JP3924510B2 - 排気タービン過給機の可変ノズル開度制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関に設けられ、排気ガスを利用して吸気を圧縮し、内燃機関に供給する排気タービン過給機の可変ノズル制御装置にかかる。
【０００２】
【背景技術】
従来、内燃機関に吸気を過給するものとして排気タービン過給機が知られている。これは、内燃機関の排気管路の途中に設けられた排気タービンと、吸気管路の途中に設けられた圧縮機とを備え、内燃機関の排気ガスによって排気タービンを駆動させ、この駆動力によって圧縮機を駆動して吸気を圧縮するものである。
このような排気タービン過給機には、排気タービンのノズル部の入口面積を可変にして、過給圧を調整するものがある。これは、排気タービンの排気ガス導入部分であるノズル部に可動式のノズルベーンを設置して、このノズルベーンを動作させることによりノズル部の入口面積を変更するものである。ノズルベーンを絞ってノズル部の入口面積を小さくすると、排気タービンに導入される排気ガスの流速が上がり、排気タービンの回収エネルギが上がるので、過給圧を上げることができる。ノズルベーンの制御は、一般的に負荷に応じて制御され、例えば、入口圧（排気圧力）と出口圧（給気圧力）とを比較し、これらの差（比）に応じてノズルベーンを開閉する方法などがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、トラックやバス用のディーゼルエンジンなどに使用される排気タービン過給機のノズルベーンの制御は、加速性の向上を狙って、低負荷時にノズルベーンの開度を最小にしている。しかしながら、低負荷時にノズル部の入口面積を小さくすると、内燃機関に流入する空気流量が大きくなり、吸気抵抗が増大するので、ディーゼルエンジンのポンピングロスが大きくなり、燃料消費率が悪化するという問題があった。
一方で、特開昭６３−５１１７号公報に開示されているように、ノズルベーンの制御を低負荷時に略全開にすると、ポンピングロスは抑制されるものの、負荷や速度の変動のある過渡応答時には応答性が悪くなるという問題があった。特に、排気タービン過給機を建設機械用のディーゼルエンジンなどに使用する場合では、負荷の変動が大きく、また、減速、再加速などを繰り返すため、過渡応答時における応答性の向上は非常に重要である。
【０００４】
本発明の目的は、低負荷時の燃料消費率がよく、かつ、過渡応答性が良好となる排気タービン過給機の可変ノズル開度制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段と作用効果】
そのため、本発明の請求項１に記載の排気タービン過給機の可変ノズル開度制御装置は、排気タービン過給機の可変ノズルの開度を調節可能なノズル開度調節手段と、排気タービン過給機が接続される内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段と、ノズル開度調節手段の動作を制御する制御手段とを備え、制御手段は、内燃機関の負荷が低負荷域では可変ノズルの開度をほぼ全開とし、第一の所定負荷以上では、負荷に応じて高負荷側になるに従い可変ノズルの開度を順次閉じる方向に制御するように予め設定され、内燃機関の負荷が高負荷側から低負荷側への移行後、第一の所定時間、元の高負荷側における可変ノズルの開度を保持、またはより閉じた開度とし、第一の所定時間経過後、予め設定した開度となるように制御するとともに、制御手段は、第一の所定時間内に、内燃機関の負荷が再び低負荷側から高負荷側に移行する時、あるいは、内燃機関の回転速度が再び低速側から高速側へ移行する時に、第三の所定時間、または、内燃機関の回転速度が第二の所定回転速度に達するまで、あるいは、内燃機関の負荷が第三の所定負荷に達するまで可変ノズルの開度を開き、第三の所定時間経過後、または、第二の所定回転速度に到達後、あるいは、第三の所定負荷に到達後、予め設定した開度となるように制御するように構成されたことを特徴とする。
【０００６】
この構成の本発明では、内燃機関の運転状態が負荷の変動がない、いわゆる定常状態では、低負荷側では可変ノズルの開度をほぼ全開に、また、第一の所定負荷以上では高負荷側に移行するに従って、順次閉じる方向に制御するので、各負荷での運転状態において最適な過給圧が保持される。特に、低負荷域では内燃機関のポンピングロスが低減され、燃料消費率が向上する。
また、高負荷側から低負荷側に移行する移行時には、移行後に可変ノズルの開度を第一の所定時間、元の高負荷側における開度に保持あるいはより閉じた開度に保持するので、この第一の所定時間内に再度負荷がかかった場合にも過給圧が高く保たれ、過渡応答性が良好となる。本発明は、負荷の変動が頻繁に行われる建設機械用のディーゼルエンジンなどに使用される場合に特に有用である。
さらに、建設機械用のディーゼルエンジンなどでは、内燃機関が高負荷側から低負荷側へ、あるいは、高速側から低速側へ移行した直後に再び高負荷側へあるいは高速側へ移行することがよくある。この際に、可変ノズルの開度が元の高負荷側あるいは高速側の開度となっていると、排気タービン過給機のノズル部の入口面積が小さく、内燃機関の背圧が過剰上昇してしまうことがある。この場合、排気タービンの効率が大幅に低下したり、排気ガスの排気不良により燃焼が悪化する。
この構成の本発明では、第一の所定時間内に内燃機関の運転状態が再び高負荷側あるいは高速側へ移行する時には、制御手段が予め第三の所定時間、または内燃機関の回転速度が第二の所定回転速度に達するまで、あるいは、内燃機関の負荷が第三の所定負荷に達するまで可変ノズルの開度を開くように構成されているので、背圧の異常上昇が防止されることにより、燃焼が良好となり、過渡応答性が向上する。
【０００７】
ここで、可変ノズルの開度の可変範囲は、排気タービン過給機や内燃機関の能力範囲等を勘案して適宜決定される。したがって、可変ノズルを全開または全閉にしたときのノズル部の入口面積は、可変ノズルの開度の可変範囲の設定により、適宜決定される。
また、所定負荷は、過給圧を高める必要が生じる時点の負荷であり、これは、可変ノズルの開度の可変範囲や、排気タービン過給機の能力範囲、内燃機関の使用運転範囲などを勘案して予め決定される。
【０００８】
本発明の請求項２に記載の排気タービン過給機の可変ノズル開度制御装置は、排気タービン過給機の可変ノズルの開度を調節可能なノズル開度調節手段と、排気タービン過給機が接続される内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段と、ノズル開度調節手段の動作を制御する制御手段とを備え、制御手段は、内燃機関の負荷が低負荷域では可変ノズルの開度をほぼ全開とし、第一の所定負荷以上では、負荷に応じて高負荷側になるに従い可変ノズルの開度を順次閉じる方向に制御するように予め設定され、内燃機関の負荷が高負荷側から低負荷側への移行後、第一の所定時間、元の高負荷側における可変ノズルの開度を保持、またはより閉じた開度とし、第一の所定時間経過後、予め設定した開度となるように制御するとともに、制御手段は、第一の所定時間内に、内燃機関の負荷が再び低負荷側から高負荷側に移行する時、あるいは、内燃機関の回転速度が再び低速側から高速側へ移行する時に、第三の所定時間、または内燃機関の回転速度が第二の所定回転速度に達するまで、あるいは、内燃機関の負荷が第三の所定負荷に達するまで可変ノズルの開度を開き、第三の所定時間経過後、または、第二の所定回転速度に到達後、あるいは、第三の所定負荷に到達後に、第四の所定時間、または第三の所定回転速度に達するまで、あるいは、第四の所定負荷に達するまで可変ノズルの開度を閉じ、第四の所定時間経過後、または、第三の所定回転速度に到達後、あるいは、第四の所定負荷に到達後、予め設定したノズル開度となるように制御するように構成されたことを特徴とする。
【０００９】
本発明では、低負荷時の燃料消費率がよく、かつ、過渡応答性が良好であるうえ、以下の効果がある。
つまり、この構成の本発明では、第一の所定時間内に内燃機関の運転状態が再び高負荷側あるいは高速側へ移行する場合には、内燃機関の背圧の異常上昇を防止するために第三の所定時間、または内燃機関の回転速度が第二の所定回転速度に達するまで、あるいは内燃機関の負荷が第三の所定負荷に達するまで可変ノズルの開度を開くが、その後第四の所定時間、または、第三の回転速度に達するまで、あるいは、第四の所定負荷に達するまで開度を閉じるので、これにより過給圧が高まり、背圧の異常上昇が生じることなくより一層過渡応答性が向上する。
【００１０】
本発明の請求項３に記載の排気タービン過給機の可変ノズル開度制御装置は、排気タービン過給機の可変ノズルの開度を調節可能なノズル開度調節手段と、排気タービン過給機が接続される内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段と、ノズル開度調節手段の動作を制御する制御手段とを備え、制御手段は、内燃機関の負荷が低負荷域では可変ノズルの開度をほぼ全開とし、第一の所定負荷以上では、負荷に応じて高負荷側になるに従い可変ノズルの開度を順次閉じる方向に制御するように予め設定され、内燃機関の負荷が高負荷側から低負荷側への移行後、第一の所定時間、元の高負荷側における可変ノズルの開度をより閉じた開度とし、第一の所定時間経過後、予め設定した開度となるように制御するように構成されたことを特徴とする。
【００１１】
本発明でも、請求項１の発明と同様に、低負荷時の燃料消費率がよく、かつ、過渡応答性を良好にできる。
【００１２】
本発明の請求項４に記載の排気タービン過給機の可変ノズル開度制御装置は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の排気タービン過給機の可変ノズル開度制御装置において、内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出手段を備え、制御手段は、内燃機関の負荷が高負荷側から低負荷側への移行時、あるいは、内燃機関の回転速度が高速側から低速側への移行初期には、第二の所定時間、または、内燃機関の回転速度が第一の所定回転速度に低下するまで、あるいは、内燃機関の負荷が第二の所定負荷に低下するまで、可変ノズルの開度を開くように制御するように構成されたことを特徴とする。
【００１３】
内燃機関の負荷が高負荷側から低負荷側への移行時、あるいは、高速側から低速側への移行時に排気タービン過給機の可変ノズルの開度を保持、あるいは、より閉じた開度にすると、負荷あるいは速度の移行経路によっては圧縮機の作動域がサージング限界に近づいてしまうことがある。圧縮機の作動域がサージング限界に達すると、排気タービン過給機の振動や、振動による騒音が大きくなり、排気タービン過給機の運転が不安定になる。
