(57)【要約】      （修正有）【課題】燃焼気筒と膨張気筒を備える二段膨張式エンジンの低負荷運転時に、膨張気筒で過膨張が起こるのを抑える。【解決手段】シリンダブロックには、２つの燃焼気筒と、１つの膨張気筒とが形成されている。燃焼気筒は、吸気、圧縮、膨張および排気の４行程を繰り返す４サイクル式の気筒である。膨張気筒は、膨張および排気の２行程を繰り返す２サイクル式の気筒である。カムシャフトは、排気カムを有している。排気カムは、バルブリフタを介して排気弁を駆動する。カムシャフト６０ａには、排気弁のバルブタイミングを変更するＶＶＴが設けられている。ＶＶＴは、エンジンの低負荷時、排気弁の開弁時期のみを進角させる。【選択図】図１
2020101167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
４ストロークを１サイクルとして往復運動する第１ピストンを収容する第１気筒と、
前記第１ピストンに対して実質的に３６０度の位相差を保ち、４ストロークを１サイクルとして往復運動する第２ピストンを収容する第２気筒と、
前記第１および第２気筒からのガスが交互に流入する第３気筒であって、前記第１または第２ピストンに対して所定の位相差を保ち、且つ、２ストロークを１サイクルとして往復運動する第３ピストンを収容する第３気筒と、
前記第１、第２および第３ピストンに連結されるクランクシャフトと、
前記第３気筒の筒内圧を調整する調整手段と、
前記第３ピストンの下降中に前記筒内圧が大気圧以下まで低下しないように前記調整手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする二段膨張式エンジンの制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二段膨張式エンジンの制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特開昭５９−１１３２３９号公報は、二段膨張式エンジンを開示する。この従来のエンジンは、２つの燃焼気筒と、１つの膨張気筒と、を有している。燃焼気筒は、吸気、圧縮、膨張および排気の４行程を繰り返す４サイクル式の気筒である。膨張気筒は、膨張および排気の２行程を繰り返す２サイクル式の気筒である。膨張気筒には、燃焼気筒からの燃焼ガスが流入する。
【０００３】
燃焼気筒のピストンは、互いに３６０度の位相差を保って動作する。膨張気筒のピストンは、燃焼気筒のピストンに対して約１９０度の位相差を保って動作する。このようなエンジンによれば、燃焼気筒で膨張させた燃焼ガスを、膨張気筒で再度膨張させることができる。したがって、燃焼ガスのエネルギを二段階で取り出して、エンジンの動力に変換することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５９−１１３２３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
二段膨張式エンジンでは、エンジンの熱効率を極限まで上げるため、総膨張比εｅｃが２０以上に設定される。総膨張比εｅｃは、燃焼気筒の膨張比εｅｌと、燃焼気筒の行程容積に対する膨張気筒の行程容積の比εｅ２との積である（εｅｃ＝εｅｌ×εｅ２）。また、二段膨張式エンジンでは、様々な運転条件において最大限の効果を発揮するため、膨張比εｅｌを比較的ガス流量の多い運転条件に合わせ、膨張気筒の容積を決定する。
【０００６】
膨張気筒の容積を大きな値に設定すれば、総膨張比εｅｃが高くなる。しかしながら、膨張気筒の容積を増やすと、ガス流量が比較的少ない低負荷運転時に、膨張気筒で過膨張が起こり易くなってしまう。膨張気筒で過膨張が起こるということは、膨張仕事が発生することを意味する。つまり、二段膨張式エンジンの当初目的に反する現象が起こってしまう。
【０００７】
