JP5530641B2 - 火花点火式内燃機関のノッキング制御装置 - Google Patents

Description

本発明は火花点火式内燃機関のノッキング制御装置に関する。

従来の火花点火式内燃機関として、吸気弁の開閉時期を制御するなどして有効圧縮比を可変とするものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−１２１３０１号公報

しかしながら、従来の火花点火式内燃機関は、圧縮比を決定したあとに、その圧縮比と運転状態とに基づいてノッキング限界よりも遅角側となるように点火時期を制御していた。そのため、運転状態に応じて最適な燃費となる圧縮比及び点火時期の組み合わせを選択できないという問題点があった。

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、ノッキングを回避しつつ、運転状態に応じて最適な燃費となる圧縮比及び点火時期の組み合わせの選択を可能にすることを目的とする。

本発明は、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明は、機械圧縮比を可変とする圧縮比可変機構を備えた火花点火式内燃機関のノッキング制御装置であって、ノッキングを検出するノッキング検出手段と、低回転低負荷で運転している場合にノッキングを検出したときは、機械圧縮比を固定しつつ点火時期を遅角してノッキングを解消し、高回転高負荷で運転している場合にノッキングを検出したときは、点火時期を固定しつつ機械圧縮比を下げてノッキングを解消するノッキング解消手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、運転状態に応じて最適な燃費となる圧縮比及び点火時期でノッキングを解消することができる。

複リンク式ピストンストローク機構を備えたエンジンを示す図である。 複リンク式ピストンストローク機構による圧縮比変更方法を説明する図である。 低負荷で運転しているときの点火時期とＢＳＦＣとの関係を圧縮比ごとに示した図である。 高負荷で運転しているときの点火時期とＢＳＦＣとの関係を圧縮比ごとに示した図である。 第１実施形態によるノッキング回避制御について説明するブロック図である。 第１実施形態によるノッキング回避制御について説明するフローチャートである。 運転状態に応じてノッキングの解消手段を判定するためのマップである。 定常低負荷運転時におけるノッキング回避制御の動作について説明するタイムチャートである。 定常高負荷運転時におけるノッキング回避制御の動作について説明するタイムチャートである。 第２実施形態によるノッキング回避制御について説明するブロック図である。 第２実施形態によるノッキング回避制御について説明するフローチャートである。 過渡時におけるノッキング回避制御の動作について説明するタイムチャートである。 第３実施形態によるノッキング回避制御について説明するフローチャートである。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、複リンク式ピストンストローク機構を備えたエンジン１を示す図である。

エンジン１は、シリンダブロック３１と、その頂部を覆うシリンダヘッド３０とを備える。

シリンダブロック３１には、複数のシリンダ３１ａが形成される。シリンダ３１ａには、ピストン６０が摺動自在に嵌合する。これらシリンダヘッド３０とシリンダブロック３１とピストン６０とによって、ペントルーフ形の燃焼室４０が区画形成される。

シリンダヘッド３０には、燃焼室４０に開口する吸気通路４１及び排気通路４２が形成され、吸気通路４１の開口を開閉する吸気バルブ４３と、排気通路４２の開口を開閉する排気バルブ４４とが設けられる。また、シリンダヘッド３０には、燃料噴射弁４６が設けられる。燃料噴射弁４６は、吸気通路４１の内部に燃料を噴射する。さらに、シリンダヘッド３０には、点火栓４５が設けられる。点火栓４５は、燃焼室４０の頂壁中心部で火花を飛ばして混合気を点火する。

複リンク式ピストンストローク機構は、ピストン６０とクランクシャフト３３とを２つのリンク(アッパリンク１１、ロアリンク１２)で連結するとともに、コントロールリンク１３でロアリンク１２を制御して圧縮比を変更する。

アッパリンク１１は、その上端がピストンピン２１を介してピストン６０と連結し、その下端がアッパピン２２を介してロアリンク１２の一端と連結する。ピストン６０は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック３１のシリンダ３１ａ内を往復動する。

ロアリンク１２は、その一端がアッパピン２２を介してアッパリンク１１に連結し、その他端がコントロールピン２３を介してコントロールリンク１３に連結する。また、ロアリンク１２は、その略中央の連結孔に、クランクシャフト３３のクランクピン３３ｂが挿入され、クランクピン３３ｂを中心軸として揺動する。ロアリンク１２は左右の２部材に分割可能である。クランクシャフト３３は、複数のジャーナル３３ａとクランクピン３３ｂとカウンタウェイト３３ｃとを備える。ジャーナル３３ａは、シリンダブロック３１及びラダーフレーム３４によって回転自在に支持される。クランクピン３３ｂは、ジャーナル３３ａから所定量偏心しており、ここにロアリンク１２が揺動自在に連結する。カウンタウェイト３３ｃは、ジャーナル３３ａとクランクピン３３ｂとをつなぐアーム部に設けられ、回転部分の重量アンバランスを取り除く。

