JPWO2014125848A1 - 内燃機関の制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

内燃機関（１）は可変圧縮比機構（２）を有し、かつ機械的に駆動される高圧燃料ポンプ（４６）を用いたコモンレール式の燃料噴射装置を備える。コモンレール（４５）内の燃圧Ｐを読み込み（ステップ１）、上限燃圧Ｐmaxを越えていて（ステップ３）、かつ目標燃圧ｔＰとの差分ΔＰが閾値ΔＰmaxを越えていれば（ステップ４）、燃圧Ｐの異常上昇と判定し、可変圧縮比機構による目標圧縮比を最低圧縮比εminとする（ステップ６）。これによりクランクシャフト（２１）の回転変動が小さくなるので、チェーン（４３）の張力変動が緩和され、チェーン（４３）の耐久性低下が抑制される。

Description

この発明は、クランクシャフトからチェーンを介して駆動される高圧燃料ポンプを用いたコモンレール式燃料噴射装置を備えた内燃機関に関し、特に、可変圧縮比機構を備えた内燃機関の制御装置および制御方法に関する。

内燃機関の出力によって機械的に駆動される高圧燃料ポンプを用いてコモンレール内に高圧燃料を供給し、このコモンレールに接続した各気筒の燃料噴射弁を駆動パルス信号により開作動させることで燃料噴射を行うようにしたコモンレール式燃料噴射装置が公知である。

上記高圧燃料ポンプとしては、例えば特許文献１に見られるように、吸気弁側もしくは排気弁側のカムシャフトに設けたカムによって駆動されるプランジャポンプが多く用いられており、カムによりプランジャが押圧されていく吐出行程の途中でスピル弁がポンプ室を解放することによって、該プランジャポンプの実質的な吐出量ひいてはコモンレール内の燃圧が調整される構成となっている。

上記カムシャフトがチェーンを介してクランクシャフトに従動する構成の場合、上記高圧燃料ポンプは、上記チェーンを介してクランクシャフトにより機械的に駆動されることとなる。

このように高圧燃料ポンプがチェーンを介してクランクシャフトによって機械的に駆動される構成においては、ポンプ駆動に伴う反力がチェーンに作用するため、上記のスピル弁の故障など何らかの異常によりコモンレール内の燃圧が異常に上昇すると、チェーンの張力変動ならびに張力ピーク値が過大となり、チェーンの耐久性などの上で好ましくない。

なお、特許文献２には、燃料噴射装置の異常検出時に機関の保護のために直ちに燃料噴射を停止することが開示されているが、このように内燃機関の運転を直ちに停止してしまうことは、車両の走行を継続する必要がある場合には望ましいことではない。

特開２０１０−２４８９９７号公報 特開平１０−２３８３９１号公報

本発明は、高圧燃料ポンプによるコモンレール内の燃圧の異常時に、内燃機関の運転の継続を可能としつつチェーンを保護することを目的とする。

本発明は、機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構を備えるとともに、コモンレールに高圧燃料を供給する高圧燃料ポンプがクランクシャフトからチェーンを介して駆動される内燃機関の制御装置であって、
上記コモンレール内の燃圧の異常を検出する燃圧異常検出手段を備え、
この燃圧異常時に圧縮比を低下させる。

内燃機関のクランクシャフトの回転には、各気筒の圧縮行程や膨張行程などに伴う微視的な回転変動が存在する。クランクシャフトからチェーンを介して高圧燃料ポンプや吸排気弁を駆動する場合、クランクシャフトの回転変動によってチェーンの張力変動が引き起こされ、この張力変動はチェーンの耐久性低下の一つの要因となる。

ここで、コモンレール内の燃圧が異常に上昇すると、高圧燃料ポンプの駆動に伴う反力が増加し、上記のチェーンの張力が増大する。特に、高圧燃料ポンプがカムによって間欠的に押圧されるプランジャポンプである場合には、間欠的に加わる反力によるチェーンの張力変動が上記の回転変動に伴う張力変動に重畳されるため、非常に大きな張力変動が生じ得る。

