JPH03275936A - 圧縮比可変２段過給内燃機関 - 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〕 この発明は２段過給を行い、かつ過給状態に応じて圧縮
比を可変とする内燃機関に関する。

〔従来技術〕

特願昭４５−９０８４号公報は大型ターボチャージャと
小型ターボチャージャとを直列に配置し、小型ターボチ
ャージャを迂回する排気バイパス通路に排気切替弁を設
け、小型ターボチャージャの作動域では排気切替弁を閉
鎖し、大型ターボチャージャの作動域では排気切替弁を
開放している。２段過給を行うことによりエンジン回転
数の小さい領域からエンジン回転数の大きい領域までの
広い範囲に渡って過給効果を得ることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の２段過給方式では小型ターボチャージャの作動す
るエンジンの低速領域においてノッキングが発生し易い
問題がある。それは、小型ターボチャージャの使用域で
は径が小さいことにより排気ガスの流れ抵抗が大きいた
め排圧が大きくなり、燃焼内への残留ガスの量が多くな
るためである。

この発明は２段過給過給内燃機関におけるエンジン低速
時にノッキングの発生を抑制するこを目的とする。

〔発明が解決しようとする課題〕

この発明によれば、大型ターボチャージャと小型ターボ
チャージャとをガスの流れ方向に直列ｌＪ。

配ｆｆＬ、小型ター・ボヂャージャを辻同−ｄる朗気バ
イパス通路に排気切替弁を設け、排気切替弁を開閉づる
ことにより小型ターボチャージやと大型ターボヂーヤー
、−ジャεで作動域を切り替えるようにし、さらに圧縮
比を可変とする圧縮比制御機構をわシ５、小型ターボチ
ャージャの作動域で圧縮比４小さくし、大型ターボチャ
ー・−ジャの作動域で圧縮比が大きくすることを特徴と
する迂縮比可Ｆｆｃ′２段過給内燃機関が提供される。

〔作用〕

排気切替弁の閉鎖時には小型夕〜ボザヤージャによって
過給が行われ、排気切替弁の開放時には大型ターボチャ
ージャにより過給が行われる。

小型ターボチャージャの作動時に圧縮比制御機構は内燃
機関の圧縮比を小さくし、大型ターボチャージャの作動
時圧縮比制御機構＋Ｊ圧縮比を大きくする。

〔実施例〕

第１［Ｊはこの発明の実施例を示（２でおり、１０は、
１′：／シ：／本体であり、吸気管１２と排気管１４（
！−が接続される。吸気管ｊ４は燃料インジゴフタ１５
と、スロットル弁１６を有−する。人望ターボプーヤー
　ジャ１７と小型り・−ボデ〜ヤー　ジャ１８とが直列
に配置される。大型ターボチャー　ジャｔ７はコンプレ
ッ→、１１２０と、タービン２２と、回転軸２４とから
構成される。小型ターボチャージャ１８はコンプレッサ
２６と、タービン？８と、回転軸２５とから構成される
。吸気管１２におし）で吸入空気の流れ方向に、大型夕
・〜ボチャージャ１７の：ズンフ１．／ツサ２０、小型
ターボヂヤージャ１８のコンプレッサ２６の順で配置さ
れ、その下流にインタクーラ２９が配置され、インタク
ーラ２９の下流にスロットル弁１Ｇが配置される。排気
管において排気ガスの流れ方向に、小型ターボヂャ・、
−ジャ１８のタービン２８、大型ターボチャージャ１７
のタービン２２の順で配置される。

大型ターボチャージャ１７のタービンを迂回して第１の
排気バイパス通路３０が排気管に接続され、第１の排気
バイパス通路３０に蝶型弁であるウニ、イストゲ−１・
弁３２が配置される。ウニイストゲ− ４に連結され、そのダイヤフラム３４ａはバイパス弁３
２に連結される。バイパス弁３２はスプリング３４ｂに
よ−って通常は閉鎖するべく付勢されるが、ダイヤフラ
ム３４ａに如才）る負圧によってスプリング３４ｂに抗
してウェイストゲート弁３２の開弁が行われる。

