JP5565355B2 - 可変圧縮比エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、可変圧縮比エンジンの制御装置に関する。

従来、気筒の機械圧縮比を変更可能な火花点火式エンジンである可変圧縮比エンジンが知られている。特許文献１には、ピストン冠面やシリンダブロックの壁面に配置された断熱部材によって気筒内の燃焼室を断熱することで冷却損失の低減を図り、エンジンの運転条件に応じて機械圧縮比を変更することで熱効率の向上を図った可変圧縮比エンジンが開示されている。

特開２００８−２８０９６１号公報

特許文献１に係るエンジンでは、断熱による気筒内温度の上昇によって自着火が繰り返し発生するおそれがある。

本発明は、自着火が繰り返し発生することを抑制することができる可変圧縮比エンジンの制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る可変圧縮比エンジンの制御装置は、一つ以上の気筒と、前記気筒毎に機械圧縮比を低圧縮比と高圧縮比とに変更可能な可変圧縮比機構と、を備える火花点火式エンジンである可変圧縮比エンジンの制御装置であって、筒内圧が所定圧以上になったことを前記気筒毎に検出することで、自着火の発生を前記気筒毎に検出する自着火発生検出部と、前記自着火発生検出部によって自着火の発生が検出された前記気筒の排気行程において該気筒の前記機械圧縮比が前記低圧縮比から前記高圧縮比に変更されるように前記可変圧縮比機構を制御するとともに、前記排気行程の次に生じる吸気行程において該気筒の前記機械圧縮比が前記高圧縮比から前記低圧縮比に変更されるように前記可変圧縮比機構を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る可変圧縮比エンジンの制御装置によれば、自着火の発生が検出された気筒の排気行程において気筒の機械圧縮比が低圧縮比から高圧縮比に変更されることから、機械圧縮比の変化分に相当する気筒内の残留ガスを掃気することができる。このように気筒内の残留ガスが掃気された状態で、排気行程の次に生じる吸気行程において機械圧縮比が高圧縮比から低圧縮比に変更されることから、気筒に流入する新気の割合を増やすことができる。この新気の割合の増加によって気筒内の温度が低下することから、自着火が再度発生することを抑制することができる。このように本発明に係る可変圧縮比エンジンの制御装置によれば、自着火が繰り返し発生することを抑制することができる。

上記構成において、前記可変圧縮比エンジンは、前記気筒を有するシリンダブロックと、前記シリンダブロック上に配置されたシリンダヘッドと、を備えるとともに、前記シリンダブロックの冷却を確保しつつ前記シリンダヘッドが断熱されることで前記シリンダヘッドにおける冷却損失の発生が抑制された構造を有していてもよい。この構成によれば、シリンダブロックの冷却が確保されていることで気筒内の温度上昇を抑制してノッキングの発生を抑制することができる。

本発明によれば、自着火が繰り返し発生することを抑制することができる可変圧縮比エンジンの制御装置を提供することができる。

図１は、実施例１に係る制御装置と可変圧縮比エンジンとを備えるエンジンシステムを示す模式図である。 図２（ａ）は冷却構造の一例を示す模式図である。図２（ｂ）は、可変圧縮比機構を制御する制御装置の各機能をブロックで示した図である。 図３（ａ）〜図３（ｄ）は、制御装置による可変圧縮比機構の制御を説明するための図である。 図４は制御装置のフローチャートの一例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。

本発明の実施例１に係る可変圧縮比エンジン１０の制御装置１００（以下、制御装置１００と略称する）について説明する。図１は、本実施例に係る制御装置１００と可変圧縮比エンジン１０とを備えるエンジンシステム５を示す模式図である。可変圧縮比エンジン１０（以下、エンジン１０と略称する）は、シリンダブロック１１と、シリンダブロック１１の上方に配置されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１内に配置されたピストン１３と、点火プラグ１４と、を備えている。なお、本実施例において上方および下方は、必ずしも重力方向における上方および下方と一致している必要はない。例えば、本実施例における上方および下方は水平方向であってもよい。

