(57)【要約】【課題】吸気弁の作用角を切替えるときに燃焼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、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、吸気弁の作用角を段階的に切替え可能な可変作用角機構とを備える。内燃機関の運転状態に応じた基準機械圧縮比が予め定められており、吸気弁の作用角を切替えるべき時には、基準機械圧縮比に基づいた設定機械圧縮比を設定し、設定機械圧縮比に向かって機械圧縮比の変更を開始した後に吸気弁の作用角の切替えを実行する。【選択図】図１５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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することにより機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、
吸気弁の作用角を段階的に切替え可能な可変作用角機構とを備え、
内燃機関の運転状態に応じた基準機械圧縮比が予め定められており、
内燃機関の運転状態が変化して吸気弁の作用角を切替えるべき時には、基準機械圧縮比に基づいた設定機械圧縮比を設定し、設定機械圧縮比に向かって機械圧縮比の変更を開始した後に吸気弁の作用角の切替えを実行し、吸気弁の作用角を切替えた後に機械圧縮比を設定機械圧縮比から基準機械圧縮比に変更することを特徴とする、内燃機関。
【請求項２】
内燃機関の運転状態が変化して、可変作用角機構により吸気弁の作用角を大きく変更する場合には、設定機械圧縮比を基準機械圧縮比よりも高く設定する、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が変化して、可変作用角機構により吸気弁の作用角を小さく変更する場合には、設定機械圧縮比を基準機械圧縮比よりも低く設定する、請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
機械圧縮比が設定機械圧縮比に到達した後に、機械圧縮比を予め定められた時間長さで設定機械圧縮比に維持する、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】
吸気弁の作用角を切替える場合に、機械圧縮比が設定機械圧縮比に到達した後に、作用角の切替えを開始する、請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項６】
可変作用角機構は、吸気弁の開閉を行うための小作用角カムと、小作用角カムよりも吸気弁の作用角が大きくなる大作用角カムとを含み、小作用角カムと大作用角カムとを切替えることにより吸気弁の作用角を切替える、請求項１から５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】
内燃機関の燃焼室では、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、内燃機関の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されるトルクを大きくすることができて、熱効率の向上を図ることができる。ところが、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。また、燃焼室において混合気が燃焼するとピストンが押し下げられ、この時の膨張比を大きくすることによっても熱効率の向上を図ることができる。
【０００３】
従来の技術においては、特に内燃機関が低負荷運転時に実際の圧縮比が高くなりすぎることを抑制しつつ膨張比を大きくした内燃機関が知られている。特開２００７−３０３４２３号公報においては、ピストンの行程容積と燃焼室の容積とにより定められる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バルブタイミング機構とを備える火花点火式内燃機関が開示されている。この公報においては、低負荷運転時に最大の膨張比が得られるように機械圧縮比を最大にすると共に低負荷運転時における実圧縮比を機関中高負荷運転時とほぼ同じ実圧縮比に制御することが開示されている。
【０００４】
また、特開２００８−１０６６０９号公報においては、吸気弁のバルブリフト及び作動角（開期間）を制御する第１可変機構と、吸気弁のリフト中心角(位相)を制御する位相可変機構と、筒内の公称圧縮比を制御する第２可変機構とから構成されている内燃機関の始動装置が開示されている。この公報においては、内燃機関の始動時に機械圧縮比に応じて、吸気弁の作動角と閉じ時期とを制御することが開示されている。
【０００５】
また、特開２００９−０８５０６９号公報には、吸気弁のバルブ作用角を少なくとも２段階に切替え可能な吸気弁バルブ作用角可変機構を備えた内燃機関の制御装置において、吸気弁のバルブ作用角を切替える場合に、吸気弁のバルブタイミングを吸気弁のバルブ作用角の切替え前後で吸気弁の閉弁時期が略同一となるバルブタイミングに制御することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３０３４２３号公報
【特許文献２】特開２００８−１０６６０９号公報
【特許文献３】特開２００９−０８５０６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の特開２００７−３０３４２３号公報に開示されている様に可変圧縮比機構と、吸気弁の閉弁時期を変更する可変バルブタイミング機構を有する内燃機関では、超高膨張比運転を行なうことができる。さらに、吸気弁の作用角を変更可能な可変作用角機構を配置することができる。可変作用角機構としては、吸気弁の作用角を連続的に変更することが好ましい。作用角を連続的に変更する可変作用角機構と、可変バルブタイミング機構とを備えることにより、吸気弁の開弁時期、閉弁時期および作用角を任意に変更することが可能になり、内燃機関の運転状態に細かく対応することができる。
【０００８】
ところが、連続的に作用角を変更可能な可変作用角機構は、構造が複雑であるという問題がある。または、装置が高価になってしまうという問題がある。そこで、可変作用角機構として、吸気弁の作用角を段階的に変更可能な可変作用角機構を採用することができる。しかしながら、このような作用角を段階的に切替えた時に、内部ＥＧＲ（排気再循環）量が急激に変化し、燃焼室における燃焼が不安定になるという問題があった。
【０００９】
例えば、作用角を切替えたときに吸気弁および排気弁が開いているオーバーラップの期間が長く変化する場合には、内部ＥＧＲ量が急激に増加し、瞬間的に燃焼しにくい状態に変化して燃焼性が悪化するという問題がある。特に、内部ＥＧＲ量が急増した場合には失火する虞が生じる。一方で、オーバーラップの期間が短く変化する場合には、内部ＥＧＲ量が急激に減少し、この結果ノッキング等の異常燃焼が発生する虞が生じる。この様に、燃料の燃焼の安定性が悪化することにより、内燃機関の運転状態が不安定になるという問題がある。
【００１０】
本発明は、吸気弁の作用角を段階的に切替える可変作用角機構を備え、吸気弁の作用角を切替えるときに燃焼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】
