JP6323669B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮比を可変に設定する圧縮比可変機構を備えた内燃機関に関する。

火花点火式の内燃機関では、運転中にノッキングが発生した場合、運転状態に応じて、点火時期を遅角したり、空燃比をリッチ化したりすることで、ノッキングを回避する技術が従来から知られている（例えば、特許文献１）。点火時期を遅角することで、速やかにノッキングを回避することができる。また、空燃比をリッチ化することで、出力を確保すると共に、気化潜熱により筒内を冷却してノッキングを回避することができる。

一方、内燃機関では、高効率、低燃費を図るため、高圧縮比運転をすることができる圧縮比可変機構が知られている。圧縮比可変機構は、例えば、ピストンの上死点位置が切替えられて燃焼室の容積が変更されることで、高圧縮比の状態と低圧縮比の状態とが切替えられる。例えば、低負荷から中負荷の運転状態の際に、ピストンの上死点位置が高い位置に切替えられて高圧縮比の状態にされ、高負荷の運転状態の際に、ピストンの上死点位置が低い位置に切替えられて低圧縮比の状態にされる。

圧縮比可変機構を備えた内燃機関では、熱効率向上、燃費向上のため、高圧縮比での運転が有利となる一方、高負荷運転時に高圧縮比で運転を行うとノッキングの発生が生じる虞があるため、主に、高負荷領域の運転時に低圧縮比で運転してノッキングの発生を抑制している。

圧縮比可変機構を備えた内燃機関は、点火時期の遅角の実行、空燃比のリッチ化の実行、低圧縮比への切替えにより、ノッキングを回避することが可能になっている。点火時期の遅角の実行、空燃比のリッチ化の実行、低圧縮比への切替えは、それぞれノッキングを回避する技術として有利な手段であるが、統合的には制御されていないのが現状であり、圧縮比可変機構を備えた内燃機関でノッキングを的確に回避する技術が望まれているのが実情である。

特開昭６２−４０５３８号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、圧縮比可変機構を備えた内燃機関において、圧縮比可変機構の動作と、点火時期の遅角の実行、空燃比のリッチ化の実行を統合して制御し、ノッキングを的確に回避することができる内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の内燃機関は、機関の圧縮比を高圧縮比側または低圧縮比側に可変に設定する圧縮比可変機構と、機関のノッキングを検出するノッキング検出手段と、混合気の空燃比を変更する空燃比変更手段と、点火時期を変更させる点火時期変更手段と、前記圧縮比可変機構による圧縮比の設定情報、及び、前記ノッキング検出手段によるノッキングの情報が入力され、入力された情報に基づいて、前記空燃比変更手段、前記点火時期遅角手段に実行指令を出力する制御手段とを備え、制御手段は、前記ノッキング検出手段によりノッキングが検出された際に、前記圧縮比可変機構により高圧縮比側に圧縮比が設定されている場合、前記空燃比変更手段により空燃比をリッチ側に変更するリッチ化を実行し、そのリッチ化を実行した後に、前記ノッキング検出手段によりノッキングが検出された場合は、前記点火時期変更手段により点火時期を遅角させる点火リタードを実行する、一方、前記圧縮比可変機構により低圧縮比側に圧縮比が設定されている場合、前記点火時期変更手段により点火時期を遅角させる点火リタードのみを実行することを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、所定の負荷に満たない低中負荷領域の運転状態で、高圧縮比側に圧縮比が設定され、所定の負荷以上の高負荷領域の運転状態で、低圧縮比側に圧縮比が設定される。

そして、請求項１に係る本発明では、圧縮比が高圧縮比側に設定されている場合（低中負荷運転）にノッキングが検出された際には、出力が確保されるリッチ化を実行し、出力低下を抑制してノッキングを回避する。更に、出力が確保されるリッチ化を実行してもノッキングが検出されている場合、応答性が高い点火リタードを実行してノッキングを回避する。
圧縮比が低圧縮比側に設定されている場合（高負荷運転）にノッキングが検出された際には、応答性が高い点火リタードを実行し、短時間でノッキングを回避する。

