JP6323263B2 - 可変圧縮比内燃機関の制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構を備えるとともに、排気の一部を吸気通路へ還流する排気還流装置を備えた内燃機関の制御装置および制御方法に関する。

内燃機関の機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構は、従来から種々の形式のものが知られている。例えば、特許文献１に開示されているように、複リンク式ピストンクランク機構のリンクジオメトリの変更によってピストン上死点位置を上下に変位させるようにした可変圧縮比機構が本出願人らによって多数提案されている。

このような可変圧縮比機構においては、基本的には、ノッキング等の異常燃焼を生じない範囲でできるだけ高い圧縮比とすることが望ましく、従って、目標圧縮比の一般的な傾向としては、負荷が低いほど高い圧縮比となる。

一方、排気の一部を吸気通路へ還流する排気還流装置は公知であり、近時では、燃費向上のためにより多くの排気還流がなされる傾向にある。この排気還流は、ノッキングの抑制に寄与するので、上記の目標圧縮比は、各運転条件の下での目標ＥＧＲ率（目標排気還流率）を考慮したものとして設定される。つまり、同一の負荷・回転速度であっても、排気還流が行われる場合には、相対的に高い目標圧縮比が与えられる。

特開２０１０−２８５８７３号公報

還流排気の流量は、排気系から吸気系に至る排気還流通路に設けられた排気還流制御弁の開度制御により、運転条件に応じた目標ＥＧＲ率となるように制御される。従って、内燃機関の加速あるいは減速の過渡時には、筒内の実際のＥＧＲ率の変化が遅れて生じ、その結果、過渡的にノッキングが発生したり、逆に一時的に過度に低い圧縮比となって燃費の悪化を生じる懸念がある。

図４および図９、図１０に基づいて具体的に説明すると、例えば図９は、図４に「過渡シーン１」として示すようなＥＧＲ領域外のＰ１点からＥＧＲ領域内のＰ２点へと運転条件が変化する加速時におけるＥＧＲ率および目標圧縮比の変化を示している。破線で示す目標ＥＧＲ率は、定常時と同じＥＧＲ率マップに従って変化し、加速開始に伴って排気還流が開始されることとなるが、筒内のＥＧＲ率は、実際には、実線で示すように遅れて上昇する。これに対し、目標圧縮比は、図９に破線の「比較例」として示すように、Ｐ２点で与えられるＥＧＲ率を前提として、負荷の上昇にも拘わらず例えば「１４」程度の高い圧縮比が維持されるので、筒内のＥＧＲ率が実際に上昇するまでの間、過渡的にノッキングが発生する。

逆に、図４に「過渡シーン２」として示すようなＥＧＲ領域内のＰ３点からＥＧＲ領域外のＰ４点へと運転条件が変化する減速時においては、図１０に示すように、目標ＥＧＲ率が破線のように急激に減少しても実際の筒内のＥＧＲ率の減少は実線のように遅れて生じる。そのため、目標圧縮比が破線の「比較例」として示すように一時的に不必要に低い圧縮比に制御されてしまい、燃費の悪化が生じる。

特に、スロットル弁上流側に排気還流通路を介して排気を還流する構成では、過渡時に、ＥＧＲ率マップに基づくＥＧＲ率の値と実際の筒内のＥＧＲ率との乖離が大きくなり、圧縮比の適切な制御が行えない。なお、特許文献１は、過渡時の排気還流の遅れについて記載しているものの、スロットル弁上流側に排気を還流する場合の具体的な解決手段を開示するものではない。

