JP4438368B2 - 可変圧縮比エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、過給圧及び圧縮比を可変制御するエンジンにおいて吸気量を制御する技術に関する。

エンジンは圧縮比を高くするほど燃料消費率が向上するが、高負荷運転時にノッキングが発生しやすくなる。そこで、圧縮比を可変とし得るエンジンにおいて、低負荷運転時に高圧縮比とし、高負荷運転時時に低圧縮比とすることによって、ノッキングを発生させずに燃料消費率を向上させようとしたものがある（特許文献１参照）。
特開平7−２２９４３１号公報

しかしながら、前記従来例の場合、例えば、アクセル開度をステップ的に増加させて、定常走行状態から加速走行状態に移行した場合、シリンダに吸入される空気量は、アクセル操作に対して、通常０．１秒程度の遅れで応答する。一方、圧縮比はノッキングを回避するために減少するが、その応答は、可変圧縮比の機構にもよるが、一般的には吸気量の応答に比べて遅い。

このような場合、吸気量は定常的なレベルに到達しているにも関わらず、圧縮比は、まだ下がりきっていないという状態が過渡的に発生し、ノッキングが生じる可能性があるという問題があった。

このような問題に対し、本願出願人は、実圧縮比に基づいて、ノッキングしない範囲の上限負荷を求め、この範囲内で制御されるようにスロットルを操作する、という方法を開発したが、この方法は、過給機を備えて吸気過給を行うものには対応していなかった。

本発明は、上記課題に着目してなされたもので、過給機を備えたエンジンにおいて、吸気量を過給圧の状態に関わらず、常に、上限範囲内に制御することにより、ノッキングの発生を確実に抑制できるようにすることを目的とする。

このため本発明は、エンジン運転状態に基づいて設定される目標吸気量を、実圧縮比で設定される上限吸気量で制限すると共に過給圧によって補正し、該補正した目標吸気量に基づいてスロットル開度を操作する構成とした。

このようにすれば、エンジン運転状態に基づいて設定される基本的な目標吸気量を、実圧縮比から求められる上限吸気量で制限し、さらに過給圧によって補正することで、過給圧に影響されることなく、上限吸気量を超えない範囲で要求値を満たす実吸気量を得られるように、スロットル開度が操作されて、ノッキングを確実に防ぎながら要求性能を得ることができる。

図１は、実施形態における可変圧縮比機構付きエンジンのシステム構成図である。

エンジン１の吸気通路５５のコンプレッサ５３上流には、吸入空気量を検出するエアフロメータ２が配置され、コンプレッサ５３の下流に介装されるインタークーラ３の下流側に、過給圧を検出する過給圧センサ４が配置されている。

また、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ５と、ドライバにより操作されるアクセル開度を検出するアクセル開度センサ６と、エンジン水温を検出する水温センサ７と、ノッキングを検出するノッキングセンサ８と、スロットル弁９の開度を検出するスロットル開度センサ１０と、インタークーラ３出口部で吸気温を検出する吸気温センサ６０の他、後述する可変圧縮比機構１００の制御軸４２の回転量，軸方向位置等によって実圧縮比を検出する圧縮比センサ６１と、を備えており、これらのセンサ類の検出信号及びバッテリ電圧ＶＢの信号が、エンジンコントロールモジュール（ＥＣＭ）１１に入力される。

前記エンジン１は、吸気を過給する過給機としてターボ過給機５１を備えている。

このターボ過給機５１は、排気通路５４に位置するタービン５２と吸気通路５５に位置するコンプレッサ５３とを同軸状に配置した構成であり、運転条件に応じて過給圧を制御するために、タービン５２の上流側から排気の一部をバイパスさせる排気バイパス弁５６を備えている。

エンジン１の吸気ポート部には、各気筒毎に燃料噴射弁１６が設けられ、該燃料噴射弁１６から噴射される燃料によって、燃焼室内に混合気が形成される。

前記燃焼室内に形成された混合気は、点火栓１７による火花点火によって着火燃焼し、燃焼排気は、前記タービン５２に回転エネルギーを与えた後、触媒１９で浄化され、マフラー２０を介して排気中に放出される。

