JPH11229885A - ディーゼルエンジン - Google Patents

ディーゼルエンジン

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JPH11229885A
JPH11229885A JP10027416A JP2741698A JPH11229885A JP H11229885 A JPH11229885 A JP H11229885A JP 10027416 A JP10027416 A JP 10027416A JP 2741698 A JP2741698 A JP 2741698A JP H11229885 A JPH11229885 A JP H11229885A
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egr
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valve
egr valve
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Koji Natsume
浩司 夏目
Takeshi Kikuchi
武 菊地
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    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

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  • Exhaust-Gas Circulating Devices (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 EGR装置の異常時における過給圧の過剰上
昇を防止する。 【解決手段】 本発明に係るディーゼルエンジン1は、
可動ノズルベーンを有した可変容量型ターボ過給機3
と、EGR弁15を有したEGR装置4と、EGR装置
4の異常を検出するための検出手段23と、エンジン運
転状態に基づいて上記可動ノズルベーン及び上記EGR
弁15の開度制御を行うためのコントローラ13であっ
て、上記EGR弁15の開放時に上記可動ノズルベーン
の開度を上記EGR弁15の閉鎖時の開度より小開度に
制御し、且つ、上記検出手段23の検出信号に基づき、
上記EGR装置4を異常と判断したときには、上記可動
ノズルベーンの開度を上記EGR弁15の開放時の開度
より大開度に制御するコントローラ13とを備えたもの
である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、可変容量型ターボ
過給機とEGR装置とを組み合わせてなるディーゼルエ
ンジンに関するものである。
【0002】
【従来の技術】タービン入口に可動ノズルベーンを有
し、このノズルベーンの開度制御を行うことで過給圧
(コンプレッサ吐出圧)を変化させ得る可変容量型ター
ボ過給機が知られている。これは特開昭61-237831 号公
報等にあるように、複数のノズルベーンを連動機構で連
結すると共に、この連動機構にアクチュエータ駆動力を
入力することで、ノズルベーンの角度を変更し、タービ
ン入口面積を変化させるものである。そしてアクチュエ
ータは、電子制御ユニットであるコントローラからの制
御信号に基づき動作される。コントローラには、図3に
示す如きノズルベーン開度制御マップ(マップM1)が
予めメモリされており、コントローラはエンジン回転数
Neとエンジン負荷LとからマップM1に従ってノズル
ベーン開度S1〜S4 を決定し、このノズルベーン開度
となるような制御信号を出力する。
【0003】マップM1において、ベーン開度Sは
1 ,S2 ,S3 ,S4 の4段階に変化され、全閉(開
度ゼロではない)となるS1 から全開となるS4 に至る
につれその開度は順次段階的に増大される。即ち、低速
・高負荷となる領域では、燃料噴射量に対し吸気量が相
対的に不足しがちであるため、ベーン開度Sを小さく
(S=S1 )することでタービン入口での排ガス速度を
上げ、タービン回転数を増し、過給圧を高めて吸気量を
