JP2007170266A - 排気ターボ機構付エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】減速時に発生する異音を抑えた排気ターボ機構付エンジンを提供する。
【解決手段】容積可変装置１３は、吸気通路３内に連通すると共に吸気通路３の長手方向に対して垂直に設けられた円筒状のシリンダ部１８と、シリンダ部１８の内周面に沿って移動可能に設けられたピストン部１９とを備えている。ピストン部１９は、ＥＣＵ１７からの電気信号によってアクチエーター１４が作動することにより、シリンダ部１８の内周面に沿って移動するようになっている。シリンダ部１８の内部には、ピストン部１９がシリンダ部１８の内周面に沿って移動することよって容積可変であると共に吸気通路３内に連通する容積室１０が形成されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、排気ターボ機構付エンジンに関する。

過給機付エンジン、特に排気ターボ機構付エンジンでは、排気エネルギーを過給機のタービン駆動源に利用し、そのタービンの軸を介して過給機のコンプレッサーを回転させることにより、吸気の過給を行っている。ところで、コンプレッサー下流の吸気管圧力が過大になると、コンプレッサーの回転に抗して空気が上流に流れる逆流現象を生じる。この逆流現象を生じやすい運転状態の一例としては、排気ターボ機構付エンジンの減速時が挙げられる。すなわち、減速時には、スロットルバルブの閉弁動作又はエンジン回転数が落ちることにより燃焼室側に供給される空気が減る一方、ターボ即ちコンプレッサーの回転数は慣性により直ぐには落ちず、また吸気自体の慣性も残るため、コンプレッサー下流に供給される空気は直ぐには減らない。このため、コンプレッサー下流に過大な吸気管圧力を生じる。過大になったコンプレッサー下流の吸気管圧力が、エンジン運転状態により決まる所定値を超えると、逆流現象が生じ、異音が発生する。これを回避するために、エアバイパスバルブを有するバイパス通路を設け、コンプレッサー下流の吸気管圧力をコンプレッサー上流の吸気通路内に戻すことによって異音の発生を抑えるエンジンが、特許文献１に記載されている。

特開平６−３４６７４６号公報

しかしながら特許文献１のエンジンでは、空気の逆流が生じることによる異音は低減されるものの、圧力をエアバイパスバルブで抜く時に異音、即ち騒音が発生するといった問題点があった。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、減速時に発生する異音を抑えた排気ターボ機構付エンジンを提供することを目的とする。

吸気通路上にコンプレッサーを有する排気ターボ機構付エンジンにおいて、吸気通路上に設けられた吸気流量調整手段と、吸気流量調整手段及びコンプレッサー間に設けられ、吸気通路内に連通する容積室を内部に有する容積可変装置とを備え、容積可変装置は、コンプレッサー下流の吸気管圧力が上昇したときに、容積室の容積が増加することを特徴とする。排気ターボ機構付エンジンを減速したときにコンプレッサー下流の吸気管圧力が上昇しても、容積可変装置の有する容積室が容積を増加することにより、吸気通路内の空気の一部が容積室内に流入するので、コンプレッサー下流の吸気管圧力の上昇が鈍化して空気の逆流が防止される。
アクセルペダルと、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダル踏み込み量検出手段と、容積室の容積を変化させる制御部とを備え、制御部がアクセルペダル踏み込み量検出手段によって検出されたアクセルペダル踏み込み量からアクセル戻り速度を算出し、アクセル戻り速度が所定値以上の場合に、制御部が容積室の容積を増加させてもよい。
吸気流量調整手段はスロットルバルブであり、制御部は、スロットルバルブの開度を低下した後に、容積室の容積を増加させてもよい。
容積可変装置はアキュムレーターであってもよい。

