(57)【要約】【課題】排気ブレーキ作動時にノズルベーンへの負荷を低減することのできるエンジンシステムを提供する。【解決手段】内燃機関から排気ガスが送り込まれるタービン２、及びリンク機構によりアクチュエータ５３の駆動力を伝達することによりノズルベーン３１を開閉して内燃機関から送り込まれる排気ガスの流速調整を行う可変容量装置を有する過給機と、タービン２の下流側における排気通路４７に設けられる排気ブレーキ装置５０と、を備えたエンジンシステムである。排気ブレーキ装置５０の動作時にノズルベーン３１を開くようにアクチュエータ５３を制御するアクチュエータ制御部５７を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排気ガスが送り込まれるタービン、及びリンク機構によりアクチュエータの駆動力を伝達することによりノズルベーンを開閉して前記内燃機関から送り込まれる前記排気ガスの流速調整を行う可変容量装置を有する過給機と、前記タービンの下流側における排気通路に設けられる排気ブレーキ装置と、を備えたエンジンシステムであって、
前記排気ブレーキ装置の動作時に前記ノズルベーンを開くように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部を備えることを特徴とするエンジンシステム。
【請求項２】
前記制御部は、前記排気ブレーキ装置の動作信号を検出した場合に前記ノズルベーンを全開とする制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
【請求項３】
前記アクチュエータが電気式であることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンシステム。
【請求項４】
前記アクチュエータ制御部は、前記内燃機関の駆動を制御する制御装置に含まれることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のエンジンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車の排気ガスと環境の問題が世界的にクローズアップされているなか、ディーゼルエンジン市場ではエミッション規制への対応と低燃費化、性能向上のため過給機の使用が必須となりつつある。このような背景から、タービンの排気ガス流入部の流路面積を可変とする可変容量装置を過給機に備えることで低速から高速域まで広範囲での性能向上を可能とすることが注目されている。また、車両重量に比べて相対的にブレーキ容量が小さい大型トラックでは補助ブレーキとして排気ブレーキが用いられる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−５３４７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述したような可変容量装置を備えた過給機付きエンジンにおいては、過給機の出口側に設けられている上記排気ブレーキを作動させてタービン下流の排気通路を閉じるとタービン上流と下流の圧力が逆転し脈動が生じる。このように、排気ブレーキ作動時には、脈動によってノズルベーンに負荷がかかるといった問題があった。
【０００４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、排気ブレーキ作動時にノズルベーンへの負荷を低減することのできるエンジンシステムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
本発明のエンジンシステムは、内燃機関から排気ガスが送り込まれるタービン、及びリンク機構によりアクチュエータの駆動力を伝達することによりノズルベーンを開閉して前記内燃機関から送り込まれる前記排気ガスの流速調整を行う可変容量装置を有する過給機と、前記タービンの下流側における排気通路に設けられる排気ブレーキ装置と、を備えたエンジンシステムであって、前記排気ブレーキ装置の動作時に前記ノズルベーンを開くように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部を備えることを特徴とする。
