JP5569348B2

JP5569348B2 - 可変圧縮比機構を備える内燃機関

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Publication number: JP5569348B2
Application number: JP2010251889A
Authority: JP
Inventors: 宏二井手
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2030-11-10
Also published as: JP2012102671A

Description

本発明は、可変圧縮比機構を備える内燃機関に関する。

クランクケースに対してシリンダブロックを相対移動させる可変圧縮比機構を備える内燃機関が公知であり、このような可変圧縮比機構を備える内燃機関において、各機関負荷に対してそれぞれの目標機械圧縮比（（上死点燃焼室容積＋行程容積）／上死点燃焼室容積）が定められている。

ところで、可燃混合気を点火プラグ近傍に形成する成層燃焼は、気筒内に均質混合気を形成する均質燃焼とは異なり、点火時期を大幅に遅角して、例えば膨張行程中期での点火も可能であるために、機関排気系の触媒装置を暖機する際に、排気ガス温度を高めるのに成層燃焼において点火時期遅角を実施することが提案されている（特許文献１参照）。

成層燃焼を実施するためには、一般的には、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁から圧縮行程においてピストン頂面のキャビティ内へ燃料が噴射される。こうして噴射された燃料は、キャビティの底面に斜めに衝突し、自身慣性力を利用して、キャビティの底面上を進行して、キャビティの点火プラグ側側面に沿って偏向され、気筒上部略中心に位置する点火プラグ近傍へ向かう。噴射燃料は、気筒内を飛行中において吸気との間の摩擦熱を受けると共にキャビティ内を進行中にキャビティから受熱して、点火プラグ近傍に到達したときには、気化して可燃混合気となる。

特開平１１−３２４７６５特開昭６３−１５９６４２特開２００５−２５６７７７

可変圧縮比機構により機械圧縮比が変更されている途中に成層燃焼が実施されると、圧縮行程において、ピストンのシリンダブロックに対する相対上昇速度が増加したり減少したりするために、シリンダブロックに固定されたシリンダヘッドに取り付けられた燃料噴射弁から噴射される燃料のピストンキャビティへの相対的な衝突速度が増加したり減少したりする。

それにより、キャビティ上を進行する噴射燃料の自身慣性力が大きくなれば、噴射燃料は意図するより早く点火プラグ近傍に到達して、点火時期においては点火プラグ近傍から過剰に分散する。また、キャビティ上を進行する噴射燃料の自身慣性力が小さくなれば、噴射燃料は意図するより遅く点火プラグ近傍に到達して、点火時期においては点火プラグ近傍に過剰に集合する。その結果として、点火時期において点火プラグ近傍に形成される混合気の空燃比がリーン化したりリッチ化したりして着火性を悪化させる。

従って、本発明の目的は、可変圧縮比機構を備える内燃機関において、可変圧縮比機構による機械圧縮比の変更途中に成層燃焼を実施する際の着火性の悪化を抑制することである。

本発明による請求項１に記載の可変圧縮比機構を備える内燃機関は、気筒上部に位置する点火プラグ近傍に可燃混合気を形成するために気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁により圧縮行程においてピストン頂面に形成されたキャビティ内へ燃料を噴射することによって噴射燃料を前記キャビティにより偏向させて点火プラグ近傍へ向かわせる成層燃焼を可変圧縮比機構による機械圧縮比の変更途中に実施する場合の燃料噴射開始時期は、前記成層燃焼を同じ機関回転数及び同じ燃料噴射量において前記可変圧縮比機構による機械圧縮比の変更途中ではなく実施する場合の燃料噴射開始時期から変更されることを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の可変圧縮比機構を備える内燃機関は、気筒上部に位置する点火プラグ近傍に可燃混合気を形成するために気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁により圧縮行程においてピストン頂面に形成されたキャビティ内へ燃料を噴射することによって噴射燃料を前記キャビティにより偏向させて点火プラグ近傍へ向かわせる成層燃焼を可変圧縮比機構による機械圧縮比の変更途中に実施する場合には、気筒内に均質混合気を形成する均質燃焼を前記可変圧縮比機構による機械圧縮比の変更途中に実施する場合に比較して、前記可変圧縮比機構による機械圧縮比の変更速度を低下させることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の可変圧縮比機構を備える内燃機関によれば、気筒上部に位置する点火プラグ近傍に可燃混合気を形成するために気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁により圧縮行程においてピストン頂面に形成されたキャビティ内へ燃料を噴射することによって噴射燃料をキャビティにより偏向させて点火プラグ近傍へ向かわせる成層燃焼を可変圧縮比機構による機械圧縮比の変更途中に実施する場合の燃料噴射開始時期は、成層燃焼を同じ機関回転数及び同じ燃料噴射量において可変圧縮比機構による機械圧縮比の変更途中ではなく実施する場合の燃料噴射開始時期から変更されるようになっており、それにより、可変圧縮比機構による機械圧縮比の変更途中の成層燃焼において、噴射燃料のピストンキャビティへの相対的な衝突速度が増加したり減少したりしても、噴射燃料を意図する時期近傍に点火プラグ近傍に到達させることができ、点火時期において点火プラグ近傍に形成される混合気の空燃比がリーン化したりリッチ化したりして着火性が悪化することを抑制することができる。