この構成の本発明では、排気タービン過給機がこのような状況になる可能性のある条件で使用される場合には、高負荷側から低負荷側あるいは高速側から低速側への移行初期に、制御手段が、予め、第二の所定時間、または、内燃機関の回転速度が第一の所定回転速度に低下するまで、あるいは内燃機関の負荷が第二の所定負荷に低下するまで可変ノズルの開度を開くように構成されているので、圧縮機の作動域がサージング限界に達することなく低負荷側あるいは低速側へ移行され、安定した運転が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において、同様の部分については同一符号を付し、説明を簡単にあるいは省略する。
〔第一実施形態〕
図１には、本発明の一実施形態にかかる内燃機関としてのディーゼルエンジン１のシステムが示されている。
この図において、ディーゼルエンジン１は、それぞれ内部に複数（本実施形態では四つ）の燃焼室が形成されたエンジン本体２と、燃焼室に吸気を導入する吸気管路３と、外部へ排気ガスを排出する排気管路４と、ディーゼルエンジン１を冷却するための冷却機構５と、過給を行うために吸気を圧縮する排気タービン過給機１０と、排気タービン過給機１０の可変ノズルの開度を調節するノズル開度調節手段としてのアクチュエータ４０と、ディーゼルエンジン１の動作を制御するエンジンコントローラ２５と、アクチュエータ４０の動作を制御する制御手段としてのノズル開度コントローラ３０とを備えている。
なお、本実施形態では、アクチュエータ４０と、エンジンコントローラ２５と、ノズル開度コントローラ３０とを備えてノズル開度制御装置５０が構成されている。
【００１５】
冷却機構５は、エンジン本体２内に収められたクランクシャフト（図示せず）等により駆動されるポンプ８を備え、ポンプ８によって圧送された冷却水は、ディーゼルエンジン１のエンジン本体２、排気タービン過給機１０、図示しないオイルクーラ等の冷却必要部位を冷却した後、冷却機構５に設けられたラジエータ６で空冷されるようになっている。また、吸気管路３の途中には、排気タービン過給機１０で圧縮された空気を冷却するためのインタークーラ７が設けられている。
このラジエータ６およびインタークーラ７は、エンジン本体２に設けられ、かつ、クランクシャフト等により回転駆動されるファン９によって、その冷却作用が促進されるようになっている。
【００１６】
排気タービン過給機１０は、排気管路４の途中に設けられた排気タービン１３と、吸気管路３の途中に設けられた圧縮機１１とを備える。図２に示されるように、排気タービン１３は、流入する排気ガスによって回転するタービンホイール２０を有し、また、圧縮機１１は回転することで外部からの吸気を圧縮するインペラ２１を有する。これらのタービンホイール２０とインペラ２１とはシャフト１２で連結されており、ハウジング１４によって回転可能に支持されている。
【００１７】
排気タービン１３は、タービンホイール２０の外周に沿って、排気ガスを導入するノズル部１９の入口面積を調節する複数の可変ノズル１５を備えている。これらの可変ノズル１５には、アクチュエータ４０によってノズル部の入口面積を調節できるように、リンク機構が設けられている。
【００１８】
可変ノズル１５は、図３にも示されるようにタービンホイール２０の外周に沿って等間隔に設置され、これら可変ノズル１５の回動軸１５Ａが、ノズル部１９の一部を形成するプレート２３を貫通して回動可能に支持されている。
円周上に配置された各回動軸１５Ａで囲まれた領域の内側には、シャフト１２と同心円上で回動可能な連結リング１８が設けられている。この連結リング１８の外周には半長孔状の係合孔２２が形成されており、この係合孔２２には、棒状のレバー１６の一端が回動可能に、かつ摺動可能に係合されている。各レバー１６の他端は各回動軸１５Ａに固定されており、これらのレバー１６を介して連結リング１８が回動軸１５Ａに支持されている。
【００１９】
複数の回動軸１５Ａのうちの一本は、ハウジング１４をも貫通した回動駆動軸１５Ｂとなっている。また、レバー１６のうち、回動駆動軸１５Ｂに結合されたものは、駆動用レバー１７となっている。
【００２０】
回動駆動軸１５Ｂは、ハウジング１４を貫通して回動可能に軸支され、貫通部分は簡易なリング状のシール部材により密封されている。また、回動駆動軸１５Ｂは、他の回動軸１５Ａよりも径寸法が大きく、高剛性に形成されている。これにより、回動駆動軸１５Ｂは、すべての回動軸１５Ａが連結された連結リング１８を、駆動用レバー１７を介して回動させるのに十分な剛性を有する。また、駆動用レバー１７は、回動駆動軸１５Ｂからの回動駆動力を連結リング１８に伝達するのに十分な剛性を有するように、他のレバー１６よりも太く、高剛性になっている。
このような回動駆動軸１５Ｂは、ハウジング１４の外部に配置されたアクチュエータ４０に接続されている。
【００２１】
アクチュエータ４０は、ノズル開度コントローラ３０と電気的に接続しており、ノズル開度コントローラ３０からの指示に従って回動駆動軸１５Ｂを駆動するために設けられている。ここで、アクチュエータ４０は、油圧を利用したものや、空気圧を利用したものなどが採用できる。
【００２２】
なお、ノズル部１９の入口面積可変範囲は、可変ノズル１５の回動範囲によって決定されるが、この回動範囲は排気タービン過給機１０の過給能力範囲や、ディーゼルエンジン１の使用運転範囲などを勘案して予め適宜設定されている。本実施形態では、可変ノズル１５の回動範囲を、ノズル部１９の入口面積が最大となるような角度を全開に、また、ディーゼルエンジン１の運転範囲や排気タービン過給機１０の過給能力範囲のうち取りうる最小の入口面積となる角度を全閉と設定している。したがって、本実施形態では、可変ノズル１５の開度を全閉としても、ノズル部１９の入口面積は０とはならない。
【００２３】
エンジンコントローラ２５は、エンジン本体２の燃料噴射量などを制御するために設けられ、図１に示されるように、エンジン本体２のクランクシャフトから得たエンジン本体２の回転速度信号Ｎや、負荷信号としての燃料噴射量信号Ｆなどを受信している。エンジンコントローラ２５は、これらの信号によりディーゼルエンジン１の運転状態を把握し、状態に応じて燃料噴射量の調整などの制御を行っている。また、エンジンコントローラ２５は、ノズル開度コントローラ３０に電気的に接続されており、ノズル開度コントローラ３０へ回転速度信号Ｎおよび燃料噴射量信号Ｆを送信している。したがって、本実施形態では、このエンジンコントローラ２５が本発明における回転速度検出手段および負荷検出手段となっている。
【００２４】
ノズル開度コントローラ３０は、図４に示されるように、エンジンコントローラ２５からの各検出信号を受信する入力部３１と、この入力部３１の信号より、ディーゼルエンジン１の負荷変動から運転状態が高負荷側あるいは低負荷側への移行時かどうかを判定する過渡応答時判定部３６と、入力部３１のからの入力信号に対して最適な可変ノズル１５の開度が予め設定され、マップやテーブルなどとして記憶されている記憶部３３と、記憶部３３に記憶された情報に基づいて最適な可変ノズル１５の開度を決定するノズル開度制御部３７と、ノズル開度制御部３７からの開度の設定指令を受けて、これをアクチュエータ４０に出力する出力部３２とを備える。
【００２５】
記憶部３３は、ディーゼルエンジン１の運転状態に応じた可変ノズル１５の開度を示したマップＭを記憶している。本実施形態ではマップＭは、ディーゼルエンジン１の運転状態が負荷の変動が少ない、いわゆる定常状態において、各負荷における最適な可変ノズル１５の開度が回転速度Ｎと燃料噴射量Ｆとの関数で定義されているものである。このマップＭは、図８に示されるように、所定負荷以下の低負荷域では可変ノズル１５の開度をほぼ全開とし、第一の所定負荷としての所定負荷Ｌ１以上では、負荷に応じて高負荷側になるに従い可変ノズル１５の開度を順次閉じる方向に設定されている。
【００２６】
このような構成のディーゼルエンジン１は、次のように動作する。
まず、ディーゼルエンジン１の始動にともなって、排気タービン過給機１０は、排気ガスによってタービンホイール２０を回転させ、シャフト１２で連結したインペラ２１を回転させることによりエンジン本体２への過給を行う。エンジンコントローラ２５は、エンジン本体２の回転速度信号Ｎおよび燃料噴射量信号Ｆなどの信号からエンジン本体２の運転状態を把握するとともに、ノズル開度コントローラ３０へ回転速度信号Ｎおよび燃料噴射量信号Ｆを送信する。
【００２７】
ノズル開度コントローラ３０は、入力部３１においてエンジンコントローラ２５からの入力信号を受信する。ノズル開度コントローラ３０は、各入力信号よりディーゼルエンジン１の各運転状態における最適な可変ノズル１５の開度の決定を以下のように行う。
図５には、第一実施形態における可変ノズル１５の開度制御を示すフローチャートが示されている。
【００２８】
この図において、ステップＳ１では、ノズル開度制御部３７は記憶部３３よりマップＭを読み込む。ステップＳ２では、入力部３１はエンジンコントローラ２５より回転速度信号Ｎおよび燃料噴射量信号Ｆを入力する。ステップＳ３では、過渡応答時判定部３６がこれらの信号を受信し、燃料噴射量の変動、つまり、負荷変動dF/dt の絶対値が所定値dF1/dtに達しているかどうかを判定する。負荷変動dF/dt の絶対値が所定値dF1/dtに達していない場合、過渡応答時判定部３６は、ディーゼルエンジン１の運転状態が負荷変動の少ない定常状態であると判断し、定常状態の制御を行うようにノズル開度制御部３７へ信号を送信して、ステップＳ１２へ進む。
【００２９】
ステップＳ１２では、ノズル開度制御部３７は、過渡応答時判定部３６からの信号を受け、マップＭから、負荷（燃料噴射量）および回転速度に応じたノズル開度を計算し、ステップＳ１３において、そのノズル開度に変更するために必要な可変ノズル１５の回動所定角度を出力部３２に出力する。出力部３２は、アクチュエータ４０に可変ノズル１５を所定角度回動させるノズル開度信号Ａを送信する。
【００３０】
アクチュエータ４０は、ノズル開度コントローラ３０の出力部３２からのノズル開度信号Ａを受け、所定角度回動駆動軸１５Ｂを回転させる。この回動力は、回動駆動軸１５Ｂに固定された駆動用レバー１７に伝達され、この駆動用レバー１７に係合した連結リング１８を回動させる。連結リング１８の回動とともに、これに係合した他のすべてのレバー１６が駆動用レバー１７と同様に回動することとなり、この結果、各レバー１６および駆動用レバー１７に結合されたすべての可変ノズル１５が同時に同角度回動する。これにより、可変ノズル１５の開度を変更し、ノズル部１９の入口面積を変更する。
