JP2004218433A - 可変圧縮比機構を備えた内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】制御ユニット40は、算出した要求トルクおよび機関回転数をパラメータとして設定圧縮比εを決定し、設定された機械圧縮比εを実現するためにアクチュエータ21に対して制御信号を送信する。制御ユニット40は、設定された機械圧縮比εをパラメータとして、燃料噴射圧力および燃料噴射時期を決定し、決定された燃料噴射時期に燃料噴射弁IJから決定された燃料噴射圧力にて燃料噴射を実行する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を備えた気筒内噴射型の内燃機関における内燃機関の制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
内燃機関の運転状態に応じて、内燃機関の機械圧縮比を変更する可変圧縮比機構が提案されている。可変圧縮比機構を備える内燃機関では、一般的に、低負荷運転領域では、ノッキングの発生のおそれがないため圧縮比を高く設定して燃費率の向上が図られている。一方、高負荷運転領域では、ノッキングの発生を回避しつつ高トルクを得るために圧縮比が低く設定される。
【0003】
また、上死点位置にあるピストンの頂面とシリンダヘッド内壁面とで形成されるスキッシュ(隙間)が内燃機関の燃焼に影響を及ぼすことが知られており、スキッシュによりもたらされるスキッシュ作用によって、燃焼室内における混合気の撹拌が促進され、燃焼が促進される。可変圧縮比機構を備える内燃機関において、高圧縮比時にスキッシュを形成する技術が例えば、特許文献1に開示されている。また、他にも可変圧縮比機構を備える内燃機関に関する技術が知られている(例えば、特許文献2、3参照)。
【0004】
【特許文献1】
実開昭62−133939号公報
【特許文献2】
実開平4−79946号公報
【特許文献3】
特開平9−209787号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、可変圧縮比機構を備える内燃機関においてスキッシュの形成の有無が問題となるのは、上死点位置にあるピストン頂面とシリンダヘッドの内壁面との距離が拡大する低圧縮比の場合である。すなわち、一般的に、可変圧縮比機構を備える内燃機関では、ピストンが最もシリンダヘッドに近接する状態(高圧縮比時)で最適なスキッシュが形成されるよう設計されており、ピストンがシリンダヘッドから離間する低圧縮比時には、十分なスキッシュ作用を得ることができない。
【0006】
その結果、燃焼室内における混合気の撹拌が期待できず、燃焼は緩慢となり、燃焼効率が悪くなると共に、燃焼速度の遅延に起因してノッキングが発生してしまうという問題があった。
【0007】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、可変圧縮比機構を備える内燃機関において、設定された圧縮比にかかわらず高い燃焼効率並びに高い耐ノック性を実現すること、特に、低圧縮比時における燃焼効率の向上およびノッキングの防止を図ることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の第1の態様は、気筒内に燃料が直接噴射される内燃機関の制御装置を提供する。本発明の第1の態様に係る内燃機関の制御装置は、前記内燃機関の運転負荷に応じて、前記内燃機関の機械圧縮比を決定する圧縮比決定手段と、前記内燃機関の機械圧縮比を前記決定された圧縮比に設定する可変圧縮比機構と、前記気筒内に直接燃料を供給する燃料噴射装置と、前記可変圧縮比機構により設定された圧縮比に応じて、前記燃料噴射装置により噴射される燃料の噴射圧力および前記燃料噴射装置により燃料を噴射する燃料噴射時期の少なくとも一方を決定する燃料噴射条件設定手段と、前記決定された燃料噴射条件に従い前記燃料噴射装置を制御する燃料噴射装置制御手段とを備えることを特徴とする。
【0009】
本発明の第1の態様に係る内燃機関の制御装置によれば、可変圧縮比機構により設定された圧縮比に応じて、燃料噴射装置により噴射される燃料の噴射圧力および燃料噴射装置により燃料を噴射する燃料噴射時期の少なくとも一方を決定するので、設定された圧縮比にかかわらず高い燃焼効率並びに高い耐ノック性を実現することができる。
【0010】
本発明の第1の態様に係る内燃機関の制御装置において、前記圧縮比決定手段は、前記内燃機関の運転負荷が大きくなるにつれて、前記機械圧縮比を低く決定しても良い。かかる場合には、圧縮比が低くなることによってノッキングの発生が防止され、高いトルクを出力することができる。
【0011】
