JP2007218152A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の熱効率を向上させる。
【解決手段】内燃機関の制御装置は、筒内での燃料の燃焼時間を内燃機関の要求駆動力に応じて演算する燃焼時間演算手段Ｂ４と、膨張行程における膨張速度を内燃機関の要求駆動力に応じて演算する膨張速度演算手段Ｂ２と、燃焼時間演算手段Ｂ４の演算結果に応じて筒内での燃料の燃焼時間を変更可能な燃焼時間変更手段Ｂ５と、膨張速度演算手段Ｂ２の演算結果に応じて膨張行程における膨張速度を内燃機関の回転数に関わらず変更可能な膨張速度変更手段Ｂ３と、を有する。これによって、燃焼時間と膨張速度とを最適とすることができ熱効率を向上させることができる。
【選択図】図８

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

特許文献１には、４サイクルの内燃機関において、圧縮行程及び排気行程における上死点付近のピストンモーションに対して、膨張行程及び吸気行程における上死点付近のピストンモーションを遅くすることで、燃焼の遅れによる等容度の低下を軽減している内燃機関が開示されている。換言すれば、特許文献１には、ピストン下降時間に比べて、ピストン上昇時間が相対的に短くなるよう構成された内燃機関が開示されている。
特開２００３−８３１０１号公報

しかしながら、この特許文献１においては、ピストンの動きのみで等容度を向上させる構成となっているため、膨張行程中の冷却損失が大きくなり、熱効率の向上に限界がある。

そこで、本発明の内燃機関の制御装置は、筒内での燃料の燃焼時間を内燃機関の要求駆動力に応じて演算する燃焼時間演算手段と、膨張行程における膨張速度を内燃機関の要求駆動力に応じて演算する膨張速度演算手段と、燃焼時間演算手段の演算結果に応じて筒内での燃料の燃焼時間を変更可能な燃焼時間変更手段と、膨張速度演算手段の演算結果に応じて膨張行程における膨張速度を内燃機関の回転数に関わらず変更可能な膨張速度変更手段と、を有する。

本発明によれば、燃焼時間と膨張速度とを最適とすることができ熱効率を向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１及び図２は、本発明が適用される内燃機関の一例を模式的に示した説明図である。

この第１の内燃機関の本体１（以下、機関本体１と記す）は、吸気行程と圧縮行程を行う吸気圧縮シリンダ２と、膨張行程と排気行程を行う膨張排気シリンダ３とを有し、吸気圧縮シリンダ２と膨張排気シリンダ３とが一対となって実質的に一つの気筒が構成されている。

吸気圧縮シリンダ２には、燃料噴射弁（図示せず）が配置された吸気ポート４が連結されており、吸気バルブ５を開弁動作させることで吸気圧縮シリンダ２内に吸気ポート４から混合気が導入される。

吸気圧縮シリンダ２は、隣接して対となる膨張排気シリンダ３に、連結通路６を介して接続されている。連結通路６の一端側、すなわち吸気圧縮シリンダ２と連結通路６との連結部分には、圧縮バルブ７が配置されている。

膨張排気シリンダ３には、排気ポート８が連結されており、排気バルブ９を開弁動作させることで膨張排気シリンダ３から排気が排出される。

吸気圧縮シリンダ２内には、吸気圧縮ピストン１０が配置されている。吸気圧縮ピストン１０は、吸気圧縮コンロッド１１を介して燃焼圧を回転動力として伝達するクランクシャフト１２のクランクピン１２ａに回転可能に連結されている。

膨張排気シリンダ３内には、膨張排気コンロッド１３の一端に回転可能に連結された膨張排気ピストン１４が配置されている。この膨張排気コンロッド１３は、他端にカムローラ１５を有し、このカムローラ１５がクランクシャフト１２のクランクジャーナル１２ｂに外装された３次元カム１６に回転可能に接触している。尚、図１中における１７は点火プラグである。

クランクシャフト１２の一端部には、膨張速度制御用アクチュエータ１８が配置されている。この膨張速度制御用アクチュエータ１８は、エンジン回転数（クランクシャフト１２の回転数）に応じて、クランクシャフト１２を、クランクシャフト１２長手方向（図１における紙面垂直方向、図２における左右方向）に沿ってスライドさせるものである。尚、膨張速度制御用アクチュエータ１８は、電動であっても油圧駆動であってもよい。

３次元カム１６は、クランクジャーナル１２ｂと一体となってに回転するものであって、カムローラ１５が当接する外周面に、図３に示すように、クランクシャフト１２の長手方向に沿って、複数のカムプロフィールが連続して形成された構成となっている。詳述すると、この３次元カム１６は、エンジン回転数に応じた４つのカムプロフィールが連続して形成されたものであって、クランクシャフト１２の他端側に位置するものほど低回転用のカムプロフィールとなっている。尚、各カムプロフィール間は、テーパ状に形成されており、クランクシャフト１２を軸方向にスライドさせた際に、膨張排気コンロッド１３のカムローラ１５が円滑に追従するよう構成されている。また、３次元カム１６は、カムプロフィールを４段階で変更するものであるが、クランクシャフト１２をスライドさせることでカムプロフィールが無段階に変更できるように構成することも可能である。

この第１の内燃機関においては、吸気圧縮シリンダ２内で行われる吸気行程と圧縮行程は、クランクシャフト１２が１回転することで実施される。圧縮行程終了時には、圧縮バルブ７が開かれ、圧縮された混合気が膨張排気シリンダ３に導入される。膨張排気シリンダ３内で行われる膨張行程と排気行程は、図４に示すように、クランクシャフト１２が１回転することで実施される。そして、圧縮行程終了時と排気行程終了時とが同期して実行されるため、全体としては、吸気、圧縮、膨張、排気の４行程がクランクシャフト１２の１回転で終了する。尚、この図４は、エンジン回転数が低回転のときに選択されるカムプロフィールを例に示したものである。