この発明に係る可変圧縮比内燃機関の制御装置は、
可変圧縮比機構を備えるとともに、排気通路から吸気通路のスロットル弁上流側へ排気還流通路を介して排気の一部を還流する排気還流装置を備えた内燃機関において、
内燃機関の運転条件に応じて上記可変圧縮比機構の目標圧縮比を設定する目標圧縮比設定手段と、
内燃機関の過渡時に、排気還流通路との合流点とスロットル弁との間の吸気通路容積内でのＥＧＲ率を推定するスロットル弁上流側ＥＧＲ率推定手段と、
スロットル弁から吸気ポートまでの吸気通路内での輸送遅れに相当する伝達関数を用いて、上記スロットル弁上流側におけるＥＧＲ率から吸気ポートでのＥＧＲ率を求める吸気ポート内ＥＧＲ率推定手段と、
推定した上記吸気ポートでのＥＧＲ率に基づいて上記目標圧縮比を補正する圧縮比補正手段と、
を備えて構成されている。
上記圧縮比補正手段は、推定した上記吸気ポートでのＥＧＲ率が定常時の目標ＥＧＲ率よりも高いときに目標圧縮比を高圧縮比側へ補正する。

すなわち、スロットル弁上流側ＥＧＲ率推定手段によってスロットル弁上流側におけるＥＧＲ率（排気還流通路との合流点とスロットル弁との間の吸気通路容積内でのＥＧＲ率）が推定され、この推定ＥＧＲ率に、スロットル弁から吸気ポートまでの吸気通路内での輸送遅れに相当する伝達関数を用いて遅れを与えることにより、過渡時における吸気ポートでのＥＧＲ率が推定される。なお、筒内のＥＧＲ率は、この吸気ポートでのＥＧＲ率と実質的に等しい。そして、この吸気ポートでのＥＧＲ率に基づいて目標圧縮比が補正される。

この発明によれば、過渡時においても筒内に吸入されるガスのＥＧＲ率が正しく推定され、推定したＥＧＲ率が定常時の目標ＥＧＲ率よりも高いときには目標圧縮比が高圧縮比側へ補正されるので、不必要に低い圧縮比となることによる燃費の悪化を回避することができる。

この発明に係る可変圧縮比内燃機関の制御装置の構成を模式的に示す説明図。 可変圧縮比機構の構成説明図。 圧縮比制御の機能ブロック図。 定常圧縮比設定のマップの特性を示す説明図。 過渡ＥＧＲ率推定手段の詳細を示す機能ブロック図。 吸気ポート内ＥＧＲ率推定手段の詳細を示す機能ブロック図。 ＥＧＲ流量／（総流量−スロットルガス流量）とＥＧＲ率との関係を示した特性図。 過渡時のＥＧＲ率の偏差に対する圧縮比補正量の関係を示した特性図。 過渡シーン１における動作を示すタイムチャート。 過渡シーン２における動作を示すタイムチャート。

図１は、この発明に係る可変圧縮比内燃機関の制御装置の構成を模式的に示した説明図である。内燃機関１は、後述するように機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構２を備えており、この可変圧縮比機構２は、コントロールユニット３によって、その目標圧縮比が可変制御される。

図１において、５は内燃機関１の吸気通路を模式的に示し、６は内燃機関１の排気通路を模式的に示している。吸気通路５には、上流側から順に、エアクリーナ７、ターボ過給機のコンプレッサ８、過給された吸気を冷却するインタークーラ９、スロットル弁１０、が配置されている。エアクリーナ７とコンプレッサ８との間には、吸入空気量（新気量）Ｑａを検出するエアフロメータ１１が設けられている。また、スロットル弁１０の前後には、スロットル弁１０上流側の過給圧ＰＡを検出する第１圧力センサ１２と、スロットル弁１０下流側のコレクタ内圧ＰＢを検出する第２圧力センサ１３と、が設けられている。なお、１４は、例えば減速時などにコンプレッサ８の下流側から上流側に過給吸気を開放するリサーキュレーションバルブを示している。

排気通路６には、上流側から順に、ターボ過給機のタービン１６、プリ触媒コンバータ１７、メイン触媒コンバータ１８、消音器１９、が設けられている。タービン１６は、過給圧制御のために排気の一部を逃がすウェストゲートバルブ２０を備えている。