本発明の第1の態様に係る内燃機関の制御装置において、前記燃料噴射条件設定手段は、前記圧縮比決定手段により決定された圧縮比が低下するにつれて前記噴射圧力を増大させても良い。かかる場合には、増大された噴射圧力によって混合気の乱れがもたらされ、低圧縮比時における燃焼効率の向上およびノッキングの防止を図ることができる。
【0012】
本発明の第1の態様に係る内燃機関の制御装置において、前記燃料噴射条件設定手段は、前記圧縮比決定手段により決定された圧縮比が低下するにつれて前記燃料噴射時期を遅らせても良い。かかる場合には、燃料噴射時期が遅らされることによって混合気の乱れが点火時期まで維持され、低圧縮比時における燃焼効率の向上およびノッキングの防止を図ることができる。
【0013】
本発明の第1の態様に係る内燃機関の制御装置において、前記遅らされた燃料噴射時期は、圧縮行程時であっても良い。かかる場合には、混合気の乱れが点火時期まで維持され、低圧縮比時における燃焼効率の向上およびノッキングの防止を図ることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ実施例に基づいて、本発明に係る内燃機関の制御装置について説明する。
【0015】
図1を参照して本実施例に係る内燃機関の制御装置の概略構成について説明する。図1は本実施例に係る内燃機関の制御装置の概略構成を示す説明図である。
【0016】
本実施例に係る内燃機関の制御装置は、気筒内噴射型内燃機関、内燃機関の運転状態を制御する制御ユニットおよび内燃機関の運転状態を検出する各種センサを備えている。内燃機関10は、内部に複数のシリンダ11を有するシリンダブロック12、シリンダ11内を往復動するピストン13、シリンダブロック12の底部に配置されたクランクケース14、シリンダブロック12(シリンダ11)の上部に配置されたシリンダヘッド15を備えている。
【0017】
本実施例における内燃機関10には、内燃機関10の機械圧縮比を所定の範囲内において任意に設定可能な可変圧縮比機構20が備えられている。可変圧縮比機構20は、シリンダブロック12をクランクケース14に対してピストン12の運動方向(シリンダ11の軸方向)に移動させることによって圧縮比を変更する。具体的には、シリンダブロック12側に備えられたアクチュエータ21(例えば、モータ)によってシリンダブロック12の長手方向両側に配置された偏心カム(図示しない)を駆動して、シリンダブロック12をクランクケース14から離間若しくは密着させる。シリンダブロック12がクランクケース14から離間する方向へ移動させることによって機械圧縮比は低くなる。
【0018】
シリンダヘッド15は、各シリンダ11毎に吸気ポート16および排気ポート17を有している。各吸気ポート16には、吸気側カムICによって駆動されて吸気ポート16を開閉する吸気バルブ161が配置されており、各排気ポート17には、排気側カムECによって駆動されて排気ポート17を開閉する排気バルブ171が配置されている。
【0019】
各吸気ポート16には、吸気管18の分岐端が連結され、各排気ポート17には、排気管(排気マニホールド)19の分岐端が連結されている。吸気管18の途中には、燃焼室への流入吸気量を制御する吸気制御バルブ30が配置されている。
【0020】
本実施例における内燃機関10は気筒内噴射型の内燃機関であり、シリンダヘッド15の各シリンダ11に対応する位置には、燃料噴射弁IJが配置されている。各燃料噴射弁IJには、昇圧ポンプ31によって昇圧された高圧燃料が燃料デリバリパイプFDを介して供給される。昇圧ポンプ31は、例えば、機械的に駆動されるポンプまたはモータによって駆動されるポンプであり、所定の燃料圧力範囲内において燃料圧力を任意の圧力に昇圧することができる。
【0021】
シリンダヘッド15には、この他に、各シリンダ11に対応する位置に火花点火のための点火プラグ31が配置されている。
【0022】
制御ユニット40は、演算処理機能、マップ、プログラム等を格納する記憶機能を備えている。制御ユニット40には、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルポジションセンサ50、車両速度を検出する車速センサ51、機関回転数を検出するクランクポジションセンサ52、燃料デリバリパイプFD内の燃料圧力(燃料噴射圧力)を検出する燃圧センサ53といった各種センサが接続されており、内燃機関10の運転状態を検出する各種センサからの信号が入力される。制御ユニット40には、燃料噴射弁IJ、可変圧縮比機構20のアクチュエータ21、吸気制御バルブ30、昇圧ポンプ31、点火プラグ32が接続されており、機械圧縮比、燃料噴射時期、燃料噴射圧力、点火時期、吸入空気量等が適宜制御される。
【0023】
