JP6057026B2 - 可変圧縮比内燃機関の制御装置 - Google Patents

可変圧縮比内燃機関の制御装置 Download PDF

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Description

本発明は、制御軸の回転位置に応じて機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を備えた可変圧縮比内燃機関の制御装置に関する。
特許文献１には、制御軸の回転位置に応じて機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を備えた内燃機関（以下、「可変圧縮比内燃機関」と呼ぶ）が開示されている。
特開２０１３−２５３５１２号公報
このような可変圧縮比内燃機関では、実際の機関圧縮比に相当する実圧縮比を検出する圧縮比検出部として、例えば実圧縮比に対応する制御軸の回転位置を検出する回転センサが設けられる。また、圧縮比検出部の検出精度を確保するために、例えば機関始動直後や機関停止直前には、制御軸を所定の基準位置に機械的に係止させた状態で、圧縮比検出部の検出値を上記基準位置に対応した初期値に初期化する基準位置学習動作、いわゆるイニシャライズ動作が実施される。
しかしながら、機関運転中に通信エラー等に起因して実圧縮比を喪失したり、あるいは何らかの異常により実圧縮比と目標圧縮比との間に差が想定以上に開いた場合、圧縮比検出部により検出される実圧縮比が不明もしくは誤差が大きい状態に陥り、機関圧縮比の正常な制御が困難となるおそれがある。この結果、圧縮比が適切な目標圧縮比から乖離して、燃焼状態が悪化し、燃費・出力・トルク・排気・音振等の性能の悪化を招くおそれがある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、機関運転中に何らかの異常により圧縮比検出部により検出される実圧縮比を喪失したり、あるいは実圧縮比と目標圧縮比との間に想定以上の差が開いた場合であっても、速やかに圧縮比検出部が実圧縮比を正常に検出できる状態に復帰させて、機関運転性能の悪化を最小限に抑制することを目的としている。
本発明は、制御軸の回転位置に応じて機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を備え、機関運転状態に応じて設定される目標圧縮比へ向けて上記可変圧縮比機構を制御する可変圧縮比内燃機関の制御装置に関するものである。また、実際の機関圧縮比に対応する実圧縮比を検出する圧縮比検出部を備え、例えば機関始動直後や機関停止直前などの所定の機関運転状態のときには、上記制御軸を所定の基準位置に機械的に係止させた状態で、上記圧縮比検出部の検出値を基準位置に対応した初期値に初期化する基準位置学習動作、いわゆるイニシャライズ動作を実施する。
そして本発明では、機関運転中に、通信エラー等により実圧縮比を喪失した場合や、あるいは何らかの理由により実圧縮比と目標圧縮比との差が想定以上に開いた場合にも、上記基準位置学習動作を実施する。
本発明によれば、機関運転中に、通信エラー等により実圧縮比を喪失した場合や、あるいは何らかの異常により実圧縮比と目標圧縮比との差が想定以上に開いた場合に、速やかに基準位置学習動作を実施することで、圧縮比検出部が実圧縮比を正常に検出できる初期状態に復帰させることができる。これによって、実圧縮比を喪失した場合や実圧縮比と目標圧縮比との差が所定以上となった場合にも、圧縮比制御を正常に行える状態に速やかに復帰して、機関運転性の悪化を最小限に抑制することができる。
本発明の一実施例に係る可変圧縮比機構を備えた可変圧縮比内燃機関の制御装置を簡略的に示す構成図。 同じく上記実施例の可変圧縮比内燃機関の制御装置を簡略的に示す構成図。 本実施例の制御の流れを示すフローチャート。
以下、図１〜図３を参照して、本発明の一実施例に係る可変圧縮比機構１０を備えた可変圧縮比内燃機関１の制御装置を説明する。
図１を参照して、可変圧縮比内燃機関１は、機関本体としてのシリンダブロック２と、このシリンダブロック２の上に固定されるシリンダヘッド３と、により大略構成され、シリンダヘッド３のシリンダ４内にはピストン５が昇降可能に嵌合している。
