(57)【要約】【課題】圧縮比可変機構を備え、機械圧縮比を変更したときに運転状態が不安定になることを抑制する内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関は、燃焼室の容積が変化させることにより機械圧縮比を変化させる圧縮比可変機構を備える。今回の燃焼サイクルよりも前の燃焼サイクルにて排出されずに燃焼室に残留する残留ガスには、未燃ガスおよび既に燃焼した既燃ガスが含まれている。内燃機関は、機械圧縮比を変更している過渡運転の期間中に、今回の燃焼サイクルにおける未燃ガスの量を推定し、今回の燃焼サイクルにおける未燃ガスの量に基づいて、今回の燃焼サイクルにおける点火時期を設定する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室の容積が変化させることにより機械圧縮比を変化させる圧縮比可変機構を備え、
今回の燃焼サイクルよりも前の燃焼サイクルにて排出されずに燃焼室に残留する残留ガスには、未燃ガスおよび既に燃焼した既燃ガスが含まれており、
機械圧縮比を変更している過渡運転の期間中に、今回の燃焼サイクルにおける未燃ガスの量を推定し、今回の燃焼サイクルにおける未燃ガスの量に基づいて、今回の燃焼サイクルにおける点火時期を設定することを特徴とする、内燃機関。
【請求項２】
過渡運転の期間中の今回の燃焼サイクルにおける機械圧縮比を推定し、
今回の燃焼サイクルにおいて気筒内に流入する新気の量と、今回の燃焼サイクルにおける機械圧縮比にて定常運転を行なっているときの未燃ガスの量を推定し、
過渡運転の期間中の今回の燃焼サイクルにおける未燃ガスの量、および、今回の燃焼サイクルにおける機械圧縮比にて定常運転を行なっているときの未燃ガスの量に基づいて、今回の燃焼サイクルにおいて気筒内に流入する新気の量を補正することにより点火時期設定用の新気の量を算出し、
点火時期設定用の新気の量に基づいて点火時期を設定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】
過渡運転の期間中の今回の燃焼サイクルにおける機械圧縮比を推定し、
今回の燃焼サイクルよりも前の燃焼サイクルにおける機械圧縮比および未燃ガスの量に基づいて、今回の燃焼サイクルにおける未燃ガスの量を推定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】
機械圧縮比が一定に維持される定常運転における点火時期が予め定められており、
機械圧縮比を低下させている過渡運転の期間中には、定常運転における点火時期よりも遅角側の点火時期を設定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２０１０−９０８７２号公報においては、排ガスを燃焼室内に還流させる排気還流機構と、燃焼室に供給される全ガス量に対する燃焼室に還流される排ガスの割合である排気還流率を算出する排気還流率算出手段とを備え、排気還流率の増加に対する点火時期の進角側への移動量の増加勾配が、排気還流率の増加に伴って増大するように点火時期を決定する内燃機関が開示されている。また、この公報においては、機械圧縮比を変更する機械圧縮比制御機構を備える場合に、機械圧縮比を小さくするほど点火時期をより進角側の時期に決定す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２０１０−９０８７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
圧縮比可変機構は、たとえば、ピストンが圧縮上死点に到達したときの燃焼室の容積を変化させる機構を含むことにより、機械圧縮比を変更することができる。機械圧縮比を変更している過渡運転の期間中には、燃焼室の容積が徐々に変化する。たとえば、機械圧縮比を小さく変更する場合には、ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積が大きくなる。
【０００６】