小型り・−ボチャージャ１８のタービン２８を迂回して
第２の排気バイパス通路３６が設ｉフられ、この第２の
バイパス通路３６に蝶型弁としての排気切替弁３８が設
けられる。排気切替弁３８はそのアクチュエータ４０に
連結され、アクチュエータ４０は２段ダイヤフラム機構
として構成される。

このアクチュエータ４Ｑは、後述のように、大型ターボ
チャージャ１７が全過給能力を発揮するまでは排気切替
弁３８を閉鎖し、大型ターボヂャジャ１７がその全過給
能力を発揮するに至る排気切替弁３８を急速に開放せし
める特性を持っている。アクチュエータ４０はダイヤフ
ラム４０ａ、　４０ｂと、スプリング４０ｃ、　４０ｄ
を供え、一方のダイヤフラム４０ａは１１ツド４．Ｏｅ
を介して排気切替弁４０に連結され、もう−・つのダイ
ヤフラム４０ｂはロット４０「に連結される。ダイヤフ
ラム４０ａに過給圧を作用させるか、ダイヤフラム４０
ｂに過給圧を作用させるか、で排気切替弁３８のスデッ
プ的な開放特性が得られる。即ち、ダイヤフラム４０ｂ
に過給圧を作用させた場合、スプリング４０ｃの力と、
スプリング４０ｄと合力に抗して排気切替弁３８を開弁
させるため、開弁は緩慢に行われる。ダイヤフラム４０
ａに過給圧が作用した場合はスプリング４０ｃの力のみ
に抗して排気切替弁３８の開弁が行われため、その間弁
作動は迅速となる。

小型ターボチャージャ１８のコンプレッサ２６を迂回す
る吸気バイパス通路４４が設けられ、この吸気バイパス
通路４４に吸気バイパス弁４６が配置される。切替弁４
６はダイヤフラムアクチコエータ４８に連結され、その
ダイヤフラム４８ａに加わる圧力により吸気バイパス弁
４６の作動が制御される。この吸気バイパス弁４６は大
型ターボチャージャ１７の立ち上がりが完了しない小型
ターボチャージャＩ８の作動域では吸気バイパス通路４
４を閉鎖するも、その完了の後は過給圧がダイヤフラム
４８ａに下側から作用し、吸気バイパス弁４６の開弁が
行われる。

この実施例では内燃機関は排気ガス再循環（ＥＧＲ）装
置を供え、このＥＧＲ装置は排気ガス再循環通路（ＥＧ
Ｒ通路）５０と、ＥＧＲ通路５０上の排気ガス再循環制
御弁（ＥＧＲ弁）５２とからなり、ＥＧＲ弁５２はダイ
ヤフラム５２ａを供え、ダイヤフラム５２ａに加わる圧
力に応じてその開弁、閉弁が制御される。

ウェイストゲート弁３４のアクチュエータ３４への圧力
制御のため３方電磁弁（ＶＳＶＩ）　５４が設けられ、
この電磁弁５４はダイヤフラム３４ａに大気圧を導入す
る位置と、小型ターボチャージャ１８のコンプレッサ２
６の下流で、インタクーラ２９の上流の位置５６の過給
圧を導入する位置とで切り替わる。大気圧導入時に、ス
プリング３４ｂによってウェイストゲート弁３２は閉鎖
駆動され、過給圧導入時にスプリング３４ｂに抗してウ
ェイストゲート弁３２の開弁が行われる。

３方電磁弁（ＶＳＶ２）　５　Ｂは排気切替弁３８のア
クチュエータ４０のダイヤフラム４０ａのへ圧力制御の
ため設けられ、この電磁弁５８はダイヤフラム４０ａに
大気圧を導入する位置と、小型ターボチャージャ１８の
出口６０の過給圧を導入する位置とで切り替わる。また
、ダイヤフラム４０ｂには小型ターボチャージャ１８の
コンプレッサ出口６０の圧力が常時導入されている。

