JPS6312837A - 可変圧縮比装置を備えたタ−ボチヤ−ジヤ付内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、可変圧縮比装置を備えたターボチャージャ付
内燃機関におけるターボチャージャと圧縮比の制御構造
に関する。

〔従来の技術〕

内燃機関の過給手段には、機関から排出される排気ガス
を利用したターボチャージャによるものと、クランクシ
ャフトの回転駆動力を利用した機械式過給機によるもの
とがある。

また、従来から内燃機関における圧縮比を可変する装置
として、偏心ベアリングを用いた圧縮比可変機構が知ら
れている（たとえば特開昭５８−９１３４０号公報、特
開昭５８−１７２４３１号公報）。

本発明に関連するターボチャージャ付内燃機関の従来技
術としては、たとえば特公昭４７−４３３７２号公報、
特開昭５５−１６４７２７号公報が知られている。

上述の特公昭４７−４３３７２号公報に開示された機関
は、ターボ過給機の圧縮機の入口に通ずる吸入通路と圧
縮機から機関に接続する吸気通路とを絞り弁の上流側に
おいて分路により連通し、吸入通路と分路との分岐部に
切換弁を設け、この切換弁を吸入空気量を調整するスロ
ットル弁に連動させて、スロットル弁が低開度になると
圧縮比側の通路を閉塞するように構成されている。

また、特公昭５５−１６４７２７号公報に開示された機
関は、ターボ過給機の圧縮機をバイパスする通路と、タ
ーボ過給機のタービンをバイパスする通路とを設け、こ
の両方のバイパス通路に、機関の運転条件に基づいて開
度を制御する弁をそれぞれ設けたものから成っている。

しかしながら、上述の機関はいずれもターボ過給機付内
燃機関であって、圧縮比可変装置を備えた機関ではない
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ターボチャージャ付内燃機関では、出力が要求されるの
は高負荷側であるので、高負荷時には過給を大にし、軽
、中負荷時には過給圧を低下させている。しかし、この
ターボチャージャ付内燃機関では、負荷の増加に伴って
エンジン吸入空気量および圧力が高くなり、ノッキング
が発生しやすくなるという問題がある。そこで、過給（
負荷）に応じて圧縮比をたとえば高低の２段階に切換え
るようにすれば、容易にノンキングを防止することがで
きると考えられる。

しかしながら、圧縮比の切換えと過給特性をどのように
配置６するかが問題となる。つまり、圧縮比を段階的に
切換えるようにした場合は、単に過給圧を負荷に応して
連続的に変化させていたのでは、圧縮比切換時において
出力トルクが急激に変動するという問題が生しる。すな
わら、第８図に示すように、過給圧Ｐ２が滑らかに変化
するのに対して圧縮比ε２がある位置で高圧縮比から低
圧縮比に切換わるので、エンジン出力トルクＴ２がスム
ーズに変化せず、ドライバビリティが著しく悪化すると
いう問題がある。

本発明は、上記の問題を解決するために、ターボチャー
ジャ付内燃機関において、圧縮比に応じて過給を適切に
制御することにより、圧縮比の切換え時に生じるエンジ
ン出力トルクの急激な変動を防止し、ドライバとりティ
を大幅に向上させることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的に沿う本発明の可変圧縮比装置を備えたターボ
チャージャ付内燃機関は、ターボチャージャ付内燃機関
に、可変圧縮比装置を設け、該可変圧縮比装置の電子制
御袋でに、低圧縮比時には過給を行ない高圧縮比時には
過給を停止させるかもしくは大幅に減少させる制御機能
をもたせたものから成る。

〔作用〕

このように構成された可変圧縮比装置を備えたターボチ
ャージャ付内燃機関においては、軽負荷時には圧縮比が
高圧縮比に切換えられる。この場合、過給は停止される
かもしくは大幅に低減される。すなわち、過給が停止さ
れても圧縮比が高められるので、燃焼効率が向上し燃費
が低減される。

