JP4155019B2 - エンジンの吸気制御装置 - Google Patents

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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
  • Control Of Throttle Valves Provided In The Intake System Or In The Exhaust System (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮比を可変制御するエンジンにおいて吸気量を制御する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
エンジンは圧縮比を高くするほど燃料消費率が向上するが、高負荷運転時にノッキングが発生しやすくなる。そこで、圧縮比を可変とし得るエンジンにおいて、低負荷運転時に高圧縮比とし、高負荷運転時時に低圧縮比とすることによって、ノッキングを発生させずに燃料消費率を向上させようとしたものがある(特許文献1参照)。
【0003】
上記のものは、燃焼室上部に、燃焼室に対して開口した容積室を設け、その容積室の容積を可変とすることによって、可変圧縮比を実現しているが、ピストンの上・下支点位置を可変とすることによって、可変圧縮比を実現したものもある(特許文献2参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開平7−229431号公報
【特許文献2】
特開2002−21592号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来例では、定常走行状態からアクセル開度をステップ的に減少させて減速走行状態に移行した場合、シリンダに吸入される新気量(以下、単に吸入新気量とする)は、アクセル操作に対して,通常0.2秒程度の遅れで応答する。一方、圧縮比は増加するが、その応答は、一般的には吸入新気量の応答に比べて遅い。
【0006】
このため、吸入新気量は定常的なレベルに到達しているが、圧縮比はまだ上がりきっていないという状態が発生し、圧縮比が定常レベルまで増加していくと熱効率が向上していくために、一旦下がったエンジントルクが増加してしまい、トルク応答として違和感が感じられてしまうという問題がある.
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、減速時に圧縮比制御の遅れに見合うように吸入新気量を制御することにより、違和感のない滑らかな減速性能が得られるようにすることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
このため請求項1に係る発明は、圧縮比可変機構により圧縮比をエンジン運転状態に基づいて制御しつつ目標圧縮比と実圧縮比との偏差を算出し、エンジン運転状態に基づいて設定した第1の目標吸入新気量を、前記圧縮比の偏差に基づいて補正して第2の目標吸入新気量を算出し、該第2の目標吸入新気量を満たすように前記吸入新気量可変機構を制御する構成とした。
【0008】
これにより、減速時に圧縮比可変機構で制御される圧縮比の制御応答遅れにおける目標圧縮比と実圧縮比との偏差に見合うように吸入新気量可変機構の制御が調整されて圧縮比の増大遅れに見合うように吸入新気量の減少遅れを小さく補正制御することができるので、エンジントルクが再上昇するようなことを防止しつつ違和感の無い滑らかな減速性能を得ることができる。
また、請求項3に係る発明は、圧縮比可変機構により圧縮比をエンジン運転状態に基づいて制御しつつ目標圧縮比に対応する目標圧縮比対応吸入新気量と、実圧縮比に対応する実圧縮比対応吸入新気量とを算出し、エンジン運転状態に基づいて設定した第1の目標吸入新気量を、前記目標圧縮比対応吸入新気量と実圧縮比対応吸入新気量とに基づいて補正して第2の目標吸入新気量を算出し、該第2の目標吸入新気量を満たすように前記吸入新気量可変機構を制御する構成とした。
