(57)【要約】【課題】エンジン断熱化により冷却損失の低減を図る。【解決手段】本発明は、壁面を断熱及び蓄熱効果の高い非金属材料で構成した燃焼室１４３と、機関運転状態を検出する運転状態検出手段と、検出した機関運転状態に基づいて、機関圧縮比を可変とする圧縮比可変手段１００と、同じく検出した機関運転状態に基づいて、吸気弁の閉時期によって定まる実圧縮比が、排気弁の開時期によって定まる実膨張比よりも小さくなるように、吸気弁の閉時期を変更する吸気弁閉時期可変手段２００と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１１
2008101520.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
壁面を断熱及び蓄熱効果の高い非金属材料で構成した燃焼室と、
機関運転状態を検出する運転状態検出手段と、
検出した機関運転状態に基づいて、機関圧縮比を可変とする圧縮比可変手段と、
同じく検出した機関運転状態に基づいて、吸気弁の閉時期によって定まる実圧縮比が、排気弁の開時期によって定まる実膨張比よりも小さくなるように、吸気弁の閉時期を変更する吸気弁閉時期可変手段と、
を備えたミラーサイクル機関。
【請求項２】
前記吸気弁閉時期可変手段は、前記運転状態検出手段で検出した負荷が低負荷であるほど、前記吸気弁の閉弁時期を早める
ことを特徴とする請求項１に記載のミラーサイクル機関。
【請求項３】
前記圧縮比可変手段は、前記運転状態検出手段で検出した負荷が低負荷であるほど、前記機関圧縮比を高くする
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のミラーサイクル機関。
【請求項４】
前記圧縮比可変手段は、
一端が前記ピストンにピストンピンを介して連結される第１リンクと、
一端が前記第１リンクの他端に連結されるとともに、クランクシャフトに回転自由に装着される第２リンクと、
一端が前記第２リンクの他端に連結される第３リンクと、
回転中心軸に対して偏心した偏心軸部を有し、その偏心軸部に前記第３リンクの他端を揺動自由に連結するコントロールシャフトと、
を備え、
機関運転状態に基づいて、前記コントロールシャフトを回転して前記偏心軸部を上下動することで前記ピストンの上死点位置を変更する
ことを特徴とする請求項３に記載のミラーサイクル機関。
【請求項５】
前記ピストンのストローク特性を略単振動とするように、前記第１リンク、第２リンク及び第３リンクのリンク構成を設定する
ことを特徴とする請求項４に記載のミラーサイクル機関。
【請求項６】
ノック検出手段を備え、
前記圧縮比可変手段は、前記ノック検出手段で検出したノック発生頻度又は検出値が所定値以上になれば、前記機関圧縮比を低下させる
ことを特徴とする請求項３から５までのいずれか１つに記載のミラーサイクル機関。
【請求項７】
前記燃焼室の壁面の温度を検出する壁面温度検出手段を備え、
前記圧縮比可変手段は、前記壁面温度検出手段で検出した壁面温度が所定値以上になれば、前記機関圧縮比を低下させる
ことを特徴とする請求項３から６までのいずれか１つに記載のミラーサイクル機関。
【請求項８】
前記吸気弁閉時期可変手段は、吸気弁のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構と、吸気弁のリフト中心角の位相を進角又は遅角させる位相可変機構とからなる
ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか１つに記載のミラーサイクル機関。
【請求項９】
壁面を断熱及び蓄熱効果の高い非金属材料で構成した燃焼室と、
機関運転状態を検出する運転状態検出手段と、
検出した機関運転状態に基づいて、機関圧縮比を可変とする圧縮比可変手段と、を備えた内燃機関であって、
吸気弁の閉時期によって定まる実圧縮比が、排気弁の開時期によって定まる実膨張比よりも小さくなるように、吸気弁の閉時期を設定した