ところで、燃焼室においては、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。燃焼室において混合気が燃焼した場合に、一部の領域においては燃焼せずに未燃ガスとして残存する。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る。クエンチゾーンの大きさは、燃焼室の大きさに依存する。このために、燃焼室の大きさを変化させて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、未燃ガスの割合も変化する。
【０００７】
一方で、燃焼サイクルの排気行程においては、膨張行程において燃焼した気体の全てが排出されることはなく、燃焼した気体の一部が次の燃焼サイクルまで残留する。この残留ガスには、既に燃焼した既燃ガスに加えて上記の未燃ガスが含まれる。
【０００８】
機械圧縮比を変更している過渡運転の期間においては、クエンチゾーンの大きさが変化することにより残留ガスに含まれる未燃ガスの割合が変化する。このために、内燃機関の運転状態が不安定になる場合があった。たとえば、機械圧縮比を変更している期間中にノッキング等の異常燃焼が生じる場合があった。
【０００９】
本発明は、圧縮比可変機構を備え、機械圧縮比を変更したときに運転状態が不安定になることを抑制す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、燃焼室の容積が変化させることにより機械圧縮比を変化させる圧縮比可変機構を備える。今回の燃焼サイクルよりも前の燃焼サイクルにて排出されずに燃焼室に残留する残留ガスには、未燃ガスおよび既に燃焼した既燃ガスが含まれている。内燃機関は、機械圧縮比を変更している過渡運転の期間中に、今回の燃焼サイクルにおける未燃ガスの量を推定し、今回の燃焼サイクルにおける未燃ガスの量に基づいて、今回の燃焼サイクルにおける点火時期を設定する。
【００１１】
上記発明においては、過渡運転の期間中の今回の燃焼サイクルにおける機械圧縮比を推定し、今回の燃焼サイクルにおいて気筒内に流入する新気の量と、今回の燃焼サイクルにおける機械圧縮比にて定常運転を行なっているときの未燃ガスの量を推定し、過渡運転の期間中の今回の燃焼サイクルにおける未燃ガスの量、および、今回の燃焼サイクルにおける機械圧縮比にて定常運転を行なっているときの未燃ガスの量に基づいて、今回の燃焼サイクルにおいて気筒内に流入する新気の量を補正することにより点火時期設定用の新気の量を算出し、点火時期設定用の新気の量に基づいて点火時期を設定することができる。
【００１２】
上記発明においては、過渡運転の期間中の今回の燃焼サイクルにおける機械圧縮比を推定し、今回の燃焼サイクルよりも前の燃焼サイクルにおける機械圧縮比および未燃ガスの量に基づいて、今回の燃焼サイクルにおける未燃ガスの量を推定することができる。
【００１３】
上記発明においては、機械圧縮比が一定に維持される定常運転における点火時期が予め定められており、機械圧縮比を低下させている過渡運転の期間中には、定常運転における点火時期よりも遅角側の点火時期を設定する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、圧縮比可変機構を備え、機械圧縮比を変更したときに運転状態が不安定になることを抑制する内燃機関を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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】実施の形態の内燃機関において、定常運転時に機械圧縮比を変更したときの残留ガスに含まれる気体の割合の説明図である。
【図６】実施の形態の運転制御において点火時期設定用の新気量を説明する概略図である。
【図７】実施の形態における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機械圧縮比と既燃ガスの割合との関係を説明するグラフである。
【図９】実施の形態の運転制御において、残留ガスの量を推定するための排気弁の閉弁時の筒内温度を推定するグラフである。
