JP4389555B2 - 可変圧縮比内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、圧縮比を可変制御できるレシプロ式可変圧縮比内燃機関の制御装置、特に自動車用可変圧縮比内燃機関の制御装置に関する。

レシプロ式内燃機関の熱効率つまり燃費を向上するとともに、ノッキング等の異常燃焼を回避するために、機関運転条件に応じて最適な圧縮比に可変制御し得る可変圧縮比内燃機関が、例えば特許文献１に開示されている。このような可変圧縮比内燃機関の制御装置においては、機関の回転速度および負荷をパラメータとして予め最適な圧縮比を割り付けた圧縮比マップを備え、この圧縮比マップから読み出した目標圧縮比となるように、可変圧縮比機構のアクチュエータが制御されることになる。

一般に部分負荷時には、熱効率向上のために高圧縮比に制御され、高負荷時には、ノッキング回避のために低圧縮比に制御される。
特開２００２−２８５８７６号公報

しかしながら、従来は、目標圧縮比の設定に際して、車両変速機のギヤ比は考慮されておらず、高ギヤ比であっても低ギヤ比であっても同じ目標圧縮比に設定されていた。急加速は、通常は低ギヤ比の状態で行われるが、この低ギヤ比での急加速の際にノッキング回避が可能な圧縮比の設定とする必要があるため、一般に急加速が行われない高ギヤ比の条件においては、少なくとも一部の運転領域（回転速度・負荷の領域）で最適圧縮比よりも低圧縮比の設定となってしまい、それだけ熱効率が低下し、燃費が悪化する、

そこで、この発明は、車両変速機のギヤ比を考慮して、より最適な圧縮比に制御するようにしたものである。

すなわち、この発明は、圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を備え、機関運転条件に応じた目標圧縮比に制御する可変圧縮比内燃機関の制御装置において、車両変速機のギヤ比に応じて、上記目標圧縮比を補正する補正手段を備えたことを特徴としている。

あるいは、車両変速機のギヤ比に応じた異なる特性の目標圧縮比マップを複数備え、実際のギヤ比に応じて、目標圧縮比マップを切り換えるようにしたものである。

そして、望ましくは、高ギヤ比における目標圧縮比の設定の方が、低ギヤ比における目標圧縮比の設定に比べて、高圧縮比となる回転速度・負荷の領域が、相対的に広いものとなっている。

本発明によれば、低ギヤ比での急加速の際のノッキングを確実に回避できると同時に、急加速が一般に行われない高ギヤ比での目標圧縮比をより高く設定することが可能となり、燃費の一層の向上が図れる。

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、この発明に係る内燃機関の可変圧縮比機構の一例を示す構成説明図であり、前述した特許文献１等により公知となっている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を示している。なお、この図は、ピストン−クランク機構のリンク構成を主に示しており、従って、各部材の寸法比等は一部誇張して描かれている。

この可変圧縮比機構は、ピストン３にピストンピン４を介して一端が連結されたアッパリンク５と、このアッパリンク５の他端に第１連結ピン１０を介して揺動可能に連結されるとともに、クランクシャフト１のクランクピン１１に揺動可能に連結されたロアリンク２と、一端が上記ロアリンク２に第２連結ピン９を介して連結されるとともに、他端が内燃機関本体（例えばシリンダブロック）に揺動可能に連結されて、ロアリンク２の自由度を規制するコントロールリンク６と、を備えている。上記ピストン３は、図示せぬシリンダ内を上下に摺動し、燃焼室を画成している。上記コントロールリンク６の他端は、詳しくは、シリンダブロック（図示せず）下部に配置したコントロールシャフト７の偏心カム８に揺動可能に支持されており、上記偏心カム８の回動位置によってコントロールリンク６下端の揺動支点位置が変化し、これに伴ってピストン３の上死点位置、ひいては圧縮比が変化する構成となっている。なお、上記クランクシャフト１は、図の時計回り方向に回転する。

上記ロアリンク２は、例えば、クランクピン１１の中心を通る平面に沿って２つの部品に２分割され、図示せぬボルトによって組み立てられている。なお、図中の太い実線は、いわゆるスケルトン図として各リンクを示したものである。