また、排気還流装置として、排気通路６のプリ触媒コンバータ１７とメイン触媒コンバータ１８との間から排気還流通路２１が分岐しており、この排気還流通路２１の先端は、吸気通路５に対し、エアフロメータ１１とコンプレッサ８との間に位置する合流点２２において合流している。この排気還流通路２１には、還流排気を冷却するＥＧＲガスクーラ２３と、排気還流量を目標のＥＧＲ率（排気還流率）に沿って制御するＥＧＲバルブ２４と、が設けられている。ＥＧＲバルブ２４は、例えばその前後の圧力差から実際のＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒを検出する流量検出センサ２５を備えている。

この流量検出センサ２５等の上述したセンサ類の検出信号は、いずれもコントロールユニット３に入力されている。

内燃機関１の可変圧縮比機構２は、特開２００４−１１６４３４号公報等に記載の公知の複リンク式ピストンクランク機構を利用したものであって、図２に示すように、クランクシャフト３１のクランクピン３１ａに回転自在に支持されたロアリンク３２と、このロアリンク３２の一端部のアッパピン３３とピストン３４のピストンピン３４ａとを互いに連結するアッパリンク３５と、ロアリンク３２の他端部のコントロールピン３６に一端が連結されたコントロールリンク３７と、このコントロールリンク３７の他端を揺動可能に支持するコントロールシャフト３８と、を主体として構成されている。上記コントロールシャフト３８は、該コントロールシャフト３８の回動に伴って位置が変化する偏心軸部３８ａを有し、上記コントロールリンク３７の端部は、詳しくは、この偏心軸部３８ａに回転可能に嵌合している。上記コントロールシャフト３８の回動位置は、電動モータなどからなるアクチュエータ３９によって制御される。上記の可変圧縮比機構２においては、コントロールシャフト３８の回動位置に応じてピストン３４の上死点位置が上下に変位し、従って、機械的な圧縮比が変化する。

図３は、上記コントロールユニット３における圧縮比制御を示す機能ブロック図である。定常圧縮比設定手段４１は、図示せぬクランク角センサが検出する機関回転速度Ｎｅとエアフロメータ１１による吸入空気量（新気量）Ｑａとに基づいて、機関運転条件に対応した定常時の目標圧縮比を出力する。過渡ＥＧＲ率推定手段４２は、その詳細は後述するが、実際に検出したＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒと、第１圧力センサ１２による過給圧ＰＡと、第２圧力センサ１３によるコレクタ内圧ＰＢと、エアフロメータ１１による新気量Ｑａと、に基づいて、過渡時の吸気ポートにおけるＥＧＲ率（これは筒内のＥＧＲ率と実質的に等しい）を推定する。定常ＥＧＲ率推定手段４３は、機関運転条件つまり機関回転速度Ｎｅと吸入空気量Ｑａとに基づいて、例えば所定のマップから定まる定常時の目標ＥＧＲ率を出力する。過渡ＥＧＲ圧縮比修正手段４４は、過渡ＥＧＲ率推定手段４２が出力する過渡時の吸気ポートにおけるＥＧＲ率と定常時の目標ＥＧＲ率との差に基づき、必要な圧縮比補正量を出力する。この圧縮比補正量を加算点４５において定常時の目標圧縮比に加算することで、最終的な目標圧縮比が得られる。

図４は、定常圧縮比設定手段４１による定常時の目標圧縮比の特性を示したものである。定常圧縮比設定手段４１は、例えば機関回転速度Ｎｅと吸入空気量Ｑａとをパラメータとするマップに基づいて、定常時の目標圧縮比を設定する。また、図４には、排気還流通路２１を介して排気還流が行われる排気還流領域を併せて示してあるが、定常時の目標圧縮比は、この排気還流を考慮したものとなっている。