本発明による請求項２に記載の可変圧縮比機構を備える内燃機関によれば、気筒上部に位置する点火プラグ近傍に可燃混合気を形成するために気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁により圧縮行程においてピストン頂面に形成されたキャビティ内へ燃料を噴射することによって噴射燃料をキャビティにより偏向させて点火プラグ近傍へ向かわせる成層燃焼を可変圧縮比機構により機械圧縮比を変更途中に実施する場合には、気筒内に均質混合気を形成する均質燃焼を可変圧縮比機構により機械圧縮比を変更途中に実施する場合に比較して、可変圧縮比機構により機械圧縮比の変更速度を低下させるようになっており、それにより、可変圧縮比機構による機械圧縮比の変更途中の成層燃焼において、噴射燃料のピストンキャビティへの衝突速度が増加したり減少したりすること抑制して、噴射燃料を意図する時期近傍に点火プラグ近傍に到達させることができ、点火時期において点火プラグ近傍に形成される混合気の空燃比がリーン化したりリッチ化したりして着火性が悪化することを抑制することができる。

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。吸気弁および排気弁のリフト量を示す図である。機械圧縮比、実圧縮比およ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。通常のサイクルおよ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。内燃機関により実施される成層燃焼を説明するための図である。機械圧縮比の変更途中に成層燃焼を実施する場合の燃料噴射開始時期を制御するために第一フローチャートである。第一フローチャートに基づく、機械圧縮比毎の変更途中に成層燃焼を実施する場合の機械圧縮比、燃焼切換フラグ、燃料噴射開始時期、及び点火時期の変化を示すタイムチャートである。機械圧縮比の変更途中に成層燃焼を実施する場合の可変圧縮比機構のアクチュエータの作動速度を制御するための第二フローチャートである。第二フローチャートに基づく、機械圧縮比毎の変更途中に成層燃焼を実施する場合の機械圧縮比、燃焼切換フラグ、及び点火時期の変化を示すタイムチャートである。

図１は本発明による可変圧縮比機構を備える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は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結されている。シリンダブロック３の一対の吸気ポート８の間には、気筒内へ燃料を噴射するための燃料噴射弁（図示せず）が配置されている。

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吸入空気量検出器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装置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に示される実施例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、更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に示される実施例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。

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および出力ポート３６を具備する。吸入空気量検出器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およびスロットル開度センサ２４の出力信号は夫々対応する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。更に入力ポート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、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およ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内には夫々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夫々対応する突出部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内にも夫々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）には夫々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。即ち、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、従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を夫々反対方向に回転させるために駆動モータ５９の回転軸には夫々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が夫々各カムシャフト５４，５５の端部に固定されている。この実施例では駆動モータ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の両側には夫々進角用油圧室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に夫々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。従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。従って吸気弁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、従って吸気弁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および図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。即ち、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。従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および図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。即ち、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、即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、即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。従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い出されたのである。即ち、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。従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、従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およ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、従って機関運転時における熱効率を向上させるためには、即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、従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。従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、実圧縮比およびスロットル弁１７の開度の各変化が示されている。なお、図９は、触媒装置２０内の三元触媒によって排気ガス中の未燃ＨＣ，ＣＯおよび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。従って図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弁１７の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、従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、従って燃焼室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。即ち、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。従ってピストン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限界機械圧縮比（上限機械圧縮比）に達する。機械圧縮比が限界機械圧縮比に達すると、機械圧縮比が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限界機械圧縮比に保持される。従って低負荷側の機関中負荷運転時および機関低負荷運転時には即ち、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に示される実施例では機関負荷が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に示される実施例ではこのとき、即ち吸気弁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弁１７の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。従って、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、本発明による実施例では吸気弁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。

