JP4497018B2

JP4497018B2 - 可変圧縮比内燃機関

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Publication number: JP4497018B2
Application number: JP2005117328A
Authority: JP
Inventors: 大輔秋久; 栄一神山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-04-14
Filing date: 2005-04-14
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2025-04-14
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Description

本発明は、圧縮比を変更することが可能な可変圧縮比内燃機関に関する。

近年、内燃機関の燃費性能や出力性能などを向上させることを目的とした、内燃機関の圧縮比を可変にする技術が提案されている。この種の技術としては、シリンダブロックとクランクケースとを相対移動可能に連結するとともにその連結部分にカム軸を設け、前記カム軸を回動させてシリンダブロックとクランクケースとを接近又は離反させる技術が提案されている（例えば、特許文献１及び２を参照。）。

上記の、可変圧縮比内燃機関においては、該内燃機関の運転状態に応じて、該内燃機関においてノッキングが生じず、且つ充分な熱効率を確保すべく、前記内燃機関の圧縮比を変更している。

また、内燃機関における排気通路上に、排気ガスによって駆動される排気タービン駆動式過給機（ターボチャージャー、以下、単純に「過給機」という。）を備えた内燃機関が知られている（例えば、特許文献３参照。）。この過給機は、気筒内から排出される排気ガスのエネルギーを利用してタービンを回し、タービンと同じ回転軸に取り付けられているコンプレッサによって空気を圧縮し、圧縮した空気を気筒内に送り込む装置である。

上記のような技術を組み合わせた内燃機関において前記過給機の応答遅れが大きい場合には、アクセルが踏み込まれるなどして前記内燃機関に加速要求がされた際に、前記アクセルの踏み込み動作と過給圧の上昇との間のタイムラグが大きくなり、良好な加速性能を得ることが困難となる場合があった。
特開平７−２６９８１号公報特開２００３−２０６７７１号公報特開平５−１４９１４２号公報特開２００２−７０６０１号公報特開平２−１６３４２９号公報特開２００１−３４２８５９号公報実開昭６３−１５００４８号公報特開２００４−１５６４６４号公報

本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、可変圧縮比内燃機関の加速時における、過給機の応答遅れを抑制できる技術を提供することである。

上記目的を達成するための本発明は、可変圧縮比内燃機関の加速時においては、前記内燃機関の圧縮比を、該内燃機関の運転状態に応じてノッキングを抑制しつつ所定の熱効率を得るべく決定される基準圧縮比よりも低い圧縮比をとすることにより、排気圧力を上昇させ、過給機の応答を早くすることを最大の特徴とする。

より詳しくは、内燃機関の圧縮比を変更可能な圧縮比変更機構と、
前記内燃機関からの排気によって駆動され、前記内燃機関への吸気を過給する過給機と
、
前記内燃機関の運転状態に応じて、前記内燃機関においてノッキングを抑制しつつ所定の熱効率が得られるべき基準圧縮比を導出する基準圧縮比導出手段と、を備え、
前記内燃機関の稼動中は前記圧縮比変更機構により、該内燃機関の圧縮比を前記基準圧縮比とする可変圧縮比内燃機関であって、
前記内燃機関が所定の加速状態となった場合には前記圧縮比変更機構により、該内燃機関の圧縮比を前記基準圧縮比より低い所定の加速対応圧縮比とすることを特徴とする。

ここで、可変圧縮比内燃機関（以下、単純に「内燃機関」という。）においては、通常、その運転状態に応じて、前記内燃機関におけるノッキングが発生しない範囲で可能な限り大きな圧縮比（以下、「基準圧縮比」という。）とする制御を行うことにより、ノッキングの発生を抑制するともに、可及的に高い熱効率を確保している。このような圧縮比の制御を行っている最中に、アクセルが踏み込まれて前記内燃機関に加速要求がされた場合、前記過給機の応答遅れによって過給圧を充分早期に上昇させることができず、良好な加速性能を得ることが困難な場合があった。

一方、一般に、前記内燃機関の圧縮比を低くすると、前記内燃機関における熱効率が低下することに伴い、吸気流量が一定であれば排気圧力が上昇することが判っている。

本発明においては、このことを利用し、前記内燃機関の加速時においては、圧縮比を前記基準圧縮比より更に低い加速対応圧縮比とすることとした。そうすれば、圧縮比を基準圧縮比とした場合と比較して、排気圧力をより高くすることができ、過給機の立ち上がりを早くすることができる。その結果、加速時における過給機の応答遅れを抑制することができ、良好な加速性能を得ることができる。

なお、所定の加速状態とは、前記内燃機関の圧縮比を前記基準圧縮比とした場合に、過給機の応答遅れの影響が顕著になる閾値としての加速度が要求された状態を意味し、その際の加速度は予め実験的に求めるようにしてもよい。今後、前記内燃機関が加速し、または加速要求がされたという場合は、この所定の加速状態となったことを意味する。