【図１０】実施の形態の運転制御における新気量を関数にする点火時期のマップである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１から図１０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。
【００１７】
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。
【００１８】
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に新気を供給するための通路である。新気は、空気または燃料と空気との混合気により構成される。本実施の形態における内燃機関は、燃料が機関吸気通路に噴射されるために、気筒内に流入する新気は、燃料と空気との混合気により構成される。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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。内燃機関の圧縮比は、ピストンが圧縮上死点に達したときの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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
図３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。
【００３７】
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。
【００３８】
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、燃焼せずに未燃ガスとなる部分が残存する。混合気が点火プラグにおいて点火されると火炎が生成され、生成された火炎は、燃焼室内の全体に向かって伝播していく。このときに、燃焼室では火炎が到達しないクエンチゾーンが発現する。このために、燃焼が終了した燃焼ガスには、燃料が燃焼した既燃ガスに加えて、燃料が燃焼しないで残存する未燃ガスが含まれる。未燃ガスには、燃料および空気が含まれる。
【００３９】
また、本実施の形態における内燃機関は、燃焼サイクルの排気行程において、ピストンが上死点まで上昇するが、一部の燃焼ガスは機関排気通路に流出せずに燃焼室に残留する。残留ガスは、次の燃焼サイクルまで残存する。このため、それぞれの燃焼サイクルにおいて気筒内に封入される気体には、燃料と空気との混合気と、過去の燃焼サイクルにおいて残留した残留ガスが含まれる。
【００４０】
燃焼ガスには、既燃ガスおよび未燃ガスが含まれるが、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する。このために、機械圧縮比が変化すると、残留ガスに含まれる既燃ガスと未燃ガスとの割合が変化する。
【００４１】
図５に、機械圧縮比が変化したときに燃焼室に残留する残留ガスの組成を説明する概略図を示す。ピストン３は、コネクティングロッド５８を介して、クランクシャフト５９に支持されている。クランクシャフト５９が回転することにより、ピストン３は上死点と下死点との間で往復運動する。図５においては、高圧縮比の例として機械圧縮比εが２０の場合と、低圧縮比としての機械圧縮比εが１０の場合が示されている。また、それぞれの機械圧縮比が一定に維持されている定常運転の状態の例を示している。
【００４２】
本実施の形態の圧縮比可変機構においては、クランクケースを含む下部構造物に対して、シリンダブロックが移動する。このために、機械圧縮比が変化すると燃焼室の容積が変化する。排気行程においてピストン３が上死点に到達した場合に燃焼室内に残留している気体が、残留ガス６４に相当する。残留ガス６４は、燃焼せずに燃料が残っている未燃ガス６４ａと、燃焼した既燃ガス６４ｂとを含む。また、ピストン３が上死点から下死点まで移動する行程容積の部分は、新たに気筒内に供給される新気６３に相当する。新気６３および未燃ガス６４ａには燃料６１と空気６２とが含まれ、未燃の混合気が構成されている。
