JP5556376B2 - 可変圧縮比内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比内燃機関の制御に関する。

機関圧縮比を変更可能な内燃機関として、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。この種の可変圧縮比内燃機関の制御においては、一般的に、低負荷域では圧縮比を高くして燃費の向上を図り、高負荷域では圧縮比を低くすることでノッキングやプレイグニッションの発生を抑制・回避する。但し、圧縮比の変化には、圧縮比を変化させる機構やそのアクチュエータの作動速度などに依存して、不可避的に応答遅れを伴うため、上記の特許文献１では、圧縮比の応答遅れを考慮した位相進み処理により過渡時の目標圧縮比を補正する技術が記載されている。

特開２００５−１６３７３９号公報

目標圧縮比は、主として運転者の要求負荷に対応するアクセルペダルのアクセル開度、あるいは要求負荷に応じて変化する吸入空気量に応じて設定される。ここで、例えば渋滞時に加速と減速とを頻繁に繰り返す場合や、高速走行中に頻繁に速度調整を行う場合など、要求負荷に対応するアクセル開度の急な増加（踏み増し）と減少（踏み戻し）とが短期間のうちに繰り返し行われる、いわゆる「アクセルばたばた操作」が行われると、これに伴って、目標圧縮比が短期間のうちに急な増減を繰り返すこととなる。

上述したように、圧縮比の変化には不可避的に応答遅れを伴うため、加速や減速の過渡期には、目標圧縮比とセンサ等により検出される実圧縮比との偏差を解消するように補正が行われるが、上記のような「アクセルばたばた操作」が行われると、圧縮比の偏差が解消される間もなく次の加速又は減速が行われることで、偏差が収束する前に蓄積していく形となって偏差が拡大していき、これによって、実圧縮比が目標圧縮比から外れた思わぬ圧縮比の近傍に漂う形で運転が行われ、特に実圧縮比が目標圧縮比よりも高圧縮比側に外れている場合には、ノッキングやプレイグニッションを生じるおそれがある。

このような「アクセルばたばた操作」に基づく圧縮比の偏差の拡大、つまり圧縮比のばらつきは、上述した特許文献１のように加速や減速などの過渡期の応答遅れを見越した形で目標圧縮比を補正したとしても十分に抑制することは難しい。そこで、このような「アクセルばたばた操作」に起因する圧縮比のばらつきを見越した形で、ノッキングやプレイグニッションの発生を回避するように予め目標圧縮比を低圧縮比側に制限すると、吸入空気量が制限されて、十分な機関出力を得られない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、アクセルばたばた操作に起因する圧縮比のばらつきを抑制し、これによるノッキングやプレイグニッションの発生を抑制するものである。すなわち本発明は、機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比装置を備え、機関運転条件に対し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可変制御する可変圧縮比内燃機関の制御装置において、急な目標圧縮比（あるいは急な吸入空気量）の増減の繰り返しを検出したとき、上記目標圧縮比を低下側に補正する補正手段を有することを特徴としている。

本発明によれば、急な目標圧縮比、あるいは急な吸入空気量の増減の繰り返しを検出したときに、アクセルばたばた操作に起因する圧縮比のばらつきが生じていると判断して、目標圧縮比を低下側に補正しているために、実圧縮比が目標圧縮比に対して高負荷側に大きく外れることを解消して、ノッキングやプレイグニッションの発生を抑制することができる。このようにアクセルばたばた操作に起因する圧縮比の変動を検出することができるために、予め目標圧縮比を低圧縮比側に制限する必要がなく、これによる出力の低下や燃費の低下を招くこともない。更に、アクセルばたばた操作に起因する圧縮比の変動（ハンチング）を抑え、これによる運転性の低下を抑制するとともに、圧縮比可変用のアクチュエータ消費エネルギーを抑制することができる。

本発明に係る可変圧縮比内燃機関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。 上記目標圧縮比設定マップの設定処理の流れを示すフローチャート。 図５の圧縮比偏差積算値の算出処理を示すサブルーチン。 図５の補正判定フラグの設定処理を示すサブルーチン。 図５の目標圧縮比の補正処理を示すサブルーチン。 本実施例及び比較例に係るアクセルばたばた操作時におけるスロットル開度，圧縮比及び吸入空気量の変化を示すタイミングチャート。