このため、出力を低下させてノッキングを回避する点火リタードの実行を最小限に留めてノッキングを回避することができ、圧縮比可変機構の動作と、点火時期の遅角、空燃比のリッチ化を統合して制御することで、燃費を向上しつつノッキングを的確に回避することが可能になる。

圧縮比可変機構としては、コネクティングロッドの大端部に偏心スリーブを介してクランクシャフト側（クランクピン）を支持し、例えば、油圧により偏心スリーブを回動させてクランクピンの中心と大端部の中心を偏心させ、ピストンの移動状態を高圧縮比の状態、もしくは、低圧縮比の状態に切替える機構を適用することができる。

また、請求項２に係る本発明の内燃機関は、請求項１に記載の内燃機関において、前記制御手段は、前記圧縮比可変機構により高圧縮比側に圧縮比が設定されていると共に、前記点火時期変更手段により点火リタードを実行している場合、前記圧縮比可変機構により低圧縮比側に圧縮比を変更することを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、高圧縮比側に圧縮比が設定されて点火リタードを実行している最中に、圧縮比可変機構により低圧縮比側に圧縮比を変更するので、ノッキングが回避されやすい低圧縮比側に圧縮比を変更する際に、変更の切替え中のノッキングを抑制することができる。そして、変更の切替え時の圧縮比に基づいて、即ち、変更の切替えの状況に応じて（変更中、変更後）、点火リタードの実行、及び、リッチ化の実行を減らして終了する等の制御が実行される。

低圧縮比側に圧縮比を変更する際に、変更の切替え時の圧縮比に基づいて実施する点火リタードの実行、及び、リッチ化の実行の制御は、変更中に点火リタードを終了し、変更後にリッチ化を終了する、変更中に点火リタード、及び、リッチ化を終了する等の実行が可能である。そして、点火リタード、及び、リッチ化の度合いを漸次減らす、段階的に減らす等の制御が可能である。

また、請求項３に係る本発明の内燃機関は、請求項２に記載の内燃機関において、前記制御手段は、前記圧縮比可変機構により高圧縮比側から低圧縮比側に圧縮比が変更された際に、前記点火時期変更手段による点火リタードの実行、及び、前記空燃比変更手段による空燃比のリッチ化の実行を制限させることを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、圧縮比が変更された際に、即ち、圧縮比の変更の切替えが終了した際に、点火リタードの実行、及び、リッチ化の実行を制限（例えば、終了）させるので、圧縮比の変更の切替えが終了した際に、点火リタード、及び、リッチ化の実施が抑制される（実施されることがない）。

また、請求項４に係る本発明の内燃機関は、請求項３に記載の内燃機関において、前記制御手段は、前記点火時期変更手段による点火リタードの実行、及び、前記空燃比変更手段による空燃比のリッチ化の実行を制限した状態で、前記ノッキング検出手段によりノッキングが検出された場合、前記空燃比変更手段によって空燃比のリッチ化を実行することを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、低圧縮比側に圧縮比が設定されている際にノッキングが生じ、ノッキングを回避する通常の低圧縮比の状態におけるノッキングの回避（点火リタード）とは異なり、高圧縮比側から低圧縮比側に圧縮比が切替えられた後に、ノッキングが生じた場合には、出力が確保されるリッチ化を実行し、出力低下を抑制してノッキングを回避する。

本発明の内燃機関は、圧縮比可変機構を備えた内燃機関において、圧縮比可変機構と、点火時期の遅角の実行、空燃比のリッチ化の実行を統合して制御することで、燃費を向上しつつノッキングを的確に回避することが可能になる。

本発明の一実施例に係る内燃機関の要部の外観図である。 圧縮比可変機構を説明するコネクティングロッドの断面図である。 ノッキングの回避制御のフローチャートである。

図１、図２に基づいて圧縮比可変機構を備えた内燃機関を説明する。

図１には圧縮比可変機構を備えた内燃機関の一実施例を説明するための内燃機関の要部の外観状況、図２には圧縮比可変機構を説明するコネクティングロッドの断面を示してあり、図２（ａ）は高圧縮比の状態、図２（ｂ）は低圧縮比の状態である。

