JP5549303B2 - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は火花点火式内燃機関に関する。

機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と吸気弁の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構とを具備し、機関負荷にかかわらず実圧縮比をほぼ一定に維持するようにした火花点火式内燃機関が公知である（例えば、特許文献１を参照）。特に、特許文献１に記載の火花点火式内燃機関では、内燃機関の運転中において、機関負荷が低くなるにつれて機械圧縮比を増大させると共に吸気弁の閉弁時期を吸気上死点に向けて遅角させることで、実圧縮比を一定に維持している。

特開２００７−３０３４２３号公報

ところで、上述したように、可変圧縮比機構と、可変バルブタイミング機構と、スロットル弁とを具備する火花点火式内燃機関では、内燃機関の運転中に機関負荷に応じて制御する必要があるパラメータが機械圧縮比、吸気弁閉弁時期、スロットル弁の開度と多い。ここで、内燃機関の設計段階では、各パラメータを僅かずつ変更した各測定点で吸入空気量等の測定が必要となる。このため、上述したように、制御可能なパラメータが多いと設計段階での測定点数が多くなり、その結果、計測工数が膨大なものとなってしまう。

そこで、上記問題に鑑みて、本発明の目的は、機械圧縮比、吸気弁閉弁時期及びスロットル開度を変更可能な火花点火式内燃機関において、内燃機関の設計段階における計測工数を減少させることにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、吸気弁の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構と、吸入空気量を制御可能なスロットル弁とを具備し、吸入空気量毎に機械圧縮比と吸気弁閉弁時期との組合せに対して一本の動作線を設定し、各吸入空気量において機械圧縮比と吸気弁閉弁時期との組合せを示す二次元的動作点がこの動作線上を移動するように可変圧縮比機構及び可変バルブタイミング機構が制御される、火花点火式内燃機関が提供される。
第１の発明によれば、各吸入空気量における機械圧縮比と吸気弁閉弁時期との組合せを示す動作点が移動可能な領域が一本の動作線上に制限されることで、該一本の動作線上以外の動作点における計測が不要となる。

第２の発明では、第１の発明において、各吸入空気量における動作線は、他の吸入空気量における動作線上の或る動作点から機械圧縮比、吸気弁閉弁時期及びスロットル開度を最大速度で変更した場合に取り得る動作点が上記各吸入空気量における動作線上に存在するように設定される。

第３の発明では、第１又は第２の発明において、各吸入空気量における動作線は、動作点が侵入すると異常燃焼又はトルク変動が発生する燃焼異常領域に侵入しないように設定される。

第４の発明では、第３の発明において、上記スロットル弁が全開状態に維持されているときには動作点は上記燃焼異常領域の外部であって該燃焼異常領域の外縁に沿って延びる最小燃費動作線上を移動せしめられる。

第５の発明では、第１〜第４の発明において、各吸入空気量における動作線は、他の吸入空気量における動作線とほぼ重なるように設定される。

第６の発明では、第１〜第５の発明において、吸入空気量を一定に維持した状態で機械圧縮比と吸気弁閉弁時期とスロットル開度との組合せを示す三次元的動作点を変化させるときには、吸入空気量を変化させつつ該動作点を変化させる場合に比べて、機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期それぞれの変化速度が遅くせしめられる。

本発明によれば、各吸入空気量における機械圧縮比と吸気弁閉弁時期との組合せを示す動作点が移動可能な領域を一本の動作線上に制限することで、該一本の動作線上以外の動作点における計測が不要となり、設計段階における計測工数を減少させることができる。

火花点火式内燃機関の全体図である。 可変圧縮比機構の分解斜視図である。 図解的に表した内燃機関の側面断面図である。 可変バルブタイミング機構を示す図である。 吸気弁及び排気弁のリフト量を示す図である。 機械圧縮比、実圧縮比及び膨張比を説明するための図である。 理論熱効率と膨張比との関係を示す図である。 通常のサイクル及び超高膨張比サイクルを説明するための図である。 機関負荷に応じた機械圧縮比等の変化を示す図である。 吸入空気量と、機械圧縮比と、吸気弁閉弁時期とを示す図である。 スロットル開度と吸入空気量との関係を示す図である。 図１０を上から見た図である。 図１０における両側面を示す図である。 要求吸入空気量が増大した場合の目標動作点と動作点とを示す図である。 要求吸入空気量が増大した場合の目標動作点と動作点とを示す図である。 要求吸入空気量が増大した場合の機械圧縮比と吸気弁閉弁時期とスロットル開度の変化を示す図である。 要求吸入空気量が減少した場合の目標動作点と動作点とを示す図である。 要求吸入空気量が減少した場合の目標動作点と動作点とを示す図である。 要求吸入空気量が減少した場合の目標動作点と動作点とを示す図である。 要求吸入空気量が減少した場合の目標動作点と動作点とを示す図である。 或る同一吸入空気量上の動作線を示す図である。 或る同一吸入空気量上の動作線を示す図である。 或る同一吸入空気量上の動作線を示す図である。 或る同一吸入空気量上の動作線を示す図である。 或る同一吸入空気量上の動作線を示す図である。 動作湾曲面を示す図である。 要求吸入空気量が減少した場合の目標動作点と動作点とを示す図である。 要求吸入空気量が減少した場合の目標動作点と動作点とを示す図である。 要求吸入空気量が変動した場合の目標動作点と動作点とを示す図である。 要求吸入空気量が変動した場合の目標動作点と動作点とを示す図である。 要求吸入空気量が変動した場合の目標動作点と動作点とを示す図である。 動作点の変化速度を説明するための図である。 異なる吸入空気量の動作線間の関係を示す図である。 動作湾曲面を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

図１に火花点火式内燃機関の側面断面図を示す。
図１を参照すると、１はクランクケース、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は燃焼室５の頂面中央部に配置された点火プラグ、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートをそれぞれ示す。吸気ポート８は吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、各吸気枝管１１にはそれぞれ対応する吸気ポート８内に向けて燃料を噴射するための燃料噴射弁１３が配置される。なお、燃料噴射弁１３は各吸気枝管１１に取付ける代りに各燃焼室５内に配置してもよい。

サージタンク１２は吸気ダクト１４を介してエアクリーナ１５に連結され、吸気ダクト１４内にはアクチュエータ１６によって駆動されるスロットル弁１７と例えば熱線を用いたエアフロメータ１８とが配置される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９を介して例えば三元触媒を内蔵した触媒コンバータ２０に連結され、排気マニホルド１９内には空燃比センサ２１が配置される。

一方、図１に示される実施形態ではクランクケース１とシリンダブロック２との連結部にクランクケース１とシリンダブロック２のシリンダ軸線方向の相対位置を変化させることによりピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積を変更可能な可変圧縮比機構Ａが設けられており、さらに実際の圧縮作用の開始時期を変更可能な実圧縮作用開始時期変更機構Ｂが設けられている。なお、図１に示される実施形態ではこの実圧縮作用開始時期変更機構Ｂは吸気弁７の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構からなる。

図１に示されるようにクランクケース１とシリンダブロック２にはクランクケース１とシリンダブロック２間の相対位置関係を検出するための相対位置センサ２２が取付けられており、この相対位置センサ２２からはクランクケース１とシリンダブロック２との間隔の変化を示す出力信号が出力される。また、可変バルブタイミング機構Ｂには吸気弁７の閉弁時期を示す出力信号を発生するバルブタイミングセンサ２３が取付けられており、スロットル弁駆動用のアクチュエータ１６にはスロットル弁開度を示す出力信号を発生するスロットル開度センサ２４が取付けられている。なお、本実施形態では、現在の機械圧縮比を検出するための機械圧縮比検出装置として相対位置センサ２２が用いられるが、機械圧縮比検出装置としては相対位置センサ２２以外の検出装置を使用することも可能である。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。エアフロメータ１８、空燃比センサ２１、相対位置センサ２２、バルブタイミングセンサ２３及びスロットル開度センサ２４の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。さらに入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して点火プラグ６、燃料噴射弁１３、スロットル弁駆動用アクチュエータ１６、可変圧縮比機構Ａ及び可変バルブタイミング機構Ｂに接続される。

図２は図１に示す可変圧縮比機構Ａの分解斜視図を示しており、図３は図解的に表した内燃機関の側面断面図を示している。図２を参照すると、シリンダブロック２の両側壁の下方には互いに間隔を隔てた複数個の突出部５０が形成されており、各突出部５０内にはそれぞれ断面円形のカム挿入孔５１が形成されている。一方、クランクケース１の上壁面上には互いに間隔を隔ててそれぞれ対応する突出部５０の間に嵌合せしめられる複数個の突出部５２が形成されており、これらの各突出部５２内にもそれぞれ断面円形のカム挿入孔５３が形成されている。

図２に示されるように一対のカムシャフト５４、５５が設けられており、各カムシャフト５４、５５上には一つおきに各カム挿入孔５３内に回転可能に挿入される円形カム５８が固定されている。これらの円形カム５８は各カムシャフト５４、５５の回転軸線と共軸をなす。一方、各円形カム５８の両側には図３に示すように各カムシャフト５４、５５の回転軸線に対して偏心配置された偏心軸５７が延びており、この偏心軸５７上に別の円形カム５６が偏心して回転可能に取付けられている。図２に示されるようにこれら円形カム５６は各円形カム５８の両側に配置されており、これら円形カム５６は対応する各カム挿入孔５１内に回転可能に挿入されている。また、図２に示されるようにカムシャフト５５にはカムシャフト５５の回転角度を表す出力信号を発生するカム回転角度センサ２５が取付けられている。

