JP2004324572A - Control unit of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の制御装置に関し、特に当該機関の運転状態に応じて特定気筒を休止する減筒運転を行う内燃機関に適用して好適な制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、複数の気筒が設けられ、かつ各気筒内でのピストンの往復動に伴い、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程等の燃焼についての一連の行程を気筒毎に行わせて出力軸を回転させるようにした内燃機関が一般的である。
【0003】
こうした内燃機関を制御する技術として、燃焼が行われる気筒である稼動気筒の数を機関運転状態に応じて変更するものがある(例えば、特許文献1参照)。この技術は、低速走行時、軽負荷走行時等に特定気筒への燃料供給を停止し、残余の気筒だけで内燃機関を作動させる、いわゆる減筒運転制御とも呼ばれるものであり、稼動気筒数を減らすことで燃費の改善を図ろうとするものである。
【0004】
また、上記特許文献1では、休止気筒の排気行程でピストンが上死点近傍に位置するときに吸気バルブ及び排気バルブをともに閉弁させることで、当該気筒内に最小の気体を封入するようにしている。この封入により、ピストンの往復動に伴い休止気筒内で1気圧以下の膨張・収縮が繰り返され、行程のロスや冷却損失が減少する。また、休止気筒では空気の吸入・排出が行われないため、空気の粘性、慣性等によるロスがなくなる。
【0005】
【特許文献1】
実開平5−42652号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前述した特許文献1では、休止気筒におけるフリクションロスを低減して燃費の向上を図ることができるものの、減筒によって稼動気筒間の爆発間隔が不揃いとなり、内燃機関の出力トルクの変動が増大する。その結果、内燃機関の振動や騒音が増大する等の不都合が生じるおそれがある。こういった不具合(トルク変動及びそれに起因する振動・騒音の増大)は、特許文献1に限らず、従来の減筒運転制御を行うようにした内燃機関に共通して起こり得る。
【0007】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、内燃機関の運転状態に応じて稼動気筒数を変更するようにした内燃機関において、稼動気筒数の変更に伴うトルク変動を抑制することのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項1に記載の発明では、複数の気筒が設けられ、かつ各気筒内でのピストンの往復動に伴い燃焼についての一連の行程が気筒毎に行われて出力軸が回転される内燃機関に用いられるものであって、前記内燃機関の運転状態に応じて稼動気筒数を変更する可変気筒制御手段と、前記稼動気筒における前記一連の行程の前記出力軸の回転に対する位相を変更する位相可変機構と、前記可変気筒制御手段による稼動気筒数の変更に応じて前記位相可変機構による位相を可変制御する位相制御手段とを備えるものであるとする。
【0009】
上記の構成によれば、可変気筒制御手段により、内燃機関の運転状態に応じて稼動気筒数が変更される。この変更により、例えば特定の気筒が休止されて稼動気筒数が減らされると、内燃機関の実質的な排気量が一時的に低減されて燃費が向上する。一方、位相可変機構が位相制御手段によって制御されると、燃焼についての一連の行程の出力軸の回転に対する位相が変更され、これに伴い稼動気筒間の爆発間隔が変化する。従って、前記稼動気筒数の変更に応じて、適切な爆発間隔となるように位相を変更することにより、トルク変動を小さくし、もって振動や騒音を小さくすることが可能となる。
【0010】
請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の発明において、前記位相制御手段は、所定の稼動気筒での位相と他の稼動気筒での位相との差を位相間隔とし、この位相間隔を位相変更の前後で異ならせるものであるとする。
【0011】
ここで、一般に、稼動気筒間の爆発間隔が不均等であると出力トルクの変動が大きくなり、振動や騒音が増大する傾向にある。この点、請求項2に記載の発明では、位相変更に際し位相間隔が異なった値に変更される。この変更に伴い、稼動気筒間の爆発間隔が変化する。従って、適切な爆発間隔となるように位相間隔を変化させることで、トルク変動を小さくすることが可能である。
【0012】
請求項3に記載の発明では、請求項2に記載の発明において、前記位相制御手段は、前記可変気筒制御手段による稼動気筒数を減らすための制御に応じて前記位相間隔を大きくするものであるとする。
【0013】
上記の構成によれば、可変気筒制御手段により稼動気筒数が減らされると、休止気筒については爆発が行われなくなるため、稼動気筒間の爆発間隔が稼動気筒数の変更前と異なってくる。爆発間隔均等のもとでは、稼動気筒数の変更後の爆発間隔は変更前よりも大きくなる。この点、請求項3に記載の発明では、稼動気筒数の減少に応じて位相間隔が大きくされる。従って、このように位相間隔を大きくすることで、少なくなった稼動気筒について爆発間隔を略均等にすることが可能となる。
【0014】
請求項4に記載の発明では、請求項2又は3に記載の発明において、前記位相制御手段は、前記可変気筒制御手段による稼動気筒数を増やすための制御に応じて前記位相間隔を小さくするものであるとする。
【0015】
上記の構成によれば、可変気筒制御手段により稼動気筒数が増やされると、それまで休止されていた気筒についても爆発が行われるため、稼動気筒間の爆発間隔が稼動気筒数の変更前と異なってくる。爆発間隔均等のもとでは、稼動気筒数の変更後の爆発間隔は変更前よりも小さくなる。この点、請求項4に記載の発明では、稼動気筒数の増加に応じて位相間隔が小さくされる。従って、このように位相間隔を小さくすることで、多くなった稼動気筒について爆発間隔を略均等にすることが可能となる。
【0016】
請求項5に記載の発明では、請求項1〜4のいずれかに記載の発明において、前記位相制御手段は、前記可変気筒制御手段による稼動気筒数の変更に応じ、前記位相間隔を稼動気筒間で略均等となるように前記位相を変更するものであるとする。
【0017】
上記の構成によれば、可変気筒制御手段によって稼動気筒数が変更されると、その変更に伴い稼動気筒間の爆発間隔が稼動気筒数の変更前と異なってくる。これに対し、請求項5に記載の発明では、稼動気筒数の変更に応じ、位相間隔が稼動気筒間で略均等となるように位相が変更される。この位相変更により、稼動気筒数の変更後には爆発が略均等間隔で行われることとなり、トルク変動を抑えて振動や騒音を効果的に小さくすることが可能となる。
【0018】
請求項6に記載の発明では、請求項1〜5のいずれかに記載の発明において、前記可変気筒制御手段は、前記内燃機関の始動時に全ての気筒を稼動気筒とし、かつ少なくとも2つの稼動気筒を略同時に燃焼を行う燃焼対象気筒とするものであり、前記位相制御手段は、前記内燃機関の停止に際し、全ての前記燃焼対象気筒の行程が機関始動時に前記出力軸を回転可能にする行程となるように前記位相を変更するものであるとする。
【0019】
上記の構成によれば、内燃機関の停止に際し、位相制御手段によって位相が変更されると、全て(少なくとも2つ)の燃焼対象気筒の行程が次回の機関始動時に出力軸を回転可能とする行程にされる。そして、可変気筒制御手段により内燃機関の始動に際し、前述した行程で停止している全燃焼対象気筒について略同時に混合気に着火されると、それらの燃焼対象気筒で略同時に爆発・燃焼が行われてピストンが押下げられ、出力軸が回転駆動される。慣性力のない出力軸を回転させるには大きなトルクが要求されるが、出力軸を回転可能とする行程で停止している複数の燃焼対象気筒で略同時に燃焼が行われることから、大きなトルクで出力軸が回転駆動される。従って、機関始動用のスタータを用いなくても、機関始動のための出力軸の回転が可能となる。
【0020】
請求項7に記載の発明では、請求項6に記載の発明において、前記出力軸を回転可能にする行程は膨張行程の前半であるとする。
上記の構成によれば、機関バルブが閉弁された状態で燃焼室の容積が小さくなっていて、ピストンが下降過程にある膨張行程前半では、その燃焼室内の空気が圧縮されている。そのため、内燃機関の始動に際し、全燃焼対象気筒において燃料が噴射されて着火されると、確実に爆発・燃焼が行われ、対応するピストンが押下げられ、出力軸が回転駆動される。
【0021】
請求項8に記載の発明では、請求項6又は7に記載の発明において、前記位相制御手段は、前記機関停止の際に変更した前記位相を、前記機関始動に際し前記出力軸の回転速度が所定値を越えるまで保持し、前記可変気筒制御手段は、前記機関始動時に前記燃焼対象気筒で略同時に行う燃焼を、前記出力軸の回転速度が前記所定値を越えるまで継続するものであるとする。
【0022】
上記の構成によれば、内燃機関の始動に際し、全燃焼対象気筒についての略同時燃焼が継続されることで出力軸の回転速度が上昇してゆく。この形態の燃焼は出力軸の回転速度が所定値を越えるまで継続される。そして、出力軸の回転速度が所定値以上になると、前記の形態の燃焼が停止されて1気筒ずつ燃焼が行われても慣性により出力軸が回転するようになることから、機関運転状態に応じた可変気筒制御、及び稼動気筒数に応じた位相制御が可能となる。
【0023】
請求項9に記載の発明では、請求項6又は7に記載の発明において、前記位相制御手段は、前記機関停止の際に変更した前記位相を、前記機関始動に際し燃焼回数又は時間当たりの燃焼回数が所定値を越えるまで保持し、前記可変気筒制御手段は、前記機関停止の際に変更した前記位相を、前記燃焼回数又は時間当たりの燃焼回数が前記所定値を越えるまで継続するものであるとする。
【0024】
上記の構成によれば、内燃機関の始動に際し、全燃焼対象気筒についての略同時燃焼が継続されることで出力軸の回転速度が上昇してゆく。そして、この形態の燃焼は、燃焼回数又は時間当たりの燃焼回数が所定値を越えるまで継続される。そして、上記条件が満たされると、前記の形態の燃焼が停止されて1気筒ずつ燃焼が行われても慣性により出力が回転するようになることから、機関運転状態に応じた可変気筒制御、及び稼動気筒数に応じた位相制御が可能となる。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施形態について、図面を参照して説明する。
