(57)【特許請求の範囲】
【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に基づくトルク変化の遅れを補うように、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。
【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。
【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。
【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。
【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に基づくトルク変化の遅れを補うように、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３３が嵌合している。
【００２１】
アッパリンク３５は、下端側が連結ピン３６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。
【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ｔＰ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ｄＰ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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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