JP5664081B2 - Control device for spark ignition internal combustion engine - Google Patents

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Description

本発明は、火花点火式内燃機関の制御装置に関する。   The present invention relates to a control device for a spark ignition type internal combustion engine.

近年、燃費低減及びCO2排出量の抑制等を目的として、内燃機関を搭載した車両の停車中等に内燃機関の運転を自動的に停止させると共に当該車両が再び発進するときに内燃機関を自動的に再始動させる制御(以下、「エコラン制御」と称す)を行う内燃機関の制御装置が開発されている。斯かるエコラン制御中においては、例えば、車両の停車中であって運転者によるアクセルペダルの踏込み量が零である場合等に機関停止条件が成立し、燃料噴射弁からの燃料の供給や点火栓による点火が中止され、内燃機関の回転が停止せしめられる。その後、アクセルペダルが踏込まれた場合等に機関再始動条件が成立し、再び内燃機関が回転せしめられる。 In recent years, for the purpose of reducing fuel consumption and reducing CO 2 emissions, the internal combustion engine is automatically stopped when the vehicle equipped with the internal combustion engine is stopped, and the internal combustion engine is automatically activated when the vehicle starts again. A control device for an internal combustion engine that performs control to be restarted (hereinafter referred to as “eco-run control”) has been developed. During such eco-run control, for example, when the vehicle is stopped and the amount of depression of the accelerator pedal by the driver is zero, the engine stop condition is satisfied, and the fuel supply from the fuel injection valve or the spark plug The ignition due to is stopped, and the rotation of the internal combustion engine is stopped. Thereafter, the engine restart condition is satisfied, for example, when the accelerator pedal is depressed, and the internal combustion engine is rotated again.

斯かるエコラン制御を行っている場合に、機関再始動条件が成立した際に常にスタータモータを用いて内燃機関を再始動させようとすると、スタータモータの使用回数が極端に多くなりスタータモータの寿命が短くなる。また、スタータモータの使用増加に伴ってバッテリ充放電負荷が増加するため大容量のバッテリが必要となる。   When such an eco-run control is performed, if the internal combustion engine is always restarted using the starter motor when the engine restart condition is satisfied, the starter motor will be used too many times and the life of the starter motor will be increased. Becomes shorter. Further, since the battery charge / discharge load increases with the increase in use of the starter motor, a large capacity battery is required.

そこで、内燃機関の運転が自動的に停止される際にピストンを目標停止位置に停止させるように制御する停止位置制御を実行し、機関停止中に膨張行程の途中にある気筒に対して燃料噴射及び点火を行い、これに伴う混合気の燃焼によってスタータモータを用いることなく内燃機関を始動させるようにしているものが知られている。このような装置によれば、スタータモータの使用回数を少なくしうると共に大容量のバッテリも必要なくなる。   Therefore, stop position control is performed to control the piston to stop at the target stop position when the operation of the internal combustion engine is automatically stopped, and fuel injection is performed to the cylinder in the middle of the expansion stroke while the engine is stopped. In addition, there is known a system in which ignition is performed and an internal combustion engine is started without using a starter motor by combustion of an air-fuel mixture accompanying the ignition. According to such an apparatus, the number of times the starter motor can be used can be reduced, and a large-capacity battery is not necessary.

例えば、特許文献1に記載の装置では、機関停止条件成立後に燃料噴射及び点火を中止するのに伴ってスロットル弁開度を増大させ、各気筒について筒内充填空気量が多くなるようにしている。これにより、機関停止時に圧縮行程の途中となる気筒(以下、「停止時圧縮行程気筒」と称す)及び膨張行程の途中となる気筒(以下、「停止時膨張行程気筒」と称す)に多量に且つほぼ同量の空気が充填され、よって機関停止時にはピストンがその行程の中間位置付近に位置することとなる。   For example, in the apparatus described in Patent Document 1, the throttle valve opening is increased as fuel injection and ignition are stopped after the engine stop condition is satisfied, so that the in-cylinder charged air amount increases for each cylinder. . As a result, a large amount is added to a cylinder that is in the middle of the compression stroke when the engine is stopped (hereinafter referred to as a “compression stroke cylinder when stopped”) and a cylinder that is in the middle of the expansion stroke (hereinafter referred to as “expansion stroke cylinder when stopped”). In addition, almost the same amount of air is filled, so that when the engine is stopped, the piston is positioned near the middle position of the stroke.

特開2004−293474号公報JP 2004-293474 A

ところで、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、燃焼室内に供給される吸入空気量が主に吸気弁の閉弁時期を変えることによって制御され、機関低負荷運転時には機関高負荷運転時に比べて機械圧縮比が高くされる火花点火式内燃機関が知られている。このような構成を有する火花点火式内燃機関に対して上記のようなエコラン制御を適用する場合、上記のような停止位置制御の一方策として、吸気弁の閉弁時期を制御して、内燃機関の運転が自動的に停止される際におけるピストンの停止位置制御を行うことが考えられる。しかしながら、このような停止位置制御においては、ピストンを目標停止位置に停止させるべく吸気弁の閉弁時期が変更されるがゆえに再始動時における実圧縮比が変化し、圧縮不足等による始動不良が生じうる可能性がある。ちなみに、ピストンを目標停止位置に停止させることができたとしても、機関停止中における燃焼室からの空気流出などに起因して気筒内圧力が低下し、円滑な再始動に必要な着火性や発生トルクが再始動時に得られない場合もありうる。   By the way, a variable compression ratio mechanism capable of changing the mechanical compression ratio and a variable valve timing mechanism capable of controlling the closing timing of the intake valve are provided, and the amount of intake air supplied into the combustion chamber is mainly used to close the intake valve. There is known a spark ignition type internal combustion engine which is controlled by changing the valve timing and has a higher mechanical compression ratio in engine low load operation than in engine high load operation. When the above-described eco-run control is applied to the spark ignition type internal combustion engine having such a configuration, the internal combustion engine is controlled by controlling the closing timing of the intake valve as one measure of the stop position control as described above. It is conceivable to perform stop position control of the piston when the operation is automatically stopped. However, in such stop position control, since the closing timing of the intake valve is changed in order to stop the piston at the target stop position, the actual compression ratio at the time of restart changes, and start failure due to insufficient compression or the like occurs. It can happen. By the way, even if the piston can be stopped at the target stop position, the pressure in the cylinder decreases due to air outflow from the combustion chamber while the engine is stopped, etc. In some cases, torque may not be obtained at restart.

本発明は上記課題に鑑み、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、燃焼室内に供給される吸入空気量が吸気弁の閉弁時期を変えることによって制御され、機関低負荷運転時には機関高負荷運転時に比べて機械圧縮比が高くされる火花点火式内燃機関であって、筒内に直接的に燃料噴射を行う筒内燃料噴射装置と、筒内の混合気への点火を行う点火栓とを具備し、少なくとも車両停止を含む所定の条件が満たされた時に内燃機関が自動的に停止され、該所定の条件が満たされなくなった時に内燃機関が自動的に再始動される火花点火式内燃機関の制御装置において、機関停止時のピストンの停止位置を再始動性の観点から適正な目標停止位置に精度良く制御することができ、スタータモータなどの使用による外力を加えることなく機関再始動条件成立後できるだけ早く且つ確実に内燃機関を再始動させることを可能としうる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。   In view of the above problems, the present invention comprises a variable compression ratio mechanism capable of changing the mechanical compression ratio and a variable valve timing mechanism capable of controlling the closing timing of the intake valve, and the amount of intake air supplied into the combustion chamber is reduced. A spark ignition type internal combustion engine that is controlled by changing the valve closing timing of the intake valve and has a higher mechanical compression ratio in engine low load operation than in engine high load operation, and directly injects fuel into the cylinder An in-cylinder fuel injection device and an ignition plug for igniting an air-fuel mixture in the cylinder, and the internal combustion engine is automatically stopped when a predetermined condition including at least a vehicle stop is satisfied. In a spark ignition type internal combustion engine controller that automatically restarts the internal combustion engine when the engine is no longer satisfied, the piston stop position when the engine is stopped is accurately controlled to an appropriate target stop position from the viewpoint of restartability To do Come, and an object thereof is to provide a control device for enabling and to be an internal combustion engine to thereby restart the engine restart condition is satisfied as soon as possible after and reliably the internal combustion engine without applying external force by use of such a starter motor.

請求項1に記載の発明によれば、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、燃焼室内に供給される吸入空気量が吸気弁の閉弁時期を変えることによって制御され、機関低負荷運転時には機関高負荷運転時に比べて機械圧縮比が高くされる火花点火式内燃機関であって、筒内に直接的に燃料噴射を行う筒内燃料噴射装置と、筒内の混合気への点火を行う点火栓とを具備し、少なくとも車両停止を含む所定の条件が満たされた時に内燃機関が自動的に停止され、該所定の条件が満たされなくなった時に内燃機関が自動的に再始動される火花点火式内燃機関の制御装置において、内燃機関が自動的に停止される際に所定のピストンを目標停止位置に停止させる停止位置制御手段を具備し、該停止位置制御手段は、内燃機関の運転が自動的に停止される際において、実圧縮比を一定に保持しつつ膨張比を制御することで前記ピストンを前記目標停止位置に停止させるようにし、再始動時に前記筒内燃料噴射装置および前記点火栓を使用して筒内に燃料を噴射し点火する再始動時制御手段を備え、前記再始動時制御手段は、再始動時に停止時膨張行程気筒に対して燃料噴射及び点火を行う膨張行程気筒再始動手段と、再始動時に停止時圧縮行程気筒に対して燃料噴射及び点火を行う圧縮行程気筒再始動手段とを有し、該圧縮行程気筒再始動手段は、再始動時において停止時からの経過時間に基づいて筒内圧力を調整すべく機械圧縮比を補正し、該補正後の機械圧縮比にて内燃機関の再始動を行う、火花点火式内燃機関の制御装置が提供される。尚、「停止時膨張行程気筒」とは機関停止中に膨張行程の途中にある気筒(すなわち、再始動の際に膨張行程の途中にある気筒)を示し、「停止時圧縮行程気筒」とは機関停止中に圧縮行程の途中にある気筒(すなわち、再始動の際に圧縮行程の途中にある気筒)を示す。 According to the first aspect of the present invention, the intake system is provided with the variable compression ratio mechanism capable of changing the mechanical compression ratio and the variable valve timing mechanism capable of controlling the closing timing of the intake valve, and is supplied to the combustion chamber. A spark ignition internal combustion engine in which the amount of air is controlled by changing the closing timing of the intake valve and the mechanical compression ratio is higher during engine low load operation than during engine high load operation. An in-cylinder fuel injection device that performs injection and an ignition plug that ignites an air-fuel mixture in the cylinder, and the internal combustion engine is automatically stopped when at least a predetermined condition including vehicle stop is satisfied, In a spark ignition type internal combustion engine control device in which an internal combustion engine is automatically restarted when a predetermined condition is not satisfied, a predetermined piston is stopped at a target stop position when the internal combustion engine is automatically stopped Stop position control hand The stop position control means stops the piston at the target stop position by controlling the expansion ratio while keeping the actual compression ratio constant when the operation of the internal combustion engine is automatically stopped. And a restart control means for injecting and igniting fuel into the cylinder using the in-cylinder fuel injection device and the spark plug at the time of restart. Expansion stroke cylinder restarting means for performing fuel injection and ignition to the stop-time expansion stroke cylinder, and compression stroke cylinder restarting means for performing fuel injection and ignition to the stop-time compression stroke cylinder at the time of restarting, The compression stroke cylinder restarting means corrects the mechanical compression ratio to adjust the in-cylinder pressure based on the elapsed time from the stop at the time of restart, and restarts the internal combustion engine at the corrected mechanical compression ratio. perform, a spark-ignition internal combustion engine Your device is provided. The “expansion stroke cylinder at stop” refers to a cylinder that is in the middle of the expansion stroke when the engine is stopped (that is, a cylinder that is in the middle of the expansion stroke at the time of restart). The cylinder in the middle of the compression stroke when the engine is stopped (that is, the cylinder in the middle of the compression stroke at the time of restart) is shown.