上記可変圧縮比機構による内燃機関の目標圧縮比は、機関の運転条件に応じて制御されるが、この実施例では、機関の回転速度と負荷とをパラメータとして最適な目標圧縮比を割り付けた目標圧縮比マップが予めコントロールユニット（図示せず）内に記憶されており、この目標圧縮比マップに基づいて目標圧縮比が設定される。そして、車両変速機のギヤ比を示す信号が上記コントロールユニットに入力され、このギヤ比に応じて、目標圧縮比が補正される。

図２は、ギヤ比に応じた目標圧縮比の特性の傾向を示したものであって、図示するように、回転速度と負荷（例えばアクセルペダル開度）をパラメータとして、目標圧縮比は、低速低負荷側で高圧縮比となり、高速高負荷側で低圧縮比となる。そして、高ギヤ比における目標圧縮比の設定の方が、低ギヤ比における目標圧縮比の設定に比べて、高圧縮比となる回転速度・負荷の領域が、相対的に広いものとなっている。なお、図２は、説明の単純化のために圧縮比を高・低の２段階で示しているが、より多段階に制御し得ることは言うまでもない。

すなわち、急加速は、最大トルクを発生する高回転域までエンジン回転速度をすばやく高めて加速性能を良くするために、通常は、変速機を低ギヤ比化してから行われる。そのため、急加速が行われる低ギヤ比時には、ノッキングを回避するために、比較的低い圧縮比設定とする必要がある。これに対し、高ギヤ比時には、通常は急加速を行わないため、急加速時のノッキング回避を考慮した圧縮比設定とする必要がない。そのため、高ギヤ比時の方が低ギヤ比時よりも相対的に高い圧縮比設定となるようにすることで、高ギヤ比時に燃費を一層向上することができる。そして、低ギヤ比時には、相対的に低い圧縮比設定とすることで、ノッキングを回避しつつ加速性能を高めることができる。

また、図４は、アクセルペダル開度θａが微小変化した場合の目標圧縮比の設定を説明するもので、図４に実線で示すように、所定時間ΔＴの間のアクセルペダル開度θａの変化量Δθａが所定量Δθ以下のときは、アクセルペダル開度θａに応じた圧縮比の変更を行わない。換言すれば、アクセルペダル開度θａの変化が無視され、圧縮比は一定に維持される。破線のように、アクセルペダル開度θａがより大きく変化すれば、このアクセルペダル開度θａつまり負荷の変化に応じて目標圧縮比も変化する。

すなわち、アクセルペダル開度θａの微小な変化に対応して圧縮比が最適になるように圧縮比制御をすると、圧縮比可変に要するアクチュエータの消費エネルギが増大してしまい、逆に燃費が悪化してしまう。そこで、アクセルペダル開度θａの変化量Δθａが所定量Δθ以下であるときには、アクセルペダル開度θａに応じて圧縮比が敏感に応答しないようにすることによって、アクチュエータの消費エネルギを低減することができる。例えば、ほぼ一定車速で走行しているときのアクセルペダル開度変化のように、運転者が意図しないアクセルペダル開度θａの多少のばらつきは、制御上、無視され、圧縮比は変化しない。これにより、圧縮比可変制御に要するエネルギ消費を低減することができ、燃費を向上することができる。なお、アクセルペダル開度θａの変化が大きい場合には、アクチュエータの駆動にエネルギを消費してでも圧縮比を最適化した方が燃費が向上することになる。

上記のようにアクセルペダル開度θａが微小変化するときの圧縮比変更を行うか否かの閾値となる上記の所定量Δθの値は、車両変速機のギヤ比に応じて変更することが望ましい。具体的には、図５に示すように、ギヤ比が大きいほど上記所定量Δθの値を大きく設定する。

すなわち、高ギヤ比となるのは、通常は高速定常走行の場合であり、この状態では、一定速度を維持するために路面の勾配に応じてエンジン負荷を増減できれば十分であり、さらに車速を上げるために急加速を行う必要性は少ない。そのため、高ギヤ比になるほど、アクセルペダル開度θａの変化に敏感に圧縮比を変化させる必要がなくなる。そこで、高ギヤ比になるほど所定量Δθの値を増大して圧縮比可変操作回数を減少することによって、アクチュエータの消費エネルギを低減できるとともに、ノッキングを回避しつつ高圧縮比状態を最大限に維持することによって燃費をより向上することができる。