ことを特徴とするミラーサイクル機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はミラーサイクル機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃焼室壁面にセラミックなどの断熱材を貼り、冷却損失を低減することによって、機関の熱効率を高める断熱エンジンの試みがなされている（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】機械学会講演論文１９９６年Ｎｏ．９６−１「遮熱エンジンの燃焼と燃焼室」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、セラミックは高負荷時のような高温下で熱伝達率が上昇するため、燃焼室内の吸気の温度が上昇し、圧縮終わりの温度で２００℃以上の上昇となる。このような温度上昇が生じたのでは、ガソリンエンジンにおいては高負荷時のノックの発生を避けることができない。そのため、従来の固定圧縮比エンジンでは、高負荷時（ひいては全ての運転領域）において圧縮比を下げざるを得ない。このことは低負荷時の燃費効果が大幅に損なわれることを意味する。また、高負荷時には吸気の充填効率が基本的に重要であり、吸気温度が上昇するとその分、空気量が減少し、トルクが低下するトレードオフが生じることになる。
【０００４】
そこで本発明は、燃焼室を断熱化し、機関圧縮比と実圧縮比とを可変制御することで、低負荷時における熱効率の向上と高負荷時におけるノック回避との両立を図り、燃費の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００６】
壁面を断熱及び蓄熱効果の高い非金属材料で構成した燃焼室（１４３）と、機関運転状態を検出する運転状態検出手段と、検出した機関運転状態に基づいて、機関圧縮比を可変とする圧縮比可変手段（１００）と、同じく検出した機関運転状態に基づいて、吸気弁の閉時期によって定まる実圧縮比が、排気弁の開時期によって定まる実膨張比よりも小さくなるように、吸気弁の閉時期を変更する吸気弁閉時期可変手段（２００）と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃焼室の断熱化による断熱作用及び蓄熱作用の両作用を活用することで、実圧縮比を実膨張比よりも小さくしたミラーサイクルエンジンにおいて、低負荷時における熱効率の向上と高負荷時におけるノック回避との両立を図り、燃費の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【０００９】
図１は本発明によるエンジン１００を示す図である。
【００１０】
エンジン１００は、ピストン行程を変化させて機関圧縮比を変更する圧縮比可変機構を備える。本実施形態では、圧縮比可変機構として、本出願人が先に提案したもので、例えば特開２００１−２２７３６７号公報等によって公知となっている複リンク式圧縮比可変機構を適用する。以下、この複リンク式圧縮比可変機構を備えたエンジンを「圧縮比可変エンジン」という。
【００１１】
圧縮比可変エンジン１００は、ピストン１２２とクランクシャフト１２１とを２つのリンク(アッパリンク(第１リンク)１１１、ロアリンク(第２リンク)１１２)で連結するとともに、コントロールリンク(第３リンク)１１３でロアリンク１１２を制御して圧縮比を変更する。
【００１２】
アッパリンク１１１は、上端をピストンピン１２４を介してピストン１２２に連結し、下端を連結ピン１２５を介してロアリンク１１２の一端に連結する。ピストン１２２は、シリンダブロック１２３に嵌着させたシリンダライナ１２９に摺動自在に嵌合しており、燃焼圧力を受け、シリンダ１２０内を往復動する。
【００１３】
ロアリンク１１２は、一端を連結ピン１２５を介してアッパリンク１１１に連結し、他端を連結ピン１２６を介してコントロールリンク１１３に連結する。また、ロアリンク１１２は、ほぼ中央の連結孔に、クランクシャフト１２１のクランクピン１２１ｂを挿入し、クランクピン１２１ｂを中心軸として揺動する。ロアリンク１１２は左右の２部材に分割可能である。クランクシャフト１２１は、複数のジャーナル１２１ａとクランクピン１２１ｂとを備える。ジャーナル１２１ａは、シリンダブロック１２３及びラダーフレーム１２８によって回転自在に支持される。クランクピン１２１ｂは、ジャーナル１２１ａから所定量偏心しており、ここにロアリンク１１２が揺動自在に連結する。
【００１４】
