火花点火式内燃機関
【課題】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る火花点火式内燃機関において、燃焼室における燃焼性の低下を抑制する。
【解決手段】火花点火式内燃機関は、可変圧縮比機構と、可変動弁機構と、点火時期調整装置とを備え、燃焼室における燃料の燃焼性が低下する制御を行うように形成されている。燃焼室における燃料の燃焼性を安定化させるための点火時期に関する負荷閾値を有し、負荷閾値よりも小さな負荷の領域では、点火時期を一定の固定点火時期に維持する制御を行う。燃焼室における燃料の燃焼性が低下する制御を行う場合に、固定機械圧縮比を低下させると共に固定閉弁時期を進角し、固定機械圧縮比の低下量および固定閉弁時期の進角量に基づいて点火時期に関する負荷閾値が定められている。
【解決手段】火花点火式内燃機関は、可変圧縮比機構と、可変動弁機構と、点火時期調整装置とを備え、燃焼室における燃料の燃焼性が低下する制御を行うように形成されている。燃焼室における燃料の燃焼性を安定化させるための点火時期に関する負荷閾値を有し、負荷閾値よりも小さな負荷の領域では、点火時期を一定の固定点火時期に維持する制御を行う。燃焼室における燃料の燃焼性が低下する制御を行う場合に、固定機械圧縮比を低下させると共に固定閉弁時期を進角し、固定機械圧縮比の低下量および固定閉弁時期の進角量に基づいて点火時期に関する負荷閾値が定められている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火花点火式内燃機関に関する。
【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可変圧縮比機構と、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】
たとえば、特開２００７−３０３４２３号公報においては、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、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とを備える内燃機関が開示されている。この内燃機関においては、低負荷運転時に膨張比が２０以上とな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高負荷運転時とほぼ同じ圧縮比にすることが開示されている。
【０００４】
特開平０７−１３３７３５号公報においては、大気圧を検出する大気圧検出手段と、大気圧に応じてリーン側の限界空燃比を設定する限界空燃比設定手段と、運転条件に対応する目標空燃比がこの限界空燃比よりリーンである場合に、限界空燃比を目標空燃比として与える空燃比補正手段と、この目標空燃比の補正量に応じて点火時期を遅角側に補正する点火時期補正手段とを備えた内燃機関の制御装置が開示されている。この内燃機関は、気圧が低い高地においては、リーン燃焼が不安定化するという問題を抑制し、また空燃比の補正量に応じて点火時期が遅角側に補正されることにより、ノッキングの発生を抑制することが開示されている。
【０００５】
特開平１１−３０１３４号公報においては、吸気バルブの開閉タイミングを調整するためのバルブタイミング調整機構を備えるエンジンが開示されている。このエンジンは、始動時に、吸気バルブの閉弁時期が最遅角状態にされる。この状態では、燃焼室内の空気の圧縮比が小さくなるため、圧縮行程の際における燃焼室内の圧力が低く抑えられてエンジンの振動が低減することが開示されている。また、エンジンの始動完了後の冷間期間には、吸気バルブの閉弁時期が最進角状態にされる。この状態では、燃焼室内の空気の圧縮比が大きくなるため、圧縮行程の際における燃焼室内の圧力が高められてエンジンの出力が向上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】特開平０７−１３３７３５号公報
【特許文献３】特開平１１−０３０１３４号公報
【特許文献４】特開平０９−０３２６５１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機械圧縮比を可変にする機構と、実際の圧縮作用の開始時期を変更可能な機構とを備える内燃機関は、特に低負荷の領域において、機械圧縮比を高い値に維持しながら、吸気弁を閉じる時期を大きく遅角し、膨張比を大きくしたまま実圧縮比の上昇を抑制する超高膨張比制御を行うことができる。
【０００８】
内燃機関は、出力されるトルクが最も大きくなる点火時期としてＭＢＴ（Minimum Advance for Best Torque）を有する。ＭＢＴよりも遅角側の領域において、点火時期を進角して徐々にＭＢＴに近づけることにより、内燃機関から出力されるトルクを大きくすることができる。しかしながら、所定の点火時期よりも進角させると、ノッキングなどの異常燃焼が発現する場合がある。このため、点火時期は、異常燃焼の発生を抑制できる程度に進角させた時期が選定されている。一般的に、高負荷の場合と比較して低負荷では燃焼室における燃焼が緩慢となり、ＭＢＴが進角側（上死点前方向）に移動する。すなわち、ＭＢＴは、負荷が小さくなるほど進角する。
【０００９】
上記の超高膨張比制御を行う内燃機関においても、負荷が小さくなると共に点火時期を進角する制御を行なうことができる。ところが、低負荷領域内の所定の負荷よりも小さな領域においては、燃焼室における燃焼性が低下するという問題が発現していた。たとえば、燃焼室において着火遅れがばらついてしまい、１回の燃焼サイクルごとの仕事量が変動する問題が生じていた。すなわち、低負荷の領域において燃焼変動が所望の量よりも大きくなってしまうという問題が生じていた。燃焼変動が大きくなると、内燃機関から出力されるトルクが不安定になるトルク変動が生じ、例えば、運転者に不快感を与えるという問題が生じていた。
【００１０】
本発明は、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る火花点火式内燃機関において、燃焼室における燃焼性の低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の火花点火式内燃機関は、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、燃焼室における点火時期を変更可能な点火時期調整装置とを備える。高負荷の領域では、負荷が増加した場合に吸気弁の閉弁時期を進角して燃焼室に流入する吸入空気量を増加すると共に機械圧縮比を低下する。高負荷よりも小さな低負荷の領域では、機械圧縮比を一定の固定機械圧縮比に維持し、吸気弁の閉弁時期を一定の固定閉弁時期に維持し、負荷が減少した場合にはスロットル弁の開度を減少することにより燃焼室に流入する吸入空気量を減少する制御を行う。火花点火式内燃機関は、燃焼室における燃料の燃焼性が低下する制御を行うように形成されている。燃焼室における燃料の燃焼性を安定化させるための点火時期に関する負荷閾値を有し、負荷閾値よりも小さな負荷の領域では、点火時期を一定の固定点火時期に維持し、燃焼室における燃料の燃焼性が低下する制御を行う場合に、固定機械圧縮比を低下させると共に固定閉弁時期を進角し、固定機械圧縮比の低下量および固定閉弁時期の進角量に基づいて点火時期に関する負荷閾値が定められている。
【００１２】
上記発明においては、燃焼室における燃料の燃焼性が低下する制御は、排気ガスの再循環率を大きくする制御、および燃焼室における燃焼時の空燃比を大きくする制御のうち少なくとも一方を含むことができる。
【００１３】
上記発明においては、燃焼室における燃料の燃焼性に対応する変数を検出する検出装置を備え、燃焼性に対応する変数を検出し、燃焼室における燃焼性の低下が大きいと判別されるほど、固定機械圧縮比の低下量を大きくし、固定閉弁時期の進角量を大きくする制御を行うことができる。
【００１４】
上記発明においては、吸気弁の閉弁時期を固定閉弁時期に維持する上限の負荷が、機械圧縮比を固定機械圧縮比に維持する上限の負荷よりも大きく設定されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、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る火花点火式内燃機関において、燃焼室における燃焼性の低下を抑制することができる。
【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可変バルブタイミング機構を説明する概略図である。
【図５】実施の形態における吸気弁および排気弁の開閉時期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比較例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第１の運転制御のグラフである。
【図１１】実施の形態における内燃機関の第２の運転制御のグラフである。
【図１２】実施の形態における内燃機関の第３の運転制御のグラフである。
【図１３】実施の形態における内燃機関の第４の運転制御のグラフである。
【図１４】実施の形態における内燃機関の第５の運転制御のグラフである。