【００１１】
本発明の内燃機関は、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することにより機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、吸気弁の作用角を段階的に切替え可能な可変作用角機構とを備える。内燃機関の運転状態に応じた基準機械圧縮比が予め定められている。内燃機関の運転状態が変化して吸気弁の作用角を切替えるべき時には、基準機械圧縮比に基づいた設定機械圧縮比を設定し、設定機械圧縮比に向かって機械圧縮比の変更を開始した後に吸気弁の作用角の切替えを実行し、吸気弁の作用角を切替えた後に機械圧縮比を設定機械圧縮比から基準機械圧縮比に変更する。
【００１２】
上記発明においては、内燃機関の運転状態が変化して、可変作用角機構により吸気弁の作用角を大きく変更する場合には、設定機械圧縮比を基準機械圧縮比よりも高く設定することができる。
【００１３】
上記発明においては、内燃機関の運転状態が変化して、可変作用角機構により吸気弁の作用角を小さく変更する場合には、設定機械圧縮比を基準機械圧縮比よりも低く設定することができる。
【００１４】
上記発明においては、機械圧縮比が設定機械圧縮比に到達した後に、機械圧縮比を予め定められた時間長さで設定機械圧縮比に維持することが好ましい。
【００１５】
上記発明においては、吸気弁の作用角を切替える場合に、機械圧縮比が設定機械圧縮比に到達した後に、作用角の切替えを開始することが好ましい。
【００１６】
上記発明においては、可変作用角機構は、吸気弁の開閉を行うための小作用角カムと、小作用角カムよりも吸気弁の作用角が大きくなる大作用角カムとを含み、小作用角カムと大作用角カムとを切替えることにより吸気弁の作用角を切替えることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、吸気弁の作用角を切替えるときに燃焼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】
【００１８】
【図１】実施の形態における内燃機関の概略全体図である。
【図２】実施の形態における可変圧縮比機構の概略分解斜視図である。
【図３】（Ａ）から（Ｃ）は、実施の形態における機械圧縮比の変化を説明する可変圧縮比機構の概略断面図である。
【図４】実施の形態における吸気弁の駆動装置の概略斜視図である。
【図５】実施の形態における可変動弁機構の機能を説明するグラフである。
【図６】（Ａ）は機械圧縮比の説明図、（Ｂ）は実圧縮比の説明図、および（Ｃ）は膨張比の説明図である。
【図７】実施の形態における内燃機関の膨張比と理論熱効率との関係を説明するグラフである。
【図８】（Ａ）は通常の運転サイクルの説明図であり、（Ｂ）は超高膨張比サイクルの説明図である。
【図９】実施の形態における内燃機関の運転制御のグラフである。
【図１０】実施の形態における内燃機関のカム切替え装置の概略斜視図である。
【図１１】（Ａ）は高負荷運転時の吸気弁および排気弁の開閉状態を説明するグラフであり、（Ｂ）は低負荷運転時における吸気弁および排気弁の開閉状態を説明するグラフである。
【図１２】（Ａ）および（Ｂ）は、吸気カムを切替えるときの状態を説明するグラフである。
【図１３】実施の形態の内燃機関において、吸気カムを小作用角カムから大作用角カムに切替えるときのタイムチャートである。
【図１４】実施の形態の内燃機関において、吸気カムを大作用角カムから小作用角カムに切替えるときのタイムチャートである。
【図１５】実施の形態の運転制御のフローチャートである。
【図１６】負荷および機関回転数と実圧縮比との関係を説明するグラフである。
【図１７】（Ａ）は吸気弁の基準閉弁時期ＩＣのマップであり、（Ｂ）は基準機械圧縮比ＣＲのマップである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１から図１７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。本実施の形態における内燃機関は、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、低負荷の領域において膨張比を大きくする超高膨張比制御を行う。
【００２０】
図１は、本実施の形態における内燃機関の概略全体図である。本実施の形態における内燃機関は、クランクケース１、シリンダブロック２、およびシリンダヘッド３を備える。シリンダブロック２の内部に形成された穴部には、ピストン４が配置されている。ピストン４の頂面とシリンダヘッド３に囲まれる燃焼室５の頂面中央部には、点火栓６が配置されている。シリンダヘッド３には、吸気ポート８および排気ポート１０が形成されている。吸気ポート８の端部には吸気弁７が配置されている。排気ポート１０の端部には、排気弁９が配置されている。吸気ポート８は、吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結されている。各吸気枝管１１には夫々対応する吸気ポート８内に向けて燃料を噴射するための燃料噴射弁１３が配置される。なお、燃料噴射弁１３は各吸気枝管１１に取付ける代りに、各燃焼室５内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】
サージタンク１２は、吸気ダクト１４を介してエアクリーナ１５に連結されている。吸気ダクト１４内にはアクチュエータ１６によって駆動されるスロットル弁１７が配置されている。また、吸気ダクト１４内には、例えば熱線を用いた吸入空気量検出器１８が配置される。一方、排気ポート１０は、排気マニホルド１９を介して例えば三元触媒を内蔵した触媒装置２０に連結されている。排気マニホルド１９には空燃比センサ２１が配置されている。
【００２２】
図１に示される実施例では、クランクケース１とシリンダブロック２との連結部にクランクケース１とシリンダブロック２のシリンダ軸線方向の相対位置を変化させることによりピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積を変更可能な可変圧縮比機構Ａが設けられている。更に、実際の圧縮作用の開始時期を変更可能な実圧縮作用開始時期変更機構が設けられている。本実施の形態における実圧縮作用開始時期変更機構は、吸気弁７の閉弁時期を制御可能な可変動弁機構として、可変バルブタイミング機構Ｂを含む。
【００２３】
クランクケース１とシリンダブロック２には、クランクケース１とシリンダブロック２との間の相対位置関係を検出するための相対位置センサ２２が取付けられている。この相対位置センサ２２からはクランクケース１とシリンダブロック２との間隔の変化を示す出力信号が出力される。また、可変バルブタイミング機構Ｂには吸気弁７の閉弁時期を示す出力信号を発生するバルブタイミングセンサ２３が取付けられている。スロットル弁駆動用のアクチュエータ１６にはスロットル弁開度を示す出力信号を発生するスロットル開度センサ２４が取付けられている。
【００２４】