本発明の１つの目的は、燃焼気筒と膨張気筒を備える二段膨張式エンジンの低負荷運転時に、膨張気筒で過膨張が起こるのを抑えることのできる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、二段膨張式エンジンの制御システムである。
前記制御システムは、第１気筒と、第２気筒と、第３気筒と、クランクシャフトと、調整手段と、制御手段とを備える。
前記第１気筒は、第１ピストンを収容する。前記第１ピストンは、４ストロークを１サイクルとして往復運動する。
前記第２気筒は、第２ピストンを収容する。前記第２ピストンは、前記第１ピストンに対して実質的に３６０度の位相差を保ち、且つ、４ストロークを１サイクルとして往復運動する。
前記第３気筒には、前記第１および第２気筒からのガスが交互に流入する。前記第３気筒は、第３ピストンを収容する。前記第３ピストンは、前記第１または第２ピストンに対して所定の位相差を保ち、２ストロークを１サイクルとして往復運動する。
前記クランクシャフトは、前記第１、第２および第３ピストンに連結される。
前記調整手段は、前記第３気筒の筒内圧を調整する。
前記制御手段は、前記第３ピストンの下降中に前記筒内圧が大気圧以下まで低下しないように前記調整手段を制御する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、第３ピストンの下降中に第３気筒の筒内圧が大気圧以下まで低下しないように調整手段が制御される。したがって、二段膨張式エンジンが低負荷運転される場合であっても、膨張気筒で過膨張が起こるのを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態に係るエンジンの第１の構成例の要部を示す平面図である。
【図２】図１の矢印IIの方向から見たエンジンの要部を示す側面図である。
【図３】図１の矢印IIIの方向から見たエンジンの要部を示す側面図である。
【図４】図１の矢印IVの方向から見たエンジンの要部を示す側面図である。
【図５】図１の矢印Vの方向から見たエンジンの要部を示す側面図である。
【図６】ＶＶＴの構成例を説明する図である。
【図７】実施の形態に係るエンジンの第２の構成例の要部を示す平面図である。
【図８】図７の矢印VIIIの方向から見たエンジンの要部を示す側面図である。
【図９】実施の形態に係るエンジンの制御システムの構成例を説明する図である。
【図１０】図１に示したエンジンでの二段膨張を説明する図である。
【図１１】図１に示したエンジンでの二段膨張を説明する図である。
【図１２】図１に示したエンジンでの二段膨張を説明する図である。
【図１３】二段膨張式エンジンの問題点を説明する図である。
【図１４】排気カムの作用角を一定としたまま開弁時期を進角させた場合の問題点を説明する図である。
【図１５】第１のエンジン制御例を説明する図である。
【図１６】第２のエンジン制御例を説明する図である。
【図１７】第２のエンジン制御例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１２】
１．エンジンの構成
本発明の実施の形態に係る二段膨張式エンジン（以下、単に「エンジン」と称す。）は、動力源として車両に搭載される。
【００１３】
１．１  第１の構成例
図１乃至６は、実施の形態に係るエンジンの第１の構成例を説明する図である。図１は、実施の形態に係るエンジンの第１の構成例の要部を示す平面図である。第１の構成例に係るエンジン１は、シリンダブロック１０を備えている。シリンダブロック１０には、燃焼気筒１２ａおよび１２ｂと、膨張気筒１４と、が形成されている。
【００１４】
燃焼気筒１２ａおよび１２ｂは、吸気、圧縮、膨張および排気の４行程を繰り返す４サイクル式の気筒である。燃焼気筒１２ａのシリンダ軸上には、点火栓１６ａが取り付けられている。点火栓１６ａは、燃焼気筒１２ａ内の混合ガスを点火する。燃焼気筒１２ｂのシリンダ軸上には、点火栓１６ｂが取り付けられている。点火栓１６ａと点火栓１６ｂは、３６０度の位相差を保って駆動される。燃焼気筒１２ａおよび１２ｂの外周には、ウォータジャケット１８が形成されている。ウォータジャケット１８内には、冷却水が流通する。
