JP5954148B2

JP5954148B2 - 内燃機関

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Publication number: JP5954148B2
Application number: JP2012269252A
Authority: JP
Inventors: 河崎　高志; 高志河崎
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2032-12-10
Also published as: JP2014114742A

Description

本発明は、内燃機関に関する。

内燃機関の燃焼室では、空気および燃料の混合気が圧縮された状態で燃焼する。混合気を圧縮するときの圧縮比は、出力されるトルクおよび燃料消費量に影響を与えることが知られている。圧縮比を高くすることにより出力されるトルクを大きくしたり、燃料消費量を少なくしたりすることができる。一方で、圧縮比を高くしすぎると、ノッキング等の異常燃焼が生じることが知られている。従来の技術においては、運転期間中に圧縮比を変更できる内燃機関が知られている。

特開２００７−９２６１０号公報には、可変圧縮比機構と、シリンダブロックの側面に取り付けられたノックセンサと、ノックセンサの出力値に基づいて内燃機関の気筒においてノッキングが発生したことを検出するＥＣＵ（Electronic Control Unit）とを備える内燃機関が開示されている。この内燃機関では、ノッキングの発生が検出された場合に、圧縮比の変更動作中の少なくとも一部の期間には、点火時期を変化させる制御を禁止することが開示されている。

特開２０１０−１９０１９３号公報には、可変圧縮比機構と可変動弁機構とを備える内燃機関が開示されている。この公報には、加速時には低機械圧縮比に制御することが開示されている。また、加速時の可変圧縮比機構の応答遅れによる過渡的なノッキングを回避するために、目標の吸気弁の閉弁時期を遅角側のノッキング限界まで遅角し、同時に、スロットル弁開度を減少することが開示されている。

特開２０１１−２２６３０２号公報においては、可変圧縮比機構と、可変バルブタイミング機構とを備える火花点火式内燃機関が開示されている。この公報では、機械圧縮比、吸気弁閉弁時期および吸入空気量の組合せからなる動作点が進入すると異常燃焼が発生する三次元燃焼異常領域にならないように、動作点の許可領域が設定されることが開示されている。

特開２００７−９２６１０号公報特開２０１０−１９０１９３号公報特開２０１１−２２６３０２号公報

ノッキング等の異常燃焼は、所望の燃焼の伝播とは異なる燃焼が生じることにより発生する。異常燃焼が生じることにより気筒内の気体が振動し、所定の周波数を有する圧力波が生じる。この結果、シリンダブロックを含む機関本体が振動する。異常燃焼の検出においては、異常燃焼により生じた機関本体の振動を機関本体に取り付けたノックセンサにより検出することができる。または、燃焼室の圧力を直接的に検出する筒内圧センサにより、異常燃焼の発生を検出することができる。

ところが、シリンダヘッド等に筒内圧センサを取り付けた場合に、異常燃焼が生じると、燃焼室内の気体の振動により筒内圧センサが共振する場合があった。筒内圧センサは、小型であるために共振周波数は高くなる。しかしながら、例えば圧縮比可変機構により燃焼室の容積を小さくし、機械圧縮比を高くした場合に異常燃焼が生じると、筒内圧センサが共振する場合があった。異常燃焼時の気体の振動に対して筒内圧センサが共振すると故障する虞があった。

本発明は、異常燃焼が発生した場合の筒内圧センサの共振を抑制する内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関は、ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積を変更することにより機械圧縮比を変更可能な圧縮比可変機構と、気筒内の圧力振動を取得する筒内圧センサとを備える。圧縮比可変機構は、負荷に応じて機械圧縮比を変更するように形成されている。異常燃焼が発生した時の燃焼室内の気体の圧力振動には、燃焼室の高さ方向に共鳴して燃焼室の高さに依存する周波数を有する特定圧力振動が含まれている。圧縮比可変機構は、異常燃焼が発生した時の特定圧力振動の周波数が筒内圧センサの共振周波数から外れるように機械圧縮比を設定する。

上記発明においては、内燃機関の要求負荷を検出する要求負荷検出器を備え、筒内圧センサに共振が生じる機械圧縮比の範囲に近接する機械圧縮比の範囲に対応した負荷の切替え範囲が予め定められており、上記切替え範囲は、負荷に基づいて機械圧縮比を設定する制御を切替える範囲であり、圧縮比可変機構は、負荷が上記切替え範囲の外部の値である場合には、負荷の変化に応じて機械圧縮比を変更し、負荷が上記切替え範囲の内部の値である場合には、負荷が変化したときに筒内圧センサに共振が生じる機械圧縮比から離れた機械圧縮比に維持することができる。

上記発明においては、圧縮比可変機構は、負荷が低下して上記切替え範囲に到達した場合には、筒内圧センサに共振が生じる機械圧縮比より大きな機械圧縮比にまで上昇させ、上記切替え範囲の内部では、上昇させた機械圧縮比に維持することができる。

上記発明においては、圧縮比可変機構は、要求負荷検出器の出力により急加速が要求されていると判別される場合に、負荷が上昇して上記切替え範囲に到達した時には、筒内圧センサに共振が生じる機械圧縮比より小さな機械圧縮比にまで低下させ、上記切替え範囲の内部では、低下させた機械圧縮比に維持することができる。

