WO2017154269A1 - 内燃機関の制御方法及び内燃機関の制御装置 - Google Patents

内燃機関の制御方法及び内燃機関の制御装置 Download PDF

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高橋 英二
和彦 岡本
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    • F02D15/00Varying compression ratio
    • F02D15/02Varying compression ratio by alteration or displacement of piston stroke
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00Other engines
    • F02B75/04Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads
    • F02B75/048Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads by means of a variable crank stroke length
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2700/00Mechanical control of speed or power of a single cylinder piston engine
    • F02D2700/03Controlling by changing the compression ratio
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2700/00Mechanical control of speed or power of a single cylinder piston engine
    • F02D2700/05Controlling by preventing combustion in one or more cylinders

Definitions

  • the present invention relates to an internal combustion engine control method capable of changing a compression ratio and an internal combustion engine control apparatus capable of changing a compression ratio.
  • Patent Documents 1 and 2 in an internal combustion engine that can change the compression ratio, when changing the compression ratio, the amount of change in the target compression ratio is limited to avoid a sudden torque change or deteriorate operability. A technique for avoiding this is disclosed.
  • the target compression ratio varies due to the load variation. That is, the target compression ratio changes so as to repeat high and low from a high compression ratio to a low compression ratio and from a low compression ratio to a high compression ratio.
  • the target compression ratio changes so as to repeat high and low from a high compression ratio to a low compression ratio and from a low compression ratio to a high compression ratio.
  • Patent Documents 1 and 2 if the amount of change in the target compression ratio is limited, the difference between the target compression ratio and the actual compression ratio is suppressed. The power consumption of the motor for driving can be reduced.
  • variable compression ratio mechanism is a multi-link type piston crank mechanism composed of a plurality of links linking the piston and the crankshaft
  • the combustion load acts in the direction of pushing down the piston, so the compression ratio is highly compressed.
  • the response speed when changing the compression ratio to the low compression ratio side is faster than when changing to the ratio side.
  • the response speed of the variable compression ratio mechanism is different between the change to the low compression ratio side and the change to the high compression ratio side, for example, the target compression ratio is adjusted to the high compression ratio side where the response speed is slow.
  • the change amount is limited, there is a problem that the change to the low compression ratio side is limited to the amount that can be originally changed, and the responsiveness deteriorates.
  • the present invention relates to a control method for an internal combustion engine having a variable compression ratio mechanism composed of a multi-link type piston crank mechanism capable of changing the compression ratio, wherein the response speed to the low compression ratio side is changed to the response speed to the high compression ratio side. It is characterized by setting faster than the speed.
  • the change to the low compression ratio side is changed at a faster response speed than the high compression ratio side without matching the response speed on the high compression ratio side, so that deterioration of responsiveness can be suppressed.
  • FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a schematic configuration of an internal combustion engine 1 to which the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a schematic configuration of a drive source of a variable compression ratio mechanism 5 of the internal combustion engine 1 to which the present invention is applied. It is explanatory drawing which showed typically.
  • an internal combustion engine 1 is a variable compression ratio that can change the engine compression ratio by changing the top dead center position of a piston 4 that reciprocates in a cylinder 3 of a cylinder block 2 that constitutes the engine body.
  • a mechanism 5 is provided.
  • the variable compression ratio mechanism 5 uses a multi-link type piston-crank mechanism in which the piston 4 and the crankpin 7 of the crankshaft 6 are linked by a plurality of links, and is rotatably mounted on the crankpin 7.
  • the crankshaft 6 includes a plurality of journal portions 13 and a crankpin 7.
  • the journal portion 13 is rotatably supported between the cylinder block 2 and the crank bearing bracket 14.
  • the upper link 9 has one end rotatably attached to the piston pin 15 and the other end rotatably connected to the lower link 8 by a first connecting pin 16.
  • One end of the control link 12 is rotatably connected to the lower link 8 by a second connecting pin 17, and the other end is rotatably attached to the eccentric shaft portion 11 of the control shaft 10.
  • the first connecting pin 16 and the second connecting pin 17 are press-fitted and fixed to the lower link 8.
  • the control shaft 10 is disposed in parallel with the crankshaft 6 and is rotatably supported by the cylinder block 2. More specifically, the control shaft 10 is rotatably supported between the crank bearing bracket 14 and the control shaft bearing bracket 18.
  • An oil pan upper 19 is attached to the lower part of the cylinder block 2.
  • An oil pan lower 20 is attached to the lower part of the oil pan upper 19.
  • the rotation of the drive shaft 23 is transmitted to the control shaft 10 via the actuator link 21 and the drive shaft arm member 22.
  • the drive shaft 23 is disposed outside the oil pan upper 19 and parallel to the control shaft 10.
  • a drive shaft arm member 22 is press-fitted and fixed to the drive shaft 23.
  • the drive shaft arm member 22 has a cylindrical base portion 22a that is press-fitted into the drive shaft 23, and an arm portion 22b that extends outward from the base portion 22a in the base portion radial direction.
  • One end of an actuator link 21 is rotatably connected to the arm portion 22 b of the drive shaft arm member 22 via a pin member 24.
  • the actuator link 21 is an elongated rod-like member disposed so as to be orthogonal to the control shaft 10, and the other end is rotatably connected to a position eccentric from the rotation center C of the control shaft 10 via a pin member 25. ing.
  • the drive shaft 23, the drive shaft arm member 22, and one end side of the actuator link 21 are accommodated in a housing 26 attached to the side surface of the oil pan upper 19.
  • one end of the drive shaft 23 is connected to an electric motor 28 as an actuator via a speed reducer 27. That is, the drive shaft 23 can be driven to rotate by the electric motor 28.
  • the rotational speed of the drive shaft 23 is obtained by reducing the rotational speed of the electric motor 28 by the speed reducer 27.
  • the actuator link 21 reciprocates along a plane orthogonal to the drive shaft 23.
  • the connection position between the other end of the actuator link 21 and the control shaft 10 swings, and the control shaft 10 rotates.
