過給機付きエンジン及び過給機付きエンジンの過給機入力トルク制御装置
【課題】遠心式過給機の強度信頼性を向上させる。
【解決手段】本発明は、クランク軸１２１と、シリンダ１２０内に摺動可能に収装されたピストン１２２と、クランク軸１２１のクランクピン１２１ｂとピストン１２２のピストンピン１２４とを複数のリンク１１１，１１２で連結した複リンク式ピストンクランク機構と、クラッチ機構を介してクランク軸１２１によって機械的に駆動される遠心式過給機と、を備えたエンジンの過給機入力トルク制御装置であって、複リンク式ピストンクランク機構を、上死点付近におけるピストン１２２の加速度が下死点付近におけるピストン１２２の加速度よりも小さくなるピストンモーションとなるように構成して、クランク軸１２１のクランクピン１２１ｂとピストン１２２のピストンピン１２４とを１つのリンクで連結したピストンクランク機構と比べて遠心式過給機の回転軸に入力されるねじりトルクを小さくしたことを特徴とする。
【解決手段】本発明は、クランク軸１２１と、シリンダ１２０内に摺動可能に収装されたピストン１２２と、クランク軸１２１のクランクピン１２１ｂとピストン１２２のピストンピン１２４とを複数のリンク１１１，１１２で連結した複リンク式ピストンクランク機構と、クラッチ機構を介してクランク軸１２１によって機械的に駆動される遠心式過給機と、を備えたエンジンの過給機入力トルク制御装置であって、複リンク式ピストンクランク機構を、上死点付近におけるピストン１２２の加速度が下死点付近におけるピストン１２２の加速度よりも小さくなるピストンモーションとなるように構成して、クランク軸１２１のクランクピン１２１ｂとピストン１２２のピストンピン１２４とを１つのリンクで連結したピストンクランク機構と比べて遠心式過給機の回転軸に入力されるねじりトルクを小さくしたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は過給機付きエンジン及び過給機付きエンジンの過給機入力トルク制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、クランク軸によって機械的に駆動される遠心式過給機を備えたエンジンが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−３２８９５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前述した従来のエンジンは、下死点付近でのピストン速度に比べて上死点付近でのピストン速度が大きく、クランク軸のトルク変動が大きかった。そのため、クランク軸によって機械的に駆動される遠心式過給機の回転軸にかかるねじりトルクが大きかった。したがって、そのような大きなねじりトルクに耐えうるように回転軸の強度・剛性を高めておく必要があった。しかし、容積式過給機に比べて高回転になる遠心式過給機は、慣性モーメント低減のために回転軸の軸径を細くする必要があるため、回転軸の強度・剛性を十分に高められないという問題点があった。
【０００４】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、遠心式過給機の回転軸にかかるねじりトルクを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は以下のような解決手段によって、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするため、本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００６】
本発明は、クランク軸（１２１）と、シリンダ（１２０）内に摺動可能に収装されたピストン（１２２）と、前記クランク軸（１２１）のクランクピン（１２１ｂ）と前記ピストン（１２２）のピストンピン（１２４）とを複数のリンク（１１１，１１２）で連結した複リンク式ピストンクランク機構と、クラッチ機構を介して前記クランク軸（１２１）によって機械的に駆動される遠心式過給機（２０）と、を備えたエンジンの過給機入力トルク制御装置であって、前記複リンク式ピストンクランク機構を、上死点付近におけるピストン（１２２）の加速度が下死点付近におけるピストン（１２２）の加速度よりも小さくなるピストンモーションとなるように構成して、前記クランク軸（１２１）のクランクピン（１２１ｂ）と前記ピストン（１２２）のピストンピン（１２４）とを１つのリンクで連結したピストンクランク機構と比べて前記遠心式過給機（２０）の回転軸に入力されるねじりトルクを小さくしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
上死点付近におけるピストンの加速度が下死点付近におけるピストンの加速度よりも小さくなるように複リンク式ピストンクランク機構を構成して、上死点付近でのピストン速度を遅くしたので、クランク軸のトルク変動を小さくすることができる。これにより、クランク軸によって機械的に駆動される遠心式過給機の回転軸にかかるねじりトルクを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態によるエンジン１００の吸気装置の概略構成図である。
【００１０】
エンジン１００のシリンダ１２０に連通する吸気通路１０には、上流から順に、スーパーチャージャ２０と、インタークーラ１２と、スロットル弁１３とが設けられる。
【００１１】
スーパーチャージャ２０は遠心式過給機であり、コンプレッサ駆動用プーリ２１と、コンプレッサ２２と、増速用遊星歯車機構２３とを備える。
【００１２】
コンプレッサ駆動用プーリ２１は、図示しないクランクプーリとベルトとを介してクランク軸によって駆動される。コンプレッサ駆動用プーリ２１は、運転条件に応じてスーパーチャージャ２０の駆動を停止できるように電磁クラッチを内蔵している。電磁クラッチを締結（ＯＮ）すると、コンプレッサ２２がクランク軸によって駆動され、過給を開始する。一方、電磁クラッチの締結を解除（ＯＦＦ）すると、コンプレッサ２２はクランク軸の回転から切り離され作動を停止する。
【００１３】
コンプレッサ２２は、コンプレッサ駆動用プーリ２１の電磁クラッチがＯＮにされると駆動され、圧縮空気をシリンダ１２０へ供給する。
【００１４】
増速用遊星歯車機構２３は、クランク軸の回転を増速してコンプレッサ回転軸２４に伝達する。
【００１５】
インタークーラ１２は、吸気通路１０を流れる空気を冷却する。
【００１６】
スロットル弁１３は、吸気コレクタ１４に流入する空気量を調整する。吸気コレクタ１４には、内部の圧力を検出する圧力センサ１５が設けられる。
【００１７】
また、吸気通路１０には、スーパーチャージャ２０によって過給された空気をスーパーチャージャ２０の上流側の吸気通路１０ａに戻すリサーキュレーション通路３０が設けられる。リサーキュレーション通路３０には、スーパーチャージャ２０の上流側の吸気通路１０ａの圧力に対する出口側の吸気通路１０ｂの圧力（以下「圧力比」という）に応じて開閉するリサーキュレーション弁３１が設けられる。リサーキュレーション弁３１は、圧力比が高くなると開いて過給された空気を上流側の吸気通路１０ａに還流させる。これにより、過給圧の過増大を防止して、減速時のサージ音の発生等を防止している。
【００１８】
図２は、本発明の第１実施形態による複リンク式ピストンクランク機構を備えたエンジン（以下「複リンク式エンジン」という）１００を示す図である。
【００１９】
複リンク式エンジン１００は、ピストン１２２とクランク軸１２１とを２つのリンク(アッパリンク１１１、ロアリンク１１２)で連結するとともに、コントロールリンク１１３でロアリンク１１２を制御することで、圧縮比を変更することができる。
【００２０】
アッパリンク１１１は、上端をピストンピン１２４を介してピストン１２２に連結し、下端を連結ピン１２５を介してロアリンク１１２の一端に連結する。ピストン１２２は、シリンダブロック１２３に嵌着させたシリンダライナ１２９に摺動自在に嵌合しており、燃焼圧力を受け、シリンダ１２０内を往復動する。
【００２１】
ロアリンク１１２は、一端を連結ピン１２５を介してアッパリンク１１１に連結し、他端を連結ピン１２６を介してコントロールリンク１１３に連結する。また、ロアリンク１１２は、ほぼ中央の連結孔に、クランク軸１２１のクランクピン１２１ｂを挿入し、クランクピン１２１ｂを中心軸として揺動する。ロアリンク１１２は左右の２部材に分割可能である。
【００２２】
クランク軸１２１は、複数のジャーナル１２１ａとクランクピン１２１ｂとカウンタウェイト１２１ｃとを備える。ジャーナル１２１ａは、シリンダブロック１２３及びラダーフレーム１２８によって回転自在に支持される。クランクピン１２１ｂは、ジャーナル１２１ａから所定量偏心しており、ここにロアリンク１１２が揺動自在に連結する。カウンタウェイト１２１ｃは、ジャーナル１２１ａとクランクピン１２１ｂとをつなぐアーム部に設けられ、回転部分の重量アンバランスを取り除く。