【０００６】
本発明のエンジンシステムによれば、アクチュエータ制御部によりアクチュエータが排気ブレーキ装置の作動時にノズルベーンを開くことで排気圧力が低下し、脈動によりノズルベーンに加わる負荷を低減できる。
【０００７】
また、上記エンジンシステムにおいては、前記排気ブレーキ装置の動作信号を検出した場合に、前記制御部は前記ノズルベーンを全開に制御するのが好ましい。
【０００８】
また、上記エンジンシステムにおいては、前記アクチュエータが電気式であることが好ましい。
【０００９】
また、上記エンジンシステムにおいては、前記アクチュエータ制御部は、前記内燃機関の駆動を制御する制御装置に含まれるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
アクチュエータが排気ブレーキ装置の作動時にノズルベーンを開くことで排気圧力が低下するので、脈動に起因してノズルベーンに加わる負荷を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態に係るエンジンシステムは、大型トラックに搭載されるディーゼルエンジン（内燃機関）である。図１は、過給機の構成を示す図である。図２は、本実施形態に係るエンジンシステムの概略構成を示す模式図である。図３は過給機に設けられる可変容量装置の構成を示す平面図であり、図４は可変容量装置の要部の構成を示す分解斜視図である。なお、図２中において、波線矢印は排気ガスの流れ、実線矢印は空気（吸気）の流れを示している。
【００１２】
図１に示されるように、過給機１はタービン２とディーゼルエンジンに向けて圧縮気体を供給するコンプレッサ３と、これらの間に配置されて一体に連結されるベアリング部４とを備えている。
【００１３】
タービン２は、タービンハウジング２ａと、該タービンハウジング２ａ内に設けられるタービンインペラ５と、タービンインペラ５及びタービンハウジング２ａの間に設けられた環状のシュラウド１２と、前記タービンインペラ５を回転可能とするシャフト７と、を備えている。また、タービンハウジング２ａは、一端に排気ガス入口（入口）８が設けられたスクロール流路（環状ガス流路）９と、中心部に形成された排気ガス出口１１とを備えている。
【００１４】
排気ガス入口８は図２に示されるようにディーゼルエンジンＥの排気管４６に接続されて、ディーゼルエンジンＥから排気ガスが導かれるようになっている。また、タービン２の排気ガス出口１１は排気菅（排気通路）４７に接続されている。また、上記スクロール流路９の内周部には環状ガス流路１０が設けられており、上記排気ガスをタービンインペラ５に導入するようになっている。そして、タービンインペラ５を駆動した後の排気ガスは、上記排気ガス出口１１（排気菅４７）から排出されるようになっている。
【００１５】
ところで、本実施形態のように大型トラック用ディーゼルエンジンシステムには、タービン２の下流側の排気菅４７に排気ブレーキ装置６０が設けられる。この排気ブレーキ装置６０は、大型トラックのように車両重量に比べて相対的にブレーキ容量が小さい場合に補助ブレーキとして機能するものである。
【００１６】
排気ブレーキ装置６０は排気バルブ５０を備えている。この排気バルブ５０には不図示のエアシリンダが設けられており、このエアシリンダにより排気バルブ５０が排気菅４７を流れる排気ガスの流れを堰き止めることが可能となっている。このように排気菅４７内で排気ガスを堰き止めることでディーゼルエンジンＥ内の排圧が強制的に抑えられて、結果的に制動力を得ることができ補助ブレーキとして機能する。
【００１７】
ディーゼルエンジンＥはエンジン制御用ＥＣＵ１００を備えている。また、過給機１は、詳細について後述するようにノズルベーン３１の駆動を制御するアクチュエータ５３の駆動を制御するアクチュエータ制御部５７を備えている。本実施形態では、このアクチュエータ制御部５７はエンジン制御用ＥＣＵ１００に含まれている。このようにエンジン制御用ＥＣＵ１０にアクチュエータ制御部５７の機能を持たせることで制御系を簡素化し、コスト低減を図っている。
【００１８】
