JP2004218551A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Abstract
【課題】可変動弁機構と可変圧縮比機構とを具備する構成において、慣性力が大となる高速回転域におけるピストンと弁との干渉を防止する。
【解決手段】吸気弁のバルブリフト特性（リフト・作動角および位相）を連続的に可変制御し得る揺動カムを用いた可変動弁機構と、ピストン上死点位置を変更することで圧縮比を連続的に可変制御し得る複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変圧縮比機構と、を備える。高速回転域では、慣性力が大となって、各部のクリアランス分だけ変位し、ピストンと吸気弁との干渉が生じる虞があるので、バルブオーバラップ（吸気弁開時期）の上限値を高速回転域で小さく規制し、かつ圧縮比の上限値を高速回転域で低く規制する。ある回転速度以上では、圧縮比は、最低圧縮比に保持される。
【選択図】 図１３
【解決手段】吸気弁のバルブリフト特性（リフト・作動角および位相）を連続的に可変制御し得る揺動カムを用いた可変動弁機構と、ピストン上死点位置を変更することで圧縮比を連続的に可変制御し得る複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変圧縮比機構と、を備える。高速回転域では、慣性力が大となって、各部のクリアランス分だけ変位し、ピストンと吸気弁との干渉が生じる虞があるので、バルブオーバラップ（吸気弁開時期）の上限値を高速回転域で小さく規制し、かつ圧縮比の上限値を高速回転域で低く規制する。ある回転速度以上では、圧縮比は、最低圧縮比に保持される。
【選択図】 図１３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、吸気弁もしくは排気弁のバルブリフト特性を可変制御する可変動弁機構と機関圧縮比を可変制御する可変圧縮比機構とを組み合わせてなる内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばガソリン機関において、吸気弁の閉時期（ＩＶＣ）を変化させて吸気行程の有効ストロークを制御し、部分負荷運転時のポンプ損失を低減する技術の研究が従来から進められている。
【０００３】
この技術は、吸気行程後半に吸気弁を閉じてしまうことで吸気の有効ストロークを減少させたり、あるいは圧縮行程前半まで吸気弁を開弁させておくことで吸気の有効ストロークを減少させたりするもので、部分負荷運転時にこのような吸気有効ストロークの低減を行うことにより、スロットルバルブによる吸気通路の絞り度合いを小さくすることが可能となり、ポンプ損失を低減することができる。
【０００４】
そして、低負荷時に吸気有効ストロークを小さくして吸気量を減少させる場合、同時に、有効圧縮比も低下して、圧縮行程中の筒内ガス温度が低下し、燃焼悪化の要因となる。そこで、このような問題を解決する方法として、可変圧縮比機構を組み合わせて用いることが考えられている。すなわち、吸気有効ストロークの減少制御に伴って有効圧縮比が低下するときに、その低下分を補うように高圧縮比状態とすべく可変圧縮比機構を制御すればよい。
【０００５】
特許文献１は、本出願人が先に提案したものであり、ここには、揺動カムを用いた可変動弁機構と、複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変動弁機構と、を組み合わせた内燃機関が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２８５８９８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１のように、可変圧縮比機構として、ピストン上死点位置を変更する機構を用いたものでは、高圧縮比状態（上死点におけるピストン位置が一層高くなる状態）において、バルブリフト特性が可変制御される吸排気弁とピストンとの干渉が問題となり、十分な圧縮比制御が行えない可能性がある。
【０００８】
特に、この種の干渉回避の上で、従来は、吸排気弁やピストンの慣性力、あるいは各部のクリアランスによる変位、といったことが考慮されておらず、干渉回避のために、それぞれの制御範囲が過度に狭められてしまう傾向があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、ピストン上死点位置を変更する可変圧縮比機構と、バルブオーバラップが変化するように排気弁閉時期もしくは吸気弁開時期の少なくとも一方を遅進させる可変動弁機構と、を備え、機関運転条件に応じて機関圧縮比とバルブオーバラップとを可変制御する内燃機関の制御装置において、上記バルブオーバラップの上限値が機関回転数によって規制され、かつこの規制値は、高速回転側で低速回転側よりも小さな値となっていることを特徴としている。
【００１０】
また第２の発明は、上記ピストン上死点位置の上限値が機関回転数によって規制され、かつこの規制値は、高速回転側で低速回転側よりも小さな値となっていることを特徴としている。
【００１１】
可変圧縮比機構や可変動弁機構といったクリアランス個所が多い可変機構では、部品の慣性力が大となる高速回転域において、それぞれのクリアランス分だけ部品位置が変位し、さらには各部品の剛性に応じた変位が生じる。特に、ピストンが往復動する可変圧縮比機構は必ず運動方向が変化する死点を有し、また可変動弁機構も揺動カムを用いる場合にはやはり揺動運動が死点を有するものとなるので、慣性力の影響が非常に大きい。このため、これらの２つの可変機構を備えた構成では、弁とピストンとの干渉の可能性が、慣性力つまり機関回転数により異なる。従って、第１の発明のように、高速回転域においてバルブオーバラップの上限値を低速回転域よりも小さく規制すれば、バルブオーバラップによる出力効果を最大としつつ、干渉を回避できる。なお、ここでバルブオーバラップを小さくするとは、吸気弁側に可変動弁機構が設けられている場合には、吸気弁開時期を遅らせることを意味し、排気弁側に可変動弁機構が設けられている場合には、排気弁閉時期を早めることを意味する。
【００１２】
また第２の発明のように、高速回転域においてピストン上死点位置の上限値を低速回転域よりも小さく規制すれば、やはり、慣性力が大となる高速回転域で弁とピストンとの干渉を確実に回避できる。
【００１３】
ここで、機関高速回転域において、上記可変圧縮比機構と上記可変動弁機構の少なくとも一方の機構が、その可変制御範囲の一方の限界位置に保持されているようにすることができる。
【００１４】
このように一方の限界位置とすることで、中間位置での制御を行う場合に比べて、制御の応答性が向上し、かつ制御容量の低減やコストの低減が図れる。
【００１５】
高速回転域で両可変機構のいずれか一方を中間位置で制御する場合、可変動弁機構を中間位置で制御することが望ましい。すなわち、可変動弁機構においては、リフト量によりバルブ運動の限界が異なり、高リフトであれば、バルブスプリング荷重が大であるためバルブ運動の限界が高いが、低リフトとすると、バルブスプリング荷重の低下に伴いバルブ運動の限界が低くなる。このため、高速回転域で、弁−ピストンの干渉回避のために低リフトとすると、バルブ運動の限界が過度に低下する可能性がある。従って、高速回転域であっても、可変動弁機構は中間位置での制御を継続し、他方の可変圧縮比機構でもって弁−ピストン干渉を回避すれば、バルブ運動の限界の低下が生じない。
【００１６】
また、機関高速回転域において、上記可変圧縮比機構と上記可変動弁機構の少なくとも一方の機構を、機関停止時の初期位置と同じ位置に保持するようにしてもよい。
【００１７】
上記可変圧縮比機構が機関停止時の初期位置と同じ位置に保持されるようにすることが望ましい。
【００１８】