吸気圧縮ピストン１０が下降する動作に合わせて吸気バルブ５が開かれる。吸気圧縮ピストン１０が下死点に到達し再び上昇し始めると吸気バルブ５が閉じられる。吸気圧縮ピストン１０が上死点に接近すると圧縮バルブ７が開かれ、膨張排気シリンダ３へ圧縮された混合気が送り込まれる。吸気圧縮ピストン１０が上死点に到達すると圧縮バルブ７が閉じられ圧縮された混合気の逆流を防止する。圧縮された混合気は点火プラグ１７によって点火されて燃焼し、膨張排気ピストン１４を下降させる。このとき３次元カム１６のプロフィールによって膨張排気ピストン１４の膨張速度（下降速度）と筒内圧が変更される。膨張排気ピストン１４が下死点から再び上昇を始めると排気バルブ９が開かれ排気する。

尚、吸気バルブ５の開閉タイミング及び排気バルブ８の開閉タイミングは、エンジン回転数に応じて適正化することが好ましい。また、膨張速度制御用アクチュエータ１８とクランクシャフト１２の間にトルク増幅器、トルク遮断機が配置されるように構成してもよい。そして、この第１の内燃機関においては、燃焼室を膨張排気シリンダ３内に設定しているが、燃焼室を吸気圧縮シリンダ２と膨張排気シリンダ３との間、すなわち連結通路６に設けることも可能である。

このように、第１の内燃機関は、吸気圧縮行程を行うシリンダと膨張排気行程を行うシリンダと分離し、膨張行程における膨張排気ピストン１４の膨張速度と、膨張行程における膨張排気シリンダ３内の筒内圧とを３次元カム１６により変更して動作させることができるものである。

図５及び図６は、本発明が適用される内燃機関の他例を模式的に示した説明図である。この第２の内燃機関の本体３１（以下、機関本体３１と記す）、吸気行程と圧縮行程を行う吸気圧縮シリンダ３２と、膨張行程と排気行程を行う膨張排気シリンダ３３とを有し、吸気圧縮シリンダ３２と膨張排気シリンダ３３とが一対となって実質的に一つの気筒が構成されている。

吸気圧縮シリンダ３２には、燃料噴射弁（図示せず）が配置された吸気ポート３４が連結されており、吸気バルブ３５を開弁動作させることで吸気圧縮シリンダ３２に吸気ポート３４から混合気が導入される。

吸気圧縮シリンダ３２は、隣接して対となる膨張排気シリンダ３３に、連結通路３６を介して接続されている。連結通路３６の一端側、すなわち吸気圧縮シリンダ３２と連結通路３６との連結部分には、圧縮バルブ３７が配置されている。

膨張排気シリンダ３３には、排気ポート３８が連結されており、排気バルブ３９を開弁動作させることで膨張排気シリンダ３３から排気が排出される。

吸気圧縮シリンダ３２内には、吸気圧縮ピストン４０が配置されている。吸気圧縮ピストン４０は、吸気圧縮コンロッド４１を介してクランクシャフト４２のクランクピン（図示せず）に回転可能に連結されている。クランクシャフト４２は、トランスミッション軸（図示せず）に連結されるものであって、一端側に、吸気圧縮１速ギヤ４５と吸気圧縮２速ギヤ４６が配置されている。吸気圧縮１速ギヤ４５及び吸気圧縮２速ギヤ４６は、クランクシャフト４２のクランクジャーナル４２ｂに固定されたものであって、クランクシャフト４２のクランクジャーナル４２ｂと一体となって回転する。尚、図５中の４７は点火プラグである。

膨張排気シリンダ３３内には、膨張排気ピストン４４が配置されている。膨張排気ピストン４４は、膨張排気コンロッド４３を介して補助クランクシャフト５２のクランクピン５２ａに回転可能に連結されている。補助クランクシャフト５２は、クランクシャフト４２と平行に配置されたものであって、一端側に、吸気圧縮一速ギヤ４５に係合する膨張排気１速ギヤ４８と、吸気圧縮２速ギヤ４６に係合する膨張排気２速ギヤ４９と、が配置されている。膨張排気１速ギヤ４８は、第１クラッチ５０を介して補助クランクシャフト５２のクランクジャーナル５２ｂに取り付けられている。膨張排気２速ギヤ４９は、第２クラッチ５１を介して補助クランクシャフト５２のクランクジャーナル５２ｂに取り付けられている。

この第２の内燃機関においては、吸気圧縮１速ギヤ４５及び膨張排気１速ギア４８は、補助クランクシャフト５２がクランクシャフト４２の回転数の２倍の回転数となるように設定されている。そして、吸気圧縮２速ギヤ４６及び膨張排気２速ギア４９は、補助クランクシャフト５２がクランクシャフト４２と同一回転数となるよう設定されている。

第１クラッチ５０は、膨張排気１速ギヤ４８と補助クランクシャフト５２との間に介装されたものであって、膨張排気１速ギヤ４８と補助クランクシャフト５２との締結と解放を行い、締結時には両者は一体に回転可能となり、解放時には、膨張排気１速ギヤ４８が補助クランクシャフト５２から離間して、膨張排気１速ギア４８と補助クランクシャフト５２との間で動力の伝達が行われないようになっている。第２クラッチ５１は、膨張排気２速ギヤ４９と補助クランクシャフト５２との間に介装されたものであって、膨張排気２速ギヤ４９と補助クランクシャフト５２との締結と解放を行い、締結時には両者は一体に回転可能となり、解放時には、膨張排気２速ギヤ４９が補助クランクシャフト５２から離間して、膨張排気２速ギア４９と補助クランクシャフト５２との間で動力の伝達が行われないようになっている。ここで、第１クラッチ５０と第２クラッチ５１は、どちらか一方が締結された状態では、他方が解放された状態となっている。尚、第１クラッチ５０及び第２クラッチ５１は、具体的には、湿式多板クラッチあるいはシンクロ機構を有したドグクラッチとすることが好ましい。また、この第２実施形態においては、補助クランクシャフト５２の回転数がエンジン回転数に応じてクランクシャフト４２の回転数と同じもしくは２倍となるよう２段階で切り替えられているが、補助クランクシャフト５２の回転数がエンジン回転数に応じて２段階以上（多段階）に切り替えられるよう、ギヤ段（吸気圧縮１速ギヤ４５、膨張排気１速ギア４８、吸気圧縮２速ギヤ４６、膨張排気２速ギア４９）の数を増加させた構成とすることも可能である。

