JP2005069131A - 可変圧縮比機構付き内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可変圧縮比機構付き内燃機関で、冷機時の出力、燃費を向上できるようにした。
【解決手段】機関回転速度、アクセル開度、機関水温を順次読込み（Ｓ１〜Ｓ３）、機関回転速度とアクセル開度に基づいて、暖機完了時のノッキング発生限界に適合して高負荷時に低めに設定した基本圧縮比を（Ｓ４）、機関水温に基づいて冷機時には高負荷時でも圧縮比を増加補正する水温補正係数を算出し（Ｓ５）、この水温補正係数を用いて目標圧縮比を増加補正するようにした（Ｓ６）。
【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関に搭載された圧縮比を可変する可変圧縮比機構の制御に関する。

圧縮比を可変にできる内燃機関において、低負荷側を高圧縮比、高負荷側を低圧縮比とすることによって、燃料消費率を向上させつつノッキングを回避するようにしたものがある（特許文献１）。
特開平０７−２２９４３１号公報

しかしながら、従来の圧縮比制御方式では以下のような問題点が発生することがわかった。
長時間車両を放置したような場合は、機関冷却水温度（以下機関水温という）が大気温度レベルまで下がっており、再始動ではその温度から暖機運転を始めるため、始動後直ぐには機関水温は上昇せず、しばらくの間シリンダ内壁温が低いままの運転しなければならない時間帯が必ず発生する。

その期間中は機関の圧縮行程で発生する圧縮熱も、燃料の霧化に使われずに、シリンダ壁より冷却水に逃げてしまう割合が多くなってしまうため、暖機運転中は、暖機後に比べて混合気自身の着火性が低くなっているといえる。
また同時に、シリンダ以外の燃焼室を構成するシリンダヘッド内壁面や、点火プラグ、吸・排気バルブ裏面、ピストン冠面なども同様に温度が低いため、前述した混合気の着火性の低下と併せて、機関水温が低い間は、暖機終了後に比べて高負荷域でもノッキングが発生し難くなっている。

圧縮比を可変にできる内燃機関においては、予め暖機後の平衡状態で機関回転速度や負荷で割り振って、ノッキングの起きない範囲で高出力を得られる最適な目標圧縮比を実験で求めているが、前述した冷機始動後の暖機運転中にその暖機後の平衡目標値を用いてしまうと、実際はもっと圧縮比を高くしてもノッキングが起きないような条件であっても、完全暖機後の比較的低い目標圧縮比を用いてしまうことになる。

その結果、圧縮比可変制御本来の特長を充分生かすことができず、燃費率の悪化や出力の低下などが起きてしまう領域があることが解った。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、冷機状態に適切な圧縮比可変制御を行うことで、ノッキングを抑制しつつ十分な出力を確保できるようにすることを目的とする。

このため本発明は、暖機完了後の機関運転条件に基づいて設定した可変圧縮比機構の目標圧縮比に対して、冷機時の燃焼室壁温度状態に基づいて目標圧縮比を増加補正して設定し、前記可変動弁機構により圧縮比を前記目標圧縮比に制御する構成とした。

かかる構成によると、冷機始動直後の機関水温がまだ低いような冷機時においては、完全暖機後の平衡状態で適合された目標圧縮比の値をそのまま用いること無く、低水温時用に増加補正されるので、暖機後に設定される値よりも高めの目標圧縮比を用いることができ、その結果、燃費率や出力の向上などを図ることができる。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。
図１は、実施形態における可変圧縮比機構付き内燃機関のシステム構成図である。
内燃機関１の吸気通路５５のコンプレッサ５３上流には、吸入空気量を検出するエアフロメータ２が配置され、コンプレッサ５３の下流に介装されるインタークーラ３の下流側に、過給圧を検出する吸気圧センサ４が配置されている。

また、機関１のクランク角を検出するクランク角センサ５と、排気中の酸素濃度を検出する酸素センサ６と、機関水温を検出する水温センサ７と、ノッキングを検出するノッキングセンサ８と、スロットル弁９の開度を検出するスロットル開度センサ１０と、インタークーラ３出口部で吸気温を検出する吸気温センサ６０、機関１を始動（クランキング）するスタータをＯＮ,ＯＦＦするスタータスイッチ６１と、を備えており、これらのセンサ類の検出信号及びバッテリ電圧ＶＢの信号が、機関コントロールモジュール（ＥＣＭ）１１に入力される。

