(57)【要約】【課題】低負荷域においてＮＯｘトラップ触媒等のＮＯｘ浄化装置が不要なほどＮＯｘの排出量が少ない超希薄燃焼を可能とする可変圧縮比エンジンを提供する。【解決手段】運転状態を検出する運転状態検出手段と、混合気の空燃比を調節する空燃比制御手段７０と、燃焼室３０の圧縮比を変更する圧縮比変更手段５１〜５３と、吸気ポートに噴射される燃料の燃料噴射時期を制御する燃料噴射制御手段７０と、運転状態が所定負荷よりも低い低負荷域であるとき、負荷に応じて燃焼室の圧縮比を高めて希薄空燃比限界を拡大し、その拡大した希薄空燃比限界付近まで前記空燃比を希薄化し、燃料噴射時期を変化させられる運転状態制御手段７０とを備える。【選択図】図１
2007239602.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
運転状態を検出する運転状態検出手段と、
混合気の空燃比を調節する空燃比制御手段と、
燃焼室の圧縮比を変更する圧縮比変更手段と、
吸気ポートに噴射される燃料の燃料噴射時期を制御する燃料噴射制御手段と、
前記運転状態が所定負荷よりも低い低負荷域であるとき、負荷に応じて前記燃焼室の圧縮比を高めて希薄空燃比限界を拡大し、その拡大した希薄空燃比限界付近まで前記空燃比を希薄化し、燃料噴射時期を変化させられる運転状態制御手段と、
を備えることを特徴とする可変圧縮比エンジン。
【請求項２】
複数のリンクを介してクランクシャフトに連結するピストンを備え、
前記圧縮比変更手段は、前記複数のリンクのうちの少なくともひとつのリンクの動作を規制して前記ピストンの上死点位置を調整して圧縮比を変更する、
ことを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比エンジン。
【請求項３】
前記複数のリンクは、ピストンピンを介して連結される第１リンクと、前記第１リンクに揺動可能に連結されるとともに前記クランクシャフトに回転可能に装着される第２リンクとであって、
前記圧縮比変更手段は、前記第２リンクに連結され、その第２リンクの動作を規制して圧縮比を変更する、
ことを特徴とする請求項２に記載の可変圧縮比エンジン。
【請求項４】
１本のコンロッドを介してクランクシャフトに連結するピストンを有するノーマルエンジンに比べて、ピストンの上死点付近滞在期間が長い、
ことを特徴とする請求項３に記載の可変圧縮比エンジン。
【請求項５】
高圧縮比ほど、上死点付近滞在期間が長くなる、
ことを特徴とする請求項４に記載の可変圧縮比エンジン。
【請求項６】
所定距離を移動して上死点に達する時間が、上死点から所定距離を移動する時間よりも短い、
ことを特徴とする請求項３から請求項５までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。
【請求項７】
低圧縮比ほど、所定距離を移動して上死点に達する時間が、上死点から所定距離を移動する時間よりも短くなる、
ことを特徴とする請求項６に記載の可変圧縮比エンジン。
【請求項８】
１本のコンロッドを介してクランクシャフトに連結するピストンを有するノーマルエンジンに比べて、ピストンのストローク特性が単振動に近い特性である、
ことを特徴とする請求項３から請求項７までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。
【請求項９】
前記運転状態制御手段は、前記低負荷域において燃料噴射を断続的に行なうことによって混合気に濃い部分と薄い部分を交互に生成する、
ことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。
【請求項１０】
前記運転状態制御手段は、前記低負荷域において負荷が低いほど燃料噴射時期を遅らせる、
ことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。
【請求項１１】
前記運転状態制御手段は、前記運転状態が前記所定負荷よりもさらに低い負荷域にあるときに、吸気弁が開いている間に燃料噴射が行なわれるように燃料噴射時期を遅らせる、
ことを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。
【請求項１２】
前記運転状態制御手段は、前記低負荷域において前記所定負荷よりも高い負荷域での圧縮比よりも高い圧縮比にして希薄空燃比限界を拡大する、
ことを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。
【請求項１３】
前記運転状態制御手段は、前記低負荷域において希薄空燃比限界付近まで混合気の空燃比を希薄化することで、ＮＯｘ浄化触媒が不要なほど、エンジンから排出される窒素酸化物を減少させる、
ことを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。
【請求項１４】
前記運転状態制御手段は、前記低負荷域において希薄空燃比限界付近まで混合気の空燃比を希薄化することで、エンジンから排出される窒素酸化物を略ゼロにする、