【図１５】実施の形態における内燃機関の第６の運転制御のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１から図１５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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
本実施の形態における内燃機関は、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を行うための排気ガス再循環装置を備える。本実施の形態の排気ガス再循環装置は、再循環通路としてＥＧＲガス導管２６を含む。ＥＧＲガス導管２６は、排気マニホルド１９とサージタンク１２とを互いに接続している。ＥＧＲガス導管２６の途中には、ＥＧＲ制御弁２７が配置されている。ＥＧＲ制御弁２７は、機関排気通路から機関吸気通路に循環する排気ガスの流量が調整可能に形成されている。ＥＧＲ制御弁２７の開度を変更することにより、排気ガスの再循環率の調整を行うことができる。
【００２１】
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Ｂ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Ｂ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の可変バルブタイミング機構を含む。
【００２２】
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。
【００２３】
本実施の形態における内燃機関は、制御装置としての電子制御ユニット３０を備える。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み、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を備える。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。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、機関回転数を検出することができる。
【００２４】
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、ＥＧＲ制御弁２７、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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。本実施の形態における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さ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とを備えており、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。
【００３３】
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。
【００３４】
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が右方に移動させられ、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される。
【００３５】
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が左方に移動させられ、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される。
【００３６】
回転軸７３が円筒状ハウジング７２に対して相対回転し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され、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たり、遅角させたりすることができる。
【００３７】
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る。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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
次に、図９を参照して、本実施の形態における比較例の運転制御について説明する。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点火時期、吸気弁閉弁時期、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。
【００５２】
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、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いるのでポンピング損失は零となっている。
【００５３】
一方、図９において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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
本実施の形態においては、上記のように低負荷側の領域にて一定に維持される機械圧縮比を固定機械圧縮比と称し、低負荷側の領域にて一定に維持される吸気弁の閉弁時期を固定閉弁時期と称する。図９の運転例においては、機関負荷Ｌ１以下の領域において、機械圧縮比が固定機械圧縮比に維持され、また、吸気弁の閉弁時期が固定閉弁時期に維持されている。
【００６１】
本実施の形態における内燃機関は、燃焼室における点火時期を変更可能な点火時期調整装置を備える。本実施の形態における点火時期については、機関負荷が小さくなるほどＭＢＴが進角するために、機関負荷が小さくなるほど点火時期を進角することができる。
【００６２】
ところが、超高膨張比制御を行う内燃機関においては、前述の様に低負荷の領域において吸気弁を閉じる時期が遅くなる。すなわち、吸気弁は、圧縮上死点に近い時期において閉じられる。一方で、機関負荷の低下に伴って点火時期が進角される。このために、低負荷の領域においては、吸気弁が閉じた後の混合気の圧縮作用が十分に行われずに点火される場合がある。また、混合気の温度が十分に上昇せずに点火される場合がある。このような状態では、特に初期火炎の成長に関して著しく不利になる。たとえば、燃焼室においては、燃料の燃焼性が低下し、着火遅れがばらつく場合が生じる。この結果、図９に示す比較例においては、低負荷の領域にて燃焼変動が目標値よりも大きくなる領域が発現している。
【００６３】
図１０に、本実施の形態の内燃機関における第１の運転制御のグラフを示す。図１０のグラフにおいては、最小負荷以上の負荷の領域が示されている。横軸は、機関負荷であり、内燃機関が出力するトルクに対応し、または平均有効圧力に対応する変数である。図１０においては、破線にて比較例の運転制御が記載され、実線にて第１の運転制御が記載されている。
【００６４】
本実施の形態の内燃機関においては、点火時期に関する負荷閾値を有し、負荷閾値よりも小さな負荷の領域においては、点火時期を一定の固定点火時期に維持する制御を行う。比較例の運転制御においては機関負荷が小さくなるほど、点火時期を進角させる制御を行なっていたが、第１の運転制御においては、予め定められた負荷閾値Ｌｔａよりも小さな負荷の領域においては、点火時期の進角を停止する制御を行う。
【００６５】
負荷閾値Ｌｔａは、たとえば、膨張比を一定にする領域、すなわち、機械圧縮比を固定機械圧縮比に維持する領域に設定することができる。また、負荷閾値Ｌｔａは、吸気弁の閉弁時期を一定にする領域、すなわち、固定閉弁時期に維持する領域に設定することができる。本実施の形態においては、機械圧縮比が限界機械圧縮比になる機関負荷Ｌ１以下の領域において負荷閾値Ｌｔａを設定することができる。
【００６６】
第１の運転制御を行うことにより、燃焼室における燃焼性が不安定になる低負荷の領域において点火時期の進角を停止するために、吸気弁が閉じた後の混合気の圧縮および温度上昇を促進することができる。このために、燃焼性の低下を抑制することができる。本実施の形態における負荷閾値Ｌｔａは、燃焼変動がほぼ目標値に到達する機関負荷に設定されている。このために、燃焼変動が目標値を超えてしまうことを抑制できる。
【００６７】
点火時期に関する負荷閾値は、燃焼性の安定性の目標値を達成できる領域のうち、小さな値を採用することが好ましい。この制御により、負荷の減少に伴って点火時期を進角する領域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。
【００６８】
第１の運転制御を行う場合には、例えば、内燃機関の機関回転数および要求負荷を関数にする機械圧縮比、吸気弁の閉弁時期および点火時期のマップを予め準備し、電子制御ユニット３０に記憶させておくことができる。このマップにおいて、負荷閾値Ｌｔａ以下の負荷の領域では、点火時期を一定に設定することができる。内燃機関は、たとえば、機関回転数および要求負荷を検出し、機械圧縮比および吸気弁の閉弁時期に加えて、点火時期を読み込んで運転制御を行うことができる。