吸気バイパス弁４７のアクチュエータ４８への圧力制御
のため二つの３方電磁弁６４．６６が設けられる。３方
電磁弁（ＶＳＶ３）　６４は吸気バイパス弁４６のアク
チュエータアクチュエータ４８のダイヤフラム４８ａの
上側へ圧力制御のため設けられ、この電磁弁６４はダイ
ヤフラム４８ａの上側に大気圧を導入する位置と、小型
ターボチャージャ１８のコンプレッサ出口６０の過給圧
を導入する位置とで切り替わる。また、３方電磁弁（Ｖ
ＳＶ４）　６６は吸気バイパス弁４６のアクチュエータ
アクチュエータ４８のダイヤフラム４８ａの下側への圧
力制御のため設けられ、この電磁弁６６はダイヤフラム
４８ａの下側にスロットル弁１６の下流の位置６８の負
圧を導入する位置と、小型ターボチャージャ２６のコン
プレッサ出口６０の過給圧を導入する位置とで切り替わ
る。

３方電磁弁（ＶＳＶ５）　７０　ハＥＧＲ弁５２の作動
制御のため設けられ、この電磁弁７０はダイヤフラム５
２ａに大気圧を導入する位置と、スロットル弁１６の下
流の位置６８の負圧を導入する位置とで切り替わる。

制御回路７２はこの発明における過給制御のため設けら
れ、各電磁弁５４　（ＶＳＶＩ　）、　５８　（ＶＳＶ
２）、　６４　（ＶＳＶ３）、　６６（ＶＳＶ４）、　
７０（ＶＳＶ５）、燃料インジェクタ１５の駆動を行う
。まて、イグナイタ７４、ディストリビュータ７６を介
して点火栓の制御も行うが、これらの制御はこの発明と
直接に関係しないので詳細説明は省略する。そして、制
御回路７２にはこの発明に従った制御を実行するため各
種のセンサに接続される。まず、大型ターボチャージャ
１７のコンプレッサ２０の出口圧力Ｐ、を検出するため
第１の圧力センサ７８が設けられ、また小型ターボチャ
ージャ１８のコンプレッサ２６の出口圧力Ｐ２を検出す
るため第２の圧力センサ８０が設けられる。大型ターボ
チャージャ１７のタービン２２の下流に空燃比センサ８
２か設けられる。その外、図示しないが吸気空気量Ｑを
計測せるエアフローメータ、変速機（図示しない）のギ
ヤ位置を検出手段するセンサが具備され、またタイミン
グ制御のためクランク角度で３０°、７２０°毎のパル
ス信号が入力される。

また、この発明によれば圧縮比を可変とする機構が設け
られ、この機構は公知のどのようなものであっても良い
が、例えば特開昭６３−１２８３７号に開示されたもの
と同様の機構とすることができる。

この機構の概略が第２図、第３図に示される。偏心リン
グ８５をコネクティングロッド８６の上端部とピストン
ピン８７との間に配置し、油圧駆動のロックビン８９に
よって偏心リング８５をロックを係脱自在としたもので
ある。即ち、偏心リング８５の最大偏心部が最もド側ｌ
ご釆たときピストンピン８７が最も上にσＩ置するため
Ｉ）縮比は最大とな０、偏心リング８５の最大偏心部が
最もト側に来たときピストンピン８７が最もｉに位置す
るためＬＥ縮比は最小となる。そ（、で、偏ＩＣｘリン
グ８５をフリーにし、た状態マ・・はピストン９２の位
置に応じて偏心リング８ｂは回転（７、ピストン９２　
Ｑ）　、、１ｒ。

死点では偏心リング８５の最大偏心部が最も］−側に位
置（２、ピストン９２の下死点では偏心リング８５の最
大偏心部が最も下側に位置する。偏心リング８５の最大
偏心部が最も下側に位置しまた状態を保持すれば、上死
点におけるビス）−１／　９７の位置を最も」二とする
こごができ、最大の圧縮比が得られる。圧縮比の最大を
得る位置に偏心リング８５をＬ１ツクするため、偏心リ
ング８５に■コック溝９１が形成され、一方、ロックピ
ン８９がフネクティ゛ノグロ・ンド８６に設けられる。

