JP2013072372A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可変圧縮比機構を備えた内燃機関のアイドル制御の精度を向上させる。
【解決手段】アイドル運転中に点火時期及び吸気量の補正を行うにあたり、そのときの可変圧縮比機構により実現している圧縮比及び点火時期に基づいてアイドル運転中の要求吸気量を決定することとした、点火時期が同等の条件の下では、圧縮比が高いほど吸気量の補正幅を大きくする；そのために、電子スロットルバルブまたはアイドルスピードコントロールバルブの開度を大きく開き／閉じ操作する。
【選択図】図３

Description

本発明は、可変圧縮比機構を備えた内燃機関を制御する制御装置に関する。

普遍的なレシプロ式内燃機関は、気筒のボア径やピストンのストローク、燃焼室の容積が一定であり、圧縮比も一定である。これに対し、圧縮比を変化させる機構を実装したものも考案されている。例えば、シリンダブロック及びシリンダヘッドを含む可動部位をクランクケースに対し気筒の軸心方向に沿って相対移動させる態様の可変圧縮比機構（下記特許文献１を参照）や、複リンク式ピストン−クランクにより気筒内を往復動するピストンの行程を変化させることで上死点の位置を気筒の軸心方向に沿って変位させる態様の可変圧縮比機構（下記特許文献２を参照）が既知である。

ところで、圧縮比が変わると、機関の出力トルク特性も変化することから、アイドル運転中に要求される吸気量（及び、燃料噴射量）も変化する。下記特許文献２には、そのときの圧縮比を考慮して吸気量を決定するアイドル制御手法が開示されている。

しかしながら、機関の出力トルクは点火時期による影響を受ける上、点火時期の進角／遅角に対する出力トルクの増減の度合いは圧縮比によって異なる。目標アイドル回転数と実測エンジン回転数との偏差を縮小するべく吸気量をフィードバック補正するにあたり、点火時期をも加味して吸気量を定めなければ、エンジン回転数の目標アイドル回転数への収束が遅れ、圧縮比が低い状況ではエンジンストールを招くおそれを否定できない。

特開２０１１−１７９４００号公報 特開２００４−２３９１４６号公報

本発明は、上述の問題に初めて着目してなされたものであり、可変圧縮比機構を備えた内燃機関のアイドル制御の精度を向上させることを所期の目的としている。

本発明では、可変圧縮比機構を備えた内燃機関を制御する制御装置であり、アイドル運転中に点火時期及び吸気量の補正を行うものであって、そのときの可変圧縮比機構により実現している圧縮比と点火時期とに基づいてアイドル運転中の要求吸気量を決定し、点火時期が同等の条件の下では、圧縮比が高いほど吸気量の補正幅が大きいことを特徴とする内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、可変圧縮比機構を備えた内燃機関のアイドル制御の精度を向上させることができる。

本発明の一実施形態における内燃機関の全体構成を示す図。 同実施形態の内燃機関における点火時期と出力トルクとの関係を示す図。 同実施形態の内燃機関における圧縮比と要求される吸気量との関係を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。この内燃機関は、複数の気筒１と、各気筒１内に燃料を噴射するインジェクタ１１と、各気筒１に吸気を供給するための吸気通路３と、各気筒１から排気を排出するための排気通路４と、吸気通路３を流通する吸気を過給する排気ターボ過給機５と、排気通路４から吸気通路３に向けてＥＧＲガスを還流させる外部ＥＧＲ装置２とを具備する。

吸気通路３は、外部から空気を取り入れて気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３２、電子スロットルバルブ３３、サージタンク３４、吸気マニホルド３５を、上流からこの順序に配置している。

排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２、過給機５の駆動タービン５２及び三元触媒４１を配置している。加えて、タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３、及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパスバルブであるウェイストゲートバルブ４４を設けてある。ウェイストゲートバルブ４４は、アクチュエータに制御信号ｌを入力することで開閉操作することが可能な電動ウェイストゲートバルブであり、そのアクチュエータとしてＤＣサーボモータを用いている。

排気ターボ過給機５は、駆動タービン５２とコンプレッサ５１とを同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、駆動タービン５２を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサ５１にポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

