JP2012225165A - 可変圧縮比エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料カットを伴う減速運転状態では、燃料カット後のエンジン再始動時の燃焼安定性を確保しつつ、エンジン回転速度に応じて目標圧縮比を低く抑制することで、圧縮圧力を抑えて燃費性能の向上を図る。
【解決手段】機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比装置２０と、吸気ポートへ燃料を噴射供給する燃料噴射弁１０と、を備え、制御部１１は、車両運転状態に応じて目標圧縮比を設定し、この目標圧縮比へ向けて機関圧縮比を駆動制御する。燃料噴射が行われる通常の運転状態と、燃料噴射を停止する燃料カット運転状態とで、目標圧縮比を切り換えており、燃料カット運転状態では、エンジン回転速度が高くなるほど、目標圧縮比を低く設定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比エンジンの制御に関する。

機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比型のエンジンとして、例えば特許文献１に記載のように、複リンク式のピストン−クランク機構を利用した可変圧縮比装置を備えたものが知られている。このものでは、減速運転状態にあるときに、燃料噴射を停止する燃料カット制御を行うとともに、燃料カット後の次回のエンジン再始動時のエンジンストップを回避して始動安定性を確保するように、燃料カット中にエンジン回転速度がリカバー回転速度まで減少すると、燃料噴射を再開している。また、機関圧縮比によってエンジントルクが異なり、次回のエンジン再始動時の始動安定性も異なることから、上記のリカバー回転速度を機関圧縮比に応じて変更している。

特開２００５−３０２２３号公報

エンジンの運転状態として、燃料噴射を行いエンジントルクを出力している通常の運転状態と、車両減速時のように燃料噴射を停止する燃料カットの運転状態とでは、燃費性能や出力性能などのエンジン運転性能を向上するために要求される機関圧縮比が異なるものとなる。このために、燃料カットの運転状態における目標圧縮比を、通常の運転状態と同じように設定したり、あるいは所定値に固定すると、エンジン運転性能を十分に向上させることができず、改善の余地が残されている。

例えば、燃料カットを伴う減速運転状態では、ポンピングロス等による所定のエンジンブレーキが作用するが、この際、機関圧縮比を低くすることで、圧縮圧力を抑制してポンピングロスを抑制し、この抑制した分に相当するエネルギーを例えばオルタネータ（発電機）により電力として回生することによって、所定のエンジンブレーキを付与するように制御を行うことで、無駄に消費されていたエネルギーを有効に回収して、燃費性能の向上を図ることが可能となる。また、燃料カットを伴う減速運転状態として、アクセルペダルを踏み込まずに惰性により車両を走行しているコースト運転状態では、機関圧縮比を低くすることにより減速トルク（エンジンブレーキ）の効き過ぎを緩和・抑制して、車両走行距離を延長し、ひいては燃費性能を向上することができる。しかしながら、このように燃料カットの運転状態での機関圧縮比を過度に低くすると、例えばエンジン回転速度が低い場合には、次回のエンジン再始動時に、有効圧縮比の低下に起因して着火・燃焼が良好に行われず、燃焼が不安定となるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、燃料カットを伴う運転状態における機関圧縮比を適切に制御することによって、燃料カット後のエンジン再始動時の燃焼安定性を確保しつつ、燃料カットを伴う運転状態での燃費性能の向上を図ることを目的としている。

本発明に係る可変圧縮比エンジンには、エンジンの燃焼室もしくは吸気ポートへ燃料を噴射供給する燃料噴射装置と、機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比装置と、が設けられる。また、エンジンコントロールユニット等の制御装置によって、車両運転状態に応じて目標圧縮比を設定し、この目標圧縮比へ向けて機関圧縮比を駆動制御するように構成されている。そして、燃料噴射を停止する燃料カット運転状態においては、上記エンジン回転速度に基づいて目標圧縮比を設定している。

