JP6424882B2

JP6424882B2 - 可変圧縮比内燃機関

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Publication number: JP6424882B2
Application number: JP2016231154A
Authority: JP
Inventors: 成人山根
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2016-11-29
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Description

本発明は、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比内燃機関に関する。

従来から、内燃機関の機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を備えた内燃機関が知られている。このような可変圧縮比機構としては様々なものが提案されているが、そのうちの一つとして内燃機関で用いられるコンロッドの有効長さを変化させるものが挙げられる（例えば、特許文献１）。ここで、コンロッドの有効長さとは、クランクピンを受容するクランク受容開口の中心とピストンピンを受容するピストンピン受容開口の中心との間の距離を意味する。したがって、コンロッドの有効長さが長くなるとピストンが圧縮上死点にあるときの燃焼室容積が小さくなり、よって機械圧縮比が増大する。一方、コンロッドの有効長さが短くなるとピストンが圧縮上死点にあるときの燃焼室容積が大きくなり、よって機械圧縮比が低下する。

有効長さを変更可能な可変長コンロッドとしては、コンロッド本体の小径端部に、コンロッド本体に対して回動可能な偏心部材（偏心アームや偏心スリーブ）を設けたものが知られている（例えば、特許文献１）。偏心部材はピストンピンを受容するピストンピン受容開口を有し、このピストンピン受容開口は偏心部材の回動軸線に対して偏心して設けられる。このような可変長コンロッドでは、偏心部材の回動位置を変更すると、これに伴ってコンロッドの有効長さを変化させることができる。

具体的には、偏心部材は、ピストンの往復動によってピストンピンに作用する上向きの慣性力によって一方の方向へ回動することでコンロッドの有効長さを長くする。この結果、ピストンはコンロッド本体に対して上昇し、機械圧縮比は低圧縮比から高圧縮比に切替えられる。一方、偏心部材は、ピストンの往復動によってピストンピンに作用する下向きの慣性力と、混合気の燃焼によってピストンピンに作用する下向きの爆発力とによって他方の方向へ回動することでコンロッドの有効長さを短くする。この結果、ピストンはコンロッド本体に対して下降し、機械圧縮比は高圧縮比から低圧縮比に切替えられる。したがって、可変長コンロッドを具備する可変圧縮比内燃機関では、機械圧縮比は、慣性力によって低圧縮比から高圧縮比に切替えられ、慣性力及び爆発力によって高圧縮比から低圧縮比に切替えられる。

特開２０１６−１４２１３７号公報

ところで、慣性力は爆発力よりもはるかに小さい。このため、機械圧縮比を低圧縮比から高圧縮比に切替えるときに十分な応答性を得ることが困難である。また、慣性力は、内燃機関の機関回転数の二乗に比例するため、内燃機関の低回転域では、十分な慣性力が得られず、応答性がさらに悪化する。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、可変圧縮比機構を備えた可変圧縮比内燃機関において、機械圧縮比を高くするときの応答性を向上させることにある。

本開示の要旨は以下のとおりである。

（１）機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、各気筒における排気行程後の筒内残留ガスを低減可能な排気促進機構と、前記可変圧縮比機構によって機械圧縮比を制御すると共に前記排気促進機構の作動を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、機械圧縮比を高くするように要求されたときから機械圧縮比の変更が完了するときまでの期間の少なくとも一部の期間において前記排気促進機構を作動させる、可変圧縮比内燃機関。

（２）前記可変圧縮比機構は、クランクピンを受容するクランク受容開口が設けられたコンロッド本体と、ピストンピンを受容するピストンピン受容開口が設けられると共に、該ピストンピン受容開口の中心と前記クランク受容開口の中心との間の長さを変化させるように前記コンロッド本体に移動可能に取り付けられた有効長さ変更部材とを備えた可変長コンロッドである、上記（１）に記載の可変圧縮比内燃機関。

（３）前記制御装置は、機関回転数が予め定められた基準回転数以上のときには前記排気促進機構を作動させない、上記（２）に記載の内燃機関の可変圧縮比内燃機関。

（４）前記制御装置は、機関負荷が予め定められた閾値以下のときには前記排気促進機構を作動させない、上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の可変圧縮比内燃機関。

