WO2009060969A1 - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

内燃機関において、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構（A）と、吸気弁（７）の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構（B）とを具備する。機関低負荷運転時に膨張比が２０以上となるように機械圧縮比が最大にされる。更に、機関低負荷運転時には一部の運転領域又は全ての運転領域において実圧縮比が機関高負荷運転時に比べて低下せしめられ、機関低負荷運転時において少くとも実圧縮比が機関高負荷運転時に比べて低下せしめられているときにはスロットル弁（１７）が閉弁せしめられる。

Description

火花点火式内燃機関

技術分野

本発明は火花点火式内燃機関に関する。 明

背景技術

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 0を具備し、 機関中負荷運転時 および機関高負荷運転時には過給機による過給作用を行い、 かつ機 関高負荷運転から中負荷運転に移る際には実圧縮比を一定に保持し た状態で機関負荷が低くなるにつれて機械圧縮比を増大すると共に 吸気弁の閉弁時期を遅くするようにした火花点火式内燃機関が公知 である （例えば特開 2 0 0 4— 2 1 8 5 2 2号公報を参照） 。

しかしながらこの文献は機関負荷が低いときの実圧縮比について 何ら言及していない。

発明の開示

本発明の目的は安定した燃焼を維持することのできる火花点火式 内燃機関を提供することにある。

本発明によれば、 機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、 吸 気弁の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構と、 吸入空 気量を制御するために機関吸気通路内に配置されたスロッ トル弁と を具備しており、 機関低負荷運転時には機関高負荷運転時に比べて 機械圧縮比が高くされると共に機関低負荷運転時には一部の運転領 域又は全ての運転領域において実圧縮比が機関高負荷運転時に比べ て低下せしめられ、 機関低負荷運転時において少く とも実庄縮比が 機関高負荷運転時に比べて低下せしめられているときにはスロッ ト ル弁が閉弁せしめられる火花点火式内燃機関が提供される。 図面の簡単な説明

図 1 は火花点火式内燃機関の全体図、 図 2は可変圧縮比機構の分 解斜視図、 図 3は図解的に表した内燃機関の側面断面図、 図 4は可 変バルブタイミング機構を示す図、 図 5は吸気弁および排気弁のリ フ ト量を示す図、 図 6は機械圧縮比、 実圧縮比および膨張比を説明 するための図、 図 7は理論熱効率と膨張比との関係を示す図、 図 8 は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、 図 9は機関負荷に応じた機械圧縮比等の変化を示す図、 図 1 0は機 関負荷に応じた機械圧縮比等の変化を示す図、 図 1 1は運転制御を 行うためのフローチャート、 図 1 2は吸気弁の閉弁時期等のマップ を示す図である。 発明を実施するための最良の形態

図 1 に火花点火式内燃機関の側面断面図を示す。

図 1 を参照すると、 1 はクランクケース、 2はシリンダブロック 、 3はシリ ンダヘッ ド、 4はピス トン、 5は燃焼室、 6は燃焼室 5 の頂面中央部に配置された点火栓、 7は吸気弁、 8は吸気ポート、 9は排気弁、 1 0は排気ポートを夫々示す。 吸気ポート 8は吸気枝 管 1 1 を介してサージタンク 1 2に連結され、 各吸気枝管 1 1 には 夫々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 1 3が配置される。 なお、 燃料噴射弁 1 3は各吸気枝管 1 1 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 1 2は吸気ダク ト 1 4を介してエアクリーナ 1 5に 連結され、 吸気ダク ト 1 4内にはァクチユエ一夕 1 6 によって駆動 されるスロッ トル弁 1 7 と例えば熱線を用いた吸入空気量検出器 1 8 とが配置される。 一方、 排気ポート 1 0は排気マニホルド 1 9を 介して例えば三元触媒を内蔵した触媒コンバ一夕 2 0 に連結され、 排気マニホルド 1 9内には空燃比センサ 2 1が配置される。

