JPH0625647Y2

JPH0625647Y2 - 可変圧縮比型内燃機関の故障検出装置

Info

Publication number: JPH0625647Y2
Application number: JP4333288U
Authority: JP
Inventors: 佳久川村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1988-03-31
Filing date: 1988-03-31
Publication date: 1994-07-06
Anticipated expiration: 2003-03-31
Also published as: JPH01148039U

Description

【考案の詳細な説明】産業上の利用分野この考案は、可変圧縮比型内燃機関においける圧縮比制
御の異常つまり圧縮比可変機構の故障を点火時期に基づ
いて検出する故障検出装置に関する。

従来の技術低負荷時における熱効率の向上と高負荷時におけるノッ
キングの抑制との両立などを図るために、従来から種々
の可変圧縮比型内燃機関が提案されている。例えば、実
開昭５８−２５６３７号公報には、各気筒のピストン
を、インナピストンとアウタピストンとの二重構造と
し、インナピストンに対しアウタピストンを上下動させ
ることで圧縮比を変化させるようにした圧縮比可変機構
が、また特開昭６０−２３０５４８号公報には、シリン
ダヘッドに副シリンダを形成し、該副シリンダ内の副ピ
ストンを上下動させることで圧縮比を変化させるように
した圧縮比可変機構がそれぞれ記載されている。

この種の圧縮比可変機構を多気筒内燃機関に適用する場
合には、当然のことながら各気筒毎に圧縮比可変機構が
設けられ、油圧等を介して複数の圧縮比可変機構が一斉
に切り換え制御されることになる。

考案が解決しようとする課題しかしながら、上記のような可変圧縮比型内燃機関にあ
っては、何らかの原因で圧縮比可変機構が正常に作動し
なかった場合に、圧縮比が異常なまま運転されてしまう
虞れがある。例えば、上記実開昭５８−２５６３７号公
報記載のように、油圧によりアウタピストンをインナピ
ストンに対し上下動させるものでは、油の劣化等により
アウタピストンとインナピストンとが固着してしまう可
能性がある。

そして、従来はこのような圧縮比可変機構の故障を検出
する有効な手段がなく、その異常発見が非常に遅れ易
い。そのため、強度のノッキングによる燃焼室の損傷
や、排気温度の過度の上昇による排気系の損傷等を招来
する虞れがある。

課題を解決するための手段この考案は、上記のような課題に鑑みてなされたもの
で、点火時期をＭＢＴ制御，ノッキング制御によりフィ
ードバック制御した場合に、圧縮比に応じて点火時期が
変動することに着目し、実際の点火時期から高負荷条件
下ならびに低負荷条件下での実際の圧縮比を検出し、こ
れに基づいて圧縮比可変機構の故障を検出するようにし
たものである。すなわち、この考案に係る可変圧縮比型
内燃機関の故障検出装置は、第１図に示すように、機関
のノッキングの有無を検出するノッキング検出手段１
と、ノッキング無しのときに選択され、かつ点火時期を
ＭＢＴ点に制御するＭＢＴ制御手段２と、ノッキング有
りのときに選択され、かつ点火時期をノッキング発生限
界に制御するノッキング制御手段３と、機関の実際の点
火時期を第１基準圧縮比に対応する第１基準点火時期な
らびに第２基準圧縮比に対応する第２基準点火時期と比
較して、高負荷条件下での実際の圧縮比ならびに低負荷
条件下での実際の圧縮比を推定する圧縮比検出手段４
と、両圧縮比の比較に基づき圧縮比制御の異常，正常を
判別する異常判別手段５とを備えて構成されている。な
お、６は点火装置を示している。

作用ノッキングが発生すると上記ノッキング制御手段３によ
って点火時期が徐々に遅角補正される結果、最終的に点
火時期はノッキング発生限界に保たれる。また、ノッキ
ングが発生していない状況では、上記ＭＢＴ制御手段２
によって点火時期は最終的にＭＢＴ点（最大トルクを得
るための最小進角位置）に保たれる。つまり、内燃機関
が定常状態であれば、点火時期は常にＭＢＴ点もしくは
ノッキング発生限界に維持される。なお、この種のＭＢ
Ｔ制御やノッキング制御は、特開昭５８−８２０７４号
公報，特開昭６２−９６７７９号公報等によって公知で
ある。

