JP4200860B2 - 可変圧縮比機構付き内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、可変圧縮比機構付き内燃機関に関する。

従来、特許文献１に開示されているように、可変圧縮比機構を備え、運転領域に応じて圧縮比を変更する内燃機関の制御装置において、圧縮比センサの故障により圧縮比の検出に不具合が発生した際にこれを検出し、不具合発生時の圧縮比を低圧縮比側に固定することや、点火時期を遅角側の適切な時期に設定することでノッキングの発生を回避することが知られている。
特公平７−７２５１５号公報

しかしながら、可変圧縮比機構そのものが故障した場合については開示されていない。すなわち、圧縮比センサの故障についてはフェイルセーフできるが、可変圧縮比機構そのものが固着などにより故障した場合、この故障を検出しても、可変圧縮比機構が実現する最低の圧縮比とすることができず、故障時における圧縮比によっては、ノッキングが発生してしまい、運転性が悪化するおそれがあった。あるいは、レギュラーガソリンの場合も考慮したフェイル点火時期設定では、過遅角による燃焼悪化、失火が発生するおそれがあった。

本発明はこのような問題に鑑み、可変圧縮比機構の故障時にノッキングの発生を回避することを目的とする。

そのため本発明では、可変圧縮比機構の固着故障を検出するとともに、この固着状態にある可変圧縮比機構のそのときの実圧縮比（ε）を検知し、故障検出時に、機関の要求負荷に対応する目標圧縮比（εＴ）と前記実圧縮比（ε）とを比較して、目標圧縮比が実圧縮比よりも低いときには、空気量および燃料量を減少補正し、機関の実際の負荷が、前記実圧縮比（ε）に対応する負荷よりも高負荷側の運転規制領域に入らないように規制する。

本発明によれば、可変圧縮比機構が故障した時の運転状態がノッキングの発生可能性がある場合には、運転領域を規制してノッキング発生を回避できる。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。
図１は、可変圧縮比機構１４を備えた内燃機関の構成図である。図２は、圧縮比を変化させた状態を示す図であり、（イ）は高圧縮比の状態、（ロ）は低圧縮比の状態を示している。
シリンダブロック（内燃機関本体）１に形成されるシリンダ２内には、ピストン３が摺動可能に配設されている。このピストン３とシリンダヘッド等（図示せず）により、燃焼室４が画成される。ピストン３は、燃焼室４から燃焼圧力を受ける。

ピストン３は、複数のリンクによって構成される可変圧縮比機構１４の一端に取り付けられている。可変圧縮比機構１４の他端には、駆動モータ（アクチュエータ）２０が連携されており、駆動モータ２０の作動により圧縮上死点におけるピストン３の位置の変更が可能である（図２参照）。以下、この可変圧縮比機構１４の構成について説明する。
ピストン３には、アッパーリンク（第１リンク）５の一端がピストンピン１０を介して揺動可能に連結されている。このアッパーリンク５の他端は、第１連結ピン１１を介してロアリンク（第２リンク）６に揺動可能に連結されている。このロアリンク６は、クランクシャフト８に取り付けられており、クランクピン１３によりクランクシャフト８のジャーナル部８ａの軸中心位置からオフセットした位置に回転可能に連結されている。

クランクシャフト８は、クランク軸受ブラケット（図示せず）によりシリンダブロック１に回転可能に支持されている。
ロアリンク６には、コントロールリンク（第３リンク）７の一端が第２連結ピン１２を介して揺動可能に連結されている。コントロールリンク７の他端には、コントロールシャフト９に偏心して固定された円形の回転カム１５が回転可能に嵌合している。

コントロールシャフト９は、クランクシャフト８と平行に気筒列方向に延在し、シリンダブロック１に回転可能に支持されている。このコントロールシャフト９には、ウォームホイル２１が固定されている。
ウォームホイル２１は、外周に歯車が形成されており、この歯車が駆動モータ２０のウォーム２０ａと噛合している。

