JP4402798B2

JP4402798B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4402798B2
Application number: JP2000071381A
Authority: JP
Inventors: 俊一青山; 孝之荒井; 克也茂木
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-03-15
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2020-03-15
Also published as: JP2001263099A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、吸気弁側に可変動弁機構を備えた内燃機関、特に、吸気弁閉時期を変化させて吸気行程の有効ストロークを可変制御するようにした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（例えば、社団法人自動車技術会１９９４年発行の学術講演会前刷集９４２１９９４ NO.9433515）。
【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出来る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の先行技術文献にも記載があるように、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。
【０００５】
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。
【０００６】
しかし、このような圧縮比可変制御を行うための可変圧縮比機構として、ピストンの上死点位置を変更する機構を用いた場合には、高圧縮比状態（上死点におけるピストンの位置が一層高くなる状態）において、ピストンと吸気弁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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る内燃機関の制御装置は、
シリンダ内を往復動するピストンと、このピストンの往復動をクランクシャフトの回転に変換するピストン−クランク機構を用いピストンの上死点位置を変更することにより機関の圧縮比を変更可能とした可変圧縮比機構と、
機関の回転に同期して吸気通路を開閉する吸気弁のリフト特性を変更する可変動弁機構とを備える内燃機関であって、
上記ピストン−クランク機構は、上記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リンクに連結ピンを介して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リンクに連結ピンを介して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、この第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−クランク機構から構成され、
上記ピストン−クランク機構は、上死点から下死点までのピストンストローク量が上記ピストン−クランク機構における上死点から下死点までのピストンストローク量と同一の単リンク式ピストン−クランク機構に比べて、回転２次振動が小さくなるように上記ピストンの往復運動が単振動運動に近い特性となるよう、上死点と下死点におけるピストンストローク特性が略対称で、上記単リンク式ピストン−クランク機構に比べてピストン下死点前後のピストンストローク速度が大きく、かつピストン上死点前後のピストンストローク速度が小さくなるよう、上死点前から上死点にかけて、及び下死点前から下死点にかけては上記単リンク式ピストン−クランク機構に比べてピストンを引き下げる方向に上記第２リンクが上記第３リンクの揺動によって上記クランクピン回りに揺動し、上死点から上死点後にかけて、及び下死点から下死点後にかけては上記単リンク式ピストン−クランク機構に比べてピストンを引き上げる方向に上記第２リンクが上記第３リンクの揺動によって上記クランクピン回りに揺動するように上記ピストン−クランク機構の各リンクや各支点のアライメントが設定され、
上記クランクシャフトの軸方向に見て、上記クランクシャフトの回転中心を原点、上記原点を通り上記ピストンピンの往復軸線と直交する軸線をｘ軸、上記原点を通り上記ピストンピンの往復軸線と平行な軸線をｙ軸とし、かつ上記ピストンピンの中心のｘ座標を負、上記ピストンピンの中心のｙ座標を正とした方向にｘ−ｙ座標系を定義した場合に、
