内燃機関
【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安定した運転を行なうことができ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圧縮比可変機構を備え、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時に、残留ガスに含まれる未燃ガスと既燃ガスとの割合を推定する。推定した未燃ガスと既燃ガスとの割合および推定した機械圧縮比に基づいて、今回の燃焼サイクルにおいて燃焼室に充填されている未燃の混合気の量が、機械圧縮比がほぼ一定の定常運転時の量とほぼ同じになるように、今回の燃焼サイクルにおいて燃焼室に新たに供給される新混合気の量を調整する。
【解決手段】内燃機関は、機械圧縮比を変更可能な圧縮比可変機構を備え、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時に、残留ガスに含まれる未燃ガスと既燃ガスとの割合を推定する。推定した未燃ガスと既燃ガスとの割合および推定した機械圧縮比に基づいて、今回の燃焼サイクルにおいて燃焼室に充填されている未燃の混合気の量が、機械圧縮比がほぼ一定の定常運転時の量とほぼ同じになるように、今回の燃焼サイクルにおいて燃焼室に新たに供給される新混合気の量を調整する。
【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２００５−２０７２７３号公報においては、排気通路に配置された排気浄化触媒と、燃焼室の容積を変化させることによって圧縮比が変更される圧縮比可変機構とを有する内燃機関が開示されている。この公報には、圧縮比が変更される過渡時に気筒内における混合気の空燃比が圧縮比の変更前後とほぼ同等となるように燃料噴射量を補正することが開示されている。圧縮比が高圧縮比へ変更される過渡時には、圧縮比が一定とされている場合よりも燃料噴射弁から噴射される燃料噴射量を低減する補正を行なうことが開示されている。
【０００４】
特開２００９−１１４９６６号公報においては、機械圧縮比を変更可能な圧縮比可変機構と、吸気弁の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構とを具備し、高圧縮比から低圧縮比に移行する際に、吸気弁の閉弁時期を制御することにより、燃焼室への吸入空気量を制御する内燃機関が開示されている。
【０００５】
特開２０１０−１９０１９３号公報においては、圧縮比可変機構と可変動弁機構とを備える内燃機関において、低負荷域において吸気弁を閉じる閉時期は下死点よりも進角側に制御されるが、機関の要求負荷が急に増加した加速時には、目標の吸気弁閉時期を遅角側のノッキング限界まで遅角する。このときに、気筒内の吸気量が最大となる吸気量最大吸気弁閉時期を経ることになるが、この期間にスロットル弁開度が一時的に減少補正され、過渡的なノッキング発生を回避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２００５−２０７２７３号公報
【特許文献２】特開２００９−１１４９６６号公報
【特許文献３】特開２０１０−１９０１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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時には、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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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、想定外の大きさのトルクが出力されたり、想定外の量のＮＯＸが排出されたりする場合があった。また、出力されるトルクの変化が短時間である場合には、トルク変動により生じる衝撃であるトルクショックが生じる虞があった。
【００１１】
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安定した運転を行なう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】
【００１２】
本発明の内燃機関は、機械圧縮比を変更可能な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、燃焼サイクルの吸気行程において供給される新混合気と、残留ガスに含まれる未燃ガスとにより吸気弁が閉じた時に充填されている未燃の混合気が構成されている。内燃機関は、機械圧縮比を変更している過渡運転時に、過渡運転時における残留ガスに含まれる未燃ガスと既燃ガスとの割合と、今回の燃焼サイクルにおける機械圧縮比とを推定する。内燃機関は、推定した未燃ガスと既燃ガスとの割合および推定した機械圧縮比に基づいて、今回の燃焼サイクルにおいて燃焼室に充填されている未燃の混合気の量または既燃ガスの量のうち少なくとも一方の量が、機械圧縮比がほぼ一定の定常運転時の量とほぼ同じになるように、今回の燃焼サイクルにおける残留ガスの量および新混合気の量のうち少なくとも一方の量を調整する。
【００１３】
上記発明においては、吸気弁の閉弁時期を変更可能な可変動弁機構を備え、燃焼室内に残留する残留ガスに含まれる未燃ガスの量および機械圧縮比に基づいて、過渡運転時の未燃の混合気の量が定常運転時の未燃の混合気の量とほぼ同じになる吸気弁の閉弁時期を推定し、推定した吸気弁の閉弁時期に制御することにより、燃焼室に供給する新混合気の量を調整することができる。
【００１４】
上記発明においては、吸気弁の開弁時期を変更可能な可変動弁機構および排気弁の閉弁時期を変更可能な可変動弁機構を備え、燃焼室内に残留する残留ガスに含まれる既燃ガスの量および機械圧縮比に基づいて、過渡運転時の既燃ガスの量が定常運転時の既燃ガスの量とほぼ同じになる吸気弁の開弁時期および排気弁の閉弁時期を推定し、推定した吸気弁の開弁時期および推定した排気弁の閉弁時期に制御することにより、燃焼室に残留する残留ガスの量を調整することができる。
【発明の効果】
【００１５】
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安定した運転を行なう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】実施の形態の内燃機関において、機械圧縮比が高圧縮比になったときと低圧縮比になったときの残留ガスに含まれる気体の割合を説明する概略図である。
【図６】実施の形態における第１の運転制御を説明する気筒内に充填される気体の割合を示す概略図である。
【図７】実施の形態における第１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】実施の形態において残留ガス量を算出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】実施の形態における第２の運転制御を説明する気筒内に充填される気体の割合を示す概略図である。
【図１１】実施の形態における第２の運転制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１から図１１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】