図３（Ａ）に示すような状態から各カムシャフト５４、５５上に固定された円形カム５８を図３（Ａ）において矢印で示される如く互いに反対方向に回転させると偏心軸５７が互いに離れる方向に移動するために円形カム５６がカム挿入孔５１内において円形カム５８とは反対方向に回転し、図３（Ｂ）に示されるように偏心軸５７の位置が高い位置から中間高さ位置となる。次いで更に円形カム５８を矢印で示される方向に回転させると図３（Ｃ）に示されるように偏心軸５７は最も低い位置となる。

なお、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）にはそれぞれの状態における円形カム５８の中心ａと偏心軸５７の中心ｂと円形カム５６の中心ｃとの位置関係が示されている。

図３（Ａ）から図３（Ｃ）とを比較するとわかるようにクランクケース１とシリンダブロック２の相対位置は円形カム５８の中心ａと円形カム５６の中心ｃとの距離によって定まり、円形カム５８の中心ａと円形カム５６の中心ｃとの距離が大きくなるほどシリンダブロック２はクランクケース１から離れる。すなわち、可変圧縮比機構Ａは回転するカムを用いたクランク機構によりクランクケース１とシリンダブロック２間の相対位置を変化させていることになる。シリンダブロック２がクランクケース１から離れるとピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積は増大し、したがって各カムシャフト５４、５５を回転させることによってピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積を変更することができる。

図２に示されるように各カムシャフト５４、５５をそれぞれ反対方向に回転させるために駆動モータ５９の回転軸にはそれぞれ螺旋方向が逆向きの一対のウォーム６１、６２が取付けられており、これらウォーム６１、６２と噛合するウォームホイール６３、６４がそれぞれ各カムシャフト５４、５５の端部に固定されている。この実施形態では駆動モータ５９を駆動することによってピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積を広い範囲に亘って変更することができる。

一方、図４は図１において吸気弁７を駆動するためのカムシャフト７０の端部に取付けられた可変バルブタイミング機構Ｂを示している。図４を参照すると、この可変バルブタイミング機構Ｂは機関のクランク軸によりタイミングベルトを介して矢印方向に回転せしめられるタイミングプーリ７１と、タイミングプーリ７１と一緒に回転する円筒状ハウジング７２と、吸気弁駆動用カムシャフト７０と一緒に回転しかつ円筒状ハウジング７２に対して相対回転可能な回転軸７３と、円筒状ハウジング７２の内周面から回転軸７３の外周面まで延びる複数個の仕切壁７４と、各仕切壁７４の間で回転軸７３の外周面から円筒状ハウジング７２の内周面まで延びるベーン７５とを具備しており、各ベーン７５の両側にはそれぞれ進角用油圧室７６と遅角用油圧室７７とが形成されている。

各油圧室７６、７７への作動油の供給制御は作動油供給制御弁７８によって行われる。この作動油供給制御弁７８は各油圧室７６、７７にそれぞれ連結された油圧ポート７９、８０と、油圧ポンプ８１から吐出された作動油の供給ポート８２と、一対のドレインポート８３、８４と、各ポート７９、８０、８２、８３、８４間の連通遮断制御を行うスプール弁８５とを具備している。

吸気弁駆動用カムシャフト７０のカムの位相を進角すべきときは図４においてスプール弁８５が右方に移動せしめられ、供給ポート８２から供給された作動油が油圧ポート７９を介して進角用油圧室７６に供給されると共に遅角用油圧室７７内の作動油がドレインポート８４から排出される。このとき回転軸７３は円筒状ハウジング７２に対して矢印方向に相対回転せしめられる。

これに対し、吸気弁駆動用カムシャフト７０のカムの位相を遅角すべきときは図４においてスプール弁８５が左方に移動せしめられ、供給ポート８２から供給された作動油が油圧ポート８０を介して遅角用油圧室７７に供給されると共に進角用油圧室７６内の作動油がドレインポート８３から排出される。このとき回転軸７３は円筒状ハウジング７２に対して矢印と反対方向に相対回転せしめられる。

回転軸７３が円筒状ハウジング７２に対して相対回転せしめられているときにスプール弁８５が図４に示される中立位置に戻されると回転軸７３の相対回転動作は停止せしめられ、回転軸７３はそのときの相対回転位置に保持される。したがって可変バルブタイミング機構Ｂによって吸気弁駆動用カムシャフト７０のカムの位相を所望の量だけ進角させることができ、遅角させることができることになる。

図５において実線は可変バルブタイミング機構Ｂによって吸気弁駆動用カムシャフト７０のカムの位相が最も進角されているときを示しており、破線は吸気弁駆動用カムシャフト７０のカムの位相が最も遅角されているときを示している。したがって吸気弁７の開弁期間は図５において実線で示す範囲と破線で示す範囲との間で任意に設定することができ、したがって吸気弁７の閉弁時期も図５において矢印Ｃで示す範囲内の任意のクランク角に設定することができる。

図１及び図４に示される可変バルブタイミング機構Ｂは一例を示すものであって、例えば吸気弁の開弁時期を一定に維持したまま吸気弁の閉弁時期のみを変えることのできる可変バルブタイミング機構等、種々の形式の可変バルブタイミング機構を用いることができる。

次に図６を参照しつつ本願において使用されている用語の意味について説明する。なお、図６の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）には説明のために燃焼室容積が５０mlでピストンの行程容積が５００mlであるエンジンが示されており、これら図６の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）において燃焼室容積とはピストンが圧縮上死点に位置するときの燃焼室の容積を表している。

図６（Ａ）は機械圧縮比について説明している。機械圧縮比は圧縮行程時のピストンの行程容積と燃焼室容積のみから機械的に定まる値であってこの機械圧縮比は（燃焼室容積＋行程容積）／燃焼室容積で表される。図６（Ａ）に示される例ではこの機械圧縮比は（５０ml＋５００ml）／５０ml＝１１となる。

図６（Ｂ）は実圧縮比について説明している。この実圧縮比は実際に圧縮作用が開始されたときからピストンが上死点に達するまでの実際のピストン行程容積と燃焼室容積から定まる値であってこの実圧縮比は（燃焼室容積＋実際の行程容積）／燃焼室容積で表される。すなわち、図６（Ｂ）に示されるように圧縮行程においてピストンが上昇を開始しても吸気弁が開弁している間は圧縮作用は行われず、吸気弁が閉弁したときから実際の圧縮作用が開始される。したがって実圧縮比は実際の行程容積を用いて上記の如く表される。図６（Ｂ）に示される例では実圧縮比は（５０ml＋４５０ml）／５０ml＝１０となる。

図６（Ｃ）は膨張比について説明している。膨張比は膨張行程時のピストンの行程容積と燃焼室容積から定まる値であってこの膨張比は（燃焼室容積＋行程容積）／燃焼室容積で表される。図６（Ｃ）に示される例ではこの膨張比は（５０ml＋５００ml）／５０ml＝１１となる。

次に図７及び図８を参照しつつ本発明において用いられている超膨張比サイクルについて説明する。なお、図７は理論熱効率と膨張比との関係を示しており、図８は本発明において負荷に応じ使い分けられている通常のサイクルと超高膨張比サイクルとの比較を示している。

図８（Ａ）は吸気弁が下死点近傍で閉弁し、ほぼ吸気下死点付近からピストンによる圧縮作用が開始される場合の通常のサイクルを示している。この図８（Ａ）に示す例でも図６の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す例と同様に燃焼室容積が５０mlとされ、ピストンの行程容積が５００mlとされている。図８（Ａ）からわかるように通常のサイクルでは機械圧縮比は（５０ml＋５００ml）／５０ml＝１１であり、実圧縮比もほぼ１１であり、膨張比も（５０ml＋５００ml）／５０ml＝１１となる。すなわち、通常の内燃機関では機械圧縮比と実圧縮比と膨張比とがほぼ等しくなる。

図７における実線は実圧縮比と膨張比とがほぼ等しい場合の、すなわち通常のサイクルにおける理論熱効率の変化を示している。この場合には膨張比が大きくなるほど、すなわち実圧縮比が高くなるほど理論熱効率が高くなることがわかる。したがって通常のサイクルにおいて理論熱効率を高めるには実圧縮比を高くすればよいことになる。しかしながら機関高負荷運転時におけるノッキングの発生の制約により実圧縮比は最大でも１２程度までしか高くすることができず、斯くして通常のサイクルにおいては理論熱効率を十分に高くすることはできない。

一方、このような状況下で機械圧縮比と実圧縮比とを厳密に区分しつつ理論熱効率を高めることが検討され、その結果理論熱効率は膨張比が支配し、理論熱効率に対して実圧縮比はほとんど影響を与えないことが見出されたのである。すなわち、実圧縮比を高くすると爆発力は高まるが圧縮するために大きなエネルギーが必要となり、斯くして実圧縮比を高めても理論熱効率はほとんど高くならない。