コントロールリンク１１３は、連結ピン１２６を介してロアリンク１１２に連結する。またコントロールリンク１１３は、他端を連結ピン１２７を介してコントロールシャフト１１４に連結する。コントロールリンク１１３は、この連結ピン１２７を中心として揺動する。またコントロールシャフト１１４にはギアが形成されており、そのギアが圧縮比制御アクチュエータ１３１の回転軸１３３に設けられたピニオン１３２に噛合する。圧縮比制御アクチュエータ１３１によってコントロールシャフト１１４が回転させられ、連結ピン１２７が移動する。
【００１５】
図２は圧縮比可変エンジン１００による圧縮比変更方法を説明する図である。
【００１６】
圧縮比可変エンジン１００は、後述するコントローラ３００が圧縮比制御アクチュエータ１３１を制御することでコントロールシャフト１１４を回転させて連結ピン１２７の位置を変更させて、圧縮比を変更する。例えば図２(Ａ)、図２(Ｃ)に示すように連結ピン１２７を位置Ｐにすれば、上死点位置(ＴＤＣ)が高くなり高圧縮比になる。
【００１７】
そして図２(Ｂ)、図２(Ｃ)に示すように、連結ピン１２７を位置Ｑにすれば、コントロールリンク１１３が上方へ押し上げられ、連結ピン１２６の位置が上がる。これによりロアリンク１１２はクランクピン１２１ｂを中心として反時計方向に回転し、連結ピン１２５が下がり、ピストン上死点におけるピストン１２２の位置が下降する。したがって圧縮比が低圧縮比になる。
【００１８】
図３は、圧縮比可変エンジン１００のピストンストローク特性を示す図である。図３（Ａ）は図３（Ｂ）の四角で囲まれた実線部の拡大図である。
【００１９】
圧縮比可変エンジン１００は、ピストンとクランクシャフトとを１つのリンク（コンロッド）で連結し、圧縮比が一定である通常のエンジン（以下「ノーマルエンジン」という）に比べて、ピストンが上死点付近に滞在する期間が長いという特性がある。
【００２０】
この点について、図３を参照して説明する。図３において、実線は圧縮比可変エンジン１００のピストンストローク特性を示し、特に、太実線は高圧縮比にしたときのピストンストローク特性を示す。また、細実線は低圧縮比にしたときのピストンストローク特性を示す。鎖線はノーマルエンジンのピストンストローク特性を示す。なお、ノーマルエンジンの圧縮比は、圧縮比可変エンジン１００を低圧縮比にしたときの圧縮比と同じである。
【００２１】
図３に示すように、ノーマルエンジンの場合、ピストンは上死点付近で早い動き（加速度大）になり、下死点付近では鈍い動き（加速度小）になる。
【００２２】
これに対し、圧縮比可変エンジン１００の場合、リンク構成を適切に設定することで、単振動に近いピストンストローク特性を得ることができる。そのため、バランサシャフトが不要（４気筒）となるような振動低減効果が得られるとともに、ピストン加速度が平準化され、上死点付近でのピストン速度がノーマルエンジンに比べて遅くなる。その結果、圧縮比可変エンジン１００は、同じ圧縮比にしたノーマルエンジンに比べて、ピストンが上死点付近に滞在する期間が長くなる。
【００２３】
上死点付近では、給気弁から供給される高圧の新気によって掃気、充填、混合気形成が行われ、さらに点火も行われる。このように行程の集中する上死点付近のピストン速度を低下させることで、出力可能な回転速度を上げることができる。しかしながら、上死点付近でのピストン速度が遅くなれば、その分冷却損失は増大する。
【００２４】
次に、図４及び図５を参照して、本発明によるエンジン１００の吸気弁可変動弁機構２００について説明する。図４は、本発明によるエンジン１００の吸気弁可変動弁機構２００を示す斜視図である。図５は吸気弁可変動弁機構２００の一部を構成するリフト・作動角可変機構２１０の駆動軸方向視図である。
【００２５】
吸気弁可変動弁機構２００は、吸気弁２１１のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構２１０と、吸気弁２１１のリフト中心角（吸気弁２１１が最大リフトを迎えるクランク角度位置）の位相を進角又は遅角させる位相可変機構２４０と、を備える。なお、図４では１つの気筒に対応する一対の吸気弁２１１及びその関連部品のみを簡略的に図示している。
【００２６】
まず、リフト・作動角可変機構２１０の構成について説明する。
【００２７】
エンジン１００の各気筒には、一対の吸気弁２１１と一対の排気弁（図示せず）が設けられる。吸気弁２１１の上方には、気筒列方向に延びる中空状の駆動軸２１３が設けられる。駆動軸２１３は、一端部に設けられた従動スプロケット２４１等を介して、図示しないベルトやチェーンでクランクシャフト１２１と連係され、クランクシャフト１２１に連動して軸周りに回転する。