図５は、過渡ＥＧＲ率推定手段４２の詳細を示す機能ブロック図である。スロットル流量推定手段５１は、スロットル弁１０上流側の過給圧ＰＡとスロットル弁１０下流側のコレクタ内圧ＰＢとに基づいて、スロットル弁１０を通過するスロットルガス流量Ｑｔｈを出力する。また、ＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒとエアフロメータ１１による新気量Ｑａとは加算点５２において加算することで、吸気通路５の合流点２２とスロットル弁１０との間の吸気通路容積へ流入する総流量Ｑｔｔを求める。そして、減算点５３において、総流量Ｑｔｔからスロットルガス流量Ｑｔｈを差し引いて、差分ガス流量Ｑｇを求める。なお、スロットルガス流量Ｑｔｈは、吸気通路５の合流点２２とスロットル弁１０との間の吸気通路容積内から流出するガス量に相当する。吸気ポート内ＥＧＲ率推定手段５４は、上記の差分ガス流量ＱｇとＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒとから吸気ポート内ＥＧＲ率推定値を出力する。

図６は、吸気ポート内ＥＧＲ率推定手段５４の詳細を示しており、この吸気ポート内ＥＧＲ率推定手段５４は、スロットル弁上流側ＥＧＲ率マップ６１と、スロットル弁１０から吸気ポート１０までのガスの輸送遅れに相当する伝達関数からなる吸気管内モデル６２と、を含んでいる。スロットル弁上流側ＥＧＲ率マップ６１は、「総流量Ｑｔｔ−スロットルガス流量Ｑｔｈ」の差分ガス流量ＱｇとＥＧＲガス流量Ｑｅｇｒとから、合流点２２とスロットル弁１０との間の吸気通路容積内におけるＥＧＲ率つまりスロットル弁１０上流側のＥＧＲ率を求める。図７は、上記スロットル弁上流側ＥＧＲ率マップ６１の特性を示している。吸気管内モデル６２は、簡易的には一次遅れ要素として構成することができ、スロットル弁上流側ＥＧＲ率マップ６１から得たスロットル弁１０上流側のＥＧＲ率に輸送遅れに相当する遅れを与えて、吸気ポート内ＥＧＲ率推定値を出力する。

このような構成により、過渡時において、筒内に吸入されるガスのＥＧＲ率に相当する吸気ポート内ＥＧＲ率を精度よく推定することができる。

そして、過渡時には、推定された吸気ポート内ＥＧＲ率と定常時の目標ＥＧＲ率との差に応じて、過渡ＥＧＲ圧縮比修正手段４４から必要な圧縮比補正量が出力される。図８は、過渡ＥＧＲ圧縮比修正手段４４が出力する圧縮比補正量の特性を示したものであり、「定常時目標ＥＧＲ率−吸気ポート内ＥＧＲ率推定値」の差が負の値であれば圧縮比補正量が正の値として出力され、差が正の値であれば圧縮比補正量が負の値として出力される。つまり、過渡時に推定した吸気ポートでのＥＧＲ率が定常時の目標ＥＧＲ率よりも高いときには、定常時の目標圧縮比を高圧縮比側へ補正し、過渡時に推定した吸気ポートでのＥＧＲ率が定常時の目標ＥＧＲ率よりも低いときには、定常時の目標圧縮比を低圧縮比側へ補正する。

図９は、前述した過渡シーン１（ＥＧＲ領域外のＰ１点からＥＧＲ領域内のＰ２点へと運転条件が変化する加速時）におけるＥＧＲ率および目標圧縮比の変化を示している。前述したように、破線で示す目標ＥＧＲ率は、定常時と同じＥＧＲ率マップに従って変化するが、筒内のＥＧＲ率は、実線で示すように遅れて上昇する。上記実施例の構成では、この実線に沿った特性でもって吸気ポート内ＥＧＲ率推定値が得られる。そのため、目標圧縮比は、図に実線の「実施例」として示すように、定常時の特性よりも一時的に低圧縮比側に補正される。従って、過渡的なノッキングの発生が抑制される。

図１０は、前述した過渡シーン２（ＥＧＲ領域内のＰ３点からＥＧＲ領域外のＰ４点へと運転条件が変化する減速時）におけるＥＧＲ率および目標圧縮比の変化を示している。前述したように、破線で示す目標ＥＧＲ率は、定常時と同じＥＧＲ率マップに従って変化するが、筒内のＥＧＲ率は、実線で示すように遅れて減少する。上記実施例の構成では、この実線に沿った特性でもって吸気ポート内ＥＧＲ率推定値が得られる。そのため、目標圧縮比は、図に実線の「実施例」として示すように、定常時の特性よりも早期に高い圧縮比となる。従って、一時的な燃費の悪化が抑制される。