更に、本実施の形態における可変動弁機構は、排気弁８の開閉時期を変更する可変バルブタイミング装置５４を含む。可変バルブタイミング装置５４は、排気カム５２の回転軸に接続され、電子制御ユニット３１により制御されている。
【００３０】
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、吸気弁または排気弁の開閉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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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、電子制御ユニットに入力される。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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、ピストンが圧縮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燃焼室に封入される気体には、機関吸気通路から供給される燃料および空気の新混合気（新気）と、以前の燃焼サイクルにおいて残留した残留ガスが含まれる。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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大きさが変化する。本実施の形態においては、特に言及しない限り、吸気弁の開弁時期（ＩＶＯ）は吸気行程における上死点（ＴＤＣ）であり、吸気弁の閉弁時期（ＩＶＣ）は吸気行程における下死点（ＢＤＣ）である。また、排気弁の閉弁時期（ＥＶＣ）は、排気行程における上死点（ＴＤＣ）である。更に、吹き戻しがない状態を前提としている。
【００４６】
ピストン３が排気行程において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混合気６３に相当する。新混合気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。
【００４７】
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。
【００４８】
図６に、本実施の形態の第１の運転制御における気筒内の気体の割合を説明する概略図を示す。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。機械圧縮比が大きくなるほど、未燃ガス６４ａの割合が大きくなるために、機械圧縮比を低下させる過渡運転においては、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の定常運転時よりも大きくなる。比較例２では、未燃ガス６４ａと新混合気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、発生するトルクが大きくなったり、トルクショックが生じたりする場合がある。このように、機械圧縮比が同じであっても、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、出力されるトルクが大きくなる場合がある。
【００５０】
実施例１は、本実施の形態における第１の運転制御を行なったときの例を示している。第１の運転制御においては、気筒内に残留する残留ガス量と、残留ガスに含まれ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、気筒内に供給する新混合気の量を調整する制御を行う。比較例１と比較例２とを参照すると、比較例２では、燃料６１と空気６２とを含む未燃の混合気の量が差分Δｍｃｙｌのみ比較例１よりも大きくなっている。本実施の形態の第１の運転制御においては、新たに供給する新混合気の量を減少させて、過渡運転時の未燃の混合気の量が、定常運転時の未燃の混合気の量と同じになるように制御する。
【００５１】
本実施の形態の第１の運転制御においては、吸気弁の閉弁時期を基準となる閉弁時期の下死点から進角することにより、気筒内に供給する燃料６１と空気６２の新混合気６３の量を減少させる補正を行なう。混合気の減少量は、比較例１と比較例２との残留ガス６４の未燃ガス６４ａの量の差分Δｍｃｙｌに相当する。この制御により、比較例１における未燃の混合気６５の量と、実施例１における未燃の混合気６５の量とをほぼ同じにすることができる。燃焼室に封入される燃焼可能な混合気の量を互いに同じにすることができる。このために、機械圧縮比を変更している期間においても、出力されるトルクが大きく変化したり、トルクショックが生じたりすることを抑制できる。本実施の形態における内燃機関は、機械圧縮比を変更しても安定した運転を行なうことができる。
【００５２】
次に、本実施の形態における第１の運転制御について具体例を説明する。
【００５３】
図７に、本実施の形態における第１の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。
【００５４】
はじめに、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でない場合には、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。
【００５５】
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εＴＤＣｆｐを検出する。すなわち、燃焼室において点火が行なわれるときの上死点の機械圧縮比を検出する。
【００５６】
次に、ステップ１０３においては、ピストンが吸気行程の上死点（または排気行程の上死点）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上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上死点に到達するまで（クランク角度が３６０°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上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εＴＤＣｖｏを検出する。
【００５７】
次に、ステップ１０５において、ピストンが吸気行程の下死点に到達したときの機械圧縮比εＴＤＣｉｖｃを推定する。ピストンが吸気行程の下死点に到達した時期は、吸気弁が閉弁する基準となる時期であり、この吸気弁が開くときの機械圧縮比を推定する。ピストンが吸気行程の下死点に到達したときの機械圧縮比εＢＤＣｉｖｃは、ステップ１０２において検出した機械圧縮比εＴＤＣｆｐおよびステップ１０４において検出した機械圧縮比εＴＤＣｖｏを用いて推定することができる。吸気行程においてピストンが下死点（吸気下死点）に位置したときの機械圧縮比εＢＤＣｉｖｃは、次の式１により推定することができる。
【数１】
【００５８】
次に、ステップ１０６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（εＴＤＣｆｐ）およびピストンが吸気行程の下死点に位置したときの残留ガスにおける既燃ガスの割合ｒ（εＢＤＣｉｖｃ）を推定する。
【００５９】
