(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構を備えた内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の負荷および回転速度に基づいて上記可変圧縮比機構の目標圧縮比を設定する手段と、
排気系における保護対象部品の保護のために燃料増量を行う燃料増量手段と、
この燃料増量手段による燃料増量に基づいて上記目標圧縮比を高圧縮比側へ補正する補正手段と、
を備えてなる内燃機関の制御装置。
【請求項２】
上記補正手段は、燃料増量の程度が大であるほど圧縮比補正量を大とする、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
上記燃料増量手段は、複数の保護対象部品が順次保護要求温度に達することに対応して多段の燃料増量を行う、請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
上記燃料増量手段は、上記補正手段により高圧縮比側へ補正される圧縮比を考慮して、保護対象部品の保護に必要な燃料増量を設定する、請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
上記燃料増量手段は、上記補正手段により高圧縮比側へ補正された目標圧縮比と実圧縮比とが乖離している過渡期間は、付加的な燃料増量を行う、請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
所定の負荷以上の高負荷域では、上記燃料増量に伴う圧縮比の補正を行わない、請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構を備えた内燃機関において、
内燃機関の負荷および回転速度に基づいて上記可変圧縮比機構の目標圧縮比を設定するとともに、
排気系における保護対象部品の保護のために燃料増量が行われている間、この燃料増量に基づいて上記目標圧縮比を高圧縮比側へ補正する、内燃機関の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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た内燃機関の制御装置および制御方法に関し、特に、排気系における保護対象部品の保護のために燃料増量を行う内燃機関における圧縮比制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、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。また、クランクシャフトの中心位置に対しシリンダの位置を上下に変位させることで同様に機械的圧縮比を変化させるようにした可変圧縮比機構も公知である。【０００３】
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、低負荷域では高圧縮比であるが、負荷が高いほど低い圧縮比となる。例えば特許文献１には、内燃機関の負荷と回転速度（回転数）をパラメータとして予め最適な目標圧縮比を割り付けた圧縮比マップを参照して、可変圧縮比機構の目標圧縮比を設定することが開示されている。【０００４】
一方、特許文献２には、排気管やその周囲の何らかの部品等の保護対象部品が過度に高温となることを回避するために、これら保護対象部品の排気温度による温度上昇を推定し、許容温度を超えるときに、排気温度を低下させるための燃料増量を行うことが開示されている。【０００５】
さらに、特許文献３には、可変圧縮比機構を備えた内燃機関において、排気浄化触媒の保護のために、触媒温度が所定温度以上である場合には、機関負荷が高負荷から低負荷へ移行する過渡時に、圧縮比をある上限値以下に制限するようにした技術が開示されている。【０００６】
