JP2006105096A - 過給機付内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】過給機付内燃機関において、過給圧を速やかに上昇させることができる技術を提供する。
【解決手段】過給機４の排気タービン４ｃよりも上流側の排気通路３と下流側の排気通路３とを接続する連通路６、および前記連通路６において該連通路６の上流側から下流側へ向かって開くウェストゲート弁７を備えた過給機付内燃機関において、前記ウェストゲート弁７に連通路６の下流側から上流側へ向かう一定の力を加える駆動装置９を備えた。ウェストゲート弁７に一定の力を加えることにより、ウェストゲート弁７の上下流の差圧がこの一定の力よりも大きくなるまでは、該ウェストゲート弁７が開弁せず、速やかに過給圧が上昇する。
【選択図】図１

Description

本発明は、過給機付内燃機関に関する。

過給機付内燃機関においては、機関出力が過剰に上昇しないように、過給機の排気タービンよりも上流側と下流側とを接続する連通路および連通路を開閉するウェストゲート弁を備え、過給圧が上昇したときにウェストゲート弁を開弁することにより排気タービンを通過する排気の流量を減少させ、過給圧が過剰に上昇しないようにしている。

そして、ウェストゲート弁を過給圧の上昇に応じて排気下流側へ付勢する主付勢手段と、ウェストゲート弁の上下流の差圧の大きさに応じて差圧を打ち消す方向に付勢する付勢力補正手段とを有し、ウェストゲート弁上下流の差圧による影響を相殺することにより、サージングを抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
実開昭６３−８２０３３号公報 特開２００２−１９５０４６号公報 特開平５−１４１２５８号公報 特開平３−２９４６２３号公報 特開平１−１１０８３２号公報

ところで、ウェストゲート弁を付勢するスプリングは最大過給圧のときに該ウェストゲート弁が全開となるように設定されている。このような設定においては、最大過給圧よりも低い圧力であっても、ウェストゲート弁の上下流の差圧がある程度以上大きくなると、差圧の増大とともにスプリングが徐々に変位し、ウェストゲート弁が徐々に開いてしまう。このようにウェストゲート弁が徐々に開くと、タービンを回転させる排気の量が減少し過給圧の上昇が緩慢となってしまう。これにより、エンジントルクが速やかに上昇せず、ドライバビリティが悪化する。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、過給機付内燃機関において、過給圧を速やかに上昇させることができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による過給機付内燃機関は、
過給機の排気タービンよりも上流側の排気通路と下流側の排気通路とを接続する連通路、および前記連通路において該連通路の上流側から下流側へ向かって開くウェストゲート弁を備えた過給機付内燃機関において、
前記ウェストゲート弁に連通路の下流側から上流側へ向かう一定の力を加える駆動装置を備えたことを特徴とする。

本発明の最大の特徴は、ウェストゲート弁に一定の力を加えることにより、ウェストゲート弁の上下流の差圧がこの一定の力よりも大きくなるまでは、該ウェストゲート弁を開弁させない点にある。

すなわち、駆動装置によりウェストゲート弁が一定の力で閉じられているので、ウェストゲート弁に一定の力が開弁方向に加えられるまでは、該ウェストゲート弁が開弁しない。そのため、排気の全量を排気タービンに流すことができるので速やかに過給圧を上昇さ
せることができる。また、一定の力以上の差圧がウェストゲート弁に加えられると、該ウェストゲート弁が開弁して排気が連通路にも流れるようになるため、排気タービンに流れる排気の量が減少し、それ以上の過給圧の上昇が抑制される。

なお、「一定の力」は、過給圧が最大となるときにウェストゲート弁に加わる力としてもよい。
本発明においては、内燃機関の吸気通路に吸気の流量をアクセル開度に応じて調整する吸気スロットル弁をさらに備え、
前記吸気スロットル弁の開度が所定の開度となるアクセル開度以下の場合には前記ウェストゲート弁に連通路の下流側から上流側へ向かう一定の力を加え、前記吸気スロットル弁の開度が所定の開度となるアクセル開度よりも大きい場合にはアクセル開度が大きくなるほど連通路の下流側から上流側へ向かって前記ウェストゲート弁に加える力を大きくすることができる。