臼・ンクピ二／８９の下部に第１油圧室９０が形成され
、油圧室９０に“油圧を導入（、また状態では、ピスト
ン９２が下死点まで下降したときにロックビン８９が偏
心リング８５のロック溝９１に嵌合１７、偏心り゛／グ
８５の最大偏心部が最も下側に付置［７た状態ｊ：：：
、ｌ　ロック、＼れ、上死点Ｙ゛のピストン位置が最も
高くなるので最大の圧縮比が得られる。小みい圧縮比を
得るためには、反対側の油圧室９３から油圧をかけるご
とにより＋１ツクビン８９は下降し、１ノツク溝９１か
ら外れる。この場合、偏心リング８５はフリーとなり、
上死点位置で番、上編）ｌ：＋’リング８５の最大偏心
部が最も上に来るので、ピストンピン８７の位置は相苅
的にＦ降Ｌ７、最小のＢ６縮比が得られる。

油圧室９０．９３−＼の油圧通路９５．９６がニフネク
ティング「ｊラド８６に形成され、特開昭６３−１２８
３７号に記載ｌ、六ように、７クランク軸９７内の潤滑
油通路、クランクジャーナル内の油通路、エンジン本体
内の油通路を介して、外部ω油圧源９８　ｉｌ：接続さ
れる。そして、制御油圧の流れ方間の切替えのための切
替装ａ１００が具備され、この切替装置１（］Ｏは切替
弁１０２．１０４が設ζノられる。即ち、油圧室９０に
油圧を導入するとき（高圧縮比）は切替弁１０２をＯＮ
、１０４をＯＮとし、油Ｂ：室９３に油圧を導入すると
き（低圧縮比）は切替弁１０２を叶ト”、１０４をＯＦ
Ｆとする。第１図に示すように切替装置１００は制御回
路７２からの制御信号によっＣ駆動される。

以下制御回路７２の作動２第４図のフ［Ｉｉ−ヂャトに
よって説明する。第４図は過給圧の制御のためのルーチ
ンを示す。ステップ１２０では小型ターボチャ・−ジャ
１８のコンプレッサ出口圧力Ｐ。

）大型ターボチャージャ１７の」ンブレッサ出［ｊ圧力
ＦＪ１が成立するか否か判別される。第５図はスロット
ル弁１６の開度を一定に固定した場合におけるエンジン
回転数ＮＥど過給圧（ターボヂャ・−ジャ出口圧力）と
の関係を示しており、小型ターボチャージャ出口圧力Ｐ
２の立ち上がりが大型ターボチャージャ出口圧力Ｐ、の
立ち上がりより早くなっている。したがって、エンジン
の回転がまだ上がっていない状態ではＰ２　＞ｒ’、が
成立し、ステップ１２２で電磁弁５４（ＶＳＶＩンがＯ
ＦＦされ、ダイヤフラム３４ａに大気圧が導入され、ス
プリング３４ｂによってウェイストゲート弁３２は閉鎖
される。ステップ１２６でアクチュエータ４０を制御す
る電磁弁５８　（ＶＳＶ２＞がＯＦＦされる。そのため
、アクチュエータ４０のダイヤフラム４０ａに大気Ｌ］
−が作用ツる。一方、ダイヤフラム４０ｂには小型ター
ボチャージャ１８のコンプレッサ出Ｌ１圧力が常に導入
されでいるため、スプリング４０ｅ、　４０ｄの合力に
応じたスプリング力に対抗する小型ターボチャージャ１
８のコンブレッザ出［コ圧力によって排気切替弁３８の
作動が制御される。即ち、スプリング力が過給Ｅｆ、Ｐ
２に優勢であるかぎりは、排気切替弁３８は全閉を維持
するが、過給圧））２が所定値ＰＳｐＴに到達する回転
数（第５図のＮＥ、）までは排気切替弁３８は全閉を維
持し、Ｐ２−所定値ＰＳε丁に到達した時点で排気切替
弁３８はスプリング４０ｅ、　４０ｄの合力である閉鎖
付勢力に抗して徐々に開弁を開始することになる。低回
転時の吸気バイパス弁４６の作動に一ついていうと、ス
テップ１２６で電磁弁６４（ＶＳν３ンはＯＮとなりタ
ーボチャージャ１８のコンプレッサ出口圧Ｐ２がダイヤ
フラム４８ａの上側に作用するため吸気バイパス弁４６
は閉鎖される。また、ステップ１２８では電磁弁６６（
Ｖ５Ｖ４）がＯＦＦされるためスロットル弁１６の下流
の吸気管圧力（このときは負圧）がダイヤフラム４．８
ａの下側に作用するため、ダイヤフラム４８ａは下側に
引っ張られ、吸気バイパス弁４６の閉鎖力を上げ、その
確実な閉弁を確保している。ステップ１２９は圧縮比を
低くする制御を示している。そのため電磁弁１０２及び
１０４をＯＦＦ　Ｌ、油圧室９３に油圧を導入し、油圧
室９５から油圧を抜く。そのため、ロックピン８９がロ
ック溝９１から抜け、偏心リング８５は自由に回転可能
となり、前記のようにピストン９２の上死点位置では偏
心リング８５の最大偏心部が最も上に来ることができる
ため最小圧縮比が得られる。

