可变压缩比内燃机的控制装置制造方法
【专利摘要】具有能够变更内燃机的内燃机压缩比的可变压缩比机构。对排气部件的温度进行推定或检测(B11)，并基于该排气部件的温度而设定目标排气温度(B12)。在混合比·压缩比设定部(B13)中，在不超过目标排气温度的范围内，对燃料混合比和内燃机压缩比进行设定，以使得能量损耗成为最小。
【专利说明】可变压缩比内燃机的控制装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种对具有能够变更内燃机的内燃机压缩比的可变压缩比装置的内燃机的控制。
【背景技术】
[0002]当前，在内燃机的高旋转高负载区域等中，为了事先防止催化剂、排气管等排气部件的温度超过限制值而变得过高，而进行燃料的增加等。作为防止如上所述的排气部件的过度升温的技术，在专利文献I记载的内容中，在具有能够变更内燃机压缩比的可变压缩比装置的可变压缩比内燃机中，与内燃机压缩比对应地设定燃料的增加值，具体而言，由于内燃机压缩比越高，热效率越高，排气气体的温度越低，所以进行设定以使得内燃机压缩比越高，燃料的增加值越小。
[0003]专利文献1:日本特开2009-185669号公报
【发明内容】
[0004]然而，如果与由内燃机负载、内燃机转速等所决定的内燃机运转状态对应地进行用于保护排气部件的燃料增加，则即使实际中排气部件的温度较低，仍会进行燃料增加，有可能导致燃油消耗的恶化、排气的恶化。
[0005]本发明就是鉴于如上所述的情况而提出的，在本发明中，对排气部件的温度进行推定或者检测，基于该排气部件的温度而设定目标排气温度，在不超过所述目标排气温度的范围内，基于所述目标排气温度对与燃料增加相关联的燃料混合比和内燃机压缩比进行设定，以使得能量损耗变小。
[0006]发明的效果
[0007]根据本发明，由于对排气部件的温度进行检测或推定，并基于该排气部件的温度而设定燃料混合比和内燃机压缩比，所以不会在即使实际的排气部件的温度较低的情况下，仍过量地进行燃料增加，能够通过设定为能量损耗变小的适当的燃料混合比和内燃机压缩比的组合，从而实现燃油消耗性能以及排气性能的提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是表示本发明的一个实施例涉及的可变压缩比内燃机的控制装置的系统结构图。
[0009]图2是表示上述实施例的可变压缩比机构的结构图。
[0010]图3是表示上述可变压缩比机构的高压缩比位置㈧以及低压缩比位置⑶处的连杆姿态的说明图。
[0011]图4是表示上述可变压缩比机构的高压缩比位置㈧以及低压缩比位置⑶处的活塞运动的特性图。
[0012]图5是表示本实施例的燃料混合比以及内燃机压缩比的设定处理的流程的控制框图。
[0013]图6是表示排气部件温度和目标排气温度的关系的特性图。
[0014]图7是表示与低.中间.高压缩比的各自的设定状态下的内燃机负载相对应的热损耗等的变化的说明图。
[0015]图8是表示与低.中间.高压缩比的各自的设定状态下的内燃机负载相对应的能量损耗的合计值的变化的说明图。
[0016]图9是表示与考虑了爆震极限后的低.中间.高压缩比的各自的设定状态下的内燃机负载相对应的能量损耗的合计值的变化的说明图。
[0017]图10是表示相对于每个内燃机负载的内燃机压缩比以及空燃比(混合比)的能量损耗的特性图。
[0018]图11是表示相对于规定的内燃机负载的考虑了目标排气温度后的内燃机压缩比以及空燃比(混合比)的能量损耗的特性图。
[0019]图12是表示相对于与图11不同的内燃机负载的考虑了目标排气温度后的内燃机压缩比以及空燃比(混合比)的能量损耗的特性图。
[0020]图13是表示本实施例的燃料混合比以及内燃机压缩比的设定处理的流程的流程图。
