JPH0784862B2 - 可変圧縮比内燃機関の点火時期制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は圧縮比を運転条件に応じて可変とした内燃機
関における点火時期制御装置に関する。

〔従来の技術〕

オットーサイクル内燃機関においては圧縮比を上げると
燃焼効率が向上し燃料消費率を改善できると共に、出力
を高くすることができる。しかし、圧縮比を高くすると
ノッキングが発生し易くなる。そこで、ノッキングが発
生しない範囲で圧縮比を可能な限り高くすることが行わ
れる。圧縮比が変わると点火時期の要求値も変わるた
め、圧縮比に応じて点火時期の制御が実行される。ここ
に、圧縮比を可変とする方式としては、色々あるがピス
トンのストローク自体を機械的に変えるものがある（例
えば特開昭58−91340号参照）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ピストンのストロークを機械的に変えることにより圧縮
比を可変とするものでは、油圧機構等によって駆動され
るのが普通である。これに対して、点火時期は純粋に電
気的制御であるため、圧縮比を変える機構と比較して応
答が速い。そのため、圧縮比を変える場合に点火時期は
直ぐ切り替わるが圧縮比の切替えは遅れ、点火時期が圧
縮比と適合しないことが過渡状態では発生する。そのた
め、ノッキングが発生したり、運転性が不良となったり
する問題点がある。

この発明は圧縮比を可変とする内燃機関において圧縮比
の切替え時に点火時期の切替えとの適合を図ることにあ
る。尚、この発明の関連技術として特開昭60−230522号
がある。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明によれば、第１図に示すように、内燃機関１は
機関運転条件に応じて圧縮比を可変とする圧縮比制御機
構２を備える。この発明の内燃機関の点火時期制御装置
は機関の最大燃焼圧力を検知する圧力検知手段３と、可
変圧縮比制御機構２により制御される夫々の圧縮比にお
いて最適な点火時期で点火されているか否かの指標とな
る燃焼圧力のピークを呈するクランク角度の基準値を算
出する手段４と、燃焼圧力の実際のピークにおけるクラ
ンク角度の値を検出する手段５と、ピーク時のクランク
角度の基準値と実測値との比較により制御すべき点火時
期を算出する手段６と、算出された点火時期で点火を行
わせる点火時期制御手段７とから構成される。

〔作 用〕

ピーク値検出手段５は、燃焼圧力がピークを呈するとき
のクランク角度の実測値を検出する。一方、基準値算出
手段４は、制御されている圧縮比に適した点火時期で制
御されているか否かの指標となる燃焼圧のピーク時のク
ランク角度の基準値を演算する。点火時期算出手段６
は、現在のピーク位置と設定されたピーク位置との比較
により圧縮比がそのままか切り替わったか否か判別す
る。点火時期制御手段７による点火時期は圧縮比に応じ
て制御される。

〔実施例〕

第２図において、10は４気筒の内燃機関の本体、12は燃
焼室、14は点火栓、16は吸気管、18はエアフローメータ
を示す。19はディスリビュータである。

第３図は一つの気筒のエンジン縦方向断面を詳細に示し
ており、20はシリンダブロック、21はシリンダヘッド、
22はピストン、23はコネクティングロッド、24はピスト
ンピン、25はクランク軸を示している。

この内燃機関は以下説明する圧縮比の可変機構を有して
いる。即ち、コネクティングロッド23の上端に形成され
る開口23aに偏心ベアリング27が嵌合され、この偏心ベ
アリング27にピストンピン24が挿通される。偏心ベアリ
ング27は円周方向に肉厚が変化している。偏心ベアリン
グ27の肉厚が一番厚い部分には半径方向のロックピン係
合孔28が形成される。一方、偏心ベアリング27を収納す
るコネクティングロッド23の上端の開口23aには半径方
向にロックピン収納孔29が開口される。偏心ベアリング
27のロックピン係合孔28と、コネクティングロッド23の
上端のロックピン収納孔29とは、偏心ベアリングがその
肉厚が最も厚い部分がコネクティングロッド軸線の下方
を向いた図示の位置では、相互に芯合している。ロック
ピン30はロックピン収納孔29に嵌合され、ロックピン係
合孔28に対して出没自在となっている。

