JP2006046193A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トルク低下を伴う点火時期リタードによらずに、加速時に可変圧縮比機構等の作動遅れによるノッキングを回避する。
【解決手段】内燃機関の機械的圧縮比（公称圧縮比）を変化させる可変圧縮比機構と、吸気弁閉時期を変化させる可変動弁機構と、によって、有効圧縮比の可変制御が可能となっている。加速時には、目標となる設定有効圧縮比を低下させるが、実際の有効圧縮比は、可変圧縮比機構や可変動弁機構の作動遅れにより遅れて変化する。実有効圧縮比が設定有効圧縮比よりも高圧縮比側に乖離しているときに、燃料増量補正を行い、ノッキングを回避する。燃料増量補正量は、乖離量に応じて与えられる。
【選択図】図３

Description

この発明は、可変圧縮比機構や可変動弁機構を用いて有効圧縮比を変化させるようにした内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の低中負荷域での熱効率向上を図ると同時に高負荷域でのノッキングを回避するために、機関の機械的な圧縮比つまり公称圧縮比を変化させることができる可変圧縮比機構が種々提案されている。内燃機関の有効圧縮比は、この機械的圧縮比のほか、吸気弁閉時期によっても左右されるので、吸気弁閉時期を可変制御し得る種々の可変動弁機構によって、有効圧縮比を適宜に制御することが可能である。本出願人が先に提案した特許文献１には、可変圧縮比機構による機械的圧縮比の可変制御と可変動弁機構による吸気弁閉時期の可変制御とを組み合わせて、有効圧縮比を適宜に制御するようにした技術が開示されている。

また、特許文献２には、可変圧縮比機構を備えた内燃機関において、ノッキング発生時に、点火時期遅角および圧縮比低下に加えて、燃料供給量を増量補正することで、燃焼室内の温度を低下させ、ノッキングを抑制する技術が開示されている。
特開２００２−２８５８７６号公報 特開昭６３−１６１３７号公報

上記のように機械的圧縮比や吸気弁閉時期により有効圧縮比を可変制御する手段を備えた内燃機関においては、内燃機関の加速時には、ノッキング回避のために有効圧縮比を低下させるように制御されるが、一般に機械的な機構を伴う可変圧縮比機構や可変動弁機構は、電気的な点火時期制御に比べて応答性が低く、従って、加速時に有効圧縮比が低下していく過程において過渡的にノッキングが発生し、あるいは、ノッキング回避のために点火時期の大幅なリタードが生じてトルクが低下する、といった問題が生じる。

また加速時に一律に燃料増量を行ったのでは、燃料増量が過剰となる場合があり、燃費の悪化の要因となる。

請求項１に係る発明は、内燃機関の有効圧縮比を変更する有効圧縮比可変手段を備え、加速時に有効圧縮比を低下させる内燃機関の制御装置において、実有効圧縮比が目標とする設定有効圧縮比よりも高いときは燃料増量補正を行うことを特徴としている。

また請求項２に係る発明は、内燃機関の機械的圧縮比を変更する圧縮比可変機構を備え、加速時に機械的圧縮比を低下させる内燃機関の制御装置において、上記圧縮比可変機構の実圧縮比が目標とする設定圧縮比よりも高いときは燃料増量補正を行うことを特徴としている。

すなわち、内燃機関の加速時には、有効圧縮比ないしは機械的圧縮比が低下するように、その目標圧縮比つまり設定有効圧縮比ないしは設定圧縮比が低く与えられ、これに追従するように、可変圧縮比機構等が制御されるが、その変化の途中の過程において、実際の圧縮比つまり実有効圧縮比ないしは実圧縮比が、目標とする設定有効圧縮比ないしは設定圧縮比よりも高いときには、燃料増量補正が行われる。これにより、過渡的なノッキングが回避される。

また、請求項３に係る発明は、内燃機関の吸気弁閉時期を変更する可変動弁機構を備え、加速時に有効圧縮比が低くなるように吸気弁閉時期を下死点よりも遅れ側へ遅角させる内燃機関の制御装置において、実吸気弁閉時期が目標とする設定吸気弁閉時期よりも下死点に近い範囲にあるときは燃料増量補正を行うことを特徴としている。