上述したように、可変圧縮比機構における目標圧縮比は、基本的にはノッキングによって制限を受けるのであるが、排気系における保護対象部品の保護のために特許文献２のように燃料増量を行うものにあっては、燃料増量によってノッキングが生じにくくなるため、さらに圧縮比を高めることが可能である。そして、圧縮比を高くすれば、排気温度が低下するため、排気系における保護対象部品の保護の上で有利である。【０００７】
特許文献１，２においては、このような燃料増量と圧縮比との関係について何ら考慮されておらず、なお改善の余地がある。【０００８】
なお、特許文献３は、機械的圧縮比が高いほど排気浄化触媒に流入する未燃ＨＣが増大するとの認識の下で、低負荷への移行時の圧縮比をある上限値以下に制限するものであり、燃料増量と圧縮比との関係を何ら開示していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−９２６３９号公報
【特許文献２】特開２００８−５１０９２号公報
【特許文献３】特開２０１２−３１８３９号公報
【発明の概要】
【００１０】
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た内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の負荷および回転速度に基づいて上記可変圧縮比機構の目標圧縮比を設定する手段と、
排気系における保護対象部品の保護のために燃料増量を行う燃料増量手段と、
この燃料増量手段により燃料増量が行われているときに上記目標圧縮比を高圧縮比側へ補正する補正手段と、
を備えている。
【００１１】
すなわち、本発明では、排気系における保護対象部品（排気に直接接する部品のほか、間接的に排気熱を受ける周囲の部品を含む）が過度に高温となったときに、その保護のために、排気温度を低下すべく燃料増量が実行される。そして、このように燃料増量が実行されている間、同時に、可変圧縮比機構による圧縮比が高圧縮比側へ補正される。つまり、同一の負荷および回転速度の下で燃料増量を行っていないときに比較して、より高い圧縮比に制御される。
【００１２】
内燃機関の機械的圧縮比は、熱効率の観点からできるだけ高い圧縮比とすることが望ましいが、ノッキングによって制限を受け、従って、目標圧縮比の一般的な傾向としては、負荷が高いほど低い圧縮比となる。しかしながら、燃料増量を行うと、燃料の気化潜熱による混合気冷却作用が増加するので、燃料増量を行っていない場合に比べてノッキングが生じにくくなり、より高い機械的圧縮比で運転することが可能である。そして、高圧縮比とすることにより、熱効率が高まり、排気温度が低下するので、単純に燃料増量を行うだけの場合に比べて保護対象部品の過熱を防ぐために必要な燃料増量の量が少なくなる。従って、結果として、燃料消費量を低減することが可能である。
【００１３】
この発明によれば、排気系における部品保護のために燃料増量に併せて高圧縮比化を行うことで、熱効率の向上が図れ、部品を排気熱から確実に保護しつつ燃料消費量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の一実施例を示す構成説明図。
【図２】この実施例の排気系保護制御についてのブロック図。
【図３】この実施例の制御を示すフローチャート。
【図４】この実施例の作用を説明するためのタイミングチャートであり、排気マニホルド温度が閾値を超えた場合の例を示すタイミングチャート。
【図５】排気マニホルド温度およびセンサ部温度の双方が各々の閾値を超えた場合の例を示すタイミングチャート。
