(57)【要約】【課題】圧縮比が高圧縮比状態で固着した場合にノッキングの発生を回避しながら内燃機関を運転する。【解決手段】圧縮比を変更可能な機構を備えた内燃機関において、圧縮比が高圧縮比状態で固着したことが検出された場合には、吸排気弁の駆動タイミングを、燃焼室内で圧縮される吸入空気の温度を低下させる方向に変更する。あるいは、吸気温度や冷却水温度を低下させたり、更には変速機の減速比を大きな値に切り換えて、内燃機関の運転回転速度を上昇させても良い。こうすればノッキングが起こり難くなるので、高圧縮比状態で固着した場合でもノッキングの発生を回避しながら運転することが可能となる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気弁から吸い込んだ吸入空気を燃焼室内で圧縮し、燃料とともに燃焼させることによって動力を出力する内燃機関であって、
前記吸気弁の開弁特性を変更可能な特性変更機構を備え、該吸気弁を駆動する吸気弁駆動手段と、
前記吸入空気の圧縮の程度を表す指標たる圧縮比を、少なくとも高圧縮比状態と低圧縮比状態とに変更可能な圧縮比変更機構と、
該圧縮比変更機構が前記高圧縮比状態で固着した故障状態を検出する高圧縮比固着検出手段と、
前記故障状態が検出された場合には、前記燃焼室内で圧縮される吸入空気の温度を低下させる方向に、前記吸気弁の開弁特性を変更する制御を行う特性制御手段と
を備える内燃機関。
【請求項２】
請求項１記載の内燃機関であって、
前記変更可能な開弁特性は、開弁開始時期、開弁完了時期、閉弁開始時期、閉弁完了時期、開弁速度、閉弁速度、開弁時のリフト量のうちの少なくとも一つである内燃機関。
【請求項３】
請求項１記載の内燃機関であって、
前記特性制御手段は、前記故障状態が検出された場合には、前記吸入空気の圧縮開始時の燃焼室内容積と、圧縮終了時の燃焼室内容積とによって求めた前記圧縮比たる実圧縮比が小さくなる方向に、前記吸気弁の閉弁特性を変更する制御を行う手段である内燃機関。
【請求項４】
請求項１記載の内燃機関であって、
前記特性制御手段は、前記故障状態が検出された場合には、吸気行程中の圧縮上死点から吸気下死点までの期間で前記吸気弁が閉弁している期間が短くなる方向に、該吸気弁の開弁特性を変更する制御を行う手段である内燃機関。
【請求項５】
請求項１記載の内燃機関であって、
前記燃焼によって生じた燃焼ガスを前記燃焼室から排出するための排気弁と、
該排気弁の開弁特性を変更可能な特性変更機構を備え、該排気弁を駆動する排気弁駆動手段と
を備え、
前記特性制御手段は、前記吸気弁の開弁特性の前記制御に加えて、または前記吸気弁の開弁特性の前記制御に代えて、前記燃焼室内に残留する前記燃焼ガスが減少する方向に、前記排気弁の開弁特性を変更する制御を行う手段である内燃機関。
【請求項６】
請求項５記載の内燃機関であって、
前記特性制御手段は、前記吸気弁と前記排気弁とが同時に開弁している期間が減少するように、該吸気弁および該排気弁の少なくともいずれかの開弁特性を変更する制御を行う手段である内燃機関。
【請求項７】
請求項５記載の内燃機関であって、
前記内燃機関の吸気行程中に前記排気弁を駆動するか、あるいは排気行程中に前記吸気弁を駆動するかの少なくとも一方の動作を行うことによって、前記燃焼ガスを前記燃焼室内に残留させる燃焼ガス残留手段を備え、
前記特性制御手段は、前記故障状態が検出された場合には、前記燃焼ガス残留手段の動作を抑制する手段である内燃機関。
【請求項８】
吸気弁を介して吸気通路から吸い込んだ吸入空気を燃焼室内で圧縮し、燃料とともに燃焼させることによって動力を出力する内燃機関であって、
前記吸入空気の圧縮の程度を表す指標たる圧縮比を、少なくとも高圧縮比状態と低圧縮比状態とに変更可能な圧縮比変更機構と、
前記圧縮比変更機構が前記高圧縮比状態で固着した故障状態を検出する高圧縮比固着検出手段と、
前記故障状態が検出された場合には、前記吸気通路から吸い込む吸入空気の温度を低下する所定の制御を行う制御手段と
を備える内燃機関。
【請求項９】
請求項８記載の内燃機関であって、
前記燃焼によって生じた燃焼ガスを排出するための排気通路と、
前記排気通路から排出される燃焼ガスの一部を前記吸気通路内に還流させる燃焼ガス還流手段と
を備え、
前記制御手段は、前記故障状態が検出された場合には、前記吸気通路内に還流される燃焼ガスの還流量を抑制する手段である内燃機関。
【請求項１０】
請求項８記載の内燃機関であって、
前記吸気通路内で前記吸入空気を加熱する吸気加熱手段を備え、
前記制御手段は、前記故障状態が検出された場合には、前記吸入空気の加熱を抑制する手段である内燃機関。
【請求項１１】
請求項８記載の内燃機関であって、
前記吸気通路内に燃料を噴射する第１の燃料噴射弁と、
前記燃焼室内に燃料を噴射する第２の燃料噴射弁と、
前記内燃機関の運転条件を検出する運転条件検出手段と、
前記検出した運転条件に応じて、前記第１の燃料噴射弁および前記第２の燃料噴射弁を駆動する燃料噴射弁駆動手段と
を備え、
前記制御手段は、前記故障状態が検出された場合には、前記第１の燃料噴射弁に対する前記第２の燃料噴射弁の駆動割合を増加させる手段である内燃機関。
【請求項１２】
燃焼室内で空気および燃料による混合気を圧縮し、該圧縮した混合気を燃焼させることによって動力を出力する内燃機関であって、
前記混合気の圧縮の程度を表す指標たる圧縮比を、少なくとも高圧縮比状態と低圧縮比状態とに変更可能な圧縮比変更機構と、
前記圧縮比変更機構が前記高圧縮比状態で固着した故障状態を検出する高圧縮比固着検出手段と、
前記故障状態が検出された場合には、前記燃焼室の壁面温度を低下させる燃焼室温度低下手段と
を備える内燃機関。
【請求項１３】
請求項１２記載の内燃機関であって、
前記燃焼室に供給される冷却水の温度を設定する冷却水温度設定手段を備え、
前記燃焼室温度低下手段は、前記故障状態が検出された場合には、前記冷却水温度の設定を低下させる手段である内燃機関。
【請求項１４】
請求項１２記載の内燃機関であって、
前記燃焼室に供給される冷却水の温度を設定する冷却水温度設定手段と、
前記内燃機関の運転条件を検出する運転条件検出手段と、
前記検出した運転条件が所定の運転条件にある場合には、前記冷却水温度の設定を高く設定して前記内燃機関を制御する高水温制御を行う高水温制御手段と
を備え、
前記燃焼室温度低下手段は、前記故障状態が検出された場合には、前記高水温制御を抑制する手段である内燃機関。
【請求項１５】
燃焼室内で空気および燃料による混合気を圧縮し、該混合気を燃焼させたときに発生する動力を、出力軸から出力する内燃機関であって、
前記内燃機関が出力する動力を、前記出力軸の回転速度を所定の比率で減速しながら、該内燃機関の負荷を駆動する駆動軸に伝達する動力伝達手段と、
前記混合気の圧縮の程度を表す指標たる圧縮比を、少なくとも高圧縮比状態と低圧縮比状態とに変更可能な圧縮比変更機構と、
前記圧縮比変更機構が前記高圧縮比状態で固着した故障状態を検出する高圧縮比固着検出手段と、
前記故障状態が検出された場合には、前記出力軸の前記駆動軸に対する回転速度の比率たる減速比が大きくなる方向に、前記動力伝達手段の動作を制御する減速比制御手段と
を備える内燃機関。
【請求項１６】
吸気弁を介して燃焼室に吸い込んだ吸入空気の圧縮の程度を表す圧縮比を少なくとも高圧縮比状態と低圧縮比状態とに変更可能であり、該吸入空気を圧縮して燃料とともに燃焼させる内燃機関の制御方法であって、
前記圧縮比が前記高圧縮比状態から切り替え不能な故障状態となったことを検出し、
前記故障状態が検出された場合には、前記燃焼室内で圧縮される吸入空気の温度を低下させる方向に、前記吸気弁の開弁特性を変更する
内燃機関の制御方法。
【請求項１７】
請求項１６記載の内燃機関の制御方法であって、
前記故障状態が検出された場合には、前記吸気弁の開弁特性の変更に加えて、または前記吸気弁の開弁特性の変更に代えて、前記燃焼された燃焼ガスを排気する排気弁の開弁特性を変更する
内燃機関の制御方法。
【請求項１８】
燃焼室に吸い込んだ吸入空気の圧縮の程度を表す圧縮比を少なくとも高圧縮比状態と低圧縮比状態とに変更可能であり、該吸入空気を圧縮して燃料とともに燃焼させる内燃機関の制御方法であって、
