(57)【要約】【課題】可変圧縮比機構を備えた内燃機関において、異常燃焼の発生を抑制しつつ適正な圧縮比を得る。【解決手段】気筒２内の隙間容積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２０と、気筒２内に吸入される空気の量を調整する吸入空気量制御手段１０と、を備え、前記可変圧縮比機構２０により圧縮比を上昇させる場合には、吸入空気量制御手段１０による吸入空気量の減少を開始した後に可変圧縮比機構２０による圧縮比の上昇を開始する。まず吸入空気量を減少させることにより、気筒２内の圧力を減少させてノッキングの発生を抑制する。【選択図】図１
2007056796.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内の隙間容積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と、
気筒内に吸入される空気の量を調整する吸入空気量制御手段と、
を備え、
前記可変圧縮比機構により圧縮比を上昇させる場合には、前記吸入空気量制御手段による吸入空気量の減少を開始した後に前記可変圧縮比機構による圧縮比の上昇を開始することを特徴とする可変圧縮比機構を備えた内燃機関。
【請求項２】
気筒内の隙間容積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と、
気筒内に吸入される空気の量を調整する吸入空気量制御手段と、
を備え、
前記可変圧縮比機構により圧縮比を低下させる場合には、前記可変圧縮比機構による圧縮比の低下を開始した後に前記吸入空気量制御手段による吸入空気量の増加を開始することを特徴とする可変圧縮比機構を備えた内燃機関。
【請求項３】
前記吸入空気量制御手段は、吸気弁のバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構からなることを特徴とする請求項１または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、隙間容積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】
可変圧縮比機構および可変バルブタイミング機構を共に備えた内燃機関が知られている。この内燃機関によれば、気筒内の隙間容積を変化させることにより圧縮比および膨張比を変更し、内燃機関の熱効率を向上させることができる。また、吸気弁の開閉時期を変更することにより見かけ上の行程容積を減少させて、内燃機関の熱効率を向上させることができる。
【０００３】
ここで、見かけ上の行程容積は、ピストンが吸気弁の閉弁位置から上死点までを移動する距離に気筒断面積を乗じた値であり、以下「実行程容積」または「実排気量」と称する。また、見かけ上の圧縮比は、隙間容積と実行程容積とを加えたものを隙間容積で除した値であり、以下「実圧縮比」と称する。さらに、膨張比は、隙間容積と膨張行程での行程容積とを加えたものを隙間容積で除した値である。
【０００４】
すなわち、実行程容積は可変バルブタイミング機構により吸気弁の閉弁時期を変更することにより変化する。また、実圧縮比は、可変圧縮比機構により圧縮比を変更しても、可変バルブタイミング機構により吸気弁の閉弁時期を変化させても変化する。さらに、膨張比は、可変圧縮比機構により圧縮比を変更することにより変化する。
【０００５】
そして、可変圧縮比機構および可変バルブタイミング機構により変更される実行程容積、実圧縮比、および膨張比は、内燃機関の運転状態および熱効率すなわち燃費にも影響を与える。
【０００６】
ここで、機関回転数および機関負荷に基づいて可変圧縮比機構および可変バルブタイミング機構を制御する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。この従来技術によれば、内燃機関の負荷が増大したときに、まず吸気弁の閉弁時期を早め、その後内燃機関の負荷が更に増大したときに燃焼室の圧縮比を低下させている。
【特許文献１】特開平３−６４６４９号公報
【特許文献２】特開２００２−２７６４４６号公報
【特許文献３】特開２００３−３２８７９４号公報