上記第２リンクは、上記第２リンクと上記第１リンクとの連結部と、上記第２リンクと上記第３リンクとの連結部とが、上記クランクシャフトの上記クランクピン部を挟んで位置するよう構成され、
上記第３リンクの揺動中心は、そのｘ座標が正の値となり、そのｙ座標が負の値となるよう設定され、かつ上記ｙ軸に対して上記第２リンクと上記第３リンクとの連結部と同じ側に位置するように設定され、
機関運転条件に応じた圧縮比となるように上記可変圧縮比機構を制御するとともに、圧縮比が高圧縮比状態に制御されるときに上記吸気弁の開時期が遅角するかまたはリフト量が減少するように上記可変動弁機構を制御する制御手段を備えたことを特徴としている。
【０００８】
高圧縮比状態においては、上死点におけるピストンの位置は、低圧縮比状態よりも高くなり、吸気弁との干渉が問題となる。しかし、同時に、可変動弁機構により、吸気弁の開時期が遅角し、あるいはリフト量が減少制御されて、上死点での吸気弁リフト量が小さくなると、ピストン冠面と吸気弁との間の間隔が相対的に大きくなる。つまり、それだけ両者の干渉の問題を抑制できる。
【０００９】
この請求項１の発明をより具体化した請求項２の発明では、上記制御手段は、上記吸気弁の閉時期を変更することにより機関運転条件に応じた吸気有効ストロークが得られるように上記可変動弁機構を制御するとともに、吸気有効ストロークの減少制御が行われる機関運転条件のときに圧縮比を高圧縮比状態に制御することを特徴とする。
【００１０】
より具体的には、請求項３のように、上記制御手段は、機関負荷が低いときに吸気有効ストロークの減少制御を行う。
【００１１】
すなわち、低負荷時には、可変動弁機構により、吸気弁の閉時期を、下死点より前に進角させ、あるいは下死点より後まで大きく遅角させることによって、吸気有効ストロークの減少制御がなされる。このとき、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がちとなるが、可変圧縮比機構により圧縮比を高圧縮比状態とすることで、この有効圧縮比の低下分を補うことができる。
【００１２】
請求項４の発明では、上記制御手段は、吸気有効ストロークを減少させる際に、上記吸気弁の閉時期がピストンの吸気下死点よりも進角するように上記可変動弁機構を制御する。
【００１３】
また、請求項６の発明では、上記制御手段は、吸気有効ストロークを減少させる際に、上記吸気弁の閉時期がピストンの吸気下死点よりも遅角するように上記可変動弁機構を制御する。
【００１４】
上記可変動弁機構は、例えば請求項５のように、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ドライブシャフトと、このドライブシャフトに固定された偏心リング状の駆動カムと、この駆動カムに回転可能に支持されたリンクアームと、このリンクアームに連結ピンを介して連結されるとともに機関本体に揺動可能に支持されたロッカアームと、このロッカアームに連結ピンを介して連結されたリンク部材と、このリンク部材に連結ピンを介して連結されるとともに上記ドライブシャフトに揺動可能に支持された揺動カムと、この揺動カムの揺動を上記吸気弁へ伝達するバルブリフターと、上記ロッカアームの揺動支持位置を変化させる機構と、を含んで構成される。
【００１５】
この可変動弁機構では、吸気弁の可変制御の態様として、バルブリフトのピーク位置がほぼ一定のまま作動角が広狭変化するものとなる。
【００１６】
また上記可変動弁機構は、請求項７のように、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カムシャフトと、上記カムスプロケットと上記カムシャフトとの位相を変化させる機構と、を含んで構成される。
【００１７】
この可変動弁機構では、吸気弁の可変制御の態様として、作動角が一定のまま、位相が変化し、開時期と閉時期との双方が等しく変化する。
【００２０】
上記のように、第３リンクの揺動支持位置を機関運転条件に応じて変化させると、ピストン上死点でのピストン位置が変化する。つまり、圧縮比が可変となる。
【００２１】
またピストン−クランク機構のピストンストローク特性を単振動に近づけるほど、内燃機関の回転２次振動が小さくなる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、可変動弁機構と可変圧縮比機構とを組み合わせることにより、高圧縮比状態にしつつピストン冠面と吸気弁との間隔を大きく確保することができる。従って、ポンプ損失低減のために吸気有効ストロークを小さくしたときの有効圧縮比の低下を高圧縮比状態とすることで補うことができるとともに、高圧縮比状態でのピストン冠面と吸気弁との干渉を確実に回避することができる。
【００２３】
また、ピストンの往復運動を単振動運動に近づければ、回転２次振動を低減することができる。
【００２４】