すなわち、請求項1の記載の発明では、可変圧縮比機構と可変バルブタイミング機構とを具備する火花点火式内燃機関であって、所定の条件が満たされた時に内燃機関が自動的に停止され、該所定の条件が満たされなくなった時に内燃機関が自動的に再始動されるような火花点火式内燃機関の制御装置において、内燃機関が自動的に停止される際に所定のピストンを目標停止位置に停止させる停止位置制御手段を有して構成され、また、該停止位置制御手段が、可変圧縮比機構と可変バルブタイミング機構とにより実圧縮比を一定に保持しつつ膨張比を制御することで、ピストンを目標停止位置に停止させるように構成される。このような構成を有する本発明の火花点火式内燃機関の制御装置によれば、ピストンを目標停止位置に停止させる停止位置制御手段を有して構成することで、円滑な再始動に必要な着火性や発生トルクが得られうるような目標停止位置にピストンを停止させることができ、また、実圧縮比を一定に保持しつつ膨張比を制御することでピストンを目標停止位置に停止させるように構成することで、内燃機関が自動的に停止される際に実圧縮比を変更することなくピストンを目標停止位置に停止させることができ、圧縮不足などによる始動不良を抑制し、スタータモータなどの使用による外力を加えることなく内燃機関の再始動条件成立後できるだけ早く且つ確実に内燃機関を再始動させることを可能とする。   That is, in the invention described in claim 1, a spark ignition internal combustion engine having a variable compression ratio mechanism and a variable valve timing mechanism, the internal combustion engine is automatically stopped when a predetermined condition is satisfied, In a control device for a spark ignition type internal combustion engine in which the internal combustion engine is automatically restarted when the predetermined condition is not satisfied, the predetermined piston is moved to a target stop position when the internal combustion engine is automatically stopped. The stop position control means is configured to control the expansion ratio while keeping the actual compression ratio constant by the variable compression ratio mechanism and the variable valve timing mechanism. The piston is configured to stop at the target stop position. According to the control device for the spark ignition internal combustion engine of the present invention having such a configuration, the ignition is necessary for smooth restart by including the stop position control means for stopping the piston at the target stop position. The piston can be stopped at the target stop position where the performance and generated torque can be obtained, and the piston is stopped at the target stop position by controlling the expansion ratio while keeping the actual compression ratio constant. By configuring the piston, the piston can be stopped at the target stop position without changing the actual compression ratio when the internal combustion engine is automatically stopped, and the start failure due to insufficient compression or the like can be suppressed. It is possible to reliably restart the internal combustion engine as soon as possible after the restart condition of the internal combustion engine is satisfied without applying external force due to use.

請求項2に記載の発明によれば、前記圧縮行程気筒再始動手段は、再始動時における機関冷却水温度及び燃料噴射量に応じて前記筒内噴射装置と前記ピストンとの位置関係を調整すべく機械圧縮比をさらに補正する、請求項1に記載の火花点火式内燃機関の制御装置が提供される。 According to the invention described in claim 2 , the compression stroke cylinder restarting means adjusts the positional relationship between the in-cylinder injection device and the piston in accordance with the engine coolant temperature and the fuel injection amount at the time of restarting. Accordingly, there is provided a control device for a spark ignition type internal combustion engine according to claim 1 , which further corrects the mechanical compression ratio.

請求項3に記載の発明によれば、前記圧縮行程気筒再始動手段は、内燃機関の停止時か
ら経過時間に基づいて筒内圧力低下量を算出するように構成され、該筒内圧力低下量の算
出誤差を調整すべく再始動後における機関回転数の挙動に基づいて次回の再始動時におけ
る機械圧縮比を補正する、請求項1に記載の火花点火式内燃機関の制御装置が提供される。
According to a third aspect of the present invention, the compression stroke cylinder restarting unit is configured to calculate an in-cylinder pressure decrease amount based on an elapsed time from when the internal combustion engine is stopped, and the in-cylinder pressure decrease amount. The control device for the spark ignition type internal combustion engine according to claim 1 , wherein the mechanical compression ratio at the next restart is corrected based on the behavior of the engine speed after the restart to adjust the calculation error of the engine. .

各請求項に記載の発明によれば、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、燃焼室内に供給される吸入空気量が吸気弁の閉弁時期を変えることによって制御され、機関低負荷運転時には機関高負荷運転時に比べて機械圧縮比が高くされる火花点火式内燃機関であって、筒内に直接的に燃料噴射を行う筒内燃料噴射装置と、筒内の混合気への点火を行う点火栓とを具備し、少なくとも車両停止を含む所定の条件が満たされた時に内燃機関が自動的に停止され、該所定の条件が満たされなくなった時に内燃機関が自動的に再始動される火花点火式内燃機関の制御装置において、円滑な再始動に必要な着火性や発生トルクが得られうるような目標停止位置にピストンを停止させることができ、また、内燃機関が自動的に停止される際に実圧縮比を変更することなくピストンを目標停止位置に停止させることができ、圧縮不足などによる始動不良を抑制し、スタータモータなどの使用による外力を加えることなく内燃機関の再始動条件成立後できるだけ早く且つ確実に内燃機関を再始動させることを可能とする共通の効果を奏する。   According to the invention described in each claim, the intake system is provided with a variable compression ratio mechanism capable of changing the mechanical compression ratio and a variable valve timing mechanism capable of controlling the closing timing of the intake valve, and is supplied to the combustion chamber. A spark ignition internal combustion engine in which the amount of air is controlled by changing the closing timing of the intake valve and the mechanical compression ratio is higher during engine low load operation than during engine high load operation. An in-cylinder fuel injection device that performs injection and an ignition plug that ignites an air-fuel mixture in the cylinder, and the internal combustion engine is automatically stopped when at least a predetermined condition including vehicle stop is satisfied, In a spark ignition type internal combustion engine control device in which the internal combustion engine is automatically restarted when a predetermined condition is no longer satisfied, a target stop position at which the ignitability and generated torque necessary for smooth restart can be obtained. The piston is stopped In addition, when the internal combustion engine is automatically stopped, the piston can be stopped at the target stop position without changing the actual compression ratio. Thus, there is a common effect that the internal combustion engine can be restarted as soon as possible after the restart condition of the internal combustion engine is established without applying external force due to the use of the above.

火花点火式内燃機関の全体図である。1 is an overall view of a spark ignition internal combustion engine. 可変圧縮比機構の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of a variable compression ratio mechanism. 図解的に表した内燃機関の側面断面図である。1 is a schematic side sectional view of an internal combustion engine. 可変バルブタイミング機構を示す図である。It is a figure which shows a variable valve timing mechanism. 吸気弁および排気弁のリフト量を示す図である。It is a figure which shows the lift amount of an intake valve and an exhaust valve. 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。It is a figure for demonstrating a mechanical compression ratio, an actual compression ratio, and an expansion ratio. 理論熱効率と膨張比との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between theoretical thermal efficiency and an expansion ratio. 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。It is a figure for demonstrating a normal cycle and a super-high expansion ratio cycle. 機関負荷に応じた機械圧縮比等の変化を示す図である。It is a figure which shows changes, such as a mechanical compression ratio according to an engine load. 本発明が適用された内燃機関の全体図である。1 is an overall view of an internal combustion engine to which the present invention is applied. 停止位置制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows one Embodiment of a stop position control routine. 再始動時制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows one Embodiment of the control routine at the time of restart.

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栓、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に連結される。また、シリンダヘッド3の内壁面周辺部には筒内(気筒内)に直接的に燃料を噴射する筒内燃料噴射装置13が配置される。   FIG. 1 shows a side sectional view of a spark ignition type internal combustion engine. Referring to FIG. 1, 1 is a crankcase, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5 is a combustion chamber, 6 is a spark plug disposed at the center of the top surface of the combustion chamber 5, and 7 is intake air. 8 is an intake port, 9 is an exhaust valve, and 10 is an exhaust port. The intake port 8 is connected to the surge tank 12 via the intake branch pipe 11. An in-cylinder fuel injection device 13 that directly injects fuel into the cylinder (inside the cylinder) is disposed around the inner wall surface of the cylinder head 3.

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内の機関吸気通路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。また、サージタンク12にはサージタンク12内の圧力を検出するための圧力センサ23が設けられる。一方、排気ポート10は排気マニホルド24を介して例えば三元触媒を内蔵した触媒コンバータ25に連結され、排気マニホルド24内には機関排気通路内に配設され排気空燃比を検出する空燃比センサ26が配置される。   The surge tank 12 is connected to an air cleaner 15 via an intake duct 14, and a throttle valve 17 driven by an actuator 16 and an intake air amount detector 18 using, for example, heat rays are disposed in an engine intake passage in the intake duct 14. Is done. The surge tank 12 is provided with a pressure sensor 23 for detecting the pressure in the surge tank 12. On the other hand, the exhaust port 10 is connected to a catalytic converter 25 containing, for example, a three-way catalyst via an exhaust manifold 24. The exhaust manifold 24 is disposed in the engine exhaust passage in the exhaust manifold 24 and detects an exhaust air-fuel ratio 26. Is placed.