一般に、可変圧縮比機構は、燃焼圧を受ける部位を可変制御するため、ある位置に制御するのに、保持力が必要である。一方、可変動弁機構は、燃焼圧を弁とバルブシートとで受けるので、燃焼圧に対する保持力は不要である。従って、可変圧縮比機構を機関停止時の初期位置と同じ位置に保持するようにすれば、その制御位置の保持に要するエネルギが不要となり、消費エネルギの低減が図れる。
【００１９】
また、上記可変動弁機構が、リフト・作動角を連続的に拡大・縮小制御可能なリフト・作動角可変機構とリフト中心角の位相を遅進させる位相可変機構とを具備する場合、バルブオーバラップ上限値を規制するに際して、リフト・作動角可変機構を規制せずに、位相可変機構による位相変化量の上限値を規制するようにしてもよい。
【００２０】
一般に位相可変機構は死点を有する揺動運動ではないので、機関回転数により慣性力が変化しても、クリアランス変化等による位置変化が発生しない。このため、この位相可変機構を用いて弁−ピストンの干渉を制御する方が、より精度良く制御できる。
【００２１】
例えば、請求項９のように、上記可変動弁機構は、
チェーンまたはタイミングベルトを介してクランクシャフトにより回転駆動されるカムスプロケットと、このカムスプロケットにより回転駆動される駆動軸と、上記カムスプロケットと上記駆動軸との位相を変化させる位相可変機構と、
上記駆動軸により回転駆動される偏心カムと、この偏心カムの外周に相対回転可能に嵌合したリンクアームと、上記駆動軸と平行に設けられ、かつ偏心カム部を備えた回動可能な制御軸と、この制御軸の偏心カム部に回転可能に装着され、かつ上記リンクアームにより揺動されるロッカアームと、上記駆動軸に回転可能に支持されるとともに、上記ロッカアームにリンクを介して連結され、該ロッカアームに伴って揺動することにより弁を押圧する揺動カムと、を備えており、上記制御軸の偏心カム部の回動位置を変化させることにより弁のリフト・作動角が同時に増減変化するように構成されたリフト・作動角可変機構と、
を含んでおり、
上記可変圧縮比機構は、ピストンにピストンピンを介して連結された第１リンクと、この第１リンクに揺動可能に連結されるとともにクランクシャフトのクランクピン部に回転可能に連結された第２リンクと、上記第２リンクに揺動可能に連結されるとともに機関本体に揺動可能に支持された第３リンクと、を備え、上記第３リンクの機関本体に対する支点位置を変化させることで圧縮比の可変制御を行うように構成されている。
【００２２】
【発明の効果】
この発明によれば、可変動弁機構により制御されるバルブオーバラップの上限値や可変圧縮比機構により制御されるピストン上死点位置の上限値を、部品の慣性力が大となる機関高速回転域において低速回転域よりも低く規制することにより、弁とピストンとの干渉を確実に回避することができ、かつ同時に、機関低速回転域では、それぞれの制御範囲を十分に大きく設定することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
図１は、この発明に係る内燃機関の制御装置の一実施例を示している。この内燃機関は、吸気弁開閉時期を可変制御するための可変動弁機構１０１と、内燃機関の公称圧縮比（機械的圧縮比）εを可変制御する可変圧縮比機構１０２と、点火時期を制御する点火進角制御装置１０３と、を備えている。
【００２５】
図２は、上記可変動弁機構１０１の構成を示す構成説明図であり、この可変動弁機構は、吸気弁１２のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構１と、そのリフトの中心角の位相（クランクシャフトに対する位相）を進角もしくは遅角させる位相可変機構２と、が組み合わされて構成されている。このようにリフト・作動角可変機構１と位相可変機構２とを組み合わせた可変動弁機構１０１によれば、吸気弁開時期および吸気弁閉時期の双方をそれぞれ独立して任意に制御することが可能であり、従って、固定的に定まっている排気弁閉時期との間でのバルブオーバラップの大きさを変化させることができるとともに、吸気弁閉時期を適宜に変更して実圧縮比を変化させることができる。
【００２６】
まず、図３の動作説明図を併せて、リフト・作動角可変機構１を説明する。なお、このリフト・作動角可変機構１は、本出願人が先に提案したものであるが、例えば上述した特開２００２−２８５８９８号公報等によって公知となっているので、その概要のみを説明する。
【００２７】
リフト・作動角可変機構１は、シリンダヘッド上部に回転自在に支持された中空状の駆動軸１３と、この駆動軸１３に、圧入等により固定された偏心カム１５と、上記駆動軸１３の上方位置に同じく回転自在に支持されるとともに駆動軸１３と平行に配置された制御軸１６と、この制御軸１６の偏心カム部１７に揺動自在に支持されたロッカアーム１８と、各吸気弁１２の上端部に配置されたタペット１９に当接する揺動カム２０と、を備えている。上記偏心カム１５とロッカアーム１８とはリンクアーム２５によって連係されており、ロッカアーム１８と揺動カム２０とは、リンク部材２６によって連係されている。
【００２８】
上記駆動軸１３は、後述するように、タイミングチェーンないしはタイミングベルトを介して機関のクランクシャフトによって駆動されるものである。
【００２９】
上記偏心カム１５は、円形外周面を有し、該外周面の中心が駆動軸１３の軸心から所定量だけオフセットしているとともに、この外周面に、リンクアーム２５の環状部２５ａが回転可能に嵌合している。
【００３０】
上記ロッカアーム１８は、略中央部が上記偏心カム部１７によって支持されており、その一端部に、上記リンクアーム２５の延長部２５ｂが連係しているとともに、他端部に、上記リンク部材２６の上端部が連係している。上記偏心カム部１７は、制御軸１６の軸心から偏心しており、従って、制御軸１６の角度位置に応じてロッカアーム１８の揺動中心は変化する。
【００３１】
上記揺動カム２０は、駆動軸１３の外周に嵌合して回転自在に支持されており、側方へ延びた端部２０ａに、上記リンク部材２６の下端部が連係している。この揺動カム２０の下面には、駆動軸１３と同心状の円弧をなす基円面２４ａと、該基円面２４ａから上記端部２０ａへと所定の曲線を描いて延びるカム面２４ｂと、が連続して形成されており、これらの基円面２４ａならびにカム面２４ｂが、揺動カム２０の揺動位置に応じてタペット１９の上面に当接するようになっている。
【００３２】
すなわち、上記基円面２４ａはベースサークル区間として、リフト量が０となる区間であり、図３に示すように、揺動カム２０が揺動してカム面２４ｂがタペット１９に接触すると、徐々にリフトしていくことになる。なお、ベースサークル区間とリフト区間との間には若干のランプ区間が設けられている。
【００３３】
上記制御軸１６は、図１，２に示すように、一端部に設けられたリフト・作動角制御用油圧アクチュエータ３１によって所定角度範囲内で回転するように構成されている。このリフト・作動角制御用油圧アクチュエータ３１への油圧供給は、エンジンコントロールユニット３３からの制御信号に基づき、第１油圧制御部３２によって制御されている。
【００３４】
このリフト・作動角可変機構１の作用を説明すると、駆動軸１３が回転すると、偏心カム１５のカム作用によってリンクアーム２５が上下動し、これに伴ってロッカアーム１８が揺動する。このロッカアーム１８の揺動は、リンク部材２６を介して揺動カム２０へ伝達され、該揺動カム２０が揺動する。この揺動カム２０のカム作用によって、タペット１９が押圧され、吸気弁１２がリフトする。
【００３５】
ここで、リフト・作動角制御用油圧アクチュエータ３１を介して制御軸１６の角度が変化すると、ロッカアーム１８の初期位置が変化し、ひいては揺動カム２０の初期揺動位置が変化する。
【００３６】