[0021]图14是表示图13的排气温度控制区域判定的子程序的流程图。
[0022]图15是表示图13的排气温度控制的子程序的流程图。
[0023]图16是表示本实施例的燃料混合比以及内燃机压缩比的设定处理的流程的说明图。
【具体实施方式】
[0024]以下，基于附图详细地说明本发明的优选实施例。参照图1，该内燃机大致由气缸盖I和气缸体2构成，并且，是具有火花塞9的汽油发动机等火花点火式内燃机，其中，该火花塞9用于对在活塞3的上方划分出的燃烧室4内的混合气进行火花点火。该内燃机如公知所示，具有:进气阀5，其由进气凸轮12驱动而使进气口 7开闭；排气阀6，其由排气凸轮13驱动而使排气口 8开闭；燃料喷射阀10，其用于向进气口 7喷射燃料；以及节气门15，其使进气收集器14的上游侧开闭而对吸入空气量进行调整，并且，该内燃机具有作为能够变更内燃机的内燃机压缩比的可变压缩比装置的可变压缩比机构20。另外，不限于如上所述的进气道喷射式的内燃机，也可以将本发明应用在向燃烧室4内直接喷射燃料的缸内直喷式的内燃机中。
[0025]控制部11是具有CPU、ROM、RAM以及输入输出接口的公知的数字计算机，其基于从表示车辆运转状态的后述的传感器类得到的信号等，向燃料喷射阀10、火花塞9、节气门15、以及可变压缩比机构20的电动机21等各种致动器输出控制信号，对燃料喷射量、燃料喷射定时、点火定时、节气门开度、以及内燃机压缩比等进行集中控制。
[0026]作为检测车辆运转状态的各种传感器类，除了在排气通路中设置而检测排气的空燃比的空燃比传感器16、检测内燃机的吸入空气量的空气流量计18、安装在作为排气部件之一的排气歧管19上且检测该排气歧管19的温度即排气部件温度的温度传感器(排气部件温度检测单元)19A之外，还设有:检测有无爆震的爆震传感器41、检测内燃机水温的水温传感器42、以及检测内燃机的转速的曲轴转角传感器43等。除了这些传感器信号之外，还将来自电动机21的旋转角传感器信号、负载传感器信号等输入控制部11，该电动机21利用从电池17供给的电力而驱动可变压缩比机构20的控制轴27。
[0027]参照图2以及图3，可变压缩比机构20利用了通过多个连杆将活塞3和曲轴22的曲轴销23连接而得到的多连杆式活塞-曲轴机构，该可变压缩比机构20具有:下连杆24，其可旋转地安装在曲轴销23上；上连杆25，其连结该下连杆24和活塞3 ;控制轴27，其设有偏心轴部28 ;以及控制连杆26，其连结偏心轴部28和下连杆24。上连杆25的一端可旋转地安装在活塞销30上，另一端通过第I连结销31可旋转地与下连杆24连结。控制连杆26的一端通过第2连结销32可旋转地与下连杆24连结，另一端可旋转地安装在偏心轴部28上。
[0028]通过利用电动机21变更作为控制部件的控制轴27的旋转位置，从而如图3所示，通过控制连杆26使得下连杆24的姿态发生变化，伴随着活塞3的活塞运动(行程特性)、即活塞3的上止点位置以及下止点位置的变化，对内燃机压缩比连续地或者阶段地进行变更.控制。
[0029]根据利用了如上所述的多连杆式活塞-曲轴机构的可变压缩比机构20，通过与内燃机运转状态相对应地优化内燃机压缩比，从而实现燃油消耗的改善、输出的提高，在此基础上，与通过一根连杆连结活塞和曲轴销的单连杆式的活塞-曲轴机构(单连杆机构)相t匕，还能够将活塞行程特性(参照图4)本身优化为例如接近简谐运动的特性。此外，与单连杆机构相比，能够将加长相对于曲拐的活塞行程，能够实现内燃机整个高度的缩短化、高压缩比化。此外，能够通过对上连杆25的倾斜进行优化，从而使作用到活塞3、气缸上的推力载荷降低，实现活塞3、气缸的轻量化。另外，作为致动器不限于图示的电动机21，也可以是例如使用了油压控制阀的油压式的驱动装置。