これに対し、膨張比を大きくすると膨張行程時にピストンに対し押下げ力が作用する期間が長くなり、斯くしてピストンがクランクシャフトに回転力を与えている期間が長くなる。したがって膨張比は大きくすれば大きくするほど理論熱効率が高くなる。図７の破線ε＝１０は実圧縮比を１０に固定した状態で膨張比を高くしていった場合の理論熱効率を示している。このように実圧縮比εを低い値に維持した状態で膨張比を高くしたときの理論熱効率の上昇量と、図７の実線で示す如く実圧縮比も膨張比と共に増大せしめられる場合の理論熱効率の上昇量とは大きな差がないことがわかる。

このように実圧縮比が低い値に維持されているとノッキングが発生することがなく、したがって実圧縮比を低い値に維持した状態で膨張比を高くするとノッキングの発生を阻止しつつ理論熱効率を大巾に高めることができる。図８（Ｂ）は可変圧縮比機構Ａ及び可変バルブタイミング機構Ｂを用いて、実圧縮比を低い値に維持しつつ膨張比を高めるようにした場合の一例を示している。

図８（Ｂ）を参照すると、この例では可変圧縮比機構Ａにより燃焼室容積が５０mlから２０mlまで減少せしめられる。一方、可変バルブタイミング機構Ｂによって実際のピストン行程容積が５００mlから２００mlになるまで吸気弁の閉弁時期が遅らされる。その結果、この例では実圧縮比は（２０ml＋２００ml）／２０ml＝１１となり、膨張比は（２０ml＋５００ml）／２０ml＝２６となる。図８（Ａ）に示される通常のサイクルでは前述したように実圧縮比がほぼ１１で膨張比が１１であり、この場合に比べると図８（Ｂ）に示される場合には膨張比のみが２６まで高められていることがわかる。これが超高膨張比サイクルと称される所以である。

一般的に言って内燃機関では機関負荷が低いほど熱効率が悪くなり、したがって機関運転時における熱効率を向上させるためには、すなわち燃費を向上させるには機関負荷が低いときの熱効率を向上させることが必要となる。一方、図８（Ｂ）に示される超高膨張比サイクルでは圧縮行程時の実際のピストン行程容積が小さくされるために燃焼室５内に吸入しうる吸入空気量は少なくなり、したがってこの超高膨張比サイクルは機関負荷が比較的低いときにしか採用できないことになる。したがって本発明では機関負荷が比較的低いときには図８（Ｂ）に示す超高膨張比サイクルとし、機関高負荷運転時には図８（Ａ）に示す通常のサイクルとするようにしている。

次に図９を参照しつつ運転制御全般について概略的に説明する。
図９には或る機関回転数における機関負荷に応じた吸入空気量、吸気弁閉弁時期、機械圧縮比、膨張比、実圧縮比及びスロットル開度の各変化が示されている。なお、図９は、触媒コンバータ２０内の三元触媒によって排気ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯ及びＮＯ_xを同時に低減しうるように燃焼室５内における平均空燃比が空燃比センサ２１の出力信号に基いて理論空燃比にフィードバック制御されている場合を示している。

さて、前述したように機関高負荷運転時には図８（Ａ）に示される通常のサイクルが実行される。したがって図９に示されるようにこのときには機械圧縮比は低くされるために膨張比は低く、図９において実線で示されるように吸気弁７の閉弁時期は図５において実線で示される如く早められている。また、このときには吸入空気量は多く、このときスロットル開度は全開に保持されているのでポンピング損失は零となっている。

一方、図９において実線で示されるように機関負荷が低くなるとそれに伴って吸入空気量を減少すべく吸気弁７の閉弁時期が遅くされる。またこのときには実圧縮比がほぼ一定に保持されるように図９に示される如く機関負荷が低くなるにつれて機械圧縮比が増大され、したがって機関負荷が低くなるにつれて膨張比も増大される。なお、このときにもスロットル弁１７は全開状態に保持されており、したがって燃焼室５内に供給される吸入空気量はスロットル弁１７によらずに吸気弁７の閉弁時期を変えることによって制御されている。

このように機関高負荷運転状態から機関負荷が低くなるときには実圧縮比がほぼ一定のもとで吸入空気量が減少するにつれて機械圧縮比が増大せしめられる。すなわち、吸入空気量の減少に比例してピストン４が圧縮上死点に達したときの燃焼室５の容積が減少せしめられる。したがってピストン４が圧縮上死点に達したときの燃焼室５の容積は吸入空気量に比例して変化していることになる。なお、このとき図９に示される例では燃焼室５内の空燃比は理論空燃比となっているのでピストン４が圧縮上死点に達したときの燃焼室５の容積は燃料量に比例して変化していることになる。

機関負荷が更に低くなると機械圧縮比は更に増大せしめられ、機関負荷がやや低負荷寄りの中負荷Ｌ₁まで低下すると機械圧縮比は燃焼室５の構造上限界となる最大限界機械圧縮比に達する。機械圧縮比が最大限界機械圧縮比に達すると、機械圧縮比が最大限界機械圧縮比に達したときの機関負荷Ｌ₁よりも負荷の低い領域では機械圧縮比が最大限界機械圧縮比に保持される。したがって低負荷側の機関中負荷運転時及び機関低負荷運転時にはすなわち、機関低負荷運転側では機械圧縮比は最大となり、膨張比も最大となる。別の言い方をすると機関低負荷運転側では最大の膨張比が得られるように機械圧縮比が最大にされる。

一方、図９に示される実施形態では機関負荷がＬ₁まで低下すると吸気弁７の閉弁時期が燃焼室５内に供給される吸入空気量を制御しうる限界閉弁時期となる。吸気弁７の閉弁時期が限界閉弁時期に達すると吸気弁７の閉弁時期が限界閉弁時期に達したときの機関負荷Ｌ₁よりも負荷の低い領域では吸気弁７の閉弁時期が限界閉弁時期に保持される。

吸気弁７の閉弁時期が限界閉弁時期に保持されるともはや吸気弁７の閉弁時期の変化によっては吸入空気量を制御することができない。図９に示される実施形態ではこのとき、すなわち吸気弁７の閉弁時期が限界閉弁時期に達したときの機関負荷Ｌ₁よりも負荷の低い領域ではスロットル弁１７によって燃焼室５内に供給される吸入空気量が制御され、機関負荷が低くなるほどスロットル開度は小さくされる。

一方、図９において破線で示すように機関負荷が低くなるにつれて吸気弁７の閉弁時期を早めることによってもスロットル弁１７によらずに吸入空気量を制御することができる。したがって、図９において実線で示される場合と破線で示される場合とをいずれも包含しうるように表現すると、本発明による実施形態では吸気弁７の閉弁時期は、機関負荷が低くなるにつれて、燃焼室内に供給される吸入空気量を制御しうる限界閉弁時期Ｌ₁まで吸気下死点BDCから離れる方向に移動せしめられることになる。このように吸入空気量は吸気弁７の閉弁時期を図９において実線で示すように変化させても制御することができるし、破線に示すように変化させても制御することができるが、以下本発明について吸気弁７の閉弁時期を図９において実線で示すように変化させた場合を例にとって説明する。

ところで前述したように図８（Ｂ）に示す超高膨張比サイクルでは膨張比が２６とされる。この膨張比は高いほど好ましいが図７からわかるように実用上使用可能な下限実圧縮比ε＝５に対しても２０以上であればかなり高い理論熱効率を得ることができる。したがって本発明では膨張比が２０以上となるように可変圧縮比機構Ａが形成されている。

次に図１０から図１２を参照しつつ燃焼異常領域と、機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期に対する基準動作線について説明する。

図１０は要求されている機関負荷を得るのに必要な吸入空気量、すなわち要求吸入空気量と、機械圧縮比と、吸気弁閉弁時期とを示している。なお、図１０において要求吸入空気量は原点０から離れるにしたがって増大し、機械圧縮比は原点０から離れるにしたがって増大する。また、図１０において吸気弁閉弁時期は吸気下死点後（ＡＢＤＣ）のクランク角で表されており、したがって吸気弁閉弁時期は原点０から離れるにしたがって遅角される。

一方、図１０においてＱ₁、Ｑ₂、Ｑ₃、Ｑ₄、Ｑ₅はそれぞれ同一吸入空気量平面を表している。また、θ_maxはスロットル弁１７が全開しているスロットル全開面を表しており、図１０からわかるようにこのスロットル全開面θ_maxは上に凸の湾曲面からなる。このスロットル全開面θ_maxの下方の領域では下方にいくほどスロットル開度が小さくなる。

この様子を図１１に示す。図１１の曲面θ₁、θ₂はそれぞれスロットル開度がθ₁、θ₂となっているときを示す同一スロットル開度面であり、図１１からわかるように各スロットル開度面θ₁、θ₂は上に凸の湾曲面からなる。また、スロットル開度θ_max、θ₂、θ₁の関係はθ_max＞θ₂＞θ₁となっており、スロットル開度が小さいほど、同一機械圧縮比及び同一吸気弁閉弁時期における吸入空気量が少なくなる。

図１０においてハッチングで示される領域は各同一吸入空気量平面Ｑ₁、Ｑ₂、Ｑ₃、Ｑ₄、Ｑ₅内における燃焼異常領域を示している。一方、図１２は図１０の上からみたところを示しており、図１３（Ａ）は図１０における左側面Ｓ₁を矢印方向からみたところを示しており、図１３（Ｂ）は図１０における右側面Ｓ₂を矢印方向からみたところを示しており、これら図１２及び図１３（Ａ）、（Ｂ）においてもハッチングで示される領域は燃焼異常領域を示している。