そして、このときの点火時期は、実際の圧縮比によって
変化する。つまり、圧縮比が高ければ比較的遅角側に、
圧縮比が低ければ比較的進角側に位置することになる。

従って、そのときの運転条件に対応した第１，第２基準
点火時期と実際の点火時期との関係から、実際の圧縮比
を推定することができる。詳しくは、高負荷条件下での
点火時期に基づいて高負荷条件下での実際の圧縮比が、
低負荷条件下での点火時期に基づいて低負荷条件下での
実際の圧縮比が推定される。

そして、この双方の圧縮比を比較して、これらが比較的
近似した値であれば、異常判別手段５において、圧縮比
可変制御が正常に作動していないものと判断される。

実施例第２図は、この考案に係る可変圧縮比型内燃機関の故障
検出装置の一実施例を示す構成説明図である。

同図において、１１は一例として直列４気筒の可変圧縮
比型内燃機関を示しており、この内燃機関１１は、例え
ば各気筒のピストン部分に後述する圧縮比可変機構を備
えている。

また、＃１〜＃４気筒のノッキング発生を個別に検出す
るために、上記内燃機関１１に各気筒毎に燃焼圧力セン
サ１３が配設されている。この燃焼圧力センサ１３は、
例えば圧電素子を利用して座金状に形成されており、各
気筒の点火プラグ１２取付部に装着されている。この燃
焼圧力センサ１３の出力信号は、燃焼圧力信号としてコ
ントロールユニット１８に入力されており、該コントロ
ールユニット１８において、ＭＢＴ制御に際しての燃焼
圧力ピーク位置検出のために用いられるとともに、ここ
からノッキング振動成分を抽出することによりノッキン
グ検出のために用いられる。

また、上記内燃機関１１の吸気通路１４には、機関吸入
空気量を検出するエアフロメータ１５が配設されてい
る。このエアフロメータ１５が出力する吸入空気量信号
は上記コントロールユニット１８に入力されている。

１６は、上記内燃機関１１のクランク軸の回転を検出す
るクランク角センサを示しており、このクランク角セン
サ１６は、回転角を示すクランク角１°毎のパルス信号
と、各気筒の圧縮上死点前所定位置を検出するためのク
ランク角１８０°毎のパルス信号とを上記コントロール
ユニット１８に対し出力している。

コントロールユニット１８は、デジタルマイクロコンピ
ュータシステムを用いたもので、種々の演算処理を行う
ＣＰＵ，制御プログラムや固定的なデータが格納された
ＲＯＭ，種々のデータの一時的な記憶を行うＲＡＭ，Ｉ
／Ｏポートなどを主体として構成されている。なお、第
１，第２基準点火時期は、上記コントロールユニット１
８のＲＯＭに記憶されており、後述するように、機関回
転数と負荷（例えば基本燃料噴射量Ｔｐ等）をパラメー
タとするデータマップの形で基準点火時期が設定されて
いる。このコントロールユニット１８は、上記エアフロ
メータ１５やクランク角センサ１６、更には燃焼圧力セ
ンサ１３等のセンサ類の検出信号に基づいてＭＢＴ制御
並びにノッキング制御による点火時期制御を各気筒毎に
個別に行うものである。そして、点火コイルやパワート
ランジスタ等からなる点火装置１７は、上記コントロー
ルユニット１８にて決定された点火時期に従って作動
し、各気筒の点火を順次行っている。また、上記コント
ロールユニット１８は、その点火時期制御の中で圧縮比
制御の異常，正常の判定を行い、圧縮比制御の異常つま
り圧縮比可変機構の故障を検出した場合には運転席等に
設けられた警告灯１９を点灯させる構成となっている。