すなわち、吸気弁閉時期を下死点よりも大きく遅角させることで有効圧縮比を低下させるようにした場合、加速に伴って吸気弁閉時期が遅角側へ変化することになるが、その変化の途中の過程において、実吸気弁閉時期が設定吸気弁閉時期よりも下死点に近い範囲にあるときには、燃料増量が行われる。これにより、過渡的なノッキングが回避される。

ここで、実値と目標とする設定値との乖離量が大きいほど燃料増量補正量を大とすることが望ましい。

また、燃料増量補正量を、機関回転速度が高いときに小となるように機関回転速度に応じて補正するようにしてもよい。機関回転速度が高いほど燃焼時間が短縮されるため、ノッキングは発生しにくくなる。

内燃機関の温度が低いほどノッキング発生までの余裕度が大となるので、上記燃料増量補正量を減少することが可能である。

同様に、内燃機関の温度が低いほど上記設定有効圧縮比ないしは設定圧縮比を高圧縮比側に補正するようにしてもよい。

また吸入空気温度が低いほどノッキング発生までの余裕度が大となるので、上記燃料増量補正量を減少することが可能である。

同様に、吸入空気温度が低いほど上記設定有効圧縮比ないしは設定圧縮比を高圧縮比側に補正するようにしてもよい。

また、本発明の一つの態様では、内燃機関の回転速度と負荷と実圧縮比とに応じて点火時期が設定される点火時期制御手段を備えており、上記燃料増量補正が行われるときに、上記点火時期を進角側に補正するようになっている。つまり、燃料増量によりノッキング発生までの余裕度が大となるので、点火時期を進角補正することで、トルク低下を回避できる。

この発明によれば、内燃機関の加速時に可変圧縮比機構や可変動弁機構の目標値が変化してから追従するまでの間、燃料増量が行われるので、機械的圧縮比や吸気弁閉時期の変化の遅れによるノッキングの発生を確実に回避することができるとともに、トルク低下を伴う点火時期リタードを不要もしくは最小限のものとすることができる。また燃料増量は、変化の途中にある機械的圧縮比や吸気弁閉時期が目標とする設定値から遅れている間のみ行われるので、燃料増量に伴う燃費悪化を抑制することができる。

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、この発明における有効圧縮比可変手段の一つとして、内燃機関の機械的圧縮比（公称圧縮比）を可変制御し得る可変圧縮比機構の一実施例を示している。なお、この可変圧縮比機構自体は、前述した特許文献１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、有効圧縮比可変手段の一つとして、吸気弁の開閉時期を作動角とともに可変制御し得る可変動弁機構の一実施例を示している。これは、吸気弁のリフト・作動角を連続的に拡大・縮小させることが可能な第１可変動弁機構５１と、作動角の中心角を連続的に遅進させることが可能な第２可変動弁機構５２と、を組み合わせて構成されている。これらの第１可変動弁機構５１および第２可変動弁機構５２は、その機械的な構成は公知であり、例えば、上述した特許文献１に記載の装置と同様の構成を有している。従って、その概要のみを説明する。

リフト・作動角を可変制御する第１可変動弁機構５１は、内燃機関のクランクシャフトにより駆動される駆動軸２２と、この駆動軸２２に固定された偏心カム２３と、回転自在に支持された制御軸３２と、この制御軸３２の偏心カム部３８に揺動自在に支持されたロッカアーム２６と、吸気弁５３のタペット３０に当接する揺動カム２９と、を備えており、上記偏心カム２３とロッカアーム２６とはリンクアーム２４によって連係され、ロッカアーム２６と揺動カム２９とは、リンク部材２８によって連係されている。

上記ロッカアーム２６は、略中央部が上記偏心カム部３８によって揺動可能に支持されており、その一端部に、連結ピン２５を介して上記リンクアーム２４のアーム部が連係しているとともに、他端部に、連結ピン２７を介して上記リンク部材２８の上端部が連係している。上記偏心カム部３８は、制御軸３２の軸心から偏心しており、従って、制御軸３２の角度位置に応じてロッカアーム２６の揺動中心は変化する。

