JP5691190B2 - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、火花点火式内燃機関に関する。

機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と吸気弁の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構とを具備し、機関負荷にかかわらずに実圧縮比をほぼ一定に維持するようにした火花点火式内燃機関が公知である（例えば、特許文献１）。この内燃機関では機関負荷が高くなるにつれて、すなわち要求吸入空気量が多くなるにつれて吸気弁の閉弁時期が吸気下死点に近づくように進角され、このとき実圧縮比をほぼ一定に維持するために要求吸入空気量が多くなるにつれて機械圧縮比が低下せしめられる。

特開２００７−３０３４２３号公報 特開２００２−０８９３０２号公報 特開２００５−１４７１０５号公報

ところで、多くの内燃機関では燃費向上等を目的として、機関減速運転時等に、機関運転状態に応じて燃焼室への燃料供給を停止する燃料カット制御が行われる。特許文献１には燃料カット制御中の吸気弁の閉弁時期および機械圧縮比の制御について何ら考慮されていない。

ところで一般に燃料カット制御は、機関減速運転時や機関回転数が限界回転数を超えた時、オートマチックトランスミッションにおけるシフトアップ時等に行われ、よって燃料カット制御中には機関回転数を低下させることが必要となる。この場合、機関回転数の低下速度を高めるためには、内燃機関本体で発生するポンピング損失を大きくする必要がある。

ポンピング損失を大きくする方法としては、吸気弁の閉弁時期を進角すると共にスロットル弁の開度を小さくすることによってサージタンク内の負圧を大きくすることが考えられる。ところが、機関減速運転時の燃料カット制御を例にとって考えると、特許文献１に記載の火花点火式内燃機関では、機関減速運転時の機関負荷が低いことから吸気弁の閉弁時期は吸気下死点から離れるように遅角されることになる。このため、特許文献１に記載の火花点火式内燃機関における吸気弁の閉弁時期等の制御を燃料カット制御時にもそのまま適用すると、燃料カット制御時にポンピング損失を大きくすることはできない。

そこで、上記問題に鑑みて、本発明の目的は、機関通常運転時には要求機関負荷に応じた目標機械圧縮比および吸気弁の目標閉弁時期となるように可変圧縮比機構および可変バルブタイミング機構が制御される火花点火式内燃機関において、燃料カット制御中のポンピング損失を大きくすることにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、吸気弁の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構とを具備し、機関通常運転時には要求機関負荷に応じた目標機械圧縮比および吸気弁の目標閉弁時期となるように可変圧縮比機構および可変バルブタイミング機構が制御される火花点火式内燃機関において、機関運転状態に応じて燃料供給を停止する燃料カット制御を実行可能であり、燃料カット制御が実行されるときには、機械圧縮比が要求機関負荷に応じた目標機械圧縮比となるように可変圧縮比機構が制御せしめられると共に、吸気弁の閉弁時期が上記目標閉弁時期よりも進角側の閉弁時期となるように可変バルブタイミング機構が制御され、上記燃料カット制御は燃料カット実行条件が成立した後に開始され、上記燃料カット条件が成立してから燃料カット制御が開始されるまでの間に点火時期を遅角させる点火時期遅角制御が行われ、上記燃料カット制御の実行に伴う機械圧縮比および吸気弁の閉弁時期の変更は点火時期遅角制御の開始以降であって燃料カット制御開始前に開始されると共にその変更期間が前記点火時期遅角制御の実行期間と重なるように行われる。

上記課題を解決するために、第２の発明では、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、吸気弁の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構とを具備し、機関通常運転時には要求機関負荷に応じた目標機械圧縮比および吸気弁の目標閉弁時期となるように可変圧縮比機構および可変バルブタイミング機構が制御される火花点火式内燃機関において、機関運転状態に応じて燃料供給を停止する燃料カット制御を実行可能であり、燃料カット制御が実行されるときには、機械圧縮比が要求機関負荷に応じた目標機械圧縮比となるように可変圧縮比機構が制御せしめられると共に、吸気弁の閉弁時期が上記目標閉弁時期よりも進角側の閉弁時期となるように可変バルブタイミング機構が制御され、機械圧縮比と吸気弁の閉弁時期との組合せに対し侵入禁止領域を設定し、内燃機関の通常運転時には機械圧縮比と吸気弁の閉弁時期との組合せを示す動作点が該侵入禁止領域内に侵入するのを禁止し、燃料カット制御中には上記侵入禁止領域内に侵入するのが許可され、上記燃料カット制御中に燃料カット制御を停止する復帰時期を予測する復帰時期予測手段を更に具備し、燃料カット制御中に復帰時期予測手段によって予測された復帰時期に機械圧縮比と吸気弁の閉弁時期との組合せを示す動作点が上記侵入禁止領域外に位置するように燃料カット制御停止前から吸気弁の閉弁時期が変更せしめられる。

第３の発明では、第１又は２の発明において、上記燃料カット制御は燃料カット実行条件が成立した後に開始され、上記燃料カット制御の実行に伴う機械圧縮比および吸気弁の閉弁時期の変更は燃料カット条件成立以降であって燃料カット制御開始前に開始される。

第４の発明では、第１〜第３のいずれか一つの発明において、上記燃料カット制御中に燃料カット制御を終了する復帰時期を予測する復帰時期予測手段を更に具備し、燃料カット制御中に復帰時期予測手段によって予測された復帰時期に吸気弁の閉弁時期が要求機関負荷に応じた目標閉弁時期となるように燃料カット制御終了前から吸気弁の閉弁時期が変更せしめられる。

第５の発明では、第２または第４の発明において、上記燃料カット制御は機関回転数が復帰回転数にまで低下することによって終了せしめられ、上記復帰時期予測手段は現在の機関回転数と復帰回転数との差に基づいて復帰時期を予測する。

第６の発明では、第１〜第５のいずれか一つの発明において、燃料カット制御が実行されるときであっても、該燃料カット制御の実行時間が一定時間よりも短い場合には、機械圧縮比および吸気弁閉弁時期が要求機関負荷に応じた目標機械圧縮比および吸気弁の目標閉弁時期となるように可変圧縮比機構および可変バルブタイミング機構が制御される。

本発明によれば、燃料カット制御の実行時に、吸気弁の閉弁時期が要求機関負荷に応じた目標閉弁時期よりも進角側の閉弁時期とされることから、吸気通路内に発生する負圧を大きくすることができ、よって燃料カット制御中のポンピング損失を大きくすることができる。

火花点火式内燃機関の全体図である。 可変圧縮比機構の分解斜視図である。 図解的に表した内燃機関の側面断面図である。 可変バルブタイミング機構を示す図である。 吸気弁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。 侵入禁止領域と目標動作線とを示す図である。 侵入禁止領域と目標動作線とを示す図である。 侵入禁止領域を示す図である。 目標動作点と動作点とを示す図である。 目標動作点と動作点とを示す図である。 機械圧縮比と吸気弁閉弁時期とスロットル開度の変化を示す図である。 機械圧縮比と吸気弁閉弁時期とスロットル開度の変化を示す図である。 目標動作点と動作点とを示す図である。 目標動作点と動作点とを示す図である。 目標動作点と動作点とを示す図である。 目標動作点と動作点とを示す図である。 目標動作点と動作点とを示す図である。 目標動作点と動作点とを示す図である。 目標動作点と動作点とを示す図である。 目標動作点と動作点とを示す図である。 機械圧縮比と吸気弁閉弁時期とスロットル開度等の変化を示すタイムチャートである。 目標動作点と動作点とを示す図である。 目標動作点と動作点とを示す図である。 目標動作点と動作点とを示す図である。 目標動作点と動作点とを示す図である。 目標動作点と動作点とを示す図である。 機械圧縮比と吸気弁閉弁時期とスロットル開度等の変化を示すタイムチャートである。 目標値を算出するためのフローチャートである。 可変圧縮比機構等の駆動制御を行うためのフローチャートである。 図１１と同様な図である。 機械圧縮比が最大限界圧縮比である面を示す図である。 動作点の変化の様子を示す図である。 動作点の変化の様子を示す図である。 点火時期、吸気弁閉弁時期、機械圧縮比、スロットル開度等の変化を示すタイムチャートである。 図１１と同様な図である。 吸気弁閉弁時期とスロットル弁開度とポンピング損失との関係を示す図である。 内燃機関の運転制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。

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

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

サージタンク１２は吸気ダクト１４を介してエアクリーナ１５に連結され、吸気ダクト１４内にはアクチュエータ１６によって駆動されるスロットル弁１７と例えば熱線を用いたエアフロメータ１８とが配置される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９を介して例えば三元触媒を内蔵した触媒コンバータ２０に連結され、排気マニホルド１９内には空燃比センサ２１が配置される。なお、以下の説明では、スロットル弁１７から吸気弁７までの吸気枝管１１、サージタンク１２、吸気ダクト１４等の部分を吸気管部分と称する。

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

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

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。エアフロメータ１８、空燃比センサ２１、相対位置センサ２２、バルブタイミングセンサ２３およびスロットル開度センサ２４の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。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１３、スロットル弁駆動用アクチュエータ１６、可変圧縮比機構Ａ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内にはそれぞれ断面円形のカム挿入孔５１が形成されている。一方、クランクケース１の上壁面上には互いに間隔を隔ててそれぞれ対応する突出部５０の間に嵌合せしめられる複数個の突出部５２が形成されており、これらの各突出部５２内にもそれぞれ断面円形のカム挿入孔５３が形成されている。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

図１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。すなわち、図６（Ｂ）に示されるように圧縮行程においてピストンが上昇を開始しても吸気弁が開弁している間は圧縮作用は行われず、吸気弁が閉弁したときから実際の圧縮作用が開始される。したがって実圧縮比は実際の行程容積を用いて上記の如く表される。図６（Ｂ）に示される例では実圧縮比は（５０ml＋４５０ml）／５０ml＝１０となる。

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

次に図７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。すなわち、通常の内燃機関では機械圧縮比と実圧縮比と膨張比とがほぼ等しくなる。

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

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

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

このように実圧縮比が低い値に維持されているとノッキングが発生することがなく、したがって実圧縮比を低い値に維持した状態で膨張比を高くするとノッキングの発生を阻止しつつ理論熱効率を大巾に高めることができる。図８（Ｂ）は可変圧縮比機構Ａ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、したがって機関運転時における熱効率を向上させるためには、すなわち燃費を向上させるには機関負荷が低いときの熱効率を向上させることが必要となる。一方、図８（Ｂ）に示される超高膨張比サイクルでは圧縮行程時の実際のピストン行程容積が小さくされるために燃焼室５内に吸入しうる吸入空気量は少なくなり、したがってこの超高膨張比サイクルは機関負荷が比較的低いときにしか採用できないことになる。したがって本発明では機関負荷が比較的低いときには図８（Ｂ）に示す超高膨張比サイクルとし、機関高負荷運転時には図８（Ａ）に示す通常のサイクルとするようにしている。

次に図９を参照しつつ運転制御全般について概略的に説明する。
図９には或る機関回転数における機関負荷に応じた吸入空気量、吸気弁閉弁時期、機械圧縮比、膨張比、実圧縮比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、触媒コンバータ２０内の三元触媒によって排気ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯ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。したがって図９に示されるようにこのときには機械圧縮比は低くされるために膨張比は低く、図９において実線で示されるように吸気弁７の閉弁時期は図５において実線で示される如く早められている。また、このときには吸入空気量は多く、このときスロットル弁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、したがって機関負荷が低くなるにつれて膨張比も増大される。なお、このときにもスロットル弁１７は全開状態に保持されており、したがって燃焼室５内に供給される吸入空気量はスロットル弁１７によらずに吸気弁７の閉弁時期を変えることによって制御されている。