第３図は、上記内燃機関１１のピストン部分に内蔵され
た圧縮比可変機構の一構成例を示している。第３図にお
いて、２１はコネクティングロッド、２２は上記コネク
ティングロッド２１の小端部にピストンピン２３を介し
て連結されたインナピストン、２４はこのインナピスト
ン２２の外側に摺動可能に嵌合配置されたカップ状のア
ウタピストンをそれぞれ示している。上記アウタピスト
ン２４の冠部裏面ならびにインナピストン２２上面は互
いに略密接し得るような平滑面に形成されており、両者
間に上部液室２５が形成されている。また、アウタピス
トン２４の下端部内周に、ストッパとなる円環部材２６
が螺着しており、この円環部材２６の上面と、これに対
向したインナピストン２２の外周部下面との間に、下部
液室２７が形成されている。なお、第３図では高ε状態
つまりアウタピストン２４が上限位置に移動した状態を
示しているので、下部液室２７は押し潰された状態にあ
る。

上部ピストンピン２３は、上記インナピストン２２に一
対のスナップリング２８を介して保持されているもの
で、これは略円筒状をなし、かつその内周に、シリンダ
部２９が貫通形成されている。上記シリンダ部２９は、
一端部が大径部２９ａに、他端部が小径部２９ｂに形成
されており、その内部にスプール弁３０が摺動可能に収
納されている。このスプール弁３０は、上記大径部２９
ａ内周に嵌合した第１弁体部３１を一端に有し、かつ他
端に、シリンダ部２９の小径部２９ｂ内周に嵌合した第
２弁体部３２を有している。そして、上記シリンダ部２
９内に、上記第１弁体部３１および第２弁体部３２によ
って作動液室３３が隔成されている。また、上記スプー
ル弁３０は、第１弁体部３１側に配設されたコイルスプ
リング３４によって第２弁体部３２側へ向けて常時付勢
されている。なお、３５は中心部に開口部３５ａを有す
るストッパ、３６はスプリングシートである。

上記作動液室３３はコネクティングロッド２１内に形成
された主通路３７に逆止弁３８を介して連通しており、
上記逆止弁３８により作動液室３３内への油の流入のみ
が許容されている。なお、上記主通路３７は機関潤滑系
のオイルポンプに連通しており、格別な油圧制御を行う
ことなく、機関潤滑油の一部が圧送されてくるようにな
っている。

また、上記作動液室３３と上部液室２５との間には、上
部供給通路３９が形成されている。この上部供給通路３
９は、上部液室２５側への油の流入のみを許容する逆止
弁４０を有している。また、上記上部供給通路３９は、
シリンダ部２９の小径部２９ｂに開口し、スプール弁３
０が図の左方向へ摺動したときにのみ閉塞される位置に
ある。更に、４１は上部液室２５と作動液室３３との間
に設けられた信号圧力通路であり、この信号圧力通路４
１はスプール弁３０の位置に拘わらず常に両者を連通
し、燃焼圧力に起因する上部液室２５の圧力変動を作動
液室３３に伝達している。

また、上記作動液室３３と下部液室２７との間には、下
部供給通路４２が設けられている。この下部供給通路４
２は、スプール弁３０の位置に拘わらず作動液室３３と
連通しており、かつその通路中に、下部液室２７側への
通流のみを許容する逆止弁４３が設けられている。

また、上記シリンダ部２９の小径部２９ｂには、上記上
部供給通路３９の他に、上部排出通路４４が形成されて
いる。この上部排出通路４４は、一端が上部液室２５に
連通し、かつ他端が小径部２９ｂ内周面、詳しくはスプ
ール弁３０がストッパ３５に当接している状態では閉塞
され、かつスプール弁３０が図の左方向へ摺動したとき
に開放され得る位置に開口形成されている。

上記構成の圧縮比可変機構は、燃焼室内の燃焼圧力つま
り機関負荷に応じて自動的に圧縮比の切り換えが行われ
るものであり、燃焼圧力が低い低負荷時には、高圧縮比
（高ε）状態となる。すなわち、主通路３７を通して作
動液室３３内に圧送された潤滑油は、上部供給通路３９
を通して上部液室２５内に流入する。このとき、上部排
出通路４４はスプール弁３０によって閉塞されているた
め、上部液室２５内に発生する油圧によってアウタピス
トン２４がインナピストン２２に対し上方に押し上げら
れ、高ε状態となる。なお、このとき下部液室２７も下
部供給通路４２を通して作動液室３３と連通している
が、この下部液室２７におけるアウタピストン２４の受
圧面積は、上部液室２５におけるアウタピストン２４の
受圧面積よりも遥かに小さいため、アウタピストン２４
は前述したように上方に移動し、下部液室２７は押し潰
された状態となる。