ロックピン30をロックピン係合孔28に出没させるため２
系統の油圧通路が設置される。即ち、コネクティングロ
ッド23の下端のクランク軸25が挿通される開口23dの内
面に弓状の油溝31,32が円周方向に間隔をおいて二つ形
成される。一方の油溝31はコネクティングロッド23内の
油孔23eを介してロックピン収納孔29の下部に連通され
る。他方の油溝32は、前記油孔23eとは独立にコネクテ
ィングロッド23に形成された油孔23fを介してコネクテ
ィングロッド上端の開口23aの内周面の弓状油溝34に開
口し、この弓状油溝34は偏心ベアリング27に形成される
半径方向孔27bを介してロックピン係合孔28の上部に連
通される。

クランク軸25に油孔25aが形成され、この油孔25aの一端
25a−１はコネクティングロッド下端の開口23dのところ
まで延設されている。そのため、クランク軸25の回転時
油孔25aは油溝31,32に交互に連通される。油孔25aの他
端25a−２はシリンダブロック20のジャーナル部材20′
の開口20aのところまで延設される。この開口20aの部分
にも前記と同様な二つの独立した角度方向の弓状油溝3
7,38が形成され、クランク軸25の回転中に油孔25aは油
溝37,38に交互に連通されることになる。そして、油孔2
5の位置は次のように設定される、即ち、クランク軸25
の回転中に油孔25aはジャーナル部の油溝37とコネクテ
ィングロッドの油溝31との連通と、ジャーナル部の油溝
38とコネクティングロッドの油溝32との連通とを交互に
行なう。

油溝37,38はシリンダブロック20内に形成される油孔20
b,20cを介して高圧縮比用オイル通路40と、低圧縮比用
オイル通路41とに連通される。

第２図において、高圧縮比用オイル通路40の入口40a及
び低圧縮比用オイル通路41の入口41aは油圧配管43,44を
介してソレノイド駆動の油圧切替弁45に接続される。油
圧切替弁45は高圧縮比用オイル通路40又は低圧縮比用オ
イル通路41に選択的にオイルポンプ46からの油圧を供給
するものである。47はオイルタンクである。油圧切替弁
45は後述する制御回路によって次のように駆動される。
ソレノイド45aが消磁されているときは、オイルポンプ4
6からの油圧は配管43を介して高圧縮比用オイル通路40
に導入され、一方低圧縮比用オイル通路41は配管44を介
してオイルタンク47に連通される。そのため、油圧は油
孔20b（第４図）より、ジャーナル部20′の油溝37がク
ランク軸25内の油孔25aによってコネクタティングロッ
ド23の油溝31に連通したときに、コネクティングロッド
23内の油孔23eよりロックピン30の下端に作用する。一
方、ロックピン30の上端の油圧は次の経路でオイルタン
ク47に抜ける。即ち、ロックピン係合孔28は、油孔27b,
23fを介して、コネクティングロッド23の油溝32がクラ
ンク軸25の油孔25aによってジャーナル部の油溝38に連
通したとき、油孔20cに連通され、ここより通路41を介
し、配管44及び切替弁45を経てタンク47に連通される。
このように、ロックピン30の下端に油圧が作用し、上端
は圧力が抜かれるため、ロックピン30はロックピン係合
孔28に向かって上方に付勢され、同孔28に嵌合されるに
至り、ロックピン30によってこの状態に保持される。こ
の状態では、偏心ベアリング27の最大偏心部は下側の位
置をとるため、ピストンピン24の位置は相対的に高くな
り、これはコネクティングロッド23の有効長が大きくな
ることから高圧縮比が設定される。

低圧縮比を選定すべきときには油圧切替弁45のソレノイ
ド45aが励磁される。すると、油圧ポンプ46は今度は配
管44を介して低圧縮比用油圧通路41に連通され、一方高
圧縮比用油圧通路40は配管43を介してオイルタンク47に
連通される。低圧縮比用油圧通路41に導入された油圧は
油孔20cを介し、油溝38がクランク軸の油孔25aによって
油溝32に連通されたとき、コネクティングロッドの油孔
23fに連通され、油孔27bを経てロックピン係合孔28より
ロックピン30の上面に作用する。一方、ロックピン収納
孔29の油圧は、油孔23eより、油溝31が油孔25aによって
油溝37に連通されたときに、油孔20bに連通され、ここ
から配管43及び油圧切替弁45を介してオイルタンク47に
油圧が抜ける。このようにして、ロックピン30の上端に
油圧が働き下端は減圧されるため、ロックピン30は下降
してロックピン係合孔28から抜ける。かくして、偏心ベ
アリング27は、最も力が加わる上死点の付近では、その
安定状態ある、最大の偏心部が上側に位置にする。かく
して、ピストンピン24の位置は相対的に下降し、これは
有効なコネクティングロッドの長さを小さくし、その結
果圧縮比は小さい設定になる。

