JP3968957B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、吸気系に過給機を備えた内燃機関に関し、特に、過給状態におけるピストンストローク速度を最適化するようにした内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば特開昭６２−７８４４０号公報には、圧縮比可変機構を備えた過給機付内燃機関が開示されており、吸入空気を過給する高負荷運転時には機関の圧縮比を低くしてノッキングの発生を回避し、過給しない低中負荷運転時には圧縮比を高くして良好な燃費を確保することが記載されている。ここで、圧縮比可変機構としては、シリンダに連通した室の容積を、可変容積用ピストンの位置によって変化させる構成となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に、燃焼させるべき混合気量が多い高負荷運転時は燃焼期間が長くなる傾向がある。高負荷運転時に過給を行うと、この傾向がさらに顕著となり、結果として高負荷運転時の排気温度が非常に高くなるという問題がある。
【０００４】
すなわち、燃焼期間が長くなると、燃焼による熱を有効に機関の出力へ変換できるクランク角範囲（膨張行程の前半）で燃焼が終了せず、従って、燃焼後期に発生した熱は機関出力にあまり有効に変換されないことになる。この熱は、単に排気温度を上昇させるためだけに使われことになるので、内燃機関の熱効率の低下を招来することは勿論のこと、高負荷運転時に高排温となる要因になる。
【０００５】
このため、過給機付内燃機関では、燃焼室周りの部品や排気系の部品に高耐熱性を有する材料を使用したり、高過給状態となる高負荷運転時に大幅な燃料増量を行って排気温度を低下させたりする必要が生じる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、機関のシリンダ内を往復動するピストンと、
このピストンの往復動をクランクシャフトの回転に変換するピストン−クランク機構と、
機関の吸入空気を過給する過給機と、
を備える内燃機関において、
上記ピストン−クランク機構が、単リンク式ピストン−クランク機構に比べてピストン上死点前後のピストンストローク速度を小さく、ピストン下死点前後のピストンストローク速度を大きくする機構であることを特徴としている。
【０００７】
このような特性は、例えば複数のリンクから構成した複リンク式ピストン−クランク機構によって実現できる。
【０００８】
すなわち、請求項２の発明では、上記ピストン−クランク機構は、上記ピストンにピストンピンを介して連結された第１リンクと、この第１リンクに連結ピンを介して連結されるとともに上記クランクシャフトのクランクピン部に回転可能に連結された第２リンクと、上記第１リンクまたは第２リンクに連結ピンを介して連結されるとともに機関本体に揺動可能に支持された第３リンクと、を含んで構成されている。
【０００９】
また上記過給機は、排気のエネルギーによって吸入空気を過給するターボ過給機である。
【００１０】
上記のようにピストン上死点前後のピストンストローク速度を小さくすることは膨張行程前半のクランク角範囲における燃焼室容積の増大速度を小さくすることであるから、このクランク角範囲での燃焼室内の圧力低下幅が小さくなり、同時に燃焼室内の温度低下幅も小さくなる。従って、膨張行程前半での燃焼速度を大きく維持することが可能となり、燃焼期間を効果的に短縮させることができる。この結果、過給によって多量の空気を燃焼室へ送り込む高負荷運転時でも、排気温度が大幅に上昇するのを回避することができる。また、膨張行程前半のクランク角範囲で燃焼する混合気量が増加するのであるから、機関出力に有効に変換される割合が増え、機関の熱効率を向上させることにもなる。
【００１１】
請求項２のような複リンク式のピストン−クランク機構は、過給圧に応じた圧縮比の可変制御が可能な機構であるだけでなく、各リンクのアライメントを適切に選ぶことで、ピストン上死点前後のピストンストローク速度を小さくすることができる機構であるため、過給機付内燃機関のピストン−クランク機構として非常に有利である。
【００１２】
