JP2009221911A - 過給機付き内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑油の粘性抵抗を考慮して過給機を過給作動用の高速回転状態にする時間を短縮する装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１の制御装置は、軸受けとしてボールベアリングを有する過給機（セカンダリターボ１４）を備える。ボールベアリングに潤滑油を供給する潤滑装置２０を備える。過給機を過給作動用の高速回転状態にする時、潤滑装置２０はボールベアリングへの潤滑油の供給を停止する。潤滑装置２０は、潤滑油の供給が停止または抑制された時点以降に開始される潤滑油供給制御期間が経過した後に、ボールベアリングへの潤滑油の供給の停止状態を解除する。
【選択図】図１

Description

本発明は、過給機付き内燃機関の制御装置に関し、特に過給機を過給作動用の高速回転状態にする時の潤滑油の供給を制御する装置に関する。

過給機付き内燃機関では、加速要求に対する応答性を良くするため、過給機の回転状態を速やかに過給作動用の高速回転状態にする必要がある。

特許文献１は、エンジン回転数など運転状態に応じてセカンダリターボの過給作動のオン状態とオフ状態とが切り替えられるパラレルツインターボシステムを構成する内燃機関を開示する。この内燃機関では、セカンダリターボの過給作動がオフ状態の時にも、セカンダリターボは低速回転状態にされる。回転状態が維持されることにより、回転停止状態にしておく形態に比べて、セカンダリターボの過給作動をオフ状態からオン状態に切り替えて、高速回転状態にする時間を早くすることが可能になる。
実開平０７−２５２４１号公報

しかしながら、特許文献１のように、予備回転としてセカンダリターボを低速回転状態に維持したとしても、セカンダリターボの軸受けに介在する潤滑油の粘性抵抗に起因する回転抵抗により、セカンダリターボの回転状態を過給作動用の高速回転状態にまで上昇させる時間を十分に短縮することは出来ない。

したがって本発明の目的は、潤滑油の粘性抵抗を考慮して過給機を過給作動用の高速回転状態にする時間を短縮する装置を提供することである。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、軸受けとしてボールベアリングを有する過給機と、ボールベアリングに潤滑油を供給する潤滑装置とを備え、過給機を過給作動用の高速回転状態にする時、潤滑装置はボールベアリングへの潤滑油の供給を停止または抑制する。

潤滑油供給を一時的に停止または抑制することにより、その間、潤滑油による粘性抵抗を減らし、過給機の回転抵抗を減らす。これにより、過給機が回転しやすくなり、過給機を高速回転状態にするための時間を短縮することが可能になる。なお、過給機は、ボールベアリングを使った軸受けがされているため、一時的に、潤滑油の供給が停止されたとしても、軸受けの信頼性が大きく低下することはない。

好ましくは、内燃機関は、プライマリターボと、運転状態によって過給作動のオン状態とオフ状態とが切り替えられるセカンダリターボとを有し、潤滑装置から潤滑油の供給が停止または抑制されるボールベアリングは、セカンダリターボの軸受けである。

シングルターボモードからツインターボモードへ切り替える時など、セカンダリターボの過給作動をオフ状態からオン状態に切り替えて、高速回転状態にする際のセカンダリターボの回転抵抗を減らして回転しやすくし、高速回転状態にするための時間を短縮することが可能になる。これにより、セカンダリターボの過給作動をオン状態に切り替える際のトルク段差発生を抑制することも可能になる。

また、好ましくは、潤滑装置は、潤滑油の供給が停止または抑制された時点以降に開始される潤滑油供給制御期間が経過した後に、ボールベアリングへの潤滑油の供給の停止状態または抑制状態を解除する。

潤滑油の供給を停止または抑制する期間（潤滑油供給制御期間）を設定し、経過時間との関係で潤滑油の供給の停止状態または抑制状態を解除する。これにより、別途過給機の回転数センサなど、停止状態または抑制状態の解除を判断するための状態監視手段を設けることなく、潤滑油供給制御を行うことが可能になる。

さらに好ましくは、潤滑油供給制御期間は、加速要求度合いと加速要求時点における内燃機関の運転状態の少なくとも一方とボールベアリングの軸受信頼性とに基づいて設定される。

