JP2010174757A - 可変圧縮比内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可変圧縮比機構の個体差によるばらつきの補正等のために、実圧縮比を簡易に推定する。
【解決手段】複リンク式の可変圧縮比機構を備え、コントロールシャフトの回転位置により圧縮比が変化するとともに、コントロールシャフトを制御する電動モータに筒内圧に応じた反力トルクが作用する。所定の条件が成立した燃料カット中（ステップ１〜４）に、コントロールシャフトの反力トルクつまり電動モータの保持トルクを、微小クランク角毎、例えば１°ＣＡ毎に読み込み（ステップ２）、これらの１°ＣＡ毎のトルクのデータ列からピーク値を求め、このサイクル中のピークトルクから、ピークの筒内圧を求め（ステップ６）、最終的に、このピークの筒内圧と吸気圧力とから、実圧縮比を求める（ステップ７）。
【選択図】図１

Description

この発明は、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内燃機関において、その実圧縮比を推定する制御装置に関する。

内燃機関の圧縮比を可変制御するために、特許文献１，２に例示されているように、複リンク式ピストン−クランク機構を利用した複リンク式可変圧縮比装置が知られている。これは、内燃機関のピストンとクランクシャフトとが複数のリンク部材を介して連結されているとともに、これらのリンク部材の自由度を制限するコントロールリンクを備え、このコントロールリンクの基端の位置（揺動支点位置）を変更することで、ピストン位置を相対的に上下に変位させ、圧縮比を変更する構成となっている。上記コントロールリンクの揺動支点位置の変更には、例えば、コントロールリンク基端が連結される偏心軸を備えたコントロールシャフトが用いられ、このコントロールシャフトの回転位置を電動モータ等からなるアクチュエータによって変化させる構成となっている。

また、このような可変圧縮比内燃機関において、実際の圧縮比つまり実圧縮比の個体差によるばらつきや、目標圧縮比からの誤差を求めるために、特許文献３では、筒内圧センサを用いて実圧縮比を精度よく求めることが提案されている。

特開２０００−７３８０４号公報 特開２００２−２１５９２号公報 特開２００５−４８６２１号公報

しかし、上記特許文献３のように筒内圧センサを用いる方法では、コストが嵩み、また筒内圧センサ自体の特性ばらつきや温度等による特性変化を受けるので、高コストであるにも拘わらず、必ずしも精度が高くない、という問題がある。この発明は、比較的簡易な構成で、可変圧縮比機構による圧縮比の個体差等によるばらつきを求めようとするものである。

この発明は、内燃機関のピストンとクランクシャフトとが複数のリンク部材を介して連結されているとともに、これらのリンク部材の自由度を制限するコントロールリンクを有し、このコントロールリンクの基端がコントロールシャフトの偏心軸に揺動可能に連結され、このコントロールシャフトの回転位置に応じて圧縮比が変化する可変圧縮比内燃機関において、内燃機関の燃料カット中に、上記コントロールシャフトの所定圧縮比状態での保持に必要なトルクのサイクル中のピーク値を求め、このピークトルクから実圧縮比を推定することを特徴としている。

上記のような複リンク式のピストン−クランク機構を用いた可変圧縮比機構では、ピストンに作用する燃焼室内の圧力がコントロールシャフトに反力として作用し、これが実際の圧縮比に相関する。特に、燃料カット中では、燃焼のばらつきの影響を受けずに、機関の圧縮比に対応したピークトルクが生じ、これから実際の圧縮比が推定される。

好ましくは、実圧縮比の推定の精度を高めるために、上記燃料カット中に、目標圧縮比を最高圧縮比に制御し、この状態でのピークトルクから実圧縮比を推定したり、あるいは、目標圧縮比を最高圧縮比ならびに最低圧縮比に制御し、各々の状態でのピークトルクから各々実圧縮比を推定することができる。