ことを特徴とする請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。
【請求項１５】
前記運転状態制御手段は、前記低負荷域において混合気の空燃比を３０以上にする、
ことを特徴とする請求項１から請求項１４までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。
【請求項１６】
前記運転状態制御手段は、前記低負荷域において負荷が低いほど圧縮比を高めて希薄空燃比限界を拡大し、拡大された希薄空燃比限界付近まで空燃比を希薄化する、
ことを特徴とする請求項１から請求項１５までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。
【請求項１７】
混合気に排ガスを導入する排ガス導入手段をさらに備え、
前記運転状態制御手段は、前記所定負荷よりも高い負荷域において空燃比を略理論空燃比にするとともに、混合気に排ガスを導入する、
ことを特徴とする請求項１から請求項１６までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。
【請求項１８】
前記運転状態制御手段は、前記所定負荷よりも高い負荷域において負荷が低いほど圧縮比を高圧縮比にする、
ことを特徴とする請求項１７に記載の可変圧縮比エンジン。
【請求項１９】
前記排ガス導入手段は、排気弁の開閉時期を変更する排気弁位相変更手段を備え、
前記排ガスは、排気弁の早期閉作動によって気筒内に残留した排ガスである、
ことを特徴とする請求項１６から請求項１８までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。
【請求項２０】
前記排ガス導入手段は、排気通路を流れる排ガスの一部を吸気通路に還流する排ガス還流通路を備え、
前記排ガスは、前記排ガス還流通路を介して還流された排ガスである、
ことを特徴とする請求項１６から請求項１８までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。
【請求項２１】
前記排ガスの導入量は、負荷が低いほど多い、
ことを特徴とする請求項１６から請求項２０までのいずれか１項に記載の可変圧縮比エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、可変圧縮比エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンは、空燃比がリーンである方が燃料消費量が少なく燃費が向上する。ところが空燃比がストイキ（空燃比１５程度）よりもややリーンの状態（空燃比１６〜１７程度）では窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量が非常に多くなる。空燃比がさらにリーンの状態では、空燃比が１６程度のときよりはＮＯｘの排出量が減少するものの、それでも依然としてＮＯｘの排出量が多い。またエンジンは希薄空燃比限界を超えては混合気中に含有される燃料が少なすぎて、筒内燃焼が不安定になって運転できない。そこで従来のいわゆるリーンバーンエンジンは、筒内燃焼が不安定にならず、かつ燃費を向上させるために、希薄空燃比限界を超えない範囲で空燃比をリーンにしている。そして、排出される多量のＮＯｘについては触媒で浄化する必要があり、このために使用するＮＯｘ浄化触媒（例えばＮＯｘを一旦トラップしてからＮＯｘを浄化するＮＯｘトラップ触媒など）は高価である。またＮＯｘを還元するために燃料又は過濃燃焼ガスを必要とするので燃費低減効果が少ない。
【０００３】
ところで希薄空燃比限界を拡大するには、圧縮比を高くするとよいことが知られている。すなわち圧縮比が高ければ点火時の燃焼室内容積が小さいので、少ない燃料でも着火しやすくなる。そのため空燃比が、よりリーンな範囲でも安定して筒内燃焼するのである。
【０００４】
そこで特許文献１に記載されたエンジンは、シリンダヘッドに設けた可変容積用ピストンによって燃焼室容積を変化させることで圧縮比を可変にし、低負荷時には圧縮比を高めて希薄空燃比限界を拡大して、よりリーンな空燃比での運転を可能にしている。
【特許文献１】特開昭６０−２４０８３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、前述した従来の可変圧縮比エンジンは、確かに圧縮比を高くすることで希薄燃焼安定限界を拡大でき、空燃比をよりリーンにすることができ、ＮＯｘを減少できる。ところがこのようなエンジンでは、空燃比をせいぜい２４〜２５程度にすることが限界であり、ＮＯｘトラップ触媒などを完全に廃止することができるまでＮＯｘを減少することはできない。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、ＮＯｘトラップ触媒等のＮＯｘ浄化装置が不要なほどＮＯｘの排出量が少ない超希薄燃焼を可能とする可変圧縮比エンジンを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