吸気圧縮ピストン４０が下降する動作に合わせて吸気バルブ３５が開かれる。吸気圧縮ピストン４０が下死点に到達し再び上昇し始めると吸気バルブ３５が閉じられる。吸気圧縮ピストン４０が上死点に接近すると圧縮バルブ３７が開かれ、膨張排気シリンダ３３へ圧縮された混合気が送り込まれる。吸気圧縮ピストン４０が上死点に到達すると圧縮バルブ３７が閉じられ圧縮された混合気の逆流を防止する。圧縮された混合気は点火プラグ４７によって点火されて燃焼し、膨張排気ピストン４４を下降させる。

このとき、補助クランクシャフト５２は、クランクシャフト４２の回転数が低い場合にはクランクシャフト４２の２倍の回転数となり（第１クラッチ：締結、第２クラッチ：解放）、クランクシャフト４２の回転数が高い場合にはクランクシャフト４２と同一の回転数となるよう（第１クラッチ：解放、第２クラッチ：締結）、制御される。

膨張排気ピストン４４の膨張速度は第１クラッチ５０と第２クラッチ５１のどちらが締結状態となっているかで決定される。また吸気圧縮ピストン４０と膨張排気ピストン４４が同時に上死点となるように第１クラッチ５０または第２クラッチ５１のどちらか一方を締結する。膨張排気ピストン４４が下死点から再び上昇を始めると排気バルブ３９が開かれ排気する。また、エンジン回転数が低い場合は第１クラッチ５０が締結状態となり（第２クラッチ５１は解放状態）、膨張排気ピストン４４が吸気圧縮ピストン４０に比べて倍の周期で動作することになるので、このとき損失が生じないように、第１クラッチ５０は吸気圧縮ピストン４０が下死点から上昇した際の上死点と下死点との中間で係合させる。

尚、吸気バルブ３５の開閉タイミング及び排気バルブ３９の開閉タイミングは、エンジン回転数に応じて適正化することが好ましい。また、締結状態の第１クラッチ５０は、膨張行程が終了した時点で解放することが好ましい。さらに、第１クラッチ５０を締結状態として、吸気圧縮ピストン４０が上死点もしくは圧縮バルブ３７が開弁される前段階まで排気バルブ３９を開いていても良い。そして、エンジン回転数が高い場合は、第２クラッチ５１を行程にかかわらず係合状態とすることが好ましい。

このように、第２の内燃機関は、吸気圧縮行程を行うシリンダと膨張排気行程を行うシリンダと分離し、膨張行程における膨張排気ピストン４４の膨張速度と、膨張行程における膨張排気シリンダ３３内の筒内圧とを、ギヤ段（吸気圧縮１速ギヤ４５、膨張排気１速ギア４８、吸気圧縮２速ギヤ４６、膨張排気２速ギア４９）により変更して動作させることができるものである。

ここで、図７を用いて、図４中に示した保持クランク角と膨張クランク角について詳述する。上記保持クランク角とは上死点付近で膨張排気ピストンの位置が固定される期間に相当するクランクシャフト（第１の内燃機関におけるクランクシャフト１２、第２の内燃機関におけるクランクシャフト４２に相当）の回転角度であり、上記膨張クランク角とは上死点から下死点まで膨張排気ピストンの位置が変化する期間に相当するクランクシャフトの回転角度である。

そして、膨張行程において、クランクシャフトの回転角度に対する上死点からの膨張排気ピストンの作動（移動）距離をクランクシャフトの回転速度に応じて変更し、クランクシャフトの回転速度が低い場合、膨張行程において、クランクシャフトの回転角度に対する上死点からの膨張排気ピストンの作動（移動）距離を相対的に長くする。すなわち、膨張排気ピストンが下死点に向かって下降する際のピストンスピードを速くする。一方、クランクシャフトの回転速度が高い場合、膨張行程において、クランクシャフトの回転角度に対する上死点からの膨張排気ピストンの作動（移動）距離を相対的に短くする。すなわち、膨張排気ピストンが下死点に向かって下降する際のピストンスピードを相対的に遅くする。

上述した第１の内燃機関は、膨張行程において、膨張排気ピストン１４に対してエンジン回転数に応じた保持クランク角及び膨張クランク角が設定されるものである。また、上述した第２の内燃機関は、膨張行程において、膨張排気ピストン４４に対してエンジン回転数に応じた膨張クランク角が設定されるものである。

尚、上述した第１の内燃機関及び第２の内燃機関は、本発明を適用可能な内燃機関の具体例にすぎす、本発明は、膨張スピードを変更する全てのエンジンに対して本発明を適用することが可能である。

また、上述した第１の内燃機関においては、３次元カムにより膨張行程のカムプロフィールが変更されているが、エンジンの排気量、ストロークから他の行程を変更されるような内燃機関に対しても本発明は適用可能である。