駆動モータ２０は、機関本体に取り付けられ、エンジン制御装置（図示せず）の回転信号により運転状態に応じたモータ回転をする。このモータ回転による回転角度は、駆動モータ２０に取り付けられた角度センサ（圧縮比検知手段）１７の出力信号により算出する。
以上により、駆動モータ２０を回転させることで、ウォーム２０ａと噛合するウォームホイル２１が回転し、この回転が直接コントロールシャフト９に伝達され、このシャフト９に固定された回転カム１５が偏心回転することにより、回転カム１５の中心位置、すなわちコントロールリンク７の他端の支持中心位置が変位する。このため、図２に示す通り、コントロールリンク７によるロアリンク６及びアッパーリンク５の運動拘束条件が変化して、クランク角に対するピストン３のストローク行程が変化し、圧縮比（燃焼室４の容積）が変更される。

なお、機関の圧縮比の検出は、駆動モータ２０に取り付けた角度センサ１７の出力信号に基づいて行う。これは、角度センサ１７の出力信号により、コントロールリンク７の他端の支持中心位置が決定され、この時のリンクの運動拘束条件における圧縮比が決まるためである。
なお上述の可変圧縮比機構１４では、ウォームホイル２１とウォーム２０とによりコントロールシャフト９を回転させることで圧縮比を変更させていたが、これに限定されるものではない。例えば図３に示すように、コントロールシャフト９に回転レバー１８を取り付け、直線運動するリニアモータ（アクチュエータ）２３の出力ロッド２４により回転レバー１８を回動することで、コントロールシャフト９を回転させるようにしてもよい。

この場合、回転レバー１８は、この一端をコントロールシャフト９に固定する。回転レバー１８の他端には、図示の通り、所定の長さ及び幅のスリット１８ａを形成する。そして、このスリット１８ａに、リニアモータ２３の出力ロッド２４の先端に取り付けられたピン２６を嵌合する。
リニアモータ２３は、シリンダブロック（機関本体）１に取り付けており、出力ロッド２４を先端方向に伸縮可能な動力機構２５を備えている。この動力機構２５により、図３（イ）に示す通り、高圧縮比の時には、出力ロッド２４を引き込めてコントロールシャフト９を回転させることで、コントロールリンク７の他端（支持中心）の位置を変位させ、圧縮比を変更させる。

一方、図３（ロ）に示す通り、低圧縮比の時には、動力機構２５により出力ロッド２４を先端側に伸ばしてコントロールシャフト９を回転させることで、コントロールリンク７の他端（支持中心）の位置を変位させ、圧縮比を変更させる。
また図４は、エンジン回転数Ｎｅ及びエンジン負荷によって求める圧縮比マップであり、横軸はエンジン回転数Ｎｅ、縦軸はエンジン負荷を示している。なお、図中の線は等圧縮比であることを示している。

可変圧縮比機構１４により変更される圧縮比は、機関の運転状態に応じて、低負荷側では圧縮比を高くして燃焼効率及び燃料消費率を改善する一方、高負荷側では圧縮比を低くしてノッキングの発生を回避する。
ここで、機関の運転中に可変圧縮比機構１４が固着などにより故障した場合には、故障した時点での圧縮比に固定されてしまう。このため、例えば、可変圧縮比機構１４が高圧縮比の状態で固着故障した場合に、高負荷領域で運転すると、圧縮比が高くなり過ぎてノッキングが発生してしまう。以下、可変圧縮比機構１４の故障時に、ノッキングの発生を回避するように機関の運転領域を規制する制御について説明する。

図５は、内燃機関の運転領域規制のフローチャートである。
ステップ１（図においては「Ｓ１」と示す。以下同様）では、角度センサ１７の出力信号に基づいて算出した機関の実圧縮比εと、図４に示した運転状態（エンジン回転数及び負荷）に応じた圧縮比マップから求めた目標圧縮比ε_Tとを読み込む。
ステップ２では、故障（フェイル）があるか否かを判断する。ここで可変圧縮比機構１４の故障の検出においては、ステップ１において読み込んだ実圧縮比（角度センサ１７に基づく圧縮比）εと、圧縮比マップにより設定した目標圧縮比ε_Tとが一致しておらず（ε≠ε_T）且つ実圧縮比εが変化しないことにより故障（特に固着故障）と判断する。そして、可変圧縮比機構１４が故障していると判断した場合には、ステップ３へ進む。一方、故障していないと判断した場合には、処理を終了する。