本発明によれば、異常燃焼が発生した場合の筒内圧センサの共振を抑制することができる。

実施の形態における内燃機関の概略断面図である。実施の形態の内燃機関において、機械圧縮比が高圧縮比の時のシリンダブロックおよびクランクケースの部分の概略断面図である。実施の形態の内燃機関において、機械圧縮比が低圧縮比の時のシリンダブロックおよびクランクケースの部分の概略断面図である。実施の形態の内燃機関において、クランク角度に対する燃焼室の高さの関係を示すグラフである。異常燃焼が発生したときの気筒内の圧力振動の周波数と強度との関係を説明するグラフである。実施の形態におけるクランク角度に対する特定圧力振動の共鳴周波数のグラフである。実施の形態における機械圧縮比に対する特定圧力振動の共鳴周波数のグラフである。負荷に対する機械圧縮比の変更を説明する第１のグラフである。負荷に対する機械圧縮比の変更を説明する第２のグラフである。実施の形態における第１の運転制御のフローチャートである。実施の形態における第２の運転制御のフローチャートである。

図１から図１１を参照して、実施の形態における内燃機関について説明する。本実施の形態においては、車両に配置されている火花点火式の内燃機関を例に取り上げて説明する。

図１は、本実施の形態における内燃機関の概略図である。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む。シリンダブロック２の内部には、ピストン３が配置されている。ピストン３は、シリンダブロック２の内部で往復運動する。燃焼室５は、それぞれの気筒ごとに形成されている。

シリンダヘッド４には、吸気ポート７および排気ポート９が形成されている。吸気弁６は吸気ポート７の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関吸気通路を開閉可能に形成されている。排気弁８は、排気ポート９の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関排気通路を開閉可能に形成されている。吸気弁６は、吸気カム５１が回転することにより開閉する。排気弁８は、排気カム５２が回転するようことにより開閉する。また、シリンダヘッド４には、点火装置としての点火プラグ１０が固定されている。点火プラグ１０は、燃焼室５にて燃料を点火するように形成されている。

本実施の形態における内燃機関は、気筒内の圧力を検出するための筒内圧センサ６１を含む。筒内圧センサ６１は、燃焼室５の内部の気体の圧力振動を取得する。筒内圧センサ６１は、シリンダヘッド４に固定されている。筒内圧センサ６１は、ピストン３が移動する方向と交差する燃焼室５の頂面に配置されている。また、筒内圧センサ６１は、点火プラグ１０の近傍に配置されている。すなわち、筒内圧センサ６１は、燃焼室５の頂面の中央部分に配置されている。

本実施の形態における内燃機関は、燃焼室５に燃料を供給するための燃料噴射弁１１を備える。燃料噴射弁１１は、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２９を介して燃料タンク２８に接続されている。燃料タンク２８内に貯蔵されている燃料は、燃料ポンプ２９によって燃料噴射弁１１に供給される。

各気筒の吸気ポート７は、対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結されている。サージタンク１４は、吸気ダクト１５を介してエアクリーナ（図示せず）に連結されている。吸気ダクト１５の内部には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１６が配置されている。吸気ダクト１５の内部には、ステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置されている。一方、各気筒の排気ポート９は、対応する排気枝管１９に連結されている。排気枝管１９は、排気処理装置２１に連結されている。本実施の形態における排気処理装置２１は、三元触媒２０を含む。排気処理装置２１は、排気管２２に接続されている。

本実施の形態における内燃機関は、電子制御ユニット３１を備える。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、デジタルコンピュータを含む。電子制御ユニット３１は、双方向バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を含む。

エアフローメータ１６の出力信号は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。アクセルペダル４０には、負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１は、要求負荷を検出する要求負荷検出器として機能する。負荷センサ４１は、アクセルペダル４０の踏込量に応じた出力電圧を発生する。この出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。筒内圧センサ６１は、燃焼室５の圧力に応じた出力信号を発生する。筒内圧センサ６１の出力信号は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力されている。

クランク角センサ４２は、クランクシャフトが、例えば所定の角度を回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスは入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４２の出力により、機関回転数を検出することができる。また、クランク角センサ４２の出力により、クランク角度を検出することができる。機関排気通路において、排気処理装置２１の下流には、排気処理装置２１の温度を検出する温度検出器としての温度センサ４３が配置されている。温度センサ４３の出力信号は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

電子制御ユニット３１の出力ポート３７は、それぞれの対応する駆動回路３９を介して燃料噴射弁１１および点火プラグ１０に接続されている。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、燃料噴射制御や点火制御を行うように形成されている。また、出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介して、スロットル弁１８を駆動するステップモータ１７および燃料ポンプ２９に接続されている。これらの機器は、電子制御ユニット３１により制御されている。

本実施の形態における内燃機関は、可変動弁機構を備える。可変動弁機構は、吸気弁６の開閉時期を変更する可変バルブタイミング装置５３を含む。本実施の形態における可変バルブタイミング装置５３は、吸気カム５１を支持するカムシャフトに接続されている。可変バルブタイミング装置５３は、電子制御ユニット３１により制御されている。

本実施の形態における内燃機関は、圧縮比可変機構を備える。本発明においては、ピストンの任意の位置におけるピストンの冠面とシリンダヘッドとに囲まれる気筒内の空間を燃焼室と称する。内燃機関の圧縮比は、ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積等に依存して定まる。本実施の形態における圧縮比可変機構は、ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積を変更することにより圧縮比を変更するように形成されている。

