JP2004003411A - 排気タービン過給機の可変ノズル開度制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】排気タービン過給機10の可変ノズルの開度を、定常状態の時には所定負荷以下でほぼ全開とし、所定負荷以上で高負荷になるに従って順次閉じる方向へ制御する。高負荷側から低負荷側への移行時には、可変ノズルをより閉じるもしくは元の開度で保持する。また、運転状態がサージング限界に近づく可能性がある場合には、可変ノズルをより開いて保持する。低負荷側から高負荷側への移行時、あるいは低速側から高速側への移行時には可変ノズルを一端開いて、その後、より閉じてから定常状態の運転へ戻る。
【選択図】図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関に設けられ、排気ガスを利用して吸気を圧縮し、内燃機関に供給する排気タービン過給機の可変ノズル制御装置にかかる。
【0002】
【背景技術】
従来、内燃機関に吸気を過給するものとして排気タービン過給機が知られている。これは、内燃機関の排気管路の途中に設けられた排気タービンと、吸気管路の途中に設けられた圧縮機とを備え、内燃機関の排気ガスによって排気タービンを駆動させ、この駆動力によって圧縮機を駆動して吸気を圧縮するものである。このような排気タービン過給機には、排気タービンのノズル部の入口面積を可変にして、過給圧を調整するものがある。これは、排気タービンの排気ガス導入部分であるノズル部に可動式のノズルベーンを設置して、このノズルベーンを動作させることによりノズル部の入口面積を変更するものである。ノズルベーンを絞ってノズル部の入口面積を小さくすると、排気タービンに導入される排気ガスの流速が上がり、排気タービンの回収エネルギが上がるので、過給圧を上げることができる。ノズルベーンの制御は、一般的に負荷に応じて制御され、例えば、入口圧(排気圧力)と出口圧(給気圧力)とを比較し、これらの差(比)に応じてノズルベーンを開閉する方法などがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従来、トラックやバス用のディーゼルエンジンなどに使用される排気タービン過給機のノズルベーンの制御は、加速性の向上を狙って、低負荷時にノズルベーンの開度を最小にしている。しかしながら、低負荷時にノズル部の入口面積を小さくすると、内燃機関に流入する空気流量が大きくなり、吸気抵抗が増大するので、ディーゼルエンジンのポンピングロスが大きくなり、燃料消費率が悪化するという問題があった。
一方で、特開昭63−5117号公報に開示されているように、ノズルベーンの制御を低負荷時に略全開にすると、ポンピングロスは抑制されるものの、負荷や速度の変動のある過渡応答時には応答性が悪くなるという問題があった。特に、排気タービン過給機を建設機械用のディーゼルエンジンなどに使用する場合では、負荷の変動が大きく、また、減速、再加速などを繰り返すため、過渡応答時における応答性の向上は非常に重要である。
【0004】
本発明の目的は、低負荷時の燃料消費率がよく、かつ、過渡応答性が良好となる排気タービン過給機の可変ノズル開度制御装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段と作用効果】
そのため、本発明の請求項1に記載の排気タービン過給機の可変ノズル開度制御装置は、排気タービン過給機の可変ノズルの開度を調節可能なノズル開度調節手段と、排気タービン過給機が接続される内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段と、ノズル開度調節手段の動作を制御する制御手段とを備え、制御手段は、内燃機関の負荷が低負荷域では可変ノズルの開度をほぼ全開とし、第一の所定負荷以上では、負荷に応じて高負荷側になるに従い可変ノズルの開度を順次閉じる方向に制御するように予め設定され、内燃機関の負荷が高負荷側から低負荷側への移行後、第一の所定時間、元の高負荷側における可変ノズルの開度を保持、またはより閉じた開度とし、第一の所定時間経過後、予め設定した開度となるように制御するように構成されたことを特徴とする。
【0006】
この構成の本発明では、内燃機関の運転状態が負荷の変動がない、いわゆる定常状態では、低負荷側では可変ノズルの開度をほぼ全開に、また、第一の所定負荷以上では高負荷側に移行するに従って、順次閉じる方向に制御するので、各負荷での運転状態において最適な過給圧が保持される。特に、低負荷域では内燃機関のポンピングロスが低減され、燃料消費率が向上する。
また、高負荷側から低負荷側に移行する移行時には、移行後に可変ノズルの開度を第一の所定時間、元の高負荷側における開度に保持あるいはより閉じた開度に保持するので、この第一の所定時間内に再度負荷がかかった場合にも過給圧が高く保たれ、過渡応答性が良好となる。本発明は、負荷の変動が頻繁に行われる建設機械用のディーゼルエンジンなどに使用される場合に特に有用である。
【0007】
ここで、可変ノズルの開度の可変範囲は、排気タービン過給機や内燃機関の能力範囲等を勘案して適宜決定される。したがって、可変ノズルを全開または全閉にしたときのノズル部の入口面積は、可変ノズルの開度の可変範囲の設定により、適宜決定される。
