(57)【要約】【課題】圧縮比可変機構および可変動弁機構を備え、燃料の消費量を少なくすることができる内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関は、可変圧縮比機構と可変動弁機構とを備え、要求負荷が増加した場合には、吸気弁の閉弁時期を進角すると共に、機械圧縮比を低下させるように形成されている。可変動弁機構は、要求負荷の増加を検出したときから予め定められた遅れ時間の経過後に吸気弁の閉弁時期の進角を開始する。圧縮比可変機構は、機械圧縮比を略一定に保って機械圧縮比の低下を遅らせる機械圧縮比遅れ制御を行うように形成され、要求負荷の増加量が小さいほど、機械圧縮比遅れ制御の開始時期を早くする。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、吸気弁の閉弁時期を変更可能な可変動弁機構とを備え、要求負荷が増加した場合には、吸気弁の閉弁時期を進角して燃焼室に流入する吸入空気量を増加させると共に、機械圧縮比を低下させるように形成されている内燃機関であって、
可変動弁機構は、要求負荷の増加を検出したときから予め定められた遅れ時間の経過後に吸気弁の閉弁時期の進角を開始し、
圧縮比可変機構は、機械圧縮比を略一定に保って機械圧縮比の低下を遅らせる機械圧縮比遅れ制御を行うように形成されており、要求負荷の増加量が小さい場合は大きい場合に比べて機械圧縮比遅れ制御の開始時期を早くすることを特徴とする、内燃機関。
【請求項２】
燃焼室における点火時期の遅角量を調整する点火時期調整装置を備え、
機械圧縮比遅れ制御の開始時期に基づいて、点火時期の遅角量を定めることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
燃焼室における点火時期の遅角量を調整する点火時期調整装置を備え、
圧縮比可変機構は、機械圧縮比遅れ制御を禁止できるように形成されており、
点火時期調整装置は、機械圧縮比遅れ制御を禁止する場合の点火時期の遅角量を機械圧縮比遅れ制御を実施する場合の点火時期の遅角量よりも小さくすることを特徴とする、請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
可変動弁機構が故障したことを検出する故障検出装置を備え、
圧縮比可変機構は、機械圧縮比遅れ制御を禁止できるように形成されており、
可変動弁機構の故障を検出した場合には、機械圧縮比遅れ制御を禁止することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項５】
内燃機関が無負荷のアイドリングの状態の運転期間において、要求負荷の増加を検出した場合には、要求負荷の増加の検出と共に機械圧縮比遅れ制御を開始することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃焼室においては、空気および燃料の混合気が圧縮された状態で点火される。混合気を圧縮するときの圧縮比は、出力されるトルクおよび燃料消費量に影響を与えることが知られている。圧縮比を高くすることにより出力されるトルクを大きくしたり、燃料消費量を少なくしたりすることができる。一方で、圧縮比を高くしすぎると、ノッキング等の異常燃焼が生じることが知られている。従来の技術においては、運転期間中に圧縮比を変更することができる圧縮比可変機構を備える内燃機関が知られている。また、圧縮比可変機構に加えて、吸気弁の開閉時期を変更可能に形成された可変バルブタイミング機構を備える内燃機関が知られている。
【０００３】
特開２００５−２９３１号公報においては、燃焼室における圧縮比を可変とする可変圧縮比装置と、吸気充填効率を可変とする可変吸気装置とを有する火花点火式の内燃機関が開示されている。この内燃機関においては、バルブタイミング変更装置の高充填効率側への切換と、可変圧縮比機構の低圧縮比側への切換とが同時に要求される時には、バルブタイミング変更装置の切換開始時期を所定のディレイ期間だけ遅らせることが開示されている。
【０００４】
特開２００５−８３２３８号公報においては、吸気弁のリフト作動角の中心位相を可変にする可変バルブタイミング機構と、ピストンのストローク特性を変更して機関圧縮比を可変にする可変圧縮比機構と、吸気弁のリフト量を大小制御する可変リフト機構と、上記の各機構を機関運転状態に応じて制御する電子コントローラとを備える内燃機関が開示されている。この内燃機関においては、電子コントローラは、異常検出回路により可変バルブタイミング機構の作動が異常と判断された場合に、可変圧縮比機構により機関圧縮比が小さくなるように制御すると共に、可変リフト機構によって吸気弁のリフト量を小さく制御するフェールセーフ回路を備えることが開示されている。
【０００５】
特開２００７−５６７９６号公報においては、可変圧縮比機構と、気筒に吸入される空気量を調整する吸入空気量制御手段とを備え、可変圧縮比機構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により吸入空気量の減少を開始した後に、可変圧縮比機構により圧縮比の上昇を開始する内燃機関が開示されている。
【０００６】