（５）機械圧縮比の変更の完了を検出する検出器を更に備え、前記制御装置は、機械圧縮比を高くするように要求されたときから前記検出器によって機械圧縮比の変更の完了が検出されるときまで前記排気促進機構を作動させる、上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の可変圧縮比内燃機関。

本発明によれば、可変圧縮比機構を備えた可変圧縮比内燃機関において、機械圧縮比を高くするときの応答性を向上させることができる。

図１は、本発明の第一実施形態に係る可変圧縮比内燃機関を概略的に示す図である。図２は、可変長コンロッドの概略的な断面図である。図３は、内燃機関に設けられた各部材と制御装置との関係を示すブロック図である。図４は、本発明の第一実施形態における内燃機関の制御ルーチンを示すフローチャートである。図５は、機関回転数及び機関負荷に対する機械圧縮比の設定の一例を示すグラフである。図６は、本発明の第二実施形態における内燃機関１の制御ルーチンを示すフローチャートである。図７は、本発明の第三実施形態に係る可変圧縮比内燃機関の一部を概略的に示す図である。

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

＜第一実施形態＞
以下、図１〜図４を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。

＜可変圧縮比内燃機関の構成＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る可変圧縮比内燃機関１を概略的に示す図である。本実施形態における可変圧縮比内燃機関１（以下、単に「内燃機関１」という）は、火花点火式内燃機関であり、車両に搭載される。内燃機関１は、クランクケース２、シリンダブロック３及びシリンダヘッド４を備える。シリンダブロック３の内部には、シリンダブロック３の内部で往復運動するピストン５が配置されている。内燃機関１は複数の気筒４５を有する。

燃焼室７が、各気筒４５において、ピストン５とシリンダヘッド４との間に形成されている。シリンダヘッド４には、吸気ポート１１及び排気ポート１４が形成されている。吸気ポート１１及び排気ポート１４は燃焼室７に接続されている。吸気弁９が、吸気ポート１１の端部に配置され、吸気ポート１１を開閉可能に形成されている。排気弁１２が、排気ポート１４の端部に配置され、排気ポート１４を開閉可能に形成されている。また、内燃機関１は、吸気弁９の開弁時期及び閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構Ａと、排気弁１２の開弁時期及び閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構Ｂとを備える。

内燃機関１は、燃焼室７に燃料を供給するための燃料噴射弁１０と、燃焼室７において混合気を点火するための点火プラグ８とを備える。点火プラグ８はシリンダヘッド４に固定されている。燃料噴射弁１０は、燃焼室７内に燃料を直接噴射するようにシリンダヘッド４の内壁面周辺部に配置されている。すなわち、燃料噴射弁１０は筒内燃料噴射弁である。なお、燃料噴射弁１０は、吸気ポート１１内に燃料を噴射するポート燃料噴射弁であってもよい。また、内燃機関１は、燃料として理論空燃比が１４．６であるガソリンを用いる。しかしながら、内燃機関１は他の燃料を用いてもよい。

内燃機関１は、過給機であるターボチャージャ５０を備える。ターボチャージャ５０は、排気通路に配置されたタービン５１と、吸気通路に配置されたコンプレッサ５２と、タービン５１とコンプレッサ５２とを接続する回転軸５３と、回転軸５３に設けられたモータ５４とを含む。

排気の流れによってタービン５１が回転すると、コンプレッサ５２も回転して吸入空気の圧力を高める。したがって、ターボチャージャ５０は、排気エネルギーを用いて、吸入空気を圧縮して吸入空気量を増大させることができる。また、モータ５４を駆動することによって回転軸５３を介してタービン５１及びコンプレッサ５２を強制的に回転させることができる。このため、ターボチャージャ５０では、排気エネルギーが低いときにも吸入空気量を迅速に増大することができるため、ターボラグ（ドライバがアクセルペダルを踏んでからターボチャージャ５０によって出力トルクが増大するまでの時間遅れ）を低減することができる。ターボチャージャ５０はいわゆる電動アシストターボチャージャである。