図１０、図１２、図１３（Ａ）、（Ｂ）から燃焼異常領域は３次元的に広がっており、さらにこの燃焼異常領域は高負荷側の領域Ｘ₁と低負荷側の領域Ｘ₂との２つの領域からなることがわかる。なお、図１０、図１２、図１３（Ａ）、（Ｂ）からわかるように高負荷側燃焼異常領域Ｘ₁は吸入空気量が多く、吸気弁閉弁時期が進角側で機械圧縮比が高い側に形成され、低負荷側燃焼異常領域Ｘ₂は吸入空気量が少なく、吸気弁閉弁時期が遅角側で機械圧縮比が低い側に形成される。

さて、図９は吸入空気量に対して最小燃費の得られる、吸気弁閉弁時期と機械圧縮比と実圧縮比とスロットル開度の関係を示しており、これらの関係を満たす線が図１０及び図１２において実線Ｗで示されている。図１０からわかるようにこの線Ｗは同一吸入空気量平面Ｑ₃よりも吸入空気量が多い側ではスロットル全開面θ_max上を延びており、同一吸入空気量平面Ｑ₃よりも吸入空気量が少ない側では右側面Ｓ₂上を延びている。この同一吸入空気量平面Ｑ₃は図９の負荷Ｌ₁に対応している。

すなわち、図９においてＬ₁よりも機関負荷が高い領域では機関負荷が高くなるほど、すなわち要求吸入空気量が増大するほどスロットル開度が全開に保持された状態で吸気弁閉弁時期が進角され、このとき機械圧縮比は実圧縮比が一定となるように要求吸入空気量が増大するほど低下せしめられる。このときの機械圧縮比と吸気弁閉弁時期との関係が図１０のスロットル全開面θ_max上における線Ｗで表されている。すなわち、図１０に示されるように同一吸入空気量平面Ｑ₃よりも吸入空気量が多い側では要求吸入空気量が増大するほどスロットル開度が全開に保持された状態で吸気弁閉弁時期が進角され、このとき機械圧縮比は実圧縮比が一定となるように要求吸入空気量が増大するほど低下せしめられる。

一方、図９においてＬ₁よりも機関負荷が低い領域では機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期が一定に保持され、機関負荷が低くなるほど、すなわち要求吸入空気量が減少するほどスロットル開度が減少せしめられる。このときの機械圧縮比と吸気弁閉弁時期との関係が図１０の右側面Ｓ₂上における線Ｗで表されている。すなわち、図１０に示されるように同一吸入空気量平面Ｑ₃よりも吸入空気量が少ない側では機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期が一定に保持され、機関負荷が低くなるほど、すなわち吸入空気量が減少するほどスロットル開度が減少せしめられる。

本願明細書では、吸入空気量が変化したときに機械圧縮比と吸気弁閉弁時期とが辿る線を動作線と称しており、特に図１０に示される線Ｗは基準動作線と称されている。なお、前述したようにこの基準動作線は最小燃費の得られる最小燃費動作線を示している。

前述したようにこの基準動作線Ｗ上では実圧縮比が一定とされている。実圧縮比はスロットル開度とは無関係であって機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期のみによって定まるので図１０において基準動作線Ｗを通り垂直方向に延びる曲面上では同一実圧縮比となる。この場合、この曲面よりも機械圧縮比の高い側では実圧縮比が高くなり、この曲面よりも機械圧縮比の低い側では実圧縮比が低くなる。すなわち、大雑把に言うと、高負荷側異常燃焼領域Ｘ₁は基準動作線Ｗ上における実圧縮比よりも実圧縮比の高い領域に位置しており、低負荷異常燃焼領域Ｘ₂は基準動作線Ｗ上における実圧縮比よりも実圧縮比の低い領域に位置している。

さて、燃費を向上するために実圧縮比を高くするとノッキングが発生し、ノッキングの発生を阻止するために点火時期を遅角させると燃焼が不安定となってトルク変動を生ずる。高負荷異常燃焼領域Ｘ₁はこのようなトルク変動を生ずる運転領域であり、したがって機関運転時には機関の運転状態がこのようなトルク変動を生ずる運転領域内に入らないようにする必要がある。一方、吸入空気量が少なく実圧縮比が低くなると燃焼しづらくなり、スロットル開度が小さくなって圧縮端圧力が低くなると燃焼が悪化してトルク変動を生ずる。低負荷側異常燃焼領域Ｘ₂はこのようなトルク変動を生ずる運転領域であり、したがって機関運転時にはこの運転領域にも機関の運転状態が入らないようにする必要がある。

一方、実圧縮比が高くなるほど燃費が向上し、したがってノッキングやトルク変動を生ずることなく最小の燃費が得られる最小燃費動作線は図１０及び図１１においてＷで示されるように高負荷側異常燃焼領域Ｘ₁の外部において高負荷側異常燃焼領域Ｘ₁の外縁に沿いつつ延びている。前述したように本発明による実施形態ではこの最小燃費動作線が基準動作線Ｗとされており、基本的には吸入空気量に応じて機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期との組合せを示す動作点がこの基準動作線Ｗ上を移動するように機械圧縮比、吸気弁閉弁時期及びスロットル開度が制御される。なお、現在の動作点は相対位置センサ２２、バルブタイミングセンサ２３及びスロットル開度センサ２４により常時検出されている。

次に本発明による機械圧縮比、吸気弁閉弁時期及びスロットル開度の制御の仕方について基本的な制御の仕方から説明する。この基本的な制御の仕方が図１４から図１６に示されている。

すなわち、図１４は機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期が基準動作線Ｗ上のｍ点における値に維持されているときに吸入空気量が増大せしめられた場合を示している。ところで本発明による実施形態では例えば予め定められた時間毎に要求吸入空気量が算出されており、この予め定められた時間毎に算出される要求吸入空気量を満たす基準動作線Ｗ上の動作点が順次算出される。この要求吸入空気量を満たす動作点、すなわち要求動作点の一例が図１３においてａ₁、ａ₂、ａ₃、ａ₄、ａ₅、ａ₆で示されている。すなわち、この例では要求吸入空気量が増大せしめられた後に最初に検出された要求吸入空気量を満たす要求動作点がａ₁であり、次に検出された要求吸入空気量を満たす要求動作点がａ₂であり、次に検出された要求吸入空気量を満たす要求動作点がａ₃である。

要求動作点が変化すると機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期を示す動作点は新たな要求動作点に向けて変化する。すなわち、図１４に示した例では機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期を示す動作点は要求動作点がａ₁とされるとｍ点からａ₁点に向けて変化し、要求動作点がａ₂とされると機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期を示す動作点はａ₂に向けて変化する。この場合、要求動作点が変化する前に機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期が要求動作点に到達すれば機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期は何の問題もなく要求動作点の変化に追従して変化する。しかしながら要求動作点が変化する前に機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期が要求動作点に到達しない場合には問題を生ずる場合がある。

すなわち、図１４において機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期が点ｍにあるときに要求動作点ａ₁となったときには機械圧縮比及び吸気弁時期は変化せず、このとき要求吸入空気量を満たすべくスロットル開度が増大せしめられる。アクチュエータ１６によるスロットル開度変化の応答性は極めて早く、したがって要求動作点がａ₁になると機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期を示す動作点はｍ点からａ₁点にただちに移る。

次いで要求動作点がａ₂になると機械圧縮比がわずかばかり低下せしめられ且つ吸気弁閉弁時期がわずかばかり進角されつつスロットル開度が全開にされる。このとき機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期は次の要求動作点ａ₃が算出される頃には要求動作点ａ₂の近くまで到達する。このとき到達する機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期が図１４の上方からみたところを示す図１５において動作点ｂ₂で示されている。

要求動作点ａ₃が算出されると機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期は動作点ｂ₂から要求動作点ａ₃に向けて移動を開始する。すなわち、スロットル開度が全開の状態で機械圧縮比は低下せしめられ、吸気弁閉弁時期は進角せしめられる。ところが可変圧縮比機構Ａによる機械圧縮比変化の応答性及び可変バルブタイミング機構Ｂによる吸気弁７の閉弁時期変化の応答性はそれほど早くなく、特に可変圧縮比機構Ａによる機械圧縮比変化の応答性は、可変バルブタイミング機構Ｂの応答性と比べて遅い。したがって要求吸入空気量の増大速度が速い場合には要求動作点と機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期の実際の値を示す動作点とが次第に離れていくことになる。例えば図１５において要求動作点がａ₆まで移動したときに機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期の実際の値を示す動作点が依然としてｂ₂付近に位置するような状態が生ずる。

しかしながらこのような場合、機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期を燃焼異常領域Ｘ₁内に侵入することなく要求動作点に向けてフィードバック制御により移動させるようにすると機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期が要求動作点に達するまでに時間を要することになる。すなわち、この場合、吸気弁閉弁時期を進角させることにより動作点が燃焼異常領域Ｘ₁内に侵入しそうになったときには吸気弁閉弁時期の進角作用が停止され、次いで機械圧縮比が一定量だけ減少せしめられる。機械圧縮比が一定量だけ減少せしめられると吸気弁閉弁時期が再び進角され、動作点が侵入禁止領域Ｘ₁内に侵入しそうになると吸気弁閉弁時期の進角作用が停止される。以下、これが繰返される。

