CN104937243A - 内燃机的控制装置以及控制方法 - Google Patents

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Abstract

具有可变压缩比机构(2)的内燃机(1)，在进气阀(4)以及排气阀(5)中分别具有可变阀机构(7、8)。如果根据实际压缩比的振动振幅检测出经由电动机(31)对机械压缩比进行可变控制的可变压缩比机构(2)的故障，则在燃料切断时，使节流阀(14)的开度与可变压缩比机构(2)的正常时相比增加，使进气行程中的缸内负压减少。并且，进行进气阀关闭定时的提前和排气阀打开定时的延迟，提高压缩行程以及膨胀行程中的缸内正压。由此，不可控制时的可变压缩比机构(2)的高压缩比化得到抑制。

Description

内燃机的控制装置以及控制方法
技术领域
本发明涉及一种具备可变压缩比机构的内燃机，该可变压缩比机构通过使活塞与气缸的相对位置关系发生变化而使机械压缩比可变，特别地，本发明涉及一种进行针对可变压缩比机构的驱动机构的故障的处理的控制装置以及控制方法。
背景技术
在内燃机的领域中，当前已知各种形式的可变压缩比机构。例如，由本申请人们提出有多种可变压缩比机构，这些可变压缩比机构通过多连杆式活塞曲柄机构的连杆几何形状的变更而使活塞上止点位置上下位移。另外，在专利文献1、2中，记载有通过使气缸的位置相对于曲柄轴的中心位置上下位移而同样地使机械压缩比变化的可变压缩比机构。
在这种可变压缩比机构中，有时在用于变更压缩比的驱动机构发生故障时，不能进行压缩比的控制，可能变为意料外的高压缩比状态。
作为这种驱动机构的故障时的失效保护机构，在专利文献1中，记载有在利用油压驱动机构使气缸侧与曲柄箱侧相对移动的结构中，附加异常时用的油压电路的技术。该异常时用的油压电路形成为如下结构，即，在油压驱动机构的异常时，在2个油压室之间引导工作用油，从而使压缩比仅向低压缩比侧变化。
另外，专利文献2公开了如下结构，即，在使用电动机作为驱动机构的可变压缩比机构中，具备向可变压缩比机构提供朝着低压缩比侧的预紧力的扭转线圈弹簧。在该结构中，在压缩比为最高压缩比时赋予最大的预紧力，在电动机的故障时，利用该扭转线圈弹簧的预紧力，使可变压缩比机构试图恢复为低压缩比状态。
但是，在专利文献1的结构中，需要异常时用的特别的油压电路，结构变得复杂，并且无法应对油压的泄漏等驱动机构自身的异常。另外，在驱动机构是油压机构以外的机构(例如，使用电动机的结构等)的情况下，无法进行适用。
另一方面，在如专利文献2所示利用弹簧向低压缩比侧进行预紧的结构中，在正常时的致动器(电动机等)的驱动时，驱动负载变大，因此，需要大型的致动器，或者成为燃料消耗率变差的主要原因。
专利文献1：日本特开2010－185393号公报
专利文献2：日本特开2009－62926号公报
发明内容
本发明是一种内燃机的控制装置，所述内燃机具备可变压缩比机构和燃料切断单元，所述可变压缩比机构通过使活塞与气缸的相对位置关系发生变化而使机械压缩比可变，所述燃料切断单元在规定的减速时执行燃料切断，
所述内燃机的控制装置具备：
故障检测单元，其检测所述可变压缩比机构的故障；以及
故障时控制单元，其在所述可变压缩比机构处于故障中并且由所述燃料切断单元进行燃料切断运转时，与所述可变压缩比机构处于正常时的燃料切断运转时相比，进行进气行程中的缸内负压的减少、或者压缩行程或膨胀行程中的缸内正压的增加中的至少一者。
在与燃料燃烧相伴随的通常运转时，虽然在进气行程中缸内变为负压，但是随后缸内由于燃烧压而变为高压，该燃烧压作用于活塞以及燃烧室顶壁面，因此可变压缩比机构基本上被向燃烧室容积扩大的方向即压缩比降低的方向进行预紧。因此，即使在由于某种故障而未积极地控制可变压缩比机构的状况下，压缩比也逐渐降低。但是，在不伴随燃烧的、减速时的燃料切断运转时，在进气行程中缸内变为负压，该负压作用于活塞以及燃烧室顶壁面的状况是支配性的，因此可变压缩比机构有可能向高压缩比侧位移。