この発明によれば、筒内圧センサを用いることなく可変圧縮比機構の個体差による圧縮比のばらつき等を簡易に検出することができる。

この発明の一実施例のシステム構成図。 コントローラに対する入出力信号をまとめて示す説明図。 第１実施例を示すフローチャート。 コントロールシャフトのトルクと筒内圧との関係を示す特性図。 吸気圧力毎の筒内圧と圧縮比との関係を示す特性図。 コントロールシャフトの角度と圧縮比（設計値）との関係を示す特性図。 燃焼中の筒内圧のばらつきを示す特性図。 燃料カット中の圧縮比に相関する筒内圧変化を示す特性図。 第１実施例に対応するタイムチャート。 第２実施例を示すフローチャート。 第２実施例に対応するタイムチャート。 第３実施例を示すフローチャート。 図１２に続くフローチャート。 第３実施例に対応するタイムチャート。 第４実施例を示すフローチャート。 第４実施例に対応するタイムチャート。

図１は、本発明の制御装置が適用される複リンク式可変圧縮比機構を備えた可変圧縮比内燃機関の基本的な構成の一例を示しており、図示するように、シリンダブロック５に形成されたシリンダ６内に、ピストン１が摺動可能に配設されており、このピストン１に、アッパリンク１１の一端がピストンピン２を介して揺動可能に連結されている。このアッパリンク１１の他端は、第１連結ピン１２を介してロアリンク１３の一端部に回転可能に連結されている。このロアリンク１３は、その中央部においてクランクシャフト３のクランクピン４に揺動可能に取り付けられている。なお、ピストン１は、その上方に画成される燃焼室から燃焼圧力を受ける。また、クランクシャフト３は、クランク軸受ブラケット７によってシリンダブロック５に回転可能に支持されている。

上記ロアリンク１３の他端部には、コントロールリンク１５の一端が第２連結ピン１４を介して回転可能に連結されている。このコントロールリンク１５の他端は、内燃機関本体の一部に揺動可能に支持されており、かつ、圧縮比の変更のために、その揺動支点の位置が内燃機関本体に対して変位可能となっている。具体的には、クランクシャフト３と平行に延びたコントロールシャフト１８を備え、このコントロールシャフト１８に偏心して設けられた偏心軸に上記コントロールリンク１５の他端が回転可能に嵌合している。上記コントロールシャフト１８は、上記のクランク軸受ブラケット７と制御軸受ブラケット８との間に回転可能に支持されており、電動モータ１９を用いたアクチュエータ機構によって、その回転位置が制御される。つまり、圧縮比の変更のために、上記アクチュエータ機構によりコントロールシャフト１８を回転駆動すると、コントロールリンク１５の揺動支点１６となる偏心軸の中心位置が機関本体に対して移動する。これにより、コントロールリンク１５によるロアリンク１３の運動拘束条件が変化して、クランク角に対するピストン１の行程位置が変化し、ひいては機関圧縮比が変更されることになる。

ここで、機関のピストン１に作用する燃焼荷重は、コントロールリンク１５を引き上げる方向に作用し、コントロールシャフト１８を回転位置の一方（偏心軸の配置によって定まる）に回転させようとする。従って、目標圧縮比に達した後も電動モータ１９には反力が作用し、一定圧縮比に保持するために、電動モータ１９がトルクを発生する必要がある。

また上記内燃機関は、吸気通路側に、スロットルバルブ２１、燃料噴射弁２２、吸気圧力センサ２３を有するとともに、排気通路側に空燃比センサ２４を備える。また、図示せぬノックキングセンサ、水温センサ、クランク角センサ、コントロールシャフト回転角センサ、電動機負荷センサ、等のセンサ類を有し、これらの検出信号が、図２に示すように、コントロールユニット２５に入力されている。

なお、本発明は、図示したような特定の形式の複リンク式可変圧縮比機構に限定されるものではなく、コントロールシャフトのアクチュエータが筒内圧に関連した反力を受けるの種々の形式の可変圧縮比機構に適用することが可能である。

また、上記実施例では、所定圧縮比にあるときに電動モータ１９に必要な保持トルクを検出するために適宜な電動機負荷センサを備えているが、電動モータ１９に与えられる電流値からトルクを求めるようにしてもよい。