一方、 図 1 に示される実施例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 能な実庄縮作用開始時期変更機構 Bが設けられている。 なお、 図 1 に示される実施例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。 電子制御ユニッ ト 3 0はデジタルコンピュータからなり、 双方向 性バス 3 1 によって互いに接続された R〇 M (リードオンリメモリ ) 3 2 、 R A M (ランダムアクセスメモリ） 3 3 、 C P U (マイク 口プロセッサ） 3 4、 入力ポート 3 5および出力ポート 3 6 を具備 する。 吸入空気量検出器 1 8の出力信号および空燃比センサ 2 1の 出力信号は夫々対応する A D変換器 3 7 を介して入力ポート 3 5に 入力される。 また、 ァ'クセルペダル 4 0にはアクセルペダル 4 0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 4 1が接続さ れ、 負荷センサ 4 1 の出力電圧は対応する A D変換器 3 7 を介して 入力ポート 3 5 に入力される。 更に入力ポート 3 5にはクランクシ ャフ トが例えば 3 0 ° 回転する毎に出力パルスを発生するクランク 角センサ 4 2が接続される。 一方、 出力ポート 3 6は対応する駆動 回路 3 8を介して点火栓 6、 燃料噴射弁 1 3、 スロッ トル弁駆動用 ァクチユエ一夕 1 6、 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 5 0が形成されており、 各突出部 5 0内には 夫々断面円形のカム挿入孔 5 1が形成されている。 一方、 クランク ケース 1の上壁面上には互いに間隔を隔てて夫々対応する突出部 5 0の間に嵌合せしめられる複数個の突出部 5 2が形成されており、 これらの各突出部 5 2内にも夫々断面円形のカム挿入孔 5 3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 5 4， 5 5が設けられ ており、 各カムシャフ ト 5 4 , 5 5上には一つおきに各カム揷入孔 5 1内に回転可能に挿入される円形カム 5 6が固定されている。 こ れらの円形カム 5 6は各カムシャフ 卜 5 4， 5 5の回転軸線と共軸 をなす。 一方、 各円形カム 5 6間には図 3においてハツチングで示 すように各カムシャフ ト 5 4 , 5 5の回転軸線に対して偏心配置さ れた偏心軸 5 7が延びており、 この偏心軸 5 7上に別の円形カム 5 8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 5 8は各円形カム 5 6間に配置されており、 これら 円形カム 5 8は対応する各カム挿入孔 5 3内に回転可能に挿入され ている。

図 3 ( A ) に示すような状態から各カムシャフ ト 5 4， 5 5上に 固定された円形カム 5 6 を図 3 ( A ) において実線の矢印で示され る如く互いに反対方向に回転させると偏心軸 5 7が下方中央に向け て移動するために円形カム 5 8がカム揷入孔 5 3内において図 3 ( A ) の破線の矢印に示すように円形カム 5 6 とは反対方向に回転し 、 図 3 ( B ) に示されるように偏心軸 5 7が下方中央まで移動する と円形カム 5 8の中心が偏心軸 5 7の下方へ移動する。

図 3 ( A ) と図 3 ( B ) とを比較するとわかるようにクランクケ ース 1 とシリンダブロック 2の相対位置は円形カム 5 6の中心と円 形カム 5 8の中心との距離によって定まり、 円形カム 5 6の中心と 円形カム 5 8の中心との距離が大きくなるほどシリンダブロック 2 はクランクケース 1から離れる。 シリ ンダブロック 2がクランクケ ース 1から離れるとピス トン 4が圧縮上死点に位置するときの燃焼 室 5の容積は増大し、 従って各カムシャフ ト 5 4 , 5 5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 5 4 , 5 5 を夫々反対方向 に回転させるために駆動モータ 5 9の回転軸には夫々螺旋方向が逆 向きの一対のウォームギア 6 1 , 6 2が取付けられており、 これら ウォームギア 6 1 , 6 2 と嚙合する歯車 6 3 , 6 4が夫々各力ムシ ャフ ト 5 4， 5 5の端部に固定されている。 この実施例では駆動モ 一夕 5 9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つて変更することができる 。 なお、 図 1から図 3に示される可変圧縮比機構 Aは一例を示すも のであっていかなる形式の可変圧縮比機構でも用いることができる 一方、 図 4は図 1 において吸気弁 Ί を駆動するためのカムシャフ ト 7 0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 7 1 と、 タイミングブーリ 7 1 と一緒に 回転する円筒状八ウジング 7 2 と、 吸気弁駆動用カムシャフ ト 7 0 と一緒に回転しかつ円筒状ハウジング 7 2に対して相対回転可能な 回転軸 7 3 と、 円筒状ハウジング 7 2の内周面から回転軸 7 3の外 周面まで延びる複数個の仕切壁 7 4と、 各仕切壁 7 4の間で回転軸 7 3の外周面から円筒状ハウジング 7 2の内周面まで延びるベーン 7 5 とを具備しており、 各べーン 7 5の両側には夫々進角用油圧室 7 6 と遅角用油圧室 7 7 とが形成されている。

