(57)【要約】【課題】複リンク式ピストンクランク機構の特性を生かして、熱効率が良く燃費の良いエンジンを提供する。【解決手段】エンジンは、上死点付近におけるピストン３の加速度が下死点付近におけるピストン３の加速度よりも小さくなるピストンモーションとなるように構成された複リンク式ピストンクランク機構３０を備える。エンジンコントロールユニット２１は、エンジンの運転点を判断し、エンジンの運転点が所定の部分負荷領域にあると判断されたときに、エンジンを理論空燃比よりも薄い空燃比で運転させる。【選択図】      図１
2005344644.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクシャフトと、
シリンダ内に摺動可能に収装されたピストンと、
前記クランクシャフトと前記ピストンとエンジン本体とに連結され、上死点付近におけるピストンの加速度が下死点付近におけるピストンの加速度よりも小さくなるピストンモーションとなるように構成された複リンク式ピストンクランク機構と、
を備えたエンジンにおいて、
前記エンジンの運転点を判断する手段と、
前記エンジンの運転点が所定の部分負荷領域にあると判断されたときに、前記エンジンを理論空燃比よりも薄い空燃比で運転させる燃焼モード制御手段と、
を備えたことを特徴とするエンジン。
【請求項２】
前記希薄燃焼は、燃焼室内に均質な混合気を形成し燃焼させる均質燃焼であることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記希薄燃焼は、燃焼室内に空燃比の異なる層状の混合気を形成し燃焼させる成層燃焼であることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項４】
前記燃焼モード制御手段は、前記エンジンの運転点が前記所定の部分負荷領域にないと判断されたときは、前記エンジンを理論空燃比で運転させることを特徴とする請求項１から３のいずれかひとつに記載のエンジン。
【請求項５】
前記複リンク式ピストンクランク機構と前記エンジン本体の連結位置を変更することで前記ピストンの上死点位置を変更し、前記エンジンの圧縮比を変更する圧縮比変更手段をさらに備え、
前記エンジンの運転点が所定の低負荷領域にあると判断されたときは、前記圧縮比変更手段により前記ピストンの上死点位置を上昇させて前記エンジンの圧縮比を高めることを特徴とする請求項１から４のいずれかひとつに記載のエンジン。
【請求項６】
前記エンジンの運転点が前記所定の低負荷領域よりも高負荷側に設定される所定の高負荷領域にあると判断されたときは、前記圧縮比変更手段により前記ピストンの上死点位置を下降させて前記エンジンの圧縮比を下げることを特徴とする請求項５に記載のエンジン。
【請求項７】
前記複リンク式ピストンクランク機構と前記エンジン本体の連結位置を変更することで前記ピストンの上死点位置を変更し、前記エンジンの圧縮比を変更する圧縮比変更手段をさらに備え、
前記エンジンの運転点が所定の高負荷領域にあると判断されたときは、前記圧縮比変更手段により前記ピストンの上死点位置を下降させて前記エンジンの圧縮比を下げることを特徴とする請求項１から４のいずれかひとつに記載のエンジン。
【請求項８】
前記圧縮比変更手段により上死点位置を変更した場合、上死点位置が高いほど前記ピストンの最大加速度が小さくなるように前記複リンク式ピストンクランク機構を構成したことを特徴とする請求項５から７のいずれかひとつに記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複リンク式ピストンクランク機構を備えたエンジンに関し、特に、ピストンが上死点付近に長く留まるように複リンク式ピストンクランク機構を構成したエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、複リンク式ピストンクランク機構を備えたエンジンを開示しており、該エンジンにおいては、複リンク式ピストンクランク機構の特性を利用して、部分負荷運転時にピストンの上死点位置を上昇させてエンジンの圧縮比を高め、燃費の向上を図っている。
【０００３】
圧縮比を高めると熱効率が高くなる一方、燃焼温度の上昇により冷却損失が大きくなってしまうことから、特許文献１のエンジンでは、十分な排気還流を行うことで燃焼温度を下げ、冷却損失を抑えるようにしている。また、排気還流量が多くなると燃焼速度が遅くなり、上死点から離れた時期に燃焼が遅れて行われると燃焼が不安定になることから、特許文献１のエンジンでは、さらに、複リンク式ピストンクランク機構を利用してピストンが上死点付近に長く留まるようにピストンモーションを変更し、燃焼が不安定になるのを抑えている。