本発明は、運転状態を検出する運転状態検出手段（ステップＳ１）と、混合気の空燃比を調節する空燃比制御手段（７０）と、燃焼室（３０）の圧縮比を変更する圧縮比変更手段（５１〜５３）と、吸気ポートに噴射される燃料の燃料噴射時期を制御する燃料噴射制御手段（７０）と、前記運転状態が所定負荷よりも低い低負荷域であるとき、負荷に応じて燃焼室の圧縮比を高めて希薄空燃比限界を拡大し、その拡大した希薄空燃比限界付近まで前記空燃比を希薄化し、燃料噴射時期を変化させられる運転状態制御手段（７０）とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、低負荷域において圧縮比を高圧縮化することによって希薄空燃比限界を拡大し、希薄混合気の燃焼を安定させることができる。このとき、吸気弁が開弁しているときに燃料噴射が行なわれるように燃料噴射時期を遅らせることによって、噴射燃料が吸気ポート付近で滞留して均質化することを防ぐことができる。これにより、噴射燃料は濃度の濃い部分が維持されたまま点火プラグ付近まで送り込まれ、希薄混合気の燃焼をさらに安定させることができる。このようにして、低負荷域においてＮＯｘをほとんど発生させない超希薄燃焼を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による可変圧縮比エンジンの第１実施形態を示す図である。
【００１１】
本件発明者らは、従来より、図１に示すようなピストンとクランクシャフトとを２つのリンクで連結する複リンク機構による可変圧縮比エンジン（以下「複リンク式可変圧縮比エンジン」という）について鋭意研究を重ねている。この複リンク式可変圧縮比エンジンは、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（詳細は例えば特開2002-285857号公報）。
【００１２】
そして発明者らのさらなる研究によって、この特性を利用すれば、複リンク式可変圧縮比エンジンの希薄燃焼安定限界を拡大でき、ＮＯｘ排出量をほとんど無くすことができるということが知見された。
【００１３】
本発明は、発明者らのそのような知見に基づいてなされたものである。
【００１４】
まず最初に複リンク式可変圧縮比エンジンについて説明する。図１は、本実施形態で採用する複リンク式可変圧縮比エンジンを示す図である。
【００１５】
図１に示すように、エンジン１０は内部に燃焼室３０を有する。エンジン１０は、外気を燃焼室３０に導く吸気ポート５６と、燃焼後の排気を排出する排気ポート６２とを備える。
【００１６】
燃焼室３０と吸気ポート５６との間には吸気弁５５を備える。吸気弁５５は、吸気ポート５６と燃焼室３０との間を開閉して燃焼室３０への吸気量を調節する。また、吸気ポート５６は燃料噴射弁４１を備える。燃料噴射弁４１は、図示しない燃料タンクと連結して燃焼室３０に燃料を供給する。燃料噴射弁４１は、燃料を霧状に噴射して外気と混ぜ合わせて混合気を生成する。燃焼室３０に供給された混合気は点火プラグ４２によって点火される。
【００１７】
また、燃焼室３０と排気ポート６２との間には排気弁６１を備える。排気弁６１は、排気ポート６２と燃焼室３０との間を開閉して排ガスを排出する。排気弁６１は後述するように開閉タイミングの変更が可能である。本実施形態では、排気弁６１の開閉タイミングを制御することによってＥＧＲ量を調整することができる。
【００１８】
複リンク式可変圧縮比エンジン１０は、ピストン３２とクランクシャフト３３とを２つのリンク（アッパリンク（第１リンク）１１、ロアリンク（第２リンク）１２）で連結するとともに、コントロールリンク（第３リンク）１３でロアリンク１２の姿勢を制御して機関圧縮比を変更する。
【００１９】
アッパリンク１１は、上端をピストンピン２１を介してピストン３２に連結し、下端を連結ピン２２を介してロアリンク１２の一端に連結する。ピストン３２は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック３１のシリンダ３１ａ内を往復動する。
【００２０】
ロアリンク１２は、一端を連結ピン２２を介してアッパリンク１１に連結し、他端を連結ピン２３を介してコントロールリンク１３に連結する。また、ロアリンク１２は、ほぼ中央の連結孔に、クランクシャフト３３のクランクピン３３ｂを挿入し、クランクピン３３ｂを中心軸として回転する。ロアリンク１２は左右の２部材に分割可能に構成される。クランクシャフト３３は、複数のジャーナル３３ａとクランクピン３３ｂとを備える。ジャーナル３３ａは、シリンダブロック３１及びラダーフレーム３４によって回転自在に支持される。クランクピン３３ｂは、ジャーナル３３ａから所定量偏心しており、ここにロアリンク１２が回転自在に連結する。
【００２１】
コントロールリンク１３は、先端に連結ピン２３を挿入し、ロアリンク１２に回動可能に連結する。またコントロールリンク１３は、他端を偏心連結ピン２４を介してコントロールシャフト２５に連結する。コントロールリンク１３は、この偏心連結ピン２４を中心として揺動する。またコントロールシャフト２５にはギヤが形成されており、そのギヤがアクチュエータ５１の回転軸５２に設けられたピニオン５３に噛合する。アクチュエータ５１によってコントロールシャフト２５が回転させられ、偏心連結ピン２４が移動する。