図２に、本実施の形態における内燃機関の圧縮比可変機構の第１の概略断面図を示す。図２は、圧縮比可変機構により高圧縮比になったときの概略図である。図３に、本実施の形態における内燃機関の圧縮比可変機構の第２の概略断面図を示す。図３は、圧縮比可変機構により低圧縮比になったときの概略図である。図２および図３は、ピストン３が上死点に到達した状態を示している。

図１から図３を参照して、本実施の形態における内燃機関は、クランクケース７９を含む支持構造物と、支持構造物の上側に配置されているシリンダブロック２とが相対移動する。本実施の形態における支持構造物は、圧縮比可変機構を介してシリンダブロック２を支持している。また、本実施の形態における支持構造物は、クランクシャフトを回転可能に支持している。ピストン３は、コネクティングロッド２３を介してクランクシャフトに支持されている。

シリンダブロック２の両側の側壁の下方には複数個の突出部８０が形成されている。突出部８０には、断面形状が円形のカム挿入穴が形成されており、カム挿入穴の内部には円形カム８６が回転可能に配置されている。クランクケース７９には、複数個の突出部８２が形成されている。突出部８２には、断面形状が円形のカム挿入穴が形成されており、カム挿入穴の内部には円形カム８８が回転可能に配置されている。シリンダブロック２の突出部８０は、クランクケース７９の突出部８２同士の間に嵌合する。

シリンダブロック２の突出部８０に挿入されている円形カム８６と、クランクケース７９の突出部８２に挿入されている円形カム８８とは、偏心軸８７を介して互いに連結されている。複数の円形カム８６と複数の円形カム８８とが、偏心軸８７を介して連結されることにより、カムシャフト８４，８５が構成されている。本実施の形態においては、一対のカムシャフト８４，８５が形成されている。本実施の形態における圧縮比可変機構は、一対のカムシャフト８４，８５を互いに反対方向に回転させる回転装置を含む。円形カム８８は、カムシャフト８４，８５の回転軸線と同軸状に配置されている。円形カム８６は、カムシャフト８４，８５の回転軸線に対して偏心している。また、偏心軸８７は、カムシャフト８４，８５の回転軸線に対して偏心している。

図２を参照して、それぞれのカムシャフト８４，８５上に配置されている円形カム８８を、矢印９７に示すように互いに反対方向に回転させると、偏心軸８７が円形カム８８の上端に向けて移動する。シリンダブロック２を支持している円形カム８６は、カム挿入孔の内部において、矢印９６に示すように円形カム８８と反対方向に回転する。シリンダブロック２は、矢印９８に示すように、クランクケース７９から離れる向きに移動する。

図３に示されるように偏心軸８７が円形カム８８の上端まで移動すると、円形カム８８の中心軸が偏心軸８７よりも下方に移動する。図２および図３を参照して、クランクケース７９とシリンダブロック２との相対位置は、円形カム８６の中心軸と円形カム８８の中心軸との距離によって定まる。円形カム８６の中心軸と円形カム８８の中心軸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７９から離れる向きに移動する。シリンダブロック２がクランクケース７９から離れる向きに移動するほど、燃焼室５の容積が大きくなる。

本実施の形態における圧縮比可変機構は、クランクケース７９に対してシリンダブロック２が相対的に移動することにより、ピストン３が上死点に到達したときの燃焼室５の容積が可変に形成されている。本実施の形態においては、下死点から上死点までのピストンの行程容積とピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積のみから定まる圧縮比を機械圧縮比と言う。機械圧縮比は、吸気弁の閉弁時期に依存せずに、（機械圧縮比）＝（ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積＋ピストンの行程容積）／（燃焼室の容積）にて示される。

本実施の形態における内燃機関は、クランクケース７９に対するシリンダブロック２の相対的な位置を検出する相対位置センサ８９を備える。相対位置センサ８９の出力により、ピストン３が上死点に位置しているときのシリンダブロック２に対するピストン３の相対位置を取得することができる。

図２に示す状態では、燃焼室５の容積が小さくなっており、吸入空気量が常時一定の場合には圧縮比が高くなる。この状態は、機械圧縮比が高い状態である。これに対して、図３に示す状態では、燃焼室５の容積が大きくなっており、吸入空気量が常時一定の場合には圧縮比が低くなる。この状態は、機械圧縮比が低い状態である。このように、本実施の形態における内燃機関は、運転期間中に圧縮比を変更することができる。たとえば、内燃機関の運転状態に応じて、圧縮比可変機構により圧縮比を変更することができる。

本実施の形態における圧縮比可変機構は、電子制御ユニット３１に制御されている。本実施の形態において、カムシャフト８４，８５を回転させるモータは、対応する駆動回路３９を介して出力ポート３７に接続されている。