  • the control shaft 10 rotates and its rotational position changes, the position of the eccentric shaft portion 11 that becomes the swing fulcrum of the control link 12 changes. That is, by changing the rotational position of the control shaft 10 by the electric motor 28, the posture of the lower link 8 is changed, and the piston motion (stroke characteristics) of the piston 4, that is, the top dead center position and the bottom dead center position of the piston 4. With this change, the compression ratio of the internal combustion engine 1 is continuously changed.
  • the electric motor 28 is attached to the rear end side of the housing 26.
  • a rotation angle sensor 29 that detects the rotation angle of the drive shaft 23 is attached to the front end side of the housing 26.
  • the detection signal of the rotation angle sensor 29 is input to the control unit 31.
  • the control unit 31 is a well-known digital computer having a CPU, a ROM, a RAM, and an input / output interface, and an accelerator opening sensor that detects an accelerator pedal depression amount (accelerator opening APO) indicating a required load state of the internal combustion engine 1.
  • an accelerator opening sensor that detects an accelerator pedal depression amount (accelerator opening APO) indicating a required load state of the internal combustion engine 1.
  • detection signals from various sensors such as a crank angle sensor 33 capable of detecting the engine speed together with the crank angle of the crankshaft 6 and an oil temperature sensor 34 for detecting the oil temperature of the internal combustion engine 1 are input.
  • control unit 31 is directed to a fuel injection valve (not shown), a spark plug (not shown), the electric motor 28 of the variable compression ratio mechanism 5 and the like based on signals input from these various sensors.
  • a control signal is output to comprehensively control the fuel injection amount, fuel injection timing, ignition timing, engine speed, compression ratio, and the like.
  • variable compression ratio mechanism 5 is a multi-link type piston crank mechanism composed of a plurality of links linking the piston 4 and the crankshaft 6, the combustion load acts in a direction to push down the piston 4. Therefore, in the variable compression ratio mechanism 5 of the present embodiment, the response speed of the variable compression ratio mechanism 5 when the compression ratio is changed to the low compression ratio side is faster than when the compression ratio is changed to the high compression ratio side. Set to be. Therefore, the variable compression ratio mechanism 5 changes the compression ratio to the high compression ratio side without matching the response speed when changing the compression ratio to the high compression ratio side when changing the compression ratio to the low compression ratio side. Since the response speed is changed faster than the response speed at the time, the deterioration of responsiveness can be suppressed.
  • variable compression ratio mechanism 5 when the internal combustion engine 1 having such a variable compression ratio mechanism 5 changes the compression ratio, there is a limit to the followability (responsiveness) of the actual compression ratio with respect to the target compression ratio. Therefore, for example, if a change that greatly changes the value of the target compression ratio is made continuously and frequently, the power consumption of the electric motor 28 that drives the variable compression ratio mechanism 5 without the actual compression ratio following the target compression ratio. Will increase. This is because the power consumption of the electric motor 28 increases as the difference between the actual compression ratio and the target compression ratio increases.
  • FIG. 3 is a timing chart showing an example (reference example) when the variable compression ratio mechanism 5 is controlled without considering the limit of the followability with respect to the target value of the actual compression ratio.
  • the power consumption of the electric motor 28 is relatively low because the compression ratio is a steady state maintained at a predetermined high compression ratio.
  • the target compression ratio (broken line in FIG. 3) is changed to a predetermined intermediate compression ratio.
  • the period from time t1 to time t2 when the electric motor 28 reaches the specified maximum rotational speed is a period during which the rotational speed of the electric motor 28 is increasing. That is, the period from time t1 to time t2 is a period during which the rotational speed of the electric motor 28 is accelerating, and a large torque is required for the electric motor 28, so that the power consumption of the electric motor 28 is relatively large. .
  • the rotation speed of the electric motor 28 When the rotation speed of the electric motor 28 reaches the maximum rotation speed, the rotation speed of the electric motor 28 is maintained at the maximum rotation speed until time t3 when the actual compression ratio (solid line in FIG. 3) approaches the target compression ratio to some extent. That is, the period from time t2 to time t3 is a period in which the rotation speed of the electric motor 28 is constant, and the compression ratio is changed (lower compression ratio) while the rotation speed of the electric motor 28 is substantially constant. The power consumption of the electric motor 28 is relatively reduced.
  • the period from time t3 to time t4 is a period in which the difference between the actual compression ratio and the target compression ratio is small, and the rotational speed of the electric motor 28 is reduced so that the actual compression ratio does not exceed the target compression ratio. (Because the rotational speed is reduced), the power consumption of the electric motor 28 is relatively increased.
  • the target compression ratio is changed from the intermediate compression ratio to the predetermined low compression ratio, and then the target compression ratio is changed from the predetermined low compression ratio to the predetermined high compression ratio, or from the predetermined high compression ratio to the predetermined low compression ratio.
  • the compression ratio is continuously changed in a short time. That is, after time t5, the target compression ratio is repeatedly increased and decreased at a level that does not allow the actual compression ratio to follow. Therefore, after time t5, the state in which the difference between the target compression ratio and the actual compression ratio is generally large continues, and the electric motor 28 is in a state where the rotational speed is accelerating, so the power consumption of the electric motor 28 is increased. Will be relatively large. For example, when an operation that repeatedly depresses and releases the accelerator pedal is performed, the target compression ratio repeatedly increases and decreases in small increments, such as after time t6.
  • variable compression ratio mechanism 5 when the variable compression ratio mechanism 5 is controlled without considering the limit of the followability with respect to the target value of the actual compression ratio, a change that greatly changes the value of the target compression ratio is repeatedly performed. Since the difference between the ratio and the actual compression ratio continues to be large, the electric motor 28 continues to accelerate or decelerate the rotation speed, and the power consumption of the electric motor 28 increases.
  • the compression ratio is controlled in consideration of the limit of the followability with respect to the target value of the actual compression ratio.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a control flow of the internal combustion engine 1 according to the present invention.
  • S1 the operating state of the internal combustion engine 1 is read. Specifically, the engine speed, load (throttle opening) of the internal combustion engine 1 and the oil temperature of the internal combustion engine 1 are read.