ピストン上死点前後のピストンストローク速度を小さくすると、反対にピストン下死点前後のピストンストローク速度は大きくなることになり、これは、排気弁の開時期を固定して考えると、ピストンが十分に下がりきらないうちに排気弁が開く傾向となることを意味している。この点において若干の損失が発生する可能性があるが、例えば過給機としてターボ過給機を使用すると、比較的高い圧力のままの既燃焼ガスが排気通路へ排出されたとしても、この排気のエネルギーをターボ過給機のタービン仕事として回収することができるため、実質的な損失は非常に小さい。
【００１３】
また、この発明においては、上記ピストン−クランク機構は、ピストン上死点位置を変更することにより機関の圧縮比を変更可能な可変圧縮比ピストン−クランク機構であり、上記過給機による過給圧が高いときに上記可変圧縮比ピストン−クランク機構を低圧縮比状態に制御し、上記過給機による過給圧が低いときに上記可変圧縮比ピストン−クランク機構を高圧縮比状態に制御する制御手段をさらに備えている。
【００１４】
この発明に好適な可変圧縮比ピストン−クランク機構は、例えば請求項２のような複リンク式ピストン−クランク機構によって実現される。すなわち、請求項２の発明では、上記可変圧縮比ピストン−クランク機構は、上記ピストンにピストンピンを介して連結された第１リンクと、この第１リンクに連結ピンを介して連結されるとともに上記クランクシャフトのクランクピン部に回転可能に連結された第２リンクと、上記第１リンクまたは第２リンクに連結ピンを介して連結されるとともに機関本体に揺動可能に支持された第３リンクと、上記第３リンクの揺動支持位置を機関運転条件に応じて変化させる揺動支持位置変更機構と、を含んで構成される。
【００１５】
更に本発明は、低圧縮比状態のときのピストン上死点前後のピストンストローク速度が、高圧縮比状態のときのピストン上死点前後のピストンストローク速度よりも小さくなることを特徴としている。
【００１６】
このように本発明では過給圧に応じた圧縮比可変制御を同時に行うことが可能であり、これにより、高過給圧となる高負荷運転時には機関の圧縮比を低くしてノッキングの発生を回避し、過給しない低中負荷運転時には圧縮比を高くして良好な燃費を確保することができる。
【００１７】
【発明の効果】
この発明によれば、ターボ過給機のような過給機を備えた内燃機関において、ピストン上死点近傍のピストンストローク速度を小さくすることにより、高負荷運転時の燃焼期間を短縮し、排気温度の上昇を回避することができるとともに、熱効率の向上を達成できる。
【００１８】
さらに、ピストン−クランク機構を可変圧縮比機構として利用することにより、過給圧に応じた圧縮比可変制御を同時に行うことが可能となり、高過給圧時におけるノッキングの回避と非過給時の燃費向上とを実現することができる。
【００１９】
【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。
【００２０】
図１は、可変圧縮比機構ともなる複リンク式ピストン−クランク機構を備えた本発明に係る内燃機関の全体図である。
【００２１】
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３３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、ここに第２リンクとなるロアーリンク３４が回転自在に連結されている。
【００２２】
上記ロアーリンク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３３が嵌合している。
【００２３】
第１リンクとなるアッパーリンク３５は、下端側が連結ピン３６によりロアーリンク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。
【００２４】
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。
【００２５】
第３リンクとなる制御リンク４０は、上端側が連結ピン４１によりロアーリンク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。
【００２６】
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。
【００２７】
上記のようなピストン−クランク機構においては、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の位置が高く（つまり図１のｙ座標が大きく）なったり低くなったりする。これにより、機関圧縮比を変えることが可能となる。
【００２８】
