JP4116397B2

JP4116397B2 - 可変圧縮比機構を有する内燃機関

Info

Publication number: JP4116397B2
Application number: JP2002323277A
Authority: JP
Inventors: 光宣内田; 栄一神山
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2002-11-07
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2022-11-07
Also published as: JP2004156540A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変圧縮比機構を有する内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を有する内燃機関が知られている（例えば特許文献１，２）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−５４８７３号公報
【特許文献２】
実開昭６２−１３３９３９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、高圧縮比と低圧縮比では、燃焼室内における燃焼挙動が多少異なり、これに伴って問題が生じる可能性がある。例えば、低圧縮比では、十分なスキッシュが得られない場合がある。また、高圧縮比では、ピストンの上死点における燃焼室の面積／容積比（Ｓ／Ｖ比）が大きくなり、燃焼ガスが壁面によってより冷却される結果、火炎伝播が阻害されて燃焼が悪化する場合がある。しかし、従来は、このような圧縮比の違いによる燃焼上の問題に対処する工夫が十分になされていなかった。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、圧縮比の違いによる燃焼上の問題に対処する技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の内燃機関は、
燃焼室を構成するシリンダおよびピストンと、
前記燃焼室内に設けられた少なくとも１つの点火プラグと、
前記点火プラグの点火状態を制御するための点火制御部と、
前記燃焼室の圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、
を備え、
前記点火制御部は、圧縮比を示す指標値が所定の範囲内の値に設定されている場合と、前記指標値が前記所定の範囲外の値に設定されている場合とにおいて、前記点火プラグの点火個数と点火頻度とのうちの少なくとも一方を変更することによって、圧縮比の変更による燃焼の悪化を緩和する。
【０００７】
この構成によれば、圧縮比の変更によって燃焼が悪化する可能性があるときに、点火プラグの点火個数と点火頻度とのうちの少なくとも一部を変更することによってそれを緩和するので、圧縮比の違いによる燃焼上の問題に適切に対処することができる。
【０００８】
前記点火制御部は、圧縮比が第１の判定値よりも大きいとき、および、圧縮比が前記第１の判定値よりも小さい第２の判定値よりも小さいときに、前記点火プラグの点火個数と点火頻度とのうちの少なくとも一方を増加させるようにしてもよい。
【０００９】
こうすれば、圧縮比が過度に大きいとき、および、圧縮比が過度に小さいときに、それぞれ燃焼の悪化を緩和できる。
【００１０】
前記点火制御部は、前記第１と第２の判定値を、前記燃焼室への吸気温度と、前記燃焼室の冷却水温度と、前記内燃機関の要求負荷と、前記内燃機関の回転数と、に基づいて調整するようにしてもよい。
【００１１】
こうすれば、２つの判定値を各種のパラメータに応じて適切な値に設定することができる。
【００１２】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、内燃機関や、内燃機関の制御方法、その制御方法を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の態様で実現することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
Ａ．第１実施例：
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例としての内燃機関１０の構成を示す概念図である。この内燃機関１０は、シリンダ２０と、ピストン２１とで構成される燃焼室を有している。シリンダヘッド２２には、２つの点火プラグ５１，５２と、吸気弁４１と、排気弁４２とが設けられている（右下のＡ−Ａ図参照）。
【００１４】
ピストン２１は、コンロッド２３に連結されている。このコンロッド２３は、第１と第２のコンロッド部材２３１，２３３が接続ピン２３２で連結された構成を有しており、その連結部において屈曲自在である。第１のコンロッド部材２３１の上端はピストンピン２５によってピストン２１に連結されており、第２のコンロッド部材２３３の下端はクランク１１に連結されている。第１のコンロッド部材２３１の下端は、さらに、接続ピン２５によってコントロールロッド２６に接続されている。コントロールロッド２６の他端は、回動可能なコントロール円板２８の周縁部に設けられたコントロールシャフト２７に連結されている。このコントロールシャフト２７は、コントロール円板２８の中心軸２９から偏心した位置において、中心軸２９と平行に設置されている。従って、コントロール円板２８を中心軸２９回りに回転させると、コントロールシャフト２７は中心軸２９回りを公転する。コントロール円板２８には、円板２８の回転位置を検出するための回転位置センサ３３が設けられている。