次に図2〜図6を参照して、本実施例に係る内燃機関の制御装置によって実行される内燃機関の運転制御処理について説明する。図2は本実施例における内燃機関の運転制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。図3は要求トルクに基づいて設定圧縮比εを決定するためのマップの一例を示す説明図である。図4は設定圧縮比εに基づいて燃料噴射圧力および燃料噴射時期を決定するためにマップの一例を示す説明図である。図5は噴射時期が下死点の場合における、燃料噴射圧力に対する圧縮上死点における混合気の乱れを模式的に示す説明図である。図6は燃料噴射時期に対する圧縮上死点における混合気の乱れを模式的に示す説明図である。
【0024】
図2を参照して内燃機関の運転制御処理について説明する。本処理ルーチンは所定の時間間隔にて繰り返し実行される。制御ユニット40は、アクセルポジションセンサ50によって検出されたアクセルペダルの踏み込み量に基づいて要求トルクを算出し(ステップS100)、算出した要求トルクの出力に必要な燃料噴射量を図示しない燃料噴射量マップに基づいて決定する(ステップS110)。
【0025】
制御ユニット40は、図3に示すマップを参照して、算出した要求トルクおよびクランクポジションセンサ52によって検出された機関回転数をパラメータとして設定圧縮比εを決定する(ステップS120)。制御ユニット40は、設定された機械圧縮比εを実現するためにアクチュエータ21に対して制御信号を送信して、シリンダブロック12をクランクケース14に対して離間または密接するよう移動させる。なお、本実施例では、説明を簡単にするために圧縮比εは、低圧縮比と高圧縮比のいずれかに設定される例を用いるが、要求トルクおよび機関回転数に応じて低圧縮比と高圧縮比の間でより細かく変更しても良い。
【0026】
制御ユニット40は、設定された機械圧縮比εをパラメータとして、図4に示すマップを用いて燃料噴射圧力および燃料噴射時期を決定する(ステップS130)。燃料噴射圧力は、設定された機械圧縮比εが低くなるにつれて高い値に決定され、燃料噴射時期は、設定された機械圧縮比εが低くなるにつれて遅い時期に決定される。制御ユニット40は、燃圧センサ53から得られるFD内の燃料圧力がが決定された燃料噴射圧力に到達するよう昇圧ポンプに対して駆動信号を送信し、また、決定された燃料噴射時期に燃料噴射弁IJから決定された燃料噴射圧力にて燃料噴射処理を実行して(ステップS140)本処理ルーチンを終了する。
【0027】
決定される燃料噴射圧力および燃料噴射時期についてより詳細に説明すると、内燃機関10の負荷が低く設定圧縮比εが高圧縮比に設定されている場合には、例えば、燃料噴射圧力は約10MPaに決定され、燃料噴射時期は下死点前60°CA程度に決定される。この燃料噴射時期T1は、図6を参照すれば圧縮上死点において十分な混合気の乱れを得ることができない燃料噴射時期ではあるが、高圧縮比の場合にはスキッシュ作用を得ることができるため、良好な燃焼を得ることができると共にノッキングの発生を防止することができる。
【0028】
一方、内燃機関10の負荷が高く設定圧縮比εが低圧縮比に設定されている場合には、例えば、燃料噴射圧力は約20MPaに決定され、燃料噴射時期は下死点〜下死点後30°CA程度の範囲にて決定される。これら燃料噴射圧力P2および燃料噴射時期T2は、図5および図6を参照すれば理解されるように、圧縮上死点において十分な混合気の乱れを得ることができるため、低圧縮比であることによってスキッシュ作用を得られない場合であっても、混合気の乱れによって混合気が十分に撹拌され、良好な燃焼を得ることができると共にノッキングの発生を抑制することができる。
【0029】
圧縮上死点における混合気の乱れは、図5および図6から理解されるように、燃料噴射圧力を高めれば高めるほど、また、燃料噴射時期を遅らせれば遅らせるほど強くなるが、燃料噴射時期をあまり遅らせると燃料と空気とが十分に混合されず、却って燃焼効率が低下し、内燃機関の出力性能、燃費、エミッションの低下を招いてしまう。また、燃料噴射圧力を必要以上に高めると、昇圧ポンプ31を駆動するために余分な機械エネルギまたは電気エネルギが消費されてしまい車両全体としてのエネルギ効率が低下してしまう。したがって、本実施例において例示したように適正な燃料噴射圧力および燃料噴射時期が存在する。
【0030】
以上説明したように、本実施例に係る内燃機関の制御装置によれば、内燃機関10の機械圧縮比に応じて燃料噴射圧力および燃料噴射時期を決定するので、可変圧縮比機構20により設定された圧縮比が高い場合はもちろんのこと、スキッシュ効果を期待することができない圧縮比が低い場合であっても高い燃焼効率を達成することができると共に、ノッキングを防止することができる。
【0031】
