JP2016094840A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】凝縮水によるインペラの耐久性低下を抑制することのできる内燃機関を提供する。
【解決手段】コンプレッサ２１は、ハウジング２１１、およびハウジング２１１に収納されたインペラ２１２を備えている。ハウジング２１１は、吸気通路８と接続する入口部２１６を備える。インペラ２１２の翼厚ｔは、外周側にいくほど薄くなる。可動リング弁５０は、吸気通路８に設けられ、開口サイズＤが可変である。可動リング弁５０によれば、吸気通路８の中心軸は略一定としつつ、吸気通路８のサイズＤを縮小させることができる。開口サイズＤが小さくなるほど、ＬＰＬ−ＥＧＲ装置７５で循環されるＥＧＲガス中の凝縮水がインペラ２１２に当たる範囲が、インペラ２１２の中心側へ狭まる。ＥＣＵ９０は、ＬＰＬ−ＥＧＲ装置７５により吸気通路８に還流されるＥＧＲガス中の凝縮水分量を算出し、凝縮水分量に基づいて可動リング弁５０の開口サイズＤを制御することができる。
【選択図】図８

Description

本発明は、内燃機関に関する。

従来、例えば、特開２００９−２４６９２号公報に開示されているように、コンプレッサに異物が流入することによるインペラの耐久性低下を防ぐように改善された過給内燃機関が知られている。ＥＧＲガス中の異物がインペラに当たることでインペラにダメージを与えるおそれがある。この従来技術では、ＥＧＲガスの配管を吸気通路内に伸ばして、ターボコンプレッサ中心の上流にＥＧＲガスを導入している。

特開２００９−２４６９２号公報

ＥＧＲガスに含まれる水分が露点以下で凝縮すると、凝縮水がコンプレッサに流入する。この凝縮水がインペラに当たることによって、インペラの耐久性が低下するおそれがあった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、凝縮水によるインペラの耐久性低下を抑制することのできる内燃機関を提供することを目的とする。

本発明にかかる内燃機関は、
吸気通路と、
前記吸気通路と接続する入口部を備えるハウジングと、前記ハウジングに収納され回転軸に対して外周側ほど厚さが薄くなる翼部を備えたインペラと、インペラの中心を貫通して回転可能に支持する回転軸であるハブと、を備えたコンプレッサと、
排気ガスを前記吸気通路にＥＧＲガスとして還流するＥＧＲ通路と、
前記吸気通路とＥＧＲ通路の合流部より下流側または前記入口部に設けられ、開口サイズを可変とすることで吸気通路面積を変更可能であり、前記開口サイズが小さくなるほど吸気通路面積が前記インペラの中心方向へ狭まる可動弁と、
前記ＥＧＲガス中の凝縮水分量を算出し、前記凝縮水分量に基づいて前記可動弁の前記開口サイズを制御する制御装置と、
を備える。

本発明によれば、凝縮水量に応じてインペラに凝縮水が当たる範囲を調整できるようにしたので、インペラの耐久性低下を抑制することができる。

本発明の実施の形態にかかる内燃機関を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる内燃機関のコンプレッサ付近の断面図である。 本発明の実施の形態にかかる可動リング弁の一例を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態にかかる可動リング弁の一例の動作を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる可動リング弁の一例の動作を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる可動リング弁を変形例を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる可動リング弁の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態においてＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。 ＥＧＲガス中の水分量と燃料流量との関係を示す図である。 コンプレッサ流入凝縮水量とインペラ先端翼厚との関係を示す図である。 インペラ先端翼厚とインペラ入口との関係を示す図である。 コンプレッサ流入凝縮水量とターボ回転速度との関係を示す図である。

図１は、本発明の実施の形態にかかる内燃機関１を示す図である。内燃機関１は、エンジン本体１０と、エンジン本体１０の吸気ポートに接続する吸気マニホルド１２と、エンジン本体１０の排気ポートに接続する排気マニホルド１３と、ターボチャージャ２０と、を備えている。エンジン本体１０は、図示しないが、複数の気筒を備えシリンダブロック、気筒内に設けられたピストン、吸気ポートおよび排気ポートを備えシリンダブロック壁面およびピストンとともに燃焼室を形成するシリンダヘッド、燃料噴射弁、吸気バルブ、排気バルブ、これらのバルブを駆動する動弁装置、その他の構成部品が組み立てられてなる。内燃機関１はガソリンエンジンであってもよくディーゼルエンジンであってもよく、ガソリンエンジンであればエンジン本体１０が点火プラグを含む。エンジン本体１０には、図示しないがクランク角センサ、カム角センサ、その他のセンサも組み込まれている。ターボチャージャ２０は、吸気通路８から吸引した吸気を圧縮して吸気通路９に吐出するコンプレッサ２１および排気通路に設けられたタービン２２を備えている。内燃機関１は車両等の移動体の動力源として好適に使用される。