本実施の形態における内燃機関の制御装置は、電子制御ユニット３０を含む。本実施の形態における電子制御ユニット３０は、デジタルコンピュータを含む。デジタルコンピュータは、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を含む。吸入空気量検出器１８、空燃比センサ２１、相対位置センサ２２、バルブタイミングセンサ２３およびスロットル開度センサ２４の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。負荷センサ４１の出力により要求負荷を検出することができる。更に、入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続されている。クランク角センサ４２の出力により、クランク角度および機関回転数を検出することができる。
【００２５】
一方、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して点火栓６、燃料噴射弁１３、スロットル弁駆動用のアクチュエータ１６、可変圧縮比機構Ａおよび可変バルブタイミング機構Ｂに接続される。これらの装置は、電子制御ユニット３０により制御されている。
【００２６】
図２に、図１に示す可変圧縮比機構の分解斜視図を示す。図３に、可変圧縮比機構の作用を説明する内燃機関の概略断面図を示す。図２を参照すると、シリンダブロック２の両側壁の下方には互いに間隔を隔てた複数個の突出部５０が形成されている。各突出部５０内には夫々断面円形のカム挿入孔５１が形成されている。一方、クランクケース１の上壁面上には互いに間隔を隔てて夫々対応する突出部５０の間に嵌合される複数個の突出部５２が形成されている。これらの各突出部５２内にも夫々断面円形のカム挿入孔５３が形成されている。
【００２７】
本実施の形態における可変圧縮比機構は、一対のカムシャフト５４，５５を含む。各カムシャフト５４，５５上には、一つおきに各カム挿入孔５３内に回転可能に挿入される円形カム５８が固定されている。これらの円形カム５８は各カムシャフト５４，５５の回転軸線と共軸をなす。一方、各円形カム５８の両側には、図３に示すように各カムシャフト５４，５５の回転軸線に対して偏心配置された偏心軸５７が延びている。この偏心軸５７上に別の円形カム５６が偏心して回転可能に取付けられている。図２に示されるように、これら円形カム５６は各円形カム５８の両側に配置されており、これら円形カム５６は対応する各カム挿入孔５１内に回転可能に挿入されている。また、カムシャフト５５にはカムシャフト５５の回転角度を表す出力信号を発生するカム回転角度センサ２５が取付けられている。カム回転角度センサ２５の出力は、電子制御ユニット３０に入力される。
【００２８】
図３（Ａ）に示すような状態から各カムシャフト５４，５５上に固定された円形カム５８を図３（Ａ）において矢印で示されるように、互いに反対方向に回転させると偏心軸５７が互いに離れる方向に移動するために円形カム５６がカム挿入孔５１内において円形カム５８とは反対方向に回転し、図３（Ｂ）に示されるように偏心軸５７の位置が高い位置から中間高さ位置となる。次いで更に円形カム５８を矢印で示される方向に回転させると図３（Ｃ）に示されるように偏心軸５７は最も低い位置となる。
【００２９】
なお、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）には夫々の状態における円形カム５８の中心ａと偏心軸５７の中心ｂと円形カム５６の中心ｃとの位置関係が示されている。
【００３０】
図３（Ａ）から図３（Ｃ）を比較するとわかるようにクランクケース１とシリンダブロック２の相対位置は円形カム５８の中心ａと円形カム５６の中心ｃとの距離によって定まり、円形カム５８の中心ａと円形カム５６の中心ｃ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１から離れる。即ち、可変圧縮比機構Ａは回転するカムを用いたクランク機構によりクランクケース１とシリンダブロック２間の相対位置を変化させていることになる。シリンダブロック２がクランクケース１から離れるとピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積は増大し、従って各カムシャフト５４，５５を回転させることによってピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積を変更することができる。
【００３１】
図２に示されるように各カムシャフト５４，５５を夫々反対方向に回転させるために駆動モータ５９の回転軸には夫々螺旋方向が逆向きの一対のウォーム６１，６２が取付けられており、これらウォーム６１，６２と噛合するウォームホイール６３，６４が夫々各カムシャフト５４，５５の端部に固定されている。この実施例では駆動モータ５９を駆動することによってピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積を広い範囲に亘って変更することができる。
【００３２】
なお、本実施の形態における可変圧縮比機構は、クランクケースを含む下部構造物に対して、シリンダブロックを相対的に移動させているが、この形態に限られず、可変圧縮比機構は、機械圧縮比を変更可能な任意の機構を採用することができる。
【００３３】
図４は、本実施の形態における吸気弁の駆動装置の概略斜視図である。本実施の形態における内燃機関は、吸気弁の駆動装置を備える。吸気弁の駆動装置は、吸気弁の閉弁時期を変更する可変バルブタイミング機構を有する。可変バルブタイミング機構は、吸気弁を開いている期間を進角したり遅角したりすることができる。
【００３４】
本実施の形態における可変バルブタイミング機構は、弁制御装置７１を含む。弁制御装置７１は、吸気カムシャフト７０に接続されている。弁制御装置７１には、スプロケットが接続され、このスプロケットにはタイミングチェーン７２が係合している。本実施の形態における弁制御装置７１は、スプロケットの位相と吸気カムシャフト７０の位相とを互いに変更可能に形成されている。すなわち、タイミングチェーン７２によるスプロケットの回転時の位相に対して、吸気カムシャフト７０の位相を早くしたり遅くしたりできるように形成されている。吸気カムシャフト７０の位相が変化することにより、吸気弁の開閉時期を変更することができる。
【００３５】
本実施の形態の吸気弁の駆動装置は、吸気弁の作用角を段階的に切替え可能な可変作用角機構を備える。本実施の形態における可変作用角機構は、吸気弁を駆動するための複数の吸気カムを有する。本実施の形態においては、小作用角カム７３ａと、小作用角カム７３ａよりも吸気弁の作用角が大きくなる大作用角カム７３ｂを有する。小作用角カム７３ａと大作用角カム７３ｂとを切替えることにより、吸気弁７の作用角を変更可能に形成されている。小作用角カム７３ａおよび大作用角カム７３ｂは、吸気カムシャフト７０に固定されている。小作用角カム７３ａおよび大作用角カム７３ｂは、吸気カムシャフト７０と共に回転する。カム切替え装置７５は、小作用角カム７３ａおよび大作用角カム７３ｂのうち、一方の吸気カムの駆動力を吸気弁７に伝達する。可変作用角機構については後述する。
【００３６】