また、所定負荷は、過給圧を高める必要が生じる時点の負荷であり、これは、可変ノズルの開度の可変範囲や、排気タービン過給機の能力範囲、内燃機関の使用運転範囲などを勘案して予め決定される。
【0008】
本発明の請求項2に記載の排気タービン過給機の可変ノズル開度制御装置は、請求項1に記載の排気タービン過給機の可変ノズル開度制御装置において、内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出手段を備え、制御手段は、内燃機関の負荷が高負荷側から低負荷側への移行時、あるいは、内燃機関の回転速度が高速側から低速側への移行初期には、第二の所定時間、または、内燃機関の回転速度が第一の所定回転速度に低下するまで、あるいは、内燃機関の負荷が第二の所定負荷に低下するまで、可変ノズルの開度を開くように制御するように構成されたことを特徴とする。
【0009】
内燃機関の負荷が高負荷側から低負荷側への移行時、あるいは、高速側から低速側への移行時に排気タービン過給機の可変ノズルの開度を保持、あるいは、より閉じた開度にすると、負荷あるいは速度の移行経路によっては圧縮機の作動域がサージング限界に近づいてしまうことがある。圧縮機の作動域がサージング限界に達すると、排気タービン過給機の振動や、振動による騒音が大きくなり、排気タービン過給機の運転が不安定になる。
この構成の本発明では、排気タービン過給機がこのような状況になる可能性のある条件で使用される場合には、高負荷側から低負荷側あるいは高速側から低速側への移行初期に、制御手段が、予め、第二の所定時間、または、内燃機関の回転速度が第一の所定回転速度に低下するまで、あるいは内燃機関の負荷が第二の所定負荷に低下するまで可変ノズルの開度を開くように構成されているので、圧縮機の作動域がサージング限界に達することなく低負荷側あるいは低速側へ移行され、安定した運転が可能となる。
【0010】
本発明の請求項3に記載の排気タービン過給機の可変ノズル開度制御装置は、請求項1または請求項2に記載の排気タービン過給機の可変ノズル開度制御装置において、制御手段は、第一の所定時間内に、内燃機関の負荷が再び低負荷側から高負荷側に移行する時、あるいは、内燃機関の回転速度が再び低速側から高速側へ移行する時に、第三の所定時間、または、内燃機関の回転速度が第二の所定回転速度に達するまで、あるいは、内燃機関の負荷が第三の所定負荷に達するまで可変ノズルの開度を開き、第三の所定時間経過後、または、第二の所定回転速度に到達後、あるいは、第三の所定負荷に到達後、予め設定した開度となるように制御するように構成されたことを特徴とする。
【0011】
建設機械用のディーゼルエンジンなどでは、内燃機関が高負荷側から低負荷側へ、あるいは、高速側から低速側へ移行した直後に再び高負荷側へあるいは高速側へ移行することがよくある。この際に、可変ノズルの開度が元の高負荷側あるいは高速側の開度となっていると、排気タービン過給機のノズル部の入口面積が小さく、内燃機関の背圧が過剰上昇してしまうことがある。この場合、排気タービンの効率が大幅に低下したり、排気ガスの排気不良により燃焼が悪化する。
この構成の本発明では、第一の所定時間内に内燃機関の運転状態が再び高負荷側あるいは高速側へ移行する時には、制御手段が予め第三の所定時間、または内燃機関の回転速度が第二の所定回転速度に達するまで、あるいは、内燃機関の負荷が第三の所定負荷に達するまで可変ノズルの開度を開くように構成されているので、背圧の異常上昇が防止されることにより、燃焼が良好となり、過渡応答性が向上する。
【0012】
本発明の請求項4に記載の排気タービン過給機の可変ノズル開度制御装置は、請求項1または請求項2に記載の排気タービン過給機の可変ノズル開度制御装置において、制御手段は、第一の所定時間内に、内燃機関の負荷が再び低負荷側から高負荷側に移行する時、あるいは、内燃機関の回転速度が再び低速側から高速側へ移行する時に、第三の所定時間、または内燃機関の回転速度が第二の所定回転速度に達するまで、あるいは、内燃機関の負荷が第三の所定負荷に達するまで可変ノズルの開度を開き、第三の所定時間経過後、または、第二の所定回転速度に到達後、あるいは、第三の所定負荷に到達後に、第四の所定時間、または第三の所定回転速度に達するまで、あるいは、第四の所定負荷に達するまで可変ノズルの開度を閉じ、第四の所定時間経過後、または、第三の所定回転速度に到達後、あるいは、第四の所定負荷に到達後、予め設定したノズル開度となるように制御するように構成されたことを特徴とする。
【0013】
この構成の本発明では、第一の所定時間内に内燃機関の運転状態が再び高負荷側あるいは高速側へ移行する場合には、内燃機関の背圧の異常上昇を防止するために第三の所定時間、または内燃機関の回転速度が第二の所定回転速度に達するまで、あるいは内燃機関の負荷が第三の所定負荷に達するまで可変ノズルの開度を開くが、その後第四の所定時間、または、第三の回転速度に達するまで、あるいは、第四の所定負荷に達するまで開度を閉じるので、これにより過給圧が高まり、背圧の異常上昇が生じることなくより一層過渡応答性が向上する。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において、同様の部分については同一符号を付し、説明を簡単にあるいは省略する。
