(57)【要約】【課題】燃焼室に連通する副室の容積が変化する容積可変装置を備え、容積可変装置の故障を検出できる内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関は、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときに、気体ばね５０が縮むことにより燃焼室５に連通する副室６０の容積が変化する容積可変装置を備える。容積可変装置は、副室用ピストン５５と、燃焼室５の圧力が制御圧力未満のときに副室用ピストン５５を係止する係止部５２と、副室用ピストン５５が係止部５２に着底した時期を検出する着底時期検出手段とを含む。着底時期検出手段により検出した副室用ピストン５５が係止部５２に着底した時期と、容積可変装置が正常である場合に副室用ピストン５５が着底すべき基準着底時期とに基づいて、容積可変装置が故障しているか否かを判別する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性を有するばね装置を含み、燃焼室の圧力が予め定められた制御圧力に到達したときに、燃焼室の圧力変化を駆動源として、ばね装置が縮むことにより燃焼室の容積または燃焼室に連通する空間の容積が変化する容積可変装置を備え、
容積可変装置は、燃焼室の圧力が制御圧力に到達したときに移動する移動部材と、燃焼室の圧力が制御圧力未満のときに移動部材を係止する係止部と、移動部材が係止部に着底した時期を検出する着底時期検出手段とを含み、
着底時期検出手段により検出した移動部材が係止部に着底した時期と、容積可変装置が正常である場合に移動部材が着底すべき基準着底時期とに基づいて、容積可変装置が故障しているか否かを判別することを特徴とする、内燃機関。
【請求項２】
燃焼室を含む機関本体を備え、
着底時期検出手段は、機関本体の振動を検出可能な振動検出器を含み、
振動検出器により検出した振動に基づいて、移動部材が係止部に着底した時期を検出す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】
内燃機関の運転状態に基づいて、移動部材が係止部に着底すべき基準着底時期を選定する基準着底時期の選定手段を備え、
基準着底時期の選定手段により選定した基準着底時期を用いて、容積可変装置が故障しているか否かを判別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】
容積可変装置は、燃焼室に連通する筒状部を含み、
移動部材は、筒状部の内部に配置され、筒状部の内部の空間を区画して、燃焼室に向かう側に副室を形成し、燃焼室に向かう側と反対側にガス室を形成しており、
ばね装置は、ガス室を含み、移動部材が移動してガス室が圧縮されることにより弾性を有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。
【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】
内燃機関は、燃焼室に燃料および空気が供給されて、燃焼室にて燃料が燃焼することにより駆動力を出力する。燃焼室において燃料を燃焼させるときには、空気と燃料との混合気を圧縮した状態になる。内燃機関の圧縮比は、出力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。ところが圧縮比を過大にすると、ノッキング等が発現する場合がある。
【０００３】
特開２０００−２３０４３９号公報には、燃焼室に圧力調整弁を介して通じる副室を設け、圧力調整弁は、弁体と弁体に接続されて燃焼室側に付勢された弁棒とを有する自着火式の内燃機関が開示されている。この自着火式の内燃機関は、過早着火等により燃焼圧が所定の許容圧値を超えた場合に、弾性体の圧力に抗して圧力調整弁を押し上げて副室に圧力を逃すことが開示されている。この公報には、過早着火等が生じる圧力よりも大きな圧力で圧力調整弁が動くことが開示されている。また、この公報においては、燃焼室に通じる副室が形成され、副室に上下に移動可能な副ピストンが挿入されている内燃機関が開示されている。副ピストンは、機械ばねで押圧されている。燃料が燃焼した時に、燃焼室の圧力により機械ばねが縮んで副ピストンが上昇し、燃焼室に通じる副室の容積が大きくなることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２３０４３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記公報に開示されている燃焼室の圧力を制御する装置では、燃焼室に通じる副室内に移動可能な副ピストン等が配置されている。内燃機関の運転期間中には、副ピストンが移動することにより、燃焼室の圧力が過大になることを抑制できる。