すなわち、機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期を要求動作点に向けてフィードバック制御により移動させるようにすると機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期を示す動作点が燃焼異常領域Ｘ₁の外縁に沿ってジグザグ状に移動することになり、斯くして機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期が要求動作点に達するまでに時間を要することになる。その結果、吸入空気量の変化に対して良好な機関の応答性が得られないことになる。

そこで本発明では吸入空気量が変化したときに機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期が現在の動作点から吸入空気量を満たす要求動作点に向けて侵入禁止領域Ｘ₁、Ｘ₂内に侵入することなく一定時間後に到達可能な目標動作点を算出し、機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期をこの目標動作点に向けて変化させるようにしている。

次にこの本発明を具体化した一実施形態についてスロットル全開面θ_maxを示す図１５を参照しつつ説明する。前述したように図１５は要求動作点がａ₃になったときに機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期を示す動作点がｂ₂である場合を示している。この場合において矢印Ｒ₂は機械圧縮比が要求動作点ａ₃に向けて予め定められた一定時間で到達可能な量を表しており、矢印Ｔ₂は吸気弁閉弁時期が要求動作点ａ₃に向けて予め定められた一定時間で到達可能な量を表している。また、図１５においてｃ₂は現在の動作点ｂ₂から吸入空気量を満たす要求動作点ａ₃に向けて燃焼異常領域Ｘ₁内に侵入することなく一定時間後に到達可能な目標動作点を示している。

図１５に示したように要求吸入空気量が増大せしめられ且つ動作点ｂ₂及び要求動作点ａ₃がスロットル全開面θ_max上にあるときにはこの目標動作点ｃ₂は基準動作線Ｗ上に、図１５に示した例では最小燃費動作線Ｗ上に位置する。すなわち、図１５に示した例では、スロットル開度が全開に維持されているときには目標動作点は燃焼異常領域Ｘ₁の外部であって侵入禁止領域Ｘ₁の外縁に沿って延びる最小燃費動作線Ｗ上を移動せしめられる。

また、図１５において要求動作点がａ₆であるときに機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期を示す動作点がｂ_iであったとするとこの場合にも目標動作点は基準動作線Ｗ上の点ｃ_iとされる。なお、図１５において矢印Ｒ_iは同様に機械圧縮比が一定時間後に到達可能な量を表しており、矢印Ｔ_iは吸気弁閉弁時期が一定時間後に到達可能な量を表している。

このように図１５に示した例では動作点がｂ₂であるときに目標動作点ｃ₂が算出されると一定時間後に機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期を示す動作点は目標動作点ｃ₂に到達する。このとき現在の動作点ｃ₂から吸入空気量を満たす要求動作点に向けて燃焼異常領域Ｘ₁内に侵入することなく一定時間後に到達可能な次の新たな目標動作点が算出され、動作点は一定時間後にこの新たな目標動作点に到達する。この場合、本発明による実施形態では機械圧縮比、吸気弁閉弁時期及びスロットル開度はＰＩＤ（比例積分微分）制御によって目標動作点に到達せしめられる。

このように図１５に示した例では機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期を示す動作点は基準動作線Ｗに沿って停滞することなく滑らかに移動する。すなわち、図１４において機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期がｍ点に維持されているときに吸入空気量が増大せしめられると機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期は図１６において矢印で示されるように基準動作線Ｗに沿って停滞することなく滑らかに変化せしめられる。その結果、吸入空気量の変化に対して良好な機関の応答性を確保することができることになる。

この場合、吸入空気量に対する機関の応答性を更に向上するためには目標動作点ｃ₂、ｃ_iをそれぞれ対応する現在の動作点ｂ₂、ｂ_iからできる限り離すことが好ましい。したがって本発明による実施形態では目標動作点ｃ₂、ｃ_iは対応する現在の動作点ｂ₂、ｂ_iから吸入空気量を満たす要求動作点に向けて侵入禁止領域Ｘ₁内に侵入することなく一定時間後に到達可能な動作点のうちで現在の動作点ｂ₂、ｂ_iから最も離れた動作点とされている。

すなわち、現在の動作点がｂ₂の場合には動作点ｂ₂からの機械圧縮比の到達限界が目標動作点ｃ₂とされ、吸気弁閉弁時期についてはこの目標動作点ｃ₂は動作点ｂ₂からの吸気弁閉弁時期の到達限界よりも手前となる。したがってこのときには機械圧縮比は可能な最大速度でもって低下せしめられ、吸気弁閉弁時期は可能な最大速度よりもゆっくりとした速度で進角される。これに対し、現在の動作点がｂ_iの場合には動作点ｂ_iからの吸気弁閉弁時期の到達限界が目標動作点ｃ_iとされ、機械圧縮比についてはこの目標動作点ｃ_iは動作点ｂ_iからの吸気弁閉弁時期の到達限界よりも手前となる。したがってこのときには吸気弁閉弁時期は可能な最大速度でもって進角され、機械圧縮比は可能な最大速度よりもゆっくりとした速度で減少せしめられる。

次に図１７及び図１８を参照しつつ吸入空気量がゆっくりと減少せしめられた場合について説明する。なお、図１８は図１５と同様なスロットル全開面θ_maxを示している。

図１８はこの場合における現在の動作点と要求動作点との関係を示している。すなわち、図１８には現在の動作点がｅ_iであるときの要求動作点がｄ_iで示されており、このとき機械圧縮比が一定時間後に到達可能な量がＲ_iで示されており、このとき吸気弁閉弁時期が一定時間後に到達可能な量がＴ_iで示されている。さらに図１８には現在の動作点がｅ_jであるときの要求動作点がｄ_jで示されており、このとき機械圧縮比が一定時間後に到達可能な量がＲ_jで示されており、このとき吸気弁閉弁時期が一定時間後に到達可能な量がＴ_jで示されている。

この場合には要求動作点ｄ_iは機械圧縮比の到達限界の手前となり、吸気弁閉弁時期の到達限界の手前となるので要求動作点ｄ_iが目標動作点となる。同様に要求動作点ｄ_jは機械圧縮比の到達限界の手前となり、吸気弁閉弁時期の到達限界の手前となるので要求動作点ｄ_jが目標動作点となる。したがってこの場合には動作点は基準動作線Ｗに沿って移動する。すなわち、吸入空気量がゆっくりと減少するときにはスロットル弁１７が全開に保持された状態で吸気弁閉弁時期が徐々に遅角され、実圧縮比が一定となるように機械圧縮比が徐々に増大される。

ところで、上述したように要求吸入空気量がゆっくり減少した場合には、動作点を基準動作線Ｗに沿って移動させることができる。しかしながら、要求吸入空気量が急激に減少した場合には、可変圧縮比機構Ａによる機械圧縮比変化の応答性及び可変バルブタイミング機構Ｂによる吸気弁７の閉弁時期変化の応答性が遅いことから、動作点を基準動作線Ｗに沿って移動させると実際の吸入空気量を要求吸入空気量まで減少させるのに時間がかかってしまう。

したがって、この場合、まず実際の吸入空気量が要求吸入空気量にまで減少するようにスロットル開度を減少させ、その後、動作点が基準動作線Ｗ上の要求動作点に到達するように、機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期を制御することが考えられる。

例として、図１９及び図２０を参照して、機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期が基準動作線Ｗ上のｎ点における値に維持されているときに要求吸入空気量がＱ₁にまで急激に減少せしめられた場合について説明する。図１９は図１７と同様な図であり、図２０は、要求吸入空気量がＱ₁である同一吸入空気量平面を示している。

この場合、要求吸入空気量Ｑ₁を満たす基準動作線Ｗ上の要求動作点はｄ₁となる。このため、機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期は動作点ｎから動作点ｄ₁に向けて移動せしめられる。この場合、まず機械圧縮比が一定時間後に到達可能な量と吸気弁閉弁時期が一定時間後に到達可能な量から燃焼異常領域Ｘ₁、Ｘ₂内に侵入することなく要求動作点ｄ₁に最も近い機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期が算出される（すなわち、目標動作点ｅ₁の機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期が算出される）。

しかしながら、機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期を変更するだけでは、一定時間後に吸入空気量Ｑ₁を満たすことはできない。このため、一定時間後に吸入空気量Ｑ₁を満たすべく、スロットル開度が小さくせしめられる。このときのスロットル開度は、機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期を上記目標動作点ｅ₁の機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期とした場合に吸入空気量が吸入空気量Ｑ₁となるような開度とされ、その結果、目標動作点ｅ₁は図１９及び図２０に示したように同一吸入空気量平面Ｑ₁上の点となる。

その後、動作点が同一吸入空気量平面Ｑ₁上を移動せしめられる。すなわち、図２０に示したように、同一吸入空気量平面Ｑ₁上において機械圧縮比が一定時間後に到達可能な量と吸気弁閉弁時期が一定時間後に到達可能な量から要求動作点ｄ₁に最も近い各目標動作点ｅ₂、ｅ₃、ｅ₄、ｅ₅、ｅ₆、ｅ₇、ｅ₈、ｅ₉、ｅ₁₀が順次算出される。この場合、機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期を最大速度で変化させると目標動作点が燃焼異常領域Ｘ₂に侵入してしまうような場合には、目標動作点が燃焼異常領域Ｘ₂に侵入しないように、機械圧縮比又は吸気弁閉弁時期の変化量が一定時間後に到達可能な量よりも少ない量とされる。例えば、図２０における目標動作点ｅ₄〜ｅ₆は、動作点が燃焼異常領域Ｘ₂に侵入するのを回避すべく、吸気弁閉弁時期の変化量が一定時間後に到達可能な量よりも少ない量とされている。

