JP6077371B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の圧縮比を変更する圧縮比可変機構を備えた内燃機関の制御装置に関する。

一般的な内燃機関では、ノックの発生を検知するノックセンサを設け、ノックを検知した時に点火時期を変更することでノックを解消している。また、例えば特許文献１に記載されているように、アクセル操作量に基づいてドライバ（運転者）の意図する要求（エンジン）トルクを演算し、要求トルクに基づいてスロットル弁開度及び燃料噴射量を設定し、この設定したスロットル弁開度に応じた吸入空気量と燃料噴射量とでドライバの意図する要求トルクを実現している。

更に、例えば特許文献２には、吸気弁閉時期を可変制御する可変動弁機構と、ピストン上死点の変更により圧縮比を可変制御する圧縮比可変機構を備え、クランキング中の実圧縮比を、吸気弁閉時期の可変制御と圧縮比の可変制御とを組み合わせて最適に制御する制御装置が記載されている。

特許第３６２７５３２号明細書 特開２００２−２７６４４６号公報

しかしながら、圧縮比可変機構を備えたエンジンでは、経時劣化等で燃焼室内にカーボンが付着して燃焼室内の容積が変化すると実際の圧縮比がずれる。このような変化に対しては、単純に負荷やエンジン回転数に応じて目標圧縮比を設定するだけでは圧縮比可変の効果を充分に使い切ることはできない。また、同一の負荷（吸入空気充填率）・回転条件において、圧縮比によってエンジンの発生トルクが異なるため、要求トルクに応じたトルク制御が困難となる。また、ノック制御で点火時期のみを制御すると出力トルクの低下を招いたり、トルクの向上が望めなかったりする。

すなわち、高圧縮比運転時でノックが発生しやすい条件では、点火時期の遅角によるトルク低下が大きくなる。これは、高圧縮比では要求点火時期が元々遅角側にあり、点火時期に対するトルク感度が高くなっているためである。一方、低圧縮比運転時でノックが発生しにくい条件では、ＭＢＴ（Minimum spark advance for Best Torque：最適点火時期）で運転中にノックが発生していなければ点火時期を進角できるが、ＭＢＴより進角させてもトルクの増加は望めず、低下することすらある。

このように、圧縮比可変機構を備えた内燃機関において、目標圧縮比を負荷やエンジン回転数に応じて設定する場合、ノック発生時に点火時期による補正を行うだけでは圧縮比可変機構によるメリットを最大限に引き出せず、出力（燃費）の損失が生ずる。また、圧縮比可変機構を用いてノック制御を行うにしても、圧縮比可変機構は応答遅れが大きいため、必ずしも有効なノック制御ができない。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、圧縮比可変機構を備えた内燃機関において、内燃機関の運転状況に応じて点火時期と圧縮比を適切に制御できる内燃機関の制御装置を提供することにある。

本発明の内燃機関の制御装置は、ノックの発生を検知する検知手段と、点火時期を制御する制御手段と、内燃機関の圧縮比を変化させる圧縮比可変機構とを備える内燃機関の制御装置であって、ノック制御による点火時期補正量が進角側にある場合に、点火時期をノックが発生するまで進角させ、点火時期補正量から圧縮比アップ代を算出して、この圧縮比アップ代分圧縮比を上げ、実圧縮比の上昇に合わせて点火時期を遅角して、進角する前の点火時期に戻し、ノック制御による点火時期補正量が遅角側にある場合に、点火時期をノックの発生が停止するまで遅角させ、点火時期補正量から圧縮比ダウン代を算出して、この圧縮比ダウン代分圧縮比を下げ、実圧縮比の低下に合わせて点火時期を進角して、遅角する前の点火時期に戻す、ことを特徴とする。

本発明によれば、圧縮比可変機構を備えた内燃機関において、ノックの発生状態に応じて、圧縮比可変機構を制御して圧縮比を変更することで、その時のコンディションに応じた点火時期と圧縮比で運転することが可能となり、最大限に出力を引き出すことができる。
従って、圧縮比可変機構を備えた内燃機関において、内燃機関の運転状況に応じて点火時期と圧縮比を適切に制御できる内燃機関の制御装置を提供できる。

本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置を示すもので、車両用エンジン（内燃機関）のシステム構成を示す概略図である。 図１に示した車両用エンジンのシステム構成において、ノック制御による点火時期補正量が進角側にある場合の圧縮比の補正量を算出するフローチャートである。 点火時期補正量が進角側にある場合の点火時期（ＡＤＶ）と修正トルクとの関係を示す特性図である。 図１に示した車両用エンジンのシステム構成において、ノック制御による点火時期補正量が遅角側にある場合の圧縮比の補正量を算出するフローチャートである。 点火時期補正量が遅角側にある場合の点火時期（ＡＤＶ）と修正トルクとの関係を示す特性図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置を示すもので、車両用エンジン（内燃機関）のシステム構成を示す概略図である。

