JP2021021374A - 内燃機関および車両 - Google Patents

Abstract

【課題】コンプレッサの過回転を防止するとともに、目標のブースト圧を得ることが可能な内燃機関および車両を提供する。【解決手段】内燃機関は、ノズルベーンを有する可変容量型ターボチャージャを備える内燃機関であって、ノズルベーンに連結されたリンクを有し、リンクを開閉することによりノズルベーンを開閉するリンク機構と、リンクの開度に応じて回転するコンプレッサと、指示された指示開度に基づいてリンクの開度が調整されるように、リンク機構を制御する制御部と、リンク機構の摩耗に起因して低下するコンプレッサ効率の第１低下分を算出する算出部と、を備え、制御部は、第１低下分に基づいて、指示開度の下限値を補正する。【選択図】図４

Description

本開示は、内燃機関および車両に関する。

内燃機関から排出される排ガスの流入容量を調整することによりブースト圧を可変する可変容量型ターボチャージャが知られている（例えば、特許文献１）。

例えば、可変容量型ターボチャージャは、ノズルベーンと、ノズルベーンに連結されたリンクを有し、リンクを開閉することによりノズルベーンを開閉するリンク機構と、リンクの開度に応じて回転するコンプレッサと、指示された指示開度に基づいてリンクの開度を調整するようにリンク機構を制御する制御部と、を備えている。なお、例えば、コンプレッサの過回転を防止するために、指示開度には下限値（リンク開度規制値）が設けられている。

特開２０１０−７１１３８号公報

ところで、指示された指示開度に基づいてリンクの開度が調整されるようにリンク機構を制御しても、例えば、リンク機構が摩耗している状態では、コンプレッサの回転数が正常状態（リンク機構が摩耗していない状態）よりも上昇せずに、目標のブースト圧を得ることができない場合がある。

目標のブースト圧を得るために指示開度を下げようとしても、指示開度を下限値よりも下げることができずに、目標のブースト圧を得ることできない場合があるという問題がある。

本開示の目的は、コンプレッサの過回転を防止するとともに、目標のブースト圧を得ることが可能な内燃機関および車両を提供することである。

上記の目的を達成するため、本開示における内燃機関は、
ノズルベーンを有する可変容量型ターボチャージャを備える内燃機関であって、
前記ノズルベーンに連結されたリンクを有し、前記リンクを開閉することにより前記ノズルベーンを開閉するリンク機構と、
前記リンクの開度に応じて回転するコンプレッサと、
指示された指示開度に基づいて前記リンクの開度が調整されるように、前記リンク機構を制御する制御部と、
前記リンク機構の摩耗に起因して低下するコンプレッサ効率の第１低下分を算出する算出部と、
を備え、
前記制御部は、前記第１低下分に基づいて、前記指示開度の下限値を補正する。

本開示における車両は、
上記内燃機関を備える。

本開示の内燃機関によれば、コンプレッサの過回転を防止するとともに、目標のブースト圧を得ることができる。

図１は、本開示の実施の形態における内燃機関の構成を概略的に示す図である。 図２は、ノズル開度可変機構の構成の一部を概略的に示す図である。 図３は、走行距離とコンプレッサ効率との関係を示す図である。 図４は、指示開度とリンクの実際の開度との関係等を示す図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本開示の実施の形態における内燃機関の構成を概略的に示す図である。内燃機関１（エンジンともいう）は、車両（不図示）に搭載された多気筒エンジンである。本実施の形態においては、車両およびエンジン１の種類、形式、用途等は限定されるものではないが、ここでは、車両はトラック等の大型車両であり、車両に搭載されるエンジン１は直列４気筒ディーゼルエンジンである。

エンジン１は、エンジン本体２と、エンジン本体２に接続された吸気通路３および排気通路４と、ターボチャージャ１４と、燃料噴射装置５とを備える。エンジン本体２は、シリンダヘッド、シリンダブロック、クランクケース等の構造部品と、その内部に収容されたピストン、クランクシャフト、バルブ等の可動部品とを有する。

燃料噴射装置５は、コモンレール式燃料噴射装置を有し、各気筒に設けられたインジェクタ７（燃料噴射弁）と、インジェクタ７に接続されたコモンレール８とを備える。インジェクタ７は、シリンダ９の燃焼室に燃料を直接噴射する。コモンレール８は、インジェクタ７から噴射される燃料を高圧状態で貯留する。