  • a first target compression ratio that is a basic target compression ratio is calculated based on the operating state. That is, the first target compression ratio is calculated from the engine speed and the load.
  • a first target compression ratio calculation map (not shown) in which a first target compression ratio is assigned according to the engine speed and load is stored in the control unit 31, and the first target compression ratio calculation is performed.
  • a first target compression ratio is calculated based on the map.
  • a change amount threshold value is calculated from the load and the oil temperature.
  • the change amount threshold includes a first change amount threshold and a second change amount threshold.
  • the first change amount threshold value is a change amount threshold value to the high compression ratio side per unit time of the second target compression ratio which is the control target compression ratio.
  • the second change amount threshold value is a change amount threshold value to the low compression ratio side per unit time of the second target compression ratio which is the control target compression ratio.
  • a first change amount threshold value calculation map in which a first change amount threshold value is assigned according to the load and the oil temperature is stored in the control unit 31, and the first change amount threshold value calculation map is based on the first change amount threshold value calculation map.
  • a change amount threshold is calculated. As shown in FIG. 5, the first change amount threshold value calculation map is set so that the first change amount threshold value calculated becomes larger as the load is lower and the oil temperature is higher. In other words, the first change amount threshold value calculation map is set so that the first change amount threshold value calculated becomes smaller as the load is higher and the oil temperature is lower.
  • a second change amount threshold value calculation map in which the second change amount threshold value is assigned according to the load and the oil temperature is stored in the control unit 31, and the second change amount threshold value calculation map is used to set the second change amount threshold value calculation map.
  • a change amount threshold is calculated. As shown in FIG. 6, the second change amount threshold value calculation map is set so that the second change amount threshold value calculated becomes larger as the load is higher and the oil temperature is higher. In other words, the second variation threshold calculation map is set so that the second variation threshold calculated is smaller as the load is lower and the oil temperature is lower. In addition, the second change amount threshold is set to be larger than the first change amount threshold if the driving state is the same.
  • the predetermined allowable value is the first change amount threshold when the compression ratio changes in the increasing direction, and the second change amount threshold when the compression ratio changes in the decreasing direction. is there.
  • the first target compression ratio is set as the second target compression ratio.
  • the second target compression ratio is calculated using the change amount threshold value. That is, when the compression ratio changes in the increasing direction, a value obtained by adding the first change amount threshold to the previous value of the second target compression ratio is set as the second target compression ratio. When the compression ratio changes in a decreasing direction, a value obtained by subtracting the second change amount threshold from the previous value of the second target compression ratio is set as the second target compression ratio.
  • the second target compression ratio is limited so that the amount of change per unit time is equal to or less than the first change amount threshold or the second change amount threshold.
  • the second target compression ratio has the same value as the first target compression ratio in a steady state where the first target compression ratio and the actual compression ratio match.
  • the control unit 31 corresponds to a first target compression ratio calculation unit or a second target compression ratio calculation unit.
  • the first target compression ratio calculator is synonymous with the basic target compression ratio calculator
  • the second target compression ratio calculator is synonymous with the control target compression ratio calculator.
  • FIG. 7 is a timing chart showing an example when the variable compression ratio mechanism 5 is controlled in consideration of the limit of the followability with respect to the target value of the actual compression ratio. That is, FIG. 7 is a timing chart showing an example when the variable compression ratio mechanism 5 is controlled using the second target compression ratio in which the amount of change per unit time is limited.
  • the power consumption of the electric motor 28 is relatively low because the compression ratio is a steady state maintained at a predetermined high compression ratio.
  • the first target compression ratio (thin broken line in FIG. 7) is changed to a predetermined intermediate compression ratio.
  • the variable compression ratio mechanism 5 is controlled using a second target compression ratio in which the amount of change from the previous value of the second target compression ratio (broken line in FIG. 7) is limited by a second change amount threshold. Therefore, immediately after time t1 ′, the difference between the second target compression ratio and the actual compression ratio (solid line in FIG. 7) is relatively small, and the power consumption is reduced by using the first target compression ratio. Compared to the case of controlling, it increases slowly.
  • time t1 'and time t2' when the electric motor 28 reaches the specified maximum rotational speed is a period in which the rotational speed of the electric motor 28 is increasing. That is, the period from time t1 ′ to time t2 ′ is a period in which the rotational speed of the electric motor 28 is accelerating, and a large torque is required for the electric motor 28. Therefore, the power consumption of the electric motor 28 is relatively Become more.
  • the rotation speed of the electric motor 28 When the rotation speed of the electric motor 28 reaches the maximum rotation speed, the rotation speed of the electric motor 28 is maintained at the maximum rotation speed until time t3 'when the actual compression ratio approaches the target compression ratio to some extent. That is, the period from time t2 ′ to time t3 ′ is a period in which the rotation speed of the electric motor 28 is constant, and the compression ratio is changed (lower compression ratio) while the rotation speed of the electric motor 28 is substantially constant. Therefore, the power consumption of the electric motor 28 is relatively reduced.
  • the period from time t3 ′ to time t4 ′ is a period in which the difference between the actual compression ratio and the second target compression ratio is small, and the electric motor 28 is configured so that the actual compression ratio does not exceed the second target compression ratio. Since the rotational speed is reduced (because the rotational speed is reduced), the power consumption of the electric motor 28 is relatively increased.
  • the variable compression ratio mechanism 5 is controlled at the first target compression ratio.
  • the power consumption of the electric motor 28 at this time and the power consumption of the electric motor 28 when the variable compression ratio mechanism 5 is controlled at the second target compression ratio are substantially the same value. That is, if the amount of change in compression ratio between times t1 and t4 in FIG. 3 and the amount of change in compression ratio between times t1 ′ and t4 ′ in FIG. 7 are substantially the same value, the electric motor between times t1 and t4 in FIG. The power consumption of the motor 28 and the power consumption of the electric motor 28 between times t1 ′ to t4 ′ in FIG.
  • the first target compression ratio is changed from the intermediate compression ratio to the predetermined low compression ratio, and then the first target compression ratio is changed from the predetermined low compression ratio to the predetermined high compression ratio, or the predetermined high compression ratio. It is repeatedly changed in a short time from a predetermined low compression ratio. That is, after time t5 ', the first target compression ratio is repeatedly increased and decreased at a level that does not allow the actual compression ratio to follow.