特開２００３−９０２３６号公報においては、可変圧縮比機構と、吸気弁のバルブリフト特性を変更可能な可変動弁機構とを備える内燃機関が開示されている。この内燃機関においては、機関速度の変化に対応する加速パラメータに基づいて、機関加速開始時に、加速期間が圧縮比変化期間よりも長い緩加速状態か否かを判別する。緩加速状態では、可変圧縮比機構による機関圧縮比の低下速度を小さくするか、又は、低下開始時期を遅らせることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２９３１号公報
【特許文献２】特開２００５−８３２３８号公報
【特許文献３】特開２００７−５６７９６号公報
【特許文献４】特開２００３−９０２３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
圧縮比可変機構に加えて、吸気弁の開閉時期を変更可能に形成された可変バルブタイミング機構を備える特開２００５−２９３１号公報に開示の内燃機関では、バルブタイミング変更装置の高充填効率側への切換と、可変圧縮比機構の低圧縮比側への切換とが同時に要求される場合に、バルブタイミング変更装置の切換開始時期を所定のディレイ期間だけ遅らせることにより、切換過渡期のノッキングの発生を抑制している。機械圧縮比が十分に低くなる前に吸気弁の閉時期が進角してノッキングが発生することを抑制することができるために燃焼安定性が向上することが開示されている。しかしながら、この内燃機関においては、ノッキングの発生を抑制できるものの燃焼室における実際の圧縮比を必要以上に低く維持している虞がある。燃焼室における実際の圧縮比をより高くして燃焼消費量の改善を図る余地がある。
【０００９】
本発明は、圧縮比可変機構および可変動弁機構を備え、燃料消費量を少なくすることができる内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の内燃機関は、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、吸気弁の閉弁時期を変更可能な可変動弁機構とを備え、要求負荷が増加した場合には、吸気弁の閉弁時期を進角して燃焼室に流入する吸入空気量を増加させると共に、機械圧縮比を低下させるように形成されている。可変動弁機構は、要求負荷の増加を検出したときから予め定められた遅れ時間の経過後に吸気弁の閉弁時期の進角を開始する。圧縮比可変機構は、機械圧縮比を略一定に保って機械圧縮比の低下を遅らせる機械圧縮比遅れ制御を行うように形成されており、要求負荷の増加量が小さい場合は大きい場合に比べて機械圧縮比遅れ制御の開始時期を早くする。
【００１１】
上記発明においては、燃焼室における点火時期の遅角量を調整する点火時期調整装置を備え、機械圧縮比遅れ制御の開始時期に基づいて、点火時期の遅角量を定めることが好ましい。
【００１２】
上記発明においては、燃焼室における点火時期の遅角量を調整する点火時期調整装置を備え、圧縮比可変機構は、機械圧縮比遅れ制御を禁止できるように形成されており、点火時期調整装置は、機械圧縮比遅れ制御を禁止する場合の点火時期の遅角量を機械圧縮比遅れ制御を実施する場合の点火時期の遅角量よりも小さくすることが好ましい。
【００１３】
上記発明においては、可変動弁機構が故障したことを検出する故障検出装置を備え、圧縮比可変機構は、機械圧縮比遅れ制御を禁止できるように形成されており、可変動弁機構の故障を検出した場合には、機械圧縮比遅れ制御を禁止することが好ましい。
【００１４】
上記発明においては、内燃機関が無負荷のアイドリングの状態の運転期間において、要求負荷の増加を検出した場合には、要求負荷の増加の検出と共に機械圧縮比遅れ制御を開始することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、圧縮比可変機構および可変動弁機構を備え、燃料の消費量を少なくすることができる内燃機関を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態における内燃機関の概略図である。
【図２】実施の形態における圧縮比可変機構の概略分解斜視図である。
【図３】実施の形態の内燃機関において、機械圧縮比が高圧縮比の時のシリンダブロックおよびクランクケースの部分の概略断面図である。
【図４】実施の形態の内燃機関において、機械圧縮比が低圧縮比の時のシリンダブロックおよびクランクケースの部分の概略断面図である。
【図５】実施の形態における内燃機関の運転制御全般を概略的に説明するグラフである。
【図６】実施の形態における内燃機関の要求負荷が増加したときの運転制御のタイムチャートである。
【図７】実施の形態における内燃機関の要求負荷が増加したときの運転制御のフローチャートである。
【図８】実施の形態における可変バルブタイミング装置が故障したときの内燃機関の運転制御のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１から図８を参照して、実施の形態における内燃機関について説明する。本実施の形態においては、車両に配置されている内燃機関を例に取り上げて説明する。
【００１８】