図1に示すように、車両には、複数の気筒(第1気筒♯1、第2気筒♯2、第3気筒♯3及び第4気筒♯4の4気筒)を有するガソリンエンジン(以下、単にエンジンという)11が内燃機関として搭載されている。各気筒♯1〜♯4内には、ピストン12がそれぞれ往復動可能に収容されている。各気筒♯1〜♯4においてピストン12の頭部側(図1の上側)には、燃料及び空気の混合気を燃焼するための燃焼室13が設けられている。ピストン12は、燃焼室13での燃焼に伴い発生する圧力(燃焼圧力)を受けて下降する。各気筒♯1〜♯4の下方近傍には共通の出力軸14が配置されている。この出力軸14は、一般的なクランク構造におけるクランクシャフトに相当するものであり、軸受15により、シリンダブロック、クランクケース等のエンジン本体に回転自在に支持されている(図2参照)。
【0026】
また、エンジン11には、各ピストン12の運動を出力軸14の回転運動に変換するために、以下の運動方向変換機構Aが気筒♯1〜♯4毎に設けられている。図2及び図3に示すように、出力軸14上にはリンク17の一端部(図2の下端部、図3の右端部)が相対回転可能に支持されている。このリンク17は、出力軸14を支点として上下方向へ揺動可能である。リンク17及びピストン12は連結部材18によって連結されている。連結部材18は、一般的なクランク構造におけるコネクティングロッドに相当するものであり、上端部においてピン19によりピストン12に連結され、下端部においてピン21によりリンク17の先端部(図2の上端部、図3の左端部)に連結されている。
【0027】
一方、エンジン本体には、気筒♯1〜♯4毎のクランク部材23〜26が軸受22により回転自在に支持されている。各クランク部材23〜26は、その回転中心Cから偏心した箇所にクランクピン23a〜26aを備えている。各クランクピン23a〜26aは、対応するクランク部材23〜26の回転に伴い回転中心Cの周りを公転する。各クランクピン23a〜26aは、対応するリンク17に設けられたスライド溝27内に移動可能に係入されている。スライド溝27は、クランク部材23〜26の回転に伴う出力軸14及びクランクピン23a〜26aの間隔の変化を吸収するためのものである。
【0028】
リンク17の揺動を出力軸14に伝達したり、その伝達を遮断したりするために、出力軸14と各リンク17との間には電磁クラッチ28がそれぞれ設けられている。各電磁クラッチ28は、通電されると対応するリンク17及び出力軸14を一体回転可能に連結し、両者17,14間での動力伝達を可能とする。また、各電磁クラッチ28は通電が停止されると前記連結を解除して、各リンク17及び出力軸14間での動力伝達を遮断する。
【0029】
各電磁クラッチ28は、ピストン12が下降してリンク17が下方へ揺動する期間のうち任意の期間に通電される。例えば、混合気の燃焼に伴い発生する燃焼圧力によりピストン12が下降する期間において、リンク17の揺動が出力軸14の回転よりも速くなろうとする場合に電磁クラッチ28に通電される。一方、各電磁クラッチ28は、ピストン12が上昇してリンク17が上方へ揺動する際には通電されない。これは、ピストン下降時とは逆方向の回転が出力軸14に伝達されないようにするためである。
【0030】
図1に示すように各気筒♯1〜♯4には、エンジン11の外部の空気を燃焼室13に導くための吸気通路31が接続されている。また、各気筒♯1〜♯4には、燃焼室13で生じた排気をエンジン11の外部へ導くための排気通路32が接続されている。エンジン11には、機関バルブとして、吸気通路31及び燃焼室13間を開閉する吸気バルブ33と、排気通路32及び燃焼室13間を開閉する排気バルブ34とがそれぞれ往復動可能に設けられている。これらの吸・排気バルブ33,34を駆動する動弁機構として、本実施形態では電磁駆動弁が採用されている。この電磁駆動弁では、ソレノイド33a,34aが通電されることにより吸・排気バルブ33,34が往復動して開閉動作する。吸・排気バルブ33,34の各開閉タイミングは、ソレノイド33a,34aに対する通電のタイミングを制御することで変更可能である。
【0031】
吸気通路31の途中にはスロットルバルブ35が回動可能に設けられている。スロットルバルブ35にはモータ等のアクチュエータ36が駆動連結されている。吸気通路31を流れる空気の量は、スロットルバルブ35の回動角度(スロットル開度)に応じて変化する。なお、スロットル開度は、運転者によって操作されるアクセルペダル37の踏込み量等に応じてECU55(これについては後述する)がアクチュエータ36を制御することにより調整される。また、同空気の量は電磁駆動弁のリフトを制御することによっても調整される。
【0032】
エンジン11には、電磁式の燃料噴射弁38が各気筒♯1〜♯4に対応して取付けられている。各燃料噴射弁38は開閉制御されることにより、対応する気筒♯1〜♯4内へ燃料を噴射する。噴射された燃料は、吸気通路31を通って各燃焼室13内に取り込まれた吸入空気と混ざり合って混合気となる。
【0033】
エンジン11には、点火プラグ39が各気筒♯1〜♯4に対応して取付けられている。各点火プラグ39には、点火コイル42を介してイグナイタ41が接続されている。イグナイタ41は点火信号に基づき点火コイル42の1次電流を断続する。この断続により点火コイル42の2次コイルに高電圧が発生し、点火プラグ39に点火する。そして、前記混合気は点火プラグ39の点火に伴う火花放電によって着火され、燃焼する。このときに生じた高温高圧の燃焼ガスによりピストン12が押下げられる。
【0034】
各運動方向変換機構Aでは、ピストン12の下降が連結部材18を介してリンク17に伝達され、同リンク17が出力軸14を支点として下方へ揺動する。この揺動に伴いクランク部材23〜26が所定方向(例えば時計回り方向)へ回転し、クランクピン23a〜26aが回転中心Cの周りを公転する。ピストン12が下死点付近に達すると、クランク部材23〜26ではクランクピン23a〜26aが回転中心Cの下方に位置する。クランク部材23〜26はピストン12が下死点に達した後も、慣性により回転し続けようとする。この回転がクランクピン23a〜26aを介してリンク17に伝達され、同リンク17が出力軸14を支点として上方へ揺動する。このようにリンク17は、クランク部材23〜26から力を受けることで、出力軸14を支点として上方へ揺動する。この揺動が連結部材18を介してピストン12に伝達され、同ピストン12が上昇する。このようにして、燃焼圧力により下降したピストン12がクランクピン23a〜26aの公転により上昇する。これに伴いピストン12が連続して往復運動を行い、リンク17が連続して上下に揺動する。
【0035】
リンク17の揺動が出力軸14に伝達される過程で、その揺動が電磁クラッチ28によって一方向に拘束される。すなわち、前述したようにリンク17が下方へ揺動される期間のうち任意の期間に電磁クラッチ28に通電されると、出力軸14がリンク17と一体となって回転する。従って、出力軸14はピストン12が1往復する間に一方向(時計回り方向)へ所定角度(360度未満)ずつ回転する。このようにして、燃焼に伴う燃焼圧力が出力軸14の回転力(出力トルク)として取出される。
【0036】
上記エンジン11は、出力軸14が2回転して、各ピストン12が2往復する間に、気筒♯1〜♯4毎に吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程という燃焼についての一連の4つの行程(サイクル)を行うようにした、いわゆる4サイクルエンジンである。吸気行程及び膨張行程はピストン12の下降時に行われ、圧縮行程及び排気行程はピストン12の上昇時に行われる。
【0037】
吸気行程では、排気バルブ34が閉弁されるとともに吸気バルブ33が開弁され、かつ燃料噴射弁38から燃焼室13内へ燃料が噴射される。この噴射燃料は、ピストン12の下降に伴う燃焼室13内の圧力(筒内圧)の低下によって燃焼室13内に吸入された空気と混ざり合う。圧縮行程では、排気バルブ34に加えて吸気バルブ33が閉弁される。このため、ピストン12の上昇に伴って燃焼室13内の圧力が上昇し、混合気が昇圧、昇温される。
【0038】
膨張行程では、吸・排気バルブ33,34がともに閉弁された状態で点火プラグ39による点火が行われ、上記混合気が着火、爆発される。この爆発に伴う下向きの力によりピストン12が押下げられ、連結部材18及びリンク17を介して出力軸14に回転力が付与される。排気行程では排気バルブ34が開弁される。このため、燃焼室13内で発生した排気がピストン12の上昇に伴い排気通路32へ排出される。
【0039】
ここで、上記のように燃焼についての一連の行程が行われる気筒を稼動気筒というものとする。これに対し、本実施形態のエンジン11では、その運転状態によっては特定気筒が休止される場合がある。ここでの休止とは、燃料噴射弁38の開弁による燃料噴射、点火プラグ39による点火、及び吸・排気バルブ33,34の開弁のうち少なくとも燃料噴射が停止されて、混合気の爆発・燃焼が一時的に停止されることである。
【0040】
上述した燃焼についての一連の行程は、稼動気筒数に応じ、気筒♯1〜♯4毎に異なるタイミング(出力軸14の回転角)で行われる。図4(a)は、通常の運転時において気筒♯1〜♯4の全て(4気筒)が稼動される場合の出力軸14の回転角と行程との関係を示している。この図からわかるように、同一の行程が第1気筒♯1→第3気筒♯3→第4気筒♯4→第2気筒♯2の順に、所定の回転角(180°)ずつずらした状態で行われる。なお、この順は一例にすぎず適宜に変更可能である。また、図4(b)は、エンジン始動時において気筒♯1〜♯4の全て(4気筒)が稼動される場合の出力軸14の回転角と行程との関係を示している。この図からわかるように、例えば第3気筒♯3の各行程が第1気筒♯1と同期して行われる。同期の対象となる2つの気筒は、本来ならばエンジン始動時に最初及び2番目に燃焼が行われる予定の気筒である。それ以外の気筒(♯4,♯2)については前述した通常運転時(図4(a))と同様である。
【0041】
また、図5は、所定の1つの気筒(ここでは♯2)が休止されて、残りの3つの気筒(♯1,♯3,♯4)が稼動される場合の出力軸14の回転角と行程との関係を示している。この図からわかるように、同一の行程が第1気筒♯1→第3気筒♯3→第4気筒♯4の順に、所定の回転角(240°)ずつずらした状態で行われる。