加速状態において、エンジンの回転数ＮＥがＮＨ３まで
上昇し、大型ターボチャージャ１７のコンプレッサ出口
圧力Ｐ、の立ち上がりが小型ターボチャージャ１８のコ
ンプレッサ出口圧力Ｐ２に追いつき、Ｐ２＝Ｐ、となる
とステップ１２０よりステップ１３０で進み電磁弁５４
（ＶＳＶＩ）がＯＮされ、ダイヤフラム３４ａに位置５
６からの過給圧が導入され、スプリング３４ｂに抗して
ウェイストゲート弁３２は開放方向に付勢される。ステ
ップ１３２で排気切替弁３８の作動用電磁弁５８（ＶＳ
Ｖ２）がＯＮされる。そのため、ダイヤフラム４０ａに
過給圧が作用するため、過給圧に対抗する排気切替弁３
８を閉じる力にスプリング４０ｂは関与しなくなり、ス
プリング４０ｃの弱い付勢力のみが閉じる力に関与する
。そのため、アクチュエータ４０は排気切替弁３８を一
気に開弁に至らしめる。ステップ１３４では電磁弁６６
（ＶＳＶ４）がＯＦＦされるため大気圧がダイヤフラム
４８ａの上側に作用し、ステップ１３６で電磁弁６６（
ＶＳＶ４）がＯＮされ、過給圧がダイヤフラム４８ｂの
下側に作用するため、ダイヤフラム４８ａは上方に押圧
され、吸気バイパス弁４６は一気に開弁される。

ステップ１３８は圧縮比を高くする制御を示している。

即ち、電磁弁１０２及び１０４をＯＮｔ、、油圧室９０
に油圧を導入し、油圧室９３から油圧を抜く。そのため
、偏心リング８５が最初に下死点に来て、偏心リング８
５の最大偏心部が下向きになったときロックピン８９は
ロック溝９１に嵌合され、偏心リング８５はこの位置に
ロックされるため、高い圧縮比が得られる。

第６図は出口圧力Ｐ３と大型ターボチャージャのタービ
ン出口圧力Ｐ４とを夫々示す。Ａの地点が排気切替弁３
８の開き始めに対応し、Ｂの地点は排気切替弁３８が一
気に開く点（Ｐ２＝Ｐ、が得られる点）に対応する。排
気切替弁３８が急開するＢの地点の前は小型ターボチャ
ージャのタービンの前後圧力は大きく、小型ターボチャ
ージャの過給仕事量が大きくなるので排圧か上がり、残
留ガスが増加することによりノッキングが起こりやすい
。この発明では圧縮比を下げることによりこの点を解消
することができる。一方、排気切替弁が完全に開いた後
は排圧が上がることはないため、圧縮比を高くすること
により性能の向上を図ることができる。

