JP2008196336A - 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、背圧が過剰に高くなることを抑制できる技術を提供する。
【解決手段】過給圧を所望の圧力とすべくタービンに吹き付けられる排気の流速をノズルベーンの角度を変更することにより可変とする可変容量型ターボチャージャ５０を備えた内燃機関１であって、ノズルベーンと接続され該ノズルベーンを駆動する駆動源５６と、ノズルベーンの開度を大きくして目標開度とするときには目標開度よりもさらに大きな開度と対応する指令値を駆動源５６に与えた後に該目標開度と対応する指令値を駆動源５６に与える駆動源制御手段１０と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、過給機付内燃機関に関する。

内燃機関においては、該内燃機関から排出される排気のエネルギを利用して駆動されるターボチャージャを設けると、燃焼室の充填効率を高めて機関出力をより大きくすることができる。

そして、可変容量型ターボチャージャは、例えば内燃機関の低回転運転領域のように排気の量が少ないときでも、ノズルベーンを閉方向に回転させると、排気の流速を高めタービンの回転速度及び回転力を増加させることができる。これにより、排気の量が少ないときであっても内燃機関の充填効率を高めることができる。

ここで、実過給圧と目標過給圧とに基づいてノズルベーンの開度を調節する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

ところで、ノズルベーンは排気通路の外部からベーンシャフトを介して駆動されている。このベーンシャフトは例えばリンク機構に接続された駆動リングにより回転される。これらの各部材は力を伝達するときに円滑に動く必要があるため、各部材間には回転方向にある程度の遊びが設けられている。そのため、各部材が力を伝達するときに、先ず遊びの分だけ動き、その遊びの分だけ動いた後に力が伝達される。つまり、アクチュエータ等の駆動源からの力はノズルベーンに直ぐには伝達されない。また、この遊びにより力が伝わり難くなるため、アクチュエータ等が作動してもその作動量が小さいと、ノズルベーンまで力が伝わらずに該ノズルベーンが動かないことがある。

ここで、ノズルベーンを開閉することにより背圧を調節することができる。しかし、ノズルベーンを閉じた後に背圧を下降させようとして該ノズルベーンを開く方向にアクチュエータを作動させても、前記遊びのためにノズルベーンの開度が大きくならない虞がある。つまり、背圧が過剰に高くなることにより過給圧が過剰に高くなる虞がある。
特開２００５−８３２７５号公報 特開２００４−２９３５３７号公報

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、背圧が過剰に高くなることを抑制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、
過給圧を所望の圧力とすべくタービンに吹き付けられる排気の流速をノズルベーンの角度を変更することにより可変とする可変容量型ターボチャージャを備えた内燃機関であって、
前記ノズルベーンと接続され該ノズルベーンを駆動する駆動源と、
前記ノズルベーンの開度を大きくして目標開度とするときには前記目標開度よりもさらに大きな開度と対応する指令値を駆動源に与えた後に該目標開度と対応する指令値を駆動源に与える駆動源制御手段と、
を具備することを特徴とする。

ここで、目標開度とは、例えば、目標となる過給圧を得るための開度、目標となる背圧を得るための開度、又は目標となるタービン回転数を得るための開度とすることができる。指令値とは、駆動源を作動させるために与えられる命令であり、この指令値に応じて駆動源が作動する。この駆動源の作動によりノズルベーンの開度が調節される。

ノズルベーンの開度を現時点よりも大きくすると、該ノズルベーンによる抵抗が小さくなるため、背圧が低下する。しかし、ノズルベーンを動かすために駆動源を作動させても、各部材間に設けられている遊びによりノズルベーンに力が伝達されないことがある。これに対し、例えば各部材間に設けられている遊びの分だけ駆動源がより多く作動するように指令値を与えることで、ノズルベーンの実際の開度を目標開度に合わせることができる。

つまり、ノズルベーンの目標開度よりもさらに大きな開度と対応する指令値を駆動源に与えても、ノズルベーンの実際の開度は各部材間に設けられた遊びによって目標開度に合わせられる。

そして、その後に目標開度と対応する指令値を駆動源に与えることにより、ノズルベーンの開度を小さくする側に動かす場合には、各部材間の遊びの分だけ各部材が動いた後なので、駆動源からの力を速やかに伝達させることができる。つまり、ノズルベーンの開度を小さくする側の遊びをなくしておくことにより、ノズルベーンの開度を速やかに小さくすることができる。

