JPH0219621A

JPH0219621A - 可変ピストンストロークエンジン制御装置

Info

Publication number: JPH0219621A
Application number: JP16879788A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Takayama; 高山　智昭
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1988-07-08
Filing date: 1988-07-08
Publication date: 1990-01-23

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、ビストンストローク可変機構を有するエンジ
ン制御装置に関する。

［従来の技術］レシプロ型内燃機関においては、負荷にルして排気量を
変化させることにより、特に低負荷時の燃料消費が低減
される。負荷に応じて排気量を変化させる手段として、
たとえば低負荷域で幾つかの気筒の燃料をカットすると
いう、いわゆる可変気筒機構が知られている。

また、気筒数を変えることなく排気量を変化させる機構
として、たとえば燃焼室内に主たるピストンとは別の容
積変更のための副ピストンを設け、これを主ピストンに
同期させて別の位相で駆動する機構も知られている（実
開昭５７−１８０１１６号）。

しかし、上記の提案は、圧縮比を段階的に変化させるも
のであったため、圧縮比を連続的に変化させることがで
きなかった。この段階的な圧縮比の制御の問題を解決す
るために１．本出願人は特願昭６０−１８１０１２号の
ビストンストローク可変機構を提案した。該提案はビス
トンストロークを連続的に変えることにより圧縮比を連
続的に変えるようにしたもので、ビストンストロークを
可変とする溝道が具体的に提供された。このビストンス
トローク可変機構の制御信号は、通常の、スロットルバ
ルブ下流の吸気管負圧であり、それ以外の入力信号に基
くビストンストローク可変機構の制御機構については開
示していない。

［発明が解決しようとする課題］スロットルバルブは本質的に吸気抵抗でおり必然的にエ
ネルギロスを生ずる。この値はスロットルバルブ前後の
差圧ΔＰと吸気流量Ｑの積で定まり、たとえば、ΔＰ＝
４０ｋｐａ、　Ｑ＝０．Ｏ０５ｃｒｉｔ／Ｓと１れば、
Δｐ−Ｑ−２００ｗとなる。これは排気１２０００ｃ　
ｃのエンジンのエンジン回転数１２０Ｏｒｐｍ・スロッ
トル開度５％のときの値であるが、一般に排気ｍが大き
いエンジン程、またエンジン回転数が高くあるいはスロ
ットル開度が低くなる程大きくなるものである。スロッ
トルバルブがある限りにおいてこのエネルギロスは従来
避けられなかった。すなわち、従来ビストンストローク
可変機構は無段階圧縮比可変機構としての意義を有づる
にとどまっていた。

本発明は無段階圧縮比可変制御をエンジン出力制御の観
点からとらえ、スロットルバルブを必要とするスロット
ルバルブ下流の吸気負圧でビストンストローク可変機構
を制御覆ることを止め、吸気負圧に頼らずにビストンス
トローク可変機構を制御してスロットルバルブを廃し、
それによる吸気抵抗の軽減を通してエンジン出力の増大
をはかることのできる可変ピストンストロークエンジン
制御装置を提供することを目的とプる。

［課題を解決するための手段］上記目的は、本発明によれば、次の可変ピストンストロ
ークエンジン制御装置によって、達成される。すなわち
、連結棒を、一端がピストン側に連結される第１の連結棒
と一端がクランク軸側に連結される第２の連結棒との２
分割構造に構成し、前記第１の連結棒と第２の連結棒と
の間に、移動可能な支点まわりに揺動可能な揺動アーム
を設け、前記第１の連結棒の他端および前記第２の連結
棒の他端を、前記揺動アームに互いに異なる揺動アーム
軸方向位置で回動可能に連結し、前記揺動アームの支点
に、該支点を揺動アーム軸方向に移動させる移動手段を
連結し、該移動手段をアクセル開度に応じて制御させた
ことを特徴とする可変ピストンストロークエンジン制御
装置。

［作　　用］上記本発明のエンジン制御装置は、ビストンストローク
可変機構と、その制御機構とから成る。

このうちビストンストローク可変機構には特願昭６０−
１８１０１２号で提案した機構を用いることができ、制
御機構とその組み合せは特願昭６０−１８１０１２＠で
開示していない、本発明における新規な部分である。