これにより、加速要求度合いなど対応して、最適な潤滑油供給制御期間を設定することが可能になる。

また、好ましくは、潤滑装置は、過給機の回転数または出口圧力に基づいて、ボールベアリングへの潤滑油の供給の停止状態または抑制状態を解除する。

過給機の回転数、または過給機の出口圧力が、過給に必要な所定回転数または所定出口圧力に達したと判断された場合に、潤滑油の供給の停止状態または抑制状態が解除される。これにより、潤滑油の供給の停止後または抑制後の運転状態に応じて、停止状態または抑制状態の解除を行うことが可能になる。

以上のように本発明によれば、潤滑油の粘性抵抗を考慮して過給機を過給作動用の高速回転状態にする時間を短縮する装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図を用いて説明する。内燃機関１は、制御部５、プライマリターボ１３、セカンダリターボ１４、潤滑装置２０、エンジン本体３０、コンプレッサ入口側吸気通路５１、コンプレッサ出口側吸気通路５２、タービン入口側排気通路７２、及びタービン出口側排気通路７３を備える（図１参照）。

制御部５は、ＣＰＵ、制御プログラムを格納したＲＯＭ、及び各種データを格納するＲＡＭ等を有し、各種センサからの信号が入力され、また、吸気切替弁１９等に制御信号を出力して内燃機関１を含む車両の各部を制御する。制御部５は、特に、シングルターボモードからツインターボモードへの切り替え時に、セカンダリターボ１４のオイル供給バルブ２５やオイルドレンバルブ２６の開閉制御を行う。

内燃機関１の運転中、エンジン本体３０の各シリンダーの燃焼室には、コンプレッサ入口側吸気通路５１、及びコンプレッサ出口側吸気通路５２を介して、空気が吸入される（図１の細点線矢印参照）。インジェクタから噴射された燃料は、吸入された空気と共に混合気を形成する。制御部５からの点火信号に基づく点火プラグの点火によって、混合気は燃焼する。混合気の燃焼による爆発力に応じたピストンの往復運動により、クランクシャフト（不図示）が回転する。燃焼により発生した排気ガスは、タービン入口側排気通路７２、及びタービン出口側排気通路７３を介して排出される（図１の破線矢印参照）。

潤滑装置２０は、第１、第２オイル通路２１、２２、第１、第２リターン通路２３、２４、オイル供給バルブ２５、及びオイルドレンバルブ２６を有する。第１オイル通路２１は、エンジン本体３０に設けられたオイルパンからオイルポンプ（不図示）でくみ出した潤滑油をプライマリターボ１３の軸受けに導く潤滑油通路であり、第２オイル通路２２は、オイルパンからオイルポンプでくみ出した潤滑油をセカンダリターボ１４の軸受けに導く潤滑油通路である。第１リターン通路２３は、プライマリターボ１３の軸受けを潤滑した潤滑油をエンジン本体３０のオイルパンに戻す潤滑油通路であり、第２リターン通路２４は、セカンダリターボ１４の軸受けを潤滑した潤滑油をエンジン本体３０のオイルパンに戻す潤滑油通路である。第２オイル通路２２上に設けられたオイル供給バルブ２５は、オイルパンからセカンダリターボ１４の軸受けに供給される潤滑油の流量を調整するバルブであり、第２リターン通路２４上に設けられたオイルドレンバルブ２６は、セカンダリターボ１４の軸受けからオイルパンに戻される潤滑油の流量を調整するバルブである。なお、潤滑装置２０は、図示しない他の部位、例えばクランク軸などにも潤滑油を供給する。オイル供給バルブ２５、及びオイルドレンバルブ２６の開閉制御については後述する。

次に、プライマリターボ１３、及びセカンダリターボ１４を中心に、内燃機関１の各部の構成を説明する。プライマリターボ１３、及びセカンダリターボ１４は、並列に接続され、プライマリターボ１３が主ターボチャージャーの役割を果たし、セカンダリターボ１４が副ターボチャージャーの役割を果たす。低吸入空気量域では、セカンダリターボ１４が過給に使用されずプライマリターボ１３が過給に使用されるシングルターボモードで運転が行われ、高吸入空気量域では、プライマリターボ１３、及びセカンダリターボ１４が過給に使用されるツインターボモードで運転が行われる。

プライマリターボ１３は、第１タービン１３ａ、第１コンプレッサ１３ｂ、及び第１シャフト１３ｃを有し、セカンダリターボ１４は、第２タービン１４ａ、第２コンプレッサ１４ｂ、及び第２シャフト１４ｃを有する。第１シャフト１３ｃの軸受けには、ボールベアリングまたはフルフロート式軸受けが使用され、第２シャフト１４ｃの軸受けには、ボールベアリングが使用される。