【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。
【００２５】
図１は、この発明に用いられる可変圧縮比機構として好適な複リンク式ピストン−クランク機構の全体図である。
【００２６】
クランク軸３１は、複数のジャーナル部３２とクランクピン部３３とカウンタウエィト部３１ａとを備えており、機関本体となる図示せぬシリンダブロックの主軸受に、ジャーナル部３２が回転自在に支持されている。上記クランクピン部３３は、ジャーナル部３２から所定量偏心しており、ここに第２リンクとなるロアーリンク３４が回転自在に連結されている。
【００２７】
上記ロアーリンク３４は、略Ｔ字形をなすもので、その本体３４ａとキャップ３４ｂとから分割可能に構成された略中央の連結孔に上記クランクピン部３３が嵌合している。
【００２８】
第１リンクとなるアッパーリンク３５は、下端側が連結ピン３６によりロアーリンク３４の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン３７によりピストン３８に回動可能に連結されている。上記ピストン３８は、燃焼圧力を受け、シリンダブロックのシリンダ３９内を往復動する。
【００２９】
上記シリンダ３９の上部には、クランク軸３１の回転に同期して吸気ポート４４を開閉する吸気弁１２と、同じくクランク軸３１の回転に同期して排気ポート４６を開閉する排気弁４５と、が配置されている。
【００３０】
第３リンクとなる制御リンク４０は、上端側が連結ピン４１によりロアーリンク３４の他端に回動可能に連結され、下端側が制御軸４２を介して機関本体例えばシリンダブロックの適宜位置に回動可能に連結されている。詳しくは、制御軸４２は、小径部４２ｂを中心として回転するように機関本体に支持されており、この小径部４２ｂに対し偏心している大径部４２ａに、上記制御リンク４０下端部が回転可能に嵌合している。
【００３１】
上記制御軸４２は、後述する圧縮比制御アクチュエータによって回動位置が制御される。この圧縮比制御アクチュエータは、制御リンク４０から加わる反力に抗して、任意の回動位置で制御軸４２を保持することができるようになっている。
【００３２】
上記のようなピストン−クランク機構においては、上記制御軸４２が圧縮比制御アクチュエータによって回動されると、小径部４２ｂに対して偏心している大径部４２ａの軸中心位置、特に、機関本体に対する相対位置が変化する。これにより、制御リンク４０の下端の揺動支持位置が変化する。そして、上記制御リンク４０の揺動支持位置が変化すると、ピストン３８の行程が変化し、ピストン上死点（ＴＤＣ）におけるピストン３８の位置が高く（つまり図１のｙ座標が大きく）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。
【００３３】
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することが知られている。本実施例では、このような有効圧縮比の低下を補うべく、低負荷時はＴＤＣにおけるピストン位置が高くなるように制御リンク４０の揺動支持位置（制御軸１２の回動位置）を制御する。
【００３４】
ところで、図１のような複リンク式ピストン−クランク機構は、機関の圧縮比を変化させ得る機構として有用であるが、その特徴の他、各リンクや支点のアライメントを適切に設定することにより、ピストンピンとクランクピンとを単一のリンク（コンロッド）で連結した単リンク式ピストン−クランク機構と比較して、ピストン下死点（ＢＤＣ）前後のピストンストローク速度を大きく、かつＴＤＣ前後のピストンストローク速度を小さくすることが出来る特徴を有している。
【００３５】
図２は、図１の複リンク式ピストン−クランク機構のピストンストローク特性を示している。図示するように、本実施例では、ＢＤＣ前後のピストンストローク速度が単リンク式ピストン−クランク機構の場合よりも大きくなっており、同時に、ＴＤＣ前後のピストンストローク速度が単リンク式ピストン−クランク機構の場合よりも小さくなっている。そして、この結果、ピストンストローク特性が単振動に近似した特性となっている。このようにピストンストローク特性が単振動に近づくほど機関の回転２次振動が小さくなる。
【００３６】
次に、本発明に用いられる可変動弁機構について説明する。なお、この可変動弁機構は、本出願人が先に提案したものであるが、例えば特開平１１−１０７７２５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。
【００３７】