また、モータ５４が駆動されると、タービン５１の回転数が増大するため、各気筒４５からの排気が促進されて、各気筒４５における排気行程後の筒内残留ガスが低減される。したがって、ターボチャージャ５０は、各気筒４５における排気行程後の筒内残留ガスを低減可能な排気促進機構として機能することができる。

内燃機関１において、ターボチャージャ５０のモータ５４を駆動することによって、排気促進機構が作動される。モータ５４は、例えばオイルネータ（図示せず）によって発電された電力によって駆動される。また、モータ５４は排気エネルギーによって発電可能な電動発電機（モータジェネレータ）であってもよい。この場合、モータ５４は、排気エネルギーによって発電された電力によって駆動されてもよい。

各気筒４５の吸気ポート１１は、それぞれ、対応する吸気枝管１３を介してサージタンク６２に連結されている。サージタンク６２は、吸気管１５を介してターボチャージャ５０のコンプレッサ５２の出口部に連結されている。サージタンク６２とコンプレッサ５２との間の吸気管１５の内部には、ＤＣモータのようなスロットル弁駆動アクチュエータ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。スロットル弁１８は、スロットル弁駆動アクチュエータ１７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。また、コンプレッサ５２とスロットル弁１８との間の吸気管１５には、ターボチャージャ５０によって圧縮された吸入空気を冷却するインタークーラ６０が配置されている。

コンプレッサ５２の入口部は、吸気管１５を介してエアクリーナ６１に連結されている。エアクリーナ６１とコンプレッサ５２との間の吸気管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。吸気ポート１１、吸気枝管１３、吸気管１５等が、空気を燃焼室７に導く吸気通路を形成する。

一方、各気筒の排気ポート１４は排気マニホルド１９に連結されている。排気マニホルド１９は、各排気ポート１４に連結される複数の枝部と、これら枝部が集合した集合部とを含む。排気マニホルド１９の集合部はターボチャージャ５０のタービン５１の入口部に連結されている。タービン５１の出口部は排気管２２を介してケーシング２１に連結されている。ケーシング２１は排気浄化触媒２０を内蔵する。排気ポート１４、排気マニホルド１９、排気管２２等が、混合気の燃焼によって生じた排気ガスを燃焼室７から排出する排気通路を形成する。

＜可変圧縮比機構＞
内燃機関１は機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を更に備える。本実施形態では、可変長コンロッド６が可変圧縮比機構に相当する。可変長コンロッド６は各気筒４５に設けられる。可変長コンロッド６は、その小径端部においてピストンピン４２を介してピストン５に連結されると共に、その大径端部においてクランクシャフトのクランクピン４３に連結される。

可変長コンロッド６は、特開２０１６−１１８１８１号公報等に記載されているような公知技術である。このため、可変長コンロッド６の構成及び動作について以下に簡潔に説明する。

図２は、可変長コンロッド６の概略的な断面図である。可変長コンロッド６では、クランクピン４３を受容するクランク受容開口４１の中心とピストンピン４２を受容するピストンピン受容開口３２ｄの中心との間の長さ、すなわち可変長コンロッド６の有効長さを変更することによって機械圧縮比を変更する。可変長コンロッド６は、コンロッド本体３１と、コンロッド本体３１に回動可能に取り付けられた偏心部材３２と、コンロッド本体３１に設けられた第１ピストン機構３３及び第２ピストン機構３４と、ピストン機構３３、３４への作動油の流れの切換を行う流れ方向切換機構３５とを備える。本実施形態では、偏心部材３２が、可変長コンロッドの有効長さを変更するように移動可能にコンロッド本体に取り付けられた有効長さ変更部材に相当する。

流れ方向切換機構３５は、コンロッド本体３１の外部の油供給装置によって作動され、第一状態と第二状態との間で切換可能である。流れ方向切換機構３５は、第一状態において、第１ピストン機構３３の第１シリンダ３３ａから第２ピストン機構３４の第２シリンダ３４ａへの作動油の流れを禁止し且つ第２シリンダ３４ａから第１シリンダ３３ａへの作動油の流れを許可する。流れ方向切換機構３５は、第二状態において、第１シリンダ３３ａから第２シリンダ３４ａへの作動油の流れを許可し且つ第２シリンダ３４ａから第１シリンダ３３ａへの作動油の流れを禁止する。