【００６９】
図１１に、本実施の形態における第２の運転制御のグラフを示す。第２の運転制御においては、低負荷の所定の領域にて点火時期を一定に維持する第１の運転制御に加えて、吸気弁の固定閉弁時期を進角させる制御を行う。図１１においては、破線にて第１の運転制御が記載され、実線にて第２の運転制御が記載されている。低負荷の領域では、ノッキング等の異常燃焼が高負荷の領域に比べて発生しにくくなる。このため、燃焼室における実圧縮比を高負荷よりも上昇させることができる。
【００７０】
第２の運転制御においては、第１の運転制御において吸気弁の閉弁時期を一定にした機関負荷Ｌ１よりも大きな機関負荷Ｌｘ以下の領域において、吸気弁の閉弁時期を一定に維持する制御を行っている。すなわち、負荷を低下させたときに機械圧縮比が固定機械圧縮比に到達する機関負荷Ｌ１よりも大きな機関負荷Ｌｘにて、吸気弁の閉弁時期を固定閉弁時期に維持する制御を行なっている。第２の運転制御における固定閉弁時期は、第１の運転制御における固定閉弁時期よりも進角される。このために、機関負荷Ｌｘ未満の領域において、実圧縮比が第１の運転制御よりも高くなる。機関負荷Ｌｘ未満の領域において、吸気弁の閉弁時期が第１の運転制御よりも早くなるために、燃焼室における混合気の圧縮および温度上昇を促進することができて、燃焼性の低下を抑制することができる。
【００７１】
また、燃焼性の低下を抑制できるために、固定点火時期を第１の運転制御よりも進角させることができる。第１の運転制御では、負荷閾値Ｌｔａ以下の領域において点火時期を一定に維持していた。これに対して、第２の運転制御の点火時期に関する負荷閾値は、矢印１１０に示すように、負荷閾値Ｌｔａよりも小さな負荷閾値Ｌｔｂに移動させることができる。機関負荷の減少に伴って点火時期を進角させる領域が第１の運転制御よりも広くなるために、内燃機関の熱効率が向上する。
【００７２】
第２の運転制御の負荷閾値Ｌｔｂは、吸気弁の固定閉弁時期の進角量に応じて、定めることができる。たとえば、吸気弁の固定閉弁時期を進角するほど、負荷閾値Ｌｔｂを小さくすることができて、機関負荷の減少に伴って点火時期を進角させる領域を大きくすることができる。
【００７３】
図１２に、本実施の形態における第３の運転制御のグラフを示す。第３の運転制御においては、燃焼室における燃焼性が低下する制御が行なわれた場合の運転制御である。燃焼室における燃料の燃焼性が低下する制御としては、排気ガスの再循環率が上昇する制御を例示することができる。第３の運転制御では、第１の運転制御に加えて燃料の燃焼性の低下に応じて固定点火時期を遅角する制御を行う。
【００７４】
本実施の形態の内燃機関は、排気ガスの再循環装置を有する。本実施の形態における内燃機関の再循環率（ＥＧＲ率）は、燃焼室に流入する全てのガスの流量に対する再循環排気ガスの流量の比と定めることができる。図１を参照して、再循環率を変化させる場合には、ＥＧＲガス導管２６に配置されているＥＧＲ制御弁２７を駆動することにより再循環の排気ガスの流量を変化させる。たとえば、ＥＧＲ制御弁２７の開度を大きくすることにより、再循環流量が増加して再循環率が増加する。
【００７５】
図１２には、本実施の形態における第１の運転制御が破線にて記載されており、第３の運転制御が実線にて記載されている。第３の運転制御においては、排気ガスの再循環率を第１の運転制御よりも大きくしたときの状態を示している。たとえば、排気ガスの再循環率が大きくなるほど、燃焼室における燃焼が緩慢になり、燃焼性が低下する。燃焼室にて安定した燃焼を行うためには、燃焼室にて点火するときの圧力をより高く、また温度をより高くすることが好ましい。
【００７６】
本実施の形態の第３の運転制御においては、燃焼室における燃焼を安定化させるための点火時期に関する負荷閾値を上昇させる制御を行う。図１２の運転制御例においては、矢印１１１に示すように、負荷閾値を、第１の運転制御の負荷閾値Ｌｔａよりも大きな負荷閾値Ｌｔｃに移動させる。負荷閾値Ｌｔｃ以下の領域において、点火時期を一定に維持している。固定点火時期は、第１の運転制御よりも遅角される。
【００７７】
第３の運転制御においては、燃焼室における燃焼性が低下する制御が行なわれた場合に、負荷閾値を大きく設定して、固定点火時期を遅角している。この制御により、機関負荷の減少に伴って点火時期の進角を停止する負荷領域を大きくすることができる。固定点火時期が遅くなるために、より広い負荷の領域において、燃焼室における混合気の圧縮および温度上昇を促進することができる。排気ガスの再循環制御が導入された場合に、燃焼室における燃焼性の低下を抑制することができる。
【００７８】
第３の運転制御においては、排気ガスの再循環率が燃焼室における燃料の燃焼性に対応する変数として機能する。内燃機関の運転期間中に、燃焼性に対応する変数を検出し、燃焼室における燃焼性の低下が大きいと判別されるほど、負荷閾値を大きくする制御を行うことができる。たとえば、排気ガスの再循環率を検出し、排気がスの再循環率が大きくなるほど、負荷閾値Ｌｔｃを大きくする制御を行うことができる。排気ガスの再循環率が大きくなるほど、点火時期を一定に維持する機関負荷の領域を大きくし、固定点火時期の遅角量を大きくすることができる。
【００７９】
第３の運転制御を行う場合には、例えば、要求負荷および機関回転数に加えてＥＧＲ制御弁の開度を関数にする機械圧縮比、吸気弁の閉時期および点火時期のマップを予め電子制御ユニットに記憶させておくことができる。このマップにおいて、負荷閾値Ｌｔｃ以下の領域では、点火時期が固定点火時期に維持されるように定めることができる。運転制御においては、要求負荷、機関回転数およびＥＧＲ制御弁の開度を検出し、検出した要求負荷等に基づいて点火時期等を定めることができる。
【００８０】
燃焼室における燃焼性が低下する制御は、排気ガスの再循環率を大きくする制御の他に、燃焼室における目標空燃比を高くする制御を例示することができる。例えば、リーンバーン運転を行う内燃機関においては、燃焼時の空燃比（燃焼空燃比）が理論空燃比よりも高くなる。燃料が希薄になることにより、燃焼室における燃焼性が低下する。燃焼室における燃焼時の空燃比が理論空燃比よりも大きいほど、燃焼室における燃焼性が低下する。このために、安定した燃焼を行なうためには、より高い圧力およびより高い温度において点火することが好ましい。
【００８１】
燃焼時の空燃比を大きくする制御についても、排気ガスの再循環率を大きくする制御と同様に、たとえば、燃焼室における燃焼時の空燃比を検出し、燃焼時の空燃比が大きくなるほど（リーンになるほど）、負荷閾値Ｌｔｃを大きくし、固定点火時期の遅角量を大きくする制御を行うことができる。燃焼時の空燃比としては、排気ガスの空燃比を検出したり、目標空燃比を検出したりすることができる。
【００８２】
このように、燃焼室における燃焼性が低下するほど、点火時期に関する負荷閾値を大きくして、固定点火時期を遅角する制御を行うことができる。この制御により、燃焼性が低下する制御が導入されても、燃焼室における燃焼性の低下を抑制することができる。
【００８３】
第３の運転制御においては、燃焼室における燃焼性に対応する変数に基づいて、徐々に負荷閾値を変化させる制御に限られず、燃焼室における燃焼性に関する判定値を有し、燃焼性に対応する変数が判定値を超えて燃焼性が低下したと判別される場合に、点火時期に関する負荷閾値を大きくしても構わない。
【００８４】
図１３に、本実施の形態における内燃機関の第４の運転制御のグラフを示す。第４の運転制御においては、排気ガスの再循環制御等の燃焼室における燃焼性が低下する制御が導入されたときに、第３の運転制御に加えて、固定機械圧縮比を低下させるとともに、固定閉弁時期を進角する制御を行う。図１３には、破線にて第３の運転制御が記載され、実線にて第４の運転制御が記載されている。
【００８５】
第４の運転制御においては、燃焼室における燃焼性が低下する制御が導入されたときに、固定機械圧縮比を第３の運転制御よりも低下させている。機関負荷を高負荷から減少させたときに、機関負荷Ｌｙにおいて、機械圧縮比の上昇、すなわち膨張比の上昇を停止している。機関負荷Ｌｙ以下の領域においては、機械圧縮比を一定の固定機械圧縮比に維持している。機関負荷Ｌｙは、機関負荷Ｌ１よりも大きく、固定機械圧縮比に維持される負荷の領域は、第３の運転制御よりも大きくなっている。吸気弁の閉弁時期においても、機関負荷Ｌｙ以下の領域において、吸気弁の閉弁時期を一定の固定閉弁時期に維持している。固定閉弁時期を第３の運転制御よりも進角している。
【００８６】
前述の第３の運転制御においては、低負荷の領域における燃焼の安定化のために固定点火時期を遅角する制御を行っており、熱効率が低下している。本実施の形態の第４の運転制御においては、排気ガスの再循環率が高い場合には、再循環率が低い場合よりも固定機械圧縮比を低下させ、更に固定閉弁時期を進角する。
【００８７】
この制御を行うことにより、燃焼室における実圧縮比をほぼ一定の圧縮比に維持した状態で、吸気弁の固定閉弁時期を進角させることができる。固定閉弁時期を下死点側に移動させることができて、点火時期の進角余裕を大きくすることができる。この結果、第４の運転制御の負荷閾値Ｌｔｄは、矢印１１２に示すように、第３の運転制御の負荷閾値Ｌｔｃよりも小さくすることができる。固定点火時期を第３の運転制御よりも進角させることができる。機関負荷の減少に伴って点火時期を進角させる領域を大きくすることができて、第３の運転制御よりも熱効率を向上させることができる。