次に、圧縮比推定の第１の実施例を、図３のフローチャートに基づいて説明する。まず、ステップ１において、目標圧縮比とコントロールシャフト回転角センサが示す圧縮比との差が所定値以下であるか否かを判定する。つまり、電動モータ１９により可変制御される圧縮比が所望の目標圧縮比に収束しているか否かを判定する。ステップ２では、燃料カット中であるか否かを判定する。ステップ３では、吸気圧力センサ２３により検出される吸気圧力が所定範囲に安定しているか否か判定する。ステップ４では、機関回転数が所定値以下、例えば２０００ｒｐｍ程度以下であるか否かを判定する。これらの全ての条件を満たさない限りは、実圧縮比の推定は行わない。

これらの条件が成立した場合は、ステップ５に進み、コントロールシャフト１８の反力トルクつまり電動モータ１９の保持トルクを、微小クランク角毎、例えば１°ＣＡ毎に読み込む。そして、ステップ６では、これらの１°ＣＡ毎のトルクのデータ列からピーク値を求め、このピークトルクから、図４のような所定の特性（コントロールシャフト１８の反力トルクと筒内圧との関係）のマップを参照して、筒内圧を求める。この筒内圧は、サイクル中のピークの筒内圧に相当する。

次に、ステップ７で、このピークの筒内圧から、図５のような所定の特性（筒内圧と圧縮比との関係）のマップを参照して、圧縮比を求める。より詳しくは、筒内圧と圧縮比との関係は、吸気弁上流側の吸気圧力により影響されるので、図５のマップは、吸気圧力をパラメータの一つとした３次元マップとして構成され、筒内圧とそのときの吸気圧力とから、圧縮比が求められる。

圧縮比の可変制御の際には、図６に示すような圧縮比（目標圧縮比）とコントロールシャフト１８の角度との相関関係を用いて、運転条件に応じた目標圧縮比となるようにコントロールシャフト１８が駆動される。上記の処理によって推定した実圧縮比がそのときの目標圧縮比に対しずれていた場合には、その偏差を補正した形で、以後の圧縮比制御が実行される。

なお、上記コントロールシャフト１８には、該コントロールシャフト１８を共用する複数の気筒の反力が作用するが、それぞれの圧縮上死点位置の位相が異なることから、気筒毎に実圧縮比の推定を行うことが可能である。

図９は、上記実施例の処理に対応した各パラメータの変化を示したタイムチャートである。図示するように、アクセル開度ないしスロットル開度が全閉となることによって燃料カットが開始されるが、これに伴って目標圧縮比が高圧縮比にステップ的に変化しても、実際の圧縮比（コントロールシャフト角度）は制御系の遅れを伴って変化していくので、この圧縮比が目標圧縮比に収束した時点で、実圧縮比の推定が開始する。なお、最下段の実線で示す「圧縮比」は、コントロールシャフト１８の角度が示す見掛けの圧縮比であり、コントロールシャフト１８の角度と実質的に同義である。

本実施例では、上記のように燃料カット中でかつ吸気圧力や機関回転数の条件を揃えた状態でピークトルクを求めることにより、精度良く実圧縮比の推定が行える。図７は、着火・燃焼を伴う場合の筒内圧変化の一例（比較例として着火・燃焼を行わない場合の特性ｃも付記してある）を示しており、特性ａ，ｂとして示すように、着火・燃焼を伴う場合は、サイクル毎に、燃焼の具合によって筒内圧のピーク値やそのタイミングが比較的大きく変化し、圧縮比との相関が弱くなる。これに対し、図８は、着火・燃焼を伴わない場合の筒内圧変化の一例であり、低圧縮比の特性ｄと高圧縮比の特性ｅとを対比して示すように、ピークの筒内圧が圧縮比の値と正しく相関したものとなる。

次に、図１０および図１１は、圧縮比の推定のために、燃料カット中に目標圧縮比を積極的に最高圧縮比に制御するようにした第２実施例を示している。

図１０において、ステップ１０１では、燃料カット中であるか否かを判定する。ステップ１０２では、吸気圧力センサ２３により検出される吸気圧力が所定範囲に安定しているか否か判定する。ステップ１０３では、機関回転数が所定値以下、例えば２０００ｒｐｍ程度以下であるか否かを判定する。ステップ１０４では、筒内圧の演算が終了したことを示すフラグの状態を判定する。つまり、筒内圧の演算がまだ終了していないか否かを判定する。これらの全ての条件が成立した場合は、ステップ１０５に進み、目標圧縮比を最高圧縮比とする。

