JP2015045283A - 内燃機関のｅｇｒ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボチャージャの使用開始後におけるコンプレッサホイールの損傷を抑制することができる内燃機関のＥＧＲ制御装置を提供する。【解決手段】電子制御装置２１は、ターボチャージャ１の使用開始後の一定期間が経過するまで、ＥＧＲ機構によるタービンホイール７下流からコンプレッサホイール１４上流への排気の還流を禁止すべく、ＥＧＲバルブ１７が全閉状態となるよう同バルブ１７を駆動する。このため、ターボチャージャ１の使用開始後、回転するタービンホイール７によりタービンハウジング５内のアブレーダブルシール層を摩耗させるとき、それに伴って生じる摩耗粉がタービンホイール７下流の排気に混入するとしても、同排気がコンプレッサホイール１４上流に還流されることは抑制される。従って、コンプレッサホイール１４に上記排気中の摩耗粉が巻き込まれることはない。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のＥＧＲ制御装置に関する。

ターボチャージャが組み付けられた内燃機関にＥＧＲ機構（排気再循環機構）を適用する場合、特許文献１に示されるように、上記ＥＧＲ機構によりターボチャージャのタービンホイール下流の排気がコンプレッサホイール上流に還流される。

内燃機関に組み付けられる上記ターボチャージャとしては、タービンホイールを囲うタービンハウジング内にアブレーダブルシール層を形成し、ターボチャージャの使用開始（内燃機関の製造完了後の初回の運転開始）後に、回転するタービンホイールで上記アブレーダブルシール層を摩耗させるものを採用することが考えられる。

この場合、上述したようにタービンホイールでアブレーダブルシール層を摩耗させる（削る）ことにより、そのタービンホイールとタービンハウジングとのチップクリアランスを小さく設定することができるため、タービンハウジング内を通過する排気の運動エネルギを効率よくタービンホイールの回転運動に変換することが可能になる。

特開２０１２−２０２２６５公報

ところで、ターボチャージャの使用開始後、回転するタービンホイールによりタービンハウジング内のアブレーダブルシール層を摩耗させるときには、それに伴って生じる摩耗粉がタービンホイール下流の排気に混入する。このようにタービンホイール下流の排気に摩耗粉が混入するとき、その排気がＥＧＲ機構によりコンプレッサホイール上流に還流されると、排気中の摩耗粉がコンプレッサホイールに巻き込まれて同コンプレッサホイールの損傷を招くおそれがある。

本発明の目的は、ターボチャージャの使用開始後におけるコンプレッサホイールの損傷を抑制することができる内燃機関のＥＧＲ制御装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決するＥＧＲ制御装置が適用される内燃機関には、回転するタービンホイールによって摩耗させられるアブレーダブルシール層をタービンハウジング内に形成したターボチャージャが組み付けられる。また、ＥＧＲ制御装置は、タービンホイール下流の排気をターボチャージャのコンプレッサホイール上流に還流させるＥＧＲ機構の動作を制御する制御部を備える。この制御部は、ターボチャージャの使用開始から一定期間が経過するまで、ＥＧＲ機構によるタービンホイール下流からコンプレッサホイール上流への排気の還流を禁止する。このため、ターボチャージャの使用開始後、回転するタービンホイールによりタービンハウジング内のアブレーダブルシール層を摩耗させるとき、それに伴って生じる摩耗粉がタービンホイール下流の排気に混入するとしても、同排気がＥＧＲ機構によりコンプレッサホイール上流に還流されることは抑制される。従って、コンプレッサホイール上流に還流された排気中の摩耗粉が同コンプレッサホイールに巻き込まれ、それによってコンプレッサホイールが損傷することは抑制される。

ＥＧＲ制御装置が適用される内燃機関の周辺の構造を示す略図。 ターボチャージャにおけるタービンハウジングとタービンホイールとの境界周辺の構造を示す拡大断面図。 ターボチャージャの使用開始後の一定期間が経過するまでＥＧＲ機構による排気の還流を禁止する手順を示すフローチャート。

以下、内燃機関のＥＧＲ制御装置の一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
図１に示されるように、ターボチャージャ１が組み付けられた内燃機関２の排気通路３には、ターボチャージャ１のタービンホイール７を囲むように設けられたタービンハウジング５が接続されている。上記タービンホイール７は、ターボチャージャ１に回転可能に設けられた軸８の一方の端部に固定されている。このタービンホイール７には、軸８を中心とする回転方向について、等間隔をおいて多数の羽根６が形成されている。一方、内燃機関２の吸気通路１０には、ターボチャージャ１のコンプレッサホイール１４を囲むように設けられたコンプレッサハウジング１２が接続されている。上記コンプレッサホイール１４は、上記軸８のもう一方の端部に固定されている。このコンプレッサホイール１４には、軸８を中心とする回転方向について、等間隔をおいて多数の羽根１３が形成されている。

