(57)【要約】【課題】内燃機関の効率を向上させる。【解決手段】内燃機関は、圧縮比を変更可能な圧縮比可変機構を備え、燃焼室から流出する排気ガスには未燃燃料が含まれて未燃損失が生じており、圧縮比が変化したときの圧縮比に対する未燃損失の変化率と、圧縮比が変化したときの圧縮比に対する理論熱効率の変化率とを推定し、未燃損失の変化率と理論熱効率の変化率とが一致する圧縮比に向かって圧縮比を変更する。【選択図】図６
2013155645.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮比を変更可能な圧縮比可変機構を備え、
燃焼室から流出する排気ガスには未燃燃料が含まれて未燃損失が生じており、
圧縮比が変化したときの圧縮比に対する未燃損失の変化率と、圧縮比が変化したときの圧縮比に対する理論熱効率の変化率とを推定し、
未燃損失の変化率と理論熱効率の変化率とが一致する圧縮比に向かって圧縮比を変更することを特徴とする、内燃機関。
【請求項２】
理論熱効率の変化率が未燃損失の変化率よりも大きい場合には圧縮比を上昇させる制御を行い、理論熱効率の変化率が未燃損失の変化率よりも小さい場合には圧縮比を低下させる制御を行う、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
機関排気通路に配置され、未燃燃料を酸化する機能を有する触媒を備え、
燃焼室から流出する排気ガスの温度と、触媒の温度とを検出し、
燃焼室から流出する排気ガスの温度と触媒の温度とに基づいて、圧縮比に対する未燃損失の変化率を推定する、請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
圧縮比可変機構は、燃焼室の容積を変化させて機械圧縮比を変更可能に形成されており、
前記圧縮比として機械圧縮比を検出し、未燃損失の変化率と理論熱効率の変化率とが一致する機械圧縮比に向かって機械圧縮比を変更する、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、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２００８−２２３７７３号公報においては、運転期間中に圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構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、シリンダーを有するシリンダブロックを、ピストンが連結されたクランクケースに対してシリンダーの中心軸方向に移動させることによって圧縮比を変更することが開示されている。
【０００４】
また、特開２０１０−１６８９３９号公報においては、機械圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、燃焼室容積と吸気バルブが閉弁したときの気筒内の容積の比（有効圧縮比）を変更する可変動弁機構とを備える内燃機関が開示されている。この公報には、内燃機関の負荷が比較的低い時に機械圧縮比を高めるとともに、吸気バルブの閉弁時期を遅角して有効圧縮比を低下させることにより、高膨張比運転を行なうことが開示されている。また、この公報においては、機械圧縮比が高められると、クエンチ領域やクレビスボリュームに入り込む燃料が増加し、未燃燃料の排出量が増加する可能性があることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２２３７７３号公報
【特許文献２】特開２０１０−１６８９３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃焼室において混合気が着火されると、たとえば火炎が点火栓を中心に広がる。このときに、燃焼室内には火炎が到達しない領域が存在する。燃料が燃焼した場合にも、一部の領域においては燃料が燃焼せずに未燃燃料として残存する。このような燃焼が生じない領域はクエンチゾーンと呼ばれ、未燃燃料の一部は燃焼室から機関排気通路に排出される。
【０００７】
従来の技術における内燃機関では、異常燃焼の発生を回避できる圧縮比の範囲内において高く圧縮比が設定されることが好ましい。ところが、圧縮比を高くすると燃焼室から排出される未燃燃料が増加する場合があった。燃焼室に供給される燃料の量に対する燃焼室から流出する未燃燃料の量が増加し、未燃損失が大きくなる場合があった。このために、異常燃焼の生じない圧縮比の範囲内においても、圧縮比を高くすると内燃機関の効率が低下する場合があった。たとえば、圧縮比を高くした場合に燃料消費量が増大する場合があり、改善の余地があった。
【０００８】
本発明は、圧縮比可変機構を備える内燃機関において、内燃機関の効率を向上させ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、圧縮比を変更可能な圧縮比可変機構を備え、燃焼室から流出する排気ガスには未燃燃料が含まれて未燃損失が生じており、圧縮比が変化したときの圧縮比に対する未燃損失の変化率と、圧縮比が変化したときの圧縮比に対する理論熱効率の変化率とを推定し、未燃損失の変化率と理論熱効率の変化率とが一致する圧縮比に向かって圧縮比を変更する。
【００１０】
上記発明においては、理論熱効率の変化率が未燃損失の変化率よりも大きい場合には圧縮比を上昇させる制御を行い、理論熱効率の変化率が未燃損失の変化率よりも小さい場合には圧縮比を低下させる制御を行うことができる。
