JP4186782B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、運転領域の一部で成層燃焼を行い、それ以外の領域で均質燃焼を行う、火花点火式の内燃機関に関する。

通常のガソリンエンジンに代表される火花点火式の内燃機関における熱効率は、一般に、低速回転・高負荷運転領域で良く、低負荷運転領域や高速回転運転領域になるほど悪くなる。このような内燃機関の熱効率を改善するための手法として、スロットル開度を大きくしてポンプ損失（スロットルバルブの絞りによる損失）を低減すると共に、混合気の空燃比をリーン化することで作動ガスの比熱比を大きくして理論熱効率を向上する手法が知られている。

しかしながら、従来の火花点火式の内燃機関では、空燃比をリーン化すると燃焼期間が長期化して燃焼安定度が悪化するため、空燃比のリーン化には限界がある。

このような燃焼安定度の悪化を避けながら空燃比をリーン化する内燃機関として、例えば筒内直接噴射式の内燃機関が実用に供されている。この内燃機関では、圧縮行程後期に燃料を筒内（燃焼室内）に直接噴射することで、成層混合気を形成し、点火プラグ近傍の空燃比を局所的にリッチ化する。これにより、安定的な燃焼が行われるとともに、筒内をトータルで見ると大幅なリーン化が実現することになる。このような内燃機関を採用すれば、低速回転・低負荷運転領域における熱効率の向上を図ることができる。

また、内燃機関の理論熱効率の向上を図る他の方法として、機関圧縮比を大きくする方法が知られている。しかしながら、火花点火式の内燃機関では、圧縮比を過度に大きくするとノッキングが発生するため、通常は高負荷運転領域におけるノッキング限界により決定される圧縮比が上限設定圧縮比として設定されることとなる。このため、低負荷運転領域においては、最適な圧縮比まで機関圧縮比を大きくすることが出来なくなっている。

このような問題を解決する技術として、特許文献１にあるような、機関圧縮比を可変にする技術がある。この技術を利用すれば、機関圧縮比を任意に変化させることが可能となるため、低速回転・低負荷運転領域における機関圧縮比を大きくすることで、熱効率の向上を図ることができるようになる。
特開２００１−２６３１１４号公報

内燃機関において、低速回転・低負荷運転領域における熱効率を向上させるためには、上記のように機関圧縮比を大きくすることが有効である。また、機関圧縮比を可変にする技術を筒内直接噴射式などの成層燃焼が可能な内燃機関において採用すれば、さらなる熱効率の向上を図ることができ、着火性の向上により燃焼安定性の改善を図ることもできるようになる。

しかしながら、筒内直接噴射式などの成層燃焼が可能な内燃機関では、成層燃焼時に生成される局所的にリッチな混合気の自発火に起因するノッキングが発生する場合がある。このノッキングは、成層燃焼と均質燃焼とを切り換える負荷の近傍（成層燃焼側の領域）において顕著に現れる。

このように成層燃焼と均質燃焼との切り替えポイントの近傍で発生する恐れのあるノッキングに対して、上記の特許文献１に開示されている技術では、特に考察が為されていない。

本発明は、低負荷運転領域において成層燃焼を行い、それ以外の運転領域において均質燃焼を行う内燃機関において、成層燃焼と均質燃焼との切換ポイント（切り換えのときの負荷）の近傍にて現れる恐れの高いノッキングを抑制しつつ、成層燃焼時に高圧縮比化を図って熱効率を向上させることにある。

本発明に係る内燃機関は、可変圧縮比機構と、制御装置とを備えている。可変圧縮比機構は、機関圧縮比を変更することができる機構である。制御装置は、第１負荷よりも低負荷の低負荷運転領域において成層燃焼を行わせ、第１負荷よりも高負荷の運転領域において均質燃焼を行わせる。そして、制御装置は、第１負荷の近傍において、第１負荷よりも低負荷側の成層燃焼時の機関圧縮比を均質燃焼時の機関圧縮比よりも小さくする。

この内燃機関では、制御装置により成層燃焼と均質燃焼との切り換えが行われることになるが、熱効率の向上を図るためには、上記のように低負荷運転領域（成層燃焼を行う領域）における機関圧縮比を中・高負荷運転領域（均質燃焼を行う領域）に較べて大きくする必要がある。しかし、成層燃焼と均質燃焼との切換ポイント（第１負荷）の近傍において、均質燃焼側の領域における機関圧縮比よりも成層燃焼側の領域における機関圧縮比のほうを大きくした場合には、切換ポイントの近傍における成層燃焼側の領域でノッキングが発生する確率が高くなる。

これに対して、本発明に係る内燃機関では、成層燃焼と均質燃焼との切換ポイントの近傍における成層燃焼側の機関圧縮比を小さく設定し、その切換ポイントの近傍における成層燃焼側の機関圧縮比が均質燃焼側の機関圧縮比よりも小さくなるようにしている。これにより、切換ポイントの近傍における成層燃焼側の領域でノッキングが起こる確率が小さくなる。