第１、第２タービン１３ａ、１４ａの入口側は、排気マニホールド（不図示）に連通するタービン入口側排気通路７２と接続する。第１、第２タービン１３ａ、１４ａの出口側は、排気ガス浄化触媒（不図示）に連通するタービン出口側排気通路７３と接続する。

第１、第２コンプレッサ１３ｂ、１４ｂの入口側は、コンプレッサ入口側吸気通路５１と接続する。コンプレッサ入口側吸気通路５１には、エアクリーナ（不図示）などが設けられる。第１、第２コンプレッサ１３ｂ、１４ｂの出口側は、吸気マニホールド（不図示）に連通するコンプレッサ出口側吸気通路５２と接続する。コンプレッサ出口側吸気通路５２には、インタークーラ（不図示）などが設けられる。

ツインターボモードとシングルターボモードとの切り替え、すなわちセカンダリターボ１４の過給作動のオン状態とオフ状態との切り替えを行うために、タービン入口側排気通路７２の第２タービン１４ａの入口側に、第２タービン１４ａへの排気ガスの流れの遮断と開放との切り替えを行う排気切替弁３１が設けられ、コンプレッサ出口側吸気通路５２の第２コンプレッサ１４ｂの出口側に、第２コンプレッサ１４ｂからエンジン本体３０への空気の流れの遮断と開放との切り替えを行う吸気切替弁１９が設けられる。

シングルターボモードからツインターボモードへの切り替えを円滑に行うため、コンプレッサ出口側吸気通路５２上であって第２コンプレッサ１４ｂの出口と吸気切替弁１９との間と、コンプレッサ入口側吸気通路５１とを連通する吸気バイパス通路５３が設けられる。吸気バイパス通路５３には、空気の流れの遮断と開放との切り替えを行う吸気バイパス弁１７が設けられる。

シングルターボモードの場合には、吸気切替弁１９、及び排気切替弁３１の両方が閉弁するが、吸気バイパス弁１７は開弁し、これにより、セカンダリターボ１４は過給に使用されず、プライマリターボ１３が作動して過給に使用される。ツインターボモードの場合には、吸気切替弁１９、及び排気切替弁３１の両方が開弁するが、吸気バイパス弁１７は閉弁し、これによりプライマリターボ１３、及びセカンダリターボ１４が作動して過給に使用される。

プライマリターボ１３の軸受け、及びセカンダリターボ１４の軸受けへの潤滑油の供給は、内燃機関１の運転中行われる。但し、シングルターボモードからツインターボモードに切り替えられる時の潤滑油供給制御期間Δｔは、すなわちツインターボモードに切り替えるために制御部５が排気切替弁３１を開弁状態にする指示を行った時点から潤滑油供給制御期間Δｔが経過するまでの間は、セカンダリターボ１４の軸受けへの潤滑油の供給は停止される。潤滑油の供給の停止は、オイル供給バルブ２５、及びオイルドレンバルブ２６を閉弁状態にすることにより行われる。

シングルターボモードからツインターボモードに切り替えられる時、セカンダリターボ１４は、低速回転状態から、過給を行うのに必要な高速回転状態にされる。かかる回転数上昇の際、セカンダリターボ１４の軸受けへの潤滑油供給を停止することにより、セカンダリターボ１４の軸受けに介在する潤滑油の粘性抵抗に起因する回転抵抗が、潤滑油供給が行われている場合に比べて少なくなる。そのため、セカンダリターボ１４が回転しやすくなり、高速回転状態にするために必要な時間、すなわちセカンダリターボ１４の回転数を過給に必要な所定回転数にまで上昇させるために必要な時間を短くすることが可能になり、シングルターボモードからツインターボモードへの切り替えにおける応答性を良くすることが可能になる（図２参照）。