これにより、圧縮比とエンジントルクが非線形な関係にある場合であっても、適切な吸気補正量を演算することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図1は、可変圧縮比機構ともなる複リンク式ピストン−クランク機構を備えたエンジンの全体図である。
【0010】
クランク軸31は、複数のジャーナル部32とクランクピン部33とカウンタウエィト部31aとを備えており、エンジン本体となる図示しないシリンダブロックの主軸受に、ジャーナル部32が回転自在に支持されている。前記クランクピン部33は、ジャーナル部32から所定量偏心しており、ここに第2リンクとなるロアーリンク34が回転自在に連結されている。
【0011】
前記ロアーリンク34は、略T字形をなすもので、その本体34aとキャップ34bとから分割可能に構成された略中央の連結孔に前記クランクピン部33が嵌合している。
【0012】
第1リンクとなるアッパーリンク35は、下端側が連結ピン36によりロアーリンク34の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン37によりピストン38に回動可能に連結されている。前記ピストン38は、燃焼圧力を受け、シリンダブロックのシリンダ39内を往復動する。
【0013】
前記シリンダ39の上部には、クランク軸31の回転に同期して吸気ポート44を開閉する吸気弁43と、同じくクランク軸31の回転に同期して排気ポート46を開閉する排気弁45と、が配置されている。
【0014】
第3リンクとなる制御リンク40は、上端側が連結ピン41によりロアーリンク34の他端に回動可能に連結され、下端側が制御軸42を介してエンジン本体例えばシリンダブロックの適宜位置に回動可能に連結されている。詳しくは、制御軸42は、小径部42bを中心として回転するようにエンジン本体に支持されており、この小径部42bに対し偏心している大径部42aに、前記制御リンク40下端部が回転可能に嵌合している。
【0015】
前記小径部42bは、圧縮比制御アクチュエータ43によって回動位置が制御される。小径部42bが回動すると小径部42bに対して偏心している大径部42aの軸中心位置、特に、エンジン本体に対する相対位置が変化する。これにより、制御リンク40の下端の揺動支持位置が変化する。そして、前記制御リンク40の揺動支持位置が変化すると、ピストン38の行程が変化し、ピストン上死点(TDC)におけるピストン38の位置が上下する(つまり図1のy座標が大きく)。これにより、エンジン圧縮比を変えることが可能となる。前記圧縮比制御アクチュエータ43は、制御リンク40から加わる反力に抗して、任意の回動位置で小径部42bを保持することができるようになっている。圧縮比制御アクチュエータ43としては、油圧ベーン式アクチュエータを用いる。
【0016】
図2〜図4は、該圧縮比制御アクチュエータ43を制御する油圧システムを示す。図において、圧縮比制御アクチュエータ43は、ハウジング43a内に前記小径部42bに連結された駆動軸43b及び該駆動軸43bに固定されてハウジング43a内を容積可変なA室とB室とに仕切るベーン43cが回動自由に収納される。一方、電動モータ101で駆動されるオイルポンプ102の吐出口が、逆止弁103,開閉弁104,方向切換弁105のポートcに接続され、該方向切換弁105のポートdが低圧側のオイルパン106に接続される。また、前記方向切換弁105のポートe,fが、それぞれ前記圧縮比制御アクチュエータ43のポートa,bに接続される。また、前記逆止弁103と開閉弁104との間から分岐するオイル通路にアキュームレータ107が接続され、開閉弁104と方向切換弁105との間から分岐するオイル通路がエンジンオイルギャラリーに接続される。
【0017】
そして、図2の状態では前記開閉弁104が開、方向切換弁105が図示左端に制御され、オイルポンプ102から吐出された高圧油は、開閉弁104、方向切換弁105のポートc,eを介して前記圧縮比制御アクチュエータ43のポートaからA室に供給され、B室内の油は、ポートbから方向切換弁105のポートf,dを介してオイルパン106に戻される。これにより、A室の容積が増大してベーン43cと共に小径部42bが図で時計回りに回動し、制御リンク40の揺動支持位置が変化して低圧縮比に制御される。