【0042】
さらに、図6は所定の2つの気筒(ここでは♯2,♯3)が休止されて、残りの2つの気筒(♯1,♯4)が稼動される場合の出力軸14の回転角と行程との関係を示している。この図からわかるように、同一の行程が第1気筒♯1→第4気筒♯4の順に、所定の回転角(360°)ずらした状態で行われる。
【0043】
また、本実施形態のエンジン11では、各電磁クラッチ28の通電タイミングを可変とすることで、出力軸14の回転に対するクランクピン23a〜26aの位相であるクランク角位相を変更することが可能である。例えば、混合気の燃焼に伴い発生する燃焼圧力によりピストン12が下降する期間において、電磁クラッチ28に対する通電のタイミングを通常時よりも遅らせる。こうすると、燃焼圧力がピストン12を押下げるためにのみ消費される、すなわち出力軸14を回転させるために消費されないことから、その分ピストン12が速い速度で下降することとなり、クランク角位相が進角される。この変更を通じて、前述した燃焼についての一連の行程(吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程)の出力軸14の回転に対する位相が変更される。また、所定の稼動気筒での位相と、他の稼動気筒での位相との差を位相間隔とすると、この位相間隔が前記位相変更の前後で異なったものとされる。
【0044】
このように本実施形態では、電磁クラッチ28が設けられた運動方向変換機構Aを、稼動気筒における燃焼についての一連の行程の出力軸14の回転に対する位相(クランク角位相)を変更するための位相可変機構として用いている。
【0045】
前記通電タイミングの変更により、例えば、気筒♯2,♯3に対応するクランクピン24a,25aのクランク角位相を基準とした場合、気筒♯1,♯4に対応するクランクピン23a,26aのクランク角位相が稼動気筒数に応じて次のように変更される。
【0046】
稼動気筒数が「2」である場合には、図7(a)及び図7(b)に示すように、気筒♯1,♯4に対応するクランクピン23a,26aのクランク角位相が、気筒♯2,♯3に対応するクランクピン24a,25aのクランク角位相に対し回転方向(例えば時計回り方向)へ180°ずらされる。また、稼動気筒数が「4」である場合、基本的には、前記稼動気筒数が「2」の場合と同様である。ただし、エンジン11の停止時には、次回の始動時に備え、爆発順序の連続する2つの気筒の組合わせのうち、停止直前に膨張行程近傍の行程となる組合わせについて、その組合わせに対応するクランクピン23a〜26aのクランク角位相が同一にされる。例えば、これらの気筒が気筒♯1,♯3である場合、図8(a)及び図8(b)に示すように、気筒♯3に対応するクランクピン25aのクランク角位相が、気筒♯1に対応するクランクピン23aのクランク角位相と同一にされる。この場合、気筒♯3に対応するクランクピン25aのクランク角位相が、気筒♯1,♯4に対応するクランクピン23a,26aのクランク角位相と同様に、気筒♯2に対応するクランクピン24aのクランク角位相に対し回転方向(時計回り方向)へ180°ずらされる。
【0047】
また、稼動気筒数が「3」である場合、図9(a)及び図9(b)に示すように、気筒♯1に対応するクランクピン23aのクランク角位相が、気筒♯2,♯3に対応するクランクピン24a,25aのクランク角位相に対し回転方向へ120°ずらされる。また、気筒♯4に対応するクランクピン26aのクランク角位相が、気筒♯2,♯3に対応するクランクピン24a,25aのクランク角位相に対し回転方向へ240°ずらされる。その結果、各クランクピン23a〜26aの回転中心Cに対しなす角度は、稼動気筒数が「2」又は「4」である場合の180°から120°に減少する。
【0048】
ところで、車両には、各種電気機器の電源としてバッテリ(図示略)が搭載されている。各種電気機器には、後述するECU55も含まれる。バッテリから各種電気機器への電力の供給・停止は、運転者による図1に示すイグニションスイッチ(SW)44の操作に応じて行われる。イグニションスイッチ44は、周知のようにオフ位置とオン位置、同オン位置とスタート位置との間を移動自在とされている。そして、基本的にはイグニションスイッチ44がオン位置に操作されている間は、各種電気機器に電力が供給される。なお、本実施形態の車両では、始動装置として一般的なエンジンに用いられているスタータは設けられていない。
【0049】
車両には、エンジン11の運転状態を検出するために、前述したイグニションスイッチ44以外にも各種センサが設けられている。例えば、図1及び図2に示すように、出力軸14の近傍には、その出力軸14が一定角度回転する毎にパルス状の信号を発生する回転角センサ45が設けられている。回転角センサ45の信号は、出力軸14の回転角や、単位時間当たりの出力軸14の回転速度であるエンジン回転速度NEの算出等に用いられる。また、各クランク部材23〜26の近傍には、それらが一定角度回転する毎にパルス状の信号を発生するクランク角センサ46〜49がそれぞれ設けられている。
【0050】
また、図1に示すように、吸気通路31内のスロットルバルブ35よりも下流には、吸入空気の圧力(吸気圧)を検出するための吸気圧センサ50が設けられている。アクセルペダル37の近傍には、運転者による同アクセルペダル37の踏込み量(アクセル開度)を検出するアクセルセンサ51が設けられている。スロットルバルブ35の近傍には、スロットル開度を検出するスロットルセンサ52が設けられている。
【0051】
前述したイグニションスイッチ44、各種センサ45〜52等の検出値に基づき、エンジン11を含めた車両の各部を制御するために、マイクロコンピュータを中心として構成された電子制御装置(Electronic Control Unit :ECU)55が設けられている。ECU55では、中央処理装置(CPU)が、読出し専用メモリ(ROM)に記憶されている制御プログラムや初期データに従って演算処理を行い、その演算結果に基づいて各種制御を実行する。CPUによる演算結果は、ランダムアクセスメモリ(RAM)において一時的に記憶される。
【0052】
次に、前記のように構成された本実施形態の作用について説明する。
図11及び図12のフローチャートは、ECU55によって実行される各処理のうち、エンジン11の作動を制御するためのルーチンを示しており、所定のタイミング、例えば一定時間毎に実行される。このエンジン制御ルーチンは、ステップ100〜110で行われるエンジン始動時の制御(始動制御)と、ステップ115〜140で行われる通常運転時の制御(通常制御)と、ステップ145〜160で行われるエンジン停止時の制御(停止制御)とに大別される。
【0053】
始動制御では、エンジン始動時に全ての気筒♯1〜♯4が稼動気筒とされる。しかも、爆発順序の連続する2つの稼動気筒が略同時に燃焼を行う燃焼対象気筒とされる。そして、前回のエンジン停止時に変更されたクランク角位相に応じたタイミングで燃焼が行われる。通常制御では、エンジン11の運転状態に応じて稼動気筒数が変更される。また、稼動気筒における燃焼についての一連の行程の出力軸14の回転に対する位相が、稼動気筒数の変更に応じて変更される。停止制御では、エンジン11の停止に際し、全て(この場合2つ)の前記燃焼対象気筒の行程が、次回のエンジン始動時に出力軸14を回転可能にする行程となるようにクランク角位相が変更される。次に、各制御の内容について説明する。
【0054】
始動制御では、ECU55はまず図11のステップ100において、エンジン始動条件が成立しているかどうかを判定する。ここで、エンジン始動条件としては、例えば「イグニションスイッチ44がオン位置へ操作されていること」が挙げられる。この判定条件が満たされているとステップ105へ移行し、前回のエンジン停止時のクランク角位相に応じたタイミングで燃料噴射及び点火を行う。このエンジン停止時のクランク角位相では、今回のエンジン11の始動に際し、最初と2番目に爆発・燃焼が行われる気筒については、ともに膨張行程前半で停止されている。そして、これらの気筒について燃料噴射が略同時に行われ、点火が略同時に行われる。膨張行程前半では、吸・排気バルブ33,34がともに閉弁された状態で燃焼室13の容積が小さくなっていて、ピストン12が下降を開始した直後であることから燃焼室13内の空気が圧縮されている。そのため、両気筒において燃料が噴射されて着火されると爆発・燃焼が行われ、対応するピストン12が下降し、出力軸14が回転駆動される。
【0055】
この際、2気筒についての燃料噴射及び点火により爆発・燃焼が略同時に行われて各ピストン12が押下げられることから、出力軸14には、1つの気筒で爆発・燃焼が行われる場合よりも大きな力が伝達されて、その出力軸14が回転する。慣性力のない出力軸14を回転させるには大きなトルクが要求されるが、2つの気筒で略同時に燃焼が行われることから、大きなトルクで出力軸14が回転される。そして、上記2つの気筒について、こういった形態の燃焼が行われ続けることで、出力軸14の回転速度(エンジン回転速度NE)が上昇してゆく。
【0056】
次にステップ110において、回転角センサ45の信号から求めたエンジン回転速度NEが所定値αよりも大きいかどうかを判定する。ここで、所定値αとしては、エンジン11が運転を継続するために要求されるエンジン回転速度の最小値と同程度か、それよりも若干大きな値が設定されている。ステップ110の判定条件が満たされていないと前述したステップ105へ戻る。このように、2気筒での略同時燃焼はエンジン回転速度NEが所定値αを越えるまで継続される。これに対し、ステップ110の判定条件が満たされていると、前記形態の燃焼が停止されて1気筒ずつ燃焼が行われても慣性により出力軸14が回転するであろうと考えられることから、始動制御を終えて通常制御へ移行する。なお、前述したステップ100の判定条件が満たされていないと、ステップ105,110の処理を行うことなく通常制御へ移行する。
【0057】
通常制御においては、ECU55はまずステップ115において、そのときの運転状態に基づき目標稼動気筒数を算出する。この算出に際し、例えば、図10に示すマップを参照する。このマップでは、エンジン回転速度NE及びエンジン負荷によって表されるエンジン11の運転領域が、全気筒(4気筒)で運転される領域、3気筒で運転される領域、及び2気筒で運転される領域に区分されている。そして、そのときのエンジン回転速度NE及びエンジン負荷の属している運転領域を前記マップから割出す。なお、エンジン負荷は、例えばエンジン11の吸入空気量に関係するパラメータ(例えばスロットル開度、アクセル開度、吸気圧等)に基づいて算出される。