外部ＥＧＲ装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものである。外部ＥＧＲ通路の入口は、排気通路４におけるタービン５２の上流の所定箇所に接続している。外部ＥＧＲ通路の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３３の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３４に接続している。外部ＥＧＲ通路上にも、ＥＧＲクーラ２１及びＥＧＲバルブ２２を設けてある。

本実施形態における内燃機関は、図示しない可変圧縮比機構を備えている。可変圧縮比機構の具体的態様は任意であり、一意に限定されない。既に述べた通り、シリンダブロック及びシリンダヘッドを含む可動部位をクランクケースに対し気筒１の軸心方向に沿って相対移動させるものであってもよいし、複リンク式ピストン−クランクにより気筒１内を往復動するピストンの行程を変化させることで上死点の位置を気筒１の軸心方向に沿って変位させるものであってもよい。あるいは、可変動弁機構により吸気バルブ及び／または排気バルブの開閉のタイミングやバルブリフト量を変化させることを通じて、実効的な圧縮比を変化させるものであっても構わない。

内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるエンジン回転信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３３の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するアクセル開度センサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３４）内の吸気温を検出する温度センサから出力される吸気温信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３４）内の吸気圧（または、過給圧）を検出する圧力センサから出力される吸気圧信号ｅ、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力される排気カム信号ｇ等が入力される。エンジン回転センサは、１０°ＣＡ毎にパルス信号ｂを発する。カム角センサは、７２０°ＣＡを気筒数で割った角度毎にパルス信号ｇを発する。

出力インタフェースからは、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｈ、点火プラグ（のイグニッションコイル）に対して点火信号ｉ、ＥＧＲバルブ２２に対して開度操作信号ｊ、スロットルバルブ３３に対して開度操作信号ｋ、ウェイストゲートバルブ４４に対して開度操作信号ｌ、可変圧縮比機構に対して所要の圧縮比を実現するための駆動制御信号ｍ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに、気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、ＥＧＲ量（または、ＥＧＲ率）及びＥＧＲバルブ２２の開度、圧縮比といった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能であるので説明を割愛する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

本実施形態にあって、ＥＣＵ０は、内燃機関のアイドル時に、実測エンジン回転数を所与の目標アイドル回転数に収束させるための制御を実行する。基本的には、目標アイドル回転数と実測エンジン回転数との偏差に基づき、点火時期を補正する。即ち、エンジン回転数が目標を上回っているのであれば、点火時期を遅角して機関の出力トルクを低下させる。逆に、エンジン回転数が目標を下回っているのであれば、点火時期を進角して機関の出力トルクを増大させる。

図２に示しているのは、吸気量や燃料噴射量その他の運転パラメータを一定と仮定したときの、点火時期と機関の出力トルクとの関係である。図２中、細い実線は圧縮比が比較的高い状況での特性、破線は圧縮比が比較的低い状況での特性、鎖線は圧縮比が中程度である状況での特性である。また、太い実線は、様々な圧縮比の下で出力トルクが最も大きくなるＭＢＴ点をプロットし、それらＭＢＴ点を結んだものである。点火時期をＭＢＴ点から進角または遅角させるほど、出力トルクは低下する。

但し、ＭＢＴ点のタイミングで点火すると、ノッキングを引き起こしやすくなる。よって、通常、圧縮比毎に、ＭＢＴ点よりも遅角したタイミングを基準となる点火時期として（適合により）定め、この基準時期を中心として点火時期を制御することとし、必要に応じて基準時期に進角補正または遅角補正を加えたタイミングで点火を行っている。

概ね、点火時期の補正に対する出力トルクの変動の感度は、高圧縮比ほど高く、低圧縮比ほど低い。説明のための例として、ＭＢＴ点から点火時期を進角または遅角することを考えると、その進角量または遅角量が同じ場合の出力トルクの変動量、つまりは出力トルクの落ち込みは、圧縮比が高いほど大きくなる。目標アイドル回転数と実測エンジン回転数との偏差が同等であるならば、高圧縮比ほど点火時期の進角／遅角補正量は少なくて済む。

