JP2017115670A - Internal combustion engine with exhaust turbocharger - Google Patents
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Abstract
Description
本願発明は、排気ターボ過給機を備えた内燃機関に関するものであり、車両用内燃機関を好適な対象にしている。 The present invention relates to an internal combustion engine provided with an exhaust turbocharger, and is suitable for an internal combustion engine for a vehicle.
内燃機関に使用されるターボ過給機は、排気ガスで回転するタービン翼と、吸気系の清浄空気を加圧するコンプレッサ翼とを備えており、タービン翼とコンプレッサ翼とが回転軸に固定されている。回転軸は略水平の姿勢に配置されている。そして、回転軸の軸受け手段として、耐久性や回転の滑らかさ、発熱防止等の点から、ハウジングに設けた軸受け部に油層を介して配置されたフローティングメタル(浮動軸受け)が使用されていることが多い。 A turbocharger used for an internal combustion engine includes a turbine blade that rotates with exhaust gas, and a compressor blade that pressurizes clean air in an intake system. The turbine blade and the compressor blade are fixed to a rotating shaft. Yes. The rotating shaft is arranged in a substantially horizontal posture. As a means for bearing the rotating shaft, a floating metal (floating bearing) disposed on the bearing portion provided in the housing via an oil layer is used in terms of durability, smoothness of rotation, prevention of heat generation, and the like. There are many.
例えば特許文献1に開示されかつ図3に示すように、コンプレッサ翼1は環状のコンプレッサ室2に配置されており、コンプレッサ室2と軸受け部3との間に、下向きに開口した空洞部4が形成されている。従って、空洞部4とコンプレッサ室2との間に隔壁5が存在している。更に、回転軸6には、空洞部4の個所に露出するブッシュ7固定されており、ブッシュ7が、リング体8及びオイルシール9を介して隔壁5にて回転自在に保持されている。更に、ブッシュ7には、軸受け部3の一端面5aと対向したフランジ10が形成されている。
For example, as disclosed in
回転軸6はフローティングメタル11を介して軸受け部3で保持されているが、軸受け部3とフローティングメタル11との間に若干の隙間が空いているため、オイルは、軸受け部3の一端面3aに向けて流出する。そこで、隔壁5と軸受け部3との間に空洞部5を形成して、流出したオイルを空洞部5から下方に流下させている。
The rotating
ところが、回転軸6が高速回転すると、空洞部5を設けているにもかかわらず、オイルがブッシュ7とオイルシール9との間の僅かの隙間からコンプレッサ室2に漏れることがあり、このため、出力の低下や排気ガスの悪化をもたらすおそれがあった。
However, when the
このオイル漏れ(オイル吸引)の現象は、コンプレッサ室が負圧になることによって発生している。そこで、オイル漏れを防止することが考えられており、その例として特許文献2には、コンプレッサ室の上流側と下流側とを連通させるバイパス通路を設けて、このバイパス通路に開閉弁を設け、コンプレッサ室が負圧と判定されると開閉弁を開く構成が開示されている。
This phenomenon of oil leakage (oil suction) is caused by the negative pressure in the compressor chamber. Therefore, it is considered to prevent oil leakage. As an example,
特許文献2は、コンプレッサ室の負圧化抑制を図ったものであるが、圧力センサやバイパス通路、開閉弁を新たに付加せねばならないため、構造が複雑化してコストが嵩むという問題がある。また、スロットルバルブを絞り気味の場合、バイパス通路を開くとコンプレッサ室への空気量が低下して、却って、負圧が(真空側に)高くなることも懸念される。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228561 attempts to suppress negative pressure in the compressor chamber, but has a problem that the structure becomes complicated and cost increases because a pressure sensor, a bypass passage, and an on-off valve must be newly added. In addition, when the throttle valve is squeezed, if the bypass passage is opened, the amount of air to the compressor chamber decreases, and on the contrary, there is a concern that the negative pressure increases (to the vacuum side).