本発明においては、前記駆動源制御手段は、前記目標開度よりもさらに大きな開度と対応する指令値を駆動源に与えるときに、ノズルベーンの開度を大きくする前の開度が小さいほど、開き度合いをより大きくすることができる。

ここで、ノズルベーンの開度を大きくする前の開度が小さいほど、すなわちノズルベーンの元の開度が小さいほど、背圧の過剰な上昇が起こり易く、逆に元の開度が大きければ背圧の過剰な上昇が起こり難くなる。そのため前記指令値を目標開度と対応する値よりも大きくするときの度合いは、ノズルベーンの元の開度が小さいほど大きくする。これにより、背圧の過剰な上昇の起こり易さに応じて駆動源に指令値を与えることができる。

本発明によれば、過給機付内燃機関において、背圧が過剰に高くなることを抑制できる。

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、本実施例に係る内燃機関１とその吸・排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。

内燃機関１には、吸気通路３及び排気通路４が接続されている。吸気通路３は吸気ポート２Ａを介して気筒２と接続されており、排気通路４は排気ポート２Ｂを介して気筒２と接続されている。

また、本実施例による内燃機関１は可変容量型ターボチャージャ５０（以下、単に「ターボチャージャ５０」という。）を備えている。このターボチャージャ５０は、コンプレッサハウジング５１、タービンハウジング５２、及びセンタハウジング５３を備えて構成されている。コンプレッサハウジング５１は吸気通路３の途中に設けられ、該コンプレッサハウジング５１の内部は吸気通路３の一部を構成している。また、タービンハウジング５２は排気通路４の途中に設けられ、該タービンハウジング５２の内部は排気通路４の一部を構成している。そして、コンプレッサハウジング５１とタービンハウジング５２とは、センタハウジング５３を介して連結されている。

タービンハウジング５２には、後述するノズルベーン７３を回転させるためのリンク機構８０の一部を格納するためのリンク室５４を備えており、該リンク室５４内のリンク機構８０はリンクロッド５５を介してアクチュエータ５６と接続されている。

次に、ターボチャージャ５０の具体的な構成について図２に基づいて説明する。ここで、図２（Ａ）はターボチャージャ５０の構成を示す断面図であり、図２（Ｂ）はターボチャージャ５０の可変ノズル機構７０を示す図である。

ターボチャージャ５０は、前述のようにコンプレッサハウジング５１とタービンハウジング５２とセンタハウジング５３とを備えて構成される。

コンプレッサハウジング５１内には複数の羽をもったコンプレッサ６０が備えられ、タービンハウジング５２内には複数の羽を持ったタービン６１が備えられている。コンプレッサ６０とタービン６１とは、ロータシャフト６２を介して連結されている。

タービンハウジング５２内には、タービン６１の外周を包囲する渦巻き状のスクロール室６３が形成されている。

更に、タービンハウジング５２内には、可変ノズル機構７０が内装されている。この可変ノズル機構７０は、図２（Ｂ）に示すようにリング状に形成されたリングプレート７１を備えている。このリングプレート７１は、図示しないボルトによってタービンハウジング５２に固定されている。そして、リングプレート７１には、複数のベーンシャフト７２が該リングプレート７１の円心を中心として等角度毎に設けられている。

各ベーンシャフト７２は、リングプレート７１をその厚さ方向に貫通して回転可能に支持されている。各ベーンシャフト７２のスクロール室６３側の一端にはノズルベーン７３が固定されている。一方、ベーンシャフト７２の他端には、ベーンシャフト７２と直交してリングプレート７１の外縁部へ延びるベーンアーム７４が固定されている。ベーンシャフト７２とベーンアーム７４とは、ベーンシャフト７２の中心軸を中心として一体で回転可能になっている。

各ベーンアーム７４とリングプレート７１との間には、リングプレート７１と重なり合うように環状の駆動リング７５が設けられている。この駆動リング７５は、その円心を中心に周方向へ回転可能となっている。また、駆動リング７５には挟持部７６が設けられ、リングプレート外縁側に延びたベーンアーム７４の端部が該挟持部７６に挟持されている。この挟持部７６では、ベーンアーム７４の端部が回転可能で且つ駆動リング７５の直径方向に摺動可能となるように挟持されている。

このように構成された可変ノズル機構７０では、上記した駆動リング７５がその円心を中心に回転すると、挟持部７６に挟持されているベーンアーム７４の端部も一緒に回転しようとする。しかし、ベーンアーム７４はベーンシャフト７２を中心に回転することしか
できないので、各ベーンアーム７４の端部がベーンシャフト７２を中心として回転しつつ挟持部７６内を駆動リング７５の直径方向に移動する。その結果、ベーンアーム７４がベーンシャフト７２を回転させ、ベーンシャフト７２の回転に同期してノズルベーン７３がベーンシャフト７２を中心に回転することになる。