【0058】
次に、ステップ120において、目標稼動気筒数が変更されたかどうかを判定する。すなわち、前記ステップ115で求めた今回の目標稼動気筒数が、前回の制御周期で求めた目標稼動気筒数と異なっているかどうかを判定する。この判定条件が満たされていると、ステップ125においてクランク角位相を変更する処理を行う。この変更処理に際しては、例えば、前記ステップ115の目標稼動気筒数に応じた目標クランク角を算出する。例えば、気筒♯2,♯3に対応するクランクピン24a,25aの目標クランク角位相を基準とする。図7(a)及び図7(b)に示すように、目標稼動気筒数が「4」又は「2」の場合には、気筒♯1,♯4に対応するクランクピン23a,26aの目標クランク角位相として、気筒♯2,♯3に対応するクランクピン24a,25aの目標クランク角位相に対し180°遅角又は進角した値が算出される。
【0059】
また、目標稼動気筒数が「3」の場合には、図9(a)及び図9(b)に示すように、気筒♯1に対応するクランクピン23aの目標クランク角位相として、気筒♯2,♯3に対応するクランクピン24a,25aの目標クランク角位相に対し120°進角した値が算出される。因みに、このクランクピン23aの目標クランク角位相は、前述した目標稼動気筒数が「4」又は「2」の場合の目標クランク角位相に対し60°遅角した値である。また、気筒♯4に対応するクランクピン26aの目標クランク角位相として、気筒♯2,♯3に対応するクランクピン24a,25aの目標クランク角位相に対し240°進角した値が算出される。因みに、このクランクピン26aの目標クランク角位相は、前述した目標稼動気筒数が「4」又は「2」の場合の目標クランク角位相に対し60°進角した値である。そして、回転角センサ45及びクランク角センサ46〜49の各信号に基づき求められる実際のクランク角位相が前記目標クランク角位相に合致するように、気筒♯1〜♯4毎の電磁クラッチ28に対する通電のタイミングを制御する。
【0060】
次に、ステップ130において、前記ステップ125による変更後のクランク角位相に応じたタイミングで燃料噴射及び点火を行う。このステップ130の処理には、特定気筒について、燃料噴射弁38からの燃料噴射、点火プラグ39の点火、吸・排気バルブ33,34の駆動(開弁)をそれぞれ停止すること、すなわち休止させることも含まれる。休止の対象となる気筒は、前述したように目標稼動気筒数が「2」の場合には第2及び第3気筒♯2,♯3であり(図6参照)、目標稼動気筒数が「3」の場合には第2気筒♯2である(図5参照)。
【0061】
さらに、目標稼動気筒数が「4」又は「2」から「3」に変更された場合には、その変更に合わせて、稼動気筒♯1,♯3,♯4間において燃料噴射及び点火が行われる間隔が図4(a)で示す180°又は図6で示す360°から、図5で示す240°に変更される。
【0062】
また、目標稼動気筒数が「3」から「4」又は「2」に変更された場合には、その変更に合わせて、稼動気筒♯1〜♯4間又は稼動気筒♯3,♯4間において燃料噴射及び点火の行われる間隔が図5で示す240°から図4(a)で示す180°又は図6で示す360°に変更される。
【0063】
なお、ステップ130では、併せて、吸・排気バルブ33,34の開弁期間の時期も同様に変更される。
一方、前記ステップ120の判定条件が満たされていない(目標稼動気筒数が変更されていない)と、ステップ135において、前回のクランク角位相を保持する。また、ステップ140において、前回と同じタイミングで燃料噴射、点火及び吸・排気バルブ33,34の駆動を行う。
【0064】
そして、前述したステップ130又は140の処理を経た後に図12の停止制御に移行する。このように、通常制御では、エンジン11の運転状態に応じて稼動気筒数が変更される。この変更により、特定の気筒(♯2,♯3)が休止されて稼動気筒数が減らされると、エンジン11の実質的な排気量が一時的に低減される。一方、稼動気筒数が変更されると、その変更に応じ、燃焼についての一連の行程の出力軸14の回転に対する位相が変更され、これに伴い稼動気筒(♯1〜♯4)間の爆発間隔が変化する。
【0065】
ここで、一般に、稼動気筒♯1〜♯4間の爆発間隔が不均等であると発生トルクの変動が大きくなり、振動や騒音が増大する傾向にある。この点、本実施形態では、位相変更に際し位相間隔が異なった値に変更される。この変更に伴い、稼動気筒♯1〜♯4間の爆発間隔が変化する。従って、適切な爆発間隔となるように位相間隔を変化させることにより、トルク変動が小さくなる。
【0066】
詳しくは、稼動気筒数が変更されると、その変更に伴い稼動気筒♯1〜♯4間の爆発間隔が稼動気筒数の変更前と異なってくる。稼動気筒数が例えば「4」から「3」に減らされると、休止気筒(♯2)については爆発が行われなくなるため、稼動気筒♯1〜♯4間の爆発間隔が稼動気筒数の変更前と異なってくる。爆発間隔均等のもとでは、稼動気筒数の変更後の爆発間隔は変更前よりも大きくなる。これとは逆に稼動気筒数が例えば「3」から「4」に増やされると、それまで休止されていた気筒(♯2)についても爆発が行われるため、稼動気筒♯1〜♯4間の爆発間隔が稼動気筒数の変更前と異なってくる。爆発間隔均等のもとでは、稼動気筒数の変更後の爆発間隔は変更前よりも小さくなる。
【0067】
これに対し、本実施形態では、稼動気筒数の変更に応じ、位相間隔が稼動気筒♯1〜♯4間で均等となるようにクランク角位相が変更される。この位相変更により、稼動気筒数の変更後には爆発が略均等間隔で行われることとなる。例えば、稼動気筒数が減らされた場合には、その減少に応じて位相間隔が大きくされることにより、少なくなった稼動気筒(♯1,♯3,♯4)について爆発間隔が略均等になる。また、稼動気筒数が増やされた場合には、その増加に応じて位相間隔が小さくされることにより、多くなった稼動気筒♯1〜♯4について爆発間隔が略均等になる。このように稼動気筒数が増やされる場合であっても減らされる場合であっても爆発間隔が略均等にされるため、トルク変動が抑えられる。
【0068】
停止制御に際しては、ECU55はまずステップ145において、予め定められたエンジン停止条件が成立しているかどうかを判定する。ここで、エンジン停止条件としては、例えば「イグニションスイッチ44がオフ位置へ操作されていること」が挙げられる。ステップ145の判定条件が満たされていないと、通常制御を継続すべくエンジン制御ルーチンの一連の処理を一旦終了する。
【0069】
これに対し、ステップ145の判定条件が満たされていると、ステップ150において、全ての稼動気筒♯1〜♯4についての燃料噴射及び点火を停止する。次に、ステップ155において、本来ならば次回のエンジン始動時に最初及び2番目に燃焼が行われる予定の全て(この場合2つ)の燃焼対象気筒の行程が、同エンジン始動時に出力軸14を回転可能にする行程(膨張行程の前半)となるようにクランク角位相を変更する。詳しくは、上記2つの燃焼対象気筒が膨張行程の前半で停止するようにクランク角位相を変更する。そして、ステップ160において、燃焼対象気筒のソレノイド33a,34aに対する通電を停止することにより吸・排気バルブ33,34を閉弁させた後、エンジン制御ルーチンを一旦終了する。
【0070】
このように、エンジン11の停止に際しクランク角位相が変更されると、全て(2つ)の燃焼対象気筒の行程が次回のエンジン始動時に備えて、出力軸14を回転可能とする行程(膨張行程前半)にされる。
【0071】
上述したエンジン制御ルーチンにおいては、ステップ115,120,130の処理が可変気筒制御手段に相当する。また、ステップ120,125の処理が位相制御手段に相当する。
【0072】
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
(1)エンジン11の運転状態に応じて稼動気筒数を変更するようにしている。この変更により特定の気筒(♯2,♯3)を休止して稼動気筒数を減らすことで、エンジン11の実質的な排気量を一時的に少なくして燃費の向上を図ることができる。
【0073】
また、クランクピン23a〜26aのクランク角位相を稼動気筒数の変更に応じて変更することで、稼動気筒における燃焼についての一連の行程の出力軸14の回転に対する位相を変更するようにしている。そのため、稼動気筒♯1〜♯4間の爆発間隔を変化させ、適切な爆発間隔となるように位相を変更することにより、トルク変動を小さくし、もって振動や騒音を小さくすることが可能となる。
【0074】
(2)上記(1)に関連するが、所定の稼動気筒での位相と他の稼動気筒での位相との差を位相間隔とし、この位相間隔を位相変更の前後で異ならせることで、稼動気筒間の爆発間隔を変化させるようにしている。そのため、適切な爆発間隔となるように位相間隔を変化させることで、トルク変動を小さくすることが可能となり、上記(1)の効果をより確実なものとすることができる。
【0075】
(3)稼動気筒数の変更に応じ、位相間隔を稼動気筒♯1〜♯4間で略均等となるように位相を変更するようにしている。従って、稼動気筒数が変更されると、その変更に伴い稼動気筒間の爆発間隔が稼動気筒数の変更前と異なってくるが、前記のように位相を変更することで、稼動気筒数の変更後には爆発が略均等間隔で行われることとなり、トルク変動を抑えて振動や騒音を効果的に小さくすることが可能となる。
【0076】
(4)稼動気筒数を減らすための制御に応じて位相間隔を大きくするようにしている。従って、稼動気筒数が例えば「4」から「3」に減らされると、休止気筒(♯2)については爆発が行われなくなり、爆発間隔均等のもとでは、稼動気筒数の変更後の爆発間隔が変更前よりも大きくなる。しかし、前記のように位相間隔を大きくすることで、少なくなった稼動気筒について爆発間隔を略均等にすることが可能となる。
【0077】
(5)稼動気筒数を増やすための制御に応じて位相間隔を小さくするようにしている。従って、稼動気筒数が例えば「3」から「4」に増やされると、それまで休止していた気筒(♯2)についても爆発が行われて、爆発間隔均等のもとでは、稼動気筒数の変更後の爆発間隔が変更前よりも小さくなる。しかし、前記のように位相間隔を小さくすることで、多くなった稼動気筒について爆発間隔を略均等にすることが可能となる。
【0078】
