JP2002070601A - 可変圧縮比装置付ターボ過給内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 可変圧縮比装置による圧縮比の可変制御を利
用して、ターボ過給機の応答遅れを相殺し、運転性を改
善する。 【解決手段】 内燃機関は、ターボ過給機を備えている
とともに、複リンク式ピストン−クランク機構を利用し
た可変圧縮比装置を備えている。ｔ１で機関が加速され
ると、目標過給圧ｔＰは増大するが、実過給圧ｒＰには
応答遅れがあり、過給圧差ｄＰが生じる。加速時には、
過給圧差ｄＰに応じて圧縮比補正値ｈＥが与えられ、目
標圧縮比ｔＥが大きくなる。これにより、トルクが増加
し、ターボ過給機の応答遅れが相殺される。ｔ３で高速
高負荷域から減速すると、ＡＡＣバルブが開となり、タ
ーボ過給機の応答遅れによる吸気騒音が抑制される。同
時に、圧縮比が最低圧縮比Ｅｍｉｎに制御され、トルク
が抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、排気によって駆
動されるターボ過給機を備えるとともに、可変圧縮比装
置を備えてなる内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば特公平７−３２０１号公報には、
可変圧縮比装置を備えた過給内燃機関が開示されてい
る。これは、機械式過給機を使用したものであって、高
負荷時には過給機を作動させることにより出力を向上さ
せるとともに圧縮比を低圧縮比にしてノッキングの発生
を防止し、また、過給を必要としない中低負荷時には過
給機をオフとして無過給とするとともに圧縮比を高く
し、燃費を向上させるものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、過給機
としてターボ過給機を使用した場合には、機械式過給機
と異なり過渡時に過給圧変化に応答遅れが発生し、負荷
や回転数に応じて単純に圧縮比を変更したのでは、最適
なものとはならない。

【０００４】本発明は、可変圧縮比装置による圧縮比の
可変制御を利用して、ターボ過給機の応答遅れを相殺
し、運転性を改善することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、請求項１の
ように、排気によって駆動されるターボ過給機を備える
とともに、可変圧縮比装置を備えてなる内燃機関におい
て、過渡時に、ターボ過給機の応答遅れによる要求過給
圧と実際の過給圧との差を補うように、上記可変圧縮比
装置により圧縮比を制御することを特徴としている。

【０００６】すなわち、排気によって駆動されるターボ
過給機にあっては、定常状態からスロットル開度を急に
増加もしくは減少させたとしても、主にロータの慣性に
よって過給圧の変化に応答遅れが伴う。つまり、要求過
給圧の変化に実際の過給圧が追従し得ず、トルク変化に
遅れが生じる。これに対し、本発明では、可変圧縮比装
置によって、過給圧の応答遅れを補うように、圧縮比が
制御され、トルク変化の遅れが相殺ないしは低減され
る。ここで、過給圧の応答遅れは、必ずしも実際の過給
圧をセンサにより検出して求めるものに限られず、例え
ば、スロットル開度変化からの経過時間や機関回転数の
変化度合い、加減速の程度、などのパラメータを利用し
て過給圧の応答遅れを推定し、これを補うように圧縮比
制御を行うことも可能である。

【０００７】この請求項１の発明をより具体化した請求
項２の発明では、低負荷域からの加速時に、上記可変圧
縮比装置によって圧縮比を上昇させ、その後、徐々に圧
縮比を低下させるようになっている。

【０００８】すなわち、圧縮比の上昇によって、速やか
にトルクが立ち上がり、過給圧の応答遅れによるトルク
上昇の遅れが補われる。その後、過給圧が遅れて上昇し
てくるので、徐々に圧縮比を低下させることにより、ノ
ッキングを抑制しつつ円滑なトルク変化が得られる。特
に、低負荷域において、ポンピングロス低減ならびに排
気温度上昇のために、低圧縮比としている場合にも、圧
縮比の上昇によってトルクが速やかに増加する。

【０００９】さらに、請求項３の発明は、実過給圧を検
出する吸気圧センサを備えるとともに、過渡時の圧縮比
の補正量が、要求過給圧と上記実過給圧との差に応じて
求められることを特徴としている。

