JP4367547B2 - 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（例えば特許文献１を参照）。
特開２００４−２１８５２２号公報

ところで後で詳細に説明するようにこのような内燃機関では熱効率の高くなる空燃比が機械圧縮比に応じて異なることが判明し、従って熱効率を高めるには機械圧縮比に応じて空燃比を適切に選択する必要がある。しかしながら上述の特許文献１はこのようなことについて何ら言及していない。

従って本発明によれば、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を具備しており、機関低負荷運転側で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高負荷運転側では機械圧縮比は機関負荷が高くなるにつれて徐々に減少せしめられ、第１の空燃比による燃焼と第１の空燃比よりも大きな第２の空燃比による燃焼とが選択的に行われ、機関高負荷運転側では第１の空燃比による燃焼が行われ、機関低負荷運転側では機械圧縮比が予め定められた基準値よりも低いときには第２の空燃比による燃焼が行われる共に機械圧縮比が予め定められた基準値よりも高いときには第１の空燃比による燃焼が行われる。

熱効率を向上するために機関高負荷運転側では熱効率の高い第１の空燃比が用いられ、機関低負荷運転側では熱効率の高い第２の空燃比の使用が許可される。

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、１０は排気ポートを夫々示す。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吸入空気量検出器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。

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。吸入空気量検出器１８の出力信号および空燃比センサ２１の出力信号は夫々対応する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を介して点火栓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内には夫々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夫々対応する突出部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内にも夫々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５１内に回転可能に挿入される円形カム５６が固定されている。これらの円形カム５６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５６間には図３においてハッチングで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５８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５８は各円形カム５６間に配置されており、これら円形カム５８は対応する各カム挿入孔５３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５４，５５上に固定された円形カム５６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５７が下方中央に向けて移動するために円形カム５８がカム挿入孔５３内において図３（Ａ）の破線の矢印に示すように円形カム５６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が下方中央まで移動すると円形カム５８の中心が偏心軸５７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５６の中心と円形カム５８の中心との距離によって定まり、円形カム５６の中心と円形カム５８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を夫々反対方向に回転させるために駆動モータ５９の回転軸には夫々螺旋方向が逆向きの一対のウォームギア６１，６２が取付けられており、これらウォームギア６１，６２と噛合する歯車６３，６４が夫々各カムシャフト５４，５５の端部に固定されている。この実施例では駆動モータ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。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の両側には夫々進角用油圧室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に夫々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。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。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。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（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最も基本となっ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。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、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を参照しつつ代表的な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１７の開度およびポンピング損失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。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１７の開度は全開又はほぼ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、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１７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。このときにもポンピ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機械圧縮比に達する。機械圧縮比が最大機械圧縮比に達すると、機械圧縮比が最大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即ち、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に示される実施例では機関負荷がＬ₁より低くなっても図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Ｌ₂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Ｌ₂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Ｌ₂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る。ただし、スロットル弁１７による吸入空気量の制御が行われると図９に示されるようにポンピ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Ｌ₁より高い機関高負荷運転側で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Ｌ₂よりも低いとき、即ち機械圧縮比が最大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Ｌ₁とＬ₂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Ｌ₂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。

次に図１０および図１１を参照しつつ理論熱効率および正味熱効率について説明する。図１０において実線Ａは機械圧縮比を限りなく大きくした場合を示している。機械圧縮比Ａを大きくしていくと、即ち膨張比を大きくしていくと膨張行程の末端における、即ち排気弁９が開弁したときの燃焼室５内の圧力が徐々に低下し、終いには大気圧となる。このときが図１０においてＢで示されている。

一方、図１０において実線Ｃは機械圧縮比Ａを限りなく大きくしたときの理論熱効率の変化を示している。図１０に示されるように理論熱効率Ｃは機械圧縮比Ａが増大するにつれて、即ち膨張比が増大するにつれて大きくなるがこの理論空燃比ＣはＢ点を越えると低下しはじめる。即ち、機械圧縮比ＡがＢ点を越えると膨張行程の末端における燃焼室５内の圧力が大気圧以上となり、その結果理論熱効率Ｃが低下することになる。

