(57)【要約】【課題】高圧縮比気筒と低圧縮比気筒とを備えた内燃機関において、それらの気筒の特性をフルに引き出して、燃費を向上させる。【解決手段】負荷と回転数との組み合わせで運転領域を低負荷領域と中負荷領域と高負荷領域との３つの領域に分けて、低負荷領域では高圧縮比気筒３，５のみを運転し（燃料を供給し）、中負荷領域では低圧縮比気筒４，６のみを運転し、高負荷領域では全ての気筒で運転する。高圧縮比気筒３，５のみの運転を低負荷領域とすることで、燃焼温度の上昇を抑制してノッキングを防止しつつ、熱効率が高い高圧縮比気筒３，５の利点を享受する。中負荷領域は低圧縮比気筒４，６の運転とすることで、ノッキングの心配なしに高出力を確保する。全気筒を運転する場合は、高圧縮比気筒３，５の燃料をリッチ化して点火時期を進角することで、全気筒のトルクを揃えて振動を防止できる。【選択図】図２
2015068238.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧縮比気筒と低圧縮比気筒との２種類の気筒を備えており、負荷と機関回転数から運転領域を低負荷領域と中負荷領域と高負荷領域との３領域に予め設定し、低負荷領域では高圧縮比気筒のみに燃料を供給し、中負荷領域では低圧縮比気筒のみに燃料を供給し、高負荷領域では全ての気筒に燃料を供給するように制御される、
車両用内燃機関。
【請求項２】
高圧縮比気筒と低圧縮比気筒との２種類の気筒を備えた内燃機関であって、全気筒に燃料を供給して運転する領域では、前記高圧縮比気筒が、点火時期を進角すると共に空燃比を低圧縮比気筒よりもリッチ化して運転される、
車両用内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、圧縮比が異なる２種類の気筒を備えた内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧縮比を高めることは出力の向上にとって好ましいが、高負荷域でノッキングを発生させやすいという問題があり、ノッキング防止のために点火時期を遅角すると出力がダウンして、本来の目的を達成できなくなる事態に至るおそれもある。
【０００３】
そこで、高圧縮比気筒と低圧縮比気筒との２種類の気筒を設けて、負荷等に応じて運転状態を切り換えることが提案されている。その例として特許文献１には、低負荷領域では高圧縮比気筒を運転し（燃料を供給し）、それ以外の領域では全ての気筒を運転して過給も行うことが開示されている。他方、特許文献２には、排気ガスの改善を目的として、高圧縮比気筒の空燃比を低圧縮比気筒よりもリッチにすることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０３−２７５９４９号公報
【特許文献２】特開昭６２−１６８９４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１は過給とリンクさせた制御であるため、制御態様が複雑になるのみならず、過給機を備えていない自然吸気方式の内燃機関には適用できないため汎用性に欠けるという問題がある。また、低圧縮比気筒は中負荷領域において効率よくパワーを発揮していわば粘りのある運転特性を示すが、特許文献１は低負荷領域とそれ以外との２つの領域に区分しての制御であるため、低負荷領域の特性を活かし切れていないという問題もある。
【０００６】
他方、特許文献２は、排気ガス中のＮｏｘの低減を目的として高圧縮比気筒の空燃比をリッチ化するに過ぎず、高圧縮比気筒と低圧縮比気筒との特性を引き出しきっているとは言い難い。また、自然吸気と過給とによって高圧縮比気筒と低圧縮比気筒とに分けているため、特許文献１と同様に過給機を備えていない内燃機関には適用できずに汎用性が低いのみならず、低負荷領域で過給がされない場合には高圧縮比気筒の特性を引き出すことができないという問題もある。
【０００７】
本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願は請求項１，２の２つの発明を含んでいる。このうち請求項１の発明は、高圧縮比気筒と低圧縮比気筒との２種類の気筒を備えており、負荷と機関回転数から運転領域を低負荷領域と中負荷領域と高負荷領域との３領域に予め設定し、低負荷領域では高圧縮比気筒のみに燃料を供給し、中負荷領域では低圧縮比気筒のみに燃料を供給し、高負荷領域では全ての気筒に燃料を供給するように制御される。
【０００９】
他方、請求項２の発明は、高圧縮比気筒と低圧縮比気筒との２種類の気筒を備えた内燃機関であって、全気筒に燃料を供給して運転する領域では、前記高圧縮比気筒が、点火時期を進角すると共に空燃比を低圧縮比気筒よりもリッチ化して運転される。