【００４３】
クエンチゾーンは、機械圧縮比が高圧縮比から低圧縮比になるほど小さくなる。機械圧縮比が小さくなるほど、残留ガス６４に含まれる未燃ガス６４ａの割合が小さくなる。残留ガス６４における既燃ガスの割合ｒを高圧縮比の場合と低圧縮比の場合とで比較すると、高圧縮比の既燃ガス６４ｂの割合ｒ（ε＝２０）は、低圧縮比の既燃ガス６４ｂの割合ｒ（ε＝１０）よりも小さくなっていることが分かる。
【００４４】
本実施の形態における内燃機関は、機械圧縮比がほぼ一定に維持される定常運転における点火時期が予め定められている。点火時期は、内燃機関の運転状態に基づいて設定することができる。本実施の形態における点火時期は、気筒内に流入する新気量と機関回転数とに基づいて設定される。たとえば、気筒内に流入する新気量が多くなるほど、ノッキング等の異常燃焼が生じ易くなるために、点火時期を遅角する制御を行なうことができる。
【００４５】
本実施の形態における内燃機関では、機械圧縮比が一定に維持される定常運転においては、機械圧縮比の大きさを関数にせずに、点火時期が制御されている。機械圧縮比が一定に維持される定常運転における点火時期については、この形態に限られず、定常運転時の機械圧縮比を関数として設定されていても構わない。
【００４６】
電子制御ユニット３１には、気筒内に流入する新気量と機関回転数とを関数にする点火時期のマップが予め記憶されている。本実施の形態においては、エアフローメータ１６により気筒内に流入する新気量を検出し、また、クランク角センサ４２により機関回転数を検出する。検出した気筒内に吸入される新気量および機関回転数に基づいて点火時期が設定されている。
【００４７】
図６に、本実施の形態の運転制御および比較例を説明する概略図を示す。本実施の形態における内燃機関は、機械圧縮比を低下させる過渡運転の期間中には、点火時期を定常運転における点火時期よりも遅角する制御を行う。本実施の形態においては、機械圧縮比を変更している過渡運転の期間中に、今回の燃焼サイクルにおける未燃ガスの量を推定し、今回の燃焼サイクルにおける未燃ガスの量に基づいて、今回の燃焼サイクルにおける点火時期を設定する。
【００４８】
比較例１は、機械圧縮比εを１５に維持した定常運転を行なっている時の例である。残留ガス６４における未燃ガス６４ａと既燃ガス６４ｂとの比は、（１−ｒ（ε＝１５））：ｒ（ε＝１５）と表すことができる。
【００４９】
比較例２は、機械圧縮比εが２０から低下して１５になったときの例である。機械圧縮比εは、比較例１と同じであるが、比較例２では機械圧縮比が変更する過渡運転を行なっている。比較例２の気筒内に流入する新気６３の量は、比較例１の気筒内に流入する新気６３の量と同一になる。比較例２の残留ガス６４の全量は、比較例１の残留ガス６４の全量と同一になる。
【００５０】
前述のように、機械圧縮比が一定に維持される定常運転においては、機械圧縮比が大きくなるほど、残留ガス６４における未燃ガス６４ａの割合（１−ｒ）が大きくなる。機械圧縮比を低下させる過渡運転においては、過去の燃焼サイクルにおける高い未燃ガス６４ａの割合の影響を受ける。このため、比較例２の過渡運転時の未燃ガス６４ａの割合は、比較例１の定常運転時の未燃ガス６４ａの割合よりも大きくなる。
【００５１】
比較例２の残留ガス６４における未燃ガス６４ａと既燃ガス６４ｂとの比は、（１−ｒ（εＴＤＣｆｐ））：ｒ（εＴＤＣｆｐ）と表すことができる。既燃ガスの割合ｒ（εＴＤＣｆｐ）は、過渡運転を行なっている期間中の今回の燃焼サイクルにおいて、ピストンが圧縮上死点に到達した時の既燃ガスの割合を示している。
【００５２】
比較例２の未燃ガス６４ａの量は、比較例１の未燃ガス６４ａの量よりも多くなる。比較例２では、未燃ガス６４ａと新気６３と合わせた気筒内の未燃の混合気の量が比較例１よりも大きくなる。このために、ノッキング等の異常燃焼が発現する場合がある。このように、機械圧縮比が同一であっても、過渡運転時には燃焼室に封入される未燃の混合気の量が定常運転時よりも多くなるために異常燃焼が生じる場合がある。