また、本発明においては、前記加速対応圧縮比は、前記圧縮比変更機構によって変更可能な最低の圧縮比としてもよい。そうすれば、前記内燃機関の加速時に排気圧力を可及的に高くすることができ、より確実に過給機の立ち上がりを早くすることができる。

また、本発明においては、前記加速対応圧縮比は、前記基準圧縮比から前記加速対応圧縮比に圧縮比を変更したことによる、前記内燃機関の排気圧力の上昇に起因する機関トルクの増加量と、前記基準圧縮比から前記加速対応圧縮比に圧縮比を変更したことによる、前記内燃機関の熱効率の低下に起因する機関トルクの減少量とを、圧縮比を前記基準圧縮比とした場合の機関トルクである基準機関トルクに加味した加速対応機関トルクが、前記基準機関トルク以上となる範囲で決定されるようにしてもよい。

ここで、基準機関トルクとは、前記内燃機関の圧縮比を前記基準圧縮比とした場合に得られる機関トルクである。また、加速対応機関トルクとは、圧縮比を基準圧縮比からより低い加速対応圧縮比にすることにより、過給圧の立ち上がりが早くなることによる効果と、熱効率自体が低くなることによる影響の両方を、基準機関トルクに、加味した機関トルクである。

内燃機関における圧縮比を低くした場合には、前述のように、排気圧力が上昇する。その効果により、過給機の回転数を早くし、内燃機関の機関トルクを上昇させることができる。一方、内燃機関における圧縮比を低くした場合には、内燃機関における熱効率自体は
低くなり、その影響により機関トルクは低下する。そうすると、内燃機関の圧縮比を低くすることにより、加速時における前記内燃機関の機関トルクを上昇させることができるかどうかは、排気圧力が上昇することによる効果と、熱効率自体が低くなることによる影響のどちらが大きいかによって左右される。

そこで、本発明においては、前記加速対応圧縮比は、前記基準圧縮比から前記加速対応圧縮比に圧縮比を変更したことによる、前記内燃機関の排気圧力の上昇に起因する機関トルクの増加量と、前記内燃機関の熱効率の低下に起因する機関トルクの減少量とを、圧縮比を前記基準圧縮比とした場合の機関トルクである基準機関トルクに加味した加速対応機関トルクが、前記基準機関トルク以上となる範囲で決定されるようにした。

そうすれば、前記内燃機関の加速時においては、圧縮比を前記加速対応圧縮比とすることにより、前記内燃機関の機関トルクをより確実に増加させることができ、より確実に良好な加速性能を得ることができる。

また、本発明においては、前記加速対応圧縮比は、前記基準圧縮比から前記加速対応圧縮比に圧縮比を変更したことによる、前記内燃機関の排気圧力の上昇に起因する機関トルクの増加量と、前記基準圧縮比から前記加速対応圧縮比に圧縮比を変更したことによる、前記内燃機関の熱効率の低下に起因する機関トルクの減少量とを、圧縮比を前記基準圧縮比とした場合の機関トルクである基準機関トルクに加味した加速対応機関トルクが最大となる圧縮比としてもよい。

すなわち、前記内燃機関の加速時において設定されるべき加速対応圧縮比を、基準圧縮比から当該圧縮比にすることにより、過給圧の立ち上がりが早くなることによる効果と、熱効率自体が低くなることによる影響の両方を加味した加速対応機関トルクが最大となるような圧縮比とする。そうすれば、前記内燃機関の加速時における機関トルクを可及的に大きくすることができ、可及的に良好な加速性能を得ることができる。

また、本発明においては、前記内燃機関の加速の開始後、前記基準圧縮比から前記加速対応圧縮比に圧縮比を変更したことによる、前記内燃機関の排気圧力の上昇に起因する機関トルクの増加量と、前記基準圧縮比から前記加速対応圧縮比に圧縮比を変更したことによる、前記内燃機関の熱効率の低下に起因する機関トルクの減少量とを、圧縮比を前記基準圧縮比とした場合の機関トルクである基準機関トルクに加味した加速対応機関トルクが、前記基準機関トルク以上となる期間において、前記圧縮比変更機構により、該内燃機関の圧縮比を前記加速対応圧縮比とするようにしてもよい。

すなわち、本発明においては、前記内燃機関が加速された場合には、圧縮比を前記基準圧縮比から加速対応圧縮比に変更するが、この場合、前述のように、加速時における前記内燃機関の機関トルクを上昇させることができるかどうかは、過給圧の立ち上がりが早くなることによる効果と、熱効率自体が低くなることによる影響のどちらが大きいかによって左右される。したがって、本発明においては、前記加速対応機関トルクが前記基準機関トルク以上となる期間について、前記圧縮比変更機構により、該内燃機関の圧縮比を前記加速対応圧縮比とするようにしてもよい。