【００２３】
コントロールリンク１１３は、連結ピン１２６を介してロアリンク１１２に連結する。またコントロールリンク１１３は、他端を連結ピン１２７を介してコントロールシャフト１１４に連結する。コントロールリンク１１３は、この連結ピン１２７を中心として揺動する。またコントロールシャフト１１４にはギアが形成されており、そのギアが圧縮比制御アクチュエータ１３１の回転軸１３３に設けられたピニオン１３２に噛合する。圧縮比制御アクチュエータ１３１によってコントロールシャフト１１４が回転させられ、連結ピン１２７が移動する。
【００２４】
コントローラ３００は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ３００は、クランク角センサ３１１の検出信号に基づいてエンジン回転速度を演算し、エアーフローメータ３１２の検出信号に基づいてエンジン負荷を演算し、水温センサ３１３の検出信号に基づいて水温を検出し、筒内圧力センサ３１４の検出信号に基づいて筒内圧を検出する。コントローラ３００は、このようにして演算又は検出したエンジン運転状態に基づいて目標圧縮比を設定し、実圧縮比が目標圧縮比となるように圧縮比制御アクチュエータ１３１を制御する。
【００２５】
図３は複リンク式ピストンクランク機構による圧縮比変更方法を説明する図である。
【００２６】
複リンク式ピストンクランク機構は、図示しないコントローラが、エンジンの運転状態に基づいて圧縮比制御アクチュエータ１３１を制御することでコントロールシャフト１１４を回転させて連結ピン１２７の位置を変更させて、圧縮比を変更する。例えば図３(Ａ)、図３(Ｃ)に示すように連結ピン１２７を位置Ｐにすれば、上死点位置(ＴＤＣ)が高くなり高圧縮比になる。
【００２７】
そして図３(Ｂ)、図３(Ｃ)に示すように、連結ピン１２７を位置Ｑにすれば、コントロールリンク１１３が上方へ押し上げられ、連結ピン１２６の位置が上がる。これによりロアリンク１１２はクランクピン１２１ｂを中心として反時計方向に回転し、連結ピン１２５が下がり、ピストン上死点におけるピストン１２２の位置が下降する。したがって圧縮比が低圧縮比になる。
【００２８】
図４は、複リンク式エンジン１００のピストンストローク特性を示す図である。
【００２９】
複リンク式エンジン１００は、アッパリンク１１１やコントロールリンク１１３の長さ、また連結ピン１２５と連結ピン１２６との距離等を適当に設定することができる。これにより、複リンク式エンジン１００は、ピストンとクランク軸とを１つのリンク（コンロッド）で連結し、圧縮比が一定である通常のエンジン（以下「ノーマルエンジン」という）に比べて、ピストンが上死点付近に滞在する期間を長くすることができる。
【００３０】
つまり、複リンク式エンジンのピストンクランク機構は、上死点から下死点までのピストンストローク量がピストンクランク機構における上死点から下死点までのピストンストローク量と同一のノーマルエンジンのピストンクランク機構に比べて、ピストンの往復運動が単振動運動に近い特性となるよう、上死点と下死点におけるピストンストローク特性が略対称で、ノーマルエンジンのピストンクランク機構に比べて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、かつ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なるように、上死点前から上死点にかけて、及び下死点前から下死点にかけてはノーマルエンジンのピストンクランク機構に比べてピストンを引き下げる方向にロアリンクがコントロールリンクの揺動によってクランクピン回りに揺動し、上死点から上死点後にかけて、及び下死点から下死点後にかけてはノーマルエンジンのピストンクランク機構に比べてピストンを引き上げる方向にロアリンクがコントロールリンクの揺動によってクランクピン回りに揺動するように、各リンクや各支点のアライメントが設定されている。
【００３１】
この点について、図４を参照して説明する。図４において、実線は複リンク式エンジン１００のピストンストローク特性を示し、破線はノーマルエンジンのピストンストローク特性を示す。なお、複リンク式エンジン１００の圧縮比は、ノーマルエンジンの圧縮比と同じに設定してある。
【００３２】
図４に示すように、複リンク式エンジン１００は、ノーマルエンジンよりも上死点付近ではカーブの傾斜が緩く、下死点付近ではカーブの傾斜がきつい。つまり、ノーマルエンジンの場合、ピストンは上死点付近で早い動き（加速度大）になり、下死点付近では鈍い動き（加速度小）になる。
【００３３】
これに対し、複リンク式エンジン１００の場合、複リンク式ピストンクランク機構のリンク構成を適切に設定することで、単振動に近いピストンストローク特性を得ることができる。そのため、バランサシャフトが不要（４気筒）となるような振動低減効果が得られるとともに、ピストン加速度が平準化され、上死点付近でのピストン速度がノーマルエンジンに比べて遅くなる。
【００３４】
以下では、図５を参照して、上死点付近でのピストン速度がノーマルエンジンに比べて遅くなることによって生じる効果について説明する。
【００３５】
図５は、複リンク式エンジン１００のトルク変動とノーマルエンジンのトルク変動とを示す図である。図５において、実線は複リンク式エンジン１００のトルク変動を示し、破線はノーマルエンジンのトルク変動を示す。
【００３６】
あるピストン位置において、燃焼によって発生するガス圧がピストン１２２に対してなす仕事率は以下の式で求まる。
Ｗ＝Ｐ×Ｓ×Ｖ
Ｗ：仕事率〔Nm/s〕
Ｐ：ガス圧〔N/m2〕
Ｓ：ボア断面積〔m2〕
Ｖ：ピストン下降速度〔m/s〕
【００３７】
この式から、仕事率はピストン下降速度に比例することがわかる。したがって、ある回転時にガス圧によって発生する瞬時トルク〔Nm〕もピストン下降速度に比例する。
【００３８】
複リンク式エンジン１００は、ガス圧がピークに達する上死点付近でのピストン速度がノーマルエンジンよりも遅い。そのため、上死点付近での瞬時トルクがノーマルエンジンよりも小さくなる。したがって、複リンク式エンジン１００は、上死点付近でのクランク軸トルクの最大値がノーマルエンジンよりも小さくなる。その結果、図５に示すように、複リンク式エンジン１００は、ノーマルエンジンよりもクランク軸１２１のトルク変動の振幅が小さくなる。
【００３９】
このように、複リンク式エンジン１００は、ノーマルエンジンと比べてクランク軸１２１のトルク変動の振幅を小さくできる。そのため、クランク軸１２１によって駆動されるスーパーチャージャ２０のコンプレッサ回転軸２４に発生するねじりトルクを低減できる。なお、図５において、クランク角０度付近のトルク変動は、＃１，＃４気筒の燃焼に起因するものであり、クランク角１８０度付近のトルク変動は、＃２，＃３気筒の燃焼に起因するものである。
【００４０】
ここで、コンプレッサ２０で過給する遠心式のスーパーチャージャ２０は、ルーツブロワやリショルムコンプレッサ等の容積式のスーパーチャージャと比較して高回転となる。そのため、遠心式のスーパーチャージャ２０のコンプレッサ回転軸２４の軸径は、慣性モーメントを低減するために、容積式のスーパーチャージャの回転軸の軸径よりも細くする必要がある。
【００４１】
したがって、遠心式のスーパーチャージャ２０は、容積式のスーパーチャージャと比べて、コンプレッサ回転軸２４の強度及び剛性が低いという問題点がある。また、コンプレッサ回転軸２４の剛性を上げると、スーパーチャージャ２０の慣性モーメントが増加して電磁クラッチをＯＮ・ＯＦＦしたときのトルクショックが大きくなるという問題点がある。
【００４２】
しかし、複リンク式エンジン１００によれば、リンク構成を適切に設定することで、単振動に近いピストンストローク特性を得ることができるので、クランク軸１２１のトルク変動を小さくできる。これにより、コンプレッサ回転軸２４にかかるねじりトルクを小さくできるので、上記問題点を解決することができる。
【００４３】
また、複リンク式エンジン１００は、リンク構成の設定次第で、低圧縮比時の上死点付近でのピストン速度を高圧縮比時に比べて遅くして、低圧縮比時にピストン１２２が上死点付近に滞在する期間を高圧縮比時よりも長くすることができる。
【００４４】
この点について、図６を参照して説明する。図６において、太実線は、高圧縮比時のピストンストローク特性を示す。細実線は、低圧縮比時のピストンストローク特性を示す。太破線は、理解を容易にするために、高圧縮比時のピストンストロークの上死点及び下死点位置を低圧縮比時の上死点及び下死点位置にそろえたものである。
【００４５】
なお、ここで用いている圧縮比（実圧縮比）とはピストンの上死点位置の変化に対応して変化する、幾何学的な圧縮比の事を示している。
【００４６】