また、本実施形態のエンジン１には、図２に示す構成の可変圧縮比機構１００が備えられている。

エンジン１のクランク軸３１は、複数のジャーナル部３２とクランクピン部３３とカウンタウエィト部３１ａとを備えており、図示せぬシリンダブロックの主軸受に、ジャーナル部３２が回転自在に支持されている。

上記クランクピン部３３は、ジャーナル部３２から所定量偏心しており、ここにロアーリンク３４が回転自在に連結されている。

上記ロアーリンク３４は、略中央の連結孔に上記クランクピン部３３が嵌合している。

アッパーリンク３５は、下端側が連結ピン３６によりロアーリンク３４の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン３７によりピストン３８に回動可能に連結されている。

上記ピストン３８は、燃焼圧力を受け、シリンダブロックのシリンダ３９内を往復動する。

制御リンク４０は、上端側が連結ピン４１によりロアーリンク３４の他端に回動可能に連結され、下端側が制御軸４２を介してエンジン本体例えばシリンダブロックの適宜位置に回動可能に連結されている。

詳しくは、制御軸４２は、小径部４２ｂを中心として回転するようにエンジン本体に支持されており、この小径部４２ｂに対し偏心している大径部４２ａに、上記制御リンク４０下端部が回転可能に嵌合している。

上記のような可変圧縮比機構１００においては、上記制御軸４２がアクチュエータ４３によって回動されると、小径部４２ｂに対して偏心している大径部４２ａの軸中心位置、特に、エンジン本体に対する相対位置が変化する。

これにより、制御リンク４０の下端の揺動支持位置が変化する。

そして、上記制御リンク４０の揺動支持位置が変化すると、ピストン３８の行程が変化し、ピストン上死点（ＴＤＣ）におけるピストン３８の位置が高くなったり低くなったりする。

これにより、エンジン圧縮比を吸気行程中においても変えることが可能となる。

かかる構成のエンジンにおいて、前記ＥＣＵ１１は、各種エンジン制御（燃料噴射制御、点火制御等）と共に、前記可変圧縮比機構による圧縮比の制御及びこれにより制御される実圧縮比に応じた前記スロットル弁９の開度制御を以下のように実行する。

図３は、前記スロットル弁制御の第１実施形態の制御ブロック、図４は、該スロットル弁制御における第１目標吸気量演算の制御ブロック、図５は同じく目標スロットル開度演算の制御ブロック、図６〜図８は、図３〜図５に対応するフローを示す。

スロットル弁制御のメインフローを示す図６において、ステップ１では、アクセル開度とエンジン回転速度とに基づいて、図９に示したマップにより目標圧縮比を設定する。具体的には、アクセル開度が大きくなるほどノッキング発生傾向が増大するのでノッキング抑制のため目標圧縮比を小さくするが、高回転領域では充填効率が低下するので少し目標圧縮比を大きめに設定する。

ステップ２では、設定された目標圧縮比となるように前記可変圧縮比機構を駆動する。

ステップ３では、アクセル開度とエンジン回転速度とに基づいて、第２目標吸気量を算出する。

目標吸気量が後述する最終的な第２上限吸気量を超えない場合に、アクセル開度とスロットル開度を同じ値にするには、目標吸気量の演算と、目標スロットル開度の演算とは、相互に逆変換の関係となっている必要がある。しかしながら、スロットル開度と吸気量の関係は、低開度側の感度は高いのに対して、高開度側では著しく減少するという、非線形性の強い関係となっている。このため、例えば、目標吸気量演算部と、目標スロットル開度演算部とを、自動車用ＥＣＵのＣＰＵで実現できる現実的な有限格子数で設定したマップとして与えた場合、上述の強い非線形性によって、精度良く逆変換できないという場合がある。この場合、定常的なアクセル開度とスロットル開度が一致しないことによって、本来、実現したいエンジントルクが実現できないことによって、運転性が悪くなる可能性がある。

そこで、本実施形態では、図７のフローチャートに示す正規化処理を行う。これにより、低開度側と高開度側との感度を均一化でき、ＣＰＵの演算能力範囲内で、理想的な逆変換を行うことができる。