【特許文献４】特開２００３−２３２２３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、可変圧縮比機構により圧縮比を高くするときに、吸気脈動の影響やスロットルが急に操作されることにより吸入空気量が急激に増加すると、気筒内の圧力が高くなりノッキング発生のおそれがある。また、可変圧縮比機構により圧縮比を変化させるときと、可変バルブタイミング機構により吸気弁の閉弁時期を変化させるときと、では開始から終了までにかかる時間が異なるため、変化の途中で実圧縮比と吸入空気量とのバランスが崩れてノッキングが発生するおそれもある。
【０００８】
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、可変圧縮比機構を備えた内燃機関において、異常燃焼の発生を抑制しつつ適正な圧縮比を得る点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を達成するために本発明による可変圧縮比機構を備えた内燃機関は、以下のことを特徴とする。
【００１０】
すなわち、
気筒内の隙間容積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と、
気筒内に吸入される空気の量を調整する吸入空気量制御手段と、
を備え、
前記可変圧縮比機構により圧縮比を上昇させる場合には、前記吸入空気量制御手段による吸入空気量の減少を開始した後に前記可変圧縮比機構による圧縮比の上昇を開始することを特徴とする。
【００１１】
上記の内燃機関においては、可変圧縮比機構によってピストン行程や燃焼室容積等、内燃機関の圧縮比に関与する要素を変化せしめることで、圧縮比を変更する。また、隙間容積を変更することにより、膨張比も変更される。ここで、隙間容積を小さくするほど、圧縮比および膨張比は高くなり熱効率が上昇する要因となる。但し、圧縮比が高くなりすぎるとノッキングが発生するおそれがある。また、可変圧縮比機構により実圧縮比を高くすると、膨張比も高くなる。
【００１２】
一方、吸入空気量制御手段により吸入空気量が減少されると、隙間容積に対する空気量が減少するため圧縮後の空気の圧力が低くなる。これにより、ノッキングの発生が抑制される。
【００１３】
ここで、実圧縮比を高くすると熱効率は上昇するが、あまり高くするとノッキングが発生するため、ノッキングの発生により実圧縮比の上限が決まる。したがって、この上限付近の実圧縮比となるように可変圧縮比機構および吸入空気量を制御すれば熱効率が高くなる。また、上限付近の実圧縮比とすることにより膨張比も高くなるので、この点においても熱効率が高くなる。
【００１４】
このように、可変圧縮比機構により実圧縮比および膨張比を変化させ、吸入空気量制御手段により吸入空気量を変化させると、内燃機関の熱効率が変化する。そして、実圧縮比および吸入空気量を適切な値とすることにより熱効率が高くなるため、燃費を向上させることができる。
【００１５】
そして、本発明では、圧縮比を上昇させるときに、まず吸入空気量制御手段により吸入空気量を減少させる。これにより、圧縮後の気筒内の圧力が低下する。その後、可変圧縮比機構により圧縮比を上昇させる。このように、まず圧縮後の気筒内の圧力を低下させることにより、圧縮比を上昇させる途中で吸入空気量が急激に増加したとしても、ノッキングが発生する圧力まで上昇することが抑制される。これにより、ノッキングの発生を抑制することができる。
【００１６】
なお、本発明では、吸入空気量の減少が完了する前、すなわち吸入空気量の減少の途中で圧縮比の上昇を開始してもよい。また、気筒内の圧力がノックの発生を抑制し得る圧力となるまで吸入空気量が減少した後に、圧縮比の上昇を開始してもよい。さらには、ノックの発生を抑制し得る気筒内圧力となる圧縮比と吸入空気量との関係を予め求めておき、この関係を維持しつつ圧縮比および吸入空気量を変化させてもよい。
【００１７】
上記課題を達成するために本発明による可変圧縮比機構を備えた内燃機関は、以下のことを特徴としてもよい。すなわち、
気筒内の隙間容積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と、