上記揺動カム２９は、駆動軸２２の外周に嵌合して回転自在に支持されており、側方へ延びた端部に、連結ピン３７を介して上記リンク部材２８の下端部が連係している。この揺動カム２９の下面には、駆動軸２２と同心状の円弧をなす基円面と、該基円面から所定の曲線を描いて延びるカム面と、が連続して形成されており、これらの基円面ならびにカム面が、揺動カム２９の揺動位置に応じてタペット３０の上面に当接する。

上記制御軸３２は、一端部に設けられたリフト・作動角制御用アクチュエータ３３によって所定角度範囲内で回転するように構成されている。このリフト・作動角制御用アクチュエータ３３は、例えばウォームギア３５を介して制御軸３２を駆動する電動モータからなり、コントロールユニット５４からの制御信号によって制御される。上記制御軸３２の回転角度は、制御軸センサ３４によって検出される。

上記第１可変動弁機構５１によれば、上記制御軸３２の回転角度位置に応じて吸気弁５３のリフトならびに作動角が、両者同時に、連続的に拡大，縮小し、このリフト・作動角の大小変化に伴い、吸気弁５３の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。リフト・作動角の大きさは、制御軸３２の回転角度によって一義的に定まるので、上記制御軸センサ３４の検出値により、そのときの実際のリフト・作動角が示されることになる。

一方、中心角を可変制御する第２可変動弁機構５２は、上記駆動軸２２の前端部に設けられたスプロケット４２と、このスプロケット４２と上記駆動軸２２とを、所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相制御用アクチュエータ４３と、から構成されている。上記スプロケット４２は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトに連動している。上記位相制御用アクチュエータ４３は、本実施例では油圧式の回転型アクチュエータからなり、コントロールユニット５４からの制御信号によって図示せぬ油圧制御弁を介して制御される。この位相制御用アクチュエータ４３の作用によって、スプロケット４２と駆動軸２２とが相対的に回転し、バルブリフトにおけるリフト中心角が遅進する。つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も、連続的に得ることができる。この第２可変動弁機構５２の制御状態は、駆動軸２２の回転位置に応答する駆動軸センサ３６によって検出される。

上記のように可変圧縮比機構と可変動弁機構とを備えた内燃機関においては、機械的圧縮比と吸気弁閉時期との双方を変更し得るので、両者によって有効圧縮比が定まる。

図３は、燃料増量補正の第１実施例を示す説明図である。高負荷時におけるノッキング発生は、筒内未燃ガスが点火前に高温になり着火することが大きな要因であるため、加速時におけるノッキング発生回避のためには、有効圧縮比を低下することで筒内ガスの圧縮温度を低下することが有効である。従って、低速低負荷状態における有効圧縮比が高い状態から加速を開始したとき、つまり図３（ａ）のようにスロットル開度が急激に増加しかつ一定開度に達する場合においては、機関の負荷が急速に上昇するので、ノッキングを回避するために、目標となる設定有効圧縮比が、（ｂ）のように低下し、これを実現するように、可変圧縮比機構や可変動弁機構が制御される。しかし有効圧縮比低下のためには、可変圧縮比機構により機械圧縮比を低下させるかまたは可変動弁機構により吸気弁閉時期を遅らせる必要があり、どちらの場合も、スロットル開度変化時間よりも長時間を要する。そのため、有効圧縮比が低下していく過程において、設定有効圧縮比に対して実有効圧縮比が大きい側に一時的に乖離する。（ｃ）に示すように、このように設定有効圧縮比よりも実有効圧縮比が大きい間、つまり期間Ｔの間、設定有効圧縮比に対して設定される燃料増量が、増加側に補正される。なお、実有効圧縮比は、可変圧縮比機構による実圧縮比と、可変動弁機構による実作動角および実中心角と、によって求められる。

図４は、燃料増量補正の第２実施例を示す説明図である。この実施例では、上述した可変圧縮比機構のみを具備しており、これによって内燃機関の機械的圧縮比つまり公称圧縮比が可変制御される。低速低負荷状態における機械圧縮比が高い状態から加速を開始したとき、つまり図４（ａ）のようにスロットル開度が急激に増加しかつ一定開度に達する場合においては、機関の負荷が急速に上昇するので、ノッキング回避のために、目標となる設定圧縮比が（ｂ）のように低下し、これを実現するように可変圧縮比機構が制御される。しかし、スロットル開度変化時間が、最大加速時に０．１秒程度であるのに対して、機械圧縮比低下は、前述した可変圧縮比機構では、例えば０．４秒程度の長時間を要する。そのため、機械的圧縮比が低下していく過程において、設定圧縮比に対して実圧縮比が一時的に大きくなる。（ｃ）に示すように、設定圧縮比よりも実圧縮比が大きい間、つまり期間Ｔの間、設定圧縮比に対して設定される燃料増量が、増加側に補正される。