【０００６】
ところで、内燃機関の運転を継続すると、副ピストン等の移動部材が滑らかに動かなくなる故障が生じる場合がある。例えば、移動部材の周りに配置されている封止部材が焼き付いてしまったり、移動部材または移動部材の周りの筒状部が経年変化で変形したりする場合がある。このような不具合が生じると、移動部材と移動部材の周りの筒状部との間の摩擦が大きくなり、移動部材が滑らかに動かなくなる。移動部材が筒状部の内部を移動中に引っかかったり、移動部材の移動速度が遅くなったりする。この結果、燃焼室の圧力に悪影響を与える場合がある。このように、燃焼室の圧力を制御する装置は、使用期間中に故障が生じる場合があった。
【０００７】
上記の公報に開示されている内燃機関では、燃焼室の圧力を制御する装置の故障が考慮されておらず、従来の技術における燃焼室の圧力を制御する装置では、故障したことを検出することができなかった。
【０００８】
本発明は、燃焼室の容積または燃焼室に連通する容積が変化する容積可変装置を備え、容積可変装置の故障を検出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】
【０００９】
本発明の内燃機関は、弾性を有するばね装置を含み、燃焼室の圧力が予め定められた制御圧力に到達したときに、燃焼室の圧力変化を駆動源として、ばね装置が縮むことにより燃焼室の容積または燃焼室に連通する空間の容積が変化する容積可変装置を備える。容積可変装置は、燃焼室の圧力が制御圧力に到達したときに移動する移動部材と、燃焼室の圧力が制御圧力未満のときに移動部材を係止する係止部と、移動部材が係止部に着底した時期を検出する着底時期検出手段とを含む。着底時期検出手段により検出した移動部材が係止部に着底した時期と、容積可変装置が正常である場合に移動部材が着底すべき基準着底時期とに基づいて、容積可変装置が故障しているか否かを判別する。
【００１０】
上記発明においては、燃焼室を含む機関本体を備え、着底時期検出手段は、機関本体の振動を検出可能な振動検出器を含み、振動検出器により検出した振動に基づいて、移動部材が係止部に着底した時期を検出することができる。
【００１１】
上記発明においては、内燃機関の運転状態に基づいて、移動部材が係止部に着底すべき基準着底時期を選定する基準着底時期の選定手段を備え、基準着底時期の選定手段により選定した基準着底時期を用いて、容積可変装置が故障しているか否かを判別することが好ましい。
【００１２】
上記発明においては、容積可変装置は、燃焼室に連通する筒状部を含み、移動部材は、筒状部の内部に配置され、筒状部の内部の空間を区画して、燃焼室に向かう側に副室を形成し、燃焼室に向かう側と反対側にガス室を形成しており、ばね装置は、ガス室を含み、移動部材が移動してガス室が圧縮されることにより弾性を有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃焼室の容積または燃焼室に連通する容積が変化する容積可変装置を備え、容積可変装置の故障を検出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】
【００１４】
【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内燃機関の容積可変装置の概略図である。
【図３】実施の形態における容積可変装置を備える内燃機関の運転状態を説明するグラフである。
【図４】実施の形態における容積可変装置の正常時の運転状態と故障時の運転状態とを説明するタイムチャートである。
【図５】実施の形態における容積可変装置の故障を検出する運転制御のフローチャートである。
【図６】容積可変装置が正常である時の副室用ピストンが着底すべきクランク角度のマップである。
【図７】実施の形態における容積可変装置の故障時の運転状態を説明するタイムチャートである。
【図８】実施の形態における他の容積可変装置を備えるピストンの概略破断斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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。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、および任意の位置にある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。