  • variable compression ratio mechanism 5 since the variable compression ratio mechanism 5 is controlled using the second target compression ratio in which the amount of change per unit time is limited, after the time t5 ′, the second target compression ratio and the actual compression ratio. The difference from the above can be made relatively small. Therefore, the variable compression ratio mechanism 5 can reduce the power consumption of the electric motor 28 compared to the case where control is performed using the first target compression ratio.
  • the second target compression ratio in the period from time t5 ′ to time t6 ′ is higher than the first target compression ratio from time t5 ′ to time t6 ′, and the actual compression ratio is easy to follow.
  • the power consumption of the electric motor 28 can be suppressed as compared with the case where the variable compression ratio mechanism 5 is controlled using the one target compression ratio.
  • the second target compression ratio in the period from time t5 'to time t6' is limited so that the amount of change from the previous value of the second target compression ratio becomes the second change amount threshold.
  • the second target compression ratio between time t6 ′ and time t7 ′ is lower than the first target compression ratio between time t6 ′ and time t7 ′, and the actual compression ratio is easy to follow.
  • the power consumption of the electric motor 28 can be suppressed as compared with the case where the variable compression ratio mechanism 5 is controlled using the target compression ratio.
  • the second target compression ratio in the period from time t6 'to time t7' is limited so that the change amount of the previous value of the second target compression ratio becomes the first change amount threshold value.
  • the first change threshold and the second change threshold used when calculating the second target compression ratio are set to different values. That is, the limit value of the amount of change per unit time of the second target compression ratio is set differently when the compression ratio is changed to the high compression ratio side and when the compression ratio is changed to the low compression ratio side. ing.
  • the second target compression ratio can be set without excessively limiting the amount of change per unit time. That is, the second target compression ratio can be set according to the case where the compression ratio is changed to the high compression ratio side and the case where the compression ratio is changed to the low compression ratio side.
  • the power consumption of the motor that drives the variable compression ratio mechanism 5 can be reduced while suppressing the deterioration of responsiveness.
  • the second change amount threshold value is set to be larger than the first change amount threshold value, it is possible to suppress the deterioration of the responsiveness of the variable compression ratio mechanism 5 when the compression ratio is changed to the low compression ratio side.