次に、可変ノズル機構７０の駆動、即ち、駆動リング７５の回転駆動を行うリンク機構８０について説明する。駆動リング７５には、ベーンアーム７４と同形状の駆動アーム８１の一端を挟持する駆動アーム挟持部８２が設けられている。この駆動アーム挟持部８２は、前記挟持部７６と同様に駆動アーム８１の一端を摺動可能且つ回転可能に挟持している。

そして、駆動アーム８１の他端側には、ベーンシャフト７２の中心軸と同方向の中心軸を持つリンクシャフト８３の一端側が固定されている。このリンクシャフト８３は、コンプレッサハウジング５１側に延びてセンタハウジング５３を貫通している。つまり、リンクシャフト８３の他端は大気に晒されている。そして、リンクシャフト８３は、センタハウジング５３に圧入されたガイド９１により回転可能に支持されている。リンクシャフト８３の他端側は、その一部が該リンクシャフト８３の回転軸と直交する方向に延びて駆動リンク８４を形成している。この駆動リンク８４には、リンクシャフト８３の回転軸と平行する軸を持ったピン８５が固定されている。さらに、このピン８５はリンクロッド５５を回転可能に支持している。

このように構成された可変ノズル機構７０では、アクチュエータ５６と接続しているリンクロッド５５の進退動作により、駆動リンク８４がリンクシャフト８３を中心に回転される。駆動リンク８４が回転されると、それに同期してリンクシャフト８３が回転し、さらにこのリンクシャフト８３の回転に伴って駆動アーム８１が該リンクシャフト８３を中心に回転する。その結果、駆動アーム８１が駆動リング７５を周方向に押し、該駆動リング７５を回転させることになる。

以上述べたターボチャージャ５０では、リンク機構８０によってノズルベーン７３の回転方向と回転量とを調整することにより、該ノズルベーン７３間の流路の向き、及びノズルベーン７３間の間隙を変更することが可能となる。即ち、ノズルベーン７３の回転方向と回転量とを制御することにより、スクロール室６３からタービン６１に吹き付けられる排気の方向と流速が調節されることになる。なお、本実施例ではアクチュエータ５６が、本発明における駆動源に相当する。

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該内燃機関１を制御するユニットである。

ＥＣＵ１０には、アクチュエータ５６等が電気配線を介して接続され、上記した各部をＥＣＵ１０により制御することが可能になっている。

ところで、アクチュエータ５６が作動してノズルベーン７３が動くまでには、可変ノズル機構７０やリンク機構８０を構成する多くの部材間を力が伝達される。これらの部材間には、力の伝達を円滑に行なうための隙間若しくは遊びが設けられている。例えばベーンアーム７４と挟持部７６との間の遊びや、駆動アーム８１と駆動アーム挟持部８２との間の遊びは比較的大きい。そのため、駆動アーム８１が一方向に回転してから他方向に回転すると、駆動アーム８１が他方向に回転した直後には駆動リング７５は回転しない。同様に、駆動リング７５が一方向に回転してから他方向に回転すると、他方向に回転した直後にはベーンアーム７４は回転しない。

つまり、アクチュエータ５６の動作方向が逆転するときには、各部材で遊びの分が動いてから次の部材へ力が伝わることになる。そのため、アクチュエータ５６が動く量に対して、ノズルベーン７３が動く量は各部材間の遊びの分だけ少なくなる。これにより、背圧の調節が遅れてしまい過剰に上昇する虞がある。

これに対し本実施例では、ノズルベーン７３を閉じ側に動かした後に開き側に動かすときに、各部材の遊びの総和の分だけアクチュエータ５６を余計に開き側へ作動させ、その後にアクチュエータ５６を閉じ側へ作動させる。このときに、ノズルベーン７３は目標開度まで開いて停止するようにしている。つまり、アクチュエータ５６はノズルベーン７３の目標開度と対応する位置（以下、アクチュエータ５６の目標位置という。）を一旦超えた後に目標位置へ戻るように作動するが、ノズルベーン７３は目標開度まで動くだけで目標開度を超えない。