ステップ３では、角度センサ１７に基づく圧縮比εが、ノッキングの発生が想定される圧縮比であるか（ε＞ε_T）否かを判断する。
そして、可変圧縮比機構１４が故障している場合、すなわち実圧縮比εがノッキングの発生する圧縮比である（ε＞ε_T）場合には、ステップ４へ進む。これにより、ノッキングの発生する可能性がある圧縮比で故障を検出した場合には、後述する運転領域の規制を行う。

一方、ノッキングの発生する圧縮比でない（ε≦ε_T）場合には、処理を終了する。これにより、ノッキングの発生する可能性がない圧縮比で故障を検出した場合には、運転領域規制を行わず、運転性悪化を最小限にする。
ステップ４では、機関の運転領域規制を行う。この運転領域規制は、運転規制領域に入らないように機関を制御することにより行う。これは、機関の運転状態が運転規制領域に入っている場合には、ノッキングあるいは燃焼悪化などが発生する領域にあり、この運転規制領域を設定することで、運転状態がこの領域に入らないようにするためである。

ここでは、可変圧縮比機構１４の故障検出時において、機関へ供給する空気量または燃料量を制御することにより、運転領域を規制する。
運転領域規制における空気量制御として、電制スロットル弁（図示せず）の開度を小さくすることによって、シリンダ２内に流入する空気量を減少させる。これにより目標空燃比を一定としている場合には、燃料噴射弁（図示せず）からの燃料噴射量が減少する。

また運転領域規制における燃料量制御として、トルクが過大となった時に燃料カットによって、燃焼室４内の燃料量を減少させる。
これらにより可変圧縮比機構１４の故障を検出した時に、高負荷における運転規制領域に入らないように、すなわち低負荷における運転領域での運転をするように、機関の運転状態を制御する。

ステップ５では、目標アイドル回転数を増加させる。これによりアイドル運転の場合に、アイドル回転数を高めることで圧縮比のずれによる燃焼悪化を防止する。
図６は、可変圧縮比機構１４が故障したときの圧縮比（フェイル圧縮比）ε_Fに応じて運転規制領域を設定することを示す図であり、横軸は負荷、縦軸は圧縮比を示している。運転領域及び運転規制領域を負荷方向に示している。なお、ε_Hは可変圧縮比機構１４が実現する最高の圧縮比、ε_Lは可変圧縮比機構１４が実現する最低の圧縮比を示している。

ここで、可変圧縮比機構１４の故障は、駆動モータ２０に取り付けられた角度センサ１７の出力信号（実圧縮比ε）に基づいて検出される（図５のステップ２参照）。そして、運転規制領域は、角度センサ１７により検出される故障検出時の実際の圧縮比ε_Fより低い圧縮比が設定されている高負荷側の運転領域を設定する。
図６に示す通り、故障検出時の実圧縮比ε_Fより低圧縮比の領域（高負荷側の領域）が運転規制領域であり、この領域ではノッキングの発生などが懸念される。このため、この領域における運転を規制し、この運転規制領域より低負荷領域で機関の運転状態を制御することで、低圧縮比を要求される高負荷領域を規制して、ノッキング発生などによる運転性悪化を最小限とする。

本実施形態によれば、圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構１４を備え、運転領域に応じて圧縮比εを変更する内燃機関において、可変圧縮比機構１４の故障を検出する故障検出手段（ステップ２）と、故障検出時に、運転領域を規制する運転領域規制手段（ステップ４，５）と、を設けた。このため、可変圧縮比機構１４が故障した時の運転状態がノッキングの発生可能性がある場合には、運転領域を規制してノッキング発生を回避できる。

また本実施形態によれば、運転領域規制手段は、運転規制領域に入らないように機関を制御する（ステップ４，５）。このため、ノッキングの発生可能性がある運転領域での運転が規制され、運転性悪化を防止できる。
また本実施形態によれば、運転領域規制手段は、故障検出時に、機関へ供給する空気量を減少させることにより、運転領域を規制する（ステップ４）。このため、ノッキングの発生可能性がある運転領域で可変圧縮比機構１４が故障した場合には、簡素な制御で運転性悪化を最小限にすることができる。

