(57)【要約】【課題】ノッキングの制約を排除して内燃機関の比出力を向上させる。【解決手段】内燃機関は、ターボ過給機と、機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、を備え、過給によりトルク向上を図っているが、相対的に負荷が小さな第１の運転領域内では、予混合気の火花点火により定容燃焼サイクルに近似した燃焼を実現する火花点火燃焼モード（ＳＩ）とし、相対的に負荷が大きな第２の運転領域内では、熱発生率の制御により定圧燃焼サイクルに近似した燃焼を実現する定圧燃焼モードとする。火花点火燃焼モードでは、負荷が高いほど目標圧縮比を低く設定するが、定圧燃焼モードでは、燃焼の長期化による時間損失を補うために、目標圧縮比を高く設定する。これにより、シリンダ内により多くの燃料ならびに新気を供給でき、比出力が向上する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
過給機と、
内燃機関の機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、
負荷に応じた量の燃料をシリンダ内に噴射供給する燃料噴射装置と、
点火装置と、
を備え、予混合気の火花点火により定容燃焼サイクルに近似した燃焼を実現する火花点火燃焼モードと、熱発生率の制御により定圧燃焼サイクルに近似した燃焼を実現する定圧燃焼モードと、の切換が可能な内燃機関であって
相対的に負荷が小さな第１の運転領域内では、上記火花点火燃焼モードとし、かつ負荷が高いほど上記可変圧縮比機構による圧縮比を低く設定し、
相対的に負荷が大きな第２の運転領域内では、上記定圧燃焼モードとするとともに、上記可変圧縮比機構による圧縮比を高く設定することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
そのときの運転条件に対して、火花点火燃焼モードでの効率と定圧燃焼モードでの効率とを逐次算出し、相対的に高い効率となる燃焼モードに切り換えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
吸気弁の少なくとも閉時期を変更して有効圧縮比を変化させる可変動弁機構をさらに備え、上記の第２の運転領域の最大負荷近傍では該可変動弁機構により有効圧縮比を縮小することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
定圧燃焼モードでは、上死点付近で燃料噴射を開始するとともに点火して熱発生を開始させ、かつ容積変化率に比例して発熱量が増大するように燃料供給を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項５】
噴射率可変の燃料噴射弁を用い、その噴射率制御により定圧燃焼サイクルに近似した燃焼を実現することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項６】
火花点火燃焼モードにおける点火時期をノッキングの検出に基づいてＭＢＴ点から遅角補正する点火時期補正手段をさらに備え、上記火花点火燃焼モードと定圧燃焼モードとが、この遅角補正が生じる負荷付近で切り換えられることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の重量や外形寸法に対する最大出力つまり比出力を高く得るようにした内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の大型化や重量増加を抑制しつつ最大出力を向上するために、従来から、過給技術や可変圧縮比機構が知られており、例えば特許文献１には、過給機と可変圧縮比機構と可変バルブタイミング機構とを組み合わせた火花点火式内燃機関が開示されている。このものでは、高負荷域では、過給を行いつつ可変圧縮比機構による圧縮比を低くし、さらに可変バルブタイミング機構により有効圧縮比を低下させて、ノッキングの防止を図っている。