図３は、可変動弁装置全体の構成を示すもので、シリンダヘッド１１に図外のバルブガイドを介して摺動自在に設けられた一対の吸気弁１２と、シリンダヘッド１１上部のカム軸受１４に回転自在に支持された中空状のドライブシャフト１３と、該ドライブシャフト１３に、圧入等により固設された２つの駆動カム１５と、該ドライブシャフト１３の上方位置に同じカム軸受１４に回転自在に支持された制御軸１６と、該制御軸１６に制御カム１７を介して揺動自在に支持された一対のロッカアーム１８と、各吸気弁１２の上端部に伝達部材であるバルブリフター１９を介して配置された一対のそれぞれ独立した揺動カム２０とを備えている。また、上記駆動カム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いる一方、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。
【００３８】
上記ドライブシャフト１３は、機関前後方向に沿って配置されていると共に、一端部に設けられた図外の従動スプロケットや該従動スプロケットに巻装された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軸から回転力が伝達されている。
【００３９】
上記カム軸受１４は、シリンダヘッド１１の上端部に設けられてドライブシャフト１３の上部を支持するメインブラケット１４ａと、該メインブラケット１４ａの上端部に設けられて制御軸１６を回転自在に支持するサブブラケット１４ｂとを有し、両ブラケット１４ａ，１４ｂが一対のボルト１４ｃ，１４ｃによって上方から共締め固定されている。
【００４０】
上記駆動カム１５は、偏心リング状をなし、小径なカム本体１５ａと、該カム本体１５ａの外端面に一体に設けられたフランジ部（図示せず）とからなり、軸方向にドライブシャフト挿通孔が貫通形成されていると共に、カム本体１５ａの軸心Ｘがドライブシャフト１３の軸心Ｙから径方向へ所定量だけオフセットしている。また、この駆動カム１５は、ドライブシャフト１３に対し上記バルブリフター１９と干渉しない外側位置において圧入固定されている。
【００４１】
上記ロッカアーム１８は、平面から見るとクランク状に折曲形成されており、中央に有する基部１８ａが制御カム１７に嵌合して回転自在に支持されている。また、基部１８ａから延びた一端部１８ｂには、ピン２１が圧入されている一方、他端部１８ｃには、リンク部材２６の一端部２６ａと連結するピン２８が圧入されている。
【００４２】
上記制御カム１７は、夫々円筒状をなし、制御軸１６外周に固定されていると共に、図示するように軸心Ｐ１位置が制御軸１６の軸心Ｐ２からα分だけ偏心している。
【００４３】
上記揺動カム２０は、横に向けたＵ字形状をなし、ほぼ円環状の基端部２２にドライブシャフト１３が嵌挿されて回転自在に支持される支持孔２２ａが貫通形成されていると共に、ロッカアーム１８の他端部１８ｃ側に位置するカムノーズ側の端部２３にピン２９が配置されている。また、揺動カム２０の下面には、基端部２２側の基円面２４ａと、該基円面２４ａからカムノーズの先端縁側に円弧状に延びるカム面２４ｂとが形成されており、これらの基円面２４ａとカム面２４ｂとが、揺動カム２０の揺動位置に応じてバルブリフター１９の上面所定位置に当接するようになっている。すなわち、バルブリフト特性からみると、図示するように基円面２４ａの所定角度範囲θ１がベースサークル区間になり、カム面２４ｂの上記ベースサークル区間θ１から所定角度範囲θ２がいわゆるランプ区間となり、さらにカム面２４ｂのランプ区間θ２から所定角度範囲θ３がリフト区間になるように設定されている。
【００４４】
また、上記リンクアーム２５は、比較的大径な円環状の基部２５ａと、該基部２５ａの外周面所定位置に突設された突出端２５ｂとを備え、基部２５ａの中央位置には、上記駆動カム１５のカム本体１５ａの外周面に回転自在に嵌合する嵌合孔２５ｃが形成されている一方、突出端２５ｂには、上記ピン２１が回転自在に挿通するピン孔２５ｄが貫通形成されている。
【００４５】
さらに、上記リンク部材２６は、所定長さの直線状に形成され、円形状の両端部２６ａ，２６ｂには、ピン挿通孔２６ｃ，２６ｄが貫通形成されていて、それぞれピン２８，２９を介して、上記ロッカアーム１８の他端部１８ｃと揺動カム２０の端部２３とに連結されている。
【００４６】
上記制御軸１６は、一端部に設けられた図外の電磁アクチュエータによって所定回転角度範囲内で回転するように制御されており、上記電磁アクチュエータは、機関の運転状態を検出する図外のコントローラからの制御信号によって駆動されるようになっている。コントローラは、クランク角センサやエアーフローメータ，水温センサ等の各種のセンサからの検出信号に基づいて現在の機関運転状態を演算等により検出して、上記電磁アクチュエータに制御信号を出力する。
【００４７】
この可変動弁機構の作用を説明すると、まず、機関低負荷時には、コントローラからの制御信号によって電磁アクチュエータが一方に回転駆動され、制御カム１７は、軸心Ｐ１が制御軸１６の軸心Ｐ２から図の左上方の回動位置に保持される。このため、ロッカアーム１８は、全体がドライブシャフト１３に対して上方向へ移動し、これに伴い、揺動カム２０は、リンク部材２６を介して端部２３が強制的に若干引き上げられて全体が反時計回り方向へ回動する。