図５は、燃料増量補正の第３実施例を示す説明図である。この実施例では、上述した可変動弁機構のみを具備しており、有効圧縮比を変化させるべく吸気弁閉時期が可変制御される。低速低負荷状態における有効圧縮比が高い状態から加速を開始したとき、つまり図５（ａ）のようにスロットル開度が急激に増加しかつ一定開度に達する場合においては、機関の負荷が急速に上昇するので、ノッキング回避のために、目標となる設定吸気弁閉時期が、（ｂ）のように下死点（ＢＤＣ）よりも大幅に遅角した位置に与えられ、これを実現するように可変動弁機構が制御される。しかし、スロットル開度変化時間が、最大加速時に０．１秒程度であるのに対して、吸気弁閉時期の遅角動作は、一般にこれよりも長時間を要する。そのため、吸気弁閉時期が遅角していく過程において、有効圧縮比が所望の有効圧縮比よりも一時的に大きくなる。特に、加速前の低速低負荷条件では吸気弁の作動角を小さくして吸気弁閉時期を下死点前に設定している場合には、吸気弁閉時期の遅角の過程において、吸気弁閉時期が下死点に近づき、下死点を経て、これよりも遅角することになる。従って、吸気弁閉時期が下死点に近付くことで、有効圧縮比が一時的に増大する。そのため、本実施例では、（ｃ）のように、下死点と実吸気弁閉時期との角度差（絶対値）が、下死点と設定吸気弁閉時期との角度差（絶対値）よりも小さいとき、つまり期間Ｔの間において、燃料増量が増加側に補正される。

上記の各実施例のように燃料増量補正を行うことで、急加速時に有効圧縮比や機械的圧縮比もしくは吸気弁閉時期が目標となる設定値から遅れて変化する場合でも、ノッキング発生を確実に回避することができる。また、この結果、可変圧縮比機構のアクチュエータ１５や可変動弁機構のアクチュエータ３３，４３に、ノッキング回避のための高い応答性が要求されず、これらのアクチュエータを小型化することが可能となる。

図６は、燃料増量補正量と乖離量（設定値と実値との差）との関係を示したもので、（ｂ）のように例えば設定有効圧縮比と実有効圧縮比との乖離は、初期に大きく、徐々に小さくなっていくが、（ｃ）のように、この乖離量が大きいほど燃料増量補正量が大きく与えられる。これにより、燃料増量に伴う燃費悪化を最小限にとどめつつ確実なノッキング回避を行うことができる。

図７は、機関回転速度によって燃料増量補正量を変えるようにした実施例を示す説明図であって、（ｂ）に示す乖離量（例えば設定有効圧縮比と実有効圧縮比との乖離量）に応じて（ｃ）のように燃料増量補正量が与えられるが、このとき、機関回転速度が高い場合には、低い場合に比べて、燃料増量補正量がより少なく与えられる。すなわち、加速時に同一の負荷および圧縮比の条件であっても、機関回転速度が大きいほど燃焼時間が短縮されるためノッキングが発生しにくくなる。つまり、ノッキング回避に必要な燃料増量が少なくなる。従って、回転速度が高いほど燃料増量補正量を少なくすることで、ノッキングを回避しつつ燃費悪化を抑制することができる。

図８は、燃料増量補正時の点火時期についての説明図であって、点火時期は、基本的に、機関回転速度、機関負荷、実圧縮比に応じて、ノッキング発生までに所定の余裕度を持って設定される。ここで、ノッキング回避のための点火時期リタードは、トルクを大幅に低下させるため好ましくない。しかしながら、有効圧縮比等の乖離に応じて燃料増量補正を行う場合には、燃料増量補正によりノッキング発生までの余裕度が大きくなるため、点火時期をより進角側とすることが可能である。従って、本実施例では、（ｃ）のように燃料増量補正を行っている期間Ｔの間、（ｄ）のように、燃料増量補正の大きさに応じて点火時期を進角側に補正する。これにより、点火時期リタードによるトルク低下を回避することができる。