図５は、可変バルブタイミング機構Ｂの機能を説明するグラフである。図５は、一つの吸気カムを用いて吸気弁の開いている期間を変更したときの状態を示している。実線は可変バルブタイミング機構Ｂによって吸気カムシャフト７０の位相が最も進角されているときを示しており、破線は吸気カムシャフト７０の位相が最も遅角されているときを示している。吸気弁７が開いている期間は実線で示す範囲と破線で示す範囲との間で任意に設定することができる。従って吸気弁７の閉弁時期も矢印Ｃで示す範囲内の任意のクランク角に設定することができる。なお、可変バルブタイミング機構Ｂとしては、吸気弁の開いている期間を変更可能な任意の機構を採用することができる。
【００３７】
次に、図６を参照しつつ本願において使用されている用語の意味について説明する。なお、図６の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）には説明のために燃焼室容積が５０ｍｌでピストンの行程容積が５００ｍｌであるエンジンが示されており、これら図６の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）において燃焼室容積とはピストンが圧縮上死点に位置するときの燃焼室の容積を表している。
【００３８】
図６（Ａ）は機械圧縮比について説明している。機械圧縮比は圧縮行程時のピストンの行程容積と燃焼室容積のみから機械的に定まる値であってこの機械圧縮比は（燃焼室容積＋行程容積）／燃焼室容積で表される。図６（Ａ）に示される例ではこの機械圧縮比は（５０ｍｌ＋５００ｍｌ）／５０ｍｌ＝１１となる。
【００３９】
図６（Ｂ）は実圧縮比について説明している。この実圧縮比は実際に圧縮作用が開始されたときからピストンが上死点に達するまでの実際のピストン行程容積と燃焼室容積から定まる値であってこの実圧縮比は（燃焼室容積＋実際の行程容積）／燃焼室容積で表される。即ち、図６（Ｂ）に示されるように圧縮行程においてピストンが上昇を開始しても吸気弁が開弁している間は圧縮作用は行われず、吸気弁が閉弁したときから実際の圧縮作用が開始される。従って実圧縮比は実際の行程容積を用いて上記の如く表される。図６（Ｂ）に示される例では実圧縮比は（５０ｍｌ＋４５０ｍｌ）／５０ｍｌ＝１０となる。
【００４０】
図６（Ｃ）は膨張比について説明している。膨張比は膨張行程時のピストンの行程容積と燃焼室容積から定まる値であってこの膨張比は（燃焼室容積＋行程容積）／燃焼室容積で表される。図６（Ｃ）に示される例ではこの膨張比は（５０ｍｌ＋５００ｍｌ）／５０ｍｌ＝１１となる。
【００４１】
次に図７および図８を参照しつつ本発明において用いられている超膨張比サイクルについて説明する。なお、図７は理論熱効率と膨張比との関係を示しており、図８は本発明において負荷に応じ使い分けられている通常のサイクルと超高膨張比サイクルとの比較を示している。
【００４２】
図８（Ａ）は吸気弁が下死点近傍で閉弁し、ほぼ吸気下死点付近からピストンによる圧縮作用が開始される場合の通常のサイクルを示している。この図８（Ａ）に示す例でも図６の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す例と同様に燃焼室容積が５０ｍｌとされ、ピストンの行程容積が５００ｍｌとされている。図８（Ａ）からわかるように通常のサイクルでは機械圧縮比は（５０ｍｌ＋５００ｍｌ）／５０ｍｌ＝１１であり、実圧縮比もほぼ１１であり、膨張比も（５０ｍｌ＋５００ｍｌ）／５０ｍｌ＝１１となる。即ち、通常の内燃機関では機械圧縮比と実圧縮比と膨張比とがほぼ等しくなる。
【００４３】
図７における実線は実圧縮比と膨張比とがほぼ等しい場合の、即ち通常のサイクルにおける理論熱効率の変化を示している。この場合には膨張比が大きくなるほど、即ち実圧縮比が高くなるほど理論熱効率が高くなることがわかる。従って通常のサイクルにおいて理論熱効率を高めるには実圧縮比を高くすればよいことになる。しかしながら機関高負荷運転時におけるノッキングの発生の制約により実圧縮比は最大でも１２程度までしか高くすることができず、斯くして通常のサイクルにおいては理論熱効率を十分に高くすることはできない。
【００４４】
一方、このような状況下で機械圧縮比と実圧縮比とを厳密に区分しつつ理論熱効率を高めることが検討され、その結果理論熱効率は膨張比が支配し、理論熱効率に対して実圧縮比はほとんど影響を与えない。即ち、実圧縮比を高くすると爆発力は高まるが圧縮するために大きなエネルギーが必要となり、斯くして実圧縮比を高めても理論熱効率はほとんど高くならない。
【００４５】
これに対し、膨張比を大きくすると膨張行程時にピストンに対し押下げ力が作用する期間が長くなり、斯くしてピストンがクランクシャフトに回転力を与えている期間が長くなる。従って膨張比は大きくすれば大きくするほど理論熱効率が高くなる。図７の破線ε＝１０は実圧縮比を１０に固定した状態で膨張比を高くしていった場合の理論熱効率を示している。このように実圧縮比εを低い値に維持した状態で膨張比を高くしたときの理論熱効率の上昇量と、図７の実線で示す如く実圧縮比も膨張比と共に増大する場合の理論熱効率の上昇量とは大きな差がないことがわかる。
【００４６】
このように実圧縮比が低い値に維持されているとノッキングが発生することがなく、従って実圧縮比を低い値に維持した状態で膨張比を高くするとノッキングの発生を阻止しつつ理論熱効率を大巾に高めることができる。図８（Ｂ）は可変圧縮比機構Ａおよび可変バルブタイミング機構Ｂを用いて、実圧縮比を低い値に維持しつつ膨張比を高めるようにした場合の一例を示している。
【００４７】
図８（Ｂ）を参照すると、この例では可変圧縮比機構Ａにより燃焼室容積が５０ｍｌから２０ｍｌまで減少する。一方、可変バルブタイミング機構Ｂによって実際のピストン行程容積が５００ｍｌから２００ｍｌになるまで吸気弁の閉弁時期が遅らされる。その結果、この例では実圧縮比は（２０ｍｌ＋２００ｍｌ）／２０ｍｌ＝１１となり、膨張比は（２０ｍｌ＋５００ｍｌ）／２０ｍｌ＝２６となる。図８（Ａ）に示される通常のサイクルでは前述したように実圧縮比がほぼ１１で膨張比が１１であり、この場合に比べると図８（Ｂ）に示される場合には膨張比のみが２６まで高められていることがわかる。これが超高膨張比サイクルと称される所以である。
【００４８】
一般的に言って内燃機関では機関負荷が低いほど熱効率が悪くなり、従って機関運転時における熱効率を向上させるためには、即ち燃費を向上させるには機関負荷が低いときの熱効率を向上させることが必要となる。一方、図８（Ｂ）に示される超高膨張比サイクルでは圧縮行程時の実際のピストン行程容積が小さくされるために燃焼室５内に吸入しうる吸入空気量は少なくなり、従ってこの超高膨張比サイクルは機関負荷が比較的低いときにしか採用できないことになる。従って本発明では機関負荷が比較的低いときには図８（Ｂ）に示す超高膨張比サイクルとし、機関高負荷運転時には図８（Ａ）に示す通常のサイクルとするようにしている。
【００４９】
次に、図９を参照して、本実施の形態における内燃機関の運転制御例について説明する。図９は、超高膨張比制御の一般的な運転制御全般について概略的に説明するグラフである。図９には或る機関回転数における機関負荷に応じた吸入空気量、吸気弁の閉弁時期、膨張比（機械圧縮比）、実圧縮比およびスロットル弁の開度の各変化が示されている。なお、図９は、触媒装置２０内の三元触媒によって排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯおよびＮＯＸを同時に低減しうるように燃焼室５内における平均空燃比が空燃比センサ２１の出力信号に基づいて理論空燃比にフィードバック制御されている場合を示している。