図１は、本実施の形態における内燃機関の概略図である。本実施の形態における内燃機関は、火花点火式である。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む。シリンダブロック２の内部には、ピストン３が配置されている。ピストン３は、シリンダブロック２の内部で往復運動する。
【００１９】
燃焼室５は、それぞれの気筒ごとに形成されている。燃焼室５には、機関吸気通路および機関排気通路が接続されている。機関吸気通路は、燃焼室５に空気または燃料と空気との混合気を供給するための通路である。機関排気通路は、燃料の燃焼により生じた排気を燃焼室５から排出するための通路である。
【００２０】
シリンダヘッド４には、吸気ポート７および排気ポート９が形成されている。吸気弁６は吸気ポート７の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関吸気通路を開閉可能に形成されている。排気弁８は、排気ポート９の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関排気通路を開閉可能に形成されている。シリンダヘッド４には、点火装置としての点火プラグ１０が固定されている。点火プラグ１０は、燃焼室５にて燃料を点火するように形成されている。
【００２１】
本実施の形態における内燃機関は、燃焼室５に燃料を供給するための燃料噴射弁１１を備える。本実施の形態における燃料噴射弁１１は、吸気ポート７に燃料を噴射するように配置されている。燃料噴射弁１１は、この形態に限られず、燃焼室５に燃料を供給できるように配置されていれば構わない。たとえば、燃料噴射弁は、燃焼室に直接的に燃料を噴射するように配置されていても構わない。
【００２２】
燃料噴射弁１１は、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２９を介して燃料タンク２８に接続されている。燃料タンク２８内に貯蔵されている燃料は、燃料ポンプ２９によって燃料噴射弁１１に供給される。
【００２３】
各気筒の吸気ポート７は、対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結されている。サージタンク１４は、吸気ダクト１５を介してエアクリーナ（図示せず）に連結されている。吸気ダクト１５の内部には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１６が配置されている。吸気ダクト１５の内部には、ステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置されている。一方、各気筒の排気ポート９は、対応する排気枝管１９に連結されている。排気枝管１９は、排気処理装置２１に連結されている。本実施の形態における排気処理装置２１は、三元触媒２０を含む。排気処理装置２１は、排気管２２に接続されている。
【００２４】
本実施の形態における内燃機関は、電子制御ユニット３１を備える。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、デジタルコンピュータを含む。電子制御ユニット３１は、双方向バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を含む。
【００２５】
エアフローメータ１６の出力信号は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。アクセルペダル４０には、負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１は、アクセルペダル４０の踏込量に比例した出力電圧を発生する。この出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００２６】
クランク角センサ４２は、クランクシャフトが、例えば所定の角度を回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスは入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４２の出力により、機関回転数を検出することができる。また、クランク角センサ４２の出力により、クランク角度を検出することができる。機関排気通路において、排気処理装置２１の下流には、排気処理装置２１の温度を検出する温度検出器としての温度センサ４３が配置されている。温度センサ４３の出力は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００２７】
電子制御ユニット３１の出力ポート３７は、それぞれの対応する駆動回路３９を介して燃料噴射弁１１および点火プラグ１０に接続されている。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、燃料噴射制御や点火制御を行うように形成されている。すなわち、燃料を噴射する時期および燃料の噴射量が電子制御ユニット３１により制御される。更に点火プラグ１０の点火時期が電子制御ユニット３１により制御されている。また、出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介して、スロットル弁１８を駆動するステップモータ１７および燃料ポンプ２９に接続されている。これらの機器は、電子制御ユニット３１により制御されている。