【０００４】
したがって、特許文献１のエンジンによれば、高圧縮比化によって熱効率を向上するとともに、十分な排気還流によって冷却損失、ポンプ損失を低減して、燃費を向上させることができ、また、排気還流によって燃焼温度が下がるので窒素酸化物の排出量を低減することができる。
【特許文献１】特開２００３−２３２２３３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記エンジンでは部分負荷運転時に排気還流を行っているが、還流される排気の比熱比が大きいため、希薄燃焼を行う場合と比較すると、排気還流を行う場合の方が希薄燃焼を行う場合よりも熱効率が低くなる。
【０００６】
また、上記複リンク式ピストンクランク機構を用いれば、ピストンを上死点付近に長く留まらせ、燃焼室内に高温高圧場を形成、維持することができることから、希薄燃焼が可能な運転領域が拡大し、希薄燃焼を行っても燃焼中に生成される窒素酸化物の量を十分に低いレベルに抑えることができ、着火性の良い燃料を用いればさらに希薄燃焼が可能な運転領域を拡大することができる。希薄燃焼を行えば、比熱比が小さくなって熱効率が向上し、排気還流同様にポンプ損失も小さくなるので、燃費の向上も期待できる。これらの点を考慮すれば、熱効率の点で希薄燃焼に比べて不利な排気還流を従来技術のように行うことは、必ずしも得策ではない。
【０００７】
本発明は、かかる複リンク式ピストンクランク機構の特性を生かして、熱効率が良く燃費の良いエンジンを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るエンジンは、上死点付近におけるピストンの加速度が下死点付近におけるピストンの加速度よりも小さくなるピストンモーションとなるように構成された複リンク式ピストンクランク機構を備える。そして、エンジンの運転点を判断し、エンジンの運転点が所定の部分負荷領域にあると判断されたときには、エンジンを理論空燃比よりも薄い空燃比で運転させる。
【発明の効果】
【０００９】
部分負荷領域において希薄燃焼させることにより、熱効率を向上させるとともにポンプ損失を低減し、燃費を向上させることができる。複リンク式ピストンクランク機構の作用により、ピストンが上死点付近に長く留まるので、燃焼室内に高温高圧場が形成、維持され、かつ、ピストンが下降することによって火炎伝播が途切れるのが抑えられるので、希薄燃焼を行わせることにより燃焼が不安定になることもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００１１】
図１は、本発明に係る複リンク式ピストンクランク機構を備えた火花点火エンジンの概略構成を示している。エンジンは、シリンダヘッド１、シリンダブロック２、及びシリンダ内に収装されたピストン３により画成される燃焼室４を有しており、排気バルブ５及び吸気バルブ６を介して吸気ポート７から新気を導入し、排気ポート８から排気を排出する。排気バルブ５を駆動するカム軸端には燃料ポンプ９が接続され、燃料ポンプ９により加圧された燃料は燃料配管１０を介して燃料噴射弁１１より燃焼室４へ直接噴射することができる。
【００１２】
ピストン３の冠面の燃料噴射弁１１に対面する部分には、ボウル部３ａが凹設されている。成層運転時には、噴射された燃料は主にこのボウル部３ａ内及びその上空部分に成層化された混合気塊を形成し、この混合気塊に対して点火プラグ１２により点火を行うことにより燃焼が行われる。
【００１３】
また、エンジンは、ロアリンク１３と、制御リンク１４と、クランクシャフト１５、クランクピン１６、偏心部１７、制御シャフト１８、コンロッド１９からなる複リンク式ピストンクランク機構３０を有している。制御シャフト１８は、エンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵ）２１からの制御信号に基づき、電動モータを中心として構成される圧縮比制御アクチュエータ２０によって回動位置が制御される。制御シャフト１８の回動位置が変化すると、偏心部１７、すなわち制御リンク１４のエンジン本体に対する回動中心が変位し、これによってピストン３の上死点位置が変更されてエンジンの圧縮比を変更することができる。つまり、複リンク式ピストンクランク機構３０はエンジンの圧縮比を変更するための可変圧縮比機構として機能する。