  • variable compression ratio mechanism 5 As the load on the internal combustion engine 1 increases, the in-cylinder pressure increases, and the force that the piston 4 receives (the force that pushes the piston 4) increases relatively. In other words, the force to make the compression ratio acting on the variable compression ratio mechanism 5 to the low compression ratio side becomes relatively large. Therefore, the variable compression ratio mechanism 5 is difficult to change the compression ratio to the high compression ratio side, and the response speed when changing the compression ratio to the high compression ratio side is relatively slow.
  • the second target compression ratio can be set to a target value that can actually follow, and the variable compression ratio mechanism 5 is driven.
  • the power consumption of the electric motor 28 can be further suppressed.
  • the second target compression ratio can be set to a target value that can actually follow, and the second change amount is more than necessary. It can suppress that the threshold value becomes small and the responsiveness (response speed) of the variable compression ratio mechanism 5 is restricted more than necessary.
  • the power consumption of the electric motor 28 that drives the compression ratio mechanism 5 can be further suppressed.
  • the first change amount threshold and the second change amount threshold are changed according to the driving state, but only one of the first change amount threshold and the second change amount threshold is set. It may be changed according to the operating state, and the other may be fixed to a predetermined value set in advance regardless of the operating state. Also in this case, the second target compression ratio is a target value that can actually follow the first target compression ratio. Therefore, the variable compression ratio mechanism 5 can reduce the power consumption of the electric motor 28 at the time of transition compared to the case where control is performed using the first target compression ratio.
  • the embodiment described above relates to a control method and control device for the internal combustion engine 1.

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Abstract

可変圧縮比機構(5)は、ピストン4とクランクシャフト(6)とを連係する複数のリンクで構成された複リンク式ピストンクランク機構であるため、燃焼荷重がピストン(4)を押し下げる方向に作用する。そのため、圧縮比を高圧縮比側に変更する場合よりも、圧縮比を低圧縮比側に変更する場合の応答速度が速くなる。そこで、低圧縮比側への応答速度を、高圧縮比側への応答速度よりも速く設定する。これによって、低圧縮比側への変更については、高圧縮比側の応答速度に合わせることなく、高圧縮比側よりも速い応答速度で変更するので、応答性の悪化を抑制できる。

Description

内燃機関の制御方法及び内燃機関の制御装置
 本発明は、圧縮比を変更可能な内燃機関の制御方法及び圧縮比を変更可能な内燃機関の制御装置に関する。
 例えば、特許文献1、2には、圧縮比を変更可能な内燃機関において、圧縮比を変更する際に、目標圧縮比の変化量を制限して、急激なトルク変化の回避や運転性の悪化を回避する技術が開示されている。
 ここで、アクセルペダルの踏み込み解放を繰り返す運転を行うと、負荷の変動により、目標圧縮比が変動する。すなわち目標圧縮比は、高圧縮比から低圧縮比、低圧縮比から高圧縮比へと高低を繰り返すように変化する。このとき、特許文献1、2に開示されているように、目標圧縮比の変化量に制限を設けていると、目標圧縮比と実圧縮比の乖離が抑制されるため、可変圧縮比機構を駆動するためのモータの消費電力を少なくできる。
 また、可変圧縮比機構が、ピストンとクランクシャフトとを連係する複数のリンクで構成された複リンク式ピストンクランク機構である場合、燃焼荷重がピストンを押し下げる方向に作用するため、圧縮比を高圧縮比側に変更する場合よりも、圧縮比を低圧縮比側に変更する場合の応答速度が速くなる。このように、可変圧縮比機構の応答速度が低圧縮比側への変更と高圧縮比側への変更とで異なる場合において、例えば、応答速度が遅い高圧縮比側に合わせて目標圧縮比の変化量に制限を設けると、低圧縮比側への変更については本来変化できる量に対して制限してしまい、応答性が悪化してしまうという問題がある。
特開2013-79607号公報 特開2005-9366号公報
 本発明は、圧縮比を変更可能な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を有する内燃機関の制御方法であって、低圧縮比側への応答速度を、高圧縮比側への応答速度よりも速く設定することを特徴としている。
 本発明によれば、低圧縮比側への変更については、高圧縮比側の応答速度に合わせることなく、高圧縮比側よりも速い応答速度で変更するので、応答性の悪化を抑制できる。
本発明が適用される内燃機関を模式的に示した説明図。 本発明が適用される可変圧縮比機構の駆動源を模式的に示した説明図。 実圧縮比の目標値に対する追従性の限界を考慮することなく可変圧縮比機構を制御した場合の一例を示すタイミングチャート。 本発明に係る内燃機関の制御の流れを示すフローチャート。 第1変化量閾値の算出に使用するマップの概略を示す説明図。 第2変化量閾値の算出に使用するマップの概略を示す説明図。 実圧縮比の目標値に対する追従性の限界を考慮して可変圧縮比機構を制御した場合の一例を示すタイミングチャート。