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

機関負荷が更に低くなると機械圧縮比は更に増大せしめられ、機関負荷がやや低負荷寄りの中負荷Ｌ₁まで低下すると機械圧縮比は燃焼室５の構造上限界となる最大限界機械圧縮比に達する。機械圧縮比が最大限界機械圧縮比に達すると、機械圧縮比が最大限界機械圧縮比に達したときの機関負荷Ｌ₁よりも負荷の低い領域では機械圧縮比が最大限界機械圧縮比に保持される。したがって低負荷側の機関中負荷運転時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。

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

吸気弁７の閉弁時期が限界閉弁時期に保持されるともはや吸気弁７の閉弁時期の変化によっては吸入空気量を制御することができない。図９に示される実施形態ではこのとき、すなわち吸気弁７の閉弁時期が限界閉弁時期に達したときの機関負荷Ｌ₁よりも負荷の低い領域ではスロットル弁１７によって燃焼室５内に供給される吸入空気量が制御され、機関負荷が低くなるほどスロットル弁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。したがって、図９において実線で示される場合と破線で示される場合とをいずれも包含しうるように表現すると、本発明による実施形態では吸気弁７の閉弁時期は、機関負荷が低くなるにつれて、燃焼室内に供給される吸入空気量を制御しうる限界閉弁時期Ｌ₁まで吸気下死点BDCから離れる方向に移動せしめられることになる。このように吸入空気量は吸気弁７の閉弁時期を図９において実線で示すように変化させても制御することができるし、破線に示すように変化させても制御することができるが、以下本発明について吸気弁７の閉弁時期を図９において実線で示すように変化させた場合を例にとって説明する。

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

次に図１０から図１２を参照しつつ侵入禁止領域と、機械圧縮比および吸気弁閉弁時期に対する基準動作線について説明する。

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

一方、図１０においてＱ₁、Ｑ₂、Ｑ₃、Ｑ₄、Ｑ₅はそれぞれ同一吸入空気量面を表しており、Ｑ₆はスロットル弁１７が全開しているスロットル全開面を表している。図１０からわかるようにこのスロットル全開面Ｑ₆は上に凸の湾曲面からなる。このスロットル全開面Ｑ₆の下方の領域では下方にいくほどスロットル開度が小さくなる。

図１０においてハッチングで示される領域は各同一吸入空気量面Ｑ₁、Ｑ₂、Ｑ₃、Ｑ₄、Ｑ₅内における侵入禁止領域を示している。一方、図１１は図１０の上からみたところを示しており、図１２（Ａ）は図１０における左側面Ｓ₁を矢印方向からみたところを示しており、図１２（Ｂ）は図１０における右側面Ｓ₂を矢印方向からみたところを示しており、これら図１１および図１２（Ａ）、（Ｂ）においてもハッチングで示される領域は侵入禁止領域を示している。

図１０、図１１、図１２（Ａ）、（Ｂ）から侵入禁止領域は３次元的に広がっており、さらにこの侵入禁止領域は高負荷側の領域Ｘ₁と低負荷側の領域Ｘ₂との２つの領域からなることがわかる。なお、図１０、図１１、図１２（Ａ）、（Ｂ）からわかるように高負荷側侵入禁止領域Ｘ₁は要求吸入空気量が多く、吸気弁閉弁時期が進角側で機械圧縮比が高い側に形成され、低負荷側侵入禁止領域Ｘ₂は要求吸入空気量が少なく、吸気弁閉弁時期が遅角側で機械圧縮比が低い側に形成される。

さて、図９は要求吸入空気量に対して最小燃費の得られる、吸気弁閉弁時期と機械圧縮比と実圧縮比とスロットル開度の関係を示しており、これらの関係を満たす線が図１０および図１１において実線Ｗで示されている。図１０からわかるようにこの線Ｗは同一吸入空気量面Ｑ₃よりも吸入空気量が多い側ではスロットル全開面Ｑ₆上を延びており、同一吸入空気量面Ｑ₃よりも吸入空気量が少ない側では右側面Ｓ₂上を延びている。この同一吸入空気量面Ｑ₃は図９の負荷Ｌ₁に対応している。

すなわち、図９においてＬ₁よりも機関負荷が高い領域では機関負荷が高くなるほど、すなわち要求吸入空気量が増大するほどスロットル弁１７が全開に保持された状態で吸気弁閉弁時期が進角され、このとき機械圧縮比は実圧縮比が一定となるように要求吸入空気量が増大するほど低下せしめられる。このときの機械圧縮比と吸気弁閉弁時期との関係が図１０のスロットル全開面Ｑ₆上における線Ｗで表されている。すなわち、図１０に示されるように同一吸入空気量面Ｑ₃よりも吸入空気量が多い側では要求吸入空気量が増大するほどスロットル弁１７が全開に保持された状態で吸気弁閉弁時期が進角され、このとき機械圧縮比は実圧縮比が一定となるように要求吸入空気量が増大するほど低下せしめられる。

一方、図９においてＬ₁よりも機関負荷が低い領域では機械圧縮比および吸気弁閉弁時期が一定に保持され、機関負荷が低くなるほど、すなわち要求吸入空気量が減少するほどスロットル弁１７の開度が減少せしめられる。このときの機械圧縮比と吸気弁閉弁時期との関係が図１０の右側面Ｓ₂上における線Ｗで表されている。すなわち、図１０に示されるように同一吸入空気量面Ｑ₃よりも吸入空気量が少ない側では機械圧縮比および吸気弁閉弁時期が一定に保持され、機関負荷が低くなるほど、すなわち要求吸入空気量が減少するほどスロットル弁１７の開度が減少せしめられる。

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

前述したようにこの基準動作線Ｗ上では実圧縮比が一定とされている。実圧縮比はスロットル弁１７の開度とは無関係であって機械圧縮比および吸気弁閉弁時期のみによって定まるので図１０において基準動作線Ｗを通り垂直方向に延びる曲面上では同一実圧縮比となる。この場合、この曲面よりも機械圧縮比の高い側では実圧縮比が高くなり、この曲面よりも機械圧縮比の低い側では実圧縮比が低くなる。すなわち、大雑把に言うと、高負荷側侵入禁止領域Ｘ₁は基準動作線Ｗ上における実圧縮比よりも実圧縮比の高い領域に位置しており、低負荷側侵入禁止領域Ｘ₂は基準動作線Ｗ上における実圧縮比よりも実圧縮比の低い領域に位置している。

さて、燃費を向上するために実圧縮比を高くするとノッキングが発生し、ノッキングの発生を阻止するために点火時期を遅角させると燃焼が不安定となってトルク変動を生ずる。高負荷側侵入禁止領域Ｘ₁はこのようなトルク変動を生ずる運転領域であり、したがって機関運転時には機関の運転状態がこのようなトルク変動を生ずる運転領域内に入らないようにする必要がある。一方、吸入空気量が少なく実圧縮比が低くなると燃焼しづらくなり、スロットル弁１７の開度が小さくなって圧縮端圧力が低くなると燃焼が悪化してトルク変動を生ずる。低負荷側侵入禁止領域Ｘ₂はこのようなトルク変動を生ずる運転領域であり、したがって機関運転時にはこの運転領域にも機関の運転状態が入らないようにする必要がある。

一方、実圧縮比が高くなるほど燃費が向上し、したがってノッキングやトルク変動を生ずることなく最小の燃費が得られる最小燃費動作線は図１０および図１１においてＷで示されるように高負荷側侵入禁止領域Ｘ₁の外部において高負荷側侵入禁止領域Ｘ₁の外縁に沿いつつ延びている。前述したように本発明による実施形態ではこの最小燃費動作線が基準動作線Ｗとされており、基本的には要求吸入空気量に応じて機械圧縮比および吸気弁閉弁時期との組合せを示す動作点がこの基準動作線Ｗ上を移動するように機械圧縮比、吸気弁閉弁時期およびスロットル弁１７の開度が制御される。なお、現在の動作点は相対位置センサ２２、バルブタイミングセンサ２３およびスロットル開度センサ２４により常時検出されている。

次に本発明による機械圧縮比、吸気弁閉弁時期およびスロットル弁１７の開度の制御の仕方について基本的な制御の仕方から説明する。この基本的な制御の仕方が図１３から図１５に示されている。

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

要求動作点が変化すると機械圧縮比および吸気弁閉弁時期を示す動作点は新たな要求動作点に向けて変化する。すなわち、図１３に示される例では機械圧縮比および吸気弁閉弁時期を示す動作点は要求動作点がａ₁とされるとｍ点からａ₁点に向けて変化し、要求動作点がａ₂とされると機械圧縮比および吸気弁閉弁時期を示す動作点はａ₂に向けて変化する。この場合、要求動作点が変化する前に機械圧縮比および吸気弁閉弁時期が要求動作点に到達すれば機械圧縮比および吸気弁閉弁時期は何の問題もなく要求動作点の変化に追従して変化する。しかしながら要求動作点が変化する前に機械圧縮比および吸気弁閉弁時期が要求動作点に到達しない場合には問題を生ずる場合がある。

すなわち、図１３において機械圧縮比および吸気弁閉弁時期が点ｍにあるときに要求動作点ａ₁となったときには機械圧縮比および吸気弁時期は変化せず、このとき要求吸入空気量を満たすべくスロットル弁１７の開度が増大せしめられる。アクチュエータ１６によるスロットル弁１７の開度変化の応答性は極めて早く、したがって要求動作点がａ₁になると機械圧縮比および吸気弁閉弁時期を示す動作点はｍ点からａ₁点にただちに移る。

次いで要求動作点がａ₂になると機械圧縮比がわずかばかり低下せしめられかつ吸気弁閉弁時期がわずかばかり進角されつつスロットル弁１７が全開にされる。このとき機械圧縮比および吸気弁閉弁時期は次の要求動作点ａ₃が算出される頃には要求動作点ａ₂の近くまで到達する。このとき到達する機械圧縮比および吸気弁閉弁時期が図１３の上方からみたところを示す図１４において動作点ｂ₂で示されている。

要求動作点ａ₃が算出されると機械圧縮比および吸気弁閉弁時期は動作点ｂ₂から要求動作点ａ₃に向けて移動を開始する。すなわち、スロットル弁１７が全開の状態で機械圧縮比は低下せしめられ、吸気弁閉弁時期は進角せしめられる。ところが可変圧縮比機構Ａによる機械圧縮比変化の応答性および可変バルブタイミング機構Ｂによる吸気弁７の閉弁時期変化の応答性はそれほど早くなく、特に可変圧縮比機構Ａによる機械圧縮比変化の応答性はかなり遅い。したがって要求吸入空気量の増大速度が速い場合には要求動作点と機械圧縮比および吸気弁閉弁時期の実際の値を示す動作点とが次第に離れていくことになる。例えば図１４において要求動作点がａ₆まで移動したときに機械圧縮比および吸気弁閉弁時期の実際の値を示す動作点が依然としてｂ₂付近に位置するような状態が生ずる。

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

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

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

次にこの本発明を具体化した一実施形態についてスロットル全開面Ｑ₆を示す図１４を参照しつつ説明する。前述したように図１４は要求動作点がａ₃になったときに機械圧縮比および吸気弁閉弁時期を示す動作点がｂ₂である場合を示している。この場合において矢印Ｒ₂は機械圧縮比が要求動作点ａ₃に向けて予め定められた一定時間で到達可能な量を表しており、矢印Ｔ₂は吸気弁閉弁時期が要求動作点ａ₃に向けて予め定められた一定時間で到達可能な量を表している。また、図１４においてｃ₂は現在の動作点ｂ₂から要求吸入空気量を満たす要求動作点ａ₃に向けて侵入禁止領域Ｘ₁内に侵入することなく一定時間後に到達可能な目標動作点を示している。