一方、内燃機関が高負荷状態となると必然的に燃焼圧力
が上昇し、膨張行程の初期においてアウタピストン２４
上面にその大きな燃焼圧力が作用する。これにより、上
部液室２５内の油圧は非常に高圧となり、その圧力が信
号圧力通路４１を通して作動液室３３内に伝達される。
つまり、作動液室３３内の油圧が燃焼圧力に伴って上昇
することになり、この結果、スプール弁３０は、第１，
第２弁体部３１，３２の受圧面積差によりコイルスプリ
ング３４の付勢力に抗して図中左方向へ速やかに摺動す
る。従って、上部排出通路４４が開放され、上部液室２
５内の潤滑油が外部へ排出される。そのため、アウタピ
ストン２４は燃焼圧力を受けて下動し、低圧縮比（低
ε）状態となる。なお、このとき下部液室２７へは作動
液室３３から潤滑油が供給されて、アウタピストン２４
をインナピストン２２に対し下方に付勢する。そのた
め、慣性力等によるアウタピストン２４の相対移動が防
止される。

このように、上記圧縮比可変機構は、燃焼圧力によって
低ε状態，高ε状態に切り換えられる。この結果、負荷
（例えば基本燃料噴射量Ｔｐ）と機関回転数をパラメー
タとした場合に、第４図に示すような特性で、低ε領域
と高ε領域とが分けられることになる。

次に、上記実施例における点火時期制御並びに異常検出
制御について説明する。

第５図は、上記コントロールユニット１８において実行
される制御プログラムを示すフローチャートである。
尚、このプログラムは、実際には各気筒毎に実行され、
つまり各気筒毎に個別に点火時期が遅進制御される。

点火時期制御は、主にステップ１〜５の部分で処理され
ている。初めに、ステップ１で、そのときの機関運転条
件に対応する基本点火時期ＡＤＶＯを設定する。この基
本点火時期ＡＤＶＯは、内燃機関の負荷（例えば基本燃
料噴射量Ｔｐ）と回転数とをパラメータとした基本点火
時期マップから逐次ルックアップされる。なお、この基
本点火時期の特性は、予め圧縮比が所定運転条件にて低
ε，高εに切り換え制御されることを前提として設定さ
れており、詳しくは第７図に示すように、低ε用の要求
点火時期特性と高ε用の要求点火時期特性とを圧縮比切
り換え点でつないだような形の特性となっている。ま
た、低ε用の特性に沿った基本点火時期マップと高ε用
の特性に沿った基本点火時期マップとを予め設定してお
き、機関運転条件に応じいずれか一方を選択して基本点
火時期をルックアップするように構成しても良い。

次に、ステップ２で、該当する気筒の前回の燃焼圧力信
号から抽出されたノッキング振動成分に基づいてその気
筒のノッキングの有無を判定する。ここで、ノッキング
無しと判断した場合には、ステップ３へ進み、ＭＢＴ制
御によるフィードバック補正量ＦＢの演算を行う。この
ＭＢＴ制御自体は特開昭６２−９６７７９号公報等によ
って公知であるので、その詳細な説明は省略するが、基
本的には、燃焼圧力センサ１３にて検出された燃焼圧力
に基づいて該燃焼圧力のピーク位置を検出し、このピー
ク位置が予め定めたＡＴＤＣ１５°付近の位置にくるよ
うに点火時期をフィードバック制御するのである。通常
は、フィードバック補正量ＦＢを一定量づつ増減させて
遅角，進角補正を行う。また、ステップ２でノッキング
有りと判断した場合には、ステップ４へ進み、ノッキン
グ制御によるフィードバック補正量ＦＢの演算を行う。
このノッキング制御自体も公知であるので詳細な説明は
省略するが、例えばノッキングの検出の度にフィードバ
ック補正量ＦＢを一定量づつ遅角側に増大させて点火時
期を遅角補正する。