図６に示すように、高圧縮比時のピストンストロークの上死点及び下死点位置を低圧縮比時の上死点及び下死点位置にそろえると、低圧縮比時の方が上死点付近でカーブの傾斜が緩く、下死点付近ではカーブの傾斜がきついことがわかる。つまり、低圧縮比時の方が上死点付近でのピストン速度が遅くなり、ピストン１２２が上死点付近に滞在する期間が長くなる。
【００４７】
複リンク式エンジン１００の圧縮比は、過給の必要がない低負荷時には高圧縮比に制御される。一方で、過給の必要がある高負荷時には低圧縮比に制御される。そのため、上死点付近でのピストン速度が、高圧縮比時より低圧縮比時のほうが遅くなるように複リンク式ピストンクランク機構を構成し、高圧縮比時よりも低圧縮比時のクランク軸１２１のトルク変動を小さくすることで、コンプレッサ回転軸２４にかかるねじりトルクを小さくできる。
【００４８】
図７は、スーパーチャージャ２０の電磁クラッチの制御を示すフローチャートである。
【００４９】
ステップＳ１において、コントローラ３００は、クランク角センサ３１１やエアーフローメータ３１２などの検出信号に基づいて現在の運転状態を検出する。
【００５０】
ステップＳ２において、コントローラ３００は、検出した運転状態に基づいて目標圧縮比を設定する。
【００５１】
ステップＳ３において、コントローラ３００は、実圧縮比が目標圧縮比となるように圧縮比制御アクチュエータ１３１を制御する。
【００５２】
ステップＳ４において、コントローラ３００は、実圧縮比が後述する過給機強度限界圧縮比を下回ったか否かを判定する。コントローラ３００は、実圧縮比が過給機強度限界圧縮比を下回っていればステップＳ５に処理を移行し、そうでなければ今回の処理を終了する。
【００５３】
ステップＳ５において、コントローラ３００は、実圧縮比が後述するノック限界圧縮比を下回ったか否かを判定する。コントローラ３００は、実圧縮比がノック限界圧縮比を下回っていればステップＳ６に処理を移行し、そうでなければ今回の処理を終了する。
【００５４】
ステップＳ６において、コントローラ３００は、スーパーチャージャ２０の電磁クラッチをＯＮにして過給を開始する。
【００５５】
図８は、スーパーチャージャ２０の電磁クラッチの制御の動作を示すタイムチャートである。なお、図７のフローチャートとの対応を明確にするためフローチャートのステップ番号を併記して説明する。
【００５６】
時刻ｔ１で、低負荷・高圧縮比の定常状態からアクセルが踏み込まれ加速状態になると、図８（Ｂ）に示すように、目標圧縮比が低圧縮比側に変更され、目標圧縮比に追従するように実圧縮比が変更される（Ｓ１〜Ｓ３）。
【００５７】
このとき、加速性能を向上させるために、スーパーチャージャ２０の電磁クラッチをＯＮにして、エンジンの出力を向上させる必要がある。
【００５８】
しかしながら、実圧縮比が高圧縮比のときにスーパーチャージャ２０の電磁クラッチをＯＮにしてしまうと、高圧縮比時は低圧縮比時に比べてクランク軸１２１のトルク変動が大きくなる構成としているため、コンプレッサ回転軸２４にかかるねじりトルクが大きくなる。そうすると、スーパーチャージャ２０のコンプレッサ回転軸２４の強度・剛性を増す必要がある。また、実圧縮比が高圧縮比のときにスーパーチャージャ２０の電磁クラッチをＯＮにして過給すると、ノッキングやプレイグニッションなどの異常燃焼を引き起こす可能性がある。
【００５９】
そこで、本実施形態では時刻ｔ２で、実圧縮比が、スーパーチャージャ２０のコンプレッサ回転軸２４にかかるねじりトルクが小さく、かつ異常燃焼を引き起こさない圧縮比になったときに（Ｓ４でＹｅｓ、Ｓ５でＹｅｓ）、スーパーチャージャ２０の電磁クラッチを接続する（Ｓ６）。なお、図８（Ｂ）において、破線が異常燃焼を引き起こさない圧縮比の上限（以下「ノック限界圧縮比」という）であり、一点鎖線がコンプレッサ回転軸２４にかかるねじりトルクが小さく、スーパーチャージャ２０の強度信頼性が確保できる圧縮比の上限（以下「過給機強度限界圧縮比」という）である。ノック限界圧縮比は、エンジン回転速度及びエンジン負荷に基づいて、予め定められたマップを検索して設定される。また、過給機強度限界圧縮比は、トルク変動の大きさによって変動するため、実圧縮比に基づいて予め定められたテーブルを検索して設定される。実圧縮比は、筒内圧やコントロールシャフト１１４の回転角度等から算出することができる。
【００６０】
本実施形態では、このような電磁クラッチの制御を実施することで、スーパーチャージャ２０の強度信頼性を確保し、異常燃焼の発生を抑制することができる。
【００６１】
しかし、このような電磁クラッチの制御では、アクセルを踏み込んでから電磁クラッチをＯＮにするまでにタイムラグが生じるため、加速性能が低下してしまう。
【００６２】
そこで、本実施形態では、ピストンストロークを拡大して排気量を拡大することで、エンジン出力を向上させ、加速性能の低下を防止する。以下では、図９を参照して、ピストンストロークのロングストローク化について説明する。
【００６３】
図９は、ピストンスカートの短縮化によってピストンストロークを拡大した複リンク式エンジン１００のピストンストロークについて、ノーマルエンジンのピストンストロークと比較して説明する図である。図９（Ａ）が、ノーマルエンジンのピストンストロークを示す図である。図９（Ｂ）が、複リンク式エンジン１００のピストンストロークを示す図である。
【００６４】
図９（Ａ）に示すように、ピストン２２２を１本のコンロッド２１１で連結するノーマルエンジンは、上死点位置におけるコンロッド２１１の姿勢を略直立にすることができない。そのため、燃焼時にピストン２２２にかかる最大スラスト荷重を低減できず、ピストンスカート２４１を短縮することができない。その結果、ピストンスカート２４１の下方をクランク軸２２１のカウンタウェイト２２１ｃが通過することになる。
【００６５】
これに対して、図９（Ｂ）に示すように、複リンク式エンジン１００のピストン１２２は、各リンク１１１，１１２，１１３を適当に調整することで、上死点位置におけるアッパリンク１１１の姿勢を略直立にすることができる。そのため、ノーマルエンジンと比べて燃焼時にピストン１２２にかかる最大スラスト荷重を低減できるため、ピストンスカート１４１を周方向に短縮してもピストン１２２の耐久性を確保できる。このようなピストンスカート１４１を短縮したピストン１２２を用いることで、カウンタウェイト１２１ｃがピストンピン１２４の側方を通過できる。これにより、複リンク式エンジン１００は、ピストンスカート１４１の高さ分だけピストンストロークを拡大することができる。
【００６６】
以下では、図１０を参照して、ピストンストロークを拡大したことによる効果について説明する。
【００６７】
図１０（Ａ）は、ノーマルエンジンとピストンストロークを拡大した複リンク式エンジン１００とのトルク特性を示した図である。なお、複リンク式エンジン１００のエンジンサイズは、ノーマルエンジンのエンジンサイズと同じである。図１０（Ｂ）は、スーパーチャージャ２０の電磁クラッチをＯＮにしたときのブースト特性を示した図である。
【００６８】
複リンク式エンジン１００は、ピストンストロークを拡大することによって、エンジンサイズを維持したまま排気量を拡大することができる。そのため、図１０（Ａ）に示すように、同サイズのノーマルエンジンと比べて、低回転域でのトルクが向上する。
【００６９】
また、図１０（Ｂ）に示すように、スーパーチャージャ２０は遠心式なので、低回転域でブースト圧はほとんどかからない。したがって、図１０（Ａ）で示した低回転域でのトルクの向上は、ピストンストロークを拡大したことによる効果であることがわかる。
【００７０】
図１１は、車両停止状態からアクセル全開にして発進したときのピストンストロークを拡大した複リンク式エンジン１００とノーマルエンジンとの加速度の違い、及び電磁クラッチの接続タイミングについて説明する図である。
【００７１】
図１１（Ａ）において、実線はロングストロークエンジンの車両加速度である。一点鎖線はノーマルエンジンの車両加速度である。破線はノーマルエンジンにおいて、発進直後に電磁クラッチをＯＮにしたときの車両加速度である。
【００７２】
図１１（Ａ）に示すように、複リンク式エンジン１００は、ピストンストロークが拡大したことによって、排気量が拡大しエンジン出力が増加するので、同サイズのノーマルエンジンよりも加速性能が向上している。
【００７３】
そのため、複リンク式エンジン１００の場合は、時刻ｔ２で、実圧縮比が低圧縮比になってからクラッチを接続して過給を開始しても（図１１（Ｃ）の実線）、良好な加速性能を得ることができる。そのため、コンプレッサ回転軸２４にかかるねじりトルクを低減することができる。
【００７４】
一方で、ノーマルエンジンの場合は、時刻ｔ１の発進直後の実圧縮比が高い状態で電磁クラッチを接続しないと（図１１（Ｂ）、図１１（Ｃ）の破線）、複リンク式エンジン１００と同等の加速性能が得られない（図１１（Ａ）の破線）。実圧縮比が高い状態で電磁クラッチを接続しなければならないとすると、その分だけコンプレッサ回転軸２４にかかるねじりトルクが大きくなる。そうすると、スーパーチャージャ２０の強度信頼性を確保するためには、スーパーチャージャ２０の剛性を上げる必要がある。その結果、スーパーチャージャ２０の慣性モーメントが増加して電磁クラッチをＯＮ・ＯＦＦしたときのトルクショックが大きくなってしまう。