なお、潤滑油供給制御期間Δｔは、セカンダリターボ１４を高速回転状態にするために必要な時間であり、且つ第２シャフト１４ｃの軸受けとして使用されるボールベアリングの軸受信頼性を考慮した値、すなわち潤滑油の供給を停止しても軸受信頼性を損ねない程度の時間以下の値が設定される。上述の条件であれば、内燃機関１の開発時などに予め、潤滑油供給制御期間Δｔを設定することも可能であるが、潤滑油供給制御期間Δｔは、加速要求度合いや、内燃機関１の加速要求時点における運転状態に基づいてさらに補正するのが望ましい。具体的には、加速要求度合いが大きく、すなわちアクセル開度が大きい場合は、アクセル開度が小さい場合に比べて、排気流量が多く、短い時間でセカンダリターボ１４を高速回転状態に出来るため、潤滑油供給制御期間Δｔが小さい値に設定される。また、加速要求時点における運転状態が、シングルターボモードとツインターボモードとの切り替え領域（ヒステリシス領域）における運転状態に近い場合には、排気流量が多く、短い時間でセカンダリターボ１４を高速回転状態に出来るため、潤滑油供給時間Δｔが小さい値に設定される。例えば、図３における加速開始時点の運転状態がａ点に対応するエンジン回転数やトルクの場合よりも、ｂ点に対応するエンジン回転数やトルクの場合の方が、潤滑油供給時間Δｔが小さい値に設定される。このように、加速要求度合いなど対応して、最適な潤滑油供給制御期間Δｔを設定することが可能になる。

次に、制御部５によるオイル供給バルブ２５、及びオイルドレンバルブ２６の開閉制御手順を図４のフローチャートを用いて説明する。かかる開閉制御は内燃機関１がシングルターボモードでの運転中に行われる。なお、内燃機関１が運転を開始した時点、すなわち、かかる開閉制御を開始した時点では、オイル供給バルブ２５、及びオイルドレンバルブ２６はいずれも開弁状態にされる。開閉制御が開始されると、ステップＳ１１で、シングルターボモードからツインターボモードに切り替えるため、排気切替弁３１を閉弁状態から開弁状態に切り替える指示を制御部５が行ったか否かが判断される。シングルターボモードとツインターボモードとの切り替え判断は、エンジン回転数、燃料噴射量など内燃機関１の運転状態に基づいて行われる。

制御部５が排気切替弁３１を閉弁状態から開弁状態に切り替える指示を行っていない場合は、ステップＳ１１が繰り返される。すなわち、オイル供給バルブ２５、及びオイルドレンバルブ２６の開弁状態が維持される。従って、セカンダリターボ１４の軸受けには潤滑油の供給が行われている状態が維持される。

制御部５が排気切替弁３１を閉弁状態から開弁状態に切り替える指示を行った場合は、ステップＳ１２で、加速要求度合いや、内燃機関１の加速要求時点における運転状態に基づいて、潤滑油供給制御期間Δｔが設定される。また、制御部５の制御により、オイル供給バルブ２５、及びオイルドレンバルブ２６が閉弁状態にされる。これにより、セカンダリターボ１４の軸受けへの潤滑油の供給が停止される。また、閉弁状態にされた時点からの経過時間ｔの計測が開始される。ステップＳ１３で、経過時間ｔが潤滑油供給制御期間Δｔ以上になったか否かが判断される。なっていない場合はステップＳ１３が繰り返される。経過時間ｔが潤滑油供給制御期間Δｔ以上になった場合は、ステップ１５で、オイル供給バルブ２５、及びオイルドレンバルブ２６が開弁状態にされ終了する。

パラレルツインターボシステムを構成する内燃機関１では、シングルターボモードからツインターボモードへ切り替える時、セカンダリターボ１４の第２タービン１４ａにも排気ガスが流入するため、プライマリターボ１３の第１タービン１３ａの入口に流入する排気ガスの流量が減少する。これにより、プライマリターボ１３における過給圧が一時低下し、過給圧段差が生じる。過給圧段差は、トルク段差発生の原因になるため、出来るだけ早くセカンダリターボ１４を高速回転状態にして過給圧を上げる必要がある。本実施形態では、シングルターボモードからツインターボモードに切り替える時に、セカンダリターボ１４の軸受けへの潤滑油供給を一時的に停止させて、その間、潤滑油による粘性抵抗を減らし、セカンダリターボ１４の回転抵抗を減らす。これにより、セカンダリターボ１４が回転しやすくなり、セカンダリターボ１４を高速回転状態にするための時間を短縮することが可能になり、トルク段差発生を抑制することが可能になる。

なお、セカンダリターボ１４の第２シャフト１４ｃの軸受けには、ボールベアリングが使用されているため、潤滑油供給制御期間Δｔに、潤滑油の供給が停止されたとしても、ボールベアリングにおけるボールの信頼性が大きく低下することはない。