増大している。また、吸気量が十分な高速領域や燃料噴
射量の少ない低負荷領域では、逆にベーン開度Sを大き
く(S=S4 )することで排圧を下げ、ポンピングロス
を低減している。
【0004】一方、排ガスの一部を吸気中に環流するこ
とで、燃焼温度を下げ、NOxの生成を抑制するEGR
装置も周知である。これは排気通路と吸気通路とをバイ
パス通路としてのEGR通路で結び、このEGR通路を
EGR弁により開閉制御するものである。これにおいて
もやはりコントローラが、図4に示す如きEGR弁開度
制御マップ(マップM2)に従ってEGR弁開度H0
4 を決定し、制御信号を出力している。
【0005】このマップM2において、EGR弁開度H
はH0 ,H1 ,H2 ,H3 ,H4 の5段階に変化され、
全閉(開度ゼロ)となるH0 から全開となるH4 に至る
につれその開度は順次段階的に増大される。即ち、高負
荷領域となるほど新気の量が必要となるので、弁開度H
を減小することによってEGR量(EGR率)を減ら
し、新気の量(相対量)を増して、スモークの発生を抑
制しつつ、NOxの排出レベルを所定値(例えば規制
値)以下に抑制している。
【0006】また、所定値以上の高速或いは高負荷(例
えばL>60(%) )となる領域では、EGR弁を閉鎖即ち
開度ゼロとし、EGRを中止している。これによって新
気のみの燃焼となり、高出力が得られるようになる。
【0007】なお、エンジン暖機運転中も、シリンダ内
温度が低く燃焼も安定しないため、エンジン運転状態に
拘らず一律に弁開度HをH0 に固定し、EGRを中止し
ている。エンジンが暖機中か否かはコントローラがエン
ジン冷却水温Twの値から判断し、コントローラはエン
ジン冷却水温Twが所定値(例えば20℃)以下なら暖機
中と判断し、EGR装置を非作動として弁開度HをH0
に固定する。所定値を越えていれば暖機終了と判断し、
EGR装置を作動状態としてマップM2に従ってEGR
制御を実行する。
【0008】ところで、可変容量型ターボ過給機とEG
R装置とを組み合わせた場合は以下のような問題が発生
する。即ち、一般的なノズルベーン開度制御マップM1
は、EGRを前提としないで作成されるものであり、つ
まりEGR装置を非作動とした場合において、最適なベ
ーン開度を決定し得るものである。従って、EGR装置
が作動状態にある場合には、上記マップM1では最適な
ベーン開度を得ることができず、これに基づくベーン開
度制御を実行しても、スモーク及び燃費の増大を招いて
しまう。
【0009】また、仮にEGRを前提として上記マップ
M1を作成したとしても、こんどはEGR装置の非作動
時に最適なベーン開度を得られず、同様な問題を生じて
しまう。
【0010】これを詳述すると以下のようになる。図6
は、一定のエンジン回転数及びエンジン負荷において、
ノズルベーン開度を変化させた場合に、過給圧、排圧、
燃費、A/F (空燃比)、スモークレベル及びNOxレベ
ルがいかように変化するかを調べたグラフである。図
中、点線はEGR弁開度がゼロでEGRが中止されてい
る場合(閉鎖時)、実線はEGR弁が所定開度で開放さ
れEGRが実行されている場合(開放時)をそれぞれ示
す。スモークのグラフにおいてレベルdは悪化限界のレ
ベルを示す。またA/F のグラフにおいてレベルaはスモ
ーク悪化限界のA/F レベルを示す。
【0011】これによれば、燃費のグラフから、閉鎖時
にはベーン開度SA が、開放時にはベーン開度SB がそ
れぞれ最低ピークの燃費を生じさせ、最適なベーン開度
であることが分かる。なお一般的特性として、最適ベー
ン開度SA 又はSB よりベーン開度を大きくとると、過
給圧の低下によって空気過剰率も下がり、つまり吸気量
が不足し、燃焼が悪化し、スモークが急増し、燃費も悪
化する。またベーン開度を小さくとると、過給圧、空気
過剰率は上がるのでスモークは所定レベルd以下に抑制
されるが、排圧が上昇するので燃費が悪化する。またN
Oxレベルはベーン開度の変化に対しさほど変化は見ら
れないが、ベーン開度が大きく過給圧が低い方が、燃焼
時の熱発生率が低い分、NOxレベルも下がる傾向にあ
る。
【0012】このように、EGR装置の非作動時と作動
時とでは、最適ノズルベーン開度が異なるため、作動時