各油圧室 7 6 , 7 7への作動油の供給制御は作動油供給制御弁 7 8 によって行われる。 この作動油供給制御弁 7 8は各油圧室 7 6 ,

7 7に夫々連結された油圧ポート 7 9 , 8 0 と、 油圧ポンプ 8 1か ら吐出された作動油の供給ポート 8 2 と、 一対のドレインポート 8 3， 8 4と、 各ポート 7 9， 8 0， 8 2， 8 3， 8 4間の連通遮断 制御を行うスプール弁 8 5 とを具備している。

吸気弁駆動用カムシャフ ト 7 0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 8 5が右方に移動せしめられ、 供給ポート

8 2から供給された作動油が油圧ポート 7 9を介して進角用油圧室 7 6に供給されると共に遅角用油圧室 7 7内の作動油がドレインポ —ト 8 4から排出される。 このとき回転軸 7 3は円筒状ハウジング 7 2 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 7 0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 8 5が左方に移動せしめられ 、 供給ポート 8 2から供給された作動油が油圧ポ一ト 8 0を介して 遅角用油圧室 7 7に供給されると共に進角用油圧室 7 6内の作動油 がドレインポート 8 3から排出される。 このとき回転軸 7 3は円筒 状ハウジング 7 2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 7 3が円筒状ハウジング 7 2 に対して相対回転せしめられ ているときにスプール弁 8 5が図 4に示される中立位置に戻される と回転軸 7 3の相対回転動作は停止せしめられ、 回転軸 7 3はその ときの相対回転位置に保持される。 従って可変バルブタイミング機 構 Bによって吸気弁駆動用カムシャフ ト 7 0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 7 0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 7 0のカムの位相が 最も遅角されているときを示している。 従って吸気弁 7の開弁期間 は図 5において実線で示す範囲と破線で示す範囲との間で任意に設 定することができ、 従って吸気弁 7の閉弁時期も図 5 において矢印 Cで示す範囲内の任意のクランク角に設定することができる。

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 5 0 mlでピス トンの行程容積が 5 0 0 ml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 （ 5 0 ml + 5 0 0 ml ) / 5 0 ml = 1 1 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） Z燃焼室容積で表され る。 即ち、 図 6 (B) に示されるように圧縮行程においてピス トン が上昇を開始しても吸気弁が開弁している間は圧縮作用は行われず 、 吸気弁が閉弁したときから実際の圧縮作用が開始される。 従って 実圧縮比は実際の行程容積を用いて上記の如く表される。 図 6 (B ) に示される例では実圧縮比は （ 5 0ml+ 4 5 0iiil) / 5 0 ml= 1 0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） Z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 （ 5 0ml+ 5 0 0ml) / 5 0 ml= 1 1 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最も基本となつ ている特徴について説明する。 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 5 0mlとされ、 ピストンの行 程容積が 5 0 0 ml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 （ 5 0 ml+ 5 0 0 ml) / 5 0 ml= 1 1 であり、 実圧縮比もほぼ 1 1であり、 膨張比も （ 5 0 ml+ 5 0 0 ml ) / 5 0 ml = 1 1 となる。 即ち、 通常の内燃機関では機械圧縮比と 実圧縮比と膨張比とがほぼ等しくなる。

図 7における実線は実圧縮比と膨張比とがほぼ等しい場合の、 即 ち通常のサイクルにおける理論熱効率の変化を示している。 この場 合には膨張比が大きくなるほど、 即ち実圧縮比が高くなるほど理論 熱効率が高くなることがわかる。 従って通常のサイクルにおいて理 論熱効率を高めるには実圧縮比を高くすればよいことになる。 しか しながら機関高負荷運転時におけるノッキングの発生の制約により 実圧縮比は最大でも 1 2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本発明者は機械圧縮比と実圧縮比とを 厳密に区分して理論熱効率を高めることについて検討し、 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を見い出したのである。 即ち、 実圧縮比を 高くすると爆発力は高まるが圧縮するために大きなエネルギーが必 要となり、 斯く して実圧縮比を高めても理論熱効率はほとんど高く ならない。