【図６】負荷に基づき圧縮比の補正が禁止された例を示すタイミングチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、この発明に係る制御装置を備えた内燃機関１のシステム構成を示す構成説明図である。
【００１６】
内燃機関１は、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公知の可変圧縮比機構２を備えており、リンクジオメトリの変更つまり機械的圧縮比の変更のために、例えば電動モータなどからなる可変圧縮比アクチュエータ３を備えている。なお、この可変圧縮比アクチュエータ３は、同時に、実際の機械的圧縮比（実圧縮比ｒＣＲ）を検出するセンサとしても機能している。また、内燃機関１は、燃焼室の中央に点火プラグ４を有するとともに、吸気ポートへ向かって燃料を噴射する燃料噴射弁５を備えている。なお、図示例は、いわゆるポート噴射型の構成であるが、燃焼室内へ燃料を噴射する筒内直接噴射式内燃機関であっても本発明は適用可能である。
【００１７】
内燃機関１の排気マニホルド７には、排気温度を計測する排気温センサ８が取り付けられている。
【００１８】
また、内燃機関１の運転条件として、運転者によって操作されるアクセルペダルの開度（要求負荷ｔＴ）を検出するアクセルペダルセンサ９、および、内燃機関１の回転数（回転速度）Ｎｅを検出する回転数センサ１０、を備えている。これらのセンサ類の検出信号は、エンジンコントロールユニット１１に入力されており、これらの検出信号に基づいて、燃料噴射弁５の噴射量や噴射時期、点火プラグ４の点火時期等が制御されるとともに、可変圧縮比機構２の可変圧縮比アクチュエータ３が、目標とする圧縮比となるように駆動される。
【００１９】
図２は、上記エンジンコントロールユニット１１によって実現される排気系保護制御の制御ブロック図を示している。基本目標圧縮比演算部２１は、アクセルペダルセンサ９により検出される要求負荷ｔＴと、回転数センサ６により検出される機関回転数Ｎｅと、に基づいて、機械的圧縮比の基本値つまり基本目標圧縮比bｔＣＲを算出する。また、基本目標空燃比演算部２２は、同じく、要求負荷ｔＴと機関回転数Ｎｅとに基づいて基本目標空燃比ｂｔＡＦを算出する。なお、この基本目標空燃比ｂｔＡＦは、高負荷域など一部の運転領域を除き、理論空燃比相当の値となる。
【００２０】
部品温度演算部２３は、排気温センサ８が検出した排気温度Ｔｅｘｈから、保護対象部品の温度として、排気マニホルド温度Ｔｅｍおよび排気温センサ部温度Ｔｅｓを算出する。排気マニホルド７の温度を示す排気マニホルド温度Ｔｅｍは、特許文献２等でも説明されているように、排気マニホルド７の熱容量が排気温センサ８自体よりも大きいことから、排気温度Ｔｅｘｈよりも遅れて上昇する。また、センサ部温度Ｔｅｓは、排気温センサ８の中でもエンジンコントロールユニット１１に結線されるハーネス部などの部位の温度に相当し、排気に直接晒されないために排気温度Ｔｅｘｈの上昇に対する部品温度の上昇は排気マニホルド７よりも緩やかであるものの耐熱温度は低い保護対象部品の一例である。なお、保護対象部品として、他の排気系に近接するハーネスや車体部品等を対象とすることも勿論可能である。
【００２１】
目標空燃比補正部２４は、排気マニホルド温度Ｔｅｍおよび排気温センサ部温度Ｔｅｓが高温となったときに、基本目標空燃比演算部２２が出力する基本目標空燃比ｂｔＡＦに対して補正（つまり燃料増量）を行うものであり、排気マニホルド温度Ｔｅｍおよびセンサ部温度Ｔｅｓのほか、可変圧縮比アクチュエータ３から出力される実圧縮比ｒＣＲを入力として、目標空燃比ｔＡＦを算出する。この目標空燃比ｔＡＦに基づき、燃料噴射量演算部２５において燃料噴射弁５の燃料噴射量Ｑｆが算出される。
