JP4056333B2 - 排気タービン過給機用の可変ノズル開度制御システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばディーゼルエンジン等に用いられる排気タービン過給機用の可変ノズル開度制御システムに関する。
【０００２】
【背景技術】
ディーゼルエンジン等に用いられる排気タービン過給機としては、排気タービン外周部の複数の可変ノズルを回動可能に設けてノズル開度を調整できるようにし、エンジンの低速回転域や、トルクライズが必要な中速回転域では、ノズル開度を小さくして排気タービンに流入する排気ガスの流速を増加させ、よって排気タービンの回転エネルギを大きくして給気圧縮機の過給能力を上げる可変式のものが知られている。このような可変式の排気タービン過給機では、複数の可変ノズルを可変ノズル駆動装置で回動駆動しているのであるが、この可変ノズル駆動装置を制御することで、エンジンの運転域の各作動点における可変ノズルの開度が最適になるようにコントロールしている。
【０００３】
この際、可変ノズルは、リターンスプリング等により常時全開側（場合によっては全閉側）に付勢されており、可変ノズル駆動装置では、このリターンスプリングのばね力に抗するだけの吸気圧等が導入されることで、可変ノズルを回動駆動する構成になっている（例えば、特許文献１参照）。また、リターンスプリングとしては、大きなばね力を有したものが用いられており、所定の開度に開いた可変ノズルの姿勢を大きなばね力で確実に維持することで、排気ガスの圧力が可変ノズルに作用しても可変ノズルがふらつかないようにし、安定した開度コントロールができるようになっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６３−５１１７号公報（第２図）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、大きなばね力を有したリターンスプリングを用いると、可変ノズル駆動装置を制御するためには、その大きなばね力に対抗するようにして、さらに大きな負圧または正圧の吸気圧を導入する必要があり、可変ノズル駆動装置の容量が大きくなって装置が大型化するという問題がある。また、そのようなリターンスプリングは外形も大きいために、特にリターンスプリングが可変ノズル駆動装置の内部に組み込まれるタイプでは、可変ノズル駆動装置の大型化を回避するのがより困難になる。
【０００６】
さらに、従来では、可変ノズル駆動装置に導入される負圧あるいは正圧は、運転状態によって変化する吸気圧をそのまま利用しているのであるが、運転状態が変動してから変動後の吸気圧が導入されるまでにはタイムラグがあるため、応答性が悪いという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、リターンスプリングや可変ノズル駆動装置等の小型化を促進することでシステム全体を小型化できるとともに、可変ノズルのふらつきを防いで開度コントロールを確実に実現でき、かつ応答性を良好にできる排気タービン過給機用の可変ノズル開度制御システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段と作用効果】
本発明の排気タービン過給機用の可変ノズル開度制御システムは、エンジンの排気で回転する排気タービンの外周部に設けられた複数の回動自在な可変ノズルを駆動制御するための排気タービン過給機用の可変ノズル開度制御システムであって、前記可変ノズルを回動駆動する可変ノズル駆動装置と、この可変ノズル駆動装置から出力される駆動力に対抗する付勢力を有したリターンスプリングと、エンジンの運転域の各作動点における前記可変ノズルの開度を決定する開度決定手段と、この開度決定手段で決定された開度での前記リターンスプリングの付勢力を算出する付勢力演算手段と、当該作動点における前記可変ノズルにかかるトルクを算出するトルク演算手段と、このトルク演算手段で算出されたトルクと前記付勢力演算手段で算出された付勢力との和に釣り合うように前記可変ノズル駆動装置の駆動力を制御する出力制御手段と、前記可変ノズル（５０）の開度に対応した回動角度信号を出力する角度検出センサ（９０）とを備え、前記リターンスプリング（２９３）は、前記可変ノズル（５０）を開き側に付勢しているとともに、前記出力制御手段（４５）は、前記回動角度信号に基づき、前記開度決定手段（４２）で決定された開度を維持するように前記駆動力を制御することを特徴とする。
【０００９】
このような可変ノズル開度制御システムでは、可変ノズル駆動装置の駆動出力を出力制御手段で制御することにより、可変ノズルの開度を開度決定手段で決定した所定開度にコントロールするのであるが、この際には、当該所定開度でのリターンスプリングの付勢力（ばね力）を付勢力演算手段で算出するとともに、排気ガスの圧力が作用することで生じる可変ノズルでのトルクをトルク演算手段で算出し、これらの付勢力とトルクとの和に釣り合うだけの駆動力を可変ノズル駆動装置から出力させ、よって所定開度での可変ノズルの姿勢を維持させるので、可変ノズル駆動装置からは、運転状態に応じた大きさの姿勢維持用の駆動出力を出力させればよく、リターンスプリングとしては、可変ノズル駆動装置を駆動しない時に、可変ノズルを常時全開側または全閉側に付勢させるだけのばね力を有していればよい。
【００１０】