図８は、本発明に係る内燃機関の制御装置の概略を示す制御ブロック図であり、図８中の内燃機関として、上述した第１及び第２の内燃機関等が適用される。

Ｂ１は要求駆動力とエンジン回転数から機関の運転状態を決定する機関運転状態制御手段である。

Ｂ４はエンジン回転数と機関運転状態制御手段Ｂ１で決定した目標負荷に応じた燃焼時間を決定する燃焼時間演算手段である。詳述すると、この燃焼時間演算手段Ｂ４は、筒内での燃料の燃焼時間を内燃機関の要求駆動力に応じて演算し、さらに後述する運転状態推定手段Ｂ７によって推定された内燃機関の状態量を用いて補正された燃焼時間を制御量として出力する。

Ｂ５は燃焼時間演算手段Ｂ４で決定した燃焼時間に応じて燃焼時間を変更する燃焼時間変更手段である。換言すると、この燃焼時間変更手段Ｂ５は、燃焼時間演算手段４の演算結果に応じて筒内での燃料の燃焼時間を変更可能にするものである。

Ｂ２はエンジン回転数と機関運転状態制御手段Ｂ１で決定した目標負荷に応じた膨張速度を決定する膨張速度演算手段である。換言すると、膨張速度演算手段Ｂ２は、膨張行程における膨張速度を内燃機関の要求駆動力に応じて演算するものである。

Ｂ３は後述する膨張速度補正制御手段Ｂ７で決定した膨張速度に応じて膨張速度を変更する膨張速度変更手段である。換言すると、膨張速度変更手段Ｂ３は、膨張速度演算手段Ｂ２の演算結果に応じて膨張行程における膨張速度を内燃機関の回転数に関わらず変更可能にするものである。

Ｂ７は内燃機関の運転状態を推定する運転状態推定手段である。Ｂ６は運転状態推定手段Ｂ７によって推定された内燃機関の状態量に応じて膨張速度演算手段Ｂ２で演算される膨張速度を補正する膨張速度補正制御手段である。

運転者が設定するアクセル開度（以下、ＡＰＯ）から要求駆動力が決定される。この要求駆動力とエンジン回転数から内燃機関に対する目標負荷が機関運転状態制御手段Ｂ１から出力される。目標負荷とエンジン回転数から予め設定された燃焼時間とするための制御量を燃焼時間演算手段Ｂ４が出力する。その制御量に応じて燃焼時間変更手段Ｂ５が駆動され燃焼時間が制御される。目標負荷とエンジン回転数からあらかじめ設定された膨張速度とするための制御量を膨張速度演算手段Ｂ２が出力する。その制御量に応じて膨張速度変更手段Ｂ３が駆動され膨張速度が制御される。

燃焼時間と膨張速度の組合せによって内燃機関で実際に発生している燃焼時間などの内燃機関状態量を運転状態推定手段Ｂ７で推定する。推定した燃焼時間に応じて膨張速度演算手段Ｂ２と燃焼時間演算手段Ｂ４の補正量が決定される。

図９に上述した機関運転状態制御手段Ｂ１の実施形態の一例を示す。

Ｂ１１では、要求駆動力をエンジンに対する要求トルクに変換する。詳述すると、変速機（図示せず）の減速比を用い、要求駆動力から要求トルクを次式（１）を用いて計算する。
［数１］
要求エンジントルク＝要求駆動力［Ｎ］×車輪半径［ｍ］／（変速機減速比×最終減速比） …（１）
Ｂ１２では、エンジン回転数とＢ１１で変換された要求トルクから目標負荷として目標吸入空気量を決定する。すなわちＢ１２はエンジン回転数と要求トルクから目標負荷として目標吸気量を決定する目標負荷（吸気量）ＭＡＰで構成されている。この目標負荷（吸気量）ＭＡＰは、予め実験から作成することが好ましい。また、目標エンジントルクとして吸気量以外に負荷を設定できるものであれば本発明を適用可能である。

図１０は、上述した燃焼時間演算手段Ｂ４と燃焼時間変更手段Ｂ５の実施形態の一例を示す。

図１０は、燃焼時間を可変とするための制御量として図示せぬスワールコントロールバルブ（以下、ＳＣＶと記す）の開度を可変制御した例である。つまり、この例では燃焼時間変更手段によりスワール強度が変更される。

Ｂ４１では、エンジン回転数と目標負荷からスワールコントロールバルブ（以下、ＳＣＶ）回転角度を決定する。すなわちＢ４１は、エンジン回転数と目標負荷（吸気量）からＳＣＶ回転角度を決定するＳＣＶ開度マップで構成されている。
このＳＣＶ開度ＭＡＰは実験により適切にすることが好ましい。Ｂ４２では、Ｂ４１で算出されたＳＣＶ回転角度に対して、補正計算１（後述）を施している。Ｂ４３は、補正されたＳＣＶ回転角度に回転駆動されるＳＣＶである。ここで、Ｂ４１及びＢ４２は燃焼時間演算手段Ｂ４に相当するものであり、Ｂ４３は燃焼時間変更手段Ｂ５に相当するものである。

尚、ＳＣＶは、ＳＣＶアクチュエータ（図示せず）により補正されたＳＣＶ回転角度に回転駆動される。つまり、Ｂ４２から出力される制御量は、このＳＣＶアクチュエータへの指令値である。

図１１、図１２及び図１４は、上述した燃焼時間演算手段Ｂ４と燃焼時間変更手段Ｂ５の実施形態の他例をそれぞれ示すものである。

図１１は、燃焼時間を可変とするための制御量として可変動弁機構（図示せず）により吸気弁のバルブリフト量を可変制御した例である。つまり、この例では燃焼時間変更手段により空燃比が変更される。この場合、適用される内燃機関は、吸気弁のリフト・作動角を連続的に拡大縮小制御可能な可変動弁機構を備えたものとなる。