【特許文献１】特開昭６３−１２０８２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
周知のように、内燃機関のトルクはシリンダ内に供給された燃料量に相関し、つまり、シリンダ内にどれだけの新気を入れることができるか、によって最大出力が左右される。従って、限られた大きさや重量の中で高い最大出力を得るには、過給圧をより高く与える必要があるが、上記の特許文献１のように、高負荷域で圧縮比を低下させてノッキングを抑制するようにしたとしても、過給圧を高く設定すると、燃焼圧が過大となり、いずれはノッキングが生じるため、出力向上には限界がある。またノッキング回避のために圧縮比を低下させることに伴い、効率が悪化し、燃費の悪化を招来する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
そこで、この発明は、定圧燃焼サイクルを利用するとともに、高い過給圧と可変圧縮比機構とを組み合わせることによって、シリンダ内により多くの燃料ならびに新気を供給できるようにし、比出力の向上を図ったものである。すなわち、この発明に係る内燃機関は、過給機と、内燃機関の機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、負荷に応じた量の燃料をシリンダ内に噴射供給する燃料噴射装置と、点火装置と、を備え、予混合気の火花点火により定容燃焼サイクルに近似した燃焼を実現する火花点火燃焼モードと、熱発生率の制御により定圧燃焼サイクルに近似した燃焼を実現する定圧燃焼モードと、の切換が可能となっている。
【０００５】
そして、相対的に負荷が小さな第１の運転領域内では、上記火花点火燃焼モードとし、かつ負荷が高いほど上記可変圧縮比機構による圧縮比を低く設定し、また、相対的に負荷が大きな第２の運転領域内では、上記定圧燃焼モードとするとともに、上記可変圧縮比機構による圧縮比を高く設定することを特徴としている。
【０００６】
定圧燃焼モードでは、例えば上死点付近で熱発生を開始させ、かつ容積変化率に比例して発熱量が増大するように燃料供給を制御することで、定圧燃焼サイクルに近似した燃焼を実現でき、これにより、高過給でかつ多量の燃料を供給した状態でも、定容燃焼サイクルに比較して最大燃焼圧を低く抑制できる。そして、定圧燃焼サイクルでは、燃焼時間が長くなることから時間損失が増加するが、同時に圧縮比を高く設定することで、燃焼の長期化による効率低下が補われる。また相対的に負荷が小さな第１の運転領域内では、一般的な予混合火花点火内燃機関と同様の火花点火燃焼モードとなるため、いわゆるＭＢＴ点付近での点火により、高い効率が得られる。
【０００７】
第１の運転領域と第２の運転領域との境界は、例えば、火花点火燃焼モードにおいてＭＢＴ点での点火が可能な限界、つまりこれ以上負荷が高いとノッキング抑制のためにＭＢＴ点よりも点火時期を遅角する必要がある負荷の限界、に対応したものとなる。
【０００８】
なお、本発明においては、理論的に完全な定圧燃焼サイクルおよび定容燃焼サイクルを実現することを意味しているのではなく、２つの燃焼モードの対比として、一方が相対的に定圧燃焼サイクルに近く、他方が相対的に定容燃焼サイクルに近いものであれば足りる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、全負荷付近の負荷が高い領域でノッキングを回避しつつより多くの燃料をシリンダ内で燃焼させることが可能となり、内燃機関の比出力を向上させることができる。また点火時期の遅角や圧縮比の低下のよる効率低下がなく、高い効率を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