コントロールリンク１３は、その一端がコントロールピン２３を介してロアリンク１２に連結し、その他端が連結ピン２４を介してコントロールシャフト２５に連結する。コントロールリンク１３は、この連結ピン２４を中心として揺動する。またコントロールシャフト２５にはギアが形成されており、そのギアがアクチュエータ５１の回転軸５２に設けられたピニオン５３に噛合する。アクチュエータ５１によってコントロールシャフト２５が回転させられ、連結ピン２４が移動する。

コントローラ２は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ２には、ノックセンサ７１などのエンジンの１運転状態を検出する各種センサからの信号が入力される。コントローラ２は、運転状態に応じてアクチュエータ５１を制御して、エンジンの圧縮比（機械圧縮比）を変更する。

図２は複リンク式ピストンストローク機構による圧縮比変更方法を説明する図である。

複リンク式ピストンストローク機構は、コントロールシャフト２５を回転して連結ピン２４の位置を変更することで、圧縮比を変更できる。

例えば図２(Ａ)、図２(Ｃ)に示すように連結ピン２４を位置Ｐにすれば、上死点位置(ＴＤＣ)が高くなり高圧縮比になる。

そして図２(Ｂ)、図２(Ｃ)に示すように、連結ピン２４を位置Ｑにすれば、コントロールリンク１３が上方へ押し上げられ、コントロールピン２３の位置が上がる。これによりロアリンク１２はクランクピン３３ｂを中心として反時計方向に回転し、アッパピン２２が下がり、ピストン上死点(ＴＤＣ)におけるピストン６０の位置が下降する。したがって圧縮比が低圧縮比になる。

本実施形態のように圧縮比の変更が可能なエンジンの場合には、ノッキングが発生したときの解消方法として、点火時期を遅角する方法の他に、圧縮比を下げるという方法が考えられる。燃費を考慮すると、運転状態によって、点火時期を遅角した方が良い場合と機械圧縮比を下げた方が良い場合とがある。この点について図３及び図４を参照して説明する。

図３は、低負荷で運転しているときの点火時期と正味燃料消費率（Brake Specific Fuel Consumption；以下「ＢＳＦＣ」という）との関係を圧縮比ごとに示した図である。

高圧縮比で運転しているときにノッキングが発生した場合について考える。低負荷で運転している場合は、図３に破線で示すように点火時期をノッキング限界まで遅角させてノッキングを解消したときの方が、図３に一点鎖線で示すように圧縮比を下げて点火時期をノッキング限界まで進角させたときよりもＢＳＦＣが小さくなる。

つまり、低負荷で運転しているときにノッキングが発生したときは、圧縮比はそのままで点火時期を遅角させた方が、燃費は良くなる。

図４は、高負荷で運転しているときの点火時期とＢＳＦＣとの関係を圧縮比ごとに示した図である。

高負荷で運転しているときにノッキングが発生した場合について考える。高負荷で運転している場合は、図４に破線で示すように点火時期をノッキング限界まで遅角させてノッキングを解消するよりも、図４に一点鎖線で示すように圧縮比をノッキング限界となる圧縮比まで下げたときの方が、ＢＳＦＣが小さくなる。

つまり、高負荷で運転しているときにノッキングが発生したときは、点火時期はそのままで圧縮比を下げた方が、燃費は良くなる。

そこで本実施形態では、運転状態に応じて点火時期を制御してノッキングを解消するか、圧縮比を制御してノッキングを解消するかを切り替える。以下、このノッキング回避制御について説明する。

図５は、本実施形態によるノッキング回避制御について説明するブロック図である。

基本点火時期算出部１０１には、エンジン回転速度と、エンジン負荷と、が入力される。基本点火時期算出部１０１は、エンジン回転速度とエンジン負荷とに基づいて基本点火時期を算出し、出力する。

基本圧縮比算出部１０２には、エンジン回転速度と、エンジン負荷と、が入力される。基本圧縮比算出部１０２は、エンジン回転速度とエンジン負荷とに基づいて基本圧縮比を算出する。