において非作動を前提としたマップに基づきベーン開度
制御を行っても、またこの逆を行っても、最適なベーン
開度を得られず、上記不具合が生じてしまう。
【0013】そこで、本出願人は、以前この問題を解決
し得る提案を特願平8-328637号において行った。これは
EGR装置作動時のノズルベーン開度をEGR装置非作
動時の開度より小開度に制御するものである。図6によ
ればSB <SA なので、この結果に基づき上記の如くノ
ズルベーン開度制御を実行することで、EGR装置の作
動・非作動に拘らず常に最適なノズルベーン開度を得ら
れ、スモーク及び燃費の悪化防止を図ることができる。
【0014】つまり、仮にEGR装置非作動時の最適ノ
ズルベーン開度で運転中、EGR装置を作動させ、EG
Rを実行したとする。すると吸気にEGRガスが混入し
た分、吸気の新気量割合が減少する。また排気の一部が
吸気にバイパスしたことによって、排気のもつエネルギ
が少なくなり、これによってタービンの仕事量が減り、
その分過給圧が下がる。これらの理由によって、新気量
が不足気味となり、スモーク増加、燃費悪化等の問題が
生じる。
【0015】そこで、EGR装置作動時ないしEGR弁
開放時には、ノズルベーン開度を絞ることで、タービン
に供給するガス流速を高め、タービンの仕事量を増やし
同等の過給圧を維持できる。そして新気量不足に伴うス
モーク増加、燃費悪化等の問題を解消できるのである。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】ところで、この先願に
は以下の問題が残されている。即ち、EGR装置に何ら
かの異常が発生し、EGR実行領域にも拘らずEGR弁
が開弁しないで、ノズルベーン開度が絞られると、過給
圧が過大となり、コンプレッサ下流にある吸気管やイン
タークーラ等の一次的破損、さらにはエンジン筒内圧の
過剰上昇に伴う二次的破損を招くという問題がある。こ
のようなEGR装置の異常としては、EGR弁の固着や
配線・配管の外れ等が考えられる。
【0017】
【課題を解決するための手段】本発明に係るディーゼル
エンジンは、可動ノズルベーンを有した可変容量型ター
ボ過給機と、EGR弁を有したEGR装置と、EGR装
置の異常を検出するための検出手段と、エンジン運転状
態に基づいて上記可動ノズルベーン及び上記EGR弁の
開度制御を行うためのコントローラであって、上記EG
R弁の開放時に上記可動ノズルベーンの開度を上記EG
R弁の閉鎖時の開度より小開度に制御し、且つ、上記検
出手段の検出信号に基づき、上記EGR装置を異常と判
断したときには、上記可動ノズルベーンの開度を上記E
GR弁の開放時の開度より大開度に制御するコントロー
ラとを備えたものである。
【0018】これによれば、EGR装置の異常時にはノ
ズルベーン開度を増大するので、過給圧の過剰上昇が妨
げられ、一次的、二次的破損を未然に防止することが可
能となる。
【0019】なお、上記コントローラが、上記EGR装
置を異常と判断したとき、上記可動ノズルベーンの開度
を上記EGR弁の閉鎖時の開度に制御するのが好まし
い。また、上記検出手段が、上記EGR弁の下流側に設
けられた温度センサであり、上記コントローラが、上記
温度センサによる検出値が予め記憶した設定値未満のと
き上記EGR装置を異常と判断するのが好ましい。ま
た、上記設定値がエンジン運転状態に応じて変化するの
が好ましい。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を添付図面に基づいて詳述する。
【0021】図1は、本発明に係るディーゼルエンジン
を示す構成図である。図示するように、ディーゼルエン
ジン1は、エンジン本体2に可変容量型ターボ過給機3
とEGR装置4とを備えて主に構成されている。可変容
量型ターボ過給機3は、排気通路5の途中に設けられた
タービン6と、吸気通路7の途中に設けられたコンプレ
ッサ8とを有し、特にタービン6の入口において図示し
ない複数の可動ノズルベーンが設けられ、タービンホイ
ール9への排ガス供給量を適宜変化させられるようにな
っている。
【0022】ノズルベーンは図示しない連動機構を介し
てアクチュエータ10により駆動されるようになってい