一方、図1に示した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、更に実際の圧縮作用の開始時期を変更するために吸気弁7の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構Bが設けられている。   On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 1, the piston 4 is positioned at the compression top dead center by changing the relative position of the crankcase 1 and the cylinder block 2 in the cylinder axis direction at the connecting portion between the crankcase 1 and the cylinder block 2. Is provided with a variable compression ratio mechanism A capable of changing the volume of the combustion chamber 5 when the engine is operated, and a variable valve timing capable of controlling the closing timing of the intake valve 7 in order to change the actual start timing of the compression action. A mechanism B is provided.

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。   2 is an exploded perspective view of the variable compression ratio mechanism A shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a side sectional view of the internal combustion engine schematically shown. Referring to FIG. 2, a plurality of protrusions 50 spaced from each other are formed below both side walls of the cylinder block 2, and cam insertion holes 51 each having a circular cross section are formed in each protrusion 50. Has been. On the other hand, a plurality of protrusions 52 are formed on the upper wall surface of the crankcase 1 so as to be fitted between the corresponding protrusions 50 spaced apart from each other. Cam insertion holes 53 each having a circular cross section are formed.

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51内に回転可能に挿入される円形カム56が固定されている。これらの円形カム56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56間には図3においてハッチングで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58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58は各円形カム56間に配置されており、これら円形カム58は対応する各カム挿入孔53内に回転可能に挿入されている。   As shown in FIG. 2, a pair of camshafts 54 and 55 are provided, and on each camshaft 54 and 55, a circular cam 56 that is rotatably inserted into each cam insertion hole 51. It is fixed. These circular cams 56 are coaxial with the rotational axes of the camshafts 54 and 55. On the other hand, an eccentric shaft 57 arranged eccentrically with respect to the rotation axis of each camshaft 54, 55 extends between the circular cams 56 as shown by hatching in FIG. A cam 58 is eccentrically mounted for rotation. As shown in FIG. 2, the circular cams 58 are disposed between the circular cams 56, and the circular cams 58 are rotatably inserted into the corresponding cam insertion holes 53.

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56を図3(A)において実線の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が下方中央に向けて移動するために円形カム58がカム挿入孔53内において図3(A)の破線の矢印に示すように円形カム56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が下方中央まで移動すると円形カム58の中心が偏心軸57の下方へ移動する。   When the circular cams 56 fixed on the camshafts 54 and 55 are rotated in opposite directions as indicated by solid arrows in FIG. 3A from the state shown in FIG. In order to move toward the lower center, the circular cam 58 rotates in the opposite direction to the circular cam 56 in the cam insertion hole 53 as shown by the broken arrow in FIG. 3A, and is shown in FIG. As described above, when the eccentric shaft 57 moves to the lower center, the center of the circular cam 58 moves below the eccentric shaft 57.

図3(A)と図3(B)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56の中心と円形カム58の中心との距離によって定まり、円形カム56の中心と円形カム58の中心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。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。   3A and 3B, the relative positions of the crankcase 1 and the cylinder block 2 are determined by the distance between the center of the circular cam 56 and the center of the circular cam 58. The cylinder block 2 moves away from the crankcase 1 as the distance between the center and the center of the circular cam 58 increases. When the cylinder block 2 moves away from the crankcase 1, the volume of the combustion chamber 5 increases when the piston 4 is located at the compression top dead center. Therefore, by rotating the camshafts 54 and 55, the piston 4 is compressed at the top dead center. The volume of the combustion chamber 5 when it is located at can be changed.

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ギア61、62が取付けられており、これらウォームギア61、62と噛合する歯車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。なお、図1から図3に示される可変圧縮比機構Aは一例を示すものであっていかなる形式の可変圧縮比機構でも用いることができる。   As shown in FIG. 2, in order to rotate the camshafts 54 and 55 in the opposite directions, a pair of worm gears 61 and 62 having opposite spiral directions are attached to the rotation shaft of the drive motor 59, respectively. Gears 63 and 64 that mesh with the worm gears 61 and 62 are fixed to the ends of the camshafts 54 and 55, respectively. In this embodiment, by driving the drive motor 59, the volume of the combustion chamber 5 when the piston 4 is located at the compression top dead center can be changed over a wide range. The variable compression ratio mechanism A shown in FIGS. 1 to 3 shows an example, and any type of variable compression ratio mechanism can be used.

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。   On the other hand, FIG. 4 shows the variable valve timing mechanism B attached to the end of the camshaft 70 for driving the intake valve 7 in FIG. Referring to FIG. 4, the variable valve timing mechanism B includes a timing pulley 71 that is rotated in the direction of an arrow by a crankshaft of an engine via a timing belt, a cylindrical housing 72 that rotates together with the timing pulley 71, an intake valve A rotating shaft 73 that rotates together with the driving camshaft 70 and is rotatable relative to the cylindrical housing 72, and a plurality of partition walls 74 that extend from the inner peripheral surface of the cylindrical housing 72 to the outer peripheral surface of the rotating shaft 73. And a vane 75 extending from the outer peripheral surface of the rotating shaft 73 to the inner peripheral surface of the cylindrical housing 72 between the partition walls 74, and an advance hydraulic chamber 76 on each side of each vane 75. A retarding hydraulic chamber 77 is formed.

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85によって行われる。この作動油供給制御弁85は各油圧室76、77に夫々連結された油圧ポート78、79と、油圧ポンプ80から吐出された作動油の供給ポート81と、一対のドレインポート82、83と、各ポート78、79、81、82、83間の連通遮断制御を行うスプール弁84とを具備している。   The hydraulic oil supply control to the hydraulic chambers 76 and 77 is performed by the hydraulic oil supply control valve 85. The hydraulic oil supply control valve 85 includes hydraulic ports 78 and 79 connected to the hydraulic chambers 76 and 77, a hydraulic oil supply port 81 discharged from the hydraulic pump 80, a pair of drain ports 82 and 83, And a spool valve 84 that performs communication cutoff control between the ports 78, 79, 81, 82, and 83.

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84が右方に移動せしめられ、供給ポート81から供給された作動油が油圧ポート78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に対して矢印方向に相対回転せしめられる。   When the cam phase of the intake valve driving camshaft 70 should be advanced, the spool valve 84 is moved rightward in FIG. 4 and the hydraulic oil supplied from the supply port 81 is advanced via the hydraulic port 78. The hydraulic oil in the retard hydraulic chamber 77 is discharged from the drain port 83 while being supplied to the hydraulic chamber 76. At this time, the rotary shaft 73 is rotated relative to the cylindrical housing 72 in the direction of the arrow.

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84が左方に移動せしめられ、供給ポート81から供給された作動油が油圧ポート79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82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。   On the other hand, when the cam phase of the intake valve driving camshaft 70 should be retarded, the spool valve 84 is moved to the left in FIG. 4, and the hydraulic oil supplied from the supply port 81 causes the hydraulic port 79 to move. The hydraulic oil in the advance hydraulic chamber 76 is discharged from the drain port 82 while being supplied to the retard hydraulic chamber 77. At this time, the rotating shaft 73 is rotated relative to the cylindrical housing 72 in the direction opposite to the arrow.

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84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。   If the spool valve 84 is returned to the neutral position shown in FIG. 4 while the rotating shaft 73 is rotated relative to the cylindrical housing 72, the relative rotating operation of the rotating shaft 73 is stopped, and the rotating shaft 73 is The relative rotation position at that time is held. Therefore, the variable valve timing mechanism B can advance and retard the cam phase of the intake valve driving camshaft 70 by a desired amount.

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。   In FIG. 5, the solid line shows the time when the cam phase of the intake valve driving camshaft 70 is advanced most by the variable valve timing mechanism B, and the broken line shows the cam phase of the intake valve driving camshaft 70 being the most advanced. It shows when it is retarded. Therefore, the valve opening period of the intake valve 7 can be arbitrarily set between the range indicated by the solid line and the range indicated by the broken line in FIG. 5, and therefore the closing timing of the intake valve 7 is also the range indicated by the arrow C in FIG. Any crank angle can be set.

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。また、本発明では実際の圧縮作用の開始時期を変更するために可変バルブタイミング機構Bを用いているので、可変バルブタイミング機構ではなくても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であればいかなる形式の実圧縮作用開始時期変更機構も用いることができる。   The variable valve timing mechanism B shown in FIG. 1 and FIG. 4 shows an example. For example, the variable valve timing that can change only the closing timing of the intake valve while keeping the opening timing of the intake valve constant. Various types of variable valve timing mechanisms, such as mechanisms, can be used. In the present invention, since the variable valve timing mechanism B is used to change the actual compression action start timing, the actual compression action can be changed without using the variable valve timing mechanism. Any type of actual compression action start time changing mechanism can be used as long as it is a start time changing mechanism.

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。   Next, the meanings of terms used in the present application will be described with reference to FIG. 6A, 6B, and 6C show an engine having a combustion chamber volume of 50 ml and a piston stroke volume of 500 ml for the sake of explanation. , (B), (C), the combustion chamber volume represents the volume of the combustion chamber when the piston is located at the compression top dead center.

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。   FIG. 6A explains the mechanical compression ratio. The mechanical compression ratio is a value mechanically determined only from the stroke volume of the piston and the combustion chamber volume during the compression stroke, and this mechanical compression ratio is expressed by (combustion chamber volume + stroke volume) / combustion chamber volume. In the example shown in FIG. 6A, this mechanical compression ratio is (50 ml + 500 ml) / 50 ml = 11.

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。   FIG. 6B describes the actual compression ratio. This actual compression ratio is a value determined from the actual piston stroke volume and the combustion chamber volume from when the compression action is actually started until the piston reaches top dead center, and this actual compression ratio is (combustion chamber volume + actual (Stroke volume) / combustion chamber volume. That is, as shown in FIG. 6B, even if the piston starts to rise in the compression stroke, the compression operation is not performed while the intake valve is open, and the actual compression is performed from the time when the intake valve is closed. The action begins. Therefore, the actual compression ratio is expressed as described above using the actual stroke volume. In the example shown in FIG. 6B, the actual compression ratio is (50 ml + 450 ml) / 50 ml = 10.

