開放ブレーキの作動時にエンジン回転数が所定の回転数を超えている場合には、タービン４１の下流側の排圧を上昇させることで、タービン４１から下流に流れる排気ガスの量が低減され、過給圧も急速に低減される。これにより、圧力差の小さい吸気系にＥＧＲを再循環させる従来技術に比べ、筒内圧を早期に低下させることが可能となる。

また、ターボチャージャの構成によらずに、タービン４１から流れる排気ガスの流量を低減することができるため、ターボチャージャ４０が可変翼を有しないコンベンショナルタイプであっても、過給圧の早期低減が実現されるようになる。すなわち、ターボチャージャ４０を高価な可変容量型にする必要がなくなり、搭載制約や装置全体のコスト上昇等を効果的に防止することができる。

［第二実施形態］
次に、第二実施形態に係るエンジンシステムについて説明する。

第二実施形態のエンジンシステムは、ブレーキ作動制御部１１０及びバルブ制御部１２０の処理を、過給圧センサ８３で検出される実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}に基づいて処理を実行するようにしたものである。

ブレーキ作動制御部１１０は、運転者による図示しないブレーキ操作装置のＯＮ操作に応じて、圧縮開放ブレーキ機構６０に作動信号を出力することで、圧縮開放ブレーキの作動を制御する。より詳しくは、ＥＣＵ１００には、予め実験等により取得した筒内圧を圧縮開放ブレーキの作動可能な上限筒内圧に上昇させる上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}が記憶されている。ブレーキ作動制御部１１０は、ブレーキ操作装置（不図示）がＯＮ操作された際に、過給圧センサ８３で検出される実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}が上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}以下であれば、圧縮開放ブレーキ機構６０に作動信号を出力する。一方、ブレーキ操作装置（不図示）がＯＮ操作された際に、過給圧センサ８３で検出される実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}が上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}を超えていれば、ブレーキ作動制御部１１０は、圧縮開放ブレーキ機構６０への作動信号の出力を禁止するようになっている。

なお、圧縮開放ブレーキの作動又は禁止の処理は、上述したような実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}と上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}との比較に限定されず、例えば、各種センサ類８０〜８４等によって取得される機関運転状態から推定される筒内圧を上限筒内圧と比較することで行ってもよい。また、筒内圧を直接的に取得する筒内圧センサ（不図示）を用いることもできる。

バルブ制御部１２０は、運転者によってブレーキ操作装置（不図示）がＯＮ操作された際に、過給圧センサ８３で検出される実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}が上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}を超えている場合には、排気ブレーキバルブ７０を閉状態に制御して、タービン４１の下流側の排圧を高くすることで、ターボチャージャ４０の駆動を低下させ、実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}を上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘｘ}以下に低減させる過給圧低減制御を実施する。

このように、実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}が上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}を超えている場合には、タービン４１の下流側の排圧を高くすることで、タービン４１を回転させて下流側に流れる排気ガスの流量が低下する。これにより、タービン４１の回転が急速に低下すると共に、過給圧も急速に低減するようになり、筒内圧は圧縮開放ブレーキを作動可能な上限筒内圧以下に早期に低下される。

次に、図３に基づいて、本実施形態に係る圧縮開放ブレーキ作動時の過給圧低減制御処理を説明する。

バルブ制御部１２０は、運転者によってブレーキ操作装置（不図示）がＯＮ操作されたか否かを判定する（ステップＳ２００）。この結果、ＯＮ操作された場合（ステップＳ２００：肯定）は、バルブ制御部１２０は、過給圧センサ８３で検出される実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}が上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}を超えているか否かを判定する（ステップＳ２１０）。

この結果、実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}が上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}を超えている場合（ステップＳ２１０：肯定）は、筒内圧が圧縮開放ブレーキを作動可能な上限筒内圧を超えているため、バルブ制御部１２０は、過給圧低減制御を実施する（ステップＳ２２０）。一方、ステップＳ２１０にて、実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}が上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}以下の場合（否定）は、筒内圧が圧縮開放ブレーキを作動可能な状態にあるため、バルブ制御部１２０は、ステップＳ２２０〜２３０の過給圧低減制御をスキップさせてステップＳ２４０に処理を進める。

ステップＳ２２０では、バルブ制御部１２０は、排気ブレーキバルブ７０を閉状態に制御してタービン４１から排出される排気ガスの流量を減少させ、実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}を上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}以下に低減させる過給圧低減制御を実施する。