前記圧縮比が前記高圧縮比状態から切り替え不能な故障状態となったことを検出し、
前記故障状態が検出された場合には、前記吸気通路から吸い込む吸入空気の温度が低下する所定の制御を行う
内燃機関の制御方法。
【請求項１９】
燃焼室に吸い込んだ吸入空気の圧縮の程度を表す圧縮比を少なくとも高圧縮比状態と低圧縮比状態とに変更可能であり、該吸入空気を圧縮して燃料とともに燃焼させる内燃機関の制御方法であって、
前記圧縮比が前記高圧縮比状態から切り替え不能な故障状態となったことを検出し、
前記故障状態が検出された場合には、前記燃焼室の壁面温度を低下させる制御を行う
内燃機関の制御方法。
【請求項２０】
燃焼室に吸い込んだ吸入空気の圧縮の程度を表す圧縮比を少なくとも高圧縮比状態と低圧縮比状態とに変更可能であり、該吸入空気を圧縮して燃料とともに燃焼させ、燃焼により発生する動力を動力軸から出力する内燃機関の制御方法であって、
前記圧縮比が前記高圧縮比状態から切り替え不能な故障状態となったことを検出し、
前記内燃機関が出力する動力を、前記出力軸の回転速度を所定の比率で減速しながら、該内燃機関の負荷を駆動する駆動軸に伝達すると共に、
前記故障状態が検出された場合には、前記出力軸の前記駆動軸に対する回転速度の比率たる減速比が大きくなる方向に制御する
内燃機関の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の圧縮比を変更する技術に関し、詳しくは圧縮比の変更機能が故障した場合でも内燃機関を適切に運転する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関は、小型でありながら比較的大きな動力を出力可能という優れた特性を備えていることから、自動車や船舶、飛行機など各種の輸送機関の動力源として、あるいは定置式の各種機器の動力源として広く使用されている。これら内燃機関は、燃焼室内で圧縮した混合気を燃焼させ、このときに発生する燃焼圧力を機械的な仕事に変換して、動力として取り出すことを動作原理としている。
【０００３】
こうした内燃機関では、機械的仕事への変換効率（熱効率）の向上と、最大出力の増加とを両立させるべく、運転条件に応じて混合気の圧縮比を変更可能とする技術が提案されている。圧縮比を運転条件に応じて変更してやれば、高負荷条件では低圧縮比に設定することで充分な最大出力を確保しつつ、低中負荷条件では高圧縮比に設定することで熱効率を向上させることが可能となる。また、一般に、圧縮比が高くなるほどノッキングと呼ばれる異常燃焼が発生し易くなる傾向があることから、こうした圧縮比を変更可能な内燃機関では、圧縮比の変更に併せて点火時期も変更しながら運転されている。すなわち、圧縮比が高圧縮比に設定されるような運転条件では、低圧縮比に設定されている運転条件よりも、点火時期が遅角気味に設定されているのが通常である。
【０００４】
このように、運転条件に合わせて圧縮比と点火時期とを変更しながら運転される内燃機関においては、圧縮比を変更するための機構に何らかの障害が発生し、高圧縮比状態で固着した場合には、運転条件の変更に応じて点火時期だけが変更されることになる。従って、運転条件によっては、ノッキングが発生するおそれがある。こうした点を考慮して、次のような技術が提案されている（特許文献１）。
【０００５】
提案の技術は、圧縮比が変更可能で且つ過給も行う内燃機関において、圧縮比が高圧縮比状態に固着した場合には、過給を停止することでノッキングの発生を回避しようとするものである。
【０００６】
【特許文献１】
実開平１−９３３４０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、圧縮比が高圧縮比状態に固着した場合にノッキングが発生し易くなることは、過給を行う内燃機関に限らず、圧縮比を変更可能な内燃機関で一般的に生じ得ることである。従って、過給を行うか否かに関わらず、圧縮比を変更可能な全ての内燃機関において、圧縮比が高圧縮比状態に固着した場合にノッキングの発生を確実に回避可能な技術の開発が要請されている。
【０００８】
本発明は、従来技術におけるこうした課題を解決するためになされたものであり、圧縮比を変更可能な内燃機関において、圧縮比が高圧縮比状態に固着した場合でも、ノッキングの発生を確実に回避しつつ内燃機関を運転可能な技術の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第１の内燃機関は次の構成を採用した。すなわち、
吸気弁から吸い込んだ吸入空気を燃焼室内で圧縮し、燃料とともに燃焼させることによって動力を出力する内燃機関であって、
前記吸気弁の開弁特性を変更可能な特性変更機構を備え、該吸気弁を駆動する吸気弁駆動手段と、
前記吸入空気の圧縮の程度を表す指標たる圧縮比を、少なくとも高圧縮比状態と低圧縮比状態とに変更可能な圧縮比変更機構と、
該圧縮比変更機構が前記高圧縮比状態で固着した故障状態を検出する高圧縮比固着検出手段と、
前記故障状態が検出された場合には、前記燃焼室内で圧縮される吸入空気の温度を低下させる方向に、前記吸気弁の開弁特性を変更する制御を行う特性制御手段と
を備えることを要旨とする。
【００１０】
また、上記の内燃機関に対応する本発明の第１の制御方法は、
吸気弁を介して燃焼室に吸い込んだ吸入空気の圧縮の程度を表す圧縮比を少なくとも高圧縮比状態と低圧縮比状態とに変更可能であり、該吸入空気を圧縮して燃料とともに燃焼させる内燃機関の制御方法であって、
前記圧縮比が前記高圧縮比状態から切り替え不能な故障状態となったことを検出し、
前記故障状態が検出された場合には、前記燃焼室内で圧縮される吸入空気の温度を低下させる方向に、前記吸気弁の開弁特性を変更すること
を要旨としている。
【００１１】
かかる本発明の第１の内燃機関および第１の制御方法においては、圧縮比が高圧縮比状態から切り替え不能な状態となつた場合には、燃焼室内で圧縮される吸入空気の温度が低下する方向に、吸気弁の開弁特性を変更・制御する。一般に、燃焼室内で圧縮される吸入空気の温度が低下すれば、ノッキングと呼ばれる異常燃焼が発生し難くなる傾向にある。従って、こうして吸入空気が圧縮される温度を低下させれば、圧縮比変更機構が高圧縮比状態で固着するなどの故障が生じた場合でも、これによるノッキングの発生を回避することが可能となる。なお、こうした制御において変更可能な開弁特性としては、開弁開始時期、開弁完了時期、閉弁開始時期、閉弁完了時期、開弁速度、閉弁速度、開弁時のリフト量のうちの少なくとも一つを考えることができる。
【００１２】
こうした内燃機関においては、吸入空気の圧縮開始時の燃焼室内容積と、圧縮終了時の燃焼室内容積とによって求めた圧縮比たる実圧縮比が小さくなる方向に、吸気弁の開弁特性を変更・制御することとしてもよい。例えば、吸気弁の閉弁時期を大きく早めてやることによっても、あるいは閉弁時期を大きく遅らせることによっても、実圧縮比を小さくすることができる。
【００１３】
実圧縮比が小さくなれば、燃焼室内で吸入空気を圧縮することによる温度上昇が小さくなる。このため、圧縮比が高圧縮比状態から切り替え不能となった場合でも、ノッキングの発生を抑制することが可能となる。
【００１４】
あるいは、吸気行程中の圧縮上死点から吸気下死点までの期間で吸気弁が閉弁している期間が短くなる方向に、吸気弁の開弁特性、例えば開閉弁の時期や開閉弁速度を制御することとしてもよい。
【００１５】
吸気行程中の圧縮上死点から吸気下死点までの期間で吸気弁が閉弁していると、燃焼室内の気体（空気あるいは混合気など）は断熱膨張して温度が下がって燃焼室の壁面から熱を吸収する。こうして吸収した熱は、本来であれば冷却水などによって内燃機関から外部に排出される熱であるから、こうした熱が燃焼室内の空気などに吸収されるということは、吸入空気を暖めることと同じことになり、それだけノッキングが生じ易くなる。逆に言えば、圧縮比変更機構が高圧縮比状態で固着するといった故障状態を検出した場合に、吸気行程中の吸気弁の閉弁期間を短くする方向に開弁特性を制御してやれば、ノッキングの発生を抑制することが可能となる。
【００１６】