そうすれば、例えば前記加速対応圧縮比を予め定められた一定の圧縮比とした場合や、単純に基準圧縮比から一定値低い圧縮比とした場合などにおいても、前記加速対応機関トルクが前記基準機関トルク以上となる期間についてのみ、前記圧縮比変更機構により、該内燃機関の圧縮比を前記加速対応圧縮比とすることができる。その結果、前記内燃機関の加速時における機関トルクをより確実に大きくすることができ、より確実に良好な加速性能を得ることができる。

また、本発明においては、前記内燃機関の加速の開始後、前記過給機による過給圧が所定圧以上となるまでの期間において、前記圧縮比変更機構により、該内燃機関の圧縮比を前記加速対応圧縮比とするようにしてもよい。ここで所定圧とは、前記内燃機関に要求された加速度を満足できるための閾値としての過給圧、すなわち、過給機の遅れが略零であると判断できる過給圧とし、予め実験的に求められるようにしてもよい。

こうすれば、前記内燃機関の加速途中において、実際に過給機の応答に遅れが生じている期間についてのみ前記内燃機関の圧縮比を加速対応圧縮比とすることができ、過給機の回転数が必要以上に上昇してしまうことを抑制することができる。

なお、上記した本発明の課題を解決する手段については、可能なかぎり組み合わせて用いることができる。

本発明にあっては、可変圧縮比内燃機関の加速時における、過給機の応答遅れを抑制できる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。

以下に説明する内燃機関１は、可変圧縮比内燃機関であり、シリンダ２を有するシリンダブロック３を、ピストンが連結されたクランクケース４に対してシリンダ２の中心軸方向に移動させることによって圧縮比を変更するものである。

先ず、図１を用いて、本実施例に係る可変圧縮比内燃機関の構成について説明する。図1に示されるように、シリンダブロック３の両側下部に複数の隆起部が形成されており、
この各隆起部に軸受収納孔５が形成されている。軸受収納孔５は、円形をしており、シリンダ２の軸方向に対して直角に、かつ複数のシリンダ２の配列方向に平行になるようにそれぞれ形成されている。軸受収納孔５はすべて同一軸線上に位置している。そして、シリンダブロック３の両側の軸受収納孔５の一対の軸線は平行である。

クランクケース４には、上述した軸受収納孔５が形成された複数の隆起部の間に位置するように、立壁部が形成されている。各立壁部のクランクケース４外側に向けられた表面には、半円形の凹部が形成されている。また、各立壁部には、ボルト６によって取り付けられるキャップ７が用意されており、キャップ７も半円形の凹部を有している。また、各立壁部にキャップ７を取り付けると、円形のカム収納孔８が形成される。カム収納孔８の形状は、上述した軸受収納孔５と同一である。

複数のカム収納孔８は、軸受収納孔５と同様に、シリンダブロック３をクランクケース４に取り付けたときにシリンダ２の軸方向に対して直角に、且つ、複数のシリンダ２の配列方向に平行になるようにそれぞれ形成されている。これらの複数のカム収納孔８も、シリンダブロック３の両側に形成されることとなり、片側の複数のカム収納孔８はすべて同一軸線上に位置している。そして、シリンダブロック３の両側のカム収納孔８の一対の軸線は平行である。また、両側の軸受収納孔５の間の距離と、両側のカム収納孔８との間の距離は同一である。

交互に配置される二列の軸受収納孔５とカム収納孔８には、それぞれカム軸９が挿通さ
れる。カム軸９は、図1に示されるように、軸部９ａと、軸部９ａの中心軸に対して偏心
された状態で軸部９ａに固定された正円形のカムプロフィールを有するカム部９ｂと、カム部９ｂと同一外形を有し軸部９ａに対して回転可能に取り付けられた可動軸受部９ｃとが交互に配置されている。一対のカム軸９は鏡像の関係を有している。また、カム軸９の端部には、後述するギア１０の取り付け部９ｄが形成されている。軸部９ａの中心軸と取り付け部９ｄの中心とは偏心しており、カム部９ｂの中心と取り付け部９ｄの中心とは一致している。

可動軸受部９ｃも、軸部９ａに対して偏心されておりその偏心量はカム部９ｂと同一である。また、各カム軸９において、複数のカム部９ｂの偏心方向は同一である。また、可動軸受部９ｃの外形は、カム部９ｂと同一直径の正円であるので、可動軸受部９ｃを回転させることで、複数のカム部９ｂの外表面と複数の可動軸受部９ｃの外側面とを一致させることができる。