本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、新たな要素を付加することなくオイル漏れ防止を可能にしようとするものである。 The present invention has been made in view of such a current situation, and is intended to enable oil leakage prevention without adding a new element.
コンプレッサ室へのオイル漏れはコンプレッサ室の負圧化に起因しているが、本願発明者が研究したところ、コンプレッサ室の負圧化は単純に機関の回転数に依存するものではなく、コンプレッサ出口圧とコンプレッサ翼回転数とに深い関係があることが判明した。例えば、コンプレッサ室に流入する空気量が少ない状態でコンプレッサ翼が高速回転すると、コンプレッサ翼がいわば真空ポンプのような働きをして、コンプレッサ室が負圧に至るのであり、これは、低負荷・高回転の領域で、コンプレッサ室の負圧化が顕著に発生することを意味している。 The oil leakage into the compressor chamber is caused by the negative pressure in the compressor chamber. However, the inventors of the present application have studied that the negative pressure in the compressor chamber does not simply depend on the engine speed, and the compressor outlet It was found that there was a close relationship between pressure and compressor blade speed. For example, if the compressor blades rotate at a high speed with a small amount of air flowing into the compressor chamber, the compressor blades act like a vacuum pump, and the compressor chamber reaches negative pressure. This means that a negative pressure in the compressor chamber occurs remarkably in the high rotation region.
そして、コンプレッサ室への吸入空気量はスロットルバルブの開度と密接に関連しているが、スロットルバルブの開度は、いわゆる電子スロットル制御のために回転角度センサによって検出できるようになっており、かつ、吸気系の圧力(吸気負圧)も、従来から吸気圧センサで検出可能になっている。 The amount of intake air into the compressor chamber is closely related to the opening of the throttle valve, but the opening of the throttle valve can be detected by a rotation angle sensor for so-called electronic throttle control. In addition, the pressure of the intake system (intake negative pressure) can be conventionally detected by an intake pressure sensor.
本願発明は、このような知見を基礎にして成されたものであり、既存の制御要素を利用してコンプレッサ室へのオイル漏れを抑制できると着想し、本願発明を完成させるに至った。 The present invention has been made on the basis of such knowledge, and has been conceived that oil leakage to the compressor chamber can be suppressed using existing control elements, and the present invention has been completed.
すなわち、本願発明は、排気ターボ過給機を備えた内燃機関であり、この内燃機関は、吸気の圧力、スロットル開度、機関の回転数、ウエストゲートバルブの開度のうちの少なくとも1つを含む複数の値から、前記排気ターボ過給機におけるコンプレッサ室がオイル漏れ対策を必要な範囲に至っているか否かの比較数値を求めて、比較数値が予め設定した基準範囲に至ると、前記比較数値が基準範囲から外れる数値となるような制御がなされる。 That is, the present invention is an internal combustion engine provided with an exhaust turbocharger, and the internal combustion engine has at least one of intake pressure, throttle opening, engine speed, and wastegate valve opening. From the plurality of values, a comparative numerical value is obtained as to whether or not the compressor chamber in the exhaust turbocharger has reached a range that requires countermeasures against oil leakage, and when the comparative numerical value reaches a preset reference range, the comparative numerical value Is controlled so as to be a value outside the reference range.
「前記排気ターボ過給機におけるコンプレッサ室がオイル漏れ対策を必要な範囲に至っているか否かの比較数値を求めて」とは、必ずしも圧力の絶対値を推測することを意味してはおらず、オイル漏れ対策が必要な運転状況に至っているか否かを、何らかの数値としとして求める(演算する)ものである(但し、圧力の絶対値を推測したり、シール部の内外のや圧力差を推測することを排除するものではない。)。 “Obtaining a comparative value of whether or not the compressor chamber in the exhaust turbocharger has reached the required range for oil leakage measures” does not necessarily mean estimating the absolute value of the pressure. It is obtained (calculated) as some numerical value to determine whether or not the operation situation that requires countermeasures against leaks is reached (however, the absolute value of pressure is estimated, the pressure inside or outside of the seal is estimated, and the pressure difference) Is not to be excluded.)