【００７５】
以上説明した本実施形態によれば、複リンク式ピストンクランク機構を備え、ノーマルエンジンよりも上死点位置でのピストン速度を遅くした。これにより、複リンク式エンジン１００は、ノーマルエンジンよりもクランク軸１２１のトルク変動を小さくすることができる。その結果、クランク軸１２１によって駆動されるコンプレッサ２２のコンプレッサ回転軸２４にかかるねじりトルクも小さくすることができるので、スーパーチャージャ２０の強度・剛性を増す必要がない。また、スーパーチャージャ２０の慣性モーメントも小さくすることができるので、電磁クラッチのＯＮ・ＯＦＦ時におけるトルクショックを小さくすることができる。
【００７６】
また、複リンク式ピストンクランク機構を適当に設定し、低圧縮比時における上死点位置でのピストン速度を、高圧縮比時における上死点位置でのピストン速度よりも遅くした。過給が必要な高負荷時には、圧縮比は低圧縮比に制御される。一方、過給が不要な低負荷時には、圧縮比は高圧縮比に制御される。そのため、電磁クラッチがＯＮにされる低圧縮比時における上死点位置でのピストン速度を、高圧縮比時よりも遅くすることで、コンプレッサ回転軸２４にかかるねじりトルクを小さくできる。
【００７７】
また、アクセルが踏み込まれて加速状態になった場合には、実圧縮比が、スーパーチャージャ２０のコンプレッサ回転軸２４にかかるねじりトルクが小さく、かつ異常燃焼を引き起こさない圧縮比になったときに電磁クラッチをＯＮにしてスーパーチャージャ２０を駆動することとした。これにより、スーパーチャージャ２０の強度信頼性を確保でき、かつ異常燃焼の発生を防止できる。
【００７８】
さらに、複リンク式ピストンクランク機構を適当に設定し、ピストンスカート１４１を短縮することでピストンストロークを拡大した。これにより、排気量が拡大して低回転域でのエンジントルクが向上する。そのため、アクセルが踏み込まれた直後の高圧縮比時に電磁クラッチを接続しなくても、良好な加速感を得ることができる。換言すれば、クランク軸１２１の変動トルクの小さい低圧縮比になってから電磁クラッチを接続しても、良好な加速感を得ることができる。その結果、コンプレッサ回転軸２４にかかるねじりトルクを低減することができる。
【００７９】
このように、複リンク式エンジン１００は、クランク軸１２１のトルク変動を小さくすることでできる。また、ロングストローク化により低回転域におけるエンジントルクを向上させることができる。そのため、遠心式のスーパーチャージャ２０の駆動を、クランク軸１２１のトルク変動が小さい低圧縮比時に限定することができる。したがって、遠心式のスーパーチャージャ２０の耐久性、信頼性を向上させることができる。
【００８０】
また、遠心式のスーパーチャージャ２０を用いたので、容積式のスーパーチャージャを用いたときよりも、エンジン高回転域での充填効率を上げることができる。そのため、ピストンストローク特性を単振動に近づけたときの高回転時におけるエンジントルクの低下を抑制することができる。
【００８１】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【００８２】
例えば、本実施形態では、圧縮比制御アクチュエータ１３１を制御してコントロールシャフト１１４を回転させて複リンク式エンジン１００の圧縮比を変更できるようにしていた。しかし、ノーマルエンジンよりも上死点付近でのピストン速度が遅くした副リンク式エンジンであれば、圧縮比変更手段を有しないものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】第１実施形態によるエンジンの吸気装置の概略構成図である。
【図２】複リンク式エンジンを示す図である。
【図３】複リンク式ピストンクランク機構による圧縮比変更方法を説明する図である。
【図４】複リンク式エンジンのピストンストローク特性を示す図である。
【図５】複リンク式エンジンのトルク変動とノーマルエンジンのトルク変動とを示す図である。
【図６】複リンク式エンジンのピストンストローク特性を示す図である。
【図７】スーパーチャージャの電磁クラッチの制御を示すフローチャートである。
【図８】スーパーチャージャの電磁クラッチの制御の動作を示すタイムチャートである。
【図９】ピストンスカートの短縮化によってピストンストロークを拡大した複リンク式エンジンのピストンストロークについて、ノーマルエンジンのピストンストロークと比較して説明する図である。
【図１０】ノーマルエンジンとピストンストロークを拡大した複リンク式エンジンとのトルク特性を示した図である。
【図１１】車両停止状態からアクセル全開にして発進したときのピストンストロークを拡大した複リンク式エンジンとノーマルエンジンとの加速度の違い、及び電磁クラッチの接続タイミングについて説明する図である。
【符号の説明】
【００８４】
２０ スーパーチャージャ（遠心式過給機）
１００ エンジン
１１１ アッパリンク（第１リンク）
１１２ ロアリンク（第２リンク）
１１３ コントロールリンク（第３リンク）
１１４ コントロールシャフト
１２０ シリンダ
１２１ クランク軸
１２１ｃ カウンタウェイト
１２２ ピストン
１２４ ピストンピン
３００ コントローラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は過給機付きエンジン及び過給機付きエンジンの過給機入力トルク制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、クランク軸によって機械的に駆動される遠心式過給機を備えたエンジンが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−３２８９５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前述した従来のエンジンは、下死点付近でのピストン速度に比べて上死点付近でのピストン速度が大きく、クランク軸のトルク変動が大きかった。そのため、クランク軸によって機械的に駆動される遠心式過給機の回転軸にかかるねじりトルクが大きかった。したがって、そのような大きなねじりトルクに耐えうるように回転軸の強度・剛性を高めておく必要があった。しかし、容積式過給機に比べて高回転になる遠心式過給機は、慣性モーメント低減のために回転軸の軸径を細くする必要があるため、回転軸の強度・剛性を十分に高められないという問題点があった。
【０００４】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、遠心式過給機の回転軸にかかるねじりトルクを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は以下のような解決手段によって、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするため、本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００６】
本発明は、クランク軸（１２１）と、シリンダ（１２０）内に摺動可能に収装されたピストン（１２２）と、前記クランク軸（１２１）のクランクピン（１２１ｂ）と前記ピストン（１２２）のピストンピン（１２４）とを複数のリンク（１１１，１１２）で連結した複リンク式ピストンクランク機構と、クラッチ機構を介して前記クランク軸（１２１）によって機械的に駆動される遠心式過給機（２０）と、を備えたエンジンの過給機入力トルク制御装置であって、前記複リンク式ピストンクランク機構を、上死点付近におけるピストン（１２２）の加速度が下死点付近におけるピストン（１２２）の加速度よりも小さくなるピストンモーションとなるように構成して、前記クランク軸（１２１）のクランクピン（１２１ｂ）と前記ピストン（１２２）のピストンピン（１２４）とを１つのリンクで連結したピストンクランク機構と比べて前記遠心式過給機（２０）の回転軸に入力されるねじりトルクを小さくしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
上死点付近におけるピストンの加速度が下死点付近におけるピストンの加速度よりも小さくなるように複リンク式ピストンクランク機構を構成して、上死点付近でのピストン速度を遅くしたので、クランク軸のトルク変動を小さくすることができる。これにより、クランク軸によって機械的に駆動される遠心式過給機の回転軸にかかるねじりトルクを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態によるエンジン１００の吸気装置の概略構成図である。
【００１０】