【００１１】
上記発明においては、機関排気通路に配置され、未燃燃料を酸化する機能を有する触媒を備え、燃焼室から流出する排気ガスの温度と、触媒の温度とを検出し、燃焼室から流出する排気ガスの温度と触媒の温度とに基づいて、圧縮比に対する未燃損失の変化率を推定することができる。
【００１２】
上記発明においては、圧縮比可変機構は、燃焼室の容積を変化させて機械圧縮比を変更可能に形成されており、圧縮比として機械圧縮比を検出し、未燃損失の変化率と理論熱効率の変化率とが一致する機械圧縮比に向かって機械圧縮比を変更することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、圧縮比可変機構を備える内燃機関において、内燃機関の効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１における内燃機関の概略図である。
【図２】実施の形態１における可変動弁機構の作用の説明図である。
【図３】（Ａ）は圧縮比に対する理論熱効率を示すグラフであり、（Ｂ）は圧縮比に対する理論熱効率の傾きを示すグラフである。
【図４】（Ａ）は圧縮比に対する未燃損失を示すグラフであり、（Ｂ）は圧縮比に対する未燃損失の傾きを示すグラフである。
【図５】（Ａ）は圧縮比に対する内燃機関の効率を示すグラフであり、（Ｂ）は圧縮比に対する効率の傾きを示すグラフである。
【図６】実施の形態１における圧縮比を変更する運転制御を説明するフローチャートである。
【図７】圧縮比に対する未燃損失の変化率を推定する制御のフローチャートである。
【図８】実施の形態１における他の排気浄化装置の概略図である。
【図９】実施の形態１における更に他の排気浄化装置の概略図である。
【図１０】実施の形態２における機械圧縮比を変更する圧縮比可変機構の概略分解斜視図である。
【図１１】実施の形態２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１２】実施の形態２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１３】実施の形態２の内燃機関において、機械圧縮比に対する理論熱効率を示すグラフである。
【図１４】実施の形態２の内燃機関において、機械圧縮比に対する未燃損失を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（実施の形態１）
図１から図９を参照して、実施の形態１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。
【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。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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、酸化触媒２０を含む。排気処理装置２１には、排気管２２が接続されている。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。機関排気通路には、燃焼室５から流出する排気ガスの温度を検出する温度検出器としての温度センサ４４が配置されている。また、排気処理装置２１には、酸化触媒２０の床温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４３，４４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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
図２に、本実施の形態における可変バルブタイミング装置の機能の説明図を示す。横軸はクランク角度であり、縦軸は弁の移動量である。吸気弁の移動を示す実線は、可変バルブタイミング装置により吸気カムの回転軸の位相が最も進角されている状態を示している。一方で、吸気弁の移動を示す破線は、吸気カムの回転軸の位相が最も遅角されている状態を示している。本実施の形態における可変バルブタイミング装置５３は、吸気弁６が開き始めてから閉じ終わるまでの作用角が一定で、吸気弁の閉弁時期（作用角の中心の位相）が変更可能に形成されている。本実施の形態において、吸気弁の閉弁時期は、矢印Ｃで示す範囲内の任意のクランク角度に設定することができる。可変動弁機構としては、この形態に限られず、吸気弁の閉弁時期が変更可能に形成されていれば構わない。
【００２７】
本実施の形態における内燃機関は、可変動弁機構が圧縮比可変機構として機能する。本実施の形態の内燃機関では、ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積が一定である。吸気弁は、吸気下死点より後に閉じるために、吸気弁の閉弁時期を早くする（進角）ことにより圧縮比を高くすることができる。また、吸気弁の閉弁時期を遅くする（遅角）ことにより、圧縮比を低くすることができる。本実施の形態における圧縮比は、圧縮行程において混合気を実際に圧縮するときの比率である実圧縮比である。本実施の形態における圧縮比は、（圧縮比）＝（燃焼室の容積＋吸気弁が閉弁したときから圧縮上死点までにピストンが移動した容積）／（燃焼室の容積）になる。
【００２８】