【００５０】
さて、前述したように高負荷運転時には図８（Ａ）に示される通常のサイクルが実行される。従って図９に示されるように、このときには機械圧縮比は低くされるために膨張比は低く、吸気弁７の閉弁時期は図５において実線で示されるように早められている。また、このときには吸入空気量は多く、このときスロットル弁１７の開度は全開に保持されておりポンピング損失が抑制される。
【００５１】
一方で、機関負荷が低くなるとそれに伴って吸入空気量を減少すべく吸気弁７の閉弁時期が遅くされる。またこのときには実圧縮比がほぼ一定に保持されるように機関負荷が低くなるにつれて機械圧縮比が増大される。従って機関負荷が低くなるにつれて膨張比も増大される。なお、このときにもスロットル弁１７は全開状態に保持されており、燃焼室５内に供給される吸入空気量はスロットル弁１７によらずに吸気弁７の閉弁時期を変えることによって制御されている。
【００５２】
このように高負荷の運転状態から機関負荷が低くなるときには実圧縮比がほぼ一定のもとで吸入空気量が減少するにつれて機械圧縮比が増大される。即ち、吸入空気量の減少に比例してピストン４が圧縮上死点に達したときの燃焼室５の容積が減少する。従ってピストン４が圧縮上死点に達したときの燃焼室５の容積は吸入空気量に比例して変化していることになる。なお、このとき図９に示される例では燃焼室５内の空燃比は理論空燃比となっているのでピストン４が圧縮上死点に達したときの燃焼室５の容積は燃料量に比例して変化していることになる。
【００５３】
本発明による実施例では吸気弁７の閉弁時期は、機関負荷が低くなるにつれて、燃焼室内に供給される吸入空気量を制御しうる限界閉弁時期まで吸気下死点ＢＤＣから離れる方向に移動されることになる。
【００５４】
図９に示される実施例では機関負荷が負荷Ｌ２まで低下すると吸気弁７の閉弁時期が燃焼室５内に供給される吸入空気量を制御しうる限界閉弁時期となる。吸気弁７の閉弁時期が限界閉弁時期に達すると吸気弁７の閉弁時期が限界閉弁時期に達したときの機関負荷Ｌ２よりも負荷の低い領域では吸気弁７の閉弁時期が限界閉弁時期に保持される。
【００５５】
吸気弁７の閉弁時期が限界閉弁時期に保持されるともはや吸気弁７の閉弁時期の変化によっては吸入空気量を制御することができない。図９に示される実施例では、このときに、即ち吸気弁７の閉弁時期が限界閉弁時期に達したときの機関負荷Ｌ２よりも負荷の低い領域ではスロットル弁１７によって燃焼室５内に供給される吸入空気量が制御され、機関負荷が低くなるほどスロットル弁１７の開度は小さくされる。
【００５６】
機関負荷が更に低くなると機械圧縮比は更に増大する。図９に示す内燃機関においては、機関負荷が負荷Ｌ１まで低下すると機械圧縮比は燃焼室５の構造上限界となる限界機械圧縮比（上限機械圧縮比）に達する。機械圧縮比が限界機械圧縮比に達すると、機械圧縮比が限界機械圧縮比に達したときの機関負荷Ｌ１よりも負荷の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。従って低負荷運転時には機械圧縮比は最大となり、膨張比も最大となる。別の言い方をすると低負荷運転では最大の膨張比が得られるように機械圧縮比が最大にされる。
【００５７】
前述したように図８（Ｂ）に示す超高膨張比サイクルでは膨張比が２６とされる。この膨張比は高いほど好ましいが図７からわかるように実用上使用可能な下限実圧縮比ε＝５に対しても２０以上であればかなり高い理論熱効率を得ることができる。従って本実施例では膨張比が２０以上となるように可変圧縮比機構Ａが形成されている。
【００５８】
次に、本実施の形態における吸気弁の駆動装置の可変作用角機構について説明する。吸気弁の開弁時期から閉弁時期までの期間に対応する作用角は、吸気カムの断面形状に基づいて定められる。本実施の形態においては、吸気カムを切替える制御を行う。
【００５９】
図１０に、本実施の形態におけるカム切替え装置の拡大概略斜視図を示す。本実施の形態における可変作用角機構は、カム切替え装置７５を含む。図４および図１０を参照して、カム切替え装置７５は、ロッカーアーム本体７５ａを有する。ロッカーアーム本体７５ａは、回動軸７６を中心に回動可能に形成されている。
【００６０】
本実施の形態の可変作用角機構は、互いに異なる吸気弁の作用角になる小作用角カム７３ａと大作用角カム７３ｂとを有する。小作用角カム７３ａと大作用角カム７３ｂとは断面形状が互いに異なっている。吸気カムシャフト７０が一定の回転数にて回転しているときに、小作用角カム７３ａにより吸気弁７を開いている時間長さよりも、大作用角カム７３ｂにより吸気弁７を開いている時間長さの方が長くなるように形成されている。本実施の形態においては、いずれか一方の吸気カムによって吸気弁７を駆動する。
【００６１】
本実施の形態における小作用角カムとしては、吸気弁の作用角が従来の技術における圧縮比可変機構を有しない内燃機関の作用角と同等になる吸気カムを例示することができる。たとえば、吸気弁の作用角が２４０°以上２７０°以下になるような吸気カムを採用することができる。これに対して、大作用角カムとしては、例えば、吸気弁の作用角が３２０°程度の大きな作用角にて吸気弁を駆動する吸気カムを用いることができる。
【００６２】
カム切替え装置７５は、小作用角カム７３ａに接触するローラ７５ｃを有する。ローラ７５ｃは、回転自在にロッカーアーム本体７５ａに支持されている。カム切替え装置７５は、大作用角カム７３ｂに当接するスリッパ７５ｂを有する。スリッパ７５ｂは支持棒７５ｆにより支持されている。スリッパ７５ｂは、矢印１１２に示すように、揺動可能に形成されている。スリッパ７５ｂは、スプリング７５ｇにより大作用角カム７３ｂに向かって付勢されている。
【００６３】
本実施の形態における可変作用角機構は、カム切替え装置７５に制御油を供給する制御油供給装置７４を有する。制御油供給装置７４は、カム切替え装置７５に供給する制御油の圧力を高くしたり低くしたりすることができるように形成されている。
【００６４】
ロッカーアーム本体７５ａの内部には、ロックピン７５ｄが配置されている。ロックピン７５ｄは、スプリング７５ｅにより支持棒７５ｆから離れる向きに付勢されている。ロックピン７５ｄには、制御油の油路が接続されている。制御油の圧力が高くなることにより、矢印１１３に示すように、支持棒７５ｆに向かってロックピン７５ｄが移動する。ロックピン７５ｄが矢印１１３に示す向きに移動することにより、支持棒７５ｆの移動が防止され、スリッパ７５ｂが揺動しなくなる。
【００６５】
吸気弁７を小作用角カム７３ａにて駆動する場合には、ロッカーアーム本体７５ａに供給される制御油が低圧の状態にされる。ロックピン７５ｄは、スプリング７５ｄの付勢力により支持棒７５ｆから離れる向きに移動し、支持棒７５ｆが移動可能な状態になる。スリッパ７５ｂは、矢印１１２に示す方向に揺動可能な状態になる。
【００６６】
図４を参照して、吸気カムシャフト７０が回転することにより、大作用角カム７３ｂが回転する。大作用角カム７３ｂのカムノーズ部によりスリッパ７５ｂが押圧される。ところが、スリッパ７５ｂは揺動可能な状態であるために、大作用角カム７３ｂによるロッカーアーム本体７５ａの駆動は回避される。すなわち、大作用角カム７３ｂが空転する状態になる。このときには、小作用角カム７３ａによりローラ７５ｃが押圧されてロッカーアーム本体７５ａが揺動する。小作用角カム７３ａにより吸気弁７が開閉する。吸気弁７は、小作用角カム７３ａの断面形状（プロファイル）に従って開閉する。すなわち、吸気弁７は、小作用角にて開閉することができる。