【００２８】
駆動軸２１３には、気筒ごとに、一対の揺動カム２２０が駆動軸２１３に対して回転自在に取り付けられる。その作用については後で詳述するが、この一対の揺動カム２２０が駆動軸２１３を中心として所定の回転範囲で揺動（上下動）することによって、その下方に位置する吸気弁のバルブリフタ２１９が押圧され、吸気弁２１１が下方にリフトする。なお、一対の揺動カム２２０は、互いに円筒等で同位相に固定されている。
【００２９】
図５において、揺動カム２２０は、その基端部に支持孔２２２ａが貫通形成され、駆動軸２１３の外周面に回転自在に支持される。揺動カム２２０は、そのカムノーズ２２３の端部にピン孔２２３ａが貫通形成される。揺動カム２２０の基端下面には、基円面２２４ａと、基円面２２４ａからカムノーズ２２３の先端縁側に円弧状に延びるカム面２２４ｂとが形成されており、基円面２２４ａとカム面２２４ｂとが、揺動カム２２０の揺動位置に応じてバルブリフタ２１９に当接する。
【００３０】
駆動軸２１３の外周には、円筒状の駆動カム２１５が圧入等によって固定される。駆動カム２１５の中心Ｐ4は、駆動軸２１３の軸心Ｐ3から所定量だけ偏心した位置にある。駆動カム２１５は、揺動カム２２０から軸方向に所定の距離だけ離れた位置に固定される。そして、駆動カム２１５の外周面には、リンクアーム２２５の基端が、回転自在に嵌合する。リンクアーム２２５は、比較的大径な円環状の基部２２５ａと、基部２２５ａの一部から突設された突出端２２５ｂとを備える。突出端２２５ｂには、ピン孔２２５ｃが貫通形成される。
【００３１】
駆動軸２１３の斜め上方には、制御軸２１６が、駆動軸２１３と平行に気筒列方向へ延びて、回転自在に支持される。
【００３２】
制御軸２１６の一端部には、制御軸２１６を所定回転角度範囲内で回転させるリフト量制御アクチュエータ２３０が設けられる（図４参照）。リフト量制御アクチュエータ２３０は、エンジン１００の運転状態を検出するコントローラ３００からの制御信号に基づいて、第１油圧装置３０１によって制御される。
【００３３】
制御軸２１６の外周面には、制御カム２１７が圧入等によって固定される。制御カム２１７の中心Ｐ1は、制御軸２１６の軸心Ｐ2から所定量だけ偏心した位置にある。制御カム２１７には、ロッカアーム２１８が、制御カム２１７の外周面に回転自在に嵌合する。ロッカアーム２１８は、制御カム２１７の軸心Ｐ1を支点として揺動する。
【００３４】
なお、ロッカアーム２１８は、制御カム２１７に支持される中央の基端部２１８ａを中心に、軸方向と垂直に左右方向に伸び、その両端には一端部２１８ｂと他端部２１８ｃとを有する。また、一端部２１８ｂ及び他端部２１８ｃには、ピン孔２１８ｄ及び２１８ｅがそれぞれ貫通形成される。
【００３５】
ロッカアーム２１８の一端部２１８ｂと、リンクアーム２２５の突出端２２５ｂとは、ロッカアーム２１８が上方に位置するように、両者を挿通する連結ピン２２１によって連結される。
【００３６】
ロッカアーム２１８の他端部２１８ｃと、リンク部材２２６の一端部２２６ａとは、両者を挿通する連結ピン２２８によって連結される。
【００３７】
リンク部材２２６の他端部２２６ｂと、揺動カム２２０のカムノーズ２２３側の端部とは、両者を挿通する連結ピン２２９によって、ロッカアーム２１８の下方に揺動カム２２０が位置するように連結される。
【００３８】
各ピン２２１，２２８，２２９の一端部には、リンクアーム２２５やリンク部材２２６の軸方向の移動を規制するスナップリングが設けられる。
【００３９】
次に、位相可変機構２４０の構成について説明する。
【００４０】
位相可変機構２４０は、位相角制御アクチュエータ２４１と第２油圧装置３０２とを備える。
【００４１】
位相角制御アクチュエータ２４１は、スプロケット２４２と駆動軸２１３とを所定の角度範囲内において相対的に回転させる。
【００４２】
第２油圧装置３０２は、エンジン１００の運転状態を検出するコントローラ３００からの制御信号に基づいて、位相角制御アクチュエータ２４１を制御する。
【００４３】
第２油圧装置３０２による位相角制御アクチュエータ２４１への油圧制御によって、スプロケット２４２と駆動軸２１３とが相対的に回転し、リフト中心角が進角又は遅角する。