しかして、本実施形態では、アイドル運転中における機関の圧縮比及び点火時期の補正量を参酌して、アイドル運転中の要求吸気量を決定することとしている。

図３に示しているのは、アイドル運転中にエンジン回転数を目標アイドル回転数近傍に維持するために必要となる要求吸気量である。図３中、実線は点火時期の補正量が０、即ち点火時期が基準時期に合致している状況での（適合値の）特性、破線は点火時期を基準時期よりも遅角補正している状況での特性、鎖線は点火時期を基準時期よりも進角補正している状況での特性である。要求吸気量は、点火時期を遅角補正しているほど大きく、進角補正しているほど小さくなる。点火時期の遅角補正はＭＢＴ点から離れることを意味し、進角補正はＭＢＴ点に近づくことを意味するからである。

点火時期が同等の条件の下での要求吸気量、換言すれば図３中の実線、破線、鎖線のそれぞれの吸気量のグラフは、圧縮比が高いほど小さく、圧縮比が低いほど大きい、右肩下がりの傾向にある。

対して、図３中の実線と破線との間の要求吸気量の乖離、並びに実線と鎖線との間の要求吸気量の乖離はそれぞれ、圧縮比が高いほど大きく広がり、圧縮比が低いほど小さく狭まる。実線と破線との乖離、実線と鎖線との乖離はいわば、適合値である実線から見た吸気量の補正幅（補正量の絶対値）である。例を挙げて言えば、点火時期を基準時期から−２°ＣＡ遅角補正して機関を運転している場合において、圧縮比が９であるときよりも１２であるときの方が空気量をより増量補正しないと（実線で示す適合値からより大きく空気量を上積みしないと）機関の出力トルクが不足する、ということである。

ＥＣＵ０のメモリには予め、圧縮比及び点火時期（または、その補正量）と、要求される吸気量（または、その補正量）との関係を規定したマップ（テーブル）データが格納されている。アイドル運転中、ＥＣＵ０は、そのときの圧縮比及び点火時期をキーとして当該マップを検索し、適合値に補正量を加算または減算した要求吸気量を知得する。その上で、ＥＣＵ０は、要求吸気量を達成するように電子スロットルバルブ３３の開度を開き／閉じ操作するとともに、吸気量に対応した量の燃料を噴射し、点火して燃焼させる。なお、実際の吸気量は、エンジン回転数及び吸気圧、吸気温等から推算することができる。

本実施形態では、可変圧縮比機構を備えた内燃機関を制御し、アイドル運転中に点火時期及び吸気量の補正を行うものであって、そのときの可変圧縮比機構により実現している圧縮比と点火時期とに基づいてアイドル運転中の要求吸気量を決定し、点火時期が同等の条件の下では、圧縮比が高いほど吸気量の（点火時期に応じた）補正幅が大きいことを特徴とする内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、可変圧縮比機構が実現している圧縮比のみならず、そのときの点火時期（の補正量）をも加味して吸気量を決定するため、アイドル回転制御の精度を一層向上させることができ、エンジン回転数の目標アイドル回転数への収束の遅れや、圧縮比が低い状況でのエンジンストールを有効に回避できる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、アイドル時の吸気量の増減補正のために電子スロットルバルブ３３の開度を操作していたが、アイドルスピードコントロールバルブを実装している内燃機関においては、このアイドルスピードコントロールバルブを操作することとしてもよい。周知の通り、アイドルスピードコントロールバルブは、吸気通路におけるスロットルバルブの上流側と下流側とを連通するバイパス通路を開閉する流量制御弁である。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に利用できる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
３…吸気通路
３３…電子スロットルバルブ

Claims (1)

1. 可変圧縮比機構を備えた内燃機関を制御する制御装置であり、アイドル運転中に点火時期及び吸気量の補正を行うものであって、
   そのときの可変圧縮比機構により実現している圧縮比と点火時期とに基づいてアイドル運転中の要求吸気量を決定し、
   点火時期が同等の条件の下では、圧縮比が高いほど吸気量の補正幅が大きいことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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