【００１７】
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ガスを燃焼室５から排出するための通路である。
【００１８】
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。
【００１９】
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５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。
【００２０】
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。
【００２１】
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およびエアフローメータ１６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には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１６が接続されている。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、触媒コンバータ２１に連結されている。本実施の形態における触媒コンバータ２１は、三元触媒２０を含む。触媒コンバータ２１は、排気管２２に接続されている。
【００２２】
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。
【００２３】
エアフローメータ１６は、燃焼室５に吸入される吸入空気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。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。
【００２４】
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。たとえば、第１気筒の圧縮上死点を０°としたときのクランク角度を検出することができる。すなわち、クランクシャフトの回転角度を検出することができる。
【００２５】
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。
【００２６】
図２に、本実施の形態における内燃機関の燃焼室の部分の概略断面図を示す。図２は、吸気ポートおよび排気ポートが延びる方向に対して垂直な方向に機関本体を切断したときの断面図である。
【００２７】
本実施の形態における内燃機関は、燃料が燃焼したときの燃焼室の圧力を制御する燃焼圧力制御装置を備える。本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、燃焼室に連通する空間の容積が変化する容積可変装置を備える。本実施の形態における容積可変装置は、ばね装置を備える。本実施の形態のばね装置は、気体ばね５０を含む。気体ばね５０は、それぞれの気筒において燃焼室５に接続されている。本実施の形態における内燃機関は、燃焼室５に連通する空間としての副室６０を有する。本実施の形態における容積可変装置は、副室６０の容積が変化する。
【００２８】
本実施の形態における容積可変装置は、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときに、燃焼室５の圧力変化を駆動源として副室６０の容積が変化する。すなわち、容積可変装置は、燃焼室５の圧力が変化することにより作動する。本発明における制御圧力は、容積可変装置が作動し始めるときの燃焼室の圧力である。すなわち、副室用ピストン５５が移動し始める時の燃焼室の圧力である。容積可変装置は、燃焼室５の圧力が異常燃焼の発生圧力以上になることを抑制する。本実施の形態においては、燃焼室５の圧力が異常燃焼の発生する圧力以上にならないように制御圧力を定めている。
【００２９】
本発明における異常燃焼は、たとえば、点火装置により混合気が点火し、点火した点から順次燃焼が伝搬する状態以外の燃焼を含む。異常燃焼は、たとえば、ノッキング現象、デトネーション現象およびプレイグニッション現象を含む。ノッキング現象は、スパークノック現象を含む。スパークノック現象は、点火装置において点火し、点火装置を中心に火炎が広がっているときに、点火装置から遠い位置にある未燃燃料を含む混合気が自着火する現象である。点火装置から遠い位置にある混合気は、点火装置の近傍の燃焼ガスにより圧縮されて高温高圧になって自着火する。混合気が自着火するときに衝撃波が発生する。