図８に、それぞれの機械圧縮比におけ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。図７のステップ１０６においては、ステップ１０２において検出した機械圧縮比εＴＤＣｆｐと、ステップ１０４において検出した機械圧縮比εＴＤＣｖｏとにより、それぞれの状態における既燃ガスの割合ｒをマップから読み込むことができる。
【００６０】
次に、ステップ１０７においては、ピストンが吸気行程の下死点に到達したときの残留ガス量ｍｒｅｓ（εＢＤＣｉｖｃ）を算出する。ピストンが吸気行程の下死点に到達したとき、すなわち、吸気弁の基準の閉弁時期における機械圧縮比に対応する残留ガス量を推定する。それぞれの機械圧縮比における残留ガス量ｍｒｅｓは、次の式２で算出することができる。
【数２】
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【数３】
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【数４】
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
図７を参照して、ステップ１０７において、ピストンが吸気行程の下死点に到達したときの残留ガス量ｍｒｅｓ（εＢＤＣｉｖｃ）を推定後に、ステップ１０８に移行する。ステップ１０８においては、気筒内において新たに供給する新混合気を減少させる減少量Δｍｃｙｌを算出する。気筒内のガスの減少量Δｍｃｙｌは、次の式５により算出することができる。
【数５】
【００６８】
式５においては、圧縮上死点での機械圧縮比おける未燃ガスの割合（１−ｒ（εＴＤＣｆｐ））から吸気行程の下死点における未燃ガスの割合（１−ｒ（εＢＤＣｉｖｃ））を減算し、ステップ１０７において算出した残留ガス量ｍｒｅｓ（εＢＤＣｉｖｃ）を乗じることにより算出することができる。
【００６９】
次に、ステップ１０９においては、気筒内に新たに供給する新混合気量ｍｎｅｗを推定する。気筒内に供給する新混合気量ｍｎｅｗは、例えば、エアフローメータの出力により推定することができる。または、以前の燃焼サイクルにおいて充填した新混合気量により、今回の燃焼サイクルにおける新混合気量を推定することができる。
【００７０】
次に、ステップ１１０において、次の式６により、吸気弁の閉弁時期を算出する。ここで、プラスの符号は進角を示している。すなわち、本実施の形態においては、吸気弁の閉弁時期を進角させている。
【数６】
【００７１】
次に、ステップ１１１において算出した閉弁時期にて吸気弁を閉弁する。この制御を行なうことにより、機械圧縮比を変更している期間中においても、新混合気の量を補正して、燃料と空気との混合気の総量を、定常運転時とほぼ同じにすることができる。本実施の形態の第１の運転制御は、機械圧縮比が変更している期間中に繰り返して行なうことができる。このため、機械圧縮比を変更している過渡運転の期間中に、不測のトルクが出力されたり、トルクショックが生じたりすることを抑制することができる。
【００７２】
本実施の形態における第１の運転制御においては、燃焼室内に残留する残留ガスに含まれる未燃ガスの量および機械圧縮比に基づいて、過渡運転時の未燃の混合気の量が定常運転時の未燃の混合気の量とほぼ同じになる吸気弁の閉弁時期を推定する。推定した吸気弁の閉弁時期に制御することにより、燃焼室に供給する新混合気の量を調整し、安定した運転を行なうことができる。
【００７３】
本実施の形態においては、吸気弁の閉弁時期を進角する補正を行っているが、この形態に限られず、吸気弁の閉弁時期を遅角することにより新混合気量を調整する制御を行っても構わない。または、燃焼室に充填する新混合気量を調整する任意の制御または任意の装置を採用することができる。
【００７４】
次に、本実施の形態における第２の運転制御について説明する。過渡運転状態においては、出力されるトルクの変動のみではなくて、燃焼室から排出されるＮＯＸの量が変化する場合がある。たとえば、燃焼室から排出されるＮＯＸの量が多くなる場合がある。本実施の形態の第２の運転制御においては、過渡運転状態において生じるＮＯＸの量が増加することを抑制する制御を行う。
【００７５】
図１０は、本実施の形態の第２の運転制御における気筒内の気体の割合を説明する概略図である。比較例１および比較例２は、第１の運転制御の説明における比較例１および比較例２と同様である（図６参照）。実施例２は、本実施の形態における第２の運転制御を行なったときの気筒内の気体の割合を示している。
【００７６】
比較例２を参照して、過渡運転時における既燃ガス６４ｂの量は、機械圧縮比が同じであっても定常運転時における既燃ガス６４ｂの量よりも少なくなる。すなわち、気筒内の既燃ガス６４ｂの割合が小さくなる。このために、混合気が燃焼する時の温度が上昇し、ＮＯＸの発生量が増加する。機械圧縮比εがほぼ同じ場合であっても、過渡運転時において生じるＮＯＸの量は、定常運転時において生じるＮＯＸの量よりも多くなる。
【００７７】
本実施の形態の第２の運転制御においては、過渡運転時における既燃ガス６４ｂの量を増加させて、発生するＮＯＸの量を抑制する制御を行う。本実施の形態の第２の運転制御においては、過渡運転時における残留ガス６４に含まれる既燃ガス６４ｂの量を、定常運転時における既燃ガス６４ｂの量とほぼ同じにする制御を行う。
【００７８】
本実施の形態の第２の運転制御においては、吸気弁の開弁時期を進角させる制御を行う。さらに、排気弁の閉弁時期を遅角させる制御を行う。この制御を行うことにより、過渡運転時における残留ガス量ｍｒｅｓを大きくすることができる。このために、残留ガス６４に含まれる既燃ガス６４ｂの量を多く補正することができる。実施例２においては過渡運転時の既燃ガス６４ｂの量が、定常運転時の比較例１の既燃ガス６４ｂの量と同じになるように調整する。この制御を行うことにより、生じるＮＯＸの量を抑制することができる。過渡運転時にＮＯＸ量が変化することを抑制することができて、安定した内燃機関の運転を行なうことができる。
【００７９】
図１１に、本実施の形態における第２の運転制御のフローチャートを示す。本実施の形態の第２の運転制御は、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。
【００８０】
ステップ１２１およびステップ１２２は、第１の運転制御のステップ１０１およびステップ１０２と同様である（図７参照）。ピストンが圧縮行程の上死点に位置しているときの機械圧縮比εＴＤＣｆｐを検出する。
【００８１】
次に、ステップ１２３においては、ピストンが排気行程の下死点（膨張行程の下死点）に位置しているか否かを判別する。ステップ１２３において、ピストンが排気行程の下死点に到達するまで（クランク角度が１８０°回転するまで）待機する。ステップ１２３において、ピストンが排気行程の下死点に到達していればステップ１２４に移行する。ステップ１２４においては、ピストンが排気行程の下死点に位置しているときの機械圧縮比εＢＤＣｅｖｏを検出する。排気弁が開弁する時の機械圧縮比εＢＤＣｅｖｏを検出する。
【００８２】
次に、ステップ１２５において、ピストンが吸気行程の上死点（排気行程の上死点）に到達したときの機械圧縮比εＴＤＣｖｏを推定する。吸気弁を開弁するための基準開弁時期または、排気弁を閉弁するための基準閉弁時期における機械圧縮比を推定する。ピストンが吸気行程の上死点に到達したときの機械圧縮比は、ステップ１２２において検出した機械圧縮比εＴＤＣｆｐおよびステップ１２４において検出した機械圧縮比εＢＤＣｅｖｏを用いて推定することができる。吸気行程においてピストンが上死点に位置したときの機械圧縮比εＴＤＣｖｏは、次の式７により推定することができる。