これに対し、 膨張比を大きくすると膨張行程時にピス トンに対し 押下げ力が作用する期間が長くなり、 斯く してピス トンがクランク シャフ トに回転力を与えている期間が長くなる。 従って膨張比は大 きくすれば大きくするほど理論熱効率が高くなる。 図 7の破線 ε = 1 0は実圧縮比を 1 0 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、 従って実圧縮比を低い値に維持した状態で膨張 比を高くするとノッキングの発生を阻止しつつ理論熱効率を大巾に 高めることができる。 図 8 (B) は可変圧縮比機構 Aおよび可変バ ルブタイミング機構 Bを用いて、 実圧縮比を低い値に維持しつつ膨 張比を高めるようにした場合の一例を示している。

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 5 0 mlから 2 0 ml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 5 0 0 ml から 2 0 0 ml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 （ 2 0 ml + 2 0 0 ml) / 2 0 ml - 1 1 とな り、 膨張比は （2 0ml+ 5 0 0ml) / 2 0ml= 2 6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 1 1で膨張比が 1 1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 2 6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、 従って機関運転時における熱効率を向上させるためには、 即ち 燃費を向上させるには機関負荷が低いときの熱効率を向上させるこ とが必要となる。 一方、 図 8 (B) に示される超高膨張比サイクル では圧縮行程時の実際のピス トン行程容積が小さくされるために燃 焼室 5内に吸入しうる吸入空気量は少なくなり、 従ってこの超高膨 張比サイクルは機関負荷が比較的低いときにしか採用できないこと になる。 従って本発明では機関負荷が比較的低いときには図 8 (B ) に示す超高膨張比サイクルとし、 機関高負荷運転時には図 8 (A ) に示す通常のサイクルとするようにしている。

次に図 9を参照しつつ運転制御全般について説明する。 図 9 には或る機関回転数における機関負荷に応じた機械圧縮比、 膨張比、 吸気弁 7の閉弁時期、 実圧縮比、 吸入空気量、 スロッ トル 弁 1 7の開度およびボンビング損失の各変化が示されている。 なお 、 本発明による実施例では触媒コンバ一夕 2 0内の三元触媒によつ て排気ガス中の未燃 H C， C Oおよび N O _xを同時に低減しうるよ うに通常燃焼室 5内における平均空燃比は空燃比センサ 2 1 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。

さて、 前述したように機関高負荷運転時には図 8 ( A ) に示され る通常のサイクルが実行される。 従って図 9 に示されるようにこの ときには機械圧縮比は低くされるために膨張比は低く、 図 9におい て実線で示されるように吸気弁 7の閉弁時期は図 5において実線で 示される如く早められている。 また、 このときには吸入空気量は多 く、 このときスロッ トル弁 1 7の開度は全開又はほぼ全開に保持さ れているのでボ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、 従って機関負荷が低くなるにつれて膨張比も増大される。 なお 、 このときにもスロッ トル弁 1 7は全開又はほぼ全開状態に保持さ れており、 従って燃焼室 5内に供給される吸入空気量はスロッ トル 弁 1 7 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。 このときにもボンビング損失は零となる。

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。 即ち、 吸入空気量の減少に比例してピス トン 4が圧縮上死点に達したときの燃焼室 5の容積が減少せしめら れる。 従ってピス トン 4が圧縮上死点に達したときの燃焼室 5の容 積は吸入空気量に比例して変化していることになる。 なお、 このと き燃焼室 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 まで低下すると機械圧縮比は 燃焼室 5の構造上限界となる限界機械圧縮比に達する。 機械圧縮比 が限界機械圧縮比に達すると、 機械圧縮比が限界機械圧縮比に達し たときの機関負荷 よりも負荷の低い領域では機械圧縮比が限界 機械圧縮比に保持される。 従って低負荷側の機関中負荷運転時およ び機関低負荷運転時には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 に示される実施例では機関負荷が 1^より低くなつて も図 9において実線で示されるように吸気弁 7の閉弁時期は機関負 荷が低くなるにつれて遅らされ、 機関負荷が L ₂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 L ₂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に示される実施例ではこのとき、 即ち吸気弁 7の閉弁時期 が限界閉弁時期に達したときの機関負荷 L ₂よりも負荷の低い領域 ではスロッ トル弁 1 7 によって燃焼室 5内に供給される吸入空気量 が制御される。 ただし、 スロッ トル弁 1 7による吸入空気量の制御 が行われると図 9に示されるようにボンビング損失が増大する。 一方、 図 9に示されるように機関負荷が L ,より高いとき、 即ち 高負荷側の機関中負荷運転時および機関高負荷運転時には実圧縮比 は同一の機関回転数に対してはほぼ同一の実圧縮比に維持される。 これに対し、 機関負荷が L ₂よりも低いとき、 即ち機械圧縮比が限 界機械圧縮比に保持されているときには実圧縮比は吸気弁 7の閉弁 時期によって決まり、 機関負荷が L iと L ₂の間におけるように吸気 弁 7の閉弁時期が遅らされると実圧縮比は低下し、 機関負荷が L ₂ よりも低い運転領域におけるように吸気弁 7の閉弁時期が限界閉弁 時期に保持されると実圧縮比は一定に維持される。