【００１４】
なお、図１に示す複リンク式ピストンクランク機構３０の構成は、本発明を適用可能な構成の一例を示したものであり、上死点付近におけるピストン３の加速度が下死点付近におけるピストン３の加速度よりも小さくなるピストンモーションを実現でき、かつ、ピストン３の上死点位置を変更することができるものであれば、例えば、特許文献１に開示される構成等、他の構成であっても構わない。
【００１５】
ＥＣＵ２１には、クランクシャフト１５の回転角（エンジン回転速度）を検出するクランク角センサ３１、エンジンの冷却水温を検出する冷却水温センサ３２、アクセルペダルの操作量（エンジン負荷）を検出するアクセル操作量センサ３３からの信号が入力され、これらの信号を基に、燃料量噴射量、燃料噴射時期及び点火時期の制御の他、以下に説明する燃焼モード、圧縮比モードの切換えを行う。
【００１６】
このエンジンでは、燃焼形態として主に、圧縮行程中（特に、圧縮行程後半）に燃料噴射を行うことで希薄運転を実現し、燃料消費率を低減させる成層燃焼モードと、吸気行程中に燃料噴射を行うことで希薄運転を実現し、燃料消費率を低減させる均質リーン燃焼モードと、吸気行程中に燃料噴射を行うことでストイキ運転を実現する均質ストイキ燃焼モードとが設けられ、図５に示すように、エンジン回転速度とエンジン負荷で決まるエンジンの運転点に応じて選択されるようになっている。
【００１７】
成層燃焼モードでは、ボウル部３ａ内及びその上空部分に、その外側の領域の空燃比よりも濃いが、理論空燃比よりも薄い空燃比を形成し、これを点火プラグ１２により着火することで燃焼を行わせる。また、均質リーン燃焼モードでは、燃焼室４全体に理論空燃比よりも薄いリーン混合気を形成し、これを点火プラグ１２により着火することで燃焼を行わせる。燃焼室全体で見た場合、成層燃焼モードでの空燃比は均質リーン燃焼モードでの空燃比よりもさらに薄くなる。
【００１８】
一般に、理論空燃比よりも薄い空燃比では着火しても、ピストンの下降により燃焼室容積が拡大するために火炎の伝播が途中で途切れやすく、火炎を燃焼室４全体に伝播させることは難しい。しかしながら、このエンジンでは複リンク式ピストンクランク機構３０の作用により通常の単リンク式ピストンクランク機構を備えたエンジンよりもピストン３が上死点付近に長く留まるので、成層燃焼モード、均質リーン燃焼モード、いずれの希薄燃焼モードにおいても、燃焼室４内に高温高圧場が形成されるとともに、火炎が伝播する途中でピストン３が下降して火炎の伝播が途切れることが回避され、理論空燃比よりも薄い空燃比でありながら火炎を燃焼室４全体に伝播させ、安定した燃焼を行わせることが可能である。
【００１９】
また、このエンジンでは、図４に示すように、比較的低負荷側の運転領域においてエンジンの圧縮比を高圧縮比に設定する高圧縮比モードと、比較的高負荷側の運転領域において低圧縮比に設定する低圧縮比モードとが設けられており、エンジンの運転点に応じていずれかの圧縮比モードが選択される。これにより、低負荷側の運転領域においてはエンジンの圧縮比を高めることで熱効率を向上させる一方、高負荷側の運転領域においては、エンジンの圧縮比を下げることによりノッキングの発生を効果的に抑制する。
【００２０】
図２は、複リンク式ピストンクランク機構を備えたエンジンと単リンク式ピストンクランク機構を備えたエンジンのピストンモーション履歴を比較したものである。両エンジンのクランク軸からシリンダ上面までの高さは等しいものとする。
【００２１】
複リンク式ピストンクランク機構を備えたエンジンでは、複リンク式ピストンクランク機構の作用により、上死点付近のピストン最大加速度が低下し、上死点付近のピストン変位量が減少するので、単リンク式ピストンクランク機構と比較して、より早い時期にピストンを上死点位置へ近づけ、ピストンを上死点付近に長く留まらせることが可能となる。この結果、複リンク式ピストンクランク機構では上死点付近での高温高圧状態を相対的に長期化することが可能となり、特に、低負荷側の運転領域での燃焼安定性を向上することが可能となる。
【００２２】
図３は圧縮比モード切換え制御、燃焼モード切換え制御の内容を示したフローチャートである。このフローチャートは、ＥＣＵ２１において所定時間毎（例えば、１０ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。