 以下、本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る内燃機関1の概略構成を模式的に示した説明図であり、図2は本発明が適用される内燃機関1の可変圧縮比機構5の駆動源の概略構成を模式的に示した説明図である。
 図1に示すように、内燃機関1は、機関本体を構成するシリンダブロック2のシリンダ3内を往復動するピストン4の上死点位置を変更することで機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構5を有している。
 可変圧縮比機構5は、ピストン4とクランクシャフト6のクランクピン7とを複数のリンクで連係した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、クランクピン7に回転可能に装着されたロアリンク8と、このロアリンク8とピストン4とを連結するアッパリンク9と、偏心軸部11が設けられた制御軸10と、偏心軸部11とロアリンク8とを連結するコントロールリンク12と、を有している。
 クランクシャフト6は、複数のジャーナル部13及びクランクピン7を備えている。ジャーナル部13は、シリンダブロック2とクランク軸受ブラケット14との間に回転可能に支持されている。
 アッパリンク9は、一端がピストンピン15に回転可能に取り付けられ、他端が第1連結ピン16によりロアリンク8と回転可能に連結されている。コントロールリンク12は、一端が第2連結ピン17によりロアリンク8と回転可能に連結されており、他端が制御軸10の偏心軸部11に回転可能に取り付けられている。第1連結ピン16及び第2連結ピン17は、ロアリンク8に対して圧入固定されている。
 制御軸10は、クランクシャフト6と平行に配置され、かつシリンダブロック2に回転可能に支持されている。詳述すると、制御軸10は、クランク軸受ブラケット14と制御軸軸受ブラケット18との間に回転可能に支持されている。
 シリンダブロック2の下部には、オイルパンアッパ19が取り付けられている。また、オイルパンアッパ19の下部にはオイルパンロア20が取り付けられている。
 制御軸10には、アクチュエータリンク21及び駆動軸アーム部材22を介して駆動軸23の回転が伝達されている。駆動軸23は、オイルパンアッパ19の外側にあって制御軸10と平行に配置されている。駆動軸23には、駆動軸アーム部材22が圧入固定されている。駆動軸アーム部材22は、駆動軸23に圧入される筒状の基部22aと、基部22aから基部径方向外側へ向かって延出するアーム部22bと、を有している。駆動軸アーム部材22のアーム部22bには、アクチュエータリンク21の一端がピン部材24を介して回転可能に連結されている。アクチュエータリンク21は、制御軸10と直交するように配置された細長い棒状の部材であって、他端が制御軸10の回転中心Cから偏心した位置にピン部材25を介して回転可能に連結されている。
 駆動軸23、駆動軸アーム部材22及びアクチュエータリンク21の一端側は、オイルパンアッパ19の側面に取り付けられたハウジング26に収容されている。
 駆動軸23は、図2に示すように、一端が減速機27を介してアクチュエータとしての電動モータ28に連結されている。すなわち、駆動軸23は、電動モータ28により回転駆動可能となっている。駆動軸23の回転数は、電動モータ28の回転数を減速機27により減速したものとなっている。
 電動モータ28の駆動により駆動軸23が回転すると、アクチュエータリンク21が駆動軸23に直交する平面に沿って往復運動する。そして、アクチュエータリンク21の往復運動に伴いアクチュエータリンク21の他端と制御軸10との連結位置が揺動し、制御軸10が回転する。制御軸10が回転してその回転位置が変化すると、コントロールリンク12の揺動支点となる偏心軸部11の位置が変化する。つまり、電動モータ28により制御軸10の回転位置を変更することで、ロアリンク8の姿勢が変化し、ピストン4のピストンモーション(ストローク特性)、すなわちピストン4の上死点位置及び下死点位置の変化を伴って、内燃機関1の圧縮比が連続的に変更される。
 電動モータ28は、ハウジング26の後端側に取り付けられている。ハウジング26の前端側には、駆動軸23の回転角度を検出する回転角度センサ29が取り付けられている。
 回転角度センサ29の検出信号は、コントロールユニット31に入力されている。コントロールユニット31は、CPU、ROM、RAM及び入出力インターフェースを備えた周知のデジタルコンピュータであり、内燃機関1の要求負荷状態を表すアクセルペダル踏み込み量(アクセル開度APO)を検出するアクセル開度センサ32、クランクシャフト6のクランク角度と共に機関回転数を検出可能なクランク角センサ33、内燃機関1の油温を検出する油温センサ34等の各種センサからの検出信号が入力されている。
 そして、コントロールユニット31は、これら各種センサ類等から入力される信号等に基づいて、燃料噴射弁(図示せず)、点火プラグ(図示せず)、可変圧縮比機構5の電動モータ28等へ制御信号を出力して、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、機関回転数、圧縮比等を統括的に制御する。
 上述した可変圧縮比機構5は、ピストン4とクランクシャフト6とを連係する複数のリンクで構成された複リンク式ピストンクランク機構であるため、燃焼荷重がピストン4を押し下げる方向に作用する。そこで、本実施例の可変圧縮比機構5においては、圧縮比を高圧縮比側に変更する場合よりも、圧縮比を低圧縮比側に変更する場合の可変圧縮比機構5の応答速度が速くなるよう設定する。そのため、可変圧縮比機構5は、圧縮比の低圧縮比側への変更の際に、圧縮比の高圧縮比側への変更の際の応答速度に合わせることなく、高圧縮比側への変更の際の応答速度よりも速い応答速度で変更するので、応答性の悪化を抑制できる。
 また、このような可変圧縮比機構5を有する内燃機関1で圧縮比を変更する場合、目標圧縮比に対する実圧縮比の追従性(応答性)には限界がある。そのため、例えば目標圧縮比の値が大きく変化するような変更が連続して頻繁に行われると、実圧縮比が目標圧縮比に追従できないまま可変圧縮比機構5を駆動する電動モータ28の消費電力が多くなる。これは、実圧縮比と目標圧縮比との乖離が大きいほど電動モータ28の消費電力が多くなるからである。
 図3は、実圧縮比の目標値に対する追従性の限界を考慮することなく可変圧縮比機構5を制御した場合の一例(参考例)を示すタイミングチャートである。
 時刻t1以前は、圧縮比が所定の高圧縮比に保持された定常状態なので、電動モータ28の消費電力は相対的に少なくなる。
 時刻t1において、目標圧縮比(図3中の破線)が所定の中間圧縮比に変更されている。時刻t1から電動モータ28が規定の最高回転数に到達する時刻t2の間は、電動モータ28の回転数が上昇している期間である。つまり、時刻t1~時刻t2の期間は、電動モータ28に回転速度が加速している期間であり、電動モータ28に大きなトルクが要求されるので、電動モータ28の消費電力は相対的に多くなる。
 電動モータ28の回転数が最高回転数に達すると、電動モータ28の回転数は、実圧縮比(図3中の実線)が目標圧縮比にある程度近づく時刻t3まで最高回転数に維持される。つまり、時刻t2~時刻t3の期間は、電動モータ28の回転速度が一定となる期間であり、電動モータ28の回転数が略一定の状態で圧縮比が変更(低圧縮比化)されるため、電動モータ28の消費電力は相対的に少なくなる。
