(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガスによって動作するタービンと、前記タービンの動作に連動して前記内燃機関に圧縮された空気を供給するコンプレッサーと、前記タービンへの前記排気ガスの流入量を調整するウェイストゲートバルブと、を備えるターボチャージャーにおける前記コンプレッサーの出口の空気圧を制御する圧力制御装置であって、
前記コンプレッサーの入口に繋がる吸気側上流路の途中と、前記コンプレッサーの出口に繋がる吸気側下流路の途中と、を連通する吸気側パイパス路と、
前記吸気側下流路と前記吸気側パイパス路との接続部に設けられ、前記内燃機関への吸気ルートを、前記コンプレッサーを通過するメインルート、または前記コンプレッサーを迂回して前記吸気側パイパス路を通過するサブルートのいずれかに切り替えるルート切替バルブと、
前記コンプレッサーよりも上流で大気圧を測定する大気圧センサと、
前記吸気側下流路における前記接続部よりも前記コンプレッサー側に設けられ、前記コンプレッサーの出口の空気圧を測定する出口圧センサと、
前記コンプレッサーの稼働状態に相関する物理量を測定する状態センサと、
前記出口圧センサの測定値と前記大気圧センサの測定値との差、および前記状態センサの測定結果に基づいて、前記ルート切替バルブと前記ウェイストゲートバルブとを連動させるバルブ制御機構と、
を備える圧力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボチャージャーのコンプレッサーに備わるコンプレッサーホイールの背面部分が負圧になることを抑制するために、ターボチャージャーにおけるコンプレッサーの出口の空気圧を制御する圧力制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の出力を高める装置の一つとして、内燃機関から排出される排気ガスを利用して、内燃機関に圧縮された空気を供給するターボチャージャーが知られている。従来の一般的なターボチャージャーは、内燃機関の排気ガスを排出させる排出ルートの途中に設けられるタービンと、内燃機関に空気を供給する吸気ルートの途中に設けられるコンプレッサーと、タービンへの排気ガスの流入量を調整するウェイストゲートバルブと、を備える。タービンは、タービンハウジングと、その内部に配置され、排気ガスによって回転するタービンホイールと、を備えている。コンプレッサーは、コンプレッサーハウジングと、その内部に配置されるコンプレッサーホイールと、を備えており、コンプレッサーホイールは、連結軸を介してタービンホイールに連結され、タービンホイールの回転に連動して回転する。タービンホイールの回転に連動してコンプレッサーホイールが回転することで、吸気ルートの空気が圧縮されて内燃機関に供給される。
【０００３】
上記ターボチャージャーにおけるコンプレッサーホイールの背面部分には、連結軸の回転を円滑にするオイルを封止するオイルシールが設けられており、オイルの圧力は大気圧相当に保たれている。そのため、アクセルをオフにするなどしてコンプレッサーホイールの回転数が落ち、コンプレッサーの出口の圧力が下がってコンプレッサーホイールの背面部分の圧力（以下、背面圧）が、大気圧よりも低い負圧になったときに、オイルシールの隙間から吸気ルート中にオイルが吸い出されることがある。特に、コンプレッサーホイールの回転数が大きくなるほど、コンプレッサーホイールの背面部分の空気がホイールの径方向外方に押し出され易く、その結果、背面圧が低くなり易い。
【０００４】
