JP6443244B2 - 可変圧縮比内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、機械的圧縮比を変更可能な可変圧縮比内燃機関に関し、特に、圧縮比を変更するアクチュエータとして電動モータを用いた可変圧縮比内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の分野においては、従来から種々の形式の可変圧縮比機構が知られている。例えば、ピストンとシリンダとの相対的位置関係を変化させることにより機械的な圧縮比を可変とする可変圧縮比機構や、燃焼室の容積を補助ピストン・シリンダによって変化させる形式のものなどが広く知られている。

一方、特許文献１には、このような可変圧縮比機構を備えた可変圧縮比内燃機関において、機関停止時に、次回の始動に備えて圧縮比を予め所定の始動用圧縮比に制御しておくことが開示されている。

特開２００４−２９３４１１号公報

上記のように機関停止時に可変圧縮比機構を駆動する場合、内燃機関の回転が停止した後は、内燃機関の回転に伴う機械音等が消失するため、アクチュエータとして例えば電動モータが作動すると、その作動音が乗員に知覚され易くなる。つまり、内燃機関の運転中における電動モータの作動時よりも、電動モータの作動音が耳障りなものとなり易い。

この発明は、圧縮比制御部材の回転位置に応じて内燃機関の機械的圧縮比が変化する可変圧縮比機構と、上記圧縮比制御部材を回転方向に駆動する電動モータと、を備え、内燃機関の停止時に所定の始動用圧縮比に制御する、可変圧縮比内燃機関の制御装置であって、
上記始動用圧縮比へ向けて上記圧縮比制御部材を駆動する上記電動モータの回転速度を、内燃機関の回転停止後は内燃機関の回転停止前よりも遅く制限する、ことを特徴としている。

内燃機関の回転停止後に電動モータの回転速度を遅く制限することにより、発生する作動音が低減する。従って、乗員に与える違和感が軽減される。

この発明に係る可変圧縮比内燃機関の制御装置のシステム構成を示す構成説明図。 機関停止時の動作を示すタイムチャート。 油温と制限速度との関係を示した特性図。 第２実施例における機関停止時の動作を示すタイムチャート。 第２実施例の制御の流れを示すフローチャート。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明が適用された自動車用内燃機関１のシステム構成を示している。この内燃機関１は、例えば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機構２を備えた４ストロークサイクルの火花点火内燃機関であって、燃焼室３の天井壁面に、一対の吸気弁４および一対の排気弁５が配置されるとともに、これらの吸気弁４および排気弁５に囲まれた中央部に点火プラグ６が配置されている。

上記吸気弁４によって開閉される吸気ポート７の下方には、燃焼室３内に燃料を直接に噴射する燃料噴射弁８が配置されている。燃料噴射弁８は、駆動パルス信号が印加されることによって開弁する電磁式ないし圧電式の噴射弁であって、駆動パルス信号のパルス幅に実質的に比例した量の燃料を噴射する。

上記吸気ポート７に接続された吸気通路９のコレクタ部９ａ上流側には、エンジンコントローラ１０からの制御信号によって開度が制御される電子制御型スロットルバルブ１１が介装されており、さらに、その上流側に、吸入空気量を検出するエアフロメータ１２が配設されている。

また、排気ポート１３に接続された排気通路１４には、三元触媒からなる触媒装置１５が介装されており、その上流側に、空燃比を検出する空燃比センサ１６が配置されている。

一方、上記可変圧縮比機構２は、公知の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、クランクシャフト１７のクランクピン１７ａに回転自在に支持されたロアリンク１８と、このロアリンク１８の一端部のアッパピン１９とピストン２０のピストンピン２０ａとを互いに連結するアッパリンク２１と、ロアリンク１８の他端部のコントロールピン２２に一端が連結されたコントロールリンク２３と、このコントロールリンク２３の他端を揺動可能に支持するコントロールシャフト２４と、を主体として構成されている。上記クランクシャフト１７および上記コントロールシャフト２４は、シリンダブロック２５下部のクランクケース内で図示せぬ軸受構造を介して回転自在に支持されている。