【００２８】
吸気弁６は、吸気カム５１が回転することにより開閉するように形成されている。排気弁８は、排気カム５２が回転するようことにより開閉するように形成されている。本実施の形態における内燃機関は、可変動弁機構を備える。可変動弁機構は、吸気弁６の開閉時期を変更する可変バルブタイミング装置５３を含む。本実施の形態における可変バルブタイミング装置５３は、吸気カム５１の回転軸に接続されている。可変バルブタイミング装置５３は、電子制御ユニット３１により制御されている。
【００２９】
本実施の形態における可変バルブタイミング装置は、弁が開き始めてから閉じ終わるまでの作動角がほぼ一定で、作動角の中心の位相を変更可能に形成されている。可変バルブタイミング装置としては、この形態に限られず、作動角が可変に形成されていても構わない。また、吸気弁の閉弁時期を変更可能に形成されている任意の可変バルブタイミング装置を採用することができる。
【００３０】
本実施の形態における内燃機関は、圧縮比可変機構を備える。本発明においては、ピストンが圧縮上死点に達したときにピストンの冠面とシリンダヘッドとに囲まれる気筒内の空間を燃焼室と称する。内燃機関の圧縮比は、燃焼室の容積等に依存して定まる。本実施の形態における圧縮比可変機構は、燃焼室の容積を変更することにより圧縮比を変更するように形成されている。燃焼室における実際の圧縮比である実圧縮比は、（実圧縮比）＝（燃焼室の容積＋吸気弁が閉じている期間のピストンの行程容積）／（燃焼室の容積）で示される。
【００３１】
図２は、本実施の形態における内燃機関の圧縮比可変機構の分解斜視図である。図３は、内燃機関の燃焼室の部分の第１の概略断面図である。図３は、圧縮比可変機構により高圧縮比になったときの概略図である。本実施の形態における内燃機関は、クランクケースを含む下部構造物と、下部構造物の上側に配置されているシリンダブロックとが互いに相対移動する。本実施の形態における下部構造物は、圧縮比可変機構を介してシリンダブロックを支持している。また、本実施の形態における下部構造物は、クランクシャフトを支持している。
【００３２】
図２および図３を参照して、シリンダブロック２の両側の側壁の下方には複数個の突出部８０が形成されている。突出部８０には、断面形状が円形のカム挿入孔８１が形成されている。クランクケース７９の上壁には、複数個の突出部８２が形成されている。突出部８２には、断面形状が円形のカム挿入孔８３が形成されている。クランクケース７９の突出部８２は、シリンダブロック２の突出部８０同士の間に嵌合する。
【００３３】
本実施の形態における圧縮比可変機構は、シリンダブロックの支持軸としての一対のカムシャフト８４，８５を含む。カムシャフト８４，８５には、それぞれのカム挿入孔８３内に回転可能に挿入される円形カム８８が固定されている。円形カム８８は各カムシャフト８４，８５の回転軸線と同軸状に配置されている。一方で、それぞれの円形カム８８の両側には、カムシャフト８４，８５の回転軸線に対して偏心して配置された偏心軸８７が延びている。この偏心軸８７上には、別の円形カム８６が偏心して回転可能に取付けられている。これらの円形カム８６は円形カム８８の両側に配置されている。円形カム８６は対応するカム挿入孔８１内に回転可能に挿入されている。
【００３４】
圧縮比可変機構は、モータ８９を含む。モータ８９の回転軸９０には、螺旋方向が互いに逆向きの２つのウォームギヤ９１，９２が取付けられている。それぞれのカムシャフト８４，８５の端部には、歯車９３，９４が固定されている。歯車９３，９４は、ウォームギヤ９１，９２と噛み合うように配置されている。モータ８９が回転軸９０を回転させることにより、カムシャフト８４，８５を、互いに反対方向に回転させることができる。
【００３５】
図３を参照して、それぞれのカムシャフト８４，８５上に配置された円形カム８８を、矢印９７に示すように互いに反対方向に回転させると、偏心軸８７が円形カム８８の上端に向けて移動する。円形カム８６は、カム挿入孔８１内において、矢印９６に示すように円形カム８８と反対方向に回転する。
【００３６】
図４に、本実施の形態における内燃機関の燃焼室の部分の第２の概略断面図を示す。図４は、圧縮比可変機構により低圧縮比になったときの概略図である。図４に示されるように偏心軸８７が円形カム８８の上端まで移動すると、円形カム８８の中心軸が偏心軸８７よりも下方に移動する。図３および図４を参照して、クランクケース７９とシリンダブロック２との相対位置は、円形カム８６の中心軸と円形カム８８の中心軸との距離によって定まる。円形カム８６の中心軸と円形カム８８の中心軸との距離が大きくなるほどシリンダブロック２はクランクケース７９から離れる。矢印９８に示すようにシリンダブロック２がクランクケース７９から離れるほど、ピストン３が圧縮上死点に達したときの燃焼室５の容積が大きくなる。
【００３７】