図１４に示されるように要求吸入空気量が増大せしめられかつ動作点ｂ₂および要求動作点ａ₃がスロットル全開面Ｑ₆上にあるときにはこの目標動作点ｃ₂は基準動作線Ｗ上に、図１４に示される例では最小燃費動作線Ｗ上に位置する。すなわち、図１４に示される例では、スロットル弁１７が全開状態に維持されているときには目標動作点は侵入禁止領域Ｘ₁の外部であって侵入禁止領域Ｘ₁の外縁に沿って延びる最小燃費動作線Ｗ上を移動せしめられる。

また、図１４において要求動作点がａ₆であるときに機械圧縮比および吸気弁閉弁時期を示す動作点がｂ_iであったとするとこの場合にも目標動作点は基準動作線Ｗ上の点ｃ_iとされる。なお、図１４において矢印Ｒ_iは同様に機械圧縮比が一定時間後に到達可能な量を表しており、矢印Ｔ_iは吸気弁閉弁時期が一定時間後に到達可能な量を表している。

このように図１４に示される例では動作点がｂ₂であるときに目標動作点ｃ₂が算出されると一定時間後に機械圧縮比および吸気弁閉弁時期を示す動作点は目標動作点ｃ₂に到達する。このとき現在の動作点ｃ₂から要求吸入空気量を満たす要求動作点に向けて侵入禁止領域Ｘ₁内に侵入することなく一定時間後に到達可能な次の新たな目標動作点が算出され、動作点は一定時間後にこの新たな目標動作点に到達する。この場合、本発明による実施形態では機械圧縮比、吸気弁閉弁時期およびスロットル弁１７の開度はＰＩＤ（比例積分微分）制御によって目標動作点に到達せしめられる。

このように図１４に示される例では機械圧縮比および吸気弁閉弁時期を示す動作点は基準動作線Ｗに沿って停滞することなく滑らかに移動する。すなわち、図１３において機械圧縮比および吸気弁閉弁時期がｍ点に維持されているときに要求吸入空気量が増大せしめられると機械圧縮比および吸気弁閉弁時期は図１５において矢印で示されるように基準動作線Ｗに沿って停滞することなく滑らかに変化せしめられる。その結果、要求吸入空気量の変化に対して良好な機関の応答性を確保することができることになる。

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

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

次に図１６から図３１を参照しつつ要求吸入空気量が減少せしめられた場合について説明する。なお、図１６から図３１のうちで図１６および図１７は要求吸入空気量がゆっくりと減少せしめられた場合を示しており、図１８から図２５は要求吸入空気量が比較的速く減少せしめられた場合を示しており、図２６から図３１は要求吸入空気量が急激に減少せしめられた場合を示している。なお、図１６から図３１は機械圧縮比および吸気弁閉弁時期の組合せを示す動作点が基準動作線Ｗ上のｎ点にあるときに要求吸入空気量の減少作用が開始された場合を示している。

まず初めに図１６および図１７を参照しつつ要求吸入空気量がゆっくりと減少せしめられた場合について説明する。なお、図１７は図１４と同様なスロットル全開面Ｑ₆を示している。

図１７はこの場合における現在の動作点と要求動作点との関係を示している。すなわち、図１７には現在の動作点がｅ_iであるときの要求動作点がｄ_iで示されており、このとき機械圧縮比が一定時間後に到達可能な量がＲ_iで示されており、このとき吸気弁閉弁時期が一定時間後に到達可能な量がＳ_iで示されている。更に図１７には現在の動作点がｅ_jであるときの要求動作点がｄ_jで示されており、このとき機械圧縮比が一定時間後に到達可能な量がＲ_jで示されており、このとき吸気弁閉弁時期が一定時間後に到達可能な量がＳ_jで示されている。

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

次に図１８から図２５を参照しつつ要求吸入空気量が比較的速く減少せしめられた場合について説明する。前述したように本発明による実施形態では例えば予め定められた時間毎に要求吸入空気量が算出されており、順次算出される要求吸入空気量を満たす基準動作線Ｗ上の要求動作点が図１８においてｄ₁、ｄ₂、ｄ₃、ｄ₄、ｄ₅で示されている。

なお、本発明による制御を容易に理解しうるように図１８は要求動作点ｄ₁における要求吸入空気量がＱ₅であり、要求動作点ｄ₂における要求吸入空気量がＱ₅とＱ₄の中間値であり、要求動作点ｄ₃における要求吸入空気量がＱ₄であり、要求動作点ｄ₄における要求吸入空気量がＱ₄とＱ₃との中間値であり、要求動作点ｄ₅における要求吸入空気量がＱ₃であった場合を示している。すなわち、順次算出された要求吸入空気量がＱ₆（ｎ点）から、Ｑ₅、Ｑ₅とＱ₄の中間値、Ｑ₄、Ｑ₄とＱ₃の中間値、Ｑ₃に変化した場合を示している。

また図１９はスロットル全開面Ｑ₆を示しており、図２０は吸入空気量がＱ₅の同一吸入空気量面を示しており、図２１は吸入空気量がＱ₅とＱ₄の中間値の同一吸入空気量面を示しており、図２２は吸入空気量がＱ₄の同一吸入空気量面を示しており、図２３は吸入空気量がＱ₄とＱ₃の中間値の同一吸入空気量面を示しており、図２４は吸入空気量がＱ₃の同一吸入空気量面を示している。

さて、機械圧縮比および吸気弁閉弁時期が図１８に示される動作点ｎに保持されているときに要求吸入空気量がＱ₆からＱ₅に変化し、その結果要求動作点がｄ₁になったとすると、まず初めに図１９に示されるようにスロットル全開面Ｑ₆上において目標動作点ｅ₁が算出される。この目標動作点ｅ₁の算出方法はこれまで述べてきた算出方法と同じであって、機械圧縮比が一定時間後に到達可能な量と吸気弁閉弁時期が一定時間に到達可能な量から侵入禁止領域Ｘ₁内に侵入することなく要求動作点ｄ₁に最も近い目標動作点ｅ₁が算出される。図１９に示される例ではこの目標動作点ｅ₁は基準動作線Ｗ上に位置している。

ところでこの目標動作点ｅ₁における吸入空気量はＱ₆とＱ₅の中間値であって要求吸入空気量Ｑ₅よりも大きい状態にある。しかしながら吸入空気量はできる限り要求吸入空気量に一致させることが好ましい。ところが要求吸入空気量が減少せしめられる場合にはスロットル弁１７の開度を変化させることによって吸入空気量を調整することができる。そこで目標動作点ｅ₁における吸入空気量が要求吸入空気量Ｑ₅よりも大きい状態にある場合には機械圧縮比および吸気弁閉弁時期に対する目標値は変化させることなく吸入空気量を要求吸入空気量Ｑ₅とするのに必要な目標開度までスロットル弁１７を閉弁させるようにしている。

すなわち、図１８において、図１９に示されるスロットル全開面Ｑ₆上の目標動作点ｅ₁の真下に位置する同一吸入空気量面Ｑ₅上の点が最終的な目標動作点ｅ₁とされる。この同一吸入空気量面Ｑ₅上の最終的な目標動作点ｅ₁が図１８および図２０に示されており、機械圧縮比、吸気弁閉弁時期およびスロットル弁１７の開度はこの最終的な目標動作点ｅ₁に向けて変化せしめられることになる。すなわち、このときには機械圧縮比は増大せしめられ、吸気弁閉弁時期は遅角され、スロットル弁１７の開度は全開状態から小さくされる。

次いで要求吸入空気量がＱ₅とＱ₄の中間値になって要求動作点がｄ₂になると、今度は図２０に示されるように現在の吸入空気量Ｑ₅における同一吸入空気量面上において目標動作点ｅ₂が算出される。この目標動作点ｅ₂の算出方法もこれまで述べてきた算出方法と同じであって、機械圧縮比が一定時間後に到達可能な量と吸気弁閉弁時期が一定時間に到達可能な量から侵入禁止領域Ｘ₁内に侵入することなく要求動作点ｄ₂に最も近い目標動作点ｅ₂が算出される。図２０に示される例ではこの目標動作点ｅ₂は同一吸入空気量面Ｑ₅内における基準動作線Ｗ上に位置している（なお、このときの基準動作線Ｗは図１０に示した基準動作線Ｗとは異なるものであり、同一吸入空気量面Ｑ₅内における最小燃費動作線を示している）。

ところでこの場合にも目標動作点ｅ₂における吸入空気量は要求吸入空気量よりも大きい状態にある。したがってこの場合にも、図１８において、図２０に示される同一吸入空気量面Ｑ₅上の目標動作点ｅ₂の真下に位置する同一吸入空気量面（Ｑ₅とＱ₄の中間値）上の点が最終的な目標動作点ｅ₂とされる。この同一吸入空気量面（Ｑ₅とＱ₄の中間値）上の最終的な目標動作点ｅ₂が図１８および図２１に示されており、機械圧縮比、吸気弁閉弁時期およびスロットル弁１７の開度はこの最終的な目標動作点ｅ₂に向けて変化せしめられることになる。このときにも機械圧縮比は増大せしめられ、吸気弁閉弁時期は遅角され、スロットル弁１７の開度は全開状態から小さくされる。

次いで要求吸入空気量がＱ₄となり、次いでＱ₄とＱ₃の中間値となり、次いでＱ₃になると同様なことが順次繰返される。すなわち、要求吸入空気量がＱ₄になると図２２に示されるように同一吸入空気量面Ｑ₄上における最終的な目標動作点ｅ₃が算出され、要求吸入空気量がＱ₄とＱ₃の中間値になると図２３に示されるように同一吸入空気量面（Ｑ₄とＱ₃との中間値）上における最終的な目標動作点ｅ₄が算出され、次いで要求吸入空気量がＱ₃になると図２４に示されるように同一吸入空気量面Ｑ₃上における最終的な目標動作点ｅ₅が算出される。

この間、すなわち機械圧縮比、吸気弁閉弁時期およびスロットル弁１７の開度が順次最終的な目標動作点ｅ₃、ｅ₄、ｅ₅に向けて変化せしめられている間、機械圧縮比は増大せしめられ、吸気弁閉弁時期は遅角され、スロットル弁１７の開度は小さくされる。

要求吸入空気量がＱ₃になると図２４に示されるように同一吸入空気量面Ｑ₃上において順次最終的な目標動作点ｅ₆、ｅ₇、ｅ₈、ｅ₉、ｅ₁₀が算出され、機械圧縮比、吸気弁閉弁時期およびスロットル弁１７の開度は順次これら最終的な目標動作点ｅ₆、ｅ₇、ｅ₈、ｅ₉、ｅ₁₀を経て要求動作点ｄ₅まで変化せしめられることになる。この間、機械圧縮比は増大せしめられ、吸気弁閉弁時期はｅ₈に達するまで遅角され、スロットル弁１７の開度は徐々に大きくされてｅ₈に達すると全開せしめられる。