エンジン１００のシリンダ１２０に連通する吸気通路１０には、上流から順に、スーパーチャージャ２０と、インタークーラ１２と、スロットル弁１３とが設けられる。
【００１１】
スーパーチャージャ２０は遠心式過給機であり、コンプレッサ駆動用プーリ２１と、コンプレッサ２２と、増速用遊星歯車機構２３とを備える。
【００１２】
コンプレッサ駆動用プーリ２１は、図示しないクランクプーリとベルトとを介してクランク軸によって駆動される。コンプレッサ駆動用プーリ２１は、運転条件に応じてスーパーチャージャ２０の駆動を停止できるように電磁クラッチを内蔵している。電磁クラッチを締結（ＯＮ）すると、コンプレッサ２２がクランク軸によって駆動され、過給を開始する。一方、電磁クラッチの締結を解除（ＯＦＦ）すると、コンプレッサ２２はクランク軸の回転から切り離され作動を停止する。
【００１３】
コンプレッサ２２は、コンプレッサ駆動用プーリ２１の電磁クラッチがＯＮにされると駆動され、圧縮空気をシリンダ１２０へ供給する。
【００１４】
増速用遊星歯車機構２３は、クランク軸の回転を増速してコンプレッサ回転軸２４に伝達する。
【００１５】
インタークーラ１２は、吸気通路１０を流れる空気を冷却する。
【００１６】
スロットル弁１３は、吸気コレクタ１４に流入する空気量を調整する。吸気コレクタ１４には、内部の圧力を検出する圧力センサ１５が設けられる。
【００１７】
また、吸気通路１０には、スーパーチャージャ２０によって過給された空気をスーパーチャージャ２０の上流側の吸気通路１０ａに戻すリサーキュレーション通路３０が設けられる。リサーキュレーション通路３０には、スーパーチャージャ２０の上流側の吸気通路１０ａの圧力に対する出口側の吸気通路１０ｂの圧力（以下「圧力比」という）に応じて開閉するリサーキュレーション弁３１が設けられる。リサーキュレーション弁３１は、圧力比が高くなると開いて過給された空気を上流側の吸気通路１０ａに還流させる。これにより、過給圧の過増大を防止して、減速時のサージ音の発生等を防止している。
【００１８】
図２は、本発明の第１実施形態による複リンク式ピストンクランク機構を備えたエンジン（以下「複リンク式エンジン」という）１００を示す図である。
【００１９】
複リンク式エンジン１００は、ピストン１２２とクランク軸１２１とを２つのリンク(アッパリンク１１１、ロアリンク１１２)で連結するとともに、コントロールリンク１１３でロアリンク１１２を制御することで、圧縮比を変更することができる。
【００２０】
アッパリンク１１１は、上端をピストンピン１２４を介してピストン１２２に連結し、下端を連結ピン１２５を介してロアリンク１１２の一端に連結する。ピストン１２２は、シリンダブロック１２３に嵌着させたシリンダライナ１２９に摺動自在に嵌合しており、燃焼圧力を受け、シリンダ１２０内を往復動する。
【００２１】
ロアリンク１１２は、一端を連結ピン１２５を介してアッパリンク１１１に連結し、他端を連結ピン１２６を介してコントロールリンク１１３に連結する。また、ロアリンク１１２は、ほぼ中央の連結孔に、クランク軸１２１のクランクピン１２１ｂを挿入し、クランクピン１２１ｂを中心軸として揺動する。ロアリンク１１２は左右の２部材に分割可能である。
【００２２】
クランク軸１２１は、複数のジャーナル１２１ａとクランクピン１２１ｂとカウンタウェイト１２１ｃとを備える。ジャーナル１２１ａは、シリンダブロック１２３及びラダーフレーム１２８によって回転自在に支持される。クランクピン１２１ｂは、ジャーナル１２１ａから所定量偏心しており、ここにロアリンク１１２が揺動自在に連結する。カウンタウェイト１２１ｃは、ジャーナル１２１ａとクランクピン１２１ｂとをつなぐアーム部に設けられ、回転部分の重量アンバランスを取り除く。
【００２３】
コントロールリンク１１３は、連結ピン１２６を介してロアリンク１１２に連結する。またコントロールリンク１１３は、他端を連結ピン１２７を介してコントロールシャフト１１４に連結する。コントロールリンク１１３は、この連結ピン１２７を中心として揺動する。またコントロールシャフト１１４にはギアが形成されており、そのギアが圧縮比制御アクチュエータ１３１の回転軸１３３に設けられたピニオン１３２に噛合する。圧縮比制御アクチュエータ１３１によってコントロールシャフト１１４が回転させられ、連結ピン１２７が移動する。
【００２４】
コントローラ３００は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ３００は、クランク角センサ３１１の検出信号に基づいてエンジン回転速度を演算し、エアーフローメータ３１２の検出信号に基づいてエンジン負荷を演算し、水温センサ３１３の検出信号に基づいて水温を検出し、筒内圧力センサ３１４の検出信号に基づいて筒内圧を検出する。コントローラ３００は、このようにして演算又は検出したエンジン運転状態に基づいて目標圧縮比を設定し、実圧縮比が目標圧縮比となるように圧縮比制御アクチュエータ１３１を制御する。
【００２５】
図３は複リンク式ピストンクランク機構による圧縮比変更方法を説明する図である。
【００２６】
複リンク式ピストンクランク機構は、図示しないコントローラが、エンジンの運転状態に基づいて圧縮比制御アクチュエータ１３１を制御することでコントロールシャフト１１４を回転させて連結ピン１２７の位置を変更させて、圧縮比を変更する。例えば図３(Ａ)、図３(Ｃ)に示すように連結ピン１２７を位置Ｐにすれば、上死点位置(ＴＤＣ)が高くなり高圧縮比になる。
【００２７】
そして図３(Ｂ)、図３(Ｃ)に示すように、連結ピン１２７を位置Ｑにすれば、コントロールリンク１１３が上方へ押し上げられ、連結ピン１２６の位置が上がる。これによりロアリンク１１２はクランクピン１２１ｂを中心として反時計方向に回転し、連結ピン１２５が下がり、ピストン上死点におけるピストン１２２の位置が下降する。したがって圧縮比が低圧縮比になる。
【００２８】
図４は、複リンク式エンジン１００のピストンストローク特性を示す図である。
【００２９】
複リンク式エンジン１００は、アッパリンク１１１やコントロールリンク１１３の長さ、また連結ピン１２５と連結ピン１２６との距離等を適当に設定することができる。これにより、複リンク式エンジン１００は、ピストンとクランク軸とを１つのリンク（コンロッド）で連結し、圧縮比が一定である通常のエンジン（以下「ノーマルエンジン」という）に比べて、ピストンが上死点付近に滞在する期間を長くすることができる。
【００３０】
つまり、複リンク式エンジンのピストンクランク機構は、上死点から下死点までのピストンストローク量がピストンクランク機構における上死点から下死点までのピストンストローク量と同一のノーマルエンジンのピストンクランク機構に比べて、ピストンの往復運動が単振動運動に近い特性となるよう、上死点と下死点におけるピストンストローク特性が略対称で、ノーマルエンジンのピストンクランク機構に比べて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、かつ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なるように、上死点前から上死点にかけて、及び下死点前から下死点にかけてはノーマルエンジンのピストンクランク機構に比べてピストンを引き下げる方向にロアリンクがコントロールリンクの揺動によってクランクピン回りに揺動し、上死点から上死点後にかけて、及び下死点から下死点後にかけてはノーマルエンジンのピストンクランク機構に比べてピストンを引き上げる方向にロアリンクがコントロールリンクの揺動によってクランクピン回りに揺動するように、各リンクや各支点のアライメントが設定されている。
【００３１】
この点について、図４を参照して説明する。図４において、実線は複リンク式エンジン１００のピストンストローク特性を示し、破線はノーマルエンジンのピストンストローク特性を示す。なお、複リンク式エンジン１００の圧縮比は、ノーマルエンジンの圧縮比と同じに設定してある。
【００３２】
図４に示すように、複リンク式エンジン１００は、ノーマルエンジンよりも上死点付近ではカーブの傾斜が緩く、下死点付近ではカーブの傾斜がきつい。つまり、ノーマルエンジンの場合、ピストンは上死点付近で早い動き（加速度大）になり、下死点付近では鈍い動き（加速度小）になる。
【００３３】
これに対し、複リンク式エンジン１００の場合、複リンク式ピストンクランク機構のリンク構成を適切に設定することで、単振動に近いピストンストローク特性を得ることができる。そのため、バランサシャフトが不要（４気筒）となるような振動低減効果が得られるとともに、ピストン加速度が平準化され、上死点付近でのピストン速度がノーマルエンジンに比べて遅くなる。
【００３４】
以下では、図５を参照して、上死点付近でのピストン速度がノーマルエンジンに比べて遅くなることによって生じる効果について説明する。
【００３５】
