JPWO2012095999A1 - 内燃機関 - Google Patents
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Abstract
内燃機関は、燃焼室の圧力が制御圧力に到達したときに、気体ばねが縮むことにより燃焼室の容積が変化する容積可変装置と、気体ばねの気体の圧力を変更する圧力変更装置と、気体ばねの気体が圧縮される圧縮空間の体積を変更する体積変更装置とを備える。内燃機関は、運転状態を検出し、燃焼室における燃料の燃焼速度が大きくなるほど、気体ばねの気体の圧力を低下させると共に、圧縮空間の体積を小さくする制御を行う。
Description
本発明は、内燃機関に関する。
内燃機関は、燃焼室に燃料および空気が供給されて、燃焼室にて燃料が燃焼することにより駆動力を出力する。燃焼室において燃料を燃焼させるときには、空気と燃料との混合気を圧縮した状態になる。内燃機関の圧縮比は、出力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。ところが、圧縮比を非常に高くすると、燃焼室において異常燃焼が発現することが知られている。
特開２０００−２３０４３９号公報には、燃焼室に圧力調整弁を介して通じる副室を設け、圧力調整弁は、弁体と弁体に接続されて燃焼室側に付勢された弁棒とを有する自着火式の内燃機関が開示されている。この自着火式の内燃機関は、過早着火等により燃焼圧が所定の許容圧値を超えた場合に、弾性体の圧力に抗して圧力調整弁を押し上げて副室に圧力を逃すことが開示されている。この公報には、過早着火等が生じる圧力よりも大きな圧力で圧力調整弁が動くことが開示されている。また、この公報においては、燃焼室に通じる副室が形成され、副室に上下に移動可能な副ピストンが挿入されている内燃機関が開示されている。副ピストンは、機械ばねで押圧されている。燃料が燃焼した時に、燃焼室の圧力により機械ばねが縮んで副ピストンが上昇し、燃焼室に通じる副室の容積が大きくなることが開示されている。
特開２０００−２３０４３９号公報には、燃焼室に圧力調整弁を介して通じる副室を設け、圧力調整弁は、弁体と弁体に接続されて燃焼室側に付勢された弁棒とを有する自着火式の内燃機関が開示されている。この自着火式の内燃機関は、過早着火等により燃焼圧が所定の許容圧値を超えた場合に、弾性体の圧力に抗して圧力調整弁を押し上げて副室に圧力を逃すことが開示されている。この公報には、過早着火等が生じる圧力よりも大きな圧力で圧力調整弁が動くことが開示されている。また、この公報においては、燃焼室に通じる副室が形成され、副室に上下に移動可能な副ピストンが挿入されている内燃機関が開示されている。副ピストンは、機械ばねで押圧されている。燃料が燃焼した時に、燃焼室の圧力により機械ばねが縮んで副ピストンが上昇し、燃焼室に通じる副室の容積が大きくなることが開示されている。
燃料が燃焼したときの燃焼室の圧力を制御する装置は、燃焼室の圧力が上昇したときに縮む部材として、上記の特開２０００−２３０４３９号公報に開示されている機械ばねの他に、気体が封入された気体ばねを採用することができる。気体ばねは、内部の気圧を高くすることにより、燃焼室の高い圧力に容易に対応することができる。すなわち、気体ばねを採用することにより、容易に弾性を強くすることができる。
ところで、燃焼室の圧力を制御する装置においては、副ピストンが移動すべき圧力に到達したときに、即時に副ピストンが移動して燃焼室の圧力上昇を抑制することが好ましい。ところが、実際には副ピストンは慣性を有するために、副ピストンの移動に応答遅れが生じる。応答遅れが生じている期間では、燃焼室の圧力が上昇し続けるために、実際の燃焼室の圧力が所望の圧力よりも高くなる場合がある。例えば、燃焼室において点火した後に、副ピストンの応答遅れにより燃焼室の圧力が上昇し続け、その結果、異常燃焼の発生する圧力まで到達してしまう場合があった。
燃焼室の圧力を受圧する副ピストンの面積を大きくすることにより、副ピストンの移動の応答性を向上させることができる。しかしながら、内燃機関においては、燃焼室の圧力を制御する装置を配置する空間の大きさに制限があり、副ピストンの受圧面積を大きくすることが難しいという問題があった。
本発明は、燃焼室の圧力を制御する装置を備え、燃焼室の圧力を精度良く目標圧力に近づけることができる内燃機関を提供することを目的とする。
ところで、燃焼室の圧力を制御する装置においては、副ピストンが移動すべき圧力に到達したときに、即時に副ピストンが移動して燃焼室の圧力上昇を抑制することが好ましい。ところが、実際には副ピストンは慣性を有するために、副ピストンの移動に応答遅れが生じる。応答遅れが生じている期間では、燃焼室の圧力が上昇し続けるために、実際の燃焼室の圧力が所望の圧力よりも高くなる場合がある。例えば、燃焼室において点火した後に、副ピストンの応答遅れにより燃焼室の圧力が上昇し続け、その結果、異常燃焼の発生する圧力まで到達してしまう場合があった。
燃焼室の圧力を受圧する副ピストンの面積を大きくすることにより、副ピストンの移動の応答性を向上させることができる。しかしながら、内燃機関においては、燃焼室の圧力を制御する装置を配置する空間の大きさに制限があり、副ピストンの受圧面積を大きくすることが難しいという問題があった。
本発明は、燃焼室の圧力を制御する装置を備え、燃焼室の圧力を精度良く目標圧力に近づけることができ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、気体が圧縮されることにより弾性を有する気体ばねを含み、燃焼室の圧力が予め定められた制御圧力に到達したときに、燃焼室の圧力変化を駆動源として気体ばねが縮むことにより燃焼室の容積または燃焼室に連通する空間の容積が変化する容積可変装置と、気体ばねの気体の圧力を変更する圧力変更装置と、気体ばねの気体が圧縮される圧縮空間の体積を変更する体積変更装置とを備える。内燃機関の運転状態に基づいて燃焼室における燃料の燃焼速度を推定し、燃焼室における燃料の燃焼速度が大きくなるほど、気体ばねの気体の圧力を低下させると共に、圧縮空間の体積を小さくする。
上記発明においては、内燃機関の運転状態を検出し、運転状態に応じた燃焼室が到達すべき目標圧力を選定し、燃焼室の圧力の最大値がほぼ目標圧力になるように気体ばねの気体の圧力を低下させることができる。
上記発明においては、容積可変装置は、燃焼室に連通している筒状部と、筒状部の内部に移動可能に配置されている移動部材とを含み、移動部材が筒状部の内部の空間を区画することにより、燃焼室に向かう側に副室が形成され、燃焼室に向かう側と反対側に圧縮空間としてのガス室が形成されており、圧力変更装置は、ガス室の圧力を変更するように気体ばねに接続されていることができる。
上記発明においては、体積変更装置は、ガス室に接続されている気体タンクと、ガス室と気体タンクとの間の流路に配置されている開閉弁とを含み、開閉弁を開閉することにより、気体ばねの圧縮空間の体積を変更することができる。
上記発明においては、圧力変更装置は、気体ばねを隔離するための隔離弁を含み、気体ばねが縮んでいる期間においては、隔離弁を閉止する制御を行うことが好ましい。
上記発明においては、内燃機関の運転状態を検出し、運転状態に応じた燃焼室が到達すべき目標圧力を選定し、燃焼室の圧力の最大値がほぼ目標圧力になるように気体ばねの気体の圧力を低下させることができる。
上記発明においては、容積可変装置は、燃焼室に連通している筒状部と、筒状部の内部に移動可能に配置されている移動部材とを含み、移動部材が筒状部の内部の空間を区画することにより、燃焼室に向かう側に副室が形成され、燃焼室に向かう側と反対側に圧縮空間としてのガス室が形成されており、圧力変更装置は、ガス室の圧力を変更するように気体ばねに接続されていることができる。
上記発明においては、体積変更装置は、ガス室に接続されている気体タンクと、ガス室と気体タンクとの間の流路に配置されている開閉弁とを含み、開閉弁を開閉することにより、気体ばねの圧縮空間の体積を変更することができる。
上記発明においては、圧力変更装置は、気体ばねを隔離するための隔離弁を含み、気体ばねが縮んでいる期間においては、隔離弁を閉止する制御を行うことが好ましい。
本発明によれば、燃焼室の圧力を制御する装置を備え、燃焼室の圧力を精度良く目標圧力に近づけることができる内燃機関を提供することができる。
実施の形態１
図１から図７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。本実施の形態における内燃機関は、火花点火式である。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。本発明においては、ピストンが圧縮上死点に達したときに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、および任意の位置にあ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。燃焼室５の頂面は、シリンダヘッド４により構成され、燃焼室５の底面は、ピストン３の冠面により構成されている。
燃焼室５は、それぞれの気筒ごとに形成されている。燃焼室５には、機関吸気通路および機関排気通路が接続されている。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。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、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。本実施の形態における燃料噴射弁１１は、吸気ポート７に燃料を噴射するように配置されている。燃料噴射弁１１は、この形態に限られず、燃焼室５に燃料を供給できるように配置されていれば構わない。たとえば、燃料噴射弁は、燃焼室に直接的に燃料を噴射するように配置されていても構わない。