【００３１】
ステップＳ３において、負荷変動dF/dt の絶対値が所定値dF1/dtより大きい場合、過渡応答時判定部３６は、ディーゼルエンジン１の運転状態が定常状態ではないと判断し、ステップＳ４に進む。ステップＳ４では、負荷変動dF/dt が負であるかどうかを判定する。負荷変動dF/dt が負であった場合、過渡応答時判定部３６は、ディーゼルエンジン１の運転状態が、高負荷側から低負荷側への移行時であると判断し、移行時の制御を行うようにノズル開度制御部３７へ信号を送信して、ステップＳ５へ進む。
【００３２】
ステップＳ５では、ノズル開度制御部３７は、過渡応答時判定部３６からの信号を受けて、可変ノズル１５の開度を元の高負荷側における開度に保持する指令を出力部３２に出力して、可変ノズル１５の開度を保持する。この状態で、ステップＳ６では、過渡応答時判定部３６が入力部３１からの燃料噴射量信号Ｆを基に負荷変動dF/dt を監視し、この負荷変動dF/dt の絶対値が所定値dF1/dtより小さくなるまで可変ノズル１５の開度を保持する。負荷変動dF/dt の絶対値が所定値dF1/dtに達すると、過渡応答時判定部３６は、ディーゼルエンジン１の運転状態が高負荷側から低負荷側への移行を終えたという信号をノズル開度制御部３７に送信して、ステップＳ７に進む。
【００３３】
ステップＳ７では、ノズル開度制御部３７は、過渡応答時判定部３６からの信号を受けて、内蔵されたタイマーを０に設定するとともに、可変ノズル１５の開度を引き続き元の高負荷側の開度に保持する。この開度を予め設定された第一の所定時間としての所定時間ｔ１保持するために、ステップＳ９において、保持時間ｔを監視し、保持時間ｔが所定時間ｔ１に達すると、ノズル開度制御部３７は、ディーゼルエンジン１の運転状態が高負荷側から低負荷側へ移行する時の可変ノズル１５の開度制御を終了し、ステップＳ１２に進み、前述と同様に定常状態の可変ノズル１５の開度の設定を行う。
以上のような制御により、可変ノズル１５の開度は図９に示されるように変化することとなる。
【００３４】
ステップＳ８では、ノズル開度制御部３７が可変ノズル１５の開度を所定時間ｔ１保持している間に、再び負荷の変動がないかどうかを監視している。このステップＳ８では、過渡応答時判定部３６が入力部３１からの燃料噴射量信号Ｆを基に負荷変動dF/dt を監視し、この負荷変動dF/dt の絶対値が所定値dF1/dtに達すると、過渡応答時判定部３６は、ディーゼルエンジン１の運転状態が再び過渡応答に入ったという信号をノズル開度制御部３７に送信して、ステップＳ４に戻る。
【００３５】
ステップＳ４において、ノズル開度制御部３７が可変ノズル１５の開度を元の高負荷側の開度に保持している間、つまり、所定時間ｔ１内に再び負荷の変動があった場合、このステップＳ４でその負荷変動dF/dt が負であるかどうかを判定する。負荷変動dF/dt が負であった場合は、ステップＳ５に再び進み、前述と同様に、可変ノズル１５の開度を保持する。負荷変動dF/dt が正であった場合、過渡応答時判定部３６は、ディーゼルエンジン１の運転状態が、高負荷側から低負荷側への移行時に、再び高負荷側へ移行したという信号をノズル開度制御部３７に送信して、ステップＳ１０に進む。
【００３６】
ステップＳ１０では、ノズル開度制御部３７は、過渡応答時判定部３６からの信号を受け、可変ノズル１５の開度を全開にするとともに、内蔵されたタイマーを０に設定する。ステップＳ１１において、ノズル開度制御部３７は、可変ノズル１５の開度を保持する保持時間ｔを監視する。この保持時間ｔが予め設定された第三の所定時間としての所定時間ｔ２に達すると、ノズル開度制御部３７は高負荷側から低負荷側への移行時に再び負荷がかかった場合の制御を終了し、ステップＳ１２に進んで、前述のように定常状態の可変ノズル１５の開度の設定を行う。
以上のような制御により、可変ノズル１５の開度は図１０に示されるように変化することとなる。
【００３７】
なお、ステップＳ３で負荷変動dF/dt の絶対値が所定値dF1/dtより大きいと判断されてステップＳ４に進んだ場合で、負荷変動dF/dt が正である時は、ディーゼルエンジン１の運転状態が定常状態の時に低負荷側から高負荷側に移行する状態であるが、この場合にもステップＳ１０に進んで、ノズル開度制御部３７は、可変ノズル１５の開度を所定時間ｔ２全開にし、その後定常状態の可変ノズル１５の開度に設定する。
以上のような制御を繰り返し行うことにより、ディーゼルエンジン１の運転状態を最適に保つ。
【００３８】
以上のような第一実施形態によれば、次のような効果が得られる。
(１) すなわち、ディーゼルエンジン１の負荷変動dF/dt が少ない定常状態では、可変ノズル１５の開度を負荷および回転速度に応じて変化させ、所定負荷Ｌ１以下の低負荷域では可変ノズル１５の開度をほぼ全開とし、所定負荷Ｌ１以上では高負荷になるに従って順次閉じる方向に調節するので、低負荷側ではエンジン本体２のポンピングロスが低減し、燃料消費量を向上することができ、所定負荷以上では、排気タービン過給機１０の入口面積を最適に設定して、効率を向上できる。
【００３９】
(２) ディーゼルエンジン１の運転状態が高負荷側から低負荷側への移行時には、過渡応答時およびその後所定時間ｔ１可変ノズル１５の開度を元の高負荷側の開度に保持するので、この間に再び負荷がかかった場合にも高い過給圧を保つことができ、過渡応答性を向上できる。このような制御は例えば、負荷変動範囲が比較的大きくて、高負荷側から移行する際に可変ノズル１５の開度が十分に閉じられているような条件で使用される排気タービン過給機には特に有用である。
【００４０】
(３) ディーゼルエンジン１の運転状態が、高負荷側から低負荷側への移行時に再び高負荷側へ負荷がかかった場合には、可変ノズル１５の開度を所定時間ｔ２全開にしてから、負荷および回転速度に応じた開度に設定するので、ディーゼルエンジン１の背圧が過剰に上昇するのを防ぐことができ、燃焼を良好にし、高負荷側へ移行する過渡応答性を向上できる。
【００４１】
次に、本発明の第二実施形態について説明する。
〔第二実施形態〕
第二実施形態は、低負荷側から高負荷側へ負荷がかかった場合の制御が第一実施形態と異なる。図６は、第二実施形態にかかる可変ノズルの開度制御を示すフローチャートである。
【００４２】
この図において、ステップＳ４で負荷変動dF/dt が正であると判断される場合とは、ステップＳ８において、可変ノズル１５の開度を元の高負荷側の開度に保持している間に再び負荷がかかった場合、あるいは、定常状態において低負荷側から高負荷側に負荷がかかった場合である。この場合には、ステップＳ１０およびステップＳ１１に進み、ノズル開度制御部３７は、第一実施形態と同様に所定時間ｔ２可変ノズル１５の開度を全開にする。その後、ステップＳ１４に進み、ノズル開度制御部３７は、内蔵されたタイマーを０に設定し直し、可変ノズル１５の開度を全閉にする指令を出力する。これにより、可変ノズル１５の開度は全閉に設定される。ステップＳ１５では、可変ノズル１５の開度を全閉に保持する保持時間ｔを監視する。保持時間ｔが予め設定された第四の所定時間としての所定時間ｔ３に達すると、ノズル開度制御部３７は低負荷側から高負荷側への移行時における可変ノズル１５の開度制御を終了し、ステップＳ１２に戻って、可変ノズル１５の開度を定常状態の開度に設定する。
このような制御により、可変ノズル１５の開度は図１１に示されるように変化することとなる。
【００４３】
以上のような第二実施形態によれば、第一実施形態における(１)(２)(３)と同様の効果の他、次のような効果が得られる。
(４) すなわち、高負荷側から低負荷側への移行時に、再び負荷がかかった場合に、所定時間ｔ２可変ノズル１５の開度を全開にし、その後所定時間ｔ３可変ノズル１５の開度を全閉にするので、ディーゼルエンジン１の背圧の異常上昇を防いで、応答性を向上できる上に、可変ノズル１５の開度を閉じることで、過給圧が高まり、より一層応答性を向上できる。このような制御は、例えば負荷が低負荷側から高負荷側へ移行する時に、過渡応答時間が長い使用条件で使用される排気タービン過給機には特に有用である。
【００４４】
次に、本発明の第三実施形態について説明する。
〔第三実施形態〕
第三実施形態は、高負荷側から低負荷側への移行時の制御が第一実施形態と異なる。図７は、第三実施形態にかかる可変ノズルの開度制御を示すフローチャートである。
【００４５】
この図において、ステップＳ４で負荷変動dF/dt が負であると判断されると、過渡応答時判定部３６は、ディーゼルエンジン１の運転状態が高負荷側から低負荷側への移行時であるという信号をノズル開度制御部３７に送信する。ノズル開度制御部３７は、この信号を受けて、ステップＳ１６において、内蔵されたタイマーを０に設定するとともに、可変ノズル１５の開度を全開にする指令を出力部３２に出力する。これにより、可変ノズル１５の開度は全開に設定される。
【００４６】
ステップＳ１７では、ノズル開度制御部３７は、可変ノズル１５の開度を全開に保持する保持時間ｔを監視する。保持時間ｔが予め設定された第二の所定時間としての所定時間ｔ４に達すると、ノズル開度制御部３７はステップＳ１８において、可変ノズル１５の開度を元の高負荷側における開度に設定する。その後、第一実施形態と同様に、所定時間ｔ１の間、可変ノズル１５の開度を元の高負荷側における開度に保持し、ステップＳ１２へ戻って、可変ノズル１５の開度を定常状態の開度に設定する。
以上のような制御により、可変ノズル１５の開度は図１２に示されるように変化することとなる。
【００４７】
以上のような第三実施形態によれば、第一実施形態における(１)(２)(３)と同様の効果の他、次のような効果が得られる。
(５) すなわち、ディーゼルエンジン１が高負荷側から低負荷側への移行初期に、可変ノズル１５の開度を所定時間ｔ４全開に保持するので、圧縮機１１の作動域がサージング限界に達するのを避けることができ、安定して運転状態の移行ができる。したがって、このような制御は、ディーゼルエンジン１が高負荷側から低負荷側へ移行した時に、圧縮機１１の作動域がサージング限界に近づく可能性のある使用条件で使用される排気タービン過給機に特に有用である。また、反対に、従来の運転では圧縮機の作動域がサージング限界に近づく可能性のある排気タービン過給機は適用できなかったが、本発明の制御を行うことにより、そのような場合でも、予め可変ノズル１５の開度を調節することで、サージング限界に達することなく運転状態を移行できるので、ディーゼルエンジン１への排気タービン過給機１０の適用領域を広げることができる。