【００１５】
膨張気筒１４は、膨張および排気の２行程を繰り返す２サイクル式の気筒である。膨張気筒１４には、点火栓が取り付けられていない。膨張気筒１４の外周には、断熱材２０が設けられている。断熱材２０は、膨張気筒１４での冷却損失を抑えるために設けられている。
【００１６】
燃焼気筒１２ａおよび１２ｂの配列方向は、クランクシャフトの軸中心Ｃ５０に対して直交している。燃焼気筒１２ａのシリンダ軸から軸中心Ｃ５０までの距離は、燃焼気筒１２ｂのシリンダ軸から軸中心Ｃ５０までの距離と等しい。膨張気筒１４のシリンダ軸は、軸中心Ｃ５０と直交している。
【００１７】
燃焼気筒１２ａのガス入口は、吸気ポート２２ａに繋がっている。このガス入口には、吸気弁２４ａが設けられている。吸気弁２４ａは、ガス入口を開閉する。ガス入口が開くと、ガス（吸気）が燃焼気筒１２ａ内に流入する。この吸気と、インジェクタ（不図示）からの燃料とが混合すると、燃焼気筒１２ａ内に混合ガスが形成される。燃焼気筒１２ｂのガス入口は、吸気ポート２２ｂに繋がっている。吸気ポート２２ｂには、吸気弁２４ｂが設けられている。
【００１８】
燃焼気筒１２ａのガス出口は、送気管２６ａの一端に繋がっている。送気管２６ａの他端は、膨張気筒１４のガス入口に繋がっている。燃焼気筒１２ａのガス出口には、送気弁２８ａが設けられている。送気弁２８ａは、燃焼気筒１２ａのガス出口を開閉する。このガス出口が開くと、燃焼気筒１２ａ内のガス（燃焼ガス）が送気管２６ａ内に流入する。燃焼気筒１２ｂのガス出口は、送気管２６ｂの一端に繋がっている。送気管２６ｂの他端は、膨張気筒１４のガス入口に繋がっている。燃焼気筒１２ｂのガス出口には、送気弁２８ｂが設けられている。
【００１９】
膨張気筒１４のガス入口は、常時、送気管２６ａおよび２６ｂと連通している。そのため、燃焼気筒１２ａまたは１２ｂのガス出口が開くと、何れかの気筒からの燃焼ガスが膨張気筒１４内に流入する。送気管２６ａおよび２６ｂの外周には、燃焼ガスを保温するための断熱材が設けられていることが望ましい。
【００２０】
膨張気筒１４のガス出口は、排気ポート３０に繋がっている。このガス出口には、排気弁３２が設けられている。排気弁３２は、ガス出口を開閉する。ガス出口が開くと、膨張気筒１４内のガス（排気ガス）が排気ポート３０内に流入する。排気ポート３０に流入したガスは、排気ポート３０の下流において浄化された後、車両外に排出される。なお、ガスの浄化は、膨張気筒１４よりも上流において行ってもよい。この場合は、送気管２６ａおよび２６ｂの内部に、ハニカムまたは格子状の内壁を追加して、ここに三元触媒を担持させればよい。
【００２１】
図２は、図１の矢印IIの方向から見たエンジン１の要部を示す側面図である。図２に示すように、エンジン１は、ピストン４０ａおよび４０ｂを備えている。ピストン４０ａは、燃焼気筒１２ａ内に収容されている。ピストン４０ａのピストンピンは、台形状の第２フレーム４４ａを介して、角の丸い四角形状の第１フレーム４２に接続されている。ピストン４０ｂは、燃焼気筒１２ｂ内に収容されている。ピストン４０ｂのピストンピンは、第２フレーム４４ｂを介して第１フレーム４２に接続されている。第１フレーム４２、第２フレーム４４ａおよび４４ｂは、一体化された枠部材である。
【００２２】
第１フレーム４２は、第１フレーム４２内を左右方向（燃焼気筒１２ａおよび１２ｂの配列方向）に移動するスライダ４６を有している。第１フレーム４２の両側には、ガイド４８ａおよび４８ｂが設けられている。ガイド４８ａおよび４８ｂは、第１フレーム４２の上下方向（ピストン４０ａおよび４０ｂの移動方向）の移動を補助する部材である。ガイド４８ａおよび４８ｂは、スライダ４６の移動による第１フレーム４２の左右方向への移動を制止する部材でもある。
【００２３】
また、図２に示すように、エンジン１は、クランクシャフト５０を備えている。クランクシャフト５０は、クランクピン５２を有している。クランクピン５２は、スライダ４６に回転自在に結合されている。クランクピン５２は、また、クランクアーム５４ａを介してクランクシャフト５０と繋がっている。