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およびエアフローメータ１６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には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１６が接続されている。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、触媒コンバータ２１に連結されている。本実施の形態における触媒コンバータ２１は、三元触媒２０を含む。触媒コンバータ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は、燃焼室５に吸入される吸入空気量に比例し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。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、アクセルペダル４０の踏込量に比例し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。
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。
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。すなわち、燃料を噴射する時期および燃料の噴射量が電子制御ユニット３１により制御される。更に点火プラグ１０の点火時期が電子制御ユニット３１により制御されている。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。
図２に、本実施の形態における内燃機関の容積可変装置、体積変更装置および圧力変更装置の概略断面図を示す。本実施の形態における内燃機関は、燃料が燃焼したときの燃焼室の圧力を制御する燃焼圧力制御装置を備える。本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、燃焼室に連通する空間の容積が変化する容積可変装置を備える。容積可変装置は、気体ばね５０を含む。気体ばね５０は、それぞれの気筒において燃焼室５に接続されている。本実施の形態における内燃機関は、燃焼室５に連通する空間としての副室６０を有する。
本実施の形態における容積可変装置は、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときに、燃焼室５の圧力変化を駆動源として副室６０の容積が変化する。すなわち、容積可変装置は、燃焼室５の圧力が変化することにより作動する。本発明における制御圧力は、容積可変装置が作動し始めるときの燃焼室の圧力である。すなわち、副室用ピストン５５が移動し始める時の燃焼室の圧力である。容積可変装置は、燃焼室５の圧力が異常燃焼の発生圧力以上になることを抑制する。
本発明における異常燃焼は、たとえば、点火装置により混合気が点火し、点火した点から順次燃焼が伝搬する状態以外の燃焼を含む。異常燃焼は、たとえば、ノッキング現象、デトネーション現象およびプレイグニッション現象を含む。ノッキング現象は、スパークノック現象を含む。スパークノック現象は、点火装置において点火し、点火装置を中心に火炎が広がっているときに、点火装置から遠い位置にある未燃燃料を含む混合気が自着火する現象である。点火装置から遠い位置にある混合気は、点火装置の近傍の燃焼ガスにより圧縮されて高温高圧になって自着火する。混合気が自着火するときに衝撃波が発生する。
デトネーション現象は、高温高圧の混合気の中を衝撃波が通過することにより、混合気が着火する現象である。この衝撃波は、たとえば、スパークノック現象によって発生する。プレイグニッション現象は、早期着火現象とも言われる。プレイグニッション現象は、点火プラグの先端の金属または燃焼室内に堆積するカーボンスラッジ等が加熱されて、所定の温度以上を維持した状態になり、この部分を火種として点火時期の前に燃料が着火して燃焼する現象である。
本実施の形態における容積可変装置は、筒状部を構成する筒状部材５１を備える。本実施の形態における筒状部材５１は、円筒状に形成されている。筒状部材５１の内部には、移動部材としての副室用ピストン５５が配置されている。筒状部材５１の内部の空間は、副室用ピストン５５により区画されている。筒状部材５１の内部には、燃焼室５に向かう側に副室６０が形成されている。また、筒状部材５１の内部には、燃焼室５に向かう側と反対側にガス室６１が形成されている。
副室用ピストン５５は、筒状部材５１に固定されておらず、筒状部材５１の軸方向に移動するように形成されている。副室用ピストン５５は、矢印１００に示すように、筒状部材５１の内部を移動する。副室用ピストン５５は、封止部材としてのピストンリングを介して筒状部材５１に接触している。副室用ピストン５５が移動することにより、副室６０の容積が変化する。副室６０には、燃焼ガスが流入する。
本実施の形態における容積可変装置の気体ばね５０は、内部に気体を密閉することにより弾性を有するように形成されている。気体ばね５０のガス室６１には、燃焼室５の圧力が所望の制御圧力に到達したときに、副室用ピストン５５が移動し始めるように、加圧された気体が充填される。本実施の形態においては、ガス室６１に空気が充填される。ガス室６１に充填される気体としては、空気に限られず、任意の気体を採用することができる。
本実施の形態における気体ばね５０は、縮む時に内部の気体が圧縮される圧縮空間を有する。また、本実施の形態における内燃機関は、圧縮空間の体積を変更する体積変更装置を備える。本実施の形態における体積変更装置は、ガス室６１に接続されている気体タンク９０と、開閉弁８６とを含む。開閉弁８６は、ガス室６１と気体タンク９０との間の流路に配置されている。体積変更装置は、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開閉弁８６は、電子制御ユニット３１に制御されている。開閉弁８６を開くことにより、ガス室６１と気体タンク９０とにより圧縮空間が構成される。また、開閉弁８６を閉じることにより、ガス室６１により圧縮空間が構成される。
本実施の形態における内燃機関では、副室用ピストン５５が移動する期間、すなわち気体ばね５０が縮んでいる期間には圧縮空間が密閉される。本実施の形態においては、気体ばね５０が縮んでいる期間は、圧力調整弁８５が閉止される。圧力調整弁８５を閉止することにより、圧縮空間に接続される流路を遮断することができる。気体ばね５０は、圧縮空間が密閉されることにより弾性を有する。圧縮空間の圧力により、副室用ピストン５５が押圧される。
本実施の形態における内燃機関は、気体ばねの圧縮空間の圧力を変更する圧力変更装置を備える。本実施の形態における圧力変更装置は、気体タンク９０に接続されている。
本実施の形態における圧力変更装置は、モータ７１と、モータ７１により駆動される圧縮機７２と含む。圧縮機７２の出口には、逆止弁８２が配置されている。逆止弁８２は、ガス室６１の気体が逆流して流出することを防止する。圧縮機７２には、逆止弁８１およびフィルタ７３が接続されている。フィルタ７３は、圧縮機７２に吸入される空気から異物を除去する。逆止弁８１は、圧縮機７２から空気が逆流することを防止する。
本実施の形態における圧力変更装置は、気体ばね５０の圧縮空間の圧力を検出する圧力検出器としての圧力センサ７４を含む。本実施の形態における圧力センサ７４は、ガス室６１と開閉弁８６とを接続する流路に配置されている。
圧力変更装置は、電子制御ユニット３１により制御されている。本実施の形態においては、モータ７１が電子制御ユニット３１に制御されている。本実施の形態における空気排出弁８４および圧力調整弁８５は、電子制御ユニット３１により制御されている。圧力センサ７４の出力は、電子制御ユニット３１に入力される。
本実施の形態における内燃機関は、運転期間中または停止期間中に気体ばね５０の圧縮空間から空気が漏れても、空気を補充することができる。たとえば、モータ７１にて圧縮機７２を駆動し、更に圧力調整弁８５および開閉弁８６を開くことにより、ガス室６１に空気を供給することができる。
本実施の形態における圧力変更装置は、気体ばね５０の圧縮空間の圧力を上昇させることができる。更に、本実施の形態における圧力変更装置は、気体ばね５０の圧縮空間から気体を排出することができる。圧力調整弁８５および空気排出弁８４を開くことにより、圧縮空間の圧力を下降させることができる。このように、圧縮空間の圧力を変更することにより、制御圧力を変更することができる。圧力変更装置は、この形態に限られず、気体ばねの圧縮空間の圧力を変更可能な任意の装置を採用することができる。
図３に、本実施の形態の内燃機関における燃焼室の圧力のグラフを示す。横軸がクランク角度であり、縦軸が燃焼室の圧力および副室用ピストンの変位である。図３には、燃焼サイクルのうち圧縮行程および膨張行程のグラフが示されている。副室用ピストン５５は、筒状部材５１の底部に着底しているときの変位が零である。本実施の形態における容積可変装置は、燃焼サイクルの圧縮行程から膨張行程の期間中に、燃焼室の圧力が制御圧力に到達した場合に、副室用ピストン５５が移動する。この結果、気体ばね５０の副室６０の容積が大きくなる。
図２および図３を参照して、圧縮行程の開始時には副室用ピストン５５が筒状部材５１の底部に着底している。圧縮行程ではピストン３が上昇して、燃焼室５の圧力が上昇する。ここで、気体ばね５０の圧縮空間には制御圧力に対応する圧力の気体が封入されているために、燃焼室５の圧力が制御圧力になるまでは、副室用ピストン５５は着底した状態が維持される。
図３に示す実施例では、クランク角度が０°（ＴＤＣ）より僅か後に点火される。点火されることにより燃焼室５の圧力が急激に上昇する。燃焼室５の圧力が制御圧力に達したときに、副室用ピストン５５が移動し始める。混合気の燃焼が進むと、気体ばね５０が縮んで副室６０の容積が大きくなる。このために、燃焼室５および副室６０の圧力が上昇することが抑制される。図３に示す実施例では、燃焼室５の圧力がほぼ一定に保たれている。
燃焼室において、更に燃料の燃焼が進むと、副室用ピストン５５の変位は最大になった後に小さくなる。ガス室６１の圧力が減少して、副室用ピストン５５の変位が零に戻る。すなわち、副室用ピストン５５は着底する位置まで戻る。燃焼室５の圧力が制御圧力未満になった場合には、クランク角度の進行とともに燃焼室５の圧力が減少する。
このように、本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときに燃焼室の圧力上昇を抑制し、燃焼室の圧力が異常燃焼の発生する圧力以上にならないように制御することができる。