このように本発明によれば、燃料を噴射供給してエンジントルクを出力する通常の運転状態と、燃料カットを行う車両減速時などの運転状態とで、目標圧縮比の設定を切り換えており、個々の運転状態に応じた適切な目標圧縮比に設定することで、燃費性能や燃焼安定性などのエンジン運転性能の向上を図ることができ、特に、燃料カットの運転状態においては、次回のエンジン再始動時の燃焼安定性を確保し得る範囲で、エンジン回転速度に応じて目標圧縮比を可能な限り低く設定することで、圧縮圧力を抑制して無駄なエネルギーの消費を抑制することができる。

本発明に係る可変圧縮比エンジンの制御装置の一実施例を示すシステム図。 上記実施例の可変圧縮比装置を示す断面対応図。 上記可変圧縮比装置の高圧縮比位置（Ａ）及び低圧縮比位置（Ｂ）におけるリンク姿勢を示す説明図。 上記可変圧縮比装置による高圧縮比位置（Ａ）及び低圧縮比位置（Ｂ）におけるピストンモーションを示す特性図。 上記実施例の目標圧縮比の設定処理の流れを示すフローチャート。 図５の燃料カットシーケンスフラグ処理の詳細を示すフローチャート。 図５の燃料カットフラグ処理の詳細を示すフローチャート。 図５の回転追従圧縮比制御の詳細を示すフローチャート。 図５の負圧追従圧縮比制御の詳細を示すフローチャート。 図５の力行圧縮比制御の詳細を示すフローチャート。 上記回転追従圧縮比制御において目標圧縮比の設定に用いられる回転追従圧縮比制御マップを示す説明図。 上記負圧追従圧縮比制御による目標圧縮比等の変化を示すタイミングチャート。 上記力行圧縮比制御において目標圧縮比の設定に用いられる力行圧縮比制御マップを示す説明図。

以下、本発明の好ましい実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１を参照して、このエンジンは、シリンダヘッド１とシリンダブロック２とにより大略構成されており、かつ、ピストン３の上方に画成される燃焼室４内の混合気を火花点火する点火プラグ９を備えたガソリンエンジン等の火花点火式エンジンである。このエンジンは、周知のように、吸気カム１２により駆動されて吸気ポート７を開閉する吸気弁５と、排気カム１３により駆動されて排気ポート８を開閉する排気弁６と、吸気ポート７に燃料を噴射供給する燃料噴射装置としての燃料噴射弁１０と、吸気コレクタ１４の上流側を開閉して吸入空気量を調整するスロットル１５と、を有し、かつ、機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比装置２０を備えている。なお、エンジンの形態としては図示のものに限られず、例えば燃料噴射弁１０によりエンジンの燃焼室内に燃料を直接的に噴射供給する筒内直接噴射式のエンジンに本発明を適用することもできる。

制御部１１は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ及び入出力インターフェースを備えた周知のデジタルコンピュータであり、排気の空燃比を検出する空燃比センサ１６からの空燃比センサ信号，スロットル開度を検出するスロットルセンサ信号，エンジン水温を検出する水温センサからの水温センサ信号，エンジン回転速度を検出するクランク角センサからのクランク角センサ信号，ノッキングの有無を検出するノックセンサからのノックセンサ信号，バッテリ１７から供給される電力により可変圧縮比装置２０のコントロールシャフト２７を駆動する可変圧縮比アクチュエータ２１からの回転角センサ信号や負荷センサ信号等の各種信号に基づいて、燃料噴射弁１０，点火プラグ９，スロットル１５，及び可変圧縮比装置２０の可変圧縮比アクチュエータ２１等の各種アクチュエータへ制御信号を出力して、燃料噴射量，燃料噴射時期，点火時期，スロットル開度，及び機関圧縮比等を制御する。