[0030]图5是将由上述的控制部11存储以及执行的控制处理表示为功能模块的控制框图。在排气部件温度取得部(排气部件温度取得单元)BI I中，对排气歧管19、催化剂等排气部件的温度进行检测或者推定。排气部件的温度例如通过在排气歧管19上设置的上述温度传感器19A而直接检测。
[0031]在目标排气温度设定部(目标排气温度设定单元)B12中，基于上述排气部件的温度而设定目标排气温度。在混合比.压缩比设定部(混合比?压缩比设定单元)B13中，基于上述目标排气温度而设定内燃机压缩比以及燃料混合比。
[0032]下面，参照图6?图12，对内燃机压缩比、以及作为与燃料和空气的燃料混合比相对应的参数的空燃比(A/F)的设定进行进一步说明。参照图6，排气部件温度的限制值痫相当于预先设定的排气部件的极限温度，进行控制以使得排气部件的温度小于或等于该限制值痫。而且在本实施例中，如图6所示，在为了保护排气部件而将排气部件温度限制为小于或等于限制值痫的高旋转高负载区域等的运转区域中，并且排气部件温度低于限制值痫的情况下，进行设定以使得排气部件温度越低，目标排气温度越高。即，将目标排气温度设定为，随着排气部件温度向限制值痫升高，目标排气温度向限制值痫降低。
[0033]此外，图6的虚线LI表不排气温度和排气部件温度成为相等的值(排气温度/排气部件温度=I)的线。如该图所示，在排气部件温度低于规定的限制值痫的情况下，目标排气温度设定在该线LI的上侧，即设定为比排气部件温度高的值，并且设定为比限制值痫更高的值。
[0034]内燃机压缩比基本上与由内燃机负载、内燃机转速所决定的内燃机运转状态相对应地进行设定，在作为包含部分负载区域的常用运转区域的低负载侧的区域中，为了提高效率而设为高压缩比high蛩。在设定为该高压缩比蛩high时，燃烧压力变高，反作用力增加，所以对可变压缩比机构20的连杆几何结构等进行设定，以使得与设定为中压缩比蛩mid时相比，作为致动器的电动机21的消耗电力(消耗能量)变小。此外，在高负载侧的区域中，为了抑制爆震的发生、降低排气温度而设为低压缩比蛩low。这样，在设定为使用频率较高的低压缩比蛩low时，对可变压缩比机构20的连杆几何结构等进行设定，以使得作为致动器的电动机21的消耗电力(消耗能量)变为最小。
[0035]其结果，如图7 (A)所示，在该可变压缩比机构20中，在内燃机压缩比为中压缩比蛩mid时，与高压缩比蛩high、低压缩比蛩low时相比，作为致动器的电动机21的消耗电力变大。另外，中压缩比蛩mid是低于高压缩比蛩high，高于低压缩比蛩low的内燃机压缩比。
[0036]另一方面，如图7(B)所示，对于伴随着燃料增加所引起的能量损耗，内燃机压缩比越低，则能量损耗越高。此外，如图7(A)、(B)所示，无论内燃机压缩比的设定为何种方式，内燃机负载越高，致动器的消耗电力以及由燃料增加所引起的能量损耗越大。
[0037]根据上述内容，如图7(C)所示，使致动器的消耗电力和由燃料增加所引起的损耗合在一起的能量损耗成为最小的内燃机压缩比，与内燃机负载相对应地发生变化，在低负载侧，在设定为低压缩比蛩low时上述能量损耗成为最小，在高负载侧，在设定为高压缩比S' high时上述能量损耗成为最小。
[0038]此外，如图7(D)所示，内燃机压缩比越低，排气系统中所消耗的热损耗越大，此夕卜，内燃机负载越低，排气系统中所消耗的热损耗越大。因此，如图8所示，将作为致动器的电动机21的消耗电力、由燃料增加所引起的损耗以及排气系统所消耗的热损耗合在一起的能量损耗的合计值，与内燃机压缩比的设定以及内燃机负载相对应地发生复杂的变化。
[0039]实际上，由于发生爆震的爆震极限也与内燃机压缩比的设定对应地发生变化，所以在考虑爆震极限的情况下，如图9所示，可设定的内燃机压缩比与内燃机负载相对应地受到限制。