例えば偏心カム部１７が図３（Ａ）のように上方へ位置しているとすると、ロッカアーム１８は全体として上方へ位置し、揺動カム２０の端部２０ａが相対的に上方へ引き上げられた状態となる。つまり、揺動カム２０の初期位置は、そのカム面２４ｂがタペット１９から離れる方向に傾く。従って、駆動軸１３の回転に伴って揺動カム２０が揺動した際に、基円面２４ａが長くタペット１９に接触し続け、カム面２４ｂがタペット１９に接触する期間は短い。従って、リフト量が全体として小さくなり、かつその開時期から閉時期までの角度範囲つまり作動角も縮小する。
【００３７】
逆に、偏心カム部１７が図３（Ｂ）のように下方へ位置しているとすると、ロッカアーム１８は全体として下方へ位置し、揺動カム２０の端部２０ａが相対的に下方へ押し下げられた状態となる。つまり、揺動カム２０の初期位置は、そのカム面２４ｂがタペット１９に近付く方向に傾く。従って、駆動軸１３の回転に伴って揺動カム２０が揺動した際に、タペット１９と接触する部位が基円面２４ａからカム面２４ｂへと直ちに移行する。従って、リフト量が全体として大きくなり、かつその作動角も拡大する。
【００３８】
上記の偏心カム部１７の初期位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、バルブリフト特性は、図４に示すように、連続的に変化する。つまり、リフトならびに作動角を、両者同時に、連続的に拡大，縮小させることができる。なお、この実施例では、リフト・作動角の大小変化に伴い、吸気弁１２の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。
【００３９】
次に、位相可変機構２は、図２に示すように、上記駆動軸１３の前端部に設けられたスプロケット３５と、このスプロケット３５と上記駆動軸１３とを、所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相制御用油圧アクチュエータ３６と、から構成されている。上記スプロケット３５は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトに連動している。上記位相制御用油圧アクチュエータ３６への油圧供給は、エンジンコントロールユニット３３からの制御信号に基づき、第２油圧制御部３７によって制御されている。この位相制御用油圧アクチュエータ３６への油圧制御によって、スプロケット３５と駆動軸１３とが相対的に回転し、リフト中心角が遅進する。つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も、連続的に得ることができる。位相可変機構２としては、油圧式のものに限られず、電磁式アクチュエータを利用したものなど、種々の構成が可能である。
【００４０】
なお、リフト・作動角可変機構１ならびに位相可変機構２の制御としては、実際のリフト・作動角あるいは位相を検出するセンサを設けて、クローズドループ制御するようにしても良く、あるいは運転条件に応じて単にオープンループ制御するようにしても良い。
【００４１】
図５は、可変圧縮比機構１０２の構成を示す図である。
【００４２】
クランクシャフト５１は、複数のジャーナル部５２とクランクピン部５３とを備えており、シリンダブロック５０の主軸受に、ジャーナル部５２が回転自在に支持されている。上記クランクピン部５３は、ジャーナル部５２から所定量偏心しており、ここに第２リンクとなるロアリンク５４が回転自在に連結されている。
【００４３】
上記ロアリンク５４は、複数の部材に分割可能に構成されているとともに、略中央の連結孔に上記クランクピン部５３が嵌合している。
【００４４】
第１リンクとなるアッパリンク５５は、下端側が連結ピン５６によりロアリンク５４の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン５７によりピストン５８に回動可能に連結されている。上記ピストン５８は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック５０のシリンダ５９内を往復動する。なお、上記シリンダ５９の上部に、上記吸気弁１２および図示せぬ排気弁が配置されている。
【００４５】
第３リンクとなるコントロールリンク６０は、上端側が連結ピン６１によりロアリンク５４の他端に回動可能に連結され、下端側が制御軸６２を介して機関本体の一部となるシリンダブロック５０の下部に回動可能に連結されている。詳しくは、制御軸６２は、回転可能に機関本体に支持されているとともに、その回転中心から偏心している偏心カム部６２ａを有し、この偏心カム部６２ａに上記コントロールリンク６０下端部が回転可能に嵌合している。
【００４６】
上記制御軸６２は、エンジンコントロールユニット３３（図１参照）からの制御信号に基づき、電動モータを用いた圧縮比制御アクチュエータ６３によって回動位置が制御される。
【００４７】
上記のような複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変圧縮比機構１０２においては、上記制御軸６２が圧縮比制御アクチュエータ６３によって回動されると、偏心カム部６２ａの中心位置、特に、機関本体に対する相対位置が変化する。これにより、コントロールリンク６０の下端の揺動支持位置が変化する。そして、上記コントロールリンク６０の揺動支持位置が変化すると、ピストン５８の行程が変化し、ピストン上死点（ＴＤＣ）におけるピストン５８の位置が高くなったり低くなったりする。これにより、機関圧縮比を変えることが可能となる。特に、圧縮比を連続的に変化させることができる。
【００４８】
上記エンジンコントロールユニット３３は、エンジン回転数、エンジン負荷、吸入負圧等を検知し、これらの運転条件に基づいて、それぞれの可変機構を最適に制御する。同時に、点火時期や燃料噴射量を制御し、内燃機関の燃焼状態を最適化するのである。なお、図１に示したように、本実施例では、ノッキング発生を検出するノッキングセンサ７１がシリンダブロック５０等に設けられており、このノッキングによっても圧縮比ε等が修正されるようになっている。
【００４９】
図６は、運転領域に対応した吸気弁のリフト・作動角の制御特性を示し、同じく図７は、リフト中心角の位相の制御特性を、図８は、圧縮比の制御特性を、それぞれ示す。また、図９は、代表的ないくつかの点での吸気弁のリフト特性を示す。
【００５０】
これらの図に示すように、アイドルのような極軽負荷域では、極小バルブリフトにより吸気量を制御し、かつ位相を遅角して吸気弁閉時期を下死点近傍として有効圧縮比を確保し燃焼改善を図る。一方、燃焼が安定してくる低負荷以上では、バルブリフトにより吸入抵抗を低減し、バルブタイミング（開閉時期）により吸気量を制御している。低負荷域では、極小リフトよりも大きなバルブリフトとしつつ位相を進角し、吸気弁閉時期を早めることによりポンプ損失を低減して燃費を向上させる。さらに負荷が大となり、燃焼が安定してくる中負荷域では、バルブリフトを増加させるとともに、位相を進角させ、内部ＥＧＲも用いて、燃焼改善ならびにポンプ損失の低減を図る。なお、最大トルク（通常の全開性能に相当）時は、さらにバルブリフトを増大させ、最適なバルブタイミングとなる位相に設定する。また、圧縮比は、低負荷側で高くして熱効率向上を図り、また高負荷側では低くして、ノックを回避しつつ高トルクを確保するようにしてある。
【００５１】
次に、図１０は、可変動弁機構１０１の駆動軸１３の回転角度と揺動カム２０の傾斜角度（揺動カム角度）との関係を示したものである。図示するように、揺動開始時の揺動カム角度が制御軸１６の位置に応じて変化し、リフト・作動角が変化するのであるが、揺動カム２０の往復揺動運動であることから、リフトのピークの点において、運動方向が変化する死点を有する。従って、この死点の位置で、各部品の加速度および慣性力が最大となる。可変動弁機構１０１には、いくつかのクリアランス部位があり、最大慣性力時には、そのクリアランス分もリフトが増加する。これに対し、低速回転時は慣性力が小であるため、バルブスプリング力によってクリアランス分は吸収（リフト小となる方向に押し付けられている）され、所期の特性となる。このため、制御軸１６の角度が同一であっても、高速回転時にはリフト・作動角が僅かに大となり、低速回転時は、リフト・作動角が相対的に小さくなる。