【００２４】
第１フレーム４２、第２フレーム４４ａおよび４４ｂは、ヨーク（Yoke）と称される。このヨーク、スライダ４６、ガイド４８ａおよび４８ｂを含んだ組立機構は、スコッチヨーク機構と称される。
【００２５】
また、図２に示すように、エンジン１は、カムシャフト６０ａ、ロッカーシャフト３４ａおよび３４ｂを備えている。これらのシャフトは、クランクシャフト５０と平行に設けられている。カムシャフト６０ａは、クランクシャフト５０が二回転する間に一回転する。カムシャフト６０ａは、また、吸気カム６２を有している。ロッカーシャフト３４ａは、ロッカーアーム３６ａを有している。吸気カム６２は、ロッカーアーム３６ａを介して吸気弁２４ａを駆動する。ロッカーシャフト３４ｂは、ロッカーアーム３６ｂを有している。吸気カム６２は、ロッカーアーム３６ｂを介して吸気弁２４ｂを駆動する。
【００２６】
図３は、図１の矢印IIIの方向から見たエンジン１の要部を示す側面図である。つまり、図３は、膨張気筒１４側から見た燃焼気筒１２ａおよび１２ｂの周辺の要部の側面図である。図３に示すように、クランクピン５２は、クランクアーム５４ｂを有している。クランクアーム５４ｂは、クランクアーム５４ａと同一の形状を有している。
【００２７】
また、図３に示すように、カムシャフト６０ａは、送気カム６４を有している。ロッカーシャフト３４ａは、ロッカーアーム３８ａを有している。送気カム６４は、ロッカーアーム３８ａを介して送気弁２８ａを駆動する。ロッカーシャフト３４ｂは、ロッカーアーム３８ｂを有している。送気カム６４は、ロッカーアーム３８ｂを介して送気弁２８ｂを駆動する。
【００２８】
図４は、図１の矢印IVの方向から見たエンジン１の要部を示す側面図である。図４に示すように、エンジン１は、ピストン７０を備えている。ピストン７０は、膨張気筒１４内に収容されている。ピストン７０のピストンピンは、台形状の第２フレーム７４を介して、四角形状の第１フレーム７２に接続されている。第１フレーム７２および第２フレーム７４は、一体化された枠部材である。
【００２９】
第１フレーム７２は、第１フレーム７２内を左右方向に移動するスライダ７６を有している。第１フレーム７２の両側には、ガイド７８ａおよび７８ｂが設けられている。ガイド７８ａおよび７８ｂの機能は、図２で説明したガイド４８ａおよび４８ｂの機能と同じである。
【００３０】
また、図４に示すように、クランクシャフト５０は、クランクピン５６を有している。クランクピン５６は、スライダ７６と一体化されている。クランクピン５６は、クランクピン５２に対して１８０度の位相差をもって設けられている。そのため、ピストン８０ａは、ピストン４０ａまたは４０ｂに対して１８０度の位相差を保って往復運動する。クランクピン５６は、クランクアーム５８ａを介してクランクシャフト５０と繋がっている。
【００３１】
第１フレーム７２および第２フレーム７４は、ヨークを構成する。また、このヨーク、スライダ７６、ガイド７８ａおよび７８ｂを含んだ組立機構は、スコッチヨーク機構を構成する。
【００３２】
また、図４に示すように、カムシャフト６０ａは、排気カム６６を有している。排気カム６６は、１８０度の位相差をもって設けられる２つのノーズ部分を有している。排気カム６６は、バルブリフタ６８を介して排気弁３２を駆動する。カムシャフト６０ａには、ＶＶＴ（可変バルブタイミング機構）８０が設けられている。ＶＶＴ８０は、クランクシャフト５０に対するカムシャフト６０ａの回転位相差を変更する。
【００３３】
図５は、図１の矢印Vの方向から見たエンジン１の要部を示す側面図である。つまり、図５は、燃焼気筒１２ｂ側から見た燃焼気筒１２ｂおよび膨張気筒１４の周辺の要部の側面図である。図５に示すように、クランクピン５２は、クランクアーム５４ａと、クランクアーム５４ｂとの間に設けられている。クランクピン５６は、クランクアーム５８ａと、クランクアーム５８ｂとの間に設けられている。また、図５に示すように、ＶＶＴ８０は、油圧制御弁８２を備えている。油圧制御弁８２は、油路８４ａまたは８４ｂにオイルを供給する。