図３には、比較例１および比較例２の燃焼室の圧力のグラフが示されている。比較例１および比較例２は、本実施の形態における容積可変装置を有していない内燃機関である。内燃機関は、点火時期に依存して、燃焼室の圧力が変動する。内燃機関は、出力トルクが最大になる点火時期θｍａｘを有する。比較例１は、点火時期θｍａｘで点火したときのグラフである。出力トルクが最大になる点火時期で点火することにより、燃焼室の圧力が高くなり熱効率が最良になる。ところが、比較例１のように点火時期が早いと、燃焼室の圧力が異常燃焼の発生する圧力よりも高くなる。比較例１のグラフは、異常燃焼が発生しないと仮定している。一方で、実際の内燃機関では、燃焼室の最大圧力が異常燃焼の発生する圧力よりも小さくなるように点火時期を遅角させている。
比較例２の内燃機関では、異常燃焼の発生を回避するために、出力トルクが最大になる点火時期よりも遅らせて点火している。点火時期を遅角させた場合には、出力トルクが最大になる点火時期で点火した場合よりも燃焼室の最大圧力が小さくなる。
本実施の形態における内燃機関は、燃焼室の圧力が異常燃焼の発生する圧力未満で燃焼を行なうことができる。点火時期を早くしても異常燃焼の発生を抑制することができる。特に、圧縮比が高いエンジンにおいても異常燃焼を抑制することができる。さらに、燃焼室の圧力が高い時間を長くすることができる。このため、比較例２の点火時期を遅らせた内燃機関よりも熱効率が改善され、出力トルクを大きくすることができる。または、燃料消費量を少なくすることができる。
図３に示す実施例は、容積可変装置の理想的な運転状態を示している。図３に示す実施例では、副室用ピストンが移動する期間中には、燃焼室の圧力がほぼ制御圧力で一定に保たれている。ところが、実際の容積可変装置では、内燃機関の運転状態に依存して、燃焼室の圧力が制御圧力に到達した直後にオーバーシュートが生じる場合がある。更に、副室用ピストンが移動することにより圧縮空間の圧力が上昇するために燃焼室の圧力も上昇する。
図２を参照して、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達した時に、副室用ピストン５５が移動し始める。このときに、副室用ピストン５５は、重量に応じた慣性が生じる。このために、副室用ピストン５５の移動に応答遅れが生じる。本実施の形態の内燃機関の通常運転においては、副室用ピストン５５が移動する期間中には、開閉弁８６を開いた状態に制御する。気体ばね５０の圧縮空間は、ガス室６１と気体タンク９０により構成される。
図４に、本実施の形態における内燃機関の燃焼室の圧力を説明する第１のグラフを示す。図４においては、通常運転を破線で示しており、また後述する制御圧力を低下させた運転を一点鎖線で示す。燃焼室の圧力が制御圧力に到達した直後にオーバーシュートが生じている運転例が示されている。
本実施の形態の内燃機関の通常運転においては、燃焼室の圧力にオーバーシュートが発生しない条件下で、燃焼室の最大圧力が異常燃焼の発生する圧力を超えないように目標圧力を定めている。本実施の形態における燃焼室の目標圧力は、異常燃焼の生じる圧力から予め定められた圧力を減算した圧力が採用されている。通常運転においては、燃焼室の目標圧力が制御圧力に相当する。たとえば、制御圧力は、内燃機関の機関回転数と要求負荷とに基づいて定められる。
通常運転の制御においては、クランク角度θＳ１からクランク角度θＥ１の期間において副室用ピストン５５が移動している。燃焼室５の圧力が通常運転の制御圧力に到達したときに、副室用ピストン５５の移動に応答遅れが生じる。このために、燃焼室５の圧力が上昇を継続してオーバーシュートが発現する。副室用ピストン５５が移動し始めた直後には、燃焼室５の圧力が目標圧力を大きく超える。
この後に、副室用ピストン５５の移動に伴って燃焼室５の圧力が減少する。副室用ピストン５５が着底位置に向かって移動するときにも応答遅れが生じる。このために、副室用ピストン５５の変位が減少している期間においては、燃焼室５の圧力が目標圧力よりも小さくなる。特に、副室用ピストン５５が移動している期間の後半部分においては、燃焼室５の圧力が目標圧力よりも小さくなる。
このような応答遅れは、副室用ピストン５５の移動速度が速い運転状態において顕著になる。すなわち、燃焼室５における燃焼速度が速い運転状態において顕著になる。本実施の形態においては、燃焼室５における燃焼速度が速い運転状態においては、副室用ピストン５５が移動し始めるときの制御圧力を低下させる制御を行う。更に、気体ばね５０の圧縮空間の体積を小さくする制御を行う。
始めに、制御圧力を低下させる制御について説明する。制御圧力を低下させるために、ガス室６１の圧力を低下させる。気体ばね５０の圧縮空間の圧力を低下させる。制御圧力は、燃焼室５の目標圧力よりも小さくなる。図４の一点鎖線のグラフを参照して、制御圧力を低下させることにより燃焼室５が到達する最大圧力が小さくなる。クランク角度θＳ２からクランク角度θＥ２までの期間は、副室用ピストン５５が移動している期間である。
図２を参照して、制御圧力を低下させる場合には、空気排出弁８４を開いた状態で、圧力調整弁８５を開くことにより気体ばね５０の圧縮空間の圧力を低下させる。ガス室６１の圧力が低下することにより、副室用ピストン５５が移動し始めときの燃焼室５の圧力、すなわち制御圧力を低下させることができる。
図４に示す運転例においては、通常運転の制御圧力にて容積可変装置を駆動すると、燃焼室５の最大圧力が異常燃焼の発生圧力を超えている。制御圧力を低下させることにより、燃焼室５の圧力にオーバーシュートが生じても燃焼室５の圧力が異常燃焼の発生する圧力以上になることを抑制できる。
また、気体ばね５０の圧縮空間の圧力が小さくなるために副室用ピストン５５の応答性が向上する。このため、オーバーシュートによる圧力上昇幅を小さくすることができる。更に、副室用ピストン５５の応答性が向上するために、副室用ピストン５５が移動している期間の後半の圧力減少幅を小さくすることができる。
制御圧力の低下量は、制御圧力を低下した後の燃焼室５の最大圧力が、異常燃焼の発生する圧力未満になるように設定することが好ましい。または、制御圧力の低下量は、制御圧力を低下した後の燃焼室５の最大圧力が、目標圧力とほぼ同じになるように設定することが好ましい。
次に、気体ばねの圧縮空間の体積を小さくする制御について説明する。
図５に、本実施の形態における内燃機関の燃焼室の圧力を説明する第２のグラフを示す。図５においては、制御圧力を低下させた運転を一点鎖線で示し、制御圧力を低下させた上に、圧縮空間の体積を減少させた運転を実線で示している。
副室用ピストン５５の受圧面積が略同じである場合に、圧縮空間の体積を小さくすることにより、副室用ピストン５５が単位長さを移動したときの圧縮空間の圧力上昇幅が大きくなる。気体ばね５０の圧縮空間の体積を小さくすることにより、ガス室６１の圧力上昇幅が大きくなる。このために、副室用ピストン５５が移動している期間における燃焼室５の圧力上昇幅も大きくなる。
図２を参照して、本実施の形態における圧縮空間の体積を減少させる制御としては、開閉弁８６を閉じる制御を行う。開閉弁８６を閉じることにより、気体タンク９０が隔離される。気体ばね５０の圧縮空間はガス室６１により構成される。
図５に示すように、制御圧力を低下させる制御のみでは、副室用ピストン５５が移動している期間の初期において燃焼室の圧力が目標圧力に近づく。ところが、その後には燃焼室の圧力が大幅に目標圧力未満になる。そこで、圧縮空間の体積を小さくすることにより、副室用ピストン５５が移動する期間において、燃焼室５の圧力を上昇させることができる。副室用ピストン５５が移動している期間中の燃焼室５の圧力を目標圧力に近づけることができる。
本実施の形態における制御圧力を低下させて、更に圧縮空間の体積を小さくする制御は、燃焼室における燃料の燃焼速度が速くなる内燃機関の運転状態において行うことが好ましい。本実施の形態における内燃機関では、運転状態を検出し、燃焼室における燃焼速度が速いと判別されるときに、制御圧力を低下させて、更に圧縮空間の体積を小さくする制御を行う。
図６に、本実施の形態における内燃機関の運転制御のフローチャートを示す。図６に示す運転制御は、例えば予め定められた時間間隔毎に行うことができる。
始めに、ステップ１０８においては、内燃機関の運転状態を検出する。本実施の形態においては、機関回転数および要求負荷を検出する。図１を参照して、機関回転数はクランク角センサ４２の出力により検出することができる。要求負荷は、負荷センサ４１の出力により検出することができる。内燃機関の運転状態に基づいて、燃焼室の目標圧力が設定される。燃焼室５の目標圧力は、例えば、機関回転数および要求負荷を関数にするマップを電子制御ユニット３１に記憶させておくことができる。
次に、ステップ１０９においては、検出した内燃機関の運転状態に基づいて、燃焼室における燃焼速度が速いか否かを判別する。ステップ１０９において、燃焼室における燃焼速度が速くないと判別される場合には、ステップ１１０に移行する。ステップ１０９において、燃焼室における燃焼速度が速いと判別される場合には、ステップ１１１に移行する。
ステップ１１０においては、通常運転における制御圧力を選定する。たとえば、燃焼室５の目標圧力とほぼ等しい圧力を制御圧力に選定することができる。また、制御圧力に対応するガス室６１の圧力を定める。本実施の形態においては、ガス室６１の圧力範囲を定めている。図２を参照して、本実施の形態においては、副室用ピストン５５の副室６０の側の表面積と、ガス室６１の側の表面積とがほぼ同じになるために、ガス室６１の圧力は制御圧力とほぼ同じになる。
ステップ１１１においては、通常運転時よりも制御圧力を低下させる。たとえば、燃焼室５の目標圧力よりも予め定められた低下量を減算した圧力を制御圧力に選定することができる。選定した制御圧力に基づいてガス室６１の圧力を定める。本実施の形態においては、ガス室６１の圧力範囲を定めている。
次に、ステップ１１２においては、現在のガス室６１の圧力を検出する。すなわち、圧縮空間の圧力を検出する。ガス室６１の圧力は、圧力センサ７４により検出することができる。