(6)仮に、クランク角位相を変えないで稼動気筒数を変更する制御を行おうとすると、気筒♯1〜♯4間の爆発間隔を均等にすることのできる稼動気筒数は「4」及び「2」である。稼動気筒数が「4」の場合には、爆発・燃焼が180°毎に行われ(図4(a)参照)、稼動気筒数が「2」の場合には爆発・燃焼が360°毎に行われる(図6参照)。従って、振動を抑制しつつ減筒運転の本来の目的である燃費向上を実現しようとすると、稼動気筒数が「4」と「2」との間で切替えられることとなる。しかし、このように稼動気筒数が「4」と「2」に制限されると、それに伴って減筒運転領域も制限される。例えば図10において、3気筒運転領域として示されている領域が二点鎖線で示すように4気筒運転領域とされる。従って、2気筒運転のみによって減筒運転が行われることとなる。これでは、燃費向上を図るにも限度がある。
【0079】
この点、本実施形態では、前述したように稼動気筒数がいずれの場合にも爆発・燃焼が略等角度間隔で行われるように、稼動気筒数の変更に応じてクランク角位相を変更するようにしている。稼動気筒数が「3」の場合には爆発・燃焼が240°毎に行われるようにしている(図5参照)。このため、可変気筒制御において、稼動気筒数を「3」としても稼動気筒♯1,♯3,♯4間の爆発間隔を略均等にすることができる。従って、図10において実線で示すように、4気筒運転領域の一部が3気筒運転領域となり、その分減筒運転領域が拡大する。これに伴い燃費の一層の低減を図ることが可能となる。
【0080】
(7)エンジン始動時に全ての気筒♯1〜♯4を稼動気筒とし、かつ爆発順序が連続する2つの稼動気筒を略同時に燃焼を行う燃焼対象気筒としている。また、エンジン停止に際し、全ての燃焼対象気筒の行程が次回のエンジン始動時に出力軸14を回転可能にする行程となるように位相を変更するようにしている。従って、慣性力のない出力軸14を回転させるには大きなトルクが要求されるが、前記のように出力軸14を回転可能とする行程で停止している全燃焼対象気筒において略同時に燃焼を行わせることから、大きなトルクで出力軸14を回転させることができる。そのため、エンジン始動用のスタータを用いなくても、エンジン始動のための出力軸14の回転が可能となる。
【0081】
(8)「膨張行程の前半」を、上記(7)における出力軸14を回転可能にする行程としている。この膨張行程前半では、吸・排気バルブ33,34が閉弁された状態で燃焼室13の容積が小さくなっていて、ピストン12が下降過程にあり、燃焼室13内の空気が圧縮されている。そのため、エンジン11の始動に際し、これらの燃焼対象気筒において燃料を噴射させて着火させることで、爆発・燃焼を行わせ、対応するピストン12を下降させ、確実に出力軸14を回転駆動することができる。
【0082】
(9)エンジン停止の際に変更した位相を、次回のエンジン始動に際しエンジン回転速度NEが所定値αを越えるまで保持している。また、エンジン始動時に全燃焼対象気筒で略同時に行う燃焼を、エンジン回転速度NEが前記所定値αを越えるまで継続するようにしている。従って、この継続によりエンジン回転速度NEが上昇して所定値αを越えると、前記の形態の燃焼が停止されて1気筒ずつ燃焼が行われても慣性により出力軸14が回転するようになるため、エンジン11の運転状態に応じた可変気筒制御、及び稼動気筒数に応じた位相制御が可能となる。
【0083】
なお、本発明は次に示す別の実施形態に具体化することができる。
・可変気筒制御における特定気筒の休止に際しては、同気筒への燃料噴射及び点火が停止される。この際、ピストン12は各気筒♯1〜♯4内を移動してもよいし、停止してもよい。
【0084】
・前記実施形態とは異なる方法によって目標稼動気筒数を算出してもよい。例えば、前述した図10のマップにおけるエンジン負荷を、エンジン11に要求される要求トルクに変更してもよい。この場合、要求トルクは例えば車速、変速機のシフトポジション、スロットル開度等に基づいて求められる。また、ナビゲーションシステムが搭載されている車両にあっては、そのシステムからの道路情報を目標稼動気筒数の算出に反映させてもよい。例えば、下り坂では稼動気筒数として「4」よりも小さな値を算出する。
【0085】
・第2気筒♯2及び第3気筒♯3のクランク角位相が同一となる3気筒運転時には、両気筒♯2,♯3のうちいずれか一方をその3気筒運転時中休止させてもよいが、所定の条件が満たされた場合に、休止させる気筒を切替えるようにしてもよい。例えば、両気筒♯2,♯3を交互にあるいは一定の周期で休止させてもよい。
【0086】
・本発明は4気筒に限らず複数の気筒を有するエンジンに適用可能である。
・クランク角位相を変更する位相可変機構として、前記実施形態とは異なる構成を有するものを用いてもよい。
【0087】
例えば、前記実施形態の運動方向変換機構Aにおける電磁クラッチ28を、リンク17の揺動が出力軸14の回転よりも速くなろうとする場合にロックするワンウェイクラッチに代える。また、各クランク部材23〜26に、発電機能を有する電動機であるモータジェネレータを駆動連結する。そして、クランク角位相を遅角させる場合には、モータジェネレータを発電機として機能させる。この場合、クランク部材23〜26の回転エネルギーの一部が発電のために消費されるため、クランク部材23〜26の回転を遅くすることができる。これとは逆に、クランク角位相を進角させる場合には、モータジェネレータを電動機として機能させてクランク部材23〜26を速く回転させる。
【0088】
・エンジン11の始動時に略同時に燃焼を行う燃焼対象気筒の数は2つに限らず、3つ以上であってもよい。この場合には、エンジン11の停止に際し、燃焼対象気筒とされた3つ以上の気筒がいずれも膨張行程前半で停止するようにクランク角位相を変更する。
【0089】
・図11のステップ110の処理として、「燃焼回数(点火回数)又は時間当たりの燃焼回数(点火回数)が所定値を越えているかどうか」としてもよい。こうすることで、エンジン停止の際に変更したクランク角位相を、エンジン始動に際し燃焼回数又は時間当たりの燃焼回数(燃焼の時間間隔)が所定値を越えるまで保持する。また、エンジン停止の際に変更したクランク角位相を、燃焼回数又は時間当たりの燃焼回数が所定値を越えるまで継続する。
【0090】
このようにステップ110の処理内容を変更しても、変更前の処理(エンジン回転速度NEが所定値αよりも大きいかどうか)と同様の作用及び効果が得られる。すなわち、エンジン11の始動に際し、全燃焼対象気筒についての略同時燃焼が継続されることで出力軸14の回転速度が上昇してゆく。そして、この形態の燃焼(エンジン始動時の複数略同時燃焼)は、燃焼回数又は時間当たりの燃焼回数が所定値を越えるまで継続される。そして、上記条件が満たされると、前記の形態の燃焼が停止されて1気筒ずつ燃焼が行われても慣性により出力が回転するようになるため、エンジン11の運転状態に応じた可変気筒制御、及び稼動気筒数に応じた位相制御が可能となる。
【0091】
・本発明は、前述した4サイクルエンジンに限らず、ピストンが1往復する間に燃焼サイクルを1回行うようにした、いわゆる2サイクルエンジンにも適用可能である。この場合、燃焼サイクルは、各ピストンが上昇して混合気を圧縮する圧縮行程と、燃焼室での燃焼に伴い発生する圧力(燃焼圧力)を受けた各ピストンが下降して有効な仕事を取出す爆発(膨張)行程とからなる。
【0092】
・本発明は、エンジンの稼動状態の変化に応じて位相(クランク角位相)を変更するものに広く適用可能である。ここで、稼動状態は、代表的には前述した稼動気筒数を変更する制御(可変気筒制御)によって変化する。そのほかにも、稼動状態は、可変圧縮比、失火、可変空燃比、各種故障、可変点火時期、可変バルブタイミング、燃料噴射時期、過給状態、特定気筒のみの可変空燃比等によっても変化する。
【0093】
稼動状態が変化すると出力トルクが変化する。この変化により、一部の気筒の出力トルクが他の気筒の出力トルクよりも低下する場合がある。例えば、可変気筒制御の場合、休止気筒が前記一部の気筒に相当し、稼動気筒が前記他の気筒に相当する。従って、この観点からは、可変気筒制御は、各気筒で発生する出力トルクを変化させる制御(出力トルク制御)であるともいえる。この場合、各気筒で発生する出力トルクに応じたクランク角位相となるように位相可変機構によるクランク角位相の変更を制御する。特に、稼動気筒数を減らすことにより出力トルクを低下させる制御を行う場合には、各稼動気筒の爆発間隔が等しくなる側へクランク角位相が変化するように位相可変機構を制御する。このことは、例えば一部の気筒の爆発タイミングと他の気筒の爆発タイミングとの間隔が狭くなるように各稼動気筒の位相を変更することによって実現できる。
【0094】
・前記実施形態とは異なる気筒を休止気筒としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を具体化した一実施形態についてその構成を示す略図。
【図2】運動方向変換機構を示す概略平面図。
【図3】運動方向変換機構の部分斜視図。
【図4】(a),(b)は稼動気筒数を「4」とした場合の出力軸の回転角と各気筒の行程との関係を示す説明図。
【図5】稼動気筒数を「3」とした場合の出力軸の回転角と各気筒の行程との関係を示す説明図。
【図6】稼動気筒数を「2」とした場合の出力軸の回転角と各気筒の行程との関係を示す説明図。
【図7】(a)は稼動気筒数を「2」とした場合、又は「4」とした場合(通常運転時)の各クランク部材の形態を模式的に示す概略斜視図、(b)はそれらのクランク部材におけるクランクピンのクランク角位相を示す説明図。
【図8】(a)は稼動気筒数を「4」とした場合(エンジン始動時)の各クランク部材の形態を模式的に示す概略斜視図、(b)はそれらのクランク部材におけるクランクピンのクランク角位相を示す説明図。
【図9】(a)は稼動気筒数を「3」とした場合の各クランク部材の形態を模式的に示す概略斜視図、(b)はそれらのクランク部材における各クランクピンのクランク角位相を示す説明図。
【図10】稼動気筒数の決定に用いられるマップのマップ構造を示す略図。
【図11】エンジンを制御する手順を示すフローチャート。
【図12】同じくエンジンを制御する手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
