(57)【要約】【課題】本発明はシリンダヘッドとピストンの相対距離を変化させることにより圧縮比を可変とする内燃機関において、ピストンとバルブの干渉を防止しつつ熱効率の向上を図ること目的とする。【解決手段】本発明は、上死点におけるシリンダヘッド（５）とピストン（８）の相対距離を変化させることにより圧縮比を変更する内燃機関（１）において、排気上死点におけるピストン（８）とバルブ（５０，５１）の干渉が生じる可能性がある場合に限り、排気上死点におけるシリンダヘッド（５）とピストン（８）の相対距離を圧縮上死点におけるシリンダヘッド（５）とピストン（８）の相対距離より長くすることを特徴とする。【選択図】図３
2005220754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上死点におけるシリンダヘッドとピストンの相対距離を変化させることにより圧縮比を変更する可変圧縮比機構を備えた内燃機関において、
圧縮比が所定値以上となるときは、排気上死点におけるシリンダヘッドとピストンの相対距離が圧縮上死点における相対距離より長くなるように可変圧縮比機構を制御する相対距離制御手段を備えること特徴とする可変圧縮比機構を備えた内燃機関。
【請求項２】
バルブの開弁特性を変更する開弁特性変更手段を更に備え、
前記所定値は、排気上死点におけるバルブリフト量が多くなるほど低い値に変更されることを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比機構を備えた内燃機関。
【請求項３】
バルブの開弁特性を変更する開弁特性変更手段を更に備え、
排気上死点におけるシリンダヘッドとピストンの相対距離は、排気上死点におけるバルブリフト量が多くなるほど長くされる請求項１又は２に記載の可変圧縮比機構を備えた内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上死点におけるシリンダヘッドとピストンの相対距離を変化させることにより圧縮比を変更する内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、熱効率の向上を目的として圧縮比を変更可能とする内燃機関の開発が進められている。このような内燃機関としては、例えば、上死点におけるシリンダヘッドとピストンの相対距離を変化させることにより圧縮比を変更するものが知られている（例えば、非特許文献１を参照）。
【非特許文献１】梶原  謙一、「可変連桿比（可変圧縮比）エンジンの研究」、社団法人自動車技術会、学術講演会前印刷集９１１、１９９１−５（第１３９頁〜１４１頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上死点におけるシリンダヘッドとピストンの相対距離を変更する可変圧縮比機構では、排気上死点においてバルブとピストンの干渉を避けるために圧縮比を不用意に高くすることができず、熱効率向上の効果を十分に得ることが難しかった。
【０００４】
これに対し、前述した非特許文献１に開示された技術は、サイクル内で連桿比を変化させることにより、圧縮上死点におけるシリンダヘッドとピストンの相対距離に比して排気上死点におけるシリンダヘッドとピストンの相対距離を長くしている。しかしながら、バルブとピストンの干渉が生じ得ない低中圧縮比のときも排気上死点におけるシリンダヘッドとピストンの相対距離が長くなってしまい、排気効率の低下などを誘発する虞があった。
【０００５】
本発明は上記したような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は上死点におけるシリンダヘッドとピストンの相対距離を変化させて圧縮比を変更する内燃機関において、排気効率の低下等を招くことなく好適に熱効率を向上させる点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するために以下のような手段を採用した。
本発明の要旨は、上死点におけるシリンダヘッドとピストンの相対距離を変化させることにより圧縮比を変更する内燃機関において、排気上死点におけるピストンとバルブの干渉が生じる可能性がある場合に限り、排気上死点におけるシリンダヘッドとピストンの相対距離を圧縮上死点におけるシリンダヘッドとピストンの相対距離より長くする点にある。