図２５は図１８に示されるように目標吸入空気量がＱ₆（ｎ点）からＱ₃（目標動作点ｄ₅）まで比較的速く減少せしめられた場合の吸気弁閉弁時期、機械圧縮比、実圧縮比、スロットル開度の変化を示している。図２５からこの場合には要求吸入空気量が最終的な目標値Ｑ₃となった後（動作点ｅ₄）、吸気弁閉弁時期の遅角動作が完了し（動作点ｅ₈）、次いで機械圧縮比の増大作用が完了する（目標動作点ｄ₅）ことがわかる。一方、実圧縮比は吸気弁閉弁時期の遅角作用が完了するまで（動作点ｄ₈）徐々に減少し、その後徐々に上昇する。また、スロットル開度は動作点が同一吸入空気量面Ｑ₃上の動作点ｅ₅となるまで全開状態から徐々に低下せしめられ、次いで吸気弁閉弁時期の遅角動作が完了するまで（動作点ｅ₈）まで全開状態まで徐々に開弁せしめられる。

図１８から図２５に示されるように要求吸入空気量が比較的速く減少せしめられたときには機械圧縮比および吸気弁閉弁時期の制御に加えてスロットル開度も制御される。本発明ではこのときには機械圧縮比と吸気弁閉弁時期とスロットル開度との組合せに対し３次元的侵入禁止領域Ｘ₁、Ｘ₂が設定されており、機械圧縮比と吸気弁閉弁時期とスロットル開度との組合せを示す動作点がこの３次元的侵入禁止領域Ｘ₁、Ｘ₂内に侵入するのが禁止される。

なお、この場合にも要求吸入空気量が変化したときに機械圧縮比および吸気弁閉弁時期については現在の動作点から要求吸入空気量を満たす動作点に向けて３次元的侵入禁止領域Ｘ₁、Ｘ₂内に侵入することなく一定時間後に到達可能な目標動作点が算出されると共に機械圧縮比および吸気弁閉弁時期が算出された目標動作点に向けて変化せしめられる。更にこの場合、要求吸入空気量が変化したときにスロットル開度は３次元的侵入禁止領域Ｘ₁、Ｘ₂に侵入しないように要求吸入空気量に応じて変化せしめられる。

なお、この場合でも機械圧縮比、吸気弁閉弁時期およびスロットル開度ができる限り早く要求吸入空気量を満たす要求動作点に達するように、目標動作点は、現在の動作点から要求吸入空気量を満たす動作点に向けて３次元的侵入禁止領域Ｘ₁、Ｘ₂内に侵入することなく一定時間後に到達可能な動作点のうちで現在の動作点から最も離れた動作点とされる。

またこの場合、本発明による実施形態では、要求吸入空気量が減少したときに、機械圧縮比および吸気弁閉弁時期については現在の動作点から要求吸入空気量を満たす動作点に向けて現在の吸入空気量における侵入禁止領域Ｘ₁、Ｘ₂内に侵入することなく一定時間後に到達可能な目標動作点が算出されると共に機械圧縮比および吸気弁閉弁時期が算出された目標動作点に向けて変化せしめられる。一方、この場合、スロットル開度については算出された目標動作点において要求吸入空気量を満たす目標開度が算出されると共に目標開度が３次元的侵入禁止領域Ｘ₁、Ｘ₂でない限りはスロットル開度が目標開度まで変化せしめられる。

次に図２６から図３１を参照しつつ要求吸入空気量が急激に最小吸入空気量Ｑ₁まで減少せしめられた場合について説明する。前述したように本発明による実施形態では例えば予め定められた時間毎に要求吸入空気量が算出されており、順次算出される要求吸入空気量を満たす基準動作線Ｗ上の要求動作点が図２６においてｄ₁、ｄ₂、ｄ₃で示されている。

なお、この場合にも本発明による制御を容易に理解しうるように図２６は要求動作点ｄ₁における要求吸入空気量がＱ₄であり、要求動作点ｄ₂における要求吸入空気量がＱ₂とＱ₃の中間値であり、要求動作点ｄ₃における要求吸入空気量がＱ₁であった場合を示している。すなわち、順次算出された要求吸入空気量がＱ₆（ｎ点）から、Ｑ₄、Ｑ₃とＱ₂の中間値、Ｑ₁に変化した場合を示している。

また図２７はスロットル全開面Ｑ₆を示しており、図２８は吸入空気量がＱ₄の同一吸入空気量面を示しており、図２９は吸入空気量がＱ₃とＱ₂の中間値の同一吸入空気量面を示しており、図３０は吸入空気量がＱ₁の同一吸入空気量面を示している。

さて、機械圧縮比および吸気弁閉弁時期が図２６に示される動作点ｎに保持されているときに要求吸入空気量がＱ₆からＱ₄に変化し、その結果要求動作点がｄ₁になったとすると、まず初めに図２７に示されるようにスロットル全開面Ｑ₆上において目標動作点ｅ₁が算出される。この目標動作点ｅ₁の算出方法は図１９に示される算出方法と同じであって、機械圧縮比が一定時間後に到達可能な量と吸気弁閉弁時期が一定時間に到達可能な量から侵入禁止領域Ｘ₁内に侵入することなく要求動作点ｄ₁に最も近い目標動作点ｅ₁が算出される。図２７に示される例ではこの目標動作点ｅ₁は基準動作線Ｗ上に位置している。

一方、このとき図１８に示される場合と同様に機械圧縮比および吸気弁閉弁時期に対する目標値は変化させることなく吸入空気量を要求吸入空気量Ｑ₄とするのに必要な目標開度までスロットル弁１７が閉弁せしめられる。

すなわち、図２６において、図２７に示されるスロットル全開面Ｑ₆上の目標動作点ｅ₁の真下に位置する同一吸入空気量面Ｑ₄上の点が最終的な目標動作点ｅ₁とされる。この同一吸入空気量面Ｑ₄上の最終的な目標動作点ｅ₁が図２６および図２８に示されており、機械圧縮比、吸気弁閉弁時期およびスロットル弁１７の開度はこの最終的な目標動作点ｅ₁に向けて変化せしめられることになる。このときには機械圧縮比は増大せしめられ、吸気弁閉弁時期は遅角され、スロットル弁１７の開度は全開状態から小さくされる。

次いで要求吸入空気量がＱ₃とＱ₂の中間値になって要求動作点がｄ₂になると、今度は図２８に示されるように現在の吸入空気量Ｑ₄における同一吸入空気量面上において目標動作点ｅ₂が算出される。この目標動作点ｅ₂の算出方法もこれまで述べてきた算出方法と同じであって、機械圧縮比が一定時間後に到達可能な量と吸気弁閉弁時期が一定時間に到達可能な量から侵入禁止領域Ｘ₁内に侵入することなく要求動作点ｄ₂に最も近い目標動作点ｅ₂が算出される。この場合にも、図２６において、図２８に示される同一吸入空気量面Ｑ₄上の目標動作点ｅ₂の真下に位置する同一吸入空気量面（Ｑ₃とＱ₂の中間値）上の点が最終的な目標動作点ｅ₂とされる。この同一吸入空気量面（Ｑ₃とＱ₂の中間値）上の最終的な目標動作点ｅ₂が図２６および図２９に示されている。

次いで要求吸入空気量がＱ₁になって要求動作点がｄ₃になると図２９に示されるように同一吸入空気量面（Ｑ₃とＱ₂の中間値）上において目標動作点ｅ₃が算出され、次いで図３０に示されるように同一吸入空気量面Ｑ₁上における最終的な目標動作点ｅ₃が算出される。最終的な目標動作点ｅ₃が算出されると機械圧縮比、吸気弁閉弁時期およびスロットル弁１７の開度はこの最終的な目標動作点ｅ₃に向けて変化せしめられる。このときにも機械圧縮比は増大せしめられ、吸気弁閉弁時期は遅角され、スロットル弁１７の開度は全開状態から小さくされる。

ところでこのように要求吸入空気量が小さくなると同一吸入空気量面内に低負荷側侵入禁止領域Ｘ₂が現われてくる。この同一吸入空気量面内に現われる低負荷側侵入禁止領域Ｘ₂は吸入空気量が小さくなるほど大きくなり、この同一吸入空気量面に現われる低負荷側侵入禁止領域Ｘ₂は図３０に示されるように要求吸入空気量が最小Ｑ₁になったときに最大となる。なお、本発明による実施形態ではこの低負荷側侵入禁止領域Ｘ₂の周りには低負荷側侵入禁止領域Ｘ₂からわずかな間隔を隔てて、低負荷侵入禁止領域Ｘ₂内への動作点の侵入を防止するための侵入阻止面が予め設定されており、この侵入阻止面と同一吸入空気量面との交線である侵入阻止線が図３０においてＷＸで示されている。

さて、本発明による実施形態では吸入空気量が要求吸入空気量Ｑ₁になると図３０に示されるように同一吸入空気量面Ｑ₁上において機械圧縮比が一定時間後に到達可能な量と吸気弁閉弁時期が一定時間に到達可能な量から要求動作点ｄ₃に最も近い各目標動作点ｅ₄、ｅ₅、ｅ₆、ｅ₇、ｅ₈、ｅ₉、ｅ₁₀、ｅ₁₁、ｅ₁₂が順次算出される。この場合、目標動作点ｅ₄のように要求動作点ｄ₃に最も近い算出された目標動作点が侵入阻止線ＷＸに対し侵入禁止領域Ｘ₂と反対側に位置するときには算出された目標動作点が目標動作点ｅ₄とされる。これに対し、要求動作点ｄ₃に最も近い算出された目標動作点が侵入阻止線ＷＸよりも侵入禁止領域Ｘ₂に近い側にあるときには機械圧縮比および吸気弁閉弁時期のいずれかの到達限界となる侵入阻止線ＷＸ上の点が目標動作点ｅ₅、ｅ₆、ｅ₇、ｅ₈、ｅ₉とされる。

すなわち、要求吸入空気量がＱ₁になると機械圧縮比、吸気弁閉弁時期およびスロットル弁１７の開度は同一吸入空気量面Ｑ₁上において順次最終的な目標動作点ｅ₄、ｅ₅、ｅ₆、ｅ₇、ｅ₈、ｅ₉、ｅ₁₀、ｅ₁₁、ｅ₁₂を経て要求動作点ｄ₃まで変化せしめられることになる。この間、機械圧縮比は増大せしめられ、吸気弁閉弁時期はｅ₁₀に達するまで遅角され、スロットル弁１７の開度は徐々に大きくされてｅ₁₀に達すると全開せしめられる。

図３１は図２６に示されるように目標吸入空気量がＱ₆（ｎ点）からＱ₁（目標動作点ｄ₃）まで急激に減少せしめられた場合の吸気弁閉弁時期、機械圧縮比、実圧縮比、スロットル開度の変化を示している。図３１からこの場合には要求吸入空気量が最終的な目標値Ｑ₁となった後（動作点ｅ₂）、吸気弁閉弁時期の遅角作用が完了し（動作点ｅ₁₀）、次いで機械圧縮比の増大作用が完了する（目標動作点ｄ₃）ことがわかる。一方、実圧縮比は吸気弁閉弁時期の遅角作用が完了するまで（動作点ｅ₁₀）徐々に減少し、その後徐々に上昇する。また、スロットル開度は動作点が同一吸入空気量面Ｑ₁上の動作点ｅ₃となるまで全開状態から低下せしめられ、次いで吸気弁閉弁時期の遅角作用が完了するまで（動作点ｅ₁₀）まで徐々に開弁せしめられる。

なお、要求吸入空気量が変化したときに要求吸入空気量を満たすスロットル弁１７の開度が３次元侵入禁止領域内、すなわち低負荷側侵入禁止領域Ｘ₂内となる場合がある。この場合にはスロットル弁１７の開度は前述した侵入阻止面まで、すなわち３次元侵入禁止領域内に侵入する手前まで変化せしめられ、次いで機械圧縮比と吸気弁閉弁時期とスロットル開度との組合せを示す動作点は要求吸入空気量を満たす動作点に向けて３次元侵入禁止領域内に侵入することなく変化せしめられる。