【００３０】
デトネーション現象は、高温高圧の混合気の中を衝撃波が通過することにより、混合気が着火する現象である。この衝撃波は、たとえば、スパークノック現象によって発生する。
【００３１】
プレイグニッション現象は、早期着火現象とも言われる。プレイグニッション現象は、点火プラグの先端の金属または燃焼室内に堆積するカーボンスラッジ等が加熱されて、所定の温度以上を維持した状態になり、この部分を火種として点火時期の前に燃料が着火して燃焼する現象である。
【００３２】
気体ばね５０は、内部に気体を密閉することにより弾性を有するように形成されている。気体ばね５０は、燃焼室５に連通している筒状部を構成する筒状部材５１を含む。本実施の形態における筒状部材５１は、円筒状に形成されている。筒状部材５１の内部には、移動部材としての副室用ピストン５５が配置されている。
【００３３】
筒状部材５１の内部の空間は、副室用ピストン５５により区画されている。筒状部材５１の内部には、燃焼室５に向かう側に副室６０が形成され、燃焼室５に向かう側と反対側にガス室６１が形成されている。副室用ピストン５５は、筒状部材５１に固定されておらず、矢印２０１に示すように、筒状部材５１の軸方向に移動するように形成されている。
【００３４】
気体ばね５０は、内部に気体を封入する封入機構を有する。副室用ピストン５５は、副室用ピストン本体５５ａの外周面に配置されている副室用ピストンリング５５ｂを含む。副室用ピストンリング５５ｂが配置されていることにより、副室用ピストン５５と筒状部材５１との接触部分を通じて、ガス室６１の気体が燃焼室５に漏れることを抑制できる。
【００３５】
気体ばね５０のガス室６１には、燃焼室５の圧力が所望の制御圧力に到達したときに、副室用ピストン５５が移動し始めるように加圧された気体が封入されている。本実施の形態においては、ガス室６１に空気が封入されている。密閉されたガス室６１の圧力により副室用ピストン５５が押圧されている。筒状部材５１は、燃焼室５に向かう側の端部に形成された係止部５２を有する。係止部５２は、副室用ピストン５５を筒状部材５１の端部で係止する。副室用ピストン５５が係止部５２に接触している状態が、副室用ピストン５５が係止部５２に着底している状態である。
【００３６】
図３に、本実施の形態の内燃機関における燃焼室の圧力のグラフを示す。横軸がクランク角度であり、縦軸が燃焼室の圧力および副室用ピストンの変位である。図３には、燃焼サイクルのうち圧縮行程および膨張行程のグラフが示されている。副室用ピストン５５は、筒状部材５１の底部に着底しているときの変位が零である。本実施の形態における容積可変装置は、燃焼サイクルの圧縮行程から膨張行程の期間中に、燃焼室の圧力が制御圧力に到達した場合に、副室用ピストン５５が移動する。この結果、気体ばね５０の副室６０の容積が大きくなる。
【００３７】
図２および図３を参照して、圧縮行程の開始時には副室用ピストン５５が筒状部材５１の底部に着底している。圧縮行程ではピストン３が上昇して、燃焼室５の圧力が上昇する。ここで、ガス室６１には制御圧力に対応する圧力の気体が封入されているために、燃焼室５の圧力が制御圧力になるまでは、副室用ピストン５５は着底した状態が維持される。
【００３８】
図３に示す実施例では、クランク角度が０°（ＴＤＣ）より僅か後に点火される。点火されることにより燃焼室５の圧力が急激に上昇する。燃焼室５の圧力が制御圧力に達したときに、副室用ピストン５５が移動し始める。混合気の燃焼が進むと、ガス室６１が縮んで副室用ピストン５５の変位が大きくなり、副室６０の容積が大きくなる。このために、燃焼室５および副室６０の圧力が上昇することが抑制される。図３に示す例では、燃焼室の圧力がほぼ一定に保たれる。なお、厳密には副室用ピストン５５が移動することによりガス室６１内の圧力が上昇するために、燃焼室５の圧力も僅かに上昇する。
【００３９】
燃焼室において、更に燃料の燃焼が進むと、副室用ピストン５５の変位は最大になった後に小さくなる。ガス室６１の圧力が減少して、副室用ピストン５５の変位が零に戻る。すなわち、副室用ピストン５５は着底する位置まで戻る。燃焼室５の圧力が制御圧力未満になった場合には、クランク角度の進行とともに燃焼室５の圧力が減少する。
【００４０】
このように、本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときに燃焼室の圧力上昇を抑制し、燃焼室の圧力が異常燃焼の発生する圧力以上にならないように制御することができる。