図３に、圧縮比と理論熱効率の関係を説明するグラフを示す。図３（Ａ）は、圧縮比に対する理論熱効率のグラフであり、図３（Ｂ）は圧縮比に対する理論熱効率の傾きのグラフである。図３（Ａ）を参照して、圧縮比を高くすることにより、理論熱効率が上昇することが分かる。圧縮比に対する理論熱効率のグラフは上に凸の形状になる。図３（Ｂ）を参照して、理論熱効率の傾きは、圧縮比に対する理論熱効率の変化率を示している。理論熱効率の傾きは、圧縮比が高くなるほど小さくなる特性を有する。
【００２９】
ところで、燃料と空気との混合気が燃焼室において燃焼した場合に、クエンチゾーンでは燃料が燃焼しないために、一部の燃料は燃焼せずに未燃燃料として残存する。圧縮比を変更した場合には、圧縮比が高くなるほどクエンチゾーンが大きくなり未燃燃料が多くなる。圧縮比が高くなるほど燃焼室から流出する未燃燃料が多くなり、未燃損失が増大する。ここで、本実施の形態における未燃損失は、たとえば以下の式（１）により算出することができる。
【数１】
2013155645.tif 000003
【００３０】
図４に、圧縮比に対する未燃損失の関係を説明するグラフを示す。図４（Ａ）は、圧縮比に対する未燃損失を示すグラフであり、図４（Ｂ）は、圧縮比に対する未燃損失の傾きを説明するグラフである。図４（Ａ）を参照して、圧縮比を高くすると未燃損失は上昇する。所定の圧縮比よりも高い領域では未燃損失が急激に上昇する特性を有する。また、圧縮比に対する未燃損失を示すグラフは、下側に凸の形状になる。図４（Ｂ）を参照して、未燃損失の傾きは、それぞれの圧縮比における未燃損失の変化率である。未燃損失の傾きのグラフでは、所定の圧縮比までは低い値であるが、所定の圧縮比よりも大きな範囲では、圧縮比が高くなるほど未燃損失の傾きが急激に上昇するという特性を有する。
【００３１】
未燃損失が増加すると燃焼室から流出する燃料の割合が増加するために、内燃機関の効率は低下する。内燃機関の効率は、理論熱効率および未燃損失を考慮して、次の式（２）のように算出することができる。
【数２】
2013155645.tif 000004
【００３２】
ここで、変数ηは、内燃機関の効率であり、変数ηｔｈは理論熱効率であり、変数ηｌｏｓｓは未燃損失である。理論熱効率から未燃損失を減算することにより、内燃機関の効率を算出することができる。
【００３３】
図５に、内燃機関の効率と圧縮比との関係を説明するグラフを示す。図５は、所定の内燃機関の運転状態における内燃機関の効率を説明するグラフである。図５（Ａ）は、圧縮比に対する内燃機関の効率を示すグラフであり、図５（Ｂ）は、圧縮比に対する効率の傾きを示すグラフである。図５（Ｂ）には、圧縮比に対する未燃損失の傾きのグラフと、圧縮比に対する理論熱効率の傾きのグラフとが記載されている。すなわち、図３（Ｂ）と図４（Ｂ）とのグラフが記載されている。
【００３４】
図５（Ａ）を参照して、圧縮比を低圧縮比から高くすると、特定の圧縮比εｘまでは内燃機関の効率が上昇することが分かる。この領域では、圧縮比の上昇に伴う理論熱効率の上昇率が、未燃損失の上昇率よりも大きくなり、その結果、内燃機関の効率が上昇する。内燃機関の効率は、圧縮比εｘにおいて最大になり、圧縮比εｘよりも大きな領域では、圧縮比が大きくなるほど内燃機関の効率が低下する。この領域では、圧縮比の上昇に伴う未燃損失の上昇率が、理論熱効率の上昇率よりも小さくなる。
【００３５】
このように、本実施の形態の内燃機関では、ノッキングなどの異常燃焼が発現しない領域内においても、圧縮比が特定の圧縮比εｘよりも高い領域になると、圧縮比を高くするほど内燃機関の効率が低下してしまうという特性を有する。
【００３６】
ところで、内燃機関の効率を低下させる未燃損失は、環境温度や燃料の性状などに依存して変化するために、最適な圧縮比εｘを予め定めておくことが難しいという特性を有する。すなわち、内燃機関の効率が最適になり燃費が最適になる圧縮比を予め適合によって求めておくことが難しい。
【００３７】
本実施の形態の内燃機関においては、内燃機関の運転状態に依存する変数を検出して未燃損失を推定し、理論熱効率と未燃損失とに基づいて、内燃機関の効率が最適になる圧縮比を推定する。推定した圧縮比に近づくように圧縮比を制御する。すなわち、内燃機関の効率が最適になる圧縮比に向かって圧縮比を変更する。
【００３８】
前述の式（２）により、次の式（３）を導くことができる。
【数３】
2013155645.tif 000005
【００３９】
ここで、変数εは、圧縮比である。本実施の形態においては、実圧縮比を示している。図５（Ａ）を参照して、本実施の形態における内燃機関は、圧縮比に対する内燃機関の効率が上に凸のグラフになる。このために、内燃機関の効率が最大になる特定の圧縮比εｘにおいては、内燃機関の効率のグラフの傾きが零になる。内燃機関の効率が最大となる点は、次の式（４）のように表すことができる。
【数４】
2013155645.tif 000006
【００４０】
式（４）は、圧縮比に対する内燃機関の効率の変化率が零になることを示している。式（４）の関係を、式（３）に代入することにより、次の式（５）の関係を示すことができる。
【数５】
2013155645.tif 000007
【００４１】
式（５）は、圧縮比に対する理論熱効率の変化率が、圧縮比に対する未年損失の変化率と等しくなることを示している。図５（Ｂ）を参照して、理論熱効率の傾きと、未燃損失の傾きとが一致する圧縮比が特定の圧縮比εｘに相等する。