可変圧縮比機構１０は、クランクシャフト６のクランクピン７に回転可能に取り付けられるロアーリンク１１と、このロアーリンク１１とピストン５とを連結するアッパーリンク１２と、シリンダブロック２に回転可能に支持される制御軸１３と、この制御軸１３とロアーリンク１１とを連結する制御リンク１４と、を有している。アッパーリンク１２の上端とピストン５とはピストンピン１５により相対回転可能に連結され、アッパーリンク１２とロアーリンク１１とは第１連結ピン１６により相対回転可能に連結され、ロアーリンク１１と制御リンク１４の上端とは第２連結ピン１７により相対回転可能に連結されている。ロアーリンク１１の下端部は、制御軸１３の回転中心となるジャーナル部１３Ａから偏心して設けられた制御偏心軸部１８に回転可能に取り付けられている。
図２に示すように、制御軸１３を回転駆動するアクチュエータとしてのモーター２１の出力軸２１Ａと、制御軸１３と、の動力伝達経路には、モーター２１の出力軸２１Ａの回転動力を減速して制御軸１３へ伝える減速機構２２が介装されている。この減速機構２２は、波動歯車装置などの大きな減速が得られる減速機２３と、この減速機２３の出力軸と一体的に回転する回転軸２４と、この回転軸２４と制御軸１３（図１参照）とを連結するレバー２５と、を有している。回転軸２４はシリンダブロック２に横付け固定されるハウジング２６内に収容配置されており、制御軸１３と平行な姿勢でハウジング２６に回転可能に支持されている。レバー２５はシリンダブロック２及びハウジング２６のスリットを貫通して延在している。
レバー２５の一端と、制御軸１３のジャーナル部１３Ａから径方向に延びる第１アーム２７の先端とは、第３連結ピン２８を介して相対回転可能に連結されている。レバー２５の他端と、回転軸２４の回転中心となるジャーナル部２４Ａから径方向へ延びる第２アーム２９の先端とは、第４連結ピン３０を介して相対回転可能に連結されている。
このような可変圧縮比機構１０は、モーター２１により減速機構２２を介して制御軸１３の回転位置を変更すると、制御リンク１４を介してロアーリンク１１の姿勢が変化して、ピストン上死点位置及びピストン下死点位置を含めたピストン５のストローク特性が変化して、機関圧縮比が連続的に変化する。
図２を参照して、ハウジング２６には、実際の機関圧縮比である実圧縮比を検出する圧縮比検出部として、実圧縮比に対応した回転軸２４の回転位置を検出する回転センサ３１が設けられている。またモーター２１には、モーター回転数を検出するモーター回転数検出センサ３２が設けられている。
制御部３３は、各種制御処理を記憶及び実行可能なデジタルコンピュータシステムであり、センサ３１，３２等から検出される機関運転状態に基づいて、各種のアクチュエータに制御信号を出力して、その動作を統括的に制御する。具体的には、吸気弁（あるいは排気弁）のバルブタイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構３４を駆動制御して吸気弁の開時期及び閉時期を制御し、燃焼室内の混合気を火花点火する点火プラグ３５を駆動制御して点火時期を制御し、吸気通路を開閉する電制スロットル３６を駆動制御して、スロットル開度を制御する。
また制御部３３は、機関運転状態に応じて目標圧縮比を設定し、この目標圧縮比と、上記回転センサ３１により検出される実圧縮比と、の偏差を可及的に小さく維持するように、モーター２１の動作をフィードバック制御する。
図１に簡略的に示すように、互いに連動して回転する制御軸１３と回転軸２４の回転可能範囲は、低圧縮比側ストッパ面４１と、高圧縮比側ストッパ面４２と、により機械的に規制・制限されている。例えばこの実施例では、低圧縮比側ストッパ面４１がハウジング２６内に設けられ、回転軸２４が最も低圧縮比側（図１の矢印Ｙ１の方向）に回転すると、第２アーム２９の側面が低圧縮比側ストッパ面４１に突き当てられて、制御軸１３及び回転軸２４が低圧縮比側ストッパ位置に機械的に係止されるようになっている。また、高圧縮比側ストッパ面４２がシリンダブロック２内に設けられ、制御軸１３が最も高圧縮比側（図１の矢印Ｙ２の方向）に回転すると、第１アーム２７の側面が高圧縮比側ストッパ面４２に突き当てられて、制御軸１３及び回転軸２４が高圧縮比側ストッパ位置に機械的に係止されるようになっている。
次に、本実施例の要部をなす制御内容について、図３のフローチャートを参照して説明する。この図３のルーチンは、例えば制御部３３内の記憶装置に記憶され、所定期間毎（例えば１０ｍｓ毎）に繰り返し実行される。
ステップＳ１１では、回転センサ３１の基準位置学習動作、いわゆるイニシャライズ動作を実施する所定の機関運転状態であるか、例えば機関始動直後（あるいは機関停止直前）であるか否かを判定する。所定の機関運転状態でなければステップＳ１２を省略して後述するステップＳ１３へ進む。