本発明では、コモンレール内の燃圧異常時に、可変圧縮比機構により機械的圧縮比の低下を行う。このような圧縮比の低下により、各気筒の圧縮行程や膨張行程に伴うクランクシャフトの回転変動が小さくなり、高圧燃料ポンプの反力を加えたチェーン全体としての張力変動ならびに張力ピーク値が抑制される。

この発明によれば、何らかの異常により燃圧が異常に上昇したときに、可変圧縮比機構により圧縮比を低下させることでチェーンを保護することができ、かつ熱効率の低下等の多少の不利益は伴うものの内燃機関の運転を継続することができる。

この発明に係る内燃機関の制御装置の一実施例のシステム構成を示す構成説明図。 この実施例における制御の流れを示すフローチャート。 高圧燃料ポンプの駆動トルクを通常時と異常高圧時とで対比して示す特性図。 この実施例による圧縮比等の変化を示すタイムチャート。

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、この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筒内直接噴射式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が配置されているとともに、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および排気弁５は、いわゆるＤＯＨＣ型動弁機構として、シリンダヘッド上部に配置された吸気カムシャフト４１および排気カムシャフト４２によってそれぞれ開閉駆動される構成となっている。そして、これらのカムシャフト４１，４２は、チェーン４３を介してクランクシャフト２１によって駆動される。上記チェーン４３は、クランクシャフト２１前端のクランクシャフトスプロケット２１ａとカムシャフト４１，４２前端のカムシャフトスプロケット４１ａ，４２ａとの間に巻き掛けられており、クランクシャフト２１が３６０°ＣＡで１回転するのに対してカムシャフト４１，４２は７２０°ＣＡで１回転するように、各々の歯数が設定されている。

なお、カムシャフトスプロケット４１ａ，４２ａとカムシャフト４１，４２との間に、両者の位相関係を所定角度範囲内で変更することでバルブ開閉時期を遅進させるＶＴＣ機構が設けられる場合もある。また、図示例は、チェーン４３がクランクシャフト２１とカムシャフト４１，４２との間に巻き掛けられたいわゆる１ステージ型のチェーン駆動機構となっているが、中間のスプロケットを介して２本のチェーンによりクランクシャフト２１とカムシャフト４１，４２とを連動させるいわゆる２ステージ型のチェーン駆動機構であってもよい。

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。上記吸気ポート７に接続される図示せぬ吸気通路には、エンジンコントローラ９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（図示せず）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１０が配設されている。

上記燃料噴射弁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、この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。各気筒の燃料噴射弁８は、蓄圧室を兼ねた共通のコモンレール４５にそれぞれ接続されている。このコモンレール４５には、高圧燃料ポンプ４６によって加圧された高圧燃料が高圧燃料配管４７を介して供給されており、このコモンレール４５内の燃圧は、燃圧センサ４８によって検出される。

上記高圧燃料ポンプ４６は、図外のフィードポンプにより低圧燃料配管４９を通して導入される燃料を、プランジャ（図示せず）の往復直線運動によって加圧する機械駆動式のプランジャポンプからなり、上記排気カムシャフト４２に一体に設けたポンプ駆動用カム（図示せず）が上記のプランジャを押圧する構成となっている。例えば、ポンプ駆動用カムは排気カムシャフト４２に９０°毎に設けられており、これによって、プランジャが１８０°ＣＡ毎に押圧される。また上記高圧燃料ポンプ４６は、上記エンジンコントローラ９からの制御信号に基づき、プランジャによる吐出行程の途中でポンプ室を解放する図示しないスピル弁を内蔵しており、このスピル弁を介してコモンレール４５への吐出量を変更することにより、コモンレール４５内の燃圧を所望の燃圧に可変制御することが可能である。