図２及び図３を参照して、可変圧縮比装置２０は、ピストン３とクランシャフト２２のクランクピン２３とを複数のリンクで連係した複リンク式ピストン−クランク機構を利用したものであって、クランクピン２３に回転可能に装着されたロアリンク２４と、このロアリンク２４とピストン３とを連結するアッパリンク２５と、偏心軸部２８が設けられたコントロールシャフト２７と、偏心軸部２８とロアリンク２４とを連結するコントロールリンク２６と、を有している。アッパリンク２５は、一端がピストンピン３０によりピストン３と回転可能に連結され、他端が第１連結ピン３１によりロアリンク２４と回転可能に連結されている。コントロールリンク２６は、一端が第２連結ピン３２によりロアリンク２４と回転可能に連結されており、他端が偏心軸部２８に回転可能に取り付けられている。

可変圧縮比アクチュエータ２１によりコントロールシャフト２７の回転位置を変更することにより、図３にも示すように、コントロールリンク２６によるロアリンク２４の姿勢が変化し、ピストン３のピストンモーション（ストローク特性）、すなわちピストン３の上死点位置及び下死点位置の変化を伴って、機関圧縮比が連続的に変更・制御される。

こ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装置２０によれば、エンジン運転状態に応じて機関圧縮比を適正化することで燃費や出力向上を図れることに加え、ピストンとクランクピンとを一本のリンクで連結した単リンク機構に比して、ピストンストローク特性（図４参照）そのものを例えば単振動に近い特性に適正化することができる。また、単リンク機構に比して、クランクスローに対するピストンストロークを長くとることができ、エンジン全高の短縮化や高圧縮比化を図ることができる。更に、アッパリンク２５の傾きを適正化することで、ピストン３やシリンダに作用するスラスト荷重を低減・適正化し、ピストン３やシリンダの軽量化を図ることができる。なお、アクチュエータとしては電動式の可変圧縮比アクチュエータ２１に限らず、例えば油圧制御弁を用いた油圧式の駆動装置であっても良い。

図５は、本実施例に係る燃料カット時の目標圧縮比の設定制御の流れを示すフローチャートである。本ルーチンは上記の制御部１１により所定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に繰り返し実行される。ステップＳ１１では、図６のサブルーチンにより、燃料カットシーケンスフラグの設定処理を行う。この燃料カットシーケンスフラグは、燃料カットを行うべき車両運転状態である場合に「１」に設定され、燃料カットを行うべき車両運転状態でない場合に「０」に設定される。具体的には、図６に示すように、ステップＳ２１でアクセル開度ＡＰＯと車速ＶＳＰとを読み込み、ステップＳ２２でアクセル開度ＡＰＯが所定値ｔｈＡＰＯ以下であり、かつ、ステップＳ２３で車速ＶＳＰが所定値ｔｈＶＳＰ以上であると判定された場合に、ステップＳ２４へ進み、燃料カットを行うべき車両運転状態であるとして燃料カットシーケンスフラグを「１」に設定し、それ以外の場合にはステップＳ２５へ進み、燃料カットを行うべき車両運転状態にないとして燃料カットシーケンスフラグを「０」に設定する。

再び図５を参照して、ステップＳ１２では、上記の燃料カットシーケンスフラグが「１」であるかを判定する。燃料カットシーケンスフラグが「１」である場合、ステップＳ１３へ進み、図７のサブルーチンにより、燃料カットフラグの設定処理を行う。この燃料カットフラグは、エンジンが燃料カットを行うことが可能な運転状態にあるかを判定するものであり、燃料カットを実行可能なエンジン運転状態の場合に「１」に設定され、燃料カットが不可能なエンジン運転状態の場合に「０」に設定される。具体的には図７に示すように、ステップＳ３１では、エンジン圧力（負圧）とエンジン回転速度とを読み込み、ステップＳ３２でエンジン圧力（負圧）が所定値ｔｈＢｏｏｓｔ（負の値）以下で、かつ、ステップＳ３３でエンジン回転速度Ｎｅが所定値ｔｈＮｅ以上と判定された場合に、ステップＳ３４へ進み、燃料カットが可能なエンジン運転状態であるとして、燃料カットフラグを「１」に設定し、それ以外の場合にはステップＳ３５へ進み、燃料カットが不可能なエンジン運転状態であるとして、燃料カットフラグを「０」に設定する。