【００６７】
これに対して、吸気弁の作用角を大きくする時は、ロッカーアーム本体７５ａの内部の油路に供給する制御油が高圧にされる。制御油の油圧が高くなることにより、ロックピン７５ｄが、矢印１１３に示す方向に移動して支持棒７５ｆが固定される。スリッパ７５ｂは、揺動ができなくなる状態になる。吸気カムシャフト７０が回転すると、大作用角カム７３ｂにより、スリッパ７５ｂが押圧されてローカーアーム本体７５ａが揺動する。このときには、小作用角カム７３ａよりも大作用角カム７３ｂの方が吸気弁７の移動量（リフト量）および作用角が大きい。このために、小作用角カム７３ａは空転する。吸気弁７は、吸気カム７３ｂの断面形状（プロファイル）に従って開閉する。すなわち、吸気弁７を大作用角にて開閉することができる。
【００６８】
このように、本実施の形態においては、制御油供給装置が供給する油圧を変更することにより、吸気カムを切替えることができる。吸気弁の作用角を大きくしたり小さくしたりすることができる。
【００６９】
可変作用角機構としては、上記の形態に限られず、吸気弁の作用角を段階的に変更可能な任意の機構を採用することができる。すなわち、不連続的に吸気弁の作用角を切替えることができる可変作用角機構を採用することができる。また、本実施の形態の可変作用角機構は、２段階にて作用角を切替えるように形成されているが、この形態に限られず、３段階以上で切替えが可能な可変作用角機構を採用しても構わない。
【００７０】
図１１に、本実施の形態における内燃機関の高負荷運転時の状態と、低負荷運転時の状態との関係を説明するグラフを示す。図１１（Ａ）が高負荷運転時の状態を示しており、図１１（Ｂ）は低負荷運転時の状態を示している。横軸はクランク角度を示しており、縦軸は吸気弁または排気弁の弁リフト量を示している。図１１に示す運転例では、排気弁の開弁時期と閉弁時期とは一定になっている。
【００７１】
燃焼室に流入する吸入空気量は、吸気弁の閉弁時期から、ピストンが圧縮上死点に到達するまでのクランク角度（ピストンの移動長さ）に依存する。本実施の形態の内燃機関は、高負荷運転時には吸気弁の閉弁時期が早く制御される。高負荷運転時においては小作用角カムにて吸気弁の開閉を行なう。高負荷運転時における吸気弁の閉弁時期θＩＣＨは、例えば、ピストンの下死点（ＢＤＣ）の近傍に設定されている。この制御により、燃焼室に流入する吸入空気量を多くすることができる。
【００７２】
機関負荷が低負荷になると、吸入空気量が少なく制御されるために、吸気弁の閉弁時期θＩＣＬは、閉弁時期θＩＣＨよりも遅く制御される。吸入空気量が少なくなるほど、吸気弁の閉弁時期が圧縮行程の上死点（ＴＤＣ）に近づくように制御される。
【００７３】
図１１（Ａ）の高負荷運転時においては、吸気弁が開く時期は、吸気上死点よりも前であり、ピストンが下降を始める時には吸気弁が開いている。このため、ポンピング損失を抑制することができる。ところで、図１１（Ｂ）の低負荷運転時において、点線に示すように、吸気弁を小作用角カムにより駆動した場合には、ピストンが吸気上死点に到達してから吸気弁が開くまでに所定の時間を有する。この間には、燃焼室の圧力が負圧になり、ポンピング損失が発生してしまう。
【００７４】
そこで、本実施の形態の内燃機関においては、吸気カムを大作用角カムに切替えることにより、吸気弁の開弁時期を吸気上死点まで早めることができる。または、吸気弁の開弁時期を吸気上死点の近傍まで早めることができる。この制御により、吸気行程におけるポンピング損失を抑制することができて、熱効率の向上を図ることができる。
【００７５】
高負荷運転時では、従来の技術における内燃機関と同等の空気量を吸気することができる。低負荷運転時では、ポンピング損失の生じるスロットリングをなるべく回避して、スロットル弁が全開の運転範囲を大きくすることができる。また、最終的に燃焼室に封入される吸気量を小さくすることができる。すなわち、低負荷に応じた吸気量にすることができる。このように、本実施の形態の内燃機関では、低負荷運転の状態では大作用角カムを用いて、高負荷運転の状態では小作用角カムを用いることが好ましい。
【００７６】
なお、高負荷運転時において、機関回転数が高い運転状態においては、機関回転数が低い運転状態に比べて慣性過給の効果を期待することができるために、吸気弁の作用角を上記の大作用角よりも小さくしても構わない。例えば、吸気弁の作用角が２７０°程度になるような中作用角カムを配置することができる。作用角が互いに異なる吸気カムを３つ配置することができる。たとえば、高負荷かつ高回転の運転状態においては、中作用角カムを用いて、高負荷かつ低回転の運転状態においては、大作用角カムを用いることができる。一方で、低負荷運転時には、機関回転数に関わらず小作用角カムを用いることができる。
【００７７】
このように、本実施の形態の内燃機関においては、機関負荷に応じて高作用角カムと低作用角カムとを切替えることができる。図９を参照して、例えば、切替え負荷Ｌｘにて吸気カムを切替えることができる。機関負荷が、切替え負荷Ｌｘを跨いで低負荷側に変化した場合には、小作用角カムから大作用角カムに切替えて作用角を大きく変更することができる。また、機関負荷が、切替え負荷Ｌｘを跨いで高負荷側に変化した場合には、大作用角カムから小作用角カムに切替えて作用角を小さく変更することができる。
【００７８】
図１２に、本実施の形態における吸気カムを切替えるときの状態を説明するグラフを示す。図１２（Ａ）は、大作用角カムを選択している状態を示し、図１２（Ｂ）は、小作用角カムを選択している状態を示している。本実施の形態の内燃機関においては、吸気カムを切替えるときには、吸気弁の閉弁時期がほぼ同じになるように吸気カムの切替えを行なう。大作用角カムによる吸気弁の閉弁時期θＩＣＬと、小作用角カムによる吸気弁の閉弁時期θＩＣＨとがほぼ同じ時期になるように設定して吸気カムを切替える。たとえば、吸気カムを切替えると共に、可変動弁機構により吸気弁の閉弁時期がほぼ同一になるように吸気カムの位相（吸気カムシャフトの位相）を変更することができる。または、吸気カムを切替える位相において、吸気弁の閉弁時期がほぼ同一になるように大作用角カムおよび小作用角カムを吸気カムシャフトに固定することができる。
【００７９】
吸気カムを切替える時に吸気弁の閉弁時期をほぼ同一にすることにより、吸入空気量をほぼ同じにすることができて、吸入空気量の変動に起因するトルクショックを抑制することができる。例えば、吸気弁の作用角が小作用角から大作用角に瞬間的に切替えられた場合に生じる吸入空気量の減少によるトルクショックを抑制することができる。
【００８０】
ところが、図１２（Ａ）および（Ｂ）を参照して、吸気カムの切替え時においては、吸気弁が開いている期間と排気弁が開いている期間とが互いに重なるオーバーラップＯＬの時間長さが変化する。この結果、内部ＥＧＲ量が吸気カムの切替え前と切替え後とで変化してしまう。例えば、要求負荷が減少し、小作用角カムから大作用角カムに切替えるときには、オーバーラップＯＬの期間が長くなり、内部ＥＧＲ量が急増する。このために、燃料の燃焼性が悪化する。これとは反対に、大作用角カムから小作用角カムに切替えるときには、オーバーラップＯＬの期間が短くなり、内部ＥＧＲ量が急減する。このために、ノッキング等の異常燃焼が発生する虞がある。