図５は、複リンク式エンジン１００のトルク変動とノーマルエンジンのトルク変動とを示す図である。図５において、実線は複リンク式エンジン１００のトルク変動を示し、破線はノーマルエンジンのトルク変動を示す。
【００３６】
あるピストン位置において、燃焼によって発生するガス圧がピストン１２２に対してなす仕事率は以下の式で求まる。
Ｗ＝Ｐ×Ｓ×Ｖ
Ｗ：仕事率〔Nm/s〕
Ｐ：ガス圧〔N/m2〕
Ｓ：ボア断面積〔m2〕
Ｖ：ピストン下降速度〔m/s〕
【００３７】
この式から、仕事率はピストン下降速度に比例することがわかる。したがって、ある回転時にガス圧によって発生する瞬時トルク〔Nm〕もピストン下降速度に比例する。
【００３８】
複リンク式エンジン１００は、ガス圧がピークに達する上死点付近でのピストン速度がノーマルエンジンよりも遅い。そのため、上死点付近での瞬時トルクがノーマルエンジンよりも小さくなる。したがって、複リンク式エンジン１００は、上死点付近でのクランク軸トルクの最大値がノーマルエンジンよりも小さくなる。その結果、図５に示すように、複リンク式エンジン１００は、ノーマルエンジンよりもクランク軸１２１のトルク変動の振幅が小さくなる。
【００３９】
このように、複リンク式エンジン１００は、ノーマルエンジンと比べてクランク軸１２１のトルク変動の振幅を小さくできる。そのため、クランク軸１２１によって駆動されるスーパーチャージャ２０のコンプレッサ回転軸２４に発生するねじりトルクを低減できる。なお、図５において、クランク角０度付近のトルク変動は、＃１，＃４気筒の燃焼に起因するものであり、クランク角１８０度付近のトルク変動は、＃２，＃３気筒の燃焼に起因するものである。
【００４０】
ここで、コンプレッサ２０で過給する遠心式のスーパーチャージャ２０は、ルーツブロワやリショルムコンプレッサ等の容積式のスーパーチャージャと比較して高回転となる。そのため、遠心式のスーパーチャージャ２０のコンプレッサ回転軸２４の軸径は、慣性モーメントを低減するために、容積式のスーパーチャージャの回転軸の軸径よりも細くする必要がある。
【００４１】
したがって、遠心式のスーパーチャージャ２０は、容積式のスーパーチャージャと比べて、コンプレッサ回転軸２４の強度及び剛性が低いという問題点がある。また、コンプレッサ回転軸２４の剛性を上げると、スーパーチャージャ２０の慣性モーメントが増加して電磁クラッチをＯＮ・ＯＦＦしたときのトルクショックが大きくなるという問題点がある。
【００４２】
しかし、複リンク式エンジン１００によれば、リンク構成を適切に設定することで、単振動に近いピストンストローク特性を得ることができるので、クランク軸１２１のトルク変動を小さくできる。これにより、コンプレッサ回転軸２４にかかるねじりトルクを小さくできるので、上記問題点を解決することができる。
【００４３】
また、複リンク式エンジン１００は、リンク構成の設定次第で、低圧縮比時の上死点付近でのピストン速度を高圧縮比時に比べて遅くして、低圧縮比時にピストン１２２が上死点付近に滞在する期間を高圧縮比時よりも長くすることができる。
【００４４】
この点について、図６を参照して説明する。図６において、太実線は、高圧縮比時のピストンストローク特性を示す。細実線は、低圧縮比時のピストンストローク特性を示す。太破線は、理解を容易にするために、高圧縮比時のピストンストロークの上死点及び下死点位置を低圧縮比時の上死点及び下死点位置にそろえたものである。
【００４５】
なお、ここで用いている圧縮比（実圧縮比）とはピストンの上死点位置の変化に対応して変化する、幾何学的な圧縮比の事を示している。
【００４６】
図６に示すように、高圧縮比時のピストンストロークの上死点及び下死点位置を低圧縮比時の上死点及び下死点位置にそろえると、低圧縮比時の方が上死点付近でカーブの傾斜が緩く、下死点付近ではカーブの傾斜がきついことがわかる。つまり、低圧縮比時の方が上死点付近でのピストン速度が遅くなり、ピストン１２２が上死点付近に滞在する期間が長くなる。
【００４７】
複リンク式エンジン１００の圧縮比は、過給の必要がない低負荷時には高圧縮比に制御される。一方で、過給の必要がある高負荷時には低圧縮比に制御される。そのため、上死点付近でのピストン速度が、高圧縮比時より低圧縮比時のほうが遅くなるように複リンク式ピストンクランク機構を構成し、高圧縮比時よりも低圧縮比時のクランク軸１２１のトルク変動を小さくすることで、コンプレッサ回転軸２４にかかるねじりトルクを小さくできる。
【００４８】
図７は、スーパーチャージャ２０の電磁クラッチの制御を示すフローチャートである。
【００４９】
ステップＳ１において、コントローラ３００は、クランク角センサ３１１やエアーフローメータ３１２などの検出信号に基づいて現在の運転状態を検出する。
【００５０】
ステップＳ２において、コントローラ３００は、検出した運転状態に基づいて目標圧縮比を設定する。
【００５１】
ステップＳ３において、コントローラ３００は、実圧縮比が目標圧縮比となるように圧縮比制御アクチュエータ１３１を制御する。
【００５２】
ステップＳ４において、コントローラ３００は、実圧縮比が後述する過給機強度限界圧縮比を下回ったか否かを判定する。コントローラ３００は、実圧縮比が過給機強度限界圧縮比を下回っていればステップＳ５に処理を移行し、そうでなければ今回の処理を終了する。
【００５３】
ステップＳ５において、コントローラ３００は、実圧縮比が後述するノック限界圧縮比を下回ったか否かを判定する。コントローラ３００は、実圧縮比がノック限界圧縮比を下回っていればステップＳ６に処理を移行し、そうでなければ今回の処理を終了する。
【００５４】
ステップＳ６において、コントローラ３００は、スーパーチャージャ２０の電磁クラッチをＯＮにして過給を開始する。
【００５５】
図８は、スーパーチャージャ２０の電磁クラッチの制御の動作を示すタイムチャートである。なお、図７のフローチャートとの対応を明確にするためフローチャートのステップ番号を併記して説明する。
【００５６】
時刻ｔ１で、低負荷・高圧縮比の定常状態からアクセルが踏み込まれ加速状態になると、図８（Ｂ）に示すように、目標圧縮比が低圧縮比側に変更され、目標圧縮比に追従するように実圧縮比が変更される（Ｓ１〜Ｓ３）。
【００５７】
このとき、加速性能を向上させるために、スーパーチャージャ２０の電磁クラッチをＯＮにして、エンジンの出力を向上させる必要がある。
【００５８】
しかしながら、実圧縮比が高圧縮比のときにスーパーチャージャ２０の電磁クラッチをＯＮにしてしまうと、高圧縮比時は低圧縮比時に比べてクランク軸１２１のトルク変動が大きくなる構成としているため、コンプレッサ回転軸２４にかかるねじりトルクが大きくなる。そうすると、スーパーチャージャ２０のコンプレッサ回転軸２４の強度・剛性を増す必要がある。また、実圧縮比が高圧縮比のときにスーパーチャージャ２０の電磁クラッチをＯＮにして過給すると、ノッキングやプレイグニッションなどの異常燃焼を引き起こす可能性がある。
【００５９】
そこで、本実施形態では時刻ｔ２で、実圧縮比が、スーパーチャージャ２０のコンプレッサ回転軸２４にかかるねじりトルクが小さく、かつ異常燃焼を引き起こさない圧縮比になったときに（Ｓ４でＹｅｓ、Ｓ５でＹｅｓ）、スーパーチャージャ２０の電磁クラッチを接続する（Ｓ６）。なお、図８（Ｂ）において、破線が異常燃焼を引き起こさない圧縮比の上限（以下「ノック限界圧縮比」という）であり、一点鎖線がコンプレッサ回転軸２４にかかるねじりトルクが小さく、スーパーチャージャ２０の強度信頼性が確保できる圧縮比の上限（以下「過給機強度限界圧縮比」という）である。ノック限界圧縮比は、エンジン回転速度及びエンジン負荷に基づいて、予め定められたマップを検索して設定される。また、過給機強度限界圧縮比は、トルク変動の大きさによって変動するため、実圧縮比に基づいて予め定められたテーブルを検索して設定される。実圧縮比は、筒内圧やコントロールシャフト１１４の回転角度等から算出することができる。
【００６０】
本実施形態では、このような電磁クラッチの制御を実施することで、スーパーチャージャ２０の強度信頼性を確保し、異常燃焼の発生を抑制することができる。
【００６１】
しかし、このような電磁クラッチの制御では、アクセルを踏み込んでから電磁クラッチをＯＮにするまでにタイムラグが生じるため、加速性能が低下してしまう。
【００６２】
そこで、本実施形態では、ピストンストロークを拡大して排気量を拡大することで、エンジン出力を向上させ、加速性能の低下を防止する。以下では、図９を参照して、ピストンストロークのロングストローク化について説明する。
【００６３】
図９は、ピストンスカートの短縮化によってピストンストロークを拡大した複リンク式エンジン１００のピストンストロークについて、ノーマルエンジンのピストンストロークと比較して説明する図である。図９（Ａ）が、ノーマルエンジンのピストンストロークを示す図である。図９（Ｂ）が、複リンク式エンジン１００のピストンストロークを示す図である。
【００６４】
