JP4135488B2 - エンジンの吸気制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、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。
【0002】
【従来の技術】
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)。
【0003】
上記のものは、燃焼室上部に、燃焼室に対して開口した容積室を設け、その容積室の容積を可変とすることによって、可変圧縮比を実現しているが、ピストンの上・下支点位置を可変とすることによって、可変圧縮比を実現したものもある(特許文献2参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開平7−229431号公報
【特許文献2】
特開2002−21592号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
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、一般的には吸入新気量の応答に比べて遅い。
【0006】
このような場合、吸入新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。
【0007】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、加速など過渡運転時にも圧縮比制御の遅れに見合うように吸入新気量を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。
【0008】
【課題を解決するための手段】
このため本発明は、圧縮比可変機構によって制御される実圧縮比に基づく上限で制限した、エンジン運転状態に基づく要求負荷を設定し、該要求負荷を満たすように前記吸入新気量可変機構を制御するとした。
【0009】
これにより、圧縮比可変機構で制御される圧縮比の遅れに生じても、実圧縮比に基づいて吸入新気量可変機構の制御が調整されて実圧縮比に適合した吸入新気量に制御することができるので、ノッキングを抑制しつつ加速性能を満たすことができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図1は、可変圧縮比機構ともなる複リンク式ピストン−クランク機構を備えたエンジンの全体図である。
【0011】
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、エンジン本体となる図示しない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。前記クランクピン部33は、ジャーナル部32から所定量偏心しており、ここに第2リンクとなるロアーリンク34が回転自在に連結されている。
【0012】
前記ロアーリンク34は、略T字形をなすもので、その本体34aとキャップ34bとから分割可能に構成された略中央の連結孔に前記クランクピン部33が嵌合している。
【0013】
第1リンクとなるアッパーリンク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。前記ピストン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。
【0014】
前記シリンダ39の上部には、クランク軸31の回転に同期して吸気ポート44を開閉する吸気弁43と、同じくクランク軸31の回転に同期して排気ポート46を開閉する排気弁45と、が配置されている。
【0015】
第3リンクとなる制御リンク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、前記制御リンク40下端部が回転可能に嵌合している。
【0016】
前記小径部42bは、圧縮比制御アクチュエータ43によって回動位置が制御される。小径部42bが回動すると小径部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、前記制御リンク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の位置が上下する(つまり図1のy座標が大きく)。これにより、エンジン圧縮比を変えることが可能となる。前記圧縮比制御アクチュエータ43は、制御リンク40から加わる反力に抗して、任意の回動位置で小径部42bを保持することができるようになっている。圧縮比制御アクチュエータ43としては、油圧ベーン式アクチュエータを用いる。
【0017】