【数７】
【００８３】
次に、ステップ１２６において、ピストンが圧縮行程の上死点に位置するときの残留ガスに含まれる既燃ガスの割合ｒ（εＴＤＣｆｐ）およびピストンが吸気行程の上死点に位置するときの残留ガスに含まれる既燃ガスの割合ｒ（εＴＤＣｖｏ）を読み込む。これらの割合ｒは、本実施の形態における第１の運転制御のステップ１０６（図７参照）と同様に、予めマップを作成し、マップから読み込むことにより推定することができる。
【００８４】
次に、ステップ１２７においては、ピストンが吸気行程の上死点（吸気弁が開弁するための基準開弁時期）に位置する時の基準となる残留ガス量ｍｒｅｓ（εＴＤＣｖｏ）を算出する。ここでの残留ガス量は、本実施の形態における第１の運転制御のステップ１０７（図７参照）と同様の方法を用いて、たとえば、前回の燃焼サイクルの残留ガス量を採用することができる。または、前の燃焼サイクルの残留ガス量に基づいて推定しても構わない。
【００８５】
次に、ステップ１２８においては、排気弁が閉弁したときの目標値となる目標残留ガス量ｍｒｅｓ，ｔを算出する。目標残留ガス量ｍｒｅｓ，ｔは、ピストンが吸気行程の上死点に到達したときの基準となる残留ガス量ｍｒｅｓに、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における既燃ガスの割合ｒ（εＴＤＣｆｐ）と、ピストンが吸気行程の上死点に位置するときの機械圧縮比における既燃ガスの割合ｒ（εＴＤＣｖｏ）を用いることにより算出することができる。目標残留ガス量ｍｒｅｓ，ｔは、次の式８により算出することができる。
【数８】
【００８６】
次に、ステップ１２９においては、気筒内に供給する新混合気量ｍｎｅｗを推定する。新混合気量ｍｎｅｗは、たとえば、第１の運転制御における方法と同様に、エアフローメータの出力により推定することができる。
【００８７】
次に、ステップ１３０において、気筒内の新混合気量ｍｎｅｗおよび目標残留ガス量ｍｒｅｓ，ｔ、および吸気行程の上死点における残留ガス量ｍｒｅｓ（εＴＤＣｖo）を用いて、吸気弁の開時期（ＩＶＯ）および排気弁の閉弁時期（ＥＶＣ）を算出することができる。吸気弁の開時期（ＩＶＯ）は、次の式９により算出することができる。排気弁の閉弁時期（ＥＶＣ）は、次の式１０により算出することができる。
【数９】
【数１０】
【００８８】
次に、ステップ１３１においては、算出された開弁時期にて吸気弁を開弁する制御を行う。また、算出した閉弁時期にて排気弁を閉弁する制御を行う。この制御を行なうことにより、過渡運転時における残留ガスの既燃ガスの量を、定常運転時における既燃ガスの量とほぼ同じにすることができて、ＮＯＸの増加を抑制することができる。
【００８９】
本実施の形態の第２の運転制御では、燃焼室内に残留する残留ガスに含まれる既燃ガスの量および機械圧縮比に基づいて、過渡運転時の既燃ガスの量が定常運転時の既燃ガスの量とほぼ同じになる吸気弁の開弁時期および排気弁の閉弁時期を推定している。推定した吸気弁の開弁時期および推定した排気弁の閉弁時期に制御することにより、燃焼室に残留する残留ガスの量を調整し、ＮＯＸ量の放出量が増大することを抑制することができる。また、燃焼室から流出するＮＯＸ量が大きく変動することを抑制できる。
【００９０】
本実施の形態の第２の運転制御においては、吸気弁の開く時期を進角し、更に、排気弁を閉じる時期を遅角しているが、この形態に限られず、燃焼室に残留する残留ガスに含まれる既燃ガスの量を調整可能な任意の制御または任意の装置を採用することができる。
【００９１】
さらに、内燃機関の運転制御においては、第１の運転制御に加えて第２の運転制御を行なうことができる。すなわち、第１の運転制御の気筒内に供給される新混合気量を定常運転時とほぼ同じにすると共に、第２の運転制御の残留ガス量を定常運転時とほぼ同じにする制御を行なうことができる。この場合には、吸気弁の開閉時期を変更する可変バルブタイミング装置に加えて、吸気弁が開いている時間長さ（作動角）を調整可能な作動角調整機構を採用することにより、吸気弁の開弁時期と吸気弁の閉弁時期とを個別に調整することができる。
【００９２】
上記の第１の運転制御および第２の運転制御において示したように、本実施の形態における内燃機関は、過渡運転時における残留ガスに含まれる未燃ガスと既燃ガスとの割合と、今回の燃焼サイクルにおける機械圧縮比とを推定し、推定した未燃ガスと既燃ガスとの割合および推定した機械圧縮比に基づいて、今回の燃焼サイクルにおいて燃焼室に充填されている未燃の混合気の量または既燃ガスの量のうち少なくとも一方の量が、機械圧縮比がほぼ一定の定常運転時の量とほぼ同じになるように補正する制御を行うことができる、今回の燃焼サイクルにおける残留ガスの量および新混合気の量のうち少なくとも一方の量を調整することができる。
【００９３】
本実施の形態においては、機械圧縮比が変更される過渡運転のうち、機械圧縮比が小さくなる過渡運転を例示したが、この形態に限られず、機械圧縮比が大きくなる過渡運転にも本発明を適用することができる。
【００９４】
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。
【００９５】
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】
【００９６】
２ シリンダブロック
３ ピストン
５ 燃焼室
６ 吸気弁
８ 排気弁
３１ 電子制御ユニット
５１ 吸気カム
５２ 排気カム
５３ 可変バルブタイミング装置
５４ 可変バルブタイミング装置
６１ 燃料
６２ 空気
６３ 新混合気
６４ 残留ガス
６４ａ 未燃ガス
６４ｂ 既燃ガス
６５ 未燃の混合気
７９ クランクケース
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
【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２００５−２０７２７３号公報においては、排気通路に配置された排気浄化触媒と、燃焼室の容積を変化させることによって圧縮比が変更される圧縮比可変機構とを有する内燃機関が開示されている。この公報には、圧縮比が変更される過渡時に気筒内における混合気の空燃比が圧縮比の変更前後とほぼ同等となるように燃料噴射量を補正することが開示されている。圧縮比が高圧縮比へ変更される過渡時には、圧縮比が一定とされている場合よりも燃料噴射弁から噴射される燃料噴射量を低減する補正を行なうことが開示されている。
【０００４】
特開２００９−１１４９６６号公報においては、機械圧縮比を変更可能な圧縮比可変機構と、吸気弁の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構とを具備し、高圧縮比から低圧縮比に移行する際に、吸気弁の閉弁時期を制御することにより、燃焼室への吸入空気量を制御する内燃機関が開示されている。
【０００５】
特開２０１０−１９０１９３号公報においては、圧縮比可変機構と可変動弁機構とを備える内燃機関において、低負荷域において吸気弁を閉じる閉時期は下死点よりも進角側に制御されるが、機関の要求負荷が急に増加した加速時には、目標の吸気弁閉時期を遅角側のノッキング限界まで遅角する。このときに、気筒内の吸気量が最大となる吸気量最大吸気弁閉時期を経ることになるが、この期間にスロットル弁開度が一時的に減少補正され、過渡的なノッキング発生を回避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２００５−２０７２７３号公報