図１に示すように、内燃機関（エンジン）１の各気筒内にはピストン１０が往復移動自在に支持され、ピストン１０により燃焼室４が形成されている。

エンジン１のシリンダヘッド２には気筒毎に吸気ポート３が形成され、各吸気ポート３の燃焼室４側には吸気バルブ５がそれぞれ設けられている。吸気バルブ５はエンジン回転に応じて回転するカムシャフトのカムに倣って開閉動作され、各吸気ポート３と燃焼室４との連通・遮断を行う。各吸気ポート３には吸気マニホールド６の一端がそれぞれ接続され、各吸気ポート３に吸気マニホールド６が連通している。

また、エンジン１のシリンダヘッド２には気筒毎に排気ポート７がそれぞれ設けられ、各排気ポート７の燃焼室４側には排気バルブ８がそれぞれ設けられている。排気バルブ８はエンジン回転に応じて回転するカムシャフトのカムに倣って開閉動作され、各排気ポート７と燃焼室４との連通・遮断を行う。各排気ポート７には排気マニホールド９の一端がそれぞれ接続され、各排気ポート７に排気マニホールド９が連通している。

シリンダヘッド２の各吸気ポート３には、燃焼室４に臨む燃料噴射弁１１が取り付けられ、図示しない燃料ポンプの駆動により燃料噴射弁１１に燃料が送られる。燃料噴射弁１１からは、所定の時期に所定の燃料圧力で所定量の燃料が燃焼室４に噴射される。また、シリンダヘッド２の各気筒の燃焼室４の頂部には点火プラグ１２が備えられている。

吸気マニホールド６には図示しない吸気管が接続され、スロットルバルブの開閉により吸気管からの吸入空気量が調整されて吸気マニホールド６に空気が送られる。排気マニホールド９には図示しない排気管（排気通路）が接続され、排気通路には排気浄化装置が備えられている。また、排気通路で排気空燃比が検出され、排気空燃比の検出情報がフィードバックされて、混合気の空燃比が制御されるようになっている。

エンジン１には、冷却水温を検出する水温センサ、クランク角（エンジン回転速度）を検出するクランク角センサ、アクセル開度センサ、エアフローセンサ等が備えられている。

車両には、エンジン１を制御する制御手段としての電子制御ユニット（ＥＣＵ）１５が備えられている。ＥＣＵ１５には、上述したセンサの検出情報が入力され、センサの情報に基づいてエンジン１の統合制御が行われる。即ち、各種センサからの検出情報に基づいて、燃料噴射弁１１の燃料噴射時期、燃料噴射圧力、燃料噴射量等が調整されて空燃比が制御され（空燃比変更手段）、点火プラグ１２の点火時期が制御される（点火時期遅角手段）。

一方、図１、図２に示すように、クランクシャフト２１のクランクピン２２には、コネクティングロッド２３の大端部２４が回転自在に支持され、コネクティングロッド２３の上端にピストン１０が枢支されている。ピストン１０が気筒内を往復移動することにより、コネクティングロッド２３によりクランクシャフト２１が回転し、ピストン１０の往復動がクランクシャフト２１の回転力として伝えられる。

上述したエンジン１には、圧縮比可変機構が備えられている。即ち、ピストン１０の上死点の位置を変更して（切替えて）、燃焼室４の容積を変更し、高圧縮比の状態と低圧縮比の状態とを切替える、圧縮比可変機構が備えられている。

例えば、低負荷から中負荷の運転状態の際に、ピストン１０の上死点位置が高い位置に切替えられて高圧縮比の状態にされ、高負荷の運転状態の際に、ピストン１０の上死点位置が低い位置に切替えられて低圧縮比の状態にされる。即ち、所定の負荷に満たない低中負荷領域の運転状態で、高圧縮比側に圧縮比が設定され、所定の負荷以上の高負荷領域の運転状態で、低圧縮比側に圧縮比が設定される。