図９（Ａ）に示すように、ピストン２２２を１本のコンロッド２１１で連結するノーマルエンジンは、上死点位置におけるコンロッド２１１の姿勢を略直立にすることができない。そのため、燃焼時にピストン２２２にかかる最大スラスト荷重を低減できず、ピストンスカート２４１を短縮することができない。その結果、ピストンスカート２４１の下方をクランク軸２２１のカウンタウェイト２２１ｃが通過することになる。
【００６５】
これに対して、図９（Ｂ）に示すように、複リンク式エンジン１００のピストン１２２は、各リンク１１１，１１２，１１３を適当に調整することで、上死点位置におけるアッパリンク１１１の姿勢を略直立にすることができる。そのため、ノーマルエンジンと比べて燃焼時にピストン１２２にかかる最大スラスト荷重を低減できるため、ピストンスカート１４１を周方向に短縮してもピストン１２２の耐久性を確保できる。このようなピストンスカート１４１を短縮したピストン１２２を用いることで、カウンタウェイト１２１ｃがピストンピン１２４の側方を通過できる。これにより、複リンク式エンジン１００は、ピストンスカート１４１の高さ分だけピストンストロークを拡大することができる。
【００６６】
以下では、図１０を参照して、ピストンストロークを拡大したことによる効果について説明する。
【００６７】
図１０（Ａ）は、ノーマルエンジンとピストンストロークを拡大した複リンク式エンジン１００とのトルク特性を示した図である。なお、複リンク式エンジン１００のエンジンサイズは、ノーマルエンジンのエンジンサイズと同じである。図１０（Ｂ）は、スーパーチャージャ２０の電磁クラッチをＯＮにしたときのブースト特性を示した図である。
【００６８】
複リンク式エンジン１００は、ピストンストロークを拡大することによって、エンジンサイズを維持したまま排気量を拡大することができる。そのため、図１０（Ａ）に示すように、同サイズのノーマルエンジンと比べて、低回転域でのトルクが向上する。
【００６９】
また、図１０（Ｂ）に示すように、スーパーチャージャ２０は遠心式なので、低回転域でブースト圧はほとんどかからない。したがって、図１０（Ａ）で示した低回転域でのトルクの向上は、ピストンストロークを拡大したことによる効果であることがわかる。
【００７０】
図１１は、車両停止状態からアクセル全開にして発進したときのピストンストロークを拡大した複リンク式エンジン１００とノーマルエンジンとの加速度の違い、及び電磁クラッチの接続タイミングについて説明する図である。
【００７１】
図１１（Ａ）において、実線はロングストロークエンジンの車両加速度である。一点鎖線はノーマルエンジンの車両加速度である。破線はノーマルエンジンにおいて、発進直後に電磁クラッチをＯＮにしたときの車両加速度である。
【００７２】
図１１（Ａ）に示すように、複リンク式エンジン１００は、ピストンストロークが拡大したことによって、排気量が拡大しエンジン出力が増加するので、同サイズのノーマルエンジンよりも加速性能が向上している。
【００７３】
そのため、複リンク式エンジン１００の場合は、時刻ｔ２で、実圧縮比が低圧縮比になってからクラッチを接続して過給を開始しても（図１１（Ｃ）の実線）、良好な加速性能を得ることができる。そのため、コンプレッサ回転軸２４にかかるねじりトルクを低減することができる。
【００７４】
一方で、ノーマルエンジンの場合は、時刻ｔ１の発進直後の実圧縮比が高い状態で電磁クラッチを接続しないと（図１１（Ｂ）、図１１（Ｃ）の破線）、複リンク式エンジン１００と同等の加速性能が得られない（図１１（Ａ）の破線）。実圧縮比が高い状態で電磁クラッチを接続しなければならないとすると、その分だけコンプレッサ回転軸２４にかかるねじりトルクが大きくなる。そうすると、スーパーチャージャ２０の強度信頼性を確保するためには、スーパーチャージャ２０の剛性を上げる必要がある。その結果、スーパーチャージャ２０の慣性モーメントが増加して電磁クラッチをＯＮ・ＯＦＦしたときのトルクショックが大きくなってしまう。
【００７５】
以上説明した本実施形態によれば、複リンク式ピストンクランク機構を備え、ノーマルエンジンよりも上死点位置でのピストン速度を遅くした。これにより、複リンク式エンジン１００は、ノーマルエンジンよりもクランク軸１２１のトルク変動を小さくすることができる。その結果、クランク軸１２１によって駆動されるコンプレッサ２２のコンプレッサ回転軸２４にかかるねじりトルクも小さくすることができるので、スーパーチャージャ２０の強度・剛性を増す必要がない。また、スーパーチャージャ２０の慣性モーメントも小さくすることができるので、電磁クラッチのＯＮ・ＯＦＦ時におけるトルクショックを小さくすることができる。
【００７６】
また、複リンク式ピストンクランク機構を適当に設定し、低圧縮比時における上死点位置でのピストン速度を、高圧縮比時における上死点位置でのピストン速度よりも遅くした。過給が必要な高負荷時には、圧縮比は低圧縮比に制御される。一方、過給が不要な低負荷時には、圧縮比は高圧縮比に制御される。そのため、電磁クラッチがＯＮにされる低圧縮比時における上死点位置でのピストン速度を、高圧縮比時よりも遅くすることで、コンプレッサ回転軸２４にかかるねじりトルクを小さくできる。
【００７７】
また、アクセルが踏み込まれて加速状態になった場合には、実圧縮比が、スーパーチャージャ２０のコンプレッサ回転軸２４にかかるねじりトルクが小さく、かつ異常燃焼を引き起こさない圧縮比になったときに電磁クラッチをＯＮにしてスーパーチャージャ２０を駆動することとした。これにより、スーパーチャージャ２０の強度信頼性を確保でき、かつ異常燃焼の発生を防止できる。
【００７８】
さらに、複リンク式ピストンクランク機構を適当に設定し、ピストンスカート１４１を短縮することでピストンストロークを拡大した。これにより、排気量が拡大して低回転域でのエンジントルクが向上する。そのため、アクセルが踏み込まれた直後の高圧縮比時に電磁クラッチを接続しなくても、良好な加速感を得ることができる。換言すれば、クランク軸１２１の変動トルクの小さい低圧縮比になってから電磁クラッチを接続しても、良好な加速感を得ることができる。その結果、コンプレッサ回転軸２４にかかるねじりトルクを低減することができる。
【００７９】
このように、複リンク式エンジン１００は、クランク軸１２１のトルク変動を小さくすることでできる。また、ロングストローク化により低回転域におけるエンジントルクを向上させることができる。そのため、遠心式のスーパーチャージャ２０の駆動を、クランク軸１２１のトルク変動が小さい低圧縮比時に限定することができる。したがって、遠心式のスーパーチャージャ２０の耐久性、信頼性を向上させることができる。
【００８０】
また、遠心式のスーパーチャージャ２０を用いたので、容積式のスーパーチャージャを用いたときよりも、エンジン高回転域での充填効率を上げることができる。そのため、ピストンストローク特性を単振動に近づけたときの高回転時におけるエンジントルクの低下を抑制することができる。
【００８１】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【００８２】
例えば、本実施形態では、圧縮比制御アクチュエータ１３１を制御してコントロールシャフト１１４を回転させて複リンク式エンジン１００の圧縮比を変更できるようにしていた。しかし、ノーマルエンジンよりも上死点付近でのピストン速度が遅くした副リンク式エンジンであれば、圧縮比変更手段を有しないものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】第１実施形態によるエンジンの吸気装置の概略構成図である。
【図２】複リンク式エンジンを示す図である。
【図３】複リンク式ピストンクランク機構による圧縮比変更方法を説明する図である。
【図４】複リンク式エンジンのピストンストローク特性を示す図である。
【図５】複リンク式エンジンのトルク変動とノーマルエンジンのトルク変動とを示す図である。
【図６】複リンク式エンジンのピストンストローク特性を示す図である。
【図７】スーパーチャージャの電磁クラッチの制御を示すフローチャートである。
【図８】スーパーチャージャの電磁クラッチの制御の動作を示すタイムチャートである。
【図９】ピストンスカートの短縮化によってピストンストロークを拡大した複リンク式エンジンのピストンストロークについて、ノーマルエンジンのピストンストロークと比較して説明する図である。
【図１０】ノーマルエンジンとピストンストロークを拡大した複リンク式エンジンとのトルク特性を示した図である。
【図１１】車両停止状態からアクセル全開にして発進したときのピストンストロークを拡大した複リンク式エンジンとノーマルエンジンとの加速度の違い、及び電磁クラッチの接続タイミングについて説明する図である。
【符号の説明】
【００８４】
２０ スーパーチャージャ（遠心式過給機）
１００ エンジン
１１１ アッパリンク（第１リンク）
１１２ ロアリンク（第２リンク）
１１３ コントロールリンク（第３リンク）