【００１５】
ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０内に設けられた可変圧縮比制御回路３１は、駆動部３４を用いて、コントロールシャフト２７の位置を略３時の位置から略６時の位置の区間で位置決めすることによって、コンロッド２３の屈曲度を調整可能である。コンロッド２３の屈曲度が変化すると、シリンダ２０内におけるピストン２１の上死点と下死点の位置も変化する。従って、コンロッド２３の屈曲度の調整によって、燃焼室の圧縮比を変更することが可能である。この説明から理解できるように、コンロッド２３と、コントロールロッド２６と、コントロール円板２８と、可変圧縮比制御回路３１と、駆動部３４とは、全体として可変圧縮比機構を構成している。
【００１６】
この可変圧縮比機構は、本出願人によって開示された特開２０００−５４８７３号公報に開示されたものと同じである。但し、可変圧縮比機構としては、これ以外の任意の機構を採用することが可能である。
【００１７】
ＥＣＵ３０は、さらに、２つの点火プラグ５１，５２の点火状態を制御するための点火制御回路３２を含んでいる。ＥＣＵ３０には、エンジン回転数や、スロットル開度（アクセルペダルの踏込量）、吸入空気量、シリンダの冷却水温、などの各種のパラメータを示す信号が、各種のセンサから供給されている。ＥＣＵ３０は、これらの各種のパラメータに応じて、圧縮比と点火状態とを制御している。
【００１８】
ところで、可変圧縮比機構によって圧縮比を小さく設定すると、ピストン２１の上死点におけるピストン頂部とシリンダヘッド２２との間のギャップ（以下、「スキッシュクリアランス」と呼ぶ）が大きくなる。スキッシュクリアランスは、中程度の圧縮比において、いわゆるスキッシュ現象を利用して、燃焼が効率よく行われるように設定されている。しかし、圧縮比が過度に小さな値に設定されるとスキッシュクリアランスが過度に大きくなり、スキッシュの効果があまり期待できなくなる。この結果、燃焼特性が悪化してしまい、例えば、未燃燃料が排気ガスとして燃焼室外に排出されてしまうという問題が生じる可能性がある。そこで、第１実施例では、このような問題を解決するために、以下のような制御を行う。
【００１９】
図２は、本発明の第１実施例におけるエンジンの制御手順を示すフローチャートである。ステップＳ１では、ＥＣＵ３０が、エンジン回転数や、スロットル開度、吸入空気量、シリンダの冷却水温などのエンジンの運転状態を検出する。ステップＳ２では、可変圧縮比制御回路３１が、ステップＳ１で検出されたエンジンの運転状態に対して適切な圧縮比の目標値を演算する。この演算は、例えば、運転状態を規定する複数のパラメータの値の組合せを入力とし、圧縮比の目標値を出力とするマップやルックアップテーブルを用いて実現することができる。ステップＳ３では、可変圧縮比制御回路３１が、回転位置センサ３３の検出信号を監視しながらコントロール円板２８を回転させて、圧縮比を目標値に設定する。
【００２０】
ステップＳ４では、点火制御回路３２が、現在の圧縮比に対応するスキッシュクリアランスＤsqを算出し、ステップＳ５でこの値Ｄsqを判定値αと比較する。スキッシュクリアランスＤsqの値が判定値αよりも小さいとき（圧縮比が大きいとき）には、いわゆるスキッシュの効果が十分大きいので、２つの点火プラグ５１，５２のうちの一方のみを点火する（ステップＳ６）。一方、スキッシュクリアランスＤsqの値が判定値αよりも大きいとき（圧縮比が小さいとき）には、スキッシュの効果が小さいので、２つの点火プラグ５１，５２の両方を点火することによって、着実に着火させる（ステップＳ７）。なお、本明細書においては、燃焼室に複数の点火プラグが設けられている場合に、燃焼の１サイクル中に１つの点火プラグだけが点火することを「１点点火」と呼ぶ。また、燃焼の１サイクル中に複数の点火プラグが点火することを「多点点火」と呼ぶ。
【００２１】
以上のように、第１実施例では、スキッシュクリアランスＤsqが判定値αよりも大きいときに多点点火を行うようにしたので、スキッシュ効果が小さいときにも確実に着火させることが可能である。
【００２２】
Ｂ．第２実施例：
図３は、本発明の第２実施例におけるエンジンの制御手順を示すフローチャートである。第１実施例との差異はステップＳ５のみであり、他の手順およびエンジンの構成は第１実施例と同じである。
【００２３】
第２実施例のステップＳ５ａでは、スキッシュクリアランスＤsqの値が第１の判定値αと第２の判定値β（β＜α）との間の範囲にあるか否かが判断される。スキッシュクリアランスＤsqの値がこの範囲内のときには、通常の燃焼が行われると期待されるので、２つの点火プラグ５１，５２のうちの一方のみを点火する。一方、スキッシュクリアランスＤsqの値が第１の判定値αよりも大きいとき、および、スキッシュクリアランスＤsqの値が第２の判定値βよりも小さいときには、２つの点火プラグ５１，５２の両方を点火することによって、燃焼の悪化を防止する。