流れ方向切換機構３５が第二状態から第一状態に切り換えられると、内燃機関１の気筒４５内でのピストン５の往復動によってピストンピン４２に作用する慣性力によって偏心部材３２が一方の方向（図２（Ａ）における矢印の方向）に回動する。このため、第２ピストン機構３４の第２ピストン３４ｂが第２シリンダ３４ａ内に押し込まれ、第２シリンダ３４ａ内の作動油が第１シリンダ３３ａに移動する。この結果、図２（Ａ）に示されるように、可変長コンロッド６の有効長さが長くなり（Ｌ１になり）、図１に実線で示したようにピストン５が上死点にあるときの燃焼室７の容積が小さくなる。一方、可変長コンロッド６の有効長さが変化しても、ピストン５が気筒４５内を往復動するストローク長さは変化しない。したがって、このとき、内燃機関１における機械圧縮比が高くなる。

一方、流れ方向切換機構３５が第一状態から第二状態に切り換えられると、内燃機関１の気筒４５内でのピストン５の往復動によってピストンピン４２に作用する慣性力と、燃焼室７内での混合気の燃焼によってピストン５に作用する爆発力とによって偏心部材３２が他方の方向（図２（Ｂ）における矢印の方向）に回動する。このため、第１ピストン機構３３の第１ピストン３３ｂが第１シリンダ３３ａ内に押し込まれ、第１シリンダ３３ａ内の作動油が第２シリンダ３４ａに移動する。この結果、図２（Ｂ）に示すように、可変長コンロッド６の有効長さが短くなり（Ｌ２になり）、図１に破線で示したようにピストン５が上死点にあるときの燃焼室７内の容積が大きくなる。一方、上述したように、ピストン５のストローク長さは一定である。したがって、このとき、内燃機関１における機械圧縮比が低くなる。

上記のように、可変長コンロッド６は内燃機関１における機械圧縮比を高圧縮比及び低圧縮比の二段階に変更することができる。なお、可変圧縮比機構は、機械圧縮比を三段階に変更可能な可変長コンロッドであってもよい（特開２０１６−１１８１８０号公報等参照）。また、可変圧縮比機構は、可変長コンロッドの有効長さを変更するように直線移動可能にコンロッド本体に取り付けられた有効長さ変更部材を備えた直動型の可変長コンロッドであってもよい（特開２０１５−５２７５１８号公報等参照）。

また、可変圧縮比機構は、機械圧縮比を変更可能であれば、任意の構成を有することができる。例えば、可変圧縮比機構は、マルチリンク機構を用いてピストンの上死点位置を変更するマルチリンク式ピストンストローク機構であってもよい（特開２００５−６９０２７号公報、特開２００１−２２７３６７号公報等参照）。また、可変圧縮比機構は、シリンダブロックとクランクケースとの距離を変更することによって燃焼室の容積を変更する可動ブロック機構であってもよい（国際公開第２００９／０６０９７９号、特開２０１３−２３８１１７号公報等参照）。

また、内燃機関１は、機械圧縮比の変更の完了を検出する検出器を更に備える。本実施形態では、ギャップセンサ９０が検出器に相当する。ギャップセンサ９０は、各気筒４５に配置され、シリンダブロック３の壁に固定される。ギャップセンサ９０は非接触式の測距センサである。ギャップセンサ９０はギャップセンサ９０からピストン５までの距離を検出し、検出される距離の最小値が下死点におけるピストン５までの距離に相当する。下死点におけるピストン５の位置は、可変長コンロッド６の有効長さが短いほど、すなわち機械圧縮比が低いほど、ギャップセンサ９０に近くなる。したがって、ギャップセンサ９０からピストン５までの距離の最小値を検出することによって、各気筒４５における機械圧縮比を検出することができる。このため、ギャップセンサ９０は、可変長コンロッド６によって機械圧縮比が高圧縮比から低圧縮比に又は低圧縮比から高圧縮比に変更されるとき、各気筒４５において機械圧縮比の変更が完了したことを検出することができる。