【００４８】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、各実施形態では、高負荷側から低負荷側へ移行した時には、可変ノズル１５の開度を元の高負荷側の開度に保持していたが、これに限らず、より閉じた状態、例えば全閉としてもよい。この場合には、第一実施形態・第二実施形態では、可変ノズル１５の開度は図１３の実線に示されるように変化する。また、第三実施形態では、図１３の一部二点鎖線で示されるように変化することとなる。このような制御は、例えばディーゼルエンジン１が、高負荷側から低負荷側へ移行する時に元の高負荷側における排気タービン過給機１０の可変ノズル１５の開度が十分に閉じていないような使用条件で使用される場合などに特に有用である。
【００４９】
ディーゼルエンジン１の負荷が高負荷側へ、あるいは低負荷側へ移行する時の判定は、各実施形態ではエンジン本体２の回転速度信号Ｎおよび燃料噴射量Ｆから負荷を算出し、この負荷変動dF/dt を監視することによって判定していたが、本発明ではこれに限らない。例えば、エンジン本体２にトルクゲージやストレインゲージなどを取り付けて直接負荷Ｌを測定し、その負荷変動dL/dt を監視したり、あるいは、エンジン本体２の回転速度のみを監視することによってディーゼルエンジン１の運転状態を判定してもよい。
また、各実施形態において可変ノズル１５の開度を保持する各所定時間を設定していたが、これに限らず、負荷あるいは回転速度から可変ノズル１５の開度変更のタイミングを設定してもよい。
【００５０】
例えば、第一実施形態において負荷変化をトルクゲージやストレインゲージなどから得た負荷Ｌより判定すると、ディーゼルエンジン１の負荷変化は図１４のように表される。ディーゼルエンジン１の負荷が高負荷側から低負荷側に移行する際の移行の判定は、負荷Ｌの負荷変動dL/dt の絶対値と所定値dL1/dtとを比較することにより行えばよい。
また、所定時間ｔ１内にディーゼルエンジン１の負荷Ｌが再び低負荷側から高負荷側へ移行した場合には、予め第三の所定負荷としての所定負荷Ｌ３を設定しておき、負荷Ｌが所定負荷Ｌ３に達した時に可変ノズル１５の開度を予め設定された開度に設定すればよい。あるいは、この時、可変ノズル１５の開度の変更タイミングを負荷Ｌではなく、図１４(Ｂ)に示されるように回転速度Ｎによって設定してもよい。この場合には、予め第二の所定回転速度としての所定回転速度Ｎ２を設定しておき、回転速度Ｎが所定回転速度Ｎ２に達した時に可変ノズル１５の開度を変更すればよい。
【００５１】
同様に、第二実施形態において可変ノズル１５の開度の変更タイミングを負荷Ｌあるいは回転速度Ｎで設定してもよい。この場合には、図１５(Ａ)に示されるようにディーゼルエンジン１の負荷Ｌが、所定時間ｔ１内に再び低負荷側から高負荷側へ移行した場合には可変ノズル１５の開度を全開とし、あらかじめ設定された所定負荷Ｌ３に達した時に全閉に変更する。その後、ディーゼルエンジン１の負荷Ｌが予め設定された第四の所定負荷としての所定負荷Ｌ４に達した時に、可変ノズル１５の開度を予め設定された開度に変更する。
可変ノズル１５の開度の変更タイミングを回転速度Ｎで判定する場合には、図１５(Ｂ)に示されるように、ディーゼルエンジン１の回転速度があらかじめ設定された第二の所定回転速度としての所定回転速度Ｎ３に達するまで、可変ノズル１５の開度を全開にする。そして、あらかじめ設定された第三の所定回転速度としての所定回転速度Ｎ４に達するまで可変ノズル１５の開度を全閉とし、その後あらかじめ設定された開度に設定すればよい。
【００５２】
また、第三実施形態においては、ディーゼルエンジン１の負荷が高負荷側から低負荷側へ移行するときに、所定時間ｔ４可変ノズル１５の開度を全開としたが、これに限らず、図１６(Ａ)に示されるようにあらかじめ設定された第二の所定負荷としての所定負荷Ｌ５に達するまで可変ノズル１５の開度を全開としてもよい。
あるいは、図１６(Ｂ)に示されるようにあらかじめ設定された第一の所定回転速度としての所定回転速度Ｎ５に達するまで可変ノズル１５の開度を全開としてもよい。
【００５３】
可変ノズル１５の開度は、高負荷側へあるいは低負荷側へ移行する時に開いたり閉じたりするように適宜制御されているが、これらの開度は各実施形態において予め設定したように全開あるいは全閉でなくてもよい。つまり、可変ノズル１５の可変範囲は、排気タービン過給機１０やディーゼルエンジン１の使用範囲、その他の条件によって変化するので、これらの条件を勘案して全開、全閉に限らず適当な開度に予め設定してもよい。
【００５４】
第一の所定時間は、各実施形態では所定時間ｔ１となっていたが、これに限らず、例えば、ディーゼルエンジン１や排気タービン過給機１０の性能、使用範囲などから、過渡応答にかかる時間を推定できる場合には、予めこの過渡応答にかかる時間を考慮に入れた上で、所定時間ｔ１と過渡応答にかかる時間との和で設定してもよい。
【００５５】
回転速度信号Ｎおよび燃料噴射量信号Ｆは、エンジンコントローラ２５から得ていたが、これに限らず、例えば直接エンジン本体２に設けられたセンサから検出してもよい。
【００５６】
ディーゼルエンジン１の運転状態が定常状態である場合の可変ノズル１５の開度は、負荷および回転速度に応じて決定されていたが、これに限らず、負荷のみに応じて可変ノズル１５の開度を決定してもよい。
【００５７】
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態にかかるディーゼルエンジンのシステムを示す概略図である。
【図２】本発明の第一実施形態にかかる排気タービン過給機の全体を示す断面図である。
【図３】図２のIII-III断面図である。
【図４】本発明の第一実施形態にかかるノズル開度コントローラのブロック図である。
【図５】本発明の第一実施形態にかかる可変ノズルの開度制御を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第二実施形態にかかる可変ノズルの開度制御を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第三実施形態にかかる可変ノズルの開度制御を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第一実施形態にかかるディーゼルエンジンが定常状態の時の可変ノズルの開度を示す図である。
【図９】本発明の第一実施形態にかかるディーゼルエンジンが高負荷側から低負荷側へ移行した時の可変ノズルの開度を示す図である。
【図１０】本発明の第一実施形態にかかるディーゼルエンジンが低負荷側から高負荷側へ再び移行した時の可変ノズルの開度を示す図である。
【図１１】本発明の第二実施形態にかかるディーゼルエンジンが低負荷側から高負荷側へ再び移行した時の可変ノズルの開度を示す図である。
【図１２】本発明の第三実施形態にかかるディーゼルエンジンが高負荷側から低負荷側へ移行した時の可変ノズルの開度を示す図である。
【図１３】本発明の各実施形態における可変ノズルの開度の変形例を示す図である。
【図１４】本発明の第一実施形態における可変ノズルの開度の変形例を示す図である。
【図１５】本発明の第二実施形態における可変ノズルの開度の変形例を示す図である。
【図１６】本発明の第三実施形態における可変ノズルの開度の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１…内燃機関としてのディーゼルエンジン、２…エンジン本体、１０…排気タービン過給機、１３…排気タービン、１５…可変ノズル、２５…回転速度検出手段・負荷検出手段としてのエンジンコントローラ、３０…制御手段としてのノズル開度コントローラ、４０…ノズル開度調節手段としてのアクチュエータ、５０…ノズル開度制御装置。
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関に設けられ、排気ガスを利用して吸気を圧縮し、内燃機関に供給する排気タービン過給機の可変ノズル制御装置にかかる。
【０００２】
【背景技術】
従来、内燃機関に吸気を過給するものとして排気タービン過給機が知られている。これは、内燃機関の排気管路の途中に設けられた排気タービンと、吸気管路の途中に設けられた圧縮機とを備え、内燃機関の排気ガスによって排気タービンを駆動させ、この駆動力によって圧縮機を駆動して吸気を圧縮するものである。
このような排気タービン過給機には、排気タービンのノズル部の入口面積を可変にして、過給圧を調整するものがある。これは、排気タービンの排気ガス導入部分であるノズル部に可動式のノズルベーンを設置して、このノズルベーンを動作させることによりノズル部の入口面積を変更するものである。ノズルベーンを絞ってノズル部の入口面積を小さくすると、排気タービンに導入される排気ガスの流速が上がり、排気タービンの回収エネルギが上がるので、過給圧を上げることができる。ノズルベーンの制御は、一般的に負荷に応じて制御され、例えば、入口圧（排気圧力）と出口圧（給気圧力）とを比較し、これらの差（比）に応じてノズルベーンを開閉する方法などがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、トラックやバス用のディーゼルエンジンなどに使用される排気タービン過給機のノズルベーンの制御は、加速性の向上を狙って、低負荷時にノズルベーンの開度を最小にしている。しかしながら、低負荷時にノズル部の入口面積を小さくすると、内燃機関に流入する空気流量が大きくなり、吸気抵抗が増大するので、ディーゼルエンジンのポンピングロスが大きくなり、燃料消費率が悪化するという問題があった。
一方で、特開昭６３−５１１７号公報に開示されているように、ノズルベーンの制御を低負荷時に略全開にすると、ポンピングロスは抑制されるものの、負荷や速度の変動のある過渡応答時には応答性が悪くなるという問題があった。特に、排気タービン過給機を建設機械用のディーゼルエンジンなどに使用する場合では、負荷の変動が大きく、また、減速、再加速などを繰り返すため、過渡応答時における応答性の向上は非常に重要である。
【０００４】
本発明の目的は、低負荷時の燃料消費率がよく、かつ、過渡応答性が良好となる排気タービン過給機の可変ノズル開度制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段と作用効果】