Ｂ４４では、エンジン回転数と目標負荷から吸気弁のリフト量を決定する。すなわちＢ４４は、エンジン回転数と目標負荷（吸気量）から吸気弁のリフト量を決定する吸気弁バルブリフト量マップ（図示せず）で構成されている。この吸気弁バルブリフト量マップは、実験により適切にすることが好ましい。Ｂ４５では、Ｂ４４で算出された吸気弁のリフト量に対して、補正計算２（後述）を施している。Ｂ４６は、補正されたリフト量となるよう駆動され可変動弁機構である。ここで、Ｂ４４及びＢ４５は燃焼時間演算手段Ｂ４に相当するものであり、Ｂ４６は燃焼時間変更手段Ｂ５に相当するものである。

図１２は、燃焼時間を可変とするための制御量としてインジェクタ（図示せず）による燃料噴射時間を可変制御した例である。

Ｂ４７では、エンジン回転数と目標負荷からインジェクタからの燃料噴射時間を決定する。すなわちＢ４７は、エンジン回転数と目標負荷（吸気量）からインジェクタの燃料噴射時間を決定する燃料噴射マップ（図示せず）で構成されている。この燃料噴射マップは、実験により適切にすることが好ましい。Ｂ４８では、Ｂ４７で算出された燃料噴射時間に対して、補正計算３（後述）を施している。Ｂ４９は、補正された燃料噴射時間で燃料噴射を行うよう制御されるインジェクタである。ここで、Ｂ４７及びＢ４８は燃焼時間演算手段Ｂ４に相当するものであり、Ｂ４９は燃焼時間変更手段Ｂ５に相当するものである。

ここで、上述した補正計算１、補正計算２および補正計算３の一例を図１３に示す。この図１３は、上述した運転状態推定手段Ｂ７によって推定された内燃機関の状態量である燃焼時間とエンジン回転数とから補正量を決定するマップであり、マップから読み取られた補正量をＢ４１、Ｂ４４またはＢ４７で決定された値に乗ずることで補正を行われる。尚、図１３に示すマップは、補正量を決定するマップの一例であり、補正の対象がＳＣＶ回転角度の場合と、吸気弁リフト量の場合と、燃料噴射時間の場合と、では補正の対象となるものの物理量が異なるため、実際はそれぞれ異なるマップが用いられる。

図１４は、燃焼時間を可変とするための制御量としてＥＧＲ弁（図示せず）の開弁率を可変制御した例である。ＥＧＲ弁の開弁率を可変することで、排気の還流量が調整され、ひいては筒内の燃焼ガスの残留量が変更されることになる。

Ｂ５１では、エンジン回転数と目標ＥＧＲ率からＥＧＲ弁の開弁率を決定する。すなわちＢ５１は、エンジン回転数と目標ＥＧＲ率からＥＧＲ弁の開弁率を決定するＥＧＲ弁開弁率マップ（図１５を参照）で構成されている。このＥＧＲ弁開弁率マップは、エンジン回転数毎にＥＧＲ開弁率を操作してＥＧＲ率を計測することで作成されるものである。Ｂ５２は、ＥＧＲ弁開弁率マップから決定された開弁率となるよう制御されるＥＧＲ弁である。ここで、Ｂ５１は燃焼時間演算手段Ｂ４に相当するものであり、Ｂ５２は燃焼時間変更手段Ｂ５に相当するものである。

図１６に上述した運転状態推定手段Ｂ７における燃焼速度の計算方法の一例を示す。

Ｂ７１では、吸気量と吸気温度とクランク角から未燃ガス温度を計算する（計算方法の詳細は後述）。吸気量は、上述した図９に示す機関運転状態制御手段Ｂ１で計算された吸気量を用いるか、図示せぬ吸気量センサ（エアフローメータ）によって内燃機関に導入される空気量（吸気量）を直接計測してもよい。吸気温度は、吸気通路内に配置された温度センサ（図示せず）によって計測することがこのましい。クランク角は、点火直前での未燃ガス温度を予測するための計算区間を決定するために使用する。Ｂ７２では、未燃ガス温度から燃焼速度を計算する（計算方法の詳細は後述）。

図１７は上述したＢ７１において未燃ガス温度を計算する際の制御の流れを示すフローチャートである。

ステップ（以下、Ｓと記す）１１で吸気量の読み込みを行う。Ｓ１２で吸気温度読み込みを行う。Ｓ１３では吸気弁と排気弁の開閉状態を判定する。開閉状態は一定の閾値よりも吸排気弁のリフト量が小さい場合に閉状態と判定する。そして、Ｓ１３にて吸気弁及び排気弁が伴に閉状態となっていればＳ１４へ進み、そうでなければＳ１１へ戻る
Ｓ１４では、ＢＤＣ（下死点）におけるシリンダ容積Ｖ_BDCとポリトローフ指数ｎと吸気温度Ｔ_BDCにより定数Ｃを決定する。ポリトローフ指数ｎは実験によりエンジン回転数との関係からＭＡＰとして持つことが好ましい。
［数２］
Ｃ＝Ｔ_BDCＶ_BDC ^n-1 …（２）
Ｓ１５では点火時期を判定するためにクランク角を読み込む。Ｓ１６ではクランク角を基に点火されたかを判定する。Ｓ１６で点火されていないと判定された場合はＳ１５へ戻る。Ｓ１６でで点火されたと判定した場合はＳ１７へ進む。Ｓ１７ではＳ１４で計算した定数Ｃと点火時のシリンダ容積Ｖ_TDCから点火時の未燃ガス温度Ｔ_TDCを計算する。
［数３］
Ｔ_TDC＝Ｃ／Ｖ_TDC ^n-1 …（３）
点火時のシリンダ容積Ｖ_TDCは、Ｓ１５で得たクランク角からピストン位置を算出して計算する。