この発明によれば、排気ターボ機構付エンジンを減速したときにコンプレッサー下流の吸気管圧力が上昇しても、容積可変装置の有する容積室の容積が増加することにより、吸気通路内の空気の一部が容積室内に流入して、コンプレッサー下流の吸気管圧力の上昇が鈍化する。これにより、吸気通路内において空気の逆流が防止されるので、異音の発生を抑えることができる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この実施の形態１に係る排気ターボ機構付エンジンの構成を図１に示す。ディーゼルエンジン１は、シリンダ２と、シリンダ２の内部に連通する吸気通路３及び排気通路４と、吸気通路３上に設けられたコンプレッサー５及び排気通路４上に設けられたタービン６を有する排気ターボ７とを備えている。シリンダ２の内部には、上下方向に移動可能なピストン８が設けられ、ピストン８とシリンダ２とで、燃焼室が区画形成されている。シリンダ２の頂部には、シリンダ２の内部に燃料を噴射する燃料噴射弁９が設けられている。吸気通路３上には、コンプレッサー５とシリンダ２との間に、インタークーラー１１と吸気流量調整手段であるスロットルバルブ１２とが設けられている。さらに、インタークーラー１１とスロットルバルブ１２との間には、吸気通路３内と連通するように容積可変装置１３が設けられている。容積可変装置１３の有する容積室１０（図２参照）の容積を変化させるために、アクチエーター１４が設けられている。また、ディーゼルエンジン１は、アクセルペダル１５の踏み込み量を検出するアクセルセンサ１６と、制御部であるＥＣＵ１７を備えている。ここで、アクセルセンサ１６は、アクセルペダル踏み込み量検出手段を構成する。ＥＣＵ１７には、スロットルバルブ１２、アクチエーター１４、及びアクセルセンサ１６が電気的に接続されている。なお、吸気通路３及び排気通路４と、シリンダ２内部との連通部には、一般的な吸・排気バルブが配置されるが、図１では割愛している。

図２（ａ）及び（ｂ）に示されるように、容積可変装置１３は、吸気通路３内に連通すると共に吸気通路３の長手方向に対して垂直に設けられた円筒状のシリンダ部１８と、シリンダ部１８の内周面に沿って移動可能に設けられたピストン部１９とを備えている。ピストン部１９は、ＥＣＵ１７からの電気信号によってアクチエーター１４が作動することにより、シリンダ部１８の内周面に沿って移動するようになっている。シリンダ部１８の内部には、ピストン部１９がシリンダ部１８の内周面に沿って移動することにより容積可変な容積室１０が形成されている。すなわち、容積可変装置１３は、吸気通路３内に連通すると共に容積可変の容積室１０を有している。図２（ａ）は、ピストン部１９がシリンダ部１８内において最も押し込まれた状態を表しており、容積室１０の容積は最小となっている。一方、図２（ｂ）は、ピストン部１９がシリンダ部１８内において最も引かれた状態を表しており、容積室１０の容積は最大となっている。

次に、この実施の形態１に係る排気ターボ機構付エンジンの動作について説明する。
図１に示されるように、吸気通路３内を流通する空気は、コンプレッサー５によって圧縮された後、インタークーラー１１によって冷却され、シリンダ２の内部に吸気される。吸気通路３内を流通する吸気の流量は、アクセルペダル１５の踏み込み量に応じて変化するスロットルバルブ１２の開度によって調整される。シリンダ２の内部に吸気された空気はピストン８により圧縮される。圧縮された空気に燃料噴射弁９から燃料が噴射されて燃焼が起こる。燃焼によって生じた排気ガスは、排気通路４を流通して大気中に排出される。排気ガスが排気通路４内を流通する際、タービン６を駆動させる。これにより、前述したコンプレッサー５が駆動される。