オイルの吸い出しの問題に対して、特許文献１では、空気の取込口からコンプレッサーの入口に至る吸気側上流路の途中と、コンプレッサーの出口から内燃機関に至る吸気側下流路の途中と、を連通する吸気側パイパス路を設けた圧力制御装置が提案されている。この圧力制御装置では、コンプレッサーの出口の圧力が負圧であった場合に、吸気側パイパス路に設けられるバイパスバルブを開放することで、コンプレッサーの出口付近の圧力を大気圧に近づけ、コンプレッサーホイールの背面圧が負圧になることを抑制している。その結果、連結軸からのオイルの吸い出しが抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−６７６１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の構成では、オイルの吸い出しを十分に抑制することができない場合がある。特許文献１の構成では、吸気側パイパス路を開放しても、コンプレッサーから内燃機関に至る吸気ルートも健在であるため、内燃機関が吸引する空気量が増えればコンプレッサーホイールの背面圧が負圧になることがある。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、従来よりも確実にコンプレッサーホイールの背面部分が負圧になることを抑制する圧力制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一形態に係る圧力制御装置は、内燃機関の排気ガスによって動作するタービンと、前記タービンの動作に連動して前記内燃機関に圧縮された空気を供給するコンプレッサーと、前記タービンへの前記排気ガスの流入量を調整するウェイストゲートバルブと、を備えるターボチャージャーにおける前記コンプレッサーの出口の空気圧を制御する圧力制御装置であって、吸気側パイパス路と、ルート切替バルブと、大気圧センサと、出口圧センサと、状態センサと、バルブ制御機構と、を備える。
吸気側パイパス路は、前記コンプレッサーの入口に繋がる吸気側上流路の途中と、前記コンプレッサーの出口に繋がる吸気側下流路の途中と、を連通する。
ルート切替バルブは、前記吸気側下流路と前記吸気側パイパス路との接続部に設けられ、前記内燃機関への吸気ルートを、前記コンプレッサーを通過するメインルート、または前記コンプレッサーを迂回して前記吸気側パイパス路を通過するサブルートのいずれかに切り替える。
大気圧センサは、前記コンプレッサーよりも上流で大気圧を測定する。
出口圧センサは、前記吸気側下流路における前記接続部よりも前記コンプレッサー側に設けられ、前記コンプレッサーの出口の空気圧を測定する。
状態センサは、前記コンプレッサーの稼働状態に相関する物理量を測定する。
バルブ制御機構は、前記出口圧センサの測定値と前記大気圧センサの測定値との差、および前記状態センサの測定結果に基づいて、前記ルート切替バルブと前記ウェイストゲートバルブとを連動させる。
【発明の効果】
【０００９】
上記圧力制御装置によれば、従来の圧力制御装置よりも確実に、コンプレッサーホイールの背面圧が負圧になることを抑制できる。それは、ルート切替バルブによってサブルートを開放したときにメインルートを閉鎖することができ、内燃機関が吸引する空気量が増えてもコンプレッサーの出口の空気圧が極端に下がることがないからである。加えて、上記圧力制御装置では、ルート切替バルブにウェイストゲートバルブが連動し、ルート切替バルブによってサブルートが開放されたときにウェイストゲートバルブも開放される構成となっている。ウェイストゲートバルブが開放されると、タービンホイールの回転数が落ち、タービンホイールに連動するコンプレッサーホイールの回転数も落ちるので、上記圧力制御装置を備えるターボチャージャーではコンプレッサーホイールの背面圧が下がり難くなっている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態１に示す圧力制御装置を備えるターボチャージャーの概略構成図である。