以上のように、この実施例では偏心ベアリング27を設
け、ロックピン30を係脱自在とすることで所望の高低の
圧縮比を得ることができる。尚、圧縮比の制御機構はこ
の実施例に限定されず、他の公知の機構とすることがで
きる。

この発明によれば、エンジンの運転条件を検知すること
により最適な圧縮比となるように可変圧縮比機構を駆動
するとともに、現在の圧縮比を検知することにより点火
時期を制御する制御回路50が設置される（第２図）。こ
の制御回路50はマイクロコンピュータシステムとして構
成され、中央処理装置（CPU）51と、リードオンメモリ
（ROM）52と、ランダムアクセスメモリ（RAM）53と、入
出力ポート54と、A/D変換器55と、これらの要素間を接
続するバス57とより成る。

エンジン運転条件を検知するため次のようなセンサ群が
設けられる。ディストリビュータ19に第１クランク角セ
ンサ56、第２クランク角センサ57が設けられる。第１ク
ランク角センサ56はディストリビュータ軸19a上の検知
片58と対面設置されて、クランク軸15の、例えば30゜毎
のパルス信号NEを発生し、これはエンジン回転数を知る
のに利用される。第２のクランク角センサ57はディスト
リビュータ軸19a上の検知片59に対面設置され、クラン
ク角軸15の、例えば720゜毎にパルス信号Ｇを発生し、
これは基準信号となる。

前述したエアフローメータ18はエンジンに導入される吸
入空気量に応じたアナログ信号Ｑを発生する。

各気筒の燃焼室12に燃焼圧力センサ61が設置され（第３
図参照）、同センサ61は各気筒の燃焼圧力に応じたアナ
ログ信号Ｐを発生する。

パルス信号を発生する第１クランク角センサ56及び第２
クランク角センサ57は入出力ポート54に接続され、NE信
号及びＧ信号が所定のタイミングで入力される。一方、
アナログ信号を発生するエアフローメータ18及び各気筒
の燃焼圧力センサ61はA/D変換器55に接続され、各セン
サからの信号は順次A/D変換処理によって入力される。

制御回路50は各センサによって検知された運転条件に基
いて必要な演算を実行し、圧縮比制御信号及び点火信号
を入出力ポート54より出力する。点火制御装置66は点火
制御回路（イグナイタ）とイグニッションコイルとより
成り、点火制御回路は入出力ポート54に接続され、点火
信号を受け取るよになっている。一方、イグニッション
コイルはディストリビュータ19の中央電極に接続され、
分配軸19aの回転に従って各気筒の点火栓14に高電圧が
分配される。入出力ポート54はさらに油圧切替弁45のソ
レノイド45aに接続され、圧縮比制御信号に応じて圧縮
比の切替え制御が実行される。

以下制御回路50の作動をフローチャートによって説明す
る。この作動を実現するためのプログラムはROM52の所
定領域に格納されている。第５図は圧縮比の制御ルーチ
ンを示している。このルーチンは所定時間間隔毎に実行
される時間割り込みルーチンとすることができる。ステ
ップ70ではエンジン回転数NE及びエンジン負荷代表値で
ある吸入空気量−回転数比Q/NEが入力される。エンジン
回転数NEは第１クランク角センサ56からのクランク角30
゜毎のパルス信号の間隔より周知の方法で演算され、吸
入空気量−回転数比Q/NEも別ルーチンで計算されている
ものとする。

ステップ71ではエンジン回転数NE及び吸入空気量−回転
数比Q/NEより設定すべき圧縮比が決定される。即ち、RO
M52の所定領域には回転数NEと吸入空気量−回転数比Q/N
Eとの組合せに対する高低のどちらの圧縮比を設定する
かのマップがある。CPU51は入力された実測NE及びQ/NE
より所望の圧縮比を選定することになる。

ステップ72ではステップ71で決定された圧縮比が高圧縮
比か否か判定される。選定すべき圧縮比が高圧縮比のと
きはステップ71よりステップ73に進み、入出力ポート54
より油圧切替弁45のソレノイド45aに加わる信号レベル
はOFFとなる。そのため、油圧切替弁45は第２図におけ
る右側位置をとり、高圧縮比用油圧通路40の入口40aに
油圧を供給し、低圧縮比用油圧通路41の入口41aはタン
ク47に連通される。そのため、前述したようにロックピ
ン30は上昇付勢され、ロックピン30はロックピン係合孔
28に係合し、偏心ベアリング27はその最大偏心部が下側
を向いた位置に保持され、コネクティングロッド23の有
効長が大きくなり、圧縮比は大きく設定される。