気筒内に吸入される空気の量を調整する吸入空気量制御手段と、
を備え、
前記可変圧縮比機構により圧縮比を低下させる場合には、前記可変圧縮比機構による圧縮比の低下を開始した後に前記吸入空気量制御手段による吸入空気量の増加を開始することを特徴としても良い。また、気筒内の圧力がノックの発生を抑制し得る圧力となるまで圧縮比が低下した後に、吸入空気量の増加を開始してもよい。
【００１８】
圧縮比を低下させる場合には、吸入空気量制御手段による吸入空気量の増加と、可変圧縮比機構による圧縮比の低下が行われる。ここで、圧縮比を低下させるときに、まだ圧縮比が高い状態で吸入空気量を増加させると気筒内の圧力が高くなりすぎてノッキングが発生するおそれがある。そこで、吸入空気量を増加させる前にまず圧縮比を低下させて気筒内の圧力を低下させる。その後吸入空気量を増加させることにより、気筒内の圧力が高くなる過ぎることを抑制することができる。これにより、ノッキングの発生を抑制することができる。
【００１９】
なお、本発明では、圧縮比の低下が完了する前、すなわち圧縮比の低下の途中で吸入空気量の増加を開始してもよい。また、気筒内の圧力がノックの発生を抑制し得る圧力となるまで圧縮比が低下した後に、吸入空気量の増加を開始してもよい。さらには、ノックの発生を抑制し得る気筒内圧力となる圧縮比と吸入空気量との関係を予め求めておき、この関係を維持しつつ圧縮比および吸入空気量を変化させてもよい。
【００２０】
本発明においては、前記吸入空気量制御手段は、吸気弁のバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構からなっていてもよい。
【００２１】
可変バルブタイミング機構は、バルブタイミングの進角および遅角の制御を行う。ここで、吸入空気量は、吸気弁を吸気下死点近傍で閉じるときに最も多くなるため、吸気弁の閉弁時期をそれより早くしても、また遅くしても吸入空気量は少なくなる。例えば、吸気弁が圧縮行程の途中で閉じるように該吸気弁の閉弁時期を遅らせると、気筒内に一旦吸入された空気が、ピストンの上昇と共に吸気通路へ押し出される。そのため、気筒内の空気の量が減少するので、圧縮後の空気の圧力も低くなる。これにより、圧縮比を減少させたときと同じ効果が得られる。すなわち、実行程容積が隙間容積に対して小さくなっている。
【００２２】
ここで、内燃機関の低負荷運転領域では、吸気弁の閉じ時期を遅らせると実排気量が小さくなることにより平均有効圧が高くなるので熱効率が上昇する要因となる。しかし、吸気弁の閉じ時期を遅らせることにより、実圧縮比が小さくなる点で熱効率が低下する要因となる。
【００２３】
そして、実圧縮比を高くすると熱効率は上昇するが、ノッキングの発生により圧縮比の上限が決まる。したがって、この上限付近の実圧縮比となるように可変圧縮比機構および可変バルブタイミング機構を制御すれば熱効率が高くなる。また、上限付近の実圧縮比とすることにより膨張比を非常に高くすることができるので、この点においても熱効率が高くなる。
【００２４】
一方、実排気量はそのときの運転状態に応じた最適値が存在し、これより大きくても小さくても熱効率は低下する。したがって、実排気量が最適値となるように、可変バルブタイミング機構を制御すれば熱効率が高くなる。
【００２５】
このように、可変圧縮比機構により実圧縮比および膨張比を変化させ、可変バルブタイミング機構により実圧縮比および実排気量を変化させると、内燃機関の熱効率が変化する
。そして、実圧縮比および実排気量を適切な値とすることにより熱効率が高くなり燃費を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２６】
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、異常燃焼の発生を抑制しつつ適正な圧縮比を得ることができるので、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】
【００２７】
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。