【００５３】
図６には、本実施の形態における運転制御の実施例を記載している。実施例においては、気筒内に流入する新気６３の量を補正した点火時期設定用の新気６３ａの量を算出している。点火時期設定用の新気６３ａの量は、定常運転時の比較例１の新気６３の量よりも多くなっている。
【００５４】
点火時期設定用の新気６３ａの量は、比較例２の過渡運転時における新気６３と未然ガス６４ａとの総和が、実施例における補正後の新気６３ａと未燃ガス６４ａとの総和と同一になるように算出している。また、点火時期設定用の新気６３ａの量は、実施例における未燃ガス６４ａと新気６３ａとの比率が、定常運転時の比較例１における未燃ガス６４ａと新気６３との比率と同一になるように算出している。図６に示す実施例の場合では、未燃ガスの量と新気の量との比率は、ｍｒｅｓ（ε＝１５）｛１−ｒ（ε＝１５）｝：ｍｎｅｗ（ε＝１５）となるように、点火時期設定用の新気６３ａの量が算出されている。ここで、変数ｍｒｅｓは残留ガスの量であり、変数ｍｎｅｗは気筒内に流入する新気の量を示している。
【００５５】
比較例２の過渡運転においては、未燃ガス６４ａと既燃ガス６４ｂとの割合を推定することにより、過渡運転の期間中の今回の燃焼サイクルにおける未燃ガス６４ａの量を推定することができる。既燃ガス６４ｂの割合ｒ（εＴＤＣｆｐ）としては、今回の燃焼サイクルよりも前の燃焼サイクルにおける機械圧縮比に対応する既燃ガス６４ｂの割合を採用することができる。たとえば、前回の燃焼サイクルにおける機械圧縮比に対応する定常運転時の既燃ガス６４ｂの割合を採用することができる。未燃ガス６４ａの割合は、既燃ガス６４ｂの割合から推定することができる。
【００５６】
本実施の形態の内燃機関においては、機械圧縮比を低下させている過渡運転の期間中には、点火時期設定用の新気６３ａの量に基づいて点火時期が設定される。本実施の形態においては、点火時期設定用の新気６３ａの量を用いて、電子制御ユニット３１に記憶されたマップにより点火時期が設定される。点火時期設定用の新気６３ａの量は、補正前の新気６３の量よりも大きいために、定常運転における点火時期よりも遅角された点火時期を設定することができる。
【００５７】
このように、本実施の形態においては、比較例２の過渡運転の期間中の今回の燃焼サイクルにおける未燃ガス６４ａの量、および、比較例１の今回の燃焼サイクルにおける機械圧縮比にて定常運転を行なっているときの未燃ガス６４ａの量に基づいて、今回の燃焼サイクルにおいて気筒内に流入する新気６３の量を補正し、点火時期設定用の新気６３ａの量を算出する。算出した点火時期設定用の新気６３ａの量に基づいて点火時期を設定する。
【００５８】
本実施の形態における内燃機関の運転制御では、機械圧縮比を低下しているときに、点火時期が遅角されるために、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。また、残留ガスに含まれる未燃ガスの量に応じて、点火時期を遅角することができる。すなわち、燃焼室に充填される未燃の混合気の量が多くなるほど、点火時期の遅角量を大きくすることができる。このように、本実施の形態における内燃機関は、機械圧縮比を変更したときに運転状態が不安定になることを抑制することができる。
【００５９】
図７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。図７に示すフローチャートは、例えば、機械圧縮比を変更している期間中に繰り返して行なうことができる。
【００６０】
ステップ１０１においては、ピストンが圧縮行程の上死点（圧縮上死点）に位置しているか否かを判別する。ピストンが圧縮行程の上死点に位置していない場合には、この制御を終了する。ステップ１０１において、ピストンが圧縮行程の上死点に位置している場合にはステップ１０２に移行する。
【００６１】
ステップ１０２においては、ピストンが圧縮行程の上死点に位置している時の機械圧縮比εＴＤＣｆｐ１を検出する。このステップでは、過去の燃焼サイクルにおいて、ピストンが圧縮上死点に位置している時の機械圧縮比を検出している。本実施の形態においては、前回の燃焼サイクルにおいてピストンが圧縮上死点に位置しているときの機械圧縮比を検出している。本実施の形態において、機械圧縮比εは、相対位置センサ９５により検出することができる（図３参照）。