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。従って本実施例では膨張比が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。

本内燃機関は、吸気行程において燃料噴射弁により気筒内へ燃料を噴射することにより、圧縮行程末期の点火時期において気筒内に均質混合気を形成して着火燃焼させる均質燃焼を実施する。また、例えば、排気系の触媒装置２０を暖機するために排気ガス温度を高めるときには、圧縮行程において燃料噴射弁により気筒内へ燃料を噴射して膨張行程の点火時期において点火プラグ近傍に可燃混合気を形成して着火燃焼させる成層燃焼を実施する。

図１０は、本内燃機関において実施される成層燃焼を説明するための図である。ピストン４の頂面には吸気ポート８側に偏在してキャビティ４ａが形成されており、成層燃焼を実施するために、シリンダブロック３の一対の吸気ポート８の間に配置された燃料噴射弁１３は、圧縮行程後半においてキャビティ４ａ内へ燃料Ｆを噴射する。噴射燃料Ｆは、キャビティ４ａの底面４ｂ斜めに衝突し、ピストン４の中央側に位置するキャビティ４ａの点火プラグ側側面４ｃへ向けて自身慣性力により底面４ｂ上を進行し、その後、点火プラグ側側面４ｃに沿って偏向され、気筒上部略中心に位置する点火プラグ６近傍へ向かう。噴射燃料Ｆは、気筒内を飛行中において吸気との間の摩擦熱を受けると共にキャビティ４ａ内を進行中にキャビティ４ａから受熱して、点火プラグ６近傍に到達したときには、気化して混合気となる。

点火時期において、点火プラグ６により点火プラグ６近傍の可燃混合気を着火させることにより、可燃混合気は良好に燃焼して気筒内全体としては理論空燃比よりリーンな空燃比の成層燃焼が実現される。このような成層燃焼は、例えば、膨張行程中期においても点火プラグ６近傍に着火性に優れた可燃混合気が形成されていれば、可燃混合気を良好に着火燃焼させることができ、大幅な点火時期の遅角が可能となるために、排気系の触媒装置２０を暖機するために排気ガス温度を高めるのに有利である。

燃料噴射弁１３は、例えば、スリット状の噴孔を有して、比較的厚さの薄い略扇形状に燃料を噴射するものであり、図１０には噴射燃料Ｆの厚さ方向の断面が図示されている。このように噴射される燃料Ｆは、比較的大きな貫徹力を有しており、気筒内を飛行中に吸気との間の比較的大きな摩擦熱を受けると共に、キャビティ４ａの底面４ｂ上を進行する際に幅方向に広がるために底面４ａから良好に受熱し、次いで、平面視において湾曲するキャビティ４ａの点火プラグ側側面を進行する際に受熱しながら徐々に中央部へ集合して、最終的に点火プラグ６近傍へ向かう。

点火プラグ６近傍に到達した燃料は、前述のように十分に受熱して気化し、僅かに分散すると着火性に優れた可燃混合気となる。それにより、成層燃焼においては、点火時期に可燃混合気が点火プラグ６近傍に形成されるように、燃料噴射開始時期が設定される。例えば、燃料噴射終了時の燃料が点火時期において気化してキャビティ４ａの外側に位置するように、燃料噴射終了時期から点火時期までの時間を一定とするためには、燃料噴射開始時期は、機関回転数が高いほど、また、燃料噴射量が多いほど、進角しなければならない。

可変圧縮比機構Ａにより機械圧縮比が変更されている途中に成層燃焼が実施されることがあり、この場合には、圧縮行程において、ピストン４のシリンダブロック２に対する相対上昇速度が増加したり減少したりするために、シリンダブロック２に固定されたシリンダヘッド３に取り付けられた燃料噴射弁１３から噴射される燃料のピストンキャビティ４ａへの相対的な衝突速度が増加したり減少したりする。