【０００７】
排気上死点におけるピストンとバルブの干渉は、シリンダヘッドとピストンの相対距離が短くなる高圧縮比時に生じ易い。逆に、上死点におけるピストンとバルブの相対距離が長くなる低圧縮時は、排気上死点におけるピストンとバルブの干渉が生じ難い。
【０００８】
そこで、圧縮比が所定値以上となる場合に限り、排気上死点におけるシリンダヘッドとピストンの相対距離を圧縮上死点における相対距離より長くなるように可変圧縮比機構が制御されればよい。
【０００９】
この場合、排気上死点におけるシリンダヘッドとピストンの相対距離は圧縮比が所定値以上のときにのみ長くなるため、圧縮比が所定値未満のとき相対距離が不必要に長くなる
ことがない。その結果、排気効率の低下等を抑制することができる。
【００１０】
また、近年では吸気バルブや排気バルブの開弁特性を可変とする開弁特性変更手段の開発も進んでいる。開弁特性変更手段を備えた内燃機関では、バルブの開閉タイミングやリフト量の変更により、排気上死点におけるバルブリフト量が変化する。
【００１１】
このため、開弁特性変更手段と可変圧縮比機構を併せ持つ内燃機関では、例えば、圧縮比が前記所定値より高くなっても排気上死点におけるバルブリフト量が少なければピストンとバルブの干渉が生じない。一方、圧縮比が前記所定値より低くても排気上死点より排気上死点におけるバルブリフト量が多ければピストンとバルブの干渉が生じ得る。
【００１２】
従って、開弁特性変更手段と可変圧縮比機構を併せ持つ内燃機関では、排気上死点におけるバルブリフト量に応じて所定値を可変とすることが好ましい。この場合、排気上死点におけるシリンダヘッドとピストンの相対距離を圧縮上死点における相対距離と異ならせる制御が不要に実行されることがなく、且つ、ピストンとバルブの干渉を確実に防止することが可能となる。
【００１３】
また、排気上死点におけるシリンダヘッドとピストンの相対距離を圧縮上死点における相対距離に対して何の位長くするか、すなわち排気上死点における相対距離と圧縮上死点における相対距離の差は、圧縮比をパラメータとして定められるようにしてもよい。
【００１４】
これは、上死点におけるシリンダヘッドとピストンの相対距離は圧縮比に反比例して増減するためである。
例えば、圧縮比が高くなるほど上死点におけるシリンダヘッドとピストンの相対距離が短くなるため、圧縮比が高くなるほど上記の差が大きくされるようにしてもよい。
【００１５】
開弁特性変更手段と可変圧縮比機構を併せ持つ内燃機関では、圧縮比に加えてバルブの開弁特性も考慮して上記の差を定めることが好ましい。
例えば、排気上死点におけるバルブリフト量が多くなる開弁特性の時は排気上死点におけるバルブリフト量が少なくなる時より上記の差が大きくされ、排気上死点におけるバルブリフト量が少なくなる時は排気上死点におけるバルブリフト量が多くなる時より上記の差が小さくされるようにしてもよい。
【００１６】
この場合、上記した差は、ピストンとバルブが干渉しない最小限の値とすることができるため、排気効率等の低下が最小限に抑えられる。
尚、開弁特性変更手段と可変圧縮比機構を併せ持つ内燃機関においても、圧縮比のみをパラメータとして上記の差を定めて制御の簡略化を図るようにしてもよい。但し、その場合は排気上死点においてバルブが取り得る最大のリフト量を想定して上記差を定める必要がある。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る可変圧縮比機構を備えた内燃機関によれば、ピストンとバルブの干渉を防止しつつ所望の圧縮比を実現することができる上、排気効率の低下等を最小限に抑制することができるため、熱効率向上効果を好適に得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る内燃機関の概略構成を示す図である。図１では説明を簡略化するために単気筒の内燃機関を示している。
【００１９】
図１に示す内燃機関１は、行程容積を一定に保ちつつ燃焼室容積を増減させることにより圧縮比（圧縮比＝（行程容積＋燃焼室容積）／燃焼室容積）を可変とするレシプロ型の内燃機関である。
【００２０】
内燃機関１は、クランクシャフト２を回転自在に内装するクランクケース３と、クランクケース３に対してシリンダ軸方向へ摺動自在に取り付けられたシリンダブロック４と、シリンダブロック４の上部に取り付けられたシリンダヘッド５と、クランクケース３の底部に取り付けられたオイルパンケース６とを備えている。