对此，在本发明中，在检测出可变压缩比机构的故障的情况下，在燃料切断运转时，通过使进气行程中的缸内负压与正常时相比减少，从而减弱使可变压缩比机构向高压缩比侧位移的负压的影响。另外，压缩行程或膨胀行程中的缸内正压的增加向扩大燃烧室容积的方向产生作用，因此，可变压缩比机构的向高压缩比侧的位移得到抑制。
根据本发明，能够抑制在可变压缩比机构发生故障时，可变压缩比机构由于燃料切断运转而向高压缩比侧位移的现象。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施例所涉及的控制装置的系统结构的结构说明图。
图2是本实施例中的故障检测控制的流程图。
图3是表示控制整体的流程的主流程图。
图4是在可变压缩比机构的正常时和故障时对比燃料切断运转时的缸内压变化而示出的特性图。
具体实施方式
下面，基于附图，对本发明的一个实施例详细进行说明。
图1表示本发明所适用的汽车用内燃机1的系统结构。该内燃机1是具备可变压缩比机构2的4冲程循环的火花点火式内燃机，该可变压缩比机构2例如利用了多连杆式活塞曲柄机构，在各气缸3的顶壁面上，配置有一对进气阀4以及一对排气阀5，并且在由上述进气阀4以及排气阀5所包围的中央部配置有火花塞6。
上述进气阀4具备能够对该进气阀4的开闭定时进行可变控制的进气侧可变阀机构7，上述排气阀5具备能够对该排气阀5的开闭定时进行可变控制的排气侧可变阀机构8。上述可变阀机构7、8既可以是能够分别独立地变更打开定时以及关闭定时的机构，也可以是打开定时以及关闭定时同时提前或延迟的结构的机构。在本实施例中，使用了使凸轮轴的相位提前或延迟的后一种形式的机构。
在经由上述进气阀4与燃烧室9连接的进气通路10中，针对各个气缸配置有燃料喷射阀11。另外，在进气通路10中进气收集器12的上游侧，安装有通过来自发动机控制器13的控制信号对开度进行控制的电子控制型节流阀14，在该节流阀14的上游侧，配置有检测吸入空气量的气流计15。
在经由上述排气阀5与燃烧室9连接的排气通路16中，安装有由三元催化剂构成的催化剂装置17，在该催化剂装置17的上游侧，配置有检测空燃比的空燃比传感器18。
在上述发动机控制器13中，除了上述气流计15、空燃比传感器18的检测信号以外，还输入有用于检测内燃机转速的曲柄角传感器19、检测冷却水温度的水温传感器20、检测由驾驶员操作的加速器踏板的踩踏量的加速器开度传感器21等传感器类部件的检测信号。发动机控制器13基于这些检测信号，最佳地控制燃料喷射阀11的燃料喷射量以及喷射时期、火花塞6的点火定时、进气阀4以及排气阀5的开闭定时、节流阀14的开度等。
另一方面，可变压缩比机构2利用了日本特开2004－116434号公报等中记载的公知的多连杆式活塞曲柄机构，以下述部件作为主体而构成：以自由旋转的方式支撑在曲柄轴21的曲柄销21a上的下连杆22；将该下连杆22的一端部的上部销23和活塞24的活塞销24a彼此连结的上连杆25；一端与下连杆22的另一端部的控制销26连结的控制连杆27；以及以可摆动的方式支撑该控制连杆27的另一端的控制轴28。上述曲柄轴21以及上述控制轴28在气缸体29下部的曲柄箱29a内经由未图示的轴承构造以自由旋转的方式被支撑。上述控制轴28具有位置随着该控制轴28的转动而发生变化的偏心轴部28a，上述控制连杆27的端部详细地说以能够旋转的方式与该偏心轴部28a嵌合。在上述可变压缩比机构2中，活塞24的上止点位置随着控制轴28的转动而上下位移，因此机械压缩比发生变化。