【００２４】
スキッシュクリアランスＤsqが第２の判定値βよりも小さいときに多点点火を行うのは、以下のような理由である。すなわち、スキッシュクリアランスＤsqが小さい高圧縮比の運転状態では、ピストンの上死点における燃焼室の全表面積／容積比（Ｓ／Ｖ比）が大きくなり、燃焼ガスが壁面によって冷却される効果が増大するので、火炎伝播が阻害されて燃焼が悪化する傾向がある。そこで、スキッシュクリアランスＤsqが第２の判定値βよりも小さいときに多点点火を行うようにすれば、燃焼の悪化を緩和または防止することが可能である。
【００２５】
なお、判定値α，βの適切な値は、吸気温度や、シリンダの冷却水温、エンジンの要求負荷、エンジン回転数などに応じて変化する。従って、判定値α、βの値は、これらのパラメータに応じて変更することが好ましい。
【００２６】
このように、第１および第２実施例では、スキッシュクリアランスＤsqが所定の範囲内の値に設定されているときに比べて、この範囲外の値に設定されているときの方が、点火する点火プラグの個数が多くなるように点火プラグの点火個数を変更しており、この結果、圧縮比の変更に伴う燃焼の悪化を緩和することが可能である。
【００２７】
なお、スキッシュクリアランスＤsqは、圧縮比に直接関連付けられている。従って、スキッシュクリアランスＤsqの値は、圧縮比を表す指標値と考えることができる。なお、スキッシュクリアランスＤsqの代わりに、圧縮比そのものを用いて図２や図３の制御を実行することも可能である。
【００２８】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００２９】
Ｃ１．変形例１：
上記各実施例では、点火プラグの点火個数を変更することによって、圧縮比の変更に伴う燃焼の悪化を緩和していたが、点火個数の代わりに、点火頻度と点火時期を変更することによって、圧縮比の変更による燃焼の悪化を緩和するようにしてもよい。
【００３０】
例えば、点火プラグの点火頻度を変える場合には、上述したステップＳ６において１つの点火プラグが１燃焼サイクル中に１回だけ点火するものとし、ステップＳ７では１つの点火プラグが１燃焼サイクル中に複数回点火するものとしてもよい（「多重点火」と呼ぶ）。また、ステップＳ６とステップＳ７でいずれも多重点火を行い、ステップＳ６においてステップＳ７よりも点火回数が多くなるようにしてもよい。このように点火頻度を増加させることによっても、燃焼の悪化を緩和することが可能である。
【００３１】
また、点火時期を変更（進角または遅角）することによって、燃焼の悪化を緩和することも可能である。さらに、点火個数の変更と、点火頻度の変更と、点火時期の変更とのうちのいくつかを組み合わせることによって燃焼の悪化を緩和することも可能である。なお、本発明では、点火個数と点火頻度とのうちの少なくとも一方を変更することによって、圧縮比の変更による燃焼の悪化を緩和することができる。
【００３２】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、１つの燃焼室に点火プラグが２つ設けられているものとしていたが、本発明は、１つの燃焼室に点火プラグが１つだけ設けられている場合にも適用可能であり、また、１つの燃焼室に点火プラグが３つ以上設けられている場合にも適用可能である。なお、１つの燃焼室に点火プラグが１つだけ設けられている場合には、点火個数の変更は利用できないので、点火頻度の変更によって圧縮比の変更による燃焼の悪化を緩和することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての内燃機関１０の構成を示す概念図。
【図２】本発明の第１実施例におけるエンジンの制御手順を示すフローチャート。
【図３】本発明の第２実施例におけるエンジンの制御手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
１０…内燃機関
１１…クランク
２０…シリンダ
２１…ピストン
２２…シリンダヘッド
２３…コンロッド
２４…ピストンピン
２５…接続ピン
２６…コントロールロッド
２７…コントロールシャフト
２８…コントロール円板
２９…中心軸
３０…ＥＣＵ
３１…可変圧縮比制御回路
３２…点火制御回路
３３…回転位置センサ
３４…駆動部
４１…吸気弁
４２…排気弁
５１，５２…点火プラグ
２３１，２３３…コンロッド部材
２３２…接続ピン

Claims

内燃機関であって、
燃焼室を構成するシリンダおよびピストンと、
前記燃焼室内に設けられた少なくとも１つの点火プラグと、
前記点火プラグの点火状態を制御するための点火制御部と、
前記燃焼室の圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、
を備え、
前記点火制御部は、圧縮比が第１の判定値よりも大きいとき、および、圧縮比が前記第１の判定値よりも小さい第２の判定値よりも小さいときに、前記点火プラグの点火頻度を増加させることによって、圧縮比の変更による燃焼の悪化を緩和する、内燃機関。