【００１０】
なお、本願発明において「高圧縮比気筒」と「低圧縮比気筒」との「高低」は絶対的な基準に基づいているものではなく、相対的なものである。従って、ある機関では高圧縮比気筒になっている圧縮比が他の機関では低圧縮比気筒になっていることはあり得る。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によると、負荷を３つの段階に分けているため、高圧縮比気筒と低圧縮比気筒との特性を引き出して、熱効率を改善できる。その結果、内燃機関の全体として、必要な出力は確保しつつ燃料を無駄なく利用することができるのであり、これにより、燃費の改善に貢献できる。また、本願発明は過給機を備えていない内燃機関にも適用できるため、汎用性に優れている。
【００１２】
請求項２の発明では、ノッキングを抑止しつつ高圧縮比気筒と低圧縮比気筒とのトルク差を解消又は著しく低減できる。つまり、高圧縮比気筒はノッキング防止のため点火時期を遅角させており、このためトルクが低圧縮比気筒よりも低くなって、トルク差によって機関に振動が発生して車両の乗り心地が悪化することがあったが、本願請求項２のように空燃比をリッチ化すると、燃焼温度の上昇を抑制しつつ点火時期を進角できるのであり、これにより、高圧縮比気筒にノッキングを発生させることなく高圧縮比気筒と低圧縮比気筒とのトルクを揃えることができるため、機関の振動を抑制して車両の乗り心地も改善できるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】内燃機関の模式図である。
【図２】シリンダヘッドの模式的な部分平面図である。
【図３】制御態様を示すグラフである。
【図４】制御例のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
(1).構造の説明
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、内燃機関の構造を図１に基づいて説明する。本実施形態の内燃機関は４気筒４サイクルタイプであり、従来と同様に、機関本体の主要要素として、シリンダブロック１とその上面に固定されたシリンダヘッド２とを有している。
【００１５】
シリンダブロック１には、第１〜第４の４つの気筒（シリンダボア）３，４，５，６がクランク軸７の軸線方向に並んで形成されており、各気筒３〜６にはピストン８が摺動自在に嵌まっている。シリンダブロック１の下面にはオイルパン９が固定されている。
【００１６】
ピストン８は、コンロッド１０を介してクランク軸７のクランクピン１１に連結されているが、第１気筒３と第２気筒５に対応したクランクピン１１の回転半径Ｒ１を、第２気筒４と第４気筒６に対応したクランクピン１１の回転半径Ｒ２よりも長くすることにより、第１気筒３と第３気筒５を高圧縮比気筒として、第２気筒４と第４気筒６を低圧縮比気筒としている。
【００１７】
高圧縮比気筒３，５の圧縮比はおおよそ１：１２〜１３程度、低圧縮比気筒４，６の圧縮比はおおよそ１：１１程度に設定しているが、この値は機関の構造等に応じて適切な値に変更できる。従って、高圧縮比気筒と低圧縮比気筒との「高低」は、既に述べたように相対的なものである。
【００１８】
クランク軸７の一端部はシリンダブロック１の外側に露出しており、この露出端部に、外周に多数の突起を設けた回転検知ロータ１２が固定されており、シリンダブロック１（又はチェンーケース）には、回転検知ロータ１２の突起をカウントできる回転センサ１３を設けている。
【００１９】
シリンダヘッド２には各気筒３〜６に向けて開口した凹所１５が形成されており、凹所１５の中心部に点火プラグ１６を露出させている。また、凹所１５には、それぞれバルブ（図示せず）で開閉される一対ずつの吸気ポート１７と排気ポート１８が開口している。一対の吸気ポート１７は１つに集合しており、この集合部に燃料噴射ノズル１９を臨ませている。
【００２０】
シリンダヘッド２の長手一側面には、吸気ポート１７に連通した吸気マニホールド２０が固定されており、吸気マニホールド２０に、エアクリーナ２１を始端とする吸気通路２２が接続されている。吸気通路２２には、スロットルバルブ２３とサージタンク２４とが介挿されており、サージタンク２４には吸気圧センサ２５を設けている。スロットルバルブ２３は、サージタンク２４よりも上流側に配置されている。なお、吸気通路２２に、吸気量を検出するためのエアフロメータを配置してもよい。
【００２１】