る。アクチュエータ10は、ここではダイヤフラムを利
用した負圧アクチュエータが採用されるが、その形式は
特に限定されない。アクチュエータ10は負圧配管11
aを介して負圧ポンプ11に接続され、供給される負圧
値に応じて可動ノズルベーンを開方向に駆動する。この
供給負圧の大きさを制御するのが負圧制御弁12で、負
圧制御弁12は、電子制御ユニットであるコントローラ
13から制御信号を受けて動作される。
【0023】EGR装置4は、排気通路5及び吸気通路
7を結ぶバイパス通路としてのEGR通路14と、EG
R通路14の吸気通路7側に設けられたEGR弁15と
を有している。このEGR弁15も、アクチュエータと
してのダイヤフラムを備え、負圧によって動作される
が、その形式は限定されない。EGR弁15は、供給さ
れる負圧値に応じて弁体を開方向に動作させてEGR通
路14を適宜開放する。そしてEGR弁15は、前記同
様、負圧配管16を通じて負圧ポンプ17から負圧供給
を受けると共に、その負圧値が負圧制御弁18とコント
ローラ13とによって制御される。
【0024】ここで、EGR通路14は、タービン6の
上流側で排気通路5から排ガスの一部(EGRガス)を
取り出し、そのEGRガスを吸気通路7のコンプレッサ
8下流側に、矢示方向に送り込むようになっている。そ
してEGR通路14において、EGR弁15のEGRガ
ス流れ方向下流側に、EGR装置4の異常を検出するた
めの検出手段、ここでは温度センサ23が設けられてい
る。温度センサ23は、EGR弁15を通過してきたE
GRガスの温度を検出し、その温度に見合った出力信号
をコントローラ13に送出する。
【0025】コントローラ13は、各種センサの出力信
号に基づきエンジン運転状態を検知するようになってお
り、代表的には、エンジン回転数センサ19の出力信号
に基づきエンジン回転数Neを、アクセル開度センサ2
0の出力信号に基づきエンジン負荷Lを、冷却水温セン
サ21の出力信号に基づき冷却水温Twをそれぞれ検知
するようになっている。
【0026】また、コントローラ13には、図3、図4
及び図5に示す各マップM1,M2,M3が予め記憶さ
れている。これらマップM1,M2,M3は実機試験等
を経て作成されたもので、エンジン回転数Neとエンジ
ン負荷Lとに応じた各最適値が入力されている。前述し
たように、図3に示すマップM1は、EGR装置4の非
作動時或いはEGR弁15の閉鎖時のノズルベーン開度
制御マップであり、これにおいてノズルベーン開度S
は、エンジン回転数Neとエンジン負荷Lとの値に応じ
て、全閉(開度ゼロではない)となるS1 から全開とな
るS4 まで順次4段階に増大されるようになっている。
また図4に示すマップM2は、EGR装置4のEGR弁
開度制御マップであり、これにおいてEGR弁15の開
度Hは、エンジン回転数Neとエンジン負荷Lとの値に
応じて、全閉(開度ゼロ)となるH0 から全開となるH
4 まで順次5段階に増大されるようになっている。なお
段数はこれらに限定されるものではない。
【0027】特に図5に示すマップM3は、EGR装置
4の作動時或いはEGR弁15の開放時におけるノズル
ベーン開度制御マップである。これにおいてもマップM
1と同様、ノズルベーン開度Sがエンジン回転数Neと
エンジン負荷Lとの値に応じ、全閉となるS1 から全開
となるS4 まで順次4段階に増大される。ところが、こ
のマップM3では、マップM2の弁開度H1 〜H4 とな
るEGR領域(図5の破線bで囲まれた領域)におい
て、各ベーン開度S1 〜S4 の境界がマップM1におけ
る境界(破線cで示す)より低負荷側に引き下げられ、
つまり同一のエンジン回転数Ne及びエンジン負荷Lに
対し、ノズルベーン開度SがマップM1の場合より1段
階小開度となる領域A(ハッチングで示す)が形成され
ている。
【0028】これらマップM1,M2,M3に従い、コ
ントローラ13は、図2に示す制御フローチャートに沿
って以下のようにベーン開度制御及びEGR弁開度制御
を実行する。
【0029】先ず、ステップST1では、前記センサ1
9,20,21の出力信号に基づき、エンジン回転数N
e、エンジン負荷L及び冷却水温Twの各値を入力す
る。次にステップST2で、冷却水温Twが予め決めら