【実施例１】
【００２８】
図１は、圧縮比を可変とする可変圧縮比内燃機関（以下、単に「内燃機関」という）１の概略構成を表す図である。なお、本実施例においては、内燃機関１を  簡潔に表示するため、一部の構成要素の表示を省略している。
【００２９】
内燃機関１は、４つのシリンダ２を有するガソリンエンジンである。
【００３０】
内燃機関１は、シリンダヘッド３、シリンダブロック４、およびクランクケース５を備えて構成されている。そして、各シリンダ２には、夫々ピストン６が備えられている。
【００３１】
そして、本実施例による内燃機関１は、例えば、特開２００３−２０６７７１号公報に記載されているような、クランクケース５に対してシリンダブロック４をシリンダ軸方向（以下、上下方向ともいう。）へ進退自在に取り付けるとともに両者の連結部に二重偏心軸を設け、該二重偏心軸を揺動回転させることによりシリンダブロック４を進退駆動させる可変圧縮比機構２０を備えている。
【００３２】
この可変圧縮比機構２０によれば、シリンダブロック４と共にシリンダヘッド３を、シリンダ２の軸線方向にクランクケース５に対して相対移動させる。これによって、シリンダブロック４、シリンダヘッド３およびピストン６によって構成される燃焼室の容積が変更される。その結果、内燃機関１の圧縮比が可変制御される。例えば、シリンダブロック４がクランクケース５から遠ざかる方向に相対移動されると、燃焼室容積が増えて圧縮比が低下する。
【００３３】
また、内燃機関１においては、吸気弁７の開閉動作は吸気側カムシャフト８によって行われる。吸気側カムシャフト８には吸気側プーリ９が取り付けられている。更に、吸気側カムシャフト８と吸気側プーリ９との相対的な回転位相を変更可能とする可変バルブタイミング機構（以下、「ＶＶＴ」という）１０が設けられている。このＶＶＴ１０は、ＥＣＵ９０からの指令に従って吸気側カムシャフト８と吸気側プーリ９との相対的な回転位相を制御する。
【００３４】
そして、吸気側プーリ９の回転駆動は、クランクシャフト１１の駆動力によって行われる。これにより吸気側カムシャフト８が回転駆動されて、吸気弁７の開閉動作が行われる。
【００３５】
また、内燃機関１には、吸気管３０が接続されており、該吸気管３０の途中にはスロットル３１が取り付けられている。
【００３６】
ここで、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ９０が併設されている。このＥＣＵ９０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。
【００３７】
ここで、クランクポジションセンサ９１がＥＣＵ９０と電気的に接続されており、ＥＣＵ９０は内燃機関１の出力軸の回転角に応じた信号を受け取り、内燃機関１の機関回転速度や、該機関回転速度とギア比等から内燃機関１が搭載されている車両の車両速度等を算出する。また、アクセル開度センサ９２がＥＣＵ９０と電気的に接続されており、ＥＣＵ９０はアクセル開度に応じた信号を受け取り、この信号に応じて内燃機関１に要求される機関負荷等を算出する。
【００３８】
更に、可変圧縮比機構２０を構成するモータがＥＣＵ９０と電気的に接続されている。そして、ＥＣＵ９０からの指令によりモータが駆動されて、可変圧縮比機構２０による内燃機関１の圧縮比の変更が行われる。
【００３９】
ここで、本実施例においては、内燃機関１の低負荷運転領域で、ＶＶＴ１０により吸気弁７の閉弁時期を遅らせ、さらに可変圧縮比機構２０により圧縮比を高くさせる。可変圧縮比機構２０は、ＶＶＴ１０により吸気弁７の閉弁時期を遅らせなければノッキングが発生するおそれのある実圧縮比となるように制御される。すなわち、シリンダブロック４とクランクケース５との相対距離を短くする方向にシリンダブロック４が移動される。また、ＶＶＴ１０は、吸気弁７の閉弁時期を遅らせて実圧縮比を低下させる。そして、最終的には、ノッキングの発生するおそれのない実圧縮比となるようにＶＶＴ１０により吸気弁７の閉弁時期が設定される。
【００４０】