[0040]图10(A)?(C)是表示在规定的3个内燃机负载点P1、P2、P3(参照图9)处的、能量损耗的合计值相对于内燃机压缩比和空燃比(A/F)的组合的关系的对应图。在该图10中，实线L2是上述能量损耗的合计值(参照图8、图9)为相等的线，在图10(A)、(C)中，越向右上，能量损耗的合计值越低，在图10(B)中，越向左上，能量损耗的合计值越低。即，能量损耗的合计值变小的方向与内燃机负载相对应而不同。此外，图中的左下的区域表示失火区域，右上的区域表示爆震或者稀空燃比极限的区域，在夹在该两个区域之间的中间区域(图中未施加阴影的区域)内进行设定。
[0041]图11与图10(A)、(C)同样地，是对相当于上述的内燃机负载点Pl、P3的对应图的一部分进行放大表示的图，图中的虚线L3表示基于上述目标排气温度而设定的内燃机压缩比和空燃比(A/F)的设定线。即，与该线L3相比位于右下的区域相当于排气温度不超过目标排气温度的范围竈。另外，在图11的㈧和⑶中，目标排气温度不同。如该图所示，在不超过目标排气温度的范围竈中，对内燃机压缩比和空燃比(A/F)的组合K进行设定，以使得能量损耗的合计值变为最小，燃料消耗率(行驶规定距离所需的燃料量)成为最小(即，燃油消耗最优)。
[0042]图12与图10(B)同样地，是对相当于上述的内燃机负载点P2的对应图的一部分进行放大表示的图，与图11的情况同样地，在不超过目标排气温度的范围竈中，对空燃比和内燃机压缩比的组合K进行设定，以使得燃料消耗率成为最小(燃油消耗最优)。
[0043]图13是表示如上所述的空燃比和内燃机压缩比的设定处理的流程的流程图，该程序由上述控制部11存储以及执行。在步骤Sll中，执行图14所示的排气温度控制区域判定的子程序。在后续的步骤S12中，基于该排气温度控制区域判定的结果，执行图15所示的排气温度控制的子程序。
[0044]图14表示出上述步骤Sll的排气温度控制区域判定的处理内容。在步骤S21中，读取内燃机转速。在步骤S22中，读取内燃机负载。然后，在步骤S23中，基于内燃机转速和内燃机负载，检索排气温度控制区域的对应图，并设定排气温度控制标志。即，在是实施排气温度控制的运转区域的情况下，具体而言，如图6所示，在是为了保护排气部件而将排气部件的温度限制为小于或等于限制值痫的运转区域的情况下，将排气温度控制标志设定为“1”，在不是实施排气温度控制的运转区域的情况下，将排气温度控制标志设定为“O”。
[0045]图15表示出上述步骤S12的排气温度控制处理的处理内容。在步骤S31中，判定上述排气温度控制标志是否是“1”，即判定是否是实施排气温度控制的运转区域。在排气温度控制标志不是“I”的情况下结束该程序，在排气温度控制标志是“I”的情况下进入步骤S32。在步骤S32中，对排气部件温度进行检测或推定。在步骤S33中，基于排气部件温度而设定目标排气温度。然后，在步骤S34中，基于目标排气温度、内燃机负载以及内燃机转速，设定内燃机压缩比和空燃比(燃料混合比)。
[0046]使用图16，进一步说明如上所述的空燃比和内燃机压缩比的设定处理。在基本分配对应图设定部B21中，如图11以及图12所示的空燃比以及内燃机压缩比的设定用的多个基本分配对应图，以与多个内燃机负载(Ml)以及多个目标排气温度(M2)分别对应的形式预先存储，基于所输入的内燃机负载以及目标排气温度，对用于设定的基本分配对应图进行检索。并且，通过参照检索出的基本分配对应图，使用图11以及图12，按照上述所示，对在不超过目标排气温度的范围竈内能量损耗的合计值成为最小的空燃比(目标A/F)和内燃机压缩比(目标蛩)的组合进行设定。
[0047]另外，在该实施例中，构成为将目标排气温度阶段性地设定为多个值，但也可以构成为将目标排气温度设定为连续的值。