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。   FIG. 6C illustrates the expansion ratio. The expansion ratio is a value determined from the stroke volume of the piston and the combustion chamber volume during the expansion stroke, and this expansion ratio is expressed by (combustion chamber volume + stroke volume) / combustion chamber volume. In the example shown in FIG. 6C, this expansion ratio is (50 ml + 500 ml) / 50 ml = 11.

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。   Next, the super expansion ratio cycle used in the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 shows the relationship between the theoretical thermal efficiency and the expansion ratio, and FIG. 8 shows a comparison between a normal cycle and an ultrahigh expansion ratio cycle that are selectively used according to the load in the present invention.

図8(A)は吸気弁が下死点近傍で閉弁し、ほぼ圧縮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。   FIG. 8A shows a normal cycle when the intake valve closes near the bottom dead center and the compression action by the piston is started from the vicinity of the compression bottom dead center. In the example shown in FIG. 8A, the combustion chamber volume is 50 ml, and the stroke volume of the piston is 500 ml, as in the examples shown in FIGS. 6A, 6B, and 6C. As can be seen from FIG. 8A, in a normal cycle, the mechanical compression ratio is (50 ml + 500 ml) / 50 ml = 11, the actual compression ratio is almost 11, and the expansion ratio is also (50 ml + 500 ml) / 50 ml = 11. That is, in a normal internal combustion engine, the mechanical compression ratio, the actual compression ratio, and the expansion ratio are substantially equal.

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。   The solid line in FIG. 7 shows the change in the theoretical thermal efficiency when the actual compression ratio and the expansion ratio are substantially equal, that is, in a normal cycle. In this case, it can be seen that the theoretical thermal efficiency increases as the expansion ratio increases, that is, as the actual compression ratio increases. Therefore, in order to increase the theoretical thermal efficiency in a normal cycle, it is only necessary to increase the actual compression ratio. However, the actual compression ratio can only be increased to a maximum of about 12 due to the restriction of the occurrence of knocking at the time of engine high load operation, and thus the theoretical thermal efficiency cannot be sufficiently increased in a normal cycle.

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。   On the other hand, under such circumstances, it is considered to increase the theoretical thermal efficiency while strictly dividing the mechanical compression ratio and the actual compression ratio. As a result, the theoretical thermal efficiency is governed by the expansion ratio, and the actual compression ratio is compared to the theoretical thermal efficiency. Was found to have little effect. That is, if the actual compression ratio is increased, the explosive force is increased, but a large amount of energy is required for compression. Thus, even if the actual compression ratio is increased, the theoretical thermal efficiency is hardly increased.

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。   On the other hand, when the expansion ratio is increased, the period during which the pressing force acts on the piston during the expansion stroke becomes longer, and thus the period during which the piston applies the rotational force to the crankshaft becomes longer. Therefore, the larger the expansion ratio, the higher the theoretical thermal efficiency. The broken line ε = 10 in FIG. 7 indicates the theoretical thermal efficiency when the expansion ratio is increased with the actual compression ratio fixed at 10. Thus, the theoretical thermal efficiency when the expansion ratio is increased while the actual compression ratio ε is maintained at a low value, and the theoretical thermal efficiency when the actual compression ratio is increased with the expansion ratio as shown by the solid line in FIG. It can be seen that there is no significant difference from the amount of increase.

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。   Thus, if the actual compression ratio is maintained at a low value, knocking does not occur. Therefore, if the expansion ratio is increased while the actual compression ratio is maintained at a low value, the theoretical thermal efficiency is reduced while preventing the occurrence of knocking. Can be greatly increased. FIG. 8B shows an example where the variable compression ratio mechanism A and variable valve timing mechanism B are used to increase the expansion ratio while maintaining the actual compression ratio at a low value.

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。   Referring to FIG. 8B, in this example, the variable compression ratio mechanism A reduces the combustion chamber volume from 50 ml to 20 ml. On the other hand, the variable valve timing mechanism B delays the closing timing of the intake valve until the actual piston stroke volume is reduced from 500 ml to 200 ml. As a result, in this example, the actual compression ratio is (20 ml + 200 ml) / 20 ml = 11, and the expansion ratio is (20 ml + 500 ml) / 20 ml = 26. In the normal cycle shown in FIG. 8A, the actual compression ratio is almost 11 and the expansion ratio is 11, as described above. Compared with this case, only the expansion ratio is shown in FIG. 8B. It can be seen that it has been increased to 26. This is why it is called an ultra-high expansion ratio cycle.

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。   Generally speaking, in an internal combustion engine, the lower the engine load, the worse the thermal efficiency. Therefore, in order to improve the thermal efficiency during engine operation, that is, to improve fuel efficiency, it is necessary to improve the thermal efficiency when the engine load is low. Necessary. On the other hand, in the ultra-high expansion ratio cycle shown in FIG. 8B, since the actual piston stroke volume during the compression stroke is reduced, the amount of intake air that can be sucked into the combustion chamber 5 is reduced. The expansion ratio cycle can only be adopted when the engine load is relatively low. Therefore, in the present invention, when the engine load is relatively low, the super high expansion ratio cycle shown in FIG. 8B is used, and during the high engine load operation, the normal cycle shown in FIG. 8A is used.

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。尚、図9は、触媒コンバータ内の三元触媒によって排気ガス中の未燃HC、COおよびNOXを同時に低減しうるように燃焼室内における平均空燃比は空燃比センサ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。
Next, the overall operation control will be schematically described with reference to FIG.
FIG. 9 shows changes in the intake air amount, the intake valve closing timing, the mechanical compression ratio, the expansion ratio, the actual compression ratio, and the opening degree of the throttle valve 17 according to the engine load at a certain engine speed. . FIG. 9 shows that the average air-fuel ratio in the combustion chamber is theoretically based on the output signal of the air-fuel ratio sensor so that unburned HC, CO and NO x in the exhaust gas can be simultaneously reduced by the three-way catalyst in the catalytic converter. This shows the case where feedback control is performed to the air-fuel ratio.

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。   As described above, the normal cycle shown in FIG. 8 (A) is executed during engine high load operation. Accordingly, as shown in FIG. 9, the expansion ratio is low because the mechanical compression ratio is lowered at this time, and the valve closing timing of the intake valve 7 is advanced as shown by the solid line in FIG. ing. At this time, the amount of intake air is large, and at this time, the opening degree of the throttle valve 17 is kept fully open, so that the pumping loss is zero.

一方、図9において実践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。   On the other hand, as shown in practice in FIG. 9, when the engine load becomes low, the intake valve closing timing is delayed to reduce the intake air amount accordingly. Further, at this time, as shown in FIG. 9, the mechanical compression ratio is increased as the engine load is lowered so that the actual compression ratio is kept substantially constant. Therefore, the expansion ratio is also increased as the engine load is lowered. At this time, the throttle valve 17 is kept fully open, and therefore the amount of intake air supplied into the combustion chamber 5 is controlled by changing the closing timing of the intake valve 7 regardless of the throttle valve 17. Has been.

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。   As described above, when the engine load is reduced from the engine high load operation state, the mechanical compression ratio is increased as the intake air amount is decreased while the actual compression ratio is substantially constant. That is, the volume of the combustion chamber 5 when the piston 4 reaches the compression top dead center is decreased in proportion to the decrease in the intake air amount. Therefore, the volume of the combustion chamber 5 when the piston 4 reaches the compression top dead center changes in proportion to the intake air amount. At this time, in the example shown in FIG. 9, the air-fuel ratio in the combustion chamber 5 is the stoichiometric air-fuel ratio, so the volume of the combustion chamber 5 when the piston 4 reaches the compression top dead center is proportional to the fuel amount. Will change.

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、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。 When the engine load is further reduced, the mechanical compression ratio is further increased, and when the engine load is lowered to the medium load L 1 slightly close to the low load, the mechanical compression ratio reaches a limit mechanical compression ratio that is a structural limit of the combustion chamber 5. When the mechanical compression ratio reaches the limit mechanical compression ratio, the mechanical compression ratio is held at the limit mechanical compression ratio in a region where the load is lower than the engine load L 1 when the mechanical compression ratio reaches the limit mechanical compression ratio. Accordingly, the mechanical compression ratio is maximized and the expansion ratio is maximized at the time of low engine load operation and low engine load operation, that is, on the engine low load operation side. In other words, the mechanical compression ratio is maximized so that the maximum expansion ratio is obtained on the engine low load operation side.

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。吸気弁の閉弁時期が限界閉弁時期に達すると吸気弁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。 On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 9, when the engine load decreases to L 1 , the closing timing of the intake valve becomes the limit closing timing that can control the intake air amount supplied into the combustion chamber 5. When the closing timing of the intake valve reaches the limit closing timing, the closing timing of the intake valve 7 is limited in a region where the load is lower than the engine load L 1 when the closing timing of the intake valve reaches the closing timing. It is held at the closing timing.

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。 When the closing timing of the intake valve 7 is held at the limit closing timing, the intake air amount can no longer be controlled by changing the closing timing of the intake valve. In the embodiment shown in FIG. 9, at this time, that is, in a region where the load is lower than the engine load L 1 when the valve closing timing of the intake valve 7 reaches the limit valve closing timing, the fuel is supplied into the combustion chamber 5 by the throttle valve 17. The amount of intake air to be controlled is controlled, and the opening degree of the throttle valve 17 is made smaller as the engine load becomes lower.

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まで圧縮下死点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、破線で示すように変化させても制御することができる。 On the other hand, as shown by the broken line in FIG. 9, the intake air amount can be controlled without depending on the throttle valve 17 by advancing the closing timing of the intake valve 7 as the engine load becomes lower. Accordingly, when expressing the case shown in FIG. 9 so as to include both the case indicated by the solid line and the case indicated by the broken line, in the embodiment according to the present invention, the valve closing timing of the intake valve 7 becomes smaller as the engine load becomes lower. It is moved in a direction away from the compression bottom dead center BDC until the limit valve closing timing L 1 at which the amount of intake air supplied into the combustion chamber can be controlled. Thus, the intake air amount can be controlled by changing the valve closing timing of the intake valve 7 as shown by the solid line in FIG. 9 or by changing it as shown by the broken line.

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。従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。   Incidentally, as described above, the expansion ratio is 26 in the ultra-high expansion ratio cycle shown in FIG. The higher the expansion ratio, the better. However, as can be seen from FIG. 7, a considerably high theoretical thermal efficiency can be obtained if it is 20 or more with respect to the practically usable lower limit actual compression ratio ε = 5. Therefore, in the present invention, the variable compression ratio mechanism A is formed so that the expansion ratio is 20 or more.

