JP2006046194A

JP2006046194A - 内燃機関の圧縮比制御装置

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Publication number: JP2006046194A
Application number: JP2004228763A
Authority: JP
Inventors: Ryosuke Hiyoshi; 亮介日吉; Shunichi Aoyama; 俊一青山; Shinichi Takemura; 信一竹村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-08-05
Filing date: 2004-08-05
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2024-08-05
Also published as: JP4501584B2

Abstract

【課題】圧縮比制御アクチュエータの小型化を可能とし、その作動エネルギによる燃費悪化を抑制する。
【解決手段】ピストンの上死点位置を変化させる可変圧縮比機構を備えた火花点火式ガソリン機関であって、基本的に、低負荷域では高圧縮比に、高負荷域では低圧縮比に制御される。機関温度や吸入空気温度が異常に高いなどのノッキングが発生しやすい条件でない通常の運転時には、最小圧縮比よりも高い所定の中間圧縮比と最大圧縮比との間に、圧縮比可変幅が制限され、高負荷時にも比較的高い中間圧縮比となる。機関温度が高いなどのノッキングが発生しやすい条件では、高負荷時に、中間圧縮比よりも低い圧縮比とする。通常時の圧縮比可変幅が狭くなるので、応答速度の低い小型の圧縮比制御アクチュエータの使用が可能となる。
【選択図】図１

Description

この発明は、可変圧縮比機構を備えた内燃機関、特に火花点火式ガソリン機関における圧縮比制御装置に関する。

本出願人は、先に、レシプロ式内燃機関の可変圧縮比機構として、複リンク式ピストン−クランク機構を用い、そのリンク構成の一部を動かすことによりピストン上死点位置を変化させるようにした機構を種々提案している（例えば特許文献１）。この種の可変圧縮比機構は、内燃機関の機械的な圧縮比つまり公称圧縮比を変化させるものであり、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。
特開２００１−２２７３６７号公報

上記のように従来の圧縮比制御装置においては、一般に、機関の負荷と回転速度とに応じて目標圧縮比が与えられ、例えば、低速低負荷側の最大圧縮比から全開出力域での最小圧縮比まで、制御可能な全範囲で圧縮比が変化する。ここで、最小圧縮比は、機関温度（油水温）が高くかつ吸入空気温度も高いようなノッキングが発生しやすい条件での全開出力時にも、できるだけノッキングを抑制しうるように、低い圧縮比であることが望ましく、また最大圧縮比は熱効率向上のために十分に高いことが望ましいので、圧縮比可変幅は、広く要求されることになる。

しかしながら、機関の全開出力時に機関温度等に拘わらずに最小圧縮比まで低圧縮比化する制御では、ノッキング発生の危険が小さい条件下での全開出力時においても、機関温度（油水温）や吸入空気温度が非常に高い特殊な条件においてのみ必要とされるような十分に低い圧縮比に制御されるので、トルクが大きく低下するという問題が生じる。また、通常の運転時に、負荷や回転速度に応じて圧縮比が大きく変化することになるが、電動モータ等からなる圧縮比制御アクチュエータを用いて、所定の応答性を維持しながら圧縮比可変幅を大きく得るためには、アクチュエータを高出力化する必要があり、そのサイズが大きくなるとともにコストが増大し、さらに圧縮比可変化に要するアクチュエータの駆動エネルギが大きくなるため燃費が悪化する、という問題点があった。

本発明は、機関圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、機関回転速度および負荷を検出する手段と、検出された機関回転速度および負荷に基づき、高負荷側で低く低負荷側で高い圧縮比となるように上記可変圧縮比機構を制御する圧縮比制御手段と、を備えてなる内燃機関の圧縮比制御装置において、ノッキングが生じにくい所定の条件の成立時には、制御可能な最小圧縮比よりも高い所定の中間圧縮比と最大圧縮比との範囲内で、上記圧縮比制御手段による圧縮比制御を行うことを特徴としている。