従って、排気ガスによる可変ノズルのふらつきを防止するような大きな付勢力が不要であるから、小さいばね力のリターンスプリングが用いられるようになり、リターンスプリング自身の大きさや、可変ノズル駆動装置が小さくなってシステムの小型化が促進される。また、駆動力に対して前記付勢力とトルクとの和を釣り合わせることにより、可変バルブのふらつきも発生せず、開度コントロールが確実に行われる。さらに、所定の開度となるように可変ノズルを積極的に回動させるので、マップ等を用いたフィードフォワード制御が行え、応答性が良好になる。
【００１１】
本発明の排気タービン過給機用の可変ノズル開度制御システムでは、当該システムをエンジン回転速度検出手段と、エンジン負荷検出手段とを備え、前記トルク演算手段は、これらの検出手段からの出力に基づいて前記可変ノズルにかかるトルクを算出することが考えられる。
このような可変ノズル開度制御システムによれば、エンジン回転速度検出手段やエンジン負荷検出手段は、エンジン自身の制御等にも一般的に用いられているので、これらを可変ノズルの開度コントロールに特別に設ける必要がなく、システムが低コストで構築されるようになる。
【００１２】
これに対して、本発明の排気タービン過給機用の可変ノズル開度制御システムでは、コンプレッサ出口圧検出手段を備え、前記トルク演算手段は、このコンプレッサ出口圧検出手段からの出力に基づいて前記可変ノズルにかかるトルクを算出することが考えられる。
可変ノズルにかかるトルクは、圧縮機（コンプレッサ）の出口圧から精度よく算出することが可能であり、従って、このような可変ノズル開度制御システムによれば、この算出結果に基づいて可変ノズル駆動装置が正確に制御されるようになる。
【００１３】
本発明の排気タービン過給機用の可変ノズル開度制御システムは、前記可変ノズル駆動装置を、流体圧を利用して前記可変ノズルを駆動するように構成し、前記出力制御手段を、当該可変ノズル駆動装置に流入する流体の流体圧を制御するように構成することが考えられる。
このような可変ノズル開度制御システムによれば、油圧等の流体圧を用いて可変ノズル駆動装置を制御するので、構造が簡単で、制御も容易かつ正確であるうえ、熱影響も受けにくく、小型軽量、信頼性、および耐熱性に優れたシステムが構築されるようになる。
【００１４】
一方、本発明の排気タービン過給機用の可変ノズル開度制御システムでは、前記可変ノズル駆動装置を、電気エネルギを利用して前記可変ノズルを駆動するように構成し、前記出力制御手段を、当該可変ノズル駆動装置に印加する電気エネルギを制御するように構成することが考えられる。
このような可変ノズル開度制御システムによれば、可変ノズル駆動装置として例えば小型の電動モータを用いればよく、システムが安価に構築可能であり、あた、制御も容易である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１には、本発明の一実施形態に係る可変ノズル開度制御システムが示されている。このシステムは、ディーゼルエンジン（エンジン）１に用いられている排気タービン過給機１０の可変ノズル５０の開度を制御するものである。
【００１６】
〔エンジン全体の概略説明〕
図１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４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５０の開度を調節する前記可変ノズル駆動装置２０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３０と、可変ノズル駆動装置２０の動作を制御するノズル開度コントローラ４０とを備えている。
なお、本実施形態では、可変ノズル駆動装置２０と、ノズル開度コントローラ４０とを備えてノズル開度制御システムが構成されている。
【００１７】
これらのうち、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。
【００１８】
排気タービン過給機１０は、吸気管路３の途中に設けられた圧縮機１１と、排気管路４の途中に設けられた排気タービン１２とを備える。図２に示されるように、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１３を有している。排気タービン１２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１４を有し、また、これらのタービンホイール１４とインペラ１３とはシャフト１５で連結されており、ハウジング１６によって回転可能に支持されている。この際、排気タービン１２は、タービンホイール１４の外周に沿って、排気ガスを導入するノズル部１７の入口面積を調節する複数の可変ノズル５０を備えている。これらの可変ノズル５０は、可変ノズル駆動装置２０によってノズル部の入口面積を調節できるように設けられている。
【００１９】
ここで、可変ノズル５０は、図３にも示されるように、排気タービン１２の外周に沿って等間隔に設置され、これら可変ノズル５０の回動軸５１が、ノズル部１７の一部を形成するプレート１８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５１で囲まれた領域の内側には、シャフト１５と同心円上で回動可能な連結リング（連動手段）５２が設けられている。この連結リング５２の外周には半長孔状の係合孔５３が形成されており、この係合孔５３には、棒状のレバー５４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５４の他端は各回動軸５１に固定されており、これらのレバー５４を介して連結リング５２が回動軸５１に支持されている。複数の回動軸５１のうちの一本は、ハウジング１６をも貫通した回動駆動軸５１Ａとなっている。また、レバー５４のうち、回動駆動軸５１Ａに結合されたものは、駆動用レバー５４Ａとなっている。