更に、本実施の形態における内燃機関は、吸気弁の閉弁時期を変化させる可変動弁機構を備える。吸気弁の閉弁時期を変化させることにより、燃焼室に吸入される吸入空気量を変化させることができる。吸気弁の閉弁時期は、ピストンが下死点から上死点に移動する期間内にて変化させることができる。本実施の形態における内燃機関では、機械圧縮比の他に燃焼室における実際の圧縮比である実圧縮比が設定される。実圧縮比は、吸気弁の閉弁時期に依存する。実圧縮比は、（実圧縮比）＝（ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積＋吸気弁が閉じている期間にピストンが移動する容積）／（燃焼室の容積）にて設定される。内燃機関の制御としては、所定の運転範囲において負荷が変化しても実圧縮比を一定する制御を行うことができる。たとえば、負荷が大きくなるほど、機械圧縮比を低くする制御を行うと共に、吸気弁の閉弁時期を早くする制御を行うことができる。

本実施の形態の内燃機関は、異常燃焼の発生を検出することができる。異常燃焼は、例えば、点火栓の点火部から順に火炎が広がる燃焼が生じているときに、所望の燃焼の伝播とは異なる燃焼が生じることにより発生する。異常燃焼には、ノッキング現象が含まれる。本実施の形態においては、筒内圧センサ６１により燃焼室５の圧力振動を取得し、異常燃焼が発生しているか否かを判別することができる。

図２および図３を参照して、圧縮比可変機構によりクランクケース７９に対してシリンダブロック２の相対的な位置が変化すると、燃焼室５の高さＨが変化する。本発明では、ピストン３が移動する方向の燃焼室５の長さを燃焼室５の高さＨと称する。図２および図３に示す例では、燃焼室５の頂面が傾斜しており、ピストン３の冠面と燃焼室５の頂面との距離が最も大きくなる部分を燃焼室５の高さＨと称する。

図４に、機械圧縮比を変化させたときのクランク角度に対する燃焼室の高さＨの関係を示す。横軸のクランク角度は、ピストン３が圧縮上死点に到達した位置を０°にしている。図４には、機械圧縮比を変化させたときの複数のグラフが記載されている。機械圧縮比ε１が最も大きく機械圧縮比ε５が最も小さくなっている（ε１＞ε２＞ε３＞ε４＞ε５）。それぞれの機械圧縮比ε１〜ε５において、クランク角度ＣＡが大きくなるほど、燃焼室５の高さＨが大きくなる。また、それぞれの機械圧縮比ε１〜ε５を比較したときに、機械圧縮比が大きくなるほど、燃焼室５の高さＨは小さくなる。本実施の形態の内燃機関では、機械圧縮比を変更すると、燃焼室５の直径は変化せずに燃焼室５の高さＨが変化する。

ところで、ピストン３の所定の位置において異常燃焼が発生すると圧力波が生じる。圧力波は、例えば音速で伝播されて燃焼室５内に広がる。このときに、燃焼室５の内部において、燃焼室５の形状に依存した気体の圧力振動が生じている。

図５に、異常燃焼が発生したときの燃焼室５の内部における圧力振動の周波数と振動の強度との関係を説明するグラフを示す。横軸は振動の周波数であり、縦軸は振動の強度である。異常燃焼が発生したときに筒内圧センサ６１により検出される振動には、低周波側の圧力振動ＶＬと高周波側の圧力振動ＶＨが含まれる。低周波側の圧力振動ＶＬの周波数は、たとえば３ｋＨｚ以上１５ｋＨｚ以下であり、高周波側の圧力振動ＶＨの周波数は、たとえば１０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下である。

ここで、発明者らは、高周波側の圧力振動ＶＨの周波数は、燃焼室５の高さＨに依存することを見出した。高周波側の圧力振動ＶＨは、燃焼室５の高さ方向に共鳴する振動であると推定される。これに対して低周波側の圧力振動ＶＬは、燃焼室５の径方向に共鳴する振動であると推定される。なお、図５には、低周波側の圧力振動ＶＬとして径方向の１次の共鳴の振動および２次の共鳴の振動を記載しているが、さらに高次の振動も生じ得る。また、図５に示す例では、高周波側の圧力振動ＶＨの強度は、低周波側の圧力振動ＶＬの強度よりも小さいことが分る。異常燃焼は、低周波側の圧力振動ＶＬおよび高周波側の圧力振動ＶＨのいずれを用いても検出することができる。

ここで、燃焼室５の内部の気体の圧力振動の周波数は、機関本体１が有する固有振動数には直接的に関係せずに、圧力波が発生したときの燃焼室５の形状等に依存する。また、異常燃焼が発生したときの圧力振動には、燃焼室５の高さ方向に共鳴する高周波側の圧力振動ＶＨが含まれる。本発明では、この高周波側の圧力振動ＶＨを、特定圧力振動と称する。特定圧力振動は、燃焼室の高さ方向に共鳴する振動と考えられ、前述の通り高い周波数を有する。

図６に、クランク角度に対する燃焼室５における特定圧力振動の共鳴周波数を説明するグラフを示す。縦軸は、燃焼室５の高さ方向に振動の節が並ぶ圧力波の共鳴周波数である。すなわち、燃焼室５の高さ方向の振動の共鳴周波数である。それぞれの機械圧縮比ε１〜ε５において、クランク角度ＣＡが大きくなるほど燃焼室５の高さＨが大きくなるために、燃焼室５における共鳴周波数は小さくなる。また、複数の機械圧縮比ε１〜ε５において、機械圧縮比が大きくなるほど、共鳴周波数は大きくなる。