〔第一実施形態〕
図1には、本発明の一実施形態にかかる内燃機関としてのディーゼルエンジン1のシステムが示されている。
この図において、ディーゼルエンジン1は、それぞれ内部に複数(本実施形態では四つ)の燃焼室が形成されたエンジン本体2と、燃焼室に吸気を導入する吸気管路3と、外部へ排気ガスを排出する排気管路4と、ディーゼルエンジン1を冷却するための冷却機構5と、過給を行うために吸気を圧縮する排気タービン過給機10と、排気タービン過給機10の可変ノズルの開度を調節するノズル開度調節手段としてのアクチュエータ40と、ディーゼルエンジン1の動作を制御するエンジンコントローラ25と、アクチュエータ40の動作を制御する制御手段としてのノズル開度コントローラ30とを備えている。
なお、本実施形態では、アクチュエータ40と、エンジンコントローラ25と、ノズル開度コントローラ30とを備えてノズル開度制御装置50が構成されている。
【0015】
冷却機構5は、エンジン本体2内に収められたクランクシャフト(図示せず)等により駆動されるポンプ8を備え、ポンプ8によって圧送された冷却水は、ディーゼルエンジン1のエンジン本体2、排気タービン過給機10、図示しないオイルクーラ等の冷却必要部位を冷却した後、冷却機構5に設けられたラジエータ6で空冷されるようになっている。また、吸気管路3の途中には、排気タービン過給機10で圧縮された空気を冷却するためのインタークーラ7が設けられている。
このラジエータ6およびインタークーラ7は、エンジン本体2に設けられ、かつ、クランクシャフト等により回転駆動されるファン9によって、その冷却作用が促進されるようになっている。
【0016】
排気タービン過給機10は、排気管路4の途中に設けられた排気タービン13と、吸気管路3の途中に設けられた圧縮機11とを備える。図2に示されるように、排気タービン13は、流入する排気ガスによって回転するタービンホイール20を有し、また、圧縮機11は回転することで外部からの吸気を圧縮するインペラ21を有する。これらのタービンホイール20とインペラ21とはシャフト12で連結されており、ハウジング14によって回転可能に支持されている。
【0017】
排気タービン13は、タービンホイール20の外周に沿って、排気ガスを導入するノズル部19の入口面積を調節する複数の可変ノズル15を備えている。これらの可変ノズル15には、アクチュエータ40によってノズル部の入口面積を調節できるように、リンク機構が設けられている。
【0018】
可変ノズル15は、図3にも示されるようにタービンホイール20の外周に沿って等間隔に設置され、これら可変ノズル15の回動軸15Aが、ノズル部19の一部を形成するプレート23を貫通して回動可能に支持されている。
円周上に配置された各回動軸15Aで囲まれた領域の内側には、シャフト12と同心円上で回動可能な連結リング18が設けられている。この連結リング18の外周には半長孔状の係合孔22が形成されており、この係合孔22には、棒状のレバー16の一端が回動可能に、かつ摺動可能に係合されている。各レバー16の他端は各回動軸15Aに固定されており、これらのレバー16を介して連結リング18が回動軸15Aに支持されている。
【0019】
複数の回動軸15Aのうちの一本は、ハウジング14をも貫通した回動駆動軸15Bとなっている。また、レバー16のうち、回動駆動軸15Bに結合されたものは、駆動用レバー17となっている。
【0020】
回動駆動軸15Bは、ハウジング14を貫通して回動可能に軸支され、貫通部分は簡易なリング状のシール部材により密封されている。また、回動駆動軸15Bは、他の回動軸15Aよりも径寸法が大きく、高剛性に形成されている。これにより、回動駆動軸15Bは、すべての回動軸15Aが連結された連結リング18を、駆動用レバー17を介して回動させるのに十分な剛性を有する。また、駆動用レバー17は、回動駆動軸15Bからの回動駆動力を連結リング18に伝達するのに十分な剛性を有するように、他のレバー16よりも太く、高剛性になっている。
このような回動駆動軸15Bは、ハウジング14の外部に配置されたアクチュエータ40に接続されている。
【0021】
アクチュエータ40は、ノズル開度コントローラ30と電気的に接続しており、ノズル開度コントローラ30からの指示に従って回動駆動軸15Bを駆動するために設けられている。ここで、アクチュエータ40は、油圧を利用したものや、空気圧を利用したものなどが採用できる。
【0022】
なお、ノズル部19の入口面積可変範囲は、可変ノズル15の回動範囲によって決定されるが、この回動範囲は排気タービン過給機10の過給能力範囲や、ディーゼルエンジン1の使用運転範囲などを勘案して予め適宜設定されている。本実施形態では、可変ノズル15の回動範囲を、ノズル部19の入口面積が最大となるような角度を全開に、また、ディーゼルエンジン1の運転範囲や排気タービン過給機10の過給能力範囲のうち取りうる最小の入口面積となる角度を全閉と設定している。したがって、本実施形態では、可変ノズル15の開度を全閉としても、ノズル部19の入口面積は0とはならない。
【0023】
