(57)【要約】【課題】  クランク軸のねじりを抑制してエンジンの破損を防止できるクランク軸のねじり防止装置及び方法を提供する。【解決手段】  過給圧力を調節可能な過給圧調節手段１４と、過給圧調節手段１４を制御する制御装置１９と、エンジン回転速度を検出する検出手段１１とを備えたクランク軸のねじり防止装置であって、上記制御装置１９は、上記検出手段１１により検出されるエンジン回転速度が所定回転速度以上となったときに、上記過給圧調節手段１４による過給圧力を高めるものである。【選択図】  図１
2005273571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
過給圧力を調節可能な過給圧調節手段と、該過給圧調節手段を制御する制御装置と、エンジン回転速度を検出する検出手段とを備えたクランク軸のねじり防止装置であって、
上記制御装置は、上記検出手段により検出されるエンジン回転速度が所定回転速度以上となったときに、上記過給圧調節手段による過給圧力を高めることを特徴とするクランク軸のねじり防止装置。
【請求項２】
上記所定回転速度は、上記過給圧調節手段による過給圧力の上昇制御を実行しない場合、エンジンの運転状態が無負荷又は軽負荷状態であるときにクランク軸に生じるねじり振幅が許容最大ねじり振幅となる回転速度以下の値に設定される請求項１記載のクランク軸のねじり防止装置。
【請求項３】
上記制御装置は、エンジンの負荷が所定値以下であるときに、上記過給圧調節手段による過給圧力の上昇制御を実行する請求項１又は２記載のクランク軸のねじり防止装置。
【請求項４】
上記所定回転速度は、上記過給圧調節手段による過給圧力の上昇制御を実行しない場合、エンジンの運転状態が無負荷又は軽負荷状態であるときにクランク軸に生じるねじり振幅が、全負荷状態であるときに生じるねじり振幅以上となる回転速度に設定される請求項１〜３いずれかに記載のクランク軸のねじり防止装置。
【請求項５】
上記制御装置は、上記検出手段により検出されるエンジン回転速度の上昇に応じて、上記過給圧調節手段による過給圧力を段階的又は連続的に高めていく請求項１〜４いずれかに記載のクランク軸のねじり防止装置。
【請求項６】
過給圧力を調節可能な過給圧調節手段を備えたエンジンのクランク軸のねじりを防止する方法であって、
エンジン回転速度が所定回転速度以上となったときに、上記過給圧調節手段による過給圧力を高めて筒内圧力を大きくし、クランク軸に対して上向きに作用する力を抑制することを特徴とするクランク軸のねじり防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クランク軸のねじりに起因するエンジンの破損防止を図ったクランク軸のねじり防止装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両等のエンジンにおいて、エンジン回転速度（クランク軸の回転速度）があまりに高くなると、クランク軸に大きなねじり振動が発生し、クランク軸やダンパー等が破損するおそれがある。このため、エンジン回転速度がある程度高くなったときには、回転速度の上昇を抑える必要がある。例えば、特許文献１には、エンジン回転速度が所定値を越えたときに、燃料噴射量を減小又はゼロとしてエンジン回転速度を抑制することが記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１７６７４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、エンジン運転状態が無負荷又は軽負荷状態である場合、燃料噴射量がもともとゼロ又は僅かであるため、特許文献１の制御では、回転速度を抑制することができない。例えば、アクセルが踏まれていない、又は僅かに踏まれた状態で坂道を下っているような場合（所謂コースト走行時など）では、エンジン回転速度が高くなりクランク軸に大きなねじり振動が生じても、これを抑制することができず、エンジンが破損するおそれがある。
【０００５】