【００４８】
したがって、駆動カム１５が回転してリンクアーム２５を介してロッカアーム１８の一端部１８ｂを押し上げると、そのリフト量がリンク部材２６を介して揺動カム２０及びバルブリフター１９に伝達されるが、そのリフト量は図５の（ａ）に示すように比較的小さくなる。
【００４９】
つまり、この低負荷域では、バルブリフト量が小さくなると共に、吸気弁１２の開時期が遅く、かつ閉時期が速くなる。
【００５０】
一方、機関高負荷域となると、コントローラからの制御信号によって電磁アクチュエータが反対方向に回転駆動され、制御カム１７がほぼ図３に示す位置となり、軸心Ｐ１を下方向へ移動させる。このため、ロッカアーム１８は、全体がドライブシャフト１３寄り方向（下方向）に移動して他端部１８ｃが揺動カム２０の端部２３をリンク部材２６を介して下方へ押圧し、該揺動カム２０全体を所定量だけ時計方向へ回動させる。
【００５１】
したがって、揺動カム２０のバルブリフター１９上面に対する初期の当接位置がカム面２４ｂ寄りに移動する。このため、駆動カム１５が回転してロッカアーム１８の一端部１８ｂをリンクアーム２５を介して押し上げると、バルブリフター１９に対するそのリフト量は図５の（ｃ）に示すように大きくなる。
【００５２】
つまり、この高負荷域では、カムリフト特性が低負荷域に比較して大きくなり、バルブリフト量も大きくなると共に、各吸気弁１２の開時期が早く、かつ閉時期が遅くなる。
【００５３】
また中負荷域では、両者の中間の状態に制御され、図５（ｂ）に示すような中間のリフト特性となる。
【００５４】
このようにして、吸気弁１２の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。特に、このものでは、バルブ作動角が大小変化し、吸気弁１２の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。
【００５５】
図５は、このような可変動弁機構を用いた吸気有効ストローク制御を示す説明図であって、低負荷時には、吸気弁閉時期を下死点（ＢＤＣ）より進角させて有効ストロークを小さくし、高負荷時には、吸気弁閉時期をＢＤＣ付近として有効ストロークを大きく確保している。
【００５６】
ここで、可変圧縮比機構が制御軸４２を介して高圧縮比状態に制御されると、上死点（ＴＤＣ）におけるピストン位置が高くなるので、吸気弁とピストン冠面との距離は減少することになるが、本発明では、高圧縮比状態に制御されるのは、吸気有効ストロークを小さくする低負荷域である。この低負荷域では、（ａ）に示すように、吸気弁１２の開時期はＴＤＣよりも遅角側にあり、かつリフト量も小さくなるので、実際には吸気弁はピストン冠面に対し十分な間隔を保った状態でリフトすることになり、両者の干渉の問題は発生しない。
【００５７】
次に、図６に基づいて、可変圧縮比機構と可変動弁機構の制御機構について説明する。この図６の例では、圧縮比制御アクチュエータとして圧縮比制御用モータ１００を備え、ギヤ機構１０１を介して前述した図１の制御軸４２の回転角が制御される。この制御軸４２の回転角は、回転角センサ１０２によって検出される。また、リフト特性制御電磁アクチュエータとしてリフト特性制御用モータ１１０を備え、ギヤ機構１１１を介して前述した図３の制御軸１６の回転角が制御される。この制御用軸１６の回転角は、回転角センサ１１２によって検出される。１２３は、それぞれのモータ１００，１１０を機関運転条件に応じて制御するエンジンコントロールモジュールであって、このエンジンコントロールモジュール１２３には、アクセル開度センサ１２０のアクセル開度信号と回転数センサ１２１の回転数信号とが入力されており、これらの検出信号に基づいて各制御軸４２，１６の目標回転角が算出され、各モータ１００，１１０へ制御信号が送られる。
【００５８】
図７は、上記エンジンコントロールモジュール１２３において実行される各目標回転角の算出ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行されるものであって、まずステップ１０１では、アクセル開度センサ１２０からの出力に基づき、アクセル開度（エンジン負荷相当値）ＡＰＳを読み込むとともに、回転数センサ１２１の出力に基づき回転数ＮＥを読み込み、かつ回転角センサ１０２の出力に基づき、可変圧縮比機構の制御軸４２の実回転角ＣＡを読み込む。
【００５９】
ステップ１０２では、アクセル開度ＡＰＳと回転数ＮＥとに基づき、可変動弁機構の制御軸１６の目標回転角の仮置き値ｔＶＡ０と、可変圧縮比機構の制御軸４２の目標回転角ｔＣＡを算出する。具体的には、ＡＰＳおよびＮＥに対応させてｔＶＡ０ならびにｔＣＡを記憶させてある制御マップから値をルックアップする。