【００８８】
ところで、一般的に膨張比が低下すると熱効率が低下する。第４の運転制御においては、固定機械圧縮比が低下するために膨張比も低下する。しかし、固定点火時期を進角させることにより、膨張比の低下による熱効率の低下分を考慮しても、第３の運転制御よりも全体の熱効率の向上を図ることができる。
【００８９】
このように、燃焼室における燃料の燃焼性が低下する制御を行う場合に、固定機械圧縮比を低下させると共に固定閉弁時期を進角している。固定機械圧縮比の低下量および固定閉弁時期の進角量に基づいて点火時期に関する負荷閾値を定め、負荷閾値よりも小さな負荷の領域では、点火時期を一定の固定点火時期に維持する制御を行っている。この制御を行うことにより、燃焼室における燃焼性の低下を抑制する制御を行なっても内燃機関の熱効率の低下を抑制できる。
【００９０】
第４の運転制御においては、燃焼室における燃焼性に対応する変数を、排気ガスの再循環率にすることができる。本実施の形態における内燃機関は、排気ガスの再循環率を検出する検出装置を備え、検出した再循環率に基づいて燃焼性の低下の程度を判別することができる。検出した再循環率が大きいほど燃焼性の低下が大きいと判別することができる。検出した再循環率が大きいほど、固定機械圧縮比の低下量を大きくするとともに、固定閉弁時期の進角量を大きくすることができる。また、固定機械圧縮比および固定閉弁時期に基づいて、負荷閾値Ｌｔｄ以下の領域において点火時期が一定になるように点火時期を定めることができる。
【００９１】
燃焼室における燃焼性が低下する制御として、燃焼時の空燃比を大きくする制御が含まれている場合も同様に、燃焼室における燃焼時の空燃比を検出し、燃焼時の空燃比に基づいて燃焼室における燃焼性を判別することができる。検出した燃焼時の空燃比が大きいほど燃焼性の低下が大きいと判別することができる。検出した燃焼時の空燃比が大きくなるほど、固定機械圧縮比の低下量を大きくするとともに、固定閉弁時期の進角量を大きくする制御を行うことができる。更に、固定機械圧縮比および固定閉弁時期に基づいて、固定点火時期を定めることができる。
【００９２】
本実施の形態の第４の運転制御においては、燃焼性が低下する制御が行なわれたときに、燃焼性が低下する大きさに応じて、固定機械圧縮比の低下量および吸気弁の固定閉弁時期の進角量が定められているが、この形態に限られず、燃焼室における燃焼性を判別する切替え判定値を設け、燃焼室における燃焼性が切替え判定値よりも劣ると判別される場合には、固定機械圧縮比を予め定められた量にて低下させると共に、固定閉弁時期を予め定められた量にて進角させることができる。一方で、燃焼室における燃料の燃焼性が切替え判定値よりも優れると判別される場合には、固定機械圧縮比を低下させると共に固定閉弁時期を進角する制御を禁止することができる。
【００９３】
たとえば、排気ガスの再循環率の切替え判定値を設け、再循環率が切替え判定値以下の場合には第３の運転制御を行って、再循環率が切替え判定値よりも大きくなった場合には第４の運転制御を行なっても構わない。また同様に、燃焼時の空燃比の切替え判定値を設けて、燃焼時の空燃比が切替え判定値よりも大きくなった場合に第４の運転制御を行なっても構わない。
【００９４】
図１４に、本実施の形態における第５の運転制御のグラフを示す。第５の運転制御においては、燃焼室における燃焼性が低下する制御が導入されたときに、本実施の形態における第４の運転制御に加えて、さらに、吸気弁の固定閉弁時期を進角する制御を行う。図１４には、破線にて第４の運転制御が記載されている。また、実線にて第５の運転制御が記載されている。
【００９５】
第５の運転制御においては、機関負荷Ｌｚが、吸気弁の閉弁時期を固定閉弁時期に維持する上限の負荷である。第５の運転制御においては、機関負荷Ｌｚを機械圧縮比が固定機械圧縮比に到達する機関負荷Ｌｙよりも大きく設定している。機関負荷Ｌｙよりも高い機関負荷Ｌｚにおいて、吸気弁の閉弁時期を一定に維持している。
【００９６】
第５の運転制御の固定閉弁時期は、第４の運転制御の固定閉弁時期よりも進角している。低負荷では異常燃焼が高負荷よりも発生しにくいために、第２の運転制御の場合と同様に実圧縮比を高くすることができる。第４の運転制御では、固定閉弁時期を進角して、機関負荷Ｌｚ未満の領域において実圧縮比を高くすることができる。吸気弁の閉弁時期が早くなるために、燃焼室において混合気の圧縮および温度上昇を促進することができる。このために、矢印１１３に示すように、固定点火時期に関する負荷閾値Ｌｔｅを、第４の運転制御における負荷閾値Ｌｔｄよりも小さくすることができる。機関負荷の減少に伴って点火時期を進角する領域を大きくすることができる。燃焼性の低下を抑制しながら第４の運転制御よりも熱効率の向上を図ることができる。
【００９７】
図１５に、本実施の形態における第６の運転制御のグラフを示す。第６の運転制御においては、排気ガスの再循環率の大きさ等に依存して負荷閾値を変化させる第３の運転制御に加えて、吸気弁の閉弁時期を一定に維持する固定閉弁時期を進角する制御を行う。固定機械圧縮比は、第３の運転制御と同様に低下させない制御を行っている。第６の運転制御においては、矢印１１４に示すように、吸気弁の閉弁時期に関する負荷閾値Ｌｔｆを第３の運転制御の負荷閾値Ｌｔｃよりも小さくすることができる。機関負荷の減少に伴って点火時期を進角する領域を大きくすることができるために、第３の運転制御よりも熱効率の向上を図ることができる。
【００９８】
本実施の形態においては、排気ガスの再循環を行う排気ガス再循環装置として、再循環通路および再循環弁を備える外部ＥＧＲ装置について説明を行なったが、この形態に限られず、排気ガス再循環装置は、内部ＥＧＲ装置を含んでいても構わない。内部ＥＧＲ装置は、以前の燃焼サイクルにおいて生じた排気ガスが今回の燃焼サイクルにおいて燃焼室に供給される量を変更可能に形成することができる。たとえば、内部ＥＧＲ装置は、吸気弁と排気弁とが同時に開いているオーバーラップの期間を変更する装置を含むことができる。
【００９９】
また、本実施の形態においては、燃焼性が低下する制御として、排気ガスの再循環を行う制御および燃焼時の空燃比を高くする制御を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、燃焼室における燃焼性が低下する任意の制御を行うときに、本発明を適用することができる。たとえば、燃焼室における燃焼性を向上させるためのスワールコントロールバルブが配置されている内燃機関において、一部のスワールコントロールバルブが故障し、燃焼室においてスワール流の生成を中止する制御を行う場合に、本発明を適用することができる。
【０１００】
上記のそれぞれの実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相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】
【０１０１】
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
９ 排気弁
１７ スロットル弁
２１ 空燃比センサ
２２ 相対位置センサ
２３ バルブタイミングセンサ
２５ カム回転角度センサ
２６ ＥＧＲガス導管
２７ ＥＧＲ制御弁
３０ 電子制御ユニット
５６ 円形カム
５７ 偏心軸
５８ 円形カム
５９ 駆動モータ
７０ カムシャフト
７２ ハウジング
７３ 回転軸
８５ スプール弁
Ａ 可変圧縮比機構
Ｂ 可変バルブタイミング機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火花点火式内燃機関に関する。
【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可変圧縮比機構と、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】
たとえば、特開２００７−３０３４２３号公報においては、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、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とを備える内燃機関が開示されている。この内燃機関においては、低負荷運転時に膨張比が２０以上とな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高負荷運転時とほぼ同じ圧縮比にすることが開示されている。
【０００４】
特開平０７−１３３７３５号公報においては、大気圧を検出する大気圧検出手段と、大気圧に応じてリーン側の限界空燃比を設定する限界空燃比設定手段と、運転条件に対応する目標空燃比がこの限界空燃比よりリーンである場合に、限界空燃比を目標空燃比として与える空燃比補正手段と、この目標空燃比の補正量に応じて点火時期を遅角側に補正する点火時期補正手段とを備えた内燃機関の制御装置が開示されている。この内燃機関は、気圧が低い高地においては、リーン燃焼が不安定化するという問題を抑制し、また空燃比の補正量に応じて点火時期が遅角側に補正されることにより、ノッキングの発生を抑制することが開示されている。
【０００５】