すなわち、従来の圧縮比可変制御に対して、ノッキングが特に問題とならない通常の運転条件においては、使用する圧縮比域（圧縮比可変幅）を最大圧縮比から中間圧縮比までに縮小し、高圧縮比側に圧縮比可変域を維持する。これによって、所定のアクチュエータ応答性を維持しながらアクチュエータの小型化が可能となる。そして、ノッキング回避のために低圧縮比化が必要となる特殊な条件においては、さらに低圧縮比側に圧縮比を設定することで、ノッキング回避が可能である。

例えば、制御可能な圧縮比可変の範囲が、１０〜１４である可変圧縮比内燃機関の場合、触媒暖機後で、油水温８０℃程度かつ吸入空気温度３０℃程度、ハイオク燃料を使用、という条件の通常の機関状態・運転状態から全開加速を開始したときに、圧縮比を１２〜１４程度に維持しつつノッキングを回避するような点火時期設定とすることで、ノッキングを発生させることなく、しかも、圧縮比を１０まで低下させて最適点火時期設定とした場合よりもトルクを増大することができる。従って、このようなノッキングが生じにくい条件下では、図１の説明図に例示するように、低速低負荷域では最大圧縮比（例えば圧縮比１４）に設定し、全開加速時の圧縮比を中間圧縮比（例えば圧縮比１２程度）に設定するようにして、圧縮比可変範囲を例えば１２〜１４のように制限する。つまり、この条件下では、圧縮比１２より小さい領域を使用しない。

このように中間圧縮比以上の特定圧縮比域のみ使用することで、圧縮比を高圧縮比側に維持することができるため熱効率が向上し、燃費・トルクを向上することができる。また、圧縮比可変域が狭くなるため、可変圧縮比機構の圧縮比制御アクチュエータの作動量を低減することが可能になり、アクチュエータ作動に要するエネルギが低減し、燃費が向上する。さらに、通常時の圧縮比可変幅が狭いことから、アクチュエータ応答速度が低い小型アクチュエータを使用することが可能になり、部品コストが低減する。

また、通常の機関状態・運転状態から外れた場合に備えて、中間圧縮比以下の低圧縮比域を使用することも可能にしておくことで、例えば油水温、吸気温度、燃焼室壁温などの異常上昇によって中間圧縮比においてノッキング発生の危険が高くなるような場合においては、中間圧縮比以下の低圧縮比に設定することでノッキングを回避することが可能になる。

なお、アクチュエータを小型化すると、圧縮比可変速度が低下するため、過渡時等に、燃費・加速・出力性能を最適化するような最適圧縮比制御を必ずしも行うことができないことも有り得るが、コスト低減、小型軽量化などを含めたシステム全体として考えると有利なものとなる。

また本発明では、望ましくは、排気系に設けた触媒コンバータの暖機が必要なときに、アイドル時の圧縮比を、上記中間圧縮比よりも低い圧縮比に制御する。すなわち、冷機状態からの始動後のアイドリング中において、まだ触媒が暖機されていない状態においては、触媒を急速に活性化するために排気温度を上昇させることが望ましい。そのため、上述した通常の機関状態・運転状態で使用する圧縮比領域よりも低圧縮比に設定して熱効率を低下させることによって、排気ガス温度を上昇させる。図２は、このような場合の圧縮比の一例を示す説明図である。このように、冷機始動後アイドリング中のように所定触媒温度以下の場合に、上記中間圧縮比以下の低圧縮比に設定することによって、排気温度の上昇により、触媒活性までに要する時間を短縮することができ、未燃ＨＣ排出量を低減することが可能になる。

また本発明では、望ましくは、機関温度が所定温度以上または吸入空気温度が所定温度以上のときには、高負荷時の圧縮比を、上記中間圧縮比よりも低い圧縮比に制御する。大気温度４０℃以上、あるいは、長時間高負荷運転後のような所定油水温以上または所定吸入空気温度以上である場合には、高負荷時の設定圧縮比を、請求項１のように中間圧縮比設定にするとノッキングが発生し、このノッキング回避のために点火時期を大きくリタードする制御がなされる結果、トルクが大きく低下してしまう。そのため、このようにノッキングが生じやすい条件下では、図３に例示するように、高負荷時の圧縮比を、所定の中間圧縮比よりも低圧縮比に設定し、ノッキング発生ならびに点火時期リタードによるトルク低下を回避する。