図2〜図4は、該圧縮比制御アクチュエータ43を制御する油圧システムを示す。図において、圧縮比制御アクチュエータ43は、ハウジング43a内に前記小径部42bに連結された駆動軸43b及び該駆動軸43bに固定されてハウジング43a内を容積可変なA室とB室とに仕切るベーン43cが回動自由に収納される。一方、電動モータ101で駆動されるオイルポンプ102の吐出口が、逆止弁103,開閉弁104,方向切換弁105のポートcに接続され、該方向切換弁105のポートdが低圧側のオイルパン106に接続される。また、前記方向切換弁105のポートe,fが、それぞれ前記圧縮比制御アクチュエータ43のポートa,bに接続される。また、前記逆止弁103と開閉弁104との間から分岐するオイル通路にアキュームレータ107が接続され、開閉弁104と方向切換弁105との間から分岐するオイル通路がエンジンオイルギャラリーに接続される。
【0018】
そして、図2の状態では前記開閉弁104が開、方向切換弁105が図示左端に制御され、オイルポンプ102から吐出された高圧油は、開閉弁104、方向切換弁105のポートc,eを介して前記圧縮比制御アクチュエータ43のポートaからA室に供給され、B室内の油は、ポートbから方向切換弁105のポートf,dを介してオイルパン106に戻される。これにより、A室の容積が増大してベーン43cと共に小径部42bが図で時計回りに回動し、制御リンク40の揺動支持位置が変化して低圧縮比に制御される。
【0019】
一方、上記状態から図3に示すように、方向切換弁105を図示右端に切換制御すると、高圧油は、開閉弁104のポートc,fを介して前記圧縮比制御アクチュエータ43のポートbからB室に供給され、A室内の油は、ポートaから方向切換弁105のポートe,dを介してオイルパン106に戻される。これにより、B室の容積が増大してベーン43cと共に小径部42bが図で反時計回りに回動し、制御リンク40の揺動支持位置が変化して高圧縮比に制御される。高圧縮比側に保持する場合は、図4に示すように、方向切換弁105を図示中央に移動させると共に、開閉弁104を閉とする。
【0020】
図1に戻って、このエンジンは、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。
【0021】
また、前記コンプレッサ53下流の吸気通路55に吸入新気量を可変制御するスロットル弁57を備え、該スロットル弁57がステップモータなどのスロットルアクチュエータ58により駆動される。
【0022】
また、前記排気通路54のエンジン本体とタービン52との間から分岐してスロットル弁57下流の吸気通路55に接続するEGR通路59と、該EGR通路59に介装されたEGR弁60とが設けられている。
【0023】
前記EGR弁60は、例えば、ステップモータを用いた電子制御式のものであり、その開度に応じて吸気側に還流する排気の量、すなわち、エンジン本体に吸入されるEGR量を制御する。
【0024】
エンジン運転状態を検出するセンサ類として、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61、エンジン回転速度を検出する回転速度センサ62、スロットル弁57上流の過給圧を検出する過給圧センサ63、実圧縮比を検出する圧縮比センサ64、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ65、ノッキングを検出するノッキングセンサ66が設けられ、これらセンサ類からの検出信号は、エンジンコントロールユニット(ECU)67に入力される。
【0025】
かかる構成のエンジンにおいて、前記ECU67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57の開度制御を以下のように実行する。
【0026】
図5は、前記スロットル弁制御の制御ブロック、図6は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、エンジンの第1の要求負荷を算出する。具体的には、図7のフローチャートに示すように、アクセル開度を図8に示す特性マップによりアクセル開口面積に変換してから(ステップ11)、該アクセル開口面積を排気量(総行程容積)とエンジン回転速度とで除算して正規化開口面積を算出し(ステップ12)、該正規化開口面積に基づいて、図9に示す特性マップにより第1の要求負荷を算出する。
【0027】
ステップ2では、前記第1の要求負荷とエンジン回転速度とに基づいて、図10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、第1の要求負荷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圧縮比を大きめに設定する。
【0028】
ステップ3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4では、圧縮比センサ64によって検出された実圧縮比を読み込む。