ビストンストローク可変機構においては、クランク軸の
回転運動は第２の連結棒を介して揺動アームの支点まわ
りの揺動運動に変えられ、揺動アームの揺動運動は第１
の連結棒を介してピストンの往復運動に変えられる。第
１の連結棒と第２の連結棒は、揺動アームに互いに異な
る揺動アーム軸方向位置にて連結されているので、揺動
アームの支点位置を移動手段により揺動アーム軸方向に
変更すると、該支点からそれぞれの連結棒との連結位置
までの腕の長さの比が変えられ、ピストン往復運動のス
］〜ロークが変更される。このビストンストロークの可
変は、単に揺動アーム上に支点位置を移動させるだけで
あるから、機関のロスは発生せず、かつ大きな動力源も
不要である。しかも支点位置は連続的な変更が可能であ
るから、ビストンストロークによる排気量も連続可変可
能となる。

制６１１機構の特徴は支点を移動させる移動手段をアク
セル開度に応じて制御させていることである。

さらに具体的には、支点を移動させる移動手段は、ス１
〜ローク検出手段と、アクセル開度検出手段と、その情
報に基いて一端に前記支点を装着したリンクを揺動させ
るシリンダ装置と、から成る。かくしてビストンストロ
ーク可変機構はアクセル開度により制御されるので、ビ
ストンストロークの可変によって、従来のスロットルバ
ルブによるのと同様なエンジン出力制御が実現でき、そ
の結果スロットルバルブをエンジン吸気通路から除去す
ることができ、スロットルバルブによるエネルギロスを
なくずことができる。

［実施例］以下に本発明の望ましい実施例を図面を参照して説明す
る。

第１図は、本発明の第１実施例に係る可変ピストンスト
ロークエンジン制御装置を示している。

図において、１はエンジン本体、２はオイルパン、３は
ピストン、４はクランク軸をそれぞれ示している。ピス
トン３とクランク軸４とを連結する連結棒は、ピストン
側に連結される第１の連結棒５とクランク軸側に連結さ
れる第２の連結棒６との二分割構造に構成されている。

第１の連結棒５は、その上端がピストンピン７によって
ピストン３に連結され、第２の連結棒６は、その下端が
クランク軸４に連結されている。

第１の連結棒５と第２の連結棒６との間には、ピン８か
らなる支点まわりに揺動可能な揺動アーム９が設けられ
ている。揺動アーム９の一端は、ピン１０によって第２
の連結棒６の上端に回動可能に連結されている。揺動ア
ーム９の中間部には、第１の連結棒５の下端がピン１１
によって回動可能に連結されている。支点８は、摺動子
１２によって、揺動アーム９の軸方向に移動可能に設け
られている。

この揺動アーム９の支点８には、支点８を揺動アーム軸
方向に移動させることが可能な移動手段１３が連結され
ている。移動手段１３は、本実施例では、リンク１４と
リンク位置制御手段としての油圧シリンダ機構１５を備
えている。リンク１４は、その下端が軸１６にてエンジ
ン本体１に連結され、上端がピン８を介して摺動子１２
に連結されている。油圧シリンダ機構１５は、シリンダ
１７とラム１８とブツシュロッド１９とから成り、ブツ
シュロッド１９はその先端がピン２０によりリンク１４
に連結されている。また、油圧シリンダｔａ４Ｍ１５は
、ピン２１を介してエンジン本体１に連結されている。

シリンダ１７内において、ラム１８の下側に油圧室２２
が形成され、この油圧室２２は電磁式の開閉弁２３を介
してオイルパン２内の潤滑油内に開放されている。

以上の第１の連結棒５と第２の連結棒６と、揺動アーム
９とシリンダ機ＩＭ１５とより成る機構は、商運の各気
筒毎に設けられる。

支点を移動させる手段１３は、アクセル開度に応じて制
御される。アクセル踏み込み母を検知するアクセルセン
）ノ３８はアクセルペダル３７に設置され、エンジンス
トロークを検知するリンク位置セン９３９はリンク１４
に設置され、いずれも回転角度に対応した電気信号を制
御回路２６に印加する。

一方、クランク角センサ２７．２８は、クランク軸４に
連結されるディストリビュータ軸上のマグネット部材２
９および３０に近接して設置される。

第１のクランク角センサ２７は、たとえばクランク軸４
の３０’毎の位置のパルス信号を発生しく第５図（ハ）
）、一方、第２のクランク角センサ２８は、エンジンの
一回転である７２０°毎のパルス信号を発生する（第５
図（ロ））。クランク角センサ２７．２８からの信号は
制御回路２６に印加される。