次に、ステップ１１３およびステップ１１５においては、ガス室６１の圧力が選定されたガス室６１の圧力範囲内であるか否かを判別する。ステップ１１３においては、現在のガス室６１の圧力が、圧力範囲の高圧側判定値よりも大きいか否かを判別する。ステップ１１３において、現在のガス室６１の圧力が高圧側判定値よりも大きい場合には、ステップ１１４に移行する。
ステップ１１４においては、ガス室６１の圧力を低下させる制御を行う。ステップ１１３において、現在のガス室６１の圧力が高圧側判定値以下であれば、ステップ１１５に移行する。
ステップ１１５においては、現在のガス室６１の圧力が、圧力範囲の低圧側判定値未満であるか否かを判別する。現在のガス室６１の圧力が低圧側判定値未満であれば、ステップ１１６に移行する。ステップ１１６においては、ガス室６１を加圧する制御を行う。ステップ１１５において、現在のガス室６１の圧力が、低圧側判定値以上であれば、ステップ１１７に移行する。この場合には、現在のガス室６１の圧力は、目標とするガス室６１の圧力範囲内である。
次に、ステップ１１７においては、気体ばねの圧縮空間の体積を選定する。本実施の形態においては、ステップ１０９の燃焼室における燃焼速度が速いか否かの判別に基づいて圧縮空間の体積が選定される。本実施の形態においては、燃焼速度が速い場合には、圧縮空間としてガス室６１のみが選定される。燃焼速度が速くない場合には、圧縮空間としてガス室６１および気体タンク９０が選定される。
次に、ステップ１１８においては、副室用ピストン５５の移動開始時期か否かが判別される。副室用ピストン５５の移動開始時期については、例えばクランク角度を検出することにより判別することができる。ステップ１１８において、副室用ピストン５５の移動開始時期でなければ、この制御を繰り返す。ステップ１１８において、副室用ピストン５５の移動開始時期であればステップ１１９に移行する。
次に、ステップ１１９においては、ステップ１１７の判別に基づいて、気体タンク９０の接続が必要か否かが判別される。通常運転時には、開閉弁８６が開いた状態であり、ガス室６１および気体タンク９０が圧縮空間を構成している。ステップ１１９において、気体タンク９０の接続が必要な場合には、この制御を終了する。ステップ１１９において、気体タンク９０の接続が不要と判別された場合には、ステップ１２０に移行する。
次に、ステップ１２０においては、開閉弁８６を閉じる制御を行う。気体ばね５０の圧縮空間は、ガス室６１により構成される。
次に、ステップ１２１においては、副室用ピストン５５の移動が終了したか否かが判別される。副室用ピストン５５が移動している期間中には、ステップ１２１が繰り返される。すなわち、開閉弁８６の閉じた状態が維持される。ステップ１２１において、副室用ピストンの移動が終了したと判別された場合には、ステップ１２２に移行する。
次に、ステップ１２２においては、開閉弁８６を開いて通常運転の状態に移行することができる。このように、本実施の形態の内燃機関おいては、運転状態を検出し、燃焼室における燃焼速度が速い運転状態においては、制御圧力を小さくすると共に、気体ばねの圧縮空間の体積を小さくすることができる。
燃焼室における燃焼速度が速くなる運転状態としては、例えば、機関回転数が高い状態を例示することができる。または、燃焼室における点火時期が早い運転状態を例示することができる。
または、燃焼室内に残留する排気が少なくなる運転状態を例示することができる。例えば、内燃機関が可変バルブ機構を備え、吸気弁および排気弁が同時に開くオーバーラップを有する場合に、オーバーラップの時間が長い運転状態では、燃焼室内に残留する排気が少なくなって燃焼速度が速くなる。
または、吸気弁の閉じる時期を早くする制御を例示することができる。すなわち、吸気弁を閉じる時期をピストンの下死点に近づける制御を例示することができる。吸気弁の閉じる時期を早くすると、燃焼室において点火するときの燃焼室の圧力が高くなる。このために、燃焼速度が速くなる。
または、燃焼速度が速くなる運転状態としては、外気の温度が高い状態を例示することができる。外気の温度が高いと燃焼室に吸引される空気の温度も高くなる。このために、燃焼時の温度が高くなり燃焼速度が速くなる。
または、内燃機関がタンブル制御弁を備える場合には、タンブル制御弁により燃焼室内のタンブル流を促進している運転状態を例示することができる。タンブル流が促進されることにより、燃焼室内の気体が十分に攪拌されて燃焼し易くなる。このために、燃焼速度が速くなる。
燃焼速度が速くなる運転状態は、上記の形態に限られず、燃焼室における燃焼速度が速くなる任意の運転状態を採用することができる。
本実施の形態における体積変更装置は、気体ばねのガス室に接続されている気体タンクと、ガス室と気体タンクとの間の流路に配置されている開閉弁とを含む。開閉弁を開閉することにより、気体ばねの圧縮空間の体積を変更するように形成されている。この構成を採用することにより、気体ばねの圧縮空間の体積を容易に変更することができる。体積変更装置としては、この形態に限られず、気体ばねの圧縮空間の体積を変更できる任意の装置を採用することができる。
図７に、本実施の形態における他の体積変更装置を備える内燃機関の概略図を示す。上記の体積変更装置においては、気体ばねの圧縮空間の体積が２段階で変更するように形成されている。他の体積変更装置においては、多段階で圧縮空間の体積を変更することができる。
本実施の形態における他の体積変更装置は、複数の気体タンク９０を含む。１つのガス室６１に複数の気体タンク９０が接続されている。それぞれの気体タンク９０に対応して、圧力調整弁８５および開閉弁８６が配置されている。副室用ピストン５５が移動する期間中においては、全ての圧力調整弁８５が閉止状態に維持される。副室用ピストン５５が移動する期間中において開閉弁８６を開く数を変更することにより、圧縮空間の体積を多段階で変更することができる。
このように、気体ばねの圧縮空間の体積は、多段階で制御することができる。また、制御圧力の低下量も圧縮空間の圧力を調整することにより、多段階で制御することができる。このため、内燃機関は、運転状態を検出し、燃焼室における燃焼速度が速くなるほど、徐々に制御圧力を低下させ、更に、気体ばねの圧縮空間の体積を徐々に小さくする制御を行うことができる。このように、段階的に制御圧力と気体ばねの圧縮空間の体積とを制御しても構わない。
本実施の形態における容積可変装置は、燃焼室に連通する空間としての副室の容積が可変に形成されているが、この形態に限られず、燃焼室の容積が可変に形成されていても構わない。たとえば、容積可変装置が燃焼室を構成するピストンの上部に形成され、燃焼室の容積が可変に形成されていても構わない。
本実施の形態においては、自動車に取り付けられている内燃機関を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、任意の内燃機関に本発明を適用することができる。
実施の形態２
図８から図１０を参照して、実施の形態２における内燃機関について説明する。本実施の形態における容積可変装置の構成は、実施の形態１における内燃機関の容積可変装置の構成と同様である（図２参照）。本実施の形態においては、複数の気筒を備える内燃機関を例に取り上げて説明する。
図８に、本実施の形態における内燃機関の概略断面図を示す。本実施の形態における内燃機関は、複数の気筒を有する。第１気筒、第２気筒、第３気筒および第４気筒が、この順に配置されている。それぞれの気筒には、燃焼室５ａ〜５ｄが形成されている。それぞれの気筒に配置されているピストン３は、コネクティングロッド４５に接続されている。コネクティングロッド４５は、クランクシャフト４６に接続されている。クランクシャフト４６は、回転可能なようにシリンダブロック２に支持されている。
本実施の形態における容積可変装置は、気体ばね５０ａ〜５０ｄを含む。気体ばね５０ａ〜５０ｄは、それぞれの気筒において燃焼室５ａ〜５ｄに接続されている。本実施の形態における内燃機関は、それぞれの燃焼室５ａ〜５ｄに連通する副室６０の容積が変化する。
それぞれの気体ばね５０ａ〜５０ｂには、気体タンク９０が接続されている。１つの気体ばねに、１つの気体タンク９０が接続されている。それぞれの気体タンク９０の入口および出口には、圧力調整弁８５および開閉弁８６が配置されている。本実施の形態における内燃機関は、気体ばね５０ａ〜５０ｂの圧縮空間の圧力を変更する圧力変更装置を備える。本実施の形態における圧力変更装置は、気体ばね５０ａ〜５０ｄのガス室６１および気体タンク９０の圧力を変更する。
本実施の形態の内燃機関においては、圧力変更装置に圧縮機７２が含まれている。副室用ピストン５５の移動期間中に圧力調整弁８５および開閉弁８６が開いていると、ガス室６１の圧力は、圧縮機７２の動作状態の影響を受ける場合がある。または、１つの気筒のガス室６１の圧力は、他の気筒の気体ばねの動作による圧力変動の影響を受ける場合がある。または、ガス室６１の圧力は、圧力変更装置の配管の気柱振動等の影響を受ける場合がある。
このように、気体ばね５０のガス室６１の圧力は、圧力変更装置の影響を受ける場合がある。また、複数の気筒を有する内燃機関においては、複数の気体ばねの動作は、互いにガス室６１の圧力に影響を及ぼし合う場合がある。
本実施の形態の内燃機関においては、それぞれの気筒において、副室用ピストン５５が移動している期間、すなわち気体ばね５０ａ〜５０ｄが縮んでいる期間には、気体ばね５０ａ〜５０ｄを隔離する制御を行う。本実施の形態においては、圧力調整弁８５が気体ばね５０ａ〜５０ｄを隔離する隔離弁として機能する。気体ばねが縮んでいる期間においては、圧力調整弁８５を閉じる制御を行う。この制御を行うことにより、圧力変更装置からの圧力変動の影響を抑制することができる。
また、本実施の形態の内燃機関においては、それぞれの気筒ごとに、気体ばね５０ａ〜５０ｄを隔離可能な圧力調整弁８５が配置されている。このために、それぞれの気体ばねにおいて、気体ばねが縮んでいる期間中に、対応する圧力調整弁８５を閉じる制御を行うことができる。この構成を採用することにより、他の気筒の気体ばねの動作による圧力変動の影響を抑制することができる。また、配管内部の気柱振動などの影響を抑制することができる。
図９に、本実施の形態における内燃機関の運転制御のフローチャートを示す。図９に示す運転制御は、例えば、それぞれの気筒ごとに行なうことができる。また、予め定められたクランク角度ごとに行なうことができる。
始めに、ステップ１３１においては、内燃機関のクランク角度を検出する。
