JP4765699B2

JP4765699B2 - レシプロ式内燃機関の制御方法

Info

Publication number: JP4765699B2
Application number: JP2006074272A
Authority: JP
Inventors: 知善伊達; 仁石井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2026-03-17
Also published as: JP2007247588A

Description

本発明は、公称圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を備えるレシプロ式内燃機関に関する。

レシプロ式内燃機関では、空気密度が低く大気圧の低い高地での始動・走行時に、燃焼室の吸気充填量つまり圧縮空気密度が不足して、機関出力の低下や燃焼安定性の低下を招く、という課題がある。そこで、特許文献１では、低温高地での走行時のように大気圧が低い場合には、機関出力不足を解消するために、可変バルブタイミング機構により吸・排気弁のバルブオーバーラップ量を大きくなる側へ補正している。また、特許文献２では、スロットル弁を通過する吸気流速が変化しないタイミングで吸気弁のバルブタイミングを切り換えることにより、切換時のトルクショックを回避するもので、空気密度が低いほど、バルブタイミングを切り換える切換吸気充填量を低い側へ補正している。
特開平１０−１４１０９８号公報特開平５−４４５０３号公報

しかしながら、上記特許文献１のように、高地始動時のように大気圧が低く空気密度の低いときにバルブオーバーラップを大きくすると、筒内残留ガスの増大による始動性の低下を招くおそれがある。また、特許文献２の技術では、平地と高地との空気密度の違いにかかわらずバルブタイミング切換時のトルクショックを低減できるものの、空気密度が低い高地での機関出力不足のような空気密度に応じた機関出力（トルク）の変動を低減することはできない。特に、空気密度や大気圧の低い高地での機関始動時には、圧縮空気密度が下がることで燃焼圧トルクが下がり、メカフリクション等の負の仕事の影響が大きくなることで、完爆時間が長くなり、良好な始動安定性を得ることが困難となり、その対策が望まれていた。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、レシプロ式内燃機関の公称圧縮比を変更する可変圧縮比機構を備えたレシプロ式内燃機関の制御方法であって、イグニッションスイッチがオンであるか否かを判定する第１の工程と、前記第１の工程でイグニッションスイッチがオンであると判定された後に大気圧を検出する第２の工程と、前記第２の工程で検出した大気圧に基づいて目標圧縮比を設定する第３の工程と、前記第３の工程で設定された目標圧縮比へ向けて前記可変圧縮比機構を駆動制御する第４の工程と、前記第４の工程の駆動制御により目標圧縮比に実圧縮比が到達したか否かを判定する第５の工程と、前記第５の工程で目標圧縮比に実圧縮比が到達したと判定された後にスタータスイッチがオンであるか否かを判定する第６の工程と、前記第６の工程でスタータスイッチがオンであると判定された後にクランキングを開始する第７の工程と、からなり、前記第６の工程でスタータスイッチがオンでないと判定された場合、前記第２の工程へ処理を戻すことを特徴としている。

なお、「公称圧縮比」とは、周知のように、燃焼室の隙間容積とピストン行程容積の和と、隙間容積と、の比により定義される幾何学的な圧縮比であり、有効圧縮比とは異なり吸・排気弁の開閉時期により変化するものではない。

本発明によれば、レシプロ式内燃機関の公称圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を利用し、その目標圧縮比を空気密度（大気圧）に応じて補正することによって、空気密度の大小に起因する燃焼室内の圧縮空気密度のばらつきを低減・解消し、ひいては機関出力の変動を低減・防止することができる。従って、例えば空気密度の低い高地始動時にも、燃焼安定性を確保して、機関始動性を向上することができる。また、可変圧縮比機構によって公称圧縮比を操作するものであるため、例えば可変バルブタイミング機構を用いて有効圧縮比を操作するものに比して、バルブタイミングの変更に伴うポンプロスの増加や燃焼安定性の低下等のトレードオフのデメリットを生じることがない。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施例に係るレシプロ式内燃機関の制御装置のシステム構成図である。ここでは、レシプロ式内燃機関の公称圧縮比を可変とする可変圧縮比機構として、ピストン３とクランクシャフト７のクランクピン８とを複数のリンクで連係する複リンク式ピストン−クランク機構を利用した可変圧縮比機構２１を示している。この可変圧縮比機構２１は特開２００３−９０４０９号公報等にも開示されているように公知であり、ここでは簡単な説明にとどめる。