図３２は現在の動作点から予め定められた一定時間後に到達可能な目標動作点を算出するための、すなわち機械圧縮比、吸気弁閉弁時期およびスロットル開度の目標値を算出するためのルーチンを示している。

このルーチンでは予め定められた一定時間後に到達可能な目標動作点がこの予め定められた一定時間毎に算出される。したがって図３２に示されるルーチンはこの予め定められた時間毎の割込みによって実行される。この予め定められた時間は任意に定めることができるが本発明による実施形態ではこの予め定められた一定時間は８msecとされている。したがって本発明による実施形態では図３２に示される目標値の算出ルーチンは８msec毎に実行され、現在の動作点から８msec後に到達可能な目標動作点が８msec毎に算出されることになる。

図３２を参照するとまず初めにステップ１００において要求吸入空気量ＧＸが算出される。この要求吸入空気量ＧＸは例えばアクセルペダル４０の踏込み量および機関回転数の関数として予めＲＯＭ３２内に記憶されている。次いでステップ１０１では要求吸入空気量ＧＸに応じた基準動作線Ｗ上の要求動作点が算出される。次いでステップ１０２では現在の動作点が要求動作点であるか否かが判別され、現在の動作点が要求動作点であるときには処理サイクルを完了する。これに対し、現在の動作点が要求動作点でないときにはステップ１０３に進んで要求吸入空気量ＧＸが現在の動作点における吸入空気量ＧＡよりも大きいか否かが判別される。

ＧＸ＞ＧＡのとき、すなわち吸入空気量を増大すべきときにはステップ１０４に進み、図１３から図１５に基づいて説明したようにして目標動作点が決定される。すなわち、ステップ１０４では要求吸入空気量ＧＸに応じた目標スロットル開度が算出される。この目標スロットル開度は要求動作点がスロットル全開面Ｑ₆上に位置すると通常は全開となる。次いでステップ１０５では一定時間後に到達可能な吸気弁閉弁時期が算出され、次いでステップ１０６では一定時間後に到達可能な機械圧縮比が算出される。

次いでステップ１０７では図１４に基づき説明した方法でもって目標動作点が決定される。次いでステップ１０８では決定した目標動作点から機械圧縮比の目標値および吸気弁閉弁時期の目標値が算出される。スロットル開度の目標値はステップ１０４において既に目標スロットル開度として算出されている。

一方、ステップ１０３においてＧＸ≦ＧＡであると判別されたとき、すなわち吸入空気量を減少すべきかまたは吸入空気量が要求吸入空気量となっているときにはステップ１０９に進み、図１６から図３１に基づいて説明したようにして目標動作点が決定される。すなわち、ステップ１０９では一定時間後に到達可能な吸気弁閉弁時期が算出され、次いでステップ１１０では一定時間後に到達可能な機械圧縮比が算出される。

次いでステップ１１２では要求吸入空気量を満たす目標スロットル開度が算出され、この目標スロットル開度がスロットル開度の目標値とされる。ただし、要求吸入空気量ＧＸを満たすスロットル開度が侵入禁止領域内となるときには目標スロットル開度は前述した侵入阻止面上の値とされ、機械圧縮比および吸気弁閉弁時期が要求動作点に近づくにしたがって目標スロットル開度は侵入阻止面に沿って変化せしめられる。

なおこれまで説明していなかったが要求吸入空気量が増大する場合にも同様なことが生じうる。例えば、動作点が図１３において高負荷側侵入禁止領域Ｘ₁の下方領域に位置するときに要求吸入空気量が増大すると目標スロットル開度が高負荷側侵入禁止領域Ｘ₁内になる場合がある。このときには目標スロットル開度は各同一吸入空気量面に対し予め設定されている各基準動作線Ｗを含む基準動作面上の値とされ、機械圧縮比および吸気弁閉弁時期が要求動作点に近づくにしたがって目標スロットル開度はこの基準動作面に沿って変化せしめられる。

図３３はＰＩＤ制御を用いて機械圧縮比、吸気弁閉弁時期およびスロットル開度が図３２に示されるルーチンにおいて算出された目標値になるように可変圧縮比機構Ａ、可変バルブタイミング機構Ｂおよびスロットル弁１７を駆動するための駆動ルーチンを示している。このルーチンは機関の運転が開始されると繰返し実行される。

図３３を参照するとステップ２００では吸気弁閉弁時期の目標値ＩＴ₀と現在の吸気弁閉弁時期ＩＴとの差ΔＩＴ（＝ＩＴ₀−ＩＴ）が算出され、機械圧縮比の目標値ＣＲ₀と現在の機械圧縮比ＣＲとの差ΔＣＲ（＝ＣＲ₀−ＣＲ）が算出され、スロットル開度の目標値θ₀と現在のスロットル開度θとの差Δθ（θ₀−θ）が算出される。

次いでステップ２０１ではΔＩＴに比例定数Ｋ_p1を乗算することによって可変バルブタイミング機構Ｂに対する駆動電圧の比例項Ｅ_p1が算出され、ΔＣＲに比例定数Ｋ_p2を乗算することによって可変圧縮比機構Ａに対する駆動電圧の比例項Ｅ_p2が算出され、Δθに比例定数Ｋ_p3を乗算することによってスロットル弁１７に対する駆動電圧の比例項Ｅ_p3が算出される。

次いでステップ２０２ではΔＩＴに積分定数Ｋ_i1を乗算してこの乗算結果（Ｋ_i1・ΔＩＴ）を積算することにより可変バルブタイミング機構Ｂに対する駆動電圧の積分項Ｅ_i1が算出され、ΔＣＲに積分定数Ｋ_i2を乗算してこの乗算結果（Ｋ_i2・ΔＣＲ）を積算することにより可変圧縮比機構Ａに対する駆動電圧の積分項Ｅ_i2が算出され、Δθに積分定数Ｋ_i3を乗算してこの乗算結果（Ｋ_i3・Δθ）を積算することによりスロットル弁１７に対する駆動電圧の積分項Ｅ_i3が算出される。

次いでステップ２０３では現在のΔＩＴと前回算出されたΔＩＴ₁との差（ΔＩＴ−ΔＩＴ₁）に微分定数Ｋ_d1を乗算することにより可変バルブタイミング機構Ｂに対する駆動電圧の微分項Ｅ_d1が算出され、現在のΔＣＲと前回算出されたΔＣＲ₁との差（ΔＣＲ−ΔＣＲ₁）に微分定数Ｋ_d2を乗算することにより可変圧縮比機構Ａに対する駆動電圧の微分項Ｅ_d2が算出され、現在のΔθと前回算出されたΔθ₁との差（Δθ−Δθ₁）に微分定数Ｋ_d3を乗算することによりスロットル弁１７に対する駆動電圧の微分項Ｅ_d3が算出される。

次いでステップ２０４では比例項Ｅ_p1と積分項Ｅ_i1と微分項Ｅ_d1とを加算することにより可変バルブタイミング機構Ｂに対する駆動電圧Ｅ₁が算出され、比例項Ｅ_p2と積分項Ｅ_i2と微分項Ｅ_d2とを加算することにより可変圧縮比機構Ａに対する駆動電圧Ｅ₂が算出され、比例項Ｅ_p3と積分項Ｅ_i3と微分項Ｅ_d3とを加算することによりスロットル弁１７に対する駆動電圧Ｅ₃が算出される。

これら駆動電圧Ｅ₁、Ｅ₂、Ｅ₃にしたがってそれぞれ可変バルブタイミング機構Ｂ、可変圧縮比機構Ａおよびスロットル弁１７が駆動されると吸気弁閉弁時期、機械圧縮比およびスロットル開度はそれぞれ順次変化する目標値に向けて変化することになる。

ところで、多くの内燃機関では燃費向上等を目的として機関運転状態に応じて燃焼室５への燃料供給を停止する燃料カット制御が行われる。燃料カット制御を行う場合としては、例えば機関負荷が低下して減速運転が行われる場合、機関回転数や内燃機関を搭載した車両の車速が過剰に上昇して機関回転数や車速の低下が必要とされる場合、内燃機関を搭載した車両のオートマチックトランスミッションにおいてシフトアップが行われる際に機関回転数を低下させる場合等が挙げられる。

このような燃料カット制御を実行する場合には、機関回転数を低下させること、すなわち内燃機関を減速させることが必要となる。燃料カット制御中に内燃機関が減速する程度は内燃機関に発生するポンピング損失が大きくなるほど大きくなる。したがって、特に、機関減速運転時等、内燃機関を大きく減速させる必要があるときには、燃料カット制御中に内燃機関に大きなポンピング損失を発生させることが必要になる。

燃料カット制御中に内燃機関にポンピング損失を発生させる一つの方法としては、吸気弁閉弁時期を遅角させて燃焼室５内に供給される吸入空気量を減少させることが挙げられる。この場合、膨張行程中に燃焼室５内が負圧になることによりポンピング損失が発生する。しかしながら、この方法によって発生させることのできるポンピング損失の大きさには限界があり、例えば機関減速運転時等、大きなポンピング損失を発生させること必要な場合には十分なポンピング損失を発生させることができない。

燃料カット制御中に内燃機関にポンピング損失を発生させる別の方法としては、スロットル弁１７の開度を小さくすると共に吸気弁閉弁時期を吸気下死点に向けて進角させることが挙げられる。スロットル弁１７の開度を小さくするとスロットル弁１７を通って流れる空気の量が減少すると共に、吸気弁閉弁時期を吸気下死点に向けて進角させると燃焼室５内に吸引される空気の量が多くなることから、スロットル弁１７から吸気弁７までの間の吸気通路（サージタンク１２、吸気枝管１１、吸気ポート８内の通路）内の負圧が大きくなる。これにより吸気行程中に燃焼室５内に負圧が発生し、その結果ポンピング損失が発生することになる。この方法によれば大きなポンピング損失を発生させることができ、例えば機関減速運転時等、大きなポンピング損失を発生させることが必要な場合にも十分なポンピング損失を発生させることができる。

ここで、燃料カット制御中にも図１０〜図３３を参照して説明した吸気弁閉弁時期および機械圧縮比の制御を実行した場合について考える。この場合、例えば機関減速運転時には、機関負荷（アクセルペダル４０の踏込み量）が低下し、よって要求吸入空気量が少なくなる。このため、この要求吸入空気量を満たす基準動作線Ｗ上の動作点は機械圧縮比が高く且つ吸気弁閉弁時期が遅角側の点（例えば、図２６、図２９および図３０に示した点ｄ₃）となる。

したがって、減速運転時における燃料カット制御中に図１０〜図３３に示された制御を行った場合、機械圧縮比は限界機械圧縮比まで増大せしめられ、吸気弁閉弁時期が限界閉弁時期まで遅角せしめられる。しかしながら、上述したように、吸気弁閉弁時期を遅角させることによってポンピング損失を発生させると、発生させうるポンピング損失の大きさに限界があり、十分なポンピング損失を発生させることができず、適切に内燃機関を減速させることができない。

そこで、本発明による実施形態では、燃料カット制御が実行されるときには、機械圧縮比が要求機関負荷に応じた機械圧縮比となるように可変圧縮比機構Ａを制御すると共に、吸気弁閉弁時期が要求機関負荷に応じた目標閉弁時期よりも進角側の閉弁時期となるように可変バルブタイミング機構Ｂを制御することとしている。

