JP2024099098A - 車両用可変圧縮比内燃機関の制御方法および制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低μ路走行のような急加速要求が生じないと考えられる所定の条件下では定常走行時の圧縮比を高くし、燃費の向上を図る。
【解決手段】車両用内燃機関は可変圧縮比機構を備えており、機関負荷と機関回転速度とをパラメータとして定めた目標圧縮比に沿って圧縮比が制御される。基本圧縮比マップは、負荷が高いほど低圧縮比となるように定められている。急加速時の圧縮比変化の遅れによるノッキングを回避するために、基本圧縮比マップは燃費最良の圧縮比よりも低圧縮比側の設定となる。低μ路走行のような所定の非急加速条件が成立しているときは、基本圧縮比マップよりも高圧縮比領域を拡大した非急加速条件時圧縮比マップが用いられ、相対的に高圧縮比となる。これにより燃費が向上する。
【選択図】図３

Description

この発明は、可変圧縮比機構を備えた車両用可変圧縮比内燃機関の制御方法および制御装置に関する。

内燃機関の機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構は、従来から種々の形式のものが知られている。例えば、複リンク式ピストンクランク機構のリンクジオメトリの変更によってピストン上死点位置を上下に変位させるようにした可変圧縮比機構が本出願人らによって多数提案されている（特許文献２）。また、クランクシャフトの中心位置に対しシリンダの位置を上下に変位させることで同様に機械的圧縮比を変化させるようにした可変圧縮比機構も公知である。

特許文献１には、可変圧縮比内燃機関を走行駆動源の１つとして車両に搭載したハイブリッド車両が開示されている。ここには、車両全体の効率が高くなるように内燃機関の圧縮比を含む多数のパラメータを最適に設定する旨が記載されている。

特開２００４－０４４４３３号公報 特開２００４－１９０５９０号公報

内燃機関の圧縮比は、基本的には、高圧縮比である方が効率が高くなって燃費が良好となるが、負荷が高くなるとノッキングが生じて点火時期リタードが必要となる。そのため、可変圧縮比内燃機関においては、機関負荷と機関回転速度とに基づいて、機関負荷が高いほど圧縮比が低くなる特性でもって基本の目標圧縮比が設定される。

ここで、この基本の目標圧縮比特性は、過渡時（換言すれば急加速時）の圧縮比変化の遅れを考慮して耐ノック性の上で余裕を有する設定となっている。つまり、急加速により要求トルクが急増したときに、目標圧縮比は速やかに低くなるが、実際の圧縮比変化速度は有限であり、相対的に圧縮比変化の遅れが生じる。そのため、このように急加速時に圧縮比変化が遅れたとしても過渡的なノッキングの発生を回避できるように、目標圧縮比は、ある程度の余裕を有するように低圧縮比寄りに設定されるのである。

そのため、定常走行時に燃費最良のレベルにまで圧縮比が高く制御されず、燃費向上の上でなお改善の余地があった。

なお、特許文献１は、具体的な圧縮比の制御については、何ら記載がない。

この発明は、走行駆動源として車両に搭載され、かつ可変圧縮比機構を備え、機関負荷と機関回転速度とに基づいて機関負荷が高いほど基本圧縮比が低圧縮比側に設定される車両用可変圧縮比内燃機関の制御方法であって、
車両が急加速しない所定の非急加速条件を予め定め、
運転中に上記非急加速条件が成立しているかどうかを判定し、
非急加速条件が成立している場合は、目標圧縮比を上記基本圧縮比よりも高く設定する。

この発明によれば、非急加速条件が成立している場合の定常走行時における圧縮比が相対的に高く保たれることになり、それだけ燃費が向上する。

可変圧縮比機構を備えた内燃機関の構成説明図。 基本圧縮比マップの特性を示す特性図。 非急加速条件時圧縮比マップの特性を示す特性図。 高μ路走行時と低μ路走行時の加速時の動作を示すタイムチャート。

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、この発明が適用される自動車用内燃機関１の構成を概略的に示した説明図である。この内燃機関１は、例えば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機構２を備えた４ストロークサイクルの火花点火内燃機関（いわゆるガソリン機関）であって、走行駆動源として図示しない車両に搭載され、適当な変速機構を介して車両の駆動輪を駆動するものである。図示するように、燃焼室３の天井壁面に、一対の吸気弁４および一対の排気弁５が配置されているとともに、これらの吸気弁４および排気弁５に囲まれた中央部に点火プラグ６が配置されている。