另外，作为对上述可变压缩比机构2的压缩比进行可变控制的驱动机构，在本实施例中，在曲柄箱29a的外壁面上配置有具有与曲柄轴21平行的旋转中心轴的电动机31，减速器32以在轴向上串联排列的方式与该电动机31连接。作为该减速器32，使用减速比较大的例如波动齿轮机构，其减速器输出轴32a与电动机31的输出轴(未图示)位于同轴上。因此，减速器输出轴32a和控制轴28位于相互平行的位置，并通过中间连杆35将固定在减速器输出轴32a上的第1臂33和固定在控制轴28上的第2臂34彼此连结，以使得两者联动地转动。
即，如果电动机31旋转，则减速器输出轴32a的角度以利用减速器32进行了大幅减速的形式发生变化。该减速器输出轴32a的转动从第1臂33经由中间连杆35向第2臂34传递，控制轴28转动。由此，如上所述，内燃机1的机械压缩比变化。在图示例子中，第1臂33以及第2臂34在互相相反的方向上延伸，因此，例如成为如果减速器输出轴32a向顺时针方向转动则控制轴28向逆时针方向转动的关系，但当然也能够构成为向相同方向转动。
如上述所示，利用可变压缩比机构2进行可变控制的机械压缩比的实际值即实际压缩比由实际压缩比检测传感器36检测。该实际压缩比检测传感器36例如由对控制轴28的转动角或减速器输出轴32a的转动角进行检测的旋转型电位计、旋转编码器等构成。或者，也可以根据对电动机31的指令信号求出该电动机31的旋转量，根据该旋转量求出控制轴28的转动角，由此，不使用另一个传感器就检测实际压缩比。
上述电动机31由发动机控制器13进行驱动控制，从而使以上述方式求出的实际压缩比成为与运转条件相对应的目标压缩比。
在上述这种结构的可变压缩比机构2中，惯性力和由缸内的压力产生的力作用于经由上连杆25进行支撑的活塞24上。缸内压力在进气行程中变为负压，在压缩行程以及膨胀行程中即使是空转(motoring)也变为正压。在伴随燃烧的通常运转时，在膨胀行程中，燃烧压产生作用。另外，惯性力在上下的2个方向上作用。作为这样的力作用于活塞24的结果，对于具备偏心轴部28a的控制轴28，试图使该控制轴28向压缩比降低方向旋转的扭矩、和与此相反地试图使该控制轴28向压缩比上升方向旋转的扭矩，作为所谓的交替扭矩交替作用。
在此，如果包含电动机31的上述驱动机构正常，则克服上述交替扭矩而将控制轴28的转动角位置保持为期望的位置(与目标压缩比相对应的位置)。与此相对，如果由于电动机31的断线等驱动机构的故障而失去对控制轴28的驱动扭矩，则控制轴28会通过上述交替扭矩而向旋转方向振动，并且一边振动，一边根据此时的2个方向的扭矩的平衡而逐渐向低压缩比侧或高压缩比侧位移。
在缸内进行燃烧的通常运转时，由于在膨胀行程中，较大的燃烧压作用于活塞24，因此试图使控制轴28向压缩比降低方向旋转的扭矩相对较大，因此逐渐向低压缩比侧位移。
但是，在不伴随燃烧的、减速时的燃料切断运转中，燃烧压不产生作用，进气行程中的缸内负压的影响变大，因此试图使控制轴28向压缩比上升方向旋转的扭矩相对变大。因此，在此情况下，逐渐向高压缩比侧位移。
如上述所示，与本来的目标压缩比相比变为过高的压缩比在导致异常燃烧等这一方面，非优选。另外，如果相对于进气阀4、排气阀5的开闭特性变为过高的压缩比，则进气阀4、排气阀5与活塞24的干涉成为问题，为了避免该问题，需要设置正常时不需要的过大的阀箱室。
在本实施例中，进行可变压缩比机构2的故障的诊断，该可变压缩比机构2包含使用电动机31的驱动机构，在检测出故障的状况下，在执行减速时的燃料切断时，使进气行程中的缸内负压与正常时相比减少，或者使压缩行程或膨胀行程中的缸内正压与正常时相比增加。
下面，基于图2以及图3的流程图对具体的处理进行说明。