内燃機関１は、エアクリーナ４０と、エアクリーナ４０下流に接続する吸気通路８と、吸気通路８の壁温を検知する温度センサ３０と、吸気通路８における温度センサ３０の下流側に設けられた可動リング弁５０と、コンプレッサ２１の出口に接続する吸気通路９と、吸気通路９の下流側に設けられた電子制御スロットルバルブ１１と、を備えている。可動リング弁５０は、開口サイズＤが可変であり、吸気通路８と接続するコンプレッサ２１の入口部２１６（図２参照）に設けられる。

内燃機関１は、ＬＰＬ−ＥＧＲ装置７５とＨＰＬ−ＥＧＲ装置６８と、内燃機関１の制御を司る電子制御ユニットであるＥＣＵ９０と、タービン２２の下流に設けられた触媒９５と、エンジン本体１０のブローバイガスを吸気通路８に還流するＰＣＶ通路４２と、ＰＣＶ通路４２に設けられたオイルセパレータ４３と、を備えている。

ＬＰＬ−ＥＧＲ装置７５は、吸気通路８におけるエアクリーナ４０と温度センサ３０の間に設けられたＥＧＲ混合装置８０と、ＥＧＲ混合装置８０と触媒９５の下流の排気管との間を繋ぐＬＰＬ−ＥＧＲ通路７４と、ＬＰＬ−ＥＧＲ通路７４の途中に設けられたＬＰＬ−ＥＧＲバルブ７３およびＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７２とを備えている。ＬＰＬ−ＥＧＲ装置７５は、低圧の排気ガスを吸気通路８にＥＧＲガスとして還流する。

ＨＰＬ−ＥＧＲ装置６８は、排気マニホルド１３と吸気マニホルド１２とを接続するＨＰＬ−ＥＧＲ通路６９と、ＨＰＬ−ＥＧＲ通路６９の途中に設けられたＨＰＬ−ＥＧＲバルブ７０およびＨＰＬ−ＥＧＲクーラ７１とを備えている。ＨＰＬ−ＥＧＲ装置６８は、高圧の排気ガスを吸気マニホルド１２にＥＧＲガスとして還流する。

図２は、本発明の実施の形態にかかる内燃機関のコンプレッサ付近の断面図である。コンプレッサ２１は、ハウジング２１１、ハウジング２１１に収納されたインペラ２１２、およびインペラ２１２の中心を貫通して回転可能に支持する回転軸であるハブ２１３を備えている。インペラ２１２の翼厚ｔは、外周側にいくほど薄くなる。ハウジング２１１は、コンプレッサ２１の外殻を形成するものであり、複数のブレードを有するインペラ２１２を収容可能に構成されている。ハウジング２１１は、吸気通路８と接続してインペラ２１２に向けて空気を吸い込む入口部２１６と、インペラ２１２の外周側において周方向に形成されインペラ２１２から吐き出された空気を導入するスクロール室２１５と、インペラ２１２に対向するシュラウド面２１４とを備えている。

可動リング弁５０は、コンプレッサ２１の入口部２１６に設けられ、開口サイズＤが可変である。可動リング弁５０によれば、吸気通路８および入口部２１６を経てインペラ２１２に至るガス流路の中心軸は略一定としつつ、そのガス流路の開口サイズＤを縮小させることができる。最小サイズであるハブ径Ｄｈから、最大サイズであるシュラウド径Ｄｓまで、開口サイズＤを任意に調整可能であり、その制御はＥＣＵ９０からの制御信号により行われる。開口サイズＤが小さくなるほど、ＬＰＬ−ＥＧＲ装置７５で循環されるＥＧＲガス中の凝縮水がインペラ２１２に当たる範囲が、インペラ２１２の中心側へ狭まる。インペラ２１２において、ハブ側（中心軸側）に近い部分のほうが周方向の移動速度が遅く、最も外側（シュラウド側）の部分は周方向の移動速度が最も速い。可動リング弁５０の開口サイズＤを絞ることにより凝縮水を周方向回転速度が小さいハブ側部分に導くことができるので、インペラ２１２の損傷を回避することができる。なお、可動リング弁５０は、入口部２１６のさらに上流において吸気通路８に設けられていても良い。

