JP2014020318A

JP2014020318A - 可変ノズル制御装置及び可変容量式ターボチャージャ

Info

Publication number: JP2014020318A
Application number: JP2012161706A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Mori; 正義森; Yuji Narita; 裕二成田
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2014-02-03
Also published as: EP2687701A2; US9322325B2; EP2687701A3; US20140023488A1

Abstract

【課題】可変ノズル駆動系の部品の破損を抑制することができる可変ノズル制御装置及び可変容量式ターボチャージャを提供する。
【解決手段】可変ノズル制御装置３４は、複数の可変ノズルを駆動するノズル駆動ユニット３５を備えている。ノズル駆動ユニット３５は、各可変ノズルと連結された駆動伝達部３６と、駆動源３７と、駆動伝達部３６と駆動源３７とに連結されたリンク機構３８とを有している。また、可変ノズル制御装置３４は、可変ノズルの基準位置を学習するための学習用ストッパ４１と、ＥＣＵ４２とを備えている。学習用ストッパ４１は、可変ノズルが全閉状態となるときに、リンク機構３８と当接するように調整されている。ＥＣＵ４２は、前回可変ノズル全閉学習を実施してからのＩＧスイッチ４３のＯＮ時間が閾値を超えると、可変ノズル全閉学習を実施するように駆動源３７のＤＣモータ３９を制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、可変容量式ターボチャージャに設けられた可変ノズルの開度を制御する可変ノズル制御装置、及び可変容量式ターボチャージャに関するものである。

例えばディーゼルエンジンには、可変容量式ターボチャージャが広く採用されている。可変容量式ターボチャージャは、排気ガスの流速を調整する可変ノズルを有している。可変ノズルの開度調整は、ステッピングモータ、ＤＣモータ等のアクチュエータによって行われている。可変ノズルの開度調整を精度良く行うには、開度の基準値が重要となる。そこで、エンジンの停止時に、可変ノズルを全閉とした時の開度検出値を基準値とするような学習（可変ノズル全閉学習）を行うことにより、開度のばらつきを解消することが提案されている。

そのような可変ノズル全閉学習を行う従来技術としては、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。特許文献１に記載の技術は、複数の可動ベーン（可変ノズル）にユニゾンリングを介して接続されたアームと、このアームを移動させるステッピングモータと、アームと係合するストッパ突き当て位置規制部材とを備え、ステッピングモータによりアームを移動させて位置規制部材に突き当て、その時の可動ベーンの開度（全閉状態）を基準位置とするというものである。

特開２００２−４８６９号公報

しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、可変ノズル全閉学習を行う際には、可変ノズル自体の劣化、可変ノズルへの排気ガス中のススの堆積等に伴う可変ノズルの渋りを考慮して、モータの駆動力を大きくする必要がある。しかし、大きなモータ駆動力でアームを位置規制部材に突き当てると、モータ、ギア等といった可変ノズル駆動系に大きな負荷がかかる。このため、ノズル全閉学習を行う回数が多くなるに従い、可変ノズル駆動系の部品が破損しやすくなる。

本発明の目的は、可変ノズル駆動系の部品の破損を抑制することができる可変ノズル制御装置及び可変容量式ターボチャージャを提供することである。

本発明は、エンジンの可変容量式ターボチャージャに設けられた可変ノズルの開度を制御する可変ノズル制御装置において、可変ノズルを駆動するノズル駆動手段と、可変ノズルが全閉状態であるときにノズル駆動手段と当接するように構成され、可変ノズルの基準位置を学習するための学習用ストッパと、エンジンの停止時に、ノズル駆動手段を学習用ストッパに突き当てるように制御する制御手段とを備え、制御手段は、前回ノズル駆動手段を学習用ストッパに突き当てた後のエンジンの稼働時間を含む学習実施判断時間をカウントする手段と、学習実施判断時間が所定時間に達したかどうかを判定する手段と、学習実施判断時間が所定時間に達すると、ノズル駆動手段を学習用ストッパに突き当てるように制御する手段とを有することを特徴とするものである。