なお、本実施例ではこのようにアクチュエータ５６を制御するＥＣＵ１０が、本発明における駆動源制御手段に相当する。

ここで、図３は、アクチュエータ５６の制御指令値と背圧との関係を示した図である。アクチュエータ５６の制御指令値とは、ＥＣＵ１０からアクチュエータ５６に対して与える信号である。アクチュエータ５６は制御指令値に応じた分だけ作動する。そして、各部材間に遊びが全く無いと仮定した場合には、アクチュエータ５６の制御指令値とノズルベーン７３の開度とが対応している。つまり、ノズルベーン７３の全閉と対応する値が０％であり、ノズルベーン７３の全開と対応する値が１００％である。そして、各部材間に遊びが全く無いと仮定した場合には、アクチュエータ５６の制御指令値を目標値として該アクチュエータ５６を作動させると、ノズルベーン７３が目標開度となる。なお図３では、各部材間の遊びの総和がアクチュエータ５６の制御指令値の１０％分あるとした場合を示している。ここで、ノズルベーン７３の目標開度に対応するアクチュエータ５６の制御指令値を目標値と称する。

ここで、アクチュエータ５６の制御指令値を例えば４０％から０％まで変えると、ノズルベーン７３が閉じられるため、背圧はＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの点を順に通って上昇する。その後、アクチュエータ５６の制御指令値を０％から４０％まで変えると、背圧はＤ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ａの点を順に通って下降する。そのため、ノズルベーン７３の開度を全閉の状態から１０％開くときに、アクチュエータ５６の制御指令値を０％から１０％まで変化させると、背圧はＤ，Ｅの点を順に通るためＸから変化しない。一方、本実施例では、アクチュエータ５６の制御指令値を１０％とするときに、０％から一旦例えば２０％とした後に１０％に戻している。これにより背圧はＤ，Ｅ，Ｆ，Ｃの点を順に通る。そのため背圧はＸからＹに低下する。このようにして背圧を低下させることができるため、背圧の過剰な上昇を抑制することができる。

なお、本実施例では各部材間の遊びの総和がアクチュエータ５６の制御指令値の１０％分あるとして説明したが、実際には各部材間の遊びの総和をアクチュエータ５６の制御指令値として表したときにどの程度の値になるのかを実験等により求めておく。そして、ノズルベーン７３を開くときには、この遊びの総和の分だけ、アクチュエータ５６の制御指令値を目標値よりも一旦大きくする。

また、本実施例ではアクチュエータ５６の制御指令値を目標値よりも一旦大きくする度合いを各部材間の遊びの総和に基づいて設定しているが、これに代えて、過給圧が規定値となるように設定しても良い。つまり、ノズルベーンを開きすぎると過給圧が低下するため、これを抑制する。過給圧が規定値よりも低下したときにアクチュエータ５６の作動を
開き側から閉じ側へ反転させても良い。さらに、この反転させるタイミングをＥＣＵ１０に記憶させる学習制御を行なっても良い。

次に図４は、アクチュエータ５６の制御指令値とノズルベーン７３の通路面積との関係を示した図である。ノズルベーン７３の通路面積とは、排気が各ノズルベーン７３の間を通過するとき通路が最も狭くなる箇所における該通路の断面積である。なお、図４のＡからＦまでの点は、図３に示した同符号の点に対応している。

つまり、アクチュエータ５６の制御指令値を４０％から０％まで変えると、ノズルベーン７３の通路面積はＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの点を順に通って小さくなる。一方、アクチュエータ５６の制御指令値を０％から４０％まで変えると、ノズルベーン７３の通路面積はＤ，Ｅ，Ｆ，Ａの点を順に通って大きくなる。そのため、ノズルベーン７３の開度を全閉の状態から１０％開かせようとして、アクチュエータ５６の制御指令値を０％から１０％まで変化させると、ノズルベーン７３の通路面積はＤ，Ｅの点を順に通るためＳから変化しない。一方、本実施例では、ノズルベーン７３の開度を全閉の状態から１０％開かせるときに、アクチュエータ５６の制御指令値を０％から一旦例えば２０％とした後に１０％に戻している。つまり、各部材の遊びの総和の分だけ制御指令値を目標値よりも一旦大きくしている。これによりノズルベーン７３の通路面積はＤ，Ｅ，Ｆ，Ｃの点を順に通る。そのためノズルベーン７３の通路面積はＳからＴに変化して大きくなる。このようにしてノズルベーン７３の通路面積が大きくなるため、背圧の過剰な上昇を抑制することができる。

