説明

火花点火内燃機関

【課題】少なくとも吸入空気量が設定量以上であるときには、スロットル弁を全開として、吸気弁閉弁時期を変化させることによって吸入空気量を制御し、吸気弁閉弁時期に対して実圧縮比を一定とするように機械圧縮比を制御する火花点火内燃機関において、クランクケース内のブローバイガスを良好に吸気系へ排出可能とする。
【解決手段】ブローバイガスを吸気系の過給器28の上流側に排出するための第一排出経路91と、ブローバイガスを吸気系のスロットル弁17の下流側に排出するための第二排出経路92とが設けられ、スロットル弁が全開されるときに、過給器の作動領域であれば、過給器を作動すると共に、可変バルブタイミング機構Bにより吸気弁閉弁時期を遅角して過給器の作動以前に比較して吸入空気量を維持し、遅角された吸気弁閉弁時期に対して実圧縮比を一定とするように可変圧縮比機構Aにより機械圧縮比を高める。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、火花点火内燃機関に関する。
【背景技術】
【0002】
機関低負荷時の熱効率を改善するために機械圧縮比を高めて膨張比を高くすることが可能な可変圧縮比機構を備える火花点火内燃機関が公知である(特許文献1参照)。この内燃機関において、膨張比と同時に実圧縮比も高くするとノッキングが発生し易くなるために、機械圧縮比を高くしても実圧縮比が一定となるように吸気弁の閉弁時期を遅角するように制御される。
【0003】
機関負荷が低くなるほど熱効率が悪化するために、機関負荷が低くなるほど膨張比を高くするために機械圧縮比は高くされ、それにより、機関負荷が低いほど実圧縮比を一定とするために吸気弁の閉弁時期が遅角されるために、スロットル弁を全開としても吸入空気量の制御が可能となる。こうしてスロットル弁を全開とすることによって、ポンピング損失の低減も可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2007−303423
【特許文献2】実開昭62−135812
【特許文献3】特開2011−052567
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、内燃機関には、クランンクケースベンチレーション装置が設けられている。一般的なクランクケースベンチレーション装置は、スロットル弁下流側の吸気負圧を利用してクランクケース内のブローバイガスを吸気系へ排出させるものである。
【0006】
それにより、少なくとも吸入空気量が設定量以上であるときには、スロットル弁を全開として、吸気弁閉弁時期を遅角することによって吸入空気量を制御し、吸気弁閉弁時期に対して実圧縮比を一定とするように機械圧縮比を制御する前述の内燃機関においては、スロットル弁が全開とされる機会が多いために、一般的なクランクケースベンチレーション装置では、良好にブローバイガスを吸気系へ排出することができない。
【0007】
従って、本発明の目的は、少なくとも吸入空気量が設定量以上であるときには、スロットル弁を全開として、吸気弁閉弁時期を変化させることによって吸入空気量を制御し、吸気弁閉弁時期に対して実圧縮比を一定とするように機械圧縮比を制御する火花点火内燃機関において、クランクケース内のブローバイガスを良好に吸気系へ排出可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明による請求項1に記載の火花点火内燃機関は、機械圧縮比を可変とする可変圧縮比機構と、吸気弁閉弁時期を可変とする可変バルブタイミング機構とを具備し、少なくとも吸入空気量が設定量以上であるときには、スロットル弁を全開として、前記可変バルブタイミング機構により吸気弁閉弁時期を変化させることによって吸入空気量を制御し、変化させた吸気弁閉弁時期に対して実圧縮比を一定とするように前記可変圧縮比機構により機械圧縮比を制御する火花点火内燃機関において、吸気系の前記スロットル弁の上流側には過給器が配置され、クランクケース内のブローバイガスを前記吸気系の前記過給器の上流側に排出するための第一排出経路と、クランクケース内のブローバイガスを前記吸気系の前記スロットル弁の下流側に排出するための第二排出経路とが設けられ、前記スロットル弁が全開されるときに、前記過給器の作動領域であれば、前記過給器を作動すると共に、前記可変バルブタイミング機構により吸気弁閉弁時期を遅角して前記過給器の作動以前に比較して吸入空気量を維持し、遅角された吸気弁閉弁時期に対して実圧縮比を一定とするように前記可変圧縮比機構により機械圧縮比を高めることを特徴とする。
【0009】
本発明による請求項2に記載の火花点火内燃機関は、請求項1に記載の火花点火内燃機関において、前記スロットル弁が全開とされるときに、前記過給器の作動領域でなければ、前記スロットル弁の開度を小さくすると共に、前記可変バルブタイミング機構により吸気弁閉弁時期を進角して前記スロットル弁の開度を小さくする以前に比較して吸入空気量を維持し、進角された吸気弁閉弁時期に対して実圧縮比を一定とするように前記可変圧縮比機構により機械圧縮比を低くすることを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明による請求項1に記載の火花点火内燃機関によれば、機械圧縮比を可変とする可変圧縮比機構と、吸気弁閉弁時期を可変とする可変バルブタイミング機構とを具備し、少なくとも吸入空気量が設定量以上であるときには、スロットル弁を全開として、可変バルブタイミング機構により吸気弁閉弁時期を変化させることによって吸入空気量を制御し、変化させた吸気弁閉弁時期に対して実圧縮比を一定とするように可変圧縮比機構により機械圧縮比を制御する火花点火内燃機関において、吸気系のスロットル弁の上流側には過給器が配置され、クランクケース内のブローバイガスを吸気系の過給器の上流側に排出するための第一排出経路と、クランクケース内のブローバイガスを吸気系のスロットル弁の下流側に排出するための第二排出経路とが設けられ、スロットル弁が全開されるときに、過給器の作動領域であれば、過給器を作動し、吸気系の過給器の上流側に負圧を発生させることにより、第一排出経路を介してクランクケース内のブローバイガスを良好に吸気系へ排出することができる。