【００３４】
図６は、ＶＶＴ８０の構成例を説明する図である。図６に示すように、ＶＶＴ８０は、油路８４ａおよび８４ｂに加え、ハウジング８６およびロータ８８を有している。ロータ８８は、ハウジング８６内を独立した８つの空間に隔てている。これらの空間のうちの半分は、油路８４ａに繋がっている。残りの半分は、油路８４ｂに繋がっている。油路８４ａからハウジング８６内にオイルが供給されると、ロータ８８が時計回りの方向に回転する。一方、油路８４ｂからハウジング８６内にオイルが供給されると、ロータ８８が反時計回りの方向に回転する。
【００３５】
１．２  第２の構成例
図７および８は、実施の形態に係るエンジンの第２の構成例を説明する図である。なお、上記第１の構成例の説明と重複する説明については、適宜省略される。図７は、実施の形態に係るエンジンの第２の構成例の要部を示す平面図である。第２の構成例に係るエンジン２は、カムシャフト６０ｂを備えている。カムシャフト６０ｂは、カムシャフト６０ａと平行に設けられている。カムシャフト６０ｂは、クランクシャフト５０が二回転する間に一回転する。
【００３６】
図８は、図７の矢印VIIIの方向から見たエンジン２の要部を示す側面図である。図８に示すように、エンジン２は、排気カム９０と、排気弁９２ａおよび９２ｂと、ロッカーアーム９４ａおよび９４ｂと、を備えている。排気カム９０は、カムシャフト６０ｂに設けられている。排気弁９２ａは、ロッカーアーム９４ａを介して排気カム９０により駆動される。排気弁９２ｂは、ロッカーアーム９４ｂを介して排気カム６６により駆動される。
【００３７】
１．３  第３の構成例
実施の形態に係るエンジンの第３の構成例は、上記第１の構成例において、ＶＶＴ８０の代わりに、支持ロッドの位置を移動させることによってピストン７０のストローク量を連続的に制御する機構が設けられた二段膨張式エンジンである。このような制御機構は、例えば、特開２００３−１２９８１７号に開示されているように公知である。
【００３８】
１．４  第４の構成例
実施の形態に係るエンジンの第４の構成例は、上記第１の構成例において、ＶＶＴ８０の代わりに、ウォータジャケット１８内を流れる冷却水の量を調整する電子制御式のサーモスタットが設けられた二段膨張式エンジンである。
【００３９】
１．５  第５の構成例
実施の形態に係るエンジンの第５の構成例は、上記第１の構成例の燃焼気筒１２ａ、１２ｂおよび膨張気筒１４から構成される気筒群を、複数個備える二段膨張式エンジンである。第５の構成例において、個々の気筒群は基本的に気筒群単位で作動する。ただし、第５の構成例では、送気管２６ａ同士を繋ぐ接続管と、送気管２６ｂ同士を繋ぐ接続管と、が設けられている。また、第５の構成例では、上記第１の構成例のＶＶＴ８０の代わりに、接続管を開閉する電磁弁が設けられている。
【００４０】
２．制御システムの構成
図９は、実施の形態に係るエンジンの制御システムの構成例を説明する図である。図９に示すように、実施の形態に係る制御システムは、ＥＣＵ（Electric Control Unit）１００と、センサ群１１０と、アクチュエータ１２０と、を備えている。
【００４１】
ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、および入出力ポートを有するマイクロコンピュータである。ＣＰＵは、センサ群１１０からの信号を取り込んで処理する。ＣＰＵは、センサ信号の処理により得られた各種情報と、メモリ内に記憶された所定のプログラムとに基づいて、アクチュエータ１２０の制御量を決定する。
【００４２】
センサ群１１０は、火花点火式エンジンが搭載された車両が備える一般的なセンサを含む。センサ群１１０としては、筒内圧センサ、筒内温度センサ、大気圧センサ、大気温度センサ、吸気圧センサ、吸気温度センサ、排気圧センサ、排気温度センサ、水温センサ、スロットルセンサ、回転速度センサ、カム角センサ、および油圧センサが例示される。