基準位置学習動作を実施すべき所定の機関運転状態であればステップＳ１２へ進み、第１の基準位置学習動作を実施する。この第１の基準位置学習動作では、回転軸２４を例えば低圧縮比側ストッパ面４１に突き当てて、制御軸１３及び回転軸２４を基準位置である低圧縮比側ストッパ位置に機械的に係止させた状態で、回転センサ３１の実圧縮比に対応する検出値を、上記の基準位置に対応した所定の初期値に初期化・学習する。これによって、実際の制御軸１３及び回転軸２４の回転位置と、回転センサ３１により検出される実圧縮比と、の対応関係を初期の正常な状態にリセットすることができる。
なお、このように第１の基準位置学習動作の際に、本実施例では回転軸２４を低圧縮比側ストッパ面４１に突き当てた低圧縮比側ストッパ位置を基準位置として用いているが、制御軸１３を高圧縮比側ストッパ面４２に突き当てた高圧縮比側ストッパ位置を基準位置として用いるようにすることも可能である。
ステップＳ１３では、通信エラー等の何らかの理由により回転センサ３１により検出される実圧縮比を制御部３３が喪失したか否かを判定する。ステップＳ１４では、実圧縮比と目標圧縮比との差が所定値以上の異常な状態であるか否かを判定する。ステップＳ１３，Ｓ１４の判定がいずれも否定される場合、つまり実圧縮比を喪失しておらず、かつ実圧縮比と目標圧縮比との差が所定値未満の正常な状態であれば、後述のステップＳ１５，Ｓ１６をスキップして本ルーチンを終了する。
一方、ステップＳ１３，Ｓ１４の判定の少なくとも一方が肯定される場合、つまり実圧縮比を喪失したか、あるいは実圧縮比と目標圧縮比との差が所定値以上の異常な状態である場合には、ステップＳ１５及びステップＳ１６を実行する。ステップＳ１５では、第２の基準位置学習動作を実施する。この第２の基準位置学習動作では、上述した第１の基準位置学習動作と同様に、回転軸２４を低圧縮比側ストッパ面４１に突き当てて、制御軸１３及び回転軸２４を基準位置である低圧縮比側ストッパ位置に機械的に係止させた状態で、回転センサ３１の検出値を、上記の基準位置に対応した初期値に初期化・学習し、回転センサ３１の検出値と、制御軸１３及び回転軸２４の回転位置と、の対応関係を初期の正常な状態に復帰させる。
続くステップＳ１６では、基準位置学習動作の実施に伴う機関圧縮比の変動に起因するトルク変動を吸収・相殺するトルク変動抑制動作を実施する。具体的には、制御軸１３及び回転軸２４を基準位置である低圧縮比側ストッパ位置に回転させることに伴い、機関圧縮比が低圧縮比側に変化して機関出力トルクが低下する分を補うように、機関出力トルクを増加させる制御を行なう。例えば、可変バルブタイミング機構３４による吸気弁閉時期の進角，点火プラグ３５による点火時期の進角、及び電制スロットル３６のスロットル開度の増加の少なくとも一つを実施する。
次に、このような本実施例において特徴となる構成やその作用効果について、以下に列記する。
（１）通信エラー等により実圧縮比を喪失したり、あるいは、何らかの異常により実圧縮比と目標圧縮比とが想定以上に乖離した場合、回転センサ３１により検出される実圧縮比に大きな誤差を生じるおそれがある。このため、例えば実圧縮比が高圧縮比側に大きくずれると、ピストン５とバルブバルブとが過剰に接近したり、ノッキングを生じたり、制御軸１３及び回転軸２４がストッパ面４１，４２へ衝突することによる異音の発生等を招くおそれがある（正常に圧縮比制御が行なわれている状態では、制御軸１３及び回転軸２４がストッパ面４１，４２と当接することのないように制御されている）。また、実圧縮比が低圧縮比側に大きくずれると、燃焼状態が悪化し、燃費・出力・トルク・排気・音振等の機関性能が悪化する。
そこで本実施例では、実圧縮比を喪失したり、あるいは、何らかの異常により実圧縮比と目標圧縮比とが想定以上に乖離した場合に、直ちに第２の基準位置学習動作を実施して、回転センサ３１による検出値と実際の制御軸１３や回転軸２４の回転位置との対応関係を正常な状態に復帰させている。これによって、回転センサ３１を正常な初期状態に速やかに復帰させて、実圧縮比の誤差が大きく正常な圧縮比制御を行なうことができない状態を短時間のうちに解消し、燃費・出力・トルクなどの機関運転性の悪化を最小限に抑制することができる。