１１４ コントロールシャフト
１２０ シリンダ
１２１ クランク軸
１２１ｃ カウンタウェイト
１２２ ピストン
１２４ ピストンピン
３００ コントローラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランク軸と、
シリンダ内に摺動可能に収装されたピストンと、
前記クランク軸のクランクピンと前記ピストンのピストンピンとを複数のリンクで連結した複リンク式ピストンクランク機構と、
クラッチ機構を介して前記クランク軸によって機械的に駆動される遠心式過給機と、
を備えた過給機付きエンジンであって、
前記複リンク式ピストンクランク機構を、上死点付近におけるピストンの加速度が下死点付近におけるピストンの加速度よりも小さくなるピストンモーションとなるように構成して、前記クランク軸のクランクピンと前記ピストンのピストンピンとを１つのリンクで連結したピストンクランク機構と比べて前記遠心式過給機の回転軸に入力されるねじりトルクを小さくした
ことを特徴とする過給機付きエンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の過給機付きエンジンにおいて、
前記複リンク式ピストンクランク機構は、リンク位置を変更することで前記ピストンの上死点位置を変更可能であり、前記ピストンの上死点位置が低いときほど前記ピストンの最大加速度が小さくなるピストンモーションとなるように構成される
ことを特徴とする過給機付きエンジン。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の過給機付きエンジンにおいて、
前記複リンク式ピストンクランク機構は、
一端が前記ピストンにピストンピンを介して連結される第１リンクと、
一端が前記第１リンクの他端に連結されるとともに、前記クランク軸に回転自由に装着される第２リンクと、
一端が前記第２リンクの他端に連結される第３リンクと、
回転中心軸に対して偏心した偏心軸部を有し、その偏心軸部に前記第３リンクの他端を揺動自由に連結するコントロールシャフトと、
を備えることを特徴とする過給機付きエンジン。
【請求項４】
請求項３に記載の過給機付きエンジンにおいて、
前記クランク軸のカウンタウェイトは、前記ピストンと前記第１リンクとを連結するピストンピンの側方を通過する
ことを特徴とする過給機付きエンジン。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか１つに記載の過給機付きエンジンの過給機の回転軸に入力されるねじりトルクが小さくなるように制御する過給機入力トルク制御装置において、
エンジン運転状態を検出する運転状態検出手段と、
検出したエンジン運転状態に基づいて、目標圧縮比を設定する目標圧縮比設定手段と、
前記複リンク式ピストンクランク機構のリンク位置を変更することで前記ピストンの上死点位置を変更し、前記目標圧縮比へ向けて前記エンジンの圧縮比を変更する圧縮比変更手段と、
ピストンの上死点位置の変化に対応して変化する実圧縮比に基づいて過給機強度限界圧縮比を設定する過給機強度限界圧縮比設定手段と、
ピストンの上死点位置の変化に対応して変化する実圧縮比が前記過給機強度限界圧縮比を下回るまでは、前記クラッチ機構の締結を禁止して前記遠心式過給機の駆動を禁止する過給機駆動禁止手段と、
を備えることを特徴とする過給機入力トルク制御装置。
【請求項６】
請求項５に記載の過給機入力トルク制御装置において、
エンジン負荷に基づいてノック限界圧縮比を設定するノック限界圧縮比設定手段を備え、
前記過給機駆動禁止手段は、ピストンの上死点位置の変化に対応して変化する実圧縮比が前記過給機強度限界圧縮比と前記ノック限界圧縮比とを下回るまでは、前記クラッチ機構の締結を禁止して前記遠心式過給機の駆動を禁止する
ことを特徴とする過給機入力トルク制御装置。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の過給機入力トルク制御装置において、
前記圧縮比変更手段は、前記コントロールシャフトを回転して前記偏心軸部を上下動することで前記ピストンの上死点位置を変化させて圧縮比を変更する
ことを特徴とする過給機入力トルク制御装置。
【請求項１】
クランク軸と、
シリンダ内に摺動可能に収装されたピストンと、
前記クランク軸のクランクピンと前記ピストンのピストンピンとを複数のリンクで連結した複リンク式ピストンクランク機構と、
クラッチ機構を介して前記クランク軸によって機械的に駆動される遠心式過給機と、
を備えた過給機付きエンジンであって、
前記複リンク式ピストンクランク機構を、上死点付近におけるピストンの加速度が下死点付近におけるピストンの加速度よりも小さくなるピストンモーションとなるように構成して、前記クランク軸のクランクピンと前記ピストンのピストンピンとを１つのリンクで連結したピストンクランク機構と比べて前記遠心式過給機の回転軸に入力されるねじりトルクを小さくした
ことを特徴とする過給機付きエンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の過給機付きエンジンにおいて、
前記複リンク式ピストンクランク機構は、リンク位置を変更することで前記ピストンの上死点位置を変更可能であり、前記ピストンの上死点位置が低いときほど前記ピストンの最大加速度が小さくなるピストンモーションとなるように構成される
ことを特徴とする過給機付きエンジン。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の過給機付きエンジンにおいて、
前記複リンク式ピストンクランク機構は、
一端が前記ピストンにピストンピンを介して連結される第１リンクと、
一端が前記第１リンクの他端に連結されるとともに、前記クランク軸に回転自由に装着される第２リンクと、
一端が前記第２リンクの他端に連結される第３リンクと、
回転中心軸に対して偏心した偏心軸部を有し、その偏心軸部に前記第３リンクの他端を揺動自由に連結するコントロールシャフトと、
を備えることを特徴とする過給機付きエンジン。
【請求項４】
請求項３に記載の過給機付きエンジンにおいて、
前記クランク軸のカウンタウェイトは、前記ピストンと前記第１リンクとを連結するピストンピンの側方を通過する
ことを特徴とする過給機付きエンジン。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか１つに記載の過給機付きエンジンの過給機の回転軸に入力されるねじりトルクが小さくなるように制御する過給機入力トルク制御装置において、
エンジン運転状態を検出する運転状態検出手段と、
検出したエンジン運転状態に基づいて、目標圧縮比を設定する目標圧縮比設定手段と、
前記複リンク式ピストンクランク機構のリンク位置を変更することで前記ピストンの上死点位置を変更し、前記目標圧縮比へ向けて前記エンジンの圧縮比を変更する圧縮比変更手段と、
ピストンの上死点位置の変化に対応して変化する実圧縮比に基づいて過給機強度限界圧縮比を設定する過給機強度限界圧縮比設定手段と、
ピストンの上死点位置の変化に対応して変化する実圧縮比が前記過給機強度限界圧縮比を下回るまでは、前記クラッチ機構の締結を禁止して前記遠心式過給機の駆動を禁止する過給機駆動禁止手段と、
を備えることを特徴とする過給機入力トルク制御装置。
【請求項６】
請求項５に記載の過給機入力トルク制御装置において、
エンジン負荷に基づいてノック限界圧縮比を設定するノック限界圧縮比設定手段を備え、
前記過給機駆動禁止手段は、ピストンの上死点位置の変化に対応して変化する実圧縮比が前記過給機強度限界圧縮比と前記ノック限界圧縮比とを下回るまでは、前記クラッチ機構の締結を禁止して前記遠心式過給機の駆動を禁止する
ことを特徴とする過給機入力トルク制御装置。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の過給機入力トルク制御装置において、
前記圧縮比変更手段は、前記コントロールシャフトを回転して前記偏心軸部を上下動することで前記ピストンの上死点位置を変化させて圧縮比を変更する
ことを特徴とする過給機入力トルク制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−４７００９（Ｐ２００９−４７００９Ａ）
【公開日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２１１２７４（Ｐ２００７−２１１２７４）
【出願日】平成１９年８月１４日（２００７．８．１４）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月１４日（２００７．８．１４）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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