エンジンコントローラ25は、エンジン本体2の燃料噴射量などを制御するために設けられ、図1に示されるように、エンジン本体2のクランクシャフトから得たエンジン本体2の回転速度信号Nや、負荷信号としての燃料噴射量信号Fなどを受信している。エンジンコントローラ25は、これらの信号によりディーゼルエンジン1の運転状態を把握し、状態に応じて燃料噴射量の調整などの制御を行っている。また、エンジンコントローラ25は、ノズル開度コントローラ30に電気的に接続されており、ノズル開度コントローラ30へ回転速度信号Nおよび燃料噴射量信号Fを送信している。したがって、本実施形態では、このエンジンコントローラ25が本発明における回転速度検出手段および負荷検出手段となっている。
【0024】
ノズル開度コントローラ30は、図4に示されるように、エンジンコントローラ25からの各検出信号を受信する入力部31と、この入力部31の信号より、ディーゼルエンジン1の負荷変動から運転状態が高負荷側あるいは低負荷側への移行時かどうかを判定する過渡応答時判定部36と、入力部31のからの入力信号に対して最適な可変ノズル15の開度が予め設定され、マップやテーブルなどとして記憶されている記憶部33と、記憶部33に記憶された情報に基づいて最適な可変ノズル15の開度を決定するノズル開度制御部37と、ノズル開度制御部37からの開度の設定指令を受けて、これをアクチュエータ40に出力する出力部32とを備える。
【0025】
記憶部33は、ディーゼルエンジン1の運転状態に応じた可変ノズル15の開度を示したマップMを記憶している。本実施形態ではマップMは、ディーゼルエンジン1の運転状態が負荷の変動が少ない、いわゆる定常状態において、各負荷における最適な可変ノズル15の開度が回転速度Nと燃料噴射量Fとの関数で定義されているものである。このマップMは、図8に示されるように、所定負荷以下の低負荷域では可変ノズル15の開度をほぼ全開とし、第一の所定負荷としての所定負荷L1以上では、負荷に応じて高負荷側になるに従い可変ノズル15の開度を順次閉じる方向に設定されている。
【0026】
このような構成のディーゼルエンジン1は、次のように動作する。
まず、ディーゼルエンジン1の始動にともなって、排気タービン過給機10は、排気ガスによってタービンホイール20を回転させ、シャフト12で連結したインペラ21を回転させることによりエンジン本体2への過給を行う。エンジンコントローラ25は、エンジン本体2の回転速度信号Nおよび燃料噴射量信号Fなどの信号からエンジン本体2の運転状態を把握するとともに、ノズル開度コントローラ30へ回転速度信号Nおよび燃料噴射量信号Fを送信する。
【0027】
ノズル開度コントローラ30は、入力部31においてエンジンコントローラ25からの入力信号を受信する。ノズル開度コントローラ30は、各入力信号よりディーゼルエンジン1の各運転状態における最適な可変ノズル15の開度の決定を以下のように行う。
図5には、第一実施形態における可変ノズル15の開度制御を示すフローチャートが示されている。
【0028】
この図において、ステップS1では、ノズル開度制御部37は記憶部33よりマップMを読み込む。ステップS2では、入力部31はエンジンコントローラ25より回転速度信号Nおよび燃料噴射量信号Fを入力する。ステップS3では、過渡応答時判定部36がこれらの信号を受信し、燃料噴射量の変動、つまり、負荷変動dF/dtの絶対値が所定値dF1/dtに達しているかどうかを判定する。負荷変動dF/dtの絶対値が所定値dF1/dtに達していない場合、過渡応答時判定部36は、ディーゼルエンジン1の運転状態が負荷変動の少ない定常状態であると判断し、定常状態の制御を行うようにノズル開度制御部37へ信号を送信して、ステップS12へ進む。
【0029】
ステップS12では、ノズル開度制御部37は、過渡応答時判定部36からの信号を受け、マップMから、負荷(燃料噴射量)および回転速度に応じたノズル開度を計算し、ステップS13において、そのノズル開度に変更するために必要な可変ノズル15の回動所定角度を出力部32に出力する。出力部32は、アクチュエータ40に可変ノズル15を所定角度回動させるノズル開度信号Aを送信する。
【0030】
アクチュエータ40は、ノズル開度コントローラ30の出力部32からのノズル開度信号Aを受け、所定角度回動駆動軸15Bを回転させる。この回動力は、回動駆動軸15Bに固定された駆動用レバー17に伝達され、この駆動用レバー17に係合した連結リング18を回動させる。連結リング18の回動とともに、これに係合した他のすべてのレバー16が駆動用レバー17と同様に回動することとなり、この結果、各レバー16および駆動用レバー17に結合されたすべての可変ノズル15が同時に同角度回動する。これにより、可変ノズル15の開度を変更し、ノズル部19の入口面積を変更する。
【0031】
ステップS3において、負荷変動dF/dtの絶対値が所定値dF1/dtより大きい場合、過渡応答時判定部36は、ディーゼルエンジン1の運転状態が定常状態ではないと判断し、ステップS4に進む。ステップS4では、負荷変動dF/dtが負であるかどうかを判定する。負荷変動dF/dtが負であった場合、過渡応答時判定部36は、ディーゼルエンジン1の運転状態が、高負荷側から低負荷側への移行時であると判断し、移行時の制御を行うようにノズル開度制御部37へ信号を送信して、ステップS5へ進む。
【0032】