ここで、例えば、ディーゼルエンジン１を搭載した車両を急激に減速するために、アクセルペダル１５が踏み込まれている状態からアクセルペダル１５より足を離すと、アクセルペダル１５が通常備えるリターンスプリングの作用により開度が０の状態まで戻される。この時、ＥＣＵ１７は、即座に、アクセルペダル１５の踏み込み量に応じてスロットルバルブ１２の開度を全閉状態まで低下させる。一方、タービン６及びコンプレッサー５は、自身の慣性により即座には回転数が落ちず、吸気自体の持つ慣性も残る。すると、コンプレッサー５の下流に供給される空気は減らず、吸気通路３内における空気の流通がスロットルバルブ１２によって妨げられるので、コンプレッサー５の下流の吸気通路３内の圧力（以下、吸気管圧力と称する）が急激に上昇する。コンプレッサー５の下流の吸気管圧力が、ディーゼルエンジン１の運転状態により決まる所定値以上に上昇すると、コンプレッサー５の回転に反するように空気が逆流し、異音が発生する。アクセルペダル１５を徐々に戻すような場合には、スロットルバルブ１２の開度も徐々に低下し、コンプレッサー５の回転数の低下及び吸気の流速の低下も追随しやすいので、コンプレッサー５の下流の吸気管圧力は上昇しにくい。しかし、アクセルペダル１５を急激に戻した場合には、スロットルバルブ１２の開度の低下も早くなるので、コンプレッサー５の下流の吸気管圧力も上昇しやすくなる。したがって、アクセルペダル１５を戻す際にアクセルペダル１５の踏み込み量が減少する速度、すなわちアクセル戻り速度が大きくなるほどコンプレッサー５の下流の吸気管圧力の上昇が大きくなり、アクセル戻り速度がある値以上になると、コンプレッサー５の下流の吸気管圧力が上流の吸気管圧力以上になると考えられる。そこで、ＥＣＵ１７に予めアクセル戻り速度の上限値を設定しておき、アクセル戻り速度が上限値を超えた場合、容積室１０の容積を増加することによりコンプレッサー５の下流の吸気管圧力の上昇を抑制する。

次に、コンプレッサー５の下流の吸気管圧力の上昇を抑制する手順を、図３のフローチャートに基づいて説明する。このフローチャートに記載した処理を、一定時間毎にＥＣＵ１７は繰り返し実行する。
ディーゼルエンジン１の稼動中、アクセルセンサ１６がアクセルペダル１５の踏み込み量を検出する（ステップＳ１）。ＥＣＵ１７は、アクセルセンサ１６の検出値から、アクセル戻り速度を算出する（ステップＳ２）。ＥＣＵ１７は、ステップＳ２において算出したアクセル戻り速度が、設定された上限値以上か否かを判定する（ステップＳ３）。アクセル戻り速度が上限値よりも小さい場合には、コンプレッサー５の下流の吸気管圧力と上流の吸気管圧力との差圧が所定値以上になることはないので、後述するステップＳ７に移行し、容積室１０の容積が最小の状態（図２（ａ））のままにする。一方、アクセル戻り速度が上限値以上の場合には、コンプレッサー５の下流の吸気管圧力と上流の吸気管圧力との差圧が所定値以上となるので、スロットルバルブ１２がアクセルペダル１５の踏み込み量に対応した開度に低下したタイミング、すなわちＥＣＵ１７がスロットルバルブ１２に対して開度を低下するための信号を出力してから所定時間経過後に、ＥＣＵ１７はアクチエーター１４を作動させて容積室１０の容積を最大の状態（図２（ｂ））にする（ステップＳ４）。尚、この所定時間とは、ＥＣＵ１７からの出力信号を受けてスロットルバルブ１２が作動するまでに要する時間であり、ディーゼルエンジン１ごとに決定される時間である。容積室１０の容積が最大となると、吸気通路３内の空気の一部が容積室１０に流入し、コンプレッサー５の下流の吸気管圧力の上昇が鈍化する。スロットルバルブ１２の開度が低下した後、暫くすると、コンプレッサー５の回転或いは吸気速度も追従し低下し始め、一時的に上昇したコンプレッサー５の下流の吸気管圧力も低下を始める。即ち、コンプレッサー５の下流の吸気管圧力の上昇を鈍化させることにより、コンプレッサー５の下流の吸気管圧力と上流の吸気管圧力との差圧が所定値以上にならないので、空気の逆流が防止されて異音の発生が抑えられる。続いて、容積室１０の容積が最大となるようにアクチエーター１４を作動させてからの経過時間Ｔの計測を、ＥＣＵ１７が行う（ステップＳ５）。ＥＣＵ１７には、規定時間Ｔ_０が設定されており、ＥＣＵ１７は経過時間Ｔが規定時間Ｔ_０を超えたか否かを判定する（ステップＳ６）。経過時間Ｔが規定時間Ｔ_０を超えていない場合には、ステップＳ５に戻って、経過時間Ｔの計測を継続する。一方、経過時間Ｔが規定時間Ｔ_０を超えた場合には、ＥＣＵ１７はアクチエーター１４を作動させてピストン部１９を押し込み、容積室１０の容積が最小の状態（図２（ａ））に戻す（ステップＳ７）。尚、規定時間Ｔ_０とは、容積室１０の容積が最大となってから吸気通路３内の空気の一部が容積室１０に流入してコンプレッサー５の下流の吸気管圧力が低下するまでに要する時間のことであり、コンプレッサー５からシリンダ２までの間の吸気通路３の容積及び容積室１０の容積によって決まる。したがって、ディーゼルエンジン１ごとに決定される時間である。ステップＳ７終了後、ＥＣＵ１７は経過時間Ｔをリセットし（ステップＳ８）、一連の処理を終了する。
なお、図３のフローチャートには記載しないが、アクセルセンサ１６により検出されるアクセルペダル１５の踏込み量については、アクセル戻り速度の算出のため、直前の検出値が、ＥＣＵ１７内のメモリに保存されている。この直前の検出値と、ステップＳ１の検出値を用いて、ステップＳ２のアクセル戻り速度が算出される。ステップＳ２にて、アクセル戻り速度が算出された後、今回のステップＳ１における検出値は、次回の制御フローにおいて直前の検出値として用いるために、メモリ内に上書き保存される。
また、コンプレッサー５にて逆流が生じる差圧の値は、ディーゼルエンジン１の運転状態、より詳しくは吸気流量又はコンプレッサー５の回転数で決まる変数である。前述の所定値としては、前記変数をＥＣＵ１７のメモリ内にマップとして保持し、逐次更新しながら使用しても良い。あるいは、最も多用されるディーゼルエンジン１の運転状態を想定し、前記運転状態を前提に、前記所定値として一定値を用いても良い。