なお、コモンレール４５側に燃圧制御弁を設け、コモンレール４５内から高圧燃料の一部を低圧側へ戻すことで、燃圧を可変制御する構成とすることもできる。

また、排気ポート１１に接続された排気通路１２には、三元触媒からなる触媒装置１３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１４が配置されている。

上記エンジンコントローラ９には、上記のエアフロメータ１０、空燃比センサ１４、燃圧センサ４８のほか、機関回転速度を検出するためのクランク角センサ１５、冷却水温を検出する水温センサ１６、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１７、等のセンサ類の検出信号が入力されている。エンジンコントローラ９は、これらの検出信号に基づき、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、図示せぬスロットルバルブの開度、コモンレール４５内の燃圧、等を最適に制御している。

一方、可変圧縮比機構２は、特開２００４−１１６４３４号公報等に記載の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２１のクランクピン２１ａに回転自在に支持されたロアリンク２２と、このロアリンク２２の一端部のアッパピン２３とピストン２４のピストンピン２４ａとを互いに連結するアッパリンク２５と、ロアリンク２２の他端部のコントロールピン２６に一端が連結されたコントロールリンク２７と、このコントロールリンク２７の他端を揺動可能に支持するコントロールシャフト２８と、を主体として構成されている。上記クランクシャフト２１および上記コントロールシャフト２８は、シリンダブロック２９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２８は、該コントロールシャフト２８の回動に伴って位置が変化する偏心軸部２８ａを有し、上記コントロールリンク２７の端部は、詳しくは、この偏心軸部２８ａに回転可能に嵌合している。上記の可変圧縮比機構２においては、コントロールシャフト２８の回動に伴ってピストン２４の上死点位置が上下に変位し、従って、機械的な圧縮比が変化する。

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２１と平行な回転中心軸を有する電動モータ３１がシリンダブロック２９下部に配置されており、この電動モータ３１と軸方向に直列に並ぶように減速機３２が接続されている。この減速機３２としては、減速比の大きな例えば波動歯車機構が用いられており、その減速機出力軸３２ａは、電動モータ３１の出力軸（図示せず）と同軸上に位置している。従って、減速機出力軸３２ａとコントロールシャフト２８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、減速機出力軸３２ａに固定された第１アーム３３とコントロールシャフト２８に固定された第２アーム３４とが中間リンク３５によって互いに連結されている。

すなわち、電動モータ３１が回転すると、減速機３２により大きく減速された形で減速機出力軸３２ａの角度が変化する。この減速機出力軸３２ａの回動は第１アーム３３から中間リンク３５を介して第２アーム３４へ伝達され、コントロールシャフト２８が回動する。これにより、上述したように、内燃機関１の機械的な圧縮比が変化する。なお図示例では、第１アーム３３および第２アーム３４が互いに同方向に延びており、従って、例えば減速機出力軸３２ａが時計回り方向に回動するとコントロールシャフト２８も時計回り方向に回動する関係となっているが、逆方向に回動するようにリンク機構を構成することも可能である。

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９において、機関運転条件（例えば要求負荷と機関回転速度）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電動モータ３１が駆動制御される。

図２は、上記エンジンコントローラ９において内燃機関１の運転中に繰り返し実行される本実施例の制御の流れを示すフローチャートである。これは、燃圧異常の監視および燃圧異常時のチェーン４３の保護を行うためのルーチンであって、ステップ１では、そのときの実際の燃圧Ｐを、燃圧センサ４８によって読み込む。ステップ２では、そのときに機関運転条件に応じて設定されている目標燃圧ｔＰを読み込む。なお、図示せぬ別の燃圧制御ルーチンによって、燃圧Ｐが目標燃圧ｔＰに一致するように前述した高圧燃料ポンプ４６のスピル弁が制御される。