【００２１】
シリンダブロック４にはシリンダ７が形成されている。シリンダ７には、ピストン８がシリンダ軸方向へ摺動自在に嵌装されている。ピストン８はコネクティングロッド９を介してクランクシャフト２と連結されている。
【００２２】
シリンダヘッド５には、吸気バルブ５０と排気バルブ５１が設けられ、これらのバルブが図示しない吸気カムシャフト及び排気カムシャフトによって各々開閉駆動されるようになっている。
【００２３】
シリンダブロック４とクランクケース３との係合部には、シリンダブロック４をシリンダ軸方向の上死点側又は下死点側へ変位させる駆動機構１０が設けられている。前記駆動機構１０としては、例えば、特開２００３−２０６７７１号公報に開示されている機構を用いることができる。
【００２４】
また、内燃機関１には、クランクポジションセンサ１１、水温センサ１２、アクセルポジションセンサ１３が取り付けられ、これらはＥＣＵ１４（Electronic Control Unit）と電気的に接続されている。
【００２５】
ＥＣＵ１４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭなどから構成される算術論理演算回路であり、上記した各種センサの出力信号を入力し、それら入力信号をパラメータとして駆動機構１０の制御値を演算する。
【００２６】
このように構成された内燃機関１では、ＥＣＵ１４はクランクポジションセンサ１１とアクセルポジションセンサ１３の出力信号から目標圧縮比を求め、シリンダブロック４とクランクケース３の相対位置が目標圧縮比に相当する相対位置となるように駆動機構１０を制御する。
【００２７】
駆動機構１０は、ＥＣＵ１４からの制御信号に従いシリンダブロック４をシリンダ軸方向の上死点側又は下死点側へ変位させる。シリンダブロック４がシリンダ軸方向の上死点側又は下死点側へ変位させられると、シリンダブロック４及びシリンダヘッド５がクランクケース３に対して接近又は離間する。
【００２８】
このようにシリンダブロック４及びシリンダヘッド５がクランクケース３に対して接近又は離間すると燃焼室容積が増減する。その際、行程容積は変化しないため、燃焼室容積に対する行程容積と燃焼室容積の和、すなわち圧縮比が変化する。
【００２９】
例えば、シリンダブロック４が下死点側へ変位させられると、シリンダブロック４及びシリンダヘッド５がクランクケース３と相対的に接近して燃焼室容積を減少させる。その結果、内燃機関１の圧縮比が上昇する。
【００３０】
シリンダブロック４及びシリンダヘッド５が下死点側の変位端まで変位したとき（シリンダブロック４及びシリンダヘッド５がクランクケース３に対して最も接近したとき）に
は、燃焼室容積が最小になるとともに内燃機関１の圧縮比が最も高くなる。
【００３１】
一方、シリンダブロック４が上死点側へ変位させられると、シリンダブロック４及びシリンダヘッド５がクランクケース３と相対的に離間して燃焼室容積を増加させる。その結果、内燃機関１の圧縮比が低下する。
【００３２】
シリンダブロック４及びシリンダヘッド５が上死点側の変位端まで変位したとき（シリンダブロック４及びシリンダヘッド５がクランクケース３に対して最も離間したとき）には、燃焼室容積が最大になるとともに圧縮比が最も低くなる。
【００３３】
従って、ＥＣＵ１４は、シリンダブロック４を上死点側変位端と下死点側変位端との間で連続的に変位させることにより、内燃機関１の圧縮比を連続的に変化させることができる。
【００３４】
ところで、上記した内燃機関１では、圧縮比の上昇に伴い圧縮上死点における燃焼室容積が減少するが、これは排気上死点においても同様である。このため、圧縮比がある程度高くなると、排気上死点におけるシリンダヘッド５とピストン８の相対距離が短くなり、吸気バルブ５０およびまたは排気バルブ５１がピストン８と干渉する可能性がある。
【００３５】
一般的に、吸気バルブ５０の開弁時期は排気上死点より進角して設定されるとともに排気バルブ５１の閉弁時期は排気上死点より遅角して設定されるため、排気上死点において吸排気バルブ５０、５１がリフトした状態となる。このような条件下で圧縮比がある程度高められると、図２に示すように、排気上死点において吸気バルブ５０およびまたは排気バルブ５１がピストン８と干渉してしまう。