（２）このように圧縮比の喪失や実圧縮比と目標圧縮比との想定以上の乖離により基準位置学習動作を実施する際、好ましくは本実施例のように、回転軸２４を低圧縮比側ストッパ面４１に突き当てた状態、つまり制御軸１３及び回転軸２４を低圧縮比側ストッパ位置に係止させた状態とした上で、基準位置学習動作を実施する。
この理由について説明すると、回転軸２４には、低圧縮比側へ向かう回転方向（Ｙ１）に燃焼荷重や慣性荷重に起因するモーメントが作用する。従って、大きな燃焼荷重が作用する高負荷時や、大きな慣性荷重が作用する高回転時であっても、その燃焼荷重や慣性荷重にアシストされる形で、確実かつ迅速に回転軸２４を基準位置である低圧縮比側ストッパ位置に回動させて、基準位置学習動作を実施することができる。
また、基準位置を低圧縮比側に設定することで、ノッキングの発生をより確実に抑制することができる。このため、ノッキングの発生を回避するために機関出力（負荷）を制限する必要がない。
（３）回転軸２４を低圧縮比側ストッパ面４１に突き当てて、制御軸１３及び回転軸２４を低圧縮比側ストッパ位置に係止させた状態のとき、制御軸１３からレバー２５を介して回転軸２４に伝達される回転軸２４回りのトルクが最も小さくなる回転位置を含む所定の角度範囲内に回転軸２４が位置するように設定されている。
これによって、大きな燃焼荷重が作用する高負荷時や、大きな慣性荷重が作用する高回転時に、基準位置学習動作を実施するような場合にも、回転軸２４に作用するモーメントを十分に抑制して、回転軸２４が低圧縮比側ストッパ面４１に衝突する際の衝突音を抑制するとともに、摩耗や圧痕の発生を抑制することができる。
（４）構造的には、レバー２５のリンク中心線２５Ａ（第３連結ピン２８の中心と第４連結ピン３０の中心とを結ぶ線）と、第２アーム２９のリンク中心線２９Ａ（回転軸２４のジャーナル部２４Ａの中心と第４連結ピン３０の中心とを結ぶ線）と、のなす角度θが小さくなるほど、制御軸１３からレバー２５を介して回転軸２４に伝達される回転軸２４回りのトルクが小さくなる。従って、制御軸１３及び回転軸２４を低圧縮比側ストッパ位置に係止させた状態のとき、上記の角度θが最も小さくなる位置（リンク中心線２５Ａとリンク中心線２９Ａとが同一線上にあるとき）を含む所定の角度範囲内に回転軸２４が位置するように設定している。これによって、上記の（３）と同様、大きな燃焼荷重が作用する高負荷時や、大きな慣性荷重が作用する高回転時に、基準位置学習動作を実施するような場合にも、回転軸２４に作用するモーメントを十分に抑制して、回転軸２４が低圧縮比側ストッパ面４１に衝突する際の衝突音を抑制するとともに、摩耗や圧痕の発生を抑制することができる。
（５）実圧縮比の喪失等により機関運転中に第２の基準位置学習動作を実施する際、制御軸１３及び回転軸２４を基準位置へ向けて回動することに伴って、機関圧縮比が変化する。このため、機関圧縮比の変化に伴って機関出力・トルクが変動し、搭乗者に違和感を与えるおそれがある。そこで本実施例では、このような基準位置学習動作に伴う機関圧縮比の変化に応じたトルク変動を吸収・相殺するように、バルブタイミング，点火時期，及びスロットル開度等の動作を制御している。
（６）具体的には、上記実施例のように、第２の基準位置学習動作の際に制御軸１３及び回転軸２４を低圧縮比側ストッパ面４１へ向けて低圧縮比方向に回動させる場合には、機関圧縮比の低下に伴うトルク低下を吸収・相殺するように、点火時期の進角、吸気弁閉時期の進角、及びスロットル開度の増加の少なくとも一つを行なう。これによって、第２の基準位置学習動作の実施に伴うトルク変動を抑制して、ドライバビリティを向上することができる。
以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形・変更を含むものである。例えば、圧縮比検出部として、本実施例では回転軸２４の回転位置を検出する回転センサ３１を用いているが、これに代えて、制御軸１３の回転位置を検出する構成としてもよく、あるいはピストン５の位置を直接的に検出もしくは推定する構成としても良い。また、上記実施例では低圧縮比側ストッパ４１を回転軸２４・ハウジング２６の側、高圧縮比側ストッパ面４２を制御軸１３・シリンダブロック２の側に設けているが、これに限らず、例えば両方のストッパ面を回転軸２４・ハウジング２６の側、あるいは制御軸１３・シリンダブロック２の側に設けるようにしても良い。

Claims (7)

  1. 制御軸の回転位置に応じて機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を備え、機関運転状態に応じて設定される目標圧縮比へ向けて上記可変圧縮比機構を制御する可変圧縮比内燃機関の制御装置において、
