JP2020118042A - ターボ式過給機の冷却システム及びターボ式過給機の冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの停止時にターボ式過給機のターボ軸部を早期に冷却することができるターボ式過給機の冷却システム及びターボ式過給機の冷却方法を提供する。【解決手段】エンジン２に備わるターボ式過給機３のターボ軸部３ａのターボ軸３ａａの回転を制御する回転制御機構と、ターボ軸部３ａの温度Ｔを取得する温度取得装置を備える。そして、制御装置１３が、エンジン２の停止時で、温度取得装置の取得値Ｔが設定温度閾値Ｔ１以上である場合には、ターボ軸部３ａを循環する冷却媒体に動力を供給するポンプを駆動させると共に、回転制御機構によりターボ軸３ａａを回転状態に制御する。【選択図】図４

Description

本開示は、ターボ式過給機の冷却システム及びターボ式過給機の冷却方法に関する。

エンジンの一時停止時で、ターボ式過給機が停止するまで慣性力で回転を所定時間続行しているときに、電動式の補助ポンプを駆動して潤滑オイルをターボ式過給機の軸受等に供給するターボ式過給機付きエンジンの潤滑装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２―２７６３８３号公報

上記の特許文献では、エンジンの一時停止時にターボ式過給機のターボ軸部（ターボ軸及び軸受）の回転により発生する摩擦熱をオイルで冷却している。

ところで、本発明者は、エンジンの停止時でターボ軸部の温度がある程度の高温であるときにターボ軸を回転させると、その回転で発生する摩擦熱がターボ軸部の冷却を抑制する効果よりも、その回転でオイルとターボ軸部の熱交換効率が向上してターボ軸部の冷却が促進される効果の方が大きくなるとの知見を得た。

エンジンの停止時にターボ軸部が高温であると、ターボ軸部の周辺に付着した油膜がその高温時の粘性低下により剥がれる虞がある。油膜が剥がれるとエンジンの再始動時にターボ軸部が焼きつく虞がある。したがって、エンジンの停止時にターボ軸部を早期に冷却することは重要である。

本開示の目的は、エンジンの停止時にターボ式過給機のターボ軸部を早期に冷却することができるターボ式過給機の冷却システム及びターボ式過給機の冷却方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の態様のターボ式過給機の冷却システムは、ターボ式過給機を備えた内燃機関の冷却用のオイルが循環するオイル用循環通路と、前記オイル用循環通路に配置されて、前記ターボ式過給機のタービンとコンプレッサを接続するターボ軸部と、前記ターボ軸部を冷却する冷却媒体に動力を付与するポンプと、を備えて構成されるターボ式過給機の冷却システムにおいて、前記ターボ軸部のターボ軸の回転を制御する回転制御機構と、前記ターボ軸部の温度を取得する温度取得装置を備えて、前記ターボ式過給機の冷却システムを制御する制御装置が、前記内燃機関の停止時で、前記温度取得装置の取得値が予め設定された設定温度閾値以上である場合には、前記ポンプを駆動させると共に、前記回転制御機構により前記ターボ軸を回転状態に制御するように構成される。

また、上記の目的を達成するための本発明の態様のターボ式過給機の冷却方法は、ターボ式過給機を備えた内燃機関の冷却用のオイルが循環するオイル用循環通路に、前記ターボ式過給機のタービンとコンプレッサを接続するターボ軸部を配置して、前記ターボ軸部をポンプにより動力を付与された冷却媒体で冷却するターボ式過給機の冷却方法において、前記内燃機関が停止状態か否かを判定する第１ステップと、前記ターボ軸部の温度が予め設定された設定温度閾値以上であるか否かを判定する第２ステップと、前記第１ステップで前記内燃機関が停止状態にあると判定し、前記第２ステップで前記ターボ軸部の温度が前記設定温度閾値以上であると判定した場合に、前記ポンプを駆動させると共に、前記ターボ軸部のターボ軸の回転を制御する回転制御機構により前記ターボ軸を回転状態に制御する第３ステップと、を有することを特徴とする方法である。

本開示によれば、エンジンの停止時にターボ式過給機のターボ軸部を早期に冷却することができる。

第１実施形態のターボ式過給機の冷却システムを例示する図である。 第１実施形態のターボ式過給機の冷却システムで、電動コンプレッサをターボ式過給機のコンプレッサより下流側の吸気通路に配置した図である。 第１実施形態のターボ式過給機の冷却システムで、電動コンプレッサをターボ式過給機のコンプレッサより上流側の吸気通路に配置した図である。 第１実施形態のターボ式過給機の冷却システムの制御方法を制御フローの形で例示する図である。 第２実施形態のターボ式過給機の冷却システムを例示する図である。 ターボ式過給機の冷却システムの別の実施例を示す図である。