なお、検出器は、機械圧縮比の変更の完了を検出可能であれば、任意の構成を有することができる。例えば、検出器は、燃焼室内の燃焼圧に基づいて機械圧縮比を検出する燃焼圧センサであってもよい。

＜可変圧縮比内燃機関の制御装置＞
図３は、内燃機関１に設けられた各部材と制御装置との関係を示すブロック図である。内燃機関１は電子制御ユニット（ＥＣＵ）８０を更に備える。内燃機関１の各種制御はＥＣＵ８０によって実行される。したがって、ＥＣＵ８０は内燃機関１の制御装置として機能する。ＥＣＵ８０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス８１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）８２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）８３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）８４、入力ポート８５及び出力ポート８６を備える。エアフローメータ１６、ギャップセンサ９０及び負荷センサ１０１の出力が、対応するＡＤ変換器８７を介して入力ポート８５に入力される。

図１に示されるように、エアフローメータ１６は、吸気通路においてエアクリーナ６１とコンプレッサ５２との間に配置され、吸気管１５内を流れる空気流量を検出する。負荷センサ１０１は、アクセルペダル１２０の踏込み量に比例した出力電圧を発生させ、内燃機関１の機関負荷を検出する。

さらに、入力ポート８５には、クランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生させるクランク角センサ１０８が接続される。クランク角センサ１０８は内燃機関１の機関回転数を検出する。

一方、出力ポート８６は、対応する駆動回路８８を介して、点火プラグ８、燃料噴射弁１０、スロットル弁駆動アクチュエータ１７、可変バルブタイミング機構Ａ、Ｂ、モータ５４及び油供給装置７０に接続されている。ＥＣＵ８０は、点火プラグ８の点火時期、燃料噴射弁１０から噴射される燃料の噴射タイミング及び噴射時間、スロットル弁１８の開度、吸気弁９の開弁時期及び閉弁時期、排気弁１２の開弁時期及び閉弁時期並びにモータ５４の作動を制御することができる。また、ＥＣＵ８０は、コンロッド本体３１の外部の油供給装置７０によって可変長コンロッド６の作動を制御し、ひいては内燃機関１における機械圧縮比を制御することができる。

＜機械圧縮比を高めるときの内燃機関の制御＞
上述したように、可変圧縮比機構として可変長コンロッド６を備える場合、機械圧縮比は、ピストンピン４２に作用する慣性力によって低圧縮比から高圧縮比に変更され、一方、ピストンピンに４２作用する慣性力及び爆発力によって高圧縮比から低圧縮比に変更される。慣性力は爆発力よりもはるかに小さい。このため、機械圧縮比を低圧縮比から高圧縮比に変更するときに十分な応答性を得ることが困難である。

ところで、各気筒４５における吸気行程では、スロットル弁１８の開度等に応じて筒内圧力が大気圧よりも低下し、筒内に負圧が生成される。この結果、筒内圧力がクランクケース２内の圧力よりも低くなるため、ピストン５をシリンダヘッド４側に引っ張る引張力が発生する。この引張力は、機械圧縮比を高くするための動作、すなわち偏心部材３２を回動させてピストン５をクランクピン４３から離間させる動作を補助することができる。また、各気筒４５における排気行程後の筒内残留ガスを低減することによって、排気による筒内の圧力低下量を大きくすることができ、ひいては吸気行程における筒内の負圧を増大させることができる。

上記事実に着目し、本実施形態では、機械圧縮比を高くするときの応答性を向上させるべく以下の制御が実行される。本実施形態では、ＥＣＵ８０は、機械圧縮比を高くするように要求されたときから機械圧縮比の変更が完了するときまでの期間の少なくとも一部の期間において排気促進機構を作動させる。このことによって、吸気行程における筒内の負圧を増大させ、負圧による引張力を増大させることができる。この結果、機械圧縮比を高くするときの応答性を向上させることができる。