従って高い熱効率を得るには機械圧縮比ＡがＢ点を大きく越えないことが必要であり、通常最大機械圧縮比はＢ点を越えない値とされる。因みに図１０に示される例では最大機械圧縮比が破線Ｄで示される値とされている。

一方、図１０において破線Ｅは機械圧縮比Ａが最大機械圧縮比Ｄになったときに吸気弁７の閉弁時期を変化させることによって吸入空気量を制御した場合の実圧縮比の変化を示しており、破線Ｆは機械圧縮比Ａが最大機械圧縮比Ｄになったときにスロットル弁１７によって吸入空気量を制御した場合の実圧縮比の変化を示している。

また、図１０において破線Ｇは機械圧縮比Ａが最大機械圧縮比Ｄになったときに吸気弁７の閉弁時期を変化させることによって吸入空気量を制御した場合の理論熱効率の変化を示しており、破線Ｈは機械圧縮比Ａが最大機械圧縮比Ｄになったときにスロットル弁１７によって吸入空気量を制御した場合の理論熱効率の変化を示している。

吸気弁７の閉弁時期を変化させることによって吸入空気量を制御した場合には機関負荷が低下するほど実圧縮比Ｅが低下するので機関負荷が低下するほど理論熱効率Ｇが低下する。これに対し、スロットル弁１７により吸入空気量を制御した場合には機関負荷にかかわらず実圧縮比Ｆが一定に維持されるので機関負荷にかかわらずに理論熱効率Ｈは一定に維持される。

図１１には図１０に示される理論熱効率に加えてポンピング損失と正味熱効率が示されている。機械圧縮比が最大機械圧縮比Ｄに維持されているときにはスロットル弁１７により吸入空気量を制御したときの理論熱効率Ｈは理論熱効率Ｇよりも高くなる。しかしながらスロットル弁１７に吸入空気量を制御すると図１１においてＩで示されるようにポンピング損失が発生する。

このポンピング損失を考慮すると図１１に示されるように吸気弁７の閉弁時期を変化させることにより吸入空気量を制御した場合の正味熱効率Ｊはスロットル弁１７により吸入空気量を制御したときの正味熱効率Ｋよりも高くなる。図９に示される例では機械圧縮比が最大機械圧縮比Ｄに維持されているときに機関負荷が低くなると吸入空気量の制御が吸気弁７の閉弁時期による制御からスロットル弁１７による制御に切換わるので正味熱効率は実線Ｌで示されるように変化することになる。

図１２は、第１の空燃比による燃焼と、第１の空燃比よりも大きな第２の空燃比による燃焼とが行われた場合の機械圧縮比、吸気弁７の閉弁時期、実圧縮比、理論熱効率および正味熱効率の変化を示している。なお、第１の空燃比は例えば理論空燃比であって図１２において破線で示されており、第２の空燃比は例えばリーン空燃比であって図１２において実線で示されている。

図９に示す例は理論空燃比による燃焼が行われた場合を示しており、従って図１１において破線で示される機械圧縮比、吸気弁７の閉弁時期および実圧縮比の変化は図９において実線で示される機械圧縮比、吸気弁７の閉弁時期および実圧縮比の変化と同じである。なお、理論空燃比による燃焼が行われたときの理論熱効率および正味熱効率が図１２において破線に示されるように変化することは図１０および図１１に基き既に行った説明から容易に理解できると思われる。

