JP2005163695A - 内燃機関の圧縮比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可変圧縮比機構のアクチュエータを小型化するとともに、その駆動に伴う消費エネルギを低減して燃費を向上させる。
【解決手段】ピストンの上死点位置を上下させることで内燃機関の機械的な圧縮比を連続的に変更可能な複リンク式ピストン−クランク機構を利用した可変圧縮比機構を備える。制御装置は、機関運転条件に応じて、目標圧縮比を高・低の２段階に切り換える。目標圧縮比マップは、負荷増加時（ａ）と負荷減少時（ｂ）とで異なる特性であり、負荷増加時は、負荷増加に対し、中間負荷で高圧縮比から低圧縮比へ切り換えられるが、負荷減少時は、アクセルペダル開度が０となる負荷で低圧縮比から高圧縮比へ切り換えられる。ピストンに作用する燃焼圧力が小さいので、アクチュエータの駆動力が小さくなる。
【選択図】図４

Description

この発明は、内燃機関の機械的な圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を備えた内燃機関の圧縮比制御装置に関する。

レシプロ式内燃機関の熱効率つまり燃費を向上するとともに、ノッキング等の異常燃焼を回避するために、機関運転条件に応じて最適な圧縮比に可変制御し得る可変圧縮比内燃機関が、例えば特許文献１、特許文献２に開示されている。このような可変圧縮比内燃機関の制御装置においては、例えば機関運転条件として機関回転速度および負荷をパラメータとして目標圧縮比が設定され、この目標圧縮比となるように、可変圧縮比機構のアクチュエータが制御されることになる。一般に部分負荷時には、熱効率向上のために高圧縮比に制御され、高負荷時には、ノッキング回避のために低圧縮比に制御される。
特公平７−７２５１５号公報 特開２００２−２２７６７４号公報

上記のような可変圧縮比機構においては、ピストンが受ける燃焼圧力がアクチュエータに反力として作用するため、低圧縮比状態から高圧縮比状態へ制御する際にアクチュエータに必要な駆動力が、高圧縮比状態から低圧縮比状態へ制御する際の駆動力よりも相対的に大きく、それだけ大型のアクチュエータが必要になるとともに、アクチュエータの駆動に要する消費エネルギが大きい、という問題があった。

そこで、第１の発明では、負荷変化に対する圧縮比の切換にヒステリシスを与え、燃焼圧力によってアクチュエータの駆動力が増大する方向の圧縮比制御を、燃焼圧力が小さな条件のときに行うようにした。

すなわち、第１の発明は、内燃機関の圧縮比を連続的に変更することが可能な可変圧縮比機構を備え、かつ、機関運転条件に応じて、目標圧縮比を段階的に切り換える内燃機関の圧縮比制御装置において、負荷変化に対する上記目標圧縮比の段階的な切換にヒステリシスを付与し、高圧縮比から低圧縮比側への変化方向における切換点の負荷に比較して、低圧縮比から高圧縮比側への変化方向における切換点の負荷を、相対的に低く設定したことを特徴としている。

負荷が低い状態では、燃焼圧力も小さなものとなり、低圧縮比状態から高圧縮比状態へ制御する際にピストンからアクチュエータへ作用する反力が小さく、アクチュエータに要求される駆動力が小さくなる。

また、第２の発明は、負荷変化に対する目標圧縮比の段階的な切換を、高圧縮比から低圧縮比側への方向の変化については負荷の増加に応じて行い、低圧縮比から高圧縮比側への目標圧縮比の切換は、アクセルペダル開度が０であるときに行うことを特徴としている。

アクセルペダル開度が０であるときには、燃焼圧力が極小もしくは負（いわゆるエンジンブレーキ状態）であるので、低圧縮比状態から高圧縮比状態へ制御する際にピストンからアクチュエータへ作用する反力が小さく、アクチュエータに要求される駆動力が最小となる。

また、低圧縮比から高圧縮比側への目標圧縮比の切換を、アクセルペダル開度が０であることに加えて、燃料カットを条件として行うようにしてもよい。

また第３の発明は、負荷変化に対する目標圧縮比の段階的な切換の際に、可変圧縮比機構のアクチュエータの動作に伴う該アクチュエータの駆動力に相当するアクチュエータ駆動力パラメータを検出し、このアクチュエータ駆動力パラメータが所定値以下となるように、上記目標圧縮比の切換を行う負荷を学習補正することを特徴としている。