図９は、内燃機関の温度（潤滑油温度もしくは冷却水温度等）に基づく燃料増量補正量の増減補正についての説明図である。内燃機関の油水温が低いほど燃焼室壁面からの受熱が減少するため、筒内温度が低下する傾向となり、ノッキング発生までの余裕度が大きくなる。本実施例では、（ｂ）に示す乖離量（例えば設定有効圧縮比と実有効圧縮比との乖離量）に応じて（ｃ）のように燃料増量補正量が与えられるが、このとき、油水温が低い場合には、油水温が高い場合に比べて、燃料増量補正量がより少なく与えられる。

なお、油水温が低いときに、例えば設定有効圧縮比をより高圧縮比側に補正するようにしてもよい。これにより、乖離量が小さくなり、燃料増量補正量が少なくなる。

図１０は、内燃機関の吸入空気温度に基づく燃料増量補正量の増減補正についての説明図である。吸入空気温度が低いほど筒内ガスの圧縮温度が低下してノッキング発生までの余裕度が大きくなる。本実施例では、（ｂ）に示す乖離量（例えば設定有効圧縮比と実有効圧縮比との乖離量）に応じて（ｃ）のように燃料増量補正量が与えられるが、このとき、吸入空気温度が低い場合には、吸入空気温度が高い場合に比べて、燃料増量補正量がより少なく与えられる。

なお、吸入空気温度が低いときに、例えば設定有効圧縮比をより高圧縮比側に補正するようにしてもよい。これにより、乖離量が小さくなり、燃料増量補正量が少なくなる。

可変圧縮比機構の一例を示す構成説明図。 可変動弁機構の一例を示す構成説明図。 燃料増量補正の第１実施例を示す説明図。 燃料増量補正の第２実施例を示す説明図。 燃料増量補正の第３実施例を示す説明図。 乖離量と燃料増量補正量との関係を示す説明図。 機関回転速度により燃料増量補正量を変える実施例の説明図。 点火時期の補正を示す説明図。 機関の油水温により燃料増量補正量を変える実施例の説明図。 機関の吸入空気温度により燃料増量補正量を変える実施例の説明図。

符号の説明

１２…制御軸
１５…アクチュエータ
３３…リフト・作動角制御用アクチュエータ
４３…位相制御用アクチュエータ
５１…第１可変動弁機構
５２…第２可変動弁機構

Claims (10)

1. 内燃機関の有効圧縮比を変更する有効圧縮比可変手段を備え、加速時に有効圧縮比を低下させる内燃機関の制御装置において、実有効圧縮比が目標とする設定有効圧縮比よりも高いときは燃料増量補正を行うことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 内燃機関の機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構を備え、加速時に機械的圧縮比を低下させる内燃機関の制御装置において、上記可変圧縮比機構の実圧縮比が目標とする設定圧縮比よりも高いときは燃料増量補正を行うことを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 内燃機関の吸気弁閉時期を変更する可変動弁機構を備え、加速時に有効圧縮比が低くなるように吸気弁閉時期を下死点よりも遅れ側へ遅角させる内燃機関の制御装置において、実吸気弁閉時期が目標とする設定吸気弁閉時期よりも下死点に近い範囲にあるときは燃料増量補正を行うことを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 実値と目標とする設定値との乖離量が大きいほど燃料増量補正量を大とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
5. 燃料増量補正量を、機関回転速度が高いときに小となるように機関回転速度に応じて補正することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
6. 内燃機関の回転速度と負荷と実圧縮比とに応じて点火時期が設定される点火時期制御手段を備えているとともに、上記燃料増量補正が行われるときに、上記点火時期を進角側に補正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制御装置。
7. 内燃機関の温度が低いほど上記燃料増量補正量を減少す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制御装置。
8. 内燃機関の温度が低いほど上記設定有効圧縮比ないしは設定圧縮比を高圧縮比側に補正することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
9. 吸入空気温度が低いほど上記燃料増量補正量を減少す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制御装置。
10. 吸入空気温度が低いほど上記設定有効圧縮比ないしは設定圧縮比を高圧縮比側に補正することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
    

Images