【図２】実施形態２に示す圧力制御装置を備えるシーケンシャルツインターボチャージャーの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の圧力制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００１２】
＜実施形態１＞
≪全体構成≫
実施形態１ではディーゼルエンジン（内燃機関）１のターボチャージャー２に、本発明の圧力制御装置３を設けた例を図１に基づいて説明する。圧力制御装置３の説明に先立ち、ターボチャージャー２の構成を簡単に説明する。
【００１３】
≪ターボチャージャー≫
ターボチャージャー２は、ディーゼルエンジン１の排気ガスによって動作するタービン２０と、タービン２０の動作に連動してディーゼルエンジン１に圧縮された空気を供給するコンプレッサー２１と、タービン２０への排気ガスの流入量を調整するウェイストゲートバルブ２５と、を備える。
【００１４】
上記タービン２０は、タービンハウジングと、その内部に配置されるタービンホイール２０ｈと、を備える。タービン２０の入口には、ディーゼルエンジン１から延びる排気側上流路１３が繋がっており、タービン２０の出口には、排気ガス浄化装置１９に延びる排気側下流路１４が繋がっている。つまり、タービン２０は、ディーゼルエンジン１の排気ガスを排出させる排出ルートの途中に設けられる。そのため、ディーゼルエンジン１から排気ガスが排出されると、タービンホイール２０ｈが回転する。
【００１５】
上記コンプレッサー２１は、コンプレッサーハウジングと、その内部に配置されるコンプレッサーホイール２１ｈと、を備える。コンプレッサー２１の入口には、空気の取込口１０から延びる吸気側上流路１１が繋がっており、コンプレッサー２１の出口には、ディーゼルエンジン１に延びる吸気側下流路１２が繋がっている。つまり、コンプレッサー２１は、ディーゼルエンジン１に空気を供給する吸気ルートの途中に設けられている。コンプレッサーホイール２１ｈは、連結軸２ｓを介してタービンホイール２０ｈに連結されており、タービンホイール２０ｈに連動して回転する。そのため、取込口１０から取り込まれ、エアクリーナー１１０で塵埃が除去された空気は、コンプレッサーホイール２１ｈの回転によって圧縮され、ディーゼルエンジン１に供給される。
【００１６】
上記ウェイストゲートバルブ２５は、排気側バイパス路１５に設けられている。排気側バイパス路１５は、タービンホイール２０ｈを避けるように排気側上流路１３から排気側下流路１４に排気ガスを迂回させる通路である。
【００１７】
タービンホイール２０ｈの背面部分、およびコンプレッサーホイール２１ｈの背面部分には、連結軸２ｓの回転を円滑にするオイルを封止するオイルシール２８，２９が設けられている。オイルの圧力は大気圧相当に保たれている。ここで、コンプレッサーホイール２１ｈが回転すると、コンプレッサーホイール２１ｈの背面部分の空気がコンプレッサーホイール２１ｈの径方向外方に押し出され易く、当該背面部分の圧力（背面圧）は、コンプレッサー２１の出口の空気圧よりも低くなる。背面圧が負圧になると、大気圧相当のオイルが、オイルシール２９の隙間から吸気ルートに吸い出される虞がある。オイルの吸い出しによって、オイルの減りが速くなるという問題や、排気ガスにオイルが燃焼した白煙が混じるという問題が生じる。そこで、下記圧力制御装置３によってオイルの吸い出しを抑制する。
【００１８】
≪圧力制御装置≫
圧力制御装置３は、ターボチャージャー２におけるコンプレッサーの出口の空気圧を制御する。ここで、当該空気圧よりも低いコンプレッサーホイール２１ｈの背面圧が負圧になることを抑制する装置である。この圧力制御装置３は、吸気側パイパス路３０と、ルート切替バルブ３１と、大気圧センサ３２と、出口圧センサ３３と、状態センサ３４と、バルブ制御機構３５と、を備える。