ところで、図１１に示したようにスロットル開度を同一とした状態で機械圧縮比や吸気弁閉弁時期を変化させると吸入空気量が変化する。したがって、吸入空気量を一定に維持したまま機械圧縮比や吸気弁閉弁時期を変化させるためには、機械圧縮比や吸気弁閉弁時期の変化に合わせてスロットル開度を変化させる必要がある。このような制御を図１０に示した三次元空間のうち燃焼異常領域Ｘ₁、Ｘ₂を除く全ての領域で行うためには、複雑な制御が必要となり、制御ロジックを作成するのが困難となる。

また、設計段階において、各動作点における吸入空気量は計算によって或る程度求めることができるが、実際の吸入空気量は吸気ポートや燃焼室の形状といった様々な要素によって変化するため必ずしも計算によって正確に求めることができるわけではない。このため、最終的には各動作点における吸入空気量を実験によって計測することが必要になる。上述したように機械圧縮比、吸気弁閉弁時期及びスロットル開度を示す動作点が図１０に示した三次元空間のうち燃焼異常領域Ｘ₁、Ｘ₂を除く全ての領域内で移動可能であると、この広い領域内において計測を行う必要があり、測定点は膨大な数になる。さらに、実際には吸入空気量は機械圧縮比、吸気弁閉弁時期及びスロットル開度のみならず、その他のパラメータ（例えば、機関回転数）によっても変化すため、各動作点について機関回転数等を変化させて計測することが必要になり、計測工数は膨大なものとなってしまう。

そこで、本発明の実施形態では、各同一吸入空気量平面毎に一本の動作線を設定し、すなわち各吸入空気量毎に機械圧縮比と吸気弁閉弁時期との組合せに対して一本の動作線を設定し、各吸入空気量において機械圧縮比と吸気弁閉弁時期との組合せを示す二次元的動作点がこの動作線上を移動するように可変圧縮比機構及び可変張るタイミング機構を制御するようにしている。

これについて図２１〜図２６を参照して詳細に説明する。図２１〜図２５はそれぞれ同一吸入空気量平面Ｑ₅、Ｑ₄、Ｑ₃、Ｑ₂、Ｑ₁を示す図であり、図２６は吸入空気量、機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期から成る三次元的空間を示す図１０と同様な図である。なお、図２６では、同一吸入空気量平面Ｑ₁上の燃焼異常領域Ｘ₂のみが斜線で示されており、それ以外の燃焼異常領域Ｘ₂は省略されている。

図２１からわかるように、同一吸入空気量平面Ｑ₅においては、機械圧縮比と吸気弁閉弁時期に対して一本の動作線Ｗ₅が設定される。したがって、機関負荷、すなわち要求吸入空気量がＱ₅であるときには機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期の組合せを示す動作点はこの動作線Ｗ₅上を移動することになる。なお、図２１に示した例では、吸気弁閉弁時期を７５°ＡＢＤＣよりも遅角するとスロットル開度を如何なる開度にしても吸入空気量をＱ₅にすることはできないため、動作線Ｗ₅は吸気弁閉弁時期が３０°ＡＢＤＣ（最進角側の吸気弁閉弁時期）から７５°ＡＢＤＣまでの間のみで延びている。

同様に、図２２〜図２５からわかるように、各同一吸入空気量平面Ｑ₄、Ｑ₃、Ｑ₂、Ｑ₁においても、機械圧縮比と吸気弁閉弁時期に対してそれぞれ一本の動作線Ｗ₄、Ｗ₃、Ｗ₂、Ｗ₁が設定される。したがって、機関負荷、すなわち吸入空気量がＱ₄、Ｑ₃、Ｑ₂、Ｑ₁であるときには機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期の組合せを示す動作点はそれぞれ動作線Ｗ₄、Ｗ₃、Ｗ₂、Ｗ₁上を移動することになる。

また、図２１〜図２５では、例として同一吸入空気量平面Ｑ₅、Ｑ₄、Ｑ₃、Ｑ₂、Ｑ₁を取り上げたが、これら同一吸入空気量平面間にも多数の同一吸入空気量平面が存在し、各同一吸入空気量平面毎に上記動作線Ｗ₅、Ｗ₄、Ｗ₃、Ｗ₂、Ｗ₁と同様な一本の動作線が設定される。

また、本実施形態では、各同一吸入空気量平面Ｑ₅、Ｑ₄、Ｑ₃、Ｑ₂、Ｑ₁上の動作線Ｗ₅、Ｗ₄、Ｗ₃、Ｗ₂、Ｗ₁は他の同一吸入空気量平面上の動作線Ｗ₅、Ｗ₄、Ｗ₃、Ｗ₂、Ｗ₁とほぼ重なるように設定されている。例えば、図２３に示した同一吸入空気量平面Ｑ₃上の動作線Ｗ₃は、図２１、図２２、図２４、図２５に示した他の同一吸入空気量平面Ｑ₅、Ｑ₄、Ｑ₂、Ｑ₁上の動作線Ｗ₅、Ｗ₄、Ｗ₂、Ｗ₁とほぼ同一の動作線とされる。見方を変えると、各同一吸入空気量平面上の動作線Ｗ₅、Ｗ₄、Ｗ₃、Ｗ₂、Ｗ₁は、図１０に示した三次元的空間を上からみたときに、全ての動作線Ｗ₅、Ｗ₄、Ｗ₃、Ｗ₂、Ｗ₁がほぼ一本に見えるように設定される。

このように設定された各同一吸入空気量平面Ｑ₅、Ｑ₄、Ｑ₃、Ｑ₂、Ｑ₁上の動作線Ｗ₅、Ｗ₄、Ｗ₃、Ｗ₂、Ｗ₁を、図１０に示したような三次元空間にまとめて示すと、これら動作線はＷ₅、Ｗ₄、Ｗ₃、Ｗ₂、Ｗ₁は図２６に示したような一つの湾曲面Ｓ₃となる。図２６からわかるように、湾曲面Ｓ₃は基準動作線Ｗから垂直下方に、すなわち吸入空気量変化方向に延びる曲面である。したがって、本実施形態では、機械圧縮比と吸気弁閉弁時期とスロットル開度とを示す三次元的動作点はこの湾曲面Ｓ₃上を移動するということもできる。以下では、この湾曲面Ｓ₃を動作湾曲面と称する。

ただし、図１２からわかるように、図１０を上からみると、高負荷側燃焼異常領域Ｘ₁と低負荷側燃焼異常領域Ｘ₂とは部分的に重なっている。このため、要求吸入空気量が少ない場合（例えば同一吸入空気量平面Ｑ₁）の動作線を要求吸入空気量が多い場合（例えば同一吸入空気量平面Ｑ₅、Ｑ₄）の動作線と同一の動作線としてしまうと、すなわち上述したように動作湾曲面Ｓ₃を基準動作線Ｗから完全に垂直下方に延びる曲面にしてしまうと、要求吸入空気量が少ない場合（例えば同一吸入空気量平面Ｑ₁）の動作線の一部が低負荷側燃焼異常領域Ｘ₂内に侵入してしまうことになる。すなわち、同一吸入空気量平面Ｑ₁における動作線をこのように設定すると、同一吸入空気量平面Ｑ₁上の動作線Ｗ₁は図２５に破線Ｗ₁’で示したように低負荷側燃焼異常領域Ｘ₂内に侵入することになる。

そこで、本実施形態では、各同一吸入空気量平面上の動作線を他の同一吸入空気量平面上の動作線と重なるように（同一になるように）設定しつつも、すなわち機械圧縮比と吸気弁閉弁時期とスロットル開度とを示す三次元的動作点が移動する動作湾曲面Ｓ₃が基準動作線Ｗから鉛直下方に延びる曲面となるように設定しつつも、そのまま設定すると燃焼異常領域Ｘ₁、Ｘ₂に侵入する領域については、燃焼異常領域Ｘ₁、Ｘ₂に侵入しないように動作線を変更するようにしている。

特に、図２５及び図２６に示した例では、同一吸入空気量平面Ｑ₁上の動作線のうちそのまま設定すると燃焼異常領域Ｘ₂に侵入してしまう領域Ｗ₁’については、その領域内の動作線を吸気弁閉弁時期を進角させる方向或いは機械圧縮比を高める方向に変更することによって動作線が燃焼異常領域Ｘ₂に侵入することを防止するようにしている。

逆にいうと、本実施形態では、各同一吸入空気量平面上の動作線が燃焼異常領域Ｘ₁、Ｘ₂に侵入しない範囲内で全ての吸入空気量平面上の動作線がほぼ重なるように（ほぼ同一となるように）設定されるということができる。すなわち、本実施形態では、機械圧縮比と吸気弁閉弁時期とスロットル開度とを示す三次元的動作点が移動する動作湾曲面Ｓ₃が燃焼異常領域Ｘ₁、Ｘ₂に侵入しない範囲内で基準動作線Ｗからほぼ鉛直下方に延びるように設定されるということができる。