图2是表示故障检测处理的流程的流程图，在步骤1中，读入前述的实际压缩比的时间序列数据。该实际压缩比时间序列数据是以规定的采样时间间隔检测实际压缩比，并在发动机控制器13的RAM内作为最近的规定个数的数据进行存储而得到的。基于该最近的多个实际压缩比的数据，在步骤2中，判定由该时间序列数据表示的实际压缩比的振动振幅(即最大值与最小值之差)是否处于正常范围内。
如果实际压缩比的振动振幅过大，则进入步骤6，对故障判定标志fF设置“2”。该“fF＝2”表示未进行驱动机构的正常的压缩比控制而是可变压缩比机构2实质上变为自由状态的不可控制故障。
如果实际压缩比的振动振幅处于正常范围内，则进入步骤3，进一步判定实际压缩比与目标压缩比的背离是否处于正常范围内。
如果两者的背离处于正常范围内，则进入步骤4，对故障判定标志fF设置“0”。该“fF＝0”表示可变压缩比机构2未发生故障。与此相对，如果两者的背离过大，则进入步骤5，对故障判定标志fF设置“1”。该“fF＝1”表示是固着故障，该固着故障是从电动机31到控制轴28的驱动机构固着在某个位置而不能够进行压缩比变更的故障。此外，在如上述所示压缩比被固定的固着故障中，不存在由燃料切断运转引起的高压缩比化，因此变为本实施例的处理的对象之外。
图3是表示控制整体的流程的主流程图，在步骤11中，分别读入此时的内燃机转速Ne、表示燃料切断的执行的燃料切断执行标志fFC、以及上述故障判定标志fF。此外，“fFC＝1”表示燃料切断执行过程中，“fFC＝0”表示未执行燃料切断的状态。
在步骤12中，判定燃料切断执行标志fFC是否为1，即是否是燃料切断执行过程中。在步骤13中，判定故障判定标志fF是否为2，即是否是不可控制故障。如果上述步骤12、13中的某一者中为NO，则不进行步骤14～18的处理，进入后述的步骤19。
在步骤12、13双方为YES的情况下，即如果可变压缩比机构2发生不可控制故障且燃料切断为执行过程中，则进入步骤14，读入前述的实际压缩比的时间序列数据。并且，进入步骤15，基于此时的内燃机转速Ne，分别计算出基本节流阀开度TVO0、基本进气VTC提前量VTCi0、以及基本排气VTC延迟量VTCe0。上述基本节流阀开度TVO0相当于在燃料切断运转中得到与内燃机转速Ne相应的最低限度所需的最小空气量的最小开度。
在下一个步骤16中，基于步骤14中读入的实际压缩比的时间序列数据，判定实际压缩比是否正在向高压缩比侧变化。
在步骤16中判定为实际压缩比正在向高压缩比侧变化的情况下，进入步骤17，作为目标节流阀开度TVO，设定为在基本节流阀开度TVO0上加上规定的节流阀开度增加校正值hTVO得到的值。节流阀14的开度与该目标节流阀开度TVO相对应地受到控制。此外，目标节流阀开度TVO的值越大，节流阀14的开度越大。
另外，作为目标进气VTC提前量VTCi，设定在基本进气VTC提前量VTCi0上加上规定的进气VTC提前校正值hVTCi得到的值。使进气阀4的开闭定时提前或延迟的进气侧可变阀机构7与该目标进气VTC提前量VTCi相对应地受到控制。目标进气VTC提前量VTCi以最延迟位置为基准，其值越大，进气阀4的开闭定时越提前。此外，基于基本进气VTC提前量VTCi0的进气阀关闭定时在比进气下止点更延迟的侧，通过利用上述进气VTC提前校正值hVTCi的附加而提前，从而进气阀关闭定时接近进气下止点。
并且，在步骤17中，作为目标排气VTC延迟量VTCe，设定在基本排气VTC延迟量VTCe0上加上规定的排气VTC延迟校正值hVTCe1得到的值。使排气阀5的开闭定时提前或延迟的排气侧可变阀机构8与该目标排气VTC延迟量VTCe相对应地受到控制。目标排气VTC延迟量VTCe以最提前位置为基准，其值越大，排气阀5的开闭定时越延迟。此外，基于基本排气VTC延迟量VTCe0的排气阀打开定时在比膨胀下止点更提前的侧，通过利用上述排气VTC延迟校正值hVTCe1的附加而延迟，从而排气阀打开定时接近膨胀下止点。