次に、ステップ１３２においては、検出したクランク角度が気体ばねの縮んでいる期間か否かを判別する。すなわち、容積可変装置の動作期間であるか否かを判別する。ステップ１３２において、検出されたクランク角度が気体ばねの縮んでいる期間である場合には、ステップ１３３に移行する。また、ステップ１３２において、クランク角度が気体ばねの縮んでいる期間でない場合には、ステップ１３４に移行する。気体ばねの縮んでいる期間の選定においては、副室用ピストンが移動する期間に余裕の時間を加算した期間を選定しても構わない。
ステップ１３３においては、気体ばねの隔離弁を閉じる。本実施の形態においては、圧力調整弁８５を閉じる。圧力調整弁８５が既に閉じている状態である場合には、その状態を維持する制御を行う。
ステップ１３４においては、隔離弁を開く制御を行う。本実施の形態においては、圧力調整弁８５を開く制御を行う。圧力調整弁８５が既に開いている場合には、その状態を維持する制御を行なう。
図１０に、本実施の形態における内燃機関の１つの気筒における燃焼室の圧力を説明するグラフを示す。横軸がクランク角度であり縦軸が燃焼室の圧力である。気体ばねが縮む期間中に気体ばねを隔離した場合のグラフと、気体ばねを隔離しなかった場合のグラフとが示されている。
気体ばねを隔離しなかった場合においては、燃焼室の圧力が目標圧力に到達したときに、圧力の振動が生じている。これに対して、気体ばねを隔離した場合においては、燃焼室の圧力の振動を抑制することができる。このように、気体ばねが縮む期間中においては、気体ばねを隔離することにより、安定した運転を行うことができる。
本実施の形態の運転制御においては、気体ばねが縮んでいる期間以外では、隔離弁を開くように制御しているが、この形態に限られず、任意の制御を行なうことができる。例えば、圧力変更装置により、気体タンクおよびガス室の圧力を変更した後に、隔離弁としての圧力調整弁を閉じる制御を行なっても構わない。
また、本実施の形態の内燃機関においては、気体タンクを含む体積変更装置が配置されているが、この形態に限られず、体積変更装置が配置されていない内燃機関にも、本実施の形態における気体ばねを隔離する制御を行うことができる。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
上記のそれぞれの実施の形態における運転制御では、必要に応じて適宜ステップの順序を変更することができる。
また、上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相当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、請求の範囲に示される変更が含まれている。
図１から図７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。本実施の形態における内燃機関は、火花点火式である。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。本発明においては、ピストンが圧縮上死点に達したときに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、および任意の位置にあ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。燃焼室５の頂面は、シリンダヘッド４により構成され、燃焼室５の底面は、ピストン３の冠面により構成されている。
燃焼室５は、それぞれの気筒ごとに形成されている。燃焼室５には、機関吸気通路および機関排気通路が接続されている。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。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、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。本実施の形態における燃料噴射弁１１は、吸気ポート７に燃料を噴射するように配置されている。燃料噴射弁１１は、この形態に限られず、燃焼室５に燃料を供給できるように配置されていれば構わない。たとえば、燃料噴射弁は、燃焼室に直接的に燃料を噴射するように配置されていても構わない。
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およびエアフローメータ１６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には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１６が接続されている。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、触媒コンバータ２１に連結されている。本実施の形態における触媒コンバータ２１は、三元触媒２０を含む。触媒コンバータ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は、燃焼室５に吸入される吸入空気量に比例し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。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、アクセルペダル４０の踏込量に比例し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。
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。
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。すなわち、燃料を噴射する時期および燃料の噴射量が電子制御ユニット３１により制御される。更に点火プラグ１０の点火時期が電子制御ユニット３１により制御されている。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。
図２に、本実施の形態における内燃機関の容積可変装置、体積変更装置および圧力変更装置の概略断面図を示す。本実施の形態における内燃機関は、燃料が燃焼したときの燃焼室の圧力を制御する燃焼圧力制御装置を備える。本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、燃焼室に連通する空間の容積が変化する容積可変装置を備える。容積可変装置は、気体ばね５０を含む。気体ばね５０は、それぞれの気筒において燃焼室５に接続されている。本実施の形態における内燃機関は、燃焼室５に連通する空間としての副室６０を有する。
本実施の形態における容積可変装置は、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときに、燃焼室５の圧力変化を駆動源として副室６０の容積が変化する。すなわち、容積可変装置は、燃焼室５の圧力が変化することにより作動する。本発明における制御圧力は、容積可変装置が作動し始めるときの燃焼室の圧力である。すなわち、副室用ピストン５５が移動し始める時の燃焼室の圧力である。容積可変装置は、燃焼室５の圧力が異常燃焼の発生圧力以上になることを抑制する。
本発明における異常燃焼は、たとえば、点火装置により混合気が点火し、点火した点から順次燃焼が伝搬する状態以外の燃焼を含む。異常燃焼は、たとえば、ノッキング現象、デトネーション現象およびプレイグニッション現象を含む。ノッキング現象は、スパークノック現象を含む。スパークノック現象は、点火装置において点火し、点火装置を中心に火炎が広がっているときに、点火装置から遠い位置にある未燃燃料を含む混合気が自着火する現象である。点火装置から遠い位置にある混合気は、点火装置の近傍の燃焼ガスにより圧縮されて高温高圧になって自着火する。混合気が自着火するときに衝撃波が発生する。
デトネーション現象は、高温高圧の混合気の中を衝撃波が通過することにより、混合気が着火する現象である。この衝撃波は、たとえば、スパークノック現象によって発生する。プレイグニッション現象は、早期着火現象とも言われる。プレイグニッション現象は、点火プラグの先端の金属または燃焼室内に堆積するカーボンスラッジ等が加熱されて、所定の温度以上を維持した状態になり、この部分を火種として点火時期の前に燃料が着火して燃焼する現象である。
本実施の形態における容積可変装置は、筒状部を構成する筒状部材５１を備える。本実施の形態における筒状部材５１は、円筒状に形成されている。筒状部材５１の内部には、移動部材としての副室用ピストン５５が配置されている。筒状部材５１の内部の空間は、副室用ピストン５５により区画されている。筒状部材５１の内部には、燃焼室５に向かう側に副室６０が形成されている。また、筒状部材５１の内部には、燃焼室５に向かう側と反対側にガス室６１が形成されている。
副室用ピストン５５は、筒状部材５１に固定されておらず、筒状部材５１の軸方向に移動するように形成されている。副室用ピストン５５は、矢印１００に示すように、筒状部材５１の内部を移動する。副室用ピストン５５は、封止部材としてのピストンリングを介して筒状部材５１に接触している。副室用ピストン５５が移動することにより、副室６０の容積が変化する。副室６０には、燃焼ガスが流入する。
本実施の形態における容積可変装置の気体ばね５０は、内部に気体を密閉することにより弾性を有するように形成されている。気体ばね５０のガス室６１には、燃焼室５の圧力が所望の制御圧力に到達したときに、副室用ピストン５５が移動し始めるように、加圧された気体が充填される。本実施の形態においては、ガス室６１に空気が充填される。ガス室６１に充填される気体としては、空気に限られず、任意の気体を採用することができる。
本実施の形態における気体ばね５０は、縮む時に内部の気体が圧縮される圧縮空間を有する。また、本実施の形態における内燃機関は、圧縮空間の体積を変更する体積変更装置を備える。本実施の形態における体積変更装置は、ガス室６１に接続されている気体タンク９０と、開閉弁８６とを含む。開閉弁８６は、ガス室６１と気体タンク９０との間の流路に配置されている。体積変更装置は、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開閉弁８６は、電子制御ユニット３１に制御されている。開閉弁８６を開くことにより、ガス室６１と気体タンク９０とにより圧縮空間が構成される。また、開閉弁８６を閉じることにより、ガス室６１により圧縮空間が構成される。