このように、シリンダ２とコンプレッサー５との間に、吸気通路３内と連通する容積室１０を有した容積可変装置１３を設け、アクセルペダル１５の戻り速度が上限値以上の場合に、ＥＣＵ１７は、スロットルバルブ１２の開度を低下した後、アクチエーター１４を作動させて容積室１０の容積を最大にするようにした。これにより、吸気通路３内の空気の一部が容積室１０に流入してコンプレッサー５の下流の吸気管圧力の上昇が鈍化するので、吸気通路３内での空気の逆流が防止されて異音の発生を抑えることができる。

実施の形態１において、容積可変装置１３は、円筒状のシリンダ部１８と、シリンダ部１８の内周面に沿って移動可能に設けられたピストン部１９とを備えたものであるが、この形態に限定するものではない。図４に示されるように、吸気通路３内に連通する円筒状の内部シリンダ部２１と、内部シリンダ部２１の外周面に沿って移動可能であると共に一端が閉じた円筒形状を有する外部シリンダ部２２とを備えた容積可変装置２０であってもよい。外部シリンダ部２２が内部シリンダ部２１の外周面に沿って移動することにより、容積室１０の容積が変化する。尚、図４（ａ）は容積室１０の容積が最小の状態を表し、図４（ｂ）は容積室１０の容積が最大の状態を表している。さらに、図４の形態に限定するものでもなく、吸気通路３内と連通する容積室１０の容積が可変であれば、どのような形状及び構成であってもよい。
また、実施の形態１では、容積室１０の容積の変化を最小と最大の２段階にしたが、これに限定するものではない。アクセル戻し速度に応じて数段階に容積が変化するようにしてもよく、さらに連続的に変化するようにしてもよい。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る排気ターボ機構付エンジンを、図５に基づいて説明する。尚、以下の実施の形態において、図１〜４の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この発明の実施の形態２に係る排気ターボ機構付エンジンは、実施の形態１に対して、容積可変装置としてアキュムレーターを用いたものである。
ディーゼルエンジン３０は、インタークーラー１１とスロットルバルブ１２との間に、吸気通路３内と連通するアキュムレーター３１を備えている。ここで、アキュムレーター３１は容積可変装置を構成する。その他の構成については、アクチエーターがないこと以外、実施の形態１の構成と同じである。