そして、ステップ５で当該気筒の点火時期ＡＤＶをＡＤ
ＶＯ＋ＦＢとして決定する。

上記のようにＭＢＴ制御およびノッキング制御が繰り返
し実行される結果、点火時期はＭＢＴ点もしくはノッキ
ング発生限界に各気筒毎に保たれる。すなわち、ＭＢＴ
点がノッキング発生限界よりも進角側に位置する運転領
域では点火時期はノッキング発生限界に、逆にＭＢＴ点
がノッキング発生限界よりも遅角側に位置する運転領域
では点火時期はＭＢＴ点に保たれることになる。

次にステップ６以降でなされる故障検出について説明す
る。先ず、ステップ６およびステップ７で、夫々所定の
高負荷領域Ａにあるか否か、所定の低負荷領域Ｂにある
か否かを、基本燃料噴射量Ｔｐならびに機関回転数に基
づいて判定する。上記高負荷領域Ａは第４図に示すよう
に圧縮比切換の境界より高負荷側に設定されており、こ
れにより前述した圧縮比可変機構が必ず低ε状態にある
領域で高負荷時の圧縮比ε_Ｈの検出を行うようにしてい
る。同様に、上記低負荷領域Ｂは第４図に示すように圧
縮比切換の境界より低負荷側に設定されており、これに
より圧縮比可変機構が必ず高ε状態にある領域内で実際
の低負荷時の圧縮比ε_Ｌの検出を行うようにしている。

ステップ６で所定の高負荷領域Ａ内であると判断した場
合には、ステップ８，９へ進み、そのときの運転条件に
対応した第１基準点火時期ＡＤＶ_１および第２基準点火
時期ＡＤＶ_２をルックアップする。上記第１基準点火時
期ＡＤＶ_１は、第１基準圧縮比、例えばアウタピストン
２４がインナピストン２２に対し下限位置にあるとき
（低ε状態）の圧縮比ε_１を前提として実験的に点火時
期を求めたもので、機関の負荷（基本燃料噴射量Ｔｐ）
と機関回転数とをパラメータとしたデータマップの形で
各運転条件に対応して与えられている。なお、この第１
基準点火時期ＡＤＶ_１は、通常第７図に示した低ε用の
要求点火時期特性と一致したものとなる。また上記第２
基準点火時期ＡＤＶ_２は、第２基準圧縮比例えばアウタ
ピストン２４がインナピストン２２に対し上限位置にあ
るとき（高ε状態）の圧縮比ε_２を前提として実験的に
点火時期を求めたものであり、やはり負荷Ｔｐと回転数
とをパラメータとしたデータマップの形で各運転条件に
対応して与えられている。この第２基準点火時期ＡＤＶ
_２は、通常第７図に示した高ε用の要求点火時期特性と
一致したものとなる。

次に、ステップ１０で、そのときの実際の点火時期ＡＤ
Ｖと上記第１，第２基準点火時期ＡＤＶ_１，ＡＤＶ_２か
ら、高負荷条件下での実際の圧縮比ε_Ｈを演算する。こ
れは、圧縮比と点火時期とが略比例関係にあることを利
用したもので、具体的には、次式によって圧縮比ε_Ｈが
求められる。

すなわち、第６図に示したような関係から当該気筒にお
ける高負荷条件下での実際の圧縮比ε_Ｈが求められる。
なお、圧縮比可変機構が正常に作動していれば、当然の
ことながら、上記圧縮比ε_Ｈは基準の下限圧縮比ε_１に
近似した値として得られる。

一方、ステップ７で所定の低負荷領域Ｂ内にあると判断
した場合には、ステップ１１〜１３へ進み、上述したス
テップ８〜１０と同様の処理によって低負荷条件下にお
ける実際の圧縮比ε_Ｌを検出する（第６図参照）。この
検出した圧縮比ε_Ｌは、やはりメモリ内に記憶される。
なお、圧縮比可変機構が正常に作動していれば、やはり
上記圧縮比ε_Ｌは基準の上限圧縮比ε_２に近似した値と
して得られる。