以下、本開示の実施形態のターボ式過給機の冷却システム及びターボ式過給機の冷却方法について、図面を参照しながら説明する。

図１に例示するように、第１実施形態のターボ式過給機の冷却システム１は、エンジン（内燃機関）２に備わるターボ式過給機３のターボ軸部３ａを冷却媒体により冷却するシステムである。第１実施形態では、この冷却媒体はエンジン２の冷却用のオイルＯである。このシステムは、ターボ軸部３ａの他に、オイル用循環通路４と、オイルポンプ５と、を備えて構成される。ターボ式過給機３は、ターボ軸部３ａの他に、タービン３ｂと、コンプレッサ３ｃと、を備えて構成される。

ターボ軸部３ａは、オイル用循環通路４に配置されて、タービン３ｂとコンプレッサ３ｃとを接続する装置である。ターボ軸部３ａは、ターボ軸３ａａと、ターボ軸受３ａｂとで構成される。ターボ軸３ａａは、タービン３ｂ及びコンプレッサ３ｃと連動して回転することで、エンジン２の排気によるタービン３ｂの回転動力をコンプレッサ３ｃに伝達する装置である。ターボ軸受３ａｂはターボ軸３ａａを回転自在に支持する装置である。

オイル用循環通路４は、オイルＯが循環する通路で、この通路には、オイルＯが通過する順に、オイルポンプ５、オイルギャラリ６、ターボ軸部３ａ、オイルパン７が配置される。

オイルポンプ５は、オイル用循環通路４に配置されて、オイル用循環通路４を循環するオイルＯに動力を付与する電動式の装置である。第１実施形態では、オイルポンプ５が、ターボ軸部３ａを冷却する冷却媒体Ｏに動力を付与するポンプとなる。なお、オイルポンプ５は、外部電源による油圧式の装置でもよい。

オイルギャラリ６は、エンジン２のシリンダブロック内に形成されるオイル用の通路で、開閉弁８ａ、８ｂを介して、シリンダヘッド９やオイルジェット１０に連通する。オイルパン７は、オイルＯの貯留用の装置である。

第１実施形態のターボ式過給機の冷却システム１では、オイル用循環通路４に関して、ターボ軸部３ａの前段にオイル用前段温度センサ１１を、ターボ軸部３ａの後段にオイル用後段温度センサ１２を備える。オイル用前段温度センサ１１及びオイル用後段温度センサ１２は、各々の配置位置を通過するオイルＯの温度を取得するセンサである。第１実施形態では、オイル用前段温度センサ１１がターボ軸部３ａの温度Ｔを取得する温度取得装置となる。

なお、温度取得装置は、オイル用後段温度センサ１２でもよく、あるいは、オイル用前段温度センサ１１及びオイル用後段温度センサ１２の各検出値の平均値を取得する装置として構成してもよい。温度取得装置を、オイル用前段温度センサ１１の検出値の変化率とオイル用後段温度センサ１２の検出値の変化率に基づいて推定される値を取得する装置として構成してもよい。このように構成することで、各センサ１１、１２の検出時点の値のみではなく、時々刻々変化する各センサ１１、１２の検出値の推移に基づいてターボ軸部３ａの温度を推定するので、その推定精度を向上させることができる。

第１実施形態のターボ式過給機の冷却システム１には、この冷却システム１を制御する制御装置１３が備わる。制御装置１３は、各種情報処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されるハードウェアである。制御装置１３には、オイルポンプ５、オイル用前段温度センサ１１、オイル用後段温度センサ１２等の各種装置が電気的に接続される。

本開示のターボ式過給機の冷却システム１では、ターボ軸３ａａの回転を制御する回転制御機構が備わる。第１実施形態では、この回転制御機構は、電動コンプレッサ１４である。図２、図３に例示するように、電動コンプレッサ１４は、電動式のモータ１５に接続されて、制御装置１３からの制御信号によりモータ１５が駆動されることで駆動する装置である。電動コンプレッサ１４は、エンジン２の吸気通路１６に配置されるターボ式過給機３のコンプレッサ３ｃより上流側または下流側の吸気通路１６に配置される。なお、ターボ式過給機３のタービン３ｂはエンジン２の排気通路１７に配置される。また、電動コンプレッサ１４をバイパスするバイパス弁付きのバイパス通路を吸気通路１６に接続してもよい。