マップサーチの結果、選択すべき圧縮比が低圧縮比のと
きはステップ72よりステップ74に進み、出力ポート54よ
り油圧切替弁45のソレノイド45aにON信号が印加され
る。そのため、切替弁45は第２図の左側位置を取り、低
圧縮比用オイル通路41の入口41aに油圧が供給され、高
圧縮比用オイル通路40aはタンク47に連通される。その
ため、ロックピン30は下降付勢され、ロックピン係合孔
28より離脱される。その結果、偏心ベアリング27は拘束
状態から外れ、安定状態である最大偏心部が上側に位置
する。かくして、コネクティングロッド23の有効長が短
縮され、圧縮比は小さく設定される。

第６図は燃焼圧力がピークを呈するクランク角度を検出
するためのルーチンである。このクランク角度は例えば
１度毎のクランク角度毎に実行され、図示しないが１度
CA毎にパルス信号を発生するセンサを備える。ステップ
100では、これから燃焼行程に入る気筒の判別を行う。
即ち、第８図（イ）〜（ニ）に示すように気筒判別フラ
グn₁〜n₄が夫々の気筒で燃焼ピークを呈する圧縮上死点
後のクランク角度を挟んだ180度CAのクランク角度領域
において立てられ、燃焼行程中の気筒を知ることができ
る。ステップ102では、＃１気筒（n₁＝１）か否か判別
される。＃１気筒のときはステップ104に進み、それ以
外のときは夫々の気筒毎に設けられた図示しない同様な
ルーチンに進む。ステップ104ではカウンタＣがインク
リメントされる。このカウンタＣは、第８図（ホ）のよ
うにフラグn₁が立っている間１度CA毎に１づつ増加さ
れ、これから燃焼を行う気筒の現在のクランク角度位置
を代表する値となる。ステップ106では圧力センサ61か
らの信号のAD変換値がＰ燃焼圧力としてＰに入れられ
る。ステップ108ではＰがこの燃焼行程でのいままでの
燃焼圧測定値の最大か否か判別される。最大値のときは
ステップ110に進み、現在のＣの値が燃焼圧ピークを呈
するときのクランク角度データを格納する領域であるA_P
に入れられ、新規な値に更新される（第８図（リ））。
このようにして、この燃焼での燃焼ピークX₁（第８図
（ワ））を呈するクランク角度を各気筒について知るこ
とができる。他の気筒についてもステップ104〜110と同
様な処理が行われ、最大燃焼圧を生ずるクランク角度値
A_Pが順次更新され（（ヌ）〜（オ））、ピーク時X₂〜X₄
での値がメモリに格納される。

第７図は点火時期制御ルーチンを示しており、このルー
チンはこれから点火すべき気筒の点火時期より手前のTD
Cよりの角度XA（第９図（イ）参照）のクランク角度を
クランク角度センサ56,57によって検知することにより
実行開始されるクランク角割り込みルーチンである。ス
テップ120では、第６図のステップ110で知ったその気筒
の前回の燃焼における燃焼圧力のピークを呈したクラン
ク角度A_Pを入力する。ステップ122ではフラグＦ＝１か
否か判別される。このフラグＦは高圧縮比用の点火時期
が設定されているときはセット（１）、低圧縮比用の点
火時期が設定されているときはリセット（０）される。
低圧縮比用の点火時期が設定されているときはステップ
123に進み、低圧縮比を選択したときの最適点火時期で
点火されているか否かの基準となる燃焼圧ピーククラン
ク角度の基準値A_Lの算出を行う。A_Lの値は、エンジン回
転数や負荷等の運転条件で変化するのでマップが組まれ
てあり、その運転条件に適した値が算出される。次にス
テップ124に進み、燃焼圧力ピーククランク角度A_P＜設
定値A_Lか否か判別される。第10図−（ａ）は低圧縮比用
の点火時期の設定において実線は高圧縮比のときの燃焼
圧力特性、破線は低圧縮比のときの燃焼圧力特性であ
る。そして、基準値A_L両者のピークA_Pが設定値A_Lより速
ければ（第10図−（ａ）の実線）、圧縮比は現在高圧縮
比となっていることを意味し、実際のピークA_Pが設定値
A_Lよりは遅ければ（第10図−（ａ）の破線）、圧縮比は
現在低圧縮比であることを意味する。ステップ124でNo
のときは圧縮比は低圧縮比に制御されていると判断し、
以下のルーチンは迂回される。ステップ124でYesのとき
は、圧縮比が低から高に切り替えられていると判断さ
れ、ステップ126に進む。ステップ126では、高圧縮比用
の点火時期マップより基本点火時期θ_BASEの演算が実行
される。周知のように、基本点火時期は回転数NEと吸入
空気量−回転数比Q/NEとの組合せに対して、高圧縮比に
適した点火時期の値のマップ値が組まれてお、実測され
るNE及びQ/NEに対するθ_BASE演算が実行される。ステッ
プ127でフラグＦがセットされる。