あるいは、圧縮比変更機構が高圧縮比状態で固着するといった故障状態を検出した場合には、燃焼室内で混合気が燃焼したことによって生じた燃焼ガスが燃焼室内に残留する残留量が減少する方向に、吸気弁あるいは排気弁の少なくともいずれかの開弁特性を変更・制御することとしてもよい。
【００１７】
燃焼ガスは高温となっているので、燃焼ガスが残留していると、燃焼室内に流入した吸入空気は燃焼ガスによって加熱されて温度が上昇し、その分だけノッキングが発生し易くなる。このことから、吸気弁あるいは排気弁の少なくともいずれかの開弁特性、例えば開閉弁時期を制御することで、燃焼室内に残留する燃焼ガス量を減少させれば、吸入空気の温度上昇を抑制することができ、延いては、圧縮比変更機構が高圧縮比状態で固着するといった故障状態でも、ノッキングの発生を回避することができる。
【００１８】
ここで、燃焼室内の燃焼ガスの残留量は、吸気弁と排気弁とが同時に開弁している期間が短くなるように、吸気弁または排気弁の少なくともいずれかの開弁特性、例えば開閉弁時期を変更・制御することで、簡便に減少させることができる。
【００１９】
あるいは、吸気行程中に短時間だけ排気弁を駆動するか、あるいは排気行程中に短時間だけ吸気弁を駆動するかの少なくとも一方の動作を行っている場合には、こうした動作を抑制することによっても、燃焼ガスの残留量を確実に減少させることが可能である。
【００２０】
また、前述した課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第２の内燃機関は次の構成を採用した。すなわち、本発明の第２の内燃機関は、吸気弁を介して吸気通路から吸い込んだ吸入空気を燃焼室内で圧縮し、燃料とともに燃焼させることによって動力を出力する内燃機関であって、
前記吸入空気の圧縮の程度を表す指標たる圧縮比を、少なくとも高圧縮比状態と低圧縮比状態とに変更可能な圧縮比変更機構と、
前記圧縮比変更機構が前記高圧縮比状態で固着した故障状態を検出する高圧縮比固着検出手段と、
前記故障状態が検出された場合には、前記吸気通路から吸い込む吸入空気の温度を低下する所定の制御を行う制御手段と
を備えることを要旨とする。
【００２１】
また、上記の内燃機関に対応する本発明の第２の制御方法は、
燃焼室に吸い込んだ吸入空気の圧縮の程度を表す圧縮比を少なくとも高圧縮比状態と低圧縮比状態とに変更可能であり、該吸入空気を圧縮して燃料とともに燃焼させる内燃機関の制御方法であって、
前記圧縮比が前記高圧縮比状態から切り替え不能な故障状態となったことを検出し、
前記故障状態が検出された場合には、前記吸気通路から吸い込む吸入空気の温度が低下する所定の制御を行うこと
を要旨とする。
【００２２】
かかる本発明の第２の内燃機関および第２の制御方法においては、圧縮比が高圧縮比状態から切り替え不能となった場合には、燃焼室内に流入する吸入空気の温度が低下する所定の制御を行うこととしても良い。吸気通路から流入する空気の温度が低くなれば、圧縮後の温度もそれに連れて低くなる。その結果、圧縮比が高圧縮比状態から切り替え不能となるなどの故障状態でも、これによるノッキングの発生を回避することが可能となる。
【００２３】
ここで、燃焼ガスの一部を、排気通路から吸気通路内に還流させている場合は、燃焼室内に流入する空気は還流された燃焼ガスによって加熱されることになる。従って、かかる燃焼ガスの還流量を抑制してやるだけで、燃焼室内に流入する空気の温度を低下させることができる。
【００２４】
あるいは、吸気通路内で吸入空気を加熱している場合は、かかる加熱を抑制することによっても、燃焼室内に流入する空気の温度を簡便に低下させることが可能となる。
【００２５】
また、内燃機関が、吸気通路内に燃料を噴射する第１の燃料噴射弁と、燃焼室内に燃料を噴射する第２の燃料噴射弁と、を備えており、運転条件に応じてこれら燃料噴射弁を駆動して燃料を供給している場合は、次のようにしても良い。すなわち、圧縮比変更機構が高圧縮比状態で固着するといった故障状態を検出した場合には、第１の燃料噴射弁に対する第２の燃料噴射弁の駆動割合を増加させた状態で燃料を供給することとしても良い。
【００２６】
第１の燃料噴射弁から吸気通路内に噴射された燃料は、ほとんど全ての燃料が吸気通路の内面に一旦付着した後、次第に気化しながら燃焼室内に流入する。これに対して、第２の燃料噴射弁から燃焼室内に噴射された燃料は、一部が燃焼室内の壁面に付着するものの、多くは壁面に付着することなく燃焼室内で気化して混合気を形成する。燃料が気化するとき吸収する気化熱は、後者の場合は、大部分が燃焼室内の空気から供給される。これに対して前者の場合は、吸気通路の壁面から供給される。吸気通路は燃焼室からの熱で暖められているから、結局、吸気通路内に燃料を噴射した場合は、燃料の気化熱は燃焼室から供給されることになる。前述したように、燃焼室から供給された熱は、本来であれば冷却水などによって内燃機関から外部に排出される熱であるから、こうした熱によって気化した燃料が燃焼室内に流入するということは、吸入空気を暖めることとほぼ等しい。逆に言えば、燃焼室内に燃料を噴射した場合は、燃料の気化熱によって吸入空気を冷却していることとほぼ同等となる。このため、圧縮比変更機構が高圧縮比状態で固着するといった故障状態となった場合に、第２の燃料噴射弁から供給する燃料の比率を増加させてやれば、燃焼室内に流入する空気を冷却することと同様の効果によって、ノッキングの発生を抑制することが可能となる。
【００２７】
また、前述した課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第３の内燃機関は次の構成を採用した。すなわち、本発明の第３の内燃機関は、
燃焼室内で空気および燃料による混合気を圧縮し、該圧縮した混合気を燃焼させることによって動力を出力する内燃機関であって、
前記混合気の圧縮の程度を表す指標たる圧縮比を、少なくとも高圧縮比状態と低圧縮比状態とに変更可能な圧縮比変更機構と、
前記圧縮比変更機構が前記高圧縮比状態で固着した故障状態を検出する高圧縮比固着検出手段と、
前記故障状態が検出された場合には、前記燃焼室の壁面温度を低下させる燃焼室温度低下手段と
を備えることを要旨とする。
【００２８】
また、上記の内燃機関に対応する本発明の第３の制御方法は、
燃焼室に吸い込んだ吸入空気の圧縮の程度を表す圧縮比を少なくとも高圧縮比状態と低圧縮比状態とに変更可能であり、該吸入空気を圧縮して燃料とともに燃焼させる内燃機関の制御方法であって、
前記圧縮比が前記高圧縮比状態から切り替え不能な故障状態となったことを検出し、
前記故障状態が検出された場合には、前記燃焼室の壁面温度を低下させる制御を行うこと
を要旨とする。
【００２９】
かかる本発明の第３の内燃機関および第３の制御方法においては、圧縮比が高圧縮比状態から切り替え不能な故障状態となつた場合には、燃焼室の壁面温度を低下させる制御を行う。
【００３０】
ノッキングは、燃焼室壁面の近傍で混合気が圧縮されて自着火するために発生すると考えられており、燃焼室壁面の温度を低下させれば、壁面近傍の混合気を冷却してノッキングの発生を抑制することが可能と考えられている。従って、圧縮比変更機構が高圧縮比状態に固着するといった故障状態となった場合でも、こうすれば、ノッキングの発生を回避することが可能となる。
【００３１】
ここで、燃焼室の壁面温度は、冷却水の温度を低めに設定することで簡便に低下させることができ、延いてはノッキングの発生を簡便に回避することが可能となる。
【００３２】
また、内燃機関の中には、熱効率を向上させるために、内燃機関が所定の運転条件にある場合は、冷却水温度を高めに設定するものも存在する。冷却水温度を高くしてやれば、潤滑油粘度が低くなるので摩擦損失が減少し、結果として熱効率を向上させることができる。もっとも、冷却水温度を高くすることはノッキングに対しては不利な方向に、すなわちノッキングが発生し易くなる。そこで、圧縮比変更機構が高圧縮比状態に固着するといった故障状態では、かかる高水温制御を抑制してやれば、ノッキングの発生を回避することが可能となる。
【００３３】
また、前述した課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第４の内燃機関は次の構成を採用した。すなわち、本発明の第４の内燃機関は、