上記エンジン制御用ＥＣＵ１００は、図示されない各回転センサ及び負荷センサからの制御情報に基づいてディーゼルエンジンＥの駆動を制御するものである。また、アクチュエータ制御部５７は排気ブレーキ装置６０に電気的に接続されている。具体的にはアクチュエータ制御部５７は、排気バルブ５０を駆動するエアシリンダに電気的に接続され、排気ブレーキ装置６０の作動時に排気ブレーキ５０を閉じる旨の信号を上記エアシリンダに送信するようになっている。
【００１９】
詳細については後述するが、上記アクチュータ制御部５７は、排気ブレーキ装置６０の動作信号を検出した際にノズルベーン３１を開くようにアクチュエータ５３を制御するようになっている。本実施形態では、排気ブレーキ装置６０を作動させる際に、アクチュエータ制御部５７はノズルベーン３１を全開に制御するようになっている。なお、アクチュエータ制御部５７はノズルベーン３１を必ずしも全開にする必要は無く、排気ブレーキ装置６０を作動させる際に少なくともノズルベーン３１の開き方向にアクチュエータを制御すればよい。
【００２０】
再び図１戻り説明すると、上記コンプレッサ３は、上記シャフト７を介してタービンインペラ５に一体形成されるコンプレッサインペラ６と、該コンプレッサインペラ６を覆うコンプレッサハウジング３ａとを備えている。コンプレッサハウジング３ａにおけるシャフト７と同軸上には、吸気口２５が形成されている。この吸気口２５から外気が吸引されるようになっている。また、コンプレッサハウジング３ａは、ディーゼルエンジンＥの給気口に接続され、加圧空気をディーゼルエンジンＥへ導くための環状流路４２が設けられている。
【００２１】
上記ベアリング部４は、上記シャフト７を支持する軸受部２１と該軸受部２１を支持するベアリングハウジング２２とを備えており、上記シャフト７はベアリングハウジング２２に対して回転自在に設けられる。上記軸受部２１としては、例えばボールベアリング等を例示できる。また、ベアリングハウジング２２は、例えば螺子等により一端側が上記タービンハウジング２ａに一体的に連結され、他端側が上記コンプレッサハウジング３ａに一体的に連結されている。
【００２２】
このような構成に基づき、過給機１は、ディーゼルエンジンＥから排出された排気ガスが排気管４６及び排ガス入口８（図２参照）を介してタービン２内に送り込まれることでタービンインペラ５を回転駆動し、タービンインペラ５とシャフト７を介して連結されたコンプレッサインペラ６を回転駆動させることで吸気管４５を介して圧縮空気をディーゼルエンジンＥに送り込むことが可能となっている。
【００２３】
本実施形態に係る過給機１は、マルチベーン方式の可変容量装置３０を備えている。図３はタービン２の内側（ベアリング部４側）から排気ガス出口１１側を視た図であり、図３中においては可変容量装置３０の構成を分かり易くするため、タービンハウジング２ａ等の図示を省略している。
【００２４】
可変容量装置３０は、タービン２のシュラウド１２の円周方向に回転可能に設けられる駆動リング３３と、該駆動リング３３に回転可能に設けられる複数のノズルベーン３１と、各ノズルベーン３１を開閉するためのアクチュエータ５３と、該アクチュエータ５３の駆動力を前記駆動リング３３に伝達するリンク機構３２とを備えている。
【００２５】
ノズルベーン３１は、上記タービンインペラ５を囲んでタービンインペラ５の軸線を中心に環状ガス流路１０内に等角度に配置される。具体的には、ノズルベーン保持軸３１ａがシュラウド１２を貫通した状態に設けられており、これによりノズルベーン３１が環状ガス流路１０に配置される。
【００２６】
可変容量装置３０は、アクチュエータ５３の駆動力を後述するリンク機構３２により伝達することで上記ノズルベーン３１を開閉してディーゼルエンジンＥから送り込まれる排気ガスの流速調整が可能となっている。なお、上記アクチュエータ５３としては電気式のものを用いた。これにより、アクチュエータ５３の厳密な制御が可能となり、ノズルベーン３１の開閉が良好に行われることで可変容量装置３０における信頼性を向上させることができる。
【００２７】