利用这样的步骤17的处理，得到如图4所示的燃料切断运转过程中的缸内压。即，图4对比示出可变压缩比机构2正常时的缸内压的特性(即基于基本节流阀开度TVO0、基本进气VTC提前量VTCi0、以及基本排气VTC延迟量VTCe0的特性)、以及在可变压缩比机构2发生不可控制故障而施加了步骤17的校正处理的情况下的特性，在故障时，首先，通过目标节流阀开度TVO的增加校正，缸内压整体变高。由此，进气行程中的缸内的负压减少，试图使活塞24向上止点侧提起的力变弱。此外，进气阀关闭定时(IVC)接近进气下止点，并且排气阀打开定时(EVO)接近膨胀下止点，因此压缩行程以及膨胀行程中的缸内的正压增加。由此，将活塞24向下止点侧预紧的力变强。
如上所述，在不可控制时，可变压缩比机构2根据作为反作用力作用于控制轴28上的2个方向的交替扭矩的平衡，试图向低压缩比侧或高压缩比侧位移，但通过如上所述使缸内压与正常时相比发生变化，从而增大朝向低压缩比侧的倾向，可变压缩比机构2逐渐变为低压缩比。即使在假设由于与活塞惯性力等的关系而无法向低压缩比侧变化的状况下，也至少抑制向高压缩比侧的位移。
另一方面，在图3的步骤16中，在实际压缩比未向高压缩比侧变化的情况(其中很多是利用步骤17的处理朝向低压缩比侧的情况)下，进入步骤18。在该步骤18中，对于目标节流阀开度TVO以及目标进气VTC提前量VTCi，与步骤17同样地进行处理。即，使目标节流阀开度TVO与可变压缩比机构2的正常时相比增加，使目标进气VTC提前量VTCi与可变压缩比机构2的正常时相比提前。
与此相对，作为目标排气VTC延迟量VTCe，设定从基本排气VTC延迟量VTCe0中减去规定的排气VTC提前校正值hVTCe2得到的值。如前所述，基于基本排气VTC延迟量VTCe0的排气阀打开定时在比膨胀下止点更提前的侧，通过减去上述排气VTC延迟校正值hVTCe2而使之提前，从而排气阀打开定时与正常时相比进一步变为提前侧。
通过如上述所示使膨胀行程中的排气阀打开定时提前，从而能够不增大吸入负压而使发动机制动器作用增大。即，例如在利用步骤17的处理避免了高压缩比化的状态下，通过目标节流阀开度TVO的增加以及目标进气VTC提前量VTCi的提前，避免向高压缩比侧的变化，同时，通过目标排气VTC延迟量VTCe的提前，进行发动机制动器扭矩的确保。
下一个步骤19以及步骤20是用于避免在上止点附近的进气阀4以及排气阀5与活塞24的万一干涉的处理。在步骤19中，判定此时的实际压缩比是否大于或等于针对干涉避免这一点而规定的上限压缩比。上述上限压缩比例如根据实际的进气VTC提前量rVTCi以及排气VTC延迟量rVTCe计算。然后，如果实际压缩比达到上限压缩比，则在步骤20中优先执行干涉避免控制。具体地说，将目标进气VTC提前量VTCi向延迟侧校正，并且将目标排气VTC延迟量VTCe向提前侧校正。即，使进气阀打开定时延迟，并且使排气阀关闭定时提前，以避免与活塞24的干涉。该干涉避免控制与可变压缩比机构2的故障的有无、燃料切断的有无无关，并且比步骤17、18的处理优先执行。此外，作为干涉避免控制，除了如上述所示积极扩大进气阀4、排气阀5与活塞24的距离的控制以外，还可以采用如下控制，即，作为与实际压缩比相应的限制条件，根据实际压缩比对目标进气VTC提前量VTCi以及目标排气VTC延迟量VTCe的最大值进行限制。
上面详细说明了本发明的一个实施例，但本发明并不限定于上述实施例，能够进行各种变更。例如，在上述实施例中，为了避免高压缩比化，在步骤17中同时执行节流阀开度的增大、进气阀关闭定时的提前、以及排气阀打开定时的延迟这三者，但也可以执行其中某一者或者某两者。例如，在不具备可变阀机构7、8的内燃机中也能够适用本发明。