【００４４】
続いてリフト・作動角可変機構２１０の作用を詳述する。
【００４５】
駆動軸２１３がクランクシャフトに連動して回転すると、駆動カム２１５及びその外周に回転自在に嵌合しているリンクアーム２２５を介してロッカアーム２１８が制御カム２１７の中心Ｐ1を中心として揺動（上下動）する。ロッカアーム２１８の揺動は、リンク部材２２６を介して揺動カム２２０へ伝達され、揺動カム２２０が所定角度範囲を揺動する。この揺動カム２２０が揺動、すなわち上下動することによって、バルブリフタ２１９が押圧され、吸気弁２１１が下方にリフトする。
【００４６】
ここで、リフト量制御アクチュエータ２３０を介して制御軸２１６が回転すると、ロッカアーム２１８の揺動支点となる制御カム２１７の中心Ｐ1も回転変位して、エンジン本体に対してロッカアーム２１８の支持位置が変化し、ひいては揺動カム２２０の初期揺動位置が変化する。したがって、揺動カム２２０と、バルブリフタ２１９との初期接触位置も変化する。クランクシャフト一回転あたりの揺動カム２２０の揺動角は常に一定なので、以下で説明する図６のように最大リフト量が変化する。
【００４７】
図６（Ａ）（Ｂ）は、リフト・作動角可変機構２１０の駆動軸方向視図である。図６（Ａ）は、吸気弁２１１のゼロリフト時における揺動カム２２０の最小揺動時及び最大揺動時の位置を示す図である。図６（Ｂ）は、吸気弁２１１のフルリフト時における揺動カム２２０の最小揺動時及び最大揺動時の位置を示す図である。
【００４８】
ここで、吸気弁のゼロリフト時とは、吸気弁２１１がリフトしないことをいう（つまり吸気弁のリフト量はゼロ）。また、吸気弁のフルリフト時とは、吸気弁２１１が最大のリフト量となることをいう。
【００４９】
図６（Ａ）に示すように、制御カム２１７の中心Ｐ1が制御軸２１６の軸心Ｐ2の上方に位置し、制御カムの厚肉部１１７ａが上方に位置しているときは、ロッカアーム２１８は全体として上方へ位置し、揺動カム２２０の連結ピン２２９側の端部が相対的に上方へ引き上げられた状態となる。つまり、揺動カム２２０の初期位置は、カム面２２４ｂがバルブリフタ２１９から離れる方向に傾く（図６（Ａ）の左側参照）。したがって、駆動軸２１３の回転に伴って揺動カム２２０が揺動した際に、基円面２２４ａが長くバルブリフタに接触し続け、カム面２２４ｂがバルブリフタに接触する期間が短くなる。このため、吸気弁２１１の最大リフト量が小さくなる（図６（Ａ）の右側参照）。また、吸気弁２１１の開時期から閉時期までのクランク角度区間、つまり吸気弁２１１の作動角も縮小する。
【００５０】
一方、図６（Ｂ）に示すように、制御カム２１７の中心Ｐ1が制御軸２１６の軸心Ｐ2の下方に位置し、制御カムの厚肉部１１７ａが下方に位置している場合には、ロッカアーム２１８は全体として下方へ位置し、揺動カム２２０の連結ピン２２９側の端部が相対的に下方へ押し下げられた状態となる。つまり、揺動カム２２０の初期位置は、カム面２２４ｂがバルブリフタ２１９に近付く方向に傾く（図６（Ｂ）の左側参照）。したがって、駆動軸２１３の回転に伴って揺動カム２２０が揺動した際に、バルブリフタ２１９と接触する部位が基円面２２４ａからカム面２２４ｂへと直ちに移行する。このため、吸気弁２１１の最大リフト量が大きくなる（図６（Ｂ）の右側参照）。また、吸気弁２１１の作動角も拡大する。
【００５１】
図７は、吸気弁可変動弁機構２００による作用を説明する図である。
【００５２】
先に図６を参照して説明した制御カム２１７の初期位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、吸気弁２１１のバルブリフト特性は連続的に変化する。つまり、図７の実線に示したように、吸気弁可変動弁機構２００は、リフト・作動角可変機構２１０によって、吸気弁２１１のリフト量及び作動角を、両者同時に連続的に拡大、縮小させることができる。各部のレイアウトによるが、例えば、吸気弁２１１のリフト量及び作動角の大小変化に伴い、吸気弁２１１の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。
【００５３】
さらに、図７の破線に示したように、吸気弁可変動弁機構２００は、位相可変機構２４０によって、リフト中心角を進角又は遅角させることができる。
【００５４】