燃焼室内で空気および燃料による混合気を圧縮し、該混合気を燃焼させたときに発生する動力を、出力軸から出力する内燃機関であって、
前記内燃機関が出力する動力を、前記出力軸の回転速度を所定の比率で減速しながら、該内燃機関の負荷を駆動する駆動軸に伝達する動力伝達手段と、
前記混合気の圧縮の程度を表す指標たる圧縮比を、少なくとも高圧縮比状態と低圧縮比状態とに変更可能な圧縮比変更機構と、
前記圧縮比変更機構が前記高圧縮比状態で固着した故障状態を検出する高圧縮比固着検出手段と、
前記故障状態が検出された場合には、前記出力軸の前記駆動軸に対する回転速度の比率たる減速比が大きくなる方向に、前記動力伝達手段の動作を制御する減速比制御手段と
を備えることを要旨とする。
【００３４】
また、上記の内燃機関に対応する本発明の第４の制御方法は、
燃焼室に吸い込んだ吸入空気の圧縮の程度を表す圧縮比を少なくとも高圧縮比状態と低圧縮比状態とに変更可能であり、該吸入空気を圧縮して燃料とともに燃焼させ、燃焼により発生する動力を動力軸から出力する内燃機関の制御方法であって、
前記圧縮比が前記高圧縮比状態から切り替え不能な故障状態となったことを検出し、
前記内燃機関が出力する動力を、前記出力軸の回転速度を所定の比率で減速しながら、該内燃機関の負荷を駆動する駆動軸に伝達すると共に、
前記故障状態が検出された場合には、前記出力軸の前記駆動軸に対する回転速度の比率たる減速比が大きくなる方向に制御すること
を要旨とする。
【００３５】
かかる本発明の第４の内燃機関および第４の制御方法においては、圧縮比変更が高圧縮比状態から切り替え不要な故障状態となった場合には、減速比の設定を大きな値に変更する制御を行う。
【００３６】
減速比の設定を大きな値に変更すれば、駆動軸がの回転数か一定であれば、内燃機関はより高い回転速度で運転されることになる。回転速度が高くなると、燃焼室内に空気を吸入するための時間はそれに連れて短くなるので、毎回の吸気行程で燃焼室内に吸入される吸入空気量が低下し、その結果、ノッキングの発生が抑制されることになる。このことから、圧縮比変更機構が高圧縮比状態で固着した場合には、減速比の設定を大きな値に変更することで、ノッキングの発生を回避することが可能となって好ましい。
【００３７】
【発明の実施の形態】
本発明の作用・効果をより明確に説明するために、次の順序に従って、本発明の実施例について説明する。
Ａ．装置構成：
Ｂ．エンジン制御：
Ｃ．変形例：
Ｃ−１．第１の変形例：
Ｃ−２．第２の変形例：
Ｃ−３．第３の変形例：
Ｃ−４．第４の変形例：
【００３８】
Ａ．装置構成：
図１は、圧縮比可変機構を備えた本実施例のエンジン１０の構成を概念的に示した説明図である。図示されているように、エンジン１０は、大きくはシリンダヘッド２０と、シリンダブロックＡＳＳＹ３０と、メインムービングＡＳＳＹ４０と、吸気通路５０と、排気通路５８と、ＥＧＲ通路７０と、エンジン制御用ユニット（以下、ＥＣＵ）６０などから構成されている。
【００３９】
シリンダブロックＡＳＳＹ３０は、シリンダヘッド２０が取り付けられるアッパーブロック３１と、メインムービングＡＳＳＹ４０が収納されているロアブロック３２とから構成されている。また、アッパーブロック３１とロアブロック３２との間にはアクチュエータ３３が設けられており、アクチュエータ３３を駆動することで、アッパーブロック３１をロアブロック３２に対して上下方向に移動させることが可能となっている。また、アッパーブロック３１の内部には円筒形のシリンダ３４が形成されており、シリンダ３４の外面は冷却水によって冷却される構造となっている。冷却水の温度は、アッパーブロック３１に設けられた水温センサ６４によって検出することが可能である。
【００４０】
メインムービングＡＳＳＹ４０は、シリンダ３４の内部に設けられたピストン４１と、ロアブロック３２の内部で回転するクランクシャフト４３と、ピストン４１をクランクシャフト４３に接続するコネクティングロッド４２などから構成されている。これらピストン４１、コネクティングロッド４２、クランクシャフト４３はいわゆるクランク機構を構成しており、クランクシャフト４３が回転するとそれにつれてピストン４１がシリンダ３４内で上下方向に摺動し、逆に、ピストン４１が上下に摺動すればクランクシャフト４３がロアブロック３２内で回転するようになっている。
【００４１】
シリンダブロックＡＳＳＹ３０にシリンダヘッド２０を取り付けると、シリンダヘッド２０の下面側（アッパーブロック３１に接する側）とシリンダ３４とピストン４１とで囲まれた部分に燃焼室が形成される。従って、アクチュエータ３３を用いてアッパーブロック３１を上方に移動させれば、これに伴ってシリンダヘッド２０も上方に移動して燃焼室内の容積が増加するので、圧縮比を低くすることができる。逆に、アッパーブロック３１とともにシリンダヘッド２０を下方に動かせば、燃焼室内の容積が減少して圧縮比を高くすることができる。
【００４２】
また、圧縮比は、ロアブロック３２に設けられた圧縮比センサ６３を用いて検出することが可能となっている。本実施例では、圧縮比センサ６３としてストロークセンサが用いられており、ロアブロック３２に対するアッパーブロック３１の相対位置を検出することによって圧縮比を検出する。もちろん圧縮比は、こうした方式に限らず他の方法で検出することも可能である。例えば、シリンダヘッド２０に圧力センサを設けておき、燃焼室内の圧力に基づいて圧縮比を検出することとしても良い。
【００４３】
シリンダヘッド２０には、燃焼室内に空気を取り入れるための吸気ポート２３と、燃焼室内から排気ガスを排出するための排気ポート２４とが形成されており、吸気ポート２３が燃焼室に開口する部分には吸気バルブ２１が、また、排気ポート２４が燃焼室に開口する部分には排気バルブ２２が設けられている。吸気バルブ２１および排気バルブ２２は、それぞれに電動アクチュエータ７３、７４によって駆動される。電動アクチュエータ７３，７４は、ピエゾ素子などの電歪素子を複数積層して構成されており、印加される電圧に応じて極めて高速に変形する。ＥＣＵ６０の制御の下、ピストンの動きに合わせて適切なタイミングで電動アクチュエータ７３，７４に駆動電圧を印加して吸気バルブ２１および排気バルブ２２を開閉してやれば、燃焼室内に空気を吸入したり、あるいは燃焼室内から排気ガスを排出することができる。また、シリンダヘッド２０には、燃焼室内に形成された混合気に火花を飛ばして点火するための点火プラグ２７も設けられている。
【００４４】
シリンダヘッド２０の吸気ポート２３には、外気をシリンダヘッド２０まで導くための吸気通路５０が接続されており、吸気通路５０の上流側端部にはエアクリーナ５１が設けられている。また、本実施例のエンジン１０は、いわゆる４気筒エンジンであって燃焼室を４つ備えており、それぞれの燃焼室の吸気通路５０はサージタンク５４で合流している。燃焼室内に吸入される空気は、エアクリーナ５１でゴミなどの異物を取り除かれた後、サージタンク５４で各燃焼室の吸気通路５０に分配され、吸気ポート２３を経由してそれぞれの燃焼室に流入する。サージタンク５４から各燃焼室毎に分岐した吸気通路５０には、吸気ヒータ５６が設けられており、エンジン１０が暖まっていない場合などには、ＥＣＵ６０の制御の元で吸気ヒータ５６に通電して、各燃焼室内に吸入される空気を暖めることが可能となっている。
【００４５】
サージタンク５４の上流側の吸気通路５０には、スロットルバルブ５２が設けられており、電動アクチュエータ５３を用いてスロットルバルブ５２の開度を制御することにより、燃焼室内に流入する空気量を制御することができる。スロットルバルブ５２を通過する空気の流量は、エアフローセンサ５７によって計測することができる。また、各燃焼室には、２つの燃料噴射弁２６，５５が設けられている。シリンダヘッド２０に設けられた燃料噴射弁２６は、燃焼室内に燃料を直接噴射し、吸気通路５０に設けられた燃料噴射弁５５は、それぞれの吸気通路５０内から吸気ポート２３に向かって燃料を噴射する。こうして燃料噴射弁２６、あるいは燃料噴射弁５５から噴射された燃料は、それぞれの燃焼室内で気化しながら、燃料および空気の混合気を燃焼室内に形成する。
【００４６】