以上述べた実施例では制御を簡単とするため、排気切替
弁３８の作動と連動して圧縮比を切替制御している。即
ち、排気切替弁３８がＰ２＝Ｐとなり急開する前は圧縮
比を低（し、ｐ２＝ｐとなり排気切替弁３８が急開した
後は圧縮比を高くしている。この代わりに、過給圧を検
出することにより圧縮比を切替作動することができる。

第６図において、線ｌは小型ターボチャージャ１８のコ
ンプレッサ２６の前後差圧（＝Ｐ２−Ｐ、’）を示し、
これは小型ターボチャージャ１８による過給仕事の分担
量を示している。小型ターボチャージャ１８が過給して
いる場合に排圧が大きくなり、ノッキングが起こりやす
くなる。そこで、小型ターボチャージャの前後差圧が最
も多くなる領域を含んだ図のラインｍより左側の小型タ
ーボチャージャの前後差圧領域で圧縮比を小さくし、右
側の小型ターボチャージャの前後差圧領域で圧縮比を高
くする制御をするようにしてもよい。または、大型ター
ボチャージャのコンプレッサ出口圧力Ｐ２によって同様
な制御を行うことができる。

即ち、第５図のラインｍより左側における大型ターボチ
ャージャ１７のコンプレッサ出口圧力Ｐ２の領域では小
型ターボチャージャ１８の仕事量が大きくノッキング発
生のおそれがあるので圧縮比を下げ、ラインｍより右側
におｉＪる大壁ターボチャージャ１７のＴｊンブ１ノッ
ザ出「］汗動力ゝ、の領域では小型ター、−ボチャージ
ャ１８が山める過給仕事の割合は減少（２、排圧が下が
り、フッ４−ングのおぞれが少なくなっているので圧縮
比を高くする制御を行うことになる。

〔効男〕

小をターボチャージャの作動域は圧縮比を低くし、大型
ターボチャージャの作動域は圧縮比を高くすることで、
ノッキングの抑制とエンジンの効率向上との矛膚する要
求を調和させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例の構成を示す図。 第２図は実施例における可変圧縮比機構を示す図。 第３図は第２図のＩ−ＩＩＩ線に沿って表す断面図。 第４図は実施例の制御回路の作動を説明するフローヂャ
−１・６、 第５図はこの発明的過給装置によ、る同転数に対づる私
給圧特性図。 第６図は回転数に対する排圧特性図。 ＩＯ・エンジン本体、１２・・・吸気琶、１４・・排気
管、１７・・・大型ターボチャージャ、ｉ８・・小型タ
ーボチャージャ、。 ３０・・第１排気バイパス通路、。 ３２・・ウェイストゲート弁、 ３６・・・第２排気バイパス通路、 ３８・・・排気切替弁、４４・・・吸気バイパス弁、５
０−４ＧＲ通路、５４．５８，６４．６６−電磁弁（Ｖ
ＳＶ）、７８、８０・・・圧カセンヅ、８５・・・偏心
リング、８９・・〔１ツクビン、８１・・・ロック満、
９０９３・・・油圧室、９８・・・油圧ポンプ、１００
・・・油圧切替装置、１０２，１０４・・・電磁弁。 １００・・・油圧切替装置 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 大型ターボチャージャと小型ターボチャージャとをガス
   の流れ方向に直列に配置し、小型ターボチャージャを迂
   回する排気バイパス通路に排気切替弁を設け、排気切替
   弁を開閉することにより小型ターボチャージャと大型タ
   ーボチャージャとで作動域を切り替えるようにし、さら
   に圧縮比を可変とする圧縮比制御機構を有し、小型ター
   ボチャージャの作動域で圧縮比を小さくし、大型ターボ
   チャージャの作動域で圧縮比が大きくすることを特徴と
   する圧縮比可変２段過給内燃機関。