前記内燃機関１は、過給機としてターボ過給機５１を備えている。
このターボ過給機５１は、排気通路５４に位置するタービン５２と吸気通路５５に位置するコンプレッサ５３とを同軸状に配置した構成であり、運転条件に応じて過給圧を制御するために、タービン５２の上流側から排気の一部をバイパスさせる排気バイパス弁５６を備えている。

機関１の吸気ポート部には、各気筒毎に燃料噴射弁１６が設けられ、該燃料噴射弁１６から噴射される燃料によって、燃焼室内に混合気が形成される。
前記燃焼室内に形成された混合気は、点火栓１７による火花点火によって着火燃焼し、燃焼排気は、前記タービン５２に回転エネルギーを与えた後、触媒１９で浄化され、マフラー２０を介して排気中に放出される。

また、本実施形態の内燃機関１には、図２に示す構成の可変圧縮比機構１００が備えられている。
機関１のクランク軸３１は、複数のジャーナル部３２とクランクピン部３３とカウンタウエィト部３１ａとを備えており、図示せぬシリンダブロックの主軸受に、ジャーナル部３２が回転自在に支持されている。

上記クランクピン部３３は、ジャーナル部３２から所定量偏心しており、ここにロアーリンク３４が回転自在に連結されている。
上記ロアーリンク３４は、略中央の連結孔に上記クランクピン部３３が嵌合している。
アッパーリンク３５は、下端側が連結ピン３６によりロアーリンク３４の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン３７によりピストン３８に回動可能に連結されている。

上記ピストン３８は、燃焼圧力を受け、シリンダブロックのシリンダ３９内を往復動する。
制御リンク４０は、上端側が連結ピン４１によりロアーリンク３４の他端に回動可能に連結され、下端側が制御軸４２を介して機関本体例えばシリンダブロックの適宜位置に回動可能に連結されている。

詳しくは、制御軸４２は、小径部４２ｂを中心として回転するように機関本体に支持されており、この小径部４２ｂに対し偏心している大径部４２ａに、上記制御リンク４０下端部が回転可能に嵌合している。
上記のような可変圧縮比機構１００においては、上記制御軸４２がアクチュエータ４３によって回動されると、小径部４２ｂに対して偏心している大径部４２ａの軸中心位置、特に、機関本体に対する相対位置が変化する。

これにより、制御リンク４０の下端の揺動支持位置が変化する。
そして、上記制御リンク４０の揺動支持位置が変化すると、ピストン３８の行程が変化し、ピストン上死点（ＴＤＣ）におけるピストン３８の位置が高くなったり低くなったりする。
これにより、機関圧縮比を吸気行程中においても変えることが可能となる。

かかる構成の内燃機関において、前記機関コントロールモジュール（ＥＣＭ）１１は、各種機関制御（燃料噴射制御、点火制御等）と共に、前記可変圧縮比機構による圧縮比の制御を以下のように実行する。
図３は、基本的な第１の実施形態における圧縮比制御のフローを示す。このフローは、スタータスイッチ６１のＯＮ動作により開始される（他のフローも同様）。

図３において、ステップ(図ではＳと記す。以下同様)１では、クランク角センサ５からのクランク角信号に基づいて検出される機関回転速度ｒＮｅ１を読み込む。
ステップ２では、アクセル開度センサ６１によって検出されるアクセル開度ｒＡＰＯ１を読み込む。
ステップ３では、水温センサ７によって検出される機関水温ｒＴｗ１を読み込む。

ステップ４では、機関回転速度ｒＮｅ１とアクセル開度ｒＡＰＯ１に基づいて、図４の基本目標圧縮比設定マップを参照し、該参照した基本目標圧縮比ｔε０を始動時の目標圧縮比ｔεとして設定する。この基本目標圧縮比ｔε０は、機関負荷を表すアクセル開度ｒＡＰＯ１が大きくなるほど低圧縮比に設定される。
ステップ５では、機関水温ｒＴｗ１に基づいて図５に示したテーブルにより圧縮比の水温補正係数ｈｏｓＴｗε１を算出する。ここで、前記水温補正係数ｈｏｓＴｗε１は、機関水温ｒＴｗ１が低いときほど大きい値（＞１．０）に設定されている。