上記したように、低負荷・高回転領域でコンプレッサ室の負圧化が顕著に表れるが、負荷(或いはトルク)は燃料噴射量やスロットル開度、吸気圧と密接に関連しており、吸気圧は過給圧と同一視できる。また、排気ターボ過給機には、排気ガスを下流側にバイパスさせるウエストゲートバルブを設けているが、ウエストゲートバルブの開度もコンプレッサ翼の回転数・トルクと密接に関連している。また、コンプレッサ翼の回転数は排気ガスの流量に比例するが、排気ガスの流量は機関の回転数と密接に関連している。 As described above, the negative pressure in the compressor chamber appears significantly in the low load / high rotation range, but the load (or torque) is closely related to the fuel injection amount, throttle opening, and intake pressure. Can be equated with supercharging pressure. Further, the exhaust turbocharger is provided with a waste gate valve that bypasses the exhaust gas downstream, but the opening degree of the waste gate valve is also closely related to the rotation speed and torque of the compressor blades. Further, the rotational speed of the compressor blade is proportional to the flow rate of the exhaust gas, but the flow rate of the exhaust gas is closely related to the rotational speed of the engine.
従って、これらの要素(変数)のうちの複数の要素の組み合わせにより、コンプレッサ室が負圧になる状況を予測することが可能である。そこで、複数の要素を変数として、コンプレッサ室が負圧になると推測される危険領域のマップを作成しておき、複数の要素が危険領域の組み合わせに至ると、コンプレッサ室の圧力を上げる制御を行う。 Accordingly, it is possible to predict a situation in which the compressor chamber becomes negative pressure by combining a plurality of these elements (variables). Therefore, using a plurality of elements as variables, create a map of the dangerous area where the compressor chamber is estimated to be negative pressure, and when multiple elements reach a combination of dangerous areas, control to increase the pressure in the compressor chamber .
コンプレッサ室の圧力を上げる制御は、コンプレッサ翼の回転トルクを低下させる方法と、コンプレッサ室への空気の流入量を増大させる方法とがあり、いずれか一方又は両方を採用できる。コンプレッサ翼の回転トルクを低下させる方法として最も簡単かつ有効なのは、ウエストゲートバルブを開いて(或いは開度を大きくして)、タービン室に流れる排気ガスの量を低下させることである。 The control for increasing the pressure in the compressor chamber includes a method for reducing the rotational torque of the compressor blades and a method for increasing the amount of air flowing into the compressor chamber, and either one or both can be employed. The simplest and most effective method for reducing the rotational torque of the compressor blades is to open the waste gate valve (or increase the opening) to reduce the amount of exhaust gas flowing into the turbine chamber.
コンプレッサ翼の回転トルク(或いはタービン翼の回転トルク)は、排気ガスの運動エネルギに比例しているが、排気ガスは、温度が高いほど運動エネルギは大きい。従って、排気ガスの温度を低下させると、コンプレッサ翼の回転トルクの低下を通じて、コンプレッサ室の圧力を上昇させることができる。 The rotational torque of the compressor blades (or the rotational torque of the turbine blades) is proportional to the kinetic energy of the exhaust gas, but the exhaust gas has a higher kinetic energy as the temperature is higher. Therefore, when the temperature of the exhaust gas is reduced, the pressure in the compressor chamber can be increased through a reduction in the rotational torque of the compressor blades.
また、点火タイミングを進角させると、燃焼ガスが気筒及びシリンダヘッドに晒される時間が長くなることにより、熱がシリンダブロック及びシリンダヘッドに吸収されて排気ガスの温度は低くなるため、コンプレッサ翼のトルク低下を通じてコンプレッサ室の圧力上昇に貢献できる。 Further, when the ignition timing is advanced, the time during which the combustion gas is exposed to the cylinder and the cylinder head becomes longer, so that the heat is absorbed by the cylinder block and the cylinder head and the temperature of the exhaust gas is lowered. It can contribute to the pressure increase in the compressor chamber through the torque reduction.