上記ターボチャージャ１においては、内燃機関２の排気が排気通路３を通過してタービンハウジング５内に流入する。タービンハウジング５内に流入した排気は、タービンホイール７の各羽根６間を流れた後にタービンハウジング５の出口から外部に流出する。そして、タービンハウジング５内における上記各羽根６間を排気が流れる際、その排気の運動エネルギによってタービンホイール７及び軸８が同軸８の中心線周りに回転する。また、ターボチャージャ１においては、吸気通路１０におけるコンプレッサハウジング１２の入口よりも上流側の部分の空気が、同入口を介してコンプレッサハウジング１２内に吸入された後、コンプレッサホイール１４の各羽根１３間を通過する。その際、上述したタービンホイール７及び軸８の回転を通じてコンプレッサホイール１４が回転すると、同コンプレッサホイール１４の運動エネルギにより上記各羽根１３間の空気が昇圧された後、コンプレッサハウジング１２の出口から吸気通路１０における同出口の下流側に送り出される。

内燃機関２には、排気通路３におけるタービンホイール７下流と吸気通路１０におけるコンプレッサホイール１４上流とを繋ぐＥＧＲ通路１６、及び、そのＥＧＲ通路１６における排気の流通面積を可変とすべく開閉動作するＥＧＲバルブ１７を備えるＥＧＲ機構（排気再循環機構）が設けられている。同ＥＧＲ機構では、ＥＧＲバルブ１７を全閉状態とすることにより、ＥＧＲ通路１６を通じてのタービンホイール７下流の排気のコンプレッサホイール１４上流への還流が禁止される。また、ＥＧＲバルブ１７を全閉状態から全開状態に向けて開弁してゆくに伴い、ＥＧＲ通路１６を通じてのタービンホイール７下流の排気のコンプレッサホイール１４上流への還流量が多くなってゆく。

なお、内燃機関２には、吸気通路１０におけるガスの流通面積を可変とすべく開閉動作するスロットルバルブ２０、及び、内燃機関２の冷却水を流す冷却水回路１８に設けられて同冷却水の循環を行うべく駆動されるウォータポンプ１９も設けられている。

次に、ターボチャージャ１におけるタービンハウジング５とタービンホイール７との境界周辺の構造について詳しく説明する。
図２に示すように、タービンハウジング５の内面におけるタービンホイール７の羽根６に対応する部分には、回転するタービンホイール７によって摩耗させる（削る）ことの可能なアブレーダブルシール層９が形成されている。このアブレーダブルシール層９は、その羽根６側の面９ａがターボチャージャ１の使用開始前に同羽根６のアブレーダブルシール層９側の面よりもタービンホイール７の中心寄りに位置する形状を有している。なお、上記ターボチャージャ１の使用開始とは、ターボチャージャ１付きの内燃機関２の製造完了後であって、その内燃機関２を搭載する予定の車両に対し同機関２を組み付けてから同機関２の初回の運転を開始した時点のことをいう。

そして、ターボチャージャ１の使用開始後、回転するタービンホイール７の羽根６でアブレーダブルシール層９が摩耗させられる（削られる）ことにより、そのタービンホイール７（正確には羽根６）とタービンハウジング５とのチップクリアランスが小さく設定される。このようにチップクリアランスを小さく設定することにより、タービンハウジング５内を通過する排気の運動エネルギを効率よくタービンホイール７の回転運動に変換することが可能になる。

次に、ＥＧＲ制御装置の電気的構成について説明する。
図１に示すように、ＥＧＲ制御装置は、内燃機関２及びその周辺機器の各種制御を行う電子制御装置２１を備えている。この電子制御装置２１は、上記制御に係る各種演算処理を実行するＣＰＵ、その制御に必要なプログラムやデータの記憶されたＲＯＭ、ＣＰＵの演算結果等が記憶されるＲＡＭ、外部との間で信号を入・出力するための入・出力ポート等を備えている。

電子制御装置２１の入力ポートには、ターボチャージャ１の回転速度を検出する回転速度センサ２２の他、内燃機関２の運転状態及び同機関２が搭載される車両の走行状態等を検出するための各種センサが接続されている。なお、こうしたセンサには、機関回転速度を検出するためのクランクポジションセンサ２３、及び、スロットルバルブ２０の開度（スロットル開度）を検出するスロットルポジションセンサ２４等々が含まれる。一方、電子制御装置２１の出力ポートには、ＥＧＲバルブ１７の駆動回路、スロットルバルブ２０の駆動回路、及びウォータポンプ１９の駆動回路等が接続される他、内燃機関２を運転するための各種機器の駆動回路も接続されている。