【0029】
ステップ5では、実圧縮比に基づいて、図11に示す特性マップにより上限負荷を設定する。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上限負荷を小さく設定する。
【0030】
ステップ6では、前記第1の要求負荷と上限負荷とのうち、小さい方を第2の要求負荷として選択する。つまり、第1の要求負荷の上限を制限して第2の要求負荷とする。
【0031】
ステップ7では、前記第2の要求負荷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。具体的な目標スロットル開度の算出ルーチンを、図12のフローチャートに従って説明する。
【0032】
ステップ21では、前記第2の要求負荷とエンジン回転速度とに基づいて、図13に示した特性マップにより目標吸入新気量(質量流量)を求める。
ステップ22では、前記第1の要求負荷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から目標EGR率を算出する。
【0033】
ステップ23では、前記目標吸入新気量に目標EGR率を乗じて目標EGR量(質量流量)を算出する。
ステップ24では、第1の要求負荷とエンジン回転速度とに基づいて、目標EGR量を新気量に換算する補正係数KQEGRを図示しない特性マップから求める。該補正係数KQEGRは、第1の要求負荷とエンジン回転速度とにより、EGRガスである排気の物性・状態が求まるから、目標EGRガス量が流れるEGR弁開口面積でEGRガスに代えて新気を流した場合に流れる新気量(体積流量)に換算するためのものであり、新気量に換算することで後述するようにEGR実行時にも容易かつ正確にスロットル弁開度とEGR弁開度を算出することができる。
【0034】
ステップ25では、上記のように算出した各値を用いて、次式(1)により目標総ガス量(体積流量)TTPGASを算出する。
TTPGAS=(tQac×Pa/Pcom)
+[(tEGR/100)×tQac×KQEGR]・・・(1)
tQac:目標吸入新気量、Pa:大気圧、Pcom:スロットル上流圧力(過給時は過給圧)、tEGR:目標EGR率
ステップ26では、エンジン回転速度に基づいて、図15に示したマップから全開時吸入新気量MAXQGAS(体積流量)を求める。
【0035】
ステップ27では、次式(2)により、指令負荷tQH0を求める。
tQH0=TTPGAS×MAXQGAS・・・(2)
ステップ28では、前記指令負荷tQH0に基づいて、図16に示したマップから指令正規化開口面積tADNVを求める。
【0036】
ステップ29では、次式(3)により目標スロットル開口面積tAtvoを算出する。
tAtvo=tADNV×Ve×Ne・・・(3)
ステップ30では、目標スロットル開口面積tAtvoを、図17に示したマップから目標スロットル開度tTVOに変換する。
【0037】
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。
図18は、上記第1実施形態の加速時における動作を示す。アクセル開度の増大に追従して増大する第1の要求負荷に対し、上限負荷で制限された第2の要求負荷によって、目標スロットル開度の増大が制限される。これにより、吸入新気量の増大に遅れが与えられて目標圧縮比に対して遅れが大きい実圧縮比の減少と良好にマッチングしてノッキングの発生を抑制しつつ加速することができる。
【0038】
次に、第2の実施形態を説明する。図19は制御ブロック、図20はメインフローを示し、ステップ1〜ステップ6で第2の要求負荷tQH02を算出するまでは第1の実施形態と同様である。
【0039】
ステップ7’では、前記第2の要求負荷に対し位相遅れ補償を行って第3の要求負荷tQH03を算出する。伝達関数で表すと
tQH03=[(1+τpcS)/(1+τcS)]・tQH02
τpc:コレクタ充填によって生じるコレクタ部の吸入新気量検出部に対する応答遅れ時定数、τc:コレクタ部のシリンダ部に対する位相進み時定数、Sラプラス演算子
τpcは簡易的に定数として与えてもよいが、例えばエンジン回転速度の関数として与えれば精度が高まる。τcは定数として与える。
【0040】
逆ラプラス変換して
(τc+Δt/2)・tQH03−(τc−Δt/2)・z-1tQH03
=tQH02−(τpc−Δt/2)・z-1tQH02
→tQH03=[(τc−Δt/2)・z-1tQH03
+(τpc+Δt/2)・tQH02−(τpc−Δt/2)・z-1tQH02]/(τc+Δt/2)・・・(4)
Δt:サンプリング時間[s]
となる。
【0041】
ステップ8’では、前記位相遅れ補償後の第3の要求負荷と第1の要求負荷とのうち、小さい方を第4の要求負荷として選択し、ドライバの要求を超える負荷とならないようにする。