また本実施形態によれば、運転領域規制手段は、故障検出時に、機関へ供給する燃料量を減少（燃料カットなど）させることにより、運転領域を規制する（ステップ４）。このため、ノッキングの発生可能性がある運転領域で可変圧縮比機構１４が故障した場合には、簡素な制御で運転性悪化を最小限にすることができる。
また本実施形態によれば、運転領域規制手段は、圧縮比検出手段（角度センサ１７）により検出される故障検出時の実際の圧縮比ε_Fより低い圧縮比が設定されている運転領域を運転規制領域とする（ステップ４，５、図６）。このため、機関の負荷が低い領域を運転領域とすることができ、ノッキングの発生などによる運転性悪化を防止できる。

また本実施形態によれば、故障検出時に、アイドル回転数を増加させる（ステップ５）。このため、アイドル運転時における圧縮比のずれによる燃焼悪化を防止できる。
また本実施形態によれば、可変圧縮比機構１４は、複リンク式である。このため、コンパクトな構成ができる。そして、複リンク式では高回転時の慣性力が圧縮比で異なるため、可変圧縮比機構１４の故障検出時は、運転領域を規制することが有効である。

また本実施形態によれば、可変圧縮比機構１４は、ピストン３にピストンピン１０を介して揺動可能に連結された第１リンク（アッパーリンク）５と、この第１リンク５に揺動可能に連結されるとともにクランクシャフト８のクランクピン部１３に回転可能に連結された第２リンク（ロアリンク）６と、この第２リンク６に揺動可能に連結されるとともに支持中心点の位置が可動に支持された第３リンク（コントロールリンク）７と、第３リンク７の可動支持中心点の位置（コントロールリンク７の他端支持中心位置）を変位することでピストン３の圧縮上死点の位置を変位する手段（コントロールシャフト９，回転カム１５，ウォームホイル２１，ウォーム２０ａ，駆動モータ２０）と、を備える。このため、リンク機構の運動拘束条件を変化させて、クランク角に対するピストン３のストローク行程を変化させることで圧縮比εを変更できる。

また図７および図８は本発明の参考例を示しており、図７は、可変圧縮比機構１４の最高圧縮比εH以外の領域において運転規制領域を設定するフローチャートである。なお、前述の図５と同じ処理については詳細な説明を省略する。
ステップ１では、実圧縮比ε及び目標圧縮比εTを読み込む。
ステップ２では、可変圧縮比機構１４が故障しているか否かを判断する。故障していればステップ６へ進む。一方、故障していなければ処理を終了する。

ステップ６では、目標圧縮比ε_Tが最高圧縮比ε_Hと一致している（ε_T＝ε_H）か否かを判断する。
目標圧縮比ε_Tが最高圧縮比ε_Hと一致していない場合（ε_T≠ε_H）には、ステップ４へ進む。これは、最も高い圧縮比ε_Hが設定されている運転領域以外の運転領域を運転規制領域とするためである。

一方、目標圧縮比ε_Tが最高圧縮比ε_Hと一致している場合（ε_T＝ε_H）には、処理を終了する。
ステップ４では、空気量を減少、又は燃料量を減少することにより運転領域を規制する。
ステップ５では、目標アイドル回転数を増加させる。

図８は、前述のフローチャートでの運転領域規制を設定した図、すなわち運転規制領域を可変圧縮比機構１４の最高圧縮比εH以外の領域（高負荷側）に設定した図であり、横軸は負荷、縦軸は圧縮比を示している。運転領域及び運転規制領域を負荷方向に示している。
この参考例のように、最高圧縮比εHが設定されている運転領域以外の高負荷側運転領域を運転規制領域とすると、実際に固着している実圧縮比εと無関係に運転の規制がなされる。