【００５２】
図１１は、可変圧縮比機構１０２におけるクランク角とピストン位置との関係を示したものであり、死点の一つであるピストン上死点位置で、運動方向が変化し、従って、この上死点の位置で、各部品の加速度および慣性力が最大となる。可変圧縮比機構１０２には、やはりいくつかのクリアランス部位があるので、最大慣性力時には、そのクリアランス分だけピストン上死点位置が高く（クランクシャフト中心から離れる方向）なる。
【００５３】
図１２は、同一のバルブリフト特性および圧縮比に制御された下で、内燃機関の回転速度が変化した場合のバルブ下端とピストン冠面との位置（例えば上死点におけるそれぞれの位置）の変化を示している。上述したように、吸気弁のリフト・作動角は、同一の制御条件下でも、機関の回転速度が高くなると、慣性力の影響で僅かに大きくなるので、バルブ下端位置は、下方つまりクランクシャフト中心に近付く。他方、上死点でのピストン位置は、機関の回転速度が高くなると、上方つまりクランクシャフト中心から離れる。従って、両者の間隔は、図示するように、機関高速回転域において減少し、干渉が生じやすくなる。
【００５４】
本発明では、このような干渉を確実に回避するために、それぞれの可変機構の制御範囲の上限値を、機関の回転速度に応じて規制する。
【００５５】
図１３は、このような上限値の規制の第１実施例を示している。図の（ａ）に示すように、可変動弁機構１０１によるバルブオーバラップの上限値は、機関高速回転域において、徐々に小さくなるように規制される。つまり、吸気弁側に可変動弁機構１０１を備えた本実施例では、吸気弁開時期の進角が規制され、低速回転域の場合よりも、吸気弁開時期が遅くなる。また同時に、（ｂ）に示すように、圧縮比機構１０２による圧縮比の上限値が、機関高速回転域において、小さく規制され、特に、ある回転速度以上では、最も圧縮比が低い状態に保持される。これにより、吸気弁１２とピストン５８との干渉が確実に回避される。
【００５６】
図１４は、上限値の規制の第２実施例を示している。これは、（ａ）のようにバルブオーバラップ規制値は一定で、かつ（ｂ）のように圧縮比のみを機関高速回転側で低下させた例である。各部の部品重量を考えると、可変圧縮比機構１０２の部品重量は一般に大であり、可変動弁機構１０１の部品重量は一般に小である。また、可変圧縮比機構１０２のクランクシャフト５１の回転速度を１とすると、可変動弁機構１０１の駆動軸１３の回転速度は、１／２である。このため、中間位置に保持したときの慣性力は、通常は、可変圧縮比機構１０２の方が大となり、可変動弁機構１０１では比較的小さい。このことから、慣性力が大となる可変圧縮比機構１０２を高速回転域では中間保持とせずに、最低圧縮比位置に保持することが、保持エネルギや保持位置精度（慣性力による振幅）の点からも有利となる。
【００５７】
図１５は、第３実施例を示し、特に、可変動弁機構１０１によるオーバラップ上限値の規制を、リフト・作動角可変機構１と位相可変機構２とに分けて示してある。この例では、圧縮比の上限値は、第１、第２実施例と同様に、高速回転域において低圧縮比となるように規制される（ｂ）。そして、リフト・作動角の回転速度による規制は行わず（ａ１）に、位相可変機構２による吸気弁１２の位相制御範囲の上限値（進角側の最大値）を、機関高速回転域において徐々に小さく規制（遅角側に規制）する（ａ２）ようにしている。一般にバルブがカムから離れるバルブ不正運動は、バルブ慣性力とバルブスプリング力の不釣り合いで発生する。バルブリフト量が大きいほどバルブスプリング力は大となるので、通常は、リフト・作動角を小さく制御すると、バルブ不正運動が生じやすくなる。しかも、バルブスプリング力は、その劣化等によって変化しやすい。そのため、高速回転域におけるバルブオーバラップの規制を、この実施例のように位相のみで行うと、バルブ不正運動を考慮した制御が不要となる。
【００５８】
これに対し、図１６に示す第４実施例は、リフト・作動角を小さくしたときのバルブ運動の悪化を考慮し、その予測される範囲内で、高速回転域においてリフト・作動角を小さく規制するようにしたものである。この場合でも、リフト・作動角を機関停止時の初期位置とはせずに、圧縮比（ピストン上死点位置）を機関停止時の初期位置に保持する。
【００５９】
なお、上記実施例では、吸気弁側に可変動弁機構１０１を備えているが、排気弁側に可変動弁機構を備えた構成においても本発明は同様に適用できる。但し、この場合は、排気弁閉時期を進角させるほど、バルブオーバラップが小となってピストンとの干渉が生じにくくなるので、進角・遅角の方向が上記実施例とは逆となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る制御装置のシステム全体を示す構成説明図。
【図２】この実施例における可変動弁機構を示す斜視図。
【図３】リフト・作動角可変機構の動作説明図。
【図４】リフト・作動角可変機構によるリフト・作動角の特性変化を示す特性図。
【図５】この実施例における可変圧縮比機構を示す正面図。
【図６】リフト・作動角の制御特性を示す特性図。
【図７】リフト中心角の位相の制御特性を示す特性図。
【図８】圧縮比の制御特性を示す特性図。
【図９】代表的な点でのバルブリフト特性を示す説明図。
【図１０】可変動弁機構の駆動軸角度と揺動カム角度との関係を示す特性図。
【図１１】可変圧縮比機構のクランク角とピストン位置との関係を示す特性図。
【図１２】機関回転速度によるバルブ下端とピストン冠面との位置変化を示す特性図。
【図１３】第１実施例におけるバルブオーバラップ上限値の規制（ａ）と圧縮比上限値の規制（ｂ）の特性を示す特性図。
【図１４】第２実施例におけるバルブオーバラップ上限値の規制（ａ）と圧縮比上限値の規制（ｂ）の特性を示す特性図。
【図１５】第３実施例におけるリフト・作動角上限値の規制（ａ１）、位相上限値の規制（ａ２）および圧縮比上限値の規制（ｂ）の特性を示す特性図。
【図１６】第４実施例におけるリフト・作動角上限値の規制（ａ１）、位相上限値の規制（ａ２）および圧縮比上限値の規制（ｂ）の特性を示す特性図。
【符号の説明】
１０１…可変動弁機構
１０２…可変圧縮比機構
１…リフト・作動角可変機構
２…位相可変機構
【発明の属する技術分野】
この発明は、吸気弁もしくは排気弁のバルブリフト特性を可変制御する可変動弁機構と機関圧縮比を可変制御する可変圧縮比機構とを組み合わせてなる内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばガソリン機関において、吸気弁の閉時期（ＩＶＣ）を変化させて吸気行程の有効ストロークを制御し、部分負荷運転時のポンプ損失を低減する技術の研究が従来から進められている。
【０００３】
この技術は、吸気行程後半に吸気弁を閉じてしまうことで吸気の有効ストロークを減少させたり、あるいは圧縮行程前半まで吸気弁を開弁させておくことで吸気の有効ストロークを減少させたりするもので、部分負荷運転時にこのような吸気有効ストロークの低減を行うことにより、スロットルバルブによる吸気通路の絞り度合いを小さくすることが可能となり、ポンプ損失を低減することができる。
【０００４】
そして、低負荷時に吸気有効ストロークを小さくして吸気量を減少させる場合、同時に、有効圧縮比も低下して、圧縮行程中の筒内ガス温度が低下し、燃焼悪化の要因となる。そこで、このような問題を解決する方法として、可変圧縮比機構を組み合わせて用いることが考えられている。すなわち、吸気有効ストロークの減少制御に伴って有効圧縮比が低下するときに、その低下分を補うように高圧縮比状態とすべく可変圧縮比機構を制御すればよい。