本開示のターボ式過給機の冷却システム１では、制御装置１３が、エンジン２の停止時で、オイル用前段温度センサ１１の取得値Ｔが実験等により予め設定された設定温度閾値Ｔ１以上である場合には、オイルポンプ５を駆動させると共に、回転制御機構である電動コンプレッサ１４によりターボ軸３ａａを回転状態に制御するように構成する。設定温度閾値Ｔ１は、ターボ軸３ａａの回転で発生する摩擦熱がターボ軸部３ａの冷却を抑制する効果よりも、その回転でオイルＯとターボ軸部３ａの熱交換効率が向上してターボ軸部３ａの冷却が促進される効果が大きくなる値として設定される。なお、ターボ軸３ａａが回転すると、ターボ軸部３ａ周辺のオイルＯがターボ軸３ａａに連動して回転するので、オイルＯとターボ軸部３ａの熱交換効率が向上する。

図２に例示するように、電動コンプレッサ１４をターボ式過給機３のコンプレッサ３ｃより下流側の吸気通路１６に配置する場合には、電動コンプレッサ１４により吸気Ａは吸気通路１６から排気通路１７に圧送される。そして、吸気Ａが排気通路１７に配置されるタービン３ｂを回転させることで、ターボ軸３ａａは回転状態となる。なお、吸気Ａは、例えば、電動コンプレッサ１４より下流側の吸気通路１６とタービン３ｂより上流側の排気通路１７を接続する開閉弁付きの排気還流用の通路（図示しない）を経由して、吸気通路１６から排気通路１７に圧送される。このとき、この開閉弁は開状態である。あるいは、吸気Ａは、各気筒２ａの内部を経由して、吸気通路１６から排気通路１７に圧送される。このとき、各気筒２ａに配置された吸気弁及び排気弁は共に開状態である。

図３に例示するように、電動コンプレッサ１４をターボ式過給機３のコンプレッサ３ｃより上流側の吸気通路１６に配置する場合には、電動コンプレッサ１４により吸気通路１６内の吸気Ａの流れが作り出されてコンプレッサ３ｃを回転させる。コンプレッサ３ｃが回転することで、ターボ軸３ａａは回転状態となる。

上記のように回転制御機構を制御することで、ターボ軸３ａａの回転によるオイルＯとターボ軸部３ａの熱交換効率の向上に伴うターボ軸部３ａの冷却促進効果が大きくなる。したがって、エンジン２の停止時にターボ式過給機３のターボ軸部３ａを早期に冷却することができる。

特に、吸気通路１６には電動コンプレッサ１４が配置されることが多いので、上記の回転制御機構を用いた制御を行う上で新たな装置を別途配置する必要がない場合が多い。

第１実施形態のターボ式過給機の冷却システム１を基にした制御フローについて、言い換えれば、ターボ式過給機の冷却方法について、図４を参照しながら説明する。図４に示す制御フローは、車両のイグニッションキーがオン状態のときに周期的に行われる制御フローである。

図４に示す制御フローがスタートすると、ステップＳ１０（第１ステップ）にて、エンジン２が停止状態か否かを判定する。エンジン２が運転状態にある場合（ＮＯ）はリターンに進んで本制御フローを終了する。エンジン２が停止状態にある場合（ＹＥＳ）はステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０（第２ステップ）にて、ターボ軸部３ａの温度Ｔが設定温度閾値Ｔ１以上であるか否かを判定する。ターボ軸部３ａの温度Ｔが設定温度閾値Ｔ１以上である場合（ＹＥＳ）はステップＳ３０に進み、設定温度閾値Ｔ１未満である場合（ＮＯ）はステップＳ４０に進む。

ステップＳ３０にて、オイルポンプ（電動ポンプ）５を駆動させると共に電動コンプレッサ１４を駆動及び制御して、ターボ軸３ａａを回転状態に制御する。ステップＳ３０を実施後、ステップＳ２０に戻る。