エンジン１の各気筒の燃焼室２には、吸気系のエアクリーナ３から、過給機４の吸気コンプレッサ５、インタークーラ６、電制スロットル弁７、及び吸気マニホールド８を経て空気が吸入される。燃料供給系は、所定の圧力に調整された燃料を気筒毎に吸気マニホールド８のブランチ部に（又は燃焼室２内に直接）噴射供給可能な燃料噴射弁９を備えて構成され、各気筒に所定のタイミングにて燃料噴射がなされ、燃焼室２内で点火プラグ１０により点火されて燃焼する。燃焼後の排気は、排気系の排気マニホールド１１、過給機４の排気タービン１２、排気浄化触媒１３を経て排出される。

上記電制スロットル弁７、燃料噴射弁９及び点火プラグ１０の作動は、エンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）２０により制御する。
この制御のために、ＥＣＵ２０に、エンジン回転に同期したクランク角信号を発生し、これによりエンジン回転数Ｎｅを検出可能なクランク角センサ２１、アクセル開度（アクセルペダルの踏込み量）ＡＰＯを検出するアクセル開度センサ２２、燃料噴射弁９の開度ＴＶＯを検出するスロットル開度センサ２３、吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメータ２４、エンジン水温Ｔｗを検出する水温センサ２５、吸気温Ｔａを検出する吸気温センサ２６、ノック検知手段としてエンジン１の振動より特定周波数成分のノック振動のレベルを検出するノックセンサ２７、排気中の酸素濃度に応じて燃焼混合気の空燃比をリニアに検出する広域型の空燃比センサ２８の信号を入力している。

ここにおいて、ＥＣＵ２０では、通常、アクセル開度ＡＰＯに基づいて目標スロットル開度ｔＴＶＯを設定し、この目標スロットル開度ｔＴＶＯを得るように電制スロットル弁７の開度を制御する。
また、吸入空気量Ｑａとエンジン回転数Ｎｅとから基本燃料噴射量Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ（Ｋは定数）を算出し、更に各種補正係数ＣＯＥＦにより補正して、最終的な燃料噴射量Ｔｉ＝Ｔｐ×ＣＯＥＦを算出し、このＴｉに対応するパルス幅の燃料噴射パルス信号を気筒毎に所定のタイミングで燃料噴射弁９に出力して、燃料噴射を行わせる。

また、主にエンジン回転数Ｎｅと負荷Ｔｅ（例えば吸入空気量Ｑａ、基本燃料噴射量Ｔｐ、アクセル開度ＡＰＯ、スロットル開度ＴＶＯ）とに基づいて基本点火時期ＭＡＤＶを設定し、更に、ノックセンサ２７により検出されるノックの発生状況に応じて点火時期と圧縮比を関係づけた補正を施すなどして、最終的な点火時期ＡＤＶを設定し、当該点火時期ＡＤＶにて点火プラグ１０の点火動作を行わせる。

更に、このエンジン１は、圧縮比可変機構１００を備えており、この圧縮比可変機構１００は、例えばピストンの上死点位置を変えることにより圧縮比を変更可能に構成されている。この圧縮比可変機構１００を用いた圧縮比の制御は、基本的には、エンジン回転数Ｎｅと負荷Ｔｅ（例えば吸入空気量Ｑａ、基本燃料噴射量Ｔｐ、アクセル開度ＡＰＯ、スロットル開度ＴＶＯ）とに基づいて圧縮比を設定する。そして、設定された圧縮比となるように、アクチュエータ（モータ）等を制御して、コントロールシャフトの回転位置を変化させる（複リンク式圧縮比可変機構の場合）。

上記のような基本的な圧縮比の設定に加えて、全開付近での運転領域においては、ノックの発生しない（又は軽微なノックが発生している）範囲で、ＭＢＴ近傍の点火時期で運転可能な圧縮比となるように制御することで、その時のコンディションに応じた最適な点火時期と圧縮比で運転する。
なお、実圧縮比は、ロータリーエンコーダ２９等により、例えば上記コントロールシャフトの回転位置を検出することで検出可能である。