電子制御装置２１は、上記各種センサから入力した検出信号に基づき、ターボチャージャ１の回転速度、内燃機関２の運転状態、及び車両の走行状態等の情報を把握し、その把握した情報に応じて上記出力ポートに接続された各種駆動回路に指令信号を出力する。こうしてＥＧＲバルブ１７の開度制御、スロットルバルブ２０の開度制御、ウォータポンプ１９の駆動制御等が電子制御装置２１を通じて実施される。

次に、ＥＧＲ制御装置の動作について説明する。
電子制御装置２１は、ＥＧＲバルブ１７の開度制御として、ターボチャージャ１の使用開始から一定期間が経過するまでは、ＥＧＲ機構によるタービンホイール７下流からコンプレッサホイール１４上流への排気の還流を禁止すべく、ＥＧＲバルブ１７が全閉状態となるよう同バルブ１７を駆動する。このため、ターボチャージャ１の使用開始後、回転するタービンホイール７によりタービンハウジング５内のアブレーダブルシール層９を摩耗させるとき、それに伴って生じる摩耗粉がタービンホイール７下流の排気に混入するとしても、同排気がＥＧＲ機構によりコンプレッサホイール１４上流に還流されることは抑制される。従って、コンプレッサホイール１４上流に還流された排気中の摩耗粉が同コンプレッサホイール１４に巻き込まれ、それによってコンプレッサホイール１４が損傷することは抑制される。

ちなみに、排気の還流を禁止する上記一定期間は、ターボチャージャ１の使用開始からタービンホイール７によるアブレーダブルシール層９の初期の摩耗が終了して（羽根６とアブレーダブルシール層９とが非接触となって）上記摩耗粉が発生しなくなるまでの期間とすることが好ましい。ターボチャージャ１の使用開始後、こうした一定期間が経過したか否かの判断は、例えば次の［Ａ］〜［Ｆ］のうちのいずれかの判断を通じて行うことが可能である。

［Ａ］車両の累積走行距離が上記摩耗の開始から終了までに要する期間に相当する値に達したか否か。なお、車両の累積走行距離は、車両の走行状態を検出する各種センサからの検出信号に基づき電子制御装置２１を通じて求められ、同電子制御装置２１の不揮発性のＲＡＭ２１ａ（図１）に記憶されている。

［Ｂ］車両の累積走行時間が上記摩耗の開始から終了までに要する期間に相当する値に達したか否か。なお、車両の累積走行時間は、車両の走行状態を検出する各種センサからの検出信号に基づき電子制御装置２１を通じて求められ、同電子制御装置２１の不揮発性のＲＡＭ２１ａに記憶されている。

［Ｃ］内燃機関２の累積始動回数が上記摩耗の開始から終了までに要する期間に相当する値に達したか否か。なお、内燃機関２の累積始動回数は、同機関の運転状態を検出する各種センサからの検出信号に基づき電子制御装置２１を通じて求められ、同電子制御装置２１の不揮発性のＲＡＭ２１ａに記憶されている。

［Ｄ］機関回転速度、スロットルバルブ２０の開度、及び内燃機関２の運転時間といった機関運転状態を所定タイミング毎に乗算して累積してゆき、そのようにして得られた累積値が上記摩耗の開始から終了までに要する期間に相当する値に達したか否か。

［Ｅ］ターボチャージャ１の回転速度の応答性が上記摩耗の終了状態であるとみなせるレベル以上であるか否か。なお、ターボチャージャ１の回転速度の応答性は、機関回転速度など機関出力に関係するパラメータの上昇に対するターボチャージャ１の回転速度の上昇速度によって表すことが可能である。

［Ｆ］ターボチャージャ１の回転速度の振幅が上記摩耗の終了状態であるとみなせるレベル未満であるか否か。ちなみに、上記摩耗が進んでターボチャージャ１の回転抵抗が小さくなるほど、ターボチャージャ１の回転速度の振幅は小さくなる傾向がある。なお、ターボチャージャ１の回転速度の振幅は、回転速度センサ２２の検出信号に基づきターボチャージャ１の回転速度を求め、その回転速度をモニタすることによって把握することが可能である。

図３は、ターボチャージャ１の使用を開始してから一定期間が経過するまで、ＥＧＲ機構による排気の還流（ＥＧＲ）の禁止するＥＧＲ禁止ルーチンを示すフローチャートである。このＥＧＲ禁止ルーチンは、電子制御装置２１を通じて、例えば所定時間毎の時間割り込みにて周期的に実行される。