【００２０】
そして、回動駆動軸５１Ａは、ハウジング１６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５１Ａは、他の回動軸５１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５１Ａは、すべての回動軸５１が連結された連結リング５２を、駆動用レバー５４Ａを介して回動させるのに十分な剛性を有する。さらに、駆動用レバー５４Ａは、回動駆動軸５１Ａからの回動駆動力を連結リング５２に伝達するのに十分な剛性を有するように、他のレバー５４よりも太く、高剛性になっている。このような回動駆動軸５１Ａは、ハウジング１６の外部に配置された可変ノズル駆動装置２０に接続されている。
【００２１】
なお、ノズル部１７の入口面積可変範囲は、可変ノズル５０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５０の回動範囲を、ノズル部１７の入口面積が最大となるような角度を全開（１００％）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（０％）と設定している。従って、本実施形態では、可変ノズル５０の開度を０％としても、ノズル部１７の実質的な入口面積は０とはならない。
【００２２】
可変ノズル駆動装置２０は、ノズル開度コントローラ４０からの指示に従って回動駆動軸５１Ａを駆動するように設けられている。ここで、可変ノズル駆動装置２０は、油圧（流体圧）を利用したものであるが、その具体的な構成については後述する。
【００２３】
エンジンコントローラ３０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の回転速度を検出する回転速度検出センサ（エンジン回転速度検出手段）３１から得た回転速度信号Ｎや、燃料噴射装置３２に設けられたラック電圧検出センサ（エンジン負荷検出手段）３３からの燃料噴射量信号Ｆなどを受信している。エンジンコントローラ３０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３０には、ノズル開度コントローラ４０が電気的に接続されており、ノズル開度コントローラ４０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。ただし、これらの信号Ｎ，Ｆを各センサ３１，３３から各コントローラ３０，４０に並列的に直接送信してもよい。そのようなノズル開度コントローラ４０についても後述する。
【００２４】
〔可変ノズル駆動装置の説明〕
図４は、可変ノズル駆動装置２０の概略全体を示す斜視図、図５は、図４に示す可変ノズル駆動装置２０を矢印Ｖ側から見た図、図６は、図４に示す可変ノズル駆動装置２０を矢印VI側から見た図、図７は、可変ノズル駆動装置２０の断面図である。さらに、図８ないし図１０にはそれぞれ、図７に示す矢印VIII−VIII、矢印IX−IX、矢印X−Xから見た断面図が示されている。なお、各図において、矢印ＩＮは作動油（流体）の供給側を、矢印ＯＵＴは排出側を示す。
【００２５】
可変ノズル駆動装置２０は、作動油の供給口２１が設けられたケース２２と、排出口２３が設けられたカバー２４と、ケース２２およびカバー２４の内部に回動可能に収容されたロータ２５とを備えており、供給口２１に供給した作動油の油圧でロータ２５を回動させるとともに、この回動力をロータ２５に連結された回動駆動軸５１Ａに伝達し、最終的に全ての可変ノズル５０を回動させる構成である。
【００２６】
ケース２２およびカバー２４は、これらを貫通する複数（本実施形態では４本）のボルト２６で互いに一体に設けられ、かつ排気タービン過給機１０のハウジング１６に固定されている。加えて本実施形態では、より小径の複数（本実施形態では２本）のボルト２７により、カバー２４がケース２２に固定されている。この際、ケース２２およびカバー２４は、位置決めピン２８（図７、図９、図１０）で互いに正確に位置決めされるようになっている。ロータ２５と回動駆動軸５１Ａとは、連結部材２９を介して互いに連結されている。この連結部材２９へのロータ２５および回動駆動軸５１Ａの接合は、凸状の二面幅部分とこれが嵌合する凹状の嵌合孔とで行われており、前述の４本のボルト２６を外すと、連結部材２９、ロータ２５、および回動駆動軸５１Ａも分離可能である。なお、ケース２２は、脚部２２１によってハウジング１６に当接されており、装置の本体部分をハウジング１６からより離間させることで、ハウジング１６側から本体部分への熱影響を少なくしている。
【００２７】
さらに、この連結部材２９には、この外周側に嵌め込まれてナット部材２９１で固定された回動レバー２９２が設けられており、図６に示すように、回動レバー２９２の先端とハウジング１６の上方部分とにはリターンスプリング２９３が掛設されている。このリターンスプリング２９３は、回動レバー２９２の端部を常時図６中の上側（反時計回り）に持ち上げる方向の付勢力を有し、ディーゼルエンジン１が停止して排気タービン過給機１０や可変ノズル駆動装置２０が動作していないときには、可変ノズル５０の開度が全開状態を維持するように付勢力を作用させている。
【００２８】
より具体的に、ケース２２の供給口２１は、図８にも示すように、ドリル等の機械加工によって穿設されており、この供給口２１を利用してさらに小さな径のドリルで第１供給流路６１が穿設されている。また、ケース２２の外部からのドリル加工により、前記第１供給流路６１と同一平面内でかつ平行な第２供給流路６２が穿設され、さらに、ケース２２の外部からは、当該第２供給流路６２と交差し、先端が供給口２１に達した第３供給流路６３が穿設されている。第２、第３供給流路６２，６３の加工基端側は球状のプラグ６４で封止されている。