上記吸気弁４によって開閉される吸気ポート１５の下方には、燃焼室３内に燃料を直接に噴射する筒内噴射用燃料噴射弁１６が配置されている。なお、吸気ポート１５へ向けて燃料を噴射するポート噴射型の構成であってもよい。

上記吸気ポート１５に接続された吸気通路１４のコレクタ部１８上流側には、エンジンコントローラ３１からの制御信号によって開度が制御される電子制御型スロットルバルブ１９が介装されている。スロットルバルブ１９の上流側に、吸入空気量を検出するエアフロメータ２０が配設されており、さらに上流側に、エアクリーナ２１が配設されている。

また、排気ポート１７に接続された排気通路２５には、三元触媒からなる触媒装置２６が介装されており、その上流側に、空燃比を検出する空燃比センサ２８が配置されている。

上記エンジンコントローラ３１には、上記のエアフロメータ２０、空燃比センサ２８のほか、機関回転速度を検出するためのクランク角センサ３２、冷却水温を検出する水温センサ３３、運転者により操作されるアクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ３４、コレクタ部１８内の圧力を検出する吸気圧センサ３５、等のセンサ類の検出信号が入力されている。エンジンコントローラ３１は、これらの検出信号に基づき、燃料噴射弁１６による燃料噴射量および噴射時期、点火プラグ６による点火時期、スロットルバルブ１９の開度、等を最適に制御している。

一方、可変圧縮比機構２は、公知の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、クランクシャフト４１のクランクピン４１ａに回転自在に支持されたロアリンク４２と、このロアリンク４２の一端部のアッパピン４３とピストン４４のピストンピン４４ａとを互いに連結するアッパリンク４５と、ロアリンク４２の他端部のコントロールピン４６に一端が連結されたコントロールリンク４７と、このコントロールリンク４７の他端を揺動可能に支持するコントロールシャフト４８と、を主体として構成されている。上記クランクシャフト４１および上記コントロールシャフト４８は、シリンダブロック４９下部のクランクケース４９ａ内で軸受構造を介して回転自在に支持されている。上記コントロールシャフト４８は、該コントロールシャフト４８の回動に伴って位置が変化する偏心軸部４８ａを有し、上記コントロールリンク４７の端部は、詳しくは、この偏心軸部４８ａに回転可能に嵌合している。上記の可変圧縮比機構２においては、コントロールシャフト４８の回動に伴ってピストン４４の上死点位置が上下に変位し、従って、機械的な圧縮比が変化する。

また、上記可変圧縮比機構２の圧縮比を可変制御する駆動機構として、この実施例では、クランクシャフト４１と平行な回転中心軸を有する電動アクチュエータ５１がクランクケース４９ａの外壁面に配置されており、この電動アクチュエータ５１の出力回転軸に固定された第１アーム５２と、コントロールシャフト４８に固定された第２アーム５３と、両者を連結した中間リンク５４と、を介して、電動アクチュエータ５１とコントロールシャフト４８とが連動している。電動アクチュエータ５１は、軸方向に直列に配置された電動モータおよび変速機構を含んでいる。この電動アクチュエータ５１は、機関運転条件に応じた目標圧縮比を実現するように、エンジンコントローラ３１からの制御信号によって制御される。

エンジンコントローラ３１は、内燃機関１の運転条件として内燃機関１の負荷Ｔｅ（換言すれば要求トルク）と回転速度Ｎｅとをパラメータとして目標圧縮比を割り付けた圧縮比マップを備えており、このマップに基づいて目標圧縮比を設定する。図２は、基本的な目標圧縮比である基本圧縮比を割り付けた基本圧縮比マップの特性を概略的に示しており、ここに図示するように、基本圧縮比は、基本的には、低負荷側では高圧縮比であり、負荷が高いほどノッキング抑制等のために低圧縮比となる。図２には、代表的な圧縮比としてＣＲ１～ＣＲ４の４つの圧縮比値の特性が図示されており、「ＣＲ１＞ＣＲ２＞ＣＲ３＞ＣＲ４」である。なお、可変圧縮比機構２は、圧縮比を連続的に変化させることが可能であるが、実際の制御においては、制御の簡略化のために、基本圧縮比が複数段階に段階的に設定されている。