各カム軸９の一端にはギア１０が取り付けられている。一対のカム軸９の端部に固定された一対のギア１０には、それぞれウォームギア１１ａ、１１ｂがかみ合っている。ウォームギア１１ａ、１１ｂは単一のモータ１２の一本の出力軸にとりつけられている。ウォームギア１１ａ、１１ｂは、互いに逆方向に回転する螺旋溝を有している。このため、モータ１２を回転させると、一対のカム軸９は、ギア１０を介して互いに逆方向に回転する。モータ１２は、シリンダブロック３に固定されており、シリンダブロック３と一体的に移動する。

次に、上述した構成の内燃機関１において圧縮比を制御する方法について詳しく説明する。図２（ａ）から図２(ｃ)にシリンダブロック３と、クランクケース４と、これら両者の間に構築されたカム軸９との関係を示した断面図を示す。図２(ａ)から図２(ｃ)において、軸部９ａの中心軸をａ、カム部９ｂの中心をｂ、可動軸受部９ｃの中心をｃとして示す。図２（ａ）は、軸部９ａの延長線上から見て全てのカム部９ｂ及び可動軸受部９ｃの外周が一致した状態である。このとき、ここでは一対の軸部９ａは、軸受収納孔５及びカム収納孔８の中で外側に位置している。

図２(ａ)の状態から、モータ１２を駆動して軸部９ａを矢印方向に回転させると、図２(ｂ)の状態となる。このとき、軸部９ａに対して、カム部９ｂと可動軸受部９ｃの偏心方向にずれが生じるので、クランクケース４に対してシリンダブロック３を上死点側にスライドさせることができる。そして、そのスライド量は図２(ｃ)のような状態となるまでカム軸９を回転させたときが最大となり、カム部９ｂや可動軸受部９ｃの偏心量の２倍となる。カム部９ｂ及び可動軸受部９ｃは、それぞれカム収納孔８及び軸受収納孔５の内部で回転し、それぞれカム収納孔８及び軸受収納孔５の内部で軸部９ａの位置が移動するのを許容している。

上述したような機構を用いることによって、シリンダブロック３をクランクケース４に対して、シリンダ２の軸線方向に相対移動させることが可能となり、圧縮比を可変制御することができる。

図３は、本実施例に係る内燃機関１及び吸排気系の概略構成を示す図である。図３において、内燃機関１の吸気ポート１５には吸気管１７が接続されており、吸気管１７には、過給機（ターボチャージャ）１０のコンプレッサ１０ａが取り付けられている。さらに、吸気管１７におけるコンプレッサ１０ａの下流側には、吸入空気量を検出するエアフローメータ２０が、さらにその下流側には、吸気管１７内を流れて内燃機関１に導入される吸気の量を調節する吸気絞り弁１９が設けられている。

一方、内燃機関１の排気ポート１６には、排気管１８が接続され、この排気管１８には、過給機１０のタービン１０ｂが取り付けられている。また、排気管１８は、下流にて図示しないマフラーに接続されている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）３５が併設されている。このＥＣＵ３５
は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。ＥＣＵ３５には、エアフローメータ２０の他、アクセル２１の踏み込み量を検出するアクセルポジションセンサ２２、モータ１２に取り付けられモータ１２の回転角のカウントから内燃機関１の圧縮比を検出するためのエンコーダ２３などが電気配線を介して接続されている。また、ＥＣＵ３５には、内燃機関１における図示しない燃料噴射弁や点火栓、吸気絞り弁１９の他、モータ１２が電気配線を介して接続されている。そして、ＥＣＵ３５の指令によって、各気筒における燃料供給や点火の有無、内燃機関１に導入される吸気の量の他、内燃機関１における圧縮比が制御される。

また、ＥＣＵ３５には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等が備えられており、ＲＯＭには、内燃機関１の種々の制御を行うためのプログラムや、データを格納したマップが記憶されている。ＥＣＵ３５のＲＯＭに記憶されているプログラムの例としては、後述する、本発明における加速時圧縮比変更ルーチンなどを挙げることができる。

以上、説明したような内燃機関１においては、内燃機関１の運転状態に応じて圧縮比を変更することとしている。すなわち、例えば内燃機関１の運転状態が高負荷の運転状態である場合には、ノッキングが生じやすい状態になる。このような場合には、内燃機関１の圧縮比をノッキングが発生しない範囲で可及的に高い圧縮比とする。そうすることにより、ノッキングの抑制と、内燃機関１の熱効率の確保とを両立させている。このように内燃機関１の通常運転中において運転状態に応じて決められる圧縮比を以下において基準圧縮比という。