【００１０】このものでは、ターボ過給機による実際の
過給圧が、吸気圧センサによって実過給圧として検出さ
れる。要求過給圧は、機関運転条件、例えばスロットル
開度と回転数とに基づいて定まるので、過渡時には、両
者の差が大きく、これに対応して、圧縮比が大きく補正
される。そして、その後、実過給圧が要求過給圧に近付
けば、圧縮比の補正量が小さくなる。

【００１１】また、請求項４に係る発明は、高負荷域か
らの減速時に、コンプレッサから吐出された過給空気を
バイパスさせることなく内燃機関に供給するとともに、
上記可変圧縮比装置により圧縮比を低下させることを特
徴としている。

【００１２】高負荷域からスロットル開度が急に減少す
ると、ターボ過給機の応答遅れによって過給圧の低下が
遅れることから、吸気騒音が発生する。一般には、ター
ボ過給機のコンプレッサ下流からコンプレッサ上流へと
リサーキュレーションバルブを介して過給空気を循環さ
せる構成により、過給圧を低下させて吸気騒音を回避す
るようになっているが、請求項４の発明では、このよう
に過給空気をバイパスさせることなく内燃機関に供給す
る。そして、実質的に吸入空気量が過大となるのに対
し、圧縮比が速やかに低下することから、余分なトルク
の発生が回避される。

【００１３】

【発明の効果】この発明によれば、ターボ過給機の応答
遅れに起因する過渡時のトルク変化の遅れを圧縮比変化
によって相殺ないしは低減することができ、ターボ過給
内燃機関の運転性を改善できる。

【００１４】特に、請求項２の発明によれば、加速時に
トルクが速やかに上昇するので、ターボ過給内燃機関に
特有なトルクの遅れによる加速時のもたつき感を解消で
きる。しかも、過給圧の上昇に伴って圧縮比を徐々に低
下させることにより、ノッキングを抑制しつつ円滑なト
ルク変化が得られる。

【００１５】また、請求項３の発明によれば、要求過給
圧と実過給圧との差に応じて過渡時の圧縮比補正量が与
えられるので、過渡時における実際のトルク変化の遅れ
を確実に相殺するように圧縮比を制御することができ、
より効果的にターボ過給内燃機関に特有なトルク変化の
違和感を解消することができる。

【００１６】さらに請求項４の発明によれば、過給空気
をコンプレッサ下流等にバイパスさせることなく、減速
時の吸気騒音を低減することができ、リサーキュレーシ
ョンバルブやリサーキュレーション通路の省略が可能と
なる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好ましい実施の
形態を図面に基づいて詳細に説明する。

【００１８】先ず初めに、図２に基づいて、内燃機関１
の可変圧縮比装置の構成を説明する。

【００１９】この可変圧縮比装置は、複リンク式のピス
トン−クランク機構を利用したものであって、クランク
軸３１は、複数のジャーナル部３２とクランクピン部３
３とカウンタウエィト部３１ａとを備えており、機関本
体となる図示せぬシリンダブロックの主軸受に、ジャー
ナル部３２が回転自在に支持されている。上記クランク
ピン部３３は、ジャーナル部３２から所定量偏心してお
り、ここにロアリンク３４が回転自在に連結されてい
る。

【００２０】上記ロアリンク３４は、略Ｔ字形をなすも
ので、その本体３４ａとキャップ３４ｂとから分割可能
に構成された略中央の連結孔に、上記クランクピン部３
３が嵌合している。

【００２１】アッパリンク３５は、下端側が連結ピン３
６によりロアリンク３４の一端に回動可能に連結され、
上端側がピストンピン３７によりピストン３８に回動可
能に連結されている。上記ピストン３８は、燃焼圧力を
受け、シリンダブロックのシリンダ３９内を往復動す
る。

【００２２】上記シリンダ３９の上部には、クランク軸
３１の回転に同期して吸気ポート４４を開閉する吸気弁
４３と、同じくクランク軸３１の回転に同期して排気ポ
ート４６を開閉する排気弁４５と、が配置されている。