このようにすることで、低負荷運転領域においてノッキングが発生しない範囲内で実圧縮比を高く設定することができ、且つ膨張比を非常に高くすることができる。その結果、熱効率を向上させることができる。一方、高負荷運転領域においては、実圧縮比および膨張比を低下させることによりシリンダ２内への流入空気量を増加させることができ、出力を向上させることができる。
【００４１】
そして、本実施例においては、高負荷運転状態から低負荷運転状態へと移行する際に、内燃機関１の圧縮比が上昇される。この際に、まずＶＶＴ１０により吸気弁７の閉弁時期を遅らせる。そして、その後に可変圧縮比機構２０により実圧縮比を上昇させる。
【００４２】
最初にＶＶＴ１０を作動させることにより、シリンダ２内の圧力が低下する。そのため、スロットル３１の急な操作等により突発的な吸入空気量の増加が起きても、シリンダ２内の圧力が過剰に上昇することが抑制される。これにより、ノッキングの発生を抑制することができる。
【００４３】
図２は、内燃機関の要求負荷が高負荷から低負荷に移項するときの、スロットル３１の開度、ＶＶＴ１０の制御量、および可変圧縮比機構２０の制御量の推移を示したタイムチャートである。上段はスロットル開度、中段は吸気弁７の閉弁時期すなわちＶＶＴ１０による遅角量、下段は可変圧縮比機構２０により設定される圧縮比（図２中では機械圧縮比と称している。）を夫々示している。
【００４４】
Ａで示される時間において低負荷要求があり、Ｂで示される時間においてＶＶＴ１０が作動を開始し、Ｃで示される時間において可変圧縮比機構２０が作動を開始している。このように、内燃機関１の要求負荷が低下を始めた後に、ＶＶＴ１０の遅角量が大きくなり始め、さらにその後に可変圧縮比機構２０による圧縮比の上昇が開始されている。すなわち、吸気弁７の遅角量が増加されることにより吸入空気量が減少されてから、可変圧縮比機構２０による圧縮比の増加が行われる。
【００４５】
次に、本実施例によるＶＶＴ１０および可変圧縮比機構２０の制御フローについて説明
する。
【００４６】
図３は、内燃機関が高負荷運転状態から低負荷運転状態へと移行する際のＶＶＴ１０および可変圧縮比機構の制御フローを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行される。
【００４７】
ステップＳ１０１では、低負荷要求があるか否か判定される。すなわち、実圧縮比が上昇される状態となっているか否か判定される。本ステップでは、アクセル開度センサ９２により得られるアクセルの踏み込み量が小さくなる側に変化した場合に低負荷要求があると判定される。
【００４８】
ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。
【００４９】
ステップＳ１０２では、ＶＶＴ１０により吸気弁７の閉弁時期を変化させる量、および可変圧縮比機構２０によりシリンダブロック４を移動させる量が決定される。すなわち、ＶＶＴ１０および可変圧縮比機構２０の制御量が決定される。
【００５０】
例えば、スロットル３１の開度と、吸気弁７の閉弁時期と、可変圧縮比機構２０により設定される圧縮比と、の関係を予め実験等により求めてマップ化し記憶させておく。そして、現時点でのスロットル３１の開度に対応した吸気弁７の閉弁時期と、変更前のスロットル３１の開度に対応した吸気弁７の閉弁時期と、から吸気弁７の閉弁時期の変化量を算出する。この変化量を得るためにＶＶＴ１０が作動する量が制御量として決定される。可変圧縮比機構２０の制御量も同様にして決定される。
【００５１】
ステップＳ１０３では、ＶＶＴ１０の制御が開始される。すなわち、吸気弁７の閉弁時期の遅角が開始される。
【００５２】
ステップＳ１０４では、可変圧縮比機構２０の制御が開始される。すなわち、シリンダブロック４がクランクケース５側に移動される。ＶＶＴ１０の制御が開始されてから可変圧縮比機構２０の制御が開始されるまでの時間は、これらの制御値と対応した値として予め実験等により求めてＥＣＵ９０に記憶させておく。
【００５３】
このようにして、内燃機関１が高負荷運転状態から低負荷運転状態へ移行する際に、吸気弁７の閉弁時期の遅角がまず開始されるので、吸入空気量が一旦減少される。すなわち気筒内の圧力を一旦減少させた後に可変圧縮比機構２０により圧縮比を上昇させているので、スロットル３１の急な操作等があったとしても圧力が過剰に上昇することを抑制することができ、以てノッキングの発生を抑制することができる。