11…エンジン(内燃機関)、12…ピストン、14…出力軸、55…ECU(可変気筒制御手段、位相制御手段)、A…運動方向変換機構(位相可変機構)、♯1…第1気筒、♯2…第2気筒、♯3…第3気筒、♯4…第4気筒、NE…エンジン回転速度(出力軸の回転速度)、α…所定値。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for an internal combustion engine, and more particularly to a control device suitable for being applied to an internal combustion engine that performs a reduced cylinder operation in which a specific cylinder is deactivated according to an operation state of the engine.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a plurality of cylinders are provided, and a series of combustion strokes such as an intake stroke, a compression stroke, an expansion stroke, and an exhaust stroke are performed for each cylinder in accordance with the reciprocation of a piston in each cylinder, and output. An internal combustion engine in which a shaft is rotated is general.
[0003]
As a technique for controlling such an internal combustion engine, there is a technique for changing the number of operating cylinders, which are cylinders in which combustion is performed, according to an engine operating state (for example, see Patent Document 1). This technique is called so-called reduced cylinder operation control, in which fuel supply to a specific cylinder is stopped during low-speed running, light-load running, etc., and the internal combustion engine is operated only with the remaining cylinders. The aim is to improve fuel efficiency by reducing the amount.
[0004]
Further, in
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Utility Model Publication No. 5-42652
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in
[0007]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an internal combustion engine in which the number of operating cylinders is changed according to the operating state of the internal combustion engine. An object of the present invention is to provide a control device for an internal combustion engine that can suppress fluctuation.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
Hereinafter, the means for achieving the above object and the effects thereof will be described.
According to the first aspect of the present invention, there is provided an internal combustion engine in which a plurality of cylinders are provided, and a series of combustion strokes are performed for each cylinder in accordance with reciprocation of a piston in each cylinder, and an output shaft is rotated. Variable cylinder control means for changing the number of operating cylinders according to the operating state of the internal combustion engine, and a variable phase mechanism for changing the phase of the series of strokes in the operating cylinder with respect to rotation of the output shaft. And phase control means for variably controlling the phase by the phase variable mechanism in accordance with a change in the number of operating cylinders by the variable cylinder control means.
[0009]
According to the above configuration, the number of operating cylinders is changed by the variable cylinder control means according to the operating state of the internal combustion engine. By this change, for example, when a specific cylinder is stopped and the number of operating cylinders is reduced, the substantial displacement of the internal combustion engine is temporarily reduced, and the fuel efficiency is improved. On the other hand, when the variable phase mechanism is controlled by the phase control means, the phase of the series of combustion strokes with respect to the rotation of the output shaft is changed, and the explosion interval between the working cylinders changes accordingly. Therefore, by changing the phase so as to provide an appropriate explosion interval in accordance with the change in the number of operating cylinders, it is possible to reduce torque fluctuations and thereby reduce vibration and noise.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the phase control means sets a difference between a phase in a predetermined working cylinder and a phase in another working cylinder as a phase interval, Are changed before and after the phase change.
[0011]
Here, in general, if the explosion intervals between the working cylinders are not uniform, the fluctuation of the output torque tends to increase, and the vibration and noise tend to increase. In this regard, according to the second aspect of the present invention, the phase interval is changed to a different value when the phase is changed. With this change, the explosion interval between the working cylinders changes. Therefore, it is possible to reduce the torque fluctuation by changing the phase interval so that an appropriate explosion interval is obtained.