吸気通路３は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された吸気マニホールド１０と、吸気マニホールド１０の上流側に接続された吸気管１１とを有する。吸気マニホール１０は、吸気管１１から送られてきた吸気を各気筒の吸気ポートに分配供給する。吸気管１１には、上流側から下流側に向かって、エアクリーナ１２、エアフローメータ１３、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４Ｃ、インタークーラ１５、および、電子制御式の吸気スロットルバルブ１６が配置されている。エアフローメータ１３は、エンジン１の単位時間あたりの吸入空気量（吸気流量）を検出するセンサであって、ＭＡＦセンサとも称される。

排気通路４は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された排気マニホールド２０と、排気マニホールド２０の下流側に配置された排気管２１とを有する。排気マニホールド２０は、各気筒の排気ポートから送られてきた排ガスを集合する。排気管２１、もしくは、排気マニホールド２０と排気管２１との間には、ターボチャージャ１４のタービン１４Ｔが設けられている。排気管２１におけるタービン１４Ｔの下流側には、上流側から下流側に向かって、例えば、酸化触媒（不図示）、パティキュレートフィルタ（不図示）、選択還元型触媒（Selective Catalytic Reduction：ＳＣＲ）（不図示）およびアンモニア酸化触媒（不図示）が配置される。

図２は、ノズル開度可変機構１４０Ａの構成の一部を概略的に示す図である。本実施の形態におけるターボチャージャ１４は、可変容量型ターボチャージャである。ターボチャージャ１４は、タービン入口におけるノズル開度を可変するノズル開度可変機構１４０Ａを有している。

ノズル開度可変機構１４０Ａは、複数のノズルベーン１４Ｎと、リンク機構１４０とを有する。リンク機構１４０は、第１環１４１と、第２環１４２と、複数のリンク１４３と、軸１４４と、動力部１４５（図１を参照）とを有する。

複数のノズルベーン１４Ｎは、第１環１４１の周方向に所定間隔で配置されている。同様に、複数のリンク１４３は、複数のノズルベーン１４Ｎにそれぞれ対応するように配置されている。ノズルベーン１４Ｎは、軸１４４を介してリンク１４３の一端部１４３ａに連結されている。

第１環１４１は、環形状を有し、ターボチャージャ１４の本体側に固定されている。第２環１４２は、環形状を有し、第１環１４１の径方向外側に配置され、第１環１４１の周方向に沿って時計回り方向ＣＷ１および反時計回り方向ＣＷ２にそれぞれ回転可能に配置されている。ここでは、時計回り方向ＣＷ１は、ノズルベーン１４Ｎおよびリンク１４３を開く方向（開度を高くする方向）である。また、反時計回り方向ＣＷ２は、ノズルベーン１４Ｎおよびリンク１４３を閉じる方向（開度を低くする方向）である。

第２環１４２には、第１環１４１の周方向に沿って複数の凹部１４６が所定間隔で配置されている。リンク１４３の他端部１４３ｂは、凹部１４６に嵌合している。なお、以下の説明において、「リンク機構の摩耗」について言及するが、「リンク機構の摩耗」の一例としては、リンク１４３の他端部１４３ｂと凹部１４６とが互い擦れ合う場合に生じるリンク１４３の他端部１４３ｂおよび凹部１４６の摩耗である。

動力部１４５は、例えば、入力されるパルス列に応じて動作するステッピングモータである。制御部１０２（後述する）は、指示開度（図４を参照）に基づいて、第２環１４２を例えば時計回り方向ＣＷ１へ所定角度だけ回転するように動力部１４５を制御する。これにより、リンク１４３およびノズルベーン１４Ｎは一体的に開く。また、複数のリンク１４３が同時に開き、それに応じて複数のノズルベーン１４Ｎが同時に開く。制御部１０２は、エンジン１の回転数が高い場合（排ガス量が多い場合）、ノズルベーン１４Ｎの開度が高くなるようにリンク機構１４０（動力部１４５）を制御する。

また、制御部１０２は、指示開度に基づいて、第２環１４２を例えば反時計回り方向ＣＷ２へ所定角度だけ回転するように動力部１４５を制御する。これにより、リンク１４３およびノズルベーン１４Ｎは一体的に閉じる。また、複数のリンク１４３が同時に閉じ、それに応じて複数のノズルベーンが同時に閉じる。制御部１０２は、エンジン１の回転数が低い場合（排ガス量が少ない場合）、ノズルベーン１４Ｎの開度が低くなるようにリンク機構１４０を制御する。これにより、ノズルが絞られるため、排ガスの流速が高まり、コンプレッサ１４Ｃの回転数が上昇するため、低速時から高いブースト圧を得ることが可能となる。なお、コンプレッサ１４Ｃの過回転を防止することを目的として、指示開度には下限値が設けられている。