ステップ６では、前記基本目標圧縮比ｔε０に水温補正係数ｈｏｓＴｗε１を乗算して、最終的な目標圧縮比ｔεを設定する。
このようにすれば、以下のような効果が得られる。すなわち、図６，７に示すように、高水温となる暖機完了後では高負荷域で低圧縮比に制限されているのに対し、低水温時は燃焼室壁温度が低くノッキングが発生しにくくなるので、ノッキング発生限界からの圧縮比増加の余裕代が増大する。そこで、冷機状態から始動した場合におきる実際の水温変化に応じた上記水温補正係数ｈｏｓＴｗε１による高精度な補正により、ノッキング発生限界まで目標圧縮比を暖機完了後より高めに設定することにより、図８に示すように、圧縮比を増大によって発生トルクを増大できることから、機関出力ひいては燃費を向上できる。

図９，図１０は、第２の実施形態における圧縮比制御のフローを示す。
第１の実施形態では、燃焼室壁温度に相関する機関水温ｒＴｗ１として、水温センサ７で検出される検出値を用いたが、本実施形態では、機関水温ｒＴｗ１を機関負荷等から推定して得た推定値を用いる。
したがって、メインフローである図９では、ステップ３’では、水温センサ７から検出値を読込む代わりに水温を演算によって推定し、ステップ５’では、上記推定水温Ｔｗｅｓｔに基づいて前記図５に示したテーブルにより圧縮比の水温補正係数ｈｏｓＴｗε１を算出する。

図１０は、上記推定水温Ｔｗｅｓｔを算出するフローを示す。
ステップ２１では、機関負荷を表す値としてアクセル開度ｒＡＰＯ１を読み込む。
ステップ２２では、本フローの初回かを判定し、初回のときは、ステップ２３で始動後経過時間を計測するタイマーをクリアし（ＴＭＳｔＥＮＧ＝０）、ステップ２４で推定水温負荷分上乗せ量をクリア（ＤＬＴＴｗｅｓｔ１＝０、ＤＬＴＴｗｅｓｔ２＝０）した後、ステップ２５へ進み、２回目以降はステップ２３，２４をジャンプしてステップ２５へ進む。推定水温負荷分上乗せ量の機能については後述する。

ステップ２５では、基本推定水温Ｔｗｅｓｔ０を算出する。具体的には、始動後経過時間に基づいて、図１１に示すテーブルを参照して算出する。図１１は、始動時水温（例えば２０°Ｃ）に対して無負荷運転したときの水温を設定してあり、始動後経過時間が増大するほど増大する。
ステップ２６では、負荷水温補正係数ＨＯＳＡｐｏを算出する。具体的には、負荷（例えばアクセル開度ｒＡＰＯ１）に基づいて、図１２に示すテーブルを参照して算出する。図１２は、暖機運転中の負荷が高いときほど発生熱量による水温上昇度が大きいので大きい値に設定してある。

ステップ２７では、推定水温負荷増加分ＤＬＴＴｗｅｓｔ２を以下のようにして算出する。
まず、次式のように、上記基本推定水温Ｔｗｅｓｔ０に負荷水温補正係数ＨＯＳＡｐｏを乗じた値を、推定水温負荷増加分の今回の上乗せ量ＤＬＴＴｗｅｓｔ１として算出する。

ＤＬＴＴｗｅｓｔ１＝Ｔｗｅｓｔ０×ＨＯＳＡｐｏ
次に、以下のように、上記今回の上乗せ量ＤＬＴＴｗｅｓｔ１を前回の推定水温負荷増加分ＤＬＴＴｗｅｓｔ２に加算して今回の推定水温負荷増加分ＤＬＴＴｗｅｓｔ２を算出する。すなわち、始動後、毎回の負荷による上乗せ分を積算して推定水温負荷増加分を算出する。

ＤＬＴＴｗｅｓｔ２
＝ＤＬＴＴｗｅｓｔ２（前回値）＋ＤＬＴＴｗｅｓｔ１
ステップ２８では、次式のように、上記基本推定水温Ｔｗｅｓｔ０に推定水温負荷増加分ＤＬＴＴｗｅｓｔ２を加算して、推定水温Ｔｗｅｓｔを算出する。
ステップ２９では、以下のように前記始動後経過時間を計測するタイマーＴＭＳｔＥＮＧをインクリメントする。