一方、本実施例においては、エンジンコントローラ３１は、基本圧縮比マップのほかに、所定の非急加速条件が成立している場合に用いられる非急加速条件時圧縮比マップを備えている。非急加速条件時圧縮比マップは、非急加速条件が成立している場合つまり急加速が要求されないことを前提とした目標圧縮比を機関負荷Ｔｅと機関回転速度Ｎｅとをパラメータとして割り付けたものであり、図３にその一例を示す。図３の特性図を図２の特性図と比較すれば明らかなように、非急加速条件時圧縮比マップでは、比較的に高い圧縮比であるＣＲ１の領域やＣＲ２の領域が基本圧縮比マップよりも高負荷側に拡大している。そのため、多くの運転条件において、基本圧縮比よりも非急加速条件時圧縮比の方が高圧縮比となる。つまり、非急加速条件時圧縮比マップは、過渡時の圧縮比変化の遅れによるノッキングを考慮せずに耐ノック性の上で必要となる余裕を小さくして設定されており、全体として、燃費が最良となる圧縮比に近い特性となっている。

非急加速条件時圧縮比マップが適用される非急加速条件は、予め１つあるいは複数の条件が定められている。非急加速条件とは、急加速要求が生じることがないあるいは急加速要求が生じる確率が極めて低いと考えられる、環境条件、車両走行条件、車両走行位置、等の条件である。例えば、環境条件の１つとして、雪道や砂利道等の低μ路走行では、人為的な運転であっても通常、急加速が要求されることがない。また、このような急加速が不適当な環境条件（低μ路走行等）に対してシステム的に急加速を制限する（例えばスロットルバルブ１９の開度や変化速度を制限する）ような場合は、この急加速の制限と併せて、非急加速条件時圧縮比マップに目標圧縮比マップを切り換えるようにしてもよい。なお、低μ路であることの検出ないし判定は、例えば、二輪走行と四輪走行との切換を自動で行うオンデマンド四輪駆動車に使用される公知の技術を応用することができる。本実施例の内燃機関１をこのようなオンデマンド四輪駆動車の駆動源として利用することも可能である。

高速道路等において設定速度で走行するオートクルーズモード走行、自動運転機能による高速自動運転、高速巡航走行、前車に追従している追従走行、等も非急加速条件の１つとなり得る。そのほか、カーナビゲーションシステムの渋滞情報に基づき渋滞状態が続くとシステムが判断した場合、カーブ路の進入前の区間、下り坂の進入前の区間、カーブ路や下り坂の走行途中、赤信号や黄信号の直前位置、ＥＴＣゲートの直前位置、等も非急加速条件の１つとして予め定めておくことが可能である。

一実施例の車両にあっては、このような予め定めた所定の非急加速条件が成立しているかどうかを車両運転中に判定し、非急加速条件が成立している場合は、エンジンコントローラ３１で使用する目標圧縮比マップを図２の基本圧縮比マップから図３の非急加速条件時圧縮比マップに切り換える。これにより、比較的に高い圧縮比で内燃機関１が運転される時間が長くなり、燃費が向上する。

非急加速条件が成立していない場合は、基本圧縮比マップを用いて圧縮比を制御する。

また、非急加速条件が成立していて非急加速条件時圧縮比マップが用いられている間に、加速要求が発生すると予測された場合には、ノッキング回避のために基本圧縮比マップに戻すことが好ましい。加速要求が発生すると予測される場合としては、例えば、前車と自車との間の車間距離が所定以上に大きくなった場合、ステアリング操作時、レーンチェンジ時、渋滞終了が予測されたとき、カーブ路の出口区間、登坂路の進入前の区間、ＥＴＣゲート出口部、高速道路の合流部、運転者が運転モードとしてスポーツモード（これに準ずるモードを含む）を選択した場合、等を挙げることができる。

このような場合に基本圧縮比マップに戻しておくことで、ノッキングの発生を未然に回避することができる。

図４は、前半の高μ路走行と後半の低μ路走行とを対比して示したタイムチャートであり、上から順に、（ａ）路面μ、（ｂ）圧縮比、（ｃ）アクセル開度、（ｄ）スロットルバルブ開度、（ｅ）トルク（駆動伝達可能トルクＴ１，ノック限界トルクＴ２、駆動トルクＴ３）、を示している。駆動伝達可能トルクＴ１は、路面μから定まるタイヤを介して路面に伝達可能な最大トルクである。ノック限界トルクＴ２は、ノッキングが生じない限界のトルクであり、圧縮比に応じて算出される。好ましい一つの例では、圧縮比に応じて算出されたノック限界トルクＴ２を越えることがないように例えばスロットルバルブ１９の開度制御を介して内燃機関１の出力トルク（換言すれば実際の駆動トルクＴ３）が制限される。