図３のフローチャートは、上記のような車両変速機のギヤ比を考慮した圧縮比制御の流れを示したもので、まずステップ１で、そのときの圧縮比ε０、機関回転速度Ｎ０、ギヤ比Ｘ０、車速Ｖ０、アクセルペダル開度θａ、アクセルペダル開度変化量Δθａ、をそれぞれ検出する。ステップ２で、ギヤ比が大であるか判定し、高ギヤ比であれば、ステップ３へ進んで目標圧縮比を高圧縮比側へ補正し、かつステップ４で、閾値となる所定量Δθをより大きな値として設定した上で、ステップ５へ進む。

低ギヤ比であれば、ステップ２からそのままステップ５へ進むので、目標圧縮比は、目標圧縮比マップの値がそのまま用いられ、かつ所定量Δθは、相対的に小さな値となる。

ステップ５では、アクセルペダル開度θａの変化量Δθａが上記の所定量Δθよりも大きいか判定し、ＮＯつまり所定量Δθ以下であれば、アクセルペダル開度θａの変化を無視するものとし、圧縮比可変制御は行わない（ステップ６）。つまり、そのままの圧縮比に維持する。アクセルペダル開度θａの変化量Δθａが所定量Δθよりも大きければ、ステップ７へ進み、アクセルペダル開度θａの変化に応答して、圧縮比を可変制御する。

ところで、減速時を考慮すると、高ギヤ比時に低ギヤ比時よりも高い圧縮比に設定されていると、ポンピング損失が増大してエンジンブレーキが大きくなり、減速量が増大するため、慣性走行できる距離が減少してしまう。そこで、このような減速時に、内燃機関の有効圧縮比を同時に変化させることが好ましい。有効圧縮比を変化させる具体的な手段としては、例えば、内燃機関の吸気弁側の動弁装置に公知の可変動弁機構を設け、吸気弁の閉時期を、所謂早閉じもしくは遅閉じによって上死点側に近付けることにより、有効圧縮比を小さくすることが可能である。

すなわち、減速時に高ギヤ比に設定されるのは、エンジンブレーキを小さくして慣性走行できる距離を伸ばして燃費を向上したい場合であるが、この高ギヤ比時に高圧縮比に設定すると、ポンピング損失が増大してエンジンブレーキが大きくなる傾向となる。そこで、減速時に高ギヤ比に設定されるときは、上記の可変動弁機構によって吸気弁閉時期をより上死点側に移動して有効圧縮比を小さくし、ポンピング損失を低減してエンジンブレーキを小さくする。これにより、減速時の慣性走行距離が伸び、燃費を向上することができる。

また、減速時に高ギヤ比でかつ燃料カット中には、燃焼安定限界を超える領域まで有効圧縮比を低下させることで、さらにポンピング損失を低減することができる。そして、燃焼再開時には、高圧縮比時の燃焼安定性を利用して、わずかな有効圧縮比増加（吸気弁閉時期の下死点側への変更）でもって、すばやく安定燃焼に復帰することが可能である。一方、減速時に低ギヤ比の設定であれば、燃焼安定性が悪化するため、燃焼限界を超える領域まで有効圧縮比を低下させることはできないが、反対に、減速時に低ギヤ比に設定されるのは、エンジンブレーキを使って減速量を大きくしたい場合であるので、有効圧縮比を大きくした方が良い。図６に、減速時におけるギヤ比と目標圧縮比（機械的圧縮比）および有効圧縮比との関係を示したように、ギヤ比が大きいほど、機械的圧縮比は高く、かつ有効圧縮比は低く制御される。

図７は、上記の有効圧縮比の可変制御に利用される可変動弁機構の一例を示している。この可変動弁機構は、例えば特開平１０−１８４４０４号公報等によって公知となっているので、その概要のみを説明する。

