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技术领域

本发明涉及一种具有使压缩比可变的可变压缩比机构的内燃机的控制装置及压缩比的推定方法。

背景技术

专利文献1中，公开了一种在具有可变压缩比机构的内燃机中根据压缩比的变化速度对基本点火时间进行修正的点火控制装置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)专利第4400116号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

在利用能够由可变压缩比机构改变的压缩比的传感器检测结果进行各种控制的内燃机中，若由于传感器的故障、或者在控制单元间收发传感器检测值的通信功能的故障等而导致压缩比的检测结果的输入出现异常，则会出现内燃机被控制为不适合实际压缩比的状态、或者将内燃机控制到安全侧从而使内燃机的性能降低这些问题。

本发明是鉴于上述问题点而做出的，目的在于提供能够在具有可变压缩比机构的内燃机中对压缩比进行推定的控制装置及压缩比的推定方法。

解决技术问题的技术手段

为此，本发明的控制装置具有推定部，该推定部基于点火时间与爆震强度的关系对压缩比进行推定。

另外，本发明的压缩比的推定方法包含：使内燃机的点火时间提前的步骤；检测爆震的强度的步骤；检测爆震的强度达到了设定值的步骤；基于爆震的强度达到了设定值时的点火时间对压缩比进行推定的步骤。

发明效果

根据上述发明，能够基于点火时间与爆震强度的关系根据压缩比的不同而发生的变化对压缩比进行推定。

附图说明

图1是本发明实施方式中的内燃机的系统图。

图2是表示本发明实施方式中的压缩比推定处理的流程的流程图。

图3是表示本发明实施方式中的压缩比与使爆震强度达到设定值的点火时间的关系的线图。

图4是表示本发明实施方式中的压缩比的检测系统发生了故障时实际的压缩比及相位角变换角(气门正时)的变化的时序图。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行说明。

图1表示能够应用本发明的控制装置及压缩比的推定方法的车辆用内燃机的一例。

内燃机1具有气缸体2、设置于在气缸体2内形成的气缸筒内的活塞4、形成有进气口5及排气口6的气缸盖10和对进气口5、排气口6的开口端进行开闭的每个气缸分别设有一对的进气门7、7及排气门8、8。

活塞4经由连杆13连结于曲轴9，连杆13由下连杆11与上连杆12构成。

并且，在活塞4的冠面4a与气缸盖10的下表面之间形成有燃烧室14。在形成燃烧室14的气缸盖10的大致中央位置处设置有火花塞15。

火花塞15通过由点火线圈41供给高电压来进行火花放电而点燃混合气体，通过控制高电压从点火线圈41的供给时机来控制点火时间。

另外，内燃机1具有使进气门7、7的打开时间相对于曲轴9的相位可变的可变气门正时机构(VTCS)22和通过改变活塞4的上死点位置使得压缩比可变的压缩比可变机构(VCRS)23。

可变气门正时机构22是可变气门机构，是一种通过改变进气凸轮轴24相对于曲轴9的相位，而在将进气门7、7的工作角保持一定的情况下，使工作角的中心相位连续地提前、延迟的机构。

作为可变气门正时机构22，例如可以使用(日本)特开2013-036391号 公报所公开的那种、利用电动机对进气凸轮轴24相对于曲轴9的相对旋转相位角进行调整的电动式的可变气门正时机构。

但是，可变气门正时机构22并不限于促动器是电动机的机构，可以适当采用使用液压促动器等的公知机构。

压缩比可变机构23例如是通过利用(日本)特开2002-276446号公报所公开的那种构造使活塞4的上死点位置发生变化来使内燃机的压缩比可变的功能的压缩比可变机构。

以下，对压缩比可变机构23的构造的一例进行说明。

曲轴9具有多个轴颈部9a与曲轴销部9b，轴颈部9a旋转自如地支承于气缸体2的主轴承。

曲轴销部9b自轴颈部9a偏心，下连杆11旋转自如地连结于曲轴销部9b。

下连杆11被分割成两部分，在设置于大致中央位置处的连结孔中嵌合有曲轴销部9b。

上连杆12的下端侧利用连结销25能够转动地连结于下连杆11的一端，上连杆12的上端侧利用活塞销26能够转动地连结于活塞4。

控制连杆27的上端侧利用连结销28能够转动地连结于下连杆11的另一端，控制连杆27的下端侧经由控制轴29能够转动地连结于气缸体2的下部。

详细而言，控制轴29能够旋转地支承在内燃机本体(气缸体2)上，并且具有自其旋转中心偏心的偏心凸轮部29a，控制连杆27的下端部能够旋转地嵌合在该偏心凸轮部29a。