【００４３】
筒内圧センサは、各気筒内のガスの圧力（筒内圧）を検出する。筒内温度センサは、各気筒内のガスの温度を検出する。大気圧センサは大気の圧力を検出する。大気温度センサは大気の温度を検出する。吸気圧センサは、吸気ポート２２ａまたは２２ｂを流れる吸気の圧力を検出する。吸気温度センサは、吸気ポート２２ａまたは２２ｂを流れる吸気の温度を検出する。排気圧センサは、排気ポート３０を流れる排気の温度を検出する。排気温度センサは、排気ポート３０を流れる吸気の温度を検出する。
【００４４】
水温センサは、ウォータジャケット１８の出口部に設けられる。水温センサは、出口部を流れる冷却水の温度を検出する。スロットルセンサは、スロットル弁の近傍に設けられる。スロットル弁は、吸気ポート２２ａおよび２２ｂよりも上流に設けられる。スロットルセンサは、スロットル弁の開度に応じた信号を出力する。回転速度センサは、クランクシャフト５０の回転角度に応じた信号を出力する。カム角センサおよび油圧センサは、第１または第２の構成例において設けられる。カム角センサは、クランクシャフト５０に対するカムシャフト６０ａの回転位相差を検出する。油圧センサは、油路８４ａおよび８４ｂに流れるオイルの圧力を検出する。
【００４５】
アクチュエータ１２０は、火花点火式エンジンに搭載される一般的なアクチュエータを含む。アクチュエータ１２０としては、スロットルモータおよび点火コイルが例示される。アクチュエータ１２０は、第１乃至５の構成例に対応するアクチュエータを含む。第１または第２の構成例のアクチュエータ１２０には、油路８４ａおよび８４ｂにオイルを供給するポンプのモータが含まれる。第３の構成例のアクチュエータ１２０には、支持ロッドのモータが含まれる。第４の構成例のアクチュエータ１２０には、サーモスタットのソレノイドが含まれる。第５の構成例のアクチュエータ１２０には、電磁弁のソレノイドが含まれる。
【００４６】
３．二段膨張式エンジンの動作
図１０乃至図１２は、エンジン１での二段膨張を説明する図である。図１０は、ピストン４０ａ、４０ｂおよびピストン７０の推移を示している。図１０に示すように、ピストン４０ａおよび４０ｂは、同位相で動作する。この理由は、図２で説明したスコッチヨーク機構を介して、ピストン４０ａおよび４０ｂがクランクシャフト５０に連結されているためである。また、ピストン７０は、ピストン４０ａおよび４０ｂに対して１８０度の位相差を保って動作する。
【００４７】
ここで、ピストン４０ａおよび４０ｂは一緒に往復運動しており、これらのピストンの間には位相差が存在しないように見える。ただし、エンジン１の４行程で見ると、これらのピストンの間には実質的な位相差が存在する。実質的な位相差は、３６０度である。
【００４８】
図１１は、送気弁２８ａおよび２８ｂ、および排気弁３２のリフト量の推移を示している。図１１に示すように、送気弁２８ａは、クランク角θ＝１８０°から３６０°までの間、動作する。また、送気弁２８ｂは、クランク角θ＝５４０°から７２０°までの間、動作する。一方、排気弁３２は、クランク角θ＝０°から１８０°までの間、および、クランク角θ＝３６０°から５４０°までの間、動作する。
【００４９】
図１２の太線は、燃焼気筒１２ａおよび膨張気筒１４に着目したときの、二段膨張に関係する作動ガスの容積Ｖｇａｓ（太線）の推移を表している。図１２の破線は、燃焼気筒１２ａの容積Ｖ１２ａの推移、および膨張気筒１４の容積Ｖ１４ａの推移をそれぞれ表している。
【００５０】
図１０で説明したように、クランク角θ＝０°ではピストン４０ａが上死点ＴＤＣに位置している。図１２では、このクランク角θ＝０°において燃焼気筒１２ａ内の混合ガスへの点火が行われている。そうすると、容積Ｖｇａｓは、燃焼気筒１２ａ内でのガスの膨張（１段目の膨張）に伴って増加する。クランク角θ＝０°からクランク角θ＝１８０°までの間、容積Ｖｇａｓは、容積Ｖ１２ａの最大値と等しい値まで増加する。