図１に概略を示すように、この発明が適用される内燃機関１は、排気通路４と吸気通路３との間に、過給機としてターボ過給機２を備えており、過給圧センサ５が検出した過給圧に基づいてエンジンコントロールユニット６が排気バイパス弁７の開度を調整することで、過給圧が所望の目標過給圧に制御されるようになっている。
【００１２】
図２は、内燃機関１のシステム構成を示しており、冠面に凹部２２ａを備えたピストン２２がシリンダ２１に摺動可能に嵌合しており、このピストン２２によって画成される燃焼室２３に吸気ポート２４および排気ポート２５が接続されているとともに、燃焼室２３頂部に、燃料噴射弁２６および点火栓２７が配置されている。上記吸気ポート２４および排気ポート２５は、それぞれ排気弁２８，吸気弁２９によって開閉される。上記燃料噴射弁２６には、燃圧制御装置３０を介して高圧の燃料が供給され、かつコントロールユニット６からの制御信号に基づいて後述するように燃料噴射が行われる。燃料噴射弁２６に供給される燃料の圧力つまり燃圧は、燃圧センサ３１によって検出され、これに基づいてフィードバック制御されている。
【００１３】
内燃機関１全体の制御を行うコントロールユニット６は、上記のセンサ類等が接続されているほか、吸入空気量を検出するエアフロメータ３２、運転者によって操作されるアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ３３、クランク角センサ３４、冷却水温センサ３５、等の公知のセンサ類の信号が入力されている。
【００１４】
また、この内燃機関１は、公知の複リンク式の可変圧縮比機構３６を備えており、クランクシャフトに対するピストン２２の位置を上下に変位させることで、圧縮比を可変制御できるようになっている。この可変圧縮比機構３６は、特開２００５−１４７０６８号公報や特開２００２−６１５０１号公報等に記載されている形式のものであり、またピストン２２としては、前者の公報に開示されているように、ピンボス部を短くして、その両側をカウンタウェイトが通過するようにし、機関のロングストローク化を図ることが望ましい。
【００１５】
なお、本発明において、可変圧縮比機構３６としては、上記の形式のものに必ずしも限定されず、種々の形式のものを利用可能である。
【００１６】
定圧燃焼サイクルを実現するためには、図３（ａ）に示すような熱発生の特性とすればよい。また、図３（ｂ）は、（ａ）に対応した筒内圧変化を示す。なお、これらはシミュレーションの数値計算によるものである。定圧燃焼サイクルでは、概ね上死点から熱発生を開始し、燃焼後期に向けて熱発生量を増大させる。そして、燃焼後期に最大の熱発生量を得て、燃焼は筒内全域で同時に完了する。熱発生量を燃焼過程の後期に向けて徐々に増大させるが、結果として得られる熱発生のパターンは、燃焼室２３の容積変化と概ね比例関係となる。なお、いわゆるピストンオフセット等によるピストンモーションの違いに対応するためには、燃焼室の実際の容積変化率に対応して熱発生パターンを決定すればよい。
【００１７】
定圧燃焼サイクルにおいては、燃焼室での圧縮端の圧力を略一定に保持するために、熱発生パターンと熱発生期間とを適切に制御する必要がある。また、定圧燃焼サイクルでは、上死点付近で着火燃焼が開始するが、自着火を抑制もしくは制御するために、いわゆる「噴霧燃焼」（特開２００７−２８５２４４号公報、特開２００８−１２１４２９号公報等参照）の形態での燃焼が行われる。そのため、燃料噴射弁２６の噴射率は、図４に示すように、熱発生後期に向け徐々に大となるように制御される。
【００１８】
図５（ａ）〜（ｃ）は、このような定圧燃焼サイクルに適した燃料噴射弁２６の一例を示しており、ニードル４１によって先端の噴孔４２が開閉されるとともに、ニードル４１の先端にガイド部４３が設けられており、低リフト時には、図（ｂ）のようにガイド部４３に案内されて広い円錐角でもって噴霧が噴射され、高リフト時には、図（ｃ）のように、噴霧が直進して相対的に狭い円錐角でもって噴射される構成となっている。つまり、図６（ａ）から同図（ｂ）に変化するような形態の噴射が可能である。このように噴射方向と噴射率を変化させることにより、筒内の空気利用率の向上が可能となり、理論空燃比での燃焼が可能となる。