【０００５】
特許文献１は、本出願人が先に提案したものであり、ここには、揺動カムを用いた可変動弁機構と、複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変動弁機構と、を組み合わせた内燃機関が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２８５８９８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１のように、可変圧縮比機構として、ピストン上死点位置を変更する機構を用いたものでは、高圧縮比状態（上死点におけるピストン位置が一層高くなる状態）において、バルブリフト特性が可変制御される吸排気弁とピストンとの干渉が問題となり、十分な圧縮比制御が行えない可能性がある。
【０００８】
特に、この種の干渉回避の上で、従来は、吸排気弁やピストンの慣性力、あるいは各部のクリアランスによる変位、といったことが考慮されておらず、干渉回避のために、それぞれの制御範囲が過度に狭められてしまう傾向があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、ピストン上死点位置を変更する可変圧縮比機構と、バルブオーバラップが変化するように排気弁閉時期もしくは吸気弁開時期の少なくとも一方を遅進させる可変動弁機構と、を備え、機関運転条件に応じて機関圧縮比とバルブオーバラップとを可変制御する内燃機関の制御装置において、上記バルブオーバラップの上限値が機関回転数によって規制され、かつこの規制値は、高速回転側で低速回転側よりも小さな値となっていることを特徴としている。
【００１０】
また第２の発明は、上記ピストン上死点位置の上限値が機関回転数によって規制され、かつこの規制値は、高速回転側で低速回転側よりも小さな値となっていることを特徴としている。
【００１１】
可変圧縮比機構や可変動弁機構といったクリアランス個所が多い可変機構では、部品の慣性力が大となる高速回転域において、それぞれのクリアランス分だけ部品位置が変位し、さらには各部品の剛性に応じた変位が生じる。特に、ピストンが往復動する可変圧縮比機構は必ず運動方向が変化する死点を有し、また可変動弁機構も揺動カムを用いる場合にはやはり揺動運動が死点を有するものとなるので、慣性力の影響が非常に大きい。このため、これらの２つの可変機構を備えた構成では、弁とピストンとの干渉の可能性が、慣性力つまり機関回転数により異なる。従って、第１の発明のように、高速回転域においてバルブオーバラップの上限値を低速回転域よりも小さく規制すれば、バルブオーバラップによる出力効果を最大としつつ、干渉を回避できる。なお、ここでバルブオーバラップを小さくするとは、吸気弁側に可変動弁機構が設けられている場合には、吸気弁開時期を遅らせることを意味し、排気弁側に可変動弁機構が設けられている場合には、排気弁閉時期を早めることを意味する。
【００１２】
また第２の発明のように、高速回転域においてピストン上死点位置の上限値を低速回転域よりも小さく規制すれば、やはり、慣性力が大となる高速回転域で弁とピストンとの干渉を確実に回避できる。
【００１３】
ここで、機関高速回転域において、上記可変圧縮比機構と上記可変動弁機構の少なくとも一方の機構が、その可変制御範囲の一方の限界位置に保持されているようにすることができる。
【００１４】
このように一方の限界位置とすることで、中間位置での制御を行う場合に比べて、制御の応答性が向上し、かつ制御容量の低減やコストの低減が図れる。
【００１５】
高速回転域で両可変機構のいずれか一方を中間位置で制御する場合、可変動弁機構を中間位置で制御することが望ましい。すなわち、可変動弁機構においては、リフト量によりバルブ運動の限界が異なり、高リフトであれば、バルブスプリング荷重が大であるためバルブ運動の限界が高いが、低リフトとすると、バルブスプリング荷重の低下に伴いバルブ運動の限界が低くなる。このため、高速回転域で、弁−ピストンの干渉回避のために低リフトとすると、バルブ運動の限界が過度に低下する可能性がある。従って、高速回転域であっても、可変動弁機構は中間位置での制御を継続し、他方の可変圧縮比機構でもって弁−ピストン干渉を回避すれば、バルブ運動の限界の低下が生じない。
【００１６】
また、機関高速回転域において、上記可変圧縮比機構と上記可変動弁機構の少なくとも一方の機構を、機関停止時の初期位置と同じ位置に保持するようにしてもよい。
【００１７】
上記可変圧縮比機構が機関停止時の初期位置と同じ位置に保持されるようにすることが望ましい。
【００１８】
一般に、可変圧縮比機構は、燃焼圧を受ける部位を可変制御するため、ある位置に制御するのに、保持力が必要である。一方、可変動弁機構は、燃焼圧を弁とバルブシートとで受けるので、燃焼圧に対する保持力は不要である。従って、可変圧縮比機構を機関停止時の初期位置と同じ位置に保持するようにすれば、その制御位置の保持に要するエネルギが不要となり、消費エネルギの低減が図れる。
【００１９】
また、上記可変動弁機構が、リフト・作動角を連続的に拡大・縮小制御可能なリフト・作動角可変機構とリフト中心角の位相を遅進させる位相可変機構とを具備する場合、バルブオーバラップ上限値を規制するに際して、リフト・作動角可変機構を規制せずに、位相可変機構による位相変化量の上限値を規制するようにしてもよい。
【００２０】
一般に位相可変機構は死点を有する揺動運動ではないので、機関回転数により慣性力が変化しても、クリアランス変化等による位置変化が発生しない。このため、この位相可変機構を用いて弁−ピストンの干渉を制御する方が、より精度良く制御できる。
【００２１】
例えば、請求項９のように、上記可変動弁機構は、
チェーンまたはタイミングベルトを介してクランクシャフトにより回転駆動されるカムスプロケットと、このカムスプロケットにより回転駆動される駆動軸と、上記カムスプロケットと上記駆動軸との位相を変化させる位相可変機構と、
上記駆動軸により回転駆動される偏心カムと、この偏心カムの外周に相対回転可能に嵌合したリンクアームと、上記駆動軸と平行に設けられ、かつ偏心カム部を備えた回動可能な制御軸と、この制御軸の偏心カム部に回転可能に装着され、かつ上記リンクアームにより揺動されるロッカアームと、上記駆動軸に回転可能に支持されるとともに、上記ロッカアームにリンクを介して連結され、該ロッカアームに伴って揺動することにより弁を押圧する揺動カムと、を備えており、上記制御軸の偏心カム部の回動位置を変化させることにより弁のリフト・作動角が同時に増減変化するように構成されたリフト・作動角可変機構と、
を含んでおり、
上記可変圧縮比機構は、ピストンにピストンピンを介して連結された第１リンクと、この第１リンクに揺動可能に連結されるとともにクランクシャフトのクランクピン部に回転可能に連結された第２リンクと、上記第２リンクに揺動可能に連結されるとともに機関本体に揺動可能に支持された第３リンクと、を備え、上記第３リンクの機関本体に対する支点位置を変化させることで圧縮比の可変制御を行うように構成されている。
【００２２】
【発明の効果】
この発明によれば、可変動弁機構により制御されるバルブオーバラップの上限値や可変圧縮比機構により制御されるピストン上死点位置の上限値を、部品の慣性力が大となる機関高速回転域において低速回転域よりも低く規制することにより、弁とピストンとの干渉を確実に回避することができ、かつ同時に、機関低速回転域では、それぞれの制御範囲を十分に大きく設定することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