【特許文献２】特開２００９−１１４９６６号公報
【特許文献３】特開２０１０−１９０１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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時には、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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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、想定外の大きさのトルクが出力されたり、想定外の量のＮＯＸが排出されたりする場合があった。また、出力されるトルクの変化が短時間である場合には、トルク変動により生じる衝撃であるトルクショックが生じる虞があった。
【００１１】
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安定した運転を行なう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】
【００１２】
本発明の内燃機関は、機械圧縮比を変更可能な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、燃焼サイクルの吸気行程において供給される新混合気と、残留ガスに含まれる未燃ガスとにより吸気弁が閉じた時に充填されている未燃の混合気が構成されている。内燃機関は、機械圧縮比を変更している過渡運転時に、過渡運転時における残留ガスに含まれる未燃ガスと既燃ガスとの割合と、今回の燃焼サイクルにおける機械圧縮比とを推定する。内燃機関は、推定した未燃ガスと既燃ガスとの割合および推定した機械圧縮比に基づいて、今回の燃焼サイクルにおいて燃焼室に充填されている未燃の混合気の量または既燃ガスの量のうち少なくとも一方の量が、機械圧縮比がほぼ一定の定常運転時の量とほぼ同じになるように、今回の燃焼サイクルにおける残留ガスの量および新混合気の量のうち少なくとも一方の量を調整する。
【００１３】
上記発明においては、吸気弁の閉弁時期を変更可能な可変動弁機構を備え、燃焼室内に残留する残留ガスに含まれる未燃ガスの量および機械圧縮比に基づいて、過渡運転時の未燃の混合気の量が定常運転時の未燃の混合気の量とほぼ同じになる吸気弁の閉弁時期を推定し、推定した吸気弁の閉弁時期に制御することにより、燃焼室に供給する新混合気の量を調整することができる。
【００１４】
上記発明においては、吸気弁の開弁時期を変更可能な可変動弁機構および排気弁の閉弁時期を変更可能な可変動弁機構を備え、燃焼室内に残留する残留ガスに含まれる既燃ガスの量および機械圧縮比に基づいて、過渡運転時の既燃ガスの量が定常運転時の既燃ガスの量とほぼ同じになる吸気弁の開弁時期および排気弁の閉弁時期を推定し、推定した吸気弁の開弁時期および推定した排気弁の閉弁時期に制御することにより、燃焼室に残留する残留ガスの量を調整することができる。
【発明の効果】
【００１５】
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安定した運転を行なう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】実施の形態の内燃機関において、機械圧縮比が高圧縮比になったときと低圧縮比になったときの残留ガスに含まれる気体の割合を説明する概略図である。
【図６】実施の形態における第１の運転制御を説明する気筒内に充填される気体の割合を示す概略図である。
【図７】実施の形態における第１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】実施の形態において残留ガス量を算出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】実施の形態における第２の運転制御を説明する気筒内に充填される気体の割合を示す概略図である。
【図１１】実施の形態における第２の運転制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１から図１１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】
更に、本実施の形態における可変動弁機構は、排気弁８の開閉時期を変更する可変バルブタイミング装置５４を含む。可変バルブタイミング装置５４は、排気カム５２の回転軸に接続され、電子制御ユニット３１により制御されている。
【００３０】
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、吸気弁または排気弁の開閉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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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、電子制御ユニットに入力される。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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、ピストンが圧縮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燃焼室に封入される気体には、機関吸気通路から供給される燃料および空気の新混合気（新気）と、以前の燃焼サイクルにおいて残留した残留ガスが含まれる。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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大きさが変化する。本実施の形態においては、特に言及しない限り、吸気弁の開弁時期（ＩＶＯ）は吸気行程における上死点（ＴＤＣ）であり、吸気弁の閉弁時期（ＩＶＣ）は吸気行程における下死点（ＢＤＣ）である。また、排気弁の閉弁時期（ＥＶＣ）は、排気行程における上死点（ＴＤＣ）である。更に、吹き戻しがない状態を前提としている。
【００４６】
ピストン３が排気行程において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混合気６３に相当する。新混合気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。
【００４７】
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。
【００４８】
図６に、本実施の形態の第１の運転制御における気筒内の気体の割合を説明する概略図を示す。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。機械圧縮比が大きくなるほど、未燃ガス６４ａの割合が大きくなるために、機械圧縮比を低下させる過渡運転においては、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の定常運転時よりも大きくなる。比較例２では、未燃ガス６４ａと新混合気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、発生するトルクが大きくなったり、トルクショックが生じたりする場合がある。このように、機械圧縮比が同じであっても、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、出力されるトルクが大きくなる場合がある。