ステップ３では、燃圧Ｐが所定の上限燃圧Ｐmaxを越えているか否か判定する。ここで、燃圧Ｐが上限燃圧Ｐmax以下である場合には、燃圧制御が正常に行われているものとして、ステップ５へ進み、通常の圧縮比制御を行う。つまり可変圧縮比機構２の目標圧縮比として、機関運転条件に応じた基本目標圧縮比を用いる。

燃圧Ｐが上限燃圧Ｐmaxを越えている場合は、ステップ４へ進み、そのときの燃圧Ｐから目標燃圧ｔＰを減じた差分ΔＰが所定の閾値ΔＰmaxを越えているか否か判定する。上記の閾値ΔＰmaxは、燃圧制御の応答遅れやコモンレール４５内の圧力脈動などにより通常生じうる乖離の大きさを考慮して設定される。ステップ４において差分ΔＰが閾値ΔＰmax以下であれば、燃圧制御が正常に行われているものとして、ステップ５へ進み、通常の圧縮比制御を行う。

これに対し、ステップ４において差分ΔＰが閾値ΔＰmaxを越えていれば、燃圧制御が正常に行われておらず燃圧Ｐが異常に上昇しているものと判定してステップ６へ進み、可変圧縮比機構２の目標圧縮比を最低圧縮比εminに設定する。この最低圧縮比εminは、可変圧縮比機構２において制御可能な最低の圧縮比である。そして、ステップ７において、燃圧制御が異常である旨を報知する警告灯の点灯が行われる。なお、圧縮比が最適な基本目標圧縮比よりも低くなることで熱効率の低下等が生じるが、内燃機関１の運転そのものは、燃圧異常時であっても特に制限されずに継続される。燃料噴射弁８の駆動パルスのパルス幅は、必要な燃料噴射量と実際の燃圧Ｐとに基づいて設定されるので、空燃比制御に特に支障はない。

このように燃圧Ｐが異常に上昇した際に、可変圧縮比機構２を介して機械的圧縮比を低下させることにより、チェーン４３の保護が図れる。

図３は、例えば１８０°ＣＡ毎にポンプ駆動用カムがプランジャを押圧する構成の高圧燃料ポンプ４６における駆動トルクを示しており、「通常時」として示す特性は、コモンレール４５内の燃圧Ｐが正常な範囲内にある場合の駆動トルクの変化を示している。図示するように、ポンプ駆動用カムがプランジャを押圧する際に反力が生じるので、１８０°ＣＡ毎に駆動トルクが高くなる。なお、ポンプ駆動用カムの立ち下がりに相当する区間では、ポンプ室内の液圧によってプランジャを介してポンプ駆動用カムが逆に回転方向に付勢されるので、駆動トルクが一時的に負となる。

ここで、何らかの異常、例えばポンプ室を吐出行程の途中で解放するスピル弁の動作不能など、によってコモンレール４５内（ひいてはポンプ室内）の燃圧Ｐが異常に上昇すると、図３に「異常時」として示す特性のように、１８０°ＣＡ毎のプランジャ押圧時の反力が増加することで駆動トルクのピーク値が高くなり、また逆に、駆動トルクが負となる区間では、その絶対値が大となる。そのため、高圧燃料ポンプ４６を駆動するチェーン４３に作用する張力の変動幅が大きくなるとともに、その張力のピーク値が高くなり、チェーン４３の耐久性に悪影響を及ぼす。

特に、内燃機関１のクランクシャフト２１の回転には、各気筒の圧縮行程や膨張行程などに伴う微視的な回転変動が存在し、このクランクシャフト２１の回転変動によってもチェーンの張力変動が引き起こされる。そのため、コモンレール４５内の燃圧Ｐの異常な上昇により図３に示すように高圧燃料ポンプ４６の駆動トルクのピーク値ならびに変動幅が増加すると、両者の張力変動が互いに重畳される結果、張力変動の変動幅や張力のピーク値が過度に増加することが生じ得る。

