JP4277623B2 - 可変圧縮比機構付き内燃機関の点火時期制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮比を可変する可変圧縮比機構を備えた内燃機関の点火時期制御に関する。

圧縮比を可変にできる内燃機関の点火時期制御として、高圧縮比用と低圧縮比用の２つの点火時期マップを備え、中間圧縮比については、両方のマップから参照した値を内挿補間して点火時期を設定するようにしたものがある（特許文献１）。
特開平０６−２５６４７号公報

しかしながら、上記従来の点火時期制御方式では、複数の圧縮比用における点火時期マップを用意する必要があり、点火時期設定の演算負荷も大きくなり、応答性を損ねていた。
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、１つのマップを用いて簡易な演算によって応答性良く点火時期を制御できるようにした可変圧縮比機構付き内燃機関の点火時期制御装置を提供することを目的とする。

このため請求項１に係る発明は、可変圧縮比機構によって圧縮比を可変に制御しながら、機関運転状態に基づいて基本圧縮比を設定すると共に実圧縮比を検出し、機関運転状態と前記基本圧縮比とに基づいて基本点火時期を設定し、前記実圧縮比と前記基本圧縮比との隔たりに基づいて前記基本点火時期を補正し、補正した点火時期に制御し、かつ、基本圧縮比が機関の最大圧縮比である場合は、点火時期を進角補正する制御だけを行い、設定された基本圧縮比が機関の最低圧縮比である場合は、点火時期を遅角補正する制御だけを行う構成とした。

かかる構成によると、基本圧縮比に対応した１つのマップを用意し、該マップから設定した基本点火時期を基本圧縮比と実圧縮比との隔たりに基づいて簡易な補正演算を行って応答性良く点火時期を設定することができる。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。
図１は、実施形態における可変圧縮比機構付き内燃機関のシステム構成図である。
内燃機関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、過給圧を検出する吸気圧センサ４が配置されている。

また、機関１のクランク角を検出するクランク角センサ５と、排気中の酸素濃度を検出する酸素センサ６と、機関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、機関コントロールモジュール（ＥＣＭ）１１に入力される。

前記内燃機関１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。

機関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、本実施形態の内燃機関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。
機関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を介して機関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機関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、機関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、機関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。

かかる構成の内燃機関において、前記機関コントロールモジュール（ＥＣＭ）１１は、前記可変圧縮比機構による圧縮比の制御を行いつつ以下のように点火時期制御を実行する。
図３は、点火時期制御の第１の実施形態におけるフローを示す。
ステップ(図ではＳと記す。以下同様)１では、クランク角センサ５によって検出される機関回転速度Ｎｅ、燃料噴射量Ｔｐ等の運転状態検出値を読み込む。

ステップ２では、上記機関回転速度Ｎｅ、燃料噴射量Ｔｐに基づいて、図４に示すマップからの参照等により基本圧縮比ＣＲ(base)を設定する。
ステップ３では、圧縮比センサ６２により検出される実圧縮比ＣＲ（actual）を読み込む。
ステップ４では、機関回転速度Ｎｅ及び燃料噴射量Ｔｐ等の負荷に基づいて、図５に示すマップからの参照等により、基本点火時期ＡＤＶ（base）を設定する。

ステップ５では、次式のように、前記実圧縮比ＣＲ（actual）と基本圧縮比ＣＲ(base)との偏差ΔＣＲを算出する。
ΔＣＲ＝ＣＲ（actual）−ＣＲ(base)
ステップ６では、前記圧縮比偏差ΔＣＲが０であるか否かを判定する。
ΔＣＲ＝０のときは、ステップ７へ進んで圧縮比偏差による点火時期の補正係数αを０に設定する。すなわち、実圧縮比が目標値に一致していれば、点火時期を補正する必要がないのでα＝０とすることにより補正を停止する。

ΔＣＲ≠０のときは、ステップ８へ進んでΔＣＲ＞０であるかを判定する。
ΔＣＲ＞０のときは、実圧縮比が目標値より高くノッキング発生傾向が増大しているので、ステップ９へ進んでノッキングを抑制するべく、点火時期を遅角補正するための補正係数αretを設定する。
ΔＣＲ＜０のときは、実圧縮比が目標値より低くノッキング発生傾向が減少しているので、ステップ１０へ進んで出力を増加するべく、点火時期を進角補正するための補正係数αadvを設定する。