また、潤滑油の供給を停止または抑制する期間（潤滑油供給制御期間Δｔ）を設定し、経過時間ｔとの関係で潤滑油の供給の停止状態が解除される。これにより、別途セカンダリターボ１４の回転数を計測するセンサなど、停止状態の解除を判断するための状態監視手段を設けることなく、潤滑油供給制御を行うことが可能になる。

また、トルク段差発生の抑制手段としては、セカンダリターボ１４を高速回転状態にするまでの間、燃料噴射量を増加してトルクをほぼ一定に保つことが考えられるが、この場合、エミッションが悪化するおそれがある。しかしながら、本実施形態では、エミッション悪化の問題は生じない。

また、本実施形態では、パラレルツインターボシステムを構成する内燃機関１におけるセカンダリターボ１４の軸受けへの潤滑油の供給制御を行う形態を説明したが、内燃機関に１つだけ設けられたターボの軸受けへの潤滑油の供給制御を行う形態であってもよい。この場合は、加速要求があった時点以降に設定される供給停止時点から、該ターボの回転数を過給に必要な所定回転数にまで上昇させるために必要な時間（潤滑油供給制御期間Δｔ）が経過するまで、ターボ軸受けへの潤滑油の供給が停止される。

また、セカンダリターボ１４への潤滑油の供給の停止状態の解除を、供給停止後の経過時間に基づいて判断する形態を説明したが、セカンダリターボ１４に別途設けられた回転数センサや、出口圧力センサからの情報に基づいて判断する形態であってもよい。この場合は、セカンダリターボ１４の回転数、またはセカンダリターボ１４の出口圧力が、過給に必要な所定回転数または所定出口圧力に達したと判断された場合に、潤滑油の供給の停止状態が解除される。これにより、潤滑油の供給の停止後または抑制後の運転状態に応じて、停止状態または抑制状態の解除を行うことが可能になる。

また、シングルターボモードからツインターボモードへの切り替え時に、セカンダリターボ１４の軸受けへの潤滑油の供給が停止される形態を説明したが、完全に停止せずに、潤滑油の供給を抑制する、すなわち供給量を減らす形態であってもよい。セカンダリターボ１４の軸受けへ供給される潤滑油の量が減るため、潤滑油による粘性抵抗が減り、セカンダリターボ１４の回転抵抗が減り、回転しやすい状態になる。

本実施形態における内燃機関の構成図である。 シングルターボモードからツインターボモードに切り替えた時の、セカンダリターボの回転数の時間推移を示すグラフである。 エンジン全負荷性能グラフである。 潤滑油の供給の停止制御手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
５ 制御部
１３ プライマリターボ
１４ セカンダリターボ
１３ａ、１４ａ 第１、第２タービン
１３ｂ、１４ｂ 第１、第２コンプレッサ
１３ｃ、１４ｃ 第１、第２シャフト
２０ 潤滑装置
２１、２２ 第１、第２オイル通路
２３、２４ 第１、第２リターン通路
２５ オイル供給バルブ
２６ オイルドレンバルブ
３０ エンジン本体
５１ コンプレッサ入口側吸気通路
５２ コンプレッサ出口側吸気通路
５３ 吸気バイパス通路
７２ タービン入口側排気通路
７３ タービン出口側排気通路

Claims (5)

1. 軸受けとしてボールベアリングを有する過給機と、
   前記ボールベアリングに潤滑油を供給する潤滑装置とを備え、
   前記過給機を過給作動用の高速回転状態にする時、前記潤滑装置は前記ボールベアリングへの潤滑油の供給を停止または抑制することを特徴とする過給機付き内燃機関の制御装置。
2. 前記内燃機関は、プライマリターボと、運転状態によって過給作動のオン状態とオフ状態とが切り替えられるセカンダリターボとを有し、
   前記潤滑装置から潤滑油の供給が停止または抑制されるボールベアリングは、前記セカンダリターボの軸受けであることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記潤滑装置は、前記潤滑油の供給が停止または抑制された時点以降に開始される潤滑油供給制御期間が経過した後に、前記ボールベアリングへの潤滑油の供給の停止状態または抑制状態を解除することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
4. 前記潤滑油供給制御期間は、加速要求度合いと加速要求時点における前記内燃機関の運転状態の少なくとも一方と前記ボールベアリングの軸受信頼性とに基づいて設定されることを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
5. 前記潤滑装置は、前記過給機の回転数または出口圧力に基づいて、前記ボールベアリングへの潤滑油の供給の停止状態または抑制状態を解除することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。

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