このように、各同一吸入空気量平面毎に機械圧縮比と吸気弁閉弁時期との組合せを示す二次元的動作点が一本の動作線上を移動するように設定することにより、すなわち機械圧縮比と吸気弁閉弁時期とスロットル開度との組合せを示す三次元的動作点が一つの湾曲面Ｓ₃上を移動するように設定することにより、これら二次元的動作点又は三次元的動作点が移動可能な領域が制限される。このため、上述したように燃焼異常領域Ｘ₁、Ｘ₂を除く全ての領域内で計測を行う必要はなく、測定点を大幅に減少させることができ、その結果、計測工数を大幅に削減することができる。

次に、機械圧縮比と吸気弁閉弁時期とスロットル開度との組合せを示す動作点をこのように設定された各同一吸入空気量平面上の動作線Ｗ₅、Ｗ₄、Ｗ₃、Ｗ₂、Ｗ₁上或いは動作湾曲面Ｓ₃上を移動させる場合の制御について説明する。この場合の制御も、基本的には図１４〜図２０を参照して説明した制御と同様な制御が行われるが、図１９、図２０に示した制御では同一吸入空気量平面上で動作点が一つの動作線上を移動するようには制御されていないのに対して、本実施形態の制御では一つの動作線上を移動するように制御される。

例として、図２７及び図２８を参照して、現在の動作点が同一吸入空気量平面Ｑ₅上の動作点ｎにある場合に、要求吸入空気量がＱ₅からＱ₁に急激に減少した場合について説明する。この場合、要求吸入空気量Ｑ₁を満たす基準動作線Ｗ上の要求動作点はｄ₁となる。このため、機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期は動作点ｎから動作点ｄ₁に向けて移動せしめられる。

この場合、まず現在の動作点ｎから機械圧縮比が一定時間後に到達可能な量と吸気弁閉弁時期が一定時間後に到達可能な量を考慮して同一吸入空気量平面Ｑ₁の動作線Ｗ₁上の動作点のうち要求動作点ｄ₁に最も近い機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期が算出される（すなわち、目標動作点ｅ₁の機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期が算出される）。加えて、一定時間後に要求吸入空気量Ｑ₁を満たすべく、スロットル開度が小さくせしめられる。このときのスロットル開度は、機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期を上記目標動作点ｅ₁の機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期とした場合に吸入空気量がＱ₁となるような開度とされる。その結果、目標動作点ｅ₁は図２７及び図２８に示したように同一吸入空気量平面Ｑ₁上の点となる。

その後、動作点が同一吸入空気量平面Ｑ₁上を要求動作点ｄ₁に向かって移動せしめられる。すなわち、図２８に示したように、同一吸入空気量平面Ｑ₁上において機械圧縮比が一定時間後に到達可能な量と吸気弁閉弁時期が一定時間後に到達可能な量を考慮して要求動作点ｄ₁に最も近い動作線Ｗ₁上の各動作点ｅ₂、ｅ₃、ｅ₄、ｅ₅、ｅ₆、ｅ₇、ｅ₈、ｅ₉、ｅ₁₀が順次算出される。このように動作線Ｗ₁上を移動している限り、動作点が燃焼異常領域Ｘ₂に侵入することはない。

なお、上記例では、現在の動作点ｎからスロットル開度を小さくすることによって一定時間後に吸入空気量をＱ５からＱ１まで変更可能な場合を示している。しかしながら、スロットル弁１７の応答速度によっては一定時間内に吸入空気量をＱ５からＱ１まで減少させることはできない。この場合、現在の動作点からスロットル開度が一定時間後に到達可能な量を考慮して一定時間後の吸入空気量を算出するようにしてもよい。したがって、例えば図２７に示した例では、要求吸入空気量がＱ₅からＱ₁に急激に減少した直後には、一定時間後に到達可能な吸入空気量が算出され（例えば、Ｑ₃）、現在の動作点ｎから機械圧縮比が一定時間後に到達可能な量と吸気弁閉弁時期が一定時間後に到達可能な量を考慮して上記一定時間後に到達可能な吸入空気量平面上（例えば、同一吸入空気量平面Ｑ₃上）の動作線（例えば、動作線Ｗ₃）上の動作点のうち要求動作点ｄ₁に最も近い機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期が算出されることになり、最終的な目標動作点が同一吸入空気量平面Ｑ₃上の点とされる。

また、別の例として、現在の動作点が同一吸入空気量平面Ｑ₅上の動作点ｎにある場合に、要求吸入空気量がＱ₅からＱ₁に急激に減少した後にＱ₁からＱ₃に増大し、さらにその後にＱ₃から再びＱ₁に減少した場合、すなわち動作点が各吸入空気量に到達する前に吸入空気量が順次変化する場合について説明する。

まず、現在の動作点が同一吸入空気量平面Ｑ₅上の動作点ｎにある場合に、吸入空気量がＱ₅からＱ₁に急激に減少すると、吸入空気量Ｑ₁を満たす基準動作線Ｗ上の要求動作点はｄ₁となる。このため、機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期は動作点ｎから動作点ｄ₁に向けて移動せしめられる。したがって、図２７及び図２８に示した例と同様に、同一吸入空気量平面Ｑ₁の動作線Ｗ₁上の動作点ｅ₁、ｅ₂、ｅ₃が順次算出される。

ここで、機械圧縮比と吸気弁閉弁時期とスロットル開度との組合せを示す動作点が動作線Ｗ₁上の動作点ｅ₃にあるときに、要求吸入空気量がＱ₁からＱ₃に増大したとする。この場合、吸入空気量Ｑ₃を満たす基準動作線Ｗ上の要求動作点はｄ₂となる。このため、機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期は動作点ｄ₂に向けて移動せしめられる。

この場合、まず機械圧縮比が一定時間後に到達可能な量と吸気弁閉弁時期が一定時間後に到達可能な量から同一吸入空気量平面Ｑ₃の動作線Ｗ₃上の動作点のうち要求動作点ｄ₂に最も近い機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期が算出される（すなわち、目標動作点ｅ₄の機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期が算出される）。加えて、一定時間後に吸入空気量Ｑ₃を満たすべく、スロットル開度が大きくせしめられる。このときのスロットル開度は、機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期を上記目標動作点ｅ₄の機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期とした場合に吸入空気量が吸入空気量Ｑ₃となるような開度とされる。その結果、目標動作点ｅ₄は図２９及び図３１に示したように同一吸入空気量平面Ｑ₃上の点となる。

その後、動作点が同一吸入空気量平面Ｑ₃上を要求動作点ｄ₂に向かって移動せしめられる。すなわち、図３１に示したように、同一吸入空気量平面Ｑ₃上において機械圧縮比が一定時間後に到達可能な量と吸気弁閉弁時期が一定時間後に到達可能な量を考慮して要求動作点ｄ₃に最も近い動作線Ｗ₃上の各動作点ｅ₄、ｅ₅、ｅ₆が順次算出される。

さらに、機械圧縮比と吸気弁閉弁時期とスロットル開度との組合せを示す動作点が動作線Ｗ₃上の動作点ｅ₆にあるときに、吸入空気量がＱ₃から再びＱ₁に減少したとする。この場合、吸入空気量Ｑ₁を満たす基準動作線Ｗ₁上の要求動作点はｄ₃（ｄ₁と同じ）となる。このため、機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期は動作点ｄ₃に向けて移動せしめられる。

この場合、まず機械圧縮比が一定時間後に到達可能な量と吸気弁閉弁時期が一定時間後に到達可能な量から同一吸入空気量平面Ｑ₁の動作線Ｗ₁上の動作点のうち要求動作点ｄ₃に最も近い機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期が算出される（すなわち、目標動作点ｅ₇の機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期が算出される）。加えて、一定時間後に吸入空気量Ｑ₁を満たすべく、スロットル開度が小さくせしめられる。このときのスロットル開度は、機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期を上記目標動作点ｅ₇の機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期とした場合に吸入空気量が吸入空気量Ｑ₁となるような開度とされる。その結果、目標動作点ｅ₇は、図２９及び図３０に示したように同一吸入空気量平面Ｑ₁上の点となる。

その後、動作点が同一吸入空気量平面Ｑ₁上を要求動作点ｄ₃に向かって移動せしめられる。すなわち、図３０に示したように、同一吸入空気量平面Ｑ₁の動作線Ｗ₁上の各動作点ｅ₇、ｅ₈、ｅ₉、ｅ₁₀が順次算出される。

ところで、図１９及び図２０と図２７及び図２８とを比較するとわかるように、本実施形態のように各同一吸入空気量平面上において二次元的動作点を一本の動作線上のみを移動するように設定した場合であっても、最終的に要求動作点に到達するまでにかかる時間にはほとんど変わりがない。すなわち、図１９及び図２０に示した例でも、図２７及び図２８に示した例でも、各目標動作点間での動作点の移動（例えば、目標動作点ｅ₁からｅ₂、目標動作点ｅ₂からｅ₃）にかかる時間は同じであり、また最初の動作点ｎから要求動作点ｄ₁に到達するのに目標動作点の算出回数は１０回（ｅ₁からｅ₁₀まで）で同一である。

このように最終的に要求動作点に到達するまでにかかる時間がほとんど同一となる理由は、可変圧縮比機構Ａの応答性の遅さにある。すなわち、一定時間内に機械圧縮比を変化させることができる程度は限られており、したがって、上記本実施形態のように二次元的動作点を一本の動作線上を移動させるようにした場合であっても、或いは図１９及び図２０に示したように二次元的動作点を異常燃焼領域Ｘ₁、Ｘ₂に侵入しない範囲で自由に移動させるようにした場合であっても、一定時間には機械圧縮比を少量しか変化させることができない。したがって、本実施形態によれば、設計段階における計測工数を削減しつつも、要求動作点の変更に対する応答速度の低下を抑制することができる。