[0012]
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the phase control unit increases the phase interval in accordance with control by the variable cylinder control unit to reduce the number of operating cylinders. And
[0013]
According to the above configuration, when the number of active cylinders is reduced by the variable cylinder control means, no explosion is performed on the idle cylinders, so that the explosion interval between the active cylinders is different from that before the change in the number of active cylinders. Under the uniform explosion interval, the explosion interval after the change in the number of operating cylinders becomes larger than before the change. In this regard, in the invention according to the third aspect, the phase interval is increased according to the decrease in the number of operating cylinders. Therefore, by increasing the phase interval in this way, it is possible to make the explosion intervals substantially uniform for the reduced operating cylinders.
[0014]
According to a fourth aspect of the present invention, in the second or third aspect of the invention, the phase control means reduces the phase interval in accordance with control for increasing the number of operating cylinders by the variable cylinder control means. And
[0015]
According to the above configuration, when the number of working cylinders is increased by the variable cylinder control means, the explosion is also performed on the cylinders that have been suspended until then, so the explosion interval between the working cylinders is different from that before the change in the number of working cylinders. Come. Under the same explosion interval, the explosion interval after the change in the number of operating cylinders becomes smaller than before the change. In this regard, in the invention according to
[0016]
In the invention described in claim 5, in the invention described in any one of
[0017]
According to the above configuration, when the number of working cylinders is changed by the variable cylinder control means, the explosion interval between the working cylinders becomes different from that before the change in the number of working cylinders in accordance with the change. On the other hand, in the invention described in claim 5, the phase is changed such that the phase interval is substantially equal between the operating cylinders according to the change in the number of operating cylinders. Due to this phase change, after the number of operating cylinders is changed, explosions are performed at substantially equal intervals, and it is possible to suppress torque fluctuations and effectively reduce vibration and noise.
[0018]
In the invention described in claim 6, in the invention described in any one of
[0019]
According to the above configuration, when the phase is changed by the phase control unit when the internal combustion engine is stopped, the strokes of all (at least two) cylinders to be burned make the output shaft rotatable at the next engine start. To be. Then, when the internal combustion engine is started by the variable cylinder control means, when the air-fuel mixture is ignited substantially simultaneously for all the combustion target cylinders stopped in the above-described stroke, explosion and combustion are performed in these combustion target cylinders substantially simultaneously. The piston is pushed down, and the output shaft is driven to rotate. A large torque is required to rotate the output shaft without inertia force, but since combustion is performed substantially simultaneously in a plurality of combustion target cylinders that are stopped during the process of enabling the output shaft to rotate, a large torque is required. The output shaft is driven to rotate. Therefore, rotation of the output shaft for starting the engine is possible without using a starter for starting the engine.
[0020]
In the invention described in claim 7, in the invention described in claim 6, it is assumed that the stroke that enables the output shaft to rotate is the first half of the expansion stroke.
According to the above configuration, the volume of the combustion chamber is reduced with the engine valve closed, and the air in the combustion chamber is compressed in the first half of the expansion stroke in which the piston is in the process of descending. Therefore, when the internal combustion engine is started, when fuel is injected and ignited in all the cylinders to be burned, explosion and combustion are reliably performed, the corresponding piston is pushed down, and the output shaft is driven to rotate.
[0021]
In the invention described in claim 8, in the invention described in claim 6 or 7, the phase control means sets the phase changed at the time of the engine stop to a predetermined rotation speed of the output shaft at the time of the engine start. The variable cylinder control means keeps the combustion until substantially exceeding the predetermined value at the time of starting the engine until the rotation speed of the output shaft exceeds the predetermined value.
[0022]
According to the above configuration, when the internal combustion engine is started, the substantially simultaneous combustion of all the combustion target cylinders is continued, so that the rotation speed of the output shaft is increased. This type of combustion is continued until the rotation speed of the output shaft exceeds a predetermined value. When the rotation speed of the output shaft becomes equal to or higher than a predetermined value, the combustion in the above-described mode is stopped and the output shaft is rotated by inertia even if combustion is performed for each cylinder. Variable cylinder control and phase control according to the number of operating cylinders can be performed.
[0023]
According to a ninth aspect of the present invention, in the invention according to the sixth or seventh aspect, the phase control means converts the phase changed when the engine is stopped to the number of times of combustion or the number of times of combustion per hour when the engine is started. Is maintained until a predetermined value is exceeded, and the variable cylinder control means continues the phase changed when the engine is stopped until the number of combustions or the number of combustions per time exceeds the predetermined value. I do.
[0024]
According to the above configuration, when the internal combustion engine is started, the substantially simultaneous combustion of all the combustion target cylinders is continued, so that the rotation speed of the output shaft is increased. The combustion in this mode is continued until the number of times of combustion or the number of times of combustion per hour exceeds a predetermined value. When the above condition is satisfied, the combustion in the above-described mode is stopped, and the output is rotated by inertia even if the combustion is performed one by one. Therefore, the variable cylinder control according to the engine operating state, and Phase control according to the number of operating cylinders becomes possible.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, a vehicle includes a gasoline engine (hereinafter simply referred to as a four-cylinder of a
[0026]
The
[0027]
On the other hand, in the engine body, crank
[0028]
[0029]
Each of the
[0030]
As shown in FIG. 1, each
[0031]
A
[0032]
The
[0033]
The
[0034]
In each movement direction conversion mechanism A, the downward movement of the
[0035]
In the process in which the swing of the
[0036]
While the
[0037]
In the intake stroke, the
[0038]
In the expansion stroke, ignition is performed by the ignition plug 39 with both the intake and
[0039]
Here, a cylinder in which a series of combustion strokes is performed as described above is referred to as a working cylinder. On the other hand, in the
[0040]
A series of strokes for the combustion described above is performed at different timings (rotation angles of the output shaft 14) for each of the
[0041]
FIG. 5 shows the rotation angle of the
[0042]
FIG. 6 shows the rotation angle and stroke of the
[0043]
Further, in the
[0044]
As described above, in the present embodiment, the movement direction conversion mechanism A provided with the
[0045]
By changing the energization timing, for example, based on the crank angle phases of the crank pins 24a and 25a corresponding to the
[0046]
When the number of operating cylinders is “2”, as shown in FIGS. 7A and 7B, the crank angle phases of the crank pins 23a and 26a corresponding to the
[0047]
When the number of operating cylinders is "3", as shown in FIGS. 9A and 9B, the crank angle phase of the
[0048]
By the way, a battery (not shown) is mounted on a vehicle as a power source of various electric devices. The various electric devices include an ECU 55 described later. The supply and stop of electric power from the battery to various electric devices are performed in response to the operation of an ignition switch (SW) 44 shown in FIG. 1 by the driver. As is well known, the
[0049]
The vehicle is provided with various sensors other than the above-described
[0050]
As shown in FIG. 1, an
[0051]
An electronic control unit (ECU) mainly composed of a microcomputer for controlling various parts of the vehicle including the
[0052]
Next, the operation of the present embodiment configured as described above will be described.
11 and 12 show a routine for controlling the operation of the
[0053]
In the start control, all the
[0054]
In the start control, the ECU 55 first determines whether or not an engine start condition is satisfied in
[0055]
At this time, since the explosion and combustion are performed almost simultaneously by the fuel injection and the ignition for the two cylinders and the
[0056]
Next, at
[0057]
In the normal control, first, in step 115, the ECU 55 calculates the target number of operating cylinders based on the operating state at that time. In this calculation, for example, a map shown in FIG. 10 is referred to. In this map, the operating range of the
[0058]
Next, in
[0059]
When the target number of operating cylinders is “3”, as shown in FIGS. 9A and 9B, the target crank angle phase of the
[0060]
Next, in
[0061]
Further, when the target number of operating cylinders is changed from "4" or "2" to "3", fuel injection and ignition are performed between the operating
[0062]
When the target number of operating cylinders is changed from “3” to “4” or “2”, the number of
[0063]
In
On the other hand, if the determination condition in
[0064]
Then, after the processing of
[0065]
Here, in general, if the explosion intervals between the working
[0066]
More specifically, when the number of operating cylinders is changed, the explosion interval between the operating
[0067]
On the other hand, in the present embodiment, the crank angle phase is changed in accordance with the change in the number of operating cylinders so that the phase interval becomes uniform among the operating
[0068]
In the stop control, the ECU 55 first determines in
[0069]
On the other hand, if the determination condition in
[0070]
As described above, when the crank angle phase is changed when the
[0071]
In the above-described engine control routine, the processing of
[0072]
According to the embodiment described above, the following effects can be obtained.
(1) The number of operating cylinders is changed according to the operating state of the
[0073]
Further, by changing the crank angle phase of the crank pins 23a to 26a in accordance with the change in the number of operating cylinders, the phase with respect to the rotation of the
[0074]
(2) Related to the above (1), the difference between the phase in a predetermined operating cylinder and the phase in another operating cylinder is defined as a phase interval, and the phase interval is made different before and after the phase change, thereby enabling operation. The explosion interval between cylinders is changed. Therefore, by changing the phase interval so as to have an appropriate explosion interval, the torque fluctuation can be reduced, and the above-mentioned effect (1) can be further ensured.