上記コントロールシャフト２４は、該コントロールシャフト２４の回動に伴って位置が変化する偏心軸部２４ａを有し、上記コントロールリンク２３の端部は、詳しくは、この偏心軸部２４ａに回転可能に嵌合している。上記可変圧縮比機構２においては、上記コントロールシャフト２４の回動に伴ってピストン２０の上死点位置が上下に変位し、従って、機械的圧縮比が変化する。つまり、本実施例においては、上記コントロールシャフト２４が圧縮比制御部材に相当し、この圧縮比制御部材であるコントロールシャフト２４の回転位置に応じて機械的圧縮比が一義的に定まる。

また、上記可変圧縮比機構２の圧縮比を可変制御する駆動機構として、クランクシャフト１７と平行な出力軸２６ａを有するアクチュエータ２６がシリンダブロック２５下部に配置されている。アクチュエータ２６は、アクチュエータ本体となる電動モータ２７と、この電動モータ２７の出力回転を減速して出力軸２６ａから出力する減速機２８と、が直列に結合されて配置された構成となっている。上記出力軸２６ａと上記コントロールシャフト２４とは互いに平行に位置しており、両者が連動して回動するように、出力軸２６ａに固定された第１のアーム２９とコントロールシャフト２４に固定された第２のアーム３０とが中間リンク３１によって互いに連結されている。

即ち、アクチュエータ２６の出力軸２６ａが回転すると、この回転が第１のアーム２９から中間リンク３１を介して第２のアーム３０へ伝達され、コントロールシャフト２４が回動する。これにより、上述したように、内燃機関１の機械的圧縮比が変化する。なお、上記減速機２８としては、比較的小型の電動モータ２７でもって大きな駆動トルクを得るために、十分に大きな減速比、例えば１：１００あるいは１：２００といった減速比のものが用いられている。

上記可変圧縮比機構２の目標圧縮比は、エンジンコントローラ１０において、機関運転条件（例えば要求負荷および機関回転速度）に基づいて設定され、この目標圧縮比を実現するように上記アクチュエータ２６つまり電動モータ２７が駆動制御される。実際の機械的圧縮比に相当するコントロールシャフト２４の回転位置は、実圧縮比センサ３２によって検出され、目標圧縮比に沿うように電動モータ２７のフィードバック制御がなされる。基本的な圧縮比制御の傾向としては、低負荷側では熱効率向上のために高い目標圧縮比が与えられ、高負荷側ではノッキング回避のために低い目標圧縮比が与えられる。

上記エンジンコントローラ１０には、上記エアフロメータ１２、空燃比センサ１６、実圧縮比センサ３２のほか、運転席に設けられているメインスイッチ（いわゆるキースイッチ）３３、運転者により操作されるアクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ３４、車速を検出する車速センサ３６、内燃機関１の潤滑油温を検出する油温センサ３５、等のセンサ類の信号が入力されている。上記エンジンコントローラ１０は、これらの検出信号に基づき、可変圧縮比機構２の圧縮比、燃料噴射弁８による燃料噴射量および噴射時期、点火プラグ６による点火時期、スロットルバルブ１１の開度、等を最適に制御している。

なお、本実施例では、電動モータ２７の温度を直接に検出する温度センサは具備しておらず、上記油温センサ３５が検出する潤滑油温が電動モータ２７の温度の代替として用いられる。上記アクチュエータ２６がシリンダブロック２５の側面に取り付けられていることから、電動モータ２７ないしアクチュエータ２６の温度は、概ね潤滑油温に相関している。勿論、電動モータ２７に個別の温度センサを設けるようにしてもよい。