ここで、内燃機関に大きな出力が要求されない運転状態においては、高い過給圧は要求されない。しかし、従来の過給機付内燃機関では、過給圧が低い状態でウェストゲート弁を開くことができないため、ウェストゲート弁を開くことができる過給圧に上昇するまでは、吸気スロットル弁の開度を変更することにより出力を調整している。このように吸気スロットル弁の開度を変更することにより、出力を調整すると、排気タービンの回転に伴う機械的損失、過給機およびインタークーラにおける熱損失、排気圧力の上昇によるポンプ損失等が大きくなり、機関効率が低下する。

また、ウェストゲート弁の電動化により該ウェストゲート弁を任意の過給圧で開くことができたとしても、運転者のアクセル操作に応じて円滑に出力調整を行なうことは困難である。

その点、本発明によれば、出力増大の要求に対して、吸気スロットル弁開度が所定の開度となるアクセル開度になるまで、ウェストゲート弁が比較的小さな一定の力で閉められる。このときには、出力増大の要求が大きくなるほど、すなわちアクセル開度が大きくなるほど、吸気スロットル弁開度およびウェストゲート弁開度が大きくなる。そして、さらに出力増大の要求がある場合には、出力増大の要求が大きくなるほどウェストゲート弁に加える力を大きくする。この場合、徐々にウェストゲート弁開度が小さくなりこれに応じて内燃機関の出力が増加する。

このように、大きな出力を必要としない運転状態においては、ウェストゲート弁を閉じる力を比較的小さな一定の値とすることにより、低い過給圧であってもウェストゲート弁を開くことができる。これにより、吸気スロットル弁の開度をより大きくすることができるので、機関効率を向上させることができる。

また、吸気スロットル弁が所定の開度となった場合には、ウェストゲート弁を閉じる力を徐々に変化させて出力調整を行うことができるので、円滑な出力調整が可能となる。
このようなことから、上記課題を達成するために本発明による過給機付内燃機関は、
過給機の排気タービンよりも上流側の排気通路と下流側の排気通路とを接続する連通路と、
前記連通路において該連通路の上流側から下流側へ向かって開くウェストゲート弁と、
内燃機関の吸気通路に吸気の流量をアクセル開度に応じて調整する吸気スロットル弁と、
を備えた過給機付内燃機関において、
前記ウェストゲート弁に対して前記連通路の下流側から上流側へ向かう力を加える駆動装置をさらに備え、
前記駆動装置は、前記吸気スロットル弁の開度が所定の開度となるアクセル開度よりも大きい場合には、アクセル開度が大きくなるほど前記ウェストゲート弁に加える力を大きくすることを特徴としてもよい。

さらに、前記駆動装置は、機関回転数に応じて前記ウェストゲート弁に加える力を変更してもよい。
また、本発明においては、前記吸気スロットル弁が全開となるまでは前記ウェストゲート弁が全開とならないように、駆動装置から該ウェストゲート弁に加える一定の力が定めることができる。このようにすると、吸気スロットル弁を速やかに全開とすることができ、機関効率を向上させることができる。

本発明においては、前記駆動装置から前記ウェストゲート弁に加える力は、内燃機関の全負荷時における過給圧が許容値を超えない値として定めることができる。
このように、内燃機関の全負荷時における過給圧が許容値を超えないように、駆動装置からウェストゲート弁に加える力を定めることにより、過給圧が許容値を超える前にウェストゲート弁が開いて連通路に排気が流れるようになるので、過給圧が許容値を超えるのを抑制することができる。

本発明に係る過給機付内燃機関では、ウェストゲート弁の閉じる力を一定に保つことにより、過給圧が十分に上昇する前に該ウェストゲート弁が開くことを抑制して、過給圧を速やかに上昇させることができる。

以下、本発明に係る過給機付内燃機関の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る過給機付内燃機関を適用する内燃機関とその吸・排気系および過給機の概略構成を示す図である。
図１に示す内燃機関１は、水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。