制御回路２６は、マイクロコンピュータシステムとして
構成され、マイクロプロセシングユニット３１、メモリ
３２、入力ポート３３、出力ポート３４およびこれらを
相互に連結するバス３５より成る。入力ポート３３に吸
気管負圧センサ２４、クランク角センサ２７および２８
が連結される。

３６はアクセルセン−９３８およびリンク位置センリ３
９からの電気信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変
換器でおる。出力ポート３４は開閉弁２３に接続される
。

以上の構成において、ピストン３が上昇する圧縮又は排
気行程、特にその前半においては、ピストン３の慣性力
又は燃焼室内圧によって揺動アーム９と摺動子１２の接
する摺動面には下向ぎの力が作用し、ざらにこの力はピ
ン８を介しリンク１４に伝えられる。ここでリンク１４
が揺動アーム９に対し鋭角をなして配されているため、
ピン８に横分力（第１図中で右方向）が生じる。この横
分力はリンク１４、ピン２６を介し油圧シリンダ機構１
５に伝えられる。このとき開閉弁２３が開放されていれ
ば、ラム１８は油圧室２２の潤滑油をオイルパン２に排
出しながら下降し、この結果！目動子１２は横分力の加
えられた方向（第１図中右方向）へ移動し、ピン８とピ
ン１１の間隔すなわら腕の長さが増し、ピストン３のス
トロークが増加する。この際、ピン８の上下位置も下方
へ移動するようになっており、圧縮比は低くなる（第３
図（ロ））。

一方、ピストン３が下降する吸気行程、特にその前半に
おいては、ピストン３の慣性力および吸気抵抗による燃
焼室内圧によって、ピン８には上向きの力が作用し、こ
れと同時にピン８には横分力（第１図中左向き）も生じ
、この横分力はリンク１４、ピン２０を介し油圧シリン
ダ機構１５に伝えられる。このとき開閉弁２３が開放さ
れていれば、ラム１８は油圧室２２にオイルパン２内の
潤滑油を吸引しながら上昇する。そのため摺動子１２は
、横分力の作用する方向（第１図中左方）へ移動し、ピ
ン１１とピン８の間隔（腕の長さ）は小さくなり、ピス
トン３のストロークは減少する。また、このときピン８
の上下位置も上方へ移動覆るようになっており、圧縮比
は高くなる（第３図（イ））。すなわら、第３図（イ）
（ロ）に示すように、ピストン３の上死点位置３ａ、下
死点位置３ｂが変化する。

本実施例によれば、連結棒を第１の連結棒５と第２の連
結棒６とより成る２分割構造とし、かつこれらを連結す
る揺動アーム９をこれと鋭角をなして配されたリンク１
４を介して油圧シリンダ機構１５に連結し、ピストン３
の動きに応じて、シリンダ機構への油圧を開閉すること
で、揺動アーム９の揺動運動の支点８の位置が高低変化
すると同時にこの支点と力点（ピン１１）との距離すな
わち腕の長さが変化することにより、ストロークおよび
圧縮比を変えることができる。