シリンダブロック１１は、一つ以上の気筒１５を有している。本実施例に係るシリンダブロック１１は複数の気筒１５を有している。図１は、複数の気筒１５のうち一つの気筒１５のみ図示している。なお、シリンダブロック１１の下方には、クランク軸を収容するためのクランクケースが配置されている。ピストン１３は、気筒１５に配置されている。

気筒１５におけるシリンダブロック１１とシリンダヘッド１２とピストン１３とによって囲まれた領域に、燃焼室１６が形成されている。シリンダヘッド１２には、燃焼室１６に空気を導くための吸気ポート１７と、燃焼室１６内の気体を気筒１５から排出するための排気ポート１８と、が形成されている。

点火プラグ１４は、火花を点火するための装置である。すなわち、本実施例に係るエンジン１０は、火花点火式のエンジンである。点火プラグ１４は、各気筒１５に配置されている。点火プラグ１４の配置箇所は特に限定されるものではないが、本実施例に係る点火プラグ１４は、気筒１５の中央に配置されている。

エンジン１０は、可変圧縮比機構２０を備えている。可変圧縮比機構２０は、気筒１５毎に機械圧縮比を低圧縮比と高圧縮比とに変更することができる機構である。このような機構であれば可変圧縮比機構２０の構成は、特に限定されるものではない。例えば可変圧縮比機構２０として、クランクケースに対してシリンダブロック１１を相対変位させることにより機械圧縮比を変更する機構を用いることができる。あるいは、可変圧縮比機構２０として、ピストン１３とクランク軸との間を複数のリンクで連結した複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変圧縮比機構を用いることもできる。

エンジン１０は、制御装置１００の制御に必要な情報を検出するための各種センサを備えている。具体的にはエンジン１０は、各種センサの一例として、クランクポジションセンサ３０、アクセルポジションセンサ３１および筒内圧センサ３２を備えている。クランクポジションセンサ３０は、エンジン１０のクランク位置を検出し、検出結果を制御装置１００に伝える。クランクポジションセンサ３０の検出結果に基づいて、制御装置１００はエンジン１０のクランク位置を取得するとともに、エンジン１０の回転数も取得する。すなわち本実施例においてクランクポジションセンサ３０は、エンジン１０の回転数を検出する回転数検出手段としての機能を有している。但し、回転数検出手段の構成はこれに限定されるものではない。

アクセルポジションセンサ３１は、アクセルの位置を検出し、検出結果を制御装置１００に伝える。アクセルポジションセンサ３１の検出結果に基づいて、制御装置１００はアクセル開度を取得するとともに、エンジン１０の負荷を取得する。すなわち本実施例においてアクセルポジションセンサ３１は、エンジン１０の負荷を検出する負荷検出手段としての機能を有している。但し、制御装置１００がエンジン１０の負荷を取得できるような指標であれば、アクセル開度に限定されるものではない。例えば制御装置１００は、アクセル開度に代えてまたはアクセル開度とともに、エンジン１０の燃料噴射量、吸入空気量、スロットル開度等を用いてエンジン１０の負荷を取得してもよい。

筒内圧センサ３２は、各気筒１５に配置されている。筒内圧センサ３２は、各気筒１５の気筒１５内の圧力（筒内圧）を検出し、検出結果を制御装置１００に伝える。筒内圧センサ３２の検出結果を受けて、制御装置１００は各気筒１５の筒内圧を取得する。また、筒内圧が高いほど、自着火は発生し易くなる。このように筒内圧と自着火の発生とは相関関係を有している。よって、筒内圧を検出することで、自着火の発生の有無を検出することができる。本実施例に係る制御装置１００は、筒内圧センサ３２の検出結果に基づいて各気筒１５に自着火が発生したか否かを検出する。