図７において、ステップ１１では、アクセル開度を図１０に示す特性マップによりスロットル弁９の第１開口面積に変換する。

ステップ１２では、前記第１開口面積を、排気量（総行程容積）とエンジン回転速度とで除算して第１正規化開口面積を算出する。

ステップ１３では、前記第１正規化開口面積を、図１１に示す特性マップにより第１吸気量比に変換して算出する。

ステップ１４では、前記第１吸気量比及びエンジン回転速度に基づいて、図１２に示す特性マップにより、運転者の要求するエンジントルクに相当する第１目標吸気量を、平衡過給圧（該第１目標吸気量を実現するエンジン定常運転状態での過給圧）で補正した第２目標吸気量を算出する。なお、吸気量比とは、その開口面積における吸気量の、スロットル全開時の最大吸気量に対する比として表した量である。ここで、第２目標吸気量は、過給を行って得られる定常状態での第１目標吸気量を同一のスロットル開度に維持したまま、過給を停止して大気圧状態としたときの吸気量に変換した値であり、第２目標吸気量に変換することで、過給圧制御に関係なく所望の吸気量（第１目標吸気量）を得るスロットル開度に制御することができる。

ステップ４では、圧縮比センサ６４によって検出された実圧縮比に基づいて、図１３に示す特性マップにより第１上限吸気量を設定する。具体的には、圧縮比が大きくなるほどノッキング発生傾向が増大するので、ノッキング抑制のため第１上限吸気量を小さく設定する。

ステップ５では、前記第１上限吸気量を、前記過給圧センサ４によって検出される実過給圧の大気圧に対する増圧比（過給圧／大気圧）により、次式のように補正して第２上限吸気量を算出する。

Qa.up2＝Qa.up1/(Pcom/Pa)
Qa.up2:第２上限吸気量
Qa.up1: 第１上限吸気量
Pcom:実過給圧
Pa:大気圧
ここでも、上記実過給圧による補正を行うことで、実過給圧に関係なく、スロットル開度で吸気量を所望の上限値（第１上限吸気量）に制限することができる。

ステップ６では、前記第２目標吸気量と第２上限吸気量のうち、小さい方を第３目標吸気量として選択する。つまり、第２目標吸気量の上限を制限して第３目標吸気量とする。

ステップ７では、前記３目標吸気量とエンジン回転速度とから目標スロットル開度を算出する。具体的には、図８のフローチャートに従って算出する。

ステップ２１では、前記第３目標吸気量とエンジン回転速度とに基づいて、図１４に示した特性マップにより第２吸気量比を求める。

ステップ２２では、前記第２吸気量比とエンジン回転速度とに基づいて図１５に示した特性マップから第２正規化開口面積を算出する。

ステップ２３では、前記第２正規化開口面積に排気量（総行程容積）とエンジン回転速度とを乗算して、目標スロットル開口面積を算出する。

ステップ２４では、目標スロットル開口面積を、図１６に示した特性テーブルから目標スロットル開度に変換する。

図２に戻って、ステップ８では、上記にようにして算出された目標スロットル開度となるようにスロットル弁を操作する。

このようにすれば、実吸気量が、実圧縮比から求めたノッキングしない範囲での第１上限吸気量を超えないように、スロットル開度が操作されるので、ノッキングを確実に防止することができる。

また、前記第１上限吸気量を実過給圧によって補正した第２上限吸気圧によって、前記第２目標吸気量を制限することにより、過給圧の状態に関わらず、通常のスロットル開度制御で、第１上限吸気量を超えない範囲で第１目標吸気量を得て要求性能を満たすことができる。

図１７は、上記第１実施形態の加速時における動作を示す。

また、前記可変圧縮比機構として、ピストンに連結するリンク機構によって圧縮比を可変とする高精度ではあるが要求駆動力が大きいため遅れの大きな機構に適用することにより、本発明の効果をより顕著に得られる。