そのため、本発明の請求項１に記載の排気タービン過給機の可変ノズル開度制御装置は、排気タービン過給機の可変ノズルの開度を調節可能なノズル開度調節手段と、排気タービン過給機が接続される内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段と、ノズル開度調節手段の動作を制御する制御手段とを備え、制御手段は、内燃機関の負荷が低負荷域では可変ノズルの開度をほぼ全開とし、第一の所定負荷以上では、負荷に応じて高負荷側になるに従い可変ノズルの開度を順次閉じる方向に制御するように予め設定され、内燃機関の負荷が高負荷側から低負荷側への移行後、第一の所定時間、元の高負荷側における可変ノズルの開度を保持、またはより閉じた開度とし、第一の所定時間経過後、予め設定した開度となるように制御するとともに、制御手段は、第一の所定時間内に、内燃機関の負荷が再び低負荷側から高負荷側に移行する時、あるいは、内燃機関の回転速度が再び低速側から高速側へ移行する時に、第三の所定時間、または、内燃機関の回転速度が第二の所定回転速度に達するまで、あるいは、内燃機関の負荷が第三の所定負荷に達するまで可変ノズルの開度を開き、第三の所定時間経過後、または、第二の所定回転速度に到達後、あるいは、第三の所定負荷に到達後、予め設定した開度となるように制御するように構成されたことを特徴とする。
【０００６】
この構成の本発明では、内燃機関の運転状態が負荷の変動がない、いわゆる定常状態では、低負荷側では可変ノズルの開度をほぼ全開に、また、第一の所定負荷以上では高負荷側に移行するに従って、順次閉じる方向に制御するので、各負荷での運転状態において最適な過給圧が保持される。特に、低負荷域では内燃機関のポンピングロスが低減され、燃料消費率が向上する。
また、高負荷側から低負荷側に移行する移行時には、移行後に可変ノズルの開度を第一の所定時間、元の高負荷側における開度に保持あるいはより閉じた開度に保持するので、この第一の所定時間内に再度負荷がかかった場合にも過給圧が高く保たれ、過渡応答性が良好となる。本発明は、負荷の変動が頻繁に行われる建設機械用のディーゼルエンジンなどに使用される場合に特に有用である。
さらに、建設機械用のディーゼルエンジンなどでは、内燃機関が高負荷側から低負荷側へ、あるいは、高速側から低速側へ移行した直後に再び高負荷側へあるいは高速側へ移行することがよくある。この際に、可変ノズルの開度が元の高負荷側あるいは高速側の開度となっていると、排気タービン過給機のノズル部の入口面積が小さく、内燃機関の背圧が過剰上昇してしまうことがある。この場合、排気タービンの効率が大幅に低下したり、排気ガスの排気不良により燃焼が悪化する。
この構成の本発明では、第一の所定時間内に内燃機関の運転状態が再び高負荷側あるいは高速側へ移行する時には、制御手段が予め第三の所定時間、または内燃機関の回転速度が第二の所定回転速度に達するまで、あるいは、内燃機関の負荷が第三の所定負荷に達するまで可変ノズルの開度を開くように構成されているので、背圧の異常上昇が防止されることにより、燃焼が良好となり、過渡応答性が向上する。
【０００７】
ここで、可変ノズルの開度の可変範囲は、排気タービン過給機や内燃機関の能力範囲等を勘案して適宜決定される。したがって、可変ノズルを全開または全閉にしたときのノズル部の入口面積は、可変ノズルの開度の可変範囲の設定により、適宜決定される。
また、所定負荷は、過給圧を高める必要が生じる時点の負荷であり、これは、可変ノズルの開度の可変範囲や、排気タービン過給機の能力範囲、内燃機関の使用運転範囲などを勘案して予め決定される。
【０００８】
本発明の請求項２に記載の排気タービン過給機の可変ノズル開度制御装置は、排気タービン過給機の可変ノズルの開度を調節可能なノズル開度調節手段と、排気タービン過給機が接続される内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段と、ノズル開度調節手段の動作を制御する制御手段とを備え、制御手段は、内燃機関の負荷が低負荷域では可変ノズルの開度をほぼ全開とし、第一の所定負荷以上では、負荷に応じて高負荷側になるに従い可変ノズルの開度を順次閉じる方向に制御するように予め設定され、内燃機関の負荷が高負荷側から低負荷側への移行後、第一の所定時間、元の高負荷側における可変ノズルの開度を保持、またはより閉じた開度とし、第一の所定時間経過後、予め設定した開度となるように制御するとともに、制御手段は、第一の所定時間内に、内燃機関の負荷が再び低負荷側から高負荷側に移行する時、あるいは、内燃機関の回転速度が再び低速側から高速側へ移行する時に、第三の所定時間、または内燃機関の回転速度が第二の所定回転速度に達するまで、あるいは、内燃機関の負荷が第三の所定負荷に達するまで可変ノズルの開度を開き、第三の所定時間経過後、または、第二の所定回転速度に到達後、あるいは、第三の所定負荷に到達後に、第四の所定時間、または第三の所定回転速度に達するまで、あるいは、第四の所定負荷に達するまで可変ノズルの開度を閉じ、第四の所定時間経過後、または、第三の所定回転速度に到達後、あるいは、第四の所定負荷に到達後、予め設定したノズル開度となるように制御するように構成されたことを特徴とする。
【０００９】
本発明では、低負荷時の燃料消費率がよく、かつ、過渡応答性が良好であるうえ、以下の効果がある。
つまり、この構成の本発明では、第一の所定時間内に内燃機関の運転状態が再び高負荷側あるいは高速側へ移行する場合には、内燃機関の背圧の異常上昇を防止するために第三の所定時間、または内燃機関の回転速度が第二の所定回転速度に達するまで、あるいは内燃機関の負荷が第三の所定負荷に達するまで可変ノズルの開度を開くが、その後第四の所定時間、または、第三の回転速度に達するまで、あるいは、第四の所定負荷に達するまで開度を閉じるので、これにより過給圧が高まり、背圧の異常上昇が生じることなくより一層過渡応答性が向上する。
【００１０】
本発明の請求項３に記載の排気タービン過給機の可変ノズル開度制御装置は、排気タービン過給機の可変ノズルの開度を調節可能なノズル開度調節手段と、排気タービン過給機が接続される内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段と、ノズル開度調節手段の動作を制御する制御手段とを備え、制御手段は、内燃機関の負荷が低負荷域では可変ノズルの開度をほぼ全開とし、第一の所定負荷以上では、負荷に応じて高負荷側になるに従い可変ノズルの開度を順次閉じる方向に制御するように予め設定され、内燃機関の負荷が高負荷側から低負荷側への移行後、第一の所定時間、元の高負荷側における可変ノズルの開度をより閉じた開度とし、第一の所定時間経過後、予め設定した開度となるように制御するように構成されたことを特徴とする。
【００１１】
本発明でも、請求項１の発明と同様に、低負荷時の燃料消費率がよく、かつ、過渡応答性を良好にできる。
【００１２】
本発明の請求項４に記載の排気タービン過給機の可変ノズル開度制御装置は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の排気タービン過給機の可変ノズル開度制御装置において、内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出手段を備え、制御手段は、内燃機関の負荷が高負荷側から低負荷側への移行時、あるいは、内燃機関の回転速度が高速側から低速側への移行初期には、第二の所定時間、または、内燃機関の回転速度が第一の所定回転速度に低下するまで、あるいは、内燃機関の負荷が第二の所定負荷に低下するまで、可変ノズルの開度を開くように制御するように構成されたことを特徴とする。
【００１３】
内燃機関の負荷が高負荷側から低負荷側への移行時、あるいは、高速側から低速側への移行時に排気タービン過給機の可変ノズルの開度を保持、あるいは、より閉じた開度にすると、負荷あるいは速度の移行経路によっては圧縮機の作動域がサージング限界に近づいてしまうことがある。圧縮機の作動域がサージング限界に達すると、排気タービン過給機の振動や、振動による騒音が大きくなり、排気タービン過給機の運転が不安定になる。
この構成の本発明では、排気タービン過給機がこのような状況になる可能性のある条件で使用される場合には、高負荷側から低負荷側あるいは高速側から低速側への移行初期に、制御手段が、予め、第二の所定時間、または、内燃機関の回転速度が第一の所定回転速度に低下するまで、あるいは内燃機関の負荷が第二の所定負荷に低下するまで可変ノズルの開度を開くように構成されているので、圧縮機の作動域がサージング限界に達することなく低負荷側あるいは低速側へ移行され、安定した運転が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において、同様の部分については同一符号を付し、説明を簡単にあるいは省略する。
〔第一実施形態〕
図１には、本発明の一実施形態にかかる内燃機関としてのディーゼルエンジン１のシステムが示されている。
この図において、ディーゼルエンジン１は、それぞれ内部に複数（本実施形態では四つ）の燃焼室が形成されたエンジン本体２と、燃焼室に吸気を導入する吸気管路３と、外部へ排気ガスを排出する排気管路４と、ディーゼルエンジン１を冷却するための冷却機構５と、過給を行うために吸気を圧縮する排気タービン過給機１０と、排気タービン過給機１０の可変ノズルの開度を調節するノズル開度調節手段としてのアクチュエータ４０と、ディーゼルエンジン１の動作を制御するエンジンコントローラ２５と、アクチュエータ４０の動作を制御する制御手段としてのノズル開度コントローラ３０とを備えている。
なお、本実施形態では、アクチュエータ４０と、エンジンコントローラ２５と、ノズル開度コントローラ３０とを備えてノズル開度制御装置５０が構成されている。
【００１５】
冷却機構５は、エンジン本体２内に収められたクランクシャフト（図示せず）等により駆動されるポンプ８を備え、ポンプ８によって圧送された冷却水は、ディーゼルエンジン１のエンジン本体２、排気タービン過給機１０、図示しないオイルクーラ等の冷却必要部位を冷却した後、冷却機構５に設けられたラジエータ６で空冷されるようになっている。また、吸気管路３の途中には、排気タービン過給機１０で圧縮された空気を冷却するためのインタークーラ７が設けられている。
このラジエータ６およびインタークーラ７は、エンジン本体２に設けられ、かつ、クランクシャフト等により回転駆動されるファン９によって、その冷却作用が促進されるようになっている。
【００１６】