それにより、衝突速度が増加してキャビティ４ａの底面４ｂ上を進行する噴射燃料Ｆの自身慣性力が大きくなれば、噴射燃料は意図するより早く点火プラグ６近傍に到達して、点火時期においては点火プラグ近傍から過剰に分散してしまう。また、衝突速度が減少してキャビティ４ａの底面４ｂ上を進行する噴射燃料Ｆの自身慣性力が小さくなれば、噴射燃料は意図するより遅く点火プラグ近傍に到達して、点火時期においては点火プラグ近傍に過剰に集合する。それにより、何もしなければ、点火時期において点火プラグ近傍に形成される混合気の空燃比がリーン化したりリッチ化したりして着火性が悪化し、良好な成層燃焼を実現することが困難となる。

本内燃機関は、良好な成層燃焼を実現するために、機械圧縮比の変更途中において成層燃焼を実施する際には、電子制御ユニット３０により図１１に示す第一フローチャートに従って燃料噴射弁１３の燃料噴射開始時期ＩＴを制御するようになっている。

先ず、ステップ１０１において、可変圧縮比機構Ａにより機械圧縮比Ｅが変更途中であるか否かが判断される。この判断が否定されるときにはそのまま終了する。一方、機械圧縮比Ｅが変更途中であるときには、ステップ１０１の判断が肯定され、ステップ１０２において、成層燃焼の実施要求が有るか否かが判断される。この判断が否定されるときにはそのまま終了する。成層燃焼の実施要求が有るときには、ステップ１０２の判断が肯定され、ステップ１０３において、現在の機関回転数及び現在の燃料噴射量に基づき設定された基準燃料噴射開始時期ＩＴをΔＩＴだけ変更して新たな燃料噴射開始時期ＩＴとする。

ここで、ΔＩＴは、ステップ１０１において判断した機械圧縮比Ｅの変更が機械圧縮比を高める場合には正値となり、ステップ１０３において基準燃料噴射開始時期ＩＴは進角される。一方、ΔＩＴは、ステップ１０１において判断した機械圧縮比Ｅの変更が機械圧縮比を低くする場合には負値となり、ステップ１０３において燃料噴射開始時期ＩＴは遅角される。ΔＩＴの絶対値は、可変圧縮比機構Ａの機械圧縮比の変更速度が一定である場合には、一定値として良いが、可変圧縮比機構Ａの機械圧縮比の変更速度が変化する場合には、変更速度が速いほど大きくすることが好ましい。

図１２は、第一フローチャートに基づく、機械圧縮比Ｅ、燃焼切換フラグＦ、燃料噴射開始時期ＩＴ、及び、点火時期ＦＴの変化を示すタイムチャートである。負荷センサ４１により要求負荷の減少が検出されて、時刻ｔ０において、可変圧縮比機構Ａにより機械圧縮比Ｅを高める変更が開始され、時刻ｔ２において、可変圧縮比機構Ａによる機械圧縮比Ｅを高める変更が完了する。時刻ｔ０とｔ２との間が機械圧縮比Ｅの変更途中であり、この間において、例えば、排気系の触媒装置２０の暖機のために、時刻ｔ１において成層燃焼を実施する要求があると、燃焼切換フラグＦは０から１とされて均質燃焼を中止して成層燃焼が実施され、点火時期ＦＴも、時刻ｔ１において、均質燃焼時の圧縮行程末期から成層燃焼時の膨張行程中期へと切り換えられる。

その際に、点線で示すように、燃料噴射開始時期を均質燃焼時の吸気行程の燃料噴射開始時期ＩＴ１から現在の機関回転数及び現在の燃料噴射量に基づき定められた成層燃焼時の圧縮行程の基準燃料噴射開始時期ＩＴ２（機械圧縮比の変更途中においては機関回転数がほぼ一定であって燃料噴射量も一定である場合）へ単に変化させると、前述したように、噴射燃料Ｆのピストンキャビティ４ａへの相対的な衝突速度が速まるために、噴射燃料Ｆは点火プラグ６近傍に意図するより早く到達して点火時期においては過剰に分散し、点火時期において点火プラグ６近傍に形成される混合気がリーン化して着火性が悪化する。