【0042】
ステップ9'で前記第4の要求負荷とエンジン回転速度とから目標スロットル開度を算出し、ステップ10'で該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。
【0043】
位相遅れ補償を行なわない第1実施形態では、位相遅れにより実際の吸入新気量は上限負荷に達していないのに、位相遅れの無い吸入新気量は上限負荷を超えることにより不必要な負荷の制限が行われてしまうことがあるが、本実施形態では位相遅れ補償を行って第4の要求負荷を算出する構成とすることでノッキングを抑制しつつよりドライバの要求負荷に近い高負荷運転を実現でき加速性能などを向上できる。
【0044】
図21,図22は、それぞれ第3実施形態、第4実施形態の制御ブロックを示す。これらは、それぞれ第1実施形態、第2実施形態において、図23に示すように、実圧縮比に加えてシリンダ壁温も考慮して設定した上限負荷を用いる構成としたものである。具体的には、シリンダ壁温が高くなるほど圧縮時の混合気温度が高くなってノッキングが発生しやすくなるため、上限温度を小さめの値に設定する。なお、シリンダ壁温の検出は、壁温センサを設けて直接検出することで高い精度が得られるが、簡易的に水温検出値で推定してもよい。
【0045】
このように上限負荷をシリンダ壁温も考慮して設定することにより、ノッキングの発生を確実に抑制しつつ可能な限りドライバの要求負荷に近い高負荷運転を実現でき加速性能などを向上できる。
【0046】
なお、上記実施形態では、吸入新気量可変機構として電子制御スロットル機構を備えたものについて説明したが、該電子制御スロットル機構に代えて若しくは併用して吸気バルブのバルブ特性を可変制御することによって吸入新気量を可変制御する機構を備えたものに適用してもよい。
【0047】
また、圧縮比可変機構を油圧で駆動するものを示したが、電動モータで駆動するものにも適用できる。電動駆動式でも圧縮比の変更は大きな燃焼室内圧力に抗して制御する必要があるため大きな駆動トルクを要するので、大きなギア比で減速する必要がある。したがって、やはり応答遅れが大きくなるので、本発明を適用する効果は大きい。
【0048】
以上示したように、圧縮比可変機構により圧縮比をエンジン運転状態に基づいて制御しつつ、エンジン運転状態に基づいて設定した第1の要求負荷を、実圧縮比に基づいて設定した上限負荷により制限して第2の要求負荷を設定し、該第2の要求負荷を満たすように前記吸入新気量可変機構を制御する構成により、実圧縮比の減少遅れに見合うように吸入新気量の上限が制限され、ノッキングを抑制しつつ加速性を満たすことができる。
【0049】
また、上記のように設定した第2の要求負荷に対して吸入新気量の位相遅れ補償を行って第3の要求負荷を設定し、該第3の要求負荷と第1の要求負荷との小さい方を選択して第4の要求負荷として設定し、該第4の要求負荷を満たすように前記吸入新気量可変機構を制御する構成とすれば、吸入新気量のコレクタ充填等による遅れ分まで過剰に制限されることを防止でき、ノッキングを抑制しつつドライバの要求負荷に近い高負荷運転を実現でき加速性能などを向上できる。
【0050】
また、上限負荷は、実圧縮比が大きいほど小さい値に設定することにより、実圧縮比によるノッキング発生傾向に見合った上限負荷に設定でき、吸入新気量を適正に制限できる。
【0051】
また、上限負荷を、シリンダ壁温も考慮して設定し、具体的には、シリンダ壁温が高いときは小さい値に補正して設定することにより、ノッキングの発生傾向により正確に見合った上限負荷に設定できる。
【0052】
また、前記吸入新気量可変機構として、吸気系に介装されて開度を制御されるスロットル弁、バルブ特性を可変な吸気バルブなどを備えたものに適用できる。
また、前記圧縮比可変機構として、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。
【図面の簡単な説明】
【図1】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。
【図2】同上装置の圧縮比可変機構により低圧縮比に操作するときの動作を示す図。
【図3】同じく高圧縮比に操作するときの動作を示す図。
【図4】同じく高圧縮比に維持するときの動作を示す図。
【図5】第1実施形態の制御ブロック図。
【図6】同じくメインフローを示す図。
【図7】同じく第1の要求負荷を算出するサブフローを示す図。
【図8】同じくアクセル開度をアクセル開口面積に変換する特性マップ。
【図9】同じく正規化開口面積から第1の要求負荷を求める特性マップ。
【図10】同じく第1の要求負荷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。