次に、本実施例における内燃機関１に対して加速要求がされた場合の制御について説明する。ここで、内燃機関１に対して加速要求がされた場合には、内燃機関１からの排気圧力及び排気の量が増加するので過給機１０のタービン１０ｂの回転数が上昇する。そうすると、コンプレッサ１０ａの回転数も上昇することにより、内燃機関１への吸気が過給される。その結果、内燃機関１における機関トルクを早期に上昇させることができ、前記加速要求に対応した加速性能を得ることができる。

しかし、上記の加速時の制御において過給機１０の応答が遅い場合には、内燃機関１からの排気圧力及び排気量が増加してから、内燃機関１の吸気の過給圧が充分に上昇するまでの時間が長くなり、内燃機関１の加速性能に影響を及ぼす場合がある。

一方、内燃機関１において圧縮比を低下させると、内燃機関１における熱効率が低下することは前述のとおりである。そうすると、内燃機関１の機関トルクとならなかったエネルギーは排気に与えられ、内燃機関１の排気圧力が上昇することが判っている。本実施例は、過給機１０の応答遅れを抑制するために、この現象を用いるものである。

図４は、内燃機関１の筒内圧に対する圧縮比の影響を示すグラフである。図４において横軸はクランク角、縦軸は筒内圧である。図４に示すように、内燃機関１の圧縮比を低下させると、圧縮上死点近傍における筒内圧は低下する。一方、排気弁開弁時における筒内圧は上昇する。このことにより、排気弁開弁時における内燃機関１の排気圧力は、圧縮比が低いほど高くなる。

一方、内燃機関１の排気圧力が大きくなると、過給機１０の立ち上がり特性がよくなることがわかっている。図５には、排気圧力の、過給機の立ち上がり特性に与える影響を表すグラフを示す。図５において、横軸は時間、縦軸は内燃機関１の吸気の過給圧を示している。図５によれば、排気圧力が上昇すると、過給機１０により過給された吸気の過給圧の立ち上がり特性が改善される。

本実施例においては、内燃機関１に加速要求がされた場合に、内燃機関１の圧縮比を基準圧縮比より低い加速対応圧縮比にすることとした。そうすることにより、内燃機関１からの排気の排気圧力を上昇させ、過給機１０の応答遅れを抑制することとした。

図６は、本実施例における内燃機関１に加速要求がされた場合の、アクセル開度、圧縮比、熱効率、過給圧、吸気流量及び、機関トルクの変化について表したグラフである。このグラフにおいては、ｔ１からｔ３までの期間においてアクセル２１が踏み込まれたことにより、加速要求がされた場合を想定している。また、本実施例が適用されない場合の各パラメータの変化については実線で描かれ、本実施例が適用された場合の変化については破線で描かれている。

まず、本実施例が適用されない場合について説明する。この場合は、時点ｔ１においてアクセル２１が踏み込まれると、内燃機関１の運転状態が変化するので、圧縮比を、アクセル２１の踏み込み量から予想される、時点ｔ２における運転状態に応じた基準圧縮比まで低下させる。このように、ここで説明する本実施例が適用されない場合においては所定期間毎にアクセルポジションセンサ２２の出力を取り込み、それから（ｔ２-ｔ１）時間
後の運転状態を予測し、その運転状態に応じた基準圧縮比まで圧縮比を変化させる。所定期間後に、内燃機関１の運転状態が予想されたものと異なっている場合には再度圧縮比を変化させる。

上記の圧縮比の低下に伴い、内燃機関１における熱効率が低下する。ｔ１からｔ２までの期間においては、熱効率が低下することに伴い、上述のように排気圧力が上昇することに加え、アクセル２１が踏み込まれたこと自体によっても排気圧力が上昇する。従って、ｔ１からｔ２までの期間においては過給機１０の回転数が急激に上昇し、過給圧も急激に上昇する。時点ｔ２において圧縮比の変化が停止すると、熱効率の低下による排気圧力の上昇が停止するので、過給圧の上昇は緩やかになる。そして、アクセル２１の踏み込みによる加速要求が停止する時点ｔ３までの期間は、過給圧の緩やかな上昇が続く。

ｔ１からｔ２までの期間においては、上記のように過給圧が上昇するので、内燃機関１に導入される吸気の空気流量が増加し、内燃機関の機関トルクも上昇する。

次に、本実施例が適用された場合について考える。この場合は、時点ｔ１においてアクセル２１が踏み込まれると、内燃機関１の圧縮比を変更可能な最低圧縮比まで一旦低下させる。そして時点ｔ２において、予想される運転状態に対応する基準圧縮比まで圧縮比を上昇させる。この制御によれば、ｔ１からｔ２までの期間において、内燃機関１からの排気の排気圧力を可及的に上昇させることができるので、内燃機関１に導入される吸気の過給圧、空気流量及び、内燃機関１の機関トルクを、本実施例が適用されない場合と比較してさらに早期に上昇させることができる。