なお、可変長コンロッド以外の可変圧縮比機構が用いられる場合にも、負圧による引張力は、機械圧縮比を高くすべく燃焼室の容積を小さくするための動作を補助する。したがって、上述した制御によれば、任意の構成の可変圧縮比機構を備えた内燃機関において、機械圧縮比を高くするときの応答性が向上する。

＜フローチャートを用いた制御の説明＞
以下、図４のフローチャートを参照して、上述した制御について詳細に説明する。図４は、本発明の第一実施形態における内燃機関１の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

最初に、ステップＳ１０１において、機械圧縮比を高くする要求が有るか否かが判定される。機械圧縮比の変更は内燃機関１の運転状態に応じて要求される。例えば、内燃機関１の機関負荷が所定値以下になったときに、機械圧縮比が高圧縮比から低圧縮比に変更されるように要求される。この要求は、機械圧縮比の変更が完了したと判定されるまで維持される。

ステップＳ１０１において機械圧縮比を高くする要求が無いと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０１において機械圧縮比を高くする要求が有ると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。ステップＳ１０２では、排気促進機構が作動される。本実施形態では、ターボチャージャ５０のモータ５４が駆動される。この結果、各気筒４５からの排気が促進され、筒内の負圧が増大される。

次いで、ステップＳ１０３において、機械圧縮比が高くされる。本実施形態では、機械圧縮比を低圧縮比から高圧縮比に変更すべく、油供給装置７０によって可変長コンロッド６の有効長さが長くされる。

次いで、ステップＳ１０４において、機械圧縮比の変更が完了したか否かが判定される。機械圧縮比の変更の完了は、例えば、機械圧縮比の変更の完了を検出する検出器によって検出される。本実施形態では、ギャップセンサ９０が機械圧縮比の変更の完了を検出する。なお、機械圧縮比を高くするための制御が開始されてからの経過時間が所定時間以上になったときに、機械圧縮比の変更が完了したと判定してもよい。この場合、ギャップセンサ９０のような検出器は不要である。所定時間は、実験、計算等によって予め定められる。

ステップＳ１０４において機械圧縮比の変更が完了していないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップＳ１０４において機械圧縮比の変更が完了したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５では、排気促進機構が停止される。本実施形態では、ターボチャージャ５０のモータ５４が停止される。ステップＳ１０５の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、排気促進機構による負圧の増大に時間を要する場合、排気促進機構を作動させてから所定時間経過後に機械圧縮比を高くするための制御が開始されてもよい。また、機械圧縮比を高くするように要求されたときから機械圧縮比の変更が完了するときまでの期間の一部の期間において、排気促進機構を作動させてもよい。例えば、機械圧縮比を高くするように要求されてから所定時間だけ排気促進機構を作動させてもよい。また、機械圧縮比を高くするための制御が開始された後に排気促進機構を作動させてもよい。

＜第二実施形態＞
第二実施形態に係る可変圧縮比内燃機関は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態に係る可変圧縮比内燃機関と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

内燃機関１の気筒４５内でのピストン５の往復動によってピストンピン４２に作用する慣性力は内燃機関１の機関回転数の二乗に比例する。このため、内燃機関１の低回転域では、十分な慣性力が得られず、機械圧縮比を高めるときの応答性が大きく低下する。

そこで、第二実施形態では、ＥＣＵ８０は、機械圧縮比を高くするように要求されているときであっても、機関回転数が予め定められた基準回転数以上のときには排気促進機構を作動させない。言い換えれば、ＥＣＵ８０は、機械圧縮比を高くするように要求されたときから機械圧縮比の変更が完了するときまでの期間の少なくとも一部の期間において、機関回転数が予め定められた基準回転数未満のときに排気促進機構を作動させる。このことによって、所要の応答性を確保しつつ、モータ５４の駆動によって消費される電力を低減することができる。

また、通常、内燃機関１の機関負荷が低いほど、スロットル弁１８の開度が小さくされ、吸気行程における筒内の負圧は大きくなる。このため、内燃機関１の機関負荷が比較的低い場合には、負圧による引張力は比較的大きくなる。また、内燃機関１の機関負荷が比較的低い場合には、筒内の負圧が既に大きい。このため、排気促進機構を作動させたとしても、筒内の負圧をほとんど増大させることができない。