上記のように構成された可変圧縮比内燃機関１においては、内燃機関１の運転中は、上述したように目標圧縮比が機関運転条件（例えば要求負荷および機関回転速度）に基づいて設定されるが、機関停止時には、内燃機関１の停止処理（つまり燃料噴射の停止ならびに点火の停止）と同時に、次回の始動に備えて所定の始動用圧縮比を目標圧縮比とした圧縮比の変更が行われる。始動用圧縮比は、例えば、クランキングを容易とするために圧縮比制御範囲の中で最も低い最低圧縮比とすることができるが、他の中間的な圧縮比であってもよい。ここで、本実施例においては、始動用圧縮比へ向けた電動モータ２７の駆動制御に際して、内燃機関１の回転停止後は電動モータ２７の回転速度の制限を行う。

図２は、機関停止時における（ａ）機関回転速度、（ｂ）機械的圧縮比（実圧縮比）、（ｃ）モータ回転速度、の変化を対比して示したタイムチャートであって、時間ｔ１において、運転者の操作によりメインスイッチ３３がＯＦＦとなり、機関停止処理が実行される。つまり、燃料噴射および点火が停止される。なお、クランクシャフト１７は、慣性等によって時間ｔ１後も図示するように回転する。時間ｔ１までは、機械的圧縮比は内燃機関１の運転条件に応じて最適な目標圧縮比に制御されているが、機関停止処理に伴って目標圧縮比が所定の始動用圧縮比に変更される。これにより、可変圧縮比機構２の電動モータ２７は、通常の回転速度でもって圧縮比を低下させる方向に駆動され、その結果、実圧縮比は徐々に低下していく。

そして、時間ｔ２において、内燃機関１のクランクシャフト１７の回転が完全に停止する。この時間ｔ２の段階で実圧縮比が目標とする始動用圧縮比に達していなければ、時間ｔ２後も始動用圧縮比に達するまで電動モータ２７の駆動が継続される。このとき、時間ｔ２後は、電動モータ２７の回転速度が通常（クランクシャフト１７の回転停止前）の回転速度よりも遅い所定の制限速度に制限される。従って、時間ｔ２後は、実圧縮比の変化は緩やかとなる。時間ｔ３において、実圧縮比が始動用圧縮比に達し、電動モータ２７が停止する。

このように内燃機関１の回転が停止した後の電動モータ２７の回転速度を遅く制限することにより、電動モータ２７の作動音が低減する。内燃機関１の回転中は、動弁系やポンプ類等が発する種々の機械音が電動モータ２７の作動音よりも大きな音として発生しているので、電動モータ２７の作動音はマスキングされ、乗員に知覚されにくい。しかし、内燃機関１の回転が停止すると、種々の機械音が消失するので、電動モータ２７の作動音が乗員に知覚されやすくなる。上記実施例では、内燃機関１の回転停止時点で電動モータ２７の回転速度を変更することにより、内燃機関１の停止に伴って聞き取りやすくなる電動モータ２７の作動音を抑制することができる。

ここで、内燃機関１の回転停止後の電動モータ２７の制限速度は、電動モータ２７の温度（本実施例では内燃機関１の潤滑油温）に応じて設定することが望ましい。図３は、潤滑油温と制限速度との関係の一例を示しており、潤滑油温が高いほど低い速度となるように制限速度が設定される。これは、電動モータ２７の作動音が主に各部の機械的な遊びないし微小クリアランスに起因し、温度が高いほど各部の遊びやクリアランスによる作動音が大きくなる、という傾向を考慮したものである。

このように温度に応じて制限速度を設定することにより、作動音を十分に抑制しつつ電動モータ２７の回転速度を最大限に大きくすることができる。

なお、車両駆動源として内燃機関１のほかに走行用電動モータを備えたハイブリッド車両では、メインスイッチ３３のＯＦＦによる内燃機関１の停止のほかに、車両走行条件に基づく走行用電動モータのみを駆動源とした車両走行での内燃機関１の自動停止があるが、走行用電動モータのみによる車両走行中の内燃機関１の停止の際には、内燃機関１の回転停止後も走行音によって電動モータ２７の作動音がマスキングされる。従って、この場合は、電動モータ２７の回転速度の制限を行わずに、早期に始動用圧縮比へと変化させることが望ましい。