以下に、本発明の制御装置について詳細に説明する。図10は、本発明が適用された内燃機関の全体図である。図10を参照すると、機関本体100は複数の、例えば4つの気筒101aを具備する。各気筒101aはそれぞれ対応する吸気枝管を介してサージタンク12に連結される。また、各気筒101aは排気マニホルドを介し、触媒コンバータに連結される。なお、図10に示される内燃機関では、#1−#3−#4−#2の順で燃焼が行われる。   Below, the control apparatus of this invention is demonstrated in detail. FIG. 10 is an overall view of an internal combustion engine to which the present invention is applied. Referring to FIG. 10, the engine main body 100 includes a plurality of, for example, four cylinders 101a. Each cylinder 101a is connected to the surge tank 12 via a corresponding intake branch pipe. Each cylinder 101a is connected to a catalytic converter via an exhaust manifold. In the internal combustion engine shown in FIG. 10, combustion is performed in the order of # 1- # 3- # 4- # 2.

クランクシャフト127には図示しないクラッチを介して電気モータ128が連結可能になっている。この電気モータ128は例えばいわゆるスタータモータから形成することもできるし、クランクシャフト127により回転駆動されて発電する発電機能を備えた電気モータから形成することもできる。   An electric motor 128 can be connected to the crankshaft 127 via a clutch (not shown). The electric motor 128 can be formed of, for example, a so-called starter motor, or can be formed of an electric motor having a power generation function that is driven to rotate by the crankshaft 127 to generate electric power.

電子制御ユニット(ECU)130はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス131によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)132、RAM(ランダムアクセスメモリ)133、CPU(マイクロプロセッサ)134、電源が常時接続されているB−RAM135(バックアップRAM)、入力ポート136、及び出力ポート137を具備する。   The electronic control unit (ECU) 130 is composed of a digital computer, and a ROM (read only memory) 132, a RAM (random access memory) 133, a CPU (microprocessor) 134, and a power supply are always connected to each other by a bidirectional bus 131. B-RAM 135 (backup RAM), an input port 136, and an output port 137 are provided.

また、アクセルペダル(図示せず)にはアクセルペダルの踏込み量を表す出力電圧を発生するアクセル踏込み量センサ141が取り付けられる。アクセル踏込み量センサ141の出力信号は対応するAD変換器138を介して入力ポート136に入力される。クランクシャフト127にはクランク角を検出するためのクランク角センサ142が取付けられ、クランク角センサ142は入力ポート136に接続される。ECU130では、クランク角センサ142の出力に基づいて機関回転数(機関回転速度)が算出される。さらに、入力ポート136には、オンにされていることを表す出力パルスを発生するイグニッション(IG)スイッチ143と、オンにされていることを表す出力パルスを発生するキースイッチ144とが接続される。これらイグニッションスイッチ143及びキースイッチ144は内燃機関を搭載した車両の運転者によって操作される。一方、出力ポート137は対応する駆動回路139を介してアクチュエータ16、点火栓6、筒内燃料噴射装置13、各種弁駆動装置、電気モータ、可変圧縮比機構A及び可変バルブタイミング機構Bにそれぞれ接続される。   In addition, an accelerator depression amount sensor 141 that generates an output voltage indicating the depression amount of the accelerator pedal is attached to an accelerator pedal (not shown). The output signal of the accelerator depression amount sensor 141 is input to the input port 136 via the corresponding AD converter 138. A crank angle sensor 142 for detecting the crank angle is attached to the crankshaft 127, and the crank angle sensor 142 is connected to the input port 136. In ECU 130, the engine speed (engine speed) is calculated based on the output of crank angle sensor 142. Further, the input port 136 is connected to an ignition (IG) switch 143 that generates an output pulse indicating that it is turned on, and a key switch 144 that generates an output pulse that indicates that it is turned on. . These ignition switch 143 and key switch 144 are operated by a driver of a vehicle equipped with an internal combustion engine. On the other hand, the output port 137 is connected to the actuator 16, spark plug 6, in-cylinder fuel injection device 13, various valve drive devices, electric motor, variable compression ratio mechanism A, and variable valve timing mechanism B through corresponding drive circuits 139. Is done.

本実施形態の内燃機関は、通常運転時において、吸気行程中に燃料を噴射して燃焼室全体に亘って混合気の空燃比をほぼ均一にしてから混合気に点火する均質燃焼モードと、点火直前の圧縮行程に燃料を噴射して点火栓近傍のみに燃料を偏在させた状態で混合気に点火する成層燃焼モードとの二つの燃焼モードで運転を行うことができる。これら運転モードの選択は、機関負荷、機関回転数に基づいて行われ、例えば機関負荷が小さく且つ機関回転数が低い運転領域においては成層燃焼モードで運転が行われ、機関負荷が高く且つ機関回転数が高い運転領域においては均質燃焼モードで運転が行われる。   The internal combustion engine of the present embodiment, in normal operation, injects fuel during the intake stroke to make the air-fuel ratio of the air-fuel mixture substantially uniform over the entire combustion chamber and then ignites the air-fuel mixture, and ignition Operation can be performed in two combustion modes: a stratified combustion mode in which fuel is injected in the immediately preceding compression stroke and fuel is ignited only in the vicinity of the spark plug. These operation modes are selected based on the engine load and the engine speed. For example, in the operation region where the engine load is low and the engine speed is low, the engine is operated in the stratified combustion mode, and the engine load is high and the engine speed is low. In the operation region where the number is high, the operation is performed in the homogeneous combustion mode.

また、本実施形態の内燃機関は、運転者によってイグニッションスイッチ143がオンにされると電気モータ128により内燃機関が始動せしめられ、運転者によってキースイッチ144がオフにされると内燃機関の回転(すなわち、クランクシャフト127の回転)が停止せしめられる。   Further, in the internal combustion engine of the present embodiment, when the ignition switch 143 is turned on by the driver, the internal combustion engine is started by the electric motor 128, and when the key switch 144 is turned off by the driver, the rotation of the internal combustion engine ( That is, the rotation of the crankshaft 127 is stopped.

さらに、本実施形態の内燃機関では、運転者によってキースイッチ144がオフにされていないときであっても、所定の機関停止条件が成立した場合に自動的に筒内燃料噴射装置からの燃料噴射及び点火栓による点火が中止され、その結果、内燃機関の回転が停止せしめられる。その後、機関再始動条件が成立すると自動的に内燃機関の回転が再び開始せしめられる(すなわち、内燃機関のクランクシャフト127が再び回転せしめられる)。このように、運転者によってキースイッチがオフにされていないときでも一定の条件下で内燃機関の回転を自動的に停止及び再開させる制御(以下、斯かる制御を「エコラン制御」と称す)により、燃料消費の低減及び排気エミッションの悪化の抑制を実現することができる。   Further, in the internal combustion engine of the present embodiment, even when the key switch 144 is not turned off by the driver, the fuel injection from the in-cylinder fuel injection device is automatically performed when a predetermined engine stop condition is satisfied. And ignition by the spark plug is stopped, and as a result, the rotation of the internal combustion engine is stopped. Thereafter, when the engine restart condition is satisfied, the rotation of the internal combustion engine is automatically started again (that is, the crankshaft 127 of the internal combustion engine is rotated again). In this way, even when the key switch is not turned off by the driver, the control automatically stops and restarts the internal combustion engine under certain conditions (hereinafter, such control is referred to as “eco-run control”). In addition, reduction of fuel consumption and suppression of deterioration of exhaust emission can be realized.

ここで、機関停止条件が成立する場合とは、機関負荷が零(すなわちアクセル踏込み量センサ141によって検出されるアクセル踏込み量が零)であって機関回転数が低い場合、又は上記条件に加えて内燃機関を搭載した車両の速度が零の場合等であり、具体的には車両が急激に減速している場合や車両が停車している場合等が含まれる。従って、機関停止条件の成否は、アクセル踏込み量センサ141、クランク角センサ142、内燃機関を搭載した車両の速度を検出する車速センサ(図示せず)、及び運転者によるブレーキペダルの踏込み量を検出するためのブレーキ踏込み量センサ(図示せず)等の出力に基づいてECU130において判断される。   Here, the engine stop condition is satisfied when the engine load is zero (that is, the accelerator depression amount detected by the accelerator depression amount sensor 141 is zero) and the engine speed is low, or in addition to the above conditions This is the case where the speed of the vehicle equipped with the internal combustion engine is zero, and specifically includes the case where the vehicle is decelerating rapidly, the case where the vehicle is stopped, and the like. Therefore, the success or failure of the engine stop condition is detected based on the accelerator depression amount sensor 141, the crank angle sensor 142, the vehicle speed sensor (not shown) for detecting the speed of the vehicle equipped with the internal combustion engine, and the depression amount of the brake pedal by the driver. The ECU 130 makes a determination based on the output of a brake depression amount sensor (not shown) or the like.

一方、機関再始動条件が成立する場合とは、機関負荷が零でなくなった場合又は機関負荷が零でなくなると予想される場合等であり、具体的には運転者がアクセルペダルを踏込んだ場合や運転者によるブレーキペダルの踏込み量が少なくなった場合等が含まれ、また車両停車中においてはクラッチペダルの踏込み操作やシフト位置をN(ニュートラル)又はP(パーキング)からD(ドライブ)へ変更する操作が行われた場合等が含まれる。従って、機関再始動条件の成否は、アクセル踏込み量センサ141、車速センサ、ブレーキ踏込み量センサ、運転者によるクラッチペダルの踏込みを検出するクラッチセンサ(図示せず)、及びシフトポジションセンサ(図示せず)等の出力に基づいてECU130において判断される。   On the other hand, the case where the engine restart condition is satisfied is a case where the engine load is no longer zero or a case where the engine load is expected not to be zero. Specifically, the driver depresses the accelerator pedal. And when the brake pedal is depressed by the driver, the clutch pedal depressing operation or shift position is changed from N (neutral) or P (parking) to D (drive). This includes the case where a change operation is performed. Therefore, the success or failure of the engine restart condition is determined by the accelerator depression amount sensor 141, the vehicle speed sensor, the brake depression amount sensor, the clutch sensor (not shown) for detecting depression of the clutch pedal by the driver, and the shift position sensor (not shown). ) And the like based on the output.