【0018】
一方、上記状態から図3に示すように、方向切換弁105を図示右端に切換制御すると、高圧油は、開閉弁104のポートc,fを介して前記圧縮比制御アクチュエータ43のポートbからB室に供給され、A室内の油は、ポートaから方向切換弁105のポートe,dを介してオイルパン106に戻される。これにより、B室の容積が増大してベーン43cと共に小径部42bが図で反時計回りに回動し、制御リンク40の揺動支持位置が変化して高圧縮比に制御される。高圧縮比側に保持する場合は、図4に示すように、方向切換弁105を図示中央に移動させると共に、開閉弁104を閉とする。
【0019】
図1に戻って、このエンジンは、過給機としてターボ過給機51を備えている。このターボ過給機51は、排気通路54に位置するタービン52と吸気通路55に位置するコンプレッサ53とを同軸状に配置した構成であり、運転条件に応じて過給圧を制御するために、タービン52の上流側から排気の一部をバイパスさせる排気バイパス弁56を備えている。
【0020】
また、前記コンプレッサ53下流の吸気通路55に吸入新気量を可変制御するスロットル弁57を備え、該スロットル弁57がステップモータなどのスロットルアクチュエータ58により駆動される。
【0021】
また、前記排気通路54のエンジン本体とタービン52との間から分岐してスロットル弁57下流の吸気通路55に接続するEGR通路59と、該EGR通路59に介装されたEGR弁60とが設けられている。
【0022】
前記EGR弁60は、例えば、ステップモータを用いた電子制御式のものであり、その開度に応じて吸気側に還流する排気の量、すなわち、エンジン本体に吸入されるEGR量を制御する。
【0023】
エンジン運転状態を検出するセンサ類として、ドライバにより操作されるアクセル開度を検出するアクセル開度センサ61、エンジン回転速度を検出する回転速度センサ62、スロットル弁57上流の過給圧を検出する過給圧センサ63、実圧縮比を検出する圧縮比センサ64、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ65、ノッキングを検出するノッキングセンサ66が設けられ、これらセンサ類からの検出信号は、エンジンコントロールユニット(ECU)67に入力される。
【0024】
かかる構成のエンジンにおいて、前記ECU67は、各種エンジン制御(燃料噴射制御、点火制御等)と共に、前記可変圧縮比機構による圧縮比の制御及びこれにより制御される実圧縮比に応じた前記スロットル弁57の開度制御を以下のように実行する。
【0025】
図5は、前記スロットル弁制御の制御ブロック、図6はメインフローを示す。図6において、ステップ1では、エンジン回転速度と第1の目標吸入新気量の前回値とに基づいて、図8に示したマップにより目標圧縮比を設定する。具体的には、第1の目標吸入新気量が大きくなるほどノッキング発生傾向が増大するのでノッキング抑制のため圧縮比を小さくするが、高回転領域では充填効率が低下するので少し圧縮比を大きめに設定する。
【0026】
ステップ2では、設定された目標圧縮比となるように前記可変圧縮比機構を駆動する。
ステップ3では、アクセル開度とエンジン回転速度とに基づいて、エンジンの第1の目標吸入新気量を算出する。具体的には、図7のフローチャートに示すように、アクセル開度を図9に示す特性マップによりアクセル開口面積に変換してから(ステップ11)、該アクセル開口面積を排気量(総行程容積)とエンジン回転速度とで除算して正規化開口面積を算出し(ステップ12)、該正規化開口面積に基づいて図10に示す特性マップにより要求負荷を算出し(ステップ13)、該要求負荷に基づいて図11に示す特性マップにより第1の目標吸入新気量tQa1を算出する(ステップ14)。
【0027】
ステップ4では、前記目標圧縮比tεと圧縮比センサ64によって検出された実圧縮比rεとの偏差dε(=tε−rε)を算出する。
ステップ5では、前記圧縮比偏差dεに、補正吸入新気量算出ゲインKを乗じて吸入新気補正量hQa(=K・dε)を算出する。
【0028】