一方、本出願人がエンジンの運転状態とクランク軸に生じるねじりとの関係を試験等により確認した結果、エンジン負荷が低い程、クランク軸に生じるねじりが大きくなることを発見した。これを図４を用いて説明する。
【０００６】
図はエンジンのピストンＰ、コンロッドＣＲ及びクランク軸ＣＳを概略的に示したものであり、ピストンＰが圧縮上死点ＴＤＣに位置した状態を示している。
【０００７】
クランク軸ＣＳが回転すると、クランク軸ＣＳに対して、往復運動部の慣性力などによる上下方向への力Ｆ１（図では上向きで示す）と、回転運動部に作用するトルクやその慣性力などによる周方向（回転方向）への力Ｆ２とが作用する。この力Ｆ１と力Ｆ２との位相ずれは、図のように、ピストンＰが上死点ＴＤＣに位置したときに最大となる。つまり、力Ｆ１はクランク軸ＣＳを上方に押し上げるように作用し、力Ｆ２はクランク軸ＣＳを下方へと回転させるように作用する。この二つの力Ｆ１，Ｆ２の位相ずれによりクランク軸ＣＳにねじり振動が発生する。クランク軸ＣＳの回転速度が高くなるほど慣性力が大きくなるため、ねじり振幅（最大ねじり角）は回転速度の上昇に伴って大きくなる。そして、クランク軸ＣＳのねじり振幅が許容最大ねじり振幅を上回るとクランク軸ＣＳにクラックが発生したり、クランク軸ＣＳが折損するなどの可能性がある。
【０００８】
ところで、クランク軸ＣＳに対して上向きに作用する力Ｆ１は、往復運動部の上方への慣性力Ｆ１−ｉと、往復運動部に対して下方に作用する筒内圧力Ｆ１−ｐとの合力となる。慣性力Ｆ１−ｉと筒内圧力Ｆ１−ｐとは逆位相であるため、力Ｆ１はこれら慣性力Ｆ１−ｉと筒内圧力Ｆ１−ｐとの差により決定される。
【０００９】
ここで、エンジンの運転状態が無負荷又は軽負荷状態のときは、高負荷状態と比較して筒内圧力Ｆ１−ｐが小さいため、クランク軸ＣＳに対して上向きに作用する力Ｆ１が大きくなる。このため、クランク軸ＣＳに大きなねじりが発生するのである。
【００１０】
従って、エンジンの運転状態に関わらず、クランク軸ＣＳに生じるねじりを抑制できる装置及び方法の開発が望まれていた。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、クランク軸のねじりを抑制してエンジンの破損を防止できるクランク軸のねじり防止装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明は、過給圧力を調節可能な過給圧調節手段と、該過給圧調節手段を制御する制御装置と、エンジン回転速度を検出する検出手段とを備えたクランク軸のねじり防止装置であって、上記制御装置は、上記検出手段により検出されるエンジン回転速度が所定回転速度以上となったときに、上記過給圧調節手段による過給圧力を高めるものである。
【００１３】
ここで、上記所定回転速度は、上記過給圧調節手段による過給圧力の上昇制御を実行しない場合、エンジンの運転状態が無負荷又は軽負荷状態であるときにクランク軸に生じるねじり振幅が許容最大ねじり振幅となる回転速度以下の値に設定しても良い。
【００１４】
また、上記制御装置は、エンジンの負荷が所定値以下であるときに、上記過給圧調節手段による過給圧力の上昇制御を実行するようにしても良い。
【００１５】
また、上記所定回転速度は、上記過給圧調節手段による過給圧力の上昇制御を実行しない場合、エンジンの運転状態が無負荷又は軽負荷状態であるときにクランク軸に生じるねじり振幅が、全負荷状態であるときに生じるねじり振幅以上となる回転速度に設定しても良い。
【００１６】
また、上記制御装置は、上記検出手段により検出されるエンジン回転速度の上昇に応じて、上記過給圧調節手段による過給圧力を段階的又は連続的に高めていくようにしても良い。
【００１７】