ステップS5では、ノズル開度制御部37は、過渡応答時判定部36からの信号を受けて、可変ノズル15の開度を元の高負荷側における開度に保持する指令を出力部32に出力して、可変ノズル15の開度を保持する。この状態で、ステップS6では、過渡応答時判定部36が入力部31からの燃料噴射量信号Fを基に負荷変動dF/dtを監視し、この負荷変動dF/dtの絶対値が所定値dF1/dtより小さくなるまで可変ノズル15の開度を保持する。負荷変動dF/dtの絶対値が所定値dF1/dtに達すると、過渡応答時判定部36は、ディーゼルエンジン1の運転状態が高負荷側から低負荷側への移行を終えたという信号をノズル開度制御部37に送信して、ステップS7に進む。
【0033】
ステップS7では、ノズル開度制御部37は、過渡応答時判定部36からの信号を受けて、内蔵されたタイマーを0に設定するとともに、可変ノズル15の開度を引き続き元の高負荷側の開度に保持する。この開度を予め設定された第一の所定時間としての所定時間t1保持するために、ステップS9において、保持時間tを監視し、保持時間tが所定時間t1に達すると、ノズル開度制御部37は、ディーゼルエンジン1の運転状態が高負荷側から低負荷側へ移行する時の可変ノズル15の開度制御を終了し、ステップS12に進み、前述と同様に定常状態の可変ノズル15の開度の設定を行う。
以上のような制御により、可変ノズル15の開度は図9に示されるように変化することとなる。
【0034】
ステップS8では、ノズル開度制御部37が可変ノズル15の開度を所定時間t1保持している間に、再び負荷の変動がないかどうかを監視している。このステップS8では、過渡応答時判定部36が入力部31からの燃料噴射量信号Fを基に負荷変動dF/dtを監視し、この負荷変動dF/dtの絶対値が所定値dF1/dtに達すると、過渡応答時判定部36は、ディーゼルエンジン1の運転状態が再び過渡応答に入ったという信号をノズル開度制御部37に送信して、ステップS4に戻る。
【0035】
ステップS4において、ノズル開度制御部37が可変ノズル15の開度を元の高負荷側の開度に保持している間、つまり、所定時間t1内に再び負荷の変動があった場合、このステップS4でその負荷変動dF/dtが負であるかどうかを判定する。負荷変動dF/dtが負であった場合は、ステップS5に再び進み、前述と同様に、可変ノズル15の開度を保持する。負荷変動dF/dtが正であった場合、過渡応答時判定部36は、ディーゼルエンジン1の運転状態が、高負荷側から低負荷側への移行時に、再び高負荷側へ移行したという信号をノズル開度制御部37に送信して、ステップS10に進む。
【0036】
ステップS10では、ノズル開度制御部37は、過渡応答時判定部36からの信号を受け、可変ノズル15の開度を全開にするとともに、内蔵されたタイマーを0に設定する。ステップS11において、ノズル開度制御部37は、可変ノズル15の開度を保持する保持時間tを監視する。この保持時間tが予め設定された第三の所定時間としての所定時間t2に達すると、ノズル開度制御部37は高負荷側から低負荷側への移行時に再び負荷がかかった場合の制御を終了し、ステップS12に進んで、前述のように定常状態の可変ノズル15の開度の設定を行う。
以上のような制御により、可変ノズル15の開度は図10に示されるように変化することとなる。
【0037】
なお、ステップS3で負荷変動dF/dtの絶対値が所定値dF1/dtより大きいと判断されてステップS4に進んだ場合で、負荷変動dF/dtが正である時は、ディーゼルエンジン1の運転状態が定常状態の時に低負荷側から高負荷側に移行する状態であるが、この場合にもステップS10に進んで、ノズル開度制御部37は、可変ノズル15の開度を所定時間t2全開にし、その後定常状態の可変ノズル15の開度に設定する。
以上のような制御を繰り返し行うことにより、ディーゼルエンジン1の運転状態を最適に保つ。
【0038】
以上のような第一実施形態によれば、次のような効果が得られる。
(1)すなわち、ディーゼルエンジン1の負荷変動dF/dtが少ない定常状態では、可変ノズル15の開度を負荷および回転速度に応じて変化させ、所定負荷L1以下の低負荷域では可変ノズル15の開度をほぼ全開とし、所定負荷L1以上では高負荷になるに従って順次閉じる方向に調節するので、低負荷側ではエンジン本体2のポンピングロスが低減し、燃料消費量を向上することができ、所定負荷以上では、排気タービン過給機10の入口面積を最適に設定して、効率を向上できる。
【0039】
(2)ディーゼルエンジン1の運転状態が高負荷側から低負荷側への移行時には、過渡応答時およびその後所定時間t1可変ノズル15の開度を元の高負荷側の開度に保持するので、この間に再び負荷がかかった場合にも高い過給圧を保つことができ、過渡応答性を向上できる。このような制御は例えば、負荷変動範囲が比較的大きくて、高負荷側から移行する際に可変ノズル15の開度が十分に閉じられているような条件で使用される排気タービン過給機には特に有用である。
【0040】
(3)ディーゼルエンジン1の運転状態が、高負荷側から低負荷側への移行時に再び高負荷側へ負荷がかかった場合には、可変ノズル15の開度を所定時間t2全開にしてから、負荷および回転速度に応じた開度に設定するので、ディーゼルエンジン1の背圧が過剰に上昇するのを防ぐことができ、燃焼を良好にし、高負荷側へ移行する過渡応答性を向上できる。