図１は、この発明に係る内燃機関の制御装置の一実施例を示している。この内燃機関は、吸気弁開閉時期を可変制御するための可変動弁機構１０１と、内燃機関の公称圧縮比（機械的圧縮比）εを可変制御する可変圧縮比機構１０２と、点火時期を制御する点火進角制御装置１０３と、を備えている。
【００２５】
図２は、上記可変動弁機構１０１の構成を示す構成説明図であり、この可変動弁機構は、吸気弁１２のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構１と、そのリフトの中心角の位相（クランクシャフトに対する位相）を進角もしくは遅角させる位相可変機構２と、が組み合わされて構成されている。このようにリフト・作動角可変機構１と位相可変機構２とを組み合わせた可変動弁機構１０１によれば、吸気弁開時期および吸気弁閉時期の双方をそれぞれ独立して任意に制御することが可能であり、従って、固定的に定まっている排気弁閉時期との間でのバルブオーバラップの大きさを変化させることができるとともに、吸気弁閉時期を適宜に変更して実圧縮比を変化させることができる。
【００２６】
まず、図３の動作説明図を併せて、リフト・作動角可変機構１を説明する。なお、このリフト・作動角可変機構１は、本出願人が先に提案したものであるが、例えば上述した特開２００２−２８５８９８号公報等によって公知となっているので、その概要のみを説明する。
【００２７】
リフト・作動角可変機構１は、シリンダヘッド上部に回転自在に支持された中空状の駆動軸１３と、この駆動軸１３に、圧入等により固定された偏心カム１５と、上記駆動軸１３の上方位置に同じく回転自在に支持されるとともに駆動軸１３と平行に配置された制御軸１６と、この制御軸１６の偏心カム部１７に揺動自在に支持されたロッカアーム１８と、各吸気弁１２の上端部に配置されたタペット１９に当接する揺動カム２０と、を備えている。上記偏心カム１５とロッカアーム１８とはリンクアーム２５によって連係されており、ロッカアーム１８と揺動カム２０とは、リンク部材２６によって連係されている。
【００２８】
上記駆動軸１３は、後述するように、タイミングチェーンないしはタイミングベルトを介して機関のクランクシャフトによって駆動されるものである。
【００２９】
上記偏心カム１５は、円形外周面を有し、該外周面の中心が駆動軸１３の軸心から所定量だけオフセットしているとともに、この外周面に、リンクアーム２５の環状部２５ａが回転可能に嵌合している。
【００３０】
上記ロッカアーム１８は、略中央部が上記偏心カム部１７によって支持されており、その一端部に、上記リンクアーム２５の延長部２５ｂが連係しているとともに、他端部に、上記リンク部材２６の上端部が連係している。上記偏心カム部１７は、制御軸１６の軸心から偏心しており、従って、制御軸１６の角度位置に応じてロッカアーム１８の揺動中心は変化する。
【００３１】
上記揺動カム２０は、駆動軸１３の外周に嵌合して回転自在に支持されており、側方へ延びた端部２０ａに、上記リンク部材２６の下端部が連係している。この揺動カム２０の下面には、駆動軸１３と同心状の円弧をなす基円面２４ａと、該基円面２４ａから上記端部２０ａへと所定の曲線を描いて延びるカム面２４ｂと、が連続して形成されており、これらの基円面２４ａならびにカム面２４ｂが、揺動カム２０の揺動位置に応じてタペット１９の上面に当接するようになっている。
【００３２】
すなわち、上記基円面２４ａはベースサークル区間として、リフト量が０となる区間であり、図３に示すように、揺動カム２０が揺動してカム面２４ｂがタペット１９に接触すると、徐々にリフトしていくことになる。なお、ベースサークル区間とリフト区間との間には若干のランプ区間が設けられている。
【００３３】
上記制御軸１６は、図１，２に示すように、一端部に設けられたリフト・作動角制御用油圧アクチュエータ３１によって所定角度範囲内で回転するように構成されている。このリフト・作動角制御用油圧アクチュエータ３１への油圧供給は、エンジンコントロールユニット３３からの制御信号に基づき、第１油圧制御部３２によって制御されている。
【００３４】
このリフト・作動角可変機構１の作用を説明すると、駆動軸１３が回転すると、偏心カム１５のカム作用によってリンクアーム２５が上下動し、これに伴ってロッカアーム１８が揺動する。このロッカアーム１８の揺動は、リンク部材２６を介して揺動カム２０へ伝達され、該揺動カム２０が揺動する。この揺動カム２０のカム作用によって、タペット１９が押圧され、吸気弁１２がリフトする。
【００３５】
ここで、リフト・作動角制御用油圧アクチュエータ３１を介して制御軸１６の角度が変化すると、ロッカアーム１８の初期位置が変化し、ひいては揺動カム２０の初期揺動位置が変化する。
【００３６】
例えば偏心カム部１７が図３（Ａ）のように上方へ位置しているとすると、ロッカアーム１８は全体として上方へ位置し、揺動カム２０の端部２０ａが相対的に上方へ引き上げられた状態となる。つまり、揺動カム２０の初期位置は、そのカム面２４ｂがタペット１９から離れる方向に傾く。従って、駆動軸１３の回転に伴って揺動カム２０が揺動した際に、基円面２４ａが長くタペット１９に接触し続け、カム面２４ｂがタペット１９に接触する期間は短い。従って、リフト量が全体として小さくなり、かつその開時期から閉時期までの角度範囲つまり作動角も縮小する。
【００３７】
逆に、偏心カム部１７が図３（Ｂ）のように下方へ位置しているとすると、ロッカアーム１８は全体として下方へ位置し、揺動カム２０の端部２０ａが相対的に下方へ押し下げられた状態となる。つまり、揺動カム２０の初期位置は、そのカム面２４ｂがタペット１９に近付く方向に傾く。従って、駆動軸１３の回転に伴って揺動カム２０が揺動した際に、タペット１９と接触する部位が基円面２４ａからカム面２４ｂへと直ちに移行する。従って、リフト量が全体として大きくなり、かつその作動角も拡大する。
【００３８】
上記の偏心カム部１７の初期位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、バルブリフト特性は、図４に示すように、連続的に変化する。つまり、リフトならびに作動角を、両者同時に、連続的に拡大，縮小させることができる。なお、この実施例では、リフト・作動角の大小変化に伴い、吸気弁１２の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。
【００３９】
次に、位相可変機構２は、図２に示すように、上記駆動軸１３の前端部に設けられたスプロケット３５と、このスプロケット３５と上記駆動軸１３とを、所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相制御用油圧アクチュエータ３６と、から構成されている。上記スプロケット３５は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトに連動している。上記位相制御用油圧アクチュエータ３６への油圧供給は、エンジンコントロールユニット３３からの制御信号に基づき、第２油圧制御部３７によって制御されている。この位相制御用油圧アクチュエータ３６への油圧制御によって、スプロケット３５と駆動軸１３とが相対的に回転し、リフト中心角が遅進する。つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も、連続的に得ることができる。位相可変機構２としては、油圧式のものに限られず、電磁式アクチュエータを利用したものなど、種々の構成が可能である。
【００４０】
なお、リフト・作動角可変機構１ならびに位相可変機構２の制御としては、実際のリフト・作動角あるいは位相を検出するセンサを設けて、クローズドループ制御するようにしても良く、あるいは運転条件に応じて単にオープンループ制御するようにしても良い。