このような本発明の可変ノズル制御装置においては、エンジンの停止時に、ノズル駆動手段を学習用ストッパに突き当てるように制御することで、可変ノズルの全閉学習を実施する。このとき、前回可変ノズルの全閉学習を実施した後のエンジンの稼働時間を含む学習実施判断時間をカウントし、その学習実施判断時間が所定時間に達したときに、今回の可変ノズルの全閉学習を実施することにより、エンジンを停止させる度に毎回可変ノズルの全閉学習を実施する必要は無い。これにより、可変ノズルの全閉学習の実施頻度が少なくなるため、ノズル駆動手段（可変ノズル駆動系）の部品の破損を抑制することができる。

好ましくは、学習実施判断時間は、前回ノズル駆動手段を学習用ストッパに突き当てた後のエンジンの稼働時間のみである。この場合には、前回可変ノズルの全閉学習を実施した後のエンジンの稼働時間のみを学習実施判断時間としてカウントすることになるため、可変ノズルの全閉学習の実施頻度が更に少なくなる。従って、ノズル駆動手段の部品の破損を一層抑制することができる。

また、学習実施判断時間は、前回ノズル駆動手段を学習用ストッパに突き当てた後のエンジンの稼働時間及び停止時間の合計であっても良い。この場合には、前回可変ノズルの全閉学習を実施してからの単なる経過時間を学習実施判断時間としてカウントすることになるため、エンジンの始動及び停止によるカウントアップ及びカウントストップを繰り返さなくて済む。従って、可変ノズルの全閉学習実施の判断処理を簡素化することができる。

本発明の可変容量式ターボチャージャは、上述した可変ノズル制御装置を備えることを特徴とするものである。このように上記の可変ノズル制御装置を設けることにより、上述したように、エンジンを停止させる度に毎回可変ノズルの全閉学習を実施する必要は無い。これにより、可変ノズルの全閉学習の実施頻度が少なくなるため、ノズル駆動手段（可変ノズル駆動系）の部品の破損を抑制することができる。

好ましくは、可変容量式ターボチャージャが産業車両に搭載されている。特にフォークリフト等の産業車両では、乗用車に比べてエンジンの始動・停止回数が格段に多い。このため、エンジンの停止時に毎回可変ノズル全閉学習を実施すると、すぐに可変ノズル全閉学習回数制限（可変ノズル全閉学習保証回数）を超えてしまう。従って、本発明の可変容量式ターボチャージャは、産業車両に適用するのが最も効果的である。

本発明によれば、可変ノズル駆動系の部品の破損を抑制することができる。これにより、可変容量式ターボチャージャの信頼性を向上させることが可能となる。

本発明に係る可変ノズル制御装置の一実施形態を含む可変容量式ターボチャージャを備えたディーゼルエンジンを示す概略構成図である。図１に示したディーゼルエンジンの可変容量式ターボチャージャを示す断面図である。図２に示した可変容量式ターボチャージャの可変ノズルの開閉状態を示す図である。本発明に係る可変ノズル制御装置の一実施形態を示す構成図である。図４に示したＥＣＵによる可変ノズル全閉学習処理の手順を示すフローチャートである。本発明に係る可変ノズル制御装置の他の実施形態として、図５に示した可変ノズル全閉学習処理の手順の変形例を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る可変ノズル制御装置及び可変容量式ターボチャージャの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係る可変ノズル制御装置の一実施形態を含む可変容量式ターボチャージャを備えたディーゼルエンジンを示す概略構成図である。同図において、ディーゼルエンジン１は、コモンレール式の４気筒直列ディーゼルエンジンであり、産業車両の一つであるフォークリフトに搭載されている。

ディーゼルエンジン（以下、単にエンジン）１はエンジン本体２を備え、このエンジン本体２には４つのシリンダ３が設けられている。各シリンダ３には、燃焼室４内に燃料を噴射するインジェクタ５がそれぞれ配設されている。各インジェクタ５はコモンレール６に接続されており、コモンレール６に貯留された高圧燃料が各インジェクタ５に供給される。