一方、切換ポイントの近傍における成層燃焼側の機関圧縮比を小さくしてノッキングの発生を抑えた場合であっても、成層燃焼を行う領域のうち切換ポイントから離れた領域において機関圧縮比を均質燃焼領域における機関圧縮比よりも大きくすることで、成層燃焼時の高圧縮比化が図られ内燃機関の熱効率が向上する。

また、別の本発明に係る内燃機関は、可変圧縮比機構と、点火装置と、制御装置とを備えている。可変圧縮比機構は、機関圧縮比を変更することができる機構である。点火装置は、燃焼室内の混合気に点火する装置である。制御装置は、第１負荷よりも低負荷の低負荷運転領域において成層燃焼を行わせ、第１負荷よりも高負荷の運転領域において均質燃焼を行わせる。そして、制御装置は、第１負荷の近傍において、第１負荷よりも低負荷側の成層燃焼時の点火の時期を均質燃焼時の点火の時期よりも遅角化する。

この内燃機関でも、制御装置により成層燃焼と均質燃焼との切り換えが行われることになるが、熱効率の向上を図るためには、上記のように低負荷運転領域（成層燃焼を行う領域）における機関圧縮比を中・高負荷運転領域（均質燃焼を行う領域）に較べて大きくする必要がある。このため、特に機関圧縮比の設定に工夫を凝らさなければ、成層燃焼と均質燃焼との切換ポイント（第１負荷）の近傍においても、均質燃焼側の領域における機関圧縮比よりも成層燃焼側の領域における機関圧縮比のほうが大きくなる。

しかし、この場合には、切換ポイントの近傍における成層燃焼側の領域で機関圧縮比が比較的大きな値となってしまい、ノッキングが発生する確率が高くなる。

これに対して、別の本発明に係る内燃機関では、成層燃焼において、成層燃焼と均質燃焼との切換ポイントの近傍で、点火装置による点火の時期を遅角化させている。このように、成層燃焼を行う領域の切換ポイントの近傍において点火の時期を遅角化させているため、機関圧縮比が比較的大きい場合にも、燃焼室内の最高温度や圧力が低下し、ノッキングが起こりにくくなる。

一方、成層燃焼領域における機関圧縮比を均質燃焼領域における機関圧縮比よりも大きくすることで、成層燃焼時の高圧縮比化が図られ内燃機関の熱効率が向上する。

本発明に係る内燃機関では、成層燃焼領域における機関圧縮比を均質燃焼領域における機関圧縮比よりも大きくすることで熱効率の向上を図ることができるとともに、成層燃焼と均質燃焼との切換ポイントの近傍の成層燃焼側の領域におけるノッキングを抑制してスムーズな運転性を確保することができる。

［第１の実施形態］
＜内燃機関の概略構成＞
本発明の第１の実施形態に係る内燃機関である４サイクル火花点火エンジンを、図１に示す。

この内燃機関は、燃焼室２１、吸気ポート２２、吸気バルブ２３、ピストン３、燃料噴射弁２４、点火プラグ２５、電子制御装置（以下、ＥＣＵと略す。）２６、排気ポート２７、排気バルブ２８、スロットルバルブ２９、図２に示す可変圧縮比機構１９などから構成されている。

吸気ポート２２は、燃焼室２１に対して少なくとも１本が設けられている。吸気バルブ２３は、吸気ポート２２の下流部分であって燃焼室２１の入口に位置している。燃焼噴射弁２４は、燃焼室２１に直接燃料を噴射するための弁であり、燃焼室２１に対して少なくとも１本が設けられている。排気バルブ２８は、燃焼室２１に対して少なくとも１本が設けられている。排気バルブ２８は、排気ポート２７の上流部分であって燃焼室２１の出口に位置している。スロットルバルブ２９は、吸気ポート２２において吸気バルブ２３よりも上流側に位置している。

＜内燃機関の可変圧縮比機構の詳細構成＞
図２に示す内燃機関の可変圧縮比機構１９は、機関圧縮比を変更することができる複リンク式ピストン−クランク機構である。この可変圧縮比機構１９は、主として、ロアリンク（第２リンク）２と、アッパーリンク（第１リンク）５と、制御リンク（第３リンク）６と、偏芯カム８と、圧縮比可変アクチュエータ（揺動支持位置変更機構）１６とを備えている。

ロアリンク２は、クランクシャフト１のクランクピン１１に回転可能に外嵌・支持されている。クランクシャフト１は、内燃機関の本体にあたるシリンダブロックに主軸受を介して回転可能に支持されている。