以下では、機関負荷が低下して機関減速運転を行う場合における燃料カット制御を例にとって、本発明による実施形態における燃料カット制御を実行する際の機械圧縮比、吸気弁閉弁時期およびスロットル弁１７の開度の制御について説明する。

本実施形態では、燃料カット制御を実行する際には、吸気弁閉弁時期の目標値が予め定められた一定の時期ＩＶＣ₁とされる。この一定の時期ＩＶＣ₁は、比較的進角側の時期、すなわち吸気下死点近傍の時期とされる。ここで、燃料カット制御中のスロットル弁１７下流の吸気通路内の負圧を大きくし過ぎると、吸気行程中に燃焼室５内の負圧が大きくなり過ぎて、ピストン４を介して燃焼室５内に内燃機関の作動油が侵入することになる。したがって、この一定の時期ＩＶＣ₁は、燃焼室５内の負圧が大きくなり過ぎることによる燃焼室５内への作動油の侵入を防止できる範囲内で最も進角側の時期とされるのが好ましい。

一方、燃料カット制御を実行する際の機械圧縮比の目標値は、燃料カット制御を実行する際の機関負荷、すなわち要求吸入空気量に応じて変化する。具体的には、燃料カット制御を実行する際の機械圧縮比は、燃料カット制御中の要求吸入空気量を満たす基準動作線Ｗ上の動作点における機械圧縮比とされる。

図３４は、図１１と同様な図であり、図３４中の実線Ｗ’は燃料カット制御が実行される際に機械圧縮比および吸気弁閉弁時期を示す動作点が辿る燃料カット時基準動作線を示している。燃料カット時基準動作線Ｗ’は吸気弁閉弁時期が吸気下死点近傍の一定の閉弁時期ＩＶＣ₁である直線となっている。したがって、燃料カット制御が実行される際には吸気弁閉弁時期がＩＶＣ₁でほぼ一定とされ、機関負荷に応じて機械圧縮比のみが変化することがわかる。

なお、機関減速運転に伴う燃料カット制御は、通常、アクセル踏込み量が０のとき、すなわち機関負荷が０のときに行われる。このためこのときの要求吸入空気量は最小であり、図１０におけるＱ₁となっている。したがって、通常、機関減速運転に伴う燃料カット制御実行の際には、機械圧縮比は、要求吸入空気量Ｑ₁を満たす基準動作線Ｗ上の動作点における機械圧縮比、すなわち最大限界機械圧縮比となる。このため、機関減速運転に伴う燃料カット制御実行中には、通常、機械圧縮比および吸気弁閉弁時期を示す動作点は図３４のｆ点に維持されることになる。

一方、上述したように燃料カット制御中に発生するポンピング損失は、吸気弁閉弁時期およびスロットル弁１７の開度に応じて変化するが、それに加えて機関回転数によっても変化する。すなわち、機関回転数が高いほど全ての燃焼室５内に供給される吸入空気量が多くなるため、スロットル弁１７下流側の吸気通路内の負圧が大きくなり、よって発生するポンピング損失が大きくなる。

また、燃料カット制御中に発生させるべき要求ポンピング損失は機関運転状態に応じて変化する。たとえば、機関減速運転に伴う燃料カット制御では、ブレーキペダル（図示せず）の踏込み量が０であるときには、内燃機関を大きく減速させる必要がないため、要求ポンピング損失は小さい。一方、ブレーキペダルの踏込み量が大きくなると、内燃機関を大きく減速させる必要があるため、要求ポンピング損失は大きくなる。

そこで、本実施形態では、燃料カット制御中の機関回転数および要求ポンピング損失に応じてスロットル弁１７の開度を変化させることとしている。すなわち、機関回転数が高いときにはスロットル弁１７の開度を大きくすることでスロットル弁１７下流側の吸気通路内の負圧の増大を抑制し、逆に機関回転数が低いときにはスロットル弁１７の開度を小さくすることでスロットル弁１７下流側の吸気通路内の負圧の低下を抑制することとしている。また、要求ポンピング損失が小さいときにはスロットル弁１７の開度を大きくすることで、スロットル弁１７下流側の吸気通路の負圧の低下を抑制し、発生させるべきポンピング損失が大きいときにはスロットル弁１７の開度を小さくすることで、スロットル弁１７下流側の吸気通路内の負圧を大きくすることとしている。

以上を考慮すると、上記実施形態では、機関減速運転に伴う燃料カット制御中には、吸気弁閉弁時期がＩＶＣ₁になるように可変バルブタイミング機構Ｂが制御され、機械圧縮比が最大限界機械圧縮比になるように可変圧縮比機構Ａが制御され、スロットル弁１７の開度が機関回転数および要求ポンピング損失に応じた開度となるように制御され、よって機械圧縮比、吸気弁閉弁時期およびスロット弁１７の開度を示す動作点は図３５に示された直線Ｆ上を動くことになる。なお、図１０に示した三次元空間の機械圧縮比が最大限界機械圧縮比である面を示している。

なお、図３４および図３５からわかるように、燃料カット制御中には、機械圧縮比、吸気弁閉弁時期およびスロットル弁１７の開度を示す動作点が高負荷側侵入禁止領域Ｘ₁内に侵入することになる。しかしながら、高負荷側侵入禁止領域Ｘ₁は、燃焼室５内での混合気の燃焼を行ったときにノッキングが発生する領域であり、燃料カット制御中にはノッキングは発生しえない。このため、燃料カット制御中に動作点が高負荷側侵入領域Ｘ₁内に侵入しても内燃機関の運転には悪影響が及ぼされない。したがって、燃料カット制御中には動作点が侵入禁止領域Ｘ₁内に侵入することが許可される。

ところで、図３４からわかるように、燃料カット制御中の動作線Ｗ’は通常運転時（燃料カット制御を実行していない時）の動作線Ｗと大きく異なる。このため、本実施形態では、燃料カット制御の開始に伴って要求動作点が基準動作線Ｗ上の動作点から燃料カット時基準動作線Ｗ’上の動作点に移ると、現在の動作点が燃料カット時基準動作線Ｗ’上の動作点になるように機械圧縮比および吸気弁閉弁時期が変更せしめられる。

図３６は、現在の動作点が要求吸入空気量Ｑ₅を満たす基準動作線Ｗ上の点ｍにあるときに、要求吸入空気量がＱ₅からＱ₁へ低下し、これに伴って燃料カット制御が行われた場合の動作点の変化の様子を示している。要求吸入空気量Ｑ₁を満たす基準動作線Ｗ上の動作点はｇ₁であり、上述したように燃料カット制御中の要求動作点は燃料カット時基準動作線Ｗ’上であって機械圧縮比が動作点ｇ₁と同一の点となる。このため、要求吸入空気量がＱ₁へ低下して燃料カット制御が行われたときの要求動作点は、図３６に示される点ｇ₂となる。

機械圧縮比および吸気弁閉弁時期を示す現在の動作点がｍであるときに要求動作点がｇ₂となると、機械圧縮比および吸気弁閉弁時期はそれぞれ要求動作点ｇ₂に対応する機械圧縮比および吸気弁閉弁時期となるように変更せしめられる。図３６に示される例では、燃料カット制御が行われると、動作点ｍから要求動作点ｇ₂に向けて、機械圧縮比が増大せしめられると共に、吸気弁閉弁時期が進角せしめられる。機械圧縮比の変更速度よりも吸気弁閉弁時期の変更速度の方が速いことから、図３６に示される例では、機械圧縮比が要求動作点ｇ₂に対応する機械圧縮比に到達するよりも先に吸気弁閉弁時期が要求動作点に対応する吸気弁閉弁時期（すなわちＩＶＣ₁）となり、動作点が点ｈとなる。その後、機械圧縮比のみが増大せしめられ、最終的に要求動作点ｇ₂に到達することになる。

一方、燃料カット制御が終了せしめられると、要求動作点が燃料カット時基準動作線Ｗ’上の動作点から基準動作線Ｗ上の動作点に移る。このため、燃料カット制御が終了せしめられて通常制御に復帰するときには、現在の動作点が基準動作線Ｗ上の動作点になるように機械圧縮比および吸気弁閉弁時期が変更せしめられる。

図３７は、燃料カット制御中に動作点がｎ点にあるときに燃料カット制御が終了する場合の動作点の変化の様子を示している。この場合、要求動作点は図３７に示される基準動作線Ｗ上の点ｉとなる。上述したように、燃料カット制御中には機械圧縮比が、要求吸入空気量を満たす基準動作線Ｗ上の動作点（すなわち、点ｉ）に対応する機械圧縮比となっている。したがって、燃料カット制御中の動作点ｎにおける機械圧縮比と、燃料カット制御終了時の要求動作点ｉの機械圧縮比はほぼ同一である。したがって、燃料カット制御が終了せしめられて通常制御に復帰するときには、機械圧縮比はほとんど変更されず、吸気弁閉弁時期およびスロットル弁１７の開度のみが変更されることになる。

図３７に示された例では、燃料カット制御が終了せしめられて要求動作点が燃料カット時基準動作線Ｗ’の動作点から基準動作線Ｗ上の動作点に変化したときには、機械圧縮比は最大限界機械圧縮比に維持されたまま、吸気弁閉弁時期が遅角せしめられる。

また、燃料カット制御の終了に伴って要求動作点が燃料カット時基準動作線Ｗ’上の動作点から基準動作線Ｗ上の動作点に変更されたときには、スロットル弁１７の開度も変更せしめられる。すなわち、燃料カット制御中にはスロットル弁１７の開度は機関回転数および要求ポンピング損失に応じて最適な開度に設定されているが、燃料カット制御が終了せしめられるとスロットル弁１７の開度は要求吸入空気量を満たす動作点に対応するスロットル弁１７の開度に変更せしめられる。図３６および図３７に示された例では、燃料カット制御終了時の要求吸入空気量はＱ₁であるため、燃料カット制御が終了せしめられると、スロットル弁１７の開度は最小となるように変更せしめられる。

このように本発明による実施形態では、燃料カット制御が実行されるときには、吸気弁閉弁時期が吸気下死点近傍の時期とされ、よって基本的に吸気弁閉弁時期が要求吸入空気量（要求機関負荷）に応じた目標閉弁時期よりも進角側の閉弁時期となるように可変バルブタイミング機構Ｂが制御される。このように燃料カット制御中に吸気弁閉弁時期を進角側の時期とすることにより、大きなポンピング損失を発生させることができるようになり、よって適切に内燃機関を減速させることができるようになる。

また、燃料カット制御が実行されるときには、機械圧縮比が要求吸入空気量（要求機関負荷）に応じた機械圧縮比となるように可変圧縮比機構Ａが制御されることにより、燃料カット制御が終了せしめられるときに、動作点を迅速に基準動作線Ｗ上の動作点に移動させることができる。ここで、上述したように可変圧縮比機構Ａによる機械圧縮比変化の応答性はかなり遅い。このため、燃料カット制御が終了せしめられて要求動作点が変化したときに機械圧縮比を変更する必要があると、動作点が要求動作点まで到達するのに時間がかかり、燃焼室５内での燃焼の再開の遅延を招いたり、場合によっては動作点が侵入禁止領域Ｘ₁内にあるうちに燃焼室５内での混合気の燃焼を開始しなければいけなくなる。本実施形態では、動作点を迅速に基準動作線Ｗ上の動作点に移動させることができるため、燃焼再開の遅延や侵入禁止領域内での燃焼再開を抑制することができる。