【００２９】
図７、図８において、ケース２２の略中央には、第１〜第３供給流路６１〜６３に囲まれた位置に、ロータ２５が貫通支持される支持孔６５が穿設され、この支持孔６５には、ロータ２５の一端がベアリング６６を介して回動可能に支持されている。そして、ケース２２の外部からは、この支持孔６５に貫通した第１ドレイン流路６７が穿設され、この第１ドレイン流路６７の加工基端側もプラグ６４で封止されている。
【００３０】
また、図７、図９に示すように、ケース２２には、複数（本実施形態では４つ）の油圧室（流体圧室）６８を形成する部分が支持孔６５の周囲に等周間隔で、かつカバー２４側に開口して設けられている。これらの部分は、中央側が支持孔６５に連通しているとともに、支持孔６５を中心として外側に向けて扇状に拡がった形状であり、開口側をカバー２４で覆うことで完全な油圧室６８として形成される。各油圧室６８において、径方向に沿った（周方向に対向した）一対の内壁のうちの一方の内壁には、断面半円状の切欠部６９が設けられている。また、この切欠部６９と同じ径の連通孔７１が軸方向に穿設され、第１、第２（第３）供給流路６１，６２（６３）に達している。従って、この連通孔７１により、供給口２１と各油圧室６８とが連通し、油圧室６８に油圧が供給されるようになっている。さらに、第１ドレイン流路６７に対応した位置にも、軸方向に沿った連通孔７２が穿設されており、この連通孔７２がカバー２４側に開口している。そして、第１〜第３供給流路６１〜６３、第１ドレイン流路６７、および連通孔７１，７２により、各油圧室６８と装置外部とを連通させるケース２２側での油圧回路（流体圧回路）が形成されている。
【００３１】
一方、図７、図１０において、カバー２４には軸方向に貫通した支持孔７３が穿設されており、この支持孔７３にはベアリング６６を介してロータ２５の他端側が支持されている。支持孔７３と排出口２３とは第２ドレイン流路７４を介して連通している。さらに、排出口２３とケース２２側の連通孔７２とは、カバー２４側の連通孔７５を介して連通している。このため、各油圧室６８から支持孔６５，７３側（ベアリング６６側）に漏れた作動油は、第１、第２ドレイン流路６７，７４から排出口２３に導かれて排出される。また、カバー２４には、排出口２３から最も近い油圧室６８に対応した位置に軸方向の連通孔７６が穿設され、この連通孔７６と排出口２３とが当該排出口２３側からのドリルで穿設される第３ドレイン流路７７で連通している。これにより、各油圧室６８に供給された作動油のうち、ロータ２５の駆動に供されずに漏れ出した分がこの第３ドレイン流路７７を通って排出される。そして、第２、第３ドレイン流路７４，７７および各連通孔７５，７６により、各油圧室６８と装置外部とを連通させるカバー２４側での油圧回路（流体圧回路）が形成されている。
【００３２】
図７ないし図１０において、ロータ２５は、前述した支持孔６５，７３に支持される回動シャフト８１と、この回動シャフト８１の外周部に等週間隔で設けられた複数枚（本実施形態では４枚）の回動ベーン８２とを備え、回動シャフト８１の一端側が連結部材２９を介して回動駆動軸５１Ａに連結され、各回動ベーン８２が油圧室６８に格納されている。このようなロータ２５では、図９に示した位置にあるとき、連通孔７１から油圧室６８に油圧が供給されると、この油圧が回動ベーン８２の一方の面（連通孔７１側に向いた面）に作用するため、回動ベーン８２が他方の内壁側に向かって所定の角度範囲で回動し、これに伴って回動シャフト８１も図９中で時計方向に回動する。この回動は、外部に取り付けられたリターンスプリング２９３を伸ばす方向で行われ、回動するに従ってリターンスプリング２９３の反力である付勢力も大きくなる。また、ロータ２５の回動に伴って可変ノズル５０が回動する。なお、回動ベーン８２が油圧室６８の一方の内壁側、すなわち油圧供給側に最大に位置しているとき、可変ノズル５０（図２）は全開（開度１００％）状態にあり、回動ベーン８２が回動して他方の内壁側に近づくにつれて、可変ノズル５０が全閉（開度０％）側に移り変わる。
【００３３】
ロータ２５をより具体的に説明すると、支持孔６５，７３において、回動シャフト８１とケース２２との間、および回動シャフト８１とカバー２４との間には、環状のオイルシール８３が配置され、油圧室６８からの作動油が装置外部に漏れ出すのを防いでいる。また、回動シャフト８１には、十字状の連通孔８４が穿設されており、回動ベーン８２が油圧室６８の一方の内壁側にあるとき（図９参照）、回動ベーン８２で仕切られた油圧室６８の他方の内壁側の空間同士が連通孔８４を通して連通している。このため、これら他方の内壁側の空間は結果的に、連通孔７６および第３ドレイン流路７７を介して排出口２３に連通しており、これによって前述したように、漏れ出した作動油を排出することができ、また、回動ベーン８２が回動する際に背圧がかからないようになっている。
【００３４】
他方、回動ベーン８２の先端側には、軸方向に沿った断面円弧状の切欠部８５が設けられ、回動ベーン８２が油圧室６８の一方の内壁側にあるとき、その切欠部８５と連通孔７１の一部とが略一致し、可変ノズル５０が全開状態にあるときでも、切欠部８５には作動油が入り込んでおり、油圧が回動ベーン８２に瞬時に作用するようになっている。前述したケース２２側の切欠部６９も同様な機能を有する。
【００３５】