図１に示すように、エンジン１は、排気再循環（Exhaust Gas Recirculation:ＥＧＲ）装置３０を備える。ＥＧＲ装置３０は、排気通路４内の排ガスの一部（ＥＧＲガス）を吸気通路３に還流させるためのＥＧＲ通路３１と、ＥＧＲ通路３１を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３２と、ＥＧＲガスの流量を調節するためのＥＧＲバルブ３３とを備える。

本実施の形態に係る制御装置は、制御ユニットもしくはコントローラをなす電子制御ユニット（Electronic Control Unit：ＥＣＵ）１００を備える。ＥＣＵ１００は、エンジン全体を制御するものであって、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、入力装置および出力装置を有している。ＣＰＵは、ＲＯＭに格納されたプログラムをＲＡＭに展開して後述する各機能を実行する。ＥＣＵ１００は、算出部１０１および制御部１０２としての各機能を有する。

制御部１０２は、指示開度に基づいてリンク１４３の開度が調整されるように、リンク機構１４０（動力部１４５）を制御する。

ところで、指示開度に基づいてリンク１４３が目標の開度となるように制御される場合であっても、リンク機構１４０の摩耗に起因して、リンク１４３が目標の開度まで低くならずに、コンプレッサ１４Ｃの回転数が正常状態（リンク機構１４０が摩耗していない状態）の目標の回転数まで上がらずに、目標のブースト圧を得ることができない場合がある。ここで、「目標の開度」とは、例えば、指示開度に対応してリンク１４３が所定の開度になるように設定された設定値である。

なお、コンプレッサ１４Ｃの過回転を防止することを目的として、指示開度には下限値が設けられている。目標のブースト圧を得るために指示開度を下げようとしても、指示開度を下限値よりも下げることができずに、目標のブースト圧を得ることできない場合がある。この場合、コンプレッサ１４Ｃの効率（コンプレッサ効率）が低下する。

＜コンプレッサ効率の第１低下分Δη_１＞
そこで、本実施の形態では、リンク機構１４０の摩耗に起因してコンプレッサ効率が低下する場合、リンク機構１４０の摩耗に起因して低下するコンプレッサ効率の第１低下分Δη_１に基づいて、指示開度の下限値を補正する。指示開度の下限値を下げるように補正すれば、リンク１４３の実際の開度を、目標の開度まで低くすることができ、目標のブースト圧を得ることが可能となる。

＜コンプレッサ効率の第２低下分Δη_２＞
ところで、内燃機関１においては、吸気通路におけるコンプレッサより上流側の位置に、ブローバイガス通路の出口端が接続されている。それにより、ブローバイガスに混入され、オイルセパレータで分離しきれなかったミスト状のオイルが、ブローバイガスと共に吸気通路に還流される。

この還流されたオイルに起因して、コンプレッサにコーキング異常が発生する場合がある。コンプレッサの上流側ではオイルがまだ常温程度の低温であり、比較的低粘度の液体である。しかしながら、オイルが混入した吸気がコンプレッサで圧縮され、昇温、昇圧されると、その吸気に含まれていたオイルも高温に加熱され、比較的高粘度の液体に変性する。この高粘度オイルがコンプレッサホイールとコンプレッサハウジングの摺動部に付着し、摺動抵抗を増大させる。また、高粘度オイルが、コンプレッサホイールの下流側のコンプレッサ出口通路に付着し、出口通路を部分的に閉塞する。以上のように、高粘度オイルがコンプレッサ内部の様々な箇所に付着することを「コーキング」といい、コーキングによって引き起こされるコンプレッサの異常を「コーキング異常」という。コーキングに起因して低下するコンプレッサ効率の低下分を「第２低下分」という。

コンプレッサ効率は、リンク機構１４０の摩耗や、コーキングの他に、エンジンの新品時からの累積的な運転時間の長さに応じて低下する。したがって、エンジンの運転時間とコンプレッサ効率との間には一定の相関性がある。相関値としては、運転時間の他に車両の走行距離を用いることができる。相関値としては他にもインジェクタの燃料噴射量の積算値である積算燃料噴射量、またはエアフローメータ１３で検出された吸入空気量の積算値である積算吸入空気量等を用いることが可能である。

以下、相関値として走行距離を用いた場合に、コンプレッサ効率が走行距離に応じて低下することについて説明する。

図３は、走行距離とコンプレッサ効率η_ｍとの関係を示す図である。図３の横軸は走行距離（ｋｍ）を表し、縦軸はコンプレッサ効率η_ｍ（％）を表す。コンプレッサ効率η_ｍは、コーキング異常が発生していない健全な状態でのコンプレッサ効率（推定コンプレッサ効率）であり、予め実機試験やシミュレーション等により求めることが可能である。