さて、図１２において横軸の負荷は燃料噴射量を表している。ここで同一負荷のもとで、即ち燃料噴射量が同一のもとで空燃比を理論空燃比にする場合とリーン空燃比にする場合とを考えてみると、リーン空燃比にする場合には理論空燃比にする場合に比べて吸入空気量を多くしなければならないことになる。従って図１２に示されるように同一負荷のもとではリーン空燃比のときの吸気弁７の閉弁時期は実線に示されるように吸入空気量を増大すべく破線で示される理論空燃比の場合に比べて早められることになる。

吸気弁７の閉弁時期が早められると実圧縮比が増大する。従ってこのとき図１２に示されるように機関高負荷運転側では実圧縮比を理論空燃比のときと同一に保持すべくリーン空燃比時には実線で示されるように機械圧縮比が理論空燃比の場合に比べて低下せしめられる。機械圧縮比が低下せしめられると膨張比が低下するために図１２において実線で示されるように理論熱効率および正味熱効率が低下することになる。即ち、機関高負荷運転側では理論空燃比のときにはリーン空燃比のときに比べて正味熱効率が高くなる。

一方、前述したように機械圧縮比が最大機械圧縮比に維持されているときには吸気弁７の閉弁時期が遅らされるほど実圧縮比が低下する。一方、機械圧縮比が最大機械圧縮比よりも低いときには理論空燃比であってもリーン空燃比であっても機械圧縮比は実圧縮比が一定値となるように変化するので図１２に示されるようにリーン空燃比のときの機械圧縮比の変化パターンは理論空燃比のときの機械圧縮比の変化パターンに比べて左側にずれた形となる。

従って図１２に示されるように機械圧縮比が最大機械圧縮比となる機関低負荷運転側では膨張比が同一のもとでリーン空燃比のときの実圧縮比が理論空燃比のときの実圧縮比に比べて高くなる。従って機関低負荷運転側ではリーン空燃比のときが理論空燃比のときに比べて理論熱効率および正味熱効率が高くなる。従って正味熱効率から考えると、機関高負荷運転側ではリーン空燃比、即ち第２の空燃比による燃焼を禁止するのが好ましく、第２の燃焼を行い得るのは機関低負荷運転側だけとなる。

そこで本発明では第１の空燃比による燃焼と第１の空燃比よりも大きな第２の空燃比による燃焼とが選択的に行われ、機関高負荷運転側では第２の空燃比による燃焼が禁止され、機械圧縮比が最大機械圧縮比になったときに第２の空燃比による燃焼を許可するようにしている。

ところで、本発明による第１実施例では機械圧縮比が最大機械圧縮比になったときには第２の空燃比による燃焼を行うようにしている。もう少し具体的に言うとこの第１実施例では第２の空燃比のときに機械圧縮比が最大となる負荷領域において第２の空燃比による燃焼を行うようにしている。図１３はこの第１実施例を実行するための運転制御ルーチンを示している。

図１３を参照するとまず初めにステップ１００において機械圧縮比が第２の空燃比、即ちリーン空燃比のもとで最大機械圧縮比となる負荷領域であるか否かが判別される。機械圧縮比が最大圧縮比となる負荷領域でないときにはステップ１０１に進んで第１の空燃比、例えば理論空燃比のもとで燃焼が行われる。

即ち、ステップ１０１では目標実圧縮比ＰＣが算出される。次いでステップ１０２では図１４（Ａ）に示すマップから吸気弁７の閉弁時期ＩＣが算出される。即ち、空燃比が理論空燃比のときに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ＩＣが機関負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数として図１４（Ａ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２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ＩＣが算出される。

次いでステップ１０３では機械圧縮比ＣＲが算出される。次いでステップ１０４ではスロットル弁１７の開度が算出される。空燃比が理論空燃比のときのスロットル弁１７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１４（Ｂ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。次いでステップ１０９では機械圧縮比が機械圧縮比ＣＲ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ＩＣとなるように可変バルブタイミング機構Ｂが制御され、スロットル弁１７の開度が開度θとなるようにスロットル弁１７が制御される。