本実施の形態における圧縮比可変機構は、クランクケースに対してシリンダブロックが相対的に移動することにより、燃焼室の容積が可変に形成されている。本実施の形態においては、下死点から上死点までのピストンの行程容積と燃焼室の容積のみから定まる圧縮比を機械圧縮比と言う。図３ではピストン３が圧縮上死点に到達しており、燃焼室５の容積が小さくなっている。吸入空気量が常時一定の場合には圧縮比が高くなる。この状態は、機械圧縮比が高い状態である。これに対して、図４ではピストン３が圧縮上死点に到達しており、燃焼室５の容積が大きくなっている。吸入空気量が常時一定の場合には圧縮比が低くなる。この状態は、機械圧縮比が低い状態である。このように、本実施の形態における内燃機関は、運転期間中に圧縮比を変更することができる。たとえば、内燃機関の運転状態に応じて、圧縮比可変機構により圧縮比を変更することができる。
【００３８】
本実施の形態における圧縮比可変機構は、回転軸を偏心させた円形カムを回転させることにより、クランクケースに対してシリンダブロックを相対的に移動させているが、この形態に限られず、任意の機構により機械圧縮比を変更できる任意の圧縮比可変機構を採用することができる。
【００３９】
内燃機関は、一般的に機関負荷が低いほど熱効率が悪くなる。従って、内燃機関の運転時における熱効率を向上させるためには、負荷が低いときの熱効率を向上させることが好ましい。本実施の形態における圧縮比可変機構にて圧縮比を高くすることにより熱効率を向上させることができる。特に、圧縮比を高くすると、ピストンが上死点から下死点に向かうときの膨張比が大きくなるために熱効率が向上する。ところが、圧縮比可変機構により圧縮比を上昇させると、所定の圧縮比でノッキング等の異常燃焼が発現する。
【００４０】
本実施の形態における内燃機関は、可変動弁機構としての可変バルブタイミング装置を備え、吸気弁の開閉時期が可変に形成されている。吸気弁を閉じる時期を遅くすることにより、燃焼室に流入する空気量を少なくすることができる。すなわち、吸気弁を閉じる時期を遅くすることにより、燃焼室において混合気が圧縮される時の実圧縮比を小さくすることができる。
【００４１】
図５は、本実施の形態における内燃機関の運転制御全般を概略的に説明するグラフである。図５では、負荷に対する機械圧縮比および吸気弁を閉じる時期を示している。なお、本実施の形態の内燃機関では、排気浄化装置の三元触媒によって排気ガスに含まれる未燃炭化水素、一酸化炭素、および窒素酸化物を同時に浄化できるように、燃焼時の空燃比が理論空燃比に制御されている。
【００４２】
本実施の形態における内燃機関は、高負荷のときには圧縮比可変機構により機械圧縮比が低くなるように制御している。すなわち、ピストンが圧縮上死点に到達したときの燃焼室の容積が大きくなるように制御して、異常燃焼の発生を抑制することができる。また、高負荷の時には可変動弁機構により吸気弁を閉じる時期を早くして、燃焼室に吸入される吸入空気量を多くしている。本実施の形態における内燃機関は、高負荷の時には、スロットル弁が全開に保持されている。このためにポンピング損失をほぼ零にすることができる。
【００４３】
本実施の形態の内燃機関は、矢印６１に示すように負荷が小さくなると、吸入空気量を減少させるために可変動弁機構により吸気弁の閉弁時期が遅く制御される。吸気弁の閉弁時期を遅く変更する領域では、圧縮比可変機構により機械圧縮比が増大される。この制御により、燃焼室における実圧縮比をほぼ一定に保つことができる。実圧縮比が高くなって異常燃焼が発生することを制御できる。また、負荷を小さくしている領域においても、スロットル弁は全開の状態に保持されており、ポンピング損失をほぼ零にすることができる。更に、本実施の形態の内燃機関は、吸気弁を閉じる時期を遅くしても、膨張比は大きくなったままであるために、熱効率の向上を図ることができる。本実施の形態における内燃機関は、燃焼室における実際の圧縮比を異常燃焼の発現する圧縮比未満に維持しながら、低負荷においては膨張比を大きくして熱効率を向上させることができる。
【００４４】
なお、本実施の形態における内燃機関では、負荷が更に低くなって、やや低負荷寄りの負荷Ｌ１に到達すると、圧縮比可変機構の構造上の圧縮比変更の限界となる限界機械圧縮比に到達する。このため、負荷Ｌ１よりも低い領域では、機械圧縮比が限界機械圧縮比に保持される。
【００４５】
また、図５に示す実施例では、負荷Ｌ１まで低下すると、吸気弁の閉弁時期が燃焼室に供給される吸入空気量を制御できる限界閉弁時期になる。このために、負荷Ｌ１よりも負荷の低い領域では吸気弁の閉弁時期が限界閉弁時期に保持される。本実施の形態の内燃機関においては、負荷Ｌ１よりも低い領域ではスロットル弁によって燃焼室に吸入される吸入空気量が制御される。すなわち、負荷Ｌ１よりも低い領域では、負荷が低くなるほどスロットル弁の開度は小さくなるように制御される。
【００４６】
次に、本実施の形態における内燃機関の要求負荷が増加したときの運転制御について詳細に説明する。本実施の形態における要求負荷が増加したときの運転制御は、たとえば、図５における負荷Ｌ１よりも大きな負荷領域にて行うことができる。要求負荷が増加すると、吸気弁の閉弁時期を進角させて吸入空気量を多くするとともに、機械圧縮比を低下させる制御を行なう。
【００４７】
図６に、本実施の形態の内燃機関において要求負荷が増加する時の運転制御のタイムチャートを示す。本実施の形態における内燃機関では、アクセルペダルの踏込み量が要求負荷に対応する。時刻ｔｓまでは、アクセルペダルの踏込み量がほぼ一定である。すなわち、要求負荷がほぼ一定である。アクセルペダルの踏込み量は、たとえば、負荷センサ４１により検出することができる（図１参照）。