ＥＣＵ１００は、走行距離（ｋｍ）とコンプレッサ効率η_ｍとの関係を予め記憶し、走行距離Ｌ_１における推定コンプレッサ効率η_ｍ１を算出し、さらに、実際のコンプレッサ効率η_ａ１と推定コンプレッサ効率η_ｍ１との差Δη_２を算出する。差Δη_２は、コーキングに起因して低下するコンプレッサ効率の第２低下分である。

次に、実際のコンプレッサ効率η_ａの算出方法について説明する。本実施の形態における内燃機関１は、実際のコンプレッサ効率η_ａ（％）を算出するため以下の構成を有している。

図１に示すように、ＥＣＵ１００には、種々のセンサ類が接続されている。回転速度センサ４０は、エンジン１の回転速度（ｒｐｍ）を検出する。アクセル開度センサ４１は、アクセル開度を検出する。入口温度センサ４７は、コンプレッサ１４Ｃの入口部における吸気の温度を検出する。入口圧センサ４８は、コンプレッサ１４Ｃの入口部における吸気の圧力を検出する。出口温度センサ４９は、コンプレッサ１４Ｃの出口部における吸気の温度を検出する。出口圧センサ５０は、コンプレッサ１４Ｃの出口部における吸気の圧力を検出する。なお、入口温度センサ４７および入口圧センサ４８は、１つのボディに一体的に設けられてもよい。同様に、出口温度センサ４９および出口圧センサ５０は、１つのボディに一体的に設けられてもよい。大気圧センサ５１は、大気圧を検出する。走行距離計５２は、車両の走行距離を検出する。ブースト圧センサ５３は、吸気スロットルバルブ１６の下流側の位置における吸気圧（ブースト圧）を検出する。

ＥＣＵ１００は、次式に従ってコンプレッサの実際のコンプレッサ効率ηａ（％）を計算する。

ここで、Ｔ_１ｃは入口温度センサ４７により検出されたコンプレッサ入口温度、Ｐ_１ｃは入口圧センサ４８により検出されたコンプレッサ入口圧力、Ｔ_２ｃは出口温度センサ４９により検出されたコンプレッサ出口温度、Ｐ_２ｃは出口圧センサ５０により検出されたコンプレッサ出口圧力、Ｐ_０は大気圧センサ５１により検出された大気圧である。

＜コンプレッサ効率の総低下分Δη＞
本実施の形態においては、リンク機構１４０の摩耗に起因して低下するコンプレッサ効率の第１低下分Δη_１は、コンプレッサ効率ηａの総低下分Δηからコーキングに起因するコンプレッサ効率の第２低下分Δη_２を減算した数値である（Δη_１＝Δη−Δη_２）。

コンプレッサ効率の総低下分Δηは、例えば、エンジンの新品時（初期）のコンプレッサ効率から現在のコンプレッサ効率を減算した数値である。

ＥＣＵ１００（算出部１０１）は、コンプレッサ効率の総低下分Δηから第２低下分Δη_２を減算することで、第１低下分Δη_１を算出する。第１低下分Δη_１は、リンク機構１４０の摩耗の進行に応じて増大する。なお、リンク機構１４０の摩耗の進行に応じて、指示開度に対応する目標の開度（以下、「目標の開度」という）と指示開度に対応するリンク１４３の実際の開度（以下、「実際の開度」という）との差は、大きくなる。したがって、目標の開度と実際の開度との差は、第１低下分Δη_１に相関する。ＥＣＵ１００は、第１低下分η_１に基づいて、指示開度と実際の開度との関係を示す関数（後述する線ｇ）を求める。

図４は、指示開度と実際の開度との関係等を示す図である。図４の横軸は指示開度ｄ（％）を表し、縦軸は実際の開度ｄ_ｇ（％）を表す。図４に、指示開度と実際の開度との関係を線ｇで表す。また、指示開度と目標の開度との関係を線ｆで表す。また、指示開度の下限値ｄ_Ｌを示す。なお、線ｆにおいて、指示開度の下限値ｄ_Ｌは、実際の開度の下限値ｄ_ｆＬに対応している。

図４に示すように、指示開度ｄ_１に対応する実際の開度ｄ_ｇ１と指示開度ｄ_１に対応する目標の開度ｄ_ｆ１との間には差Δｄ（＝ｄ_ｇ１−ｄ_ｆ１）が生じている。差Δｄが生じている状態では、指示開度に対する目標のブースト圧を得ることができない。線ｇにおいて、実際の開度ｄ_ｆ１に対応する指示開度ｄはｄ_２である。したがって、差Δｄを解消して、目標のブースト圧を得るためには、指示開度ｄをｄ_１からｄ_２に下げればよい。