【００６２】
次に、ステップ１０３においては、ピストンが吸気行程の下死点（または圧縮行程の下死点）に位置しているか否かを判別する。ステップ１０３において、ピストンが吸気行程の下死点に位置していない場合には、この制御を繰り返す。すなわち、ピストンが吸気行程の下死点に到達するまで（クランク角度が５４０°回転するまで）待機する。ステップ１０３において、ピストンが吸気行程の下死点に到達していれば、ステップ１０４に移行する。ステップ１０４においては、この時の機械圧縮比εＢＤＣｉｖｃを検出する。
【００６３】
次に、ステップ１０５において、今回の燃焼サイクルにおいて、ピストンが圧縮行程の上死点に到達したときの機械圧縮比εＴＤＣｆｐ２を推定する。ピストンが圧縮行程の上死点に到達したときの機械圧縮比εＴＤＣｆｐ２は、ステップ１０２において検出した機械圧縮比εＴＤＣｆｐ１およびステップ１０４において検出した機械圧縮比εＢＤＣｉｖｃを用いて推定することができる。今回の燃焼サイクルにおいて、ピストンが圧縮工程の上死点に位置したときの機械圧縮比εＴＤＣｆｐ２は、次の式（１）により推定することができる。
【００６４】
【数１】
2013029026.tif 000003
【００６５】
次に、ステップ１０６において、前回の燃焼サイクルにおいて、ピストンが圧縮行程の上死点に位置しているときの残留ガスにおける既燃ガスの割合ｒ（εＴＤＣｆｐ１）および今回の燃焼サイクルにおいて、ピストンが圧縮行程の上死点に位置しているときの残留ガスの既燃ガスの割合ｒ（εＴＤＣｆｐ２）を推定する。
【００６６】
図８に、定常運転を行なっているときの機械圧縮比に対する残留ガスに含まれる既燃ガスの割合を説明するグラフを示す。機械圧縮比εが大きくなるほど、残留ガスにおける既燃ガスの割合ｒが減少する。図８に示す機械圧縮比と既燃ガスの割合との関係をマップにして、予め電子制御ユニット等に記憶させておくことができる。
【００６７】
図７を参照して、ステップ１０６においては、ステップ１０２において検出した機械圧縮比εＴＤＣｆｐ１に対応する既燃ガスの割合ｒ（εＴＤＣｆｐ１）と、ステップ１０５において推定した機械圧縮比εＴＤＣｆｐ２に対応する既燃ガスの割合ｒ（εＴＤＣｆｐ２）とをマップから読み込むことができる。
【００６８】
次に、ステップ１０７においては、今回の燃焼サイクルにおいて、ピストンが圧縮行程の上死点に到達したときの残留ガス量ｍｒｅｓ（εＴＤＣｆｐ２）を推定する。機械圧縮比の大きさに依存する残留ガス量ｍｒｅｓは、例えば、次の式（２）で算出することができる。
【００６９】
【数２】
2013029026.tif 000004
【００７０】
ここで、変数ＰＥＶＣは、排気弁が閉弁したときの気筒内の圧力である。変数ＶＥＶＣは、排気弁が閉弁したときの気筒内の容積であり、それぞれの機械圧縮比により変化する。定数Ｒは気体定数であり、変数ＴＥＶＣは、排気弁が閉弁したときの気筒内の温度である。
【００７１】
変数ＰＥＶＣは、気筒内の圧力を検出する筒内圧センサを配置することにより検出することができる。または、クランク角センサの出力等を用いて推定することができる。変数ＶＥＶＣは、例えば、次の式（３）から算出することができる。
【００７２】
【数３】
2013029026.tif 000005
【００７３】
ここで、変数Ｖｃｙｌは排気量を示し、変数ｎｃｙｌは気筒数を示し、変数ＥＶＣは、排気弁の閉弁時期であり、単位は［rad ATDC］である。
【００７４】
また、変数ＴＥＶＣは、例えば、予め内燃機関の運転状態を関数にするマップを電子制御ユニット等に記憶させておくことができる。変数ＴＥＶＣは、内燃機関の運転状態を検出し、記憶したマップから読み込むことにより推定することができる。変数ＴＥＶＣは、次の式（４）にて表すことができる。
【００７５】
【数４】
2013029026.tif 000006
【００７６】