[0048]此外，在分解旋转校正部B22中，基于内燃机转速，对空燃比和内燃机压缩比进行校正。具体而言，内燃机转速越高，越减小空燃比(A/F)，越增大内燃机压缩比，以抑制排气温度的升高。
[0049]以下列举出能够从以上的图示实施例掌握到的特征结构以及其作用效果。
[0050]【I】本发明的可变压缩比内燃机的控制装置具有能够变更内燃机的内燃机压缩比的可变压缩比机构20，对排气部件的温度进行检测或推定，基于该排气部件的温度设定目标排气温度，在不超过该目标排气温度的范围竈内，对燃料和空气的燃料混合比(空燃比)、以及内燃机压缩比进行设定，以使得能量损耗尽可能变小。这样，由于基于实际的排气部件的温度而对燃料混合比和内燃机压缩比进行设定，所以能够对即使在实际的排气部件的温度较低的情况下，仍过量地进行燃料增加进行抑制，能够设定为能量损耗变小的适当的燃料混合比和内燃机压缩比的组合，所以能提高燃油消耗性能以及排气性能。
[0051]【2】在为了保护排气部件而将排气部件的温度限制为小于或等于规定的限制值痫的运转区域中，并且在排气部件的温度低于限制值痫的情况下，如图6所示，将目标排气温度设定为，排气部件的温度越低，目标排气温度越高。换言之，将目标排气温度设定为，随着排气部件的温度向限制值痫升高，目标排气温度向限制值竈降低。即，在实际的排气部件的温度低于限制值痫的情况下，即使假设排气温度变为高于限制值痫，排气部件的温度也不会马上超过限制值痫，所以排气部件的温度越低，换言之排气部件的温度升高到限制值痫为止的富余量越大，将目标排气温度设定得越高。由此能够将实际的排气部件的温度抑制为小于或等于限制值痫，并且扩大不超过目标排气温度的范围竈，放大燃料混合比和内燃机压缩比的设定的自由度，进一步实现燃油消耗性能以及排气性能的提高。
[0052]【3】具体而言，在将排气部件的温度限制为小于或等于规定的限制值痫的运转区域中，并且在排气部件的温度低于限制值痫的情况下，如图6所示，将目标排气温度设定为高于排气部件的温度。
[0053]【4】此外，在将排气部件的温度限制为小于或等于规定的限制值痫的运转区域中，并且在上述排气部件的温度低于限制值痫的情况下，如图6所示，将目标排气温度设定为高于限制值痫。
[0054]【5】更具体而言，在不超过目标排气温度的范围竈内，与内燃机负载对应地对燃料混合比和内燃机压缩比的组合进行设定，以使得与内燃机负载相对应的能量损耗成为最小。由此，能够以与内燃机负载相对应的形式更适当地对燃料混合比和内燃机压缩比进行设定。
[0055]【6】作为可变压缩比装置的可变压缩比机构20，与由作为致动器的电动机21驱动的作为控制部件的控制轴27的旋转位置对应地变更内燃机压缩比，并进行设定，以使得在内燃机压缩比为中间压缩比蛩mid时，与高压缩比蛩high以及低压缩比蛩low时相比，致动器的消耗能量变大。即，能够通过在作为常用区域的低负载侧的运转区域中所使用的高压缩比蛩high以及在高负载区域中所使用的低压缩比蛩low的设定中，使致动器的消耗能量相对地减小，从而降低消耗能量，并实现燃油消耗的改善、致动器的小型化。
[0056]但是，在如上所述设为在中间压缩比蛩mid时，致动器的消耗能量变大的结构的情况下，包含致动器的消耗能量等在内的能量损耗的合计值、与内燃机压缩比和燃料混合比的设定的关系不是单纯的关系，如图8以及图9所示，例如能量损耗的合计值成为最小的内燃机压缩比与内燃机负载相对应地发生变化。根据如上述的情况，针对每个内燃机负载设定出最佳的混合比和内燃机压缩比的组合。
[0057]【7】由于作为致动器的电动机21的温度越低，消耗电力越大，所以优选与致动器温度等致动器的运转状态相对应地，对燃料混合比和内燃机压缩比进行校正。由此，能够以考虑了致动器的运转状态后的形式高精度地估计消耗能量，并提高能量损耗的合计值成为最小的混合比和内燃机压缩比的组合的设定精度。