れた所定値Tより高いか否かを判別する。Tw>Tなら
エンジンが暖機後であると判断して、EGR装置4が作
動状態にあると判断する。Tw≦Tならエンジンが暖機
中であると判断して、EGR装置4が作動状態にない、
つまり非作動の状態にあると判断する。即ち、このステ
ップST2では、コントローラ13がエンジン冷却水温
Twに基づいてEGR装置4の作動・非作動を決定して
いる。なおエンジン冷却水温Twによるのは一例で、E
GR装置4の作動条件は他の要素に基づいて定めてもよ
い。
【0030】ステップST2でTw>Tであると判断し
た場合、ステップST3に進んでマップM2によりEG
R弁開度Hを決定する。そしてステップST5におい
て、その開度Hに見合った制御信号(デューティ信号)
を負圧制御弁18に出力する。これによってEGR弁1
5の開度が設定開度Hに制御される。
【0031】一方、ステップST2でTw≦Tと判断し
た場合、ステップST4に進んでEGR弁開度Hを全閉
であるH0 (=0)に決定する。こうなるとステップS
T5に進んでも、負圧制御弁18には制御信号が出力さ
れず、これによってEGR弁15は完全閉鎖となり、E
GR通路14が塞がれてEGRは実行されない。
【0032】次に、ステップST6に進みH≠H0 か否
かを判断する。H≠H0 のときはステップST7に進
み、温度センサ23の出力信号に基づきEGRガス温度
Teを入力する。次にステップST8で、EGRガス温
度Teが予め記憶してある設定値Tj以上か否かを判断
する。ここで設定値Tjは、前記マップM1〜M3同
様、エンジン運転状態即ちエンジン回転数Neとエンジ
ン負荷Lとに応じたマップの形で与えられ、エンジン運
転状態に応じて変化する値となっている。
【0033】ここでTe≧Tjのときは、EGRガスが
適正に流れている状態、つまり現在のエンジン運転状態
において、EGR弁15が適正な開度Hに開放され、適
正量のEGRガスがEGR弁15を通過し、EGR装置
4が正常に作動している状態と判断する。このときはス
テップST9に進み、エンジン回転数Neとエンジン負
荷Lとから、マップM3に従ってノズルベーン開度Sを
決定する。そしてステップST11で開度Sに見合った
制御信号(デューティ信号)を負圧制御弁12に出力す
る。これによってノズルベーン開度がマップM3に基づ
くEGR実行時の最適開度Sに制御される。
【0034】一方、ステップST6でH=H0 のとき
は、EGR弁15が閉鎖されEGRが中止されている場
合なので、ステップST10でマップM1によりノズル
ベーン開度Sを決定した後、ステップST11でその開
度Sに合わせてノズルベーンを操作する。これによって
ノズルベーン開度がマップM1に基づくEGR中止時の
最適開度Sに制御される。
【0035】また特に、ステップST8でTe<Tjの
ときは、H≠H0 でEGR弁15に開放指令を出してい
るにも拘らず、EGRガスが適正に流れていない状態な
ので、EGR弁15が目標開度Hに達してないか又は全
く開放されてない、つまりEGR装置4が異常な状態で
あると判断し、ステップST10でマップM1からノズ
ルベーン開度Sを決定する。そしてステップST11で
この開度Sに合わせてノズルベーンを操作する。こうす
ることで、ノズルベーン開度は、特にマップM3の領域
Aにおいて、EGR弁開放時(EGR実行時)の開度よ
り大開度に制御されることとなる。
【0036】このように、ここではEGR弁15の閉鎖
時と開放時とで、異なるマップM1,M3に基づき、ノ
ズルベーン開度制御を実行している。そしてEGR弁1
5の開放時のノズルベーン開度を、EGR弁15の閉鎖
時の開度より小開度に制御することで、具体的には領域
Aを形成したマップM3を用いることで、EGR実行時
のノズルベーン開度Sを最適化し、スモーク及び燃費の
悪化防止を図ることができる。延いては、EGR弁15
の閉鎖時においても最適なベーン開度を得られ、結局、
EGR弁15の開放・閉鎖或いはEGR装置4の作動・
非作動に拘らず常に最適なノズルベーン開度制御が可能
となる。勿論、EGRの実行によりNOxの低減効果も
発揮される。
【0037】一方、ここではEGR装置4の異常を判断
したとき、マップM1に基づきノズルベーン開度Sを制