ところで、筒内圧センサ６１は、種類および大きさに応じて共振周波数Ｆｓを有する。また、筒内圧センサ６１の共振周波数Ｆｓは、内部構造等にも依存する。筒内圧センサ６１は小さな装置であり、共振周波数Ｆｓは、たとえば４０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下である。図５を参照して、筒内圧センサ６１の共振周波数Ｆｓは、低周波側の圧力振動ＶＬが生じる周波数よりも大きい。ところが、筒内圧センサ６１の共振周波数Ｆｓは、高周波側の圧力振動ＶＨの周波数と一致する場合が生じ得る。筒内圧センサ６１の共振周波数Ｆｓが特定圧力振動の周波数と一致した場合には、筒内圧センサ６１が共振し、大きな振動が生じて故障する虞が生じる。

図６を参照して、機械圧縮比が変化すると異常燃焼により生じる特定圧力振動の周波数が変化する。特に機械圧縮比が高い状態、すなわち、燃焼室５の高さＨが小さくなる状態において、筒内圧センサ６１の共振周波数Ｆｓが特定圧力振動の共鳴周波数と一致する。ここで、異常燃焼が発生するクランク角度を燃焼サイクル毎に特定することは困難である。そこで、本実施の形態における内燃機関では、異常燃焼が発生するクランク角度の区間ＳＣＡを予め設定している。ここでの実施例では、異常燃焼が発生するクランク角度の区間ＳＣＡとして、クランク角度が５°以上１０°以下の区間を設定している。

図６に示すように、異常燃焼が発生するクランク角度の区間ＳＣＡにおいて、筒内圧センサ６１の共振周波数Ｆｓと、燃焼室５における特定圧力振動の共鳴周波数とが一致する機械圧縮比は一部の範囲に限定される。

図７に、機械圧縮比に対する燃焼室における特定圧力振動の共鳴周波数のグラフを示す。図７には、圧縮上死点後のクランク角度５°の位置における特定圧力振動の共鳴周波数が実線にて示されている。また、圧縮上死点後のクランク角度１０°の位置における特定圧力振動の共鳴周波数が破線で示されている。圧縮上死点後のクランク角度が進行すると燃焼室５の高さＨが大きくなり、共鳴周波数は低下する。ここで、異常燃焼が発生するクランク角度の区間ＳＣＡと筒内圧センサ６１の共振周波数Ｆｓとに基づいて、筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲが定められる。筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲは、最小の機械圧縮比ε_ＳＬと最大の機械圧縮比ε_ＳＨとの間の範囲である。

このように、筒内圧センサ６１の種類等が定まると、筒内圧センサの共振周波数Ｆｓが定まり、更に、筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲが定まる。本実施の形態の内燃機関においては、筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲを避けるように、機械圧縮比を変更する。

図８は、本実施の形態の第１の運転制御において、負荷を低下させるときの機械圧縮比の変化を説明するグラフである。本実施の形態の内燃機関の運転範囲には、負荷が小さくなるほど機械圧縮比を上昇させる制御を行う範囲が存在する。すなわち、負荷が大きな領域から小さな領域に移行させるときには、矢印９１に示すように、負荷を小さくすると共に機械圧縮比を上昇させる制御を行う。

ここで、筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲが設定されている。機械圧縮比ε_ＳＬ以上機械圧縮比ε_ＳＨ以下の領域において、異常燃焼が発生すると筒内圧センサ６１の共振が生じ得る。そこで、機械圧縮比が筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲに近接した場合には、矢印９２に示すように、機械圧縮比の範囲ＳＣＲを超えて大きく機械圧縮比を上昇させる。機械圧縮比を予め定められた値まで上昇した後には、負荷が低下しても機械圧縮比をほぼ一定に維持する。そして、予め定められた負荷まで低下した場合には、矢印９３に示すように、負荷の低下と共に機械圧縮比を上昇させる制御を行う。

矢印９２に示すように機械圧縮比を大きく上昇させる機械圧縮比は、予め設定しておくことができる。例えば、機械圧縮比ε_ＳＬから予め定められた余裕分Δεを減算した機械圧縮比に到達した場合に、機械圧縮比を大きく上昇させることができる。また、機械圧縮比ε_ＳＨに予め定められた余裕分Δεを加算した機械圧縮比まで上昇させることができる。この機械圧縮比（ε_ＳＬ−Δε）以上機械圧縮比（ε_ＳＨ＋Δε）以下の範囲は、筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲに近接する範囲に相等する。

本実施の形態においては、筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲに近接する機械圧縮比の範囲に対応して、負荷の切替え範囲ＲＬが予め設定されている。切替え範囲ＲＬに到達するまでは、負荷の低下と共に機械圧縮比を上昇させることができる。負荷が切替え範囲ＲＬに到達した場合には、機械圧縮比を大きく上昇させた後に機械圧縮比をほぼ一定に維持することができる。更に負荷を低下させて切替え範囲ＲＬから外れた場合には、負荷の低下と共に機械圧縮比を上昇させることができる。本実施の形態においては、この様に筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲによりも高い機械圧縮比にて維持する動作線を動作線ａと称する。