排気タービン過給機１０は、排気管路４の途中に設けられた排気タービン１３と、吸気管路３の途中に設けられた圧縮機１１とを備える。図２に示されるように、排気タービン１３は、流入する排気ガスによって回転するタービンホイール２０を有し、また、圧縮機１１は回転することで外部からの吸気を圧縮するインペラ２１を有する。これらのタービンホイール２０とインペラ２１とはシャフト１２で連結されており、ハウジング１４によって回転可能に支持されている。
【００１７】
排気タービン１３は、タービンホイール２０の外周に沿って、排気ガスを導入するノズル部１９の入口面積を調節する複数の可変ノズル１５を備えている。これらの可変ノズル１５には、アクチュエータ４０によってノズル部の入口面積を調節できるように、リンク機構が設けられている。
【００１８】
可変ノズル１５は、図３にも示されるようにタービンホイール２０の外周に沿って等間隔に設置され、これら可変ノズル１５の回動軸１５Ａが、ノズル部１９の一部を形成するプレート２３を貫通して回動可能に支持されている。
円周上に配置された各回動軸１５Ａで囲まれた領域の内側には、シャフト１２と同心円上で回動可能な連結リング１８が設けられている。この連結リング１８の外周には半長孔状の係合孔２２が形成されており、この係合孔２２には、棒状のレバー１６の一端が回動可能に、かつ摺動可能に係合されている。各レバー１６の他端は各回動軸１５Ａに固定されており、これらのレバー１６を介して連結リング１８が回動軸１５Ａに支持されている。
【００１９】
複数の回動軸１５Ａのうちの一本は、ハウジング１４をも貫通した回動駆動軸１５Ｂとなっている。また、レバー１６のうち、回動駆動軸１５Ｂに結合されたものは、駆動用レバー１７となっている。
【００２０】
回動駆動軸１５Ｂは、ハウジング１４を貫通して回動可能に軸支され、貫通部分は簡易なリング状のシール部材により密封されている。また、回動駆動軸１５Ｂは、他の回動軸１５Ａよりも径寸法が大きく、高剛性に形成されている。これにより、回動駆動軸１５Ｂは、すべての回動軸１５Ａが連結された連結リング１８を、駆動用レバー１７を介して回動させるのに十分な剛性を有する。また、駆動用レバー１７は、回動駆動軸１５Ｂからの回動駆動力を連結リング１８に伝達するのに十分な剛性を有するように、他のレバー１６よりも太く、高剛性になっている。
このような回動駆動軸１５Ｂは、ハウジング１４の外部に配置されたアクチュエータ４０に接続されている。
【００２１】
アクチュエータ４０は、ノズル開度コントローラ３０と電気的に接続しており、ノズル開度コントローラ３０からの指示に従って回動駆動軸１５Ｂを駆動するために設けられている。ここで、アクチュエータ４０は、油圧を利用したものや、空気圧を利用したものなどが採用できる。
【００２２】
なお、ノズル部１９の入口面積可変範囲は、可変ノズル１５の回動範囲によって決定されるが、この回動範囲は排気タービン過給機１０の過給能力範囲や、ディーゼルエンジン１の使用運転範囲などを勘案して予め適宜設定されている。本実施形態では、可変ノズル１５の回動範囲を、ノズル部１９の入口面積が最大となるような角度を全開に、また、ディーゼルエンジン１の運転範囲や排気タービン過給機１０の過給能力範囲のうち取りうる最小の入口面積となる角度を全閉と設定している。したがって、本実施形態では、可変ノズル１５の開度を全閉としても、ノズル部１９の入口面積は０とはならない。
【００２３】
エンジンコントローラ２５は、エンジン本体２の燃料噴射量などを制御するために設けられ、図１に示されるように、エンジン本体２のクランクシャフトから得たエンジン本体２の回転速度信号Ｎや、負荷信号としての燃料噴射量信号Ｆなどを受信している。エンジンコントローラ２５は、これらの信号によりディーゼルエンジン１の運転状態を把握し、状態に応じて燃料噴射量の調整などの制御を行っている。また、エンジンコントローラ２５は、ノズル開度コントローラ３０に電気的に接続されており、ノズル開度コントローラ３０へ回転速度信号Ｎおよび燃料噴射量信号Ｆを送信している。したがって、本実施形態では、このエンジンコントローラ２５が本発明における回転速度検出手段および負荷検出手段となっている。
【００２４】
ノズル開度コントローラ３０は、図４に示されるように、エンジンコントローラ２５からの各検出信号を受信する入力部３１と、この入力部３１の信号より、ディーゼルエンジン１の負荷変動から運転状態が高負荷側あるいは低負荷側への移行時かどうかを判定する過渡応答時判定部３６と、入力部３１のからの入力信号に対して最適な可変ノズル１５の開度が予め設定され、マップやテーブルなどとして記憶されている記憶部３３と、記憶部３３に記憶された情報に基づいて最適な可変ノズル１５の開度を決定するノズル開度制御部３７と、ノズル開度制御部３７からの開度の設定指令を受けて、これをアクチュエータ４０に出力する出力部３２とを備える。
【００２５】
記憶部３３は、ディーゼルエンジン１の運転状態に応じた可変ノズル１５の開度を示したマップＭを記憶している。本実施形態ではマップＭは、ディーゼルエンジン１の運転状態が負荷の変動が少ない、いわゆる定常状態において、各負荷における最適な可変ノズル１５の開度が回転速度Ｎと燃料噴射量Ｆとの関数で定義されているものである。このマップＭは、図８に示されるように、所定負荷以下の低負荷域では可変ノズル１５の開度をほぼ全開とし、第一の所定負荷としての所定負荷Ｌ１以上では、負荷に応じて高負荷側になるに従い可変ノズル１５の開度を順次閉じる方向に設定されている。
【００２６】
このような構成のディーゼルエンジン１は、次のように動作する。
まず、ディーゼルエンジン１の始動にともなって、排気タービン過給機１０は、排気ガスによってタービンホイール２０を回転させ、シャフト１２で連結したインペラ２１を回転させることによりエンジン本体２への過給を行う。エンジンコントローラ２５は、エンジン本体２の回転速度信号Ｎおよび燃料噴射量信号Ｆなどの信号からエンジン本体２の運転状態を把握するとともに、ノズル開度コントローラ３０へ回転速度信号Ｎおよび燃料噴射量信号Ｆを送信する。
【００２７】
ノズル開度コントローラ３０は、入力部３１においてエンジンコントローラ２５からの入力信号を受信する。ノズル開度コントローラ３０は、各入力信号よりディーゼルエンジン１の各運転状態における最適な可変ノズル１５の開度の決定を以下のように行う。
図５には、第一実施形態における可変ノズル１５の開度制御を示すフローチャートが示されている。
【００２８】
この図において、ステップＳ１では、ノズル開度制御部３７は記憶部３３よりマップＭを読み込む。ステップＳ２では、入力部３１はエンジンコントローラ２５より回転速度信号Ｎおよび燃料噴射量信号Ｆを入力する。ステップＳ３では、過渡応答時判定部３６がこれらの信号を受信し、燃料噴射量の変動、つまり、負荷変動dF/dt の絶対値が所定値dF1/dtに達しているかどうかを判定する。負荷変動dF/dt の絶対値が所定値dF1/dtに達していない場合、過渡応答時判定部３６は、ディーゼルエンジン１の運転状態が負荷変動の少ない定常状態であると判断し、定常状態の制御を行うようにノズル開度制御部３７へ信号を送信して、ステップＳ１２へ進む。
【００２９】
ステップＳ１２では、ノズル開度制御部３７は、過渡応答時判定部３６からの信号を受け、マップＭから、負荷（燃料噴射量）および回転速度に応じたノズル開度を計算し、ステップＳ１３において、そのノズル開度に変更するために必要な可変ノズル１５の回動所定角度を出力部３２に出力する。出力部３２は、アクチュエータ４０に可変ノズル１５を所定角度回動させるノズル開度信号Ａを送信する。
【００３０】
アクチュエータ４０は、ノズル開度コントローラ３０の出力部３２からのノズル開度信号Ａを受け、所定角度回動駆動軸１５Ｂを回転させる。この回動力は、回動駆動軸１５Ｂに固定された駆動用レバー１７に伝達され、この駆動用レバー１７に係合した連結リング１８を回動させる。連結リング１８の回動とともに、これに係合した他のすべてのレバー１６が駆動用レバー１７と同様に回動することとなり、この結果、各レバー１６および駆動用レバー１７に結合されたすべての可変ノズル１５が同時に同角度回動する。これにより、可変ノズル１５の開度を変更し、ノズル部１９の入口面積を変更する。
【００３１】
ステップＳ３において、負荷変動dF/dt の絶対値が所定値dF1/dtより大きい場合、過渡応答時判定部３６は、ディーゼルエンジン１の運転状態が定常状態ではないと判断し、ステップＳ４に進む。ステップＳ４では、負荷変動dF/dt が負であるかどうかを判定する。負荷変動dF/dt が負であった場合、過渡応答時判定部３６は、ディーゼルエンジン１の運転状態が、高負荷側から低負荷側への移行時であると判断し、移行時の制御を行うようにノズル開度制御部３７へ信号を送信して、ステップＳ５へ進む。
【００３２】
ステップＳ５では、ノズル開度制御部３７は、過渡応答時判定部３６からの信号を受けて、可変ノズル１５の開度を元の高負荷側における開度に保持する指令を出力部３２に出力して、可変ノズル１５の開度を保持する。この状態で、ステップＳ６では、過渡応答時判定部３６が入力部３１からの燃料噴射量信号Ｆを基に負荷変動dF/dt を監視し、この負荷変動dF/dt の絶対値が所定値dF1/dtより小さくなるまで可変ノズル１５の開度を保持する。負荷変動dF/dt の絶対値が所定値dF1/dtに達すると、過渡応答時判定部３６は、ディーゼルエンジン１の運転状態が高負荷側から低負荷側への移行を終えたという信号をノズル開度制御部３７に送信して、ステップＳ７に進む。
【００３３】
ステップＳ７では、ノズル開度制御部３７は、過渡応答時判定部３６からの信号を受けて、内蔵されたタイマーを０に設定するとともに、可変ノズル１５の開度を引き続き元の高負荷側の開度に保持する。この開度を予め設定された第一の所定時間としての所定時間ｔ１保持するために、ステップＳ９において、保持時間ｔを監視し、保持時間ｔが所定時間ｔ１に達すると、ノズル開度制御部３７は、ディーゼルエンジン１の運転状態が高負荷側から低負荷側へ移行する時の可変ノズル１５の開度制御を終了し、ステップＳ１２に進み、前述と同様に定常状態の可変ノズル１５の開度の設定を行う。
以上のような制御により、可変ノズル１５の開度は図９に示されるように変化することとなる。
【００３４】
ステップＳ８では、ノズル開度制御部３７が可変ノズル１５の開度を所定時間ｔ１保持している間に、再び負荷の変動がないかどうかを監視している。このステップＳ８では、過渡応答時判定部３６が入力部３１からの燃料噴射量信号Ｆを基に負荷変動dF/dt を監視し、この負荷変動dF/dt の絶対値が所定値dF1/dtに達すると、過渡応答時判定部３６は、ディーゼルエンジン１の運転状態が再び過渡応答に入ったという信号をノズル開度制御部３７に送信して、ステップＳ４に戻る。