【００２３】
これによると、まず、ステップＳ１では、クランク角センサ３１、アクセル操作量センサ３３からの信号に基づき、エンジンの回転速度、負荷を検出する。エンジン負荷はここではアクセル操作量から検出しているが、燃料噴射量、エンジンの目標トルク等から検出するようにしても良い。
【００２４】
次にステップＳ２では、図４に示す圧縮比モードマップを参照して、エンジンの回転速度と負荷で決まるエンジンの運転点が、全運転領域のうち低負荷側の領域に設定される領域Ａ、この領域Ａの高負荷側に設定される領域Ｂの何れにあるかを判断し、運転点の存在する領域に応じてステップＳ３あるいはＳ４に進む。両領域を設定するにあたっては、後述するように運転点に応じてエンジンの燃焼モードを切り換えた場合に、高圧縮比下でノッキングを抑えることができる運転領域、限界運転点を実験により求め、ノッキングを抑えることができる運転領域が領域Ａに設定される。
【００２５】
領域Ａにあるとして進んだステップＳ３では、エンジンの目標圧縮比を所定の高圧縮比に設定し、設定された目標圧縮比が実現されるようにアクチュエータ２０を制御する。一方、領域Ｂにあるとして進んだステップＳ４では、エンジンの目標圧縮比をステップＳ３で設定される圧縮比よりも低い所定の低圧縮比に設定し、設定された目標縮比が実現されるようにアクチュエータ２０を制御する。
【００２６】
ステップＳ５では次サイクルでの実圧縮比を推定する。これは、ステップＳ３、Ｓ４で目標圧縮比を設定してアクチュエータ２０の制御を開始しても、実際の圧縮比が目標圧縮比に到達するまでにはある程度の時間遅れがあり、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期を変更する際の応答速度から比較するとこの時間遅れを無視することができないからである。具体的には、現在の圧縮比（前サイクルで推定された実圧縮比）と、ステップＳ３あるいはＳ４で設定された目標圧縮比に基づき、アクチュエータ２０の応答特性に合わせた遅れ処理を施すことによって実圧縮比が推定される。
【００２７】
ステップＳ６では、図５に示す燃焼モードマップを参照して、エンジンの運転点が低回転、低負荷側に設定される領域Ｘ、領域Ｘの高回転側、高負荷側に設定される領域Ｙ、領域Ｙのさらに高回転側、高負荷側に設定される領域Ｚのいずれにあるかを判断し、運転点に応じてステップＳ７、Ｓ８、Ｓ９のいずれかに進む。
【００２８】
領域Ｘにあるとして進んだステップＳ７では、エンジンの燃焼モードを成層燃焼モードに設定し、燃料噴射時期、点火時期を成層燃焼モード用に予め用意された所定のテーブルを参照して設定する。燃料噴射時期、点火時期を設定するための各テーブルは、エンジンの圧縮比が図４に示したマップに従い変更されることを考慮して、実験により設定されるものとする。この実施形態では領域Ｘが領域Ａ内に含まれていることから、高圧縮比下で成層燃焼を行うのに適した燃料噴射時期、点火時期が設定されるよう各テーブルが実験により求められる。
【００２９】
また、領域Ｙにあるとして進んだステップＳ８では、エンジンの燃焼モードを均質リーン燃焼モードに設定し、均質リーン燃焼モード用に予め用意された燃料噴射時期、点火時期設定用の所定のテーブルを参照して設定する。この実施形態では、領域Ｙが領域Ａ、領域Ｂの両方と重複するので、領域Ｙと領域Ａが重複する領域では、高圧縮比下で均質リーン燃焼を行うのに適した燃料噴射時期、点火時期が設定され、領域Ｙと領域Ｂが重複する領域では、低圧縮比下で均質リーン燃料を行うのに適した燃料噴射時期、点火時期が設定されるように、各テーブルが実験により求められる。
【００３０】
また、領域Ｚにあるとして進んだステップＳ９では、エンジンの燃焼モードを均質ストイキ燃焼モードに設定し、燃料噴射時期、点火時期を均質ストイキ燃焼モード用に予め用意された所定のテーブルを参照して設定する。各テーブルは、同様に、エンジンの圧縮比が図４に示したマップに従い変更されることを考慮して実験により設定される。
【００３１】
ステップＳ１０では、現在の圧縮比と目標圧縮比との差分に基づき、ステップＳ７、Ｓ８あるいはＳ９で設定した燃料噴射時期、点火時期を補正する。これは、ステップＳ７、Ｓ８あるいはＳ９で設定される燃料噴射時期、点火時期が、実圧縮比が、既に目標変速比になっていること前提とする値となるのに対し、実圧縮比は、上記の通り、アクチュエータ２０の動作遅れから目標圧縮比に対して遅れて変化することを考慮してのことである。