図８には、比較例の機械圧縮比の制御が破線にて示されている。比較例の制御においては、負荷の切替え範囲ＲＬにおいても負荷が低下するとともに機械圧縮比を上昇させる制御を行なっている。特に、矢印９４に示すように、筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲおよびその範囲の近傍においても、負荷が低下するとともに徐々に機械圧縮比を上昇させる制御を行なっている。比較例の内燃機関においては、筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲを徐々に通過する場合がある。または、筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲ内にて機械圧縮比が維持される場合がある。このような場合に異常燃焼が生じると、異常燃焼の圧力振動に対して筒内圧センサ６１が共振し、筒内圧センサ６１が故障する虞がある。

これに対して、本実施の形態においては、筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲに接近したときに、機械圧縮比の範囲ＳＣＲを大きく超えるように機械圧縮比を上昇させる。このために、筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲを横切ることができる。機械圧縮比の範囲ＳＣＲ内に存在する時間は短時間であり、異常燃焼が発生しても筒内圧センサ６１の共振を抑制することができる。また、切替え範囲ＲＬの内部では、負荷が変化しても筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲから離れた機械圧縮比に維持するために、異常燃焼が発生した場合でも筒内圧センサ６１に共振が生じることを回避することができる。

図９に、本実施の形態の第１の運転制御において、負荷を上昇させるときの機械圧縮比の変化を説明するグラフを示す。負荷が小さな状態から大きな状態に移行させる場合には、矢印１０１に示すように、負荷が大きくなるほど機械圧縮比を低下させる制御を行なうことができる。負荷が上昇して筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲに接近した場合には、矢印１０２に示すように、機械圧縮比の範囲ＳＣＲ未満になるように機械圧縮比を大きく低下させる制御を行う。この例では、負荷が予め設定されている切替え範囲ＲＬに到達した場合には、機械圧縮比を大きく低下させる。機械圧縮比を予め定められた値まで低下させた後に機械圧縮比を一定に維持する制御を行う。この例では、切替え範囲ＲＬの内部では機械圧縮比を維持する制御を行う。更に、負荷が上昇して、切替え範囲ＲＬから外れた場合には、矢印１０３に示すように、負荷の上昇とともに機械圧縮比を低下させる制御を行なうことができる。本実施の形態においては、この様に筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲによりも低い機械圧縮比にて維持する動作線を動作線ｂと称する。

ここで、機械圧縮比を大きく低下させる時の機械圧縮比としては、機械圧縮比ε_ＳＨに対して、予め定められた余裕分Δεを加算した値を採用することができる。また、機械圧縮比ε_ＳＬから予め定められた余裕分Δεを減算した機械圧縮比まで低下させることができる。また、筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲに近接する範囲の内部に進入しないように、低い機械圧縮比に維持することができる。

図９には、比較例の内燃機関の制御が破線にて示されている。比較例の内燃機関においては、筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲおよびその範囲の近傍においても、負荷が上昇するとともに機械圧縮比を徐々に低下させている。このために、負荷を低下させる場合の比較例（図８参照）と同様に、筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲ内に存在する時間が長くなり、筒内圧センサ６１に共振が生じる虞がある。

これに対して、本実施の形態の制御においては、矢印１０２に示すように、筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲに接近すると、この機械圧縮比の範囲ＳＣＲを横切るように機械圧縮比を低下させるために、筒内圧センサ６１の共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲを短時間で通過することができる。このために、異常燃焼が発生した時の筒内圧センサ６１の共振を抑制することができる。切替え範囲ＲＬの内部では、負荷が変化しても筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲから離れた機械圧縮比に維持するために、異常燃焼が発生した場合でも筒内圧センサ６１に共振が生じることを回避することができる。

図８および図９に示すような負荷に対する機械圧縮比の関係は、予め電子制御ユニット３１に記憶させておくことができる。また、運転制御においては、機関回転数が大きくなるほどノッキング等が発生しにくくなるために、機関回転数が大きくなるほど機械圧縮比を高く設定しても構わない。すなわち、負荷および機関回転数に基づいて機械圧縮比を設定しても構わない。この場合には、負荷および機関回転数を関数にする機械圧縮比のマップを予め電子制御ユニット３１に記憶させておくことができる。なお、本実施の形態においては、負荷の切替え範囲ＲＬ以外における負荷に対する機械圧縮比の関係は、負荷を低下する場合と負荷を上昇する場合とで同一の関係を用いている。

図８および図９を参照して、第１の運転制御では、負荷の切替え範囲ＲＬにおいて、負荷を低下させる場合には、筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲよりも高い機械圧縮比にて一定に維持している。また、負荷を上昇させる場合には、筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲによりも低い機械圧縮比にて一定に維持している。このような負荷の上昇と負荷の下降とで動作線が異なるヒステリシスの制御を行うことにより、機械圧縮比の変更点の前後において機械圧縮比が変化する動作頻度を下げることができる。すなわち、機械圧縮比の変更点をまたいで機械圧縮比が大きくなったり小さくなったり繰り返すことを抑制できる。

図１０に、本実施の形態における第１の運転制御のフローチャートを示す。図１０に示す制御は、割り込み制御等にて繰り返して行うことができる。

ステップ１１１においては、アクセルペダルの踏込み量を検出する。ステップ１１２においては、使用者が所望する要求負荷を検出する。アクセルペダル４０の踏込み量は、負荷センサ４１により検出することができる。また、要求負荷は、アクセルペダル４０の踏込み量に基づいて算出することができる。