【００８１】
このように、本実施の形態における可変作用角機構では、吸気弁の作用角を不連続的に切替えるために、燃焼室における燃焼が不安定になる場合がある。そこで、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が変化して、吸気弁の閉弁時期の変更とともに吸気カムを切替える場合には、一時的に機械圧縮比の修正する制御を行う。本実施の形態においては、内燃機関の運転状態に基づく基準機械圧縮比に修正を加えた設定機械圧縮比を設定する。吸気カムを切替えるべき時には、機械圧縮比を設定機械圧縮比に向かって変化させる。吸気カムの切替えを行った後も所定の時間は設定機械圧縮比に維持した後に、基準機械圧縮比に移行させる制御を行う。
【００８２】
図１３は、本実施の形態の内燃機関において、吸気弁の作用角を小作用角から大作用角に切替えるときのタイムチャートである。このような運転状態としては、図１１を参照して、例えば要求負荷が低負荷側に移行し、吸気カムを小作用角カムから大作用角カムに切替える場合を例示することができる。時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間において、小作用角カムから大作用角カムに切替えることにより、吸気弁の作用角の切替えを行なっている。
【００８３】
本実施の形態においては、作用角カムの切替え前の時刻ｔ１において、機械圧縮比の変更を開始している。ここで、基準機械圧縮比は、内燃機関の運転状態に基づいて設定する機械圧縮比である。目標機械圧縮比は、吸気カムを切替えるときに燃焼が不安定になることを抑制することができる機械圧縮比である。設定機械圧縮比は、目標機械圧縮比に余裕分を考慮して、実際に設定して変更する機械圧縮比である。本実施の形態において、設定機械圧縮比は、基準機械圧縮比に予め定められた圧縮比が加算されたり減算されたりして設定されている。
【００８４】
内燃機関は、たとえば要求負荷の変更を検出し、基準機械圧縮比および吸気弁の閉弁時期を設定する。このときに、吸気弁の作用角の変更が必要な場合には、更に設定機械圧縮比を設定する。可変作用角機構により吸気弁の作用角を大きく変更する場合には、設定機械圧縮比を移行後の基準機械圧縮比よりも高く設定する。時刻ｔ１において、機械圧縮比を設定機械圧縮比に向けて上昇させている。本実施の形態においては、作用角の変更が終了する時刻ｔ３の前に、機械圧縮比が目標機械圧縮比に到達している。
【００８５】
このように、機械圧縮比を基準機械圧縮比よりも高くして燃焼室における実圧縮比を上昇させている。作用角を切替えて内部ＥＧＲ量が急増しても、機械圧縮比が高めに設定されているために燃焼性の悪化を抑制することができる。
【００８６】
本実施の形態においては、機械圧縮比が設定機械圧縮比に到達した後に、機械圧縮比を設定機械圧縮比に所定の時間の間維持している。時刻ｔ４において機械圧縮比を設定圧縮比から基準機械圧縮比に向けて変更を開始している。時刻ｔ５において機械圧縮比が基準機械圧縮比に到達している。
【００８７】
図１４に、本実施の形態の内燃機関において、吸気弁の作用角を大作用角から小作用角に切替えるときのタイムチャートを示す。このような運転状態としては、例えば要求負荷が高負荷側に移行し、吸気カムを大作用角カムから小作用角カムに切替える場合を例示することができる。
【００８８】
時刻ｔ２から時刻ｔ３において、吸気カムが大作用角カムから小作用角カムに切替えられて吸気弁の作用角を変更している。可変作用角機構により吸気弁の作用角を小さく変更する場合には、設定機械圧縮比を移行後の基準機械圧縮比よりも低く設定する。機械圧縮比が設定機械圧縮比に到達した後には、予め定められた所定の時間の経過後の時刻ｔ４まで機械圧縮比を設定機械圧縮比に維持している。時刻ｔ４から時刻ｔ５にかけて機械圧縮比を移行後の基準機械圧縮比に変更している。また、図１４に示す例においては、ノッキング等の異常燃焼が発現して燃焼が不安定になることを回避する目標機械圧縮比が予め定められており、目標機械圧縮比に到達した後に作用角の変更を開始している。このように、燃焼の安定性の悪化を抑制することができる目標機械圧縮比に到達した後に、作用角を変更しても構わない。
【００８９】
このように、本実施の形態においては、吸気弁の作用角を切替える場合に、吸気カムの切替えにより一時的に燃焼が不安定になることを抑制することができる。このような燃焼が不安定な期間は長時間継続しないために、所定の時間の経過後に機械圧縮比を運転状態に基づいた基準機械圧縮比に移行することができる。
【００９０】
本実施の形態においては、作用角の変更が終了する時刻ｔ３の前に、機械圧縮比が目標機械圧縮比以上に到達している。吸気カムの切替えが終了する前に目標機械圧縮比に到達しているように、作用角の変更開始を機械圧縮比の変更開始よりも遅らせることにより、作用角を変更した直後において燃焼が不安定になることを抑制できる。このように、吸気弁の作用角を変更する期間としては、作用角の変更が終了した時点で、機械圧縮比が目標機械圧縮比に到達しているように設定することが好ましい。例えば、機械圧縮比が設定機械圧縮比に到達した後に作用角の変更を開始しても構わない。この制御を行なうことにより、より確実に燃焼性の悪化を抑制することができる。
【００９１】
また、本実施の形態においては、機械圧縮比が設定機械圧縮比に到達した後に、設定機械圧縮比を維持する期間を設けて、予め定められた時間の経過後の時刻ｔ４において、機械圧縮比を基準機械圧縮比に向けて変化させている。この制御を行うことにより、より確実に燃焼が不安定になることを抑制できる。機械圧縮比をほぼ一定に維持する時間長さについては、燃焼が不安定になる時間長さに基づいて設定することができる。なお、機械圧縮比が設定機械圧縮比に到達した直後に、機械圧縮比をほぼ一定にせずに基準機械圧縮比に移行する制御を行なっても構わない。
【００９２】
図１５に、本実施の形態における内燃機関の運転制御のフローチャートを示す。図１５に示すフローチャートは、例えば、予め定められた時間間隔ごとに繰り返して行なうことができる。
【００９３】
ステップ１０１においては、内燃機関の運転状態を検出する。内燃機関の運転状態としては、例えば、機関回転数、要求負荷を検出することができる。ステップ１０２においては、検出した運転状態に基づいて、移行後の基準機械圧縮比ＣＲおよび吸気弁の基準閉弁時期ＩＣを設定する。図９を参照して、たとえば負荷が大きいほど基準機械圧縮比を小さく設定することができる。また、負荷が大きいほど吸気弁の基準閉弁時期を進角することができる。
【００９４】
図１６に、機関回転数および負荷に対する実圧縮比の関係を説明するグラフを示す。横軸が負荷Ｌであり、縦軸が実圧縮比である。図１６には、機関回転数Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４のグラフが示されている（ここで、Ｎ１＜Ｎ２＜Ｎ３＜Ｎ４である）。負荷Ｌがほぼ一定であるときには、機関回転数Ｎが高くなるほどノッキング等の異常燃焼が発生しにくい。このために、機関回転数Ｎが高くなるほど実圧縮比を高く設定することができる。たとえば、吸気弁の閉弁時期が一定である場合には、機関回転数が高くなるほど機械圧縮比を高く設定することができる。