特開平１１−３０１３４号公報においては、吸気バルブの開閉タイミングを調整するためのバルブタイミング調整機構を備えるエンジンが開示されている。このエンジンは、始動時に、吸気バルブの閉弁時期が最遅角状態にされる。この状態では、燃焼室内の空気の圧縮比が小さくなるため、圧縮行程の際における燃焼室内の圧力が低く抑えられてエンジンの振動が低減することが開示されている。また、エンジンの始動完了後の冷間期間には、吸気バルブの閉弁時期が最進角状態にされる。この状態では、燃焼室内の空気の圧縮比が大きくなるため、圧縮行程の際における燃焼室内の圧力が高められてエンジンの出力が向上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】特開平０７−１３３７３５号公報
【特許文献３】特開平１１−０３０１３４号公報
【特許文献４】特開平０９−０３２６５１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機械圧縮比を可変にする機構と、実際の圧縮作用の開始時期を変更可能な機構とを備える内燃機関は、特に低負荷の領域において、機械圧縮比を高い値に維持しながら、吸気弁を閉じる時期を大きく遅角し、膨張比を大きくしたまま実圧縮比の上昇を抑制する超高膨張比制御を行うことができる。
【０００８】
内燃機関は、出力されるトルクが最も大きくなる点火時期としてＭＢＴ（Minimum Advance for Best Torque）を有する。ＭＢＴよりも遅角側の領域において、点火時期を進角して徐々にＭＢＴに近づけることにより、内燃機関から出力されるトルクを大きくすることができる。しかしながら、所定の点火時期よりも進角させると、ノッキングなどの異常燃焼が発現する場合がある。このため、点火時期は、異常燃焼の発生を抑制できる程度に進角させた時期が選定されている。一般的に、高負荷の場合と比較して低負荷では燃焼室における燃焼が緩慢となり、ＭＢＴが進角側（上死点前方向）に移動する。すなわち、ＭＢＴは、負荷が小さくなるほど進角する。
【０００９】
上記の超高膨張比制御を行う内燃機関においても、負荷が小さくなると共に点火時期を進角する制御を行なうことができる。ところが、低負荷領域内の所定の負荷よりも小さな領域においては、燃焼室における燃焼性が低下するという問題が発現していた。たとえば、燃焼室において着火遅れがばらついてしまい、１回の燃焼サイクルごとの仕事量が変動する問題が生じていた。すなわち、低負荷の領域において燃焼変動が所望の量よりも大きくなってしまうという問題が生じていた。燃焼変動が大きくなると、内燃機関から出力されるトルクが不安定になるトルク変動が生じ、例えば、運転者に不快感を与えるという問題が生じていた。
【００１０】
本発明は、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る火花点火式内燃機関において、燃焼室における燃焼性の低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の火花点火式内燃機関は、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、燃焼室における点火時期を変更可能な点火時期調整装置とを備える。高負荷の領域では、負荷が増加した場合に吸気弁の閉弁時期を進角して燃焼室に流入する吸入空気量を増加すると共に機械圧縮比を低下する。高負荷よりも小さな低負荷の領域では、機械圧縮比を一定の固定機械圧縮比に維持し、吸気弁の閉弁時期を一定の固定閉弁時期に維持し、負荷が減少した場合にはスロットル弁の開度を減少することにより燃焼室に流入する吸入空気量を減少する制御を行う。火花点火式内燃機関は、燃焼室における燃料の燃焼性が低下する制御を行うように形成されている。燃焼室における燃料の燃焼性を安定化させるための点火時期に関する負荷閾値を有し、負荷閾値よりも小さな負荷の領域では、点火時期を一定の固定点火時期に維持し、燃焼室における燃料の燃焼性が低下する制御を行う場合に、固定機械圧縮比を低下させると共に固定閉弁時期を進角し、固定機械圧縮比の低下量および固定閉弁時期の進角量に基づいて点火時期に関する負荷閾値が定められている。
【００１２】
上記発明においては、燃焼室における燃料の燃焼性が低下する制御は、排気ガスの再循環率を大きくする制御、および燃焼室における燃焼時の空燃比を大きくする制御のうち少なくとも一方を含むことができる。
【００１３】
上記発明においては、燃焼室における燃料の燃焼性に対応する変数を検出する検出装置を備え、燃焼性に対応する変数を検出し、燃焼室における燃焼性の低下が大きいと判別されるほど、固定機械圧縮比の低下量を大きくし、固定閉弁時期の進角量を大きくする制御を行うことができる。
【００１４】
上記発明においては、吸気弁の閉弁時期を固定閉弁時期に維持する上限の負荷が、機械圧縮比を固定機械圧縮比に維持する上限の負荷よりも大きく設定されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、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る火花点火式内燃機関において、燃焼室における燃焼性の低下を抑制することができる。
【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可変バルブタイミング機構を説明する概略図である。
【図５】実施の形態における吸気弁および排気弁の開閉時期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比較例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第１の運転制御のグラフである。
【図１１】実施の形態における内燃機関の第２の運転制御のグラフである。
【図１２】実施の形態における内燃機関の第３の運転制御のグラフである。
【図１３】実施の形態における内燃機関の第４の運転制御のグラフである。
【図１４】実施の形態における内燃機関の第５の運転制御のグラフである。
【図１５】実施の形態における内燃機関の第６の運転制御のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１から図１５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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
本実施の形態における内燃機関は、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を行うための排気ガス再循環装置を備える。本実施の形態の排気ガス再循環装置は、再循環通路としてＥＧＲガス導管２６を含む。ＥＧＲガス導管２６は、排気マニホルド１９とサージタンク１２とを互いに接続している。ＥＧＲガス導管２６の途中には、ＥＧＲ制御弁２７が配置されている。ＥＧＲ制御弁２７は、機関排気通路から機関吸気通路に循環する排気ガスの流量が調整可能に形成されている。ＥＧＲ制御弁２７の開度を変更することにより、排気ガスの再循環率の調整を行うことができる。
【００２１】
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Ｂ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Ｂ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の可変バルブタイミング機構を含む。
【００２２】
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。
【００２３】
本実施の形態における内燃機関は、制御装置としての電子制御ユニット３０を備える。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み、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を備える。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。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、機関回転数を検出することができる。
【００２４】
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、ＥＧＲ制御弁２７、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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。本実施の形態における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さ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とを備えており、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。
【００３３】
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。
【００３４】