高圧縮比用の点火時期が設定されているときはステップ
122よりステップ130に進み、高圧縮比を選択したときの
最適点火時期で点火されているか否かの基準となる燃焼
圧ピーククランク角度基準値A_H演算される。基準値A
_Hは、エンジン回転数や負荷等の運転条件で変化するの
でマップが組まれてあり、その運転条件に適した値が算
出される。次にステップ132に進み、燃焼圧力ピークク
ランク角度A_P＜設定値A_Hか否か判別される。第10図−
（ｂ）は、高圧縮比用の点火時期の設定において破線は
高圧縮比のときの燃焼圧力特性、実線は低圧縮比のとき
の燃焼圧力特性である。そして基準値A_Hは両者のピーク
の中間に置かれている。即ち、実際のピークA_Pが設定値
A_Hより速ければ（第10図−（ｂ）の破線）、圧縮比は現
在高圧縮比であることを意味し、実際のピークA_Pが設定
値A_Hよりは遅ければ（第10図−（ｂ）の実線）、圧縮比
は現在低圧縮比であることを意味する。ステップ132でN
oのときは圧縮比が高から低に切り替えられたと判断さ
れ、ステップ134に進む。ステップ134では、低圧縮比用
の点火時期マップより基本点火時期θ_BASEの演算が実行
される。前記と同様に、基本点火時期は回転数NEと吸入
空気量−回転数比Q/Eとの組合せに対して低圧縮比に適
した点火時期の値のマップが組まれており、実測される
NE及びQ/NEに対するθ_BASEの演算が実行される。ステッ
プ136ではフラグＦ＝０とリセットされる。

ステップ140では点火信号形成処理が実行される。その
ため、第９図（ロ）に示すように点火信号が立ち上が
り、その立ち下がり時にイグニッションコイルに高電圧
が発生し、点火が行われ、これが演算された点火信号θ
となっているのは周知の通りである。

〔効 果〕

この発明によれば、燃焼圧力のピークを生ずるクランク
角度によって圧縮比の高低を知り、点火時期を高圧縮比
用、低圧縮比用に夫々制御することにより、圧縮比の切
替用の油圧機構の応答遅れに合わせて、圧縮比に適合し
た最適な点火時期の設定が可能となり、ノッキングの防
止及び燃料消費率の向上を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の構成図。 第２図は圧縮比を最大燃焼圧力で検知する場合の実施例
の構成図。 第３図は一つの気筒の燃焼室部分の詳細縦断面図。 第４図は第３図のIV−IV線に沿う横断面図。 第５図，第６図及び第７図は第２図における制御回路の
作動を示すフローチャート図。 第８図は制御回路の作動を示すタイミングチャート。 第９図は点火信号のタイミングを示す線図。 第10図は、高低の圧縮比用の点火時期に対し高低の圧縮
比で運転したときの燃焼室圧力の変化を示すグラフ。 10……エンジン本体、 12……燃焼室、 14……点火栓、 18……エアフローメータ、 19……ディストリビュータ、 22……ピストン、 23……コネクティングロッド、 24……ピストンピン、 25……クランク軸、 27……偏心軸受、 29……ロックピン係合孔、 30……ロックピン、 40……高圧縮比用油圧通路、 41……低圧縮比用油圧通路、 45……油圧切替弁、 50……制御回路、 56,57……クランク角センサ、 61……燃焼圧力センサ、 66……点火回路、 100……変位センサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機関運転条件に応じて圧縮比を可変とする
   圧縮比制御機構を有した内燃機関の点火時期制御装置に
   おいて、機関の最大燃焼圧力を検知する圧力検知手段
   と、圧縮比制御機構により制御される夫々の圧縮比にお
   いて最適な点火時期で点火されているか否かの指標とな
   る燃焼圧力のピークを呈するクランク角度の基準値を算
   出する手段と、燃焼圧力の実際のピークにおけるクラン
   ク角度の値を検出する手段と、ピーク時のクランク角度
   の基準値と実測値との比較により制御すべき点火時期を
   算出する手段と、算出された点火時期で点火を行わせる
   点火時期制御手段とから構成される内燃機関の点火時期
   制御装置。