回動ベーン８２の切欠部８５はまた、排出口２３に最も近い油圧室６８においては（図１０参照）、回動ベーン８２が油圧室６８の他方側の内壁に到達する直前に連通孔７６と連通する（図１０において、連通孔７６から切欠部８５が顔を出す状態）。加えて、この時点では、回動シャフト８１の連通孔８４が各油圧室６８間の隔壁部８６を越えて回動するため、回動ベーン８２で仕切られた油圧室６８の油圧供給側の空間同士も連通孔８４を通して連通し（実際には各油圧室６８が全体的に連通する）、この空間内に供給された作動油も第３ドレイン流路７７から排出される。これにより、回動ベーン８２が勢いよく回動しても、他方側の内壁に衝突する寸前に作動油が排出されるので、衝突が防止される。すなわち、連通孔７６は本発明に係る排圧孔であり、これらの連通孔７６，８４で、本発明に係る排圧手段が形成されている。
【００３６】
この可変ノズル駆動装置２０には、図１に示すように、外部の油圧回路８７が接続されており、この油圧回路８７中の油圧ポンプ８８によって油圧（作動油）が供給される。油圧回路８７は、比例電磁弁等で構成された圧力調整弁８９を備えており、この圧力調整弁８９に任意の電流Ｉをノズル開度コントローラ４０から入力することで、この電流Ｉの値に応じた油圧が可変ノズル駆動装置２０に供給されるようになっている。ただし、可変の油圧ポンプ８８を用い、その斜板をコントロールすることで油圧の大きさを変えてもよい。
【００３７】
また、本実施形態の可変ノズル駆動装置２０には、ロータ２５の回動角度を検出する角度検出センサ９０が取り付けられている。この角度検出センサ９０は、カバー２４の外部にスペーサ９１および取付部材９２を介して取り付けられ、回動シャフト８１に連結されている。図１において、角度検出センサ９０は、ロータ２５の回動角度に応じた回動角度信号Ａをノズル開度コントローラ４０に出力する。また、ロータ２５の回動角度はそのまま、可変ノズル５０の開度に対応しており、互いを関連付けるテーブル等がノズル開度コントローラ４０内に記憶されている。なお、このような角度検出センサ９０としては、周知のものを採用できるため、ここでのさらなる説明を省略する。
【００３８】
〔ノズル開度コントローラの説明〕
図１１において、ノズル開度コントローラ４０は、エンジンコントローラ３０からの各出力信号Ｆ，Ｎ，Ａを受信する入力部４１と、開度決定手段４２と、付勢力演算手段４３と、トルク演算手段４４と、出力制御手段４５と、種々のマップや前記テーブルなどが記憶されている記憶部４６と、所望の駆動力に応じた電流Ｉを圧力調整弁８９に出力する出力部４７とを備え、各手段４２〜４５がコンピュータで実行されるプログラムで構成されている。
【００３９】
開度決定手段４２は、ディーゼルエンジン１の運転域の各作動点における可変ノズル５０の最適な開度、つまり任意の燃料噴射量およびエンジン回転速度で作動しているときの最適なノズル開度を決定する機能を有している。最適なノズル開度（０〜１００％）は、図１２に示すように、燃料噴射量（エンジン負荷）とエンジン回転速度との関数で定義されており、この関係が第１のマップとして記憶部４６に記憶されている。従って、開度決定手段４２は、このマップを呼び出すことで、燃料噴射量信号Ｆおよび回転速度信号Ｎから最適なノズル開度を決定することが可能である。
【００４０】
付勢力演算手段４３は、開度決定手段４２で決定された開度でのリターンスプリング２９３の付勢力を算出する機能を有している。リターンスプリング２９３の付勢力（反力）は、図１３に示すように、ノズル開度と略比例的な関係にあり、この関係が第２のマップとして記憶部４６に記憶されている。従って、付勢力演算手段４３は、このマップを呼び出すことで、開度決定手段４２で決定された最適な開度におけるリターンスプリング２９３の付勢力を算出することが可能である。
【００４１】
トルク演算手段４４は、ディーゼルエンジン１の任意の作動点において、排気ガスが作用することで生じる可変ノズル５０のトルクを算出する機能を有している。可変ノズル５０にかかるトルク（Ｔ１〜Ｔ５）も、図１４に示すように、燃料噴射量（エンジン負荷）とエンジン回転速度との関数で定義されており、この関係が第３のマップとして記憶部４６に記憶されている。従って、トルク演算手段４４は、このマップを呼び出すことで、燃料噴射量信号Ｆおよび回転速度信号Ｎから可変ノズル５０にかかるトルクを算出することが可能である。ただし、ここで算出したトルクは、ノズル開度によってシフトするため、開度決定手段４２で得られた開度に応じて係数を乗じる等し、これにより実際のトルクを決める。また、開度に応じた係数を用いて実際のトルクを算出するのではなく、各開度毎のマップを別途用意しておくことで決定してもよい。
【００４２】
出力制御手段４５は、トルク演算手段４４で算出されたトルクと付勢力演算手段４３で算出された付勢力との和に釣り合うように可変ノズル駆動装置２０の駆動力を制御する機能を有している。具体的に出力制御手段４５は、可変ノズル駆動装置２０に供給される油圧を制御するのであるが、このために当該トルクと付勢力との和から駆動力を算出し、この駆動力を生じさせるための油圧を算出し、この油圧を生じさせるための電流Ｉの値を算出する。これらの演算に必要なマップ等は、予め記憶部４６に記憶されている。勿論、駆動力から電流Ｉの値を直接決定できるマップを用いてもよい。また、出力制御手段４５では、回動角度信号Ａに基づき、電流Ｉの調整を行う機能も有している。すなわち、最適なノズル開度が開度決定手段４２で決定されると、この開度を維持するように可変ノズル駆動装置２０に油圧を供給するのであるが、何らかの外的障害等により、所定の電流Ｉを印可しても十分な油圧が立たない場合には、最適な開度に応じた回転角度までロータ２５が確実に回動するように、出力制御手段４５が電流Ｉの大きさを調整して油圧を立たせる。