本内燃機関では、第一フローチャートによって、機械圧縮比Ｅの変更途中において実施される成層燃焼の燃料噴射開始時期ＩＴ２’は、同じ機関回転数及び同じ燃料噴射量において機械圧縮比の変更途中ではなく成層燃焼を実施する場合の基準燃料噴射開始時期ＩＴ２に比較してΔＩＴにより進角されている。それにより、噴射燃料Ｆを意図する時期近傍に点火プラグ６近傍に到達させることができ、点火時期において点火プラグ６近傍に形成される混合気のリーン化を抑制し、良好な成層燃焼を実現することが可能となる。

一方、機械圧縮比Ｅを低くする変更途中に成層燃焼を実施する場合の燃料噴射開始時期を、同じ機関回転数及び同じ燃料噴射量において機械圧縮比の変更途中ではなく成層燃焼を実施する場合の基準燃料噴射開始時期とすると、噴射燃料Ｆのピストンキャビティ４ａへの相対的な衝突速度が遅くなるために、噴射燃料Ｆは点火プラグ６近傍に意図するより遅く到達して点火時期においては過剰に集合し、点火時期において点火プラグ６近傍に形成される混合気がリッチ化して着火性が悪化する。それにより、機械圧縮比Ｅを低くする変更途中において実施される成層燃焼の燃料噴射開始時期は、同じ機関回転数及び同じ燃料噴射量において機械圧縮比の変更途中ではなく成層燃焼を実施する場合の燃料噴射開始時期に比較してΔＩＴにより遅角され、噴射燃料Ｆを意図する時期近傍に点火プラグ６近傍に到達させることにより、点火時期において点火プラグ６近傍に形成される混合気のリッチ化を抑制し、良好な成層燃焼を実現することが可能となる。

また、良好な成層燃焼を実現するために、機械圧縮比の変更途中において成層燃焼を実施する際には、電子制御ユニット３０により図１３に示す第二フローチャートに従って可変圧縮比機構Ａによる機械圧縮比Ｅの変更速度Ｓを制御するようにしても良い。

先ず、ステップ２０１において、可変圧縮比機構Ａにより機械圧縮比Ｅが変更途中であるか否かが判断される。この判断が否定されるときにはそのまま終了する。一方、機械圧縮比Ｅが変更途中であるときには、ステップ２０１の判断が肯定され、ステップ２０２において、成層燃焼の実施要求が有るか否かが判断される。この判断が否定されるときにはそのまま終了する。成層燃焼の実施要求が有るときには、ステップ２０２の判断が肯定され、ステップ２０３において、機械圧縮比Ｅの変更途中において均質燃焼が実施される場合の機械圧縮比の変更速度ＳをΔＳだけ低下させるようになっている。具体的には、機械圧縮比Ｅの変更途中において成層燃焼が実施される場合には、可変圧縮比機構Ａの駆動モータ５９の回転速度を、機械圧縮比Ｅの変更途中において均質燃焼が実施される場合に比較して所望量だけ低下させる。

図１４は、第二フローチャートに基づく、機械圧縮比Ｅ、燃焼切換フラグＦ、燃料噴射開始時期ＩＴ、及び、点火時期ＦＴの変化を示すタイムチャートである。負荷センサ４１により要求負荷の減少が検出されて、時刻ｔ０において、可変圧縮比機構Ａにより機械圧縮比Ｅを高める変更が開始され、均質燃焼が継続して実施される場合には、点線で示すように、時刻ｔ２において、可変圧縮比機構Ａによる機械圧縮比Ｅを高める変更が完了する。時刻ｔ０とｔ２との間が機械圧縮比Ｅの変更途中であり、この間において、例えば、排気系の触媒装置２０の暖機のために、時刻ｔ１において成層燃焼を実施する要求があると、燃焼切換フラグＦは０から１とされて均質燃焼を中止して成層燃焼が実施され、点火時期ＦＴも、時刻ｔ１において、均質燃焼時の圧縮行程末期から成層燃焼時の膨張行程中期へと切り換えられる。