近年の車両用内燃機関はバルブタイミング調節装置を備えているが、吸気行程において吸気バルブの閉じタイミングを遅くすると、アトキンソンサイクルに近くなって熱効率が高くなるため、排気ガスの温度は下がる傾向を呈する。従って、この場合も、コンプレッサ翼のトルク低下を通じて、コンプレッサ室の圧力上昇につなげることができる。燃料噴射量の抑制も、排気ガスの温度低下をもたらすため、コンプレッサ室の圧力を上昇させるように作用する。 Recent vehicle internal combustion engines are equipped with a valve timing adjusting device. However, if the closing timing of the intake valve is delayed in the intake stroke, the temperature of the exhaust gas tends to decrease because it becomes close to the Atkinson cycle and the thermal efficiency increases. . Therefore, in this case as well, the pressure in the compressor chamber can be increased through a decrease in the torque of the compressor blades. The suppression of the fuel injection amount also causes the temperature of the exhaust gas to decrease, and thus acts to increase the pressure in the compressor chamber.
スロットル開度を大きくすると、吸気圧(過給圧)は上昇してコンプレッサ室への空気の流量量は増加するため、コンプレッサ室の圧力を上昇させるように作用する。 When the throttle opening is increased, the intake pressure (supercharging pressure) increases and the amount of air flow to the compressor chamber increases, so that the compressor chamber pressure is increased.
本願発明では、コンプレッサ室の圧力(正確には、コンプレッサ室と軸受け部側との圧力差)が所定以下に低下しないように制御できるため、コンプレッサ室へのオイルの吸い出し(漏洩)を抑制して、出力低下や排気ガスの成分悪化を防止できる。また、オイルの消費も抑制できる。 In the present invention, since the pressure in the compressor chamber (more precisely, the pressure difference between the compressor chamber and the bearing portion side) can be controlled so as not to fall below a predetermined value, oil suction (leakage) into the compressor chamber is suppressed. It is possible to prevent output reduction and exhaust gas component deterioration. Also, oil consumption can be suppressed.
そして、コンプレッサ室の圧力の推測は既存の制御要素を利用して行えるため、新たな部材を付加する必要はなくて、コスト上昇を防止できる。また、コンプレッサ室の圧力を高くするための対応策も、通常の内燃機関の制御をそのまま利用できるため、対応策を採ることについてコストが嵩むこともない。 Since the pressure in the compressor chamber can be estimated using existing control elements, it is not necessary to add a new member, and an increase in cost can be prevented. In addition, the countermeasure for increasing the pressure in the compressor chamber can also use the control of the normal internal combustion engine as it is, so that there is no cost for taking the countermeasure.
このように、本願発明は、既存の内燃機関にも簡単に適用できるため、汎用性に優れている。 As described above, the present invention can be easily applied to an existing internal combustion engine, and thus has excellent versatility.