次に、ノック制御による点火時期補正量（点火時期の変化量）が進角側にある場合と、遅角側にある場合に分けて圧縮比の変更動作について詳しく説明する。
図２は、上記図１に示した車両用エンジンのシステム構成において、ノック制御による点火時期補正量が進角側にある場合、圧縮比の補正量を算出するフローチャートである。また、図３はこの時の点火時期（ＡＤＶ）と修正トルクとの関係を示している。
本例は、ノックの発生しにくいコンディションの場合に対応し、具体的には吸気温度や機関温度（油水温）が低い状態、あるいは湿度が高い状態、及びガソリンのオクタン価が高い場合になどの条件である。

ステップＳ１０１では、ノック制御領域か否かを判定する。
ノック制御領域であると判定されると、ステップＳ１０２でノックが発生していないか判定する。
ステップＳ１０１でノック制御領域でないと判定された場合やステップＳ１０２でノックが発生していると判定された場合には処理を終了する。

ノックが発生していない場合には、ステップＳ１０３で点火時期を所定値進角させ、ステップＳ１０４でノックが発生していないか判定する。
そして、ステップＳ１０４でノックが発生していないと判定されると、ステップＳ１０３に戻って点火時期を所定値進角させ、ノックが発生するまで点火時期を進角させる。
ノックが発生すると、ステップＳ１０５に進み、元の点火時期からの進角量を算出する。

ステップＳ１０６では、算出した進角量が所定値以上であるか否かを判定する。
ステップＳ１０６で進角量が所定値以上であると判定されると、ステップＳ１０７で点火時期進角量から圧縮比アップ代を算出する。このように、ノック制御による点火時期補正量が進角側にある場合（ノックが発生しにくい）、点火時期補正量から圧縮比アップ代を算出する。この圧縮比アップ代は、次式（１）で表すことができる。

圧縮比アップ代＝ノック点火時期補正量×補正係数…（１）
ここで、補正係数（実験的に求めた感度）は、圧縮比と点火時期の相関を表しており、例えば圧縮比１に対して点火時期５ｄｅｇである。よって、例えば５ｄｅｇ進角させたときにノックが発生したとすると、圧縮比εを１上げることができる。すなわち、
圧縮比アップ代＝５ｄｅｇ×１／５＝１
である。

次のステップＳ１０８では、圧縮比アップ代を目標圧縮比へ反映し、圧縮を目標へ制御する。
そして、ステップＳ１０９で、実圧縮比の変化に合わせて元の点火時期まで遅角し、処理を終了する。点火時期の変更速度は、圧縮比の変更速度に比べて充分に早いので、実圧縮比の変化に合わせて点火時期を制御できる。

具体的には、例えば図３に示すように、圧縮比が１１（ε＝１１）で、ＭＢＴで運転中に、ノック制御によりＭＢＴよりも５ｄｅｇ進角した点火時期Ｓ１でトレースノックが発生したとすると、このノック点火時期補正量から圧縮比アップ代を算出し、算出した圧縮比アップ代分圧縮比を上げ、点火時期を圧縮比の上昇に合わせて元に戻す。本例では、圧縮比を１増大させることができるので、圧縮比を１２（ε＝１２）にして点火時期を５ｄｅｇ遅角させた点火時期Ｓ２に設定する。このように圧縮比を上げることで、図３に示すようにトルクを向上させることができる。

従って、圧縮比可変機構を備えた内燃機関において、全開付近での運転領域において、ノックの発生しない、または軽微なノックが発生している範囲でＭＢＴ近傍の点火時期で運転可能な圧縮比となるように制御できる。

図４は、上記図１に示した車両用エンジンのシステム構成において、ノック制御による点火時期補正量が遅角側にある場合、圧縮比の補正量を算出するフローチャートである。また、図５はこの時の点火時期（ＡＤＶ）と修正トルクとの関係を示している。
本例は、ノックが発生しやすいコンディションの場合に対応し、具体的には吸気温度や機関温度（油水温）が高い状態、あるいは湿度が低い状態、及びガソリンのオクタン価が低い場合になどの条件である。

ステップＳ２０１では、ノック制御領域か否かを判定する。
ノック制御領域であると判定されると、ステップＳ１０２でノックが発生しているか判定する。
ステップＳ２０１でノック制御領域でないと判定された場合やステップＳ２０２でノックが発生していないと判定された場合には処理を終了する。

ノックが発生している場合には、ステップＳ２０３で点火時期を所定値遅角させ、ステップＳ２０４でノックが発生していないか判定する。
そして、ステップＳ２０４でノックが発生していると判定されると、ステップＳ２０３に戻って点火時期を所定値遅角させ、ノックが発生しなくなるまで点火時期を遅角させる。この際、点火時期に対する感度が大きいため、ノックが出ないところまで遅角させるとトルクの低下が大きくなり、トルクが落ちたところで制御することになる。
ノックが停止すると、ステップＳ２０５に進み、元の点火時期からの遅角量を算出する。