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が右方に移動させられ、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される。
【００３５】
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が左方に移動させられ、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される。
【００３６】
回転軸７３が円筒状ハウジング７２に対して相対回転し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され、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たり、遅角させたりすることができる。
【００３７】
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る。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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
次に、図９を参照して、本実施の形態における比較例の運転制御について説明する。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点火時期、吸気弁閉弁時期、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。
【００５２】
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、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いるのでポンピング損失は零となっている。
【００５３】
一方、図９において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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
本実施の形態においては、上記のように低負荷側の領域にて一定に維持される機械圧縮比を固定機械圧縮比と称し、低負荷側の領域にて一定に維持される吸気弁の閉弁時期を固定閉弁時期と称する。図９の運転例においては、機関負荷Ｌ１以下の領域において、機械圧縮比が固定機械圧縮比に維持され、また、吸気弁の閉弁時期が固定閉弁時期に維持されている。
【００６１】
本実施の形態における内燃機関は、燃焼室における点火時期を変更可能な点火時期調整装置を備える。本実施の形態における点火時期については、機関負荷が小さくなるほどＭＢＴが進角するために、機関負荷が小さくなるほど点火時期を進角することができる。
【００６２】
ところが、超高膨張比制御を行う内燃機関においては、前述の様に低負荷の領域において吸気弁を閉じる時期が遅くなる。すなわち、吸気弁は、圧縮上死点に近い時期において閉じられる。一方で、機関負荷の低下に伴って点火時期が進角される。このために、低負荷の領域においては、吸気弁が閉じた後の混合気の圧縮作用が十分に行われずに点火される場合がある。また、混合気の温度が十分に上昇せずに点火される場合がある。このような状態では、特に初期火炎の成長に関して著しく不利になる。たとえば、燃焼室においては、燃料の燃焼性が低下し、着火遅れがばらつく場合が生じる。この結果、図９に示す比較例においては、低負荷の領域にて燃焼変動が目標値よりも大きくなる領域が発現している。
【００６３】
図１０に、本実施の形態の内燃機関における第１の運転制御のグラフを示す。図１０のグラフにおいては、最小負荷以上の負荷の領域が示されている。横軸は、機関負荷であり、内燃機関が出力するトルクに対応し、または平均有効圧力に対応する変数である。図１０においては、破線にて比較例の運転制御が記載され、実線にて第１の運転制御が記載されている。
【００６４】
本実施の形態の内燃機関においては、点火時期に関する負荷閾値を有し、負荷閾値よりも小さな負荷の領域においては、点火時期を一定の固定点火時期に維持する制御を行う。比較例の運転制御においては機関負荷が小さくなるほど、点火時期を進角させる制御を行なっていたが、第１の運転制御においては、予め定められた負荷閾値Ｌｔａよりも小さな負荷の領域においては、点火時期の進角を停止する制御を行う。
【００６５】
負荷閾値Ｌｔａは、たとえば、膨張比を一定にする領域、すなわち、機械圧縮比を固定機械圧縮比に維持する領域に設定することができる。また、負荷閾値Ｌｔａは、吸気弁の閉弁時期を一定にする領域、すなわち、固定閉弁時期に維持する領域に設定することができる。本実施の形態においては、機械圧縮比が限界機械圧縮比になる機関負荷Ｌ１以下の領域において負荷閾値Ｌｔａを設定することができる。
【００６６】
第１の運転制御を行うことにより、燃焼室における燃焼性が不安定になる低負荷の領域において点火時期の進角を停止するために、吸気弁が閉じた後の混合気の圧縮および温度上昇を促進することができる。このために、燃焼性の低下を抑制することができる。本実施の形態における負荷閾値Ｌｔａは、燃焼変動がほぼ目標値に到達する機関負荷に設定されている。このために、燃焼変動が目標値を超えてしまうことを抑制できる。
【００６７】
点火時期に関する負荷閾値は、燃焼性の安定性の目標値を達成できる領域のうち、小さな値を採用することが好ましい。この制御により、負荷の減少に伴って点火時期を進角する領域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。
【００６８】
第１の運転制御を行う場合には、例えば、内燃機関の機関回転数および要求負荷を関数にする機械圧縮比、吸気弁の閉弁時期および点火時期のマップを予め準備し、電子制御ユニット３０に記憶させておくことができる。このマップにおいて、負荷閾値Ｌｔａ以下の負荷の領域では、点火時期を一定に設定することができる。内燃機関は、たとえば、機関回転数および要求負荷を検出し、機械圧縮比および吸気弁の閉弁時期に加えて、点火時期を読み込んで運転制御を行うことができる。
【００６９】
図１１に、本実施の形態における第２の運転制御のグラフを示す。第２の運転制御においては、低負荷の所定の領域にて点火時期を一定に維持する第１の運転制御に加えて、吸気弁の固定閉弁時期を進角させる制御を行う。図１１においては、破線にて第１の運転制御が記載され、実線にて第２の運転制御が記載されている。低負荷の領域では、ノッキング等の異常燃焼が高負荷の領域に比べて発生しにくくなる。このため、燃焼室における実圧縮比を高負荷よりも上昇させることができる。
【００７０】
第２の運転制御においては、第１の運転制御において吸気弁の閉弁時期を一定にした機関負荷Ｌ１よりも大きな機関負荷Ｌｘ以下の領域において、吸気弁の閉弁時期を一定に維持する制御を行っている。すなわち、負荷を低下させたときに機械圧縮比が固定機械圧縮比に到達する機関負荷Ｌ１よりも大きな機関負荷Ｌｘにて、吸気弁の閉弁時期を固定閉弁時期に維持する制御を行なっている。第２の運転制御における固定閉弁時期は、第１の運転制御における固定閉弁時期よりも進角される。このために、機関負荷Ｌｘ未満の領域において、実圧縮比が第１の運転制御よりも高くなる。機関負荷Ｌｘ未満の領域において、吸気弁の閉弁時期が第１の運転制御よりも早くなるために、燃焼室における混合気の圧縮および温度上昇を促進することができて、燃焼性の低下を抑制することができる。
【００７１】
また、燃焼性の低下を抑制できるために、固定点火時期を第１の運転制御よりも進角させることができる。第１の運転制御では、負荷閾値Ｌｔａ以下の領域において点火時期を一定に維持していた。これに対して、第２の運転制御の点火時期に関する負荷閾値は、矢印１１０に示すように、負荷閾値Ｌｔａよりも小さな負荷閾値Ｌｔｂに移動させることができる。機関負荷の減少に伴って点火時期を進角させる領域が第１の運転制御よりも広くなるために、内燃機関の熱効率が向上する。
【００７２】
第２の運転制御の負荷閾値Ｌｔｂは、吸気弁の固定閉弁時期の進角量に応じて、定めることができる。たとえば、吸気弁の固定閉弁時期を進角するほど、負荷閾値Ｌｔｂを小さくすることができて、機関負荷の減少に伴って点火時期を進角させる領域を大きくすることができる。
【００７３】
図１２に、本実施の形態における第３の運転制御のグラフを示す。第３の運転制御においては、燃焼室における燃焼性が低下する制御が行なわれた場合の運転制御である。燃焼室における燃料の燃焼性が低下する制御としては、排気ガスの再循環率が上昇する制御を例示することができる。第３の運転制御では、第１の運転制御に加えて燃料の燃焼性の低下に応じて固定点火時期を遅角する制御を行う。
【００７４】
本実施の形態の内燃機関は、排気ガスの再循環装置を有する。本実施の形態における内燃機関の再循環率（ＥＧＲ率）は、燃焼室に流入する全てのガスの流量に対する再循環排気ガスの流量の比と定めることができる。図１を参照して、再循環率を変化させる場合には、ＥＧＲガス導管２６に配置されているＥＧＲ制御弁２７を駆動することにより再循環の排気ガスの流量を変化させる。たとえば、ＥＧＲ制御弁２７の開度を大きくすることにより、再循環流量が増加して再循環率が増加する。
【００７５】