なお、本実施例において筒内圧センサ３２は、シリンダヘッド１２に配置されている。但し、筒内圧センサ３２の配置箇所はこれに限定されるものではない。また、制御装置１００が気筒１５毎に自着火の発生を検出するための情報を検出できるセンサであれば、筒内圧センサ３２に限られない。例えば気筒１５内の温度が高いほど、自着火は発生し易くなることから、筒内温度と自着火の発生とは相関関係を有している。したがって、制御装置１００は、筒内圧センサ３２の検出結果に代えてまたは筒内圧センサ３２の検出結果とともに、各気筒１５の筒内温度を検出するセンサまたは筒内温度と相関関係を有するパラメータを検出するセンサの検出結果に基づいて、自着火の発生を検出してもよい。

制御装置１００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１０１と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１０２と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１０３と、を備える電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。制御装置１００は、各種センサの検出結果を受けて、可変圧縮比機構２０およびエンジン１０を統合的に制御する。

続いてエンジン１０の冷却構造について説明する。本実施例に係るエンジン１０は、シリンダブロック１１の冷却を確保しつつシリンダヘッド１２における冷却損失の発生を抑制可能な構造を有している。具体的には、エンジン１０は、シリンダブロック１１の冷却を確保しつつシリンダヘッド１２が断熱されることでシリンダヘッド１２における冷却損失の発生が抑制可能な構造を有している。この構造の一例として、エンジン１０は、シリンダヘッド１２を冷却する冷却媒体が流通する冷却媒体通路における冷却媒体の流量をシリンダブロック１１を冷却する冷却媒体が流通する冷却媒体通路における冷却媒体の流量よりも小さくする構造（以下、冷却構造４０と称する）を備えている。

図２（ａ）は冷却構造４０の一例を示す模式図である。冷却構造４０は、冷却媒体通路４１ａ、冷却媒体通路４１ｂ、ポンプ４２、第１循環通路４３、第２循環通路４４および流量調整弁４５を備えている。

冷却媒体通路４１ａは、シリンダヘッド１２の内部に形成された冷却媒体通路である。冷却媒体通路４１ａを冷却媒体が通過することで、シリンダヘッド１２は冷却媒体によって冷却される。すなわち、冷却媒体通路４１ａは、シリンダヘッド１２を冷却する冷却媒体が流通するための冷却媒体通路である。冷却媒体通路４１ｂは、シリンダブロック１１の内部に形成された冷却媒体通路である。冷却媒体通路４１ｂを冷却媒体が通過することで、シリンダブロック１１は冷却媒体によって冷却される。すなわち、冷却媒体通路４１ｂは、シリンダブロック１１を冷却する冷却媒体が流通する冷却媒体通路である。

ポンプ４２は、冷却媒体を冷却媒体通路４１ａおよび冷却媒体通路４１ｂに向けて圧送するための装置である。第１循環通路４３は、ポンプ４２と冷却媒体通路４１ａとを連通している。第１循環通路４３は、冷却媒体がポンプ４２と冷却媒体通路４１ａとの間を循環するための通路である。第２循環通路４４は、ポンプ４２と冷却媒体通路４１ｂとを連通している。第２循環通路４４は、冷却媒体がポンプ４２と冷却媒体通路４１ｂとの間を循環するための通路である。なお、図２（ａ）において第１循環通路４３の一部と第２循環通路４４の一部とは、合流している。但し、第１循環通路４３および第２循環通路４４の構成はこれに限られない。例えば第１循環通路４３および第２循環通路４４は、一部合流せずに全体的に分離していてもよい。

流量調整弁４５は、制御装置１００の後述する制御部に制御されて、第１循環通路４３における流量を調整する。本実施例において流量調整弁４５は、第１循環通路４３における冷却媒体通路４１ａの冷却媒体用入口（ＩＮ）とポンプ４２との間の部分に配置されている。但し、流量調整弁４５の配置箇所はこれに限定されるものではない。例えば流量調整弁４５は、第１循環通路４３における冷却媒体通路４１ａの冷却媒体用出口（ＯＵＴ）とポンプ４２との間の部分に配置されていてもよい。