【００５０】
実施例１は、本実施の形態における第１の運転制御を行なったときの例を示している。第１の運転制御においては、気筒内に残留する残留ガス量と、残留ガスに含まれ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、気筒内に供給する新混合気の量を調整する制御を行う。比較例１と比較例２とを参照すると、比較例２では、燃料６１と空気６２とを含む未燃の混合気の量が差分Δｍｃｙｌのみ比較例１よりも大きくなっている。本実施の形態の第１の運転制御においては、新たに供給する新混合気の量を減少させて、過渡運転時の未燃の混合気の量が、定常運転時の未燃の混合気の量と同じになるように制御する。
【００５１】
本実施の形態の第１の運転制御においては、吸気弁の閉弁時期を基準となる閉弁時期の下死点から進角することにより、気筒内に供給する燃料６１と空気６２の新混合気６３の量を減少させる補正を行なう。混合気の減少量は、比較例１と比較例２との残留ガス６４の未燃ガス６４ａの量の差分Δｍｃｙｌに相当する。この制御により、比較例１における未燃の混合気６５の量と、実施例１における未燃の混合気６５の量とをほぼ同じにすることができる。燃焼室に封入される燃焼可能な混合気の量を互いに同じにすることができる。このために、機械圧縮比を変更している期間においても、出力されるトルクが大きく変化したり、トルクショックが生じたりすることを抑制できる。本実施の形態における内燃機関は、機械圧縮比を変更しても安定した運転を行なうことができる。
【００５２】
次に、本実施の形態における第１の運転制御について具体例を説明する。
【００５３】
図７に、本実施の形態における第１の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。
【００５４】
はじめに、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でない場合には、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。
【００５５】
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εＴＤＣｆｐを検出する。すなわち、燃焼室において点火が行なわれるときの上死点の機械圧縮比を検出する。
【００５６】
次に、ステップ１０３においては、ピストンが吸気行程の上死点（または排気行程の上死点）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上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上死点に到達するまで（クランク角度が３６０°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上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εＴＤＣｖｏを検出する。
【００５７】
次に、ステップ１０５において、ピストンが吸気行程の下死点に到達したときの機械圧縮比εＴＤＣｉｖｃを推定する。ピストンが吸気行程の下死点に到達した時期は、吸気弁が閉弁する基準となる時期であり、この吸気弁が開くときの機械圧縮比を推定する。ピストンが吸気行程の下死点に到達したときの機械圧縮比εＢＤＣｉｖｃは、ステップ１０２において検出した機械圧縮比εＴＤＣｆｐおよびステップ１０４において検出した機械圧縮比εＴＤＣｖｏを用いて推定することができる。吸気行程においてピストンが下死点（吸気下死点）に位置したときの機械圧縮比εＢＤＣｉｖｃは、次の式１により推定することができる。
【数１】
【００５８】
次に、ステップ１０６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（εＴＤＣｆｐ）およびピストンが吸気行程の下死点に位置したときの残留ガスにおける既燃ガスの割合ｒ（εＢＤＣｉｖｃ）を推定する。
【００５９】
図８に、それぞれの機械圧縮比におけ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。図７のステップ１０６においては、ステップ１０２において検出した機械圧縮比εＴＤＣｆｐと、ステップ１０４において検出した機械圧縮比εＴＤＣｖｏとにより、それぞれの状態における既燃ガスの割合ｒをマップから読み込むことができる。
【００６０】
次に、ステップ１０７においては、ピストンが吸気行程の下死点に到達したときの残留ガス量ｍｒｅｓ（εＢＤＣｉｖｃ）を算出する。ピストンが吸気行程の下死点に到達したとき、すなわち、吸気弁の基準の閉弁時期における機械圧縮比に対応する残留ガス量を推定する。それぞれの機械圧縮比における残留ガス量ｍｒｅｓは、次の式２で算出することができる。
【数２】
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【数３】
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【数４】
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
図７を参照して、ステップ１０７において、ピストンが吸気行程の下死点に到達したときの残留ガス量ｍｒｅｓ（εＢＤＣｉｖｃ）を推定後に、ステップ１０８に移行する。ステップ１０８においては、気筒内において新たに供給する新混合気を減少させる減少量Δｍｃｙｌを算出する。気筒内のガスの減少量Δｍｃｙｌは、次の式５により算出することができる。
【数５】
【００６８】
式５においては、圧縮上死点での機械圧縮比おける未燃ガスの割合（１−ｒ（εＴＤＣｆｐ））から吸気行程の下死点における未燃ガスの割合（１−ｒ（εＢＤＣｉｖｃ））を減算し、ステップ１０７において算出した残留ガス量ｍｒｅｓ（εＢＤＣｉｖｃ）を乗じることにより算出することができる。
【００６９】
次に、ステップ１０９においては、気筒内に新たに供給する新混合気量ｍｎｅｗを推定する。気筒内に供給する新混合気量ｍｎｅｗは、例えば、エアフローメータの出力により推定することができる。または、以前の燃焼サイクルにおいて充填した新混合気量により、今回の燃焼サイクルにおける新混合気量を推定することができる。
【００７０】
次に、ステップ１１０において、次の式６により、吸気弁の閉弁時期を算出する。ここで、プラスの符号は進角を示している。すなわち、本実施の形態においては、吸気弁の閉弁時期を進角させている。
【数６】
【００７１】
次に、ステップ１１１において算出した閉弁時期にて吸気弁を閉弁する。この制御を行なうことにより、機械圧縮比を変更している期間中においても、新混合気の量を補正して、燃料と空気との混合気の総量を、定常運転時とほぼ同じにすることができる。本実施の形態の第１の運転制御は、機械圧縮比が変更している期間中に繰り返して行なうことができる。このため、機械圧縮比を変更している過渡運転の期間中に、不測のトルクが出力されたり、トルクショックが生じたりすることを抑制することができる。