リンク機構３２は上述したようにアクチュエータ５３の駆動力をノズルベーン３１に対して伝達するものである。このリンク機構３２としては、駆動リング３３のタービンインペラ５側に回動可能に設けられるスライドジョイント３４と、該スライドジョイント３４に対して摺動可能とされてノズルベーン３１を保持するリンク部材３５とが含まれる。
【００２８】
上記アクチュエータ５３は、図３に示されるように駆動リンク５１及びアーム５２を介して前記駆動リング３３を回転可能とする。具体的には、駆動リング３３に設けられた連結孔内に一端側が嵌合されてカシメ等によって連結固定された支持軸５４に駆動用ジョイント５５が回動可能に設けられ、該駆動用ジョイント５５を挟み込むように駆動リンク５１が設けられている。駆動用ジョイント５５は上記スライドジョイント３４と同様の構成からなるものであり、駆動リンク５１は上記リンク部材３５と同様の構成からなるものである。これら駆動リンク５１及びアーム５２は上記リンク機構３２に含まれる。
【００２９】
アーム５２の一端側には支持軸５２ａが設けられており、この支持軸５２ａに上記駆動リンクが連結固定されている。支持軸５２ａは例えばタービンハウジング２ａに回動可能に支持されている。また、アーム５２の他端側には支持軸５２ｂが設けられており、この支持軸５２ｂに上記アクチュエータ５３が接続されている。
【００３０】
このような構成に基づいて、アクチュエータ５３は駆動リング３３を円周方向に回転させることで図３に示した支持軸３６、スライドジョイント３４を介してリンク部材３５が回転し、ノズルベーン３１に駆動力を伝達して各ノズルベーン３１を連動して開閉可能となっている。
【００３１】
図４に示されるように、駆動リング３３には平面視略四角形状からなるスライドジョイント３４をそれぞれ回動可能に支持する支持軸３６が設けられている。この支持軸３６は駆動リング３３におけるノズルベーン３１の配置間隔に対応する位置に設けられた連結孔３３ａに端部が嵌合されてカシメ等によって連結固定されている。なお、支持軸３６は駆動リング３３に、例えば精密プレス加工（ファインブランキング加工）を用いることで一体形成されていてもよい。
【００３２】
上記リンク部材３５は、略フォーク形状の部材から構成され、スライドジョイント３４を挟み込むように保持する。具体的には、リンク部材３５はスライドジョイント３４を挟み込んだ状態に保持する挟み込み部３５ａを有している。なお、挟み込み部３５ａとスライドジョイント３４との間にはガタツキが生じない程度の僅かな隙間が形成されており、これによってスライドジョイント３４及びリンク部材３５は摺動可能となっている。なお、上記スライドジョイント３４の角部、及び上記挟み込み部３５ａの先端部は面取りがされており、摺動時に角部による偏磨耗が生じるのを防止している。
【００３３】
さらにリンク部材３５に設けられた連結孔内にノズルベーン保持軸３１ａの一端側が嵌合されてカシメ等によって連結固定され、このノズルベーン保持軸３１ａの他端側に各ノズルベーン３１がそれぞれ固定（保持）されている。これにより、ノズルベーン３１はリンク部材３５と一体的に動作可能となっている。なお、駆動リング３３には上記ノズルベーン保持軸３１ａの突出部との干渉を防止する貫通孔３７が円弧状にノズルベーン３１の数に対応して形成されている。
【００３４】
次に、本実施形態に係る過給機１を備えた大型トラック用のディーゼルエンジンＥの動作について説明する。ディーゼルエンジンＥから排出された排気ガスはタービンインペラ５を回転駆動し、この回転によりシャフト７を介して、コンプレッサインペラ６が回転駆動する。コンプレッサインペラ６が回転駆動することで、吸気口２５から吸引した空気（外気）をコンプレッサ２内に設けられた環状流路４２で圧縮し、圧縮空気がディーゼルエンジンＥ内に供給される。
【００３５】
圧縮空気はディーゼルエンジンＥ内において燃料の消費に供される。この燃焼によってディーゼルエンジンＥより排気ガスが排出され、排気ガス入口８から過給機１内に取り込まれる。排気ガスはタービン２内のスクロール通路９を経由して、タービンインペラ５が回転するという動作を継続する。これにより、ディーゼルエンジンＥの出力を向上できる。
【００３６】