ステップＳ４０にて、ターボ軸部３ａの温度Ｔが実験等により予め設定された第２設定温度閾値Ｔ２以上であるか否かを判定する。第２設定温度閾値Ｔ２は、第１設定温度閾値Ｔ１より小さな値で、この温度閾値Ｔ２以上であるとオイルＯの粘性低下によりターボ軸部３ａに付着した油膜が剥がれる虞のある温度閾値として設定される。ターボ軸部３ａの温度Ｔが第２設定温度閾値Ｔ２以上である場合はステップＳ５０に進み、第２設定温度閾値Ｔ２未満である場合はステップＳ６０に進む。

ステップＳ５０にて、電動コンプレッサ１４は停止させるが、オイルポンプ５を駆動させて、オイルＯの循環によりターボ軸部３ａの冷却を行う。ステップＳ５０を実施後、ステップＳ４０に戻る。

ステップＳ６０にて、オイルポンプ５及び電動コンプレッサ１４を共に停止させて、ターボ軸部３ａの冷却を終了する。ステップＳ６０を実施後、リターンに進んで本制御フローを終了する。

第２実施形態のターボ式過給機の冷却システム１について説明する。第２実施形態は、第１実施形態と回転制御機構の構成で異なり、その他の構成では同じである。

図５に例示するように、第２実施形態の回転制御機構は電動モータ１８で構成される。電動モータ１８は、ターボ軸部３ａに接続されて、その駆動時にターボ軸３ａａに回転動力を供給して、ターボ軸３ａａを回転させる装置である。

第２実施形態では、制御装置１３が、エンジン２の停止時で、オイル用前段温度センサ１１の取得値Ｔが設定温度閾値Ｔ１以上である場合には、オイルポンプ５を駆動すると共に、電動モータ１８を制御して、ターボ軸３ａａを回転状態に制御するように構成する。

このように構成すると、エンジン２の停止時にターボ軸３ａａに電動モータ１８による回転動力を供給することで、ターボ軸３ａａの回転数をオイルＯとターボ軸部３ａの熱交換が促進される所定の回転数領域に維持することが可能となる。したがって、エンジン２の停止時にターボ式過給機３のターボ軸部３ａを早期に冷却することができる。

第２実施形態のターボ式過給機の冷却システム１を基にした制御フローは、図４に例示する第１実施形態の制御フローに関して、ステップＳ３０、Ｓ５０、Ｓ６０の「電動コンプレッサ」を「電動モータ」に置き換えた制御フローである。なお、第２実施形態では、ステップＳ３０の実施時に、電動モータ１８の回転数が実験等により予め設定した回転数領域に含まれるように制御すると好ましい。この回転数領域は、ターボ軸３ａａの回転によるオイルＯとターボ軸部３ａの熱交換効率が他の回転数領域と比較して高い領域である。このようにすることで、ターボ軸３ａａの回転数が上記の「所定の回転数領域」に維持されるので、ターボ軸部３ａの冷却をさらに促進することができる。

以上より、本実施形態のターボ式過給機の冷却システム及びターボ式過給機の冷却方法によれば、エンジン２の停止時にターボ式過給機３のターボ軸部３ａを早期に冷却することができる。それ故、エンジン２が高負荷状態から停止する等、ターボ軸部３ａが高温のままエンジン２が停止した場合であっても、ターボ軸部３ａの周辺に付着した油膜の粘性低下に伴う剥がれを防止して、エンジン２の再始動時のターボ軸３ａａの焼きつきを防止することができる。

なお、第１実施形態及び第２実施形態のターボ式過給機の冷却システム１では、ターボ軸部３ａを冷却する冷却媒体をオイルＯとしたが、図６に例示するターボ式過給機の冷却システム１の別の実施例のようにこの冷却媒体を冷却水Ｗとしてもよい。この場合、冷却媒体に動力を付与するポンプは、ターボ軸部３ａを通過する冷却水Ｗ用の通路１９に配置された冷却水ポンプ２０である。冷却水ポンプ２０は、電動式の装置でもよいし、外部電源による油圧式の装置でもよい。冷却水用前段温度センサ２１または冷却水用後段温度センサ２２がターボ軸部３ａの温度Ｔを取得する温度取得装置である。ターボ軸３ａａが回転すると、ターボ軸部３ａ周辺のオイルＯがターボ軸３ａａに連動して回転するので、ターボ軸部３ａを通過する冷却水ＷとオイルＯの熱交換効率が向上してオイルＯの冷却が促進されて、オイルＯとターボ軸部３ａの熱交換効率が向上する。