その後、ステップ１０６で、目標圧縮比とコントロールシャフト回転角センサが示す圧縮比との差が所定値以下であるか否かを判定する。つまり、電動モータ１９により可変制御されるコントロールシャフト１８の位置が最高圧縮比に相当する位置に収束しているか否かを判定する。

ステップ１０７〜１０９は、前述したステップ５〜７と同様であり、コントロールシャフト１８の反力トルクつまり電動モータ１９の保持トルクを、微小クランク角毎、例えば１°ＣＡ毎に読み込み、これらの１°ＣＡ毎のトルクのデータ列からピーク値を求め、このピークトルクから、ピークの筒内圧を求め、最終的に、このピークの筒内圧と吸気圧力とから、実圧縮比を求める。

ステップ１１０では、これらの処理による実圧縮比の推定が全気筒について行われたか判定し、全気筒で終了していれば、ステップ１１１において前述したフラグをセットした上で、ステップ１１２で、目標圧縮比を通常の制御に復帰する。

このようにコントロールシャフト１８の角度による見掛けの圧縮比が最高圧縮比となっている状態で実圧縮比の推定を行うことにより、より安定かつ精度の高い実圧縮比の推定が行え、可変圧縮比機構の個体差による圧縮比のばらつきの有無等を確実に判定できる。

次に、図１２〜図１４は、燃料カット中に目標圧縮比を最高圧縮比ならびに最低圧縮比に順次切り換えて、各々の条件下で実圧縮比の推定を行うようにした第３実施例を示している。

図１２のステップ２０１〜２１１は、前述した第２実施例のステップ１０１〜１１１と特に変わりがなく、これらの処理によって最高圧縮比条件下での実圧縮比が求められる。そして、ステップ２０４から図１３のステップ２１２に進み、このステップ２１２〜２２０の処理によって、同様に、最低圧縮比条件下での実圧縮比が求められる。

ステップ２２０では、この最低圧縮比条件下での実圧縮比の値を用いて、先に求めた高圧縮比条件下での実圧縮比の値を補正し、最終的な高圧縮比条件下での実圧縮比を求める。この補正後の高圧縮比条件下での実圧縮比の値が、前述したように、以後の圧縮比制御の補正に用いられる。

つまり、低圧縮比側は、燃焼室容積が大きいため、高圧縮比側に比べて圧縮比のばらつき（個体差）は生じにくい。従って、この低圧縮比側での推定圧縮比のばらつきは、圧縮比そのものではなく、トルク検出などを含む測定系の何らかの差と考えることができ、この差を用いて最高圧縮比条件下での推定結果を補正すれば、より正確に圧縮比推定を行うことができる。つまり、高圧縮比側での推定圧縮比と低圧縮比側での推定圧縮比との差が、個体差によるばらつきをより高精度を示す指標となる。

ステップ２２０では、例えば、低圧縮比側での推定圧縮比の全気筒平均値を求め、各気筒の最高圧縮比側での推定圧縮比と最低圧縮比側での推定圧縮比との差に、この低圧縮比側での推定圧縮比の全気筒平均値を加算することで、各気筒の最高圧縮比条件下での実圧縮比を最終的に求める。

なお、図１４のタイムチャートに示すように、コントロールシャフト１８の角度は、目標圧縮比の変化に遅れて変化するので、高圧縮比側での圧縮比推定を行う期間と低圧縮比側での圧縮比推定を行う期間とは不連続となる。

次に、図１５および図１６は、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備えている場合の第４実施例を示しており、バルブリフト特性による有効圧縮比の変化を回避するために、バルブリフト特性を所定のバルブリフト特性に固定して実圧縮比の推定を行うようにしたものである。可変動弁機構としては、種々の形式のものが公知であるが、この実施例では、例えばカムシャフトの位相をクランクシャフトに対し遅進させることで、吸気弁の開時期および閉時期を同量だけ遅角・進角させることができる形式のものが用いられており、吸気弁閉時期を下死点に保持した状態で、実圧縮比の推定を行う。