【００９５】
図１７に、本実施の形態における基準閉弁時期と基準機械圧縮比とを設定するためのマップを示す。図１７（Ａ）は、基準閉弁時期ＩＣのマップである。基準閉弁時期ＩＣは、検出した機関回転数Ｎと負荷Ｌとに基づいて、このマップを用いることにより設定することができる。図１７（Ｂ）は、基準機械圧縮比ＣＲのマップである。基準機械圧縮比ＣＲは、検出した機関回転数Ｎおよび負荷Ｌとに基づいて、このマップを用いることにより設定することができる。
【００９６】
図１５を参照して、次に、ステップ１０３においては、新たな吸気弁の基準閉弁時期に移行する時に、吸気カムの変更が必要か否かを判別する。すなわち、作用角の変更が必要か否かを判別する。ステップ１０３において、吸気カムの変更が不要である場合には、ステップ１０４に移行する。
【００９７】
ステップ１０４においては、機械圧縮比を設定された基準機械圧縮比ＣＲに変更する。また、吸気弁の閉弁時期を設定された基準閉弁時期ＩＣに変更する。このときには、吸気カムの変更は行わずに、機械圧縮比および吸気弁の閉弁時期の変更を行う。
【００９８】
ステップ１０３において、吸気カムの変更が必要である場合には、ステップ１０５に移行する。ステップ１０５においては、吸気カムの変更が小作用角カムから大作用角カムへの変更か否かを判別する。小作用角カムから大作用角カムへの変更である場合にはステップ１０６に移行する。内燃機関の運転状態は、例えば、機関負荷が低負荷に向けて低下している場合である。
【００９９】
ステップ１０６においては、今回の新たな基準機械圧縮比ＣＲよりも高い機械圧縮比の設定圧縮比ＣＲｄを設定する（図１３参照）。本実施の形態においては、予め定められた機械圧縮比増分ΔＣＲを、基準機械圧縮比ＣＲに加算することにより、設定機械圧縮比ＣＲｄを算出している。
【０１００】
ステップ１０５において、小作用角カムから大作用角カムへの変更でない場合には、ステップ１０７に移行する。この場合には、吸気カムが大作用角カムから小作用角カムに変更される。内燃機関の運転状態は、例えば、機関負荷が高負荷に向かって上昇している場合である。
【０１０１】
ステップ１０７においては、今回の新たな基準機械圧縮比ＣＲよりも低い機械圧縮比の設定機械圧縮比ＣＲｄを設定する（図１４参照）。本実施の形態においては、予め定められた機械圧縮比減分ΔＣＲを、基準機械圧縮比ＣＲから減算することにより、設定機械圧縮比ＣＲｄを算出している。ステップ１０６またはステップ１０７において、設定機械圧縮比ＣＲｄが設定されたら、ステップ１０８に移行する。
【０１０２】
ステップ１０８においては、機械圧縮比を今回の設定機械圧縮比ＣＲｄに変更する。ステップ１０９においては、吸気弁の閉弁時期を今回の基準閉弁時期ＩＣに変更する。このときに、所定の位相において吸気カムの切替えを行う。吸気カムの切替えにおいては、前述したように、機械圧縮比が目標機械圧縮比に到達した後に、吸気カムの切替えが完了するように、時間遅れを持って切替える制御を行うことが好ましい（図１３または図１４参照）。
【０１０３】
なお、設定機械圧縮比としては、上記の形態に限られず、作用角の切替え時の燃焼性の悪化を抑制可能な任意の機械圧縮比を採用することができる。たとえば、吸気弁の切替えを開始するときの機械圧縮比を推定し、推定した機械圧縮比に基づいて設定機械圧縮比を設定しても構わない。この場合において、吸気弁の切替えを開始するときの機械圧縮比は、運転状態に依存する基準機械圧縮比に基づいて推定することができる。すなわち、設定機械圧縮比は、基準機械圧縮比に基づいて設定することができる。
【０１０４】
次に、ステップ１１０においては、機械圧縮比が設定機械圧縮比ＣＲｄに到達した後に、所定の時間の間、機械圧縮比を設定機械圧縮比に保持する。本実施の形態においては、予め定められた時間長さにて機械圧縮比をほぼ一定に保持している。
【０１０５】
次に、ステップ１１１においては、所定の時間の経過後に機械圧縮比を、ステップ１０２において設定した基準機械圧縮比ＣＲに移行する。
【０１０６】
このように、本実施の形態における内燃機関は、吸気弁の作用角を変更するときに一時的に機械圧縮比を高めに設定したり低めに設定したりすることにより、燃焼が不安定になることを抑制しながら、吸気弁の作用角の変更を行うことができる。
【０１０７】
ところで、内燃機関には、排気弁の駆動装置に可変動弁機構が配置されている場合がある。排気弁に可変動弁機構が配置されている場合には、排気弁の閉弁時期を調整することができる。このため、吸気カムを切替えるときの内部ＥＧＲ量の変化を抑制するために、排気弁の閉弁時期を変更することができる。
【０１０８】
例えば、吸気カムを小作用角カムから大作用角カムに変更した場合には、排気弁の駆動装置の可変動弁機構の動作の時間遅れを考慮して、早めに内部ＥＧＲ量が減少したりする方向に排気弁の閉弁時期を変更することができる。内部ＥＧＲ量が急激に増加するために、排気弁の閉弁時期を早くする（進角する）制御を行うことができる。
【０１０９】
ところが、排気弁の閉弁時期を変更すると、機関排気通路において圧力が振動する排気脈動が変化し、排気脈動の変化に起因して吸気量が変化する場合がある。この結果、トルク変動が生じる場合がある。このために、排気弁に可変動弁機構が配置されている場合においても、吸気カムを切替える時には排気弁の駆動装置に配置された可変動弁機構による内部ＥＧＲ量の調整を禁止する制御を行うことができる。本実施の形態のように、内部ＥＧＲ量の急激な変化を機械圧縮比の変更により抑制することにより、吸気カムを切替える時のトルク変動をより確実に抑制することができる。
【０１１０】
本実施の形態においては、車両に取り付けられている内燃機関を例示して説明を行なったが、この形態に限られず、任意の装置や設備等に配置されている内燃機関に本発明を適用することができる。
【０１１１】
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。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】
【０１１２】
１    クランクケース
２    シリンダブロック
４    ピストン
５    燃焼室
６    点火栓
１３    燃料噴射弁
１７    スロットル弁
３０    電子制御ユニット
５４，５５    カムシャフト
５６，５８    円形カム
５７    偏心軸
５９    駆動モータ
６１    ウォーム
７０    吸気カムシャフト
７１    弁制御装置
７３ａ    小作用角カム
７３ｂ    大作用角カム
７５    カム切替え装置
７５ｂ    スリッパ
７５ｃ    ローラ
【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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【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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