【図11】同じく実圧縮比に基づいて上限負荷を設定する特性マップ。
【図12】同じく第2の要求負荷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サブフローを示す図。
【図13】同じく第2の要求負荷とエンジン回転速度とに基づいて目標吸入新気量を求めるための特性マップ。
【図14】同じく第1の要求負荷とエンジン回転速度とに基づいて目標EGR率を求めるための特性マップ。
【図15】同じくエンジン回転速度に基づいて全開時吸入新気量を求めるための特性マップ。
【図16】同じく指令負荷に基づいて指令正規化開口面積を求めるための特性マップ。
【図17】同じく目標スロットル開口面積を目標スロットル開度に変換する特性マップ。
【図18】第1実施形態の作用・効果を示すタイムチャート。
【図19】第2実施形態の制御ブロック図。
【図20】第2実施形態のメインフローを示す図。
【図21】第3実施形態の制御ブロック図。
【図22】第4実施形態の制御ブロック図。
【図23】実圧縮比とシリンダ壁温とに基づいて上限負荷を設定する特性マップ。
【符号の説明】
31…クランク軸 34…ロアーリンク 35…アッパーリンク 38…ピストン 40…制御リンク 42…制御軸 43…圧縮比制御アクチュエータ 51…ターボ過給機 57…スロットル弁 58…スロットルアクチュエータ 59…EGR通路 60…EGR弁 61…アクセル開度センサ 62…回転速度センサ 64…圧縮比センサ 68…ECU
Claims (9)
- 吸入新気量を可変とする吸入新気量可変機構と、圧縮比を可変とする圧縮比可変機構を備えたエンジンの吸気制御装置であって、
前記圧縮比可変機構によって制御される実圧縮比に基づく上限で制限した、エンジン運転状態に基づく要求負荷を設定し、該要求負荷を満たすように前記吸入新気量可変機構を制御することを特徴とするエンジンの吸気制御装置。 - 吸入新気量を可変とする吸入新気量可変機構と、圧縮比を可変とする圧縮比可変機構を備えたエンジンの吸気制御装置であって、
前記圧縮比可変機構により圧縮比をエンジン運転状態に基づいて制御しつつ、エンジン運転状態に基づいて設定した第1の要求負荷を、実圧縮比に基づいて設定した上限負荷により制限して第2の要求負荷を設定し、該第2の要求負荷を満たすように前記吸入新気量可変機構を制御することを特徴とするエンジンの吸気制御装置。 - 前記圧縮比可変機構により圧縮比をエンジン運転状態に基づいて制御しつつ、エンジン運転状態に基づいて設定した第1の要求負荷を、実圧縮比に基づいて設定した上限負荷により制限して第2の要求負荷を設定し、該第2の要求負荷に対して吸入新気量の位相遅れ補償を行って第3の要求負荷を設定し、該第3の要求負荷と第1の要求負荷との小さい方を選択して第4の要求負荷として設定し、該第4の要求負荷を満たすように前記吸入新気量可変機構を制御することを特徴とする請求項1に記載のエンジンの吸気制御装置。
- 前記上限負荷は、実圧縮比が大きいほど小さい値に設定することを特徴とする請求項2または請求項3に記載のエンジンの吸気制御装置。
- 前記上限負荷を、シリンダ壁温も考慮して設定することを特徴とする請求項2〜請求項4のいずれか1つに記載のエンジンの吸気制御装置。
- 前記上限負荷を、シリンダ壁温が高いときは小さい値に補正して設定することを特徴とする請求項5に記載のエンジンの吸気制御装置。
- 前記吸入新気量可変機構は、吸気系に介装されて開度を制御されるスロットル弁を含んで構成されることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1つに記載のエンジンの吸気制御装置。
- 前記吸入新気量可変機構は、バルブ特性を可変な吸気バルブを含んで構成されることを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1つに記載のエンジンの吸気制御装置。
- 前記圧縮比可変機構は、
一端がピストンにピストンピンを介して連結されるアッパリンクと、
前記アッパリンクの他端が第1連結ピンを介して連結されるとともに、クランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられるロアリンクと、
このロアリンクに第2連結ピンを介して一端が連結されるとともに、他端がエンジン本体に対して揺動可能に支持されるコントロールリンクと、
圧縮比の変更時に、前記コントロールリンクの他端の位置をエンジン本体に対して変位させる支持位置可変手段と、
を有することを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか1つに記載のエンジンの吸気制御装置。
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