【００４１】
図３には、比較例１および比較例２の燃焼室の圧力のグラフが示されている。比較例１および比較例２は、本実施の形態における容積可変装置を有していない内燃機関である。内燃機関は、点火時期に依存して燃焼室の圧力が変動する。内燃機関は、出力トルクが最大になる点火時期θｍａｘを有する。比較例１は、点火時期θｍａｘで点火したときのグラフである。出力トルクが最大になる点火時期で点火することにより、燃焼室の圧力が高くなり熱効率が最良になる。ところが、比較例１のように点火時期が早いと、燃焼室の圧力が異常燃焼の発生する圧力よりも高くなる。比較例１のグラフは、異常燃焼が発生しないと仮定している。一方で、実際の内燃機関では、燃焼室の最大圧力（Ｐｍａｘ）が異常燃焼の発生する圧力よりも小さくなるように点火時期を遅角させている。
【００４２】
比較例２の内燃機関では、異常燃焼を回避するために、出力トルクが最大になる点火時期よりも遅らせて点火している。点火時期を遅角させた場合には、出力トルクが最大になる点火時期で点火した場合よりも燃焼室の最大圧力が小さくなる。
【００４３】
本実施の形態における内燃機関は、燃焼室の圧力が異常燃焼の発生する圧力未満で燃焼を行なうことができる。点火時期を早くしても異常燃焼の発生を抑制することができる。特に、圧縮比が高いエンジンにおいても異常燃焼を抑制することができる。さらに、燃焼室の圧力が高い時間を長くすることができる。このため、比較例２の点火時期を遅らせた内燃機関よりも熱効率が改善され、出力トルクを大きくすることができる。または、燃料消費量を少なくすることができる。
【００４４】
図２を参照して、本実施の形態における容積可変装置は、燃焼室５の圧力を検出する筒内圧センサ６６を含む。本実施の形態における容積可変装置は、移動部材としての副室用ピストン５５が係止部５２に着底した時期を検出する着底時期検出手段を含む。本実施の形態における着底時期検出手段は、機関本体１の振動を検出する振動検出器を含む。本実施の形態においては、振動センサ６７が振動検出器として機能する。筒内圧センサ６６および振動センサ６７の出力信号は、電子制御ユニット３１に入力されている。
【００４５】
本実施の形態における容積可変装置は、筒状部材５１の内部を副室用ピストン５５が移動する。副室用ピストン５５は、筒状部材５１の内部を滑らかに移動することが好ましい。ところが、内燃機関の運転期間中に、副室用ピストン５５の移動を妨げる不具合が生じる場合がある。たとえば、副室用ピストン５５または筒状部材５１が、経年変化により徐々に変形する場合がある。または、副室用ピストン本体５５ａや副室用ピストンリング５５ｂが焼きついてしまう場合がある。このような場合には、副室用ピストン５５の移動速度が遅くなったり、副室用ピストン５５の移動中に引っかかったりする場合がある。本実施の形態における容積可変装置は、副室用ピストン５５が滑らかに移動しなくなる故障を検出する。
【００４６】
図４に、本実施の形態における容積可変装置が正常なときの運転状態と、容積可変装置が故障したときの運転状態とを説明するタイムチャートを示す。容積可変装置が正常な場合には、すなわち、故障がない場合には、副室用ピストン５５と筒状部材５１との間の摩擦が小さく、滑らかに副室用ピストン５５が移動する。容積可変装置が正常な場合には、クランク角度θｓで燃焼室５の圧力が制御圧力に到達する。図４に示す実施例においては、燃焼室５の圧力にオーバシュートが発現して、制御圧力よりもやや高くなっている。燃焼室５の圧力は振動しながら、ほぼ制御圧力に保たれる。クランク角度θｘ１で、副室用ピストン５５が着底している。その後に燃焼室５の圧力は、クランク角度の進行とともに小さくなっている。
【００４７】
容積可変装置が正常な場合に、振動センサ６７は、クランク角度θｘ１において副室用ピストン５５が着底するときの振動を検出している。クランク角度θｘ１において、大きな振幅を有する振動が出力されている。本実施の形態においては、振動センサ６７の出力において、予め定められた振幅判定値よりも大きな振幅が検出された時期を副室用ピストンが着底した時期として採用している。本実施の形態における振動センサ６７は、副室用ピストン５５が着底したときの振動を検出することができる。たとえば、振動センサ６７により検出した振動に基づいて、副室用ピストン５５が係止部５２に着底した時期を検出することができる。なお、本実施の形態においては、振動の振幅を検出し、振動の振幅により判別を行っているが、この形態に限られず、振動の速度や振動の加速度などを用いて判別を行っても構わない。