また、エンジン２を備えた車両のブレーキ用に用いる圧縮空気を貯留したタンクとコンプレッサ３ｃより上流側の吸気通路１６を開閉弁付きの通路を介して接続する。そして、制御装置１３が、エンジン２の停止時で、温度取得装置の取得値Ｔが設定温度閾値Ｔ１以上である場合に、冷却媒体への動力付与用のポンプを駆動させると共に、上記の開閉弁を開状態にして、圧縮空気によりターボ式過給機３のコンプレッサ３ｃを回転させる。コンプレッサ３ｃが回転すると、ターボ軸３ａａは回転状態となる。この場合は、圧縮空気を貯留したタンクと、開閉弁付きの通路と、開閉弁と、の組み合わせが回転制御機構に相当する。このように構成しても、第１、２実施形態のターボ式過給機の冷却システム１が奏する効果と同様の効果を奏することができる。

１ ターボ式過給機の冷却システム
２ エンジン（内燃機関）
２ａ 気筒
３ ターボ式過給機
３ａ ターボ軸部
３ａａ ターボ軸
３ａｂ ターボ軸受
３ｂ タービン
３ｃ コンプレッサ
４ オイル用循環通路
５ オイルポンプ（ポンプ）
６ オイルギャラリ
７ オイルパン
８ａ、８ｂ 開閉弁
９ シリンダヘッド
１０ オイルジェット
１１ オイル用前段温度センサ（温度取得装置）
１２ オイル用後段温度センサ
１３ 制御装置
１４ 電動コンプレッサ
１５ モータ
１６ 吸気通路
１７ 排気通路
１８ 電動モータ
１９ 冷却水用の通路
２０ 冷却水ポンプ（ポンプ）
２１ 冷却水用前段温度センサ（温度取得装置）
２２ 冷却水用後段温度センサ

Claims (4)

1. ターボ式過給機を備えた内燃機関の冷却用のオイルが循環するオイル用循環通路と、前記オイル用循環通路に配置されて、前記ターボ式過給機のタービンとコンプレッサを接続するターボ軸部と、前記ターボ軸部を冷却する冷却媒体に動力を付与するポンプと、を備えて構成されるターボ式過給機の冷却システムにおいて、
   前記ターボ軸部のターボ軸の回転を制御する回転制御機構と、前記ターボ軸部の温度を取得する温度取得装置を備えて、
   前記ターボ式過給機の冷却システムを制御する制御装置が、
   前記内燃機関の停止時で、前記温度取得装置の取得値が予め設定された設定温度閾値以上である場合には、前記ポンプを駆動させると共に、前記回転制御機構により前記ターボ軸を回転状態に制御するように構成されるターボ式過給機の冷却システム。
2. 前記タービンは前記内燃機関の排気通路に配置されて、前記コンプレッサは前記内燃機関の吸気通路に配置されるとともに、前記コンプレッサより上流側または下流側の前記吸気通路に前記回転制御機構である電動コンプレッサが配置されて、
   前記制御装置が、
   前記内燃機関の停止時で、前記温度取得装置の取得値が前記設定温度閾値以上である場合には、前記電動コンプレッサを制御して、前記コンプレッサまたは前記タービンを回転させることで前記ターボ軸を回転状態に制御するように構成される請求項１に記載のターボ式過給機の冷却システム。
3. 前記回転制御機構が、前記ターボ軸部に接続されてその駆動時に前記ターボ軸を回転させる電動モータで構成されると共に、
   前記制御装置が、
   前記内燃機関の停止時で、前記温度取得装置の取得値が前記設定温度閾値以上である場合には、前記電動モータを制御して、前記ターボ軸を回転状態に制御するように構成される請求項１に記載のターボ式過給機の冷却システム。
4. ターボ式過給機を備えた内燃機関の冷却用のオイルが循環するオイル用循環通路に、前記ターボ式過給機のタービンとコンプレッサを接続するターボ軸部を配置して、前記ターボ軸部をポンプにより動力を付与された冷却媒体で冷却するターボ式過給機の冷却方法において、
   前記内燃機関が停止状態か否かを判定する第１ステップと、
   前記ターボ軸部の温度が予め設定された設定温度閾値以上であるか否かを判定する第２ステップと、
   前記第１ステップで前記内燃機関が停止状態にあると判定し、前記第２ステップで前記ターボ軸部の温度が前記設定温度閾値以上であると判定した場合に、前記ポンプを駆動させると共に、前記ターボ軸部のターボ軸の回転を制御する回転制御機構により前記ターボ軸を回転状態に制御する第３ステップと、を有することを特徴とするターボ式過給機の冷却方法。

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