ここで、後述する理由により、前記遅角補正用の補正係数αret、進角補正用の補正係数αadv共に、負の値に設定されている。
ステップ１１では、前記圧縮比偏差ΔＣＲと上記のように設定した点火時期補正係数αを用いて、点火時期補正量ΔＡＤＶを次式のように設定する。
ΔＡＤＶ＝α×ΔＣＲ
ここで、点火時期補正量ΔＡＤＶは、進角量として設定される。ΔＣＲ＞０である遅角補正時は、正のΔＣＲに負の補正係数αretを乗じてΔＡＤＶが負の値となって、遅角補正が行われ、ΔＣＲ＜０である進角補正時は、負のΔＣＲに負の補正係数αadvを乗じてΔＡＤＶが正の値となって、進角補正が行われる。

ステップ１２では、次式のように、前記ステップ４で算出した基本点火時期ＡＤＶ（base）に、前記点火時期補正量ΔＡＤＶを加算して、最終的な点火時期ＡＤＶを算出する。
ＡＤＶ＝ＡＤＶ（base）＋ΔＡＤＶ
ステップ１３では、上記点火時期ＡＤＶに点火信号を出力して点火するように制御する。

図６は、負荷（燃料噴射量Ｔｐ）変化に対する圧縮比と点火時期の変化を示し、前記基本圧縮比ＣＲ(base)が低負荷域では高圧縮比High（最大圧縮比）、高負荷域では低圧縮比Low（最低圧縮比）に設定され、中負荷域では負荷の増大に応じて高圧縮比Highから低圧縮比Lowにリニアに減少する。一方、点火時期は、基本圧縮比ＣＲ(base)に対応した基本点火時期ＡＤＶ（base）に対し、低負荷域及び中負荷域で実圧縮比ＣＲ（actual）が基本圧縮比ＣＲ(base)より低いとき（ΔＣＲ＜０）は、点線に示すように進角側に補正され、中負荷域及び高負荷域で基本圧縮比ＣＲ(base)より高いとき（ΔＣＲ＞０）は、鎖線に示すように遅角側に補正される。

図７は、圧縮比偏差ΔＣＲと点火時期補正量ΔＡＤＶの関係を示す。
図８は、スロットル開度をステップ的に増大させた加速時の各種状態の変化を示し、スロットル開度の増大に応じて基本圧縮比ＣＲ(base)がHighから低圧縮比Lowにステップ的に減少し、圧縮比偏差ΔＣＲはステップ的に増大した後、徐々に減少し、点火時期補正量ΔＡＤＶは、圧縮比偏差ΔＣＲの変化に応じてステップ的に遅角補正された後、徐々に遅角補正量が減少する。

このようにすれば、基本圧縮比に対応する基本点火時期のマップを１個設定し、該マップからの参照と最小限の演算により、実圧縮比に応じた点火時期を容易に設定することができ、応答性の良い高精度な点火時期制御により良好な運転性能を得ることができる。
図９は、点火時期制御の第２の実施形態におけるフローを示す。
第１の実施形態では、ステップ９，１０で点火時期補正量αret，αadvとして固定値を設定したが、本実施形態では、ステップ８でΔＣＲ＞０であると判定されて遅角補正するときは、ステップ２１へ進んで機関回転速度Ｎｅ及び燃料噴射量Ｔｐ（機関負荷）に基づいて図１０の遅角補正用マップから遅角補正用の補正係数αretを参照する。図１０では、高回転・高負荷域ほど負の補正係数αret（絶対値）を大きい値に設定してある。そして、このように機関運転状態に応じて可変に求められた点火時期補正係数αretをステップ９で設定する。

また、ステップ８でΔＣＲ＜０であると判定されて進角補正するときは、ステップ２２へ進んで機関回転速度Ｎｅ及び燃料噴射量Ｔｐ（機関負荷）に基づいて図１１の進角補正用マップから進角補正用の補正係数αadvを参照する。図１１では、高回転・高負荷域ほど補正係数αadvを０に設定し、低回転・低負荷域ほど負の補正係数αadv（絶対値）を大きい値に設定してある。そして、このように機関運転状態に応じて可変に求められた点火時期補正係数αadvをステップ１０で設定する。

以下、第１の実施形態と同様にして点火制御を行う。
このようにすれば、高回転・高負荷域ほどノッキング発生傾向が大きいので、圧縮比偏差ΔＣＲが同一であっても、遅角補正係数αret（絶対値）は大きくし、進角補正係数αadv（絶対値）は０または小さくすることによって、ノッキングを十分回避でき、低回転・低負荷域では、遅角補正係数αret（絶対値）を小さくし、進角補正係数αadv（絶対値）を大きくすることによって、十分に出力を確保することができる。