【００４８】
本実施の形態における容積可変装置が故障したときには、筒状部材５１の内部において副室用ピストン５５が滑らかに移動しなくなる。クランク角度θｓにおいて、副室用ピストンが移動し始める。ところが、副室用ピストン５５の移動速度が遅くなるために、副室用ピストン５５が着底する時期は、クランク角度θｘ１よりも後のクランク角度θｘ２になる。振動センサ６７により検出される振動の出力は、クランク角度θｘ２において発現している。
【００４９】
この様に、容積可変装置は、副室用ピストンの着底する時期が、所定の時期よりも遅くなった場合に故障していると判別することができる。たとえば、副室用ピストンが徐々に変形する故障の場合には、副室用ピストンの変形量が大きくなるほど、副室用ピストンの着底する時期が正常時における着底する時期よりも遅くなる。このため、副室用ピストンが実際に着底する時期を検出して故障の有無を判別することができる。
【００５０】
または、容積可変装置は、副室用ピストンの着底する時期が所定量よりも早くなった場合に故障していると判別することができる。たとえば、筒状部材が変形して内側に突出する部分が発現し、副室用ピストンが上昇途中で跳ね返ると、副室用ピストンの着底する時期が正常時における副室用ピストンの着底する時期よりも早くなる場合がある。
【００５１】
図５に、本実施の形態における運転制御のフローチャートを示す。本実施の形態における運転制御は、容積可変装置が故障しているか否かを判別する。図５に示す運転制御は、例えば、予め定められた時間間隔ごとに行なうことができる。
【００５２】
ステップ１０１においては、内燃機関の機関回転数および要求負荷を検出する。図１を参照して、機関回転数はクランク角度センサ４２により検出することができる。要求負荷は、負荷センサ４１により検出することができる。
【００５３】
次に、ステップ１０２において、容積可変装置が正常な場合に副室用ピストンが着底すべき基準着底時期Ｔｂを読み込む。本実施の形態においては、基準着底時期として基準着底クランク角度θｂを読み込む。
【００５４】
本実施の形態における内燃機関は、運転状態に基づいて、移動部材が係止部に着底すべき基準着底時期を選定する基準着底時期の選定手段を備える。本実施の形態においては、運転状態として、機関回転数および要求負荷を採用している。
【００５５】
図６に、本実施の形態における基準着底クランク角度θｂのマップを示す。このマップは、たとえば、電子制御ユニット３１のＲＯＭ３４に予め記憶させておくことができる。基準着底クランク角度θｂは、機関回転数Ｎと要求負荷Ｌとを関数にして選定することができる。検出した機関回転数Ｎと要求負荷Ｌとに基づいて、副室用ピストン５５が係止部５２に着底すべき基準着底クランク角度θｂを読み込むことができる。
【００５６】
図５を参照して、次に、ステップ１０３において、燃焼室にて燃料の燃焼を実施する。燃料の燃焼とともに容積可変装置が駆動する。ステップ１０４において、振動センサ６７の出力に基づいて、副室用ピストン５５の実際の着底時期Ｔｘを検出する。本実施の形態においては、実際の着底時期として副室用ピストン５５が着底したクランク角度θｘを検出する。図４を参照して、副室用ピストン５５が実際に着底したクランク角度θｘは、正常時のクランク角度θｘ１や故障時のクランク角度θｘ２を例示することができる。
【００５７】
ステップ１０５においては、副室用ピストン５５の基準着底時期Ｔｂと実際の着底時期Ｔｘとの差が、予め定められた判定値よりも大きいか否かを判別する。本実施の形態においては、変数（θｘ−θｂ）の絶対値が予め定められた判定値よりも大きいか否かを判別している。
【００５８】
ステップ１０５において、変数（θｘ−θｂ）の絶対値が予め定められた判定値よりも大きい場合には、容積可変装置が故障していると判別することができる。副室用ピストン５５の移動速度が遅くなったり、副室用ピストン５５の移動途中で跳ね返って着底したりしていると判別することができる。この場合には、ステップ１０６に移行する。ステップ１０６においては、故障判定フラグを１にする。
【００５９】
一方で、ステップ１０５において、変数（θｘ−θｂ）の絶対値が予め定められた判定値以下である場合には、筒状部材５１の内部で副室用ピストン５５が滑らかに移動しており、故障が生じていないと判別することができる。この場合には、ステップ１０７に移行する。ステップ１０７においては、故障判定フラグを零にする。
【００６０】