なお、上記実施形態では、吸入空気量が変化する場合（例えば図２９において動作点がｎからｅ₁へ変化する場合、ｅ₃からｅ₄へ変化する場合及びｅ₆からｅ₇へ変化する場合）の機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期の変化速度と、吸入空気量が変化しない場合（例えば、図２９において動作点がｅ₁からｅ₂、ｅ₃へ変化する場合、ｅ₄からｅ₅、ｅ₆へ変化する場合、ｅ₇からｅ₈、ｅ₉、ｅ₁₀へ変化する場合）の機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期の変化速度をほぼ同一としている。すなわち、上記実施形態では、一定時間においていずれの場合も機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期のいずれか一方又は両方を一定時間後に到達可能な量だけ変化させている。

しかしながら、必ずしも吸入空気量が変化する場合の機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期の変化速度と吸入空気量が変化しない場合の機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期の変化速度とを同一とする必要はなく、吸入空気量が変化しない場合の機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期の変化速度を吸入空気量が変化する場合の機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期の変化速度よりも遅くしてもよい。すなわち、吸入空気量が変化しない場合には、一定時間において機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期の両方を一定時間後に到達可能な量よりも少ない量だけ変化させるようにしてもよい。

これについて図３２を参照して説明する。図３２は図３１と同様な図である。図３２を参照すると、吸入空気量が変化する場合（例えば、動作点がｅ₃からｅ₄に変化する場合）には、現在の動作点ｅ₃から機械圧縮比が一定時間後に到達可能な量Ｒと吸気弁閉弁時期が一定時間後に到達可能な量Ｔとを考慮して、これら機械圧縮比と吸気弁閉弁時期との範囲内で最も要求動作点に近い動作線Ｗ₃上の動作点が目標動作点ｅ₄とされる。一方、吸入空気量が変化しない場合（動作点がｅ₄からｅ₅に変化する場合）には、現在の動作点ｅ₄から機械圧縮比が一定時間後に到達可能な量Ｒよりも少ない量Ｒ’（例えば、一定時間後に到達可能な量Ｒの半分）と吸気弁閉弁時期が一定時間後得に到達可能な量Ｔよりも少ない量Ｔ’（例えば、一定時間後に到達可能な量Ｔの半分）とを考慮して、これら機械圧縮比と吸気弁閉弁時期との範囲内で最も要求動作点ｄ₂に近い動作線Ｗ₃上の動作点が目標動作点ｅ₅とされる。

ここで、一般に、アクセルペダルの踏込み量が変化して要求吸入空気量が変化する間は、トルクが大きく変化しているため、機械圧縮比や吸気弁閉弁時期の変化に伴う多少のトルク変動が生じても搭乗者はトルク変動に気付きにくい。一方、アクセルペダルの踏込み量が一定となっていて要求吸入空気量が一定となっている間は、トルクはほとんど変化しておらず、よって機械圧縮比や吸気弁閉弁時期の変化に伴ってトルク変動が生じると搭乗者がトルク変動を感じやすい。ここで、上述したように吸入空気量が変化する場合の機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期の変化速度を速くし、吸入空気量が変化しない場合の機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期の変化速度を遅くすることで、吸入空気量が変化する場合には搭乗者がトルク変動に気付くことなく機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期を迅速に変化させることができ、一方吸入空気量が変化しない場合には搭乗者が気付くほどトルク変動が生じないように機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期を変化させることができる。

さらに、上記実施形態では、各同一吸入空気量平面上の動作線が他の同一吸入空気量平面上の動作線とほぼ重なるように、すなわち三次元的動作点が移動しうる湾曲面Ｓ₃が基準動作線Ｗからほぼ鉛直下方に延びるように設定されている。しかしながら、各同一吸入空気量平面の動作線及び湾曲面は必ずしもこのように設定される必要はない。ただし、この場合、各吸入空気量における動作線は、他の吸入空気量における動作線上の或る動作点から機械圧縮比、吸気弁閉弁時期及びスロットル開度を最大速度で変更した場合に取り得る動作点が上記各吸入空気量における動作線上に存在するように設定される必要がある。以下、このことについて説明する。

図３３は同一吸入空気量平面Ｑ₄上の動作線Ｗ₄と、同一吸入空気量平面Ｑ₁上の動作線Ｗ₁との関係を示している。ここで、例として、機械圧縮比を最大速度で変更した場合に一定時間に変更可能な機械圧縮比の量がＲであり、吸気弁閉弁時期を最大速度で変更した場合に一定時間に変更可能な吸気弁閉弁時期の量がＴであり、スロットル開度を最大速度で小さくした場合に一定時間に変更可能な吸入空気量がＱ₄からＱ₁までである場合を考える。

或る時期において要求吸入空気量がＱ₄となっており且つそのときの動作点が動作線Ｗ₄上の動作点ｐとなっているとする。この状態から要求吸入空気量がＱ₄からＱ₁へ急激に減少し、これに伴ってスロットル開度を最大速度で小さくした場合、一定時間後に機械圧縮比と吸気弁閉弁時期との組合せを示す動作点が取り得る範囲は図３３の斜線部分Ｚの範囲内となる。すなわち、機械圧縮比が取り得る範囲は、動作点ｐの機械圧縮比から一定時間に変更可能な機械圧縮比の量Ｒだけ大きい値と動作点ｐの機械圧縮比から一定時間に変更可能な機械圧縮比の量Ｒだけ小さい値との間の範囲内であり、吸気弁閉弁時期が取り得る範囲は、動作点ｐの吸気弁閉弁時期から一定時間に変更可能な吸気弁閉弁時期の量Ｔだけ進角側の値と動作点ｐの吸気弁閉弁時期から一定時間に変更可能な吸気弁閉弁時期の量Ｔだけ遅角側の値との間の範囲である。

したがって、この斜線領域Ｚ内に同一吸入空気量平面Ｑ₁上の動作線が存在しないと、スロットル開度を最大速度では変更することができないことになる。したがって、本実施形態では、この斜線領域Ｚ内に必ず同一吸入空気量平面Ｚ１上の動作線が存在するように設定される。図３３に示した例では、同一吸入空気量平面Ｑ₁上の動作線をＷ₁₂、Ｗ₁₃とすることはできるが、Ｗ₁₁とすることはできない。

したがって、各同一吸入空気量平面上の動作線及び動作湾曲面は例えば図３４に示したように設定することができる。図３４に示した例では、動作湾曲面Ｓ₃は基準動作線Ｗから鉛直下方に延びるのではなく、基準動作線Ｗから機械圧縮比を高める側に傾斜するように動作湾曲面Ｓ₃が延びている。この場合の傾斜角度は、スロットル開度の最大変化速度と機械圧縮比の最大変化速度とによって定まる角度となっている。

或いは、図示はしていないが、例えば動作湾曲面Ｓ₃は基準動作線Ｗから吸気弁閉弁時期を遅角させる側に傾斜するように延びてもよい。この場合の傾斜角度は、スロットル開度の最大変化速度と吸気弁閉弁時期の最大変化速度とによって定まる角度となっている。なお、これらいずれの場合でも上述したように動作湾曲面Ｓ₃は燃焼異常領域Ｘ₁、Ｘ₂に侵入しないように設定することが必要である。

１ クランクケース
２ シリンダブロック
３ シリンダヘッド
４ ピストン
５ 燃焼室
７ 吸気弁
１７ スロットル弁
Ａ 可変圧縮比機構
Ｂ 可変バルブタイミング機構

Claims (6)

1. 機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、吸気弁の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構と、吸入空気量を制御可能なスロットル弁とを具備し、
   吸入空気量毎に機械圧縮比と吸気弁閉弁時期との組合せに対して一本の動作線を設定し、各吸入空気量において機械圧縮比と吸気弁閉弁時期との組合せを示す二次元的動作点がこの動作線上を移動するように可変圧縮比機構及び可変バルブタイミング機構が制御される、火花点火式内燃機関。
2. 各吸入空気量における動作線は、他の吸入空気量における動作線上の或る動作点から機械圧縮比、吸気弁閉弁時期及びスロットル開度を最大速度で変更した場合に取り得る動作点が上記各吸入空気量における動作線上に存在するように設定される、請求項１に記載の火花点火式内燃機関。
3. 各吸入空気量における動作線は、動作点が侵入すると異常燃焼又はトルク変動が発生する燃焼異常領域に侵入しないように設定される、請求項１又は２に記載の火花点火式内燃機関。
4. 上記スロットル弁が全開状態に維持されているときには動作点は上記燃焼異常領域の外部であって該燃焼異常領域の外縁に沿って延びる最小燃費動作線上を移動せしめられる、請求項３に記載の火花点火式内燃機関。
5. 各吸入空気量における動作線は、他の吸入空気量における動作線とほぼ重なるように設定される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の火花点火式内燃機関。
6. 吸入空気量を一定に維持した状態で機械圧縮比と吸気弁閉弁時期とスロットル開度との組合せを示す三次元的動作点を変化させるときには、吸入空気量を変化させつつ該動作点を変化させる場合に比べて、機械圧縮比及び吸気弁閉弁時期それぞれの変化速度が遅くせしめられる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の火花点火式内燃機関。

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