エンジン本体２には、燃焼室４内に空気を吸入するための吸気通路７がインテークマニホールド８を介して接続されている。吸気通路７には、上流側から下流側に向けてエアクリーナー９、インタークーラー１０及びスロットルバルブ１１が設けられている。また、エンジン本体２には、燃焼後の排気ガスを排出するための排気通路１２がエキゾーストマニホールド１３を介して接続されている。排気通路１２には、ＤＰＦ付きの触媒１４が設けられている。

また、エンジン１は、燃焼後の排気ガスの一部を排気再循環（ＥＧＲ）ガスとして燃焼室４内に還流するＥＧＲユニット１５を備えている。ＥＧＲユニット１５は、吸気通路７とエキゾーストマニホールド１３とを繋ぐように設けられ、ＥＧＲガスを還流するためのＥＧＲ通路１６と、エキゾーストマニホールド１３から吸気通路７へのＥＧＲガスの還流量を調整するＥＧＲバルブ１７と、ＥＧＲ通路１６を通るＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ１８と、このＥＧＲクーラ１８をバイパスするようにＥＧＲ通路１６に接続されたバイパス通路１９と、ＥＧＲガスの流路をＥＧＲクーラ１８側またはバイパス通路１９側に切り替える切替弁２０とを有している。

さらに、エンジン１は、可変容量式ターボチャージャ（以下、単にターボチャージャ）２１を備えている。ターボチャージャ２１は、排気通路１２側に配設されたタービン２２と、吸気通路７側に配設されたコンプレッサ２３とを有している。

タービン２２は、図２に示すように、タービンホイール２４と、このタービンホイール２４を収容するタービンハウジング２５とを有している。タービンハウジング２５には、排気通路１２と連通したスクロール通路２５ａ及び排出通路２５ｂが形成されている。スクロール通路２５ａは、エキゾーストマニホールド１３からの排気ガスを旋回させるための通路である。排出通路２５ｂは、スクロール通路２５ａの下流側に位置し、スクロール通路２５ａ内の排気ガスをタービンホイール２４を介して排出するための通路である。

コンプレッサ２３は、コンプレッサインペラ２６と、このコンプレッサインペラ２６を収容するコンプレッサハウジング２７とを有している。コンプレッサハウジング２７には、吸気通路７と連通した導入通路２７ａ及び送出通路２７ｂが形成されている。導入通路２７ａは、エアクリーナー９からの吸入空気を導入するための通路である。送出通路２７ｂは、導入通路２７ａの下流側に位置し、コンプレッサインペラ２６により圧縮された吸入空気を送出するための通路である。

タービンホイール２４とコンプレッサインペラ２６とは、タービンシャフト２８により連結されている。タービンシャフト２８は、中間ハウジング２９にベアリング（図示せず）を介して回転可能に支持されている。

燃焼室４から排出された排気ガスがタービン２２に導入されると、排気ガスのエネルギーによってタービンホイール２４が回転する。そして、タービンシャフト２８を介してタービンホイール２４と一体化されたコンプレッサインペラ２６が回転し、そのコンプレッサインペラ２６の回転によって圧縮された吸入空気がコンプレッサ２３から燃焼室４に供給される。

また、タービン２２は、図２及び図３に示すように、環状のノズルプレート３０と、このノズルプレート３０にノズル軸部３１を介して回動可能に取り付けられた複数の可変ノズル３２とを有している。各可変ノズル３２は、タービンハウジング２５のスクロール通路２５ａから排出通路２５ｂに流れる排気ガスの向き及び流速を調整するものである。各可変ノズル３２は、ノズルプレート３０の円周方向に等間隔で配置されている。各ノズル軸部３１は、図示しないアームを介してユニゾンリング３３に連結されており、ユニゾンリング３３の回動に同期して回動する。ここでは、ノズル軸部３１を含むユニゾンリング３３周りの構造については、特に詳述しないが、例えば特開２００９−１８０１１０号公報等に開示されているような公知の構造である。

ターボチャージャ２１は、各可変ノズル３２の開度を制御する可変ノズル制御装置３４（図４参照）を更に備えている。可変ノズル制御装置３４は、各ノズル軸部３１を介して各可変ノズル３２を駆動するノズル駆動ユニット（ノズル駆動手段）３５を有している。