制御装置１００は、例えばエンジン１０の負荷に応じて流量調整弁４５を制御することで、第１循環通路４３の流量を第２循環通路４４の流量よりも小さく制御する。この場合、冷却媒体通路４１ａにおける冷却媒体の流量も冷却媒体通路４１ｂにおける冷却媒体の流量よりも小さく制御される。その結果、シリンダヘッド１２と冷却媒体との熱伝導は、シリンダブロック１１と冷却媒体との熱伝導に比較して低く制御される。それにより、シリンダブロック１１に比較してシリンダヘッド１２が断熱された構造が得られる。その結果、シリンダヘッド１２における冷却損失の発生が抑制される。

なおエンジン１０は、冷却構造４０に代えてまたは冷却構造４０とともに、断熱部材を有する構造を備えていてもよい。具体的には、エンジン１０は、シリンダヘッド１２が断熱部材によって燃焼室１６およびシリンダブロック１１の少なくとも一方から断熱された構造を有していてもよい。

断熱部材によってシリンダヘッド１２を燃焼室１６から断熱する場合、例えばシリンダヘッド１２の燃焼室１６に露出した部分に断熱部材を配置する構造を用いることができる。断熱部材によって、シリンダヘッド１２をシリンダブロック１１から断熱する場合、例えばシリンダヘッド１２のシリンダブロック１１側の界面に断熱部材を配置する構造を用いることができる。断熱部材としては、例えば、シリンダヘッド１２を構成する材料である金属よりも熱伝導率の小さい部材を用いることができる。このように断熱部材を用いる構造によっても、シリンダブロック１１の冷却を確保しつつシリンダヘッド１２が断熱されることでシリンダヘッド１２における冷却損失の発生を抑制することができる。

上述したようにエンジン１０がシリンダブロック１１の冷却を確保しつつシリンダヘッド１２が断熱されることでシリンダヘッド１２における冷却損失の発生を抑制可能な構造を有する場合、シリンダブロック１１の冷却が確保されていることから、シリンダブロック１１の温度上昇を抑制することができる。それにより、気筒１５内の温度上昇を抑制することができる。その結果、シリンダヘッド１２における冷却損失の発生を抑制しつつノッキングの発生を抑制することができる。

続いて制御装置１００による可変圧縮比機構２０の制御について説明する。図２（ｂ）は、可変圧縮比機構２０を制御する制御装置１００の各機能をブロックで示した図である。可変圧縮比機構２０を制御する制御装置１００の各機能は、自着火発生検出部１０４、制御部１０５および記憶部１０６によって実現することができる。自着火発生検出部１０４は、自着火の発生を気筒１５毎に検出する機能を有している。本実施例においては、自着火発生検出部１０４は筒内圧センサ３２の検出結果に基づいて自着火の発生を気筒１５毎に検出する。すなわち自着火発生検出部１０４は、各気筒１５の筒内圧に基づいて自着火の発生を検出する。

制御部１０５は、可変圧縮比機構２０を制御する機能を有している。記憶部１０６は、自着火発生検出部１０４および制御部１０５の制御処理に必要なデータ等を記憶する機能を有している。自着火発生検出部１０４および制御部１０５は、記憶部１０６の記憶したデータ等を適宜参照しながら、各種制御処理を実行する。自着火発生検出部１０４および制御部１０５の機能はＣＰＵ１０１によって実行され、記憶部１０６の機能はＲＯＭ１０２およびＲＡＭ１０３によって実行される。

図３（ａ）〜図３（ｄ）は、制御装置１００による可変圧縮比機構２０の制御を説明するための図である。図３（ａ）〜図３（ｄ）は、それぞれ圧縮行程、爆発行程、排気行程および吸気行程における気筒１５およびピストン１３を模式的に図示している。まず図３（ａ）に示すように、制御部１０５は、エンジン１０が圧縮行程の場合、エンジン１０の機械圧縮比が低圧縮比となるように可変圧縮比機構２０を制御する。図３（ｂ）に示すように、圧縮行程の後の爆発行程において、点火プラグ１４によって火花が点火されて爆発が生じる。