第２図、第４図はこの容積可変装置を利用して運転状態
（負荷）に応じた容積にするための制御をフローチャー
トによって示したものである。

このフローチャートの作動を実現するプログラムは制御
回路２６のメモリ３２に格納されている。

以下、このフロチセートについて説明する。

第４図はカウンタリセットルーチンであり、メインルー
チン中で又は一定時間毎に実行される。

８０のステップではクランク角センサ２８からの７２０
°信号が来ているか否か判定され、Ｙｅｓのときは８２
でカウンタｍがリセットされる。第２図は第１のクラン
ク角センサ２７の３０°信号の到来毎に起動されるクラ
ンク角割込みルーチンである。１０１のステップではカ
ウンタｍがインクリメントされる。１０２のステップで
はアクセルセンサ３８およびリンク位置センリ３９から
の信号αおよびβがロードされる。１０３ではα、βに
基き目標ストローク゛【°１　（α）、現ストロークｆ
２　（β）を算出する。ｆｌ、ｆｌは関数であり、たと
えばｆｔ　　（α）＝Ａα十Ｂのような数式でまたはメ
モリ３２中に記憶された配列（、ＭＡＰ）として与えら
れる。１０４では目標ストロークｆ１（α）と現ストロ
ークｆ２　（β）との比較をし、正定数［）をヒステリ
シスとしｆｌ　（α）　−ｆｌ（β）く−ｈのとき１１
２のステップへ、ｆｌ（α）−ｆｌ　（β）〉−ｈのと
き１０６のステップへ、それ以外のとき１１０のステッ
プへ分岐させる。１０６のステップでは現在排気行程か
否か判定される。第５図（ニ）に示すようにカウンタｍ
の値は一連の７２０°信号の間でＯから２４の間で変化
し、その間でエンジンの一サイクルが実行される。（こ
こで２４の値は、−４ノイクル中（７２０’信号）の３
０’信号の回数である。）従って、カウンタｍの内容か
らどの機構が排気行程にあるか知ることができ、たとえ
ばこの例ではｍが１８〜２４でおれば一番気筒が排気行
程となる（第５図（イ））。排気行程と判定されれば、
１０８のスップに進み、出力ボート３４より朗気行程の
気筒の油圧シリンダ機構１５の油圧室２２に接続される
開閉弁２３に信号を送り、同開閉弁２３を開とする。そ
のため、ラム１８は下降し、第３図（ロ）に述べたよう
にストロークが大きくなる。排気行程以外では１０６よ
り１１０のステツブへ進み、開閉弁２３が開とされる。

従ってラム１８はその位置に保持され、ストロークは変
化しない。一方１１２のステップでは吸気行程か否か判
定される。たとえば、カウンタｍがＯ〜６のときは、一
番目の気筒が吸気行程であり（第５図（イ）参照）、１
０８に進みこの気筒の開閉弁２３が聞とされる。そのた
めこの気筒のシリンダ機構１５のラム１８は上昇され、
第３図（イ）に述べたようにストロークが小さくなる。

吸気行程以外では１１０のステップに進み、開閉弁２３
は閉とされる。また１０４のステップにてその他すなわ
らｆｔ　　（α）−ｆ２　（β）１≦ｈと判定された場合
も１１０のステップへ進み、開閉弁２３は開とされ現在
のストロークが保持される。ここでｈはヒステリシスで
１ｆ１　（α）−ｆ２　（β）１≦ｈの領域は目標スト
ローク供用ストロークと見做し、開閉弁の不必要な０Ｎ
−ＯＦＦを防止するための′ｂのである。以上述べた制
御に従えば現在のアクセル開度で定まる目標ストローク
に対し現ストロークが±ｈ以上の差を生じたときにスト
ロークを大きくあるいは小さくすることで常にストロー
クを目標ストローク近くに制御することができる。すな
わちアクセルによってストロークを調節することができ
る。エンジン出力は排気橿すなわちストロークに比例す
ることから本制御に従えばスロットルバルブによらずに
エンジン出力の調節が行える。

つぎに、第６図および第７図に本発明の第２実施例を示
す。本実施例は、複列多気筒エンジンへの応用例であり
、隣接した同一の位相で作動するピストン４０．４１は
、夫々用１の連結棒４２．４３によって揺動アーム４４
．４５に連結される。

揺動アーム４４．４５は、ピン４６によって連結され、
第２の連結棒４７に連結される。また夫々の揺動アーム
４４．４５には、この上を摺動自在の摺動子４８．４９
があり、これらはピン５０．５１を介してリンク５２．
５３に連結されている。

さらにこのリンク５２．５３は、一端をエンジン本体に
連結され、中間点にて油圧シリンダ機構５４．５５に連
結される。シリンダ機構は夫々開閉弁５６．５７によっ
て駆動される。このように、複列エンジンであっても、
本発明の適用が可能で第１図２７〜３８のセンサおよび
制御回路を付加し第２〜第５図のような制御を行えばよ
い。

つぎに第８図に、本発明の第３実施例を承り。

本実施例は、前述の第１実施例に対し、揺動アーム６０
の支点６１の位置と、第１の連結棒６２および第２の連
絡棒６３の連結位置（ピン位置）６４．６５との関係を
変えたものである。ピン６４．６５の中間に、摺動子６
６およびリンク６７、シリンダ機構６８からなる移動手
段６９が連結されるピン６１が配置される。このように
構成すれば、支点６１を揺動アーム６０軸方向に一方向
に移動させると、支点６１からピン６４までの腕の長さ
および支点６１からピン６５までの腕の長さは、一方が
長くなり他方が短かくなるので、支点６１の僅かの移動
で腕の長さの比率を大きく変化させることができる。こ
の例でも第１図２７〜３８のセンサおよび制御回路を付
加し、第２〜第５図のような制御を行うことで本発明の
適用が可能である。つぎに第９図に本発明の第４実施例
を示す。本実施例は、電子制御回路を用いずリンク位１
市制御手段としてアクセルリンク７０を設け、アクセル
ペダル７１によりアクセルワイヤ７３およびリターンス
プリング７２を介して直接支点７５を移動させ、ビスト
ンストロークを変えることができる。