控制轴29由使用电动机的压缩比控制促动器30控制旋转位置。

在上述那种使用多连式活塞-曲轴机构的压缩比可变机构23中，若利用压缩比控制促动器30使控制轴29转动，则偏心凸轮部29a的中心位置、也就是相对于气缸体2的相对位置发生变化。

由此，控制连杆27的下端的摆动支承位置发生变化，若控制连杆27的摆动支承位置发生变化，则活塞4的行程发生变化，上死点处的活塞4的位置升高或者降低，使得内燃机1的压缩比发生改变。也就是说，对应于控制轴29的角度位置，上死点处的活塞4的位置发生变化，使得内燃机1的压缩比发生改变。

点火线圈41和未图示的燃料喷射阀等由发动机控制单元31A控制，压缩比可变机构23由VCR控制单元31B控制，可变气门正时机构22由VTC控制单元31C控制。

发动机控制单元31A、VCR控制单元31B、VTC控制单元31C分别具有微型计算机，且利用CAN(Controller Area Network：控制器局域网)43以相互之间可进行通信的方式连接在一起。

并且，发动机控制单元31A基于内燃机1的运转状态运算压缩比可变机构23的目标压缩比及可变气门正时机构22的目标相位变换角，将目标压缩比的数据向VCR控制单元31B发送，将目标相位角变换角的数据向VTC控制单元31C发送。

注意，目标相位变换角相当于进气门7、7的气门正时的目标提前角值。

VCR控制单元31B输入发动机控制单元31A所输出的目标压缩比的数据、换言之即控制轴29的目标角度位置的数据。另外，VCR控制单元31B输入控制轴29的角度位置、换言之即检测实际的压缩比的角度传感器29A的输出信号。

并且，VCR控制单元31B以使由角度传感器29A检测的控制轴29的角度位置接近与目标压缩比对应的目标角度位置的方式运算促动器30的操作量并输出。也就是说，VCR控制单元31B实施压缩比的反馈控制。

另外，VCR控制单元31C输入发动机控制单元31A所输出的目标相位变换角的数据。另外，VTC控制单元31C输入检测曲轴9的角度位置的曲轴角传感器32所输出的曲轴角信号POS及检测进气凸轮轴24的角度位置的凸轮角传感器36所输出的凸轮角信号CAM。

并且，VTC控制单元31C基于曲轴角信号POS与凸轮角信号CAM检测进气凸轮轴24相对于曲轴9的相对旋转相位角，且以使检测出的相对旋转相位角接近目标相位变换角的方式运算可变气门正时机构22的促动器的操作量并输出。也就是说，VTC控制单元31C实施进气门7、7的气门正时的反馈控制。

另一方面，VCR控制单元31B将基于角度传感器29A的输出而检测出的控制轴29的角度位置的信息、换言之即实际的压缩比的信息输出给发动机控制单元31A。另外，VTC控制单元31C将基于曲轴角传感器32的输出及凸轮角传感器36的输出而检测出的进气凸轮轴24相对于曲轴9的相对旋 转相位角的信息输出给发动机控制单元31A。

注意，曲轴角传感器32的输出及凸轮角传感器36的输出被输入于发动机控制单元31A及VTC控制单元31C双方。另外，可以使角度传感器29A的输出向发动机控制单元31A及VCR控制单元31B双方输入。

另外，发动机控制单元31A输入检测内燃机1的吸入空气流量QA的空气流传感器33、检测油门踏板的踏入量即油门开度ACC的油门开度传感器34、检测搭载内燃机1的车辆的行驶速度VSP的车速传感器35、检测内燃机1的冷却水温度TW的水温传感器37、检测与内燃机的空燃比相关的排气中的氧气浓度的空燃比传感器42、检测爆震引起的振动的爆震传感器43等各种传感器所输出的信号。

在此，发动机控制单元31A在设定目标相位变换角的处理中，基于实际的压缩比的信息设定目标相位变换角的提前角侧的极限值，在未超过提前角侧的极限值的范围内设定目标相位变换角。