圧縮比可変機構の構造を説明する。

主に、図２に示すように、コネクティングロッド２３の大端部２４の支持穴には、偏心スリーブ３１の外周面が回転自在に支持され、偏心スリーブ３１の内周面は、クランクシャフト２１のクランクピン２２の外周面に回転自在に支持されている。偏心スリーブ３１は、厚肉部３１ａと薄肉部３１ｂが周方向に対向して設けられ、肉厚が徐々に変化している。

コネクティングロッド２３の大端部２４には、偏心スリーブ３１を回転駆動させるアクチュエータ３２が内蔵されている。アクチュエータ３２に対し、図示しない油圧供給手段を介して油圧を給排することにより、偏心スリーブ３１を回転させる。偏心スリーブ３１の回転により、クランクシャフト２１のクランクピン２２の中心と、コネクティングロッド２３の大端部２４の中心が偏心し、ピストン１０の移動状態が高圧縮比の状態、もしくは、低圧縮比の状態に切替えられる。切替えの情報はＥＣＵ１５に入力される。

即ち、熱効率向上、燃費向上のため、高圧縮比での運転が有利となる一方、高負荷運転時に高圧縮比で運転を行うと、燃焼室４内の混合気が点火プラグ１２で着火されて燃焼する以外に、未燃焼混合気が一瞬に自己着火して燃焼し、いわゆる、ノッキングが発生する虞があるため、主に、低中負荷運転時に、高圧縮比で運転できるようになっている。

図２（ａ）に示すように、アクチュエータ３２を駆動して偏心スリーブ３１を反時計回り方向（矢印方向）に回転させることで、偏心スリーブ３１の厚肉部３１ａが上方にある状態にされる。図２（ｂ）に示すように、アクチュエータ３２を駆動して偏心スリーブ３１を時計回り方向（矢印方向）に回転させることで、偏心スリーブ３１の薄肉部３１ｂが上方にある状態にされる。

このため、偏心スリーブ３１を回転させることで、高圧縮比の状態（ａ）は、低圧縮比の状態（ｂ）に比べ、ピストン１０の上死点の位置が高さｈだけ高い位置になるように設定され、運転状態（負荷状態）に応じて、高圧縮比の状態（ａ）、もしくは、低圧縮比の状態（ｂ）に切替えられる。

一方、エンジン１のシリンダヘッド２にはノックセンサ２５が設けられ、ノックセンサ２５によりノッキングの発生が検出される。ノックセンサ２５の検出情報はＥＣＵ１５に入力され、ノッキングが発生した場合、空燃比のリッチ化、点火時期の遅角（点火リタード）が実行されてノッキングが回避される。

ＥＣＵ１５では、ノッキングの発生がノックセンサ２５により検出された場合、圧縮比の状態により、即ち、設定されている圧縮比の状態が、低圧縮比側に設定されているか、高圧縮比側に設定されているかにより、ノッキング回避を行う手段が選択される。

つまり、低圧縮比側に設定されている場合（高負荷運転）にノッキングが検出された際には、点火時期遅角手段により、応答性が高い点火リタードを実行し、短時間でノッキングが回避されるようになっている。そして、圧縮比が高圧縮比側に設定されている場合（低中負荷運転）にノッキングが検出された際には、空燃比変更手段により、出力が確保される空燃比のリッチ化を実行し、出力低下が抑制されてノッキングが回避されるようになっている。

このため、圧縮比可変機構を備えたエンジン１において、出力を低下させてノッキングを回避する点火リタードの実行を最小限に留めてノッキングを回避することができ、圧縮比可変機構の動作と、点火リタードの実行、空燃比のリッチ化の実行を統合して制御することで、ノッキングを的確に回避することが可能になる。

図３に基づいて上述したエンジン１におけるノッキング回避制御の状況を具体的に説明する。

ステップＳ１でエンジン１の運転状態が把握され、圧縮比の設定状況が把握される。ステップＳ２でノックセンサ２５の検出情報が読み込まれる。ステップＳ３でノックセンサ２５によりノッキングの状態が検出されているか否かが判断され、ステップＳ３でノッキングが検出されていると判断された場合、ステップＳ４で圧縮比が高圧縮比に設定されているか否かが判断される。ステップＳ３でノックセンサ２５によりノッキングの状態が検出されていないと判断された場合、処理が終了となる。