なお、本実施の形態においては、変数（Ｔｘ−Ｔｂ）の絶対値を予め定められた判定値と比較しているが、この形態に限られず、副室用ピストンの基準着底時期Ｔｂと、実際の着底時期Ｔｘとに基づいて判定を行うことができる。たとえば、変数（Ｔｘ−Ｔｂ）を予め定められた判定値と比較しても構わない。または、変数（Ｔｘ／Ｔｂ）を予め定められた判定値と比較しても構わない。
【００６１】
図５に示す運転制御において、故障判定フラグが１の場合には、容積可変装置の故障時の運転制御を行なうことができる。容積可変装置の故障時の運転制御としては、容積可変装置の使用を停止する制御を行なうことができる。たとえば、内燃機関の要求負荷の最大値を低下させる制御を行うことができる。または、容積可変装置のガス室に気体を供給する気体供給装置を備える場合には、ガス室の圧力を非常に高くして副室用ピストンの移動を停止させることができる。または、運転者に容積可変装置が故障したことを告知する表示灯がある場合には、表示灯を点灯させたりすることができる。
【００６２】
一方で、図５に示す運転制御において、故障判定フラグが零の場合には通常運転を継続することができる。
【００６３】
本実施の形態における内燃機関は、基準着底時期の選定手段を備え、基準着底時期の選定手段により選定した基準着底時期を用いて容積可変装置が故障しているか否かを判別している。この構成を採用することにより、運転状態に応じて、より正確に故障の判別を行うことができる。運転状態としては、機関回転数および要求負荷に限られず、任意の内燃機関の運転状態を採用することができる。また、基準着底時期は、固定値が採用されていても構わない。
【００６４】
本実施の形態における着底時期検出手段は、機関本体の振動を検出可能な振動検出器を含み、機関本体の振動の変化に基づいて移動部材が係止部に着底した時期を検出しているが、この形態に限られず、着底時期検出手段は、任意の装置により移動部材が係止部に着底した時期を検出することができる。例えば、着底時期検出手段は、副室用ピストン５５の位置を検出する位置センサを含み、位置センサの出力により副室用ピストン５５が着底したことを検出しても構わない。または、ガス室６１の圧力を検出する圧力センサを配置しても構わない。副室用ピストン５５が、燃焼室５から離れる向きに移動するとガス室６１の圧力が上昇する。副室用ピストン５５が、着底して元の位置に戻ると、ガス室６１の圧力が元の圧力に戻る。このため、ガス室６１の圧力を検出することにより、副室用ピストン５５が着底したことを検出することができる。
【００６５】
本実施の形態における振動検出器は、振動センサ６７を含むが、この形態に限られず、副室用ピストン５５が着底したときに生じる振動を検出できる任意のセンサを採用することができる。たとえば、筒内圧センサ６６が圧電素子を含み、気筒内の圧力に加えて振動の検出が可能な場合には、筒内圧センサ６６により副室用ピストン５５が係止部５２に着底したことを検出することができる。
【００６６】
図７に、本実施の形態の容積可変装置が故障した場合の筒内圧センサの出力の変化を説明するタイムチャートを示す。この筒内圧センサは、圧力の他に振動も検出する。クランク角度θｘ１は、容積可変装置が正常な時に副室用ピストン５５が係止部５２に着底する時期である。図７に示す例では、副室用ピストン５５の変位は、クランク角度θｘ２で零になっている。クランク角度θｘ２において、筒内圧センサから振幅の大きな波形が出力されている。すなわち、スパイクが出力されている。筒内圧力センサの出力において、スパイクが検出された時期を副室用ピストンが着底した時期として採用することができる。たとえば、予め定められた振幅の増加速度の判定値よりも大きな振幅の増加速度を検出することにより、副室用ピストンが着底した時期を検出することができる。
【００６７】
本実施の形態の内燃機関においては、副室用ピストンの基準着底時期および実際の着底時期をクランク角度にて検出しているが、この形態に限られず、基準着底時期および実際の着底時期は、容積可変装置が駆動している期間中の時期を特定可能な任意の変数を採用することができる。たとえば、それぞれの気筒において圧縮上死点に到達してからの経過時間を採用しても構わない。
【００６８】
本実施の形態における容積可変装置は、燃焼室に連通する空間としての副室の容積が可変に形成されているが、この形態に限られず、燃焼室の容積が可変に形成されていても構わない。たとえば、容積可変装置が燃焼室を構成するピストンの上部に形成されていても構わない。
【００６９】