高負荷時には、燃焼室内に多量の空気が導入されるので
、ノッキング防止のために圧縮比が低圧縮に切換えられ
る。したがって、ノッキングの発生を抑制しつつ高出力
が得られる。

また、低圧縮比時には電子側ｍ　Ｗ置からの指令により
過給を制御して低圧縮比時における出力トルクを？ｉＵ
正することが可能となり、圧縮比切換寸前のトルクの大
きさと圧縮比切換え直後のトルクをほぼ同一の値に合致
させることが可能となる。

したがって、結果的に圧縮比切換え時における大幅なト
ルク変動が防止される。

〔実施例〕

以下に、本発明に係る可変圧縮比装置を備えたターボチ
ャージャ付内燃機関の望ましい実施例を、図面を参照し
て説明する。

第１実施例 第１図は、本発明の第１実施例に係る可変圧縮比装置を
備えたターボチャージャ付内燃機関の制御系統図を示し
ている。図において、内燃機関のシリンダ１にはピスト
ン２が摺動自在に嵌挿され、ピストン２はコネクティン
グロッド３にピストンピン４を介して連結されている。

ピストンピン４はピストン２のピストンピン穴に、固定
的または回転可能に支持されている。

コネクティングロッド３の小端部のピストンピン挿通孔
５とピストンピン４の外周との間には円周方向に肉厚が
変化し、内周円と外周円とが互に偏心している偏心ベア
リング６が回転可能に介装されている。

コネクティングロッド３の、前記偏心ベアリング６に対
応する位置には偏心ヘアリング６の半径方向に延びるロ
ックピン収納穴７が形成され、咳穴７には、ロックピン
８が摺動自在にかつ穴７から偏心ベアリング８に対して
出没自在に収納されている。一方、偏心ベアリング６に
は、その半径方向の厚みが厚い部分に、ロックピン８が
出没できる径をもつロックピン係合孔９が形成されてい
る。該ロックビン係合孔９にロックピン８が係合すると
ピストン２を高い位置に保ち高圧縮比とし、ロックピン
８による保合が解除されているときには、偏心ヘアリン
グ６が自在に回転し、圧縮上死点でピストンは低位置と
なり、低圧縮比状態を現出できるようになっている。す
なわち、この圧縮比可変装置を備えたターボチャージャ
付内燃機関では、圧縮比が高低２段階に切換え可能にな
っている。

つぎに、ロックピン８の駆動構造について述べると、ロ
ックピン収納穴７には、ロックピン８を挟んでロックピ
ンロック用油圧通路１０とロックピンアンロック用油圧
通路１１とが接続され、ロックピンロック用油圧通路１
０はロックピン８を偏心ベアリング６方向に付勢する位
置に開口されている。

また、偏心ベアリング６の外周にはロックピン８に対応
する位置に、円周方向に全周にわたって延びるロックピ
ンガイド溝１２が形成され、この溝１２には、前記ロッ
クピン係合孔９が設けられている。

コネクティングロッド３内に設けられた前記油圧通路１
０．１１は、コネクティングロッド大端部の軸受円周上
に互に独立して設けられた油溝１４．１５にそれぞれ連
通されている。油溝１４．１５は、クランクシャフト１
６内の油通路１７を介して、クランクシ・中フトのジャ
ーナル軸受の円周上に互に独立して設けられた油溝１８
．１９に、クランクシャフト１６の回転時に間欠的に連
通可能に接続されている。

油溝１８は油溝１４を介してロックビンロック用油圧通
路１０に連通可能であり、油溝１９は油溝１５を介して
ロックピンアンロック用油圧通路１１に連通可能である
。

シリンダブロック内には、高圧縮比用メインオイル通路
２０と低圧縮比用メインオイル通路２１とが設けられて
おり、高圧縮比用メインオイル通路２０は油溝１８に連
通され、低圧縮比用メインオイル通路２１は油溝１９に
連通されている。オイルパン１３２の潤滑油は、オイル
ポンプ２６によって汲み上げられ、切換弁２２を介して
高圧縮比用メインオイル通路２０か低圧縮比用メインオ
イル通路２１の何れかに送られる。