また本発明では、望ましくは、機関温度が所定温度未満でかつ所定の機関回転速度以下の非アイドル時には、負荷に拘わらず最大圧縮比に制御する。所定油水温未満でかつ所定の機関回転速度以下の状態においては、ノッキング発生またはノッキング発生によるトルク低下を回避できるため、圧縮比を熱効率最大となる最大圧縮比よりも低圧縮比側に設定する必要がない。そこで、図４に例示するように、常に最大圧縮比に固定することによって、燃費・トルク向上効果を最大にすることができる。ただし所定油水温未満の場合でも、アイドル状態にあるときは、請求項２のように低圧縮比化設定とするために最大圧縮比設定としないようにすることもできる。所定の機関回転速度を超える場合には、最大燃焼圧力または最大燃焼荷重が許容値を超える危険があるか、または燃焼室壁温が急上昇してノッキング発生に至る危険があるため、所定油水温未満においても最大圧縮比に固定しないことが望ましい。

上記中間圧縮比の値は、機関の状態ないしは運転状態に応じて可変的に設定することが望ましい。つまり、中間圧縮比は、機関状態・運転状態によって最適値が変化するため、機関状態・運転状態の変化に応じて、最適圧縮比になるように可変に設定する。これにより、圧縮比可変幅を適切な範囲に縮小することが可能になり、圧縮比制御アクチュエータの消費エネルギを低減して燃費を向上することができる。また、全開加速時においても最適な中間圧縮比まで高圧縮比化することができるため、熱効率向上によってトルクを向上することができる。また、圧縮比を必要以上に低下させないようにできるため、高回転速度の高負荷状態においても、熱効率向上によって排気熱エネルギ排出量が低減し、排温が低下する。従って、排温の上限を超えることを回避するために通常行われる燃料増量を減少することができ、出力域における排気、燃費が向上する。

この発明によれば、機関温度が高いときや吸入空気温度が高いときなどのノッキングに至りやすい特殊な条件下では、十分な低圧縮比化を可能としつつ、通常の機関状態・運転条件においては、使用圧縮比域が中間圧縮比以上に制限されるので、出力域において過度の圧縮比低下が生じず、トルク・燃費を向上させることができるとともに、圧縮比制御アクチュエータの小型化が可能となる。

以下、この発明の好ましい一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図５は、この発明に係る内燃機関の圧縮比制御装置の一実施例を示している。この内燃機関は、火花点火式ガソリン機関であって、公称圧縮比εを可変制御する可変圧縮比機構１と、ノッキングを検出するノックセンサ３の検出信号に基づいて、微弱なノッキング状態となるように、点火時期を制御する点火進角制御装置２と、上記可変圧縮比機構１および点火進角制御装置２を制御するエンジンコントロールユニット４と、を備えている。上記エンジンコントロールユニット４は、機関運転条件に対応して目標圧縮比を予め割り付けた圧縮比制御マップ５を備えており、また、図示せぬセンサ類によって検出された機関回転数信号、負荷信号、冷却水温度信号、潤滑油温度信号、吸入空気温度信号、触媒温度信号、などが入力されている。なお、上記圧縮比制御マップ５としては、例えば、油水温や吸入空気温度等が異常に高くない通常時（ノッキングが生じにくい条件下）を前提として、機関の負荷および回転速度をパラメータとして図１に相当する基本の圧縮比値を割り当てたものとなっており、高油水温時等には、この基本の圧縮比値を補正することで、図２〜図４のような目標圧縮比を得るようにしているが、これに限定されるものではなく、温度条件等の条件毎に異なる特性の圧縮比制御マップを備えることなども可能である。

図６は、可変圧縮比機構１の構成を示す図である。

クランクシャフト５１は、複数のジャーナル部５２とクランクピン５３とを備えており、シリンダブロック５０の主軸受に、ジャーナル部５２が回転自在に支持されている。上記クランクピン５３は、ジャーナル部５２から所定量偏心しており、ここに第２リンクとなるロアリンク５４が回転自在に連結されている。