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、この内燃機関は、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内燃機関である。この内燃機関は、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に燃料を噴射する燃料噴射弁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。

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，アクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサ１８からのアクセル開度信号、スロットル開度を検出するスロットルセンサ信号、機関水温を検出する水温センサからの水温センサ信号，機関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を駆動する電動機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の電動機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統括的に制御する。

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に回転可能に取り付けられ、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。

電動機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、機関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、機関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図示の電動機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のものであっても良い。

図５は、本実施例の要部をなす目標圧縮比の補正制御の流れを示すフローチャートでり、本ルーチンは上記の制御部１１により記憶及び実行される。ステップＳ５１では、目標圧縮比と実圧縮比とを読み込む。目標圧縮比は、機関の要求負荷（あるいは要求負荷に応じて変化する吸入空気量）と機関回転数などに基づいて求められ、低回転・低負荷側では目標圧縮比を高め、高回転・高負荷側ではノッキングやプレイグニッションを生じることのないように目標圧縮比を低くする。要求負荷はアクセル開度センサ１８によるアクセル開度に応じて設定される。

ステップＳ５２では、圧縮比偏差積算値Ｓを算出する。ステップＳ５３では、上記の圧縮比偏差積算値Ｓに基づいて、目標圧縮比の補正判定フラグを設定する。ステップＳ５４では、目標圧縮比補正判定フラグがオン、つまりフラグの値が「１」であるかを判定する。補正判定フラグがオンであれば、ステップＳ５５へ進み、目標圧縮比の補正を開始し、ステップＳ５６において、目標圧縮比を補正後の目標圧縮比に更新する。一方、補正判定フラグがオフ、つまりフラグの値が「０」であれば、ステップＳ５７へ進み、この圧縮比補正制御で用いるためにメモリに格納している値、例えば上記の圧縮比偏差積算値Ｓなどを初期化した上で、目標圧縮比の補正を行うことなく、本ルーチンを終了する。

図６は、ステップＳ５２の圧縮比偏差積算値Ｓの算出処理を示すサブルーチンである。ステップＳ６１では、所定期間ｔ（例えば、０．５秒〜数秒程度）における、所定間隔（例えば、１０ｍｓ）毎の目標圧縮比と実圧縮比との差分の絶対値である圧縮比偏差Δεのデータを取得する。この実施例では、一演算間隔（例えば、１０ｍｓ）毎に偏差Δεを求め、所定期間ｔ分の偏差Δεのデータを制御メモリに格納している。

ステップＳ６２では、所定期間分（１〜ｔ）の圧縮比偏差Δεを積算して、上記の圧縮比偏差積算値Ｓを求める。図９にも示すように、圧縮比偏差積算値Ｓは、所定期間ｔ内における、目標圧縮比と、この目標圧縮比に対して応答遅れを伴って追従する実圧縮比との間の領域（斜線を施した領域）の面積の値に相当するものである。

再び図６を参照して、ステップＳ６３では、所定期間ｔにおける目標圧縮比の最大振幅Ａすなわち変動幅を算出する。最大振幅Ａは、所定期間ｔにおける目標圧縮比の最大値と最小値との差分の絶対値により求められる。

図７は、図５のステップＳ５３の目標圧縮比の補正判定フラグの設定処理を示すサブルーチンである。ステップＳ７１では、上記ステップＳ６２で求めた圧縮比偏差積算値Ｓを読み込む。ステップＳ７２では、この圧縮比偏差積算値Ｓが、所定のしきい値Ｓ０を超えているかを判定する。このしきい値Ｓ０は、圧縮比の応答速度などを勘案して予め設定される固定値である。但し、より精度よく補正の有無を判定するために、機関温度や機関回転数などの機関運転条件に応じてしきい値Ｓ０を調整するようにしても良い。