図４の例では、タイムチャートの前半部分は路面が高μ路と判定されており、基本圧縮比マップに基づいて比較的に低い圧縮比に制御されている。高μ路であることから駆動伝達可能トルクＴ１は十分に高く、またノック限界トルクＴ２も十分に高い。図示例では、ノック限界トルクＴ２よりも駆動伝達可能トルクＴ１が高いので、基本的にタイヤのスリップは生じない。また、高μ路走行中に急加速（アクセル開度の急増）が見られるが、スロットルバルブ１９の開度はアクセル開度に比例して大きくなり、駆動トルクＴ３も急増する。しかし、圧縮比が比較的に低いことから、ノッキングは発生せず、またタイヤのスリップも生じない。

タイムチャートの後半部分は路面が低μ路と判定されており、目標圧縮比マップが基本圧縮比マップから非急加速条件時圧縮比マップに切り換えられることで、圧縮比が高くなる。この圧縮比の上昇に伴い、ノック限界トルクＴ２は低くなる。駆動伝達可能トルクＴ１は、低μ路であることから低くなる。図示例では、駆動伝達可能トルクＴ１がノック限界トルクＴ２よりも低くなり、タイヤのスリップが生じ得る条件となる。

このような低μ路走行中に運転者によって急加速操作がなされたとすると、システムによってアクセル開度の変化に対しスロットルバルブ１９の開度変化が制限され、駆動輪から出力される駆動トルクＴ３が比較的に小さくなる。例えば、駆動伝達可能トルクＴ１およびノック限界トルクＴ２を下回るように駆動トルクＴ３が制限される。従って、比較的に高い圧縮比の下でもノッキングは発生せず、またタイヤのスリップも生じない。

なお、路面μが非常に低いなどにより駆動トルクＴ３が駆動伝達可能トルクＴ１に達した場合は、スリップが生じるので、内燃機関１の負荷（トルク）はそれ以上には増加し得ず、従って、駆動トルクＴ３がノック限界トルクＴ２を越えてノッキングが生じることはない。

以上、この発明の一実施例を詳細に説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。上記実施例では、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利用した可変圧縮比内燃機関を例示したが、本発明においては他の形式の可変圧縮比機構であってもよい。

１…内燃機関
２…可変圧縮比機構
１９…スロットルバルブ
３１…エンジンコントローラ
３４…アクセル開度センサ

Claims (7)

1. 走行駆動源として車両に搭載され、かつ可変圧縮比機構を備え、機関負荷と機関回転速度とに基づいて機関負荷が高いほど基本圧縮比が低圧縮比側に設定される車両用可変圧縮比内燃機関の制御方法であって、
   車両が急加速しない所定の非急加速条件を予め定め、
   運転中に上記非急加速条件が成立しているかどうかを判定し、
   非急加速条件が成立している場合は、目標圧縮比を上記基本圧縮比よりも高く設定する、
   車両用可変圧縮比内燃機関の制御方法。
2. 機関負荷と機関回転速度とをパラメータとして基本圧縮比を割り付けた基本圧縮比マップと、
   機関負荷と機関回転速度とをパラメータとして非急加速条件成立時の目標圧縮比を割り付けた非急加速条件時圧縮比マップと、
   を備え、
   上記非急加速条件時圧縮比マップは、基本圧縮比マップに比較して、高圧縮比領域が高負荷側に拡大している、
   請求項１に記載の車両用可変圧縮比内燃機関の制御方法。
3. 上記非急加速条件は、低μ路走行を含む、
   請求項１に記載の車両用可変圧縮比内燃機関の制御方法。
4. 上記非急加速条件は、環境条件によって内燃機関の負荷の急増が禁止されている場合、を含む、
   請求項１に記載の車両用可変圧縮比内燃機関の制御方法。
5. 上記非急加速条件は、車両が通常は急加速要求が生じない走行位置もしくは走行状態にある場合、を含む、請求項１に記載の車両用可変圧縮比内燃機関の制御方法。
6. 車両の加速要求が予測される走行位置もしくは走行状態に車両がある場合は、基本圧縮比に沿った通常の圧縮比制御とする、
   請求項１に記載の車両用可変圧縮比内燃機関の制御方法。
7. 走行駆動源として車両に搭載され、かつ可変圧縮比機構を備え、機関負荷と機関回転速度とに基づいて機関負荷が高いほど基本圧縮比が低圧縮比側に設定される車両用可変圧縮比内燃機関の制御装置であって、
   車両が急加速しない所定の非急加速条件が予め定められており、
   運転中に上記非急加速条件が成立しているかどうかを判定して、非急加速条件が成立している場合は、目標圧縮比を上記基本圧縮比よりも高く設定する、
   車両用可変圧縮比内燃機関の制御装置。

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