次に、ステップ１１３においては、要求負荷が切替え範囲ＲＬの範囲外から範囲内に進入したか否かを判別する。すなわち、負荷が切替え範囲ＲＬに到達したか否かを判別する。要求負荷が切替え範囲ＲＬ内に進入していない場合には、ステップ１１７に移行し、現在の動作線により目標の機械圧縮比を設定する。たとえば、要求負荷が前回の運転制御から切替え範囲ＲＬ内に維持されている場合、または前回の運転制御では要求負荷が切替え範囲ＲＬの範囲内であったが今回の運転制御では切替え範囲ＲＬの範囲外であった場合には、現在の動作線にて制御を行う。

ステップ１１３において、要求負荷が切替え範囲ＲＬ内に進入した場合には、ステップ１１４に移行する。すなわち、機械圧縮比が筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲに接近した場合には、ステップ１１４に移行する。

ステップ１１４においては、要求負荷が上昇しているか否かを判別する。前回の制御における要求負荷と、今回の制御における要求負荷とを比較して、要求負荷が増加しているか否かを判別することができる。

ステップ１１４において、要求負荷が上昇している場合にはステップ１１５に移行する。ステップ１１５においては、図９に示す動作線ｂの負荷に対する機械圧縮比の関係を選定する。筒内圧センサ６１の共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲに近づいたときに、機械圧縮比の範囲ＳＣＲよりも低い機械圧縮比に維持する制御を選定することができる。

ステップ１１４において、要求負荷が上昇していない場合にはステップ１１６に移行する。この場合には、負荷が低下している。ステップ１１６においては、図８に示す動作線ａの負荷に対する機械圧縮比の関係を選定する。筒内圧センサ６１の共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲに近づいたときに、筒内圧センサ６１の共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲよりも高い機械圧縮比に維持する制御を選定することができる。

次に、ステップ１１７においては、要求負荷に基づいて目標の機械圧縮比を設定する。動作線ａまたは動作線ｂに基づいて、目標の機械圧縮比を設定することができる。ステップ１１８においては、圧縮比可変機構により目標の機械圧縮比に変更する。このように、要求負荷が切替え範囲ＲＬの範囲外から切替え範囲ＲＬの範囲内に進入したときに、圧縮比可変機構の動作線を選定することができる。

上記の第１の運転制御では、負荷を上昇させるときに、動作線ｂにて機械圧縮比の制御を行なっているが、この形態に限られず、動作線ａにて機械圧縮比の制御を行っても構わない。たとえば、図８の矢印１０５に示すように、負荷を上昇させる場合に、負荷の切替え範囲ＲＬにおいて、筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲよりも高い機械圧縮比に維持しても構わない。また、負荷が上昇して切替え範囲ＲＬから外れたときには大きく機械圧縮比を低下させる制御を行なっても構わない。

このように、負荷を上昇させる場合および負荷を低下させる場合の両方の場合において、負荷の切替え範囲ＲＬでは筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲよりも高い機械圧縮比に維持する制御を行っても構わない。この制御により、機械圧縮比を高く設定する時間を長くすることができて、理論熱効率を向上させることができる。

なお、動作線ａに基づいて、筒内圧センサ６１の共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲよりも高い機械圧縮比に維持する場合には、比較例の制御よりも吸気弁の閉弁時期を遅らせることができる。可変バルブタイミング装置５３により吸気弁の閉弁時期を遅くすると、燃焼室５における実圧縮比をほぼ一定に維持することができる。このために、ノッキングなどの異常燃焼を抑制することができる。また、吸気弁の閉弁時期を遅くすることにより、ポンプ損失（ポンピングロス）を抑制することができる。

前述の機械圧縮比の動作線ａおよび動作線ｂは、切替え範囲ＲＬの範囲内において機械圧縮比をほぼ一定に維持しているがこの形態に限られず、異常燃焼が発生した時の特定圧力振動の周波数が筒内圧センサの共振周波数から外れるように機械圧縮比を設定することができる。たとえば、切替え範囲ＲＬの範囲内において機械圧縮比が変化しても構わない。但し、筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲから十分に離れた機械圧縮比に制御することが好ましい。

次に、本実施の形態における第２の運転制御について説明する。第２の運転制御においては、負荷の切替え範囲ＲＬ内において、負荷が上昇する場合および負荷が低下する場合に、筒内圧センサ６１の共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲよりも高い機械圧縮比に維持する制御を行う。ところが、使用者の所望により内燃機関の急加速が必要な場合があり、第２の運転制御においては、内燃機関の急加速が必要な場合に筒内圧センサ６１に共振が生じる機械圧縮比の範囲ＳＣＲよりも低い機械圧縮比に維持する制御を行う。

図８を参照して、内燃機関の急加速が必要な場合以外の運転制御では、矢印９２および矢印１０５に示すように動作線ａに沿って機械圧縮比を変更する。ところが、内燃機関の急加速が必要な場合には、図９に示すように、矢印１０２に示すように動作線ｂに沿って機械圧縮比を選定する。

内燃機関を急加速させる場合に、動作線ｂを用いて機械圧縮比を変更することにより、動作線ａよりも低い機械圧縮比に設定され、燃焼室５に流入する吸入空気量を大きくすることができる。たとえば、可変バルブタイミング装置を用いて、実圧縮比を一定に保つ制御を行なっている場合には、機械圧縮比が低くなることにより、吸気弁の閉弁時期が早くなって吸入空気量が大きくなる。また、空燃比を一定に制御する場合には燃料噴射量も大きくなる。このために、内燃機関の出力を大きくすることができて、使用者は大きな加速感を得ることができる。