すなわち、第１の実施形態に比較して、機関運転状態に応じてより高精度に点火時期を補正制御することができる。

本発明に係る可変圧縮比機構付き内燃機関のシステム構成図。 可変圧縮比機構の機構図。 第１の実施形態での点火時期制御を示すフローチャート。 機関運転状態に基づいて設定される基本圧縮比の特性を示す線図。 機関運転状態に基づいて設定される基本点火時期の特性を示す線図。 負荷（燃料噴射量Ｔｐ）変化に対する圧縮比と点火時期の変化を示す線図。 圧縮比偏差と点火時期補正量の関係を示す線図。 加速時の各種状態の変化を示す線図。 第２の実施形態での点火時期制御を示すフローチャート。 第２実施形態の点火時期遅角補正用の補正係数を設定したマップ。 第２実施形態の点火時期進角補正用の補正係数を設定したマップ。

符号の説明

１…内燃機関
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…機関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 (6)

1. 可変圧縮比機構を備える火花点火式内燃機関において、
   機関運転状態に基づいて基本圧縮比を設定すると共に実圧縮比を検出し、
   機関運転状態に基づいて前記基本圧縮比に対応した基本点火時期を設定し、
   前記実圧縮比と基本圧縮比との偏差を求め、
   前記実圧縮比が基本圧縮比よりも高いときには遅角補正用の補正係数を設定し、かつ基本圧縮比よりも低いときには進角補正用の補正係数を設定し、前記遅角補正用の補正係数は、前記進角補正用の補正係数よりも絶対値が大きく、
   この補正係数を前記実圧縮比と基本圧縮比との偏差に乗じた補正量を用いて、前記実圧縮比が基本圧縮比よりも高いときには遅角側に、前記実圧縮比が基本圧縮比よりも低いときには進角側に、それぞれ前記基本点火時期を補正し、補正した点火時期に制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 可変圧縮比機構を備える火花点火式内燃機関において、
   機関運転状態に基づいて基本圧縮比を設定すると共に実圧縮比を検出し、
   機関運転状態に基づいて前記基本圧縮比に対応した基本点火時期を設定し、
   前記実圧縮比と基本圧縮比との偏差を求め、
   前記実圧縮比が基本圧縮比よりも高いときには遅角補正用の補正係数を、基本圧縮比よりも低いときには進角補正用の補正係数を、それぞれ機関の運転条件に応じて設定し、
   この補正係数を前記実圧縮比と基本圧縮比との偏差に乗じた補正量を用いて、前記実圧縮比が基本圧縮比よりも高いときには遅角側に、前記実圧縮比が基本圧縮比よりも低いときには進角側に、それぞれ前記基本点火時期を補正し、補正した点火時期に制御するとともに、
   前記遅角補正用の補正係数の絶対値は、低速低負荷側で最も小さく、高速高負荷側へ向かうに従って大きな値となることを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 前記遅角補正用の補正係数は、低速低負荷側で０であり、実質的に補正を行わないことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 可変圧縮比機構を備える火花点火式内燃機関において、
   機関運転状態に基づいて基本圧縮比を設定すると共に実圧縮比を検出し、
   機関運転状態に基づいて前記基本圧縮比に対応した基本点火時期を設定し、
   前記実圧縮比と基本圧縮比との偏差を求め、
   前記実圧縮比が基本圧縮比よりも高いときには遅角補正用の補正係数を、基本圧縮比よりも低いときには進角補正用の補正係数を、それぞれ機関の運転条件に応じて設定し、
   この補正係数を前記実圧縮比と基本圧縮比との偏差に乗じた補正量を用いて、前記実圧縮比が基本圧縮比よりも高いときには遅角側に、前記実圧縮比が基本圧縮比よりも低いときには進角側に、それぞれ前記基本点火時期を補正し、補正した点火時期に制御するとともに、
   前記進角補正用の補正係数の絶対値は、高速高負荷側で最も小さく、低速低負荷側へ向かうに従って大きな値となることを特徴とする内燃機関の制御装置。
5. 前記進角補正用の補正係数は、高速高負荷側で０であり、実質的に補正を行わないことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記遅角補正用の補正係数の絶対値は、低速低負荷側で最も小さく、高速高負荷側へ向かうに従って大きな値となり、前記進角補正用の補正係数の絶対値は、高速高負荷側で最も小さく、低速低負荷側へ向かうに従って大きな値となり、絶対値が最も大きな高速高負荷側の遅角補正用の補正係数の絶対値が、絶対値が最も大きな低速低負荷側の進角補正用の補正係数の絶対値よりも大きくなるように、前記遅角補正用の補正係数は、前記進角補正用の補正係数よりも絶対値が大きいことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

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