アッパーリンク５は、その一端が、ピストンピン４を介してピストン３に回転可能に連結されている。また、アッパーリンク５の他端は、第１連結ピン１０を介してロアリンク２に回転可能に連結されている。

ピストン３に燃焼荷重が作用すると、この燃焼荷重は、ピストン３からアッパーリンク５及びロアリンク２を経由して、クランクシャフト１へ回転動力として伝達される。

制御リンク６は、その一端が、第２連結ピン９を介してロアリンク２に回転可能に連結されている。制御リンク６の他端は、偏芯カム８に回転可能に外嵌・支持されている。

偏芯カム８は、制御軸７に偏芯して固定（又は一体形成）されている。制御軸７は、シリンダブロックに回転可能に支持される軸である。また、制御軸７の一端には、スライド溝１５ａが形成された制御プレート１５が固定（又は一体形成）されている。

圧縮比可変アクチュエータ１６は、制御軸７をシリンダブロックに対して回動させたり、制御軸７をシリンダブロックに対して回転しないように保持させたりする役割を果たす。この圧縮比可変アクチュエータ１６は、電動式であり、主として、略筒状のスレッドドライブ１４と、棒状のスレッドドリブン１３と、駆動装置としての電動機１４ａ（図１参照；図２では図示を省略）とから構成されている。スレッドドライブ１４は、電動機１４ａによって軸回りに回転駆動される筒状部材であり、内周面にギアが形成されている。スレッドドリブン１３は、スレッドドライブ１４の内周面のギアに噛合しており、スレッドドライブ１４の回転に応じて軸方向（図２の方向Ｄ１）に進退する。スレッドドリブン１３の先端には、コントロールシャフトピン１２が設けられている。このコントロールシャフトピン１２は、制御プレート１５のスライド溝１５ａに摺動可能に嵌合している。

この圧縮比可変アクチュエータ１６によって制御軸７を機関運転状態に応じて回動させることにより、クランク角θに対するピストン行程が変化し、機関圧縮比が変化する。なお、圧縮比可変アクチュエータ１６は、油圧駆動式としてもよい。

また、圧縮比可変アクチュエータ１６は、電動式であっても油圧駆動式であっても、電動機１４ａあるいは油圧駆動装置が故障する恐れが僅かでも存在する。このため、圧縮比可変アクチュエータ１６は、電動機１４ａあるいは油圧駆動装置が故障したときに、機関圧縮比が最低圧縮比になるように制御プレート１５および制御軸７を保持する構造になっている。すなわち、ここでは、図２に示す電動式の圧縮比可変アクチュエータ１６のスレッドドライブ１４を回転駆動する電動機１４ａから駆動力が作用しなくなったときには、機関圧縮比が、燃焼圧力により付勢されて、最低設定圧縮比になる。

＜内燃機関のＥＣＵの詳細構成＞
ＥＣＵ２６は、種々のセンサーからの入力を受け、ドライバーの要求するアクセル開度に相当するエンジントルクを出力できるように、燃料噴射量、点火時期、スロットル開度などを調節し、燃焼室における燃焼状態を適切に制御するための制御装置である。ここでは、本発明に関係するＥＣＵ２６の構成について以下に説明する。

ＥＣＵ２６は、図１に示すように、燃焼形態判定部３１と、火花点火制御部３２と、燃料噴射制御部３３と、スロットル制御部３４と、圧縮比制御部３５とを有している。これらのＥＣＵ２６の各部３１〜３５は、マイクロコンピューターのプログラムとして実現されている。また、ＥＣＵ２６には、クランク角センサー５１が検出した機関回転信号と、アクセル開度センサー５２が検出したアクセル開度信号(負荷)とが入力される。これらの機関回転信号およびアクセル開度信号に基づいて、燃焼形態判定部３１が、成層燃焼および均質燃焼のいずれの燃焼方式で運転を行うのかを判定する。

＜ＥＣＵの制御による内燃機関の動作＞
図３に、本実施形態に係る内燃機関である４サイクル火花点火エンジンの運転領域を示す。この図３に示すように、ＥＣＵ２６は、低速回転・低負荷運転領域、すなわち各エンジンスピードに対応する所定のトルク（図３の１点鎖線で示すもの）よりも低負荷の運転領域においては成層燃焼を行い、それ以外の運転領域、すなわち所定のトルクよりも高負荷の運転領域においては均質燃焼を行うように、スロットル開度を調節して吸込空気流量を制御している（図４参照）。また、ＥＣＵ２６は、成層燃焼を行う領域では、燃料噴射弁２４により圧縮行程中に燃焼室２１へ向けて燃料噴射を行うことで、燃焼室２１において成層混合気を形成している。これにより、燃焼室２１全体としては空燃比の大幅なリーン化が実現される一方、点火プラグ２５近傍の空燃比が局所的にリッチ化して安定的な燃焼が行われることになる。