このように、本実施例においては、内燃機関１に加速要求がされた場合に、一旦圧縮比を最低圧縮比まで低下させ、その後、圧縮比を、予想される運転状態に応じた基準圧縮比に戻すこととしている。そうすることにより、排気圧力を可及的に上昇させることができ、過給機１０の応答遅れを抑制することができる。

本実施例においては、アクセル２１が踏み込まれた時点ｔ１以降、圧縮比を一旦最低圧縮比まで低下させ、予め定められた時点ｔ２において基準圧縮比まで上昇させた。これに対し、アクセル２１が踏み込まれた時点ｔ１以降、圧縮比を一旦最低圧縮比まで低下させるとともに、過給圧をモニターし、過給圧がアクセル２１の踏み込み量に対応した加速度を得るために必要な値となった時点で圧縮比を基準圧縮比に戻すようにしてもよい。そうすれば、アクセル２１の踏み込みに対して過給機の応答遅れが無い状態と考えられる時点で、圧縮比を基準圧縮比に戻すことができ、より良好な加速性能を得ることができる。

具体的には、アクセルポジションセンサ２２の出力と、この場合に要求される加速度を得るために必要な過給圧との関係を格納したマップを予め用意しておき、モニターされた過給圧の値が、該マップから読み出された、アクセルポジションセンサ２２の出力に対応した過給圧以上となった場合に、圧縮比を基準圧縮比に戻すようにしてもよい。

次に、実施例２として、内燃機関１に加速要求がされた場合に、アクセルが踏み込まれている期間中は、機関トルクが最も大きくなる最適圧縮比を推定し、圧縮比を最適圧縮比に変更する例について説明する。

図７は、本実施例における加速時圧縮比変更ルーチンである。本ルーチンは、ＥＣＵ３５のＲＯＭに記憶されたプログラムであり、内燃機関１の始動開始後の所定期間毎に実行されるルーチンである。

本ルーチンが実行されると、まずＳ１０１において、内燃機関１に加速要求がされているかどうかが判定される。具体的には、アクセル２１の踏み込み量をアクセルポジションセンサ２２によって検出し、検出された値が所定踏み込み量以上かどうかを判定する。ここで所定踏み込み量は、アクセル２１の踏み込み量がこれ以上の場合には、圧縮比制御を運転状態に応じて基準圧縮比に設定する通常の制御を行った場合、過給機１０の応答遅れが加速性能に影響を及ぼすと考えられる閾値としてのアクセル２１の踏み込み量である。

ここで、加速要求がされていないと判定された場合には、圧縮比を基準圧縮比とする制御を行っても特に不都合は生じないと判断され、本ルーチンを一旦終了する。一方、加速要求がされていると判定された場合には、Ｓ１０２に進む。

Ｓ１０２においては、現在の吸気流量の値が取得される。具体的には、エアフローメータ２０の出力をＥＣＵ３５に読み込むことによって取得される。Ｓ１０２の処理が終了するとＳ１０３に進む。

Ｓ１０３においては、次回圧縮比を変更する時点であるΔｔ後における吸気流量を予測する。ここでは、前回の本ルーチンの実行時に取得した吸気流量の値と、今回の本ルーチンの実行時に取得した吸気流量の値との差を、今回の本ルーチンの実行時に取得した吸気流量の値に加算するなどの方法によって予測してもよい。Ｓ１０３の処理が終了するとＳ１０４に進む。

Ｓ１０４においては、予測された吸気流量の値から、最も大きな機関トルクを得ることができる最適圧縮比の値を、最適圧縮比マップから読み出すことによって導出する。この最適圧縮比マップについては後述する。なお、この最適圧縮比は、本実施例における加速対応圧縮比に相当する。Ｓ１０４の処理が終了するとＳ１０５に進む。

Ｓ１０５の処理においては、Δｔの時間調整を行う。すなわち、本ルーチンにおいては、常にΔｔ後の最適圧縮比を推定し、略Δｔ毎に圧縮比を変更している。ここで、Δｔは
、モータ１２の作動によって圧縮比を変更するのに必要な時間より若干長い時間に設定されている。そして、Ｓ１０５においては、Ｓ１０４においてΔｔ後の最適圧縮比を導出している関係上、Ｓ１０４の処理が終了してからΔｔが経過するまでの時間調整を行っている。Ｓ１０５の処理が終了するとＳ１０６に進む。

Ｓ１０６においては、モータ１２に通電を開始することにより、圧縮比をＳ１０４で導出された最適圧縮比に変化させる。実際にエンコーダ２３の出力をカウントして、内燃機関１の圧縮比が最適圧縮比になった時点でモータ１２への通電を終了する制御は、本ルーチンとは別のルーチンによって、本ルーチンと並行して実行される。Ｓ１０６の処理が終了すると本ルーチンを終了する。