【００５１】
次のクランク角区間（１８０〜３６０°）では、送気弁２８ａの開弁動作（ＴＶＯ〜ＴＶＣ）が行われる。これに伴い、燃焼気筒１２ａのガス出口が送気管２６ａを介して膨張気筒１４と繋がる。また、クランク角θ＝１８０°では、ピストン７０が上死点ＴＤＣに位置している。そのため、容積Ｖｇａｓは、膨張気筒１４内でのガスの膨張（２段目の膨張）に伴って増加する。クランク角θ＝１８０°からクランク角θ＝３６０°までの間、容積Ｖｇａｓは、送気管２６ａの容積と容積Ｖ１４ａの最大値の総和と等しい値まで増加する。
【００５２】
次のクランク角区間（３６０〜５４０°）では、排気弁３２の開弁動作（ＥＶＯ〜ＥＶＣ）が行われる。これに伴い、作動ガスが膨張気筒１４から排出される。また、排気弁３２が開かれる（ＥＶＯ）のと同時に送気弁２８ａが閉じられる（ＴＶＣ）ため、容積ｇａｓが一気に減少する。ただし、このクランク角区間では、吸気弁２４ａの開弁動作（ＩＶＯ〜ＩＶＣ）が行われる。また、このクランク角区間では、ピストン４０ａが上死点ＴＤＣから下死点ＢＤＣまで移動する。そのため、クランク角θ＝３６０°からクランク角θ＝５４０°までの間、容積Ｖｇａｓは、容積Ｖ１２ａの最大値と等しい値まで増加する。
【００５３】
次のクランク角区間（５４０〜７２０°）では、ピストン４０ａが下死点ＢＤＣから上死点ＴＤＣまで移動する。そのため、クランク角θ＝５４０°からクランク角θ＝７２０°までの間、容積Ｖｇａｓは、容積Ｖ１２ａの最小値と等しい値まで減少する。そして、ピストン４０ａが上死点ＴＤＣに位置するクランク角θ＝７２０°において、燃焼気筒１２ａ内の混合ガスへの点火が行われる。
【００５４】
４．  エンジン制御の特徴
４．１  二段膨張式エンジンの問題点
図１３は、エンジン１の筒内圧の推移を示した図である。図１３には、燃焼気筒１２ａの筒内圧ＣＰ１２ａの推移と、膨張気筒１４の筒内圧ＣＰ１４の推移と、が描かれている。筒内圧ＣＰ１２ａは、クランク角θ＝−１８０°を過ぎた辺りから上昇し始め、クランク角θ＝０°を過ぎると下降に転ずる。一方、筒内圧ＣＰ１４は、クランク角θ＝−１８０°付近において上昇し、その直後から緩やかに下降する。また、筒内圧ＣＰ１４は、クランク角θ＝１８０°以降においても、クランク角θ＝−１８０°付近での挙動と同様に推移する。
【００５５】
これらの圧力挙動は、エンジン負荷に関係なく観察される。ただし、低負荷時（実線）は、高負荷時（破線）に比べて筒内圧ＣＰ１２ａおよびＣＰ１４が低くなる傾向にある。しかし、ガス流量が少ない低負荷時においては、筒内圧ＣＰ１４が大気圧よりも低い値まで低下する場合がある。具体的には、図１３に破線で囲って示すように、クランク角θ＝約−９０°からクランク角θ＝０°までの間、および、クランク角θ＝約２７０°からクランク角θ＝３６０°までの間、筒内圧ＣＰ１４が大気圧以下まで低下する。
【００５６】
筒内圧ＣＰ１４が大気圧以下まで低下すると、膨張仕事が発生して外部からエネルギが供給される。このような損失を防ぐには、過膨張を抑制しなければならない。その対策として、低負荷時には排気弁３２の開弁時期ＥＶＯを進角させることが考えられる。開弁時期ＥＶＯを進角させれば、排気ポート３０から膨張気筒１４に排気が吸入されるので、過大な膨張を抑制することができる。しかしながら、排気カム６６の作用角を一定としたまま開弁時期ＥＶＯを進角させると、排気弁３２の閉弁時期ＥＶＣも進角されてしまう。
【００５７】
図１４は、排気カム６６の作用角を一定としたまま開弁時期ＥＶＯを進角させた場合の問題点を説明する図である。図１４には、低負荷時における各気筒の筒内圧（ＣＰ１２ａ、ＣＰ１２ｂおよびＣＰ１４）の推移が描かれている。図１４に示すように、開弁時期ＥＶＯを進角させれば、筒内圧ＣＰ１４が大気圧以下まで下がる状況を回避できる。しかしながら、この場合は閉弁時期ＥＶＣも進角される。そのため、ピストン７０の上昇中に排気弁３２が閉じられる。具体的には、そうすると、今度は圧縮仕事が発生する。