【００４３】
〔実際の制御の例〕
以下には、図１５に示す流れ図に基づき、ノズル開度の制御方法を説明する。
ステップ１（図面では、ステップを単に「Ｓ」と略す。以下の説明でも同じである。）：ディーゼルエンジン１が始動すると、ノズル開度コントローラ４０の入力部４１は、回転速度信号Ｎおよび燃料噴射量信号Ｆをエンジンコントローラ３０から読み込む。
【００４４】
Ｓ２：次に、開度決定手段４２は、回転速度信号Ｎおよび燃料噴射量信号Ｆに基づき、記憶部４６から第１のマップを呼び出して最適なノズル開度を決定する。この際、例えば、図１２に示すように、エンジン回転速度がＮｎで燃料噴射量がＦｆの時には、ノズル開度がＢｂといった具合に決定される。
Ｓ３：この後、付勢力演算手段４３は、記憶部４６から第２のマップを呼び出し、例えば開度決定手段４２で決定した開度Ｂｂに応じたリターンスプリング２９３の付勢力Ｃｃを算出する。
Ｓ４：さらに、トルク演算手段４４は、記憶部４６から第３のマップを呼び出し、図１４に示すように、前記回転速度信号Ｎおよび燃料噴射量信号Ｆに応じた可変ノズル５０でのトルクＴｔを算出する。なお、実際のトルクは、開度に応じて決められた係数をトルクＴｔ乗じる等して算出される。
【００４５】
Ｓ５：次いで、出力制御手段４５は、付勢力と前記トルクとの和により駆動力を算出し、この駆動力に基づいた電流Ｉの値を最終的に算出する。
Ｓ６：そして、出力部４７は、圧力調整弁８９に対して電流Ｉを出力し、駆動力に見合った油圧を立てて可変ノズル駆動装置２０に供給する。
すると、可変ノズル駆動装置２０では、供給された油圧が付勢力とトルクとの和につり合う位置までロータ２５を回動させる。そして、可変ノズル５０側では、ロータ２５と共に回動して最適な開度で停止し、この位置での姿勢が維持される。
このＳ５、Ｓ６は、フィードフォワード制御である。
【００４６】
Ｓ７：さらに、入力部４１は、角度検出センサ９０からの回動角度信号Ａを読み込む。
Ｓ８：出力制御手段４５は、回動角度信号Ａに基づくロータ２５の実回動角度が、ノズル開度に対応した適切な回動角度であるか否かを監視し、適切な回動角度であればＳ１に戻る。
Ｓ９：Ｓ８において、回動角度が適切でなければ、出力制御手段４５は、検出される回動角度が適切な回動角度になるように電流Ｉの大きさを調整する。具体的には、所定の電流Ｉを出力したにもかかわらず、回動角度信号Ａに基づいて検出される回動角度が最適な回動角度よりも大きい場合には、可変ノズル５０の開度は実際には、最適な開度に比して閉まり気味になっているから、電流Ｉの値を小さくして油圧を若干落とし、駆動力を低減させてロータ２５を戻す。逆に、回動角度信号Ａに基づいて検出される回動角度が最適な回動角度よりも小さい場合には、可変ノズル５０の開度が実際には、最適な開度に比して開き気味になっているから、電流Ｉの値を大きくして油圧を大きくし、駆動力を増大させてロータ２５をさらに回動させる。
Ｓ７〜Ｓ９は、フィードバック制御である。
【００４７】
このような本実施形態によれば、以下のような効果がある。
(１) すなわち、本実施形態での可変ノズル開度制御システムでは、可変ノズル駆動装置２０の駆動出力を出力制御手段４５で制御することにより、可変ノズル５０の開度が開度決定手段４２で決定した最適な開度となるようにコントロールするのであるが、この際には、最適な開度でのリターンスプリング２９３の付勢力を付勢力演算手段４３で算出するとともに、排気ガスの影響で生じる可変ノズル５０でのトルクをトルク演算手段４４で算出し、これらの付勢力とトルクとの和に釣り合うだけの駆動力を可変ノズル駆動装置２０から出力させ、よって可変ノズル５０のふらつきを防止しつつ、最適な開度での可変ノズル５０の姿勢を維持させるので、可変ノズル駆動装置２０からは、運転状態に応じた姿勢維持用の駆動力を出力させればよく、リターンスプリング２９３としては、システム停止時に可変ノズル５０を常時全開側に付勢できる程度の小さなものにできる。
【００４８】
(２) 従って、小さい付勢力のリターンスプリング２９３を用いることにより、この付勢力に対抗して出力される可変ノズル駆動装置２０の駆動力も小さくてよいから、リターンスプリング２９３自身の大きさに加え、可変ノズル駆動装置２０をも小さくでき、システムの小型化を促進できる。また、駆動力に対して付勢力とトルクとの和を釣り合わせることで、可変ノズル５０のふらつきも発生しないため、開度コントロールを確実に行える。
【００４９】
(３) さらに、ノズル開度と電流Ｉとの関係を定義するマップ等を用いることで、最適なノズル開度に応じた電流Ｉを圧力調整弁８９に印加し、このことで可変ノズル５０を最適な開度に向けて積極的に回動させるので、フィードフォワード制御を実施でき、応答性を良好にできる。また、本実施形態では、角度検出センサ９０を用いてフィードバックを制御を行っており、より正確に開度を調整できる。そしてこのフィードバック制御は、回動角度を検出してノズル開度コントローラ４０にフィードバックするといった簡単な方法であるから、制御も容易にできる。なお、このようなフィードバック制御は必要に応じて行われればよく、前述したフィードフォワード制御でも、十分に開度調整を実現できるため、省略可能である。
【００５０】
(４) 可変ノズル開度制御システムのトルク演算手段４４では、回転速度検出センサ３１およびラック電圧検出センサ３３からの出力信号Ｎ，Ｆに基づいて可変ノズル５０にかかるトルクを算出するが、各センサ３１，３３は、その出力信号Ｎ，Ｆをエンジンコントローラ３０にも出力するなど、エンジン１自身の制御等にも一般的に用いられているので、これらを可変ノズル５０の開度コントロールに特別に設ける必要がなく、システムを低コストで構築できる。