図４に、各負荷（トルク）に対応する機関圧縮比および吸入空気流量（スロットル開度）の一例を示す。この図４は、あるエンジンスピードのときの負荷と機関圧縮比および吸入空気流量との関係を表している。

この図４に示すような機関圧縮比および吸入空気流量となるように、ＥＣＵ２６が制御を行う。まず、ＥＣＵ２６の燃焼形態判定部３１が、アクセル開度信号と機関回転信号（エンジンスピード信号）から、成層燃焼および均質燃焼のいずれかの燃焼方式で運転するのかを判定する。スロットル制御部３４は、アクセル開度信号と機関回転信号から、各燃焼方式の領域において、負荷（トルク）に応じた吸込空気流量となるようにスロットルバルブ２９を調節する。また、圧縮比制御部３５も、アクセル開度信号と機関回転信号から、各燃焼方式の領域において、負荷（トルク）に応じた機関圧縮比となるように可変圧縮比機構１９の電動機１４ａを制御する。さらに、点火時期や燃料噴射量についても、火花点火制御部３２および燃焼噴射制御部３３によって、予め記憶されたそれぞれの指示値により適切に制御が為される。

次に、各負荷におけるＥＣＵ２６の制御について説明する。

全負荷条件（図４において全負荷となるトルクＴ７のとき）において、圧縮比制御部３５は、機関圧縮比が設定最低圧縮比となるように可変圧縮比機構１９を制御する。また、全負荷条件のときのスロットル開度は、スロットル制御部３４によって、全開となるように制御される。

負荷が全負荷のトルクＴ７よりも小さい領域、すなわち図４におけるトルクＴ５〜トルクＴ６の領域は、中・高負荷運転領域なので均質燃焼の領域である。この領域では、負荷が小さくなるにつれて機関圧縮比を増大させる。このときの機関圧縮比は、ＥＣＵ２６内の圧縮比制御部３５に予め記憶された指示値により、ノッキング防止の観点から規定されている最適な機関圧縮比とされる。また、このトルクＴ５〜トルクＴ６の均質燃焼の領域においても、点火時期、燃料噴射量、およびスロットル開度が予め記憶された指示値により制御される。

図４のトルクＴ５〜トルクＴ６の領域よりもさらに負荷が小さい領域になると、燃焼形態判定部３１により、燃焼形態を均質燃焼から成層燃焼に切り換える指示が出され、燃焼形態が成層燃焼へと変わる。具体的には、トルクＴ４の負荷のときに、燃焼形態が均質燃焼から成層燃焼へと切り換えられる。この燃焼形態の切り換わりの前後において、機関圧縮比が大きく変化する。図４に示すように、トルクＴ４の近傍の均質燃焼側の領域における機関圧縮比に較べて、トルクＴ４の近傍の成層燃焼側の領域における機関圧縮比が小さくなっている。言い換えれば、成層燃焼に切り換わると、それまでの均質燃焼時の最高設定圧縮比よりも小さい値に、機関圧縮比が設定される。

このように、成層燃焼に切り換わったときに機関圧縮比を小さく変化させている理由は、成層燃焼を行う領域内における高負荷領域、すなわち図４のトルクＴ３〜トルクＴ４の領域におけるノッキングの回避にある。成層燃焼を行う領域内における高負荷領域においては、局所的なリッチ混合気の割合が多くなるため、機関圧縮比が高すぎると、リッチ混合気の火炎伝播のエンドガスの自発火に起因するノッキングが発生し易くなる。このノッキングを回避する方法として、本実施形態では、上記のように成層燃焼への切り換え時に機関圧縮比を低下させている。

また、トルクＴ４の負荷で燃焼形態が均質燃焼から成層燃焼へと切り換わると、スロットル制御部３４は、スロットル開度が全開となるようにスロットルバルブ２９を制御する（図４参照）。これにより、スロットルバルブ２９の絞りによるポンプ損失が低減された状態で成層燃焼による運転が行われることとなる。

図４のトルクＴ４近傍の領域よりもさらに負荷が小さい領域、すなわち図４におけるトルクＴ２〜Ｔ３の成層燃焼の領域においては、負荷が小さくなるにつれて再び機関圧縮比を増大させる圧縮比増加処理が圧縮比制御部３５によって為される。機関圧縮比の増加に伴って着火性が向上するため、成層燃焼時のリーン限界が拡大される。このリーン限界の拡大により、ここでは、吸入空気流量を絞らなければならない領域（スロットル開度を小さくしなければならない領域）を、成層燃焼を行う従来の内燃機関よりも低負荷側に拡大することができている。このため、スロットル開度が全開でポンプ損失が小さい高効率な運転領域が拡大されている。