【００４８】
時刻ｔｓにおいて、アクセルペダルの踏込み量が増加している。図６の実施例においては、踏込み量が小さい場合と踏込み量が大きい場合との２つの場合を示している。踏込み量が小さい場合、すなわち要求負荷の増加量が小さい場合を実線にて示している。踏込み量が大きい場合、すなわち要求負荷の増加量が大きい場合を破線にて示している。
【００４９】
本実施の形態の内燃機関において、燃料噴射弁１１から噴射される燃料の量は、吸気弁６が閉じたときの燃焼室５の吸入空気量と、予め定められた燃焼時の空燃比とに基づいて定められる。吸気弁６が閉じたときの燃焼室５の吸入空気量は、吸気弁６が閉止する前に推定する。この吸入空気量の推定においては、たとえば可変バルブタイミング装置のアクチュエータの予測値を用いることができる。本実施の形態における内燃機関は、アクチュエータの予測値を推定し、燃料の噴射量を算出し、算出した噴射量に基づいて燃料を噴射する。このために、吸気弁の閉弁時期の変更の開始時期を時刻ｔｓより遅らせている。本実施の形態においては、時刻ｔｓから遅れ時間ＤＴｉが経過した時刻において、吸気弁の閉弁時期を進角側に変更する制御を開始している。
【００５０】
吸気弁の閉弁時期の変更の開始時期を遅らせる遅れ時間ＤＴｉは、たとえば、燃料の噴射量が算出された時刻から吸気弁が実際に閉止する時刻までの時間に応じて設定することができる。燃料の噴射量が算出された時刻から吸気弁が実際に閉止する時刻までの時間が長いほど、遅れ時間ＤＴｉを長く設定することができる。または、内燃機関の回転数が小さいほど、遅れ時間ＤＴｉを長く設定することができる。遅れ時間ＤＴｉは、内燃機関の運転状態に応じた値を予め定めておいて、電子制御ユニットに記憶させておくことができる。
【００５１】
ところで、圧縮比可変機構は、可変バルブタイミング装置の閉弁時期の変更に比べて変更に必要な時間が長くなるという特性を有する。機械圧縮比の低下と吸気弁の閉弁時期の進角とを同時に開始すると、機械圧縮比の変更速度が遅いために燃焼室における実圧縮比が高くなって異常燃焼が発生する虞がある。本実施の形態においては、機械圧縮比の低下の開始時期を吸気弁の閉弁時期を進角側に変更する開始時期よりも早くしている。図６に示す例においては、時刻ｔｓにおいて機械圧縮比の低下を開始した後に、遅れ時間ＤＴｉが経過した後に、吸気弁の閉弁時期の変更を開始している。この制御を行なうことにより、吸気弁の閉弁時期の変更よりも、応答速度の遅い機械圧縮比を予め低下させることができるために、ノッキング等の異常燃焼を抑制することができる。
【００５２】
ところが、圧縮比可変機構により予め機械圧縮比を低下させているために、燃焼室における実圧縮比が異常燃焼の発生する圧縮比に比べて低くなりすぎる場合がある。そこで、本実施の形態においては、機械圧縮比が所定の値低下した時期において、機械圧縮比の低下を遅らせる機械圧縮比遅れ制御を行なっている。本実施の形態の機械圧縮比遅れ制御においては、機械圧縮比をほぼ一定に保つことにより機械圧縮比の低下を遅らせている。実線で示される踏込み量が小さな場合には、時刻ｔ１ａから時刻ｔ２ａが、機械圧縮比遅れ制御を行なっている期間である。遅れ時間ＤＴｃ１は、機械圧縮比遅れ制御を行っている時間長さである。遅れ時間ＤＴｃ１は、例えば、予め定められた時間を採用することができる。
【００５３】
時刻ｔｓから時刻ｔ１ａまでの期間は、機械圧縮比遅れ制御を禁止している禁止期間である。本実施の形態においては、この禁止期間の間に、応答速度の遅い機械圧縮比を低下させる。機械圧縮比が所定の値低下した後に吸気弁の閉弁時期を進角させる制御を開始している。時刻ｔ２ａにおいて機械圧縮比遅れ制御を終了している。時刻ｔ２ａ以降においては、機械圧縮比の低下を再開している。機械圧縮比が目標機械圧縮比まで到達したら、機械圧縮比を目標機械圧縮比にて維持している。
【００５４】
本実施の形態の内燃機関は、機械圧縮比を低下する制御および吸気弁の閉弁時期を進角させる制御を行なっている期間中においても、異常燃焼の発生を抑制しながら、燃焼室において実圧縮比が低くなりすぎることを抑制することができる。この結果、出力されるトルクを大きくしたり、燃料消費量を少なくしたりすることができる。
【００５５】
図６には、アクセルペダルの踏込み量が大きな場合が破線で示されている。要求負荷の増加量が大きな場合には、要求負荷の増加量が小さな場合よりも機械圧縮比の低下量を大きくする。また、要求負荷の増加量が大きな場合には、要求負荷の増加量が小さな場合よりも吸気弁の閉弁時期の進角量を大きくする。要求負荷の増加量が大きな場合においても、時刻ｔ１ｂから時刻ｔ２ｂの期間において機械圧縮比遅れ制御を行うことができる。機械圧縮比遅れ制御を行っている遅れ時間ＤＴｃ２は、アクセルペダルの踏込み量が小さな場合の遅れ時間ＤＴｃ１と同じ時間長さを採用することができる。または、互いに異なる遅れ時間を採用しても構わない。
【００５６】