【００２３】制御リンク４０は、上端側が連結ピン４１
によりロアリンク３４の他端に回動可能に連結され、下
端側が制御軸４２を介して機関本体例えばシリンダブロ
ックの適宜位置に回動可能に連結されている。詳しく
は、制御軸４２は、小径部４２ｂを中心として回転する
ように機関本体に支持されており、この小径部４２ｂに
対し偏心している大径部４２ａに、上記制御リンク４０
下端部が回転可能に嵌合している。

【００２４】上記制御軸４２は、後述する圧縮比制御ア
クチュエータによって回動位置が制御される。この圧縮
比制御アクチュエータは、制御リンク４０から加わる反
力に抗して、任意の回動位置で制御軸４２を保持するこ
とができるようになっている。

【００２５】上記のような構成においては、上記制御軸
４２が圧縮比制御アクチュエータによって回動される
と、小径部４２ｂに対して偏心している大径部４２ａの
軸中心位置、特に、機関本体に対する相対位置が変化す
る。これにより、制御リンク４０の下端の揺動支持位置
が変化する。そして、上記制御リンク４０の揺動支持位
置が変化すると、ピストン３８の行程が変化し、ピスト
ン上死点（ＴＤＣ）におけるピストン３８の位置が相対
的に高くなったり低くなったりする。これにより、機関
圧縮比が変化する。

【００２６】また、この内燃機関１は、過給機としてタ
ーボ過給機５１を備えている。このターボ過給機５１
は、排気通路５４に位置するタービン５２と吸気通路５
５に位置するコンプレッサ５３とを同軸状に配置した構
成であり、運転条件に応じて過給圧を制御するために、
タービン５２の上流側から排気の一部をバイパスさせる
排気バイパス弁５６を備えている。

【００２７】図１は、上記内燃機関１の制御システムを
示す構成説明図であって、吸気通路５５のコンプレッサ
５３上流には、吸入空気量を検出するエアフロメータ２
が配置され、コンプレッサ５３の下流、特にインタクー
ラ３の下流側に、実過給圧を検出する吸気圧センサ４が
配置されている。また、機関のクランク角を検出するク
ランク角センサ５と、排気組成に応答する酸素センサ６
と、冷却水温を検出する水温センサ７と、ノッキングを
検出するノッキングセンサ８と、スロットル弁９の開度
を検出するスロットル開度センサ１０と、を備えてお
り、これらのセンサ類の検出信号は、エンジンコントロ
ールモジュール（ＥＣＭ）１１に入力されている。

【００２８】また主要なアクチュエータ類として、上記
排気バイパス弁５６のダイヤフラム部５６Ａへの負圧供
給を制御する電磁式の過給圧コントロールバルブ１２
と、前述した制御軸４２を動かして圧縮比を制御する圧
縮比制御アクチュエータ１３と、吸気バイパス通路１４
を介して導入される補助空気量を制御するＡＡＣバルブ
１５と、を備えており、後述するように、これらはエン
ジンコントロールモジュール１１の出力信号によって制
御される。上記圧縮比制御アクチュエータ１３は、例え
ばステップモータからなる。上記ＡＡＣバルブ１５は、
主にアイドル回転数のフィードバック制御や補機駆動ト
ルクの相殺のために用いられる。そのほか、燃料噴射弁
１６の噴射量や噴射時期、さらには点火プラグ１７によ
る点火時期、等もエンジンコントロールモジュール１１
によって制御される。なお、図１において、１８はエア
クリーナ、１９は触媒コンバータ、２０は排気消音器、
をそれぞれ示している。

【００２９】上記の構成においては、後述するように、
機関運転条件に応じて過給圧の目標値ｔＰが設定される
とともに、吸気圧センサ４によって実過給圧ｒＰが検出
され、この実過給圧ｒＰが目標過給圧ｔＰとなるよう
に、エンジンコントロールモジュール１１からの過給圧
制御信号（デューティ信号）によって過給圧コントロー
ルバルブ１２が制御される。この過給圧は、高速高負荷
域ほど高過給圧に制御される。