再び図５を参照して、ステップＳ１４では、この燃料カットフラグが「１」であるかを判定する。燃料カットを行うべき車両運転状態にあり、かつ、燃料カットが可能なエンジン運転状態にある場合には、燃料の噴射供給が停止されて燃料カットが実行されるとともに、ステップＳ１２及びＳ１４の双方の判定処理が肯定されて、ステップＳ１５へ進み、図８に示す回転追従圧縮比制御処理が行われる。燃料カットを行うべき車両運転状態にある一方、燃料カットが不可能なエンジン運転状態にある場合には、燃料カットは行われず、つまり燃料の噴射供給によるエンジンの実動状態が継続されるとともに、ステップＳ１２の判定処理が肯定、ステップＳ１４の判定処理が否定されて、ステップＳ１６へ進み、図９に示す負圧追従圧縮比制御が行われる。燃料カットを行うべき車両運転状態にない場合には、燃料カットは行われず、燃料の噴射供給によるエンジン実動状態を継続しつつ、ステップＳ１２の判定処理が否定されてステップＳ１７へ進み、図１０に示す力行圧縮比制御処理が行われる。

図８を参照して、回転追従圧縮比制御処理においては、先ずステップＳ４１において、エンジン回転速度を読み込み、ステップＳ４２において、読み込まれたエンジン回転速度と吸気温度とに基づいて、図１１に示すような予め適合・設定された回転追従圧縮比制御マップを検索して、目標圧縮比を設定する（ステップＳ４３）。図１１に示すように、エンジン回転数が高くなるほど、同じ時間で着火が行われる機会が多くなり、エンジン始動性が良いので、目標圧縮比を低く設定し、エンジン回転数が低くなるほど、エンジン始動性（燃焼安定性）を確保するために、目標圧縮比を高く設定する。また、吸気温度が高くなるほど、エンジン始動性が良くなるので、目標圧縮比を低く設定し、吸気温度が低くなるほど、エンジン始動性が悪化するので、エンジン始動性を確保するように、目標圧縮比を高く設定している。

つまり、エンジン回転速度と吸気温度とに基づいて、良好なエンジン始動性を確保できる範囲内で、目標圧縮比を可能な限り低く設定している。これによって、圧縮圧力が低くなり、ポンピングロスが抑制されるために、減速トルク、つまりエンジンブレーキが抑制される。従って、このように抑制された減速トルク分を補うように、オルタネータ（図示省略）により発電を行い余剰エネルギーを回生することによって、所期の減速トルク（エンジンブレーキ）を確保しつつ、余剰エネルギーを回生して燃費向上を図ることができる。また、上述したように減速トルクを抑制することによって、例えばアクセル開度を踏み込まずに惰性により走行している燃料カットを伴うコースト走行中にあっては、減速トルクの低下によって、過度な減速が抑制されて車両の走行距離が延びるために、燃費性能が向上する。

上記の吸気温度は、吸気温度センサを設けて直接的に検知するようにしても良く、あるいは上記のエンジン水温やエンジン油温などのエンジン油水温から推定するようにしても良い。また、上記の吸気温度に代えて、エンジン油水温を用い、つまりエンジン油水温が高くなるほど、目標圧縮比を低く設定するようにしても良い。

続くステップＳ４４では、急加速が生じる可能性を判定し、その判定結果に応じて目標圧縮比を変更・補正している。急加速が生じる可能性の判定は、例えば、アクセル開度の変化率（上昇率）に応じて求められ、あるいは周知のカーナビゲーションシステムから得られる情報に基づいて求められる。具体的には、アクセル開度の上昇率が所定値を超えた場合、あるいはカーナビゲーションシステムからの情報によってこの先の走行路が下り坂や平坦路から上り坂に移行するような場合に、急加速が生じる可能性があると判定する。