図１２には、本実施の形態における第１の運転制御が破線にて記載されており、第３の運転制御が実線にて記載されている。第３の運転制御においては、排気ガスの再循環率を第１の運転制御よりも大きくしたときの状態を示している。たとえば、排気ガスの再循環率が大きくなるほど、燃焼室における燃焼が緩慢になり、燃焼性が低下する。燃焼室にて安定した燃焼を行うためには、燃焼室にて点火するときの圧力をより高く、また温度をより高くすることが好ましい。
【００７６】
本実施の形態の第３の運転制御においては、燃焼室における燃焼を安定化させるための点火時期に関する負荷閾値を上昇させる制御を行う。図１２の運転制御例においては、矢印１１１に示すように、負荷閾値を、第１の運転制御の負荷閾値Ｌｔａよりも大きな負荷閾値Ｌｔｃに移動させる。負荷閾値Ｌｔｃ以下の領域において、点火時期を一定に維持している。固定点火時期は、第１の運転制御よりも遅角される。
【００７７】
第３の運転制御においては、燃焼室における燃焼性が低下する制御が行なわれた場合に、負荷閾値を大きく設定して、固定点火時期を遅角している。この制御により、機関負荷の減少に伴って点火時期の進角を停止する負荷領域を大きくすることができる。固定点火時期が遅くなるために、より広い負荷の領域において、燃焼室における混合気の圧縮および温度上昇を促進することができる。排気ガスの再循環制御が導入された場合に、燃焼室における燃焼性の低下を抑制することができる。
【００７８】
第３の運転制御においては、排気ガスの再循環率が燃焼室における燃料の燃焼性に対応する変数として機能する。内燃機関の運転期間中に、燃焼性に対応する変数を検出し、燃焼室における燃焼性の低下が大きいと判別されるほど、負荷閾値を大きくする制御を行うことができる。たとえば、排気ガスの再循環率を検出し、排気がスの再循環率が大きくなるほど、負荷閾値Ｌｔｃを大きくする制御を行うことができる。排気ガスの再循環率が大きくなるほど、点火時期を一定に維持する機関負荷の領域を大きくし、固定点火時期の遅角量を大きくすることができる。
【００７９】
第３の運転制御を行う場合には、例えば、要求負荷および機関回転数に加えてＥＧＲ制御弁の開度を関数にする機械圧縮比、吸気弁の閉時期および点火時期のマップを予め電子制御ユニットに記憶させておくことができる。このマップにおいて、負荷閾値Ｌｔｃ以下の領域では、点火時期が固定点火時期に維持されるように定めることができる。運転制御においては、要求負荷、機関回転数およびＥＧＲ制御弁の開度を検出し、検出した要求負荷等に基づいて点火時期等を定めることができる。
【００８０】
燃焼室における燃焼性が低下する制御は、排気ガスの再循環率を大きくする制御の他に、燃焼室における目標空燃比を高くする制御を例示することができる。例えば、リーンバーン運転を行う内燃機関においては、燃焼時の空燃比（燃焼空燃比）が理論空燃比よりも高くなる。燃料が希薄になることにより、燃焼室における燃焼性が低下する。燃焼室における燃焼時の空燃比が理論空燃比よりも大きいほど、燃焼室における燃焼性が低下する。このために、安定した燃焼を行なうためには、より高い圧力およびより高い温度において点火することが好ましい。
【００８１】
燃焼時の空燃比を大きくする制御についても、排気ガスの再循環率を大きくする制御と同様に、たとえば、燃焼室における燃焼時の空燃比を検出し、燃焼時の空燃比が大きくなるほど（リーンになるほど）、負荷閾値Ｌｔｃを大きくし、固定点火時期の遅角量を大きくする制御を行うことができる。燃焼時の空燃比としては、排気ガスの空燃比を検出したり、目標空燃比を検出したりすることができる。
【００８２】
このように、燃焼室における燃焼性が低下するほど、点火時期に関する負荷閾値を大きくして、固定点火時期を遅角する制御を行うことができる。この制御により、燃焼性が低下する制御が導入されても、燃焼室における燃焼性の低下を抑制することができる。
【００８３】
第３の運転制御においては、燃焼室における燃焼性に対応する変数に基づいて、徐々に負荷閾値を変化させる制御に限られず、燃焼室における燃焼性に関する判定値を有し、燃焼性に対応する変数が判定値を超えて燃焼性が低下したと判別される場合に、点火時期に関する負荷閾値を大きくしても構わない。
【００８４】
図１３に、本実施の形態における内燃機関の第４の運転制御のグラフを示す。第４の運転制御においては、排気ガスの再循環制御等の燃焼室における燃焼性が低下する制御が導入されたときに、第３の運転制御に加えて、固定機械圧縮比を低下させるとともに、固定閉弁時期を進角する制御を行う。図１３には、破線にて第３の運転制御が記載され、実線にて第４の運転制御が記載されている。
【００８５】
第４の運転制御においては、燃焼室における燃焼性が低下する制御が導入されたときに、固定機械圧縮比を第３の運転制御よりも低下させている。機関負荷を高負荷から減少させたときに、機関負荷Ｌｙにおいて、機械圧縮比の上昇、すなわち膨張比の上昇を停止している。機関負荷Ｌｙ以下の領域においては、機械圧縮比を一定の固定機械圧縮比に維持している。機関負荷Ｌｙは、機関負荷Ｌ１よりも大きく、固定機械圧縮比に維持される負荷の領域は、第３の運転制御よりも大きくなっている。吸気弁の閉弁時期においても、機関負荷Ｌｙ以下の領域において、吸気弁の閉弁時期を一定の固定閉弁時期に維持している。固定閉弁時期を第３の運転制御よりも進角している。
【００８６】
前述の第３の運転制御においては、低負荷の領域における燃焼の安定化のために固定点火時期を遅角する制御を行っており、熱効率が低下している。本実施の形態の第４の運転制御においては、排気ガスの再循環率が高い場合には、再循環率が低い場合よりも固定機械圧縮比を低下させ、更に固定閉弁時期を進角する。
【００８７】
この制御を行うことにより、燃焼室における実圧縮比をほぼ一定の圧縮比に維持した状態で、吸気弁の固定閉弁時期を進角させることができる。固定閉弁時期を下死点側に移動させることができて、点火時期の進角余裕を大きくすることができる。この結果、第４の運転制御の負荷閾値Ｌｔｄは、矢印１１２に示すように、第３の運転制御の負荷閾値Ｌｔｃよりも小さくすることができる。固定点火時期を第３の運転制御よりも進角させることができる。機関負荷の減少に伴って点火時期を進角させる領域を大きくすることができて、第３の運転制御よりも熱効率を向上させることができる。
【００８８】
ところで、一般的に膨張比が低下すると熱効率が低下する。第４の運転制御においては、固定機械圧縮比が低下するために膨張比も低下する。しかし、固定点火時期を進角させることにより、膨張比の低下による熱効率の低下分を考慮しても、第３の運転制御よりも全体の熱効率の向上を図ることができる。
【００８９】
このように、燃焼室における燃料の燃焼性が低下する制御を行う場合に、固定機械圧縮比を低下させると共に固定閉弁時期を進角している。固定機械圧縮比の低下量および固定閉弁時期の進角量に基づいて点火時期に関する負荷閾値を定め、負荷閾値よりも小さな負荷の領域では、点火時期を一定の固定点火時期に維持する制御を行っている。この制御を行うことにより、燃焼室における燃焼性の低下を抑制する制御を行なっても内燃機関の熱効率の低下を抑制できる。
【００９０】
第４の運転制御においては、燃焼室における燃焼性に対応する変数を、排気ガスの再循環率にすることができる。本実施の形態における内燃機関は、排気ガスの再循環率を検出する検出装置を備え、検出した再循環率に基づいて燃焼性の低下の程度を判別することができる。検出した再循環率が大きいほど燃焼性の低下が大きいと判別することができる。検出した再循環率が大きいほど、固定機械圧縮比の低下量を大きくするとともに、固定閉弁時期の進角量を大きくすることができる。また、固定機械圧縮比および固定閉弁時期に基づいて、負荷閾値Ｌｔｄ以下の領域において点火時期が一定になるように点火時期を定めることができる。
【００９１】
燃焼室における燃焼性が低下する制御として、燃焼時の空燃比を大きくする制御が含まれている場合も同様に、燃焼室における燃焼時の空燃比を検出し、燃焼時の空燃比に基づいて燃焼室における燃焼性を判別することができる。検出した燃焼時の空燃比が大きいほど燃焼性の低下が大きいと判別することができる。検出した燃焼時の空燃比が大きくなるほど、固定機械圧縮比の低下量を大きくするとともに、固定閉弁時期の進角量を大きくする制御を行うことができる。更に、固定機械圧縮比および固定閉弁時期に基づいて、固定点火時期を定めることができる。
【００９２】
本実施の形態の第４の運転制御においては、燃焼性が低下する制御が行なわれたときに、燃焼性が低下する大きさに応じて、固定機械圧縮比の低下量および吸気弁の固定閉弁時期の進角量が定められているが、この形態に限られず、燃焼室における燃焼性を判別する切替え判定値を設け、燃焼室における燃焼性が切替え判定値よりも劣ると判別される場合には、固定機械圧縮比を予め定められた量にて低下させると共に、固定閉弁時期を予め定められた量にて進角させることができる。一方で、燃焼室における燃料の燃焼性が切替え判定値よりも優れると判別される場合には、固定機械圧縮比を低下させると共に固定閉弁時期を進角する制御を禁止することができる。
【００９３】
たとえば、排気ガスの再循環率の切替え判定値を設け、再循環率が切替え判定値以下の場合には第３の運転制御を行って、再循環率が切替え判定値よりも大きくなった場合には第４の運転制御を行なっても構わない。また同様に、燃焼時の空燃比の切替え判定値を設けて、燃焼時の空燃比が切替え判定値よりも大きくなった場合に第４の運転制御を行なっても構わない。