【００３０】一方、圧縮比は、やはり機関運転条件に応
じて最適となるように、圧縮比制御アクチュエータ１３
を介して制御される。この圧縮比制御は、基本的には、
高過給圧となる条件ほど低圧縮比に、低過給圧となる条
件ほど高圧縮比に、制御される。すなわち、高過給運転
時はノッキング回避のため圧縮比を低くし、低過給運転
時は熱効率向上（燃費向上）のために圧縮比を高く保つ
ようにしている。

【００３１】図３は、上記エンジンコントロールモジュ
ール１１において実行される過給圧および圧縮比の制御
の流れを示すフローチャートであり、以下、これを説明
する。

【００３２】このフローチャートに示すルーチンは、エ
ンジンコントロールモジュール１１内で所定時間毎に繰
り返し実行されるものであって、先ず、ステップ１で
は、各センサの出力から、機関回転数Ｎｅ、スロットル
開度ＴＶＯおよび実過給圧ｒＰをそれぞれ読み込む。そ
して、ステップ２において、そのときの機関回転数Ｎｅ
およびスロットル開度ＴＶＯに基づいて、目標過給圧ｔ
Ｐを算出する。具体的には、機関回転数Ｎｅとスロット
ル開度ＴＶＯとに対応させて目標過給圧ｔＰを記憶させ
てある所定の過給圧制御マップから、対応する値をルッ
クアップする。上記過給圧制御マップの記憶値は、前述
したように、高回転高負荷条件ほど値が大きく（高過給
圧）、低回転低負荷条件ほど値が小さく（低過給圧）な
っている。

【００３３】なお、このステップ２で算出した目標過給
圧ｔＰとなるように、図示せぬ他のルーチンによって、
過給圧制御信号が生成され、過給圧コントロールバルブ
１２が制御される。

【００３４】次に、ステップ３では、機関回転数Ｎｅと
スロットル開度ＴＶＯとに基づいて、基準圧縮比ｂＥが
求められる。具体的には、機関回転数Ｎｅとスロットル
開度ＴＶＯとに対応させて基準圧縮比ｂＥを記憶させて
ある所定の圧縮比制御マップから、対応する値をルック
アップする。上記圧縮比制御マップの記憶値は、前述し
たように、高過給圧となる条件ほど値が小さく（低圧縮
比）、低過給圧となる条件ほど値が大きく（高圧縮比）
なっている。

【００３５】次に、ステップ４へ進み、ここで、上記目
標過給圧ｔＰから実過給圧ｒＰを減じて過給圧差ｄＰを
算出する。この過給圧差ｄＰは、過渡時に、主にターボ
過給機５１の慣性によって発生するものであって、加速
時つまり過給圧増加時には、過給圧差ｄＰは正の値とな
って現れ、逆に減速時つまり過給圧低下時には負の値と
なって現れる。なお、定常状態では、過給圧差ｄＰはほ
ぼ０となる。

【００３６】ステップ５では、上記のようにして求めた
過給圧差ｄＰの絶対値の大きさが所定値ｄＰｔｈより大
きいか否かを判断する。ここで所定値ｄＰｔｈ以下であ
れば、定常に近い状態であるとして、ステップ１２へ進
み、目標圧縮比ｔＥを上記の基準圧縮比ｄＥのままに設
定し、かつステップ１３において、ＡＡＣバルブ１５を
閉状態とする。

【００３７】過給圧差ｄＰの大きさ（絶対値）が所定値
ｄＰｔｈより大きい場合は、過渡状態であるので、ステ
ップ５からステップ６へ進み、このステップ６におい
て、過給圧差ｄＰの正負を判断する。前述したように、
この正負によって、加速であるか減速であるかが判別さ
れる。過給圧差ｄＰが正であれば、加速であり、ステッ
プ７へ進む。過給圧差ｄＰが負であれば、減速であり、
ステップ１０へ進む。

【００３８】ステップ７においては、過給圧差ｄＰに基
づいて、圧縮比補正値ｈＥを算出する。上記過給圧差ｄ
Ｐが大きいほど圧縮比補正値ｈＥは大きな値として与え
られる。