【００１９】
図７は、燃焼モードと圧縮比との関係を示した特性図である。図示するように、相対的に負荷が小さな第１の運転領域内では、火花点火燃焼モード（図には「ＳＩ」と略記する）となり、全負荷付近の相対的に負荷が大きな第２の運転領域内では、定圧燃焼モードとなる。なお、運転領域のほぼ全域でターボ過給機２による過給が行われる。
【００２０】
火花点火燃焼モードは、一般的な予混合火花点火内燃機関と同じ定容燃焼サイクルに近似した燃焼を行うものであり、例えば吸気行程中に筒内に燃料を噴射して予混合気を形成し、かつＭＢＴ点においてこの予混合気に点火を行う。この定容燃焼サイクルでは、負荷が高いほどノッキングが生じやすいため、負荷が高いほど可変圧縮比機構３６による目標圧縮比が低く設定される。なお、低速低負荷側の領域では高い目標圧縮比となり、図では高低２段階に目標圧縮比が示されているが、実際には、負荷に応じて連続的に目標圧縮比が変化する。
【００２１】
また、同じくノッキングを回避するために、第１の運転領域の高負荷側では、点火時期がＭＢＴ点よりも遅角側に制御される。図示した火花点火燃焼モードと定圧燃焼モードとの境界Ｌは、火花点火燃焼モードにおいてＭＢＴ点での点火が可能な限界、つまりこれ以上負荷が高いとノッキング抑制のためにＭＢＴ点よりも点火時期を遅角する必要がある負荷の限界、に実質的に対応している。
【００２２】
一方、定圧燃焼モードは、上述したように定圧燃焼サイクルに近似した燃焼を行うものであり、上述したように、いわゆる「噴霧燃焼」として、上死点付近で燃料噴射を開始するとともに点火して熱発生を開始させ、かつ容積変化率に比例して発熱量が増大するように燃料供給を制御する。この定圧燃焼サイクルでは、定容燃焼サイクルに比較して同じトルクであっても最大燃焼圧が低くなり、従って、ノッキングに制約されることなくより多くの燃料を供給してトルクの向上を図ることができる。つまり、火花点火燃焼モードのみの場合に比べて、全開トルクをより高トルク側に設定することが可能となる。そして、この定圧燃焼サイクルでは、可変圧縮比機構３６の目標圧縮比が高く設定される。なお、この第２の運転領域での目標圧縮比は、一定の高い圧縮比に固定的に設定するようにしてもよく、あるいは、負荷上昇に伴って圧縮比を低下させるようにしてもよい。定圧燃焼サイクルでは、燃焼時間が長くなることから時間損失が増加するが、このように圧縮比を高く与えることで、燃焼の長期化による効率低下が補われる。従って、第１の運転領域と第２の運転領域との境界では、基本的に、目標圧縮比が不連続な特性となる。
【００２３】
第１の運転領域と第２の運転領域の判定つまり燃焼モードの切換は、図７に示すような機関回転数Ｎｅと負荷（例えば燃料噴射量）Ｔｅとをパラメータとした所定のマップに基づいて単純に行ってもよいが、望ましくは、図８のフローチャートに従って、各々の燃焼モードでの効率を演算し、その対比により効率の高い燃焼モードを選択するようにすることが望ましい。
【００２４】
具体的には、先ずステップ１で機関回転数と要求トルクとから要求空気量を求める。ステップ２では、火花点火燃焼モードとした場合の目標圧縮比をマップに基づいて決定し、ステップ３では、火花点火燃焼モードとした場合の点火時期を決定する。なお、この点火時期は、上述したように基本的にＭＢＴ点であるが、吸気温度に基づく補正等を加えてもよい。一方、これと並行して、ステップ４で、定圧燃焼モードとした場合の目標圧縮比をマップに基づいて決定し、ステップ５で、定圧燃焼モードとした場合の燃焼期間を演算する。処理の簡略化のためには、燃料噴射期間を燃焼期間とみなすことができる。なお、この実施例では、定圧燃焼モードにおける点火時期は、上死点付近の一定点火時期となる。