圧縮比偏差積算値Ｓがしきい値Ｓ０を超えていればステップＳ７３へ進んで補正判定フラグをオンとして、目標圧縮比の補正を行う一方、圧縮比偏差積算値Ｓがしきい値Ｓ０以下であればステップＳ７４へ進んで補正判定フラグをオフとして、目標圧縮比の補正を禁止する。

尚、所定期間ｔにおいて圧縮比偏差Δεの符号が反転した回数を求め、所定回数以上の反転があった場合に限り、踏み増しと踏み戻しとを繰り返す「アクセルばたばた操作」とみなし、補正判定フラグをオンとして目標圧縮比の補正を行うようにしても良い。例えば、前回（１０ｍｓ前）の演算での符号を今回の演算での符号と比較して、反転した場合には制御メモリに１を、反転しなかった場合には制御メモリに０を、逐次記憶していき、所定期間ｔに対応する各制御メモリに記憶された値を合計すれば、所定期間ｔにおいて圧縮比偏差Δεの符号が反転した回数を求めることができる。このようにすれば、必ずしも踏み増しと踏み戻しとを繰り返すことによって偏差が生じている訳ではない場合、補正が行なわれることを回避することができる。

図８は、図５のステップＳ５５の目標圧縮比の補正処理を示すサブルーチンである。ステップＳ８１では、上記ステップＳ６３で求めた所定期間ｔにおける目標圧縮比の最大振幅Ａが、所定の振幅しきい値Ａ０を超えているかを判定する。最大振幅Ａが大きくなるほど、目標圧縮比と実圧縮比との乖離が拡大し易いことから、この振幅Ａが振幅しきい値Ａ０を超えている場合には、ステップＳ８２へ進み、補正目標圧縮比を、機構的に取り得る圧縮比の最低値である最低圧縮比εＭＩＮに設定する。一方、振幅Ａが振幅しきい値Ａ０以下であれば、振幅Ａがしきい値Ａ０を超えている場合よりも圧縮比の変動が抑えられていると考えられるために、補正目標圧縮比を、上記の最低圧縮比εＭＩＮよりも高い値、例えば無過給での最大吸入空気量が得られる運転状態で設定される圧縮比εＮＡ−ＷＯＴに設定する。これによって、無過給での最大吸入空気量が得られる運転状態であってもノッキングやプレイグニッションの発生を抑制しつつ、最低圧縮比よりも高い圧縮比εＮＡ−ＷＯＴに目標圧縮比を補正して、圧縮比の低下を抑制することができる。

図９は、アクセルばたばた操作が行われた場合のスロットル開度，圧縮比及び吸入空気量の変化を示すタイミングチャートであり、図中、ｒεは実圧縮比、ｔεは目標圧縮比を示し、特に、ｒε１，ｒε２，ｔε１，ｔε２は本実施例を適用した場合の特性を、ｒεｈ，ｔεｈは本実施例による圧縮比の補正を行わない比較例の特性を示している。なお、図では積算期間ｔの幾つかを簡易的に描いているが、実際には極短い演算間隔（例えば、１０ｍｓ）毎に、積算期間ｔが更新されて偏差積算値Ｓが求められ、この偏差積算値Ｓに応じて補正の有無を判定している。

同図に示すように、アクセル開度センサ１８からのアクセル開度の操作に連動して、スロットル開度ＴＶＯが増減して、吸入空気量が変化する。目標圧縮比εは、機関回転数と要求負荷あるいはエアフロメータなどにより検出される吸入空気量とに基づいて設定される。つまり、吸入空気量が増加すると低圧縮比側へ、吸入空気量が低下すると高圧縮比側へ目標圧縮比が増減される。

ここで、目標圧縮比の変化に対して実圧縮比の変化には不可避的に応答遅れを伴うため、アクセルばたばた操作が行われた場合には、図示するように、例えば目標圧縮比が増加から減少に反転してからしばらくの間、実圧縮比は増加し、その後、低下に反転することとなるために、目標圧縮比の増加と減少とが短時間のうちに繰り返されると、実圧縮比の変化が目標圧縮比の変化に追従できなくなって、目標圧縮比と実圧縮比との偏差Δεが拡大していき、この結果、図９に示すように比較例のものでは、実圧縮比ｒεｈが目標圧縮比ｔεｈから大きく離れた思わぬ値の近傍に漂い、運転性を阻害するばかりか、吸入空気量の増加に対して実圧縮比の低下が遅れてノッキングやプレイグニッションを生じるおそれがある。