ステップ6では、次式のように前記第1の目標吸入新気量tQa1を吸入新気補正量hQaにより補正して第2の目標吸入新気量tQa2を算出する。
tQa2=tQa1+hQa
ステップ7では、前記第2の目標吸入新気量tQa2とエンジン回転速度とから目標スロットル開度を算出する。具体的な目標スロットル開度の算出ルーチンを、図12のフローチャートに従って説明する。
【0029】
ステップ21では、前記ステップ13で求めた要求負荷とエンジン回転速度とに基づいて、図13に示した特性マップから目標EGR率を算出する。
ステップ22では、前記第2の目標吸入新気量に目標EGR率を乗じて目標EGR量(質量流量)を算出する。
【0030】
ステップ23では、前記要求負荷とエンジン回転速度とに基づいて、目標EGR量を新気量に換算する補正係数KQEGRを図示しない特性マップから求める。該補正係数KQEGRは、第1の目標吸入新気量とエンジン回転速度とにより、EGRガスである排気の物性・状態が求まるから、目標EGRガス量が流れるEGR弁開口面積でEGRガスに代えて新気を流した場合に流れる新気量(体積流量)に換算するためのものであり、新気量に換算することで後述するようにEGR実行時にも容易かつ正確にスロットル弁開度とEGR弁開度を算出することができる。
【0031】
ステップ24では、上記のように算出した各値を用いて、次式により目標総ガス量(体積流量)TTPGASを算出する。
TTPGAS=(tQa2×Pa/Pcom)
+[(tEGR/100)×tQac×KQEGR]
Pa:大気圧、Pcom:スロットル上流圧力(過給時は過給圧)、tEGR:目標EGR率
ステップ25では、エンジン回転速度に基づいて、図14に示したマップから全開時吸入新気量MAXQGAS(体積流量)を求める。
【0032】
ステップ26では、次式により、指令負荷tQH0を求める。
tQH0=TTPGAS×MAXQGAS
ステップ27では、前記指令負荷tQH0に基づいて、図15に示したマップから指令正規化開口面積tADNVを求める。
【0033】
ステップ28では、次式により目標スロットル開口面積tAtvoを算出する。
tAtvo=tADNV×Ve×Ne
ステップ29では、目標スロットル開口面積tAtvoを、図16に示したマップから目標スロットル開度tTVOに変換する。
【0034】
図2に戻って、ステップ8では、上記にようにして算出された目標スロットル開度となるようにスロットル弁を操作する。
図17は、上記第1実施形態の減速時における動作を示す。アクセル開度の減少に追従して増大する第1の目標吸入新気量に対し、吸入新気補正量によって減少補正された第2の目標吸入新気量によって、目標スロットル開度の減少が小さく補正される。これにより、吸入新気量の減少に遅れが与えられて目標圧縮比に対する実圧縮比の増大遅れと良好にマッチングする。これにより、吸入新気量の減少遅れに対して実圧縮比の減少遅れが大きいために、エンジントルクが再上昇するようなことを防止でき、滑らかにトルクが減少して違和感の無い良好な減速性能が得られる。
【0035】
次に、第2の実施形態を説明する。図18は制御ブロック、図19はメインフローを示し、ステップ1及びステップ2で目標圧縮比を設定し、該目標圧縮比となるように圧縮比可変機構を制御することは第1の実施形態と同様である。
【0036】
ステップ31では、アクセル開度とエンジン回転速度とに基づいて、図20に示した特性マップから目標エンジントルクを算出する。
ステップ32では、前記目標エンジントルクと、エンジン回転速度とに基づいて、図21に示した特性マップから第1の目標吸入新気量tQa1を算出する。
【0037】
ステップ41では、前記目標圧縮比と目標エンジントルクとに基づいて、図22に示した特性マップから目標圧縮比対応目標吸入新気量tQatを算出する。ステップ42では、実圧縮比と目標エンジントルクとに基づいて、図23に示した特性マップから実圧縮比対応目標吸入新気量tQarを算出する。
【0038】
ステップ51では、前記目標圧縮比対応目標吸入新気量と実圧縮比対応目標吸入新気量とに基づいて、次式により吸入新気補正量hQaを算出する。