急加速が生じる可能性があると判定された場合、ステップＳ４４からステップＳ４５へ進み、図１３に示すように燃料カットを行わないエンジン実動状態での目標圧縮比の設定に用いられる力行圧縮比制御マップを参照して、現在のエンジン回転速度Ｎｅと、全開出力（ＮＡ−ＷＯＴ）相当のエンジン負荷と、に基づいて、目標圧縮比の設定を行う。すなわち、急加速が生じる可能性があると判定された場合には、その後に生じるであろうエンジン再始動に備えて、目標圧縮比を予めエンジン実動時の値に近づけるように、エンジン実動状態での力行圧縮比制御マップを用いて目標圧縮比を設定しているために、無駄な圧縮比の変更が抑制されるとともに、予め目標圧縮比がエンジン再始動時の値に近づくこととなり、エンジン再始動時の圧縮比の変換量が少なくてすみ、応答性が向上するとともにトルク段差を抑制することができる。また、全開出力（ＮＡ−ＷＯＴ）相当のエンジン負荷に対応した目標圧縮比に設定することで、過度な高圧縮比化によるノッキングやプレイグニッションの発生を確実に抑制・回避することができる。

図９を参照して、この負圧追従圧縮比制御処理は、燃料カットを行うべき車両運転状態であるにもかかわらず、エンジンが燃料カットの実現が不可能な運転状態であるために、燃料カットは行わていない運転状態、つまり、燃料を噴射供給している通常のエンジン運転状態から燃料カット運転へと移行する過渡期の運転状態で行われる。この負圧追従圧縮比制御処理では、ステップＳ５１において、燃料カット前に予め目標圧縮比を低くしており、特に、この実施例では目標圧縮比を最低圧縮比Ｅｍｉｎに設定している。

この負圧追従圧縮比制御処理による作用効果について、図１２を参照して説明する。車速が所定値Ｎｅ以上での車両走行中に運転者がアクセルペダルを戻した車両減速運転時には、図１２に示すように、先ずアクセル開度が所定値ｔｈＡＰＯ以下（図６のステップＳ２２参照）となった時点ｔ１で、燃料カットシーケンスフラグが「１」、つまり燃料カットを行うべき車両運転状態となり、その後、トルク段差を生じることのないようにエンジン圧力が所定値ｔｈＢｏｏｓｔまで低下（負圧が発達）した時点ｔ２で、燃料カットフラグが「１」となって燃料カットが開始される。従って、時点ｔ１から時点ｔ２までの期間に、上記の負圧追従圧縮比制御が行われる。

ここで、燃料カットを行うべき車両運転状態となった時点ｔ１で、アクセル開度の低下に応じてスロットル開度ＴＶＯを低下させても、吸気コレクタ内に残存する吸気の応答遅れの影響によりエンジン負圧は急激に低下しないため、図中の破線の特性で示すように、その後の燃料カット開始時ｔ２におけるエンジントルクが高くなって、トルク段差を生じるおそれがあるものの、本実施例では、図中の実線の特性で示すように、目標圧縮比を最低圧縮比εｍｉｎまで低下させることで、エンジントルクの低下を促進し、目標圧縮比を補正しない図中の破線の特性に比して、燃料カット開始時ｔ２におけるエンジントルクを所定分ΔＴｅだけ低くすることができる。このように、燃料カット前に予め目標圧縮比を低下させておくことによって、その後のエンジン再始動時におけるトルク段差の発生を抑制もしくは解消することができる。