一方で、機械圧縮比遅れ制御を開始する時期は、アクセルペダルの踏込み量が小さな場合よりも、アクセルペダルの踏込み量が大きな場合の方が遅くなるように制御している。アクセルペダルの踏込み量が小さな場合には、機械圧縮比遅れ制御を時刻ｔ１ａにて開始している。これに対して、アクセルペダルの踏込み量が大きな場合には、機械圧縮比遅れ制御を、時刻ｔ１ａよりも遅い時刻ｔ１ｂにて開始している。本実施の形態においては、機械圧縮比遅れ制御を禁止する禁止期間の時間ＲＴｃ２を、禁止期間の時間ＲＴｃ１よりも長くする制御を行っている。
【００５７】
要求負荷の増加量が大きくなると、機械圧縮比を大きく変化させる必要があり、圧縮比可変機構のストロークが大きくなる。要求負荷の増加量が大きな場合に、機械圧縮比遅れ制御の開始時期を遅くする制御を行うことにより、機械圧縮比を大きく下げる時間を確保することができる。予め機械圧縮比を低くすることにより、吸気弁の閉弁時期が大きく変化しても異常燃焼の発生を抑制できる。機械圧縮比遅れ制御を行なっている期間中に、吸気弁の閉弁時期の進角側への変更の効果が大きくなって異常燃焼が発生することを抑制できる。要求負荷の増加量が小さな場合には、機械圧縮比が低くなりすぎることを回避して、実圧縮比を高くすることができて、出力を大きくしたり燃料消費量を少なくしたりすることができる。
【００５８】
このように、本実施の形態の内燃機関においては、要求負荷の増加量を検出し、要求負荷の増加量が小さい場合は、要求負荷の増加量が大きい場合に比べて機械圧縮比遅れ制御の開始時期を早くしている。本実施の形態における内燃機関は、ノッキング等の異常燃焼の発生を抑制しながら、燃料消費量を少なくすることができる。
【００５９】
アクセルペダルの踏込み量が大きな場合においても、アクセルペダルの踏込み量が小さな場合と同様に、機械圧縮比遅れ制御が終了すると、目標機械圧縮比まで圧縮比を低下させる制御を行なっている。図６に示す実施例においては、時刻ｔ２ｂにおいて、機械圧縮比遅れ制御が終了し、目標機械圧縮比まで低下させる制御を行っている。
【００６０】
図６の実施例においては、踏込み量が大きな場合および踏込み量が小さな場合の２つの場合について示したが、この形態に限られず、検出した要求負荷の増加量が小さくなるほど、機械圧縮比遅れ制御の開始時期を徐々に早くする制御を行うことができる。または、予め定められた要求負荷の増加量の範囲を複数定めて、それぞれの増加量の範囲ごとに機械圧縮比遅れ制御の開始時期を変更しても構わない。すなわち、機械圧縮比遅れ制御の開始時期を段階的に変更しても構わない。
【００６１】
図７に、本実施の形態における内燃機関の要求負荷が増加したときの制御のフローチャートを示す。
【００６２】
ステップ１００においては機関回転数および要求負荷を検出する。要求負荷は、アクセルペダルの踏込み量から検出することができる。または、アクセルペダルの踏込み量から要求吸気量を検出し、要求吸気量に基づいて要求負荷を算出ことができる。
【００６３】
ステップ１０１においては、検出した要求負荷から要求負荷の増加量を算出する。ステップ１０２においては、機械圧縮比の目標値である目標機械圧縮比および吸気弁の閉弁時期の目標値である目標閉弁時期を読み込む。目標機械圧縮比および目標閉弁時期は、たとえば、機関回転数および要求負荷を関数にするマップを電子制御ユニットに記憶させておくことができる。予め記憶させたマップから、目標機械圧縮比および目標閉弁時期を読み込むことができる。
【００６４】
次に、ステップ１０３においては、機械圧縮比遅れ制御の開始時期を読み込む。本実施の形態においては、機械圧縮比遅れ制御の禁止期間の時間を読み込む。機械圧縮比遅れ制御の禁止期間の時間は、たとえば、要求負荷の増加量を関数にする禁止期間の時間を電子制御ユニットに記憶させておくことができる。また、スタップ１０３においては、吸気弁の閉弁時期を進角する制御の開始時期を読み込む。本実施の形態においては、吸気弁の閉弁時期の変更を開始するまでの遅れ時間を読み込む。なお、ステップ１０２およびステップ１０３は同時に行なっても構わない。または、ステップ１０２の前にステップ１０３を行なっても構わない。
【００６５】
次に、ステップ１０４において、それぞれの目標機械圧縮比、目標閉弁時期、機械圧縮比遅れ制御の禁止期間の時間、および閉弁時期の進角の遅れ時間に基づいて、機械圧縮比を低下させるとともに、吸気弁の閉弁時期を進角する制御を行なうことができる。このように、機械圧縮比遅れ制御の開始時間を定めて、ノッキング等の異常燃焼を抑制しながら実圧縮比を高くすることができる。
【００６６】
ところで、本実施の形態における内燃機関は、可変バルブタイミング装置が故障したことを検出する故障検出装置を備える。故障検出装置は、例えば、可変バルクタイミング装置の位相を検出するセンサを含む。故障検出装置は、位相を検出するセンサの出力信号が、所定の電圧値で変動しなくなった場合に可変バルブタイミング装置が故障したと判別することができる。可変バルブタイミング装置の故障を検出した場合には、機械圧縮比遅れ制御を禁止する制御を行なうことができる。
【００６７】