【0041】
次に、本発明の第二実施形態について説明する。
〔第二実施形態〕
第二実施形態は、低負荷側から高負荷側へ負荷がかかった場合の制御が第一実施形態と異なる。図6は、第二実施形態にかかる可変ノズルの開度制御を示すフローチャートである。
【0042】
この図において、ステップS4で負荷変動dF/dtが正であると判断される場合とは、ステップS8において、可変ノズル15の開度を元の高負荷側の開度に保持している間に再び負荷がかかった場合、あるいは、定常状態において低負荷側から高負荷側に負荷がかかった場合である。この場合には、ステップS10およびステップS11に進み、ノズル開度制御部37は、第一実施形態と同様に所定時間t2可変ノズル15の開度を全開にする。その後、ステップS14に進み、ノズル開度制御部37は、内蔵されたタイマーを0に設定し直し、可変ノズル15の開度を全閉にする指令を出力する。これにより、可変ノズル15の開度は全閉に設定される。ステップS15では、可変ノズル15の開度を全閉に保持する保持時間tを監視する。保持時間tが予め設定された第四の所定時間としての所定時間t3に達すると、ノズル開度制御部37は低負荷側から高負荷側への移行時における可変ノズル15の開度制御を終了し、ステップS12に戻って、可変ノズル15の開度を定常状態の開度に設定する。
このような制御により、可変ノズル15の開度は図11に示されるように変化することとなる。
【0043】
以上のような第二実施形態によれば、第一実施形態における(1)(2)(3)と同様の効果の他、次のような効果が得られる。
(4)すなわち、高負荷側から低負荷側への移行時に、再び負荷がかかった場合に、所定時間t2可変ノズル15の開度を全開にし、その後所定時間t3可変ノズル15の開度を全閉にするので、ディーゼルエンジン1の背圧の異常上昇を防いで、応答性を向上できる上に、可変ノズル15の開度を閉じることで、過給圧が高まり、より一層応答性を向上できる。このような制御は、例えば負荷が低負荷側から高負荷側へ移行する時に、過渡応答時間が長い使用条件で使用される排気タービン過給機には特に有用である。
【0044】
次に、本発明の第三実施形態について説明する。
〔第三実施形態〕
第三実施形態は、高負荷側から低負荷側への移行時の制御が第一実施形態と異なる。図7は、第三実施形態にかかる可変ノズルの開度制御を示すフローチャートである。
【0045】
この図において、ステップS4で負荷変動dF/dtが負であると判断されると、過渡応答時判定部36は、ディーゼルエンジン1の運転状態が高負荷側から低負荷側への移行時であるという信号をノズル開度制御部37に送信する。ノズル開度制御部37は、この信号を受けて、ステップS16において、内蔵されたタイマーを0に設定するとともに、可変ノズル15の開度を全開にする指令を出力部32に出力する。これにより、可変ノズル15の開度は全開に設定される。
【0046】
ステップS17では、ノズル開度制御部37は、可変ノズル15の開度を全開に保持する保持時間tを監視する。保持時間tが予め設定された第二の所定時間としての所定時間t4に達すると、ノズル開度制御部37はステップS18において、可変ノズル15の開度を元の高負荷側における開度に設定する。その後、第一実施形態と同様に、所定時間t1の間、可変ノズル15の開度を元の高負荷側における開度に保持し、ステップS12へ戻って、可変ノズル15の開度を定常状態の開度に設定する。
以上のような制御により、可変ノズル15の開度は図12に示されるように変化することとなる。
【0047】
以上のような第三実施形態によれば、第一実施形態における(1)(2)(3)と同様の効果の他、次のような効果が得られる。
(5)すなわち、ディーゼルエンジン1が高負荷側から低負荷側への移行初期に、可変ノズル15の開度を所定時間t4全開に保持するので、圧縮機11の作動域がサージング限界に達するのを避けることができ、安定して運転状態の移行ができる。したがって、このような制御は、ディーゼルエンジン1が高負荷側から低負荷側へ移行した時に、圧縮機11の作動域がサージング限界に近づく可能性のある使用条件で使用される排気タービン過給機に特に有用である。また、反対に、従来の運転では圧縮機の作動域がサージング限界に近づく可能性のある排気タービン過給機は適用できなかったが、本発明の制御を行うことにより、そのような場合でも、予め可変ノズル15の開度を調節することで、サージング限界に達することなく運転状態を移行できるので、ディーゼルエンジン1への排気タービン過給機10の適用領域を広げることができる。
【0048】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、各実施形態では、高負荷側から低負荷側へ移行した時には、可変ノズル15の開度を元の高負荷側の開度に保持していたが、これに限らず、より閉じた状態、例えば全閉としてもよい。この場合には、第一実施形態・第二実施形態では、可変ノズル15の開度は図13の実線に示されるように変化する。また、第三実施形態では、図13の一部二点鎖線で示されるように変化することとなる。このような制御は、例えばディーゼルエンジン1が、高負荷側から低負荷側へ移行する時に元の高負荷側における排気タービン過給機10の可変ノズル15の開度が十分に閉じていないような使用条件で使用される場合などに特に有用である。