 時刻t3~時刻t4の期間は、実圧縮比と目標圧縮比との差が小さくなる期間であり、実圧縮比が目標圧縮比を超えて小さくならないように電動モータ28の回転数を低下させるので(回転速度を減速するので)、電動モータ28の消費電力が相対的に多くなる。
 時刻t4~時刻t5の期間は、圧縮比を低圧縮比に保持している状態なので、電動モータ28の消費電力は相対的に少なくなる。
 時刻t5以降は、目標圧縮比の値が大きく変化するような変更が繰り返し頻繁に行われている。すなわち、目標圧縮比が中間圧縮比から所定の低圧縮比へと変更されるとともに、その後目標圧縮比が所定の低圧縮比から所定の高圧縮比へ、または所定の高圧縮比から所定の低圧縮比へと短期間に繰り返し連続して変更されている。つまり、時刻t5以降は、目標圧縮比が実圧縮比の追従を許さないようなレベルで小刻みに高低を繰り返す状態となっている。そのため、時刻t5以降は、目標圧縮比と実圧縮比との差が総じて大きい状態が続くことになり、電動モータ28は回転速度が加速している状態が長くなるため、電動モータ28の消費電力が相対的に多くなる。例えば、アクセルペダルの踏み込み解放を繰り返す運転を行うと、時刻t6以降のように、目標圧縮比が小刻みに高低を繰り返す状態となる。
 なお、時刻t6~時刻t7においては、実圧縮比が目標圧縮比に近づくため、電動モータ28の消費電力が一時的に少なくなっている。
 このように、実圧縮比の目標値に対する追従性の限界を考慮することなく可変圧縮比機構5を制御すると、目標圧縮比の値が大きく変化するような変更が繰り返し頻繁に行われ、目標圧縮比と実圧縮比との乖離が大きい状態が続くため、電動モータ28は回転速度を加速または減速している状態が結果として続くことになり、電動モータ28の消費電力が増加する。
 そこで、本実施例においては、実圧縮比の目標値に対する追従性の限界を考慮して圧縮比を制御する。
 図4は、本発明に係る内燃機関1の制御の流れを示すフローチャートである。S1では、内燃機関1の運転状態を読み込む。具体的には、内燃機関1の機関回転数、負荷(スロットル開度)、内燃機関1の油温を読み込む。
 S2では、運転状態に基づいて基本目標圧縮比である第1目標圧縮比を算出する。すなわち、機関回転数と負荷から第1目標圧縮比を算出する。本実施例では、機関回転数と負荷に応じて第1目標圧縮比が割り付けられた第1目標圧縮比算出マップ(図示せず)がコントロールユニット31に記憶されており、第1目標圧縮比算出マップに基づいて第1目標圧縮比が算出される。
 S3では、負荷と油温から変化量閾値を算出する。ここで、変化量閾値には、第1変化量閾値と第2変化量閾値とがある。第1変化量閾値は、制御用目標圧縮比である第2目標圧縮比の単位時間当たりの高圧縮比側への変化量閾値である。第2変化量閾値は、制御用目標圧縮比である第2目標圧縮比の単位時間当たりの低圧縮比側への変化量閾値である。
 本実施例では、負荷と油温に応じて第1変化量閾値が割り付けられた第1変化量閾値算出マップがコントロールユニット31に記憶されており、第1変化量閾値算出マップに基づいて第1変化量閾値が算出される。第1変化量閾値算出マップは、図5に示すように、負荷が低く油温が高いほど算出される第1変化量閾値が大きくなるよう設定されている。換言すれば、第1変化量閾値算出マップは、負荷が高く油温が低いほど算出される第1変化量閾値が小さくなるよう設定されている。
 本実施例では、負荷と油温に応じて第2変化量閾値が割り付けられた第2変化量閾値算出マップがコントロールユニット31に記憶されており、第2変化量閾値算出マップに基づいて第2変化量閾値が算出される。第2変化量閾値算出マップは、図6に示すように、負荷が高く油温が高いほど算出される第2変化量閾値が大きくなるよう設定されている。換言すれば、第2変化量閾値算出マップは、負荷が低く油温が低いほど算出される第2変化量閾値が小さくなるよう設定されている。また、第2変化量閾値は、運転状態が同じであれば、第1変化量閾値よりも大きくなるように設定される。
 S4では、第1目標圧縮比と第2目標圧縮比の前回値との差が所定の許容値以下であるか否かを判定し、所定の許容値以下であればS5へ進み、所定の許容値より大きければS6へ進む。ここで、所定の許容値とは、圧縮比が高くなる方向に変化している場合は第1変化量閾値であり、圧縮比が低くなる方向に変化している場合は第2変化量閾値である。
 S5では、第1目標圧縮比を第2目標圧縮比とする。S6では、変化量閾値を用いて第2目標圧縮比を算出する。すなわち、圧縮比が高くなる方向に変化している場合には、第2目標圧縮比の前回値に第1変化量閾値を加えた値を第2目標圧縮比とする。圧縮比が低くなる方向に変化している場合には、第2目標圧縮比の前回値から第2変化量閾値を減じた値を第2目標圧縮比とする。このように、第2目標圧縮比は、単位時間当たりの変化量が第1変化量閾値以下もしくは第2変化量閾値以下となるように制限されたものである。
 第2目標圧縮比は、第1目標圧縮比と実圧縮比とが一致する定常状態では第1目標圧縮比と同じ値となる。
 なお、第1目標圧縮比及び第2目標圧縮比の算出は、コントロールユニット31内で行われる。従って、コントロールユニット31は、第1目標圧縮比算出部や第2目標圧縮比算出部に相当する。また、第1目標圧縮比算出部は基本目標圧縮比算出部と同義であり、第2目標圧縮比算出部は制御用目標圧縮比算出部と同義である。
 図7は、実圧縮比の目標値に対する追従性の限界を考慮して可変圧縮比機構5を制御した場合の一例を示すタイミングチャートである。すなわち、図7は、単位時間当たりの変化量が制限された第2目標圧縮比を用いて可変圧縮比機構5を制御した場合の一例を示すタイミングチャートである。
 時刻t1’までは、圧縮比が所定の高圧縮比に保持された定常状態なので、電動モータ28の消費電力は相対的に少なくなる。
 時刻t1’において、第1目標圧縮比(図7中の細破線)が所定の中間圧縮比に変更されている。可変圧縮比機構5は、第2目標圧縮比(図7中の破線)の前回値からの変化量を第2変化量閾値で制限した第2目標圧縮比を用いて制御されている。そのため、時刻t1’直後から第2目標圧縮比と実圧縮比(図7中の実線)との差が相対的に小さくなり、消費電力は第1目標圧縮比を用いて可変圧縮比機構5を制御する場合に比べて緩やかに増加する。
 時刻t1’から電動モータ28が規定の最高回転数に到達する時刻t2’の間は、電動モータ28の回転数が上昇している期間である。つまり、時刻t1’~時刻t2’の期間は、電動モータ28に回転速度が加速している期間であり、電動モータ28に大きなトルクが要求されるので、電動モータ28の消費電力は相対的に多くなる。
 電動モータ28の回転数が最高回転数に達すると、電動モータ28の回転数は、実圧縮比が目標圧縮比にある程度近づく時刻t3’まで最高回転数に維持される。つまり、時刻t2’~時刻t3’の期間は、電動モータ28の回転速度が一定となる期間であり、電動モータ28の回転数が略一定の状態で圧縮比が変更(低圧縮比化)されるため、電動モータ28の消費電力は相対的に少なくなる。
 時刻t3’~時刻t4’の期間は、実圧縮比と第2目標圧縮比との差が小さくなる期間であり、実圧縮比が第2目標圧縮比を超えて小さくならないように電動モータ28の回転数を低下させるので(回転速度を減速するので)、電動モータ28の消費電力が相対的に多くなる。