Ｓ１８は、Ｓ１７で得られた未燃ガス温度Ｔ_TDCを上述した図１６のＢ７２へ送信する。

尚、未燃ガス温度を算出するにあたっては、例えば、図１８に示す基準未燃ガス温度ＭＡＰと、図１９に示す未燃ガス温度補正Ｔａｂｌｅで予測する方法でも良い。図１８の基準未燃ガス温度ＭＡＰはエンジン回転数と吸気量（スロットル開度）から基準吸気温度における点火直前の基準未燃ガス温度を決定する。図１９の未燃ガス温度補正Ｔａｂｌｅは吸気温度から未燃ガス温度補正値を決定する。つまり、図１８で得られた基準未燃ガス温度に、図１９で得られた未燃ガス温度補正値を乗ずることで未燃ガス温度を決定しても良い。この場合は図１７のＳ１３〜Ｓ１７の処理は、図１８及び図１９を用いた未燃ガス温度の算出に置き換えられる。また、センサを直接筒内に設置して未燃ガス温度を検出するようにしても良い。

一方、図１６のＢ７２においては、層流燃焼速度ＳｕＬ₁（後述）に燃焼速度変換係数（後述）を乗じたものを燃焼速度Ｖｂ（後述）としている。

層流燃焼速度ＳｕＬ₁は、次式（４）から算出される。
［数４］
ＳｕＬ₁＝Ｋ₁＋Ｋ₂Ｔ_TDC ^γ …（４）
ここで、Ｋ₁、Ｋ₂、γは実験から最適となるものが選択された定数であり、特にγは、概ね２≦γ≦３の範囲の値を取り得るものである。

そして、燃焼速度変換係数は、エンジン回転数と図２０に示す燃焼速度変換Ｔａｂｌｅを用いることにより算出される。燃焼速度変換係数は、エンジン回転数が大きくなるほど大きな値となる。

図２１は、運転状態推定手段Ｂ７における燃焼速度の計算方法の他例を示している。Ｂ７３では、筒内圧と吸気圧力とクランク角から燃焼速度を計算する。

図２２は上述したＢ７３において燃焼速度を計算する際の制御の流れを示すフローチャートである。

Ｓ３１では吸気圧を読み込む。Ｓ３２では吸気弁と排気弁の開閉状態を判定する。開閉状態は一定の閾値よりも吸排気弁のリフト量が小さい場合に閉状態と判定する。そして、Ｓ３２にて吸気弁及び排気弁が伴に閉状態となっていればＳ３３へ進み、そうでなければＳ３１へ戻る
Ｓ３３では筒内圧センサで検出した筒内圧を読み込む。Ｓ３４ではクランク角を読み込む。Ｓ３５ではＳ３４で読み込んだクランク角から点火時期であるか否かを判定する。Ｓ３５で点火時期でないと判定された場合はＳ３３へ戻る。
Ｓ３５で点火時期であると判定された場合は、Ｓ３６へ進み燃焼速度計算を実行する。Ｓ３６での燃焼速度計算は、上述した図１６のＢ７２に相当するものである。

このＳ３６は、具体的には、層流燃焼速度ＳｕＬ₂（後述）に燃焼速度変換係数（後述）を乗じたものを燃焼速度Ｖｂ（後述）としている。

層流燃焼速度ＳｕＬ₂は、次式（５）によって算出される。
［数５］
ＳｕＬ₂＝ＳｕＬ₀（Ｐ／Ｐ０）^β …（５）
ここで、β、ＳｕＬ₀（燃料の吸気圧Ｐ０における層流燃焼速度）は実験から最適となるものを選択された定数であり、特にβは、概ね−０．３５≦β≦０の範囲の値を取り得るものである。

そして、燃焼速度変換係数は、エンジン回転数と図２０に示す燃焼速度変換Ｔａｂｌｅを用いることにより算出される。

ここで、上述した燃焼速度Ｖｂは、［１／ｓｅｃ］または［１／ｄｅｇ］という単位で表せるものであり、燃焼速度Ｖｂが燃焼終了までの平均燃焼速度を計算した場合は燃焼速度Ｖｂの逆数が燃焼時間となる。燃焼速度Ｖｂが単位時間当たりの燃焼速度として図１６のＢ７２や、図２１のＢ７３において逐次計算される場合は次式（６）が成立する。

但し、燃焼終了時間Ｔｂ［ｓｅｃ］−点火時期Ｔｓ［ｓｅｃ］＝燃焼時間とする。

図２３は、上述した第１の内燃機関が適用された場合の膨張速度演算手段Ｂ２と膨張速度変更手段Ｂ３と膨張速度補正制御手段Ｂ６の実施形態である。

Ｂ２１では、エンジン回転数と目標負荷から３次元カム１６のスライド量、つまりクランクシャフト１２のスライド量を決定する。すなわち、Ｂ２１は、エンジン回転数と目標負荷（吸気量）から３次元カム１６のスライド量、つまりクランクシャフト１２のスライド量、を決定するカムスライド量マップで構成されている。

Ｂ２１のカムスライド量マップは、熱効率を最高とするためエンジン回転数と目標負荷から３次元カム１６のスライド量を決定しているが、エンジン回転数のみから決定しても熱効率向上効果を得ることができる。

Ｂ２２では、カムスライド量ＭＡＰによって決定したカムスライド量に補正を加える補正計算を実施する。

このＢ２２においては、内燃機関の状態として上述した運転状態推定手段Ｂ７で推定された燃焼速度、図示せぬ水温センサによって検出された冷却水温度に応じて補正値が計算され、この補正値をＢ２１で算出されたカムスライド量に乗ずることで補正処理を行っている。

Ｂ２３では、Ｂ２２で補正されたカムスライド量となるようにカムスライド用アクチュエータである上述した膨張速度制御用アクチュエータ１８を駆動する。

ここで、Ｂ２１は膨張速度演算手段Ｂ２に相当するものであり、Ｂ２２は膨張速度補正制御手段Ｂ６に相当するものであり、Ｂ２３が膨張速度変更手段Ｂ３に相当するものである。