【００３６】
上記の問題に対し、バルブタイミングの設定値を変更、あるいはシリンダブロック４の下死点側変位端を規制する等の方法も考えられるが、何れの方法も内燃機関１の効率低下の要因になり得るため好ましくない。
【００３７】
そこで、本実施の形態に係る内燃機関１では、吸気バルブ５０およびまたは排気バルブ５１がピストン８と干渉する圧縮比の最低値を予め求めておき、目標圧縮比が前記最低値に所定のマージンを付加した値（以下、干渉限界圧縮比と称する）を越えた場合には排気上死点で一時的にシリンダブロック４を上死点側へ変位させ、シリンダヘッド５とピストン８の相対距離を長くするようにした。
【００３８】
この方法によれば、圧縮上死点における燃焼室容積を目標通りの容積としつつ排気上死点における吸排気バルブ５０、５１とピストン８の干渉を防止することが可能となる。更に、目標圧縮比が干渉限界圧縮比以下である場合には、排気上死点におけるシリンダブロック４の上死点側への変位は行われないため、排気上死点における燃焼室容積が不要に増加して排気効率が低下することもない。
【００３９】
以下、本実施の形態における圧縮比制御について図３〜図５に基づいて説明する。圧縮比制御を実行する際にＥＣＵ１４は図３に示す圧縮制御ルーチンを実行する。この圧縮比制御ルーチンは所定時間毎（例えば、クランクポジションセンサ１１がパルス信号を出力する度）に繰り返し実行されるルーチンである。
【００４０】
圧縮比制御ルーチンでは、ＥＣＵ１４は、先ずＳ３０１において機関回転数とアクセル開度を読み込む。
Ｓ３０２では、ＥＣＵ１４は、前記Ｓ３０１で読み込んだ機関回転数及びアクセル開度から目標圧縮比：εtを算出する。
【００４１】
Ｓ３０３では、ＥＣＵ１４は、目標圧縮比：εtが干渉限界圧縮比：ε０以下であるか否かを判別する。
前記Ｓ３０３において目標圧縮比：εtが干渉限界圧縮比：ε０以下であると判定した場合は、ＥＣＵ１４は、Ｓ３０４へ進み、目標圧縮比：εtに従って駆動機構１０を制御する。
【００４２】
具体的には、ＥＣＵ１４は、図４に示すように、目標圧縮比：εtを実現するシリンダブロック４の目標位置までシリンダブロック４が変位するように駆動機構１０を制御する。この場合、排気上死点においてシリンダブロック４が上死点側へ変位されないため、圧縮上死点におけるシリンダブロック４の位置と排気上死点におけるシリンダブロック４の位置は同一となる。尚、図４に示す干渉限界位置は、干渉限界圧縮比：ε０を実現するシリンダブロック４の位置を示している。
【００４３】
また、前記Ｓ３０３において目標圧縮比：εtが干渉限界圧縮比：ε０を越えていると判定した場合は、ＥＣＵ１４は、Ｓ３０５へ進み、シリンダ７が排気行程中であるか否かを判別する。
【００４４】
ＥＣＵ１４は、前記Ｓ３０５においてシリンダ７が排気行程中であると判定した場合はＳ３０６へ進んでシリンダブロック４を干渉限界位置へ変位させるべく駆動機構１０を制御し、前記Ｓ３０５においてシリンダ７が排気行程中ではないと判定した場合はＳ３０７へ進んでシリンダブロック４を目標圧縮比：εtに対応した目標位置へ変位させるべく駆動機構１０を制御する。
【００４５】
すなわち、目標圧縮比：εtが干渉限界圧縮比：ε０を越える場合は、ＥＣＵ１４は、図５に示すように、排気上死点ではシリンダブロック４が干渉限界位置となり、それ以外の時期はシリンダブロック４が目標圧縮比：εtに対応した目標位置となるように駆動機構１０を制御する。
【００４６】
排気上死点においてシリンダブロック４が干渉限界位置へ変位させられると、ピストン８とシリンダヘッド５の相対距離が長くなるため、吸排気バルブ５０、５１とピストン８の干渉が防止される。更に、排気上死点以外ではシリンダブロック４が目標位置に変位するため、圧縮上死点において所望の圧縮比が実現される。
【００４７】
従って、上記の圧縮比制御によれば、目標圧縮比：εtが干渉限界圧縮比：ε０を越える運転領域では、排気上死点におけるピストン８と吸排気バルブ５０、５１の干渉を防止することが可能になると同時に圧縮上死点において所望の目標圧縮比：εtを実現することが可能になる。その結果、内燃機関１の熱効率を十分に向上させることができる。
【００４８】