切換弁２２は負荷に応じてＥＣＵ　（電子制御装置）２
３からの信号により作動し、中、高負荷の場合には低圧
縮比用メインオイル通路２１に圧油が送られ、軽負荷の
場合には高圧縮比用メインオイル通路２０に圧油が送ら
れるように制御される。

ＩＥＣＵ２３には、エアフローメータ２４で検知された
吸入空気ｉＱ、エンジン回転数センサ２５で検知された
エンジン回転数ＮＥがそれぞれ入力されている。すなわ
ち、ＥＣＵ２３は、吸入空気ｉＱとエンジン回転数ＮＨ
の入力信号に応じて切換弁２２を作動させ、圧縮比の切
替を行なうように構成されている。

点火制御装置は、イグナイタ（点火制御回路）２７とイ
グニッションコイル（図示路）とからなり、イグナイタ
２７はＥＣＵ２３の出力ボートに接続され、点火信号を
受は取るようになっている。イグニッションコイルは、
ディストリビュータ２８の中央電極に接続され、分配軸
の回転にしたがって各気筒のスパークプラグ２９に高電
圧が分配されるようになっている。

また、ＥＣＵ２３には、後述するウェストゲートパル７
’３９ヲｆｄｌ？ｉｌｌするバキュームスイッチングバ
ルブ（ＶＳＶ）４７が接続されている。

シリンダブロック１には、燃焼室で発生するノンキング
を検出するノックセンサ３０が取付けられており、ノッ
クセンサ３０はＥＣＵ２３の入力ボートに接続されてい
る。

第２図は、第１実施例におけるターボチャージャの過給
圧制御機構を示している。図中、３１はターボチャージ
中を示しており、３２はターボチャージャ３１のコンプ
レッサを示し、３３はタービンを示している。コンプレ
ッサ３２の上流側には、エアフロメータ２４とエアクリ
ーナ３５が位置している。コンプレッサ３２の下流には
、スロットルバルブ３６が配設され、その下流にはエン
ジン本体３７が位置している。タービン３３は、バイパ
ス通路３８によってバイパスされており、バイパス通路
３８にウェストゲートバルブ３９が設けられている。

ウェストゲートバルブ３９は、アクチュエータ４０によ
って開閉駆動されるようになっている。アクチュエータ
４０は、ロッド４１が取付けられたダイヤフラム４２を
存しており、ロッド４１がウェストゲートバルブ３９に
連結されている。アクチュエータ４０には、ダイヤフラ
ム４２によって区画された室４３．４４が形成されてお
り、室４３がコンプレッサ３２とスロットルバルブ３６
との間の吸気通路４５ａに連通されている。室４４には
ダイヤフラム４２を室４３側へ押し戻すスプリング４６
が配設されており、室４４はバキュームスイッチングバ
ルブ（ＶＳＶ）４７に接続されている。バキュームスイ
ッチングバルブ４７は、バキュームタンク４８を介して
スロットルバルブ３６とエンジン本体３７との間の吸気
通路４５ｂに接続されている。バキュームスイッチング
バルブ４７は、前述のＥＣ１Ｊ２３からの出力信号によ
って駆動され、ウェストゲートバルブ３９は、アクチュ
エータ４０の室４４に大気が導入された時に閉となり、
負圧が導入された時に開となるように構成されている。