次に、上述の加速時圧縮比変更ルーチンにおいて、最適圧縮比を導出するために用いられた最適圧縮比マップについて説明する。

ここで、前述のように、内燃機関１の圧縮比が低くなると、排気圧力が高くなり過給機１０の回転数をより早期に上昇させるようになる。その結果、過給圧が早期に上昇し、機関トルクが早期に上昇する。この際、排気圧力の上昇による機関トルクの上昇の度合いは、その時点における吸気流量の影響を受けることが分かっている。これらのことより、後の吸気流量の値が判れば、その値に対応した、圧縮比と機関トルクとの関係を示す曲線が一つ定まる。図８に、この曲線の例を曲線Ａとして示す。

一方、圧縮比の低下に伴い、内燃機関1における熱効率が低下することによっても、機
関トルクは変化する。このカーブは、図８における曲線Ｂとして示す。ここで、図８における曲線Ａ及びＢの影響を加え合わせることにより、圧縮比とトータルとしての機関トルクの関係を示す曲線が得られる。この曲線は、図８において実線で示す曲線である。この曲線において最も機関トルクが大きくなる点に対応する圧縮比を選ぶことにより、最適圧縮比ε０を導出することができる。なお、図８における、圧縮比とトータルとしての機関トルクの関係を示す曲線は、曲線ＡとＢに係る機関トルクを加算した後、グラフに収まるよう適宜Ｙ軸方向に縮小したものである。

すなわち、各吸気流量に対して図８の曲線を作成し、最適圧縮比ε０を選ぶことにより、吸気流量と、最大のトルクを得ることができる最適圧縮比ε０との関係を格納したものが、本実施例における最適圧縮比マップである。実際の制御においては、Ｓ１０３において推定されたΔｔ後の吸気流量に対応した最適圧縮比ε０の値を最適圧縮比マップから読み出すことになる。

以上、説明したように本実施例においては、現在の吸気流量よりΔｔ後の吸気流量を推定し、さらに、Δｔ後の吸気流量を用いて、圧縮比が変化することによる排気圧力の変化と、熱効率の変化の両方を考慮した上で、Δｔ後に、機関トルクを最大にできる最適圧縮比ε０を導出し、当該最適圧縮比に遂次圧縮比を変更することとした。これにより、より良好な加速性能を得ることができる。

なお、本実施例のように、内燃機関１に加速要求がされた場合に、機関トルクを最大にできる最適圧縮比ε０を求め、遂次圧縮比を最適に変更するようにしてもよいが、必ずしも最適圧縮比ε０に変更する必要はない。圧縮比を低下させた場合に、そのことによる排気圧力の増加に起因する機関トルクの増加量と、熱効率が低下することによる機関トルクの減少量とを加味した上で得られる機関トルクが、基準圧縮比とした場合に得られる基準機関トルクより大きくなる範囲に属することを条件に、変更すべき圧縮比を定めてもよい。そうすれば、少なくとも基準圧縮比を維持するよりは高い機関トルクを得ることができる。

この場合の制御について図９を用いて説明する。図９の横軸は圧縮比、縦軸は機関トルクを示しており、図８において実線で描かれた曲線と同じ曲線が描かれている。ここで、現在の圧縮比及び機関トルクをｃ点で表し、内燃機関１に加速要求がされた場合の基準圧縮比及び、基準機関トルクをｄ点で表すとする。そうした場合、加速対応圧縮比は、加速対応機関トルクが基準機関トルク以上となる範囲であるＥの範囲から選べばよいことになる。

この他、簡単には、内燃機関１に加速要求がされた場合に目標とすべき加速対応圧縮比を一定の値として予め定めてもよいし、基準圧縮比に対して一定値だけ低い圧縮比としてもよい。

そうした場合、圧縮比を加速対応圧縮比まで低下させた際に、そのことによる排気圧力の増加に起因する機関トルクの増加量と、熱効率が低下することによる機関トルクの減少量とを加味した上で得られる加速対応機関トルクが、基準圧縮比とした場合に得られる基準機関トルク以上となる場合にのみ、圧縮比を基準圧縮比でなく加速対応圧縮比に変更してもよい。あるいは、加速期間中の、圧縮比を加速対応圧縮比まで低下させた場合に、加速対応機関トルクが、基準圧縮比とした場合に得られる基準機関トルク以上となる期間についてのみ、圧縮比を基準圧縮比でなく加速対応圧縮比に変更してもよい。

この場合に、圧縮比を加速対応圧縮比まで低下させた際に、加速対応機関トルクが、基準圧縮比とした場合に得られる基準機関トルク以上となるかどうかについては、図８及び図９に実線で示した曲線をベースとしたマップを用いて判断してもよい。そうすれば、より簡単な制御により、より良好な加速性能を得ることができる。