【００６０】
本実施例では、機関運転条件に応じた吸気有効ストローク制御（図５参照）を行うので、アクセル開度ＡＰＳが小さくなる（負荷が小さくなる）ほど吸気弁１２の閉時期が下死点より進角側となるような特性にｔＶＡ０の制御マップが設定されている。また、吸気有効ストロークを小さくするときに圧縮比を高める制御を行うので、アクセル開度ＡＰＳが小さくなるほどピストンの上死点位置が高くなるような特性にｔＣＡの制御マップが設定されている。有効圧縮比をほぼ一定とする吸気有効ストローク制御と圧縮比制御との対応例を図８に示す。
【００６１】
さらに、本実施例では、圧縮比を高くするときに吸気弁１２の開時期を遅角し、かつリフト量を小さくする制御を行うのであるが、この制御は、上記の吸気有効ストローク制御（ｔＶＡ０の設定）によって同時に実現される。
【００６２】
ステップ１０３では、可変圧縮比機構の制御軸４２の実回転角ＣＡに基づき、可変動弁機構の制御軸１６の回転角の上限値ＶＡｌｉｍを算出する。この上限値ＶＡｌｉｍは、現在の実回転角ＣＡで決まるピストン行程に対し、ピストン３８と吸気弁１２との間に十分な間隔が確保される最大の回転角である。
【００６３】
ステップ１０４では、可変動弁機構の制御軸１６の目標回転角の仮置き値ｔＶＡ０が上限値ＶＡｌｉｍ以下か否かを判断する。仮置き値ｔＶＡ０が上限値ＶＡｌｉｍ以下であれば、ステップ１０５へ進んで、ｔＶＡ０をそのまま最終的な目標回転角ｔＶＡとする。仮置き値ｔＶＡ０が上限値ＶＡｌｉｍより大きければ、ステップ１０６へ進んで、最終的な目標回転角ｔＶＡを上限値ＶＡｌｉｍに制限する。そして、ステップ１０７において、算出した各制御軸１６，４２の目標回転角ｔＶＡ，ｔＣＡを、エンジンコントロールモジュール１２３内のメモリにストアする。
【００６４】
すなわち、ステップ１０２の説明のように、ｔＣＡが大（高圧縮比）のときはｔＶＡ０が小（吸気弁開時期遅角＋小リフト量）となるので、ｔＣＡとｔＶＡ０との同時並行の制御によりピストン３８と吸気弁１２との干渉は確実に回避されるはずであるが、それぞれの目標回転角と実際の回転角との間には、制御応答速度に応じたずれが生じるため、２つの可変機構の制御応答速度が異なる場合、過渡状態においてピストン３８と吸気弁１２とが接近する虞がある。例えば、ｔＣＡが大から小へ変化し、これと同時に、ｔＶＡ０が小から大へ変化したときに、ｔＣＡに対する実回転角ＣＡの遅れが大きく、ｔＶＡ０に対する実回転角の遅れが小さい場合、実際のピストン上死点位置は高いにも拘わらず吸気弁の開時期の進角化と大リフト化が先行してしまう。このような状態での干渉を確実に回避するために、可変圧縮比機構の制御軸４２の実回転角ＣＡ（これが実際のピストン上死点位置を表す）に応じて可変動弁機構の制御軸１６の回転角の上限値ＶＡｌｉｍを設定し、可変動弁機構の制御軸１６の目標回転角ｔＶＡをこの上限値ＶＡｌｉｍ以下に制限するようにしているのである。
【００６５】
なお、上記の図７のルーチンは、目標回転角の算出のみを行うルーチンであり、実際の回転角制御は、図示しない吸気有効ストローク制御ルーチンならびに圧縮比制御ルーチンで行われる。具体的には、メモリにストアされている最新の目標回転角と実回転角との差に応じたフィードバック制御信号を作成し、各モータ１００，１１０へ制御信号を出力する。
【００６６】
ところで、図９は、吸気弁１２の開閉時期を異ならせた場合のＰ−Ｖ線図を示しており、部分負荷時に吸気弁閉時期を早めて吸気有効ストロークを減少させる場合、図示するように、吸入行程初期の筒内圧力が大気圧に近付く。この吸入負圧の低下によって、燃料の霧化が大幅に減少し、燃焼安定度の低下が生じる。吸気ポートに噴射された燃料は、吸入行程の初期に大部分が吸気流に乗って筒内に入り、その後のガス流動によって均質化するが、ピストンストロークを単振動に近づけたものでは、吸入行程の前半のピストン速度が遅いため、特に、この点が問題となる。しかし、図３に示した可変動弁機構の場合、このような部分負荷時には、作動角の短縮とともに弁リフトが大幅に減少し（図４参照）、例えば通常の２０％前後のレベルとなるため、吸気の流速が大幅に向上し、燃料の霧化促進による混合気の均質化と燃焼速度の増大作用が得られ、燃焼安定性が向上する。
【００６７】
また、吸気弁の閉時期を下死点前の早い時期に設定すると、吸気弁が閉じた後に吸気が一旦膨張し、下死点を過ぎた後は圧縮されることになる。膨張・圧縮が断熱であれば、損失仕事はほとんど発生しないが、膨張時の温度低下が大きいため、シリンダ壁との熱交換により、吸気温度は上昇する（図９では、これに伴う圧力上昇が示されている）。通常の圧縮比固定のミラーサイクル方式の場合、圧縮温度の低下（燃焼悪化要因）に対し吸気温度の上昇はこれを補う作用があるが、可変圧縮比制御と組み合わせる場合には、圧縮比を最適に制御できるため、吸気温度上昇は不要であり、むしろ圧縮仕事増大は燃費悪化の要因ともなる。これに対し、図２に示したように、本実施例の単振動ピストンストローク特性では、最も吸気温度が低下する下死点付近の滞留時間が短いため、シリンダ壁との熱交換による吸気温度上昇を抑制できる効果がある。