更に本発明は、過給圧力を調節可能な過給圧調節手段を備えたエンジンのクランク軸のねじりを防止する方法であって、エンジン回転速度が所定回転速度以上となったときに、上記過給圧調節手段による過給圧力を高めて筒内圧力を大きくし、クランク軸に対して上向きに作用する力を抑制するものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、エンジン回転速度が所定回転速度以上となると過給圧力が高まるため、筒内圧力が上昇する。従って、クランク軸に対して上方向に作用する力が小さくなりクランク軸のねじりを抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２０】
図１は本実施形態のクランク軸のねじり防止装置を備えたエンジンの概略図である。
【００２１】
図中１がエンジンであり、ここではディーゼルエンジンである。エンジン１には、吸気通路２及び排気通路３が接続される。吸気通路２には、エアクリーナ１０、インタークーラ１２等が設けられる。
【００２２】
本実施形態のクランク軸のねじり防止装置は、過給圧力を調節可能な過給圧調節手段１４（ここでは、可変ノズルベーンターボ）を備えている。可変ノズルベーンターボ１４は、排気通路３に設けられた排気タービン１５と、吸気通路２に設けられたコンプレッサ１６とを備え、これら排気タービン１５とコンプレッサ１６とは回転軸１８を介して互いに連結される。排気タービン１５には、そのノズルベーン（図示せず）の開度を調節するためのアクチュエータ１７が設けられる。アクチュエータ１７により排気タービン１５のノズルベーンの開度を大きくすると、排気タービン１５を流れる排気ガスの流速が下がり排気タービン１５の回転速度が低下するため、コンプレッサ１６による過給圧力が低くなる。逆に、アクチュエータ１７により排気タービン１５のノズルベーンの開度を小さくすると、排気タービン１５を流れる排気ガスの流速が上がり排気タービン１５の回転速度が上昇するため、コンプレッサ１６による過給圧力が高くなる。可変ノズルベーンターボ１４のアクチュエータ１７は、制御装置１９により制御される。
【００２３】
制御装置１９には、予めエンジン１の運転状態毎に可変ノズルベーンターボ１４のノズルベーン開度（コンプレッサ１６による過給圧力）を定めたマップが入力されており、制御装置１９は基本的にはこのマップに従って可変ノズルベーンターボ１４のアクチュエータ１７を制御する。
【００２４】
エンジン１には、その回転速度（クランク軸の回転速度）を検出するエンジン回転センサ１１（検出手段）が設けられており、制御装置１９はこのエンジン回転センサ１１の検出値や、図示しないアクセル開度センサの検出値などに基づいてエンジン１の運転状態を判断する。
【００２５】
さて、本実施形態のクランク軸のねじり防止装置は、エンジン１の回転速度が高くなったときに、クランク軸に生じるねじりを抑制する点に特徴があり、以下その点について説明する。
【００２６】
制御装置１９は、エンジン回転センサ１１により検出されるエンジン１の回転速度が、予め設定された所定回転速度以上となったときには、上述したマップを無視して、可変ノズルベーンターボ１４のアクチュエータ１７を制御してノズルベーンの開度を小さくする。これにより、コンプレッサ１６による吸入空気の過給圧力が高まり筒内圧力が上昇するため、クランク軸のねじりが抑制される。従って、クランク軸ＣＳのねじりに起因するエンジン１の破損を防止でき、エンジン１の信頼性・耐久性が向上する。
【００２７】
図４を用いてこれを説明すると、可変ノズルベーンターボ１４による過給圧力を高めることによって、往復運動部に対して下方に作用する筒内圧力Ｆ１−ｐが大きくなり、圧縮行程におけるピストンの仕事量が増大する。この結果、クランク軸ＣＳに対して上方に作用する力Ｆ１が小さくなり、力Ｆ１と力Ｆ２との位相ずれにより発生するクランク軸ＣＳのねじり振幅（最大ねじり角）が小さくなる。
【００２８】
エンジン１の回転速度とクランク軸に生じるねじり振幅との関係はエンジン１の特性により異なるので、予めエンジン１毎に、上述した過給圧力の上昇制御を実行しない場合における、回転速度に対するクランク軸のねじり振幅を測定しておく。そして、クランク軸に生じるねじり振幅が許容最大ねじり振幅となる回転速度以下の値を、過給圧力の上昇制御を実行する所定回転速度として設定する。これにより、クランク軸のねじり振幅を確実に許容最大ねじり振幅よりも小さく抑えることができ、エンジン１の破損を確実に防止できる。