図２４は、上述した第２の内燃機関が適用された場合の膨張速度演算手段Ｂ２と膨張速度変更手段Ｂ３と膨張速度補正制御手段Ｂ６の実施形態である。

Ｂ２４では、エンジン回転数と目標負荷からエンジンの膨張速度を変更するためのギヤ段を選択する。すなわちＢ２４は、エンジン回転数と目標負荷（吸気量）から補助クランクシャフト５２の回転数がクランクシャフト４２の回転数と同じにするかあるいは２倍となるようにするかを判定し、かつ判定結果に基づいてシフトアクチュエータとしての第１クラッチ５０及び第２クラッチ５１うちのどちらのクラッチを締結させるかを選択するシフトＭＡＰ選択ロジック（後述）によって構成されている。尚、第１クラッチ５０及び第２クラッチ５１には、湿式クラッチ、乾式クラッチなどのクラッチ機構を用いてもよいが、押し付け圧を確保するために必要とする定常的な油圧損失を削減するためにはドグクラッチ機構を使用することが好ましい。

Ｂ２５では、内燃機関の状態として上述した運転状態推定手段Ｂ７で推定された燃焼速度、図示せぬ水温センサによって検出された冷却水温度に応じて補正値が計算され、この補正値が、Ｂ２４でシフトＭＡＰ（後述）を変更する基準として使用される。

Ｂ２６では、選択されたクラッチが締結されるように、第１クラッチ５０と第２クラッチ５１を制御する。すなわち、選択されたギヤ段となるようにシフトアクチュエータを駆動する。

図２５は、上述したＢ２４におけるシフトＭＡＰ選択ロジック及びＢ２５における補正計算により膨張速度を変更するためのギヤ段を選択する際の制御の流れを示すフローチャートである。

Ｓ２１では、上述した運転状態推定手段Ｂ７で推定した燃焼時間を読み込む。Ｓ２２では、運転状態推定手段Ｂ７で検出した冷却水温度を読み込む。Ｓ２３では、図２６に示すような変換テーブルを用い、Ｓ２１で得た燃焼時間とＳ２２で得た冷却水温度で決められる範囲に合致するＭＡＰを選択する。ＭＡＰの数は多いほど制御精度が向上するが、計算負荷が大きくなりコントローラコストが高くなる可能性もあるため適切に設定する。Ｓ２４では、エンジン回転数を読み込む。Ｓ２５では、要求エンジントルクを読み込む。要求エンジントルクは吸気量として読み込むか、直接エンジントルクとしても構わない。Ｓ２６では、Ｓ２３で選択した変速ＭＡＰにおいてエンジン回転数と目標負荷（要求エンジントルク）から検索を行う。図２７に、変速ＭＡＰの一例を示す。図２７中に実線で示す切換え線は、締結されるクラッチが第１クラッチ５０から第２クラッチ５１に切換えられる際の境界を示し、図２７中に点線で示す切換え線は、締結されるクラッチが第２クラッチ５１から第１クラッチ５０に切換えられる際の境界を示している。
Ｓ２７では、Ｓ２６で決定した変速段となるように、第１クラッチ５０及び第２クラッチ５１に制御指令（変速段）を送信する。

以上説明してきたように、筒内での燃料の燃焼時間と、膨張行程における膨張速度を協調して制御することで、図２８に示すように、熱効率を向上させることができる。詳述すると、膨張行程におけるピストンの膨張速度を従来の膨張速度（上述した図７を参照）とし、筒内での燃料の燃焼時間のみを変化させる場合に比べて、本発明のように、筒内での燃料の燃焼時間に合わせて、膨張行程における膨張速度を可変制御することで、内燃機関の熱効率を大幅に向上させることができる。

尚、上述した実施形態において、全ての制御ブロック図及び全てのフローチャートは気筒毎に計算するかサイクル毎に計算することが好ましい。また、全てのＴａｂｌｅとＭＡＰは実験によって最も適切な膨張クランク角と保持クランク角を決定することが好ましい。また、制御ブロックの演算は一定時間（例えば１０ｍｓｅｃ）毎にすべて演算する。

上記実施形態から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。

（１） 筒内での燃料の燃焼時間を内燃機関の要求駆動力に応じて演算する燃焼時間演算手段と、膨張行程における膨張速度を内燃機関の要求駆動力に応じて演算する膨張速度演算手段と、燃焼時間演算手段の演算結果に応じて筒内での燃料の燃焼時間を変更可能な燃焼時間変更手段と、膨張速度演算手段の演算結果に応じて膨張行程における膨張速度を内燃機関の回転数に関わらず変更可能な膨張速度変更手段と、を有する。これによって、燃焼時間と膨張速度とを最適とすることができ熱効率を向上させることができる。

（２） 上記（１）に記載の内燃機関の制御装置において、内燃機関の運転状態を推定する運転状態推定手段を有し、燃焼時間演算手段で演算される燃焼時間と膨張速度演算手段で演算される膨張速度とは、内燃機関の運転状態に応じて補正されている。これによって、内燃機関の状態変化を考慮した詳細な制御を行うことが可能となり、より熱効率を向上させることができる。

（３） 上記（２）に記載の内燃機関の制御装置において、運転状態推定手段は、燃焼時間を推定するものであって、燃焼時間演算手段で演算される燃焼時間と膨張速度演算手段で演算される膨張速度とは、推定された内燃機関の燃焼時間に応じて補正されている。これによって、燃焼速度を正確に制御することにより燃焼時間と膨張速度を最適な関係に保つことが可能となり、熱効率を向上させることができる。