ＴＭＳｔＥＮＧ＝ＴＭＳｔＥＮＧ（前回値）＋１
そして、上記フローによって、推定水温Ｔｗｅｓｔが算出される毎に、この推定水温Ｔｗｅｓｔを用いて、図９のステップ５’で圧縮比の水温補正係数ｈｏｓＴｗε１が算出される。
このようにすれば、始動後の経過運転時間及び負荷などから、実際の機関水温の値を精度良く予測して、冷機時の目標圧縮比の補正量を算出することができる。このように、水温や燃焼壁などを高価なセンサを用いること無く推定して、コスト低減や部品点数の削減効果などを得ることができる。

また、予め水温センサなどが装着されている機関でも、万一センサの故障やケーブルの断線などが発生した場合であっても、推定した水温に基づいて的確な圧縮比補正量を算出して、燃費率や出力の増大効果を確保することができる。
なお、以上の実施形態では、燃焼室壁温度の代用として機関水温を用いるものを示したが、燃焼により燃焼室壁温度は機関水温に先行して上昇するので、水温センサで検出した実際の水温に、投入負荷量に応じた先行上昇分を増加補正して燃焼室壁温度を推定し、この推定値を用いて冷機時の目標圧縮比を補正する構成としてもよい。

本発明に係る可変圧縮比機構付き内燃機関のシステム構成図。 可変圧縮比機構の機構図。 第１の実施形態での圧縮比制御を示すフローチャート。 機関運転状態に基づいて設定される目標圧縮比の特性を示す線図。 目標圧縮比の機関水温に対する水温補正係数の特性を示す線図。 機関水温と負荷に対する圧縮比とノッキング限界の関係を示す線図。 機関水温とノッキング限界までの圧縮比余裕代の関係を示す線図。 圧縮比と発生トルクの関係を示す線図。 第２の実施形態での圧縮比制御を示すフローチャート。 第２実施形態の機関水温を推定するフローチャート。 無負荷運転時の始動後経過時間に対する水温特性を示す図。 推定水温の暖機運転中の負荷増加による補正係数の特性を示す線図。

符号の説明

１…内燃機関
５…クランク角センサ
７…水温センサ
１０…スロットル開度センサ
１１…機関コントロールモジュール
１６…燃料噴射弁
３４…ロアーリンク
３５…アッパーリンク
４０…制御リンク
４２…制御軸
４３…アクチュエータ
６１…スタータスイッチ
１００…可変圧縮比機構

Claims (6)

1. 圧縮比を可変とする可変圧縮比機構を備えた内燃機関の制御装置であって、
   暖機完了後の機関運転条件に基づいて設定した目標圧縮比に対して、冷機時の燃焼室壁温度状態に基づいて目標圧縮比を増加補正して設定し、前記可変動弁機構により圧縮比を前記目標圧縮比に制御することを特徴とする可変圧縮比機構付き内燃機関の制御装置。
2. 前記冷機時の燃焼室壁温度状態に基づく目標圧縮比の増加補正量を、少なくとも機関冷却水温度を用いて算出することを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比機構付き内燃機関の制御装置。
3. 前記目標圧縮比の増加補正量の算出に、実際に検出した機関冷却水温度を用いることを特徴とする請求項２に記載の可変圧縮比機構付き内燃機関の制御装置。
4. 前記目標圧縮比の増加補正量の算出に、推定した機関冷却水温度を用いることを特徴とする請求項２に記載の可変圧縮比機構付き内燃機関の制御装置。
5. 前記目標圧縮比の増加補正量の算出に用いる機関冷却水温度の推定値を、始動後経過時間により推定される基本値に負荷による増加分を加算して算出することを特徴とする請求項２に記載の可変圧縮比機構付き内燃機関の制御装置。
6. 前記圧縮比可変機構は、
   一端がピストンにピストンピンを介して連結されるアッパリンクと、
   前記アッパリンクの他端が第１連結ピンを介して連結されるとともに、クランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられるロアリンクと、
   このロアリンクに第２連結ピンを介して一端が連結されるとともに、他端が機関本体に対して揺動可能に支持されるコントロールリンクと、
   圧縮比の変更時に、前記コントロールリンクの他端の位置を機関本体に対して変位させる支持位置可変手段と、
   を有することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の可変圧縮比機構付き内燃機関の制御装置。

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