なお、この実施例では負圧追従圧縮比制御における目標圧縮比を最低圧縮比εｍｉｎまで低下させているが、これに限らず、例えば、エンジン負圧に応じて目標圧縮比の低下分を調整しても良い。具体的には、エンジン圧力が低くなる（負圧が発達する）ほど、エンジントルクが低下してトルク段差が小さくなることから、目標圧縮比の低下分を小さくし、つまり目標圧縮比を大きくすれば良い。

図１０を参照して、上記の力行圧縮比制御では、先ず、ステップＳ６１においてエンジン負荷とエンジン回転速度Ｎｅとを読み込む。ステップＳ６２では、読み込まれたエンジン負荷とエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて、予め適合・設定された図１３に示す力行圧縮比制御マップを検索して、目標圧縮比を設定する（ステップＳ６３）。図１３に示すように、目標圧縮比は、基本的にはエンジン負荷が低くなるほど有効圧縮比を高めて燃費を向上するように高い値とされる。また、エンジン回転速度Ｎｅが低い低速域では、プレイグニッションの発生を回避するように、目標圧縮比が低い値（図の例では、１０）に抑制され、また、全開出力（ＮＡ−ＷＯＴ）近傍の高負荷域では、ノッキングの発生を回避するために、目標圧縮比が低い値（図の例では、１１または１２）に抑制される。

図１３に示す力行圧縮比制御マップは、燃料を噴射供給する通常のエンジン実動時に目標圧縮比の設定に用いられるものであるが、本実施例では、上述したように、この力行圧縮比制御マップを用いて、燃料カット時に急加速の可能性がある場合の目標圧縮比を設定しているために、個別に制御マップを設定する場合に比して、記憶容量の消費を抑制することができる。

１０…燃料噴射弁（燃料噴射装置）
１１…制御部（目標圧縮比設定手段、圧縮比制御手段）
２０…可変圧縮比装置

Claims (5)

1. エンジンの燃焼室もしくは吸気ポートへ燃料を噴射供給する燃料噴射装置と、
   機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比装置と、
   目標圧縮比を設定する目標圧縮比設定手段と、
   上記目標圧縮比へ向けて機関圧縮比を制御する圧縮比制御手段と、を有し、
   上記目標圧縮比設定手段は、燃料噴射を停止する燃料カット運転状態では、上記エンジン回転速度に基づいて目標圧縮比を設定することを特徴とする可変圧縮比エンジンの制御装置。
2. 上記目標圧縮比設定手段は、上記燃料カット運転状態では、上記エンジン回転速度が高いほど、上記目標圧縮比を低くすることを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比エンジンの制御装置。
3. 上記目標圧縮比設定手段は、上記燃料カット運転状態では、エンジン回転速度が同じでも、吸気温度又は油水温が高いほど、上記目標圧縮比を低くすることを特徴とする請求項１又は２に記載の可変圧縮比エンジンの制御装置。
4. 上記目標圧縮比設定手段は、
   燃料噴射が行われる通常の運転状態では、エンジン負荷とエンジン回転速度とに基づいて、予め設定された力行圧縮比制御マップを参照することにより目標圧縮比を設定するとともに、
   上記燃料カット運転状態では、エンジンの急加速の可能性の有無を判定し、急加速の可能性が有ると判定された場合には、現在のエンジン回転速度と、全開出力時のエンジン負荷とに基づいて、上記通常の運転状態で用いられる上記力行圧縮比制御マップを参照することにより目標圧縮比を設定する、
   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エンジンの制御装置。
5. 上記燃料カットを行うべき車両運転状態であるかを判定する第１の判定手段と、
   上記燃料カットを実行可能なエンジン運転状態であるかを判定する第２の判定手段と、を有し、
   上記目標圧縮比設定手段は、上記第１の判定手段により燃料カットを行うべき車両運転状態であると判定され、かつ、上記燃料カットを実行可能なエンジン運転状態にないと判定された場合には、燃料カット前に、予め目標圧縮比を低くす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エンジンの制御装置。

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