【００４２】
本実施の形態の内燃機関においては、圧縮比が変化したときの圧縮比に対する未燃損失の変化率と、圧縮比が変化したときの圧縮比に対する理論熱効率の変化率とを推定する。そして、未燃損失の変化率と理論熱効率の変化率とが一致する圧縮比に向かって、圧縮比を変更する。現在の圧縮比が特定の圧縮比εｘからずれていた場合には、特定の圧縮比εｘに向かって圧縮比を変更する制御を行う。
【００４３】
例えば、圧縮比εｘよりも小さな領域においては、内燃機関の効率の傾きが正になる。すなわち、次の式（６）の関係になる。
【数６】
2013155645.tif 000008
【００４４】
式（６）の関係を式（３）に代入すると、次の式（７）の関係を導くことができる。
【数７】
2013155645.tif 000009
【００４５】
式（７）は、理論熱効率の傾きが未燃損失の傾きよりも大きくなることを示している。このような領域では、圧縮比εｘに近づけるために、圧縮比を上昇させる制御を行う。
【００４６】
一方で、圧縮比εｘよりも大きな領域においては、次の式（８）の関係になる。
【数８】
2013155645.tif 000010
【００４７】
式（８）は、内燃機関の効率の変化率が負になることを示している。式（８）の関係を式（３）に代入すると、次の式（９）の関係を得ることができる。
【数９】
2013155645.tif 000011
【００４８】
式（９）は、理論熱効率の傾きが、未燃損失の傾きよりも小さくなることを示している。このような領域においては、圧縮比εｘに近づけるために、圧縮比を低下させる制御を行う。
【００４９】
図６に、本実施の形態の内燃機関における運転制御のフローチャートを示す。図６に示す制御は、たとえば予め定められた時間間隔ごとに繰り返して行うことができる。
【００５０】
ステップ１０１においては、現在の圧縮比を検出する。本実施の形態における内燃機関では、吸気弁の閉弁時期から圧縮比を算出することができる。ステップ１０２においては、圧縮比に対する理論熱効率の変化率を推定する。理論熱効率は、圧縮比に基づいて推定することができる。例えば、一般的なオットーサイクルの場合の理論熱効率ηｔｈは、次の式（１０）により算出することができる。
【数１０】
2013155645.tif 000012
【００５１】
ここで、変数εは圧縮比を示し、変数κは比熱比（定積比熱に対する定圧比熱の比）を示す。理論熱効率の変化率は、式（１０）に基づいて予め算出することができる。圧縮比に対する理論熱効率の変化率は、電子制御ユニットに記憶させておくことができる。たとえば、図３（Ｂ）のグラフの関係を電子制御ユニットに記憶させておくことができる。ステップ１０２においては、電子制御ユニットに記憶した理論熱効率の変化率を読み込むことができる。理論熱効率の変化率は、この形態に限られず、計算により推定しても構わない。
【００５２】
次に、ステップ１０３においては、圧縮比に対する未燃損失の変化率を推定する。本実施の形態においては、予め定められた時間間隔ごとに、圧縮比に対する未燃損失の変化率を推定し、推定した未燃損失の値を電子制御ユニットに記憶させている。本実施の形態におけるステップ１０３においては、記憶された未燃損失の変化率を読み込んでいる。
【００５３】
図７に、圧縮比に対する未燃損失の変化率を推定する制御のフローチャートを示す。ステップ１１１においては、現在の内燃機関の運転状態における未燃損失を推定する。内燃機関の未燃損失の推定制御については後述する。
【００５４】
ステップ１１２においては、ノッキングなどの異常燃焼が発生しているか否かを検出する。異常燃焼は、例えば、機関本体に取付けられたノックセンサ等により検出することができる。ステップ１１２において、異常燃焼が発生している場合には、ステップ１１３に移行して圧縮比を低下させて今回の制御を終了する。ステップ１１３においては、例えば、予め定められた圧縮比の低下幅に基づいて圧縮比を低下させることができる。
【００５５】
ステップ１１２において、異常燃焼が発生していない場合には、ステップ１１４に移行して圧縮比を上昇させる。ステップ１１４における圧縮比の上昇幅は、例えば、予め定めておくことができる。
【００５６】
次に、ステップ１１５においては、圧縮比が変化した状態において、再び未燃損失を推定する。このステップでの未燃損失の推定は、ステップ１１１と同様の制御により行うことができる。
【００５７】
次に、ステップ１１６においては、圧縮比に対する未燃損失の変化率を推定する。本実施の形態においては、圧縮比を変更する前のステップ１１１におけて推定した未燃損失と、ステップ１１５におけて推定した未燃損失とに基づいて、圧縮比に対する未燃損失の変化率を推定することができる。本実施の形態においては、推定した未燃損失の変化率を電子制御ユニットに記憶させている。
【００５８】
このように、本実施の形態の内燃機関では未燃損失の変化率を推定することができる。本実施の形態においては、未燃損失の変化率を推定するために、意図的に圧縮比を変更しているが、この形態に限られず、任意の制御により圧縮比に対する未燃損失の変化率を推定することができる。例えば、内燃機関は、通常運転においても運転状態に基づいて圧縮比を変更する。圧縮比を変更するごとに、圧縮比に対する未燃損失の変化率を推定して、電子制御ユニットに記憶させても構わない。
【００５９】