図４のトルクＴ２〜Ｔ３の領域よりもさらに負荷が小さい領域、すなわち図４におけるトルクＴ１近傍の極低負荷領域においては、スロットル開度を全開としていると投入燃料量に対する吸入空気流量が過大となってリーン限界に達してしまうため、失火を防止して安定した燃焼を行う目的で、リーン限界に応じた空気流量となるように予め設定されたスロットル開度にて運転を行うことになる。すなわち、スロットル制御部３４は、トルクＴ１近傍の極低負荷領域では、スロットルバルブ２９を全開状態ではなく少し閉めた状態に移行させる。

＜第１の実施形態に係る内燃機関の特徴＞
（１）
この内燃機関では、機関圧縮比を変更することができる可変圧縮比機構１９が、ＥＣＵ２６により制御されている。また、ＥＣＵ２６は、低速回転・低負荷運転領域において成層燃焼を行わせ、それ以外の運転領域において均質燃焼を行わせる。

このような構成において、成層燃焼を行う領域内における高負荷の領域においては、局所的なリッチ混合気の割合が多くなるため、機関圧縮比が高すぎると、リッチ混合気の火炎伝播のエンドガスの自発火に起因するノッキングが発生し易くなる。

これに対し、この内燃機関のＥＣＵ２６は、成層燃焼において、成層燃焼と均質燃焼との切換ポイントであるトルクＴ４の負荷近傍での機関圧縮比を、均質燃焼におけるトルクＴ４の負荷近傍での機関圧縮比よりも小さくしている。すなわち、成層燃焼の領域のうち高負荷の領域であるトルクＴ４のトルクＴ３側の領域における機関圧縮比が、均質燃焼における低負荷の領域であるトルクＴ４のトルクＴ５側の領域における機関圧縮比よりも小さくなっている（図４参照）。

このように、負荷が小さくなっていって均質燃焼から成層燃焼に燃焼形態が切り換わったときに機関圧縮比を小さく変化させているため、成層燃焼を行う領域内における高負荷の領域、すなわち図４のトルクＴ３〜トルクＴ４の領域におけるノッキングが回避される。そして、成層燃焼と均質燃焼とを切り換える負荷の領域、すなわちトルクＴ４の近傍の領域においても、ノッキングのないスムーズな運転ができるようになっている。

また、この内燃機関は、ノッキングのないスムーズな運転ができる内燃機関であるとともに、成層燃焼の領域のうちトルクＴ４の近傍領域を除く低負荷の領域における機関圧縮比が大きく設定されているため、リーン限界が拡大されポンプ損失が低減された高効率な内燃機関となっている。

（２）
この内燃機関では、燃焼室２１への吸入空気流量を調節するスロットルバルブ２９についても、ＥＣＵ２６のスロットル制御部３４により制御を行っている。スロットル制御部３４は、成層燃焼におけるトルクＴ１の近傍の極低負荷運転領域で、成層燃焼における極低負荷運転領域以外の運転領域（トルクＴ２〜トルクＴ４の領域）に較べて、吸入空気流量が小さくなるようにしている。具体的には、トルクＴ２〜トルクＴ４の領域においてはスロットルバルブ２９を全開状態としているのに対し、トルクＴ１の近傍の極低負荷運転領域では、スロットルバルブ２９を全開状態ではなく少し閉めた状態に移行させている。

これにより、この内燃機関では、成層燃焼を行う領域のうちの極低負荷側の領域においても、リーン限界空燃比に応じた吸入空気流量が燃焼室２１に供給され、失火することなく機関の最高効率点において運転ができるようになっている。

（３）
この内燃機関では、可変圧縮比機構１９の圧縮比可変アクチュエータ１６が、電動式であって、電動機１４ａを含んでいる。そして、この電動機１４ａが万が一故障した場合を想定して、可変圧縮比機構１９では、電動機１４ａが故障したときに、機関圧縮比が最低圧縮比になるように圧縮比可変アクチュエータ１６が制御プレート１５および制御軸７を保持する構造を採っている。このため、図２に示す電動式の圧縮比可変アクチュエータ１６のスレッドドライブ１４を回転駆動する電動機１４ａから駆動力が作用しなくなったときには、機関圧縮比が、燃焼圧力により付勢されて、最低設定圧縮比になる。

したがって、可変圧縮比機構１９の駆動装置である電動機１４ａが故障した場合には、全運転領域において最低設定圧縮比にて運転が行われることになり、ノッキングや過熱による機関の損傷が防止される。このように、この内燃機関は、可変圧縮比機構１９の電動機１４ａが故障したときにも、安全に運転の継続をすることができる内燃機関となっている。

［第２の実施形態］
続いて、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態に係る内燃機関は、第１の実施形態に係る内燃機関と構造は同じであり、ＥＣＵ２６の制御、具体的には成層燃焼および均質燃焼のそれぞれにおける機関圧縮比の制御が異なっている。