【００７２】
本実施の形態における第１の運転制御においては、燃焼室内に残留する残留ガスに含まれる未燃ガスの量および機械圧縮比に基づいて、過渡運転時の未燃の混合気の量が定常運転時の未燃の混合気の量とほぼ同じになる吸気弁の閉弁時期を推定する。推定した吸気弁の閉弁時期に制御することにより、燃焼室に供給する新混合気の量を調整し、安定した運転を行なうことができる。
【００７３】
本実施の形態においては、吸気弁の閉弁時期を進角する補正を行っているが、この形態に限られず、吸気弁の閉弁時期を遅角することにより新混合気量を調整する制御を行っても構わない。または、燃焼室に充填する新混合気量を調整する任意の制御または任意の装置を採用することができる。
【００７４】
次に、本実施の形態における第２の運転制御について説明する。過渡運転状態においては、出力されるトルクの変動のみではなくて、燃焼室から排出されるＮＯＸの量が変化する場合がある。たとえば、燃焼室から排出されるＮＯＸの量が多くなる場合がある。本実施の形態の第２の運転制御においては、過渡運転状態において生じるＮＯＸの量が増加することを抑制する制御を行う。
【００７５】
図１０は、本実施の形態の第２の運転制御における気筒内の気体の割合を説明する概略図である。比較例１および比較例２は、第１の運転制御の説明における比較例１および比較例２と同様である（図６参照）。実施例２は、本実施の形態における第２の運転制御を行なったときの気筒内の気体の割合を示している。
【００７６】
比較例２を参照して、過渡運転時における既燃ガス６４ｂの量は、機械圧縮比が同じであっても定常運転時における既燃ガス６４ｂの量よりも少なくなる。すなわち、気筒内の既燃ガス６４ｂの割合が小さくなる。このために、混合気が燃焼する時の温度が上昇し、ＮＯＸの発生量が増加する。機械圧縮比εがほぼ同じ場合であっても、過渡運転時において生じるＮＯＸの量は、定常運転時において生じるＮＯＸの量よりも多くなる。
【００７７】
本実施の形態の第２の運転制御においては、過渡運転時における既燃ガス６４ｂの量を増加させて、発生するＮＯＸの量を抑制する制御を行う。本実施の形態の第２の運転制御においては、過渡運転時における残留ガス６４に含まれる既燃ガス６４ｂの量を、定常運転時における既燃ガス６４ｂの量とほぼ同じにする制御を行う。
【００７８】
本実施の形態の第２の運転制御においては、吸気弁の開弁時期を進角させる制御を行う。さらに、排気弁の閉弁時期を遅角させる制御を行う。この制御を行うことにより、過渡運転時における残留ガス量ｍｒｅｓを大きくすることができる。このために、残留ガス６４に含まれる既燃ガス６４ｂの量を多く補正することができる。実施例２においては過渡運転時の既燃ガス６４ｂの量が、定常運転時の比較例１の既燃ガス６４ｂの量と同じになるように調整する。この制御を行うことにより、生じるＮＯＸの量を抑制することができる。過渡運転時にＮＯＸ量が変化することを抑制することができて、安定した内燃機関の運転を行なうことができる。
【００７９】
図１１に、本実施の形態における第２の運転制御のフローチャートを示す。本実施の形態の第２の運転制御は、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。
【００８０】
ステップ１２１およびステップ１２２は、第１の運転制御のステップ１０１およびステップ１０２と同様である（図７参照）。ピストンが圧縮行程の上死点に位置しているときの機械圧縮比εＴＤＣｆｐを検出する。
【００８１】
次に、ステップ１２３においては、ピストンが排気行程の下死点（膨張行程の下死点）に位置しているか否かを判別する。ステップ１２３において、ピストンが排気行程の下死点に到達するまで（クランク角度が１８０°回転するまで）待機する。ステップ１２３において、ピストンが排気行程の下死点に到達していればステップ１２４に移行する。ステップ１２４においては、ピストンが排気行程の下死点に位置しているときの機械圧縮比εＢＤＣｅｖｏを検出する。排気弁が開弁する時の機械圧縮比εＢＤＣｅｖｏを検出する。
【００８２】
次に、ステップ１２５において、ピストンが吸気行程の上死点（排気行程の上死点）に到達したときの機械圧縮比εＴＤＣｖｏを推定する。吸気弁を開弁するための基準開弁時期または、排気弁を閉弁するための基準閉弁時期における機械圧縮比を推定する。ピストンが吸気行程の上死点に到達したときの機械圧縮比は、ステップ１２２において検出した機械圧縮比εＴＤＣｆｐおよびステップ１２４において検出した機械圧縮比εＢＤＣｅｖｏを用いて推定することができる。吸気行程においてピストンが上死点に位置したときの機械圧縮比εＴＤＣｖｏは、次の式７により推定することができる。
【数７】
【００８３】
次に、ステップ１２６において、ピストンが圧縮行程の上死点に位置するときの残留ガスに含まれる既燃ガスの割合ｒ（εＴＤＣｆｐ）およびピストンが吸気行程の上死点に位置するときの残留ガスに含まれる既燃ガスの割合ｒ（εＴＤＣｖｏ）を読み込む。これらの割合ｒは、本実施の形態における第１の運転制御のステップ１０６（図７参照）と同様に、予めマップを作成し、マップから読み込むことにより推定することができる。
【００８４】
次に、ステップ１２７においては、ピストンが吸気行程の上死点（吸気弁が開弁するための基準開弁時期）に位置する時の基準となる残留ガス量ｍｒｅｓ（εＴＤＣｖｏ）を算出する。ここでの残留ガス量は、本実施の形態における第１の運転制御のステップ１０７（図７参照）と同様の方法を用いて、たとえば、前回の燃焼サイクルの残留ガス量を採用することができる。または、前の燃焼サイクルの残留ガス量に基づいて推定しても構わない。
【００８５】
次に、ステップ１２８においては、排気弁が閉弁したときの目標値となる目標残留ガス量ｍｒｅｓ，ｔを算出する。目標残留ガス量ｍｒｅｓ，ｔは、ピストンが吸気行程の上死点に到達したときの基準となる残留ガス量ｍｒｅｓに、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における既燃ガスの割合ｒ（εＴＤＣｆｐ）と、ピストンが吸気行程の上死点に位置するときの機械圧縮比における既燃ガスの割合ｒ（εＴＤＣｖｏ）を用いることにより算出することができる。目標残留ガス量ｍｒｅｓ，ｔは、次の式８により算出することができる。
【数８】
【００８６】
次に、ステップ１２９においては、気筒内に供給する新混合気量ｍｎｅｗを推定する。新混合気量ｍｎｅｗは、たとえば、第１の運転制御における方法と同様に、エアフローメータの出力により推定することができる。
【００８７】
次に、ステップ１３０において、気筒内の新混合気量ｍｎｅｗおよび目標残留ガス量ｍｒｅｓ，ｔ、および吸気行程の上死点における残留ガス量ｍｒｅｓ（εＴＤＣｖo）を用いて、吸気弁の開時期（ＩＶＯ）および排気弁の閉弁時期（ＥＶＣ）を算出することができる。吸気弁の開時期（ＩＶＯ）は、次の式９により算出することができる。排気弁の閉弁時期（ＥＶＣ）は、次の式１０により算出することができる。
【数９】
【数１０】
【００８８】
次に、ステップ１３１においては、算出された開弁時期にて吸気弁を開弁する制御を行う。また、算出した閉弁時期にて排気弁を閉弁する制御を行う。この制御を行なうことにより、過渡運転時における残留ガスの既燃ガスの量を、定常運転時における既燃ガスの量とほぼ同じにすることができて、ＮＯＸの増加を抑制することができる。
【００８９】