次に、図４は、第２実施例による機関停止時における（ａ）機関回転速度、（ｂ）機械的圧縮比（実圧縮比）、（ｃ）モータ回転速度、の変化を対比して示したタイムチャートである。時間ｔ１において、メインスイッチ３３のＯＦＦ操作等による内燃機関１の停止要求があり、機関停止処理が実行される。つまり、燃料噴射および点火が停止される。クランクシャフト１７は、慣性等によって時間ｔ１後も図示するように回転し続けるが、その回転速度は比較的速やかに低下する。

第２実施例では、内燃機関１の回転が完全に停止するのを待たずに、内燃機関１の回転速度が所定の回転速度まで低下した時点（時間ｔ４）において、電動モータ２７の回転速度を所定の制限速度に制限する。制限速度は、やはりそのときの電動モータ２７の温度（本実施例では内燃機関１の潤滑油温）に応じて設定される。

従って、実圧縮比の変化は、時間ｔ４の時点で緩やかとなり、時間ｔ２において内燃機関１の回転が停止した後、時間ｔ３において始動用圧縮比に到達する。

上記の所定の回転速度は、内燃機関１は回転しているものの低い回転速度であるが故に電動モータ２７の作動音が相対的に顕著となる回転速度である。例えば、通常使用されるアイドル回転速度よりも僅かに低い回転速度である５００ｒｐｍ程度に設定される。

この第２実施例では、内燃機関１の回転に伴う機械音が小さくなった段階で電動モータ２７の回転速度の制限が開始されるので、車両の静粛性がより向上する。

図５は、エンジンコントローラ１０が実行する上記第２実施例の処理の流れを示すフローチャートであって、ステップ１において、車両が走行中であるか否かを繰り返し判定する。走行中であれば、ステップ４へ進み、電動モータ２７の回転速度の制限は行わない。一方、車両が停止状態であれば、ステップ２へ進み、内燃機関１の回転速度ＮＥが所定の回転速度ＮＥ１未満であるか否かを判定する。所定の回転速度ＮＥ１以上であれば、ステップ４へ進み、電動モータ２７の回転速度の制限は行わない。

内燃機関１の回転速度ＮＥが所定の回転速度ＮＥ１未満であれば、ステップ２からステップ３へ進み、電動モータ２７の回転速度を、潤滑油温に応じて設定される制限速度に制限する。

なお、上記した実施形態では、運転者の操作で内燃機関が停止する場合について説明したが、これに限らず、いわゆるアイドルストップ（交差点等での車両停止に伴う内燃機関１の自動停止）により内燃機関が停止する場合でも適用できる。

また、上記した実施形態では、内燃機関の停止処理（燃料噴射等の停止）に伴い目標圧縮比を始動用圧縮比へ変更させたが、内燃機関の回転が停止した後から始動用圧縮比への変更を開始しても構わない。

１…内燃機関
２…可変圧縮比機構
１０…エンジンコントローラ
２７…電動モータ

Claims (4)

1. 圧縮比制御部材の回転位置に応じて内燃機関の機械的圧縮比が変化する可変圧縮比機構と、上記圧縮比制御部材を回転方向に駆動する電動モータと、を備え、内燃機関の停止時に所定の始動用圧縮比に制御する、可変圧縮比内燃機関の制御装置であって、
   上記始動用圧縮比へ向けて上記圧縮比制御部材を駆動する上記電動モータの回転速度を、内燃機関の回転停止後は内燃機関の回転停止前よりも遅く制限する、ことを特徴とする可変圧縮比内燃機関の制御装置。
2. 上記回転速度の制限速度が、電動モータの温度に応じて、該温度が高いほど低い制限速度となるように設定される、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。
3. 内燃機関の回転停止前に、所定の回転速度まで低下した時点で電動モータの回転速度の制限を開始する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
4. 車両走行中の内燃機関の自動停止の際は、電動モータの回転速度の制限を行わない、ことを特徴とする請求項１〜３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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