【0011】
しかしながら、このままでは、過給器による過給によって吸入空気量が増加してしまうために、可変バルブタイミング機構により吸気弁閉弁時期を遅角して過給器の作動以前に比較して吸入空気量を維持し、遅角された吸気弁閉弁時期に対して実圧縮比を一定とするように可変圧縮比機構により機械圧縮比を高めるようにしている。
【0012】
また、本発明による請求項2に記載の火花点火内燃機関によれば、請求項1に記載の火花点火内燃機関において、スロットル弁が全開とされるときに、過給器の作動領域でなければ、スロットル弁の開度を小さくし、吸気系のスロットル弁の下流側に負圧を発生させることにより、第二排出経路を介してクランクケース内のブローバイガスを良好に吸気系へ排出することができる。
【0013】
しなしながら、このままでは、スロットル弁の開度を小さくしたことによって吸入空気量が減少してしまうために、可変バルブタイミング機構により吸気弁閉弁時期を進角してスロットル弁の開度を小さくする以前に比較して吸入空気量を維持し、進角された吸気弁閉弁時期に対して実圧縮比を一定とするように可変圧縮比機構により機械圧縮比を低くするようにしている。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】内燃機関の全体図である。
【図2】可変圧縮比機構の分解斜視図である。
【図3】図解的に表した内燃機関の側面断面図である。
【図4】可変バルブタイミング機構を示す図である。
【図5】吸気弁および排気弁のリフト量を示す図である。
【図6】機械圧縮比、実圧縮比および膨張比を説明するための図である。
【図7】理論熱効率と膨張比との関係を示す図である。
【図8】通常のサイクルおよび超高膨張比サイクルを説明するための図である。
【図9】機関負荷に応じた機械圧縮比等の変化を示す図である。
【図10】ブローバイガスの排出のための制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0015】
図1は本発明による可変圧縮比機構を備える内燃機関の側面断面図を示す。図1を参照すると、1はクランクケース、2はシリンダブロック、3はシリンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6は燃焼室5の頂面中央部に配置された点火栓、7は吸気弁、8は吸気ポート、9は排気弁、10は排気ポートを夫々示す。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、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内に配置してもよい。
【0016】
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、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とスロットル弁17の上流側には例えば熱線を用いた吸入空気量検出器18とが配置される。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、排気マニホルド19内には空燃比センサ21が配置される。
【0017】
一方、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が設けられており、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Bが設けられている。なお、図1に示される実施例ではこの実圧縮作用開始時期変更機構Bは吸気弁7の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構からなる。
【0018】
図1に示されるようにクランクケース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が取付けられており、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が取付けられており、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。
【0019】
吸気ダクト14のスロットル弁17と吸入空気検出器18との間には、過給器28と過給器28の下流側のインタークーラ29とが配置されている。過給器28は、ターボチャージャ又はスーパーチャージャのコンプレッサであり、電磁クラッチ等を使用して作動及び非作動を制御可能となっている。インタークーラ29は、過給器28により加圧された吸気の温度を低下させるためのものである。
【0020】
また、気筒内からクランクケース1内へ漏れ出るブローバイガスによりクランクケース1内が大気圧以上となると、ピストン4が上死点から下死点へ移動する際の大きな抵抗となるために、ブローバスガスは良好に吸気系へ排出されることが好ましい。そのためのクランクケースベンチレーション装置として、クランクケース1内と吸気ダクト14の過給器28の上流側とを連通する第一排出経路91と、クランクケース1内とスロットル弁17の下流側に位置するサージタンク12とを連通する第二排出経路92と、クランクケース1内と吸気ダクト14のスロットル弁17と過給器28の下流側に位置するインタークーラ29との間とを連通する供給経路93とが設けられている。
【0021】
第一排出経路91には、クランケース1側から吸気ダクト14側へのガス流れ(実線矢印で示す)のみを許容する逆止弁94が配置される。また、第二排出経路92にも、クランケース1側からサージタンク12側へのガス流れ(実線矢印で示す)のみを許容する逆止弁95が配置されている。また、供給通路93には、吸気ダクト14側からクランクケース1側へのガス流れ(実線矢印で示す)のみを許容すると共に、クランクケース1側が大気圧となると閉弁する逆止弁96が配置されている。第一排出経路91と第二排出経路92とは、独立してクランクケース1に接続されても良いが、それぞれの逆止弁94及び95の上流側において合流してクランクケース1に接続されても良い。