可変圧縮比機構２１は、シリンダブロック１のシリンダ２内を摺動するピストン３にピストンピン４を介して一端が連結されたアッパリンク５と、このアッパリンク５の他端に連結ピン６を介して連結されるとともに、クランクシャフト７のクランクピン８に回転可能に取り付けられたロアリンク９と、このロアリンク９の自由度を制限するために該ロアリンク９に連結ピン１０を介して一端が連結され、かつ他端がシリンダブロック１側に揺動可能に支持されたコントロールリンク１１と、を備えており、上記コントロールリンク１１の揺動支持位置が制御軸１２の偏心カム部（制御偏心軸部）１３によって可変制御される構成となっている。この制御軸１２はクランクシャフト７と平行に配置され、シリンダブロック１側に揺動可能に支持されており、油圧式や電動式のアクチュエータ２２によって、その回転位置が変更・保持される。

この制御軸１２の回転位置を変更することにより、コントロールリンク１１によるロアリンク９の運動拘束条件が変化し、ピストン３の行程変位を伴って、公称圧縮比εが連続的に変化する。このような可変圧縮比機構２１によれば、公称圧縮比を機関運転状態に応じて連続的・無段階に変更できることに加え、ピストンストローク特性そのものを好ましい特性、例えば単振動に近い特性へ近づけることができる。また、ロアリンク９にコントロールリンク１１を接続することにより、制御軸１２を比較的スペースに余裕のあるクランクシャフト７の斜め下方に配置することができ、機関搭載性にも優れている。

機関制御部２０は、各種制御処理を記憶及び実行する機能を有するものであり、後述する目標圧縮比ｔεに対応する制御信号をアクチュエータ２２へ出力し、可変圧縮比機構２１を目標圧縮比ｔεへ向けて駆動制御する。この圧縮比制御は機関運転条件に基づいて行われ、典型的には、機関負荷が高いほどノッキングを回避するように低圧縮比側へ制御される。また、機関運転状態を検出する各種センサ類の一つとして、この実施例では、大気圧を検出する大気圧センサ２３が設けられている。この大気圧センサ２３は、例えばキャニスタの近傍に設置される。

図２は、本実施例の機関始動時における制御の流れを示すフローチャートである。イグニッションスイッチ（ＩＧＮＳＷ）がオン（ＯＮ）となると、ステップＳ１からステップＳ２へ進み、大気圧センサ２３により検出される大気圧を読み込む。そして、ステップＳ３では、大気圧に基づいて目標圧縮比ｔεを設定（補正）する。具体的には図３に示すような予め設定された大気圧−目標圧縮比ｔεとの相関を示す制御マップ（テーブル）を用いてｔεが設定される。この図３に示すように、標準大気圧での始動時用目標圧縮比である基準目標圧縮比ｔε０に対し、大気圧が高くなるほど目標圧縮比ｔεが低下側へ補正され、大気圧が低くなるほど目標圧縮比ｔεが増加側へ補正される。

再び図２を参照して、ステップＳ４では、ステップＳ３で設定された目標圧縮比ｔεへ向けた可変圧縮比機構２１の駆動制御を行う。ステップＳ５では、目標圧縮比ｔεへ制御できたか、つまりｔεへ向けた可変圧縮比機構２１による圧縮比操作が完了したかを判定する。この判定は、例えば制御軸１２の角度を検出するセンサを用いて行うようにしても良く、あるいは、より簡易的に所定時間が経過したかで判定することもできる。

目標圧縮比ｔεへの操作が完了したと判定されると、ステップＳ５からステップＳ６へ進み、スタータスイッチ（ＳＴＳＷ）がオン（ＯＮ）であるかを判定する。スタータスイッチがオンとなると、ステップＳ６からステップＳ７へ進み、クランキング、つまり機関始動を開始する。

図５は、本実施例に係る高地始動時のタイムチャートを示している。同図に示すように、イグニッションスイッチのオフからオンへの切換時Ｔ０に、大気圧が標準大気圧よりも低く、空気密度が低い状況では、クランキングによる機関始動の開始（Ｔ１）に先だって、目標圧縮比ｔεが基準目標圧縮比ｔε０に対して増加側へ補正され、この目標圧縮比ｔεへ向けて可変圧縮比機構２１が駆動制御される。そして、目標圧縮比ｔεへの制御完了後に、スタータスイッチのＯＮによりクランキングつまり機関始動が開始される（Ｔ１）。

ここで、機関始動完了時（Ｔ２）までの始動用燃料増量（燃料噴射量）は大気圧に応じて設定（補正）される。具体的には図４に示すように、標準大気圧の状態での基準となる始動時用の基準燃料増量ＴＰ０に対し、大気圧が低いほど、燃料気化が促進されるので、筒内壁流量が減少する分、燃料増量が低下側へ補正される。この結果、燃費向上や排気清浄化等を図ることができる。また、図５に示すように、機関始動完了時（Ｔ２）までの始動用点火時期は、燃焼安定性を向上するために、大気圧が標準状態のときに比して遅角側へ補正される。