ノッキング判定部１０３には、ノックセンサの出力値が入力される。ノッキング判定部１０３は、ノックセンサ出力値をノック判定レベルと比較して、ノッキングが発生しているか否かの判定結果を出力する。

補正値算出部１０４には、ノッキングが発生しているか否かの判定結果と、エンジン回転速度と、エンジン負荷と、が入力される。補正値算出部１０４は、ノッキングが発生している場合には、まずエンジン回転速度とエンジン負荷とから運転状態を検出し、運転状態に応じて、点火時期又は圧縮比のいずれかを優先的に制御するかを決定する。そして、その決定に応じて、基本点火時期に対する補正量（以下「基本点火時期補正量」という）及び基本圧縮比に対する補正量（以下「基本圧縮比補正量」という）を算出し、出力する。

目標点火時期算出部１０５には、基本点火時期と、基本点火時期補正量と、が入力される。目標点火時期算出部１０５は、基本点火時期と基本点火時期補正量とに基づいて目標点火時期を算出し、出力する。

目標圧縮比算出部１０６には、基本圧縮比と、基本圧縮比補正量と、が入力される。の九表圧縮比算出部は、基本圧縮比と基本圧縮比補正量とに基づいて目標圧縮比を算出し、出力する。

図６は、本実施形態によるノッキング回避制御について説明するフローチャートである。コントローラ２は、本ルーチンをエンジンの運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。

ステップＳ１において、コントローラ２は、運転状態に応じて基本点火時期と基本圧縮比とを算出する。

ステップＳ２において、コントローラ２は、ノッキングが発生したか否かを判定する。コントローラ２は、ノッキングが発生していると判定したときはステップＳ６に処理を移行し、ノッキングが発生していないと判定したときはステップＳ３に処理を移行する。

ステップＳ３において、コントローラ２は、基本点火時期を目標点火時期に設定する。

ステップＳ４において、コントローラ２は、基本圧縮比を目標圧縮比に設定する。

ステップＳ５において、コントローラ２は、点火時期を目標点火時期に制御し、圧縮比を目標圧縮比に制御する。

ステップＳ６において、コントローラ２は、運転状態に応じてノッキングの解消手段を判定する。具体的には、後述する図７のマップを参照して、エンジンが点火時期制御領域で運転しているのか、圧縮比制御領域で運転しているのかを判定する。コントローラ２は、エンジンが点火時期制御領域で運転しているときにはステップＳ７に処理を移行する。一方で、エンジンが圧縮比制御領域で運転しているときにはステップＳ９に処理を移行する。

ステップＳ７において、コントローラ２は、基本点火時期から所定の基本点火時期補正量だけ遅角させた点火時期を目標点火時期として設定する。

ステップＳ８において、コントローラ２は、基本圧縮比を目標圧縮比に設定する。

ステップＳ９において、コントローラ２は、基本点火時期を目標点火時期に設定する。

ステップＳ１０において、コントローラ２は、基本圧縮比から所定の基本圧縮比補正量だけ低下させた圧縮比を目標圧縮比として設定する。

図７は、運転状態に応じてノッキングの解消手段を判定するためのマップである。

図７に示すように、低回転低負荷で運転しているが点火時期制御領域となり、高回転又は高負荷で運転しているときが圧縮比制御領域となる。

図８は、定常低負荷運転時におけるノッキング回避制御の動作について説明するタイムチャートである。フローチャートとの対応を明確にするため、フローチャートのステップ番号を併記して説明する。

時刻ｔ１でノッキングが発生すると（図８（Ｄ）；Ｓ２でＹｅｓ）、定常低負荷運転時の場合、すなわち点火時期制御領域で運転している場合には（図８（Ａ）；Ｓ６でＮｏ）、圧縮比はそのままで（図８（Ｃ）；Ｓ８）、点火時期をノック限界まで遅角してノッキングを解消する（図８（Ｂ）（Ｄ）；Ｓ７）。

時刻ｔ２で再びノッキングが発生したときも同様にしてノッキングを解消する。

図９は、定常高負荷運転時におけるノッキング回避制御の動作について説明するタイムチャートである。フローチャートとの対応を明確にするため、フローチャートのステップ番号を併記して説明する。

時刻ｔ１１でノッキングが発生すると（図８（Ｄ）；Ｓ２でＹｅｓ）、定常高負荷運転の場合、すなわち圧縮比制御領域で運転している場合には（図８（Ａ）；Ｓ６でＹｅｓ）、点火時期はそのままで（図８（Ｂ）；Ｓ９）、圧縮比をノック限界まで下げてノッキングを解消する（図８（Ｃ）（Ｄ）；Ｓ１０）。