【００２２】
これら各機構の制御は、運転状態に応じてコントローラ７０によって行なわれる。コントローラ７０は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。
【００２３】
コントローラ７０は、アクチュエータ５１を制御してコントロールシャフト２５を回転させて圧縮比を変更する。また、コントローラ７０は吸気ポート５６に設けられた燃料噴射弁４１の燃料の噴射量や噴射時期を制御する。さらに、コントローラ７０はシリンダヘッドに設けられた点火プラグ４２の点火タイミングを制御する。また、コントローラ７０は排気弁６１の開閉タイミングを制御してＥＧＲ量を調整する。
【００２４】
次に、本実施形態における燃料噴射制御について説明する。燃料噴射量の制御は燃料噴射弁４１への通電時間を制御することによって行われる。したがって、通電時間を長くすると燃料噴射量が増量される。コントローラ７０は各種センサから取得した情報をもとに運転状態を導出し、必要な燃料噴射量を算出する。コントローラ７０は燃料噴射弁４１をこの燃料量を噴射するのに必要な時間だけ通電する。
【００２５】
本実施形態では、燃料噴射のタイミングを制御して混合気に濃い部分と薄い部分を生成する。そして混合気の濃い部分と薄い部分とが交互に並ぶように燃料を噴射することによって、濃度が均質な場合よりも大きな燃焼エネルギーを作り出して燃焼性を向上させる。図２は、燃料噴射のタイミングを制御して混合気に濃い部分と薄い部分を生成する仕組みを示す図であり、図２（Ａ）（Ｂ）は通常の燃料噴射制御、図２（Ｃ）（Ｄ）は混合気に濃い部分と薄い部分を生成する燃料噴射制御を示す。また、図２（Ａ）（Ｃ）は燃料噴射弁４１への通電、図２（Ｂ）（Ｄ）は噴射された燃料の濃度分布を示している。
【００２６】
通常の燃料噴射は、図２（Ａ）に示すように燃料噴射弁４１に対して一定時間連続的に通電する。こうすることで燃料噴射弁４１の噴射口が一定時間開口し、所定量の燃料が噴射される。したがって、図２（Ｂ）に示すように比較的均質な混合気が生成される。
【００２７】
一方、本実施形態では図２（Ｃ）に示すように燃料噴射弁４１への通電を断続的に行なう。このように燃料の噴射と停止を断続的に繰り返すことで、図２（Ｄ）に示すような濃い部分と薄い部分とが適当な間隔で並ぶ混合気を生成することができる。
【００２８】
図２（Ｄ）に示すような濃い部分と薄い部分とが交互に並ぶ混合気の燃焼過程について説明する。混合気の濃い部分に対して点火すると、比較的大きな燃焼エネルギーを得ることができる。この濃い部分の燃焼によって薄い部分の混合気に対しても確実に火炎を伝播させることができる。そしてこの燃焼火炎を混合気の濃い部分まで伝播させ、再び大きな燃焼エネルギーを得る。本実施形態では、このような燃焼を繰り返して燃焼火炎を成長させる。こうして少ない燃料噴射量であっても混合気に濃い部分を作り出すことによって、均質な濃度で燃焼させるよりも大きな燃焼エネルギーを発生させて燃焼性を向上させることができる。
【００２９】
なお、このような図２（Ｃ）に示す制御は比較的負荷の低い運転領域で行なわれ、一定以上のトルク出力が要求される中高負荷域では図２（Ａ）に示すような通常の燃料噴射制御が行なわれる。
【００３０】
本実施形態では、低負荷域において吸気弁５５が開いている間に燃料噴射が行なわれるように燃料噴射時期（燃料噴射の終了タイミング）を遅らせる。また、通常の制御では吸気弁５５が開弁する前に燃料噴射を完了させる。このため、生成された混合気は吸気ポート５６付近でいったん滞留してから燃焼室３０に吸気される。したがって、通常のタイミングで燃料噴射を行なった場合には、前述のように濃い部分と薄い部分とが交互に並ぶように混合気を生成しても燃焼室に吸気される前に撹拌されてしまう可能性が高い。そこで、本実施形態では吸気弁５５が開いているときに燃料を噴射することによって、生成された混合気が撹拌されることなく燃焼室３０に送り込むことができる。
【００３１】
図３は排気弁６１の開閉タイミング調整機構を説明する図であり、図３（Ａ）は開弁時の状態、図３（Ｂ）は閉弁時の状態を表す。本実施形態では、排気の完了前に排気弁６１を閉じることで排ガスを燃焼室内に残留させ、この排ガスによってＥＧＲ効果を得る。したがって、ＥＧＲ量を制御するためには排気弁６１をクランクシャフトの回転と独立して開閉する機構を必要とする。
【００３２】
このような排気弁６１の開閉タイミングを調整する機構としては、例えば特開2004-346825号公報のように開閉リフト量と開閉タイミングを変更するものや、特開2000-45733号公報のように電磁駆動機構によって開閉タイミングを変更可能なものがある。ここでは電磁駆動機構によるものを簡単に説明する。
【００３３】
排気弁６１は、バルブシート６３に着座又は離座することによって排気ポート６２を開閉する。排気弁６１のバルブステム６４には、可動子６５が固着されている。可動子６５は上側スプリング６６及び下側スプリング６７と連結する。上側スプリング６６は図上方に下側スプリング６７は図下方に可動子６５を付勢し、軸方向に弾性的に支持する。上側スプリング６６及び下側スプリング６７は、バルブステム６４を遊挿する。