なお、上記のターボチャージャの過給圧制御の手順は、
ＥＣＵ２３のＣＰＵ２３ａにプログラムされている。後
述する実施例においても同様である。

第３図は、第１実施例における圧縮比切換えおよび過給
圧制御の流れ線図を示している。

図に示すように、まず、必要時期にＥＣＵ２３内のＣＰ
Ｕ２３ａに割り込みが行なわれ、工程５１ではエンジン
運転条件としてのエンジン回転数ＮＥ、吸入空気量Ｑが
入力され、工程５２で圧縮比が決定される。第４図は、
圧縮比マツプを示しており、図に示すように横軸にエン
ジン回転数ＮＢを、縦軸に吸入空気ＩＱおよびエンジン
回転数ＮＥとの比Ｑ／ＮＥをとっており、グラフ中に高
圧縮比領域Ａと低圧縮比領域Ｂとを区画する境界値Ｃを
有している。したがって、工程５２では、エンジン回転
数センサ２５およびエアフローメータ２４からの信号が
入力されると、それに応したマツプの交点が高圧縮比領
域Ａにあるか、低圧縮比領域８にあるかにより、高圧縮
比をとるべきか低圧縮比をとるべきかの出力を出すよう
になっている。

工程５２で圧縮比εが決定されると、工程５３に進み決
定された圧縮比εが高圧縮比なのか低圧縮比なのかが判
断される。工程５３で高圧縮比のほうが選択されると工
程５４へ進み実際の圧縮比が検知され、その結果が高圧
縮比になっていれば工程５５へ進んで復帰される。高圧
縮比になっていなければ工程５６に進み工程５６で高圧
縮比が現出される。

圧縮比が高圧縮比に切換えられると工程５７に進んで過
給が停止される。すなわち、ＥＣＵ２３からバキューム
スイッチングバルブ４７に作動信号が出力され、アクチ
ュエータ４０の室４４に負圧が導入される。その結果、
ウェストゲートバルブ３９がたとえば全開となり、排気
ガスがバイパスされて過給が停止される。そして、工程
５８で点火時期が高圧縮比用に変更され、工程５９で圧
縮比フラッグをＦ＝−１として、その後工程５５に復帰
する。

なお、工程５３で低圧縮比のほうが選択されると、工程
６０に進み実際の圧縮比が検知される。その結果、高圧
縮比でなければ工程５５へ復帰され、高圧縮比であれば
工程６１に進み、工程６１で低圧縮比化が現出される。

圧縮比が低圧縮比に切換えられると工程６２に進み過給
が開始される。すなわち、ＥＣＵ２３からの信号がオフ
となり、バキュームスイッチングバルブ４７の作動によ
りアクチュエータ４０の室４４に大気が導入される。そ
のため、ダイヤフラム４２がスプリング４６によって押
し戻され、ロッド４１を介して連結されているウェスト
ゲートバルブ３９が閉じられる。したがって、排気ガス
のバイパスが中止され、過給が開始される。つぎに、工
程６３に進んで点火時期が低圧縮比用に変更され、工程
６４で圧縮比フラッグがＦ＝Ｏにされ、工程５５に復帰
する。

このように、圧縮比が高圧縮比に切換えられた場合は、
ウェストゲートバルブ３９が全開となるかあるいは全開
に近い状態となり、排気ガスの大部分がバイパスされて
過給は停止されるかまたは大幅に低減される。そのため
、吸入空気量の少ない軽負荷時には、ノンキングの発生
が抑止されるとともに、燃焼効率が高められ燃費を低く
抑えることができる。

また、圧縮比が低圧縮比に切換えられた場合は、ウェス
トゲートバルブ３９が完全に閉じられるので、排気ガス
のバイパスは行なわれず、過給が開始される。この場合
、燃焼室内には多量の空気が吸入されるが圧縮比が低い
ので、ノッキングの発生は抑制され、かつ高出力を得る
ことができる。

さらに、第５図に示すように、高圧縮比時にはウェスト
ゲートバルブ３９によって過給圧Ｐ１が大幅に抑えられ
るか停止されているので、圧縮比ε１の切換直前の出力
トルクＴ、の値が圧縮比ε、の切換直後の出力トルクＴ
１の値とほぼ同一に設定することが可能となり、圧縮比
切換え時には、滑らかに変化するトルク特性が得られる
。