図３８は、図３６および図３７に示される燃料カット制御を実行する際の、点火時期、吸気弁閉弁時期、機械圧縮比およびスロットル開度等のタイムチャートを示している。図３８に示された例では、時刻ｔ₀において燃料カット制御（ＦＣ制御）の実行条件が成立している。機関減速運転に伴う燃料カット制御の実行条件が成立する場合とは、例えばアクセルペダル４０の踏込み量が０であって且つ機関回転数が所定回転数（例えば２０００ｒｐｍ）以上である場合である。図３６および図３７に示した例では、要求吸入空気量がＱ₅からＱ₁に変更されたときに燃料カット制御の実行条件が成立することになる。

時刻ｔ₀において燃料カット制御の実行条件が成立すると、点火プラグ６による点火時期を遅角する点火時期遅角制御が開始される。点火時期遅角制御は、燃料を供給している状態から燃料の供給を停止する燃料カット制御を開始したときに発生しうるトルクショックを抑制するために行われる。すなわち、一般に、点火時期を遅角すると、燃料の燃焼によって発生するトルクが小さくなる。したがって、燃料カット制御の実行開始前に点火時期を徐々に遅角して燃料の燃焼によって発生するトルクを小さくしておけば、燃料カット制御の開始直前にはトルクが小さくなっており、よって燃料カット制御の開始によるトルクショックを小さくすることができる。

この点火時期遅角制御によって点火時期が遅角せしめられて、時刻ｔ₃において燃料の供給を停止しても大きなトルクショックが発生しないような予め定められた基準点火時期に到達すると、燃料の供給が停止せしめられて燃料カット制御が開始される。

一方、本発明による実施形態では、基準動作線Ｗから燃料カット時基準動作線Ｗ’への変更も燃料カット制御の実行条件成立時に行われる。したがって、図３６に示された例では、時刻ｔ₀において、要求動作点が基準動作線Ｗ上の点ｇ₁から燃料カット時基準動作線Ｗ’上の点ｇ₂へと変更される。このため、時刻ｔ₀において、要求動作点ｇ₂に対応する目標機械圧縮比（すなわち、最大限界機械圧縮比）へ向けて機械圧縮比の変更が開始され、動作点ｇ₂に対応する吸気弁７の目標閉弁時期（すなわち、図３４、３５に示される閉弁時期ＩＶＣ₁）へ向けて吸気弁閉弁時期の変更が開始される。さらに、時刻ｔ₀において、現在の機関回転数および要求ポンピング損失からスロットル弁１７の目標開度を求めることができるため、時刻ｔ₀においてこの目標開度に向けてスロットル弁１７の開度の変更が開始せしめられる。

その後、図３８に示された例では、時刻ｔ₁においてスロットル弁１７が上記目標開度に到達し、次いで時刻ｔ₂において吸気弁閉弁時期が上記目標閉弁時期に到達する。このとき機械圧縮比および吸気弁閉弁時期を示す動作点は図３６の点ｈに到達している。その後、スロットル弁１７の開度および吸気弁閉弁時期は目標開度および目標閉弁時期に維持されたまま機械圧縮比が増大せしめられ、時刻ｔ₄において、機械圧縮比が上記目標機械圧縮比に到達する。このとき機械圧縮比および吸気弁閉弁時期を示す動作点は図３６のｇ₂点に到達している。

このように、本発明による実施形態では、点火時期遅角制御の実行開始と同時に、燃料カット時基準動作線Ｗ’上の動作点へ向けて機械圧縮比、吸気弁閉弁時期およびスロットル弁１７の開度の変更が開始される。これにより、機械圧縮比等の変更に伴うトルク変動を抑制することができると共に、内燃機関の減速を早期に行うことができるようになる。

すなわち、点火時期遅角制御の実行中には点火時期の遅角に伴って多少のトルク変動が発生する。一方、燃料カット制御の実行中に機械圧縮比等を変更することによっても多少のトルク変動が発生する。したがって、点火時期遅角制御と機械圧縮比等の変更とを別々のタイミングで行うとトルク変動が２回発生することになる。これに対して、点火時期遅角制御と機械圧縮比等の変更とを同時に行えば、トルク変動の発生回数を減らすことができる。

また、点火時期遅角制御の終了後に燃料カット制御が開始されてから機械圧縮比等の変更を行うと、その分だけポンピング損失の発生タイミングが遅くなり、これに伴って内燃機関の減速も遅くなる。これに対して、点火時期遅角制御と機械圧縮比等の変更とを同時に行えば、内燃機関の減速を早期に行うことができるようになる。

なお、点火時期遅角制御中に機械圧縮比等の変更を行うと、未だ燃焼室５内で燃焼が行われているときに、機械圧縮比、吸気弁閉弁時期およびスロットル弁１７の開度を示す動作点が、高負荷側侵入禁止領域Ｘ₁内に侵入してしまう場合がある。しかしながら、点火時期を遅角すると燃焼室５内ではノッキングが発生しにくくなるため、たとえ動作点が高負荷側侵入禁止領域Ｘ₁内に侵入してもノッキングはほとんど発生しない。

なお、機械圧縮比等の変更の開始は必ずしも点火時期遅角制御の実行開始と同時である必要はなく、点火時期遅角制御実行期間と機械圧縮比等の変更期間が重なっていればよい。したがって、機械圧縮比等の変更は点火時期遅角制御の開始以降であって燃料カット制御開始前に開始されるか、或いは燃料カット実行条件成立以降であって燃料カット制御開始前に開始されればよい。

一方、燃料カット制御により内燃機関が減速されて、時刻ｔ₆において燃料カット制御終了条件が成立すると、燃料カット制御が終了せしめられる。燃料カット制御終了条件が成立する場合としては、例えば機関回転数が復帰回転数（例えば１３００ｒｐｍ）以下となった場合等が挙げられる。

ところで、上述したように燃料カット制御を終了する際には、要求動作点が燃料カット時基準動作線Ｗ’上の動作点から基準動作線Ｗ上の動作点に移り、その結果、吸気弁閉弁時期が遅角せしめられると共にスロットル弁１７の開度が小さくされる。ここで、燃料カット制御が終了した時点で吸気弁閉弁時期の遅角とスロットル弁１７の開度の縮小を開始すると、機械圧縮比、吸気弁閉弁時期およびスロットル弁１７の開度を示す動作点が基準動作線Ｗ上の要求動作点に到達するのは燃料カット制御の終了から或る程度の時間が経過した後になる。

このため燃料カット制御の終了から或る程度の時間が経過するまでは、場合によっては機械圧縮比、吸気弁閉弁時期およびスロットル弁１７の開度を示す動作点が高負荷側侵入禁止領域Ｘ₁内を移動することになる。したがって、燃料カット制御終了直後から燃焼室５内への燃料供給を開始すると、ノッキングの発生を招いてしまうことになる。

一方、ノッキングの発生を防止するために、燃料カット制御が終了してから動作点が基準動作点Ｗ上の要求動作点に到達するまで燃焼室５内への燃料供給を遅延させると、燃料カット制御の終了条件が成立しているにも関わらず直ぐに燃料の燃焼を再開させることができない。

そこで、本発明による実施形態では、燃料カット制御を終了する復帰時期を予測すると共に、予測された復帰時期に吸気弁閉弁時期が基準動作線Ｗ上の要求動作点に対応する吸気弁閉弁時期に到達するように、燃料カット制御終了前から吸気弁閉弁時期を変更することとしている。

図３９を参照して具体的に説明する。図３９は、燃料カット制御実行中の現在の動作点がｎ点であり、現在の要求吸入空気量（すなわち、機関負荷またはアクセルペダル４０の踏込み量）を満たす基準動作線Ｗ上の動作点がｉ点にある場合を示している。動作点ｎの吸気弁閉弁時期はＩＶＣ₁となっており、動作点ｉの吸気弁閉弁時期はＩＶＣ₂となっている。

燃料カット制御中には燃料カット制御を終了する復帰時期が常に予測され、これと共に予測された復帰時期までの時間ΔＴが算出される。さらに燃料カット制御中にはこれと並行して現在の吸気弁閉弁時期ＩＶＣ₁と、現在の要求吸入空気量を満たす基準動作線Ｗ上の動作点に対応する吸気弁閉弁時期ＩＶＣ₂との閉弁時期の差ΔＩＶＣが算出されると共に、可変バルブタイミング機構Ｂを最大速度で動作させたときに吸気弁閉弁時期を上記閉弁時期の差ΔＩＶＣだけ変化させるのにかかる時間Ｔｉｖｃを算出する。

燃料カット制御開始直後は、復帰時期までの時間ΔＴは比較的長いため、時間Ｔｉｖｃよりも復帰時期までの時間ΔＴの方が長い。その後、燃料カット制御が進むと、復帰時期までの時間ΔＴが徐々に短くなり、ついには時間Ｔｉｖｃが復帰時期までの時間ΔＴと等しくなる。そして、このように時間Ｔｉｖｃが上記予測された復帰時間ΔＴと等しくなると、基準動作線Ｗ上の動作点ｉに対応する吸気弁閉弁時期ＩＶＣ₂へ向けた吸気弁閉弁時期の変更が開始され、その後、吸気弁閉弁時期が最大速度で遅角せしめられる。これにより、燃料カット制御終了時には、吸気弁閉弁時期は、基準動作線Ｗ上の要求動作点ｉに対応する吸気弁閉弁時期ＩＶＣ₂に到達することになる。

燃料カット制御を終了する復帰時期の予測は、たとえば現在の機関回転数と復帰回転数との差や、現在の機関回転数の減少速度等に基づいて行われる。すなわち、現在の機関回転数と終了基準回転数との差が大きいほど復帰時期は遅くなり、また現在の機関回転数の減少速度が遅いほど復帰時期は遅くなる。したがって、本実施形態では、現在の機関回転数と復帰回転数との差や、現在の機関回転数の減少速度等と、機関回転数が復帰回転数に到達するまでにかかる時間との関係を予め計算によりまたは実験により求め、マップとしてＥＣＵ３０のＲＯＭ３２に保存すると共に、このマップを用いて現在の機関回転数と現在の機関回転数の減少速度とに基づいて復帰時期を算出することとしている。

本発明による実施形態によれば、燃料カット制御終了前から、燃料カット終了後の要求動作点に対応する吸気弁閉弁時期に向けて吸気弁閉弁時期が変更せしめられることにより、燃料カット終了時には吸気弁閉弁時期が燃料カット終了後の要求動作点に対応する吸気弁閉弁時期ＩＶＣ₂に到達することになる。このため、燃料カット終了直後からノッキングの発生を招くことなく燃料の燃焼を再開させることができる。

なお、上記実施形態では、燃料カット制御を終了する際に、予測された復帰時期に吸気弁閉弁時期が基準動作線Ｗ上の要求動作点に対応する吸気弁閉弁時期に到達するように、燃料カット制御終了前から吸気弁閉弁時期を変更することとしているが、必ずしもこのように吸気弁閉弁時期を変更する必要はなく、予測された復帰時期に機械圧縮比と吸気弁閉弁時期とを示す動作点が侵入禁止領域Ｘ₁外に位置するように（例えば、図３９の点ｉ’に位置するように）燃料カット制御終了前から吸気弁閉弁時期を変更すればよい。

ところで、上記実施形態では、燃料カット制御実行時には、吸気弁閉弁時期の目標値は予め定められた一定の時期ＩＶＣ₁とされている。しかしながら、燃料カット制御実行中の吸気弁閉弁時期の目標値は一定でなくてもよく、たとえば機関回転数や要求ポンピング損失に基づいて変動するものであってもよい。この場合、吸気弁閉弁時期の目標値は、機関回転数が低くなるほどスロットル弁１７下流の吸気通路内に負圧が発生しにくいことから進角せしめられ、また要求ポンピング損失が大きくなるほどスロットル弁１７下流の吸気通路内に大きな負圧を発生させるべく進角せしめられる。