従って図 9に示される実施例では機関負荷が よりも低い低負 荷側の機関中負荷運転時および機関低負荷運転時には実圧縮比が機 関高負荷運転時の実圧縮比に比べて低下せしめられている。 ところ でこのように実圧縮比が低下すると圧縮端における燃焼室 5内の温 度が低下し、 燃料の着火および燃焼が悪化する。 ところがこの場合 、 スロッ トル弁 1 7 を閉弁するとスロッ トル弁 1 7による吸入空気 流の絞り作用によって燃焼室 5内に乱れが発生し、 斯く して燃料の 着火および燃焼を向上することができる。

一方、 機関負荷が L ₂よりも低い運転領域ではスロッ トル弁 1 7 を全開に保持した状態で機関負荷が低くなるほど空燃比を大きくす ることによって運転制御することもできる。 しかしながら本発明で は燃料の着火および燃焼を向上するために図 9に示されるように実 圧縮比が低下したときにはスロッ トル弁 1 7を閉弁せしめることに より運転制御するようにしている。

図 1 0に示される実施例では機関負荷が L ,より低くなつても L ₃ よりも高い間は吸気弁 7の閉弁期間が一定に保持され、 この間スロ ッ トル弁 1 7が閉弁せしめられる。 一方、 機関負荷が L ₃より も低 くなると L ₂まで、 即ち吸気弁 7の閉弁時期が限界閉弁時期に達す るまで吸気弁 7の閉弁時期が遅らされる。 即ち、 この実施例では吸 気弁 7の閉弁時期は機関負荷が低くなるにつれ遅らされる間に機関 負荷が変化しても吸気弁 7の閉弁時期が変化せしめられない負荷領 域 L ₃〜L ,が存在し、 この負荷領域 L ₃〜 L ,内ではスロッ トル弁 1 7 により吸入空気量が制御される。

ところでこの実施例ではこの負荷領域 L ₃〜 1^よりも負荷の高い 領域ではス口ッ トル弁 1 7が全開状態に保持されており、 機関負荷 が L ₃よりも低い運転領域では実圧縮比が機関高負荷運転時に比べ て低下せしめられる。 この実施例においてもこのように実圧縮比が 低下せしめられたときにはスロッ トル弁 1 7が閉弁せしめられる。 従って本発明では、 機関低負荷運転時には一部の運転領域又は全 ての運転領域において実圧縮比が機関高負荷運転時に比べて低下せ しめられ、 機関低負荷運転時において少く とも実圧縮比が機関高負 荷運転時に比べて低下せしめられているときにはスロッ トル弁 1 7 が閉弁せしめられることになる。

もう少し具体的に言うと、 本発明では機械圧縮比が限界機械圧縮 比に達したときの機関負荷 よりも負荷の低い運転領域では運転 領域の一部又は全部においてこの運転領域よりも負荷の高い運転領 域に比べ実圧縮比が低下せしめられ、 このように実圧縮比が低下せ しめられたときにスロッ トル弁 1 7が閉弁せしめられる。

なお、 本発明による実施例では図 9および図 1 0からわかるよう に機械圧縮比が限界機械圧縮比に達したときの機関負荷 L ,より も 負荷の低い運転領域では吸気弁 7の閉弁時期およびスロッ トル弁 1 7の開度のいずれか一方を制御することにより吸入空気量が制御さ れる。

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 2 6 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 2 0以上であればかなり高い理論熱効率を得ることができる。 従って 本発明では膨張比が 2 0以上となるように可変圧縮比機構 Αが形成 されている。

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つてもスロッ トル弁 1 7に よらずに吸入空気量を制御することができる。 従って、 図 9におい て実線で示される場合と破線で示される場合とをいずれも包含しう るように表現すると、 本発明による実施例では吸気弁 7の閉弁時期 は、 機関負荷が低くなるにつれて、 燃焼室内に供給される吸入空気 量を制御しうる限界閉弁時期 L ₂まで吸気下死点 B D Cから離れる 方向に移動せしめられることになる。