以下第1の実施形態と同様に、ステップ6〜ステップ8で第1の目標吸入新気量を前記吸入空気補正量で補正して第2の目標吸入新気量を算出し、該第2の目標吸入新気量を目標スロットル開度に変換し、該目標スロットル開度となるようにスロットル弁を制御する。
【0039】
このように目標圧縮比と実圧縮比とに対応する吸入新気量の偏差から吸入新気量の補正量を求めて補正するものでも、圧縮比偏差から吸入新気量の補正量を求めて補正する第1の実施形態同様、吸入新気量を圧縮比制御遅れに見合うように補正制御されるので、違和感の無い滑らかな減速性能が得られる。
【0040】
なお、上記各実施形態では、吸入新気量可変機構として電子制御スロットル機構を備えたものについて説明したが、該電子制御スロットル機構に代えて若しくは併用して吸気バルブのバルブ特性を可変制御することによって吸入新気量を可変制御する機構を備えたものに適用してもよい。
【0041】
また、圧縮比可変機構を油圧で駆動するものを示したが、電動モータで駆動するものにも適用できる。電動駆動式でも圧縮比の変更は大きな燃焼室内圧力に抗して制御する必要があるため大きな駆動トルクを要するので、大きなギア比で減速する必要がある。したがって、やはり応答遅れが大きくなるので、本発明を適用する効果は大きい。
【0042】
また、圧縮比偏差または目標圧縮比対応吸入新気量と実圧縮比対応吸入新気量との偏差から求められる吸入新気補正量によって目標吸入新気量を補正することにより、例えば、最終的な出力である目標スロットル開度を直接補正しても減速時のトルク応答違和感を生じさせないようにすることは可能であるが、スロットル前後差圧などの状態によっても補正に必要なスロットル開度が変わることから目標吸入新気量を補正するとした方がロジックを簡単に構成できる。
【0043】
なお、第1の実施形態のように圧縮比偏差から吸入新気補正量を演算する方式では、減速後の目標圧縮比が異なる場合でも,圧縮比偏差が同じであれば,吸入新気補正量は同じ値になる。圧縮比とエンジントルクの関係が線形であれば,この方法で適切な補正量を演算することができるが、非線形であるならば補正量の過不足が生じる場合がある。第2の実施形態のように目標圧縮比対応吸入新気量と実圧縮比対応吸入新気量との偏差に基づいて吸入新気補正量を演算する方式では、圧縮比とエンジントルクが非線形な関係にある場合でも適切な吸気補正量を演算することができる。
【0044】
また、前記吸入新気量可変機構として、吸気系に介装されて開度を制御されるスロットル弁、バルブ特性を可変な吸気バルブなどを備えたものに適用できる。また、前記圧縮比可変機構として、ピストンに連結するリンク機構によって圧縮比を可変とする高精度ではあるが要求駆動力が大きいため遅れの大きな機構に適用することにより、本発明の効果をより顕著に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る吸気制御装置を備えたエンジンのシステム構成図。
【図2】同上装置の圧縮比可変機構により低圧縮比に操作するときの動作を示す図。
【図3】同じく高圧縮比に操作するときの動作を示す図。
【図4】同じく高圧縮比に維持するときの動作を示す図。
【図5】第1実施形態の制御ブロック図。
【図6】同じくメインフローを示す図。
【図7】同じく第1の目標吸入新気量を算出するサブフローを示す図。
【図8】同じく第1の目標吸入新気量とエンジン回転速度とから目標圧縮比を求める特性マップ。
【図9】同じくアクセル開度をアクセル開口面積に変換する特性マップ。
【図10】同じく正規化開口面積から要求負荷求める特性マップ。
【図11】同じくエンジン回転速度と要求負荷から第1の目標吸入新気量を設定する特性マップ。
【図12】同じく第2の目標吸入新気量とエンジン回転速度とから目標スロットル開度を算出するサブフローを示す図。
【図13】同じく要求負荷とエンジン回転速度とに基づいて目標EGR率を求めるための特性マップ。
【図14】同じくエンジン回転速度に基づいて全開時吸入新気量を求めるための特性マップ。
【図15】同じく指令負荷に基づいて指令正規化開口面積を求めるための特性マップ。
【図16】同じく目標スロットル開口面積を目標スロットル開度に変換する特性マップ。
【図17】第1実施形態の作用・効果を示すタイムチャート。
【図18】第2実施形態の制御ブロック図。