【0049】
ディーゼルエンジン1の負荷が高負荷側へ、あるいは低負荷側へ移行する時の判定は、各実施形態ではエンジン本体2の回転速度信号Nおよび燃料噴射量Fから負荷を算出し、この負荷変動dF/dtを監視することによって判定していたが、本発明ではこれに限らない。例えば、エンジン本体2にトルクゲージやストレインゲージなどを取り付けて直接負荷Lを測定し、その負荷変動dL/dtを監視したり、あるいは、エンジン本体2の回転速度のみを監視することによってディーゼルエンジン1の運転状態を判定してもよい。
また、各実施形態において可変ノズル15の開度を保持する各所定時間を設定していたが、これに限らず、負荷あるいは回転速度から可変ノズル15の開度変更のタイミングを設定してもよい。
【0050】
例えば、第一実施形態において負荷変化をトルクゲージやストレインゲージなどから得た負荷Lより判定すると、ディーゼルエンジン1の負荷変化は図14のように表される。ディーゼルエンジン1の負荷が高負荷側から低負荷側に移行する際の移行の判定は、負荷Lの負荷変動dL/dtの絶対値と所定値dL1/dtとを比較することにより行えばよい。
また、所定時間t1内にディーゼルエンジン1の負荷Lが再び低負荷側から高負荷側へ移行した場合には、予め第三の所定負荷としての所定負荷L3を設定しておき、負荷Lが所定負荷L3に達した時に可変ノズル15の開度を予め設定された開度に設定すればよい。あるいは、この時、可変ノズル15の開度の変更タイミングを負荷Lではなく、図14(B)に示されるように回転速度Nによって設定してもよい。この場合には、予め第二の所定回転速度としての所定回転速度N2を設定しておき、回転速度Nが所定回転速度N2に達した時に可変ノズル15の開度を変更すればよい。
【0051】
同様に、第二実施形態において可変ノズル15の開度の変更タイミングを負荷Lあるいは回転速度Nで設定してもよい。この場合には、図15(A)に示されるようにディーゼルエンジン1の負荷Lが、所定時間t1内に再び低負荷側から高負荷側へ移行した場合には可変ノズル15の開度を全開とし、あらかじめ設定された所定負荷L3に達した時に全閉に変更する。その後、ディーゼルエンジン1の負荷Lが予め設定された第四の所定負荷としての所定負荷L4に達した時に、可変ノズル15の開度を予め設定された開度に変更する。
可変ノズル15の開度の変更タイミングを回転速度Nで判定する場合には、図15(B)に示されるように、ディーゼルエンジン1の回転速度があらかじめ設定された第二の所定回転速度としての所定回転速度N3に達するまで、可変ノズル15の開度を全開にする。そして、あらかじめ設定された第三の所定回転速度としての所定回転速度N4に達するまで可変ノズル15の開度を全閉とし、その後あらかじめ設定された開度に設定すればよい。
【0052】
また、第三実施形態においては、ディーゼルエンジン1の負荷が高負荷側から低負荷側へ移行するときに、所定時間t4可変ノズル15の開度を全開としたが、これに限らず、図16(A)に示されるようにあらかじめ設定された第二の所定負荷としての所定負荷L5に達するまで可変ノズル15の開度を全開としてもよい。
あるいは、図16(B)に示されるようにあらかじめ設定された第一の所定回転速度としての所定回転速度N5に達するまで可変ノズル15の開度を全開としてもよい。
【0053】
可変ノズル15の開度は、高負荷側へあるいは低負荷側へ移行する時に開いたり閉じたりするように適宜制御されているが、これらの開度は各実施形態において予め設定したように全開あるいは全閉でなくてもよい。つまり、可変ノズル15の可変範囲は、排気タービン過給機10やディーゼルエンジン1の使用範囲、その他の条件によって変化するので、これらの条件を勘案して全開、全閉に限らず適当な開度に予め設定してもよい。
【0054】
第一の所定時間は、各実施形態では所定時間t1となっていたが、これに限らず、例えば、ディーゼルエンジン1や排気タービン過給機10の性能、使用範囲などから、過渡応答にかかる時間を推定できる場合には、予めこの過渡応答にかかる時間を考慮に入れた上で、所定時間t1と過渡応答にかかる時間との和で設定してもよい。
【0055】
回転速度信号Nおよび燃料噴射量信号Fは、エンジンコントローラ25から得ていたが、これに限らず、例えば直接エンジン本体2に設けられたセンサから検出してもよい。
【0056】
ディーゼルエンジン1の運転状態が定常状態である場合の可変ノズル15の開度は、負荷および回転速度に応じて決定されていたが、これに限らず、負荷のみに応じて可変ノズル15の開度を決定してもよい。
【0057】
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一実施形態にかかるディーゼルエンジンのシステムを示す概略図である。
【図2】本発明の第一実施形態にかかる排気タービン過給機の全体を示す断面図である。
【図3】図2のIII−III断面図である。
【図4】本発明の第一実施形態にかかるノズル開度コントローラのブロック図である。
【図5】本発明の第一実施形態にかかる可変ノズルの開度制御を示すフローチャートである。
【図6】本発明の第二実施形態にかかる可変ノズルの開度制御を示すフローチャートである。