このように、リフト・作動角可変機構２１０と位相可変機構２４０とを組み合わせることによって、吸気弁可変動弁機構２００は、任意のクランク角度位置で吸気弁２１１を開閉できる。つまり、吸気弁２１１の閉時期を任意の時期に設定することができる。
【００５５】
この吸気弁可変動弁機構２００を利用して、吸気弁の閉時期によって定まる実圧縮比に対して、排気弁の開時期によって定まる実膨張比を高めたミラーサイクルエンジンを実現することができる。
【００５６】
ミラーサイクルエンジンは、吸気行程の途中で吸入を停止して、下死点前後では吸気を膨張・圧縮させて有効ストロークを低減させる。これにより、ポンプ損失の低減を図ることができるので、燃費が向上する。
【００５７】
図８は、吸気弁可変動弁機構２００によって吸気弁閉時期を下死点前（ＢＢＤＣ）略９０°に制御したミラーサイクルエンジンのＰＶ線図（実線）と吸気弁閉時期を下死点後（ＡＢＤＣ）４０°に固定させたエンジンのＰＶ線図（破線）とを比較した図である。
【００５８】
ミラーサイクルエンジンは、吸気弁２１１の閉時期を下死点ＢＤＣよりも大幅に早め、吸気行程半ばで吸入を停止させる。そのため、シリンダ内の吸気は、吸入行程にもかかわらず下死点ＢＤＣまで断熱膨張する。その結果、図８に示すように、シリンダ内ガス圧力は低下する。それに伴って、シリンダ内温度も低下する。
【００５９】
下死点ＢＤＣを過ぎると圧縮行程が開始する。しかし、断熱膨張が開始したシリンダ内ガス圧力までは、単なるシリンダ内ガス圧力の復帰に過ぎない。したがって、実際には、シリンダ内ガス圧力の復帰時点（圧縮開始のピストン位置）から圧縮が開始される。そのため、実圧縮比は、吸気弁閉時期が早まるにつれて低下する。
【００６０】
この実圧縮比の低下は、上死点ＴＤＣでのシリンダ内ガス温度の低下を伴うため、燃焼状態が悪化し、燃焼速度が低下する。そのため、ポンプ損失が低下したほどには燃費の向上効果は得られない。
【００６１】
このように、吸気弁可変動弁機構２００によって吸気弁閉時期を早めたときは、ポンプ損失を低減できる一方で、実圧縮比が低下して圧縮上死点での吸気温度が低下するため燃焼状態が悪化する。
【００６２】
図９は、吸気弁閉時期と実圧縮比を同一にするために必要な機関圧縮比（ピストン上死点位置によって一義的に定まる圧縮比）との関係を示す図である。
【００６３】
上述したように、実圧縮比は、吸気弁閉時期が早まるにつれて低下する。したがって、図９に示すように、吸気弁閉時期を早めたときに、実圧縮比を同一に保つためには、機関圧縮比を高くする必要がある。例えば、吸気弁閉時期がＢＤＣの場合の機関圧縮比が１０の場合に、吸気弁閉時期を下死点前（ＢＢＤＣ）９０°にしたとき、実圧縮比を同一に保つためには機関圧縮比を２０にする必要がある。
【００６４】
本実施形態では、圧縮比可変エンジン１００によって、吸気弁閉時期に応じて機関圧縮比を高くすることができる。しかし、機関圧縮比が高くなると圧縮上死点位置での燃焼室の空間形状が扁平となるので、圧縮上死点での冷却損失が増大してしまう。したがって、機関圧縮比を高めることによって圧縮上死点での圧縮温度の低下を改善しても、一方で冷却損失が増大してしまうので、十分な熱効率の向上につながらない。
【００６５】
そこで、本実施形態では、このような高圧縮化に伴う燃焼室の扁平化による冷却損失を低減するため、燃焼室壁面（ピストン、シリンダ、ヘッド、吸排気弁）の一部を断熱材又は蓄熱効果の高い材料で構成する。
【００６６】
図１０は、通常のピストンと本実施形態による断熱ピストンとの断面図である。
【００６７】
通常のピストンの場合は、燃焼による熱は、ピストン１２２からピストンリング１２２ａを介してシリンダ１２３へ逃げる。
【００６８】
これに対して、本実施形態による断熱ピストンの場合は、ピストン１２２の冠面に層状に貼られた断熱材（セラミック等）１２２ｂによって、熱の伝達が遮断される。また、シリンダライナ１２９を設け、シリンダライナ１２９を断熱材で構成することで、より効果的にシリンダへの熱の伝達を防止して冷却損失の低減を図る。
【００６９】
さらに、セラミック等の断熱材は燃焼ガスの熱を蓄える蓄熱作用がある。そのため、高温の断熱材の熱によって吸気が暖められ、吸気温度が上昇する。したがって、ミラーサイクルエンジンの場合は、実圧縮比が低下することによる圧縮上死点の吸気温度の低下を、蓄熱作用による吸気温度の上昇で抑えることができる。その結果、圧縮比可変エンジン１００によって、機関圧縮比を極端に高めなくても、圧縮上死点での圧縮温度の低下を抑えることができる。