ここで、図３（ｂ）において複数の気筒１５のうちいずれかの気筒１５において自着火が生じたとする。自着火発生検出部１０４は、この自着火の発生を検出する。自着火発生検出部１０４は、自着火の発生が検出されたことを制御部１０５に伝える。それにより制御部１０５は、自着火が発生したことを知ることができるとともに、自着火が発生した気筒１５を特定することができる。

自着火が発生した場合、制御部１０５は、図３（ｃ）に示すように自着火の発生が検出された気筒１５の排気行程において気筒１５の機械圧縮比が低圧縮比から高圧縮比に変更されるように可変圧縮比機構２０を制御する。このように排気行程において機械圧縮比が低圧縮比から高圧縮比に変更されることで、機械圧縮比の変化分に相当する気筒１５内の残留ガスが掃気される。

次いで制御部１０５は、図３（ｄ）に示すように、排気行程の次に生じる吸気行程において、気筒１５の機械圧縮比が高圧縮比から低圧縮比に変更されるように可変圧縮比機構２０を制御する。このように排気行程において気筒１５内の残留ガスが掃気された状態で、吸気行程において気筒１５の機械圧縮比が高圧縮比から低圧縮比に変更されることで、気筒１５に流入する新気の割合は増大する。図３（ｄ）においては、新気の割合の増加分が領域２００によって模式的に図示されている。このように気筒１５に流入する新気の割合が増大することで、気筒１５内の温度が低下する。それにより、自着火の再度の発生を抑制することができる。

以上のように本実施例に係る制御部１０５は、自着火発生検出部１０４によって自着火の発生が検出された気筒１５の排気行程において気筒１５の機械圧縮比が低圧縮比から高圧縮比に変更されるように可変圧縮比機構２０を制御するとともに、排気行程の次に生じる吸気行程において気筒１５の機械圧縮比が高圧縮比から低圧縮比に変更されるように可変圧縮比機構２０を制御している。以下、この制御部１０５の制御処理を、掃気制御処理と称する。

図４は制御装置１００のフローチャートの一例を示す図である。制御装置１００は、図４のフローチャートを所定の周期で繰り返し実行する。まず、制御装置１００の自着火発生検出部１０４は、筒内圧センサ３２の検出結果に基づいて、いずれかの気筒１５で自着火が発生したか否かを判定する（ステップＳ１０）。本実施例に係る自着火発生検出部１０４は、筒内圧センサ３２の検出した気筒１５の筒内圧が所定圧以上になった場合、自着火が発生したと判定する。この所定圧は記憶部１０６が記憶しておく。自着火発生検出部１０４は、筒内圧センサ３２の検出結果に基づいて、記憶部１０６に記憶された所定圧を参照しながらステップＳ１０を実行する。

ステップＳ１０で自着火が発生したと判定されなかった場合（すなわち、いずれの気筒１５においても自着火が発生しなかった場合）、制御部１０５はフローチャートの実行を終了する。ステップＳ１０において自着火が発生したと判定された場合、制御部１０５は、掃気制御処理を実行する（ステップＳ２０）。次いで制御部１０５はフローチャートの実行を終了する。

以上のように本実施例に係る制御装置１００によれば、掃気制御処理が行われることで、自着火の発生が検出された気筒１５の排気行程において気筒１５の機械圧縮比が低圧縮比から高圧縮比に変更されることから、機械圧縮比の変化分に相当する気筒１５内の残留ガスを掃気することができる。このように気筒１５内の残留ガスが掃気された状態で、排気行程の次に生じる吸気行程において機械圧縮比が高圧縮比から低圧縮比に変更されることから、気筒１５に流入する新気の割合を増やすことができる。この新気の割合の増加によって気筒１５内の温度が低下することから、自着火が再度発生することを抑制することができる。このように本実施例に係る制御装置１００によれば、自着火が繰り返し発生することを抑制することができる。