次に、可変圧縮比機構１４の故障検出時に、運転領域を規制するため、機関へ供給する空気量を減少させる場合の別の実施形態について、図９〜図１１を用いて説明する。
ここで前述の図５のステップ４では、機関へ供給する空気量を減少させるために、電制スロットル弁の開度を小さくしていたが、本実施形態においては、吸気バルブと排気バルブとの開時期であるオーバーラップ量を小さくすることにより空気量の減少を行う。

図９は、バルブオーバーラップ量（バルブ開閉タイミング）を変化させるための位相変更機構３０の断面図である。図１０は、吸気バルブの開閉タイミングを進角側（ａ）から遅角側（ｂ）に設定してオーバーラップ量を小さくすることを示す図である。図１１は、可変圧縮比機構１４の故障検出時にオーバーラップ量を小さくすることを示すフローチャートである。

位相変更機構３０の駆動軸３１は、軸受ブラケット３２を介してシリンダヘッド側へ回転可能に支持されており、この駆動軸３１の外周側にはカムプーリ（又はスプロケット）３３が同軸上に配置されている。このカムプーリ３３は、チェーン又はタイミングベルトを介してクランクシャフトから回転動力が伝達され、クランクシャフトと同期して回転する。

そして、位相変更機構３０は、上記のカムプーリ３３と駆動軸３１との間の回転動力伝達経路に設けられ、両者３１，３３の回転位相を変化させることにより、吸気バルブの作動角の大きさを変えることなく、その中心位相を所定の範囲で連続的に変化させるとともに任意の位相に保持するようになっている。
詳述すると、位相変更機構３０は、カムプーリ３３の内周側に一体的に形成され、このカムプーリ３３と一体的に回転する外筒部３４と、駆動軸３１にボルト３５を介して締結固定され、この駆動軸３１と一体的に回転する内筒部３６と、これらの外筒部３４と内筒部３６との間に介装されるリング状のプランジャ３７と、このプランジャ３７を一方向（図の左方向）へ常時付勢するリターンスプリング３８と、を有している。上記の外筒部３４の内周側にはスリーブ３９が固定されており、このスリーブ３９がベアリング４０を介して軸受ブラケット３２に回転可能に支持されている。

ここで、プランジャ３７の内，外周面と、内筒部３６の外周面及び外筒部３４の内周面との噛合部分４１はヘリカルスプラインとなっている。従って、このプランジャ３７を後述する位相変更用アクチュエータ５１により内，外筒部３６，３４の軸方向（図の左右方向）へ移動させることにより、この軸方向の運動が内筒部３６と外筒部３４との相対回転運動に変換され、外筒部３４と内筒部３６との相対回転位相が連続的に変化する。

例えば図１０に示す通り、プランジャ３７が図の最も左方向へ配置されている状態（図示の状態）では、波形（ｂ）で示すように、吸気バルブの作動角が最遅角位相に保持される。一方、プランジャ３７が図の最も右側へ配置されている状態では、波形（ａ）で示すように、吸気バルブの作動角が最進角位相に設定される。これにより、吸気バルブの開弁時期を進角側（ａ）から遅角側（ｂ）に設定してバルブオーバーラップを小側に設定することで、機関へ供給する空気量を減少させ運転領域を規制する。

そして、上記の位相変更用アクチュエータ５１は、この例では、プランジャ３７の前後に画成される進角側油圧室４４及び遅角側油圧室４５への作動油圧を切換制御することにより、プランジャ３７を所定の軸方向位置に移動・保持する油圧アクチュエータとして構成されている。この進角側油圧室４４は、プランジャ３７の一端と外筒部３４にピン４２を介して固定されるエンドキャップ４３との間に液密に画成されており、エンドキャップ４３、ボルト３５及び駆動軸３１に形成された油通路４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄを介して油圧制御弁４８に接続されている。遅角側油圧室４５は、プランジャ３７の他端側に液密に画成されており、油通路４７を介して油圧制御弁４８に接続されている。この油圧制御弁４８にはオイルパン４９からの作動油を供給するオイルポンプ５０が接続されており、上記の制御部５３からの制御信号に基づいて油圧室４４，４５への供給油圧が切換制御される。