【００４１】
図５は、可変圧縮比機構１０２の構成を示す図である。
【００４２】
クランクシャフト５１は、複数のジャーナル部５２とクランクピン部５３とを備えており、シリンダブロック５０の主軸受に、ジャーナル部５２が回転自在に支持されている。上記クランクピン部５３は、ジャーナル部５２から所定量偏心しており、ここに第２リンクとなるロアリンク５４が回転自在に連結されている。
【００４３】
上記ロアリンク５４は、複数の部材に分割可能に構成されているとともに、略中央の連結孔に上記クランクピン部５３が嵌合している。
【００４４】
第１リンクとなるアッパリンク５５は、下端側が連結ピン５６によりロアリンク５４の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン５７によりピストン５８に回動可能に連結されている。上記ピストン５８は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック５０のシリンダ５９内を往復動する。なお、上記シリンダ５９の上部に、上記吸気弁１２および図示せぬ排気弁が配置されている。
【００４５】
第３リンクとなるコントロールリンク６０は、上端側が連結ピン６１によりロアリンク５４の他端に回動可能に連結され、下端側が制御軸６２を介して機関本体の一部となるシリンダブロック５０の下部に回動可能に連結されている。詳しくは、制御軸６２は、回転可能に機関本体に支持されているとともに、その回転中心から偏心している偏心カム部６２ａを有し、この偏心カム部６２ａに上記コントロールリンク６０下端部が回転可能に嵌合している。
【００４６】
上記制御軸６２は、エンジンコントロールユニット３３（図１参照）からの制御信号に基づき、電動モータを用いた圧縮比制御アクチュエータ６３によって回動位置が制御される。
【００４７】
上記のような複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変圧縮比機構１０２においては、上記制御軸６２が圧縮比制御アクチュエータ６３によって回動されると、偏心カム部６２ａの中心位置、特に、機関本体に対する相対位置が変化する。これにより、コントロールリンク６０の下端の揺動支持位置が変化する。そして、上記コントロールリンク６０の揺動支持位置が変化すると、ピストン５８の行程が変化し、ピストン上死点（ＴＤＣ）におけるピストン５８の位置が高くなったり低くなったりする。これにより、機関圧縮比を変えることが可能となる。特に、圧縮比を連続的に変化させることができる。
【００４８】
上記エンジンコントロールユニット３３は、エンジン回転数、エンジン負荷、吸入負圧等を検知し、これらの運転条件に基づいて、それぞれの可変機構を最適に制御する。同時に、点火時期や燃料噴射量を制御し、内燃機関の燃焼状態を最適化するのである。なお、図１に示したように、本実施例では、ノッキング発生を検出するノッキングセンサ７１がシリンダブロック５０等に設けられており、このノッキングによっても圧縮比ε等が修正されるようになっている。
【００４９】
図６は、運転領域に対応した吸気弁のリフト・作動角の制御特性を示し、同じく図７は、リフト中心角の位相の制御特性を、図８は、圧縮比の制御特性を、それぞれ示す。また、図９は、代表的ないくつかの点での吸気弁のリフト特性を示す。
【００５０】
これらの図に示すように、アイドルのような極軽負荷域では、極小バルブリフトにより吸気量を制御し、かつ位相を遅角して吸気弁閉時期を下死点近傍として有効圧縮比を確保し燃焼改善を図る。一方、燃焼が安定してくる低負荷以上では、バルブリフトにより吸入抵抗を低減し、バルブタイミング（開閉時期）により吸気量を制御している。低負荷域では、極小リフトよりも大きなバルブリフトとしつつ位相を進角し、吸気弁閉時期を早めることによりポンプ損失を低減して燃費を向上させる。さらに負荷が大となり、燃焼が安定してくる中負荷域では、バルブリフトを増加させるとともに、位相を進角させ、内部ＥＧＲも用いて、燃焼改善ならびにポンプ損失の低減を図る。なお、最大トルク（通常の全開性能に相当）時は、さらにバルブリフトを増大させ、最適なバルブタイミングとなる位相に設定する。また、圧縮比は、低負荷側で高くして熱効率向上を図り、また高負荷側では低くして、ノックを回避しつつ高トルクを確保するようにしてある。
【００５１】
次に、図１０は、可変動弁機構１０１の駆動軸１３の回転角度と揺動カム２０の傾斜角度（揺動カム角度）との関係を示したものである。図示するように、揺動開始時の揺動カム角度が制御軸１６の位置に応じて変化し、リフト・作動角が変化するのであるが、揺動カム２０の往復揺動運動であることから、リフトのピークの点において、運動方向が変化する死点を有する。従って、この死点の位置で、各部品の加速度および慣性力が最大となる。可変動弁機構１０１には、いくつかのクリアランス部位があり、最大慣性力時には、そのクリアランス分もリフトが増加する。これに対し、低速回転時は慣性力が小であるため、バルブスプリング力によってクリアランス分は吸収（リフト小となる方向に押し付けられている）され、所期の特性となる。このため、制御軸１６の角度が同一であっても、高速回転時にはリフト・作動角が僅かに大となり、低速回転時は、リフト・作動角が相対的に小さくなる。
【００５２】
図１１は、可変圧縮比機構１０２におけるクランク角とピストン位置との関係を示したものであり、死点の一つであるピストン上死点位置で、運動方向が変化し、従って、この上死点の位置で、各部品の加速度および慣性力が最大となる。可変圧縮比機構１０２には、やはりいくつかのクリアランス部位があるので、最大慣性力時には、そのクリアランス分だけピストン上死点位置が高く（クランクシャフト中心から離れる方向）なる。
【００５３】
図１２は、同一のバルブリフト特性および圧縮比に制御された下で、内燃機関の回転速度が変化した場合のバルブ下端とピストン冠面との位置（例えば上死点におけるそれぞれの位置）の変化を示している。上述したように、吸気弁のリフト・作動角は、同一の制御条件下でも、機関の回転速度が高くなると、慣性力の影響で僅かに大きくなるので、バルブ下端位置は、下方つまりクランクシャフト中心に近付く。他方、上死点でのピストン位置は、機関の回転速度が高くなると、上方つまりクランクシャフト中心から離れる。従って、両者の間隔は、図示するように、機関高速回転域において減少し、干渉が生じやすくなる。
【００５４】
本発明では、このような干渉を確実に回避するために、それぞれの可変機構の制御範囲の上限値を、機関の回転速度に応じて規制する。
【００５５】
図１３は、このような上限値の規制の第１実施例を示している。図の（ａ）に示すように、可変動弁機構１０１によるバルブオーバラップの上限値は、機関高速回転域において、徐々に小さくなるように規制される。つまり、吸気弁側に可変動弁機構１０１を備えた本実施例では、吸気弁開時期の進角が規制され、低速回転域の場合よりも、吸気弁開時期が遅くなる。また同時に、（ｂ）に示すように、圧縮比機構１０２による圧縮比の上限値が、機関高速回転域において、小さく規制され、特に、ある回転速度以上では、最も圧縮比が低い状態に保持される。これにより、吸気弁１２とピストン５８との干渉が確実に回避される。
【００５６】
図１４は、上限値の規制の第２実施例を示している。これは、（ａ）のようにバルブオーバラップ規制値は一定で、かつ（ｂ）のように圧縮比のみを機関高速回転側で低下させた例である。各部の部品重量を考えると、可変圧縮比機構１０２の部品重量は一般に大であり、可変動弁機構１０１の部品重量は一般に小である。また、可変圧縮比機構１０２のクランクシャフト５１の回転速度を１とすると、可変動弁機構１０１の駆動軸１３の回転速度は、１／２である。このため、中間位置に保持したときの慣性力は、通常は、可変圧縮比機構１０２の方が大となり、可変動弁機構１０１では比較的小さい。このことから、慣性力が大となる可変圧縮比機構１０２を高速回転域では中間保持とせずに、最低圧縮比位置に保持することが、保持エネルギや保持位置精度（慣性力による振幅）の点からも有利となる。