すなわち、内燃機関の負荷が切換点となる負荷の値以下となると、目標圧縮比が高圧縮比側に切り換えられ、これに伴いアクチュエータが動作するが、燃焼圧力による反力等によって、実際に要求されるアクチュエータの駆動力が過大であれば、目標圧縮比の切換を行う負荷をより低くするように学習補正が行われ、次回以降は、より低い負荷で高圧縮比側への切換が実行されるようになる。

また、第１〜第３の発明において、内燃機関の有効圧縮比が低くなるように吸気弁のバルブリフト特性を変更可能な可変動弁機構をさらに備え、上記目標圧縮比の切換時に、有効圧縮比が低くなるように制御するようにしてもよい。このように有効圧縮比を低下させることで、アクチュエータの駆動力がより小さくなる。

本発明によれば、圧縮比の制御とりわけ低圧縮比状態から高圧縮比状態へ制御する際にアクチュエータに要求される駆動力が小さくなり、アクチュエータの小型化が可能になるとともに、アクチュエータの駆動に要する消費エネルギが低減し、内燃機関の燃費が向上する。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る内燃機関の圧縮比制御装置に用いられる可変圧縮比機構の構成を示している。なお、この可変圧縮比機構自体は、前述した特許文献２等によって公知となっているものである。

この可変圧縮比機構は、複リンク式ピストン−クランク機構を利用したもので、シリンダブロック１のシリンダ２内を摺動するピストン３にピストンピン４を介して一端が連結されたアッパリンク５と、このアッパリンク５の他端に連結ピン６を介して連結されるとともに、クランクシャフト７のクランクピン８に回転可能に連結されたロアリンク９と、このロアリンク９の自由度を制限するために該ロアリンク９にさらに連結ピン１０を介して一端が連結され、かつ他端が内燃機関本体に揺動可能に支持されたコントロールリンク１１と、を備えており、上記コントロールリンク１１の揺動支持位置が制御軸１２の偏心カム部１３によって可変制御される構成となっている。

上記制御軸１２はクランクシャフト７と平行に配置され、かつシリンダブロック１に回転自在に支持されている。そして、この制御軸１２は、歯車機構１４を介して、電動モータからなるアクチュエータ１５によって回転方向に駆動され、その回転位置が制御されるようになっている。

上記構成の可変圧縮比機構では、上記制御軸１２の回転位置つまり偏心カム部１３の位置によってコントロールリンク１１下端の揺動支持位置が変化し、ロアリンク９の初期の姿勢が変わるため、これに伴ってピストン３の上死点位置、ひいては圧縮比が変化する。図２は、上記可変圧縮比機構が高圧縮比に制御された状態を示し、図３は、低圧縮比に制御された状態を示している。なお、図２および図３は、アクチュエータ部分が図１の構成とは異なり、図外のアクチュエータ１５の回転によってロッド２１が軸方向に進退し、制御軸１２に固定されたリンクレバー２２を介して制御軸１２が回転方向に駆動される構成例を示している。

次に、図４の目標圧縮比マップを参照して、上記可変圧縮比機構による圧縮比制御の第１実施例について説明する。

上記可変圧縮比機構は、上述したように、圧縮比を連続的に変化させることが可能であるが、本実施例では、目標圧縮比が機関運転条件に応じて、段階的に切り換えられる。従って、アクチュエータ１５は、段階的にその回転位置が切り換えられることになる。なお、以下の各実施例では、説明の簡略化のために、圧縮比を高・低の２段階に切り換えるものとして説明するが、これに限らず、より多段階に切換制御することが可能である。

図４は、機関運転条件として機関回転速度と負荷とをパラメータとして設定された目標圧縮比マップを示しており、特に、（ａ）に示す負荷増加時の目標圧縮比マップと、（ｂ）に示す負荷減少時の目標圧縮比マップと、で互いに異なる特性に設定されている。つまり、負荷変化に対する目標圧縮比の高・低の切換の特性に大きなヒステリシスが付与されており、高圧縮比から低圧縮比への切換の場合は、図（ａ）のように、負荷の増加に応じて高圧縮比から低圧縮比へ切り換わるのに対し、低圧縮比から高圧縮比への切換の場合は、図（ｂ）のように、負荷が中間値で変化しても切り換わらず、アクセルペダル開度０に相当する極小負荷になったときに、高圧縮比に切り換わるように、それぞれの切換点Ｐが設定されている。換言すれば、図（ａ）の負荷増加時の目標圧縮比マップでは、高・低の目標圧縮比の切換点Ｐが中間負荷に設定されているのに対し、図（ｂ）の負荷減少時の目標圧縮比マップでは、高・低の目標圧縮比の切換点Ｐがアクセルペダル開度０に相当する極小負荷に設定されている。