本実施形態では、エコラン制御により内燃機関の回転が停止された後に機関再始動条件が成立した場合、内燃機関の回転の再開は、内燃機関に外力を加えることなく、すなわち電気モータ128による駆動力を加えることなく、機関停止中に膨張行程の途中にある気筒(以下、「停止時膨張行程気筒」と称す)に対して燃料噴射及び点火を行うことによって行われる。このように内燃機関の回転を再開させることによりエネルギーの消費を低減することができる。   In the present embodiment, when the engine restart condition is satisfied after the rotation of the internal combustion engine is stopped by the eco-run control, the restart of the rotation of the internal combustion engine is performed without applying an external force to the internal combustion engine, that is, the driving force by the electric motor 128. Without being added, fuel injection and ignition are performed on a cylinder in the middle of an expansion stroke while the engine is stopped (hereinafter referred to as “expansion stroke cylinder when stopped”). Thus, energy consumption can be reduced by resuming the rotation of the internal combustion engine.

スタータモータなどの使用による外力を加えることなく行う内燃機関の回転の再開について、具体的に説明する。機関停止条件が成立すると、全ての気筒について燃料噴射及び点火が中止され、ピストンを目標停止位置に停止させるように制御する停止位置制御が実行されることになる。次いで、機関再始動条件が成立すると、停止時膨張行程気筒の筒内に筒内燃料噴射装置から燃料噴射が行われ、噴射された燃料は筒内の空気と共に混合気を形成する。次いで、点火栓により混合気への点火が行われ、混合気が着火燃焼せしめられる。停止時膨張行程気筒において混合気が着火燃焼されると、この燃焼により得られる駆動力により内燃機関の回転が開始される。   The restart of the rotation of the internal combustion engine that is performed without applying an external force by using a starter motor or the like will be specifically described. When the engine stop condition is satisfied, fuel injection and ignition are stopped for all the cylinders, and stop position control is performed to control the piston to stop at the target stop position. Next, when the engine restart condition is satisfied, fuel is injected from the in-cylinder fuel injection device into the cylinder of the expansion stroke cylinder at the time of stop, and the injected fuel forms an air-fuel mixture with the air in the cylinder. Next, the mixture is ignited by the spark plug, and the mixture is ignited and combusted. When the air-fuel mixture is ignited and combusted in the expansion stroke cylinder at the time of stop, rotation of the internal combustion engine is started by the driving force obtained by this combustion.

さらに、機関再始動条件が成立すると、上述したような停止時膨張行程気筒に対する燃料噴射及び点火に加えて、機関停止中に圧縮行程の途中にある気筒(以下、「停止時圧縮行程気筒」と称す。)の筒内に筒内燃料噴射装置から燃料噴射が行われる。斯かる燃料噴射は、機関再始動条件の成立と同時に又は機関再始動条件成立後であって内燃機関の回転が開始された直後に行われる。その後、上述したように停止時膨張行程気筒における燃焼による駆動力によって内燃機関が回転し、クランク角が停止時圧縮行程気筒についての圧縮上死点にあるとき又は圧縮上死点を越えた直後に当該気筒において点火栓による点火が行われる。これにより、上述した停止時膨張行程気筒における燃焼に続いて、停止時圧縮行程気筒においても燃焼が行われ、内燃機関の運転がより確実に開始されるようになる。   Further, when the engine restart condition is satisfied, in addition to the fuel injection and ignition for the stop-time expansion stroke cylinder as described above, a cylinder in the middle of the compression stroke while the engine is stopped (hereinafter referred to as “stop-time compression stroke cylinder”). Fuel injection from the in-cylinder fuel injection device. Such fuel injection is performed immediately after the engine restart condition is satisfied or after the engine restart condition is satisfied and immediately after the rotation of the internal combustion engine is started. Thereafter, as described above, when the internal combustion engine is rotated by the driving force due to combustion in the stop expansion stroke cylinder and the crank angle is at the compression top dead center for the stop compression stroke cylinder or immediately after the compression top dead center is exceeded. The cylinder is ignited by a spark plug. Thus, following the combustion in the stop expansion stroke cylinder described above, combustion is also performed in the stop compression stroke cylinder, and the operation of the internal combustion engine is started more reliably.

ところで、上述したように、吸気弁の閉弁時期を制御して、内燃機関の運転が自動的に停止される際におけるピストンの停止位置制御を行う場合においては、ピストンを目標停止位置に停止させるべく吸気弁の閉弁時期が変更されるがゆえに再始動時における実圧縮比が変わり、圧縮不足などによる始動不良が生じうる場合がある。   Incidentally, as described above, when the piston stop position control is performed by controlling the closing timing of the intake valve and automatically stopping the operation of the internal combustion engine, the piston is stopped at the target stop position. Therefore, since the closing timing of the intake valve is changed as much as possible, the actual compression ratio at the time of restart may change, and a starting failure due to insufficient compression may occur.

このことに基づいて本発明においては、内燃機関の運転が自動的に停止される際には、実圧縮比を一定に保持しつつ膨張比を変更することでピストンを目標停止位置に停止させる、すなわち、燃焼室容積が変更されても実圧縮比を一定に保持するように吸気弁の閉弁時期を調整しつつ膨張比を所望の膨張比とするように燃焼室容積を変更し、膨張行程時におけるピストンの単位移動量あたりの筒内圧力の変化量を調整することで、燃料噴射及び点火の中止後における内燃機関の回転に対する負荷(抵抗)を制御し、これによりピストンを目標停止位置に停止させるように、内燃機関が停止される際にピストンを目標停止位置に停止させる停止位置制御手段が構成される。   Based on this, in the present invention, when the operation of the internal combustion engine is automatically stopped, the piston is stopped at the target stop position by changing the expansion ratio while keeping the actual compression ratio constant. That is, the combustion chamber volume is changed so that the expansion ratio becomes a desired expansion ratio while adjusting the closing timing of the intake valve so as to keep the actual compression ratio constant even if the combustion chamber volume is changed, and the expansion stroke By adjusting the amount of change in the cylinder pressure per unit movement of the piston at the time, the load (resistance) against the rotation of the internal combustion engine after stopping the fuel injection and ignition is controlled, thereby bringing the piston to the target stop position Stop position control means for stopping the piston at the target stop position when the internal combustion engine is stopped is configured to stop.

図11は、このような停止位置制御手段による制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャートである。まず、ステップ201においてアクセル踏込み量センサ141及びクランク角センサ142等の出力に基づいて内燃機関の停止条件が成立したか否かが判定される。該停止条件が成立していないと判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。一方、該停止条件が成立していると判定された場合には、ステップ202へと進む。ステップ202では燃料噴射及び点火が中止され内燃機関が自動的に停止され、ステップ203へと進み、所定のピストンを目標停止位置に停止させるように、本実施形態においては停止時膨張行程気筒及び停止時圧縮行程気筒の各気筒におけるピストンが目標停止位置に停止されるように、膨張比が制御される。   FIG. 11 is a flowchart showing an embodiment of a control routine by such a stop position control means. First, in step 201, it is determined whether or not a stop condition for the internal combustion engine is satisfied based on outputs from the accelerator depression amount sensor 141, the crank angle sensor 142, and the like. If it is determined that the stop condition is not satisfied, the control routine is terminated. On the other hand, if it is determined that the stop condition is satisfied, the process proceeds to step 202. In step 202, the fuel injection and ignition are stopped, the internal combustion engine is automatically stopped, and the process proceeds to step 203. In this embodiment, in order to stop the predetermined piston at the target stop position, the stop expansion stroke cylinder and the stop are stopped in this embodiment. The expansion ratio is controlled so that the piston in each cylinder of the hour compression stroke cylinder is stopped at the target stop position.

ステップ203においては、まず、内燃機関が自動的に停止される直前の機関回転数からピストンの目標停止位置が設定されて目標クランク停止位置が算出されるとともに、該停止直前の機関回転数と膨張比とに基づいて推定される実際の停止時におけるクランク停止位置となる実クランク推定停止位置が算出される。そして、目標クランク停止位置と実クランク推定停止位置との差分に応じて目標膨張比変化量が算出され、該目標膨張比変化量に基づいて目標膨張比が算出される。この際に、膨張比を目標膨張比に変更すべく燃焼室容積が変更される場合においても実圧縮比が一定に保持されるように、吸気弁の閉弁時期が調整される。尚、本実施形態においては、内燃機関が自動的に停止される直前の機関回転数や膨張比などに基づく目標クランク停止位置や実クランク推定停止位置の算出は、解析や試験評価などにより予め作成されたマップを使用して行われるものとする。   In step 203, first, the target stop position of the piston is set from the engine speed immediately before the internal combustion engine is automatically stopped to calculate the target crank stop position, and the engine speed and expansion immediately before the stop are calculated. An actual crank estimated stop position that is a crank stop position at the time of actual stop estimated based on the ratio is calculated. Then, the target expansion ratio change amount is calculated according to the difference between the target crank stop position and the actual crank estimated stop position, and the target expansion ratio is calculated based on the target expansion ratio change amount. At this time, the closing timing of the intake valve is adjusted so that the actual compression ratio is kept constant even when the combustion chamber volume is changed to change the expansion ratio to the target expansion ratio. In the present embodiment, calculation of the target crank stop position and the actual crank estimated stop position based on the engine speed, the expansion ratio, etc. immediately before the internal combustion engine is automatically stopped is created in advance by analysis or test evaluation. Shall be done using the mapped map.

このような停止位置制御によれば、燃料噴射及び点火が中止され内燃機関が自動的に停止される際に、実圧縮比を変更することなくピストンを目標停止位置に精度よく停止させることができ、次回の再始動時において、圧縮不足などによる始動不良などが生じることを抑制しつつ、スタータモータなどを用いることのない内燃機関の始動を可能とする。すなわち、このような本発明の停止位置制御手段によれば、機関自動停止時のピストンの停止位置を再始動性の観点から適正な位置に精度良く制御することができ、スタータモータなどの使用による外力を加えることなく内燃機関の再始動条件成立後できるだけ早く且つ確実に内燃機関を再始動させることを可能とする。   According to such stop position control, when the fuel injection and ignition are stopped and the internal combustion engine is automatically stopped, the piston can be accurately stopped at the target stop position without changing the actual compression ratio. In the next restart, it is possible to start the internal combustion engine without using a starter motor or the like while suppressing a start failure due to insufficient compression or the like. That is, according to the stop position control means of the present invention, the stop position of the piston at the time of automatic engine stop can be accurately controlled to an appropriate position from the viewpoint of restartability, and by using a starter motor or the like. The internal combustion engine can be restarted as soon as possible after the restart condition of the internal combustion engine is established without applying external force.