【００５７】
図１５は、第３実施例を示し、特に、可変動弁機構１０１によるオーバラップ上限値の規制を、リフト・作動角可変機構１と位相可変機構２とに分けて示してある。この例では、圧縮比の上限値は、第１、第２実施例と同様に、高速回転域において低圧縮比となるように規制される（ｂ）。そして、リフト・作動角の回転速度による規制は行わず（ａ１）に、位相可変機構２による吸気弁１２の位相制御範囲の上限値（進角側の最大値）を、機関高速回転域において徐々に小さく規制（遅角側に規制）する（ａ２）ようにしている。一般にバルブがカムから離れるバルブ不正運動は、バルブ慣性力とバルブスプリング力の不釣り合いで発生する。バルブリフト量が大きいほどバルブスプリング力は大となるので、通常は、リフト・作動角を小さく制御すると、バルブ不正運動が生じやすくなる。しかも、バルブスプリング力は、その劣化等によって変化しやすい。そのため、高速回転域におけるバルブオーバラップの規制を、この実施例のように位相のみで行うと、バルブ不正運動を考慮した制御が不要となる。
【００５８】
これに対し、図１６に示す第４実施例は、リフト・作動角を小さくしたときのバルブ運動の悪化を考慮し、その予測される範囲内で、高速回転域においてリフト・作動角を小さく規制するようにしたものである。この場合でも、リフト・作動角を機関停止時の初期位置とはせずに、圧縮比（ピストン上死点位置）を機関停止時の初期位置に保持する。
【００５９】
なお、上記実施例では、吸気弁側に可変動弁機構１０１を備えているが、排気弁側に可変動弁機構を備えた構成においても本発明は同様に適用できる。但し、この場合は、排気弁閉時期を進角させるほど、バルブオーバラップが小となってピストンとの干渉が生じにくくなるので、進角・遅角の方向が上記実施例とは逆となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る制御装置のシステム全体を示す構成説明図。
【図２】この実施例における可変動弁機構を示す斜視図。
【図３】リフト・作動角可変機構の動作説明図。
【図４】リフト・作動角可変機構によるリフト・作動角の特性変化を示す特性図。
【図５】この実施例における可変圧縮比機構を示す正面図。
【図６】リフト・作動角の制御特性を示す特性図。
【図７】リフト中心角の位相の制御特性を示す特性図。
【図８】圧縮比の制御特性を示す特性図。
【図９】代表的な点でのバルブリフト特性を示す説明図。
【図１０】可変動弁機構の駆動軸角度と揺動カム角度との関係を示す特性図。
【図１１】可変圧縮比機構のクランク角とピストン位置との関係を示す特性図。
【図１２】機関回転速度によるバルブ下端とピストン冠面との位置変化を示す特性図。
【図１３】第１実施例におけるバルブオーバラップ上限値の規制（ａ）と圧縮比上限値の規制（ｂ）の特性を示す特性図。
【図１４】第２実施例におけるバルブオーバラップ上限値の規制（ａ）と圧縮比上限値の規制（ｂ）の特性を示す特性図。
【図１５】第３実施例におけるリフト・作動角上限値の規制（ａ１）、位相上限値の規制（ａ２）および圧縮比上限値の規制（ｂ）の特性を示す特性図。
【図１６】第４実施例におけるリフト・作動角上限値の規制（ａ１）、位相上限値の規制（ａ２）および圧縮比上限値の規制（ｂ）の特性を示す特性図。
【符号の説明】
１０１…可変動弁機構
１０２…可変圧縮比機構
１…リフト・作動角可変機構
２…位相可変機構
Claims (9)
- ピストン上死点位置を変更する可変圧縮比機構と、バルブオーバラップが変化するように排気弁閉時期もしくは吸気弁開時期の少なくとも一方を遅進させる可変動弁機構と、を備え、機関運転条件に応じて機関圧縮比とバルブオーバラップとを可変制御する内燃機関の制御装置において、
上記バルブオーバラップの上限値が機関回転数によって規制され、かつこの規制値は、高速回転側で低速回転側よりも小さな値となっていることを特徴とする内燃機関の制御装置。 - ピストン上死点位置を変更する可変圧縮比機構と、バルブオーバラップが変化するように排気弁閉時期もしくは吸気弁開時期の少なくとも一方を遅進させる可変動弁機構と、を備え、機関運転条件に応じて機関圧縮比とバルブオーバラップとを可変制御する内燃機関の制御装置において、
上記ピストン上死点位置の上限値が機関回転数によって規制され、かつこの規制値は、高速回転側で低速回転側よりも小さな値となっていることを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 上記可変圧縮比機構と上記可変動弁機構の少なくとも一方の機構は、高速回転域においては、その可変制御範囲の一方の限界位置に保持されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
- 上記可変圧縮比機構と上記可変動弁機構の少なくとも一方の機構は、高速回転域においては、機関停止時の初期位置と同じ位置に保持されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
- 上記可変動弁機構は、高速回転域において、中間位置で制御されることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
- 上記可変圧縮比機構が機関停止時の初期位置と同じ位置に保持されることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
- 上記可変動弁機構は、リフト・作動角を連続的に拡大・縮小制御可能なリフト・作動角可変機構とリフト中心角の位相を遅進させる位相可変機構とを具備し、位相可変機構による位相変化量の上限値を規制することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
- 上記可変動弁機構は、死点を有する揺動カムが弁を開閉駆動する構成であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
- 上記可変動弁機構は、
チェーンまたはタイミングベルトを介してクランクシャフトにより回転駆動されるカムスプロケットと、このカムスプロケットにより回転駆動される駆動軸と、上記カムスプロケットと上記駆動軸との位相を変化させる位相可変機構と、
上記駆動軸により回転駆動される偏心カムと、この偏心カムの外周に相対回転可能に嵌合したリンクアームと、上記駆動軸と平行に設けられ、かつ偏心カム部を備えた回動可能な制御軸と、この制御軸の偏心カム部に回転可能に装着され、かつ上記リンクアームにより揺動されるロッカアームと、上記駆動軸に回転可能に支持されるとともに、上記ロッカアームにリンクを介して連結され、該ロッカアームに伴って揺動することにより弁を押圧する揺動カムと、を備えており、上記制御軸の偏心カム部の回動位置を変化させることにより弁のリフト・作動角が同時に増減変化するように構成されたリフト・作動角可変機構と、
を含んでおり、
上記可変圧縮比機構は、ピストンにピストンピンを介して連結された第１リンクと、この第１リンクに揺動可能に連結されるとともにクランクシャフトのクランクピン部に回転可能に連結された第２リンクと、上記第２リンクに揺動可能に連結されるとともに機関本体に揺動可能に支持された第３リンクと、を備え、上記第３リンクの機関本体に対する支点位置を変化させることで圧縮比の可変制御を行うように構成されている、ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
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