以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上記実施例では、ピストン３４の上死点位置を上下に変位させることで圧縮比を変化させる複リンク式可変圧縮比機構が用いられているが、どのような形式の可変圧縮比機構であっても、本発明は同様に適用が可能である。

１…内燃機関
２…可変圧縮比機構
３…コントロールユニット
４１…定常圧縮比設定手段
４２…過渡ＥＧＲ率推定手段
４３…定常ＥＧＲ率推定手段
４４…過渡ＥＧＲ圧縮比修正手段４４
６２…吸気管内モデル（伝達関数）

Claims (6)

1. 可変圧縮比機構を備えるとともに、排気通路から吸気通路のスロットル弁上流側へ排気還流通路を介して排気の一部を還流する排気還流装置を備えた内燃機関において、
   内燃機関の運転条件に応じて上記可変圧縮比機構の目標圧縮比を設定する目標圧縮比設定手段と、
   内燃機関の過渡時に、排気還流通路との合流点とスロットル弁との間の吸気通路容積内でのＥＧＲ率を推定するスロットル弁上流側ＥＧＲ率推定手段と、
   スロットル弁から吸気ポートまでの吸気通路内での輸送遅れに相当する伝達関数を用いて、上記スロットル弁上流側におけるＥＧＲ率から吸気ポートでのＥＧＲ率を求める吸気ポート内ＥＧＲ率推定手段と、
   推定した上記吸気ポートでのＥＧＲ率に基づいて、上記目標圧縮比を補正する圧縮比補正手段と、
   を備え、
   上記圧縮比補正手段は、推定した上記吸気ポートでのＥＧＲ率が定常時の目標ＥＧＲ率よりも高いときに目標圧縮比を高圧縮比側へ補正する、可変圧縮比内燃機関の制御装置。
2. 上記排気還流通路を流れるＥＧＲガス流量を検出するＥＧＲガス流量検出手段を備え、
   上記スロットル弁上流側ＥＧＲ率推定手段は、上記ＥＧＲガス流量を用いて、上記吸気通路容積内でのＥＧＲ率を推定する、ことを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
3. 上記スロットル弁上流側ＥＧＲ率推定手段は、
   新気流量と上記ＥＧＲガス流量とから上記吸気通路容積へ流入する総流量を求めるとともに、この総流量からスロットル弁を通過するガス流量を差し引いた差分ガス流量を求め、この差分ガス流量と上記ＥＧＲガス流量とから上記吸気通路容積内でのＥＧＲ率を求める、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内燃機関の制御装置。
4. 上記圧縮比補正手段は、推定した上記吸気ポートでのＥＧＲ率が定常時の目標ＥＧＲ率よりも低いときに目標圧縮比を低圧縮比側へ補正する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
5. 上記内燃機関はターボ過給機を備えており、上記排気還流装置は、排気通路のタービン下流側から吸気通路のコンプレッサ上流側へ排気を還流する、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
6. 可変圧縮比機構を備えるとともに、排気通路から吸気通路のスロットル弁上流側へ排気還流通路を介して排気の一部を還流する排気還流装置を備えた内燃機関において、
   内燃機関の運転条件に応じて上記可変圧縮比機構の目標圧縮比を設定し、
   内燃機関の過渡時に、排気還流通路との合流点とスロットル弁との間の吸気通路容積内でのＥＧＲ率を推定し、
   このスロットル弁上流側のＥＧＲ率に、スロットル弁から吸気ポートまでの吸気通路内での輸送遅れに相当する遅れを与えて、吸気ポートでのＥＧＲ率を推定し、
   推定した上記吸気ポートでのＥＧＲ率に基づいて、当該ＥＧＲ率が定常時の目標ＥＧＲ率よりも高いときに上記目標圧縮比を高圧縮比側へ補正する、可変圧縮比内燃機関の制御方法。

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