【００３４】
可動子６５の上下には開弁用電磁コイル６８と閉弁用電磁コイル６９とが備えられている。可動子６５は磁性材料で形成されており、これらの電磁コイルの一方を通電すると、発生した磁力によって可動子６５が電磁コイルに引き寄せられる。また、開弁用電磁コイル６８は下側スプリング６７を、閉弁用電磁コイル６９は上側スプリング６６を遊挿している。
【００３５】
次に、排気弁６１の開閉動作について説明する。開弁用電磁コイル６８及び閉弁用電磁コイル６９への電力供給がともに遮断されている状態では、上側スプリング６６及び下側スプリング６７の弾性力によって、可動子６５は電磁コイル６８，６９の中間に位置する。開弁用電磁コイル６８に通電すると、図３（Ａ）に示すように可動子６５は開弁用電磁コイル６８に引き寄せられて矢印Ｃの方向に移動し、排気ポート６２を開弁する。一方、閉弁用電磁コイル６９に通電すると、図３（Ｂ）のように可動子６５は閉弁用電磁コイル６９に引き寄せられて矢印Ｄの方向に移動し、排気ポート６２を閉弁する。
【００３６】
このように電磁コイル６８，６９の通電を切替えることによって、排気弁６１をクランクシャフトの回転と独立して開閉させることができる。
【００３７】
図４は複リンク式可変圧縮比エンジンによる圧縮比変更方法を説明する図である。
【００３８】
コントロールシャフト２５を回転して、偏心連結ピン２４の位置を変更することで、機関圧縮比が変更する。例えば図４（Ａ）、図４（Ｃ）に示すように偏心連結ピン２４を位置Ａにすれば、上死点位置が高くなり高圧縮比になる。
【００３９】
そして図４（Ｂ）、図４（Ｃ）に示すように、偏心連結ピン２４を位置Ｂにすれば、コントロールリンク１３が上方へ押し上げられ、連結ピン２３の位置が上がる。これによりロアリンク１２はクランクピン３３ｂを中心として反時計方向に回転し、連結ピン２２が下がり、ピストン上死点（ＴＤＣ）におけるピストン３２の位置が下降する。したがって圧縮比が低圧縮比になる。
【００４０】
図５は、ピストン挙動を示す図であり、図５（Ａ）は図５（Ｂ）の点線部の拡大図である。
【００４１】
上述したように、複リンク式可変圧縮比エンジンは、同じ圧縮比である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い。この点を図５を参照して説明する。図５には、ノーマルエンジンと同じ圧縮比にした複リンク式可変圧縮比エンジンのピストン挙動が細実線で示されている。この図より、複リンク式可変圧縮比エンジンは、同じ圧縮比である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いことが分かる。
【００４２】
さらにピストンが上死点から所定の距離内にあるときを、ピストンが上死点付近にあるとすると、複リンク式可変圧縮比エンジンの高圧縮比のときに上死点付近にあるときの方が、低圧縮比のときに上死点付近にあるときよりも、ピストンの上死点付近滞在期間が長い。すなわち図５（Ｂ）において、Ｌ1＞Ｌ2である。
【００４３】
このように複リンク式可変圧縮比エンジンは、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い。さらに圧縮比が高い方がピストンが上死点付近に滞在する期間が長い。ピストンが上死点付近に長く滞在するということは、燃焼中に高圧縮状態が長く維持されるということである。高圧縮状態が長く維持されると、超希薄燃焼であっても比較的大きな燃焼エネルギーを得ることができるので燃焼性が安定する。また、ピストンのストローク特性を単振動に近い特性にすれば、エンジン全体の振動を小さくすることができる。
【００４４】
複リンク式可変圧縮比エンジンはこのような特性を有することから、図６の特性を有する。図６（Ａ）は、空燃比と燃焼安定度との関係を示す図である。図中の細線はノーマルエンジン、太線は複リンク式可変圧縮比エンジンである。
【００４５】
この図を見て分かるように、ノーマルエンジン（圧縮比８〜１２程度）において燃焼安定性を確保できる空燃比は２２程度である。
【００４６】
一方、複リンク式可変圧縮比エンジンによれば、ピストンの上死点付近滞在時間が長いために圧縮比が高い状態が長くなり、燃焼安定限界が損なわれにくい。そして圧縮比を高くすることで（例えば圧縮比１８程度）、空燃比A/Fが３０程度まで安定した燃焼をすることができる。
【００４７】
図６（Ｂ）は、複リンク式可変圧縮比エンジンにおける空燃比と排出ＮＯｘ量との関係を示す図である。図中の太線は高圧縮比の場合、細線は低圧縮比の場合である。
【００４８】
この図より、圧縮比が低い方が排出されるＮＯｘ量が少ないものの、空燃比を略３０以上にしてしまうと、圧縮比にかかわらず、ほとんどＮＯｘが排出されないことが分かる。
【００４９】
以上のことから、これらの特性を利用して本発明では圧縮比、空燃比及び点火エネルギーを以下のように制御するようにした。これらの制御はコントローラ７０によって実行される。
【００５０】
図７は、コントローラ７０によって実行される本発明による制御ロジックのメインフローチャートである。