【００９４】
図１４に、本実施の形態における第５の運転制御のグラフを示す。第５の運転制御においては、燃焼室における燃焼性が低下する制御が導入されたときに、本実施の形態における第４の運転制御に加えて、さらに、吸気弁の固定閉弁時期を進角する制御を行う。図１４には、破線にて第４の運転制御が記載されている。また、実線にて第５の運転制御が記載されている。
【００９５】
第５の運転制御においては、機関負荷Ｌｚが、吸気弁の閉弁時期を固定閉弁時期に維持する上限の負荷である。第５の運転制御においては、機関負荷Ｌｚを機械圧縮比が固定機械圧縮比に到達する機関負荷Ｌｙよりも大きく設定している。機関負荷Ｌｙよりも高い機関負荷Ｌｚにおいて、吸気弁の閉弁時期を一定に維持している。
【００９６】
第５の運転制御の固定閉弁時期は、第４の運転制御の固定閉弁時期よりも進角している。低負荷では異常燃焼が高負荷よりも発生しにくいために、第２の運転制御の場合と同様に実圧縮比を高くすることができる。第４の運転制御では、固定閉弁時期を進角して、機関負荷Ｌｚ未満の領域において実圧縮比を高くすることができる。吸気弁の閉弁時期が早くなるために、燃焼室において混合気の圧縮および温度上昇を促進することができる。このために、矢印１１３に示すように、固定点火時期に関する負荷閾値Ｌｔｅを、第４の運転制御における負荷閾値Ｌｔｄよりも小さくすることができる。機関負荷の減少に伴って点火時期を進角する領域を大きくすることができる。燃焼性の低下を抑制しながら第４の運転制御よりも熱効率の向上を図ることができる。
【００９７】
図１５に、本実施の形態における第６の運転制御のグラフを示す。第６の運転制御においては、排気ガスの再循環率の大きさ等に依存して負荷閾値を変化させる第３の運転制御に加えて、吸気弁の閉弁時期を一定に維持する固定閉弁時期を進角する制御を行う。固定機械圧縮比は、第３の運転制御と同様に低下させない制御を行っている。第６の運転制御においては、矢印１１４に示すように、吸気弁の閉弁時期に関する負荷閾値Ｌｔｆを第３の運転制御の負荷閾値Ｌｔｃよりも小さくすることができる。機関負荷の減少に伴って点火時期を進角する領域を大きくすることができるために、第３の運転制御よりも熱効率の向上を図ることができる。
【００９８】
本実施の形態においては、排気ガスの再循環を行う排気ガス再循環装置として、再循環通路および再循環弁を備える外部ＥＧＲ装置について説明を行なったが、この形態に限られず、排気ガス再循環装置は、内部ＥＧＲ装置を含んでいても構わない。内部ＥＧＲ装置は、以前の燃焼サイクルにおいて生じた排気ガスが今回の燃焼サイクルにおいて燃焼室に供給される量を変更可能に形成することができる。たとえば、内部ＥＧＲ装置は、吸気弁と排気弁とが同時に開いているオーバーラップの期間を変更する装置を含むことができる。
【００９９】
また、本実施の形態においては、燃焼性が低下する制御として、排気ガスの再循環を行う制御および燃焼時の空燃比を高くする制御を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、燃焼室における燃焼性が低下する任意の制御を行うときに、本発明を適用することができる。たとえば、燃焼室における燃焼性を向上させるためのスワールコントロールバルブが配置されている内燃機関において、一部のスワールコントロールバルブが故障し、燃焼室においてスワール流の生成を中止する制御を行う場合に、本発明を適用することができる。
【０１００】
上記のそれぞれの実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相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】
【０１０１】
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
９ 排気弁
１７ スロットル弁
２１ 空燃比センサ
２２ 相対位置センサ
２３ バルブタイミングセンサ
２５ カム回転角度センサ
２６ ＥＧＲガス導管
２７ ＥＧＲ制御弁
３０ 電子制御ユニット
５６ 円形カム
５７ 偏心軸
５８ 円形カム
５９ 駆動モータ
７０ カムシャフト
７２ ハウジング
７３ 回転軸
８５ スプール弁
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、燃焼室における点火時期を変更可能な点火時期調整装置とを備え、
高負荷の領域では、負荷が増加した場合に吸気弁の閉弁時期を進角して燃焼室に流入する吸入空気量を増加すると共に機械圧縮比を低下し、
高負荷よりも小さな低負荷の領域では、機械圧縮比を一定の固定機械圧縮比に維持し、吸気弁の閉弁時期を一定の固定閉弁時期に維持し、負荷が減少した場合にはスロットル弁の開度を減少することにより燃焼室に流入する吸入空気量を減少する制御を行うように形成されており、
燃焼室における燃料の燃焼性が低下する制御を行うように形成されており、
燃焼室における燃料の燃焼性を安定化させるための点火時期に関する負荷閾値を有し、負荷閾値よりも小さな負荷の領域では、点火時期を一定の固定点火時期に維持し、
燃焼室における燃料の燃焼性が低下する制御を行う場合に、固定機械圧縮比を低下させると共に固定閉弁時期を進角し、固定機械圧縮比の低下量および固定閉弁時期の進角量に基づいて点火時期に関する負荷閾値が定められていることを特徴とする、火花点火式内燃機関。
【請求項２】
燃焼室における燃料の燃焼性が低下する制御は、排気ガスの再循環率を大きくする制御、および燃焼室における燃焼時の空燃比を大きくする制御のうち少なくとも一方を含むことを特徴とする、請求項１に記載の火花点火式内燃機関。
【請求項３】
燃焼室における燃料の燃焼性に対応する変数を検出する検出装置を備え、
燃焼性に対応する変数を検出し、燃焼室における燃焼性の低下が大きいと判別されるほど、固定機械圧縮比の低下量を大きくし、固定閉弁時期の進角量を大きくする制御を行うことを特徴とする、請求項１または２に記載の火花点火式内燃機関。
【請求項４】
吸気弁の閉弁時期を固定閉弁時期に維持する上限の負荷が、機械圧縮比を固定機械圧縮比に維持する上限の負荷よりも大きく設定されてい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火花点火式内燃機関。
【請求項１】
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、燃焼室における点火時期を変更可能な点火時期調整装置とを備え、
高負荷の領域では、負荷が増加した場合に吸気弁の閉弁時期を進角して燃焼室に流入する吸入空気量を増加すると共に機械圧縮比を低下し、
高負荷よりも小さな低負荷の領域では、機械圧縮比を一定の固定機械圧縮比に維持し、吸気弁の閉弁時期を一定の固定閉弁時期に維持し、負荷が減少した場合にはスロットル弁の開度を減少することにより燃焼室に流入する吸入空気量を減少する制御を行うように形成されており、
燃焼室における燃料の燃焼性が低下する制御を行うように形成されており、
燃焼室における燃料の燃焼性を安定化させるための点火時期に関する負荷閾値を有し、負荷閾値よりも小さな負荷の領域では、点火時期を一定の固定点火時期に維持し、
燃焼室における燃料の燃焼性が低下する制御を行う場合に、固定機械圧縮比を低下させると共に固定閉弁時期を進角し、固定機械圧縮比の低下量および固定閉弁時期の進角量に基づいて点火時期に関する負荷閾値が定められていることを特徴とする、火花点火式内燃機関。
【請求項２】
燃焼室における燃料の燃焼性が低下する制御は、排気ガスの再循環率を大きくする制御、および燃焼室における燃焼時の空燃比を大きくする制御のうち少なくとも一方を含むことを特徴とする、請求項１に記載の火花点火式内燃機関。
【請求項３】
燃焼室における燃料の燃焼性に対応する変数を検出する検出装置を備え、
燃焼性に対応する変数を検出し、燃焼室における燃焼性の低下が大きいと判別されるほど、固定機械圧縮比の低下量を大きくし、固定閉弁時期の進角量を大きくする制御を行うことを特徴とする、請求項１または２に記載の火花点火式内燃機関。
【請求項４】
吸気弁の閉弁時期を固定閉弁時期に維持する上限の負荷が、機械圧縮比を固定機械圧縮比に維持する上限の負荷よりも大きく設定されてい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火花点火式内燃機関。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−２２５１９９（Ｐ２０１２−２２５１９９Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９１４３０（Ｐ２０１１−９１４３０）
【出願日】平成２３年４月１５日（２０１１．４．１５）
【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１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１５日（２０１１．４．１５）
【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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