(1).内燃機関の構成
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図1に基づいて内燃機関の構成を説明する。内燃機関は、シリンダブロックとシリンダヘッドを一体に表示した機関本体21を備えている。機関本体21はクランク軸22を備えており、機関本体21の一端面の個所に、クランク軸22の回転数(回転速度)を検知する回転センサ23を設けている。
(1) Configuration of Internal Combustion Engine Next, an embodiment of the present invention will be described based on the drawings. First, the configuration of the internal combustion engine will be described with reference to FIG. The internal combustion engine includes an
機関本体21を構成するシリンダヘッドの吸気側面24には吸気マニホールド25が固定されており、吸気マニホールド25にはサージタンク26が接続されている。サージタク26には、スロットルバルブ27を内蔵したスロットルボデーが固定されていて、スロットルボデーとエアクリーナ28とが吸気通路29で接続されている。機関本体21を構成するシリンダヘッドには、各気筒30に対応してインジェクタ31を装着している。
An
また、シリンダヘッドには、吸気バルブと排気バルブとのうちいずれか一方又は両方の開閉タイミングを制御するバルブタイミング調節装置(VVT)32が設けられている。また、各気筒に対応して点火プラグ33を設けている。
Further, the cylinder head is provided with a valve timing adjusting device (VVT) 32 for controlling the opening / closing timing of one or both of the intake valve and the exhaust valve. A
他方、シリンダヘッドの排気側面35には排気マニホールド36が固定されている。排気マニホールド36の集合部には排気通路37が接続されており、排気通路37に、排気ターボ過給機38のタービン室39が介挿されている。タービン室39の上流側と下流側とはバイパス通路40で接続されていて、バイパス通路40にウエストゲートバルブ41を設けている。
On the other hand, an
吸気通路28からは、過給取り出し通路42と過給付与通路43とが分岐しており、過給取り出し通路42は排気ターボ過給機38におけるコンプレッサ室44の入り口に接続されて、過給付与通路41は、コンプレッサ室44の出口に接続されている。当然ながら、タービン室39にはタービン翼45が配置されて、コンプレッサ室44にはコンプレッサ翼47が配置されており、両者は回転軸48で一体に繋がっている。
A supercharging take-out
吸気通路28のうち、例えば、過給付与通路41の接続部よりも下流側の部位には、吸気圧センサ49を設けている。吸気圧センサ47や回転センサ23は、ECU(エンジン・コントロール・ユニット)に電気的に接続されている。また、スロットルバルブ27、各インジェクタ30,ウエストゲートバルブ41、バルブタイミング調節装置32は、それぞれECUの指令によって駆動される。
In the
(2).制御態様
図2のうち(A)では、コンプレッサ室44の出口の圧力を回転軸シール部の圧力で除した値と、回転軸48との関係を示している。コンプレッサ室44の出口の圧力を回転軸シール部の圧力で除した値とは、端的には、コンプレッサ室44(2)の出口部の圧力を、図3におけるオイルシール9の個所の圧力で除した値である。1.0のときに両者の圧力は均衡して圧力差はなく、数値が1を越えた領域では、コンプレッサ室の44(2)は、軸受け部の個所において負圧になっていることを意味している。
(2). Control Mode (A) in FIG. 2 shows the relationship between the value obtained by dividing the pressure at the outlet of the
この図2(A)から、コンプレッサ翼46(1)の回転数が高くなるほど、コンプレッサ室44(2)が負圧化することを示している。 From FIG. 2A, it is shown that the compressor chamber 44 (2) becomes negative as the rotational speed of the compressor blade 46 (1) increases.
図2(B)では、機関のトルクと回転数の関係で、どのような組み合わせの領域でコンプレッサ室44(2)にオイル漏れが生じるかを表しており、このグラフから、低負荷・回転領域においてオイル漏れが発生し増大することが理解できる。また、これは(A)のグラフとも符合している。なお、図2(B)において点線で示すのは、フルスロットル状態でのトルクと回転数との関係を示したグラフである。 In FIG. 2 (B), the relationship between the engine torque and the number of revolutions indicates the combination of regions where oil leakage occurs in the compressor chamber 44 (2). From this graph, the low load / rotation region is shown. It can be understood that oil leakage occurs and increases. This also matches the graph of (A). In addition, what is shown by a dotted line in FIG. 2B is a graph showing the relationship between the torque and the rotational speed in the full throttle state.