また本実施例では、アクチュエータ５６の制御指令値を目標値よりも一旦大きくする度合いを、ノズルベーン７３を開く前の該ノズルベーン７３の開度に応じて変えてもよい。ここで、ノズルベーン７３の開度がある程度大きくなると、ノズルベーン７３を開くときに図３のＦからＧの点の順のように背圧が変化する。つまり、背圧が急激に低くなる。そのため、各部材間の遊びの影響を受け難くなる。すなわち、このＧの点よりもアクチュエータ５６の制御指令値が大きい場合には、背圧の過剰な上昇は起こり難い。つまり、Ｇの点よりもアクチュエータ５６の制御指令値が大きい場合には、ノズルベーン７３の開度を大きくするときに、アクチュエータ５６の制御指令値を目標値よりも一旦大きくする必要はほとんど無い。そのため、本実施例ではノズルベーン７３の開度が例えば３０％以上となっている場合には、該ノズルベーン７３を開くときに制御指令値を目標値よりも一旦大きくすることは行なわない。

さらに、この目標値よりも一旦大きくする場合には、その度合いは、ノズルベーン７３の開度を大きくする前の開度が小さいほど、大きくする。このようにすることで背圧の上昇のし易さに応じてアクチュエータ５６を制御することができるため、アクチュエータ５６が無駄に作動することを抑制できる。

ここで、図５は、アクチュエータ５６の制御指令値と、制御指令値を目標値よりも一旦大きくするときの大きさの度合いの補正値との関係を示した図である。この補正値は、アクチュエータ５６の制御指令値を目標値よりも大きくする分（図３の例では１０％）に乗じて用いられる。

ノズルベーン７３が全閉のときに背圧が最も上昇し易い。そのため、アクチュエータ５６の制御指令値が０％のとき、すなわちノズルベーン７３が全閉となっているときに補正値を１として、アクチュエータ５６の作動量を最も大きくする。また、アクチュエータ５６の制御指令値が例えば３０％のときに補正値を０としている。このように補正値が０となると、ノズルベーン７３を開くときに制御指令値を目標値よりも大きくすることは行なわれない。また、アクチュエータ５６の制御指令値が０から３０％の間は、制御指令値が小さいときほど補正値が大きくなる。

以上説明したように本実施例によれば、ノズルベーン７３の開度を小さくした後に大きくする場合には、アクチュエータ５６の制御指令値を一旦目標値よりも大きくした後に小さくして目標値とすることにより、背圧の過剰な上昇を抑制することができる。

実施例に係る内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。 ターボチャージャの構成図である。図２（Ａ）はターボチャージャの構成を示す断面図であり、図２（Ｂ）はターボチャージャの可変ノズル機構を示す図である。 アクチュエータの制御指令値と背圧との関係を示した図である。 アクチュエータの制御指令値とノズルベーンの通路面積との関係を示した図である。 アクチュエータの制御指令値と、制御指令値を目標値よりも一旦大きくする度合いの補正値との関係を示した図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 気筒
２Ａ 吸気ポート
２Ｂ 排気ポート
３ 吸気通路
４ 排気通路
１０ ＥＣＵ
５０ 可変容量型ターボチャージャ
５１ コンプレッサハウジング
５２ タービンハウジング
５３ センタハウジング
５４ リンク室
５５ リンクロッド
５６ アクチュエータ
６０ コンプレッサ
６１ タービン
６２ ロータシャフト
６３ スクロール室
７０ 可変ノズル機構
７１ リングプレート
７２ ベーンシャフト
７３ ノズルベーン
７４ ベーンアーム
７５ 駆動リング
７６ 挟持部
８０ リンク機構
８１ 駆動アーム
８２ 駆動アーム挟持部
８３ リンクシャフト
８４ 駆動リンク
８５ ピン
９１ ガイド

Claims (2)

1. 過給圧を所望の圧力とすべくタービンに吹き付けられる排気の流速をノズルベーンの角度を変更することにより可変とする可変容量型ターボチャージャを備えた内燃機関であって、
   前記ノズルベーンと接続され該ノズルベーンを駆動する駆動源と、
   前記ノズルベーンの開度を大きくして目標開度とするときには前記目標開度よりもさらに大きな開度と対応する指令値を駆動源に与えた後に該目標開度と対応する指令値を駆動源に与える駆動源制御手段と、
   を具備することを特徴とする過給機付内燃機関。
2. 前記駆動源制御手段は、前記目標開度よりもさらに大きな開度と対応する指令値を駆動源に与えるときに、ノズルベーンの開度を大きくする前の開度が小さいほど、開き度合いをより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。

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