【００３５】
ステップＳ４において、ノズル開度制御部３７が可変ノズル１５の開度を元の高負荷側の開度に保持している間、つまり、所定時間ｔ１内に再び負荷の変動があった場合、このステップＳ４でその負荷変動dF/dt が負であるかどうかを判定する。負荷変動dF/dt が負であった場合は、ステップＳ５に再び進み、前述と同様に、可変ノズル１５の開度を保持する。負荷変動dF/dt が正であった場合、過渡応答時判定部３６は、ディーゼルエンジン１の運転状態が、高負荷側から低負荷側への移行時に、再び高負荷側へ移行したという信号をノズル開度制御部３７に送信して、ステップＳ１０に進む。
【００３６】
ステップＳ１０では、ノズル開度制御部３７は、過渡応答時判定部３６からの信号を受け、可変ノズル１５の開度を全開にするとともに、内蔵されたタイマーを０に設定する。ステップＳ１１において、ノズル開度制御部３７は、可変ノズル１５の開度を保持する保持時間ｔを監視する。この保持時間ｔが予め設定された第三の所定時間としての所定時間ｔ２に達すると、ノズル開度制御部３７は高負荷側から低負荷側への移行時に再び負荷がかかった場合の制御を終了し、ステップＳ１２に進んで、前述のように定常状態の可変ノズル１５の開度の設定を行う。
以上のような制御により、可変ノズル１５の開度は図１０に示されるように変化することとなる。
【００３７】
なお、ステップＳ３で負荷変動dF/dt の絶対値が所定値dF1/dtより大きいと判断されてステップＳ４に進んだ場合で、負荷変動dF/dt が正である時は、ディーゼルエンジン１の運転状態が定常状態の時に低負荷側から高負荷側に移行する状態であるが、この場合にもステップＳ１０に進んで、ノズル開度制御部３７は、可変ノズル１５の開度を所定時間ｔ２全開にし、その後定常状態の可変ノズル１５の開度に設定する。
以上のような制御を繰り返し行うことにより、ディーゼルエンジン１の運転状態を最適に保つ。
【００３８】
以上のような第一実施形態によれば、次のような効果が得られる。
(１) すなわち、ディーゼルエンジン１の負荷変動dF/dt が少ない定常状態では、可変ノズル１５の開度を負荷および回転速度に応じて変化させ、所定負荷Ｌ１以下の低負荷域では可変ノズル１５の開度をほぼ全開とし、所定負荷Ｌ１以上では高負荷になるに従って順次閉じる方向に調節するので、低負荷側ではエンジン本体２のポンピングロスが低減し、燃料消費量を向上することができ、所定負荷以上では、排気タービン過給機１０の入口面積を最適に設定して、効率を向上できる。
【００３９】
(２) ディーゼルエンジン１の運転状態が高負荷側から低負荷側への移行時には、過渡応答時およびその後所定時間ｔ１可変ノズル１５の開度を元の高負荷側の開度に保持するので、この間に再び負荷がかかった場合にも高い過給圧を保つことができ、過渡応答性を向上できる。このような制御は例えば、負荷変動範囲が比較的大きくて、高負荷側から移行する際に可変ノズル１５の開度が十分に閉じられているような条件で使用される排気タービン過給機には特に有用である。
【００４０】
(３) ディーゼルエンジン１の運転状態が、高負荷側から低負荷側への移行時に再び高負荷側へ負荷がかかった場合には、可変ノズル１５の開度を所定時間ｔ２全開にしてから、負荷および回転速度に応じた開度に設定するので、ディーゼルエンジン１の背圧が過剰に上昇するのを防ぐことができ、燃焼を良好にし、高負荷側へ移行する過渡応答性を向上できる。
【００４１】
次に、本発明の第二実施形態について説明する。
〔第二実施形態〕
第二実施形態は、低負荷側から高負荷側へ負荷がかかった場合の制御が第一実施形態と異なる。図６は、第二実施形態にかかる可変ノズルの開度制御を示すフローチャートである。
【００４２】
この図において、ステップＳ４で負荷変動dF/dt が正であると判断される場合とは、ステップＳ８において、可変ノズル１５の開度を元の高負荷側の開度に保持している間に再び負荷がかかった場合、あるいは、定常状態において低負荷側から高負荷側に負荷がかかった場合である。この場合には、ステップＳ１０およびステップＳ１１に進み、ノズル開度制御部３７は、第一実施形態と同様に所定時間ｔ２可変ノズル１５の開度を全開にする。その後、ステップＳ１４に進み、ノズル開度制御部３７は、内蔵されたタイマーを０に設定し直し、可変ノズル１５の開度を全閉にする指令を出力する。これにより、可変ノズル１５の開度は全閉に設定される。ステップＳ１５では、可変ノズル１５の開度を全閉に保持する保持時間ｔを監視する。保持時間ｔが予め設定された第四の所定時間としての所定時間ｔ３に達すると、ノズル開度制御部３７は低負荷側から高負荷側への移行時における可変ノズル１５の開度制御を終了し、ステップＳ１２に戻って、可変ノズル１５の開度を定常状態の開度に設定する。
このような制御により、可変ノズル１５の開度は図１１に示されるように変化することとなる。
【００４３】
以上のような第二実施形態によれば、第一実施形態における(１)(２)(３)と同様の効果の他、次のような効果が得られる。
(４) すなわち、高負荷側から低負荷側への移行時に、再び負荷がかかった場合に、所定時間ｔ２可変ノズル１５の開度を全開にし、その後所定時間ｔ３可変ノズル１５の開度を全閉にするので、ディーゼルエンジン１の背圧の異常上昇を防いで、応答性を向上できる上に、可変ノズル１５の開度を閉じることで、過給圧が高まり、より一層応答性を向上できる。このような制御は、例えば負荷が低負荷側から高負荷側へ移行する時に、過渡応答時間が長い使用条件で使用される排気タービン過給機には特に有用である。
【００４４】
次に、本発明の第三実施形態について説明する。
〔第三実施形態〕
第三実施形態は、高負荷側から低負荷側への移行時の制御が第一実施形態と異なる。図７は、第三実施形態にかかる可変ノズルの開度制御を示すフローチャートである。
【００４５】
この図において、ステップＳ４で負荷変動dF/dt が負であると判断されると、過渡応答時判定部３６は、ディーゼルエンジン１の運転状態が高負荷側から低負荷側への移行時であるという信号をノズル開度制御部３７に送信する。ノズル開度制御部３７は、この信号を受けて、ステップＳ１６において、内蔵されたタイマーを０に設定するとともに、可変ノズル１５の開度を全開にする指令を出力部３２に出力する。これにより、可変ノズル１５の開度は全開に設定される。
【００４６】
ステップＳ１７では、ノズル開度制御部３７は、可変ノズル１５の開度を全開に保持する保持時間ｔを監視する。保持時間ｔが予め設定された第二の所定時間としての所定時間ｔ４に達すると、ノズル開度制御部３７はステップＳ１８において、可変ノズル１５の開度を元の高負荷側における開度に設定する。その後、第一実施形態と同様に、所定時間ｔ１の間、可変ノズル１５の開度を元の高負荷側における開度に保持し、ステップＳ１２へ戻って、可変ノズル１５の開度を定常状態の開度に設定する。
以上のような制御により、可変ノズル１５の開度は図１２に示されるように変化することとなる。
【００４７】
以上のような第三実施形態によれば、第一実施形態における(１)(２)(３)と同様の効果の他、次のような効果が得られる。
(５) すなわち、ディーゼルエンジン１が高負荷側から低負荷側への移行初期に、可変ノズル１５の開度を所定時間ｔ４全開に保持するので、圧縮機１１の作動域がサージング限界に達するのを避けることができ、安定して運転状態の移行ができる。したがって、このような制御は、ディーゼルエンジン１が高負荷側から低負荷側へ移行した時に、圧縮機１１の作動域がサージング限界に近づく可能性のある使用条件で使用される排気タービン過給機に特に有用である。また、反対に、従来の運転では圧縮機の作動域がサージング限界に近づく可能性のある排気タービン過給機は適用できなかったが、本発明の制御を行うことにより、そのような場合でも、予め可変ノズル１５の開度を調節することで、サージング限界に達することなく運転状態を移行できるので、ディーゼルエンジン１への排気タービン過給機１０の適用領域を広げることができる。
【００４８】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、各実施形態では、高負荷側から低負荷側へ移行した時には、可変ノズル１５の開度を元の高負荷側の開度に保持していたが、これに限らず、より閉じた状態、例えば全閉としてもよい。この場合には、第一実施形態・第二実施形態では、可変ノズル１５の開度は図１３の実線に示されるように変化する。また、第三実施形態では、図１３の一部二点鎖線で示されるように変化することとなる。このような制御は、例えばディーゼルエンジン１が、高負荷側から低負荷側へ移行する時に元の高負荷側における排気タービン過給機１０の可変ノズル１５の開度が十分に閉じていないような使用条件で使用される場合などに特に有用である。
【００４９】
ディーゼルエンジン１の負荷が高負荷側へ、あるいは低負荷側へ移行する時の判定は、各実施形態ではエンジン本体２の回転速度信号Ｎおよび燃料噴射量Ｆから負荷を算出し、この負荷変動dF/dt を監視することによって判定していたが、本発明ではこれに限らない。例えば、エンジン本体２にトルクゲージやストレインゲージなどを取り付けて直接負荷Ｌを測定し、その負荷変動dL/dt を監視したり、あるいは、エンジン本体２の回転速度のみを監視することによってディーゼルエンジン１の運転状態を判定してもよい。
また、各実施形態において可変ノズル１５の開度を保持する各所定時間を設定していたが、これに限らず、負荷あるいは回転速度から可変ノズル１５の開度変更のタイミングを設定してもよい。
【００５０】
例えば、第一実施形態において負荷変化をトルクゲージやストレインゲージなどから得た負荷Ｌより判定すると、ディーゼルエンジン１の負荷変化は図１４のように表される。ディーゼルエンジン１の負荷が高負荷側から低負荷側に移行する際の移行の判定は、負荷Ｌの負荷変動dL/dt の絶対値と所定値dL1/dtとを比較することにより行えばよい。
また、所定時間ｔ１内にディーゼルエンジン１の負荷Ｌが再び低負荷側から高負荷側へ移行した場合には、予め第三の所定負荷としての所定負荷Ｌ３を設定しておき、負荷Ｌが所定負荷Ｌ３に達した時に可変ノズル１５の開度を予め設定された開度に設定すればよい。あるいは、この時、可変ノズル１５の開度の変更タイミングを負荷Ｌではなく、図１４(Ｂ)に示されるように回転速度Ｎによって設定してもよい。この場合には、予め第二の所定回転速度としての所定回転速度Ｎ２を設定しておき、回転速度Ｎが所定回転速度Ｎ２に達した時に可変ノズル１５の開度を変更すればよい。
【００５１】