なお、図４を参照して、圧縮比に対する未燃損失の変化率は圧縮比が大きな領域において急峻に立ち上がる特性を有するため、圧縮比を変更する前後において内燃機関の機関回転数や負荷など内燃機関の運転状態が多少変化しても、圧縮比の影響に比べて小さい。このために、内燃機関の運転状態の変化は無視することができる。
【００６０】
図６を参照して、ステップ１０３において、圧縮比に対する未燃損失の変化率を推定し、ステップ１０４に移行する。ステップ１０４においては、理論熱効率の変化率と未燃損失の変化率とを比較する。理論熱効率の変化率が未燃損失の変化率よりも大きければ、ステップ１０５に移行する。この場合には、現在の圧縮比が図５（Ａ）の特定の圧縮比εｘよりも小さな領域に存在する。
【００６１】
ステップ１０５においては、圧縮比を上昇する制御を行う。本実施の形態においては、予め定められた上昇幅に基づいて圧縮比を上昇させている。圧縮比の上昇幅においては、この形態に限られず、理論熱効率の変化率と未燃損失の変化率とに基づいて設定しても構わない。
【００６２】
ステップ１０４において、理論熱効率の変化率が未燃損失の変化率以下の場合には、ステップ１０６に移行する。ステップ１０６においては、理論熱効率の変化率が未燃損失の変化率よりも小さいか否かを判別する。ステップ１０６において、理論熱効率の変化率が、未燃損失の変化率よりも小さくない場合には、理論熱効率の変化率と未燃損失の変化率とが等しい状態にある。この場合には、図５（Ａ）を参照して、現在の圧縮比は、内燃機関の効率が最も高くなる特定の圧縮比εｘである。このために、現在の圧縮比を維持する制御を行う。
【００６３】
ステップ１０６において、理論熱効率の変化率が未燃損失の変化率よりも小さい場合には、ステップ１０７に移行する。この場合には、図５（Ａ）を参照して、現在の圧縮比が内燃機関の効率が最大になる特定の圧縮比εｘよりも大きな領域に存在する。このために、ステップ１０７においては、圧縮比を低下させる制御を行う。本実施の形態においては、予め定められた低下幅に基づいて圧縮比を低下させている。圧縮比の低下幅においては、この形態に限られず、理論熱効率の変化率と未燃損失の変化率とに基づいて設定しても構わない。ステップ１０７が終了したら、今回の制御を終了する。
【００６４】
このように、本実施の形態においては、理論熱効率の変化率が未燃損失の変化率よりも大きい場合には、圧縮比を上昇させる制御を行い、理論熱効率の変化率が未燃損失の変化率よりも小さい場合には、機械圧縮比を低下させる制御を行う。この制御を行うことにより、内燃機関の効率が最大になる圧縮比εｘに向かって、圧縮比を変更することができる。内燃機関の効率を向上させることができる。
【００６５】
図５（Ａ）を参照して、本実施の形態においては、圧縮比に対する内燃機関の効率が上に凸のグラフになる内燃機関について説明している。内燃機関の種類や内燃機関の運転状態によっては、圧縮比に対する内燃機関の効率が単調増加になる場合がある。このような場合においても、本実施の形態における運転制御を行うことにより、異常燃焼が発現しない運転可能な圧縮比まで、最大限に圧縮比を上昇させることができて、内燃機関の効率が最大になる圧縮比に近づけることができる。
【００６６】
次に、図７のステップ１１１およびステップ１１５における未燃損失の推定制御について説明する。未燃損失は、前述の式（１）により推定することができる。本実施の形態の未燃損失の推定制御では、それぞれの内燃機関の運転状態における未燃損失を推定する。
【００６７】
本実施の形態の第１の未燃損失の推定制御においては、排気ガスに含まれる未燃炭化水素および一酸化炭素のエネルギ（酸化したときの熱量）を推定することにより、未燃損失を推定する。図１を参照して、燃焼室５から流出する排気ガスには、未燃炭化水素と燃料が完全に燃焼されなかったときに生成される一酸化炭素とが含まれる。実施の形態の内燃機関においては、機関排気通路に、酸化機能を有する触媒として酸化触媒２０が配置されている。酸化機能を有する触媒としては、酸化触媒に限られず、任意の酸化機能を有する触媒を配置することができる。たとえば、三元触媒のような酸化還元触媒が配置されていても構わない。未燃炭化水素および一酸化炭素は、酸化触媒２０において酸化される。
【００６８】
酸化触媒２０は、燃焼室５から流出した未燃炭化水素および一酸化炭素の酸化反応により温度が上昇する。このときの温度上昇幅を推定することにより、排気ガスに含まれる未燃炭化水素および一酸化炭素のエネルギを推定することができる。排気ガスに含まれる未燃炭化水素および一酸化炭素のエネルギにより未燃損失を推定することができる。排気ガスに含まれる未燃炭化水素および一酸化炭素の量が大きくなるほど、未燃損失は大きくなる。
【００６９】
本実施の形態においては、排気ガスに未燃炭化水素および一酸化炭素が含まれない場合の酸化触媒２０の床温の参照値を推定する。排気ガスに未燃炭化水素および一酸化炭素が含まれていないときの酸化触媒２０の床温の参照値は、酸化触媒２０に流入する排気ガスのエネルギに依存する。
【００７０】
ここで、排気ガスのエネルギは、所定の期間における排気ガスの温度と吸入空気量とに基づいて推定することができる。図１を参照して排気ガスの温度は、温度センサ４４により検出することができる。吸入空気量は、エアフローメータ１６により推定することができる。排気ガスのエネルギは、例えば、（排気ガスのエネルギ）＝（排気ガスの温度）×（吸入空気量）にて推定することができる。
【００７１】