［発明の効果］本発明によるときは、次の効果が得られる。

（イ）ビストンストローク可変機構の支点を移動させる
手段をアクセル開度に応じて制御するようにしたので、
スロットルバルブを′廃止してもエンジン出力を制御す
ることが可能となり、このスロットルバルブの除去によ
り、スロットルバルブによる吸気の流れ抵抗をなくし、
エンジン出力増大、燃費改善をはかることができる。

（ロ）従来エンジン出力のアクセル開度に対する特性は
非線形であったが、本考案では、関数ｆ１（α）の与え
方により任意の特性にすることができる。たとえばｆｌ
　（α）＝Ａα＋Ｂ（Ｂはアイドル分〉とすれば線形特
性となる。いわゆるリンクレススロットルと同等の効果
が期待できる。

（ハ）エンジン停止時通常はアクセル仝閉状態であり本
考案によればストローク最小となっている。

このため次回始動の際のスタータモータのクランキング
負荷が小さくなり、また始動時の燃料消費も少なくて済
む。

（ニ）アイドリング時のボンピングロスおよびフリクシ
ョンロスが大幅に低減できるとともに、ストローク小な
るときはピストン上下方向の力の変動がクランク軸へ伝
えられる比率も小さくなり、これら相乗効果によりフラ
イホイールの慣性を小さくすることができ、動力性能・
燃費・ドライバビリティのいずれにもプラス効果を生ず
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る制御ブロック図も含
む可変ピストンストロークエンジンお制御装置の概略縦
断面図、第２図は第１図の装置を用いアクセル開度に応じたビス
トンストローク可変機構の制御を行う場合のフローヂＶ
−ト、第３図（イ）　（ロ）は第１図の装置の作動状態を示り
概略構成図、第４図および第５図（イ）　（ロ）　（ハ）　〈二〉は
第１図の装置のクランク角センサからの信号処理状態を
示すフローチＶ−トおよび作動線図、第６図は本発明の
第２実施例に係る可変ピストンストロークエンジン制御
装置の概略平面図、第７図は第６図のＶＩ［−ＶＩ線に
沿う概略縦断面図、第８図は本発明の第３実施例に係る
可変ピストンストロークエンジン制御装置の概略構成図
、第９図は本発明の第４実施例に係る可変ピストンスト
ロークエンジン制御装置の概略構成図、である。３．４０．４１．７７・・・・・・ピストン４・・・・
・・クランク軸５．４２．４３．６２．７６・・・・・・第１の連結棒６．４７．６３・・・・・・第２の連結棒８．５０，５
１．６１．７５・・・・・・支点９．４４．４５．６０．７４・・・・・・揺動アーム１２．４８．４９．６６・旧・・摺動子１３．６９・・
・・・・移動手段１４．５２．５３．６７・旧・・リンク１５．５４．５５．６８・・・・・・油圧シリンダ機構２２・・・・
・・油圧室２３．５６．５７・・・・・・開閉弁２４・・・・・・圧力センサ２５．７１・・・・・・吸気管２６・・・・・・制御回路２７．２８・・・・・・クランク角センＶ３７・・・・
・・アクセルペダル３８・・・・・・アクセルセンサ３９・・・・・・リンク位置センサ７０・・・・・・エアシリンダ機構７２・・・・・・導管第３図第４図ｊＩ５図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）連結棒を、一端がピストン側に連結される第１の
連結棒と一端がクランク軸側に連結される第２の連結棒
との２分割構造に構成し、前記第１の連結棒と第２の連
結棒との間に、移動可能な支点まわりに揺動可能な揺動
アームを設け、前記第１の連結棒の他端および前記第２
の連結棒の他端を、前記揺動アームに互いに異なる揺動
アーム軸方向位置で回動可能に連結し、前記揺動アーム
の支点に、該支点を揺動アーム軸方向に移動させる移動
手段を連結し、該移動手段をアクセル開度に応じて制御
させたことを特徴とする可変ピストンストロークエンジ
ン制御装置。