ノズル駆動ユニット３５は、図２に示すように、上記のユニゾンリング３３と、このユニゾンリング３３に連結された駆動伝達部３６とを有している。また、ノズル駆動ユニット３５は、図４に示すように、駆動源３７と、駆動伝達部３６と駆動源３７とに連結された４節平行型のリンク機構３８とを有している。駆動源３７は、ＤＣモータ３９と、このＤＣモータ３９の出力軸３９ａに取り付けられたウォーム４０ａ及びこれと螺合するウォームホイール４０ｂからなるウォームギア４０とを有している。ウォームギア４０は、グリスＧにより潤滑されている。リンク機構３８の一端部はウォームホイール４０ｂに連結され、リンク機構３８の他端部は駆動伝達部３６に連結されている。駆動伝達部３６は、リンク機構３８を介して伝達された駆動力を、ユニゾンリング３３を回動させる力に変換する。

このようなノズル駆動ユニット３５において、ＤＣモータ３９を回転させると、ウォームギア４０、リンク機構３８、駆動伝達部３６、ユニゾンリング３３及び各ノズル軸部３１を介して各可変ノズル３２が回動（傾動）する。このとき、ＤＣモータ３９を一方向に回転させると、図３（ａ）に示すように、各可変ノズル３２の開度が大きくなり、各可変ノズル３２間の流路面積が増加し、排気ガスの流速が減少する。一方、ＤＣモータ３９を他方向に回転させると、図３（ｂ）に示すように、各可変ノズル３２の開度が小さくなり、各可変ノズル３２間の流路面積が減少し、排気ガスの流速が増加する。

また、可変ノズル制御装置３４は、図４に示すように、可変ノズル３２の基準位置を学習するための学習用ストッパ４１を有している。学習用ストッパ４１は、可変ノズル３２が全閉状態となるときに、リンク機構３８の中間リンク３８ａの一端部（駆動伝達部３６側端部）と当接するように調整されている。なお、学習時における可変ノズル３２の全閉位置は、運転中における可変ノズル３２の稼働範囲の全閉位置よりも更に閉じた状態としている。

さらに、可変ノズル制御装置３４は、図４に示すように、ノズル駆動ユニット３５を制御する制御手段である電子制御ユニット（ＥＣＵ）４２を有している。ＥＣＵ４２には、エンジン１の始動及び停止の指示操作を行うためのイグニッション（ＩＧ）スイッチ４３と、可変ノズル３２の開度を検出するポテンショメータ４４とが接続されている。ＥＣＵ４２は、運転時に可変ノズル３２を制御する通常制御処理と、エンジン１の停止時に、可変ノズル３２の全閉状態を基準位置とするような学習を行う可変ノズル全閉学習処理とを実行する。

図５は、ＥＣＵ４２による可変ノズル全閉学習処理の手順を示すフローチャートである。なお、本処理において、ＥＣＵ４２に内蔵されたタイマのカウント値は予め０になっている。

同図において、まずＩＧスイッチ４３がＯＦＦ状態であるかどうか、つまりエンジン１が停止状態であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０１）。ＩＧスイッチ４３がＯＮ状態であるときは、上記のタイマをカウントアップする（手順Ｓ１０２）。

ＩＧスイッチ４３がＯＦＦ状態であるときは、タイマのカウント値が予め決められた閾値以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０３）。閾値は、例えば下記式から算出される。なお、下記式のパラメータは、エンジン本体２及びターボチャージャ２１の設計条件等によって決まっている。
閾値＝（エンジン保証時間／学習用ストッパ突き当て保証回数）×安全率

タイマのカウント値が閾値以上でないときは、手順Ｓ１０１に戻る。タイマのカウント値が閾値以上であるときは、上記の可変ノズル全閉学習を実施する（手順Ｓ１０４）。具体的には、リンク機構３８の中間リンク３８ａの一端部を学習用ストッパ４１に突き当てるように、ＤＣモータ３９を制御する。そして、タイマのカウント値を０にクリアし（手順Ｓ１０５）、手順Ｓ１０１に戻る。