另外，在上述实施例中，使用通过使活塞24的上止点位置上下位移而使压缩比变化的可变压缩比机构2，但在例如专利文献1、2所公开的使气缸侧上下移动的形式的可变压缩比机构中，也同样能够适用本发明。此外，作为在可变压缩比机构2中用于使压缩比变化的致动器，并不限定于上述实施例的这种电动机31，在液压式的致动器等的情况下也能够适用。

Claims (8)

1.一种内燃机的控制装置，所述内燃机具备可变压缩比机构和燃料切断单元，所述可变压缩比机构通过使活塞与气缸的相对位置关系发生变化而使机械压缩比可变，所述燃料切断单元在规定的减速时执行燃料切断，
所述内燃机的控制装置具备：
故障检测单元，其检测所述可变压缩比机构的故障；以及
故障时控制单元，其在所述可变压缩比机构处于故障中并且由所述燃料切断单元进行燃料切断运转时，与所述可变压缩比机构处于正常时的燃料切断运转时相比，进行进气行程中的缸内负压的减少、或者压缩行程或膨胀行程中的缸内正压的增加中的至少一者。
2.根据权利要求1所述的内燃机的控制装置，其中，
具备节流阀，该节流阀对吸入空气量进行控制，
所述故障时控制单元使所述节流阀的开度与可变压缩比机构的正常时相比增加。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机的控制装置，其中，
具备进气侧可变阀机构，该进气侧可变阀机构使进气阀的关闭定时可变，
所述故障时控制单元使进气阀关闭定时与可变压缩比机构的正常时相比提前，以使得所述进气阀关闭定时接近进气下止点。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的内燃机的控制装置，其中，
具备排气侧可变阀机构，该排气侧可变阀机构使排气阀的打开定时可变，
所述故障时控制单元使排气阀打开定时与可变压缩比机构的正常时相比延迟，以使得所述排气阀打开定时接近膨胀下止点。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的内燃机的控制装置，其中，
具备排气侧可变阀机构，该排气侧可变阀机构使排气阀的打开定时可变，
所述故障时控制单元进行进气行程中的缸内负压的减少，并且，使排气阀打开定时与可变压缩比机构的正常时相比提前，以使得所述排气阀打开定时远离膨胀下止点。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的内燃机的控制装置，其中，
具备：
进气侧可变阀机构，其使进气阀的打开定时可变；以及
实际压缩比检测单元，其检测所述可变压缩比机构的实际压缩比，
所述故障时控制单元在实际压缩比大于或等于规定的压缩比时，优先进行进气阀打开定时的延迟。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的内燃机的控制装置，其中，
具备：
排气侧可变阀机构，其使排气阀的关闭定时可变；以及
实际压缩比检测单元，其检测所述可变压缩比机构的实际压缩比，
所述故障时控制单元在实际压缩比大于或等于规定的压缩比时，优先进行排气阀关闭定时的提前。
8.一种内燃机的控制方法，所述内燃机具备可变压缩比机构，并且在规定的减速时执行燃料切断，所述可变压缩比机构通过使活塞与气缸的相对位置关系发生变化而使机械压缩比可变，
在所述内燃机的控制方法中，
进行所述可变压缩比机构的故障的检测；并且
在所述可变压缩比机构处于故障中并且由所述燃料切断单元进行燃料切断运转时，与所述可变压缩比机构处于正常时的燃料切断运转时相比，进行进气行程中的缸内负压的减少、或者压缩行程或膨胀行程中的缸内正压的增加中的至少一者。
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