そして、ステップ１４において、高負荷条件下における
実際の圧縮比ε_Ｈと低負荷条件下における実際の圧縮比
ε_Ｌとの差Δε（絶対値）を求め、さらにステップ１５
でこの圧縮比差Δεを基準値Δε_０と比較する。圧縮比
の切り換えが負荷に応じて正常になされていれば、上記
圧縮比差Δεは比較的大きな値として得られるので、こ
れが基準値Δε_０以下であった場合には異常つまり圧縮
比可変機構の故障と判断し、ステップ１６へ進んでフラ
グを「１」にセットする。このフラグを「１」とするこ
とにより、図示せぬ他のルーチンに基づいて、警告灯１
９が点灯される。尚、同時に、この圧縮比異常のデータ
がコントロールユニット１８内に記憶され、例えば外部
診断ユニット等を用いて何番気筒が異常であるかの診断
を行うことができるようになっている。

また圧縮比差Δεが基準値Δε_０以上であった場合に
は、ステップ１７へ進み、フラグの状況つまり既に異常
である旨の判定をしているかどうかをチェックし、異常
であると判定（フラグ＝１）していた場合には、ステッ
プ１８へ進んで更に圧縮比差Δεを警告解除基準値Δε
_１と比較する。

この警告解除基準値Δε_１は、Δε_１＞Δε_０として設
定される。ここで、圧縮比差Δεが警告解除基準値Δε
_１以上であれば、故障状態が修復したものと判断してフ
ラグをクリアする（ステップ１９）。

尚、ステップ１４で圧縮比差Δεを求める代わりに、両
者の比γ＝｜ε_Ｈ／ε_Ｌ｜を求め、ステップ１５で｜γ
−１｜≦Δγ_０（Δγ_０は０に近い定数）が成立するか
どうかを判定するようにしても良い。

以上、この考案の一実施例を詳細に説明したが、この考
案は上記実施例にのみ限定されるものではない。例え
ば、上記実施例では、圧縮比可変機構として、燃焼圧力
によって自動的に圧縮比切り換え制御が行われる形式の
ものを説明したが、この考案は、例えば実開昭５８−２
５６３７号公報等に示されているように、圧縮比切り換
えを外部から制御するものにおいても同様に適用でき
る。

考案の効果以上の説明で明らかなように、この考案に係る可変圧縮
比型内燃機関の故障検出装置によれば、点火時期から推
定した高負荷条件下ならびに低負荷条件下での実際の圧
縮比に基づいて、圧縮比制御の異常つまり圧縮比可変機
構の故障を検出することができる。従って、アウタピス
トンとインナピストンの固着等による圧縮比可変機構の
作動不良等が生じた場合に、その異常を容易に検出する
ことができ、例えば圧縮比の異常によるノッキングの発
生や燃費の悪化あるいは出力の低下等を未然に防止する
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の構成を示すクレーム対応図、第２図
はこの考案の一実施例を示す構成説明図、第３図は圧縮
比可変機構の一実施例を示す断面図、第４図はこの圧縮
比可変機構の作動特性図、第５図は上記実施例における
制御プログラムを示すフローチャート、第６図は圧縮比
と点火時期との関係を示す特性図、第７図はこの実施例
における基本点火時期特性を示す特性図である。１……ノッキング検出手段、２……ＭＢＴ制御手段、３
……ノッキング制御手段、４……圧縮比検出手段、５…
…異常判別手段、６……点火装置。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】機関運転条件に応じて圧縮比が可変制御さ
れる可変圧縮比型内燃機関において、機関のノッキング
の有無を検出するノッキング検出手段と、ノッキング無
しのときに選択され、かつ点火時期をＭＢＴ点に制御す
るＭＢＴ制御手段と、ノッキング有りのときに選択さ
れ、かつ点火時期をノッキング発生限界に制御するノッ
キング制御手段と、機関の実際の点火時期を第１基準圧
縮比に対応する第１基準点火時期ならびに第２基準圧縮
比に対応する第２基準点火時期と比較して、高負荷条件
下での実際の圧縮比ならびに低負荷条件下での実際の圧
縮比を推定する圧縮比検出手段と、両圧縮比の比較に基
づき圧縮比制御の異常，正常を判別する異常判別手段と
を備えてなる可変圧縮比型内燃機関の故障検出装置。