シリンダヘッド２の長手他側面には、排気ポート１８に連通した排気マニホールド２６が固定されており、排気マニホールド２６を始端とする排気通路２７に、排気ターボ過給機２８と触媒ケース２９とが介挿されている。排気ターボ過給機２８は触媒ケース２９より上流側に位置しており、コンプレッサ室に吸気通路２２が接続されている。排気ターボ過給機２８には、過給圧を制御するためのウエストゲートバルブ３０を設けている。また、触媒ケース２９には、酸素濃度等のガス濃度センサ３１を設けている。
【００２２】
内燃機関は、制御装置としてのＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）３２を有しており、回転センサ１３や点火プラグ１６、燃料噴射ノズル１９、吸気圧センサ２５、ウエストゲートバルブ３０、ガス濃度センサ３１がＥＣＵ３２に電気的に接続されている。更に、シリンダヘッド２には冷却水の温度を検知する冷却水温度センサ３３が設けられており、冷却水温度センサ３３もＥＣＵ３２に接続されている。アクセルペダル３４の踏み込み量を検知するポテンショメータ３５も、ＥＣＵ３２に接続されている。
【００２３】
(2).制御態様
高圧縮比気筒３，５と低圧縮比気筒４，６とをどのように働かせるかを、図３のグラフに示している。すなわち、図３は機関の負荷と回転数との関係を示したマップであり、負荷と回転数との組み合わせで運転域を低負荷領域と中負荷領域と高負荷領域との３つの領域に分けて、低負荷領域では高圧縮比気筒３，５のみを運転し、中負荷領域では低圧縮比気筒４，６のみを運転し、高負荷領域では全気筒３〜６を運転する。
【００２４】
なお、ここでいう「運転」とは、燃料を噴射してピストン８に駆動力を発生させているという意味である（全てのピストン８は連動しているので、燃料が噴射されていない気筒でもピストン８は動いている。）。
【００２５】
高圧縮比気筒３，５は燃焼効率が高いため、低負荷領域で高圧縮比気筒３，５のみを運転することで、燃焼温度を過度に上昇させることなく（従って、ノッキングを発生させることなく）、必要な出力（トルク）を確保できる。これにより、高圧縮比気筒３，５の能力をフルに発揮させることができる。
【００２６】
低負荷領域で高圧縮比気筒３，５のみを運転する場合の燃料消費量は、低負荷領域において全気筒３〜６を運転する状態での高圧縮比気筒３，５の燃料消費量に比べると高くなるが、低圧縮比気筒４，６への燃料はカットされているため、機関全体では燃料消費量は少なくなっている。つまり、高圧縮比気筒３，５の能力をフルに引き出すことで、全体としての燃料消費量を抑制して燃費を向上することができる。
【００２７】
高圧縮比気筒３，５のみの運転で負荷が高くなると、燃焼温度も上昇してノッキングが発生しやすくなる。そこで、中負荷領域では低圧縮比気筒４，６のみを運転する。これにより、低圧縮比気筒４，６の粘り強さを発揮させて、ノッキングを発生させることなく必要な出力を確保できる。また、低圧縮比気筒４，６の燃料消費量は、全気筒３〜６を運転している状態での低圧縮比気筒４，６の燃料消費量に比べると多いが、高圧縮比気筒３，５の燃料はカットされているため、機関全体としてみると燃料消費量を抑制されており、従って、燃費を向上することができる。
【００２８】
回転数は回転センサ１３から検知され、負荷は、予め設定した計算式に基づいて、主として吸気負圧に基づいて演算される。吸気通路２２にエアフロメータを設けている場合は、吸気の流量に基づいて演算してもよい。スロットルバルブ２３の開度や車両の速度等で補正することも可能である。或いは、アクセルペダル３４の踏み込み量を加味することも可能である。更に、負荷センサでダイレクトに検知することも可能である。エアコンやオルタネータ等の補機が駆動されている場合は、これも負荷の増加要因として加味することが可能である。
【００２９】
低負荷領域と中負荷領域との境界線３６は右上がりになっている。これは、回転数が高くなるに連れて空気の流動が強化され、ノッキングが抑制されるためである。
【００３０】
他方、中負荷領域と高負荷領域との境界線３７は、基本的には右上がりであるものの、中回転域ではいったん凹んでいる。これは、中回転域では負荷が増加しなくても全ての気筒３〜６を運転することを意味しており、これにより、燃料の無駄を無くして効率的な運転を行える。高負荷領域の上限は、スロットルバルブ２３を全開した状態での特性（ＷＯＴ特性）によって規定されている。
【００３１】
(3).フローチャート
次に、図４に示す制御例のフローチャートを説明する。機関の始動時には全気筒３〜６が運転されているが、負荷領域に応じた本実施形態の制御は、始動と同時に開始してもよいし、暖機運転が終了してから開始してもよいし、アクセルペダル３４の踏み込みを条件にして開始してもよい。シリンダブロック１やシリンダヘッド２の均等な昇温のためには、暖機運転中は全気筒３〜６を運転するのが好ましいと云える。なお、暖機運転の終了は、予め設定した時間の経過によって判断してもよい、例えば冷却水の温度が予め設定した温度になったら暖機終了と判断することもできる。