各燃焼室の排気ポート２４には排気通路５８が接続されており、燃焼室から排出された排気ガスは、排気通路５８によって外部に導かれて放出される。また、排気通路５８と吸気通路５０とは、ＥＧＲ通路７０によって接続されており、排気通路５８を流れる排気ガスの一部はＥＧＲ通路７０を介して吸気通路５０内に還流して、吸入された空気とともに燃焼室内に流入するようになっている。ＥＧＲ通路７０の途中には、ＥＧＲ弁７２が設けられており、ＥＧＲ弁の開度を調整すれば、還流する排気ガス（ＥＧＲガス）の流量を制御することが可能である。
【００４７】
ＥＣＵ６０は、中央処理装置（以下、ＣＰＵ）を中心として、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力回路などが、バスで相互に接続されたマイクロコンピュータである。ＥＣＵ６０は、クランクシャフト４３に設けられたクランク角センサ６１や、アクセルペダルに内蔵されたアクセル開度センサ６２、エアフローセンサ５７などから必要な情報を読み込んで、電動アクチュエータ７３，７４や、燃料噴射弁２６，５５、点火プラグ２７などを適切なタイミングで駆動することにより、燃焼室内で混合気を燃焼させて動力を発生させる。吸入空気量を調整するために電動アクチュエータ５３の駆動を制御したり、圧縮比を切り換えるためにアクチュエータ３３を駆動する制御、更には水温センサ６４の出力に基づいて吸気ヒータ５６の通電量を制御する処理もＥＣＵ６０が司っている。
【００４８】
上述した構成を有するエンジン１０では、アクチュエータ３３を初めとする圧縮比を切り換えるための機構に何らかの障害が発生して、高圧縮比状態で固着してしまうことが起こり得る。前述したように、圧縮比が高くなるほどノッキングと呼ばれる異常燃焼が起き易くなる傾向があり、またノッキングが発生すると、運転者に違和感を与える特有の騒音が生じる。このことから、高圧縮比状態で固着したままエンジン１０を運転していると、ノッキングの発生により、運転者に違和感を与えてしまう可能性がある。こうした事態を回避するために、エンジン１０は、次のようなエンジン制御を行っている。
【００４９】
Ｂ．エンジン制御：
図２は、本実施例においてエンジン１０の動作を制御する流れを示したフローチャートである。以下、フローチャートに従って説明する。
【００５０】
ＥＣＵ６０は、エンジン制御ルーチンを開始すると先ず初めに、エンジンの運転条件を検出する（ステップＳ１００）。運転条件としては、エンジンの回転速度Ｎｅ  や、アクセル開度θａｃ、冷却水温度などを検出する。エンジン回転速度Ｎｅ  は、クランク角センサ６１の出力から算出し、また、アクセル開度θａｃは、アクセル開度センサ６２を用いて、更に冷却水温度は水温センサ６４によって検出することができる。
【００５１】
次いで、エンジン１０の運転条件に応じて圧縮比を設定する処理を行う（ステップＳ１０２）。ＥＣＵ６０のＲＯＭ内には、エンジン回転速度Ｎｅおよびアクセル開度θａｃをパラメータとするマップの形式で、運転条件に応じた適切な圧縮比が予め記憶されている。図３は、ＲＯＭ内に適切な圧縮比がマップの形式で記憶されている様子を概念的に表した説明図である。ステップＳ１０２では、このようなマップを参照することにより、運転条件に応じて適切に設定されている圧縮比を読み出した後、アクチュエータ３３を駆動してエンジン１０の圧縮比を設定する。
【００５２】
ＥＣＵ６０は、圧縮比の設定に続いて圧縮比の検出を行う（ステップＳ１０４）。図１を用いて説明したように、エンジン１０のロアブロック３２には圧縮比センサ６３が設けられており、ＥＣＵ６０はこのセンサの出力に基づいて圧縮比を検出することができる。
【００５３】
続いて、ステップＳ１０２で設定した圧縮比とステップＳ１０４で検出した圧縮比とを比較することにより、圧縮比を変更するための機構が高圧縮比状態で固着していないことを確認する（ステップＳ１０６）。すなわち、設定した圧縮比が低圧縮比であるにも関わらず、検出した圧縮比が高圧縮比である場合には、圧縮比を変更するための機構が高圧縮比状態で固着したものと判断することができる。そして、こうした固着が発生していないと判断された場合は（ステップＳ１０６：ｎｏ）、運転モードを通常運転モードに設定し（ステップＳ１０８）、高圧縮比状態で固着していると判断された場合は（ステップＳ１０６：ｙｅｓ）、ノック回避モードに設定する（ステップＳ１１０）。詳細には後述するが、本実施例のエンジン制御では、こうして設定した運転モードに応じて続く制御を行うことにより、圧縮比変更機構が高圧縮比状態で固着した場合でも、ノッキングを発生を回避することが可能となっている。
【００５４】
こうして運転モードを設定したら、吸気加熱制御を開始する（ステップＳ１１２）。これは、始動直後など、エンジン１０が暖まっていない場合に、吸気通路５０内に設けた吸気ヒータ５６を用いて吸入空気を加熱することで、エンジンの暖機を促進する制御である。吸入空気を加熱してやれば、燃料の気化が促進されるので、エンジンが暖まっていない場合でも混合気を安定して燃焼させることができる。また、吸入空気を加熱してやれば、混合気の圧縮開始温度が高くなるので、この点からも混合気の燃焼を促進して、エンジンを速やかに暖機することができる。
【００５５】
ステップＳ１１２では、水温センサ６４で検出した冷却水温度に基づいてエンジンの暖機状態を判断し、エンジンの暖機状態に応じて吸気ヒータの通電量を制御する処理を行う。ＥＣＵ６０のＲＯＭ内には、冷却水温度に対する通電量がマップの形式で記憶されている。図４は、こうしたマップを概念的に示した説明図である。図中の実線は、通常運転モードで運転されている時に参照するマップを示しており、図中の破線はノック回避モードで運転されているときに参照するマップを示している。図示されているように、ノック回避モードで運転中は、冷却水温度が低い場合でも、吸気ヒータに全く通電しないか、通電する場合でも通常運転状態に比べて通電量が大きく抑制されている。前述したように、吸入空気を加熱すると混合気の圧縮開始温度が高くなるので、エンジン１０が高圧縮比状態で固着している場合は、ノッキングの発生が懸念される。そこで、このような場合は、吸気ヒータによる加熱を禁止あるいは抑制することで、ノッキングの発生を回避することが可能となる。
【００５６】
ＥＣＵ６０は、吸気加熱制御に続いてＥＧＲ制御を行う（ステップＳ１１４）。ＥＧＲ制御とは、排気通路５８内を流れる排気ガスの一部を燃焼室内に還流させる制御を言う。ＥＧＲ制御を行って排気ガスの一部を還流させれば、排気ガス中に含まれるいわゆるＮＯｘと呼ばれる窒素酸化物の濃度を低下させることができる。排気ガスの還流量（ＥＧＲガス量）をあまりに多くすると混合気が安定して燃焼しなくなってしまう。このことから、ＥＧＲガス量には運転条件に応じた最適値が存在しており、ＥＧＲ弁７２の開度にも最適値が存在している。ステップＳ１１４では、エンジン１０の運転条件に応じてＥＧＲ弁７２の開度を最適な開度に設定する処理を行う。具体的には、ＥＣＵ６０のＲＯＭ内には、図５に示すように、運転条件に応じたＥＧＲ弁７２の最適な開度が、エンジン回転速度とアクセル開度とをパラメータとするマップの形式で記憶されており、かかるマップを参照することによってＥＧＲ弁７２の開度を最適な開度に設定する。
【００５７】
ここで図５に示すように、ＥＣＵ６０内には、通常運転モードでの運転中に参照されるマップと、ノック回避モードでの運転中に参照されるマップとは、異なるマップとして記憶されている。そして、ノック回避モード時のマップには、通常運転モード時のマップに比べて閉じ気味の開度が、あるいは運転条件によってはＥＧＲ弁７２が全閉となるように設定されている。すなわち、ノック回避モードでの運転中は、通常運転モードでの運転中に比べてＥＧＲ弁開度が閉じ気味で運転されることになる。こうしてノック回避モード時はＥＧＲ弁の開度を閉じ気味に設定しておけば、前述した吸気加熱制御を抑制する場合と同様の理由により、ノッキングの発生を回避することが可能となる。つまり、排気ガスは吸入空気よりも高温となっているので、排気ガスの一部を吸気通路５０に還流させると、高温の排気ガスによって吸入空気が加熱されて、混合気の圧縮開始温度が高くなる。従って、高圧縮比状態で固着している場合には、ＥＧＲ弁の開度を閉じ気味に設定しておくことで、混合気の圧縮開始温度を抑制し、ノッキングの発生を回避することが可能となる。