【0022】
電子制御ユニット30はデジタルコンピュータからなり、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を具備する。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。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が接続される。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アクチュエータ16、可変圧縮比機構A、可変バルブタイミング機構B、および過給器28に接続される。
【0023】
図2は図1に示す可変圧縮比機構Aの分解斜視図を示しており、図3は図解的に表した内燃機関の側面断面図を示している。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が形成されており、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の間に嵌合せしめられる複数個の突出部52が形成されており、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。
【0024】
図2に示されるように一対のカムシャフト54,55が設けられており、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が延びており、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、図2に示されるようにカムシャフト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。
【0025】
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如く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。
【0026】
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。
【0027】
図3(A)から図3(C)と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から離間側に移動する。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。
【0028】
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。
【0029】
一方、図4は図1において吸気弁7を駆動するためのカムシャフト70の端部に取付けられた可変バルブタイミング機構Bを示している。図4を参照すると、この可変バルブタイミング機構Bは機関のクランク軸によりタイミングベルトを介して矢印方向に回転せしめられるタイミングプーリ71と、タイミングプーリ71と一緒に回転する円筒状ハウジング72と、吸気弁駆動用カムシャフト70と一緒に回転しかつ円筒状ハウジング72に対して相対回転可能な回転軸73と、円筒状ハウジング72の内周面から回転軸73の外周面まで延びる複数個の仕切壁74と、各仕切壁74の間で回転軸73の外周面から円筒状ハウジング72の内周面まで延びるベーン75とを具備しており、各ベーン75の両側には夫々進角用油圧室76と遅角用油圧室77とが形成されている。
【0030】
各油圧室76,77への作動油の供給制御は作動油供給制御弁78によって行われる。この作動油供給制御弁78は各油圧室76,77に夫々連結された油圧ポート79,80と、油圧ポンプ81から吐出された作動油の供給ポート82と、一対のドレインポート83,84と、各ポート79,80,82,83,84間の連通遮断制御を行うスプール弁85とを具備している。
【0031】
吸気弁駆動用カムシャフト70のカムの位相を進角すべきときは図4においてスプール弁85が右方に移動せしめられ、供給ポート82から供給された作動油が油圧ポート79を介して進角用油圧室76に供給されると共に遅角用油圧室77内の作動油がドレインポート84から排出される。このとき回転軸73は円筒状ハウジング72に対して矢印方向に相対回転せしめられる。
【0032】
これに対し、吸気弁駆動用カムシャフト70のカムの位相を遅角すべきときは図4においてスプール弁85が左方に移動せしめられ、供給ポート82から供給された作動油が油圧ポート80を介して遅角用油圧室77に供給されると共に進角用油圧室76内の作動油がドレインポート83から排出される。このとき回転軸73は円筒状ハウジング72に対して矢印と反対方向に相対回転せしめられる。
【0033】
回転軸73が円筒状ハウジング72に対して相対回転せしめられているときにスプール弁85が図4に示される中立位置に戻されると回転軸73の相対回転動作は停止せしめられ、回転軸73はそのときの相対回転位置に保持される。従って可変バルブタイミング機構Bによって吸気弁駆動用カムシャフト70のカムの位相を所望の量だけ進角させることができ、遅角させることができることになる。
【0034】
図5において実線は可変バルブタイミング機構Bによって吸気弁駆動用カムシャフト70のカムの位相が最も進角されているときを示しており、破線は吸気弁駆動用カムシャフト70のカムの位相が最も遅角されているときを示している。従って吸気弁7の開弁期間は図5において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、従って吸気弁7の閉弁時期も図5において矢印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。
【0035】