本実施の形態の第２の運転制御では、燃焼室内に残留する残留ガスに含まれる既燃ガスの量および機械圧縮比に基づいて、過渡運転時の既燃ガスの量が定常運転時の既燃ガスの量とほぼ同じになる吸気弁の開弁時期および排気弁の閉弁時期を推定している。推定した吸気弁の開弁時期および推定した排気弁の閉弁時期に制御することにより、燃焼室に残留する残留ガスの量を調整し、ＮＯＸ量の放出量が増大することを抑制することができる。また、燃焼室から流出するＮＯＸ量が大きく変動することを抑制できる。
【００９０】
本実施の形態の第２の運転制御においては、吸気弁の開く時期を進角し、更に、排気弁を閉じる時期を遅角しているが、この形態に限られず、燃焼室に残留する残留ガスに含まれる既燃ガスの量を調整可能な任意の制御または任意の装置を採用することができる。
【００９１】
さらに、内燃機関の運転制御においては、第１の運転制御に加えて第２の運転制御を行なうことができる。すなわち、第１の運転制御の気筒内に供給される新混合気量を定常運転時とほぼ同じにすると共に、第２の運転制御の残留ガス量を定常運転時とほぼ同じにする制御を行なうことができる。この場合には、吸気弁の開閉時期を変更する可変バルブタイミング装置に加えて、吸気弁が開いている時間長さ（作動角）を調整可能な作動角調整機構を採用することにより、吸気弁の開弁時期と吸気弁の閉弁時期とを個別に調整することができる。
【００９２】
上記の第１の運転制御および第２の運転制御において示したように、本実施の形態における内燃機関は、過渡運転時における残留ガスに含まれる未燃ガスと既燃ガスとの割合と、今回の燃焼サイクルにおける機械圧縮比とを推定し、推定した未燃ガスと既燃ガスとの割合および推定した機械圧縮比に基づいて、今回の燃焼サイクルにおいて燃焼室に充填されている未燃の混合気の量または既燃ガスの量のうち少なくとも一方の量が、機械圧縮比がほぼ一定の定常運転時の量とほぼ同じになるように補正する制御を行うことができる、今回の燃焼サイクルにおける残留ガスの量および新混合気の量のうち少なくとも一方の量を調整することができる。
【００９３】
本実施の形態においては、機械圧縮比が変更される過渡運転のうち、機械圧縮比が小さくなる過渡運転を例示したが、この形態に限られず、機械圧縮比が大きくなる過渡運転にも本発明を適用することができる。
【００９４】
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。
【００９５】
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】
【００９６】
２ シリンダブロック
３ ピストン
５ 燃焼室
６ 吸気弁
８ 排気弁
３１ 電子制御ユニット
５１ 吸気カム
５２ 排気カム
５３ 可変バルブタイミング装置
５４ 可変バルブタイミング装置
６１ 燃料
６２ 空気
６３ 新混合気
６４ 残留ガス
６４ａ 未燃ガス
６４ｂ 既燃ガス
６５ 未燃の混合気
７９ クランクケース
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械圧縮比を変更可能な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、
燃焼サイクルの吸気行程において供給される新混合気と、残留ガスに含まれる未燃ガスとにより吸気弁が閉じた時に充填されている未燃の混合気が構成されており、
機械圧縮比を変更している過渡運転時に、過渡運転時における残留ガスに含まれる未燃ガスと既燃ガスとの割合と、今回の燃焼サイクルにおける機械圧縮比とを推定し、
推定した未燃ガスと既燃ガスとの割合および推定した機械圧縮比に基づいて、今回の燃焼サイクルにおいて燃焼室に充填されている未燃の混合気の量または既燃ガスの量のうち少なくとも一方の量が、機械圧縮比がほぼ一定の定常運転時の量とほぼ同じになるように、今回の燃焼サイクルにおける残留ガスの量および新混合気の量のうち少なくとも一方の量を調整することを特徴とする、内燃機関。
【請求項２】
吸気弁の閉弁時期を変更可能な可変動弁機構を備え、
燃焼室内に残留する残留ガスに含まれる未燃ガスの量および機械圧縮比に基づいて、過渡運転時の未燃の混合気の量が定常運転時の未燃の混合気の量とほぼ同じになる吸気弁の閉弁時期を推定し、
推定した吸気弁の閉弁時期に制御することにより、燃焼室に供給する新混合気の量を調整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】
吸気弁の開弁時期を変更可能な可変動弁機構および排気弁の閉弁時期を変更可能な可変動弁機構を備え、
燃焼室内に残留する残留ガスに含まれる既燃ガスの量および機械圧縮比に基づいて、過渡運転時の既燃ガスの量が定常運転時の既燃ガスの量とほぼ同じになる吸気弁の開弁時期および排気弁の閉弁時期を推定し、
推定した吸気弁の開弁時期および推定した排気弁の閉弁時期に制御することにより、燃焼室に残留する残留ガスの量を調整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１】
機械圧縮比を変更可能な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、
燃焼サイクルの吸気行程において供給される新混合気と、残留ガスに含まれる未燃ガスとにより吸気弁が閉じた時に充填されている未燃の混合気が構成されており、
機械圧縮比を変更している過渡運転時に、過渡運転時における残留ガスに含まれる未燃ガスと既燃ガスとの割合と、今回の燃焼サイクルにおける機械圧縮比とを推定し、
推定した未燃ガスと既燃ガスとの割合および推定した機械圧縮比に基づいて、今回の燃焼サイクルにおいて燃焼室に充填されている未燃の混合気の量または既燃ガスの量のうち少なくとも一方の量が、機械圧縮比がほぼ一定の定常運転時の量とほぼ同じになるように、今回の燃焼サイクルにおける残留ガスの量および新混合気の量のうち少なくとも一方の量を調整することを特徴とする、内燃機関。
【請求項２】
吸気弁の閉弁時期を変更可能な可変動弁機構を備え、
燃焼室内に残留する残留ガスに含まれる未燃ガスの量および機械圧縮比に基づいて、過渡運転時の未燃の混合気の量が定常運転時の未燃の混合気の量とほぼ同じになる吸気弁の閉弁時期を推定し、
推定した吸気弁の閉弁時期に制御することにより、燃焼室に供給する新混合気の量を調整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】
吸気弁の開弁時期を変更可能な可変動弁機構および排気弁の閉弁時期を変更可能な可変動弁機構を備え、
燃焼室内に残留する残留ガスに含まれる既燃ガスの量および機械圧縮比に基づいて、過渡運転時の既燃ガスの量が定常運転時の既燃ガスの量とほぼ同じになる吸気弁の開弁時期および排気弁の閉弁時期を推定し、
推定した吸気弁の開弁時期および推定した排気弁の閉弁時期に制御することにより、燃焼室に残留する残留ガスの量を調整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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２３３４３５（Ｐ２０１２−２３３４３５Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０２３１３（Ｐ２０１１−１０２３１３）
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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