図８に、実施の形態における他の容積可変装置を備えるピストンの概略破断斜視図を示す。他の容積可変装置は、ピストン３の上部に配置されている。このピストン３は、ピストン本体６４と、移動部材としての覆い部材６２とを含む。ピストン本体６４は、コネクティングロッドに支持される。ピストン本体６４は、ピストンピンを挿入するための穴部６４ａを有する。ピストン本体６４は、覆い部材６２を係止する係止部として機能する窪み部６４ｂを有する。窪み部６４ｂは、ピストン本体６４の側面に形成されている。
【００７０】
本実施の形態における他の容積可変装置は、ピストン本体６４の燃焼室５に向かう側の端部に配置されているばね装置を含む。ばね装置は、流体封入部材６３を含む。流体封入部材６３の内部には、制御圧力に対応した圧力の気体が封入されている。流体封入部材６３は、側面となる部分に蛇腹部６３ａを有する。流体封入部材６３は、蛇腹部６３ａが変形することにより、矢印２０１に示す方向に、伸縮可能に形成されている。
【００７１】
覆い部材６２は、流体封入部材６３を覆うように形成されている。覆い部材６２は、燃焼室５の隔壁を構成する天板６２ａを有する。覆い部材６２の側面には、ピストンリングが配置される溝部６２ｂが形成されている。覆い部材６２は、ピストン本体６４に嵌合するように形成されている。覆い部材６２は、ピストン本体６４に対して、矢印２０１に示す方向に相対移動するように形成されている。
【００７２】
覆い部材６２は、ピストン本体６４に向かって突出する突出部６２ｃを有する。突出部６２ｃは、ピストン本体６４の窪み部６４ｂの内部に配置されている。突出部６２ｃが窪み部６４ｂの端部に接触することにより、覆い部材６２の燃焼室５に向かう移動が制限される。突出部６２ｃが窪み部６４ｂの燃焼室５に向かう側の端部に接触して停止している状態が、覆い部材６２が着底している状態である。
【００７３】
本実施の形態の他の容積可変装置においては、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときに、燃焼室５の圧力変化を駆動源として流体封入部材６３が縮む。覆い部材６２がピストン本体６４に対して相対的に移動する。この結果、燃焼室５の容積が増加して、燃焼室５の圧力上昇を抑制することができる。このような燃焼室５の容積が可変に形成されている容積可変装置を備える内燃機関においても、前述と同様の着底時期検出手段を配置して容積可変装置が故障しているか否かを判別することができる。
【００７４】
本実施の形態における容積可変装置は、制御圧力が一定であるが、この形態に限られず、制御圧力が可変に形成されていても構わない。たとえば、容積可変装置は、ガス室に気体を供給したり、ガス室の気体を排出したりする機能を有する気体供給装置を備えていても構わない。気体供給装置を配置することにより、運転期間中または停止期間中にガス室から気体が漏れても、ガス室に気体を充填することができる。また、ガス室の圧力を変更することにより、内燃機関の運転状態に応じて制御圧力を変更することができる。この場合に、基準着底時期の選定においては、運転状態の変数としてガス室の圧力または制御圧力等を関数に含めることができる。
【００７５】
本実施の形態におけるばね装置は、気体が圧縮されることにより弾性を有する気体ばねを含むが、この形態に限られず、ばね装置は、弾性を有する任意の装置を採用することができる。たとえば、ばね装置は、コイルスプリング等の機械ばねを含んでいても構わない。
【００７６】
上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。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】
【００７７】
１    機関本体
３    ピストン
５    燃焼室
３１    電子制御ユニット
４１    負荷センサ
４２    クランク角センサ
５０    気体ばね
５１    筒状部材
５２    係止部
５５    副室用ピストン
６０    副室
６１    ガス室
６２    覆い部材
６３    流体封入部材
６４    ピストン本体
６４ｂ    窪み部
６６    筒内圧センサ
６７    振動センサ
【図１】
2012097692.tif 000003
【図２】
2012097692.tif 000004
【図３】
2012097692.tif 000005
【図４】
2012097692.tif 000006
【図５】
2012097692.tif 000007
【図６】
2012097692.tif 000008
【図７】
2012097692.tif 000009
【図８】
2012097692.tif 000010