【００３９】そして、次のステップ８では、運転条件に
対応した基準圧縮比ｂＥに上記圧縮比補正値ｈＥを加算
して、目標圧縮比ｔＥを算出する。さらに、ステップ９
で、ＡＡＣバルブ１５を閉状態に制御する。

【００４０】一方、減速であれば、ステップ１０におい
て、目標圧縮比ｔＥを最低圧縮比Ｅｍｉｎに設定する。
この最低圧縮比Ｅｍｉｎは、可変圧縮比装置が実現し得
る最低の圧縮比である。そして、ステップ１１に進み、
ＡＡＣバルブ１５を開状態に制御する。

【００４１】最終的に、ステップ８，ステップ１０，ス
テップ１２の何れかで求めた目標圧縮比ｔＥとなるよう
に、図示せぬ他のルーチンによって、圧縮比制御信号が
生成され、圧縮比制御アクチュエータ１３が制御され
る。

【００４２】図４は、上記のような制御による各部の実
際の挙動を示すタイムチャートであり、以下、これを説
明する。

【００４３】この図は、定常状態で運転されていた内燃
機関１を、ｔ１のタイミングにおいて加速し、その後、
高速高負荷の定常状態から、ｔ３のタイミングにおいて
減速したときの様子を示している。

【００４４】図示するように、タイミングｔ１でスロッ
トル開度がステップ的に増大したとすると、それに応じ
て目標過給圧ｔＰもステップ的に増大するが、実過給圧
ｒＰは破線に示すように一定の遅れ（ターボ過給機５１
の慣性による遅れ）を持って目標過給圧ｔＰに追随す
る。従って、加速開始時には大きな過給圧差ｄＰが生じ
る。

【００４５】一方、基準圧縮比ｂＥはスロットル開度の
増大に応じてステップ的に低下するが、このときの過給
圧差ｄＰは、前述した所定値（＋ｄＰｔｈ）より大とな
っているため、過給圧差ｄＰに応じた圧縮比補正値ｈＥ
の加算が行われ、目標圧縮比ｔＥは、加速開始前よりも
一旦大きくなる。この圧縮比補正によって内燃機関１の
発生トルクが高められ、良好な加速性を得ることができ
る。

【００４６】一旦高められた圧縮比は、過給圧差ｄＰが
小さくなるのに従って徐々に低下し、実過給圧ｒＰが目
標過給圧ｔＰの近傍に収束した後（ｔ２以降）は基準圧
縮比ｂＥに戻される。これにより、過剰なトルク発生と
ノッキングの発生とを回避することができる。

【００４７】次に、タイミングｔ３においてスロットル
開度がステップ的に減少したとすると、それに応じて目
標過給圧ｔＰもステップ的に低下するが、実過給圧ｒＰ
はやはり破線に示すように一定の遅れを持って目標過給
圧ｔＰに追随する。従って、減速開始時には、負の値と
して大きな過給圧差ｄＰが生じる。

【００４８】このような急減速時には吸気騒音が問題と
なるため、一般的なターボ過給機付き内燃機関では、前
述したように過給空気のリサーキュレーションを行って
いる。つまり、スロットル弁が急閉されたときにターボ
過給機のコンプレッサ下流の空気をコンプレッサ上流側
に循環させ、過給圧を速やかに低下させるのである。

【００４９】これに対し、本実施例では、過給圧差ｄＰ
が所定値（−ｄＰｔｈ）より小となっている間、ＡＡＣ
バルブ１５を開くことでコンプレッサ５３とスロットル
弁９との間での一時的な圧力上昇に伴う吸気騒音の発生
を回避し、かつ過給圧を速やかに低下させるようにして
いる。これにより、リサーキュレーションに必要な通路
やバルブを省略することが可能となる。

【００５０】また、減速時に単にＡＡＣバルブ１５を開
いたのでは、吸入空気量の増加により、余分なトルクが
発生して運転者に違和感を与えることになるが、本実施
例では、減速時に、ＡＡＣバルブ１５の開制御と同時に
目標圧縮比ｔＥが最低圧縮比Ｅｍｉｎに固定され、トル
クが抑制されるので、このような違和感を与えることが
ない。