【００２９】
エンジン１の回転速度とクランク軸に生じるねじり振幅（最大ねじり角）との関係の一例を図２に示す。
【００３０】
図中横軸がエンジン回転速度、縦軸がクランク軸に生じるねじり振幅である。また、図のラインＡはエンジン１の運転状態が無負荷又は軽負荷状態（以下、単に無負荷状態という）である場合を示し、ラインＢはエンジン１の運転状態が全負荷状態である場合を示している。また、図のＣはクランク軸の許容最大ねじり振幅を示している。
【００３１】
図に示すように、無負荷運転時Ａ及び全負荷運転時Ｂ共に、エンジン回転速度が上昇する程、クランク軸に生じるねじり振幅は大きくなる。これは、エンジン回転速度が上昇する程、往復運動部及び回転運動部の慣性力が大きくなるからである。なお、無負荷運転時Ａ及び全負荷運転時Ｂ共に、エンジン回転速度２５００〜３０００ｒｐｍ近傍でねじり振幅が一旦低減しているが、これは、この回転速度で共振の一つ目の山である１節振動によるものである。
【００３２】
さて、図例では、エンジン回転速度がＮ１よりも小さい領域では、クランク軸に生じるねじり振幅は、無負荷運転時Ａよりも全負荷運転時Ｂの方が大きい。これは、全負荷運転時Ｂは燃料噴射量が多く、クランク軸の回転方向に作用するトルクが大きいためと考えられる。
【００３３】
ところが、エンジン回転速度がＮ１以上となると、この関係が逆転し、クランク軸に生じるねじり振幅は、無負荷運転時Ａの方が全負荷運転時Ｂよりも大きくなる。これは、全負荷運転時Ｂと無負荷運転時Ａとにおける筒内圧力の差が大きくなったからである。即ち、「発明が解決しようとする課題」の欄でも説明したように、無負荷運転時Ａは筒内圧力が低いため、クランク軸に対して上方向に作用する力（図４のＦ１）が大きくなり、ねじり振幅が大きくなる。従って、クランク軸に生じるねじり振幅が許容最大ねじり振幅Ｃを上回る回転速度は、エンジン１の負荷が小さい程、低くなる。この現象はエンジン１の特性にかかわらず生じるものである。
【００３４】
従って、過給圧力の上昇制御を実行する所定回転速度は、エンジン１の運転状態が無負荷又は軽負荷状態であるときにクランク軸に生じるねじり振幅が許容最大ねじり振幅Ｃとなる回転速度Ｄよりも小さい値に設定する。こうすることで、エンジン１の全運転領域において、クランク軸のねじり振幅を許容最大ねじり振幅Ｃよりも小さく抑えることができる。
【００３５】
本実施形態では、上記所定回転速度は、無負荷状態Ａのときに生じるねじり振幅が、全負荷状態Ｂのときに生じるねじり振幅以上となる領域（Ｎ１以上）に設定される。特に、本実施形態では、無負荷状態Ａにおけるねじり振幅と、全負荷状態Ｂにおけるねじり振幅とが等しくなる回転速度Ｎ１に設定される。即ち、無負荷運転時Ａよりも全負荷運転時Ｂの方がねじり振幅が大きくなる領域（Ｎ１以下）では、エンジン回転速度が比較的低くクランク軸に生じるねじり振幅が小さいので、この領域では過給圧力の上昇制御は実行しない。
【００３６】
なお、図中ラインＡ’は、エンジン１の無負荷状態において、本実施形態の特徴である過給圧力上昇制御を実行した場合にクランク軸に生じるねじり振幅を示している。図から明らかなように、過給圧力を高めることによりクランク軸に生じるねじり振幅が低減する。
【００３７】
ここで、可変ノズルベーンターボ１４による過給圧力は、瞬間的に高めても、徐々に高めても良い。
【００３８】
例えば、エンジン回転速度が所定回転速度Ｎ１以上となったときに、ノズルベーンの開度を予め設定した開度までいっきに閉じ（過給圧力を高め）、その後はその開度に維持するようにしても良い。
【００３９】
あるいは、エンジン回転速度が所定回転速度Ｎ１以上となった後、エンジン回転速度の上昇に応じて、ノズルベーンの開度を段階的又は連続的に絞っていき、過給圧力を段階的又は連続的に高めるようにしても良い。
【００４０】