【００５１】
ステップＳ１では、各種センサが検出した情報に基づいて現在走行中の運転状態を取得する。具体的には空気吸入量や燃料噴射量などに基づいて、現在の運転負荷領域が低負荷域、中負荷域若しくは高負荷域に属しているかを判断する。
【００５２】
ステップＳ２では、ステップＳ１で取得した運転負荷領域が低負荷域に属するか否かを判定する。運転状態が低負荷域に属する場合にはステップＳ３に処理を移し、属さない場合にはステップＳ４に処理を移す。
【００５３】
ステップＳ３では、低負荷運転制御を行う。低負荷運転制御では超希薄燃焼を行ない、ＮＯｘをほとんど排出させないようにする。具体的な処理については後述する。
【００５４】
ステップＳ４では、運転負荷領域が中負荷域に属するか否かを判定する。中負荷域に属する場合にはステップＳ５に処理を移して中負荷運転制御を行い、中負荷域に属さない場合にはステップＳ６に処理を移して高負荷運転制御を行う。
【００５５】
図８は低負荷運転制御のサブルーチンを示すフローチャートである。低負荷運転制御では空燃比A/Fが３０以上の超希薄燃焼を行ってＮＯｘの排出量を略ゼロにする。超希薄燃焼を安定して行なうために、圧縮比の高圧縮比化などの制御を行う。
【００５６】
ステップＳ３１では、負荷に応じた空燃比A/Fを設定する。このとき、空燃比A/FはＮＯｘをほとんど発生させない３０以上の値が設定される。
【００５７】
ステップＳ３２では、負荷に応じた圧縮比εを設定する。このとき、圧縮比εは超希薄燃焼であっても安定した燃焼が可能なε1以上の値に設定される。
【００５８】
ステップＳ３３では、燃料噴射の終了タイミングを吸気弁５５が開いている時期まで遅らせる。また、燃料噴射時期は負荷が低いほど遅くなるように設定する。こうすることで噴射燃料の濃度の濃い部分を維持したまま燃焼室内に送り込むことができる。
【００５９】
ステップＳ３４では、図２に示したように燃料噴射弁４１への通電を断続的に行なうことによって、混合気に濃い部分と薄い部分が交互に生成されるように燃料を噴射し、希薄混合気の燃焼性を向上させる。
【００６０】
ステップＳ３５では、排気弁６１の開閉タイミングを制御してＥＧＲ量を略ゼロにする。
【００６１】
図９は中負荷運転制御のサブルーチンを示すフローチャートである。中負荷運転制御は概ね従来の制御と同様である。
【００６２】
ステップＳ５１では、空燃比A/Fをストイキに設定する。空燃比が３０以上の超希薄燃焼では、要求されるエンジン出力を実現できないからである。
【００６３】
ステップＳ５２では、負荷に応じた圧縮比εを設定する。この圧縮比εは高圧縮比ではなく、通常の圧縮比の範囲内とする。これは、空燃比が３０以下で燃焼させる場合に圧縮比を高圧縮比化すると、かえってＮＯｘの発生量が増加するからである（図６（Ｂ））。そこで、超希薄領域からストイキまでの中間領域の空燃比では運転せず、中負荷域となったら空燃比をストイキに設定し、通常の圧縮比で運転する。
【００６４】
ステップＳ５３では、燃料噴射時期を通常のタイミングに設定する。空燃比A/Fがストイキに設定されているため、通常の燃料噴射でも十分に燃焼安定性が確保することができるからである。
【００６５】
ステップＳ５４では、燃料噴射弁４１に連続的に通電する通常の燃料噴射とする。
【００６６】
ステップＳ５５では、ＮＯｘを減らすため排気弁６１の開閉タイミングを制御して負荷に応じたＥＧＲ量に調整する。
【００６７】
図１０は高負荷運転制御のサブルーチンを示すフローチャートである。高負荷運転制御では、ノッキングの発生を抑制する。
【００６８】
ステップＳ６１では、空燃比A/Fをストイキよりもややリッチに設定する。
【００６９】
ステップＳ６２では、圧縮比εを設定する。このとき、高負荷であるほど圧縮比εを低く設定し、一定以上の負荷を要求された場合には圧縮比εを最小圧縮比εminに設定する。高負荷運転時に圧縮比を高くしすぎると燃焼室内の温度が上昇し、ノッキングが発生しやすくなるからである。
【００７０】
ステップＳ６３では、中負荷域の制御と同様に燃料噴射時期を通常のタイミングに設定する。
【００７１】
ステップＳ６４では、中負荷域の制御と同様に通常の燃料噴射とする。
【００７２】
ステップＳ６５では、出力を優先させるため排気弁６１の開閉タイミングを制御してＥＧＲ量を略ゼロにする。
【００７３】
図１１は本発明による制御を実行したときの作用・効果を説明する図である。横軸にはエンジンの負荷を、図１１（Ａ）は縦軸に空燃比、図１１（Ｂ）はＥＧＲ、図１１（Ｃ）は圧縮比、図１１（Ｄ）は燃料噴射の終了タイミング、図１１（Ｅ）はＮＯｘの発生量を示す。
【００７４】