時刻ｔ１２で再びノッキングが発生したときも同様にしてノッキングを解消する。

以上説明した本実施形態によれば、ノッキングが発生した場合に、運転状態に応じて点火時期を優先的に制御してノッキングを解消するか、圧縮比を優先的に制御してノッキングを解消するかを切り替えることにした。

これにより、運転状態に応じて最適な燃費となる圧縮比及び点火時期でノッキングを解消することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、運転状態が過渡状態の場合にノッキングが検出されたときは、点火時期及び圧縮比の双方を制御してノッキングを解消する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下の各実施形態では上述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

図１０は、本実施形態によるノッキング回避制御について説明するブロック図である。

過渡状態判定部２０１には、エンジン回転速度と、エンジン負荷と、が入力される。過渡状態判定部２０１は、エンジン回転速度とエンジン負荷とに基づいて、運転状態が定常状態か過渡状態かを判定し、その判定結果を出力する。過渡状態判定部２０１は、急加速時など、所定以上のトルク変動があったときに過渡状態と判定する。

過渡時補正値算出部２０２には、ノッキングが発生しているか否かの判定結果が入力される。過渡時補正値算出部２０２は、ノッキングが発生しているときには、過渡時における基本点火時期に対する補正量（以下「過渡時基本点火時期補正量」という）及び過渡時における基本圧縮比に対する補正量（以下「過渡時基本圧縮比補正量」という）を出力する。

切替部２０３には、過渡状態か否かの判定結果と、基本点火時期補正量と、基本圧縮比補正量と、過渡時基本点火時期補正量と、過渡時基本圧縮比補正量と、が入力される。切替部２０３は、運転状態が定常状態であれば、基本点火時期補正量及び基本圧縮比補正量を出力する。一方で、運転状態が過渡状態であれば、過渡時基本点火時期補正量及び過渡時基本圧縮比補正量を出力する。

図１１は、本実施形態によるノッキング回避制御について説明するフローチャートである。コントローラ２は、本ルーチンをエンジンの運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。

ステップＳ２１において、コントローラ２は、運転状態が定常状態であるか過渡状態であるかを判定する。コントローラ２は、運転状態が定常状態であればステップＳ６に処理を移行し、過渡状態であればステップＳ２２に処理を移行する。

ステップＳ２２において、コントローラ２は、基本点火時期から所定の過渡時基本点火時期補正量だけ遅角させた点火時期を目標点火時期として設定する。

ステップＳ２３において、コントローラ２は、基本圧縮比から所定の過渡時基本圧縮比補正量だけ低下させた圧縮比を目標圧縮比として設定する。

図１２は、過渡時におけるノッキング回避制御の動作について説明するタイムチャートである。フローチャートとの対応を明確にするため、フローチャートのステップ番号を併記して説明する。

時刻ｔ２１で過渡時にノッキングが発生すると（図１２（Ａ）（Ｄ）；Ｓ２でＹｅｓ，Ｓ２１でＹｅｓ）、点火時期を基本点火時期から過渡時基本点火時期補正量だけ遅角させ（図１２（Ｂ）；Ｓ２２）、かつ、圧縮比を基本圧縮比から所定の過渡時基本圧縮比補正量だけ低下させてノッキングを解消する（図１２（Ｃ）（Ｄ）；Ｓ２３）。

以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる他に、過渡時のノッキングを確実に解消することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、ノッキングの頻度が所定値を超えたときに点火時期の遅角量又は圧縮比の低下量を補正する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

図１３は、本実施形態によるノッキング回避制御について説明するフローチャートである。コントローラ２は、本ルーチンをエンジンの運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。

ステップＳ３１において、コントローラ２は、ノッキング頻度が所定頻度より高くなったか否かを判定する。コントローラ２は、ノッキング頻度が所定頻度を超えていればステップＳ３２に処理を移行し、そうでなければ今回の処理を終了する。

ステップＳ３２において、コントローラ２は、予め運転状態に応じて決められた基本点火時期の値を新たな値に更新する。具体的には、先のステップで算出した目標点火時期を次回からの演算で使用する基本点火時期とする。

ステップＳ３３において、コントローラ２は、予め運転状態に応じて決められた基本圧縮比の値を新たな値に更新する。具体的には、先のステップで算出した目標圧縮比を次回からの演算で使用する基本圧縮比とする。