そこで、第二実施形態では、ＥＣＵ８０は、機械圧縮比を高くするように要求されているときであっても、機関負荷が予め定められた閾値以下のときには排気促進機構を作動させない。言い換えれば、ＥＣＵ８０は、機械圧縮比を高くするように要求されたときから機械圧縮比の変更が完了するときまでの期間の少なくとも一部の期間において、機関負荷が予め定められた閾値よりも大きいときに排気促進機構を作動させる。このことによって、所要の応答性を確保しつつ、モータ５４の駆動によって消費される電力を低減することができる。

図５は、機関回転数及び機関負荷に対する機械圧縮比の設定の一例を示すグラフである。図示した例では、機関負荷が基準値Ｔｒｅｆ以上の領域では機械圧縮比が低圧縮比に設定され、機関負荷が基準値Ｔｒｅｆ未満の領域では機械圧縮比が高圧縮比に設定されている。また、図中、機械圧縮比を高くするように要求されているときに排気促進機構の作動が禁止される領域が斜線で示されている。図示した例では、機関負荷が閾値Ｔｔｈ以下であり又は機関回転数ＮＥが基準回転数ＮＥｒｅｆ以上である領域において、排気促進機構の作動が禁止される。なお、機械圧縮比が低圧縮比に設定された状態で内燃機関１が停止され、内燃機関１の再始動時に機械圧縮比が高圧縮比に変更されるような場合には、機関負荷が閾値Ｔｔｈ以下のときに機械圧縮比の高圧縮比への変更が要求されうる。

＜フローチャートを用いた制御の説明＞
以下、図６のフローチャートを参照して、上述した制御について詳細に説明する。図６は、本発明の第二実施形態における内燃機関１の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、内燃機関１の始動後、ＥＣＵ８０によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。

最初に、ステップＳ２０１において、図４のステップＳ１０１と同様に、機械圧縮比を高くする要求が有るか否かが判定される。機械圧縮比を高くする要求が無いと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、機械圧縮比を高くする要求が有ると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０２に進む。

ステップＳ２０２では、機関回転数が基準回転数以上であるか否かが判定される。機関回転数はクランク角センサ１０８によって検出される。基準回転数は、実験、計算等によって予め定められる。ステップＳ２０２において機関回転数が基準回転数未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０３に進む。

ステップＳ２０３では、機関負荷が閾値以下であるか否かが判定される。機関負荷は負荷センサ１０１によって検出される。閾値は、実験、計算等によって予め定められる。ステップＳ２０３において機関負荷が閾値よりも大きいと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０４に進む。

ステップＳ２０４では、排気促進機構が作動される。本実施形態では、ターボチャージャ５０のモータ５４が駆動される。次いで、ステップＳ２０５において、機械圧縮比が高くされる。本実施形態では、機械圧縮比を低圧縮比から高圧縮比に変更すべく、油供給装置７０によって可変長コンロッド６の有効長さが長くされる。

次いで、ステップＳ２０６において、図４のステップＳ１０４と同様に、機械圧縮比の変更が完了したか否かが判定される。機械圧縮比の変更が完了していないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、機械圧縮比の変更が完了したと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０７に進む。

ステップＳ２０７では、排気促進機構が停止される。本実施形態では、ターボチャージャ５０のモータ５４が停止される。ステップＳ２０７の後、本制御ルーチンは終了する。

また、ステップＳ２０２において機関回転数が基準回転数以上であると判定された場合、又はステップＳ２０３において機関負荷が閾値以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０７に進む。例えば、内燃機関１において燃料カット制御が実行されているときには、機関負荷が閾値以下であると判定される。燃料カット制御は、アクセルペダル１２０の踏込み量がゼロ又はほぼゼロ（すなわち、機関負荷がゼロ又はほぼゼロ）であり且つ機関回転数がアイドリング時の回転数よりも高い所定の回転数以上であるときに実行される。