本実施形態によれば、低負荷域のときには（Ｓ２でＹｅｓ）、空燃比A/Fを３０以上に設定して超希薄燃焼を行なう（Ｓ３１；図１１（Ａ））。このような超希薄燃焼でも、圧縮比εを高圧縮化することによって（Ｓ３２；図１１（Ｃ））、燃焼性を安定させることができる。また、本実施形態では燃料噴射を断続的に行なうことによって濃い部分と薄い部分とが交互に並ぶ混合気を生成する。このような混合気を燃焼させることで均質な濃度の混合気を燃焼させるよりも大きな燃焼エネルギーを発生させることができる。図１１（Ｄ）の縦軸は前述のように燃料噴射の終了タイミングを示しており、図上方ほど遅いタイミングとなる。したがって、吸気弁５５が開いている期間は縦軸上の「吸気弁開」から「吸気弁閉」までの間となる。本実施形態では、低負荷域において吸気弁５５が開いている期間に燃料噴射を行なって（Ｓ３３）、さらに負荷が小さいほど燃料噴射の終了タイミングを遅くする（図１１（Ｄ））。こうすることによって、混合気の濃い部分を維持したまま燃焼室に送り込むことができ、燃焼安定性をさらに向上させることができる。このようにして超希薄燃焼を実現し、ＮＯｘ排出量を略ゼロにすることができる（図１１（Ｅ））。
【００７５】
さらに、このように負荷が低くなるほど空燃比を希薄にし、燃焼安定性を確保するために圧縮比を上げることで、負荷調整のためのスロットリングが必要なく、ノンスロットル運転を実現でき、ポンプロスを低減できる。
【００７６】
一方、本実施形態ではＥＧＲ量を略ゼロとしているが、負荷に応じた量のＥＧＲガスを導入してもよい。例えば、負荷が低いほどＥＧＲ量を増やすことによって燃焼室内の温度を上昇させて、圧縮比を大幅に高くすることなく燃焼安定性を向上させることができるとともに、ポンプロスを低減することができる。
【００７７】
本実施形態によれば、中負荷域のときには（Ｓ４でＹｅｓ）、エンジン出力が不足するために超希薄燃焼を行なうことができない。そこで、空燃比εをストイキに設定することによって（Ｓ５１；図１１（Ａ））、必要なエンジン出力を確保する。また、負荷が低いほど圧縮比を高くすることによって（Ｓ５２；図１１（Ｃ））、燃焼性をより安定させることができる。さらに、負荷に応じてＥＧＲガスを導入することで（Ｓ５４；図１１（Ｂ））、三元触媒のみでＮＯｘを浄化することができる（図１１（Ｅ））。
【００７８】
さらに、ＥＧＲガスを導入することで（Ｓ５５；図１１（Ｂ））、機関スロットル開度が開きポンプロスを低減できる。また中負荷域における圧縮比を、低負荷域の圧縮比よりも低く設定してノッキングを防止することができる。
【００７９】
本実施形態によれば、高負荷域のときには（Ｓ４でＮｏ）、圧縮比を中負荷域の圧縮比よりもさらに低く設定してノッキングを防止することができる（Ｓ６２；図１１（Ｃ））。
【００８０】
（第２実施形態）
図１２は、本発明による可変圧縮比エンジンの第２実施形態の制御を示す図である。
【００８１】
なお以下に示す各実施形態では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００８２】
本実施形態では、第１実施形態と同様に低負荷域のときには空燃比A/Fを３０以上に設定して超希薄燃焼を行ない（図１２（Ａ））、圧縮比εを高圧縮化するとともに（図１２（Ｃ））、混合気に濃淡を生成する燃料噴射を行なうことによって安定した燃焼性を確保する。低負荷域でも比較的負荷の低い領域では第１実施形態と同様に吸気弁５５が開弁している間に燃料噴射を終了させる（図１２（Ｄ））。また、低負荷域でも比較的負荷の高い領域では、燃料噴射の終了タイミングを中高負荷域よりも遅いタイミングとしながら負荷に応じた制御を行なう（図１２（Ｄ））。
【００８３】
なお、中高負荷域では第１実施形態と同様の制御を行なう。
【００８４】
本実施形態によれば、第１実施形態と同様に低負荷域において混合気の濃い部分を維持したまま燃焼室に送り込んで燃焼安定性を向上させ、ＮＯｘ排出量を略ゼロにすることができる（図１２（Ｅ））。また、低負荷域でも比較的負荷の高い領域では、燃料噴射の終了タイミングを遅らせることによって混合気が滞留する時間を短縮させ、十分な燃焼安定性を確保することができる。こうすることで、運転状態が低負荷領域から中負荷領域へ遷移する際のＮＯｘ排出量の急激な増加を抑制することができる。
【００８５】
（第３実施形態）
図１３は、本発明による可変圧縮比エンジンの第３実施形態を示す図である。
【００８６】
本実施形態では、第１実施形態と比べてコントロールシャフト２５の制御方向及び大きさを変更する。すなわち第１実施形態ではコントロールシャフト２５を右回転するほど高圧縮比にしていたが、本実施形態では左回転するほど高圧縮比になる（図１３（Ａ））。また、本実施形態の方がコントロールシャフト２５が大きく、コントロールシャフト２５の中心から偏心連結ピン２４までの距離が長い（図１３（Ａ））。このような寸法にすることで、ピストン挙動をより特徴的に、すなわち上死点付近での挙動を極端に設定することができ、ピストン上昇速度を下降速度よりも速くすることができる。すなわちＬ３１＜Ｌ３２の度合が大きくなる。
【００８７】
また、左回転するほど高圧縮比になるようにしたことで、高圧縮比になる方がピストン上昇が速くなる。すなわちＬ３１＜Ｌ４１になる。また高圧縮比になる方がピストン下降が遅くなる。すなわちＬ３２＞Ｌ４２になる。
【００８８】
本実施形態によれば、高圧縮比ではピストンの上昇速度が速く上死点に達するまでの期間が短い。そのためプレイグニッション（自己着火）を防止することができる。またピストンの下降が遅いのでピストンの上死点付近の滞在時間が長く、燃焼安定性を確保できる。一方、低圧縮比ではピストンの下降速度が速いので、燃焼後期のノッキングを防止することができる。