（４） 上記（２）または（３）に記載の内燃機関の制御装置において、運転状態推定手段は、冷却水温度を検出するものであって、膨張速度演算手段で演算される膨張速度は、運転状態推定手段で検出された内燃機関の冷却水温度に応じて補正されている。これによって、適切な膨張速度とすることが可能となり、熱効率を向上させることができる
（５） 上記（１）〜（４）のいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、燃焼時間変更手段は、筒内の燃焼ガス残留量を変更する。これによって、燃焼時間を正確に制御して燃焼時間と膨張速度を適切な関係に保つことが可能となり、熱効率を向上させることができる。

（６） 上記（１）〜（４）のいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、燃焼時間変更手段は、スワール強度を変更するものである。これによって、燃焼時間を正確に制御して燃焼時間と膨張速度を適切な関係に保つことが可能となり、熱効率を向上させることができる。

（７） 上記（１）〜（４）のいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、燃焼時間変更手段は、空燃比を変更するものである。これによって、安価な構成でありながら燃焼時間と膨張速度を適切な関係に保つことが可能となり、熱効率を向上させることができる。

（８） 上記（１）〜（４）のいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、燃焼時間変更手段は、筒内圧を変更するものである。これによって、負荷に応じた燃焼時間と膨張速度を適切な関係に保つことが可能となり、熱効率を向上させることができる。

本発明が適用される内燃機関の一例を模式的に示した説明図。 本発明が適用される内燃機関の一例を模式的に示した説明図。 （ａ）は３次元カムを軸方向からみた説明図、（ｂ）は３次元カムを半径方向からみた説明図。 膨張排気シリンダで行われる膨張行程及び排気行程と、３次元カムとの相関を模式的に示した説明図。 本発明が適用される内燃機関の他例を模式的に示した説明図。 本発明が適用される内燃機関の他例を模式的に示した説明図。 膨張排気ピストンの膨張行程におけるピストンモーションを示す説明図。 本発明に係る内燃機関の制御装置の概略を示す制御ブロック図。 機関運転状態制御手段Ｂ１の実施形態の一例を示す制御ブロック図。 燃焼時間演算手段Ｂ４と燃焼時間変更手段Ｂ５の実施形態の一例を示す制御ブロック図。 燃焼時間演算手段Ｂ４と燃焼時間変更手段Ｂ５の実施形態の他例を示す制御ブロック図。 燃焼時間演算手段Ｂ４と燃焼時間変更手段Ｂ５の実施形態の他例を示す制御ブロック図。 燃焼時間とエンジン回転数とから補正量を決定するマップ。 燃焼時間演算手段Ｂ４と燃焼時間変更手段Ｂ５の実施形態の他例を示す制御ブロック図。 エンジン回転数と目標ＥＧＲ率からＥＧＲ弁の開弁率を決定するＥＧＲ弁開弁率マップ。 運転状態推定手段Ｂ７における燃焼速度の計算方法の一例を示す制御ブロック図。 未燃ガス温度を計算する際の制御の流れを示すフローチャート。 エンジン回転数と吸気量から基準吸気温度における点火直前の基準未燃ガス温度を算出する基準未燃ガス温度ＭＡＰ。 吸気温から未燃ガス温度補正値を算出する未燃ガス温度補正Ｔａｂｌｅ。 エンジン回転数から燃焼速度変換係数を算出する燃焼速度変換Ｔａｂｌｅ。 運転状態推定手段Ｂ７における燃焼速度の計算方法の他例を示す制御ブロック図。 燃焼速度を計算する際の制御の流れを示すフローチャート。 第１の内燃機関が適用された場合の膨張速度演算手段Ｂ２と膨張速度変更手段Ｂ３と膨張速度補正制御手段Ｂ６の実施形態を示す制御ブロック図。 第２の内燃機関が適用された場合の膨張速度演算手段Ｂ２と膨張速度変更手段Ｂ３と膨張速度補正制御手段Ｂ６の実施形態を示す制御ブロック図。 膨張速度を変更するためのギヤ段を選択する際の制御の流れを示すフローチャート。 燃焼時間と冷却水温度から変速ＭＡＰを選択する変換テーブル。 変速ＭＡＰの一例を示す説明図。 燃焼時間と膨張速度と熱効率の相関関係を模式的に示した説明図。

符号の説明

１４…膨張排気ピストン
１６…３次元カム
１８…膨張速度制御用アクチュエータ
４４…膨張排気ピストン
５０…第１クラッチ
５１…第２クラッチ

Claims (8)

1. 筒内での燃料の燃焼時間を内燃機関の要求駆動力に応じて演算する燃焼時間演算手段と、
   膨張行程における膨張速度を内燃機関の要求駆動力に応じて演算する膨張速度演算手段と、
   燃焼時間演算手段の演算結果に応じて筒内での燃料の燃焼時間を変更可能な燃焼時間変更手段と、
   膨張速度演算手段の演算結果に応じて膨張行程における膨張速度を内燃機関の回転数に関わらず変更可能な膨張速度変更手段と、を有することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 内燃機関の運転状態を推定する運転状態推定手段を有し、燃焼時間演算手段で演算される燃焼時間と膨張速度演算手段で演算される膨張速度とは、内燃機関の運転状態に応じて補正されてい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。
3. 運転状態推定手段は、燃焼時間を推定するものであって、
   燃焼時間演算手段で演算される燃焼時間と膨張速度演算手段で演算される膨張速度とは、推定された内燃機関の燃焼時間に応じて補正されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 運転状態推定手段は、冷却水温度を検出するものであって、膨張速度演算手段で演算される膨張速度は、運転状態推定手段で検出された内燃機関の冷却水温度に応じて補正されていることを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 燃焼時間変更手段は、筒内の燃焼ガス残留量を変更するものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
6. 燃焼時間変更手段は、スワール強度を変更するものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
7. 燃焼時間変更手段は、空燃比を変更するものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
8. 燃焼時間変更手段は、筒内圧を変更するものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。

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