電子制御装置２１は、同ルーチンのステップ１０１（Ｓ１０１）の処理として、ＥＧＲ許可条件が成立したか否かを判断する。このＥＧＲ許可条件は、ＥＧＲ機構による排気の還流を許可するか、あるいは禁止するかを決定するためのものであり、上述した「ターボチャージャ１の使用開始から一定期間が経過していること」という条件を含んでいる。そして、同条件を含むＥＧＲ許可条件すべてが成立したことに基づき上記Ｓ１０１で肯定がなされる。従って、Ｓ１０１でＥＧＲ許可条件が成立した旨判断された場合には、ターボチャージャ１の使用開始から一定期間、すなわちタービンホイール７によるアブレーダブルシール層９の初期の摩耗が終了して上記摩耗粉が発生しなくなるまでの期間が経過したことになる。

ターボチャージャ１の使用開始から一定期間が経過していない場合には、Ｓ１０１で否定判断がなされてＳ１０２に進む。また、ターボチャージャ１の使用開始から一定期間が経過していても、ＥＧＲ許可条件のうちの他の条件が不成立であれば、Ｓ１０１で否定判断がなされてＳ１０２に進む。電子制御装置２１は、Ｓ１０２の処理として、ＥＧＲバルブ１７を全閉状態とすることによりＥＧＲ機構による排気の還流を禁止する。ただし、ターボチャージャ１の使用開始から上記一定期間が経過するまでの間に、ＥＧＲ機構による排気の還流を禁止すると、それに伴い内燃機関２のＮＯｘ排出量が多くなるおそれがある。

このため、電子制御装置２１は、Ｓ１０３の処理として上記一定期間内であるか否かを判断し、ここで肯定判断であればＳ１０４の処理として内燃機関２のＮＯｘ排出量を低く抑えるためのＮＯｘ抑制処理を実行する。こうしたＮＯｘ抑制処理では、冷却水回路による内燃機関２の冷却効率をあげるべくウォータポンプ１９からの冷却水の吐出流量を増加させたり、内燃機関２の発熱量を抑えるべくスロットルバルブ２０の開度を小さく値に制限したりすることが考えられる。なお、上記Ｓ１０４で否定判断がなされた場合、電子制御装置２１は、ＥＧＲ禁止ルーチンを一端終了する。

一方、Ｓ１０１で肯定判断であれば、ターボチャージャ１の使用開始から一定期間が経過していることになり、この場合にはＳ１０５に進む。電子制御装置２１は、Ｓ１０５の処理として、ＥＧＲバルブ１７の全閉状態からの開度変更を許可とすることによりＥＧＲ機構による排気の還流を許可する。更に、電子制御装置２１は、Ｓ１０６の処理として、上述したＮＯｘ抑制処理が実行されていれば同処理を終了する。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）ターボチャージャ１の使用開始後に一定期間が経過するまでは、ＥＧＲ機構による排気の還流が禁止される。このため、タービンホイール７によるアブレーダブルシール層９の初期の摩耗が終了する前に、摩耗粉を含む排気がコンプレッサホイール１４上流に還流され、それによってコンプレッサホイール１４に上記摩耗粉が巻き込まれて同コンプレッサホイール１４が損傷することを抑制できる。

（２）上記一定期間中にＥＧＲ機構による排気の還流が禁止されている間はＮＯｘ抑制処理が実行されるため、上記排気の還流の禁止期間中に内燃機関２からのＮＯｘ排出量が多くなることを抑制できる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・上記［Ａ］〜［Ｆ］の判断のうちの複数の判断を実施し、それらの判断すべてで肯定であるときに上記一定期間が経過した旨判断するようにしてもよい。

・ＮＯｘ抑制処理については必ずしも実行する必要はない。

１…ターボチャージャ、２…内燃機関、３…排気通路、５…タービンハウジング、６…羽根、７…タービンホイール、８…軸、９…アブレーダブルシール層、９ａ…面、１０…吸気通路、１２…コンプレッサハウジング、１３…羽根、１４…コンプレッサホイール、１６…ＥＧＲ通路、１７…ＥＧＲバルブ、１８…冷却水回路、１９…ウォータポンプ、２０…スロットルバルブ、２１…電子制御装置、２１ａ…ＲＡＭ、２２…回転速度センサ、２３…クランクポジションセンサ、２４…スロットルポジションセンサ。

Claims (1)

1. タービンハウジング内に回転するタービンホイールによって摩耗させられるアブレーダブルシール層が形成されたターボチャージャを組み付けた内燃機関に適用され、前記タービンホイール下流の排気を前記ターボチャージャのコンプレッサホイール上流に還流させるＥＧＲ機構と、そのＥＧＲ機構の動作を制御する制御部とを備える内燃機関のＥＧＲ制御装置において、
   前記制御部は、前記ターボチャージャの使用開始から一定期間が経過するまで、前記ＥＧＲ機構による前記タービンホイール下流から前記コンプレッサホイール上流への排気の還流を禁止する
   ことを特徴とする内燃機関のＥＧＲ制御装置。