同様に、第二実施形態において可変ノズル１５の開度の変更タイミングを負荷Ｌあるいは回転速度Ｎで設定してもよい。この場合には、図１５(Ａ)に示されるようにディーゼルエンジン１の負荷Ｌが、所定時間ｔ１内に再び低負荷側から高負荷側へ移行した場合には可変ノズル１５の開度を全開とし、あらかじめ設定された所定負荷Ｌ３に達した時に全閉に変更する。その後、ディーゼルエンジン１の負荷Ｌが予め設定された第四の所定負荷としての所定負荷Ｌ４に達した時に、可変ノズル１５の開度を予め設定された開度に変更する。
可変ノズル１５の開度の変更タイミングを回転速度Ｎで判定する場合には、図１５(Ｂ)に示されるように、ディーゼルエンジン１の回転速度があらかじめ設定された第二の所定回転速度としての所定回転速度Ｎ３に達するまで、可変ノズル１５の開度を全開にする。そして、あらかじめ設定された第三の所定回転速度としての所定回転速度Ｎ４に達するまで可変ノズル１５の開度を全閉とし、その後あらかじめ設定された開度に設定すればよい。
【００５２】
また、第三実施形態においては、ディーゼルエンジン１の負荷が高負荷側から低負荷側へ移行するときに、所定時間ｔ４可変ノズル１５の開度を全開としたが、これに限らず、図１６(Ａ)に示されるようにあらかじめ設定された第二の所定負荷としての所定負荷Ｌ５に達するまで可変ノズル１５の開度を全開としてもよい。
あるいは、図１６(Ｂ)に示されるようにあらかじめ設定された第一の所定回転速度としての所定回転速度Ｎ５に達するまで可変ノズル１５の開度を全開としてもよい。
【００５３】
可変ノズル１５の開度は、高負荷側へあるいは低負荷側へ移行する時に開いたり閉じたりするように適宜制御されているが、これらの開度は各実施形態において予め設定したように全開あるいは全閉でなくてもよい。つまり、可変ノズル１５の可変範囲は、排気タービン過給機１０やディーゼルエンジン１の使用範囲、その他の条件によって変化するので、これらの条件を勘案して全開、全閉に限らず適当な開度に予め設定してもよい。
【００５４】
第一の所定時間は、各実施形態では所定時間ｔ１となっていたが、これに限らず、例えば、ディーゼルエンジン１や排気タービン過給機１０の性能、使用範囲などから、過渡応答にかかる時間を推定できる場合には、予めこの過渡応答にかかる時間を考慮に入れた上で、所定時間ｔ１と過渡応答にかかる時間との和で設定してもよい。
【００５５】
回転速度信号Ｎおよび燃料噴射量信号Ｆは、エンジンコントローラ２５から得ていたが、これに限らず、例えば直接エンジン本体２に設けられたセンサから検出してもよい。
【００５６】
ディーゼルエンジン１の運転状態が定常状態である場合の可変ノズル１５の開度は、負荷および回転速度に応じて決定されていたが、これに限らず、負荷のみに応じて可変ノズル１５の開度を決定してもよい。
【００５７】
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態にかかるディーゼルエンジンのシステムを示す概略図である。
【図２】本発明の第一実施形態にかかる排気タービン過給機の全体を示す断面図である。
【図３】図２のIII-III断面図である。
【図４】本発明の第一実施形態にかかるノズル開度コントローラのブロック図である。
【図５】本発明の第一実施形態にかかる可変ノズルの開度制御を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第二実施形態にかかる可変ノズルの開度制御を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第三実施形態にかかる可変ノズルの開度制御を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第一実施形態にかかるディーゼルエンジンが定常状態の時の可変ノズルの開度を示す図である。
【図９】本発明の第一実施形態にかかるディーゼルエンジンが高負荷側から低負荷側へ移行した時の可変ノズルの開度を示す図である。
【図１０】本発明の第一実施形態にかかるディーゼルエンジンが低負荷側から高負荷側へ再び移行した時の可変ノズルの開度を示す図である。
【図１１】本発明の第二実施形態にかかるディーゼルエンジンが低負荷側から高負荷側へ再び移行した時の可変ノズルの開度を示す図である。
【図１２】本発明の第三実施形態にかかるディーゼルエンジンが高負荷側から低負荷側へ移行した時の可変ノズルの開度を示す図である。
【図１３】本発明の各実施形態における可変ノズルの開度の変形例を示す図である。
【図１４】本発明の第一実施形態における可変ノズルの開度の変形例を示す図である。
【図１５】本発明の第二実施形態における可変ノズルの開度の変形例を示す図である。
【図１６】本発明の第三実施形態における可変ノズルの開度の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１…内燃機関としてのディーゼルエンジン、２…エンジン本体、１０…排気タービン過給機、１３…排気タービン、１５…可変ノズル、２５…回転速度検出手段・負荷検出手段としてのエンジンコントローラ、３０…制御手段としてのノズル開度コントローラ、４０…ノズル開度調節手段としてのアクチュエータ、５０…ノズル開度制御装置。
Claims (4)
- 排気タービン過給機(１０)の可変ノズル開度制御装置(５０)において、
前記排気タービン過給機(１０)の可変ノズル(１５)の開度を調節可能なノズル開度調節手段(４０)と、
前記排気タービン過給機(１０)が接続される内燃機関(１)の負荷を検出する負荷検出手段(２５)と、
前記ノズル開度調節手段(４０)の動作を制御する制御手段(３０)とを備え、
前記制御手段(３０)は、前記内燃機関(１)の負荷が低負荷域では前記可変ノズル(１５)の開度をほぼ全開とし、第一の所定負荷以上では、負荷に応じて高負荷側になるに従い前記可変ノズル(１５)の開度を順次閉じる方向に制御するように予め設定され、
前記内燃機関(１)の負荷が高負荷側から低負荷側への移行後、第一の所定時間、元の高負荷側における前記可変ノズル(１５)の開度を保持、またはより閉じた開度とし、前記第一の所定時間経過後、予め設定した開度となるように制御するとともに、
前記制御手段(３０)は、前記第一の所定時間内に、前記内燃機関(１)の負荷が再び低負荷側から高負荷側に移行する時、あるいは、前記内燃機関(１)の回転速度が再び低速側から高速側へ移行する時に、第三の所定時間、または、前記内燃機関(１)の回転速度が第二の所定回転速度に達するまで、あるいは、前記内燃機関(１)の負荷が第三の所定負荷に達するまで前記可変ノズル(１５)の開度を開き、
前記第三の所定時間経過後、または、第二の所定回転速度に到達後、あるいは、第三の所定負荷に到達後、予め設定した開度となるように制御するように構成された
ことを特徴とする排気タービン過給機(１０)の可変ノズル開度制御装置(５０)。 - 排気タービン過給機(１０)の可変ノズル開度制御装置(５０)において、
前記排気タービン過給機(１０)の可変ノズル(１５)の開度を調節可能なノズル開度調節手段(４０)と、
前記排気タービン過給機(１０)が接続される内燃機関(１)の負荷を検出する負荷検出手段(２５)と、
前記ノズル開度調節手段(４０)の動作を制御する制御手段(３０)とを備え、
前記制御手段(３０)は、前記内燃機関(１)の負荷が低負荷域では前記可変ノズル(１５)の開度をほぼ全開とし、第一の所定負荷以上では、負荷に応じて高負荷側になるに従い前記可変ノズル(１５)の開度を順次閉じる方向に制御するように予め設定され、
前記内燃機関(１)の負荷が高負荷側から低負荷側への移行後、第一の所定時間、元の高負荷側における前記可変ノズル(１５)の開度を保持、またはより閉じた開度とし、前記第一の所定時間経過後、予め設定した開度となるように制御するとともに、
前記制御手段(３０)は、前記第一の所定時間内に、前記内燃機関(１)の負荷が再び低負荷側から高負荷側に移行する時、あるいは、前記内燃機関(１)の回転速度が再び低速側から高速側へ移行する時に、第三の所定時間、または前記内燃機関(１)の回転速度が第二の所定回転速度に達するまで、あるいは、前記内燃機関(１)の負荷が第三の所定負荷に達するまで前記可変ノズル(１５)の開度を開き、前記第三の所定時間経過後、または、第二の所定回転速度に到達後、あるいは、第三の所定負荷に到達後に、第四の所定時間、または第三の所定回転速度に達するまで、あるいは、第四の所定負荷に達するまで前記可変ノズル(１５)の開度を閉じ、前記第四の所定時間経過後、または、第三の所定回転速度に到達後、あるいは、第四の所定負荷に到達後、予め設定したノズル開度となるように制御するように構成された
ことを特徴とする排気タービン過給機(１０)の可変ノズル開度制御装置(５０)。 - 排気タービン過給機(１０)の可変ノズル開度制御装置(５０)において、
前記排気タービン過給機(１０)の可変ノズル(１５)の開度を調節可能なノズル開度調節手段(４０)と、
前記排気タービン過給機(１０)が接続される内燃機関(１)の負荷を検出する負荷検出手段(２５)と、
前記ノズル開度調節手段(４０)の動作を制御する制御手段(３０)とを備え、
前記制御手段(３０)は、前記内燃機関(１)の負荷が低負荷域では前記可変ノズル(１５)の開度をほぼ全開とし、第一の所定負荷以上では、負荷に応じて高負荷側になるに従い前記可変ノズル(１５)の開度を順次閉じる方向に制御するように予め設定され、
前記内燃機関(１)の負荷が高負荷側から低負荷側への移行後、第一の所定時間、元の高負荷側における前記可変ノズル(１５)の開度をより閉じた開度とし、前記第一の所定時間経過後、予め設定した開度となるように制御するように構成された
ことを特徴とする排気タービン過給機(１０)の可変ノズル開度制御装置(５０)。 - 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の排気タービン過給機(１０)の可変ノズル開度制御装置(５０)において、
前記内燃機関(１)の回転速度を検出する回転速度検出手段(２５)を備え、
前記制御手段(３０)は、前記内燃機関(１)の負荷が高負荷側から低負荷側への移行時、あるいは、前記内燃機関(１)の回転速度が高速側から低速側への移行初期には、第二の所定時間、または、前記内燃機関(１)の回転速度が第一の所定回転速度に低下するまで、あるいは、前記内燃機関(１)の負荷が第二の所定負荷に低下するまで、前記可変ノズル(１５)の開度を開くように制御するように構成された
ことを特徴とする排気タービン過給機(１０)の可変ノズル開度制御装置(５０)。
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