【００５１】
(５) 可変ノズル駆動装置２０は、流体圧を利用してロータ２５を回動駆動し、よって可変ノズル５０を駆動するように構成され、出力制御手段４５がその可変ノズル駆動装置２０に流入する作動油の油圧を制御するように構成されているので、可変ノズル駆動装置２０を簡単な構造にでき、制御も容易かつ正確にできるうえ、熱影響も受けにくく、小型軽量、信頼性、および耐熱性に優れたシステムを構築できる。
【００５２】
(６) 可変ノズル駆動装置２０では、油圧室６８に供給させる油圧で複数の回動ベーン８２を回動させるとともに、これと一体の回動シャフト８１を回動させて回動力を出力する構成なので、直線運動を回転運動に変換するような従来のアクチュエータロッドや連結ロッドを不要にできるうえ、大きなダイアフラムも不要にでき、装置全体の大きさを格段にコンパクトにできる。従って、排気タービン過給機１０の排気タービン１２側と圧縮機１１側との間の僅かなスペースにも確実に収容でき、装着性を大幅に向上させることができる。
【００５３】
(７) 可変ノズル駆動装置２０では、供給口２１から油圧室６８までの油圧回路や、油圧室６８から排出口２３までの油圧回路がケース２２やカバー２４に形成されているため、その分外部配管を簡略化でき、小型化を一層促進できる。
【００５４】
(８) 可変ノズル駆動装置２０では、回動ベーン８２の一部および油圧室６８の一部に切欠部６９，８５が設けられているので、回動ベーン８２が油圧室６８の油圧供給側に完全に回動しきっている場合でも、作動油が切欠部６９，８５に導入されており、油圧を供給して回動ベーン８２を即座に回動させたいときなど、その応答性を向上させて立ち上りをスムーズにできる。
【００５５】
(９) 可変ノズル駆動装置２０では、連通孔７６，８４を備えた排圧手段が設けられているので、回動ベーン８２が急激に油圧室６８の油圧供給側とは反対側に完全に回動しようとしても、その直前で油圧を排圧手段によって除去でき、やはり、油圧室６８の壁部分に勢いよく衝突するのを防止でき、耐久性を一層向上させることができる。
【００５６】
(10) この際、排圧手段はカバー２４に設けられて油圧室６８と装置外部とを連通させる連通孔７６で形成されているから、回動ベーン８２が壁部分に衝突する直前で油圧室６８の圧力供給側の空間と連通孔７６とを連通させればよく、そのような位置に連通孔７６を設けるだけで、簡易な構造でかつ確実に排圧できる。
【００５７】
(11) また、排圧手段は、回動シャフト８１に設けられた十字状の連通孔８４を備えているので、回動ベーン８２が衝突するわずか手前の位置で全ての油圧室６８を連通させることができる。このため、前述の連通孔７６を一つの油圧室６８に開口するように設ければよく、ケース２２やカバー２４の加工を容易にできる。さらに、連通孔８４は常時、各油圧室６８の圧力供給側とは反対の空間同士を連通さており、この空間内に漏れた作動油を排圧孔から効率よく排除できるため、回動ベーン８２の回動時に作動油を圧縮することがなく、回動ベーン８２の動作をよりスムーズにできる。
【００５８】
〔その他の実施形態〕
本発明は、前記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他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば、前記実施形態の可変ノズル駆動装置２０は油圧式であったが、これに限らず、電動モータを備えた電動式であってもよい。この場合には、電動モータの出力軸を回動駆動軸５１Ａに接続し、可変ノズル５０を回動させればよい。図１６に示す可変ノズル駆動装置２０は、電流Ｉ（電気エネルギ）を印加することで駆動される電動モータを備えたものであり、この電流Ｉがノズル開度コントローラ４０から出力される。この際の電流Ｉの大きさは、前記実施形態と同様に、付勢力と前記トルクとの和により出力制御手段４５で算出される。そして、電動モータからは、電流Ｉの大きさに応じた駆動力が出力され、可変ノズル５０を適正な開度に維持させる。このような構成は、請求項５の発明に含まれる。
【００５９】
また、前記実施形態のトルク演算手段４４では、第３のマップ（図１４参照）を呼び出し、この第３のマップに基づいて可変ノズル５０にかかるトルクを算出していたが、これに限定されない。つまり、可変ノズル５０にかかるトルクは、排気タービン過給機１０のターボ特性等により、圧縮機１１の出口圧から精度よく算出されるため、例えば、図１６に示すように、排気タービン過給機１０の圧縮機１１側に過給圧を検出する圧力センサ（コンプレッサ出口圧検出手段）１１０を設け、この圧力センサ１１の圧力信号Ｐをノズル開度コントローラ４０に出力させ、トルク演算手段４４では、この圧力信号Ｐに基づいてトルクを算出することができる。そして、このような構成は、請求項３の発明に含まれる。
【００６０】
前記実施形態の可変ノズル駆動装置２０では、ロータ２５の回動ベーン８２が４枚設けられていたが、５枚以上であってもよく、また、１枚ないし３枚であってもよい。そして、圧力室６８などは、回動ベーン８２の枚数に応じて設けられればよい。
さらに、ロータ２５に対して付勢力を付与するリターンスプリングとしては、可変ノズル駆動装置２０の外部に設けられたもの以外に、例えば、油圧室６８の内部に配置されるものであってもよい。
【００６１】
前記実施形態では、本発明に係るエンジン負荷検出手段としてラック電圧検出手段３３を用いたが、エンジン負荷検出手段としてはこの他に、エンジンの出力を直に計測可能なトルクメータであってもよく、あるいは、ディーゼルエンジン１が気筒内に燃料を直接噴射するタイプであれば、その燃料噴射用コモンレールの圧力変動を検出する圧力センサなどであってもよい。