上記ロアリンク５４は、左右の２部材に分割可能に構成されているとともに、略中央の連結孔に上記クランクピン５３が嵌合している。

第１リンクとなるアッパリンク５５は、下端側が連結ピン５６によりロアリンク５４の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン５７によりピストン５８に回動可能に連結されている。上記ピストン５８は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック５０のシリンダ５９内を往復動する。なお、上記シリンダブロック５０の一部に、図５に示したように、ノッキングに起因した振動を検出するノックセンサ３が配置されている。

第３リンクとなるコントロールリンク６０は、上端側が連結ピン６１によりロアリンク５４の他端に回動可能に連結され、下端側が制御軸６２を介して機関本体の一部となるシリンダブロック５０の下部に回動可能に連結されている。詳しくは、制御軸６２は、回転可能に機関本体に支持されているとともに、その回転中心から偏心している偏心カム部６２ａを有し、この偏心カム部６２ａに上記コントロールリンク６０下端部が回転可能に嵌合している。

上記制御軸６２は、エンジンコントロールユニット４（図５参照）からの制御信号に基づき、電動モータを用いた圧縮比制御アクチュエータ６３によって回動位置が制御される。

上記のような複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変圧縮比機構１においては、上記制御軸６２が圧縮比制御アクチュエータ６３によって回動されると、偏心カム部６２ａの中心位置、特に、機関本体に対する相対位置が変化する。これにより、コントロールリンク６０の下端の揺動支持位置が変化する。そして、上記コントロールリンク６０の揺動支持位置が変化すると、ピストン５８の行程が変化し、ピストン上死点（ＴＤＣ）におけるピストン５８の位置が高くなったり低くなったりする。これにより、機関圧縮比を変えることが可能となり、特に、最大圧縮比と最小圧縮比との間で、圧縮比を連続的に変化させることができる。

なお、本発明においては、この実施例の可変圧縮比機構に限定されず、種々の形式の可変圧縮比機構を適用することが可能である。

請求項１の圧縮比設定の例を示す特性図。請求項２の圧縮比設定の例を示す特性図。請求項３の圧縮比設定の例を示す特性図。請求項４の圧縮比設定の例を示す特性図。この発明に係る圧縮比制御装置のシステム全体を示す構成説明図。可変圧縮比機構の一実施例を示す説明図。

符号の説明

１…可変圧縮比機構
２…点火進角制御装置
３…ノックセンサ
４…エンジンコントロールユニット
５…圧縮比制御マップ

Claims

機関圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、機関回転速度および負荷を検出する手段と、検出された機関回転速度および負荷に基づき、高負荷側で低く低負荷側で高い圧縮比となるように上記可変圧縮比機構を制御する圧縮比制御手段と、を備えてなる内燃機関の圧縮比制御装置において、ノッキングが生じにくい所定の条件の成立時には、制御可能な最小圧縮比よりも高い所定の中間圧縮比と最大圧縮比との範囲内で、上記圧縮比制御手段による圧縮比制御を行うことを特徴とする内燃機関の圧縮比制御装置。
排気系に設けた触媒コンバータの暖機が必要なときに、アイドル時の圧縮比を、上記中間圧縮比よりも低い圧縮比に制御する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。
機関温度が所定温度以上または吸入空気温度が所定温度以上のときには、高負荷時の圧縮比を、上記中間圧縮比よりも低い圧縮比に制御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圧縮比制御装置。
機関温度が所定温度未満でかつ所定の機関回転速度以下の非アイドル時には、負荷に拘わらず最大圧縮比に制御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圧縮比制御装置。
上記中間圧縮比の値を、機関の状態ないしは運転状態に応じて可変的に設定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圧縮比制御装置。
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連結された第１リンクと、この第１リンクに揺動可能に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連結された第２リンクと、上記第２リンクに揺動可能に連結されるとともに機関本体に揺動可能に支持された第３リンクと、を備えた複リンク式ピストン−クランク機構からなり、上記第３リンクの機関本体に対する支点位置を圧縮比制御アクチュエータにより変化させることで圧縮比を変更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。