【００５８】
ＥＧＲ制御に続いて、吸排気弁の駆動制御を行う（ステップＳ１１６）。これは、クランクシャフト４３の回転に合わせて吸気バルブ２１および排気バルブ２２を適切なタイミングで開閉するべく、電動アクチュエータ７３，７４を適切なタイミングで駆動する制御である。図６は、クランクシャフト４３の回転に合わせて、吸気バルブ１３２と排気バルブ１３４とを、開弁および閉弁するタイミングを示した説明図であり、図６（ａ）は通常運転モード時の開閉タイミングを、図６（ｂ）はノック回避モード時の開閉タイミングを示している。図中にＴＤＣと表示されているのは、ピストンが上がりきった位置、すなわち上死点にあるタイミングを示しており、ＢＤＣと表示されているのは、ピストンが下がりきった位置、すなわち下死点にあるタイミングを示している。また、図６中に白抜きで示した矢印は吸気バルブ２１が開いている期間を示し、細かいハッチングを付した矢印は排気バルブ２２が開いている期間を示している。尚、星印は、点火プラグ２７から火花を飛ばして混合気に点火するタイミングを表している。ステップＳ１１６では、通常運転モード時は、吸気バルブ２１および排気バルブ２２が、図６（ａ）に示したタイミングで駆動されるように、また、ノック回避モード時は図６（ｂ）に示したタイミングで駆動されるように、電動アクチュエータ７３，７４を駆動する制御を行う。この実施例では、吸気バルブ２１および排気バルブ２２の駆動タイミングは電動アクチュエータ７３，７４の駆動タイミングを変更するこにとより実現したが、吸排気バルブ２１，２２の動作タイミングを、カムの位相により調整する機構を用い、カムの位相を油圧アクチュエータなどにより制御することで実現してもよい。吸排気バルブ２１，２２の両方の開閉弁タイミングを調整できる必要は必ずしもなく、いずれか一方の開弁タイミングあるいは閉弁タイミングを調整可能な構成であれば、採用可能である。
【００５９】
ここで図６に示されているように、ノック回避モード時の開閉タイミングは、通常運転モード時の開閉タイミングに対して、大きく次の２点が異なっている。先ず第１に、図６（ａ）に示した通常運転モード時は、オーバーラップ期間（ＴＤＣ付近で吸気バルブ２１と排気バルブ２２とが同時に開弁している期間）が存在しているが、図６（ｂ）に示したノック回避モード時は、オーバーラップ期間は設けられていない。第２に、通常運転モード時は吸気バルブ２１がＢＤＣ近傍で閉弁するのに対して、ノック回避モード時はＢＤＣをだいぶ過ぎたタイミングで吸気バルブ２１が閉弁している。圧縮比変更機構が高圧縮比状態で固着しても、ノック回避モードが設定されている場合は、吸排気バルブをこのようなタイミングで開閉してやれば、次の理由からノッキングの発生を回避することができる。
【００６０】
先ず、オーバーラップ期間では、排気バルブ２２も吸気バルブ２１も開いているので、排気通路５８と吸気通路５０との圧力差によって、排気ガスが吸気通路５０内に逆流する。こうして逆流した排気ガスは、続く吸気行程で吸入空気とともに燃焼室内に流入することから、結局は排気ガスの一部を還流させたことと同じことになる。このように、燃焼室を経由して排気ガスが還流する現象は内部ＥＧＲと呼ばれる。これに対して、燃焼室の外側に設けられたＥＧＲ通路７０を介して排気通路５８から吸気通路５０に排気ガスを還流させることを外部ＥＧＲと呼ぶことがある。内部ＥＧＲも前述した外部ＥＧＲと同様に、混合気の温度を上昇させるので、ノッキングの発生に対しては不利な方向に作用する。従って、オーバーラップ期間を短縮してやれば、あるいは図６（ｂ）に例示したようにオーバーラップ期間を廃止してやれば、圧縮比変更機構が高圧縮比状態で固着した場合でも、ノッキングの発生を回避することが可能となる。
【００６１】
また、吸気バルブ２１が開弁している間は、例えピストン４１が上昇しても混合気が燃焼室から吸気通路内に抜けてしまうので、実際には混合気の圧縮は起こらない。すなわち、ＢＤＣを過ぎてピストン４１が上昇に転じても、実際に燃焼室内で混合気の圧縮が開始されるのは、吸気バルブ２１が閉弁して以降となる。このため、圧縮比変更機構が高圧縮比状態で固着した場合でも、吸気バルブ２１の閉弁時期をＢＤＣより大きく遅らせてやれば、ノッキングの発生を回避することが可能となる。
【００６２】
尚、ここでは、吸気バルブ２１の閉弁時期をＢＤＣから遅らせるものとして説明したが、閉弁時期をＢＤＣより早めることによっても同様の効果を得ることができる。すなわち、ピストン４１の降下中に吸気バルブ２１を閉弁すると、閉弁してからＢＤＣまでの間は、ピストン４１が下がるに連れて（燃焼室内の容積が増えるに連れて）燃焼室内圧力が減少する。ピストン４１が上昇に転じると燃焼室内の容積が減少するに連れて圧力は回復し、吸気バルブ２１の閉弁時と同じ容積になったときには、減少前の圧力に復帰する。つまり、ピストン４１が上昇していても、吸気バルブ２１を閉弁したときの燃焼室内容積と同じ容積になるまでの間は、燃焼室内圧力が回復しているだけであって、混合気の実質的な圧縮は、それ以降のピストン上昇によって開始されることになる。このことから、圧縮比変更機構が高圧縮比状態で固着した場合は、吸気バルブ２１の閉弁時期をＢＤＣから大幅に早めてやることによっても、ノッキングの発生を回避することが可能となる。
【００６３】
ＥＣＵ６０は、吸排気駆動制御に続いて燃料噴射制御を開始する（ステップＳ１１８）。図１を用いて説明したように、エンジン１０では、燃焼室内に直接燃料を噴射可能な燃料噴射弁２６と、吸気通路５０内に燃料を噴射する燃料噴射弁５５とが設けられている。燃料を燃焼室内に直接噴射すれば、燃焼室内に燃料噴霧を偏在させて燃料濃度の濃い（空燃比の小さい）部分と、燃料濃度の薄い（空燃比の大きい）部分とを形成することができる。燃焼室内に適切な空燃比分布の混合気を形成してやれば、全体としての燃料量を節約してエンジンの熱効率を向上させることが可能となる。尚、燃焼室内に直接燃料を噴射する方式は、筒内噴射と呼ばれることがある。
【００６４】
一方、吸気通路内に燃料を噴射すれば、噴射された燃料はここで気化しながら空気と混合しつつ燃焼室内に吸入されるので、燃料と空気とが充分に混合した均一な混合気を燃焼室内に形成することができる。高出力が要求される場合には、このように均一な混合気を形成しておくことが望ましい。尚、吸気通路内に燃料を噴射する方式は、ポート噴射と呼ばれることがある。
【００６５】
こうした筒内噴射あるいはポート噴射の特性を活かして、混合気を適切に形成することができるように、エンジン１０は運転条件に応じて適切な燃料噴射方式を採用している。ＥＣＵ６０のＲＯＭには、エンジンの運転条件に応じて適切な燃料噴射方式がマップの形式で記憶されている。図７は、こうしたマップを概念的に示した説明図である。図示されているように、ＲＯＭには、通常運転モード用のマップと、ノック回避モード用のマップとが記憶されており、設定されているモードに応じて、それぞれのマップが参照される。通常運転モード時に参照されるマップには、高エンジン回転速度あるいは高アクセル開度の場合にはポート噴射を行い、他の運転条件では筒内噴射を行う旨が設定されている。こうすれば、高回転・高負荷時はポート噴射を行うことで充分な出力を確保し、低回転・低負荷時には筒内噴射を行うことでエンジンの熱効率を向上させることができる。これに対してノック回避モード時には、筒内噴射の割合を増加させる。図７の例示では、ノック回避モードは全運転領域で筒内噴射を行う旨が設定されているが、通常運転モード時と比較して筒内噴射の割合が高くなるのであれば足り、例えば、筒内噴射の領域を拡張したり、あるいはポート噴射時に一部の燃料を筒内噴射することも可能である。このように、筒内噴射の割合を増加させればノッキングの発生を抑制することが可能である。以下、この理由について簡単に説明する。
【００６６】