図５に、第２の実施形態における、各負荷（トルク）に対応する機関圧縮比および吸入空気流量の一例を示す。ここでは、負荷の低下に伴う機関圧縮比の増加率を、均質燃焼時よりも成層燃焼時に大きくなるように設定している。

成層燃焼と均質燃焼とを切り換える負荷であるトルクＴ４の近傍領域において通常顕著に現れるノッキングは、成層混合気中に存在する局所的にリッチな混合気に起因している。一方、負荷が小さくなるにつれて、筒内（燃焼室２１内）の全ガス量に対するリッチ混合気の割合が減少する。このため、成層燃焼を行う領域のうち低負荷側の領域（トルクＴ４の近傍領域よりも低負荷の領域）では、自然とノッキングが発生し難くなっていると言える。これに鑑み、ここでは、均質燃焼時の機関圧縮比よりも成層燃焼時の機関圧縮比を全体として大きくするとともに、均質燃焼時における負荷低下に対する機関圧縮比の増加率よりも、成層燃焼時における負荷低下に対する機関圧縮比の増加率を大きくしている。これにより、第２の実施形態に係る内燃機関では、理論熱効率が向上する運転領域を、第１の実施形態に係る内燃機関よりも拡大させている。

このように、第２の実施形態に係る内燃機関も、ノッキングのないスムーズな運転ができる内燃機関であるとともに、第１の実施形態に係る内燃機関よりもリーン限界が拡大されてポンプ損失が低減された高効率な内燃機関となっている。また、第２の実施形態に係る内燃機関では、成層燃焼時の着火性が向上することに起因して、燃焼安定性も向上している。

なお、第２の実施形態に係る内燃機関では、図５に示すように、第１の実施形態に係る内燃機関に較べ、成層燃焼時における負荷低下に対する機関圧縮比の増加率を大きくしているため、燃焼ガス最高温度が高くなってＮＯｘの生成量が若干多くなる傾向にはなる。しかし、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）等により許容範囲内にＮＯｘの生成量を抑えることができる。すなわち、第２の実施形態に係る内燃機関では、第１の実施形態に係る内燃機関に較べて、熱効率をさらに高くすることが可能であるが、ＮＯｘの生成量の観点からは若干劣ることもある。第１の実施形態に係る内燃機関と第２の実施形態に係る内燃機関との優劣は、要求される性能の種類やレベルに応じて決まり、一概に断定できるものではない。

［第３の実施形態］
続いて、本発明の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態に係る内燃機関は、第１の実施形態に係る内燃機関と構造は同じであり、ＥＣＵ２６の制御が第２の実施形態に係る内燃機関と類似している。第３の実施形態に係る内燃機関のＥＣＵ２６の制御は、成層燃焼と均質燃焼との切り換え負荷の近傍領域におけるノッキング抑制に関する部分が、第２の実施形態に係る内燃機関と異なる。

第３の実施形態においては、成層燃焼と均質燃焼との切り換え負荷（トルクＴ４）の近傍領域にて発生しやすいノッキングの抑制方法として、第１の実施形態や第２の実施形態に係る内燃機関のような機関圧縮比の低下という方法ではなく、点火時期の遅角化という方法を採用している。

図７に、各負荷（トルク）に対する切り換え負荷（トルクＴ４）の近傍領域における点火時期と、それ以外の領域における通常点火時期との差異を示す。ここでは、ＥＣＵ２６の火花点火制御部３２が、成層燃焼を行う領域において、切り替え負荷であるトルクＴ４の近傍領域における点火時期を、均質燃焼を行う領域における通常点火時期に較べて遅角化させている。このように、通常点火時期よりも遅角化することにより、トルクＴ４の近傍領域のうち成層燃焼側の領域において、燃焼開始時期および燃焼期間が遅角化し、筒内（燃焼室２１内）の最高温度・圧力が低下する。これにより、トルクＴ４の成層燃焼側の近傍領域において、ノッキングを回避することができている。

そして、ここでは点火時期の遅角化という方法でトルクＴ４の成層燃焼側の近傍領域におけるノッキングを抑えているため、図６に示すように、成層燃焼と均質燃焼との切り換え負荷（トルクＴ４）の近傍において成層燃焼側の領域で機関圧縮比を低下させる制御は行っていない。すなわち、成層燃焼を行う領域のうち最大負荷のポイントにおける機関圧縮比が均質燃焼を行う領域のうち最低負荷のポイントにおける機関圧縮比よりも大きくなっている。このため、成層燃焼を行う領域の全体において高圧縮比化が図られ、理論熱効率が高い運転領域を拡大することができている。

以上のような構成により、成層燃焼と均質燃焼とを切り換える負荷（トルクＴ４）においてもノッキングのないスムーズな運転が可能となるとともに、成層燃焼を行う領域全体における機関圧縮比を大きく設定しているため、リーン限界が拡大されポンプ損失の小さい高効率な内燃機関が実現している。