本発明に係る吸気制御装置を備えたエンジンのシステム構成図。 同上装置の可変圧縮比機構を示す図。 第１実施形態の制御ブロック図。 同じく第２目標吸気量演算のブロック図。 同じく目標スロットル開度演算のブロック図。 同じく制御のメインフローを示すフローチャート。 同じく目標スロットル開度演算のフローチャート。 同じく目標スロットル開度演算のフローチャート。 同じくアクセル開度とエンジン回転速度とから目標圧縮比を求める特性マップ。 同じくアクセル開度から第１スロットル開口面積を求める特性マップ。 同じく第１正規化開口面積から第１吸気量比を求める特性マップ。 同じく第１吸気量比から第２目標吸気量を求める特性マップ。 同じく実圧縮比から第１上限吸気量を求める特性マップ。 同じく第２目標吸気量から第２吸気量比を求める特性マップ。 同じく第２吸気量比から第２正規化開口面積を求める特性マップ。 同じく目標スロットル開口面積から目標スロットル開度を求める特性マップ。 第１実施形態の作用・効果を示すタイムチャート。

符号の説明

１…エンジン
５…クランク角センサ
７…水温センサ
１０…スロットル開度センサ
１１…エンジンコントロールモジュール
１６…燃料噴射弁
３４…ロアーリンク
３５…アッパーリンク
４０…制御リンク
４２…制御軸
４３…アクチュエータ
６１…圧縮比センサ
１００…可変圧縮比機構

Claims (4)

1. スロットル開度を可変とするスロットル弁と、吸気を過給する過給機と、エンジンの圧縮比を可変とする可変圧縮比機構と、を備えた可変圧縮比エンジンの制御装置であって、
   エンジン運転状態に基づいてエンジンの目標圧縮比を設定する目標圧縮比設定手段と、
   前記設定した目標圧縮比に従って圧縮比を操作する圧縮比操作手段と、
   圧縮比を検出する圧縮比検出手段と、
   過給圧を検出する過給圧検出手段と、
   エンジン運転状態に基づいて、運転者の要求するエンジントルクに相当する第１目標吸気量を、エンジン運転状態での平衡過給圧によって補正した第２目標吸気量を演算する第２目標吸気量演算手段と、
   前記圧縮比検出手段によって検出される実圧縮比に基づいて、実現可能な吸気量の上限である第１上限吸気量を設定する第１上限吸気量設定手段と、
   前記第１上限吸気量を、前記過給圧検出手段で検出された実過給圧によって補正した第２上限吸気量を設定する第２上限吸気量設定手段と、
   前記第２目標吸気量を、前記第２上限吸気量で制限して第３目標吸気量を演算する第３目標吸気量演算手段と、
   前記第３目標吸気量に基づいて、目標スロットル開度を演算する目標スロットル開度演算手段と、
   前記目標スロットル開度に従ってスロットル開度を操作するスロットル開度操作手段と、
   を含んで構成したことを特徴とする可変圧縮比エンジンの制御装置。
2. 前記第２目標吸気量演算手段は、
   アクセル開度に対応する第１スロットル開口面積を演算する演算手段と、
   前記第１スロットル開口面積とエンジン回転速度とに基づいて、第１正規化開口面積を演算する手段と、
   前記第１正規化開口面積に基づいてスロットル全開時の吸気量に対する実現したい吸気量の比に相当する第１吸気量比を演算する手段と、
   前記第１吸気量比とエンジン回転速度とに基づいて前記第２目標吸気量を演算する手段と、
   からなることを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比エンジンの制御装置。
3. 前記目標スロットル開度演算手段は、
   第３目標吸気量とエンジン回転速度とに基づいて、第２吸気量比を演算する手段と、
   第２吸気量比から、第２正規化開口面積を演算する手段と、
   第２正規化開口面積とエンジン回転速度から、目標スロットル開口面積を演算する手段と、
   前記目標スロットル開口面積に基づいて目標スロットル開度を演算する手段と、
   からな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エンジンの制御装置。
4. 前記圧縮比操作手段は、ピストンにピストンピンを介して連結された第１リンクと、この第１リンクに揺動可能に連結されるとともにクランクシャフトのクランクピン部に回転可能に連結された第２リンクと、前記第２リンクに揺動可能に連結されるとともにエンジン本体に揺動可能に支持された第３リンクと、を含んで構成されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の可変圧縮比エンジンの制御装置。

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