吸気通路内に燃料を噴射した場合（ポート噴射した場合）は、燃料は吸気通路の内面に一旦付着した後、次第に気化しながら燃焼室内に流入する。気化に際して燃料は、気化するための気化熱を吸気通路の壁面から吸収する。これに対して、燃焼室内に燃料を噴射した場合（筒内噴射した場合）は、一部の燃料は燃焼室内の壁面に付着するものの、大部分は壁面に付着することなく燃焼室内で気化して混合気を形成する。このときの気化熱は、燃焼室内に流入した空気や、燃焼室から排出されずに残留していた燃焼ガスから吸収することになる。すなわち、ポート噴射では、吸気通路壁面から奪った気化熱が気化した燃料とともに燃焼室内に流入するのに対して、筒内噴射では燃焼室内で、しかも壁面に触れることなく気化するために、外部から燃焼室内に熱が流入することがない。このため、筒内噴射を行うと、ポート噴射の場合に比べて燃焼室内の混合気の温度が低くなる。このことは、簡便には、筒内噴射を行った場合は、燃焼室内で燃料が気化するために、気化熱によって空気が冷却される分だけ混合気温度が低くなると考えることもできる。ノッキングは、混合気を圧縮した時の温度上昇の影響で混合気が自着火する現象と考えることもできるから、筒内噴射を行って混合気温度を低くしてやれば、ノッキングの発生を抑制することが可能となるのである。
【００６７】
図２のステップＳ１１８では、図７に示したマップを参照することで、運転条件に応じた適切な燃料噴射方式を選択する。そして、エアフローセンサ５７で検出した吸入空気量に基づいて燃料の噴射量を算出した後、選択しておいた噴射方式に応じて燃料噴射弁５５あるいは燃料噴射弁２６を駆動する。こうすることで、燃焼室内には適切な空燃比の混合気が形成される。
【００６８】
ＥＣＵ６０は、燃料噴射制御に続いて点火制御を行う（ステップＳ１２０）。点火制御では、運転条件に応じた適切なタイミングで点火プラグ２７から火花を飛ばすことにより、燃焼室内で圧縮された混合気に点火する処理を行う。ＥＣＵ６０内のＲＯＭには、エンジンの運転条件に応じて適切な点火時期がマップの形式で予め記憶されている。図８は、こうしたマップを例示した説明図である。点火制御では、ＥＣＵ６０は、かかるマップを参照することで運転条件に応じた点火時期を読み出した後、適切なタイミングで点火プラグ２７から火花を飛ばす処理を行う。この結果、燃焼室内で混合気が燃焼して燃焼室内の圧力が上昇し、この圧力がクランク機構により機械的仕事に変換されて、動力として外部に出力される。
【００６９】
次いで、ＥＣＵ６０は、運転者によってエンジン１０を停止する旨が指示されたか否かを判断し（ステップＳ１２２）、運転者によってエンジン１０を停止する旨が指示されていると判断された場合は（ステップＳ１２２：ｙｅｓ）、図２に示したエンジン制御ルーチンを終了する。逆に、エンジン１０を停止する旨が指示されていない場合は（ステップＳ１２２：ｎｏ）、ステップＳ１００に戻って上述した一連の処理を繰り返す。
【００７０】
以上に説明したように、本実施例のエンジン１０は、圧縮比を変更するための機構が高圧縮比状態で固着しているか否かを検出し、高圧縮比状態で固着している場合は、ノック回避モードで制御が行われる。そしてノック回避モードでは、通常運転モードと比較して、吸気加熱制御や、ＥＧＲ制御が抑制される。また、吸排気バルブの開閉タイミングも、オーバーラップ期間が短縮されて内部ＥＧＲが減少し、更に、吸気バルブの閉弁時期がＢＤＣから遠ざかる方向に変更されて、実圧縮比が低下するように制御される。加えて、燃料の噴射方式についても、筒内噴射の割合が増加するように変更される。こうした変更は、各々がノッキングの発生を抑制する作用を有しており、従って、エンジン１０の圧縮比が高圧縮比状態で固着した場合でも、ノック回避モードでエンジンを制御することでノッキングの発生を回避することが可能となる。なお、これらの制御は、上述したように２つ以上の制御を複合的に行なっても良いが、それぞれ単独で実施しても良い。
【００７１】
Ｃ．変形例：
上述した本実施例には、種々の変形例が存在する。以下では、これら変形例について簡単に説明する。
【００７２】
Ｃ−１．第１の変形例：
ノック回避モード時は、吸気バルブ２１の開閉タイミングを次のように変更しても良い。すなわちノック回避モード時は、通常運転モード時に比べて、吸気行程のピストン降下中に吸気バルブ２１が閉弁している期間が短くなるようなタイミングに設定することとしても良い。
【００７３】
図９は、こうした第１の変形例における吸気バルブの開閉タイミングを示した説明図である。図９（ａ）は、通常運転モード時における吸気バルブ２１の開閉タイミングを示し、図９（ｂ）はノック回避モード時における開閉タイミングを示している。図９（ａ）に示した通常運転モードでは、吸気バルブ２１は、ピストン４１がＴＤＣから少し降下した後に開弁し、更にピストン４１がＢＤＣに達する前に閉弁する。従って、図９（ａ）中に破線で示した期間では、ピストン４１が降下しているにも関わらず吸気バルブ２１が閉弁していることになる。このように、吸気バルブ２１が閉弁したままピストン４１が降下すると、燃焼室内の空気あるいは残留ガスが断熱膨張して燃焼室壁面から熱を奪うので、ちょうど燃焼室内の空気を暖めたのと同じことになって、ノッキングが発生し易くなる。これに対して、図９（ｂ）に示したタイミングで吸気バルブ２１を開閉した場合は、ＴＤＣ付近で開弁し、ＢＤＣ付近で閉弁しており、吸気バルブ２１が閉弁したままピストン４１が降下する期間が大幅に短くなっており、ノッキングが発生し難くなっている。このことから、ノック回避モード時は吸気バルブ２１の開閉タイミングを、図９（ａ）に示したようなものから図９（ｂ）に示すようなものに変更することで、ノッキングの発生を回避することが可能となる。
【００７４】
尚、図９（ａ）の例示では、吸気バルブ２１が閉じたままピストン４１が降下する状態が、ＴＤＣ近傍およびＢＤＣ近傍の２つのタイミングで発生しており、図９（ｂ）の例示では、いずれのタイミングにおいても、こうした状態が抑制されている。もっとも、吸気バルブ２１が閉じたままピストン４１が降下する期間が、全体として短縮されればよく、吸気バルブ２１の開閉タイミングは図９の例示に限られるものではない。
【００７５】
Ｃ−２．第２の変形例：
上述した実施例では、ノック回避モード時は、吸気ＴＤＣ近傍で吸気バルブ２１および排気バルブ２２が同時に開弁するオーバーラップ期間を短縮することで内部ＥＧＲを減少させた。もっとも、エンジンの中には内部ＥＧＲをより積極的に行うために、吸気行程の最中に短期間だけ排気バルブを開弁したり、あるいは排気行程の最中に短期間だけ吸気バルブを開弁するものも存在する。このようなエンジンでは、ノック回避モード時は次のようにして吸排気バルブを駆動することとしても良い。
【００７６】
図１０は、積極的に内部ＥＧＲを行うための、バルブの動きを示した説明図である。図１０は、クランク角度とともにバルブリフトが変化する様子を示しており、実線は吸気バルブ２１の動きを、破線は排気バルブ２２の動きを示している。また、図１０（ａ）は排気行程中に吸気バルブ２１を開く場合を示し、図１０（ｂ）は吸気行程中に排気バルブ２２を開く場合を示している。例えば、図１０（ａ）の場合について説明すると、排気行程では排気バルブ２２をリフトさせることで、燃焼室内の排気ガスを排気通路５８に排出する。このとき、短期間だけ吸気バルブ２１を開弁すれば、排気ガスが燃焼室内から吸気通路５０に逆流する。こうして逆流した排気ガスは、次の吸気行程でＥＧＲガスとして燃焼室に吸入されることになる。
【００７７】
また、図１０（ｂ）の場合は、吸気行程では吸気バルブ２１をリフトさせて、吸気通路５０から燃焼室内に空気を流入させる。このとき、短期間だけ排気バルブ２２を開弁すると、排気通路５８内の排気ガスが背圧に押されて燃焼室内を通過し、吸気通路５０内に逆流する。続く吸気行程では、こうして逆流した排気ガスがＥＧＲガスとして燃焼室内に流入することになる。
【００７８】
これら図１０に示したように、吸気行程中に短期間だけ排気バルブを開弁し、あるいは排気行程中に短期間だけ吸気バルブを開弁してやれば、積極的に内部ＥＧＲを行うことができる。このような制御を行っているエンジンでは、ノック回避モード時は、吸気行程中の排気バルブの開弁量を抑制したり、あるいは排気行程中の吸気バルブの開弁量を抑制することとしても良い。ここで開弁量を抑制するとは、リフト量を少なくしたり、開弁期間を短縮することの他に、開弁自体を休止することも含まれる。こうして開弁量を抑制してやれば、内部ＥＧＲ量が減少するので、ノッキングの発生を回避することが可能となる。