ここで、変数ＮＥは、機関回転数であり、変数ＫＬは充填効率であり、変数ＳＡは点火時期である。
【００７７】
図９に、排気弁が閉弁したときの気筒内の温度ＴＥＶＣを推定するときのマップを説明するグラフを示す。温度ＴＥＶＣは、例えば、機関回転数ＮＥに対して単調増加であり、充填効率ＫＬに対し単調増加である。一方で、温度ＴＥＶＣは、点火時期ＳＡに対して単調減少である。このような関係を有するマップから温度ＴＥＶＣを推定することができる。このように、上記の式（２）から、それぞれの機械圧縮比における残留ガス量ｍｒｅｓを算出することができる。
【００７８】
図７を参照して、次に、ステップ１０８においては、今回の燃焼サイクルにおいて気筒内に流入する新気量ｍｎｅｗを検出する。本実施の形態において、気筒内に流入する新気量ｍｎｅｗは、例えば、エアフローメータの出力により検出することができる。気筒内に流入する新気量の検出においては、この形態に限られず、任意の制御を採用することができる。
【００７９】
次に、ステップ１０９においては、推定した新気量ｍｍｅｗを補正することにより、点火時期設定用の新気量ｍｎｅｗ，ｍａｐを算出する。点火時期設定用の新気量ｍｎｅｗ，ｍａｐは、次の式（５）により算出することができる。
【００８０】
【数５】
2013029026.tif 000007
【００８１】
ここで、図６を参照して、式（５）の変数[ｍｎｅｗ＋ｍｒｅｓ(εＴＤＣｆｐ２)・｛１−ｒ(εＴＤＣｆｐ１)｝]は比較例２に対応し、過渡運転の期間中の今回の燃焼サイクルにおける新気６３と未燃ガス６４ａとの総和に対応する。今回の燃焼サイクルの既燃ガスの割合ｒは、過去の燃焼サイクルの機械圧縮比にて定常運転を行なったときの既燃ガスの割合ｒを採用している。式（５）の変数[ｍｎｅｗ＋ｍｒｅｓ(εＴＤＣｆｐ２)・｛１−ｒ(εＴＤＣｆｐ２)｝]は比較例１に対応し、今回の燃焼サイクルにおける機械圧縮比にて定常運転を行なった場合の新気６３と未燃ガス６４ａとの総和に対応している。このように、検出した実際の新気量ｍｎｅｗに対して、定常運転における未燃の混合気の量に対する過渡運転における未燃の混合気の量の比を乗じることにより、点火時期設定用の新気量ｍｎｅｗ，ｍａｐを算出することができる。
【００８２】
図７を参照して、次に、ステップ１１０においては、機関回転数を検出する。本実施の形態においては、クランクシャフトに取り付けられたクランク角センサ４２の出力により機関回転数を検出する。
【００８３】
次に、ステップ１１１においては、今回の燃焼サイクルにおける点火時期を設定する。本実施の形態においては、点火時期設定用の新気量ｍｎｅｗ，ｍａｐを関数にする点火時期のマップが電子制御ユニット３１に記憶されている。
【００８４】
図１０に、本実施の形態における点火時期設定用の新気量を関数にする点火時期のマップを示す。機関回転数Ｎおよび点火時期設定用の新気量ｍｎｅｗ，ｍａｐが定まると、点火時期ＦＰＡｍｎを設定することができる。本実施の形態においては、通常運転時における点火時期のマップに加えて、過渡運転時における点火時期設定用の新気量を関数にするマップが電子制御ユニットに記憶されているが、この形態に限られず、通常運転時および過渡運転時の点火時期のマップを共用しても構わない。
【００８５】
このように、本実施の形態における内燃機関では、機械圧縮比を変更する過渡運転時には、通常運転時における点火時期を補正した点火時期を設定することができる。今回の燃焼サイクルにおいて補正後の点火時期により点火を行なうことにより、ノッキング等の異常燃焼を抑制することができる。
【００８６】
本実施の形態においては、前回の燃焼サイクルにおける機械圧縮比および機械圧縮比に対応する未燃ガスの量に基づいて、過渡運転の期間中の今回の燃焼サイクルにおける未燃ガスの量を推定しているが、この形態に限られず、今回の燃焼サイクルよりも前の燃焼サイクルにおける機械圧縮比および未燃ガスの量を採用することができる。また、過渡運転の期間中の今回の燃焼サイクルにおける未燃ガスの量は、任意の制御により推定することができる。
【００８７】