このように本可変ノズル全閉学習処理においては、ＩＧスイッチ４３がＯＦＦ状態にあるときに、前回可変ノズル全閉学習を実施してからのＩＧスイッチ４３のＯＮ時間つまり実質上のエンジン１の稼働時間が閾値を超えると、可変ノズル全閉学習を実施する。すると、各可変ノズル３２が全閉状態となり、この状態が各可変ノズル３２の基準位置となる。従って、その時のポテンショメータ４４の開度検出値を基準値（例えば０）とすることで、ポテンショメータ４４の開度検出値のばらつきを解消することができる。

以上において、上記手順Ｓ１０２，１０５は、前回ノズル駆動手段３５を学習用ストッパ４１に突き当てた後のエンジン１の稼働時間を含む学習実施判断時間をカウントする手段として機能する。上記手順Ｓ１０３は、学習実施判断時間が所定時間に達したかどうかを判定する手段として機能する。上記手順Ｓ１０４は、学習実施判断時間が所定時間に達すると、ノズル駆動手段３５を学習用ストッパ４１に突き当てるように制御する手段として機能する。

ところで、フォークリフトでは、運転者が運転席から離れるときは必ずエンジン１を止める必要があり、また運転者が運転席から降りて作業する機会も多いため、乗用車等の自動車に比べてエンジン１の始動・停止回数が格段に多くなる。特に顕著な荷役作業のケースでは、５分に満たない間隔でエンジン１の始動・停止が何度も繰り返される。このため、エンジン１を停止させる度に毎回可変ノズル全閉学習を実施する場合には、リンク機構３８を学習用ストッパ４１に突き当てる回数が多くならざるを得ない。特に、可変ノズル３２自体が劣化したり、排気ガス中のススが可変ノズル３２に堆積すると、可変ノズル３２が動きにくくなるため、可変ノズル全閉学習を実施する際には、ＤＣモータ３９の駆動力を大きくする必要がある。

このため、学習用ストッパ４１へのリンク機構３８の突き当てを繰り返し行うと、次第にリンク機構３８の突き当て時に、ウォームギア４０に大きな負荷が加わってグリスＧが劣化し、グリスＧの劣化によりウォームギア４０が破損することがある。また、リンク機構３８にも大きな負荷が加わるため、リンク機構３８の突き当て部及びベアリングの摩耗、リンク機構３８自体の曲がりやゆがみが生じることもある。さらに、ＤＣモータ３９の負荷増大によってＤＣモータ３９が発熱することもある。

これに対し本実施形態では、エンジン１を停止させても、前回可変ノズル全閉学習を実施してからのＩＧスイッチ４３のＯＮ時間が予め設定された閾値を超えるまでは、可変ノズル全閉学習を実施しないようにするので、リンク機構３８を学習用ストッパ４１に突き当てる頻度が十分に少なくなる。従って、リンク機構３８を学習用ストッパ４１に突き当てたときに、ウォームギア４０、リンク機構３８及びＤＣモータ３９に大きな負荷が加わりにくくなるため、ウォームギア４０の破損、リンク機構３８の突き当て部及びベアリングの摩耗、リンク機構３８自体の曲がりやゆがみ、ＤＣモータ３９の発熱を抑制することができる。これにより、ターボチャージャ２１の信頼性を向上させることが可能となる。

図６は、本発明に係る可変ノズル制御装置の他の実施形態として、図５に示した可変ノズル全閉学習処理の手順の変形例を示すフローチャートである。

同図において、まずタイマをカウントアップする（手順Ｓ２０１）。続いて、タイマのカウント値が上記の閾値以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ２０２）。タイマのカウント値が閾値以上でないときは、手順Ｓ２０１に戻る。タイマのカウント値が閾値以上であるときは、ＩＧスイッチ４３がＯＦＦ状態であるかどうかを判断する（手順Ｓ２０３）。ＩＧスイッチ４３がＯＮ状態であるときは、手順Ｓ２０１に戻る。

ＩＧスイッチ４３がＯＦＦ状態であるときは、可変ノズル全閉学習を実施する（手順Ｓ２０４）。具体的には、リンク機構３８の中間リンク３８ａの一端部を学習用ストッパ４１に突き当てるように、ＤＣモータ３９を制御する。そして、タイマのカウント値を０にクリアし（手順Ｓ２０５）、手順Ｓ２０１に戻る。