内燃機関１には、吸気管２および排気管３が接続されている。
前記吸気管２の途中には、排気のエネルギを駆動源として作動するターボチャージャ４のコンプレッサハウジング４ａが設けられている。また、コンプレッサハウジング４ａよりも下流の吸気管２には、該吸気管２内を流通する吸気の流量を調節する吸気スロットル弁５が設けられている。吸気スロットル弁５は、電動アクチュエータにより開閉される。

一方、排気管３の途中には、前記ターボチャージャ４のタービンハウジング４ｂが設けられている。タービンハウジング４ｂには、排気のエネルギにより回転される排気タービン４ｃが備わる。

タービンハウジング４ｂよりも上流側の排気管３と、下流側の排気管３とを接続する連通路６が設けられている。この連通路６の途中には、該連通路６の断面積が狭くなる弁座６１が設けられている。また、連通路６には、該連通路６内を流通する排気の流量を調整するウェストゲート弁７が弁座６１に接触可能に設けられている。

ウェストゲート弁７は、リンク機構８を介して電動モータ９と接続されている。また、ウェストゲート弁７は、連通路６を流通する排気の流通方向と平行に移動する。そして、ウェストゲート弁７を開き側へ移動させるときには、連通路６内の排気の流れの上流側か
ら下流側へ向かって該ウェストゲート弁７が移動され、ウェストゲート弁７を閉じ側へ移動するときには、連通路６内の排気の流れの下流側から上流側へ向かって該ウェストゲート弁７が移動される。すなわち、弁座６１の下流側とウェストゲート弁７の上流側とが接したときに、連通路６の排気の流れが遮断される。なお、ウェストゲート弁７は、該ウェストゲート弁７よりも上流側の圧力が下流側の圧力よりも高いときに、該ウェストゲート弁７を開く方向に差圧が作用する形状であれば他の形状であっても良い。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

また、ＥＣＵ１０には、運転者がアクセルペダル１１を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し、機関負荷状態を検出可能なアクセル開度センサ１２、機関回転数を検出するクランクポジションセンサ１３の他、各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ１０に入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ１０には、吸気スロットル弁５および電動モータ９が電気配線を介して接続されており、ＥＣＵ１０により吸気スロットル弁５および電動モータ９を制御することが可能になっている。たとえば、ＥＣＵ１０は、吸気スロットル弁５の開度をアクセル開度センサ１２の出力信号に基づいて制御する。

ＥＣＵ１０が電動モータ９に電力を供給すると、ウェストゲート弁７を閉じる方向に該電動モータ９が回転する。ここで、電動モータ９に一定の電圧および一定の電流を与えることにより、該電動モータ９から発生するトルクを一定に保つことができるので、ウェストゲート弁７を閉じる力（以下、閉じ力ともいう。）を一定とすることができる。そして、電動モータ９に一定の電圧を印加しておき、該電動モータ９へ流す電流を大きくするほど電動モータからの発生トルクを増加させることができ、ウェストゲート弁７の閉じ力を増加させることができる。なお、本実施例における電動モータ９が、本発明における駆動装置に相当する。

ところで、従来の過給機付内燃機関では、ウェストゲート弁をスプリングの付勢力により閉じていた。
ここで、図２は、従来の過給機付内燃機関におけるウェストゲート弁の開度と該ウェストゲート弁に作用する力の大きさとの関係を示した図である。横軸がウェストゲート弁の開度、縦軸がウェストゲート弁に作用する力の大きさを示している。

図２中の破線はウェストゲート弁の上下流の差圧の大きさ、すなわち、ウェストゲート弁を開こうとする力の大きさを示している。そして、吸気スロットル弁の開度が大きくなるほど、ウェストゲート弁の上下流の差圧が大きくなる。すなわち、吸気スロットル弁の開度が大きくなるほど、破線は図２の上方に移動する。また、図２中の実線は、ウェストゲート弁を閉じようとする力、すなわちスプリングによる付勢力を示している。ここで、ウェストゲート弁を開こうとする力とは、ウェストゲート弁の上流側から下流側へ向かう力であり、ウェストゲート弁を閉じようとする力とは、ウェストゲート弁の下流側から上流側へ向かう力である。