従って、この実施例では、負荷増加時には、図（ａ）の目標圧縮比マップを参照してアクチュエータ１５を制御し、負荷減少時には、図（ｂ）の目標圧縮比マップを参照してアクチュエータ１５を制御することによって、実質的に、低圧縮比から高圧縮比への切換は、アクセルペダル開度が０となったときにのみ実行されることになる。

アクセルペダル開度が０の状態では、燃焼圧力は非常に小さいので、実際にアクチュエータ１５が動作して低圧縮比状態から高圧縮比状態へ可変圧縮比機構を変更する際のアクチュエータ１５の駆動力が軽減される。

また、アクセルペダル開度が０であることに加えて、燃料カットが行われていることを条件として、高圧縮比側への目標圧縮比の切換を許容するようにしてもよい。周知のように、燃料カットは、アクセルペダル開度が０でかつ機関回転速度が所定値以上である等の条件を満たす所定の減速時に実行されるものであり、例えば、車両停止中のアイドル運転では、アクセルペダル開度が０であっても、燃料カットは行われない。

図５は、この燃料カットを条件とした圧縮比制御の第２実施例を示すフローチャートであり、まず、ステップ１で、内燃機関の運転条件つまり回転速度と負荷とを読み込む。この運転条件に基づき、例えば図４（ａ）のような目標圧縮比マップを参照して、高圧縮比とすべき条件か低圧縮比とすべき条件かが判別される。次に、ステップ２で、そのときの実圧縮比（高・低のいずれであるか）を読み込み、ステップ３で、圧縮比を増加する必要があるか、つまり低圧縮比から高圧縮比へ切り換える必要があるか判定する。圧縮比を増加すべき場合は、ステップ４へ進んで、アクセルペダル開度が０で、かつ燃料カットが実行されているか判定する。そして、アクセルペダル開度が０で、かつ燃料カットが実行されている場合には、ステップ５へ進み、アクチュエータ１５による高圧縮比側への圧縮比切換を実行する。なお、ステップ３で、高圧縮比から低圧縮比への切換であると判定した場合には、図示せぬ他のルーチンによって、低圧縮比側への切換を行う。また、ステップ４でＮＯの場合は、アクチュエータ１５をそのままの状態に保持する。

図６は、運転中にピストン３に作用する力（ピストン作用力）を、内燃機関の燃焼時と非燃焼時（燃料カット時等）とで対比して示した説明図である。なお、上記ピストン作用力は、前述したように、最終的には、アクチュエータ１５へ作用する力となる。図中上向き矢印は、ピストン３が可変圧縮比機構の高圧縮比方向に引っ張られる力であり、アクチュエータ１５を高圧縮比側に動かす方向に作用する。一方、図中下向き矢印は、ピストン３が可変圧縮比機構の低圧縮比方向に付勢される力であり、アクチュエータ１５を低圧縮比側に動かす方向に作用する。

まず、吸気行程では、燃焼時は負圧（従ってピストン作用力は高圧縮比側）となり、過給されている場合は正圧（ピストン作用力は低圧縮比側）となる。一方、非燃焼時は、アクセルペダル全閉であってスロットル弁も全閉であるから、負圧（ピストン作用力は高圧縮比側）となる。

圧縮行程では、燃焼時および非燃焼時のいずれも、圧縮初期にシリンダ内が負圧の場合は、負圧（ピストン作用力は高圧縮比側）となるが、最終的には圧縮作用により下向き矢印の力となり、可変圧縮比機構の低圧縮比側へ作用する。

膨張行程では、燃焼時は、燃焼ガスにより膨張仕事がピストン３に対してなされるため、低圧縮比側への作用力（下向き矢印）となるが、非燃焼時は、圧縮された作動ガスによりピストン作用力の方向は正負に変化する。

排気行程では、燃焼時は、排圧があり、ピストン作用力は低圧縮比側への方向となるが、非燃焼時は、排圧がゼロのため、ピストン作用力はない。

以上の各行程をまとめると、非燃焼時は高圧縮比側へのピストン作用力が最大となり、可変圧縮比機構を高圧縮比側へ変化させるためにアクチュエータ１５に要求される駆動力が最小となる。なお、エンジン負荷がマイナスの場合（所謂エンジンブレーキとして作用する間）は、吸気行程での吸入負圧が大となり、ピストン作用力が高圧縮比側へさらに大きなものとなる。