これに対し、ステップ１００において機械圧縮比が第２の空燃比、即ちリーン空燃比のもとで最大圧縮比となる負荷領域であると判別されたときにはステップ１０５に進んでリーン空燃比のもとで燃焼が行われる。即ち、ステップ１０５では目標実圧縮比ＰＣ′が算出される。次いでステップ１０６では図１５（Ａ）に示すマップから吸気弁７の閉弁時期ＩＣ′が算出される。即ち、空燃比がリーン空燃比のときに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ＩＣ′が機関負荷Ｌおよび機関回転数Ｎの関数として図１５（Ａ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２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ＩＣ′が算出される。

次いでステップ１０７では機械圧縮比ＣＲ′が算出される。次いでステップ１０８ではスロットル弁１７の開度が算出される。空燃比がリーン空燃比のときのスロットル弁１７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１５（Ｂ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。次いでステップ１０９では機械圧縮比が機械圧縮比ＣＲ′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ＩＣ′となるように可変バルブタイミング機構Ｂが制御され、スロットル弁１７の開度が開度θ′となるようにスロットル弁１７が制御される。

さて、機関回転数が高くなると燃焼室５内に発生する乱れが強くなり、その結果機械圧縮比を高くしてもノッキングが発生しずらくなる。従って本発明による実施例では機関回転数が高くなるほど最大機械圧縮比が高くされる。図１２は機関回転数が比較的低いときの機械圧縮比等の変化を示している。これに対し、図１６は機関高回転時における機械圧縮比、理論熱効率および正味熱効率の変化を示している。なお、図１６においても図１２と同様に破線は第１の空燃比、例えば理論空燃比のときを示しており、実線は第２の空燃比、即ちリーン空燃比のときを示している。

図１６からわかるように最大機械圧縮比が高くなると理論熱効率のピークが低負荷側となり、理論空燃比のときに理論熱効率がピークとなる負荷とリーン空燃比のときに理論熱効率がピークとなる負荷との差が小さくなる。その結果、図１６に示されるようにリーン空燃比のときの方が理論空燃比のときに比べて正味熱効率が高くなる領域が極く低負荷の領域だけとなる。このように極く限られた狹い領域だけで正味熱効率が高くなるような場合にはリーン空燃比に切換えても制御が複雑になるだけであまり意味がなくなる。

即ち、リーン空燃比に切換えて意味のあるのは最大機械圧縮比が或る程度小さくなってリーン空燃比に切換えると正味熱効率が高くなる負荷領域が或る程度広くなったときである。そこで本発明による第２実施例では最大機械圧縮比が予め定められた基準値ＣＲ₀（図１６）よりも低いときには機械圧縮比が最大機械圧縮比になったときに第２の空燃比、即ちリーン空燃比による燃焼を行い、最大機械圧縮比が予め定められた基準値ＣＲ₀よりも高いときには機械圧縮比が最大機械圧縮比になったときに第１の空燃比、例えば理論空燃比による燃焼を行うようにしている。

図１７はこの第２実施例を実行するための運転制御ルーチンを示している。
図１７を参照するとまず初めにステップ２００において機械圧縮比が第２の空燃比、即ちリーン空燃比のもとで最大機械圧縮比となる負荷領域であるか否かが判別される。機械圧縮比が最大圧縮比となる負荷領域でないときにはステップ２０１に進んで第１の空燃比、例えば理論空燃比のもとで燃焼が行われる。

即ち、ステップ２０１では目標実圧縮比ＰＣが算出される。次いでステップ２０２では図１４（Ａ）に示すマップから吸気弁７の閉弁時期ＩＣが算出される。次いでステップ２０３では機械圧縮比ＣＲが算出される。次いでステップ２０４では図１４（Ｂ）に示すマップからスロットル弁１７の開度θが算出される。次いでステップ２１０では機械圧縮比が機械圧縮比ＣＲ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ＩＣとなるように可変バルブタイミング機構Ｂが制御され、スロットル弁１７の開度が開度θとなるようにスロットル弁１７が制御される。