【００７９】
Ｃ−３．第３の変形例：
ノック回避モード時は、冷却水温を制御することによってノッキングの発生を抑制することとしても良い。以下では、こうした第３の変形例について説明する。
【００８０】
図１１は、エンジン１０を上面側から（シリンダヘッド２０の上側から）見て、冷却水温度を制御する機構（冷却系）の構成を概念的に示した説明図である。エンジン１０は、いわゆる４気筒エンジンであり、シリンダ３４が４つ設けられている。図中に示した「＃１」、「＃２」、「＃３」、「＃４」は、これら４つのシリンダを表したものである。エンジン１０の冷却系は、シリンダ３４および燃焼室を冷却するために冷却水を圧送するウォータポンプ８０と、高温になった冷却水を放熱させるためのラジエータ８２と、シリンダ３４および燃焼室を冷却した冷却水をラジエータ８２に導くための冷却通路８４と、ラジエータ８２を出た冷却水をウォータポンプ８０に戻すための還流通路８６と、冷却水の放熱が不要な場合にラジエータ８２をバイパスさせるバイパス通路８８と、ＥＣＵ６０の制御の下でバイパス通路８８の切り換えを行う切換弁９０等から構成されている。
【００８１】
ＥＣＵ６０は、アッパーブロック３１に設けた水温センサ６４を出力を見ながら、切換弁９０を制御することで、冷却水温度を制御することが可能である。以下では、この制御について、図１１を参照しながら説明する。
【００８２】
図１１（ａ）は、冷却水をラジエータ８２で放熱しながらエンジン１０を運転している様子を示している。図中に実線で示した矢印は、冷却水の流れを表している。冷却水をラジエータ８２に導く場合は、切換弁９０はＥＣＵ６０の制御によって「開」状態に切り換えられている。冷却水はウォータポンプ８０で圧送されてエンジン内部を冷却し、冷却通路８４を経由してラジエータ８２に導かれ、還流通路８６、切換弁９０を通って、再びエンジン内部にウォータポンプ８０で圧送される。
【００８３】
冷却水温度があまり高くなく、ラジエータ８２で放熱させる必要がない場合は、ＥＣＵ６０は切換弁を「閉」状態に切り換える。こうすると、ウォータポンプ８０には還流通路８６からではなく、バイパス通路８８から冷却水が供給されることになる。すなわち、エンジン内部を通過した冷却水はバイパス通路８８を通ってウォータポンプ８０に供給され、ラジエータ８２をバイパスして流れるようになる。こうしてラジエータ８２をバイパスしながらエンジンを運転すれば、次第に冷却水温度が上昇していくことになる。冷却水温度が上昇したら、再び切換弁９０を開いて冷却水がラジエータ８２を通過するようにすれば、冷却水温度は次第に低下することになる。
【００８４】
以上の説明から明らかなように、水温センサ６４で冷却水温度を検出しながら、切換弁９０を切り換えてやれば、エンジン１０の冷却水温度を任意の温度に制御することが可能である。エンジンが比較的、低負荷で運転されている場合には、冷却水温度を高めに制御してやれば、潤滑油の粘度が低くなる摩擦損失が減少するので、エンジンの熱効率を改善することも可能である。
【００８５】
一般に、ノッキングは燃焼室の壁面温度の影響を強く受けると考えられている。これは、混合気が燃焼室の壁面近くで圧縮されて自着火する現象がノッキングと呼ばれる現象であり、壁面温度が低くなると自着火が抑制されるのでノッキングが発生し難くなると考えられるためである。このことから、冷却水温度を制御可能なエンジンにおいては、ノック回避モード時は、冷却水温度を低めの値に制御してやれば、あるいは、熱効率を改善するために冷却水温度を高めに設定する制御を抑制してやれば、ノッキングの発生を回避することが可能となる。
【００８６】
Ｃ−４．第４の変形例：
あるいは、ノック回避モード時は、変速機（トランスミッション）の設定を、減速比が大きくなる方向に切り換えることによって、ノッキングの発生を抑制することとしても良い。以下では、こうした第４の変形例について説明する。
【００８７】
図１２は、エンジン１０に変速機１００が接続されている様子を概念的に示した説明図である。変速機１００は、エンジン１０のクランクシャフト４３から動力を受け取り、負荷に接続された駆動軸１４３から出力する。このとき、クランクシャフト４３の回転速度は、変速機１００の減速比に応じた回転速度に変速されて、駆動軸１４３から出力される。ここで減速比とは、クランクシャフト４３の回転速度を駆動軸１４３の回転速度で除算した値によって定義されている。尚、図１２に示した変速機１００は、減速比を連続的に変更可能ないわゆる無断変速機であるが、もちろん、複数の減速比に段階的に変更可能な変速機であっても構わない。
【００８８】
一般に減速比を大きくしてやれば、エンジン１０の回転速度は高くなり、回転速度が高くなれば、燃焼室内に空気を吸入するための時間が短くなるので、吸入空気量が減少する。ノッキングは混合気が圧縮されて自着火する現象であるから、吸入空気量が減少すればノッキングは起こり難くなる。従って、こうした第４の変形例のエンジン１０では、ノック回避モード時は、変速機１００の減速比を大きな値に切り換えることとしてもよい。こうすれば、圧縮比が高圧縮比状態で固着した場合でも、ノッキングの発生を効果的に抑制することが可能となる。
【００８９】
以上、各種の実施例について説明してきたが、本発明は上述した実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することができる。例えば、上記実施例では、吸気バルブまたは排気バルブの開閉弁のタイミングを変更・制御したが、吸気バルブや排気バルブの開弁のリフト量を調整して、圧縮比を制御することも可能である。あるいは、開弁や閉弁の速度を制御することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧縮比可変機構を備えた本実施例のエンジンの構成を概念的に示した説明図である。
【図２】本実施例においてエンジンの動作を制御する流れを示したフローチャートである。
【図３】ＲＯＭ内に適切な圧縮比がマップの形式で記憶されている様子を概念的に表した説明図である。
【図４】冷却水温度に応じて吸気ヒータの通電量が設定されたマップを概念的に示した説明図である。
【図５】運転条件に応じてＥＧＲ弁な開度が設定されたマップを概念的に示した説明図である。
【図６】クランクシャフトの回転に合わせて吸気バルブと排気バルブとを開弁および閉弁するタイミングを示した説明図である。
【図７】運転条件に応じて燃料の噴射方式が設定されているマップを概念的に示した説明図である。
【図８】運転条件に応じて点火時期が設定されているマップを概念的に示した説明図である。
【図９】第１の変形例における吸気バルブの開閉タイミングを示した説明図である。
【図１０】積極的に内部ＥＧＲを行うためのバルブの動きを示した説明図である。
【図１１】冷却水温度を制御するための構成を概念的に示した説明図である。
【図１２】エンジンに変速機が接続されている様子を概念的に示した説明図である。
【符号の説明】
１０…エンジン
２０…シリンダヘッド
２１…吸気バルブ
２２…排気バルブ
２３…吸気ポート
２４…排気ポート
２６…燃料噴射弁
２７…点火プラグ
３０…シリンダブロックＡＳＳＹ
３１…アッパーブロック
３２…ロアブロック
３３…アクチュエータ
３４…シリンダ
４０…メインムービングＡＳＳＹ
４１…ピストン
４２…コネクティングロッド
４３…クランクシャフト
５０…吸気通路
５１…エアクリーナ
５２…スロットルバルブ
５３…電動アクチュエータ
５４…サージタンク
５５…燃料噴射弁
５６…吸気ヒータ
５７…エアフローセンサ
５８…排気通路
６１…クランク角センサ
６２…アクセル開度センサ
６３…圧縮比センサ
６４…水温センサ
７３…電動アクチュエータ
７４…電動アクチュエータ
８０…ウォータポンプ
８２…ラジエータ
８４…冷却通路
８６…還流通路
８８…バイパス通路
９０…切換弁
１００…変速機
１３２…吸気バルブ
１３４…排気バルブ
１４３…駆動軸
【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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