また、目標圧縮比：εtが干渉限界圧縮比：ε０以下となる運転領域では、全ての行程においてシリンダブロック４の位置が目標位置となるため、排気上死点において不要に燃焼室容積が拡大することがなく、排気効率の低下等が防止される。
【００４９】
尚、本実施の形態では、吸排気バルブ５０、５１の開弁特性が一定となる動弁系を備えた内燃機関を例に挙げて説明したが、開閉タイミング、リフト量、あるいは作用角等の開弁特性を可変とする動弁系を備えた内燃機関に本発明を適用する場合は、排気上死点における吸排気バルブのリフト量に応じて干渉限界圧縮比：ε０及び干渉限界位置を可変としてもよい。
【００５０】
例えば、吸気バルブの開閉タイミングを可変とする動弁系を備えた内燃機関では、吸気
バルブの開弁タイミングが排気上死点から進角するほど干渉限界圧縮比：ε０を低下させると同時に干渉限界位置を上死点側へ変更すればよい。
【００５１】
これは、図６に示すように、吸気バルブの開弁タイミングが排気上死点から進角させられるほど排気上死点における吸気バルブのリフト量が多くなるためである。
また、排気バルブの開閉タイミングを可変とする動弁系を備えた内燃機関では、排気バルブの閉弁タイミングが排気上死点から遅角するほど干渉限界圧縮比：ε０を低下させると同時に干渉限界位置を上死点側へ変更すればよい。
【００５２】
これは、図７に示すように、排気バルブの閉弁タイミングが排気上死点から遅角されるほど排気上死点における排気バルブのリフト量が多くなるためである。
このように吸排気バルブの開弁特性に応じて干渉限界圧縮比及び干渉限界位置を可変とすることにより、排気上死点における一時的な燃焼室容積の拡大を最小限に抑えることが可能となる。
【００５３】
但し、圧縮比制御を簡略化する場合には、干渉限界圧縮比と干渉限界位置を固定値としてもよい。その場合は、排気上死点で吸排気バルブが取り得る最大のリフト量を想定して干渉限界圧縮比と干渉限界位置を定めるようにすればよい。
【００５４】
本実施の形態に係る圧縮比制御を多気筒の内燃機関に適用することも可能である。例えば、Ｖ型６気筒やＶ型８気筒の内燃機関に適用する場合は、バンク毎に可変圧縮比機構を設けることで排気上死点におけるシリンダヘッドとピストンの相対距離を圧縮上死点における相対距離より長くすることができる。
【００５５】
直列４気筒の内燃機関に適用する場合は、気筒毎に可変圧縮比機構を設ける必要がある。これは、直列４気筒の内燃機関では、一の気筒の排気上死点は他の気筒の圧縮上死点と同時期になるため、一の気筒の排気上死点における相対距離を該気筒の圧縮上死点における相対距離より長くしようとすると、他の気筒の圧縮上死点における相対距離も連動して長くなってしまうからである。
【００５６】
本実施の形態では、クランクケースに対してシリンダブロック及びシリンダヘッドを相対変位させる可変圧縮比機構を例に挙げたが、これに限られないことは勿論であり、コネクティングロッドの大端部とクランクピンの間に偏心ベアリングを介在させ、該偏心ベアリングの回転位置を制御することによりピストンの上死点位置を変更する機構や、中折れ式のコネクティングロッドを用いてクランクシャフトとコネクティングロッドのレバー比を変更する機構であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】実施の形態における内燃機関の概略構成を示す図
【図２】排気上死点において干渉限界圧縮比以上の圧縮比を実現した場合の内燃機関の作動状態を示す図
【図３】圧縮比制御ルーチンを示すフローチャート図
【図４】目標圧縮比が干渉限界圧縮比以下であるときのシリンダブロックの変位状態を示す図
【図５】目標圧縮比が干渉限界圧縮比を越えた場合のシリンダブロックの変位状態を示す図
【図６】吸気バルブの開弁タイミングと排気上死点におけるリフト量との関係を示す図
【図７】排気バルブの閉弁タイミングと排気上死点におけるリフト量との関係を示す図
【符号の説明】
【００５８】
５・・・シリンダヘッド、８・・・ピストン、１０・・・駆動機構、１４・・・ＥＣＵ、５０・・・吸気バルブ、５１・・・排気バルブ
【図１】
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【図２】
2005220754.tif 000004
【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】
2005220754.tif 000009