[0058]【8】另外，在上述的实施例中，使用专用的温度传感器19A检测排气部件的温度，但为了实现结构的简化，也可以构成为基于在空燃比传感器16中内置的加热器(排气部件温度取得单元)的消耗电力，而推定排气部件的温度。
【权利要求】
1.一种可变压缩比内燃机的控制装置，该可变压缩比内燃机具有能够变更内燃机的内燃机压缩比的可变压缩比装置， 在该可变压缩比内燃机的控制装置中，具有: 排气部件温度取得单元，其对排气部件的温度进行检测或推定； 目标排气温度设定单元，其基于所述排气部件的温度，设定目标排气温度；以及混合比?压缩比设定单元，其在不超过所述目标排气温度的范围内，至少基于所述目标排气温度，对燃料和空气的燃料混合比、以及所述内燃机压缩比进行设定，以使得能量损耗变小。
2.根据权利要求1所述的可变压缩比内燃机的控制装置，其中， 所述目标排气温度设定单元，在所述排气部件的温度被限制为小于或等于规定的限制值的运转区域中，并且，在所述排气部件的温度低于所述限制值的情况下，所述排气部件的温度越低，将所述目标排气温度设定得越高。
3.根据权利要求1或2所述的可变压缩比内燃机的控制装置，其中， 所述目标排气温度设定单元，在所述排气部件的温度被限制为小于或等于规定的限制值的运转区域中，并且，在所述排气部件的温度低于所述限制值的情况下，将所述目标排气温度设定为高于所述排气部件的温度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的可变压缩比内燃机的控制装置，其中， 所述目标排气温度设定单元，在所述排气部件的温度被限制为小于或等于规定的限制值的运转区域中，并且，在所述排气部件的温度低于所述限制值的情况下，将所述目标排气温度设定为高于所述限制值。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的可变压缩比内燃机的控制装置，其中， 所述混合比.压缩比设定单元在不超过所述目标排气温度的范围内，基于所述目标排气温度和所述内燃机负载，对所述燃料混合比和所述内燃机压缩比的组合进行设定，以使得与内燃机负载相对应的能量损耗成为最小。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的可变压缩比内燃机的控制装置，其中， 所述可变压缩比装置，与由致动器驱动的控制部件的位置对应而变更内燃机压缩比， 并且，进行设定以使得在内燃机压缩比为中间压缩比时，与内燃机压缩比为高于所述中间压缩比的高压缩比、以及内燃机压缩比为低于所述中间压缩比的低压缩比时相比，所述致动器的消耗能量变大。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的可变压缩比内燃机的控制装置，其中， 所述混合比.压缩比设定单元与所述致动器的运转状态相对应，对所述燃料混合比和所述内燃机压缩比进行校正。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的可变压缩比内燃机的控制装置，其中， 具有空燃比传感器，其安装在作为所述排气部件的排气管上，对排气的空燃比进行检测， 所述排气部件温度取得单元基于在该空燃比传感器中内置的加热器的消耗电力，推定所述排气部件的温度。
【文档编号】F02D15/02GK104302895SQ201380025440
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年4月3日 优先权日:2012年5月17日
【发明者】釜田忍, 日吉亮介 申请人:日产自动车株式会社