ところで、非燃焼時であっても、低圧縮比から高圧縮比へアクチュエータ１５を動作させる際には、圧縮行程での圧縮圧力を低下させることが望ましい。そこで、このような目標圧縮比の切換時に、吸気弁のバルブリフト特性を一時的に変更して内燃機関の有効圧縮比を同時に低下させることが好ましい。有効圧縮比を変化させる具体的な手段としては、例えば、内燃機関の吸気弁側の動弁装置に公知の可変動弁機構を設け、吸気弁の閉時期を、所謂早閉じもしくは遅閉じによって上死点側に近付けることにより、有効圧縮比を小さくすることが可能である。例えば、特開平１０−１８４４０４号公報等によって公知となっているようなカムシャフトのクランクシャフトに対する位相を回転型アクチュエータにより遅進させる形式の可変動弁機構を利用することができる。

図７は、このような有効圧縮比の低下を同時に行うようにした第３実施例の制御フローチャートであり、まず、ステップ１で、内燃機関の運転条件つまり回転速度と負荷とを読み込む。この運転条件に基づき、例えば図４（ａ）のような目標圧縮比マップを参照して、高圧縮比とすべき条件か低圧縮比とすべき条件かが判別される。次に、ステップ２で、そのときの実圧縮比（高・低のいずれであるか）を読み込み、ステップ３で、圧縮比を増加する必要があるか、つまり低圧縮比から高圧縮比へ切り換える必要があるか判定する。圧縮比を増加すべき場合は、ステップ４へ進んで、アクセルペダル開度が０で、かつ燃料カットが実行されているか判定する。そして、アクセルペダル開度が０で、かつ燃料カットが実行されている場合には、ステップ５へ進み、例えば吸気弁側のバルブリフト特性の変更により有効圧縮比を低下させた後、ステップ６において、アクチュエータ１５による高圧縮比側への圧縮比切換を実行する。なお、前述したように、ステップ３で、高圧縮比から低圧縮比への切換であると判定した場合には、図示せぬ他のルーチンによって、低圧縮比側への切換を行う。また、ステップ４でＮＯの場合は、アクチュエータ１５をそのままの状態に保持する。

次に、図８は、実際にアクチュエータ１５を動作させたときのアクチュエータ１５の駆動力の大小から、目標圧縮比の切換点となる負荷を学習補正するようにした第４実施例の制御フローチャートを示している。なお、アクチュエータ１５の駆動力を示すパラメータとして、例えば、アクチュエータ１５が電動モータであれば、電流、モータ発熱量、応答速度、等によってアクチュエータ１５の実際の駆動力を検知することができ、アクチュエータ１５が油圧アクチュエータであれば、応答速度等によって、同様に実際の駆動力を検知することができる。

まず、ステップ１で、内燃機関の運転条件つまり回転速度と負荷とを読み込む。この運転条件に基づき、例えば図４（ａ）のような目標圧縮比マップを参照して、高圧縮比とすべき条件か低圧縮比とすべき条件かが判別される。次に、ステップ２で、そのときの実圧縮比（高・低のいずれであるか）を読み込み、ステップ３で、圧縮比を増加する必要があるか、つまり低圧縮比から高圧縮比へ切り換える必要があるか判定する。圧縮比を増加すべき場合は、ステップ４へ進んで、低圧縮比状態から高圧縮比状態となるように実際にアクチュエータ１５を動作させる。

そして、ステップ５で、上述した電流や応答速度等のアクチュエータ駆動力相当のパラメータから、アクチュエータ駆動力の余力（所定の駆動力限界との差）を求める。次に、ステップ６で、この駆動力の余力が、規定値以上であるか判別し、規定値以上の余力があれば、ステップ７に進んで、目標圧縮比（高圧縮比側）に達するまでアクチュエータ１５を駆動して、高圧縮比に切り換える。さらに、ステップ８で、切換点（図４（ａ）の切換点Ｐ参照）となる負荷の値を、所定量だけ増加して学習する。従って、次回は、より高い負荷の切換点において、低圧縮比から高圧縮比への切換が試みられる。