なお、現時点においては、可変圧縮比機構１９による機関圧縮比変更のレスポンス速度の確保よりも、点火時期変更のレスポンス速度の確保のほうが容易なことが多い。

［第４の実施形態］
続いて、本発明の第４の実施形態について説明する。第４の実施形態に係る内燃機関は、第１の実施形態に係る内燃機関と構造は同じであり、ＥＣＵ２６の制御が第３の実施形態に係る内燃機関と類似している。第３の実施形態に係る内燃機関のＥＣＵ２６の制御では、図６に示すように、均質燃焼時における負荷低下に対する機関圧縮比の増加率よりも成層燃焼時における負荷低下に対する機関圧縮比の増加率を大きくしているが、第４の実施形態に係る内燃機関のＥＣＵ２６の制御では、図８に示すように、反対に、均質燃焼時における負荷低下に対する機関圧縮比の増加率よりも成層燃焼時における負荷低下に対する機関圧縮比の増加率を小さくしている。

この第４の実施形態に係る内燃機関のＥＣＵ２６による機関圧縮比の制御は、ＮＯｘの生成量の低減を重視した制御である。成層燃焼時には、局所的にリッチな混合気の燃焼に起因する燃焼室２１内の高温部分から生成されるＮＯｘが多くなりがちである。しかし、ここでは、成層燃焼時における負荷低下に対する機関圧縮比の増加率を均質燃焼時における負荷低下に対する機関圧縮比の増加率よりも小さくなるように設定しているため、機関圧縮比の増加率を燃焼形態に応じて変えない場合に較べて、燃焼室２１内の平均温度が低下し、ＮＯｘ生成量も低減される。

このように、第４の実施形態に係る内燃機関は、低エミッション化が図られたクリーンな内燃機関となる。但し、クリーンとなっている分だけ、第３の実施形態に係る内燃機関に較べると、少し効率が劣る内燃機関となる。

［他の実施形態］
（Ａ）
上記の各実施形態においては、負荷に対する機関圧縮比設定の説明において、負荷をトルクに置き換えた説明を行っている。このトルクに代えて、負荷を制御するパラメータとして、燃料噴射量やドライバーのペダル踏み込み量であるアクセル開度を指標としてもよい。

（Ｂ）
上記の各実施形態においては、負荷の低下に伴う機関圧縮比の増加率、すなわち図４〜図６および図８における傾きを、成層燃焼を行う領域および均質燃焼を行う領域それぞれについて直線的に表現している。このような直線的な傾きではなく、曲線的な変化を持つ傾きであってもよい。その場合には、曲線の接線方向の傾きを機関圧縮比の増カロ率として定義することになる。

（Ｃ）
上記の各実施形態においては、燃焼室２１へ直接燃料噴射を行うことで成層混合気を形成する内燃機関を前提としているが、吸気ポート２２に燃料噴射弁を設置したいわゆるポート噴射方式を採用し吸気行程中の吸気バルブが開いているときに燃料噴射を行うことで成層化を実現する内燃機関に対しても、本発明の適用は有効である。

（Ｄ）
成層燃焼と均質燃焼との切り換え負荷（トルクＴ４）の近傍領域における成層燃焼時のノッキングを、上記の第１の実施形態および第２の実施形態においては機関圧縮比を小さくすることによって抑制し、上記の第３の実施形態および第４の実施形態においては点火時期の遅角化によって抑制しているが、機関圧縮比の低下と点火時期の遅角化との２つの方法を組み合わせた制御をＥＣＵ２６に行わせることも可能である。

［各実施形態に係る内燃機関のまとめ］
以上述べてきたような構成により、可変圧縮比機構１９により機関圧縮比を変更しつつ、低速回転・部分負荷運転領域において成層燃焼を行い、それ以外の運転領域において均質燃焼を行う内燃機関において、成層燃焼と均質燃焼とを切り換える負荷の近傍にて現れるノッキングを抑制してスムーズな運転性を確保することができるようになっている。

また、負荷が小さくなるにつれて機関圧縮比を増加させる制御を採りつつ、成層燃焼時の負荷低下に伴う機関圧縮比の増加率と均質燃焼時における負荷低下に伴う機関圧縮比の増加率とを異ならせることにより、燃焼形態によって異なる最適な機関圧縮比を個別に設定することができるようになっている。これにより、リーン燃焼を最大限に生かして理論熱効率を向上させることができるとともに、成層燃焼の持つポンプ損失低減効果を生かした高効率な内燃機関が実現できる。

本発明に係る内燃機関は、成層燃焼と均質燃焼との切換ポイントの近傍の成層燃焼側の領域におけるノッキングを抑制してスムーズな運転性を確保することができるという効果を有しており、低負荷運転領域において成層燃焼を行い、それ以外の運転領域において均質燃焼を行う内燃機関として有用である。