本実施の形態における内燃機関では、副室用ピストン５５が移動する期間、すなわち気体ばね５０が縮んでいる期間には圧縮空間が密閉される。本実施の形態においては、気体ばね５０が縮んでいる期間は、圧力調整弁８５が閉止される。圧力調整弁８５を閉止することにより、圧縮空間に接続される流路を遮断することができる。気体ばね５０は、圧縮空間が密閉されることにより弾性を有する。圧縮空間の圧力により、副室用ピストン５５が押圧される。
本実施の形態における内燃機関は、気体ばねの圧縮空間の圧力を変更する圧力変更装置を備える。本実施の形態における圧力変更装置は、気体タンク９０に接続されている。
本実施の形態における圧力変更装置は、モータ７１と、モータ７１により駆動される圧縮機７２と含む。圧縮機７２の出口には、逆止弁８２が配置されている。逆止弁８２は、ガス室６１の気体が逆流して流出することを防止する。圧縮機７２には、逆止弁８１およびフィルタ７３が接続されている。フィルタ７３は、圧縮機７２に吸入される空気から異物を除去する。逆止弁８１は、圧縮機７２から空気が逆流することを防止する。
本実施の形態における圧力変更装置は、気体ばね５０の圧縮空間の圧力を検出する圧力検出器としての圧力センサ７４を含む。本実施の形態における圧力センサ７４は、ガス室６１と開閉弁８６とを接続する流路に配置されている。
圧力変更装置は、電子制御ユニット３１により制御されている。本実施の形態においては、モータ７１が電子制御ユニット３１に制御されている。本実施の形態における空気排出弁８４および圧力調整弁８５は、電子制御ユニット３１により制御されている。圧力センサ７４の出力は、電子制御ユニット３１に入力される。
本実施の形態における内燃機関は、運転期間中または停止期間中に気体ばね５０の圧縮空間から空気が漏れても、空気を補充することができる。たとえば、モータ７１にて圧縮機７２を駆動し、更に圧力調整弁８５および開閉弁８６を開くことにより、ガス室６１に空気を供給することができる。
本実施の形態における圧力変更装置は、気体ばね５０の圧縮空間の圧力を上昇させることができる。更に、本実施の形態における圧力変更装置は、気体ばね５０の圧縮空間から気体を排出することができる。圧力調整弁８５および空気排出弁８４を開くことにより、圧縮空間の圧力を下降させることができる。このように、圧縮空間の圧力を変更することにより、制御圧力を変更することができる。圧力変更装置は、この形態に限られず、気体ばねの圧縮空間の圧力を変更可能な任意の装置を採用することができる。
図３に、本実施の形態の内燃機関における燃焼室の圧力のグラフを示す。横軸がクランク角度であり、縦軸が燃焼室の圧力および副室用ピストンの変位である。図３には、燃焼サイクルのうち圧縮行程および膨張行程のグラフが示されている。副室用ピストン５５は、筒状部材５１の底部に着底しているときの変位が零である。本実施の形態における容積可変装置は、燃焼サイクルの圧縮行程から膨張行程の期間中に、燃焼室の圧力が制御圧力に到達した場合に、副室用ピストン５５が移動する。この結果、気体ばね５０の副室６０の容積が大きくなる。
図２および図３を参照して、圧縮行程の開始時には副室用ピストン５５が筒状部材５１の底部に着底している。圧縮行程ではピストン３が上昇して、燃焼室５の圧力が上昇する。ここで、気体ばね５０の圧縮空間には制御圧力に対応する圧力の気体が封入されているために、燃焼室５の圧力が制御圧力になるまでは、副室用ピストン５５は着底した状態が維持される。
図３に示す実施例では、クランク角度が０°（ＴＤＣ）より僅か後に点火される。点火されることにより燃焼室５の圧力が急激に上昇する。燃焼室５の圧力が制御圧力に達したときに、副室用ピストン５５が移動し始める。混合気の燃焼が進むと、気体ばね５０が縮んで副室６０の容積が大きくなる。このために、燃焼室５および副室６０の圧力が上昇することが抑制される。図３に示す実施例では、燃焼室５の圧力がほぼ一定に保たれている。
燃焼室において、更に燃料の燃焼が進むと、副室用ピストン５５の変位は最大になった後に小さくなる。ガス室６１の圧力が減少して、副室用ピストン５５の変位が零に戻る。すなわち、副室用ピストン５５は着底する位置まで戻る。燃焼室５の圧力が制御圧力未満になった場合には、クランク角度の進行とともに燃焼室５の圧力が減少する。
このように、本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときに燃焼室の圧力上昇を抑制し、燃焼室の圧力が異常燃焼の発生する圧力以上にならないように制御することができる。
図３には、比較例１および比較例２の燃焼室の圧力のグラフが示されている。比較例１および比較例２は、本実施の形態における容積可変装置を有していない内燃機関である。内燃機関は、点火時期に依存して、燃焼室の圧力が変動する。内燃機関は、出力トルクが最大になる点火時期θｍａｘを有する。比較例１は、点火時期θｍａｘで点火したときのグラフである。出力トルクが最大になる点火時期で点火することにより、燃焼室の圧力が高くなり熱効率が最良になる。ところが、比較例１のように点火時期が早いと、燃焼室の圧力が異常燃焼の発生する圧力よりも高くなる。比較例１のグラフは、異常燃焼が発生しないと仮定している。一方で、実際の内燃機関では、燃焼室の最大圧力が異常燃焼の発生する圧力よりも小さくなるように点火時期を遅角させている。
比較例２の内燃機関では、異常燃焼の発生を回避するために、出力トルクが最大になる点火時期よりも遅らせて点火している。点火時期を遅角させた場合には、出力トルクが最大になる点火時期で点火した場合よりも燃焼室の最大圧力が小さくなる。
本実施の形態における内燃機関は、燃焼室の圧力が異常燃焼の発生する圧力未満で燃焼を行なうことができる。点火時期を早くしても異常燃焼の発生を抑制することができる。特に、圧縮比が高いエンジンにおいても異常燃焼を抑制することができる。さらに、燃焼室の圧力が高い時間を長くすることができる。このため、比較例２の点火時期を遅らせた内燃機関よりも熱効率が改善され、出力トルクを大きくすることができる。または、燃料消費量を少なくすることができる。
図３に示す実施例は、容積可変装置の理想的な運転状態を示している。図３に示す実施例では、副室用ピストンが移動する期間中には、燃焼室の圧力がほぼ制御圧力で一定に保たれている。ところが、実際の容積可変装置では、内燃機関の運転状態に依存して、燃焼室の圧力が制御圧力に到達した直後にオーバーシュートが生じる場合がある。更に、副室用ピストンが移動することにより圧縮空間の圧力が上昇するために燃焼室の圧力も上昇する。
図２を参照して、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達した時に、副室用ピストン５５が移動し始める。このときに、副室用ピストン５５は、重量に応じた慣性が生じる。このために、副室用ピストン５５の移動に応答遅れが生じる。本実施の形態の内燃機関の通常運転においては、副室用ピストン５５が移動する期間中には、開閉弁８６を開いた状態に制御する。気体ばね５０の圧縮空間は、ガス室６１と気体タンク９０により構成される。
図４に、本実施の形態における内燃機関の燃焼室の圧力を説明する第１のグラフを示す。図４においては、通常運転を破線で示しており、また後述する制御圧力を低下させた運転を一点鎖線で示す。燃焼室の圧力が制御圧力に到達した直後にオーバーシュートが生じている運転例が示されている。
本実施の形態の内燃機関の通常運転においては、燃焼室の圧力にオーバーシュートが発生しない条件下で、燃焼室の最大圧力が異常燃焼の発生する圧力を超えないように目標圧力を定めている。本実施の形態における燃焼室の目標圧力は、異常燃焼の生じる圧力から予め定められた圧力を減算した圧力が採用されている。通常運転においては、燃焼室の目標圧力が制御圧力に相当する。たとえば、制御圧力は、内燃機関の機関回転数と要求負荷とに基づいて定められる。
通常運転の制御においては、クランク角度θＳ１からクランク角度θＥ１の期間において副室用ピストン５５が移動している。燃焼室５の圧力が通常運転の制御圧力に到達したときに、副室用ピストン５５の移動に応答遅れが生じる。このために、燃焼室５の圧力が上昇を継続してオーバーシュートが発現する。副室用ピストン５５が移動し始めた直後には、燃焼室５の圧力が目標圧力を大きく超える。
この後に、副室用ピストン５５の移動に伴って燃焼室５の圧力が減少する。副室用ピストン５５が着底位置に向かって移動するときにも応答遅れが生じる。このために、副室用ピストン５５の変位が減少している期間においては、燃焼室５の圧力が目標圧力よりも小さくなる。特に、副室用ピストン５５が移動している期間の後半部分においては、燃焼室５の圧力が目標圧力よりも小さくなる。
このような応答遅れは、副室用ピストン５５の移動速度が速い運転状態において顕著になる。すなわち、燃焼室５における燃焼速度が速い運転状態において顕著になる。本実施の形態においては、燃焼室５における燃焼速度が速い運転状態においては、副室用ピストン５５が移動し始めるときの制御圧力を低下させる制御を行う。更に、気体ばね５０の圧縮空間の体積を小さくする制御を行う。
始めに、制御圧力を低下させる制御について説明する。制御圧力を低下させるために、ガス室６１の圧力を低下させる。気体ばね５０の圧縮空間の圧力を低下させる。制御圧力は、燃焼室５の目標圧力よりも小さくなる。図４の一点鎖線のグラフを参照して、制御圧力を低下させることにより燃焼室５が到達する最大圧力が小さくなる。クランク角度θＳ２からクランク角度θＥ２までの期間は、副室用ピストン５５が移動している期間である。
図２を参照して、制御圧力を低下させる場合には、空気排出弁８４を開いた状態で、圧力調整弁８５を開くことにより気体ばね５０の圧縮空間の圧力を低下させる。ガス室６１の圧力が低下することにより、副室用ピストン５５が移動し始めときの燃焼室５の圧力、すなわち制御圧力を低下させることができる。
図４に示す運転例においては、通常運転の制御圧力にて容積可変装置を駆動すると、燃焼室５の最大圧力が異常燃焼の発生圧力を超えている。制御圧力を低下させることにより、燃焼室５の圧力にオーバーシュートが生じても燃焼室５の圧力が異常燃焼の発生する圧力以上になることを抑制できる。