    実際の機関圧縮比に対応する実圧縮比を検出する圧縮比検出部と、
    所定の機関運転状態のとき、上記制御軸を所定の基準位置に機械的に係止させた状態で、上記圧縮比検出部の基準位置学習動作を実施する第１の基準位置学習手段と、
    機関運転中に、上記実圧縮比を喪失、あるいは実圧縮比と目標圧縮比との差が所定値以上となると、上記基準位置学習動作を実施する第２の基準位置学習手段と、
    を有する可変圧縮比内燃機関の制御装置。
  2. 上記第２の基準位置学習手段は、上記制御軸を最も低圧縮比側に回転させた低圧縮比側ストッパ位置に係止させた状態とした上で、上記基準位置学習動作を実施する請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
  3. 上記制御軸を回転駆動するアクチュエータと、このアクチュエータの回転動力を減速して上記制御軸へ伝達する減速機構と、を有し、
    この減速機構は、上記制御軸とレバーを介して連結された回転軸を有し、
    上記制御軸及び回転軸を低圧縮比側ストッパ位置に係止させた状態のとき、上記制御軸からレバーを介して回転軸に伝達される回転軸回りのトルクが最も小さくなる回転位置を含む所定の角度範囲内に上記回転軸が位置するように設定されている請求項２に記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
  4. 上記制御軸を回転駆動するアクチュエータと、このアクチュエータの回転動力を減速して上記制御軸へ伝達する減速機構と、を有し、
    この減速機構は、上記制御軸とレバーを介して連結された回転軸を有し、
    上記レバーの一端は、上記制御軸から径方向へ延びる第１アームの先端に回転可能に連結されるとともに、上記レバーの他端は、上記回転軸から径方向に延びる第２アームの先端に回転可能に連結されており、
    上記制御軸及び回転軸を低圧縮比側ストッパ位置に係止させた状態のとき、上記レバーのリンク中心線と、上記第２アームのリンク中心線と、のなす角度が最も小さくなる位置を含む所定の角度範囲内に上記回転軸が位置するように設定されている請求項２に記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
  5. 吸気弁もしくは排気弁のバルブタイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構と、
    燃焼室に供給された混合気を火花点火する点火プラグと、
    吸気通路を開閉する電制スロットルと、
    上記第２の基準位置学習手段による基準位置学習動作に伴う機関圧縮比の変化に応じたトルク変化を吸収するように、上記バルブタイミング、上記点火プラグによる点火時期、及び上記電制スロットルのスロットル開度の少なくとも一つを制御するトルク変動抑制手段と、
    を有する請求項１〜４のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
  6. 吸気弁もしくは排気弁のバルブタイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構と、
    燃焼室に供給された混合気を火花点火する点火プラグと、
    吸気通路を開閉する電制スロットルと、
    上記第２の基準位置学習手段による基準位置学習動作に伴う機関圧縮比の低下に応じたトルク低下を吸収するように、吸気弁閉時期の進角、上記点火プラグによる点火時期の進角、及び上記電制スロットルのスロットル開度の増加の少なくとも一つを行なうトルク変動抑制手段と、
    を有する請求項２に記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
  7. 上記可変圧縮比機構が、
    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ーリンクと、
    このロアーリンクと内燃機関のピストンとを連結するアッパーリンクと、
    上記制御軸とロアーリンクとを連結する制御リンクと、を有する請求項１〜６のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
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