【００１９】
［吸気側パイパス路］
吸気側パイパス路３０は、吸気側上流路１１に設けられるエアクリーナー１１０と、吸気側下流路１２の途中と、を連通する。吸気側上流路１１における吸気側パイパス路３０の接続箇所は、エアクリーナー１１０よりも下流側（コンプレッサー２１側）に設けることもできる。
【００２０】
［ルート切替バルブ］
ルート切替バルブ３１は、吸気側下流路１２と吸気側パイパス路３０との接続部に設けられ、空気の取込口１０からディーゼルエンジン１に至る吸気ルートを切り替える。具体的には、ルート切替バルブ３１が実線で示す位置にあるとき、接続部における吸気側バイパス路３０は閉鎖され、コンプレッサー２１を通過するメインルート（白抜き矢印参照）が吸気ルートとなる。一方、ルート切替バルブ３１が二点鎖線で示す位置に切り替わると、接続部における吸気側下流路１１が閉鎖され、コンプレッサー２１を迂回して吸気側パイパス路３０を通過するサブルート（塗り潰し矢印参照）が吸気ルートとなる。
【００２１】
［大気圧センサ・出口圧センサ］
大気圧センサ３２は、コンプレッサー２１よりも上流で大気圧Ｐ０を測定する。本例では、大気圧センサ３２は、吸気側上流路１１に設けられるエアクリーナー１１０の位置に設けられているが、吸気側上流路１１のどの位置に設けても構わない。一方、出口圧センサ３３は、コンプレッサー２１の出口の空気圧（出口圧Ｐ１）を測定する。本例では、出口圧センサ３３は、吸気側下流路１２における接続部よりもコンプレッサー２１側の位置に設けている。
【００２２】
［状態センサ］
状態センサ３４は、コンプレッサー２１の稼働状態に相関する物理量を測定する。コンプレッサー２１の稼働状態とは、コンプレッサー２１がどれだけ仕事をしている状態か、即ちコンプレッサーホイール２１ｈがどの程度回転している状態かを意味する。本例では、状態センサ３４として、吸気ルートにおける空気の流量を測定する流量計を用いている。空気の流量は、コンプレッサーホイール２１ｈの回転数の増減に伴い増減するため、空気の流量を測定することでコンプレッサーホイール２１ｈの回転数を把握することができる。本例の流量計は、エアクリーナー１１０に設けられているが、吸気ルート上における吸気側パイパス路３０以外の部分であればどこに設けても構わない。その他、状態センサとして、コンプレッサーホイール２１ｈの回転数を直接測定するセンサを利用することもできる。
【００２３】
［バルブ制御機構］
バルブ制御機構３５は、例えば、車両に搭載されるエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）を利用することができる。もちろん、ＥＣＵとは別にバルブ制御機構３５を設けても構わない。このバルブ制御機構３５は、出口圧センサ３３の測定値と大気圧センサ３２の測定値との差、および状態センサ３４の測定結果に基づいて、ルート切替バルブ３１とウェイストゲートバルブ２５とを連動させる。両バルブ３１，２５を連動させることで、コンプレッサーホイール２１ｈの背面圧が負圧になることを抑制することができる。その理由については後述する圧力制御装置３の動作手順で詳しく説明するとして、まず両バルブ３１，２５を連動させる条件としてセンサ３２，３３，３４の測定値を採用している理由を説明する。
【００２４】
コンプレッサー２１の出口圧Ｐ１は大気圧Ｐ０よりも高くなる。既に述べたように、回転するコンプレッサーホイール２１ｈの背面圧ＰＴは出口圧Ｐ１よりも小さくなるので、出口圧Ｐ１と大気圧Ｐ０との差が小さいと、背面圧ＰＴが大気圧Ｐ０を下回る可能性が高い。また、コンプレッサー２１の稼働率が高くなるほど（即ちコンプレッサーホイール２１ｈの回転数が高くなるほど）、背面圧ＰＴの値は出口圧Ｐ１に比べて低くなるので、背面圧ＰＴが大気圧Ｐ０を下回る可能性が高い。故に、出口圧Ｐ１と大気圧Ｐ０との差、およびコンプレッサーホイール２１ｈの回転数を、両バルブ３１，２５を連動させる条件としている