図３は、本発明の実施の形態にかかる可動リング弁５０の一例を示す分解斜視図である。図４および図５は、本発明の実施の形態にかかる可動リング弁５０の一例の動作を示す図である。具体的には、図３〜５に例示した可動リング弁５０は、それぞれＣ字型の可動部品５２、５３と、押え板５４と、固定板５６と、モータ５７と、を備えている。可動部品５２は、回転支点５２ａおよび駆動長穴５２ｂを備えている。同様に、可動部品５３は、回転支点５３ａおよび駆動長穴５３ｂを備えている。Ｃ字型の可動部品５２、５３がそれぞれその凹部を向かい合わせにして重ねられ、さらに可動部品５２、５３を挟み込むように押え板５４および固定板５６が外側から重ねられる。モータ５７の駆動ピン５７ａが、押え板５４の穴５４ａ、駆動長穴５２ｂ、５３ｂに挿入される。固定板５６は２本の突起５６ａを備えており、突起５６ａの一つは回転支点５２ａに挿入され、突起５６ａの他の一つは回転支点５３ａに挿入される。モータ５７の駆動により駆動ピン５７ａが作動して、これに連動して突起５６ａを起点に可動部品５２、５３が広がることにより図４に示す全開状態となる。駆動ピン５７ａが逆方向に作動すると突起５６ａを起点に可動部品５２、５３が閉じるので、図５に示す絞り状態（絞りサイズＤ）となる。モータ５７の制御により状態を可逆的に切替えることができ、モータ５７の制御量を連続的（あるいは段階的）に設定可能とすることで、最大開度と最小開度との間の任意の開度も実現することができる。その結果、固定板５６の開口部５６ｂに対する可動部品５２、５３の重なり面積を変化させることができ、可動リング弁５０の開口サイズＤを調整することができる。

図６および図７は、本発明の実施の形態にかかる可動リング弁５０の変形例を示す図であり、変形例にかかる可動リング弁１５０を示す。図３〜５に示した可動リング弁５０は２つの可動部品５２、５３を備えたが、この変形例にかかる可動リング弁１５０は、合計で６つの可動部品１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ、１５２ｄ、１５２ｅ、および１５２ｆを備えている。可動部品１５２ａ〜１５２ｆのそれぞれは、支点部１５３ａ〜１５３ｆで固定されている。可動部品１５２ａ〜１５２ｆは、ピン穴１５４ａ〜１５４ｆを備えている。ピン穴１５４ａ〜１５４ｆに図示しないピンを差し込んで移動させることで、支点部１５３ａ〜１５３ｆそれぞれを支点として可動部品１５２ａ〜１５２ｆを角度可変に変位させることができる。これにより、図６に示す全開状態と、図７に示す絞り状態との間で開口サイズＤの変化量を大きくとることができる。

なお、可動リング弁５０、１５０は例示であり、本発明がこれに限られるものではない。開口径を縮小可能な各種の弁体を、可動リング弁５０、１５０に代えて使用することができる。

図８〜図１２を用いて、実施の形態にかかる内燃機関１でＥＣＵ９０が実行する制御の内容を説明する。図８は、本発明の実施の形態においてＥＣＵ９０が実行するルーチンのフローチャートであり、ＥＣＵ９０に実行可能なプログラムの形態で予め記憶されている。図８のルーチンでは、まずステップＳ１００において、ＥＣＵ９０が、条件読み込み処理を実行する。条件読み込み処理では、ＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７２の水温Ｔａ、コンプレッサ２１上流での配管壁温Ｔｂ、ターボチャージャ２０のターボ回転速度Ｎｔ、燃料流量Ｇｆ、空気流量Ｇａ、およびＬＰＬ−ＥＧＲバルブ開度αを、ＥＣＵ９０が各種センサからの出力値に基づいて取得する。燃料流量Ｇｆは、燃料噴射量から算出すればよい。