【図19】第2実施形態のメインフローを示す図。
【図20】同じくアクセル開度とエンジン回転速度とに基づいて、目標エンジントルクを求めるための特性マップ。
【図21】同じくエンジン回転速度と目標エンジントルクとに基づいて、第1の吸入新気量を求めるための特性マップ。
【図22】同じく目標エンジントルクと目標圧縮比とに基づいて、目標圧縮比対応吸入新気量を求めるための特性マップ。
【図23】同じく目標エンジントルクと実圧縮比とに基づいて、実圧縮比対応吸入新気量を求めるための特性マップ。
【符号の説明】
31…クランク軸 34…ロアーリンク 35…アッパーリンク 38…ピストン 40…制御リンク 42…制御軸 43…圧縮比制御アクチュエータ 51…ターボ過給機 57…スロットル弁 58…スロットルアクチュエータ 59…EGR通路 60…EGR弁 61…アクセル開度センサ 62…回転速度センサ 64…圧縮比センサ 68…ECU

Claims (7)

  1. 吸入新気量を可変とする吸入新気量可変機構と、圧縮比を可変とする圧縮比可変機構を備えたエンジンの吸気制御装置であって、
    前記圧縮比可変機構により圧縮比をエンジン運転状態に基づいて制御しつつ目標圧縮比と実圧縮比との偏差を算出し、
    エンジン運転状態に基づいて設定した第1の目標吸入新気量を、前記圧縮比の偏差に基づいて補正して第2の目標吸入新気量を算出し、該第2の目標吸入新気量を満たすように前記吸入新気量可変機構を制御することを特徴とするエンジンの吸気制御装置。
  2. 前記第1の目標吸入新気量を、実圧縮比により求めた吸入新気量から目標圧縮比により求めた吸入新気量を差し引いた分だけ補正することにより第2の目標吸入新気量を算出することを特徴とする請求項1に記載のエンジンの吸気制御装置。
  3. 吸入新気量を可変とする吸入新気量可変機構と、圧縮比を可変とする圧縮比可変機構を備えたエンジンの吸気制御装置であって、
    前記圧縮比可変機構により圧縮比をエンジン運転状態に基づいて制御しつつ目標圧縮比に対応する目標圧縮比対応吸入新気量と、実圧縮比に対応する実圧縮比対応吸入新気量とを算出し、
    エンジン運転状態に基づいて設定した第1の目標吸入新気量を、前記目標圧縮比対応吸入新気量と実圧縮比対応吸入新気量とに基づいて補正して第2の目標吸入新気量を算出し、該第2の目標吸入新気量を満たすように前記吸入新気量可変機構を制御することを特徴とするエンジンの吸気制御装置。
  4. 前記第1の目標吸入新気量を、前記実圧縮比対応吸入新気量から目標圧縮比対応吸入新気量を差し引いた分だけ補正することにより第2の目標吸入新気量を算出することを特徴とする請求項3に記載のエンジンの吸気制御装置。
  5. 前記吸入新気量可変機構は、吸気系に介装されて開度を制御されるスロットル弁を含んで構成されることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載のエンジンの吸気制御装置。
  6. 前記吸入新気量可変機構は、バルブ特性を可変な吸気バルブを含んで構成されることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1つに記載のエンジンの吸気制御装置。
  7. 前記圧縮比可変機構は、
    一端がピストンにピストンピンを介して連結されるアッパリンクと、
    前記アッパリンクの他端が第1連結ピンを介して連結されるとともに、クランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられるロアリンクと、
    このロアリンクに第2連結ピンを介して一端が連結されるとともに、他端がエンジン本体に対して揺動可能に支持されるコントロールリンクと、
    圧縮比の変更時に、前記コントロールリンクの他端の位置をエンジン本体に対して変位させる支持位置可変手段と、
    を有することを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1つに記載のエンジンの吸気制御装置。
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