次いで、ステップＳ２３０では、ブレーキ作動制御部１１０は、過給圧センサ８３で検出される実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}が過給圧低減制御によって上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}以下に低下したか否かが判定される。実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}が上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}以下に低下された場合（肯定）は、筒内圧が圧縮開放ブレーキを作動できる状態まで低下しているため、ブレーキ作動制御部１１０は、圧縮開放ブレーキを作動させるべくステップＳ２４０に処理を進める。一方、実過給圧Ｐ_{Ｂ＿ａｃｔ}が上限過給圧Ｐ_{Ｂ＿ｍａｘ}以下に低下していない場合（否定）は、ブレーキ作動制御部１１０は、過給圧低減制御を継続させるために処理をステップＳ２２０に進める。

ステップＳ２４０では、ブレーキ作動制御部１１０は、圧縮開放ブレーキを作動させるべく、圧縮開放ブレーキ機構６０に作動信号を出力し、処理をリターンする。すなわち、通常のカムからブレーキ用カム６２への切り替えにより排気バルブ１８を圧縮行程時の上死点近傍で開弁する圧縮開放ブレーキが作動され、その後、処理がリターンされる。

以上詳述したように、本実施形態によると、圧縮開放ブレーキの作動時に筒内圧が圧縮開放ブレーキを作動可能な上限筒内圧を超えている場合には、タービン４１の下流側の排圧を上昇させることで、タービン４１から下流に流れる排気ガスの流量が低減され、過給圧も急速に低減される。これにより、圧力差の小さい吸気系にＥＧＲを再循環させる従来技術に比べ、筒内圧を圧縮開放ブレーキが作動可能な上限筒内圧以下に早期に低下させることが可能となり、圧縮開放ブレーキの操作に対する作動応答性を確実に向上することができる。

また、ターボチャージャの構成によらずに、タービン４１から流れる排気ガスの流量を低減することができるため、ターボチャージャ４０が可変翼を有しないコンベンショナルタイプであっても、過給圧の早期低減が実現されるようになり、圧縮開放ブレーキの作動応答性を確実に向上することができる。すなわち、ターボチャージャ４０を高価な可変容量型にする必要がなくなり、搭載制約や装置全体のコスト上昇等を効果的に防止することができる。

なお、本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、第一実施形態及び第二実施形態では、排気ブレーキバルブ７０の状態を、開状態と閉状態との２つの状態間で切り替えることにより開度を調整するようにしていたが、本発明はこれに限られず、例えば、排気ブレーキバルブ７０の開度を、開度が異なる３以上の状態間で切替えることにより開度を調整するようにしてもよい。

また、第一実施形態及び第二実施形態では、ターボチャージャ４０を、可変翼を有しないコンベンショナルタイプとしていたが、可変容量型のターボチャージャとしてもよい。

また、エンジン１０はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等、他のエンジンにも広く適用することが可能である。

１０エンジン
２１吸気通路
３１排気通路
４０ターボチャージャ
４１タービン
４２コンプレッサ
５０ＥＧＲ装置
６０圧縮開放ブレーキ機構
７０排気ブレーキバルブ
７１バイパスバルブ
８３過給圧センサ
１００ＥＣＵ
１２０バルブ制御部

Claims

エンジンの圧縮行程時に排気バルブを開弁させる圧縮開放ブレーキを作動可能な圧縮開放ブレーキ機構と、
前記エンジンの排気系に設けられたタービン及び、前記エンジンの吸気系に設けられたコンプレッサを含むターボチャージャと、
前記排気系の前記タービンよりも排気下流側の排気流路を流れる排気流量を調整可能な排気ブレーキバルブと、
前記圧縮開放ブレーキ機構の作動時に、前記排気ブレーキバルブの開度を減少させるように制御するバルブ制御手段と、を備える
エンジンシステム。
前記バルブ制御手段は、前記エンジンの回転数が所定の回転数を超える場合に、前記排気ブレーキバルブの開度を減少させる
請求項１に記載のエンジンシステム。
前記エンジンの筒内の圧力状態を取得する圧力状態取得手段を更に備え、
前記バルブ制御手段は、前記圧縮開放ブレーキ機構の作動時に、前記圧力状態取得手段によって取得される筒内の圧力状態が圧縮開放ブレーキを作動可能な所定の圧力状態となるように、前記排気ブレーキバルブの開度を制御する
請求項１に記載のエンジンシステム。
前記ターボチャージャが可変翼を有しないコンベンショナルタイプのターボチャージャである
請求項１から３の何れか一項に記載のエンジンシステム。