御している。即ち、特にマップM3の領域Aに相当する
エンジン運転状態おいて、ノズルベーン開度Sを、EG
R弁開放時の開度より大開度に制御している。こうする
ことで、EGR装置4の異常時にノズルベーン開度Sが
絞られて過給圧が過剰上昇するようなことがなくなり、
コンプレッサ下流にある吸気管やインタークーラ(本実
施形態では省略)等の一次的破損、さらにはエンジン筒
内圧の過剰上昇に伴う二次的破損を未然に防止すること
ができる。
【0038】ここで、EGR装置4の異常時にマップM
1を用いるのはマップの共用化、制御の簡略化のためで
ある。しかしながら、ノズルベーン開度Sを大開度に制
御できさえすれば、別のマップを用いたり、マップM3
で得られる開度値に所定値を加算したりしてもよい。
【0039】以上、本発明の好適な実施の形態について
説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されず他の
様々な実施の形態を採ることも可能である。例えば、検
出手段として過給圧センサ、O2 センサ、吸気量センサ
又はEGR弁開度センサ等を用い、これらの検出値に基
づきEGR装置の異常判断を行うようにしてもよい。
【0040】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、EGR装
置の異常時に過給圧の過剰上昇を未然に防止できるとい
う、優れた効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るディーゼルエンジンを示す構成図
である。
【図2】ノズルベーン及びEGR弁の開度制御を行うた
めの制御フローチャートである。
【図3】EGR弁閉鎖時のノズルベーン開度制御マップ
である。
【図4】EGR弁開度制御マップである。
【図5】EGR弁開放時のノズルベーン開度制御マップ
である。
【図6】ノズルベーン開度と各特性値との関係を示すグ
ラフである。
【符号の説明】
1 ディーゼルエンジン 3 可変容量型ターボ過給機 4 EGR装置 13 コントローラ 15 EGR弁 23 温度センサ L エンジン負荷 Ne エンジン回転数 S ノズルベーンの開度 Te EGRガス温度(温度センサによる検出値) Tj 設定値
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI F02D 43/00 301 F02D 43/00 301Y 301R 301N F02M 25/07 550 F02M 25/07 550L

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 可動ノズルベーンを有した可変容量型タ
    ーボ過給機と、EGR弁を有したEGR装置と、該EG
    R装置の異常を検出するための検出手段と、エンジン運
    転状態に基づいて上記可動ノズルベーン及び上記EGR
    弁の開度制御を行うためのコントローラであって、上記
    EGR弁の開放時に上記可動ノズルベーンの開度を上記
    EGR弁の閉鎖時の開度より小開度に制御し、且つ、上
    記検出手段の検出信号に基づき、上記EGR装置を異常
    と判断したときには、上記可動ノズルベーンの開度を上
    記EGR弁の開放時の開度より大開度に制御するコント
    ローラとを備えたことを特徴とするディーゼルエンジ
    ン。
  2. 【請求項2】 上記コントローラが、上記EGR装置を
    異常と判断したとき、上記可動ノズルベーンの開度を上
    記EGR弁の閉鎖時の開度に制御する請求項1記載のデ
    ィーゼルエンジン。
  3. 【請求項3】 上記検出手段が、上記EGR弁の下流側
    に設けられた温度センサであり、上記コントローラが、
    上記温度センサによる検出値が予め記憶した設定値未満
    のとき上記EGR装置を異常と判断する請求項1又は2
    記載のディーゼルエンジン。
  4. 【請求項4】 上記設定値がエンジン運転状態に応じて
    変化する請求項3記載のディーゼルエンジン。
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