【００２５】
ここで、本例では、ルート切替バルブ３１とウェイストゲートバルブ２５とを機械的な連動機構で繋ぐことで、両バルブ３１，２５を連動させている。機械的な連動機構としてはリンク機構などを挙げることができる。機械的な連動機構を用いることで、動作信号をルート切替バルブ３１に発信し、ルート切替バルブ３１を動作させれば、その動作に連動してウェイストゲートバルブ２５も動作する。機械的な連動機構を用いることなく両バルブ３１，２５を連動させることもできる。例えば、ルート切替バルブ３１を動作させる動作信号と、ウェイストゲートバルブ２５を動作させる動作信号を、各バルブ３１，２５に同時に発信すれば、両バルブ３１，２５を連動させることができる。
【００２６】
≪圧力制御装置の動作手順≫
通常、ルート切替バルブ３１は図１の状態にあり、ディーゼルエンジン１への吸気ルートはメインルート（白抜き矢印参照）となっている。その状態から、圧力制御装置３に備わるバルブ制御機構３５は、大気圧センサ３２の測定値（大気圧Ｐ０）と出口圧センサ３３の測定値（出口圧Ｐ１）を取得すると共に、状態センサ３４の測定値（空気の流量Ｇ）を取得する。そして、バルブ制御機構３５は、出口圧Ｐ１−大気圧Ｐ０が所定値以下で、かつ流量Ｇが所定値以上であるか否かを判断する。判断結果がイエスであれば、ルート切替バルブ３１を二点鎖線の位置に切り替え、メインルートを閉鎖してサブルートを開放する。また、ルート切替バルブ３１に連動させて、ウェイストゲートバルブ２５を二点鎖線の位置に退避させ、排気側パイパス路１５を開放する。
【００２７】
上述したようにルート切替バルブ３１を二点鎖線の位置に切り替えることで、メインルートが閉鎖されるので、ディーゼルエンジン１が吸引する空気量が増えても出口圧Ｐ１が極端に下がることを抑制できる。加えて、ウェイストゲートバルブ２５の開放に伴い、タービンホイール２０ｈの回転数が落ち、タービンホイール２０ｈに連動するコンプレッサーホイール２１ｈの回転数も落ちるので、コンプレッサーホイール２１ｈの背面圧ＰＴが下がり難くなる。この二重の対策によって、コンプレッサーホイール２１ｈの背面圧ＰＴが負圧になることを効果的に抑制することができる。
【００２８】
＜実施形態２＞
実施形態２では、大型のターボチャージャー２Ａと小型のターボチャージャー２Ｂとを直列に接続したシーケンシャルツインターボチャージャーに、本発明に係る圧力制御装置を適用した例を図２に基づいて説明する。シーケンシャルツインターボチャージャーでは、小型のターボチャージャー２Ｂを迂回する既存のバイパス路（図示せず）が設けられている。この既存のバイパス路の構成、およびその開閉の制御は公知であるため、ここではその説明を省略する。
【００２９】
図２では、実施形態１の部材と同一の機能を有する部材に、実施形態１と同一の符号を付している。但し、大型のターボチャージャー２Ａにかかる部材には符号の末尾に『Ａ』を、小型のターボチャージャー２Ｂにかかる部材には符号の末尾に『Ｂ』を追加している。例えば、１１Ａで示される部材は、大型のターボチャージャー２Ａにかかる吸気側上流路である。
【００３０】
シーケンシャルツインターボチャージャーでは、小型のターボチャージャー２Ｂが、大型のターボチャージャー２Ａよりもディーゼルエンジン１に近い側に配置されている。そのため、吸気側では、大型のターボチャージャー２Ａの吸気側下流路１２Ａが、小型のターボチャージャー２Ｂの吸気側上流路１１Ｂを兼ねる構成となっている。また、排気側では、小型のターボチャージャー２Ｂの排気側下流路１４Ｂが、大型のターボチャージャー２Ａの排気側上流路１３Ａを兼ねる構成となっている。
【００３１】