ステップＳ４で圧縮比が高圧縮比に設定されていると判断された場合、ステップＳ５で空燃比のリッチ化が実行され、ノッキングを回避する処理が実行される。つまり、圧縮比が高圧縮比側に設定されている場合（低中負荷運転）にノッキングが検出された際には（ノッキングが検出された際に圧縮比が高圧縮比側に設定されている場合）、出力が確保されるリッチ化を実行し、出力低下が抑制されてノッキングが回避されるようになっている。

ステップＳ４で圧縮比が高圧縮比に設定されていない、即ち、低圧縮比に設定されていると判断された場合、ステップＳ６で点火リタードが実行され、ノッキングを回避する処理が実行されて処理が終了となる。つまり、圧縮比が低圧縮比側に設定されている場合（高負荷運転）にノッキングが検出された際には（ノッキングが検出された際に圧縮比が低圧縮比側に設定されている場合）、応答性が高い点火リタードを実行し、短時間でノッキングが回避されるようになっている。

ステップＳ５で空燃比のリッチ化が実行された後、ステップＳ７でノックセンサ２５によりノッキングの状態が検出されているか否かが再度判断される。空燃比のリッチ化が実行されたにも拘わらずステップＳ７でノッキングが検出されていると判断された場合、ステップＳ８で点火リタードが実行されてノッキングを回避する処理が継続される。

つまり、ステップＳ５で、出力が確保される空燃比のリッチ化を実行しても、ステップＳ７でノッキングが検出されている場合、ステップＳ８で、応答性が高い点火リタードを実行してノッキングを回避する。ステップＳ７でノックセンサ２５によりノッキングの状態が検出されていないと判断された場合、処理が終了となる。

ステップＳ８で点火リタードが実行されると（点火リタードを実行している最中に）、ステップＳ９で圧縮比が低圧縮比側に切替えられる。このため、点火リタードを実行している最中に、圧縮比を低圧縮比側に変更することになり、ノッキングが回避されやすい低圧縮比側に圧縮比を変更する際に、変更の切替え中のノッキングを抑制することができる。

ステップＳ９で圧縮比が低圧縮比側に切替えられた後、ステップＳ１０で空燃比のリッチ化、点火リタードを終了させる。このため、圧縮比に基づいて点火リタードの実行、及び、リッチ化の実行を制御（終了）しているので、圧縮比の変更の切替えが終了した際に、点火リタード、及び、リッチ化が実行されることがない。

尚、低圧縮比側に圧縮比を変更する際に実施する点火リタードの実行、及び、リッチ化の実行の制御は、圧縮比が低圧縮比側に切替えられた後に限らず、変更中に点火リタードを終了し、変更後にリッチ化を終了する、変更中に点火リタード、及び、リッチ化を終了する等の実行が可能である。

そして、点火リタード、及び、リッチ化の度合いを漸次減らす、段階的に減らす等の制御が可能である。即ち、変更の切替え時の圧縮比に基づいて、即ち、変更の切替えの状況に応じて（変更中、変更後）、点火リタードの実行、及び、リッチ化の実行を減らして終了する等の制御を実行することができる。

ステップＳ１０で空燃比のリッチ化、点火リタードを終了させた後、ステップＳ１１でノックセンサ２５によりノッキングの状態が検出されているか否かが判断される。圧縮比が低圧縮比側に切替えられたにも拘わらず、ステップＳ１１でノッキングが検出されていると判断された場合、ステップＳ１２で所定期間、空燃比のリッチ化が実行されて処理が終了となる。ステップＳ１１でノックセンサ２５によりノッキングの状態が検出されていないと判断された場合、そのまま処理が終了となる。