次に、ステップＳ１０２において、ＥＣＵ９０は水温Ｔａおよび配管壁温Ｔｂが、それぞれ露点温度Ｔｗ以下か否かを判定する。これにより、凝縮水の発生条件が満たされているか否かを判定することができる。ステップＳ１０２の条件が肯定（Ｙｅｓ）である場合には、処理はステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４では、ＥＣＵ９０は、燃料流量ＧｆとＬＰＬ−ＥＧＲバルブ開度αに基づいて、コンプレッサ２１に流入する凝縮水量を算出する。図９は、ＥＧＲガス中の水分量と燃料流量との関係を示す図であり、ＥＣＵ９０にマップ等の形態で予め記憶されている。図９に定められた情報は、燃料流量が多いほどＬＰＬ−ＥＧＲガス中の水分量が多くなり、且つその増加の傾きがＬＰＬ−ＥＧＲバルブ開度αが大きいほど急になるように定められている。凝縮水量を算出するために、排気ガス中の水の量を計算しなければならないが、これは下記に示す燃焼化学式を用いて計算すればよい。但し、ａ，ｂ，ｃ，ｄは定数である。
ａＣｍＨｎ＋ｂＯ_２→ｃＣ０_２＋ｄＨ_２Ｏ

次に、ステップＳ１０６において、ＥＣＵ９０は、ステップＳ１０４で算出した凝縮水量に基づいて、エロージョンしないインペラ先端翼厚ｔを算出する。図１０は、コンプレッサ流入凝縮水量とインペラ先端翼厚との関係を示す図であり、ＥＣＵ９０にマップ等の形態で予め記憶されている。ＥＣＵ９０が図１０の情報を定めたマップ等を参照することにより、ステップＳ１０４で算出されたコンプレッサ流入凝縮水量が多いほど、エロージョンしないインペラ先端翼厚ｔの値が大きく算出される。図２の断面図にも示すように、インペラ２１２は外側（シュラウド側）にいくほど翼厚ｔが小さくなっていく。また、インペラ２１２において、ハブ側（中心軸側）に近い部分のほうが周方向の移動速度が遅く、最も外側（シュラウド側）の部分は周方向の移動速度が最も速い。従って、ハブ側翼厚ｔｈに近づくほど、コンプレッサ流入凝縮水量が多くても凝縮水が当たることによりインペラ２１２がエロージョンしても、インペラ２１２の耐久性の低下は小さい。逆に、シュラウド側翼厚ｔｓに近づくほど、少量のコンプレッサ流入凝縮水量であってもインペラ２１２がエロージョンすることによりインペラ２１２の耐久性が大きく低下する。図１０に示すマップ等はこのような傾向に基づいて作成されている。

次に、ステップＳ１０８において、ＥＣＵ９０は、ステップＳ１０６で算出したインペラ先端翼厚ｔに基づいて、可動リング弁５０の開口サイズＤのクライテリア（基準値）を算出する。図１１は、インペラ先端翼厚と可動リング弁目標サイズＤとの関係を示す図であり、ＥＣＵ９０にマップ等の形態で予め記憶されている。図１１に示すマップ等ではインペラ先端翼厚ｔが大きいほど可動リング弁５０の目標開口サイズＤが小さく定められており、ＥＣＵ９０はこの傾向に従って開口サイズＤを算出する。図１２は、コンプレッサ流入凝縮水量とターボ回転速度との関係を示す図である。同じ凝縮水量であっても、可動リング弁５０の開口サイズＤが小さいとインペラ２１２の翼厚が小さな先端側部分に凝縮水が当たらないのでターボ回転速度Ｎｔが高回転となる運転状態までエロージョンが抑制できる。一方、同じ凝縮水量であっても、可動リング弁５０の開口サイズＤが大きいほどインペラ２１２の翼厚が小さな先端側部分に凝縮水が当たるので、ターボ回転速度Ｎｔが低回転となる運転状態においてエロージョンが始まってしまう。

その後、ステップＳ１０８で算出した絞りサイズＤを実現するように、ＥＣＵ９０はモータ５７に制御信号を送り、可動リング弁５０が制御される。

ステップＳ１０２においてＴａ、Ｔｂが露点温度Ｔｗを超えている場合には、凝縮水が発生していないと判断できるので、ＥＣＵ９０はステップＳ１１２において吸気絞りサイズＤをＤｓに設定する。そして、ステップＳ１１４において実際にモータ５７を駆動して可動リング弁５０の開口サイズＤをＤｓに調整する。その後今回のルーチンが終了し、処理がリターンする。