本例では、大型のターボチャージャー２Ａと小型のターボチャージャー２Ｂのそれぞれに、圧力制御装置３Ａと圧力制御装置３Ｂを設けている。ここで、大気圧センサ３２、状態センサ３４、およびバルブ制御機構３５は、両圧力制御装置３Ａ，３Ｂで共用する。
【００３２】
大型のターボチャージャー２Ａに対する圧力制御装置３Ａの配置は、実施形態１の圧力制御装置３と全く同じである。また、圧力制御装置３Ａの動作手順も実施形態１の圧力制御装置３と同じである。即ち、出口圧センサ３３Ａで測定した出口圧Ｐ１と、大気圧センサ３２で測定した大気圧Ｐ０との差が所定値以下で、かつ状態センサ３４で測定した流量Ｇが所定値以上であった場合、ルート切替バルブ３１Ａとウェイストゲートバルブ２５Ａを二点鎖線の位置に動かす。
【００３３】
一方、小型のターボチャージャー２Ｂに設けられる圧力制御装置３Ｂは、大型のターボチャージャー２Ａに設けられる圧力制御装置３Ａの大気圧センサ３２と状態センサ３４を流用して構成されている。この構成では、出口圧センサ３３Ｂで測定した出口圧Ｐ２と、大気圧センサ３２で測定した大気圧Ｐ０との差が所定値以下で、かつ状態センサ３４で測定した流量Ｇが所定値以上であった場合、ルート切替バルブ３１Ｂとウェイストゲートバルブ２５Ｂを二点鎖線の位置に動かす。なお、小型のターボチャージャー２Ｂは、大型のターボチャージャー２Ａと大きさが異なるので、使用する所定値も異なる。
【００３４】
実施形態２の構成によれば、いずれのターボチャージャー２Ａ，２Ｂにおいてもオイルの吸い出しの問題を回避することができる。
【００３５】
＜実施形態３＞
本例の構成はガソリンエンジン（内燃機関）のターボチャージャーにも適用することができる。ガソリンエンジンの場合、図１では吸気側バイパス路３０、図２では吸気側バイパス路３１Ｂの下流にスロットルバルブを備えるため、スロットルバルブを閉じればコンプレッサーの背面部分が負圧になることを回避することができる。しかしその場合、ポンピングロスが大きくなり、エンジンブレーキの効きが大きくなって、空走時間が減り、燃費が悪化する。これに対して、本例の構成を採用すれば、スロットルバルブを開けてポンピングロスを低減しつつ、本例の構成でコンプレッサーからのオイルの吸い出しを抑制することができる。
【００３６】
＜実施形態４＞
ディーゼルエンジンにおいても、吸気音の低減や始動直後の白煙防止のためにスロットルバルブ様のもの（Ｄスロットル）が設けられる場合がある。本例の構成を採用すれば、Ｄスロットルを備える車両であっても、上記実施形態３に記載したガソリンエンジンと同様に、ポンピングロスの低減とオイルの吸い出しの抑制を両立することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の圧力制御装置は、ターボチャージャーを備える車両に好適に利用できる。
【符号の説明】
【００３８】
１  ディーゼルエンジン（内燃機関）
１０  取込口
１１，１１Ａ，１１Ｂ  吸気側上流路
１１０  エアクリーナー
１２，１２Ａ，１２Ｂ  吸気側下流路
１３，１３Ａ，１３Ｂ  排気側上流路
１４，１４Ａ，１４Ｂ  排気側下流路
１５，１５Ａ，１５Ｂ  排気側パイパス路
１９  排気ガス浄化装置
２，２Ａ，２Ｂ  ターボチャージャー
２０，２０Ａ，２０Ｂ  タービン
２０ｈ  タービンホイール
２１，２１Ａ，２１Ｂ  コンプレッサー
２１ｈ  コンプレッサーホイール
２ｓ  連結軸
２５，２５Ａ，２５Ｂ  ウェイストゲートバルブ
２８，２９  オイルシール
３，３Ａ，３Ｂ  圧力制御装置
３０，３０Ａ，３０Ｂ  吸気側パイパス路
３１，３１Ａ，３１Ｂ  ルート切替バルブ
３２  大気圧センサ
３３，３３Ａ，３３Ｂ  出口圧センサ
３４  状態センサ
３５  バルブ制御機構
【図１】
0006566851.tif 000002
【図２】
0006566851.tif 000003