図１１に、本実施の形態の第２の運転制御のフローチャートを示す。ステップ１１１からステップ１１４までは、本実施の形態における第１の運転制御と同様である（図１０参照）。ステップ１１４において、負荷が下降する場合には、ステップ１１６に移行して、動作線ａを選定する。ステップ１１４において、負荷が上昇する場合には、ステップ１１９に移行する。

ステップ１１９においては、内燃機関の急加速が要求されているか否かを判別する。本実施の形態においては、アクセルペダルの踏込み量が予め定められた判定値よりも大きいか否かが判別される。アクセルペダルの踏込み量が予め定められた判定値よりも大きい場合には、急加速が要求されていると判別することができる。

内燃機関の急加速が要求されているか否かの判別方法については、この形態に限られず、たとえば、前回の運転制御と今回の運転制御とにおけるアクセルペダルの踏込み量の増加量を算出し、算出した増加量に基づいて内燃機関の急加速が要求されているか否かを判別しても構わない。または、アクセルペダルの踏込み量の加速度を算出し、算出した加速度に基づいて内燃機関の急加速が要求されているか否かを判別しても構わない。

ステップ１１９において、アクセルペダル４０の踏込み量が予め定められた判定値以下の場合には、ステップ１１６に移行する。この場合には、緩やかな負荷の上昇が要求されていると判別することができる。ステップ１１６においては、動作線ａを選定する。

ステップ１１９において、アクセルペダル４０の踏込み量が予め定められた判定値よりも大きい場合には、ステップ１１５に移行する。ステップ１１５においては、動作線ｂを選定する。

ステップ１１７およびステップ１１８は、第１の運転制御と同様である（図１０参照）。動作線ａまたは動作線ｂに基づいて目標の機械圧縮比を設定して機械圧縮比を変更することができる。

本実施の形態の第２の運転制御においては、内燃機関を急加速させる場合に内燃機関の出力を大きくすることができる。また、第１の運転制御と同様に、筒内圧センサ６１の共振が生じる機械圧縮比の範囲を回避しながら運転を行なうことができる。

本実施の形態における圧縮比可変機構は、クランクケースに対してシリンダブロックを相対的に移動することにより機械圧縮比を変更しているが、この形態に限られず、ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の高さを変更可能な任意の圧縮比可変機構を採用することができる。

本実施の形態における内燃機関は、可変動弁機構を備えているが、この形態に限られず、可変動弁機構を備えていない内燃機関においても、本発明を適用することができる。異常燃焼が生じたときに筒内圧センサの共振が生じる機械圧縮比を避ける様に機械圧縮比を変更することができる。

上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。また、上記の制御においては、作用や機能が同一の範囲内で適宜ステップの順序を変更することができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される変更が含まれている。

２シリンダブロック
３ピストン
５燃焼室
３１電子制御ユニット
４０アクセルペダル
４１負荷センサ
５１吸気カム
６１筒内圧センサ
７９クランクケース
８４，８５カムシャフト
８６，８８円形カム
８７偏心軸

Claims

ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積を変更することにより機械圧縮比を変更可能な圧縮比可変機構と、
気筒内の圧力振動を取得する筒内圧センサとを備え、
圧縮比可変機構は、負荷に応じて機械圧縮比を変更するように形成されており、
異常燃焼が発生した時の燃焼室内の気体の圧力振動には、燃焼室の高さ方向に共鳴して燃焼室の高さに依存する周波数を有する特定圧力振動が含まれており、
圧縮比可変機構は、異常燃焼が発生した時の特定圧力振動の周波数が筒内圧センサの共振周波数から外れるように機械圧縮比を設定することを特徴とする、内燃機関。
内燃機関の要求負荷を検出する要求負荷検出器を備え、
筒内圧センサに共振が生じる機械圧縮比の範囲に近接する機械圧縮比の範囲に対応した負荷の切替え範囲が予め定められており、
前記切替え範囲は、負荷に基づいて機械圧縮比を設定する制御を切替える範囲であり、
圧縮比可変機構は、負荷が前記切替え範囲の外部の値である場合には、負荷の変化に応じて機械圧縮比を変更し、負荷が前記切替え範囲の内部の値である場合には、負荷が変化したときに筒内圧センサに共振が生じる機械圧縮比から離れた機械圧縮比に維持する、請求項１に記載の内燃機関。
圧縮比可変機構は、負荷が低下して前記切替え範囲に到達した場合には、筒内圧センサに共振が生じる機械圧縮比より大きな機械圧縮比にまで上昇させ、前記切替え範囲の内部では、上昇させた機械圧縮比に維持する、請求項２に記載の内燃機関。
圧縮比可変機構は、要求負荷検出器の出力により急加速が要求されていると判別される場合に、負荷が上昇して前記切替え範囲に到達した時には、筒内圧センサに共振が生じる機械圧縮比より小さな機械圧縮比にまで低下させ、前記切替え範囲の内部では、低下させた機械圧縮比に維持する、請求項２または３に記載の内燃機関。