【００５８】
４．２  対策例とその効果
以上の問題点に鑑み、実施の形態では、エンジンの構成例に応じて次の対策を講じる。
【００５９】
（１）第１のエンジン制御例
第１のエンジン制御例は、第１の構成例において行われる。図１５は、第１のエンジン制御例を説明する図である。図１４同様、図１５には、低負荷時における各気筒の筒内圧の推移が描かれている。図１５に示すように、第１の制御例では、閉弁時期ＥＶＣを変えず、開弁時期ＥＶＯのみを進角させる。これにより、図１４で説明した不具合が起こることを防ぎつつ、過膨張を抑制することができる。
【００６０】
（２）第１のエンジン制御例
第２のエンジン制御例は、第２の構成例において行われる。第２のエンジン制御例では、低負荷時に排気弁９２ｂのバルブタイミングのみが進角される。図１６および１７は、第２のエンジン制御例を説明する図である。図１６の左側の２つの側面図に示されるように、第２のエンジン制御例では、ピストン７０の下降中に排気弁９２ｂを開き始める。そうすると、排気ポート３０から膨張気筒１４に排気が吸入される。したがって、過大な膨張を抑制することができる。
【００６１】
また、図１６の右側の２つの側面図に示されるように、第２のエンジン制御例では、ピストン７０の上昇中に排気弁９２ｂが閉じられる。ただし、排気弁９２ａは依然として開かれている。そのため、図１４で説明した不具合が起こるのを抑制することもできる。
【００６２】
（３）第３のエンジン制御例
第３のエンジン制御例は、第３の構成例において行われる。第３のエンジン制御例では、低負荷時にストローク量が減少するように制御ロッドが制御される。ストローク量が減少するということは、膨張気筒１４の膨張比が小さくなることを意味する。したがって、過膨張を抑制することができる。
【００６３】
（４）第４のエンジン制御例
第４のエンジン制御例は、第４の構成例において行われる。第４のエンジン制御例では、低負荷時に冷却水の量が減るようにサーモスタットが制御される。冷却水の量が減れば、燃焼気筒１２ａまたは１２ｂから膨張気筒１４に送られる燃焼ガスの温度が下がるのを抑えることができる。したがって、過膨張を抑制することができる。
【００６４】
（５）第５のエンジン制御例
第５のエンジン制御例は、第５の構成例において行われる。第５のエンジン制御例では、低負荷時において、各気筒群の燃焼気筒１２ａおよび１２ｂからの燃焼ガスが送られる膨張気筒１４の数が少なくなるように電磁弁が制御される。燃焼ガスが送られる膨張気筒１４の数を減らせば、過膨張を抑制することができる。
【００６５】
５．実施の形態と本発明の対応関係
上記実施の形態では、燃焼気筒１２ａが本発明における「第１気筒」に相当している。ピストン４０ａが同発明における「第１ピストン」に相当している。燃焼気筒１２ｂが同発明における「第２気筒」に相当している。ピストン４０ｂが同発明における「第２ピストン」に相当している。膨張気筒１４が同発明における「第３気筒」に相当している。膨張気筒１４が同発明における「第３ピストン」に相当している。第１または第２の構成例におけるＶＶＴ８０、第３の構成例における制御ロッド、第４の構成例におけるサーモスタット、または、第５の構成例における電磁弁が、同発明における「調整手段」に相当している。ＥＣＵ１００が同発明における「制御手段」に相当している。
【符号の説明】
【００６６】
１，２  二段膨張式エンジン
１０  シリンダブロック
１２ａ，１２ｂ  燃焼気筒
１４  膨張気筒
３２，９２ａ，９２ｂ  排気弁
６０ａ，６０ｂ  カムシャフト
６６，９０  排気カム
６８  バルブリフタ
８０  ＶＶＴ
８２  油圧制御弁
８４ａ，８４ｂ  油路
８６  ハウジング
８８  ロータ
１００  ＥＣＵ
１１０  センサ群
１２０  アクチュエータ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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