また、気体ばね５０の圧縮空間の圧力が小さくなるために副室用ピストン５５の応答性が向上する。このため、オーバーシュートによる圧力上昇幅を小さくすることができる。更に、副室用ピストン５５の応答性が向上するために、副室用ピストン５５が移動している期間の後半の圧力減少幅を小さくすることができる。
制御圧力の低下量は、制御圧力を低下した後の燃焼室５の最大圧力が、異常燃焼の発生する圧力未満になるように設定することが好ましい。または、制御圧力の低下量は、制御圧力を低下した後の燃焼室５の最大圧力が、目標圧力とほぼ同じになるように設定することが好ましい。
次に、気体ばねの圧縮空間の体積を小さくする制御について説明する。
図５に、本実施の形態における内燃機関の燃焼室の圧力を説明する第２のグラフを示す。図５においては、制御圧力を低下させた運転を一点鎖線で示し、制御圧力を低下させた上に、圧縮空間の体積を減少させた運転を実線で示している。
副室用ピストン５５の受圧面積が略同じである場合に、圧縮空間の体積を小さくすることにより、副室用ピストン５５が単位長さを移動したときの圧縮空間の圧力上昇幅が大きくなる。気体ばね５０の圧縮空間の体積を小さくすることにより、ガス室６１の圧力上昇幅が大きくなる。このために、副室用ピストン５５が移動している期間における燃焼室５の圧力上昇幅も大きくなる。
図２を参照して、本実施の形態における圧縮空間の体積を減少させる制御としては、開閉弁８６を閉じる制御を行う。開閉弁８６を閉じることにより、気体タンク９０が隔離される。気体ばね５０の圧縮空間はガス室６１により構成される。
図５に示すように、制御圧力を低下させる制御のみでは、副室用ピストン５５が移動している期間の初期において燃焼室の圧力が目標圧力に近づく。ところが、その後には燃焼室の圧力が大幅に目標圧力未満になる。そこで、圧縮空間の体積を小さくすることにより、副室用ピストン５５が移動する期間において、燃焼室５の圧力を上昇させることができる。副室用ピストン５５が移動している期間中の燃焼室５の圧力を目標圧力に近づけることができる。
本実施の形態における制御圧力を低下させて、更に圧縮空間の体積を小さくする制御は、燃焼室における燃料の燃焼速度が速くなる内燃機関の運転状態において行うことが好ましい。本実施の形態における内燃機関では、運転状態を検出し、燃焼室における燃焼速度が速いと判別されるときに、制御圧力を低下させて、更に圧縮空間の体積を小さくする制御を行う。
図６に、本実施の形態における内燃機関の運転制御のフローチャートを示す。図６に示す運転制御は、例えば予め定められた時間間隔毎に行うことができる。
始めに、ステップ１０８においては、内燃機関の運転状態を検出する。本実施の形態においては、機関回転数および要求負荷を検出する。図１を参照して、機関回転数はクランク角センサ４２の出力により検出することができる。要求負荷は、負荷センサ４１の出力により検出することができる。内燃機関の運転状態に基づいて、燃焼室の目標圧力が設定される。燃焼室５の目標圧力は、例えば、機関回転数および要求負荷を関数にするマップを電子制御ユニット３１に記憶させておくことができる。
次に、ステップ１０９においては、検出した内燃機関の運転状態に基づいて、燃焼室における燃焼速度が速いか否かを判別する。ステップ１０９において、燃焼室における燃焼速度が速くないと判別される場合には、ステップ１１０に移行する。ステップ１０９において、燃焼室における燃焼速度が速いと判別される場合には、ステップ１１１に移行する。
ステップ１１０においては、通常運転における制御圧力を選定する。たとえば、燃焼室５の目標圧力とほぼ等しい圧力を制御圧力に選定することができる。また、制御圧力に対応するガス室６１の圧力を定める。本実施の形態においては、ガス室６１の圧力範囲を定めている。図２を参照して、本実施の形態においては、副室用ピストン５５の副室６０の側の表面積と、ガス室６１の側の表面積とがほぼ同じになるために、ガス室６１の圧力は制御圧力とほぼ同じになる。
ステップ１１１においては、通常運転時よりも制御圧力を低下させる。たとえば、燃焼室５の目標圧力よりも予め定められた低下量を減算した圧力を制御圧力に選定することができる。選定した制御圧力に基づいてガス室６１の圧力を定める。本実施の形態においては、ガス室６１の圧力範囲を定めている。
次に、ステップ１１２においては、現在のガス室６１の圧力を検出する。すなわち、圧縮空間の圧力を検出する。ガス室６１の圧力は、圧力センサ７４により検出することができる。
次に、ステップ１１３およびステップ１１５においては、ガス室６１の圧力が選定されたガス室６１の圧力範囲内であるか否かを判別する。ステップ１１３においては、現在のガス室６１の圧力が、圧力範囲の高圧側判定値よりも大きいか否かを判別する。ステップ１１３において、現在のガス室６１の圧力が高圧側判定値よりも大きい場合には、ステップ１１４に移行する。
ステップ１１４においては、ガス室６１の圧力を低下させる制御を行う。ステップ１１３において、現在のガス室６１の圧力が高圧側判定値以下であれば、ステップ１１５に移行する。
ステップ１１５においては、現在のガス室６１の圧力が、圧力範囲の低圧側判定値未満であるか否かを判別する。現在のガス室６１の圧力が低圧側判定値未満であれば、ステップ１１６に移行する。ステップ１１６においては、ガス室６１を加圧する制御を行う。ステップ１１５において、現在のガス室６１の圧力が、低圧側判定値以上であれば、ステップ１１７に移行する。この場合には、現在のガス室６１の圧力は、目標とするガス室６１の圧力範囲内である。
次に、ステップ１１７においては、気体ばねの圧縮空間の体積を選定する。本実施の形態においては、ステップ１０９の燃焼室における燃焼速度が速いか否かの判別に基づいて圧縮空間の体積が選定される。本実施の形態においては、燃焼速度が速い場合には、圧縮空間としてガス室６１のみが選定される。燃焼速度が速くない場合には、圧縮空間としてガス室６１および気体タンク９０が選定される。
次に、ステップ１１８においては、副室用ピストン５５の移動開始時期か否かが判別される。副室用ピストン５５の移動開始時期については、例えばクランク角度を検出することにより判別することができる。ステップ１１８において、副室用ピストン５５の移動開始時期でなければ、この制御を繰り返す。ステップ１１８において、副室用ピストン５５の移動開始時期であればステップ１１９に移行する。
次に、ステップ１１９においては、ステップ１１７の判別に基づいて、気体タンク９０の接続が必要か否かが判別される。通常運転時には、開閉弁８６が開いた状態であり、ガス室６１および気体タンク９０が圧縮空間を構成している。ステップ１１９において、気体タンク９０の接続が必要な場合には、この制御を終了する。ステップ１１９において、気体タンク９０の接続が不要と判別された場合には、ステップ１２０に移行する。
次に、ステップ１２０においては、開閉弁８６を閉じる制御を行う。気体ばね５０の圧縮空間は、ガス室６１により構成される。
次に、ステップ１２１においては、副室用ピストン５５の移動が終了したか否かが判別される。副室用ピストン５５が移動している期間中には、ステップ１２１が繰り返される。すなわち、開閉弁８６の閉じた状態が維持される。ステップ１２１において、副室用ピストンの移動が終了したと判別された場合には、ステップ１２２に移行する。
次に、ステップ１２２においては、開閉弁８６を開いて通常運転の状態に移行することができる。このように、本実施の形態の内燃機関おいては、運転状態を検出し、燃焼室における燃焼速度が速い運転状態においては、制御圧力を小さくすると共に、気体ばねの圧縮空間の体積を小さくすることができる。
燃焼室における燃焼速度が速くなる運転状態としては、例えば、機関回転数が高い状態を例示することができる。または、燃焼室における点火時期が早い運転状態を例示することができる。
または、燃焼室内に残留する排気が少なくなる運転状態を例示することができる。例えば、内燃機関が可変バルブ機構を備え、吸気弁および排気弁が同時に開くオーバーラップを有する場合に、オーバーラップの時間が長い運転状態では、燃焼室内に残留する排気が少なくなって燃焼速度が速くなる。
または、吸気弁の閉じる時期を早くする制御を例示することができる。すなわち、吸気弁を閉じる時期をピストンの下死点に近づける制御を例示することができる。吸気弁の閉じる時期を早くすると、燃焼室において点火するときの燃焼室の圧力が高くなる。このために、燃焼速度が速くなる。
または、燃焼速度が速くなる運転状態としては、外気の温度が高い状態を例示することができる。外気の温度が高いと燃焼室に吸引される空気の温度も高くなる。このために、燃焼時の温度が高くなり燃焼速度が速くなる。
または、内燃機関がタンブル制御弁を備える場合には、タンブル制御弁により燃焼室内のタンブル流を促進している運転状態を例示することができる。タンブル流が促進されることにより、燃焼室内の気体が十分に攪拌されて燃焼し易くなる。このために、燃焼速度が速くなる。
燃焼速度が速くなる運転状態は、上記の形態に限られず、燃焼室における燃焼速度が速くなる任意の運転状態を採用することができる。
本実施の形態における体積変更装置は、気体ばねのガス室に接続されている気体タンクと、ガス室と気体タンクとの間の流路に配置されている開閉弁とを含む。開閉弁を開閉することにより、気体ばねの圧縮空間の体積を変更するように形成されている。この構成を採用することにより、気体ばねの圧縮空間の体積を容易に変更することができる。体積変更装置としては、この形態に限られず、気体ばねの圧縮空間の体積を変更できる任意の装置を採用することができる。
図７に、本実施の形態における他の体積変更装置を備える内燃機関の概略図を示す。上記の体積変更装置においては、気体ばねの圧縮空間の体積が２段階で変更するように形成されている。他の体積変更装置においては、多段階で圧縮空間の体積を変更することができる。
本実施の形態における他の体積変更装置は、複数の気体タンク９０を含む。１つのガス室６１に複数の気体タンク９０が接続されている。それぞれの気体タンク９０に対応して、圧力調整弁８５および開閉弁８６が配置されている。副室用ピストン５５が移動する期間中においては、全ての圧力調整弁８５が閉止状態に維持される。副室用ピストン５５が移動する期間中において開閉弁８６を開く数を変更することにより、圧縮空間の体積を多段階で変更することができる。