この可変動弁機構６１は、内筒６２，外筒６３，ピストン６４等を主体として構成されており、カムシャフト６５の前端に、内筒６２が取付ボルト６６を介して固着され、この内筒６２の外周側に、カップ状の外筒６３が一定角度相対回転可能に嵌合されている。上記外筒６３には、タイミングベルトとかみ合うスプロケット部６３ａが設けられている。また、内筒６２と外筒６３との間にはリング状のピストン６４が設けられ、このピストン６４はヘリカル状の螺条を介して内筒６２の外周面と外筒６３の外周面とにそれぞれ噛合している。さらに、ピストン６４は、リターンスプリング６７により前方に向けて常時付勢されており、このばね力に対抗すべく、ピストン６４の前面と外筒６３の蓋部裏面との間に油圧室６８が環状に画成されている。そして、この油圧室６８は、取付ボルト６６内の油通路６９とカムシャフト６５内部を通る油通路７０を介して、その制御用油圧回路に接続されている。

すなわち油通路７０等を介して油圧室６８内に油圧が供給されると、ピストン６４が軸方向に移動し、この軸方向の運動が内筒６２と外筒６３との相対回転運動に変換される。このため、図示せぬ吸気弁を開閉駆動するカムシャフト６５とクランクシャフトとの位相が所定量だけ変化する。従って、所定の角度範囲以内で、吸気弁のバルブリフト特性の位相を連続的に変化させることができ、吸気弁閉時期を遅進させることができる。

なお、上記の例に限らず、種々の形式の可変動弁機構によって内燃機関の有効圧縮比を変化させることが可能である。

この発明に適用される可変圧縮比機構の一例を示す構成説明図。 低ギヤ比における目標圧縮比の特性と高ギヤ比における目標圧縮比の特性とを対比して示す特性図。 圧縮比制御の処理の流れを示すフローチャート。 アクセルペダル開度θａの微小変化に対する圧縮比の変化を示すタイムチャート。 ギヤ比と所定量Δθとの関係を示すタイムチャート。 ギヤ比と機械的圧縮比および有効圧縮比との関係を示す特性図。 有効圧縮比を変える可変動弁機構の一例を示す断面図。

符号の説明

１…クランクシャフト
２…ロアリンク
３…ピストン
５…アッパリンク
６…コントロールリンク
７…コントロールシャフト

Claims (2)

1. 圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を備え、機関運転条件に応じた目標圧縮比に制御する可変圧縮比内燃機関の制御装置において、
   車両変速機のギヤ比に応じて、上記目標圧縮比を補正する補正手段と、内燃機関の有効圧縮比を変更する可変動弁機構と、を備え、
   上記補正手段は、高ギヤ比における目標圧縮比の設定の方が、低ギヤ比における目標圧縮比の設定に比べて、高圧縮比となる回転速度・負荷の領域が、相対的に広くなるように補正を行い、
   上記可変動弁機構は、減速時には、高ギヤ比の方が低ギヤ比よりも有効圧縮比が小さくなるように制御し、かつこの減速時に高ギヤ比でかつ燃料カット中のときは燃焼安定限界を超える領域まで有効圧縮比を低下させることを特徴とする可変圧縮比内燃機関の制御装置。
2. 圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を備え、目標圧縮比マップに基づき機関運転条件に応じた目標圧縮比に制御する可変圧縮比内燃機関の制御装置において、
   車両変速機のギヤ比に応じた異なる特性の目標圧縮比マップを複数備え、これらの目標圧縮比マップは、高ギヤ比における目標圧縮比の設定の方が、低ギヤ比における目標圧縮比の設定に比べて、高圧縮比となる回転速度・負荷の領域が、相対的に広い特性となっており、実際のギヤ比に応じて、目標圧縮比マップを切り換えるとともに、
   内燃機関の有効圧縮比を変更する可変動弁機構をさらに備え、減速時には、高ギヤ比の方が低ギヤ比よりも有効圧縮比が小さくなるように制御し、かつこの減速時に高ギヤ比でかつ燃料カット中のときは燃焼安定限界を超える領域まで有効圧縮比を低下させることを特徴とする可変圧縮比内燃機関の制御装置。

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