そして、ウェストゲート弁の開度は、ウェストゲート弁を閉じようとする力と開こうとする力との交点（例えば、図２中のＡからＤ点）により示される。
吸気スロットル弁の開度が小さく、ウェストゲート弁を開こうとする力が閉じようとする力よりも小さいとき（図２中のＡ点）には、ウェストゲート弁は閉じたままとなる。

吸気スロットル弁の開度が大きくなっていくと、ウェストゲート弁を開こうとする力が大きくなっていく。そして、ウェストゲート弁を開こうとする力と閉じようとする力とが同じになったとき（図２中のＢ点）よりも吸気スロットル開度が大きくなると、該ウェストゲート弁を開こうとする力のほうが閉じようとする力よりも大きくなり、ウェストゲート弁が開く（図２中のＣ点）。さらに、吸気スロットル弁の開度が大きくなるに伴い、ウェストゲート弁を開こうとする力が大きくなり、該ウェストゲート弁の開度が大きくなっていく。そして、吸気スロットル弁が全開となったとき（図２中のＤ点）にウェストゲート弁も全開となるように、スプリングのばね定数が設定される。

このように、従来の過給機付内燃機関では、ウェストゲート弁をスプリングにより付勢していたので、吸気スロットル弁が全開となる前から該ウェストゲート弁を開こうとする力が閉じようとする力よりも大きくなって、該ウェストゲート弁が開き始めてしまう。これにより、連通路６に排気が流れるので、その分タービンハウジング４ｂを通過する排気の量が減少して、過給圧の上昇が緩慢となってしまう。

一方、図３は、本実施例による過給機付内燃機関におけるウェストゲート弁の開度と該ウェストゲート弁に作用する力の大きさとの関係を示した図である。横軸がウェストゲート弁７の開度、縦軸がウェストゲート弁７に作用する力の大きさを示している。なお、図３中のＡからＤ点は図２と同じ意味で用いられている。

本実施例においては、電動モータ９に常に一定の電圧および一定の電流を与えることにより、該電動モータ９は一定のトルクを発生するので、ウェストゲート弁７を閉じようとする力は常に一定となる。そして、このウェストゲート弁７を閉じようとする力（すなわち、電動モータ９によりウェストゲート弁７に加えられる力）が、吸気スロットル弁５が全開となったときの該ウェストゲート弁７を開こうとする力（すなわち、ウェストゲート弁７の上下流の差圧により該ウェストゲート弁７に加えられる力）と等しくなるように設定する。このように、ウェストゲート弁７を閉じようとする力を一定にすることにより、該ウェストゲート弁７が開くときの吸気スロットル弁５の開度がより大きくなる。従って、より過給圧が高くなるまではウェストゲート弁７が開かないこととなり、従来のように過給圧の上昇が緩慢となることが抑制されるので、過給圧を速やかに上昇させることができる。

ここで、図４は、吸気スロットル開度（上段）と、ウェストゲート弁開度（中段）と、過給圧（下段）との推移を示したタイムチャートである。実線は本実施例に係る過給機付内燃機関によるもの、破線は従来の過給機付内燃機関によるものを示している。

このように、本実施例に係る過給機付内燃機関では、従来のものと比較して、吸気スロットル弁が開かれてからウェストゲート弁が開き始めるのが遅い。そのため、過給圧が速やかに上昇する。

なお、本実施例においては、電動モータ９に一定の電圧を印加しつつ、一定の電流を流すことでウェストゲート弁７の閉じ力を一定としていたが、ウェストゲート弁７の閉じ力を一定とする構成を備えていれば電動モータ９によらなくても良い。例えば、ウェストゲート弁７を開閉するダイアフラム内の圧力を一定に保つようにしても良い。

ここで、ウェストゲート弁を電動化し、排気の圧力に応じて該ウェストゲート弁を開閉することも考えられるが、排気の圧力を検出するセンサやウェストゲート弁の開度を検出するセンサ等の熱膨張により正確な制御は困難である。これは、ウェストゲート弁は、吸気スロットル弁と比較すると少しの開度の差でも内燃機関の出力に大きな影響を及ぼすためである。