【００６８】
次に、本発明に用いられる他の可変動弁機構の例について説明する。この可変動弁機構は、やはり、例えば特開平１０−１８４４０４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。
【００６９】
図１０は、この可変動弁機構６１の要部を拡大して示す断面図であって、この第２の可変動弁機構６１は、内筒６２，外筒６３，ピストン６４等を主体として構成されている。
【００７０】
すなわち、カムシャフト６５の前端に、内筒６２が取付ボルト６６を介して固着され、この内筒６２の外周側に、カップ状の外筒６３が一定角度相対回転可能に嵌合されている。上記外筒６３には、タイミングベルトとかみ合うスプロケット部６３ａが設けられている。
【００７１】
また、内筒６２と外筒６３との間にはリング状のピストン６４が設けられ、このピストン６４はヘリカル状の螺条を介して内筒６２の外周面と外筒６３の外周面とにそれぞれ噛合している。
【００７２】
さらに、ピストン６４は、リターンスプリング６７により前方に向けて常時付勢されており、このばね力に対抗すべく、ピストン６４の前面と外筒６３の蓋部裏面との間に油圧室６８が環状に画成されている。そして、この油圧室６８は、取付ボルト６６内の油通路６９とカムシャフト６５内部を通る油通路７０を介して、その制御用油圧回路に接続されている。
【００７３】
すなわち油通路７０等を介して油圧室６８内に油圧が供給されると、ピストン６４が軸方向に移動し、この軸方向の運動が内筒６２と外筒６３との相対回転運動に変換される。このため、図示せぬ吸気弁を開閉駆動するカムシャフト６５とクランクシャフトとの位相が所定量だけ変化する。従って、所定の角度範囲以内で、吸気弁のバルブリフト特性の位相を連続的に変化させることができる。
【００７４】
図１１は、この図１０の可変動弁機構６１を用いた吸気有効ストローク制御を示している。図示するように、低負荷域では、（ａ）のようにカムシャフトの位相が最も遅れ側となり、吸気弁閉時期をＢＤＣより大幅に遅角させることで有効ストロークを小さくしている。また、高負荷時には、（ｃ）のように、カムシャフトの位相が最も進み側となり、吸気弁閉時期をＢＤＣ付近として有効ストロークを大きくしている。なお、中負荷域では、（ｂ）のように両者の中間の特性となる。
【００７５】
このように図１０の可変動弁機構は、吸気カムシャフトの位相を変えることによって吸気弁閉時期を変化させる構成であるから、低負荷時に閉時期を遅角させると、これに伴って開時期も遅角することになる。これにより、上死点付近でのリフト量は小となり、高圧縮比状態としても、ピストンと干渉することがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】可変圧縮比機構の一例を示す断面図。
【図２】この可変圧縮比機構における複リンク式ピストン−クランク機構のピストンストローク特性を示す特性図。
【図３】可変動弁機構の一例を示す断面図。
【図４】この可変動弁機構によるバルブリフト特性を示す特性図。
【図５】この可変動弁機構による吸気有効ストロークの可変制御を示す特性図。
【図６】可変圧縮比機構と可変動弁機構の制御機構を示す構成説明図。
【図７】各機構の制御軸の目標回転角の制御ルーチンを示すフローチャート。
【図８】有効圧縮比を略一定に保つための吸気有効ストローク制御と圧縮比制御との関係を示す特性図。
【図９】吸気弁の開閉時期を異ならせた場合の影響を示すＰ−Ｖ線図。
【図１０】可変動弁機構の他の例を示す断面図。
【図１１】この可変動弁機構による吸気有効ストロークの可変制御を示す特性図。
【符号の説明】
１２…吸気弁
３１…クランク軸
３４…ロアーリンク
３５…アッパーリンク
３８…ピストン
４０…制御リンク
４２…制御軸

Claims

シリンダ内を往復動するピストンと、このピストンの往復動をクランクシャフトの回転に変換するピストン−クランク機構を用いピストンの上死点位置を変更することにより機関の圧縮比を変更可能とした可変圧縮比機構と、
機関の回転に同期して吸気通路を開閉する吸気弁のリフト特性を変更する可変動弁機構とを備える内燃機関であって、
上記ピストン−クランク機構は、上記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リンクに連結ピンを介して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リンクに連結ピンを介して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、この第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−クランク機構から構成され、