在上死点处的活塞4的位置较高的压缩比较高的状态下，若使进气门7的气门正时提前而使上死点处的气门升程量变大，则存在活塞4与进气门7发生干涉的可能性。

因此，发动机控制单元31A根据能够由压缩比可变机构23改变的压缩比改变可变气门正时机构22的相位变换角的可变范围，以避免活塞4与进气门7之间发生干涉。

也就是说，能够由压缩比可变机构23改变的压缩比越高，发动机控制单元31A越是将进气门7的气门正时的提前角侧的极限值向延迟角侧改变，抑制活塞4与进气门7发生干涉，同时使气门正时向提前角侧的变化不被过多地限制。

注意，发动机控制单元31A经由CAN(Controller Area Network：控制器局域网)43等通信线路从VCR控制单元31B取得能够由压缩比可变机构23改变的压缩比的实际值、即角度传感器29A的压缩比检测结果。

因此，若角度传感器29A、CAN通信回路或VCR控制单元31B等发生故障而使压缩比的检测值的输入出现异常，则无法适当地设定气门正时的可变范围。

因此，若压缩比的检测值的输入出现异常，则发动机控制单元31A从内燃机1的运转状态推定出实际的压缩比，并根据这一推定值改变气门正时 的可变范围。

由此，即使无法利用角度传感器29A的压缩比检测结果，发动机控制单元31A也可以使可变气门正时机构22的目标相位变换角在活塞4与进气门7之间不发生干涉的范围内尽可能地向提前角侧变化。因此，可以在压缩比的检测值的输入出现了异常时，抑制气门干涉的发生，同时抑制内燃机1的运转性降低。

以下，根据图2的流程图对发动机控制单元31A的压缩比推定处理进行详细的说明。

注意，图2的流程图中所示的程序由发动机控制单元31A以时间间隔(時間割り込みで)执行。

在步骤S101中，发动机控制单元31A对角度传感器29A的压缩比检测结果的输入是否在出现异常作出判定。

具体而言，发动机控制单元31A对与VCR控制单元31B之间的通信是否在出现异常作出判定。另外，发动机控制单元31A对是否在从VCR控制单元31B发出通知角度传感器29A异常的诊断信号作出判定。

在此，在发动机控制单元31A直接输入角度传感器29A的输出信号的情况下，发动机控制单元31A对是否诊断出角度传感器29A的异常等作出判定。

然后，发动机控制单元31A基于上述判定结果检测是否处于可将角度传感器29A的压缩比检测结果用于目标相位变换角的设定等的状态。

在角度传感器29A、CAN通信回路、VCR控制单元31B等正常，角度传感器29A的压缩比检测结果的输入正常的情况下，发动机控制单元31A能够根据基于角度传感器29A的输出而检测出的压缩比进行目标相位变换角的限制处理等，不需要压缩比的推定处理。因此，在角度传感器29A、CAN通信回路、VCR控制单元31B等正常的情况下，发动机控制单元31A不进入步骤S102以后的处理就终止本程序。

另一方面，若角度传感器29A、CAN通信回路、VCR控制单元31B等发生异常，角度传感器29A的压缩比检测结果的输入出现异常，则发动机控制单元31A进入步骤S102。

在步骤S102中，发动机控制单元31A切断向压缩比可变机构23的促动器30的电源供给。换言之，发动机控制单元31A停止促动器30的控制。

在此，如果VCR控制单元31B正常，则可以通过由发动机控制单元31A向VCR控制单元31B发出切断电源供给的指令来切断向促动器30的电源供给。但是，若VCR控制单元31B出现异常，则即使发动机控制单元31A向VCR控制单元31B输出了指令，实际上也存在向促动器30的电源供给并没有被切断的可能性。

因此，设置在向促动器30供给电源的电源线上的继电器构成为：在从发动机控制单元31A与VCR控制单元31B的至少一方输出了切断指令时切断，在从双方输出了打开指令时才接通。

由此，在VCR控制单元31B诊断出角度传感器29A的故障时，VCR控制单元31B可以独自切断向促动器30的电源供给，另外，在角度传感器29A正常但由于通信异常而使发动机控制单元31A无法取得压缩比的信息时，发动机控制单元31A可以独自切断向促动器30的电源供给。

由于燃烧压力向将上死点处的活塞4的位置下压的方向作用，因此若向压缩比可变机构23的促动器30的电源供给被切断，使得促动器30不产生转矩，则能够由压缩比可变机构23改变的压缩比减小。