或いは、燃料カット制御実行時には吸気弁閉弁時期とスロットル弁１７の開度とを相互に関連させて制御してもよい。内燃機関に発生するポンピング損失は図４０に示されるように吸気弁閉弁時期とスロットル弁１７の開度とによって変化する。図４０からわかるように、スロットル弁１７の開度と吸気弁閉弁時期とを変化させても発生するポンピング損失が一定になる場合が存在し、例えば吸気弁閉弁時期がＩＶＣ₃でスロットル弁１７の開度がθ₃であるときと、吸気弁閉弁時期がＩＶＣ₄でスロットル弁１７の開度がθ₄であるときとは、発生するポンピング損失は同一となる。

そこで、燃料カット制御中には、要求ポンピング損失が発生する吸気弁閉弁時期およびスロットル弁１７の開度のうち、燃料カット制御終了時に機械圧縮比および吸気弁閉弁時期およびスロットル弁１７の開度を示す動作点が最も速く燃料カット制御終了後の要求動作点に到達するような吸気弁閉弁時期およびスロットル弁１７の開度となるようにしてもよい。これにより、燃料カット制御実行時に要求ポンピング損失を発生させつつ、燃料カット制御終了時に機械圧縮比および吸気弁閉弁時期およびスロットル弁１７の開度を示す動作点を迅速に燃料カット制御終了後の要求動作点に到達させることができる。

図４１は、燃料カット制御を考慮した、内燃機関の運転制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは、予め定められた一定時間毎の割込みによって実行される。

図４１を参照すると、まずステップ３００では、燃料カットフラグ（ＦＣフラグ）Ｘｆｃが０であるか否かが判定される。燃料カットフラグＸｆｃは、燃料カット制御の実行条件が成立すると１とされ、その後、燃料カット制御の終了条件が成立すると０にリセットされるフラグである。前回のルーチンまでに燃料カット制御の実行条件が成立していないときには燃料カットフラグＸｆｃは０とされており、ステップ３０１へと進む。

ステップ３０１では、燃料カット制御の実行条件が成立したか否かが判別される。燃料カット制御の実行条件が成立する場合とは、例えばアクセルペダル４０の踏込み量が０であって、機関回転数が所定回転数以上である場合が挙げられる。ステップ３０１において燃料カット制御の実行条件が成立したと判定された場合にはステップ３０２へと進む。ステップ３０２では、燃料カットフラグＸｆｃが１とされる。

このように燃料カット制御の実行条件が成立して燃料カットフラグＸｆｃが１とされると、次回のルーチンでは、ステップ３００において燃料カットフラグＸｆｃが０ではないと判定されてステップ３０３へと進む。ステップ３０３では、点火時期遅角制御の実行条件が成立しているか否かが判別される。点火時期遅角制御の実行条件は、たとえば燃料カット制御の実行条件が成立してから所定時間が経過するまでの間に成立し、所定時間経過後に不成立となる。

ステップ３０３で点火時期遅角制御の実行条件が成立していると判定された場合には、ステップ３０４へと進む。ステップ３０４では、点火時期遅角制御が実行され、徐々に点火時期が遅角される。次いで、ステップ３０５では、アクセルペダル４０の踏込み量等から要求吸入空気量ＧＸが算出され、ステップ３０６では、図３６を用いて説明したように要求吸入空気量ＧＸに基づいて燃料カット時基準動作線Ｗ’上の目標動作点が決定せしめられる。

その後、所定時間に亘って点火時期遅角制御が実行されて、点火時期が十分に遅角されると、次のルーチンでは、ステップ３０３において点火時期遅角制御の実行条件が成立していないと判定され、ステップ３０７へと進む。ステップ３０７では、燃料カット制御が実行される。すなわち、燃焼室５内への燃料の供給が停止せしめられる。次いで、ステップ３０８では、燃料カット制御の終了条件が成立したか否かが判定される。燃料カット制御の終了条件が成立する場合とは、たとえば機関回転数が復帰回転数以下となった場合や、アクセルペダル４０が踏み込まれた場合等が挙げられる。

ステップ３０８において燃料カット制御の終了条件が成立していないと判定されると、次いでステップ３０９へと進む。ステップ３０９では、吸気弁閉弁時期を上述した閉弁時期の差ΔＩＶＣだけ変化させるのにかかる時間Ｔｉｖｃと、現在から燃料カット制御を終了する復帰時期までの時間ΔＴとが算出される。次いで、ステップ３１０では、吸気弁７の変化にかかる時間Ｔｉｖｃが復帰時期までの時間ΔＴ以下であるか否かが判別される。吸気弁７の変化にかかる時間Ｔｉｖｃが復帰時間までの時間ΔＴよりも長いと判定された場合には、ステップ３０５、３０６へ進んで、燃料カット時基準動作線Ｗ’上の目標動作点が決定せしめられる。

その後、燃料カット制御が進んで、ステップ３１０において吸気弁７の変化にかかる時間Ｔｉｖｃが復帰時期までの時間ΔＴ以下になると、ステップ３１１へと進む。ステップ３１１では、ステップ３０５と同様に要求吸入空気量ＧＸが算出され、次いでステップ３２２では図３７を用いて説明したように要求吸入空気量ＧＸに基づいて基準動作線Ｗ上の目標動作点が決定せしめられる。これにより、動作点が要求吸入空気量ＧＸを満たす基準動作線Ｗ上の目標動作点に向かって変更されることになる。

その後、燃料カット制御の終了条件が成立すると、次のルーチンではステップ３０８からステップ３１３へと進む。ステップ３１３では、燃料カットフラグＸｆｃが０とされる。燃料カットフラグＸｆｃが０とされると、次のルーチンでは、ステップ３００からステップ３０１へと進み、ステップ３０１においても燃料カット制御の実行条件が成立していないことから、ステップ３１４へと進む。ステップ３１４では、通常制御が行われ、図３２に示したルーチンによって機械圧縮比等の目標値が算出される。

次に、本発明の第二実施形態について説明する。上記では、減速運転時の燃料カット制御についてのみ説明しているが、上記実施形態では、減速運転に伴う燃料カット制御時以外にも、機関回転数や車速が過剰に上昇して機関回転数や車速を低下させることが必要とされる場合、オートマチックトランスミッションにおいてシフトアップが行われる際に機関回転数を低下させる場合等の燃料カット制御時にも上述した機械圧縮比、吸気弁閉弁時期およびスロットル弁１７の開度の制御が行われる。

しかしながら、例えばシフトアップが行われる際の燃料カット制御等は短時間のみしか行われない。このため、このような燃料カット制御時にはポンピング損失を大きくすることが必要とされず、よって吸気弁閉弁時期等を上述したように制御しても十分な効果を得ることができない。そればかりか、可変圧縮比機構Ａの駆動モータ５９、可変バルブタイミング機構Ｂの作動油供給制御弁７８の作動頻度を高め、これらアクチュエータの耐久性の低下を招いてしまう。

そこで、本実施形態では、シフトアップ時の燃料カット制御等、燃料カット制御が一定時間よりも短い時間しか行われないような場合には、上述したような動作線の切替を行わないこととしている。したがって、このような場合には燃料カット制御中であっても機械圧縮比および吸気弁閉弁時期が要求機関負荷に応じた目標機械圧縮比および吸気弁の目標閉弁時期となるように可変圧縮比機構Ａおよび可変バルブタイミング機構Ｂが制御されることになる。これにより、アクチュエータの耐久性低下を抑制ことができる。

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

Claims (6)

1. 機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、吸気弁の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構とを具備し、機関通常運転時には要求機関負荷に応じた目標機械圧縮比および吸気弁の目標閉弁時期となるように可変圧縮比機構および可変バルブタイミング機構が制御される火花点火式内燃機関において、
   機関運転状態に応じて燃料供給を停止する燃料カット制御を実行可能であり、
   燃料カット制御が実行されるときには、機械圧縮比が要求機関負荷に応じた目標機械圧縮比となるように可変圧縮比機構が制御せしめられると共に、吸気弁の閉弁時期が上記目標閉弁時期よりも進角側の閉弁時期となるように可変バルブタイミング機構が制御され、
   上記燃料カット制御は燃料カット実行条件が成立した後に開始され、
   上記燃料カット条件が成立してから燃料カット制御が開始されるまでの間に点火時期を遅角させる点火時期遅角制御が行われ、
   上記燃料カット制御の実行に伴う機械圧縮比および吸気弁の閉弁時期の変更は、点火時期遅角制御の開始以降であって燃料カット制御開始前に開始されると共にその変更期間が前記点火時期遅角制御の実行期間と重なるように行われる、火花点火式内燃機関。
2. 機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、吸気弁の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構とを具備し、機関通常運転時には要求機関負荷に応じた目標機械圧縮比および吸気弁の目標閉弁時期となるように可変圧縮比機構および可変バルブタイミング機構が制御される火花点火式内燃機関において、
   機関運転状態に応じて燃料供給を停止する燃料カット制御を実行可能であり、
   燃料カット制御が実行されるときには、機械圧縮比が要求機関負荷に応じた目標機械圧縮比となるように可変圧縮比機構が制御せしめられると共に、吸気弁の閉弁時期が上記目標閉弁時期よりも進角側の閉弁時期となるように可変バルブタイミング機構が制御され、
   機械圧縮比と吸気弁の閉弁時期との組合せに対し侵入禁止領域を設定し、内燃機関の通常運転時には機械圧縮比と吸気弁の閉弁時期との組合せを示す動作点が該侵入禁止領域内に侵入するのを禁止し、
   燃料カット制御中には上記侵入禁止領域内に侵入するのが許可され、
   上記燃料カット制御中に燃料カット制御を停止する復帰時期を予測する復帰時期予測手段を更に具備し、燃料カット制御中に復帰時期予測手段によって予測された復帰時期に機械圧縮比と吸気弁の閉弁時期との組合せを示す動作点が上記侵入禁止領域外に位置するように燃料カット制御停止前から吸気弁の閉弁時期が変更せしめられる、火花点火式内燃機関。
3. 上記燃料カット制御は燃料カット実行条件が成立した後に開始され、
   上記燃料カット制御の実行に伴う機械圧縮比および吸気弁の閉弁時期の変更は燃料カット条件成立以降であって燃料カット制御開始前に開始される、請求項１又は２に記載の火花点火式内燃機関。
4. 上記燃料カット制御中に燃料カット制御を終了する復帰時期を予測する復帰時期予測手段を更に具備し、燃料カット制御中に復帰時期予測手段によって予測された復帰時期に吸気弁の閉弁時期が要求機関負荷に応じた目標閉弁時期となるように燃料カット制御終了前から吸気弁の閉弁時期が変更せしめられる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の火花点火式内燃機関。
5. 上記燃料カット制御は機関回転数が復帰回転数にまで低下することによって終了せしめられ、上記復帰時期予測手段は現在の機関回転数と復帰回転数との差に基づいて復帰時期を予測する、請求項２または４に記載の火花点火式内燃機関。
6. 燃料カット制御が実行されるときであっても、該燃料カット制御の実行時間が一定時間よりも短い場合には、機械圧縮比および吸気弁閉弁時期が要求機関負荷に応じた目標機械圧縮比および吸気弁の目標閉弁時期となるように可変圧縮比機構および可変バルブタイミング機構が制御される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の火花点火式内燃機関。

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