排気ガスのエネルギを関数にする酸化触媒２０の床温の参照値を予め適合によって求めておいて、電子制御ユニット３１に記憶させておくことができる。推定した排気ガスのエネルギにより、排気ガス中に未燃炭化水素および一酸化炭素が含まれていないときの酸化触媒２０の床温の参照値を推定することができる。
【００７２】
次に、温度センサ４３により、現在の酸化触媒２０の床温を検出することができる。現在の酸化触媒２０の床温と、排気ガス中に未燃炭化水素と一酸化炭素とが含まれてないときの酸化触媒２０の床温の参照値により、未燃炭化水素および一酸化炭素の酸化による酸化触媒の床温の上昇幅を推定することができる。酸化触媒２０の床温の上昇幅は、（床温の上昇幅）＝（温度センサにより検出された酸化触媒の床温−酸化触媒の床温の参照値）により算出することができる。
【００７３】
このように、流入してきた未燃炭化水素と一酸化炭素との酸化により上昇した温度幅を推定することができる。酸化触媒２０の床温の上昇幅に酸化触媒２０の熱容量を乗じることにより、排気ガスに含まれる未燃炭化水素および一酸化炭素が燃焼したときのエネルギ（熱量）を推定することができる。酸化触媒２０の熱容量は予め適合によって設定しておくことができる。
【００７４】
排気ガスに含まれる未燃炭化水素および一酸化炭素が燃焼したときのエネルギと、燃焼室に供給した燃料が燃焼したときのエネルギとを算出することにより、たとえば、式（１）に基づいて未燃損失を推定することができる。燃料噴射弁から噴射する燃料のエネルギ（熱量）は、噴射した燃料の量に低位発熱量を乗じることにより算出することができる。または、排気ガスに含まれる未燃炭化水素および一酸化炭素のエネルギから未燃燃料の量を推定し、推定した未燃燃料の量と、燃焼室に対して噴射した燃料の量とに基づいて、未燃損失を推定することができる。
【００７５】
次に、本実施の形態における第２の未燃損失の推定制御について説明する。第１の未燃損失の推定制御においては酸化触媒２０の床温を直接的に検出しているが、第２の未燃損失の推定制御においては、酸化触媒２０の出口の排気ガスの温度を検出している。
【００７６】
図８に、本実施の形態における他の排気浄化装置の概略図を示す。他の排気浄化装置においては、温度センサ４３が酸化触媒２０の出口に配置されている。温度センサ４３は、酸化触媒２０から流出する排気ガスの温度を検出する。酸化触媒２０から流出する排気ガスの温度は、酸化触媒２０の床温に対応する。酸化触媒２０の床温を検出する場合と同様の方法により、未燃損失を推定することができる。
【００７７】
第１の未燃損失の推定制御と同様に、排気ガスのエネルギに基づいて、排気ガス中に未燃炭化水素および一酸化炭素が含まれてないときの酸化触媒２０の出口の排気ガスの温度の参照値を推定することができる。
【００７８】
第２の未燃損失の推定制御においては、排気ガスに含まれる未燃炭化水素および一酸化炭素による酸化触媒２０の床温の上昇幅は、たとえば、（床温の上昇幅）＝（温度センサの出力−酸化触媒の出口の排気ガスの温度の参照値）×（係数）により推定することができる。床温の上昇幅に基づいて、排気ガスに含まれる未燃炭化水素および一酸化炭素の熱量を推定し、未燃損失を算出することができる。
【００７９】
次に、本実施の形態における第３の未燃損失の推定制御について説明する。第３の未燃損失の推定制御においては、機関排気通路に空燃比センサを配置して、空燃比センサの出力により未燃損失を推定する。
【００８０】
図９に、本実施の形態における更に他の排気浄化装置の概略図を示す。第３の未燃損失の推定制御においては、排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ４５が配置されている。本実施の形態においては、機関排気通路に供給された空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）と称する。図９に示す排気浄化装置の例では、酸化触媒２０よりも上流側の機関排気通路に空燃比センサ４５が配置されている。また、酸化触媒２０よりも下流側の機関排気通路には、酸素センサ４６が配置されている。空燃比センサ４５は、全領域型のセンサであり、排気ガスの空燃比に応じて連続的な値を出力することができる。空燃比センサ４５は、たとえば、排気ガスの空燃比が大きくなるほど出力が大きくなるように形成されている。酸素センサ４６は、排気ガスの空燃比に基づいてステップ状の出力を発生する。酸素センサ４６の出力により、排気ガスの空燃比がリッチ、リーン、または理論空燃比であることを判別できる。
【００８１】
図９に示す排気浄化装置を備える内燃機関では、酸素センサ４６の出力により、燃焼室に供給する燃料の噴射量が制御されている。燃焼室５における燃焼時の空燃比が理論空燃比になるように制御されている。このために、燃焼室５から流出する排気ガスの空燃比も理論空燃比になるように制御されている。
【００８２】
ところで、空燃比センサ４５は、排気ガスに含まれる未燃炭化水素の濃度が高くなるほど、検出される排気ガスの空燃比が実際の値よりも高くなるという特性を有する。すなわち、排気ガスに含まれる未燃炭化水素の濃度が高くなるほど、出力のドリフト量（出力誤差）が大きくなるという特性を有する。燃焼室に供給される燃料の量は、燃焼時の空燃比が理論空燃比になるように制御されているために、理論空燃比からのドリフト量を検出することにより、排気ガスに含まれる炭化水素の濃度を推定することができる。ここで、本実施の形態においては、空燃比センサ４５の出力のドリフト量を、（ドリフト量）＝（空燃比センサの出力−理論空燃比）にて算出している。空燃比センサ４５の出力のドリフト量を関数にする排気ガスに含まれる炭化水素の濃度は、予め適合により求めておいて電子制御ユニット３１に記憶させておくことができる。