このような燃圧Ｐの異常上昇に対し、上記実施例では、可変圧縮比機構２を用いて機械的圧縮比の低下を行う。このような圧縮比の低下により、各気筒の圧縮行程や膨張行程に伴うクランクシャフト２１の回転変動は小さくなる。従って、燃圧Ｐの上昇に伴うチェーン４３の張力増加が少なくとも部分的に緩和され、張力変動の変動幅が小さくなるとともに、張力のピーク値が低くなる。これにより、チェーン４３が保護される。

そして、上記実施例では、このようにチェーン４３を保護しつつ内燃機関１の運転ひいては車両の走行を継続することが可能である。

なお、上記の圧縮比の低下に起因した熱効率の低下に伴って、同一のトルクを得るために必要な要求燃料量が増加する。そのため、高圧燃料ポンプ４６の吐出量と燃料噴射量との収支バランスが変化し、圧縮比を低下させない場合に比較して、高圧燃料ポンプ４６故障時におけるコモンレール４５内の燃圧Ｐの上昇度合いが多少抑制され得る。

次に、図４は、上記実施例の作用を説明するためのタイムチャートであって、コモンレール４５内の燃圧Ｐ、チェーン４３の張力（より詳しくは瞬時のピーク値）、可変圧縮比機構２による圧縮比、の変化を対比して示している。図の例では、時間ｔ１において燃圧制御系に何らかの故障が発生し、燃圧Ｐが徐々に上昇していく。そして、これに伴ってチェーン４３の張力が徐々に上昇する。時刻ｔ２において、前述したステップ３，４により、燃圧Ｐが異常上昇しているものと判定され、圧縮比が最低圧縮比εminとなる。そのため、チェーン４３の張力（ピーク値）が低下する。なお、張力の変動幅も同時に小さくなる。

以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上記実施例では、燃圧Ｐの値そのものが上限燃圧Ｐmaxを越えているか否か、および、そのときの燃圧Ｐから目標燃圧ｔＰを減じた差分ΔＰ（つまり目標燃圧ｔＰからの乖離）が所定の閾値ΔＰmaxを越えているか否か、の２つの条件が同時に成立したときに、燃圧異常であると判定しているが、いずれか一方のみが成立したときに燃圧異常であると判定するようにしてもよく、さらには、いずれか一方のみを判定するようにしてもよい。また上記実施例では、複リンク式ピストンクランク機構からなる可変圧縮比機構２を用いているが、本発明は、どのような形式の可変圧縮比機構であっても同様に適用が可能である。さらに、高圧燃料ポンプ４６としては、上述したプランジャポンプに限定されず、クランクシャフト２１によりチェーン４３を介して機械的に駆動されるものであれば、どのような形式の高圧燃料ポンプであってもよい。またコモンレール式ディーゼル機関においても本発明は同様に適用が可能である。

Claims (4)

1. 機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構を備えるとともに、コモンレールに高圧燃料を供給する高圧燃料ポンプがクランクシャフトからチェーンを介して駆動される内燃機関の制御装置であって、
   上記コモンレール内の燃圧の異常を検出する燃圧異常検出手段を備え、
   この燃圧異常時に圧縮比を低下させる、内燃機関の制御装置。
2. 上記の燃圧異常は、コモンレール内の燃圧の値、あるいは、目標燃圧とコモンレール内の実際の燃圧との差分、の少なくとも一方に基づいて検出される、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 上記高圧燃料ポンプが、吸気弁側もしくは排気弁側のカムシャフトに設けたポンプ駆動用カムによって駆動されるプランジャポンプである、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構を備えるとともに、コモンレールに高圧燃料を供給する高圧燃料ポンプがクランクシャフトからチェーンを介して駆動される内燃機関において、
   上記コモンレール内の燃圧の異常の検出を行い、
   この燃圧異常時に圧縮比を低下させる、内燃機関の制御方法。

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