しかしながら、指示開度ｄ_２は、下限値ｄ_Ｌより小さいため（ｄ_２＞ｄ_Ｌ）、指示開度ｄを下限値ｄ_Ｌより下げることができない。

そこで、実施の形態では、ＥＣＵ１００は、線ｇにおいて実際の開度の下限値ｄ_ｆＬに対応する指示開度の下限値ｄ_Ｌ１を算出し、指示開度の下限値ｄ_Ｌを下限値ｄ_Ｌ１に補正する。これにより、指示開度ｄをｄ_１からｄ_２に下げることができるため、差Δｄが解消され、目標のブースト圧を得ることができる。また、指示開度の下限値ｄ_Ｌを下限値ｄ_Ｌ１に補正しても、実際の開度は下限値ｄ_ｆＬを下回ることがないため、コンプレッサ１４Ｃの過回転を防止することが可能となる。

上記実施の形態における内燃機関１によれば、ノズルベーン１４Ｎを有する可変容量型ターボチャージャ１４を備える内燃機関１であって、ノズルベーン１４Ｎに連結されたリンク１４３を有し、リンク１４３を開閉することによりノズルベーン１４Ｎを開閉するリンク機構１４０と、リンク１４３の開度に応じて回転するコンプレッサ１４Ｃと、指示された指示開度に基づいてリンク１４３の開度が調整されるように、リンク機構１４０を制御する制御部１０２と、リンク機構１４０の摩耗に起因して低下するコンプレッサ効率の第１低下分Δη_１を算出する算出部１０２と、を備え、制御部１０２は、第１低下分Δη_１に基づいて、指示開度の下限値を補正する。これにより、指示開度の下限値を補正することで、指示開度を低くすることができるため、目標のブースト圧を得ることが可能となる。また、指示開度の下限値を補正しても、実際の開度が所定の下限値を下回ることがないため、コンプレッサ１４Ｃの過回転を防止することが可能となる。

その他、上記実施の形態は、何れも本開示を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

上記実施の形態においては、ＥＣＵ１００は、第１低下分Δη_１に基づいて、指示開度と実際の開度との関係を示す関数（線ｇ）を求め、線ｇにおいて実際の開度の下限値ｄ_ｆＬに対応する指示開度の下限値ｄ_Ｌ１を算出し、指示開度の下限値ｄ_Ｌを下限値ｄ_Ｌ１に補正したが、第１低下分Δη_１と指示開度の下限値との関係を示すマップを用いて、指示開度の下限値を補正してもよい。なお、このマップは、実機試験やシミュレーション等により作成することが可能である。

本開示は、コンプレッサの過回転を防止するとともに、目標のブースト圧を得ることが要求される内燃機関を備えた車両に好適に利用される。

１ エンジン
２ エンジン本体
１４ ターボチャージャ
１４Ｃ コンプレッサ
１４Ｎ ノズルベーン
１００ ＥＣＵ
１０１ 算出部
１０２ 制御部
１４０ リンク機構
１４０Ａ ノズル開度可変機構
１４３ リンク
１４５ 動力部

Claims (4)

1. ノズルベーンを有する可変容量型ターボチャージャを備える内燃機関であって、
   前記ノズルベーンに連結されたリンクを有し、前記リンクを開閉することにより前記ノズルベーンを開閉するリンク機構と、
   前記リンクの開度に応じて回転するコンプレッサと、
   指示された指示開度に基づいて前記リンクの開度が調整されるように、前記リンク機構を制御する制御部と、
   前記リンク機構の摩耗に起因して低下するコンプレッサ効率の第１低下分を算出する算出部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記第１低下分に基づいて、前記指示開度の下限値を補正する、
   内燃機関。
2. 前記算出部は、内燃機関の運転時間に基づいて推定されるコンプレッサ効率である推定コンプレッサ効率、および、実際のコンプレッサ効率に基づいて、コーキングに起因してコンプレッサ効率が低下するコンプレッサ効率の第２低下分を算出し、当該算出した前記第２低下分に基づいて、前記第１低下分を算出する、
   請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記算出部は、前記第１低下分に基づいて、前記指示開度とリンクの実際の開度との対応関係を算出し、
   前記制御部は、前記対応関係に基づいて、前記指示開度の下限値を補正する、
   請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関を備える、車両。
   

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