以上説明したように、本実施例においては、ウェストゲート弁７の閉じ力を一定とすることにより、該ウェストゲート弁７が開くときの吸気スロットル弁５の開度を大きくすることができ、速やかに過給圧を上昇させることができ、ドライバビリティを向上させることができる。また、排気の熱の影響を受けにくいため、過給圧制御の精度を向上させることができる。

本実施例においては、吸気スロットル弁５の開度とウェストゲート弁７の開度とを制御することで過給圧の制御を行う。
ハードウェアについては、実施例１と同じなので説明を省略する。

ここで、図５は、本実施例による、アクセルペダル１１の踏み込み量（アクセル開度）と吸気スロットル弁５の開度およびウェストゲート弁７の閉じ力との関係を示した図である。このアクセルペダル１１の踏み込み量と吸気スロットル弁５の開度およびウェストゲート弁７の閉じ力との関係は、内燃機関１の回転数により異なる。

また、図６は、本実施例による、アクセルペダル１１の踏み込み量と内燃機関１の発生トルクとの関係を示した図である。
さらに、図７は、本実施例による、アクセルペダル１１の踏み込み量とウェストゲート弁７の開度との関係を示した図である。

なお、図５、６、７におけるアクセルペダル１１の踏み込み量Ｚは、全て同じ値である。
本実施例では、アクセルペダル１１の踏み込み量が比較的小さいとき（アクセルペダル１１の踏み込み量Ｚ以下のとき）には、吸気スロットル弁５の開度が全開となるまでは、ウェストゲート弁７を閉じる力が比較的小さい値で一定となるように電動モータ９に一定の電圧を与え、且つ一定の電流を流す。このときには、ウェストゲート弁７の上下流の差圧が大きくなるほど該ウェストゲート弁７の開度が大きくなるように電動モータ９へ一定の電圧を与え、且つ一定の電流を流す。また、吸気スロットル弁５が全開となったときでもウェストゲート弁７が全開とならないように、該ウェストゲート弁７を閉じる力、すなわち電動モータ９の電圧および電流を設定する。このウェストゲート弁７を閉じる力は、内燃機関１の回転数およびアクセルペダル１１の踏み込み量との関係として予め実験等により求めマップ化し、ＥＣＵ１０に記憶しておく。

ここで、ウェストゲート弁７が全開となってしまうと、該ウェストゲート弁７を閉弁方向に動かし得る力が作用したとしても、直ぐにはウェストゲート弁７が移動しない。その点、吸気スロットル弁５が全開となったときでもウェストゲート弁７が全開とならないように、該ウェストゲート弁７を閉じる力を設定することにより、ウェストゲート弁７の応答性能を向上させることができる。

また、吸気スロットル弁５が全開となった後（アクセルペダル１１の踏み込み量Ｚよりも大きいとき）に、さらにアクセルペダル１１が踏み込まれた場合には、吸気スロットル弁５を全開としたままで、アクセルペダル１１の踏み込み量が大きくなるほど、ウェストゲート弁７を閉じる力を大きくする。このときには、アクセルペダル１１の踏み込み量が大きくなるほど、ウェストゲート弁７の開度が小さくなるように、該ウェストゲート弁７を閉じる力を設定する。このウェストゲート弁７を閉じる力は、内燃機関１の回転数およびアクセルペダル１１の踏み込み量との関係として予め実験等により求めマップ化し、ＥＣＵ１０に記憶しておく。

このように、アクセルペダル１１の踏み込み量Ｚ以下のときには、過給圧を上昇させる必要がないため、アクセルペダル１１の踏み込み量が大きくなるに従ってウェストゲート弁７の開度が大きくなるように設定する。これにより、内燃機関１の出力が同じ場合、従来の過給機付内燃機関よりも吸気スロットル弁５の開度をより大きくすることができ、また過給圧を低下させることができるので、タービンの回転に伴う機械損失を低下させることができ、ターボチャージャ４やインタークーラにおける熱損失、排気圧力の上昇によるポンプ損失を低下させることもできる。また、ウェストゲート弁７の開度をフィードバック制御する場合よりも内燃機関の出力制御をより円滑に行なうことができる。