[0075]
(3) According to the change in the number of operating cylinders, the phase is changed so that the phase interval is substantially equal between the operating
[0076]
(4) The phase interval is increased according to the control for reducing the number of operating cylinders. Therefore, when the number of operating cylinders is reduced from, for example, “4” to “3”, no explosion is performed for the inactive cylinder (# 2). Is larger than before the change. However, by increasing the phase interval as described above, it becomes possible to make the explosion intervals substantially uniform for the reduced operating cylinders.
[0077]
(5) The phase interval is reduced according to control for increasing the number of operating cylinders. Therefore, when the number of operating cylinders is increased from, for example, "3" to "4", the cylinder (# 2) which has been inactive up to that time also explodes, and under the uniform explosion interval, the number of operating cylinders increases. Explosion interval after change is smaller than before. However, by reducing the phase interval as described above, it is possible to make the explosion intervals substantially equal for the increased number of operating cylinders.
[0078]
(6) If it is attempted to change the number of operating cylinders without changing the crank angle phase, the number of operating cylinders that can equalize the explosion intervals between
[0079]
In this regard, in this embodiment, as described above, the crank angle phase is changed according to the change in the number of operating cylinders so that the explosion and combustion are performed at substantially equal angular intervals regardless of the number of operating cylinders. I have to. When the number of operating cylinders is “3”, explosion and combustion are performed every 240 ° (see FIG. 5). Therefore, in the variable cylinder control, the explosion intervals between the working
[0080]
(7) When the engine is started, all the
[0081]
(8) The “first half of the expansion stroke” is the stroke in which the
[0082]
(9) The phase changed when the engine is stopped is held until the engine rotation speed NE exceeds a predetermined value α at the time of the next engine start. Further, the combustion performed substantially simultaneously in all the combustion target cylinders when the engine is started is continued until the engine speed NE exceeds the predetermined value α. Therefore, if the engine rotation speed NE increases and exceeds a predetermined value α due to this continuation, the
[0083]
Note that the present invention can be embodied in another embodiment described below.
-When the specific cylinder is stopped in the variable cylinder control, the fuel injection and the ignition to the same cylinder are stopped. At this time, the
[0084]
-The target number of operating cylinders may be calculated by a method different from the above embodiment. For example, the engine load in the map of FIG. 10 described above may be changed to the required torque required for the
[0085]
In the three-cylinder operation in which the
[0086]
The present invention is not limited to four cylinders but is applicable to engines having a plurality of cylinders.
As the variable phase mechanism for changing the crank angle phase, a mechanism having a configuration different from that of the above embodiment may be used.
[0087]
For example, the electromagnetic clutch 28 in the movement direction conversion mechanism A of the embodiment is replaced with a one-way clutch that locks when the swing of the
[0088]
The number of combustion target cylinders that perform combustion substantially simultaneously when the
[0089]
The process of
[0090]
Even if the processing content of
[0091]
The present invention is not limited to the four-cycle engine described above, but is also applicable to a so-called two-cycle engine in which a combustion cycle is performed once while the piston makes one reciprocation. In this case, in the combustion cycle, each piston rises to compress the air-fuel mixture, and each piston that receives the pressure (combustion pressure) generated by combustion in the combustion chamber descends to take out effective work. It consists of an explosion (expansion) process.
[0092]
The present invention is widely applicable to a device that changes the phase (crank angle phase) according to a change in the operating state of the engine. Here, the operating state is typically changed by the above-described control for changing the number of operating cylinders (variable cylinder control). In addition, the operating state also changes depending on the variable compression ratio, misfire, variable air-fuel ratio, various failures, variable ignition timing, variable valve timing, fuel injection timing, supercharging state, variable air-fuel ratio of only a specific cylinder, and the like.
[0093]
When the operating state changes, the output torque changes. Due to this change, the output torque of some cylinders may be lower than the output torque of other cylinders. For example, in the case of the variable cylinder control, the idle cylinder corresponds to the above-mentioned partial cylinder, and the working cylinder corresponds to the above-mentioned other cylinder. Therefore, from this viewpoint, it can be said that the variable cylinder control is a control for changing the output torque generated in each cylinder (output torque control). In this case, the change of the crank angle phase by the phase variable mechanism is controlled so that the crank angle phase corresponds to the output torque generated in each cylinder. In particular, when performing control to reduce the output torque by reducing the number of working cylinders, the phase variable mechanism is controlled so that the crank angle phase changes to the side where the explosion intervals of the working cylinders are equal. This can be realized, for example, by changing the phase of each operating cylinder so that the interval between the explosion timing of some cylinders and the explosion timing of other cylinders becomes narrow.
[0094]
-A cylinder different from the above-described embodiment may be set as the idle cylinder.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an embodiment embodying the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view showing a movement direction conversion mechanism.
FIG. 3 is a partial perspective view of a movement direction conversion mechanism.
FIGS. 4A and 4B are explanatory diagrams showing the relationship between the rotation angle of the output shaft and the stroke of each cylinder when the number of operating cylinders is “4”.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the rotation angle of the output shaft and the stroke of each cylinder when the number of operating cylinders is “3”.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the rotation angle of the output shaft and the stroke of each cylinder when the number of operating cylinders is “2”.
FIG. 7A is a schematic perspective view schematically showing the form of each crank member when the number of operating cylinders is set to “2” or “4” (during normal operation); FIG. 4 is an explanatory diagram showing a crank angle phase of a crank pin in those crank members.
8A is a schematic perspective view schematically showing the configuration of each crank member when the number of operating cylinders is “4” (when the engine is started), and FIG. 8B is a schematic perspective view of the crankpins of those crank members. Explanatory drawing which shows a crank angle phase.
9A is a schematic perspective view schematically showing the configuration of each crank member when the number of operating cylinders is “3”, and FIG. 9B shows the crank angle phase of each crank pin in those crank members. FIG.
FIG. 10 is a schematic diagram showing a map structure of a map used for determining the number of operating cylinders.
FIG. 11 is a flowchart showing a procedure for controlling the engine.
FIG. 12 is a flowchart showing a procedure for controlling the engine.
[Explanation of symbols]
11: engine (internal combustion engine), 12: piston, 14: output shaft, 55: ECU (variable cylinder control means, phase control means), A: movement direction conversion mechanism (variable phase mechanism), # 1: first cylinder, # 2: second cylinder, # 3: third cylinder, # 4: fourth cylinder, NE: engine speed (rotation speed of output shaft), α: predetermined value.
Claims (9)
前記内燃機関の運転状態に応じて稼動気筒数を変更する可変気筒制御手段と、
前記稼動気筒における前記一連の行程の前記出力軸の回転に対する位相を変更する位相可変機構と、
前記可変気筒制御手段による稼動気筒数の変更に応じて前記位相可変機構による位相を可変制御する位相制御手段と
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。A plurality of cylinders are provided, and is used for an internal combustion engine in which a series of strokes for combustion is performed for each cylinder with reciprocation of a piston in each cylinder and an output shaft is rotated,
Variable cylinder control means for changing the number of operating cylinders according to the operating state of the internal combustion engine,
A phase variable mechanism that changes a phase with respect to rotation of the output shaft in the series of strokes in the working cylinder;
A control device for an internal combustion engine, comprising: phase control means for variably controlling the phase by the variable phase mechanism in accordance with a change in the number of operating cylinders by the variable cylinder control means.
前記位相制御手段は、前記内燃機関の停止に際し、全ての前記燃焼対象気筒の行程が機関始動時に前記出力軸を回転可能にする行程となるように前記位相を変更するものである請求項1〜5のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。The variable cylinder control means, when the internal combustion engine is started, all cylinders are working cylinders, and at least two working cylinders are combustion target cylinders that perform combustion substantially simultaneously,
The phase control means, when the internal combustion engine is stopped, changes the phase so that the strokes of all of the combustion target cylinders become strokes that allow the output shaft to rotate when the engine is started. 6. The control device for an internal combustion engine according to any one of 5.
前記可変気筒制御手段は、前記機関始動時に前記燃焼対象気筒で略同時に行う燃焼を、前記出力軸の回転速度が前記所定値を越えるまで継続する請求項6又は7に記載の内燃機関の制御装置。The phase control means holds the phase changed at the time of stopping the engine until the rotation speed of the output shaft exceeds a predetermined value at the time of starting the engine,
8. The control device for an internal combustion engine according to claim 6, wherein the variable cylinder control means continues the combustion performed substantially simultaneously in the combustion target cylinder at the time of starting the engine until the rotation speed of the output shaft exceeds the predetermined value. 9. .
前記可変気筒制御手段は、前記機関停止の際に変更した前記位相を、前記燃焼回数又は時間当たりの燃焼回数が前記所定値を越えるまで継続する請求項6又は7に記載の内燃機関の制御装置。The phase control means holds the phase changed at the time of stopping the engine until the number of times of combustion or the number of times of combustion per time exceeds a predetermined value at the time of starting the engine,
8. The control device for an internal combustion engine according to claim 6, wherein the variable cylinder control means continues the phase changed when the engine is stopped until the number of combustions or the number of combustions per time exceeds the predetermined value. .
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