也就是说，若变为不能得到压缩比的信息的状态，则发动机控制单元31A通过切断向促动器30的电源供给而使压缩比降低，抑制内燃机1以过高的压缩比运转。

发动机控制单元31A若切断了向促动器30的电源供给，则紧接着进入步骤S103，使火花塞15的点火时间从得到了压缩比的信息的正常状态下的点火时间开始慢慢提前。

然后，发动机控制单元31A在步骤S104中读入爆震传感器43的输出，并在步骤S105中，基于爆震传感器43的输出对是否正在发生爆震、也就是爆震的强度是否超出设定值进行判定。

发动机控制单元31A若判定为爆震的强度低于设定值而没有发生爆震，则回到步骤S103，继续进行点火时间的提前控制，改变为更加提前的点火时间。

另一方面，发动机控制单元31A若检测出爆震的强度超过设定值的爆震发生状态，则进入步骤S106，基于此时的点火时间、也就是达到规定的爆震强度时的点火时间对此时的压缩比进行推定。

爆震强度与点火时间的关系根据压缩比变化，如图3所示，压缩比越低， 达到规定的爆震强度的点火时间越靠近提前角侧。

因此，从使点火时间提前而达到规定的爆震强度时的点火时间，可以推定出此时的压缩比。

在此，通过切断向促动器30的电源供给，实际的压缩比将会由于燃烧压力而慢慢地降低，伴随着压缩比的这一降低，达到规定的爆震强度的点火时间也将会进一步慢慢地向提前角侧变化，压缩比的推定结果也将会慢慢地向更加低的压缩比变化。

注意，即使压缩比相同，达到规定的爆震强度的点火时间也会根据此时的进气温度和辛烷值等燃料性状等而发生变化。因此，发动机控制单元31A可以根据进气温度及/或燃料性状对基于点火时间的压缩比的推定结果进行修正。

即，由于进气温度越高越容易发生爆震，因此进气温度越高，发动机控制单元31A越将基于达到规定的爆震强度时的点火时间的压缩比推定结果改变得更低。

另外，由于燃料的辛烷值越高越难以发生爆震，因此辛烷值越高，发动机控制单元31A越将基于达到规定的爆震强度时的点火时间的压缩比推定结果改变得更高。

由此，即使进气温度和燃料的辛烷值不同，也可以抑制压缩比的推定精度降低。

注意，发动机控制单元31A可以从进气温度传感器44的输出得到进气温度TA的信息。另外，发动机控制单元31A在角度传感器29A正常而可以取得压缩比的检测结果的状态下，可以基于达到规定的爆震强度时的点火时间及压缩比的检测值判定燃料的辛烷值的信息。

另外，发动机控制单元31A对应各个进气温度都具有点火时间与压缩比的关系表格，另外对应每个辛烷值都具有点火时间与压缩比的关系表格，可以根据进气温度和辛烷值的条件选择所参照的表格，并基于所选择的表格进行压缩比的推定。

并且，发动机控制单元31A可以在角度传感器29A正常且压缩比的检测值可正常输入时，预先对达到规定的爆震强度的点火时间根据进气温度与辛烷值的不同而变化的特性进行学习。

发动机控制单元31A在于步骤S106中推定出压缩比之后，进入步骤 S107，对压缩比的推定结果的变化是否发生了收敛、也就是是否已经通过切断向促动器30的电源供给而使能够由压缩比可变机构23改变的压缩比降低到了可变范围内的最小压缩比进行判定。

注意，压缩比的可变范围内的最小压缩比是压缩比的初始值或默认值。

在此，发动机控制单元31A若判定为基于点火时间推定出的压缩比的变化已经停止、及/或基于点火时间推定出的压缩比已经达到所述最小压缩比，则判定为压缩比的降低已经停止。

在这种情况下，之后，直到向促动器30的电源供给再次开始之前，压缩比都保持在最小压缩比，因此，发动机控制单元31A使对点火时间进行提前控制的压缩比的推定处理结束。

也就是说，在从停止向促动器3的电源供给开始直到压缩比达到最小压缩比为止的这一期间中，发动机控制单元31A重复对基于达到规定的爆震强度时的点火时间的压缩比进行推定处理，并且对实际压缩比在压缩比达到最小压缩比之前的期间中的变化进行推定。

然后，发动机控制单元31A设定提前角侧的极限值，以使可变气门正时机构22的相位变换角的可变范围成为活塞4与进气门7在推定出的压缩比的条件下不发生干涉的角度范围。然后，发动机控制单元31A进行限制以使目标相位变换角不会提前为超过所述提前角极限值，将比提前角极限值更靠近延迟角侧的目标相位变换角输出给VTC控制单元31C。