ステップ３０１〜３０４は、前述したステップ１〜４と同様であり、まず、ステップ３０１において、目標圧縮比とコントロールシャフト回転角センサが示す圧縮比との差が所定値以下であるか否かを判定し、ステップ３０２で、燃料カット中であるか否かを判定し、ステップ３０３で、吸気圧力センサ２３により検出される吸気圧力が所定範囲に安定しているか否か判定し、ステップ３０４で、機関回転数が所定値以下、例えば２０００ｒｐｍ程度以下であるか否かを判定する。ステップ３０５では、筒内圧の演算が終了したことを示すフラグの状態を判定する。これらの全ての条件が成立した場合は、ステップ３０６に進み、可変動弁機構の目標吸気弁閉時期（ＩＶＣ）を下死点とする。

その後、ステップ３０７で、目標閉時期と実閉時期（例えばカムシャフトの位相から検出される）との差が所定値以下であるか否かを判定する。つまり、油圧等により可変制御される可変動弁機構が目標値に収束しているか否かを判定する。

ステップ３０８〜３１０は、前述したステップ５〜７と同様であり、コントロールシャフト１８の反力トルクつまり電動モータ１９の保持トルクを、微小クランク角毎、例えば１°ＣＡ毎に読み込み、これらの１°ＣＡ毎のトルクのデータ列からピーク値を求め、このピークトルクから、ピークの筒内圧を求め、最終的に、このピークの筒内圧と吸気圧力とから、実圧縮比を求める。

ステップ３１１では、これらの処理による実圧縮比の推定が全気筒について行われたか判定し、全気筒で終了していれば、ステップ３１２において前述したフラグをセットした上で、ステップ３１３で、目標吸気弁閉時期を通常の制御に復帰する。

このように有効圧縮比を左右する吸気弁閉時期が所定の位置つまり下死点位置となっている状態で実圧縮比の推定を行うことにより、可変動弁機構に影響されずに、精度の高い実圧縮比の推定が行える。

なお、上記の吸気弁閉時期の処理を、上述した第２、第３実施例のような目標圧縮比の積極的な制御と組み合わせて適用することも可能である。

１…ピストン
３…クランクシャフト
１１…アッパリンク
１３…ロアリンク
１５…コントロールリンク
１８…コントロールシャフト
１９…電動モータ
２５…コントロールユニット

Claims (7)

1. 内燃機関のピストンとクランクシャフトとが複数のリンク部材を介して連結されているとともに、これらのリンク部材の自由度を制限するコントロールリンクを有し、このコントロールリンクの基端がコントロールシャフトの偏心軸に揺動可能に連結され、このコントロールシャフトの回転位置に応じて圧縮比が変化する可変圧縮比内燃機関において、
   内燃機関の燃料カット中に、上記コントロールシャフトの所定圧縮比状態での保持に必要なトルクのサイクル中のピーク値を求め、このピークトルクから実圧縮比を推定することを特徴とする可変圧縮比内燃機関の制御装置。
2. 実圧縮比の推定のために、上記燃料カット中に、目標圧縮比を最高圧縮比に制御し、この状態でのピークトルクから実圧縮比を推定することを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
3. 実圧縮比の推定のために、上記燃料カット中に、目標圧縮比を最高圧縮比ならびに最低圧縮比に制御し、各々の状態でのピークトルクから各々実圧縮比を推定することを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
4. 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備えた構成において、上記燃料カット中に、所定のバルブリフト特性に固定的に保持して、上記の実圧縮比の推定を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
5. 上記コントロールシャフトを駆動する電動モータの電流値から上記トルクを求めることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
6. 吸気弁上流側の吸気圧力が所定圧力範囲にあることを条件として実圧縮比の推定を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
7. 機関回転数が所定値以下であることを条件として実圧縮比の推定を行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。

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