アキュムレーター３１は、吸気通路３内に連通する枝管３２と、枝管３２に連通する空洞を有する本体３３と、一端が本体３３の内壁に接続されたばね部材３４と、ばね部材３４の他端に接続されると共にばね部材３４の伸縮によって本体３３内を移動するピストン部３５とを備えている。ここで、本体３３の内部において、ピストン部３５に対してばね部材３４の反対側に容積室３６が形成されている。容積室３６は、枝管３２を介して吸気通路３内と連通している。
コンプレッサー５の下流の吸気管圧力が上昇すると、吸気通路３内の空気の一部が枝管３２を介して容積室３６に流入する。すると、容積室３６内の圧力が上昇し、ばね部材３４が縮む方向にピストン部３５が移動する。これにより、容積室３６内の容積が増加して圧力が低下するので、コンプレッサー５の下流の吸気管圧力の上昇が鈍化する。
このように、容積可変装置としてアキュムレーターを使用しても、コンプレッサー５の下流の吸気管圧力が上昇したときに、その圧力上昇を鈍化することができるので、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る排気ターボ機構付エンジンの構成図である。 実施の形態１に係る排気ターボ機構付エンジンに設けられた容積可変装置の構造を示す側方断面図である。 実施の形態１において、コンプレッサー下流の吸気管圧力の上昇を抑制する手順を示すフローチャートである。 実施の形態１に係る排気ターボ機構付エンジンに設けられた容積可変装置の変形例の構造を示す側方断面図である。 実施の形態２に係る排気ターボ機構付エンジンの構成図である。

符号の説明

１，３０ ディーゼルエンジン（排気ターボ機構付エンジン）、３ 吸気通路、５ コンプレッサー、７ 排気ターボ、１０，３６ 容積室、１２ スロットルバルブ（吸気流量調整手段）、１３，２０ 容積可変装置、１５ アクセルペダル、１６ アクセルセンサ（アクセルペダル踏み込み量検出手段）、１７ ＥＣＵ（制御部）、３１ アキュムレーター（容積可変装置）。

Claims (4)

1. 吸気通路上にコンプレッサーを有する排気ターボ機構付エンジンにおいて、
   前記吸気通路上に設けられた吸気流量調整手段と、
   前記吸気流量調整手段及び前記コンプレッサー間に設けられ、前記吸気通路内に連通する容積室を内部に有する容積可変装置と
   を備え、
   前記容積可変装置は、前記コンプレッサー下流の吸気管圧力が上昇したときに、前記容積室の容積が増加することを特徴とする排気ターボ機構付エンジン。
2. アクセルペダルと、
   前記アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダル踏み込み量検出手段と、
   前記容積室の容積を変化させる制御部と
   を備え、
   前記制御部が前記アクセルペダル踏み込み量検出手段によって検出されたアクセルペダル踏み込み量からアクセル戻り速度を算出し、前記アクセル戻り速度が所定値以上の場合に、前記制御部が前記容積室の容積を増加させることを特徴とする請求項１に記載の排気ターボ機構付エンジン。
3. 前記吸気流量調整手段はスロットルバルブであり、
   前記制御部は、前記スロットルバルブの開度を低下した後に、前記容積室の容積を増加させることを特徴とする請求項２に記載の排気ターボ機構付エンジン。
4. 前記容積可変装置はアキュムレーターであることを特徴とする請求項１に記載の排気ターボ機構付エンジン。
   

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