図1および図4に示される可変バルブタイミング機構Bは一例を示すものであって、例えば吸気弁の開弁時期を一定に維持したまま吸気弁の閉弁時期のみを変えることのできる可変バルブタイミング機構等、種々の形式の可変バルブタイミング機構を用いることができる。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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ことが見い出されたのである。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。
【0044】
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せしめられ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。
【0045】
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。
【0046】
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まで減少せしめられる。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。
【0047】
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。
【0048】
次に図9を参照しつつ運転制御全般について概略的に説明する。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、吸気弁閉弁時期、機械圧縮比、膨張比、実圧縮比およびスロットル弁17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。
【0049】
さて、前述したように機関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、図9において実線で示されるように吸気弁7の閉弁時期は図5において実線で示される如く早められている。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いるのでポンピング損失は零となっている。
【0050】
一方、図9において実線で示されるように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図9に示される如く機関負荷が低くなるにつれて機械圧縮比が増大され、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、従って燃焼室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。
【0051】
このように機関高負荷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せしめられる。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の容積が減少せしめられる。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。
【0052】
機関負荷が更に低くなると機械圧縮比は更に増大せしめられ、機関負荷がやや低負荷寄りの中負荷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。従って低負荷側の機関中負荷運転時および機関低負荷運転時には即ち、機関低負荷運転側で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機関低負荷運転側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。
【0053】
一方、図9に示される実施例では機関負荷がL1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L1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。
【0054】
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、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L1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。
【0055】
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。
【0056】
図9を使用して説明したように、機関負荷が低くなるほど、可変圧縮比機構Aにより膨張比を高めるために機械圧縮比は高くされるが、実圧縮比が高くなり過ぎてノッキングやプレイグニッションを発生させないために、実圧縮比を一定とするように、可変バルブタイミング機構Bにより吸気弁の閉弁時期は遅角されるようになっている。
【0057】
スロットル弁17が全開状態でないときには、スロットル弁17の下流側のサージタンク12には負圧が発生するために、この負圧を利用して、第二排出経路92を介してクランクケース1内のブローバイガスを良好に吸気系へ排出することができると共に、供給通路93を介して供給される新気によってクランクケース1内を大気圧にすることができる。しかしながら、前述したように、本内燃機関は、機関負荷LがL1以上となると、スロットル弁17は全開とされており、このように、スロットル弁17を全開とする機会が多いと、第二排出経路92だけでは、良好にブローバイガスを排出することができない。
【0058】
それにより、本内燃機関は、ブローバイガスの排出のために、電子制御ユニット30により図10に示すフローチャートに従って制御される。先ず、ステップ101において、機関負荷LがL1以上であるか否かが判断される。この判断が否定されるときには、スロットル弁17は全開状態ではなく、サージタンク12内は負圧が発生するために、前述したように、第二排出経路92を介して良好にブローバイガスを吸気系へ排出することができるためにそのまま終了する。