また、本実施の形態においては、過渡運転の期間中の今回の燃焼サイクルにおける未燃ガスの量、および、今回の燃焼サイクルにおける機械圧縮比にて定常運転を行なっているときの未燃ガスの量に基づいて、今回の燃焼サイクルにおいて気筒内に流入する新気の量を補正することにより点火時期設定用の新気の量を算出しているが、この形態に限られず、任意の制御により、今回の燃焼サイクルにおいて気筒内に流入する新気の量を補正した点火時期設定用の新気の量を算出することができる。例えば、機械圧縮比の変更量を関数にする補正係数を予め定めておき、今回の燃焼サイクルにおける機械圧縮比にて定常運転を行なっているときの未燃ガスの量を推定し、推定した未燃ガスの量に補正係数を乗じることにより、補正後の未燃ガスの量を推定し、補正後の未燃ガスの量に基づいて点火時期設定用の新気量を算出しても構わない。
【００８８】
更に、本実施の形態においては、点火時期設定用の新気の量に基づいて点火時期を設定しているが、この形態に限られず、点火時期設定用の新気の量を算出しなくても構わない。たとえば、今回の燃焼サイクルにおける未燃ガスの量を推定し、推定した未燃ガスの量に基づいて、マップ等により直接的に点火時期を設定しても構わない。
【００８９】
本実施の形態においては、機械圧縮機が低下する過渡運転を例示して説明したが、この形態に限られず、機械圧縮比が上昇する過渡運転における点火時期の設定にも本発明を適用することができる。機械圧縮比を大きくしている過渡運転の期間中では、定常運転における点火時期よりも進角側に点火時期を設定することができる。
【００９０】
また、本実施の形態における内燃機関の点火時期の制御は、ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積が変化した時の点火時期を設定する制御に適用することができる。例えば、内燃機関の使用に伴って、燃焼室の内部に徐々にスラッジ等が蓄積してくる場合には、燃焼室の容積が徐々に小さくなる。このような内燃機関においては、ピストンが上死点に到達しているときの燃焼室の容積を推定し、推定した燃焼室の容積に基づいて点火時期を変更しても構わない。ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積が変化する例としては、スラッジの堆積の他に機関本体の温度を例示することができる。燃焼室の大きさは、機関本体の温度が上昇すると大きくなる場合がある。このような内燃機関においては、機関本体の温度を検出し、機関本体の温度に基づいて燃焼室の容積を推定し、推定した燃焼室の容積に基づいて、点火時期を変更しても構わない。
【００９１】
前述の運転制御においては、それぞれのステップの機能を変化させない範囲内において、適宜ステップの順序を変更することができる。
【００９２】
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。
【００９３】
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】
【００９４】
１    機関本体
３    ピストン
５    燃焼室
１０    点火プラグ
３１    電子制御ユニット
４２    クランク角センサ
６１    燃料
６２    空気
６３    新気
６３ａ    新気
６４    残留ガス
６４ａ    未燃ガス
６４ｂ    既燃ガス
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
９５    相対位置センサ
【図１】
2013029026.tif 000008
【図２】
2013029026.tif 000009
【図３】
2013029026.tif 000010
【図４】
2013029026.tif 000011
【図５】
2013029026.tif 000012
【図６】
2013029026.tif 000013
【図７】
2013029026.tif 000014
【図８】
2013029026.tif 000015
【図９】
2013029026.tif 000016
【図１０】
2013029026.tif 000017