【００５１】減速後、ｔ４において実過給圧ｒＰが目標
過給圧ｔＰの近傍に収束したら、ＡＡＣバルブ１５は閉
状態に戻り、かつ圧縮比が基準圧縮比ｂＥに戻される。

【００５２】以上、この発明の一実施例を説明したが、
この発明は、これに限定されず、種々の変更が可能であ
る。例えば、上記実施例では、過給圧が運転条件に応じ
た値にフィードバック制御されるが、このような過給圧
制御を行わない構成のターボ過給内燃機関においても本
発明は同様に適用できる。また上記実施例では、吸気圧
センサ４によって実圧縮比を検出しているが、この実圧
縮比の変化を運転条件等から推定することも可能であ
る。

【００５３】また、一般的なターボ過給機付き内燃機関
では、ターボ過給機の慣性による過給圧上昇の遅れを最
小限に抑えるために、上記実施例のようにターボ過給機
５１の排気タービン５２の下流側に排気浄化用の触媒コ
ンバータ１９が配置されているが、本発明によれば過給
圧上昇の遅れを圧縮比の補正によって補うことができる
ので、排気タービン５２の上流側に排気浄化用の触媒コ
ンバータ１９を配置することも可能となる。このような
配置とした場合には、内燃機関の始動から触媒活性まで
の時間を短縮することができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る内燃機関の制御システム全体を
示す構成説明図。

【図２】可変圧縮比装置の構成を示す構成説明図。

【図３】この実施例における制御の流れを示すフローチ
ャート。

【図４】加速時および減速時の各部の様子を示すタイム
チャート。

【符号の説明】

１…内燃機関 ４…吸気圧センサ １１…エンジンコントロールモジュール １３…圧縮比制御アクチュエータ １５…ＡＡＣバルブ ５１…ターボ過給機 ５６…排気バイパス弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｂ 75/04 Ｆ０２Ｂ 75/04 Ｆ０２Ｄ 15/02 Ｆ０２Ｄ 15/02 Ｚ 41/02 ３１０ 41/02 ３１０Ｄ 43/00 ３０１ 43/00 ３０１Ｒ ３０１Ｓ Ｆターム(参考） 3G005 FA04 GB28 GD02 GD03 GD13 GD17 GD18 HA00 HA02 HA05 HA13 JA06 JA12 JA24 JA32 JA39 3G084 BA00 BA05 BA07 BA22 CA04 CA06 DA05 DA15 EB08 EC01 EC03 EC06 FA10 FA11 FA12 FA33 3G092 AA01 AA12 AA18 DB00 DB03 DD06 DF01 DF07 EC09 FA03 FA14 GA12 GA13 HA05Z HA06Z HA16Z HE01Z 3G301 HA01 HA11 JA03 JA37 KA12 KA16 LA00 LA01 NC02 PA07Z PA11Z PA16Z PE01Z

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排気によって駆動されるターボ過給機を
   備えるとともに、可変圧縮比装置を備えてなる内燃機関
   において、過渡時に、ターボ過給機の応答遅れによる要
   求過給圧と実際の過給圧との差を補うように、上記可変
   圧縮比装置により圧縮比を制御することを特徴とする可
   変圧縮比装置付ターボ過給内燃機関。
2. 【請求項２】 低負荷域からの加速時に、上記可変圧縮
   比装置によって圧縮比を上昇させ、その後、徐々に圧縮
   比を低下させることを特徴とする請求項１記載の可変圧
   縮比装置付ターボ過給内燃機関。
3. 【請求項３】 実過給圧を検出する吸気圧センサを備え
   るとともに、過渡時の圧縮比の補正量が、要求過給圧と
   上記実過給圧との差に応じて求められることを特徴とす
   る請求項１または２に記載の可変圧縮比装置付ターボ過
   給内燃機関。
4. 【請求項４】 高負荷域からの減速時に、コンプレッサ
   から吐出された過給空気をバイパスさせることなく内燃
   機関に供給するとともに、上記可変圧縮比装置により圧
   縮比を低下させることを特徴とする請求項１記載の可変
   圧縮比装置付ターボ過給内燃機関。