【実施例２】
【００５４】
本実施例においては、内燃機関１が低負荷運転状態から高負荷運転状態へと移行する際のＶＶＴ１０および可変圧縮比機構２０の制御について説明する。
【００５５】
本実施例においては、内燃機関１が低負荷運転状態から高負荷運転状態へと移行する際に、内燃機関１の圧縮比が低下される。この際に、まず可変圧縮比機構２０により実圧縮比を低下させる。そして、その後にＶＶＴ１０により吸気弁７の閉弁時期を進め、吸入空気量を増加させる。
【００５６】
最初に可変圧縮比機構２０を作動させることにより、圧縮比が低下する。そのため、スロットル３１の急な操作等により突発的な吸入空気量の増加が起きても、シリンダ２内の
圧力が過剰に上昇することが抑制される。これによりノッキングの発生を抑制することができる。
【００５７】
図４は、内燃機関が低負荷運転状態から高負荷運転状態へと移行する際のＶＶＴ１０および可変圧縮比機構の制御フローを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行される。図３と同じ処理が行われるステップについては、同じ符号を付して説明を省略する。
【００５８】
ステップＳ２０１では、高負荷要求があるか否か判定される。すなわち、実圧縮比が低下される状態となっているか否か判定される。本ステップでは、アクセル開度センサ９２により得られるアクセルの踏み込み量が大きくなる側に変化した場合に高負荷要求があると判定される。
【００５９】
ステップＳ２０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。
【００６０】
ステップＳ２０２では、可変圧縮比機構２０の制御が開始される。すなわち、シリンダブロック４がクランクケース５から離れる方向に移動される。
【００６１】
ステップＳ２０３では、ＶＶＴ１０の制御が開始される。すなわち、吸気弁７の閉弁時期の進角が開始される。可変圧縮比機構２０の制御が開始されてからＶＶＴ１０の制御が開始されるまでの時間は、これらの制御値と対応した値として予め実験等により求めてＥＣＵ９０に記憶させておく。
【００６２】
このようにして、内燃機関１が低負荷運転状態から高負荷運転状態へ移行する際に、可変圧縮比機構２０による圧縮比の低下がまず開始されるので、気筒内の圧力が一旦低下される。その後にＶＶＴ１０により吸入空気量を増加させているので、スロットル３１の急な操作等があったとしても圧力が過剰に上昇することを抑制することができ、以てノッキングの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】圧縮比を可変とする可変圧縮比内燃機関の概略構成を表す図である。
【図２】内燃機関の要求負荷が高負荷から低負荷に移項するときの、スロットルの開度、ＶＶＴの制御量、および可変圧縮比機構の制御量の推移を示したタイムチャートである。
【図３】内燃機関が高負荷運転状態から低負荷運転状態へと移行する際のＶＶＴおよび可変圧縮比機構の制御フローを示したフローチャートである。
【図４】内燃機関が低負荷運転状態から高負荷運転状態へと移行する際のＶＶＴおよび可変圧縮比機構の制御フローを示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００６４】
１     内燃機関
２     シリンダ
３     シリンダヘッド
４     シリンダブロック
５     クランクケース
６     ピストン
７     吸気弁
８     吸気側カムシャフト
９     吸気側プーリ
１０   可変バルブタイミング機構
１１   クランクシャフト
２０   可変圧縮比機構
３０   吸気管
３１   スロットル
９０   ＥＣＵ
９１   クランクポジションセンサ
９２   アクセル開度センサ
【図１】
2007056796.tif 000003
【図２】
2007056796.tif 000004
【図３】
2007056796.tif 000005
【図４】
2007056796.tif 000006