【００８３】
第３の未燃損失の推定制御においては、空燃比センサ４５の出力のドリフト量を検出し、排気ガスに含まれる未燃炭化水素の濃度を推定することができる。次に、排気ガスに含まれる未燃燃料のエネルギは、（未燃燃料のエネルギ）＝（排気ガスに含まれる未燃炭化水素の濃度×吸入空気量×低位発熱量）にて算出することができる。推定した排気ガスに含まれる未燃燃料のエネルギに基づいて、第１の未燃損失の推定制御と同様に式（１）を用いて未燃損失を推定することができる。
【００８４】
上記のそれぞれの未燃損失の推定制御においては、酸化触媒の床温、酸化触媒の出口の排気ガスの温度、または排気ガスの空燃比等の内燃機関の運転中における未燃損失に関連する変数を検出し、検出した変数に基づいて未燃損失を推定している。このように、未燃損失に関連する変数に基づいて未燃損失を推定することにより精度良く未燃損失を推定することができる。
【００８５】
未燃損失の推定制御においては、上記の形態に限られず、内燃機関の運転状態ごとに未燃損失のマップを予め作成し、電子制御ユニットに記憶させておくことができる。例えば、機関回転数、負荷および機関冷却水の温度を関数にする未燃損失のマップを予め作成し、電子制御ユニットに記憶させておくことができる。例えば、所定の運転範囲では、一般的に機関回転数が大きくなると未燃損失が小さくなり、機関負荷が大きくなると未燃損失が小さくなる特性を有する。このような特性を考慮して、予め未燃損失の値を電子制御ユニットに記憶させておいても構わない。
【００８６】
本実施の形態における内燃機関は、吸気弁の閉弁時期を変更することにより圧縮比を変化させているが、この形態に限られず、任意の圧縮比可変機構を備える内燃機関に本発明を適用することができる。
【００８７】
（実施の形態２）
図１０から図１４を参照して実施の形態２における内燃機関について説明する。本実施の形態における圧縮比可変機構は、ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積を変更可能な機構を備える。
【００８８】
図１０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１１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１１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。
【００８９】
図１０および図１１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。
【００９０】
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。
【００９１】
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、ウォームホイール９３，９４が固定されている。ウォームホイール９３，９４は、ウォーム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。
【００９２】
図１１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。
【００９３】
図１２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１２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１２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１１および図１２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。
【００９４】
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、ピストンが上死点に位置しているときの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。すなわち、機械圧縮比は、（機械圧縮比）＝（燃焼室の容積＋下死点から上死点までのピストンの行程容積）／（燃焼室の容積）にて示される。本実施の形態における内燃機関では、機械圧縮比はクランクケース７９に対するシリンダブロック２の相対位置によって定まる。
【００９５】
図１１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１２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、運転期間中に機械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、機械圧縮比を変更することができる。
【００９６】
更に、本実施の形態における内燃機関では、吸気弁の閉弁時期を変更することにより、実際の圧縮比を変更することができる。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＋吸気弁が閉弁したときから圧縮上死点までにピストンが移動した容積）／（燃焼室の容積）にて示される。