【００７０】
このように、本発明は、燃焼室壁面の少なくとも一部を断熱材で構成した圧縮比可変エンジン１００に吸気弁可変動弁機構２００を組み合わせる。
【００７１】
これにより、可変圧縮比エンジン１００によって圧縮比を適切な高圧縮比に設定できるとともに、高圧縮比化したときの燃焼時における冷却損失を大幅に低減させることができる。
【００７２】
さらに、吸気弁可変動弁機構２００によって吸気弁閉時期を早めてポンプ損失を低減できるとともに、断熱材の副作用である蓄熱作用によって燃焼・排気時の熱を積極的に蓄えて吸入空気を加熱することができるので、圧縮上死点での圧縮温度の低下を抑えることができる。このとき、加熱された吸入空気の温度がノック発生を招く温度に達する運転条件であれば、圧縮比を低くすることで、ノック発生を回避できる。
【００７３】
すなわち、本発明によれば、燃焼室の断熱化による断熱作用と蓄熱作用の両作用を活用することで、ミラーサイクルエンジンの性能を大幅に向上して、冷却損失及びポンプ損失低減による燃費の向上を図ることができる。
【００７４】
以下では、このような圧縮比可変エンジン１００による圧縮比及び吸気弁閉時期の制御について説明する。
【００７５】
図１１は、本発明による燃焼室１４３が断熱化された圧縮比可変エンジン１００の制御システムの構成を示す図である。
【００７６】
圧縮比エンジン１００の制御システムは、圧縮比エンジン１００と、シリンダ壁の温度を検出するシリンダ面温度センサ１４１と、ノックを検出するノックセンサ１４２と、吸気弁可変動弁機構２００と、ノックセンサ１４２の検出信号に基づいて微弱なノック状態となるように点火時期を制御する点火進角制御装置４００と、圧縮比エンジン１００、吸気弁可変動弁機構２００及び点火進角制御装置４００を制御するコントローラ３００と、を備える。
【００７７】
コントローラ３００は、エンジン運転条件に応じて目標圧縮比を予め割り付けた圧縮比制御マップ（図１２参照）を備えており、シリンダ面温度センサ１４１の検出信号に基づいて、吸気温度が上昇して圧縮比の制御が不可避となる条件に達する前に、余裕をもって圧縮比を制御する。具体的には、圧縮比制御アクチュエータ１３１を駆動してコントロールシャフト１１４を回転させ、コントロールリンク１１３の位置を移動させることによって圧縮比を制御する。また、コントローラ３００には図示しないセンサ類によって検出されたエンジン回転速度信号、エンジン負荷信号、など（運転状態検出手段）が入力される。
【００７８】
図１２は、エンジン運転条件に応じて目標圧縮比を予め割り付けた圧縮比制御マップである。このマップは高負荷、低速領域ほど目標圧縮比は低くなるように設定されている。図１２（Ａ）に示すように、通常の暖機後の条件では低速の全負荷領域はシリンダ壁温が高温となり、ノックが発生しやすい条件であるため、圧縮比εは８を目標としている。一方、図１２（Ｂ）に示すように、冷却水温が低い暖機前のなどシリンダ壁温が所定温度以下であれば、圧縮比を高め（例えばε＝１０）に設定する。
【００７９】
一方、Ｒ／Ｌ（平坦路面で加減速なしに車両を走行させるのに必要な負荷）特性で要求されるエンジン出力で運転しているような場合など、部分負荷領域ではノックが発生しにくい。したがって、圧縮比を１５程度まで高く設定し、燃費の向上を図る。全負荷領域でも車速が高速になればノックが発生しにくくなるため、熱効率向上による出力アップを目的として、圧縮比を比較的高い値とする。
【００８０】
エンジン運転条件に応じて圧縮比を制御してもなお、ノックが発生する場合は、圧縮比に加え、点火時期を制御してノックを抑制する。図１３は、ノックが発生した場合の圧縮比制御及び、点火進角制御の過渡特性を示したものである。
【００８１】
図１３に示すように、時刻ｔ１で、ノックセンサ１４２の検出信号がスライスレベルを超えると、コントローラ３００は、アクチュエータ１３１を駆動させて圧縮比可変エンジン１００の圧縮比を下げるように制御する。同時に点火進角制御装置４００が、所定のノック遅角量だけ点火時期を遅角してノックを速やかに抑制する。そして、微弱なノック状態となるように、圧縮比の変化に対応して点火時期を徐々に進角させていき（時刻ｔ１〜ｔ２）、最適な点火時期を保持するという一種のフィードバック制御（トレースノック制御）を行う。