【図7】本発明の第三実施形態にかかる可変ノズルの開度制御を示すフローチャートである。
【図8】本発明の第一実施形態にかかるディーゼルエンジンが定常状態の時の可変ノズルの開度を示す図である。
【図9】本発明の第一実施形態にかかるディーゼルエンジンが高負荷側から低負荷側へ移行した時の可変ノズルの開度を示す図である。
【図10】本発明の第一実施形態にかかるディーゼルエンジンが低負荷側から高負荷側へ再び移行した時の可変ノズルの開度を示す図である。
【図11】本発明の第二実施形態にかかるディーゼルエンジンが低負荷側から高負荷側へ再び移行した時の可変ノズルの開度を示す図である。
【図12】本発明の第三実施形態にかかるディーゼルエンジンが高負荷側から低負荷側へ移行した時の可変ノズルの開度を示す図である。
【図13】本発明の各実施形態における可変ノズルの開度の変形例を示す図である。
【図14】本発明の第一実施形態における可変ノズルの開度の変形例を示す図である。
【図15】本発明の第二実施形態における可変ノズルの開度の変形例を示す図である。
【図16】本発明の第三実施形態における可変ノズルの開度の変形例を示す図である。
【符号の説明】
1…内燃機関としてのディーゼルエンジン、2…エンジン本体、10…排気タービン過給機、13…排気タービン、15…可変ノズル、25…回転速度検出手段・負荷検出手段としてのエンジンコントローラ、30…制御手段としてのノズル開度コントローラ、40…ノズル開度調節手段としてのアクチュエータ、50…ノズル開度制御装置。
Claims (4)
- 排気タービン過給機(10)の可変ノズル開度制御装置(50)において、
前記排気タービン過給機(10)の可変ノズル(15)の開度を調節可能なノズル開度調節手段(40)と、
前記排気タービン過給機(10)が接続される内燃機関(1)の負荷を検出する負荷検出手段(25)と、
前記ノズル開度調節手段(40)の動作を制御する制御手段(30)とを備え、
前記制御手段(30)は、前記内燃機関(1)の負荷が低負荷域では前記可変ノズル(15)の開度をほぼ全開とし、第一の所定負荷以上では、負荷に応じて高負荷側になるに従い前記可変ノズル(15)の開度を順次閉じる方向に制御するように予め設定され、
前記内燃機関(1)の負荷が高負荷側から低負荷側への移行後、第一の所定時間、元の高負荷側における前記可変ノズル(15)の開度を保持、またはより閉じた開度とし、前記第一の所定時間経過後、予め設定した開度となるように制御するように構成された
ことを特徴とする排気タービン過給機(10)の可変ノズル開度制御装置(50)。 - 請求項1に記載の排気タービン過給機(10)の可変ノズル開度制御装置(50)において、
前記内燃機関(1)の回転速度を検出する回転速度検出手段(25)を備え、
前記制御手段(30)は、前記内燃機関(1)の負荷が高負荷側から低負荷側への移行時、あるいは、前記内燃機関(1)の回転速度が高速側から低速側への移行初期には、第二の所定時間、または、前記内燃機関(1)の回転速度が第一の所定回転速度に低下するまで、あるいは、前記内燃機関(1)の負荷が第二の所定負荷に低下するまで、前記可変ノズル(15)の開度を開くように制御するように構成された
ことを特徴とする排気タービン過給機(10)の可変ノズル開度制御装置(50)。 - 請求項1または請求項2に記載の排気タービン過給機(10)の可変ノズル開度制御装置(50)において、
前記制御手段(30)は、前記第一の所定時間内に、前記内燃機関(1)の負荷が再び低負荷側から高負荷側に移行する時、あるいは、前記内燃機関(1)の回転速度が再び低速側から高速側へ移行する時に、第三の所定時間、または、前記内燃機関(1)の回転速度が第二の所定回転速度に達するまで、あるいは、前記内燃機関(1)の負荷が第三の所定負荷に達するまで前記可変ノズル(15)の開度を開き、
前記第三の所定時間経過後、または、第二の所定回転速度に到達後、あるいは、第三の所定負荷に到達後、予め設定した開度となるように制御するように構成された
ことを特徴とする排気タービン過給機(10)の可変ノズル開度制御装置(50)。 - 請求項1または請求項2に記載の排気タービン過給機(10)の可変ノズル開度制御装置(50)において、
前記制御手段(30)は、前記第一の所定時間内に、前記内燃機関(1)の負荷が再び低負荷側から高負荷側に移行する時、あるいは、前記内燃機関(1)の回転速度が再び低速側から高速側へ移行する時に、第三の所定時間、または前記内燃機関(1)の回転速度が第二の所定回転速度に達するまで、あるいは、前記内燃機関(1)の負荷が第三の所定負荷に達するまで前記可変ノズル(15)の開度を開き、前記第三の所定時間経過後、または、第二の所定回転速度に到達後、あるいは、第三の所定負荷に到達後に、第四の所定時間、または第三の所定回転速度に達するまで、あるいは、第四の所定負荷に達するまで前記可変ノズル(15)の開度を閉じ、前記第四の所定時間経過後、または、第三の所定回転速度に到達後、あるいは、第四の所定負荷に到達後、予め設定したノズル開度となるように制御するように構成された
ことを特徴とする排気タービン過給機(10)の可変ノズル開度制御装置(50)。
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