【００８９】
（第４実施形態）
図１４は、本発明による可変圧縮比エンジンの第４実施形態のピストン構造を示す図であり、図１４（Ａ）は斜視図（ピストンの一部をカットした状態を表す）であり、図１４（Ｂ）は図１４（Ａ）のＢ−Ｂ断面図であり、図１４（Ｃ）は図１４（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。また、図１５はピストン挙動を示す図である。
【００９０】
可変圧縮比エンジンに図１４に示したピストン３２を使用してもよい。すなわちピストン３２は図１４（Ｃ）に示されているようにピストンスカートが大幅に短縮されている。
【００９１】
このようなピストン３２を使用すれば、図１５に示されているようにカウンターウエイトがピストンピン側方を通過できる。そのためアッパリンク１１を最小限の長さとして、ピストン３２の下死点位置をクランクシャフト３３に最接近させることで、その分のピストンストロークを拡大することができる。なお、このような構成にするためにはピストンスカート部の強度が課題となるが、図１５（Ｂ）に示すように、複リンク機構の特性を利用し、ピストン３２の上死点位置においてアッパリンク１１が略直立にすることでピストン３２にかかる横方向荷重（スラスト荷重）を低減できる。これにより、ピストンスカート部の強度は確保される。
【００９２】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【００９３】
例えば、上記実施形態では、排気弁の開閉タイミングによって調整するいわゆる内部ＥＧＲ方式でＥＧＲ量を調整することを例示して説明したが、排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路をＥＧＲ弁で開閉するいわゆる外部ＥＧＲ方式によってＥＧＲ量を調整してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明による可変圧縮比エンジンの第１実施形態を示す図である。
【図２】本発明による燃料噴射制御を説明する図である。
【図３】排気弁の開閉タイミング調整機構を説明する図である。
【図４】複リンク式可変圧縮比エンジンによる圧縮比変更方法を説明する図である。
【図５】ピストン挙動を示す図である。
【図６】複リンク式可変圧縮比エンジンの特性を示す図である。
【図７】本発明による具体的な制御ロジックのメインフローチャートである。
【図８】低負荷運転制御のサブルーチンを示すフローチャートである。
【図９】中負荷運転制御のサブルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】高負荷運転制御のサブルーチンを示すフローチャートである。
【図１１】本発明による可変圧縮比エンジンの第１実施形態の制御を実行したときの作用・効果を説明する図である。
【図１２】本発明による可変圧縮比エンジンの第２実施形態の制御を実行したときの作用・効果を説明する図である。
【図１３】本発明による可変圧縮比エンジンの第３実施形態のピストン挙動を示す図である。
【図１４】本発明による可変圧縮比エンジンの第４実施形態のピストン構造を示す図である。
【図１５】ピストン挙動を示す図である。
【符号の説明】
【００９５】
１０  複リンク式可変圧縮比エンジン
１１  アッパリンク（第１リンク）
１２  ロアリンク（第２リンク）
１３  コントロールリンク（第３リンク）
３０  燃焼室
３２  ピストン
３３  クランクシャフト
４１  燃料噴射弁
４２  点火プラグ
５１  アクチュエータ（圧縮比変更手段）
５２  回転軸（圧縮比変更手段）
５３  ピニオン（圧縮比変更手段）
５５  吸気弁
５６  吸気ポート
６１  排気弁
６２  排気ポート
７０  コントローラ（運転状態制御手段）
ステップＳ１  運転状態検出手段
ステップＳ３１，Ｓ５１，Ｓ６１  空燃比制御手段
ステップＳ３４  燃料噴射制御手段
【図１】
2007239602.tif 000003
【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】
2007239602.tif 000008
【図８】
2007239602.tif 000009
【図９】
2007239602.tif 000010
【図１０】
2007239602.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
2007239602.tif 000013
【図１３】
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【図１４】
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【図２】
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【図１５】
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