このように本可変ノズル全閉学習処理においては、ＩＧスイッチ４３がＯＦＦ状態にあるときに、前回可変ノズル全閉学習を実施してからの経過時間つまり実質上のエンジン１の稼働時間に相当するＩＧスイッチ４３のＯＮ時間とエンジン１の停止時間に相当するＩＧスイッチ４３のＯＦＦ時間との合計時間が閾値を超えていると、可変ノズル全閉学習を実施する。

以上において、上記手順Ｓ２０１，２０５は、前回ノズル駆動手段３５を学習用ストッパ４１に突き当てた後のエンジン１の稼働時間を含む学習実施判断時間をカウントする手段として機能する。上記手順Ｓ２０２は、学習実施判断時間が所定時間に達したかどうかを判定する手段として機能する。上記手順Ｓ２０４は、学習実施判断時間が所定時間に達すると、ノズル駆動手段３５を学習用ストッパ４１に突き当てるように制御する手段として機能する。

本実施形態においては、エンジン１を停止させても、前回可変ノズル全閉学習を実施してからの経過時間が予め設定された閾値を超えるまでは、可変ノズル全閉学習を実施しないようにするので、リンク機構３８を学習用ストッパ４１に突き当てる頻度が少なくなる。従って、リンク機構３８を学習用ストッパ４１に突き当てることによるウォームギア４０の破損等を抑制することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、リンク機構３８を学習用ストッパ４１に突き当てる構成としたが、特にそれに限定されるものではなく、ノズル駆動ユニット３５の一部を学習用ストッパ４１に突き当てれば良い。例えば、ユニゾンリング３３を学習用ストッパに突き当てる構成としても良く、具体的には、ユニゾンリング３３に回転軸方向に延びる凸部を設けると共に中間ハウジング２９に学習用ストッパを設け、配置ユニゾンリング３３の回動により学習用ストッパに凸部が突き当たる構造とすることが可能である。

また、上記実施形態は、可変容量式ターボチャージャ付きのディーゼルエンジンを搭載したフォークリフトについてであるが、本発明の可変ノズル制御装置は、フォークリフト以外の産業車両（例えばトラクターショベル等）及び乗用車等の自動車に搭載されたエンジンの可変容量式ターボチャージャにも適用可能である。

１…ディーゼルエンジン、２１…可変容量式ターボチャージャ、３２…可変ノズル、３４…可変ノズル制御装置、３５…ノズル駆動ユニット（ノズル駆動手段）、３８…リンク機構、４１…学習用ストッパ、４２…ＥＣＵ（制御手段）。

Claims

エンジンの可変容量式ターボチャージャに設けられた可変ノズルの開度を制御する可変ノズル制御装置において、
前記可変ノズルを駆動するノズル駆動手段と、
前記可変ノズルが全閉状態であるときに前記ノズル駆動手段と当接するように構成され、前記可変ノズルの基準位置を学習するための学習用ストッパと、
前記エンジンの停止時に、前記ノズル駆動手段を前記学習用ストッパに突き当てるように制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前回前記ノズル駆動手段を前記学習用ストッパに突き当てた後の前記エンジンの稼働時間を含む学習実施判断時間をカウントする手段と、前記学習実施判断時間が所定時間に達したかどうかを判定する手段と、前記学習実施判断時間が前記所定時間に達すると、前記ノズル駆動手段を前記学習用ストッパに突き当てるように制御する手段とを有することを特徴とする可変ノズル制御装置。
前記学習実施判断時間は、前回前記ノズル駆動手段を前記学習用ストッパに突き当てた後の前記エンジンの稼働時間のみであることを特徴とする請求項１記載の可変ノズル制御装置。
前記学習実施判断時間は、前回前記ノズル駆動手段を前記学習用ストッパに突き当てた後の前記エンジンの稼働時間及び停止時間の合計であることを特徴とする請求項１記載の可変ノズル制御装置。
請求項１〜３のいずれか一項記載の可変ノズル制御装置を備えることを特徴とする可変容量式ターボチャージャ。
産業車両に搭載されていることを特徴とする請求項４記載の可変容量式ターボチャージャ。