ステップＳ２０６では、算出した遅角量が所定値以上であるか否かを判定する。
ステップＳ２０６で遅角量が所定値以上であると判定されると、ステップＳ２０７で点火時期遅角量から圧縮比ダウン代を算出する。このように、ノック制御による点火時期補正量が遅角側にある場合（ノックが発生している）には、点火時期補正量から圧縮比ダウン代を算出する。この圧縮比ダウン代は、次式（２）で表すことができる。

圧縮比ダウン代＝ノック点火時期補正量×補正係数…（２）
ここで、補正係数（実験的に求めた感度）は、圧縮比と点火時期の相関を表しており、例えば圧縮比１に対して点火時期−５ｄｅｇである。よって、例えば５ｄｅｇ遅角させたときにノックが停止したとすると、圧縮比εを１下げることができる。すなわち、
圧縮比ダウン代＝−５ｄｅｇ×１／５＝−１
である。

次のステップＳ２０８では、圧縮比ダウン代を目標圧縮比へ反映し、圧縮を目標へ制御する。
そして、ステップＳ２０９で、実圧縮比の変化に合わせて元の点火時期まで進角し、処理を終了する。点火時期の変更速度は、圧縮比の変更速度に比べて充分に早いので、実圧縮比の変化に合わせて点火時期を制御できる。

具体的には、例えば図５に示すように、圧縮比が１２（ε＝１２）でトレースノックが発生している場合、ノック制御により点火時期を遅角させ、ＭＢＴよりも５ｄｅｇ遅角した点火時期Ｓ３でトレースノックが停止したとすると、圧縮比が高いと点火時期に対してトルクの低下の傾斜が急峻なためトルクの低下が激しくなる。そこで、このノック点火時期補正量から圧縮比ダウン代を算出し、算出した圧縮比ダウン代分圧縮比を下げ、点火時期を圧縮比低下に合わせて元に戻す。本例では、圧縮比εを１低下させることができるので、圧縮比を１１（ε＝１１）に下げて点火時期を５ｄｅｇ進角させた点火時期Ｓ４に設定する。このように圧縮比を下げることで、図５に示すようにトルクを向上させることができる。

従って、圧縮比可変機構を備えた内燃機関において、全開付近での運転領域において、ノックの発生しない（または軽微なノックが発生している）範囲でＭＢＴ近傍の点火時期で運転可能な圧縮比となるように制御できる。
なお、上記実施形態では、圧縮比可変機構をノックセンサによるノックの検出で制御するようにしたが、有効（実）圧縮比、新気量、残ガス量、圧縮温度、及びノック感度のいずれか、または複数の組み合わせにより制限したり補正量を増減したりするようにしても良い。更に、点火時期の変更速度は、圧縮比の変更速度に比べて充分に早いので、過補正でノックが発生した時には点火時期の制御を行うようにしても良い。
また、トルク向上のための制御に着目して説明したが、必ずしも実圧縮目標を目標圧縮比に設定する必要はなく、要求される特性に応じて実圧縮目標を目標圧縮比より低くすることもできる。

上記のような構成によれば、ノックの発生状態に応じて、ＭＢＴで運転可能な圧縮比となるように制御することで、その時のコンディション、例えば温度、湿度等の環境、ガソリンのオクタン価等に応じた最適な点火時期と圧縮比で運転することが可能となり、最大限に出力を引き出すことができる。これによって、加速性能向上や燃費向上が期待できる。

１…エンジン（内燃機関）、２０…ＥＣＵ（制御手段）、２７…ノックセンサ（検知手段）、１００…圧縮比可変機構（可変機構）

Claims (2)

1. ノックの発生を検知する検知手段と、点火時期を制御する制御手段と、内燃機関の圧縮比を変化させる圧縮比可変機構とを備える内燃機関の制御装置であって、
   ノック制御による点火時期補正量が進角側にある場合に、点火時期をノックが発生するまで進角させ、点火時期補正量から圧縮比アップ代を算出して、この圧縮比アップ代分圧縮比を上げ、実圧縮比の上昇に合わせて点火時期を遅角して、進角する前の点火時期に戻し、
   ノック制御による点火時期補正量が遅角側にある場合に、点火時期をノックの発生が停止するまで遅角させ、点火時期補正量から圧縮比ダウン代を算出して、この圧縮比ダウン代分圧縮比を下げ、実圧縮比の低下に合わせて点火時期を進角して、遅角する前の点火時期に戻す、ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記点火時期の変化量が所定の進角度または遅角度に満たない場合は、前記圧縮比可変機構による圧縮比の変更を行わないことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。