ところで、上記のような停止位置制御によりピストンを目標停止位置に停止させることができたとしても、機関停止中における燃焼室からの空気流出などに起因して気筒内圧力が低下し、円滑な再始動に必要な着火性や発生トルクが再始動時に得られない場合もありうる。例えば、一般的なピストン構造においてはピストンとシリンダとの間の隙間を埋めるピストンリングを有して構成されるが、該ピストンリングを介して燃焼室から多少なりとも空気が流出することが考えられ、機関が停止される時間によっては、その流出空気量が大きなものとなり、円滑な再始動に必要な着火性や発生トルクが再始動時に得られない場合もありうる。   By the way, even if the piston can be stopped at the target stop position by the stop position control as described above, the pressure in the cylinder is reduced due to the outflow of air from the combustion chamber while the engine is stopped, etc. There may be a case where the ignitability and generated torque necessary for starting cannot be obtained at the time of restart. For example, a general piston structure has a piston ring that fills the gap between the piston and the cylinder, but air may flow out of the combustion chamber through the piston ring. Depending on the time during which the engine is stopped, the amount of outflow air becomes large, and the ignitability and generated torque necessary for smooth restart may not be obtained at the time of restart.

このことに基づいて本発明の一実施形態においては、燃料噴射及び点火が中止され内燃機関が自動的に停止された後の再始動時に、筒内燃料噴射装置および点火栓を使用して筒内に燃料を噴射し点火する再始動時制御手段を備え、該再始動時制御手段が、再始動時に停止時膨張行程気筒に対して燃料噴射及び点火を行う膨張行程気筒再始動手段と、再始動時に停止時圧縮行程気筒に対して燃料噴射及び点火を行う圧縮行程気筒再始動手段とを有し、該圧縮行程気筒再始動手段が、再始動時において停止時からの経過時間に基づいて筒内圧力を調整すべく機械圧縮比を補正し、該補正後の機械圧縮比にて内燃機関の再始動を行うように構成される。本実施形態においては、燃料噴射及び点火が中止され内燃機関が自動的に停止され後の再始動時において、機関が停止されている時間に基づいて燃焼室からの流出空気量が算出され、該流出空気量から筒内圧力低下量が算出される。そして、該筒内圧力低下量に基づいて、再始動の際における筒内圧力を所望の圧力としうるような機械圧縮比の補正量が算出され、該補正量に基づいて機械圧縮比が補正され、該補正後の機械圧縮比にて内燃機関の再始動が行われるように構成される。尚、該筒内圧力低下量は、機関が停止されている時間と機関水温とに基づいて算出するように構成されてもよく、また、各気筒内に筒内圧力センサを配設することにより直接的に測定してもよい。   Based on this, in one embodiment of the present invention, the fuel injection and ignition are stopped and the internal combustion engine is automatically stopped. And a restart-time control means for injecting and igniting fuel, and the restart-time control means includes an expansion stroke cylinder restarting means for performing fuel injection and ignition to the stop-time expansion stroke cylinder upon restart, and restart A compression stroke cylinder restarting means for performing fuel injection and ignition on the compression stroke cylinder at the time of stop, and the compression stroke cylinder restarting means is in-cylinder based on an elapsed time from the stop at the time of restart The mechanical compression ratio is corrected so as to adjust the pressure, and the internal combustion engine is restarted at the corrected mechanical compression ratio. In this embodiment, at the time of restart after the fuel injection and ignition are stopped and the internal combustion engine is automatically stopped, the outflow air amount from the combustion chamber is calculated based on the time during which the engine is stopped, A cylinder pressure drop amount is calculated from the outflow air amount. Then, based on the in-cylinder pressure drop amount, a correction amount of the mechanical compression ratio is calculated so that the in-cylinder pressure at the time of restart can be a desired pressure, and the mechanical compression ratio is corrected based on the correction amount. The internal combustion engine is restarted at the corrected mechanical compression ratio. The in-cylinder pressure drop may be calculated based on the time when the engine is stopped and the engine water temperature, and by providing an in-cylinder pressure sensor in each cylinder. It may be measured directly.

尚、上記のように筒内圧力低下量に基づいて機械圧縮比が補正される場合、機械圧縮比の変更にともなう筒内燃料噴射装置とピストンとの位置関係の変化に起因して、ピストンに対する多量の燃料の付着がもたらされ、排気エミッションに悪影響がおよぼす場合があることが考えられる。   When the mechanical compression ratio is corrected based on the in-cylinder pressure drop amount as described above, due to the change in the positional relationship between the in-cylinder fuel injection device and the piston due to the change in the mechanical compression ratio, It is possible that a large amount of fuel will be deposited, which may adversely affect exhaust emissions.

このことに基づいて本発明の一実施形態においては、燃料噴射によるピストンに対する燃料付着に起因する排気エミッションの悪化を抑制すべく、筒内圧力低下量に基づく補正後の機械圧縮比にて燃料噴射を実行した場合におけるピストンに対する燃料付着を考慮して、筒内圧力低下量に基づいて算出された補正量による機械圧縮比の補正の実行の可否を判定する。燃料噴射によるピストンに対する燃料付着の程度は、機関冷却水温度や燃料噴射量などにより特定されうる。例えば、機関冷却水温度が高く(すなわち機関温度が高く)燃料噴射量が少量である場合においては、筒内燃料噴射装置とピストン上面との位置関係が、より接近するような位置関係とされる機械圧縮比の高圧縮比化が可能である。一方で、機関冷却水温度が低く燃料噴射量が多量である場合においては、機械圧縮比の高圧縮比化を実行すると、燃料噴射によるピストンに対する燃料付着の程度が大きくになってしまうことが考えられる。   Based on this, in one embodiment of the present invention, the fuel injection is performed at the corrected mechanical compression ratio based on the in-cylinder pressure drop in order to suppress the deterioration of exhaust emission caused by the fuel adhering to the piston due to the fuel injection. In consideration of the fuel adhering to the piston in the case where is executed, it is determined whether or not the correction of the mechanical compression ratio by the correction amount calculated based on the in-cylinder pressure drop amount can be executed. The degree of fuel adhesion to the piston by fuel injection can be specified by the engine coolant temperature, the fuel injection amount, and the like. For example, when the engine coolant temperature is high (that is, the engine temperature is high) and the fuel injection amount is small, the positional relationship between the in-cylinder fuel injection device and the piston upper surface is a closer relationship. The mechanical compression ratio can be increased. On the other hand, in the case where the engine coolant temperature is low and the fuel injection amount is large, if the mechanical compression ratio is increased, the degree of fuel adhesion to the piston due to fuel injection may increase. It is done.

そこで、本発明の一実施形態においては、圧縮行程気筒再始動手段が、筒内圧力低下量に基づいて算出された補正量による補正後の機械圧縮比と機関冷却水温度と燃料噴射量とに基づいて、筒内圧力低下量に基づいて算出された補正量による機械圧縮比の補正の実行の可否を判定し、該機械圧縮比の補正の実行が不可であると判定された場合においては、燃料噴射によるピストンに対する燃料付着に起因する排気エミッションの悪化を回避しうるような機械圧縮比となる限界補正機械圧縮比を算出し、該限界補正機械圧縮比に機械圧縮比を補正する。すなわち、圧縮行程気筒再始動手段は、上記のような筒内圧力低下量に基づいて補正された機械圧縮比を、再始動時の機関冷却水温度及び燃料噴射量に応じて筒内噴射装置とピストンとの位置関係を調整すべくさらに補正するように構成される。   Therefore, in one embodiment of the present invention, the compression stroke cylinder restarting means adjusts the mechanical compression ratio, the engine coolant temperature, and the fuel injection amount after correction by the correction amount calculated based on the in-cylinder pressure drop amount. On the basis of determining whether or not to execute correction of the mechanical compression ratio by the correction amount calculated based on the in-cylinder pressure drop amount, and when it is determined that the correction of the mechanical compression ratio cannot be executed, A limit correction mechanical compression ratio that is a mechanical compression ratio that can avoid deterioration of exhaust emission due to fuel adhesion to the piston due to fuel injection is calculated, and the mechanical compression ratio is corrected to the limit correction mechanical compression ratio. That is, the compression stroke cylinder restarting means converts the mechanical compression ratio corrected based on the in-cylinder pressure drop amount as described above with the in-cylinder injection device according to the engine coolant temperature and the fuel injection amount at the time of restart. It is comprised so that it may correct | amend further in order to adjust the positional relationship with a piston.

図12は、上述したような再始動時の制御ルーチンの一実施形態を示すフローチャートである。まず、ステップ301においてアクセル踏込み量センサ141及び車速センサ等の出力に基づいて内燃機関の再始動条件が成立しているか否かが判定される。再始動条件が成立していないと判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。一方、再始動条件が成立していると判定された場合には、ステップ302へと進む。   FIG. 12 is a flowchart showing an embodiment of the control routine at the time of restart as described above. First, in step 301, it is determined whether or not a restart condition for the internal combustion engine is established based on outputs from the accelerator depression amount sensor 141 and the vehicle speed sensor. If it is determined that the restart condition is not satisfied, the control routine is terminated. On the other hand, if it is determined that the restart condition is satisfied, the routine proceeds to step 302.

ステップ302においては、内燃機関が停止されていた時間に基づいて燃焼室からの流出空気量が算出され、該流出空気量から筒内圧力低下量が算出される。そして、該筒内圧力低下量に基づいて、再始動時の際における筒内圧力を目標筒内圧力としうるような機械圧縮比の補正量(α)が算出される。   In step 302, the outflow air amount from the combustion chamber is calculated based on the time during which the internal combustion engine has been stopped, and the in-cylinder pressure drop amount is calculated from the outflow air amount. Then, based on the in-cylinder pressure drop amount, a mechanical compression ratio correction amount (α) is calculated so that the in-cylinder pressure at the time of restart can be set as the target in-cylinder pressure.

ステップ302に続くステップ303においては、ステップ302において算出された補正量(α)に基づく補正後の機械圧縮比にて燃料噴射を実行した場合におけるピストンに対する燃料付着を考慮して、筒内圧力低下量に基づいて算出された補正量(α)による補正後の機械圧縮比と機関冷却水温度と燃料噴射量とに基づいて、機械圧縮比の補正の実行の可否が判定さる。   In step 303 following step 302, in-cylinder pressure reduction is performed in consideration of fuel adhesion to the piston when fuel injection is executed at a corrected mechanical compression ratio based on the correction amount (α) calculated in step 302. Whether or not the correction of the mechanical compression ratio can be executed is determined based on the mechanical compression ratio corrected by the correction amount (α) calculated based on the amount, the engine coolant temperature, and the fuel injection amount.