 なお、第1目標圧縮比の変更後、実圧縮比が第1目標圧縮比と一致するまで第1目標圧縮比の変更が無いような場合、可変圧縮比機構5を第1目標圧縮比で制御したときの電動モータ28の消費電力と、可変圧縮比機構5を第2目標圧縮比で制御したとき電動モータ28の消費電力とは、略同等の値となる。すなわち、図3における時刻t1~t4間の圧縮比変化量と、図7における時刻t1’~t4’間の圧縮比変化量とが略同値であれば、図3における時刻t1~t4間の電動モータ28の消費電力と、図7における時刻t1’~t4’間の電動モータ28の消費電力とは略同等となる。
 時刻t4’~時刻t5’の期間は、圧縮比を低圧縮比に保持している状態なので、電動モータ28の消費電力は相対的に少なくなる。
 時刻t5’以降は、第1目標圧縮比の値が大きく変化するような変更が繰り返し頻繁に行われている。すなわち、第1目標圧縮比が中間圧縮比から所定の低圧縮比へと変更されるとともに、その後第1目標圧縮比が所定の低圧縮比から所定の高圧縮比へ、または所定の高圧縮比から所定の低圧縮比へと短期間に繰り返し変更されている。つまり、時刻t5’以降は、第1目標圧縮比が実圧縮比の追従を許さないようなレベルで小刻みに高低を繰り返す状態となっている。
 しかしながら、本実施例では、単位時間当たりの変化量が制限された第2目標圧縮比を用いて可変圧縮比機構5を制御するため、時刻t5’以降において、第2目標圧縮比と実圧縮比との差を相対的に小さい状態にすることができる。そのため、可変圧縮比機構5は、第1目標圧縮比を用いて制御する場合に比べて電動モータ28の消費電力を少なくすることができる。
 すなわち、時刻t5’~時刻t6’の期間の第2目標圧縮比は、時刻t5’~時刻t6’間の第1目標圧縮比よりも高く、実圧縮比が追従しやすくなっているため、第1目標圧縮比を用いて可変圧縮比機構5を制御する場合に比べて電動モータ28の消費電力を抑制することができる。時刻t5’~時刻t6’の期間における第2目標圧縮比は、第2目標圧縮比の前回値からの変化量が第2変化量閾値となるように制限されたものである。
 また、時刻t6’~時刻t7’間の第2目標圧縮比は、時刻t6’~時刻t7’間の第1目標圧縮比よりも低く、実圧縮比が追従しやすくなっているため、第1目標圧縮比を用いて可変圧縮比機構5を制御する場合に比べて電動モータ28の消費電力を抑制することができる。時刻t6’~時刻t7’の期間における第2目標圧縮比は、第2目標圧縮比の前回値の変化量が第1変化量閾値となるように制限されたものである。
 本実施例において、第2目標圧縮比を算出する際に用いられる第1変化量閾値及び第2変化量閾値は、互いに異なる値に設定されている。すなわち、圧縮比を高圧縮比側に変更する場合と、圧縮比を低圧縮比側に変更する場合とで、第2目標圧縮比の単位時間当たりの変化量の制限値が異なるように設定されている。
 そのため、第2目標圧縮比は、単位時間当たりの変化量を過度に制限することなく設定することが可能となる。つまり、圧縮比を高圧縮比側に変更する場合と、圧縮比を低圧縮比側に変更する場合と、に応じて第2目標圧縮比を設定することが可能となり、可変圧縮比機構5の応答性の悪化を抑制しつつ、可変圧縮比機構5を駆動するモータの消費電力を少なくすることができる。
 また、第2変化量閾値を第1変化量閾値に比べて大きく設定することにより、圧縮比を低圧縮比側に変更する際の可変圧縮比機構5の応答性の悪化を抑制することができる。
 内燃機関1の負荷が高くなるほど筒内圧力が高くなり、ピストン4が受ける力(ピストン4を押す力)が相対的に大きくなる。つまり、可変圧縮比機構5に作用する圧縮比を低圧縮比側にしようとする力が相対的に大きくなる。そのため、可変圧縮比機構5は、圧縮比の高圧縮比側への変更がしにくくなり、圧縮比を高圧縮比側に変更する際の応答速度が相対的に遅くなる。
 そこで、内燃機関1の負荷が高いほど第1変化量閾値を小さくすることで、第2目標圧縮比をより実際に追従可能な目標値にすることが可能となり、可変圧縮比機構5を駆動する電動モータ28の消費電力を一層抑制することができる。
 また、内燃機関1の負荷が高いほど第2変化量閾値を大きくすることで、第2目標圧縮比は、より実際に追従可能な目標値にすることが可能となり、必要以上に第2変化量閾値が小さくなって可変圧縮比機構5の応答性(応答速度)が必要以上に制限されてしまうことを抑制することができる。
 内燃機関1の油温が低いほど、オイルの粘度が高くなり、圧縮比変更の際の可変圧縮比機構5の応答速度が遅くなる。
 そこで、内燃機関1の油温が低いほど第1変化量閾値及び第2変化量閾値を小さくすることで、第2目標圧縮比をより実際に追従可能な目標値にすることが可能となり、可変圧縮比機構5を駆動する電動モータ28の消費電力を一層抑制することができる。
 なお、上述した実施例においては、第1変化量閾値及び第2変化量閾値が運転状態に応じて変更されるが、第1変化量閾値及び第2変化量閾値のうちのどちらか一方のみを運転状態に応じて変更し、他方を運転状態によらず予め設定した所定値に固定してもよい。この場合にも、第2目標圧縮比は、第1目標圧縮比より実際に追従可能な目標値となる。そのため、可変圧縮比機構5は、第1目標圧縮比を用いて制御する場合に比べて過渡時における電動モータ28の消費電力を少なくすることができる。
 また、上述した実施例は、内燃機関1の制御方法及び制御装置に関するものである。

Claims (8)

  1.  圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を有し、上記可変圧縮比機構は、内燃機関のピストンと当該内燃機関のクランクシャフトとを連係する複数のリンクで構成された複リンク式ピストンクランク機構である内燃機関の制御方法であって、
     低圧縮比側への応答速度を、高圧縮比側への応答速度よりも速く設定する内燃機関の制御方法。
  2.  単位時間当たりの変化量が所定の変化量閾値以下となるように制限された制御用目標圧縮比を用いて圧縮比を制御し、
     上記制御用目標圧縮比の単位時間当たりの高圧縮比側への変化量閾値である第1変化量閾値は、上記制御用目標圧縮比の単位時間当たりの低圧縮比側への変化量閾値である第2変化量閾値よりも小さく設定されている請求項1に記載の内燃機関の制御方法。
  3.  上記内燃機関の負荷が高いほど上記第1変化量閾値を小さくする請求項2に記載の内燃機関の制御方法。
  4.  上記内燃機関の負荷が高いほど上記第2変化量閾値を大きくする請求項2に記載の内燃機関の制御方法。
  5.  上記内燃機関の運転状態に基づいて、上記第1変化量閾値及び上記第2変化量閾値の少なくとも一方を変更する請求項2~4のいずれかに記載の内燃機関の制御方法。
  6.  上記内燃機関の油温が低いほど上記第1変化量閾値及び上記第2変化量閾値を小さくする請求項2~5のいずれかに記載の内燃機関の制御方法。
  7.  上記制御用目標圧縮比は、上記制御用目標圧縮比の前回値と上記内燃機関の運転状態に基づいて算出された基本目標圧縮比との差が上記所定の変化量閾値以下となるように制限されたものである請求項2~6のいずれかに記載の内燃機関の制御方法。
  8.  単位時間当たりの変化量が変化量閾値以下となるよう制限された制御用目標圧縮比を算出する制御用目標圧縮比算出部と、
     上記制御用目標圧縮比を用いて内燃機関の圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、を有し、
     上記制御用目標圧縮比の単位時間当たりの高圧縮比側への変化量閾値である第1変化量閾値は上記制御用目標圧縮比の単位時間当たりの低圧縮比側への変化量閾値である第2変化量閾値よりも小さく設定されている内燃機関の制御装置。
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