これに対し、ステップ２００において機械圧縮比が第２の空燃比、即ちリーン空燃比のもとで最大圧縮比となる負荷領域であると判別されたときにはステップ２０５に進んで最大機械圧縮比ＣＲｍａｘが基準値ＣＲ₀よりも低いか否かが判別される。このときＣＲｍａｘ≧ＣＲ₀であると判別されたときにはステップ２０１に進んで理論空燃比による燃焼が行われる。これに対し、ＣＲｍａｘ＜ＣＲ₀であると判別されたときにはステップ２０６に進んでリーン空燃比のもとで燃焼が行われる。

即ち、ステップ２０６では目標実圧縮比ＰＣ′が算出される。次いでステップ２０７では図１５（Ａ）に示すマップから吸気弁７の閉弁時期ＩＣ′が算出される。次いでステップ２０８では機械圧縮比ＣＲ′が算出される。次いでステップ２０９では図１５（Ｂ）に示すマップからスロットル弁１７の開度θ′が算出される。次いでステップ２１０では機械圧縮比が機械圧縮比ＣＲ′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ＩＣ′となるように可変バルブタイミング機構Ｂが制御され、スロットル弁１７の開度が開度θ′となるようにスロットル弁１７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２６とされる。この膨張比は高いほど好ましいが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。従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。

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。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Ｌ₂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。

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。 理論熱効率を説明するための図である。 正味熱効率を説明するための図である。 空燃比の差による正味熱効率の差を説明するための図である。 運転制御を行うためのフローチャートである。 吸気弁の閉弁時期等のマップを示す図である。 吸気弁の閉弁時期等のマップを示す図である。 最大機械圧縮比の差による正味熱効率の差を説明するための図である。 運転制御を行うためのフローチャートである。

符号の説明

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
７０ 吸気弁駆動用カムシャフト
Ａ 可変圧縮比機構
Ｂ 可変バルブタイミング機構

Claims (5)

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ており、機関低負荷運転側で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高負荷運転側では機械圧縮比は期間負荷が高くなるにつれて徐々に減少せしめられ、第１の空燃比による燃焼と第１の空燃比よりも大きな第２の空燃比による燃焼とが選択的に行われ、機関高負荷運転側では第１の空燃比による燃焼が行われ、機関低負荷運転側では機械圧縮比が予め定められた基準値よりも低いときには第２の空燃比による燃焼が行われると共に機械圧縮比が予め定められた基準値よりも高いときには第１の空燃比による燃焼が行なわれる火花点火式内燃機関。
2. 機械圧縮比は機関低負荷運転側では最大機械圧縮比となり、最大機械圧縮比が予め定められた基準値よりも低いときには機械圧縮比が最大機械圧縮比になったときに第２の空燃比による燃焼が行われ、最大機械圧縮比が予め定められた基準値よりも高いときには機械圧縮比が最大機械圧縮比になったときに第１の空燃比による燃焼が行われる請求項１に記載の火花点火式内燃機関。
3. 機械圧縮比は機関負荷が低くなるにつれて最大機械圧縮比まで増大せしめられ、機械圧縮比が最大機械圧縮比となる機関負荷よりも負荷の低い機関低負荷運転側では機械圧縮比が最大機械圧縮比に維持され、機械圧縮比が最大機械圧縮比となる機関負荷よりも負荷の高い機関高負荷運転側では機関負荷が高くなるにつれて機械圧縮比が徐々に減少せしめられる請求項１に記載の火花点火式内燃機関。
4. 最大機械圧縮比のときに得られる膨張比が２０以上である請求項３に記載の火花点火式内燃機関。
5. 上記第１の空燃比が理論空燃比であり、上記第２の空燃比がリーン空燃比である請求項１に記載の火花点火式内燃機関。

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