図８に、機械圧縮比遅れ制御を禁止する制御を行なっているときのタイムチャートを示す。時刻ｔｓおいて、要求負荷の増加を検出している。機械圧縮比遅れ制御を禁止した場合においては、アクセルペダルの踏込み量、すなわち要求負荷に基づいて、機械圧縮比を低下させる制御を行なう。時刻ｔｓにおいて機械圧縮比を低下させる制御を開始して、目標機械圧縮比まで低下させている。機械圧縮比遅れ制御を行わずに、機械圧縮比を低下させている。この制御を行なうことにより、加速時等の過渡的な運転期間においても、機械圧縮比が小さな状態を維持することができて、可変バルブタイミング機構が故障したときの異常燃焼の発生を抑制することができる。
【００６８】
更に、本実施の形態における内燃機関は、燃焼室における点火時期の遅角量を調整する点火時期調整装置を備える。点火時期の遅角量を大きくすることにより、ノッキング等の異常燃焼の発生を抑制することができる。ところが、点火時期の遅角量を大きくすると、燃焼室から流出する排気の温度が上昇し、排気浄化装置の熱的な劣化を促進する虞がある。本実施の形態の内燃機関においては、機械圧縮比遅れ制御の実施可否、および機械圧縮比遅れ制御の開始時期等の内燃機関の運転状態に合わせて、点火時期の遅角量を定めることができる。
【００６９】
例えば、本実施の形態における内燃機関は、機械圧縮比遅れ制御を禁止する制御を行うことができる。機械圧縮比遅れ制御を禁止する場合には、機械圧縮比遅れ制御を実施する場合よりも早く目標機械圧縮比に到達する。このために、異常燃焼の発生に対する余裕が大きくなる。この場合には、点火時期の遅角量を減少させることができる。すなわち、機械圧縮比遅れ制御を禁止する場合の点火時期の遅角量を機械圧縮比遅れ制御を実施する場合の点火時期の遅角量よりも小さくすることができる。
【００７０】
または、機械圧縮比遅れ制御の開始時期を遅くするほど（機械圧縮比遅れ制御の禁止期間の時間を長くするほど）、機械圧縮比を早く低下させることができて、異常燃焼の発生に対する余裕が大きくなる。このために、点火時期の遅角量を小さくすることができる。機械圧縮比遅れ制御の開始時期に基づいて、点火時期の遅角量を定めることができる。
【００７１】
このように、本実施の形態における内燃機関は、運転状態に応じて必要最小限の点火時期の遅角量を選定することができる。点火時期の遅角量を小さくすることにより、燃料消費量を減少させることができる。または、燃焼室から流出する排気の温度上昇を抑制することができる。排気浄化装置に配置されている三元触媒などの触媒温度が上昇し過ぎて、熱的な劣化等が生じることを抑制できる。
【００７２】
また、本実施の形態の内燃機関においては、無負荷の状態であり、さらにアイドリングを行なっている運転期間にて、要求負荷の増加を検出した場合には、要求負荷の検出した直後に機械圧縮比遅れ制御を行なうことができる。すなわち、機械圧縮比遅れ制御の禁止期間を設けずに（禁止期間の時間を零にして）、機械圧縮比遅れ制御を行なうことができる。
【００７３】
例えば、車両に内燃機関が配置されている場合、変速機がニュートラルに配置され、アイドリングの状態からアクセルペダルを踏み込んだレーシングを行なう場合がある。すなわち、空ぶかしを行なう場合がある。この場合には、禁止時間を設けずに機械圧縮比遅れ制御を行なう。すなわち、要求負荷の増加の検出とともに、遅れ時間の間では機械圧縮比を維持した後に機械圧縮比を低下する制御を行う。
【００７４】
機械圧縮比を変更している期間中に機械圧縮比遅れ制御を行うと、機械圧縮比遅れ制御の開始時および終了時にはトルク変動が生じる。負荷が接続されていないアイドリング状態においては、出力されるトルクが直接的に機関回転数に影響を与えるために、出力されるトルクの変動に起因する機関回転数の変化が顕著になる。このため、運転者が感じる違和感が顕著になる。本実施の形態の内燃機関においては、禁止期間を設けずに機械圧縮比遅れ制御を行なうことにより、トルク変動に伴う機関回転数の変化を回避することができる。
【００７５】
なお、アイドリングの運転状態は、燃焼室に流入する吸入空気量が少ないために、ノッキング等の異常燃焼が発生しにくい状態である。このために、異常燃焼の発現を抑制しながら機械圧縮比遅れ制御の開始時期を早くする制御を行なうことができる。
【００７６】
本実施の形態においては、車両に配置されている内燃機関を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、圧縮比可変機構および可変動弁機構を備える任意の内燃機関に本発明を適用することができる。
【００７７】
上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される変更が含まれている。
【符号の説明】
【００７８】
２    シリンダブロック
３    ピストン
５    燃焼室
６    吸気弁
１０    点火プラグ
１１    燃料噴射弁
３１    電子制御ユニット
４０    アクセルペダル
４１    負荷センサ
４２    クランク角センサ
５１    吸気カム
５３    可変バルブタイミング装置
７９    クランクケース
８１    カム挿入孔
８３    カム挿入孔
８４，８５    カムシャフト
８６    円形カム
８７    偏心軸
８８    円形カム
８９    モータ
【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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