【００６２】
その他、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。
従って、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】本発明の一実施形態に係る可変ノズル開度制御システムを示す構成図。
【図２】前記実施形態の可変ノズル駆動装置が取り付けられる排気タービン過給機を示す断面図。
【図３】前記排気タービン過給機の要部を示す拡大図。
【図４】前記可変ノズル駆動装置の概略全体を示す斜視図。
【図５】図４に示す前記可変ノズル駆動装置を矢印Ｖ側から見た図。
【図６】図４に示す前記可変ノズル駆動装置を矢印VI側から見た図。
【図７】前記可変ノズル駆動装置の断面図。
【図８】図７の矢印VIII−VIII断面図。
【図９】図７の矢印IX−IX断面図。
【図１０】図７の矢印X−X断面図。
【図１１】前記実施形態で用いられるノズル開度コントローラを示すブロック図。
【図１２】エンジン回転速度と燃料噴射量（エンジン負荷）とノズル開度との関係を示す図。
【図１３】ノズル開度とリターンスプリングの付勢力（反力）との関係を示す図。
【図１４】エンジン回転速度と燃料噴射量（エンジン負荷）とノズルにかかるトルクとの関係を示す図。
【図１５】前記可変ノズル駆動装置の制御を説明するための流れ図。
【図１６】本発明の変形例を示す構成図。
【符号の説明】
１…エンジンであるディーゼルエンジン、１０…排気タービン過給機、１２…排気タービン、２０…可変ノズル駆動装置、３１…エンジン回転速度検出手段である回転速度検出センサ、３３…エンジン負荷検出手段であるラック電圧検出センサ、４２…開度決定手段、４３…付勢力演算手段、４４…トルク演算手段、４５…出力制御手段、５０…可変ノズル、１１０…コンプレッサ出口圧検出手段である圧力センサ、２９３…リターンスプリング。

Claims (5)

1. エンジン（１）の排気で回転する排気タービン（１２）の外周部に設けられた複数の回動自在な可変ノズル（５０）を駆動制御するための排気タービン過給機（１０）用の可変ノズル開度制御システムであって、
   前記可変ノズル（５０）を回動駆動する可変ノズル駆動装置（２０）と、
   この可変ノズル駆動装置（２０）から出力される駆動力に対抗する付勢力を有したリターンスプリング（２９３）と、
   エンジン（１）の運転域の各作動点における前記可変ノズル（５０）の開度を決定する開度決定手段（４２）と、
   この開度決定手段（４２）で決定された開度での前記リターンスプリング（２９３）の付勢力を算出する付勢力演算手段（４３）と、
   当該作動点における前記可変ノズル（５０）にかかるトルクを算出するトルク演算手段（４４）と、
   このトルク演算手段（４４）で算出されたトルクと前記付勢力演算手段（４３）で算出された付勢力との和につり合うように前記可変ノズル駆動装置（２０）の駆動力を制御する出力制御手段（４５）と、
   前記可変ノズル（５０）の開度に対応した回動角度信号を出力する角度検出センサ（９０）とを備え、
   前記リターンスプリング（２９３）は、前記可変ノズル（５０）を開き側に付勢しているとともに、
   前記出力制御手段（４５）は、前記回動角度信号に基づき、前記開度決定手段（４２）で決定された開度を維持するように前記駆動力を制御する
   ことを特徴とする排気タービン過給機（１０）用の可変ノズル開度制御システム。
2. 請求項１に記載の排気タービン過給機（１０）用の可変ノズル開度制御システムにおいて、
   エンジン回転速度検出手段（３１）と、
   エンジン負荷検出手段（３３）とを備え、
   前記トルク演算手段（４４）は、これらの検出手段（３１，３３）からの出力に基づいて前記可変ノズル（５０）にかかるトルクを算出する
   ことを特徴とする排気タービン過給機（１０）用の可変ノズル開度制御システム。
3. 請求項１に記載の排気タービン過給機（１０）用の可変ノズル開度制御システムにおいて、
   コンプレッサ出口圧検出手段（１１０）を備え、
   前記トルク演算手段（４４）は、このコンプレッサ出口圧検出手段（１１０）からの出力に基づいて前記可変ノズル（５０）にかかるトルクを算出する
   ことを特徴とする排気タービン過給機（１０）用の可変ノズル開度制御システム。
4. 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）用の可変ノズル開度制御システムにおいて、
   前記可変ノズル駆動装置（２０）は、流体圧を利用して前記可変ノズル（５０）を駆動するように構成され、
   前記出力制御手段（４５）は、当該可変ノズル駆動装置（２０）に流入する流体の流体圧を制御するように構成されている
   ことを特徴とする排気タービン過給機（１０）用の可変ノズル開度制御システム。
5. 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）用の可変ノズル開度制御システムにおいて、
   前記可変ノズル駆動装置（２０）は、電気エネルギを利用して前記可変ノズル（５０）を駆動するように構成され、
   前記出力制御手段（４５）は、当該可変ノズル駆動装置（２０）に印加する電気エネルギを制御するように構成されている
   ことを特徴とする排気タービン過給機（１０）用の可変ノズル開度制御システム。

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