図 1 1 に運転制御ルーチンを示す。 図 1 1 を参照するとまず初め にステップ 1 0 0 において目標実圧縮比が算出される。 次いでステ ップ 1 0 1では図 1 2 ( A ) に示すマップから吸気弁 7の閉弁時期 I Cが算出される。 即ち、 要求吸入空気量を燃焼室 5内に供給する のに必要な吸気弁 7の閉弁時期 I Cが機関負荷 Lおよび機関回転数 Nの関数として図 1 2 ( A ) に示すようなマップの形で予め R O M 3 2内に記憶されており、 このマップから吸気弁 7の閉弁時期 I C が算出される。

次いでステップ 1 0 2では機械圧縮比 C Rが算出される。 次いで ステップ 1 0 3ではスロッ トル弁 1 7 の開度が算出される。 このス ロッ トル弁 1 7の開度 Θは機関負荷 Lおよび機関回転数 Nの関数と して図 1 2 ( B ) に示すようなマップの形で予め R O M 3 2内に記 憶されている。 次いでステップ 1 0 4では機械圧縮比が機械圧縮比 C Rとなるように可変圧縮比機構 Aが制御され、 吸気弁 7の閉弁時 期が閉弁時期 I Cとなるように可変バルブ夕イミング機構 Bが制御 され、 スロッ トル弁 1 7の開度が開度 Θ となるようにスロッ トル弁 1 7が制御される。

Claims

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、 吸入空気量を制御す るために機関吸気通路内に配置されたスロッ トル弁とを具備してお り、 機関低負荷運転時には機関高負荷運転時に比べて機械圧縮比が 請

高くされると共に機関低負荷運転時には一部の運転領域又は全ての 運転領域において実圧縮比が機関高負荷運転時に比べて低下せしめ られ、 機関低負荷運転時において少く とも実圧縮比が機関高負荷運 転時に比べて低下せしめられているときにはスロッ トル弁が閉弁せ しめられる火花点火式内燃機関。

囲

2 . 機関低負荷運転時には機械圧縮比が最大機械圧縮比とされる 請求項 1 に記載の火花点火式内燃機関。

3 . 機械低負荷運転時には膨張比が 2 0以上とされる請求項 1 に 記載の火花点火式内燃機関。

4 . 上記機械圧縮比は機関負荷が低くなるにつれて限界機械圧縮 比まで増大せしめられ、 該機械圧縮比が該限界機械圧縮比に達した ときの機関負荷よりも負荷の低い領域では機械圧縮比が該限界機械 圧縮比に保持される請求項 1 に記載の火花点火式内燃機関。

5 . 上記機械圧縮比が上記限界機械圧縮比に達したときの機関負 荷よりも負荷の低い運転領域では該運転領域の一部又は全部におい て該運転領域よりも負荷の高い運転領域に比べ実圧縮比が低下せし められる請求項 4に記載の火花点火式内燃機関。

6 . 上記機械圧縮比が上記限界機械圧縮比に達したときの機関負 荷よりも負荷の低い運転領域では吸気弁の閉弁時期およびスロッ ト ル弁の開度のいずれか一方を制御することにより吸入空気量が制御 される請求項 4に記載の火花点火式内燃機関。

7 . 機関高負荷運転時にはスロッ トル弁が全開状態に保持される 請求項 1 に記載の火花点火式内燃機関。

8 . 吸気弁の閉弁時期は、 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まで吸気下死 点から離れる方向に移動せしめられる請求項 1 に記載の火花点火式 内燃機関。

9 . 吸気弁の閉弁時期が上記限界閉弁時期に達したときの機関負 荷よりも負荷の高い領域ではスロッ トル弁が全開状態に保持される 請求項 8 に記載の火花点火式内燃機関。

1 0 . 吸気弁の閉弁時期が上記限界閉弁時期に達したときの機関 負荷よりも負荷の低い領域ではスロッ トル弁により吸入空気量が制 御される請求項 8に記載の火花点火式内燃機関。

1 1 . 吸気弁の閉弁時期は機関負荷が低くなるにつれ吸気下死点 から離れる方向に移動せしめられる間に機関負荷が変化しても吸気 弁の閉弁時期が変化せしめられない負荷領域が存在し、 該負荷領域 内ではスロッ トル弁により吸入空気量が制御される請求項 8に記載 の火花点火式内燃機関。

1 2 . 上記負荷領域より も負荷の高い領域ではスロッ トル弁が全 開状態に保持される請求項 1 1 に記載の火花点火式内燃機関。