より具体的には、本実施例に係る内燃機関の制御装置では、燃料噴射時期を下死点〜下死点後30°CA程度まで遅らせると共に、燃料噴射圧力を約20MPaまで昇圧させることによって、ピストン13が圧縮上死点に到達した際においても強い混合気の乱れが維持されるので、スキッシュ効果を得ることができなくとも、燃焼効率を向上させて燃費を向上させると共に、燃焼速度を上げることによってノッキングの発生を防止する。
【0032】
また、本実施例に係る内燃機関の制御装置では、高負荷時には圧縮比が低く設定されるので、上記燃料噴射圧力および燃料噴射時期と相まって、ノッキングの発生を回避しつつ高いトルクを出力させることができる。
【0033】
・その他の実施例:
上記実施例では、可変圧縮比機構20としてシリンダブロック12がクランクケース14に対して移動するシリンダ伸縮タイプを例に取って説明したが、この他にも、例えば、ピストンコンロッドの中間にジョイント部を設け、ピストンの上死点位置を変更する中間折れコンロッドタイプを用いても良い。すなわち、内燃機関10の機械圧縮比(幾何学圧縮比)を変更可能な機構を備える可変圧縮機構であれば上記実施例によって、低圧縮時にも高い燃焼効率並びにノッキングの防止といった効果を得ることができる。
【0034】
上記実施例では、内燃機関に要求される要求トルクを算出し、内燃機関の運転負荷として用いているが、この他にも吸気管負圧、1回転当たりの空気量と機関回転数とのマップに基づいて内燃機関の運転負荷を求めても良い。かかる場合には、設定圧縮比εは吸気管負圧等に応じて設定される。
【0035】
以上、いくつかの実施例に基づき本発明に係る内燃機関の制御装置について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例に係る内燃機関の制御装置の概略構成を示す説明図である。
【図2】本実施例における内燃機関の運転制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図3】要求トルクに基づいて設定圧縮比εを決定するためのマップの一例を示す説明図である。
【図4】設定圧縮比εに基づいて燃料噴射圧力および燃料噴射時期を決定するためにマップの一例を示す説明図である。
【図5】噴射時期が下死点の場合における、燃料噴射圧力に対する圧縮上死点における混合気の乱れを模式的に示す説明図である。
【図6】燃料噴射時期に対する圧縮上死点における混合気の乱れを模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
10…内燃機関
11…シリンダ
12…シリンダブロック
13…ピストン
14…クランクケース
15…シリンダヘッド
16…吸気ポート
161…吸気バルブ
17…排気ポート
171…排気バルブ
18…吸気管
19…排気管
20…可変圧縮比機構
21…アクチュエータ
30…吸気制御バルブ
31…昇圧ポンプ
32…点火プラグ
40…制御ユニット
50…アクセル開度センサ
51…速度センサ
52…クランクポジションセンサ
53…燃圧センサ
IC…吸気側カム
EC…排気側カム
IJ…燃料噴射弁(インジェクタ)
FD…燃料デリバリパイプ
Claims (5)
- 気筒内に燃料が直接噴射される内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関の運転負荷に応じて、前記内燃機関の機械圧縮比を決定する圧縮比決定手段と、
前記内燃機関の機械圧縮比を前記決定された圧縮比に設定する可変圧縮比機構と、
前記気筒内に直接燃料を供給する燃料噴射装置と、
前記可変圧縮比機構により設定された圧縮比に応じて、前記燃料噴射装置により噴射される燃料の噴射圧力および前記燃料噴射装置により燃料を噴射する燃料噴射時期の少なくとも一方を決定する燃料噴射条件設定手段と、
前記決定された燃料噴射条件に従い前記燃料噴射装置を制御する燃料噴射装置制御手段とを備える内燃機関の制御装置。 - 請求項1に記載の内燃機関の制御装置において、
前記圧縮比決定手段は、前記内燃機関の運転負荷が大きくなるにつれて、前記機械圧縮比を低く決定する内燃機関の制御装置。 - 請求項1または請求項2に記載の内燃機関の制御装置において、
前記燃料噴射条件設定手段は、前記圧縮比決定手段により決定された圧縮比が低下するにつれて前記噴射圧力を増大させる内燃機関の制御装置。 - 請求項1または請求項2に記載の内燃機関の制御装置において、
前記燃料噴射条件設定手段は、前記圧縮比決定手段により決定された圧縮比が低下するにつれて前記燃料噴射時期を遅らせる内燃機関の制御装置。 - 請求項4に記載の内燃機関の制御装置において、
前記遅らされた燃料噴射時期は、圧縮行程時である内燃機関の制御装置。
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