このように本実施例では、目標圧縮比ｔεを大気圧に応じて補正することによって、大気圧の大小に起因する燃焼室内の圧縮空気密度のばらつきを低減・解消し、ひいては機関出力の変動を低減・防止することができる。特に、大気圧の低い高地始動時には、大気圧センサ２３の検出信号に応じて目標圧縮比ｔεが増加側へ補正されるために、実質的に標準大気圧状態と同等の圧縮空気密度を確保することができる、機関出力不足を解消することができる。このため、高地始動時での燃焼安定性が向上するとともに、図５の破線で示すように目標圧縮比ｔεの補正を行わない場合に比して、始動時間を十分に短縮し（Δα）、始動応答性を向上することができる。

また、機関始動の開始（クランキング）に先立って目標圧縮比ｔεへ向けた操作を行っているために、実圧縮比が目標圧縮比ｔεへ変換する前にクランキングが開始するようなことがなく、始動安定性が更に向上する。しかも、可変圧縮比機構２１によって公称圧縮比を操作するものであるため、例えば可変バルブタイミング機構を用いて有効圧縮比を操作するものに比して、バルブタイミングの変更に伴うポンプロスの増加や燃焼安定性の低下等のトレードオフのデメリットを生じることもない。

このような目標圧縮比ｔεの設定・補正制御を通常の機関運転時にも適用した制御の例を図６に示す。本ルーチンは機関制御部２０ｎより所定期間毎に繰り返し実行される。ステップＳ１１では、大気圧センサ２３により検出される大気圧を読み込む。ステップＳ１２では、主としてアクセル開度ＡＰＯに基づいて設定される機関要求負荷を読み込む。ステップＳ１３では、図７に示すような予め設定される制御マップを参照して、要求負荷及び大気圧に基づいて目標圧縮比ｔεを設定（補正）する。このように設定された目標圧縮比ｔεへ向けて可変圧縮比機構２１が駆動制御される。

図７に示すように、目標圧縮比ｔεは、基本的には、要求負荷が高くなるほどノッキングを回避する等のために低く、要求負荷が低くなるほど充填効率向上等のために高く設定される。そして、目標圧縮比ｔεは、標準大気圧における標準状態と同等の圧縮空気密度が得られるように、標準状態に対し、大気圧が高くなるほど低下側へ補正され、大気圧が低くなるほど増加側へ補正される。従って、上述した機関始動時と同様、大気圧の状態にかかわらず、標準状態と等価の圧縮空気密度を確保することができ、大気圧の相違による機関出力の変動を抑制することができる。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、過給機を備えるレシプロ式内燃機関の場合、過給による空気密度の変化も考慮して目標圧縮比を補正するようにしても良い。

本発明の一実施例に係るレシプロ式内燃機関の制御装置を示すシステム構成図。本実施例に係る機関始動時の制御の流れを示すフローチャート。図２のルーチンで目標圧縮比の設定に用いられる制御マップ。始動用燃料増量の設定の一例を示す特性図。本実施例に係る高地始動時におけるタイムチャート。本実施例に係る機関運転中での目標圧縮比の設定処理の流れを示すフローチャート。図６のルーチンで目標圧縮比の設定に用いられる制御マップ。

符号の説明

２０…機関制御部
２１…可変圧縮比機構
２３…大気圧センサ（空気密度検出手段）

Claims

レシプロ式内燃機関の公称圧縮比を変更する可変圧縮比機構を備えたレシプロ式内燃機関の制御方法であって、
イグニッションスイッチがオンであるか否かを判定する第１の工程と、
前記第１の工程でイグニッションスイッチがオンであると判定された後に大気圧を検出する第２の工程と、
前記第２の工程で検出した大気圧に基づいて目標圧縮比を設定する第３の工程と、
前記第３の工程で設定された目標圧縮比へ向けて前記可変圧縮比機構を駆動制御する第４の工程と、
前記第４の工程の駆動制御により目標圧縮比に実圧縮比が到達したか否かを判定する第５の工程と、
前記第５の工程で目標圧縮比に実圧縮比が到達したと判定された後にスタータスイッチがオンであるか否かを判定する第６の工程と、
前記第６の工程でスタータスイッチがオンであると判定された後にクランキングを開始する第７の工程と、
からなり、前記第６の工程でスタータスイッチがオンでないと判定された場合、前記第２の工程へ処理を戻す
ことを特徴とするレシプロ式内燃機関の制御方法。