【００９７】
図１１を参照して、クランクケース７９とシリンダブロック２との境界部分には、クランクケース７９とシリンダブロック２との相対位置を検出するための相対位置センサ９５が取付けられている。相対位置センサ９５により、クランクケース７９とシリンダブロック２との相対位置を検出し、機械圧縮比を検出することができる。相対位置センサ９５の出力信号は、電子制御ユニット３１に入力される。
【００９８】
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圧縮比可変機構を採用することができる。
【００９９】
本実施の形態における内燃機関では、機関負荷が比較的低い領域において、吸気弁の閉弁時期を遅くすることにより吸入空気量を小さくする一方で、膨張比を圧縮比よりも大きくする超高膨張比サイクルを行うことができる。
【０１００】
ところで、燃料が燃焼しない領域であるクエンチゾーンの大きさは、ピストンが圧縮上死点に到達したときの燃焼室の大きさに依存するという特性を有する。このために、燃焼室の容積を変化させる圧縮比可変機構を備える内燃機関では、機械圧縮比を変更すると、クエンチゾーンの大きさが変化し、この結果、燃焼室から流出する未燃燃料の量も変化する。クエンチゾーンは、機械圧縮比が高くなるほど大きくなる。機械圧縮比が高くなるほど燃焼室が小さくなってクエンチゾーンが大きくなり、燃焼室から流出する未燃燃料の割合が多くなる。
【０１０１】
本実施の形態における内燃機関では、検出する圧縮比として機械圧縮比を採用し、機械圧縮比に対応する理論熱効率および未燃損失を推定する。そして、内燃機関の効率が高くなるように機械圧縮比を制御する。
【０１０２】
図１３に、本実施の形態における機械圧縮比と理論熱効率の関係を説明するグラフを示す。実施の形態１における図３の理論熱効率のグラフは、実圧縮比に対する理論熱効率のグラフである。図１３に示す関係から機械圧縮比に対する理論熱効率の変化率を推定することができる。本実施の形態においては、図３のグラフに基づいて機械圧縮比に対する理論熱効率のグラフを推定している。本実施の形態における機械圧縮比に対する理論熱効率は、機関回転数と吸気弁の閉弁時期との関数になる。したがって、それぞれの機械回転数と吸気弁の閉弁時期ごとに機械圧縮比に対する理論熱効率の変化率を電子制御ユニットに記憶させておくことができる。
【０１０３】
図１４に、本実施の形態における機械圧縮比に対する未燃損失の関係を説明するグラフを示す。機械圧縮比が大きくなるほど未燃損失が大きくなる特性を有する。
【０１０４】
本実施の形態における内燃機関についても、圧縮比として機械圧縮比を検出して、実施の形態１と同様の運転制御を行うことができる。たとえば、図６および図７に示す運転制御において、圧縮比として機械圧縮比を採用して、実施の形態１と同様の制御を行うことができる。ここで、機械圧縮比の検出方法としては、例えば図３を参照して、相対位置センサ９５の出力により検出することができる。クランクケース７９に対するシリンダブロック２の相対位置を検出し、検出した相対位置により機械圧縮比を推定することができる。
【０１０５】
本実施の形態の内燃機関においても、圧縮比として機械圧縮比を用いて、未燃損失の変化率と理論熱効率の変化率とが一致する機械圧縮比に向かって機械圧縮比を変更する制御を行うことができる。このため、内燃機関の効率を向上させることができる。
【０１０６】
本実施の形態においては、超高膨張比運転を行うことができる内燃機関について説明を行ったが、この形態に限られず、例えば、吸気弁の閉弁時期がほぼ一定であり、機械圧縮比を変更可能な内燃機関にも本発明を適用することができる。
【０１０７】
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
【０１０８】
上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。また、上述のそれぞれの制御においては、それぞれのステップの作用が変化しない範囲において適宜ステップの順序を変更することができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等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。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】
【０１０９】
１    機関本体
２    シリンダブロック
３    ピストン
５    燃焼室
８    排気弁
１１    燃料噴射弁
１６    エアフローメータ
１９    排気枝管
２０    酸化触媒
３１    電子制御ユニット
４３，４４    温度センサ
４５    空燃比センサ
４６    酸素センサ
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
８６，８８    円形カム
８７    偏心軸
８９    モータ
９５    相対位置センサ
【図１】
2013155645.tif 000013
【図２】
2013155645.tif 000014
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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