【００３２】
システムがスタートすると、回転数の特定（Ｓ１）と負荷の特定（Ｓ２）とが実行される。これらはいずれが先であってもよいし、同時に行ってもよい。既述のとおり、負荷は吸気負圧（要求出力）等で判断される。
【００３３】
回転数と負荷との関係から、マップに基づいて現在の負荷領域が判断される（Ｓ３，Ｓ８，Ｓ１３）。
【００３４】
低負荷領域と判定された場合は、４つの気筒３〜６の点火プラグ１６が働いているか否かが判断され（Ｓ４）、全ての点火プラグ１６が働いている場合は、第２気筒４及び第４気筒７の点火プラグ１６の働きを停止させる（Ｓ５）。次いで、全ての燃料噴射ノズル１９が作動しているか否かが判断され（Ｓ６）、全ての燃料噴射ノズル１９が作動している場合は、第２及び第４の燃料噴射ノズル１９を機能停止として、第２及び第４気筒４，６への燃料の噴射をカットする。点火プラグ１６の制御と燃料噴射ノズル１９の制御は前後を変えてもよいし、同時に実行してもよい。
【００３５】
図４の例では、Ｓ４がＮＯの場合は、便宜的に、第１，３の点火プラグ１６は働いて第２，４の点火プラグ１６は働いていないと仮定しており、そこで、Ｓ４がＮＯの場合は態様はＳ６に移行させている。しかし、現実にはＳ４がＮＯの場合の態様は幾通りかある。従って、実際には、第１，３の点火プラグ１６が働いているか否かの判断と、第２，４の点火プラグ１６が働いているか否かの判断とを分けることになろう。燃料噴射ノズル１９についても同様である。
【００３６】
中負荷領域での運転領域と判断された場合の流れは、基本的には低負荷領域の場合と同様であり、中負荷領域との相違点は、運転の対象が第２，第４の気筒に変わるだけである。高負荷領域と判断された場合は、運転状態の判断は不要であるので、全ての点火プラグ１６と燃料噴射ノズル１９が働くようにリセットされ（Ｓ１４）、次いで、第１及び第３の気筒３，５への燃料噴射量を第２及び第４気筒４，６のそれよりも増量して、第１及び第３の気筒３，５の空燃比をリッチ化する（Ｓ１５）と共に、第１及び第３の気筒３，５の点火タイミングを、高圧縮比気筒３，５のみを運転している場合よりも進角させる（Ｓ１６）。この場合の高圧縮比気筒３，５の点火タイミングは、低圧縮比気筒４，６の点火タイミングよりも遅角されている。
【００３７】
各運転領域は安定的に持続する場合もあるし、頻繁に変わる場合もある。いずれにしても、条件が変わると気筒の稼働状態も変わり得るので、例えば、短い時間間隔でシステムを繰り返すことにより、設定した条件を維持すべきか否が判断される。他方、渋滞でない高速道路での走行のように一定の運転条件が持続する場合もあるので、例えば、アクセルペダル３４の動きの変化（ブラス又はマイナスの加速度の発生）を条件にして、システムの再判断を行うことも可能である。
【００３８】
また、過給は圧縮比を高める方向に作用するので、過給があったら回転数の状態を変動させるというように補正することも可能である。また、機関温度が高くなるとノッキングも発生しやすくなるので、機関温度（冷却水温度）が高い場合は図３のマップを下にシフトさせるというように補正することも可能である。更に、ＥＧＲガスを導入する場合は、混合気の酸素濃度は低下して相対的に空燃比がリッチ化するため、ＥＧＲガスの量に応じて燃料供給量を全体的に抑制するように補正することも可能である。
【００３９】
以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、適用できる内燃機関は４気筒に限らず、２気筒以上の複数気筒の内燃機関に適用できる（偶数気筒に適用して、高圧縮比気筒と低圧縮比気筒を半分ずつにするのが好ましい。）。また、燃料供給態様はポート噴射方式に限らず、直噴方式も採用できる。ディーゼル機関にも適用できることとはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本願発明は、実際に内燃機関に適用して具体化できる。従って、産業上利用できる。
【符号の説明】
【００４１】
１  シリンダブロック
２  シリンダボア
３，５  高圧縮比気筒
４，６  低圧縮比気筒
７  クランク軸
８  ピストン
１６  点火プラグ
１７  吸気ポート
１９  燃料噴射ノズル
２２  吸気通路
２３  スロットルバルブ
３２  ＥＣＵ
【図１】
2015068238.tif 000003
【図２】
2015068238.tif 000004
【図３】
2015068238.tif 000005
【図４】
2015068238.tif 000006