また、この内燃機関は、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５５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。
【００２９】
図２の実線は、図１の複リンク式ピストン−クランク機構のピストンストローク特性を示している。また、破線は、一般的な単リンク式ピストン−クランク機構（ピストンピンとクランクピンとを単一のリンク（コンロッド）で連結した機構）のピストンストローク特性を示す。一般的な単リンク式ピストン−クランク機構では、ＢＤＣ前後でのピストン速度よりＴＤＣ前後でのピストン速度が必ず大きくなる。コンロッドの長さを長くすれば、このような速度の差は小さくなり、結果としてＴＤＣ前後でのピストン速度を小さくすることが可能であるが、この場合、内燃機関の高さ（クランク軸中心位置からシリンダ上端までの距離）が大きくなるという問題が生じる。これに対し、複リンク式ピストン−クランク機構では、各リンクの連結位置の設定により、内燃機関の高さを変えることなく、ＴＤＣ前後のピストン速度を小さくし、ＢＤＣ前後のピストン速度を大きくすることが可能である。このような設定を行った図１の機構では、ＴＤＣ前後のピストン速度が単リンク機構の場合より小さく、ＢＤＣ前後のピストン速度が単リンク機構の場合より大きくなっている。但し、図２は、ピストンストローク量と内燃機関の高さとをそれぞれほぼ同一とする条件で２つの機構のピストンストローク特性を示している。
【００３０】
なお、図２の実線は、一例として、高過給運転時（高負荷運転時）に使用される低圧縮比状態のときのピストンストローク特性を示しており、高圧縮比状態のときは、これよりもＴＤＣ付近でのピストン速度が若干大きく、ＢＤＣ付近でのピストン速度が若干小さくなる。
【００３１】
次に、図３に基づいて、可変圧縮比機構と排気バイパス弁５６の制御機構について説明する。この図３の例では、圧縮比制御アクチュエータとして圧縮比制御用モータ１００を備え、ギヤ機構１０１を介して前述した図１の制御軸４２の回転角が制御される。この制御軸４２の回転角は、回転角センサ１０２によって検出される。また、ターボ過給機５１による吸気系の過給圧が過給圧センサ１２２によって検出される。１２３は、上記圧縮比制御用モータ１００および排気バイパス弁５６を機関運転条件に応じて制御するエンジンコントロールモジュールであって、このエンジンコントロールモジュール１２３には、上記過給圧センサ１２２による過給圧信号のほか、アクセル開度センサ１２０のアクセル開度信号と回転数センサ１２１の回転数信号とが入力されており、これらの検出信号に基づいて制御軸４２の目標回転角ならびに目標過給圧が算出され、モータ１００および排気バイパス弁５６へ制御信号が送られる。
【００３２】
図４は、上記エンジンコントロールモジュール１２３において実行される目標過給圧および目標制御軸回転角の算出ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行されるものであって、まずステップ１０１では、アクセル開度センサ１２０からの出力に基づき、アクセル開度（エンジン負荷相当値）ＡＰＳを読み込むとともに、回転数センサ１２１からの出力に基づいて、回転数ＮＥを読み込み、さらに過給圧センサ１２２からの出力に基づき、現在の実過給圧ＳＣＰを読み込む。
【００３３】
ステップ１０２では、アクセル開度ＡＰＳと回転数ＮＥとに基づき、目標過給圧ｔＳＣＰを算出する。具体的には、アクセル開度ＡＰＳと回転数ＮＥとに対応させて目標過給圧ｔＳＣＰを記憶させてある制御マップ（図示略）から、対応する値をルックアップする。この制御マップは、高負荷（ＡＰＳが大）高回転ほど過給圧を大とする特性に設定されている。
【００３４】
次にステップ１０３では、実過給圧ＳＣＰと回転数ＮＥとに基づき、可変動弁機構の制御軸４２の目標回転角ｔＣＡを算出する。具体的には、実過給圧ＳＣＰおよび回転数ＮＥに対応させて目標回転角ｔＣＡを記憶させてある制御マップ（図示略）から、対応する値をルックアップする。この制御マップは、ノッキングが発生しない範囲内で最も高い圧縮比となるような特性に設定されている。従って、低過給圧状態では高圧縮比となり、過給圧が高くなるほど圧縮比が低くなるようになっている。
【００３５】
なお、ここで圧縮比設定のパラメータとして目標過給圧ｔＳＣＰではなく実過給圧ＳＣＰを用いているのは、目標過給圧ｔＳＣＰの変化に対する実過給圧ＳＣＰの遅れが比較的大きいことを考慮したものであり、圧縮比の変更が過給圧の実際の変化よりも先行することがないようにするためである。