ところで、エンジンの回転速度に応じてタービン２に供給される排気ガスの流速が変化する。そこで、本実施形態に係る過給機１は、可変容量装置３０によってノズルベーン３１の角度を調整することで環状ガス流路１０を通ってタービンインペラ５に流れ込む排気ガスの流速を適宜調整することで低速回転から高速回転までの広範囲の過給によりエンジン性能向上を図ることができる。
【００３７】
以下、可変容量装置３０の動作について図５を参照しつつ説明する。
エンジン低速時の排気ガス流速が低い場合には、ノズルベーン３１を回動して環状ガス流路１０を絞り、
具体的には、アクチュエータ５３を縮み方向（図５中Ｄ方向）に動作させる。すると、アクチュエータ５３の動作がアーム５２、駆動リンク５１、及び駆動用ジョイント５５を介して駆動リング３３に伝達され、駆動リング３３は図４中Ａ方向に回転する。駆動リング３３が図４中Ａ方向に回転すると、前記スライドジョイント３４は支持軸３６を中心として回転し、このときリンク部材３５とスライドジョイント３４とは摺動する。これにより、スライドジョイント３４及びリンク部材３５を介してノズルベーン３１はノズルベーン保持軸３１ａを中心として反時計回り（図５中Ｆ方向）に回転する。よって、ノズルベーン３１は環状ガス流路１０に流れ込む排気ガスの流路を開くことができる。
【００３８】
一方、エンジン高速時の排気ガスの流速が高い場合には、ノズルベーン３１を回動して環状ガス流路１０を開く。
具体的には、図５に示したアクチュエータ５３を伸び方向（図５中Ｃ方向）に動作させる。すると、アクチュエータ５３の動作がアーム５２、駆動リンク５１、及び駆動用ジョイント５５を介して駆動リング３３に伝達され、駆動リング３３は図４中Ｂ方向に回転する。駆動リング３３が図５中Ｂ方向に回動すると、前記スライドジョイント３４は支持軸３６を中心として回転し、このときリンク部材３５とスライドジョイント３４とは摺動する。これにより、スライドジョイント３４及びリンク部材３５を介してノズルベーン３１はノズルベーン保持軸３１ａを中心として時計回り（図５中Ｅ方向）に回転する。よって、ノズルベーン３１は環状ガス流路１０に流れ込む排気ガスの流路を絞ることができる。
【００３９】
ところで、ディーゼルエンジンＥの運転時、必要に応じて上記排気ブレーキ装置６０を作動させる。このとき、排気バルブ５０によって排気菅４７の流路が閉じられる。すると、ディーゼルエンジンＥ内の排圧が強制的に抑えられて、結果的に補助ブレーキとしての制動力を得ることができる。
【００４０】
しかしながら、上記排気ブレーキ装置６０の作動時に、排気ガスがタービンインペラ５側に流れ込むことで排気脈動が生じ、かかる脈動によってノズルベーン３１には荷重がかかる可能性がある。すると、ノズルベーン３１を開閉させるためのリンク機構３２（スライドジョイント３４及びリンク部材３５等）に負荷が加わることで、磨耗が生じる可能性がある。
【００４１】
ここで、排気ブレーキ装置６０の作動時にノズルベーン３１にかかる荷重について図面を参照しつつ説明する。図６に示されるようにノズルベーン３１の長さをＬ、ノズルベーン３１にかかる荷重をＦ、ノズル高さをＨとする。さらにタービン２の上流側（排気管４６）の排気ガス圧力をＰ１とし、タービン２の下流側（排気菅４７）の排気ガス圧力をＰ２とする。隣接するノズルベーン３１間の脈動の直交方向に対するノズルベーン３１の傾き角をθとする。
【００４２】
このとき、ノズルベーン３１にかかる荷重Ｆは、下式１で規定される。
【００４３】
Ｆ  ＝  （Ｐ２−Ｐ１）ＬＨｃｏｓθ            （式１）
【００４４】
ここでＬＨｃｏｓθは脈動方向に対応するノズルベーン３１の投影面積を示している。この投影面積はｃｏｓθの値と比例関係を有することからノズルベーン３１の傾き角θが大きくなると投影面積は小さくなる。
【００４５】
すなわち、ノズルベーン３１の投影面積は、図７（ａ），（ｂ）に示されるようにノズルベーン３１の開度が大きい場合（ノズルベーン３１が相対的に開いた状態）、その投影面積が小さくなる。
【００４６】
また、図８はノズルベーン３１の開度（傾き角θ）とノズルベーン３１に加わる荷重Ｆとの関係を示すグラフである。なお、図８中、縦軸が荷重Ｆ（単位；Ｎ）に対応し、横軸がノズルベーン３１の開度（ノズルベーン３１の角度θ）に対応している。なお、上述したように角度θが大きい場合はノズル開度が大きく、角度θが小さい場合はノズル開度が小さいものとする。