一方、ステップ６で駆動力の余力が規定値未満であれば、ステップ９へ進み、アクチュエータ１５を直ちに停止する。つまり、高圧縮比側に切り換えられない状態で、アクチュエータ１５が停止する。そして、ステップ１０で、切換点となる負荷の値を、所定量だけ小さく補正して学習する。従って、次回は、より低い負荷の切換点において、低圧縮比から高圧縮比への切換が試みられる。なお、前述したように、ステップ３で、高圧縮比から低圧縮比への切換であると判定した場合には、図示せぬ他のルーチンによって、低圧縮比側への切換を行う。

このようにアクチュエータ駆動力相当のパラメータに基づいて切換点となる負荷を学習補正することにより、結果的に、負荷減少時に、許容範囲内の駆動力となるレベル以下の負荷において、低圧縮比から高圧縮比への切換が実行されることになり、実質的に、図４で説明した実施例と同様に、ヒステリシスが与えられる形となる。

なお、本発明は、上記のような複リンク式ピストン−クランク機構を利用した可変圧縮比機構に限られず、種々の形式の可変圧縮比機構を用いた圧縮比制御装置に適用することが可能である。

この発明に適用される可変圧縮比機構の一例を示す構成説明図。 高圧縮比に制御された状態を示す説明図。 低圧縮比に制御された状態を示す説明図。 第１実施例の負荷増加時（ａ）と負荷減少時（ｂ）の目標圧縮比マップ。 第２実施例の制御フローチャート。 燃焼時と非燃焼時のピストンに作用する力の説明図。 第３実施例の制御フローチャート。 第４実施例の制御フローチャート。

符号の説明

３…ピストン
５…アッパリンク
９…ロアリンク
１１…コントロールリンク
１２…制御軸
１５…アクチュエータ

Claims (7)

1. 内燃機関の圧縮比を連続的に変更することが可能な可変圧縮比機構を備え、かつ、機関運転条件に応じて、目標圧縮比を段階的に切り換える内燃機関の圧縮比制御装置において、
   負荷変化に対する上記目標圧縮比の段階的な切換にヒステリシスを付与し、高圧縮比から低圧縮比側への変化方向における切換点の負荷に比較して、低圧縮比から高圧縮比側への変化方向における切換点の負荷を、相対的に低く設定したことを特徴とする内燃機関の圧縮比制御装置。
2. 内燃機関の圧縮比を連続的に変更することが可能な可変圧縮比機構を備え、かつ、機関運転条件に応じて、目標圧縮比を段階的に切り換える内燃機関の圧縮比制御装置において、
   負荷変化に対する上記目標圧縮比の段階的な切換を、高圧縮比から低圧縮比側への方向の変化については負荷の増加に応じて行い、低圧縮比から高圧縮比側への目標圧縮比の切換は、アクセルペダル開度が０であるときに行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の圧縮比制御装置。
3. 低圧縮比から高圧縮比側への目標圧縮比の切換を、さらに、燃料カットを条件として行うことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の圧縮比制御装置。
4. アクセルペダル開度が０となったときに低圧縮比から高圧縮比側への目標圧縮比の切換が開始されることを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の圧縮比制御装置。
5. 内燃機関の圧縮比を連続的に変更することが可能な可変圧縮比機構を備え、かつ、機関運転条件に応じて、目標圧縮比を段階的に切り換える内燃機関の圧縮比制御装置において、
   負荷変化に対する上記目標圧縮比の段階的な切換の際に、上記可変圧縮比機構のアクチュエータの動作に伴う該アクチュエータの駆動力に相当するアクチュエータ駆動力パラメータを検出し、このアクチュエータ駆動力パラメータが所定値以下となるように、上記目標圧縮比の切換を行う負荷を学習補正することを特徴とする内燃機関の圧縮比制御装置。
6. 内燃機関の有効圧縮比が低くなるように吸気弁のバルブリフト特性を変更可能な可変動弁機構をさらに備え、上記目標圧縮比の切換時に、有効圧縮比が低くなるように制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の圧縮比制御装置。
7. 上記可変圧縮比機構は、ピストンにピストンピンを介して一端が連結されたアッパリンクと、このアッパリンクの他端に連結され、かつクランクシャフトのクランクピンに回転可能に装着されたロアリンクと、このロアリンクに一端が連結され、かつ他端が、クランクシャフトと平行に配設された制御軸の偏心カム部に揺動可能に支持されたコントロールリンクと、上記制御軸の回転位置を変更するアクチュエータと、を備えて構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の圧縮比制御装置。
   

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