【００３２】
以上の処理を行うことにより、エンジンの運転点に応じてエンジンの圧縮比モード、燃焼モードが切り替えられる。
【００３３】
次に、本発明の作用について説明する。
【００３４】
本発明に係るエンジンは、上死点付近におけるピストンの加速度が下死点付近におけるピストンの加速度よりも小さくなるピストンモーションとなるように構成された複リンク式ピストンクランク機構３０を備え、エンジンの運転点を判断し（ステップＳ２）、エンジンの運転点が所定の部分負荷領域にあると判断されたときに、エンジンを理論空燃比よりも薄い空燃比で運転させるようにしたことにより（ステップＳ７、Ｓ８）、部分負荷領域において排気還流を行っていた従来のエンジンに比べて熱効率を高め、燃費を向上させることができる。
【００３５】
複リンク式ピストンクランク機構３０の作用により、ピストン３が上死点付近に長く留まるようになるので、燃焼室４内に高温高圧場を形成、維持することができ、かつ、火炎が伝播する途中でピストン３が下がってしまい火炎の伝播が途切れるのを抑えることができるので、比較的広い運転領域において希薄燃焼を行っても、燃焼安定性を維持することができる。
【００３６】
希薄燃焼の方式としては、成層燃焼あるいは均質燃焼とすることができ、部分負荷領域のうち、比較的低負荷側かつ低回転側に設定される運転領域（図５、領域Ｘ）においては成層燃焼とし、それよりも高負荷側かつ高回転側に設定される運転領域（図５、領域Ｙ）においては均質燃焼とするというようにエンジンの運転点に応じて切り換えるようにしてもよい。なお、エンジンの運転点が所定の部分負荷領域よりも外側に設定される運転領域（図５、領域Ｚ）にあるときは、エンジンの燃焼方式を均質ストイキ燃焼に切換え（ステップＳ９）、高出力運転に対応できるようにする。
【００３７】
さらに、エンジンの運転点が所定の低負荷領域（図４、領域Ａ）にあるときは、圧縮比変更手段としてのアクチュエータ２０により複リンク式ピストンクランク機構３０とエンジン本体の連結位置（偏心部１７の位置）を変更してピストン３の上死点位置を上昇させ、エンジンの圧縮比を高める（ステップＳ３）。これにより、熱効率をさらに向上させ、燃費をより一層向上させることができる。また、エンジンの運転点が所定の低負荷領域よりも高負荷側に設定される高負荷領域（図４、領域Ｂ）にあると判断されたときは、ピストン３の上死点位置を下降させてエンジンの圧縮比を下げるので（ステップＳ４）、ノッキングを効果的に抑えることができる。
【００３８】
また、図１に示した構成の複リンク式ピストンクランク機構３０においては、上死点位置を上昇させるほど上死点付近でのピストン最大加速度が小さくなる、すなわち、ピストン３が上死点付近により長く留まるようになるので、高圧縮比モードでは希薄燃焼時の燃焼安定性を確保し、低圧縮比モードでは冷却損失を低減して、熱効率のさらなる向上が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、複リンク式ピストンクランク機構を備えたエンジンに適用することができ、エンジンの熱効率を向上させて燃費を向上させるのに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る複リンク式ピストンクランク機構を備えたエンジンの概略構成図である。
【図２】複リンク式ピストンクランク機構を備えたエンジンと単リンク式ピストンクランク機構を備えたエンジンのピストンモーションを比較した図である。
【図３】エンジンコントロールユニットの制御内容を示したフローチャートである。
【図４】エンジンの圧縮比モードを判断するためのマップである。
【図５】エンジンの燃焼モードを判断するためのマップである。
【符号の説明】
【００４１】
１    シリンダヘッド
２    シリンダブロック
３    ピストン
４    燃焼室
１７  偏心部
２０  アクチュエータ（圧縮比変更手段）
２１  エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
３０  複リンク式ピストンクランク機構
３１  クランク角センサ
３２  冷却水温センサ
３３  アクセル操作量センサ
【図１】
2005344644.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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