ステップ303にて、ステップ302において算出された補正量(α)に基づく機械圧縮比の補正の実行が可能であると判定された場合においては、ステップ304からステップ306に進み、ステップ302において算出された補正量(α)が機械圧縮比に反映され、補正後の機械圧縮比にて燃料噴射及び点火が実行される。一方で、機械圧縮比の補正の実行が不可であると判定された場合においてはステップ307に進み、燃料噴射によるピストンに対する燃料付着に起因する排気エミッションの悪化を回避しうるような機械圧縮比となる限界補正機械圧縮比が機関冷却水温度と燃料噴射量とに基づいて算出され、該限界補正機械圧縮比に機械圧縮比が制御される。すなわち、ステップ302にて筒内圧力低下量に基づいて補正された機械圧縮比が、再始動時の機関冷却水温度と燃料噴射量とに基づいて算出された限界補正機械圧縮比にさらに補正され、続くステップ308にて限界補正機械圧縮比にて燃料噴射が実行される。ステップ308にて燃料噴射が実行されると続くステップ309にて、ステップ302において算出された補正量(α)に基づく補正後の機械圧縮比に機械圧縮比が制御され、ステップ306に進み点火が実行される。このような再始動時制御によれば、機関停止中における燃焼室からの空気流出に起因する内燃機関の再始動性への影響を抑制することを可能にするとともに、燃料噴射によるピストンに対する燃料付着に起因する排気エミッションへの影響を抑制することを可能とする。   If it is determined in step 303 that the correction of the mechanical compression ratio based on the correction amount (α) calculated in step 302 can be executed, the process proceeds from step 304 to step 306 and calculated in step 302. The corrected amount (α) is reflected in the mechanical compression ratio, and fuel injection and ignition are executed at the corrected mechanical compression ratio. On the other hand, if it is determined that the correction of the mechanical compression ratio cannot be performed, the process proceeds to step 307, and the mechanical compression ratio is set such that deterioration of exhaust emission due to fuel adhesion to the piston due to fuel injection can be avoided. Is calculated based on the engine coolant temperature and the fuel injection amount, and the mechanical compression ratio is controlled to the limit corrected mechanical compression ratio. That is, the mechanical compression ratio corrected based on the in-cylinder pressure drop amount in step 302 is further corrected to the limit corrected mechanical compression ratio calculated based on the engine coolant temperature and the fuel injection amount at the time of restart. In the subsequent step 308, fuel injection is executed at the limit corrected mechanical compression ratio. When fuel injection is executed in step 308, in step 309, the mechanical compression ratio is controlled to the corrected mechanical compression ratio based on the correction amount (α) calculated in step 302. Executed. According to such restart control, it is possible to suppress the influence on the restartability of the internal combustion engine caused by the outflow of air from the combustion chamber while the engine is stopped, and the fuel adheres to the piston by fuel injection. It is possible to suppress the influence on the exhaust emission caused by.

尚、上記のような再始動時制御を実行した場合においても、ステップ302にて算出される機械圧縮比の補正量(α)は、内燃機関が停止されていた時間に応じて理論的に算出された筒内圧力低下量に基づいて算出されるものであり、算出された筒内圧力低下量と実際の筒内圧力低下量とが大きく異なる場合もありうる。   Even when the above restart control is executed, the mechanical compression ratio correction amount (α) calculated in step 302 is theoretically calculated according to the time during which the internal combustion engine is stopped. The calculated in-cylinder pressure drop amount is calculated, and the calculated in-cylinder pressure drop amount may differ greatly from the actual in-cylinder pressure drop amount.

このことに基づいて本発明の一実施形態においては、圧縮行程気筒再始動手段が、算出された筒内圧力低下量と実際の筒内圧力低下量との誤差を調整すべく、すなわち、該筒内圧力低下量の算出誤差を調整すべく、再始動後の機関回転数の挙動に基づいて機械圧縮比をさらに補正するように構成される。本実施形態においては、圧縮行程気筒再始動手段は、図12に示されるステップ302において筒内圧力を目標筒内圧力にすべく算出された補正量(α)に基づく補正後の機械圧縮比と、該補正後の機械圧縮比にて点火が実行された際の実際の機関回転数となる実機関回転数と、理論的に算出される基準機関回転数であって目標筒内圧力にてもたらされる基準機関回転数とに基づいて、算出された筒内圧力低下量と実際の筒内圧力低下量との誤差を修正しうるような補正値を学習値として算出し、該学習値が次回の再始動時において反映さるように構成される。このような再始動時制御によれば、さらなる再始動性の向上を図ることが可能となる。   Based on this, in one embodiment of the present invention, the compression stroke cylinder restarting means adjusts the error between the calculated in-cylinder pressure drop amount and the actual in-cylinder pressure drop amount. In order to adjust the calculation error of the internal pressure drop amount, the mechanical compression ratio is further corrected based on the behavior of the engine speed after restart. In this embodiment, the compression stroke cylinder restarting means calculates the mechanical compression ratio after correction based on the correction amount (α) calculated to make the in-cylinder pressure the target in-cylinder pressure in step 302 shown in FIG. The actual engine speed that is the actual engine speed when ignition is performed at the corrected mechanical compression ratio, and the theoretically calculated reference engine speed, which is the target in-cylinder pressure. Based on the reference engine speed, a correction value that can correct an error between the calculated in-cylinder pressure drop amount and the actual in-cylinder pressure drop amount is calculated as a learning value. Configured to reflect on restart. According to such restart control, it is possible to further improve restartability.

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
70 吸気弁駆動用カムシャフト
A 可変圧縮比機構
B 可変バルブタイミング機構
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Crankcase 2 Cylinder block 3 Cylinder head 4 Piston 5 Combustion chamber 7 Intake valve 70 Camshaft for intake valve drive A Variable compression ratio mechanism B Variable valve timing mechanism

Claims (3)

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、燃焼室内に供給される吸入空気量が吸気弁の閉弁時期を変えることによって制御され、機関低負荷運転時には機関高負荷運転時に比べて機械圧縮比が高くされる火花点火式内燃機関であって、筒内に直接的に燃料噴射を行う筒内燃料噴射装置と、筒内の混合気への点火を行う点火栓とを具備し、少なくとも車両停止を含む所定の条件が満たされた時に内燃機関が自動的に停止され、該所定の条件が満たされなくなった時に内燃機関が自動的に再始動される火花点火式内燃機関の制御装置において、
内燃機関が自動的に停止される際に所定のピストンを目標停止位置に停止させる停止位置制御手段を具備し、該停止位置制御手段は、内燃機関の運転が自動的に停止される際において、実圧縮比を一定に保持しつつ膨張比を制御することで前記ピストンを前記目標停止位置に停止させるようし、
再始動時に前記筒内燃料噴射装置および前記点火栓を使用して筒内に燃料を噴射し点火する再始動時制御手段を備え、
前記再始動時制御手段は、再始動時に停止時膨張行程気筒に対して燃料噴射及び点火を行う膨張行程気筒再始動手段と、再始動時に停止時圧縮行程気筒に対して燃料噴射及び点火を行う圧縮行程気筒再始動手段とを有し、
該圧縮行程気筒再始動手段は、再始動時において停止時からの経過時間に基づいて筒内圧力を調整すべく機械圧縮比を補正し、該補正後の機械圧縮比にて内燃機関の再始動を行う、火花点火式内燃機関の制御装置。
A variable compression ratio mechanism capable of changing the mechanical compression ratio and a variable valve timing mechanism capable of controlling the closing timing of the intake valve are provided, and the amount of intake air supplied into the combustion chamber changes the closing timing of the intake valve. A spark ignition type internal combustion engine that is controlled by the engine and has a higher mechanical compression ratio at the time of engine low load operation than at the time of engine high load operation, and an in-cylinder fuel injection device that directly injects fuel into the cylinder, and a cylinder An ignition plug for igniting the air-fuel mixture, and the internal combustion engine is automatically stopped when a predetermined condition including at least a vehicle stop is satisfied, and when the predetermined condition is not satisfied, the internal combustion engine In the control device of the spark ignition internal combustion engine in which is automatically restarted,
When the internal combustion engine is automatically stopped, it is provided with stop position control means for stopping a predetermined piston at the target stop position, and the stop position control means is provided when the operation of the internal combustion engine is automatically stopped. The piston is stopped at the target stop position by controlling the expansion ratio while keeping the actual compression ratio constant ,
A restart control means for injecting and igniting fuel into the cylinder using the in-cylinder fuel injection device and the spark plug at the time of restart;
The restart-time control means performs expansion-stroke cylinder restart means for performing fuel injection and ignition for the stop-time expansion stroke cylinder during restart, and performs fuel injection and ignition for the stop-time compression stroke cylinder during restart. Compression stroke cylinder restarting means,
The compression stroke cylinder restarting means corrects the mechanical compression ratio to adjust the in-cylinder pressure based on the elapsed time from the stop at the time of restart, and restarts the internal combustion engine at the corrected mechanical compression ratio. A control device for a spark ignition type internal combustion engine.
前記圧縮行程気筒再始動手段は、再始動時における機関冷却水温度及び燃料噴射量に応じて前記筒内噴射装置と前記ピストンとの位置関係を調整すべく機械圧縮比をさらに補正する、請求項1に記載の火花点火式内燃機関の制御装置 The compression stroke cylinder restarting means further corrects the mechanical compression ratio to adjust the positional relationship between the in-cylinder injection device and the piston according to the engine coolant temperature and the fuel injection amount at the time of restarting. 2. A control device for a spark ignition type internal combustion engine according to 1 . 前記圧縮行程気筒再始動手段は、内燃機関の停止時から経過時間に基づいて筒内圧力低下量を算出するように構成され、該筒内圧力低下量の算出誤差を調整すべく再始動後における機関回転数の挙動に基づいて次回の再始動時における機械圧縮比を補正する、請求項1に記載に火花点火式内燃機関の制御装置。The compression stroke cylinder restarting means is configured to calculate an in-cylinder pressure drop amount based on an elapsed time from the stop of the internal combustion engine, and after the restart to adjust a calculation error of the in-cylinder pressure drop amount The control device for a spark ignition type internal combustion engine according to claim 1, wherein the mechanical compression ratio at the next restart is corrected based on the behavior of the engine speed.
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