つまり、通常の低圧縮比の状態におけるノッキングの回避の処理（点火リタードの実行）とは異なり、高圧縮比側から低圧縮比側に圧縮比が切替えられた後に、ノッキングが生じている場合には、出力が確保されるリッチ化を実行し、出力低下を抑制してノッキングを回避して処理を終了している。

尚、ステップＳ１２の後でノッキングの検出を判断し、ノッキングが検出されていないことを条件に処理を終了することも可能である。

上述したエンジン１では、圧縮比可変機構を備えたエンジン１において、圧縮比可変機構により設定された圧縮比の状況と、点火リタードの実行、空燃比のリッチ化の実行を統合して制御することで、運転状態に応じて、点火リタードの実行を最小限に留めてノッキングを的確に回避することが可能になる。

尚、上述した実施例では、コネクティングロッド２３に設けられたアクチュエータ３２により偏心スリーブを回転させて圧縮比を切替える圧縮比可変機構を例に挙げて説明したが、クランクシャフトの回転による慣性によって偏心スリーブを回転させる圧縮比可変機構や、コネクティングロッドの長手方向の状況を変更する圧縮比可変機構等、他の機構の圧縮比可変機構を適用することも可能である。

本発明は、圧縮比を可変に設定する圧縮比可変機構を備えた内燃機関の産業分野で利用することができる。

１ 内燃機関（エンジン）
２ シリンダヘッド
３ 吸気ポート
４ 燃焼室
５ 吸気バルブ
６ 吸気マニホールド
７ 排気ポート
８ 排気バルブ
９ 排気マニホールド
１０ ピストン
１１ 燃料噴射弁
１２ 点火プラグ
１５ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２１ クランクシャフト
２２ クランクピン
２３ コネクティングロッド
２４ 大端部
２５ ノックセンサ
３１ 偏心スリーブ
３２ アクチュエータ

Claims (4)

1. 機関の圧縮比を高圧縮比側または低圧縮比側に可変に設定する圧縮比可変機構と、
   機関のノッキングを検出するノッキング検出手段と、
   混合気の空燃比を変更する空燃比変更手段と、
   点火時期を変更させる点火時期変更手段と、
   前記圧縮比可変機構による圧縮比の設定情報、及び、前記ノッキング検出手段によるノッキングの情報が入力され、入力された情報に基づいて、前記空燃比変更手段、前記点火時期遅角手段に実行指令を出力する制御手段とを備え、
   制御手段は、
   前記ノッキング検出手段によりノッキングが検出された際に、
   前記圧縮比可変機構により高圧縮比側に圧縮比が設定されている場合、前記空燃比変更手段により空燃比をリッチ側に変更するリッチ化を実行し、そのリッチ化を実行した後に、前記ノッキング検出手段によりノッキングが検出された場合は、前記点火時期変更手段により点火時期を遅角させる点火リタードを実行する、一方、前記圧縮比可変機構により低圧縮比側に圧縮比が設定されている場合、前記点火時期変更手段により点火時期を遅角させる点火リタードのみを実行する
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 請求項１に記載の内燃機関において、
   前記制御手段は、
   前記圧縮比可変機構により高圧縮比側に圧縮比が設定されていると共に、前記点火時期変更手段により点火リタードを実行している場合、前記圧縮比可変機構により低圧縮比側に圧縮比を変更する
   ことを特徴とする内燃機関。
3. 請求項２に記載の内燃機関において、
   前記制御手段は、
   前記圧縮比可変機構により高圧縮比側から低圧縮比側に圧縮比が変更された際に、前記点火時期変更手段による点火リタードの実行、及び、前記空燃比変更手段による空燃比のリッチ化の実行を制限させる
   ことを特徴とする内燃機関。
4. 請求項３に記載の内燃機関において、
   前記制御手段は、
   前記点火時期変更手段による点火リタードの実行、及び、前記空燃比変更手段による空
   燃比のリッチ化の実行を制限した状態で、前記ノッキング検出手段によりノッキングが検
   出された場合、前記空燃比変更手段によって空燃比のリッチ化を実行する
   ことを特徴とする内燃機関。

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