【００８２】
また、コントローラ３００は、エンジン運転条件に応じて目標吸気弁閉時期を予め割り付けた吸気弁閉時期制御マップを備えている。
【００８３】
図１４は、エンジン運転条件と吸気弁閉時期の制御を示す図である。本実施形態では、低負荷域など、吸気弁１１１の閉時期を早めたい場合は、図１４（Ａ）に示すように、低リフト・小作動角にて中心角を進角設定とする。逆に、高負荷域など、吸気弁閉時期を遅くしたい場合には、図１４（Ｃ）に示すように、高リフト・大作動角にて中心角を遅角設定とする。中負荷域では、両者の中間になるように図１４（Ｂ）に示すように中間のリフト特性とする。
【００８４】
以上説明した本実施形態によれば、ピストン１２２の冠面及びシリンダライナ１２９を断熱材で構成し、燃焼室１４３の断熱化を図ることで、熱効率を向上させることができる。
【００８５】
また、同時に圧縮比可変エンジン１００によって機関圧縮比を可変制御することで、部分負荷時には高い圧縮比を維持して冷却損失低減による熱効率向上を図ることができる。一方、全負荷時やノックを検出したときには、圧縮比を相対的に低下させ、ノック発生を抑制することができる。
【００８６】
さらに、吸気弁可変動弁機構２００によって実圧縮比を可変制御することで、実圧縮比を低下させてポンプ損失を低減させることができる。このとき、燃焼室の断熱化による蓄熱作用によって、実圧縮比の低下による圧縮上死点での吸気温度の低下を抑え燃焼の改善を図ることができる。
【００８７】
なお、本実施形態による圧縮比可変エンジン１００は、単振動に近いピストンストローク特性を実現することにより、上下死点のピストン速度のアンバランスが解消され、二次振動を低減できるなど、振動低減効果も有する。また、上死点付近でのピストン速度が遅くなり、燃焼時間が多くとれるため、出力可能な回転速度を上げることができる。一方、上死点付近でのピストン速度が遅くなることで生じる冷却損失の増大を、燃焼室の断熱化によって効果的に解消できる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】圧縮比可変エンジンを示す図である。
【図２】圧縮比可変エンジンによる圧縮比変更方法を説明する図である。
【図３】圧縮比可変エンジンのピストンストローク特性を示す図である。
【図４】吸気弁可変動弁機構を示す斜視図である。
【図５】吸気弁可変動弁機構の一部を構成するリフト・作動角可変機構の駆動軸方向視図である。
【図６】リフト・作動角可変機構によるリフト量の変化を説明する図である。
【図７】吸気弁可変動弁機構による作用を説明する図である。
【図８】吸気弁可変動弁機構によって吸気弁閉時期を下死点前（ＢＢＤＣ）略９０°に制御したミラーサイクルエンジンのＰＶ線図と吸気弁閉時期を下死点後（ＡＢＤＣ）４０°に固定させたエンジンのＰＶ線図とを比較した図である。
【図９】吸気弁閉時期と実圧縮比を同一にするために必要な機関圧縮比との関係を示す図である。
【図１０】通常のピストンと本実施形態による断熱ピストンとの断面図である。
【図１１】本発明の制御システムの構成を示す図である。
【図１２】エンジン運転条件に応じて目標圧縮比を予め割り付けた圧縮比制御マップである。
【図１３】ノックが発生した場合の圧縮比制御及び点火進角制御の過渡特性を示したものである。
【図１４】エンジン運転条件と吸気弁閉時期の制御を示す図である。
【符号の説明】
【００８９】
１００    圧縮比可変エンジン（圧縮比可変手段）
１１１    アッパリンク（第１リンク）
１１２    ロアリンク（第２リンク）
１１３    コントロールリンク（第３リンク）
１１４    コントロールシャフト
１２２    ピストン
１４１    シリンダ面温度センサ（壁面温度検出手段）
１４２    ノックセンサ（ノック検出手段）
２００    吸気弁可変動弁機構（吸気弁閉時期可変手段）
２１０    リフト・作動角可変機構
２１１    吸気弁
２４０    位相可変機構
３００    コントローラ
【図１】
2008101520.tif 000003
【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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