以上説明した具体的制御によれば、ＥＣＵ９０は、ＬＰＬ−ＥＧＲ装置７５により吸気通路８に還流されるＥＧＲガス中の凝縮水分量を算出し、凝縮水分量に基づいて可動リング弁５０の開口サイズＤを制御することができる。これにより、ＬＰＬ−ＥＧＲガスの凝縮水量に応じて、インペラ２１２の翼厚ｔの小さな部分に凝縮水が当たらないように吸気通路８に設けた可動リング弁５０の開口サイズＤを絞ることができる。また、吸気通路８に設けた可動リング弁５０の開口サイズＤを縮小しなくともよい場合は、可動リング弁５０を全開とすることで吸気通路８の圧力損失の増加を避けることができる。

また、コンプレッサ２１に流入する凝縮水量に応じてコンプレッサ２１の前に設けた可動リング弁５０を操作することにより吸気通路８から入口部２１６を経由する吸気流路の開口サイズＤを縮小するので、凝縮水がインペラ２１２の先端部と当たる速度を低減でき、エロージョンの発生を抑制できる。また、ＥＧＲガス中の水蒸気が吸気通路８（吸気管）の壁面に触れて結露した凝縮水は、その壁面に沿って流れて行き、インペラ２１２のシュラウド側先端部が損傷する原因となる。本実施形態によれば、温度センサ３０で吸気通路８の壁温を検出することで、凝縮水発生の精度が向上する。また、冷間運転時、ＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７２で凝縮水が発生する。そこで、凝縮水対策として、エンジン冷却水が露点温度以下では、ＬＰL−ＥＧＲガスを導入しない制御対策を実施するという方法もある。しかし、エンジン冷却水の温度が上昇するまでＥＧＲを導入しないと、排気規制あるいは燃費の面で好ましくない。この点、本実施の形態によれば凝縮水が発生する冷間運転時においてもインペラ２１２の損傷を抑制しつつＥＧＲガスを導入することができるので、ＥＧＲ導入範囲が増加する。また、吸気通路に設けた可動リング弁５０の開口サイズＤの縮小は、凝縮水が発生する冷間運転時のみで実施するので、エンジン暖機後の通常運転時には可動リング弁５０を全開とすることで内燃機関１を搭載した車両の走行に影響が及ぶことを避けることができる。

１ 内燃機関
８ 吸気通路
９ 吸気通路
１０ エンジン本体
１１ 電子制御スロットルバルブ
１２ 吸気マニホルド
１３ 排気マニホルド
２０ ターボチャージャ
２１ コンプレッサ
２２ タービン
３０ 温度センサ
４０ エアクリーナ
４２ ＰＣＶ通路
４３ オイルセパレータ
５０ 可動リング弁
５２、５３、１５２ａ〜１５２ｆ 可動部品
５２ａ、５３ａ 回転支点
５２ｂ、５３ｂ 駆動長穴
５４ 押え板
５４ａ 穴
５６ 固定板
５６ａ 突起
５６ｂ 開口部
５７ モータ
５７ａ 駆動ピン
６８ ＨＰＬ−ＥＧＲ装置
６９ ＨＰＬ−ＥＧＲ通路
７０ ＨＰＬ−ＥＧＲバルブ
７１ ＨＰＬ−ＥＧＲクーラ
７２ ＬＰＬ−ＥＧＲクーラ
７３ ＬＰＬ−ＥＧＲバルブ
７４ ＬＰＬ−ＥＧＲ通路
７５ ＬＰＬ−ＥＧＲ装置
８０ ＥＧＲ混合装置
９５ 触媒
１５３ａ〜１５３ｆ 支点部
１５４ａ〜１５４ｆ ピン穴
２１１ ハウジング
２１２ インペラ
２１３ ハブ
２１４ シュラウド面
２１５ スクロール室
２１６ 入口部

Claims (1)

1. 吸気通路と、
   前記吸気通路と接続する入口部を備えるハウジングと、前記ハウジングに収納され回転軸に対して外周側ほど厚さが薄くなる翼部を備えたインペラと、インペラの中心を貫通して回転可能に支持する回転軸であるハブと、を備えたコンプレッサと、
   排気ガスを前記吸気通路にＥＧＲガスとして還流するＥＧＲ通路と、
   前記吸気通路とＥＧＲ通路の合流部より下流側または前記入口部に設けられ、開口サイズを可変とすることで吸気通路面積を変更可能であり、前記開口サイズが小さくなるほど吸気通路面積が前記インペラの中心方向へ狭まる可動弁と、
   前記ＥＧＲガス中の凝縮水分量を算出し、前記凝縮水分量に基づいて前記可動弁の前記開口サイズを制御する制御装置と、
   を備える内燃機関。

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