なお、制御部１０５は、エンジン１０の運転状態が自着火が発生し易い状態のときに図４のステップＳ１０を実行してもよい。例えば、エンジン１０の運転状態が低回転高負荷の場合には、高回転高負荷の場合よりも自着火が生じ易い。したがって制御部１０５は、エンジン１０の運転状態が低回転高負荷の場合に図４のステップＳ１０を実行してもよい。

この場合、制御部１０５は、ステップＳ１０の前に、クランクポジションセンサ３０の検出結果およびアクセルポジションセンサ３１の検出結果に基づいて、エンジン１０の運転状態が所定回転数よりも低く且つ所定負荷よりも高い状態（以下、低回転高負荷の状態と称する）であるか否かを判定するステップを実行する。このステップが実行された結果、エンジン１０の運転状態が低回転高負荷の状態であると判定された場合にステップＳ１０が実行され、低回転高負荷の状態であると判定されなかった場合にはフローチャートの実行は終了する。なお、所定回転数および所定負荷は記憶部１０６が記憶しておく。制御部１０５は記憶部１０６の所定回転数および所定負荷を参照しながらエンジン１０の運転状態が低回転高負荷の状態であるか否かの判定を行う。

また、本実施例に係るエンジン１０は、シリンダブロック１１の冷却を確保しつつシリンダヘッド１２が断熱されることでシリンダヘッド１２における冷却損失の発生が抑制された構造を有しているが、これに限られるものではない。本実施例に係る制御装置１００が適用されるエンジンは、火花点火式の可変圧縮比エンジンであればよい。

但し、制御装置１００が、シリンダブロック１１の冷却を確保しつつシリンダヘッド１２が断熱されることでシリンダヘッド１２における冷却損失の発生が抑制された構造を有するエンジン１０に適用された場合、冷却損失の発生を抑制しつつノッキングの発生を抑制できる効果を発揮することができる。また、シリンダブロック１１の冷却が確保されていることで、気筒１５内の温度上昇が抑制されることから、圧縮行程における圧縮端温度の上昇が抑制される。その結果、自着火の発生確率を低減させることもできる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

５ エンジンシステム
１０ エンジン
１１ シリンダブロック
１２ シリンダヘッド
１５ 気筒
１６ 燃焼室
２０ 可変圧縮比機構
３０ クランクポジションセンサ
３１ アクセルポジションセンサ
３２ 筒内圧センサ
４０ 冷却構造
１００ 制御装置
１０４ 自着火発生検出部
１０５ 制御部
１０６ 記憶部

Claims (2)

1. 一つ以上の気筒と、前記気筒毎に機械圧縮比を低圧縮比と高圧縮比とに変更可能な可変圧縮比機構と、を備える火花点火式エンジンである可変圧縮比エンジンの制御装置であって、
   筒内圧が所定圧以上になったことを前記気筒毎に検出することで、自着火の発生を前記気筒毎に検出する自着火発生検出部と、
   前記自着火発生検出部によって自着火の発生が検出された前記気筒の排気行程において該気筒の前記機械圧縮比が前記低圧縮比から前記高圧縮比に変更されるように前記可変圧縮比機構を制御するとともに、前記排気行程の次に生じる吸気行程において該気筒の前記機械圧縮比が前記高圧縮比から前記低圧縮比に変更されるように前記可変圧縮比機構を制御する制御部と、を備えることを特徴とする可変圧縮比エンジンの制御装置。
2. 前記可変圧縮比エンジンは、前記気筒を有するシリンダブロックと、前記シリンダブロック上に配置されたシリンダヘッドと、を備えるとともに、前記シリンダブロックの冷却を確保しつつ前記シリンダヘッドが断熱されることで前記シリンダヘッドにおける冷却損失の発生が抑制された構造を有している請求項１記載の可変圧縮比エンジンの制御装置。

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