一方、アクセルペダル１１の踏み込み量Ｚよりも大きい場合には、吸気スロットル弁５が全開となっているので、ポンプ損失が小さい。そして、ウェストゲート弁７の閉じ力を変更することにより、該ウェストゲート弁７の開度が変更され、以て過給圧が調整されるので、排気の熱の影響を受けにくく過給圧を精度良く制御することができる。これにより、ドライバビリティを向上させることができる。

実施例１および２に係る過給機付内燃機関を適用する内燃機関とその吸・排気系および過給機の概略構成を示す図である。 従来の過給機付内燃機関におけるウェストゲート弁の開度と該ウェストゲート弁に作用する力の大きさとの関係を示した図である。 実施例１による過給機付内燃機関におけるウェストゲート弁の開度と該ウェストゲート弁に作用する力の大きさとの関係を示した図である。 吸気スロットル開度（上段）と、ウェストゲート弁開度（中段）と、過給圧（下段）との推移を示したタイムチャートである。 実施例２による、アクセルペダルの踏み込み量と吸気スロットル開度およびウェストゲート弁閉じ力との関係を示した図である。 実施例２による、アクセルペダルの踏み込み量と内燃機関の発生トルクとの関係を示した図である。 実施例２による、アクセルペダルの踏み込み量とウェストゲート弁の開度との関係を示した図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 吸気管
３ 排気管
４ ターボチャージャ
４ａ コンプレッサハウジング
４ｂ タービンハウジング
４ｃ 排気タービン
５ 吸気スロットル弁
６ 連通路
７ ウェストゲート弁
８ リンク機構
９ 電動モータ
１０ ＥＣＵ
１１ アクセルペダル
１２ アクセル開度センサ
１３ クランクポジションセンサ
６１ 弁座

Claims (6)

1. 過給機の排気タービンよりも上流側の排気通路と下流側の排気通路とを接続する連通路、および前記連通路において該連通路の上流側から下流側へ向かって開くウェストゲート弁を備えた過給機付内燃機関において、
   前記ウェストゲート弁に連通路の下流側から上流側へ向かう一定の力を加える駆動装置を備えたことを特徴とする過給機付内燃機関。
2. 内燃機関の吸気通路に吸気の流量をアクセル開度に応じて調整する吸気スロットル弁をさらに備え、
   前記吸気スロットル弁の開度が所定の開度となるアクセル開度以下の場合には前記ウェストゲート弁に連通路の下流側から上流側へ向かう一定の力を加え、前記吸気スロットル弁の開度が所定の開度となるアクセル開度よりも大きい場合にはアクセル開度が大きくなるほど連通路の下流側から上流側へ向かって前記ウェストゲート弁に加える力を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の過給機付内燃機関。
3. 過給機の排気タービンよりも上流側の排気通路と下流側の排気通路とを接続する連通路と、
   前記連通路において該連通路の上流側から下流側へ向かって開くウェストゲート弁と、
   内燃機関の吸気通路に吸気の流量をアクセル開度に応じて調整する吸気スロットル弁と、
   を備えた過給機付内燃機関において、
   前記ウェストゲート弁に対して前記連通路の下流側から上流側へ向かう力を加える駆動装置をさらに備え、
   前記駆動装置は、前記吸気スロットル弁の開度が所定の開度となるアクセル開度よりも大きい場合には、アクセル開度が大きくなるほど前記ウェストゲート弁に加える力を大きくすることを特徴とする過給機付内燃機関。
4. 前記駆動装置は、機関回転数に応じて前記ウェストゲート弁に加える力を変更することを特徴とする請求項２または３に記載の過給機付内燃機関。
5. 前記吸気スロットル弁が全開となるまでは前記ウェストゲート弁が全開とならないように、駆動装置から該ウェストゲート弁に加える一定の力が定められることを特徴とする請求項２から４の何れかに記載の過給機付内燃機関。
6. 前記駆動装置から前記ウェストゲート弁に加える力は、内燃機関の全負荷時における過給圧が許容値を超えない値として定められることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の過給機付内燃機関。

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