【００２５】
次に、ステップ６において、火花点火燃焼モードとした場合の効率と定圧燃焼モードとした場合の効率とを大小比較し、前者が高効率であれば火花点火燃焼モードを選択し、後者が高効率であれば定圧燃焼モードを選択する（ステップ７，８）。火花点火燃焼モードでの効率は、例えば、ステップ２で定めた目標圧縮比の下で、吸気量と機関回転数と点火時期とＥＧＲガス量（所謂内部排気還流と外部排気還流の総和）との関数として求めることができる。他方、定圧燃焼モードでの効率は、ステップ４で定めた目標圧縮比の下で、吸気量と機関回転数と有効圧縮比と膨張比（これは燃焼期間によって変化する）との関数として求めることができる。なお、内燃機関１は、いずれかの燃焼モードで実際に運転されているので、一方の燃焼モードの効率はそのときの運転条件に応じた実際のパラメータを一部用いて逐次求められ、他方の燃焼モードの効率はそのときの運転条件に応じて逐次推定されることになる。
【００２６】
火花点火燃焼モードにおいて点火時期がＭＢＴ点よりも遅角すると、効率は急に悪化する。極端な場合には、点火時期の遅角に伴う排気温度の上昇に対して所謂「燃料冷却」が必要になり、空燃比がリッチに設定されるので、効率は一層悪化する。一方、定圧燃焼サイクルは時間損失が大きく、点火時期をＭＢＴ点とした定容燃焼サイクルと比較すると、一般に効率が低い。従って、各々の燃焼モードでの効率を大小比較して効率の高い方を選択すると、結果的に、図６に示したようなＭＢＴ点の限界に沿った境界Ｌとなる。
【００２７】
次に、図９に示す実施例は、ノッキングが発生したことを検出するノッキングセンサ５１を備えたものであり、火花点火燃焼モードにおいてノッキングが生じたときに、公知の手法により、点火時期をＭＢＴ点から遅角補正するようにしている。
【００２８】
また、本発明においては、同様のノッキングセンサ５１を用いて、火花点火燃焼モードでの運転中にノッキングを検出したときに、定圧燃焼モードへの切換を行うように構成してもよい。なお、定圧燃焼モードから火花点火燃焼モードへの切換は、例えば一定時間ノッキングが検出されないときに火花点火燃焼モードへ復帰させるなどの手法が可能である。
【００２９】
次に、有効圧縮比を可変制御するために吸気弁側に可変動弁機構を設けた実施例について説明する。可変動弁機構としては、少なくとも吸気弁の閉時期を遅進させ得る構成であることが必要であり、例えば電磁駆動式の吸気弁や機械的な可変動弁機構（特開２００２−８９３０３号公報、特開２００２−２８５８９８号公報等）など適宜な構成のものを用いることができる。この実施例では、定圧燃焼モードのとき（特に全負荷領域）に、可変動弁機構を用いて有効圧縮比を低下させることで、最大燃焼圧を抑制しつつ、より多くの燃料を燃焼させることが可能となる。なお、ここでは、可変動弁機構として、吸気弁の開時期をほぼ一定に保ちつつ吸気弁作動角を拡大・縮小できる形式の機械的な可変動弁機構が用いられている。従って、作動角を小さくすると、吸気弁閉時期が進角する関係となっている。
【００３０】
図１０は、有効圧縮比を低下させた状態での吸排気弁のバルブタイミングの一例を示しており、図示するように、吸気弁閉時期ＩＶＣが下死点よりも進角したいわゆる早閉じとなっている。これにより、図１１のＰＶ線図に線Ｌ１でもって示すように、有効圧縮比に対し膨張比が相対的に大きく、いわゆるミラーサイクルとなる。なお、図１１の線Ｌ２で示す特性は、過給圧が低くＩＶＣが下死点付近にある場合を示す。なお、周知のように、有効圧縮比を低下させるために、吸気弁閉時期ＩＶＣを下死点よりも遅角させるいわゆる遅閉じを採用することも可能である。
【００３１】
図１２は、この実施例における燃焼モードと圧縮比と吸気弁作動角との関係を示した特性図である。図示するように、相対的に負荷が小さな第１の運転領域内では、火花点火燃焼モード（ＳＩ）となり、全負荷領域を含む相対的に負荷が大きな第２の運転領域内では、定圧燃焼モードとなる。なお、運転領域のほぼ全域でターボ過給機２による過給が行われる。