【００２２】
また、目標圧縮比補正部２６は、燃料増量を行っているときに、基本目標圧縮比演算部２１が出力する基本目標圧縮比ｂｔＣＲに対して、高圧縮比側への補正を行うものであり、目標空燃比ｔＡＦおよび実圧縮比ｒＣＲに基づき、補正後の目標圧縮比ｔＣＲを算出する。この補正後の目標圧縮比ｔＣＲに従って、可変圧縮比アクチュエータ３が駆動される。
【００２３】
図３は、上記エンジンコントロールユニット１１における上記制御の処理の流れを示すフローチャートである。ステップ１では、要求負荷ｔＴ、機関回転数Ｎｅ、排気温度Ｔｅｘｈ、実圧縮比ｒＣＲ、をそれぞれ読み込む。
【００２４】
ステップ２では、所定の空燃比マップおよび所定の圧縮比マップを参照して、そのときの要求負荷ｔＴと機関回転数Ｎｅとに対応する基本目標空燃比ｂｔＡＦおよび基本目標圧縮比ｂｔＣＲをそれぞれ求める。上記の空燃比マップおよび圧縮比マップは、いずれも要求負荷と機関回転数とをパラメータとして予め最適な空燃比および機械的圧縮比の値を割り付けたものである。なお、上述したように、基本目標空燃比ｂｔＡＦは、高負荷域など一部の運転領域を除き理論空燃比相当の値となる。また、基本目標圧縮比ｂｔＣＲは、低負荷域で最高圧縮比となり、ノッキング発生を考慮して負荷が高いほど低い圧縮比となる傾向を有している。
【００２５】
ステップ３では、排気温センサ８が検出した排気温度Ｔｅｘｈに基づき、保護対象部品の温度である排気マニホルド温度Ｔｅｍおよびセンサ部温度Ｔｅｓをそれぞれ算出する。これらの排気マニホルド温度Ｔｅｍおよびセンサ部温度Ｔｅｓの算出は、例えば、予め実験的に排気温度Ｔｅｘｈに対する各温度変化の時定数を求めておいて、この時定数を用いて算出する方法、あるいは、排気マニホルド７等の各部の熱容量および熱の移動量などから推定する方法、など公知の手法を用いることができる。
【００２６】
ステップ４では、排気マニホルド温度Ｔｅｍが所定の閾値（Ｔｅｍ閾値）より高いか否かを判定する。なお、上記閾値は一般には固定値でよいが、なんらかの他の要素を考慮して可変的に設定される値であってもよい。排気マニホルド温度Ｔｅｍが閾値よりも高い場合はステップ５へ進み、排気マニホルド７を過熱から保護するために必要な空燃比補正値（排気マニホルド保護補正値）を算出する。空燃比補正値の算出には、例えば実験的に求めた空燃比と排気温度との関係が用いられる。一方、排気マニホルド温度Ｔｅｍが閾値以下であれば、ステップ６へ進み、空燃比補正値を０とする。
【００２７】
次にステップ７では、排気マニホルド温度Ｔｅｍよりも遅れて上昇するセンサ部温度Ｔｅｓが所定の閾値（Ｔｅｓ閾値）より高いか否かを判定する。このセンサ部温度Ｔｅｓに対する閾値（Ｔｅｓ閾値）は、排気マニホルド温度Ｔｅｍに対する閾値（Ｔｅｍ閾値）よりも低い温度である。つまり、センサ部温度Ｔｅｓが示す排気温センサ８のハーネス部等の部位は、その許容温度が排気マニホルド７よりも低い。なお、上記閾値は一般には固定値でよいが、なんらかの他の要素を考慮して可変的に設定される値であってもよい。センサ部温度Ｔｅｓが閾値よりも高い場合はステップ８へ進み、排気温センサ８のハーネス部等を過熱から保護するために必要な空燃比補正値（排気温センサ保護補正値）を算出する。空燃比補正値の算出には、ステップ５と同様に、例えば実験的に求めた空燃比と排気温度との関係が用いられる。一方、センサ部温度Ｔｅｓが閾値以下であれば、ステップ９へ進み、空燃比補正値を０とする。
【００２８】