【0059】
一方、ステップ101の判断が肯定されるときには、図9に基づき説明したように、スロットル弁17は全開状態とされ、サージタンク12内には負圧は発生しない。このときには、ステップ102において、過給器28の作動領域であるか否かが判断される。過給器28の作動領域は高負荷側であり、過給器28がターボチャージャの場合には、多量の排気ガスにより良好に過給器を作動することができる。例えば、機関負荷LがL1より高負荷側のL2以上であるときには、ステップ102の判断が肯定される。
【0060】
ステップ102の判断が肯定されるときには、ステップ103において過給器28を作動する。それにより、吸気ダクト14の過給器28の上流側は負圧となり、第一排出経路91を介してクランクケース1内のブローバイガスを良好に吸気系へ排出することができる。このときには、吸気ダクト14の過給器28の下流側は大気圧以上に加圧されるが、供給通路93の逆止弁96によって供給通路93を介して供給される新気によりクランクケース1内が大気圧より高くなることは防止される。
【0061】
こうして、過給器28を作動すると、そのままでは、過給によって吸入空気量が増大してしまう。それにより、ステップ104では、現在の機関負荷に対する要求吸入空気量(図9)を、過給器28が作動されたときに実現する遅角側の吸気弁閉弁時期が設定され、可変バルブタイミング機構Bによって吸気弁閉弁時期が遅角されることにより、吸入空気量を過給器28の作動以前に比較して維持して吸入空気量の増加を防止する。
【0062】
しかしながら、こうして吸気弁閉弁時期が遅角されると、実圧縮比が低くなってしまうために、ステップ105では、ステップ104において設定された吸気弁閉弁時期に対して所望実圧縮比(図9)を実現する機械圧縮比が設定され、可変圧縮比機構Aによって機械圧縮比を高めることにより、実圧縮比の低下を防止する。
【0063】
一方、機関負荷LがL1以上であってスロットル弁17は全開状態であるが、機関負荷LがL2未満であって過給器28の作動領域でないときには、そのままでは、第一排出経路91及び第二排出経路92のいずれからもブローバイガスを良好に排出させることはできない。このときにはステップ102の判断が否定され、ステップ106において、スロットル弁17の開度を全開から設定量だけ小さくする。
【0064】
それにより、サージタンク12内は負圧となり、第二排出経路92を介してクランクケース1内のブローバイガスを良好に吸気系へ排出することができる。また、供給通路93を介して供給される新気によりクランクケース1内は大気圧とすることができる。
【0065】
こうして、スロットル弁開度を小さくすると、そのままでは、吸入空気量が減少してしまう。それにより、ステップ107では、現在の機関負荷に対する要求吸入空気量(図9)を、スロットル弁開度が全開から設定量だけ小さくされたときに実現する進角側の吸気弁閉弁時期が設定され、可変バルブタイミング機構Bによって吸気弁閉弁時期が進角されることにより、吸入空気量をスロットル弁開度の減少以前に比較して維持して吸入空気量の減少を防止する。
【0066】
しかしながら、こうして吸気弁閉弁時期が進角されると、実圧縮比が高くなってしまうために、ステップ108では、ステップ107において設定された吸気弁閉弁時期に対して所望実圧縮比(図9)を実現する機械圧縮比が設定され、可変圧縮比機構Aによって機械圧縮比を低くすることにより、実圧縮比が高まることを防止する。
【符号の説明】
【0067】
1 クランクケース
2 シリンダブロック
7 吸気弁
17 スロットル弁
28 過給器
91 第一排出経路
92 第二排出経路
A 可変圧縮比機構
B 可変バルブタイミング機構

【特許請求の範囲】
【請求項1】
機械圧縮比を可変とする可変圧縮比機構と、吸気弁閉弁時期を可変とする可変バルブタイミング機構とを具備し、少なくとも吸入空気量が設定量以上であるときには、スロットル弁を全開として、前記可変バルブタイミング機構により吸気弁閉弁時期を変化させることによって吸入空気量を制御し、変化させた吸気弁閉弁時期に対して実圧縮比を一定とするように前記可変圧縮比機構により機械圧縮比を制御する火花点火内燃機関において、吸気系の前記スロットル弁の上流側には過給器が配置され、クランクケース内のブローバイガスを前記吸気系の前記過給器の上流側に排出するための第一排出経路と、クランクケース内のブローバイガスを前記吸気系の前記スロットル弁の下流側に排出するための第二排出経路とが設けられ、前記スロットル弁が全開されるときに、前記過給器の作動領域であれば、前記過給器を作動すると共に、前記可変バルブタイミング機構により吸気弁閉弁時期を遅角して前記過給器の作動以前に比較して吸入空気量を維持し、遅角された吸気弁閉弁時期に対して実圧縮比を一定とするように前記可変圧縮比機構により機械圧縮比を高めることを特徴とする火花点火内燃機関。
【請求項2】
前記スロットル弁が全開とされるときに、前記過給器の作動領域でなければ、前記スロットル弁の開度を小さくすると共に、前記可変バルブタイミング機構により吸気弁閉弁時期を進角して前記スロットル弁の開度を小さくする以前に比較して吸入空気量を維持し、進角された吸気弁閉弁時期に対して実圧縮比を一定とするように前記可変圧縮比機構により機械圧縮比を低くすることを特徴とする請求項1に記載の火花点火内燃機関。

【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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【公開番号】特開2013−113191(P2013−113191A)
【公開日】平成25年6月10日(2013.6.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−259249(P2011−259249)
【出願日】平成23年11月28日(2011.11.28)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Fターム(参考)】