（１）これに対して本実施例では、このような急な目標圧縮比の増減の繰り返し、つまりアクセルばたばた操作を検出したとき、目標圧縮比を低下側に補正している（補正手段）。これによって、上述したようなノッキングやプレイグニッションの発生を抑制することができるとともに、アクセルばたばた操作を考慮して目標圧縮比を予め低圧縮比側に制限する必要がないために、目標圧縮比の制限による出力の低下や燃費の低下を招くこともない。更に、アクセルばたばた操作による圧縮比の変動（ハンチング）を抑え、これによる運転性の低下を抑制するとともに、圧縮比可変用のアクチュエータである電動機２１の消費エネルギー（電力）を抑制することができる。

（２）より具体的には、実圧縮比を検出し、所定期間ｔにおける目標圧縮比と実圧縮比との偏差Δεの積算値Ｓが所定のしきい値Ｓ０を超えたときに、目標圧縮比を低下側に補正する。このように圧縮比偏差Δεの積算値Ｓを用いることで、簡素な制御でありながら精度良く急な目標圧縮比の増減の繰り返しを検出することが可能となる。なお、上記の実施例においては、コントロールシャフト２７を駆動する電動機２１の回転角を検出し、この回転角から実圧縮比を検出しているが、これに限らず、例えば実圧縮比に相当するコントロールシャフト２７の回転角を検出するセンサを設けるものであってもよい。

（３）また、図８に示すように、目標圧縮比の変化幅、すなわち目標圧縮比の最大振幅Ａが大きくなるほど、圧縮比の変動が大きくなり易いことから、好ましくは目標圧縮比の最大振幅Ａに応じて目標圧縮比の補正内容を切り換える。例えば上記の実施例では、最大振幅Ａが振幅しきい値Ａ０を超えている場合には、目標圧縮比を機構上取り得る最低の圧縮比εＭＩＮに固定して、圧縮比の変動やノッキングの発生を速やかに回避させている。一方、最大振幅Ａが振幅しきい値Ａ０以下であれば、目標圧縮比を最低圧縮比よりも高圧縮比側の値、例えば無過給での最大吸入空気量が得られる運転状態で設定される圧縮比εＮＡ−ＷＯＴとして、ノッキングやプレイグニッションを生じることのない範囲で圧縮比の低下幅を抑制し、圧縮比の低下による運転性の低下を抑制している。

（４）上記の振幅しきい値Ａ０は固定値であっても良いが、好ましくは機関油水温や吸気温などの機関温度が高くなるにしたがって、ノッキングやプレイグニッションが生じ易くなることから、振幅しきい値Ａ０を小さくする。これによって、機関温度に応じてより適切に目標圧縮比を補正して、ノッキングやプレイグニッションの発生をより確実に抑制することが可能となる。

１１…制御部
１５…スロットル
１８…アクセル開度センサ
２０…可変圧縮比装置
２１…電動機

Claims (2)

1. 機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比装置を備え、機関運転条件に対し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可変制御する可変圧縮比内燃機関の制御装置において、
   急な目標圧縮比の増減の繰り返しを検出したとき、上記目標圧縮比を低下側に補正する補正手段を有し、
   上記補正手段は、上記所定期間における目標圧縮比の最大振幅が所定の振幅しきい値よりも大きいときに、上記最大振幅が振幅しきい値以下のときに比して、上記目標圧縮比を低下側に補正し、
   機関温度が高くなるにしたがって、上記振幅しきい値を小さくすることを特徴とする可変圧縮比内燃機関の制御装置。
2. 実圧縮比を検出する圧縮比検出手段を備え、
   上記補正手段は、所定期間における上記目標圧縮比と実圧縮比との偏差の積算値が所定のしきい値を超えたときに、上記目標圧縮比を低下側に補正することを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。

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