【００３２】
火花点火燃焼モードでは、前述したように予混合気に対するＭＢＴ点付近での点火により定容燃焼サイクルに近似した燃焼が行われるが、可変圧縮比機構３６による圧縮比制御は前述の実施例と同様であり、低速低負荷側の領域では高い目標圧縮比となり、負荷が高いほど目標圧縮比が低く設定される。そして、有効圧縮比に相関する作動角は、低速低負荷側の領域では小作動角となり、負荷の増加に応じて作動角が拡大して中作動角となる。なお、圧縮比と同様、作動角も連続的に変化する。
【００３３】
前述の実施例と同じく、火花点火燃焼モードと定圧燃焼モードとの境界Ｌ３は、火花点火燃焼モードにおいてＭＢＴ点での点火が可能な限界、つまりこれ以上負荷が高いとノッキング抑制のためにＭＢＴ点よりも点火時期を遅角する必要がある負荷の限界、に実質的に対応している。
【００３４】
また、定圧燃焼モードは、「噴霧燃焼」により定圧燃焼サイクルに近似した燃焼を行うものであるが、前述の実施例と同じく、この定圧燃焼モードでは、可変圧縮比機構３６の目標圧縮比が高く設定される。そして、有効圧縮比つまり吸気弁の作動角としては、線Ｌ４よりも上方の全負荷領域を除き、トルク確保のために大作動角となる。より詳しくは、負荷に伴って作動角が拡大し、線Ｌ４付近では吸気弁閉時期ＩＶＣが下死点付近となる。
【００３５】
そして、定圧燃焼モードの領域の中でも、全負荷領域つまり線Ｌ４と線Ｌ５とに挟まれた領域では、作動角が小さく設定され、有効圧縮比が抑制される。これにより、ノッキングないし最大燃焼圧の過度の上昇を回避しつつ全開トルクをより高く得ることが可能となる。換言すれば、線Ｌ４の特性は、図７の実施例の全開トルクにほぼ相当するものとなり、可変動弁機構による有効圧縮比の低下と組み合わせることで、線Ｌ５にまで全開トルクを高めることが可能となる。
【００３６】
第１の運転領域と第２の運転領域の判定つまり燃焼モードの切換は、図１２に示すような機関回転数Ｎｅと負荷（例えば燃料噴射量）Ｔｅとをパラメータとした所定のマップに基づいて単純に行ってもよいが、この実施例においても、前述した図８のフローチャートと同様の手順により、各々の燃焼モードでの効率を演算し、その対比により効率の高い燃焼モードを選択するように切り換えることが可能である。
【００３７】
勿論、この場合には、そのときの運転条件に応じて目標の吸気弁開閉時期（つまり有効圧縮比）を定め、この有効圧縮比を考慮して各々の燃焼モードでの効率を算出することになる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明に係る内燃機関の概略を示す説明図。
【図２】この発明のシステム構成を示す説明図。
【図３】定圧燃焼サイクルのための（ａ）熱発生率の特性および（ｂ）筒内圧の特性を示す特性図。
【図４】定圧燃焼サイクルの際の噴射率変化を示す特性図。
【図５】定圧燃焼サイクルに適した燃料噴射弁の一例を示す説明図。
【図６】この燃料噴射弁による噴霧の変化を示す説明図。
【図７】運転条件に対する燃焼モードおよび目標圧縮比を示す特性図。
【図８】燃焼モード切換のフローチャート。
【図９】ノッキングセンサを備えた実施例を示す説明図。
【図１０】可変動弁機構を備えた実施例におけるバルブタイミングチャート。
【図１１】この実施例のＰＶ線図。
【図１２】運転条件に対する燃焼モード等を示す特性図。
【符号の説明】
【００３９】
１…内燃機関
２…ターボ過給機
６…エンジンコントロールユニット
３６…可変圧縮比機構
【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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