上記のようにして２つの空燃比補正値を求めた後、ステップ１０では、２つの空燃比補正値の中の値が大きな方（つまり燃料増量が大である方）を選択し、実圧縮比ｒＣＲを考慮しつつ基本目標空燃比ｂｔＡＦに補正を加えて、目標空燃比ｔＡＦを算出する。つまり、機械的圧縮比が高くなると熱効率が向上し、排気温度が低下するので、この圧縮比の影響を考慮した形で燃料増量後の目標空燃比ｔＡＦが設定される。ここでは、実圧縮比ｒＣＲおよび空燃比補正値に対する排気温度の変化代を予め実験的に求めておき、目標空燃比ｔＡＦの算出を行う。そして、前述したように、燃料増量が行われている条件下ではノッキングが生じにくく高圧縮比化が可能であるので、ステップ１１では、ステップ１０で決定した目標空燃比ｔＡＦと、そのときの目標空燃比ｔＡＦの算出の基礎となっている実圧縮比ｒＣＲと、要求負荷ｔＴおよび機関回転数Ｎｅに対応した基本目標圧縮比ｂｔＣＲと、から最終的な目標圧縮比ｔＣＲを算出する。
【００２９】
つまり、本実施例では、機械的な機構を含む可変圧縮比機構２の不可避的な比較的大きな応答遅れを考慮して、先にステップ１０において実圧縮比ｒＣＲに対応した目標空燃比ｔＡＦを算出した上で、次のステップ１１において目標圧縮比ｔＣＲを算出することにより、必要な排気温度に対する機械的圧縮比と空燃比との整合を図っている。従って、燃料増量開始に伴い目標空燃比ｔＡＦがステップ的に変化しても、初期には目標圧縮比ｔＣＲから実圧縮比ｒＣＲが乖離し、実圧縮比ｒＣＲは直前の基本目標圧縮比ｂｔＣＲと大差がないので、目標空燃比ｔＡＦの算出の上で圧縮比の影響（熱効率向上による排気温度低下）は実質的に考慮されないこととなり、実圧縮比ｒＣＲが目標圧縮比ｔＣＲに収束するまで相対的に大きな燃料増量が行われる。そのため、燃料増量の過渡的な不足による排気温度の上昇を回避できる。
【００３０】
次に、上記実施例の作用を、図４〜図６のタイミングチャートを用いて説明する。
【００３１】
図４は、排気温度Ｔｅｘｈの上昇により排気マニホルド温度Ｔｅｍがその閾値（Ｔｅｍ閾値）を超えた場合のタイミングチャートを示している。時刻ｔ１までは一定の負荷で内燃機関１が運転されており、時刻ｔ１においてステップ的に負荷が上昇したため、排気温度Ｔｅｘｈならびに排気マニホルド温度Ｔｅｍが上昇を始める。ただし、この例では負荷変化は限定的なものと仮定しており、基本目標圧縮比ｂｔＣＲは変化しない。時刻ｔ２において排気マニホルド温度Ｔｅｍが閾値（Ｔｅｍ閾値）を超えたため、目標空燃比ｔＡＦがリッチ側へシフトし、かつ同時に、目標圧縮比ｔＣＲは高圧縮比側へ補正される。目標空燃比ｔＡＦのリッチ化に伴って排気温度Ｔｅｘｈは低下するが、実圧縮比ｒＣＲは応答が遅いため、時刻ｔ２時点では高圧縮比化による排気温度への影響はない。
【００３２】
時刻ｔ２から時刻ｔ３にかけて実圧縮比ｒＣＲが目標圧縮比ｔＣＲに向けて上昇し、これに伴って排気温度Ｔｅｘｈがさらに低下する。時刻ｔ３において実圧縮比ｒＣＲが目標圧縮比ｔＣＲに到達し、これに伴い、時刻ｔ３以降の目標空燃比ｔＡＦは、時刻ｔ２から時刻ｔ３の間に比べてリーン側にシフト（理論空燃比に近付くが理論空燃比よりはリッチである）する。なお、実圧縮比ｒＣＲに基づいて目標空燃比ｔＡＦを逐次修正していく上述の実施例では、実際には、時刻ｔ２からｔ３の間で目標空燃比ｔＡＦが徐々にリーン化していくことになるが、図の例では、目標空燃比ｔＡＦがステップ的に変化している。
【００３３】
時刻ｔ３から時刻ｔ４の間は、排気マニホルド温度Ｔｅｍが閾値付近に保持されている状態である。実際にはフィードバック制御等によって排気マニホルド温度Ｔｅｍが閾値付近にとどまるように目標空燃比ｔＡＦをさらに細かく制御することが望ましいが、ここでは説明を省略する。
【００３４】
時刻ｔ４において内燃機関１の負荷が低下し、排気温度Ｔｅｘｈの低下が始まる。そのため、燃料増量が終了し、以降は、基本目標空燃比ｂｔＡＦおよび基本目標圧縮比ｂｔＣＲに沿った通常の目標空燃比ｔＡＦおよび目標圧縮比ｔＣＲで運転される。なお、図４の例では、遅れて上昇するセンサ部温度Ｔｅｓは、その閾値（Ｔｅｓ閾値）を超えることがない。