このような位相変更機構３０は、コンパクトで機関への搭載性に優れ、部品点数も低く抑制される。また、吸気バルブの作動角の中心位相を所定の範囲内で任意の位相に保持することができ、例えば２位置に切換制御するものに比して、制御の自由度が高い。
次に、図１１を用いて可変圧縮比機構１４の故障を検出した時に、バルブオーバーラップ量を小さく設定する制御について説明する。

ステップ１では、実圧縮比ε及び目標圧縮比ε_Tを読み込む。
ステップ２では、可変圧縮比機構１４が故障しているか否かを判断する。故障している場合には、ステップ７へ進む。一方、故障していない場合には、処理を終了する。
ステップ７では、オーバーラップ量を最小にする。これにより、可変圧縮比機構１４の故障を検出した場合に、運転状態に関わらず一律にバルブオーバーラップ量を最小にして、機関へ供給する空気量を減少させ、運転領域を規制する。

本実施形態によれば、更に、吸気バルブもしくは排気バルブのバルブオーバーラップを可変とするバルブオーバーラップ可変機構（位相変更機構）３０を備え、運転領域規制手段は、故障検出時に、バルブオーバーラップを小側に設定することで運転領域を規制する。このため、可変圧縮比機構１４の故障検出時には、バルブピストン干渉を回避でき、バルブタイミング可変では、特にノッキングの発生が厳しい低回転高負荷時における空気量を制御することができる。

可変圧縮比機構を備えた内燃機関の構成図 可変圧縮比機構により圧縮比を変化させた状態を示す図 可変圧縮比機構により圧縮比を変化させた状態を示す図 圧縮比マップ 運転規制領域フローチャート 運転領域及び規制運転領域を負荷方向に示した図 運転規制領域フローチャート 運転領域及び規制運転領域を負荷方向に示した図 位相変更機構の断面図 吸気バルブの位相を変更した状態を示す図 オーバーラップ量を最小側に設定するフローチャート

符号の説明

１ シリンダブロック
２ シリンダ
３ ピストン
４ 燃焼室
５ アッパーリンク（第１リンク）
６ ロアリンク（第２リンク）
７ コントロールリンク（第３リンク）
８ クランクシャフト
９ コントロールシャフト
１４ 可変圧縮比機構
１５ 回転カム
１７ 角度センサ
２０ 駆動モータ
２０ａ ウォーム
２１ ウォームホイル

Claims (5)

1. 圧縮比を連続的に変更可能な可変圧縮比機構を備え、運転領域に応じて高負荷側ほど低圧縮比となるように圧縮比を変更する内燃機関において、
   可変圧縮比機構の固着故障を検出する故障検出手段と、
   この固着状態にある可変圧縮比機構のそのときの実圧縮比（ε）を検知する手段と、
   故障検出時に、機関の要求負荷に対応する目標圧縮比（εＴ）と前記実圧縮比（ε）とを比較して、目標圧縮比が実圧縮比よりも低いときには、空気量および燃料量を減少補正し、機関の実際の負荷が、前記実圧縮比（ε）に対応する負荷よりも高負荷側の運転規制領域に入らないように規制する運転領域規制手段と、を設けたことを特徴とする可変圧縮比機構付き内燃機関。
2. 更に、吸気バルブもしくは排気バルブのバルブオーバーラップを可変とするバルブオーバーラップ可変機構を備え、
   運転領域規制手段は、故障検出時に、バルブオーバーラップを小側に設定することで運転領域を規制することを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比機構付き内燃機関。
3. 故障検出時に、アイドル回転数を増加させ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機構付き内燃機関。
4. 可変圧縮比機構は、複リンク式であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の可変圧縮比機構付き内燃機関。
5. 可変圧縮比機構は、ピストンにピストンピンを介して揺動可能に連結された第１リンクと、この第１リンクに揺動可能に連結されるとともにクランクシャフトのクランクピン部に回転可能に連結された第２リンクと、この第２リンクに揺動可能に連結されるとともに支持中心点の位置が可動に支持された第３リンクと、第３リンクの可動支持中心点の位置を変位することでピストンの圧縮上死点の位置を変位する手段と、を備えることを特徴とする請求項４記載の可変圧縮比機構付き内燃機関。

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