このように、気体ばねの圧縮空間の体積は、多段階で制御することができる。また、制御圧力の低下量も圧縮空間の圧力を調整することにより、多段階で制御することができる。このため、内燃機関は、運転状態を検出し、燃焼室における燃焼速度が速くなるほど、徐々に制御圧力を低下させ、更に、気体ばねの圧縮空間の体積を徐々に小さくする制御を行うことができる。このように、段階的に制御圧力と気体ばねの圧縮空間の体積とを制御しても構わない。
本実施の形態における容積可変装置は、燃焼室に連通する空間としての副室の容積が可変に形成されているが、この形態に限られず、燃焼室の容積が可変に形成されていても構わない。たとえば、容積可変装置が燃焼室を構成するピストンの上部に形成され、燃焼室の容積が可変に形成されていても構わない。
本実施の形態においては、自動車に取り付けられている内燃機関を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、任意の内燃機関に本発明を適用することができる。
実施の形態２
図８から図１０を参照して、実施の形態２における内燃機関について説明する。本実施の形態における容積可変装置の構成は、実施の形態１における内燃機関の容積可変装置の構成と同様である（図２参照）。本実施の形態においては、複数の気筒を備える内燃機関を例に取り上げて説明する。
図８に、本実施の形態における内燃機関の概略断面図を示す。本実施の形態における内燃機関は、複数の気筒を有する。第１気筒、第２気筒、第３気筒および第４気筒が、この順に配置されている。それぞれの気筒には、燃焼室５ａ〜５ｄが形成されている。それぞれの気筒に配置されているピストン３は、コネクティングロッド４５に接続されている。コネクティングロッド４５は、クランクシャフト４６に接続されている。クランクシャフト４６は、回転可能なようにシリンダブロック２に支持されている。
本実施の形態における容積可変装置は、気体ばね５０ａ〜５０ｄを含む。気体ばね５０ａ〜５０ｄは、それぞれの気筒において燃焼室５ａ〜５ｄに接続されている。本実施の形態における内燃機関は、それぞれの燃焼室５ａ〜５ｄに連通する副室６０の容積が変化する。
それぞれの気体ばね５０ａ〜５０ｂには、気体タンク９０が接続されている。１つの気体ばねに、１つの気体タンク９０が接続されている。それぞれの気体タンク９０の入口および出口には、圧力調整弁８５および開閉弁８６が配置されている。本実施の形態における内燃機関は、気体ばね５０ａ〜５０ｂの圧縮空間の圧力を変更する圧力変更装置を備える。本実施の形態における圧力変更装置は、気体ばね５０ａ〜５０ｄのガス室６１および気体タンク９０の圧力を変更する。
本実施の形態の内燃機関においては、圧力変更装置に圧縮機７２が含まれている。副室用ピストン５５の移動期間中に圧力調整弁８５および開閉弁８６が開いていると、ガス室６１の圧力は、圧縮機７２の動作状態の影響を受ける場合がある。または、１つの気筒のガス室６１の圧力は、他の気筒の気体ばねの動作による圧力変動の影響を受ける場合がある。または、ガス室６１の圧力は、圧力変更装置の配管の気柱振動等の影響を受ける場合がある。
このように、気体ばね５０のガス室６１の圧力は、圧力変更装置の影響を受ける場合がある。また、複数の気筒を有する内燃機関においては、複数の気体ばねの動作は、互いにガス室６１の圧力に影響を及ぼし合う場合がある。
本実施の形態の内燃機関においては、それぞれの気筒において、副室用ピストン５５が移動している期間、すなわち気体ばね５０ａ〜５０ｄが縮んでいる期間には、気体ばね５０ａ〜５０ｄを隔離する制御を行う。本実施の形態においては、圧力調整弁８５が気体ばね５０ａ〜５０ｄを隔離する隔離弁として機能する。気体ばねが縮んでいる期間においては、圧力調整弁８５を閉じる制御を行う。この制御を行うことにより、圧力変更装置からの圧力変動の影響を抑制することができる。
また、本実施の形態の内燃機関においては、それぞれの気筒ごとに、気体ばね５０ａ〜５０ｄを隔離可能な圧力調整弁８５が配置されている。このために、それぞれの気体ばねにおいて、気体ばねが縮んでいる期間中に、対応する圧力調整弁８５を閉じる制御を行うことができる。この構成を採用することにより、他の気筒の気体ばねの動作による圧力変動の影響を抑制することができる。また、配管内部の気柱振動などの影響を抑制することができる。
図９に、本実施の形態における内燃機関の運転制御のフローチャートを示す。図９に示す運転制御は、例えば、それぞれの気筒ごとに行なうことができる。また、予め定められたクランク角度ごとに行なうことができる。
始めに、ステップ１３１においては、内燃機関のクランク角度を検出する。
次に、ステップ１３２においては、検出したクランク角度が気体ばねの縮んでいる期間か否かを判別する。すなわち、容積可変装置の動作期間であるか否かを判別する。ステップ１３２において、検出されたクランク角度が気体ばねの縮んでいる期間である場合には、ステップ１３３に移行する。また、ステップ１３２において、クランク角度が気体ばねの縮んでいる期間でない場合には、ステップ１３４に移行する。気体ばねの縮んでいる期間の選定においては、副室用ピストンが移動する期間に余裕の時間を加算した期間を選定しても構わない。
ステップ１３３においては、気体ばねの隔離弁を閉じる。本実施の形態においては、圧力調整弁８５を閉じる。圧力調整弁８５が既に閉じている状態である場合には、その状態を維持する制御を行う。
ステップ１３４においては、隔離弁を開く制御を行う。本実施の形態においては、圧力調整弁８５を開く制御を行う。圧力調整弁８５が既に開いている場合には、その状態を維持する制御を行なう。
図１０に、本実施の形態における内燃機関の１つの気筒における燃焼室の圧力を説明するグラフを示す。横軸がクランク角度であり縦軸が燃焼室の圧力である。気体ばねが縮む期間中に気体ばねを隔離した場合のグラフと、気体ばねを隔離しなかった場合のグラフとが示されている。
気体ばねを隔離しなかった場合においては、燃焼室の圧力が目標圧力に到達したときに、圧力の振動が生じている。これに対して、気体ばねを隔離した場合においては、燃焼室の圧力の振動を抑制することができる。このように、気体ばねが縮む期間中においては、気体ばねを隔離することにより、安定した運転を行うことができる。
本実施の形態の運転制御においては、気体ばねが縮んでいる期間以外では、隔離弁を開くように制御しているが、この形態に限られず、任意の制御を行なうことができる。例えば、圧力変更装置により、気体タンクおよびガス室の圧力を変更した後に、隔離弁としての圧力調整弁を閉じる制御を行なっても構わない。
また、本実施の形態の内燃機関においては、気体タンクを含む体積変更装置が配置されているが、この形態に限られず、体積変更装置が配置されていない内燃機関にも、本実施の形態における気体ばねを隔離する制御を行うことができる。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
上記のそれぞれの実施の形態における運転制御では、必要に応じて適宜ステップの順序を変更することができる。
また、上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相当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、請求の範囲に示される変更が含まれている。
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
４２ クランク角センサ
５０，５０ａ〜５０ｄ 気体ばね
５１ 筒状部材
５５ 副室用ピストン
６０ 副室
６１ ガス室
７２ 圧縮機
７４ 圧力センサ
８４ 空気排出弁
８５ 圧力調整弁
８６ 開閉弁
９０ 気体タンク
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
４２ クランク角センサ
５０，５０ａ〜５０ｄ 気体ばね
５１ 筒状部材
５５ 副室用ピストン
６０ 副室
６１ ガス室
７２ 圧縮機
７４ 圧力センサ
８４ 空気排出弁
８５ 圧力調整弁
８６ 開閉弁
９０ 気体タンク
Claims (5)
- 気体が圧縮されることにより弾性を有する気体ばねを含み、燃焼室の圧力が予め定められた制御圧力に到達したときに、燃焼室の圧力変化を駆動源として気体ばねが縮むことにより燃焼室の容積または燃焼室に連通する空間の容積が変化する容積可変装置と、
気体ばねの気体の圧力を変更する圧力変更装置と、
気体ばねの気体が圧縮される圧縮空間の体積を変更する体積変更装置とを備え、
内燃機関の運転状態に基づいて燃焼室における燃料の燃焼速度を推定し、燃焼室における燃料の燃焼速度が大きくなるほど、気体ばねの気体の圧力を低下させると共に、圧縮空間の体積を小さくすることを特徴とする、内燃機関。 - 内燃機関の運転状態を検出し、運転状態に応じた燃焼室が到達すべき目標圧力を選定し、
燃焼室の圧力の最大値がほぼ目標圧力になるように気体ばねの気体の圧力を低下させることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。 - 容積可変装置は、燃焼室に連通している筒状部と、筒状部の内部に移動可能に配置されている移動部材とを含み、
移動部材が筒状部の内部の空間を区画することにより、燃焼室に向かう側に副室が形成され、燃焼室に向かう側と反対側に圧縮空間としてのガス室が形成されており、
圧力変更装置は、ガス室の圧力を変更するように気体ばねに接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。 - 体積変更装置は、ガス室に接続されている気体タンクと、
ガス室と気体タンクとの間の流路に配置されている開閉弁とを含み、
開閉弁を開閉することにより、気体ばねの圧縮空間の体積を変更することを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関。 - 圧力変更装置は、気体ばねを隔離するための隔離弁を含み、
気体ばねが縮んでいる期間においては、隔離弁を閉止する制御を行うことを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
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