【００３５】
次に、図５は、排気マニホルド温度Ｔｅｍとセンサ部温度Ｔｅｓの双方が各々の閾値を超える場合のタイミングチャートを示している。時刻ｔ３までは図４のタイミングチャートと同様である。
【００３６】
時刻ｔ３から時刻ｔ４の間は負荷の変化がなく、センサ部温度Ｔｅｓが上昇を続ける。そして、時刻ｔ４において、センサ部温度Ｔｅｓが閾値（Ｔｅｓ閾値）を超える。これに伴い、目標空燃比ｔＡＦは更にリッチ側へシフトし、同時に、目標圧縮比ｔＣＲは更に高圧縮比側へ補正される。目標空燃比ｔＡＦのリッチ化に伴い、排気温度Ｔｅｘｈは低下する。但し、前述したように、目標圧縮比ｔＣＲがステップ的に変化しても実圧縮比ｒＣＲは比較的大きな応答遅れがあるので、過渡的に実圧縮比ｒＣＲが目標圧縮比ｔＣＲから乖離し、従って、時刻ｔ４時点では目標圧縮比ｔＣＲのさらなる上昇に起因する排気温度Ｔｅｘｈへの影響はない。
【００３７】
時刻ｔ４から時刻ｔ５の間は、実圧縮比ｒＣＲが目標圧縮比ｔＣＲに向けて上昇し、これに伴って排気温度Ｔｅｘｈがさらに低下する。時刻ｔ５において実圧縮比ｒＣＲが目標圧縮比ｔＣＲに到達し、これに伴い、目標空燃比ｔＡＦはリーン側へシフト（理論空燃比へ近付く）する。なお、実圧縮比ｒＣＲに基づいて目標空燃比ｔＡＦを逐次修正していく上述の実施例では、実際には、時刻ｔ４からｔ５の間で目標空燃比ｔＡＦが徐々にリーン化していくことになるが、図の例では、目標空燃比ｔＡＦがステップ的に変化している。
【００３８】
このように、図５のタイミングチャートの例では、２つの保護対象部品に合わせて燃料増量が２段階に行われるが、そのトータルの燃料増量に対応した形で目標圧縮比ｔＣＲの補正が行われる。従って、熱効率の向上ひいては排気温度の低下による燃料増量時の燃料消費量の低減がより効果的に得られる。
【００３９】
次に図６は、燃料増量の際の高圧縮比化を高負荷域では禁止するようにした実施例のタイミングチャートである。図３のフローチャートには記載していないが、この実施例では、燃料増量の際の負荷が所定の閾値以上のときに、燃料増量に伴う目標圧縮比ｔＣＲの補正を禁止する。
【００４０】
図６の例では、やはり時刻ｔ１において負荷が上昇しているが、図４および図５の例と比べると、負荷変化後の負荷が高く、従って、時刻ｔ１において負荷の変更に応じた低圧縮比化（つまり基本目標圧縮比ｂｔＣＲの低圧縮比化）が行われる。その後、時刻ｔ２において排気マニホルド温度Ｔｅｍが閾値を超え、燃料増量つまり目標空燃比ｔＡＦがリッチ側へシフトするが、この例では、このときに所定の閾値以上の高負荷条件であるため、目標圧縮比ｔＣＲの高圧縮比化は行われない。なお、この場合は、高圧縮比に伴う排気温度低下作用が得られないので、燃料増量はより大きなものとして与えられる。
【００４１】
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、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を用いているが、本発明は、このような形式の可変圧縮比機構のみならず、種々の形式の可変圧縮比機構を具備した内燃機関に適用が可能である。また、上記実施例では、実圧縮比ｒＣＲが目標圧縮比ｔＣＲから乖離する過渡時に、実圧縮比ｒＣＲに基づいて目標空燃比ｔＡＦを求めることで、実質的に付加的な燃料増量を与えることを実現しているが、実圧縮比ｒＣＲが目標圧縮比ｔＣＲから遅れている過渡期間の間、別個に付加的な燃料増量を与えるようにしてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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