その際に、燃料噴射開始時期を均質燃焼時の吸気行程の燃料噴射開始時期ＩＴ１から現在の機関回転数及び現在の燃料噴射量に基づき定められた成層燃焼時の圧縮行程の基準燃料噴射開始時期ＩＴ２へ変化させただけでは、前述したように、機械圧縮比の変更途中ではなく基準燃料噴射開始時期での成層燃焼を実施する場合に比較して、噴射燃料Ｆのピストンキャビティ４ａへの相対的な衝突速度が速まるために、噴射燃料Ｆは点火プラグ６近傍に意図するより早く到達して点火時期においては過剰に分散し、点火時期において点火プラグ６近傍に形成される混合気がリーン化して着火性が悪化する。

本内燃機関では、機械圧縮比Ｅの変更要求に対して機械圧縮比Ｅの変更速度は速い方が好ましいが、第二フローチャートによって、機械圧縮比Ｅの変更途中において成層燃焼を実施する場合には、機械圧縮比を変更途中に均質燃焼を実施する場合に比較して、可変圧縮比機構により機械圧縮比Ｅの変更速度を低下させるようになっている。それにより、時刻ｔ２より遅い時刻ｔ３において、可変圧縮比機構Ａによる機械圧縮比Ｅを高める変更が完了することとなるが、噴射燃料Ｆのピストンキャビティ４ａへの相対的な衝突速度が速まることを抑制することにより、噴射燃料Ｆを意図する時期近傍に点火プラグ６近傍に到達させることができ、点火時期において点火プラグ６近傍に形成される混合気のリーン化を抑制して良好な成層燃焼を実現することが可能となる。

一方、機械圧縮比Ｅを低くする変更途中に成層燃焼を実施する場合には、機械圧縮比Ｅの変更速度を、機械圧縮比の変更途中に均質燃焼を実施する場合の機械圧縮比Ｅの変更速度のままとすると、噴射燃料Ｆのピストンキャビティ４ａへの相対的な衝突速度が遅くなるために、噴射燃料Ｆは点火プラグ６近傍に意図するより遅く到達して点火時期においては過剰に集合し、点火時期において点火プラグ６近傍に形成される混合気がリッチ化して着火性が悪化する。それにより、機械圧縮比Ｅを低くする変更途中において成層燃焼を実施する場合にも、機械圧縮比を変更途中に均質燃焼を実施する場合に比較して、機械圧縮比Ｅの変更速度を低下させ、噴射燃料Ｆのピストンキャビティ４ａへの相対的な衝突速度が遅くなることを抑制することにより、噴射燃料Ｆを意図する時期近傍に点火プラグ６近傍に到達させることができ、点火時期において点火プラグ６近傍に形成される混合気のリッチ化を抑制して良好な成層燃焼を実現することが可能となる。

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
４ａキャビティ
１３燃料噴射弁
３０電子制御ユニット
Ａ可変圧縮比機構

Claims

気筒上部に位置する点火プラグ近傍に可燃混合気を形成するために気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁により圧縮行程においてピストン頂面に形成されたキャビティ内へ燃料を噴射することによって噴射燃料を前記キャビティにより偏向させて点火プラグ近傍へ向かわせる成層燃焼を可変圧縮比機構による機械圧縮比の増大途中に実施する場合の燃料噴射開始時期は、前記成層燃焼を同じ機関回転数及び同じ燃料噴射量において前記可変圧縮比機構による機械圧縮比の変更途中ではなく実施する場合の燃料噴射開始時期よりも進角し、成層燃焼を可変圧縮比機構による機械圧縮比の低下途中に実施する場合の燃料噴射開始時期は、前記成層燃焼を同じ機関回転数及び同じ燃料噴射量において前記可変圧縮比機構による機械圧縮比の変更途中でなく実施する場合の燃料噴射開始時期よりも遅角することを特徴とする可変圧縮比機構を備える内燃機関。
気筒上部に位置する点火プラグ近傍に可燃混合気を形成するために気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁により圧縮行程においてピストン頂面に形成されたキャビティ内へ燃料を噴射することによって噴射燃料を前記キャビティにより偏向させて点火プラグ近傍へ向かわせる成層燃焼を可変圧縮比機構による機械圧縮比の変更途中に実施する場合には、気筒内に均質混合気を形成する均質燃焼を前記可変圧縮比機構による機械圧縮比の変更途中に実施する場合に比較して、前記可変圧縮比機構による機械圧縮比の変更速度を低下させることを特徴とする可変圧縮比機構を備える内燃機関。