上記ピストン−クランク機構は、上死点から下死点までのピストンストローク量が上記ピストン−クランク機構における上死点から下死点までのピストンストローク量と同一の単リンク式ピストン−クランク機構に比べて、回転２次振動が小さくなるように上記ピストンの往復運動が単振動運動に近い特性となるよう、上死点と下死点におけるピストンストローク特性が略対称で、上記単リンク式ピストン−クランク機構に比べてピストン下死点前後のピストンストローク速度が大きく、かつピストン上死点前後のピストンストローク速度が小さくなるよう、上死点前から上死点にかけて、及び下死点前から下死点にかけては上記単リンク式ピストン−クランク機構に比べてピストンを引き下げる方向に上記第２リンクが上記第３リンクの揺動によって上記クランクピン回りに揺動し、上死点から上死点後にかけて、及び下死点から下死点後にかけては上記単リンク式ピストン−クランク機構に比べてピストンを引き上げる方向に上記第２リンクが上記第３リンクの揺動によって上記クランクピン回りに揺動するように上記ピストン−クランク機構の各リンクや各支点のアライメントが設定され、
上記クランクシャフトの軸方向に見て、上記クランクシャフトの回転中心を原点、上記原点を通り上記ピストンピンの往復軸線と直交する軸線をｘ軸、上記原点を通り上記ピストンピンの往復軸線と平行な軸線をｙ軸とし、かつ上記ピストンピンの中心のｘ座標を負、上記ピストンピンの中心のｙ座標を正とした方向にｘ−ｙ座標系を定義した場合に、
上記第２リンクは、上記第２リンクと上記第１リンクとの連結部と、上記第２リンクと上記第３リンクとの連結部とが、上記クランクシャフトの上記クランクピン部を挟んで位置するよう構成され、
上記第３リンクの揺動中心は、そのｘ座標が正の値となり、そのｙ座標が負の値となるよう設定され、
上記第２リンクと上記第３リンクとの連結部は、そのｘ座標が正の値となるように設定され、
機関運転条件に応じた圧縮比となるように上記可変圧縮比機構を制御するとともに、圧縮比が高圧縮比状態に制御されるときに上記吸気弁の開時期が遅角するかまたはリフト量が減少するように上記可変動弁機構を制御する制御手段を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
上記制御手段は、上記吸気弁の閉時期を変更することにより機関運転条件に応じた吸気有効ストロークが得られるように上記可変動弁機構を制御するとともに、吸気有効ストロークの減少制御が行われる機関運転条件のときに圧縮比を高圧縮比状態に制御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。
上記制御手段は、機関負荷が低いときに吸気有効ストロークの減少制御を行う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。
上記制御手段は、吸気有効ストロークを減少させる際に、上記吸気弁の閉時期がピストンの吸気下死点よりも進角するように上記可変動弁機構を制御す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。
上記可変動弁機構が、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ドライブシャフトと、このドライブシャフトに固定された偏心リング状の駆動カムと、この駆動カムに回転可能に支持されたリンクアームと、このリンクアームに連結ピンを介して連結されるとともに機関本体に揺動可能に支持されたロッカアームと、このロッカアームに連結ピンを介して連結されたリンク部材と、このリンク部材に連結ピンを介して連結されるとともに上記ドライブシャフトに揺動可能に支持された揺動カムと、この揺動カムの揺動を上記吸気弁へ伝達するバルブリフターと、上記ロッカアームの揺動支持位置を変化させる機構と、を含んで構成され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。
上記制御手段は、吸気有効ストロークを減少させる際に、上記吸気弁の閉時期がピストンの吸気下死点よりも遅角するように上記可変動弁機構を制御す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。
上記可変動弁機構が、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カムシャフトと、上記カムスプロケットと上記カムシャフトとの位相を変化させる機構と、を含んで構成されることを特徴とする請求項１〜４、６のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。