本発明における実施形態のシステム構成図である。 本発明における可変圧縮比機構を示す構成図である。 本発明における実施形態の運転領域に対する燃焼形態を示す図である。 本発明における第１の実施形態の機関圧縮比設定等を説明する図である。 本発明における第２の実施形態の機関圧縮比設定等を説明する図である。 本発明における第３の実施形態の機関圧縮比設定等を説明する図である。 本発明における第３の実施形態の点火時期設定を説明する図である。 本発明における第４の実施形態の機関圧縮比設定等を説明する図である。

符号の説明

１ クランクシャフト
２ ロアリンク
３ ピストン
４ ピストンピン
５ アッパーリンク
６ コントロールリンク
７ コントロールシャフト
８ 偏芯カム
９ 第２連結ピン
１０ 第１連結ピン
１１ クランクピン
１３ スレッドドリプン
１４ スレッドドライブ
１６ 圧縮比可変アクチュエータ
１９ 可変圧縮比機構
２１ 燃焼室
２２ 吸気ポート
２３ 吸気バルブ
２４ 燃料噴射弁
２５ 点火プラグ
２６ 電子制御装置（ＥＣＵ）
２７ 排気ポート
２８ 排気バルブ
２９ スロットルバルブ
３１ 燃焼形態判定部
３２ 火花点火制御部
３３ 燃料噴射制御部
３４ スロットル制御部
３５ 圧縮比制御部

Claims (10)

1. 機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、
   第１負荷よりも低負荷の低負荷運転領域において成層燃焼を行わせ、前記第１負荷よりも高負荷の運転領域において均質燃焼を行わせる制御装置と、
   を備えた内燃機関であって、
   前記制御装置は、前記第１負荷の近傍において、第１負荷よりも低負荷側の成層燃焼時の機関圧縮比を均質燃焼時の機関圧縮比よりも小さくする、
   内燃機関。
2. 機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、
   燃焼室内の混合気に点火する点火装置と、
   第１負荷よりも低負荷の低負荷運転領域において成層燃焼を行わせ、前記第１負荷よりも高負荷の運転領域において均質燃焼を行わせる制御装置と、
   を備えた内燃機関であって、
   前記制御装置は、前記第１負荷の近傍において、第１負荷よりも低負荷側の成層燃焼時の点火の時期を均質燃焼時の点火の時期よりも遅角化する、
   内燃機関。
3. 前記制御装置は、均質燃焼から成層燃焼へと切り換えるときに、前記点火装置による点火の時期を一時的に遅角化する、
   請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記制御装置は、均質燃焼から成層燃焼へと切り換えたときに前記点火装置による点火の時期を一気に遅角させ、その後、負荷が小さくなるにつれて前記点火装置による点火の時期を徐々に進角させる、
   請求項２又は３に記載の内燃機関。
5. 前記制御装置は、成層燃焼および均質燃焼のそれぞれにおいて、負荷が小さくなるにつれて機関圧縮比を増加させる圧縮比増加処理を行い、
   均質燃焼における前記圧縮比増加処理の圧縮比の増加度合いが、均質燃焼における前記圧縮比増加処理の圧縮比の増加度合いと異なる、
   請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関。
6. 成層燃焼における前記圧縮比増加処理の圧縮比の増加度合いが、均質燃焼における前記圧縮比増加処理の圧縮比の増加度合いよりも大きい、
   請求項５に記載の内燃機関。
7. 成層燃焼における前記圧縮比増加処理の圧縮比の増加度合いが、均質燃焼における前記圧縮比増加処理の圧縮比の増加度合いよりも小さい、
   請求項５に記載の内燃機関。
8. 燃焼室に空気を吸入させる吸入機構をさらに備え、
   前記制御装置は、成層燃焼における極低負荷運転領域では、成層燃焼における前記極低負荷運転領域以外の運転領域に較べて、前記吸入機構による燃焼室への吸入空気量を小さくする、
   請求項１から７のいずれかに記載の内燃機関。
9. 前記可変圧縮比機構は、駆動装置を有しており、前記駆動装置が故障した時に機関圧縮比が最低圧縮比になるように構成されている、
   請求項１から８のいずれかに記載の内燃機関。
10. 前記可変圧縮比機構は、
    ピストンピンを介してピストンに連結された第１リンクと、
    第１連結ピンを介して前記第１リンク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、
    第２連結ピンを介して前記第１リンク又は前記第２リンクに連結されるとともに前記内燃機関の本体に揺動可能に支持された第３リンクと、
    前記第３リンクの揺動支持位置を変更する揺動支持位置変更機構と、
    を含む複リンク式ピストン−クランク機構であり、機関圧縮比が目標圧縮比になるようにピストンの位置を補正する、
    請求項９に記載の内燃機関。
    

Images