本発明の実施例に係る内燃機関の概略構成を示す分解斜視図である。本発明の実施例に係る内燃機関におけるシリンダブロックがクランクケースに対して相対移動する経過を示す断面図である。本発明の実施例１に係る内燃機関の詳細な構成を示す断面図である。内燃機関における圧縮比と排気圧力との関係を説明するための図である。内燃機関における排気圧力と過給圧の立ち上がり特性との関係を説明するための図である。本発明の実施例１に係る制御における各パラメータの変化を示したグラフである。本発明の実施例２に係る加速時圧縮比変更ルーチンを示すフローチャートである。本発明の実施例２に係る最適圧縮比の求め方を説明するための図である。本発明の実施例２に係る加速対応機関トルクが基準機関トルク以上となる圧縮比の範囲を説明するための図である。

符号の説明

１・・・内燃機関
２・・・シリンダ
３・・・シリンダブロック
４・・・クランクケース
５・・・軸受収納孔
６・・・ボルト
７・・・キャップ
８・・・カム収納孔
９・・・カム軸
９ａ・・・軸部
９ｂ・・・カム部
９ｃ・・・可動軸受部
１０・・・ギア
１１ａ、１１ｂ・・・ウォームギア
１２・・・モータ
１５・・・吸気ポート
１６・・・排気ポート
１７・・・吸気管
１８・・・排気管
１９・・・吸気絞り弁
２０・・・エアフローメータ
２１・・・アクセル
２２・・・アクセルポジションセンサ
２３・・・エンコーダ
３５・・・ＥＣＵ

Claims

内燃機関の圧縮比を変更可能な圧縮比変更機構と、
前記内燃機関からの排気によって駆動され、前記内燃機関への吸気を過給する過給機と、前記内燃機関の運転状態に応じて、前記内燃機関においてノッキングを抑制しつつ所定の熱効率が得られるべき基準圧縮比を導出する基準圧縮比導出手段と、を備え、
前記内燃機関の稼動中は前記圧縮比変更機構により、該内燃機関の圧縮比を前記基準圧縮比とする可変圧縮比内燃機関であって、
前記内燃機関が、該内燃機関の圧縮比を前記基準圧縮比とした場合に、過給機の応答遅れの影響が顕著になる閾値以上の加速度が要求された状態である所定の加速状態となった場合には、前記圧縮比変更機構により、該内燃機関の圧縮比を前記基準圧縮比より低い圧縮比であって、圧縮比を基準圧縮比とした場合と比較して、排気圧力をより高くすることができ、過給機の立ち上がりを早くすることができる所定の加速対応圧縮比とし、
前記内燃機関の加速の開始後、前記過給機による過給圧が所定圧以上となるまでの期間において、前記圧縮比変更機構により、該内燃機関の圧縮比を前記加速対応圧縮比とすることを特徴とする可変圧縮比内燃機関。
前記加速対応圧縮比は、前記圧縮比変更機構によって変更可能な最低の圧縮比であることを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
前記加速対応圧縮比は、前記基準圧縮比から前記加速対応圧縮比に圧縮比を変更したことによる、前記内燃機関の排気圧力の上昇に起因する機関トルクの増加量と、前記基準圧縮比から前記加速対応圧縮比に圧縮比を変更したことによる、前記内燃機関の熱効率の低下に起因する機関トルクの減少量とを、圧縮比を前記基準圧縮比とした場合の機関トルクである基準機関トルクに加味した加速対応機関トルクが、前記基準機関トルク以上となる範囲で決定されることを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
前記加速対応圧縮比は、前記基準圧縮比から前記加速対応圧縮比に圧縮比を変更したことによる、前記内燃機関の排気圧力の上昇に起因する機関トルクの増加量と、前記基準圧縮比から前記加速対応圧縮比に圧縮比を変更したことによる、前記内燃機関の熱効率の低下に起因する機関トルクの減少量とを、圧縮比を前記基準圧縮比とした場合の機関トルクである基準機関トルクに加味した加速対応機関トルクが最大となる圧縮比であることを特
徴とする請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
前記内燃機関の加速の開始後、前記基準圧縮比から前記加速対応圧縮比に圧縮比を変更したことによる、前記内燃機関の排気圧力の上昇に起因する機関トルクの増加量と、前記基準圧縮比から前記加速対応圧縮比に圧縮比を変更したことによる、前記内燃機関の熱効率の低下に起因する機関トルクの減少量とを、圧縮比を前記基準圧縮比とした場合の機関トルクである基準機関トルクに加味した加速対応機関トルクが、前記基準機関トルク以上となる期間において、前記圧縮比変更機構により、該内燃機関の圧縮比を前記加速対応圧縮比とすることを特徴とする請求項１または２に記載の可変圧縮比内燃機関。