ステップＳ２０７では排気促進機構が停止され、ステップＳ２０７の後、本制御ルーチンは終了する。したがって、機械圧縮比を高くするように要求されているときであっても、機関回転数が基準回転数以上であるとき又は機関負荷が予め定められた閾値以下のときには排気促進機構は作動されない。なお、ステップＳ２０２及びステップＳ２０３のいずれか一方は省略されてもよい。

＜第三実施形態＞
第三実施形態では、各気筒４５における排気行程後の筒内残留ガスを低減可能な排気促進機構として、ターボチャージャ５０の代わりに電動タービン５５が用いられる。なお、第三実施形態の可変圧縮比内燃機関では、第一実施形態又は第二実施形態と同様の制御が行われる。

図７は、本発明の第三実施形態に係る可変圧縮比内燃機関１’（以下、単に「内燃機関１’」という）の一部を概略的に示す図である。内燃機関１’は電動タービン５５を備える。

電動タービン５５は、排気通路に配置されたタービン５１’と、タービン５１’に接続されたモータ５４’とを含む。排気の流れによってタービン５１’が回転すると、モータ５４’が発電される。したがって、モータ５４’は排気エネルギーによって発電可能な電動発電機（モータジェネレータ）である。

また、モータ５４’が駆動されると、タービン５１’の回転数が増大するため、各気筒４５からの排気が促進されて、各気筒４５における排気行程後の筒内残留ガスが低減される。したがって、電動タービン５５は、各気筒４５における排気行程後の筒内残留ガスを低減可能な排気促進機構として機能することができる。

内燃機関１’において、電動タービン５５のモータ５４’を駆動することによって、排気促進機構が作動される。モータ５４’は、例えば、オイルネータ（図示せず）によって発電された電力又は排気エネルギーによって発電された電力によって駆動される。

＜その他の態様＞
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。

例えば、排気促進機構による負圧の増大に時間を要する場合、図４又は図６の制御ルーチンにおいて、排気促進機構を作動させてから所定時間経過後に機械圧縮比を高くするための制御が開始されてもよい。また、機械圧縮比を高くするように要求されたときから機械圧縮比の変更が完了するときまでの期間の一部の期間のみ、排気促進機構を作動させてもよい。例えば、機械圧縮比を高くするように要求されてから所定時間だけ排気促進機構を作動させてもよい。また、機械圧縮比を高くするための制御が開始された後に排気促進機構を作動させてもよい。

１、１’ 可変圧縮比内燃機関
６可変長コンロッド（可変圧縮比機構）
５０ターボチャージャ
５５電動タービン
８０電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims

機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、
各気筒における排気行程後の筒内残留ガスを低減可能な排気促進機構と、
前記可変圧縮比機構によって機械圧縮比を制御すると共に前記排気促進機構の作動を制御する制御装置と
を備え、
前記制御装置は、機械圧縮比を高くするように要求されたときから機械圧縮比の変更が完了するときまでの期間の少なくとも一部の期間において前記排気促進機構を作動させる、可変圧縮比内燃機関。
前記可変圧縮比機構は、
クランクピンを受容するクランク受容開口が設けられたコンロッド本体と、
ピストンピンを受容するピストンピン受容開口が設けられると共に、該ピストンピン受容開口の中心と前記クランク受容開口の中心との間の長さを変化させるように前記コンロッド本体に移動可能に取り付けられた有効長さ変更部材と
を備えた可変長コンロッドである、請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
前記制御装置は、機関回転数が予め定められた基準回転数以上のときには前記排気促進機構を作動させない、請求項２に記載の可変圧縮比内燃機関。
前記制御装置は、機関負荷が予め定められた閾値以下のときには前記排気促進機構を作動させない、請求項１から３のいずれか１項に記載の可変圧縮比内燃機関。
機械圧縮比の変更の完了を検出する検出器を更に備え、
前記制御装置は、機械圧縮比を高くするように要求されたときから前記検出器によって機械圧縮比の変更の完了が検出されるときまで前記排気促進機構を作動させる、請求項１から４のいずれか１項に記載の可変圧縮比内燃機関。