以上説明した本実施形態によれば、ノッキング頻度が高いときは、予め運転状態に応じて決められた基本点火時期及び基本圧縮比の値を補正する。これにより、第１実施形態と同様の効果が得られる他に、ノッキングの頻度を低下させることができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

１ エンジン（火花点火時期内燃機関）
１１ アッパリンク
１２ ロアリンク
１３ コントロールリンク
２５ コントロールシャフト
３１ シリンダブロック
３３ クランクシャフト
５１ アクチュエータ
６０ ピストン
１０１ 基本点火時期算出部（基本値算出手段）
１０２ 基本圧縮比算出部（基本値算出手段）
１０４ 補正値算出部（補正値算出手段）
１０５ 目標点火時期算出部（目標値算出手段）
１０６ 目標圧縮比算出部（目標値算出手段）
Ｓ１ ノッキング解消手段、基本値算出手段
Ｓ２ ノッキング検出手段
Ｓ６ ノッキング解消手段
Ｓ７ ノッキング解消手段、補正値算出手段、目標値算出手段
Ｓ８ ノッキング解消手段、目標値算出手段
Ｓ９ ノッキング解消手段、目標値算出手段
Ｓ１０ ノッキング解消手段、補正値算出手段、目標値算出手段
Ｓ２１ 過渡時ノッキング解消手段
Ｓ２２ 過渡時ノッキング解消手段
Ｓ２３ 過渡時ノッキング解消手段
Ｓ３１ ノッキング頻度算出手段
Ｓ３２ 基本値変更手段
Ｓ３３ 基本値変更手段

Claims (5)

1. 機械圧縮比を可変とする圧縮比可変機構を備えた火花点火式内燃機関のノッキング制御装置であって、
   ノッキングを検出するノッキング検出手段と、
   低回転低負荷で運転している場合にノッキングを検出したときは、機械圧縮比を固定しつつ点火時期を遅角してノッキングを解消し、高回転高負荷で運転している場合にノッキングを検出したときは、点火時期を固定しつつ機械圧縮比を下げてノッキングを解消するノッキング解消手段と、
   を備えることを特徴とする火花点火式内燃機関のノッキング制御装置。
2. 前記ノッキング解消手段は、
   運転状態に応じて点火時期及び圧縮比の基本値を算出する基本値算出手段と、
   低回転低負荷で運転している場合にノッキングを検出したときは、点火時期の補正値を算出し、高回転高負荷で運転している場合にノッキングを検出したときは、機械圧縮比の補正値を算出する補正値算出手段と、
   低回転低負荷で運転している場合にノッキングを検出したときは、前記機械圧縮比の基本値を目標圧縮比としつつ、前記点火時期の基本値を前記点火時期の補正値で補正して目標点火時期を算出し、高回転高負荷で運転している場合にノッキングを検出したときは、前記点火時期の基本値を目標点火時期としつつ、前記機械圧縮比の基本値を前記機械圧縮比の補正値で補正して目標機械圧縮比を算出する目標値算出手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の火花点火式内燃機関のノッキング制御装置。
3. ノッキングの検出結果に基づいてノッキング頻度を算出するノッキング頻度算出手段と、
   ノッキング頻度が所定頻度より多いときは、運転状態に応じて予め定められた点火時期及び圧縮比の前記基本値を、次回の演算時以降は今回の演算時で算出した前記目標値に変更する基本値変更手段と、
   を備えることを特徴とする請求項２に記載の火花点火式内燃機関のノッキング制御装置。
4. 所定以上のトルク変動が生じた過渡状態でノッキングを検出したときは、前記ノッキング解消手段を停止して、点火時期及び圧縮比の双方を制御してノッキングを解消する過渡時ノッキング解消手段を備える
   ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１つに記載の火花点火式内燃機関のノッキング制御装置。
5. 前記圧縮比可変機構は、
   クランクシャフトに回転自在に支持されるロアリンクと、
   前記ピストンと前記ロアリンクとを連結するアッパリンクと、
   前記クランクシャフトと平行にシリンダブロックに回転自在に支持され、その回転軸心に対して偏心した偏心軸部を有するコントロールシャフトと、
   前記ロアリンクと前記コントロールシャフトの偏心軸部とを連結するコントロールリンクと、
   前記コントロールシャフトを所定の角度範囲内で回転させて、そのコントロールシャフトの偏心軸部の位置を変更させるアクチュエータと、
   を備えることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１つに記載の火花点火式内燃機関のノッキング制御装置。

Images