例えば、図３に示すように、エンジン１の無負荷運転時Ａにおいて、共振の一つ目の山の頂点の若干手前のエンジン回転速度をＮ３とし、そのときのねじり振幅をＥとする。また、クランク軸に生じるねじり振幅が、ねじり振幅Ｅの約７０％となる回転速度をＮ２とする。このように、所定回転速度Ｎ１以上の領域でエンジン回転速度を複数の領域に分割する。
【００４１】
そして、エンジン回転センサ１１により検出されるエンジン回転速度が、Ｎ１以上かつＮ２未満となったときには、可変ノズルベーンターボ１４による過給圧力を第一圧（例えば最大過給圧の５０％）とし、Ｎ２以上かつＮ３未満となったときには過給圧力を第一圧よりも高い第二圧（例えば最大過給圧の７０％）とし、Ｎ３以上となったならば過給圧力を第二圧よりも高い第三圧（例えば、最大過給圧）まで高めるといったように、過給圧力を段階的に変化させても良い。このように過給圧力を徐々に高めることで、過給圧力上昇制御に伴うショックをなくすことができるなどの効果がある。
【００４２】
ところで、本願発明は、ターボ装置を作動して車両を減速する、所謂、エンジンブレーキ装置とは、その思想・特徴が根本的に異なるものである。
【００４３】
即ち、エンジンブレーキ装置が車速（エンジン回転速度）の低減を目的とするのに対して、本願発明はエンジン１のクランク軸のねじりを抑制することを目的とする。
【００４４】
車速の低減を目的とするエンジンブレーキ装置では、圧縮された吸入空気が膨張行程で正の仕事をすることを防止するために、ピストンの圧縮上死点近傍で排気弁を開いて吸入空気（圧縮力）を開放する必要がある。
【００４５】
これに対して、本願発明では、クランク軸に対して上向きに作用する力を抑制できれば良いので、圧縮された吸入空気が膨張行程で正の仕事をしても問題とならない。従って、ピストンの圧縮上死点近傍で排気弁を開く必要はない。
【００４６】
また、一般のエンジンブレーキ装置はドライバの意図により作動されるものであるが、本願発明のクランク軸のねじり防止装置は、ドライバの意図にかかわらず自動的に作動し、エンジン１の破損を確実に防止する。
【００４７】
本発明は上記実施形態に限定はされない。
【００４８】
例えば、過給圧調節手段１４は可変ノズルベーンターボに限定されず、排気タービンの上流側と下流側とをつなぐバイパス通路を開閉して過給圧力を調節するターボ装置等、過給圧力を調整できるものであればあらゆるものが適用可能である。
【００４９】
また、吸気通路２に、吸気圧力を検出する過給圧センサ２０を設け、上述した過給圧力上昇制御を実行する際には、過給圧センサ２０の検出値が予め定めた値と一致するように過給圧調節手段１４を制御しても良い。
【００５０】
また、上述したようにクランク軸のねじり振幅は、エンジン１の負荷が比較的低いときに大きくなるので、過給圧力上昇制御を無負荷又は低負荷運転領域でのみ実行するようにしても良い。例えば、アクセル開度や燃料噴射量等からエンジン１の負荷を読み取ることができるので、アクセル開度又は燃料噴射量が所定値以下（エンジン負荷が所定値以下）であるときにのみ、過給圧力上昇制御を行うようにしても良い。
【００５１】
更に、上述したようにクランク軸に生じるねじり振幅は、エンジン１の運転状態（エンジン負荷）毎に異なるため、過給圧力の上昇制御を実行する所定回転速度Ｎ１をエンジン１の運転状態毎に設定しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明のクランク軸のねじり防止装置の概略図である。
【図２】エンジン回転速度とクランク軸に生じるねじり振幅との関係の一例を示す図である。
【図３】図２の部分拡大図である。
【図４】クランク軸にねじりが生じる理由を説明する図である。
【符号の説明】
【００５３】
１  クランク軸
１１  エンジン回転センサ（検出手段）
１４  可変ノズルベーンターボ（過給圧調節手段）
１９  制御装置
【図１】
2005273571.tif 000003
【図２】
2005273571.tif 000004
【図３】
2005273571.tif 000005
【図４】
2005273571.tif 000006