【００４７】
図８に示されるように、ノズルベーン３１の角度θがゼロの場合、ノズルベーン３１にかかる荷重Ｆは約７５Ｎであり、ノズルベーン３１の角度θが４５°（開度が最大）の場合、ノズルベーン３１にかかる荷重Ｆは約５０Ｎとなる。
【００４８】
したがって、本実施形態に係る過給機１は、排気ブレーキ装置６０の動作信号を検出した際に、アクチュータ制御部５７がノズルベーン３１を開く（上記式１のθを大きくする）ようにアクチュエータ５３を制御し、図７（ｂ）に示すようにノズルベーン３１を開く。これによって投影面積が小さくなり、荷重Ｆを低減することが可能となる。
【００４９】
具体的に本実施形態では、前記ノズルベーン３１が全開（θ＝４５°）となるように制御している。このとき、アクチュエータ５３を縮み方向（図５中Ｄ方向）に最大限に動作させて、駆動リング３３を図５中Ａ方向に回動する。そして、スライドジョイント３４及びリンク部材３５を介してノズルベーン３１はノズルベーン保持軸３１ａを中心として反時計回り（図５中Ｆ方向）に回転する。これによりノズルベーン３１は全開とされ、ノズルベーン３１の投影面積を最小とすることで荷重Ｆを最も抑えることができる。
【００５０】
以上述べたように本実施形態によれば、アクチュエータ制御部５７によりアクチュエータ５３が排気ブレーキ装置６０の作動時にノズルベーン３１を開くことで排気圧力が低下し、排気の脈動によってノズルベーン３１に生じる振動を抑制できる。したがって、排気の脈動（ノズルベーン３１の振動）に起因してノズルベーン３１を開閉させるためのリンク機構３２（スライドジョイント３４及びリンク部材３５等）に加わる負荷が低減されて磨耗を抑制できる。
【００５１】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されることはなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態ではディーゼルエンジンについて本発明の過給機を適用して説明したが、これに限定されず、ガソリンエンジンに適用することもできる。
【００５２】
また、上記実施形態では、アクチュエータ５３の駆動力をノズルベーン３１に伝達するリンク機構３２の一例としてスライドジョイント３４及びリンク部材３５等を用いて説明したが、これに限定されることはなく、アクチュエータ５３の駆動力を伝達できる機構であれば種々のものに置き換えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】過給機の構成を示す模式図である。
【図２】エンジンシステムの概略構成を示す図である。
【図３】可変容量装置の構成を示す平面図である。
【図４】可変容量装置の要部の構成を示す分解斜視図である。
【図５】可変容量装置の動作を説明するための図である。
【図６】ノズルベーンにかかる荷重を説明するための図である。
【図７】ノズルベーンの開度と投影面積の関係を示す図である。
【図８】ノズルベーンの開度と荷重との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５４】
１…過給機、２…タービン、３０…可変容量装置、３１…ノズルベーン、３２…リンク機構、３３…駆動リング、３４…スライドジョイント、３５…リンク部材、５０…排気ブレーキ装置、５３…アクチュエータ、５７…アクチュエータ制御部、１００…エンジン制御用ＥＣＵ１００（制御装置）、Ｅ…ディーゼルエンジン（内燃機関）
【図１】
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【図２】
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【図３】
2009108773.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009108773.tif 000009
【図８】
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