【００３６】
ステップ１０４では、算出した目標過給圧ｔＳＣＰおよび目標回転角ｔＣＡを、エンジンコントロールモジュール１２３内のメモリにストアする。
【００３７】
なお、図４のルーチンは、各目標値の算出のみを行うルーチンであり、実際の過給圧制御および回転角制御は、図示しない過給圧制御ルーチンおよび圧縮比制御ルーチンで行われる。
【００３８】
すなわち、過給圧制御ルーチンでは、メモリにストアされている最新の目標過給圧ｔＳＣＰと実過給圧ＳＣＰとの差に応じた排気バイパス弁５６のフィードバック補正開度を算出し、この補正開度に応じた制御信号を排気バイパス弁５６へ出力する。上記補正開度は、ｔＳＣＰ＞ＳＣＰのときは開度を増大補正するように、ｔＳＣＰ＜ＳＣＰのときは開度を減少補正するように与えられる。
【００３９】
また圧縮比制御ルーチンでは、メモリにストアされている最新の目標回転角ｔＣＡと実回転角（回転角センサ１０２で検出される）との差に応じたフィードバック制御信号を作成し、圧縮比制御用モータ１００へ制御信号を出力する。
【００４０】
図５は、一例として加速時における過給圧制御と圧縮比制御のタイムチャートを示している。図示するように、アクセル開度ＡＰＳが増加すると、目標過給圧ｔＳＣＰが高くなり、実過給圧ＳＣＰもやや遅れて上昇する。そして、この実過給圧ＳＣＰの上昇に伴って圧縮比が低くなり、ノッキングが回避される。
【図面の簡単な説明】
【図１】複リンク式ピストン−クランク機構を備えた本発明に係る内燃機関の構成説明図。
【図２】この複リンク式ピストン−クランク機構のピストンストローク特性を示す特性図。
【図３】可変圧縮比機構と過給圧の制御機構を示す構成説明図。
【図４】可変圧縮比機構と過給圧の制御ルーチンを示すフローチャート。
【図５】加速時における過給圧制御と圧縮比制御のタイムチャート。
【符号の説明】
３１…クランク軸
３４…ロアーリンク
３５…アッパーリンク
３８…ピストン
４２…制御軸
５１…ターボ過給機
５６…排気バイパス弁

Claims (3)

1. 機関のシリンダ内を往復動するピストンと、
   このピストンの往復動をクランクシャフトの回転に変換するピストン−クランク機構と、
   排気のエネルギーにより機関の吸入空気を過給する過給機と、
   を備える内燃機関において、
   上記ピストン−クランク機構は、ピストン上死点位置を変更することにより機関の圧縮比とピストンストローク速度とを変更可能な可変圧縮比ピストン−クランク機構であり、
   上記過給機による過給圧が高いときに上記可変圧縮比ピストン−クランク機構を低圧縮比状態に制御し、上記過給機による過給圧が低いときに上記可変圧縮比ピストン−クランク機構を高圧縮比状態に制御する制御手段を備え、
   上記可変圧縮比ピストン−クランク機構は、低圧縮比状態のときのピストン上死点前後のピストンストローク速度が、高圧縮比状態のときのピストン上死点前後のピストンストローク速度よりも小さくなるように設定されており、
   かつ、上記可変圧縮比ピストン−クランク機構は、上記低圧縮比状態のときには、同じピストンストローク量の単リンク式ピストン−クランク機構に比べてピストン上死点前後のピストンストローク速度が小さく、ピストン下死点前後のピストンストローク速度が大きくなるように設定されていることを特徴とする内燃機関。
2. 上記可変圧縮比ピストン−クランク機構は、上記ピストンにピストンピンを介して連結された第１リンクと、この第１リンクに連結ピンを介して連結されるとともに上記クランクシャフトのクランクピン部に回転可能に連結された第２リンクと、上記第１リンクまたは第２リンクに連結ピンを介して連結されるとともに機関本体に揺動可能に支持された第３リンクと、上記第３リンクの揺動支持位置を機関運転条件に応じて変化させる揺動支持位置変更機構と、を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 上記過給機の実過給圧を検出する実過給圧検出手段を備え、
   上記制御手段は、上記実過給圧に基づいて可変圧縮比ピストン−クランク機構を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。

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