第２実施例 第６図は、本発明の第２実施例に係る可変圧縮比装置を
備えたターボチャージャ付内燃機関のターボチャージャ
の過給制御機構を示している。第２実施例が第１実施例
と異なるところは、ウェストゲートバルブの駆動機構と
、コンプレッサ側にバイパス通路を有しているところで
ある。したがって、第１実施例に準じる部分には第１実
施例と同一の符号を付すことによりその説明を省略し、
異なる部分のみ説明する。

本実施例では、エアフローメータ４２とコンプレッサ３
２との間の吸気通路４５Ｃと、コンプレッサ３２とスロ
ットルバルブ３６との間の吸気通路４５ａとがバイパス
通路７１にて連通されている。バイパス通路７１にはバ
イパス弁７２が設けられている。バイパス弁７２はアク
チュエータ４０に連結されており、アクチュエータ４０
はバキュームスイッチングバルブ４７により駆動される
。バキュームスイッチングバルブ４７は、バキュームタ
ンク４８を介してスロットルバルブ３６の下流のサージ
タンク７３に接続されている。

ウェストゲートバルブ３９は、従来から一般的に用いら
れているダイヤフラム７４を有するアクチュエータ７５
に連結されている。アクチュエータ７５のダイヤフラム
７４で区画された室７６は吸気通路４５ａに接続されて
いる。

第７図は、第２実施例における圧縮比切換えおよび過給
圧制御の流れ線図を示している。

図に示すように、まず、必要時期にＥＣＵ２３内のＣＰ
Ｕ２３ａに割り込みが行なわれ、工程８１ではエンジン
運転条件としてのエンジン回転数ＮＢ。

吸入空気量Ｑが入力され、工程８２で圧縮比が第４図に
示したマツプから決定される。すなわち、工程８２では
エンジン回転数センサ２５およびエアフローメータ２４
からの信号が入力されると、それに応じたマツプの交点
が高圧縮比領域にあるか、低圧縮比領域にあるかにより
、高圧縮比をとるべきか低圧縮比をとるべきかの出力を
出すようになっている。

工程８２で圧縮比εが決定されると、工程８３に進み決
定された圧縮比εが高圧縮比なのか低圧縮比なのかが判
断される。工程８３で高圧縮比のほうが選択されると工
程８４へ進み実際の圧縮比が検知され、その結果が高圧
縮比になっていれば工程８５へ進んで復帰される。高圧
縮比になっていなければ工程８６に進み工程８６で高圧
縮比が現出される。

圧縮比が高圧縮比に切換えられると工程８７に進んで過
給が停止される。すなわち、ＥＣＵ２３からバキューム
スイッチングバルブ４７に作動信号が出力され、アクチ
ュエータ４０の室４４に負圧が導入される。その結果、
バイパス弁７２がたとえば全開となり、吸入空気がバイ
パスされて過給が停止される。そして、工程８８で点火
時期が高圧縮比用に変更され、工程８９で圧縮比フラッ
グをＦ＝１として、その後工程８５に復帰する。

なお、工程８３で低圧縮比のほうが選択されると、工程
９０に進み実際の圧縮比が検知される。その結果、高圧
縮比でなければ工程８５へ復帰され、高圧縮比であれば
工程９１に進み、工程９１で高圧縮比化が現出される。

圧縮比が低圧縮比に切換えられると工程９２に進み過給
が開始される。すなわち、ＥＣＵ２３からの信号がオフ
となり、バキュームスイッチングバルブ４７の作動によ
りアクチュエータ４０の室４４に大気が導入される。そ
のため、ダイヤフラム４２がスプリング４６によって押
し戻され、ロッド４１を介して連結されているバイパス
弁７２が閉じられる。したがって、吸入空気のバイパス
が中止され、過給が開始される。つぎに、工程９３に進
んで点火時期が低圧縮比用に変更され、工程９４で圧縮
比フラソグ力くＦ−０にされ、工程８５に復す吊する。