図2(C)では、スロットル開度(或いは吸気圧)と機関回転数とを低(L)・中(M)・高(H)の3つのエリアに分けて、全体として9つの運転領域を示している。そして、上記したように、低負荷・高回転の領域でオイル漏れが見られるので、スロットル開度又は吸気圧、機関回転数とについて、それぞれ危険領域を設定しておいて、両者がいずれも危険領域に至った場合は、オイル漏れ対策必要状況に至ったと判定して、ウエストゲートバルブ41を開く又は開度を高くする等の対応策を採るように設定している。
In FIG. 2C, the throttle opening (or intake pressure) and the engine speed are divided into three areas of low (L), medium (M), and high (H), and nine operation regions as a whole. Show. As described above, since oil leakage is observed in the low load / high rotation range, dangerous areas are set for the throttle opening, intake pressure, and engine speed, both of which are dangerous. When reaching the region, it is determined that the oil leakage countermeasure necessary situation has been reached, and the countermeasures such as opening the
この制御はいわばゾーン管理であるが、これに代えて又はこれに加えて、回転軸のシール部の内外の差圧を、センサーで直接的に、又は、機関回転数や吸気負圧(過給圧)、ウエストゲートバルブ開度等から常時演算して検出しておき、コンプレッサ室が負圧に至ったら(或いは、差圧の変化の傾向から負圧化が予測される場合は)、既述の手段で負圧化を阻止するという制御も可能である。 This control is so-called zone management, but instead of this, or in addition to this, the pressure difference between the inside and outside of the seal part of the rotating shaft is directly measured by the sensor, or the engine speed and intake negative pressure (supercharging) Pressure), wastegate valve opening, etc. are always calculated and detected, and if the compressor chamber reaches negative pressure (or if negative pressure is predicted from the change in differential pressure), It is also possible to control that negative pressure is prevented by this means.
対応策としては、ウエストゲートバルブ41の制御が最も効果的であるが、ウエストゲートバルブ41が全開状態で低負荷・高回転領域に至ることがあり得る。この場合は、点火時期の進角制御や吸気バルブ遅れ閉じなどの他の対応策を採ることになる。対応策の優先順位を予め設定しておくのは有益である。同時に複数の対応策を採るように設定しておくことも可能である。
As a countermeasure, the control of the
本願発明は、実際に内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。 The present invention can actually be embodied in an internal combustion engine. Therefore, it can be used industrially.
21 機関本体
22 クランク軸
23 回転センサ
25 吸気マニホールド
27 スロットルバルブ
29 吸気通路
32 バルブタミング調節装置(VVT)
33 点火プラグ
36 排気マニホールド
37 排気通路
38 排気ターボ過給機
39 タービン室
41 ウエストゲートバルブ
42,43 過給通路
44 コンプレッサ室
46 コンプレッサ翼
21
33
Claims (1)
吸気の圧力、スロットル開度、機関の回転数、ウエストゲートバルブの開度のうちの少なくとも1つを含む複数の値から、前記排気ターボ過給機におけるコンプレッサ室がオイル漏れ対策を必要な範囲に至っているか否かの比較数値を求めて、比較数値が予め設定した基準範囲に至ると、前記比較数値が基準範囲から外れる数値となるような制御がなされる、
排気ターボ過給機付き内燃機関。 An internal combustion engine equipped with an exhaust turbocharger,
From a plurality of values including at least one of intake pressure, throttle opening, engine speed, and wastegate valve opening, the compressor chamber in the exhaust turbocharger falls within a range that requires countermeasures against oil leakage. When the comparison numerical value is calculated and the comparison numerical value reaches a preset reference range, control is performed so that the comparison numerical value is a numerical value deviating from the reference range.
An internal combustion engine with an exhaust turbocharger.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2015251418A JP2017115670A (en) | 2015-12-24 | 2015-12-24 | Internal combustion engine with exhaust turbocharger |
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Cited By (1)
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CN110529272A (en) * | 2019-09-25 | 2019-12-03 | 潍柴动力股份有限公司 | A kind of control method and device of turbocharger |
-
2015
- 2015-12-24 JP JP2015251418A patent/JP2017115670A/en active Pending
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CN110529272A (en) * | 2019-09-25 | 2019-12-03 | 潍柴动力股份有限公司 | A kind of control method and device of turbocharger |
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