由此，发动机控制单元31A即使由于角度传感器29A的故障而无法得到实际压缩比的检测数据，也可以在抑制活塞4与进气门7发生干涉的同时控制为尽可能提前的气门正时，能够抑制内燃机1的运转性的降低。

图4的时序图示出了在发动机控制单元31A无法取得压缩比的检测数据时的压缩比、目标相位变换角的变化的一例。

在图4的时序图中，若发动机控制单元31A在时刻t1检测到异常，无法取得压缩比的检测数据，则在直到取得压缩比的推定值为止的这一期间中，压缩比不明。因此，发动机控制单元31A使可变气门正时机构22的相位变换角的提前角极限延迟至适合压缩比不明状态的值ADmax1，在提前角极限值ADmax1的延迟角侧设定目标相位变换角。

然后，若在时刻t2发动机控制单元31A切断向压缩比可变机构23的促动器30的电源供给，则压缩比在燃烧压力的作用下由电源供给切断前的值 开始慢慢降低。在这个压缩比降低的过程中，发动机控制单元31A使点火时间提前，直到爆震强度达到规定值为止，并根据爆震强度达到规定值时的点火时间对实际压缩比进行推定。注意，压缩比的推定值的初始值是在即将检测到故障之前由角度传感器29A检测出的压缩比。

若推定出压缩比，则基于该推定值使相位变换角的提前角极限被进一步向提前角侧更新，其结果是，可以将更加提前的值设定为目标相位变换角，可以抑制有效压缩比的下降。

以上，参照优选的实施方式对本发明的内容进行了具体的说明，但毫无疑问的是，基于本发明的基本技术思想及教导，本领域技术人员能够获得各种变形方式。

可以采用这样的结构：在发动机控制单元31A与VCT控制单元31C之间能够正常进行通信而角度传感器29A发生了故障的情况下，发动机控制单元31A将压缩比的推定结果及目标压缩比的数据向VTC控制单元31C发送，VTC控制单元31C将压缩比的推定结果与目标压缩比进行比较，并对促动器30进行控制。

另外，在内燃机具有使排气门8的气门正时可变的可变气门正时机构的情况下，发动机控制单元31A可以基于推定出的压缩比设定排气门8的气门正时的延迟角极限，并在不超出该延迟角极限的范围内对排气门8的气门正时进行改变，由此抑制活塞4与排气门8之间的干涉。

另外，作为爆震传感器43，可以使用通过检测燃烧压的变动来检测爆震强度的传感器。

另外，燃料的辛烷值可以使用驾驶员利用辛烷值选择器等指定的值。

另外，可以设置一个涵盖性地具有发动机控制单元31A、VCR控制单元31B、VTC控制单元31C各自的功能的控制单元，在这种情况下，在角度传感器29A发生了故障时，一边监视爆震强度，一边基于提前了的点火时间对实际压缩比进行推定。

另外，作为可变气门机构，可以具有可变气门升降机构，该可变气门升降机构同可变气门正时机构22一起使进气门7的工作角可以连续地变化，且工作角越大则最大气门升程量越大。

并且，在具有可变气门正时机构22与可变气门升降机构的情况下，发动机控制单元31A可以基于推定出的压缩比，改变可变气门正时机构22的 相位变换角的提前角极限及/或可变气门升降机构的工作角的上限值。

另外，在上述实施方式中，爆震的强度由爆震传感器43检测，但可以采用这样的结构：不使用爆震传感器43，而是对爆震的强度进行推定，并对压缩比进行推定。

即，在由于切断向压缩比可变机构23的促动器30的电源供给而使压缩比降低时，若不改变点火时间，则会由于燃烧恶化而导致内燃机1的旋转变动增加。

因此，发动机控制单元31A可以使点火时间提前以使旋转变动的大小低于设定值，并根据旋转变动达到设定值时的点火时间对压缩比进行推定。也就是说，发动机控制单元31A可以基于能够得到稳定的燃烧性的点火时间根据压缩比而发生的变化对压缩比进行推定。

附图标记说明

1…内燃机

4…活塞

7…进气门

15…火花塞

22…可变气门正时机构(可变动气门机构)

23…压缩比可变机构

29A…角度传感器

30…促动器

31A…发动机控制单元

31B…VCR控制单元

31C…VTC控制单元

41…点火线圈

43…爆震传感器