本実施例では、吸入空気をバイパスさせるため、バイパ
ス弁７２を閉じた時には既にタービン３３およびコンプ
レツサ３３は回転しており、迅速なレスポンスが得られ
る。その他の作用は第１実施例に準しる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の可変圧縮比装置を備えた
ターボチャージャ付内燃機関によるときは、可変圧縮比
装置の電子制御装置に、低圧縮比時には過給を行ない高
圧縮比時には過給を停止させるかもしくは大幅に低減さ
せる制御機能をもたせるようにしたので、圧縮比の切換
え時のエンジン出力トルクの２激な変動が防止すること
が可能となり、ドライバビリティを大幅に向上させるこ
とができる。

また、高負荷時には低圧縮比となるのでノンキングを抑
制しつつ十分な過給により、高出力を得ることができる
。低負荷時には高圧縮比となるので、燃焼効率が高めら
れ燃費を低く抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る可変圧縮比装置を備
えたターボチャージャ付内燃機関の制御系統図、 第２図は本発明の第１実施例におけるターボチャージャ
の過給圧制御機構の概要図、 第３図は第１図における圧縮比切換えおよび過給圧制御
の流れ線図、 第４図は圧縮比切換えマツプ図、 第５図は本発明の第１実施例における負荷変化に対する
圧縮比と過給圧と出力トルクの関係を示した関係図、 第６図は本発明の第２実施例におけるターボチャージャ
の過給圧制御機構の概要図、 第７図は本発明の第２実施例における圧縮比切換えおよ
び過給圧制御の流れ線図、 第８図は圧縮比に応じた過給制御をしない場合の負荷変
化に対する圧縮比と過給圧と出力トルクの関係を示した
関係図、 である。 ３・・・・・・・・・・・・コ名タティングロツド６・
・・・・・・・・・・・偏心ベアリング８・・・・・・
・・・・・ロックビン １０・・・・・・・・・・・・ロックビンロック用油圧
通路１１・・・・・・・・・・・・ロックビンアンロッ
ク用油圧通路２２・・・・・・・・・・・・切換弁 ２３・・・・・・・・・・・・ＥＣＬＪ　（電子制御装
置）２３ａ・・・・・・・・・ＣＰＵ ２４・・・・・・・・・・・・エアフローメータ２５・
・・・・・・・・・・・エンジン回転数センサ２７・・
・・・・・・・・・・イグナイタ（点火制御■回路）２
８・・・・・・・・・・・・ディストリビュータ２９・
・・・・・・・・・・・スパークプラグ３０・・・・・
・・・・・・・ノックセンサ３１・・・・・・・・・・
・・ターボチャージャ３８・・・・・・・・・・・・バ
イパス通路３９・・・・・・・・・・・・ウェストゲー
トバルブ４０・・・・・・・・・・・・アクチュエータ
４７・・・・・・・・・・・・バキュームスイッチング
パルプ７１・・・・・・・・・・・・バイパス通路７２
・・・・・・・・・・・・バイパス弁ＮＥ・・・・・・
・・・エンジン回転数Ｑ・・・・・・・・・・・・吸入
空気型持　許　出　願　人　　　トヨタ自動車株式会社
第３図 第４図 回 転　　　エンジ／回転数　　ＨＥ 数 と の 比 第５図 スロットル１川度　（負６゛ｉ） 第７図 第８図 スロットル開度　（負荷）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ターボチャージャ付内燃機関に、可変圧縮比装置
   を設け、該可変圧縮比装置の電子制御装置に、低圧縮比
   時には過給を行ない高圧縮比時には過給を停止させるか
   もしくは大幅に減少させる制御機能をもたせたことを特
   徴とする可変圧縮比装置を備えたターボチャージャ付内
   燃機関。